JP4439653B2 - 固体レーザ装置およびそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザダイオード（Laser Diode：以下、ＬＤと記す）の発光により固体レーザ媒質、例えばＹＡＧ結晶を励起して発振させることによってレーザ光を出力する、レーザダイオード励起型の固体レーザ装置およびそれを用いたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のＬＤでロッド状のＹＡＧ結晶を励起する固体レーザ装置が既に知られている。例えば、特開平5-335662号公報や特開平6-252473号公報に示されているようなこの固体レーザ装置については、レーザロッドの周方向に複数のＬＤを配置し、これらＬＤからの発光（以下、ＬＤ光と記す）により、ＹＡＧ結晶を励起して発振することでレーザ光を出力する。即ち、この技術ではＬＤ光が励起光となる。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それらの技術を示すものである。図１１（ａ）は、固体レーザ装置の全体構成を示すブロック図である。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のY-Y'断面での様子を示している。
【０００３】
即ち、レーザロッド４０の側面周囲に４つのＬＤ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを配置して、レーザロッド４０の励起をする構成をとっている。そして、これらのＬＤ４１ａ〜４１ｄを周方向に配置している主な理由は、励起の分布がレーサロッド４０内にてＬＤ光の吸収特性や伝搬特性の影響を強く受けるためである。この現象は、ＬＤ光の単色性や指向性が高いことに起因する。
【０００４】
それぞれのＬＤ光は、レーザロッド４０に向けて照射され、レーザロッド４０を励起する。レーザ発振光４１は、全反射ミラー４３と部分反射ミラー４４とで構成される光共振器によって発生する。
【０００５】
ＴＥＭ₀₀モード（横モード）を発生させるために、モードセレクタ１６が光共振器の内部に挿入されている。モードセレクタ１６により、レーザロッド４０の周辺部における励起光の損失を意図的に増大させる。その結果、レーザロッド４０の中心部において光強度が大きいＴＥＭ₀₀モードでの発振を実現している。
【０００６】
つまり、レーザロッド４０における断面での励起分布としては、中心部が大きい強度を持っている方が望ましい。よって、レーザロッド４０に入射されるＬＤ光の照射面の幅をレーザロッド４０の外径よりも小さく設定するとともに、レーザロッド４０の周りの４方向から励起する。こうすることで、各レーザ光をレーザロッド４０の中心部（中心軸上）で重ね合わせることにより、この中心部での励起光の強度を相対的に高める工夫をしている。
【０００７】
このような構成を取ると、ＬＤ励起型の固体レーザ装置によって、良好なＴＥＭ₀₀モードのレーザ光を得ることができる。ＴＥＭ₀₀モードのレーザ光は集光性が高いため、この固体レーザ装置を用いたレーザ加工装置も微細加工に用いられている。そして、このレーザ光を基本波の光源として、高効率に第二高調波を発生することも行なわれている。
【０００８】
そして、特開平5-335663号公報でもＬＤ励起型の固体レーザ装置が開示されているが、この固体レーザ装置については曲面を有する反射鏡で片側一方向からのＬＤ光をレーザロッドに集光して励起している。更には、特開平8-70150号公報や特開平8-250789号公報では、楕円集光器とフラッシュランプを用いた固体レーザ装置が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような構成を持つ従来の固体レーザ装置では、それぞれ以下に述べるような問題点が発生してくる。
【００１０】
