JP6736127B2 - レーザポンプチャンバ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザポンプチャンバ装置に関するものである。

高出力の固体レーザ発振装置（例えば、ＹＡＧレーザ発振装置）は、発振安定性を確保するために、レーザ媒体の冷却が不可欠である。従来、高出力の固定レーザ発振装置は、レーザ媒体としてのＹＡＧロッドと励起光源としてのフラッシュランプを密閉した水冷ジャケット式のレーザポンプチャンバが用いられており、冷却水を循環させて冷却を行うことで、レーザポンプチャンバの熱的安定性を保っている。

これに対して、水の使用や水の発生が厳禁とされる（禁水）場所で高出力の固体レーザ発振装置を使用するニーズがあり、前述した水冷式に替えて空冷式で高出力対応のレーザポンプチャンバが開発されている。このようなレーザポンプチャンバの従来例は、ＹＡＧロッドと、フラッシュランプと、フラッシュランプから出射される光をＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、これらを囲むジャケットとを備え、レーザポンプチャンバが配置されるレーザ発振装置の筐体内の空気を一定に温度調整する温度調整機構と、この筐体内の空気をレーザポンプチャンバ内に送り込む送風機構を備えたものなどが知られている（下記特許文献１参照）。

特開２０１２−１５６４３５号公報

前述した従来例は、禁水場所で使用可能な空冷式のレーザポンプチャンバを得ることができるが、水冷式と同等レベルの冷却は困難であり、水冷式ほどの高出力を得ることができない。また一方で、高出力に加えて、軸対称の出力分布を示す高品質なレーザ光を取り出すことができるレーザポンプチャンバが求められているが、前述した従来技術では、このような要求に対応できない問題がある。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。すなわち、本発明は、高出力且つ高品質のレーザ光を取り出すことができるレーザポンプチャンバを提供すること、などを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明によるレーザポンプチャンバは、以下の構成を具備するものである。

レーザ媒体と、前記レーザ媒体の中心軸周りに等間隔で配置され、前記中心軸に交差する光軸を有する励起光源素子と、前記光軸上に配置され前記励起光源素子から出射される励起光を集光してレーザ媒体に照射する照射光学系と、前記レーザ媒体の端部を支持すると共に、前記照射光学系と前記励起光源素子を支持する熱伝導部材で構成される枠体と、前記枠体の外面には温度調整部材を備え、前記レーザ媒体の周囲と、前記枠体と前記枠体に支持される前記照射光学系との間に冷媒流路が形成されていることを特徴とするレーザポンプチャンバ装置。

本発明の実施形態に係るレーザポンプチャンバ装置を示した断面図（図２におけるＢ−Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るレーザポンプチャンバ装置を示した断面図（図１におけるＡ−Ａ断面図）である。 レーザポンプチャンバ装置を備えたレーザ発振装置を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１及び図２に示すように、レーザポンプチャンバ装置１は、レーザ媒体１０と、励起光源素子２と、照射光学系３と、枠体４とを備えている。レーザ媒体１０は、例えば、ＹＡＧロッドであり、中心軸１０Ｐを有する円柱状のレーザロッドであって、中心軸１０Ｐに直交する端面１０Ａ，１０Ｂが開放された状態で枠体４に支持されている。

励起光源素子２は、例えば、レーザダイオードであり、レーザ媒体１０の中心軸１０Ｐに交差する光軸を有している。励起光源素子２は、中心軸１０Ｐの周りに等間隔で複数個配置されている。図示の例では、１２０°間隔で３個の励起光源素子２が中心軸１０Ｐの周りに配置され、各励起光源素子２の光軸が中心軸１０Ｐと直交するように配置されている。

