JP3237525B2 - 固体レーザ励起モジュール - Google Patents
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- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザを
用い固体レーザ媒質を光励起するための固体レーザ励起
モジュールの構成に関し、特に人工衛星や航空機等の飛
翔体に搭載される固体レーザに適した固体レーザ励起モ
ジュールの構成に関する。
用い固体レーザ媒質を光励起するための固体レーザ励起
モジュールの構成に関し、特に人工衛星や航空機等の飛
翔体に搭載される固体レーザに適した固体レーザ励起モ
ジュールの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体レーザは光励起されると発熱する性
質を有する。このため、従来の一般の固体レーザ装置に
おいては、レーザロッドをケースに収納するとともに、
このケース内に冷却液を循環させ、レーザロッドを冷却
し排熱を行っていた。しかし、このような冷却方法を持
つ固体レーザは、冷却液循環用のポンプの寿命が問題と
なることや配管のシールなどが必要なことにより信頼性
が低く、装置規模が大きいことや、消費電力が増大する
ことなどから、人工衛星や航空機等の飛翔体への搭載に
は向かなかった。このため、冷却液に変わるレーザロッ
ドからの排熱方法が検討されはじめている。しかし、人
工衛星搭載の固体レーザにおける要求条件である、高効
率、高平均出力、高ビーム品質、小型などの条件をすべ
て満足しているようなものは未だ実現されていないのが
現状である。
質を有する。このため、従来の一般の固体レーザ装置に
おいては、レーザロッドをケースに収納するとともに、
このケース内に冷却液を循環させ、レーザロッドを冷却
し排熱を行っていた。しかし、このような冷却方法を持
つ固体レーザは、冷却液循環用のポンプの寿命が問題と
なることや配管のシールなどが必要なことにより信頼性
が低く、装置規模が大きいことや、消費電力が増大する
ことなどから、人工衛星や航空機等の飛翔体への搭載に
は向かなかった。このため、冷却液に変わるレーザロッ
ドからの排熱方法が検討されはじめている。しかし、人
工衛星搭載の固体レーザにおける要求条件である、高効
率、高平均出力、高ビーム品質、小型などの条件をすべ
て満足しているようなものは未だ実現されていないのが
現状である。
【０００３】図７は、N.Sims et.al.「Laterally Diode
-Pumped，c-axis Nd：YLF Laser」,in technical dige
st of Advanced Solid-State Lasers'93,p41,1993.に示
された従来の固体レーザ励起モジュールの構成を断面図
で示したものであり、半導体レーザにより励起を行う冷
却液を循環させない固体レーザ励起モジュールとしては
最も良く用いられている構成である。図において、１は
固体レーザロッド、２は励起用半導体レーザ、３は金属
ヒートシンクである。
-Pumped，c-axis Nd：YLF Laser」,in technical dige
st of Advanced Solid-State Lasers'93,p41,1993.に示
された従来の固体レーザ励起モジュールの構成を断面図
で示したものであり、半導体レーザにより励起を行う冷
却液を循環させない固体レーザ励起モジュールとしては
最も良く用いられている構成である。図において、１は
固体レーザロッド、２は励起用半導体レーザ、３は金属
ヒートシンクである。
【０００４】図において、励起用半導体レーザ２から出
射した励起光は、金属ヒートシンク３の固体レーザロッ
ド１との接触面により反射されて固体レーザロッド１内
を往復し、この間に固体レーザロッド１内で吸収され
る。吸収しきれなかった励起光は、励起用半導体レーザ
２に戻り、モジュール外に散乱される。吸収された励起
光の一部は固体レーザロッド１内で熱を発生する。この
熱は、金属ヒートシンク３から熱伝導により固体レーザ
励起モジュール全体を支えている筐体に放熱される。
射した励起光は、金属ヒートシンク３の固体レーザロッ
ド１との接触面により反射されて固体レーザロッド１内
を往復し、この間に固体レーザロッド１内で吸収され
る。吸収しきれなかった励起光は、励起用半導体レーザ
２に戻り、モジュール外に散乱される。吸収された励起
光の一部は固体レーザロッド１内で熱を発生する。この
熱は、金属ヒートシンク３から熱伝導により固体レーザ
励起モジュール全体を支えている筐体に放熱される。
【０００５】このような構成における固体レーザ励起モ
ジュールでは、一般的に直径が３ｍｍ〜５ｍｍ程度と細
い固体レーザロッド１の側面に、励起用半導体レーザ２
の励起光を入力する励起光導入口と、固体レーザロッド
１からの排熱を行うための金属ヒートシンク３を共に設
置しなければならない。このため、金属ヒートシンク３
の固体レーザロッド１側面への接触面積が小さくなり、
高い熱抵抗値を持つために、高平均パワーでの励起（高
繰返し）を行った場合、固体レーザロッド１の温度が非
常に高くなり、しいては破壊をまねく恐れがある。この
ため、レーザの繰返しは、高々１０Ｈｚ程度と低い値と
なっている。また、冷却をロッドの３方向から行ってい
るが、この場合固体レーザロッド１の断面内の温度分布
としては、金属ヒートシンク３と接触している部分は温
度が低く、励起光導入口近傍での温度は高くなるような
非対称な温度分布となる。このような固体レーザロッド
１内の不均一な温度分布は、固体レーザロッド１自身に
物理的、光学的歪みを発生させ、レーザの効率を劣化さ
せる。
ジュールでは、一般的に直径が３ｍｍ〜５ｍｍ程度と細
い固体レーザロッド１の側面に、励起用半導体レーザ２
の励起光を入力する励起光導入口と、固体レーザロッド
１からの排熱を行うための金属ヒートシンク３を共に設
置しなければならない。このため、金属ヒートシンク３
の固体レーザロッド１側面への接触面積が小さくなり、
高い熱抵抗値を持つために、高平均パワーでの励起（高
繰返し）を行った場合、固体レーザロッド１の温度が非
常に高くなり、しいては破壊をまねく恐れがある。この
ため、レーザの繰返しは、高々１０Ｈｚ程度と低い値と
なっている。また、冷却をロッドの３方向から行ってい
るが、この場合固体レーザロッド１の断面内の温度分布
としては、金属ヒートシンク３と接触している部分は温
度が低く、励起光導入口近傍での温度は高くなるような
非対称な温度分布となる。このような固体レーザロッド
１内の不均一な温度分布は、固体レーザロッド１自身に
物理的、光学的歪みを発生させ、レーザの効率を劣化さ
せる。
【０００６】これ以外の、冷却液を循環させない励起モ
ジュールとして、S.D.Jackson et.al.「Thermal modeli
ng of solid nonfocusing pump-light collectors used
fordiode-pumped Nd：YAG lasers」,Appl.Opt.Vol34,N
o12.p2022 1995.に示されたものがある。この第２の従
来例の構成を図８に断面図で示す。図において、４は励
起用半導体レーザ２の入射面に励起光に対して反射防止
膜を設置したプリズム、５は固体レーザロッド１とプリ
ズム４を熱的に接触させるための接着剤である。
ジュールとして、S.D.Jackson et.al.「Thermal modeli
ng of solid nonfocusing pump-light collectors used
fordiode-pumped Nd：YAG lasers」,Appl.Opt.Vol34,N
o12.p2022 1995.に示されたものがある。この第２の従
来例の構成を図８に断面図で示す。図において、４は励
起用半導体レーザ２の入射面に励起光に対して反射防止
膜を設置したプリズム、５は固体レーザロッド１とプリ
ズム４を熱的に接触させるための接着剤である。
【０００７】ここで、励起用半導体レーザ２の出射光
は、プリズム４の直角２等辺三角形の斜辺に垂直に励起
光を放出する。励起光は直接、またはプリズム４内面で
の全反射の後に直角２等辺三角形の頂角近傍に設置され
た固体レーザロッド１に入射する。最大２度ロッド内を
伝搬した後、斜辺から外に放出される。固体レーザロッ
ド１内で発生した熱は、固体レーザロッド１の周りに接
触した接着剤５を通して、プリズム４に伝導し、直角２
等辺三角形の直角をはさむ２つの辺から伝達、もしくは
放射により排熱される。
は、プリズム４の直角２等辺三角形の斜辺に垂直に励起
光を放出する。励起光は直接、またはプリズム４内面で
の全反射の後に直角２等辺三角形の頂角近傍に設置され
た固体レーザロッド１に入射する。最大２度ロッド内を
