JPWO2005091447A1 - レーザー装置 - Google Patents

Abstract

コアの外周の励起光を導波する光ガイドに透光性セラミック材料を用いて、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して光ガイドを容易に構成することができる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コア４を有し、このコア４の周囲に一体化された励起光に対し透明な光ガイド５を有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の光ガイド５の外側より励起光を導入し、前記コア４の領域を励起することでレーザー発振を行わせるレーザー装置であって、前記光ガイド５または光ガイド５とコア４の材質を透光性セラミックとするようにした。

Description

本発明は、固体レーザー媒質およびそれを搭載した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媒質および固体レーザー装置として、レーザー媒質の中央部にレーザー発振元素を含む固体レーザー結晶よりなるコアを有し、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）。

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 特開２００３−２５８３５０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

上記の従来技術ではコアの固体レーザー結晶と周囲の光ガイドを光が漏れないように接合し一体化する方法として、透明な接着剤を用いる手法や、接着剤を用いない場合には互いの接合面を高精度に平面研磨し、面を合わせた後接合面に圧力と熱をかけることで一体化する、いわゆるオプティカルコンタクトや拡散接合と呼ばれる手法を用いていた。しかし接着剤を用いる場合には接着剤の機械的強度が低いことや経年変化、光の吸収によるエネルギー損失や発熱など信頼性上問題があった。さらにオプティカルコンタクトや拡散接合により結晶同士を一体化する場合、曲面と曲面を完全に合わせて一体化することは加工精度上技術的に難しいため、通常は直線の平面同士を合わせるようにしていた。このため、本来は円形形状が望ましいコアであっても擬似的に多角形形状で代用するようにしていた。

また、結晶同士を一体化する場合、合わせる面を高精度に研磨する必要があり、さらに、一体化には非常に高い温度と時間を必要とするために製作に日数が必要であり、コストが非常に高くなってしまうという欠点があった。さらにレーザー装置の高機能化のためにレーザー媒質中に複数のコアを一体で形成しようとする場合、上記の方法では製作の工程がさらに複雑になり、より長い製作日数やコストの上昇と共に、技術的にも製作が困難になる場合もあった。

本発明は、上記状況に鑑み、コアの外周の励起光を導波する光ガイドに透光性セラミック材料を用いて、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して、境界面での光の損失が少なく機械強度も高い光ガイドを容易に短期間で安価に製作することができる固体レーザー媒質およびそれを搭載した小型の高機能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〕固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、このコアの周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコアが露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記光ガイド又は前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックにするとともに、同一光ガイド内に１つないし複数のコアを有することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質において、前記各コアのレーザー発振元素の含有量、又は元素の種類が異なることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質において、前記コアが楕円筒状であることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質において、前記コアが複数の領域からなる同心円筒状であり、前記各コアでのレーザー発振元素の含有量が異なることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質において、前記複数のコアを等間隔に配置することを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、外部に設けたミラーにより前記複数のコアが前記ヒートシンクに固着されていない面を通って同一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記固体レーザー媒質の前記ヒートシンクに固着されていない面に近接してレーザー発振光が内部を透過する導光ブロックを配置し、この導光ブロックの外側面にレーザー光に対する全反射膜を設け、この全反射膜を介して前記複数のコアがこのブロック内で同一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記複数のコアに対してそれぞれ独立に出力ミラーを設けることを特徴とする。

〔９〕上記〔１〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、積層して配置された半導体レーザーバーから照射された前記励起光は、それぞれマイクロレンズにより進相軸方向がコリメートされた後、単一の集光レンズで前記光ガイドの側面の入射窓に集光されるように、半導体レーザーおよびレンズが配置されたことを特徴とする。

本発明の第１実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。 図１に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置（レーザー共振器）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。 図３に示す固体レーザー媒質のＢ−Ｂ線断面図である。 図３に示すコア部のＹｂ濃度分布を示す図である。 図３に示すコア部の励起光吸収エネルギー密度分布を示す図である。 本発明の第３実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。 図７に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置（レーザー共振器）のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図である。 本発明の第５実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図である。 本発明の第６実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。 本発明の第７実施例を示す固体レーザー装置の断面図である。

固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、このコアの周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコアが露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記光ガイドまたは前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックとした。

