JP4705831B2 - 固体レーザー - Google Patents

Description

この発明は固体レーザーに関し、特にその熱レンズ効果の軽減に関する。

固体レーザーでは熱レンズ効果が問題になる。固体レーザーを発振させるとロッドの断面に直径方向に沿った温度分布が生じる。単結晶や多結晶セラミックなどの金属酸化物では屈折率の温度係数は正で、ロッドの中心軸が昇温すると一種の凸レンズとして作用する。熱レンズ効果を現す指標としてディオプター値が用いられ、これは熱レンズ効果による焦点距離の逆数である。そして熱レンズ効果は、固体レーザーに対して高出力域での出力の低下や、ビーム径の変化をもたらす。

特許文献１は、固体レーザーのロッドとは、屈折率の温度依存性が逆の物質を用いて、熱レンズ効果を補償することを提案している。補償片の材質ガラスで、レーザーロッドと拡散接着され、厚さの合計長が300mmの４本のレーザーロッドの間に、各30mm厚の補償片を３枚挿入している。この場合、補償片での屈折率の温度依存性が小さいため、厚い補償片を複数用いる必要があり、補償片とレーザーロッドとに同じ温度分布を持たせるのが難しい、またレーザーロッドに補償片を拡散接着するのは大変である。
特開平１０−２８４７７５号公報

この発明の課題は、固体レーザーの熱レンズ効果を補償するための新規な構成を提供することにある。

この発明は、屈折率の温度係数が正の結晶質金属酸化物からなるロッドを用いた固体レーザーにおいて、屈折率の温度係数が負で、その絶対値がロッドの温度係数の10倍以上のプラスチック片から成る、熱レンズ効果の補償片と、前記補償片を封入した筒状の金属治具とを備え、前記金属治具の両端に前記ロッドが固定され、かつロッドと補償片との間に有機物の液体層が介在していることを特徴とする。

好ましくは、前記補償片の厚さとその温度係数の積の絶対値を、前記ロッドの温度係数とその合計長との積の、３／４以上５／６以下とする。

特に好ましくは、前記ロッドがレーザー活性元素を添加したYAGで、前記補償片をPSAN（ポリスチレンアクリロニトリル）、PC（ポリカーボネート）、PS（ポリスチレン）からなる群の１員とする。

この発明では、補償片としてプラスチックを用いるので、負で絶対値が大きな屈折率の温度依存性を得ることができる。例えばPMMAの屈折率ｎの温度依存性dn/dTは-12×10^−５／K程度で、PSANやPCでは-14×10^−５／K程度、PSでは-15×10^−５／K程度である。温度依存性が負の物質としてはプラスチック以外に金属フッ化物が有り、例えばLiFで屈折率ｎの温度依存性dn/dTは-1.6×10⁻⁵／K程度、CaF₂で-0.6×10⁻⁵／K程度、NaFで-0.16×10⁻⁵／K程度と、プラスチックの温度依存性に比べて1/10〜1/100程度である。そこでプラスチックの補償片を用いることにより、薄い補償片でロッドの温度係数を補償できる。補償片を薄くすれば、ロッドからの補償片の光軸方向の内部への熱拡散を、補償片の中心部から周面への熱拡散よりも速くできるので、ロッドと同じ温度分布を補償片に持たせることが容易になる。このため正確に熱レンズ効果を補償できる。また補償片を透明でかつ薄くできるのでレーザー特性への影響が少ない。

補償片は、ロッドが持つ屈折率の温度依存性を75％以上補償できるものが好ましく、このようにすると、固体レーザーでの熱レンズ効果が実質上問題にならないようにできる。

プラスチックはレーザー耐力が高い物質であるが、熱変形しやすい材料でもある。昇温により補償片が撓むと、レーザー性能が低下する。そこで金属の筒状治具に補償片を封入して、その両端にロッドを取り付け、ロッドの端面と補償片の端面を接触させると、ロッドへの補償片の取付が容易で、また補償片の熱変形を防止でき、かつロッドから補償片への熱伝導を容易にできる。さらに金属治具は補償片の周面を冷却するので、補償片の光軸方向と直角な断面方向での温度分布を大きく保つことができる。

補償片の材質としては、透明度が高く、レーザー耐力が大きく、かつ屈折率が負の大きな温度依存性を持つ、PSAN、PC、PSが好ましい。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。。

