JP4604408B2

JP4604408B2 - Ｌｄ励起レーザ装置

Info

Publication number: JP4604408B2
Application number: JP2001205843A
Authority: JP
Inventors: 努櫻井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003023196A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は従来のランプ励起に代わり、高出力半導体レーザ（以下ＬＤと省略）を用いて励起する、高効率・高出力の端面励起型ＬＤ励起レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に従来の端面励起型ＬＤ励起レーザを示す。
【０００３】
従来、空気中で高出力なレーザ装置を得ようとすると、ＹＡＧロッド３６の発熱を押さえるため、例えば、ＬＤレーザ照射器４１を２つ設け、ミラー３９を介して端面励起し、出力ミラー３８とリアミラー３７を用いて発振させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、端面励起型ＬＤ励起レーザでは、熱によるレーザ媒体のクラック発生や、コート膜ダメージにより、平均出力が５０Ｗを超えるレーザの実現は困難であった。また、５０Ｗ級になると、レーザ媒体もＬＤビーム照射部がかなりの高温となるため、熱レンズ効果により、出力安定性の低下やビームモードの劣化を防止することも困難であった。そして、ＬＤスタックからのＬＤビームは縞状の長方形であるため、そのままレーザ媒体に端面照射すると、縞状の長方形のＬＤ励起光となり、ビームモードも縞状となるため、丸い均質なＬＤ励起ビームにすることが必要な場合もあった。さらに、一般のレーザ溶接では、５０Ｗを超えるレーザをＬＤ励起で実現しようとすると、かなり大きな構造体になり、微小ワーク溶接をするためには光ファイバと出射鏡筒を使用しなければならず、この光ファイバとレーザのカプリングや、光ファイバの扱いに専門ツールや専門技術・技能が必要なため、万一のトラブル時は専門家が対応せねばならないという問題点もあった。
【０００５】
また、高出力を得るためにレーザ媒体を高速ジェット水流で冷却しようとすると、従来のレーザ媒体の保持方法では、ジェット水流の振動により、出力が変動するという問題点もあった。そして、小型にしようとすると、共振器長を短くせざるを得ないが、共振器長を短くすると、ビーム拡がり角が大きくなるため、集光性が落ち、小さなナゲットを得るのが困難になるという問題点もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来のような問題点を解決し、高出力・高安定な小型出射鏡筒型ＬＤ励起レーザを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、複数のＬＤアレイバーと前記ＬＤアレイバーの発散角が大きい出射光を同一光軸方向にラインコリメートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズとを積層して構成されたＬＤスタックと、前記ＬＤスタックを出射した光を絞って平行光にするダウンコリメータと、前記平行光を入射させ前記ＬＤアレイバーの配列方向と垂直な方向に凸形状を有するシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズを通過した光を端面から入射させ、前記端面がレーザ発振波長の全反射コートされたレーザ媒体と、前記レーザ媒体の端面を含む部分を透明な流体で冷却する冷却手段と、中心に前記レーザ媒体の端部を配置しシリンドリカルレンズ側に開いた形状をしたコーン状ミラーと、前記透明な流体を前記コーン状ミラーの内壁から前記レーザ媒体供給する水路部と、で構成し、前記シリンドリカルレンズの出射光を前記コーン状ミラーに反射させ前記レーザ媒体の側面に照射するものである。
【０００８】
これにより、熱の影響を回避することができ、高出力・高安定な小型出射鏡筒型ＬＤ励起レーザが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の、ＬＤ励起レーザ装置について、以下幾つかの実施例を示しながら具体的に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置の上面図と側面図である。
【００１１】
