JPH0344983A

JPH0344983A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0344983A
Application number: JP17988489A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yasui; 公治安井; Yuji Takenaka; 裕司竹中; Shigenori Yagi; 重典八木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1991-02-26
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JP2738038B2

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、とくに固体レーザ装置か
ら発生されるレーザビームの品質安定化に間するもので
ある。

［従来の技術］第１２図は、たとえばレーザハンドブック（オーム社、
昭和５７年〉に示された、従来の固体レーザ装置を示す
断面構成図であり、図ここおいて、（１）は固体素子て
、たとえばＶＡＧレーザを例に取ればＹ３−６Ｎ（ｌＸ
ＡＩ５０１２よりなるロッド状の結晶、（３）はフラッ
シュランプ、（４）はフラッシュランプ（３）を点灯す
るための電源、（５）は集光反射ミラー　（６）はたと
えばガラスでできた出口ミラー、（７）は出口ミラー（
６）の内面に設けられた、たとえばＴｌＯ２よりなる部
分反射膜、（８）は出口ミラーの外面および固体素子（
１）の両側面に設けられた、たとえば５１０２よりなる
無反射膜、（９）はレーザ共振器内のレーザビーム、（
１０）は外部に取り出されたレーザビーム、（１２）は
外ワク、（２０）は全反射ミラーである。

次に動作について説明する。固体素子（１）は電ｉ原（
４）により点灯されたフラッシュランプ（３）からの直
接光および集光反射ミラー（５）よりの反射光により励
起され、レーザ媒質をなす。一方、内面に設けられた部
分反射膜（７）により部分反射率を持った出口ミラー（
６）と全反射ミラー（２０〉どからなるいわゆる安定型
共振器内に閉じこめられたレーザビーム（９）は、両ミ
ラー間を往復するごとにこのレーザ媒質により増幅され
、ある一定態上の大きさになるとその一部が出口ミラー
（６）を通して外部にレーザビーム（１０）として放出
される。

第１３図にその発振出力特性の一例を示す。ここで固体
素子（１）はＹ２．ａＮｄｅ、５ＡｌｓＯ＋２よりなり
、断面の直径８ｍｍ、長さ！５０ｍｍ、出口ミラー（６
）と全反射ミラー（２０）の内面の曲率はともに０．４
ｍ、両ミラー間の距離は０．４５ｍ、出口ミラーの反射
率は７ｏｚである。また投入電力とはフラッシュランプ
の点灯に消費された電力であり、６ｋＷの投入電力で約
１ＯＯＶのレーザ出力が得られている。

［発明が解決しようとする課題］従来の固体レーザ装置は以上のように、一つのロッド（
固体素子）を備え、この固体素子を励起する光源への投
入電力を変化させてレーザ出力を変化させていたため、
発生するレーザビームの発散角が第１４図に示すように
光；原への投入電力、したがってレーザ出力により変化
してしまうという問題があった。これは固体素子への投
入電力の変化にともない、固体素子（１）内に発生する
温度勾配による固体素子（１）の熱レンズ化の程度が変
化し、共振状態を変化させるためである。

ところでレーザビームの発散角の大小はレーザビームの
集光性能そのものといえる。これは焦点距離ｆの集光レ
ンズによる集光スポット系φ、は概略的に発散角θに対
して φ、＝ｆ・θ で表され、したがって発散角の大小に比例して集光スポ
ット径の大小が決定されるためである。

したがって発散角がレーザ出力により変化することは集
光特性が変化することを意味し、安定なレーザ加工が行
えないという問題が発生していた。

さらに、投入電力を増大させ、固体素子の熱レンズ化が
著しくなる、例えば７ｋＷ以上では発振が著しく不安定
になってしまう現象も観測された。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、高出力のレーザビームを発散角を一定にたも
って発生させることのできるレーザ装置を得ることを目
的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係わるレーザ装置は、光路上に直列に複数の
固体素子を備えるとともに、上記複数の固体素子を各々
励起する複数の光源を備え、固体素子の熱レンズ値の変
化が小さくなるように、上記各光源へ波形の異なる電力
を投入してレーザ出力を調整するようにしたものである
。

固体素子の熱レンズ値の変化が小さくなるようにするに
は、少なくとも一つの固体素子に備えられた光源に、平
均投入電力が一定になるように電力投入を行なうとよい
。

また、パルス発振においては、固体素子にパルス状の電
力を投入し、パルス電力の波形を変化させてレーザ出力
を制御するとともに、パルス電力の波形変化に対応して
ベース電力を、光源への投入電力の平均値を一定に保つ
ように変化させるという制御を行なうとよい。

