JPH1022551A - Solid laser exciting module - Google Patents

Solid laser exciting module

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JPH1022551A
JPH1022551A JP17227496A JP17227496A JPH1022551A JP H1022551 A JPH1022551 A JP H1022551A JP 17227496 A JP17227496 A JP 17227496A JP 17227496 A JP17227496 A JP 17227496A JP H1022551 A JPH1022551 A JP H1022551A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To raise the absorption efficiency of exciting light and equalize the excitation distribution within a rod, by having a mean which radiates heat from each of N pieces of side faces of a transparent block to each of N pieces of heat sinks, and a means which radiates heat from each of N pieces of heat sinks to the outside of the device. SOLUTION: The heat generated in the solid laser rod 1 positioned at the rotational center of a transparent block passes the transparent block. The transparent block 6 is made of a medium high in heat conductivity, and also it is in axially symmetrical form. Next, the heat is radiated to the heat sinks 9 installed by heat contact means 11d at each side face through axially symmetrical side faces which have larger areas than that of the surface of the rod. Furthermore, the heat is radiated to outside of a module from the heat sink 9 by a heat pipe 10 low in heat resistance. Hereby, the heat generated in the rod is exhausted roughly axially symmetrically, and the temperature distribution axially symmetrical within the rod can be obtained. A solid laser exciting module low in heat resistance and small in temperature rise can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザを
用い固体レーザ媒質を光励起するための固体レーザ励起
モジュールの構成に関し、特に人工衛星や航空機等の飛
翔体に搭載される固体レーザに適した固体レーザ励起モ
ジュールの構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state laser pumping module for optically pumping a solid-state laser medium using a semiconductor laser, and more particularly to a solid-state laser suitable for a solid-state laser mounted on a flying object such as an artificial satellite or an aircraft. The present invention relates to a configuration of a laser excitation module.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体レーザは光励起されると発熱する性
質を有する。このため、従来の一般の固体レーザ装置に
おいては、レーザロッドをケースに収納するとともに、
このケース内に冷却液を循環させ、レーザロッドを冷却
し排熱を行っていた。しかし、このような冷却方法を持
つ固体レーザは、冷却液循環用のポンプの寿命が問題と
なることや配管のシールなどが必要なことにより信頼性
が低く、装置規模が大きいことや、消費電力が増大する
ことなどから、人工衛星や航空機等の飛翔体への搭載に
は向かなかった。このため、冷却液に変わるレーザロッ
ドからの排熱方法が検討されはじめている。しかし、人
工衛星搭載の固体レーザにおける要求条件である、高効
率、高平均出力、高ビーム品質、小型などの条件をすべ
て満足しているようなものは未だ実現されていないのが
現状である。
2. Description of the Related Art Solid-state lasers have the property of generating heat when excited by light. For this reason, in the conventional general solid-state laser device, while storing the laser rod in the case,
A cooling liquid was circulated in this case to cool the laser rod and exhaust heat. However, solid-state lasers with such a cooling method have low reliability due to the problem of the service life of the pump for circulating the cooling liquid and the necessity of sealing pipes, etc. Therefore, it was not suitable for mounting on a flying object such as an artificial satellite or an aircraft. For this reason, a method of exhausting heat from a laser rod instead of a coolant has been studied. However, it has not yet been realized that a solid-state laser mounted on an artificial satellite satisfies all of the requirements such as high efficiency, high average output, high beam quality, and compactness.

【0003】図7は、N.Sims et.al.「Laterally Diode
-Pumped,c-axis Nd:YLF Laser」,in technical dige
st of Advanced Solid-State Lasers'93,p41,1993.に示
された従来の固体レーザ励起モジュールの構成を断面図
で示したものであり、半導体レーザにより励起を行う冷
却液を循環させない固体レーザ励起モジュールとしては
最も良く用いられている構成である。図において、1は
固体レーザロッド、2は励起用半導体レーザ、3は金属
ヒートシンクである。
[0003] FIG. 7 is a schematic diagram of N. Sims et.al.
-Pumped, c-axis Nd: YLF Laser ", in technical dige
This is a cross-sectional view of the configuration of the conventional solid-state laser pumping module shown in st of Advanced Solid-State Lasers '93, p41, 1993. This is the most commonly used module configuration. In the figure, 1 is a solid-state laser rod, 2 is a semiconductor laser for excitation, and 3 is a metal heat sink.

【0004】図において、励起用半導体レーザ2から出
射した励起光は、金属ヒートシンク3の固体レーザロッ
ド1との接触面により反射されて固体レーザロッド1内
を往復し、この間に固体レーザロッド1内で吸収され
る。吸収しきれなかった励起光は、励起用半導体レーザ
2に戻り、モジュール外に散乱される。吸収された励起
光の一部は固体レーザロッド1内で熱を発生する。この
熱は、金属ヒートシンク3から熱伝導により固体レーザ
励起モジュール全体を支えている筐体に放熱される。
In FIG. 1, excitation light emitted from an excitation semiconductor laser 2 is reflected by a contact surface of a metal heat sink 3 with the solid-state laser rod 1 and reciprocates in the solid-state laser rod 1, during which the solid-state laser rod 1 Is absorbed by. Excitation light that has not been absorbed returns to the excitation semiconductor laser 2 and is scattered outside the module. Part of the absorbed pump light generates heat in the solid-state laser rod 1. This heat is radiated from the metal heat sink 3 to the housing supporting the entire solid-state laser excitation module by heat conduction.

【0005】このような構成における固体レーザ励起モ
ジュールでは、一般的に直径が3mm〜5mm程度と細
い固体レーザロッド1の側面に、励起用半導体レーザ2
の励起光を入力する励起光導入口と、固体レーザロッド
1からの排熱を行うための金属ヒートシンク3を共に設
置しなければならない。このため、金属ヒートシンク3
の固体レーザロッド1側面への接触面積が小さくなり、
高い熱抵抗値を持つために、高平均パワーでの励起(高
繰返し)を行った場合、固体レーザロッド1の温度が非
常に高くなり、しいては破壊をまねく恐れがある。この
ため、レーザの繰返しは、高々10Hz程度と低い値と
なっている。また、冷却をロッドの3方向から行ってい
るが、この場合固体レーザロッド1の断面内の温度分布
としては、金属ヒートシンク3と接触している部分は温
度が低く、励起光導入口近傍での温度は高くなるような
非対称な温度分布となる。このような固体レーザロッド
1内の不均一な温度分布は、固体レーザロッド1自身に
物理的、光学的歪みを発生させ、レーザの効率を劣化さ
せる。
In a solid-state laser pumping module having such a configuration, a semiconductor laser 2 for pumping is generally provided on a side surface of a solid-state laser rod 1 having a diameter of about 3 mm to 5 mm.
And a metal heat sink 3 for exhausting heat from the solid-state laser rod 1 must be installed together. Therefore, the metal heat sink 3
Contact area of the solid laser rod 1 with the side surface becomes smaller,
When excitation with high average power (high repetition) is performed to have a high thermal resistance value, the temperature of the solid-state laser rod 1 becomes extremely high, which may lead to destruction. Therefore, the repetition rate of the laser is a low value of about 10 Hz at most. In addition, the cooling is performed from three directions of the rod. In this case, the temperature distribution in the cross section of the solid-state laser rod 1 is such that the temperature in the portion in contact with the metal heat sink 3 is low, and The temperature has an asymmetrical temperature distribution that increases. Such non-uniform temperature distribution in the solid-state laser rod 1 causes physical and optical distortions in the solid-state laser rod 1 itself, thereby deteriorating laser efficiency.

【0006】これ以外の、冷却液を循環させない励起モ
ジュールとして、S.D.Jackson et.al.「Thermal modeli
ng of solid nonfocusing pump-light collectors used
fordiode-pumped Nd:YAG lasers」,Appl.Opt.Vol34,N
o12.p2022 1995.に示されたものがある。この第2の従
来例の構成を図8に断面図で示す。図において、4は励
起用半導体レーザ2の入射面に励起光に対して反射防止
膜を設置したプリズム、5は固体レーザロッド1とプリ
ズム4を熱的に接触させるための接着剤である。
[0006] As another excitation module which does not circulate a coolant, SDJackson et.al.
ng of solid nonfocusing pump-light collectors used
fordiode-pumped Nd: YAG lasers ", Appl.Opt.Vol34, N
o12.p2022 1995. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the second conventional example. In the figure, reference numeral 4 denotes a prism having an anti-reflection film provided on the incident surface of the semiconductor laser 2 for excitation with respect to the excitation light, and reference numeral 5 denotes an adhesive for bringing the solid-state laser rod 1 and the prism 4 into thermal contact.

