JP4592485B2 - 大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置 - Google Patents

Description

本発明は大出力のレーザ光発生方法およびレーザ光発生装置に関する。

大出力のレーザ光を発生させるために、レーザロッドの長さ方向の一方の端面にハーフミラー（レーザロッドの端面にコーティングされたハーフミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立したハーフミラー）を設け、他方の端面に全反射ミラー（レーザロッドの端面にコーティングされた全反射ミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立した全反射ミラー）を設け、レーザロッドの外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所に設けた半導体レーザから前記レーザロッドの外周面へ向けて励起用レーザ光を照射し、前記レーザロッドを励起状態にすることにより、前記レーザロッドから大出力のレーザ光を出射させることが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開平７−９４８１３ 特開平９−２６０７５４

一方、この種の固体レーザ装置では、大出力のレーザ光を発生させるため、レーザロッドを効率よく冷却する必要がある。
そこで、レーザロッドの外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれホルダーを配設し、それらホルダーの内周部に、レーザロッドの外周面に密着させる密着当接面を形成し、各ホルダーの密着当接面をレーザロッドの外周面に密着させて複数のホルダーによりレーザロッドを支持し、前記ホルダーを冷却することで前記密着当接面を介してレーザロッドを冷却しつつ支持し、各ホルダーの間から励起用レーザ光をレーザロッドの外周面に照射することが考えられる。
この場合、励起されるとレーザロッドの温度は上昇するので、ねじなどによりホルダーを位置決め固定したのでは、温度の上昇によりホルダーがレーザロッドに損傷を与えるなどの不具合が生じる。
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、冷却効率を高めつつ、また、レーザロッドに損傷を与えることなくレーザロッドを支持することで大出力のレーザ光を発生させるようにしたレーザ光発生方法およびレーザ光発生装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の大出力レーザ光発生方法は、レーザロッドの外周面の周りに前記外周面の周方向に間隔をおいて前記レーザロッドの長手方向に沿った長さを有する複数のホルダーを配設し、前記レーザロッドの軸心を中心とした円周上を通るように前記複数のホルダーにわたってリングを装着し、前記複数のホルダーを冷却しつつ前記各ホルダーの間から励起用レーザ光を前記レーザロッドの外周面に照射し前記レーザロッドを励起させ、前記リングを前記ホルダーよりも熱膨張率の大きい材料で形成して前記ホルダーの冷却時に、前記リングを前記ホルダーよりも大きな収縮量で収縮させ、この収縮により前記ホルダーが前記レーザロッドの外周面に臨む箇所を前記レーザロッドの外周面に密着させ前記複数のホルダーで前記レーザロッドを冷却しつつ支持するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の大出力レーザ光発生装置は、レーザロッドと、前記レーザロッドの長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、前記レーザロッドの長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、前記レーザロッドの外周面の周りに前記外周面の周方向に間隔をおいて配設され前記レーザロッドの長手方向に沿った長さを有する複数のホルダーと、隣り合う前記ホルダーの間に配設され前記各ホルダーの間から励起用レーザ光を前記レーザロッドの外周面に照射するレーザアレイと、前記複数のホルダーを冷却する冷却手段と、前記ホルダーの長さ方向の両端を挟むように配設された両側の基板と、前記両側の基板のうちの一方の基板に形成された前記ハーフミラーの露出用の孔と、前記各ホルダーの前記両端と前記両側の基板とに設けられ前記各ホルダーを前記レーザロッドの半径方向に移動可能に案内する案内手段と、前記両側の基板を連結する連結部材とを備え、前記ホルダーが前記レーザロッドの外周面に臨む箇所に、前記レーザロッドの外周面に密着可能な密着当接面が形成され、前記レーザロッドの軸心を中心とした円周上を通るように前記複数のホルダーにわたってリングが装着され、前記リングは前記ホルダーよりも熱膨張率の大きい材料で形成され、前記ホルダーの冷却時に、前記リングが前記ホルダーよりも大きな収縮量で収縮しこの収縮により前記密着当接面が前記レーザロッドの外周面に密着されるように構成されている。

