JP2016082122A - 固体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を十分に放熱することのできる固体レーザ素子を提供する。
【解決手段】固体レーザ素子１０は、複数のレーザ媒質１と、複数の放熱部材２とを備えている。各レーザ媒質１は、レーザ活性物質がドープされたフッ化物ガラスによって形成されている。各レーザ媒質１は、ロッド状又は板状である。各放熱部材２は、各レーザ媒質１よりも熱伝導率が高い。各放熱部材２は、各レーザ媒質１の間に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ素子に関するものである。

従来、光ファイバを利用したレーザ発振器、いわゆるファイバーレーザが広く用いられている。このレーザ発振器は、励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。

ファイバーレーザはコアが細いため、出力が大きいパルスレーザを発振すると、コアが損傷してしまうという問題がある。このため、パルスレーザを発振させる際は、特許文献１に記載されたように、ディスク状又はロッド状のレーザ媒質を使用することが好ましい。

特開２００８−１７７２２６号公報

高出力の出力光を得るためには、ディスク状又はロッド状のレーザ媒質は大きい方が好ましい。しかし、レーザ媒質のサイズを大きくすると、固体レーザ素子の内部を十分に放熱することが難しいという問題がある。

本発明の課題は、内部を十分に放熱することのできる固体レーザ素子を提供することにある。

本発明のある側面に係る固体レーザ素子は、複数のレーザ媒質と、少なくとも１つの放熱部材とを備えている。各レーザ媒質は、レーザ活性物質がドープされたフッ化物ガラスによって形成されている。各レーザ媒質は、ロッド状又は板状である。放熱部材は、各レーザ媒質よりも熱伝導率が高い。放熱部材は、各レーザ媒質の間に配置される。

この構成によれば、各レーザ媒質の間に放熱部材が配置されているため、各レーザ媒質の熱を放熱部材を介して放熱することができる。このため、固体レーザ素子の内部を十分に放熱することができる。また、複数のレーザ媒質を備えることで、固体レーザ素子は高出力の出力光を放射することができる。

好ましくは、固体レーザ素子は、第１及び第２カバー部材をさらに備える。第１カバー部材は、複数のレーザ媒質のうち一方の端部に位置するレーザ媒質の端面を覆うように配置される。第２カバー部材は、複数のレーザ媒質のうち他方の端部に位置するレーザ媒質の端面を覆うように配置される。

好ましくは、第１及び第２カバー部材は、レーザ媒質よりも熱伝導率が高い。この構成によれば、第１及び第２カバー部材を介して放熱することによって、端部に位置するレーザ媒質が熱損傷を受けることを防止することができる。

好ましくは、第１及び第２カバー部材は、潮解性を有さない。この構成によれば、レーザ媒質が潮解性を有する場合であっても、端部に配置されたレーザ媒質の端面が第１及び第２カバー部材によって覆われているため、レーザ媒質の端面の潮解を防止することができる。

好ましくは、各第１及び第２カバー部材の透過波長域は、レーザ媒質の透過波長域を含む。この構成によれば、この構成によれば、レーザ媒質を透過する出力光や励起光などの光の透過が第１及び第２カバー部材によって妨げられることを防止できる。

好ましくは、各レーザ媒質と各放熱部材とは、互いに接着される。

好ましくは、各レーザ媒質と前記各放熱部材とは、互いに溶着される。この構成によれば、各レーザ媒質と各放熱部材とを互いに十分に接着させることができる。

前記各放熱部材の透過波長域は、前記レーザ媒質の透過波長域を含む。この構成によれば、レーザ媒質を透過する出力光や励起光などの光の透過が各放熱部材によって妨げられることを防止できる。

好ましくは、各レーザ媒質と各放熱部材とは、互いに主成分が異なる。

好ましくは、レーザ媒質は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ、Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成される。

好ましくは、放熱部材は、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムによって形成される。

本発明に係る固体レーザ素子によれば、内部を十分に放熱することができる。

固体レーザ素子の側面図。 固体レーザ素子の製造方法を示す図。 固体レーザ素子を使用したレーザ発振器の構成を示す模式図。 変形例１に係る固体レーザ素子の側面図。 変形例２に係る固体レーザ素子の側面図。 変形例３に係る固体レーザ素子の側面図。 変形例４に係る固体レーザ素子の側面図。 変形例５に係るレーザ発振器の構成を示す模式図。

以下、本発明に係る固体レーザ素子の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、固体レーザ素子の側面図である。図１に示すように、固体レーザ素子１０は、複数のレーザ媒質１と、複数の放熱部材２と、第１カバー部材３と、第２カバー部材４とを備えている。

各レーザ媒質１は、板状である。詳細には、各レーザ媒質１は、円板状である。なお、各レーザ媒質１は、断面が矩形状であってもよい。各レーザ媒質１は、軸方向の長さの方が、直径よりも短い。なお、軸方向は、図１の左右方向である。