また、固体素子の熱レンズ値の変化が小さくなるように
するには、固体素子のうち、熱レンズ化を発生しやすい
ものを照射する光源に投入する電力波形を、他の固体素
子の熱レンズ値の変化を補償するように調節して、固体
素子全体の熱レンズ値がレーザ出力の変化に対して一定
になるようにしてもよい。

［作用］この発明における固体レーザ装置は各固体素子を励起す
る光源に異なる波形の電力を投入し”Ｃレーザ出力を調
整し、発生するレーザ出力の発散角の変化を緩和する。

即ち、少なくとも一つの固体素子に備えられた光源に、
平均投入電力が一定になるように電力投入を行なえば、
この固体素子は一定の熱レンズ状態を示し、熱レンズ傾
の変化はこの固体素子以外の固体素子の熱レンズ値の変
化のみに低減することが出来る。

また、パルス電力の時は、一定の投入電力として、パル
ス電力の波形変化に対応してベース電力を、光源への投
入電力の平均値を一定に保つように変イヒさせるように
すれば、同様にして熱レンズ値の変化を低減することが
出来る。

さらに、熱レンズ値の変化が異なる固体素子を用いて、
互いの熱レンズ値を補償するように各光源の電力波形を
制御し、固体素子全体の熱レンズ値がレーザ出力の変化
に対して一定になるようにしても発散角の変化は少なく
なる。

［実施例コ以下、この発明の一実施例を第１図について説明する。

第１図において、（１）は光路上に直列に置かれた複数
の固体素子で、たとえばＹＡＧレーザを例に取れば、Ｙ
３−ｘＮｄヶＡｌ５Ｏ１２よりなるロッド状の結晶、（
２）はこのロッド端面に設けられた全反射ミラーで、拡
大ミラーをなす。（３）は複数の固体素子（１）を各々
励起する複数の励起光源であり、例えばアークランプ、
フラッシュランプである。

（４）は励起光源（３）を点灯するための電源、（５）
は集光反射ミラー　（６）はたとえばガラスでできた出
口ミラーで、コリメートミラーをなす。（７）は出口ミ
ラー（６）の内面中央に設けられた、たとえばＴｉ０ｐ
よりなる部分反射膜、（８）は出口ミラー内面の部分反
射膜（７）の周囲上、及び出口ミラー（６）の外面、ざ
らに固体素子（１）の側面に設けられた、たとえば５１
０２よりなる無反射膜、（９）（１１）は出口ミラー（
６）と全反射ミラー（２）からなるレーザ共振器内に発
生したレーザビーム、（ｌＯ）はレーザ共振器外部に取
り出されたレーザビーム、（１２）は外ワクである。

次に動作ζこついて説明する。

固体素子（１）は電源（４）により点灯された励起光源
（３）からの直接光、および集光反射ミラー（５）より
の反射光により励起され、レーザ媒質をなす。−方、出
口ミラー（６）と全反射ミラー（２）とからなるいわゆ
る不安定型共振器内に発生したレーザビーｊ、（９）（
ＩＩ）は、両ミラー間を往復するごとにこのレーザ媒質
により増幅され、ある一定収上の大きざになると、その
一部が外部にレーザビーム（１０）として放出される。

光源への電力投入についてさらに詳しく説明する。第２
図はこの発明の一実施例による固体レーザ装置の発振特
性を示す特性図であり、ここで固体素子（１）は、ラン
プにより励起されたＶ２．ａＮｄｅ、６Ａ＋５０１２で
あり、その断面の直径は６ｍｍ５　　長さは１００ｍ１
Ｔｌ、出口ミラー（６）と全反射ミラー（２）間の距離
は０．４４ｍ、出口ミラー（６）の内面中央に設けた部
分反ｆＪｌ膜（７）の反射率は９０′ｇである。また投
入電力とは第１図中、右側の光源へ投入された電力と左
側の光源へ投入された電力の和である。第３図（ａＸｂ
）は各々、２つの光源に同一の電力を投入し、レーザ出
力を制御した場合（制御Ａ）と、左側の出ロミラー前画
の光源には一定の５ｋＷの電力を投入し、−万石側の全
反射ミラー前面の光源への電力を変化させてレーザ出力
を調整すると言う、２つの光源に異なる波形の電力を投
入してレーザ出力を制御した場合（制＃Ｂ）とにおける
、レーザビームの発散角のレーザ出力に対する変化を示
す特性図である。第３図から、２つの光源に異なる波形
の電力を投入してレーザ出力を制御した制御Ｂの場合の
方が、発散角の変化がレーザ出力に対して緩やかになっ
ていることがわかる。ここで制御Ｂの場合は出口ミラー
内面の曲率は一定電力で動作している左側の光源により
励起された固体素子の熱レンズ化を補償するように配置
した。