【0007】ここで、励起用半導体レーザ2の出射光
は、プリズム4の直角2等辺三角形の斜辺に垂直に励起
光を放出する。励起光は直接、またはプリズム4内面で
の全反射の後に直角2等辺三角形の頂角近傍に設置され
た固体レーザロッド1に入射する。最大2度ロッド内を
伝搬した後、斜辺から外に放出される。固体レーザロッ
ド1内で発生した熱は、固体レーザロッド1の周りに接
触した接着剤5を通して、プリズム4に伝導し、直角2
等辺三角形の直角をはさむ2つの辺から伝達、もしくは
放射により排熱される。
Here, the light emitted from the semiconductor laser 2 for excitation emits the excitation light perpendicular to the hypotenuse of the right-angled isosceles triangle of the prism 4. The excitation light directly or after total reflection on the inner surface of the prism 4 is incident on the solid-state laser rod 1 installed near the apex of a right-angled isosceles triangle. After propagating through the rod up to twice, it is released out of the hypotenuse. The heat generated in the solid-state laser rod 1 is conducted to the prism 4 through the adhesive 5 in contact with the periphery of the solid-state laser rod 1,
Heat is transferred or radiated from two sides of a right angle of the equilateral triangle.

【0008】この従来例においては、固体レーザロッド
1の側面全体からの排熱が可能であるため、先に示した
従来例のように、放熱面積が少ないためにロッドの温度
が上昇するという問題はないが、励起光の固体レーザロ
ッド1への入射効率が低いという問題や、励起分布の対
称性が悪いという問題をかかえている。励起光の吸収効
率が低いためにレーザ効率は低くなるとともに、励起分
布の不均一は、軸対称レーザビームでのレーザロッドか
らのエネルギー取りだしを低くしてしまう。さらに、励
起分布の不均一性に伴う固体レーザロッド1内での発生
熱分布の不均一、および排熱の不均一性ロッド内温度分
布を軸対称からずらした不均一なものとする。このた
め、熱的な光学歪み(熱収差)が発生し、レーザの効率
をさらに劣化させる。さらに、固体レーザロッド1とプ
リズム4間に接着剤5を用いているが、高平均パワー動
作時には、レーザロッド1、プリズム4の温度上昇によ
りこれら材質(例えばこの従来例では固体レーザロッド
1としてNd:YAG、プリズム4としてはBK7ガラ
スもしくはサファイアを用いている)の、熱膨張率の違
いから接着剤5に応力が発生し破断される恐れがあるな
どの問題がある。
In this conventional example, since the heat can be exhausted from the entire side surface of the solid-state laser rod 1, there is a problem that the temperature of the rod rises because the heat radiation area is small as in the above-mentioned conventional example. However, there are problems such as a low efficiency of incidence of the excitation light on the solid-state laser rod 1 and a problem of poor symmetry of the excitation distribution. The laser efficiency is reduced due to the low absorption efficiency of the excitation light, and the non-uniform excitation distribution lowers the energy extraction from the laser rod with the axisymmetric laser beam. Further, the generated heat distribution in the solid-state laser rod 1 due to the non-uniformity of the excitation distribution and the non-uniformity of the exhaust heat are made non-uniform, with the temperature distribution in the rod shifted from the axial symmetry. For this reason, thermal optical distortion (thermal aberration) occurs, further deteriorating the efficiency of the laser. Further, an adhesive 5 is used between the solid-state laser rod 1 and the prism 4. However, during operation at a high average power, the temperature of the laser rod 1 and the prism 4 increases, and the material (for example, Nd is used as the solid-state laser rod 1 in this conventional example). : BK7 glass or sapphire is used as the prism 4), but there is a problem that stress may be generated in the adhesive 5 due to a difference in thermal expansion coefficient and the adhesive 5 may be broken.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体レーザ励起モジュールにおいては、以下の課題があっ
た。第1の従来例においては (1)固体レーザロッド1の排熱面積が小さいため、排
熱効率が悪く、ロッドの温度が上昇しやすく、高励起平
均パワーでの動作ができない。 (2)ロッド内の励起分布に不均一が発生しやすく、高
出力化時の効率が劣化しやすい。 (3)ロッド内温度分布の軸対称からはずれた不均一が
発生しやすく、高出力化時の効率が劣化しやすい。など
の課題があった。
As described above, the conventional solid-state laser pumping module has the following problems. In the first conventional example: (1) Since the heat-dissipating area of the solid-state laser rod 1 is small, the heat-dissipating efficiency is poor, the temperature of the rod tends to rise, and the operation at a high excitation average power cannot be performed. (2) The excitation distribution in the rod is likely to be non-uniform, and the efficiency at the time of high output is likely to deteriorate. (3) Non-uniformity of the temperature distribution in the rod deviating from the axial symmetry is likely to occur, and the efficiency at the time of high output is likely to deteriorate. There were issues such as.

【0010】第2の従来例においては、 (1)励起光の吸収効率が悪く、効率が低い。 (2)励起光の固体レーザロッド内の分布が不均一であ
り、レーザ媒質からの取り出し効率が低い。 (3)励起分布の不均一および排熱の非対称性ももとず
き、ロッド内温度分布の不均一となりやすく、高励起平
均パワーでの動作で効率が劣化する。 (4)固体レーザロッドのプリズム内への設置手段とし
て、接着剤を用いているため、信頼性が低い。などの課
題があった。
In the second conventional example, (1) the excitation light absorption efficiency is poor and the efficiency is low. (2) The distribution of the excitation light in the solid-state laser rod is non-uniform, and the extraction efficiency from the laser medium is low. (3) The unevenness of the excitation distribution and the asymmetry of the exhaust heat are also taken into account, so that the temperature distribution in the rod tends to be uneven, and the efficiency is degraded by the operation at the high average excitation power. (4) Since an adhesive is used as a means for installing the solid-state laser rod in the prism, the reliability is low. There were issues such as.

【0011】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、励起光の高吸収効率化、ロッ
ド内励起分布の均一化、ロッド内温度分布の均一化、排
熱効率の向上、信頼性の向上を図った固体レーザ励起モ
ジュールを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has been made to improve the efficiency of absorption of excitation light, the uniformity of excitation distribution within a rod, the uniformity of temperature distribution within a rod, and the improvement of exhaust heat efficiency. It is an object of the present invention to provide a solid-state laser pumping module with improved reliability.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る固
体レーザ励起モジュールは、略正N角柱の透明ブロック
と、この透明ブロックの回転対称軸に略同軸に設けられ
たロッド挿入穴と、固体レーザロッドと、N個の励起用
半導体レーザと、上記ロッド挿入穴に上記固体レーザロ
ッドを挿入して保持する保持手段と、上記透明ブロック
に上記N個の励起用半導体レーザを出射した励起光を入
力する入力手段と、上記透明ブロックに入射した上記励
起光を反射する反射手段と、N個のヒートシンクと、上
記透明ブロックのN個の側面の各々から、上記N個のヒ
ートシンクの各々に排熱する第1の排熱手段と、上記N
個のヒートシンクの各々から装置外部に対して排熱する
第2の排熱手段とを有するものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser excitation module, comprising: a transparent block having a substantially regular N prism; a rod insertion hole provided substantially coaxially with a rotationally symmetric axis of the transparent block; A solid-state laser rod, N excitation semiconductor lasers, holding means for inserting and holding the solid-state laser rod in the rod insertion hole, and excitation light emitted from the N excitation semiconductor lasers in the transparent block. Input means for inputting the excitation light, reflecting means for reflecting the excitation light incident on the transparent block, N heat sinks, and exhaust from each of the N side surfaces of the transparent block to each of the N heat sinks. A first heat discharging means for heating;
Second heat exhaust means for exhausting heat from each of the individual heat sinks to the outside of the apparatus.

【0013】請求項2の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、その形状をN=2M+1(Mは自然数)の略
正N角柱とした透明ブロックを備えたものである。
A solid-state laser excitation module according to a second aspect of the present invention includes a transparent block having a substantially N prism having a shape of N = 2M + 1 (M is a natural number).

【0014】請求項3の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG)を用いた固
体レーザロッドと、材料としてサファイアを用いた透明
ブロックとを備えたものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser pumping module including a solid-state laser rod using Y 3 Al 5 O 12 (YAG) as a host material and a transparent block using sapphire as a material. is there.