伝搬した後、斜辺から外に放出される。固体レーザロッ
ド１内で発生した熱は、固体レーザロッド１の周りに接
触した接着剤５を通して、プリズム４に伝導し、直角２
等辺三角形の直角をはさむ２つの辺から伝達、もしくは
放射により排熱される。
【０００８】この従来例においては、固体レーザロッド
１の側面全体からの排熱が可能であるため、先に示した
従来例のように、放熱面積が少ないためにロッドの温度
が上昇するという問題はないが、励起光の固体レーザロ
ッド１への入射効率が低いという問題や、励起分布の対
称性が悪いという問題をかかえている。励起光の吸収効
率が低いためにレーザ効率は低くなるとともに、励起分
布の不均一は、軸対称レーザビームでのレーザロッドか
らのエネルギー取りだしを低くしてしまう。さらに、励
起分布の不均一性に伴う固体レーザロッド１内での発生
熱分布の不均一、および排熱の不均一性ロッド内温度分
布を軸対称からずらした不均一なものとする。このた
め、熱的な光学歪み（熱収差）が発生し、レーザの効率
をさらに劣化させる。さらに、固体レーザロッド１とプ
リズム４間に接着剤５を用いているが、高平均パワー動
作時には、レーザロッド１、プリズム４の温度上昇によ
りこれら材質（例えばこの従来例では固体レーザロッド
１としてＮｄ：ＹＡＧ、プリズム４としてはＢＫ７ガラ
スもしくはサファイアを用いている）の、熱膨張率の違
いから接着剤５に応力が発生し破断される恐れがあるな
どの問題がある。
１の側面全体からの排熱が可能であるため、先に示した
従来例のように、放熱面積が少ないためにロッドの温度
が上昇するという問題はないが、励起光の固体レーザロ
ッド１への入射効率が低いという問題や、励起分布の対
称性が悪いという問題をかかえている。励起光の吸収効
率が低いためにレーザ効率は低くなるとともに、励起分
布の不均一は、軸対称レーザビームでのレーザロッドか
らのエネルギー取りだしを低くしてしまう。さらに、励
起分布の不均一性に伴う固体レーザロッド１内での発生
熱分布の不均一、および排熱の不均一性ロッド内温度分
布を軸対称からずらした不均一なものとする。このた
め、熱的な光学歪み（熱収差）が発生し、レーザの効率
をさらに劣化させる。さらに、固体レーザロッド１とプ
リズム４間に接着剤５を用いているが、高平均パワー動
作時には、レーザロッド１、プリズム４の温度上昇によ
りこれら材質（例えばこの従来例では固体レーザロッド
１としてＮｄ：ＹＡＧ、プリズム４としてはＢＫ７ガラ
スもしくはサファイアを用いている）の、熱膨張率の違
いから接着剤５に応力が発生し破断される恐れがあるな
どの問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体レーザ励起モジュールにおいては、以下の課題があっ
た。第１の従来例においては （１）固体レーザロッド１の排熱面積が小さいため、排
熱効率が悪く、ロッドの温度が上昇しやすく、高励起平
均パワーでの動作ができない。 （２）ロッド内の励起分布に不均一が発生しやすく、高
出力化時の効率が劣化しやすい。 （３）ロッド内温度分布の軸対称からはずれた不均一が
発生しやすく、高出力化時の効率が劣化しやすい。など
の課題があった。
体レーザ励起モジュールにおいては、以下の課題があっ
た。第１の従来例においては （１）固体レーザロッド１の排熱面積が小さいため、排
熱効率が悪く、ロッドの温度が上昇しやすく、高励起平
均パワーでの動作ができない。 （２）ロッド内の励起分布に不均一が発生しやすく、高
出力化時の効率が劣化しやすい。 （３）ロッド内温度分布の軸対称からはずれた不均一が
発生しやすく、高出力化時の効率が劣化しやすい。など
の課題があった。
【００１０】第２の従来例においては、 （１）励起光の吸収効率が悪く、効率が低い。 （２）励起光の固体レーザロッド内の分布が不均一であ
り、レーザ媒質からの取り出し効率が低い。 （３）励起分布の不均一および排熱の非対称性ももとず
き、ロッド内温度分布の不均一となりやすく、高励起平
均パワーでの動作で効率が劣化する。 （４）固体レーザロッドのプリズム内への設置手段とし
て、接着剤を用いているため、信頼性が低い。などの課
題があった。
り、レーザ媒質からの取り出し効率が低い。 （３）励起分布の不均一および排熱の非対称性ももとず
き、ロッド内温度分布の不均一となりやすく、高励起平
均パワーでの動作で効率が劣化する。 （４）固体レーザロッドのプリズム内への設置手段とし
て、接着剤を用いているため、信頼性が低い。などの課
題があった。
【００１１】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、励起光の高吸収効率化、ロッ
ド内励起分布の均一化、ロッド内温度分布の均一化、排
熱効率の向上、信頼性の向上を図った固体レーザ励起モ
ジュールを提供することを目的とする。
るためになされたもので、励起光の高吸収効率化、ロッ
ド内励起分布の均一化、ロッド内温度分布の均一化、排
熱効率の向上、信頼性の向上を図った固体レーザ励起モ
ジュールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る固
体レーザ励起モジュールは、円柱形状の固体レーザロッ
ドと、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とし
てＮ＝２Ｍ＋１（Ｍは自然数）個が放射状に回転対称に
配置され、上記固体レーザロッドの励起光を出射する励
起用半導体レーザと、上記回転対称軸に平行でかつ稜線
と上記回転対称軸を含む面に略垂直なスリット面からな
り、上記Ｎ個の励起用半導体レーザのそれぞれからの励
起光が上記スリット面に光軸を略垂直にして入力される
励起光導入口が各稜線部に設けられた略正Ｎ角柱の透明
ブロックと、上記透明ブロックに設けられ、上記透明ブ
ロックの回転対称軸と略同軸の回転対称軸を有する上記
固体レーザロッドのロッド挿入穴と、上記ロッド挿入穴
に上記固体レーザロッドを挿入して保持する保持手段
と、上記透明ブロックのＮ個の側面に形成され、上記透
明ブロックに入射した上記励起光を反射する反射手段
と、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とし、
上記透明ブロックのＮ個の側面それぞれの傍らに放射状
に回転対称に配置されたＮ個のヒートシンクと、上記透
明ブロックのＮ個の側面の各々から、上記Ｎ個のヒート
シンクの各々に排熱する第１の排熱手段と、上記Ｎ個の
ヒートシンクの各々から装置外部に対して排熱する第２
の排熱手段とを備え、上記励起光導入口の対向配置を排
除したものである。
体レーザ励起モジュールは、円柱形状の固体レーザロッ
ドと、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とし
てＮ＝２Ｍ＋１（Ｍは自然数）個が放射状に回転対称に
配置され、上記固体レーザロッドの励起光を出射する励
起用半導体レーザと、上記回転対称軸に平行でかつ稜線
と上記回転対称軸を含む面に略垂直なスリット面からな
り、上記Ｎ個の励起用半導体レーザのそれぞれからの励
起光が上記スリット面に光軸を略垂直にして入力される
励起光導入口が各稜線部に設けられた略正Ｎ角柱の透明
ブロックと、上記透明ブロックに設けられ、上記透明ブ
ロックの回転対称軸と略同軸の回転対称軸を有する上記
固体レーザロッドのロッド挿入穴と、上記ロッド挿入穴
に上記固体レーザロッドを挿入して保持する保持手段
と、上記透明ブロックのＮ個の側面に形成され、上記透
明ブロックに入射した上記励起光を反射する反射手段
と、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とし、
上記透明ブロックのＮ個の側面それぞれの傍らに放射状
に回転対称に配置されたＮ個のヒートシンクと、上記透
明ブロックのＮ個の側面の各々から、上記Ｎ個のヒート
シンクの各々に排熱する第１の排熱手段と、上記Ｎ個の
ヒートシンクの各々から装置外部に対して排熱する第２
の排熱手段とを備え、上記励起光導入口の対向配置を排
除したものである。
【００１３】請求項２の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG)を用いた固
体レーザロッドと、材料としてサファイアを用いた透明
ブロックとを備えたものである。
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG)を用いた固
体レーザロッドと、材料としてサファイアを用いた透明
ブロックとを備えたものである。
【００１４】請求項３の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG)，YLiF4(YL
