JP2012156435A

JP2012156435A - Ｙａｇレーザー発振装置

Info

Publication number: JP2012156435A
Application number: JP2011016259A
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: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】禁水が必要な場所で使用可能であるＹＡＧレーザー発振装置を提供する。
【解決手段】筐体と、前記筐体の内部に設置されたレーザー本体と、前記筐体の内部の空気の温度を略一定に調整する温度調整機構と、前記筐体の内部の空気を前記レーザー本体の前記カバーによって囲まれた内部に送り込む第１送風機構と、前記筐体の外部に設置され、前記筐体の内部の空気を前記レーザーポンプチャンバーの内部に送り込む第２送風機構と、を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ＹＡＧレーザー発振装置に関する。

ピークパワーが１０ＭＷ以上となるジャイアントパルス（ＧＰ）発振方式の固体レーザー発振装置であるＹＡＧレーザー発振装置は、レーザーアブレーション、レーザー誘起蛍光分析、レーザーピーニング等の分野で使用可能である。

このような固体レーザー発振装置は、その安定性を確保するために、レーザーポンプチャンバーを冷却する冷却機構を具備している。例えば、冷却機構として、水冷方式が多く用いられている。水冷方式を適用したレーザーポンプチャンバーでは、ＹＡＧロッド及びフラッシュランプを密閉した水冷ジャケットに収めて冷却水を循環させ冷却を行うことでレーザーポンプチャンバーを熱的に安定に保っている。

しかしながら、水の使用及び水の発生が厳禁とされる禁水が必要な場所においては、水冷方式の冷却機構は適用できない。

特開平０６−１７７４７０号公報特開平１１−２３３８５４号公報特開２００３−２５８３５０号公報

本実施形態の目的は、禁水が必要な場所で使用可能であるＹＡＧレーザー発振装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
筐体と、前記筐体の内部に設置され、ａ）レーザー媒質であるＹＡＧロッドと、励起源であるフラッシュランプと、前記フラッシュランプからのフラッシュランプ光を前記ＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、前記ＹＡＧロッド、前記フラッシュランプ、及び、前記楕円形反射光学系を囲むジャケットと、を含むレーザーポンプチャンバーと、ｂ）前記レーザーポンプチャンバーの前方に配置された出力ミラーと、前記レーザーポンプチャンバーの後方に配置されたＱスイッチ構成体と、前記Ｑスイッチ構成体の後方に配置されたリア反射ミラーと、を含む光学系と、ｃ）前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系が取り付けられるベース板と、ｄ）前記ベース板に取り付けられた前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系を囲むカバーと、を備えたレーザー本体と、前記筐体の内部の空気の温度を略一定に調整する温度調整機構と、前記筐体の内部の空気を前記レーザー本体の前記カバーによって囲まれた内部に送り込む第１送風機構と、前記筐体の外部に設置され、前記筐体の内部の空気を前記レーザーポンプチャンバーの内部に送り込む第２送風機構と、を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置が提供される。

図１は、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す上面図である。図２は、図１に示したＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す側面図である。図３は、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す図である。図４は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置において第２送風機構１３０として適用可能なベローズ式ポンプの構成を概略的に示す図である。図５は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置に適用可能な空冷式のレーザーポンプチャンバーの構成を概略的に示す図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本実施形態によるＹＡＧレーザー発振装置を構成するレーザー本体２の構成について説明する。図１は、レーザー本体２の構成を概略的に示す上面図である。図２は、図１に示したレーザー本体２の構成を概略的に示す側面図である。なお、図１では、カバーの図示を省略している。

すなわち、レーザー本体２は、レーザーポンプチャンバー１０と、光学系２０と、ベース板３０と、カバー４０と、を備えている。

レーザーポンプチャンバー１０は、レーザー媒質であるＹＡＧロッド１１と、励起源であるフラッシュランプ１２と、フラッシュランプ１２からのフラッシュランプ光をＹＡＧロッド１１に集光して照射するための楕円形反射光学系１３と、ＹＡＧロッド１１、フラッシュランプ１２、及び、楕円形反射光学系１３を囲むジャケット１４と、を含んでいる。

ＹＡＧロッド１１は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）結晶中に不純物として、例えば、３価のネオジウムイオン（Ｎｄ^３＋）が存在するものである。このＹＡＧロッド１１は、略一直線状に延出しており、一端面１１Ａ及び他端面１１Ｂを有している。フラッシュランプ１２は、略一直線状に延出しており、ＹＡＧロッド１１と略平行に配置されている。このフラッシュランプ１２は、電源ユニット６０に接続されている。