【0015】請求項4の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、ホスト材料としてY3Al5O12(YAG),YLiF4(YL
F),LiCaAlF6(LiCAF),LiSrAlF6(LiSAF)を用いた固体レ
ーザロッドと、材料としてMgF2を用いた透明ブロックと
を備えたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser excitation module, wherein Y 3 Al 5 O 12 (YAG), YLiF 4 (YL
F), a solid laser rod using LiCaAlF 6 (LiCAF) and LiSrAlF 6 (LiSAF), and a transparent block using MgF 2 as a material.

【0016】請求項5の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、そのN個の側面をグランドラフ面とした透明
ブロックを備えたものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser excitation module including a transparent block having N side surfaces as ground rough surfaces.

【0017】請求項6の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、その側面をグランドラフ面とした固体レーザ
ロッドを備えたものである。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser excitation module including a solid-state laser rod whose side surface is a ground rough surface.

【0018】請求項7の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記透明ブロックのN個の稜線の各々の位置
に、各々の稜線と透明ブロックのN回回転対称中心軸を
含む面に垂直にN個の励起光入射スリット面を設け、上
記入力手段は、上記N個の励起光入射スリット面の各々
から、入射スリット面に光軸を略垂直にしてN個の励起
用半導体レーザの各々からの励起光を入力するものであ
る。
According to a seventh aspect of the present invention, in the solid-state laser pumping module, the position of each of the N ridge lines of the transparent block is perpendicular to a plane including each ridge line and the N-fold rotationally symmetric central axis of the transparent block. Are provided, and the input means is configured to set the optical axis to be substantially perpendicular to the incident slit surface from each of the N excitation light incident slit surfaces so that each of the N excitation semiconductor lasers has an optical axis. The excitation light is input.

【0019】請求項8の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記透明ブロックの側面の各々に設けた金属
の薄膜である反射手段を備えたものである。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser excitation module including a reflecting means which is a thin metal film provided on each of the side surfaces of the transparent block.

【0020】請求項9の発明に係る固体レーザ励起モジ
ュールは、上記金属の薄膜を銅としたものである。
A ninth aspect of the present invention is a solid-state laser pumping module, wherein the thin film of the metal is made of copper.

【0021】請求項10の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記透明ブロックのN個の側面の各々に設
けたセラミック板である反射手段を備えたものである。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a solid-state laser pumping module including a reflecting means which is a ceramic plate provided on each of the N side surfaces of the transparent block.

【0022】請求項11の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記第1の排熱手段として、上記透明ブロ
ックのN個の側面の各々にインジウム又は金の薄膜を介
して上記N個のヒートシンクを設けたものである。
In the solid-state laser pumping module according to the eleventh aspect of the present invention, the N heat sinks are provided on the N side surfaces of the transparent block as thin films of indium or gold as the first heat discharging means. It is provided.

【0023】請求項12の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記第1の排熱手段として、上記透明ブロ
ックのN個の側面の各々に金属を蒸着し、上記N個のヒ
ートシンクの各々をインジウム、金および半田材料の合
金により融着したものである。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the solid-state laser pumping module, a metal is deposited on each of the N side surfaces of the transparent block as the first heat discharging means, and each of the N heat sinks is formed of indium. , Gold and a solder material.

【0024】請求項13の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記第2の排熱手段として、上記各々のヒ
ートシンクに、排熱穴をもうけるとともに、この排熱穴
に、装置外部に凝縮部をもたせたヒートパイプの蒸発部
を挿入したものである。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the solid-state laser pumping module, as each of the second heat-dissipating means, a heat-dissipating hole is formed in each of the heat sinks, and a condensing unit is provided outside the device. The evaporator of the heat pipe is inserted.

【0025】請求項14の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記N個のヒートシンクの各々に、上記N
個の励起用半導体レーザの各々を設けたものである。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the solid-state laser pumping module, the N heat sinks are provided on each of the N heat sinks.
Each of the semiconductor lasers for excitation is provided.

【0026】請求項15の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記N個のヒートシンクの各々を、導熱リ
ングで熱的に接続したものである。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the solid-state laser excitation module, each of the N heat sinks is thermally connected by a heat conducting ring.

【0027】請求項16の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記固体レーザロッドの長さを上記略正N
角柱の透明ブロックの高さより長くとるとともに、上記
固体レーザロッドと上記ロッド挿入穴の間に液体を充填
し、この液体を上記透明ブロックの両端面と上記固体レ
ーザの側面との間でシールしたものである。
In the solid-state laser pumping module according to the present invention, the length of the solid-state laser rod is substantially equal to N.
The one that is longer than the height of the transparent block of the prism and is filled with liquid between the solid laser rod and the rod insertion hole, and the liquid is sealed between both end surfaces of the transparent block and the side surface of the solid laser. It is.

【0028】請求項17の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したシリコンオイルであ
る。
In the solid state laser pumping module according to the seventeenth aspect of the present invention, the liquid is a silicon oil whose refractive index is set to be smaller than the refractive index of the solid laser rod and larger than the refractive index of the transparent block. is there.

【0029】請求項18の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールにおいて、上記液体は、その屈折率を、上記固
体レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロッ
クの屈折率よりも大きく設定したエチレングリコールの
水溶液である。
In the solid-state laser pumping module according to the invention, the liquid has a refractive index smaller than that of the solid-state laser rod and larger than that of the transparent block. It is an aqueous solution.

【0030】請求項19の発明に係る固体レーザ励起モ
ジュールは、上記液体をシールする手段として、シリコ
ーンゴムを用いたものである。
A solid-state laser excitation module according to a nineteenth aspect of the present invention uses silicone rubber as a means for sealing the liquid.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

実施の形態1.以下この発明の一実施の形態について説
明する。図1は、この発明の一実施の形態による非液冷
励起モジュールの構成図である。図において、1は固体
レーザロッド、2は励起用半導体レーザ、6は透明ブロ
ック、7は励起光反射手段、8はロッド熱接触手段、9
は金属ヒートシンク、10はヒートパイプ、11は熱接
触手段、12はロッド保持手段、13は導熱リングであ
る。
Embodiment 1 FIG. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a non-liquid-cooled excitation module according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a solid-state laser rod, 2 is a semiconductor laser for excitation, 6 is a transparent block, 7 is excitation light reflection means, 8 is rod thermal contact means, 9
Is a metal heat sink, 10 is a heat pipe, 11 is a thermal contact means, 12 is a rod holding means, and 13 is a heat conducting ring.

【0032】なお、図1は実際にレーザ光が通過するレ
ーザ光軸に垂直な断面を示したものである。これは、励
起用半導体レーザ2で側面方向からの励起を行う固体レ
ーザは、所要出力に応じて励起用半導体レーザ2を長手
方向に拡張するだけですむため、特徴は断面構造にあら
われているためである。このため、説明においては、と
くにことわりが無い限り、長手方向には同一の形状を想
定している。例えば、断面での円は実際には円柱、多角
形は実際には多角柱である。
FIG. 1 shows a cross section perpendicular to the laser optical axis through which the laser light actually passes. This is because a solid-state laser that performs pumping from the side direction with the pumping semiconductor laser 2 only needs to expand the pumping semiconductor laser 2 in the longitudinal direction according to the required output. It is. For this reason, the description assumes the same shape in the longitudinal direction unless otherwise specified. For example, a circle in a cross section is actually a cylinder, and a polygon is actually a polygon.

【0033】図1の構成における透明ブロック6の役割
は、側面における励起光反射手段7により励起光をブロ
ック内に閉じ込めて、励起光を固体レーザロッド1を複
数通過させることで励起光をレーザロッドに効率良く吸
収させ吸収効率の向上をはかること、励起分布の均一化
を図ること、固体レーザロッド1での発生熱を金属ヒー
トシンク9に効率良く伝導させブロック内に不均一な温
度分布を作らないことである。
The role of the transparent block 6 in the configuration of FIG. 1 is that the excitation light is confined in the block by the excitation light reflection means 7 on the side surface, and the excitation light is passed through the solid-state laser rod 1 by a plurality of times. To improve the absorption efficiency by improving the absorption efficiency, to make the excitation distribution uniform, and to efficiently transmit the heat generated in the solid-state laser rod 1 to the metal heat sink 9 so as not to form an uneven temperature distribution in the block. That is.

