JPH06112557A - 固体レーザー装置 - Google Patents

固体レーザー装置

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JPH06112557A
JPH06112557A JP27918192A JP27918192A JPH06112557A JP H06112557 A JPH06112557 A JP H06112557A JP 27918192 A JP27918192 A JP 27918192A JP 27918192 A JP27918192 A JP 27918192A JP H06112557 A JPH06112557 A JP H06112557A
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JP
Japan
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solid
state laser
laser
lens
medium
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Application number
JP27918192A
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English (en)
Inventor
Shin Inoue
慎 井上
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い入力領域にわたって効率よくレーザー光
の広がり角を制御でき、加工性の優れた固体レーザー装
置を提供する。 【構成】 固体レーザー媒質、固体レーザー媒質と同一
方向かつ平行に置かれた励起用ランプ、励起用ランプの
両端に置かれた全反射鏡及び部分反射鏡、固体レーザー
媒質と励起用ランプとを収納する反射箱、励起用ランプ
の両極に接続した電源、固体レーザー媒質と全反射鏡ま
たは部分反射鏡との間に置かれた光学装置を有する固体
レーザー装置で、前記光学装置の焦点距離が可変である
固体レーザー装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザーの発光効率を
高めるための固体レ−ザ−装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】固体レーザー装置は、ロッド状やスラブ
状の固体レーザー媒質(例えば、Nd:YAG、Nd:GGG、Cr:Y
GG等の単結晶やNd入りガラス等)の両端に全反射鏡と部
分反射鏡とを配置し、固体レーザー媒質と同一かつ平行
に置いた励起用ランプの放電光により固体レーザー媒質
を励起させ、励起によって発生した蛍光を反射鏡間で共
振させてレーザー光として出力させるもので、物質の切
断、溶接、マーキング等の材料加工に応用されている。
【0003】図2は上記固体レ−ザ−装置の概念図であ
る。固体レーザー媒質1は励起用ランプ2とともに反射
箱3に収納され、これらレーザー媒質1と励起用ランプ
2とは反射箱3に導入される水で冷却される。反射箱3
の外部に露出している固体レーザー媒質1の一方の端面
4側には全反射鏡5が、また他方の端面6には部分反射
鏡7が配置され、固体レーザー媒質1の端面6と部分反
射鏡7との間に光学装置8が配置され、もって共振系が
構成される。
【0004】励起用ランプ2を電源9によって点灯して
固体レーザー媒質1に放電光を照射すると、固体レ−ザ
−媒質1内の励起物質(例えば Nd3+ イオン、 Cr3+
オン等)が高いエネルギー準位に励起される。この高い
エネルギー準位から低いエネルギー準位に遷移する際に
蛍光が発せられ、この蛍光が更に刺激となって蛍光の誘
導放出を惹き起こす。上記共振系は全反射鏡5で反射さ
れた光が端面4から固体レーザー媒質1内を通って端面
6に到達し、この端面6から出て光学装置8を通って部
分反射鏡7へ向かい、該部分反射鏡7から反射した光が
再び同一光路10を通るように調整してあり、従ってこ
の光路10上を光が往復する間に増幅されて、部分反射
鏡7よりレーザー光出力が得られる。
【0005】一般に固体レ−ザ−装置では、励起用ラン
プ2からの励起入力の増加に従って固体レ−ザ−媒質1
内に発生する熱が増大し、固体レ−ザ−媒質1自体が光
学的に凸レンズ化する、いわゆる熱レンズ効果が生じ
る。このため、出力されるレ−ザ−光のビ−ム広がり角
は励起入力の増加にともなって大きくなる。レ−ザ−光
のビ−ム広がり角が大きくなると、材料加工における被
加工物表面でのビ−ムスポット径も大きくなり、加工速
度の低下、切断幅の広がり、加工かすの被加工物への付
着等、加工品質の低下を招くことになる。
【0006】そこで従来の固体レーザー装置では、この
レーザー光のビーム広がり角の増大を光学装置8によっ
て修正している。この光学装置8による修正の方法には
以下の2方法が知られている。図3は第1の方法の概念
図である。第1の方法では光学装置8としてアパ−チャ
−8aを用い、広がった光の外周部分を遮蔽してレーザ
ー光の広がり角の増大を防止する。
【0007】図4は第2の方法の概念図である。第2の
方法では光学装置8として固定焦点のレンズ(または複
数のレンズ)8bを用い、広がった光を平行にしてレー
