JP3265815B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents

固体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ媒質を光励
起してレーザ出力を得る固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体レーザは小形で使いやすいことか
ら、すでに多くの使用実績のあるレーザ加工分野のほ
か、最近では計測、医学等の諸分野にも広く用いられる
ようになった。固体レーザの最大の課題の一つは、レー
ザ媒質内で発生する熱に起因する問題をいかに解決する
かということである。固体レーザは、通常柱状体 (ロッ
ド) 状のレーザ媒質を周辺から冷却する構造となってい
るため、ロッド内の温度は中心部が高く周辺が低い分布
となる。最も広く用いられているＹＡＧレーザを例にと
ると、ＹＡＧ結晶の温度に対する屈折率の変化率ｄｎ／
ｄＴが正であるため、このような温度分布によりロッド
中心部の屈折率が高くなって凸レンズの効果を生じる。
さらに、ロッド端面の中央部が熱膨張で膨らむ効果も加
わって、レーザ媒質自体が凸レンズの作用を持つように
なる。これを一般に熱レンズ効果と呼んでいる。
【０００３】レーザ光はその拡がり角が小さいほど集光
性が高くなるため、拡がり角を極力抑制することが求め
られる。ところが熱レンズ効果を生じると拡がり角が大
きくなり、品質の高いレーザ光を得ることが困難にな
る。この問題を解決する方法として、板 (スラブ) 状の
固体レーザ媒質を用いる方法が知られている。この方式
ではスラブ状のレーザ媒質の対向する一対の側面が光学
研磨されていて、レーザ光はこの面で全反射を繰り返し
ながらレーザ媒質内をジグザグに進む。このジグザグ光
路によって反射面に垂直方向の熱レンズ効果はキャンセ
ルされる。一方研磨面と直交する側面を断熱材に密着さ
せるなどすることにより、研磨面に垂直方向の温度勾配
を極力小さくし、この方向にも熱レンズ効果が生じない
ようにしている。
【０００４】熱レンズ効果を抑制する方法として、これ
まで広く用いられてきたランプの変わりに、レーザダイ
オード (ＬＤ) でレーザ媒質を励起する方法がある。Ｌ
Ｄはレーザ励起に最も有効な波長の光のみを発光するの
で、ランプと比較してレーザ媒質内での発熱が少なく熱
レンズ効果を抑制する手段として非常に有効である。こ
れらのほか、負のｄｎ／ｄＴを有する結晶を用いて熱レ
ンズ効果を抑制する方法が知られている。例えば、この
ようなレーザ結晶としてＮｄ3+をドープしたＬｉＹＦ4
を用いる方式が、Ｊ. Ｅ.Murray ：ＩＥＥＥ Ｊ.Quant
um Electron.，Vol.ＱＥ−１９(1983) pp488〜491 、
Ｈ.Vanherzeele：Optics Letters, Vol.13(1988) pp369
〜371 、Ｇ.Cerullo, et al.：Optics Communication
s, Vol.93(1992) pp 77〜81などに報告されている。ｄ
ｎ／ｄＴが負の場合、屈折率変化の効果は凹レンズ特性
となるため、端面の膨張による凸レンズ効果と打ち消し
合って熱レンズ効果が抑制される。負のｄｎ／ｄＴを有
するレーザ結晶として、Ｎｄ：ＹＬＦのほか、Ｅｒ：Ｙ
ＬＦ、Ｔｍ：Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ (ＬｉＳ
ｒＡｌＦ6 ) 、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ (ＬｉＣａＡｌＦ6 )
などが知られている。Ｅｒ：ＹＬＦは、Ｒ. Ｃ. Stonem
an, et al.：ＩＥＥＥ Ｊ.Quantum Electron., Vol.28
(1992 )pp1041 〜1045に、Ｔｍ, Ｈｏ：ＹＬＦはＢ.