本発明では、リングにより複数のホルダーをレーザロッドの軸心に向けて付勢することでホルダーの密着当接面をレーザロッドの外周面に密着させ、レーザロッドを支持する。
そして、ホルダーを冷却することで密着当接面を介してレーザロッドを冷却する。
この場合、前記リングを前記ホルダーよりも大きな収縮量で収縮させ、この収縮により前記密着当接面を前記レーザロッドの外周面に密着させるので、ねじなどによりホルダーを取り付ける場合に比べ、前記密着当接面をその全周から均等な力で前記レーザロッドの外周面に確実に密着でき、したがって、レーザロッドの冷却効率を高めることができ、また、レーザロッドの温度上昇によりレーザロッドが膨張してもその膨張に追従してリングが変形できるので、レーザロッドが損傷するなどの不具合を解消できる。

以下、本発明方法を装置と共に添付図面に従って説明する。
図１は半導体レーザを励起手段として用いた固体レーザ光発生装置の側面図、図２はその断面正面図、図３は図２のＡＡ線断面図を示す。
半導体レーザを励起手段として用いた固体レーザ光発生装置２は、レーザロッド４と、レーザロッド４を支持するための複数の（３つの）レーザロッド支持用ホルダー１０と、励起用レーザ光をレーザロッド４に照射するための半導体レーザアレイ２０と、レーザロッド支持用ホルダー１０を冷却する冷却手段３０と、レーザロッド支持用ホルダー１０の両側に配設された基板４０と、両側の基板４０を連結する連結部材５０と、複数のレーザロッド支持用ホルダー１０にわたって装着された２つのリング６０を含んで構成されている。

レーザロッド４は均一外径の円柱状に形成され、レーザロッド４の長さ方向の一方の端面にハーフミラー６（レーザロッドの端面にコーティングされたハーフミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立したハーフミラー）が配設され、レーザロッド４の長さ方向の他方の端面に全反射ミラー８（レーザロッドの端面にコーティングされた全反射ミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立した全反射ミラー）が配設されている。
本実施例では、ハーフミラー６や全反射ミラー８は、適宜物質をレーザロッド４のそれぞれの端面にコーティングし膜を形成することで構成されている。

レーザロッド支持用ホルダー１０（特許請求の範囲のホルダーに相当）は、例えば、銅などのような熱伝導率の大きい金属材料で形成されている。
レーザロッド支持用ホルダー１０は、レーザロッド４の外周面の周りに周方向に等間隔をおいて３つ配設されている。
各レーザロッド支持用ホルダー１０はその断面が扇形を呈しており、レーザロッド４とほぼ同じ長さで形成されている。
各レーザロッド支持用ホルダー１０がレーザロッド４の外周面に臨む箇所に、レーザロッド４の外周面に密着可能な円筒面状の密着当接面１００２が形成され、レーザロッド４は各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２により支持されている。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の長さ方向の両端は平坦な端面１００４として形成され、これら両端面１００４には、レーザロッド４の軸心を中心とした円周上を通るようにリング装着用の溝１００６が側方に開放状に形成されている。
溝１００６は、レーザロッド４の軸心を中心とした円周溝であり、その半径は、例えば、レーザロッド４の軸心から各レーザロッド支持用ホルダー１０の円筒面状の外周面までの距離の半分程度である。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の両端面１００４には、その扇形の幅方向の中心およびレーザロッド４の軸心を通る仮想線上に互いに間隔をおいて２本のガイドピン１００８が突設されている。
なお、図２、図３に示すように、各レーザロッド支持用ホルダー１０には冷却パイプ１２が組み込まれ、冷却パイプ１２に冷却媒体を循環させることで各レーザロッド支持用ホルダー１０が効率よく冷却されるように構成され、本実施例では、冷却パイプ１２によりレーザロッド支持用ホルダー１０を冷却する冷却手段３０が構成され、例えば、−７０℃に各レーザロッド支持用ホルダー１０が冷却されるように構成されている。

基板４０は、レーザロッド支持用ホルダー１０の長さ方向の両端を挟むように配設され、両側の基板４０は連結部材５０により連結されている。
各基板４０は、図１に示すように、中心孔４００２が形成された環板状を呈し、２つの基板４０は同形同大で形成されている。
中心孔４００２は、レーザロッド４から出射したレーザ光が通過するように、レーザロッド４の直径よりも大きな寸法で形成されている。
各基板４０がレーザロッド支持用ホルダー１０に臨む面は平坦面４００２で形成され、この平坦面４００２には、レーザロッド４の軸心を通り周方向に１２０度ずらした３本の仮想線上にガイド溝４００４がそれぞれ延在形成されている。
各ガイド溝４００４には、対応するレーザロッド支持用ホルダー１０のガイドピン１００８が滑動可能に挿入され、これにより各レーザロッド支持用ホルダー１０は、レーザロッド４の半径方向に移動可能に案内されることになり、本実施例では、ガイドピン１００８とガイド溝４００４によりレーザロッド支持用ホルダー１０の案内手段が構成されている。
なお、両側の基板４０のうちの一方の基板４０には、図面では省略されているが冷却パイプ１２を挿通するための切り欠きが設けられている。

