JPH08111552A

JPH08111552A - 固体レーザ発振器

Info

Publication number: JPH08111552A
Application number: JP24589694A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久; Koji Kuwabara; 皓二桑原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【構成】固体レーザ発振器の共振器中に、２台の励起キ
ャビティ３ａ，３ｂとが直列に配置され、それぞれに
は、角度の３１.０° にカットされたＹＡＧ結晶から成
るスラブ４ａ，４ｂが用いられている。レーザビーム
は、スラブ４ａ，４ｂ中で、約３１.０° で進むため、
レーザ光６ａは、共振器中でスラブ４ａ，４ｂの外で
は、スラブ４ａ，４ｂの厚みと等しい厚みになり、常に
中心位置が一直線上に並ぶようになる。【効果】レーザ発振器の設計が簡略化でき、しかも、各
励起キャビティを構成する部品の共通化が図れてコスト
が低減できる。また、複数のスラブを一体化させる場合
は、一枚の長いスラブを用いる場合と同じ構造の励起キ
ャビティを１台用いるだけで済む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体レーザに係り、特
に、スラブレーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体レーザ発振器の平均出力を
高めるために、共振器中でレーザ媒質を複数用いること
がある。例えば、レーザ媒質としてロッド状のもの（以
下ロッドと呼ぶ。）を複数本用いた固体レーザ発振器が
広く利用されており、ロッドを励起するための励起キャ
ビティ（またはレーザヘッド，ランプキャビティ、ある
いは集光鏡などと呼ばれることもある。）が共振器中に
複数台直列に並べられる。このレーザ発振器をマルチロ
ッド式発振器と呼ぶことがあり、ＹＡＧレーザにおける
マルチロッド式発振器に関しては、例えば、溶接技術、
１９８８年８月号，第６６頁から第７１頁において示さ
れている。

【０００３】一方、レーザ媒質としてスラブ状のもの
（以下スラブと呼ぶ。）を用いた固体レーザ（以下スラ
ブレーザと呼ぶ。）では、発振するレーザ光はスラブ内
でジグザグに全反射を繰り返すことから、レーザ動作時
に発生する熱レンズ効果による影響をキャンセルでき、
ビーム拡がり角が増大しにくいことが知られている。

【０００４】また、スラブレーザでは、一般に、スラブ
の両端部がブリュースターカットされている場合が多
い。この場合、スラブ端部の角度α_Bは数２から求めら
れる。

【０００５】

【数２】

【０００６】ただし、数２におけるｎはレーザ媒質の屈
折率を示す。ここでスラブ端部の角度とは、スラブの断
面が示された図５において、αで示された角度のことで
ある。尚、スラブがＹＡＧ結晶で、端部がブリュースタ
ーカットされている場合、α＝α_B＝２８.９°になる。

【０００７】また、図５に示したように、スラブ内でジ
グザグに進むレーザ光の角度βは、αの関数として数３
から求められる。

【０００８】

【数３】

【０００９】スラブがＹＡＧ結晶で、α＝α_Bのとき、
β＝３２.４°になる。また、スラブがＧＧＧ結晶、及
びＧＳＧＧ結晶では、それぞれα_B＝２７.２° 、及び
β＝３５.７° になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のようにマル
チロッド式発振器では、各ロッドごとに発生する熱レン
ズ効果が重複して、ロッド１本の場合に比べてビーム拡
がり角の増加が大きくなり、ビーム質が低下することが
問題であった。さらにまた、光軸調整を行う際に、各ロ
ッドの中心軸が正確に同軸上に配置する調整に長時間掛
かることも問題であった。

【００１１】また、マルチロッド式発振器において、複
数のロッドを１本につないで一台の励起キャビティで対
応させようとすると以下で説明する新たな問題があっ
た。先ず第一に、ロッドの周囲の面は、ランプからの励
起光を拡散させるために、砂地面となって荒らされてい
る。その結果、隣接する２本のロッドを中空のホルダな
どで接続しても、ロッドとホルダとの隙間を完全にシー
ルすることが困難であり、冷却水が２本のロッド間にリ
ークすることがあった。すなわち、砂地面にはゴム状の
Ｏリングやシリコン製のシール剤が強く密着しないから
である。また第二の問題として、ロッドの端面には一般
にＡＲコートが施されているため、万一、接続させた２
本のロッド間に冷却水が洩れた時にレーザ光が入射する
と、ＡＲコートにダメージが生じることがあった。この
ように、従来、複数のロッドを接続して用いるのは困難
であった。

