JP4170890B2 - ロッド型固体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロッド型の固体レーザ媒質より発生させたレーザ光を伝送する光ファイバを備えたロッド型固体レーザ装置に関する。

従来のロッド型固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質より発生させたレーザ光を、光ファイバへ導入する結合レンズの直前に、開口径が固定されたアパーチャを配していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−７８１９０号公報（段落００２１、第１図）

ロッド型固体レーザ媒質に励起光を照射すると、媒質内部で発熱を生じるため、ロッド型固体レーザ媒質中では温度分布が形成される。固体レーザ媒質の屈折率は概ね温度に比例するため、ロッド型固体レーザ媒質はレンズと同様な光学作用を呈するようになる。発熱にともなうレンズ効果であるため、この現象は熱レンズと呼ばれている。ロッド型固体レーザ媒質を強励起した場合、レーザ媒質内の温度差が増大するため、熱レンズの焦点距離は短くなる（熱レンズが強くなる）。従ってロッド型固体レーザ装置では、熱レンズの影響により、レーザ出力に応じてレーザ光の発散角、延いてはビーム径が変化する。

従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザ光を光ファイバへ導入する結合レンズの手前に、開口径が固定されたアパーチャを配していた。このため、固体レーザ媒質の熱レンズに対応し、レーザ光のビーム径が変化する際に、アパーチャを通過するレーザ光の透過率も変化するため、発振器出力に対するファイバ出射出力の割合を一定値に維持することができないという問題点があった。

また、レーザ発振開始時等、ロッド型固体レーザ媒質の熱時定数により、熱レンズの強さが過渡的に変化する場合、熱レンズに応じてアパーチャを通過するレーザ光の透過率も変化するため、出力が指定値へ至るまでの時間に遅延が生じ、レーザ発振開始点と加工開始点に時間および位置的なずれが発生し、加工品質が低下するという問題点があった。

更に、従来のロッド型固体レーザ装置においては、レーザ光を光ファイバへ導入する結合レンズの手前に配置するアパーチャの開口径が固定されていたため、アパーチャの開口径を縮小することにより、光ファイバへ入射するレーザ光の入射角を制限し、光ファイバ出射後のレーザ光の集光性を向上させることができない、もしくは、アパーチャの開口径を拡大することにより、ファイバへ入射するレーザ光の入射角を増加させ、光ファイバへ入射するレーザ光の出力を増加させることができないという問題点があった。

また、光ファイバへ入射するレーザ光の出力を増加させるため、結合レンズの手前に配置するアパーチャの開口径を、光ファイバに対する入射半角０．１５ラジアン以上に設定した場合、ファイバ出射後のレーザ光の集光性が低くなるため、安価な平凸レンズでは、球面収差の影響が顕在化し、集光が困難になるという問題点があった。このため、光ファイバに対するレーザ光の入射半角が０．１５ラジアン以上となる場合、収差を補正するため高価な組レンズを使用する必要が生じるという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ロッド型固体レーザ媒質の熱レンズが変化した場合であっても、レーザ光を光ファイバへ導入する結合レンズの手前に配置するアパーチャの透過率を一定に維持するとともに、所望する用途に応じて、ファイバへ入射するレーザ光の入射角の調整を可能とし、更に、光ファイバに対するレーザ光の入射半角が０．１５ラジアン以上となる場合であっても、収差の影響を抑え、優れた加工性能を得ることができるロッド型固体レーザ装置を提供することを目的としている。

本発明に係るロッド型固体レーザ装置においては、光軸に沿って直列に配置された単一もしくは複数のロッド型固体レーザ媒質、ロッド型固体レーザ媒質を励起する励起光源、励起光源によって励起されたロッド型固体レーザ媒質よりレーザ光を取り出す光共振器、光共振器により取り出されたレーザ光を光ファイバへ導光する結合レンズ、結合レンズへの入射ビーム径を制限するアパーチャ、レーザ光を所望の位置へ伝送する光ファイバを備えたロッド型固体レーザ装置において、該アパーチャの開口径を可変にするとともに開口径を制御する制御手段を設けたものである。

