JP3638110B2

JP3638110B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP3638110B2
Application number: JP2000040226A
Authority: JP
Inventors: 忍沼田; 彪葛西
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001291919A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ媒質を用いた固体レーザ装置に関し、より詳細には、レーザビームをファイバ入光可能なサイズに変更することのできる固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
板状の固体レーザ結晶を用いるスラブ型の固体レーザ装置では、固体レーザ媒質(以下、結晶という)をランプにより励起し、励起されたレーザビームがスラブ型結晶の内部、つまり結晶の長さ方向で結晶の厚み内をジグザグに伝播する。レーザビームは、結晶の断面と同一形状のため、長方形が一般的である。レーザの高出力化のために、結晶サイズが大型化しているが、結晶の熱ストレスの問題から、厚みは従来通りであるが、幅と長さが大きくなっている。固体レーザの中で、代表的なＹＡＧレーザは、光ファイバを用いてレーザビームを伝播できる特長を有しており、産業界からレーザ加工分野で注目されている。
【０００３】
光ファイバへの入光では、集光径と入光角度に制約条件がある。焦点距離が短い短焦点のレンズを用いると小さく集光できるため、集光径は満足できるが、入光角度が大きくなって入光条件を満足することができない。逆に、長焦点レンズを用いると、入光角度は小さくなって角度は満足できるが、集光径が大きくなって、入光条件を満足することができない。レーザ高出力化のために、結晶の幅方向が大きくなると、長焦点レンズを用いる後者の条件となり、光ファイバへの入光が困難である。そこで、結晶幅方向のレーザビームのサイズのみを小さくする共振器が用いられる。
【０００４】
図９は、従来の共振器の構成を示す図で、図９(ａ)は、レーザ結晶の幅が見える方向からの共振器を示し、図９(ｂ)は、レーザ結晶の厚みが見える方向からの共振器を示す図である。図９(ｂ)では、固体レーザ結晶２１内をレーザビームがジグザグに伝播し、固体レーザ結晶２１の両側には、励起用のランプ２６が配置されている。図９(ａ)は、直角プリズム２２を使用して、固体レーザ結晶２１の幅方向に上下半分に分け、全反射鏡２３から出力鏡２４までにレーザビームが伝播する間に、固体レーザ結晶２１内を２回通過し、レーザビームの断面積が半分になる。このような共振器の構成を以下、プリズム共振器という。
【０００５】
光ファイバへのレーザ入光方法は、レーザビームを集光レンズで絞るが、その代表的な光ファイバ入光方法として、結像光学系で入光する場合と、集光レンズの集光位置でレーザビームを入光する場合との２通りの方法がある。前者は、共振器より出射されたレーザビームの形状が長方形をしているため、光ファイバ入射端面も長方形のレーザビームが当たる。また、後者は集光レンズの焦点位置または、ビームウエスト位置でレーザビームを入光する場合、光ファイバ端面での入光形状は、レーザのビーム拡がり角によって決まる。スラブ結晶から出射されるレーザビームは、縦方向と横方向のビーム拡がり角が異なり、光ファイバ端面では、ビーム拡がり角が大きいほど、集光径が大きくなるので、拡がり角の違いにより、長方形に集光される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、レーザの高出力化に伴い、スラブ型レーザ結晶のサイズが大型化している。このため、プリズム共振器等を用い、大型結晶でもビームサイズを結晶幅方向の半分以下にして、光ファイバへの入光を容易にする方法が採用されてきた。しかし、共振器内にプリズム等の光学部品を追加すると、損失の原因になり、レーザ出力の低下を招くといった問題がある。
【０００７】
