JP2885175B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを励
起光源とする固体レーザ装置に関し、特に、簡単な構成
でありながらレーザ光の発振効率を向上させることがで
きる固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子からの励起光によって
固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する固体レー
ザ装置では、レーザ光の出力を上げるために、励起光源
である半導体レーザ素子を増設することが行なわれてい
る。

【０００３】一般に、固体レーザ媒質の励起に用いられ
る半導体レーザ素子は、連続発振かつ高出力となってお
り、出力が約１〜４Ｗのシングルチップ型と、多数個の
シングルチップ型半導体レーザ素子を一次元に配設した
出力が約１０〜４０Ｗのレーザバー型とに分類すること
ができる。また、パルス発振する半導体レーザ素子で
は、半導体レーザバーを縦方向に積み重ねた二次元スタ
ック型もある。

【０００４】このような半導体レーザ素子を複数用いる
ことにより、励起光エネルギーを増大させることがで
き、固体レーザ装置のレーザ光の出力を上げることがで
きる。ところが、半導体レーザ素子を増設すると、固体
レーザ媒質に出射される励起光の数も増えるため、これ
ら励起光を全て有効に固体レーザ媒質に入射させなけれ
ば、固体レーザ媒質内における励起密度が低下してレー
ザ光の発振効率が悪化してしまうことになる。

【０００５】そこで、従来のシングルチップ型の半導体
レーザ素子を用いた固体レーザ装置では、特開平２−１
８５０８２号に示すように、複数の半導体レーザ素子か
ら出射された各励起光を、これら励起光にそれぞれ対応
する複数のコリメートレンズによって平行ビームに整形
した後、各平行ビームを大型の凸レンズによって収束さ
せて固体レーザ媒質の端面に入射させていた。

【０００６】また、従来のレーザバー型の半導体レーザ
素子を用いた固体レーザ装置では、特開平３−２８６５
８３号に示すように、バー上に並べられた複数の半導体
レーザ素子からの各励起光を、単一のコリメートレンズ
によって平行ビームに整形した後、これら平行ビームを
回折格子により固体レーザ媒質に導いていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の固体レーザ装置では、前記半導体レーザ素子と、前
記コリメートレンズ，前記凸レンズ，前記回析格子等の
集光光学系との位置関係が厳密に要求され、これら部材
の位置関係にわずかでも位置ずれが生じた場合は、前記
固体レーザ媒質におけるレーザ光の発振効率が低下して
しまい、質の良いレーザ光が得られないという問題があ
った。

【０００８】すなわち、特開平２−１８５０８２号の固
体レーザ装置では、複数の前記半導体レーザ素子→複数
の前記コリメートレンズ→前記凸レンズのそれぞれを正
確に位置決めしなければ、複数の励起光を前記固体レー
ザ媒質に効果的に入射させることができず、これら部材
の位置関係にわずかでも位置ずれが生じた場合は、前記
固体レーザ媒質におけるレーザ光の発振効率が低下して
しまう。

【０００９】一方、特開平３−２８６５８３号の固体レ
ーザ装置では、複数の半導体レーザ素子から出射された
各励起光を、前記回析格子に正確に入射させなければ、
これら励起光を前記固体レーザ媒質に効果的に入射させ
ることができず、これら部材の位置関係にわずかでも位
置ずれが生じた場合は、前記固体レーザ媒質におけるレ
ーザ光の発振効率が低下してしまう。

【００１０】また、前記半導体レーザ素子と前記集光光
学系との位置ずれの許容量が小さいため、装置の組み立
て時において、前記半導体レーザ素子と前記集光光学系
の位置調整を行なわなければならず、装置の組み立てに
多大な手間と時間を要するという問題があった。なお、
前記半導体レーザ素子は消耗品であるから、該半導体レ
ーザ素子の交換時においても同様の問題が生じた。

