JPH01500786A - 出力が安定な連続波周波数逓倍固体レーザ装置 - 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】 出力が安定な連続波周波数逓倍固体レーザ装置鼓」（」！互 本発明は固体レーザ装置、特にレーザの基本周波数の２倍の出力周波数を有する 連続波固体レーザ装置に関するものである。

１」Ｌ」Ｌ街 周波数逓倍固体結晶を用いて使用するレーザロッドの基本周波数の２倍の周波数 で出力ビームを発生するレーザ装置は従来既知である。代表的なこの種のレーザ 装置では、レーザロフトの両端に反射体（又はミラー）を被覆して光ビームのほ ぼ大部分を２倍の周波数で通過させながら光学エネルギーのほぼ全部を基本周波 数で反射するようにした２重ミラー空胴構造を用いている。かかる装置では、Ｋ ＴＰ（燐酸カリウムチタニル）のような好適な周波数逓倍結晶（モーリス　ブレ インス　エヌ・ジェーのエアトロン−リフトン　インダストリーズ社の子会社製 造）をレーザの１端と２個のミラーの１方との間に配置する。従って、レーザの 両端のミラーから基本周波数の２倍で光ビームが放射される。かかる装置では２ 倍周波数でエネルギーのほぼ半分が損失されるようになる。その理由はエネルギ ーが互いに逆の方向に伝搬するからである。又、従来のレーザはパルスモードで のみ作動し得るものである。その理由は強度レベルが有効とすべきレーザに対し 逓倍周波数を必要とするからである。

パルス状の周波数逓倍固体レーザ出力を発生するために従来用いられているレー ザ装置は、レーザ空胴の１端に入射する基本周波数の光エネルギーの全部を反射 するミラーを有する３ミラー型のＬ字状光学構体とする。レーザ空胴の反射端に はフォルディングミラー（即ち基本周波数のみを反射するために被覆され、入射 ビームに対し４５＠の角度に位置決めされたミラー）をレーザロッドの軸線の中 心に位置させてレーザビームをレーザロッドからこれに直角を成す方向に反射す るようにしている。基本周波数及びその２倍の周波数で入射光エネルギーのほぼ 全部を反射するように被覆された第３反射ミラーを設け、これによりフォルディ ングミラーから反射された光を遮断して前記軸線に沿いフォルディングミラーに 戻すようにしている。フォルディングミラーと第３反射ミラーとの間には周波数 逓倍結晶を配置する。このフォルディングミラーはレーザロッドにより放出され た基本周波数の光学エネルギーの入射ビームを基本周波数の２倍の入射光に対し てほぼ透過しながらほぼ全反射する特性を有する。従ってかかる３ミラー装置で は周波数逓倍光出力をレーザから１個所でのみ、即ちフォルディングミラーを通 る軸線に沿って放出する。この種の３ミラー装置のあるものでは、通常酸る種の 集束を固体周波数逓倍結晶の前記第３反射ミラーとは反対側で行うか、又はロッ ドの端部から放出されるレーザビームをフォルディング反射器に集束するように している。現在用いられている周波数逓倍結晶ではこの集束をかかる装置の作動 時にパルス状でなく連続波モードで行って周波数逓倍結晶内で充分な強度で行っ て逓倍周波数に対し充分な変換を行い得るようにする。

上述した構体を連続波モードで作動させる際に効率を高くするのは極めて困難で ある。その理由はレーザビームを発生するためにレーザロッドのほぼ全直径を用 いる必要、即ちレーザロッドの断面全体に亘る光エネルギーの均一なガウス分布 に相当するいわゆる横方向Ｔ　Ｅ　Ｍ　ｏ。モードでレーザロッドを作動させる 必要があるからである。しかし、一般に、励起ランプからのボンピング放射によ ってレーザロフトの温度を上昇せしめるようにする。レーザロッドの入射光を減 少するために励起ランプ及びレーザロッド間に、光学フィルタを挿入する（これ は基本周波数で励起を行うためには用いない）冷却技術が用いられ、且つレーザ ロッド及び励起ランプの液体冷却及び被覆も用いられている。

しかし、かかる従来の装置ではＴＥＭ、。モードにおける安定化周波数逓倍連続 波出力はレーザロッドの不均一冷却のため、従来は行われていなかった。

例えば、レーザロッドの冷却は、レーザロッドからの熱を、ロッドの表面全体に 亘って流れる冷却液体に対流伝達することによって行う。これがため、レーザロ ッド表面が時間的且つスペース的に不均一に冷却されるようになる。

