JP6595712B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体レーザ結晶からなるレーザロッドをレーザ媒質として備えた固体レーザ装置に関する。
固体レーザ装置は、例えば、共振器と、その共振器中に配置されたロッド状の固体レーザ媒質（レーザロッド）と、レーザロッドを励起するフラッシュランプなどの励起光源と、Ｑスイッチなどの光学部材とから構成される。多くの場合、励起光源から出射した励起光を効率よくレーザロッドに照射するため、レーザロッドおよび励起光源はレーザチャンバに少なくとも一部が内包されるように収容されている。
特許文献１では、固体レーザ装置において、光学部品などからレーザロッドへの戻り光がレーザロッドを収容するレーザチャンバからのレーザロッド端部露出根元に備えられるＯリングに入射してＯリングを焼損させ、その燃えカスがレーザロッドの端面に付着してレーザロッドの端面の反射防止膜に損傷を及ぼすという問題がある旨述べられている。そして、レーザロッドの端面をレーザ光の戻り光による損傷から保護するため、戻り光がＯリングに入射しないように、レーザロッドの端面に対向する位置にレーザロッドの直径より小さな開口部を備えたホルダブロックを設ける構成が提案されている。なお、特許文献１においては、ホルダブロックの開口部の大きさがレーザロッドの直径より小さいが、熱レンズ効果によってレーザ光は徐々に絞られるので、蹴られが起こるのはレーザ出力の極小さい領域に限られて問題ないと述べられている。
一方、特許文献２では、発振レーザ光のビーム品質を担保するためモード制限アパーチャを備えた固体レーザ装置が開示されている。モード制限アパーチャは、一般には、最低次固有モードを選択的に発振させるために設けられる。
一般に、光学素子の多くは、その光学面において、その素子の役割に応じた光学膜が施されており、特許文献１に記載されているように、レーザロッドの端面には光学膜として反射防止膜が備えられている。
光学膜は通常平滑な面上に設けられるものであり、砂面（すりガラス状）部分に対しては良好な密着性が得られないことが多い。光学部材の隣接する面間の稜線は欠け防止のため面取りがなされることが多く、この面取り部は一般に砂面となっている。一般的な光学部材の場合には、このような面取り部は光線透過領域（光路）としては用いない。しかしながら、レーザロッドは通常ロッド自体が光路そのものであり、面取り部もレーザ光路内となり、レーザ光が通過する領域である。
さて、固体レーザ装置においては、短パルスかつ小型化への要請が高まっており、短パルスかつ小型化を実現する手段として細径のレーザロッドの採用が考えられる。同一の励起光を吸収する場合、レーザロッドの直径が細いほどエネルギー密度は高まり短パルスレーザが得られる。
本発明者らは、レーザロッドが端面の周囲に面取り部を備える場合、端面に設けられている光学膜に面取り部との境界となる端面外周を起点とする破壊が生じる場合があることを見出した。具体的には、上述のように、レーザロッドの直径が細径となり、光路断面におけるエネルギーが非常に高密度である場合、光学膜に破壊が生じることを見出した。
本発明は、上記事情に鑑み、レーザロッド端面の光学膜破壊の発生が抑制され、長期に安定して駆動可能な固体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の固体レーザ装置は、１対のミラーからなる共振器中にレーザロッドが配置される固体レーザ装置において、
レーザロッドは、端面に反射防止膜を備え、かつ、端面の周縁に面取り部を有し、
レーザロッドの少なくとも一方の端面に対向する位置に、端面の外周の直径よりも小さい直径の開口を構成する開口規定部を有し、レーザロッドの端面におけるレーザ光路領域を端面の外周よりも内側の領域に制限する端面保護部材を備えている。
レーザロッドは、端面に反射防止膜を備え、かつ、端面の周縁に面取り部を有し、
レーザロッドの少なくとも一方の端面に対向する位置に、端面の外周の直径よりも小さい直径の開口を構成する開口規定部を有し、レーザロッドの端面におけるレーザ光路領域を端面の外周よりも内側の領域に制限する端面保護部材を備えている。
