JPWO2017138373A1 - Laser equipment - Google Patents
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Abstract
このレーザ装置は、“ワ”字状または“7”字状の折り返し配置型で、一対の終端ミラー10,12、レーザ媒体14、Qスイッチ16、アパーチャユニット18、非線形光学結晶20および高調波分離ミラー22,中間ミラー24を配置している。励起部30は、ファイバカップリング方式の光ファイバ32と、この光ファイバ32から取り出される励起LD光をレーザ媒体14の両側端面まで導く出射ユニット34、ビームスプリッタ38、第1および第2の半励起光学ユニット40,42とを備えている。This laser device is a “wa” -shaped or “7” -shaped folded arrangement type, and includes a pair of terminal mirrors 10, 12, a laser medium 14, a Q switch 16, an aperture unit 18, a nonlinear optical crystal 20, and harmonic separation. A mirror 22 and an intermediate mirror 24 are arranged. The pump unit 30 includes a fiber coupling type optical fiber 32, an output unit 34 for guiding pumping LD light extracted from the optical fiber 32 to both end faces of the laser medium 14, a beam splitter 38, first and second half pumps. Optical units 40 and 42 are provided.
Description
本発明は、固体レーザのレーザ媒質に活性イオンをドープした結晶を用いるレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device using a crystal doped with active ions in a laser medium of a solid-state laser.
従来より、レーザ溶接やレーザマーキング等のレーザ加工には固体レーザがよく使われている。一般の固体レーザは、希土類元素等の活性イオンをドープしたブロック形状(典型的には直方体形状またはロッド状)の結晶を活性媒質とし、この結晶の側面または端面に励起光を照射して結晶中の活性元素を光学的にポンピングし、結晶より光軸方向に放出される所定波長の発振光線を光共振器内で共振増幅してからレーザビームを取り出すようにしている(たとえば特許文献1の図1)。 Conventionally, solid-state lasers are often used for laser processing such as laser welding and laser marking. A general solid-state laser uses a block-shaped crystal (typically a rectangular parallelepiped shape or a rod-shaped crystal) doped with active ions such as rare earth elements as an active medium, and irradiates the side surface or end surface of the crystal with excitation light. The active element is optically pumped, and a laser beam is extracted after resonance oscillation amplification of a predetermined wavelength emitted from the crystal in the optical axis direction is performed in an optical resonator (for example, FIG. 1).
また、光共振器を一対の終端ミラーまたは全反射ミラーで構成し、光共振器内の光路上に活性媒質と共に非線形光学結晶および高調波分離ミラーを配置して、高調波分離ミラーにより高調波のレーザビームを取り出すことも行われている(たとえば特許文献2の図3)。 In addition, the optical resonator is composed of a pair of terminal mirrors or total reflection mirrors, a non-linear optical crystal and a harmonic separation mirror are arranged together with an active medium on the optical path in the optical resonator, and harmonics are separated by the harmonic separation mirror. A laser beam is also taken out (for example, FIG. 3 of Patent Document 2).
励起光の光源は、以前は主にランプが用いられていたが、現在は半導体レーザつまりレーザダイオード(LD)が主流になっている。LD励起方式の中でも、当初の側面励起方式(特許文献2)に代わって、現在は端面励起方式(特許文献1)が主流になっている。 In the past, a lamp was mainly used as the excitation light source, but now a semiconductor laser, that is, a laser diode (LD), has become the mainstream. Among the LD excitation methods, the end face excitation method (Patent Document 1) is now the mainstream instead of the original side surface excitation method (Patent Document 2).
ところで、最近の精密レーザ加工分野では、加工能力、加工精度、コストの面から、高出力のシングルモードのレーザビームが得られる固体レーザが求められている。シングルモードは、ビーム形状が円形でパワー密度が中心に集中しているモードであり、集光性に優れ、精密加工に適している。 By the way, in the recent precision laser processing field, a solid-state laser capable of obtaining a high-power single-mode laser beam is required in terms of processing capability, processing accuracy, and cost. The single mode is a mode in which the beam shape is circular and the power density is concentrated at the center, has excellent light collecting properties, and is suitable for precision processing.