【0034】透明ブロック6の励起光閉じ込めを強め
て、励起光の固体レーザロッド1での吸収効率を高める
ためには、まず内面における励起光反射手段7を持つ側
面部分の面積に対して、励起光の逃げ道の一つである導
入口の面積を小さくする必要がある。さらに励起光反射
手段7による反射時の損失を少なくすることが必要であ
る。一方、励起分布の均一化には、励起光を、固体レー
ザロッド1に対して回転対称に入射することが有効であ
る。
In order to enhance the confinement of the excitation light in the transparent block 6 and increase the absorption efficiency of the excitation light in the solid-state laser rod 1, first, the area of the inner surface of the side surface portion having the excitation light reflection means 7 is excited. It is necessary to reduce the area of the inlet, which is one of the escape paths of light. Further, it is necessary to reduce the loss at the time of reflection by the excitation light reflecting means 7. On the other hand, in order to make the excitation distribution uniform, it is effective that the excitation light is incident on the solid-state laser rod 1 in a rotationally symmetric manner.

【0035】まず、対称な励起を考えて、透明ブロック
6は、透明ブロック6内に配置した固体レーザロッド1
のロッド軸を回転中心とした3回対称以上の回転対称な
形状とした。このような形状としては正多角柱もしくは
円柱が選ばれる。次に励起光導入口としても、ロッド軸
を回転対称とした3回対称以上の回転対称の位置に配置
することとした。このような配置としては正多角柱の場
合、側面もしくは稜の位置であるが、導入光の面積をで
きるだけ小さくするために、励起光導入口を稜の位置に
もたせることとし、側面を励起光反射手段7とすること
とした。具体的な正多角形の形状としては、図2に示す
ように励起光導入口から回転中心の固体レーザロッド1
に向けて入射された励起光が固体レーザロッド1を通過
した後に対向した導入口から漏洩しやすいことから、2
N+1(Nは自然数)正多角柱とし導入口の個数を2N
+1(Nは自然数)とすることが望ましい。図3は、最
も簡単な形状である、図1と同じ3角柱を用いた場合の
透明ブロック6内の励起光について示している。この形
状では、1度、固体レーザロッド1を通過した励起光
は、励起光反射手段7により反射されて再び励起光導入
口方向へ反射される。すなわち、励起光軸にそった励起
光は2度固体レーザロッド1を通過してから励起光導入
口を通って透明ブロック6の外にもれる。これは、図2
において励起光軸にそった励起光が1度しか固体レーザ
ロッド1を通過せずにもれるのに比べて高い吸収効率を
与えることになる。また、励起光導入口の長さをD、図
2において対向する励起光導入口間の距離と、図3にお
ける励起光導入口と励起光反射手段7間の距離を等しく
Lととると、励起光導入口から入射した光が、もれる開
口(すなわち励起光導入口の長さ)を見込んだ角度θは
図3の方が図2の約半分となる。このθ以上の角度で励
起用半導体レーザ2から出射される励起光が、透明ブロ
ック6で閉じ込められることを考えると、θが小さい図
3の方が透明ブロック6による励起光閉じ込めに有効で
あることがわかる。
First, considering the symmetrical excitation, the transparent block 6 is made up of the solid-state laser rod 1 arranged in the transparent block 6.
The shape is rotationally symmetrical about three times or more about the rod axis of rotation. A regular polygonal prism or a cylinder is selected as such a shape. Next, the excitation light introduction port is also arranged at a rotationally symmetric position of three or more times with the rod axis being rotationally symmetric. In the case of a regular polygonal prism, such an arrangement is a side or a ridge position.In order to make the area of the introduced light as small as possible, the excitation light introduction port is provided at the ridge position, and the side is reflected by the excitation light. Means 7 was adopted. As a specific regular polygonal shape, as shown in FIG.
Since the excitation light incident toward the laser beam easily leaks from the opposed inlet after passing through the solid-state laser rod 1,
N + 1 (N is a natural number) regular polygonal prism and the number of inlets is 2N
+1 (N is a natural number) is desirable. FIG. 3 shows excitation light in the transparent block 6 when the same triangular prism as in FIG. 1 is used, which is the simplest shape. In this shape, the excitation light that has once passed through the solid-state laser rod 1 is reflected by the excitation light reflection means 7 and is again reflected toward the excitation light inlet. That is, the excitation light along the excitation optical axis passes through the solid-state laser rod 2 twice and then leaks out of the transparent block 6 through the excitation light inlet. This is shown in FIG.
In this case, the excitation light along the excitation light axis passes through the solid-state laser rod 1 only once, so that a higher absorption efficiency is provided. Further, if the length of the pumping light inlet is D, and the distance between the pumping light inlets facing each other in FIG. 2 and the distance between the pumping light inlet and the pumping light reflecting means 7 in FIG. The angle θ in which the light incident from the light introduction port looks into the opening (ie, the length of the excitation light introduction port) is about half that in FIG. 2 than in FIG. Considering that the excitation light emitted from the semiconductor laser 2 for excitation at an angle equal to or larger than θ is confined in the transparent block 6, FIG. 3 in which θ is small is more effective for confinement of the excitation light by the transparent block 6. I understand.

【0036】透明ブロック6の材料に対する制約条件と
しては、熱伝導率が高いことと、屈折率が固体レーザロ
ッド1より低いことである。第1の条件はもちろんロッ
ドで発生する熱を運ぶためである。第2の条件を図4に
より簡単に説明する。ここではロッド熱接触手段8が透
明ブロック6の屈折率と略等しいとした時の、励起光の
固体レーザロッド1での屈折の状態を定性的に示したも
のである。固体レーザロッド1の側面に入射した励起光
は、固体レーザロッド1の屈折率nrが外側の屈折率n
bより大きい場合(図中実線で示す)、入射角度90度
まですべてロッド内で入る。一方、屈折率nrが外側の
屈折率nbより小さい場合(図中波線で示す)、入射角
度がSIN-1(nb/nr)以上となると、全反射によ
りロッド内に入射しなくなる。すなわち、透明ブロック
6の屈折率が固体レーザロッド1より低いことで励起光
のロッドへの入射効率は高くできる。図4では、ロッド
熱接触手段8の屈折率を透明ブロック6の屈折率と略等
しいとしたが、これは、ロッド熱接触手段8の厚みがロ
ッドに対してほとんど変わらなければ無視できる。(透
明ブロック6からロッド熱接触手段8への入射角度は、
ほとんどロッド熱接触手段8から固体レーザロッド1へ
の入射角度に一致する。) このような熱伝導率が高く、屈折率がレーザロッド1よ
り小さい透明ブロック6の材料として、例えば、固体レ
ーザロッドの屈折率を決めるホスト材料として屈折率の
高いY3Al5O12 (YAG)(屈折率1.82)を用いた場合、
サファイア(屈折率1.76、熱伝導率28W/m・
K)やMgF2(屈折率1.37)が、ホスト材料として屈
折率の低いYLiF4(YLF)(屈折率1.47),LiCaAlF6(Li
CAF),LiSrAlF6(LiSAF)を用いた場合、MgF2(屈折率1.
37、熱伝導率21W/m・K)が望ましい材料の選定
である。
The restrictions on the material of the transparent block 6 are that the thermal conductivity is high and the refractive index is lower than that of the solid-state laser rod 1. The first condition is, of course, to carry the heat generated by the rod. The second condition will be briefly described with reference to FIG. Here, the state of refraction of the excitation light in the solid-state laser rod 1 when the rod thermal contact means 8 is substantially equal to the refractive index of the transparent block 6 is qualitatively shown. The excitation light that has entered the side surface of the solid-state laser rod 1 has a refractive index nr of the solid-state laser rod 1 outside the refractive index n.
If it is larger than b (shown by a solid line in the figure), all the light enters the rod up to an incident angle of 90 degrees. On the other hand, when the refractive index nr is smaller than the outer refractive index nb (indicated by a dashed line in the figure), when the incident angle is equal to or more than SIN -1 (nb / nr), the light does not enter the rod due to total reflection. That is, since the refractive index of the transparent block 6 is lower than that of the solid-state laser rod 1, the efficiency of incidence of the excitation light on the rod can be increased. In FIG. 4, the refractive index of the rod thermal contact means 8 is assumed to be substantially equal to the refractive index of the transparent block 6, but this can be neglected if the thickness of the rod thermal contact means 8 hardly changes with respect to the rod. (The incident angle from the transparent block 6 to the rod thermal contact means 8 is
It almost coincides with the incident angle from the rod thermal contact means 8 to the solid-state laser rod 1. As a material of such a transparent block 6 having a high thermal conductivity and a refractive index smaller than that of the laser rod 1, for example, Y 3 Al 5 O 12 (YAG) having a high refractive index as a host material for determining the refractive index of the solid-state laser rod. ) (1.82),
Sapphire (refractive index 1.76, thermal conductivity 28W / m
K) and MgF 2 (refractive index: 1.37) are used as host materials such as YLiF 4 (YLF) (refractive index: 1.47) and LiCaAlF 6 (Li
When CAF) and LiSrAlF 6 (LiSAF) are used, MgF 2 (refractive index 1.
37, a thermal conductivity of 21 W / mK) is a desirable material selection.

