JP2011018815A

JP2011018815A - Ｙａｇレーザ発振器

Info

Publication number: JP2011018815A
Application number: JP2009163300A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishibashi; 誠石橋
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】ガス冷却式のＹＡＧレーザ発振器において、光学系調整を使用時におけるＹＡＧレーザ発振器の光学特性に反映させる。
【解決手段】ＹＡＧレーザ発振器１０は、筐体２０、ＹＡＧロッド４１、ランプ４２、出力ミラー５０、全反射ミラー５１、Ｑスイッチ６０、隔壁３０、および、ガス冷却装置７０を有する。筐体２０の内部は、透過孔３１が形成された隔壁３０により、第１収納空間２３と第２収納空間２４とに仕切られている。第１収納空間２３には、ＹＡＧロッド４１、ランプ４２、および出力ミラー５０が設置され、第２収納空間２４には、Ｑスイッチ６０および全反射ミラー５１が設置されている。ガス冷却装置７０は、ＹＡＧロッド４１およびランプ４２を冷却するために第１収納空間２３にガスを送り込む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス冷却式のＹＡＧレーザ発振器に関する。

従来のＹＡＧレーザ発振器（以下、単に「レーザ発振器」という。）について、図９を用いて説明する。図９は、従来のレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。

レーザ発振器１１０は、ＧＰ（ジャイアントパルス）発振が可能な固体レーザ発振器である。レーザ発振器１１０は、筐体１２０の内部１２１に、反射光学系１４０、ＹＡＧロッド１４１、フラッシュランプ１４２、出力ミラー１５０、全反射ミラー１５１、および、Ｑスイッチ１６０等を収納し、筐体１２０の外部に、水冷装置１７０等を備えている。

ＹＡＧロッド１４１およびフラッシュランプ１４２は、円筒状の反射光学系１４０の内部に挿入されている。ＹＡＧロッド１４１は、レーザ媒質としての機能を有し、光励起源であるフラッシュランプ１４２からのエネルギーを受け取って、特定の波長の光を増幅する。反射光学系１４０、ＹＡＧロッド１４１、および、フラッシュランプ１４２は、チャンバー１７１によって囲まれている。

出力ミラー１５０および全反射ミラー１５１は、筐体１２０の内部１２１の両端に互いに対向して配置されている。出力ミラー１５０および全反射ミラー１５１は、ＹＡＧロッド１４１からの放出光１９０がＹＡＧロッド１４１を介して往復するように配置され、放出光１９０を増幅させる役割を果たす。

Ｑスイッチ１６０は、放出光１９０の光軸１８２上に配置されている。Ｑスイッチ１６０は、ポラライザ１６１、ポッケルスセル１６２、および、λ／４板１６３からなり、一時的に放出光１９０を遮断するシャッタとしての役割を果たす。

水冷装置１７０は、筐体１２０の外部に設けられ、チャンバー１７１内の冷却水を循環させて、ＹＡＧロッド１４１およびフラッシュランプ１４２を冷却する（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−１６４９５０号公報

上述したＧＰ発振方式のような高出力のレーザ発振器１１０においては、ＹＡＧロッド１４１およびフラッシュランプ１４２を効率良く冷却するために、通常、水冷装置１７０とチャンバー１７１との相互間で冷却水を循環させる水冷方式が用いられる。水冷方式を用いた場合には、レーザ発振による筐体１２０の内部１２１の温度上昇を数℃程度に抑えることができる。

ここで、レーザ発振器１１０の小型化のため、あるいは、水を使用することが好ましくない環境下での用途のため、ガス給排装置７０とチャンバー７１との相互間で冷却ガスを循環させるガス冷却方式をＹＡＧレーザ発振器１１０に適用することが考えられる。しかし、ガス冷却方式を用いた場合には、水冷方式を用いた場合に比べて、冷却効率が低く、レーザ発振による筐体１２０の内部１２１の温度が大きく上昇してしまう。

ところで、レーザ発振器１１０の使用にあたっては、筐体１２０の上面に形成された上蓋を取り外して、全反射ミラー１５１やＱスイッチ１６０などの位置・角度を調節して、光軸１８２を補正する作業、あるいは、出力や発振モードなどを調整する作業（以下、「光学系調整」という。）が必要となる。