本発明は以上説明したように、結合レンズへの入射ビーム径を制限するアパーチャを備え、アパーチャの開口径を可変にするとともに開口径を制御する制御手段を設けたので、固体レーザ媒質の熱レンズが変化した場合であっても、光ファイバへ導光するレーザ出力の割合を一定に保つことができる効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置を示す構成図である。図１において、１はロッド型固体レーザ媒質、２はロッド型固体レーザ媒質１を励起するため、ロッド型固体レーザ媒質１の側方に設置された励起光源、３は全反射鏡、４は部分反射鏡であり、全反射鏡３と部分反射鏡４は光共振器を構成している。５は部分反射鏡４から出射するレーザ光、６はレーザ光５の発散角を補正する伝送レンズ、７はレーザ光を集光する結合レンズ、８は結合レンズ７に入射するレーザ光のビーム径を制限するアパーチャで、開口径を可変にする虹彩式の調整機構が設けられている。９はレーザ光を所望する位置に伝送する光ファイバ、１０は一定割合のレーザ光５を直角に折り曲げるビームスプリッタ、１１は光共振器より取り出されたレーザ光の出力を検知する検知手段である出力モニタ、１２はアパーチャ８の開口径を制御する制御手段である制御装置である。

図２は本実施に形態において使用しているアパーチャ８を示す構成図である。図２において、８０１は開口、８０２はベーン、８０３はフレーム、８０４は外周リング、８０５はステップモータである。ここで開口８０１を構成するベーン８０２は、高融点材料であるタングステンにて形成されており、ベーン８０２の表面には、レーザ光を反射するための金メッキおよび金メッキの剥離を防止するための誘電体コーティングが施されている。本実施の形態にて使用するアパーチャ８は、アクチュエータであるステップモータ８０５を用いて、外周リング８０４を直接回転させることにより、複数のベーン８０２から構成される虹彩構造の開口８０１を自動的に開閉する。

次に本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態におけるロッド型固体レーザ媒質１には、活性媒質としてＮｄ（ネオジウム）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用しており、２本のロッド型固体レーザ媒質１が、光軸に沿って直列に配設されている。各々のロッド型固体レーザ媒質１の側方には、半導体レーザからなる励起光源２が備えられており、ロッド型固体レーザ媒質１側方より励起光を照射することにより、ロッド型固体レーザ媒質１を励起する。励起されたロッド型固体レーザ媒質１中には、レーザ上準位の電子分布密度と、レーザ下準位の電子分布密度が逆転する反転分布が形成される。レーザ上準位に位置する電子が、レーザ下準位へ遷移する際、自然放出光が発生する。自然放出光は、全反射鏡３および部分反射鏡４からなる光共振器中を往復し、誘導放出による増幅を繰返しながら、徐々に指向性に優れたレーザ光５へと成長する。全反射鏡３および部分反射鏡４からなる光共振器中のレーザ光５は、部分反射鏡４へ入射する際、部分反射鏡４の透過率に相当する割合のみ光共振器外部へ出射する。部分反射鏡４から光共振器外部へ出射したレーザ光５は、ビームスプリッタ１０を経て伝送レンズ６へ入射する。伝送レンズ６によってレーザ光５の発散角は補正され、一定値以下のビーム径を維持しながら、レーザ光５は結合レンズ７へ入射する。結合レンズ７によりレーザ光５は集光され、ステップインデックス型の光ファイバ９へ導光される。

ステップインデックス型の光ファイバ９の芯線は、芯線中央部に位置しレーザ光を伝送するコア部と、コア部周囲に接するクラッド部より構成される。コア部の屈折率はクラッド部の屈折率より高くなるよう設定されており、コア部とクラッド部間の屈折率差による内部全反射によって、レーザ光はコア内部に閉じ込められ光ファイバ９中を伝搬する。光ファイバへ導光するレーザ光の入射角は、内部全反射の臨界角によって制限されており、許容値を超える入射角成分がファイバ内部に導光された場合、コア部とクラッド部間の屈折率差による内部全反射を維持することができず、レーザ光はコア部からクラッド部へ漏洩する。この結果、許容値を超える入射角成分の光ファイバ９への浸入は、伝送効率低下の原因になることに加え、外部被覆を損傷する等故障の原因にもなっていた。またレーザ光の集光性が低く、光ファイバ９の入射端面において、ビーム径が光ファイバ９の芯線のコア部直径より大きくなる場合も、レーザ光の一部がクラッド部へ浸入するため、伝送効率低下および故障の原因となる。

