JPH0728066B2 - Rod type solid state laser device - Google Patents

Rod type solid state laser device

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JPH0728066B2
JPH0728066B2 JP62240169A JP24016987A JPH0728066B2 JP H0728066 B2 JPH0728066 B2 JP H0728066B2 JP 62240169 A JP62240169 A JP 62240169A JP 24016987 A JP24016987 A JP 24016987A JP H0728066 B2 JPH0728066 B2 JP H0728066B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はYAGレーザ等、レーザ媒質として結晶,ガラ
スの母材に遷移金属イオン,希土類元素イオン等をドー
プした円柱状のロッドを用いたロッド型固体レーザ装置
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial application] The present invention is a rod using a YAG laser or the like, which is a cylindrical rod in which a base material of a crystal or glass is doped with transition metal ions, rare earth element ions or the like as a laser medium. Type solid-state laser device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に知られているように固体レーザ装置のレーザ媒質
としてYAG(Y3Al5O12),GGG(Gd3Ga5O12),GSGG(Gd3Sc
2Ga3O12)等の結晶,ガラスの母材に遷移イオン(C
r3+)あるいは希土類元素イオン(Nd3+)等の不純物を
少量ドープしたものが用いられている。またその形状は
円柱状のロッド型が一般的であるが、最近ではスラブ型
のものも出現している。
As is generally known, YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), GGG (Gd 3 Ga 5 O 12 ), GSGG (Gd 3 Sc
2 Ga 3 O 12 ) and other crystals, transition ions (C
r 3+ ) or a rare earth element ion (Nd 3+ ) doped with a small amount of impurities is used. The shape is generally a cylindrical rod type, but recently, a slab type has also appeared.

ここで第5図,第6図にロッド型固体レーザ装置を、第
7図,第8図にスラブ型固体レーザ装置の構成概要を示
す。まず第5図,第6図において、1は円柱状のレーザ
媒質ロッド、2は光励起ランプ、3は励起光集光用の楕
円筒形反射鏡、4,5はロッド1の両端側に対向配備した
光共振器用の全反射鏡,および出力鏡、6は楕円筒型反
射鏡の内部を通流する冷却水であり、ロッド1および光
励起ランプ2は楕円筒型反射鏡の各焦点に位置してい
る。
Here, FIGS. 5 and 6 show a rod-type solid-state laser device, and FIGS. 7 and 8 show a configuration outline of a slab-type solid-state laser device. First, in FIGS. 5 and 6, 1 is a cylindrical laser medium rod, 2 is an optical excitation lamp, 3 is an elliptic cylindrical reflecting mirror for collecting excitation light, and 4,5 are opposed to each other on both ends of the rod 1. The total reflection mirror for the optical resonator and the output mirror, 6 is the cooling water flowing through the inside of the elliptic cylinder type reflecting mirror, and the rod 1 and the optical excitation lamp 2 are located at the respective focal points of the elliptic cylinder type reflecting mirror. There is.

かかる構成で励起光をレーザロッド1に集光することに
より、光共振器の全反射鏡4と出力鏡5との間の系内光
路を光7が多数回往復する間にレーザ増幅作用によりエ
ネルギーが高まって自励発振を起こすようになり、発振
したレーザ光が透過特性を持つ出力鏡を透過して光共振
器外に出力されるようになる。
By concentrating the excitation light on the laser rod 1 in such a configuration, energy is generated by the laser amplification action while the light 7 reciprocates many times in the in-system optical path between the total reflection mirror 4 and the output mirror 5 of the optical resonator. And the self-excited oscillation occurs, and the oscillated laser light is transmitted through the output mirror having the transmission characteristic and is output to the outside of the optical resonator.

