JP3947397B2 - レーザ光発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光源からの励起光を受けてレーザ光を発生するレーザ光発生装置に係り、とりわけ固体レーザ媒質の冷却効率を向上させ、また高出力化を実現したレーザ光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のレーザ光発生装置を示している。
【０００３】
図５に示すように、従来のレーザ光発生装置１として、励起光６ａを発生するレーザダイオード６と、レーザダイオード６の発する励起光６ａを集光して固体レーザ媒質２に入射させる集光装置７と、集光装置７からの励起光６ａを受けて誘導放出光１１ｂを発する固体レーザ媒質２とを備えたものが知られている。また、固体レーザ媒質２の底面２ｃには全反射コーティングが施され、さらに固体レーザ媒質２を冷却する冷却機構３が設けられている。
【０００４】
そして、固体レーザ媒質２の上面２ｄに対向して部分反射ミラー９が設けられていて、この部分反射ミラー９は、固体レーザ媒質２の底面２ｃに施された全反射コーティング面とで共振器を構成する。つまり、レーザダイオード６の励起光６ａによって固体レーザ媒質２から発生された誘導放出光１１ｂは、共振器間を往復する間に増幅され、指向性の良いレーザ光１１ａとなって部分反射ミラー９より外部に放出され、不図示の光学系を介して対象物１０に照射されるものである。
【０００５】
なおレーザダイオード６には、レーザダイオード６に電力を供給する電源装置８が接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に固体レーザ媒質を励起して光の増幅効果を得る場合、固体レーザ媒質の冷却が必要である。例えば、ディスク状固体レーザ媒質を冷却する場合、ディスク状固体レーザ媒質の一対の端面のうち片方の端面に冷却機構が設置されている。このため、レーザ光の高出力化を実現するためにディスク状固体レーザ媒質をレーザ光の光軸上に複数設置し、多段化を行なった場合に、冷却機構が障害となる。
【０００７】
すなわち、上述した構成のディスク状固体レーザ媒質を単純に並べて配置しただけだと、途中に配置されたディスク状固体レーザ媒質に設けられた冷却機構が障害となり、各ディスク状固体レーザ媒質にて発生した誘導放出光等がその冷却機構を通過することができず、結果的に高出力は得られない。
【０００８】
このため複数の固体レーザ媒質を設けて高出力のレーザ光を得ようとした場合、複数の固体レーザ媒質およびレーザダイオードの配置関係が複雑となり、困難であった。
【０００９】
また、ディスク状固体レーザ媒質の冷却機構側の端面上には、先に述べた共振器を形成するために全反射コーティングが施されており、ディスク状固体レーザ媒質と冷却機構の接触面には、この全反射コーティング部分が介在することとなる。このため、冷却機構による固体レーザ媒質の冷却効果が低下する。
【００１０】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、容易にレーザ光の高出力化を可能としたレーザ光発生装置を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに本発明は、固体レーザ媒質の冷却効率を向上させることができるレーザ光発生装置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】
本発明は、励起光を発する励起光源と、この励起光源からの励起光が照射される固体レーザ媒質と、を備え、固体レーザ媒質の底面に、レーザ光の光軸が通る部分近傍が開口した冷却機構を設けたことを特徴とするレーザ光発生装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
以下、図１を参照して本発明によるレーザ光発生装置の第１の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明によるレーザ光発生装置の第１の実施の形態を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明によるレーザ光発生装置２１は、励起光２６ａを発生する励起光源２６と、励起光源２６からの励起光２６ａを受けて誘導放出光２１ｂを発する固体レーザ媒質２２とを備えている。
【００１６】
このうち励起光源２６としては、レーザダイオード２６が用いられているが、他の励起光源を用いてもよい。
【００１７】
またレーザダイオード２６は、固体レーザ媒質２２の側方に設置されており、レーザダイオード２６には、レーザダイオード２６に電力を供給する電源装置２８が接続されている。また、レーザダイオード２６と固体レーザ媒質２２との間には、レーザダイオード２６の発する励起光２６ａを集光して固体レーザ媒質２２に入射させる集光装置２７が設置されている。なお固体レーザ媒質２２の側方周囲に、複数のレーザダイオード２６が配置されるようにしても良い。
【００１８】
