JP2008294484A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コリメータレンズなどの光学系を必要とせずに、かつ発光素子と固体レーザ媒質との距離を離しても、拡がり角による発光素子からの励起光の損失を少なくして固体レーザ媒質に入射でき、固体レーザ媒質を高密度に励起して効率よくレーザ光を発振出力すること。
【解決手段】光共振器内に配置された固体レーザ媒質を光励起し、光共振器で光共振を発生させてレーザ光を出力する固体レーザ装置において、固体レーザ媒質に照射する励起光を発光する複数の発光素子を固体レーザ媒質の長手方向に対して垂直方向に線状に配列して線状の発光素子群を形成し、この発光素子群を複数組前記固体レーザ媒質の長手方向に沿って配置し、かつ線状の発光素子群の配置長さを固体レーザ媒質の直径以下に形成した複数の励起光源を備え、当該複数の励起光源を固体レーザ媒質の外周側に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、励起光源として半導体レーザ（以下、ＬＤと称する）を用いて固体レーザ媒質を光励起してレーザ光を出力する固体レーザ装置に関する。

図９は固体レーザ装置の概略構成図であって、同図(a)は光軸方向に対して垂直方向から見た側面図、同図（ｂ）は光軸方向から見た断面図である。固体レーザ媒質として例えばＮｄ：ＹＡＧロッド１は、図示しない光共振器内に配置されている。又、このＮｄ：ＹＡＧロッド１は、ＹＡＧ冷却用フローチューブ２内に配置され、このＹＡＧ冷却用フローチューブ２とＮｄ：ＹＡＧロッド１との間にＹＡＧ冷却水３が流されてＮｄ：ＹＡＧロッド１の冷却が行われている。

このＹＡＧ冷却用フローチューブ２の外周側には、例えば４つの励起光源４〜７が配置されている。これら励起光源４〜７は、それぞれ複数のＬＤをＮｄ：ＹＡＧロッド１の長手方向に沿って線状に配列したもの、換言すれば複数のＬＤをレーザ光軸と平行となるように線状に配列したものとなっている。なお、これらＬＤを線状に配列したもの（発光素子群）をＬＤバーと称する。
このような固体レーザ装置であれば、各励起光源４〜７の各ＬＤから励起光としてＬＤ光が発光されてＮｄ：ＹＡＧロッド１の側面に照射されると、このＮｄ：ＹＡＧロッド１は側面から励起され、光共振器の光共振により増幅されてレーザ光が発振出力される。

しかしながら、ＬＤバーは、各ＬＤの配列されている方向のＬＤ光の拡がり角が全角で１０度と小さく、かつ各ＬＤの配列されている方向に対して垂直方向の拡がり角が４０度と大きくなっている。このため、上記の如く複数のＬＤをレーザ光軸と平行となるように配列してＮｄ：ＹＡＧロッド１の側面から励起する構成では、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の近傍にＬＤを配置する必要がある。しかし、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の近傍にＬＤを配置したとしても、配列するＬＤ数に制限ができて、レーザ発振の効率に有利な高密度励起が難しくなる。

これに対してＮｄ：ＹＡＧロッド１とＬＤとの距離を離す場合には、コリメータレンズを用いてＬＤ光の拡がり角を補正しなければならない。しかしながら、コリメータレンズを使用する場合には、このコリメータレンズの反射などで１５〜２０％の損失が生じてしまう。以上のように複数のＬＤを用いてＮｄ：ＹＡＧロッド１を高密度にかつ効率よく励起することが困難であった。

一方、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１などの固体レーザ媒質を光励起する励起光源としては、例えばアークランプ、フラッシュランプ或いはＬＤが知られており、最近では、上記の如く固体レーザ媒質に吸収される所定の波長の励起光を出力することのできるＬＤが多く用いられるようになってきている。これにより、固体レーザ媒質の光励起を効率よく行うことが可能となっている。

このようなＬＤを用いる固体レーザ装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、水などの冷却媒体を流すためのフローチューブ内に固体レーザ媒質を挿通保持し、このフローチューブの内面を拡散反射面に形成された集光器内に保持している。この集光器の外部には、固体レーザ媒質を励起する励起光源としてのＬＤが配置され、このＬＤから出力されるＬＤ光が集光器に形成された開口部から集光器内部に入射するようになっている。従って、ＬＤ光は、上記拡散反射面で多重反射して固体レーザ媒質を光励起するようになっている。