一方、スラブ型固定冷却装置は第7図,第8図のように
両端面を斜めカットしたレーザ媒質のスラブ板8を挟ん
でその両側に光励起手段として光励起ランプ2,および励
起光集光用の反射鏡3を配して構成されている。かかる
構成により、スラブ板8の斜めカットされた端面より入
射した光7はこの端面で屈折し、レーザ媒質内をスラブ
板7の板側面(図示では上下面)で全反射を繰り返しな
がら図示のようにジグザグに進行するようになる。
On the other hand, the slab type fixed cooling device sandwiches the slab plate 8 of the laser medium whose both end faces are obliquely cut as shown in FIGS. 7 and 8 and sandwiches the slab plate 8 with the photoexcitation lamp 2 as the photoexcitation means and the excitation light condensing light. The reflector 3 is arranged. With this configuration, the light 7 incident from the obliquely cut end surface of the slab plate 8 is refracted at this end surface, and the total internal reflection is repeated on the plate side surfaces (upper and lower surfaces in the drawing) of the slab plate 7 as shown in the figure. It will start to zigzag.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上記した固体レーザの特徴はレーザ媒質の密度が高く、
本質的に大きな出力密度が得られる点にある。しかして
第5図,第6図に示したロッド型固体レーザではレーザ
媒質内に生じた熱に起因して媒質の膨張,屈折率に変化
が発生するために高出力動作が制約を受けるようにな
る。すなわちロッド1に発生する熱は外部から冷却水6
を流して除熱するようにしているが、レーザ出力が大き
くなるにつれてロッド1の媒質内部ではロッド中心部の
温度が高く,周側面に近いほど温度が低く成るような温
度勾配が生じる。しかもレーザ媒質内部にこのような温
度勾配が生じると、いわゆる熱レンズ効果によりロッド
はその中心部の屈折率が大きい凸レンズの特性を持つよ
うになり、レーザ装置の出力特性に悪影響を及ぼす。な
お第9図はこの様子を表したもので、ロッド1の内部を
進む光7は前記した熱レンズ効果により直進しなくな
る。
The characteristics of the solid-state laser described above are that the density of the laser medium is high,
The point is that an essentially large power density can be obtained. However, in the rod-type solid-state laser shown in FIGS. 5 and 6, the heat generated in the laser medium causes expansion and change in the refractive index of the medium, so that high-power operation is restricted. Become. That is, the heat generated in the rod 1 is the cooling water 6 from the outside.
However, as the laser output increases, a temperature gradient occurs in the medium of the rod 1 where the temperature at the center of the rod is high and the temperature is lower toward the peripheral side surface. Moreover, when such a temperature gradient is generated inside the laser medium, the rod has the characteristics of a convex lens having a large refractive index at its center due to the so-called thermal lens effect, which adversely affects the output characteristics of the laser device. Incidentally, FIG. 9 shows this state, and the light 7 traveling inside the rod 1 does not go straight due to the thermal lens effect.

一方、前記の熱レンズ効果が無視できない場合には、あ
らかじめ熱レンズ効果を考慮してレーザ装置の発振条件
が満たされるように光学系を設計するようにしている。
しかしながらロッド内の温度分布はレーザ出力の変化に
よって変わり、かつこれに伴って熱レンズの焦点距離も
変化することから問題が複雑になり、このことが固体レ
ーザ装置の高出力化の大きな障害となっている。
On the other hand, when the thermal lens effect cannot be ignored, the optical system is designed in advance so that the oscillation conditions of the laser device are satisfied in consideration of the thermal lens effect.
However, the temperature distribution inside the rod changes with changes in the laser output, and the focal length of the thermal lens also changes with it, which complicates the problem, and this is a major obstacle to higher output of solid-state laser devices. ing.

かかる点、第7図,第8図に示したスラブ型固体レーザ
装置では、第10図におけるX,Y,Zの座標系でスラブ板8
はその左右側面(X−Z面)が冷却水6で冷却されるの
に対し、レーザ光はY−Z平面内をジグザグ進行する。
したがってY軸方向の温度分布の影響は光のジグザグ進
行の過程で相殺,軽減されるようになる。これにより前
記ロッド型と比べて高繰り返し,高平均出力のレーザ出
力が期待できる。
In this regard, in the slab type solid-state laser device shown in FIGS. 7 and 8, the slab plate 8 is arranged in the X, Y, Z coordinate system in FIG.
While the left and right side surfaces (XZ plane) of the are cooled by the cooling water 6, the laser light travels in the YZ plane in a zigzag manner.
Therefore, the influence of the temperature distribution in the Y-axis direction is offset and reduced in the process of the zigzag progression of light. As a result, it is possible to expect a laser output with high repetition rate and high average output as compared with the rod type.

しかしてかかるスラブ型でも第10図におけるX軸方向で
の温度分布の影響を除去すること困難である。すなわち
スラブ板8の側面に冷却水を流してX軸方向の温度分布
が極力均一となるようにしているが、現実には冷却むら
等によりX軸方向に温度勾配が存在する。したがってス
ラブ型でもX軸方向の熱レンズ効果による影響は容認せ
ざるを得ないのが現状である。
However, even with such a slab type, it is difficult to eliminate the influence of the temperature distribution in the X-axis direction in FIG. That is, the cooling water is caused to flow to the side surface of the slab plate 8 so that the temperature distribution in the X-axis direction becomes as uniform as possible, but in reality, there is a temperature gradient in the X-axis direction due to uneven cooling or the like. Therefore, even in the slab type, the influence of the thermal lens effect in the X-axis direction cannot help being accepted.

