JP2007227664A

JP2007227664A - 固体レーザ増幅装置

Info

Publication number: JP2007227664A
Application number: JP2006047212A
Authority: JP
Inventors: Koji Oishi; 浩司大石
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ビーム品質を劣化させることなく、小型で高効率の増幅を行うことができる固体レーザ増幅装置を提供する。
【解決手段】本固体レーザ増幅装置は、入射レーザ光が反射を繰り返しながら伝播する利得媒質２が、６面以上の平面を有する多面体状に形成され、かつ全平面に強反射膜が施された反射面３が形成され、この反射面３のレーザ入射部３ｉとレーザ出射部３ｏを設け、いずれの平面にも平行にならないようにレーザ入射部３ｉからレーザ光が入射され、４面以上の反射面３で多重反射を繰り返しながら均一かつジグザグに伝播され、レーザ出射部３ｏから出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は固体レーザ増幅装置に係り、特に利得媒質が６面以上の面を有する多面体状に形成された固体レーザ増幅装置に関する。

レーザ切断装置、レーザ溶接装置等に用いるのをはじめとして、高出力レーザ光は、産業分野での需要も多く、その利用範囲は年々拡大している。

従来、高出力レーザとしては、出力やビーム品質の面からガスレーザである炭酸ガスレーザが広く、一般的に用いられてきたが、近年はレーザダイオード（ＬＤ）を励起光源として用いたＬＤ励起固体レーザが急激な用途の拡大を示している。

固体レーザはガスレーザに比べて装置の維持が容易であるといった点のほか、パルス発振についてはガスレーザでは困難な短パルス発振が可能であり、産業用のレーザ装置でも、フェムト秒クラスの超短パルス、超高ピーク出力が得られるものが登場している。

このような高ピーク出力、超短パルス固体レーザを用いて、マイクロマシニングやアブレーションといった新たなレーザ加工の分野が開拓されている。

固体レーザで高出力を得るためには、連続発振においては励起光強度をアップすることで可能となるが、高ピーク出力パルス発振においてはレーザ増幅器も用いられる。特に、超短パルス、超高ピーク出力レーザにおいては、ピーク出力が高いとレーザ媒質の破損等が起こるため、レーザ増幅器とパルス拡張器・圧縮機を用いたチャープパルス増幅法などによって超短パルス、超高ピーク出力レーザを得ており、そのような分野においてはレーザ増幅器が必須となっている。

このようなレーザ増幅器は励起状態にある利得媒質中に、レーザ光を通過させることでレーザ光の出力を向上させる装置である。

最も単純なものは利得媒質中を一回通過させるシングルパス増幅であるが、増幅効率を向上するためには、ミラーなどを用いて利得媒質中を複数回通過させるマルチパス増幅が用いられる。

このマルチパス増幅としては、レーザ光を多数回かつ空間的にむらなく増幅器をパスさせる方法が提案されている（特許文献１）。

また、利得媒質中でレーザ光を平面的に多重反射させて伝播経路を長くとるものも提案されている（特許文献２）。

さらに、ジグザグスラブ型の増幅器を用い、利得媒質中での平面的な多重反射を利用して伝播経路の拡張を行う方法も提案されている（特許文献３）。

一般に高出力の増幅を行う場合、発熱による弊害を低減するため、レーザ活性イオンの濃度を低減し、利得媒質のサイズは大きくとられている。そのため、高効率の増幅を行うためには、伝播経路を長く取ることがより重要となる。

利得媒質、レーザ活性イオンはレーザの波長により異なるが、例えば波長１μｍ付近のレーザであれば、Ｎｄ、Ｙｂなどがレーザ活性イオンとして用いられ、ホスト材料としては、ＹＡＧ、ＹＶＯ_４等の単結晶、またはレーザガラスなどが用いられている。