このような固体レーザ装置であれば、集光器内に入射したＬＤ光を拡散反射面で多重反射させて固体レーザ媒質を光励起する構成であるため、集光器に形成される開口部を小さく形成し、しかも少なくすることで集光器内部で多重反射するＬＤ光を集光器外部に逃げるのを防止しようとしている。
しかしながら、ＬＤ光を集光器内部で多重反射するために、ＬＤ光はその反射するごとに強度が低下し、レーザ発振の効率をあまり高くすることが出来ないものとなっている。

又、固体レーザ媒質を光励起する他の技術としては、例えば特願平１０−８１８４５号明細書に提案されているように、凸レンズ効果を抑制する働きを有する肉厚のフローチューブの中に挿入された固体レーザ媒質をフローチューブの外周に配置された励起光源により励起することが考えられている。この際、励起光源と対向する部分には、反射鏡が配置されているので、固体レーザ媒質を透過したＬＤ光は、反射鏡により反射されて再び固体レーザ媒質に入射することになり、効率よく固体レーザ媒質を励起できるようになっている。

しかしながら、固体レーザ媒質の長手方向と平行な方向に線状の発光領域を持ったＬＤを励起光源としているので、固体レーザ媒質表面でフレネル反射による損失が大きくなっている。又、複数の線状の発光領域それぞれにコリメート用のマイクロレンズを装着しているために、固体レーザ媒質内での励起分布が不均一になってしまう。
特開平８−１８１３６８号公報

以上のように複数のＬＤをレーザ光軸と平行となるように配列してＮｄ：ＹＡＧロッド１の側面から励起する構成では、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１を高密度にかつ効率よく励起することが困難であった。
又、固体レーザ媒質を励起する技術として特開平８−１８１３６８号公報では、ＬＤ光を集光器内部で多重反射するために、ＬＤ光はその反射するごとに強度が低下し、レーザ発振の効率をあまり高くすることが出来ない。
又、固体レーザ媒質を光励起する他の技術としては、特願平１０−８１８４５号明細書の提案では、固体レーザ媒質表面でフレネル反射による損失が大きくなり、又、複数の線状の発光領域それぞれにコリメート用のマイクロレンズを装着しているために固体レーザ媒質内での励起分布が不均一になる。

そこで本発明は、コリメータレンズなどの光学系を必要とせずに、かつ発光素子と固体レーザ媒質との距離を離しても、拡がり角による発光素子からの励起光の損失を少なくして固体レーザ媒質に入射でき、固体レーザ媒質を高密度に励起して効率よくレーザ光を発振出力できる固体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の主要な局面に係る固体レーザ装置は、光共振器内に配置された固体レーザ媒質を光励起し、光共振器で光共振を発生させてレーザ光を出力する固体レーザ装置において、固体レーザ媒質に照射する励起光を発光する複数の発光素子を固体レーザ媒質の長手方向に対して垂直方向に線状に配列して線状の発光素子群を形成し、この発光素子群を複数組前記固体レーザ媒質の長手方向に沿って配置し、かつ線状の発光素子群の配置長さを固体レーザ媒質の直径以下に形成した複数の励起光源を備え、当該複数の励起光源を固体レーザ媒質の外周側に配置した。

本発明によれば、コリメータレンズなどの光学系を必要とせずに、かつ発光素子と固体レーザ媒質との距離を離しても、拡がり角による発光素子からの励起光の損失を少なくして固体レーザ媒質に入射でき、固体レーザ媒質を高密度に励起して効率よくレーザ光を発振出力できる固体レーザ装置を提供できる。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図９と同一部分には同一符号を付してある。図１は固体レーザ装置の構成図である。一対の対向配置された各共振器ミラー１０、１１によって光共振器が形成され、この光共振器内にＬＤ励起モジュール１２が内包されている。
このＬＤ励起モジュール１２は、固体レーザ媒質として例えばＮｄ：ＹＡＧロッド１を光励起するもので、図２はかかるＬＤ励起モジュール１２の概略構成図であって、同図（ａ）はレーザ光軸方向に対して垂直方向から見た側面図、同図（ｂ）は光軸方向から見た断面図である。又、図３にＬＤ励起モジュール１２の外観図を示す。

