JPS62262480A - レ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〉 本発明は高出力の閂光ランプによってポンピングされる
固体レーザ装置に関し、材料の穴聞け・切断・溶接・熱
処理・タラツデイング・研削などの処理に使用される固
体レーザ装置に関する。特に本発明は、このような固体
レーザ装置における固体レーザビーム・レーザ共振器・
目先ランプ列の新規な構成に関する。この新規な構成は
、従来の固体レーザ装置の構成に比較して極めて高いレ
ーザ出力と高品質のレーザビームとを提供できる。

本発明は、従来の中実ロッド状またはスラブ状の固体レ
ーザ媒質ではなく、ガラス・水晶等の中空柱状の固体レ
ー！ｆｔｊｉ質によって基本的に構成される固体レーザ
装置を開示する。

（従来の技術および発明が解決しようとする問題点） 従来、固体レーザ媒質としては、ロッド状の固体レーザ
媒質や、スラブ状の固体レーザ媒質が知られている。

前記ロッド状の固体レーザ媒質は、この媒質の周囲に配
置された閂光ランプによって照射されるとレーザビーム
を出射する。しかし、この装置においては、ロッドの直
径を大きくすると、閂光ランプの照０４時に発生される
熱がロッド内部に蓄積されるため、媒質内の屈折率が均
一でなくなるばかりでなく、ロッド自体には械的応力が
加わるという欠点がある。また、ロッドの直径を極めて
大きくすると励起がロッドの中心部まで十分な強さで届
かないという問題が生ずる。

一方、スラブ状のレーザ媒質内 のに面Ｊ３よび下面が例えば前記したような閂光ランプ
によって同時に励起されるとともに、励起されたレーザ
ビームがブルースター角で切断されたスラブの端面を介
して入出力される。そして、レーザ媒質内においては、
励起されたレーザビームは、媒質の上面および下面の間
で反射されながら該レーザ媒質の全長を伝播づる。この
ため、レンズ効果の影響を受けることがなくエネルギの
取出し効率が高い。しかし、この場合、レーザビー１１
は媒質の上面と下面との間で全反射されながら該ｔｓ買
を伝播するので、十分な発掘状態を維持するためには媒
質の上面および下面が、両方とも正確に研磨されていな
ければならない。このため製作に非常にｆ間がかかると
いう問題がある。

（問題点を解決するための手段） この発明の目的は前記問題点を解決することであり、高
品質・高出力のレーザ光を容易に得ることができるレー
ザ装置を提供することである。

本発明の他の目的はポンピングのための光照射による熱
が媒質内に蓄積されることがなくしかも製作容易なレー
ザビームを備えたレーザ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、照射熱に起因するレーザ媒質の機
械的応力を最小にできるレーザ装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、レーザ媒質を均一にポンピングで
きるレーザ装置を提供することである。

本発明他の目的は、大きなポンピングエネルギを入力で
きるレーザ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、高出力のレーザビームを出力でき
るレーザ装δを提供することである。

本発明の他の目的は、極めて良好なビーム断面を有する
レーザビームを出力するレーザ装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、機械的剛性の高いレーザ装置を提
供することである。

本発明の他の目的は、レーザ装置を冷Ｗするための冷媒
を容易に密封できるレーザ装置を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明に基づくレーザビーム
は、中空柱状の固体レーザ媒質と、性力固体レーザ’ｌ
１ｔ１を励起させるためのポンピング１段と、前記固体
レーザ媒質の軸方向両端に配置され、前記固体レーザ媒
質内に放射される光を該固体レーザ＊ｉの軸方向に沿っ
て往復させる光共振器とを備える。

本発明の前記目的、その他の目的、Ｊ３よび特徴などは
、添付図面を参照して好適実施例を説明することにより
明らかにする。

（実施例） 本発明の特徴を明らかにするため、まず従来の固体レー
ザ媒質を説明する。

材料の加工処理用として適切なレーザ出力を発生させる
ための従来の固体レーザ媒質には二つのタイプがある。

すなわち中実ロッド形状（第１図）のレーザ媒質と、こ
れよりも新しいスラブ形状（第２図）のレーザ媒質であ
る。これら２種類の形状のレーザ媒質の長所および短所
について以下に説明する。

第１図に示す中実ロッド形状の１１１は、製作が最も容
易である。このロッドは、母材の選択に応じて単一の結
品として成長させることもできるし、ガラスとして成形
することもできる。ロッド形状の媒質ではレーザ共振器
内への取付けおよび密閉も簡単である。例えば、光学的
に重要なのはロッドの＠ｉ部だけであるため０ツドの外
径に光学的な研磨表面を実現する必要はない。また、ロ
ッド内に閂光ランプの光エネルギを供給するには、反射
空洞と複数の閂光ランプ（図示せず）とを使用する。さ
らに、このようにすれば適切な均一性も得られる。

