JP2010161304A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱レンズ効果を抑え、安価に出力を向上させることのできるレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ発振装置１０Ａにおいて、励起光源２０にフラッシュランプ２１を用いるとともに、レーザ媒質部３１をディスク状とすることで、レーザ光Ｙを大出力としつつ、励起光Ｘの照射によって特定箇所に熱エネルギが集中しにくくして温度勾配を小さくした。さらに、レーザ媒質部３１は、ペルチェ素子等からなるヒートシンク３３によって、その全面を冷却し、温度勾配の発生をより確実に抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振装置に関する。

従来からレーザ（laser）を医科、歯科の治療に利用することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
ところで、歯科治療の分野においては、旧来より、歯牙の切削には、切削ビットを機械的に回転させる回転切削方式が広く使われている。このため、レーザにより治療の導入に際しては、効率やコストの面で回転切削方式と比較されるのが常である。

歯科治療用のレーザ治療装置においては、レーザ媒質を励起させるための光源として、フラッシュランプが用いられている。近年、歯科治療用以外の用途においては、光源に半導体レーザを用いるものが提供されているが、歯科治療用分野においては、現状では、半導体レーザは出力とコストの面でフラッシュランプに置き換わるに至っていない。半導体レーザを光源に用いる場合、現状の技術レベルでは、レーザ治療装置としての現実的なコストを考慮すると、その出力は５００Ｗ程度であり、実用レベルには到底届いていないからである。半導体レーザにおいて、回転切削方式と同等の効率を実現するために必要な１〜２ｋｗの出力を確保しようとすれば、数千万円から億以上のコストが必要となってしまう。

特開２００７−１９４３６９号公報

しかしながら、光源にフラッシュランプを用いる場合、以下に示すような問題が存在する。
図６に示すように、フラッシュランプ励起の場合、レーザ発振装置１は、断面楕円形のケース２内に、ロッド状のフラッシュランプ３と、レーザ媒質を含むレーザロッド４とが平行に配置されている。このようなレーザ発振装置１は、フラッシュランプ３で発したランプ光が、ケース２の内周面で反射してレーザロッド４に照射されることで、レーザロッド４内のレーザ媒質が励起され、レーザ光が出力される。

このような構造のレーザ発振装置１では、ケース２の様々な位置で反射したランプ光が、レーザロッド４に対してあらゆる方向から入射する。このため、レーザロッド４は、その断面中心に近い位置ほど、ランプ光によるエネルギが集中する。その結果、レーザロッド４には、温度勾配が生じ、中心に近いほど温度が高く、外周に行くに従い温度が低くなる。その影響で、レーザロッド４の屈折率が変わり、レーザロッド４がいわばレンズ化する。レーザロッド４がレンズ化すると、レーザ光の出力に応じ、レーザロッド４から出力されるレーザの集光性すなわちレーザ光のビーム径が変わってしまう。
このような現象は熱レンズ効果と称され、固体レーザにおいては、大きな課題となっており、歯科治療用としても、現状以上に出力を上げようとした場合に、この熱レンズ効果が大きな妨げとなっている。このため、現状では、機械的な回転切削方式に比較して、その切削効率が大きく劣り、これが歯科治療分野におけるレーザ治療装置の普及の妨げとなっている。

