JP4187678B2 - Solid state laser equipment - Google Patents
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Description
本発明は、固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させる固体レーザ装置に係り、とりわけ、固体レーザ媒質を均一に且つ効率良く励起することができる固体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a solid-state laser device that excites a solid-state laser medium with excitation light to output laser light, and more particularly to a solid-state laser device that can uniformly and efficiently excite a solid-state laser medium.
従来から、この種の固体レーザ装置としては、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、レーザロッドへ向けて励起光を出射する励起光源と、励起光源から出射された励起光をレーザロッドに導く励起光学系と、レーザロッドを冷却する冷却機構とを備えたものが知られている。 Conventionally, as this type of solid-state laser device, a cylindrical laser rod made of a solid-state laser medium, an excitation light source that emits excitation light toward the laser rod, and excitation light emitted from the excitation light source are used as laser rods. An apparatus including a pumping optical system for guiding and a cooling mechanism for cooling the laser rod is known.
ところで、このような固体レーザ装置においては、レーザロッドを均一に且つ効率良く励起することが重要であり、そのための方法として、特許文献1には、レーザロッドの外周面を取り囲むフローチューブの外周面に沿って、拡散反射面を持つ集光器(拡散集光器)を配置し、励起光源から拡散集光器へ導かれた励起光を当該拡散集光器内で多重反射させた上でレーザロッドに照射する方法が提案されている。
By the way, in such a solid-state laser device, it is important to uniformly and efficiently excite the laser rod. As a method for that purpose,
また、特許文献2〜4には、レーザロッドの外周面を取り囲むフローチューブの外方に複数の励起光源を配置し、励起光源の位置に応じた複数の方向から励起光をレーザロッドに照射する方法が提案されている。 Further, in Patent Documents 2 to 4, a plurality of excitation light sources are arranged outside the flow tube surrounding the outer peripheral surface of the laser rod, and the laser rod is irradiated with excitation light from a plurality of directions according to the position of the excitation light source. A method has been proposed.
図5は、特許文献2〜4で提案されている従来の固体レーザ装置を説明するための図である。図5に示すように、従来の固体レーザ装置100において、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッド130の外方には、その外周面を取り囲むように円筒状のフローチューブ150が配置されている。フローチューブ150の外周面には、その一部に光学的なスリット170a,170b,170cを形成するように残りの部分に反射コート部160a,160b,160cが形成されている。また、フローチューブ150の外方には、フローチューブ150の外周面に形成されたスリット170a,170b,170cへ向けて励起光を出射する励起光源としてのレーザダイオード110a,110b,110cと、レーザダイオード110a,110b,110cから出射された励起光をスリット170a,170b,170cを介してフローチューブ150の内部へ導く導光用レンズとしてのシリンドリカルレンズ120a,120b,120cとが設けられている。
FIG. 5 is a diagram for explaining a conventional solid-state laser device proposed in Patent Documents 2 to 4. In FIG. As shown in FIG. 5, in a conventional solid-
このような構成からなる固体レーザ装置100において、各レーザダイオード110a,110b,110cから各スリット170a,170b,170cを介してフローチューブ150の内部に導かれた励起光はその大半がレーザロッド130に照射され、残りの一部が、フローチューブ150に関してスリット170a,170b,170cの反対側に位置する反射コート部160a,160b,160c(例えば、スリット170aを介して導かれた励起光であれば反射コート部160b)で反射された後に再度レーザロッド130に照射される。なお、レーザロッド130の外周面とフローチューブ150の内周面との間の空間140には冷却水(図示せず)が流されるようになっており、これによりレーザロッド130が冷却される。
しかしながら、上記特許文献1に記載された方法では、拡散集光器内で多重反射された励起光がレーザロッドに多数の方向から照射されてレーザロッドが均一に励起されるものの、拡散集光器内での多重反射のためにレーザロッドに照射される励起光の効率が低下してしまうという問題がある。
However, in the method described in
一方、上記特許文献2〜4に記載された方法では、励起光源の位置に応じた複数の方向から出射された励起光がレーザロッドに直接照射されるので、レーザロッドが効率良く励起される。しかしながら、上記特許文献2〜4に記載された方法では、図5からも明らかなように、励起光の発光分布の均一性が単純に励起光源の数に依存したものとなるので、励起光の発光分布を均一にするためには多数の励起光源を配置しなければならないという問題がある。 On the other hand, in the methods described in Patent Documents 2 to 4, since the excitation light emitted from a plurality of directions according to the position of the excitation light source is directly irradiated to the laser rod, the laser rod is efficiently excited. However, in the methods described in Patent Documents 2 to 4, as is clear from FIG. 5, the uniformity of the emission distribution of the excitation light simply depends on the number of excitation light sources. In order to make the light emission distribution uniform, there is a problem that a large number of excitation light sources must be arranged.
