JP2022061443A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトでかつ簡単な構成で、高効率・高ビーム品質・高エネルギーなる３つの特長を同時に得られるレーザ装置を提供する。【解決手段】光ファイバ１００、１０１からの出射光をコリメートレンズ１０４、１０５にて平行光１０２、１０３にし、平行光１０２、１０３どうしを平行に近づける三角ウェッジプリズム１０６、１０７とマイクロチップレーザ素子１１０とで構成されたレーザ装置に於いて、三角ウェッジプリズム１０６、１０７により平行ないし、平行に近い角度に傾斜して干渉させた励起光１０８、１０９を、マイクロチップレーザ素子１１０に入射してパルスレーザ発振する。【選択図】図１

Description

本発明は簡単な構成で、高効率・高ビーム品質・高エネルギーなる３つの特長を同時に得られるレーザ装置に関する。

解決手段

２つ以上の光ファイバ出力光をコリメートレンズにより均質な平行光にし、ウェッジプリズムで平行または、平行に近い角度で重畳させてマイクロチップレーザのレーザ発振媒体を励起している。

特開２０１７－００５０６９号公報 特開２０１５－５０９６６８号公報

特許文献１では、励起光Ｌ１１を入射して種光Ｌ１４を出力するレーザ発振部１４と、励起光Ｌ１２及び種光Ｌ１４を入射して種光Ｌ１４を増幅するアンプ媒質１５ａとを備えることにより、大型化及びコスト増加を抑制しつつ、出力光の高出力化及び高ビーム品質化が可能なレーザ装置を提供している。

特許文献２では、ポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２を重畳して非線形光学結晶４に人射させ、非線形光学結晶４からテラヘルツ光を 従来と比較して小型でコストが安いテラヘルツ光発生装置１を提供している。

しかしながら、特許文献１では発振器とアンプによる出力増加方法手段であるので、複雑な構成とならざるを得ない。またアンプ部では、高ビーム品質を得るのに必要な垂直入射垂直出力する励起方法ではなく、Ｖ字状に反射する種光を増幅しているので、均質なレーザ出力は得られない。
また、特許文献２も、ポンプ光Ｌ１とシード光Ｌ２は、高品質ビームを得るのに必要な同一光軸上の重畳ではなく、斜めに重畳しているので均質なレーザ出力は得られない。
更に、特許文献１、２いずれも発振媒体に対して、高効率に高エネルギーを得るための条件である均質励起がされていないので、高エネルギー蓄積されるまで待てずに強度分布の高いとこから発振が始まるので、励起媒体を本来出力可能なエネルギーまで蓄積せずに能力発揮できずに使用している損失も大きい。

解決手段

我々は鋭意研究によりマイクロチップレーザの有効励起吸収長４ｍｍと、平行均質励起により最高エネルギー蓄積と最高効率を同時に得ることを見出した。
本発明はこれらの従来の課題全てを解決すべく、鋭意研究により得られたマイクロチップレーザの特徴を活かす為、２つ以上の光ファイバ出力光をコリメートレンズにより均質な平行光にし、ウェッジプリズムで平行または、平行に近い角度で重畳させてマイクロチップレーザのレーザ発振媒体を励起している。

発明の効果

以上のように、本発明の請求項１～請求項６に記載された発明は、マイクロチップレーザの有効励起吸収長４ｍｍと非常短い距離で発振するので、２つの励起光を有効励起吸収長４ｍｍの数倍以上遠方から重畳することで、ほぼ平行均質励起されているので最高エネルギー蓄積と最高効率を同時に得ることができる。

図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の全体構成図であり、（ａ）は上面から見たＡ－Ａ断面図、（ｂ）は側面断面図、（ｃ）は後面から見たＢ－Ｂ断面図である。

図２は本発明の他の実施の形態に係るレーザ装置の基本光路図であり、（ａ）は実施の形態２、（ｂ）は実施の形態３、（ｃ）は実施の形態４である。 図３はマイクロチップから出射されたレーザ光形状である。 図４は従来の特許文献１の実施例である。 図５は従来の特許文献２の実施例である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例の番号との重複を避ける為、１００番以降の番号を用いて説明する。