【００１２】一方、スラブレーザにおいて、スラブの端
部がブリュースターカットされていると、図５に示した
角度αよりも角度βの方が大きくなる。その結果、端面
から入出射できるレーザビームの厚みｄは、スラブの厚
みｔより小さくなり、しかも、スラブを通過したレーザ
ビームの中心位置が（ｔ−ｄ）だけシフトすることにな
る。したがって、このシフトを考慮してレーザ発振器を
設計する必要があり、各励起キャビティごとに異なる構
造にするか、あるいは、各励起キャビティをずらして配
置させるために、レーザ発振器の設計が複雑になること
が問題であった。

【００１３】本発明の第一の目的はロッドを用いずに高
い平均出力が得られ、しかも、レーザ発振器の設計が簡
略化できる固体レーザ発振器を提供することにある。

【００１４】また、本発明の第二の目的は一台の励起キ
ャビティを用いて第一の目的を達成できる固体レーザ発
振器を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために、レーザ発振器内で用いる複数の固体レーザ媒
質として、数１を満足する角度αに対して、−０.４度
から＋２.０度の範囲内の角度で両端部がカットされた
スラブを用いた。

【００１６】また、上記第二の目的を達成するために、
２枚の隣接する前記スラブの両端部のカット面が互いに
平行になる向きで、それぞれのスラブの向かい合う端部
を中空の部材の中に挿入した。

【００１７】また、励起光の光をより有効に利用するた
めに、前記中空の部材として透明の材質から成るものを
用いた。

【００１８】

【作用】スラブ端部の角度が数１を満足する角度α以上
の場合、スラブ内でジグザグに進むレーザ光の角度βは
α以下になる。その結果、図５に示されたレーザビーム
の厚みｄはスラブの厚みｔと等しくなり、レーザビーム
の中心とスラブの中心とが一致する。これにより、複数
のスラブをその中心が一直線上に並ぶように配置するだ
けで、レーザビームの中心も一直線上に並ぶようにな
る。

【００１９】また、スラブ端部の角度がαよりも０.４
度小さい場合では、図５におけるレーザビームの厚みｄ
が、スラブの厚みｔの約９９％と計算されるため、実質
的にレーザビームの厚みはスラブの厚みと等しくなり、
レーザビームのシフト量を無視できる。

【００２０】一方、スラブ端部の角度を数１から求まる
αにすると、スラブ端部はブリュースターカットではな
くなるため、入出射する直線偏光のレーザ光に対して反
射損失が生じてしまう。しかし、スラブ端部の角度がα
の場合、この反射損失は十分小さく、例えば、ＹＡＧ結
晶では０.１％程度になるため、レーザ出力の減少は無
視できる程小さくなる。また、スラブ端部の角度がαよ
り２.０度大きい場合でも、反射損失は約０.３％にな
るため、この程度までは実質的に問題無い。

【００２１】また、複数のスラブにおいて、隣接するス
ラブの両端部のカット面が互いに平行になる向きで、そ
れぞれのスラブを中空のホルダなどに挿入することで、
各スラブを厚み方向でシフトさせることなく配置でき、
しかもランプからの励起光の損失を十分小さくできる。
しかも、スラブの表面は研磨面になっているため、シー
ル剤を強く密着させることができる。また、スラブでは
両端部のカット面も研磨されており、ＡＲコートなどは
施されていないため、万が一冷却水が接触しても、スラ
ブ自体にダメージは生じない。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２３】図１は、本発明の第一実施例である固体レ
ーザ発振器の構成を示した断面図である。

【００２４】固体レーザ発振器では、出力鏡１ａと全反
射鏡２ａとで組まれた共振器中に、２台の励起キャビテ
ィ３ａ，３ｂとが直列に配置されている。それぞれの励
起キャビティ３ａ，３ｂには、端部の角度が数１をほぼ
満たす角度の３１.０° にカットされたＹＡＧ結晶から
成るスラブ４ａ，４ｂが用いられている。スラブ４ａ、
及び４ｂの両端には、これらを保持するホルダ７ａ,７
ａ′、及び７ｂ,７ｂ′とが取り付けられており、これ
らが励起キャビティ３ａ、及び３ｂとに固定されてい
る。また、これらのスラブ４ａ，４ｂを励起するための
ランプ５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′とが励起キャビティ
３ａ，３ｂ中に備えられている。