Ｔ.Mcguckin, etal：ＩＥＥＥ Ｊ.Quantum Electron.,
Vol.28(1992 )pp1025〜1028に、Ｃｒ：ＬＩＳＡＦおよ
びＣｒ：ＬｉＣＡＦはＭ. Ｄ.Perry, et al.：ＬＡＳＥ
Ｒ ＦＯＣＵＳ ＷＯＲＬＤ, Sep.(1993) pp85 〜92に
それぞれ特性が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】熱レンズ効果の問題を
解決するための方式のうちスラブ状のレーザ媒質を用い
る方法は、ジグザグ方向に高いビーム品質が得られる。
しかし側面の完全な断熱が事実上困難である上に、全反
射面に対して平行方向の光学特性は熱応力や全反射面の
熱変形にも依存するため、この方向のビーム品質を十分
に改善するのは困難である。
【０００６】励起光源としてＬＤを用いる方法は、熱レ
ンズ効果を低減するのに有効な手段である。しかし、光
源としてランプを用いる場合と比較して、発熱量を１／
３程度にするのが限界であり、それ以上の改善は難し
い。負のｄｎ／ｄＴを有する結晶を用いる方法も熱レン
ズ効果を低減する有効な手段である。しかし、この種の
結晶を用いる方式としてこれまで採用されてきた方式で
は、レーザ光伝播方向に垂直な面内の方向によって光学
特性が異なり、特定の方向の熱レンズ効果が消去できた
としても他方向の熱レンズ効果が残るという不都合が生
じる。
【０００７】本発明の目的は、従来の熱レンズ効果低減
法の上記の問題点を解決し、熱レンズ効果をほぼ完全に
消去し、高ビーム品質のレーザ出力が得られる固体レー
ザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の本発明は、温度に対する屈折率の
変化率が負の１軸結晶の柱状体をレーザ媒質として用い
る固体レーザ装置において、レーザ媒質結晶の光軸方向
がレーザ光伝播方向に対して垂直な面内にあり、レーザ
媒質の長さＬと代表径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、光軸方向と光
軸に対して垂直方向のうちの一方の熱レンズジオプトリ
ーをほぼ零とするように決められ、レーザ媒質内の温度
勾配が実質的にその熱レンズジオプトリーが消去された
方向にのみ存在するものとする。レーザ媒質内の温度勾
配が水冷によって形成されたことが良い。請求項３記載
の本発明は、温度に対する屈折率の変化率が負の１軸結
晶の柱状体をレーザ媒質として用いる固体レーザ装置に
おいて、レーザ媒質結晶の光軸方向がレーザ光伝播方向
と一致し、レーザ媒質の長さＬと代表径Ｄとの比Ｌ／Ｄ
が熱レンズジオプトリーをほぼ零とするように決められ
たものとする。いずれの場合も、固体レーザ媒質がＮｄ
3+をドープしたＬｉＹＦ4 、Ｅｒ3+をドープしたＬｉＹ
Ｆ4 、Ｔｍ3+およびＨｏ3+をドープしたＬｉＹＦ4 、Ｃ
ｒ3+をドープしたＬｉＳｒＡｌＦ6 あるいはＣｒ3+をド
ープしたＬｉＣａＡｌＦ6 よりなることが有効である。
【０００９】
【作用】ロッド状の等方性レーザ結晶を用いた場合の発
熱に起因するレンズ効果の焦点距離ｆの逆数である熱レ
ンズジオプトリー１／ｆは、Ｗ.Koechner ：Solid-Stat
e Laser Engineerlng,３rd ed.、Springer-Verlag 社刊
行 (1992) p390により与えられており、これを (1)式の
ように整理することができる。
【００１０】
【数１】 １／ｆ∝ (Ｐin／Ｖ) ( ＬＡ＋ＤＢ) (1) (1)式中のＡおよびＢは次のとおりである。
【００１１】
【数２】Ａ＝ (１／２) ( ｄｎ／ｄＴ) ＋αＣｎ0 3 Ｂ＝α (ｎ0 −１) ／２ ここで、 ｆ＝熱レンズ焦点距離 Ｐin＝入力パワー Ｖ＝ロッドの体積 Ｌ＝ロッドの長さ Ｄ＝ロッドの直径 ｄｎ／ｄＴ＝屈折率の温度に対する変化率 ｎ0 ＝ロッド中心の屈折率 α＝膨張係数 Ｃ＝光弾性係数 である。Ａは温度と熱応力による屈折率変化、Ｂはロッ