また、フラッシュランプ３で発したランプ光のうち、レーザロッド４のレーザ媒質の励起に寄与するのは、ごく一部の波長のみである。このため、ランプ光の大部分は、レーザ媒質の励起に寄与することなく、単に熱エネルギとなって放散している。この熱エネルギも、上記のレーザロッド４の熱レンズ化を悪化させる一因となっている。
そこで、フラッシュランプ３で発したランプ光のうち、レーザロッド４のレーザ媒質の励起に寄与する波長域のみを通過させるフィルタ等を設けることも考えられるが、レーザ発振装置１のケース２内において、あらゆる方向からレーザロッド４に照射されるランプ光に対し、フィルタを有効に配置するのは、構造的にもスペース的にも困難である。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、熱レンズ効果を抑え、安価に出力を向上させることのできるレーザ発振装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明のレーザ発振装置は、ディスク状のレーザ媒質部と、レーザ媒質部の一面側に設けられ、レーザ媒質部の他面側から入射した光を反射する反射膜と、レーザ媒質部の一面側に設けられ、レーザ媒質部を冷却する冷却部と、レーザ媒質部を励起する波長を含む波長域の励起光を発するフラッシュランプと、フラッシュランプで発した励起光をレーザ媒質部の他面側に向けて反射させるリフレクタと、リフレクタで反射した励起光がレーザ媒質部に照射されることで励起されたレーザ光をレーザ媒質部に向けて反射させるとともに、レーザ光の一部を通過させることでレーザ光を外部に出力するレーザ共振器と、を備えることを特徴とする。
レーザ媒質部がディスク状であり、その一面側に冷却部が設けられているため、冷却部での冷却によりレーザ媒質部の温度上昇を防ぐことができる。また励起光源にフラッシュランプを用いることで、半導体レーザを用いる場合に比較して、安価に大出力が得られる。
ここで、フラッシュランプは、リフレクタの中心部に配置された点状とするのが好ましい。

このようなレーザ発振装置において、フラッシュランプおよびリフレクタを反射膜に正対して設け、レーザ共振器を反射膜に対して斜めの方向に配置することができる。
また、レーザ共振器を反射膜に正対して設け、フラッシュランプおよびリフレクタを反射膜に対して斜めの方向に配置することもできる。
いずれの場合においても、フラッシュランプおよびリフレクタと、レーザ媒質部とをそれぞれ複数組設けることもできる。

本発明によれば、励起光源にフラッシュランプを用いるとともに、レーザ媒質部をディスク状とすることで、レーザ光を大出力としつつ、励起光の照射によって特定箇所に熱エネルギが集中するのを防ぎ、温度勾配を小さくした。その結果、レーザ媒質部の熱レンズ効果を抑えつつ、フラッシュランプを用いることで安価に出力を向上させることが可能となる。

第一の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成を示す図である。 第二の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成を示す図である。 第三の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成を示す図である。 第四の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成を示す図である。 第五の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成を示す図である。 従来のフラッシュランプを用いたレーザ発振装置の構成を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１は、本実施形態におけるレーザ発振装置１０Ａの構成を説明するための図である。
図１に示すように、レーザ発振装置１０Ａは、レーザの励起光Ｘを出力する励起光源２０と、レーザを発振し、レーザ光Ｙを出力するレーザ発振部３０と、を備えている。

励起光源２０は、予め定められた波長域の光を励起光Ｘとして出力するフラッシュランプ２１と、リフレクタ２２とを備える。

フラッシュランプ２１としては、例えば、キセノンフラッシュランプ等を用いることができる。フラッシュランプ２１は、一方向に延びる棒状のものではなく、Ｕ字管、ヘリカル管型、リング管型等であり、リフレクタ２２の底部２２ａに、リフレクタ２２の反射面２２ｂに対して点状に配置されるものとする。フラッシュランプ２１は、図示しないパルス電源および制御装置により入力されるパルス電圧により励起光Ｘをパルス状に出力する。図示しない制御装置では、パルス電源から出力するパルス電圧を、予め定められたパルス数で制御する。

リフレクタ２２は、フラッシュランプ２１から出力された励起光Ｘを、レーザ発振部３０に向けて平行光として反射するもので、その反射面２２ｂは、予め定められた曲率で形成されたスリ鉢状をなしている。

レーザ発振部３０は、レーザ媒質部３１と、全反射膜（反射膜）３２、ヒートシンク（冷却部）３３と、からなるレーザ励起部３４を備えている。

レーザ媒質部３１は、予め定められた厚さを有した円形のディスク状とされている。レーザ媒質部３１を構成するレーザ結晶としては、例えばＥｒ：ＹＡＧを用いることができる。もちろん他のレーザ結晶であっても良い。レーザ媒質部３１の表面には、励起光Ｘとレーザ光Ｙの波長に対するＡＲ（anti-reflective）コーティング膜を形成することもできる。

