JPWO2005091446A1 - 固体レーザー装置 - Google Patents

Abstract

高出力であり、信頼性の高い動作を行う固体レーザー装置を提供する。中央にレーザー発振元素を含む固体レーザー媒質よりなるコア４を有し、その周囲に一体化された励起光６，７に対して透明な光ガイド５を有し、前記コア４および前記光ガイド５の一方の面がヒートシンク１に固着され、前記光ガイド５外側の励起光入射面５Ａより前記光ガイド５内に励起光６，７を導入し、前記コア４まで伝搬させてレーザー発振を行わせる固体レーザー装置において、前記励起光入射面５Ａに続く前記光ガイド５が、前記ヒートシンク１よりも空間的に外側に飛び出してオーバーハング状に形成されており、固着のための接着層２および前記ヒートシンク１に接触していない。

Description

本発明は、固体レーザー装置に関するものである。

従来の固体レーザー装置として、結晶の中央部にレーザー発振元素を含むコアを有し、このコアの周囲に励起光を導波するための透明な光ガイドを有する厚さ１ｍｍ以下の薄い結晶を配置し、この結晶のレーザー光を出射する面と反対側の面がヒートシンクに固着され、冷却される構造を有するものが示されている（下記特許文献１、非特許文献１、２）。

図１は従来の固体レーザー装置の断面図である。

この図において、１０１はヒートシンク、１０２はそのヒートシンク１０１上に形成される高熱伝導性接着層、１０３はその高熱伝導性接着層１０２上に形成される全反射膜、１０４はその全反射膜１０３上に形成されるレーザー発振元素を含むコア、１０５はそのコア１０４の外周に形成される励起光に対して透明な光ガイド、１０５Ａはその光ガイド１０５の外端面の励起光入射面、１０６，１０７は励起光である。

これらの従来例では、コアは円形か四角形であり、光ガイドにもレーザー発振元素を含まない同じ母材を用いていた。
米国特許第６６２５１９３号公報 オプティクス・レターズ、２７巻（２００２年発行）、１７９１頁 アプライド・フィジックス・レターズ、８３巻（２００３年発行）、４０８６頁

しかしながら、光ガイドの励起光入射面に接してヒートシンクまたはヒートシンクとの接着層が存在する場合、励起光を入射面に導入する際に、励起光の一部がヒートシンクあるいは接着層に漏れて照射されると、その部分の温度が急激に上昇しその影響で光ガイドが割れたりする問題があった。

また、ヒートシンク（例えば銅）と、レーザー媒質（例えばＹＡＧ）では熱膨張係数が大きく異なっており、レーザー動作時にはＹＡＧ結晶が発熱し、同時にヒートシンクの温度も上昇するため、両者および両者の境界の接着層に歪みが発生する。特に、接着面積が大きくなるほど同じ温度上昇でもその歪み量は増大し、場合によってはＹＡＧ結晶が破壊されたり、接合層がはがれたり亀裂が入ることによって熱伝導が劣化し、最終的にレーザー特性が大きく劣化する可能性があった。

本発明は、上記状況に鑑み、これらの歪み量を低減し信頼性を向上することができる固体レーザー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕中央にレーザー発振元素を含む固体レーザー媒質よりなるコアを有し、その周囲に一体化された励起光に対して透明な光ガイドを有し、前記コアおよび前記光ガイドの一方の面がヒートシンクに固着され、前記光ガイド外側の励起光入射面より前記光ガイド内に励起光を導入し、前記コアまで伝搬させてレーザー発振を行わせる固体レーザー装置において、前記励起光入射面に続く前記光ガイドが、前記ヒートシンクよりも空間的に外側に飛び出してオーバーハング状に形成されており、固着のための接着層および前記ヒートシンクに接触していないことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の固体レーザー装置において、前記接着層を介して前記ヒートシンクに固着された前記光ガイドの前記コアまでの距離が前記コアの厚みと同じかそれよりも短いことを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の固体レーザー装置において、前記ヒートシンクの前記コアとの接着面にスリットを形成することを特徴とする。

従来の固定レーザー装置の要部断面図である。 本発明の第１実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。 本発明の第２実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。 本発明の第３実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。 本発明の第３実施例を示す固体レーザー装置のヒートシンクのスリットによる歪みの緩和の原理の説明図である。 本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置のヒートシンクの斜視図である。 本発明の第５実施例を示す固体レーザー装置のヒートシンクの斜視図である。 本発明の固定レーザー装置のレーザー結晶と励起光、およびレーザー共振器を示す断面図である。