光ファイバ入光に関しては、スラブ結晶を用いるレーザの場合、光ファイバ端面で矩形に集光されるため、円形の光ファイバ入射面に対し、レーザビームの当たらない領域が多く存在することになる。特に、長方形の場合がほとんどで、長辺のサイズにより入光できる光ファイバコア径や入光位置が決まるため、短辺側により大きなスペースが空き、レーザの入光可能なピーク出力値が十分に取れずに不利である。円形の光ファイバに矩形ビームを入光する場合、端面のなるべく広い範囲にレーザビームを照射し、光ファイバ端面での光強度を下げることが、より高いレーザピーク出力を入光できることになる。したがって、光ファイバ端面に当たる時に、レーザビームが正方形となることが望ましい。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは光ファイバに最も大きな出力を入射できるように、ファイバ入射面でのビーム形状を変化させるようにした固体レーザ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、板状のスラブ型固体レーザ媒質の長手方向の両側に、全反射鏡と出力鏡とを各々配置してなるレーザ共振器を有する固体レーザ装置において、前記スラブ型固体レーザ媒質からのレーザビームを該スラブ型固体レーザ媒質の幅方向に分割するように、平らな一辺を有する平辺反射鏡を、前記スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平に、かつ前記平らな一辺が前記スラブ型固体レーザ媒質の幅方向の中心部分に位置するように配置して、前記平辺反射鏡の平らな一辺を境界にして、前記レーザビームを通過する半分サイズの通過ビームと、反射する半分サイズの反射ビームとに分割し、前記平辺反射鏡で反射させた前記反射ビームを前記通過ビームと同一高さになるように折り返すプリズムと、互いに直角な平らな二辺を有し、一方の平らな辺が、前記通過ビームの側面に当たらない位置で、かつ他方の平らな辺が、前記スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平になるように配置するとともに、前記平辺反射鏡の平らな一辺と接触するか、または微少な隙間を介して配置された平二辺反射鏡とを備え、前記反射ビームを前記通過ビームの横に並ぶように同方向に出射することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記平辺反射鏡を前記レーザ共振器の内部又は外部に配置したことを特徴とする。
【００１６】
つまり、レーザビームをレーザ結晶の幅方向半分ずつに分割するための分割手段として、レーザ共振器の外部で、平らな一辺を有する平辺反射鏡を、平らな一辺が結晶の幅方向の中心部分に結晶の厚さ方向と水平になるように配置し、レーザビームが、平辺反射鏡の平らな一辺を境界に通過する透過半分サイズのレーザビームと、反射された反射半分サイズのレーザビームに分ける構成とする。
【００１７】
このような分割手段により、レーザ共振器の内部に余計な光学部品を挿入する必要がないため、レーザ共振器の内部で発生する損失を最小限に抑えることが可能であり、レーザ出力を最大限に取り出すことができる。
【００１８】
また、分割手段で得た、結晶の幅方向半分サイズの２つのレーザビームを、単一光ファイバに入光するための入光手段として、レーザ共振器の外部で、平辺反射鏡で反射させた反射半分サイズ光、またはレーザ共振器の両側に取り出されたレーザビームの一方を、別の一方の半分サイズ光と同一高さになるように、プリズム等を配置して折り返し、さらにレーザビームの結晶厚み方向に分割した２ビームを並べて配置できる構成とした。
【００１９】
特に、平辺反射鏡で反射させた反射半分サイズ光は、プリズムにより透過半分サイズ光と同一高さになるように折り返した後、互いに直角な平らな二辺を有する平２辺反射鏡を、平らな一辺が、透過半分サイズ光の側面に当たらない位置で、別の平らな一辺が、結晶厚み方向と水平になるようにし、はじめに反射半分サイズ光を蹴り出した平辺反射鏡の平らな辺と接触するか、または微少な隙間の空く位置に合わせるように配置すると、２つの分割レーザビームを容易に並べて配置できる。
【００２０】
結晶幅の半分サイズは、結晶厚みの２倍のサイズと同等程度となり、半分サイズのレーザビームを結晶厚み方向に並べると、全体のレーザビームが正方形かそれに近くすることができるため、レンズで集光し、光ファイバに入光する場合に問題となった光ファイバ入光条件の入光角度が、レーザビームの形状に対し上下左右ともほぼ同一にでき、問題なく光ファイバへの入光が可能となる。
【００２３】