図１〜図７に、実施例の固体レーザとその特性とを示す。図において２はレーザーロッドで、左右一対のNd:YAGロッドの間に、熱レンズ効果の補償片６を配置してある。８は取り付け用の治具で、１０は筒状の金属治具である。そして筒状治具１０の内部に熱レンズ効果の補償片６を封入し、かつ筒状治具１０の左右両端にNd:YAGロッド４を取り付け、その端面を補償片６の端面に接触させる。固体レーザーには、レーザーロッド２以外に励起用のフラッシュランプやミラー並びにハーフミラーなどを設ける。

ロッド４，４は金属酸化物の単結晶もしくは多結晶のロッドで、Nd:YAG以外にYbやEuなどの他のレーザー活性元素を添加したYAGでもよく、またルビーなどでも良い。ロッド４，４はここでは直径6mm、長さが45mmとし、合計長は90mmである。補償片６は、直径が6mmで長さが5mmの円柱状で、その外径と筒状治具１０の内径が等しく、両端で治具１０によりロッド４，４の端面に突き当てられている。なおロッド４と補償片６の端面同士を密に接触させることが難しい場合があるので、シリコンオイルなどの高沸点の有機物の液体層を補償片６とロッド４の間に介在させる。筒状治具１０は肉厚が薄いほど、固体レーザーの小形化に有効で、例えば肉厚を0.5〜1mmとする。また補償片６とロッド４，４は直径を等しくする必要はなく、直径6mmのロッド４，４に対し、肉厚が0.5mmで外径6mm、内径5mmの筒状治具１０に外径5mmの補償片６を封入しても良い。

ロッド４と補償片６の物性は表１の通りである。補償片の屈折率の温度係数の絶対値は、ロッドの約１６倍で、合計90mmのロッド４，４に対して、厚さ5mmの補償片６を用いることにより、理論値ではロッド４，４の屈折率の温度係数の約90％を補償している。またPMMAはレーザー耐力が高く、繰り返しレーザーを発振させても損傷を受けにくい材料で、しかも透明である。

さらにPMMAは厚さが5mm程度と薄いので、光軸に垂直な断面方向、即ち図１の紙面と垂直な切断面での温度分布を、ロッド４，４と補償片６とでほぼ等しくできる。熱レンズ効果はロッド４，４での断面方向の温度分布により発生するので、補償片６がロッド４，４と類似の温度分布を断面方向に持つ必要がある。ここで補償片６の厚みが大きいと、補償片６の中心部では断面方向の温度分布が小さくなり、熱レンズ効果が補償できなくなる。このため補償片には、屈折率の温度係数の絶対値がロッドの温度係数の１０倍以上の材料を用い、薄い補償片とする必要がある。そしてこのような材料は有機物に限られ、液体では対流により温度分布を維持できないので、プラスチック片に限られる。

表１
Nd:YAGとPMMAの物性値
Nd:YAG PMMA
屈折率ｎ 1.82 1.49
密度ｇ／ｃｍ^３ 4.55 1.19
熱伝導率Ｗ／cm・k 0.14 0.0021
線膨張率×10^−５／K 0.79 7.0
融点・軟化点℃ 1950 120
屈折率の温度係数dn/dT×10^−５／K +0.73 -12

プラスチック片としては透明でレーザー耐力が大きく、かつ屈折率の温度依存性の絶対値が大きいものがよい。このような材料としては、PMMA（ポリメチルメタクリレート）以外に、PSAN（ポリスチレンアクリロニトリル）やPC（ポリカーボネート）及びPS（ポリスチレン）などがある。これらの屈折率の温度係数はいずれも負で、その絶対値は１２〜１５×10^-5/K程度である。補償片の屈折率の温度係数が負なのでロッド４，４の温度係数は正のものに限られ、単結晶や多結晶の金属酸化物は屈折率の温度係数が正である。なお屈折率の温度依存性が負の材質としては、LiFなどの金属フッ化物が知られているが、これらの屈折率の温度依存性の絶対値は１．６×10^-5程度で、Nd:YAGの屈折率の温度依存性の２倍程度の絶対値しかない。そこでこのような材料で、熱レンズ効果を補償すると、補償片の厚さがロッド４，４の合計長の1／2程度となり、補償片の内部にロッドと同じ断面方向の温度分布を持たせることが困難になる。

金属の治具１０を用いることにより、補償片６はその周面から金属治具１０により放冷される。これによって補償片６内の断面方向の温度分布が大きくなり、熱レンズ効果をより一層補償することができる。また補償片の形状は金属治具１０により一定に保たれ、左右の両端面でロッド４，４の端面との接触が維持される。