本発明の固体レーザ装置においては、端面保護部材の開口規定部とレーザロッドの一方の端面との距離が０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、端面保護部材の開口規定部とレーザロッドの一方の端面とが接触していることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、端面保護部材の開口規定部は、レーザロッド側ほど開口直径が小さくなるテーパ部を備えていることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、端面保護部材は、開口規定部を支持する筒状部を有し、筒状部がレーザロッドの一方の端面側の端部に嵌合して装着されることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、レーザロッドの少なくとも一部を収容する、レーザロッドの長軸長よりも短い柱状の孔部を有するレーザチャンバを備え、レーザロッドは、レーザチャンバの孔部に挿通され、レーザロッドの両端部が孔部から露出した状態でレーザチャンバに支持されており、端面保護部材の筒状部が、レーザチャンバから露出した端部の側面全域を覆う形状であることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、レーザロッドの少なくとも一部を収容する、レーザロッドの長軸長よりも短い柱状の孔部を有するレーザチャンバを備え、レーザロッドは、レーザチャンバの孔部に挿通され、レーザロッドの両端部が孔部から露出した状態でレーザチャンバに支持されており、端面保護部材を備えた端面を含む端部の、レーザチャンバの孔部からの露出根元にＯリングが設けられており、レーザロッドの、Ｏリングよりも端面側の側面に、迷光のＯリングへの入射を妨げるカバー部材を備えていることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、端面保護部材は、セラミック、ガラスおよびフッ素樹脂の少なくとも１つからなることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、レーザロッドはアレキサンドライト結晶からなることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置においては、レーザロッドのロッド直径は３ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明の固体レーザ装置は、１対のミラーからなる共振器中にレーザロッドが配置される固体レーザ装置において、レーザロッドは、端面に反射防止膜を備え、かつ、端面の周縁に面取り部を有し、レーザロッドの少なくとも一方の端面に対向する位置に、端面の外周の直径よりも小さい直径の開口を構成する開口規定部を有し、レーザロッドの端面におけるレーザ光路領域を端面の外周よりも内側の領域に制限する端面保護部材を備えているので、端面の反射防止膜に破壊が生じるのを効果的に抑制することができる。そして、レーザロッド端面の反射防止膜の破壊を抑制することにより、長期に安定した駆動を可能とする。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体レーザ装置の外観形状を模式的に示す斜視図である。また、図２および図３は本実施形態に係る固体レーザ装置の概略側面図および概略平面図であり、いずれも筐体の一部を省き内部の構成要素の配置を模式的に示している。
固体レーザ装置１は、共振器を構成する１対のミラー１１、１２、共振器中に配置されたレーザロッド１３、このレーザロッド１３の少なくとも一部を収容するレーザチャンバ３０を備えている。本固体レーザ装置１は、さらに、一方のミラー１２とレーザロッド１３との間に、光学部材として、アパーチャ部材１５、ポラライザ（偏光子）１６、シャッタ１７、Ｑスイッチ１８およびウェッジプリズムペア１９を備えている。そして、ミラー１１、１２、レーザロッド１３および光学部材１５〜１９が筐体５０中に配置されている。ここで、レーザチャンバ３０の一部は筐体５０から外部に露出し、レーザチャンバ３０の筐体５０から露出した部分にフラッシュランプ２０が収容されている。筐体５０は、基台５１、側壁部５３および蓋部５５から構成されており、側壁部５３の一部にレーザ光を出力するための出射開口５６を備えている。
１対のミラー１１、１２は、レーザロッド１３を挟んで対向して配置されて、直線型の共振器を構成している。ミラー１１は部分透過ミラーであり、レーザ光を出力するいわゆる出力ミラーとして作用する。ミラー１２は高反射ミラーであり、いわゆるリアミラーとして作用する。また、本実施形態においてミラー１１は平面ミラーであり、ミラー１２は凹面ミラーである。以下において、ミラー１１、１２を、それぞれ出力ミラー１１、リアミラー１２と称する場合がある。本実施形態においては、出力ミラー１１およびリアミラー１２は互いに対向して、筐体５０の一部を成す側壁部５３のうち短手方向の各側面に取り付けられている。
本実施形態の固体レーザ装置１においては、ミラー１１、１２により直線型の光共振器が構成されているが、本発明の固体レーザ装置は直線型の共振器に限らず、光路中に光の進行方向を変更するためのプリズムやミラーを備えた、Ｌ型、Ｚ型、さらにはＸ型などの共振器構造を備えるものであってもよい。一方で、小型化、低コスト化の観点から、光学部材数は少ない方が好ましく、直線型の共振器が最も好ましい。