まず、特開平5-335662号公報や特開平6-252473号公報に示される固体レーザ装置については、レーザロッド４０の周方向に配置するＬＤの数を増加させると、励起光の分布の均一化によってＴＥＭ₀₀モードのレーザ光を出力するのに適することになる。しかし、製造コストの増大や構造の複雑化によってメンテナンス性や信頼性が低下してしまうとともに、装置の大型化が進んでしまう。
【００１１】
一方、配置するＬＤの数を少なく制限すると、ＬＤ光のレーザロッド４０への入射領域に制限が生じるために均一な励起ができなくなる。この現象は、レーザロッド４０の屈折・反射の特性に起因している。加えて、たとえ励起できてもレーザロッド４０の屈折・反射の特性のために、ＴＥＭ₀₀モードをもつレーザ光の発振効率が低下する。例えば、図１２や特開平5-335663号公報に示される固体レーザ装置については、レーザロッド４０を励起するためのＬＤ光を入射させる方向をレーザロッド４０に対して一方向あるいは二方向に限定した場合に、励起分布の均一性や対象性が低下する。そのため、ＴＥＭ₀₀モードのレーザ光を出力するために、モードセレクタ１６の開口径を小さくするなどの工夫が必要とされる、しかし、この場合には発振効率が低下してしまう。
【００１２】
この現象について、更に詳述する。例えば、レーザロッド４０の片側一方向から励起した場合を考えてみる。図１２に示すように、レーザロッド４０の側面に対して、ＬＤ４１からのＬＤ光４６ａ〜４６ｄがそれぞれ並行光となって入射する。このときレーザロッド４０がレンズとして作用する。それによって、レーザロッド４０の内部に入射したＬＤ光４６ａは、レーザロッド４０を構成するレーザ媒質（ＹＡＧ結晶）を伝搬しながら収束していく。
【００１３】
また、レーザロッド４０の中心軸に対して、入射する励起光の光束の距離が大きくなるにしたがい、レーザロッド４０への入射角が大きくなる。その結果、フレネル反射が起こる確率が増大し、反射光４７の強度が上昇する。そして、結果としてはレーザロッド４０へのＬＤ光４６ａ〜４６ｄの入射効率が低下してしまう。
【００１４】
更には、レーザロッド４０の内部には発振に寄与しない非励起領域４８が形成されることになる。この理由は、ＬＤ光４６ａ〜４６ｄの強度分布が、自身の光軸を中心とした、ガウシアン関数に近い強度分布であるためである。なお、曲線５０はレーザロッド４０のY-Y'断面における強度分布を示したものである。
【００１５】
加えて、ＬＤ光の進行方向に着目すると、レーザロッド４０の内部を伝搬するにしたがってその強度が低下する。その理由は、レーザロッド４０が励起光の持つエネルギーを吸収してしまうためである。この様子を示したのが曲線５１である。この曲線５１は、図１２におけるX-X'断面での励起光の強度分布を示している。
【００１６】
これらのような事情により、レーザロッド４０の片側一方向から励起した場合にはレーザロッド４０の内部に均一にＬＤ光を入射させることが非常に困難となるという課題がある。
【００１７】
また、特開平8-70150号公報や特開平8-250789号公報に記載されている楕円集光器とフラッシュランプを用いた固体レーザ装置については、フラッシュランプがＬＤよりも寿命が短いという課題があるとともに、楕円集光器を解体しないとフラッシュランプを取り替えることができず、装置のメンテナンスが困難であるという課題もある。そして、楕円集光器の内部にレーザロッドとフラッシュランプとの双方を内蔵しているために大型な装置構成になってしまうという課題もある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような技術的課題を解決するためになされたものであり、請求項１によると、レーザロッドの側面にレーザダイオードからの励起光を照射する際に前記レーザロッドに前記励起光を集光する集光器を具備した固体レーザ装置において、前記集光器は楕円の一部をなすとともに、この集光器が前記楕円の二つの焦点のうちの一方には前記レーザダイオードからの前記励起光の出射面が配置され、前記焦点のうちの他方には前記レーザロッドの中心軸が配置され、かつ励起光の光軸方向が前記楕円の長軸方向に一致しており、前記楕円の焦点間の距離は、前記レーザダイオードから前記レーザロッドへ直接入射するエネルギーが、前記レーザダイオードの発散角に関する半値全幅をもとに前記レーザダイオードの全エネルギーの１／３となるよう算出される第１の発散角及び前記レーザロッドの半径とから算出し、さらに、前記楕円の離心率は、前記レーザダイオードから前記レーザロッドへ直接に入射する前記第１の発散角を持つ前記励起光の光軸と、第２の発散角であって、前記全体エネルギーから前記第２の発散角内の前記励起光のエネルギーの積分値を差し引いた残りが１／６となるよう算出される第２の発散角を持ち、前記第２の発散角に沿って伝播した前記励起光が、前記集光器に反射して前記レーザロッドに入射する際の前記集光器からレーザロッドまでの光軸とが、１２０度の角度をなすように定められている固体レーザ装置である。
【００２９】
請求項７によると、レーザ加工装置において、被加工物を載置するテーブルと、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の固体レーザ装置と、前記固体レーザ装置から出射するレーザ光を前記被加工物に対して相対的に走査する走査手段とを具備するレーザ加工装置である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の固体レーザ装置およびそれを用いたレーザ加工装置について図面を参照して説明をする。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＤ励起型の固体レーザ装置の全体構成を示すブロック図である。そして、図２は図１のY-Y'線での断面を示した断面図である。
【００３１】
固体レーザ装置の一部である光共振器の基本構成は、通常に用いられている装置と同様である。本実施の形態では、集光器１として楕円集光器の一部を用いている。この集光器１は、銅材を加工して、その反射面に金のコーティングを施しており、楕円の一部で構成されている。もちろん、セラミック（例えば、フッ素金属雲母結晶をゾル・ゲル法により、ガラス状のマトリックスの中に析出して生成する）を用いても良い。そして、この反射面はＬＤの発振波長帯において９０％以上の反射率を有することが望ましい。
【００３２】
この集光器１の一方の焦点２に、例えば、ＹＡＧ結晶を材料としたレーザロッド３を配置している。そして、他方の焦点４（集光器が楕円集光器であったと仮定した場合の仮想的な焦点）にＬＤ５の出射面を配置している。ＬＤ５としては、例えばレーザロッド３の長手方向に沿ってＬＤアレイを配置した、一次元ＬＤアレイモジュールが適当である。ＬＤ５から発せられるＬＤ光の光軸６は、２つの焦点２，４を結ぶ直線に一致するようにしている。即ち、集光器が楕円集光器であったと仮定した場合の楕円の長軸と光軸６とが一致するようにしている。
【００３３】
また、レーザロッド３とＬＤ５との間には、例えば石英ガラスを材料としＬＤ光を透過する透光部材としての隔壁７が配置されている。この隔壁７は、集光器１の開口側の側面で液体を密閉している。集光器の内面と隔壁７との間に形成される空間８は冷却媒体の流路となっている。この冷却媒体は、レーザロッド３を冷却するもので、一例として冷却水（アルコールなども適用が可能）が流されている。
【００３４】
ＬＤ５から所定の発散角で発せられたＬＤ光９は、隔壁７を介してレーザロッド３に入射される。集光器１における焦点２，４の間の距離（即ち、レーザロッド３の中心軸とＬＤ５の出射面との距離）は、ＬＤ光のうちで成分１０ａ，１０ｂ，１０ｃのエネルギーが等しくなる値に設定される。ここで成分１０ａは、レーザロッド３へ直接に入射されるものである（つまり、成分１０ｂ，１０ｃは、直接にはレーザロッド３へは入射されない）。これらの成分１０ｂ，１０ｃは、一旦は集光器１に反射された後で間接的にレーザロッド３に入射される。
【００３５】