ド端面の膨らみによる凸レンズ効果を示している。一般
に、Ａの第１項の屈折率の直接の温度依存性は第２項の
光弾性を介した温度依存性より大きいため、ｄｎ／ｄＴ
＜０の場合Ａは通常負の値を示す。一方Ｂは正である。
このことにより両者の効果が打ち消しあって全体として
熱レンズ効果が小さくなるのである。本発明者は、熱レ
ンズジオプトリーの式を式 (1)の如く変形した場合、Ｌ
とＤがＡとＢに独立に作用している点に着眼した。すな
わち、ＡとＢは結晶の物性値であってその値を操作する
ことはできないが、ＬとＤはレーザ媒質の形状で決まる
ため、これらの値を適正化することにより、ＬＡ＋ＤＢ
＝０とすることができるはずである。ところが、これま
でｄｎ／ｄＴが負の固体レーザ媒質として知られている
結晶のほとんどは１軸性結晶であり、その使用形態は光
軸をレーザ光伝播方向に対して垂直に配置するものであ
った。そのため、膨張係数αと光弾性係数Ｃが方向によ
って異なり、Ａが異方性を持つため、Ｌ／Ｄを調節して
全ての方向の熱レンズジオプトリーを消去することがで
きない。
【００１２】そこで請求項１記載の本発明では、Ｌ／Ｄ
の調節により一方向の熱レンズジオプトリーのみを消去
し、この方向にのみ温度勾配が形成されるようにレーザ
媒質を冷却する。これと直角方向にはジオプトリーが残
留するが、この方向には温度勾配を生じないため、全方
向の熱レンズ効果が消去される。請求項３記載の本発明
では、これまでの方式とことなり、光軸をレーザ光伝播
方向にとる。この方向では光学異方性がなくなるため、
熱レンズジオプトリーが方向によらず一定となる。そこ
でＬ／Ｄを調節することによって全体の熱レンズ効果を
消去することができる。この場合、共振器内に偏光素子
を挿入しない限り発振光はランダム偏光となる。
【００１３】
【実施例】以下、図を引用して本発明の実施例について
説明する。図１は請求項１記載の本発明の第一の実施例
を示し、同図 (ａ) は同図 (ｂ)のＢ−Ｂ線での上方か
ら見た断面図、同図 (ｂ) は同図 (ａ) のＡ−Ａ線断面
図、同図 (ｃ) は同図 (ｂ) のＣ−Ｃ線断面図である。
固体レーザ媒質１は正四角形柱形状のＮｄ：ＹＬＦ結晶
からなり、２分された銅製のヒートシンク２の間にはさ
まれ、側面に励起用光源としてのレーザダイオード３の
アレイが対向している。レーザ媒質１のロッドの両端面
には、出力ミラー４と全反射ミラー５が対向し、出力ミ
ラー４との間にはブリュースタ板６が配置されている。
ヒートシンク２は水冷ヒートシンク７の上に載置されて
いる。Ｎｄ：ＹＬＦ結晶の場合、結晶ｃ軸が光軸と一致
する。すなわち、同図 (ｃ) の上部に記入されているよ
うに、結晶ｃ軸および光軸方向がレーザ光出力８の方向
と垂直で、上下方向である。この結晶の場合常光と異常
光とで発振波長が異なる。本実施例ではブリュースタ板
６を図のように配置して、偏光面が光軸と平行な異常光
が発振する構成となっている。この場合の発振波長はλ
＝１０４７ｎｍである。Ｎｄ：ＹＬＦロッド１の長さＬ
と断面の一辺の長さＤとの比Ｌ／Ｄはｃ軸方向の熱レン
ズジオプトリーが零となるように調整されている。Ｎ
ｄ：ＹＬＦロッド１とヒートシンク２との接触面９１、
９２は、熱的接触を確実にするためにインジウムで融着
する。水冷ヒートシンク７は内部にこの図には示してな
い水路が形成されており、水冷により熱が除去される。
ＬＤ３のアレイからの励起光は直接、あるいはヒートシ
ンク２の内面１０で反射後Ｎｄ：ＹＬＦロッド１に入射
する。ヒートシンク内面１０は反射損失を小さくするた
めに金めっきが施してある。励起により出力ミラー４と
全反射ミラー５との間でレーザ光が発振し、レーザ光出
力８が得られる。ロッド１の９１、９２以外の２側面は