レーザロッド１３は固体レーザ媒質であり、例えばアレキサンドライト（Ｃｒ:ＢｅＡｌ2Ｏ3）、ネオジウムＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット））、チタンサファイア（Ｔｉ:Ａｌ2Ｏ3）等の固体レーザ結晶がロッド状に加工されてなるものである。なお、ここで、ロッド状とは、端面となる２つの円板間の距離が円板の直径よりも長い円柱形状である。固体レーザ媒質としては上に挙げたものに限らず、その他公知のものが適宜用いられてもよい。装置全体の小型化を図るためにはレーザロッド１３が細径であることが好ましい。本実施形態においては、レーザロッド１３としては、アレキサンドライトからなるものが特に好ましく、レーザロッド１３の長さ方向に垂直な断面（円形断面）の直径（以下において「ロッド直径」という。）が４ｍｍ以下であることが好ましい。ロッド直径は３ｍｍ以下であることがより好ましく、２．５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、レーザロッドの長さは７５ｍｍ以下であることが好ましく、６０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
フラッシュランプ２０は、レーザロッド１３を励起するための励起光を出射する励起光源であり、両端にそれぞれ備えられた端子２１を含む全体がほぼ棒状に形成されている。フラッシュランプ２０の長さは、例えば１０ｃｍ程度とされる。なお、フラッシュランプ２０の長さは、端子２１を含む長尺方向の長さで定義する。２つの端子２１にはそれぞれ図示外の導線が接続され、それらの導線を介してフラッシュランプ２０が点灯用光源に接続される。なおフラッシュランプ２０としてより詳しくは、例えばキセノン・フラッシュランプ等が適用可能である。また、本発明の固体レーザ装置における励起光源としては、このようなフラッシュランプ２０に限らず、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を複数並べて透明な直管内に配置することにより、全体が棒状に形成されたもの等が適用されてもよい。
レーザチャンバ３０は、例えば、金属からなり、レーザロッド１３およびフラッシュランプ２０を収容するように構成されている。レーザチャンバ３０は、内部にレーザロッド１３およびフラッシュランプ２０を収容するための空間を有しており、内部でフラッシュランプ２０から出射された光をレーザロッド１３に伝達する。例えば、レーザチャンバ３０の内側には反射面が形成されており、フラッシュランプ２０から出射した光は、直接レーザロッド１３に照射されるか、または反射面で反射してレーザロッド１３に照射される。
レーザチャンバ３０の側壁には配管４２、４４が接続されており、図３中に模式的に示すように、レーザチャンバ３０は配管４２、４４を介して冷却機器４５に接続される。冷却機器４５は、レーザロッド１３およびフラッシュランプ２０を冷却するための機器である。冷却機器４５は、例えば純水などの冷却媒体を、配管４２を通じてレーザチャンバ３０に送り込む。冷却機器４５は、配管４４を通じてレーザチャンバ３０からの排水を受け取り、冷却媒体の温度を下げた上で、再びレーザチャンバ３０に送り込む。このように冷却媒体を循環させることで、レーザチャンバ３０内のレーザロッド１３の温度を所望の温度範囲に保つことができる。
図４は、レーザチャンバ３０の外観を示す斜視図である。図４では、配管４２、４４（図１参照）を接続するための穴などは図示を省略している。レーザチャンバ３０は、フラッシュランプ２０を収容する第１の部分３１と、レーザロッド１３を収容する第２の部分３２とを有する。第１の部分３１には、フラッシュランプ２０を収容する空間として、長手方向に垂直な一方の壁面から他方の壁面に貫通する孔部３３を備え、第２の部分３２には、レーザロッド１３を収容する空間として、長手方向に垂直な一方の壁面から他方の壁面に貫通する孔部３４を備えている。すなわち、２つの孔部３３、３４は、レーザチャンバ３０の長手方向に沿って、互いに平行に設けられている。
レーザチャンバ３０の孔部３４は、レーザロッド１３の長軸長よりも短い円柱状であり、レーザロッド１３は、孔部３４に挿通され両端部が露出する状態で支持され、フラッシュランプ２０は、孔部３３に挿通されて支持される（図２参照）。孔部３４の形状はレーザロッド１３を受容できればよく、円柱状に限らず、角柱状あるいは楕円柱状等であってもよい。フラッシュランプ２０は、レーザチャンバ３０に対して長手方向、図中において右側に抜き差し可能である。本実施形態においては、レーザチャンバ３０の第１の部分３１の長手方向の長さは、第２の部分３２の長手方向の長さよりも長い。なお、第１の部分３１と第２の部分３２の長手方向の長さは同じでも構わない。