【００２５】ランプ５ａ，５ａ′，５ｂ，５ｂ′を発光
させるとレーザ光６ａが発生する。レーザビームは、ス
ラブ４ａ，４ｂ中で、式３から求まる角度βでジグザグ
に進む。ここでは、α＝３１.０°であるため、β＝３
０.９°となりαとほぼ等しくなる。その結果、レーザ
光６ａは、共振器中でスラブ４ａ，４ｂの外では、スラ
ブ４ａ，４ｂの厚みと等しい厚みになり、常に中心位置
が一直線上に並ぶようになる。これにより、各スラブ４
ａ，４ｂを励起するための励起キャビティ３ａ，３ｂと
を全く同じ構造にでき、しかも、各励起キャビティ３
ａ，３ｂを互いにシフトさせる必要もない。

【００２６】図２は、本発明の第二実施例である固体レ
ーザ発振器２００の構成を示した断面図である。

【００２７】固体レーザ発振器では、第一実施例のスラ
ブ４ａ，４ｂと同じＹＡＧ結晶で同寸法の２枚のスラブ
４ｃ，４ｄとを一体化させて、１台の励起キャビティ３
ｃ中に納めたものである。また、一体化されたスラブを
励起できる長いランプ５ｃ，５ｃ′とが用いられてい
る。

【００２８】スラブを一体化する際に、２枚のスラブ４
ｃ，４ｄは、それぞれのカット面が互いに平行になるよ
うに、中空のホルダ７ｃに挿入され、固定される。この
ホルダ７ｃは透明のアクリル樹脂から成り、ランプ５
ｃ，５ｃ′からの励起光を透過する。尚、２枚のスラブ
４ｃ，４ｄの隙間には、乾燥窒素が満たされており、ス
ラブ４ｃ，４ｄの周囲の面とホルダ７ｃの内側の面との
間には、シリコン製のシール剤が封入されている。ま
た、スラブ４ｃ，４ｄの反対側の端部は、それぞれホル
ダ７ｃ′，７ｃ″により、励起キャビティ３ｃに固定さ
れる。

【００２９】第二実施例でも、第一実施例と同様に、レ
ーザ動作により、スラブ４ｃ，４ｄの厚みにほぼ等しい
厚みを有するレーザ光６ｂが発振する。これにより、ホ
ルダ７ｃによりスラブ４ｃ，４ｄとを固定する際に、ス
ラブ４ｃ，４ｄとをシフトさせる必要はない。尚、これ
に関しては後述する。また、それにより、スラブ４ｃ，
４ｄを冷却する冷却水を流すために設けた壁８ａ，８
ａ′によって作られたギャップ９ａ，９ａ′は、ホルダ
７ｃ以外の部分において、それぞれのスラブの長さ方向
（図２で左右方向）で等しくなることから、冷却水の流
速が一定になる。尚、図２では、ギャップ９ａ，９ｂ中
で、冷却水を紙面に垂直な方向に流す構造になっている
が、冷却水を光軸と平行に流してもよい。

【００３０】また、本実施例では端部が３１.０度にカ
ットされたスラブ４ｃ，４ｄとを用いているが、もし
も、ブリュースターカットされたスラブ２枚を一体化さ
せようとすると、以下に説明する問題が生じる。これを
図３で説明する。ブリュースターカットされたスラブ４
ｅ，４ｆから入出射するレーザ光６ｃを、両方のスラブ
４ｅとスラブ４ｆとに無駄なく導くには、スラブ４ｅと
スラブ４ｆとを互いにシフトして配置する必要がある。
その結果、ホルダ７ｄのように、構造が複雑になった
り、あるいは、冷却水を流すために設けた壁８ｂ，８
ｂ′とそれぞれのスラブ４ｅ，４ｆとで作られたギャッ
プ９ｂ，９ｂ′が、それぞれのスラブ４ｅ，４ｆに対し
て不均一になる。その結果、冷却水の流速が不均一にな
って、スラブ４ｅ，４ｆ中に不均一な温度分布が生じる
ことになり、レーザ光の品質に悪影響を及ぼすことにな
る。