空気に接しているため、ロッド１内で発生した熱は殆ど
ヒートシンク２との接触面９１、９２から除去される。
したがってロッド内の温度分布はｃ軸方向にのみ形成さ
れる。この方向は上述のごとく熱レンズジオプトリーが
消去されているから、この温度勾配による熱レンズ効果
は生じない。一方ｃ軸と直角方向に熱レンズジオプトリ
ーが残留するが、この方向には殆ど温度勾配が形成され
ないためやはり熱レンズ効果は生じない。このようにし
てこの実施例では熱レンズ効果がほぼ完全に消去されて
いるため、ビーム拡がり角の小さい高品質のレーザ光出
力が得られる。
【００１４】図２は、請求項１に記載の本発明の第二の
実施例を示し、図中、図１と共通の部分には同一の符号
が付されている。この実施例では、構成要素は第一実施
例と同一であるが、ブリュースタ板６の傾斜方向が上記
実施例と９０°異なっている。すなわちこの実施例では
偏光面が光軸と垂直となり常光が発振する。この場合の
発振波長はλ＝１０５３ｎｍである。第一実施例と同
様、この実施例でもＬ／Ｄはｃ軸方向の熱レンズジオプ
トリーが零となるように調整されていて、この方向にの
み温度勾配が形成されるため、全体として熱レンズ効果
は生じない。
【００１５】図３は、請求項１に記載の本発明の第三の
実施例である。図中、図１、図２と共通の部分には同一
の符号が付されている。この実施例は、レーザ媒質１に
円柱状のＮｄ：ＹＬＦロッドを用いる点で、上記第一、
第二実施例と異なっている。ブリュースタ板６の設置は
第二実施例と同じであるから、発振波長はλ＝１０５３
ｎｍである。第一、第二実施例では四角柱のロッドを用
いたから、レーザ光出力８のビーム断面形状は四角であ
る。しかし応用によっては円形ビームが望ましい場合が
ある。この実施例はこのような応用分野に対応するため
のものである。この場合も円柱ロッドとヒートシンクと
の接触面９１、９２がｃ軸方向にくるような配置となっ
ている。円柱形状の場合、ロッド内温度分布は厳密にｃ
軸方向のみに形成されるわけではないが、実用上問題な
い範囲で近似的に１次元温度分布が形成されるため、第
一、第二実施例と同様、熱レンズジオプトリーを零に調
整して熱レンズ効果を消去することができる。この場合
のＬ／ＤのＤはロッドの直径である。なおこの場合もブ
リュースタ板６を図１の第一実施例と同様に配置して、
λ＝１０４７ｎｍのレーザ光出力を得ることは当然可能
である。
【００１６】上記の実施例では温度勾配がｃ軸方向に形
成されるように構成したが、ｂ軸方向の熱レンズジオプ
トリーが零となるようにＬ／Ｄを調整し、ｂ軸方向に温
度勾配を形成させることも同様に可能である。図４は、
請求項３に記載の本発明の実施例である。図中、図１、
図２、図３と共通の部分には同一の符号が付されてい
る。この実施例ではｃ軸方向をレーザ光伝播方向にと
る。これは光軸方向であり、レーザ光の偏光面にかかわ
りなく電気ベクトルと光軸との角度が９０°となるた
め、発振波長はλ＝１０５３ｎｍのみとなる。またこの
方向は光学異方性を示さないから熱レンズ効果が方向に
よらず均等となる。したがって、Ｌ／Ｄを最適化するこ
とにより全方向の熱レンズジオプトリーを消去すること
ができる。この場合は１次元温度分布を形成する必要が
ないから、冷却効率を上げるために、円柱状ロッド１と
ヒートシンクの接触面９１、９２をなるべく大きくする
構造としている。
【００１７】以上の実施例ではレーザ結晶としてＮｄ：
ＹＬＦを用いているが、他のふっ化物結晶を用い、Ｅｒ
3+をドープしたＥｒ：ＹＬＦ、Ｔｍ3+およびＨＯ3+をド
ープしたＴｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｃｒ3+をドープしたＣ
ｒ：ＬｉＳＡＦあるいはＣｒ：ＬｉＣＡＦ等は、Ｎｄ：
ＹＬＦと同様の特性を有しており、これらの実施例のレ
