JP3430049B2 - 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、励起チャンバに収
められ隣接配置する複数のレーザ媒体により構成される
固体レーザ装置に関し、特に発振器または増幅器におい
て、品質のよい安定した高出力のレーザ光を安価に得る
ことができる固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の固体レーザ装置には、Ｙ
ＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶
中にネオジム（Ｎｄ）イオンを含有させたレーザ媒体が
用いられたＹＡＧレーザ装置があり、ＹＡＧレーザ装置
は１μｍの波長において産業用に広く実用化されてい
る。また、ＹＡＧレーザ装置は、炭酸ガスレーザ装置と
比較して金属との相互作用が強いので、同一レーザ加工
には比較的少ない出力パワーで済む。また、１μｍ波長
の光は光ファイバ伝送路を伝搬することが可能なため、
ＹＡＧレーザ出力光は光ファイバを用いて加工ステーシ
ョンまで容易に送ることができるという優れた特性を有
している。

【０００３】しかしながら、ＹＡＧレーザ装置では、こ
のような優れた特性を有しながら、溶接、切断などに応
用する場合に用いる実用的加工速度を得るために必要な
数ｋＷの大きな平均出力を得ることが困難であった。そ
の理由は、従来使用しているＹＡＧ結晶が、円形断面を
有するレーザビームの形状に合わせて回転対称性、すな
わちロッド（ｒｏｄ）型と呼ばれる円柱形状を有してお
り、ランプ光またはレーザ光などで周囲から光励起され
るので、この励起光を吸収して熱が内部に発生するから
である。

【０００４】この結果、ＹＡＧ結晶の有限な熱伝導率の
ために円柱の中心と冷却されるべき表面との間で半径方
向に温度勾配を有する熱レンズ効果が生じる。物質の有
する光屈折率は温度の関数であるため、円柱の中心と縁
とを通過するレーザ光線ではそれぞれが異なった経路を
進むことになり、レーザビーム全体は収束してゆく。従
って、大出力を得るために光励起を大きくした場合に
は、平行ビームとしてのレーザビームを取り出すことが
できない。

【０００５】このように、熱レンズ効果が存在するため
に固体レーザ装置で数ｋＷ以上の大出力化は実現困難と
されてきた。

【０００６】しかしながら、他方で、図９（Ａ）に示さ
れるような、スラブ（ｓｌａｂ）型のレーザ媒体１１０
を用い、レーザ光を内部に閉じ込めてジグザグ光路を形
成させるＹＡＧレーザ装置が、最近開発され実用化の域
に達した。

【０００７】図示されているスラブ型レーザ媒体１１０
は、一般に採用される形状のものであり、長さ方向であ
るＺ軸に対して厚さ方向であるＹ軸および幅方向である
Ｘ軸を有する板状体の光学的に透明な結晶体である。ス
ラブ型レーザ媒体１１０は、励起されるレーザ光の伝搬
方向である長さ方向（Ｚ軸）に対する両先端ではＸ軸に
平行で、かつＹ軸およびＺ軸に斜めな平面として光入出
射面１１１、１１２を有している。従って、図９（Ｂ）
に示されるように、Ｚ軸に平行なレーザ光が光入出射面
１１１に対して入射角度γで入力した場合には、図示さ
れるように内部のレーザ光は、スラブ型レーザ媒体１１
０の光屈折率のため厚さ（Ｙ軸）方向に屈折すると共に
厚さ（Ｙ軸）方向に垂直な平行面を内部全反射面１１３
として全反射するジグザグ光路を形成する。

【０００８】この構造では温度勾配が厚さ（Ｙ軸）方向
に生じる一方でジグザグ光路も厚さ（Ｙ軸）方向の面に
平行に形成されるので、上記熱レンズ効果が補償される
という優れた特性を有している。更に、幅（Ｘ軸）方向
の寸法を十分に大きくした場合にはロッド型と比較して
冷却面積が大きくなるので、大きな励起光を受け入れる
ことができる。従って、この構造は高出力を得るのに適
している。

【０００９】次に、図１０に図９を併せ参照して、スラ
ブ型のレーザ媒体が従来用いられてきた理由を固体レー
ザ発振器の一例によって説明する。

【００１０】図示されるレーザ用結晶板１は、図９を用
いて説明したスラブ型レーザ媒体１１０と同一のもので
ある。図示される固体レーザ発振器では、レーザ用結晶
板１が励起チャンバ２の中心軸上に収容保持されてい
る。励起チャンバ２としてその内部ではレーザ用結晶板
１の厚さ（Ｙ軸）方向に垂直な両面を両側から挟んでレ
ーザ用結晶板１を励起する光源となる励起用ランプ３を
保持するランプ電極４が設けられている。

【００１１】従って、スラブ型レーザ媒体が採用される
第１の理由は、レーザビームの光軸をスラブ型レーザ媒
体であるレーザ用結晶板１の長さ（Ｚ軸）方向に平行に
することにより、励起チャンバ２、特にランプ励起の場
合にはランプ電極４のホルダーによりレーザビームが干
渉されることなく、励起チャンバ２の両外部でレーザ用
結晶板１の入出射面に対面する位置に共振器用に設けら
れる全反射鏡５および部分反射鏡６それぞれが配設でき
ることである。

【００１２】また第２の理由は、図９（Ｂ）に示される
ように、入出力するレーザ光が光入出射面１１１、１１
２で屈折を受けることによりスラブ形レーザ媒体１１０
であるレーザ用結晶板１の内部では、内部全反射面１１
３によりジグザグ光路を形成してレーザ用結晶板１の全
体積を掃引することを可能にしているからである。