実施の形態１

図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ装置の全体構成図であり、基本光学系は丸断面を有する光ファイバ１００、１０１、光ファイバ１００、１０１からの出射光を平行光１０２、１０３にするコリメートレンズ１０４、１０５である。
更に、平行光１０２、１０３どうしを平行に近づける三角ウェッジプリズム１０６、１０７とマイクロチップレーザ素子１１０とによりシンプルに構成されている。三角ウェッジプリズム１０６、１０７により、ほぼ平行に傾斜された励起光１０８、１０９となり、マイクロチップレーザ素子１１０に入射されている。

係る構成において、＞１０ｍＪ、１ｎｓ、＞１０ＭＷもの強力なパルス発振をする原理について説明する。
マイクロチップレーザ素子１１０とはＮｄ：ＹＡＧ１１１とＣｒ：ＹＡＧ１１２が接合されたもので、励起入力面１１３には１０６４ｎｍ全反射＋８０８ｎｍ全透過コートされている。出力面１１４には１０６４ｎｍに対し３０～８０％の反射率で部分反射コートされている。マイクロチップレーザ素子１１０の励起入力面１１３と出力面１１４は平行平面研磨されていて共振器を構成している。
よって、励起入力面１１３に８０８ｎｍの励起光１０８、１０９を入射することで１０６４ｎｍのレーザ発振を起こす。

一方Ｃｒ：ＹＡＧ１１２は過飽和吸収体を呼ばれ、発振を始めた１０６４ｎｍのレーザ光１１５のピークパワーが低い場合は、高い反射率を有するので、Ｎｄ：ＹＡＧ１１１に発振したレーザ光１１５が閉じ込められた状態で、励起入力面から励起光１０８、１０９が入射され続けるので、閉じ込められたレーザ光１１５のピークパワーが増加する。

過飽和吸収体の特性として、１０６４ｎｍのレーザ光１１５のピークパワーがある閾値を超えると、１０６４ｎｍに対し透明になるので、増加したピークパワーを有するパルスレーザ出力光１１６が得られる。
なお、我々は鋭意研究により励起光１０８、１０９が僅かに干渉しているだけで、互いに影響し合い同時にＣｒ：ＹＡＧ１１２が透明になることを実験的に発見した。よって励起光１０８、１０９が各々単独に励起する場合と比較して、単純に倍近い高エネルギーを有する＞１０ＭＷものパルスレーザ出力光１１６を得ることができた。

なお、パルスレーザ出力光１１６の光束断面図１１７は２つの丸い光束の一部が接触、或いは重畳しているので眼鏡状～ひょうたん形状をしているが、光ファイバ１００、１０１とコリメートレンズ１０４、１０５設計最適化により均質な励起光１０８、１０９を得ているので、パルスレーザ出力光１１６の半分１１８と１１９は均質しかも、ピコ秒オーダの時間誤差以内の同時タイミングで出力されるので、１つの均質なジャイアントパルス波形を得ることができた。

次に、上述した基本光学系の周辺について説明する。光ファイバ１００、１０１は、光ファイバの保護部１２０、１２１は、光ファイバ保持体１３３に固定されている。光ファイバ１００、１０１の出口１２２、１２３からコリメートレンズホルダの空間部１２４、１２５内を空間伝播している。平行光１０２、１０３は戻り光保護鏡１２６を通過して三角ウェッジプリズム１０６、１０７に入射されている。

この戻り光保護鏡１２６は、マイクロチップレーザ素子１１０の励起入力面１１３と同じ１０６４ｎｍ全反射＋８０８ｎｍ全透過コートがされているので、マイクロチップレーザ素子１１０から発生する強烈に高いピークパワーにより、励起入力面１１３の１０６４ｎｍ全反射を抜けた１０６４ｎｍの光を遮光している。よって光ファイバを介してＬＤに戻ることで発生するＬＤの戻り光破損を防止している。

なお、マイクロチップレーザ素子１１０からの発熱は上下２つの銅製放熱板１２７、１２８でサンドイッチされ、レーザホルダ１３２に放熱されている。
銅製放熱板１２７、１２８には開口部１２９があり、この開口部１２９からコリメート状のパルスレーザ出力光１１６が放射されている。
また、三角ウェッジプリズム１０６、１０７は、接着剤１３０、１３１により銅製放熱板１２７、１２８に固定されている。