照射光学系３は、励起光源素子２の光軸上に配置され、励起光源素子２から出射される光を集光してレーザ媒体１０に照射する。照射光学系３は、図示の例では、シリンドリカルレンズが用いられており、励起光源素子２から出射される拡がり角を有する光（レーザ光）を平行光にして、レーザ媒体１０に照射している。高効率で励起光をレーザ媒体１０に照射するためには、シリンドリカルレンズからなる照射光学系３を用いて、励起光源素子２から出射される光をレーザ媒体１０のロッド径と同径の平行光に集光して、レーザ媒体１０に照射する。

枠体４は、レーザ媒体１０の端部を支持すると共に、照射光学系３と励起光源素子２を支持するものであり、図示の例では、複数のブロックによって構成されている。具体的には、枠体４は、端部支持ブロック４０，４１と、内部ブロック４２，４３，４４と、外周ブロック４５を備え、また、端部ブロック５１，５２を備えている。

端部支持ブロック４０，４１は、レーザ媒体１０の長手方向端部をそれぞれ支持するものであり、レーザ媒体１０の端部が挿入可能な開口４０Ａ，４１Ａを有している。図示の例では、開口４０Ａ，４１Ａ内にはＯリング５３が配置され、開口４０Ａ，４１Ａ内に挿入されたレーザ媒体１０の端部が、Ｏリング５３を介して端部支持ブロック４０，４１に支持されている。

図示の例では、端部支持ブロック４０，４１には、端部ブロック５１，５２が連結されており、端部ブロック５１，５２の開口５１Ａ，５２Ａが端部支持ブロック４０，４１の開口４０Ａ，４１Ａと同軸上に配置されている。これによって、レーザ媒体１０の端面１０Ａは開口５１Ａを介して開放されており、端面１０Ｂは開口５２Ａを介して開放されている。図示の例では、端部支持ブロック４０，４１と端部ブロック５１，５２とを別ブロックにしているが、これらは一体のブロックにしてもよい。

内部ブロック４２，４３，４４は、これらによって、レーザ媒体１０の周囲空間４Ａと照射光学系３及び励起光源素子２の支持空間４Ｂを形成している。周囲空間４Ａは、レーザ媒体１０の中心軸１０Ｐと同軸の円筒状であり、その内面は、中心軸１０Ｐと同軸状の円筒反射面４Ｃになっている。具体的には、内部ブロック４２，４３，４４の内面に金メッキなどの反射コーティングを施すことで、円筒反射面４Ｃを形成している。

外周ブロック４５は、内部ブロック４２，４３，４４の周囲を囲むように配置されており、そのうちの一部が励起光源素子２を支持している。外周ブロック４５は、複数に分割されたブロックであってもよいし、一体のブロックであってもよい。

枠体４を構成しているブロック（端部支持ブロック４０，４１、内部ブロック４２，４３，４４、外周ブロック４５）は、全て熱伝導性部材（銅などの熱伝導性の高い部材）で構成されており、互いに密着して連結されている。各ブロックの密着面間の接合には、熱伝導性の高い接着材（金属ペースト）を用いることが好ましい。そして、枠体４の外面、具体的には、外周ブロック４５の一部の外面に、ベルチェ素子などの温度調整部材５を配置している。

このようなレーザポンプチャンバ装置１は、温度調整部材５による温度調整により、励起光源素子２を支持している枠体４を均一温度にして、全ての励起光源素子２の発光波長を一定に維持することができる。枠体４を構成しているブロック（端部支持ブロック４０，４１、内部ブロック４２，４３，４４、外周ブロック４５）は、全て熱伝導性部材で構成されているので、枠体４の外面の一部に温度調整部材５を配置することで、枠体４の全体を均一温度にすることができる。

励起光源素子２としてレーザダイオードを用いる場合には、レーザダイオードの温度によって発光波長が変化してしまうが、効率的な励起を行うためには、レーザ媒体１０に照射される励起光の波長は、レーザ媒体１０が吸収し易い一定の波長に維持することが求められる。例えば、レーザ媒体１０としてネオジウムＹＡＧロッドを採用する場合には、励起光の波長を７９８ｎｍから８０８ｎｍに維持することで効率的な励起が可能になる。レーザポンプチャンバ装置１は、温度調整部材５により、励起光源素子２であるレーザダイオードの温度を７９８ｎｍから８０８ｎｍで発光する温度（例えば、２５℃）に維持することができるので、レーザ媒体１０としてネオジウムＹＡＧロッドを採用する場合に、効率的な励起が可能になる。

