JPH01117077A - スラブ形固体レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ媒体に扁平棒状のスラブ形の光学的結晶
体が用いられるスラブ形固体レーザ発振装置に関する。

〔従来の技術〕

よく知られているように固体レーザは一般的に光励起さ
れるが、励起用光源からレーザ媒体に与えられる光には
レーザ発振上有効でない波長の光が多量に含まれており
、かかる有用でない光は結局はレーザ媒体内で熱に変化
してしまう、従って一定の大きさのレーザ媒体から大出
力のレーザ光束を得るためには、レーザ媒体を冷却して
やる要があり、大出力用固体レーザでは液冷とくに水冷
が行なわれる。かかる冷却によりレーザ媒体の平均温度
はもちろん下がるが、レーザ媒体内部に温度の不均一等
ないしは温度勾配が不可避的に発生し、この温度勾配に
よってレーザ媒体内に熱歪みが発生する。冷却はふつう
レーザ媒体の表面からなされるから、前述の温度勾配は
必ずレーザ媒体の中心から表面に向かって温度が降下す
る形となり、その結果レーザ媒体の中心部では圧縮力９
表面部では張力に基づく熱歪みが一般的に発生する。

レーザ媒体内にかかる熱歪みが存在するとレーザ光の位
相が熱歪みの程度に応じて変化するので、前述のように
レーザ媒体の中心部と表面部とで熱歪みの極性や大きさ
が異なるとレーザ光束の波面が乱れて来ることになる。

レーザ媒体が通常の円形断面のロンドである場合、レー
ザ光の伝播方向はすべてロンド軸に平行であるがレーザ
光の位相は中心軸からの半径によって異なって来る。レ
ーザ発振上はレーザ光束の断面についてレーザ光の位相
が揃っていることがもちろん望ましく、逆に上のように
レーザ光の位相がロンドの半径方向についてずれる程度
が著しくなると、レーザ発振は停止してしまう、ロンド
の径が大きくなると充分な冷却を施すことが回能になり
、かつその半径方向についてのレーザ光の位相ずれも著
しくなるので、ロッド形のレーザ媒体を用いる固体レー
ザは大出力レーザにはあまり適しない、上述のスラプダ 形固体レーザはこの点を解決しうるもので、第・シ図に
よりその構成を説明する。

第１図ｉａ）、（ｂ）かられかるように、スラブ形のレ
ーザ媒体は平たな矩形断面をもつ扁平な棒の形状をして
おり、同図（ａ）かられかるようにその両端面１１．１
２が斜めに形成されている。レーザ共振反射系は部分反
射体２０と全部反射体２２とからなり、レーザ光ＬＬは
レーザ媒体１０にその軸と平行に出入するが、レーザ媒
体１０の端面１１．１２が斜めなのでレーザ媒体１０内
ではその図の上下の側面で全反射されながら図示のよう
に折線状に進行する。容易にわかるようにこのスラブ形
のレーザ媒体は平たい矩形断面をもつので、ロッド形の
場合の円形断面よりも冷却上有利であり、この冷却は主
に上述の全反射面である上下の側面からなされる。従っ
てレーザ媒体１０内の同図（ａ）に示すｙ方向つまりレ
ーザ媒体の厚み方向における温度勾配は本質的に小さい
が、それでもレーザ媒体内に発熱がありその表面から冷
却されている以上、レーザ媒体内に熱歪みとそれに基づ
くレーザ光の位相ずれは必ず存在する。しかし、レーザ
光ＬＬは前述のようにレーザ媒体内を折線状に進行する
ので、種々の熱歪みのある場所を通ることになり、この
ためレーザ光の位相ずれがレーザ媒体全体としては平均
化されて、レーザ光の位相が図のｙ方向に関して非常に
よ（揃うようになる。

このようにスラブ形固体レーザではレーザ媒体内の熱歪
みに基づくレーザ光の位相ずれの問題がロッド形の場合
よりもずっと有利になり、レーザ光束の波面はその断面
とほぼ一致するようになる。