本実施の形態に示すように、結合レンズ７の手前にアパーチャ８を設置すれば、光ファイバ９の許容値を超える入射角成分の浸入を防止するとともに、レーザ光のビーム外郭部に発生する自然放出増幅光や散乱光等低集光成分を除去し、高い伝送効率を維持しながら、高い信頼性のもとで、レーザ光の光ファイバ伝送を行うことができる。しかしながら、ロッド型固体レーザ媒質１を使用した場合、励起光源２より発せられる励起光の強度によって、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズの焦点距離が変化するため、全反射鏡３および部分反射鏡４より構成される光共振器を出射するレーザ光５のビーム径および発散角も出力とともに変化し、延いては結合レンズ７上のビーム径も変化する。本実施の形態においては、ビームスプリッタ１０を用いて、一定割合のレーザ光５を直角に折り曲げ、これを出力モニタ１１で検知することにより、制御装置１２を用いて結合レンズ７上でのビーム径を計算し、アパーチャ８の開口径を制御している。

図３は本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置において、結合レンズ上のビーム径および結合レンズ手前に設置したアパーチャの開口径を、レーザ出力に対しプロットしたグラフである。図３において、１０１はビーム径、１０２は本実施の形態におけるアパーチャ８の開口径、１０３は従来のロッド型固体レーザ装置におけるアパーチャの開口径を示している。本実施の形態においては、レーザ出力の増加とともに結合レンズ７上のビーム径１０１が小さくなるよう、伝送レンズ６の位置および焦点距離を設計している。また本実施の形態におけるアパーチャ８の開口径１０２は、結合レンズ７上のビーム径に対し、１ｍｍ大きくなるよう制御している。一方、従来のロッド型固体レーザにおけるアパーチャ開口径１０３は、定格出力における結合レンズ７上のビーム径に対し、１ｍｍ大きくなるよう設定されており、レーザ出力に依らず一定値に固定されている。

図４は本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置と、従来のロッド型固体レーザ装置におけるアパーチャ透過率を、レーザ出力に対しプロットしたグラフである。図４において、１０４は本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置のアパーチャ透過率、１０５はアパーチャ径が固定された従来のロッド型固体レーザ装置のアパーチャ透過率を示している。図４に示すように、従来のロッド型固体レーザ装置においては、低出力域にてレーザ光５のアパーチャ８によるけられが増加し、透過率は７０％以下にまで低下している。一方、本実施の形態においては、結合レンズ７上でのビーム径の変化に対応し、アパーチャ８の開口径を制御しているため、レーザ出力に依らず常に９５％以上のアパーチャ透過率を維持し、レーザ光５の利用効率を飛躍的に高めることが可能になる。

また本実施の形態のロッド型固体レーザ装置においては、出力モニタ１１にて検知したレーザ出力に対し、光ファイバ９に導光するレーザ出力の割合を略一定に保つことができるので、加工点におけるレーザ出力の推算が容易になり、加工条件の設定を簡単に行うことができる。

なお、本実施の形態においては、２本のロッド型固体レーザ媒質１を直列に配置する構成を示したが、ロッド型固体レーザ媒質の数はこれに限るものではなく、所望する出力、集光性に応じて、使用するロッド型固体レーザ媒質１の数を選定すればよい。

また、本実施の形態においては、部分反射鏡４と結合レンズ７の間に単一の伝送レンズ６を配し、結合レンズ７へレーザ光５を導光する構成を示したが、伝送レンズ６の構成はこれに限るものではなく、レーザ光５の伝送距離、結合レンズ７の焦点距離、光ファイバ９のコア部直径に応じて単数もしくは複数のレンズを使用し、所望する光学系を設計すればよい。

