JPH08191165A - スラブ型固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スラブ状固体レーザ媒質内のジグザグな光路を
含む平面に直角な方向にも熱レンズ効果の小さい，品質
の良好なレーザ光が得られるスラブ型固体レーザを提供
する。 【構成】スラブ状体レーザ媒質１の板幅方向両側をレー
ザ光の反射面に形成するとともに、該両反射面の少なく
とも一方を、スラブ内のスラブ板面と平行な平面の一方
の側に該平面と平行に入射したレーザ光束を他方の側へ
該平面と平行に反射する反射面ｅ，ｆとし、レーザ光
が、スラブ板厚内に生じている高温層と低温層とを交互
に通過するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ加工装置等に
用いるレーザであって、レーザ光を生成，増幅するレー
ザ媒質に板面を励起光の受光面とするスラブ状の固体レ
ーザ媒質を用いるスラブ型固体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】スラブ状固体レーザ媒質はＹＡＧ（Ｙ₃
Ａｌ₅ Ｏ₁₂）等の結晶からスラブ状に切り出してＮｄ³⁺
等のイオンを注入したもので、従来用いられてきたスラ
ブの具体形状を図５に示す。図では、説明の便宜上、ス
ラブの幅方向をｘ方向、厚み方向ｙ方向、レーザ光の平
均進行方向をｚ方向としている。スラブ状固体レーザ媒
質１は通常、面積の広いｘｚ面に励起ランプ又は励起用
レーザダイオードから励起光２を照射され、照射された
励起光２の吸収によって発熱するのでｘｚ面を強制水冷
する。冷却によってスラブ状固体レーザ媒質１にはｙ方
向に強い温度勾配８が発生し、熱レンズ効果と呼ばれる
熱歪みによって、レーザ光の空間モードが悪化するた
め、熱レンズ効果を打ち消すように固体レーザ媒質１の
ｙｚ面内でレーザ光４がジグザグに反射しながら進行す
ることによってスラブ型固体レーザではｙ方向に広がり
の小さな良質の光を得ている。また、ｘ方向において
は、スラブ型固体レーザ媒質の両端面１ａを断熱面とし
て、ｘ方向を一定温度とすることにより、ｘ方向のレー
ザ光の品質低下を防止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現実のスラブ
型固体レーザにおいては、ｘ方向の完全断熱は難しく、
ｘ方向の熱流出によって温度勾配９が発生してしまうの
で、ｘ方向のレーザ光４の品質は低下してしまうという
問題があった。また、ｘ方向の完全断熱が実現できたと
しても、ｘ方向のスラブ状固体レーザ媒質の大きさが大
きいために、ｘ方向には高次のマルチモードレーザ光が
形成されやすく、良質のレーザ光を得にくいという問題
があった。

【０００４】本発明は、レーザ光路を含む平面に垂直方
向のレーザ光の品質低下を防止し、集束の小さな良質の
レーザ光を発生することのできるスラブ型固体レーザを
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、請求項１に記載のごとく、スラ
ブ型固体レーザを、スラブ状固体レーザ媒質の板幅方向
両側が反射面に形成されるとともに、該両反射面の少な
くとも一方が、レーザ光束をスラブ内のスラブ板面と平
行な平面の一方の側に板面と平行に、かつレーザ媒質中
のレーザ光の平均進行方向に斜めにレーザ媒質に入射し
たときに、該入射光束を前記平面の他方の側へ板面と平
行に、かつ該入射光束がレーザ媒質中でジグザグに進行
する方向に反射する反射面を含むレーザとする。

【０００６】また、スラブの板幅方向両側の反射面がこ
のように形成されるスラブ状固体レーザ媒質を、さら
に、請求項２に記載のごとく、レーザ光の平均進行方向
一方の端面を反射面としたものとして、レーザ光が該反
射面で折り返して他方の端面側から外方へ射出されるも
のとすればさらに好適である。また、スラブ状固体レー
ザ媒質のレーザ光平均進行方向一方の端面を反射面とす
る場合は、請求項３に記載のごとく、スラブ板幅方向両
側反射面のいずれか一方で反射されたレーザ光束を反射
したときに反射光束が入射光束と重ならないように端面
位置を設定すれば好適である。