Ｎｄ：ＹＡＧロッド１は、ＹＡＧ冷却用フローチューブ２内に配置され、このＹＡＧ冷却用フローチューブ２とＮｄ：ＹＡＧロッド１との間にＹＡＧ冷却水３が流されてＮｄ：ＹＡＧロッド１の冷却が行われている。なお、ＹＡＧ冷却水３の温度は、冷却器１３により制御されている。
このＹＡＧ冷却用フローチューブ２の外周側には、例えば８つの励起光源１４〜２１が配置されている。これら励起光源１４〜２１は、複数のＬＤをＮｄ：ＹＡＧロッド１の長手方向すなわちレーザ光軸に対して垂直方向に線状（アレイ状）に配列して１本のＬＤバー２２を形成し、かつ図３に示すようにＬＤバー２２の長さａをＮｄ：ＹＡＧロッド１の直径以下に形成している。そして、これら励起光源１４〜２１は、複数組のＬＤバー２２をＮｄ：ＹＡＧロッド１の長手方向に沿って平行にスタックされている。
このうちＬＤバー２２のスタックされている高さは、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の冷却水用取りしろを除く励起可能な部分の長さよりも短くなっている。

又、各励起光源１４〜２１から出射されるＬＤ光は、ＬＤバー２２の配置される方向（レーザ光軸方向）の拡がり角が全角（ＦＷＨＭ）で約１０度と小さく、かつＬＤバー２２の各ＬＤの配列方向（レーザ光軸方向に対して垂直方向）の拡がり角が約４０度と大きくなっている。なお、これら励起光源１４〜２１は、それぞれＬＤドライバ２３に接続されて発光するようになっている。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する。
各励起光源１４〜２１の各ＬＤから励起光としてＬＤ光が発光されてＮｄ：ＹＡＧロッド１の側面に照射されると、このＮｄ：ＹＡＧロッド１は側面から励起され、光共振器の各共振器ミラー１０、１１の光共振により増幅されてレーザ光が発振出力される。
このレーザ発振動作のとき、各励起光源１４〜２１から出射されるＬＤ光は、レーザ光軸方向の拡がり角が全角（ＦＷＨＭ）で約１０度と小さく、かつレーザ光軸方向に対して垂直方向の拡がり角が約４０度と大きく、さらに各ＬＤバー２２の方向がレーザ光軸方向に対して垂直になっているので、図２（ａ）に示すようにレーザ光軸方向に対して垂直方向から見ると、ＬＤ光の拡がり角は大きく、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１を十分長くすることで、ＬＤとＮｄ：ＹＡＧロッド１との距離を離しても効率よくＬＤ光をＮｄ：ＹＡＧロッド１に入射できるものとなる。
又、図２（ｂ）に示すようにレーザ光軸方向から見ると、ＬＤ光の拡がり角は小さく、上記同様に、ＬＤとＮｄ：ＹＡＧロッド１との距離を離しても効率よくＬＤ光をＮｄ：ＹＡＧロッド１に入射できるものとなる。

このように上記第１の実施の形態においては、複数のＬＤをＮｄ：ＹＡＧロッド１の長手方向に対して垂直方向でそのＬＤバー２２の長さをＮｄ：ＹＡＧロッド１の直径以下に形成し、かつこのＬＤバー２２を複数組Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の長手方向に沿って配置したので、コリメータレンズなどの光学系を必要とせずに、かつＬＤとＮｄ：ＹＡＧロッド１との距離を離しても、拡がり角によるＬＤ光の損失を少なくしてＮｄ：ＹＡＧロッド１に入射でき、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１を高密度に励起して効率よくレーザ光を発振出力できる。

なお、本発明の第１の実施の形態は次の通り変形してもよい。例えば、上記第１の実施の形態では、固体レーザ媒質にロッド形状のＮｄ：ＹＡＧロッド１を使用してその側面から励起光を入射しているが、固体レーザ媒質としては、その材質、形状、励起方法に限定されれるものでなく、レーザ発振できる媒質、励起方法であれば上記第１の実施の形態と同じ作用効果を奏することができる。

