JP4003726B2 - 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents
固体レーザ装置およびレーザ加工装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4003726B2 JP4003726B2 JP2003327739A JP2003327739A JP4003726B2 JP 4003726 B2 JP4003726 B2 JP 4003726B2 JP 2003327739 A JP2003327739 A JP 2003327739A JP 2003327739 A JP2003327739 A JP 2003327739A JP 4003726 B2 JP4003726 B2 JP 4003726B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solid
- laser
- state
- condenser
- semiconductor laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
以下、この発明の実施の形態1を図について説明する。図1は本発明の実施の形態1を示す側面図、図2は断面図である。図1および図2において、1は全反射ミラー、2は部分反射ミラー、3は半導体レーザで、半導体レーザ基台35に、例えば出力200W程度を発生する半導体レーザチップ30がマウントされたものである。4は内面が拡散反射状の集光器で、例えば白色のセラミックや樹脂で構成され、半導体レーザチップ30からのレーザ光を集光器内に導入する開口部31を有する。5は固体素子で、例えばNd:YAGである。6はレーザ光学系であるミラー1,2で構成されたレーザ共振器中に発生したレーザビーム、7は部分反射ミラー2により外部に取り出されたレーザビームである。8は固体素子5を覆うように配置されたフローチューブで、内部に固体素子を冷却するための水等の冷媒を流す。100は基台である。ここで、半導体レーザ3と集光器4から構成された励起ブロック50と、1個の固体素子5との集合体である固体レーザモジュール55を4個、基台100の上に励起ブロックの中心の間隔がLとなるように等間隔に配置している。ここで励起ブロックの中心とは、固体素子5の軸方向に拡がる半導体レーザ励起光分布の重心を意味する。また、励起密度が100W/cm以上となるよう高励起密度になるようにしている。
固体素子間の距離<500(cm)/√M2 (1)
ただし、これを満たす固体素子間の距離で、同じビーム品質、すなわちM2を同じとするには、図3に示すように、固体素子間の距離を短くするほど固体素子の直径は小さくする必要がある。
固体素子の直径<0.1(cm)×√M2 (2)
図4は本発明の実施の形態2を示す横側面図である。実施の形態1では励起ブロック50には固体素子5の軸方向に半導体レーザ3を1個だけ配置した例を説明したが、一つの半導体レーザ3の出力が数10Wといったようにやや小さい場合は、図4に示すように、励起ブロック50には、半導体レーザ3を固体素子5の軸方向に複数個並べてもよい。この場合、励起ブロックの中心は、複数個並んだ半導体レーザから発せられる励起光における、固体素子の軸方向励起光分布の重心で定義される。
通常は、半導体レーザから出射されたレーザ出力のうち、ほとんどが固体素子に吸収されるために、集光器の温度が極端に上昇することはないが、例えば非常に細い固体素子を用いたり、励起分布の均一化のため、内径の大きな集光器を用いた場合、半導体レーザから出された出力の数10%程度が集光器に吸収されることもある。また、半導体レーザの出力が大きい場合にも集光器に吸収される熱量は多くなる。実施の形態3では、図5に示すように、集光器4中に冷却媒体通路40を配置し、この中に例えば水を流し、集光器4を冷却して集光器の温度上昇を防ぐ。
図6は本発明の実施の形態4を示す縦断面図である。図5に示す実施例では、集光器に冷却媒体通路を設けて集光器を冷却する構成を示したが、図6に示すように、アルミやステンレス等の金属でできた、例えば水冷された冷却板41を集光器に押しつけて、集光器を冷却するようにしてもよい。
さらに、集光器表面の熱を廃熱するためには、図7に示すように、フローチューブと集光器の間の距離を狭く、好ましくは0.2mm以下にすることで、集光器表面とフローチューブ間の空気層による断熱の影響が小さくなり、集光器表面の熱をフローチューブ内のロッド冷却水へ廃熱することができる。
図9は本発明の実施の形態6を示す縦断面図である。図9では、半導体レーザの光を、集光器の開口部に挿入された、例えば、サファイアや活性媒質をドープしていないYAG(Yttrium Aluminum Garnet)やガラスを材質とする薄いガラス板よりなる光学素子32により伝送している。半導体レーザの光は薄い板の上下面で全反射しながら伝送される。実験的に得られた伝送効率は97%以上であった。この光学素子の配置により、開口部での損失が減少し、より効率的な動作をさせることができる。
