JP2557124B2 - スラブ形固体レーザ発振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高出力スラブ形固体レーザ発振装置に関
し、特にネオジウムをドープした単結晶からなる平板
（スラブ）状固体レーザ媒質をレーザ光の発振に用いた
固体レーザ発振装置に関する。

［従来の技術］ 板状結晶のレーザ媒質（レーザ素子ともいう。）を挾
んで光路上に反射ミラーと出力ミラーを設けて共振器を
構成するレーザ発振装置において、板状結晶（以下、ス
ラブという。）としてNd-YAG単結晶が使用されている。

Nd-YAG単結晶は、ネオジウムをドープしたイットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット合金（Nd³⁺:Y₃Al₅Ｏ₁₂）
からなる。

従来のスラブ形固体レーザ発振装置では、第６図〜第
７図に示すように、ハウジング１内の反射鏡２（図示せ
ず）の内側に複数の励起用ランプ３及びレーザ媒質４が
収容され、ランプ３及びレーザ媒質４の端部がハウジン
グ１から突き出ている。レーザ媒質４に対しレーザ光の
光路Ｌ上に反射ミラー6aと出力ミラー6bが設けられてい
る。

レーザ媒質４における１対の主面4a、4bを全反射面に
利用しながらレーザ媒質４内でレーザ光をジグザグ状に
進ませるので、レーザ媒質４内に温度分布があっても、
レーザ光は温度の異なる場所を通り進み、熱歪みがレー
ザ光の位相に与える影響が全体として平均化される。従
って、レーザの発振モードが温度分布によって影響され
る割合が少ないため、スラブ形固体レーザ装置は大出力
レーザに適するものと考えられている。

このスラブ形固体レーザ装置を大出力化するには、大
きな励起光が必要となり、レーザ媒質４の両主面4a、4b
に数本のランプ３をレーザ媒質４にかつ互に平行になる
ように配置していた。

このような配置のランプ３からの励起光によりレーザ
媒質４内の発熱量が増加する。この為、レーザ光の出力
限界が内部の熱歪みによって制限されてしまうので、レ
ーザ媒質４を有効に冷却する必要がある。

このため、スラブ形固体レーザ発振装置では、レーザ
媒質４と励起光源のランプ３とを閉ざされたハウジング
１内に収納し、純水等を用いてレーザ媒質４、ランプ３
などを冷却するとともに、励起光がハウジング１から外
に逃げないように反射鏡２で閉じこめて、効率良く、レ
ーザ媒質４に励起光が照射されるようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の固体レーザ発振装置では、ランプをスラブと平
行に並べているため、レーザ光がランプの直下、言い換
えると、ランプに最も近いところで一番強くなる。

すなわち、レーザ光の増幅度Ｇは、次式により、（Ｎ
₂−Ｎ₁）反転分布になる原子数が増加すれば増幅度は大
きくなる。

Ｇ＝exp［（Ｎ₂−Ｎ₁）P/C・Ｌ］ 但し； （Ｎ₂−Ｎ₁）P:単位時間当りの光の増加割合 C:光速 L:光を増幅する活性領域長 ここで、Ｎ₂−Ｎ₁の数は励起光の強度に比例するの
で、励起光源ランプに最も近いスラブ部分では増幅度が
最高になり、他のスラブ部分はランプから離れるにつれ
て増幅度が弱くなる。

したがって、ランプが互に平行であると、ランプに沿
って強励起部分が生じ、その両脇に弱励起部分が生じ
る。この強励起部分と弱励起部分が縞状にスラブ全体に
現れる。

すなわち、第４（ａ）図に示すように、２本のランプ
を平行に並べて使用した場合は、スラブはランプ直近の
部分が強く光を受け、レーザ光の利得分布にはランプに
対応して２つの山ができる。この利得の山は第５（ａ）
図に示すように反射ミラー6a側から出力ミラー6b側にか
けて次第に大きくなる。

尚、第５（ａ）図の測定は、スラブの幅方向中心を０
として左右に12mmまでビーム1mmφのYAGレーザ光がスラ
ブを3mmおきにスキャンしたデータである。

このように平行配列のランプの場合には、レーザ光の
励起分布がスラブの幅方向に不均一になり、スラブ内を
ジグザグに通過して出力されたビームの強度分布も不均
一になり、その結果ビームの拡がり角が大きくなってし
まう。また、増幅度が不均一になり、レーザ媒質内の温
度分布も不均一になり、レーザ媒質に歪みを生じたり、
出力も制限を受けてしまう。

