JP2009507383A - レーザロッド用光学マウント - Google Patents

Abstract

２個以上の接触ブロックを付勢して、光学素子の２つの面と光学素子を支持するベースとに接触させた、レーザロッド等の光学素子を保持するための光学マウント。光学マウントは、光学素子との良好な熱接触を維持して温度勾配を最小限に抑える。

Description

本発明は、光学マウントに関するものであり、より詳細には、レーザロッドを保持するためのマウントに関するものである。

レーザロッドのような光学素子は、急速に変化し極めて変動しやすい熱環境であることが多い環境で動作する。熱変化は、熱光学的および熱機械的な位置ずれを引き起こす可能性がある。熱によって誘起される位置ずれを低減し、かつ熱応力の発生を回避するために光学素子を正しい動作温度に維持する一方で、安定した機械的位置を維持することが重要である。

熱安定性の重要さを示す具体例は、レーザロッドの光学励起に基づく固体レーザシステムである。レーザロッドは、特定の波長での特徴的な光学遷移を有する。レーザ発振効率、レーザロッド内でのレンズ作用、および放出される輻射のビーム品質に影響する幾つかの要因があることがよく知られている。例えば、熱誘起レンズ作用および複屈折は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは知られた問題である。

レーザロッドがポンプ源からのエネルギーで励起されているときに、エネルギーの一部は熱に転換されるが、かかる熱は、熱光学的位置ずれおよび熱機械的応力を回避するためにレーザロッドから均一に取り除かなければならない。これを成し遂げるためには、光学素子の全表面から効率的なヒートシンクまでの熱伝導率が、良好かつ均一である必要がある。しかしながら、光学素子はマウントにクランプ留めされるため、機械的応力を誘起することなく望まれる熱移動特性を達成するマウントを設計することは、困難であることが判明している。さらに、エネルギー励起中の大きな熱変動によるロッドの膨張および収縮によって、存在する機械的応力は強められ、熱負荷が無ければ存在しない熱応力が誘起される。

熱負荷を放散するための光学素子の取り付けに関する従来の解決方法には、対応する「Ｖ」字型ブロック対を使用してかかる対の間にレーザロッドを挟むというものが含まれる。この方法の例が、特許文献１に記載されている。熱は、「Ｖ」字型ブロックの一方または両方から取り出される。「Ｖ」字型ブロック対を使用する別の例は、特許文献２に見られる。この例ではバネを使用して保持部品（上側「Ｖ」字型ブロック）を適所に維持し、熱膨張が生じた際の光学素子の破損リスクを低減する。この設計の主要な欠点は、ホルダ（下側「Ｖ」字型ブロック）から保持部品を押しのけるに足る熱膨張が生じた場合、保持部品からホルダへの熱移動が一方または両方の側面で失われ、その結果、熱安定性が不十分になることである。

従来技術の装置は、必要とされるレベルの熱安定性を維持することができない。
従来のレーザロッド用ホルダを図１に示す。レーザロッド１は、下側「Ｖ」字型ブロック２と上側「Ｖ」字型ブロック３との間に保持される。「Ｖ」字型ブロック対は、レーザロッドの全ての側面に確実に接触するように押し付けられて１つになる。レーザロッドからの熱は、矢印で示すようにブロックに伝導される。下側ヒートシンク４および上側ヒートシンク５が過剰な熱を吸収し、温度制御を行う。通常、ヒートシンク４および５はペルチェチップ素子または水冷コイルである。

図１の従来技術の装置は、２個の温度制御装置を必要とし、それによってコストが増す。温度制御装置は、ブロック間へのシステム的な熱差の導入を避けるために十分に対応したものでなければならない。ロッドの全長に沿って全ての面で良好な接触を維持すべき場合には、高い機械的公差も必要となる。

