JP3883077B2 - 固体レーザ装置およびファイバへのレーザ光入光方法 - Google Patents

Description

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およびファイバへのレーザ光入光方法に関する。

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。

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。

図６は、従来の共振器の構成を示す図で、図６(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６(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６(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６(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。

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。

なお、本発明の従来技術としては以下の特許文献１，２がある。

特開平６−２０４５９１号公報 特開平１１−９０６６５号公報

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。

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。

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。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、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を用いたレーザ共振器とレンズ光学系を有する固体レーザ装置において、前記レンズ光学系は光ファイバ入光レンズと１つのシリンドリカルレンズとからなり、前記光ファイバ入光レンズの前記固体レーザ共振器側に、前記板状の固体レーザ媒質のレーザビーム出射端面における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、レーザビームのビーム拡がり角の小さい方向にレンズ作用する１つのシリンドリカルレンズを配置し、前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように、合成レンズを構成したことを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、板状のスラブ型固体レーザ媒質を用いたレーザ共振器および前記レーザ共振器において発生させたレーザビームを入光させる光ファイバを有する固体レーザ装置において、光ファイバ入光レンズの前記固体レーザ共振器側に、前記板状の固体レーザ媒質のレーザビーム出射端面における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、レーザビームのビーム拡がり角の小さい方向にレンズ作用する１つのシリンドリカルレンズを配置し、前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように合成レンズを構成して、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向の焦点距離を変えることによって、前記光ファイバへの入光位置において、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向のビームサイズが、ビームウエストになる前の状態であって、前記光ファイバ入光レンズ単体の時のビームサイズよりも大きくなるようにしたことを特徴とすることを特徴とする。
さらに請求項３に記載の発明は、板状のスラブ型固体レーザ媒質を用いたレーザ共振器から出力されるレーザビームを光ファイバ入光レンズと１つのシリンドリカルレンズを用いて光ファイバに入光させる入光方法であって、前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ媒質における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、前記レーザ共振器から出射されるレーザビームの拡がり角の小さい方向に作用して、前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように配置されており、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向の焦点距離を変えることによって、前記光ファイバへの入光位置において、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向のビームサイズは、ビームウエストになる前の状態であって、前記光ファイバ入光レンズ単体の時のビームサイズよりも大きくなるようにしたことを特徴とする。

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は、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。

また、板状のスラブ型結晶を用いる場合、レーザビームの縦方向と横方向のビーム拡がり角が異なる。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が、光ファイバ端面になるべく大きいピーク出力のレーザビームを照射できるようにするためには、光ファイバでレーザビームが正方形に近い形状で集光することが望ましい。光ファイバへの入光角度の制限により、レーザビームのサイズから使用可能な限界短焦点レンズは決まる。レーザビームの拡がり角の大きい方向で決まる集光径で、入光可能な光ファイバの径が決定される。

したがって、レーザビームの拡がり角の小さな方向で集光された径が小さくても、光ファイバ入光部分にレーザが照射されない部分が増え、入光可能なレーザ強度が低下するのみである。そこで、レーザビームの拡がり角の小さな方向にシリンドリカルレンズを用い、入光レンズとの合成レンズとし、片側方向のみ焦点距離を長くする。光ファイバ入光位置は、シリンドリカルレンズを挿入する前のビームウエスト位置とすることにより、シリンドリカルレンズにより焦点距離が変化した方向のレーザビームは、ビームウエストになる前の径の大きい部分で、光ファイバに入光することになる。この径が、レーザビームの拡がり角の大きい方向で決まる集光径と同等になるように、挿入するシリンドリカルレンズの焦点距離を選定すれば良い。

また、他の方法として、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し、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れた反射半分サイズ光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。

このことにより、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、光ファイバに入力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。

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、上述のシリンドリカルレンズを挿入する方法を使うとよい。

本発明によれば、光ファイバ入光レンズの前段にシリンドリカルレンズを配置し、レーザビームの縦または横いずれか一方の集光焦点距離を変えて、光ファイバに入光するようにしたので、光ファイバ端面でのビーム形状を正方形に近い形とすることができ、光ファイバ端面のピークパワー密度を抑えた光ファイバ入光が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、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。

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。

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。

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。

図２（ａ），（ｂ）は、図１における平辺反射鏡の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。

図３（ａ），（ｂ）は、図１における平二辺反射鏡の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。

図４は、本発明の固体レーザ装置の一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５（ａ），（ｂ）は、図４の光ファイバ入光部分の説明図で、図５（ａ），（ｂ）は各々異なる方向から見た図である。

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。

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５（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。

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５(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５(ｂ)でのサイズと同等に大きくできる。図４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。

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。

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１における平辺反射鏡の構成図である。 図１における平二辺反射鏡の構成図である。 本発明の固体レーザ装置の一実施例を示す光ファイバ入光光学系の構成図である。 （ａ），（ｂ）は図４に示した光ファイバ入光部分の説明図である。 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
２ａ ４５度全反射コーティング
２ｂ、２ｃ 平らな一辺
３ 平二辺反射鏡
３ａ ４５度全反射コーティング
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
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，９ｆ ４５度全反射ミラー
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 (3)

1. 板状のスラブ型固体レーザ媒質を用いたレーザ共振器とレンズ光学系を有する固体レーザ装置において、前記レンズ光学系は光ファイバ入光レンズと１つのシリンドリカルレンズとからなり、前記光ファイバ入光レンズの前記固体レーザ共振器側に、前記板状の固体レーザ媒質のレーザビーム出射端面における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、レーザビームのビーム拡がり角の小さい方向にレンズ作用する１つのシリンドリカルレンズを配置し、
   前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように、合成レンズを構成したことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 板状のスラブ型固体レーザ媒質を用いたレーザ共振器および前記レーザ共振器において発生させたレーザビームを入光させる光ファイバを有する固体レーザ装置において、光ファイバ入光レンズの前記固体レーザ共振器側に、前記板状の固体レーザ媒質のレーザビーム出射端面における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、レーザビームのビーム拡がり角の小さい方向にレンズ作用する１つのシリンドリカルレンズを配置し、
   前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように合成レンズを構成して、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向の焦点距離を変えることによって、前記光ファイバへの入光位置において、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向のビームサイズが、ビームウエストになる前の状態であって、前記光ファイバ入光レンズ単体の時のビームサイズよりも大きくなるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
3. 板状のスラブ型固体レーザ媒質を用いたレーザ共振器から出力されるレーザビームを光ファイバ入光レンズと１つのシリンドリカルレンズを用いて光ファイバに入光させる入光方法であって、
   前記シリンドリカルレンズは、前記レーザ媒質における厚み方向または幅方向のいずれか一方の方向のうちで、前記レーザ共振器から出射されるレーザビームの拡がり角の小さい方向に作用して、前記光ファイバ入光レンズおよび前記シリンドリカルレンズによる合成焦点距離が、前記光ファイバ入光レンズ単体の焦点距離よりも長くなるように配置されており、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向の焦点距離を変えることによって、前記光ファイバへの入光位置において、レーザビームの拡がり角の小さい前記方向のビームサイズは、ビームウエストになる前の状態であって、前記光ファイバ入光レンズ単体の時のビームサイズよりも大きくなるようにしたこと、
   を特徴とする光ファイバにレーザビームを入光させる入光方法。

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