又、上記第１の実施の形態では、ＬＤやＮｄ：ＹＡＧロッド１の冷却に水冷方式を採用しているが、固体レーザ装置の性能に影響のないように冷却できれば、いかなる冷却方式を採用しても上記第１の実施の形態と同じ作用効果を奏することができる。
又、各励起光源１４〜２１は、ＬＤバー２２をスタックしたものを用いたが、スタックしていないものでも構成が同じであれば、上記第１の実施の形態と同じ作用効果を奏することができる。
又、ＬＤバー２２をレーザ光軸に対して垂直方向に配置しているが、ＬＤ光が入射できるものであれば、斜めに設置されているものでも同じ効果が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
図４及び図５は固体レーザ装置の構成図であって、図４はレーザ光軸方向に対して垂直方向から見た側面図、図５は光軸方向から見た断面図である。
端板３０には、各ロッド押え３１、３２が設けられ、これらロッド押え３１、３２にＯリング３３、３４を介して固体レーザ媒質として例えば直径８ｍｍのＮｄ：ＹＡＧロッド３５が固定されている。又、端板３０中には、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５を冷却するための冷却水を流す水路３６が設けられている。

Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５の外周側には、例えばガラス材により肉厚に形成される冷却スリーブ３７が設けられている。この冷却スリーブ３７は、例えば外径３０ｍｍ、内径１２ｍｍに形成されている。そして、この冷却スリーブ３７の外周側に円筒面鏡３８が配置され、この円筒面鏡３８には、円周上を略３等分する部分にそれぞれスリット３９〜４１が形成されている。円筒面鏡３８は、例えば全反射の誘電体膜を施したものとなっている。

これらスリット３９〜４１の前面には、それぞれコリメート用の単玉の各円筒面レンズ４２〜４４を介して各励起光源部４５〜４７が配置されている。これら励起光源部４５〜４７は、それぞれ単体の各励起光源４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄをＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向に沿って配列したもので、これら励起光源４５ａ〜４５ｄ、４６ａ〜４６ｄ、４７ａ〜４７ｄは、それぞれ複数のＬＤをＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向すなわちレーザ光軸に対して垂直方向に線状（アレイ状）に配列して１本の発光領域（ＬＤバー）４８を形成したものとなっている。
このように各励起光源部４５〜４７においてＬＤバー４８をＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向に対して垂直方向に配列することにより、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５に入射するＬＤ光をＰ偏光とするものとなる。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する。
各励起光源部４５〜４７の各ＬＤバー４８からそれぞれ励起光としてＬＤ光が発光されると、これらＬＤ光は、各円筒面レンズ４２〜４４を通り、各スリット３９〜４１から冷却スリーブ３７を通過してＮｄ：ＹＡＧロッド３５の側面に照射される。このとき各励起光源部４５〜４７の各ＬＤバー４８は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向に対して垂直方向に配列されているので、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５に入射するＬＤ光はＰ偏光となる。このＬＤ光の照射によりＮｄ：ＹＡＧロッド３５は励起され、各共振器ミラーの光共振により増幅されてレーザ光が発振出力される。

ここで、単玉の各円筒面レンズ４２〜４４のみを用いることによりＬＤ光を効率よくＮｄ：ＹＡＧロッド３５に入射できる作用について図６に示すＬＤ光の光路の模式図を参照して説明する。なお、同図は冷却スリーブ３７の外周に全反射の誘電体膜を施した場合を想定したＬＤ光の追跡結果を示している。
各励起光源部４５〜４７の各ＬＤバー４８からは、典型的な拡がり角（半値全幅）１６度によって励起光であるＬＤ光が出力される。このＬＤ光は、焦点距離３０ｍｍの各円筒面レンズ４２〜４４によりコリメートされ、外径３０ｍｍで内径１２ｍｍの冷却スリーブ３７により集光されて、直径８ｍｍのＮｄ：ＹＡＧロッド３５を効率よく均一に照射される。

又、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５にＰ偏光のＬＤ光を入射する作用について図７を参照して説明する。
同図はＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向（軸方向）に水平にＬＤバーを形成した場合すなわちＬＤ光の偏光方向がＮｄ：ＹＡＧロッド３５に対してＳ偏光の場合と、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向に対して垂直にＬＤバーを形成した場合すなわちＬＤ光の偏光方向がＮｄ：ＹＡＧロッド３５に対してＰ偏光の場合とにおけるＬＤ光の入射角に対する透過率依存性を示している。
同図から分かるように、ＬＤ光がＮｄ：ＹＡＧロッド３５に対してＳ偏光の場合、透過率が９１％であるのに対し、Ｐ偏光にすることにより透過率は９７％にすることができる。