制御Ｂの場合が発散角の変化が小さくなった理由を説明
する。制御Ａの場合、レーザ出力の変化は両光源への全
投入電力を５〜８ｋＷ変化せることが必要で、この変化
に対して、左側の固体素子内に発生する、温度勾配によ
るレンズ化のパワー成分（＋／ｆ）の変化は（１／ｆ　
）＝７．５ｍ−’であり、この変化に対応して、第３図
（ａ）に示すように発散角の大きい変化をもたらしたと
説明できる。一方制御Ｂの場合、レーザ出力の変化は左
側の光源への投入電力を０〜３ｋＷ変化させるのみで可
能であり、この変化に対して、左側の固体素子内に発生
する、温度勾配によるレンズ化のパワー成分（１／ｆ）
の変化は（１／ｆ）＝１．０ｍ−’と、制御Ａの場合に
比較して十分小さく、結果第３図に示すように、発散角
の変化が小さくできたと説明できる。

この発明の実用的な利点をさらに考えると、従来はレー
ザの動作状態に対応して、光源への平均投入電力が変化
していたため、光源の寿命はレーザの動作状態により変
化し、したがってその交換時間の判定は実際のレーザ出
力の状態を観測して行なう必要があった。一方、この発
明による装置では、少なくとも一つの光源への平均投入
電力はほぼ一定で、したがってその寿命もレーザの動作
状態にかかわらず一定であるため、たとえばレーザの通
算動作時間を記録しておけば、光源の交換時期を容易に
判定できる。

なお上記実施例では出口ミラー（６）の曲率を固体素子
の熱レンズ化を補償するように設定する構成を示したが
、第４図に示すように、固体素子の熱レンズ化の補償は
固体素子の前後に配置した凹レンズ（１００）により行
なってもよいし、固体素子の端にカーブをつけて、実質
的に凹レンズにしてもよい。あるいは、集光性は悪くな
るが、上記のような熱レンズ化を補償する種々の手段を
設けなくても、集光性の変化は低減できる。

また、上記実施例では少なくとも一つの光源への平均電
力を一定に保つ例を示したが、複数の光源への熱レンズ
の総和を一定に保つようにしても良く、この場合例えば
一つのロッドに他のものに比較して熱レンズを発生し易
いものを用いれば、そのロッドへの投入電力のみをおも
に調整して容易に制御することができる。例えば、ＹＡ
Ｇロッドを固体素子の１つに用いた場合に、ＹＡＧロッ
ドに比較して、同一投入電力照射で３倍程度熱レンズ化
を起こし易いＧＧＧロッドを他の１つに直列に挿入して
おけば、ＹＡＧロッドへの照射投入電力減少に対応して
、ＧＧＧロッドへの照射投入電力を、他の１つとしてＹ
ＡＧＯッドを用いた場合に比較して１７３程度増大させ
るのみで、素子全体としての熱レンズ化を一定に保つこ
とが出来る。

また上記実施例では定常発振をする場合を例に示したが
、パルス発振を行なうものでも良く、この場合、例えば
第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、少なくとも一つの
ロッドに、ピーク電力の変化に対応してベース電力を変
化させて平均電力が一定になるように制御すれば、上記
実施例と同様の効果が得られる。即ち、第５図において
、点線は発振のしきい値であり、斜線部はレーザ出力に
対応する。従って、ピーク電力を変化させてレーザ出力
を制御するとともに、ピーク電力の波形変化に対応して
ベース電力を、上記光源への投入電力の平均値が一定に
なるように変化させ、制御すればよい。

また、上記実施例では平均電力を一定に保つ例を示した
が共振器の構成によっては厳密に一定である必要はなく
、ある程度の偏差を生じても発散角の偏差は小さく、安
定なレーザビームを得ることができる。

