JP2684108B2

JP2684108B2 - レーザ発振器

Info

Publication number: JP2684108B2
Application number: JP5689990A
Authority: JP
Inventors: 敬治宮澤; 基司田頭; 裕司竹中; 昌樹葛本
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1997-12-03
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JPH03257979A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、レーザ発振器に係り、さらに詳しくは、共
振器を構成するミラーの冷却構造の改良に関するもので
ある。

［従来の技術］第５図は例えばレーザハンドブック（オーム社、昭和
57年）に記載された従来の不安定型共振器を用いたレー
ザ発振器の一例を示す構成図である。図において、
（１），（２）はそれぞれ凹面状の例えばCuより成る全
反射ミラー（曲率半径R1＝1m）及び拡大ミラー（曲率半
径R2＝2m）で、全反射ミラー（１）及び拡大ミラー
（２）は共振器長1.5mで配設され、負枝構成の共焦点構
成（拡大率Ｍ＝２）となっている。（３），（４）はそ
れぞれ全反射ミラー（１）及び拡大ミラー（２）が装着
されたミラー押え、（５），（６）は全反射ミラー
（１）及び拡大ミラー（２）に接触して両ミラー
（１），（２）を冷却する平板で構成されたミラー冷却
板である。（７）は例えばCuより成るスクレーパミラー
で、不安定型共振器内からリング状のレーザビーム出力
を取り出すようになっている。（８）は例えばZnSeより
成る透過ミラーで、レーザビームは透過ミラー（８）を
通過することによりレーザ発振器外へ出射される。
（９）はレーザ媒質で、例えばCo₂レーザ等のガスレー
ザの場合は放電などにより励起されたガス媒質、YAG等
の固体レーザの場合はフラッシュランプ等により励起さ
れた固体媒質である。（10）はレーザビーム径を制御す
るアパーチャ、（11）は不安定型共振器の周囲を覆う箱
体、（12）は全反射ミラー（１）と拡大ミラー（２）に
より構成される不安定型共振器の内部に発生したレーザ
ビーム、（13）は透過ミラー（８）により外部に取り出
されたリング状のレーザビームである。

第６図は第５図で示した拡大ミラー（２）の周辺のミ
ラー装着装置の断面図である。図において、（2a），
（2b）はそれぞれ拡大ミラー（２）の開口径、ミラー径
を示し、（2b−2a）が熱接触部に相当している。（14）
は拡大ミラー（２）を装着したミラー押え（４）をミラ
ー冷却板（６）に固定するボルトである。（15）は拡大
ミラー（２）の背面に設けられたＯリングで、このＯリ
ング（15）が拡大ミラー（２）を押すことにより、拡大
ミラー（２）はミラー冷却板（６）に圧着され、拡大ミ
ラー（２）とミラー冷却板（６）の熱接触が保証される
ようになっている。

なお、第６図では拡大ミラー（２）周辺のミラー装着
装置の構成を示したが、全反射ミラー（１）の周辺のミ
ラー装着装置の構成もこれと同様である。

次に、作用について説明する。レーザビーム（12）は
全反射ミラー（１）と拡大ミラー（２）の間を往復し、
この往復の間にレーザ媒質（９）により増幅される。こ
のようにして増幅されたレーザビーム（12）の一部はス
クレーパミラー（７）により反射され、透過ミラー
（８）を通ってレーザ発振器の外部に取り出される。取
り出されたレーザビーム（13）は、不安定型共振器の構
成が共焦点配置であるため、平行ビームとなる。

この場合、全反射ミラー（１）と拡大ミラー（２）は
レーザ光に対して若干の吸収率を有しているため、レー
ザビーム（12）が不安定型共振器内を往復している間
に、全反射ミラー（１）と拡大ミラー（２）に熱が吸収
される。この熱は水冷されたミラー冷却板（５），
（６）の表面の接触面から放熱され、ミラー温度の上昇
を防止する。

［発明が解決しようとする課題］上記のように構成した従来の不安定型共振器を備えた
レーザ発振器においては、ミラー冷却板（５），（６）
は平板で構成されているので、曲率を有する全反射ミラ
ー（１）及び拡大ミラー（２）とミラー冷却板（５），
（６）との接触は、エッジ部のみに限定されている。従
って全反射ミラー（１）、拡大ミラー（２）とミラー冷
却板（５），（６）との接触が不十分で必要な熱量を奪
いきれないため、ミラー温度が上昇してミラーの熱吸収
率が増大し、さらにミラー温度の上昇を招くといった悪
循環を繰り返し、ミラーの破損を招くことがある。全反
射ミラー（１）、拡大ミラー（２）と冷却板（５），
（６）との接触が場所的に不均一な場合は、ミラー温度
分布の非対称性により、レーザビームの対称性が失われ
るおそれもある。

このことを、さらに第６図で考察すると次のようにな
る。いま、曲率半径の小さな拡大ミラー（２）を使用す
ると、平面で構成されたミラー冷却板（６）と拡大ミラ
ー（２）との間に空隙Δｄ（空気層）が介在し、効率的
な熱接触が得られないことになる。この空隙Δｄの大き
さは拡大ミラー（２）の曲率半径Ｒと拡大ミラー（２）
の開口径2b及びミラー径2aの関数となり、次式で表わさ
れる。