また、高出力のレーザビームを光ファイバ端面に照射する場合に、レーザ出力が向上するほど、光ファイバ自身の破壊耐力が問題となってくる。光ファイバの端面耐力は、一般的には１ＭＷ/ｍｍ²と言われている。レーザのピーク出力が、この値を超えると、光ファイバの端面に破壊が起こる。
【００２６】
以上の説明では、なるべく細い光ファイバに入光することを前提に、集光位置をビームウエストと決めて記載したが、より高いピーク出力を入光することを目的として、ビームウエストを外して、集光径の大きな部分で入光する場合もあるが、集光径の縦横サイズをほぼ同等にすることと、その方法に関しては同一の意味である。また、ビームウエストを外して入光した場合においても、集光径の縦横サイズが異なる場合、シリンドリカルレンズを集光レンズ前に挿入する方法を使うとよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２８】
図１は、本発明のスラブ型固体レーザ共振器の一実施例を示す構成図で、図１(ａ)は、共振器の斜視図であり、図１(ｂ)は図１(ａ)を上部から見た平面図である。
【００２９】
レーザ共振器は、スラブ型のレーザ結晶１と、その両側に設けられて全反射鏡５と出力鏡６とで構成されている。このレーザ結晶１は、幅ａ、厚みｂ、長さｃの方向で定義される。共振器から取り出されるレーザビーム７は、レーザ結晶１の断面(厚みと幅)とほぼ同等サイズである。このレーザビーム７を、レーザ結晶１の幅方向に半分に分割するため、平辺反射鏡２を配置し、発振器から取り出されたレーザビーム７の下半分光８ｂを横方向に直角に蹴り出す。また、上半分光８ａは、平辺反射鏡２の上を通過する。
【００３０】
つまり、平辺反射鏡２は、レーザ結晶１からのレーザビームをレーザ結晶１の幅方向に分割するように平らな一辺２ｂを有し、レーザ結晶１の長さｃの方向の光軸に対して約４５度で、かつ平らな一辺２ｂがレーザ結晶１の幅方向の中心部分に位置するように配置し、平辺反射鏡２の平らな一辺２ｂを境界にして、レーザビームを通過する半分サイズの通過ビームと、反射する半分サイズの反射ビームとに分割するように構成されている。
【００３１】
また、プリズム１８は、平辺反射鏡２で反射させた反射ビームを通過ビームと同一高さになるように折り返すように配置されている。平二辺反射鏡３は、互いに直角な平らな二辺を有し、一方の平らな辺が、通過ビームの側面に当たらない位置で、かつ他方の平らな辺が、レーザ結晶１の厚み方向と水平になるように配置されているとともに、平辺反射鏡２の平らな一辺２ｂと接触するか、または微少な隙間を介して配置されていて、反射ビームを通過ビームの横に並べて同方向に出射するように構成されている。
【００３２】
図２（ａ），（ｂ）は、平辺反射鏡の２つの例を示す構成図で、平辺反射鏡は平らな一辺を有し、図２（ａ）は矩形を示し、図２（ｂ）は半円形を示している。図２(ａ)を例にとって説明すると、平らな一辺２ｂを有し、４５度全反射コーティング２ａは、この辺に対してのみ端部まで施されている。図２には、下半分光８ｂが当たる部分も示してある。また、この平らな辺２ｂが、レーザ結晶１の幅方向の中心部分にレーザ結晶１の厚み方向と水平になるように、レーザビーム軸に対して横方向に４５度傾けて配置する。平辺反射鏡２により蹴り出された下半分光８ｂは、平辺反射鏡２の上を通過した上半分光８ａと同一高さになるように、直角プリズム１８により折り返され、平二辺反射鏡３に照射される。なお、図２（ｂ）における２ｃは平らな辺を示している。
【００３３】
図３（ａ）（ｂ）は、平二辺反射鏡の２つの例を示す構成図で、平二辺反射鏡３は互いに直角な平らな二辺を有し、図３（ａ）は矩形を示し、図３（ｂ）は扇形を示している。図３(ａ)を例にとって説明すると、互いに直角な平らな２辺３ｂ、３ｃを有し、４５度全反射コーティング３ａは、この辺３ｂ、３ｃに対してのみ端部まで施されている。図３には、下半分光８ｂが当たる部分も示してある。平二辺反射鏡３は、平らな一辺３ｂが、もう一方の上半分光８ａの側面に当たらない位置で、別の平らな一辺３ｃが、レーザ結晶１の厚み方向と水平になるように、平辺反射鏡２の平らな辺２ｂと接触するか、または微少な隙間の空く位置に合わせ、直角プリズム１８により折り返されてきた下半分光８ｂを４５度に反射し、上半分光８ａの側面に並べられるような位置に配置する。なお、図３（ｂ）における３ｄ及び３ｅは、互いに直角な平らな二辺を示している。
【００３４】