【００１３】また、図９（Ｂ）で示されるように、光入
出射面１１１に入射するレーザ光の入射角度γがブリュ
ースタ角度（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ ａｎｇｌｅ）の場合に
は、光入出射面１１１に垂直な面に平行な偏光面をもつ
Ｐ偏光レーザ光に対して反射損失をほぼゼロにできると
いう利点がある。

【００１４】上述したように、スラブ型のＹＡＧレーザ
装置は高出力化に優れた特性を持っているが、その出力
の上限は次に述べる要因により制限される。

【００１５】第１の要因は、レーザ用結晶板は励起光を
吸収して熱を発生するので、加熱された結晶の表面を冷
却する限り、結晶内部に温度差が生じ、不均一な熱膨張
により生じた機械的な応力がスラブ型結晶の表面に集中
する。この結果、結晶そのものが破壊してしまうので、
破壊しないように結晶の単位体積あたりの励起光入力を
制限する必要があるからである。

【００１６】第２の要因は、レーザ光は励起光がＹＡＧ
結晶内のネオジム（Ｎｄ）イオンをレーザの上準位に励
起することにより発生するので、より大きな出力を得る
ためには励起されるネオジムイオンの数を増やす必要が
ある。しかし、均一な結晶成長を妨げずに結晶に入れる
ことができるネオジム元素の含有量は１原子％程度に限
定されるということである。

【００１７】従って、ｋＷ程度の出力を得るためには、
このような要因による制限を避け、固体レーザ装置の内
部に収納されるスラブ型のＮｄ：ＹＡＧ結晶の体積を増
やす必要がある。

【００１８】しかしながら、高温育成炉の中で成長する
結晶には歪みなどが発生するため、育成できる光学的に
均一な単一結晶の寸法には限界があり、スラブ形状に切
り出した仕上がりで６×３０×２００ｍｍ程度の体積が
生産の限界となっている。このため、光学的に均一な結
晶の価格は寸法の大きさと共に極めて高額なものとな
る。

【００１９】従って、ｋＷクラスの高出力を得るため、
図１０に示されるレーザ用結晶板１を収納する励起チャ
ンバ２の２台をレーザ光の光路に沿って直列に配置し
て、全体を一つの光共振器としたレーザ装置、または２
台のうちの一方を発振器とし、他方を増幅器として動作
させるレーザ装置が考えられる。

【００２０】図１１を参照してこのようなレーザ装置に
ついて説明する。２つそれぞれの構成が図１０と同一で
あるものとし、構成要素の番号符号にはそれぞれ「−
ａ、−ｂ」を付加するものとする。直列の２つの励起チ
ャンバ２−ａ、２−ｂの内部に保持されるレーザ用結晶
板１−ａ、１−ｂはレーザ光の伝搬方向に沿って直列に
配置されているが、対面する光入出射面の一方から出射
するマルチモードのレーザ光は、スラブ型レーザ装置に
特有の幅および厚さ方向に対して異なる発散角度を有し
ているので、離れた距離をもって配置された他方で対面
する光入出射面に対して出射した１００％の光を入射す
ることはできない。また、レーザ装置として内部に一対
の光入出射面を有するので光路内でのレーザ光の光損失
が大きい。従って、２つの励起チャンバ２−ａ、２−ｂ
を直列に配して動作させても、その出力は１台あたりの
１．５倍程度にしか増加しない。

【００２１】これらの問題点を解決する技術が、例え
ば、特開平９−２１４０２４号公報に記載されている。
この固体レーザ発振装置によれば、一つの励起チャンバ
内で複数のスラブ型結晶をレーザ光の伝搬方向に沿って
直列に配置し、直接的または薄い媒体を介して結合させ
ることにより実行的に結晶長を数倍に大きくするもので
ある。

【００２２】図１２に示される上記公開公報の場合、ス
ラブ型結晶である二つのレーザ用結晶板１−ａ、１−ｂ
は接着剤層９００により接合されている。この接合部分
は、光学的コンタクトを有するものであれば材料を問わ
ない。また、結晶板の融着により直接結合することもで
きる。従って、二つのレーザ用結晶板１−ａ、１−ｂを
収容保持する一つの励起チャンバ２００および励起用ラ
ンプ３００の長さは長くなる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の固体レ
ーザ装置では、一般に使用されるスラブ型結晶によるレ
ーザ媒体に次のような問題点がある。

【００２４】第１の問題点は出力向上が十分に発揮され
ていないことである。

【００２５】その理由は、スラブ型結晶によるレーザ媒
体では、光入出射面が一般にブリュースタ角度をもった
斜面を形成しているのでランプ光またはレーザ光で励起
される結晶の有効長は貴重な結晶において，結晶の長さ
（Ｚ軸）方向で両端の励起チャンバによる保持部以外に
光入出射の接合斜面が除かれるからである。

【００２６】また、第２の問題点はレーザ光の出力向上
の妨げおよび品質の悪化を招くということである。

【００２７】その理由は、励起されない斜面の部分は、
励起され加熱される上記結晶の有効長部分との境界面
（上記Ｚ軸に垂直でＸ軸およびＹ軸に平行な面）を介し
た熱伝導および上記境界面を経由して伝播してくる励起
光により加熱され非対称な温度分布と応力分布とをも
つ。このため、光入出射面の斜面はスラブ型結晶全体の
小部分ではあるが熱レンズ効果および熱複屈折性を有す
るので、レーザ光の光損失を招くためである。

