JPS63318179A

JPS63318179A - レーザー装置

Info

Publication number: JPS63318179A
Application number: JP63138590A
Authority: JP
Inventors: ダン・バージョゼフ
Original assignee: Raycon Textron Inc
Current assignee: Raycon Textron Inc
Priority date: 1987-06-12
Filing date: 1988-06-07
Publication date: 1988-12-27
Also published as: EP0294646A1; US4858243A

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】１果上立■月豆１本発明は、レーザー装置に関し、特に、拡散反射体を有
する光ポンピング（光励起）式レーザー装置に関する。

（の　′・　び、Ｂが　゛しよ　と　る。題々米国特許
第３．９７９．６９６号に開示されているように、レー
ザー媒質のロッド（棒状体）に光結合されたフラッシュ
ランプからの光子を拡散反射させる表面を備えた光ポン
ピング空胴を利用するレーザー装置は周知である。ここ
で、「光ポンピング空胴」とは、レーザー装置において
光ポンピング即ち光励起を実施するための空胴のことで
ある。「光ポンピング」又は「光励起」は、ここでは、
単に「ポンピング」又は「励起」とも称することとする
。上記特許の装置においては、光ポンピング空胴の反射
面を形成するための拡散反射性物質は、家庭用ペンキ程
度の塗布粘稠度を有するように珪酸ナトリウムと混合し
た酸化サマリウムから成るコーチング材である。即ち、
そのようなコーチング材を融解石英又は硼珪酸ガラスな
どの透明材の内面又は外面に塗布し、フラッシュランプ
からのポンピング放射線（ポンピング作用即ち励起作用
をする光線）のレーザーロッドの露出表面への照射を均
一にするために該放射線を拡散反射させるための所要の
厚さのコーチングを形成する。しかしながら、そのよう
なコーチング材は、ポンピング空胴な画定するハウジン
グ部材の外側面に塗布して自然乾燥させるのであるが、
何層かに分けて重ね塗りしなければならず、各１層の厚
さは、いずれも、約０．１２７ｍｍ（５ミル）より薄く
しなければならない、従って、コーチング材の各層を順
次に塗布し、その都度乾燥させなければならないので、
この方法は、光ポンピング空胴の密接に光結合された複
雑な表面形状には適用することが困難である。

密接に光結合されたレーザー装置の例は、米国特許第３
，７０２，９７６号に記載されている。同特許には、光
ポンピング効率を向上させるためにフラッシュランプを
レーザーロッドに対して密に近接して配置させるための
複雑な幾何学的表面を形成するいろいろな構成が示され
ている。しかしながら、同特許の密接光結合構成におい
ては、フラッシュランプをディスク型レーザー構造体に
組合せたものである。ディスク型レーザー構造体は、長
手軸線に沿って整列させ重ね合わせたた多数のガラス製
レーザープレートから成るものであり、所要のレーザー
出力を得るためにはそれらのレーザープレートを精密に
嵌合させなければならない、この構成は、多数のフラッ
シュランプを使用することを可能にするが、この特許に
は、装置のレーザー媒質に光を無駄なく完全に照射する
ために拡散反射という技術思想を用いることは教示され
ていない。

米国特許第４．２３２，２７６号には、高利得レーザー
媒質から成るレーザーロッドと、楕円形の反射表面を有
する１対の反射器を介してレーザーロッドに光結合させ
たフラッシュランプとから成り、レーザー媒質内に分布
反転を起こさせてレーザー媒質からレーザー光を放出さ
せるようにしたレーザー装置が開示されている。しかし
ながら、この楕円形の反射器の反射表面は、精密に形成
しなければならず、ポンピング空胴を画定する外側ハウ
ジングに１対の反射器を別々に組みつけなければならな
いので、レーザー装置の作動効率を高めるようにフラッ
シュランプと、反射器と、レーザーロッドの間に所望の
位置関係を設定するためにそれらの部品を正確に整列さ
せるための精密な組立て作業が必要とされる。

本発明は、上記のような従来技術に随伴するレーザー装
置の構成部品の製造加工及び組立上の問題点を解決し、
かつ、作動効率の高いレーザー装置を提供することを企
図したものである。