図２に示すように、レーザチャンバ３０はフラッシュランプ２０を収容する第１の部分３１が筐体５０の蓋部５５から外部に突出し、レーザロッド１３を収容する第２の部分３２が筐体５０内に配置されるように支持台２３により支持されており、蓋部５５が閉じた状態でフラッシュランプ２０の交換が可能とされている。
図５にレーザチャンバ３０から露出したレーザロッド１３の一方の端部近傍（図２において、破線で囲まれた領域Ａ）の拡大断面図を示す。
図５に示すように、レーザロッド１３の端部１３ａ（以下において「ロッド端部１３ａ」という。）のレーザチャンバ３０の孔部３４からの露出根元にはＯリング３６が配され、さらに、Ｏリング３６に隣接して、レーザロッド１３の端面１３ｂ（以下において「ロッド端面１３ｂ」という。）側にレーザロッド１３を通過させる貫通孔を有するＯリング押さえ板３７が配されている。なお、ロッド端部１３ａのレーザチャンバ３０の孔部３４からの露出根元とは、レーザチャンバ３０の孔部３４から露出されたロッド端部１３ａのうち、最もレーザチャンバ３０側（すなわち孔部３４側）の部分をいう。なお、以下において、レーザチャンバ３０の孔部３４からの露出根元を、レーザチャンバからの露出根元という場合がある。Ｏリング３６はレーザロッド１３に嵌め込まれ、レーザチャンバ３０の孔部３４の端部に設けられているＯリング受け部に配置される。Ｏリング押さえ板３７が、レーザチャンバ３０にネジ止めされることにより、Ｏリング３６はレーザチャンバ３０側に付勢され、レーザロッド１３は固定されている。Ｏリング３６およびＯリング押さえ板３７は、基本的にはレーザチャンバ３０から露出されているレーザロッド１３の両端部に設けられている。
ここで、図６に、レーザロッド１３の端面正面図（左図）および端部側面図（右図）を示す。図６に示すように、レーザロッド１３は、その端面１３ｂ（以下において、「ロッド端面１３ｂ」という。）と、側面１３ｃ（以下において、「ロッド側面１３ｃ」という。）との間に面取り部１３ｄを備えている。すなわち、レーザロッド１３は端面１３ｂの周縁、端面１３ｂの外周の半径方向外側に面取り部１３ｄを有する。この面取り部１３ｄは砂面である。そして、ロッド端面１３ｂには反射防止膜１４を備えている。図６においては、レーザロッドの一方の端面のみを示しているが、両端面同様の構成である。反射防止膜１４はロッド端面１３ｂの全面に備えられていることが好ましい。
レーザロッド１３の半径と端面外周の半径との差に相当する面取り部１３ｄの幅δはロッド直径φ０の１〜５％程度、好ましくは２％程度である。例えば、ロッド直径φ０が２．５ｍｍのとき、面取り部１３ｄの幅δは０．０５ｍｍとする、などである。
本固体レーザ装置１は、図５に示すように、ロッド端面１３ｂに対向する位置に、ロッド端面１３ｂの外周の直径φ１よりも小さい直径φ２の開口６１を構成する開口規定部６２を有する端面保護部材６０を備えている。この端面保護部材６０は、ロッド端面１３ｂにおけるレーザ光路領域をロッド端面１３ｂの外周よりも内側の領域に制限するものである。端面保護部材６０を備えない場合、レーザロッド１３全域が光路であり、光路断面は直径φ０の円形断面に等しいが、端面保護部材６０を備えることにより、図５において２点鎖線で示す直径φ２の円形断面領域に光路が制限されている。
このように、端面保護部材６０を備えることにより、レーザ光路領域がロッド端面１３ｂの外周よりも内側の領域に制限される、すなわち、面取り部１３ｄの内周よりも内側の領域にレーザ光路が制限されている。したがって、レーザ発振時において、ロッド端面１３ｂと面取り部１３ｄとの境界にレーザ光が照射されない。既述の通り、ロッド端面１３ｂと面取り部１３ｄとの境界は、光学膜のコーティングが良好とは言えず、コーティング破壊の起点となりやすい領域である。しかし、この境界に高エネルギーのレーザ光が照射されなければ、コーティング破壊の発生を抑制することができる。すなわち、端面保護部材６０を備えることにより、ロッド端面１３ｂにおけるコーティング破壊の発生を抑制することができる。
図７に端面保護部材６０の斜視図を示すように、本実施形態における端面保護部材６０は、開口規定部６２を支持する筒状部６４を有し、筒状部６４がロッド端部１３ａに嵌合して装着されるキャップ形状をなしている。端面保護部材６０は開口規定部６２をロッド端面１３ｂの近傍に安定して支持配置できるものであれば特に形状に制限はない。しかしながら、本実施形態のような、嵌め込んで装着可能なキャップ形状であれば、配置精度を容易に担保することができ好ましい。
