JP6223650B1

JP6223650B1 - レーザ発振装置

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Publication number: JP6223650B1
Application number: JP2017540671A
Authority: JP
Inventors: 西前　順一; 順一西前; 智毅桂; 大嗣森田; 裕章黒川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2037-02-13
Also published as: CN110036543A; WO2018146819A1; JPWO2018146819A1; DE112017005416T5; DE112017005416B4; US20190252844A1; US10840670B2

Abstract

レーザ発振装置（１００）は、発するレーザビームの波長が異なるレーザ媒質（１１，１２）と、レーザビームの一部を透過させるとともに、残りを反射してレーザ媒質（１１，１２）側に戻す部分反射ミラー（１４）とで構成された外部共振器（１０）を備え、外部共振器（１０）の内部には、レーザ媒質（１１，１２）から発せられた波長の異なる複数のレーザビームを一つに重ね、波長結合させて部分反射ミラー（１４）へ出射する回折格子（１３）と、レーザ媒質（１１，１２）と回折格子（１３）との間に配置され、複数のレーザビームを回折格子（１３）上で一つに重畳するとともに、頂角をなす二つの面の一方が入射面であり、他方の面が出射面であるプリズム（１５）とが配置されている。

Description

本発明は、複数のレーザ媒質から発せられる波長の異なる複数のレーザビームを波長結合して出力するレーザ発振装置に関する。

レーザビームの輝度を高めるために、複数のレーザ媒質から発せられる波長の異なる複数のレーザビームを波長分散素子で波長結合させることが試みられている。なお、本明細書において「波長結合」とは、波長の異なる複数のレーザビームを同じ出射角で出射させること、すなわち、波長の異なる複数のレーザビームを一つに重ねることを意味する。

特許文献１には、複数のレーザ媒質及び波長分散素子を含む外部共振器により、複数のレーザ媒質からレーザビームの波長を固有の値に決定し、外部共振器外に設置した別の波長分散素子で複数のレーザ媒質からのレーザビームを結合する技術が開示されている。

特表２０１３−５２１６６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明では、波長分散素子の作用により、波長分散素子を通過後のレーザビームのビーム径及び発散角は、レーザ媒質ごとに異なることになる。したがって、ビーム径及び発散角が異なる複数のレーザビームを外部共振器で共振させることになるため、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性が低下し、外部共振器の出力が低下するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性を高めたレーザ発振装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、レーザビームの一部を透過させるとともに、残りを反射してレーザ媒質側に戻す部分反射素子とで構成された外部共振器を備える。外部共振器の内部には、複数のレーザ媒質から発せられた波長の異なる複数のレーザビームを一つに重ね、波長結合させて部分反射素子へ出射する波長分散素子と、複数のレーザ媒質と波長分散素子との間に配置され、複数のレーザビームを波長分散素子上で一つに重畳するとともに、頂角をなす二つの面の一方が入射面であり、他方の面が出射面であるプリズムとが配置されている。

本発明に係るレーザ発振装置は、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性を高められるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図実施の形態１に係るレーザ発振装置の回折格子でのビーム径変換作用を説明するための図実施の形態１に係るレーザ発振装置のプリズムの動作を説明するための図本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図である。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、制御部９０と、駆動回路７１，７２と、駆動電源８１，８２と、外部共振器１０とを備えている。外部共振器１０は、発するレーザビームの波長が異なるレーザ媒質１１，１２と、レーザビームの一部を透過させるとともに、残りを反射してレーザ媒質１１，１２側に戻す部分反射素子である部分反射ミラー１４とで構成されている。外部共振器１０の内部には、レーザ媒質１１，１２から発せられた波長の異なる複数のレーザビームを一つに重ねて波長結合させ、部分反射ミラー１４へ出射する回折格子１３と、レーザ媒質１１，１２と回折格子１３との間に配置され、複数のレーザビームを回折格子１３上で一つに重畳するプリズム１５とが配置されている。回折格子１３は、光の入射角と出射角との関係が波長によって変化する波長依存性を示す波長分散素子である。プリズム１５は、頂角φをなす二つの面の一方が入射面となり、他方の面が出射面となるように設置されている。駆動回路７１，７２は、レーザ媒質１１，１２のオンオフの制御及び短絡発生時にレーザ媒質１１，１２への電力供給を遮断する保護機能を有する。駆動電源８１，８２は、駆動回路７１，７２に電力を供給する電源である。制御部９０は、数値制御装置から入力される指令に基づいて駆動回路７１，７２を制御する。