楕円形反射光学系１３は、２つの焦点軸を有している。ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２は、楕円形反射光学系１３の２つの焦点軸にそれぞれ配置されている。詳述しないが、ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２は、図示しない保持機構によってそれぞれ位置決めされた状態で保持されており、楕円形反射光学系１３の内部に固定されている。ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２と、楕円形反射光学系１３との間には、空気が流れる隙間が形成されている。

ジャケット１４は、略箱状に形成されており、ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２が保持された状態の楕円形反射光学系１３を囲むよう取り付けられている。このようなジャケット１４には、詳述しないが、少なくともＹＡＧロッド１１の一端面１１Ａ及び他端面１１Ｂにそれぞれ対向する開孔部が形成されている。

このジャケット１４は、金属製である。より具体的には、ジャケット１４は、熱伝導性、耐熱性、及び、防錆性に優れた金属素材、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレスのいずれかによって形成されることが望ましい。

光学系２０は、レーザーポンプチャンバー１０の前方に配置された出力ミラー２１と、レーザーポンプチャンバー１０の後方に配置されたＱスイッチ構成体２２と、Ｑスイッチ構成体２２の後方に配置されたリア反射ミラー２３と、を含んでいる。Ｑスイッチ構成体２２は、薄膜ポラライザー２２１と、薄膜ポラライザー２２１の後方に配置されたポッケルスセル２２２と、ポッケルスセル２２２の後方に配置されたλ／４板２２３と、によって構成されている。

出力ミラー２１は、部分透過ミラーであり、ＹＡＧロッド１１の一端面１１Ａと対向している。薄膜ポラライザー２２１は、ＹＡＧロッド１１の他端面１１Ｂと対向している。ポッケルスセル２２２は、ポッケルス効果を示す結晶であり、電源ユニット６０に接続されている。リア反射ミラー２３は、全反射ミラーであり、出力ミラー２１との間に共振器光学系を形成している。

ベース板３０には、レーザーポンプチャンバー１０及び光学系２０が取り付けられている。レーザーポンプチャンバー１０がベース板３０に取り付けられることにより、ＹＡＧロッド１１、フラッシュランプ１２、及び、楕円形反射光学系１３は、ベース板３０に対して所定の位置に固定されている。また、光学系２０がベース板３０に取り付けられる際には、出力ミラー２１、ＹＡＧロッド１１、薄膜ポラライザー２２１、ポッケルスセル２２２、λ／４板２２３、及び、リア反射ミラー２３が同軸上において適当な間隔を置いてこの順に配置、固定されている。

カバー４０は、埃対策や遮光などのために、ベース板３０に取り付けられたレーザーポンプチャンバー１０及び光学系２０の全体を囲んでいる。このようなカバー４０は、ベース板３０に固定されている。カバー４０の前方、つまり、出力ミラー２１と対向する位置には、レーザー出射穴４０Ｈが形成されている。レーザー光は、このレーザー出射穴４０Ｈから外部に向けて出射される。このカバー４０は、熱伝導性、熱安定性（速やかに一定温度に達する特性）に優れた金属素材、例えば、アルミニウムによって形成されることが望ましい。

次に、本実施形態によるＹＡＧレーザー発振装置１の構成について説明する。図３は、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置１の構成を概略的に示す図である。

すなわち、ＹＡＧレーザー発振装置１は、上記のレーザー本体２に加えて、筐体１００と、筐体１００の内部の空気の温度を略一定に調整する温度調整機構１１０と、筐体１００の内部の空気をレーザー本体２のカバー４０によって囲まれた内部に送り込む第１送風機構１２０と、筐体１００の外部に設置され筐体１００の内部の空気をレーザーポンプチャンバー１０の内部に送り込む第２送風機構１３０と、を備えている。

筐体１００は、例えば、略箱状に形成されている。レーザー本体２は、この筐体１００の内部に設置されている。なお、筐体１００の内部には、レーザー本体２の他に、レーザー本体２から出射されたレーザー光を反射するミラーや、レーザー光を集束するレンズ、各種フィルター、検出器などが設置されていても良い。

