JPH0498886A

JPH0498886A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0498886A
Application number: JP21623390A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Iehisa; 信明家久
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1990-08-16
Publication date: 1992-03-31

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〕本発明は固体レーザ装置に関し、特にレーザビームの品
質を改善するとともに１、固体レーザ媒質への注入光エ
ネルギの限界値が高くなる固体レーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

代表的な固体レーザ装置であるＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウ
ムをドープしたイツトリウム・アルミニウム・ガーネッ
ト、以下ＹＡＧと表す）レーザ装置は、近年、レーザ加
工に多く使用されるようになってきた。これは、発振波
長が近赤外光（１・０６μｍ）であり、光通信用に多く
用いられている石英製ファイバを通してレーザ光を自由
に導けること、および発振波長が１０．６μｍであるＣ
０２ガスレーザに比べて、加工対象物である金属材料の
光吸収率が数倍高くなることによる。

第５図は従来のＹＡＧレーザ装置の概略の構成図である
。ＹＡＧレーザロッド５１の結晶の中心軸の延長線上の
両端に中心軸（光軸）と直角な面に光共振器を構成する
リア鏡５２および出力鏡５３が置かれている。ＹＡＧレ
ーザロッド５１は一般的に外形φ４〜ｌＱｍｍ、長さ８
０〜２００ｍｍ程度の大きさである。ＹＡＧレーザロッ
ド５１は、励起ランプ５４で照射されてエネルギが注入
される。この時、励起ランプ５４のエネルギを効率良＜
ＹＡＧレーザロッド５１に吸収させるために、ＹＡＧレ
ーザロッド５１と励起ランプ５４とを囲んで図示されて
いない集光用の反射鏡が励起キャビティ５５の内部に設
けられている。

さらに、パルス発振を可能にするＱスイッチモジュール
５６、ランダム偏光を直線偏光にする直線偏光ユニット
と安全保護装置としてのメカニカルシャッタユニットを
一体にしたユニット５７、レーザ光の横モードを選択す
るモードセレクタ５８が設けられている。

また、励起キャビティ５５に冷却水入口５９及び出口６
０が設けられ、励起キャビティ５５の内部全体に冷却水
６１を循環させて、ＹＡＧレーザロッド５１、励起ラン
プ５４、及び励起キャビティ５５を冷却するようになっ
ている。冷却水６１の供給は外部に設けられた冷却水循
環装置（図示せず）により行われている。

このように、各構成部品を冷却するのは、下記の理由に
よる。ＹＡＧレーザでは、励起ランプ５４へ注入された
エネルギが最終的なレーザ光へ変換されるエネルギ効率
が２〜４％程度しがない。

これは、励起ランプ５４から放射された励起光の波長と
ＹＡＧレーザロッド５１の吸収波長帯とが合致していな
いために、励起光の約１５％程度しかＹＡＧレーザロッ
ド５１に吸収されないことに基づいているが、その他に
もＹＡＧレーザロッド５１、励起ランプ５４、及び励起
キャビティ５５において各々のエネルギ損失が約１５％
、４０％、及び２５％もあるからである。これらのエネ
ルギ損失は取りも直さず各構成部品の温度上昇につなが
り、構成部品の特性ならびに信頼性が著しく損なわれる
。各構成部品を冷却するのは、これを防止するためであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のＹＡＧレーザ装置では、ＹＡＧレーザロ
ッド５１を常時水冷しているとはいえ、その外周部のみ
が冷却水６１と接触しているために、中心部の冷却効率
が低い。このために、ＹＡＧレーザロッド５１は、径方
向中心に向かって温度が増加する温度分布を有するよう
になり、中心部が凸状に膨張してしまう。即ち、ＹＡＧ
レーザロッド５１が機械的に歪む。この現象は一般的に
熱レンズ効果として知られている。

したがって、レーザビームの広がり角が大きくなるとい
う問題点があった。

一方、加工に適したＴＥＭＯ。モードのレーザビームを
得ようとすると、特開平２−４６７８７号に開示されて
いるように、ＹＡＧレーザロッド５１の熱歪みをＨｅ−
Ｎｅガスレーザ等のプローブレーザ光でモニタしながら
、歪みの発生を打ち消すように、レーザ共振器内部のビ
ームエキスパンダを移動させる構成にしなければならな
い。しかし、このような構成では機構が複雑で、装置が
高価になり、信頼性も低下する。