。題壱　７゛　るためのこの問題を解決するために、本発明は、レーザー装置の
フラッシュランプ及びレーザーロッドに密に光結合する
精密な表面を形成するために機械加工することができる
ガラス系セラミック材製の光ポンピング空胴反射体を用
いる。ここで、「光ポンピング空胴反射体」又は「ポン
ピング空胴反射体」とは、光ポンピング空胴内に配置さ
れた反射体、あるいは、光ポンピング空胴の壁を画定す
る反射体という意味である。「光ポンピング空胴」は、
「レーザー空胴」とも称する。この反射体のガラス系セ
ラミック材は、フラッシュランプからの光をレーザーロ
ッドの外表面に完全に称させるように実質的に完全な（
１００％の）拡散反射率を有することを特徴とする。そ
れによって、上述した従来技術において必要とされた楕
円形反射器の精密な整列層、拡散反射性表面を得るため
のコーチング材の重ね塗り及び乾燥工程の必要性が排除
される。

聚豆立立貝力１本発明の１つの特徴は、レーザー装置のフラッシュラン
プ及びレーザーロッドに密に近接するいろいろな形状の
反射体表面を形成するために機械加工することを可能に
する２層ミクロ組織のガラス系セラミック材製の反射体
を用いることである。このような機械加工可能なガラス
系セラミック材は、複雑な表面を機械加工によって形成
することができるので、いろいろな寸法の反射体を製造
するためにそれぞれ別個の金型部品を必要とすることが
ない。従って、本発明によれば、いろいろな特定の用途
のための特定のレーザー装置を製造するためにポンピン
グ空胴を画定する反射体のの所望の内表面を低コストで
形成することができる。

本発明の機械加工可能なガラス系セラミック材製反射体
の他の特徴は、反射体の内側両側面をその全長に亙って
フラッシュランプ管の外表面に合致する半円形とし、反
射体の、該内側両側面を結ぶ内側表面部分をほぼ山形に
傾斜した形状とし、その山形の頂点がレーザーロッドを
囲繞した水流管の外表面に密に近接する構成とすること
ができる。これによって、機械加工が容易であり、かつ
、レーザー装置のフラッシュランプ管及びレ−ザーロツ
ドに密に光結合される簡略化された幾何学的形状の反射
体を得ることができる。

本発明の更に他の特徴は、反射体全体を均質な組成物で
形成することである。それによって、フラッシュランプ
から放出される光子は、従来の装置におけるように反射
体の表面コーチングだけにではなく、反射体の内表面か
ら外表面に至るまで全厚みに亙って吸収される。このよ
うにフラッシュランプからの光子は反射体の全体に亙っ
て拡散されて吸収されるので、反射体によって吸収され
た熱エネルギーは非常に効率的に除去することができる
。従って、反射体を冷却するために反射体の外表面とそ
れを囲繞する水冷ジャケットの内表面との間の反射体冷
却用冷却水のための流路空間は、小さくすることができ
る。

夾里眉第１図を参照すると、ネオジミウム添加イツトリウムガ
ーネット（ｒＮｄ　：　ＹＡＧＪと略称される）から成
るレーザーロッドＸを備えた本発明の一実施例によるレ
ーザー装置が示されている。このレーザーロッドは、光
ポンピング空胴の中心部を構成する。ポンピング空胴は
、更に、レーザーロッド１０を同心的に囲繞した冷却水
用水流管１２と、水流管１２の左右両側外方に配置され
た２本のフラッシュランプ１４．１６と、水流管及びフ
ラッシュランプの外方の配置されたガラス系セラミック
材製の光ポンピング空胴（又はレーザー空胴）反射体１
８を備えている。反射体１８の素材であるガラス系セラ
ミック材は、例えば、「マコアＪ　　（Ｍａｃｏｒ）と
いう商標名で販売されている米国コーニング・グラス・
ワークス社製の材料である。本発明によれば、反射体１
８の全体をマコアのようなガラス系セラミック材で形成
する。反射体の外表面２０は、外側水冷ジャケット２４
の内表面２２から僅かに離隔した位置に配置する０反射
体の内表面は、フラッシュランプ１４．１６の円筒面３
０．３１に密に近接してそれぞれ対応する円筒面のほぼ
半周を囲繞する断面半円形の内側両側面２６．２８を有
する。各内側側面２６．２８は、それぞれ、１対の傾斜
面３２．３４及び３６．３８に連接している。傾斜面３
２と３４とは、半円形の側面２６に対して接線方向に、
そして互いに散開する方向に延長しており、同様に、傾
斜面３６と３８とは、半円形の側面２８に対して接線方
向に、そして互いに散開する方向に延長している。傾斜
面３２と３８、及び傾斜面３４と３６とは、水流管１２
の外周上の直径方向に対向した点４４．４６にそれぞれ
密に近接した位置で長手方向線４０．４２において交差
する。従って、傾斜面３２と３８、及び傾斜面３４と３
６とは、それぞれ山形を画定する。かくして得られる幾
何学的形状は、２本のフラッシュランプ１４．１６及び
レーザーロッドｌＯのいずれにも密に近接した、従って
密に光結合した反射体内表面を画定する。

この（フラッシュランプ及びレーザーロッドに）密に光
結合された反射体１８は、フラッシュランプ１４．１６
の全長に亙って延在する。外側水冷ジャケット２４の両
端は、第２図に明示されるように、０リングシール５６
．５８を介して該両端に圧着された端部キャップ４８．
５０に夜って密封されている。

端部キャップ４８には、このレーザー装置に冷却水を供
給するための水流マニホールド室８４を端部キャップの
外面との間に画定するマニホールド６０が定着されてい
る。端部キャップ４８とマニホールド６０との間にはＯ
リングシール５９が介設されている。図示の実施例では
、マニホールド６０は、端部キャップ４８に雌ねじと雄
ねじのねじ結合によって着脱自在に固定されている。同
様に、端部キャップ５０は、ジャケット２４の端部にね
じ結合によって着脱自在に固定されている。

端部キャップ４８．５０は、水流マニホールド室８４か
らレーザーロッド１０の外表面を囲繞する第１水流チヤ
ンネル６２を画定する水流管１２の内部へ冷却水を差向
けるように構成されている。チャンネル６２は、反射体
１８の内表面と、各フラッシュランプ１４．１６の外表
面との間に画定される第２水流チヤンネル６４と平行関
係をなしている。外側水冷ジャケット２４と反射体１８
の外表面２０との間にも外側水流チャンネル６６が画定
されている。

水流チャンネル６６と６２とは、やはり平行関係にあり
、マニホールド室８４から冷却水を受取る。導入冷却水
は、チャンネル６２と６６を並列関係をなした通される
。この並列冷却水流は、後端側の端部キャップ５０にお
いて該キャップに形成された通路８６．８８によって合
流され、その合流された流れはフラッシュランプ１４．
１６と反射体１８との間の上記水流チャンネル６４を通
って直列式に反対方向に戻り流として流れる。この合流
された戻り流は、適当な通路（図示せず）を通して装置
から排出される。

チャンネル６４の容積は、できるだけ小さくなるように
設計し、レーザーロッド１０を囲繞する水流管１２の外
径は、チャンネル６４の有効流れ断面積を小さくするよ
うに、比較的大きい寸法とされる。水流管１２の直径を
比較的大きくすることができるのは、本発明の反射体１
８は、その全体がガラス形セラミック材で作られた充実
体であり、レーザー装置の作動中反射対全体に亙って実
質的に完全な（１００％の）拡散反射率を発揮し、フラ
ッシュランプ１４．１６からの光をレーザーロッド１０
の外表面のすべての部分に均質に完全に照射させるから
である。チャンネル６２と６６を通しての並列流と、チ
ャンネル６４を通しての直列戻り流との組合せにより、
フラッシュランプ１４．１６の周りの水流の圧力を小さ
くすることができる。従って、この装置を通しての主要
な圧力降下は、マニホールド室８４によって決定される
。マニホールド室を画定するマニホールド６０は、レー
ザー装置の本体とは完全に別個の部材であるから、特定
のレーザー装置において圧力降下を最少限にするように
それぞれ独立して設計することができる。ポンピング空
胴反射器１８の形状は、圧力降下を決定するための設計
上の制約を課すことがなく、従って、この反射器は、広
範囲の用例に適用することができ、フラッシュランプ１
４．１６に密に近接していることにより優れた光効率を
維持するとともに、レーザー放出作動中に生じる熱を効
果的に放散させる働きをする。

水流管１２及び反射器１８は、端部キャップ４８．５０
には密封圧接されておらず、管１２の端部６８．７０及
び反射器の端部−７６，７８は、端部キャップ４８．５
ｏの内面７２．７４に単にぴったり嵌合しているだけで
ある。このように単にぴったり嵌合させるだけで、水流
チャンネル６２．６４を形成するのには十分である。端
部キャップ４８．５０には、マニホールド室８４からの
冷却水を水流チャンネル６２．６４に並列流として通す
ためのポート８０，８２が設けられている。水流チャン
ネル６２．６４は、端部キャップ５０に形成された通路
８６．８８を介してそれぞれ戻り通路６６に連通されて
いる。レーザーロッド１０は、２つのステンレス鋼製ホ
ルダー９０．９２によって所定位置に保持されている。