枠体４のブロックにより構成される照射光学系３及び励起光源素子２の支持空間４Ｂは、レーザ媒体１０の中心軸１０Ｐ周りに等間隔で配置されている。図示の例では、中心軸１０Ｐ周りに１２０°間隔で３箇所に支持空間４Ｂが配置されている。支持空間４Ｂの一部では、外周ブロック４５上に励起光源素子２の基板２Ａが固定され、励起光源素子２は、その光軸がレーザ媒体１０の中心軸１０Ｐに直交するように支持されている。また、支持空間４Ｂの一部には、照射光学系３であるシリンドリカルレンズとレンズ支持部材３Ａが配置されており、照射光学系３は、励起光源素子２の光軸上に配置されている。枠体４のブロックにより構成されるレーザ媒体１０の周囲空間４Ａは、支持空間４Ｂと連通して、その中心が中心軸１０Ｐと同軸状になっている。

支持空間４Ｂに支持される複数の励起光源素子２は、レーザ媒体（ＹＡＧロッド）１０の側方に、軸対称の３方向（他方向）から励起光を照射する。また、照射光学系３でレーザ媒体１０のロッド径と略同径に集光される励起光は、効率的にレーザ媒体１０に照射され、レーザ媒体１０の表面で反射された光が周囲空間４Ａの内面に形成された円筒反射面４Ｃに反射されて、再びレーザ媒体１０の側面に照射されるので、更に効率的に励起光がレーザ媒体１０に照射される。これによりレーザ媒体１０からは軸対称の出力分布を有する高品質の発光が得られると共に、効率的な励起光の照射で高出力の発光を得ることができる。

枠体４には、冷媒流入路４Ｄと冷媒流出路４Ｆが設けられて、これによって、レーザポンプチャンバ装置１は、効果的にレーザ媒体１０を冷却することができる。図示の例では、冷媒流入路４Ｄは、レーザ媒体１０の中心軸１０Ｐと交差する方向に延設された直線的な流路であり、中心軸１０Ｐの周りに均等に３本（多数本）配置され、端部支持ブロック４０に形成されている。また、冷媒流出路４Ｆは、中心軸１０Ｐに沿った直線的な流路であり、端部支持ブロック４１と端部ブロック５２に形成されている。

空冷式のレーザポンプチャンバ装置１では、枠体４における一方の端部ブロック５１に、冷媒流入路４Ｄに連通する接続部４Ｅが設けられ、接続部４Ｅに圧縮空気を送る送気管５０が接続される。そして、端部ブロック５２と端部支持ブロック４１に形成された冷媒流出路４Ｆを介して、レーザ媒体１０に当てられた圧縮空気が排気される。

このように、レーザポンプチャンバ装置１は、レーザ媒体１０の側面に多方向から圧縮空気を当てる冷媒流入路４Ｄを備え、レーザ媒体１０に当たった圧縮空気を排気する冷媒流出路４Ｆを中心軸１０Ｐに沿って備えるので、レーザ媒体１０を効果的に冷却することができる。これにより、空冷式であっても高出力の発光を得ることができる。また、このような構造のレーザポンプチャンバ装置１は、前述した冷媒流入路４Ｄと冷媒流出路４Ｆを繋ぐ循環水流路を形成し、周囲空間４Ａ内の密封性を確保することで、水冷式に転用することが可能になる。