これがため発生する温度変動によってレーザロッドの屈折率の温度依存性のため 、光学歪みが生ずるようになる。レーザからの光出力に及ぼす光学歪みの影響は レーザ共振器のミラーの幾何学的形状に依存する。この影響は、レーザが基本モ ー１゛で作動する際最も厳しくなる。この場合、時間に依存する空胴損失はこれ ら光学歪みから発生すると共にこれにより光出力を著しく変化するようになる。

この光出力の変化は、ＴＥＭ、。モードのような基本モードをレーザロッドの体 積の大部分に対して設計する場合には光出力の変動が著しく厳しいものとなる。

その理由は屈折率の変化が最大となるレーザロッドの周縁部に大きなスペースが 占められるようになるからである。

光」Ｂ引回−承 概説するに、本発明では前述した３ミラー型り字状光学装置にＮｄ：ＹＡＧレー ザロッドを含む楕円状レーザポンプ空胴と、好適な励起ランプと、出力逓倍結晶 とを設けるや装置の光学部はレーザロッドの全直径を基本周波数でＴＥＭｏｏ横 モードで、且つ周波数逓倍結晶の内側で充分な強度で連続波動作で用いて逓倍周 波数の有効な光出力が得られるようにする。以下に示す技術を用いることにより レーザロッドの温度、従ってそのレーザ発光安定性を、この種の型の従来の装置 に比較し、連続ＴＥＭ、。モードでの作動中（数分の１％以内で）はぼ一定に保 持することができる。

この目的のための好適な手段では流体冷却されたボンピング空胴と、レーザロッ ドを被覆する特定の寸法及び材料（例えばスピンネル又は石英）の冷却ジャケッ トとを設けている。又ボンピング空胴に対し特に設計された孔を用いることによ りレーザロッドの表面を流れる流体を積層状に保持し、これにより冷却を時間の 関数として一層一定にすることができる。かように流体の流れを被覆するか又は 積層状とすることによって充分な冷却を得ることができ、従ってレーザロッドの 長さに沿って温度を均一に保持し、これにより光出力のレベルを安定化すること ができる。

本発明の上述した目的、特徴及び利点を図面を参照して以下に詳細に説明する。

皿型■呈車星脱肌 第１図は本発明の原理に従って構成された周波数逓倍固体レーザ装置の構成を示 す側面図、 第２図は第１図のレーザ装置に好適な光学レーザ空胴の１例を示す横断面図、 第３図は第２図の光学レーザ空胴の３−３線上の断面図、第４図は第１図のレー ザ装置に好適な光学レーザ空胴の変形例を示す横断面図、 第５図は第４図の光学レーザ空胴の５−５線上の断面図である。

光漕ｍ奏ための東几ｑ髭履 第１図に示す本発明レーザ装置の１例では、ボンピング空胴１１によって細長固 体レーザロッド１３及びこれに光学的に結合された通常の平行配置の励起ランプ １５とを囲み、レーザロッド１３は代表的には直径が４閣のＮａ：ＹＡＧロッド とし、これによりロッドの軸線に沿い代表的には１．０６４μ−の波長で出力レ ーザビームを発生する。レーザ空胴１１の１端には１．０６４μ謡の高反射性（ “Ｈ，Ｒ，”）の反射ミラー１７を位置させてレーザロッドの軸線に沿いレーザ ビームを反射し得るようにする。この反射ミラー１７はこれに適宜の被覆を施し て１．０６４μ−の波長の入射光のほぼ全部を反射し得るようにする。レーザ空 胴の他端の光軸上にはフォルディングミラー１９を位置させて１．０６４μ−の 波長の入射光のほぼ全部を反射し得るようにする。

レーザロッドからのこの光をロッドの光軸に直角に反射した後、１．０６４μ信 及び０．５３２μ慣の波長で入射光のほぼ全部を反射するように被覆された凹面 反射ミラー２１に向けるようにする。フォルディング反射器１９及び凹面反射器 ２１０間には周波数逓倍結晶２３を位置させる。