F)，LiCaAlF6(LiCAF)，LiSrAlF6(LiSAF)を用いた固体レ
ーザロッドと、材料としてMgF2を用いた透明ブロックと
を備えたものである。
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG)，YLiF4(YL
F)，LiCaAlF6(LiCAF)，LiSrAlF6(LiSAF)を用いた固体レ
ーザロッドと、材料としてMgF2を用いた透明ブロックと
を備えたものである。
【００１５】請求項４の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、そのＮ個の側面をグランドラフ面とした透明
ブロックを備えたものである。
ュールは、そのＮ個の側面をグランドラフ面とした透明
ブロックを備えたものである。
【００１６】請求項５の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、その側面をグランドラフ面とした固体レーザ
ロッドを備えたものである。
ュールは、その側面をグランドラフ面とした固体レーザ
ロッドを備えたものである。
【００１７】請求項６の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記透明ブロックの側面の各々に設けた金属
の薄膜である反射手段を備えたものである。
ュールは、上記透明ブロックの側面の各々に設けた金属
の薄膜である反射手段を備えたものである。
【００１８】請求項７の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記金属の薄膜を銅としたものである。
ュールは、上記金属の薄膜を銅としたものである。
【００１９】請求項８の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記透明ブロックのＮ個の側面の各々に設け
たセラミック板である反射手段を備えたものである。
ュールは、上記透明ブロックのＮ個の側面の各々に設け
たセラミック板である反射手段を備えたものである。
【００２０】請求項９の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記第１の排熱手段として、上記透明ブロッ
クのＮ個の側面の各々にインジウム又は金の薄膜を介し
て上記Ｎ個のヒートシンクを設けたものである。
ュールは、上記第１の排熱手段として、上記透明ブロッ
クのＮ個の側面の各々にインジウム又は金の薄膜を介し
て上記Ｎ個のヒートシンクを設けたものである。
【００２１】請求項１０の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記第１の排熱手段として、上記透明ブロ
ックのＮ個の側面の各々に金属を蒸着し、上記Ｎ個のヒ
ートシンクの各々をインジウム、金および半田材料の合
金により融着したものである。
ジュールは、上記第１の排熱手段として、上記透明ブロ
ックのＮ個の側面の各々に金属を蒸着し、上記Ｎ個のヒ
ートシンクの各々をインジウム、金および半田材料の合
金により融着したものである。
【００２２】請求項１１の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記第２の排熱手段として、上記各々のヒ
ートシンクに、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対
称軸として回転対称に配置された排熱穴をもうけるとと
もに、この排熱穴に、装置外部に凝縮部をもたせたヒー
トパイプの蒸発部を挿入したものである。
ジュールは、上記第２の排熱手段として、上記各々のヒ
ートシンクに、上記固体レーザロッドの中心軸を回転対
称軸として回転対称に配置された排熱穴をもうけるとと
もに、この排熱穴に、装置外部に凝縮部をもたせたヒー
トパイプの蒸発部を挿入したものである。
【００２３】請求項１２の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記Ｎ個のヒートシンクの各々に、上記Ｎ
個の励起用半導体レーザの各々を設けたものである。
ジュールは、上記Ｎ個のヒートシンクの各々に、上記Ｎ
個の励起用半導体レーザの各々を設けたものである。
【００２４】請求項１３の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記Ｎ個のヒートシンクの各々を、導熱リ
ングで熱的に接続したものである。
ジュールは、上記Ｎ個のヒートシンクの各々を、導熱リ
ングで熱的に接続したものである。
【００２５】請求項１４の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記固体レーザロッドの長さを上記略正Ｎ
角柱の透明ブロックの高さより長くとるとともに、上記
固体レーザロッドと上記ロッド挿入穴の間に液体を充填
し、この液体を上記透明ブロックの両端面と上記固体レ
ーザの側面との間でシールしたものである。
ジュールは、上記固体レーザロッドの長さを上記略正Ｎ
角柱の透明ブロックの高さより長くとるとともに、上記
固体レーザロッドと上記ロッド挿入穴の間に液体を充填
し、この液体を上記透明ブロックの両端面と上記固体レ
ーザの側面との間でシールしたものである。
【００２６】請求項１５の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したシリコンオイルであ
る。
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したシリコンオイルであ
る。
【００２７】請求項１６の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したエチレングリコールの
水溶液である。
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したエチレングリコールの
水溶液である。
【００２８】請求項１７の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記液体をシールする手段として、シリコ
ーンゴムを用いたものである。
ジュールは、上記液体をシールする手段として、シリコ
ーンゴムを用いたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】実施の形態１． 以下この発明の一実施の形態について説明する。図１
は、この発明の一実施の形態による非液冷励起モジュー
ルの構成図である。図において、１は固体レーザロッ
ド、２は励起用半導体レーザ、６は透明ブロック、７は
励起光反射手段、８はロッド熱接触手段、９は金属ヒー
トシンク、１０はヒートパイプ、１１は熱接触手段、１
２はロッド保持手段、１３は導熱リングである。
は、この発明の一実施の形態による非液冷励起モジュー
ルの構成図である。図において、１は固体レーザロッ
ド、２は励起用半導体レーザ、６は透明ブロック、７は
励起光反射手段、８はロッド熱接触手段、９は金属ヒー
トシンク、１０はヒートパイプ、１１は熱接触手段、１
２はロッド保持手段、１３は導熱リングである。
【００３０】なお、図１は実際にレーザ光が通過するレ
ーザ光軸に垂直な断面を示したものである。これは、励
起用半導体レーザ２で側面方向からの励起を行う固体レ
ーザは、所要出力に応じて励起用半導体レーザ２を長手
方向に拡張するだけですむため、特徴は断面構造にあら
われているためである。このため、説明においては、と
くにことわりが無い限り、長手方向には同一の形状を想
定している。例えば、断面での円は実際には円柱、多角
形は実際には多角柱である。
ーザ光軸に垂直な断面を示したものである。これは、励
起用半導体レーザ２で側面方向からの励起を行う固体レ
ーザは、所要出力に応じて励起用半導体レーザ２を長手
方向に拡張するだけですむため、特徴は断面構造にあら
われているためである。このため、説明においては、と
くにことわりが無い限り、長手方向には同一の形状を想
定している。例えば、断面での円は実際には円柱、多角
形は実際には多角柱である。
【００３１】図１の構成における透明ブロック６の役割
は、側面における励起光反射手段７により励起光をブロ
ック内に閉じ込めて、励起光を固体レーザロッド１を複
数通過させることで励起光をレーザロッドに効率良く吸
収させ吸収効率の向上をはかること、励起分布の均一化
を図ること、固体レーザロッド１での発生熱を金属ヒー
トシンク９に効率良く伝導させブロック内に不均一な温
度分布を作らないことである。
は、側面における励起光反射手段７により励起光をブロ
ック内に閉じ込めて、励起光を固体レーザロッド１を複
数通過させることで励起光をレーザロッドに効率良く吸
収させ吸収効率の向上をはかること、励起分布の均一化