連結部材５０は、各レーザロッド支持用ホルダー１０の外周面の外側において円筒壁状に延在し、その両端がそれぞれ基板４０の外周部に結合されている。
連結部材５０の一側は切りかかれ、この部分に基台５２が取着され、レーザ光発生装置２を平坦な面の上に載置できるように構成されている。
なお、基板４０および連結部材５０ならびに基台５２は、熱伝導率の小さい材料で形成され、本実施例では、ガラスエポキシ樹脂などのような合成樹脂が用いられている。これは、冷却パイプ１２によりレーザロッド支持用ホルダー１０のみを集中して冷却させ、レーザロッド４の冷却効率を高めるためである。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の間に位置する箇所で連結部材５０の周方向に等間隔をおいた３箇所に、半導体レーザアレイ２０を取り付けるための切り欠き５００２が設けられている。

半導体レーザアレイ２０は本実施例では３つ設けられ、各半導体レーザアレイ２０は、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２の上に４つの半導体レーザ２００４がレーザロッド４の長さ方向に沿って並べられ取着されることで構成されている。各半導体レーザアレイ２０は、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２が各切り欠き５００２に取着されることで配設され、４つの半導体レーザ２００４から出射した励起用レーザ光が、すなわち、各半導体レーザアレイ２０から出射した励起用レーザ光がレーザロッド支持用ホルダー１０の間を通ってレーザロッド４の外周面を照射するように構成されている。
半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２は銅などのような熱伝導率の大きい材料で形成され、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２には、図２、図３に示すように、冷却パイプ２２が組み込まれ、冷却パイプ２２に冷却用媒体を循環させることで各半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２が効率よく冷却されるように構成されている。
なお、隣り合うレーザロッド支持用ホルダー１０の間にそれぞれガラス板を配設し、各レーザアレイ２０から出射する励起用レーザ光をそのガラス板を介してレーザロッド４の外周面に導くようにするなど任意である。

リング６０は、各レーザロッド支持用ホルダー１０の両側の溝１００６に装着されることで配設されている。
リング６０は、レーザロッド支持用ホルダー１０よりも熱膨張率の大きい材料で形成されている。このような材料として、例えば、ナイロンなどのような合成樹脂を用いることができる。
リング６０の内径は、使用時に、すなわち、レーザロッド支持用ホルダー１０の冷却時に溝１００６の内径よりも大きく収縮しようとし、溝１００６を介して各レーザロッド支持用ホルダー１０をレーザロッド４の軸心に付勢し、各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面に密着させる寸法で形成されている。言い換えると、冷却時においてリング６０はレーザロッド支持用ホルダー１０よりも大きな収縮率（収縮量）で収縮しようとし、それによりレーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面に確実に密着させるように構成されている。

本実施例では、リング６０により各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面に密着させてレーザロッド４を支持し、冷却パイプ１２に冷却用媒体を循環させることで各レーザロッド支持用ホルダー１０のみを集中して冷却し、これにより密着当接面１００２を介してレーザロッド４を効率よく冷却する。
そして、リング６０と各レーザロッド支持用ホルダー１０の収縮により複数のレーザロッド支持用ホルダー１０をレーザロッド４の軸心に向けて付勢するので、ねじなどによりレーザロッド支持用ホルダー１０を取り付ける場合に比べ、密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面にその全周から均等な力で確実に密着でき、レーザロッド４の冷却効率を高めることができる。
また、レーザロッド４の温度上昇によりレーザロッド４が膨張してもその膨張に追従してリング６０が変形できるので、レーザロッド４が損傷するなどの不具合を解消できる。
また、レーザ光発生装置２の組み立ては常温のもとで行われ、リング６０は、レーザロッド支持用ホルダー１０よりも熱膨張率の大きい材料で形成されているので、収縮していない状態のリング６０を用いて組み立てを行え、したがって、レーザ光発生装置２の組み立てを簡単に行うことが可能となる。

