JP2645051B2 - 固体レーザ発振装置 - Google Patents

固体レーザ発振装置

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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) この発明は、固体レーザ発振装置に関する。
(従来の技術) 一般に、YAGレーザ発振装置は、引上げ法により製造
されたNd3+イオン(レーザ活性イオン)をドープしたイ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット(Yttrium Alum
inum Garnet)の結晶から細長いロッドを形成し、その
両端面を光学研磨して所要の固体レーザロッドとし、こ
のレーザロッドの長手方向に沿ってその側方にアークラ
ンプやフラッシュランプなどの励起光源を並列的に配置
し、この励起光源でレーザロッドを励起することにより
その軸方向にレーザ発振させる構造になっている。従
来、このYAGレーザ発振装置としては、低次モードの良
質のレーザビームに対しては、長尺のレーザロッドでは
得られないために、一般に比較的短いレーザロッドを1
個または直列的に複数個配列して使用し、長尺のレーザ
ロッドは、主として指向性の悪い高出力マルチモードの
レーザビームを得る場合に使用されていた。
その理由は、引上げ法により製造されるイットリウム
・アルミニウム・ガーネットの結晶は、Nd3+イオンのド
ープ量が長手方向に均一に分布せず、たとえば約6イン
チ長さのものでは、一端部と他端部とで20%程度の濃度
勾配を生じている。したがって、これをレーザ発振装置
に装着し、そのレーザロッドの側方に並列的たとえば直
管形の励起光源を配置すると、励起光源の配光分布は、
管およびレーザロッドの中心に対して左右対象となるた
め、Nd3+イオン濃度の高い端部側は励起光を多量に吸収
して強く励起され、逆に、Nd3+イオン濃度の低い端部側
は励起光の吸収が低く、相対的に励起が弱くなる。ま
た、一般にレーザロッドは、その外側を水で冷却しなが
ら使用されるので、動作中、中心軸部と周辺部との間に
温度差ができ、それがレーザロッドの長手方向に分布し
て、レーザビームの指向性を劣化するレンズ作用をな
す。
したがって、上記レーザ発振装置において、高出力の
レーザを得るために、励起強度を増してゆくと、Nd3+
オン濃度の高い端部側は励起光を過剰吸収して熱歪みを
発生し、光学的不均一が大きくなるばかりでなく、局部
的に破壊をおこしやすい状態になる。しかし、そのとき
でも、Nd3+イオン濃度の低い端部側は、なお励起光の吸
収量が少ないため十分に励起されない状態となり、指向
性のよい高出力レーザビームが得られないためである。
(発明が解決しようとする問題点) 上記のように、従来よりYAGレーザ発振装置に使用さ
れる長尺のレーザロッドは、母体結晶にドープされたNd
3+イオンの濃度分布が均一でなく、その長手方向に濃度
勾配をもつために、これを並列的に配置された励起光源
で励起すると、Nd3+イオンの濃度の高い端部側では、過
剰に励起光を吸収して熱歪みが発生し、光学的不均一性
が大きくなるばかりでなく、局部的に破壊をおこしやす
い状態になるが、そのときでも、Nd3+イオン濃度の低い
端部側は、励起光の吸収量が少ないために十分に励起さ
れず、指向性のよい高出力レーザビームが得られないと
いう問題がある。
この発明は、上記問題点を解決するためになされたも
のであり、長手方向にレーザ活性イオンの濃度勾配をも
つ固体レーザロッドを使用しても、指向性良好にしてか
つ高出力のレーザビームが得られるレーザ発振装置を構
成することを目的とする。
〔発明の構成〕
(問題点を解決するための手段) レーザ活性イオンのドープ濃度が軸方向に勾配をもつ
固体レーザロッドに対して、その側方に並列的に励起光
源が配置される固体レーザ発振装置において、レーザロ
ッドに対する上記励起光源からの照射光量を上記レーザ
ロッドのレーザ活性イオンの上記勾配と逆の勾配に調整
する照射光量調整手段を設けた。