別の従来技術の取り付けブロックを図２に示す。この設計は図１の設計に類似するが、コストを削減するために単一の下側ヒートシンク４のみを使用する。ブロックの一方から他方へ熱を伝導するために、「Ｖ」字型ブロック間にインジウム箔６が配置される。熱の流れは矢印で示される。この設計はコストを削減し、ヒートシンク間に生じ得る差の問題を解消するが、ロッドの全長にわたる全ての面で良好な接触を保ち、また、上側および下側ブロックに隣接する面とも良好な接触を保つためには、非常に高い機械的公差が必要となる。この結果、通常は、上側ブロック３の上面と、ヒートシンク４に隣接する下側ブロック２の底面との間に、温度勾配が生じる。加えて、図１および図２に示した設計では、エネルギー励起中に生成された熱によりロッドが膨張および収縮しているときに、一定しない機械的応力および熱伝導率が導入される。特許文献２には、本願の図２に類似した設計が開示されており、この設計ではバネを使用することにより、上側「Ｖ」字型ブロック３を適所に保持し、熱膨張が生じた際の光学素子の破損リスクを低減する。この設計の主要な欠点は、下側「Ｖ」字型ブロック２から保持部品を押しのけるに足る熱膨張が生じた場合に、上側「Ｖ」字型ブロック３から下側「Ｖ」字型ブロック２への熱移動が一方または両方の側面で失われ、その結果、熱安定性が不十分になることである。
米国特許第６７５４４１８号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６５６２５号明細書

本発明の目的は、光学素子用の熱的に安定したマウントを提供することである。
以下の説明から、さらなる目的が明らかになる。

唯一の形態でも実際に最も広範な形態でもある必要はないが、一形態では、本発明は、光学素子の２つの面に密着して該光学素子を受容する形状を有するベースと、前記ベースおよび前記光学素子と接触する形状を有する２個以上の接触ブロックと、前記接触ブロックを前記光学素子および前記ベースに接触させるように付勢するために配置された１つ以上の付勢手段とを備える光学マウントに存在する。

好適には光学素子は矩形をなし、ベースは、該ベースに光学素子の２つの面が接触するように、光学素子の隅角部を受容するために適した隅角部形状を有する「Ｖ」字型ブロックである。接触ブロックは好ましくは、少なくとも１つの面が光学素子の１つの面に接触し、かつ、１つの面がベースに接触するように、対応する形状を有する面を備える。

付勢手段は好適には、接触ブロックに対して作用し、接触ブロックを光学素子およびベースに向かって押し付けるバネである。
好ましい形態では、ベースにボルト留めされ、かつ接触ブロックの周囲に延在するが該接触ブロックから離間したクランプ部材が存在する。この形態では、付勢手段はクランプ部材と接触ブロックとの間に配置されたバネである。

光学素子は、好ましくはレーザロッドである。
接触ブロックの面と光学素子の面との間、接触ブロックとベースとの間には、熱移動材料を用いることができる。

接触ブロックおよびベースは、好適には、銅またはアルミニウムのような熱伝導率の優れた材料から作られる。
バネは、良好な熱接触を維持するに足る力を接触ブロックに対して付与するが、僅かな移動は許容することにより熱作用を補正する。

この設計の重要な特徴は、両方の接触ブロックが独立して移動することができるが、それでもなお、レーザロッドおよびベースの両方との間に十分な接触を保ち、従って十分かつ均一な熱移動を維持することができる点にある。

本発明の好ましい実施形態の理解を助けるために、図面を参照して説明する。
本発明の異なる実施形態の説明にあたり、共通の符号は、同様の特徴を説明するために使用される。

熱安定性を向上させた光学マウントを図３に示す。レーザロッド１１は、隣接ヒートシンク１４を有する下側「Ｖ」字型ブロック１２（ベース）上に支持される。「Ｖ」字型ブロック１２の「Ｖ」字形状は、レーザロッド１１の面と「Ｖ」字型ブロック１２の表面との間の良好な接触を保証するために入念に機械加工される。くさび１３ａ、１３ｂの形態をとる接触ブロック対は、レーザロッド１１の１つの面と「Ｖ」字型ブロックの隣接する面とに接して支持されるような形状を有する。くさびおよび「Ｖ」字型ブロックを介したレーザロッドからヒートシンクへの熱伝導を矢印で示す。

機械的応力の誘起を避けるために、くさび間には小空隙１７が維持される。くさびは、良好な熱伝導を達成するために、レーザロッドに対して堅固に保持される。
図３の原理に従って組み立てたレーザロッドホルダの断面図を図４に示し、分解図を図５に示す。レーザロッド１１が、比較的大きな「Ｖ」字型ブロックベース１２の隅角部に配置される。接触ブロックくさび１３ａ、１３ｂは、バネ１８によって、レーザロッドおよび「Ｖ」字型ブロックに対して保持される。各くさびにつき１個のバネがある。バネは各々、各くさびに形成されたカップ１８ａと、クランプ１９のソケット１８ｂとに収まる。クランプ１９は、ボルト２０によって「Ｖ」字型ブロック１２に取り付けられる。

