JPH08111551A - レーザ用アパーチャ及びそれを用いたレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルスレーザ発振器に使用できる散逸のない
アパーチャを提供すること、高出力のレーザ発振器に使
用してもパッキング等の破損のないアパーチャを提供す
ることにある。そして上記アパーチャを用いたレーザ発
振器を提供することにある。 【構成】 本発明のレーザ用アパーチャは、物理的開口
を設けたアパーチャ基板と、前記アパーチャ基板の少な
くとも１面に形成された誘電体多層膜による反射膜から
構成する。また、高出力のレーザ発振器に用いるアパー
チャは、アパーチャからの反射戻り光がレーザ素子周り
のパッキングを照射しないように、上記アパーチャ基板
を物理的開口の中心軸はレーザ光の光軸と同一であるが
アパーチャ基板自体は前記光軸に対し垂直から所定角度
傾斜した平行平板とするか、上記アパーチャ基板の少な
くとも１面を反射膜を設けた有限な曲率半径を有する面
とする。さらに、本発明のレーザ用アパーチャを用いた
レーザ発振器では、誘電体多層膜による反射膜をレーザ
素子側に向けて設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ用アパーチャと
それを用いたレーザ発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ発振器は、レーザ光が連続的に出
射される連続波レーザ発振器と間欠的に出射されるパル
スレーザ発振器に分けられるが、どちらの場合もレーザ
光は、切断あるいは溶接と言ったレーザ加工や光ファイ
バへの導光のために、光学レンズで集光されることが多
い。レーザ加工はレーザ光の集光により形成された高エ
ネルギー状態を利用する加工であるため、可能な限り微
小な領域にレーザ光を集光できることが望まれている。
また光ファイバから出射される光を集光する場合、コア
の小さな光ファイバから出射される光の方がより微小な
領域に集光できるため、コアの小さな光ファイバに集光
し、そして導光することが望まれている。

【０００３】さてレーザ光を光学レンズで集光したスポ
ットでのビーム径は、共振器内で最もビーム径が小さく
なったところでのビーム径（これを以後ビームウエスト
径と呼ぶ）とビーム広がり角の逆数の２乗に比例する。
従って小さなビームウエスト径とビーム広がり角を持つ
レーザ光が集光し易いことになる。

【０００４】ビームウエスト径とビーム広がり角を小さ
くするためには、共振器内にアパーチャと呼ばれる光学
的開口を挿入する方法がよく用いられている。アパーチ
ャとは、光軸と垂直な断面方向に光の損失分布を設けた
もので、光軸中心付近は無損失で、光軸中心より外周部
になるほど損失が大きくなっているものである。前記ア
パーチャを発振器内に挿入すると、光軸中心から離れた
外周部に電界分布を持つ広がり角の大きな高次の横モー
ドの発振は阻害され、低次の横モードが発振するため、
ビームウエスト径およびビーム広がり角を小さくするこ
とができる。

【０００５】従来、アパーチャには、アルミニウムや銅
等の金属板に物理的開口つまり穴を開けたハード・アパ
ーチャと呼ばれるものや、レーザ光に対し透明なガラス
基板等のアパーチャ基板に中央部は反射率がゼロで、外
周部になるに従い徐々に反射率が高くなる誘電体多層膜
を設けたソフト・アパーチャと呼ばれるものを、光軸に
対し垂直に挿入し用いてきた。

【０００６】ハード・アパーチャは、光を透過しない金
属で作られているため、物理的開口部は損失がゼロで、
それ以外は損失が無限大となっている。またソフト・ア
パーチャでは、誘電体多層膜の反射率が高くなるにつ
れ、レーザ光がアパーチャを透過できなくなる。従っ
て、誘電体多層膜の反射率が高くなることは、損失も高
くなることを意味する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のハ
ード・アパーチャをレーザ発振器の中でもパルスレーザ
発振器に用いた場合、アパーチャの形状変化と光学部品
の劣化という問題が生じる。共振器内のレーザ光はアパ
ーチャを通過する際にアパーチャの開口部の金属材料に
吸収され、そこで熱に変換されるが、パルスレーザ発振
器では共振器内の発振パルスのピークパワーが高いた
め、アパーチャ開口部の金属材料を瞬間的に加熱しプラ
ズマを発生させていた。