を図ること、固体レーザロッド１での発生熱を金属ヒー
トシンク９に効率良く伝導させブロック内に不均一な温
度分布を作らないことである。
【００３２】透明ブロック６の励起光閉じ込めを強め
て、励起光の固体レーザロッド１での吸収効率を高める
ためには、まず内面における励起光反射手段７を持つ側
面部分の面積に対して、励起光の逃げ道の一つである導
入口の面積を小さくする必要がある。さらに励起光反射
手段７による反射時の損失を少なくすることが必要であ
る。一方、励起分布の均一化には、励起光を、固体レー
ザロッド１に対して回転対称に入射することが有効であ
る。
て、励起光の固体レーザロッド１での吸収効率を高める
ためには、まず内面における励起光反射手段７を持つ側
面部分の面積に対して、励起光の逃げ道の一つである導
入口の面積を小さくする必要がある。さらに励起光反射
手段７による反射時の損失を少なくすることが必要であ
る。一方、励起分布の均一化には、励起光を、固体レー
ザロッド１に対して回転対称に入射することが有効であ
る。
【００３３】まず、対称な励起を考えて、透明ブロック
６は、透明ブロック６内に配置した固体レーザロッド１
のロッド軸を回転中心とした３回対称以上の回転対称な
形状とした。このような形状としては正多角柱もしくは
円柱が選ばれる。次に励起光導入口としても、ロッド軸
を回転対称とした３回対称以上の回転対称の位置に配置
することとした。このような配置としては正多角柱の場
合、側面もしくは稜の位置であるが、導入口の面積をで
きるだけ小さくするために、励起光導入口を稜の位置に
もたせることとし、側面を励起光反射手段７とすること
とした。具体的な正多角形の形状としては、図２に示す
ように励起光導入口から回転中心の固体レーザロッド１
に向けて入射された励起光が固体レーザロッド１を通過
した後に対向した導入口から漏洩しやすいことから、２
Ｎ＋１（Ｎは自然数）正多角柱とし導入口の個数を２Ｎ
＋１（Ｎは自然数）とすることが望ましい。図３は、最
も簡単な形状である、図１と同じ３角柱を用いた場合の
透明ブロック６内の励起光について示している。この形
状では、１度、固体レーザロッド１を通過した励起光
は、励起光反射手段７により反射されて再び励起光導入
口方向へ反射される。すなわち、励起光軸にそった励起
光は２度固体レーザロッド１を通過してから励起光導入
口を通って透明ブロック６の外にもれる。これは、図２
において励起光軸にそった励起光が１度しか固体レーザ
ロッド１を通過せずにもれるのに比べて高い吸収効率を
与えることになる。また、励起光導入口の長さをＤ、図
２において対向する励起光導入口間の距離と、図３にお
ける励起光導入口と励起光反射手段７間の距離を等しく
Ｌととると、励起光導入口から入射した光が、もれる開
口（すなわち励起光導入口の長さ）を見込んだ角度θは
図３の方が図２の約半分となる。このθ以上の角度で励
起用半導体レーザ２から出射される励起光が、透明ブロ
ック６で閉じ込められることを考えると、θが小さい図
３の方が透明ブロック６による励起光閉じ込めに有効で
あることがわかる。
６は、透明ブロック６内に配置した固体レーザロッド１
のロッド軸を回転中心とした３回対称以上の回転対称な
形状とした。このような形状としては正多角柱もしくは
円柱が選ばれる。次に励起光導入口としても、ロッド軸
を回転対称とした３回対称以上の回転対称の位置に配置
することとした。このような配置としては正多角柱の場
合、側面もしくは稜の位置であるが、導入口の面積をで
きるだけ小さくするために、励起光導入口を稜の位置に
もたせることとし、側面を励起光反射手段７とすること
とした。具体的な正多角形の形状としては、図２に示す
ように励起光導入口から回転中心の固体レーザロッド１
に向けて入射された励起光が固体レーザロッド１を通過
した後に対向した導入口から漏洩しやすいことから、２
Ｎ＋１（Ｎは自然数）正多角柱とし導入口の個数を２Ｎ
＋１（Ｎは自然数）とすることが望ましい。図３は、最
も簡単な形状である、図１と同じ３角柱を用いた場合の
透明ブロック６内の励起光について示している。この形
状では、１度、固体レーザロッド１を通過した励起光
は、励起光反射手段７により反射されて再び励起光導入
口方向へ反射される。すなわち、励起光軸にそった励起
光は２度固体レーザロッド１を通過してから励起光導入
口を通って透明ブロック６の外にもれる。これは、図２
において励起光軸にそった励起光が１度しか固体レーザ
ロッド１を通過せずにもれるのに比べて高い吸収効率を
与えることになる。また、励起光導入口の長さをＤ、図
２において対向する励起光導入口間の距離と、図３にお
ける励起光導入口と励起光反射手段７間の距離を等しく
Ｌととると、励起光導入口から入射した光が、もれる開
口（すなわち励起光導入口の長さ）を見込んだ角度θは
図３の方が図２の約半分となる。このθ以上の角度で励
起用半導体レーザ２から出射される励起光が、透明ブロ
ック６で閉じ込められることを考えると、θが小さい図
３の方が透明ブロック６による励起光閉じ込めに有効で
あることがわかる。
【００３４】透明ブロック６の材料に対する制約条件と
しては、熱伝導率が高いことと、屈折率が固体レーザロ
ッド１より低いことである。第１の条件はもちろんロッ
ドで発生する熱を運ぶためである。第２の条件を図４に
より簡単に説明する。ここではロッド熱接触手段８が透
明ブロック６の屈折率と略等しいとした時の、励起光の
固体レーザロッド１での屈折の状態を定性的に示したも
のである。固体レーザロッド１の側面に入射した励起光
は、固体レーザロッド１の屈折率ｎｒが外側の屈折率ｎ
ｂより大きい場合（図中実線で示す）、入射角度９０度
まですべてロッド内で入る。一方、屈折率ｎｒが外側の
屈折率ｎｂより小さい場合（図中波線で示す）、入射角
度がＳＩＮ-1（ｎｂ／ｎｒ）以上となると、全反射によ
りロッド内に入射しなくなる。すなわち、透明ブロック
６の屈折率が固体レーザロッド１より低いことで励起光
のロッドへの入射効率は高くできる。図４では、ロッド
熱接触手段８の屈折率を透明ブロック６の屈折率と略等
しいとしたが、これは、ロッド熱接触手段８の厚みがロ
ッドに対してほとんど変わらなければ無視できる。（透
明ブロック６からロッド熱接触手段８への入射角度は、
ほとんどロッド熱接触手段８から固体レーザロッド１へ
の入射角度に一致する。）このような熱伝導率が高く、
屈折率がレーザロッド１より小さい透明ブロック６の材
料として、例えば、固体レーザロッドの屈折率を決める
ホスト材料として屈折率の高いY3Al5O12 (YAG)（屈折率
１．８２）を用いた場合、サファイア（屈折率１．７
６、熱伝導率２８Ｗ／ｍ・Ｋ）やMgF2（屈折率１．３
７）が、ホスト材料として屈折率の低いYLiF4(YLF)（屈
折率１．４７）,LiCaAlF6(LiCAF),LiSrAlF6(LiSAF)を用
いた場合、MgF2（屈折率１．３７、熱伝導率２１Ｗ／ｍ
・Ｋ）が望ましい材料の選定である。
しては、熱伝導率が高いことと、屈折率が固体レーザロ
ッド１より低いことである。第１の条件はもちろんロッ
ドで発生する熱を運ぶためである。第２の条件を図４に
より簡単に説明する。ここではロッド熱接触手段８が透
明ブロック６の屈折率と略等しいとした時の、励起光の
固体レーザロッド１での屈折の状態を定性的に示したも
のである。固体レーザロッド１の側面に入射した励起光
は、固体レーザロッド１の屈折率ｎｒが外側の屈折率ｎ
ｂより大きい場合（図中実線で示す）、入射角度９０度
まですべてロッド内で入る。一方、屈折率ｎｒが外側の
屈折率ｎｂより小さい場合（図中波線で示す）、入射角
度がＳＩＮ-1（ｎｂ／ｎｒ）以上となると、全反射によ
りロッド内に入射しなくなる。すなわち、透明ブロック
６の屈折率が固体レーザロッド１より低いことで励起光
のロッドへの入射効率は高くできる。図４では、ロッド
熱接触手段８の屈折率を透明ブロック６の屈折率と略等
しいとしたが、これは、ロッド熱接触手段８の厚みがロ
ッドに対してほとんど変わらなければ無視できる。（透
明ブロック６からロッド熱接触手段８への入射角度は、
ほとんどロッド熱接触手段８から固体レーザロッド１へ
の入射角度に一致する。）このような熱伝導率が高く、
屈折率がレーザロッド１より小さい透明ブロック６の材
料として、例えば、固体レーザロッドの屈折率を決める
ホスト材料として屈折率の高いY3Al5O12 (YAG)（屈折率
１．８２）を用いた場合、サファイア（屈折率１．７
６、熱伝導率２８Ｗ／ｍ・Ｋ）やMgF2（屈折率１．３
７）が、ホスト材料として屈折率の低いYLiF4(YLF)（屈
折率１．４７）,LiCaAlF6(LiCAF),LiSrAlF6(LiSAF)を用
いた場合、MgF2（屈折率１．３７、熱伝導率２１Ｗ／ｍ
・Ｋ）が望ましい材料の選定である。
【００３５】固体レーザロッド１は前に述べたように、