この周波数逓倍結晶２３は１．０６４μｍの波長の入射光エネルギーの部分を０ ．５３２μ階の波長の光エネルギーに変換する特性を有するＫＴＰによって形成 する。このエネルギー変換の効率は入射光ビームの強度に強く依存する。従って 周波数逓倍結晶２３の小さな区域に長い波長の入射光を集束するように集束素子 ２５、代表的にはレンズを位置させてこの変換効率を高めるようにする。本例で は集束素子２５を個別のレンズとして示したが、レーザロッド１３の端部の曲面 を研摩することによっても同様の効果を得ることができる。同様に、凹面反射器 ２１によっても周波数逓倍結晶２３に戻る反射光を集束することができる。フォ ルディングミラー１９は、０．５３２μｍの波長の光をほぼ透過するように配設 し、従ってこの波長のレーザビームに対するレーザ装置の出射窓として作用する 。周波数逓倍が選択された偏光面でのみ有効となるため、所望に応じレーザロッ ドエ３の端部と反射器１７との間に波長板Ｉ８を位置させて光ビームの偏光状態 を回転させると共に所望の如く偏光状態を整合させることができる。

上述したレーザ装置を連続波モードで充分な出力光で作動させるためには、光ビ ームの発生効率を著しく高めると共に出力光の安定性を高める必要がある。本発 明にはこの目的のため、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッドの全直径をビームの発生に用 いるようにする。これがため、第２図に示すようにレーザボンピング空胴自体を 代表的には楕円断面のパイレックスガラス円筒３１で構成し、この円筒内で励起 ランプ１５を１方の軸線に沿って配置すると共にＮｄ：ＹＡＧレーザロッド１３ を他方の軸線に沿って配置する。この励起ランプ１５は、ＩＬＣＮｏ、Ｌ３２４ ３　（商品名：ＩＬＣカンパニー、カルフォルニア州すニーベイルから発売）の ような石英容器及びタングステン電極を有する通常のクリプトンランプとするこ とができる。バイレックス空胴３１の側壁の内面には金堆積による被覆又は高反 射率の被覆を施してランプのエネルギーがレーザロッドに反射し得るようにする 。この励起ランプ１５とレーザロッド１３との間には着色ガラスフィルタ３４を 配設して、レーザロッドのレーザエネルギー状態を励起せず、しかもレーザロッ ドを加熱するランプからの放射光部分を吸収し得るようにする。

楕円形空胴３１全体は水のような流体で冷却する必要があり、従って空胴内に励 起ランプ１５を囲む冷却流管３５及びレーザロッド１３を囲む第２冷却流管３７ を設ける。

これら両流管３５及び３７は、レーザロッド１３のレーザエネルギー状態を励起 する波長の励起ランプ１５からの光をほぼ透過するウランでドープされた石英の ような任意の好適な材料で構成することができる。直径４圓のレーザロフド１３ を囲む流管３７の内径を９．５　ｍｍとするのが好適である。この流管を流れる 流体の特性は前記流体の孔の大きさによって左右される。この流体の孔はこれを 適宜構成してレーザロッドの表面に沿って流管を流れる流体の流れがほぼ直線状 となり、これにより冷却作動の変化を最小とし、レーザロフトの表面を適宜な温 度分布に保持し得るようにする。レーザロッドの長さに沿う表面温度は必ずしも 同一とする必要はないが、温度分布パターンは一定に保持する必要がある。例え ば１％以下の変化でレーザ光出力を安定とするためのこの温度の不変性は完全に 臨界的なものである。

ボンピング空胴３１及びレーザロッド冷却管３７を平行に冷却流体が流れ、続い て励起ランプ流管３５に戻るようにした代表的な流体の構成を第３図に示す。積 層流体の流れのほかに、レーザロッドの被覆を用いてレーザロッドの表面の温度 分布を所望の如く一定とするようにした光学レーザ空胴の変形例を第４及び５図 に示す。本例において第２及び３図と同一部分には同一符号を付して示す。

本例でも、楕円空胴３１は水のような流体により冷却し、この目的のため空胴内 において励起ランプ１５を囲んで冷却流管３５を設け、且つレーザロッド１３を 囲んでスリーブ状の被覆体３８を設け、このレーザロッド１３及び被覆体３８間 に水又はシリコンゲルの界面層のような光学的に透明で良伝熱材料の薄層を介挿 する。この被覆体３８は、石英結晶又はスピンネル結晶のような好適な材料で構 成し、これによりレーザロッド１３内でレーザエネルギー状態を励起するに有効 な波長で励起ランプ１５からの光をほぼ透過し得るようにすると共にレーザロッ ドに沿う温度分布を安定に保持するに好適な石英及びスピネルと同様の温度特性 及び機械的特性を有し得るようにする。１例として、レーザロッドの被覆スリー ブ３８は、内径を４ａｉ、外径を１４ｍｍとすると共にスピネル材料（ＭｇＯ： 　ＡｈＯｓ）から造る。