【００１１】さらに、上述した従来の固体レーザ装置で
は、前記集光光学系が、前記コリメートレンズ，前記凸
レンズ，前記回析格子等の多数の光学系部品からなり、
部品点数の増大によって装置が複雑化してしまうという
問題もあった。

【００１２】本発明は、上記問題点にかんがみてなされ
たものであり、簡単な構成によってレーザ光の発振効率
と質の向上とを図ることができ、また、部材間の特別な
位置調整を不要にし、装置の組み立てを容易に行なうこ
とができる固体レーザ装置の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の固体レーザ装置は、半導体レーザ素
子からの励起光によって固体レーザ媒質を励起してレー
ザ光を出力する固体レーザ装置において、側壁に前記半
導体レーザ素子からの励起光を入射するための入射窓が
形成してあるとともに、内部に前記固体レーザ媒質を収
納する筒状の集光器と、一端を幅広の入射面、他端を幅
狭の出射面とした楔状となっており、テーパ状の胴部に
反射処理が施してあるとともに、前記出射面側を前記集
光器の入射窓に挿入して固定してあり、前記入射面から
入射された前記半導体レーザ素子の励起光を前記胴部に
よって反射させ、前記集光器内の前記固体レーザ媒質に
もれなく導光する励起光導光部とを備えた構成としてあ
る。

【００１４】このような構成によれば、楔状の前記励起
光導光部と前記半導体レーザ素子との位置ずれの許容量
が大きくなるとともに、前記励起光導光部と前記集光器
内の前記固体レーザ媒質との位置ずれが生じなくなり、
前記半導体レーザ素子からの励起光をもれなく前記集光
器内に入射させることができる。したがって、部材間の
特別な位置調整が不要となり、装置の組み立てを容易に
行なうことができる。

【００１５】請求項２記載の固体レーザ装置は、前記励
起光導光部を楔状の透明体ブロックによって形成し、前
記胴部の外周面に反射処理を施した構成としてある。こ
のような構成とすれば、前記励起光導光部の入射面から
入射された前記半導体レーザ素子の励起光を、反射処理
した前記周面により反射させ、前記集光器内の前記固体
レーザ媒質に導光することができる。

【００１６】請求項３記載の固体レーザ装置は、前記集
光器を筒状の不透明体によって形成し、側壁の内周面に
反射処理を施した構成としてあり、また、請求項４記載
の固体レーザ装置は、前記集光器を筒状の透明体によっ
て形成し、側壁の内周面又は外周面に反射処理を施した
構成としてある。

【００１７】このような構成とすれば、前記集光器に入
射された前記励起光のうち、前記固体レーザ媒質に入射
されずに前記集光器内において拡散した一部の励起光が
前記集光器の側壁に反射され、前記固体レーザ媒質に入
射される。すなわち、前記半導体レーザ素子からの励起
光の全てを、効果的に前記固体レーザ媒質に入射させ、
前記固体レーザ媒質を均等に励起させることができ、前
記固体レーザ媒質から出力されるレーザ光の発振効率と
質の向上とを図ることができる。

【００１８】請求項５記載の固体レーザ装置は、前記集
光器と前記固体レーザ媒質の間に、該固体レーザ媒質を
冷却するための流体を充填した構成としてある。このよ
うな構成とすれば、レーザ光の発振効率の向上を図ると
同時に、前記固体レーザ媒質を効果的に冷却することが
でき、前記固体レーザ媒質の局部過熱を確実に防止する
ことができる。これにより、前記固体レーザ媒質の温度
分布を均一にすることができ、装置の信頼性を向上させ
ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体レーザ装置の
実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、
本発明の第一実施形態に係る固体レーザ装置について説
明する。図１は本発明の第一実施形態に係る固体レーザ
装置を示す平面図であり、また、図２は図１のＡ−Ａ断
面図である。

【００２０】これら図面において、１は半導体レーザ素
子であり励起光を出力する。この半導体レーザ素子１
は、下記固体レーザ媒質５における吸収が良好な波長帯
８０９ｎｍ付近で発振するようにしてある。