このため大出力のスラブ形固体レーザでも、レーザ光の
位相ずれによって発振が停止することはほとんどな（、
内部熱歪みによってレーザ媒体が破壊するまでレーザ出
力値を上げることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、スラブ形固体レーザにおいても、レーザ媒体の
幅方向すなわち第合図（ｂｌに示すＸ方向について熱歪
みによるレーザ光の位相ずれの問題が存在する。スラブ
形固体レーザでは前述のようにｙ方向についてレーザ光
の位相ずれの問題が解決されているので、このＸ方向に
ついてレーザ光の位相ずれがあってもレーザ発振が停止
するようなことはないが、第合図（ｂ）に示すようにレ
ーザ媒体１０から出るレーザ光束がとくにＸ方向に広が
りやすい問題が生じる。このためレーザ共振反射系の部
分反射体２０と全部反射体２２とはいずれも図示のよう
にその反射面が凹面とされ、レーザ媒体から来る発散性
のレーザ光束を収斂性にしてレーザ媒体に送り返えす工
夫がなされる。しかし、これだけでは部分反射体２０か
ら図の右方に取り出されるレーザ光束ＬＢは図示のよう
に発散性になってしまうので、レーザから良質なレーザ
光束を取り出せない問題が残ってしまう。もちろん、レ
ーザ光束が発散性であってもレンズにより平行光束にし
、あるいはレンズの焦点に集光させることは可能である
が、実際には完全な平行光束にすることは困難であり、
焦点に集めても小さな一点に完全集光することが困難で
ある。このため、厳密を要する場合はレーザ光束中のＸ
方向の外側部分をカットして用いることもなされるが、
これでは当然レーザ光束の利用効率が低下してしまうこ
とになる。

本発明はかかる問題点を解消して、光束の広がりが少な
い良質なレーザ光束を取り出すことができるスラブ形固
体レーザ発振装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は本発明によりスラブ形固体レーザ発振装置を
レーザ活性物質を含む扁平棒状のスラブ形の光学的結晶
体としてなり側面から励起光を受けかつ冷却された条件
下でレーザ作用を営むレーザ媒体と、レーザ媒体の長手
方向両端面の一方側に配設されたレーザ光束に対する部
分反射体および他方側に配設されたレーザ光束に対する
全部反射体からなるレーザ共振反射系と、レーザ媒体と
部分反射体との間に配設されたレーザ媒体の厚み方向を
軸とする柱状のレンズ体として形成され通過レンズ光束
に対してレーザ媒体の幅方向の中央部では凹なレンズ作
用を１両縁部では凸なレンズ作用をもつ補正レンズ体と
で構成することにより達成される。

〔作用〕

上記構成中のレーザ媒体とレーザ共振反射系とは協同で
レーザ発振作用を営むものであるが、レーザ媒体が励起
光によって加熱されかつ液冷等で冷却されている以上、
レーザ媒体内にはその幅方向つまり前述のＸ方向につい
て温度勾配が発生し、それによる熱歪みによりレーザ光
の位相がこの幅方向の位置に応じて異なって来て、レー
ザ光束に末広がりの傾向が不可避的に生じると考えられ
るから、本発明ではこの傾向をレンズ体によって補正す
る手段をとる。レーザ光束の末広がり傾向はレーザ媒体
の幅方向に支配的に発生するから、本発明ではこの補正
レンズ体をレーザ媒体の厚み方向、つまり前述のｙ方向
を軸とする柱状ないしはシリンドリカルなレンズ体とし
て形成して、これを少なくともレーザ媒体と部分反射体
との間に配設して部分反射体には平行なレーザ光束を出
入させることにより、部分反射体からレーザ共振反射系
系外に取り出される出力レーザ光束を平行光束にする０
本発明では部分反射体にはこのように平行レーザ光束が
出入するので、補正レンズ体の幾何的な形状を工夫すれ
ば、補正レンズ体と部分反射体とを一体化することが可
能である。また、同様な補正レンズ体をレーザ媒体と全
部反射体との間にも配設するようにしても差し支えない
。さらに、本発明、ではこの補正レンズ体に上記構成に
いうようにそれを通過するレーザ光束に対してレーザ媒
体の幅方向の中央部では凹レンズ作用を１両縁部では凸
レンズ作用を持たせる。これは前述のように部分反射体
に出入するレーザ光束を完全な平行光束にするためであ
って、かかる複合レンズ作用が必要な理由を第３図およ
び第４図を参照して説明する。