また、集光器１が楕円集光器であると仮定したときの楕円離心率は、成分１０ａ，１０ｂ，１０ｃの光軸にそれぞれ対応する光軸６，１１，１２がお互いに１２０度の角度をなすように定められている。それによって、集光器１で反射されたＬＤ光９は、レーザロッド３に対してそれぞれの角度から同じ角度で入射することになる。つまり、直接にレーザロッド３へ入射する成分１０ａは、ＬＤ光９の全エネルギーに対して３０〜４０％になるように、焦点２，４の間の焦点間距離が設定されているとも表現できる。
【００３６】
この様にしてレーザロッド３が一様に励起されることになる。レーザ光１３は、全反射ミラー１４と部分反射ミラー１５とで構成される光共振器によって発生する。なお、ＴＥＭ₀₀モード（横モード）のレーザ光１３を発生させるために、モードセレクタ１６が光共振器の内部に挿入されている。
【００３７】
次に、本発明における集光器１の形状について、以下で図３（ａ）および図３（ｂ）に基づいて詳細に説明する。なお、図３（ａ）はＬＤ５から出射したＬＤ光９における断面での相対角度と光強度（任意単位）との関係を示すグラフである。また、図３（ｂ）はＬＤ５から出射したＬＤ９の平面図を示している。
【００３８】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ＬＤ光９の発散角に関する半値全幅をθ_fwhmとする。なお、ＬＤ光９は自身の強度分布がガウシアン分布とする。このとき、ＬＤ光９の光強度について、先に図３（ａ）で示した相対角度に関係する分布Ｉ（θ）は、近似的に次式で与えられる。
ｉ（θ）＝ｅｘｐ［−２×（θ／θω）²］ （１）
θω＝θ_fwhm／１．１８ （２）
ここで、以下の式を定義する。
Ｉ（ξ）＝∫ｉ（θ）ｄθ ：積分区間（−∞，ξ） （３）
そして、Ｉ（ξ→∞）＝１とする。
【００３９】
即ち、（１）式の右辺における比例定数を選ぶことによって、ＬＤ光９の全エネルギーを“１”と規格化する。このとき、ＬＤ光９の全エネルギーのうちの１／３が含まれる発散角は以下の（４）式を満たすθ₁で与えられる。
１−Ｉ（θ₁）＝１／３ （４）
（４）式に基づき、θ₁は数値計算により求められて、以下に示すような値をとる。
θ₁＝０．２１６×θω＝０．２５５×θ_fwhm （５）
また、角度θ₁よりも外側に分布する光強度成分の光軸に係る発散角θ₂は以下の（６）式を満たす。
１−Ｉ（θ₂）＝１／６ （６）
よって、以下の（７）式を得ることができる。
θ₂＝０．４８２×θω＝０．５６９×θ_fwhm （７）
以上の結果を図２と図３で示した本発明の実施の形態を構成する集光器１に対応させると、θ₁は、レーザロッド３へ直接に入射するＬＤ光９の成分１０ａに係る光軸がＬＤ光９全体の光軸となす発散角（半角）である。θ₂は、一旦は集光器１によって反射した後に、レーザロッド３に入射するＬＤ光９の成分１０ｂ，１０ｃに係る光軸がＬＤ光９全体としてみた場合の光軸となす角度に相当する。
【００４０】
次に、集光器１に関する焦点２，４の間の距離を定める方法を示す。ここでは簡単のために、以降の計算では隔壁７による屈折の影響は無視することとする。
【００４１】
図４に楕円を用いて示すように、レーザロッド３とＬＤ光９の出射面との距離（つまり、集光器１に関した焦点２，４の間の距離）を２×ｋとし、レーザロッド３の半径をｒとする。そのようにおくとθ₁は以下の（８）式で与えられる。
θ₁＝ｓｉｎ^-1（ｒ／２ｋ） （８）
ここで、（５）式と（８）式によって以下の（９）式が導かれる。
ｋ＝ｒ／｛２×ｓｉｎ（０．２５５×θ_fwhm）｝ （９）
例えば、ＬＤ光９の発散角θ_fwhm＝３０度、レーザロッド３の半径ｒ＝１５ｍｍとすると、θ₁＝７６．５度では、ｋ＝５．６３ｍｍと計算できる。また、θ₂＝１７．０１度とも計算できる。
【００４２】
次に、図４に基づいて集光器１に係る楕円の離心率ｅの求め方を説明する。まず、楕円の長軸と角度θ₂をなす光軸が、一旦は集光器１によって反射した後に上記楕円の長軸となす角度をθ₃とする。
【００４３】
このような光軸と楕円の内面との交点Ｐ₁の座標を（−ｘ₁，ｙ₁）とすると、以下の（１０）式と（１１）式が成り立つ。
ｘ₁＝ｋ×（ｔａｎθ₃＋ｔａｎθ₂）／（ｔａｎθ₃−ｔａｎθ₂） （１０）
ｙ₁＝（ｘ₁−ｋ）×ｔａｎθ₂ （１１）