温度調整機構１１０は、例えば、筐体冷却装置であり、吸気部１１１及び排出部１１２を含んでいる。この温度調整機構１１０は、図中の矢印ａで示したように、吸気部１１１により筐体１００の内部から空気を取り込み、取り込んだ空気を温度調整する。また、この温度調整機構１１０は、図中の矢印ｂで示したように、温度調整した空気を排出部１１２により筐体１００の内部に排出する。このような温度調整機構１１０は、筐体１００の外気温（周囲温度）にかかわらず、筐体１００の内部の空気の温度を略一定（例えば、２５℃±３℃）に保っている。

第１送風機構１２０は、例えば、送風ファンである。この第１送風機構１２０は、図中の矢印ｃで示したように、筐体１００の内部の空気を吸気して、図中の矢印ｄで示したように、カバー４０の内部に排出する。レーザー本体２においては、カバー４０で囲まれた内部は、筐体１００の内部の温度調整された空気で満たされることになる。

このため、筐体１００の内部の空気の温度と、カバー４０の内部の空気の温度とは略同一となる。これにより、カバー４０の内部に設置されたレーザーポンプチャンバー１０において、その外側は、第１送風機構１２０によって送り込まれた温度調整された空気によって冷却される。つまり、レーザーポンプチャンバー１０において、ジャケット１４の外面から冷却することが可能となる。

第１送風機構１２０には、エアフィルター１２１が取り付けられることが望ましい。エアフィルターとしては、例えば、ＨＥＰＡ（ＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＡｉｒ）フィルターが好適であるが、さらに高性能なＵＬＰＡ（ＵｌｔｒａＬｏｗＰｅｎｅｔｒａｔｉｏｎＡｉｒ）フィルターを適用しても良い。

このようなエアフィルター１２１を適用した場合には、筐体１００の内部の空気を清浄化した後にカバー４０で囲まれた内部に排出することが可能となる。このため、カバー４０で囲まれた内部の空気は、筐体１００の内部の空気よりも清浄化される。これにより、清浄な空気によってレーザーポンプチャンバー１０を冷却することが可能となるとともに、光学系２０の劣化を抑制することが可能となる。

第２送風機構１３０は、例えば、ベローズ式ポンプである。この第２送風機構１３０は、吸気部１３１及び排出部１３２を含んでいる。この第２送風機構１３０は、図中の矢印ｅで示したように、吸気部１３１により筐体１００の内部から空気を取り込み、図中の矢印ｆで示したように、取り込んだ空気を排出部１３２によりレーザーポンプチャンバー１０の内部に排出する。つまり、温度調整された空気がレーザーポンプチャンバー１０の内部を流れることにより、レーザーポンプチャンバー１０の内側が冷却される。

レーザーポンプチャンバー１０の内部に送り込まれた空気は、詳述しないが、ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２と、楕円形反射光学系１３との間に形成された隙間を流れ、カバー４０によって囲まれた内部に漏れ出すことなく、図中の矢印ｇで示したように、排気部１４０から筐体１００の外部に排気される。このため、第２送風機構１３０によって送り込まれた空気により、カバー４０の内部の空気の清浄度を低下させることはない。

なお、この第２送風機構１３０は発熱源になるため、第２送風機構１３０そのものは、筐体１００の外部に設置されている。これにより、筐体１００の内部の温度調整を担う温度調整機構１１０の熱負荷を低減することが可能となる。

図４は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置１において第２送風機構１３０として適用可能なベローズ式ポンプの構成を概略的に示す図である。

すなわち、第２送風機構１３０であるベローズ式ポンプ５０は、回転可能なモータ５１と、モータ５１に接続されたクランク５２と、クランク５２に接続された蛇腹状のベローズ５３と、を備えて構成されている。吸気口５４は、上記の吸気部１３１に接続されている。この吸気口５４とベローズ５３との間には、逆止弁５５が介在している。吐出口５６は、上記の排出部１３２を介して接続されている。この吐出口５６とベローズ５３との間には、逆止弁５７が介在している。

このようなベローズ式ポンプ５０は、モータ５１の回転をクランク５２にて往復運動に変換し、クランク５２に接続されたベローズ５３を伸縮させて吸気口５４から取り込んだ筐体１００の内部の空気を吐出口５６からレーザーポンプチャンバー１０の内部に送り込む。

ベローズ５３は、蛇腹状であるためゴム材に比べて硬質な材料を使用することが可能である。このようなベローズ５３は、アウトガスを発生しない材質であるステンレスもしくはポリテトラフルオロエチレン（あるいはテフロン（登録商標））によって形成されている。