【０００７】また、スラブの板幅方向両側を反射面に形
成されるスラブ状固体レーザ媒質は、請求項４に記載の
ごとく、一方の板面を励起光の受光面とし、他方の板面
を、該板面に反射膜を形成して前記受光面に入射した励
起光を反射する励起光反射面とするとともに、該励起光
反射面とした板面をレーザ媒質内の熱を外部へ導出する
ための熱導出面とすれば好適である。

【０００８】また、スラブの両板面をそれぞれ励起光の
受光面および励起光反射面兼熱導出面とする場合は、請
求項５に記載のごとく、スラブの板幅方向両側の反射面
のうち、スラブ内のスラブ板面と平行な平面の一方の側
に入射したレーザ光束を該平面の他方の側へ該平面と平
行に反射する反射面が、前記スラブ内のスラブ板面と平
行な平面をスラブ板厚の中心面としてレーザ光の平均進
行方向に垂直な断面形状が該中心面の両側へ対称に４５
°開いて外方へ凸となる山形を形成する２つの平面反射
面で構成され、スラブ状固体レーザ媒質全体が、レーザ
光に対して全反射角４５°となる媒質中に浸漬されるも
のとしてもよい。

【０００９】なお、スラブの両板面をそれぞれ励起光受
光面および励起光反射面兼熱導出面とする場合の熱導出
は、請求項６に記載のごとく、伝熱面を備えた金属ブロ
ック中を冷媒が通流する冷却手段を用い、前記伝熱面を
前記熱導出面に当接させて行うようにすれば好適であ
る。

【００１０】

【作用】このように、スラブ状固体レーザ媒質の板幅方
向両側が反射面に形成されるとともに、該両反射面の少
なくとも一方が、レーザ光束をスラブ内のスラブ板面と
平行な平面の一方の側に板面と平行に、かつレーザ媒質
中のレーザ光の平均進行方向に斜めにレーザ媒質に入射
したときに、該入射光束を前記平面の他方の側へ板面と
平行に、かつ該入射光束がレーザ媒質中でジグザグに進
行する方向に反射する反射面を含むようにすると、レー
ザ媒質から射出されるレーザ光束の全断面中、どの点の
レーザ光もレーザ媒質中の高温部と低温部とを交互に通
過した光とすることができる。図４は、励起光をスラブ
の両板面に照射する場合の本発明による反射面構造の一
例を示すものであるが、レーザ光は、スラブの厚み方向
の低温部の層と高温部の層とを交互に通過する。また、
スラブの板幅方向両側の反射面は、入射したレーザ光
を、スラブの板面に平行にかつジグザグに進行するよう
に反射するので、レーザ光の品質改善はスラブの厚み方
向だけではなく幅方向にも行われる。なお、反射面は反
射膜により形成することができるので、反射面の開き角
を図のように９０°として反射面構造を簡素化すること
は、レーザ媒質が浸漬される媒質の屈折率に関係なく行
うことができ、レーザ媒質の冷却は、水など、入手容易
な冷媒を用いて従来と同様に行うことができる。

【００１１】また、請求項２に記載のごとく、スラブ状
固体レーザ媒質がレーザ光の平均進行方向一方の端面を
反射面に形成され、レーザ光が該反射面で折り返して他
方の端面側から外方へ射出されるようにすると、この反
射面で反射されたレーザ光束は、請求項１記載の反射面
により、スラブの厚み中、入射光束と異なる層を通るの
で、レーザ媒質の利用効率が上がり、スラブのレーザ光
平均進行方向の長さが等しい場合は、上記端面を反射面
としない場合と比べてレーザ出力を大きくすることがで
きる。