同じ大きさの増幅装置でより高効率な増幅を実現するためには、マルチパスの回数を増やし単位領域当りのレーザ光とレーザ活性イオンの相互作用を増加させなくてはならない。

特許文献２の方法を用いれば、同じ大きさの利得媒質でもより高い効率を得ることが可能となるが、レーザ媒質中におけるレーザ光の伝播経路が均一性でないため高出力動作時には熱分布が生じ、それによって誘起される熱複屈折によるロスや、熱レンズ効果によるビーム品質の劣化が生じてしまう。利得媒質外部にビーム折り返し用のミラーを用いる特許文献１のタイプでは、構造が複雑になるほか、界面での透過ロスが大きくなってしまう。

高出力対応については、特許文献１、３に示すようなレーザ増幅装置で高出力を得るためには、高出力化に従い励起光強度も上がるため、冷却の面からも利得媒質にはある程度の大型化が必要となる。

また、単結晶を利得媒質のホスト材料とした場合、製造方法による制約により口径の大きな材料を得るのが困難である。細長い結晶を得ることはある程度可能であるが、その場合増幅装置も細長い形状となってしまい省スペースの観点からは好ましくない。また、引き上げた結晶中にはひずみ等の欠陥を含む部分も多く、この結晶から大きなサイズの結晶を切り出すと、歩留が著しく低下する。

ガラス系の素材をホスト材料として用いれば、利得媒質のサイズ、形状には自由度が得られるものの、ＹＡＧ等の単結晶素材に比べると熱伝導率が低く、高繰り返しパルス等には不向きである。高出力レーザ装置において、放熱はビーム品質、効率等に影響を与える非常に重要なポイントとなる。
特開２００５−２５１９８１号公報特開２００５−２３６０２２号公報特開２００１−２０３４１０号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ビーム品質を劣化させることなく、小型で高効率の増幅を行うことができる固体レーザ増幅装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る固体レーザ増幅装置は、入射レーザ光が利得媒質内で反射を繰り返しながら伝播する固体レーザ増幅装置であって、前記利得媒質は６面以上の平面を有する多面体状に形成され、かつ前記全平面に強反射膜が施された反射面が形成され、この反射面のうちの第１の反射面に強反射膜を施していないレーザ入射部を設け、第２の反射面には強反射膜を施していないレーザ出射部を設け、いずれの前記平面にも平行にならないように前記レーザ入射部からレーザ光が入射され、４面以上の前記反射面で多重反射を繰り返しながら均一かつジグザグに伝播され、前記レーザ出射部から出射されることを特徴とする。

本発明に係る固体レーザ増幅装置によれば、ビーム品質を劣化させることなく、小型で高効率の増幅を行うことができる固体レーザ増幅装置を提供することができる。

本発明に係る固体レーザ増幅装置の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る固体レーザ増幅装置の平面を示す概念図であり、図２にはその縦断面を示す概念図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の固体レーザ増幅装置１は利得媒質２を備え、この利得媒質２は例えば６面を持つスラブ状で直方体形状に形成され、その６面全てにレーザ光を内部に閉じ込めるための強反射膜（反射率９９％以上）が施された反射面３が形成される。

また、反射面３のうちの第１の面３ａには強反射膜を施していない（反射率５％以下）レーザ入射部３ｉを設け、例えばこの第１の面３ａと対向する第２の面３ｂには強反射膜を施していないレーザ出射部３ｏを設ける。

また、固体レーザ増幅装置１には、例えば利得媒質２を挟むように利得媒質２の面積の広い上面、下面と伝熱的に接触して、冷却用銅製の上側ヒートシンク４、銅製の下側ヒートシンク５が設けられ、上側ヒートシンク４には、その両側に各々励起光導入窓４ｉが設けられる。面積の広い上面、下面に両ヒートシンク４、５を設けることで、利得媒質２が効果的に冷却される。

なお、起光導入窓は上側ヒートシンクに限らず、必要に応じて、下側ヒートシンクにも設けるようにしてもよい。また、スラブ側面（図２のｙ軸方向）より入射することも可能である。

