JP6267837B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザのレーザ媒質に活性イオンをドープした結晶を用いるレーザ装置に関する。

従来より、レーザ溶接やレーザマーキング等のレーザ加工には固体レーザがよく使われている。一般の固体レーザは、希土類元素等の活性イオンをドープしたブロック形状（典型的には直方体形状またはロッド状）の結晶を活性媒質とし、この結晶の側面または端面に励起光を照射して結晶中の活性元素を光学的にポンピングし、結晶より光軸方向に放出される所定波長の発振光線を光共振器内で共振増幅してからレーザビームを取り出すようにしている（たとえば特許文献１の図１）。

また、光共振器を一対の終端ミラーまたは全反射ミラーで構成し、光共振器内の光路上に活性媒質と共に非線形光学結晶および高調波分離ミラーを配置して、高調波分離ミラーにより高調波のレーザビームを取り出すことも行われている（たとえば特許文献２の図３）。

励起光の光源は、以前は主にランプが用いられていたが、現在は半導体レーザつまりレーザダイオード（ＬＤ）が主流になっている。ＬＤ励起方式の中でも、当初の側面励起方式（特許文献２）に代わって、現在は端面励起方式（特許文献１）が主流になっている。

特開２００６−５２１２号公報 特開２００５−２０９９６５号公報

ところで、最近の精密レーザ加工分野では、加工能力、加工精度、コストの面から、高出力のシングルモードのレーザビームが得られる固体レーザが求められている。シングルモードは、ビーム形状が円形でパワー密度が中心に集中しているモードであり、集光性に優れ、精密加工に適している。

この点に関して、最近は、ＮｄイオンをドープしたＹＡＧ結晶を活性媒質に用いるＹＡＧレーザよりも、ＮｄイオンをドープしたＹＶＯ_４結晶を活性媒質に用いるＹＶＯ_４レーザの方が、結晶内の吸収効率や励起効率等にすぐれ、シングルモードのレーザビーム、特にＱスイッチパルスのレーザビームを得るのに適しているとされている。

もっとも、ＹＶＯ_４レーザにおいては、高ピークパワーが得られる繰り返し周波数（Ｑスイッチ周波数）の低い領域（〜２０ｋＨｚ）において平均レーザ出力が大きく低下することが課題となっている。これは、繰り返し周波数を低くすると、ＹＶＯ_４結晶の内部に熱が篭り、いわゆる熱レンズ効果が発生しやすくなるためである。

従来のＹＶＯ_４レーザにおいて、平均レーザ出力を向上させるために、励起ＬＤ光の出力をむやみに高くするのも効果的でない。従来型の端面励起方式においては、励起ＬＤ光の出力を十分高くしても、ＬＤ励起光が入射する結晶端面付近に非常に強い吸収が起きて局所的に熱レンズが発生しやすくなり、平均レーザ出力が期待通りに高くならない。むしろ、ＬＤ励起光の高密度な入射により、ＹＶＯ_４結晶が損傷を受けやすくなる。シングルモードでＱスイッチパルスの第２高調波（ＳＨＧ）レーザビームを生成する空冷式のＹＶＯ_４レーザに限れば、従来装置の発振仕様（性能）は、一般に、繰り返し周波数が４０ｋＨｚ以上、平均レーザ出力が８Ｗ以下、パルスエネルギーが２００μＪ以下である。

一方で、固体レーザによって生成した低出力のシード光を、コアに活性イオンをドープした光ファイバを用いるレーザ増幅用のアクティブファイバに通し、アクティブファイバのコアを励起ＬＤ光により励起することによって、コアの中でシード光の出力を増幅して高出力のレーザビームを取り出す、いわゆるＭＯＰＡ方式のファイバレーザが最近普及している。しかし、ＭＯＰＡ方式のファイバレーザは、相当大掛かりである。また、光ファイバ自体の非線形光学現象の一つである誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）による異常パルスの発生によってピークパワーの向上が妨げられることや、発生しきい値が光ファイバのコア断面積に比例し、ファイバ長に反比例する誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）によってパルス増幅時のピークパワーが制限されること等の課題もある。総じて、従来のパルス発振型ＭＯＰＡ方式ファイバレーザは、ピークパワーが１０ｋＷ、パルスエネルギーが１００μＪ以下にとどまっている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、両端面励起方式の固体レーザにおける熱レンズ効果の発生を空冷式でも効果的に抑制し、高出力の低次モード高調波レーザビームを生成することができるレーザ装置を提供する。