開口規定部６２は、ロッド端面１３ｂと面取り部１３ｄとの境界を覆うようにロッド端面１３ｂのごく近傍に備えられていることが肝要である。ごく近傍とは、ロッド端面１３ｂと開口規定部６２との距離ｄ（図５参照）が、両者が接触した状態（すなわちｄ＝０）に対して、効果に有意な差が出ない程度の距離を意味する。具体的には、距離ｄは０．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．１ｍｍ以下がより好ましく、ロッド端面１３ｂと開口規定部６２とが接触していることが特に好ましい。なお、ロッド端面１３ｂの表面には反射防止膜１４が設けられているため、本明細書において、開口規定部６２のロッド端面１３ｂとの距離とは、開口規定部６２とロッド端面１３ｂに設けられた反射防止膜１４の表面との距離を意味する。同様に、ロッド端面１３ｂと開口規定部６２とが接触しているとは、ロッド端面１３ｂに設けられた反射防止膜１４の表面と開口規定部６２とが接触していることを意味する。
また、図５および図７に示すように、端面保護部材６０の開口規定部６２がロッド端面１３ｂに近くなるほど開口直径が小さくなるテーパ部６２ａを備えていることが好ましい。テーパ部６２ａを備えることにより開口規定部６２による光路のケラレを抑制できる。
なお、開口規定部６２とロッド端面１３ｂとの距離は、開口規定部６２の、直径φ２を構成する部分のうち最もロッド端面１３ｂ側に位置する部分とロッド端面１３ｂとの距離で定義する。例えば、図８のように、開口規定部６２の直径φ２を構成する部分の一部６２ｂがロッド端面１３ｂ側に突出した形状の場合には、突出した一部６２ｂのロッド端面１３ｂ側の面からロッド端面１３ｂまでの距離が、開口規定部６２とロッド端面１３ｂとの距離ｄである。
端面保護部材６０は、レーザロッド１３の両端面に備えられていてもよいが、いずれか一方の端面に備えられていればよい。一方のみであっても、レーザ発振領域を制限する効果を奏する。装置の小型化および短パルス化などの要請に応じて細径のレーザロッドを採用する場合、開口制限はレーザ出力に大きく影響する。すなわち、細径のレーザロッドの両端部に端面保護部材を備える場合、端面保護部材の作製精度、配置精度がレーザ出力に対して高い感度を持つこととなり、安定性の低下や製造上のコストアップにつながる場合がある。したがって、保護部材は、一方の端面にのみ備えることが望ましい。
端面保護部材６０の開口規定部６２はレーザ光路と接するため、材質としてはレーザ光による損傷、変形がなく、塵およびアウトガスの発生が少ないものであることが求められる。したがって、開口規定部６２の材質としては、セラミックあるいはフッ素樹脂が適している。開口規定部６２を含む端面保護部材６０全体がセラミックあるいはフッ素樹脂の少なくとも１つからなることが好ましい。
図９は、端面保護部材の第１の設計変更例を示す断面図である。
図９に示す端面保護部材６０Ａは、開口規定部６２がロッド端面１３ｂ（ここでは、ロッド端面１３ｂに形成されている反射防止膜１４）に接触し、かつ筒状部６４Ａがレーザロッド１３のレーザチャンバ３０からの露出根元に備えられたＯリング押さえ板３７に突き当たる長さを有している。このようにレーザチャンバ３０から露出するロッド端部１３ａのロッド側面１３ｃの露出部分を全て覆うカバー状とされていることにより、開口規定部６２のロッド端面１３ｂに対する配置精度を高めることができ好ましい。また、レーザロッド１３の露出根元までを覆う形状の端面保護部材６０Ａを備えることにより、レーザロッド１３のレーザチャンバ３０からの露出根元に備えられたＯリング３６に、筐体５０内で発生した迷光が入射するのを抑制することができる。迷光が入射するとＯリング３６から塵やアウトガスが生じ、これらの塵やアウトガスがロッド端面に付着し、焼き付きを生じてロッド端面が損傷する場合があるが、端面保護部材６０ＡによりＯリング３６への迷光の入射を抑制できるので、レーザロッドの損傷をさらに効果的に防止することができる。
図９に示す端面保護部材６０Ａは、開口規定部６２がロッド端面１３ｂ（ここでは、ロッド端面１３ｂに形成されている反射防止膜１４）に接触し、かつ筒状部６４Ａがレーザロッド１３のレーザチャンバ３０からの露出根元に備えられたＯリング押さえ板３７に突き当たる長さを有している。このようにレーザチャンバ３０から露出するロッド端部１３ａのロッド側面１３ｃの露出部分を全て覆うカバー状とされていることにより、開口規定部６２のロッド端面１３ｂに対する配置精度を高めることができ好ましい。また、レーザロッド１３の露出根元までを覆う形状の端面保護部材６０Ａを備えることにより、レーザロッド１３のレーザチャンバ３０からの露出根元に備えられたＯリング３６に、筐体５０内で発生した迷光が入射するのを抑制することができる。迷光が入射するとＯリング３６から塵やアウトガスが生じ、これらの塵やアウトガスがロッド端面に付着し、焼き付きを生じてロッド端面が損傷する場合があるが、端面保護部材６０ＡによりＯリング３６への迷光の入射を抑制できるので、レーザロッドの損傷をさらに効果的に防止することができる。
次に、本固体レーザ装置の他の構成要素について簡単に説明する。
