JPH05136497A - 固体レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームの軸方向に直角な面内で円形状
であり、かつこの面内の各方向について均一なビーム品
質を励起効率よく得ることができる固体レーザ発振装置
を得ること。 【構成】 レーザ媒質２２として，円筒状で中心部に中
空部２３を有し両端面２５ａ，２５ｂがそのＺ軸に対し
て同方向に同角度傾斜した、即ち両端面２５ａ，２５ｂ
を円錐の側面の一部とした固体結晶を用い、その内周面
２４ａと外周面２４ｂとをそれぞれビーム経路の全反射
面とし、さらに、レーザ媒質２２の中空部２３にレーザ
媒質２２と同心状に円柱形状のレーザ励起ランプ２６を
配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各方向に均一なビーム
を効率良く得ることができる固体レーザ発振装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は例えば特公昭４８−１５５９９号
公報に開示された従来の内部反射型固体レーザ装置の一
例を示す一部を切欠いた斜視図、図４は図３のＸ−Ｘ断
面図である。１は固体レーザ装置、２は断面矩形状で細
長い固体結晶により構成されたレーザ媒質で、例えばネ
オジウムをドープしたけい酸ガラスからなる。３ａはレ
ーザ媒質２の上面、３ｂはその下面、４ａはレーザ媒質
２の上下方向に延びる第１の光学的平面、４ｂは同じく
第２の光学的平面である。５ａは第１の光学的平面４ａ
に対して鋭角θをなす第１の端面、５ｂは第２の光学的
平面４ｂに対して鋭角θをなす第２の端面である。６，
６ａ，６ｂはレーザ媒質２の第１の端面５ａに直角に入
射する電磁放射のコヒーレントなビームである。７ａ，
７ｂは第１の光学的平面４ａ側と第２の光学的平面４ｂ
側に設けられたフラッシュランプ、８ａ，８ｂはフラッ
シュランプ７ａ，７ｂを覆うリフレクタである。

【０００３】次に、上記のように構成した従来の内部反
射型固体レーザ装置の作用を説明する。まず、電磁放射
のコヒーレントなビーム６はレーザ媒質２の第１の端面
５ａからレーザ媒質２内に直角に入射し、ついで、２つ
の光学的平面４ａ，４ｂ間を多重反射しながらレーザ媒
質２の長さ方向に進行する。一方、フラッシュランプ７
ａ，７ｂ及びリフレクタ８ａ，８ｂは第１，第２の光学
的平面４ａ，４ｂの表面を等方的にポンプし、ビーム６
の通過に応じて電磁放射の誘導放射を助ける反転分布を
レーザ媒質２内に生じさせる。なお、流体熱交換媒体は
第１，第２の光学的平面４ａ，４ｂの表面を強制対流し
て冷却し、レーザ媒質２内に生じる熱を運び去る。

【０００４】従って、レーザ媒質２は外部からの励起及
び冷却によりその内部に温度分布を持ち、固体結晶内は
光学的に均一ではない。このため、レーザ媒質２の固体
結晶内のビーム経路によって、発振するビームが均一で
なくなる。しかし、第１，第２の光学的平面４ａ，４ｂ
間を多重反射するビーム６の各光線は、異なる熱的内
容、すなわち屈折率を異にする固体結晶内の各領域を均
一に通過することになる。その結果、レーザ媒質２の第
２の端面５ｂから増幅されて出力されるビーム波の位相
のずれは、同一条件で軸方向に直進するビームの場合に
比較すると１／３程度に減少する。すなわちこの従来例
では、レーザ媒質２のある平面での光学的性質を平均化
することにより、この平面内において、発生するビーム
はほぼ均一な性質をもつことになる。

【０００５】図５は例えば特公昭４８−１５５９９号公
報に開示された液冷に適する従来の内部反射型固体レー
ザ装置の一例を示す一部を切欠いた斜視図、図６は図５
のＹ−Ｙ断面図である。９は固体レーザ装置のレーザ本
体、１０ａ，１０ｂは電磁放射のビームをレーザ本体９
内に入射させるガラスプリズムである。１１ａ，１１ｂ
はレーザ本体９内に入射したビームを内部で反射させる
光学的に平滑な第１、第２の光学的平面で、強制的に冷
却される。１２はコヒーレントビーム、１３はフラッシ
ュランプ、１４はリフレクタ、１５はコーナサポートで
ある。なお、リフレクタ１４の内面は光学的平面１１
ａ，１１ｂから離して液体冷却剤の適当な通路となって
おり、コーナサポート１５は液体冷却剤を面１６ａ，１
６ｂから離し、レーザ本体９内にこれらの面１６ａ，１
６ｂに垂直な平面に沿う熱勾配が生じないようにする。
１７ａ，１７ｂはプリズム、１８は偏光子、１９はカー
セル、２０は半透明鏡、２１は鏡である。