ーザ結晶１を交換することにより、同等の効果を得るこ
とができる。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、温度に対する屈折率の
変化率が負の結晶をロッド状レーザ媒質に用いたときの
熱レンズジオプトリーを、レーザ媒質のＬ／Ｄの調整に
より零とすることにより、ロッド状のレーザ媒質を用い
たときに問題となる熱レンズ効果はほぼ完全に消去され
るので、熱に起因する集光性の低下が防止され、高ビー
ム品質のレーザ出力をもつ固体レーザ装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載の本発明の第一実施例を示し、
(ａ) は (ｂ) のＢ−Ｂ線矢視断面図、 (ｂ) は (ａ)
のＡ−Ａ線矢視断面図、 (ｃ) は (ｂ) のＣ−Ｃ線矢視
断面図
【図２】請求項１に記載の本発明の第二実施例を示し、
(ａ) は (ｂ) のＢ−Ｂ線矢視断面図、 (ｂ) は (ａ)
のＡ−Ａ線矢視断面図、 (ｃ) は (ｂ) のＣ−Ｃ線矢視
断面図
【図３】請求項１に記載の本発明の第三実施例を示し、
(ａ) は (ｂ) のＢ−Ｂ線矢視断面図、 (ｂ) は (ａ)
のＡ−Ａ線矢視断面図、 (ｃ) は (ｂ) のＣ−Ｃ線矢視
断面図
【図４】請求項３に記載の本発明の一実施例を示し、
(ａ) は (ｂ) のＢ−Ｂ線矢視断面図、 (ｂ) は (ａ)
のＡ−Ａ線矢視断面図、 (ｃ) は (ｂ) のＣ−Ｃ線矢視
断面図
【符号の説明】
１ 固体レーザ媒質 ２ ヒートシンク ３ レーザダイオード ４ 出力ミラー ５ 全反射ミラー ６ ブリュースタ板 ７ 水冷ヒートシンク ８ レーザ光出力

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】温度に対する屈折率の変化率が負の１軸結
    晶の柱状体をレーザ媒質として用いるものにおいて、レ
    ーザ媒質結晶の光軸方向がレーザ光伝播方向に対して垂
    直な面内にあり、レーザ媒質の長さＬと代表径Ｄとの比
    Ｌ／Ｄが、光軸方向と光軸に対して垂直方向のうちの一
    方の熱レンズジオプトリーをほぼ零とするように決めら
    れ、レーザ媒質内の温度勾配が実質的にその熱レンズジ
    オプトリーが消去された方向にのみ存在することを特徴
    とする固体レーザ装置。
  2. 【請求項２】レーザ媒質内の温度勾配が水冷によって形
    成された請求項１記載の固体レーザ装置。
  3. 【請求項３】温度に対する屈折率の変化率が負の１軸結
    晶の柱状体をレーザ媒質として用いられるものにおい
    て、レーザ媒質結晶の光軸方向がレーザ光伝播方向と一
    致し，レーザ媒質の長さＬと代表径Ｄとの比Ｌ／Ｄが熱
    レンズジオプトリーをほぼ零とするように決められたこ
    とを特徴とする固体レーザ装置。
  4. 【請求項４】固体レーザ媒質がＮｄ3+をドープしたＬｉ
    ＹＦ4 よりなる請求項１ないし３のいずれかに記載の固
    体レーザ装置。
  5. 【請求項５】固体レーザ媒質がＥｒ3+をドープしたＬｉ
    ＹＦ4 よりなる請求項１ないし３のいずれかに記載の固
    体レーザ装置。
  6. 【請求項６】固体レーザ媒質がＴｍ3+およびＨｏ3+をド
    ープしたＬｉＹＦ4よりなる請求項１ないし３のいずれ
    かに記載の固体レーザ装置。
  7. 【請求項７】固体レーザ媒質がＣｒ3+をドープしたＬｉ
    ＳｒＡｌＦ6 よりなる請求項１ないし３のいずれかに記
    載の固体レーザ装置。
  8. 【請求項８】固体レーザ媒質がＣｒ3+をドープしたＬｉ
    ＣａＡｌＦ6 よりなる請求項１ないし３のいずれかに記
    載の固体レーザ装置。
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