JP2017017196A - Ｑスイッチレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な構成によって良好にパルスレーザ光を発振することが可能なＱスイッチレーザ装置を提供する。
【解決手段】Ｑスイッチレーザ装置１は、固体レーザ媒質１０、出力ミラー２０、リアミラー２２、Ｑスイッチ２５、第１励起光源３０、および第２励起光源４０を備える。固体レーザ媒質１０の外形は柱状である。出力ミラー２０は、固体レーザ媒質１０から軸方向に延びる光路の先端側に配置され、パルスレーザ光を外部に出力する。リアミラー２２は、固体レーザ媒質１０から軸方向に延びる光路の後端側に配置される。Ｑスイッチ２５は、出力ミラー２０とリアミラー２２によって形成される光共振器に設けられる。第１励起光源３０は、固体レーザ媒質１０に向けて側方から励起光を照射する。第２励起光源４０は、固体レーザ媒質１０に向けて後方から励起光を照射する。
【選択図】図１

Description

本開示は、Ｑスイッチを用いてパルスレーザを発振するＱスイッチレーザ装置に関する。

従来、励起光によって固体レーザ媒質を励起させる（ポンピングする）ことでパルスレーザ光を発振するＱスイッチレーザ装置が知られている。例えば、特許文献１には、レーザ媒質の側方に励起光源が配置された実施形態と、レーザ媒質の後方に励起光源が配置された実施形態の各々が開示されている。

特開２０１４−８６４４０号公報

従来のＱスイッチレーザ装置では、１つの手法のみ（例えば、ロッドの側方から励起光を照射する手法のみ、または、ロッドの後端側から励起光を照射する手法のみ）で固体レーザ媒質が励起されていた。この場合、装置の大きさ、装置の形状、必要な繰り返し周波数の確保、必要なレーザエネルギーの確保、装置のコスト削減等の少なくともいずれかが困難となる場合があった。

本開示の典型的な目的は、前述した課題の少なくともいずれかを解決し、適切な構成によって良好にパルスレーザ光を発振することが可能なＱスイッチレーザ装置を提供することである。

本開示における典型的な実施形態が提供するＱスイッチレーザ装置は、外形柱状の固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の軸方向の先端側に配置され、パルスレーザ光を外部に出射する出力ミラーと、前記固体レーザ媒質の軸方向の後端側に配置されたリアミラーと、前記出力ミラーと前記リアミラーによって形成される光共振器に設けられたＱスイッチと、前記固体レーザ媒質に向けて側方から励起光を照射する第１励起光源と、前記固体レーザ媒質に向けて後方から励起光を照射する第２励起光源と、を備える。

本開示に係るＱスイッチレーザ装置は、パルスレーザ光を適切に発振することができる。

Ｑスイッチレーザ装置１の構成を示す図である。 パルスレーザ光の発振、固体レーザ媒質における利得、第１励起光の光量、および第２励起光の光量の関係を示すタイミングチャートである。

以下、本開示における典型的な実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態におけるＱスイッチレーザ装置１の構成について説明する。本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、固体レーザ媒質１０、出力ミラー２０、リアミラー２２、Ｑスイッチ２５、第１励起光源３０、第２励起光源４０、および制御部５０を備える。出力ミラー２０とリアミラー２２によって共振器が形成される。

固体レーザ媒質１０は、励起光が照射されることによって光を放出する固体のレーザロッドである。一例として、本実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶が固体レーザ媒質１０に用いられている。しかし、他の媒質（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶等）を固体レーザ媒質１０に用いてもよい。本実施形態の固体レーザ媒質１０は、励起光が照射されることによって、波長が１０６４ｎｍのレーザ光を発振する。固体レーザ媒質１０の外形は柱状（本実施形態では円柱状）である。柱状である固体レーザ媒質１０の軸と、共振器内を往復するレーザ光の光軸とが一致するように、固体レーザ媒質１０がＱスイッチレーザ装置１０内に保持されている。

以下の説明では、柱状である固体レーザ媒質１０から軸方向に延びるレーザ光の光路のうち、出力ミラー２０側（パルスレーザ光が発振される方向）を先端側、リアミラー２２側を後端側とする。また、固体レーザ媒質１０から見て軸方向に垂直な方向を、固体レーザ媒質１０の側方とする。