レーザダイオード２６が発生する励起光２６ａは、集光装置２７によって集光されて固体レーザ媒質２２内の中心部２２ｈを焦点として入射されているが、励起光２６ａを固体レーザ媒質２２内のいずれの部分に入射しても良い。集光装置２７を調整することによって、レーザダイオード２６の発する励起光２６ａを、固体レーザ媒質２２内のいずれの部分にも入射することができるようになっている。
【００１９】
次に固体レーザ媒質について詳述する。
【００２０】
固体レーザ媒質２２は、全体として略切頭円錐形をなしているが、切頭円錐形の側面２２ｅはわずかに湾曲していても良い。また固体レーザ媒質２２は、全体として略切頭角錐形をなしていてもよい。ここで固体レーザ媒質２２は上面２２ｄと、底面２２ｃを有し、これら上面２２および底面２２ｃは、レーザ光発生装置２１が出力するレーザ光２１ａの光軸２４に対して垂直面とされる。なお必ずしも、固体レーザ媒質２２の上面２２ｄおよび底面２２ｃは、レーザ光発生装置２１が出力するレーザ光２１ａの光軸２４に対して垂直面となる必要はない。
【００２１】
図１において、固体レーザ媒質２２の上面２２ｄ側の光軸２４上には部分反射ミラー２９が設けられている。この部分反射ミラー２９は、後述する固体レーザ媒質２２の底面２２ｃに施される全反射コーティングとで共振器を構成する。
【００２２】
また固体レーザ媒質２２の上面２２ｄおよび底面２２ｃのうち、光軸２４が通過する部分には、光学研磨が施され、さらに上面２２ｄには無反射コーティング２５ａが施され、また底面２２ｃには全反射コーティング２５ｂがそれぞれ施されている。ここで光学研磨とコーティングが施される面積は、固体レーザ媒質２２から発生した誘導放出光２１ｂの所定の利得断面積と等しくなっている。ここで利得断面積とは、レーザダイオード２６の励起光２６ａにより固体レーザ媒質２２より発生した誘導放出光２１ｂが全反射コーティング面２５ｂと部分反射ミラー２９とで構成される共振器間で有効に往復移動を行うに有効な光軸２４に垂直な面積をいう。
【００２３】
つまりコーティングは、固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと底面２２ｃの全面に施す必要はなく、固体レーザ媒質２２内の励起分布から考えて、所定の面積以上であればよい。
【００２４】
さらに固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと底面２２ｃに施す各コーティング２５ａ、２５ｂの面積は、同一でなくてもよいし、同一形状でなくてもよい。
【００２５】
固体レーザ媒質２２は、レーザダイオード２６からの励起光２６ａを受けると発熱し、冷却が必要となる。そこで固体レーザ媒質２２の底面２２ｃには、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃのうち光軸２４が通る部分近傍に開口部２３ｂを有する冷却機構２３が設けられている。
【００２６】
冷却機構２３は冷却機構２３内を冷却媒体２３ａが循環することにより、固体レーザ媒質２２の冷却を行なうものである。冷却機構２３には、冷却媒体２３ａとして液体が用いられているが、液体の代わりに気体を用いてもよい。
【００２７】
冷却機構２３は、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと接することにより熱交換を行なって、固体レーザ媒質２２の冷却を行なっている。固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面に全反射コーティングが施されている場合、固体レーザ媒質２２と冷却機構２３との間の熱伝導率が低下することも考えられるので、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面には、全反射コーティングを施さないことが好ましい。さらに、固体レーザ媒質２２と冷却機構２３との間の熱伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面との間には、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の間の熱伝導率を向上させるヒートシンカを設けることが好ましい。さらに固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面に、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の間の熱伝導率を向上させる接着剤を設けたり、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面のいずれかに熱伝導性の高いコーティングまたは表面処理を施してもよい。
【００２８】
ところで固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面との間の接触面積を大きくし熱伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと、冷却機構２３の接触面の各々に、粗面化処理を施してもよい。また固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面との間の接触面積を大きくし熱伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面の各々に溝を設けてもよいし、接触する各々の面を両者が嵌合するような曲面としてもよく、さらに各々の面を互いに嵌合するような複数の面から構成してもよい。