ザー光の広がり角の増大を防止する。
【0008】以上の方法によってレーザー光の広がり角
の増大が防止されるが、第1の方法ではアパ−チャ−8
aで遮蔽した分の光エネルギーが失われ、レ−ザ−光出
力が低下してしまうという欠点がある。この点第2の方
法では、ある特定の励起入力値での熱レンズ効果を最適
に補正するような焦点距離のレンズを選択すれば、その
入力値では光エネルギーの損失無く効果的にレーザー光
の広がり角の増大を防止できる。
【0009】しかし、レンズ8bの焦点距離が固定され
ているため、励起入力値を変化させて使用する場合に
は、ある入力領域では効率良いが、それ以外の入力領域
ではレーザー光の広がりが逆に大きくなったり、光が共
振系固有の安定共振条件を満たさなくなってレーザー光
出力が止まってしまうという不都合が生ずる。このため
第2の方法は、広い入力領域でレーザー光を出力させる
場合に不適当である。入力値に応じてレンズ8bを焦点
距離の異なるものと交換して使用することも考えられる
が、レンズ8bの交換の都度手間のかかる光軸調整を必
要とするため好ましくない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、広い
入力領域にわたって効率良くレーザー光のビーム広がり
角を最適に制御できる固体レーザー装置を提供すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の固体レーザー装置は、固体レ−ザ−媒質と、該
固体レ−ザ−媒質と同一方向かつ平行に置かれた励起用
ランプと、該励起用ランプの両端に置かれた全反射鏡及
び部分反射鏡と、該固体レ−ザ−媒質と該励起用ランプ
とを収納する反射箱と、該励起用ランプの両極に接続し
た電源と、該固体レーザー媒質と該全反射鏡または該部
分反射鏡との間に置かれた光学装置とを有する固体レー
ザー装置において、前記光学装置の焦点距離が可変であ
る点に特徴がある。
【0012】本発明に使用する固体レーザ媒質は、公知
のいかなる種類も使用でき、例えばルビーのコランダム
結晶(Cr3+:Al2O3)、Ndイオン添加YAG結晶(Nd3+:Y3Al5O
12)、Crイオン添加ガーネット結晶(YGG (Cr3+:Y3Ga5O
12)、YSGG (Cr3+:Y3(Sc,Ga)2Ga3O12)、GGG (Cr3+:Gd3Ga
5O12)、GSGG (Cr3+:Gd3(Ga,Sc)2Ga3O12)、LLGG (Cr3+:
(La,Lu)5Ga3O12))、GSAG結晶(Nd3+:Cr3+:Gd3Sc2Al
3O12)、YLF結晶(YLiF4)、斜方晶系クリソベリル構造の
アレキサンドライト(Cr3+:BeAl2O4)、六方晶系ベリル構
造のエメラルド(Cr3+:Be3Al2(SiO3)6)、単斜晶系のBEL
結晶(Nd3+:La2Be2O5)、Nd入りガラス等がある。
【0013】励起用ランプには、Kr、Xe等の希ガス
を封入したフラッシュランプ、ア−クランプ等を用いる
ことができ、連続励起またはパルス励起で使用される。
全反射鏡及び部分反射鏡には、合成石英の母材表面無反
射コーティングを施したもの、溶融石英にチタニアやハ
フニア等の金属酸化物を真空蒸着したものが使用でき
る。電源には、直流やパルス電流が使用できる。部分反
射鏡の反射率は通常10〜60%で、固体レーザー装置
の構成、レーザー光出力等によって適宜選択される。焦
点距離を可変とした光学装置は固体レーザー媒質と部分
反射鏡との間、または固体レーザー媒質と全反射鏡との
間、またはこれら両方に配置される。
【0014】光学装置の焦点距離を可変にするには、例
えば、光路と同一方向に移動可能とした単レンズ、或い
は、1枚以上が光路と同一方向に移動可能とした複数レ
ンズの組み合わせを、光軸が一致するように配置して用
いれば良い。複数レンズの組み合わせの場合のレンズの
枚数は、11枚を超えると光の損失が大きくなるので好
ましくは10枚以下である。ここで、光学装置の焦点距
離とは、単レンズの場合はそのレンズの、複数レンズの
場合はそれらの組み合わせによって決まる光学装置全体
としての焦点距離をいう。
【0015】レンズには、ガラスまたは石英を材質とす
る凸レンズや凹レンズ等が組み合わされ、レンズの表面
に無反射コ−ティングを施しても良い。光がレンズを透
過すると一般的にレ−ザー光出力の損失が生じるが、レ
ンズ表面に無反射コ−ティングを施すことで、レンズ1
枚あたりの損失は高々1%以下に抑えられ、複数枚のレ
ンズを使用した場合でも出力損失は数%以下に抑えられ
る。これは、前記従来の第1の方法でアパーチャーを使
用する場合に比べて非常に小さい。
【0016】レンズの移動には、例えばステッピングモ
−タを有する駆動装置によって自動で移動させても良い
し、手動で移動させても良い。移動機構には、スライド
式、ネジによる回転繰り出し式、電磁石による移動、油
圧の使用等を用いることができる。自動による移動の場
合、レンズ駆動装置にはシーケンサやNC制御装置等で
外部より制御しても良い。外部制御装置にあらかじめ各
入力値に対する最適なレンズの位置を記憶させること
で、入力値の変化に応じてレンズを移動させ、最適な光
学的構成を取ることもできる。
【0017】また、光学装置として外部応力によって焦
点距離が変化するレンズを用いても良い。なお、レーザ