第３図にはレーザ媒体１０の断面が示されており、その
内部ではその上下の側面１０ａ側から主に与えられるレ
ーザ光によってほぼ−様な発熱が生じる。

この冷却も同様に上下の側面１０ａから主になされるが
、その左右の側面１０ｂからも冷却されるので図示のよ
うにＸ方向にも熱流ＨＰが生じ、従ってレーザ媒体内に
はこのＸ方向の温度勾配が存在する。

この温度勾配に基づ（熱歪みは、前述のようにレーザ媒
体１０のＸ方向についての中央部１０ｃでは圧縮力１両
縁部１０ｔでは張力によるもので、これらの中央部１０
ｃと縁部１０ｔとでは熱歪みの正負方向ないしは極性が
互いに異なって来る。熱歪みに基づくレーザ光の位相の
ずれの方向もこの熱歪みのもつ極性によって異なって来
る結果、中央部１０ｃを通るレーザ光束を収斂性となり
、両縁部Ｌｏｔを通るレーザ光束は発散性となる。第４
図はこの様子を示すもので、レーザ媒体を熱歪みに基づ
く一種の熱レンズに見立てて、その焦点距離ｆの逆数１
／ｆを縦軸にとり横軸のＸとの関係を示したものである
０図示のように、レーザ媒体の中央部１０ｃに当たるＸ
の範囲では焦点距離ｆの値は正で、この範囲を通るレー
ザ光束に対して熱レンズは凸レンズ効果を持ち、従って
レーザ光束は収斂性になる。レーザ媒体の両縁部１０ｔ
に当たるＸの値が大な範囲では焦点距離ｆは負債をもち
、熱レンズはこれらの範囲を通るレーザ光束に対して凹
レンズ効果を及ぼしそれを発散性にする。

上述の本発明における補正レンズ体は、このようにレー
ザ媒体の中央部では収斂性で縁部では発散性をもつレー
ザ光束を平行な光束にするために、その中央部には凹レ
ンズ作用を両縁部には凸レンズ作用を持たせたものであ
る。かかる複合レンズ作用をもつ補正レンズ体は容易に
わかるように通常のようにある対象の映像を結像させる
目的で使用しても何ら有用な作用を持ちえないが、レー
ザ光束に対して使用すると、そのレーザ光が部分的に収
斂性ないしは発散性をもつといっても、基本的には平行
光束に非常に近いものなので、補正レンズ体は凹レンズ
作用部には専ら収斂性のレーザ光束部分を、凸レンズ作
用部には専ら発散性のレーザ光束部分を受けて、全体と
して平行光束に補正することができるわけである。これ
かられかるように、補正レンズ体はレーザ媒体１０の端
面に近接して配設するのが原理上望ましい。

なお、第３図および第４図はレーザ媒体１０の幅Ｗがそ
の厚みに比べてかなり大きい場合を示し、従ってこの例
ではレーザ媒体１０は第３図のｙ方向に強力に冷却され
ており、その中央部１０ｃ内の温度勾配が比較的小さい
ので、第４図かられかるようにこの中央部における熱レ
ンズ効果は比較的弱くて、焦点距離ｆが比較的長くかつ
ほぼ一定になる。これに反して両縁部１０ｔでは第３図
のＸ方向の熱流■Ｆによる温度勾配がかなりきいて来て
、第４図かられかるように縁部に対する熱レンズ効果は
かなり強くなり、負の焦点距離ｆの値は小でかつＸの値
による変化が大きい、従ってこの例ではレーザ媒体の両
縁部における発散性のレーザ光束を補正レンズ体の縁部
の凸レンズ効果により補正しに（（なる、このため、第
３図に示したレーザ媒体１０の左右の側面１０ｂに簡単
な熱絶縁を施すことにより左右の熱演ＩＦを制限して、
両縁部のレーザ光束の発散性を弱めて補正レンズ体によ
るその補正を容易にするのが実用上有利である。