本実施１例に於いては、光ファイバ１００、１０１の径０．６ｍｍとし、平行光１０２、１０３のパワーを共に２００Ｗ、パルス幅２５０μｓに調整して、マイクロチップレーザ素子１１０に同時に照射した場合、最適設計と最適調整により１２．５ｍＪを得ることができた。

図２（ａ）は実施の形態２に係るレーザ装置の基本光路図である。
図２（ｄ）に示す円形断面光束２００、２０１を有する平行光１０２、１０３は三角ウェッジプリズム１０６、１０７への入射角度調整により、Ｎｄ１％のドープされたＮｄ：ＹＡＧ１１１は励起レーザ吸収長ｌ＝約４ｍｍに対し、三角ウェッジプリズム１０６、１０７とマイクロチップレーザ素子１１０間の距離Ｄａをｌより１０倍大きくして約４０ｍｍ離して、マイクロチップレーザ素子１１０内で重畳させている。

図３（ａ）は図２（ａ）の出力レーザ光２０２の光束断面である。この様にマイクロチップレーザ素子１１０の励起長ｌは約４ｍｍと短いので、励起長ｌの１０倍長距離から、三角ウェッジプリズム１０６、１０７を介した２つの平行光２０３、２０４を干渉するように照射することで、均質な重畳励起できるので、コンパクトに真円に近い均質な出力レーザ光２０２を得ることができる。

図２（ｂ）は実施の形態３に係るレーザ装置の基本光路図である。
図２（ｅ）に示す正方形断面光束を有する平行光２０５、２０６は三角ウェッジプリズム１０６、１０７の角度調整により、距離Ｄｂをｌより５倍大きくして約２０ｍｍ離して、マイクロチップレーザ素子１１０内で重畳させている。

図３（ｂ）は図２（ｂ）の出力レーザ光２０７の光束断面である。この様に、励起長ｌの５倍長距離から、三角ウェッジプリズム１０６、１０７を介した２つの平行光２０８、２０９を干渉するように照射することで、計測すると僅か７．５％の重畳ずれであり、ほぼ均質な重畳励起できるので、コンパクトに正方形に近い均質な出力レーザ光２０７を得ることができる。

図２（ｃ）は実施の形態４に係るレーザ装置の基本光路図である。
図２（ｆ）に示す長方形断面光束を有する平行光２１０、２１１は三角ウェッジプリズム１０６、１０７への入射角度調整により、三角ウェッジプリズム１０６、１０７とマイクロチップレーザ素子１１０間の距離Ｄｃをできるだけ近傍に配置している。

図３（ｃ）は図２（ｃ）の出力レーザ光２１２、２１３の光束断面である。三角ウェッジプリズム１０６、１０７で傾けられた２つの平行光２１４、２１５を僅かに干渉するように接触させてマイクロチップレーザ素子１１０に照射させることで同時発振させ、、全体を重畳させることなく、コンパクトに正方形に近い均質な出力レーザ光２１６を得ることができる。

なお、本実施例の説明に用いた数値は限定するものではなく、Ｎｄ：ＹＡＧ１１１のＮｄドープ量が例えば１．５～２％にすると吸収長ｌは当然短くなるので三角ウェッジプリズム１０６、１０７とマイクロチップレーザ素子１１０間を更に短くできるは自明である。

また、本実施例ではレーザ発振媒体として、Ｃｒ：ＹＡＧ１１２を有するマイクロチップレーザ素子１１０を用いて説明したが、Ｃｒ：ＹＡＧ１１２がないただのＮｄ：ＹＡＧからなるマイクロチップレーザ素子を用いてＣＷ発振させても良いし、マイクロチップレーザ素子１１０の出力面を１０６４ｎｍ透過コートしてＡＭＰとして持ちいても良い。

更にまた、マイクロチップレーザ素子１１０に入射される励起光は平行光としたが、コリメートレンズ１０４、１０５と光ファイバ出口１２２．１２３距離を変えて、集光又は拡大光にしてマイクロチップレーザ素子１１０内で干渉させても良い。