さらに固体レーザ装置には前記した熱レンズ効果による
問題とは別に励起光の強度分布に伴う問題点もある。す
なわち第5図,第6図のロッド型固体レーザ装置では励
起光の集光用として楕円筒型反射鏡3の内部にロッド1
と光励起ランプ2とを並置して構成しているが、ロッド
1に対する励起入光量は光励起ランプ2との対向面側に
比べてその反対側からの光量が少なく、このためにロッ
ド内での励起光の強度分布が不均一となる。しかもこの
励起光の強度分布はそのままレーザビームの光強度分布
として現れ、出力されるレーザ光の光強度分布が不均一
となる。一方、第7図,第8図のスラブ型ではY軸方向
と光強度分布の影響は光のジグザグ進行により熱的影響
と同様に相殺されるが、X軸方向の励起光強度分布の影
響はそのまま現れることになる。
Further, the solid-state laser device has a problem associated with the intensity distribution of the excitation light in addition to the problem due to the thermal lens effect described above. That is, in the rod-type solid-state laser device shown in FIGS. 5 and 6, the rod 1 is placed inside the elliptic cylindrical reflection mirror 3 for collecting the excitation light.
And the optical excitation lamp 2 are arranged side by side, but the amount of excitation light incident on the rod 1 is smaller than that on the surface facing the optical excitation lamp 2 from the opposite side, so that excitation in the rod is performed. The light intensity distribution becomes non-uniform. Moreover, the intensity distribution of the excitation light appears as it is as the light intensity distribution of the laser beam, and the light intensity distribution of the output laser light becomes non-uniform. On the other hand, in the slab type shown in FIGS. 7 and 8, the effects of the Y-axis direction and the light intensity distribution are canceled by the zigzag progression of light in the same manner as the thermal effects, but the effects of the excitation light intensity distribution in the X-axis direction are It will appear as it is.

この発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、そ
の目的は先記した従来の固体レーザ装置の特性面での欠
点を解消し、レーザ媒質内での温度,および励起光の強
度分布に起因する悪影響を相殺して光強度が均一で,か
つ高繰り返し,高平均出力なレーザ光が得られるように
したロッド型固体レーザ装置を提供することにある。
The present invention has been conceived in view of the above points, and its purpose is to eliminate the drawbacks in the characteristics of the conventional solid-state laser device described above, and to improve the temperature in the laser medium and the intensity distribution of the excitation light. It is an object of the present invention to provide a rod-type solid-state laser device capable of canceling adverse effects caused by the laser light and obtaining a laser light having a uniform light intensity, high repetition, and high average output.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記の目的を達成するために、本発明の第一発明によれ
ば、結晶,ガラスをレーザ媒質とする円柱状のロッド
と、このロッドの両端側に配した光共振器用の全反射
鏡,出力鏡と、光励起手段とから成り、光共振器の系内
光路中にロッドの入射光,出射光に対する円錐面を有す
る屈折部,ないし反射部を備え、ロッド端面より入射し
た光がロッドの周側面で全反射を繰り返しながらロッド
内を進行するように成したロッド型固体レーザ装置にお
いて、屈折部としてロッドの両端面が軸中心を合わせて
同じ頂角の円錐状凸面ないし凹面に形成されると共に、
円錐面のロッド中心軸に対する傾斜角が、ロッド中心軸
と平行な入射光の入射角がブルースター角に近似な角度
となるように設定されるものとする。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a cylindrical rod using a crystal or glass as a laser medium, a total reflection mirror for an optical resonator arranged at both ends of the rod, and an output. It is composed of a mirror and an optical pumping means, and is provided with a refracting part or a reflecting part having a conical surface for the incident light and the outgoing light of the rod in the optical path in the system of the optical resonator. In a rod-type solid-state laser device configured to travel in the rod while repeating total reflection with, both end faces of the rod are formed as conical convex or concave faces having the same apex angle with the axial centers aligned as refraction portions.
The inclination angle of the conical surface with respect to the rod center axis is set so that the incident angle of the incident light parallel to the rod center axis is an angle close to the Brewster's angle.

また、本発明の第二発明によれば、結晶,ガラスをレー
ザ媒質とする円柱状のロッドと、このロッドの両端側に
配した光共振器用の全反射鏡,出力鏡と、光励起手段と
から成り、光共振器の系内光路中にロッドの入射光,出
射光に対する円錐面を有する屈折部,ないし反射部を備
え、ロッド端面より入射した光がロッドの周側面で全反
射を繰り返しながらロッド内を進行するように成したロ
ッド型固体レーザ装置において、ロッドの両端面をロッ
ド軸と垂直な平面となし、かつこのロッドの一方の端面
側には反射部として円錐凹面形の全反射鏡を配置し、他
方の端面側には出力鏡との間に屈折部として円錐状レン
ズを介装すると共に、円錐面のロッド中心軸に対る傾斜
角が、ロッド中心軸と平行な入射光の入射角がブルース
ター角に近似な角度となるように設定されるものとす
る。
Further, according to the second aspect of the present invention, a cylindrical rod using a crystal or glass as a laser medium, a total reflection mirror for an optical resonator, an output mirror, and optical pumping means arranged on both ends of the rod are provided. It is equipped with a refracting part or a reflecting part having a conical surface for the incident light and the outgoing light of the rod in the optical path in the system of the optical resonator, and the light incident from the end face of the rod repeats total reflection on the peripheral side face of the rod. In the rod-type solid-state laser device configured to travel in the inside, both end faces of the rod are formed as planes perpendicular to the rod axis, and a conical concave total reflection mirror is provided as a reflecting portion on one end face side of the rod. The conical lens is placed as a refraction part between the other end face side and the output mirror, and the incident angle of the conical surface with respect to the rod center axis is parallel to the rod center axis. An angle whose angle is close to Brewster's angle It shall be set to be.

〔作用〕[Action]

上記の構成で、ロッドはその両端面を軸中心を合わせて
同じ頂角の円錐状凸面ないし凹面と成して屈折部を形成
するか、あるいはロッドの両端面をロッド軸と垂直な平
面となした上で、該ロッドの一方の端面側には反射部と
して円錐状凹面の全反射鏡を対向配備し、他方の端面側
には出力鏡との間に屈折部としての円錐状レンズを介装
して構成されており、かつ前記円錐状端面のロッド中心
軸に対する角度は、該端面を境界面とするロッド中心軸
と平行な入射光の入射角がブルースター角に近似な角度
となるよう設定されている。
With the above-described structure, the rod is formed with a conical convex surface or a concave surface having the same apex angle at both end faces so as to form a refraction portion, or both end faces of the rod are formed into a plane perpendicular to the rod axis. In addition, a conical concave total reflection mirror is provided as a reflecting portion on one end face side of the rod, and a conical lens as a refracting portion is interposed between the other end face side and the output mirror. And the angle of the conical end surface with respect to the rod center axis is set so that the incident angle of incident light parallel to the rod center axis having the end surface as a boundary surface is an angle approximate to the Brewster's angle. Has been done.

かかる構成によりロッドに入射する光の反射損失を抑え
つつ、かつロッド内部ではロッド中心軸を含む各方向の
面内でロッドの周側面で全反射を繰り返しながらジグザ
グに進行するようになる。したがってレーザ媒質内部の
温度,励起光強度の不均一な分布に起因する影響は全て
の方向で相殺され、この結果として光強度分布が均一
で,かつ高繰り返し,高平均出力となる特性のよい出力
レーザ光を得ることができる。
With such a configuration, the reflection loss of the light incident on the rod is suppressed, and inside the rod, the light propagates in a zigzag manner while repeating the total reflection on the circumferential side surface of the rod in the plane in each direction including the rod central axis. Therefore, the influence due to the non-uniform distribution of temperature and pumping light intensity inside the laser medium is canceled out in all directions, and as a result, the light intensity distribution is uniform, high repetition, and high average output Laser light can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明によるロッド型固体レーザ装置の一実施
例の構成図、第2図,第3図はそれぞれ第1図における
ロッド端面の拡大図,およびロッド内部での光進行の様
子を示す説明図、第4図は前記と異なる実施例の構成図
を示すものであり、第5図,第6図に対応する同一部材
には同じ符号が付してある。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a rod-type solid-state laser device according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 show an enlarged view of the end face of the rod in FIG. 1 and a state of light traveling inside the rod. Explanatory drawing and FIG. 4 show a constitutional view of an embodiment different from the above, in which the same members corresponding to FIGS. 5 and 6 are designated by the same reference numerals.

まず第1図において、レーザ媒質ロッド1はその両端面
11が軸中心を合わせて同じ頂角の円錐状凸面とした屈折
部が形成されている。これによりロッド1の端面に達し
たロッド軸と平行な光7の入射光は円錐状凸面の端面11
を境界面として屈折して透過し、さらにロッド内部では
円柱形ロッド1の周側面12で図示のように全反射を繰り
返しながらロッド中心軸を含む各半径方向の面内でジグ
ザグ進行する。また反対側の出射側端面でも光7は同様
に屈折して再びロッド軸と平行なビームとなる。
First, in FIG. 1, the laser medium rod 1 has both end faces.
Reference numeral 11 forms a conical convex surface with the same apex angle by aligning the axial centers. Thereby, the incident light of the light 7 reaching the end surface of the rod 1 and parallel to the rod axis is conical convex end surface 11
As a boundary surface, the light is refracted and transmitted. Further, inside the rod, zigzag progresses in each radial surface including the rod central axis while repeating total reflection on the peripheral side surface 12 of the cylindrical rod 1 as shown in the figure. The light 7 is similarly refracted on the opposite end face on the emission side to become a beam parallel to the rod axis again.