出力ミラー２０は、パルスレーザ光を共振器の外部へ出射する。例えば、出力ミラー２０には、共振器内を往復するレーザ光（本実施形態では、波長１０６４ｎｍのレーザ光）の一部を透過させて残りを反射させる部分透過ミラーを用いることができる。リアミラー２２は、共振器内を往復するレーザ光のほぼ全てを反射させる。なお、本実施形態のリアミラー２２はダイクロイックミラーである。後述する第２励起光源４０から照射される励起光（本実施形態では、波長８０８ｎｍの第２励起光）は、リアミラー２２を透過する。

Ｑスイッチ２５は、共振器のＱ値を制御することで、高出力のレーザパルス（ジャイアントパルス）の発振を制御する。つまり、Ｑスイッチ２５は、Ｑ値を低くしてレーザ光の発振を抑えることで光ポンピングを進行させると共に、Ｑ値を高くすることでパルスレーザ光を発振させる。本実施形態のＱスイッチ２５には、可飽和吸収体が用いられている。可飽和吸収体は、強度が低い入射光に対しては吸収体として機能すると共に、強度が高い入射光に対しては透明体として機能する。従って、可飽和吸収体は、共振器内を往復するレーザ光の強度に応じてレーザ光の発振を自動的に制御する受動Ｑスイッチとして機能する。一例として、本実施形態では、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ結晶が可飽和吸収体に用いられている。しかし、半導体可飽和吸収体等の他の物質を用いることも可能である。また、Ｑスイッチ２５として、電気的または機械的にＱ値を制御する能動Ｑスイッチを用いることも可能である。能動Ｑスイッチには、例えば、音響光学変調器、電気光学変調器、出力ミラー２０の位置を変更する駆動デバイス等を使用してもよい。

出力ミラー２０から発振されるパルスレーザ光の光路には、パルスレーザ光の発振を検知する光検出器（例えばフォトダイオード）２８が設けられている。光検出器２８は、例えば、ハーフミラー等によって分岐されたパルスレーザ光の光路上に設けられていてもよい。また、光検出器２８は、パルスレーザ光の散乱を検出することで、パルスレーザ光の発振を検出してもよい。この場合、光検出器２８は、パルスレーザ光の光路上でなく、光路の近傍に設置されてもよい。

なお、出力ミラー２０とリアミラー２２によって形成される共振器の光路中に、光路を変化させるミラー等が設けられていてもよい。つまり、出力ミラー２０およびリアミラー２２は、外形柱状である固体レーザ媒質１０の物理的な軸上に位置している必要は無く、固体レーザ媒質１０から延びるレーザ光の光路上の先端側および後端側の各々に位置していればよい。また、波長板等が共振器中に設けられていてもよい。

第１励起光源３０は、固体レーザ媒質１０に向けて側方から励起光（第１励起光）を照射する。本実施形態の第１励起光源３０はフラッシュランプである。フラッシュランプ３０の外形は円柱状である。フラッシュランプ３０および固体レーザ媒質１０は、共にポンピングチャンバ３１内に配置されている。本実施形態では、ポンピングチャンバ３１は楕円筒状または円筒状であり、ポンピングチャンバ３１の軸は固体レーザ媒質１０の軸と平行となっている。

ポンピングチャンバ３１の先端側および後端側の各々の開口部近傍には、固体レーザ媒質１０およびフラッシュランプ３０を保持するホルダ３２が設けられている。各々のホルダ３２には、固体レーザ媒質１０を保持するロッド保持孔（図示せず）と、フラッシュランプ３０を保持するランプ保持孔（図示せず）が形成されている。固体レーザ媒質１０は、Ｏリング１１を介して前後方向に移動可能に２つのロッド保持孔に保持されている。従って、固体レーザ媒質１０の温度が変化して膨張・収縮が生じても、固体レーザ媒質１０の屈曲等は抑制される。また、柱状のフラッシュランプ３０は、２つのランプ保持孔に挿通されて保持されている。ホルダ３２によって保持されている固体レーザ媒質１０の軸とフラッシュランプ３０の軸は、互いに平行である。さらに、ポンピングチャンバ３１は、フラッシュランプ３０が発生させた拡散光を、固体レーザ媒質１０に向けて効率良く反射させる。その結果、第１励起光は、固体レーザ媒質１０に対して側方から効率良く照射される。

