JP2588931B2 - 固体レーザ - Google Patents
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- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スラブ型の固体レーザに関し、特にその
励起，冷却の構造を改良した固体レーザに関するもので
ある。
励起，冷却の構造を改良した固体レーザに関するもので
ある。
第８図，第９図は例えば特開昭61−204990号公報に示
された従来の固体レーザを示す横断面図及び縦断面図で
あり、図において、１はレーザ媒質、３は透明板、６は
シール部材、11は側板、７はランプ、８はミラー面、９
は冷却水、20は光軸、30は全反射ミラー、40は部分反射
ミラー、21はレーザビーム、50はハウジング、51はハウ
ジングの開孔である。
された従来の固体レーザを示す横断面図及び縦断面図で
あり、図において、１はレーザ媒質、３は透明板、６は
シール部材、11は側板、７はランプ、８はミラー面、９
は冷却水、20は光軸、30は全反射ミラー、40は部分反射
ミラー、21はレーザビーム、50はハウジング、51はハウ
ジングの開孔である。
次の動作について説明する。
ランプ７による発光はミラー面８によってレーザ媒質
１に集光されこれを励起する。光軸20はレーザ媒質１内
で複数回の内部全反射をしている。全反射ミラー30と部
分反射ミラー40によって形成される共振器により励起さ
れた光エネルギーの一部がレーザビーム21として外部に
出力される。
１に集光されこれを励起する。光軸20はレーザ媒質１内
で複数回の内部全反射をしている。全反射ミラー30と部
分反射ミラー40によって形成される共振器により励起さ
れた光エネルギーの一部がレーザビーム21として外部に
出力される。
レーザ媒質１の縦断面は第９図に示すようになってお
り、透明板３と側板11の表面で形成する外周と、ハウジ
ングの開孔51の内周の間にシール部材６を設けて冷却水
９のシールをしている。
り、透明板３と側板11の表面で形成する外周と、ハウジ
ングの開孔51の内周の間にシール部材６を設けて冷却水
９のシールをしている。
ハウジング50の内では、透明板３と側板11は共に直線
冷却水９によって冷却されている。この構造で透明板３
に求められる物性は、レーザ媒質１内部の全反射条件を
乱さないように屈折率がレーザ媒質１に比して十分小さ
いこと、熱伝導率が大きいこと、熱的に強いこと等であ
る。例えばレーザ媒質１がYAG,屈折率ｎ＝1.82である場
合、屈折率ｎ＝1.45,熱伝導率Ｋ＝1.4×10-2W・cm-1・d
eg-1である石英板が好適である。側板11の満足すべき物
性は光を吸収しないこと、熱伝導率が小さいこと等で、
例えばシリコンゴム系物質の場合、Ｋ＝0.29×10-2W・c
m-1・deg-1である。即ち、透明板３と側板11との熱伝導
率の差は高々５倍程度である。この場合、レーザ媒質１
の熱はその大部分が透明板３を通して冷却水９に吸収さ
れるが、側面部分では一部の熱が側板11を通して冷却水
９に伝わることを避けることはできない。また、透明板
３とレーザ媒質１の表面には多少の曲がりや凹凸がある
ことは避け難く、そのため両者の関隙はレーザ媒質の幅
方向に100μｍ程度の分布が生じる。本従来例では、こ
の間隙には空気が存在することになる。空気の熱伝導率
はＫ＝2.6×10-4W・cm-1・deg-1と透明板３のそれに比
して２桁小さい。それ故、間隙のわずかな分布は透明板
３を経由するレーザ媒質１の厚み方向の熱冷却に大きな
分布をもたらすことになる。そして上述のような理由に
より、レーザ媒質１内に幅方向（第９図中のＸ方向）に
温度分布が生じ、これにより屈折率の分布が生じる。厚
み方向の屈折率分布は、光軸20がジグザグに構成されて
いるので全体として相殺されるが、幅方向の屈折率分布
は長手方向に積算されてレーザの共振条件を乱すことに
なる。この結果、レーザ高出力化にともない、幅方向に
ビームのモードがくずれたり、発散角が変化したり、角
度がずれていわゆるビームの集束性が著しく劣化するこ
とがある。
冷却水９によって冷却されている。この構造で透明板３
に求められる物性は、レーザ媒質１内部の全反射条件を
乱さないように屈折率がレーザ媒質１に比して十分小さ