よって、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して光ガイドを容易に構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図２は図１に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置（レーザー共振器）のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図において、１はヒートシンク、２はそのヒートシンク１上に設けられる高熱伝導性接着層、３はその高熱伝導性接着層２上に設けられる全反射膜、４はレーザー発振元素を含む固体レーザー材料よりなる円筒状のコア、５はコアを励起する光に対して透明な透光性セラミックよりなる光ガイド、６，７は楕円筒状のコア４の短軸方向から光ガイド５の内部を通ってコアに入射される励起光、８は全反射ミラー、９はレーザー発振光、１０は出力ミラー、１１は出力ビーム（円形）である。

楕円筒状のコア４の周囲には、コアに密着して透光性セラミック材料よりなる光ガイド５が焼結法により形成される。焼結法による透光性セラミックの形成方法の実施例としては上記特許文献２に記載されている。励起光６，７は光ガイド５の外周より光ガイド５内に入射され、光ガイド５を通ってコア４に到達し、その内部で吸収されレーザー発振光に変換される。またコア４内でレーザー発振と同時に発生する熱は高熱伝導性の接着層２を介して直ちにヒートシンク１に拡散、吸収され、コア４の効果的な冷却がなされ、安定したレーザー発振が可能になる。

例えば、楕円筒状のコア４の長軸の長さを８ｍｍ、その短軸の長さを３ｍｍとする。また、光ガイドとしての透光性セラミック５および楕円筒状のコア４の厚さは０．３ｍｍとする。この図に示すように、励起光６，７を短軸方向から楕円筒状のコア４に入射することで、長軸方向から励起光を入射される場合に比べ励起光を横方向に絞らなくてもよいため、簡単な集光光学系で十分楕円筒状のコア４内に吸収させることができる。

楕円筒状のコア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（透光性セラミック）５の材料としてはレーザー発振元素を含まないＹＡＧが代表例であるが、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り、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧを用いたコア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の材料に応じて励起光６，７の波長が選択される。

また、コア４および光ガイド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と光ガイド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。

さらに、光ガイド５は透光性セラミックであるが、コア４は結晶で構わないし、同じくレーザー発振元素を含む透光性セラミックであってもよい。

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２に示すように、レーザー発振光９がコア４の長軸方向にコア４のレーザー光入射表面に対してブリュースター角（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ ａｎｇｌｅ：物質表面で入射、反射する光について、入射面内に光の偏光方向がある場合、物質表面での光の反射率がゼロになる特定の入射角）で入射するようにミラーの位置を構成することで、コア４のレーザー発振光が透過する表面に反射防止膜を形成しなくても反射率がゼロになり、損失の少ないレーザー共振器が構成できる。

図３は本発明の第２実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図４は図３に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図において、２１は円筒状の第１のコア、２２はその円筒状の第１のコア２１の周りに形成される円筒状の第２のコア、２３はその円筒状の第２のコア２２の外側に形成される光ガイド（透光性セラミック）、２４，２５，２６，２７は周囲の四方向から光ガイド２３の内部を通ってコアに入射される励起光である。

このような二重構造において、円筒状の第１のコア２１と円筒状の第２のコア２２のレーザー発振元素の濃度を変えることで、コア２１，２２内部での励起分布（励起光吸収分布）を制御することが可能になる。

例えば、図５に示すように、円筒状の第１のコア２１のＹｂ濃度を１０ａｔ％、直径を３ｍｍとし、円筒状の第２のコア２２のＹｂ濃度を５ａｔ％、直径を５ｍｍとし、対向する光ガイド２３の四方向から励起を行うと励起光の吸収エネルギー密度分布は、図６のようになり、励起分布が比較的平坦になっていることがわかる。従来のように、コア内でのレーザー発振元素濃度が一様であると吸収エネルギー密度がコアの周辺から内部に向かって指数関数的に減少するために、一様な分布を得ることが難しいが、本発明のようにコアの中央に行くほどレーザー発振元素濃度を上げることができれば、擬似的に均一な励起分布が可能になり、励起分布を均一化することでコア内部でレーザー発振に伴い発生する熱による歪みを分散、低下させ、その結果レーザー出力やレーザービームの品質の向上を図ることができる。