【０００８】プラズマが発生することにより開口部の金
属材料は徐々に散逸していき、アパーチャの開口寸法が
少しづつ大きくなっていく。アパーチャの開口寸法が大
きくなるにつれ、ビームウエスト径、ビーム広がり角は
大きくなり、徐々に集光性能が劣っていくという不都合
が生じる。そればかりか散逸物質は部分反射鏡や全反射
鏡等の光学部品に付着し、この機能を劣化させていた。
よって、ハード・アパーチャを使用したレーザ発振装置
は、アパーチャを使用しない装置に比較して定期点検期
間が短かった。

【０００９】またソフト・アパーチャは、アパーチャ基
板、誘電体膜共にレーザ光を吸収しないため、上記の様
なアパーチャ材料の散逸の問題は生じないが、アパーチ
ャ基板に光軸中心から離れるにつれて反射率が徐々に高
くなる反射率分布を形成するといった特殊な蒸着技術を
要し、高価なものであった。

【００１０】更に従来のアパーチャは、平行平板基板を
レーザ光の光軸に対し垂直に設置しているため、反射さ
れたレーザ光がレーザ素子に向かって戻るという特性を
有している。アパーチャにより反射されたレーザ光が全
てレーザ素子に戻るのであれば悪影響は生じないが、実
際にはレーザ素子の入出射端面近傍に設けてある樹脂製
のパッキングにも戻っていた。

【００１１】一般に、レーザ素子は水で冷却されている
ため、レーザ素子の周囲には水を止めるための樹脂製パ
ッキング等が使用されている。このパッキングにレーザ
光が照射された場合、レーザ発振器の出力が低出力であ
れば反射されるレーザ光のエネルギーも低いため問題が
生じることはないが、高出力のレーザ発振器では高エネ
ルギーのレーザ光が反射されるため、パッキング等に破
損が生じることがある。パッキングの破損は、レーザ発
振器が連続波レーザ発振器であれパルスレーザ発振器で
あれ、出力が高ければ生じる問題であり、冷却水漏れ、
レーザ発振出力低下、場合によってはレーザ素子の破損
を引き起こしていた。

【００１２】そこで本発明の目的は、まず第１にパルス
レーザ発振器に使用できる散逸のないアパーチャを提供
することにある。第２に高出力のレーザ発振器に使用し
てもパッキング等の破損のないアパーチャを提供するこ
とにある。そして第３に上記アパーチャを用いたレーザ
発振器を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザ用アパーチャを、物理的開口を設け
たアパーチャ基板と、前記アパーチャ基板の少なくとも
１面に形成された誘電体多層膜による反射膜から構成し
た。

【００１４】また、高出力のレーザ発振器に用いるアパ
ーチャは、アパーチャからの反射戻り光がレーザ素子周
りのパッキングを照射しないように、上記アパーチャ基
板を物理的開口の中心軸はレーザ光の光軸と同一である
がアパーチャ基板自体は前記光軸に対し垂直から所定角
度傾斜した平行平板とするか、上記アパーチャ基板の少
なくとも１面を反射膜を設けた有限な曲率半径を有する
面とした。

【００１５】さらに、本発明のレーザ用アパーチャを用
いたレーザ発振器では、誘電体多層膜による反射膜をレ
ーザ素子側に向けて設置した。

【００１６】

【作用】本発明のアパーチャでは、物理的開口を施した
アパーチャ基板に誘電体多層膜による反射膜を施してい
る。アパーチャの無損失部を物理的な開口により達成し
ているため、ソフト・アパーチャとは異なり膜厚分布を
設けるような特殊な蒸着技術は不要であり、通常の蒸着
方法により均一な膜厚の誘電体多層膜を形成すること
で、アパーチャを作製することができる。

【００１７】誘電体多層膜を構成するＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ
₃等の誘電体はレーザ光を吸収することが無いため、誘
電体多層膜自体がレーザ光を吸収することはない。

【００１８】誘電体多層膜の反射率は、アパーチャ基板
がレーザ光を吸収する物質からなるときは、散逸を防止
するため、できるだけ高反射率であることが望まれる。
それは、アパーチャ基板にまでレーザ光が到達した場
合、誘電体多層膜を透過した光の強度によっては誘電体
多層膜が存在しても散逸が生じるからである。レーザ光
の波長が１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器に用
いる場合、アパーチャ基板が銅板のときの前記誘電体多
層膜の反射率は９８％以上、ステンレス板を用いたとき
は９９％以上であるのが望ましい。