レーザ媒質１１，１２は、光又は電気といったエネルギーを与えることで、レーザ光を発生する。レーザ媒質１１，１２には、半導体レーザの活性層及びファイバレーザのコアを例示できるが、これらに限定されない。レーザ媒質１１，１２の後側の端面には、高反射率の反射コーティング１１１，１２１が形成され、光の大部分を反射する。したがって、レーザ媒質１１，１２で生じた光は、前端１１２，１２２から前方に出射される。

レーザ媒質１１，１２で発生した光は、プリズム１５を経由して回折格子１３に到達し、回折格子１３上で一つに重畳される。回折格子１３への入射角αと回折格子１３における出射角である回折角βとの関係は、回折格子１３の溝間隔ｄ、波長λを用いて下記式（１）のように表わされる。ｍは、回折の次数と呼ばれる自然数である。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ ・・・（１）

図１に示すように、レーザ媒質１１からのレーザビーム及びレーザ媒質１２からのレーザビームは、異なる入射角で回折格子１３に入射し、同じ回折角で出射される。レーザ媒質１１からのレーザビームとレーザ媒質１２からのレーザビームとは、回折格子１３に入射する際に角度δ１をなしている。

回折格子１３において回折されたレーザビームの一部は部分反射ミラー１４で反射され、残りのレーザビームは部分反射ミラー１４を透過して外部共振器１０の外に出力される。外部共振器１０の外に出力されるレーザビームは、レーザ加工を始めとする各種の用途に使用される。

部分反射ミラー１４で反射されたレーザビームは、上述した光路を逆にたどって、回折格子１３及びプリズム１５を経て、レーザ媒質１１，１２に戻る。レーザ媒質１１，１２まで戻ったレーザビームは、レーザ媒質１１，１２中で増幅され、レーザ媒質１１，１２の後側の反射コーティング１１１，１２１で反射され、再びレーザ媒質１１，１２から出射される。

外部共振器１０が成立している時には、部分反射ミラー１４、回折格子１３、プリズム１５及びレーザ媒質１１，１２の位置関係により、レーザ媒質１１，１２ごとに光路が決まり、レーザ媒質１１からのレーザビーム及びレーザ媒質１２からのレーザビームが回折格子１３上で一つに重畳される。そして、光路が決まることにより上記式（１）を満たす固有の波長が決定される。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、異なる波長を持つレーザ媒質１１，１２からのレーザビームが一本のレーザビームになるように重ね合わせることにより、レーザビームの輝度を向上させることが可能である。

続いて、プリズム１５の作用について説明する。プリズム１５は、回折格子１３のビーム径変換作用によってレーザ媒質１１からのレーザビームとレーザ媒質１２からのレーザビームとで波長結合後のレーザビームのビーム径及び発散角が相違することを抑制して、外部共振器１０の効率を向上させ、出力ビームの集光性を向上するために配置される。

図２は、実施の形態１に係るレーザ発振装置の回折格子でのビーム径変換作用を説明するための図である。図２において、回折格子１３上のビーム幅ｘは、入射ビーム径２ω_ｉ及び回折ビーム径２ω_ｄを用いて、ｘ＝２ω_ｉ／ｃｏｓα＝２ω_ｄ／ｃｏｓβで表わされるため、入射ビーム径２ω_ｉと回折ビーム径２ω_ｄとの間には、下記式（２）が成立する。
ω_ｄ＝（ｃｏｓβ／ｃｏｓα）ω_ｉ・・・（２）

すなわち、回折格子１３の前後でビーム径は、（ｃｏｓβ／ｃｏｓα）倍になる。つまり、入射角α又は回折角βが異なると、回折格子１３を通過後のビーム径は異なる値となる。回折格子１３の前後でビーム径と発散角との積は保存されるという関係があることから、ビーム発散角は（ｃｏｓα／ｃｏｓβ）となる。よって、回折格子１３の光線行列は、下記式（３）で表わされる。式（３）中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、光線行列の成分である。

一方で、プリズム１５にもビーム径変換作用がある。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、プリズム１５のビーム径変換作用により、回折格子１３のビーム径変換作用の影響を低減させている。

図３は、実施の形態１に係るレーザ発振装置のプリズムの動作を説明するための図である。厳密には、プリズム１５の屈折率には波長依存性があるが、レーザ媒質１１，１２から発生するレーザビームの波長の範囲が狭ければ影響は小さいため、屈折率は一定値であると見なしても問題ない。例えば、合成石英の屈折率は、波長９５０ｎｍではｎ＝１．４５１１５であり、波長１０００ｎｍでは１．４５０４７である。波長９５０ｎｍでの屈折率と波長１０００ｎｍでの屈折率との違いは０．０４％であるため、波長９５０ｎｍのレーザビーム及び波長１０００ｎｍのレーザビームであれば、プリズム１５の屈折率は一定値と見なしても問題ない。