また、上記実施例では不安定型共振器を用いた例を示し
たが、従来と同じように安定型共振器でも同様の効果が
得られることは言うまでもない。

また、出口ミラー内面中央部が部分反射率を持つものを
示したが、これは全反射性を持つものでも良く、この場
合にはリング状のレーザビー１１が発生され、そのリン
グ状に起因する回折光により、集光性能は悪化するが、
同様に発散角の安定したレーザビームを発生させること
ができる。

また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部と周囲部
とを通過するレーザビーム間の位相差は小さく、問題と
ならなかったが、部分反射膜（７）の構成によってはこ
れが問題となることも考えられ、その場合には両レーザ
ビーム間の位相差を打ち消す手段を設けてもよく、例え
ば第６図に示すように出口ミラー外面に段差（７０）を
設けて実現できる。

また、上記実施例では全反射ミラー（２）は固体素子の
側面に形成するものを示したが、第７図、第８図に示す
ように、固体素子と離してもよい。

なお、第８図は出口ミラーを固体素子と一体に形成した
例でもある。

また、上記実施例では全反射ミラー（２）からは集光状
のレーザビームが反射されて来る例を示したが、平行状
のレーザビームが反射されるようにしてもよく、第１図
、第７図、及び第８図に対応して、第９図、第１０図、
および第１１図に示すような変形例が考えられる。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば光路上に直列に複数の
固体素子を備えるとともに、上記複数の固体素子を各々
励起する複数の光源を備え、固体素子の熱レンズ値の変
化が小さくなるように、上記各光源へ波形の異なる電力
を投入してレーザ出力を調整するようにしたので、出力
されるレーザ光の発散角の変化を小さくてき、安定なレ
ーザ発振を実現できる効果がある。さらに、光源の交換
時間を容易に判定できるという効果もある。

また、固体素子の熱レンズ値の変化が小さくなるように
するには、少なくとも一つの固体素子に備えられた光源
に、平均投入電力が一定になるように電力投入を行なえ
ばよい。

また、固体素子にパルス状の電力を投入し、パルス電力
の波形を変化させてレーザ出力を制御するとともに、パ
ルス電力の波形変化に対応してベース電力を、光源への
投入電力の平均値を一定に保つように変化させるという
制御を行なえば、パルス発振においても、発散角のレー
ザ出力の変化に対しての変化が小さくてきるようになり
、安定なレーザ発振を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による固体レーザ装置を示
す断面構成図、第２図はこの発明の一実施例による固体
レーザ装置の発振特性を示す特性図、第３図（ａ）（ｂ
）は各々この発明の一実施例による固体レーザ装置にお
ける発散角特性を説明する特性図、第４図はこの発明の
他の実施例による固体レーザ装置を示す断面構成図、第
５図（ａ）（ｂ）は各々この発明の他の実施例に係わる
光源への投入電力波形を示す波形図、第６図ないし第１
１図は各々この発明のざらに他の実施例による固体レー
ザ装置を示す断面構成図、第１２図は従来の固体レーザ
装置を示す断面構成図、第１３図は従来の固体レーザ装
置における発振特性を示す特性図、並びに第１４図は従
来の固体レーザ装置における発散角特性を示す特性図で
ある。（１）・・・固体素子、（２）、（２０）・・・全反射
ミラー（３）・・・光源、（４）・・・電源、（６）・
・・出口ミラー（９）（１０）（Ｉ　１　）・・・レー
ザビームなお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光路上に直列に置かれた複数の固体素子、上記複
数の固体素子を各々励起する複数の光源、上記複数の光
源により励起された上記複数の固体素子からレーザビー
ムを取り出すレーザ共振器、上記複数の光源を各々点灯
させる電源、及び上記固体素子の熱レンズ値の変化が小
さくなるように、上記各光源へ波形の異なる電力を投入
してレーザ出力を調整する制御手段を備えた固体レーザ
装置。
（２）少なくとも一つの固体素子を励起する光源は、平
均投入電力が一定になるように制御された請求項１記載
の固体レーザ装置。
（３）少なくとも一つの固体素子を励起する光源に、パ
ルス状の電力を投入し、パルス電力の波形を変化させて
レーザ出力を制御するとともに、パルス電力の波形変化
に対応してベース電力を、上記光源への投入電力の平均
値が一定になるように変化させるようにした請求項２記
載の固体レーザ装置。
（４）固体素子のうち熱レンズ化を発生しやすいものを
照射する光源に投入する電力波形を、他の固体素子の熱
レンズ値の変化を補償するように調節して、固体素子全
体の熱レンズ値がレーザ出力の変化に対して一定になる
ようにした請求項１記載の固体レーザ装置。