したがって第7図のスラブ型固体レーザ装置で説明した
と同様にロッド1の内部温度,励起光強度分布の影響を
相殺することができる。しかもロッド型はスラブ型と異
なり、レーザ媒質内を進行する光の光路は一定した方向
に限定されることなくロッド中心軸を含む各半径方向の
面に沿って進行するので、あらゆる方向での前記影響を
相殺して光強度分布が均一な出力レーザ光がが得られる
ようになる。
Therefore, the influences of the internal temperature of the rod 1 and the excitation light intensity distribution can be canceled out as in the case of the slab type solid-state laser device of FIG. Moreover, the rod type is different from the slab type in that the optical path of the light traveling in the laser medium is not limited to a constant direction, but travels along each radial surface including the rod center axis, so that By canceling the influence, it becomes possible to obtain an output laser light having a uniform light intensity distribution.

次に第2図にロッド1の端面拡大図を示す。なお図中9
はロッド固定枠、10はシール用のOリングである。ここ
で端面11のロッド中心軸に対する傾斜角θは端面11の透
過光(屈折光)とロッド中心軸との間の成す角度γと等
しくし、端面11を透過した光が円錐端面と平行して進む
ように定めてある。すなわち、ロッド端面11に対する光
7の入射角をα,屈折角をβとすると、スネルの法則に
より、 sinα/sinβ=n ……(1) が成立する。なおnはレーザ媒質の空気に対する相対屈
折率である。一方、光の入射角αは、 α=(π/2)−θ ……(2) として表され、かつθ=γであるためには、屈折角β
が、 β=α−θ=(π/2)−2θ ……(3) であることが必要である。ここで式(2),(3)を式
(1)に代入すると、 cosθ/cos2θ=n ……(4) となり、これを解くことにより端面11の傾斜面θが求ま
る。ここでレーザ媒質としてYAG(屈折率n=1.823)を
用いるとすると、θ=31度となり、tanα=nによっ
て決まるブルースター角(Brewster角)α=61.25度
に近似な値となる。したがって光の振動電場方向が入射
面内にあるp偏光成分は端面11で殆ど反射されずにレー
ザ媒質内に透過する。つまり前記のようにロッド両端に
形成した円錐状端面11の傾斜角θを、ロッド1の端面11
に対してロッド軸と平行に入射する光の入射角αが前記
のようにブルースター角に近似となるように設定するこ
とにより、端面11での反射損失を低く抑えることができ
る。なおこの条件はロッド1の出射側でも同様である。
Next, FIG. 2 shows an enlarged end view of the rod 1. 9 in the figure
Is a rod fixing frame, and 10 is an O-ring for sealing. Here, the inclination angle θ of the end face 11 with respect to the rod center axis is made equal to the angle γ formed between the transmitted light (refracted light) of the end face 11 and the rod center axis, and the light transmitted through the end face 11 is parallel to the conical end face. It is set to proceed. That is, when the incident angle of the light 7 on the rod end face 11 is α and the refraction angle is β, sin α / sin β = n (1) is established according to Snell's law. Note that n is the relative refractive index of the laser medium with respect to air. On the other hand, the incident angle α of light is expressed as α = (π / 2) −θ (2), and θ = γ, the refraction angle β
However, it is necessary that β = α−θ = (π / 2) −2θ (3). Here, substituting the equations (2) and (3) into the equation (1), cos θ / cos 2θ = n (4), and by solving this, the inclined surface θ of the end face 11 is obtained. If YAG (refractive index n = 1.823) is used as the laser medium, θ = 31 degrees, which is an approximate value to the Brewster angle α B = 61.25 degrees determined by tan α B = n. Therefore, the p-polarized light component of which the direction of the vibration electric field of light is within the incident surface is transmitted through the laser medium without being reflected by the end surface 11. That is, as described above, the inclination angle θ of the conical end faces 11 formed at both ends of the rod is set to the end face 11 of the rod 1.
On the other hand, by setting the incident angle α of the light incident parallel to the rod axis to be close to the Brewster's angle as described above, the reflection loss at the end face 11 can be suppressed to be low. Note that this condition is the same on the exit side of the rod 1.

またレーザ媒質としてガラス(n=1.5)を採用した場
合には、前記した(4)式からθ=27度となり、この場
合でも入射角α=90−27=63度はブルースター角α
56.3度に近似な値となる。同様にレーザ媒質としてGGG
(n=1.95),GSGG(n=1.942)等を用いた場合でも前
記したブルースター角の条件がほぼ満たされる。
When glass (n = 1.5) is used as the laser medium, θ = 27 degrees from the above equation (4). Even in this case, the incident angle α = 90−27 = 63 degrees is Brewster's angle α B =
It is a value close to 56.3 degrees. Similarly, GGG as a laser medium
Even when (n = 1.95), GSGG (n = 1.942) or the like is used, the above Brewster angle condition is almost satisfied.

次にロッド内部でレーザ媒質を進行する光の光路に付い
て述べると、まずレーザ媒質にYAGを用い、かつ先記の
ようにロッド1の円錐状端面11の傾斜角をθ=31度に設
定したとすると、ロッド1の内部を進行する光のロッド
周側面12に対する入射角δ(第2図)はδ=90−γ=59
度となる。しかもロッド1の周側面12の外周側は冷却水
の媒質であることから、レーザ媒質と冷却水媒質との間
の境界面における相対屈折率n′は、 n′=1.823/1.333=1.37 ……(6) となる。したがって、その臨界角δは、 sinδ=1/1.37 ……(7) より47度となる。したがって前記した入射角δは臨界角
δよりも大となって全反射条件を満たし、これにより
光はロッド内部で全反射を繰り返しながらジグザグに進
行するようになる。またレーザ媒質として先記した各固
体材料の大部分はこの全反射条件を満たす。なお例外的
にガラスの場合はδ≒δとなるが、ロッド1の周面を
適宜な材質でコーティング処理するか、あるいはロッド
周面に流す冷却媒体として水の代わりにガスを用いるこ
とにより全反射条件を満たすことができる。また第2図
におけるロッド両端部で局部的に固定枠9あるいはOリ
ング10で覆われる周面部分でも、この部分に適宜なコー
ティング処理を施すことにより、前記と同様にロッド周
側面での全反射条件を満たすことができる。
Next, regarding the optical path of the light traveling through the laser medium inside the rod, first, YAG is used as the laser medium, and the inclination angle of the conical end surface 11 of the rod 1 is set to θ = 31 degrees as described above. Then, the incident angle δ (FIG. 2) of the light traveling inside the rod 1 with respect to the rod peripheral side surface 12 is δ = 90−γ = 59
It becomes degree. Moreover, since the outer peripheral side of the peripheral side surface 12 of the rod 1 is the medium of the cooling water, the relative refractive index n'at the interface between the laser medium and the cooling water medium is n '= 1.823 / 1.333 = 1.37 .... (6) Thus, the critical angle [delta] C becomes 47 degrees from sinδ C = 1 / 1.37 ...... ( 7). Therefore, the above-mentioned incident angle δ becomes larger than the critical angle δ C and satisfies the condition of total reflection, whereby the light travels in zigzag while repeating total reflection inside the rod. Most of the solid materials described above as the laser medium satisfy this total reflection condition. Exceptionally, in the case of glass, δ ≈ δ C , but by coating the peripheral surface of the rod 1 with an appropriate material, or by using gas instead of water as a cooling medium to flow on the peripheral surface of the rod 1, Can meet the reflection condition. Also, in the peripheral surface portion locally covered with the fixed frame 9 or the O-ring 10 at both ends of the rod in FIG. 2, by applying an appropriate coating treatment to this portion, total reflection on the peripheral surface of the rod is performed in the same manner as described above. You can meet the conditions.

次にロッド1の長さ寸法に付いて述べる。すなわち光が
ロッド内を進行する過程でロッド内部での温度,励起光
強度分布の影響を相殺させるためには、ロッド内を通過
する全ての光線がロッド内部で同じ距離だけ進むことが
必要がある。第3図は第1図,第2図に示したロッド1
の内部をその円錐状端面11より入射した光の光線イ,
ロ,ハに付いてその光路を描いたものであり、ここでロ
ッド1の直径をdとすると、光線がロッド周側面12で全
反射した地点から次に全反射するまでに進む中心軸方向
の距離lは、 l=d/tan(α−β) ……(8) となる。したがってロッド1の円柱部全長Lを、 L=md/tan(α−β) ……(9) 但しmは1以上の整数 となるように選定すれば、ロッド内で全反射を繰り返し
ながらジグザグに進む全ての光線は同じ長さの光路を進
むことになって前記した条件を満たすことができる。
Next, the length dimension of the rod 1 will be described. That is, in order to cancel the influence of temperature and excitation light intensity distribution inside the rod in the process of light traveling inside the rod, it is necessary that all light rays passing through the rod travel the same distance inside the rod. . FIG. 3 shows the rod 1 shown in FIGS. 1 and 2.
Ray a of light incident on the inside of the cone from its conical end face 11,
The optical path is drawn for B and C, where the diameter of the rod 1 is d, and the direction of the central axis that the light ray travels from the point at which the light is totally reflected on the rod peripheral side surface 12 to the time at which it is totally reflected. The distance l is l = d / tan (α−β) (8) Therefore, if the total length L of the cylindrical portion of the rod 1 is selected so that L = md / tan (α−β) (9) where m is an integer of 1 or more, zigzag is performed while repeating total reflection in the rod. All the light rays traveling along the optical path having the same length can satisfy the above-mentioned condition.