本発明は、以上の問題点を解消して、レーザ媒質内の
増幅度を均一にすることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明のスラブ形固体
レーザ発振装置では、レーザ媒質を励起する一対のラン
プが中心で交差するように組み合わされ、該一対のラン
プがレーザ媒質の両側にそれぞれ配置され、レーザ光を
励起する。

レーザ媒質は板状単結晶からなり、平行な傾斜端面を
有する。両面からランプにより励起するにあたり、レー
ザ媒質の各面側に２本のランプを互いに交差させて、レ
ーザ光の励起利得を平均化する。

さらに、ランプの傾斜方向は、レーザ媒質の一方の主
面側においてレーザ媒質より離れているランプは、レー
ザ媒質の他方の主面側においてレーザ素子に近いランプ
と同じ方向に向き、レーザ媒質の一方の主面側において
レーザ素子に近いランプは、レーザ媒質の他方の主面側
においてレーザ素子より離れているランプと同じ方向を
向くようにする。

［作用］ 本発明のスラブ形固体レーザ発振装置では、レーザ光
がレーザ媒質に入って、レーザ媒質を通過するにしたが
って、第５（ｂ）図に示すように、増幅度も上昇する。

ランプを交差させているので、レーザ媒質の幅方向端
部について見ると、反射ミラー側の端面付近はランプ端
部の直近にあるので利得が大きく、レーザ光の光路に沿
って進むに連れて、ランプがレーザ媒質の幅方向端部か
ら離れるので、次第にランプからの受光が弱くなり、利
得（増幅度）が若干下り、さらに出力ミラー側の端面付
近においては再びランプの端部が近付くので、励起光が
強く当り、増幅度も上昇する。

レーザ媒質の幅方向中央部について見ると、中央部に
入ったレーザ光は、レーザ媒質の反射ミラー側の端面近
くでは、ランプから離れているのでの受ける励起光が弱
く、レーザ光の光路に沿って進むに連れて励起光が強く
なり、ランプが交差している所で利得が最も上昇し、さ
らに光が進むとランプからの受光が弱まって利得も下
る。

このようなことがレーザ媒質に入射したレーザ光に全
て行われる。そして、レーザ媒質の幅方向中央部と幅方
向端部における利得の変動がほぼ等しいので、幅方向の
利得分布が均されたものとなる。

その結果、増幅度はレーザ媒質の全域にわたって均一
になる。

かくして、レーザ媒質の両側にそれぞれ２本のランプ
を交差させて配置することにより、増幅度が片よること
なく均一になる。

なお、増幅度は、小型YAGレーザをスラブに入射し、
それをフォトセンサーで受けて光強度を測定し、201og
出射強度／入射強度（dB）の式より算出できる。

［実施例］ 以下に、図面を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。

第１図に示すように、ハウジング１内で、励起用ラン
プ３は中央で交差するように配置されている。ランプ３
が交差するところは、スラブ４のほぼ中心部になる。従
って、レーザ光の光路Ｌの軸線も、第１図で見るよう
に、ランプ３が交差するところに対応する。

第２図は、本実施例のスラブ型固体レーザ発振装置を
示し、ランプ３とスラブ４を示すために、端面板を取り
外してある。

ハウジング１の凹部に、金メッキを施した反射鏡２
と、励起用ランプ３と、スラブ４と、紫外線カット用の
パイレックスフィルタ５とがスラブ４を中心にして配置
されている。

ランプ３とスラブ４は純水で冷却されている。スラブ
４は、Nd:YAGレーザ素子からなり、Nd濃度1.1原子％
で、幅ｗ＝25mm、長さＬ＝152mm、励起長＝128mm、厚さ
ｔ＝10mmに加工され、端面角度40.5度で、入射した光が
12回全反射を繰り返すように形成されている。

ランプ３は、内径13mm、肉厚1mmのクリプトンガスラ
ンプ製で、励起長は127mmである。

ランプ３は、第３図に示すように、スラブ４の表面か
らランプ軸線（3x、3y）までがそれぞれ17mmと35mmの高
さに配置され、第１図に示すようにランプの交差角αが
５度、スラブ端面においてランプ軸線間隔（3x〜3y）が
23mmとなるように設置した。