図５は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置１に適用可能な空冷式のレーザーポンプチャンバー１０の構成を概略的に示す図である。

図示しないベローズ式ポンプ５０の吐出口５６から送風された空気は、排出部１３２を通り、レーザーポンプチャンバー１０の内部に導入される。レーザーポンプチャンバー１０の内部に導入された空気は、発熱源となるフラッシュランプ１２及びＹＡＧロッド１１と、楕円形反射光学系１３との間の隙間を通り、排気部１４０からレーザーポンプチャンバー１０の外部、さらには、筐体１００の外部に排気される。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＹＡＧレーザー発振装置１は、ＹＡＧロッド１１とフラッシュランプ１２とを保持しながら冷却を行うレーザーポンプチャンバー１０の内部に温度調整された空気を送り込んで冷却するとともに、レーザーポンプチャンバー１０が設置されたカバー４０の内部に温度調整された空気を送り込んでレーザーポンプチャンバー１０の外側を冷却する空冷方式を採用し、レーザーポンプチャンバー１０を熱的に安定に保つことが可能となる。

また、レーザー本体２は、カバー４０によって囲まれた内部に設置されており、このカバー４０の内部には、温度調整された空気が送り込まれる。このため、カバー４０の内部の温度を略一定に保つことができ、光学系２０を熱的に安定に保つことが可能となる。

したがって、レーザーポンプチャンバー１０の内外、及び、共振器内の温度を常に一定範囲内の温度に保つことが可能となり、出力エネルギー、パルス幅、ビームパターン、ビーム発散角などのレーザー特性の安定化を図ることが可能となる。

特に、本実施形態においては、レーザー本体２が設置される筐体１００の内部について、温度調整機構１１０によって略一定の温度に保ち、この筐体１００の内部の空気を第１送風機構１２０によってレーザー本体２の内部に送り込み、また、筐体１００の内部の空気を第２送風機構１３０によってレーザーポンプチャンバー１０の内部に送り込んでいる。

第１送風機構１２０としては送風ファンを適用し、第２送風機構１３０としてはベローズ式ポンプを適用している。送風ファン及びベローズ式ポンプは、発熱部分であるレーザーポンプチャンバー１０の内部にアウトガスの無いクリーンで且つ温度調整された空気を供給して冷却を行い、かつ水分を発生させない。このため、禁水が必要な場所でＹＡＧレーザー発振装置１の使用が可能となる。また、レーザーポンプチャンバー１０の内部の汚染を抑制することが可能である。

また、第１送風機構１２０にエアフィルター１２１を適用したことにより、カバーで囲まれた内部により清浄化された空気を送り込むことが可能となる。これにより、光学系２０の劣化を抑制することが可能となる。

また、レーザーポンプチャンバー１０を構成するジャケット１４は、耐熱性のある金属素材によって形成されている。このため、レーザーポンプチャンバー１０の外側からの冷却効率を高めることが可能となる。

また、Ｑスイッチ構成体２２を構成するポッケルスセル２２２は、温度依存性を有し、スイッチングのための位相変換に必要な駆動電圧が周辺温度に応じて変化する。本実施形態では、ポッケルスセル２２２はカバー４０で囲まれた内部に設置されており、カバー４０で囲まれた内部は略一定の温度に調整されている。このため、Ｑスイッチ構成体２２の駆動電圧を一定にすることが可能となり、ポッケルスセル２２２の周辺温度に応じて駆動電圧を変更するといった複雑な制御が不要となる。

（実施例）
空冷方式のレーザーポンプチャンバー１０及び光学系２０をベース板３０の上に設置し、これらをカバー４０で覆ったレーザー本体２を用意し、このレーザー本体２を筐体１００の内部に設置した。筐体１００には、温度調整機構１１０として筐体冷却機構を適用し、第１送風機構１２０として送風ファンを適用し、エアフィルター１２１としてＨＥＰＡフィルターを適用し、第２送風機構１３０としてベローズ式ポンプを適用し、ジャイアントパルス発振方式のＹＡＧレーザー発振装置１を構成した。