本発明の実施の形態では、θ₂，ｋはそれぞれ（７）式と（９）式で与えられ、θ₃＝６０度が条件となっている。従って、ｘ₁，ｙ₁は、これらの値から計算できる。例えば、先に示した条件で考えるとｘ₁＝８．０５ｍｍ，ｙ₁＝４．１９ｍｍである。（−ｘ₁，ｙ₁）は、楕円の方程式を満たすものであるので以下の（１２）式が成立する。
（ｘ²＋ｙ²）／（１−ｅ²）＝ｋ²／ｅ² （１２）
従って、（１２）式によりｅを求めることができる。ここで（１２）式の根から０≦ｅ≦１を条件に適切な値を選択する。本実施の形態の場合には、ｋ＝５．６３ｍｍ，ｘ₁＝８．０５ｍｍ，ｙ₁＝４．１９ｍｍである。よって、これらの値からｅ＝０．５８８を得る。以上により、本実施の形態における集光器１の楕円部分について形状（焦点間距離，離心率）を具体的に決定することができた。
【００４４】
また、上述した第１の実施の形態に係る変形例を図５（ａ）により説明する。即ち、レーザロッド３に対して直接に入射されるＬＤ光９の成分１０ａのみに作用する光学部材としてのシリンドリカルレンズ１７を設けるものである。そして、このシリンドリカルレンズ１７はＬＤ５と隔壁７との間に設置されている。
【００４５】
この変形例は、シリンドリカルレンズ１７を通過した光の成分を持つＬＤ光９をレーザロッド３に集光する構成である。つまり、集光器１で反射されてからレーザロッド３へ入射されるＬＤ光９の成分１０ｂ，１０ｃと同様にしてレーザロッド３へ集光するものである。
【００４６】
また、図５（ｂ）に示す構成もまた第１の実施の形態に係る別の変形例である。即ち、シリンドリカルレンズを隔壁７の一部に対して一体的に形成し、このシリンドリカルレンズが隔壁７を兼ねるものである。なお、図５（ｂ）においては図５（ａ）と同一の構成には同一の符号を付したので、その説明は省略する。
【００４７】
これらのような構成によって、レーザロッド３の内部では励起光の強度分布を一層ＴＥＭ₀₀モードの発振に適合したものとすることができる。また、上記の実施の形態やその変形例において、各々で図６に示すように隔壁７の外面におけるＬＤ光９を遮らない位置に反射板１８を設ければ、集光器１から反射されてきたＬＤ光９を再びレーザロッド３へ入射させることができて、更に励起におけるレーザロッド３への集光効率を増すことができる。
【００４８】
上述した第１の実施の形態およびその変形例に係る固体レーザ装置では、ＬＤ光９を三方向から対象にレーザロッド３に対して入射させることができる。また、レーザロッド３の中心軸での励起光の強度を強くするような強度分布を作ることができる。このため、レーザロッド３の片側一方向にＬＤ５を配置する簡単で低コストである構成によっても、効率よくＴＥＭ₀₀モードの発振を行なうことができる。また、この固体レーザ装置を基本波の光源として第二高調波を発生させることで、長寿命で高効率かつメンテナンス性に優れた第二高調波の固体レーザ装置を得ることもできる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＤ励起型の固体レーザ装置の全体構成を示すブロック図である。そして、図８は図７のY-Y'線での断面を示した断面図である。
【００５０】
本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用を有する固体レーザ装置の集光器として、楕円集光器１ａを用いる。この楕円集光器１ａは、第１の実施の形態と同じく銅材を加工して、その反射面に金のコーティングを施しており、楕円集光器の一部で構成されている。もちろん、セラミック（例えば、フッ素金属雲母結晶をゾル・ゲル法により、ガラス状のマトリックスの中に析出して生成する）を用いても良い。そして、この反射面はＬＤ光の発振波長帯において９０％以上の反射率を有することが望ましい。
【００５１】
また、楕円集光器の内部にはＹＡＧ結晶をレーザ媒質としたレーザロッド３とセラミック材（例えば、三井鉱山マテリアル製のマセライト（商品名）を用いることができる）の光拡散媒体１９を配置している。ＬＤ光９はコリメートされた状態で、楕円集光器１ａの側面に設けられたスリット２２から導入されて光拡散媒体１９を照射する。
