JPH03188688A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、固体レーザ装置に関するものであり、特に
平板状のレーザ媒質を用いた固体レーザ装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来、固体レーザ装置としては、楕円形状の反射箱の各
焦点にそれぞれ丸棒（以下、ロッドと称す）状のレーザ
媒質と励起用ランプを配設したものが知られているが、
この構造では、ロッドの半径方向に温度分布が発生し、
レーザビームが熱レンズ効果を受け、ビーム品質の劣化
が生じるという問題があった。特に、大出力のレーザで
は、この問題は顕著となる。上記問題を解決するため、
レーザ媒質の形状を平板ｃ以下、スラブと称す）状とす
るとともに、レーザ媒質内の光路をジグザグ状とするこ
とによって、レーザ媒質内で熱光学歪が相殺される固体
レーザ装置が考えられている。

このような固体レーザ装置は、例えば特開昭６０−２５
４６８６号公報に示される。第９図はこの固体レーザ装
置の光学的な構成を示す断面図である。

図において（１）は−組の平行な光学的平滑面（１ａ）
を有し、この面に対して傾斜角度を有した端面（１ｂ）
を有したスラブ型のレーザ媒質、（２）は上記レーザ媒
質（１）の一端面側に配された全反射ミラー、（３）は
上記レーザ媒質（１）他端面側に配された部分反射ミラ
ーで、上記全反射ミラー（２］と共に安定型共振器を構
成している。（４）は上記レーザ媒質（１）に励起光を
供給するランプ、（５）はこのランプ（４）とレーザ媒
質（１）が収納され、反射鏡ζこより構成される反射箱
、（６）はこの反射箱（５）の中に導入された水、（７
）はレーザの光軸、（８）はと記部分反射ミラー（３）
より出力されるレーザビームである。また、図中のベク
トルＰ及びベクトルＳは、光軸（７）とレーザ媒質（１
）への入射面〔１ｂ）より構成される面に対し定義され
るものであって、垂直方向をベクトルＳ、平行をベクト
ルＰとする。

このよう（こ構成された固体レーザ装置は、次のように
動作する。ランプ（４）の発光は、反射箱（５）内で反
射されて、レーザ媒質（１）に吸収され、レーザ媒質（
１）を励起し、光の誘導放出を引き起こす。そして、こ
の光は全反射ミラー（２）で反射され、レーザ媒質（１
）の端面（１ｂ）で屈折しで、レーザ媒質（１）内に入
り、このレーザ媒質（１）の下面〔１畠）及び上面（１
ａ）で内部全反射を繰り返して、他端面（１ｂ）に到達
し、この他端面で再び屈折して、部分反射ミラー（３）
に向かい、この部分反射ミラー（３）で反射した光は、
同一光軸（７）を戻る。従って、安定型共振器内でこの
光軸（７）　ｋ、を光が往復する間に増幅され、−室以
上の大きさになると、その一部が１部分反射ミラー（３
）の作用により、部分反射ミラー（３）を透過して、レ
ーザビーム（８）として安定型共振器の外部に取り出さ
れる。

上記のようなスラブ形状のレーザ媒質（１）を用いた固
体レーザ装置においては、レーザ媒質（１）の光学的平
滑面が常時冷却されており、レーザ光の光路は、レーザ
媒質（１）の上下の光学的平滑面で全反射され、ジグザ
グに進行するので、レーザビームは冷却されたレーザ媒
質（１）表面の低温部分と、レーザ媒質（１）の中心部
分の高温部分を交互に通過することになり熱レンズ効果
を受けず、大出力でも安定したレーザ出力を得ることが
できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような構成された固体レーザ装置においては、通常
レーザ媒質（１）の形状がほぼ矩形であり、Ｓ方向の幅
はＰ方向の厚みの約２〜５倍となっている。そして、共
振器には、安定型が用いられているので、レーザビーム
のモードは、レーザ媒質（１）の断面形状を反映して、
矩形の高次モードとな３ る。例えば、波形が１．０６μｍ　のＹＡＧ　（Ｙｉｃ
ｃｒｉｕｍＡｌｍｉｎｕｍ　Ｇａｎｅｃ）　　結晶をレ
ーザ媒質（１）に用いた固体レーザ装置においては、Ｐ
方向のモード次数は数十次、Ｓ方向では数百法となり、
ビーム発散角は数ｍｒｍｄ〜数士ｍｒ畠ｄと極めて太き
くなり、レーザビーム（８）の集束性がよくなかった。

