JP6579568B2

JP6579568B2 - 固体レーザ素子

Info

Publication number: JP6579568B2
Application number: JP2014213585A
Authority: JP
Inventors: 政直村上; クリスチャンシェーファー; 聡史服部; 政二清水; 茂樹時田
Original assignee: Osaka University NUC; Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Osaka University NUC; Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: JP2016082121A

Description

本発明は、固体レーザ素子に関するものである。

従来、光ファイバを利用したレーザ発振器、いわゆるファイバーレーザが広く用いられている。このレーザ発振器は、励起光を利用して、光ファイバによってレーザ光を発振する。

ファイバーレーザはコアが細いため、出力が大きいパルスレーザを発振すると、コアが損傷してしまうという問題がある。このため、パルスレーザを発振させる際は、特許文献１に記載されたように、ディスク状又はロッド状のレーザ媒質を使用することが好ましい。

特開２００８−１７７２２６号公報

上述したディスク状又はロッド状のレーザ媒質は、ファイバーレーザに比べて長さが短いため、表面積が小さい。このため、ディスク状又はロッド状のレーザ媒質は、ファイバーレーザに比べて放熱量が低く、冷却が困難であるという問題がある。このため、ディスク状又はロッド状のレーザ媒質は、ファイバーレーザに比べて熱損傷を受けやすいという問題がある。

本発明の課題は、熱損傷を防止することのできる固体レーザ素子を提供することにある。

本発明のある側面に係る固体レーザ素子は、レーザ媒質、第１カバー部材、及び第２カバー部材を備えている。レーザ媒質は、光の入射面及び放射面を有する。レーザ媒質は、レーザ活性物質がドープされたフッ化物ガラスによって形成されている。また、レーザ媒質は、ロッド状又は板状である。第１カバー部材は、入射面に接着される。第１カバー部材は、レーザ媒質よりも熱伝導率が高い。第２カバー部材は、放射面に接着される。第２カバー部材は、レーザ媒質よりも熱伝導率が高い。

この構成によれば、レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第１及び第２カバー部材がレーザ媒質の入射面及び放射面に接着されている。このため、レーザ媒質の入射面及び放射面を十分に放熱することができる。このため、レーザ媒質の入射面及び放射面における熱損傷を防止することができる。

好ましくは、第１及び第２カバー部材は、潮解性を有さない。この構成によれば、レーザ媒質が潮解性を有する場合であっても、レーザ媒質の入射面及び放射面は第１及び第２カバー部材によって覆われているため、レーザ媒質の入射面及び放射面の潮解を防止することができる。

好ましくは、第１及び第２カバー部材は、レーザ媒質に融着されている。この構成によれば、第１及び第２カバー部材をレーザ媒質に十分に接着させることができる。

好ましくは、第１及び第２カバー部材の透過波長域は、レーザ媒質の透過波長域を含む。この構成によれば、レーザ媒質を透過する出力光や励起光などの光の透過が第１及び第２カバー部材によって妨げられることを防止できる。

好ましくは、レーザ媒質と第１及び第２カバー部材とは、互いに主成分が異なる。

好ましくは、レーザ媒質は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ、Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成される。

好ましくは、第１及び第２カバー部材は、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムによって形成される。

本発明によれば、レーザ媒質が熱損傷を受けることを防止することができる。

固体レーザ素子の側面図。固体レーザ素子の製造方法を示す図。固体レーザ素子の製造方法を示す図。固体レーザ素子を使用したレーザ発振器の構成を示す模式図。変形例１に係る固体レーザ素子の側面図。変形例３に係る固体レーザ素子の側面図。変形例４に係るレーザ発振器の構成を示す模式図。

以下、本発明に係る固体レーザ素子の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、固体レーザ素子の側面図である。図１に示すように、固体レーザ素子１０は、レーザ媒質１と、第１カバー部材２と、第２カバー部材３とを備えている。

レーザ媒質１は、ロッド状である。詳細には、レーザ媒質１は、円柱状である。なお、ロッド状とは円柱状のみではなく、角柱状も含む概念である。レーザ媒質１は、軸方向の長さの方が、直径よりも長い。レーザ媒質１は、入射面１ａと放射面１ｂとを有している。なお、入射面１ａはレーザ媒質１の軸方向の一方の端面であり、放射面１ｂはレーザ媒質１の軸方向の他方の端面である。なお、軸方向は、図１の左右方向である。