【００１９】また、アパーチャ基板がレーザ光を吸収し
ない物質である場合は、散逸の問題は生じないため、誘
電体多層膜の反射率は、レーザ発振のゲインを上回る損
失を与えるに足る反射率であれば良い。ゲインは励起強
度により変化するため、レーザ発振器の発振条件により
誘電体多層膜の必要な最低反射率も変わってくる。誘電
体多層膜の反射率はアパーチャを挿入するレーザ発振器
の発振条件により適宜選ぶことになる。レーザ光を吸収
しないアパーチャ基板の場合もレーザ光を吸収するアパ
ーチャ基板の場合と同様、誘電体多層膜の反射率は、高
いものほど広範囲な発振条件で用いることができるため
望ましいことになる。

【００２０】さらに、高出力のレーザ発振器に用いる場
合には、アパーチャからの反射戻り光がレーザ素子周り
のパッキングを照射しないように、アパーチャ基板の光
軸からの傾斜角やアパーチャ基板のレーザ光反射面の曲
率半径を適宜選ぶことにより、アパーチャからの反射戻
り光の方向を従来とは別の方向へ、ずらすことができ
る。従って、上記手段により、アパーチャからの反射戻
り光が、レーザ素子周囲のパッキングに照射され、パッ
キングに損傷が生じるのを防止することができる。

【００２１】パッキングの直ぐ外側にはレーザ素子を保
持するためのロッドホルダーと呼ばれる金属製の部品が
配置してあるが、前記ロッドホルダーは水冷されている
ため、ロッドホルダーに反射戻り光が照射されても問題
はない。前記ロッドホルダーの更に外側に反射戻り光が
照射される場合は、反射戻り光の照射部に反射戻り光の
エネルギーを吸収するダンパーを設けることにより、反
射戻り光の弊害を排除することができる。

【００２２】レーザ光は、励起されたレーザ素子を通過
する際に誘導放出により増幅される。励起強度が高い場
合は、不要な光軸外周部のレーザ光強度を、１回レーザ
素子を通過するだけで従来のアパーチャに散逸を生じさ
せるに十分な値にまで増幅していた。従ってレーザ素子
により増幅されたレーザ光を受けとめるためには、レー
ザ用アパーチャを共振器内に挿入する際、誘電体多層膜
による反射膜がレーザ素子側に存在するように設置する
必要がある。共振器を構成する部分反射鏡や全反射鏡か
らの反射光がアパーチャに散逸等の害を及ぼす場合は、
アパーチャ基板の両面に誘電体多層膜による反射膜を設
ける必要があるが、通常は１面で事足りる。

【００２３】なお、アパーチャ基板を光軸から傾ける
か、アパーチャ基板のレーザ光反射面に曲率を設けた場
合には、人体、特に目への露光防止の観点から、光路を
レーザ光が透過しない物質、例えば金属材料で遮蔽する
ことが望ましい。

【００２４】

【実施例】

（実施例１） 以下、本発明の実施例を図１をもとに説
明する。図１は本発明のアパーチャを示す図である。本
実施例では、アパーチャ基板１に基板中央に直径５ｍｍ
の物理的開口３を設けた厚さ３ｍｍの平行平板の石英ガ
ラス基板を用いた。また誘電体多層膜による反射膜２に
は、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃を電子ビーム蒸着法により交互
に積層し作製した、反射率が９９．５％以上の膜を用い
た。

【００２５】本発明のレーザ用アパーチャをパルスＹＡ
Ｇレーザ発振器内に挿入し、アパーチャの寿命や他の光
学部品に与える影響を調べた。比較のため、厚さ２ｍｍ
の銅板に直径５ｍｍの物理的開口３を設けただけの従来
のハード・アパーチャも、同一規格のレーザ発振器内に
設置し試験を行った。どちらの場合も部分反射鏡に近接
し、レーザ用アパーチャを設置した。また、レーザの発
振条件は、レーザ出力７００Ｗ、デューティ比１０％の
条件とした。ここでデューティ比とは、レーザ光が出射
している時間と出射していない時間との比であり、この
比が１の場合を連続波発振という。

【００２６】レーザ発振開始１時間後には従来の銅製ア
パーチャの表面が黒く変色し、２時間後には開口部周辺
でアパーチャ材料である銅の散逸が観測された。その
間、本発明のアパーチャには何の変化も認められなかっ
た。発振開始後約５時間で、従来の銅製アパーチャに最
も近い配置の部分反射鏡に破損が生じた。これは、従来
の銅製アパーチャからの散逸物質が原因であると考えら
れる。このとき、本発明によるレーザ用アパーチャ並び
に他の光学部品には全く異常を認めなかった。