【００５２】
レーザロッド３は、冷却を行なう冷却水２０（冷却媒体の一例）が流れているフローチューブ２１の内部に設置されている。そして、レーザロッド３の中心軸は、楕円集光器１ａの一方の焦点２が存在する軸の上に配置する。他方の焦点が存在する軸の上には、光拡散媒体１９を配置する。そして、この光拡散媒体１９もまた、ＬＤ光の発振波長帯において９０％以上の反射率を有することが望ましい。
【００５３】
また、光拡散媒体１９の形状はレーザロッド３と同様にするとともにレーザロッド３と並行に配置されている。そして、ここでの説明では、第１の実施の形態と同様に中央部（光軸）で強い強度分布を持つレーザ光を得るために、光拡散媒体１９の外径の大きさはレーザロッド３と同一かそれより小さくしている。そのような構成によって、光拡散媒体１９で拡散された光は効率よくレーザロッド３に入射させることができる。
【００５４】
楕円集光器１ａの側面には、スリット２２が設けてあり、ＬＤ５から発せられたＬＤ光９はスリット２２を通して光拡散媒体１９へと照射される。ＬＤ５としては、第１の実施の形態と同じく、例えばレーザロッドの長手方向にＬＤアレイを配列した一次元ＬＤアレイが適当である。なお、更に一次元ＬＤアレイからのＬＤ光９が出力される部位に円柱状レンズを設置すれば、本発明の目的により適合できるようなＬＤ光９のコリメートが可能となる。
【００５５】
次に上記構成の作用を説明する。ＬＤ光９が光拡散媒体１９に照射されると、光拡散媒体１９の表面での反射によってＬＤ光９はその方向を変える。この際，光拡散媒体１９への入射光は拡散作用を受ける。また、他の一部の入射光は、光拡散媒体１９の内部へ入り込み、多数回の拡散を受けた後に光拡散媒体１９の外部へ出射される。この現象は、光拡散媒体１９がセラミックで形成されているために起こるものである。
【００５６】
これらの作用によって、光拡散媒体１９から二次的に発せられるＬＤ光９は、その指向性が大幅に緩和されるとともに、光拡散媒体１９は、あたかも光源として作用するようになる。この作用は、光学的にはフラッシュランプ励起型の固体レーザ装置におけるフラッシュランプと類似の光の放射特性が得られたことに相当する。
【００５７】
楕円集光器１ａの内部には、光格段媒体１９が楕円の断面形状を形成した楕円集光器１ａに係る一方の焦点４の存在する軸の上に配置されている。そのため、その像が他方の焦点２の存在する軸上に設置されているレーザロッド３の上に形成される。即ち、光拡散媒体１９によって二次的に拡散された大部分のＬＤ光９は、楕円集光器１ａの内面にある反射面で反射されてレーザロッド３へ入射する。この作用によって、レーザロッド３には周方向からＬＤ光９が入射することになるので、レーザロッド３２を均一に励起することが可能になる。
【００５８】
なお、上述の実施の形態では、ＬＤ５から出射されたＬＤ光９をスリットを経由して光拡散媒体１９へ導いて、光拡散媒体１９から拡散したＬＤ光９を楕円集光器１ａで集光してレーザロッド３へと導き入射させた。しかし、図９に示すように、スリット２２を用いない第２の実施の形態の変形例といえる方法もある。つまり、ＬＤ５から出射されたＬＤ光９を集光レンズ２３で楕円集光器１ｂに係る焦点４の上に配置された光拡散媒体１９に集光し、この光拡散媒体１９から拡散したＬＤ光１９を楕円集光器１ｂで反射してレーザロッド３へと入射させる。この様にしても上述した本発明の第２の実施の形態と同様の作用が得られる。
【００５９】
また、第２の実施の形態やその変形例においては、レーザロッド３をフローチューブ２１の内部に収納して冷却水２０で冷却した。しかし、フローチューブ２１を用いずに、楕円集光器１の内部に冷却水２０などの冷却媒体を流す方法もある。その際、楕円集光器１ａ，１ｂの内部には、ＬＤ光９の光路に透光性を有する窓を設けたり、パッキングを設けることによって冷却媒体を密閉する構造にすればよい。
【００６０】