図10は本発明の実施の形態7を示す縦断面図である。実施の形態7では、光学素子として、上下面にテーパのついたウエッジ形状のガラス33を用いている。この場合、発光面積の大きな、例えば2次元アレイのような一個当たりの出力の大きな半導体レーザチップ330を用いて、単位長さ当たりの励起密度を上げることが可能となり、より短い固体素子を用いることができる。このことにより装置が安価になるばかりでなく、従来の動作例で図20を用いて説明したデッドゾーン50を減少させ、効率的なレーザ発振をさせることができる。
また、実施の形態6と同様、光学素子として薄板状のガラスを用い、さらに、図11に示すように、半導体レーザの光をレンズ34で集光して、この薄いガラス板32により伝送しても良い。この場合も、図10の実施例と同様に、発光面の大きな半導体レーザを用いて、単位長さ当たりの励起密度を上げることが可能となり、従ってより短い固体素子を用いることができる。このことにより装置が安価になるばかりでなく、従来の動作例で図20を用いて説明したデッドゾーン50を減少させ、効率的なレーザ発振をさせることができる。
上記実施の形態では、いずれもレーザ共振器により、励起された固体素子からレーザビームを取り出す実施の形態を示したが、励起された固体素子を増幅器として用いても良い。図12に実施の形態9を示す。図1で示した、複数個の固体レーザモジュール55と全反射ミラー1および部分反射ミラー2からなる発振器からのレーザビーム7を、励起ブロックの中心が等間隔になるよう配置された複数個の固体レーザモジュール55の列に入射して増幅させる構成にしている。この実施の形態9では発振器からのレーザビーム7を2つの折り返しミラー20で折り曲げているが、折り返しミラー20を用いずにすべての固体レーザモジュール55を一直線上に配置してもよい。このような増幅器構成においては、共振器構成を取る場合にくらべて、固体素子の位置ずれによる発振光軸の変動を減少させることができる。しかし、増幅器構成で十分な出力を固体素子から取り出すには、固体素子へ入射させるレーザ出力がある一定以上の大きさである必要がある。例えば、直径6mmの固体素子を用いると、発振器からのレーザ出力が2kW程度あれば、増幅器から出力が十分取り出せる。従って、4つの固体素子を発振器に、4つの固体素子を増幅器に用いても、8つの固体素子を発振器に用いても、ほぼ同等の出力が得られ、増幅器構成のほうが安定に動作できる。さらに直径の小さな固体素子を用いれば、発振器の出力は小さくてもよく、2つの固体素子、すなわち2つの固体レーザモジュールで発振器を構成し、その後増幅器に入力する構成でも良い。
図13にこの発明の実施の形態10の固体レーザ装置を示す。図13では発振器に2個の固体レーザモジュール55を配置し、増幅器に2個の固体レーザモジュール55を発振器とレーザ光軸が直線状になるよう配置したものである。77は共振器外部の固体レーザモジュールにより増幅されたレーザビームである。また、dは表裏両面が平面に形成された部分反射ミラー2のレーザビーム7の伝搬方向の厚み、nは部分反射ミラー2のレーザビーム7の波長における屈折率を表す。
図14にこの発明の実施の形態11の固体レーザ装置を示す。図において、5A、5Cは共振器内にある固体素子、5E、5Gは増幅器の固体素子を示す。また固体素子5Aを励起する半導体レーザを3a、3b、5Cを励起する半導体レーザを3c、3d、5Eを励起する半導体レーザを3e、3f、5Gを励起する半導体レーザを3g、3hとする。9は半導体レーザ3a〜3hを駆動するための電源、91は電源9を制御するための制御装置(制御手段)であり、92は半導体レーザ3を駆動する電流を流すための電線、93は制御装置91から電源9に制御信号を伝送するための電線である。電源9は各半導体レーザ3a〜3hにそれぞれ別々に電流を供給するように多出力になっている。また、半導体レーザ毎に個別の電源を用いても良い。
本実施の形態12では、図16のように共振器段の固体レーザモジュールが3個ある場合の半導体レーザの通電開始の順番について述べる。それぞれの固体レーザモジュールの光軸方向に2個の半導体レーザが配置されている場合において、半導体レーザを全反射ミラー1側から3a、3b、3c、3d、3e、3f、固体素子を全反射ミラー1側から5A、5C、5Eとする。まず3bに通電開始すれば、それと全反射ミラー1と部分反射ミラー2との間、すなわち発振器にある励起ブロックの列の中央CCに対して対称な位置にある3eに通電開始し、次にまだ入熱のない中央の固体レーザモジュールの半導体レーザ3d、その次は3dとCCに対して対称な位置にある3c、次に2番目に通電開始した半導体レーザ3eがある固体レーザモジュールにあるもう一方の半導体レーザ3f、最後に3aを通電開始する。このような順番で通電開始することで、それぞれの固体素子への入熱位置が上記固体レーザモジュールの列の中央CCに対してほぼ対称となり、しかも各固体素子への入熱の積分値が等しくなる。以上の場合は3cと3dの順番は逆であってもよい。さらに、次のような順番でも良い。まず中央の固体レーザモジュールにある3cに通電開始し、次に3cの対称位置の3d、次に3a、その次に3aと対称位置の3f、次に3e、最後に3bという順番に通電開始してもよい。この場合は、中央の固体素子5Cに入熱量が他の2個の入熱量より多くなるが、この固体素子5Cは共振器の中央に位置し、この固体素子の熱レンズが他の固体素子の熱レンズと少し異なっていても、発振に及ぼす影響は小さい。固体素子5Aと5Eのように固体レーザモジュールの中央に対して対称な位置にある固体素子の熱レンズ、すなわち入熱量の積分値が等しくなるような順番であればよい。