図３に示すように、プリズム１５中の光路長がｌである場合、プリズム１５の光線行列は、下記式（４）で表わされる。

また、スネルの法則及び三角形の内角の関係から、下記式（５）、式（６）及び式（７）が成立する。なお、式（６）中のｎは、プリズム１５を構成する材料の屈折率である。
ｓｉｎθ_１＝ｎｓｉｎθ_２・・・（５）
ｎｓｉｎθ_３＝ｓｉｎθ_４・・・（６）
θ_２＋θ_３＝φ ・・・（７）

式（１）、式（３）、式（４）、式（５）、式（６）及び式（７）と、レーザ媒質１１，１２からプリズム１５までの光線行列と、プリズム１５から回折格子１３までの自由伝搬の光線行列とを用いることで、レーザ媒質１１，１２から回折格子１３の出口までの光線行列をレーザ媒質１１，１２ごとに求めることができる。

レーザ媒質１１から回折格子１３の出口までの光線行列とレーザ媒質１２から回折格子１３の出口までの光線行列との差が小さくなるように、プリズム１５の頂角φ及びプリズム１５への入射角θ_１といったパラメータを決定すれば良い。なお、レーザ媒質１１，１２から回折格子１３の間には、プリズム１５の他にも、レーザビームをコリメートするための光学素子及び円柱レンズを設置することもあり得る。レーザビームをコリメートするための光学素子及び円柱レンズを設置する場合は、光学素子及び円柱レンズの光線行列を用いて、同様の最適化を実施することが可能である。

回折格子１３の作用とプリズム１５の作用とは原理が異なるために、入射角と出射角との関係、すなわち入射ビーム径と出射ビーム径との関係の角度依存性は完全には一致しない。したがって、レーザ媒質を三つ以上用いて外部共振器１０を形成する際には、回折格子１３のビーム径変換作用をプリズム１５のビーム径変換作用で、キャンセルしきれないことがあり得る。回折格子１３のビーム径変換作用をプリズム１５のビーム径変換作用で、キャンセルしきれない場合、レーザ媒質からプリズム１５までの距離を、レーザ媒質ごとに調整することで、回折格子１３上の各レーザ媒質からのビーム径がより揃った状態にすることができる。具体的には、複数のレーザ媒質の中に、回折格子１３で回折されて部分反射ミラー１４へ向かうレーザビームのビーム径が、他のレーザ媒質からのレーザビームと比較して大きくなってしまうものが含まれる場合には、そのレーザ媒質をプリズム１５に近づけることで、回折格子１３で回折されて部分反射ミラー１４へ向かうレーザビームのビーム径を縮小してレーザビームのビーム径を揃えることができる。逆に、複数のレーザ媒質の中に、回折格子１３で回折されて部分反射ミラー１４へ向かうレーザビームのビーム径が、他のレーザ媒質からのレーザビームと比較して小さくなってしまうものが含まれる場合には、そのレーザ媒質をプリズム１５から遠ざけることで、回折格子１３で回折されて部分反射ミラー１４へ向かうレーザビームのビーム径を拡大してレーザビームのビーム径を揃えることができる。

なお、プリズム１５の頂角φ及びプリズム１５の配置方法によっては、効率、装置サイズ及び安定性を犠牲にせずに、外部共振器１０中に設置できるレーザ媒質の数を増やすことが可能である。

プリズム１５を外部共振器１０中に設置しない場合にレーザ媒質１１からのレーザビームとレーザ媒質１２からのレーザビームとがなす角度は、図１中のδ１で表わされる。一方、プリズム１５を設置する場合にレーザ媒質１１からのレーザビームとレーザ媒質１２からのレーザビームとがなす角度はδ２となる。すなわち、実施の形態１に係るレーザ発振装置１００では、プリズム１５は、複数のレーザ媒質１１，１２からのレーザビーム同士がなす角度を、回折格子１３側で小さくする。図１に示すように、δ２＞δ１であれば、外部共振器１０中に設置可能なレーザ媒質の数を増大させることができる。

レーザ媒質は実寸法を有するため、外部共振器内に設置するレーザ媒質の数を増やそうとすると、回折格子から見た両端のレーザ媒質がなす角度δ１を大きくするか、レーザ媒質と回折格子との距離を増加させる必要がある。前者は波長領域の拡大につながり、後者は外部共振器サイズの増大につながる。波長領域が拡大すると、回折格子の回折効率が低下する領域まで使用しなくてはならず、効率が低下する。また、レーザ媒質のゲインの波長幅も有限であるから、レーザ媒質においても効率が低下する要素となる。一方、外部共振器サイズが増大すると、レーザ発振装置のサイズが大きくなりコストが増大することに加え、外部共振器の安定性も低下する。