【0037】固体レーザロッド1は前に述べたように、
透明ブロック6の回転対称中心におかれる。設置するた
めには、透明ブロック6の回転中心に固体レーザロッド
1よりわずかに大きい穴をドリルおよび研磨によりあ
け、ここに固体レーザロッド1を挿入する。固体レーザ
ロッド1は、組み立て時の操作性や、固定の容易性を考
えて透明ブロック6よりも長くとる。(角柱や円柱の高
さに対してロッドの長さを長くとる)
The solid-state laser rod 1 is, as described above,
It is located at the rotationally symmetric center of the transparent block 6. For installation, a hole slightly larger than the solid-state laser rod 1 is made in the center of rotation of the transparent block 6 by drilling and polishing, and the solid-state laser rod 1 is inserted here. The solid-state laser rod 1 is made longer than the transparent block 6 in consideration of operability at the time of assembly and ease of fixing. (The length of the rod is longer than the height of the prism or cylinder.)

【0038】固体レーザロッド1での発生熱を透明ブロ
ック6に伝導させる必要があるため、ロッド熱接触手段
8を固体レーザロッド1と透明ブロック6の間に充填す
る必要がある。固体レーザロッド1がロッド形状ではな
くスラブ形状の場合においてはオプティカルコンタクト
などの製作手法が用いることができるため、ロッド熱接
触手段8は何も充填する必要はないが、ロッド形状の場
合は必要となる。もちろん、ロッド熱接触手段8として
は、励起光に対して透明である必要がある。さらに、熱
接触手段8により固体レーザロッド1に応力がかかるよ
うなことは望まれない。一方、エポキシ系の接着剤など
はこれらの条件を満足するものであるが、固体レーザロ
ッド1と透明ブロック6の熱膨張率の違いから、運用時
に破断をきたす恐れがあり、信頼性にかける。また、一
度、固体レーザロッド1を設置してしまうと交換などが
ままならない。このため、本実施の形態ではロッド熱接
触手段8として液体状の媒体を用いることとした。一
方、透明ブロック6の材料屈折率で述べたようにこのロ
ッド熱接触手段8の屈折率として、固体レーザロッドの
屈折率より低く、透明ブロック6より高いほうが励起光
の固体レーザロッド1への入射効率が高くなる。このよ
うに屈折率調整が可能であり、また、低温での使用にお
いて固体化しないような材料を選択すると、例えば、透
明ブロック6をMgF2(屈折率1.37)とし、レーザロ
ッド1をYAG(屈折率1.82)、YLF(屈折率1.4
7)、LiSAF(屈折率1.4)、LiCAF(屈折率1.3
9)とした場合、光ファイバ通信などに良くもちいられ
る屈折率整合剤であるシリコーンオイル(市販品におい
て1.38〜1.53で調整可能)などがあげられる。
また、高い熱伝導率を活かせるとともに、フィールドユ
ースの循環冷却型の固体レーザで良く用いられている濃
度調整を行ったエチレングリコールの水溶液(エチレン
グリコール濃度を凝固点温度が−20℃以下の40〜9
0%において調整することで屈折率は1.37〜1.4
2で調整可能)の使用が有効である。
Since it is necessary to conduct the heat generated in the solid-state laser rod 1 to the transparent block 6, it is necessary to fill the rod thermal contact means 8 between the solid-state laser rod 1 and the transparent block 6. When the solid-state laser rod 1 is not in the rod shape but in the slab shape, a manufacturing method such as an optical contact can be used. Therefore, the rod thermal contact means 8 does not need to be filled with anything. Become. Of course, the rod thermal contact means 8 needs to be transparent to the excitation light. Further, it is not desired that the solid laser rod 1 is stressed by the thermal contact means 8. On the other hand, an epoxy-based adhesive or the like satisfies these conditions, but may be broken during operation due to a difference in the coefficient of thermal expansion between the solid-state laser rod 1 and the transparent block 6, so reliability is increased. Further, once the solid-state laser rod 1 is installed, replacement or the like does not remain. For this reason, in this embodiment, a liquid medium is used as the rod thermal contact means 8. On the other hand, as described in the refractive index of the material of the transparent block 6, the refractive index of the rod thermal contact means 8 is lower than the refractive index of the solid laser rod and higher than that of the transparent block 6 so that the excitation light enters the solid laser rod 1. Increases efficiency. When a material that can adjust the refractive index and does not solidify when used at a low temperature is selected, for example, the transparent block 6 is made of MgF 2 (refractive index: 1.37), and the laser rod 1 is made of YAG. (Refractive index 1.82), YLF (refractive index 1.4)
7), LiSAF (refractive index 1.4), LiCAF (refractive index 1.3)
In the case of 9), a silicone oil (a commercially available product, which can be adjusted at 1.38 to 1.53, which is a refractive index matching agent often used for optical fiber communication) and the like can be mentioned.
In addition, while utilizing the high thermal conductivity, an aqueous solution of ethylene glycol whose concentration has been adjusted, which is often used in a circulating cooling type solid-state laser used in the field, is used. 9
By adjusting the refractive index at 0%, the refractive index becomes 1.37 to 1.4.
2 can be adjusted).

【0039】固体レーザロッド1の側面および透明ブロ
ック6の回転中心にあける穴は、励起光が固体レーザロ
ッド1に入射する場合の界面となる。ここでも、固体レ
ーザロッド1内にできる励起分布の均一化を考える場
合、励起光の指向性をできるだけ減らすことが有効であ
る。このために、固体レーザロッドの側面、透明ブロッ
ク6の回転中心にあける穴の外壁はグランドラフにして
拡散性の透過とするのが望ましい。グランドラフの表面
粗度としては、ロッド熱接触手段8の屈折率にもよる
が、(屈折率差が大きいほうが同じ表面粗度でも拡散性
が高い)励起光波長の数倍〜10倍程度、数μm〜10
μmとするのが良い。グランドラフを得るためには機械
的研磨、化学処理の両者があるが、化学処理によるもの
が、クラックの発生などを抑止できることから好まし
い。
A hole formed in the side surface of the solid-state laser rod 1 and the center of rotation of the transparent block 6 serves as an interface when excitation light enters the solid-state laser rod 1. Also here, when considering the uniformity of the excitation distribution formed in the solid-state laser rod 1, it is effective to reduce the directivity of the excitation light as much as possible. For this purpose, it is desirable that the side wall of the solid-state laser rod and the outer wall of the hole formed in the center of rotation of the transparent block 6 be made rough to provide diffuse transmission. The surface roughness of the ground rough depends on the refractive index of the rod thermal contact means 8, but is several times to 10 times the wavelength of the excitation light (the larger the difference in refractive index, the higher the surface roughness is the higher the diffusivity). Several μm to 10
It is good to set it to μm. There are both mechanical polishing and chemical treatment in order to obtain the ground rough, but chemical treatment is preferable because cracking and the like can be suppressed.