図２は実施例での出力のビーム径を画像として示し、図中に発振周波数を示し、励起光は各50J/ショットで、ここではHe-Neのレーザー光をレーザーロッド２内を通過させて、その出力画像を撮影している。実施例では、周波数を0Hz（ワンショットのみ印加）〜31Hzまで変化させても、ビーム径の変化は小さい。図３に、図２の条件での周波数に対する出力ビーム径の変化を示す。

図４，図５は、補償片６を用いなかった他は同じ条件での、出力ビーム径の変化を示す。繰り返し周波数を増すとビーム径は小さくなり、これは凸レンズ状の熱レンズ効果を示している。

図６に、図２〜図５の条件での励起入力パワーとディオプター値との関係を示す。なお補償片６の厚さを0mm〜10mmに変化させ、ディオプター値は熱レンズ効果による焦点距離の逆数である。補償片６の厚さを5mmとすると、励起入力パワーを1500W程度まで増しても、熱レンズ効果はほぼ完全に補償され、この時、補償片の屈折率の温度係数の絶対値とその長さの積は、ロッドの屈折率の温度係数と合計長の積の90％である。補償片６の厚さを3mmとし、補償片６の屈折率の温度係数の絶対値とその長さの積を、ロッド４，４の屈折率の温度係数とその合計長の積の55％としても、ディオプター値をかなり小さくできる。補償片の厚さと屈折率の温度係数の絶対値との積を、ロッドの屈折率の温度係数と合計長の積の50％以上150％以下とすることが好ましく、特に好ましくは75％〜125％とする。

図７に、図１のレーザーロッド２を用いて、フラッシュランプにより50J/ショットにより励起して発振させた際の、パルス当たりの出力と出力パワーとを示す。実施例では発振周波数を4〜31Hzまで変化させても、パルス当たりの出力はほぼ一定で、レーザー出力への熱レンズ効果の影響は殆ど見られない。

実施例では以下の効果が得られる。
(1) プラスチックの補償片を用いるので、屈折率の温度依存性の絶対値が、ロッドの屈折率の温度依存性の10倍以上の材料を得ることができ、薄い補償片を用いることができる。
(2) これによって、補償片の断面方向にロッドの断面方向の温度分布とほぼ等しい温度分布を作ることができ、正確に熱レンズ効果を補償できる。
(3) 金属治具内にプラスチックの補償片を封入するので、左右のロッドに対して補償片を正しい位置に維持し、ロッドとの接触を保つことができる。また補償片を金属の筒状治具内に封入するので、補償片が昇温しても変形を防止し、さらに治具で補償片の周面を冷却して、補償片内部の断面方向での温度分布を大きく保つことができる。

実施例の固体レーザーの平面図 5mm厚のPMMAを熱レンズ効果の補償片として挿入した固体レーザーロッドを50J／ショットの励起光により加熱し、発振周波数を変えた際の出力ビーム画像を示す図 図２のビーム径を発振周波数に対してプロットした特性図 熱レンズ効果の補償片を挿入せずに、固体レーザーロッドを50J／ショットの励起光により加熱し、発振周波数を変えた際の出力ビーム画像を示す図 図４のビーム径を発振周波数に対してプロットした特性図 PMMAからなる熱レンズ効果の補償片の厚さと励起入力パワーとに対する、熱レンズ効果によるディオプター値を示す特性図 実施例の固体レーザーを50J／ショットで励起した際の出力を示す特性図

符号の説明

２ 固体レーザーロッド
４ Nd:YAGロッド
６ 熱レンズ効果の補償片
８ 治具
１０ 筒状治具

Claims (3)

1. 屈折率の温度係数が正の結晶質金属酸化物からなるロッドを用いた固体レーザーにおいて、
   屈折率の温度係数が負で、その絶対値がロッドの温度係数の10倍以上のプラスチック片から成る、熱レンズ効果の補償片と、
   前記補償片を封入した筒状の金属治具とを備え、
   前記金属治具の両端に前記ロッドが固定され、かつロッドと補償片との間に有機物の液体層が介在していることを特徴とする固体レーザー。
2. 前記補償片の厚さとその温度係数の積の絶対値が、前記ロッドの温度係数とその合計長との積の、３／４以上５／６以下であることを特徴とする、請求項１の固体レーザー。
3. 前記ロッドがレーザー活性元素を添加したYAGで、前記補償片がPSAN（ポリスチレンアクリロニトリル）、PC（ポリカーボネート）、PS（ポリスチレン）からなる群の１員であることを特徴とする、請求項１または２の固体レーザー。