さらに、ＹＡＧレーザロッド５１に過度の光エネルギが
注入された場合には、ＹＡＧレーザロッド５１は、歪み
量も大きくなり、最悪の場合には破壊する。このため、
ＹＡＧレーザロッド５１に注入できる励起エネルギが比
較的低いレベルに制限されてしまう。したがって、レー
ザ出力も低いレベルに止まるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、レ
ーザビームの品質が改善されるとともに、レーザ出力レ
ベルが高くなる固体レーザ装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するために、励起光によって
固体レーザ媒質を励起させレーザ発振を行う固体レーザ
装置において、レーザ活性媒質である前記固体レーザ媒
質と、前記固体レーザ媒質を固定する固定用ハウジング
と、前記固定用ハウジング内に設けられ、前記固体レー
ザ媒質を冷却するガスが通過するガス通過径路と、前記
固体レーザ媒質が固定された前記固定用ハウジングから
成る固体レーザ媒質ユニットが、直列に多段連結された
多段固体レーザ媒質と、を有することを特徴とする固体
レーザ装置が、提供される。

〔作用〕

固体レーザ媒質が固定された固定用ハウジングを固体レ
ーザ媒質ユニットし、この固体レーザ媒質ユニットが直
列に多段連結されて、多段固体レーザ媒質が構成される
。各固定用ハウジング内にガス通過径路が設けられ、こ
のガス通過径路を通過するガスによって、各固体レーザ
媒質のレーザ光通過面及び外周面が冷却される。したが
って、レーザビームモードの歪みが低減される。

さらに、固体レーザ媒質に注入される励起エネルギを増
加させることができる。したがって、その励起エネルギ
の増加に応じてレーザ出力レベルが高くなる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ装置の固
体レーザ媒質ユニットを示す平面図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ断面図である。

固体レーザ媒質ユニット１は、固定用ハウジング２と固
体レーザ媒質３とから構成される。

固定用ハウジング２は、円柱状の形状を有し、紫外光を
吸収するようにＴｉがドーピングされた石英性ガラスに
よって形成されている。固定用ハウジング２の中央に凹
部４が設けられている。凹部４の底壁４ａ中央は貫通し
、後述する中央冷却溝９ａが形成されている。

凹部４の底壁４ａにワイヤ用溝４ｂが形成されている。

固体レーザ媒質３は、凹部４の下端に嵌合されるととも
に、ワイヤ用溝４ｂに挿入されたインジウム（Ｉ　ｎ）
ワイヤ４１を圧接することによって、凹部４の底壁４ａ
に固定されている。固体レーザ媒質３の詳細は後述する
。

凹部４に固定された固体レーザ媒質３０両側に、冷却用
ガスを供給するための供給口５．６が、対向して設けら
れている。さらに、供給口５．６と直交して、冷却用ガ
スを排出するための排気ロア、８が設けられている。

冷却溝９が、固定用ハウジング２の下端側に設けられて
いる。冷却溝９は、中央冷却溝９ａ、すイド冷却溝９ｂ
、９ｃから成る。上述したように、中央冷却溝９ａと凹
部４とは貫通しており、冷却用ガスが、固体レーザ媒質
３の下端面３ｂに接するようになっている。サイド冷却
溝９ｂは、中央冷却溝９ａと供給口５．６との間に設け
られ、中央冷却溝９ａと供給口５．６とを連通ずる。ま
た、サイド冷却溝９Ｃは、中央冷却溝９ａと排気口５．
６との間に設けられ、中央冷却溝９ａと排気ロア、８と
を連通ずる。

また、外周冷却溝１０が、凹部４の外周と固体レーザ媒
質３の外周との間の隙間によって形成され、冷却用ガス
が、固体レーザ媒質３の外周に接するようになっている
。外周冷却溝１０は、排気ロア、８に、排気口側のサイ
ド冷却溝９ｂを介して連通している。

さらに、固定用ハウジング２の上端面２ａ周縁に連結ワ
イヤ用溝２ｂが形成されている。

固体レーザ媒質３は、直径１０φ、厚み５ｍｍのＹＡＧ
レーザロッドであり、その上、下端面（レーザ光通過面
）３ａ、３ｂにレーザ光に対する無反射コーティングが
施されている。この固体レーザ媒質３は、後述するよう
に、連結されて全体として一つのＹＡＧレーザロッドを
構成する。