本発明のレーザ装置は、空冷式であって、光学的に相対向する第１の終端ミラーと第２の終端ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープした結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープしていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、前記基本波レーザビームおよび前記高調波レーザビームを一定繰り返し周波数のＱスイッチパルスとして生成するために、前記光共振器内の光路上に配置されるＱスイッチと、前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質と前記第１の終端ミラーとの間に配置される高調波分離ミラーとを有し、前記励起部は、前記光共振器の外で励起用の原レーザビームを出射する励起原レーザビーム出射部と、前記励起原レーザビーム出射部からの前記励起用の原レーザビームを第１および第２の励起レーザビームに分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタより得られる前記第１の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第１の集光レンズに通し、前記第１の集光レンズを透過した前記第１の励起レーザビームを前記高調波分離ミラーを介して前記レーザ媒質の一方の端面に導いて集光させる第１の半励起光学ユニットと、前記ビームスプリッタより得られる前記第２の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第２の集光レンズに通し、前記第２の集光レンズを透過した前記第２の励起レーザビームを前記光共振器内の光路上に配置される折り返しミラーで反射させて前記レーザ媒質の他方の端面に導いて集光させる第２の半励起光学ユニットとを有し、前記レーザ媒質は、前記活性媒質部がＮｄイオンをドープしたＹＶＯ _４ 結晶からなり、前記非活性部が活性イオンを一切ドープしていないＹＶＯ _４ 結晶からなり、前記活性媒質部の両端面に前記非活性部が拡散接合によって結合され、前記活性媒質部は前記非活性部よりも軸方向で長く、前記活性媒質部および前記非活性部が全体として直方体形状を有し、前記励起原レーザビーム出射部の出力の調整に応じて熱レンズ効果を抑制しつつ２０ｋＨｚ以下の繰り返し周波数で前記高調波レーザビームの平均出力を０Ｗから少なくとも１０Ｗまで略線形的に上げることが可能であり、前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口よりも大きい構成としている。

上記の装置構成においては、励起原レーザビーム出射部より出射される１つの原レーザビームをビームスプリッタで２分割して得られる第１および第２の励起レーザビームをそれぞれ第１および第２の半励起光学ユニットを介してレーザ媒質の両端面にアパーチャユニットの開口よりも大きなビーム径で照射し、レーザ媒質を両端面励起方式で励起する。ここで、本発明の用いるレーザ媒質は、活性媒質部がＮｄイオンをドープしたＹＶＯ _４ 結晶からなり、非活性部が活性イオンを一切ドープしていないＹＶＯ _４ 結晶からなり、活性媒質部の両端面に非活性部が拡散接合によって結合され、活性媒質部は非活性部よりも軸方向で長く、活性媒質部および非活性部が全体として直方体形状を有し、励起原レーザビーム出射部の出力の調整に応じて熱レンズ効果を抑制しつつ２０ｋＨｚ以下の繰り返し周波数で高調波レーザビームの平均出力を０Ｗから少なくとも１０Ｗまで略線形的に上げることが可能なものである。これにより、アパーチャユニットのビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、シングルモードに近い低次モードの高調波レーザビームを高出力で得ることができる。

本発明の好適な一態様においては、励起原レーザビーム出射部、ビームスプリッタ、第１および第２の半励起光学ユニットを用いる両端面励起方式を採用しつつ、レーザ媒質の光軸の直線を基準線として相直交する第１の面（ＸＺ面）および第２の面（ＸＹ面）内に励起光学系（ビームスプリッタ、第１および第２の半励起光学ユニット）および波長変換光学系（非線形光学結晶、共振器ミラー、高調波分離ミラー）をそれぞれ配置する。かかるレイアウト構成により、熱レンズ効果を伴わずに高出力の低次モード高調波レーザビームが得られる小型・小面積の空冷式レーザ装置を提供することができる。

本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、両端面励起方式の固体レーザにおける熱レンズ効果の発生を空冷式でも効果的に抑制し、高出力の低次モード高調波レーザビームを生成することができる。