ＬＤスタック１は、波長８０８ｎｍ、定格５０Ｗ、１ｃｍ×１μｍの発光面を有する複数のＬＤアレイバー２と、この出射光を同一光軸方向にラインコリメートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズ３を積層して構成されている。ＬＤスタック１から出射される複数のラインコリメート光４を、平凸レンズ３０と両凹レンズ３１から構成されるダウンコリメータ５により、ビームサイズを小さくしている。そして、前記ＬＤアレイバー２の配列方向と垂直な方向に凸形状をしたシリンドリカルレンズ６、透明ウインドウ８を介して、長方形ＬＤ光７を得て、ＹＡＧロッド９端面に照射する。
【００１２】
ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部は水没しており、配管コネクタ１０よりジェット水流１１をＹＡＧロッド９のＬＤ励起部に当てることにより、高効率の水冷を実現している。そして、ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部端面には、レーザ発振波長１０６４ｎｍのワイドレンジ全反射コートと８０８ｎｍのワイドレンジＡＲコートが、イオンアシスト法により複合コートされており、緻密かつ堅固で、水による波長シフトや、コート膜の劣化を極めて小さくしている。
【００１３】
またＹＡＧロッド９の側面には研磨を施して乱反射を防止し、端面から入射したＬＤ光を、側面の研磨面の全反射作用を利用して閉じ込めることにより、ＬＤ励起効率をあげている。そして、ＹＡＧロッド９には、外周が４５度テーパ、内周がＹＡＧロッド９の外周と同曲率な形状で、硬質材料のアルミからなる２つ割した台形円錐体１２を回転リングねじ１３で締め付けている。これにより、ジェット水流をＬＤ照射部にあててもふらつかず、時間変動の小さい安定したレーザ発振を実現している。
【００１４】
なお、ＹＡＧロッド９はステンレスの円筒１４内に配置され、円筒１４の端面１５は垂直に研磨されており、光軸センタ１６を中心に２分配された位置の研磨面にタップ穴１７が設けられている。そして、出力ミラー２０の保持体１８は、光軸センタ１６を中心に４分配された位置で、各々対象にボールプランジャ１９と、六角穴付ボルト２２を配置し、出力ミラー２０とＹＡＧロッド９の全反射コート面２３を平行にアライメントした後、レーザ出力パワーが最大になるように六角穴付ボルト２２とボールプランジャ１９の締め付け力を調整する。その後、レーザ出力変動が１％、望ましくは０．２％以下になるまで調整し、クリープによる出力低下の影響を軽減している。
【００１５】
なお、出力ミラー２０の出力コート面は、曲率が１ｍから５ｍ程度の凹面の方がレーザ発振効率もあがり、またアライメント機構のクリープによる影響を受けにくく好適である。さらに、出力ミラー保持体１８の光軸センタ上にアクロマティック集光レンズ２１を配置して、レーザ溶接用に一般的に用いられる出射鏡筒形状にした後、ＬＤスタック１も搭載することにより、ファイバレスな高集光溶接器を実現することも可能である。
【００１６】
本発明によれば、３００ＷのＬＤレーザポンプ時にデューティ比１／３のパルス駆動をさせた時に、平均５０Ｗ、ピークパワー１５０Ｗと溶接や薄板金属の切断に十分なレーザパワーを得た。このときのＬＤ光−励起レーザ光変換効率は、約５０％であった。さらに、側面研磨したＹＡＧロッドでＬＤ光を封じ込めることにより、効率はさらに２〜３％ＵＰした。
【００１７】
これらにより、長方形から正方形、丸型のビームが手ごろに得られ、従来のＬＤ励起レーザより遥かに小さく、安く、扱いやすく、長期、短期ともに従来の一般のパワーメータでは測定困難な程度（推定±０．１％）の高安定な小型高出力出射鏡筒型レーザを、提供することができた。
【００１８】
本発明のさらに優れている点は、水没したＹＡＧロッド端面に照射した形状通りのＬＤ励起レーザビームが得られるので、ＬＤ照光７がライン状になるように平凸レンズ３０と両凹レンズ３１間の距離を調整することにより、高ピークのラインビームが得られる。そして、アクロマティック集光レンズ２１で集光することにより、数十μｍ×０．２ｍｍ程度のナイフ状集光ビームが得られるため、０．２ｍｍ程度のタングステンワイヤを３８００度という高融点にもかかわらず、瞬時に切断することができる。
【００１９】
また、グリッド状のマルチビームをあてることにより、グリッド状ビームが得られるため、マルチ集光レンズで集光することにより、同時多点のグリッド状マイクロスポットが得られる。この同時多点のグリッド状マイクロスポットは数十ミクロンオーダの金属箔を接合に好適である。
【００２０】