本固体レーザ装置１においては、既述の通り、レーザロッド１３のリアミラー１２側に、光学部材として、アパーチャ部材１５、ポラライザ１６、シャッタ１７、Ｑスイッチ１８およびウェッジプリズムペア１９を備えている。ここで、アパーチャ部材１５が、最もレーザロッド１３側に配置されている。このような配置により、アパーチャ部材１５は、ポラライザ１６、シャッタ１７、Ｑスイッチ１８、ウェッジプリズムペア１９およびリアミラー１２などにおいて生じた迷光のレーザロッド１３側への進行を抑制することができる。アパーチャ部材１５は、光路に開口を有し、光学部材１６〜１９側から比較的大きい角度でレーザロッド１３側に向かう、光路から大きくはずれた迷光を遮断し、迷光がレーザチャンバ３０に当たることを防止することができる。
本固体レーザ装置１においては、既述の通り、レーザロッド１３のリアミラー１２側に、光学部材として、アパーチャ部材１５、ポラライザ１６、シャッタ１７、Ｑスイッチ１８およびウェッジプリズムペア１９を備えている。ここで、アパーチャ部材１５が、最もレーザロッド１３側に配置されている。このような配置により、アパーチャ部材１５は、ポラライザ１６、シャッタ１７、Ｑスイッチ１８、ウェッジプリズムペア１９およびリアミラー１２などにおいて生じた迷光のレーザロッド１３側への進行を抑制することができる。アパーチャ部材１５は、光路に開口を有し、光学部材１６〜１９側から比較的大きい角度でレーザロッド１３側に向かう、光路から大きくはずれた迷光を遮断し、迷光がレーザチャンバ３０に当たることを防止することができる。
アパーチャ部材１５は、塵およびアウトガスの発生が少なく、レーザ光の吸収が小さく、耐熱性を有することが求められる。また、レーザ光に対して拡散性がある材質が望ましい。したがって、アパーチャ部材１５の材質としては、セラミック、すりガラス、あるいはポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene;ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が適している。
アパーチャ部材１５は、迷光がレーザチャンバ３０に当たることを防止するため、本実施形態のように、レーザチャンバ３０と他の光学部材１６〜１９との間に配置することが望ましい。アパーチャ部材１５の開口直径はロッド直径φ０と同等以上とすることが好ましく、ロッド直径φ０よりも大きいことがさらに好ましい。特に、装置の小型化およびレーザ光の短パルス化のためにレーザロッド１３として、ロッド直径φ０が４ｍｍ以下のような細径のレーザロッドを採用する場合、アパーチャ部材１５による開口制限はレーザ出力に大きく影響する。すなわち、細径のレーザロッドに対してはアパーチャ部材１５の配置精度がレーザ出力に対して高い感度を持つため、アパーチャ部材１５の配置精度が低いと安定性の低下が生じ、配置精度を高めることは製造上のコストアップに繋がる。したがって、細径のレーザロッドを採用する場合、アパーチャ部材の開口直径はロッド直径より大きいことがより望ましい。但し、アパーチャ部材の開口直径が大きすぎると、迷光の遮断効果が十分得られない場合があるためロッド直径の１２０％以下であることが好ましい。なお、アパーチャ部材１５の開口形状はレーザロッド１３の端面形状と相似形であることが好ましい。
本実施形態においては、アパーチャ部材１５は、レーザロッド１３のリアミラー１２側にのみ配置されているが、アパーチャ部材１５はレーザロッド１３の両端面側に配置することが迷光の遮断による保護の観点からは好ましい。しかしながら、レーザロッド１３の両端面側にアパーチャ部材１５を配置する場合、配置精度の要求が上がり、製造上のコストアップに繋がる。特にロッドが細径の場合には顕著である。本実施の形態においては、レーザロッド１３のリアミラー１２側に各種光学部材１６〜１９を集中配置することにより、主要な迷光の発生点を片側に寄せているため、アパーチャ部材１５を片側だけに配置しても充分に高い保護効果が得られる。
ポラライザ１６は、発振したレーザ光から所定方向に直線偏光した成分を選択的に取り出すものである。シャッタ１７はレーザ光の出射を制御するものであり、開閉制御されてレーザ光の出射を機械的に遮断するものである。Ｑスイッチ１８は高出力のパルス状のレーザ光を発生させるように、いわゆるＱスイッチ動作するものである。なお、本発明の固体レーザ装置は、このようにパルス状のレーザ光を発生させるものに限らず、ＣＷ（連続波）動作するものとして構成されてもよい。また、ウェッジプリズムペア１９は、それらの位置、角度を調整することにより、光軸の補正等の光学系調整を行うために備えられている。このウェッジプリズムペア１９を備えることにより、非常に精度のよい光軸調整を行うことが可能となる。