【００２９】
次に固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと底面２２ｃの面積について説明する。
【００３０】
固体レーザ媒質２２は切頭円錐形または切頭角錐形を有しているが、固体レーザ媒質２２の側面２２ｅにレーザダイオード２６からの励起光２６ａが入射し、励起光２６ａの焦点が固体レーザ媒質２２の中心部２２ｈに位置するように設定したとき（必ずしも、中心部２２ｈに焦点を位置づける必要はないが）、固体レーザ媒質２２の中心部２２ｈに高い励起密度が得られる。そこで、固体レーザ媒質２２の中心部２２ｈに高い励起密度を持つ励起分布を用いて、固体レーザ媒質２２が発する誘導放出光２１ｂの最適な利得断面積を算出する。算出された固体レーザ媒質２２が発する誘導放出光２１ｂの利得断面積から固体レーザ媒質２２の上面２２ｄの面積を算出する。また、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃの面積については、上述したように固体レーザ媒質２２の冷却効率をどの位に設定するかによって決定される。すなわち、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃを大きくし、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面との間の接触面積を大きくすれば、固体レーザ媒質２２の冷却効率を向上させることができる。
【００３１】
さらに固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと底面２２ｃが光軸２４に対して垂直である必要がないことは、前述した通りである。
【００３２】
次にこのような構成からなる実施の形態の作用について説明する。
【００３３】
まず電源装置２８からレーザダイオード２６へ電力が供給される。この際レーザダイオード２６は、電源装置２８からの電力により、励起光２６ａを発する。レーザダイオード２６によって発せられた励起光２６ａは、集光装置２７により集光し、その後励起光２６ａは、固体レーザ媒質２２内の中心部２２ｈを焦点として入射する。固体レーザ媒質２２に励起光２６ａが照射されると、固体レーザ媒質２２からは誘導放出光２１ｂが発生する。そしてこの誘導放出光２１ｂは、固体レーザ媒質２２の底面２２ｅに施された全反射コーティング面２５ｂと部分反射ミラー２９との間で構成される共振器間を往復する間に増幅され、指向性のよいレーザ光２１ａとなる。指向性の良くなったレーザ光２１ａは、部分反射ミラー２９より外部に放出され、不図示の光学系を介して対象物１０に入射し、対象物１０に対して所望のレーザ加工を施す。
【００３４】
以上説明したように第１の実施の形態によれば、固体レーザ媒質２２は、少なくとも一部が略切頭円錐形または略切頭角錐状をなしていることから、固体レーザ媒質２２と冷却機構２３の接触面積を大きくすることができ、固体レーザ媒質２２の冷却効率を向上させることができ、レーザ光出力の安定化を図ることができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態において、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃ全面に全反射コーティング２５ｂを施すのではなく、固体レーザ媒質２２から発生した誘導放出光２１ｂの共振器間における往復動に有効に係わる部分だけに施す。これにより、冷却機構２３と固体レーザ媒質２２の底面２２ｃとは、全反射コーティング部分が介在することなく接触させることが可能となるため、冷却効率をさらに向上させることができる。
【００３６】
次に図２により本発明の変形例について説明する。
【００３７】
図１において、冷却機構２３として冷却媒体２３ａが循環する機構を用いているが、これに限らず図２に示すように、冷却機構としてペルチェ素子等の機能デバイスを用いてもよい。図２は、冷却機構２３として、ペルチェ素子２３ｃを用いた変形例を示す図である。
【００３８】
図２に示すレーザ発生装置３１において、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃには、固体レーザ媒質２２内の熱を吸収するペルチェ素子２３ｃが設けられている。また、ペルチェ素子２３ｃには、ペルチェ素子２３ｃ内の熱を放熱する放熱フィン２３ｄが設けられている。ペルチェ素子２３ｃへは、電源装置３２から駆動用電力が供給される。
【００３９】
第２の実施の形態
次に図３により本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４０】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【００４１】