従って、上記のような固体レーザ装置においては、大出
力のレーザビームを安定して出力することはできても、
レーザビーム（８）の集束性が悪いために、微細なスポ
ットには集光することができず、精細なレーザ加工に用
いるのには限界が生じていた。

本発明は、上記述べた課題を解決するためになされたも
ので、亮出力にて集束性のよいレーザビームが出力でき
、精細なレーザ加工に用いることのできる固体レーザ装
置を得ることを目的とする。

口課題を解決するための手段〕 本発明に係る固体レーザ装置は、−組の対面する光学的
平滑面を有し、この光学的平滑面で内部亡 ゛″′′反射光路がジグザグ状となる平板状のレーザ媒
質と、このレーザ媒質を挾んで対向配置された第１のミ
ラー及び第２のミラーより構成された不安定型共振器を
備え、この不安定型共振器内よりレーザビームの一部を
取り出すと共に、中詰まり状態のレーザビームとするビ
ーム整形手段を備えたものである。

〔作用〕

上記のように構成された固体レーザ装置においては、不
安定型共振器よりビーム整形手段によって、はぼ位相の
揃った平面波のレーザビームが取り出され、レーザビー
ムの発散角が極めて小さくなり、さらに中詰まりのレー
ザビームに整形されるので、遠視野像における回折によ
るレーザビームの拡がりを低減することができ、集光性
能が向上する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図及び第２図に基づい
て説明する。第１図及び第２図はこの発明の固体レーザ
装置の上面構成図及び側面構成図を示す。図において、
（１）は例えばＹＡＧ結晶よりなリ、−組の平行な光学
的平滑面（１ａ）を有し、この光学的平滑面〔１ａ）で
内部全反射されて光路がジグザグ状となるスラブ型のレ
ーザ媒質、（４）はこのレーザ媒質（１）に励起光を供
給するランプ、（９）は上記レーザ媒質（１）の一端面
側（１ｂ）に配された第一のミラーで、この実施例では
全反射ミラーよりなるコリメートミラーである。αＧは
上記レーザ媒質（１）の他端側（１ｂ）に配された第二
のミラーで、この実施例では全反射ミラーよりなる凹面
の拡大２ラーでアリ、コリメートミラーと共に負波の不
安定型共振器を構成している。０は第二のミラー（至）
とレーザ媒質（１）間に配され、中心が光軸（７）より
ずれた位置にある矩形の開口部■を有する結合ミラーで
、光軸（７）に対して略４５°傾斜されている。錦はこ
の結合ミラーＩにより不安定型共振器より取り出された
レーザビームを整形する平面ミラーで、上記結合ミラー
圓と平行に対向配置されている。α４は上記結合ミラー
υにより不安定型共振器の外部に取り出された余分なレ
ーザビームを吸収するダンパーで、この実施例において
は、結合ミラー＠及び平面ミラー０と共にビーム整形手
段を構成する。

＠は結合ミラー（至）上に形成された位相ｍ整膜である
。

このように構成された固体レーザ装置においては、次の
ように動作する。ランプ（４）の発光は、レーザ媒質（
１）に吸収され、レーザ媒質（１）を励起し、光の誘導
放出を引き起こす。そして、コリメートミラー（９）と
拡大ミラーαＯによって負波の不安定型共振器を構成し
ているので、この間を往復するレーザビームは、レーザ
媒質（１）によって増幅され、コリメートミラー（９）
によりほぼ平行なビームとして、［大ｉラーα０の近く
に往復してくる。そして、結合ミラー０の開口部υを通
過した光は、再び拡大ミラーαＧにより反射され、共振
器内を往復する。