図２に、図１のＬＤ励起レーザ装置において、丸型のＬＤ励起レーザビームを得て、しかもビーム密度と品質を向上させたＬＤ励起部の構成図を示す。
【００２１】
図１のシリンドリカルレンズ６通過後のＬＤ光が正方形になるように、平凸レンズと両凹レンズ間の距離を調整する。そして、図２に示すように、メガホン状カライド３２に、正方形ＬＤ光の対角線と同じ直径で入射し、この正方形ＬＤ光の一辺と同じ直径で出射させることで、カライド効果により均質な丸型ビームＬＤビーム３３を得ている。この出射光を隣接したＹＡＧロッド９の端面２３に照射すると、端面励起のＬＤ励起レーザは、端面２３から数ｍｍ間のＬＤレーザ吸収部で吸収された通りのＬＤ励起ビームが得られるので、ＬＤ励起ビームも均質な丸型ビームとなる。すなわち、メガホン状カライドを追加して四角を丸に変換することにより、レーザパワーは同等であるが、丸に変換した分、ビーム密度が高くでき、従来の丸型ビームが必要な出射鏡筒の置き換えを実現している。
【００２２】
図３に、図１のＬＤ励起レーザ装置において、ビーム密度と品質を向上させたＬＤ励起部の構成図を示す。
【００２３】
ダウンコリメータの通過光７を、透明ウインドウを介して、１０６４ｎｍの全反射コートと８０８ｎｍのＡＲコート端面に一部あてると共に、残りのＬＤ光を４５度近傍の傾きを有するコーン状ミラー４０で反射させて、端面と側面でＬＤ励起させることにより、均質な丸型状の励起レーザビームを得ている。
【００２４】
なお、この場合、配管コネクタよりジェット水流１１をコーン状ミラー４０の水路部を切り欠いて、ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部に照射し、高効率の水冷をしている。
【００２５】
上記において、励起光学レンズは丸型が一般的なので、ＬＤからのビームは、正方形が最も、丸型光学系に対しスペース効率が良いのは自明である。よって、ＬＤスタック発光ピッチは０．９ｍｍの時、ＬＤアレイバー幅が１ｃｍであると（６＋５）×０．９＝９．９ｍｍとなり、６個のバーのとき、ほぼ１ｃｍ角の正方形となるので、好適である。
【００２６】
図４に、図１のＬＤ励起レーザ装置において、ビーム密度を数倍に向上させた、ＬＤ励起部の構成図を示す。
【００２７】
ＬＤスタック１からのラインコリメートＬＤ光４を、８０８ｎｍ用の１／λ波長板３４にて、ＦＡＳＴ方向の偏向光を９０度回転し、図４のように、波長８０８ｎｍ用偏向ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと略）を２つ貼り合わせた構成で、光を加算するＰＢＳ加算器３３により、ＳＬＯＷ方向を半分にして倍密ビーム３５を生成する。
【００２８】
これによって、ＳＬＯＷ方向はＰＢＳ加算なしの時には、１ｃｍライン状発光体の集光限界である１ｃｍ×１／３＝３．３ｍｍのビームサイズであるが、ＰＢＳ加算によってさらに半分の１／６に集光される。そして、倍密ビーム３５をＹＡＧロッド９内のＬＤ励起部で、ＦＡＳＴ方向に１／６になるようにダウンコリメータ５を調整することにより、上記の実施例の１／４のＬＤ励起レーザビームサイズになるので、１／４の集光スポット、４倍密度で集光が可能となる。
【００２９】
また、均質かつ倍密度の長方形状ＬＤ励起ビームを得るために、発光部が約５０％のＬＤスタックを２台、半ピッチずらして設け、インターリーブ加算器で加算して、均質な長方形ＬＤ照射光をつくるのも好適である。
【００３０】
このように、数十ミクロンから１００ミクロン程度の小さな集光スポットを得るために、ＳＬＯＷ方向用ＰＢＳ加算器をＬＤ照射光に設けることにより、１／４以下にＬＤ励起レーザビームを小さくさせることが可能となる。
【００３１】
さらに、ＰＢＳ加算器やインターリーブ加算器により、励起ビームサイズを小さくするでき、共振器内部の光密度がかなり高くなるので、ＫＴＰやＬＢＯなどの非線形結晶を共振器内部に配置することのより、高い効率の倍波発振が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、長時間の水没による波長シフトの影響を極力減らしたコートしたレーザ媒体をジェット水流で、ＬＤ励起部を照射することにより、高出力かつ、熱レンズ効果のないＬＤ励起レーザが得られるという有利な効果が得られる。
【００３３】
また、メガホン状カライドをＬＤ照射部に配置することや、コーン状ミラーにより、均質な丸型ビームのＬＤ励起レーザ光が得られ、さらに、ＳＬＯＷ方向用ＰＢＳ加算器とアクロマティック集光レンズにより、数十ミクロン程度の小さな集光スポットが得られるという効果も得られる。