この実施例において、第１のコア、第２のコアはともに外形が円筒状としたが、図１に示した楕円筒形状でも良いし、多角柱形状でも構わない。また、第１のコア、第２のコアのいずれか或いは両方が透光性セラミックでも良い。特に第２のコアも透光性セラミックにすることで第１のコアの外形形状にかかわらず一体化構造を形成することができる。さらに必要に応じて第３、第４のコアを第２のコアの外側に設けても構わない。コアを多段にしレーザー元素の濃度差を細かく付けることでコア内でより均一な吸収分布を得ることができる。

以上の固体レーザー媒質の実施例では、いずれもレーザー発振の中心となるコアが１つの場合の例を挙げたが、レーザー発振の中心となるコアが同一光ガイド内で複数個形成されていても構わない。

図７は本発明の第３実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図８は図７に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置（レーザー共振器）のＣ−Ｃ線断面図である。

これらの図において、３１は円筒状の第１のコア、３２は円筒状の第２のコア、３３は円筒状の第３のコア、３４は円筒状の第４のコア、３５はそれらの円筒状のコア３１〜３４の外側に形成される光ガイド（透光性セラミック）、３６は反射防止膜、３７，３８は励起光、４１は第１の全反射ミラー、４２は第２の全反射ミラー、４３は出力ミラー、４４はレーザー出力である。図８におけるその他の構成は、図２と同様である。

この実施例では、同一の光ガイド３５内に円筒状のコア３１〜３４を等間隔に複数形成するようにしている。このような構成により、１つのコアの面積を広げることなく、細いレーザービームのままレーザー出力を４倍に向上させることができ、レーザービームの輝度を容易に上げることができる。また同一の光ガイド３５内に複数のコアを設けることで、光ガイド３５内を伝搬する励起光により複数のコアを同時に励起することができ、各コアに個々に光ガイドを設ける場合に比べて構成が簡単になり、レーザー媒質を小型化、低価格化できる。またこの実施例では、外部に設けた折り返しのための全反射ミラー４２は、コアが等間隔であることを利用して１枚で３回のレーザー光の反射を行っているが、それぞれ個別のミラーを使用し３枚のミラーで反射させても構わない。

図９は本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図である。

これらの図において、５１は導光ブロック、５２，５４は反射防止膜、５３は全反射膜、５５は全反射ミラー、５６は出力ミラー、５７はレーザー出力である。その他の構成は、図８と同様である。

この実施例も、第３実施例に示すように、コアを複数有する構成であるが、全反射ミラー４２の代わりにレーザー発振光が内部を透過する導光ブロック５１をレーザー媒質に近接して設け、導光ブロック５１の外部に全反射膜５３を設けて、レーザー発振光を折り返すようにしている。

このように構成することにより、全反射膜５３がレーザー結晶に固定されるので、レーザー共振器の安定性が向上すると同時に小型化できる。

図１０は本発明の第５実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図である。

この図において、６１は第１の出力ミラー、６２は第２の出力ミラー、６３は第３の出力ミラー、６４は第４の出力ミラー、６５は第１のレーザー出力、６６は第２のレーザー出力、６７は第３のレーザー出力、６８は第４のレーザー出力である。その他の構成は、図９と同様である。

この実施例では、複数のコア３１〜３４に対してそれぞれ独立に出力ミラー６１〜６４を設けてレーザー発振動作させるように構成している。

このように構成したので、例えば、各円筒状のコア３１〜３４のレーザー媒質の種類や各出力ミラー６１〜６４の種類を変えることで、それぞれ別の波長の光の出力、ここではレーザー出力６５〜６８を得ることができる。なお、円筒状のコア３１〜３４のレーザー元素や母材を変えた場合、それぞれの円筒状のコア３１〜３４への励起光の波長も最適なものに変えることが望ましい。また同じ励起波長、同じコア媒質であっても出力ミラー６１〜６４の透過波長を変えてやることで、例えば同じＮｄ：ＹＡＧのコアであっても、９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１１３０ｎｍなどの波長の発振が各コアから独立に同時に可能である。このような構成により集積化された多波長光機能素子が構成できる。

図１１は本発明の第６実施例を示す固体レーザー装置の平面図である。

この図において、７１は円筒状の第１のコア、７２は円筒状の第２のコア、７３は円筒状の第３のコア、７４は円筒状の第４のコア、７５は円筒状の第５のコア、７６は円筒状の第６のコア、７７は円筒状の第７のコアである。