実施の形態２．
図５は、図１に示す前記実施の形態と同一構成を有するロッド型固体レーザ装置において、励起強度を非励起状態から定格出力へステップ的に変化させた際の、結合レンズ７上におけるビーム径およびアパーチャ８開口径の時間変化をプロットしたグラフである。図５において、１０６は結合レンズ７上におけるビーム径の時間変化、１０７は本実施の形態におけるアパーチャ８の開口径の時間変化を示している。また１０８は従来のロッド型固体レーザ装置におけるアパーチャ開口径の設定値である。

図５に示すように、励起を開始してからビーム径は経時的に減少し、約１秒後に概ね定常値へ到達している。励起強度のステップ的な変化に対するビーム径変化の時間遅れは、ロッド型固体レーザ媒質１が熱平衡へ達し、熱レンズの焦点距離が定常値へ至るまでに要する時間、即ち熱時定数に起因するものである。ロッド型固体レーザ媒質１の熱時定数は、ロッド型固体レーザ媒質１の物性値、寸法、保持構造、冷却方法等によって決まり、励起強度に依らず一定である。本実施の形態においては、ロッド型固体レーザ媒質１の熱時定数に対応した遷移時間Ｔ１を予め設定し、励起強度変更前の状態からアパーチャ８の開口径初期値を算出するとともに、励起開始後のレーザ出力到達値から開口径目標値を算出し、励起強度のステップ的な変化と同時に、開口径初期値から開口径目標値に向かい、遷移時間Ｔ１でアパーチャ８の開口径が経時的に変化するよう制御装置１２を用いて制御している。

図６は、図５において示した本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置と、アパーチャ開口径が固定された従来のロッド型固体レーザ装置において、励起強度を非励起状態から定格出力へステップ的に変化させた際の、アパーチャ透過率の時間変化をプロットしたグラフである。図６中、１０９は本実施の形態のロッド型固体レーザに対するアパーチャ透過率、１１０は従来のロッド型固体レーザに対するアパーチャ透過率の時間変化を示している。本実施の形態におけるアパーチャ透過率１０９は、０．１秒以下で９０％以上に到達している。一方、従来のロッド型固体レーザ装置においては、アパーチャ透過率９０％の到達に０．５秒以上の時間を要する。ロッド型固体レーザ媒質１から光共振器によって取り出されるレーザ出力は、励起強度の変化に対し、１００マイクロ秒以下の時間で追従するため、図６に示すアパーチャ透過率の時間変化は、出力の変化と考えて差し支えない。

本実施の形態に示すように、ロッド型固体レーザ媒質１の熱時定数に対応し、結合レンズ７上のビーム径の過渡的な変化に合わせ、アパーチャ８の開口径も経時的に変化するよう制御すれば、アパーチャ８を通過するレーザ光の透過率を高い値に維持し、レーザ発振開始点と加工開始点との間に、時間および位置的なずれを発生させることなく、優れた加工品質を得ることができる。