図面から明らかなように、流体は被覆体３８を囲む楕円ボンピング空胴３１を経 て流れかつ流管３５を経てランプ１５を通り元に戻るようになる。

ある用途では積層流体流と被覆スリーブとを組合せてレーザロッドを所望の如く 冷却し、これにより連続波の周波数逓倍レーザ装置に必要な温度分布パターンを 一定に保持し得るようにする。

代表的な例では、本発明の原理によるレーザ装置の特性を次表１に示す。

本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内の 種々の変更を加えることができる。

ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、　４ 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザポンピング空胴と；このレーザポンピング空胴に配置された細長Ｎｄ ：ＹＡＧレーザロッドと；前記レーザ空胴内て前記レーザロッドに平行且つほぼ 同軸的に配設され、レーザロッドのレーザ作用により光放射を放出するに好適な 周波数で出力光を発生する励起ランプと；この励起ランプ及びレーザロッド間の ポンピング空胴内に位置し、レーザロッドのレーザ作動を励起するに好適でない 周波数の前記ランプからの出力光を遮蔽するフィルタと；前記レーザロッドの１ 端に位置しロッド内の軸線方向に光を反射すると共にレーザロッドにより放出さ れた光放射の基本周波数の光を反射する共振器平面ミラーと；前記レーザロッド の反対端に位置し、レーザロッドから放出された光放射の基本周波数の入射光の ほぼ全部を反射すると共に基本周波数の２倍の周波数の光ビームを出力として通 過せしめるフォルディングミラーと；このフォルディングミラーから反射された 光を受けると共にこの光を前記軸線に沿ってフォルディングミラーに向って戻す 集束反射器と；前記フォルディングミラー及び集束反射器間に位置し、レーザロ ッドにより放射された波長の入射光の周波数を逓倍する固体周波数逓倍結晶と； 前記レーザロッドにより放射された放射光を前記固体周波数逓倍結晶内の小断面 区域に集束する集束手段と；前記レーザロッドを囲み、その表面に沿う温度分布 パターンをほぼ一定に保持し、これにより出力として逓倍周波数で伝達された光 ビームの光出力レベルを安定に保持する手段とを具えることを特徴とする出力が 安定な連続波周波数逓倍光ビームを発生するレーザ装置。
2. ２．温度分布パターンを一定に保持する手段はレーザロッドの表面にほぼ積層状 の流体流を生ぜしめる流速で流体を通過せしめる冷却管を具えることを特徴とす る請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
3. ３．温度分布パターンを一定に保持する手段は、レーザロッドでレーザ光発生動 作を行う周波数で励起ランプからの放射光を光学的に透過する材料より成る被覆 スリーブを具えることを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
4. ４．温度分布パターンを一定に保持する手段はスピネルより成る被覆材料を有す ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
5. ５．温度分布パターンを一定に保持する手段は、石英結晶より成る被覆材料を有 することを特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
6. ６．ホンピング空胴を流体で冷却し、円筒形冷却管を前記レーザロッドにほぼ同 心的且つ平行に位置させ、冷却管の流体孔はその大きさがこれを通る流体がレー ザロッドの表面に沿い積層流を保持し得るような大きさとなるようにしたことを 特徴とする請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
7. ７．ポンピング空胴内でＮｄ：ＹＡＧレーザにほぼ同心的且つ平行に位置する励 起ランプを用いてレーザロッド内のレーザ状態を励起してレーザロッドからＴＥ Ｍｏｏモードで基本レーザ周波数の放射光を発生し；レーザロッドからの放射光 の通路に固体周波数逓倍結晶を位置させてレーザロッドにより放出された波長で 入射光の周波数を逓倍し；前記レーザロッドを冷却してレーザロッドの表面に沿 う温度分布パターンをほぼ一定に保持し、これにより固体周波数逓倍結晶を通る 逓倍周波数で光エネルギーの出力レベルを安定化することを特徴とする光出力の 安定な連続波周波数逓倍出力レーザビームを発生する方法。
8. ８．レーザロッドを囲む冷却管に、レーザロッドの表面にほぼ積層状の流体流を 生ぜしめる流速で流体を通過させることにより冷却を行うようにしたことを特徴 とする請求の範囲第７項記載の光出力の安定な連続波周波数逓倍出力レーザビー ムを発生する方法。