【００２１】２は励起光導光部であり、楔状の透明体ブ
ロックによって形成してある。この励起光導光部２の幅
の広い一端を、半導体レーザ素子１の励起光の入射面と
してあり、また、幅の狭い他端を、励起光の出射面とし
てある。さらに、励起光導光部２の胴部の外周面には、
金属メッキ又は誘電体多層膜を蒸着することによって、
励起光の反射部３ａが形成してある。

【００２２】４は集光器であり、筒状の不透明体によっ
て形成してある。この集光器４の側壁には、励起光導光
部２の出射面側（先端側）を挿入するための入射窓４ａ
が設けてある。また、側壁の内周面には、金属メッキ又
は誘電体多層膜を蒸着することによって、励起光の反射
部３ｂが形成してある。

【００２３】このような集光器４の内部には、上記固体
レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧロッド）５が収納してある。
固体レーザ媒質５は、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジミウム：ア
ルミナイトリウム）によって形成した円柱状となってお
り、半導体レーザ素子１からの励起光を受けてビーム光
を出力する。

【００２４】また、図１において、集光器４の長手方向
の両側には、全反射鏡６と出力鏡７が配設してある。こ
れら全反射鏡６と出力鏡７は、レーザ共振器を形成す
る。

【００２５】次に、上記構成からなる本実施形態の固体
レーザ装置の動作について、図１及び図２を参照しつつ
説明する。

【００２６】これら図面において、半導体レーザ素子１
が波長帯８０９ｎｍ付近で発振すると、励起光導光部２
に向けて励起光が出射される。この励起光は、図２に示
すように、励起光導光部２の幅広の入射面に入射され、
励起光導光部２の胴部に形成した反射部３ａにより反射
された後、幅狭の出射面から出射される。

【００２７】励起光導光部２の出射面から出射された励
起光は、集光器４内の固体レーザ媒質５に入射される。
また、図２に示すように、固体レーザ媒質５に入射され
ず、集光器４内で拡散した一部の励起光は、集光器４の
側壁の内周面に形成した反射部３ｂにより反射された
後、固体レーザ媒質５に入射される。

【００２８】これにより、半導体レーザ素子１から出射
された励起光が、すべて固体レーザ媒質５に吸収され、
固体レーザ媒質５が励起する。その後、固体レーザ媒質
５内に反転分布が形成され、図１に示すように、全反射
鏡６と出力鏡７により形成されたレーザ共振器によっ
て、固体レーザ媒質５から波長１０６４μｍのレーザ光
が発振される。

【００２９】このような本実施形態の固体レーザ装置に
よれば、幅広の入射面，幅狭の出射面及びテーパ状の反
射部３ａを有する楔状の励起光導光部２を、集光器４の
入射窓４ａに固定する構成としたことにより、半導体レ
ーザ素子１と励起光導光部２との位置ずれの許容量が大
きくなるとともに、励起光導光部２と集光器４内の固体
レーザ媒質５との位置ずれが生じなくなり、半導体レー
ザ素子１からの励起光をもれなく集光器４内に入射させ
ることができる。

【００３０】したがって、半導体レーザ素子１，励起光
導光部２及び集光器４等の位置調整が不要となり、装置
の組み立てや、半導体レーザ素子１の取付け及び交換を
容易に行なうことができる。

【００３１】また、集光器４の側壁の内周面に反射部３
ｂを形成したことにより、固体レーザ媒質５に入射され
ずに集光器４内において拡散した一部の励起光を固体レ
ーザ媒質５に入射させることができる。すなわち、半導
体レーザ素子１からの励起光の全てを、効果的に固体レ
ーザ媒質５に入射させ、固体レーザ媒質５を均等に励起
させることができ、固体レーザ媒質５から出力されるレ
ーザ光の発振効率と質の向上とを図ることができる。