図17はこの発明の実施の形態13の固体レーザ装置を示す概略図である。これまでの実施の形態では、いずれもレーザ光学系が2枚の対向する共振器ミラーによりレーザ共振器を構成する実施の形態を示したが、本実施の形態では片側の全反射ミラー1のみを配置して、その反対側の固体素子の端面からレーザビーム777を取り出す構成になっている。多段に配置した活性媒質を含む固体素子の端面からの微小な反射光により、全反射ミラー1と固体素子端面との間でレーザ発振が生じ、部分透過ミラーを配置することなくレーザ出力が得られる。また、レーザ媒質の内部側面のガイド効果により、ある一定のビーム品質以上の共振モードのみが発振し、結果としてビーム品質の良いレーザ光が得られる。実際の実験結果により、本構成において、1kW以上の出力をM2=50程度のビーム品質で取り出すことができた。
以上の実施の形態1ないし13の固体レーザ装置をレーザ加工装置に適用すれば、高ビーム品質で安定なレーザ加工装置が得られ、安定で高品質な加工ができる。また、ファイバー伝送によるレーザ加工装置にあっては、ビーム位置が安定なため、ファイバーへの入射位置がずれず、安定にファイバー入射できる。
3、3a〜3j、3a1〜3a4 半導体レーザ
4 集光器
40 冷却媒体通路
5、5A、5C、5E、5G、5I 固体素子
31 開口部
32、33 光学素子
50 励起ブロック
55 固体レーザモジュール
9 電源
91 制御手段
L 励起ブロックの中心の間隔
D 固体素子間の距離
Claims (6)
- 半導体レーザと、上記半導体レーザの光により励起される活性媒質を含む固体素子と、内面の断面形状が円形で、かつ上記内面が拡散反射状に形成され、内部に上記固体素子を配置すると共に、上記半導体レーザからの光を開口部より内部に導入し、上記固体素子の側面に照射する集光器と、上記半導体レーザからの光により励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系と、上記集光器の内部に上記固体素子の周囲を囲むように設けられ、内部を冷却媒体が流れるフローチューブとを備え、上記フローチューブの両端部は、中央部の外径より大きい外径の段部を有し、上記段部を上記集光器内面と接触させることにより、上記フローチューブの両端部の段部を除く中央部の外面と上記集光器内面との間に0.2mm以下の隙間を形成し、上記集光器の熱の一部を上記隙間を介して上記冷却媒体に伝えるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
- 上記集光器の開口部に、上記半導体レーザの光を伝送する光学素子を備えたことを特徴とする請求項1記載の固体レーザ装置。
- 上記集光器を構成する部材内に、上記集光器を直接冷却する冷却媒体通路を設けたことを特徴とする請求項1記載の固体レーザ装置。
- 上記集光器を構成する部材の側面に、上記集光器を直接冷却する冷却板を押しつけた構成としたことを特徴とする請求項1または3記載の固体レーザ装置。
- 出力が1kW以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体レーザ装置を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003327739A JP4003726B2 (ja) | 1999-02-15 | 2003-09-19 | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3553799 | 1999-02-15 | ||
JP2003327739A JP4003726B2 (ja) | 1999-02-15 | 2003-09-19 | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP36633299A Division JP2000307181A (ja) | 1999-02-15 | 1999-12-24 | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004007012A JP2004007012A (ja) | 2004-01-08 |
JP4003726B2 true JP4003726B2 (ja) | 2007-11-07 |
Family
ID=30445325
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003327739A Expired - Fee Related JP4003726B2 (ja) | 1999-02-15 | 2003-09-19 | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4003726B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109888606A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101327523B1 (ko) | 2012-02-15 | 2013-11-08 | 영남대학교 산학협력단 | 레이저 다이오드용 고체 레이저 장치 |
KR102069245B1 (ko) * | 2018-09-07 | 2020-01-22 | 주식회사 한화 | 다중 정렬된 고체 레이저용 여기 용기 |