このとき、出力ミラー２１の反射率を５０％とし、ＹＡＧロッド１１中の不純物ドープ濃度を１％ａｔｍとし、ＹＡＧロッド１１の口径をφ５ｍｍとし、ＹＡＧロッド１１の長さを７６ｍｍとし、ベローズ式ポンプの冷却空気流量を２０Ｌ/ｍｉｎとし、ベローズ式ポンプのベローズ５３の材質としてテフロンを使用し、電源ユニット６０からフラッシュランプ１２への注入エネルギーを８Ｊとし、フラッシュランプ１２のランプ発光周波数を１Ｈｚとした。

筐体冷却機構に冷却能力２８０Ｗのドレン気化方式筐体クーラー（ドレン水をフィルターにて吸水し、ファンで蒸発させる方式）を用いて、周囲温度１０〜４０℃の時、筐体１００の内部の温度を２５℃±３℃に保ち、発振繰り返し周波数１Ｈｚの空冷式ジャイアントパルス発振方式ＹＡＧレーザー発振装置１として、出力エネルギー１００ｍＪ、パルス幅７ｎｓｅｃを得た。

このようなＹＡＧレーザー発振装置１から出射されたレーザー光を焦点距離２５ｍｍのレンズで集光してエアーブレークダウンを発生させることが出来たため、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置１をレーザー誘起蛍光分析装置用のレーザー光源として用いることができる。また、その際に空冷方式であることから、冷却水の交換等が不要となり、メンテナンス性が良く、禁水を要求される様な状況でも使用することができるレーザー誘起蛍光分析装置を提供できる。

なお、このようなピークパワーが数ＭＷ以上となるＧＰ発振方式固体レーザー光は、レーザーアブレーション、レーザーピーニング等の分野でも使用可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、禁水が必要な場所で使用可能である、ピークパワーが１０ＭＷ以上となるジャイアントパルス発振方式の空冷冷却方式のＹＡＧレーザー発振装置を提供することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＹＡＧレーザー発振装置
２…レーザー本体
１０…レーザーポンプチャンバー
１１…ＹＡＧロッド１２…フラッシュランプ
１３…楕円形反射光学系１４…ジャケット
２０…光学系
２１…出力ミラー
２２…Ｑスイッチ構成体
２２１…薄膜ポラライザー２２２…ポッケルスセル２２３…λ／４板
２３…リア反射ミラー
３０…ベース板
４０…カバー
１００…筐体
１１０…温度調整機構１１１…吸気部１１２…排出部
１２０…第１送風機構１２１…エアフィルター
１３０…第２送風機構１３１…吸気部１３２…排出部
１４０…排気部

Claims

筐体と、
前記筐体の内部に設置され、ａ）レーザー媒質であるＹＡＧロッドと、励起源であるフラッシュランプと、前記フラッシュランプからのフラッシュランプ光を前記ＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、前記ＹＡＧロッド、前記フラッシュランプ、及び、前記楕円形反射光学系を囲むジャケットと、を含むレーザーポンプチャンバーと、ｂ）前記レーザーポンプチャンバーの前方に配置された出力ミラーと、前記レーザーポンプチャンバーの後方に配置されたＱスイッチ構成体と、前記Ｑスイッチ構成体の後方に配置されたリア反射ミラーと、を含む光学系と、ｃ）前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系が取り付けられるベース板と、ｄ）前記ベース板に取り付けられた前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系を囲むカバーと、を備えたレーザー本体と、
前記筐体の内部の空気の温度を略一定に調整する温度調整機構と、
前記筐体の内部の空気を前記レーザー本体の前記カバーによって囲まれた内部に送り込む第１送風機構と、
前記筐体の外部に設置され、前記筐体の内部の空気を前記レーザーポンプチャンバーの内部に送り込む第２送風機構と、
を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置。
前記第１送風機構は、送風ファンであることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
前記第１送風機構には、エアフィルターが取り付けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
前記第２送風機構により前記レーザーポンプチャンバーの内部に送り込まれた空気は、前記カバーによって囲まれた内部に漏れ出すことなく、前記筐体の外部に排気されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー発振装置。
前記第２送風機構は、ベローズ式ポンプであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
前記ベローズ式ポンプのベローズは、ポリテトラフルオロエチレンまたはステンレスによって形成されたことを特徴とする請求項５に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
前記ジャケットは、アルミニウム、チタン、ステンレスのいずれかによって形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
前記Ｑスイッチ構成体は、前記レーザーポンプチャンバーの後方に配置された薄膜ポラライザーと、前記薄膜ポラライザーの後方に配置されたポッケルスセルと、前記ポッケルスセルの後方に配置されたλ／４板と、によって構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザー発振装置。