【００２８】更に、第３の問題点はレーザ光が出射する
光入出射面で反射損失が増加することである。

【００２９】その理由は、スラブ型ＹＡＧ結晶の幅（Ｘ
軸）方向は有限であるため、幅（Ｘ軸）方向の両端部か
らスラブ中心へ向かって温度勾配を生じ、この結果、端
部それぞれを中心に内部応力が三次元的に発生する。こ
のことは高出力の場合に特に顕著となる。このため、傾
斜面を介して入射したＰ直線偏光のレーザ光は結晶の幅
（Ｘ軸）方向の両端近傍では長さ（Ｚ軸）方向へジグザ
グ伝搬中に楕円偏光となる。従って、このような偏光解
消の効果により伝搬中にＳ偏光成分が増加するからであ
る。

【００３０】他方、第４の問題点としてメンテナンスが
困難なことが挙げられる。

【００３１】すなわち、結晶を利用する場合、結晶育成
において単一結晶の寸法が大きくできず高出力が得られ
ないので、複数の結晶を直列に連結する構成を採用して
いるが、結晶間で対面する光入出射面の間隙が大きい場
合には出力に対する損失が大きい。この問題点を解決し
た上記公開公報に記載された装置では、結晶の光入出射
面における間隙を狭くするため、結晶を密着または接着
剤による接着などしているが、このような構造ではメン
テナンスが困難であるという実用面での問題点が生じ
る。

【００３２】その理由は、結晶同士の結合において、光
学的コンタクトを保持しつつ同時に機械的に安定に保持
することは複雑な精密調整機構を必要とするためであ
る。また、特に３つ以上の連結に対する光路の接続調整
は不可能といえる。更に、結晶の長さが長くなるため結
晶長の有効活用として実効的に長くするには励起用ラン
プを長くする必要があるためランプの冷却が困難になる
からである。

【００３３】本発明の課題は、このような問題点を解決
し、出力効率の向上による高出力の確保、出力ビームの
品質悪化の防止、出射面における反射損失の低減および
容易なメンテナンスによる保守性の向上を図り、品質の
よい安定した高出力のレーザ光を安価に得ることができ
る固体レーザ装置を提供することである。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明による固体レーザ
装置は、隣接配置される励起チャンバそれぞれに収めら
れたレーザ媒体の間にあり、独立した機構の保持具で保
持可能であり、対向する一方のレーザ媒体の光出射面と
他方のレーザ媒体の光入射面との間の空間を満たし、か
つレーザ媒体の光出射面から放射されるレーザ光をレー
ザ媒体の光入射面まで内部に閉じ込めて伝搬する光学的
に透明な固体材料からなる光コネクタを備えている。ま
た、上記レーザ媒体がスラブ型であり、かつ上記光コネ
クタはこの一方のレーザ媒体の光出射面から放射される
レーザ光を他方のレーザ媒体の光入射面まで内部で全反
射によりジグザグ光路に閉じ込めて伝搬する光学的に透
明なスラブ形状の固体材料からなる。

【００３５】この構成により、光コネクタで接続される
複数のレーザ媒体それぞれは単独でそれぞれの励起チャ
ンバに収納できるので、励起用の長いランプを不要と
し、かつ、レーザ媒体の有効な活用を図ることができ
る。

【００３６】また、上記光コネクタは、スラブ形状にお
いて更に、レーザ光の伝搬方向に対して垂直な断面が矩
形であり、この矩形の厚さおよび幅それぞれの寸法がス
ラブ型のレーザ媒体の寸法と等しいかまたはより大き
く、かつ光入出射面となる両端面を除く四つの面それぞ
れがレーザ媒体の面それぞれに平行である。更に、光コ
ネクタは、スラブ形状において更に、レーザ光の入出射
面がスラブ型のレーザ媒体のレーザ光入出射面に平行で
ある。また、スラブ形状において更に、レーザ光の入出
力面がレーザ光の伝搬方向に対して垂直な平行面であっ
てもよい。このような平行面の構成が、平面をできる限
り近接させることによりレーザ光の伝搬損失を低減し、
かつ機械的に接触しないように極めて狭い間隙を有する
ことによりレーザ媒体との相互位置を微少調整できる。

【００３７】スラブ型のレーザ媒体および光コネクタそ
れぞれは、スラブ形状において更にレーザ光の入出射面
を必要に応じ、反射防止多層膜で被覆されてもよい。ま
た、レーザ媒体の端面と共振器の反射鏡の表面との間
に、上記光コネクタを備えて導光路とすることもでき
る。更に、スラブ型のレーザ媒体の内部をレーザ光がジ
グザグ光路を形成する固体レーザ装置において、一方の
端面となる前記スラブ型レーザ媒体の一つの端面が全反
射多層膜を被覆して一つの共振器の全反射鏡を形成する
ことにしてもよい。

【００３８】また、レーザ媒体を収める励起チャンバ、
光コネクタ、および反射鏡それぞれを一つの光学ベンチ
に独立に保持する保持具を備えることにより、これら保
持具が励起チャンバ、光コネクタおよび反射鏡それぞれ
の位置を独立に調整することができる。

【００３９】このように上述された構成によれば、一つ
のスラブ型レーザ媒体であるスラブ型ＹＡＧ結晶から出
射したレーザ光は、スラブ型ＹＡＧ結晶内と同様にスラ
ブ形状の光コネクタ内部を全反射しつつジグザグ光路を
形成して伝搬し、隣接するスラブ型ＹＡＧ結晶の端面へ
導かれる。また、光コネクタを、スラブ型ＹＡＧ結晶を
収納する励起チャンバおよび共振器の反射鏡それぞれと
は光学ベンチ上で独立に保持固定することができるの
で、スラブ型ＹＡＧ結晶を上記光コネクタにより直列に
連結してレーザ発振器および増幅器における実効的な結
晶の体積を必要な量だけ増やすことができる。また、光
コネクタ内部でもレーザ光は内部全反射により閉じ込め
られて伝搬するため光の伝送損失は極めて少ない。

