JPH11168265A - 固体レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振器の対称性バランスの崩れによるレーザ
出力、ビーム品質、出力安定性の低下を回避すること。 【解決手段】 一つの拡散反射集光器１４内に複数本の
ＹＡＧロッド１１と、ＹＡＧロッド１１を励起するため
の、少なくとも一つのランプ１２を具備したレーザ発振
キャビティ１０を複数台直列に配置して一つの光共振器
を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体レーザ発振
器に関し、特に固体レーザ発振器のレーザ発振キャビテ
ィならびに光共振器の構造に関するものである。

【０００２】また、この発明は、３本以上の複数のロッ
ドを使用し、その複屈折を解消して高い出力でかつ集光
性に優れたビーム品質を保有する発振器の出力特性にお
いて、ロッドの濃度分布や発光素子の劣化に伴う出力お
よびビームの不安定性を排除するための発振器構成に関
するものである。

【０００３】

【従来の技術】図６（ａ）、（ｂ）は、従来における固
体レーザ発振器のレーザ発振キャビティを示している。
レーザ発振キャビティは全体を符号１０により示されて
おり、固体レーザ励起媒質であるＹＡＧロッド１１と、
レーザ励起用の発光素子である棒状のランプ１２と、Ｙ
ＡＧロッド冷却用の冷却水が流れるクーラントフローチ
ューブ１３と、ＹＡＧロッド１１、ランプ１２、クーラ
ントフローチューブ１３を内部に収容して励起光を閉じ
込める拡散反射集光器（楕円筒集光鏡）１４とにより構
成されている。

【０００４】従来における固体レーザ装置のレーザ発振
キャビティ１０では、一つの拡散反射集光器１４内にＹ
ＡＧロッド１１とランプ１２とが各１本ずつ配置されて
いる。ランプ１２は図示されていない電源より高電圧を
印加されると発光し、拡散反射集光器１４内に均一な光
強度を与える。この拡散反射集光器１４内の光のうち、
ＹＡＧロッド１１の光吸収波長に見合う波長の光が励起
光としてＹＡＧロッド１１に吸収され、ＹＡＧロッド１
１が励起されることになる。

【０００５】図７は、図６に示されているレーザ発振キ
ャビティ１０を２台直列接続してなる従来の光発振器を
示している。２台のレーザ発振キャビティ１０は９０度
旋光の偏光旋光子２０を挟んで同一光軸Ｌをもって光学
的に直列に接続されている。この２台のレーザ発振キャ
ビティ１０の連結体の一方には全反射鏡２１が、他方
（出力側）には部分反射鏡２２が配置される。２台のレ
ーザ発振キャビティ１０は、図示されていないベース上
に１００μｍ程度の機械的精度をもって位置決め固定さ
れている。

【０００６】励起媒質であるＹＡＧロッド１１がランプ
１２の光を吸収すると、ロッド内部に温度分布が形成さ
れ、これにより径方向と円周方向に個別の熱ストレスが
発生する。このストレスによって異なる偏光に対して相
異なる屈折率をもつ熱複屈折と云う現象が発生する。

【０００７】従来は、一つの共振器を組んでも、熱複屈
折によって相異なる共振器が構成され、互いの偏光が邪
魔しあった結果、レーザ出力を低下させていた。特に、
ビーム品質を上げていくと、必然的に発振範囲が狭くな
る為、熱複屈折の影響を大きく受け、レーザ出力の増大
はより困難になっていた。

【０００８】この要因を除く為には、熱複屈折の影響を
できるだけ小さくし、かつ熱複屈折を補正する必要が生
じる。熱複屈折の補正の方法は昔から研究されており、
例えばＹＡＧロッド間に偏光旋光子を入れる方法は、１
９７１年の「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ
ｅｒ １８，３」にも紹介されている。

【０００９】しかし、現在までにこの手法によって、よ
い結果は得られていない。これは、集光器の鏡面精度に
依存してＹＡＧロッドに入射する励起光の光強度分布が
一様にならず、ＹＡＧロッドが不均一に励起しているこ
とに起因すると推測することができる。この結果、ＹＡ
Ｇロッド内の収差による歪みがビーム品質を劣化させ、
これがレーザ発振特性に熱複屈折より大きく影響し、理
論通りのレーザ出力が得られなくなっている。

【００１０】図８は、図７に示されている光共振器を、
２台直列に構成したものである。中央のレンズ２３は、
図３の全反射鏡２１をレンズに置き換えた構成のもので
あり、光学的に見ると、図７のものも図８のものも全く
同じ光路となっており、レンズ２３を対称軸として全て
の物が左右対称に配置されている。