本発明の一実施形態におけるレーザ装置の構成を示す略平面図である。 上記レーザ装置の励起部に用いられるビームスプリッタの構成例を示す図である。 上記レーザ装置におけるレーザ媒質の構成および両側端面励起方式の作用を示す図である。 第２高調波の平均レーザ出力の励起ＬＤ駆動電流値依存性について、実施例と比較例とを比較して示す図である。 上記レーザ装置において高次モード調整を行う際の各部の位置調整を示す図である。 上記レーザ装置の励起部における光学系の配置構成に関する第２の実施例を示す略平面図である。 上記レーザ装置における励起部の光学系の配置構成に関する第３の実施例を示す略平面図である。 上記第３の実施例に係る励起部の光学系の配置構成を示す略側面図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ装置の光学系の構成を示す。このレーザ装置は、Ｑスイッチパルスの第２高調波（ＳＨＧ）レーザビームをシングルモードに近い低次モードで生成する空冷式のＹＶＯ_４レーザとして構成されている。このＹＶＯ_４第２高調波（ＳＨＧ）レーザは、さまざまなレーザ加工に適用可能であるが、特に銅系、金系等の金属加工物やシリコン、セラミック等の非金属加工物に対するレーザマーキングあるいはレーザトリミング等のレーザ表面除去加工に用いて好適である。

［光共振器のレイアウト及び内部の構成］
このレーザ装置は、レーザ発振器のレイアウトとして、ほぼ平坦な上面を有するベースまたは支持台（図示せず）上に、平面視で図示のような“ワ”字状または“７”字状の折り返し配置型で、一対の終端ミラー１０，１２、レーザ媒体１４、Ｑスイッチ１６、アパーチャユニット１８、非線形光学（波長変換）結晶２０および中間ミラー２２，２４を配置している。

両終端ミラー１０，１２は、中間ミラー２２，２４を介して光学的に対向しており、光共振器１３を構成している。一方（図の左側）の終端ミラー１０の反射面には、この光共振器１３内で生成される基本波（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方（図の右側）の終端ミラー１２の反射面には、この光共振器１３内で生成される基本波および第２高調波（５３２ｎｍ）に対してそれぞれ高反射性の２種類の膜がコーティングされている。

レーザ媒体１４は、活性イオンとしてＮｄイオンをドープしたＹＶＯ_４結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶）からなる直方体形状の活性媒質部１４ａと、この活性媒質部１４ａの相対向する軸方向の両端面に拡散接合によって結合されている一対の非活性部１４ｂとを有している。ここで、非活性部１４ｂは、活性媒質部１４ａと同じ材質で活性イオンを一切ドープしていないＹＶＯ_４結晶（アンドープＹＶＯ_４結晶）からなる。レーザ媒体１４は、全体としても、平行な両側端面（図１では左側端面および右側端面）を有する直方体形状の固体または結晶体として構成されている。一例として、軸方向において、活性媒質部１４ａの長さは１０ｍｍ、左右両側の非活性部１４ｂの長さは各々２ｍｍ、レーザ媒体１４の全長は１４ｍｍである。

レーザ媒体１４は、光共振器１３内の基本波光路ＦＨ上で両中間ミラー２２，２４の間に活性媒質部１４ａと非活性部１４ｂとを揃えて（結晶の光軸を光路に重ねるようにして）配置される。なお、光共振器１３内の基本波光路ＦＨは、中間ミラー２２，２４を介して両終端ミラー１０，１２の間に設定される。

Ｑスイッチ１６は、たとえば音響光学Ｑスイッチからなり、レーザ発振を行う時は、図示しないＱスイッチドライバにより一定の繰り返し周波数でスイッチング駆動される。この実施形態において、繰り返し周波数は、広い範囲で選択可能であり、従来一般の４０ｋＨｚ以上の高周波数領域はもちろん、３０ｋＨｚ以下あるいは２０ｋＨｚ以下の低周波数領域も選択することができる。アパーチャユニット１８は、たとえば金属板からなり、光共振器１３内で生成される基本波レーザビームのビーム径を絞るための所定の口径（たとえばφ１〜φ１．２ｍｍ）を有する開口１８ａを形成している。

Ｑスイッチ１６およびアパーチャユニット１８は、光共振器１３内の基本波光路ＦＨ上でレーザ媒体１４と左側の中間ミラー２４との間に並んで配置される。中間ミラー２４は、基本波に対して高反射性の膜がコーティングされている反射面を有し、光共振器１３内の基本波光路ＦＨを鋭角（通常３０°〜６０°）で折り返すように斜めに傾けて配置されている。レーザ媒体１４側から中間ミラー２４に入射してそこで折り返される基本波のレーザビームは、アパーチャユニット１８の傍に配置されている終端ミラー１０に垂直に入射し、そこで全反射して反対側の終端ミラー１２へ戻るようになっている。