【００４０】一方、本発明による固体レーザ装置では、
上述したように、光コネクタがレーザ媒体とは独立した
構成を有しているので、光コネクタの外部にあって光コ
ネクタを制御することができる。すなわち、光コネクタ
の媒体に加熱および冷却の少なくとも一方を加えて３次
元温度分布を意図的に生成し、スラブ型ＹＡＧ結晶が有
する熱光学効果を能動的および固定的の少なくとも一方
により補償する補償手段、光コネクタが光学的に非線形
光学性を有する材料を含み、この光コネクタを電気的お
よび光学的に刺激して屈折率を含む光学特性を変化させ
伝搬するレーザ光の進行方向を能動的および固定的の少
なくとも一方により制御する制御手段、または光コネク
タの材料に超音波を発生させ、光コネクタの内部に生じ
る音響光学効果を利用して伝搬するレーザ光の進行方向
を能動的および固定的の少なくとも一方により制御する
制御手段を備えることができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００４２】まず、図１を参照して、スラブ型ＹＡＧ結
晶によるレーザ媒体１０とスラブ形状の光コネクタとな
るコネクタ媒体２０とが対向する平行端面におけるレー
ザ光の光路について説明する。

【００４３】コネクタ媒体２０がレーザ媒体１０の間に
配置される場合、対面する平行面は入出射光に対してブ
リュースタ角度近傍の入射角度を与える必要がないの
で、レーザ光の進行方向である長さ方向に傾斜角度をも
たす必要がない。

【００４４】図１でのレーザ媒体１０は、厚さＤ１と長
さＬ１を有し長さ（Ｚ軸）方向に平行な面を内部全反射
面１１とし長さ（Ｚ軸）方向に垂直な面を光入出射面１
２、１３とする。また、コネクタ媒体２０は、厚さＤ２
と長さＬ２を有し、長さ（Ｚ軸）方向に平行な面を内部
全反射面２１とし長さ（Ｚ軸）方向に垂直な面を光入出
射面２２、２３としている。また、入出射面１３、２２
が狭い間隙をもって対面しているものとする。

【００４５】従って、光入出射面１３、２２それぞれは
内部全反射面１１、２１それぞれと垂直であり、レーザ
媒体１０およびコネクタ媒体２０それぞれの内部でレー
ザ光線が内部全反射面１１，２１それぞれによって全反
射してジグザグ光路をとるようにする。ジグザグ光路を
とる場合、内部全反射面１１，２１それぞれの垂直面に
対する光反射角度θ１、θ２それぞれは、レーザ媒体１
０の屈折率ｎ１とコネクタ媒体２０の屈折率ｎ２とこれ
らを連結する空間における空気の屈折率ｎ０とにより、
下記式１、２を満たす関係がある。

【００４６】 θ1 ＞ θ1c≡Ａｒｃｓｉｎ（ｎ０／ｎ１） （１） θ2 ＞ θ2c≡Ａｒｃｓｉｎ（ｎ０／ｎ２） （２） この場合、光入出射面１３、２２それぞれの内面側にお
ける垂直面に対する光の光入出射角度α、βおよび外面
側の空気に対する光入出射角度γの関係は下記式３、
４、５で表わされる。

【００４７】 α＋θ1 ＝９０° （３） β＋θ2 ＝９０° （４） ｎ１・ｓｉｎα ＝ ｎ２・ｓｉｎβ ＝ ｎ０・ｓｉｎγ （５） ここで、レーザ媒体１０およびコネクタ媒体２０それぞ
れの光入出力境界面である光入出射面１３、２２におけ
るＰ偏光レーザ光に対するブリュースタ角度αＢおよび
βＢは下記式６、７で与えられる。

【００４８】 αB ＝ Ａｒｃｔａｎ（ｎ０／ｎ１） （６） βB ＝ Ａｒｃｔａｎ（ｎ０／ｎ２） （７） また、必要であれば、各媒体の長さＬ１、Ｌ２および厚
さＤ１、Ｄ２ならびに反射回数Ｎ１、Ｎ２として、下記
式８、９を満たし、かつレーザ媒体１０およびコネクタ
媒体２０それぞれの入出力境界面である光入出射面１
３、２２に反射防止多層膜を被覆することにより、境界
面での屈折率の変化によるレーザ光の反射損失を最小に
することができる。

【００４９】 Ｌ1 ＝ Ｎ1・Ｄ1・ｔａｎθ1／２ （８） Ｌ2 ＝ Ｎ2・Ｄ2・ｔａｎθ2／２ （９） 次に、図２を参照して本発明による第１の実施の形態に
ついて説明する。

【００５０】図２に示された固体レーザ装置では、二つ
のスラブ型レーザ媒体であるレーザ用結晶板１−ａ、１
−ｂそれぞれを収納保持する励起チャンバ２−ａ、２−
ｂがレーザ光の伝搬方向に沿って直列に配置され、レー
ザ用結晶板１−ａ、１−ｂの間には同様なスラブ形状の
コネクタ媒体である光コネクタ９−１がレーザ光の伝搬
路を形成している。

【００５１】励起チャンバ２−ａ、２−ｂそれぞれが収
納保持する詳細は図１０に示される従来例と同一である
ものとする。従って、図２で用いられるレーザ用結晶板
１−ａ、１−ｂそれぞれは図９に示されたスラブ型レー
ザ媒体１１０と同一であるものとし、傾斜角度δを有す
る平行な光入出射面をもつものとする。直列配置される
レーザ用結晶板１−ａ、１−ｂの外側のレーザ光路に
は、一方でレーザ用結晶板１−ａに面して全反射鏡５が
備えられ、他方でレーザ用結晶板１−ｂに面して部分反
射鏡６が備えられているものとする。