図４は、本発明の他の実施例を示すスラブ型の固体レーザ共振器の構成を示す図で、レーザ結晶１の長さ方向に対する両側に、レーザ結晶１の幅方向の上下に分割された上半分光８ａと下半分光８ｂとを、それぞれ別の方向に出射する構成である。結晶上の長さ方向の両側には、全反射性と一定量透過性の２段階の特性を有する部分反射鏡４を、全反射性と一定量透過性の境界が真っ直くであり、レーザ結晶１の幅方向の中心部分に、レーザ結晶ｌの厚み方向と水平になるように配置し、かつレーザ結晶１の長さ方向に対して両側に、部分反射鏡を全反射性と一定量透過性の位置関係を１８０度反転させて配置する。
【００３５】
部分反射鏡４は、図５に示すように、全反射コーテイング４ａと一定量透過コーティング４ｂが施され、その境界は直線状となっている。部分反射鏡４の反対面は、全体に無反射コーティング４ｃのみが施されている。
【００３６】
図６は、本発明の第４実施例を示すスラブ型の固体レーザ発振器の構成を示す出で、スラブ型の固体レーザは、通常、共振器内での損失を軽減するため、レーザ結晶１の端面をブリュースター角とする。この場合、直線偏光のレーザビームが取り出される。直線偏光は、Ｐ偏光とＳ偏光と称する互いに直行する成分に分類される。レーザ結晶１から出射される光はＰ偏光成分であり、レーザ結晶１の厚み方向に振動している。
【００３７】
平辺反射鏡２の上部を通過した上半分光８ａは、４５度全反射ミラー９ａで反射され、さらに偏光選択ミラー１０で反射され、ファイバ入光レンズ１３で集光して光ファイバ１４に入光される。レーザ発振器より出射された光は、Ｐ偏光１１であり、４５度全反射ミラー９ａに対しても、偏光選択ミラー１０に対しても、Ｐ偏光１１である。偏光選択ミラー１０は、Ｐ偏光に対しては４５度反射で、Ｓ偏光は透過特性のコーティングが施されている。このため、上半分光８ａは偏光選択ミラー１０で反射される。
【００３８】
レーザ共振器の光軸に対し横方向に垂直に、平辺反射鏡２で反射された下半分光８ｂは、４５度全反射ミラー９ｂで上に反射し、４５度全反射ミラー９ｃで向きを９０度変えて共振器の光軸と平行な方向に反射する。さらに、４５度全反射ミラー９ｄで下に反射して、４５度全反射ミラー９ｄで共振器の光軸と平行な方向に戻し、偏光選択ミラー１０の裏面から入光する。偏光選択ミラー１０の裏面に対しては、下半分光８ｂはＳ偏光１２となるため透過する。このため、ファイバ入光レンズ１３の前で、上半分光８ａと下半分光８ｂの２つのレーザビームを同軸上に合成することができる。
【００３９】
図７は、本発明のさらに他の実施例を示す光ファイバ入光光学系の構成を示す図で、また図８は、図７の光ファイバ入光部分の説明図で、（ａ）（ｂ）は各々異なる方向から見た図である。
【００４０】
レーザ発振器から出射されたレーザビーム７は、４５度全反射ミラー９ａ、９ｆで反射され、入光レンズ１３で集光して光ファイバ１４に入光する。本発明では、入光レンズ１３の前段にシリンドリカルレンズ１５を配置する。
【００４１】
入光可能な光ファイバ１４の径は、レーザビーム７の縦横の拡がり角の大きい方向で決まる。図８においては、（ｂ）の方向に相当し、シリンドリカルレンズ１５は、平行板の方向であるためレンズ作用はない。光ファイバ１４で集光した径が、光ファイバ入光位置１７でのサイズである。
【００４２】
これに対して、拡がり角の小さい方向は、小さく集光され過ぎてしまう。そこで、図８(ａ)に示すように、挿入したシリンドリカルレンズ１５のレンズ作用により、入光レンズ１３との合成焦点で、焦点距離を長くし、入光位置１７でのサイズを図８(ｂ)でのサイズと同等に大きくできる。図７に示した実施例は、図１に示すように分割された光学系においても適用できることは言うまでもない。
【００４３】
なお、上述した実施例においては、レーザ発振器から出射されたレーザビームを２分割する場合について説明したが、３分割や４分割などの場合についても適用できることは明らかである。