図３において、レーザ光発生装置４１は、レーザ光２１ａの光軸２４上に設置された２つの固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇを有している。この場合、固体レーザ媒質２２ｆは、前方に位置する固体レーザ媒質であり、固体レーザ媒質２２ｇは、後方に位置する固体レーザ媒質となっている。
【００４２】
図３において、他の構成は図１に示す第１の実施の形態と略同一である。図３において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して詳細な説明は省略する。
【００４３】
各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇの底面２２ｃには、開口部２３ｂを有する冷却機構２３、２３が設けられている。また各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇの側方には、レーザダイオード２６、２６が設けられている。更に各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇと固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇに対応するレーザダイオード２６、２６との間には集光装置２７、２７が設けられている。
【００４４】
電源装置２８は、各レーザダイオード２６、２６に電力を供給し、各レーザダイオード２６、２６は、電源装置２８から電力が供給されると、励起光２６ａを発する。各レーザダイオード２６、２６によって発せられた励起光２６ａは、各集光装置２７、２７により集光し、固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇ内に入射する。
【００４５】
ここで後方に位置する固体レーザ媒質２２ｇにおいて、その上面２２ｄには無反射コーティング２５ａが、また底面２２ｃには全反射コーティング２５ｂがそれぞれ施される点は図１に示した固定レーザ媒質２２と同様であるが、前方に位置する固体レーザ媒質２２ｆにおいては、その上面２２ｄと底面２２ｃのいずれにも無反射コーティング２５ａが施されている。そして後方に位置する固体レーザ媒質２２ｇの底面２２ｃの全反射コーティング面２５ｂと部分反射ミラー２９とで、共振器を構成する。なお、後方に位置する固体レーザ媒質２２ｇの上面２２ｄと底面２２ｃともに無反射コーティングを施し、この固体レーザ媒質２２ｇの底面２２ｃと対向するように全反射ミラーを配置し、この全反射ミラーと部分反射ミラー２９とで共振器を構成するようにしてもよい。
【００４６】
そこで、この構成のレーザ光発生装置４１においては、各レーザダイオード２６、２６からの励起光２６ａが各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇに照射されると、誘導放出光２１ｂが発生し、そして共振器間を往復する間に増幅される。この往復動は、冷却機構２３の開口部２３ｂを通って行われる。共振器間を往復し、増幅された誘導放出光２１ｂは、指向性の良い高出力のレーザ光２１ａとなって部分反射ミラー２９より外部に放出される。その後、高出力のレーザ光２１ａは不図示の光学系により集光され、対象物１０に対して入射する。
【００４７】
以上説明したように第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態が有する効果に加え、固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇの各底面２２ｃに、レーザ光２１ａの光軸２４が通る部分近傍に開口部２３ｂを有する冷却機構２３を設けたことにより、光軸２４上に固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇを複数配置することが可能となる。このことにより、容易に固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇの多段化が可能となり、レーザ光発生装置４１が発するレーザ光２１ａの高出力化が可能となる。また、レーザ光２１ａの光軸２４方向に対する厚さの薄い固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇおよび冷却機構２３を多段化することにより、光軸２４方向に対する厚さの薄いレーザダイオード励起固体レーザヘッドを得ることができ、レーザダイオード励起固体レーザヘッドのコンパクト化が可能となる。
【００４８】
次に本発明の変形例について説明する。
【００４９】
レーザ光発生装置４１は、レーザ光２１ａの光軸２４上に配置された３つ以上の固体レーザ媒質２２を有していてもよい。光軸２４上に配置される固体レーザ媒質２２の数は、必要とするレーザ光２１ａの所望の出力に基づいて決定することができる。すなわち固体レーザ媒質２２の数を増加させれば、それだけレーザ光発生装置４１から生じるレーザ光２１ａの出力を増加させることができる。
【００５０】
第３の実施の形態
次に図４により本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００５１】