-
2003
- 2003-09-19 JP JP2003327739A patent/JP4003726B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109888606A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-14 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004007012A (ja) | 2004-01-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4713822A (en) | Laser device | |
JP4584513B2 (ja) | 固体レーザー用の光増幅器装置(Verstaerker−Anordnung) | |
US8270443B2 (en) | Diode-pumped cavity | |
JPH08181368A (ja) | 固体レーザ増幅装置及び固体レーザ装置 | |
Golla et al. | High power continuous-wave diode-laser-pumped Nd: YAG laser | |
KR101857751B1 (ko) | 슬랩 고체 레이저 증폭장치 | |
JP4003726B2 (ja) | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 | |
JP2002033538A (ja) | 半導体レーザ励起固体レーザ装置 | |
JP2000307181A (ja) | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 | |
JP4003725B2 (ja) | 固体レーザ装置およびレーザ加工装置 | |
JPH10294512A (ja) | 固体レーザ装置 | |
US7003011B2 (en) | Thin disk laser with large numerical aperture pumping | |
Du et al. | Lasers for materials processing: specifications and trends | |
US20130250984A1 (en) | Laser element having a thermally conductive jacket | |
Tsunekane et al. | Design and performance of compact heatsink for high-power diode edge-pumped, microchip lasers | |
JP2006203117A (ja) | 固体レーザ装置 | |
KR100348998B1 (ko) | 방사형으로 배치된 여러 개의 직선형 다이오드 레이저를이용한 고체레이저 발생장치. | |
JP2012033818A (ja) | 半導体レーザー励起固体レーザー装置 | |
JP2005136291A (ja) | レーザ加工装置 | |
KR100396676B1 (ko) | 고체 레이저 냉각 장치 | |
JPH11312832A (ja) | 半導体レーザ励起固体レーザ | |
US7058102B2 (en) | High-power solid-state laser | |
US20160141827A1 (en) | Solid State Laser System | |
JP4001077B2 (ja) | 固体レーザ増幅装置及び固体レーザ装置 | |
JP2005260265A (ja) | 側面ポンピングレーザー |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20040629 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070227 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070423 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070522 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070703 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070731 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070813 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120831 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120831 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130831 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |