JPH06268292A - 固体レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱レンズ効果等による光学的歪みを補正し、
高出力のレーザ光を得る。 【構成】 第１及び第２レーザ媒質１、２（厚みＴ）間
には、等距離（距離ｄ）で且つ平行にフラッシュランプ
３１，３２が配置されている。端面１ｂ及び２ｂ間に配
置された反射鏡系１０（３つの鏡１１〜１３より構成さ
れる）によって、レーザ光は次の光路を通る。第１レー
ザ媒質１の強励起部（距離ｘ_A ）を通ったレーザ光ＬＡ
は、第２レーザ媒質２の弱励起部（距離Ｔ−ｘ_A ）を通
る。逆に弱励起部（距離ｘ_B ）を通ったレーザ光ＬＢ
は、強励起部（距離Ｔ−ｘ_B ）を通ることとなる。これ
により、各レーザ媒質１、２内の屈折率分布は、全域に
亘り均一化され、ゲイン分布は均一なものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＹＡＧレーザやガラ
スレーザ等の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６は、特開平３−６６１８５号公報に
開示された固体レーザ発振装置を示した構成図である。
同図中、（ａ）は正面図を、（ｂ）は平面図を示してい
る。

【０００３】本レーザ発振装置では、レーザ媒質として
スラブ型の形状を有するＹＡＧ結晶２０を用いている。
ＹＡＧ結晶２０の断面は矩形に形成されており、その長
手方向の両端部にはそれぞれ厚さ方向に対してベベル加
工（ブリュスター角を考慮したもの）がなされている。
又、ＹＡＧ結晶２０の上面２６及び下面２７に対向する
ように、フラッシュランプ２３（ＫｒアークランプやＸ
ｅアークランプ等）が励起用光源として配置されてい
る。更にベベル加工されたＹＡＧ結晶２０の両端面２
１、２２に対向する様に、それぞれ出力鏡２５及び反射
鏡２４が配置されている。尚、反射鏡２４は、図６
（ｂ）に示す様に、Ｗ型形状に構成されている。

【０００４】本レーザ発振装置がこのような構成を備え
るのは、ＹＡＧ結晶２０の厚み方向及び巾方向に対し
て、熱レンズ効果が発生するのを防止する為である。こ
の熱レンズ効果は、周知の通り、励起光によってレーザ
媒質（ＹＡＧ結晶２０等）内に生じる熱の温度分布に起
因するものである。即ち、本レーザ発振装置では、ＹＡ
Ｇ結晶２０の中心部が最も温度が高く、周囲に向かうに
つれて温度は低くなる。ＹＡＧ結晶２０の屈折率の温度
係数は正であるため、その中心部程屈折率が高くなるこ
とになる。このため、ＹＡＧ結晶２０内では、光の屈折
率分布が発生し、光路差が発生することとなる（熱レン
ズ効果）。

【０００５】そこで本従来技術では、レーザ媒質として
スラブ型のＹＡＧ結晶２０を用いると共に、その両端面
２１、２２を共に厚み方向に対してベベル加工を施して
いる。これにより、レーザ光は、ＹＡＧ結晶２０の上面
２６及び下面２７に於いて反射を繰り返しながらＹＡＧ
結晶２０内をじぐざぐに伝播すると共に、反射鏡２４と
出力鏡２５との間を共振することとなる。その結果、厚
み方向に対しては屈折率分布は均一化されることとな
る。

【０００６】一方、巾方向に対しては、熱レンズ効果等
の発生は次のように防止される。図６（ｂ）に示すよう
に、Ｗ型形状の反射鏡２４の中央の頂点２８はＹＡＧ結
晶２０の巾方向の中心位置に設置されているため、中心
位置付近を通ったレーザ光は当該反射鏡２４によってほ
ぼ９０度で反射され、再びＹＡＧ結晶２０の側面部付近
を通ることとなる。しかも当該レーザ光は出力鏡２５に
よって反射されて側面部付近を通過した後、再び反射鏡
２４によって反射された上、中心付近を通過することと
なる。従って、巾方向に対する屈折率分布も又均一化さ
れ、熱レンズ効果等の発生が防止されることとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術は以上の様に
熱レンズ効果等を防止することが出来るが、これは理想
的な状態において成立する話であり、現実には次の様な
問題点が発生していた。

【０００８】 先ず従来技術は、厚み方向における熱
レンズ効果等を確実に補正することが出来なかった。こ
れは、次の様な原因によるものである。

【０００９】その第１は、レーザ媒質の両端部を高精度
でベベル加工することが困難であることによる。このた
め、厚み方向に対して一定の傾きを持ったベベル加工面
を形成することが出来なくなり、図６（ａ）に示す様な
じぐざぐの光路を確保することが難しくなる。

【００１０】第２としては、常温時においてもレーザ媒
質内の屈折率分布は均一でないことに起因している。一
般に、ＹＡＧ結晶等のレーザ媒質は引き上げ法によって
形成されたインゴットより研磨・切断を通じて得られ
る。しかし、製造上、インゴット内の屈折率分布を全域
に亘り均一化するのは困難であり、屈折率が一定の領域
は極めて狭いというのが実情である。この様なインゴッ
トよりレーザ媒質が切り出されるため、レーザ媒質内に
は屈折率が均一な領域と不均一な領域とが混在している
こととなる。更に加えて、実際にはレーザ媒質の両端部
（ベベル加工部）を固定することにより当該媒質を支持
しているが、この支持部より応力が加わる結果、レーザ
媒質の両端部近傍における屈折率分布の歪みは、長手方
向中心部近傍におけるそれと比較して大きなものとなっ
てしまう。この様に常温時においてさえも様々な要因に
よりレーザ媒質内に屈折率の不均一な領域が発生してい
る。更にこの様な状況に加えて、光励起による屈折率分
布の不均一が加わるため、仮に上記じぐざぐ光路をレー
ザ媒質内に確保することが出来たとしても、反射を繰り
返すことによって屈折率分布を媒質内全域に亘り均一化
することは極めて困難なものとなる。

【００１１】 又、上記ベベル加工はその精度の低さ
に加えて、加工費が高いという問題点をも内包してい
る。更に本従来技術では反射鏡としてＷ型構造のものを
採用しているが、その様な形状をミラー等によって形成
することは容易でなく、その光軸調整も又困難なもので
ある。この様な加工費のアップや調整時間の増大は、レ
ーザ発振装置自身のコストをも増大させる結果となる。

【００１２】 又、Ｗ型構造の反射鏡調整が困難であ
ることは、本従来技術が意図していた巾方向への熱レン
ズ効果等の補正をも実現困難なものとさせてしまう。即
ち、Ｗ型反射鏡の位置がずれた場合には、レーザ光は当
該反射鏡においてほぼ９０度で反射されなくなってしま
い、強励起部を通過したレーザ光は、それに対応した弱
励起部を通過し得なくなってしまう。この様に本従来技
術は、Ｗ型構造の反射鏡の微妙な光軸調整に依存してい
るものである。

【００１３】 更に本従来技術は、高出力のレーザ光
を得ることが困難であるという問題点をも有している。
確かに本従来技術においても、レーザ媒質自身の寸法を
大きくすることによって高出力化を行うことは可能であ
る。しかしながら、実際上はスラブ型のレーザ媒質の寸
法にも製造上制限があり、必要な出力に見合っただけの
寸法を実現出来る保証はない。しかも前述した様に、イ
ンゴット内の屈折率分布が一定の領域は極めて狭いた
め、大きな寸法の結晶を当該インゴットより切り出すこ
とは結晶内の屈折率分布の不均一化を一層進めることと
なってしまう。この様に、従来技術では、スラブ型レー
ザ媒質の寸法を大きくすることは好ましくないものであ
ると言える。又、当該レーザ媒質の寸法を大きくする
と、それに伴ってＷ型形状の反射鏡自身をも大きな寸法
とする必要が生じ、更にその実現の困難性及び光軸調整
の困難性を加速することとなってしまう。

【００１４】

【発明の目的】この発明は、以上の様な問題点を全て同
時に解決すべくなされたものである。即ち、熱レンズ効
果等による光学的歪みを確実に補正し、且つ高出力のレ
ーザ光を出力することが出来ると共に、簡単な光学的構
成を有し、その組立及び光軸調整が容易な固体レーザ発
振装置を実用に供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、互いに平行
配置され同一の厚みＴを有する２つのレーザ媒質（第１
及び第２レーザ媒質）を用いており、光励起手段を当該
２つのレーザ媒質間に等距離で、且つ平行となる様に挿
入している。そして出力鏡を第１レーザ媒質の一端に対
面して配置するとともに、反射鏡を第２レーザ媒質の一
端に対面して配置している。更に、光励起手段に対面し
た第１レーザ媒質の面から厚み方向に距離ｘだけ離れた
第１レーザ媒質内の光路を通ったレーザ光が、光励起手
段に対面した第２レーザ媒質の面から厚み方向に距離
（Ｔ−ｘ）だけ離れた第２レーザ媒質内の光路を通るよ
うに、反射鏡系を第１レーザ媒質の他端と第２レーザ媒
質の他端間の光路上に配置している。

【００１６】

【作用】第１及び第２レーザ媒質間に光励起手段が等距
離・平行で配置されているため、第１及び第２レーザ媒
質内では、光励起手段に対面した面側ほど強励起とな
る。そのため、各レーザ媒質内の温度分布は、光励起手
段に対面した面の温度が最も高く、当該面から中心へ向
かって遠ざかるにつれて媒質内の温度が低くなることと
なる。

【００１７】一方、第１レーザ媒質内の強励起部を通っ
たレーザ光は、反射鏡系を通った後、第２レーザ媒質内
の弱励起部を通ることとなる。逆に、第１レーザ媒質内
の弱励起部を通ったレーザ光は、第２レーザ媒質内の強
励起部を通ることとなる。第２レーザ媒質から反射鏡系
を介して第１レーザ媒質へレーザ光が入射する場合につ
いても、同様のことが成立する。

【００１８】この様に第１及び第２レーザ媒質内の光路
が互いに断面方向に関して反転しているため、第１及び
第２レーザ媒質内では、均一な励起が行われることとな
る。

【００１９】

【実施例】Ａ． 実施例１（スラブ型）

【００２０】（１） 光学的構成

【００２１】図１は、この発明の一実施例である固体レ
ーザ発振装置（以下、レーザ発振装置と略す）の正面図
を模式的に示した光学的構成図である。従って、本図１
には必要な構成部分のみが描かれており、レーザ媒質冷
却用の冷却水や励起光源の電源等の図示化は省略されて
いる。又、図１に示した断線Ｉ−Ｉに関する断面図を、
図２に示す。各部の構成は、次の通りである。

【００２２】本レーザ発振装置では、レーザ媒質とし
て、ＹＡＧ結晶やガラス等よりなる２つのスラブ型のレ
ーザ媒質が用いられる。以後、レーザ媒質１を第１レー
ザ媒質と、レーザ媒質２を第２レーザ媒質と呼ぶことと
する。第１及び第２レーザ媒質１、２は、共に巾方向及
び長手方向の断面が矩形型のスラブ形状を有している。
しかも両媒質１、２は、共に厚みＴを有しており、互い
に平行配置されている。第１レーザ媒質１の一方の端面
１ａ側には出力鏡４が配置されており、又、第２レーザ
媒質２の一方の端面２ａ側には反射鏡５が配置されてい
る。これらの鏡４及び５はレーザ共振器を構成してい
る。

【００２３】又、第１レーザ媒質１の他方の端面１ｂ及
び第２レーザ媒質２の他方の端面２ｂの間の光路上に
は、反射鏡系１０が配置されている。この反射鏡系１０
は、３つの鏡１１、１２、１３より構成されており、後
述する様に、一方のレーザ媒質内の強励起部を通ったレ
ーザ光が他方のレーザ媒質内の弱励起部を通る様に、こ
れら３つの鏡１１〜１３の配置が決定される。

【００２４】更に本レーザ発振装置では、第１及び第２
レーザ媒質１，２の間に、光励起手段３が配置される。
本実施例では、光励起手段３として、２つのフラッシュ
ランプ３１、３２（ＫｒアークランプやＸｅアークラン
プ等）が用いられており、両媒質１、２間に対称的に配
置されている。しかも図２に示す様に、光励起手段３の
中心軸３３が両媒質１、２間の中央に位置する様に、光
励起手段３が配置されている（距離ｄ）。即ち、図２よ
り明らかな様に、本レーザ発振装置の厚み方向の断面に
関しては、中心軸３３を含む平面に対して面対象な光学
的配置となっている。

【００２５】（２） 動作原理

【００２６】次に本レーザ発振装置における動作原理
を、図１及び図３に基づいて説明する。ここで図３は、
第１及び第２レーザ媒質１、２内の屈折率分布を示した
説明図である。

【００２７】本レーザ発振装置ではフラッシュランプ３
１、３２の両側に第１及び第２レーザ媒質１、２を配置
しているため、各レーザ媒質１、２内に光励起によって
生じる熱温度分布は、次の通りとなる。即ち、レーザ媒
質の内、フラッシュランプ３１、３２に対面した面側部
分の温度が最も高く、そこから中心に向かって遠ざかる
につれて温度は低下することとなる。このため屈折率分
布は、第１レーザ媒質１においては図３のｎ１に、第２
レーザ媒質２においてはｎ２の様になる。

【００２８】しかし、反射鏡系１０を前述した様な配置
としているため、第１レーザ媒質１内の強励起部（図１
の距離ｘ_A の位置）を通ったレーザ光ＬＡは、反射鏡系
１０の各鏡１１〜１３によって順次反射され、第２レー
ザ媒質２においては逆に外側の弱励起部（距離Ｔ−ｘ_A
の位置に該当）を通ることとなる。同様に、第１レーザ
媒質１の外側の弱励起部（距離ｘ_B の位置に該当）を通
ったレーザ光ＬＢは、各鏡１１〜１３によって同じく順
次反射された後、第２レーザ媒質２内の強励起部（距離
Ｔ−ｘ_B の位置に該当）を通ることとなる。レーザ光Ｌ
Ａ、ＬＢは、反射鏡５及び出力鏡４の間で往復を繰り返
すこととなるので、第２レーザ媒質２から第１レーザ媒
質１へと進む場合にも同様に、上記原理が成り立つこと
となる。この様に本レーザ発振装置では、反射鏡系１０
によって各レーザ媒質内のレーザ光の光路を断面方向に
関して反転させた状態となっている。

【００２９】従って屈折率分布ｎ１を有する第１レーザ
媒質１を通過したレーザ光は、屈折率分布ｎ１′（屈折
率分布ｎｌに相当）で示される光学的歪みを受けた状態
で、第２レーザ媒質２内へ入射することとなり、屈折率
分布ｎ２はキャンセルされ、第２レーザ媒質２における
屈折率分布は均一な屈折率分布ｎ２０となる。同様に、
第２レーザ媒質２から第１レーザ媒質１へと入射するレ
ーザ光は、屈折率分布ｎ２′で示される様な光学的歪み
を受けた状態であるため、第１レーザ媒質１の屈折率分
布ｎ１も又キャンセルされることとなり、均一な屈折率
分布ｎ１０となる。この様にして、第１及び第２レーザ
媒質１、２内のゲイン分布はレーザ媒質全域に亘って均
一化されることとなる。

【００３０】本実施例では、フラッシュランプ３１、３
２を両レーザ媒質１、２に対し対称に配置しているた
め、励起光は両レーザ媒質１、２へ均等に入射すること
となる。従って、フラッシュランプ３１、３２の励起光
を効率良く使用することが可能となる。しかも本実施例
では、２つのフラッシュランプ３１、３２を使用してい
るため、光励起手段３の励起パワーを高めることが可能
である。又、レーザ媒質として２つの媒質を利用してい
るため、吸収領域が増す結果、容易に高出力のレーザ光
を発振させることが可能である。

【００３１】尚、本実施例では、厚み方向の熱レンズ効
果等を補正することが可能であるが、一方、巾方向に関
しては、厚み方向に対して行った様な温度勾配のキャン
セルはなされていない。しかし、巾方向への励起光の光
量分布の不均一は僅かであり、実際上は厚み方向におけ
る熱レンズ効果等の影響よりも無視できる程度である。
そのため、本実施例では、従来技術で行われていた様な
巾方向への補正を行っておらず、厚み方向への確実な補
正の実現に着眼点を置いている。又、本実施例では２つ
のフラッシュランプ３１、３２を用いて両レーザ媒質
１、２を均等に照明しているため、巾方向への熱レンズ
効果等は殆ど生じていないものと考えられる。

【００３２】以上の様に、本実施例では厚み方向の屈折
率勾配を容易にキャンセルすることが出来るため、ビー
ム性能の良好なレーザ光（光学的歪みの無い、高出力レ
ーザ光）を得ることが出来る。しかも、高出力化に際し
レーザ媒質の寸法を特別に大きくする必要がなく、又、
ベベル加工の様な特別な加工をも必要としないため、レ
ーザ媒質の加工費用等の部材費を大幅に低減することが
出来る。しかも、図１の構成から明らかな通り、簡単な
光学的組み合わせを用いているのみであり、本レーザ発
振装置の組立及びその光軸調整は、極めて容易であるこ
とが理解される。

【００３３】Ｂ． 実施例２（ロッド型）

【００３４】図４は、この発明の第２の実施例であるレ
ーザ発振装置の断面図を模式的に示した構成図である。
本実施例２においても、２つのレーザ媒質（第１レーザ
媒質１Ａ、第２レーザ媒質２Ａ）が用いられており、両
レーザ媒質１Ａ、２Ａ間に等距離・平行で光励起手段３
Ａ（本実施例２ではフラッシュランプ１台）が配置され
ている。これらの点に関しては、前述の実施例１と同一
である。しかし、本実施例２では、第１及び第２レーザ
媒質１Ａ、２Ａとして、ロッド型のレーザ媒質が利用さ
れており、しかも両レーザ媒質１Ａ、２Ａ及び光励起手
段３Ａが楕円型の容器６の焦点位置にそれぞれ配置され
ている。

【００３５】この様な配置のため、光励起手段３Ａより
放出された励起光は、楕円型容器６の壁面で反射された
後、焦点位置に配置された各レーザ媒質１Ａ、２Ａに入
射することとなる。そのため、この限りにおいては、各
レーザ媒質１Ａ、２Ａ内には、光励起による温度分布の
勾配は生じないこととなる。しかし、光励起手段３Ａか
ら直接に各レーザ媒質１Ａ、２Ａへ入射する励起光が存
在するため、本実施例２においても同様に第１及び第２
レーザ媒質１Ａ、２Ａ内には温度勾配が発生することと
なる。

【００３６】しかし、実施例２においても実施例１にお
ける反射鏡系１０が適用されているため（図示せず）、
同じく各レーザ媒質１Ａ、２Ａ内で発生する温度勾配
を、確実にキャンセルすることが可能となる。この点
は、上述説明より明白なところである。

【００３７】Ｃ． その他（励起光源について）

【００３８】 実施例１においては、光励起手段３と
して２つのフラッシュランプ３１、３２を用いていた
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
図５（ａ）に示す様に、１個のフラッシュランプ３Ｂを
用いることも可能である。但しこの場合には、吸収効率
を高めるため、高出力のフラッシュランプを用意する必
要がある。

【００３９】又、光励起手段としては、図５（ｂ）に示
す様に、断面が半球型のフラッシュランプ３Ｃ１，３Ｃ
２よりなる光励起手段３Ｃを用いることも可能である。
この場合においても、光励起手段３Ｃは、第１及び第２
レーザ媒質１、２よりそれぞれ等距離ｄ′の位置に平行
的に配置される。

【００４０】 又、上記実施例１、２においては同一
材料からなる第１及び第２レーザ媒質を用いてきたが、
必ずしも本発明はこの点に限定されるものではない。第
１及び第２レーザ媒質として、共に厚みＴを有し且つそ
の光学的性質が類似するもの同士であれば、使用可能で
ある。

【００４１】

【発明の効果】 この発明は、反射鏡系によって、第
１及び第２レーザ媒質内のレーザ光の光路を、互いに断
面方向に関して反転させているため、各レーザ媒質に生
じる温度勾配をキャンセルすることができ、その結果、
熱レンズ効果等の光学的歪を確実に補正することができ
る。これにより、レーザ光のゲイン分布をレーザ媒質内
全体に対し一様にすることが可能となる。

【００４２】 この発明では、レーザ媒質として第１
及び第２のレーザ媒質を用いており、しかも上述した様
に各レーザ媒質を均一に光励起しているので、レーザ光
の高出力化を容易に達成することができる。

【００４３】、より本発明は、ビーム性能の良好な
レーザ光を出力することができる。

【００４４】 又、この発明では、光学系（第１及び
第２レーザ媒質、光励起手段、反射鏡系等）の簡単な構
成ないしは組合せによって上記効果、を達成してい
るため、その光軸調整を従来技術と比較して格段に容易
なものとすることが可能である。更にこの発明では、従
来技術の様にレーザ媒質を特別な形状に加工する必要が
ないため、レーザ媒質の加工費用を格段に低減せしめる
ことが可能となる。従って、本発明は、低コストで実用
的な固体レーザ発振装置を提供することができる。

【００４５】 更にこの発明では、光励起手段の両側
に第１及び第２レーザ媒質を配置しているため、励起光
を有効に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である固体レーザ発振装置
の構成を模式的に示した正面図である。

【図２】この発明の一実施例である固体レーザ発振装置
の断面図である。

【図３】第１及び第２レーザ媒質内における屈折率分布
を示した説明図である。

【図４】この発明の他の実施例である固体レーザ発振装
置の構成を模式的に示した断面図である。

【図５】光励起手段としての変形例を示した断面図であ
る。

【図６】従来の固体レーザ発振装置の構成を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 第１レーザ媒質 ２ 第２レーザ媒質 ３ 光励起手段 ３１、３２ フラッシュランプ ４ 出力鏡 ５ 反射鏡 １０ 反射鏡系 １１、１２、１３ 鏡 ＬＡ、ＬＢ レーザ光

フロントページの続き (72)発明者 武内 清 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明和 工業株式会社開発技術本部内 (72)発明者 野田 智靖 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明和 工業株式会社開発技術本部内 (72)発明者 奥田 宏史 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明和 工業株式会社開発技術本部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに平行配置され、且つ同一の厚みＴ
   を有する第１及び第２レーザ媒質と、 前記両レーザ媒質に対し等距離でしかも平行となるよう
   に当該両レーザ媒質間に配置された光励起手段と、 前記第１レーザ媒質の一端に対面して配置された出力鏡
   と、 前記第２レーザ媒質の一端に対面して配置された反射鏡
   と、 前記第１レーザ媒質の他端と第２レーザ媒質の他端間の
   光路上に配置された反射鏡系とを備えており、 前記光励起手段に対面した前記第１レーザ媒質の面から
   厚み方向に距離ｘ（ｘ≦Ｔ）だけ離れた前記第１レーザ
   媒質内の光路を通ったレーザ光が、前記反射鏡系を通っ
   て前記第２レーザ媒質内に入射した後は、前記光励起手
   段に対面した前記第２レーザ媒質の面から厚み方向に距
   離（Ｔ−ｘ）だけ離れた光路を通るように、前記反射鏡
   系が構成されていることを、 特徴とする固体レーザ発振装置。