レーザ媒質１は、フッ化物ガラスによって形成されている。具体的には、レーザ媒質１は、フッ化ジルコニウム系ガラスによって形成されている。さらに具体的には、レーザ媒質１は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成されている。レーザ媒質１は、潮解性を有している。

なお、レーザ媒質１は、レーザ活性物質としてエルビウム、ツリウム、又はホルミウムなどの希土類イオンがドープされている。なお、レーザ活性物質としては、他にもネオジウム、プラセオジウム、イッテルビウム、又はジスプロシウムがある。

第１及び第２カバー部材２，３は、レーザ媒質１の入射面１ａ及び放射面１ｂに接着されている。詳細には、第１カバー部材２はレーザ媒質１の入射面１ａに接着され、第２カバー部材３はレーザ媒質１の放射面１ｂに接着されている。なお、第１及び第２カバー部材は、レーザ媒質１に融着されている。

第１カバー部材２はレーザ媒質１の入射面１ａの全体を覆っており、第２カバー部材３は、レーザ媒質１の放射面１ｂの全体を覆うように構成されている。第１及び第２カバー部材２、３は円板状である。第１及び第２カバー部材２，３の直径は、レーザ媒質１の直径と、同じであることが好ましいが、特にこれに限定されない。すなわち、第１及び第２カバー部材２，３の直径は、レーザ媒質１の直径よりも大きくてもよいし小さくてもよい。

第１及び第２カバー部材２，３は、レーザ媒質１よりも熱伝導率が高い。また、第１及び第２カバー部材２，３は、潮解性を有していない。第１及び第２カバー部材２，３は、光透過性を有する。詳細には、第１及び第２カバー部材２，３は、励起光、及び出力光を透過する。

第１及び第２カバー部材２，３の波長域は、レーザ媒質１からの出力光の波長を含む。例えば、第１及び第２カバー部材２，３の透過波長域は、レーザ媒質１の透過波長域を含むことが好ましい。例えば、第１及び第２カバー部材２，３の透過波長域は、０．２μm以上７μm以下程度とすることができる。なお、第１及び第２カバー部材２，３は、フッ化カルシウム、又はフッ化マグネシウムなどによって形成することができる。

第１及び第２カバー部材２，３は、レーザ媒質１と主成分が異なる。すなわち、第１及び第２カバー部材２，３は、結晶材料によって形成されており、レーザ媒質１は、ガラス材料によって形成されている。

次に、固体レーザ素子１０の製造方法について説明する。図２に示すように、まず、レーザ媒質１と第１カバー部材２とを互いに押圧した状態で加熱する。このときの加熱温度は、レーザ媒質１の軟化温度以上、レーザ媒質１の結晶化開始温度未満程度であることが好ましい。これによって、レーザ媒質１と第１カバー部材２とを互いに融着させる。

例えば、レーザ媒質１の入射面１ａに第１カバー部材２を接触させる。そして、第１カバー部材２にヒータ１００を当てて、レーザ媒質１の放射面１ｂ側からレーザ媒質１を第１カバー部材２に向けて押圧する。これによって、レーザ媒質１の入射面１ａが溶融して第１カバー部材２と融着される。なお、レーザ媒質１の加熱は、水分を除去した雰囲気下又は真空中において行うことが好ましい。

次に、上記と同様の方法で、レーザ媒質１の放射面１ｂに第２カバー部材３を融着させる。詳細には、図３に示すように、レーザ媒質１の放射面１ｂに第２カバー部材３を接触させる。そして、第２カバー部材３にヒータ１００を当てて、第１カバー部材２側からレーザ媒質１を第２カバー部材３に向けて押圧する。

これによって、レーザ媒質１の放射面１ｂが溶融して第２カバー部材３と融着される。なお、第１カバー部材２をレーザ媒質１に融着させる前に、第２カバー部材３をレーザ媒質１に融着させてもよい。他にも、第１及び第２カバー部材２，３を同時にレーザ媒質１に融着させてもよい。

次に、固体レーザ素子１０を使用したレーザ発振器について説明する。図４に示すように、レーザ発振器５０は、上述した固体レーザ素子１０を備えている。また、レーザ発振器５０は、種光源５１及び励起光源５２をさらに備えている。励起光源５２は励起光を出力し、種光源５１は種光を出力する。

種光源５１から出力された種光１０３、及び励起光源５２から出力された励起光１０４は、第１カバー部材２側から固体レーザ素子１０に導光される。例えば、第１カバー部材２と間隔をあけてコンバイナ１０１を配置する。このコンバイナ１０１は、種光１０３を透過するとともに、励起光１０４を第１カバー部材２へと反射する。