【００１２】さらに、請求項３に記載のごとく、この反
射面の位置を、スラブ板幅方向両側反射面のいずれか一
方で反射されたレーザ光束を反射したときに反射光束が
入射光束と重ならないように設定すると、励起光をスラ
ブの両板面に照射する場合も、また一方の板面のみに照
射する場合も励起光の利用効率が最高となる。また、請
求項４に記載のごとく、スラブの両板面をそれぞれ励起
光受光面および励起光反射面兼熱導出面とすれば、レー
ザ媒質内に、励起光受光面から励起光反射面兼熱導出面
方向へ直線状に単調に低くなる温度分布を作ることがで
きるので、スラブの板幅方向両側に形成する反射面のう
ち、スラブ内のスラブ板面と平行な平面の一方の側に入
射したレーザ光束を他方の側へ該平面と平行に反射する
反射面を、図４の右側に示した反射面のように多重に設
けなくとも、１組の平面反射面により、低温層と高温層
とを、それぞれの層における熱レンズ効果を相殺するよ
うに交互に通過させることができ、反射面構造を簡素化
することができる。

【００１３】そこで、スラブの両板面をそれぞれ励起光
受光面および励起光反射面兼熱導出面とする場合、請求
項５記載のごとく、上記反射面を、スラブの板厚中心面
の両側へ対称に４５°開いてスラブの板幅方向外方へ凸
となる山形を形成する２つの平面反射面で構成し、スラ
ブ状固体レーザ媒質全体を、レーザ光に対して全反射角
４５°となる媒質（ＹＡＧ結晶では屈折率が１．２８６
以下の媒質）中に浸漬するようにすると、山形をなす２
つの平面反射面に反射膜を形成する必要がなくなり、レ
ーザ媒質のコストを低減することができる。

【００１４】また、スラブの両板面をそれぞれ励起光受
光面および励起光反射面兼熱導出面とする場合、熱の導
出を、伝熱面を備えた金属ブロック中を冷媒が通流する
冷却手段を用い、その伝熱面をスラブの励起光反射面兼
熱導出面に当接して行うようにすれば，従来の冷媒循環
による冷却系をそのまま使用することができ、冷却のた
めに新たな追加コストを必要とすることなくレーザ光の
品質を向上させることができる。

【００１５】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例を示す。この実
施例は、励起光をスラブの片面側のみに投射する場合の
実施例を示し、図では、スラブの一方の板面ｇに励起光
２が投射される。スラブのもう一方の面ｄには反射膜が
形成され、面ｄは板面ｇに入射した励起光を反射する励
起光反射面を形成する。この面ｄに、冷却手段３の伝熱
面が当接され、この伝熱面を備えた金属ブロック中を通
流する冷媒にスラブ状固体レーザ媒質１内に発生した熱
が伝達される。スラブの厚みの中心面の一方の側に入射
した光を他方の側へ反射する反射面が、平板反射面ｅと
平面反射面ｆとをそれぞれスラブ厚みの中心面の両側へ
４５°対称に開かせて山形に形成され、スラブ状体レー
ザ媒質１全体が全反射角４５°の媒質（ＹＡＧ結晶をレ
ーザ媒質とした場合は屈折率１．２８６以下の媒質）中
に浸漬される。図の面ａ，ｂはそれぞれレーザ光４の入
射および射出方向に垂直に形成され、反射防止処理が施
されている。反射防止処理を行う代りに面ａ，ｂのレー
ザ光入射，射出方向に対する傾き角をそれぞれブリュー
スタ角としてもよい。

【００１６】スラブ状固体レーザ媒質１は断熱を行わな
いので、図３のように媒質内に温度勾配が発生するが、
ｘ方向はジグザグ進行によって熱レンズ効果に対する温
度勾配の影響が相殺され、ｙ方向では低温層通過と高温
層通過との繰返しにより温度勾配の影響が平均化される
ので、ｘ方向，ｙ方向ともに集束の小さな良質のレーザ
光を発生することができる。

【００１７】図１では、面ｅと面ｆとによる山形反射面
をスラブの板幅方向一方の側にだけ形成し、他方の側は
反射膜を形成した平坦な反射面ｃとしているが、他方の
側も山形反射面としてｙ方向のレーザ光品質を改善する
ことができる。この場合には、ジグザグ波形の半周期ご
とに媒質内の低温層と高温層とが光路中で入れ代わり、
反射面への入射光束と反射光束とが重なる領域を媒質中
に生じることなく、レーザ光束が各層でそれぞれジグザ
グ波形の半周期おきの方向に進行する。