いこと、熱伝導率が大きいこと、熱的に強いこと等であ
る。例えばレーザ媒質１がYAG,屈折率ｎ＝1.82である場
合、屈折率ｎ＝1.45,熱伝導率Ｋ＝1.4×10-2W・cm-1・d
eg-1である石英板が好適である。側板11の満足すべき物
性は光を吸収しないこと、熱伝導率が小さいこと等で、
例えばシリコンゴム系物質の場合、Ｋ＝0.29×10-2W・c
m-1・deg-1である。即ち、透明板３と側板11との熱伝導
率の差は高々５倍程度である。この場合、レーザ媒質１
の熱はその大部分が透明板３を通して冷却水９に吸収さ
れるが、側面部分では一部の熱が側板11を通して冷却水
９に伝わることを避けることはできない。また、透明板
３とレーザ媒質１の表面には多少の曲がりや凹凸がある
ことは避け難く、そのため両者の関隙はレーザ媒質の幅
方向に100μｍ程度の分布が生じる。本従来例では、こ
の間隙には空気が存在することになる。空気の熱伝導率
はＫ＝2.6×10-4W・cm-1・deg-1と透明板３のそれに比
して２桁小さい。それ故、間隙のわずかな分布は透明板
３を経由するレーザ媒質１の厚み方向の熱冷却に大きな
分布をもたらすことになる。そして上述のような理由に
より、レーザ媒質１内に幅方向（第９図中のＸ方向）に
温度分布が生じ、これにより屈折率の分布が生じる。厚
み方向の屈折率分布は、光軸20がジグザグに構成されて
いるので全体として相殺されるが、幅方向の屈折率分布
は長手方向に積算されてレーザの共振条件を乱すことに
なる。この結果、レーザ高出力化にともない、幅方向に
ビームのモードがくずれたり、発散角が変化したり、角
度がずれていわゆるビームの集束性が著しく劣化するこ
とがある。
従来の固体レーザは以上のように構成されているの
で、レーザ媒質内の幅方向の温度分布が生じ易く、その
結果の屈折率分布によってレーザビームの発散角が出力
の増大にともない変化するなどビームの集束性に根本的
な問題点があった。
で、レーザ媒質内の幅方向の温度分布が生じ易く、その
結果の屈折率分布によってレーザビームの発散角が出力
の増大にともない変化するなどビームの集束性に根本的
な問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、単純な構成でビームの集束性の優れた固体
レーザを得ることを目的とする。
れたもので、単純な構成でビームの集束性の優れた固体
レーザを得ることを目的とする。
この発明に係る固体レーザは、レーザ媒質の光学平滑
面に密接した透光性の熱伝導部材と、レーザ媒質側面に
設定した実質的な断熱空間とを備え、レーザ媒質を幅方
向に断熱しつつ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷
却をする励起冷却構造としたものである。
面に密接した透光性の熱伝導部材と、レーザ媒質側面に
設定した実質的な断熱空間とを備え、レーザ媒質を幅方
向に断熱しつつ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷
却をする励起冷却構造としたものである。
この発明においては、レーザ媒質を幅方向に断熱しつ
つ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷却をする励起
冷却構造としたから、レーザ媒質内の幅方向の温度分布
が生じることなく、ビームの集束性が向上する。
つ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷却をする励起
冷却構造としたから、レーザ媒質内の幅方向の温度分布
が生じることなく、ビームの集束性が向上する。
以下、この発明の実施例を図について説明する。
第１図，第２図は本発明の第１の実施例による固体レ
ーザを示す横断面図及び縦断面図であり、図において、
１はレーザ媒質であり、本実施例では厚さ6mm,幅12mm、
長さ100mmのYAG結晶を用いている。101はレーザ媒質１
の光学平滑面にコーティングされた透明膜で、レーザ媒
質１に比して屈折率の小さい材料で構成され、レーザ媒
質内の全反射条件を満たしている。102は反射膜で光の
散逸を防ぎ、２は透明接着剤または油などの透明液体か
らなる充填層である。透明膜101は充填膜２の屈折率が
低く、かつ透明であれば省略することもできる。３は透