この点に関して、最近は、NdイオンをドープしたYAG結晶を活性媒質に用いるYAGレーザよりも、NdイオンをドープしたYVO4結晶を活性媒質に用いるYVO4レーザの方が、結晶内の吸収効率や励起効率等にすぐれ、シングルモードのレーザビーム、特にQスイッチパルスのレーザビームを得るのに適しているとされている。In this regard, the YVO 4 laser using a YVO 4 crystal doped with Nd ions as an active medium is more recently used than the YAG laser using a YAG crystal doped with Nd ions as an active medium. It has excellent excitation efficiency and is suitable for obtaining a single-mode laser beam, particularly a Q-switch pulse laser beam.
もっとも、YVO4レーザにおいては、高ピークパワーが得られる繰り返し周波数(Qスイッチ周波数)の低い領域(〜20kHz)において平均レーザ出力が大きく低下することが課題となっている。これは、繰り返し周波数を低くすると、YVO4結晶の内部に熱が篭り、いわゆる熱レンズ効果が発生しやすくなるためである。However, the YVO 4 laser has a problem in that the average laser output is greatly reduced in a region (˜20 kHz) where the repetition frequency (Q switch frequency) where high peak power is obtained is low. This is because if the repetition frequency is lowered, heat is generated inside the YVO 4 crystal, and the so-called thermal lens effect is likely to occur.
従来のYVO4レーザにおいて、平均レーザ出力を向上させるために、励起LD光の出力をむやみに高くするのも効果的でない。従来型の端面励起方式においては、励起LD光の出力を十分高くしても、LD励起光が入射する結晶端面付近に非常に強い吸収が起きて局所的に熱レンズが発生しやすくなり、平均レーザ出力が期待通りに高くならない。むしろ、LD励起光の高密度な入射により、YVO4結晶が損傷を受けやすくなる。シングルモードでQスイッチパルスの第2高調波(SHG)レーザビームを生成する空冷式のYVO4レーザに限れば、従来装置の発振仕様(性能)は、一般に、繰り返し周波数が40kHz以上、平均レーザ出力が8W以下、パルスエネルギーが200μJ以下である。In the conventional YVO 4 laser, in order to improve the average laser output, it is not effective to increase the output of pumping LD light excessively. In the conventional end face excitation method, even if the output of the excitation LD light is sufficiently high, very strong absorption occurs near the crystal end face where the LD excitation light is incident, and a thermal lens is likely to be generated locally. Laser power does not increase as expected. Rather, the YVO 4 crystal is easily damaged by the high density incidence of the LD excitation light. As long as the air-cooled YVO 4 laser that generates the second harmonic (SHG) laser beam of the Q-switch pulse in single mode, the oscillation specifications (performance) of the conventional apparatus generally has a repetition frequency of 40 kHz or more and an average laser output. Is 8 W or less, and the pulse energy is 200 μJ or less.
一方で、固体レーザによって生成した低出力のシード光を、コアに活性イオンをドープした光ファイバを用いるレーザ増幅用のアクティブファイバに通し、アクティブファイバのコアを励起LD光により励起することによって、コアの中でシード光の出力を増幅して高出力のレーザビームを取り出す、いわゆるMOPA方式のファイバレーザが最近普及している。しかし、MOPA方式のファイバレーザは、相当大掛かりである。また、光ファイバ自体の非線形光学現象の一つである誘導ブリルアン散乱(SBS)による異常パルスの発生によってピークパワーの向上が妨げられることや、発生しきい値が光ファイバのコア断面積に比例し、ファイバ長に反比例する誘導ラマン散乱(SRS)によってパルス増幅時のピークパワーが制限されること等の課題もある。総じて、従来のパルス発振型MOPA方式ファイバレーザは、ピークパワーが10kW、パルスエネルギーが100μJ以下にとどまっている。 On the other hand, low-power seed light generated by a solid-state laser is passed through an active fiber for laser amplification using an optical fiber doped with active ions in the core, and the core of the active fiber is excited by pumping LD light. Among them, a so-called MOPA type fiber laser, which amplifies the output of seed light and extracts a high-power laser beam, has recently become widespread. However, the MOPA fiber laser is considerably large. Also, the generation of abnormal pulses due to stimulated Brillouin scattering (SBS), which is one of the nonlinear optical phenomena of the optical fiber itself, hinders the improvement of peak power, and the generation threshold is proportional to the core cross-sectional area of the optical fiber. Another problem is that peak power during pulse amplification is limited by stimulated Raman scattering (SRS) inversely proportional to the fiber length. In general, the conventional pulse oscillation type MOPA fiber laser has a peak power of 10 kW and a pulse energy of 100 μJ or less.