本実施の形態においては、非励起状態から定格出力へ出力を増加させる場合について、アパーチャ開口径の制御方法を示したが、任意のレーザ出力から任意のレーザ出力へ励起強度をステップ的に変化させる場合であっても、励起強度変更前の出力と、励起強度変更後の出力からアパーチャ開口径の初期値と目標値を算出し、遷移時間T1にてアパーチャ開口径を初期値から目標値へ経時的に変化するよう制御すれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
図７は、ステップインデックス型の光ファイバを用いたレーザ光の伝送を模式的に示す説明図である。図７において図1と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。図７中、９１はステップインデックス型の光ファイバ９のコア部を示しており、コア部９１はｄなる直径を有している。９２は光ファイバ９のクラッド部である。レーザ光５は、結合レンズ７により集光され、光ファイバ９のコア部９１に導入される。光ファイバ９に導入されたレーザ光５は、コア部９１とクラッド部９２間の屈折率差による内部全反射によってコア内部９１に閉じ込められ、光ファイバ９中を伝搬し出射端に至る。ここで光ファイバ９への最大入射角をθ１とし、光ファイバからの最大出射角をθ２とすれば、光ファイバ９内において、ビーム発散角は概ね保存されることから、（１）式の関係で結ぶことができる。
θ１≒θ２ ・・・・（１）
光ファイバ９への最大入射角θ１は、アパーチャ８の開口径ａ、および結合レンズ７の焦点距離Ｌにて規定されており、（２）式で与えられる。
θ１＝ｔａｎ^−１（ａ／２・Ｌ）≒ａ／２・Ｌ ・・・・（２）
またレーザ光の集光性は、集光点即ちビームウェストの半径とビーム発散角の積で表され、この値はビームパラメータと呼ばれている。集光径を一定と考えれば、ビームパラメータの値はビーム発散角に比例する。即ち、ビームパラメータの値が小さい程、発散角が小さく集光性は高くなる。ステップインデックス型の光ファイバ中を伝搬するレーザ光は、内部全反射を繰返しながら強度分布が均一化される。この結果、光ファイバ入射前のビームウェスト径に依らず、光ファイバ出射後のビームウェスト径は、光ファイバのコア径に光学的に等しくなる。従って光ファイバ出射後のビームパラメータは（３）式で与えられる。但し、ビームパラメータを計算する際に使用する発散角は、２次モーメント径に概ね相当する最大入射角θ１および最大出射角θ２の３分の２の値で定義する。
光ファイバ出射後のビームパラメータ＝θ２・ｄ／３≒θ１・ｄ／３≒ａ・ｄ／６・Ｌ ・・・・（３）
即ち、結合レンズ７の焦点距離Ｌ、および光ファイバのコア径ｄを一定と考えれば、光ファイバ出射後のビームパラメータは、結合レンズ７の手前に配置するアパーチャ８の開口径によって調整することができる。

従来のロッド型固体レーザ装置において、レーザ光の集光性を変更するためには、結合レンズ７の手前に設置するアパーチャ８の交換や、共振器長の変更、ロッド型固体レーザ媒質１の直径変更等、装置の改造を要していた。本実施の形態によれば、アパーチャ８の開口径を可変にする調整機構、および開口径を制御する制御装置１２が設けられているので、装置を改造することなく瞬時にレーザ光の集光性を変更し、所望する用途に最適な集光性を維持し、高い加工性能、加工品質を得ることができる。

本実施の形態では、ロッド型の固体レーザ媒質を使用する固体レーザ装置について示したが、固体レーザ媒質の形状はこれに限るものではなく、例えばスラブ型やディスク型の固体レーザ媒質を用いた固体レーザ装置においても、同様な効果を得ることができる。

実施の形態４．
図８は平面からなる全反射鏡および部分反射鏡で構成する対称安定型の光共振器を使用し、単一のロッド型固体レーザ媒質から取り出すことが可能な最大レーザ出力を、ファイバ出射後のビームパラメータに対しプロットしたグラフである。図８において、１１１は図１と同様な構成を有する本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置の、ビームパラメータおよび最大レーザ出力の設定値を示しており、ビームパラメータは３５ｍｍ・ｍｒａｄ、単一の固体レーザ媒質から取り出す最大レーザ出力は１３００Ｗに設定している。１１２は、従来のロッド型固体レーザにおけるレーザ出力およびビームパラメータの設定領域を示している。なお図８中の曲線は、固体レーザ媒質としてＮｄ（ネオジウム）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用した場合の特性である。

ロッド型固体レーザ媒質に安定型共振器を適用した場合、最大レーザ出力はロッド型固体レーザ媒質の熱レンズの焦点距離によって決定される。平面鏡を用いた対称安定型共振器の場合、レーザ媒質の熱レンズ焦点距離が、全反射鏡と部分反射鏡との間の光学距離である共振器長の４分の１より短くなると安定な発振が困難になりレーザ出力の発生が不可能になる。ロッド型固体レーザ媒質の焦点距離は、励起光吸収量、即ちレーザ出力に概ね半比例する。一方、集光性を表すビームパラメータは、共振器長を長くするほど小さくなる。従って、共振器長を短く設定し、ビームパラメータを大きくすることにより、単一のロッド型固体レーザ媒質から取り出すことが可能な最大レーザ出力を増加させることができる。