【０００６】上記のように構成した従来の内部反射型固
体レーザ装置は、図３及び図４に示した従来例と同様
に、ビームは第１、第２の光学的平面１１ａ，１１ｂ間
を多重反射しながらレーザ本体９内を長さ方向に進行
し、複数種の熱的環境を通過する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成した
従来の内部反射型固体レーザ装置は、レーザ媒質の不均
一性を除去する機構が平面的であり、発生するビームの
軸方向に直角な２方向について、不均一性を除去した面
を含む方向とその直角方向でビーム品質が同一とならな
い。また、ビームの軸に直角な面内ではビームは矩形形
状となり一般の加工に適さない。さらに、レーザ励起に
ついては、一般に円柱形状のランプを用いるため直方体
形状のレーザ媒質では励起効率が悪いという問題があっ
た。

【０００８】上記課題を解決するため、例えば特開昭６
３−１８５０８１号公報、特開平２−１６６７７９号公
報に示すようにレーザ媒質を中空円筒状に構成したもの
があるが、これだけでは上記課題を解決するには十分で
はなかった。

【０００９】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、ビームの軸に直角な面内の各方向について
光学的に均一なビーム品質でかつ円形のビーム形状を励
起効率よく確保することのできる固体レーザ発振装置を
得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体レーザ
発振装置は、中心部が中空でほぼ円筒形状に形成され、
両端面が円筒の軸に対して同方向に同角度傾斜した固体
結晶からなるレーザ媒質を有し、このレーザ媒質の内周
面と外周面とをそれぞれ内部全反射面としたものであ
る。

【００１１】さらに本発明にかかる固体レーザ発振装置
は、中心部が中空でほぼ円筒形状に形成され、両端面が
円筒の軸に対して同方向に同角度傾斜した固体結晶から
なるレーザ媒質を有し、レーザ媒質の内周面と外周面と
をそれぞれ内部全反射面に形成するとともに、その中空
部にレーザ励起ランプを配置したものである。

【００１２】

【作用】ビームをレーザ媒質の内部全反射面で全反射さ
せてジグザグのビーム経路を形成し、これを出射させて
レーザ発振をおこなう。このとき円筒の軸を含む面内の
固体結晶のいろいろな部分をビームが通過し、この面内
のいずれの方向にも均一なビーム品質が得られる。ま
た、円筒の軸を中心に円周方向に均一なビーム品質の面
が存在し、円筒の軸と同一になるビームの軸と直角な面
内のビーム形状を円形状とする。さらに、励起ランプは
その軸方向に直角な面内の全ての方向に励起光を放射
し、効率よくレーザ媒質を励起する。

【００１３】

【実施例】図１は本発明実施例の要部を示す斜視図、図
２は図１の断面図である。２２は結晶体により構成され
た固体レーザ発振器のレーザ媒質で、ほぼ円筒状をな
し、中心部にはレーザ媒質２２と同心状の中空部２３が
形成されている。２４ａ，２４ｂはレーザ媒質２２の内
周面及び外周面で、ビームが結晶体内部で全反射するよ
うに光学研磨され、必要に応じてコーティングが施され
ている。また、２５ａ，２５ｂはレーザ媒質２２の両端
面に形成された載頭円錘状の第１，第２の傾斜面で、こ
の傾斜面２５ａ，２５ｂはレーザ媒質２２のＺ軸に対し
て同方向に同角度傾斜し、両斜面が平行で円錐側面の一
部を形成する形状となっている。この第１，第２の傾斜
面２５ａ，２５ｂはビームの入射及び出射に係るため、
光学研磨され、必要に応じてコーティングが施されてい
る。２６は円柱状をしたレーザ励起用の励起ランプで、
レーザ媒質２２の中空部２３のＺ軸上に配置されてい
る。２７ａ，２７ｂはレーザ媒質２２に入射するビー
ム、２８ａ，２８ｂはレーザ媒質２２から出射するビー
ムである。