クランプ１９、くさび１３および「Ｖ」字型ブロック１２は、同一の材料から形成され、したがって同一の熱特性を有する。バネ１８は良好な熱接触を維持するに足る力をくさび１３に対して付与するが、僅かな移動は許容することにより熱作用を補正する。

この設計の重要な特徴は、両方のくさび１３ａおよび１３ｂが独立して移動することができ、それでもなお、レーザロッド１１と下側「Ｖ」字型ブロック１２の両方との間に十分な接触を保ち、したがって十分かつ均一な熱移動を維持することができる点である。

本願発明の発明者は、図４および図５に示したレーザロッドホルダが、従来技術で知られているものよりも優れた性能を有し、可変のエネルギー励起条件下で均一かつ安定した熱伝導を提供する一方で、正確な機械的位置を提供することを見出した。

本発明の光学マウントは、熱伝導率の優れた任意の材料から製造することができる。本願発明の発明者は、銅およびアルミニウムが共に適していること、並びに、熱伝導率を改善するために、レーザロッド表面と「Ｖ」字型ブロックおよび接触ブロックの金属表面との間に、インジウム箔２１または熱移動化合物を配置することができることを見出した。

本願明細書全体を通じて目的は、代替特徴の特定の組み合わせに限定することなく、本発明を説明することにあった。

従来技術の光学マウントの概略図。 別の従来技術の光学マウントの概略図。 熱安定性を向上させた光学マウントの概略図。 図３の光学マウントに基づくレーザロッドホルダの断面図。 図４のレーザロッドホルダの分解図。

Claims (14)

1. 光学素子の２つの面に密接するように該光学素子を受容する形状を有するベースと、
   前記ベースおよび前記光学素子に接触する形状を有する２個以上の接触ブロックと、
   前記接触ブロックを前記光学素子および前記ベースと接触させるように付勢するために配置された１つ以上の付勢手段と
   を含む光学マウント。
2. 前記光学素子が矩形であり、前記ベースが、前記光学素子の２つの面がベースと接触するように該光学素子の隅角部を受容するために適した隅角部形状を有する「Ｖ」字型ブロックである、請求項１に記載の光学マウント。
3. 前記接触ブロックは、少なくとも１つの面が前記光学素子の１つの面と接触し、かつ、１つの面が前記ベースと接触するように、対応する形状を有する面を備える、請求項１に記載の光学マウント。
4. 前記付勢手段が、前記接触ブロックに対して作用し、該接触ブロックを前記光学素子および前記ベースに向かって押すバネである、請求項１に記載の光学マウント。
5. 前記ベースにボルト留めされ、かつ前記接触ブロックの周囲に延在するが該接触ブロックから離間したクランプ部材をさらに含む、請求項１に記載の光学マウント。
6. 前記付勢手段は、前記クランプ部材と前記接触ブロックとの間に配置されたバネである、請求項５に記載の光学マウント。
7. 前記光学素子がレーザロッドである、請求項１に記載の光学マウント。
8. 前記接触ブロックの面と前記光学素子との間で熱移動を可能にする材料をさらに含む、請求項１に記載の光学マウント。
9. 前記接触ブロックと前記ベースとの間で熱移動を可能にする材料をさらに含む、請求項１に記載の光学マウント。
10. 前記接触ブロックおよび前記ベースが、熱伝導率の優れた材料から形成される、請求項１に記載の光学マウント。
11. 前記接触ブロックおよび前記ベースが銅またはアルミニウムから形成される、請求項１０に記載の光学マウント。
12. 前記バネは、良好な熱接触を維持するに足る力を前記接触ブロックに対して付与するが、僅かな移動は許容することにより熱作用を補正する、請求項１に記載の光学マウント。
13. 両方の接触ブロックが独立して移動することができる一方で、前記光学素子および前記ベースとの十分な接触を維持することができる、請求項１に記載の光学マウント。
14. ２個の接触ブロックを有し、これら接触ブロックの間に空隙を有する、請求項１に記載の光学マウント。

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