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、スラブ型固体レーザ媒質からのレーザビームをスラブ型固体レーザ媒質の幅方向に分割するように、平らな一辺を有する平辺反射鏡を、スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平に、かつ平らな一辺がスラブ型固体レーザ媒質の幅方向の中心部分に位置するように配置して、平辺反射鏡の平らな一辺を境界にして、レーザビームを通過する半分サイズの通過ビームと、反射する半分サイズの反射ビームとに分割し、平辺反射鏡で反射させた反射ビームを通過ビームと同一高さになるように折り返すプリズムと、互いに直角な平らな二辺を有し、一方の平らな辺が、通過ビームの側面に当たらない位置で、かつ他方の平らな辺が、スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平になるように配置するとともに、平辺反射鏡の平らな一辺と接触するか、または微少な隙間を介して配置された平二辺反射鏡とを備え、反射ビームを通過ビームの横に並ぶように同方向に出射するようにしたので、スラブ型固体レーザ媒質から取り出された矩形のレーザビームは、共振器の外部で長辺方向に２分割し、短辺方向に分割光を並べて配置する構成により、光ファイバ入光条件を容易に満足でき、損失の少ないレーザビームを取り出すことができ、高出力ファイバ入光が可能となる。
【００４５】
また、ファイバ入光部分での集光パターンを、長方形から正方形に近づけることで、光ファイバ端面強度の範囲内で、より大きなレーザ出力の入光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体レーザ装置の一実施例を示すレーザ共振器の構成を示す図で、(ａ)は斜視図、(ｂ)は上部から見た平面図である。
【図２】本発明における平辺反射鏡の構成図である。
【図３】本発明における平二辺反射鏡の構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示すレーザ共振器の構成を示す図である。
【図５】本発明における部分反射鏡の構成図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例を示すレーザ発振器の構成図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例を示す光ファイバ入光光学系の構成図である。
【図８】図７に示した光ファイバ入光部分の説明図である。
【図９】スラブ型固体レーザ装置の共振器の従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１レーザ結晶
２平辺反射鏡
２ａ４５度全反射コーテイング
２ｂ、２ｃ平らな一辺
３平二辺反射鏡
３ａ４５度全反射コーテイング
３ｂ，３ｃ互いに直角な平らな二辺
３ｄ，３ｅ互いに直角な平らな二辺
４部分反射鏡
４ａ全反射コーテイング
４ｂ一定量透過コーテイング
４ｃ無反射コーテイング
５全反射鏡
６出力鏡
７レーザビーム
８ａ上半分光
８ｂ下半分光
９ａ〜９ｆ４５度全反射ミラー
１０偏光選択ミラー
１１Ｐ偏光
１２Ｓ偏光
１３入光レンズ
１４光フアイバ
１５シリンドリカルレンズ
１７入光位置
１８直角プリズム
２１レーザ結晶
２２直角プリズム
２３全反射鏡
２４出力鏡
２５レーザビーム
２６ランプ

Claims

板状のスラブ型固体レーザ媒質の長手方向の両側に、全反射鏡と出力鏡とを各々配置してなるレーザ共振器を有する固体レーザ装置において、
前記スラブ型固体レーザ媒質からのレーザビームを該スラブ型固体レーザ媒質の幅方向に分割するように、平らな一辺を有する平辺反射鏡を、前記スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平に、かつ前記平らな一辺が前記スラブ型固体レーザ媒質の幅方向の中心部分に位置するように配置して、前記平辺反射鏡の平らな一辺を境界にして、前記レーザビームを通過する半分サイズの通過ビームと、反射する半分サイズの反射ビームとに分割し、
前記平辺反射鏡で反射させた前記反射ビームを前記通過ビームと同一高さになるように折り返すプリズムと、
互いに直角な平らな二辺を有し、一方の平らな辺が、前記通過ビームの側面に当たらない位置で、かつ他方の平らな辺が、前記スラブ型固体レーザ媒質の厚み方向と水平になるように配置するとともに、前記平辺反射鏡の平らな一辺と接触するか、または微少な隙間を介して配置された平二辺反射鏡とを備え、
前記反射ビームを前記通過ビームの横に並ぶように同方向に出射することを特徴とする固体レーザ装置。
前記平辺反射鏡を前記レーザ共振器の内部又は外部に配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。