また、結合ミラー０の反射面により、反射されたレーザ
ビームは、平行なビームとして不安定型共振器の外部に
取り出される。そして、取り出されたレーザ光の大部分
は、平面ミラー（至）によって、中詰まりのレーザビー
ム（８）として出射され、結合２ラー東における開口部
υの長手方向の縁端部付近より反射された余分なレーザ
光はダンパーα４＃こより吸収され、中詰まりのレーザ
ビームとなりレンズ（図示せず）等により集束され、微
細なレーザ加工等に用いられることとなる。

上記のように構成された固体レーザ装置においては、ス
ラブ型のレーザ媒質（１）の特徴を生かして、熱レンズ
効果を受けず、高出力のレーザビームを得ることができ
るとともに、共振器が、Ｐ方向及びＳ方向ともに不安定
型を構成しているので、はぼ位相の揃った平面波のレー
ザビームとして取り出され、レーザビームの発数角は極
めて小さくなり、非常に集束性の良いレーザビーム（８
）が得られる。第３図（ａ）〜（６）は、ｌ−１断面及
びＩ−１断面によるレーザビームの外形と近視野像の強
度分布及び遠視野像の強度分布の関係を示すものであっ
て、第３図（ａ＞に示されるように、拡大ミラー（至）
とコリメートミラー（９）によって構成される不安定型
共振器の光軸（７）を中心として、矩形の開口部υを有
する結合ミラー但を挿入すると、外周がレーザ媒質（１
）の断面に、内周が開口部υに相似した中抜けのレーザ
ビームが得られる。この中抜けのレーザビームは、はぼ
位相の揃ったレーザビームではあるが、このまま用いる
と遠視野像においては、回折によるレーザビームの拡が
りが現われる。しかし、この発明では、第３図（ｂｌに
示されるように第３図（ａ）に用いられた共振器及び結
合ミラー１１１ｉこよって取り出された中抜けのレーザ
ビームの一部、つまり長手方向に分れた片側のみを用い
ることによって、はぼ位相の揃ったレーザビームが得ら
れ、このようなレーザビームでは、遠視野像においてモ
回折によるレーザビームの拡がりは見られず、レーザビ
ームの集束性は良好である。さらに、上記実施例におい
ては、第３図（６）に示されるように結合ミラー０の開
口部υの中心を開口部＠の長手方向に光軸よりずらすこ
とによって、結合ミラーＩより、長手方向の片側にまと
めレーザビームを取り出すことができるので、この光路
上に平面ミラー０を配置することによって、中詰まりレ
ーザビームとして出力でき、第３図（ｂ）に示したもの
と比較して、レーザビームの出力は増大する。また、遠
視野像においても、回折によるレーザビームの拡がりも
なく、集光性能を向上させることができる。

また、一般ｆこＰ軸方向とＳ軸方向の共振器のフレネル
数が異なるため、両方向のビームの発Ｒ角ｌこ多少のず
れが生じる。よって、レーザビーム（８）を伝搬させた
り、レンズで集光させる場合においては、レーザービー
ム（８）に異方性が生じ、レーザ加工性能が低下するが
、この実施例ｆこおいては、第４図に示されるように、
例えばレーザビームの波長の約１／４の厚みの位相調整
膜０を平面ミラーυ上に形成し、レーザビーム（８）の
Ｓ軸方向レーザビームの発散角を適度にずらすことによ
って、レ−＋Ｊ’　ｌ：’　−Ａの異方性を除去しでい
る。つマリ、発散角の小さい方向の波面を位相調整膜に
より適度にずらされることによって、レーザビームの異
方性（８）を除去することができ、レーザ加工性能が向
上できる。

第５図及び第６図は、それぞれこの発明の他の実施例を
示すもので、第５図に示される固体レーザ装置のように
、ビーム整形手段を構成する結合ミラー叩は開口部υを
有するミラーで無くとも、不安定型共振器内の平行ビー
ムの一部を取り出せる位置ｌこ構成しておれば、単なる
平面ミラーでもよい。このように構成された固体レーザ
装置においても、上記実施例の固体レーザ装置と同様の
作用及び効果を示す。また、第６図Ｉこしめされる固体
レーザ装置のように、第２のミラーが凸面の拡大ミラー
αＯであり、コリメートミラー（９）と共に、上枝の不
安定型共振器を構成しても、上記の実施例と同様の作用
及び効果が、得られることはｇうまでもない。