光学系調整中には、上蓋を取り外しているため、筐体１２０の内部１２１の温度は、筐体１２０の外部の温度（以下、「雰囲気温度」という。）とほぼ同一となる。水冷方式を用いた場合、光学系調整後、上蓋を取り付けて、レーザ発振器１１０を使用しても、上述のとおり、筐体１２０の内部１２１の温度がほとんど上昇しない。そのため、筐体１２０の内部１２１の屈折率がほとんど変化しない。したがって、光学系調整がレーザ発振器１１０の使用時の光学特性に反映される。

一方、ガス冷却方式を用いた場合、光学系調整中には、筐体１２０の内部１２１の温度は、雰囲気温度とほぼ同一となる。しかし、光学系調整後、上蓋を取り付けて、レーザ発振器１１０を使用すると、上述の通り、筐体１２０の内部１２１の温度が大きく上昇してしまう。そうすると、筐体１２０の内部１２１の屈折率が大きく変化してしまい、レーザ発振器１１０の使用時の光学特性は、光学系調整の直後の光学特性と大きく異なってしまう。つまり、光学系調整がレーザ発振器１１０の使用時の光学特性に反映されない。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ガス冷却式のＹＡＧレーザ発振器において、光学系調整をＹＡＧレーザ発振器の使用時の光学特性に反映させて、高性能なＹＡＧレーザ発振器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るＹＡＧレーザ発振器は、内部に第１収納空間および第２収納空間が形成された筐体と、前記第１収納空間に設置されたＹＡＧロッドと、前記第１収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドの光励起源となるランプと、前記第１収納空間に設置された出力ミラーと、前記第２収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドからの放出光が前記出力ミラーとの間で前記ＹＡＧロッドを介して往復するように配置された全反射ミラーと、前記第２収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドと前記全反射ミラーとの間の前記放出光の光軸上に配置されたＱスイッチと、前記光軸上に透過孔が形成されて前記第１収納空間と前記第２収納空間とを仕切っている隔壁と、前記ＹＡＧロッドおよび前記ランプを冷却するために前記第１収納空間にガスを送り込むガス冷却装置と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、ガス冷却式のＹＡＧレーザ発振器において、光学系調整をＹＡＧレーザ発振器の使用時の光学特性に反映させて、高性能なＹＡＧレーザ発振器を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器を示した斜視図である。本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の側壁を取り除いた状態の側面図である。本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の反射光学系、ＹＡＧロッドおよびフラッシュランプを示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器を示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。本発明の第３の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。本発明の第４の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。従来のＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。

［第１の実施形態］
本発明に係るＹＡＧレーザ発振器の第１の実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器を示した斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の側壁を取り除いた状態の側面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の反射光学系、ＹＡＧロッドおよびフラッシュランプを示した斜視図である。

レーザ発振器１０は、ガス冷却方式の固体レーザ発振器である。レーザ発振器１０は、ガス冷却方式を採用しているため、水を使用することが好ましくない環境下でも使用できる。例えば、Ｎａ蒸気を対象としたレーザ誘起蛍光分析装置用のレーザ光源として使用することができる。

また、レーザ発振器１０は、例えば、ピークパワーが１０ＭＷを超えるＧＰ（ジャイアントパルス）発振方式のレーザ発振器である。

まず、本実施形態に係るレーザ発振器１０の構造について説明する。

レーザ発振器１０は、筐体２０の内部に、反射光学系４０、ＹＡＧロッド４１、フラッシュランプ４２、出力ミラー５０、全反射ミラー５１、および、Ｑスイッチ６０等を収納し、筐体２０の外部に、ガス給排装置７０等を備えている。

筐体２０は、直方体形状であって、ベース板２２上に固定されている。筐体２０の内部には、隔壁３５が設けられている。その隔壁３５は、筐体２０の端壁２５，２６と平行に配置され、筐体２０の内部を第１収納空間２３と第２収納空間２４とに仕切っている。

ＹＡＧロッド４１は、活性媒体であるＮｄ^３−が添加されたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）の結晶により構成され、円筒形の棒状に形成されている。ＹＡＧロッド４１は、フラッシュランプ４２からのエネルギーを受け取って、特定の波長の光を増幅する、レーザ媒質としての機能を有する。