明板で、厚さ1mmの石英、４はレーザ媒質の側面に設定
された断熱空間で、例えば空気である。５はフィルタ
で、レーザ励起にとって不必要な光成分スペクトルを吸
収する。ランプ７とフィルタ５に接して流れる冷却水９
は透明板３とハウジング50の間のシール材６で封止され
る。
ーザを示す横断面図及び縦断面図であり、図において、
１はレーザ媒質であり、本実施例では厚さ6mm,幅12mm、
長さ100mmのYAG結晶を用いている。101はレーザ媒質１
の光学平滑面にコーティングされた透明膜で、レーザ媒
質１に比して屈折率の小さい材料で構成され、レーザ媒
質内の全反射条件を満たしている。102は反射膜で光の
散逸を防ぎ、２は透明接着剤または油などの透明液体か
らなる充填層である。透明膜101は充填膜２の屈折率が
低く、かつ透明であれば省略することもできる。３は透
明板で、厚さ1mmの石英、４はレーザ媒質の側面に設定
された断熱空間で、例えば空気である。５はフィルタ
で、レーザ励起にとって不必要な光成分スペクトルを吸
収する。ランプ７とフィルタ５に接して流れる冷却水９
は透明板３とハウジング50の間のシール材６で封止され
る。
次に動作について説明する。
２本のランプ７に約5KWの放電パワーが注入され、フ
ィルタ５で不要なスペクトル成分を除去された光は、レ
ーザ媒質１にその約８％，約400Wが吸収され、これを励
起し、その一部は約100Wのレーザビーム21に変換されて
外部に出力される。ここで透明板３を通過してこの吸収
熱は放出されるが、その過程で、レーザ媒質１内に約20
℃、透明板３内に約120℃の熱勾配が生じる。
ィルタ５で不要なスペクトル成分を除去された光は、レ
ーザ媒質１にその約８％，約400Wが吸収され、これを励
起し、その一部は約100Wのレーザビーム21に変換されて
外部に出力される。ここで透明板３を通過してこの吸収
熱は放出されるが、その過程で、レーザ媒質１内に約20
℃、透明板３内に約120℃の熱勾配が生じる。
本実施例においては、充填層２は従来例におけるレー
ザ媒質１と透明板３の間隙の空気に置きかわって充填さ
れていることになる。
ザ媒質１と透明板３の間隙の空気に置きかわって充填さ
れていることになる。
充填層２は例えば透明な光学接着剤，ゲル状物質，オ
イル等の液体により成り、その熱伝導率はＫ＝１〜３×
10-3W・cm-1・deg-1のものが容易に入手できる。充填層
２は、従来例における空気に比して１桁大きな熱伝導率
を有していることから、薄い充填層２の存在は前述した
ようなレーザ媒質の厚み方向の温度分布に影響を与えな
い。また、充填層２に多少の厚みの分布があっても、こ
れがレーザ媒質１内の幅方向の温度分布を生起するおそ
れもない。
イル等の液体により成り、その熱伝導率はＫ＝１〜３×
10-3W・cm-1・deg-1のものが容易に入手できる。充填層
２は、従来例における空気に比して１桁大きな熱伝導率
を有していることから、薄い充填層２の存在は前述した
ようなレーザ媒質の厚み方向の温度分布に影響を与えな
い。また、充填層２に多少の厚みの分布があっても、こ
れがレーザ媒質１内の幅方向の温度分布を生起するおそ
れもない。
また、断熱空間４の空気は熱伝導率が2.6×10-4W・cm
-1・deg-1で、透明板３の石英の約1/50である。このた
め、レーザ媒質１への入熱は完璧に透明板３を通しての
み冷却水９に放熱され、レーザ媒質１が均一に光照射さ
れる限りレーザ媒質１の幅方向の温度分布は生じない。
-1・deg-1で、透明板３の石英の約1/50である。このた
め、レーザ媒質１への入熱は完璧に透明板３を通しての
み冷却水９に放熱され、レーザ媒質１が均一に光照射さ
れる限りレーザ媒質１の幅方向の温度分布は生じない。
このように本実施例ではレーザ媒質を幅方向に断熱し
つつ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷却をする励
起冷却構造としたから、レーザ媒質内の幅方向の温度分
布が極めて小さくなり、その結果ビームの集束性が大幅
に向上する。
つつ、厚み方向に励起光の入射と熱伝導的冷却をする励
起冷却構造としたから、レーザ媒質内の幅方向の温度分
布が極めて小さくなり、その結果ビームの集束性が大幅
に向上する。
第３図（ａ）及び第３図（ｂ）はそれぞれ本発明の第
