JPH0799358A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザビームLBのビームウエストＤと広がり角
θの積であるθＤを減少させてビームの集光をシャープ
にし、ビームの断面内の電力密度Ｐを均一にして光導体
を介するレーザビームの伝達を容易にする。 【構成】断面が長方形のスラブ形等のレーザ媒質１を全
反射ミラー２と部分反射ミラー３の相互間に挟んでレー
ザ共振系を構成し、部分反射ミラー３をその反射率がｘ
方向にステップ状に変化するよう形成してその低反射率
部3cがレーザ媒質１の端面から僅か遠ざかるように傾き
αをもつ姿勢に調整し、レーザ光Ｌの共振系内のｚ方向
の往復経路をｘ方向に次第にずらせながら部分反射ミラ
ー３の低反射率部3cからレーザビームLBとして取り出
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工等のためいわ
ゆるスラブ形等の断面積が広い固体のレーザ媒質を用い
る大電力発振にとくに適する固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、固体レーザ装置では固体
レーザ媒質を全反射ミラーと部分反射ミラーの相互間に
挟んでレーザ共振系を構成し、部分反射ミラーの方から
レーザビームを取り出すが、大電力発振用の場合を含め
てレーザ共振系をいわゆる安定共振系として構成するの
が通例であり、その代表例を図３を参照してスラブ形の
レーザ媒質を用いる場合について以下に説明する。

【０００３】図３(a) はスラブレーザ装置の概要構成を
示す上面図であり、例えばNdを含むＹＡＧである固体の
レーザ媒質１はその下側に示すようにｘ方向の幅がｙ方
向の厚みよりかなり大きい長方形のスラブ状の断面をも
ち、光軸方向であるｚ方向にもちろん細長い形状に形成
される。かかるレーザ媒質１のｚ方向の一方側に配設さ
れる全反射ミラー２はレーザ光Ｌに対し全反射性のふつ
うは凹な球面を備え、他方側に配設されるふつうは平面
状の部分反射ミラー３は一面が部分反射面3a，他面が反
射防止面3bとされる。これらミラー２，３とレーザ媒質
１は正確に光軸合わせしかつミラー間隔を全反射ミラー
２の球面の曲率に応じて調整した状態でレーザ光Ｌに対
する安定共振系を構成し、部分反射ミラー３側からレー
ザ光ＬがレーザビームLBとして取り出される。

【０００４】図３(b) はこのスラブレーザ装置の側面図
である。図のようにレーザ媒質１の上下にその光励起用
の励起光源４として例えば放電灯を配設し、レーザ媒質
１の上下面である図３(a) のその広いxz面にｙ方向から
励起光ELを与える。この励起光源４を数百Hzの周波数で
交流点灯してレーザ装置を同じ周波数で繰り返し発振さ
せるのが通例であるが、レーザビームLBを数百Ｗ程度の
高出力で取り出すには強力な励起光ELを与える必要があ
り、レーザ媒質１が過熱されないようにレーザ装置のミ
ラー２, ３を除く部分を水冷するのがふつうである。と
ころが、これに伴いレーザ媒質１の内部に温度勾配が発
生し、その光屈折率がもつ温度依存性のためにレーザ媒
質１がレーザ光Ｌにいわゆる熱レンズ効果を及ぼすの
で、レーザ装置から取り出すレーザビームLBの広がり角
が大きくなりレーザビームとしての本来の特質が低下し
て来る問題がある。

【０００５】このため、スラブ形のレーザ媒質１では図
３(b) に示すように両端面を斜面に形成して内部でレー
ザ光Ｌを上下面で全反射させながらジグザグ状に進行さ
せることにより、最も大な温度勾配が出やすいｙ方向に
ついてレーザ光Ｌの通過する個所の屈折率を平均化して
レーザビームLBのｙ方向の広がり角θ_y を抑制する。さ
らに、レーザ媒質１のｘ方向についてもｙ方向ほどでは
ないが温度勾配が当然生じるので、図１(a) のようにレ
ーザ媒質１の両側面である両yz面に熱絶縁1aを設けてｘ
方向の内部の熱流, つまり温度勾配を極力減少させてレ
ーザビームLBのｘ方向の広がり角θ_x も抑制する。