第２励起光源４０は、固体レーザ媒質１０に向けて後方から励起光（第２励起光）を照射する。本実施形態の第２励起光源４０は、半導体の再結合発光によってレーザ光を出射するレーザダイオード（ＬＤ：半導体レーザ）である。本実施形態では、リアミラー２２よりもさらに後方にレーザダイオード４０が配置されている。レーザダイオード４０とリアミラー２２の間には、レンズ４１が設置されている。レーザダイオード４０から出射された所定の波長の第２励起光（一例として、本実施形態では波長８０８ｎｍ）は、レンズ４１によって収束され、リアミラー２２を透過して固体レーザ媒質１０の後端に照射される。なお、高出力の第２励起光を照射するために、複数のレーザダイオードが使用されてもよい。また、第２励起光の光路を変更するミラー等が設けられていてもよい。

制御部５０は、フラッシュランプ３０およびレーザダイオード４０の励起光の発光を制御することで、Ｑスイッチレーザ装置１によるレーザパルスの発振を制御する。詳細には、制御部５０は、フラッシュランプ３０の発光を開始させるトリガ信号（開始信号）と、フラッシュランプ３０の発光を停止させるトリガ信号（停止信号）とを、後述する第１励起光源駆動回路５５に出力する。また、制御部５０は、レーザダイオード４０の発光を開始させるトリガ信号（開始信号）と、レーザダイオード４０の発光を停止させるトリガ信号（停止信号）とを、後述する第２励起光源駆動回路５８に出力する。光検出器２８は制御部５０に電気的に接続しており、検出信号を制御部５０に出力する。また、制御部５０は、他の装置（例えば、加工装置、手術装置等）の制御部との間で信号の送受信を行うことも可能である。例えば、制御部５０は、他の装置の制御部からパルスレーザ光の発振指示信号を入力した場合に、フラッシュランプ３０およびレーザダイオード４０の駆動を制御してパルスレーザ光を発振させてもよい。

制御部５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、およびＲＡＭ５３を備える。ＣＰＵ５１は、Ｑスイッチレーザ装置１の各種制御を司る。ＲＯＭ５２には、Ｑスイッチレーザ装置１の動作を制御するための各種プログラム、および初期値等が記憶されている。ＲＡＭ５３は、各種情報を一時的に記憶する。

第１励起光源駆動回路５５は、制御部５０から入力される信号に応じてフラッシュランプ３０の発光を制御する。第１励起光源駆動回路５５には、フラッシュランプ３０に供給する電力を蓄積するコンデンサ５６が含まれる。第２励起光源駆動回路５８は、制御部５０から入力される信号に応じてレーザダイオード４０の発光を制御する。

図２を参照して、パルスレーザ光の発振、固体レーザ媒質１０における利得、第１励起光の光量、および第２励起光の光量の各々の関係について説明する。図２における４つのグラフの横軸は、いずれも時間を示す。４つのグラフの時間軸は一致している。最も上のグラフの縦軸は、Ｑスイッチレーザ装置１によるレーザ光の発振状態を示す。上から２番目のグラフの縦軸は、固体レーザ媒質１０における利得（エネルギー）を示す。上から３番目のグラフの縦軸は、第１励起光源３０から固体レーザ媒質１０に照射される第１励起光の光量を示す。上から４番目のグラフの縦軸は、第２励起光源４０から固体レーザ媒質１０に照射される第２励起光の光量を示す。

図２に示すように、本実施形態では、フラッシュランプ３０から照射される第１励起光と、レーザダイオード４０から照射される第２励起光が共に固体レーザ媒質１０に照射されることで、固体レーザ媒質１０が励起される。つまり、固体レーザ媒質１０における利得は、第１励起光による利得と、第２励起光による利得の和となる。図２の利得のグラフでは、第１励起光による利得を「１」、第２励起光による利得を「２」で示している。

本実施形態では、第１励起光による利得と、第２励起光による利得が足し合わされることで、固体レーザ媒質１０における利得が、パルスレーザ光を発振することが可能な発振閾値を初めて超える。換言すると、本実施形態では、第１励起光による利得だけでは発振閾値を超えることは無く、且つ、第２励起光による利得だけでも発振閾値を超えることは無い。従って、フラッシュランプ３０およびレーザダイオード４０の一方のみを用いて励起光を照射する場合に比べて、フラッシュランプ３０およびレーザダイオード４０の出力の各々を小さくすることができる。なお、第１励起光による利得、および第２励起光による利得の少なくとも一方が単独で発振閾値を超えるように、励起光の出力を設定してもよい。この場合でも、フラッシュランプ３０およびレーザダイオード４０の一方のみを用いて励起光を照射する場合に比べて、各々の励起光の出力を小さくすることが可能である。