【００１１】したがって、図８に示されている構造の光
共振器は、図７に示されている共振器から発振するレー
ザビームの品質を保持したまま、２倍以上のレーザ出力
を取り出すことができる構成となっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図８に示されている構
造の光共振器は、理論的には、図７に示されている共振
器から発振するレーザビームの品質を保持したまま、２
倍以上のレーザ出力を取り出すことができるが、しか
し、実際は、ＹＡＧロッドの濃度分布や励起光であるラ
ンプ等の発光素子の劣化や集光器の劣化等によって、対
称性が崩れてくるため、レーザ出力、ビーム品質、出力
安定性が低下することは避けられない。

【００１３】この発明は、上述の如き問題点を解消する
ためになされたもので、共振器の対称性バランスの崩れ
によるレーザ出力、ビーム品質、出力安定性の低下を回
避し、併せて複数の固体レーザ媒質ロッドの使用による
装置の大型化を回避できる発振器構成の固体レーザ発振
器を得ることを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、この発明による固体レーザ発振器は、一つの拡散
集光器内に複数本の固体レーザ励起媒質ロッドと、前記
固体レーザ励起媒質ロッドを励起するための少なくとも
一つの励起光源を具備したレーザ発振キャビティが複数
台直列に配置されて一つの光共振器を構成するものであ
る。

【００１５】つぎの発明による固体レーザ発振器は、前
記レーザ発振キャビティ間の光軸上に９０度の偏光旋光
子が設置されているものである。

【００１６】つぎの発明による固体レーザ発振器は、前
記レーザ発振キャビティの各固体レーザ励起媒質ロッド
により与えられる光軸を全反射の折返鏡を使用してコの
字形に折り返し、折り返し構造の光共振器を構成するも
のである。

【００１７】つぎの発明による固体レーザ発振器は、折
り返し部にレンズが挿入されているものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照してこの発
明に係る固体レーザ発振器の実施の形態を詳細に説明す
る。なお、以下に説明するこの発明の実施の形態におい
て上述の従来例と同一構成の部分は、上述の従来例に付
した符号と同一の符号を付して、その説明を省略する。

【００１９】実施の形態１．図１（ａ）、（ｂ）は、こ
の発明による固体レーザ発振器のレーザ発振キャビティ
の実施の形態１を示している。レーザ発振キャビティ１
０は、光を拡散する材質のものにより構成されている一
つの拡散反射集光器１４内に、互いに平行に配置された
２本のＹＡＧロッド１１と、ＹＡＧロッド１１と平行に
配置された１本の棒状のランプ１２とを有している。

【００２０】拡散反射集光器１４は、一般に用いられる
金属面でできたものとは異なり、反射時に方向性を持た
ないために、集光器内全体に均一に光を供給することが
可能となる。２本のＹＡＧロッド１１は楕円筒集光器の
二つの焦点軸線に沿って配置され、ランプ１２は２本の
ＹＡＧロッド１１間の中央位置にＹＡＧロッド１１と平
行に配置されている。

【００２１】ランプ１２は図示されていない電源より高
電圧を印加されると、発光し、拡散反射集光器１４の内
部に均一な光強度を与える。このときＹＡＧロッド１１
は光を吸収するが、拡散反射集光器１４の内部の光強度
が一定であれば、当然、集光器内部に配置された複数の
ＹＡＧロッド１１の吸収熱量はほぼ同じとなる。従っ
て、従来、各キャビティ毎に異なっていたロッドの熱レ
ンズの大きさは、このキャビティを使うことで同一にな
り、熱レンズ状態を揃えることが可能となる。

【００２２】図２は、図１に示されているレーザ発振キ
ャビティを２台連結してなる光共振器を示している。２
台のレーザ発振キャビティ１０は各レーザ発振キャビテ
ィ１０内の上下２本のＹＡＧロッド１１の光軸Ｌがそれ
ぞれ同軸整合するよう配置され、各光軸接続部に９０度
旋光の偏光旋光子２０が配置される。

【００２３】上下の光軸Ｌは４５度傾斜配置の全反射鏡
による折返鏡２４、２５により上下２段にコの字形に折
り返しされる。この折り返し部の中央部にはレンズ２３
が配置されている。この光共振器ではレンズ２３を対称
軸として全ての物が上下対称に配置されている。この折
り返し構成により、各レーザ発振キャビティ１０の２本
のＹＡＧロッド１１の熱レンズ状態が揃えられる。