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、端面励起方式の固体レーザにおいて、熱レンズ効果の発生を効果的に抑制して、低次モードの高出力レーザビームが得られるレーザ装置を提供する。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and in a facet-pumped solid-state laser, the generation of a thermal lens effect can be effectively suppressed to obtain a low-order mode high-power laser beam. A laser apparatus is provided.
本発明の第1の観点におけるレーザ装置は、光学的に相対向する第1の終端ミラーと第2の終端ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープされた結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープされていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部と前記非活性部とを揃えて配置されるレーザ媒質と、基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために前記光共振器内の光路上に配置される高調波分離ミラーとを有し、前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口より大きい構成としている。 A laser device according to a first aspect of the present invention includes an optical resonator having a first termination mirror and a second termination mirror that are optically opposed to each other, and an active medium portion made of a crystal doped with active ions. A non-active portion made of a crystal that is made of the same material as the active medium portion and is not doped with active ions, and is coupled to opposite end faces of the active medium portion. In order to generate a fundamental wave laser beam having a fundamental wavelength, a laser medium arranged with the active medium part and the inactive part aligned on the path, both sides of the laser medium on the optical path in the optical resonator An excitation unit for irradiating an end surface with an excitation laser beam, an aperture unit disposed on an optical path in the optical resonator to reduce the beam diameter of the fundamental laser beam, and a fundamental wavelength of the fundamental laser beam for In order to generate a harmonic laser beam having a harmonic wavelength, a nonlinear optical crystal disposed on an optical path in the optical resonator and the harmonic laser beam are separated from the fundamental laser beam and output. And a harmonic separation mirror disposed on the optical path in the optical resonator, and the beam diameter of the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium is the fundamental laser beam of the aperture unit. The structure is larger than the opening.
上記の装置構成においては、活性媒質部と非活性部とからなるレーザ媒体の構造と、励起部による両側端面励起方式と、アパーチャユニットのビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、熱レンズ効果の発生を効果的に抑制し、シングルモードに近い低次モードで高出力の高調波レーザビームを得ることができる。 In the above-described apparatus configuration, heat is generated by the combined or synergistic action of the structure of the laser medium composed of the active medium part and the inactive part, the both-ends end excitation method by the excitation part, and the beam stop function of the aperture unit. Generation of a lens effect can be effectively suppressed, and a high-power harmonic laser beam can be obtained in a low-order mode close to a single mode.
本発明の第2の観点におけるレーザ装置は、光学的に相対向する全反射ミラーと部分透過ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープされた結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープされていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部と前記非活性部とを揃えて配置されるレーザ媒質と、所定波長のレーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、前記レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットとを有し、前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が、前記アパーチャユニットの前記レーザビームを通す開口より大きい構成としている。 A laser device according to a second aspect of the present invention includes an optical resonator having optically opposed total reflection mirrors and partial transmission mirrors, an active medium portion made of a crystal doped with active ions, and the active medium. A non-active part made of a crystal made of the same material as that of the active part and not doped with active ions, and inactive parts connected to opposite opposite end faces of the active medium part, and the active part on the optical path in the optical resonator In order to generate a laser beam having a predetermined wavelength and a laser medium arranged with the medium part and the inactive part aligned, both end surfaces of the laser medium are irradiated with an excitation laser beam on the optical path in the optical resonator. And an aperture unit disposed on the optical path in the optical resonator for narrowing the beam diameter of the laser beam, and the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium. Beam diameter, and an opening greater than the configuration for passing the laser beam of the aperture unit.
上記の装置構成においては、活性媒質部と非活性部とからなるレーザ媒体の構造と、励起部による両側端面励起方式と、アパーチャユニットのビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、熱レンズ効果の発生を効果的に抑制し、シングルモードに近い低次モードで高出力の基本波レーザビームを得ることができる。 In the above-described apparatus configuration, heat is generated by the combined or synergistic action of the structure of the laser medium composed of the active medium part and the inactive part, the both-ends end excitation method by the excitation part, and the beam stop function of the aperture unit. Generation of a lens effect can be effectively suppressed, and a high-power fundamental laser beam can be obtained in a low-order mode close to a single mode.