なお第1図の実施例ではロッド1の入射光,出射光に対
する屈折部としてロッド両端面11を円錐状凸面としてた
例を示したが、逆に端面を円錐状の凹面に形成しても同
様な効果を奏することができる。なおこの凹面構造では
ロッド端面の加工が第1図の凸面と比べて若干困難とな
る。
In the embodiment shown in FIG. 1, an example in which both end faces 11 of the rod are formed as conical convex faces as a refraction portion for incident light and emitted light of the rod 1 is shown. It is possible to achieve various effects. With this concave structure, the processing of the rod end surface is slightly more difficult than the convex surface shown in FIG.

さらに別な実施例を第4図に示す。この実施例ではレー
ザ媒質ロッドとして両端面がロッド中心軸と直角な平面
を成す通常のレーザロッド1を用い、かつその端面に対
向して一方側には反射部として鏡面が円錐状凹面を呈す
る光共振器用の円錐凹面形全反射鏡13を反射部として配
備するとともに、他方側にはロッドの端面と出力鏡5と
の間に屈折部として円錐レンズ14を介在させて構成した
ものである。なお円錐凹面形全反射鏡13,および円錐レ
ンズ14における円錐面の傾斜角は先記実施例と同様にブ
ルースター角の条件をほぼ満たし、かつロッド1の内部
では光が周側面で全反射を繰り返しながらジグザグに進
行するような角度に選定されている。
Yet another embodiment is shown in FIG. In this embodiment, a normal laser rod 1 whose both end faces form a plane perpendicular to the center axis of the rod is used as a laser medium rod, and light which has a mirror-like conical concave surface as a reflecting portion on one side facing the end face. A conical concave total reflection mirror 13 for a resonator is provided as a reflection portion, and a conical lens 14 is interposed as a refraction portion between the end surface of the rod and the output mirror 5 on the other side. The conical concave total reflection mirror 13 and the conical surface of the conical lens 14 substantially satisfy the Brewster's angle condition as in the previous embodiment, and inside the rod 1, the light is totally reflected on the peripheral side surface. The angle is selected so as to proceed zigzag while repeating.