第３図は本発明の多段固体レーザ媒質を示す平面図、第
４図は第３図のＢ−Ｂ断面図である。

多段固体レーザ媒質３０は、上記構成の固体レーザ媒質
ユニット１が直列に多段（例えば１５段）連結されて構
成される。

直列に配列された各固体レーザ媒質ユニット１は、その
上端面２ａの連結ワイヤ用溝２ｂに挿入されたＩｎワイ
ヤ４１を圧接することによって、互いに連結されている
。

このとき、各固体レーザ媒質ユニット１の供給口５．６
は互いに連結され、多段固体レーザ媒質３０内部に供給
通路１１．１２が形成される。また、各固体レーザ媒質
ユニット１の排気ロア、８も互いに連結され、多段固体
レーザ媒質３０内部に排気通路１３．１４が形成される
。

多段固体レーザ媒質３０の一端側に位置する第１の固体
レーザ媒質ユニット１０１には、その供給口５．６に冷
却用ガス人口管１５．１６が、その排気ロア、８に冷却
用ガス出口管１７．１８が、それぞれ接続されている。

多段固体レーザ媒質３０の他端側に位置する第２の固体
レーザ媒質ユニツ）１０２には、その供給口５．６、排
気ロア、８の各下端側に、冷却用ガスを封じる埋栓１３
が、シリコン接着剤により取り付けられている。

なお、第１の固体レーザ媒質ユニット１０１の連結ワイ
ヤ用溝２ｂには、Ｉｎワイヤ４１は挿入されない。

次に、上記構成の多段固体レーザ媒質３０において、冷
却用ガスの作用を説明する。

冷却用ガスには、熱伝導性の高いＨｅガスが使用される
。Ｈｅガス３１は、外部に設けられたガス供給装置（図
示せず）によって、室温にまで冷却された後、冷却用ガ
ス人口管１５．１６に導入される。導入されたＨｅガス
は、供給管１１．１２、サイド冷却溝９ｂ、中央冷却溝
９ａ、サイド冷却溝９ｃ、排気管１３．１４の順に流れ
、冷却用ガス出口管１７．１８から排出される。

このとき、中央冷却溝９ａを流れるＨｅガス３１によっ
て、各固体レーザ媒質３の下端面３ｂ、及び隣接した固
体レーザ媒質３の上端面３ａが冷却される。すなわち、
各固体レーザ媒質３は、そのレーザ光通過面が冷却され
る。

サイド冷却溝９ｂを流れるＨｅガス３１の一部は、外周
冷却溝１０を通過して、サイド冷却溝９Ｃで合流する。

このとき、外周冷却溝１０を流れるＨｅガス３１によっ
て、各固体レーザ媒質３の外周面３ｃが冷却される。

このように、多段固体レーザ媒質３０が、ＹＡＧレーザ
ロッドとして用いられる際に、多段固体レーザ媒質３０
を構成する各固体レーザ媒質３は、そのレーザ光通過面
及び外周面が、Ｈｅガスによって冷却される。このため
、各面体レーザ媒質３の熱歪みが抑制される。したがっ
て、多段固体レーザ媒質３０からのレーザビームモード
の歪みが低減される。

また、高次モードのレーザビームが発生し難くなり低次
モードのレーザビームをエネルギ効率良く得ることがで
きる。

さらに、従来、ＹＡＧレーザロッドの熱歪みによる破壊
を防止するために制限されていた、ＹＡＧレーザロッド
に注入される励起エネルギを増加させることができる。

したがって、その励起エネルギの増加に応じてレーザ出
力レベルが高くなる。

本実施例の構成と従来技術の構成とを、同一レーザ共振
器を用い、連続７ＫＷの励起光人力（励起エネルギ）条
件で比較した。従来技術の構成において、１０φＸ７５
ｍｍの単一ＹＡＧレーザロッド結晶を、室温の冷却水で
冷却した場合、１８０Ｗのレーザ出力が得られた。した
がって、エネルギ効率は、２．６％であった。これに対
して、本実施例の構成によると、３２０Ｗのレーザ出力
が得られ、エネルギ効率は、４．６％にも達した。