また、この発明の他の実施例として、第７図（ａ）及び
（ｂ）に示す。この実施例においては、第２のミラーが
、透明なガラス等を基体とし、この基体表面に光軸（７
）より中心がずれた矩形の反射膜（財）と、この反射膜
（至）の周囲は無反射膜（財）が形成された拡大ミラー
であり、この拡大ミラーα０を挾みレーザ媒質（１）と
対向した位置にダンパー０４が配されたことが、第１図
及び第２図に示された上記実施例と異なる点であり、第
２のミラーは不安定型共振器の１部を構成すると共に、
ダンパー＠と共＋ｃビーム整形手段を構成する。

上記のように構成された固体レーザ装置においては、レ
ーザ媒質（１）で増幅されたレーザ光が、コリメートミ
ラー（９）により平行なビームとして、第７図（ｂｌの
一点鎖線で示された矩形のレーザ光となり拡大ミラーα
Ｏに到達する。この一部は、拡大ミラーＱＧＩの反射膜
（至）によって、再び共振器内を往復し、他は無反射膜
亜の部分より共振器の外部に取り出され、この取り出さ
れたレーザビームの反射膜（至）の長手方向の縁端部よ
り出力された余分なレーザビームは、ダンパー（ロ）に
より吸収され、中詰まりのレーザビーム（８）に整形さ
れ出射されることとなり、結合ミラー０を用いずとも、
中詰まりのレーザビームに整形することができる。よっ
て、この構成の固体レーザ装置においても、上記実施例
と同様効果が得られると共に、さらに装置を簡略化でき
るので、装置の生産コストが低減できる。

さらに、この発明の他の実施例を、第８図奢こ示す。こ
の実施例において、第７図の実施例とは、ビーム整形手
段を構成する第２のミラーである拡大ミラーαＯの矩形
の反射膜αＧの中心が光軸（７）にあり、ダンパー＠が
１記実施例と比較して、Ｓ軸方向に小さく、この矩形の
反射膜αＧ背背面−配置されたことと、２つの独立した
レーザビームを２方向に反射させるミラー（至）を備え
たことが異なる点である。このように構成された固体レ
ーザ装置においては、拡大２ラー顛より中抜けのレーザ
ビームが不安定共振器より取りだされ、ダンパー０によ
り余分なレーザビームは吸収され、２つのレーザビーム
となる。この２つのレーザビームは、方向変更用のミラ
ー（至）によって、方向をかえられ、２つの独立したレ
ーザビーム（８）としてレーザ加工等に用いることがで
きる。第３図（ｄ）にこのように構成された固体レーザ
装置の１”−１断面及びｌ−１断面によるレーザビーム
の外形と近視野像の強度分布及び遠視野像の強度分布を
示す。図中に示されるように、中詰まりのレーザビーム
（８）として個々にもちいられるので、遠視野像におい
ても回折によるレーザビームの拡がりもなく、上記と実
施例と同様に集光性は良い。

〔発明の効果〕

この発明は以上述べたように、不安定型共振器より中詰
まりのレーザビームとして取り出すビーム整形手段が構
成されているので、高出力にて集束性及び集光性の良い
レーザビームが出力でき、その結果精細なレーザ加工に
用いることができる固体レーザ装置が得られるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である固体レーザ装びｌ−蓋
における断面図、第８図はこの発明の他の実施例を示す
側面構成図、第９図は従来の固体レーザ装置を示す上面
構成図を示す。 ｉ’？）（１０） 図において、（１）はレーザ媒質、鼾４は不安定型共振
器、Ｑ１１Ｑ３α４はビーム整形手段である。 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　一組の対面する光学的平滑面を有し、この光学的平滑
   面で内部全反射され光路がジグザグ状となる平板状のレ
   ーザ媒質、このレーザ媒質を挾んで対向配置された第一
   のミラー及び第二のミラーより構成された不安定型共振
   器、この不安定共振器内よりレーザビームを取り出すと
   共に、中詰まり状態のレーザビームとするビーム整形手
   段を備えた固体レーザ装置。