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、固体レーザ媒質からなるレーザロッドを簡易な構成で均一に且つ効率良く励起することができる固体レーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide a solid-state laser device that can uniformly and efficiently excite a laser rod made of a solid-state laser medium with a simple configuration. .
本発明は、固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させる固体レーザ装置において、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、前記レーザロッドの外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のスリーブと、前記スリーブの外周面のうち三角形断面の頂角部に光学的なスリットを形成するようにその残りの辺部に設けられた反射部材と、前記スリーブの外方に配置され、前記スリーブの外周面に形成された前記スリットへ向けて励起光を出射する励起光源と、前記スリーブと前記励起光源との間に配置され、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットを介して前記スリーブの内部へ導く導光用レンズとを備え、前記導光用レンズは、前記スリーブの内部に導かれた励起光の一部が前記レーザロッドに正面方向から照射されるとともに当該励起光の残りが前記レーザロッドに照射されずに通り抜けるように構成され、前記反射部材は、前記スリーブの内部に導かれた励起光のうち前記レーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光が前記レーザロッドの背部に位置する部位及び前記レーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後に前記レーザロッドに前記正面方向とは異なる方向から照射されるように構成され、前記導光用レンズが、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットの位置で一旦集光させた上で拡散光として前記スリーブの内部へ導くレンズであることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。 The present invention relates to a solid-state laser device that emits laser light by exciting a solid-state laser medium with excitation light, and a cylindrical laser rod made of a solid-state laser medium and a triangle provided so as to surround the outer peripheral surface of the laser rod. A columnar sleeve, a reflecting member provided on the remaining side of the outer peripheral surface of the sleeve so as to form an optical slit at the apex of the triangular cross section, and disposed outside the sleeve; An excitation light source that emits excitation light toward the slit formed on the outer peripheral surface of the sleeve, and is disposed between the sleeve and the excitation light source, and the excitation light emitted from the excitation light source passes through the slit. A light guiding lens that guides the inside of the sleeve, and the light guiding lens has a portion of the excitation light guided inside the sleeve facing the laser rod in a frontal direction. And the rest of the excitation light passes through the laser rod without being irradiated to the laser rod, and the reflection member is not irradiated to the laser rod among the excitation light guided to the inside of the sleeve. The excitation light that has passed through is reflected in order from the part located on the back of the laser rod and the part located on the side of the laser rod, and then the laser rod is irradiated from a direction different from the front direction. The solid-state laser device is characterized in that the light guiding lens is a lens that once collects the excitation light emitted from the excitation light source at the position of the slit and then guides it as diffused light to the inside of the sleeve. I will provide a.
なお、本発明において、前記スリーブは、前記レーザロッドの外周面に対応する円筒状の内周面を有するフローチューブであり、前記スリーブの内周面と前記レーザロッドの外周面との間の空間に流される冷却水により前記レーザロッドを冷却するように構成されていることが好ましい。 In the present invention, the sleeve is a flow tube having a cylindrical inner peripheral surface corresponding to the outer peripheral surface of the laser rod, and a space between the inner peripheral surface of the sleeve and the outer peripheral surface of the laser rod. It is preferable that the laser rod is cooled by cooling water that is flowed into the chamber .