光学部材１５〜１９は、それぞれホルダ２５〜２９に取り付けられており、ホルダ２５〜２９は筐体５０の一部を成す基台５１の上に設置されている。なお、これらの光学部材１５〜１９はいずれも必要に応じて設けられればよく、本発明の固体レーザ装置としては、これらの光学部材のうち、例えば、Ｑスイッチのみを備えた構成であってもよい。また、必要に応じて、他の光学部材を備えていてもよい。
本固体レーザ装置１においては、上記Ｑスイッチ１８を光遮断状態にしてフラッシュランプ２０を点灯させると、そこから発せられた励起光によりレーザロッド１３が励起され、強い反転分布状態が形成される。この状態になってからＱスイッチ１８が光通過状態にされると、レーザロッド１３から誘導放出された光が、ミラー１１、１２間で共振し、高出力のジャイアントパルスとなって出力ミラー１１を透過し、共振器外に出射される。なお、発熱するフラッシュランプ２０およびレーザロッド１３は、レーザチャンバ３０内を流通する冷媒によって冷却される。
固体レーザ装置１は、レーザロッド１３の端面１３ｂに端面保護部材６０を備えているので、ロッド端面１３ｂの反射防止膜１４のコーティング破壊を抑制し、長期に安定したレーザ出力を得ることができる。
図１０に、上記実施形態の固体レーザ装置の設計変更例における、レーザロッドのレーザチャンバ３０からの露出部の拡大断面図を示す。
本設計変更例は、上記固体レーザ装置１において、レーザチャンバ３０からのレーザロッド１３の露出根元において、Ｏリング３６への迷光の入射を抑制するカバー部材３８を備えている。
図１０に示すように、本実施形態の固体レーザ装置においては、ロッド端部１３ａに嵌め込まれたＯリング３６よりもロッド端面１３ｂ側のロッド側面１３ｃに、筐体５０内で生じた迷光のＯリング３６への入射を妨げるカバー部材３８を備えている。
本実施形態の固体レーザ装置においては、上記カバー部材３８を備えることにより、図９に示した端面保護部材６０Ａを備えた場合と同様に、Ｏリング３６への迷光の入射を防止することができるので、塵やガスの発生を効果的に抑制することができ、レーザロッド１３の損傷を抑制することができる。
カバー部材３８はレーザロッドの両端部に備えられていることが好ましいが、一方のみであってもよい。カバー部材３８をレーザロッドの一方の端部にのみ設ける場合には、Ｑスイッチ、ポラライザなどの迷光の発生原因となりうる光学部材がより多く配置されている側に設けることが好ましい。
カバー部材３８は、塵およびアウトガスの発生が少なく、レーザ光の吸収が小さく耐熱性を有するものであることが求められる。また、レーザ光に対して拡散性を有することが望ましい。したがって、カバー部材３８はセラミック、すりガラス、あるいはポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene;ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂の少なくとも１つからなることが好ましい。カバー部材３８は迷光がＯリング３６へ突入することを防ぐため、レーザロッド１３との密着性が高い軟性材料が望ましい。したがって、繊維状のセラミックやガラス、あるいは未焼成のフッ素樹脂等が特に適している。
図１１は、設計変更例のカバー部材３９を備えたレーザロッド端部近傍の拡大図を示す。図１１に示すカバー部材３９は、ＰＴＦＥからなるテープ３９ａをロッド側面１３ｃに複数回巻き付けてなる。テープ３９ａを複数回巻き付けて構成されたカバー部材３９は、レーザロッド１３との密着性が高く、巻回数により大きさを自由に変化させることができ、好ましい。ロッド端面１３ｂ側から視認した際に、Ｏリング３６が視認できない程度にテープ３９ａを巻きつけることにより、迷光のＯリング３６への入射を効果的に抑制することができる。
また、図１１において、カバー部材３９で十分にＯリング３６を付勢して、レーザロッド１３を固定可能である場合には、Ｏリング押さえ板を備えなくともよい。
なお、Ｏリング３６としては、一般的な、フッ素樹脂系でないゴム製のものを用いることができる。一方で、Ｏリング３６自体を塵やアウトガス発生の少ない材質、例えばフッ素樹脂系ゴム製にするとさらに好ましい。
また、図１０に示したように、Ｏリング押さえ板３７を備える場合には、Ｏリング押さえ板３７に迷光が入射して、塵やアウトガスが発生する場合があるため、Ｏリング押さえ板３７としても塵およびアウトガス発生の少ない材質、例えばセラミックあるいはフッ素樹脂等からなるものを用いることが好ましい。または、カバー部材を大きくして、Ｏリング押さえ板への迷光の入射を抑制するように構成することも好ましい。
図１０および図１１に示すように、端面保護部材６０とＯリングへの迷光入射を抑制するカバー部材３８もしくは３９とを組み合わせて用いることにより、レーザロッドの損傷をより効果的に抑制することがき、さらなる長期安定性を実現することが可能となる。