中央にレーザー発振元素を含む固体レーザー媒質よりなるコアを有し、その周囲に一体化された励起光に対して透明な光ガイドを有し、それらの一方の面がヒートシンクに固着され、前記光ガイド外側の励起光入射面より前記光ガイド内において励起光を導入し、前記コアまで伝搬させてレーザー発振を行わせる固体レーザー装置において、前記励起光入射面に続く光ガイドが、前記ヒートシンクよりも空間的に外側に飛び出してオーバーハング状に形成され、固着のための接着層および前記ヒートシンクに接触していないように配置されることによって、前記励起光入射面に強い励起光を集光して入射しても、端面から漏れた強いエネルギー密度の光が前記接着層や前記ヒートシンクに直接照射されにくく、仮に照射されても距離が入射端面より離れているために、光が広がってエネルギー密度が下がるために、そこでの発熱や脱ガスなどの問題が生じにくく、固体レーザー装置の信頼性が大幅に向上する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図２は本発明の第１実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。ここではコアが光ガイドに対して大きい場合を示している。

この図において、１はヒートシンク、２はそのヒートシンク１上に形成される高熱伝導性接着層、３はその高熱伝導性接着層２上に形成される全反射膜、４はその全反射膜３上に形成されるレーザー発振元素を含むコア、５はそのコア４の外周に形成される光に対して透明な光ガイド、５Ａはその光ガイド５の外端面の励起光入射面、６，７は励起光である。ここでは、コア４が比較的大きな寸法を有している。

このように、励起光を導入する光ガイド５が外に張り出したオーバーハング形状をなしている。

このように、励起光を導入する光ガイド５の励起光入射面５Ａの周囲は完全に空間８であり、仮に励起光６，７が入射面５Ａから外部に漏れて例えばヒートシンク１に照射されてもそれまでに励起光６，７は空間８によりビームが広がりエネルギー密度が低下しているために熱的な問題を生ずる心配がなく、光ガイド５の周囲も温度が上がらないため光ガイド５が割れることはない。

また、光ガイド５は励起光６，７が伝搬するだけで発熱はないため冷却の必要はないが、コア４の周囲では光ガイド５を経由した熱の伝導冷却の効果もあるため、この周囲にコア４の厚みｔと同等かそれよりも短いＷの距離の光ガイド５のみヒートシンク１と固着されている。このようにレーザー特性に放熱の影響がない範囲までヒートシンク１と光ガイド５の固着面積をできるだけ小さくすることにより発生する熱歪みの量を低減することができる。

コア４の材質としては例えばＹｂ（イッテルビウム）をレーザー発振元素として含むＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、光ガイド５の材料としてはレーザー発振元素を含まないＹＡＧが代表的であるが、レーザー発振元素としては他にＮｄ（ネオジウム）でもよいし、Ｔｍ（ツリウム）、Ｈｏ（ホロミウム）などの遷移金属でもよい。またＣｒ（クロム）やＴｉ（チタン）でもよいし、それを複数含んでもよい。また、コア４や光ガイド５の母材としてはＹＡＧ以外にＹＶＯ₄（イットリウム・バナデート）、ＧｄＶＯ₄（ガドリニウム・バナデート）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）、ＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）などでもよい。励起光６，７はレーザー発振元素が吸収する波長であればよく、例えばＹｂ：ＹＡＧよりなるコア４であれば９４０ｎｍまたは９７０ｎｍが適している。このように使用するコア４の材質に応じて励起光の波長が選択される。

また、コア４およびガイド５の母材は異なるものでもよいが、同じものの方が屈折率が近いために境界での光の損失を抑えることができる。またコア４とガイド５は製造の過程で一体化されている方が取り扱いが容易で、かつ境界での光の損失を抑えることができる。

光ガイド５はレーザー発振元素を含まない結晶でも良いし透光性セラミックでも良い。またコア４はレーザー発振元素を含む結晶でも構わないし同じく透光性セラミックでも良い。

高熱伝導性接着層２は有機系、無機系の接着剤でもよいし、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｃｕなどを含む金属はんだ材料でも構わない。

ヒートシンク１はＣｕ、ＣｕＷなどの金属材料をはじめ、ダイアモンド、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＣＢＮ，ＤＬＣなどの非金属、複合材料でもよい。

図３は本発明の第２実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。ここではコアが光ガイドに対して小さい場合である。

この図において、１１はヒートシンク、１２はそのヒートシンク１１上に形成される高熱伝導性接着層、１３はその高熱伝導性接着層１２上に形成される全反射膜、１４はその全反射膜１３上に形成されるレーザー発振元素を含むコア、１５はそのコア１４の外周に形成される光に対して透明な光ガイド、１５Ａはその光ガイド１５の外端面の励起光入射面、１６，１７は励起光である。

このようにコア１４が小さい場合、ヒートシンク１１自体を細く長くしてしまうと冷却性能が低下するために、ヒートシンク１１の先端を台状に加工し、その先端にコア１４が固着されるようにした例である。つまり、光ガイド１５はオーバーハング状に配置されている。したがって、この実施例においても励起光入射面１５Ａの周囲にヒートシンク１１または高熱伝導性接着層１２がなく、コア１４の厚みｔと同等かそれよりも短いＷの距離の光ガイド１５のみがヒートシンク１１に固着されるように構成されている。