しかしながら、このロッド形状のｌ！［は、形状の機能
による限界および、固体レーザ媒質の物理特性による限
界とを持つている。寸なわら、媒質のレーザ出力を高め
るためには、一般に閂光ランプのポンピングエネルギお
よびレーザ媒質の体積を増加させる必要があるが、ロッ
ドの外側表面積は該０ツドの直径に比例して増加し、ロ
ッドの体積は該ロッドの直径の平方に比例して増加する
。

また、不用な熱エネルギは、レーザ媒質から除去しなけ
ればならないが、平均出力を高めるためにロッド直径を
増加させると不用な熱を除去することが困難になる。こ
の不用な熱は中実ロッドの（１１心部に′ｒｉ積され次
のような恩彰響を引き起す。

すなわち、ロッド中心部の温度が高いと熱応力が発生し
、この熱応力がロッド端部表面を凸面状にしてしまう。

媒質形状がこのように変化すると、レーザ共振器の形状
にも歪みが生じレー普ア出力およびレーザビーム品質が
変化してしまう。また、ロッドの中心部からその外側表
面までの温度傾斜がロッドの屈折率を変化させ、これに
よって共据器内のレーザビームが歪められる。さらに、
温度傾斜とそれに起因する機械的応力とによって、レー
ザ［Ｔが破断されることもある。

前記欠点の多くを克服するため、第２図に示すスラブ形
状の固体レーザ媒質が提案され研究されできた。この形
状は、基本的に３つの長所を持っている。

第１の長所として、レーザ媒質における体積と表面積の
比率が、ロッド形状に比べてより直線的である。このた
め冷却能力がスラブ幅の増加と共に一様に１セ加する。

第２に、スラブ両面におけるポンピングが可能なので、
スラブ媒質内におけるレーザ材料の光ポンピングおよび
照射がより均一に行われる。第３に、スラブを通る光の
通路がジクザグであるため、熱に起因するスラブの厚さ
方向にわたる屈折率の変化が補償される。

スラブ形状の欠点は、スラブ自体の製作が難しくスラブ
の設置も容易でないことである。スラブの表面はレーザ
共振器の一部であるため、レーザ光の波長の範囲内にお
いて平坦でかつ平行でなければならない。この平坦性は
スラブの端面においても保たれる必要がある。またスラ
ブの全長は、正確に該スラブの厚さの倍数でなければな
らず、スラブのコーナ一部分は製作工程において丸みを
帯びさせてはならない。これらの相互に依存する必要条
件は、スラブの！ｌＪ造工程を極めて困難なものにする
上、動作時における温度の影響および取付は時の機械的
１ｉ１１ＸＷがこれをさらに複雑にする。

本実施例はこれら欠点を克服するものであり、以下に本
実施例を説明する。

第３図は本実施例に係る中空円柱状の固体レーザ媒質１
０を示ず。このレーザ媒質１０は、その体積と冷却表面
積との比率が実際的に最大であり、製作において特別の
技術を必要としない。

中空円柱状のレーザ媒質１０は、単結品として成長させ
るか、ガラスとして成形するか、あるいは中実の円柱を
穴開けすることにより形成できる。

光学的に平坦としかつ研磨する必要があるのは、中空円
柱１０の両端部だけである。中空円柱１０の外側表面は
、機械的研磨・ナンドブラスト・化学的エツチング等に
よって処理され、開光ランプの光に対して拡散器として
働き水冷媒への熱の伝速を向上させると共に、ゲイン領
域内における規制レーザモードを最小にする。中空円柱
１０の内側表面は平滑とするか拡散性とする。

第４図および第５図は、前記した中空円柱状の固体レー
ザ共振器１０を備えたレーザ装置を示す。

中空円柱状の固体レーザ媒質１０の周囲には、密閉部材
（外側密閉部材）１１が配置される。レーザ媒質１０と
密閉部材１１との間には間隙が形成され、この間隙は外
側冷媒通路１０ａを構成する。密閉部材１１はパイレッ
クス管で形成覆ることが好ましい。

密閉部材１１の周囲には８個の開光ランプ１２が等間隔
で配置される。これら開光ランプ１２は従来周知のもの
である。

このように、開光ランプ１２を複数個配置することによ
り、光ポンピングエネルギを高め、光照射の均一性を向
上させ、開光ランプの定格出力の適切な範囲内において
該開光ランプを動作させることが可能となる。この最侵
の点について少し詳しく説明する。従来周知の開光ラン
プを定格出力の近傍において動作させると、この問丸ラ
ンプの光放射は波長の短い方向に移動することが知られ
ている。しかも、この移動方向は、レーザ媒質およびそ
の周辺部品をポンピングするための有効な波長から遠ざ
かる方向である。したがってレーザ装どの性能が低下す
る。