【０００６】図３(c) と図３(d) に以上のようにして発
振されたレーザビームLBのそれぞれｘ方向とｙ方向の電
力密度Ｐをいわゆる遠視野像により示す。図３の従来例
ではレーザ媒質１が長方形断面をもつスラブ形であるか
ら、電力密度Ｐは図３(c) のようにｘ方向には広い幅に
応じた広い分布を, 図３(d) のようにｙ方向には薄い厚
みに応じた狭い分布をそれぞれ有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように固体レー
ザ装置では、レーザビームLBを狭い広がり角で取り出す
ために固体のレーザ媒質１の熱レンズ効果を補償ないし
は防止する手段を講ずることが可能であるが、その抑制
効果は必ずしも充分でなく、とくにレーザ装置の大電力
化のためにレーザ媒質の断面積を増したときに抑制が困
難な問題がある。なお、レーザビームLBの広がり角をθ
とし, ビーム断面が最小なふつう出射窓の径や幅である
ビームウエストをＤとすると、θＤ積は例えばレンズに
よる集光後にも変わらないことが知られており、これが
大きいと小さな焦点に集光する際に不利になるので、こ
のθＤ積がレーザ加工等に用いるレーザビームの性能を
示す尺度として用いられる。

【０００８】これを上述の図３の従来のスラブレーザ装
置について見ると、図３(b) に示すようにｙ方向のビー
ムウエスト幅Ｄ_y はレーザ媒質１の薄い厚みに応じて狭
く,広がり角θ_y の方もレーザ光Ｌを前述のジグザグ状
光路を進行させることにより５mRad程度以下に抑制でき
るので、ｙ方向にはθＤ積をかなり小さくできるが、ｘ
方向については図３(a) に示すようにビームウエスト幅
Ｄ_x がレーザ媒質１の広い幅に応じて元々広く, 広がり
角θ_x の方も前述の熱絶縁1aの効果が必ずしも完全でな
いため例えば15〜20mRad程度になるので、ｘ方向にはθ
Ｄ積がｙ方向に比べて１桁程度も大きくなりやすい。

【０００９】かかる問題を解決するために固体レーザ装
置の共振系を不安定共振状態にすることが従来から知ら
れている。これは、例えば全反射ミラー２の凹面にもた
せる曲率を安定共振条件から少しずらせて、レーザ光Ｌ
が共振系の両ミラー２と３の間を往復する内に光軸ない
し中心軸に近付いて行くようにするもので、部分反射ミ
ラー３の反射率を適切に選定すれば広がり角θを１mRad
程度ないしそれ以下に減少させてθＤ積を小さくするこ
とができる。

【００１０】しかし、この不安定共振系を用いるレーザ
装置ではレーザ光Ｌを光軸の付近に集めて行くためレー
ザビームLBの電力密度Ｐが図３(c) や図３(d) のような
均一分布と異なり光軸上で非常に高いガウス分布にな
り、光ファイバを用いてレーザビームLBを所望の個所に
導く際に不利になる。すなわち、レーザを用いて例えば
加工を施す際にはレーザ装置からレーザビームを細い光
ファイバ束を通して加工個所に導いた上で小さな焦点に
集光するが、レーザビームを光ファイバ束に通すために
レンズによりその断面に絞ると元々ガウス分布であるビ
ームの中心の電力密度があまりにも高くなり過ぎて光フ
ァイバを破壊しやすい。

【００１１】このようにレーザビームLBを光導体を介し
て導く上ではその電力密度Ｐの均一分布が望ましく、不
安定共振系を用いる解決手段はこれに逆行することにな
る。また、この手段ではレーザビームLBのｘ方向とｙ方
向のθＤ積に差がある場合の解決にはならず、さらに実
際面では不安定共振条件の調整がかなり微妙であってレ
ーザ装置の運転中にこの調整に狂いが出てレーザの出力
が低下しやすい問題があることが知られている。