【００１８】図２に本発明の第２の実施例を示す。スラ
ブ状固体レーザ媒質１のレーザ光４の入射面ａとｈとを
互いに直交する面として形成し、面ａから入射したレー
ザ光４は、ｘｚ面内で全反射し、媒質内を伝播し、反射
面ｂによって全反射され、伝播してきた領域と異なる領
域を伝播しながら入射した方向に戻ってゆき、面ｈから
射出される。こうすることによって、ｘｚ面内で発生
し、出力ミラー６で外部に取り出されるレーザ光４の光
の大きさに比べて、媒質内ではレーザ光の大きさの２倍
の領域が増幅に利用できるのでレーザ出力が増し、レー
ザが高効率のものとなり、またレーザ光路中の高温領域
あるいは高温層と、低温層あるいは低温層との数が増す
ので、第１の実施例よりもさらに品質の安定したレーザ
光を発生させることができる。内部アパーチャ７は寄生
発振を抑制するために設けている。また、全反射ミラー
５と出力ミラー６とをレーザ媒質に対して同じ側面に設
けることができるので、レーザを小形にすることができ
る。

【００１９】

【発明の効果】本発明では、スラブ型固体レーザにおけ
るスラブ状固体レーザ媒質を以上の構造に形成したの
で、以下に記載するか効果が得られる。請求項１記載の
レーザでは、スラブ状固体レーザ媒質に断熱処理が施さ
れないために励起光の照射を受けてスラブの幅方向，厚
み方向に温度分布が生じている状態でも、レーザ光が媒
質中でスラブ板幅方向の低温領域と高温領域、厚み方向
の低温層と高温層とを交互に通過するので、スラブの板
幅方向にも、また厚み方向にも集光性の良好なレーザ光
を得ることができ、レーザ光の熱エネルギーやビーム径
を加工に利用する作業の効率や作業の質が向上し、レー
ザ光の応用分野拡大に貢献することができる。

【００２０】請求項２記載のレーザでは、スラブ端面の
反射面で折り返したレーザ光も励起光を受けるので、レ
ーザ出力が増し、レーザ媒質の利用効率が向上する。請
求項３記載のものでは、スラブ端面の反射面へ向かう光
束と反射面で折り返した光束との励起光投射方向に見た
重なり面積が最小となるので、励起光をスラブの両面に
照射する場合も、片面に照射する場合も、レーザ媒質の
利用効率が最大となる。

【００２１】請求項４記載のレーザでは、スラブの熱導
出面からの熱導出量を制御できるので、スラブの板厚方
向の温度分布を制御することができ、スラブの板幅方向
の少なくとも一方の側に形成する，スラブ内のスラブ板
面と平行な平面の一方の側へ該平面と平行に入射したレ
ーザ光束を他方の側へ該平面と平行に反射する反射面の
数をスラブの厚み方向に少なくしても、スラブの厚み方
向に品質の極めて良好なレーザ光を得ることができる。

【００２２】請求項５記載のレーザでは、スラブ内のス
ラブ板面と平行な平面の一方の側に入射したレーザ光束
を他方の側へ該平面と平行に反射する反射面に反射膜を
形成する必要がなく、レーザ媒質のコストを低減させる
ことができる。請求項６記載のレーザでは、スラブの熱
導出面からの熱導出を、伝熱面をもつ金属ブロックに冷
媒を通流させて行うので、冷媒の温度あるいは流速によ
り、スラブ内の板厚方向温度分布を任意に制御すること
ができ、この制御を従来の，冷媒を循環させる冷却系を
用いてコスト上昇なく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるスラブ状固体レー
ザ媒質を備えたスラブ型固体レーザの構成を示す図であ
って、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図