また開光ランプを定格田力近傍で動作させると、低出力
で動作させる場合に比較して開光ランプの有効寿命が短
くなることが知られている。したがって、前記の如く開
光ランプ１２を構成することによりランプの寿命を長く
することができる。

本実施例に基づく媒質形状の他の利点は、ポンピング空
洞内に１個の開光ランプを設けた従来の楕円反射器をも
使用できることである。従って、ポンピング空洞の；ｑ
計において、使用する開光ランプの数にはυ１約がない
。このため本実施例では複数の開光ランプを使用できる
ので、多くの便宜が得られる。

開光ランプ１２の周囲には、さらに外部反射晶１３が配
置される。

他方、中空円柱状のレーザ媒質１０の内部には、円゛筒
状の内部反射器１４が配置される。この反射器１４は、
レーザ媒質１０の壁面を通過した閂光ランプの光をレー
ザ媒質１０に対して反射し返えすことにより、ｔｓ質に
対して追加のポンピングを行うものである。この反射器
１４は、１）中空レーザ媒質１０の内側表面へ向かう水
冷媒の流れ１５用の内側冷媒通路１０ｂを提供し、２）
アクシコンミラーアッセンブリ１６の円錐部を支持する
。

第６図および第７図は前記アクシコンミラーアッセンブ
リを用いた光共振器の詳細を示す。この光共振器は、第
４図および第５図に示すレーザ装置に取り付けられるも
のである。

本実施例の光共振器は、四つの光学系要素から成る。一
つは後部ミラー１７であってこれは１００％の反射率を
有しかつ平坦な反射面を有する。

別の一つは出力結合器１８であって１００％未満の反射
率を有し平坦な反射面を有する。これら後部ミラー１７
と結合器１８とは、従来のロンドタイプの固体レーザ装
置におけるものと同一である。

残りの二つの光学系要素は、アクシコンミラーアッセン
ブリ１６に含まれる。このアッセンブリ１６は、中央の
円錐（内側反射器）１６ａと、外側の円錐台（外側反射
器）１６ｂとを含む。円錐１６ａと円錐台１６ｂとは、
ゲイン流域からの環状のビーム断面から、中実なまたは
ほぼ中実なビーム断面を作り出す。

前記から明らかなように、本実施例によれば次の効果が
得られる。

１）固体レーザ媒質の所定の体積に対する不用な熱の除
去効率は、本実施例の如き円筒状レーザ媒質を採用する
ことにより、最大となる。

２）本実施例に基づく形状のレーザ媒質は、中実ロッド
形状あるいはスラブ形状のレーザ媒質よりも機械的剛性
が高い。

３）熱によって発生される応力は、いがなる温度におい
ても、ロッド形状におけるよりも本実施例の形状におけ
る方が小さい。

４）レーザｔｌＸ質の所定の体積について、中空柱状の
形状は、（ロッド形状に比較し）媒質内における光ポン
ピングエネルギの照射がより均一である。

５）中空柱状のレーザ媒質は、スラブ形状のし一ザ媒質
よりも、要求許容値内に製作することが容易である。

６）中空柱状の形状は、スラブ形状よりも、水冷媒の漏
水に対してのシールが容易である。

７）前記１）の理由により、本実施例では、大きな体積
の中空の柱に直接成形することが可能なガラスなどの低
コストのレーザ媒質を容易に使用することができる。

８）前記１）および７）の理由により、高い平均出力を
有するガラスｒｓ質レーザ装置を実現できる。

９）前記１　）　、　２　）　、３　）　、４　）　Ｌ
１３よび５）の理由により、本実施例の出力ビームの品
質は、従来のロツドレーナ装置や、高出力で動作される
従来のスラブレーザ装置よりも良好である。

１０）前記１）、３）、および９）の理由により、本実
施例の形状のレーザ媒質（ガラスまたは水晶）は、従来
のロッド形状のレーザ媒質よりも、レーザＩＳ質の所定
の体積について、より高い入力動作させることが可能で
ある。