非線形光学結晶２０は、たとえば直方体形状のＬＢＯ結晶からなり、終端ミラー１２と中間ミラー２２との間に設定される基本波／第２高調波光路ＦＨ／ＳＨ上に配置されている。非線形光学結晶２０は、光共振器１３内で励起ないし増幅される基本波のモードと光学的に結合され、基本波長との非線形相互作用により、第２高調波を生成する。

中間ミラー２２は、高調波分離ミラーである。この高調波分離ミラー２２は、基本波に対して高反射性の膜と第２高調波に対して透過性の膜とを有するダイクロイックミラーからなり、基本波に対しては入射および反射角を鋭角（通常３０°〜６０°）とする折り返しミラーとして機能し、第２高調波に対しては出力ミラーとして機能する。

レーザ媒体１４側から高調波分離ミラー２２に入射してそこで折り返された基本波のレーザビームは、非線形光学結晶２０を通り抜けてから、終端ミラー１２に垂直に入射し、そこで全反射して、同じ光路ＦＨを逆方向に伝搬するようになっている。また、非線形光学結晶２０から終端ミラー１２側に出た第２高調波は、終端ミラー１２で全反射して非線形光学結晶２０に入射する。非線形光学結晶２０から高調波分離ミラー２２側に出た第２高調波は、高調波分離ミラー２２を透過し、第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨとして出力されるようになっている。

［励起部の構成］
このレーザ装置は、上記構成の光共振器１３内でレーザ媒質１４をポンピングするために、以下に述べるような励起部３０を備えている。

この励起部３０は、励起光源のＬＤ（図示せず）から光共振器１３の手前まで励起ＬＤ光を伝送するファイバカップリング方式の光ファイバ３２と、この光ファイバ３２から取り出される励起ＬＤ光をレーザ媒体１４まで導く光学系つまり出射ユニット３４、ビームスプリッタ３８、第１および第２の半励起光学ユニット４０，４２とを備えている。

光ファイバ３２は、出射ユニット３４の光コネクタまたはレセプタクル（図示せず）にファイバ先端部を差し込まれるようにして装着される。光ファイバ３２は、口径がたとえばφ０．４ｍｍのコアを有している。出射ユニット３４内にはコリメートレンズ３６が設けられている。光ファイバ３２の終端から一定の拡がり角で出た励起ＬＤ光ＥＢは、コリメートレンズ３６を通ることによって平行光にコリメートされる。

ビームスプリッタ３８は、たとえば、２個の直角プリズムにより構成されるキューブ型ビームスプリッタ（図２の（ａ））あるいはプレート型ビームスプリッタ（図２の（ｂ））であり、出射ユニット３４からの励起ＬＤ光ＥＢを２つ、つまり第１および第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２に分割する。第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１は、第１の半励起光学ユニット４０に向けて、ビームスプリッタ３８より透過光として出射される。一方、第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ２は、第２の半励起光学ユニット４２に向けて、ビームスプリッタ３８より反射光として出射される。

第１の半励起光学ユニット４０は、光共振器１３内の基本波光路ＦＨと同一線上に（図のＸ方向に一列に）配置される折り返しミラー４４および集光レンズ４６を有している。集光レンズ４６は、光学的には、高調波分離ミラー２２を介してレーザ媒体１４の一方（図の右側）の端面と光学的に一定の距離（通常は焦点距離またはこれに近い距離）を隔てて平行に対向している。

折り返しミラー４４は、ビームスプリッタ３８からの第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１を入射して、それをレーザ媒体１４に向けて直角に反射する。折り返しミラー４４で折り返された第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１は、集光レンズ４６および高調波分離ミラー２２を通ってレーザ媒体１４の右側端面に入射する。高調波分離ミラー２２には、励起ＬＤ光ＥＢの波長（たとえば８８０ｎｍ）に対して透過性の膜がコーティングされている。

第２の半励起光学ユニット４２は、光共振器１３内の基本波光路ＦＨと直交して図のＹ方向に一列に配置される折り返しミラー４８、集光レンズ５０および折り返しミラー５２を有している。ここで、折り返しミラー５２は、レーザ媒体１４とＱスイッチ１６との間で光共振器１３内の基本波光路ＦＨ上に斜めの角度で配置されている。集光レンズ５０は、光学的には、折り返しミラー５２を介してレーザ媒体１４の左側端面と光学的に一定の距離（通常は焦点距離またはこれに近い距離）を隔てて平行に対向している。