【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ＬＤ励起レーザ装置の上面図と側面図
【図２】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置における丸型のＬＤ励起レーザビームを得るＬＤ励起部の構成図
【図３】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置における丸型のＬＤ励起レーザビームを得るＬＤ励起部の構成図
【図４】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置におけるビーム密度を数倍に向上させたＬＤ励起部の構成図
【図５】従来の端面励起型ＬＤ励起レーザの構成図
【符号の説明】
１ＬＤスタック
２ＬＤアレイバー
３ＦＡＳＴ方向用コリメートレンズ
５ダウンコリメータ
６シリンドリカルレンズ
９ＹＡＧロッド
１２台形円錐体
１３回転リングネジ
１９ボールプランジャ
２０出力ミラー
３２メガホン状カライド
３３ＰＢＳ加算器
４０コーン状ミラー

Claims

複数のＬＤアレイバーと前記ＬＤアレイバーの出射光を同一光軸方向でビームの発散角が大きい方向（以下ＦＡＳＴ方向）にラインコリメートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズとを積層して構成されたＬＤスタックと、前記ＬＤスタックを出射した光を絞って平行光にするダウンコリメータと、前記平行光が入射し前記ＬＤアレイバーの配列方向と垂直な方向に凸形状を有するシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズを通過した光が入射するレーザ媒体と、前記レーザ媒体の端面を含む部分を透明な流体で冷却する冷却手段とを有し、前記レーザ媒体の端面から光が入射し、前記レーザ媒体の端面にレーザ発振波長を反射する全反射コートと、中心に前記レーザ媒体の端部を配置しシリンドリカルレンズ側に開いた形状をしたコーン状ミラーと、前記透明な流体を前記コーン状ミラーの内壁から前記レーザ媒体に供給する水路部と、で構成し、前記シリンドリカルレンズの出射光を前記コーン状ミラーに反射させ前記レーザ媒体の側面に照射することを特徴とするＬＤ励起レーザ装置。
前記透明な流体が水であることを特徴とする請求項１に記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記レーザ媒体の側面が研磨されていることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記コーンの角度が前記レーザ媒体に対し４５度であることを特徴とする請求項１〜３に記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記全反射コートは、前記透明な流体中で発振波長に対して全反射し、かつ、ＬＤ励起光に対して反射防止コートであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記全反射コートは、イオンアシストコート法により形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記レーザ媒体と同軸上に配置した出力ミラーと、前記出力ミラーを保持する出力ミラー保持部と、前記出力ミラー保持部の中心に対し４分配された位置のそれぞれ対向する部分にプランジャとねじとを有したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記出力ミラーからの出射光の光軸上に配置した集光レンズを有することを特徴とする請求項７に記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記レーザ媒体を保持し、内周が前記レーザ媒体の外周と同曲率で、外周がテーパ形状で２つ割りしたレーザ媒体保持部と、前記レーザ媒体保持部のテーパ部を押圧して固定するレーザ媒体固定部とを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
前記ビームの発散角が小さい方向（以下ＳＬＯＷ方向）の長さを１／２以下にするＳＬＯＷ方向用偏向ビームスプリッタ加算器を前記ＬＤアレイバーの照射光側に設け、前記ダウンコリメータでＦＡＳＴ方向長さもＳＬＯＷ方向に合わせて集光して、元レーザビームサイズの１／４以下の集光スポットのＬＤ励起ビームを得ることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のＬＤ励起レーザ装置。