透明ブロック６の回転対称中心におかれる。設置するた
めには、透明ブロック６の回転中心に固体レーザロッド
１よりわずかに大きい穴をドリルおよび研磨によりあ
け、ここに固体レーザロッド１を挿入する。固体レーザ
ロッド１は、組み立て時の操作性や、固定の容易性を考
えて透明ブロック６よりも長くとる。（角柱や円柱の高
さに対してロッドの長さを長くとる）
透明ブロック６の回転対称中心におかれる。設置するた
めには、透明ブロック６の回転中心に固体レーザロッド
１よりわずかに大きい穴をドリルおよび研磨によりあ
け、ここに固体レーザロッド１を挿入する。固体レーザ
ロッド１は、組み立て時の操作性や、固定の容易性を考
えて透明ブロック６よりも長くとる。（角柱や円柱の高
さに対してロッドの長さを長くとる）
【００３６】固体レーザロッド１での発生熱を透明ブロ
ック６に伝導させる必要があるため、ロッド熱接触手段
８を固体レーザロッド１と透明ブロック６の間に充填す
る必要がある。固体レーザロッド１がロッド形状ではな
くスラブ形状の場合においてはオプティカルコンタクト
などの製作手法が用いることができるため、ロッド熱接
触手段８は何も充填する必要はないが、ロッド形状の場
合は必要となる。もちろん、ロッド熱接触手段８として
は、励起光に対して透明である必要がある。さらに、熱
接触手段８により固体レーザロッド１に応力がかかるよ
うなことは望まれない。一方、エポキシ系の接着剤など
はこれらの条件を満足するものであるが、固体レーザロ
ッド１と透明ブロック６の熱膨張率の違いから、運用時
に破断をきたす恐れがあり、信頼性にかける。また、一
度、固体レーザロッド１を設置してしまうと交換などが
ままならない。このため、本実施の形態ではロッド熱接
触手段８として液体状の媒体を用いることとした。一
方、透明ブロック６の材料屈折率で述べたようにこのロ
ッド熱接触手段８の屈折率として、固体レーザロッドの
屈折率より低く、透明ブロック６より高いほうが励起光
の固体レーザロッド１への入射効率が高くなる。このよ
うに屈折率調整が可能であり、また、低温での使用にお
いて固体化しないような材料を選択すると、例えば、透
明ブロック６をMgF2（屈折率１．３７）とし、レーザロ
ッド１をYAG（屈折率１．８２）、YLF（屈折率１．４
７）、LiSAF（屈折率１．４）、LiCAF（屈折率１．３
９）とした場合、光ファイバ通信などに良くもちいられ
る屈折率整合剤であるシリコーンオイル（市販品におい
て１．３８〜１．５３で調整可能）などがあげられる。
また、高い熱伝導率を活かせるとともに、フィールドユ
ースの循環冷却型の固体レーザで良く用いられている濃
度調整を行ったエチレングリコールの水溶液（エチレン
グリコール濃度を凝固点温度が−２０℃以下の４０〜９
０％において調整することで屈折率は１．３７〜１．４
２で調整可能）の使用が有効である。
ック６に伝導させる必要があるため、ロッド熱接触手段
８を固体レーザロッド１と透明ブロック６の間に充填す
る必要がある。固体レーザロッド１がロッド形状ではな
くスラブ形状の場合においてはオプティカルコンタクト
などの製作手法が用いることができるため、ロッド熱接
触手段８は何も充填する必要はないが、ロッド形状の場
合は必要となる。もちろん、ロッド熱接触手段８として
は、励起光に対して透明である必要がある。さらに、熱
接触手段８により固体レーザロッド１に応力がかかるよ
うなことは望まれない。一方、エポキシ系の接着剤など
はこれらの条件を満足するものであるが、固体レーザロ
ッド１と透明ブロック６の熱膨張率の違いから、運用時
に破断をきたす恐れがあり、信頼性にかける。また、一
度、固体レーザロッド１を設置してしまうと交換などが
ままならない。このため、本実施の形態ではロッド熱接
触手段８として液体状の媒体を用いることとした。一
方、透明ブロック６の材料屈折率で述べたようにこのロ
ッド熱接触手段８の屈折率として、固体レーザロッドの
屈折率より低く、透明ブロック６より高いほうが励起光
の固体レーザロッド１への入射効率が高くなる。このよ
うに屈折率調整が可能であり、また、低温での使用にお
いて固体化しないような材料を選択すると、例えば、透
明ブロック６をMgF2（屈折率１．３７）とし、レーザロ
ッド１をYAG（屈折率１．８２）、YLF（屈折率１．４
７）、LiSAF（屈折率１．４）、LiCAF（屈折率１．３
９）とした場合、光ファイバ通信などに良くもちいられ
る屈折率整合剤であるシリコーンオイル（市販品におい
て１．３８〜１．５３で調整可能）などがあげられる。
また、高い熱伝導率を活かせるとともに、フィールドユ
ースの循環冷却型の固体レーザで良く用いられている濃
度調整を行ったエチレングリコールの水溶液（エチレン
グリコール濃度を凝固点温度が−２０℃以下の４０〜９
０％において調整することで屈折率は１．３７〜１．４
２で調整可能）の使用が有効である。
【００３７】固体レーザロッド１の側面および透明ブロ
ック６の回転中心にあける穴は、励起光が固体レーザロ
ッド１に入射する場合の界面となる。ここでも、固体レ
ーザロッド１内にできる励起分布の均一化を考える場
合、励起光の指向性をできるだけ減らすことが有効であ
る。このために、固体レーザロッドの側面、透明ブロッ
ク６の回転中心にあける穴の外壁はグランドラフにして
拡散性の透過とするのが望ましい。グランドラフの表面
粗度としては、ロッド熱接触手段８の屈折率にもよる
が、（屈折率差が大きいほうが同じ表面粗度でも拡散性
が高い）励起光波長の数倍〜１０倍程度、数μｍ〜１０
μｍとするのが良い。グランドラフを得るためには機械
的研磨、化学処理の両者があるが、化学処理によるもの
が、クラックの発生などを抑止できることから好まし
い。
ック６の回転中心にあける穴は、励起光が固体レーザロ
ッド１に入射する場合の界面となる。ここでも、固体レ
ーザロッド１内にできる励起分布の均一化を考える場
合、励起光の指向性をできるだけ減らすことが有効であ
る。このために、固体レーザロッドの側面、透明ブロッ
ク６の回転中心にあける穴の外壁はグランドラフにして
拡散性の透過とするのが望ましい。グランドラフの表面
粗度としては、ロッド熱接触手段８の屈折率にもよる
が、（屈折率差が大きいほうが同じ表面粗度でも拡散性
が高い）励起光波長の数倍〜１０倍程度、数μｍ〜１０
μｍとするのが良い。グランドラフを得るためには機械
的研磨、化学処理の両者があるが、化学処理によるもの
が、クラックの発生などを抑止できることから好まし
い。
【００３８】固体レーザロッド１の保持と、ロッド熱接
触手段８に用いる液体のシールとしては、図５に示すよ
うに透明ブロック６の端面部分で押さえる。一般的にこ
のように液体をシールするような用途としてＯリングに
よるシールがある。しかし、Ｏリングを用いる場合、透
明ブロック６やその外側にＯリングを固定するための加
工や機構部品を必要とし、構成が複雑になりやすい。こ
のため、ここでは、ロッドの側面と透明ブロックの端面
部分をゴム状に硬化するシリコーンゴムで接着する方式
とした。このようなシリコーンゴムは一般にＲＴＶゴム
と呼ばれ、空気中の湿気と反応しゴム状に硬化するもの
で、シール剤として良く用いられており、ー５０℃程度
の低温でも弾性が劣化しないという特長がある。この弾
性により、固体レーザロッド１と透明ブロック６の間の
熱膨張率の違いによるゴム部への応力を緩和できるた
め、通常良く用いられるエポキシ系の接着剤などで問題
となる破断の問題を回避できる。また、一般に固体レー
ザロッド１の端面近くにアウトガスを発生する接着剤な
どが存在するとレーザ光による端面へのガスの焼付けが
起こり損傷を起こす危険があるが、アウトガスは非常に
少なく真空仕様で用いられる衛星搭載品でも実績があ
る。
触手段８に用いる液体のシールとしては、図５に示すよ
うに透明ブロック６の端面部分で押さえる。一般的にこ
のように液体をシールするような用途としてＯリングに
よるシールがある。しかし、Ｏリングを用いる場合、透
明ブロック６やその外側にＯリングを固定するための加
工や機構部品を必要とし、構成が複雑になりやすい。こ
のため、ここでは、ロッドの側面と透明ブロックの端面
部分をゴム状に硬化するシリコーンゴムで接着する方式
とした。このようなシリコーンゴムは一般にＲＴＶゴム
と呼ばれ、空気中の湿気と反応しゴム状に硬化するもの
で、シール剤として良く用いられており、ー５０℃程度
の低温でも弾性が劣化しないという特長がある。この弾
性により、固体レーザロッド１と透明ブロック６の間の
熱膨張率の違いによるゴム部への応力を緩和できるた
め、通常良く用いられるエポキシ系の接着剤などで問題
となる破断の問題を回避できる。また、一般に固体レー
ザロッド１の端面近くにアウトガスを発生する接着剤な
どが存在するとレーザ光による端面へのガスの焼付けが
起こり損傷を起こす危険があるが、アウトガスは非常に
少なく真空仕様で用いられる衛星搭載品でも実績があ
る。
【００３９】透明ブロック６の側面に設定される励起光
反射手段７としては、前に述べたようにできるだけ反射
率の高いものを選定することが有効である。透明ブロッ
ク６内での多数回の反射による励起光閉じ込めを考えた
場合、励起光反射手段７に入射する励起光の入射角度は
まちまちである。このため励起光反射手段７において
は、その反射率が入射角度によらず高いものが望まれ
る。図６に固体レーザの励起波長である波長８００ｎｍ
における典型的な金属材料の反射率の入射角度依存性の
計算結果を示す。これより金、銀、銅などは反射率が全
入射角度固体レーザの励起波長である８００ｎｍ近傍で
反射率の高い銅、銀、金などを透明ブロック６の側面に
コーティングすることが有効である。ただし、もちろん
銀や銅の場合はコーティングの後に酸化防止用の保護膜
をつける必要がある。一方、励起分布の均一化を図るこ
とを同時に考えた場合、励起光反射手段７としては、励
起光伝搬光軸の方向性をランダムにする拡散反射を得る
ことが有効となる。この場合、透明ブロック６の側面を
グランドラフ面として金属を蒸着する方法が有効であ
る。拡散効果を得られる好ましい表面粗度としては波長
の数倍〜１０倍程度、数μｍ〜１０μｍ程度である。こ
れ以外に拡散反射を得る方法として、拡散性材料を透明
ブロック６の側面におし当てる、もしくははりつけるこ
とも有効である。拡散性材料としては各種セラミック材
料、BaSO4の粉末、高反射性樹脂（例えば商品名スペク
トラロン：Lab Sphare社）などがある。
反射手段７としては、前に述べたようにできるだけ反射
率の高いものを選定することが有効である。透明ブロッ
ク６内での多数回の反射による励起光閉じ込めを考えた
場合、励起光反射手段７に入射する励起光の入射角度は
まちまちである。このため励起光反射手段７において
は、その反射率が入射角度によらず高いものが望まれ
る。図６に固体レーザの励起波長である波長８００ｎｍ
における典型的な金属材料の反射率の入射角度依存性の
計算結果を示す。これより金、銀、銅などは反射率が全
入射角度固体レーザの励起波長である８００ｎｍ近傍で
反射率の高い銅、銀、金などを透明ブロック６の側面に
コーティングすることが有効である。ただし、もちろん
銀や銅の場合はコーティングの後に酸化防止用の保護膜
をつける必要がある。一方、励起分布の均一化を図るこ
とを同時に考えた場合、励起光反射手段７としては、励
起光伝搬光軸の方向性をランダムにする拡散反射を得る
ことが有効となる。この場合、透明ブロック６の側面を
グランドラフ面として金属を蒸着する方法が有効であ
る。拡散効果を得られる好ましい表面粗度としては波長
の数倍〜１０倍程度、数μｍ〜１０μｍ程度である。こ
れ以外に拡散反射を得る方法として、拡散性材料を透明
ブロック６の側面におし当てる、もしくははりつけるこ
とも有効である。拡散性材料としては各種セラミック材
料、BaSO4の粉末、高反射性樹脂（例えば商品名スペク
トラロン：Lab Sphare社）などがある。
【００４０】さらに、側面からの励起の場合、励起光波
長に対する固体レーザロッド１の吸収係数が高いと、ロ
ッド側面で強い励起分布を発生してしまう可能性があ
る。この場合の対策として、吸収係数を下げて、励起光
がロッドを一回通過するときの吸収率を下げることも有
効である。吸収係数を低下させるには、固体レーザロッ
ド１の活性イオン濃度を減少させること、励起用半導体
レーザ２の発振波長幅を広くとること、励起用半導体レ
ーザ２の発振波長を吸収ピーク波長からずらすことなど
が効果がある。
長に対する固体レーザロッド１の吸収係数が高いと、ロ
ッド側面で強い励起分布を発生してしまう可能性があ
る。この場合の対策として、吸収係数を下げて、励起光
がロッドを一回通過するときの吸収率を下げることも有
効である。吸収係数を低下させるには、固体レーザロッ
ド１の活性イオン濃度を減少させること、励起用半導体
レーザ２の発振波長幅を広くとること、励起用半導体レ
ーザ２の発振波長を吸収ピーク波長からずらすことなど
が効果がある。
【００４１】次に本発明の、別の重要な点である、排熱
について述べる。固体レーザロッド１内で軸対称な温度
分布を得るためには、固体レーザロッド１の側面から軸
対称に放熱を行う必要がある。また、高平均パワーでの
動作による固体レーザロッド１内での発生熱量が増加し
ても固体レーザロッド１での温度がそれほど上昇しない
ために排熱経路の熱抵抗を下げることが有効である。本
実施の形態では、透明ブロック６の回転中心にある固体
レーザロッド１で発生した熱は、透明ブロック６を通過
する。透明ブロック６は熱伝導性の高い媒質でできてい
るとともに、軸対称形状である。次にロッドの表面積に
比べ広い面積を有する軸対称な側面を通して、それぞれ
の側面に熱接触手段１１で設置されたヒートシンク９に
排熱する。熱接触手段１１としては、In、金などの薄く
柔らかい金属薄膜をはさむ方法、In、金などの薄く柔ら
かい金属薄膜、透明ブロック６に金属コーティングをほ
どこした後、In、金などの金属や、はんだなどの合金を
融着する方法が良い。さらに、ヒートシンク９からは、
熱抵抗の低いヒートパイプ１０によりモジュールの外に
排熱する。ヒートパイプ１０と金属ヒートシンク９間に
は、熱伝導率の高いシリコンペーストを充填するか、ヒ
ートパイプ１０を金属ヒートシンク９に直接銀鑞付けす
ることが望ましい。（衛星搭載などにおいては、最終的
にヒートパネルなどを通して宇宙空間に放射として排熱
される）この構成では、排熱経路自身が軸対称に配置さ
れているため、ロッドで発生した発生熱は、ほとんど軸
対称に排熱され、ロッド内で軸対称な温度分布が得られ
る。さらに軸から離れるに従い熱流の流れる面の面積を
大きくすることで低熱抵抗で、すなわち固体レーザロッ
ド１を高平均パワーで励起し、発生熱量が増加したとき
にも固体レーザロッド１の温度上昇が小さい固体レーザ
励起モジュールを得ることができる。
について述べる。固体レーザロッド１内で軸対称な温度
分布を得るためには、固体レーザロッド１の側面から軸
対称に放熱を行う必要がある。また、高平均パワーでの
動作による固体レーザロッド１内での発生熱量が増加し
ても固体レーザロッド１での温度がそれほど上昇しない
ために排熱経路の熱抵抗を下げることが有効である。本
実施の形態では、透明ブロック６の回転中心にある固体
レーザロッド１で発生した熱は、透明ブロック６を通過
する。透明ブロック６は熱伝導性の高い媒質でできてい
るとともに、軸対称形状である。次にロッドの表面積に
比べ広い面積を有する軸対称な側面を通して、それぞれ
の側面に熱接触手段１１で設置されたヒートシンク９に
排熱する。熱接触手段１１としては、In、金などの薄く
柔らかい金属薄膜をはさむ方法、In、金などの薄く柔ら
かい金属薄膜、透明ブロック６に金属コーティングをほ
どこした後、In、金などの金属や、はんだなどの合金を
融着する方法が良い。さらに、ヒートシンク９からは、
熱抵抗の低いヒートパイプ１０によりモジュールの外に
排熱する。ヒートパイプ１０と金属ヒートシンク９間に
は、熱伝導率の高いシリコンペーストを充填するか、ヒ
ートパイプ１０を金属ヒートシンク９に直接銀鑞付けす
ることが望ましい。（衛星搭載などにおいては、最終的
にヒートパネルなどを通して宇宙空間に放射として排熱
される）この構成では、排熱経路自身が軸対称に配置さ
れているため、ロッドで発生した発生熱は、ほとんど軸
対称に排熱され、ロッド内で軸対称な温度分布が得られ
る。さらに軸から離れるに従い熱流の流れる面の面積を
大きくすることで低熱抵抗で、すなわち固体レーザロッ
ド１を高平均パワーで励起し、発生熱量が増加したとき
にも固体レーザロッド１の温度上昇が小さい固体レーザ
励起モジュールを得ることができる。
【００４２】Ｎ個のヒートシンク９上の各々にＮ個の励
起用半導体レーザ２の各々を設置すれば、透明ブロック
６からのＮ個の側面からの排熱と同時に、Ｎ個の励起用
半導体レーザ２からの排熱を同時に行える。このとき、
固体レーザロッド１と励起用半導体レーザ２からの排熱
経路を独立に設ける必要がないため装置は簡単化でき
る。
起用半導体レーザ２の各々を設置すれば、透明ブロック
６からのＮ個の側面からの排熱と同時に、Ｎ個の励起用
半導体レーザ２からの排熱を同時に行える。このとき、
固体レーザロッド１と励起用半導体レーザ２からの排熱
経路を独立に設ける必要がないため装置は簡単化でき
る。
【００４３】ヒートシンク９からヒートパイプ１０で熱
輸送する場合に、使用する複数のヒートパイプ間の熱抵
抗差や排熱側での温度差で、透明ブロック６の各側面に
設置された複数のヒートシンク９間の温度差が生じ、透
明ブロック６を介して熱量の出入りがあると、透明ブロ