本発明によれば、励起光源から出射された励起光が各導光用レンズによる光学的な作用によりスリットの通過後に拡げられた状態でスリーブの内部へ導かれ、その一部がレーザロッドに正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッドに照射されずに通り抜ける。そして、このようにしてレーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光は、スリーブの外周面に形成された反射部材のうちレーザロッドの背部に位置する部位及びレーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後にレーザロッドに正面方向とは異なる方向(側方の2方向)から照射される。ここで、励起光源から出射された励起光は、レーザロッドの周りに配置された3つのスリットを介してスリーブの内部へ導かれるので、レーザロッドに対して照射される励起光の方向は擬似的に9方向となり、レーザロッドに多数の方向(多重パス)から励起光を照射することが可能となる。このため、レーザロッドを均一に励起することが可能となり、固体レーザ装置から最終的に出力されるレーザ光の広がり角が改善され、多レーザヘッド化(固体レーザ装置を複数直列に配置)等により大出力なレーザ光を容易に取り出すことができる。 According to the present invention, the excitation light emitted from the excitation light source is guided to the inside of the sleeve in a state of being expanded after passing through the slit by the optical action of each light guiding lens, and a part of the excitation light is directed to the laser rod. While irradiating from the direction, the rest passes through without irradiating the laser rod. The excitation light that has passed through the laser rod without being irradiated in this way is reflected at the part located on the back part of the laser rod and the part located on the side part of the laser rod among the reflecting members formed on the outer peripheral surface of the sleeve. After being reflected in order, the laser rod is irradiated from a direction different from the front direction (two lateral directions). Here, since the excitation light emitted from the excitation light source is guided into the sleeve through three slits arranged around the laser rod, the direction of the excitation light irradiated to the laser rod is pseudo. Thus, it becomes possible to irradiate the laser rod with excitation light from many directions (multiple paths). This makes it possible to uniformly excite the laser rod, improve the spread angle of the laser beam finally output from the solid-state laser device, and increase the number of laser heads (arrange multiple solid-state laser devices in series). Large output laser light can be easily extracted.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、図1及び図2により、本実施の形態に係る固体レーザ装置の全体構成について説明する。なお、図1は固体レーザ装置の全体構成を示す斜視図であり、図2は図1に示す固体レーザ装置のII−II線に沿った断面図である。 First, the entire configuration of the solid-state laser device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the solid-state laser device, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the solid-state laser device shown in FIG.
図1及び図2に示すように、本実施の形態に係る固体レーザ装置10は、固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させるためのものであり、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッド13と、レーザロッド13の外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のフローチューブ(スリーブ)15とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a solid-
このうち、フローチューブ15は、断面形状が略正三角形の外周面と、レーザロッド13の外周面に対応する円筒状の内周面とを有しており、フローチューブ15の内周面とレーザロッド13の外周面との間の空間14に流される冷却水(図示せず)によりレーザロッド13を冷却することができるようになっている。
Among these, the
ここで、フローチューブ15の外周面のうち、三角形断面の頂角部(フラットに面取りされた部分)には非常に狭い光学的なスリット17a,17b,17cが形成されている。なお、スリット17a,17b,17cには、反射防止コート(図示せず)が施されている。また、フローチューブ15の外周面のうち、三角形断面の頂角部以外の残りの辺部には反射コート部(反射部材)16a,16b,16cが形成されている。なお、反射コート部(反射部材)16a,16b,16cは、その内面が鏡面(反射面)となっており、フローチューブ15の内部に導かれた励起光を反射するようになっている。
Here, very narrow