折り返しミラー４８は、ビームスプリッタ３８からの第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ２を入射し、それを後段の折り返しミラー５２に向けて直角に反射する。折り返しミラー４８で折り返された第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ２は、集光レンズ５０を通って折り返しミラー５２に入射し、そこで直角に折り返され、レーザ媒体１４の左側端面に入射する。折り返しミラー５２は、ダイクロイックミラーからなり、基本波に対して透過性の膜と励起ＬＤ光ＥＢの波長に対して高反射性の膜とを有している。

［レーザ発振の動作（作用）］
このレーザ装置にレーザ発振動作を行わせるときは、図示しない制御部の制御の下で、上記励起光源のＬＤが駆動回路によって発光駆動され、Ｑスイッチ１６がＱスイッチドライバによりスイッチング駆動される。

励起光源のＬＤより出力された励起ＬＤ光は、ファイバカップリング方式により光ファイバ３２を介して出射ユニット３４まで伝送される。出射ユニット３４内で光ファイバ３２の終端から出た励起ＬＤ光はコリメートレンズ３６より平行光にコリメートされ、平行光の励起ＬＤ光がビームスプリッタ３８により第１および第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２に分割される。そして、第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１は、第１の半励起光学ユニット４０を介してレーザ媒体１４の右側端面に集光照射される。一方、第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ２は、第２の半励起光学ユニット４２を介してレーザ媒体１４の左側端面に集光照射される。

この実施形態では、上記のようにファイバカップリング方式の光ファイバ３２で大きなコア径（φ０．４ｍｍ）を選択するとともに、後述するような高次モード調整により、図３に示すように、第１および第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２がレーザ媒体１４の両側端面にアパーチャユニット１８の開口１８ａの口径（φ１〜φ１．２ｍｍ）よりも大きなビーム径Ｄ_１，Ｄ_２（たとえばφ１．３２ｍｍ）で集光入射するようになっている。因みに、シングルモード志向の従来装置における片側端面励起方式の励起ＬＤ光入射ビーム径はφ０．６〜０．９ｍｍである。

レーザ媒体１４において、左右両側の非活性部１４ｂの外側端面に上記のような大きなビーム径Ｄ_１，Ｄ_２で集光入射した第１および第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２は、非活性部１４ｂを通って内奥の活性媒質部１４ａに導入され、活性媒質部１４ａ内の活性原子を励起する。このポンピングによって、活性媒質部１４ａは、左右両側から供給される半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２のレーザエネルギーを吸収して発熱する。一方、アンドープの非活性部１４ｂは、外から入射した半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２を吸収せずにそのまま内奥の活性媒質部１４ａに通すだけであり、殆ど発熱しない。

したがって、図３に示すように、レーザ媒体１４の中では、活性媒質部１４ａと非活性部１４ｂとの界面付近が吸収開始点になり、活性媒質部１４ａ内で発生する熱の相当量が矢印Ｈで示すように非活性部１４ｂに拡散する。この場合、活性媒質部（Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶）１４ａと非活性部（アンドープＹＶＯ_４結晶）１４ｂとは同一材質の結晶であって熱膨張率が同じであり、かつ拡散結合によって互いに結合されているので、両者の間には安定かつ良好な物理的かつ熱的な一体性が保持される。

Ｑスイッチングのオフ期間中は、ポンピングが持続的に行われ、これによってレーザ媒体１４ないし光共振器１３内にエネルギーが蓄積される。この場合、レーザ媒体１４内では、上記のように、活性媒質部１４ａから非活性部１４ｂへ熱が逃げるので、この熱引きの効果により活性媒質部１４ａ内に熱が篭もらず、熱レンズ効果の発生が抑制される。そして、一定のタイミングでＱスイッチ１６がオンすることにより、光共振器１３内にジャイアントパルス発振が起こって、ピークパワーのきわめて高いＱスイッチパルスの基本波レーザビームＬＢ_ＦＨが発生する。

非線形光学結晶２０は、この結晶を通過する基本波レーザビームＬＢ_ＦＨと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波レーザビームＬＢ_ＦＨと同様に低次モードの第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨを生成する。非線形光学結晶２０で生成された第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨは、高調波分離ミラー２２を通って光共振器１３の外に取り出される。

この実施形態のレーザ装置をレーザ加工装置、たとえばレーザマーキング装置またはレーザトリミング装置に適用する場合は、光共振器１３にたとえば伝送用の光ファイバ（図示せず）を介して出射ユニット（図示せず）が光学的に接続される。出射ユニットは、コリメートレンズ、ガルバノスキャナおよび集光レンズ等の光学系を内蔵し、光共振器１３より光ファイバを介して受け取った第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨを被加工物（図示せず）に集光照射する。