このように上記第２の実施の形態においては、各励起光源部４５〜４７における各ＬＤバー４８をＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向に対して垂直方向に配置し、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５に対してＰ偏光のＬＤ光を照射するようにしたので、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５表面でのフレネル反射による損失を少なくすることができ、さらに各励起光源部４５〜４７からＮｄ：ＹＡＧロッド３５の軸芯を介して対称な部分に円筒面鏡３８を配置したので、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５を透過したＬＤ光を反射して再びＮｄ：ＹＡＧロッド３５内に透過させることによって、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５を効率より励起できる。

又、各励起光源部４５〜４７のＬＤバー４８の前面に各円筒面レンズ４２〜４４を配置したＬＤ光を集光するので、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５中に均一な励起分布を形成することができる。
又、冷却スリーブ３７の外周側に反射部材として誘電体膜等の円筒面鏡３８を施したので、装置の全体構成をコンパクト化することができる。
さらに、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５の直径を５〜１０ｍｍ、各励起光源部４５〜４７のＬＤバー４８の発光幅を８〜１２ｍｍ、各円筒面レンズ４２〜４４の焦点距離を２０〜４０ｍｍの範囲に形成したので、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５を効率よく励起でき、さらに均一な励起分布を形成することができる。

なお、上記第２の実施の形態は、次の通り変形してもよい。
例えば、図８の変形列の構成図に示すように上記第２の実施の形態の円筒面鏡３８の代わりに、冷却スリーブ３７の外周面にＮｄ：ＹＡＧロッド３５の長手方向全長にわたり反射膜５０及び反射防止膜５１を形成してもよい。なお、これら反射膜５０及び反射防止膜５１は、冷却スリーブ３７の外周面の周方向に所定の間隔を設けることで、Ｎｄ：ＹＡＧロッド３５で吸収しきれなかったＬＤ光を反射させ、再びＮｄ：ＹＡＧロッド３５で吸収できるようにしている。
このような構成であれば、上記第２の実施の形態と同様な作用効果を奏することは言うまでもなく、冷却スリーブ３７の外側に反射鏡を設けずにみす、部品点数の減少や全体構成のコンパクト化を図ることができる。

本発明に係わる固体レーザ装置の第１の実施の形態を示す構成図。 同装置におけるＬＤ励起モジュールの構成図。 同装置におけるＬＤ励起モジュールの外観図。 本発明に係わる固体レーザ装置の第２の実施の形態を示す構成図。 同装置を光軸方向から見た断面図。 円筒面レンズによるＬＤ光の光路を示す模式図。 Ｎｄ：ＹＡＧロッドにＰ偏光のＬＤ光を入射したときの入射角に対する透過率を示す図。 同装置の変形例を示す構成図。 従来の固体レーザ装置の概略構成図。

符号の説明

１：Ｎｄ：ＹＡＧロッド、２：ＹＡＧ冷却用フローチューブ、３：ＹＡＧ冷却水、１０，１１：共振器ミラー、１２：ＬＤ励起モジュール、１３：冷却器、１４〜２１：励起光源、２２：ＬＤバー、２３：ＬＤドライバ、３０：端板、３１，３２：ロッド押え、３３，３４：Ｏリング、３５：Ｎｄ：ＹＡＧロッド、３６：水路、３７：冷却スリーブ、３８：円筒面鏡、３９〜４１：スリット、４２〜４４：円筒面レンズ、４５〜４７：励起光源部、４８：発光領域（ＬＤバー）。

Claims (2)

1. 光共振器内に配置された固体レーザ媒質を光励起し、前記光共振器で光共振を発生させてレーザ光を出力する固体レーザ装置において、
   前記固体レーザ媒質に照射する励起光を発光する複数の発光素子を前記固体レーザ媒質の長手方向に対して垂直方向に線状に配列して線状の発光素子群を形成し、この発光素子群を複数組前記固体レーザ媒質の長手方向に沿って配置し、かつ線状の発光素子群の配置長さを前記固体レーザ媒質の直径以下に形成した複数の励起光源を備え、当該複数の励起光源を前記固体レーザ媒質の外周側に配置した、
   ことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 前記複数の励起光源は、前記線状の発光素子群の配置される方向の拡がり角が全角で約１０度と小さく、かつ前記線状の発光素子群の各発光素子の配列方向の拡がり角が約４０度と大きい前記励起光を出射することを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。

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