図４は本発明の第３実施例を示す固体レーザー装置の要部断面図である。ここではコアが光ガイドに対して大きい場合である。

この図において、２１はヒートシンク、２２はそのヒートシンク２１上に形成される高熱伝導性接着層、２３はその高熱伝導性接着層２２上に形成される全反射膜、２４はその全反射膜２３上に形成されるレーザー発振元素を含むコア、２５はそのコア２４の外周に形成される光に対して透明な光ガイド、２５Ａはその光ガイド２５の外端面の励起光入射面、２６，２７は励起光である。

この実施例では、ヒートシンク２１の高熱伝導性接着層２２の固着面上に３箇所のスリット２８を形成するようにしている。スリット２８の幅は０．２ｍｍ、深さは０．５ｍｍである。

図５はそのスリットによる歪みの緩和の原理の説明図である。この図において、２９はヒートシンク２１の熱膨張方向、３０はコア２４の熱膨張方向、３１は応力の集中方向を示している。

一般にはヒートシンク２１として用いる金属の方がコア２４として用いられるレーザー材料よりは熱膨張係数が大きいが、形成されたスリット２８によってその歪みがスリット２８空間で解消され、それ以上に増大されることがない。スリットがない場合歪みは高熱伝導性接着層２２の周囲に集積され、周囲より高熱伝導性接着層２２のはがれなどが生じるが、この構造ではその応力がスリット２８の端で終端し、固着した結晶の周囲まで歪みが増大することはないため高熱伝導性接着層２２などのはがれを防止することができる。もちろんヒートシンクやレーザー材料の組み合わせによりヒートシンクの方が熱膨張係数が小さい場合でも同じくスリットによって逆方向の歪みが解消され、同じ効果が得られる。

図６は本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置のヒートシンクの斜視図である。この実施例では基部４３上のヒートシンク４１の上面に井形にスリット４２を形成するようにしている。

図７は本発明の第５実施例を示す固体レーザー装置のヒートシンクの平面図である。この実施例ではヒートシンク５１の上面に同心円状のスリット５２を形成するようにしている。

図８は本発明の固定レーザー装置のレーザー結晶と励起光、およびレーザー共振器を示す断面図である。

ヒートシンク６１上に積層されたＬＤチップ６２より出射した光はそれぞれマイクロレンズ６３により進相軸方向がコリメートされ、集光レンズ６４を透過し、集光レンズ６５で光ガイド７５の側面の入射窓７５Ａに集光される。集光レンズ６４は励起光６６の遅相軸方向を集光する場合に使用される。光ガイド７５内に入射した励起光６６は光ガイド７５およびコア７４の上下面に形成された、レーザー光波長に対する反射防止膜７６、全反射膜７３との境界で全反射を繰り返しながら光ガイド７５内を伝搬し、コア７４に到達する。コア７４内には励起光６６を吸収しレーザー光を誘導放出するレーザー発振元素が添加されており出力ミラー７７と全反射膜７３との間でレーザー共振器が構成されレーザー発振光７８を得ることができる。コア７４および光ガイド７５は全反射膜７３および高熱伝導性接着層７２を介してヒートシンク７１に固定されており、コア７４内で励起光６６を吸収した際に発生する熱を効果的に放熱する効果を有している。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明によれば、固体レーザー装置において、光ガイドの励起光入射窓に高い強度の励起光を集光して入射させた場合において、入射窓の周囲で発熱や脱ガスなどにより破壊や出力の低下の問題を回避することができる。さらに接着剤等を介して熱膨張係数が異なるレーザー媒質とヒートシンクを固着した場合でも、レーザー発振に伴い前記コア内で発生する発熱に起因する熱歪みを緩和することができ、やはりレーザー媒質の劣化や接着層の剥がれなどの問題が緩和されるため、より高い出力でより高い信頼性のレーザー装置を提供することが可能になる。

本発明の固体レーザー装置は、高出力であり、信頼性の高い動作を行うことができる固体レーザー装置として利用可能である。

Claims (3)

1. 中央にレーザー発振元素を含む固体レーザー媒質よりなるコアを有し、その周囲に一体化された励起光に対して透明な光ガイドを有し、前記コアおよび前記光ガイドの一方の面がヒートシンクに固着され、前記光ガイド外側の励起光入射面より前記光ガイド内に励起光を導入し、前記コアまで伝搬させてレーザー発振を行わせる固体レーザー装置において、前記励起光入射面に続く前記光ガイドが、前記ヒートシンクよりも空間的に外側に飛び出してオーバーハング状に形成されており、固着のための接着層および前記ヒートシンクに接触していないことを特徴とする固体レーザー装置。
2. 請求項１記載の固体レーザー装置において、前記接着層を介して前記ヒートシンクに固着された前記光ガイドの前記コアまでの距離が前記コアの厚みと同じかそれよりも短いことを特徴とする固体レーザー装置。
3. 請求項２記載の固体レーザー装置において、前記ヒートシンクの前記コアとの接着面にスリットを形成することを特徴とする固体レーザー装置。