(作 用) 上記のように軸方向にレーザ活性イオンのドープ濃度
が勾配をもつ固体レーザロッドに対して、レーザ活性イ
オンのドープ濃度の高い部分を励起する励起光を制御す
る照射光量調整手段を設けると、レーザ活性イオンのド
ープ濃度が低い端部側を十分に励起しても、レーザ活性
イオンのドープ濃度の高い端部側の過剰の励起を抑制す
ることができ、レーザロッドをその全長にわたり均一に
励起して、熱歪みの発生を少なく、したがって、指向性
良好にしてかつ高出力のレーザビームが得られるレーザ
発振装置とすることができる。
(実施例) 以下、図面を参照してこの発明を実施例に基づいて説
明する。
第1図にこの発明の一実施例であるYAGレーザ発振装
置の構成を示す。このレーザ発振装置は、楕円筒からな
る集光反射鏡(1)の一方の焦点上にNd3+イオンをドー
プしたイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶
からなる固体レーザロッド(2)が配置され、その両端
部に嵌合する一対の保持パイプ(3a),(3b)により保
持されている。また、他方の焦点上には、そのレーザロ
ッド(2)の長手方向に沿って、このレーザロッド
(2)の吸収スペクトルによく合った光を発光するクリ
プトンアークランプからなる励起光源(4)が並列的に
配置されている。また、上記レーザロッド(2)のまわ
りには、矢印(5a)〜(5c)方向に液体を流して、レー
ザロッド(2)および励起光源(4)を冷却するための
フローパイプ(6)が同軸的に配置され、さらに、上記
一対の保持パイプ(3a),(3b)の外側方には、レーザ
ロッド(2)と同軸に一対のレーザ共振器ミラー(7
a),(7b)が配設され、矢印(8)で示すようにその
一方の出力ミラー(7a)を介してレーザ発振出力を取出
すことができるようになっている。
ところで、上記レーザロッド(2)は、第2図の傾斜
線(10)に示すように、その長手方向にNd3+イオンのド
ープ濃度が勾配をもち、たとえばその一端部のNd3+イオ
ン濃度が0.9原子%であるのに対して、他端部は1.1原子
%となっている。そして、このような濃度勾配をもつレ
ーザロッド(2)をその全長にわたり均一に励起するた
めに、この例のレーザ発振装置では、上記フローパイプ
(6)の光透過率を、他端部側に対して一端部側を相対
的によくする照射光調整手段が設けられている。
上記照射光調整手段としては、たとえば、(イ)フロ
ーパイプ(6)の肉厚を他端部側に対して相対的に一端
部側を薄くする、(ロ)フローパイプ(6)の他端部側
の光散乱率を相対的に大きくする、(ハ)フローパイプ
(6)の他端部側に光吸収物質を添加あるいは塗布して
光透過率を低下させる、(ニ)フローパイプ(6)の他
端部側にメッシュを取付けて相対的に光透過率を低下さ
せるなど、概ね一般的な光分布調整手段を利用すること
ができる。
上記のようにレーザロッド(2)を取囲むフローパイ
プ(6)に照射光調整手段を設けると、励起光源(4)
から放射される光が光源(4)の中心すなわちレーザロ
ッド(2)の中心に対して左右対称であっても、レーザ
ロッド(2)に到達する光の分布は、第3図に傾斜線
(11)で示すように、レーザロッド(2)の一端部側が
他端部側に対して相対的に強くなり、一端部側のNd3+
オン濃度が他端部側のNd3+イオンの濃度よりも低くて
も、レーザロッド(2)単位長さ当りに吸収される励起
光量をレーザロッド(2)全長にわたり均一化すること
ができる。また、従来Nd3+イオンの濃度の高い他端部側
が過剰の光吸収をおこし、熱歪みのために発生した局部
的な破壊も防止することができる。さらに、一般に、レ
ーザロッドは、結晶育成時にレーザ活性イオンのドープ
濃度の低い方が光学的均一性にすぐれたものとなること
が経験的に知られており、これを考慮にいれると、Nd3+
イオン濃度の低い方をより強く励起することは、よりす
ぐれたレーザビームを得るすぐれた手段であることを示
している。
したがって、上記のように照射光調整手段を設ける
と、レーザロッド(2)全長にわたり励起光が均一に分
布されることから、レーザロッド(2)全体に入る励起