通常、集光強度の観点から、固体レーザ装置で使用される光ファイバのコア径の最大値は０．６ｍｍである。コア径が０．６ｍｍ以上になると、集光強度の低下から溶接や切断等一般的な加工用途への適用が困難になる。コア径０．６ｍｍのステップインデックス型の光ファイバにより伝送が可能なビームパラメータの最大値はおよそ４０ｍｍ・ｍｒａｄで、ビームパラメータがこの値を越えると、内部全反射によってレーザ光をコア内部に閉じ込めることは困難になる。一方、これまで製品化がなされているロッド型固体レーザ装置は、何れも２５ｍｍ・ｍｒａｄ以下の領域で使用されており、単一のロッド型固体レーザ媒質から発生させるレーザ出力は最大でも１０００Ｗである。２５ｍｍ・ｍｒａｄ以上のビームパラメータでは、集光時の焦点深度が浅くなるとともに、安価な平凸レンズを使用した場合、球面収差の影響が顕れ、集光ビーム径が拡大するため、用途が制限され汎用性が低下する。

一方、本実施の形態においては、ビームパラメータは３５ｍｍ・ｍｒａｄ、単一のロッド型固体レーザ媒質から取り出す最大レーザ出力は１３００Ｗに設定している。本実施の形態においては、アパーチャ８の開口径を可変にする調整機構、ならびに開口径を制御する制御装置１２が設けられているので、最大レーザ出力１３００Ｗ以下の領域であれば、装置を改造することなく、図８に示す曲線上の任意の条件へ、ビームパラメータを設定することが可能になる。この結果、ロッド型固体レーザ装置の汎用性は著しく向上し、集光性を必要としない薄板の高速加工から、集光性が必要となる曲面の３次元加工まで、所望する用途に合わせてビーム条件を最適化することにより、高い加工性能、加工品質を得ることができる。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５におけるロッド型固体レーザ装置の光ファイバ、ならびに光ファイバ出射後の光学系を示す模式図である。発振器構成については、前記実施の形態４と同様である。図９において１３は光ファイバ９を出射したレーザ光を平行化するための平凸型からなるコリメートレンズ、１４は平行化されたレーザ光を集光し、被加工物１５へ照射する平凸型からなる加工レンズである。本実施の形態で使用するコリメートレンズ１３、加工レンズ１４はともに、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料にて形成されている。また本実施の形態における光ファイバ９のコア部９１の直径は０．６ｍｍであり、コリメートレンズ１３および加工レンズ１４の設置位置および焦点距離は、光ファイバ９の出射端面と被加工物１５の表面が倍率１対１の転写の関係になるよう設定している。従って収差がない理想的な条件においては、被加工物上のビーム径は０．６ｍｍになる。

図１０は、各種レンズを使用し、コア部直径０．６ｍｍの光ファイバ端面を倍率１対１で転写した際の転写ビーム径計算値を、光ファイバからの最大出射角θ２に対しプロットしたグラフである。図１０において、１６は単一屈折率の材料で形成された通常の平凸レンズ、１７は複数のレンズを組合せ一体化した組レンズ、１８は本実施の形態で使用している光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料により形成された平凸レンズに対する転写ビーム径計算値を示している。