かかる構成によれば、前記した第1図の実施例と同様に
光がロッド内でその周側面に全反射を繰り返しながらジ
グザグに進行する過程で、ロッド内の温度,励起光強度
分布の影響を相殺,軽減することができる。しかも第4
図の実施例ではロッド1の長さ寸法に対する制約がな
く、ロッド長を任意に選定しても、ロッドを通過する全
ての光線の光路長が等しくなる。
According to this structure, as in the embodiment of FIG. 1 described above, the influence of the temperature and the excitation light intensity distribution in the rod is affected in the process of zigzag while the light repeatedly repeats total reflection on the peripheral side surface of the rod. Can be offset or reduced. Moreover, the fourth
In the illustrated embodiment, there is no restriction on the length dimension of the rod 1, and even if the rod length is arbitrarily selected, the optical path lengths of all light rays passing through the rod are equal.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上に述べたように、本発明の第一発明ならびに第二発
明によれば、上記の構成を採用した結果、従来の固体レ
ーザ装置で問題となっていたロッド内での温度分布,励
起光強度分布の不均一性に基づく影響を相殺,除去して
均一な光強度分布で、かつ高繰り返し,高平均出力な特
性の優れ出力レーザ光を得ることができる。
As described above, according to the first invention and the second invention of the present invention, as a result of adopting the above configuration, the temperature distribution in the rod and the excitation light intensity, which have been problems in the conventional solid-state laser device, are obtained. It is possible to obtain an excellent output laser beam having a uniform light intensity distribution, high repeatability, and high average output by canceling out and eliminating the influence due to the nonuniformity of the distribution.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明一実施例の全体構成図、第2図は第1図
におけるロッド端面部の拡大図、第3図はロッド内での
光線の進む光路を表した説明図、第4図は別な実施例の
構成図、第5図,第6図は従来におけるロッド型固体レ
ーザ装置の略示側面図,およびその端面図、第7図,第
8図はスラブ型固体レーザ装置の略示側面図,およびそ
の端面図、第9図は第7図のレーザ媒質ロッドに対する
熱レンズ効果の説明図、第10は第7図のスラブ板内を通
過する光路を立体的に表した説明図である。各図におい
て、 1:レーザ媒質ロッド、2:光励起用ランプ、3:励起光集光
用反射鏡、4:光共振器用の全反射鏡、5:出力鏡、6:冷却
水、7:光、11:ロッドの円錐状端面、12:ロッドの周側
面、13:円錐凹面形全反射鏡、14:円錐レンズ、θ:円錐
状端面の傾斜角、α:光の入射角、β:屈折角。
1 is an overall configuration diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of a rod end surface portion in FIG. 1, FIG. 3 is an explanatory diagram showing an optical path of a light ray in the rod, and FIG. Is a schematic view of another embodiment, FIGS. 5 and 6 are schematic side views of a conventional rod-type solid-state laser device, and end views thereof, and FIGS. 7 and 8 are schematic diagrams of a slab-type solid-state laser device. FIG. 9 is a side view and an end view thereof, FIG. 9 is an explanatory view of a thermal lens effect for the laser medium rod of FIG. 7, and 10 is an explanatory view showing an optical path passing through the slab plate of FIG. 7 in three dimensions. Is. In each figure, 1: laser medium rod, 2: optical pumping lamp, 3: pumping light focusing reflector, 4: total reflection mirror for optical resonator, 5: output mirror, 6: cooling water, 7: light, 11: conical end surface of rod, 12: peripheral side surface of rod, 13: conical concave total reflection mirror, 14: conical lens, θ: inclination angle of conical end surface, α: incident angle of light, β: refraction angle.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】結晶,ガラスをレーザ媒質とする円柱状の
ロッドと、このロッドの両端側に配した光共振器用の全
反射鏡,出力鏡と、光励起手段とから成り、光共振器の
系内光路中にロッドの入射光,出射光に対する円錐面を
有する屈折部,ないし反射部を備え、ロッド端面より入
射した光がロッドの周側面で全反射を繰り返しながらロ
ッド内を進行するように成したロッド型固体レーザ装置
において、 屈折部としてロッドの両端面が軸中心を合わせて同じ頂
角の円錐状凸面ないし凹面に形成されると共に、 円錐面のロッド中心軸に対する傾斜角が、ロッド中心軸
と平行な入射光の入射角がブルースター角に近似な角度
となるように設定されていることを特徴とするロッド型
固体レーザ装置。
1. A system of an optical resonator comprising a cylindrical rod using a crystal or glass as a laser medium, a total reflection mirror for an optical resonator arranged at both ends of the rod, an output mirror, and an optical pumping means. The inner optical path is provided with a refracting portion or a reflecting portion having a conical surface for the incident light and the outgoing light of the rod, and the light incident from the end face of the rod travels inside the rod while repeating total reflection on the peripheral side surface of the rod. In the rod-type solid-state laser device, both end surfaces of the rod are formed as conical convex or concave surfaces having the same apex angle with the axial centers aligned as the refraction portion, and the inclination angle of the conical surface with respect to the rod central axis is A rod-type solid-state laser device characterized in that an incident angle of incident light parallel to is set to an angle close to Brewster's angle.
【請求項2】結晶,ガラスをレーザ媒質とする円柱状の
ロッドと、このロッドの両端側に配した光共振器用の全
反射鏡,出力鏡と、光励起手段とから成り、光共振器の
系内光路中にロッドの入射光,出射光に対する円錐面を
有する屈折部,ないし反射部を備え、ロッド端面より入
射した光がロッドの周側面で全反射を繰り返しながらロ
ッド内を進行するように成したロッド型固体レーザ装置
において、 ロッドの両端面をロッド軸と垂直な平行となし、かつこ
のロッドの一方の端面側には反射部として円錐凹面形の
全反射鏡を配置し、他方の端面側には出力鏡との間に屈
折部として円錐状レンズを介装すると共に、 円錐面のロッド中心軸に対する傾斜角が、ロッド中心軸
と平行な入射光の入射角がブルースター角に近似な角度
となるように設定されていることを特徴とするロッド型
固体レーザ装置。
2. A system of an optical resonator comprising a cylindrical rod having a crystal or glass as a laser medium, a total reflection mirror for an optical resonator arranged on both ends of the rod, an output mirror, and an optical pumping means. The inner optical path is provided with a refracting portion or a reflecting portion having a conical surface for the incident light and the outgoing light of the rod, and the light incident from the end face of the rod travels inside the rod while repeating total reflection on the peripheral side surface of the rod. In this rod-type solid-state laser device, both end faces of the rod are not parallel to the rod axis, and a conical concave total reflection mirror is arranged as a reflection part on one end face side of this rod, and the other end face side A conical lens is interposed between the output mirror and the output mirror as a refraction part, and the inclination angle of the conical surface with respect to the rod center axis is an angle at which the incident angle of the incident light parallel to the rod center axis is close to the Brewster angle. So that Rod type solid state laser apparatus characterized by being.
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