全反射膜３２は、レーザ媒質部３１の裏面に、励起光Ｘおよびレーザ光Ｙを全反射するコーティング膜として施されている。

ヒートシンク３３は、全反射膜３２の裏面側に設けられ、励起光Ｘの照射に起因した熱によるレーザ媒質部３１の熱レンズ効果等の熱的負荷を抑制する。ヒートシンク３３としては、ペルチェ素子等を用いることができる。

また、レーザ発振部３０は、レーザ励起部３４の全反射膜３２で励起されたレーザ光Ｙを反射するレーザ共振器３５と、レーザ励起部３４の全反射膜３２で励起されたレーザ光Ｙを反射するとともにその一部を通過させて出力するレーザ共振器３６と、をさらに備える。
レーザ共振器３５、３６の近傍には、レーザ共振器３５、３６で反射するレーザ光Ｙの径を絞るためのアパーチャ３７、３８が備えられている。

上記励起光源２０と、レーザ励起部３４とは、互いに正対して配置され、励起光源２０からの励起光Ｘは、レーザ媒質部３１の表面に垂直に入射される。

このようなレーザ発振装置１０Ａは、レーザの励起光Ｘを出力する励起光源２０のフラッシュランプ２１で出力した励起光Ｘがリフレクタ２２で反射されてレーザ発振部３０のレーザ媒質部３１に照射される。励起光Ｘは、さらに全反射膜３２で反射する。励起光Ｘがリフレクタ２２と全反射膜３２との間を多重反射することで、所定の波長域を有する励起光Ｘのうちの特定波長成分によってレーザ媒質部３１が励起され、レーザ光Ｙが出力される。
レーザ媒質部３１から出力されたレーザ光Ｙは、レーザ共振器３５、３６、レーザ励起部３４間を繰り返し反射することで増幅され、その一部がレーザ共振器３６を通って外部に出力される。

上記レーザ発振装置１０Ａは、歯科治療や皮膚科治療分野におけるレーザ治療装置や、溶接、切断、切削等の機械加工分野におけるレーザ加工装置等に組み込むことができる。その場合、レーザ発振装置１０Ａのレーザ共振器３６から出力されたレーザ光Ｙは、光ファイバ等の導光部材を介して、治療用のハンドピースや、加工用のレーザヘッドから出力され、治療・加工対象に照射される。

上述したようなレーザ発振装置１０Ａによれば、レーザ媒質部３１がディスク状であるため、ロッド状のレーザ媒質に比較し、そもそも励起光Ｘの照射によって特定箇所に熱エネルギが集中しにくく、温度勾配も生じにくい。さらに、レーザ媒質部３１は、ペルチェ素子等からなるヒートシンク３３によってその全面を冷却できるので、温度勾配の発生をより確実に抑えることができる。その結果、レーザ媒質部３１に熱レンズ効果が生じるのを有効に抑えることができ、出力されるレーザ光Ｙの集光性、すなわちレーザ光Ｙの径の変動を抑えることができる。このように熱レンズ効果による悪影響を抑制することで、従来以上に励起光Ｘの照射パルス数を増大させてレーザ出力を上げることが可能となり、レーザ光Ｙを用いた歯科等各種の治療や工業的な加工の効率を大幅に向上させることが可能となる。
また、半導体レーザ等ではなくフラッシュランプ２１を用いることで、大出力のレーザ発振装置１０Ａを安価に提供できる。特に、歯科治療の分野においては、上記のレーザ発振装置１０Ａを用いることで、大出力を有し、機械的な回転切削に劣らぬ切削効率を有したレーザ治療装置を安価に提供することが可能となり、レーザ治療装置の普及に寄与できる。

さて、上記実施形態においては、以下に示すような変形例が考えられる。なお、上記したレーザ発振装置１０Ａと共通する構成については、同符号を付し、その説明を省略する。

［第二の実施形態］
先ず、上記実施形態のレーザ発振装置１０Ａにおいては、励起光源２０から照射された励起光Ｘのうち、レーザ媒質部３１の励起に寄与しない波長域の光も、レーザ媒質部３１に照射されるようになっている。
そこで、本実施の形態においては、図２に示すレーザ発振装置１０Ｂのように、リフレクタ２２とレーザ媒質部３１との中間部に、レーザ媒質部３１の励起に寄与する波長域の励起光Ｘ１を通過させ、レーザ媒質部３１の励起に寄与しない波長域の励起光Ｘ２を反射するビームスプリッタ４０を設けることができる。ビームスプリッタ４０で反射された、レーザ媒質部３１の励起に寄与しない波長域の励起光Ｘ２は、例えばアルミ板にアルマイト皮膜等を施したビームダンパ４１に照射され、熱エネルギに変換されて吸収される。