【００５２】また、スラブ形状の光コネクタ９−１は図
９に示されるスラブ型レーザ媒体と同様の形状を有して
いる。すなわち、光コネクタ９−１は、レーザ光の伝搬
方向となる、図１における長さ（Ｚ軸）方向に平行でか
つ相互に垂直な二組の内部全反射面と、レーザ光の伝搬
路における光入出射面となる平行な両端面とを有し、こ
の端面は連結するレーザ用結晶板１−ａ、１−ｂの光入
出射面と平行な斜面を成している。

【００５３】これら固定レーザ装置の構成要素である励
起チャンバ２−ａ、２−ｂ、全反射鏡５、部分反射鏡
６、および光コネクタ９−１それぞれは光学ベンチ７０
上に固定されたチャンバ保持具７１−ａ、７１−ｂ、全
反射鏡保持具７２、部分反射鏡保持具７３、および光コ
ネクタ保持具７４それぞれにより独立に固定保持される
と共に相互位置の微調整ができる。この結果、励起チャ
ンバ２−ａ、２−ｂは全反射鏡５、部分反射鏡６および
光コネクタ９−１と共に一つの固定レーザ共振装置を形
成する。

【００５４】次に、図２を参照してこの構成によるレー
ザ発振動作について説明する。

【００５５】全反射鏡５に照射されたレーザ光は、全反
射鏡５で反射され、レーザ用結晶板１−ａの傾斜面から
内部に入射し内部で内部全反射面に反射しつつジグザグ
光路を形成して進行する。このレーザ光は、レーザ用結
晶板１−ａの他方の傾斜面から光コネクタ９−１の内部
に入射しレーザ媒体同様内部で全反射しつつ伝搬して他
方のレーザ用結晶板１−ｂへ入射する。レーザ用結晶板
１−ｂから出射したレーザ光は、出力反射鏡となる部分
反射鏡６で一部反射され、全反射鏡５までの全光路を逆
進して全反射鏡５で反射される。従って、光の閉回路が
形成され、この結果、正の帰還が生じてレーザ発振が発
生する。

【００５６】レーザ光が光路の進行方向である内部全反
射面に平行な方向（図１におけるＺ軸方向）に空気中か
ら入射し、かつ光入射面における光入射角度γがブリュ
ースタ角度γＢの場合にレーザ光がレーザ媒体の内部の
各点を重複通過する条件は、光入出射面の傾斜角度δＢ
として次式により与えられる。

【００５７】 δB＝９０−Ａｒｃｔａｎ（ｎ1） （度） 従って、ＹＡＧ結晶をレーザ媒体とした場合には屈折率
ｎ１＝１．８２ を有するので、上述した式５、６に
より下記の値が求められる。

【００５８】 γB＝６１．２１°、 δB＝２８．７９° すなわち、この数値に設定することによりＹＡＧ結晶の
光入出射面はＰ偏光のレーザ光に対して無反射にでき
る。

【００５９】他方、光コネクタ媒体がＢＫ−７、ＳＦ−
１１、ＬａＳＦ９のようなガラス素材で形成される場合
には屈折率ｎ２がそれぞれ１．５０、１．７５、１．８
２であるのでそれぞれのブリュースタ角度は、５６．３
１度、６０．２６度、および６１．２１度である。ま
た、合成サファイアおよび合成石英の場合には屈折率ｎ
２がそれぞれ１．７５および１．４５であるのでそれぞ
れのブリュースタ角度は６０．２６度および５５．４１
度である。これらの数値は上記計算値によるブリュース
タ角度６１．２１度に等しいかまたは６度以内という小
さな差であるためコネクタ媒体２０の光入出射面におい
て、Ｐ偏光のレーザ光に対する反射損失は０．５％以下
である。

【００６０】次に、図３を参照して図２とは別の、本発
明による第２の実施の形態について説明する。

【００６１】図３が図２と相違する点は、励起チャンバ
２−ｂに保持されるレーザ用結晶板１−ｃが長さ（Ｚ
軸）方向の中心軸に対して１８０度回転し、光コネクタ
９−２が端面を対面するレーザ用結晶板１−ａ、１−ｃ
の入出射面それぞれの傾斜に合わせて台形を形成してい
ることである。

【００６２】この構造の場合、光コネクタ９−２は取付
け取外しが容易になると共にレーザ光に対する軸合わせ
の調整が容易になる。

【００６３】上述した第１および第２の実施の形態で
は、二つのＹＡＧ結晶を連結する場合について説明した
が、連結されるスラブ型レーザ媒体は二つに限らないこ
とは言うまでもない。また、光入出射面の傾斜角度の選
択に際して、Ｐ偏光に対する反射損失ゼロのブリュース
タ角度γＢを入射角に選択する場合について説明した
が、反射防止膜を斜面に被覆することによりブリュース
タ角度γＢに対応する傾斜角度δＢを採用する必要がな
いことは言うまでもない。

【００６４】次に、再度、図１に戻って、屈折率ｎ１を
有するスラブ型レーザ媒体１０の光入出射面１３と屈折
率ｎ２を有するスラブ形状のコネクタ媒体２０の光入出
射面２２とが長さ（Ｚ軸）方向に垂直に対面する場合、
すなわち傾斜面のない場合について説明する。

【００６５】まず、媒体の屈折率の関係が ｎ１＞ｎ２
の場合、上記式１、２それぞれにより与えられる反射
角度θ１、θ２、θ1c、θ2cは θ１＞θ２＞θ2c＞θ
1cの関係となる。