ック６内に軸対称ではない温度分布が発生する恐れがあ
る。また、各々のヒートシンク９に励起用半導体レーザ
２が設置された場合、それぞれの励起用半導体レーザ２
間の発熱ばらつきが発生して同様に透明ブロック６内に
軸対称ではない温度分布が発生する恐れがある。このた
め、各々のヒートシンク９の間を導熱リング１３で熱接
触良くつなぐ。これにより、ヒートシンク９間での温度
差は透明ブロック６に比べ熱抵抗の小さい導熱リング１
３を通して流れる熱流により均一化できる。導熱リング
１３としては、銅やAlなどの熱伝導率の高い金属、もし
くは金属メッシュなどを用いることができる。また、各
々のヒートシンク９を、一体の金属ブロックで構成して
も同様の効果が得られるのは自明である。
輸送する場合に、使用する複数のヒートパイプ間の熱抵
抗差や排熱側での温度差で、透明ブロック６の各側面に
設置された複数のヒートシンク９間の温度差が生じ、透
明ブロック６を介して熱量の出入りがあると、透明ブロ
ック６内に軸対称ではない温度分布が発生する恐れがあ
る。また、各々のヒートシンク９に励起用半導体レーザ
２が設置された場合、それぞれの励起用半導体レーザ２
間の発熱ばらつきが発生して同様に透明ブロック６内に
軸対称ではない温度分布が発生する恐れがある。このた
め、各々のヒートシンク９の間を導熱リング１３で熱接
触良くつなぐ。これにより、ヒートシンク９間での温度
差は透明ブロック６に比べ熱抵抗の小さい導熱リング１
３を通して流れる熱流により均一化できる。導熱リング
１３としては、銅やAlなどの熱伝導率の高い金属、もし
くは金属メッシュなどを用いることができる。また、各
々のヒートシンク９を、一体の金属ブロックで構成して
も同様の効果が得られるのは自明である。
【００４４】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、円柱
形状の固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とする回
転対称に形成され、かつ、励起光導入口の対向配置を排
除するよう励起光導入口が各稜線部に設けられた略正Ｎ
（奇数）角柱の透明ブロック内に励起光を閉じ込めるよ
う構成したので、透明ブロック内に入力される励起光の
励起光導入口からの漏洩を低減して励起光を複数回固体
レーザロッドを通過させることができ、固体レーザロッ
ドでの高い吸収効率を得ることができる。また、透明ブ
ロック内を伝搬する励起光は、ロッドに対しＮ回回転対
称となるため、ロッド内にできる励起分布の均一化が図
れる。さらに、熱伝導率の高い透明ブロックの側面にＮ
個のヒートシンクを設け、ロッドからみて同軸対称に排
熱を行うことにより、ロッド内の温度分布を同軸対称と
し均一化がはかれるとともに、固体レーザロッドからの
排熱効率を高くとることができる。さらにまた、固体レ
ーザロッドと透明ブロックの間隙に液体を充填し、透明
ブロックの端面位置で固体レーザロッドの側面との間を
ゴム状媒質でシールすることにより、熱伝導性が良く、
励起光の導入性も良く保った状態で、固体レーザロッド
と透明ブロックの熱膨張の差による応力を減じ、信頼性
の向上を図ることができる。
形状の固体レーザロッドの中心軸を回転対称軸とする回
転対称に形成され、かつ、励起光導入口の対向配置を排
除するよう励起光導入口が各稜線部に設けられた略正Ｎ
（奇数）角柱の透明ブロック内に励起光を閉じ込めるよ
う構成したので、透明ブロック内に入力される励起光の
励起光導入口からの漏洩を低減して励起光を複数回固体
レーザロッドを通過させることができ、固体レーザロッ
ドでの高い吸収効率を得ることができる。また、透明ブ
ロック内を伝搬する励起光は、ロッドに対しＮ回回転対
称となるため、ロッド内にできる励起分布の均一化が図
れる。さらに、熱伝導率の高い透明ブロックの側面にＮ
個のヒートシンクを設け、ロッドからみて同軸対称に排
熱を行うことにより、ロッド内の温度分布を同軸対称と
し均一化がはかれるとともに、固体レーザロッドからの
排熱効率を高くとることができる。さらにまた、固体レ
ーザロッドと透明ブロックの間隙に液体を充填し、透明
ブロックの端面位置で固体レーザロッドの側面との間を
ゴム状媒質でシールすることにより、熱伝導性が良く、
励起光の導入性も良く保った状態で、固体レーザロッド
と透明ブロックの熱膨張の差による応力を減じ、信頼性
の向上を図ることができる。
【図１】 この発明の一実施の形態による固体レーザ励
起モジュールの構成図を断面で示した図である。
起モジュールの構成図を断面で示した図である。
【図２】 正（２Ｎ）角柱（Ｎは自然数）透明ブロック
内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
【図３】 正（２Ｎ＋１）角柱（Ｎは自然数）透明ブロ
ック内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
ック内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
【図４】 透明ブロックと固体レーザロッドの屈折率の
関係の違いによる励起光の伝搬を模式的に示した図であ
る。
関係の違いによる励起光の伝搬を模式的に示した図であ
る。
【図５】 固体レーザロッドの透明ブロックへの保持手
段を示した図である。
段を示した図である。
【図６】 各種、金属の波長８００ｎｍの励起光に対す
る反射率の入射角度依存性を計算した結果である。
る反射率の入射角度依存性を計算した結果である。
【図７】 第１の従来の固体レーザ励起モジュールの構
成方法を断面で示した図である。
成方法を断面で示した図である。
【図８】 第２の従来の固体レーザ励起モジュールの構
成方法を断面で示した図である。
成方法を断面で示した図である。
１ 固体レーザロッド、２ 励起用半導体レーザ、３
金属ヒートシンク、４プリズム、５ 接着剤、６ 透明
ブロック、７ 励起光反射手段、８ ロッド熱接触手
段、９ 金属ヒートシンク、１０ ヒートパイプ、１１
熱接触手段、１２ ロッド保持手段、１３ 導熱リン
グ。
金属ヒートシンク、４プリズム、５ 接着剤、６ 透明
ブロック、７ 励起光反射手段、８ ロッド熱接触手
段、９ 金属ヒートシンク、１０ ヒートパイプ、１１
熱接触手段、１２ ロッド保持手段、１３ 導熱リン
グ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−135082（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−226739（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−301176（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−252473（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335663（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−210888（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−205484（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335662（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−84596（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (17)
- 【請求項１】 円柱形状の固体レーザロッドと、上記固
体レーザロッドの中心軸を回転対称軸としてＮ＝２Ｍ＋
１（Ｍは自然数）個が放射状に回転対称に配置され、上
記固体レーザロッドの励起光を出射する励起用半導体レ
ーザと、上記回転対称軸に平行でかつ稜線と上記回転対
称軸を含む面に略垂直なスリット面からなり、上記Ｎ個
の励起用半導体レーザのそれぞれからの励起光が上記ス
リット面に光軸を略垂直にして入力される励起光導入口
が各稜線部に設けられた略正Ｎ角柱の透明ブロックと、
上記透明ブロックに設けられ、上記透明ブロックの回転
対称軸と略同軸の回転対称軸を有する上記固体レーザロ
ッドのロッド挿入穴と、上記ロッド挿入穴に上記固体レ
ーザロッドを挿入して保持する保持手段と、上記透明ブ
ロックのＮ個の側面に形成され、上記透明ブロックに入
射した上記励起光を反射する反射手段と、上記固体レー
ザロッドの中心軸を回転対称軸とし、上記透明ブロック
のＮ個の側面それぞれの傍らに放射状に回転対称に配置
されたＮ個のヒートシンクと、上記透明ブロックのＮ個