また、フローチューブ15の外方には、フローチューブ15の外周面に形成されたスリット17a,17b,17cへ向けて励起光を出射するレーザダイオード(励起光源)11a,11b,11cと、それぞれのレーザダイオード11a,11b,11cに対応して配置された扇形形状レンズ(導光用レンズ)12a,12b,12cとが設けられている。なお、扇形形状レンズ12a,12b,12cは、レーザダイオード11a,11b,11cから出射された励起光をスリット17a,17b,17cの位置で一旦集光させた上で拡散光としてフローチューブ15の内部へ導くためのものである。
Further, on the outside of the
なお、以上において、レーザダイオード11a,11b,11c、扇形形状レンズ12a,12b,12c、レーザロッド13及びフローチューブ15は、それらの端部に配置された一対の端板18a,18bにより固定されている。
In the above, the
このような構成からなる固体レーザ装置10において、フローチューブ15の内部に導かれた励起光は、各扇形形状レンズ12a,12b,12cによる光学的な作用によりスリット17a,17b,17cの通過後に拡げられた状態でフローチューブ15の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド13に正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッド13に照射されずに通り抜ける。ここで、フローチューブ15の内部に導かれた励起光のうちレーザロッド13に照射されずに通り抜けた励起光は、反射コート部16a,16b,16cで反射され、レーザロッド13に正面方向とは異なる方向から照射される。
In the solid-
具体的には、図3(a)に示すように、レーザダイオード11aから出射された励起光は、扇形形状レンズ12aによる光学的な作用によりスリット17aの通過後に拡げられた状態でフローチューブ15の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド13に正面方向から照射される。一方、励起光の残りは、レーザロッド13に照射されずに通り抜け、フローチューブ15の外周面に形成された反射コート部16a,16b,16cのうちレーザロッド13の背部に位置する部位(反射コート部16b)及びレーザロッド13の側部に位置する部位(反射コート部16a,16c)で順に反射された後にレーザロッド13に正面方向とは異なる方向(側方の2方向)から照射される。以上のとおり、レーザダイオード11aから出射された励起光は、最終的にレーザロッド13に3方向から照射される。なお、図3(a)に示すような配置関係の下でレーザロッド13に照射される励起光の方向ごとの割合をシミュレーションにより計算したところ、正面方向から照射される励起光は48%、側方の2方向から照射される励起光は27%となった。ここで、レーザダイオード11a,11b,11cから出射された励起光は、レーザロッド13の周りに配置された3つのスリット17a,17b,17cを介してフローチューブ15の内部へ導かれるので、レーザロッド13に対して照射される励起光の方向は擬似的に9方向となり、レーザロッド13を均一に励起することが可能となる。
Specifically, as shown in FIG. 3A, the excitation light emitted from the
一方、図5に示すような従来の固体レーザ装置100においては、図3(b)に示すように、レーザダイオード110aから出射された励起光は、シリンドリカルレンズ120aによりフローチューブ150の内部へ導かれ、その大半がレーザロッド130に正面方向の1方向のみから照射される。なお、図3(b)に示すような配置関係の下でレーザロッド130に照射される励起光の方向ごとの割合をシミュレーションにより計算したところ、正面方向から照射される励起光は69%、側方の2方向から照射される励起光は1%となった。なお、レーザダイオード110a,110b,110cから出射された励起光は、レーザロッド13の周りに配置された3つのスリット170a,170b,170cを介してフローチューブ150の内部へ導かれるが、それぞれのレーザダイオード110a,110b,110cによる励起光の照射方向はほぼ1方向のみであるので、全体でも高々3方向となり、図3(a)に示す固体レーザ装置10に比べて、レーザロッド130を均一に励起することが困難となる。
On the other hand, in the conventional solid-
なお、レーザロッド13が均一に励起されたか否かは、固体レーザ装置10から最終的に出力されるレーザ光の広がり角を測定することにより検証することができる。図3(a)(b)に示すような配置関係の下で、図1に示す固体レーザ装置10、及び図5に示すような従来の固体レーザ装置100におけるレーザ光の出力と広がり角との関係を測定した実験結果を図4に示す。図4に示すように、同じ出力同士でレーザ光の広がり角を比較すると、図1に示す固体レーザ装置10の方が、図5に示す従来の固体レーザ装置100に比べて、レーザ光の広がり角が約20%小さくなっているのが分かる(なおこのことは、同じ広がり角同士でレーザ光の出力を比較したときに、図1に示す固体レーザ装置10の方が、図5に示す従来の固体レーザ装置100に比べて、レーザ光の出力が約20%大きくなることを意味する)。これにより、図1に示す固体レーザ装置10においてレーザロッド130が均一に励起されることが検証された。
Whether or not the
このように本実施の形態によれば、レーザダイオード11a,11b,11cから出射された励起光が各扇形形状レンズ12a,12b,12cによる光学的な作用によりスリット17a,17b,17cの通過後に拡げられた状態でフローチューブ15の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド13に正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッド13に照射されずに通り抜ける。そして、このようにしてレーザロッド13に照射されずに通り抜けた励起光は、フローチューブ15の外周面に形成された反射コート部16a,16b,16cのうちレーザロッド13の背部に位置する部位(例えば、スリット17aを通過した励起光であれば反射コート部16b)及びレーザロッド13の側部に位置する部位(例えば、スリット17aを通過した励起光であれば反射コート部16a,16c)で順に反射された後にレーザロッド13に正面方向とは異なる方向(側方の2方向)から照射される。ここで、レーザダイオード11a,11b,11cから出射された励起光は、レーザロッド13の周りに配置された3つのスリット17a,17b,17cを介してフローチューブ15の内部へ導かれるので、レーザロッド13に対して照射される励起光の方向は擬似的に9方向となり、レーザロッド13に多数の方向(多重パス)から励起光を照射することが可能となる。このため、レーザロッド13を均一に励起することが可能となり、固体レーザ装置10から最終的に出力されるレーザ光の広がり角が改善され、多レーザヘッド化(固体レーザ装置を複数直列に配置)等により大出力なレーザ光を容易に取り出すことができる。
As described above, according to the present embodiment, the excitation light emitted from the