【００２４】したがって、各レーザ発振キャビティ１０
のランプ１２の発光量が等しい場合には、図７に示され
ている基本構成の光共振器の発振特性と、特に差異は表
れない。しかし、実用上は、ランプ１２は、電極状態、
内部のガス圧、内面の汚れ等により、発光量が異なって
くる。また、ランプ１２の代わりに、レーザダイオード
を使用したとしても、発光量を揃えることは現実的に難
しい。各発光素子の発光量が異なった場合の影響につい
て、つぎに述べる。

【００２５】説明の為の簡略図を図３に示す。ここで
は、基本構成として４本のＹＡＧロッド１１を使用す
る。ＹＡＧロッドにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと符号をつけ、各Ｙ
ＡＧロッドＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとの熱レンズの強さをＦａ、
Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄとする。また、ＹＡＧロッドＡとＢ、
ＹＡＧロッドＣとＤ間には９０度の偏光旋光子が配して
ある。熱レンズとは、ＹＡＧロッド内の温度分布によっ
て起こるレンズ作用の強さを焦点距離で表したものであ
る。

【００２６】各ロッドの熱レンズを（１）から（４）の
４種類のケースで想定し、入出力特性がどのように変化
するかを示している。（１）は、全てのロッドの熱レン
ズが同じ場合、（２）がＦａ＝Ｆｄ≠Ｆｂ＝Ｆｃの場
合、（３）が４本の熱レンズの内、一本のみが異なる場
合、（４）はＦａ＝Ｆｂ≠Ｆｃ＝ＦｄもしくはＦａ＝Ｆ
ｃ≠Ｆｂ＝Ｆｄの場合である。各場合の入出力特性はそ
の下に示している。

【００２７】結果から云うと、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤのＹＡＧ
ロッドの内、どれか一本、もしくは、Ａ、ＢがＣ、Ｄと
異なると云った想定で、対称性からずれた熱レンズ状態
で光共振器が構成されると、レーザ出力が低下するとい
う傾向が示されている。

【００２８】実際に、図８に示されている従来例の光共
振器で試験した結果も同様となる。これは、ＹＡＧロッ
ドＡとＢ、ＹＡＧロッドＣとＤとで同一光共振器を構成
するという状態が崩れ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４本のＹＡＧ
ロッドを用いた当初の構想とは全く異なる一つの共振器
が構成され、同時に、ＹＡＧロッド内を伝播するモード
の大きさが対称構成時より小さくなり、出力が低下する
ことを示している。当然、この現象は、各ＹＡＧロッド
の熱レンズの差が大きくなればなるほど、出力特性に大
きな影響を与えることになる。

【００２９】上述の結果から、図８に示されている従来
例の光共振器を構成する場合には、ＹＡＧロッドの熱レ
ンズを最低限、ＡとＤ，ＢとＣは揃える必要がある。

【００３０】これに対して、図２に示されている光共振
器では、一つの拡散反射集光器１４内、換言すれば、一
つのレーザ発振キャビティ１０で、ＹＡＧロッドＡとＤ
あるいはＹＡＧロッドＢとＣに相当する２本のＹＡＧロ
ッド１１を１本のランプ１２で励起する構成に変更する
ことで、従来より使用している光共振器と同様に、長時
間使用によるランプ１２の劣化や初期の製品ばらつきに
よる出力低下は低減できる。

【００３１】また、直列に配したレーザ発振キャビティ
１０間には９０度の偏光旋光子２０が機械的に設けてあ
り、この偏光旋光子２０は、先に述べたように、熱複屈
折を解消するものである。

【００３２】また、図２に示されている光共振器では、
折返鏡２４、２５を用して光軸Ｌがコの字形に折り返さ
れているから、全ロッドを一直線上に配置したものに比
して装置が小型化される。

【００３３】また、折り返し部には、レンズ２３を配置
することが可能となっている。このレンズ２３の焦点距
離は、光共振器を構成する鏡の曲率と等価である。当
然、光共振器を構成する鏡の曲率がフラットであれば、
なくても同じである。しかし、実際には、各種の曲率が
使われることが多く、レンズ２３の配置は不可欠とな
る。なお、このレンズ２３は、光軸Ｌ上に配置され、図
示はされていないがレンズ位置の微調整が可能なレンズ
ホルダに取り付けられている。

【００３４】実施の形態２．図４（ａ）、（ｂ）は、こ
の発明による固体レーザ発振器のレーザ発振キャビティ
の実施の形態２を示している。この実施の形態では、一
つの拡散反射集光器１４内に、２本のＹＡＧロッド１１
と、２本の棒状のランプ１２とが配置されている。