2,第３の実施例を示す縦断面図である。これらの実施例
では、断熱空間４の外側に２枚の透明板３を相互に結合
する支持部材42を設けている。このように断熱空間４を
閉塞的にすることで、対流等による熱伝達は減少し、レ
ーザ媒質１内の幅方向の温度分布はさらに減少する。第
３図（ａ）の実施例ではシール材６が透明板３の各面状
に閉ループを成して設けられており、第３図（ｂ）の実
施例では特に図示していないが、レーザ媒質１の長手両
部分で透明板３と支持部材42により成る外周に、冷却水
のシール材６を配置している。
2,第３の実施例を示す縦断面図である。これらの実施例
では、断熱空間４の外側に２枚の透明板３を相互に結合
する支持部材42を設けている。このように断熱空間４を
閉塞的にすることで、対流等による熱伝達は減少し、レ
ーザ媒質１内の幅方向の温度分布はさらに減少する。第
３図（ａ）の実施例ではシール材６が透明板３の各面状
に閉ループを成して設けられており、第３図（ｂ）の実
施例では特に図示していないが、レーザ媒質１の長手両
部分で透明板３と支持部材42により成る外周に、冷却水
のシール材６を配置している。
第４図，第５図は本発明の第４の実施例による固体レ
ーザを示す横断面図及び縦断面図であり、図において第
１図あるいは第２図と同一符号は同一又は相当部分であ
り、300は冷却板である。また第６図（ａ），第６図
（ｂ）はこの実施例に用いる冷却板300の構造を示す上
面図及び横断面図である。
ーザを示す横断面図及び縦断面図であり、図において第
１図あるいは第２図と同一符号は同一又は相当部分であ
り、300は冷却板である。また第６図（ａ），第６図
（ｂ）はこの実施例に用いる冷却板300の構造を示す上
面図及び横断面図である。
次に動作について説明する。
ランプ７の光はフィルタ５を経由し、冷却板300の反
射面301に当り、あるいはそのまま開孔302からレーザ媒
質１に入射する。レーザ媒質１の熱は透明膜101,透明な
充填層２を経由し、冷却面303から冷却板300を通過して
ハウジング50内の冷却水９に放出される。
射面301に当り、あるいはそのまま開孔302からレーザ媒
質１に入射する。レーザ媒質１の熱は透明膜101,透明な
充填層２を経由し、冷却面303から冷却板300を通過して
ハウジング50内の冷却水９に放出される。
ビームの進行方向の光入射にともなう温度分布は、光
軸20レーザ媒質内をジグザグに進むことで相殺される。
レーザ媒質内の幅方向の温度分布は上記第1,第2,第３の
実施例と同様の原理により抑えられるが、冷却板300が
金属で構成されているため、その中の温度上昇は無視し
得るほどに小さく、レーザ媒質１全体の温度を下げ得る
利点がある。
軸20レーザ媒質内をジグザグに進むことで相殺される。
レーザ媒質内の幅方向の温度分布は上記第1,第2,第３の
実施例と同様の原理により抑えられるが、冷却板300が
金属で構成されているため、その中の温度上昇は無視し
得るほどに小さく、レーザ媒質１全体の温度を下げ得る
利点がある。
第７図は本発明の第５の実施例を示す図であり、図に
おいて、43は熱伝導率の小さな充填部材である。本実施
例は第５図の実施例における断熱空間４を気体ではなく
熱伝導率の小さな充填部材43でモールドして構成してい
る。例えば、シリコンゴムを用いると、その熱伝導率は
金属、例えばAlに比べ1/820と小さいので、レーザ媒質
１に幅方向の温度分布は生じない。
おいて、43は熱伝導率の小さな充填部材である。本実施
例は第５図の実施例における断熱空間４を気体ではなく
熱伝導率の小さな充填部材43でモールドして構成してい
る。例えば、シリコンゴムを用いると、その熱伝導率は
金属、例えばAlに比べ1/820と小さいので、レーザ媒質
１に幅方向の温度分布は生じない。
以上のように、この発明によれば固体レーザにおい
て、レーザ媒質の光学平滑面に密接した透光性の熱伝導
部材と、レーザ媒質側面に設定した実質的な断熱空間と
を備え、レーザ媒質を幅方向に断熱しつつ、厚み方向に
励起光の入射と熱伝導的冷却をする励起冷却構造とした
から、高出力領域でも集束性の優れた固体レーザを得る
ことができる効果がある。
て、レーザ媒質の光学平滑面に密接した透光性の熱伝導
部材と、レーザ媒質側面に設定した実質的な断熱空間と
を備え、レーザ媒質を幅方向に断熱しつつ、厚み方向に