このような構成を採用することで、励起光源２０から照射された励起光Ｘのうち、レーザ媒質部３１の励起に寄与しない波長域の励起光Ｘ２は、ビームスプリッタ４０によって反射され、レーザ媒質部３１の励起に寄与する波長域の励起光Ｘ１のみがビームスプリッタ４０を通過してレーザ媒質部３１に照射される。これにより、レーザ媒質部３１の温度上昇をさらに抑えることが可能となり、上記効果は一層顕著なものとなる。このような構成は、ディスク状のレーザ媒質部３１を備える、いわゆるディスクレーザ方式であるからこそ実現できたのである。

［第三の実施形態］
図３に示すレーザ発振装置１０Ｃは、２組の励起光源２０Ａ、２０Ｂを、レーザ励起部３４に対し、斜め方向に離間した位置に備える。そして励起光源２０Ａ、２０Ｂからの励起光Ｘａ、Ｘｂを、レーザ励起部３４に斜めから照射させ、励起光源２０Ａ、２０Ｂ、レーザ励起部３４の全反射膜３２との間で略Ｖ字状の光路で多重反射させる。

レーザ共振器３６Ｃは、レーザ励起部３４の全反射膜３２で励起されたレーザ光Ｙを反射するとともにその一部を通過させて出力するもので、全反射膜３２に対して正対させて設けられる。

このようなレーザ発振装置１０Ｃにおいては、励起光源２０Ａ、２０Ｂからの励起光Ｘａ、Ｘｂが、励起光源２０Ａ、２０Ｂ、レーザ励起部３４の全反射膜３２との間で略Ｖ字状の光路で多重反射することで、レーザ媒質部３１が励起されてレーザ光Ｙが出力され、レーザ共振器３６Ｃを通って外部に出力される。

上述したレーザ発振装置１０Ｃによれば、上記レーザ発振装置１０Ａと同様の効果が得られるのに加え、２組の励起光源２０Ａ、２０Ｂを備えることで、より大出力化が可能となる。

［第四の実施形態］
図４に示すレーザ発振装置１０Ｄは、２組の励起光源２０Ｃ、２０Ｄと、レーザ励起部３４Ｃ、３４Ｄと、を備える。これら励起光源２０Ｃ、２０Ｄ、レーザ励起部３４Ｃ、３４Ｄは、互いに正対しており、一組のレーザ共振器３５Ｄ、３６Ｄ間に配置されている。

励起光源２０Ｃ、２０Ｄからの励起光Ｘｃ、Ｘｄによりレーザ励起部３４Ｃ、３４Ｄのレーザ媒質部３１、３１で励起されたレーザ光Ｙが、一組のレーザ共振器３５Ｄ、３６Ｄ間を、ジグザグ上の光路に沿って往復して増幅され、レーザ共振器３６Ｄから外部に出力される。そのため、励起光源２０Ｃおよびレーザ励起部３４Ｃと、励起光源２０Ｄおよびレーザ励起部３４Ｄとは、互い違いに配置されている。

このようなレーザ発振装置１０Ｄにおいても、上記レーザ発振装置１０Ａと同様の効果が得られるのに加え、２組の励起光源２０Ｃ、２０Ｄを備えることで、より大出力化が可能となる。

［第五の実施形態］
図５に示すレーザ発振装置１０Ｅは、２組の励起光源２０Ｅ、２０Ｆと、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆと、を備える。これら励起光源２０Ｅ、２０Ｆは、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆに対して斜めから励起光Ｘｅ、Ｘｆを照射するよう配置されている。
レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆの全反射膜３２で反射した励起光Ｘｅ、Ｘｆが、励起光源２０Ｅ、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆ、励起光源２０Ｆ間でジグザグ状の光路で多重反射するよう、励起光源２０Ｅ、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆ、励起光源２０Ｆは千鳥状に配置されている。

レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆにそれぞれ正対して、レーザ励起部３４の全反射膜３２で励起されたレーザ光Ｙｅ、Ｙｆを反射するとともにその一部を通過させて出力するレーザ共振器３６Ｅ、３６Ｆが設けられている。

このようなレーザ発振装置１０Ｅでは、励起光源２０Ｅ、２０Ｆから照射された励起光Ｘｅ、Ｘｆが、励起光源２０Ｅ、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆ、励起光源２０Ｆ間で多重反射し、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆのレーザ媒質部３１、３１が励起される。レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆのレーザ媒質部３１、３１が励起されて出力されたレーザ光Ｙｅ、Ｙｆは、レーザ共振器３６Ｅ、３６Ｆと、レーザ励起部３４Ｅ、３４Ｆの全反射膜３２、３２との間を反射することで増幅され、レーザ共振器３６Ｅ、３６Ｆから外部に出力される。

上述したレーザ発振装置１０Ｅによれば、上記レーザ発振装置１０Ａと同様の効果が得られるのに加え、２組のレーザ共振器３６Ｅ、３６Ｆから、２系統のレーザ光Ｙｅ、Ｙｆを出力することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、レーザ発振装置１０Ａ〜１０Ｅの構成のみを示したが、上記レーザ発振装置１０Ａ〜１０Ｅの構成を用いるのであれば、レーザ治療装置やレーザ加工装置の他の部分の構成については何ら限定する意図はない。
また、上記に挙げたレーザ発振装置１０Ａ〜１０Ｅの構成を、適宜変更したり組み合わせることも可能である。例えば、図２に示したレーザ発振装置１０Ｂのビームスプリッタ４０、ビームダンパ４１は、他のレーザ発振装置１０Ｃ〜１０Ｅに組み合わせることが可能である。
さらに、フラッシュランプ２１を光源とするのであれば、レーザ光Ｙの種類、波長についても、何ら限定する意図はない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０Ａ〜１０Ｅ…レーザ発振装置、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ…励起光源、２１…フラッシュランプ、２２…リフレクタ、２２ａ…底部、２２ｂ…反射面、３０…レーザ発振部、３１…レーザ媒質部、３２…全反射膜（反射膜）、３３…ヒートシンク（冷却部）、３４、３４Ｃ、３４Ｄ、３４Ｅ、３４Ｆ…レーザ励起部、３５、３５Ｄ…レーザ共振器、３６、３６Ｃ、３６Ｄ、３６Ｅ、３６Ｆ…レーザ共振器、４０…ビームスプリッタ、４１…ビームダンパ

Claims (5)

1. ディスク状のレーザ媒質部と、
   前記レーザ媒質部の一面側に設けられ、前記レーザ媒質部の他面側から入射した光を反射する反射膜と、
   前記レーザ媒質部の一面側に設けられ、前記レーザ媒質部を冷却する冷却部と、
   前記レーザ媒質部を励起する波長を含む波長域の励起光を発するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプで発した前記励起光を前記レーザ媒質部の他面側に向けて反射させるリフレクタと、
   前記リフレクタで反射した前記励起光が前記レーザ媒質部に照射されることで励起されたレーザ光を前記レーザ媒質部に向けて反射させるとともに、前記レーザ光の一部を通過させることで前記レーザ光を外部に出力するレーザ共振器と、
   を備えることを特徴とするレーザ発振装置。
2. 前記フラッシュランプは、前記リフレクタの中心部に配置された点状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記フラッシュランプおよび前記リフレクタが前記反射膜に正対して設けられ、
   前記レーザ共振器が前記反射膜に対して斜めの方向に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記レーザ共振器が前記反射膜に正対して設けられ、
   前記フラッシュランプおよび前記リフレクタが前記反射膜に対して斜めの方向に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振装置。
5. 前記フラッシュランプおよび前記リフレクタと、前記レーザ媒質部とがそれぞれ複数組設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ発振装置。

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