【００３２】さらに、楔状の励起光導光部２を用いた本
装置は部品点数が少なく、構成の簡単化及び装置のロー
コスト化を図ることもできる。

【００３３】次に、本発明の第二実施形態に係る固体レ
ーザ装置について、図３を参照しつつ説明する。図３は
本発明の第二実施形態に係る固体レーザ装置を示す断面
図である。

【００３４】本実施形態の固体レーザ装置は、集光器を
円筒状のガラス管（透明体）１１によって形成するとと
もに、その側壁の外周面に誘電体多層膜を蒸着して反射
部３ｃを形成した構成としてある。また、ガラス管１１
の内部は図示しないＯリング等により封止してあり、そ
の側壁と固体レーザ媒質５との間の空間に冷却水（流
体）１２を充填してある。

【００３５】なお、第一実施形態と同一符号を付したも
の、すなわち、半導体レーザ素子１，励起光導光部２及
び固体レーザ媒質５等については、第一実施形態の固体
レーザ装置とほぼ同じ構成としてある。

【００３６】このような構成からなる本実施形態の固体
レーザ装置によれば、レーザ光の発振効率の向上を図る
と同時に、固体レーザ媒質５を効果的に冷却することが
でき、固体レーザ媒質５の局部過熱を確実に防止するこ
とができる。これにより、固体レーザ媒質５の温度分布
を均一にすることができ、装置の信頼性を向上させるこ
とができる。

【００３７】なお、本発明の固体レーザ装置は、上記実
施形態に限定されるものではない。例えば、励起光導光
部２は楔状の透明体ブロックに限らず、不透明な楔状の
筒部材とすることもできる。このような場合は、楔状筒
部材の内周面に反射部を形成する。また、反射部３ａ，
３ｂ，３ｃを形成するための処理、すなわち、反射処理
は金属メッキ又は誘電体多層膜の蒸着に限らず、反射率
の高い種々の反射処理に変更することができる。

【００３８】さらに、第二実施形態における固体レーザ
媒質５を冷却するための流体は、冷却水（水）１２に限
らず、アンモニア，水銀等の種々の流体を用いることが
できる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明の固体レーザ装置
によれば、簡単な構成によってレーザ光の発振効率と質
の向上とを図ることができ、また、部材間の特別な位置
調整を不要にし、装置の組み立てを容易に行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係る固体レーザ装置を
示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の第二実施形態に係る固体レーザ装置を
示す断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ素子 ２ 励起光導光部 ３ａ，３ｂ，３ｃ 反射部（反射処理部） ４ 集光器 ４ａ 入射窓 ５ 固体レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧロッド） ６ 全反射鏡 ７ 出力鏡 １１ ガラス管（集光器） １２ 冷却水（流体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/0941 H01S 3/02 H01S 3/042

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子からの励起光によって
   固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する固体レー
   ザ装置において、 側壁に前記半導体レーザ素子からの励起光を入射するた
   めの入射窓が形成してあるとともに、内部に前記固体レ
   ーザ媒質を収納する筒状の集光器と、 一端を幅広の入射面、他端を幅狭の出射面とした楔状と
   なっており、テーパ状の胴部に反射処理が施してあると
   ともに、前記出射面側を前記集光器の入射窓に挿入して
   固定してあり、前記入射面から入射された前記半導体レ
   ーザ素子の励起光を前記胴部によって反射させ、前記集
   光器内の前記固体レーザ媒質にもれなく導光する励起光
   導光部とを備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記励起光導光部を楔状の透明体ブロッ
   クによって形成し、前記胴部の外周面に反射処理を施し
   た請求項１記載の固体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記集光器を筒状の不透明体によって形
   成し、側壁の内周面に反射処理を施した請求項１記載の
   固体レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記集光器を筒状の透明体によって形成
   し、側壁の内周面又は外周面に反射処理を施した請求項
   １記載の固体レーザ装置。
5. 【請求項５】 前記集光器と前記固体レーザ媒質の間
   に、該固体レーザ媒質を冷却するための流体を充填した
   請求項１，２，３又は４記載の固体レーザ装置。