【0040】固体レーザロッド1の保持と、ロッド熱接
触手段8に用いる液体のシールとしては、図5に示すよ
うに透明ブロック6の端面部分で押さえる。一般的にこ
のように液体をシールするような用途としてOリングに
よるシールがある。しかし、Oリングを用いる場合、透
明ブロック6やその外側にOリングを固定するための加
工や機構部品を必要とし、構成が複雑になりやすい。こ
のため、ここでは、ロッドの側面と透明ブロックの端面
部分をゴム状に硬化するシリコーンゴムで接着する方式
とした。このようなシリコーンゴムは一般にRTVゴム
と呼ばれ、空気中の湿気と反応しゴム状に効果するもの
で、シール剤として良く用いられており、ー50℃程度
の低温でも弾性が劣化しないという特長がある。この弾
性により、固体レーザロッド1と透明ブロック6の間の
熱膨張率の違いによるゴム部への応力を緩和できるた
め、通常良く用いられるエポキシ系の接着剤などで問題
となる破断の問題を回避できる。また、一般に固体レー
ザロッド1の端面近くにアウトガスを発生する接着剤な
どが存在するとレーザ光による端面へのガスの焼付けが
起こり損傷を起こす危険があるが、アウトガスは非常に
少なく真空仕様で用いられる衛星搭載品でも実績があ
る。
As for holding the solid laser rod 1 and sealing the liquid used for the rod thermal contact means 8, it is pressed by the end face of the transparent block 6 as shown in FIG. Generally, there is an O-ring seal as an application for sealing a liquid. However, when an O-ring is used, processing and mechanical parts for fixing the O-ring to the transparent block 6 and the outside thereof are required, and the configuration tends to be complicated. For this reason, here, a method was adopted in which the side surface of the rod and the end surface portion of the transparent block were bonded with silicone rubber which hardened into a rubber state. Such silicone rubber is generally called RTV rubber, which reacts with moisture in the air and has a rubber-like effect. It is often used as a sealant, and its elasticity does not deteriorate even at a low temperature of about -50 ° C. There is. This elasticity can relieve the stress on the rubber part due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the solid-state laser rod 1 and the transparent block 6, thereby avoiding the problem of breakage that is a problem with commonly used epoxy adhesives. it can. In general, if there is an adhesive or the like that generates outgas near the end face of the solid-state laser rod 1, the end face of the solid laser rod 1 may be burned by laser light to cause damage, but the outgas is very small and used in a vacuum specification. We have a track record in satellite-borne products.

【0041】透明ブロック6の側面に設定される励起光
反射手段7としては、前に述べたようにできるだけ反射
率の高いものを選定することが有効である。透明ブロッ
ク6内での多数回の反射による励起光閉じ込めを考えた
場合、励起光反射手段7に入射する励起光の入射角度は
まちまちである。このため励起光反射手段7において
は、その反射率が入射角度によらず高いものが望まれ
る。図6に固体レーザの励起波長である波長800nm
における典型的な金属材料の反射率の入射角度依存性の
計算結果を示す。これより金、銀、銅などは反射率が全
入射角度固体レーザの励起波長である800nm近傍で
反射率の高い銅、銀、金などを透明ブロック6の側面に
コーティングすることが有効である。ただし、もちろん
銀や銅の場合はコーティングの後に酸化防止用の保護膜
をつける必要がある。一方、励起分布の均一化を図るこ
とを同時に考えた場合、励起光反射手段7としては、励
起光伝搬光軸の方向性をランダムにする拡散反射を得る
ことが有効となる。この場合、透明ブロック6の側面を
グランドラフ面として金属を蒸着する方法が有効であ
る。拡散効果を得られる好ましい表面粗度としては波長
の数倍〜10倍程度、数μm〜10μm程度である。こ
れ以外に拡散反射を得る方法として、拡散性材料を透明
ブロック6の側面におし当てる、もしくははりつけるこ
とも有効である。拡散性材料としては各種セラミック材
料、BaSO4の粉末、高反射性樹脂(例えば商品名スペク
トラロン:Lab Sphare社)などがある。
As described above, it is effective to select the excitation light reflecting means 7 set on the side surface of the transparent block 6 as high as possible in reflectance. In consideration of excitation light confinement due to multiple reflections in the transparent block 6, the incident angle of the excitation light incident on the excitation light reflecting means 7 varies. For this reason, it is desired that the excitation light reflecting means 7 has a high reflectance regardless of the incident angle. FIG. 6 shows a wavelength of 800 nm which is an excitation wavelength of the solid-state laser.
4 shows the calculation results of the incident angle dependence of the reflectance of a typical metal material in FIG. Accordingly, it is effective to coat the side surface of the transparent block 6 with gold, silver, copper, or the like having a high reflectivity near 800 nm, which is the excitation wavelength of the solid-state laser at the full incident angle, with a high reflectivity. However, of course, in the case of silver or copper, it is necessary to provide a protective film for preventing oxidation after coating. On the other hand, when simultaneously considering the uniformity of the excitation distribution, it is effective for the excitation light reflecting means 7 to obtain diffuse reflection that makes the direction of the optical axis of the excitation light propagate randomly. In this case, a method of vapor-depositing metal using the side surface of the transparent block 6 as a ground rough surface is effective. The preferred surface roughness at which the diffusion effect can be obtained is about several times to ten times the wavelength, and about several μm to 10 μm. In addition to this, as a method for obtaining diffuse reflection, it is also effective to apply or adhere a diffusive material to the side surface of the transparent block 6. Examples of the diffusible material include various ceramic materials, BaSO 4 powder, and highly reflective resin (for example, trade name: Spectralon: Lab Sphare).

【0042】さらに、側面からの励起の場合、励起光波
長に対する固体レーザロッド1の吸収係数が高いと、ロ
ッド側面で強い励起分布を発生してしまう可能性があ
る。この場合の対策として、吸収係数を下げて、励起光
がロッドを一回通過するときの吸収率を下げることも有
効である。吸収係数を低下させるには、固体レーザロッ
ド1の活性イオン濃度を減少させること、励起用半導体
レーザ2の発振波長幅を広くとること、励起用半導体レ
ーザ2の発振波長を吸収ピーク波長からずらすことなど
が効果がある。
Further, in the case of pumping from the side, if the solid-state laser rod 1 has a high absorption coefficient for the pumping light wavelength, a strong pumping distribution may be generated on the rod side. As a countermeasure in this case, it is also effective to lower the absorption coefficient to lower the absorption coefficient when the excitation light passes through the rod once. In order to lower the absorption coefficient, the active ion concentration of the solid-state laser rod 1 is reduced, the oscillation wavelength width of the semiconductor laser 2 for excitation is widened, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser 2 for excitation is shifted from the absorption peak wavelength. Are effective.

【0043】次に本発明の、別の重要な点である、排熱
について述べる。固体レーザロッド1内で軸対称な温度
分布を得るためには、固体レーザロッド1の側面から軸
対称に放熱を行う必要がある。また、高平均パワーでの
動作による固体レーザロッド1内での発生熱量が増加し
ても固体レーザロッド1での温度がそれほど上昇しない
ために排熱経路の熱抵抗を下げることが有効である。本
実施の形態では、透明ブロック4の回転中心にある固体
レーザロッド1で発生した熱は、透明ブロック4を通過
する。透明ブロック6は熱伝導性の高い媒質でできてい
るとともに、軸対称形状である。次にロッドの表面積に
比べ広い面積を有する軸対称な側面を通して、それぞれ
の側面に熱接触手段11で設置されたヒートシンク9に
排熱する。熱接触手段11としては、In、金などの薄く
柔らかい金属薄膜をはさむ方法、In、金などの薄く柔ら
かい金属薄膜、透明ブロック6に金属コーティングをほ
どこした後、In、金などの金属や、はんだなどの合金を
融着する方法が良い。さらに、ヒートシンク9からは、
熱抵抗の低いヒートパイプ10によりモジュールの外に
排熱する。ヒートパイプ10と金属ヒートシンク9間に
は、熱伝導率の高いシリコンペーストを充填するか、ヒ
ートパイプ10を金属ヒートシンク9に直接銀鑞付けす
ることが望ましい。(衛星搭載などにおいては、最終的
にヒートパネルなどを通して宇宙空間に放射として排熱
される) この構成では、排熱経路自身が軸対称に配置されている
ため、ロッドで発生した発生熱は、ほとんど軸対称に排
熱され、ロッド内で軸対称な温度分布が得られる。さら
に軸から離れるに従い熱流の流れる面の面積を大きくす
ることで低熱抵抗で、すなわち固体レーザロッド1を高
平均パワーで励起し、発生熱量が増加したときにも固体
レーザロッド1の温度上昇が小さい固体レーザ励起モジ
ュールを得ることができる。
Next, another important point of the present invention, that is, exhaust heat will be described. In order to obtain an axially symmetric temperature distribution in the solid-state laser rod 1, it is necessary to radiate heat symmetrically from the side surface of the solid-state laser rod 1. In addition, even if the amount of heat generated in the solid-state laser rod 1 due to the operation at a high average power increases, the temperature in the solid-state laser rod 1 does not increase so much, so it is effective to reduce the thermal resistance of the heat-dissipating path. In the present embodiment, heat generated by the solid-state laser rod 1 at the center of rotation of the transparent block 4 passes through the transparent block 4. The transparent block 6 is made of a medium having high thermal conductivity and has an axially symmetric shape. Next, heat is exhausted to the heat sink 9 provided by the thermal contact means 11 on each side surface through axially symmetric side surfaces having an area larger than the surface area of the rod. As the thermal contact means 11, a method of sandwiching a thin soft metal thin film such as In or gold, a thin soft metal thin film such as In or gold, a metal coating on the transparent block 6, and a metal such as In or gold, or a solder A method of fusing an alloy such as Furthermore, from the heat sink 9,
The heat is discharged to the outside of the module by the heat pipe 10 having a low thermal resistance. It is desirable to fill the space between the heat pipe 10 and the metal heat sink 9 with a silicon paste having a high thermal conductivity or to silver braze the heat pipe 10 directly to the metal heat sink 9. (In the case of a satellite, etc., the heat is ultimately exhausted to space through a heat panel, etc.) In this configuration, the heat generated by the rod is hardly generated because the exhaust heat path itself is arranged axisymmetrically Heat is axisymmetrically discharged, and an axisymmetric temperature distribution is obtained in the rod. Furthermore, by increasing the area of the surface through which the heat flow flows as the distance from the axis increases, the solid laser rod 1 is excited with low thermal resistance, that is, with high average power, and the temperature rise of the solid laser rod 1 is small even when the amount of generated heat increases. A solid state laser pumping module can be obtained.