【００３１】一方、ブリュースターカットされたスラブ
を２枚用いても、端部のカット面を互いに逆向きにして
一体化させれば、図４に示したように、スラブ間のシフ
トを無くすように配置することも可能であるが、その場
合、別な問題が生じる。２枚のスラブ４ｇ，４ｈを一体
化させると、スラブ４ｇとスラブ４ｈとの間の隙間が長
くなるため、ホルダ７ｅは、図３に示したホルダ７ｄよ
りも長いものが必要になる。しかも、スラブ４ｇとスラ
ブ４ｈとを合わせた長さも長くなるため、スラブ４ｇ，
４ｈとを励起するランプにも、より長いものが必要にな
る。さらにまた、ホルダ７ｅ内でスラブの存在しない空
間が大きくなるため、ここに照射されて無駄になる励起
光が増えてしまう。

【００３２】したがって、本発明では、数１を満たす角
度αでカットされたスラブを用いることで、上記問題が
生じない。

【００３３】さらにまた、第二実施例では、スラブ４
ｃ,４ｄに対して、ランプ５ｃ,５ｃ′からの励起光が照
射されない部分は、ホルダ７ｃ′，７ｃ″とで保持され
る部分であり、透明のホルダ７ｃで保持されている部分
には励起光が照射される。すなわち、図１に示した第一
実施例のスラブレーザ発振器に比べて、スラブを有効に
利用する割合が増加した。

【００３４】

【発明の効果】本発明によると、各スラブの励起キャビ
ティとして同じ構造のものを用いて一直線上に並べるこ
とができるため、レーザ発振器の設計が簡略化でき、し
かも、各励起キャビティを構成する部品の共通化が図れ
てコストが低減できる。

【００３５】また、複数のスラブを一体化させる場合
は、一枚の長いスラブを用いる場合と同じ構造の励起キ
ャビティを１台用いるだけで済むことから、レーザ発振
器の設計が簡略化できる。しかも、例えばＹＡＧ結晶の
場合、一枚のスラブでは長さ約２０cm程度のものを製作
するのが限界であるのに対して、本発明では一体化され
たスラブの全長を原理的にはどこまでも長くすることが
でき、１台の励起キャビティで一層の高出力化が可能に
なった。

【００３６】また、複数のスラブを一体化するホルダの
中に、万が一、冷却水が洩れて浸入しても、スラブの端
面には、ロッドの場合のようなダメージが生じないこと
から、分解して水を取り除き、ホルダを再接続するだけ
で済む。

【００３７】さらに、一般に、スラブは長い程、精度良
く研磨することが難しくなることから、長くなる程単位
長さ当たりのコストが高くなるのに対して、本発明では
比較的短いスラブを複数用いて一体化させたものを用い
ることができるため、スラブの有効長が同じでもコスト
が低くなる長所もある。

【００３８】さらにまた、複数のスラブを接続するホル
ダを透明の材質で構成することで、従来１枚のスラブを
１台の励起キャビティで励起していた場合に比べて、ス
ラブを有効に利用できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体レーザ発振器の一実施例の断面
図。

【図２】本発明の固体レーザ発振器の第二実施例の断面
図。

【図３】本発明以外の構成をとる場合の説明図。

【図４】本発明以外の構成をとる場合の説明図。

【図５】スラブレーザとレーザ光との関係を示した説明
図。

【符号の説明】

３ａ，３ｂ，３ｃ…励起キャビティ、４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ…スラブ、６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄ…レーザ光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の固体レーザ媒質を用いる固体レーザ
発振器において、数１を満足する角度αに対して−０.
４度から＋２.０度の範囲内の角度で両端部がカットさ
れたスラブを前記固体レーザ媒質として用いることを特
徴とする固体レーザ発振器。【数１】ただし、ｎはスラブの屈折率。
【請求項２】請求項１において、２枚の隣接する前記ス
ラブの両端部のカット面が互いに平行になる向きで、そ
れぞれのスラブの向かい合う端部を中空の部材の中に挿
入する固体レーザ発振器。
【請求項３】請求項１において、前記中空の部材が透明
の材質から成る固体レーザ発振器。