【００３５】この実施の形態でも、図２に示されている
光共振器と同等の光共振器を構成でき、実施の形態１に
おける場合と同等の作用、効果が得られる。なお、一つ
の拡散反射集光器１４内に配置するランプ１２の本数は
２本以上の本数でもよい。

【００３６】実施の形態３．図５は、この発明による固
体レーザ発振器のレーザ発振キャビティおよび光共振器
の実施の形態３を示している。この実施の形態では、一
つのレーザ発振キャビティ１０、換言すれば、一つの拡
散反射集光器１４内に３本のＹＡＧロッド１１が互いに
平行に配置されている。

【００３７】このレーザ発振キャビティ１０を２台接続
して光共振器を構成することで、３段折り返し光軸Ｌが
画定され、同様の効果が得られる。なお、一つの拡散反
射集光器１４内に配置するＹＡＧロッド１１の本数は３
本以上の本数に設定することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、この発
明による固体レーザ発振器によれば、一つの拡散集光器
内に複数本の固体レーザ励起媒質ロッドと固体レーザ励
起媒質ロッドを励起するための少なくとも一つの励起光
源が配置されているから、ランプの劣化や集光器の劣化
による固体レーザ励起媒質ロッドの熱レンズの変化の仕
方が一つのレーザ発振キャビティ内で同じになり、その
レーザ発振キャビティを直列に複数台並べることで、光
共振器の対称性が保たれ、励起光の光量がばらついて
も、レーザ出力特性を維持できると云う効果が得られ
る。

【００３９】つぎの発明による固体レーザ発振器によれ
ば、レーザ発振キャビティ間の光軸上に９０度の偏光旋
光子が設置されていることにより、各固体レーザ励起媒
質ロッド間の熱複屈折が解消される。

【００４０】つぎの発明による固体レーザ発振器によれ
ば、折り返し構造の光共振器が構成されることで、装置
のコンパクト化が図れる。

【００４１】つぎの発明による固体レーザ発振器によれ
ば、折り返し部にレンズが挿入されていることにより、
鏡の曲率が異なる各種の光共振器を構成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）はこの発明による固体レーザ発振器の
レーザ発振キャビティの実施の形態１を示す縦断面図、
（ｂ）は（ａ）図の線Ｉ−Ｉによる断面図である。

【図２】 この発明による固体レーザ発振器の一つの光
共振器構造を示す構造図である。

【図３】 熱レンズ変化による入出力特性を示す特性図
である。

【図４】 （ａ）はこの発明による固体レーザ発振器の
レーザ発振キャビティの実施の形態２を示す縦断面図、
（ｂ）は（ａ）図の線ＩＩ−ＩＩによる断面図である。

【図５】 この発明による固体レーザ発振器の他の光共
振器構造を示す構造図である。

【図６】 （ａ）は従来の固体レーザ発振器のレーザ発
振キャビティを示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）図の線Ｉ
ＩＩ−ＩＩＩによる断面図である。

【図７】 従来における固体レーザ発振器の光共振器の
基本構造を示す構造図である。

【図８】 従来における固体レーザ発振器の光共振器構
造を示す構造図である。

【符号の説明】

１０ レーザ発振キャビティ，１１ ＹＡＧロッド，１
２ ランプ，１３ クーラントフローチューブ，１４
拡散反射集光器，２０ 偏光旋光子，２１ 全反射鏡，
２２ 部分反射鏡，２４，２５ 折返鏡。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一つの拡散集光器内に複数本の固体レー
   ザ励起媒質ロッドと、前記固体レーザ励起媒質ロッドを
   励起するための少なくとも一つの励起光源を具備したレ
   ーザ発振キャビティが複数台直列に配置されて一つの光
   共振器を構成することを特徴とする固体レーザ発振器。
2. 【請求項２】 前記レーザ発振キャビティ間の光軸上に
   ９０度の偏光旋光子が設置されていることを特徴とする
   請求項１に記載の固体レーザ発振器。
3. 【請求項３】 前記レーザ発振キャビティの各固体レー
   ザ励起媒質ロッドにより与えられる光軸を全反射の折返
   鏡を使用してコの字形に折り返し、折り返し構造の光共
   振器を構成することを特徴とする請求項１または２に記
   載の固体レーザ発振器。
4. 【請求項４】 折り返し部にレンズが挿入されているこ
   とを特徴とする請求項３に記載の固体レーザ発振器。