【００１２】かかる問題点に鑑みて本発明の目的は、θ
Ｄ積が小さく電力密度分布が均一なレーザビームを発振
できる固体レーザ装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば上記目的
は、固体レーザ媒質を全反射および部分反射ミラーの相
互間に挟んでレーザ共振系を構成して部分反射ミラーか
らレーザビームを取り出すレーザ装置において、部分反
射ミラーを反射率が所定の方向にステップ状に異なるよ
うに構成して低反射率部分がレーザ媒質の端面から僅か
遠ざかるようにその姿勢を傾けて調整することによって
達成される。

【００１４】なお、本発明において部分反射ミラーに賦
与する反射率の上述のステップ状の変化は反射率の差を
極力大きく設定するのがよく、実用的にはその反射率を
部分反射性と全反射性の２段に変化させるのが有利であ
る。この際、部分反射性部の反射率は０〜50％の範囲，
より望ましくは０〜10％の範囲に設定するのがよい。こ
のように部分反射ミラーの反射率を２段に変化させる場
合にはレーザビームを部分反射性部から取り出すが、部
分反射ミラー内の部分反射性部の比率は必要に応じて任
意に，例えば50％程度に設定することができる。

【００１５】固体レーザ媒質に長方形断面をもつ前述の
スラブ形の光学結晶を用いる場合は部分反射ミラーの反
射率をステップ状に異ならせる方向を断面の長径方向に
するのがとくに有利である。また、かかる態様では全反
射ミラーとしてレーザ媒質の断面の短径方向に曲率をも
つ凹な円筒面状のミラーを用いるのがレーザビームの電
力密度をできるだけ均一化し、さらには前述のθＤ積を
ｘとｙ両方向についてほぼ揃える上で有利である。

【００１６】このような構成の本発明の固体レーザ装置
において、部分反射ミラーの姿勢の傾き角度を調整する
要領はふつう最大電力のレーザビームを固体レーザ装置
から取り出せるよう行なうことでよく、この要領で調整
された傾き角度は場合により異なって来るが例えば 0.1
〜0.2 度とごく僅かなのがふつうである。

【００１７】

【作用】本発明の固体レーザ装置は、レーザビームの取
り出し側である部分反射ミラーを前項の構成にいうよう
その反射率が所定方向にステップ状に異なるように構成
して、レーザ共振系内を往復するレーザ光を主としてな
いしはもっぱら部分反射ミラーの低反射率部分からレー
ザビームとして取り出すことによって、ビームの出力を
あまり減少させることなく，しかもビーム内の電力密度
分布をほぼ均一に保ちながらビームウエスト幅Ｄを所定
方向に狭めるとともに、前項の構成にいうよう部分反射
ミラーをその低反射率部分がレーザ媒質の端面から僅か
に遠ざかるよう姿勢を傾けて調整して、レーザビームと
して取り出す前のレーザ光がレーザ共振系内を往復する
経路を部分反射ミラーの反射率の変化方向に次第にずら
せて固体レーザ媒質内の温度勾配による屈折率変化の影
響を平均化することにより、熱レンズ効果を弱めて広が
り角θを狭め、これとビームウエスト幅Ｄとで決まるレ
ーザビームのθＤ積を従来より減少させるものである。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１と図２は本発明の固体レーザ装置のそれ
ぞれ異なる実施例を従来の図３と同様に上面図と側面図
とレーザビームの電力密度分布図により示すもので、図
３に対応する部分には同じ符号が付けられているので説
明済みの部分に対する説明は重複を極力避けるため適宜
省略することとする。

【００１９】なお、図１および図２に示す実施例では固
体レーザ装置をレーザ媒質に断面が長方形のスラブ形の
光学結晶を用いるスラブレーザ装置とし、部分反射ミラ
ーの反射率をスラブ形レーザ媒質の断面の長径方向に部
分反射性と全反射性の２段に異ならせるものとするが、
本発明はもちろんこれら特定の実施例に限らず必要に応
じて種々の態様で実施をすることができる。