各レーザ媒質１は、フッ化物ガラスによって形成されている。具体的には、各レーザ媒質１は、フッ化ジルコニウム系ガラスによって形成されている。さらに具体的には、各レーザ媒質１は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成されている。各レーザ媒質１は、潮解性を有している。

なお、各レーザ媒質１は、レーザ活性物質としてエルビウム、ツリウム、又はホルミウムなどの希土類イオンがドープされている。なお、レーザ活性物質としては、他にもネオジウム、プラセオジウム、イッテルビウム、又はジスプロシウムがある。

各放熱部材２は、軸方向視において、各レーザ媒質１と実質的に同じ大きさとなっている。各放熱部材２は円板状である。各放熱部材２の直径は、各レーザ媒質１の直径と、同じであることが好ましい。なお、各レーザ媒質１が軸方向視において矩形状である場合は、各放熱部材２も各レーザ媒質１に倣って軸方向視において矩形状とすることが好ましい。

各放熱部材２は、各レーザ媒質１よりも熱伝導率が高い。また、各放熱部材２は、潮解性を有していない。各放熱部材２は、光透過性を有する。詳細には、各放熱部材２は、励起光、及び出力光を透過する。

各放熱部材２の波長域は、各レーザ媒質１からの出力光の波長を含む。例えば、各放熱部材２の透過波長域は、各レーザ媒質１の透過波長域を含むことが好ましい。例えば、各放熱部材２の透過波長域は、０．２μm以上７μm以下程度とすることができる。なお、各放熱部材２は、フッ化カルシウム、又はフッ化マグネシウムなどによって形成することができる。

各放熱部材２は、各レーザ媒質１と主成分が異なる。すなわち、各放熱部材２は、結晶材料によって形成されており、各レーザ媒質１は、ガラス材料によって形成されている。

第１及び第２カバー部材３，４は、上述した放熱部材２と配置が異なること以外は、放熱部材２と同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。

各放熱部材２は、軸方向において各レーザ媒質１の間に配置されている。すなわち、隣り合う２つのレーザ媒質１の間には、放熱部材２が配置されている。なお、本実施形態では、各レーザ媒質１と各放熱部材２とが軸方向に交互に配置されている。

各放熱部材２は、各レーザ媒質１と接着されている。すなわち、各放熱部材２は、隣接する各レーザ媒質１に接着されている。詳細には、各放熱部材２は、隣接する各レーザ媒質１に融着されている。

第１カバー部材３は、複数のレーザ媒質１のうち、一方の端部に位置するレーザ媒質１の端面を覆うように配置されている。本実施形態において、第１カバー部材３は、図１の左端部に位置するレーザ媒質１の端面を覆うように配置されている。なお、第１カバー部材３は、この端部に位置するレーザ媒質１に接着されている。詳細には、第１カバー部材３は、レーザ媒質１に溶着されている。

第２カバー部材４は、複数のレーザ媒質１のうち、他方の端部に位置するレーザ媒質１の端面を覆うように配置されている。本実施形態において、第２カバー部材４は、図１の右端部に位置するレーザ媒質１の端面を覆うように配置されている。なお、第２カバー部材４は、この端部に位置するレーザ媒質１に接着されている。詳細には、第２カバー部材４は、レーザ媒質１に溶着されている。

次に、固体レーザ素子１０の製造方法について説明する。図２に示すように、まず、各レーザ媒質１、各放熱部材２、第１及び第２カバー部材３，４を積層する。そして、この積層体の側面をヒータ１００によって加熱することによって、積層体を構成する各部材が互いに融着される。詳細には、各レーザ媒質１が溶融して各放熱部材２や第１及び第２カバー部材３，４に融着される。なお、ヒータ１００は、積層体の側面全体を加熱するように、積層体の側面を囲むように配置されていてもよい。このときの加熱温度は、レーザ媒質１のガラス転移温度以上、レーザ媒質１の結晶化開始温度未満程度であることが好ましい。

次に、固体レーザ素子１０を使用したレーザ発振器について説明する。図３に示すように、レーザ発振器６０は、上述した固体レーザ素子１０を備えている。また、レーザ発振器６０は、種光源６１及び励起光源６２をさらに備えている。励起光源６２は励起光を出力し、種光源６１は種光を出力する。

種光源６１から出力された種光１０３、及び励起光源６２から出力された励起光１０４は、第１カバー部材３側から固体レーザ素子１０に導光される。例えば、第１カバー部材３と間隔をあけてコンバイナ１０１を配置する。このコンバイナ１０１は、種光１０３を透過するとともに、励起光１０４を第１カバー部材３へと反射する。