【0044】N個のヒートシンク9上の各々にN個の励
起用半導体レーザ2の各々を設置すれば、透明ブロック
6からのN個の側面からの排熱と同時に、N個の励起用
半導体レーザ2からの排熱を同時に行える。このとき、
固体レーザロッド1と励起用半導体レーザ2からの排熱
経路を独立に設ける必要がないため装置は簡単化でき
る。
If each of the N excitation semiconductor lasers 2 is disposed on each of the N heat sinks 9, the N excitation semiconductor lasers can be simultaneously discharged with heat from the N side surfaces from the transparent block 6. 2 can be exhausted simultaneously. At this time,
Since there is no need to independently provide a heat exhaust path from the solid-state laser rod 1 and the semiconductor laser 2 for excitation, the apparatus can be simplified.

【0045】ヒートシンク9からヒートパイプ10で熱
輸送する場合に、使用する複数のヒートパイプ間の熱抵
抗差や排熱側での温度差が、透明ブロック6の各側面に
設置された複数のヒートシンク9間の温度差が生じ、透
明ブロック6を介して熱量の出入りがあると、透明ブロ
ック6内に軸対称ではない温度分布が発生する恐れがあ
る。また、各々のヒートシンク9に励起用半導体レーザ
2が設置された場合、それぞれの励起用半導体レーザ2
間の発熱ばらつきが発生して同様に透明ブロック6内に
軸対称ではない温度分布が発生する恐れがある。このた
め、各々のヒートシンク9の間を導熱リング13で熱接
触良くつなぐ。これにより、ヒートシンク9間での温度
差は透明ブロック6に比べ熱抵抗の小さい導熱リング1
3を通して流れる熱流により均一化できる。導熱リング
13としては、銅やAlなどの熱伝導率の高い金属、もし
くは金属メッシュなどを用いることができる。また、各
々のヒートシンク9を、一体の金属ブロックで構成して
も同様の効果が得られるのは自明である。
When heat is transferred from the heat sink 9 by the heat pipe 10, a difference in thermal resistance between a plurality of heat pipes to be used and a temperature difference on a heat-dissipating side are caused by a plurality of heat sinks installed on each side of the transparent block 6. When a temperature difference occurs between the transparent blocks 9 and heat enters and exits through the transparent block 6, a temperature distribution that is not axially symmetric may occur in the transparent block 6. Further, when the excitation semiconductor lasers 2 are installed on the respective heat sinks 9, the respective excitation semiconductor lasers 2
There is a possibility that a temperature distribution that is not axially symmetric may similarly occur in the transparent block 6 due to heat generation variation between the two. For this reason, the heat sinks 9 are connected to each other with good heat contact by the heat conducting ring 13. As a result, the temperature difference between the heat sinks 9 is smaller than that of the transparent block 6.
3 can be made uniform by the heat flow flowing through. As the heat conducting ring 13, a metal having high thermal conductivity such as copper or Al, or a metal mesh can be used. It is obvious that the same effect can be obtained even if each heat sink 9 is formed of an integral metal block.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、励起
光を透明ブロック内に閉じ込め、複数回固体レーザロッ
ドを通過させることにより、固体レーザロッドでの高い
吸収効率を得ることができる。また、透明ブロック内を
伝搬する励起光は、ロッドに対しN回回転対称となるた
め、ロッド内にできる励起分布の均一化が図れる。さら
に、熱伝導率の高い透明ブロックの側面にN個のヒート
シンクを設け、ロッドからみて同軸対称に排熱を行うこ
とにより、ロッド内の温度分布を同軸対称とし均一化が
はかれるとともに、固体レーザロッドからの排熱効率を
高くとることができる。さらにまた、固体レーザロッド
と透明ブロックの間隙に液体を充填し、透明ブロックの
端面位置で固体レーザロッドの側面との間をゴム状媒質
でシールすることにより、熱伝導性が良く、励起光の導
入性も良く保った状態で、固体レーザロッドと透明ブロ
ックの熱膨張の差による応力を減じ、信頼性の向上を図
ることができる。
As described above, according to the present invention, high absorption efficiency can be obtained in the solid-state laser rod by confining the excitation light in the transparent block and passing the light through the solid-state laser rod a plurality of times. Further, since the excitation light propagating in the transparent block is rotationally symmetric N times with respect to the rod, the excitation distribution formed in the rod can be made uniform. Furthermore, N heat sinks are provided on the side of the transparent block having high thermal conductivity, and the heat is coaxially symmetrically viewed from the rod, so that the temperature distribution in the rod is coaxially symmetric and uniform, and the solid-state laser rod is provided. The efficiency of exhaust heat from the fuel can be increased. Furthermore, the gap between the solid-state laser rod and the transparent block is filled with liquid, and the gap between the end face of the transparent block and the side surface of the solid-state laser rod is sealed with a rubber-like medium. With good introduction, stress due to a difference in thermal expansion between the solid-state laser rod and the transparent block can be reduced, and reliability can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の一実施の形態による固体レーザ励
起モジュールの構成図を断面で示した図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration diagram of a solid-state laser excitation module according to an embodiment of the present invention.

【図2】 正(2N)角柱(Nは自然数)透明ブロック
内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing propagation of excitation light in a positive (2N) prism (N is a natural number) transparent block.

【図3】 正(2N+1)角柱(Nは自然数)透明ブロ
ック内の励起光の伝搬を模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing propagation of excitation light in a positive (2N + 1) prism (N is a natural number) transparent block.

【図4】 透明ブロックと固体レーザロッドの屈折率の
関係の違いによる励起光の伝搬を模式的に示した図であ
る。
FIG. 4 is a diagram schematically showing propagation of excitation light due to a difference in the relationship between the refractive index of the transparent block and the solid-state laser rod.

【図5】 固体レーザロッドの透明ブロックへの保持手
段を示した図である。
FIG. 5 is a view showing holding means for holding a solid laser rod on a transparent block.

【図6】 各種、金属の波長800nmの励起光に対す
る反射率の入射角度依存性を計算した結果である。
FIG. 6 shows the results of calculating the incident angle dependence of the reflectance of various types of metal with respect to excitation light having a wavelength of 800 nm.

【図7】 第1の従来の固体レーザ励起モジュールの構
成方法を断面で示した図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration method of a first conventional solid-state laser excitation module.

【図8】 第2の従来の固体レーザ励起モジュールの構
成方法を断面で示した図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration method of a second conventional solid-state laser excitation module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体レーザロッド、2 励起用半導体レーザ、3
金属ヒートシンク、4プリズム、5 接着剤、6 透明
ブロック、7 励起光反射手段、8 ロッド熱接触手
段、9 金属ヒートシンク、10 ヒートパイプ、11
熱接触手段、12 ロッド保持手段、13 導熱リン
グ。
1 solid laser rod, 2 semiconductor laser for excitation, 3
Metal heat sink, 4 prism, 5 adhesive, 6 transparent block, 7 excitation light reflection means, 8 rod thermal contact means, 9 metal heat sink, 10 heat pipe, 11
Thermal contact means, 12 rod holding means, 13 heat conducting ring.