【００２０】図１の実施例では、同図(a) と(b) に示す
ように長方形断面のスラブ形の光学結晶からなり両端面
が斜面に形成され両側面に熱絶縁1aをもつレーザ媒質１
と，凹な球面状の反射面をもつ全反射ミラー２は図３の
従来例と同じであるが、部分反射ミラー３の反射面3aが
図の右側に示すようレーザ媒質１の断面の長径方向であ
るｘ方向に部分反射部3cと全反射部3dに分けられ, かつ
図１(a) に示すように部分反射ミラー３の姿勢が僅かな
角度αだけ傾けて調整される点が異なる。励起光源４を
交流点灯するのは従来と同じであり、固体レーザ装置を
その励起光ELにより例えば 200Hzの繰り返し周波数で断
続的に発振させる。

【００２１】図１(a) と(b) の右側に示すように部分反
射ミラー３の部分反射部3cと全反射部3dは、この実施例
ではレーザ媒質１の断面をｘ方向にほぼ２分するように
区分される。本発明の実施結果によれば、部分反射部3c
と全反射部3dの反射率の差は大きく設定するのがよく、
このため部分反射部3cの反射率は０〜50％の範囲内,よ
り望ましくは０〜10％の範囲内に設定するのがよい。部
分反射ミラー３が石英ガラスの場合はコーティングなし
表面が 3.5％程度の反射率をもつので、これをそのまま
部分反射部3cに用いるのが最も簡単かつ有利である。レ
ーザビームLBは図１(a) に示すように部分反射ミラー３
から, この実施例では部分反射部3cのみから従来よりも
狭いビームウエスト幅Ｄ_x で取り出される。

【００２２】本発明においても、全反射ミラー２の反射
凹面には安定共振系の構成に適した曲率を賦与するのは
もちろん、部分反射ミラー３に所定の傾きαを賦与する
前に両ミラー２と３の相互間隔を安定共振条件を満たす
ようにあらかじめ正確に調整して置くのがよい。傾き角
度αの調整は実用的にはレーザビームLBの図１(c) や
(d) に示す電力密度Ｐないしビームの強度が最大になる
よう行なうことでよく、この方法で調整された傾きαは
場合によりもちろん異なるが 0.1〜0.2 度のごく僅かな
角度になるのがふつうである。

【００２３】以上のように構成かつ調整された本発明の
固体レーザ装置では、レーザ光Ｌは図１(b) のようにレ
ーザ媒質１の内部を従来と同じくｙ方向に進退しながら
進行するほか、図１(a) のようにレーザ共振系内をｚ方
向に往復しながらｘ方向にも進行した上で部分反射ミラ
ー３からレーザビームLBとして取り出される。なお、部
分反射ミラー３のこの実施例での全反射部3dと全反射ミ
ラー２の間に発生するレーザ光Ｌは直ちには取り出され
ないが、部分反射ミラー３がもつ傾きαによりｘ方向に
次第にずれる経路を通った上で部分反射部3cから途中の
若干の損失分を除いて取り出される。これからわかるよ
う、本発明のレーザ装置はレーザ光Ｌをｘ方向に進行さ
せながら取り出すいわば不安定ないしは準安定なレーザ
共振系を用いるものであって、共振系内のレーザ光Ｌの
平均往復回数が増えるために内部損失が若干とも増加す
るが、この図１の実施例のレーザビームLBの電力として
は従来の80〜90％を取り出すことができる。

【００２４】一方、レーザビームLBのｘ方向のビームウ
エスト幅Ｄ_x が従来より狭く, この実施例では半分にな
り、従ってレーザビームLBの断面積も半分程度になるの
で、図１(c) と(d) に実測結果を示すｘとｙ方向のビー
ムの電力密度Ｐは従来よりも高く例えば 1.6〜1.8 倍に
なる。また、レーザビームLBとして取り出される前のレ
ーザ光Ｌの共振系内の往復路がｘ方向にずれて行く間に
レーザ媒質１内の温度勾配による屈折率の変化の影響が
平均化されるので、ｘ方向のレーザビームLBの広がり角
θ_x が従来よりも減少し、ビームウエスト幅Ｄ_x の減少
と相挨ってこの実施例ではｘ方向のθＤ積が従来の２〜
３分の１に減少する。ｙ方向についてはθＤ積が従来と
同等かやや小さいめになる。

【００２５】また、本発明の固体レーザ装置では、図１
(c) に示すようにレーザビームLBの電力密度Ｐのピーク
は部分反射ミラー３の傾きαに対応してｘ方向には光軸
からややずれた位置に発生するが、そのピーク内のｘ方
向の分布は図示のようにほぼ均一である。図１(d) に示
すｙ方向では、電力密度Ｐはピークが光軸と一致し、そ
の分布はほぼ均一である。なお、この実測結果例では図
１(a) の電力密度Ｐのｘ方向の分布には光軸付近に小ピ
ークp1が観察され、主ピークの中央部にも負の小ピーク
p2が観察される。この原因はあまり明確ではないが、全
反射ミラー２の反射凹面, とくにその周縁部による影響
と考えられる。

【００２６】図２に示す実施例では、部分反射ミラー２
をｙ方向, つまりスラブ形のレーザ媒質１の断面の短径
方向にのみ曲率をもちｘ方向には平坦である凹な円筒面
状の反射面をもつシリンドリカルミラーに形成する。ま
た、図２(a) と(b) の右側に示すように、部分反射ミラ
ー３をその部分反射部3cを全反射部3dよりも狭く形成す
る点が図１の実施例と異なる。この部分反射部3cはｘ方
向の例えば30〜40％に相当するよう形成される。なお、
図２(a) と(b) に示す残余の部分は前実施例ととくに変
わるところはない。

【００２７】この実施例では、レーザ光Ｌに対する全反
射ミラー２の集束力が前実施例より低くて若干の散逸損
失が発生するのでレーザビームLBの電力が従来の70％程
度になるが、図２(c) の実測結果に示すようにそのｘ方
向の電力密度Ｐに前実施例のような小ピークp1やp2の発
生がなくなって分布がより均一になり、かつθＤ積も従
来の５〜７分の１に減少することが実証されている。ま
た、全反射ミラー２の曲率をｘ方向とは無関係に選定で
きるので、レーザビームLBのｙ方向のθＤ積を任意に設
定してｘ方向のθＤ積と容易に一致させ得る利点が生じ
る。なお、図の例では部分反射ミラー３の部分反射部3c
が図１の実施例より狭められているのでレーザビームLB
のｘ方向のビームウエストＤ_x がｙ方向のビームウエス
トＤ_y とほぼ一致しており、これに応じて図２(a) と
(b) に示す電力密度Ｐのピーク値が前実施例より一層高
くなっている。

【００２８】以上の図１と図２の実施例で説明したスラ
ブレーザ装置は例えばレーザ加工に利用され、従来より
もθＤ積が小なレーザビームLBを例えば500W程度の高電
力で発振して従来よりシャープに小さな焦点に集光で
き、かつビーム内の電力密度が均一なので光ファイバ等
の光導体を介して固体レーザ装置から加工点までレーザ
ビームLBをトラブルなく導くことができる。

【００２９】なお、以上説明した実施例に限らず本発明
は種々の態様で実施が可能である。例えば、部分反射ミ
ラー３の反射率を実施例のように２段に変えて一方を全
反射部3dとする必然性はもちろんなく、必要に応じて段
数や反射率を種々に選択してθＤ積, ビームウエスト,
ビーム内部の電力密度の分布やピーク値等を最適値に設
定することができ、その形状も実施例では平板としたが
場合によっては適宜な曲率をもたせるようにしてもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したとおり本発明では、固体の
レーザ媒質を全反射ミラーと部分反射ミラーの間に挟ん
でレーザ共振系を構成して部分反射ミラーからレーザビ
ームを取り出すレーザ装置に対し、部分反射ミラーの反
射率を所定方向にステップ状に変化させてその姿勢を低
反射率部分がレーザ媒質の端面から僅かに遠ざかるよう
傾けて調整することによって、次の効果を上げることが
できる。