固体レーザ素子１０に入射した種光１０３は、固体レーザ素子１０内において増幅されて、第２カバー部材３側から出力光１０５として放射される。なお、第２カバー部材３と間隔をあけてスプリッタ１０２が配置されている。固体レーザ素子１０から放射された出力光１０５がスプリッタ１０２を透過する一方、固体レーザ素子１０から放射された励起光１０４はスプリッタ１０２によって反射される。これによって、励起光１０４と出力光１０５とが分離される。

本実施形態に係る固体レーザ素子１０によれば、レーザ媒質１よりも熱伝導率が高い第１及び第２カバー部材２，３がレーザ媒質１の入射面１ａ及び放射面１ｂに接着されている。このため、レーザ媒質１の入射面１ａ及び放射面１ｂを十分に放熱することができ、ひいてはレーザ媒質１の入射面１ａ及び放射面１ｂの熱損傷を防止することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
レーザ媒質１は、板状であってもよい。詳細には、レーザ媒質１は、ディスク状であってもよい。具体的には、図５に示すように、レーザ媒質１は、軸方向の長さよりも、直径の方が長い。

変形例２
ヒータによって加熱するのではなく、レーザ媒質１に吸収される光をレーザ媒質１に照射することによって、レーザ媒質１と第１及び第２カバー部材２，３とを融着させてもよい。すなわち、レーザ媒質１と第１及び第２カバー部材２，３とを接触させた状態で、レーザ媒質１に吸収される光を第１及び第２カバー部材２，３側から照射する。これによって、レーザ媒質１が加熱されて溶融し、レーザ媒質１と第１及び第２カバー部材２，３とが融着される。

変形例３
図６に示すように、固体レーザ素子１０は、ヒートシンク４をさらに備えていてもよい。ヒートシンク４は、レーザ媒質１の側面と接触している。好ましくは、ヒートシンク４は、第１及び第２カバー部材２，３と接触している。なお、ヒートシンク４は、レーザ媒質１よりも熱伝導率の高い材質によって形成されたヒートシンク本体４１を有している。また、ヒートシンク４は、ヒートシンク本体４１の内部を通る配管４２を有しており、配管４２内に水などの冷却液を流すことができる。

変形例４
固体レーザ素子１０を使用したレーザ発振器は、励起光源と共振器を用いてレーザ光を出力する構成としてもよい。具体的には、図７に示すように、レーザ発振器５０は、固体レーザ素子１０と、励起光源５２と、共振器５３とを備えている。

共振器５３は、リアミラー５３ａと出力ミラー５３ｂとを有している。リアミラー５３ａは、固体レーザ素子１０の第１カバー部材２側に配置される。出力ミラー５３ｂは、第２カバー部材３側に配置される。

励起光源５２から出力された励起光１０４は、リアミラー５３ａを通って固体レーザ素子１０に入射される。固体レーザ素子１０から放射された出力光は、出力ミラー５３ｂを通して出射される。

１レーザ媒質
１ａ入射面
１ｂ放射面
２第１カバー部材
３第２カバー部材
１０固体レーザ素子

Claims

光の入射面及び放射面を有し、レーザ活性物質がドープされたフッ化物ガラスによって形成されたロッド状又は板状のレーザ媒質と、
前記入射面に接着され、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第１カバー部材と、
前記放射面に接着され、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第２カバー部材と、
前記レーザ媒質並びに前記第１及び第２カバー部材と接触しているヒートシンクと、
を備える、固体レーザ素子。
前記第１及び第２カバー部材は、潮解性を有さない、
請求項１に記載の固体レーザ素子。
前記第１及び第２カバー部材は、前記レーザ媒質に融着されている、
請求項１又は２に記載の固体レーザ素子。
前記第１及び第２カバー部材の透過波長域は、前記レーザ媒質の透過波長域を含む、
請求項１から３のいずれかに記載の固体レーザ素子。
前記レーザ媒質と前記第１及び第２カバー部材とは、互いに主成分が異なる、
請求項１から４のいずれかに記載の固体レーザ素子。
前記レーザ媒質は、ＺＢＬＡＮ（Ｚｒ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラス、又はＨＢＬＡＮ（Ｈｆ，Ｂａ，Ｌａ，Ａｌ，Ｎａ）ガラスによって形成される、
請求項１から５のいずれかに記載の固体レーザ素子。
前記第１及び第２カバー部材は、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムによって形成される、
請求項１から６のいずれかに記載の固体レーザ素子。