〔実施例〕

以下、第１図および第２図を参照しながら本発明の詳細
な説明する。第１図は補正レンズ体３０がレーザ媒体１
０と部分反射体２１との間にのみ、かつ部分反射体２１
とは別個に設けられた実施例を示すものである。

第１図（ａ）にはレーザ媒体の幅方向Ｘと長手方向２と
を含む平面図が示されており、レーザ共振反射系を構成
する部分反射体２１と全部反射体２２とはこのレーザ媒
体１０を挟むように、その一方の端面１１および他方の
端面１２の側にそれぞれ互いに対向するように配設され
、レーザ媒体１０の部分反射体２１との相互間に補正レ
ンズ体３０が配設されている。

この補正レンズ体３０は同図伽）かられかるようにレー
ザ媒体１１の厚み方向ｙについては真直ぐな柱状体であ
って、レーザ媒体１０の中央部からの収斂性のレーザ光
束ＬＢｃを受ける部分は凹レンズ状に、レーザ媒体１０
の両縁部からの発散性のレーザ光束ＬＢｅを受ける部分
は凸レンズ状に形成されており、これらの収斂および発
散性のレーザ光束ＬＢｃ、　ＬＢｅを平行なレーザ光束
ＬＢｐに変換して部分反射体２１に与える０部分反射体
２１はこの平行レーザ光束ＬＢｐを受けるので従来と異
なり平坦な反射体でよく、平行レーザ光束ｔ、ｂｐの一
部を固体レーザ装置からの出力としてのレーザ光束Ｌｂ
を通過させるが、他部は反射光束として補正レンズ体３
０に送り返えし、補正レンズ体３０はこの反射光束をレ
ーザ媒体１０の中央部に対しては発散光束に、再縁部に
対しては収斂光束にして送り返えす、一方、全部反射体
２２の方はレーザ媒体１０の他方の端面１２から全体と
しては発散のレーザ光束を受けるので、従来と同様に凹
面鏡体として形成され、レーザ光束の実質上全部を収斂
性の光束にしてレーザ媒体１０に送り返えす、もちろん
、この全部反射体２２側にも別の補正レンズ体を設けて
、全部反射体２２を平面鏡体に形成してもよい。

第１図伽）はレーザ媒体１０の厚み方向ｙと長手方向２
を含む側面図であって、参考のためレーザ媒体１０を収
納する閉鎖容器１とその内に組み込まれる励起光源２と
が模式的に示されている。レーザ媒体１０は閉鎖容器１
の両端面に明けられた開口１ａからその斜めの端面１１
．１２を露出させるように挿入され、その開口１ａとの
間はパツキンなど適宜な手段で液密に保たれる。励起光
源２は例えば高精度のキセノンランプであって、閉鎖容
器１０の内部にレーザ媒体１０の図の上下に振り分けて
１対組み込まれ、励起光ＢＬをレーザ媒体に主にその上
下の側面を介して与える。閉鎖容器１の内面はすべて鏡
面に仕上げられており、励起光源２からの励起光ＥＬは
この鏡面により反射され、結局はすべてレーザ媒体１０
に与えられる。閉鎖容器１には冷却媒体ＣＭ用の出入口
１ｂが１対設けられており、冷却媒体ＣＭとして例えば
純水がこの出入口１ｂを介して通流され、レーザ媒体１
０および励起光源２を冷却する。

この第１図に示されたスラブ形固体レーザは、通例のよ
うに励起光ＥＬを受ける光学的結晶体であるレーザ媒体
に含まれるＮｄなどのレーザ活性物質によりレーザ発光
し、部分反射体２１と全部反射体２２とからなるレーザ
共振反射系による共振条件下で大出力のレーザ発振作用
を営む、これによって発生されるレーザ光束は、レーザ
媒体１０内で前述のようにレーザ光が折線上に進行する
ので、同図伽）に示すようにレーザ媒体の厚み方向ｙに
ついての広がり傾向がほとんどなく、レーザ媒体の幅方
向Ｘについては広がり傾向が生じるが、柱状の補正レン
ズ体３０によって平行光束に変換されるので、固体レー
ザから取り出されるレーザ光束ＬＢはＸ。