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【００５２】
図４においてレーザ光発生装置５１は、固体レーザ媒質５２と、固体レーザ媒質５２に両端面に設けられ固体レーザ媒質５２を冷却するとともに開口部２３ｂを有する一対の冷却機構２３、２３とを備えている。また、固体レーザ媒質５２の側方には、レーザダイオード２６が設けられている。さらにレーザダイオード２６と固体レーザ媒質５２の間には、集光装置２７が設けられている。
【００５３】
次に固体レーザ媒質５２の構造について説明する。固体レーザ媒質５２の形状は、一対の略切頭円錐形を、その両者の切頭部分を向き合わせて円柱部分を介在させて互いに連結されたものとされる。このような構成からなる固体レーザ媒質５２は、全体として糸巻き状の形状を有している。固体レーザ媒質５２の糸巻き状の形状の側面は、回転平面でなくてもよいし、一つの面で構成されていなくてもよい。
【００５４】
図４において、他の構成は図１に示す第１の実施の形態と略同一である。図４において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して詳細な説明は省略する。
【００５５】
図４に示す第３の実施の形態において、第１の実施の形態が有する効果に加え、一対の冷却機構２３、２３によって固体レーザ媒質５２を冷却することにより、固体レーザ媒質５２の冷却効率をより向上させることができる。
【００５６】
なお固体レーザ媒質５２の形状を一対の略切頭円錐形を互いに連結されたものとする例を示したが、これに限らず一対の略切頭角錐形を互いに連結して構成してもよい。
【００５７】
また、図３に示した第２の実施の形態と同様に、固体レーザ媒質５２を光軸２４に沿って複数配置すれば、高出力のレーザ光２１ａを得ることもできる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、容易にレーザ光の高出力化が可能となる。
【００５９】
さらに本発明によれば、固体レーザ媒質を効率的に冷却することができ、レーザ光出力の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ光発生装置の第１の実施の形態を示す全体構成図
【図２】冷却機構の他の例を示す図
【図３】本発明によるレーザ光発生装置の第２の実施の形態を示す全体構成図
【図４】本発明によるレーザ光発生装置の第３の実施の形態を示す全体構成図
【図５】従来のレーザ光発生装置を示す図
【符号の説明】
２１ レーザ光発生装置
２１ａ レーザ光
２２ 固体レーザ媒質
２２ｃ 底面
２２ｄ 上面
２２ｆ 固体レーザ媒質
２２ｇ 固体レーザ媒質
２３ 冷却機構
２３ｂ 開口部
２５ａ 無反射コーティング
２５ｂ 全反射コーティング
２６ 励起光源
２７ 集光装置
２８ 電源装置
２９ 部分反射ミラー
３１ レーザ光発生装置
４１ レーザ光発生装置
５１ レーザ光発生装置
５２ 固体レーザ媒質

Claims (6)

1. 励起光を発する励起光源と、
   この励起光源からの励起光が照射される固体レーザ媒質と、を備え、
   固体レーザ媒質は、略切頭円錐形または略切頭角錐形をなし、上面と、上面の面積より大きな面積からなる底面とを有し、
   上面および底面は、出力されるレーザ光の光軸に対して垂直面となり、
   固体レーザ媒質の底面に、冷却機構を設け、
   当該冷却機構は、レーザ光の光軸が通る部分近傍が開口することを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 固体レーザ媒質の上面の面積は、利得断面積から決定され、
   固体レーザ媒質の底面の面積は、冷却機構による冷却効率から決定されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
3. レーザ光の光軸上に固体レーザ媒質が複数配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
4. 固体レーザ媒質は、一対の略切頭円錐形または一対の略切頭角錐形が互いの切頭部分で連結された形状をしていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
5. 励起光を発する励起光源と、
   この励起光源からの励起光が照射される固体レーザ媒質と、を備え、
   固体レーザ媒質は、略切頭円錐形または略切頭角錐形をなし、上面と、上面の面積より大きな面積からなる底面とを有し、その上面と底面におけるレーザ光軸が通る部分にはコーティングが施され、
   上面および底面は、出力されるレーザ光の光軸に対して垂直面となっており、
   さらに前記底面には、前記レーザ光軸が通る部分近傍に開口部を有する冷却機構が、その開口部が前記コーティングが施された部分に対応するようにして設けられたことを特徴とするレーザ光発生装置。
6. 前記底面と冷却機構との接触面には、両者の接触面積を大きくする処理が施されていることを特徴とする請求項５記載のレーザ光発生装置。

Images