光の総入力量を従来よりも大きくでき、それにより、レ
ーザ発振装置の出力を顕著に高出力化することができ
る。
第4図は、このレーザ発振装置の入力Piと出力Phの関
係を従来のレーザ発振装置のそれと比較して示したもの
である。曲線(12)に示されているように従来のレーザ
発振装置では、入力Piが増加すると、Nd3+イオンの濃度
の高い部分の熱歪みが限界に近付き、光学的にも不均一
となって、比較的に低いレベルでレーザ発振出力が飽和
特性を示すが、この例のレーザ発振装置では、曲線(1
3)に示すように比較的高いレベルまで正常に発振させ
ることができ、したがって、レーザ発振出力を高出力化
することができる。すなわち、この例のレーザ発振装置
は、上記曲線(12),(13)からわかるように入力が低
い間は、発振効率が従来のレーザ発振装置より低くなる
が、入力が高くなるにともなって、その出力を従来のレ
ーザ発振装置にくらべていちじるしく増大させることが
でき、かつ入力を高くしても、レーザロッド(2)全体
にわたり熱歪みを少なくできることから、レーザビーム
の指向性を大幅に良好にすることができる。
なお、上記実施例では、フローパイプに照射光調整手
段を設けたが、この照射光調整手段は、レーザロッドの
長手方向に沿って、集光反射鏡に反射率の分布をもたせ
ても同様の効果を得るものとすることができる。
また、この照射光調整手段は、フローパイプや集光反
射鏡のほか、レーザロッドや励起光源に直接設けてもよ
く、あるいはまた、たとえばレーザロッドと励起光源と
の間に介装するなど、レーザロッド、励起光源、フロー
パイプ、集光反射鏡などとは独立設けてもよい。さらに
また、それらを任意に組合わせて設置してもよい。
なおまた、この発明は、Nd3+イオンの分配係数がYAG
と異なる結晶でも、レーザロッドの軸方向に濃度勾配を
生じているレーザ結晶については、同様に適用できる
し、また、Nd3+以外のドーパントをもつレーザ結晶につ
いても適用できる。
〔発明の効果〕
レーザ活性イオンのドープ濃度が軸方向に勾配をもつ
固体レーザロッドに対して、その軸方向に沿って励起光
源が配置される固体レーザ発振装置において、レーザロ
ッドに対する励起光源からの照射光量を上記レーザ活性
イオンのドープ濃度の上記勾配と逆の勾配に調整する照
射光量調整手段を設けると、レーザ活性イオンのドープ
濃度の低い端部側を十分に励起しても、レーザ活性イオ
ンのドープ濃度の高い端部側の過剰の励起を抑制するこ
とができ、レーザロッドをその全長にわたり均一に励起
して熱歪みの発生が少なく、指向性良好にしてかつ高出
力のレーザビームが得られるレーザ発振装置とすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)および(B)図はそれぞれこの発明の一実
施例であるYAGレーザ発振装置の構成を示す正面図およ
びその断面図、第2図はそのレーザロッドのNd3+イオン
の濃度勾配を示す図、第3図はフローパイプに設けられ
た照射光調整手段の作用を説明するための図、第4図は
上記レーザ発振装置の入力と出力との関係を従来のレー
ザ発振装置のそれと比較して示した図である。 1……集光反射鏡、2……固体レーザロッド 4……励起光源、6……フローパイプ 9……照射光調整手段

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記構成を具備することを特徴とする固体
    レーザ発振装置。 (イ)レーザ活性イオンのドープ濃度が軸方向に勾配を
    もつ固体レーザロッド。 (ロ)上記レーザロッドの側方に並列的に配置された励
    起光源。 (ハ)上記レーザロッドと上記励起光源とを取囲む集光
    反射鏡。 (ニ)上記レーザロッドと上記励起光源との少なくとも
    一方を冷却する冷却手段。 (ホ)上記レーザロッドに対する上記励起光源からの照
    射光量を上記レーザ活性イオンのドープ濃度の上記勾配
    と逆の勾配に調整する照射光量調整手段。
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