［１］式より、拡大ミラー（２）の曲率半径Ｒが小さ
くなるほど、また、ミラー径2bとミラーの開口径2aの差
が大きくなるほど空隙Δｄは増大することがわかる。し
かし、放熱の観点から（ｂ−ａ）の大きさはある程度必
要であるため、拡大ミラー（２）の曲率半径Ｒが小さく
なる場合には、空隙Δｄの介在による冷却能力の低下は
不可避のものとなる。

いま、実際に生じる空隙Δｄの値を［１］式により評
価してみる。第６図の例で、Ｒ＝1m、2a＝30mm、2b＝50
mmを［１］式に代入すると、Δｄ＝0.2mmを得る。この
ように0.2mmの空隙Δｄが存在し、拡大ミラー（２）の
放熱が十分ではなかった。そこで、冷却能力を上げるた
め、無理に拡大ミラー（２）の曲面を変形してミラー冷
却板（６）に密着させたところ、ミラー歪が発生して規
定のレーザビームが得られなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、いかなる曲率半径のミラーを使用した場合に
も十分な熱接触面積が確保され、ミラー装着時のストレ
スが集中せず、安定したレーザビームが得られるレーザ
発振器を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明に係るレーザ発振器は、ミラーと接触するミラ
ー冷却板のミラー冷却面をミラーと同等の曲率半径で形
成し、かつこのミラー冷却面に鏡面加工を施したもので
ある。

［作用］ミラー間を往復するレーザビームの一部はミラーに吸
収される。ミラーに吸収されたレーザビームの熱は冷却
板の表面の接触面全体から放熱され、ミラーの温度上昇
を防止する。この場合、ミラー冷却板のミラー接触面に
は鏡面加工が施されているため、ミラーはミラー接触面
の全面に当るので、ミラー装着時のストレスが接触面全
体で分散されて１点に集中することが無く、また、ミラ
ーとの熱接触も良好となる。

［発明の実施例］第１図は本発明実施例の要部拡大断面図である。な
お、第６図の従来例と同一又は相当部分には同じ符号を
付し、説明を省略する。（6a）はミラー冷却板で、拡大
ミラー（２）との接触部表面がミラー曲率と同等の曲率
を持つように形成され、かつ鏡面加工されている。な
お、図示してないが、全反射ミラー（１）のミラー冷却
板も上記と同様に構成されている。

上記のように構成した本発明においては、レーザビー
ム（12）は第５図に示した場合と同様に、全反射ミラー
（１）と拡大ミラー（２）との間を往復して、この間に
レーザ媒質（９）により増幅され、レーザビーム（13）
となって外部に取り出される。一方、全反射ミラー
（１）と拡大ミラー（２）はレーザ光に対して若干の吸
収率を有しているため、レーザビーム（12）が共振器内
を往復している間に全反射ミラー（１）及び拡大ミラー
（２）に熱が吸収される。この吸収された熱は拡大ミラ
ー（２）側の水冷されたミラー冷却板（6a）及び全反射
ミラー（１）側の水冷されたミラー冷却板（図示せず）
の表面の接触面全体から放熱され、ミラー温度の上昇を
防止する。その際ミラー冷却板（6a）及び全反射ミラー
（１）側のミラー冷却板は、ミラーの曲率と同じ形状に
加工されているため、圧着時に拡大ミラー（２）及び全
反射ミラー（１）の曲面が変化することはない。また、
ミラー冷却板（6a）の拡大ミラー（２）、全反射ミラー
（１）との接触面は鏡面加工が施されているため、空気
層が形成されることはなく、良好な冷却効果が得られ
る。

上記の実施例では、拡大ミラー（２）が凹面である場
合について示したが、全反射ミラー（１）及び拡大ミラ
ー（２）は第２図に示すように凸面ミラー（2a）であっ
てもよく、この場合にも本発明を実施することができ
る。また、第３図に示すようにミラーは透過型のミラー
（2b）であってもよい。したがって、本実施例では、負
枝構成の不安定型共振器について述べたが、正枝構成の
不安定型共振器でも、また、安定型共振器構成でも同様
の効果が発揮される。さらに第４図に示すように、中央
が部分反射部（21）、周辺部が無反射部（22）で構成さ
れた反射率分布ミラー（2c）を用いた場合にも本発明を
実施することができる。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明はミラー面と
接触するミラー冷却板の接触面をミラーと同等の曲率半
径で形成して鏡面加工を施したので、ミラー装着時に局
所的なストレスを発生することなく、効率的な冷却性能
が実現され、高品質のレーザビームが安定に得られると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の要部断面図、第２図〜第４図は
それぞれ本発明の他の実施例の要部断面図、第５図は従
来のレーザ発振器の一例を示す構成図、第６図は第５図
の要部拡大断面図である。図において、（１）は全反射ミラー、（２）は拡大ミラ
ー、（2a）は凸面ミラー、（2b）は透過型のミラー、
（2c）は反射率分布ミラー、（３），（４）はミラー押
え板、（５），（６），（6a）はミラー冷却板、（７）
はスクレーパミラー、（８）は透過ミラー、（９）はレ
ーザ媒質、（10）はアパーチャ、（11）は箱体、（1
2），（13）はレーザビームである。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示すものと
する。

フロントページの続き (72)発明者竹中裕司兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者葛本昌樹兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】曲率を有するミラーを使用した共振器を有
するレーザ発振器において、前記ミラーと接触するミラー冷却板のミラー冷却面を前
記ミラーと同等の曲率半径で形成し、かつ該ミラー冷却
面に鏡面加工を施したことを特徴とするレーザ発振器。