本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、端面励起方式の固体レーザにおいて熱レンズ効果の発生を効果的に抑制して、低次モードの高出力レーザビームを得ることができる。 According to the laser apparatus of the present invention, it is possible to effectively suppress the generation of the thermal lens effect in the end face excitation type solid-state laser and obtain a low-order mode high-power laser beam by the configuration and operation as described above. it can.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の一実施形態におけるレーザ装置の光学系の構成を示す。このレーザ装置は、Qスイッチパルスの第2高調波(SHG)レーザビームをシングルモードに近い低次モードで生成する空冷式のYVO4レーザとして構成されている。このYVO4第2高調波(SHG)レーザは、さまざまなレーザ加工に適用可能であるが、特に銅系、金系等の金属加工物やシリコン、セラミック等の非金属加工物に対するレーザマーキングあるいはレーザトリミング等のレーザ表面除去加工に用いて好適である。FIG. 1 shows a configuration of an optical system of a laser apparatus according to an embodiment of the present invention. This laser device is configured as an air-cooled YVO 4 laser that generates a second harmonic (SHG) laser beam of a Q switch pulse in a low-order mode close to a single mode. This YVO 4 second harmonic (SHG) laser can be applied to various laser processing, and in particular, laser marking or laser for copper-based, metal-based metal workpieces and non-metal workpieces such as silicon and ceramics. It is suitable for use in laser surface removal processing such as trimming.
[光共振器のレイアウト及び内部の構成]
このレーザ装置は、レーザ発振器のレイアウトとして、ほぼ平坦な上面を有するベースまたは支持台(図示せず)上に、平面視で図示のような“ワ”字状または“7”字状の折り返し配置型で、一対の終端ミラー10,12、レーザ媒体14、Qスイッチ16、アパーチャユニット18、非線形光学(波長変換)結晶20および中間ミラー22,24を配置している。[Layout of optical resonator and internal configuration]
In this laser apparatus, as a layout of a laser oscillator, a “wa” -shaped or “7” -shaped folded arrangement as shown in plan view is arranged on a base or a support base (not shown) having a substantially flat upper surface. A pair of
両終端ミラー10,12は、中間ミラー22,24を介して光学的に対向しており、光共振器13を構成している。一方(図の左側)の終端ミラー10の反射面には、この光共振器13内で生成される基本波(1064nm)に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方(図の右側)の終端ミラー12の反射面には、この光共振器13内で生成される基本波および第2高調波(532nm)に対してそれぞれ高反射性の2種類の膜がコーティングされている。
Both
レーザ媒体14は、活性イオンとしてNdイオンをドープしたYVO4結晶(Nd:YVO4結晶)からなる直方体形状の活性媒質部14aと、この活性媒質部14aの相対向する軸方向の両端面に拡散接合によって結合されている一対の非活性部14bとを有している。ここで、非活性部14bは、活性媒質部14aと同じ材質で活性イオンを一切ドープしていないYVO4結晶(アンドープYVO4結晶)からなる。レーザ媒体14は、全体としても、平行な両側端面(図1では左側端面および右側端面)を有する直方体形状の固体または結晶体として構成されている。一例として、軸方向において、活性媒質部14aの長さは10mm、左右両側の非活性部14bの長さは各々2mm、レーザ媒体14の全長は14mmである。The