【００２７】（実施例２） 高出力のレーザ発振器に用
いる本発明のアパーチャの実施例を図２を用い説明す
る。アパーチャ基板１には、基板中央に直径５ｍｍの物
理的開口３を設けた、最も厚い部分の板厚が３ｍｍで、
片面に曲率半径１ｍの凸面加工を施した銅板を用いた。
アパーチャ基板１の凸面加工を施した面は、蒸着膜が強
固に付着するように鏡面研磨され、実施例１と同様の反
射率９９．５％以上の誘電体多層膜による反射膜２を設
けた。

【００２８】実施例２においても実施例１同様、パルス
ＹＡＧレーザ発振器内にレーザ用アパーチャを挿入し、
発振試験を行った。比較のための従来例として、平行平
板の石英ガラス基板に反射率分布を設けたソフト・アパ
ーチャを光軸に対し垂直に挿入し発振試験を行った。レ
ーザ発振条件は、レーザ出力９３０Ｗ、デューティ比１
０％とした。

【００２９】レーザ発振開始１０分後には、従来のソフ
ト・アパーチャを用いた場合、レーザ媒質周辺の温度は
８０℃を越え、２０分後にはレーザ媒質の周辺で冷却水
漏れが観測され、それに伴いレーザ出力は低下した。水
漏れはレーザ素子に取り付けられたシリコン・ゴムのＯ
−リングの破損によるものであった。

【００３０】その間、本発明のレーザ用アパーチャを使
用したレーザ発振器のレーザ素子周辺の温度は約３５℃
であった。この温度はレーザ用アパーチャを使用しない
場合の温度と比較して差違が認められない。本発明によ
るレーザ用アパーチャを使用したレーザ発振器は、その
後３時間の連続運転でも全く異常を認めなかった。

【００３１】実施例２においては、凸面加工されたアパ
ーチャ基板を用いたが、図３に示す凹面加工されたアパ
ーチャ基板を用いたレーザ用アパーチャでも、図４に示
すアパーチャ基板をレーザ光の光軸に対し、垂直から傾
斜させたレーザ用アパーチャでも、効果は同様である。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明のレーザ用アパーチ
ャは、レーザ光を吸収しない誘電体多層膜によってレー
ザ光を反射するため、散逸が生じることがない。しかも
物理的開口を設けた基板に均一な反射率の膜を設けるだ
けであるため、特殊な蒸着技術を必要とせず、安価に製
造することができる。また、レーザ用アパーチャにより
反射されたレーザ光の反射戻り方向を変えることができ
るため、パッキング等に損害を与えることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例を表す図である。

【図２】図２は本発明の別の実施例を表す断面図であ
る。

【図３】図３は本発明の別の実施例を表す断面図であ
る。

【図４】図４は本発明の別の実施例を表す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ アパーチャ基板 ２ 誘電体多層膜による反射膜 ３ 物理的開口 １１ アパーチャを通過したレーザ光 １２ アパーチャによって反射されたレーザ光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高次のモードの発振を抑制するアパーチ
   ャが、物理的開口を設けたアパーチャ基板と、前記アパ
   ーチャ基板の少なくとも１面に形成された誘電体多層膜
   による反射膜から構成されることを特徴とするレーザ用
   アパーチャ。
2. 【請求項２】 請求項１のアパーチャ基板が平行平板
   で、前記アパーチャ基板からの反射戻り光がレーザ素子
   周囲のパッキングに照射しないように、レーザ光の光軸
   に対し垂直から所定角度傾斜しており、物理的開口の中
   心軸が前記光軸と同一であることを特徴とするレーザ用
   アパーチャ。
3. 【請求項３】 請求項１のアパーチャ基板の少なくとも
   １面が、前記アパーチャ基板からの反射戻り光がレーザ
   素子周囲のパッキングに照射しないように、有限な曲率
   半径を有しており、かつ誘電体多層膜による反射膜が前
   記有限な曲率半径を有する面に設けられていることを特
   徴とするレーザ用アパーチャ。
4. 【請求項４】 請求項１のレーザ用アパーチャに形成さ
   れた反射膜を、レーザ素子側に向けて設置したことを特
   徴とするレーザ発振器。