JPH08274393A

JPH08274393A - スラブレーザおよびレーザ加工機

Info

Publication number: JPH08274393A
Application number: JP7072757A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久; Koji Kuwabara; 皓二桑原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【構成】励起光である半導体レーザからの励起光が、フ
ァイバ４ａ，４ｂによって、共振器まで導かれ、透明部
材５ａ，５ｂを通って、スラブ３の内部に進む。レーザ
動作させると、出力鏡２からレーザ光が取り出される。【効果】冷却効果が高まり、スラブへの最大入力パワー
を高くできるため、効率を下げずにレーザ出力を高める
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＹＡＧ結晶を用いたス
ラブレーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】スラブ状の固体レーザ媒質（以下、スラ
ブと呼ぶ）を用いた固体レーザは、一般に、スラブレー
ザと呼ばれ、図５に示すように、全反射鏡２１と出力鏡
２２とで組まれた共振器中に配置されたスラブ２３の内
部で、発振するレーザ光はジグザグに全反射を繰返しな
がら進む。また、励起用ランプ２４から放射された励起
光は、レーザ光がジグザグに全反射する面（以下、研磨
面と呼ぶ）に照射され、スラブ２３は励起する。尚、研
磨面に垂直な面は一般に側面と呼ばれ、側面には、通
常、断熱材２５ａ，２５ｂが取り付けられている。ま
た、スラブの寸法に関しては、レーザ光の進む方向であ
る光軸方向に垂直に切ったスラブ２３の断面の長方形
で、一般に、長辺の長さはスラブの幅、短辺の長さはス
ラブの厚みと呼ばれる。また、光軸方向の長さをスラブ
の長さと呼ぶ。さらにこれら三つの長さの方向を、図５
に示したように、以下、それぞれ幅方向、厚み方向、及
び長さ方向と呼ぶ。

【０００３】スラブレーザは、ロッド状の固体レーザ媒
質を用いたロッド型レーザに比べて、より高出力化が可
能になると考えられている。すなわち、レーザ出力を高
めるために励起光を強めると、スラブ内部では熱応力に
よるストレスが増加して、熱破壊が起きることがある。
この熱破壊を起こさない最大入力パワーは、ロッド型レ
ーザの場合、ロッドの直径には無関係で長さに比例す
る。これに対してスラブレーザの場合、最大入力パワー
は長さに比例するだけではなく、スラブの幅Ｗと厚みｔ
との比Ｗ／ｔに比例し、Ｗ／ｔを約２.１以上にするこ
とで、同じ長さのロッドの場合よりも高くできるからで
ある。尚、以上に関しては、例えば、IEEEJournal of Q
uantum Electronics，Ｖol．ＱＥ−２０，Ｎo.３，１９
８４年第２８９頁〜第３０１頁で説明されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＹＡＧ結晶を用いたス
ラブレーザでは、スラブの幅Ｗは２５mm程度が一般に入
手可能な最大寸法であるため、最大入力パワーをさらに
増加させるには、Ｗ／ｔがさらに大きくなるように、ス
ラブの厚みｔを小さくする必要がある。ところが、スラ
ブの厚みを小さくすると、スラブ内で吸収される励起光
の割合（以下、励起光吸収率と呼ぶ。）が低下して、レ
ーザの効率が下がることが問題であった。特に、ＹＡＧ
結晶では、ネオジウムイオン濃度を通常の１.１％より
高くすることは結晶の製作上困難であることから、励起
光の吸収長（励起光が１／ｅに減衰する長さを示す）を
通常の５〜１０mmよりも短くすることは極めて困難であ
り、その結果、スラブの厚みを小さくすると励起吸収用
率は低下してしまう。

【０００５】本発明の目的は、ＹＡＧ結晶を用いたスラ
ブレーザで、励起光吸収率を下げることなく、最大入力
パワーを高くできるスラブレーザを提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はスラブの側面から、半導体レーザから取り
出された励起光を入射させた。

【０００７】

【作用】スラブの側面から入射した励起光は、スラブの
研磨面で全反射するため、スラブの内部に閉じ込めるこ
とができ、スラブの厚みとは関係無く、励起光は吸収さ
れる。しかも、スラブの幅を励起光の吸収長よりも十分
長くすることができるため、励起光吸収率が低くなるこ
とはない。