光ファイバ出射後のコリメートレンズ、および加工レンズには、安価な平凸レンズが使用されることが一般的であるが、図１０に示すように、光ファイバから最大出射角θ２の増加とともに、レンズ外周部に入射するビームの割合が増加し、球面収差の影響が顕著になる。この結果、最大出射角θ２の値が０．１５ｒａｄを越えると転写ビーム径は０．７ｍｍ以上にまで増加する。通常、収差の影響を補正する場合には、複数の単レンズを組合せて一体化した組レンズが使用される。図１０に示すように、組レンズを使用した場合、球面収差の影響を抑制し、最大出射角θ２が０．２ｒａｄに至るまで転写ビーム径を０．６５ｍｍ以下の値に維持することができる。しかしながら、平凸型の単レンズに比べ組レンズは高価であり、ロッド型固体レーザ装置の製造コストを増加させる要因となる。本実施の形態に示すように、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料によって形成された平凸レンズを使用すれば、球面収差の影響を抑制するとともに、通常の単一屈折率材料で形成された平凸レンズと同等のコストで、組レンズと同等の集光性能を得ることができる。

特に本実施の形態におけるロッド型固体レーザ装置は、従来のロッド型固体レーザ装置に比べ、ファイバ出射後のビームパラメータを従来のロッド型固体レーザ装置に比べ高い値に設定し、単一のロッド型固体レーザ媒質１より取り出す最大レーザ出力を増加させる構成としているため、従来の単一屈折率材料からなる平凸レンズを使用した場合、球面収差の影響がより強く発生する。本実施の形態に示すように、光ファイバ出射後のコリメートレンズ１３、および加工レンズ１４に、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料で形成された平凸レンズを使用すれば、光ファイバからの最大出射角θ２の値が０．１５ｒａｄを越える場合であっても、球面収差の影響を効果的に抑制し、転写ビーム径の値を略一定に保つことが可能になることに加え、安価な構成のもとで高い加工性能、加工品質を得ることができる。

本実施の形態においては、ファイバ出射後のコリメートレンズ１３および加工レンズ１４に、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料で形成した平凸レンズを使用する構成を示したが、径方向に対し屈折率が連続的に変化する材料を使用し、球面収差を補正する平凸レンズを使用しても、同様な効果を得ることができる。

また、ファイバ出射後のコリメートレンズ１３および加工レンズ１４に、メニスカス形状のレンズや非対称の両凸レンズを使用しても、通常の平凸レンズと同等のコストを維持しながら、球面収差の影響を改善することができる。

実施の形態６．
なお上記実施の形態１乃至実施の形態５においては、虹彩構造からなるアパーチャ８を使用する構成について説明したが、アパーチャ８の構造はこれに限るものではなく、例えば図１１に示すように、径が異なる複数の開口８０１を同心円上に備えた円盤８０６を、アクチュエータであるサーボモータ８０５を用いて高速で切り換える構成としてもよい。何れにせよアパーチャ８の構造に依らず、開口径を可変する機能を有していれば、前記実施の形態１乃至実施の形態５と同様な効果を得ることができる。

実施の形態７．
上記実施の形態１乃至実施の形態６においては、何れも結合レンズ７への入射ビーム径を制限するアパーチャ８の開口径を可変にする構成について述べたが、実施の形態５と同じく光ファイバ９を出射したレーザ光を平行化するためのコリメートレンズ１３、ならびに平行化されたビームを集光する加工レンズ１４に、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料で形成した平凸レンズを使用すれば、結合レンズ７への入射ビーム径を制限するアパーチャ８の開口径を、光ファイバ９への最大入射角θ１の値が０．１５ｒａｄ以上で、且つ光ファイバ９の許容入射角度以下となる値に固定しても、ロッド型固体レーザ媒質１の熱レンズ変化に依らず、高いアパーチャ透過率を略維持しながら、球面収差の影響を補正し、優れた加工性能、加工品質を得ることができる。

また本実施の形態においては、光ファイバ９への最大入射角θ１の値を０．１５ｒａｄ以上とすることができるので、例えばコア部直径０．６ｍｍの光ファイバを使用した場合、光ファイバ出射後のビームパラメータを３０ｍｍ・ｍｒａｄ以上の値へ設定することが可能になり、図８に示すように、単一のロッド型固体レーザ媒質から発生する最大レーザ出力を、従来のロッド型固体レーザ装置に比べ高い値へ設定することができる。