１００、１０１・・・光ファイバ
１０２、１０３・・・平行光
１０４、１０５・・・コリメートレンズ
１０６、１０７・・・三角ウェッジプリズム
１０８、１０９・・・励起光
１１０・・・マイクロチップレーザ素子
１１１・・・Ｎｄ：ＹＡＧ
１１２・・・Ｃｒ：ＹＡＧ
１１３・・・励起入力面
１１４・・・出力面
１１５・・・レーザ光
１１６・・・パルスレーザ出力光
１１７・・・光束断面図
１１８、１１９・・・パルスレーザ出力光１１６の半分
１２０、１２１・・・光ファイバの保護部
１２２、１２３・・・光ファイバ１００、１０１の出口
１２４、１２５・・・コリメートレンズホルダの空間部
１２６・・・戻り光保護鏡
１２７．１２８・・・上下２つの銅製放熱板
１２９・・・開口部
１３０、１３１・・・接着剤
１３２・・・レーザホルダ
１３３・・・光ファイバ保持体
２００、２０１・・・円形断面光束
２０２・・・出力レーザ光
２０３、２０４・・・平行光
２０５、２０６・・・正方形断面光束を有する平行光
２０７・・・出力レーザ光
２０８、２０９・・・２つの平行光
２１０、２１１・・・長方形断面光束を有する平行光
２１２、２１３・・・出力レーザ光
２１４、２１５・・・２つの平行光
２１６・・・正方形に近い均質な出力レーザ光

以上説明したように、本発明の請求項１～請求項６に記載された発明は、簡単かつ非常にコンパクトに、＞１０ｍＪ、１ｎｓ、＞１０ＭＷもの強力なパルスレーザ光を得られる。更にビーム品質を良くすることも可能なので、数μｍに集光することができブレークダウンも起こすことができる。よって、あらゆる高反射の難加工材料を加工することができるレーザ加工機用の応用のみならず、ピーニングやレーザ点火や、長距離レーザライダーやシミ取り等多くの用途に活用できる。またレーザ増幅器やＣＷレーザの高出力化・小型化にも活用できる。

Claims (6)

1. 複数個の光ファイバから、各々にコリメートレンズを介して得られた複数個の平行近似励起光を、ウェッジプリズムを通過させることにより、前記複数個の平行近似励起光を近接させると共に、互いに平行ないし平行に近い角度で干渉するように、前記複数の平行近似励起光の各光軸を傾けて集合励起光束を生成する。生成した前記集合励起光束を、レーザ媒体に入射させると共に、前記レーザ媒体内部にて干渉させたことを特徴としたレーザ装置
2. ウェッジプリズムとレーザ媒体が近接した位置にて、前記集合励起光束をレーザ媒体に入射させ、前記レーザ媒体内部にて部分干渉させ、同時発振させたことを特徴とした請求項１記載レーザ装置
3. ウェッジプリズムとレーザ媒体間の距離が、レーザ媒体の吸収距離の３倍以上の位置に配置された前記レーザ媒体内部にて、前記集合励起光束全体を重畳させたことを特徴とした請求項１記載レーザ装置
4. 前記複数個の光ファイバの断面が円形または長方形であることを特徴とした請求項１～３記載レーザ装置
5. 長方形断面を有する２つの光ファイバから、各々にコリメートレンズを介して得られた２つの長方形断面を有する平行励起光を、前記長方形断面の辺が近接するように前記長方形断面を有する２つの光ファイバの捻じり角を調整固定する。
   前記２つの長方形断面を有する平行励起光はウェッジプリズムを通過させることにより、前記長方形断面を有する平行励起光を近接させた状態にて、レーザ媒体に入射させ、前記レーザ媒体内部にて僅かに部分干渉させて同時発振させたことを特徴としたレーザ装置
6. レーザ媒体はＣｒ：ＹＡＧ等の不飽和吸収体を含み、励起光を入射するだけで、ワンチップでパルス発振を起こすマイクロチップレーザ素子であることを特徴とした請求項４ないし５記載のレーザ装置

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