実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、回折格子１３から見たレーザ媒質１１，１２間の角度を拡大するようにプリズム１５を配置した場合には、外部共振器１０中に設置できるレーザ媒質の数を増やし、レーザ発振装置１００の出力及びレーザビーム輝度を向上させることができる。

一方、プリズム１５を設置しないとレーザ媒質１１，１２間の角度が大きくなって外部共振器１０内にデッドスペースが生じる場合には、δ１＞δ２となるようにすることで、外部共振器１０の小型化を図ることができる。すなわち、プリズム１５が、複数のレーザ媒質１１，１２からのレーザビーム同士がなす角度を、回折格子１３側で大きくすることで、外部共振器１０の小型化を図ることができる。

上記の説明では、回折格子１３から部分反射ミラー１４へ向かう波長結合後のレーザビームのビーム径及び発散角が一致するようにプリズム１５を配置しているが、波長結合がなされた後でのビーム径の差及び発散角の差を、複数のレーザビームが回折格子１３へ直接入射する場合よりも小さくするのであれば、必ずしもビーム径及び発散角が一致しなくても良い。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す図である。実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１は、外部共振器１０の構成が実施の形態１と相違する。

実施の形態１において、回折格子１３におけるレーザビームの一次回折光に対して部分反射ミラー１４を設置していたが、実施の形態２においては、回折格子２３におけるレーザビームの二次回折光をレーザ媒質１１，１２に戻す。すなわち、実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１においては、レーザ媒質１１，１２と回折格子２３とで外部共振器１０が構成されている。このとき、一次回折光は、回折角ゼロ度で回折される。すなわち、一次回折光は、回折格子２３に対して垂直に出射される。レーザ発振装置１０１の出力ビームに使用されるのは、一次回折光である。レーザ発振装置１０１は、複数のレーザ媒質１，２を有するが、一次回折光は回折格子２３と垂直に出射されるため、複数のレーザ媒質１１，１２からの複数のレーザビームを一本に重畳することが可能である。

実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１においても、回折格子２３での回折後のレーザビームのビーム径がレーザ媒質１１とレーザ媒質１２とで同じになるように、プリズム１５を設置することにより、回折格子２３での回折後の各レーザビームのビーム径を一致させ、ビーム品質を向上させることができる。

実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１は、部分反射ミラーを使用しないため装置を簡略化及び小型化できることに加え、外部共振器１０内部の損失を低減させてレーザ発振の効率を高めることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０外部共振器、１１，１２レーザ媒質、１３回折格子、１４部分反射ミラー、１５プリズム、７１，７２駆動回路、８１，８２駆動電源、９０制御部、１００レーザ発振装置、１１１，１２１反射コーティング、１１２，１２２前端。

Claims

発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、前記レーザビームの一部を透過させるとともに、残りを反射して前記レーザ媒質側に戻す部分反射素子とで構成された外部共振器を備え、
前記外部共振器の内部には、
複数の前記レーザ媒質から発せられた波長の異なる複数の前記レーザビームを一つに重ね、波長結合させて前記部分反射素子へ出射する波長分散素子と、
複数の前記レーザ媒質と前記波長分散素子との間に配置され、複数の前記レーザビームを前記波長分散素子上で一つに重畳するとともに、頂角をなす二つの面の一方が入射面であり、他方の面が出射面であるプリズムとが配置されており、
前記プリズムは、複数の前記レーザビームの前記波長結合がなされた後でのビーム径の差及び発散角の差を、複数の前記レーザビームが前記波長分散素子へ直接入射する場合よりも小さくすることを特徴とするレーザ発振装置。
前記プリズムは、複数の前記レーザ媒質からのレーザビーム同士がなす角度を、前記波長分散素子側で小さくすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
前記プリズムは、複数の前記レーザ媒質からのレーザビーム同士がなす角度を、前記波長分散素子側で大きくすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、
複数の前記レーザ媒質から入射した複数の前記レーザビームの一部を反射して前記レーザ媒質に戻し、残りの複数の前記レーザビームを波長結合させて重ねて出射する波長分散素子とで構成された外部共振器を備え、
前記外部共振器の内部には、
複数の前記レーザ媒質と前記波長分散素子との間に配置され、複数の前記レーザビームを前記波長分散素子上で一つに重畳するとともに、頂角をなす二つの面の一方が入射面であり、他方の面が出射面であるプリズムとが配置されており、
前記プリズムは、複数の前記レーザビームの前記波長結合がなされた後でのビーム径の差及び発散角の差を、複数の前記レーザビームが前記波長分散素子へ直接入射する場合よりも小さくすることを特徴とするレーザ発振装置。