励起光の入射と熱伝導的冷却をする励起冷却構造とした
から、高出力領域でも集束性の優れた固体レーザを得る
ことができる効果がある。
第１図，第２図はこの発明の第１の実施例による固体レ
ーザを示す横断面図，及び縦断面図、第３図（ａ），第
３図（ｂ）は各々この発明の第2,第３の実施例を示す縦
断面図、第４図，第５図はこの発明の第４の実施例によ
る固体レーザを示す横断面図，及び縦断面図、第６図
（ａ），第６図（ｂ）ははこの発明の第４の実施例に用
いる冷却板を示す上面図，及び横断面図、第７図はこの
発明の第５の実施例を示す縦断面図、第８図，第９図は
従来の固体レーザを示す横断面図，及び縦断面図であ
る。 １はレーザ媒質、101は透明膜、102は反射膜、２は充填
層、３は透明板、４はレーザ媒質断熱空間、５はフィル
タ、６はシール材、７はランプ、８はミラー面、９は冷
却水、20は光軸、21はレーザビーム、30は全反射ミラ
ー、40は部分反射ミラー、50はハウジング、42は支持部
材、43は充填部材、300は冷却板、301は反射面、302は
開孔、303は冷却面。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
ーザを示す横断面図，及び縦断面図、第３図（ａ），第
３図（ｂ）は各々この発明の第2,第３の実施例を示す縦
断面図、第４図，第５図はこの発明の第４の実施例によ
る固体レーザを示す横断面図，及び縦断面図、第６図
（ａ），第６図（ｂ）ははこの発明の第４の実施例に用
いる冷却板を示す上面図，及び横断面図、第７図はこの
発明の第５の実施例を示す縦断面図、第８図，第９図は
従来の固体レーザを示す横断面図，及び縦断面図であ
る。 １はレーザ媒質、101は透明膜、102は反射膜、２は充填
層、３は透明板、４はレーザ媒質断熱空間、５はフィル
タ、６はシール材、７はランプ、８はミラー面、９は冷
却水、20は光軸、21はレーザビーム、30は全反射ミラ
ー、40は部分反射ミラー、50はハウジング、42は支持部
材、43は充填部材、300は冷却板、301は反射面、302は
開孔、303は冷却面。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (2)
- 【請求項１】２つの光学的な平滑面と２つの側面とを有
する断面がほぼ矩形のレーザ媒質を有し、上記平滑面か
ら入射する光により光励起され、レーザビームが上記平
滑面で複数回の内部全反射を行ないながら往復する固体
レーザにおいて、 上記レーザ媒質の平滑面に、励起光に対して透明な充填
層を介して透明板を密着させると共に、上記レーザ媒質
の側面に接して断熱空間を設け、 上記充填層を介してレーザ媒質の平滑面に密着された透
明板を介してレーザ媒質を光励起すると共に熱伝導的に
冷却するようにしたことを特徴とする固体レーザ。 - 【請求項２】２つの光学的な平滑面と２つの側面とを有
する断面がほぼ矩形のレーザ媒質を有し、レーザビーム
が上記平滑面で複数回の内部全反射を行ないながら往復
する固体レーザにおいて、 励起光を通過させる開孔を有する金属板を上記レーザ媒
質の平滑面に密着させて設け、該金属板を介してレーザ
媒質を励起すると共に熱伝導的に冷却するようにしたこ
とを特徴とする固体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11985688A JP2588931B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 固体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11985688A JP2588931B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 固体レーザ |
Publications (2)
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- 1988-05-16 JP JP11985688A patent/JP2588931B2/ja not_active Expired - Fee Related
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