【００１４】次に、上記のように構成した本実施例の作
用を説明する。図２に示すＺ軸を含む円筒断面の上側に
おいては、まずビーム２７ａは第１の傾斜面２５ａのＡ
点からレーザ媒質２２に入射し、内周面２４ａのＢ１
点で全反射し、ついで外周面２４ｂのＣ１ 点で全反射
する。以下、Ｂ２ ，Ｃ２ ，Ｂ３ 及びＣ３ におい
てさらに内周面２４ａと外周面２４ｂとの間で全反射を
繰り返し、第２の傾斜面２５ｂのＤ点から出射しビーム
２８ａとなる。一方、円筒断面の下側では、ビーム２７
ｂは上述と同様に第１の傾斜面２５ａのＥ点からレーザ
媒質２２に入射するが、第１の傾斜面２５ａの傾斜方向
が上述の傾斜面と逆になっているのでＺ軸を鏡面とする
ようにして反射進行し、第２の傾斜面２５ｂのＦ点から
出射し、ビーム２８ｂとなる。なお、図２は円筒状のレ
ーザ媒質２２の軸を含む断面であるので、この面はＺ軸
を中心とした円周方向全てに存在し、円筒状のレーザ媒
質２２の軸を含む全ての面にこのビーム経路が存在す
る。

【００１５】このように、本実施例はレーザ媒質２２を
中空の円筒状としてビーム経路をジグザグ形状にしたの
で、レーザ媒質２２のＺ軸方向に直角な面内では内周面
２４ａと外周面２４ｂとの間でいろいろの方向に全反射
を繰り返しながら進行し、この面２４ａ，２４ｂ内の結
晶のいろいろな部分をビームが通過することにより、面
内のいずれの方向にも均一なビーム品質を得ることがで
き、またビームのＺ軸に直角な面でのビーム形状が円形
状（同心円のドーナツ形状）となる。さらに、円柱状の
レーザ励起ランプ２６は、Ｚ軸方向に直角な面内の全て
の方向に励起光を放射する。この励起ランプ２６をレー
ザ媒質２２の円筒内に配置したので、励起ランプ２６の
励起光をレーザ媒質２２に効率よく放射させ、レーザ発
振における励起効率が良好となる。

【００１６】なお、上記の説明では、レーザ媒質２２内
の全反射回数が６回の場合について示したが、本発明は
これに限定するものではなく、一般に全反射回数は、レ
ーザ媒質２２の屈折率、レーザ媒質２２へのビームの入
射角、出射角及びレーザ媒質２２の形状寸法（内径、外
径、長さ）等によって決定される。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、レーザ媒質を中空の円筒状に構成したので、レーザ
媒質の軸方向に直角な面内の媒質の不均一性を平均化で
き、ビーム軸方向に直角な面内でビーム品質を均一化す
ることができる。また、ビームの軸に直角な面内ではレ
ーザビームは円形状で、一般の加工に適するビーム形状
となる。さらに、励起ランプをレーザ媒質の内側に配置
でき、励起効率が良好になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の要部を示す斜視図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】従来の内部反射型固体レーザ装置の一例を示す
一部を切欠いた斜視図である。

【図４】図３のＸーＸ断面図である。

【図５】従来の内部反射型固体レーザ装置の一例を示す
一部を切欠いた斜視図である。

【図６】図５のＹーＹ断面図である。

【符号の説明】

２２ レーザ媒質 ２３ 中空部 ２４ａ 内周面 ２４ｂ 外周面 ２５ａ 第１の傾斜面 ２５ｂ 第２の傾斜面 ２６ 励起ランプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心部が中空でほぼ円筒状に形成され、
   両端面が円筒の軸に対して同方向に同角度傾斜した固体
   結晶からなるレーザ媒質を有し、 該レーザ媒質の内周面と外周面とをそれぞれ内部全反射
   面としたことを特徴とする固体レーザ発振装置。
2. 【請求項２】 中心部が中空でほぼ円筒形状に形成さ
   れ、両端面が円筒の軸に対して同方向に同角度傾斜した
   固体結晶からなるレーザ媒質を有し、 該レーザ媒質の内周面と外周面とをそれぞれ内部全反射
   面に形成するとともに、前記中空部に該レーザ媒質と同
   心的にレーザ励起ランプを配置したことを特徴とする固
   体レーザ発振装置。