の側面の各々から、上記Ｎ個のヒートシンクの各々に排
熱する第１の排熱手段と、上記Ｎ個のヒートシンクの各
々から装置外部に対して排熱する第２の排熱手段とを備
え、上記励起光導入口の対向配置を排除したことを特徴
とする固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項２】 上記固体レーザロッドは、ホスト材料と
してY3Al5O12(YAG)を用いるとともに、 上記透明ブロックは、その材料として、サファイアを用
いたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ励起モ
ジュール。 - 【請求項３】 上記固体レーザロッドは、ホスト材料と
してY3Al5O12(YAG)，YLiF4(YLF)，LiCaAlF6(LiCAF)，Li
SrAlF6(LiSAF)を用いるとともに、 上記透明ブロックは、その材料として、MgF2を用いたこ
とを特徴とする請求項１記載の固体レーザ励起モジュー
ル。 - 【請求項４】 上記透明ブロックは、そのＮ個の側面を
グランドラフ面としたことを特徴とする請求項１記載の
固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項５】 上記固体レーザロッドは、その側面をグ
ランドラフ面としたことを特徴とする請求項１記載の固
体レーザ励起モジュール。 - 【請求項６】 上記反射手段は、上記透明ブロックの側
面の各々に設けた金属の薄膜であることを特徴とする請
求項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項７】 上記金属の薄膜は、銅であることを特徴
とする請求項６記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項８】 上記反射手段は、上記透明ブロックのＮ
個の側面の各々に設けたセラミック板であることを特徴
とする請求項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項９】 上記第１の排熱手段として、上記透明ブ
ロックのＮ個の側面の各々にインジウム又は金の薄膜を
介して上記Ｎ個のヒートシンクを設けたことを特徴とす
る請求項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１０】 上記第１の排熱手段として、上記透明
ブロックのＮ個の側面の各々に金属を蒸着し、上記Ｎ個
のヒートシンクの各々をインジウム、金および半田材料
の合金により融着したことを特徴とする請求項１記載の
固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１１】 上記第２の排熱手段として、上記各々
のヒートシンクに、上記固体レーザロッドの中心軸を回
転対称軸として回転対称に配置された排熱穴をもうける
とともに、この排熱穴に、装置外部に凝縮部をもたせた
ヒートパイプの蒸発部を挿入したことを特徴とする請求
項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１２】 上記Ｎ個のヒートシンクの各々に、上
記Ｎ個の励起用半導体レーザの各々を設けたことを特徴
とする請求項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１３】 上記Ｎ個のヒートシンクの各々を、導
熱リングで熱的に接続したことを特徴とする請求項１記
載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１４】 上記固体レーザロッドの長さを上記略
正Ｎ角柱の透明ブロックの高さより長くとるとともに、
上記固体レーザロッドと上記ロッド挿入穴の間に液体を
充填し、この液体を上記透明ブロックの両端面と上記固
体レーザの側面との間でシールしたことを特徴とする請
求項１記載の固体レーザ励起モジュール。 - 【請求項１５】 上記液体は、その屈折率を、上記固体
レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロック
の屈折率よりも大きく設定したシリコンオイルであるこ
とを特徴とする請求項１４記載の固体レーザ励起モジュ
ール。 - 【請求項１６】 上記液体は、その屈折率を、上記固体
レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロック
の屈折率よりも大きく設定したエチレングリコールの水
溶液であることを特徴とする請求項１４記載の固体レー
ザ励起モジュール。 - 【請求項１７】 上記液体をシールする手段として、シ
リコーンゴムを用いたことを特徴とする請求項１４記載
の固体レーザ励起モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17227496A JP3237525B2 (ja) | 1996-07-02 | 1996-07-02 | 固体レーザ励起モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17227496A JP3237525B2 (ja) | 1996-07-02 | 1996-07-02 | 固体レーザ励起モジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1022551A JPH1022551A (ja) | 1998-01-23 |
| JP3237525B2 true JP3237525B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=15938884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17227496A Expired - Fee Related JP3237525B2 (ja) | 1996-07-02 | 1996-07-02 | 固体レーザ励起モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3237525B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2791819B1 (fr) * | 1999-03-30 | 2001-08-31 | Commissariat Energie Atomique | Module de pompage optique d'un laser, comprenant un reflecteur cylindrique a base polygonale |
| US6625193B2 (en) * | 2001-01-22 | 2003-09-23 | The Boeing Company | Side-pumped active mirror solid-state laser for high-average power |
| JP4592485B2 (ja) * | 2005-04-20 | 2010-12-01 | 株式会社雄島試作研究所 | 大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置 |
| JP2007134560A (ja) * | 2005-11-11 | 2007-05-31 | Japan Science & Technology Agency | 固体レーザー装置 |
| CN101145670B (zh) * | 2006-09-11 | 2010-05-12 | 深圳市大族激光科技股份有限公司 | 一种用于半导体侧面泵浦模块的泵浦腔 |
| JP5013902B2 (ja) * | 2007-02-27 | 2012-08-29 | 株式会社オーディオテクニカ | ヘッドホン |
| JP5408860B2 (ja) * | 2007-10-09 | 2014-02-05 | 国立大学法人大阪大学 | 固体レーザー装置 |
| CN102495931A (zh) * | 2011-12-14 | 2012-06-13 | 长春理工大学 | 一种侧面泵浦螺纹型固体激光介质有限元热分析方法 |
| CN108036777B (zh) * | 2017-10-25 | 2020-07-24 | 上海卫星工程研究所 | 卫星上相位中心间接测量方法 |
-
1996
- 1996-07-02 JP JP17227496A patent/JP3237525B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1022551A (ja) | 1998-01-23 |
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