１両方向についてほぼ完全な平行光束になる。

第２図は補正レンズ体の若干の態様を例示するもので、
図の上下方向が前述のＸ方向に対応する。

同図（ａ）の例では、補正レンズ体３１はそれぞれ細線
で示した凹および凸レンズ面のそれぞれ一部をとって中
央部では凹面３１ａ、両縁部では凸面３１ｂとし、前述
の２方向について対称な形状に形成されている。同図（
ｂｌの補正レンズ体３２は同様に凹、凸面レンズの一部
で凹面３２ａ、凸３２ｂが形成されているが、２方向に
ついては非対称な形状をもち反対側の面は平坦面３２ｃ
とされている。容品にわかるようにこの平坦面３２０′
を部分反射面として形成すれば、この補正レンズ体３２
は部分反射体２１と共用にすることができる。第２図（
ａ）、（ｂ）に示した両側では凹面と凸面にそれぞれ凹
レンズと凸レンズの表面の一部がそのまま用いられてい
るので、厳密には前に第４図で説明したように収斂光束
と発散光束とが混合されたレーザ光束を完全な平行光束
にできないが、実用的には収斂９発散両光束をほぼ平行
な光束に変換することができる。

第２図（Ｃ１，（ｄ）に示された補正レンズ体３３．３
４は、厳密に収斂９発散両性質が混合されたレーザ光束
を完全な平行光束に変換が可能なもので、それぞれ同図
（ａ）、（ｂ）の例と類似ではあるがそれぞれ連続的に
変化する凹面３３ａ、３４ａと凸面３３ｂ、　３４ｂと
を備えている。前と同様に同図（Ｃ１の補正レンズ体３
４は２方向に対称形状をもち、同図（ｄ）の補正レンズ
体３４は非対称で、その平坦面３４ｃを反射面とするに
適している０以上説明した補正レンズ体３１〜３４は一
見複雑な形状で製作困難に見えるが、いずれも前述のよ
うにレーザ媒体の厚み方向ｙに関しては真直ぐな柱状レ
ンズであるから、面の加工や仕上げは比較的簡単で、所
望の形状に正確に仕上げることができる。

以上の説明かられかるように、本発明は例示された実施
例に限らず、種々の変形された態様で実施をすることが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明ではスラブ形固体レーザ発
振装置を、レーザ活性物質を含む扁平棒状のスラブ形の
光学的結晶体としてなり側面がら励起光を受けかつ冷却
された条件下でレーザ作用を営むレーザ媒体と、レーザ
媒体の長手方向両端面の一方側に配設されたレーザ光束
に対する部分反射体および他方側に配設されたレーザ光
束に対する全部反射体からなるレーザ共振反射系と、レ
ーザ媒体と部分反射体との間に配設されたレーザ媒体の
厚み方向を軸とする柱状のレンズ体として形成され通過
レンズ光束に対してレーザ媒体の幅方向の中央部では凹
なレンズ作用を１両縁部では凸なレンズ作用をもつ補正
レンズ体とで構成し、レーザ共振反射系の部分反射体側
からレーザ光束を取り出すようにしたので、スラブ形レ
ーザ媒体の幅方向に不可避的に生じる熱演に基づく収斂
性と発散性が混在するレーザ光束を補正レンズ体により
ほとんど完全な平行光束に変換して、固体レーザから出
力レーザ光束として取り出すことができる０本発明によ
る固体レーザから取り出される。

この平行なレーザ光束は光束軸に垂直な断面内でレーザ
光の位相がよく揃った波面を形成しており、可干渉性が
良好でレンズで集光した際にも理想に近い一点に焦点を
結ばせることができるなど、レーザ光束特有の優れた特
質を備えている。また、レーザ発振上についても、レー
ザ共振反射系の再反射体によりレーザ光の位相がよ（揃
った条件で反射されるので従来よりもレーザ発振が尖鋭
になり、従って大出力であるにも拘らず発振波長のばら
つきの少ない優れたレーザ光束を固体レーザ装置から出
力させることができる。