【００６６】例えば、レーザ媒体１０がＹＡＧ結晶で屈
折率 ｎ１＝１．８２ を有し、コネクタ媒体２０がＢ
Ｋ−７ガラスで屈折率 ｎ２＝１．５０ の場合、コネ
クタ媒体２０内部の入出射角度βとしてブリュースタ角
度βＢを選ぶ場合には下記の数値が求められる。

【００６７】 β＝βB＝Ａｒｃｔａｎ（１／ｎ2）＝３３．６９° θ2＝５６．３１° ＞ θ2c＝４１．８１° この条件におけるレーザ媒体１０の対応角度としては、
下記の数値が求められる。

【００６８】α＝Ａｒｃｓｉｎ（ｎ2・ｓｉｎβB／ｎ
1）＝２７．２０° αB＝Ａｒｃｔａｎ（１／ｎ1）＝２８．７９° θ1＝６２．８０° この結果、光入出射角度αとこれに対するブリュースタ
角度αＢとの値が近いのでＰ偏光レーザ光に対しては入
出射面における反射損失が極めて少ない光コネクタが実
現できる。

【００６９】一方、媒体外面で空気に対する入出射角度
γがほぼ４５度の場合にはＳ偏光およびＰ偏光の両者に
対して同時に反射率を０．３％以下となるような反射防
止多層膜の形成が可能となる。この場合では、上記式
３、４、５から求めた角度 α＝２２．８６°、θ1＝６７．１４°、β＝２８．１
３°、およびθ2＝６１．８７° によりＳ偏光および
Ｐ偏光の両者のレーザ光に対して反射損失の極めて少な
い光コネクタが実現する。

【００７０】次に、各媒体の屈折率の関係が ｎ１≒ｎ
２ の場合には、媒体内の光入出射角度α、βおよび反
射角度θ１、θ２それぞれは α＝β、θ１＝θ２ の
関係となる。

【００７１】例えば、レーザ媒体１０がＹＡＧ結晶で屈
折率 ｎ１＝１．８２ を有し、かつコネクタ媒体２０
がＬａＳＦ９ガラスで屈折率 ｎ２＝１．８２、 また
は、合成サファイアで屈折率 ｎ２＝１．７５ の場合
で、Ｐ偏光に対するブリュースタ角度αＢ、βＢを選ぶ
場合には光入出射角度α、βおよび全反射角度θ１、θ
２それぞれには下記の数値が求められる。

【００７２】α＝β＝αB＝βB＝２８．７９° θ1＝θ2＝６１．２１° ＞ θc＝３３．３３° また、Ｓ偏光およびＰ偏光の両者に対して十分な反射防
止多層膜を形成できるよう空気側の光入出射角度γを４
５度に設定する場合には下記の数値となる。

【００７３】α＝β＝２２．８６° θ1＝θ2＝６７．１４° 次に、媒体の屈折率の関係が ｎ１＜ｎ２ の場合、上
記式１、２それぞれにより与えられる反射角度θ１、θ
２、θ1c、θ2cは θ２＞θ１＞θ1c＞θ2cの関係とな
る。

【００７４】従って、レーザ媒体１０の屈折率 ｎ１＝
１．８２ に対し光コネクタ媒体２０が屈折率 ｎ２＝
１．９５ を有する場合で、かつレーザ媒体１０の光入
出射角度αおよびこのブリュースタ角度αＢそれぞれを
２８．７９度とする場合には下記の関係が得られる。

【００７５】θ1＝６１．２１°＞θ1c＝３３．３３° この場合、コネクタ媒体２０の入出射角度βは２６．７
１度となり、このブリュースタ角度βＢの数値２７．１
５度に近い。因みに、反射角度θ２、θ2cそれぞれは６
３．２９度および３０．０５度と求められるので、上記
不等式に示された大きさの相互関係を確認することがで
きる。

【００７６】次に、図４を参照して図１に示されるよう
なレーザ光の進行方向である媒体の長さ（Ｚ軸）方向に
垂直な境界面を有する本発明による第３の実施の形態に
ついて説明する。

【００７７】図４において上記実施の形態と相違する点
は、レーザ用結晶板１Ａ−ａ、１Ａ−ｂと光コネクタ９
Ａとが平行面をなす光入出射面がレーザ光の進行方向で
ある媒体の長さ（Ｚ軸）方向に垂直であること、光コネ
クタ９Ｂ−ａ、９Ｂ−ｂが全反射鏡５Ａおよび部分反射
鏡６Ａの間に配置され、かつ全反射鏡５Ａおよび部分反
射鏡６Ａの面が光コネクタ９Ｂ−ａ、９Ｂ−ｂの一方の
端面と狭い間隙をもって平行をなすと共に上記（Ｚ軸）
方向に傾斜面をなしていることである。

【００７８】レーザ光のジグザグ光路が、各媒体の光入
出射面で上記説明に基づいて求めた入出射角度をもつよ
うに設定された場合には共振器および増幅器の機能が発
揮できる。

【００７９】この構成により、光コネクタ９Ｂ−ａがレ
ーザ用結晶板１Ａ−ａと全反射鏡５Ａとの間、および光
コネクタ９Ｂ−ｂがレーザ用結晶板１Ａ−ｂと部分反射
鏡６Ａとの間、それぞれを埋めるように連結して空気層
による間隙が極めて少なくなるので、反射鏡部分の光損
失が防止でき、従って、効率のよいスラブ型レーザ発振
装置が実現できる。

【００８０】上記実施例と同様、光コネクタ９Ａ、９Ｂ
−ａ、９Ｂ−ｂそれぞれが、光コネクタ保持具７４、７
５−ａ、７５−ｂそれぞれにより光学ベンチ７０Ａに独
立して固定され、それぞれの位置における光軸の微調整
を可能にしている。