これは７７％の効率改善になる。

また、レーザビームの横モードについては、従来技術の
構成によるビーム広がり角が、全角で２Ｏｍｒａｄであ
った。これに対して、本実施例の構成によると、３ｍｒ
ａｄになった。すなわち、ビーム広がり角が１／７に低
減した。

上記の説明では、固定用ハウジングを、チタンがドーピ
ングされた石英により構成したが、ゲルマニウムがドー
ピングされた石英により構成することもできる。

また、圧接固定用ワイヤとしてインジウムを用いたが、
他に金、銀、または、すず等の展性のある金属を用いる
こともできる。

さらに、固体レーザ媒質に、そのレーザ光通過面にレー
ザ光に対する無反射コーティングを施したものを使用し
たが、レーザ光通過面がブリュースタ角に研磨されたも
のを使用することもできる。

また、冷却用ガスとして、Ｈｅガスを室温に冷却した場
合について説明したが、このＨｅガスの温度が低い程、
固体レーザ媒質の冷却効果が大きくナリ、レーザビーム
モードもさらにシングルモードに近づき改善されること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、ＹＡＧレーザロッド（
多段固体レーザ媒質）を構成する各固体レーザ媒質のレ
ーザ光通過面及び外周面を、冷却用ガスによって冷却す
る構成にした。このため、各固体レーザ媒質の熱歪みが
抑制される。したがって、レーザビームモードの歪みを
大幅に低減することができる。

また、低次モードのレーザビームをエネルギ効率良く得
ることができる。

したがって、その励起エネルギの増加に応じてレーザ出
力にベルを高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ装置の固
体レーザ媒質ユニットを示す平面図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ断面図、第３図は本発明の多段固体レーザ媒質を示す平面図、第４図は第３図のＢ−Ｂ断面図、第５図は従来のＹＡＧレーザ装置の概略の構成図である
。１゛・固体レーザ媒質ユニット２−−　−固定用ハウジング２ｂ　　−・−一連結ワイヤ用溝３　°・　固体レーザ媒質４　ｂ−−−一−−−−−−−−・−ワイヤ用溝９ａ　
・・°・　・中央冷却溝９ｂ、９ｃｍ・・　−・−・・サイド冷却溝１０・−・−・・・外周冷却溝３０・・・・・−・・多段固体レーザ媒質３１　・・・
・・　・−・・Ｈｅガス４１　・・・−・・・・Ｉｎワイヤ第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）励起光によって固体レーザ媒質を励起させレーザ
発振を行う固体レーザ装置において、レーザ活性媒質で
ある前記固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を固定
する固定用ハウジングと、前記固定用ハウジング内に設けられ、前記固体レーザ媒
質を冷却するガスが通過するガス通過径路と、前記固体レーザ媒質が固定された前記固定用ハウジング
から成る固体レーザ媒質ユニットが、直列に多段連結さ
れた多段固体レーザ媒質と、を有することを特徴とする
固体レーザ装置。
（２）前記ガス通過径路は、前記固体レーザ媒質のレー
ザ光通過面を冷却するように構成されていることを特徴
とする請求項１記載の固体レーザ装置。
（３）前記ガス通過径路は、前記固体レーザ媒質の外周
面を冷却するように構成されていることを特徴とする請
求項１記載の固体レーザ装置。
（４）前記ガス通過径路は、前記固体レーザ媒質のレー
ザ光通過面及び外周面を冷却するように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
（５）前記固体レーザ媒質は、円柱状の形状を有し、厚
みが直径に対して同等またはそれ以下であることを特徴
とする請求項１記載のガスレーザ装置。
（６）前記固体レーザ媒質は、前記固定用ハウジングに
、金、銀、インジウム、または、すず等の展性のある金
属により固定されたことを特徴とする請求項１記載の固
体レーザ装置。
（７）前記固定用ハウジングは、透明な材質によって形
成されたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装
置。
（８）前記固定用ハウジングは、紫外光を吸収するゲル
マニウムまたはチタンがドーピングされた石英により構
成されたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装
置。
（９）前記固体レーザ媒質ユニットは、金、銀、インジ
ウム、または、すず等の展性のある金属により互いに固
定されたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装
置。
（１０）前記ガス通過径路を通過するガスは、Ｈｅガス
であることを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置
。