本発明を好適実施例に基づき説明したが、本発明につい
ては、本発明の範囲を逸脱セずに多くの変更が可能であ
る。

［発明の効果Ｊ　　゛ 以上説明したように、本発明のレーザ装置によれば、レ
ーザ媒質を中空の柱状に形成するとともに、このレーザ
媒質を内面・外面から冷却するようにしたので、該媒質
の冷却効率を著しく高めることができ、したがって、高
品質・高出力のレーザ光を容易に出力することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、各々従来の中実ロッド形状およ
びスラブ形状の固体レーザ媒質を示す概略図、 第３図は、本発明を実施した中空円柱状の固体レーザ媒
質を示す該略図、 Ｍ４図および第５図は、各々前記中空円柱状の固体レー
ザ媒質を使用したレーザ装置を示す断面図、および縦断
面図、 第６図は、第４図および第５図に示したレーザ装置の光
学系を示す斜視図、および 第７図は、第４図および第５図に示したシー１Ｆ装置の
光学系の概略を示す軸方向断面図である。 １０・・・中空柱状固体レー！ｆ装置 １０ａ・・・外側冷媒通路　　１０ｂ・・・内側冷媒通
路１１・−・密Ｉ″！１部材　　　　　１２・・・開光
ランプ１３・・・外部反射器　　　　１４・・・内部反
射器１５・・・冷媒の流れ １６・・・アクシコンミラーアッセンブリ１６ａ・・・
中央円錐　　　１６ｂ・・・外側円錐台１７・・・後部
ミラー　　　　１８・・・出力結合機成ス人弁度士三ｉ
、仔保　男 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空柱状の固体レーザ媒質と、 前記固体レーザ媒質を励起させるためのポンピング手段
   と、 前記固体レーザ媒質の軸方向両端に配置され、前記固体
   レーザ媒質内に放射される光を該固体レーザ媒質の軸方
   向に沿って往復させる光共振器とを備えるレーザ装置。 ２、前記中空柱状の固体レーザ媒質を中空円柱状の固体
   レーザ媒質とした特許請求の範囲第１項に記載のレーザ
   装置。 ３、前記光共振器が、 前記中空円柱状の固体レーザ媒質の軸方向後端に配置さ
   れたほぼ１００％の反射率を有する後部ミラーと、 前記中空円柱状の固体レーザ媒質の軸方向前端に配置さ
   れた１００％より小さい反射率を有する出力ミラーとを
   備える特許請求の範囲第２項に記載のレーザ装置。 ４、前記後部ミラーを環状ミラーとし、該環状ミラーの
   外径を前記中空円柱状の固体レーザ媒質の外径よりも大
   きくし、該環状ミラーの内径を前記中空円柱状の固体レ
   ーザ媒質の内径よりも小さくした特許請求の範囲第３項
   に記載のレーザ装置。 ５、前記出力ミラーが、 前記中空円柱状の固体レーザ媒質の軸方向前端から所定
   の間隔を置いて配置された出力ミラーと、該出力ミラー
   と前記レーザ媒質との間に押入されたアクシコンミラー
   アッセンブリとから成り、該アクシコンミラーアッセン
   ブリの外側反射器の入反射表面を前記レーザ媒質に対向
   させ、該アクシコンミラーアッセンブリの内側反射器の
   入反射表面を前記出力ミラーに対向させた特許請求範囲
   第３項に記載のレーザ装置。 ６、前記ポンピング手段が、 前記中空円柱状の固体レーザ媒質の外側表面の外部に配
   置された複数の閂光ランプと、 前記閂光ランプのさらに外側において前記閂光ランプと
   前記レーザ媒質とを取り囲むように配置された外部反射
   器と、 前記レーザ媒質の内径よりわずかに小さい外径を有し、
   前記レーザ媒質の中空部に挿入される筒形の内部反射器
   とを備える特許請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 ７、前記中空柱状の固体レーザ媒質の外側および内側の
   両方から該固体レーザ媒質を冷却する冷却手段とを備え
   る特許請求の範囲第１項に記載のレーザ装置。 ８、前記冷却手段が、 前記中空柱状の固体レーザ媒質の外側表面を覆うために
   、該外側表面から所定の間隔を置いて配置された透明材
   料から成る外部密閉部材と、放射光に対する内部反射器
   としても作用し、前記レーザ媒質の内径よりもわずかに
   小さな外径を有し、前記レーザ媒質の中空部に挿入され
   る内部密閉部材と、 前記レーザ媒質と前記外部密閉部材との間に形成される
   間隙の内部および前記レーザ媒質と前記内部密閉部材と
   の間に形成される間隙の内部とに流される冷媒とを備え
   る特許請求の範囲第７項に記載のレーザ装置。 ９、前記冷媒を水とした特許請求の範囲第８項に記載の
   レーザ装置。 １０、前記外部密閉部材をパイレックスガラスとした特
   許請求の範囲第８項に記載のレーザ装置。 １１、前記ポンピング手段が、前記レーザ媒質の外側表
   面のさらに外側に対称的に配置された８個の閂光ランプ
   である特許請求の範囲第７項に記載のレーザ装置。