【００８１】図５は、図４の一部を変更した上記実施例
とは相違する第４の実施の形態を示す光路構成説明図で
ある。

【００８２】図５が図４と相違する点は、レーザ光伝搬
路の両端に配置される光コネクタ９Ｃ−ａ、９Ｃ−ｂの
両端の光入出射面が共にレーザ光の伝搬方向（Ｚ軸）に
垂直面をなしていることである。従って、光コネクタ９
Ｃ−ａ、９Ｃ−ｂそれぞれの光入出射面と対面する二つ
ずつの全反射鏡５Ｃ−ａ、５Ｃ−ｂおよび部分反射鏡６
Ｃ−ａ、６Ｃ−ｂが光反射位置に配置されている。

【００８３】図６は図５の一部を変更した上記実施例と
は相違する第５の実施の形態を示す光路構成説明図であ
る。

【００８４】図６が図５と相違する点は、全反射鏡５Ｃ
−ａ、５Ｃ−ｂおよび光コネクタ９Ｃ−ａの代わりに光
コネクタ９Ｃ−ａと連結していた光入出射面に、光学多
層膜を被覆した多層膜反射鏡８を形成して共振器の全反
射鏡としていることである。この構成により、発振器の
構造を簡単化できる。

【００８５】次に、図７および図８それぞれを参照して
図４の一部を変更した上記実施例とは相違する第６およ
び第７それぞれの実施の形態について説明する。

【００８６】図７ではレーザ用結晶体１Ａ−ａ、１Ａ−
ｂの間を連結する光コネクタ９Ｄがその材料において上
記実施例と相違し、かつ、光コネクタ９Ｄの周囲に光コ
ネクタ制御部９０Ｄが設けられている。すなわち、光コ
ネクタ９Ｄには光学的に透明な材料として非線形光学材
料を用い、光コネクタ９Ｄを外部の光コネクタ制御部９
０Ｄにより電気的および光学的に刺激して屈折率を含む
光学特性を変化させて内部を伝搬するレーザ光の進行方
向を固定的または能動的に制御することができる。

【００８７】また、図８ではレーザ用結晶体１Ａ−ａ、
１Ａ−ｂの間を連結する光コネクタ９Ａの周囲から超音
波などを与えて内部のレーザ光を制御する光コネクタ制
御部９０Ｅを設けたことが上記実施例と相違している。
すなわち、光コネクタ制御部９０Ｅが外部から光コネク
タ９Ａの材料に超音波を発生させ、光コネクタ９Ａの内
部に生じる音響光学効果を利用して内部を伝搬するレー
ザ光の進行方向を固定的または能動的に制御してもよ
い。

【００８８】上記説明では、コネクタ媒体である光コネ
クタが複数のレーザ媒体であるレーザ結晶板を直列に連
結しレーザ光路の両端に反射鏡を設けて共振器としての
機能を説明したが、複数の励起チャンバのレーザ媒体を
コネクタ媒体で連結して共振器の外部に配置し部分反射
鏡を介して共振器から受けたレーザ光を増幅する増幅器
として用いられることは言うまでもない。

【００８９】これまで、複数の実施例を図示してそれぞ
れを説明しているが、各実施例間の上記構成要素の組合
わせなどによる構成の変更は上記機能を満たす限り自由
であり、上記説明が本発明を限定するものではない。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。

【００９１】第１の効果は、メンテナンスが容易で安定
した実用的な高出力のレーザ装置を安価に実現できるこ
とである。

【００９２】その理由は、既存の安価な小結晶のレーザ
媒体を光コネクタにより連結してレーザ光の伝搬路を形
成することにより発振器または増幅器におけるレーザ媒
体の実効的な体積を必要な量だけ増加させることができ
ると共にレーザ媒体を収納する励起チャンバ、連結する
光コネクタおよび共振器用の反射鏡それぞれが一つの光
学ベンチの上に独立して機械的に固定保持され、これら
構成要素により形成されるレーザ光の伝搬路の光軸位置
を微調整できるからである。

【００９３】第２の効果は、光伝送効率およびビーム品
質が共に良好なレーザ装置を実現できることである。

【００９４】その理由は、連結されるレーザ媒体間にあ
る空間を光コネクタにより埋めると共に、光コネクタ内
部ではレーザ光が内部全反射しつつ伝搬するため伝搬損
失がなく、更に光コネクタ材料が光学的に透明であるた
め内部発熱がなく、かつレーザ媒体とは狭い間隙で切り
離されているので伝導加熱を受けることもないため、熱
レンズ効果または熱複屈折効果による光損失も生じるこ
とがないからである。

【００９５】第３の効果は、出力効率およびビーム品質
が共に向上するレーザ装置を実現できることである。

【００９６】その理由は、光コネクタを連結するレーザ
媒体のスラブ型結晶において連結端面となる光入出射面
をレーザ光の進行方向である長さ方向に垂直な面に形成
できるので、スラブ型結晶の全体積に対して励起光によ
り効率よく励起されるからであると共に傾斜面がなく非
対称な加熱による熱レンズ効果または熱複屈折効果を起
こすことがないからである。また、この場合、光入出射
面に対する入射角度がブリュースタ角度より十分小さく
なるのでＳ偏光およびＰ偏光の両者に対して十分な反射
防止多層膜を光入出射面に形成す得ることが可能にな
り、スラブ型ＹＡＧ結晶内部で熱複屈折による偏光解消
が生じた場合でも直接レーザ光の損失にはならないから
である。