【図２】本発明の第２の実施例によるスラブ状固体レー
ザ媒質を備えたスラブ型固体レーザの構成を示す図でっ
あて、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図

【図３】図１または図２の構成によるスラブ型固体レー
ザにおけるスラブ状固体レーザ媒質内の励起光照射中の
温度分布を示す図でっあて、同図（ａ）はスラブの板幅
方向の温度分布を示す図、同図（ｂ）はスラブの板厚方
向の温度分布を示す図

【図４】本発明における構成の作用を説明するために、
本発明による反射面構造の一例を示したスラブ状固体レ
ーザ媒質のｘｙ方向断面図

【図５】従来のスラブ状固体レーザ媒質の具体構造を示
す図であって、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面
図

【符号の説明】

１ スラブ状固体レーザ媒質 ２ 励起光 ３ 冷却手段 ４ レーザ光 ５ 全反射ミラー ６ 出力ミラー

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【手続補正書】

【提出日】平成７年３月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を生成，増幅するレーザ媒質に板
   面を励起光の受光面とするスラブ状の固体レーザ媒質を
   用いるスラブ型固体レーザにおいて、スラブ状固体レー
   ザ媒質の板幅方向両側が反射面に形成されるとともに、
   該両反射面の少なくとも一方が、レーザ光束をスラブ内
   のスラブ板面と平行な平面の一方の側に板面と平行に、
   かつレーザ媒質中のレーザ光の平均進行方向に斜めにレ
   ーザ媒質に入射したときに、該入射光束を前記平面の他
   方の側へ板面と平行に、かつ該入射光束がレーザ媒質中
   でジグザグに進行する方向に反射する反射面を含むこと
   を特徴とするスラブ型固定レーザ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、板幅方向
   両側が反射面に形成されるスラブ状固体レーザ媒質がレ
   ーザ光の平均進行方向一方の端面を反射面に形成され、
   レーザ光が該反射面で折り返して他方の端面側から外方
   へ射出されることを特徴とするスラブ型固体レーザ。
3. 【請求項３】請求項２に記載のものにおいて、反射面に
   形成されるスラブ状固体レーザ媒質のレーザ光平均進行
   方向一方の端面は、スラブ板幅方向両側反射面のいずれ
   か一方で反射されたレーザ光束を反射したときに反射光
   束が入射光束と重ならないように位置が設定されること
   を特徴とするスラブ型固体レーザ。
4. 【請求項４】請求項１，２，または３において、スラブ
   の板幅方向両側を反射面に形成されるスラブ状固体レー
   ザ媒質は、一方の板面を励起光の受光面とし、他方の板
   面を、該板面に反射膜を形成して前記受光面に入射した
   励起光を反射する励起光反射面とするとともに、該励起
   光反射面とした板面をレーザ媒質内の熱を外部へ導出す
   るための熱導出面としていることを特徴とするスラブ型
   固体レーザ。
5. 【請求項５】請求項４に記載のものにおいて、スラブの
   両板面をそれぞれ励起光の受光面および励起光反射面兼
   熱導出面とするスラブ状固体レーザ媒質は、スラブの板
   幅方向両側の反射面のうち、スラブ内のスラブ板面と平
   行な平面の一方の側に入射したレーザ光束を該平面の他
   方の側へ該平面と平行に反射する反射面が、前記スラブ
   内のスラブ板面と平行な平面をスラブ板厚の中心面とし
   てレーザ光の平均進行方向に垂直な断面形状が該中心面
   の両側へ対称に４５°開いて外方へ凸となる山形を形成
   する２つの平面反射面で構成され、スラブ状固体レーザ
   媒質全体がレーザ光に対して全反射角４５°となる媒質
   中に浸漬されることを特徴とするスラブ型固体レーザ。
6. 【請求項６】請求項４に記載のものにおいて、スラブ状
   固体レーザ媒質の連記光反射面兼熱導出面からの熱導出
   は、伝熱面を備えた金属ブロック中を冷媒が通流する冷
   却手段を用い、前記伝熱面を前記熱導出面に当接させて
   行うことを特徴とするスラブ型固体レーザ。