上述の第２の実施の形態およびその変形例に係る固体レーザ装置では、光拡散媒体１９がある大きさを持った二次的な光源として作用し，あたかもフラッシュランプ励起型の固体レーザ装置におけるフラッシュランプのように周方向に光を発する特性を示す。しかも、ＬＤ光９はフラッシュランプとは異なってＹＡＧ結晶とのマッチングが良い。従って、このＬＤ光９を楕円集光器１ａ，１ｂによってレーザロッド３に集光すれば、レーザロッド３に対するほぼ周方向の全部から効率よくレーザロッド３を励起できる。
【００６１】
また、これらで述べてきた第１の実施の形態および第２の実施の形態の固体レーザ装置では、メンテナンスの際に集光器１および楕円集光器１ａ，１ｂの内部にある光学系は、交換などの必要性がフラッシュランプ型の固体レーザ装置に比べて減少するという効果を有する。また、集光器１や楕円集光器１ａ，１ｂの外部にあるＬＤ５を交換するだけで良いので、メンテナンス作業を容易に行なうことができる。これもフラッシュランプ型の固体レーザ装置よりも優れた点である。
【００６２】
次に、上記の各実施の形態に係る固体レーザ装置を用いたレーザ加工装置の一例として、レーザマーカを図面を参照して説明する。
【００６３】
図１０は、一筆書き方式のレーザマーカの斜視構成図である。即ち、固体レーザ装置３０からのレーザ光は、反射ミラー３１ａ，３１ｂをそれぞれアクチュエータ３２ａ，３２ｂを回動させて反射される。走査手段の一例としての反射ミラー３１ａ，３１ｂを通過したレーザ光は、集光レンズ３３でテーブル３４の上に載置されたＩＣパッケージなどの被加工体３５の表面に集光される。そして、レーザ光による一筆書き状の軌跡としてマーキングを行なう。
【００６４】
この場合、第１の実施の形態で示した固体レーザ装置を用いれば、中央部が深くなった加工ができる。つまり、深堀加工や明瞭な線画加工そして微細加工に適合する。レーザ光の中心軸にピークのある強度分布を持ったレーザ光を出力するからである。
【００６５】
また、第２の実施の形態で示した固体レーザ装置で光拡散媒体１９がレーザロッドと同一かそれ以上の外径のものを用いれば、加工深さが厳しき制限されている対象への加工に好適である。これは、レーザロッド３から均一な強度なレーザ光が得られるために、マーキングでの加工深さが均一になり、かつ、信頼性の高い加工精度を得ることが可能であるためだからである。従って、例えばＩＣパッケージへの加工に用いれば、半導体素子への熱などによるダメージを防ぐことができる。
【００６６】
また、これとは逆に、光拡散媒体１９がレーザロッド３よりも小さな外径のものを用いれば、第１の実施の形態と同様に、レーザ光の中央部（光軸）の強度が強い分布を持つ加工をすることができる。これは、レーザ光の中心軸にピークのある強度分布を持ったレーザ光を出力するためである。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＬＤ光を三方向から対象にレーザロッドに入射させることができ、レーザロッドの中心軸での励起光の強度を強くするような強度分布を作ることができるため、一方向に沿ったＬＤの配置であっても効率よくレーザロッドを励起するＬＤ励起型の固体レーザ装置を得ることができる。
【００６８】
また、この固体レーザ装置を用いることで長寿命で高効率かつメンテナンス性に優れたレーザ加工装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体レーザ装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１のY-Y'線での断面を示した断面図。
【図３】（ａ）は、ＬＤからのＬＤ光りの断面での相対角度と強度との関係を表すグラフで、（ｂ）は、ＬＤからのＬＤ光の平面図。
【図４】楕円集光器における楕円の離心率の求め方に関する説明図。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る変形例を示す断面図で、（ｂ）は、他の変形例を示す断面図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る更なる変形例を示す断面図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る固体レーザ装置の全体構成を示すブロック図。