なお、上記各実施形態においては、共振器およびレーザロッド、各光学部材が筐体内に配置された構成の固体レーザ装置について説明したが、本発明は筐体内に配置されているものに限るものでなく、筐体を備えていない構成であっても構わない。
本発明の固体レーザ装置は、特に用途を限定されず、各種用途に使用することができる。例えば、特開２０１２−１９６４３０号公報、特開２０１４−２０７９７１号公報などに記載の光音響計測装置において、光音響波検出のために被検体に照射するレーザ光（特にはパルスレーザ光）を発生する測定用の光源として好ましく用いることができる。
１ 固体レーザ装置
１１ 出力ミラー
１２ リアミラー
１３ レーザロッド
１３ａ ロッド端部
１３ｂ ロッド端面
１３ｃ ロッド側面
１３ｄ 面取り部
１４ 反射防止膜
１５ アパーチャ部材
１６ ポラライザ
１７ シャッタ
１８ Ｑスイッチ
１９ ウェッジプリズムペア
２０ フラッシュランプ
２１ 端子
２３ 支持台
２５〜２９ ホルダ
３０ レーザチャンバ
３１ 第１の部分
３２ 第２の部分
３３、３４ 孔部
３６ Ｏリング
３７ Ｏリング押さえ板
３８、３９ カバー部材
３９ａ テープ
４２、４４ 配管
４５ 冷却機器
５０ 筐体
５１ 基台
５３ 側壁部
５５ 蓋部
５６ 出射開口
６０、６０Ａ 端面保護部材
６１ 開口
６２ 開口規定部
６２ａ テーパ部
６２ｂ 開口規定部の突出した一部
６４、６４Ａ 筒状部
１１ 出力ミラー
１２ リアミラー
１３ レーザロッド
１３ａ ロッド端部
１３ｂ ロッド端面
１３ｃ ロッド側面
１３ｄ 面取り部
１４ 反射防止膜
１５ アパーチャ部材
１６ ポラライザ
１７ シャッタ
１８ Ｑスイッチ
１９ ウェッジプリズムペア
２０ フラッシュランプ
２１ 端子
２３ 支持台
２５〜２９ ホルダ
３０ レーザチャンバ
３１ 第１の部分
３２ 第２の部分
３３、３４ 孔部
３６ Ｏリング
３７ Ｏリング押さえ板
３８、３９ カバー部材
３９ａ テープ
４２、４４ 配管
４５ 冷却機器
５０ 筐体
５１ 基台
５３ 側壁部
５５ 蓋部
５６ 出射開口
６０、６０Ａ 端面保護部材
６１ 開口
６２ 開口規定部
６２ａ テーパ部
６２ｂ 開口規定部の突出した一部
６４、６４Ａ 筒状部
Claims (10)
- １対のミラーからなる共振器中にレーザロッドが配置される固体レーザ装置において、
前記レーザロッドは、端面に反射防止膜を備え、かつ、該端面の周縁に面取り部を有し、
前記レーザロッドの少なくとも一方の端面に対向する位置に、該端面の外周の直径よりも小さい直径の開口を構成する開口規定部を有し、前記レーザロッドの前記端面におけるレーザ光路領域を前記端面の外周よりも内側の領域に制限する端面保護部材を備えた固体レーザ装置。 - 前記端面保護部材の前記開口規定部と前記レーザロッドの前記一方の端面との距離が０．５ｍｍ以下である請求項１記載の固体レーザ装置。
- 前記端面保護部材の前記開口規定部と前記レーザロッドの前記一方の端面とが接触している請求項１記載の固体レーザ装置。
- 前記端面保護部材の前記開口規定部は、前記レーザロッド側ほど開口直径が小さくなるテーパ部を備えている請求項１から３いずれか１項記載の固体レーザ装置。
- 前記端面保護部材は、前記開口規定部を支持する筒状部を有し、該筒状部が前記レーザロッドの前記一方の端面側の端部に嵌合して装着される請求項１から４いずれか１項記載の固体レーザ装置。
- 前記レーザロッドの少なくとも一部を収容する、該レーザロッドの長軸長よりも短い柱状の孔部を有するレーザチャンバを備え、
前記レーザロッドは、前記レーザチャンバの前記孔部に挿通され、該レーザロッドの両端部が前記孔部から露出した状態で該レーザチャンバに支持されており、
前記端面保護部材の前記筒状部が、前記孔部から露出した前記端部の側面全域を覆う形状である請求項５記載の固体レーザ装置。 - 前記レーザロッドの少なくとも一部を収容する、該レーザロッドの長軸長よりも短い柱状の孔部を有するレーザチャンバを備え、
前記レーザロッドは、前記レーザチャンバの前記孔部に挿通され、該レーザロッドの両端部が前記孔部から露出した状態で該レーザチャンバに支持されており、
前記端面保護部材を備えた前記端面を含む端部の、前記孔部からの露出根元にＯリングが設けられており、
前記レーザロッドの、前記Ｏリングよりも前記端面側の側面に、迷光の前記Ｏリングへの入射を妨げるカバー部材を備えた請求項１から５いずれか１項記載の固体レーザ装置。 - 前記端面保護部材は、セラミック、ガラスおよびフッ素樹脂の少なくとも１つからなる請求項１から７いずれか１項記載の固体レーザ装置。
- 前記レーザロッドはアレキサンドライト結晶からなる請求項１から８いずれか１項記載の固体レーザ装置。
- 前記レーザロッドのロッド直径は３ｍｍ以下である請求項１から９いずれか１項記載の固体レーザ装置。
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