上記構造を有する固体レーザ増幅装置１は、レーザ光をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の全ての軸方向となす角度が０度以外となる角度を持って、レーザ入射部３ｉから入射させることにより、励起状態にある利得媒質２のｙｚ（ｚｘ）平面、ｘｙ平面で多重反射され、３次元的に均一かつジグザグ伝播され、増幅される。

入射角度と入射位置は、コンピュータを用いて適切に選ぶことで、レーザ光を利得媒質２中で均一に伝搬させることが可能となり、均一伝搬により、高出力時の熱分布の影響を最小限に抑えることができる。このように内部多重反射を用いた本固体レーザ増幅装置により、利得媒質界面における反射、透過ロスを低減しつつ利得媒質中におけるレーザ光の伝播経路を長く取ることが可能となる。

また、利得媒質をスラブ形状にすることは、利得媒質の体積当りの表面積を大きくとれるため、放熱性が非常に優れる。これにより、内部における熱複屈折等によるロスを最小限に抑えることが可能となる。

さらに、高出力化に対応するためには、スラブはある程度大面積の方が好ましく、省スペース性を高めるためには、スラブの厚み方向を除く、縦横の寸法比は１：１〜１：２が好ましく、特に１：１に近いのが好ましい。

また、単結晶やレーザガラスを利得媒質のホスト材料とした場合、上述のように、大きさや熱伝導率の面で問題があるので、レーザグレードの透明セラミックスは、レーザ活性イオンとなる希土類、遷移金属等を含有するＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３等が好ましい。これにより、形状自由度が高く、利得、熱的特性、機械的特性は単結晶と同等になり、スラブ形状（面積）の自由度が向上し、利得特性を維持したままに熱的な性能を向上させることができる。

上記のように本実施形態の固体レーザ増幅装置によれば、ビーム品質を劣化させることなく、小型で高効率の増幅を行うことができる固体レーザ増幅装置が実現される。

なお、本発明の固体レーザ増幅装置はレーザ光の入射部分及び出射部分にミラーを配置し、共振器を形成することで固体レーザ発振装置としても応用が可能である。

「実施例」
図３（ａ）、（ｂ）に示すような固体レーザ増幅装置を用い、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザ出力光（Ｍ^２＝１．５）の増幅を行った。
ａ）Ｎｄを０．２ａｔ％添加したＹＡＧ透明セラミックスをスラブの材質とし、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍに形状加工した後、全ての面を光学研磨した。
ｂ）スラブの全面に無反射および強反射膜を真空蒸着により形成した。レーザ閉じ込め用の強反射膜は、波長８００〜１１００ｎｍ（スラブ→大気）で、反射率Ｒ＞９９．９％とした。ただし、励起光取り込み位置は、波長８０８ｎｍ（大気→スラブ）で、Ｒ＜０．５％、波長１０００〜１１００ｎｍ（スラブ→大気）で、反射率Ｒ＞９９．９％とした。レーザの入射、出射位置は、１０００〜１１００ｎｍ（大気→スラブ、スラブ→大気）で、Ｒ＜０．５％の無反射膜とした。
ｃ）スラブ上下面には冷却用に励起光導入窓を設けた銅製ヒートシンクを熱伝導接着剤で貼り付け、励起光は励起光導入窓から４５°の入射角でスラブ内に導入した。スラブ内に入った励起光はスラブ上下面間で多重反射を繰り返し、スラブ内を均一に励起する。
ｄ）増幅を行うパルスレーザ光（Ｍ^２＝１．５））をθ_ｘ＝５．７°、θ_ｙ＝９５．７°、θ_ｚ＝４５°の角度で（ここで、θ_ｘ、θ_ｙ、θ_ｚはレーザ光が各座標軸となす角度）で図３（ａ）（ｂ）中のスラブ左上よりに入射させ、実際に増幅動作を行った。

平均出力１０Ｗ時に光一光変換効率３５％が得られ、ビーム品質はＭ^２＝２．０であった。

「比較例１」
実施例と同様のスラブを使用し、増幅を行うパルスレーザ光（Ｍ^２＝１．５）を図４に示すようにθ_ｘ＝０°、θ_ｙ＝９０°、θ_ｚ＝４５°の角度、すなわちシングルのジグザグパスで図中のスラブ中央より垂直に入射させ、実際に増幅動作を行った。