フラッシュランプ４２は、例えば、円筒形の棒状のＸｅガス封入ランプである。フラッシュランプ４２は、ＹＡＧロッド４１に対して、ＹＡＧロッド４１が誘導放出するためのエネルギー（光）を供給する、光励起源としての役割を果たす。フラッシュランプ４２は、図示しない電源装置に接続されている。

反射光学系４０は、筐体２０の長軸方向に延びた楕円円筒体であり、内壁には反射鏡が形成されている。反射光学系４０は、第１収納空間２３に設置されている。ＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２は、反射光学系４０内に反射光学系４０に沿って互いに並行して配置されている。フラッシュランプ４２からの発光がＹＡＧロッド４１に集光するように、ＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２は、それらの軸が反射光学系４０の楕円断面の焦点位置になるように配置されている。

第１収納空間２３には、チャンバー７１が設置されている。反射光学系４０は、チャンバー７１内に設置されて、ＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２は、それらの両端がチャンバー７１から突出するように配置されている。

出力ミラー５０は、第１収納空間２３の隔壁３５から離れた端部に設置され、全反射ミラー５１は、第２収納空間２４の隔壁３５から離れた端部に設置されている。出力ミラー５０および全反射ミラー５１は、ＹＡＧロッド４１からの放出光８０がＹＡＧロッド４１を介して往復するように互いに対向して配置されている。全反射ミラー５１は、高反射ミラーであり、出力ミラー５０は、放出光の一部を反射させ、一部を透過させるミラーである。出力ミラー５０および全反射ミラー５１は、ＹＡＧロッド４１を介して放出光８０を往復させて、放出光８０を増幅させる役割を果たす。

筐体２０の第１収納空間２３側の端壁２５には、放出光８０の光軸８２に対応する位置に透過孔３６が形成されている。出力ミラー５０と全反射ミラー５１との間で増幅され出力ミラー５０を透過した放出光（レーザ）８１は、この貫通孔２９を通過して、筐体２０の外部に発振される。

Ｑスイッチ６０は、第２収納空間２４に設置され、放出光８０の光軸８２上であって、ＹＡＧロッド４１と全反射ミラー５１との間に配置されている。Ｑスイッチ６０は、ポラライザ６１、ポッケルスセル６２、および、λ／４板６３を有する。

ここで、ポラライザ６１は、特定の偏光方向の波長の放出光８０のみを透過させる機能を有する。ポッケルスセル６２は、図示しない電源装置に接続され、電圧の印加により、偏光面を９０°回転させる機能を有する。また、λ／４板６３は、直線偏光を円偏光に変換させ、円偏光を直線偏光に変更させる機能を有する。これらを組み合わせたＱスイッチ６０は、一時的に放出光８０を遮断するシャッタとしての役割を果たす。

ガス給排装置７０は、筐体２０の外部に設けられ、例えば、コンプレッサ等である。ガス給排装置７０は、給気管７２および排気管７３を介して、ガス給排装置７０とチャンバー７１との相互間で冷却ガス（例えば、空気）を循環させて、ＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２を冷却する。ガス給排装置７０は、より効果的にＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２を冷却するために、チャンバー７１から排気されたガスを冷却する冷却装置を備えていても良い。

上述したとおり、筐体２０の内部には、隔壁３５が設けられている。好ましくは、隔壁３５は、断熱材で構成されている。この隔壁３５には、放出光８０の光軸８２に対応する位置に透過孔３６が形成されている。放出光８０は、この透過孔３６を通過して、出力ミラー５０と全反射ミラー５１との間を往復する。透過孔３６には、石英ガラス３２が嵌め込まれ、この石英ガラス３２には、放出光８０が反射しないように反射防止コーティングが施されている。

筐体２０の上面には、第１上蓋２７および第２上蓋２８が開閉可能に取り付けられている。第１上蓋２７は、第１収納空間２３と筐体２０の外部とを仕切っていて、第２上蓋２８は、第２収納空間２４と筐体２０の外部とを仕切っている。すなわち、第１上蓋２７および第２上蓋２８により、第１収納空間２３と第２収納空間２４とを独立して開閉可能となっている。