ホルダー９０．９２は、レーザーロッドｌＯの両端を握
持する円筒体の形である。これらのホルダーは、端部キ
ャップ４８．５０によって支持され、それぞれ端部キャ
ップ４８．５０に装着されたＯリングシール９３．９４
により端部キャップに対して密封されている。ホルダー
９０．９２は、反射器９６．９８のような周知の外部レ
ーザー経路及びカーセル９７と偏光プリズム９９とから
成るＱスイッチへの光路な画定する。

フラッシュランプ１４．１６は、より具体的にいえば、
セリウム添加ランプ、又は、クリプトン型、又はキセノ
ン型ランプであり、所望のパワーレベルで作動されたと
き、Ｎｄ　：　ＹＡＧ製レーザーロッド１０の光吸収特
性に整合する放射光を放出するように適当な電源１００
に接−続されている。フラッシュランプ１４．１６から
の紫外線は水流管、１２によって遮蔽される。水流管１
２は、可視光線に対しては透過性であるが、短波長の紫
外線に対しては不透過性であるから、Ｎｄ：ＹＡＧ製レ
ーザーロッドが該レーザーロッドにサラリゼーション又
は色中心を発生させるような光を吸収するのを防止する
ことができる。周知のように、サラリゼーションや色中
心の発生は、レーザ−ロットの効率を不可逆的に低下さ
せる。一実施例においては、水流管は、硼珪酸ガラス、
パイレックス、又はサマリウム添加ガラスで形成する。

サマリウム添加ガラスは、セリウム添加ガラスと同様の
態様で紫外線を吸収し、それを蛍光発光により可視光線
として再放出させる。

上述した「マコア」セラミック材製の反射体１８は、第
３図に示されるように、４５０〜９００ｎｍのマイクロ
波長のスペクトル範囲に亙って実質的に１００％の拡散
反射率を有する０反射体のこの素材は、全スペクトル範
囲において高い反射率を有する。しかも、その反射のほ
ぼ１００％が拡散反射であり、フラッシュランプからの
光をレーザーロッド１０に向けてその全長に亙りて、か
つ、全側面から均一に照射する。この均一な照射は、反
射体の表面をフラッシュランプ及びレーザーロッドに対
して密に近接させて配置した場合でも達成される０反射
体の表面をフラッシュランプ及びレーザーロッドに対し
て密に近接させて配置することによって水流チャンネル
の冷却水流れ断面積を小さくすることができ、従って、
冷却水の乱流発生度合を増大することができる。高い乱
流度と、セリウム添加型フラッシュランプの使用と、電
源１００によって供給される２０Ｈｚ、６００Ｊ　（ジ
ュール）台のビークパワーの使用とが相俟って、フラッ
シュランプ１４．１６からの入力パワーを最大限とした
場合４．２％もの予想外の効率向上を達成する。フラッ
シュランプ及びレーザーロッドに密に近接した反射体を
使用することと、大直径の水流管１２を使用することに
より、水流チャンネル６２．６４．６６のいずれにおい
てもそれを通る水流は高度の乱流を生じる。反射体１８
に吸収された熱は、外側水流チャンネル６６を通る水流
によって放散される０反射体の素材であるマコアセラミ
ック材の熱電導性は、アルミニウム形のセラミックに比
べてほぼ一桁低い、従って、反射体の内面と外面の両方
を直列流冷却水によって冷却する必要がある。

反射体１８は、更に、第３図に示されるように、紫外線
波長の光に対しては比較的高い吸収特性を有し、赤外線
領域の光に対しては低い反射性を有するので、レーザー
ロッドの熱負荷を減少させる作用を有する。

先に述べたように、「マコア」は、ほぼ５５％の結晶物
質とほぼ４５％のガラスとから成る組成を有するマイカ
系材料の２相ミクロ組織である。

この組成物は、２相ミクロ組織であるから、反射体をレ
ーザー装置のフラッシュランプ及びレーザーロッドに密
に近接させて配置するのに必要な形状にするために機械
加工することができる。

及豆五突１本発明に夜って得られる作用効果を要約すれば、下記の
通りである。

ポンピング空胴内を通す冷却水の流れに高度の乱流を生
じさせるために各水流チャンネルの流れ断面積を小さく
したことにより良好な冷却特性が得られる。

１００％の拡散反射率を有する反射体１８により、フラ
ッシュランプ１４．１６をレーザーロッド１０に密接に
光結合させて光ポンピング放射線をレーザーロッドに向
けて照射させることができ、それによってレーザー媒質
内に２つの異なるエネルギー準位の間で所望の分布反転
を設定させ、レーザーロッド１ｏからエネルギー準位の
差に対応するレーザー作用波長のレーザー光線を放出さ
せることができる。