平均出力１０Ｗ時に光−光変換効率６％が得られ、ビーム品質はＭ^２＝２．０であった。

「比較例２」
実施例のスラブの変わりにＮｄ濃度０．２ａｔ％の□１０×７００ｍｍＹＡＧロッドを利得媒質として、増幅を行うパルスレーザ光（Ｍ^２＝１．５）をθ_ｘ＝０°、θ_ｙ＝９０°、θ_ｚ＝４５°の角度でロッド中央より垂直に入射させ、実際に増幅動作を行った。励起光はロッド側面を覆うようにＬＤを配置している。

平均出力１０Ｗ時に光−光変換効率３６％が得られ、ビーム品質はＭ^２＝２．０であった。

「比較例３」
実施例と同様のスラブを使用し、増幅を行うパルスレーザ光（Ｍ^２＝１．５）を図５に示すように実施例と同様θ_ｘ＝５．７°、θ_ｙ＝９５．７°、θ_ｚ＝４５°の角度で図中のスラブ左上よりに入射させ、実際に増幅動作を行った。ここではビームの出射位置を変更し、図中のスラブ下半分のビーム密度を故意に高くした。

平均出力１０Ｗ時に光一光変換効率３８％が得られ、ビーム品質はＭ^２＝１．５であった。

「結果」
実施例と比較例１を比較すると、スラブ中のビーム伝播経路が長い実施例の方が非常に高効率になっており、ビーム品質を表すＭ^２値の悪化もほとんど見られないことが分かる。

実施例と長尺ロッドである比較例２を比較すると、効率は同等であるが、実施例の方がビーム品質が非常に高いことが分かる。これはロッド形状では排熱が困難なため熱レンズ効果が生じてしまうためである。また、利得媒質自身が７００ｍｍあり、同変換効率の実施例に比べると非常に大きくなり、装置の大きな設置スペースが必要となる。

実施例と比較例３を比較すると、スラブ面内のレーザ光の伝播経路に偏りがある比較例３の場合は、効率が若干向上するものの、ビーム品質は大きな低下が見られる。これは伝播経路の偏りにより、スラブ面内に温度勾配が生じるためである。

本発明の一実施形態に係る固体レーザ増幅装置の平面を示す概念図。本発明の一実施形態に係る固体レーザ増幅装置の縦断面を示す概念図。（ａ）は効率測定試験に用いる本発明の固体レーザ増幅装置の平面を示し、（ｂ）は縦断面を示す概念図。効率測定試験に用いる固体レーザ増幅装置の比較例１の平面を示す概念図。効率測定試験に用いる固体レーザ増幅装置の比較例３の平面を示す概念図。

符号の説明

１固体レーザ増幅装置
２利得媒質
３反射面
３ａ一面
３ｂ対向面
３ｉレーザ入射部
３ｏレーザ出射部
４上側ヒートシンク
４ｉ励起光導入窓
５下側ヒートシンク

Claims

入射レーザ光が利得媒質内で反射を繰り返しながら伝播する固体レーザ増幅装置であって、前記利得媒質は６面以上の平面を有する多面体状に形成され、かつ前記全平面に強反射膜が施された反射面が形成され、この反射面のうちの第１の反射面に強反射膜を施していないレーザ入射部を設け、第２の反射面には強反射膜を施していないレーザ出射部を設け、いずれの前記平面にも平行にならないように前記レーザ入射部からレーザ光が入射され、４面以上の前記反射面で多重反射を繰り返しながら均一かつジグザグに伝播され、前記レーザ出射部から出射されることを特徴とする固体レーザ増幅装置。
前記利得媒質はスラブ形状であり、スラブの厚み方向を除く箇所の寸法比が１：１〜１：２であることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ増幅装置。
前記利得媒質はレーザ活性イオンとなる希土類、遷移金属等を含有するＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３等の透明セラミックス素材であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ増幅装置。