一般に、Ｑスイッチパルス型の固体レーザにおいては、Ｑスイッチ周波数つまり繰り返し周波数を低くするほど、スイッチングオフの時間中に光共振器内に蓄積されるエネルギーが大きくなるため、ジャイアントパルス発振時のピークパワーが高くなる。しかし、他方で、一周期内にレーザ媒体に篭もる熱も増すことにより、熱レンズ効果が発生しやすくなる。特に、片側端面励起方式のＹＶＯ_４レーザにおいては、ＬＤ励起光が入射するレーザ媒体の端面付近に非常に強い吸収が起きて局所的に熱レンズが発生しやすくなる。

この実施形態では、上記のようなレーザ媒体１４の特殊な構造（Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１４ａ／アンドープＹＶＯ_４結晶１４ｂ）と、励起部３０による両側端面励起方式と、後述するアパーチャユニット１８のビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、上記のトレードオフを解決している。

この実施形態におけるＱスイッチパルス型のＹＶＯ_４第２高調波（ＳＨＧ）レーザによれば、繰り返し周波数２０ｋＨｚの条件の下で、第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨのＭ^２（エムスクエア値）が１．３以下、平均レーザ出力が１０Ｗ以上、ピーク出力が４５ｋＷ以上、パルスエネルギーが５００μＪ以上の諸特性が得られることが実験で確かめられている。

図４は、端面励起方式のＱスイッチパルス型ＹＶＯ_４第２高調波（ＳＨＧ）レーザにおいて、第２高調波平均レーザ出力の励起ＬＤ駆動電流値依存性について、本発明の上述した実施例とレーザ媒体１４をＮｄ：ＹＶＯ_４結晶の単体で構成した場合（比較例）とを比較して示す。なお、励起部３０のビームスプリッタ３８にはハーフミラーを用いた。

図示のように、実施例では、励起ＬＤ駆動電流を約１．５Ａから６．６Ａまで増やしていくと、これに比例して第２高調波（ＳＨＧ）の平均レーザ出力は０Ｗから約１０．５Ｗまで線形的に高くなる。これに対して、比較例では、励起ＬＤ駆動電流を増やすとそれに平均レーザ出力も線形的に比例して増大するが、励起ＬＤ駆動電流が約５．５Ａのときに極大値（約８．１Ｗ）に達してからは、励起ＬＤ駆動電流をそれ以上増やしても平均レーザ出力はむしろ低下する。比較例のこのような特性は、熱レンズ効果に起因するものと考えられる。

［実施形態における高次モード調整］
この実施形態のレーザ装置においては、レーザ出力について上記のような諸特性（繰り返し周波数２０ｋＨｚ、Ｍ^２＜１．３、平均レーザ出力１０Ｗ以上、ピーク出力４５ｋＷ以上、パルスエネルギー５００μＪ以上）を適確かつ効率よく実現するために、アパーチャユニット１８を光共振器１３に脱着可能に取り付ける。そして、アパーチャユニット１８を光共振器１３から外した状態で、光共振器１３内に高調波および第２高調波を高次モードで発生させ、高次モードについてビームプロファイル（特にＭ^２）の調整を行う。

この高次モード調整では、図５に示すように、光共振器１３および励起部３０において各光学系または光学部品の位置および／または傾きを調整する。特に、安定な光共振を得るために、さらにはレーザ媒体１４に対する両側端面励起方式において半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１，ＥＢ_ｈ２の入射ビーム径Ｄ_１，Ｄ_２を最適化するために、両終端ミラー１０，１２間の光学的距離や、両終端ミラー１０，１２とレーザ媒体１４または非線形光学結晶２０との間の距離、集光レンズ４６，５０の位置等が調整される。

高次モードの調整具合は、光共振器１３の外でレーザ測定器５４が第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨを取り込み、そのＭ^２（エムスクエア値）を測定することによりモニタリングする。そして、Ｍ^２の測定値が所定の範囲内、好ましくは３＜Ｍ^２＜４の範囲内に入ったところで、高次モード調整を終了する。この後に、励起ＬＤ光入射ビーム径Ｄ_１，Ｄ_２（φ１．３ｍｍ）よりも小さなアパーチャ口径（φ１ｍｍ〜１．２ｍｍ）を有するアパーチャユニット１８を光共振器１３に挿入する。これが、図１の装置状態である。