次に、本実施形態に係るレーザ発振器１０の光学系調整について説明する。

本実施形態に係るレーザ発振器１０においては、主に第２収納空間２４に設置された全反射ミラー５１およびＱスイッチ６０の位置・角度を調節することにより光学系調整を行う。

具体的には、作業者は、第２上蓋２８を取り外して、全反射ミラー５１およびＱスイッチ６０の位置・角度の調節とレーザの発振とを繰り返して、光学系調整を行う。光学系調整後、筐体２０に第２上蓋２８を取り付けて、レーザ発振器１０を使用する。

次に、本実施形態に係るレーザ発振器１０の作用について説明する。

ガス冷却方式を採用した本実施形態に係るレーザ発振器１０では、水冷方式を採用した従来のレーザ発振器１１０に比べて冷却効率が低い。そのため、光学系調整後にレーザ発振器１０の使用を開始すると、第１収納空間２３の温度は、ＹＡＧロッド４１およびフラッシュランプ４２からの発熱により、上昇する。

一方、第２収納空間２４の温度は、光学系調整後にレーザ発振器１０の使用を開始しても、隔壁３５によって第１収納空間２３と第２収納空間２４とに仕切られているため、光学系調整の直後の温度（雰囲気温度）からほとんど上昇しない。すなわち、使用中での第２収納空間２４における光学特性は、光学系調整の直後からほとんど変化しない。よって、光学系調整がレーザ発振器１０の使用時の光学特性に反映される。

なお、本実施形態において、出力ミラー５０の反射率を３０％、ＹＡＧロッド４１の濃度を１％ａｔｏｍ、口径を５ｍｍ、長さを７６ｍｍ、ガス冷却装置７０からの空気流量を５Ｌ／ｍｉｎ、電源装置からフラッシュランプ４２への注入エネルギーを５Ｊ、フラッシュランプ４２の発光周波数１Ｈｚとした場合、出力エネルギーが１２０ＭＪ、パルス幅が７ｎｓｅｃのレーザを得た。このレーザを焦点距離２５ｍｍのレンズにより集光すると、エアーブレークダウンを発生させることができ、レーザ発振器１０をレーザ誘起蛍光分析装置用のレーザ光源として使用することができた。

［第２の実施形態］
本発明に係るＹＡＧレーザ発振器の第２の実施形態について、図５および図６を用いて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器を示した斜視図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。

本実施形態では、出力ミラー５０は、第１収納空間２３側の端壁２５の内面に取り付けられている。この端壁２５には、出力ミラー５０の角度を調節可能な調節孔３１が形成されている。

そして、本実施形態では、冶具を調節孔３１に挿入して、出力ミラー５０の角度を調節することにより、光学系調整を行う。すなわち、第１上蓋２７を取り外すことなく、光軸８２の補正等を行うことができる。

さらに、この出力ミラー５０の角度調節は、レーザを発振しながら行うと良い。そうすると、レーザ発振器１０の使用時の状態で第１収納空間２３での光学系調整を行うことができ、光学系調整がレーザ発振器１０の使用時の光学特性に反映される。

［第３の実施形態］
本発明に係るＹＡＧレーザ発振器の第３の実施形態について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。なお、本実施形態は、第２の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。

レーザ発振器１０は、くさび型形状の光学面板である２枚のウエッジ板６４，６５を有する。２枚のウエッジ板６４，６５は、第２収納空間２４に設置され、放出光８０の光軸８２上であって、Ｑスイッチ６０と全反射ミラー５１との間に配置されている。２枚のウエッジ板６４，６５は、それぞれ位置・角度の調節が可能な保持台６６，６７に載置されている。

また、出力ミラー５０は、第２実施形態と同様に、第１収納空間２３側の端壁２５の内面に取り付けられている。しかし、本実施形態の端壁２５には、第２実施形態とは異なり、調節孔３１が形成されていない。

本実施形態に係るレーザ発振器１０においては、主にウエッジ板６４，６５の位置・角度を調節することにより、光学系調整を行う。

具体的には、作業者は、第２上蓋２８を取り外して、保持台６６，６７の位置・角度を調節することにより、ウエッジ板６４，６５の位置・角度を変えて、筐体２０に第２上蓋２８を取り付ける。出力ミラー５０の位置・角度の調節を行う代わりに、ウエッジ板６４，６５の位置・角度の調節を行うことにより、光軸８２の補正等を行うことができる。