固体レーザ素子１０に入射した種光１０３は、固体レーザ素子１０内において増幅されて、第２カバー部材４側から出力光１０５として放射される。なお、第２カバー部材４と間隔をあけてスプリッタ１０２が配置されている。固体レーザ素子１０から放射された出力光１０５がスプリッタ１０２を透過する一方、固体レーザ素子１０から放射された励起光１０４はスプリッタ１０２によって反射される。これによって、励起光１０４と出力光１０５とが分離される。

本実施形態に係る固体レーザ素子１０によれば、各放熱部材２が各レーザ媒質１の間に配置されているため、各レーザ媒質１の熱を各放熱部材２を介して放熱することができる。このため、固体レーザ素子１０の内部を十分に放熱することができる。また、複数のレーザ媒質１を備えることで、固体レーザ素子１０は高出力の出力光を放射することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
図４に示すように、各レーザ媒質１は、ロッド状であってもよい。詳細には、各レーザ媒質１は、円柱状であってもよい。すなわち、各レーザ媒質１は、軸方向の長さが直径よりも長くてもよい。

変形例２
図５に示すように、各レーザ媒質１は、ロッド状のレーザ媒質１と板状のレーザ媒質１とが混在していてもよい。

変形例３
図６に示すように、放熱部材２が連続して配置されていてもよい。又、同様に、一部においてレーザ媒質１が連続して配置されていてもよい。

変形例４
図７に示すように、固体レーザ素子１０は、ヒートシンク５をさらに備えていてもよい。ヒートシンク５は、各レーザ媒質１の側面と接触している。好ましくは、ヒートシンク５は、各放熱部材２や、第１及び第２カバー部材３，４と接触している。なお、ヒートシンク５は、各レーザ媒質１よりも熱伝導率の高い材質によって形成されたヒートシンク本体５１を有している。また、ヒートシンク５は、ヒートシンク本体５１の内部を通る配管５２を有しており、配管５２内に水などの冷却液を流すことができる。

変形例５
固体レーザ素子１０を使用したレーザ発振器６０は、励起光源と共振器を用いてレーザ光を出力する構成としてもよい。具体的には、図８に示すように、レーザ発振器６０は、固体レーザ素子１０と、励起光源６２と、共振器６３とを備えている。

共振器６３は、リアミラー６３ａと出力ミラー６３ｂとを有している。リアミラー６３ａは、固体レーザ素子１０の第１カバー部材３側に配置される。出力ミラー６３ｂは、第２カバー部材４側に配置される。

励起光源６２から出力された励起光１０４は、リアミラー６３ａを通って固体レーザ素子１０に入射される。固体レーザ素子１０から放射された出力光は、出力ミラー６３ｂを通して出射される。

１ レーザ媒質
２ 放熱部材
３ 第１カバー部材
４ 第２カバー部材
１０ 固体レーザ素子

Claims (11)

1. レーザ活性物質がドープされたフッ化物ガラスによって形成されたロッド状又は板状の複数のレーザ媒質と、
   前記各レーザ媒質よりも熱伝導率が高く、前記各レーザ媒質の間に配置された少なくとも１つの放熱部材と、
   を備える、固体レーザ素子。
2. 前記複数のレーザ媒質のうち一方の端部に位置する前記レーザ媒質の端面を覆うように配置された第１カバー部材と、
   前記複数のレーザ媒質のうち他方の端部に位置する前記レーザ媒質の端面を覆うように配置された第２カバー部材と、
   をさらに備える、
   請求項１に記載の固体レーザ素子。
3. 前記第１及び第２カバー部材は、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い、
   請求項２に記載の固体レーザ素子。
4. 前記第１及び第２カバー部材は、潮解性を有さない、
   請求項２又は３に記載の固体レーザ素子。
5. 前記各第１及び第２カバー部材の透過波長域は、前記レーザ媒質の透過波長域を含む、
   請求項２から４のいずれかに記載の固体レーザ素子。
6. 前記各レーザ媒質と前記各放熱部材とは、互いに接着される、
   請求項１から５のいずれかに記載の固体レーザ素子。
7. 前記各レーザ媒質と前記各放熱部材とは、互いに溶着される、
   請求項１から６のいずれかに記載の固体レーザ素子。
8. 前記各放熱部材の透過波長域は、前記レーザ媒質の透過波長域を含む、
   請求項１から７のいずれかに記載の固体レーザ素子。
9. 前記各レーザ媒質と前記各放熱部材とは、互いに主成分が異なる、
   請求項１から８のいずれかに記載の固体レーザ素子。
10. 前記レーザ媒質は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成される、
    請求項１から９のいずれかに記載の固体レーザ素子。
11. 前記放熱部材は、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムによって形成される、
    請求項１から１０のいずれかに記載の固体レーザ素子。

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