なお、リング６０として用いる材料は、レーザロッド支持用ホルダー１０の冷却時にレーザロッド支持用ホルダー１０よりも大きな収縮率（収縮量）で収縮するものであればよく、実施例のように合成樹脂に限定されない。
また、用いるレーザロッド支持用ホルダー１０の個数は３つに限らず任意であり、レーザロッド支持用ホルダー１０の個数に応じてそれらの間の隙間の数が増減し、それらの隙間に応じて半導体レーザアレイ２０の数が決定される。

本発明に係るレーザ光発生装置の側面図である。 図１のレーザ光発生装置の断面正面図である。 図２のＡＡ線断面図である。

符号の説明

２……レーザ光発生装置、４……レーザロッド、１０……レーザロッド支持用ホルダー、２０……半導体レーザアレイ、３０……冷却手段、４０……基板、５０……連結部材、６０……リング。

Claims (8)

1. レーザロッドの外周面の周りに前記外周面の周方向に間隔をおいて前記レーザロッドの長手方向に沿った長さを有する複数のホルダーを配設し、
   前記レーザロッドの軸心を中心とした円周上を通るように前記複数のホルダーにわたってリングを装着し、
   前記複数のホルダーを冷却しつつ前記各ホルダーの間から励起用レーザ光を前記レーザロッドの外周面に照射し前記レーザロッドを励起させ、
   前記リングを前記ホルダーよりも熱膨張率の大きい材料で形成して前記ホルダーの冷却時に、前記リングを前記ホルダーよりも大きな収縮量で収縮させ、この収縮により前記ホルダーが前記レーザロッドの外周面に臨む箇所を前記レーザロッドの外周面に密着させ前記複数のホルダーで前記レーザロッドを冷却しつつ支持するようにした、
   ことを特徴とする大出力レーザ光発生方法。
2. 前記リングは合成樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の大出力レーザ光発生方法。
3. 前記複数のホルダーは熱伝導率の大きい金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の大出力レーザ光発生方法。
4. レーザロッドと、
   前記レーザロッドの長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、
   前記レーザロッドの長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、
   前記レーザロッドの外周面の周りに前記外周面の周方向に間隔をおいて配設され前記レーザロッドの長手方向に沿った長さを有する複数のホルダーと、
   隣り合う前記ホルダーの間に配設され前記各ホルダーの間から励起用レーザ光を前記レーザロッドの外周面に照射するレーザアレイと、
   前記複数のホルダーを冷却する冷却手段と、
   前記ホルダーの長さ方向の両端を挟むように配設された両側の基板と、
   前記両側の基板のうちの一方の基板に形成された前記ハーフミラーの露出用の孔と、
   前記各ホルダーの前記両端と前記両側の基板とに設けられ前記各ホルダーを前記レーザロッドの半径方向に移動可能に案内する案内手段と、
   前記両側の基板を連結する連結部材とを備え、
   前記ホルダーが前記レーザロッドの外周面に臨む箇所に、前記レーザロッドの外周面に密着可能な密着当接面が形成され、
   前記レーザロッドの軸心を中心とした円周上を通るように前記複数のホルダーにわたってリングが装着され、
   前記リングは前記ホルダーよりも熱膨張率の大きい材料で形成され、前記ホルダーの冷却時に、前記リングが前記ホルダーよりも大きな収縮量で収縮しこの収縮により前記密着当接面が前記レーザロッドの外周面に密着されるように構成されている、
   ことを特徴とする大出力レーザ光発生装置。
5. 前記リングは合成樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項４記載の大出力レーザ光発生装置。
6. 前記複数のホルダーは熱伝導率の大きい金属材料で形成され、前記両側の基板と前記連結部材は熱伝導率の小さい合成樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項４記載の大出力レーザ光発生装置。
7. 前記各ホルダーの長さ方向の両端に位置する端面にそれぞれ前記レーザロッドの軸心を中心とした円周上を通る溝が形成され、前記リングは前記溝に装着されていることを特徴とする請求項４記載の大出力レーザ光発生装置。
8. 前記連結部材は、前記レーザロッドの半径方向において前記複数のホルダーの外側を延在する円筒状に形成され、各ホルダーの間に対応する前記連結部材の箇所に切り欠きが形成され、前記レーザアレイは前記切り欠きを介して前記連結部材に取着されていることを特徴とする請求項４記載の大出力レーザ光発生装置。
   

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