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 略正N角柱の透明ブロックと、この透明
ブロックの回転対称軸に略同軸に設けられたロッド挿入
穴と、固体レーザロッドと、N個の励起用半導体レーザ
と、上記ロッド挿入穴に上記固体レーザロッドを挿入し
て保持する保持手段と、上記透明ブロックに上記N個の
励起用半導体レーザを出射した励起光を入力する入力手
段と、上記透明ブロックに入射した上記励起光を反射す
る反射手段と、N個のヒートシンクと、上記透明ブロッ
クのN個の側面の各々から、上記N個のヒートシンクの
各々に排熱する第1の排熱手段と、上記N個のヒートシ
ンクの各々から装置外部に対して排熱する第2の排熱手
段とを有することを特徴とする固体レーザ励起モジュー
ル。
1. A transparent block of a substantially regular N prism, a rod insertion hole provided substantially coaxially with a rotationally symmetric axis of the transparent block, a solid laser rod, N semiconductor lasers for excitation, and the rod insertion Holding means for inserting and holding the solid-state laser rod in the hole; input means for inputting excitation light emitted from the N excitation semiconductor lasers to the transparent block; and inputting the excitation light incident on the transparent block. Reflecting means for reflecting light, N heat sinks, first heat discharging means for discharging heat from each of the N side surfaces of the transparent block to each of the N heat sinks, and each of the N heat sinks And a second heat exhaust means for exhausting heat to the outside of the apparatus.
【請求項2】 上記透明ブロックは、その形状をN=2
M+1(Mは自然数)の略正N角柱としたことを特徴と
する請求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
2. The transparent block has a shape of N = 2.
2. The solid-state laser pumping module according to claim 1, wherein the module is a substantially positive N prism of M + 1 (M is a natural number).
【請求項3】 上記固体レーザロッドは、ホスト材料と
してY3Al5O12(YAG)を用いるとともに、 上記透明ブロックは、その材料として、サファイアを用
いたことを特徴とする請求項1記載の固体レーザ励起モ
ジュール。
3. The solid-state laser rod according to claim 1, wherein Y 3 Al 5 O 12 (YAG) is used as a host material, and sapphire is used as the material of the transparent block. Solid-state laser excitation module.
【請求項4】 上記固体レーザロッドは、ホスト材料と
してY3Al5O12(YAG),YLiF4(YLF),LiCaAlF6(LiCAF),Li
SrAlF6(LiSAF)を用いるとともに、 上記透明ブロックは、その材料として、MgF2を用いたこ
とを特徴とする請求項1記載の固体レーザ励起モジュー
ル。
4. The solid-state laser rod according to claim 1, wherein Y 3 Al 5 O 12 (YAG), YLiF 4 (YLF), LiCaAlF 6 (LiCAF), Li
2. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein SrAlF 6 (LiSAF) is used, and MgF 2 is used as a material of the transparent block.
【請求項5】 上記透明ブロックは、そのN個の側面を
グランドラフ面としたことを特徴とする請求項1記載の
固体レーザ励起モジュール。
5. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein the transparent block has N side surfaces formed as ground rough surfaces.
【請求項6】 上記固体レーザロッドは、その側面をグ
ランドラフ面としたことを特徴とする請求項1記載の固
体レーザ励起モジュール。
6. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein the solid-state laser rod has a side surface formed as a ground rough surface.
【請求項7】 上記透明ブロックのN個の稜線の各々の
位置に、各々の稜線と透明ブロックのN回回転対称中心
軸を含む面に垂直にN個の励起光入射スリット面を設
け、 上記入力手段は、上記N個の励起光入射スリット面の各
々から、入射スリット面に光軸を略垂直にしてN個の励
起用半導体レーザの各々からの励起光を入力することを
特徴とする請求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
7. An excitation light incidence slit surface is provided at each position of the N ridge lines of the transparent block at a position perpendicular to a plane including each ridge line and an N-fold rotationally symmetric central axis of the transparent block, The input means inputs the excitation light from each of the N excitation semiconductor lasers from each of the N excitation light entrance slit surfaces with the optical axis substantially perpendicular to the entrance slit surface. Item 2. A solid-state laser excitation module according to Item 1.
【請求項8】 上記反射手段は、上記透明ブロックの側
面の各々に設けた金属の薄膜であることを特徴とする請
求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
8. The solid-state laser pumping module according to claim 1, wherein said reflection means is a thin metal film provided on each of the side surfaces of said transparent block.
【請求項9】 上記金属の薄膜は、銅であることを特徴
とする請求項11記載の固体レーザ励起モジュール。
9. The solid-state laser excitation module according to claim 11, wherein said metal thin film is copper.
【請求項10】 上記反射手段は、上記透明ブロックの
N個の側面の各々に設けたセラミック板であることを特
徴とする請求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
10. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein said reflection means is a ceramic plate provided on each of N side surfaces of said transparent block.
【請求項11】 上記第1の排熱手段として、上記透明
ブロックのN個の側面の各々にインジウム又は金の薄膜
を介して上記N個のヒートシンクを設けたことを特徴と
する請求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
11. The heat sink according to claim 1, wherein the N heat sinks are provided on each of the N side surfaces of the transparent block through a thin film of indium or gold. Solid state laser excitation module.
【請求項12】 上記第1の排熱手段として、上記透明
ブロックのN個の側面の各々に金属を蒸着し、上記N個
のヒートシンクの各々をインジウム、金および半田材料
の合金により融着したことを特徴とする請求項1記載の
固体レーザ励起モジュール。
12. As the first heat discharging means, a metal is deposited on each of the N side surfaces of the transparent block, and each of the N heat sinks is fused with an alloy of indium, gold and a solder material. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein:
【請求項13】 上記第2の排熱手段として、上記各々
のヒートシンクに、排熱穴をもうけるとともに、この排
熱穴に、装置外部に凝縮部をもたせたヒートパイプの蒸
発部を挿入したことを特徴とする請求項1記載の固体レ
ーザ励起モジュール。
13. As the second heat discharging means, a heat discharging hole is formed in each of the heat sinks, and an evaporating part of a heat pipe having a condensing part outside the apparatus is inserted into the heat discharging hole. The solid-state laser excitation module according to claim 1, wherein:
【請求項14】 上記N個のヒートシンクの各々に、上
記N個の励起用半導体レーザの各々を設けたことを特徴
とする請求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
14. The solid-state laser pump module according to claim 1, wherein each of said N heat sinks is provided with each of said N pump semiconductor lasers.
【請求項15】 上記N個のヒートシンクの各々を、導
熱リングで熱的に接続したことを特徴とする請求項1記
載の固体レーザ励起モジュール。
15. The solid-state laser pumping module according to claim 1, wherein each of the N heat sinks is thermally connected by a heat conducting ring.
【請求項16】 上記固体レーザロッドの長さを上記略
正N角柱の透明ブロックの高さより長くとるとともに、
上記固体レーザロッドと上記ロッド挿入穴の間に液体を
充填し、この液体を上記透明ブロックの両端面と上記固
体レーザの側面との間でシールしたことを特徴とする請
求項1記載の固体レーザ励起モジュール。
16. The length of the solid-state laser rod is longer than the height of the transparent block of the substantially regular N prism, and
2. The solid-state laser according to claim 1, wherein a liquid is filled between the solid-state laser rod and the rod insertion hole, and the liquid is sealed between both end surfaces of the transparent block and side surfaces of the solid-state laser. Excitation module.
【請求項17】 上記液体は、その屈折率を、上記固体
レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロック
の屈折率よりも大きく設定したシリコンオイルであるこ
とを特徴とする請求項16記載の固体レーザ励起モジュ
ール。
17. The liquid according to claim 16, wherein the liquid is silicon oil whose refractive index is set smaller than the refractive index of the solid-state laser rod and larger than the refractive index of the transparent block. Solid-state laser excitation module.
【請求項18】 上記液体は、その屈折率を、上記固体
レーザロッドの屈折率よりも小さく、上記透明ブロック
の屈折率よりも大きく設定したエチレングリコールの水
溶液であることを特徴とする請求項16記載の固体レー
ザ励起モジュール。
18. The ethylene glycol aqueous solution whose refractive index is set to be smaller than the refractive index of the solid-state laser rod and larger than the refractive index of the transparent block. The solid-state laser excitation module as described in the above.
【請求項19】 上記液体をシールする手段として、シ
リコーンゴムを用いたことを特徴とする請求項16記載
の固体レーザ励起モジュール。
19. The solid-state laser excitation module according to claim 16, wherein silicone rubber is used as the means for sealing the liquid.
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