本発明の実施に必要な補正レンズ体はその形状がやや特
殊なものの、前述のようにその加工や仕上げは比較的簡
単で、通常のレンズと大差ない価格で製作することがで
き、かつそのレーザ共振反射系内への配役に当たっても
その位置等の調節をあまり厳密に行なわな（でも前述の
効果を得ることができる。このように本発明は、僅少な
費用増でスラグ形固体レーザ発振装置から得られるレー
ザ光束の質を格段に高めうる著効を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までが本発明に関し、第１図は本発明
によるスラブ形固体レーザ発振装置の実施例の平面図お
よび側面図、第２図は本発明に用いられる補正レンズ体
の形状の若干の態様を示すその断面図、第３図はレーザ
媒体のもつ熱レンズ効果を説明するためのレーザ媒体の
断面図、第４図は該熱レンズ効果によるレーザ光束の収
斂性および発散性を示す線図である。第５図は従来技術
によるスラブ形固体レーザ発振装置の側面図および平面
図である０図において、 ■：レーザ媒体用閉鎖容器、１ａ＋閉鎖容器の開口、１
ｂ＝閉鎖容器への冷却媒体の出入口、１０：レーザ媒体
、１０ａ、１０ｂ：レーザ媒体の側面、ＩＯＣ：　Ｌ／
　−ザ媒体の幅方向の中央部、１０ｔ：レーザ媒体の幅
方向の縁部、１１．１２：レーザ媒体の端面、２０，２
１：部分反射体、２２：全部反射体、３０〜３４：補正
レンズ体、３１ａ　〜３４ａ：補正レンズ体の凹面、３
１ｂ　〜３４ｂ＋補正レンズ体の凸面、３２ｃ、３４ｃ
＋補正レンズ体の平坦面、ｃＭ：冷却媒体、ＥＬ：励起
光、ｆ：レーザ光束の焦点距離、ＨＦ：レーザ媒体内の
幅方向の熱流、ＬＢ＋固体レーザから取り出されるレー
ザ光束、ＬＢｃ：収斂性のレーザ光束、ＬＢｅ：発散形
のレーザ光束、ＬＢｐ：平行レーザ光束、ＬＬ：レーザ
光、Ｗ：レーザ媒体の幅、Ｘ：レーザ媒体の幅方向、ｙ
：レーザ媒体の厚み方向、２＝レ一ザ媒体の長手方向、
で（０−Ｏ ＼１ノ　　　　　　　　　　　　　　　　＼−ノど）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　ｌ−＼ＣＹ）　　　　Ｑつ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）レーザ活性物質を含む扁平棒状のスラブ形の光学的
   結晶体としてなり側面から励起光を受けかつ冷却された
   条件下でレーザ作用を営むレーザ媒体と、レーザ媒体の
   長手方向両端面の一方側に配設されたレーザ光束に対す
   る部分反射体および他方側に配設されたレーザ光束に対
   する全部反射体からなるレーザ共振反射系と、レーザ媒
   体と部分反射体との間に配設されたレーザ媒体の厚み方
   向を軸とする柱状のレンズ体として形成され通過レンズ
   光束に対してレーザ媒体の幅方向の中央部では凹なレン
   ズ作用を、両縁部では凸なレンズ作用をもつ補正レンズ
   体とを備えてなり、レーザ共振反射系の部分反射体側か
   らレーザ光束を取り出すようにしたことを特徴とするス
   ラブ形固体レーザ発振装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、補正レ
   ンズ体が部分反射体と一体化されることを特徴とするス
   ラブ形固体レーザ発振装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、補正レ
   ンズ体がレーザ媒体の端面に近接して配設されることを
   特徴とするスラブ形固体レーザ発振装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、補正レ
   ンズ体がレーザ媒体と全部反射体との間にも配設される
   ことを特徴とするスラブ形固体レーザ発振装置。