【００３１】(a) 部分反射ミラーの反射率をステップ状
に変化させて低反射率部からレーザビームを取り出すこ
とによりビームウエストを狭め、かつその姿勢を傾けて
調整してレーザ光の共振系内の往復路を所定方向にずら
せながらレーザビームを取り出すことによりレーザ媒質
内の温度勾配による屈折率変化の影響を減じてビームの
広がり角を狭め、ビームウエストと広がり角で決まるレ
ーザビームのθＤ積を従来より減少させることができ
る。

【００３２】(b) 共振系内のレーザ光の往復経路を所定
方向にずらせながらレーザビームを部分反射ミラーの低
反射率部から取り出す準安定共振方式なので、従来の不
安定共振方式のようにレーザ光が光軸付近に集中するこ
とがなく、θＤ積を減少させながらレーザビーム内の電
力密度分布をほぼ均一にすることができる。 (c) 全反射ミラーの曲率を部分反射ミラーの反射率の変
化方向と直角な方向にのみ付ける態様によれば、レーザ
ビームの断面の互いに直角な２方向のθＤ積を揃えてレ
ーザビームの品質を一層向上させることができる。

【００３３】かかる利点をもつ本発明は、スラブ形のレ
ーザ媒質を用いる加工用等の高出力レーザ装置にとくに
適し、θＤ積が小なレーザビームを焦点に高エネルギ密
度でシャープに集光でき、かつビーム断面の電力密度が
均一で光ファイバ等を介する高出力レーザビームの伝達
を容易にする点で著効を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体レーザ装置の一実施例を示
し、同図(a) はその構成の概要を示す上面図、同図(b)
はこれに対応する側面図、同図(c) はレーザビーム内部
のｘ方向の電力密度の分布図、同図(d) はレーザビーム
内部のｙ方向の電力密度の分布図である。

【図２】本発明の固体レーザ装置の異なる実施例を示
し、同図(a) はその構成の概要を示す上面図、同図(b)
はこれに対応する側面図、同図(c) はレーザビーム内部
のｘ方向の電力密度の分布図、同図(d) はレーザビーム
内部のｙ方向の電力密度の分布図である。

【図３】従来技術による固体レーザ装置の代表例を示
し、同図(a) はその構成の概要を示す上面図、同図(b)
はこれに対応する側面図、同図(c) はレーザビーム内部
のｘ方向の電力密度の分布図、同図(d) はレーザビーム
内部のｙ方向の電力密度の分布図である。

【符号の説明】

１ 固体のレーザ媒質ないしはスラブ形の光学結晶 ２ 全反射ミラー ３ 部分反射ミラー 3c 部分反射ミラーの部分反射部 3d 部分反射ミラーの全反射部 ４ 励起光源 α 部分反射ミラーの傾き Ｄ_x ｘ方向のビームウエスト幅 Ｄ_y ｙ方向のビームウエスト幅 Ｌ レーザ光 LB レーザビーム Ｐ レーザビーム内部の電力密度 θ_x レーザビームのｘ方向の広がり角 θ_y レーザビームのｙ方向の広がり角 ｘ レーザ媒質の幅方向 ｙ レーザ媒質の厚み方向 ｚ レーザ媒質の長さ方向

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体のレーザ媒質を全反射ミラーと部分反
   射ミラーの相互間に挟んでレーザ共振系を構成し部分反
   射ミラーからレーザビームを取り出すレーザ装置におい
   て、部分反射ミラーを反射率が所定方向にステップ状に
   異なるように構成して低反射率部分がレーザ媒質の端面
   から僅かに遠ざかるようにその姿勢を傾けて調整するよ
   うにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、部分反射
   ミラーを部分反射性および全反射性の２段の反射率に
   し、レーザビームを部分反射性の範囲から取り出すよう
   にしたことを特徴とする固体レーザ装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の装置において、部分反射
   ミラーの部分反射性範囲を０〜50％の反射率とすること
   を特徴とする固体レーザ装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の装置において、レーザ媒
   質に断面が長方形のスラブ形状の光学結晶を用い、その
   断面の長径方向に部分反射ミラーの反射率を異ならせる
   ようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の装置において、全反射ミ
   ラーをレーザ媒質の断面の短径方向に曲率をもつ凹な円
   筒面状のミラーに構成するようにしたことを特徴とする
   固体レーザ装置。