ー光を発振させる方法は、従来の固体レーザー装置と同
様の方法で良い。
【0018】
【作用】本発明の固体レ−ザ−装置は、光学装置の焦点
距離を可能としたので、光学装置を励起入力値に応じて
適宜調整することによって、常にレーザー光の広がり角
が小さくなるような最適な光学的構成をとることができ
る。
【0019】
【実施例】実施例 ・・・ 本発明の一実施例を構成
し、レーザー光を発振させた。固体レーザー装置の構成
は図2の通りであり、光学装置8の概念図を図1に示
す。固体レーザー物質1には、半径5mm、長さ200
mm、Ndを0.8原子%添加したYAGのロッド型結
晶を用いた。レ−ザ−励起装置2には、Krフラッシュ
ランプを2本用い、電源9からの電流でパルス発光させ
た。全反射鏡5、部分反射鏡7ともにチタニアを溶融石
英に真空蒸着した平面鏡を用い、共振器長を900mm
として、固体レーザー媒質1を全反射鏡5と部分反射鏡
7との中心に配置した。光学装置には、焦点距離300
mmの凸レンズ8cと、焦点距離150mmの凹レンズ
8dの、いずれも口径30mmの溶融石英レンズを用
い、これらをレンズホルダー11、12によってそれぞ
れ支持し、レンズホルダー11は筐体13に取付け、レ
ンズホルダー12は筐体13に設けたガイドロッド14
によって支持した。
【0020】レンズホルダー12には雌ネジが、ガイド
ロッド14には雄ネジが切られ、駆動装置15によって
ガイドロッド14を回転させると、レンズホルダー12
が光軸と平行に移動できるようにした。駆動装置15に
は、1ステップあたり0.36度の角度で回転するステ
ッピングモーターが用いられ、1ステップ当たり1μm
で凸レンズ8dを移動できる。筐体13には、回転2
軸、平行移動2軸の微調整機構が設け、光軸に対して常
にレンズ系の光軸が一致するように調整を行えるように
した。
【0021】上記の構成で励起入力値5〜20kWの範
囲でレーザー光を発振させた。レーザーの発振は、あら
かじめ各入力値の際の固体レ−ザ−媒質1の熱レンズ効
果の大きさを測定し、その値を補正するような凹レンズ
8dの位置を、駆動装置15に接続した演算・制御装置
16に記憶させ、各励起入力値に応じて演算・制御装置
16から信号を送って駆動装置15を動かし、凹レンズ
8dの位置を変化させながら行なった。図5に、励起入
力値に対するレーザー光の広がり角を、図6に、励起入
力値に対するレーザー光の出力値を黒丸で示した。レー
ザー光の広がり角は、概ね15mrad以下であれば良
いが、励起入力値の増大に対してもレーザー光の広がり
角は安定して小さく、レーザー出力の効率も良かった。
【0022】比較例 ・・・ 図2に示すレーザー装置
の構成で、光学装置8に何も使用しなかった以外は実施
例と同じ条件でレーザー光を発振させた。図5に、励起
入力値に対するレーザー光の広がり角を、図6に、励起
入力値に対するレーザー光の出力値を白丸で示した。励
起入力値の増大に従ってレーザー光の広がり角は増大
し、レーザー出力の効率も悪かった。
【0023】以上より明らかなように、本発明の固体レ
ーザー装置は従来のものと比較して、広い励起入力値に
対してレーザー光の広がり角が小さく、また効率も良い
ことがわかった。
【0024】
【発明の効果】本発明により、広い入力領域にわたって
効率良くレーザー光の広がり角を制御でき、加工性の優
れた固体レーザー装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザー装置の一実施例を示す概念図
である。
【図2】従来の固体レ−ザ−装置の概念図である。
【図3】従来の固体レーザー装置のレーザー光のビーム
広がり角の増大を修正する第1の方法の概念図である。
【図4】従来の固体レーザー装置のレーザー光のビーム
広がり角の増大を修正する第2の方法の概念図である。
【図5】励起入力値に対するレーザー光の広がり角を示
す図である。
【図6】励起入力値に対するレーザー光の出力値を示す
図である。
【符号の説明】
1 固体レーザー媒質 2 励起用ランプ 3 反射箱 4 固体レーザー媒質の端面 5 全反射鏡 6 固体レーザー媒質の端面 7 部分反射鏡 8 光学装置 8a アパーチャー 8b 固定焦点レンズ 8c 焦点距離を可変とした光学装置 9 電源 10 光路 11、12 レンズホルダー 13 筐体 14 ガイドロッド 15 駆動装置 16 演算・制御装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体レ−ザ−媒質と、該固体レ−ザ−媒
    質と同一方向かつ平行に置かれた励起用ランプと、該励
    起用ランプの両端に置かれた全反射鏡及び部分反射鏡
    と、該固体レ−ザ−媒質と該励起用ランプとを収納する
    反射箱と、該励起用ランプの両極に接続した電源と、該
    固体レーザー媒質と該全反射鏡または該部分反射鏡との
    間に置かれた光学装置とを有する固体レーザー装置にお
    いて、前記光学装置の焦点距離が可変であることを特徴
    とする上記固体レ−ザ−装置。
JP27918192A 1992-09-25 1992-09-25 固体レーザー装置 Pending JPH06112557A (ja)

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