図２に示すように、フラッシュランプ３０によって発光される第１励起光は徐々に強くなる。一方で、レーザダイオード４０によって発光される第２励起光は急速に強くなり、第２励起光の波形は矩形に近くなる。また、レーザダイオード４０によって発光される第２励起光によると、フラッシュランプ３０によって発光される第１励起光に比べて、パルスレーザ光の空間（横）モードを容易に制御することができる。

図２に示すように、本実施形態の制御部５０は、フラッシュランプ３０による第１励起光の発光を開始させる開始信号と、レーザダイオード４０による第２励起光の発光を開始させる開始信号とを、同じタイミングで駆動回路５５，５８に出力する。その結果、パルスレーザ光の空間（横）モードは、空間モードの制御が難しい第１励起光よりも、空間モードの制御が容易な第２励起光の影響を強く受ける。よって、本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、パルスレーザ光の空間モードの制御を容易に行うことができる。

本実施形態の制御部５０は、パルスレーザ光の発振が光検出器２８によって検出されると、第１励起光の発光を停止させる停止信号と、第２励起光の発光を停止させる停止信号とを、同じタイミングで駆動回路５５，５８に出力する。従って、パルスレーザ光を発振させない場合には、固体レーザ媒質１０における利得が低い状態で維持される。よって、意図しないタイミングでレーザ光が出射される可能性が低下する。また、無駄な電力消費が抑制される。

前述したように、本実施形態では、第１励起光および第２励起光の各々の発光を開始させる２つの開始信号、および、各々の発光を停止させる２つの停止信号は、同じタイミングで出力される。しかし、「同じタイミング」とは、複数の信号が完全に同時に出力されることに限定する意味ではない。つまり、第１励起光源駆動回路５５に信号を出力する時間と、第２励起光源駆動回路５８に信号を出力する時間とが、僅かにずれていてもよい。

以上説明したように、本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、固体レーザ媒質１０に向けて側方から励起光を照射する第１励起光源３０と、固体レーザ媒質１０に向けて後方から励起光を照射する第２励起光源４０を共に備える。従って、固体レーザ媒質１０の側方および後方の一方のみから励起光を照射する場合に比べて、第１励起光源３０および第２励起光源４０の各々の構成の選択自由度が向上する。従って、本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、適切な構成によって良好にパルスレーザ光を出射することができる。

ここで、励起光源の特性について説明する。励起光源にフラッシュランプを用いる場合には、レーザダイオードを用いる場合に比べて励起光源を安価にすることが容易である。しかし、十分な繰り返し周波数とレーザエネルギーを確保するためには、容量および電圧の少なくともいずれかが十分に大きいコンデンサを用いてフラッシュランプに電力を供給する必要がある。この場合、コンデンサの大きさが大きくなるので、装置も大型化する。また、フラッシュランプで励起する場合の励起効率は、レーザダイオードで励起する場合の励起効率よりも低い。さらに、励起光源にフラッシュランプを用いる場合には、レーザダイオードを用いる場合に比べて、発振するレーザ光の空間モードを制御することが難しい。

一方で、励起光源にレーザダイオードを用いる場合には、フラッシュランプを用いる場合に比べて、小型化、励起効率、および空間モード制御の点で有利である。しかし、高出力の励起光を照射するためのレーザダイオードは非常に高価である。従って、従来の技術では、パルスレーザ光を適切に発振できるＱスイッチレーザ装置を安価に製造することは困難であった。

これに対し、本実施形態では、第１励起光源３０はフラッシュランプであり、第２励起光源４０はレーザダイオードである。フラッシュランプ３０が出射する拡散光が、固体レーザ媒質１０に対して側方から照射されるので、後方から照射される場合に比べてフラッシュランプ３０による励起効率が向上する。励起効率が高いレーザダイオード４０をフラッシュランプ３０と組み合わせて使用することで、フラッシュランプ３０のみを用いて励起する場合に比べて、励起効率はさらに向上する。また、励起光源にフラッシュランプ３０のみを用いる場合に比べて、フラッシュランプ３０に電力を供給するためのコンデンサ５６を容易に小さくすることができる。さらに、励起光源にレーザダイオード４０のみを用いる場合に比べて、レーザダイオード４０の出力を大きくする必要が無い。従って、本実施形態によると、Ｑスイッチレーザ装置１の小型化および低価格化が容易になり、且つ、適切なレーザパルスがＱスイッチレーザ装置１から発振される。