［励起部の光学系の配置構成に関する他の実施例］
この実施形態のレーザ装置は、上記のように、光共振器１３のレイアウトを平面視で“ワ”字状または“７”字状の折り返し配置型にしており、これによって光共振器１３の小型化ないし省スペース化を実現している。一方で、光共振器１３の周囲に励起部３０の光学系を配置している。

励起部３０の光学系の配置構成に関して、図１の実施例は、光共振器１３と同一の二次元方向（ＸＹ平面上）に、出射ユニット３４、ビームスプリッタ３８、第１および第２の半励起光学ユニット４０，４２の全部を展開して配置している。

この場合、Ｘ方向に延びる光共振器１３の基本波光路ＦＨに対して、それと直交するようにＹ方向からファイバカップリングの光ファイバ３２を引き込むため、装置全体がＸ方向およびＹ方向のいずれにも広がっており、比較的大きな装置面積となっている。なお、高調波分離ミラー２２から見てビームスプリッタ３８と第１の半励起光学ユニット４０との間に設定される第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１の光路の手前に、第２高調波レーザビームＬＢ_ＳＨを適当な方角へ向ける折り返しミラー５５が配置されてもよい。

図６に示す第２の実施例は、光共振器１３の基本波光路ＦＨと同じ方向（Ｘ方向）でファイバカップリングの光ファイバ３２を引き込む構成を特徴としている。このレイアウトによれば、Ｙ方向において装置サイズを縮小し、そのぶん装置全体の面積を小さくすることができる。なお、ビームスプリッタ３８は、図示のようなプレート型のものであってもよい。ただし、プレート型は、詳細には図２の（ｂ）に示すように透過光ＥＢ_ｈ１の光軸がオフセットするので、この点を考慮して周囲の光学系の配置位置を調整する必要がある。この実施形態のレーザ装置に設けられるビームスプリッタ３８は、キューブ型またはプレート型のいずれであっても、ハーフミラー（反射光と透過光の強さがほぼ１：１であるミラー）を好適に用いることができる。

なお、この第２の実施例において、ビームスプリッタ３８より部分透過光として得られる第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１は、第１の半励起光学ユニット４０（集光レンズ４６）および高調波分離ミラー２２を通ってレーザ媒体１４の右側端面に集光入射する。一方、ビームスプリッタ３８より部分反射光として得られる第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ２は、折り返しミラー４５および第２の半励起光学ユニット４２（折り返しミラー４８、集光レンズ５０、折り返しミラー５２）を介してレーザ媒体１４の左側端面に集光入射する。

図７および図８に、第３の実施例による励起部３０の光学系の配置構成を示す。この第３の実施例は、上記第２の実施例と同様に光共振器１３の基本波光路ＦＨと同じ方向（Ｘ方向）でファイバカップリングの光ファイバ３２を引き込むことに加えて、第１の半励起光学ユニット４０における第１の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１の光路を、図８（略側面図）に示すように、その全区間を通じてレーザ媒質１４の光軸または光共振器１３の基本波光路ＦＨと同一線上に設定し、第２の半励起光学ユニット４２における第２の半励起ＬＤ光ＥＢ_ｈ１の光路を、図７（略平面図）に示すように、レーザ媒質１４の光軸または光共振器１３の基本波光路ＦＨと重なる垂直面内に設定することを特徴とする。

なお、図８は、レーザ媒質１４の光軸を含む垂直面（ＸＺ面）上に位置している各部を示す。終端ミラー１０，１２および非線形光学結晶２０はこの垂直面（ＸＺ面）の外に位置しているため、図８では図示されていない。

この第３の実施例のレイアウトによれば、Ｙ方向において励起部３０の光学系自体のサイズおよび装置全体のサイズに与える影響を可及的に小さくすることが可能であり、平面視で“ワ”字状または“７”字状の折り返し配置型を採る光共振器１３の利点を最大限に高めることができる。

［他の実施形態又は変形例］
本発明は、上記実施形態におけるようなＱスイッチパルス型の空冷式ＹＶＯ_４第２高調波（ＳＨＧ）レーザに限定されず、他の種種の固体レーザに適用可能であり、たとえば連続発振型あるいは水冷式のＹＶＯ_４レーザや、Ｑスイッチパルス型または連続発振型のＹＡＧレーザ等にも適用可能である。

上記実施形態における励起部３０は、レーザ媒体１４に対する両側端面励起方式において、第１および第２の半励起光学ユニット４０，４２に単一または共通のファイバカップリングＬＤを用いて効率化および低コスト性を図っている。しかし、第１および第２の半励起光学ユニット４０，４２に別々のファイバカップリングＬＤまたは他の種類の励起ＬＤを充てることも可能である。