この実施例では、図７に示した複数のコアより更にコアの数を増加させるとともに、その配置を２次元的にすることで一様な励起に対しても反対側への励起光の吸収漏れや抜けがなく効率的に励起が可能になるように構成している。なお、この図において、７８は光ガイド（透光性セラミック）、７９，８０は励起光である。

図１２は本発明の第７実施例を示す固体レーザー装置の断面図である。

この図において、８１はヒートシンク、８２は半導体レーザーバー、８３はマイクロレンズ、８４，８５は集光レンズ、８６は励起光、９１はヒートシンク、９２は高熱伝導性接着層、９３は全反射膜、９４は円筒状のコア、９５は光ガイド、９６は反射防止膜、９７は出力ミラー、９８はレーザー発振光である。

この実施例では、積層されて配置された半導体レーザーバー８２から照射された励起光８６は、それぞれマイクロレンズ８３により進相軸方向がコリメートされ、集光レンズ８４を透過した後、単一の集光レンズ８５で光ガイド９５の側面の入射窓９５Ａに集光される。集光レンズ８４は励起光８６の遅相軸方向を集光する場合に使用される。光ガイド９５内に入射した励起光８６は光ガイド９５の上下面で全反射を繰り返しながら光ガイド９５内を伝搬し、円筒状のコア９４に到達する。その円筒状のコア９４内には励起光を吸収しレーザー光を誘導放出するレーザー元素が添加されており出力ミラー９７と全反射膜９３との間でレーザー共振器が構成され、レーザー発振が起こる。円筒状のコア９４及び光ガイド９５は全反射膜９３および高熱伝導性接着層９２を介してヒートシンク９１に固定されており、円筒状のコア９４内で励起光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、透光性セラミックの形成技術により、励起あるいは発振に最適な任意の形状の固体レーザー媒質を作製することにより、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して光ガイドを容易に構成するとともに、レーザーの高い発振効率とビーム品質を得ることができる。

本発明の固体レーザー媒質およびそれを備えた固体レーザー装置により、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して励起光を伝搬するための同一の光ガイドを容易に安価に短い期間で製作できるレーザー媒質を構成することができ、同時に、小型で高機能なレーザー装置を、高いレーザー出力とビーム品質で得ることができるレーザー装置として利用可能である。

Claims (9)

1. 固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、該コアの周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコアが露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記光ガイド又は前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックにするとともに、同一光ガイド内に１つないし複数のコアを有することを特徴とする固体レーザー媒質。
2. 請求項１記載の固体レーザー媒質において、前記各コアのレーザー発振元素の含有量、又は元素の種類が異なることを特徴とする固体レーザー媒質。
3. 請求項１記載の固体レーザー媒質において、前記コアが楕円筒状であることを特徴とする固体レーザー媒質。
4. 請求項１記載の固体レーザー媒質において、前記コアが複数の領域からなる同心円筒状であり、前記各コアでのレーザー発振元素の含有量が異なることを特徴とする固体レーザー媒質。
5. 請求項１記載の固体レーザー媒質において、前記複数のコアを等間隔に配置することを特徴とする固体レーザー媒質。
6. 請求項１記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、外部に設けたミラーにより前記複数のコアが前記ヒートシンクに固着されていない面を通って同一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする固体レーザー装置。
7. 請求項１記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記固体レーザー媒質の前記ヒートシンクに固着されていない面に近接してレーザー発振光が内部を透過する導光ブロックを配置し、該導光ブロックの外側面にレーザー光に対する全反射膜を設け、該全反射膜を介して前記複数のコアが該ブロック内で同一のレーザー光の光路内に配置されることを特徴とする固体レーザー装置。
8. 請求項１記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記複数のコアに対してそれぞれ独立に出力ミラーを設けることを特徴とする固体レーザー装置。
9. 請求項１記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、積層して配置された半導体レーザーバーから照射された前記励起光は、それぞれのマイクロレンズにより進相軸方向がコリメートされた後、単一の集光レンズで前記光ガイドの側面の入射窓に集光されるように、半導体レーザーおよびレンズが配置されたことを特徴とする固体レーザー装置。