マコアセラミック材は容易に機械加工することができる
ので、特定の用途の特定の条件に適合する特別のレーザ
ー装置を製造する場合にも、高価な金型装置を特別に準
備して使用する必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１１図は、本発明によるレーザー装置の横断面図、第
２図は、第１図のレーザー装置の縦断面図、第３図は、
本発明の反射体のスペクトルデータのグラフである。１０：レーザーロッド１２：水流管１４．１６：フラッシュランプ１８：反射体２４：外側水冷ジャケット２６．２８二半円状の内側側面３２．３４．３６．３８：傾斜表面４８．５０：端部キャップ６２．６４．６６：水流チャンネル第３図放長

Claims

【特許請求の範囲】１）高利得レーザー媒質から成るレーザーロッドと、該
レーザーロッドから２つの異なるエネルギー準位の間の
エネルギー差に対応するレーザー作用波長のレーザー放
射線を放出させるようにレーザーロッドのレーザー媒質
内に該２つの異なるエネルギー準位の間で分布反転を生
じさせるためにレーザーロッドに向けて光ポンピング放
射線を放出する光源と、作動中レーザーロッドを冷却す
るためにレーザーロッドの周りに対称的な水流を通流さ
せるための複数の水流管と、全体がガラス系セラミック
材から成る光ポンピング空胴反射体とを備えたレーザー
装置であって、該反射体は、前記光源に密に近接して配
置された内表面を有し、該光源による前記ロッドの外表
面への照射を均一にするために該反射体の内表面から外
表面に至るまで反射体全体に亙って実質的に１００％の
拡散反射率を有することを特徴とするレーザー装置。２）前記反射体のガラス系セラミック材は、４５０〜９
００ｎｍの波長の太陽スペクトルの範囲において実質的
に１００％の拡散反射率を有し、前記レーザーロッドに
対する熱負荷を減少させるために紫外線波長領域におい
て比較的高い吸収率を有し、かつ、赤外線波長領域にお
いて低い反射率を有することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のレーザー装置。３）前記反射体のガラス系セラミック材は、該反射体の
内表面の特定形状を形成するために機械加工することが
できる２相ミクロ組織を構成する、ほぼ５５％の結晶物
質とほぼ４５％のガラスとから成る組成を有するマイカ
系材料であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のレーザー装置。４）前記光源は、フラッシュランプであり、該フラッシ
ュランプは、ランプから放出される短波長紫外線を吸収
し、該紫外線を前記レーザーロッドのエネルギー吸収バ
ンドにおいて蛍光発光により再放出させるようにセリウ
ム添加融解シリカで形成された外囲器を有し、前記水流
管は、前記レーザーロッド内における色中心の形成を最
少限にするように可視光線に対しては透過性であり、短
波長の紫外線に対しては不透過性であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のレーザー装置。５）前記水流管は、硼珪酸ガラスで形成されていること
を特徴とする特許請求の範囲第４項記載のレーザー装置
。６）前記ガラス系セラミック材は、光ポンピング空胴の
最大パワー入力において熱負荷分布の３０％を吸収する
質量及び形状を有することを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のレーザー装置。７）前記反射体のガラス系セラミック材は、該反射体の
内表面の特定形状を形成するために機械加工することが
できる２相ミクロ組織を構成する、ほぼ５５％の結晶物
質とほぼ４５％のガラスとから成る組成を有するマイカ
系材料であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載のレーザー装置。８）前記光源は、フラッシュランプであり、該フラッシ
ュランプは、ランプから放出される短波長紫外線を吸収
し、該紫外線を前記レーザーロッドのエネルギー吸収バ
ンドにおいて蛍光発光により再放出させるようにセリウ
ム添加融解シリカで形成された外囲器を有し、前記水流
管は、前記レーザーロッド内における色中心の形成を最
少限にするように可視光線に対しては透過性であり、短
波長の紫外線に対しては不透過性であることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項記載のレーザー装置。９）前記水流管は、硼珪酸ガラスで形成されていること
を特徴とする特許請求の範囲第８項記載のレーザー装置
。１０）前記ガラス系セラミック材は、光ポンピング空胴
の最大パワー入力において熱負荷分布の３０％を吸収す
る質量及び形状を有することを特徴とする特許請求の範
囲第２項記載のレーザー装置。