【０００８】また、励起光源としてランプではなく、半
導体レーザを用いることで、励起光はレーザ光であるた
め、これを微小面積に集光させることができる。したが
って、スラブの厚みを小さくしても、面積が小さくなっ
たスラブの側面から励起光全体を入射させることができ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１０】図１は本発明の一実施例であるスラブレー
ザ１００の説明図である。スラブレーザ１００では、全
反射鏡１とレーザ光を取り出すための出力鏡２との間に
スラブ３が配置される。スラブ３には、ネオジウムイオ
ン濃度０.５％のＹＡＧ結晶が用いられ、その寸法は、
幅２０mm，厚み２mm，長さ１００mmである。また、励起
光源である半導体レーザから取り出された励起光は、コ
ア径約１mmのファイバ４ａ，４ｂによって、スラブの両
サイドまで導かれる。ファイバ４ａ，４ｂから出射した
励起光１１ａ，１１ｂは、スラブ３の側面に密着した透
明部材５ａ，５ｂの中を通って、スラブ３内部に入射す
る。これを図２を用いて説明する。図２は、スラブ３の
長さ方向に垂直な断面図である。ファイバ４ａ，４ｂか
ら出射した励起光１１ａ，１１ｂは透明部材５ａ，５ｂ
を通る間に、ビーム径がスラブ３の厚みと同じ大きさま
で拡がっていき、スラブ３内に入射する。また、スラブ
３の側面は従来のスラブとは異なり研磨されているた
め、側面に当る励起光はそのまま入射する。スラブレー
ザでは、発振するレーザ光は研磨面でジグザグに全反射
するのと同様に、本発明では、励起光もスラブ３の研磨
面で全反射する。これによって、励起光は拡がりながら
進んでいても、スラブ３の内部に閉じ込められる。

【００１１】このように、本実施例のスラブレーザ１０
０では、厚みが２mmと従来に比べて薄いスラブを用いて
いることができるため、幅と厚みの比Ｗ／ｔが１０にな
り、最大入力パワーはロッド型レーザの約５倍になる。
しかも、励起光が進行する幅方向には２０mmと励起光の
吸収長に比べて十分長いため、励起光はスラブ３の内部
で約９０％以上も吸収させることができる。

【００１２】尚、本発明では、特にＹＡＧ結晶を用いる
場合に効果が大きい。その理由として、ＧＧＧ結晶，Ｇ
ＳＧＧ結晶など、ＹＡＧ結晶とほぼ同じ波長でレーザ動
作する他の結晶では、結晶の母体にドープさせるネオジ
ウムイオンの濃度を２〜４％に高めることができ、その
結果、励起光の吸収長をＹＡＧ結晶の場合の半分から１
／３程度まで短くできるからである。

【００１３】尚、透明部材５ａ，５ｂには、ネオジウム
がドープされていないＹＡＧ結晶が用いられており、周
囲の面は研磨されている。ＹＡＧ結晶は熱伝導率が高い
ため、スラブ３内部の温度分布を均一にする働きがあ
る。また、透明部材５ａ，５ｂにスラブ３と同じＹＡＧ
結晶を用いることで、これらの屈折率は等しくなるた
め、これらの境界面では光は反射しない。したがって、
励起光は反射損失を受けることはない。また、透明部材
５ａ，５ｂで励起光が入射する面５ａ′，５ｂ′には、
励起光が損失なく入射するように、無反射コーティング
が施されている。この無反射コーティングは波長０.８
〜１.１μｍで反射率が低くなっており、波長約０.８μ
ｍの励起光の損失を抑制するだけでなく、スラブ内部
で発生する可能性のある寄生発振光が反射して増幅する
のも抑制される。

【００１４】尚、スラブの側面に関しては、従来のスラ
ブレーザでは、通常側面を砂地状にしており、これによ
りスラブ内部で発生した寄生発振光は散乱して増幅しな
いようになっていた。ところが、本実施例では側面から
入射する励起光が散乱しないように、スラブ３の側面を
砂地状とはせずに、粗さ０.５μｍ以下に研磨してあ
る。ただし、研磨された側面で寄生発振光が反射して増
幅しないように、本実施例では、スラブ３の側面に透明
部材５ａ，５ｂとしてＹＡＧ結晶を密着させて、その境
界での屈折率差をほとんどなくし、寄生発振光の反射を
抑制してある。さらに、上述したように、透明部材５
ａ，５ｂの側面における寄生発振光の反射も抑制するた
めに、透明部材５ａ，５ｂの側面に無反射コーティング
を施してある。ただし、スラブ３の側面に透明部材５
ａ，５ｂを密着させない場合は、スラブ３の側面に無反
射コーティングを施してもよい。

【００１５】次に、本実施例のスラブレーザ１００の冷
却構造に関して説明する。本発明では、スラブ３の両サ
イドに励起光が導かれるので、冷却水をスラブの側面か
ら流す構造はとりにくい。そこで、図３に示したスラブ
３の幅方向に垂直な断面図からわかるように、スラブ３
と冷却水路形成板６ａ，６ｂとの隙間に、冷却水９ａ，
９ｂを矢印のようにスラブの長さ方向に流してある。