また、本実施の形態によれば、レーザダイオード11a,11b,11cから出射された励起光が扇形形状レンズ12a,12b,12cによりスリット17a,17b,17cの位置で一旦集光された上で拡散光としてフローチューブ15の内部へ導かれるので、フローチューブ15のスリット17a,17b,17cの幅を小さくしてもフローチューブ15の内部へ励起光を問題なく取り込むことができる。ここで、フローチューブ15のスリット17a,17b,17cの幅をできるだけ小さくするようにすれば、フローチューブ15の内部へ導かれた励起光の外部への漏れが最小限に抑えられるので、レーザロッド13に照射される励起光の効率を向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, the excitation light emitted from the
10 固体レーザ装置
11a,11b,11c レーザダイオード(励起光源)
12a,12b,12c 扇形形状レンズ(導光用レンズ)
13 レーザロッド
14 冷却水用の空間
15 フローチューブ(スリーブ)
16a,16b,16c 反射コート部
17a,17b,17c スリット
18a,18b 端板
100 固体レーザ装置
110a,110b,110c レーザダイオード(励起光源)
120a,120b,120c シリンドリカルレンズ(導光用レンズ)
130 レーザロッド
140 冷却水用の空間
150 フローチューブ
160a,160b,160c 反射コート部
170a,170b,170c スリット
10 Solid-
12a, 12b, 12c Fan-shaped lens (light guiding lens)
13
16a, 16b, 16c
120a, 120b, 120c Cylindrical lens (light guiding lens)
130
Claims (2)
固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、
前記レーザロッドの外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のスリーブと、
前記スリーブの外周面のうち三角形断面の頂角部に光学的なスリットを形成するようにその残りの辺部に設けられた反射部材と、
前記スリーブの外方に配置され、前記スリーブの外周面に形成された前記スリットへ向けて励起光を出射する励起光源と、
前記スリーブと前記励起光源との間に配置され、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットを介して前記スリーブの内部へ導く導光用レンズとを備え、
前記導光用レンズは、前記スリーブの内部に導かれた励起光の一部が前記レーザロッドに正面方向から照射されるとともに当該励起光の残りが前記レーザロッドに照射されずに通り抜けるように構成され、前記反射部材は、前記スリーブの内部に導かれた励起光のうち前記レーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光が前記レーザロッドの背部に位置する部位及び前記レーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後に前記レーザロッドに前記正面方向とは異なる方向から照射されるように構成され、
前記導光用レンズは、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットの位置で一旦集光させた上で拡散光として前記スリーブの内部へ導くレンズであることを特徴とする固体レーザ装置。 In a solid-state laser device that emits laser light by exciting a solid-state laser medium with excitation light,
A cylindrical laser rod made of a solid laser medium;
A triangular prism-shaped sleeve provided so as to surround the outer peripheral surface of the laser rod;
A reflecting member provided on the remaining side of the sleeve so as to form an optical slit in the apex of the triangular cross section of the outer peripheral surface of the sleeve;
An excitation light source disposed outside the sleeve and emitting excitation light toward the slit formed on the outer peripheral surface of the sleeve;
A light guide lens disposed between the sleeve and the excitation light source and guiding the excitation light emitted from the excitation light source to the inside of the sleeve through the slit;
The light guide lens is configured such that a part of the excitation light guided to the inside of the sleeve is irradiated to the laser rod from the front direction and the remainder of the excitation light passes through without being irradiated to the laser rod. The reflecting member is positioned at a portion where the excitation light guided to the inside of the sleeve passes through the laser rod without being irradiated and located at a back portion of the laser rod and at a side portion of the laser rod. the said front direction to the laser rod after being sequentially reflected by the site is configured to be irradiated from different directions,
The solid-state laser device , wherein the light guide lens is a lens that once collects the excitation light emitted from the excitation light source at the position of the slit and then guides the light into the sleeve as diffused light .
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