フラッシュランプ３０によって発光される第１励起光は、発光を開始させるトリガ信号の出力後、徐々に強くなる。一方で、レーザダイオード４０によって発光される第２励起光は、発光を開始させるトリガ信号の出力後、急速に強くなる。本実施形態では、フラッシュランプ３０の発光を開始させるトリガ信号と、レーザダイオード４０の発光を開始させるトリガ信号とが、同じタイミングで制御部５０から出力される。その結果、空間モードの制御が容易であり、且つ急速に強くなる第２励起光の方が、第１励起光よりも、パルスレーザ光の空間モードに強い影響を与える。よって、本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、小型化および低価格化等が容易であることに加え、パルスレーザ光の空間モードの制御も容易に行うことができる。

本実施形態のＱスイッチ２５は可飽和吸収体である。可飽和吸収体は、パルスレーザ光の発振を制御するために自動的に開閉する受動Ｑスイッチとして機能する。従って、本実施形態のＱスイッチレーザ装置１は、能動Ｑスイッチを用いる場合とは異なり、高圧電源または高周波電源を用いずにスイッチングを行うことができる。よって、小型化および低価格化がさらに容易である。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、上記実施形態の制御部５０は、第１励起光および第２励起光の各々の発光を開始させる２つの開始信号を、同じタイミングで出力する。また、制御部５０は、第１励起光および第２励起光の各々の発光を停止させる２つの停止信号を、同じタイミングで出力する。しかし、第１励起光および第２励起光の発光開始および停止のタイミングを変更することも可能である。例えば、制御部５０は、レーザダイオード４０による第２励起光を常時発光させつつ、フラッシュランプ３０による第１励起光の発光タイミングを制御することで、パルスレーザ光の発振を制御してもよい。この場合には、パルスレーザ光を発振させない間も、固体レーザ媒質１０における利得がある程度確保された状態となる。従って、レーザダイオード４０の発光開始と停止を繰り返す場合に比べて、レーザダイオード４０の出力を低下させることが容易である。

上記実施形態では、第１励起光源３０はフラッシュランプであり、第２励起光源４０はレーザダイオードである。しかし、励起光源３０，４０の種類を変更することも可能である。例えば、第１励起光源にレーザダイオードを用いてもよい。第２励起光源にフラッシュランプを用いてもよい。この場合でも、第１励起光源および第２励起光源の各々の構成の選択自由度が向上する。

１ Ｑスイッチレーザ装置
１０ 固体レーザ媒質
２０ 出力ミラー
２２ リアミラー
２５ Ｑスイッチ
３０ 第１励起光源
４０ 第２励起光源
５０ 制御部

Claims (5)

1. 外形柱状の固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質から軸方向に延びるレーザ光の光路上の先端側に配置され、パルスレーザ光を外部に出射する出力ミラーと、
   前記固体レーザ媒質から軸方向に延びる前記光路上の後端側に配置されたリアミラーと、
   前記出力ミラーと前記リアミラーによって形成される光共振器に設けられたＱスイッチと、
   前記固体レーザ媒質に向けて側方から励起光を照射する第１励起光源と、
   前記固体レーザ媒質に向けて後方から励起光を照射する第２励起光源と、
   を備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
2. 請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置であって、
   前記第１励起光源から照射される第１励起光の出力、および、前記第２励起光源から照射される第２励起光の出力は、前記第１励起光による前記固体レーザ媒質の利得、および前記第２励起光による前記固体レーザ媒質の利得の各々が、パルスレーザ光を発振することが可能な発振閾値未満となる値に設定されることを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
3. 請求項１または２に記載のＱスイッチレーザ装置であって、
   前記第１励起光源がフラッシュランプであり、
   前記第２励起光源がレーザダイオードであることを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
4. 請求項３に記載のＱスイッチレーザ装置であって、
   前記フラッシュランプおよび前記レーザダイオードの励起光の発光を制御することで、レーザパルスの発振を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記フラッシュランプの発光を開始させるトリガ信号と、前記レーザダイオードの発光を開始させるトリガ信号とを同じタイミングで出力することを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のＱスイッチレーザ装置であって、
   前記Ｑスイッチが可飽和吸収体であることを特徴とするＱスイッチレーザ装置。