【００１６】次に、本発明の他の実施例として、金属板
の表面改質を行うレーザ加工機に関して図４を用いて説
明する。図４に示した構成のレーザ加工機３００では、
レーザ発振器としてスラブレーザ１００を用いてあり、
これは励起光源である半導体レーザを含んだ電源部１２
の上に設置されている。スラブレーザ１００から取り出
される長方形断面のレーザ光は、４５度反射鏡１３によ
り下方向に進み、シリンドリカルレンズ１４によって、
ビームの厚み方向のみが絞られる。尚、ここで、厚み方
向とは、スラブレーザ１００のスラブ３の厚み方向と同
じ方向である。テーブル１６の上に置かれた金属板であ
る被加工物１５の表面では、ビームの幅全体に亘ってレ
ーザ光が集光される。尚、一般にスラブレーザでは、発
振するレーザ光におけるスラブの厚み方向のビーム拡が
り角は、スラブの厚みが小さい程小さくなる。レーザ加
工機３００におけるレーザ光は、通常のスラブレーザよ
りも小さい厚み２mmのスラブ３を用いたスラブレーザ１
００から取り出されたものであるため、厚み方向のビー
ム拡がり角は非常に小さくなる。その結果、厚み方向に
集光すると極めて細く集光され、その部分ではレーザ光
強度が非常に高くなり、細長い線状に金属を融解させる
ことが可能になる。そこで、被加工物１５を、図６中の
矢印のように、集光された線と直行する方向に進ませる
ことで、１回のスキャンにより、広い面積を表面改質で
きる。尚、１７は表面改質された部分を示す。

【００１７】

【発明の効果】本発明によると、励起光吸収率を下げる
ことなく、スラブの厚みを小さくできるため、Ｗ／ｔを
大きくとれる。したがって、スラブへの最大入力パワー
を高くでき、効率を下げずにレーザ出力を高めることが
できる。

【００１８】また、本発明のスラブレーザを用いたレー
ザ加工機では、細長い線状の部分に高いレーザ光強度で
レーザ照射できるため、１回のスキャンにより広い面積
に対して溶接あるいは表面改質などの加工ができる。

【００１９】また、本発明では、スラブの研磨面から励
起光を入射させる必要はないため、スラブの研磨面に金
属製の放熱板を取り付けて空冷にすることもできる。

【００２０】さらにまた、本発明はＹＡＧ結晶以外の固
体レーザ媒質に対しても適用できるが、特にレーザガラ
スを用いたスラブレーザに適用すると効果がある。レー
ザガラスはＹＡＧ結晶に比べて熱伝導率が一桁程度小さ
いため、レーザ動作時に生じるスラブ内部での温度勾配
が大きくなり熱的に破壊しやすい。すなわち、同じ寸法
のＹＡＧ結晶に比べて最大入力パワーが低いことが問題
になっていた。そこで本発明を適用すると、スラブの厚
みを小さくできるため、最大入力パワーを高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のスラブレーザの説明図。

【図２】スラブレーザにおけるスラブの厚み方向に垂直
な断面図。

【図３】スラブレーザにおけるスラブの長さ方向に垂直
な断面図。

【図４】本発明の他の実施例であるレーザ加工機の説明
図。

【図５】従来装置であるスラブレーザの説明図。

【符号の説明】

１…全反射鏡、２…出力鏡、３…スラブ、３ａ…スラブ
の研磨面、４ａ，４ｂ…ファイバ、５ａ，５ｂ…透明部
材、１１ａ，１１ｂ…励起光、１００…スラブレーザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/16 Ｈ０１Ｓ 3/18 3/18 3/08 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＹＡＧ結晶を用いたスラブレーザにおける
スラブ状ＹＡＧ結晶において、発振するレーザ光が前記
スラブ状ＹＡＧ結晶の内部で全反射する面に垂直な面か
ら、半導体レーザから取り出された励起光を入射させる
ことを特徴とするスラブレーザ。
【請求項２】請求項１において、前記発振するレーザ光
が前記スラブ状ＹＡＧ結晶の内部で全反射する面に垂直
な面に入射した前記励起光がほぼ透過するように、前記
全反射する面に垂直な面が研磨されており、前記全反射
する面に垂直な面にネオジウムをほとんど含まないＹＡ
Ｇ結晶を取り付けるスラブレーザ。
【請求項３】請求項１の前記スラブレーザから取り出さ
れたレーザ光に対して、前記レーザ光のビーム断面の長
方形における短辺の方向のみを集光させる光学系を用い
るレーザ加工機。