ランプ３を囲む反射鏡２は、内面が金メッキされ、高
さ48mm、幅39.5mmである。反射鏡２の頂点は40Rに加工
されている。

ランプの交差は、レーザ媒質の一方の主面側において
レーザ媒質より離れているランプは、レーザ媒質の他方
の主面側においてレーザ素子に近いランプと同じ方向に
向き、レーザ媒質の一方の主面側においてレーザ素子に
近いランプは、レーザ媒質の他方の主面側においてレー
ザ素子より離れているランプと同じ方向を向くようにし
てある。

実施例１ スラブ４の端面の法線に対してβ＝16.4度の角度でレ
ーザ光を光路Ｌに沿って入射させ、ランプ入力は４本で
最大32kwまで入力し、レーザ発振させた。

このスラブ型固体レーザ発振装置で得た増幅度は、第
５（ｂ）図に示すようになった。

２本のランプを互に平行に並べたときに得られる増幅
度（第５（ａ）図）と本実施例の増幅度を比較すると、
本発明では、スラブの幅方向で均一な増幅度を持つ事が
明らかである。

すなわち、本発明のようにランプを交差して配置する
と、ランプの光が分散して照射されるので、スラブの幅
方向で見て、第４（ｂ）図のように利得分布がフラット
になる。これは、ランプを平行に配置した場合、反射鏡
の如何にかかわらず、通常の照射方法ではランプの真近
が強励起となり、スラブを通過したレーザ光の利得分布
が、第４（ａ）図のように双子形のピークを持つのに対
して顕著な利点となる。

実施例２ 第２図に示す構成のレーザ発振装置に４本のフラッシ
ュランプで12kw入力し、パルス幅７モリ秒（ms）、繰返
数10ppsの条件でパルス電源により作動した。このと
き、出力が195wで、拡がり角が厚さ方向で５ミリラジア
ン（mrad）、幅方向で８ミリラジアン（mrad）であっ
た。これは、同じランプを平行に並べて同じ条件で作動
したときには、出力が220wで、拡がり角が厚さ方向で９
ミリラジアン（mrad）、幅方向で15ミリラジアン（mra
d）であったのに対して顕著な利点となる。

本実施例では、レーザ出力が約10％低下したが、ラン
プ光の均一名利得分布により、スラブ内の歪み、変形な
どが改善されて、ビーム拡がり角が厚さ方向で45％、幅
方向で47％の減少となり、この結果パワー密度の増大と
なり、高品質のレーザビームが得られた。

以上の実施例では、スラブの各主面側に一対のランプ
を配置したが、複数対のランプを配置した場合も同様の
効果を得る。

［発明の効果］ 本発明の構成によれば、レーザ媒質の幅方向に対して
均一な利得分布すなわち増幅度が得られ、高品質のレー
ザビームが達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による励起用ランプの配置を示す概略
正断面図である。 第２図は、本発明の実施例によるスラブ型固体レーザ発
振装置の一部を示す概略側面図である。 第３図は、第２図に対応する概略平断面図で、ハウジン
グを除いてある。 第４（ａ）図は、従来の励起用ランプの配置と、該配置
に対応するスラブ幅方向のレーザ光利得分布を示すグラ
フである。 第４（ｂ）図は、本発明の実施例による励起用ランプの
配置と、該配置に対応するスラブ幅方向のレーザ光利得
分布を示すグラフである。 第５（ａ）図は、第４（ａ）図のグラフに対応してスラ
ブ全体に渡るレーザ光利得分布を示すグラフである。 第５（ｂ）図は、第４（ｂ）図のグラフに対応してスラ
ブ全体に渡るレーザ光利得分布を示すグラフである。 第６図は、従来の励起用ランプの配置を示す概略平断面
図である。 第７図は、従来の励起用ランプの配置を示す概略正断面
図である。 図中、参照数字は次の要素を示す。 1:ハウジング、3:ランプ、4:スラブ、5:フィルター、6
a、6b:ミラー、

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行な傾斜端面を有する板状単結晶のレー
   ザ媒質を両面からランプにより励起するにあたり、レー
   ザ媒質の各主面側に２本のランプを互いに交差させて配
   置したことを特徴とするスラブ形固体レーザ発振装置
2. 【請求項２】レーザ媒質の一方の主面側においてレーザ
   媒質より離れているランプは、レーザ媒質の他方の主面
   側においてレーザ素子に近いランプと同じ方向に向き、
   レーザ媒質の一方の主面側においてレーザ素子に近いラ
   ンプは、レーザ媒質の他方の主面側においてレーザ素子
   より離れているランプと同じ方向を向くように配置し、
   ランプ及びレーザ媒質に向けて両側に反射鏡を配置した
   ことを特徴とするスラブ形固体レーザ発振装置。