【００９７】更に、第４の効果は、コンパクトで高機能
な装置を実現できることである。

【００９８】その理由は、光コネクタがレーザ媒体から
独立した媒体のため、光コネクタに温度分布を意図的に
与えること、非線形材料を用いること、または音響的効
果を与えることなどにより、内部のレーザ光を能動的ま
たは固定的に制御できるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す二つの媒体間にお
けるレーザ光路の形成説明図である。

【図２】本発明による第１の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図３】本発明による第２の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図４】本発明による第３の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図５】本発明による第４の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図６】本発明による第５の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図７】本発明による第６の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図８】本発明による第７の実施の形態を示す構成説明
図である。

【図９】スラブ型レーザ媒体の一例を示す斜視図、側面
図および平面図である。

【図１０】従来におけるスラブ型レーザ媒体を用いた装
置の一例で部分断面を示す側面図である。

【図１１】従来における二つのスラブ型レーザ媒体を連
結して用いた一例を示す構成説明図である。

【図１２】図１０または図１１を改良した従来の一例を
示す構成説明図である。

【符号の説明】

１−ａ、１−ｂ、１−ｃ、１Ａ−ａ、１Ａ−ｂ レー
ザ用結晶板 ２−ａ、２−ｂ 励起チャンバ ５、５Ａ、５Ｃ−ａ、５Ｃ−ｂ 全反射鏡 ６、６Ａ、６Ｃ−ａ、６Ｃ−ｂ 部分反射鏡 ８ 多層膜反射鏡 ９−１，９−２、９Ａ、９Ｄ 光コネクタ １０ レーザ媒体 １１，２１ 内部全反射面 １２、１３、２２、２３ 光入出射面 ７０、７０Ａ 光学ベンチ ７１−ａ、７１−ｂ チャンバ保持具 ７２、７２Ａ 全反射鏡保持具 ７３、７３Ａ 部分反射鏡保持具 ７４、７４Ｄ、７４Ｅ 光コネクタ保持具 ９０Ｄ、９０Ｅ 光コネクタ制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−46024（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−284775（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−336479（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−61549（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−216438（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−140670（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スラブ型のレーザ媒体を収めそれぞれが
   隣接配置される複数の励起チャンバを有する固体レーザ
   装置において、前記励起チャンバそれぞれに収められた
   レーザ媒体の間にあり、独立した機構の保持具で保持可
   能であり、対向する一方のレーザ媒体の光出射面と他方
   のレーザ媒体の光入射面との間の空間を満たし、かつ前
   記レーザ媒体の光出射面から放射されるレーザ光を前記
   レーザ媒体の光入射面まで内部で全反射によりジグザグ
   光路に閉じ込めて伝搬する光学的に透明なスラブ形状の
   固体材料からなる光コネクタを備えることを特徴とする
   固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体レーザ装置におい
   て、前記光コネクタは、スラブ形状において更に、レー
   ザ光の伝搬方向に対して垂直な断面が矩形であり、この
   矩形の厚さおよび幅それぞれの寸法がスラブ型の前記レ
   ーザ媒体の寸法と等しいかまたはより大きく、かつ光入
   出射面となる両端面を除く四つの面それぞれが前記レー
   ザ媒体の面それぞれに平行であることを特徴とする固体
   レーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の固体レーザ装置におい
   て、前記光コネクタは、スラブ形状において更に、レー
   ザ光の入出射面がスラブ型の前記レーザ媒体の光入出射
   面に平行であることを特徴とする固体レーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の固体レーザ装置におい
   て、スラブ型の前記レーザ媒体および前記光コネクタそ
   れぞれは、スラブ形状において更に、レーザ光の入出射
   面がレーザ光の伝搬方向に対して垂直な平行面であるこ
   とを特徴とする固体レーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのうちのいず
   れか一つに記載の固体レーザ装置であって、スラブ型の
   前記レーザ媒体の内部をレーザ光がジグザグ光路を形成
   する固体レーザ装置において、一方の端面となる前記ス
   ラブ型レーザ媒体の一つの端面が全反射多層膜を被覆し
   て一つの共振器の全反射鏡を形成することを特徴とする
   固体レーザ装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載される固体レーザ装置に
   おいて、レーザ媒体を収める励起チャンバ、前記光コネ
   クタおよび反射鏡それぞれを一つの光学ベンチに独立に
   保持する保持具を備え、これら保持具が前記励起チャン
   バ、前記光コネクタおよび前記反射鏡それぞれの位置を
   微調整する構造を有することを特徴とする固体レーザ装
   置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載される固体レーザ装置で
   あって、スラブ型の前記レーザ媒体の内部をレーザ光が
   ジグザグ光路を形成する固体レーザ装置において、前記
   光コネクタの外部にあり、この光コネクタに加熱および
   冷却の少なくとも一方を加えて３次元温度分布を意図的
   に生成し、スラブ型の前記レーザ媒体が有する熱光学効
   果を能動的および固定的の少なくとも一方により補償す
   る補償手段を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載される固体レーザ装置に
   おいて、前記光コネクタが光学的に非線形性を有する材
   料を含み、この光コネクタの外部にあってこの光コネク
   タを電気的および光学的に刺激して屈折率を含む光学特
   性を変化させ伝搬するレーザ光の進行方向を能動的およ
   び固定的の少なくとも一方により制御する制御手段を備
   えることを特徴とする固体レーザ装置。
9. 【請求項９】 請求項１に記載される固体レーザ装置に
   おいて、この光コネクタの外部にあってこの光コネクタ
   の材料に超音波を発生させ、前記光コネクタの内部に生
   じる音響光学効果を利用して伝搬するレーザ光の進行方
   向を能動的および固定的の少なくとも一方により制御す
   る制御手段を備えることを特徴とする固体レーザ装置。