図３は、レーザポンプチャンバ装置１を備えるレーザ発振装置２０を示している。レーザ発振装置２０は、筐体２０Ａ内に、レーザポンプチャンバ装置１の中心軸１０Ｐに対面して出力ミラー２１と反射ミラー２２からなる共振ミラーを配置し、必要に応じて、１／４・波長板２３Ａ，ポッケルスセル２３Ｂ，ポラライザ２３ＣなどからなるＱスイッチ２３を共振ミラー内に配置することで得ることができる。

このようなレーザ発振装置２０は、空冷式のレーザポンプチャンバ装置１により、軸対称の出力分布の光をレーザ媒体１０から出射させることができ、効果的にレーザ媒体１０を冷却することができるので、空冷式でありながら高出力且つ高品質のレーザ光を取り出すことができる。また、レーザポンプチャンバ装置１の枠体４における周囲空間４Ａの密封性を確保することで、水冷式のレーザポンプチャンバ装置１にも転用することができるので、禁水以外の使用条件では、水冷式にすることで更に高出力を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：レーザポンプチャンバ装置，
２：励起光源素子（レーザダイオード），２Ａ：基板，
３：照射光学系（シリンドリカルレンズ），３Ａ：レンズ支持部材，
４：枠体，４Ａ：周囲空間，４Ｂ：支持空間，
４Ｃ：円筒反射面，４Ｄ：冷媒流入路，４Ｅ：接続部，４Ｆ：排気流出路，
４０，４１：端部支持ブロック，４０Ａ，４１Ａ：開口，
４２，４３，４４：内部ブロック，
４５：外周ブロック，５０：送気管，
５１，５２：端部ブロック，５１Ａ，５２Ａ：開口，
５３：Ｏリング，
５：温度調整部材（ペルチェ素子），
１０：レーザ媒体（ＹＡＧロッド），１０Ｐ：中心軸，１０Ａ，１０Ｂ：端面，
２０：レーザ発振装置，２０Ａ：筐体，
２１：出力ミラー，２２：反射ミラー，
２３：Ｑスイッチ，２３Ａ：１／４・波長板，２３Ｂ：ポッケルスセル，
２３Ｃ：ポラライザ

Claims (9)

1. レーザ媒体と、
   前記レーザ媒体の中心軸周りに等間隔で配置され、前記中心軸に交差する光軸を有する励起光源素子と、
   前記光軸上に配置され前記励起光源素子から出射される励起光を集光してレーザ媒体に照射する照射光学系と、
   前記レーザ媒体の端部を支持すると共に、前記照射光学系と前記励起光源素子を支持する熱伝導性部材で構成される枠体と、
   前記枠体の外面には温度調整部材を備え、
   前記レーザ媒体の周囲と、前記枠体と前記枠体に支持される前記照射光学系との間に冷媒流路が形成されていることを特徴とするレーザポンプチャンバ装置。
2. 前記枠体は、前記レーザ媒体の前記中心軸と交差する方向に延設された冷媒流入路と前記中心軸に沿った冷媒流出路を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザポンプチャンバ装置。
3. 前記枠体は、
   前記レーザ媒体の端部を支持する端部支持ブロックと、
   前記レーザ媒体の周囲空間と前記照射光学系及び前記励起光源素子の支持空間を形成する内部ブロックと、
   前記励起光源素子を支持して前記内部ブロックの外周を囲む外周ブロックとが密着されていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザポンプチャンバ装置。
4. 前記周囲空間の内面は、前記中心軸と同軸状の円筒反射面であることを特徴とする請求項３記載のレーザポンプチャンバ装置。
5. 前記照射光学系は、前記励起光源素子から出射された光を前記レーザ媒体のロッド径と同径の平行光にするシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザポンプチャンバ装置。
6. 前記温度調整部材がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザポンプチャンバ装置。
7. 前記励起光源素子がレーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のレーザポンプチャンバ装置。
8. 前記レーザ媒体は、ＹＡＧロッドであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザポンプチャンバ装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザポンプチャンバ装置を備え、
   前記中心軸に対面して共振ミラーを配置しているレーザ発振装置。
   

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