【図８】図７のY-Y'線での断面を示した断面図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る変形例を示す断面図。
【図１０】本発明のレーザ加工装置としてのレーザマーカーの斜視構成図。
【図１１】（ａ）は、従来の技術の固体レーザ装置の構成を示すブロック図で、（ｂ）は、（ａ）のY-Y'線での断面を示した断面図。
【図１２】従来の固体レーザ装置での励起状態を示す説明図。
【符号の説明】
１‥集光器，２・４‥焦点，３・４０‥レーザロッド
５・４１ａ・４１ｂ・４１ｃ・４１ｄ‥ＬＤ，７‥隔壁
９・４６‥ＬＤ光，１９‥光拡散媒体

Claims (7)

1. レーザロッドの側面にレーザダイオードからの励起光を照射する際に前記レーザロッドに前記励起光を集光する集光器を具備した固体レーザ装置において、
   前記集光器は楕円の一部をなすとともに、この集光器が前記楕円の二つの焦点のうちの一方には前記レーザダイオードからの前記励起光の出射面が配置され、前記焦点のうちの他方には前記レーザロッドの中心軸が配置され、かつ励起光の光軸方向が前記楕円の長軸方向に一致しており、
   前記楕円の焦点間の距離は、前記レーザダイオードから前記レーザロッドへ直接入射するエネルギーが、前記レーザダイオードの発散角に関する半値全幅をもとに前記レーザダイオードの全エネルギーの１／３となるよう算出される第１の発散角及び前記レーザロッドの半径とから算出し、
   さらに、前記楕円の離心率は、前記レーザダイオードから前記レーザロッドへ直接に入射する前記第１の発散角を持つ前記励起光の光軸と、第２の発散角であって、前記全体エネルギーから前記第２の発散角内の前記励起光のエネルギーの積分値を差し引いた残りが１／６となるよう算出される第２の発散角を持ち、前記第２の発散角に沿って伝播した前記励起光が、前記集光器に反射して前記レーザロッドに入射する際の前記集光器からレーザロッドまでの光軸とが、１２０度の角度をなすように定められている、
   ことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 前記集光器は、開口部が前記励起光を通す透光部材で密閉されており、密閉された内部に冷却媒体を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
3. 前記レーザダイオードと前記レーザロッドとの間に、前記レーザロッドへ直接に前記励起光を入射させる光学部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
4. 前記光学部材は、前記集光器の開口部を密閉する透光部材と兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の固体レーザ装置。
5. 前記透光部材の前記レーザダイオードに対向する面には、前記レーザダイオードから前記集光器の内部に入射する前記励起光を遮らない位置に、前記集光器で反射された前記励起光を前記レーザロッドの方向へと反射させる反射部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ装置。
6. 前記集光器は、前記励起光の発振波長帯において９０％以上の反射率を有するセラミックを材料にして形成されていることを特徴とする請求項１また
   は請求項５に記載の固体レーザ装置。
7. 被加工物を載置するテーブルと、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の固体レーザ装置と、
   前記固体レーザ装置から出射するレーザ光を前記被加工物に対して相対的に走査する走査手段とを具備すること
   を特徴とするレーザ加工装置。

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