また、第２実施形態とは異なり、調節孔３１が形成されていないため（図１を参照）、第２実施形態に比べて、第１収納空間２３の熱的安定性を向上できる。

［第４の実施形態］
本発明に係るＹＡＧレーザ発振器の第４の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係るＹＡＧレーザ発振器の概略図であって、筐体の上蓋を取り除いた状態の平面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ発振器１０は、２つの筐体（第１筐体２０ａおよび第２筐体２０ｂ）を有する。第１筐体２０ａおよび第２筐体２０ｂは、ベース板２２上に固定され（図３を参照）、互いに隣り合って配置されている。

第１筐体２０ａの内部には、第１収納空間２３が形成され、第２筐体２０ｂの内部には、第２収納空間２４が形成されている。また、第１筐体２０ａの上面には、第１上蓋２７が開閉可能に取り付けられ、第２筐体２０ｂの上面には、第２上蓋２８が開閉可能に取り付けられている。

本実施形態においては、互いに対向した第１筐体２０ａの端壁３１および第２筐体２０ｂの端壁３２が隔壁３５として機能する。第１筐体２０ａの端壁３１および第２筐体２０ｂの端壁３２には、放出光８０の光軸８２に対応する位置に、それぞれ透過孔３６ａ，３６ｂが形成されている。

［他の実施形態］
第１ないし第４の実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、第２の実施形態の特徴と第４の実施形態の特徴とを組み合わせても良い。また、開閉可能に取り付けられる蓋は、筐体２０の上面に形成される必要はなく、筐体２０の側面に形成されても良い。さらに、第１ないし第４の実施形態に係るレーザ発振器１０は、レーザ誘起蛍光分析だけでなく、例えば、レーザアブレーションやレーザピーニング等にも使用することができる。

１０…ＹＡＧレーザ発振器、２０…筐体、２２…ベース板、２３…第１収納空間、２４…第２収納空間、２５，２６…端壁、２７…第１上蓋，２８…第２上蓋、２９…貫通孔、３０…側壁、３１…調節孔、３５…隔壁、３６…透過孔、３７…石英ガラス、４０…反射光学系、４１…ＹＡＧロッド、４２…フラッシュランプ、５０…出力ミラー、５１…全反射ミラー、６０…Ｑスイッチ、６１…ポラライザ、６２…ポッケルスセル、６３…λ／４板、６４，６５…ウエッジ板、７０…冷却装置、７１…チャンバー、７２…給気管、７３…排気管、８０，８１…放出光、８２…光軸

Claims

内部に第１収納空間および第２収納空間が形成された筐体と、
前記第１収納空間に設置されたＹＡＧロッドと、
前記第１収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドの光励起源となるランプと、
前記第１収納空間に設置された出力ミラーと、
前記第２収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドからの放出光が前記出力ミラーとの間で前記ＹＡＧロッドを介して往復するように配置された全反射ミラーと、
前記第２収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドと前記全反射ミラーとの間の前記放出光の光軸上に配置されたＱスイッチと、
前記光軸上に透過孔が形成されて前記第１収納空間と前記第２収納空間とを仕切っている隔壁と、
前記ＹＡＧロッドおよび前記ランプを冷却するために前記第１収納空間にガスを送り込むガス冷却装置と、
を具備したことを特徴とするＹＡＧレーザ発振器。
前記筐体には前記第２収納空間と前記筐体の外部空間とを仕切り開閉可能な第２蓋が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
前記筐体には前記第１収納空間と前記筐体の外部空間とを仕切り開閉可能な第１蓋が形成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器。
前記透過孔には石英ガラスが嵌め込まれていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
前記隔壁が断熱材からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
前記第２収納空間に設置されて前記ＹＡＧロッドと前記全反射ミラーとの間の前記放出光の光軸上に配置されたウエッジ板と、
前記ウエッジ板を回転可能に保持したウエッジ板ホルダと、
を具備したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のレーザ発振器。
前記出力ミラーは前記筐体の内壁に取り付けられ、その内壁には前記出力ミラーの位置を調整するための調整孔が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のレーザ発振器。