１０，１２ 終端ミラー
１３ 光共振器
１４ レーザ媒体
１６ Ｑスイッチ
１８ アパーチャユニット
２０ 非線形光学結晶
２２ 中間ミラー（高調波分離ミラー）
２４ 中間ミラー（全反射ミラー）
３０ 励起部
３２ 光ファイバ
３４ 出射ユニット
３８ ビームスプリッタ
４０ 第１の半励起光学ユニット
４２ 第２の半励起光学ユニット

Claims (7)

1. 光学的に相対向する第１の終端ミラーと第２の終端ミラーとを有する光共振器と、
   活性イオンをドープした結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープしていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、
   基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両端面に励起レーザビームを照射する励起部と、
   前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、
   前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、
   前記基本波レーザビームおよび前記高調波レーザビームを一定繰り返し周波数のＱスイッチパルスとして生成するために、前記光共振器内の光路上に配置されるＱスイッチと、
   前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質と前記第１の終端ミラーとの間に配置される高調波分離ミラーと
   を有し、
   前記励起部は、前記光共振器の外で励起用の原レーザビームを出射する励起原レーザビーム出射部と、前記励起原レーザビーム出射部からの前記励起用の原レーザビームを第１および第２の励起レーザビームに分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタより得られる前記第１の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第１の集光レンズに通し、前記第１の集光レンズを透過した前記第１の励起レーザビームを前記高調波分離ミラーを介して前記レーザ媒質の一方の端面に導いて集光させる第１の半励起光学ユニットと、前記ビームスプリッタより得られる前記第２の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第２の集光レンズに通し、前記第２の集光レンズを透過した前記第２の励起レーザビームを前記光共振器内の光路上に配置される折り返しミラーで反射させて前記レーザ媒質の他方の端面に導いて集光させる第２の半励起光学ユニットとを有し、
   前記レーザ媒質は、前記活性媒質部がＮｄイオンをドープしたＹＶＯ _４ 結晶からなり、前記非活性部が活性イオンを一切ドープしていないＹＶＯ _４ 結晶からなり、前記活性媒質部の両端面に前記非活性部が拡散接合によって結合され、前記活性媒質部が前記非活性部よりも軸方向で長く、前記活性媒質部および前記非活性部が全体として直方体形状を有し、前記励起原レーザビーム出射部の出力の調整に応じて熱レンズ効果を抑制しつつ２０ｋＨｚ以下の繰り返し周波数で前記高調波レーザビームの平均出力を０Ｗから少なくとも１０Ｗまで略線形的に上げることが可能であり、
   前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が、前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口よりも大きい、
   空冷式のレーザ装置。
2. 前記励起原レーザビーム出射部は、
   励起用のレーザダイオードより生成された前記励起用の原レーザビームをファイバカップリング方式によって伝送し、その終端の端面より出射する光ファイバと、
   前記光ファイバの終端の端面より出射された前記励起用の原レーザビームを平行光にコリメートするコリメートレンズと
   を有する、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記励起部は、前記レーザ媒質の両側端面に前記第１および第２の励起レーザビームを同一の光強度で照射する、請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記ビームスプリッタはハーフミラーを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザ媒質、前記アパーチャユニット、前記Ｑスイッチおよび前記高調波分離ミラーが前記レーザ媒質の光軸の直線上に配置され、前記励起部の前記ビームスプリッタ、前記第１の半励起光学ユニットおよび前記第２の半励起光学ユニットが前記直線を含む第１の面（ＸＺ面）内に配置され、前記光共振器の前記第１の終端ミラーおよび前記第２の終端ミラーならびに前記高調波分離ミラーおよび前記非線形光学結晶が前記直線を含み前記第１の面と直交する第２の面（ＸＹ面）内に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記光共振器の光路上で、前記第１の終端ミラーと前記高調波分離ミラーとの間に前記基本波レーザビームを反射する中間ミラーが配置され、
   前記第２の面内で、前記中間ミラーおよび前記高調波分離ミラーを介して前記第１の終端ミラーと前記第２の終端ミラーとを結ぶ光路が“ワ”字状または“７”字状に形成される、
   請求項５に記載のレーザ装置。
7. 前記光共振器において、
   前記アパーチャユニットを取り除いた状態では、前記基本波レーザビームは、高次モードで、そのＭ^２が３以上で４以下であり
   前記アパーチャユニットを挿入した状態では、前記基本波レーザビームは、低次モードで、そのＭ^２が１．３以下である、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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