加えてコリメートレンズ１３および加工レンズ１４に、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料で形成した平凸レンズを使用するので、優れた加工性能、加工品質、高い生産性を維持しながら、単位レーザ出力の発生に要するロッド型固体レーザ装置の製造コストを大幅に削減することができる。

ところで上記説明では、ロッド型固体レーザ媒質の励起光源に半導体レーザを使用する構成について示したが、励起光源の種類はこれに限るものではなく、例えば放電ランプを使用しても同様な効果を得ることができる。

また上記説明では、ロッド型固体レーザ媒質として、Ｎｄ（ネオジウム）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用した構成について示したが、固体レーザ媒質の種類はこれに限るものではなく、例えばリン酸ガラスやバナデート結晶等を使用した場合であっても、同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１におけるアパーチャを示す構成図である。 本発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置において、結合レンズ上のビーム径および結合レンズ手前に設置したアパーチャの開口径をレーザ出力に対しプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態１におけるロッド型固体レーザ装置と、従来のロッド型固体レーザ装置におけるアパーチャ透過率を、レーザ出力に対しプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態２におけるロッド型固体レーザ装置において、励起強度を非励起状態から定格出力へステップ的に変化させた際の、結合レンズ上におけるビーム径、ならびアパーチャ開口径の時間変化をプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態２におけるロッド型固体レーザ装置と、アパーチャ開口径が固定された従来のロッド型固体レーザ装置において、励起強度を非励起状態から定格出力へステップ的に変化させた際の、アパーチャ透過率の時間変化をプロットしたグラフである。 ステップインデックス型の光ファイバを用いたレーザ光の伝送を模式的に示す説明図である。 平面からなる全反射鏡および部分反射鏡で構成する対称安定型の光共振器を使用し、単一のロッド型固体レーザ媒質から取り出すことが可能な最大レーザ出力を、ファイバ出射後のビームパラメータに対しプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態５におけるロッド型固体レーザ装置の光ファイバ、ならびに光ファイバ出射後の光学系を示す模式図である。 コア部直径０．６ｍｍの光ファイバ端面を倍率１対１で転写した際の転写ビーム径計算値を、光ファイバからの最大出射角に対しプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態６におけるアパーチャを示す構成図である。

符号の説明

１ ロッド型固体レーザ媒質
２ 励起光源
３ 全反射鏡
４ 部分反射鏡
５ レーザ光
７ 結合レンズ
８ アパーチャ
９ 光ファイバ
１１ 出力モニタ
１２ 制御装置
１３ コリメートレンズ
１４ 加工レンズ
８０１開口

Claims (3)

1. 光軸に沿って直列に配置された単一もしくは複数のロッド型固体レーザ媒質と、
   ロッド型固体レーザ媒質を励起する励起光源と、
   励起光源によって励起されたロッド型固体レーザ媒質よりレーザ光を取り出す光共振器と、
   光共振器により取り出されたレーザ光を光ファイバへ導光する結合レンズと、
   結合レンズへの入射ビーム径を制限するアパーチャと、
   レーザ光を所望の位置へ伝送する光ファイバと
   前記光共振器より取り出されたレーザ光の出力を検知する検知手段と、
   前記検知手段により検知した出力に基づき前記アパーチャの開口径を可変にするとともに開口径を制御する制御手段とを備え、
   前記ロッド型固体レーザ媒質の熱時定数に対応する遷移時間を設定するとともに、レーザ光の出力を変化させる際に、この遷移時間をもって前記アパーチャの開口径を、初期値から目標値へ経時的に変化させることを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
2. 請求項１に記載のロッド型固体レーザ装置において、光ファイバ出射時のビームパラメータを３０ｍｍ・ｍｒａｄ以上に設定することを特徴とするロッド型固体レーザ装置。
3. 請求項２に記載のロッド型固体レーザ装置において、光ファイバを出射したレーザ光を平行化するためのコリメートレンズ、ならびに平行化されたビームを集光する加工レンズに、光軸方向に対し屈折率が連続的に変化する材料で形成した平凸レンズを使用することを特徴とするロッド型固体レーザ装置。

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