レーザ媒体14は、光共振器13内の基本波光路FH上で両中間ミラー22,24の間に活性媒質部14aと非活性部14bとを揃えて(結晶の光軸を光路に重ねるようにして)配置される。なお、光共振器13内の基本波光路FHは、中間ミラー22,24を介して両終端ミラー10,12の間に設定される。
In the
Qスイッチ16は、たとえば音響光学Qスイッチからなり、レーザ発振を行う時は、図示しないQスイッチドライバにより一定の繰り返し周波数でスイッチング駆動される。この実施形態において、繰り返し周波数は、広い範囲で選択可能であり、従来一般の40kHz以上の高周波数領域はもちろん、30kHz以下あるいは20kHz以下の低周波数領域も選択することができる。アパーチャユニット18は、たとえば金属板からなり、光共振器13内で生成される基本波レーザビームのビーム径を絞るための所定の口径(たとえばφ1〜φ1.2mm)を有する開口18aを形成している。
The
Qスイッチ16およびアパーチャユニット18は、光共振器13内の基本波光路FH上でレーザ媒体14と左側の中間ミラー24との間に並んで配置される。中間ミラー24は、基本波に対して高反射性の膜がコーティングされている反射面を有し、光共振器13内の基本波光路FHを鋭角(通常30°〜60°)で折り返すように斜めに傾けて配置されている。レーザ媒体14側から中間ミラー24に入射してそこで折り返される基本波のレーザビームは、アパーチャユニット18の傍に配置されている終端ミラー10に垂直に入射し、そこで全反射して反対側の終端ミラー12へ戻るようになっている。
The
非線形光学結晶20は、たとえば直方体形状のLBO結晶からなり、終端ミラー12と中間ミラー22との間に設定される基本波/第2高調波光路FH/SH上に配置されている。非線形光学結晶20は、光共振器13内で励起ないし増幅される基本波のモードと光学的に結合され、基本波長との非線形相互作用により、第2高調波を生成する。
The nonlinear
中間ミラー22は、高調波分離ミラーである。この高調波分離ミラー22は、基本波に対して高反射性の膜と第2高調波に対して透過性の膜とを有するダイクロイックミラーからなり、基本波に対しては入射および反射角を鋭角(通常30°〜60°)とする折り返しミラーとして機能し、第2高調波に対しては出力ミラーとして機能する。
The
レーザ媒体14側から高調波分離ミラー22に入射してそこで折り返された基本波のレーザビームは、非線形光学結晶20を通り抜けてから、終端ミラー12に垂直に入射し、そこで全反射して、同じ光路FHを逆方向に伝搬するようになっている。また、非線形光学結晶20から終端ミラー12側に出た第2高調波は、終端ミラー12で全反射して非線形光学結晶20に入射する。非線形光学結晶20から高調波分離ミラー22側に出た第2高調波は、高調波分離ミラー22を透過し、第2高調波レーザビームLBSHとして出力されるようになっている。The fundamental-wave laser beam incident on the
[励起部の構成]
このレーザ装置は、上記構成の光共振器13内でレーザ媒質14をポンピングするために、以下に述べるような励起部30を備えている。[Configuration of excitation unit]
This laser apparatus includes a
この励起部30は、励起光源のLD(図示せず)から光共振器13の手前まで励起LD光を伝送するファイバカップリング方式の光ファイバ32と、この光ファイバ32から取り出される励起LD光をレーザ媒体14まで導く光学系つまり出射ユニット34、ビームスプリッタ38、第1および第2の半励起光学ユニット40,42とを備えている。
The
光ファイバ32は、出射ユニット34の光コネクタまたはレセプタクル(図示せず)にファイバ先端部を差し込まれるようにして装着される。光ファイバ32は、口径がたとえばφ0.4mmのコアを有している。出射ユニット34内にはコリメートレンズ36が設けられている。光ファイバ32の終端から一定の拡がり角で出た励起LD光EBは、コリメートレンズ36を通ることによって平行光にコリメートされる。
The
ビームスプリッタ38は、たとえば、2個の直角プリズムにより構成されるキューブ型ビームスプリッタ(図2の(a))あるいはプレート型ビームスプリッタ(図2の(b))であり、出射ユニット34からの励起LD光EBを2つ、つまり第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2に分割する。第1の半励起LD光EBh1は、第1の半励起光学ユニット40に向けて、ビームスプリッタ38より透過光として出射される。一方、第2の半励起LD光EBh2は、第2の半励起光学ユニット42に向けて、ビームスプリッタ38より反射光として出射される。The
第1の半励起光学ユニット40は、光共振器13内の基本波光路FHと同一線上に(図のX方向に一列に)配置される折り返しミラー44および集光レンズ46を有している。集光レンズ46は、光学的には、高調波分離ミラー22を介してレーザ媒体14の一方(図の右側)の端面と光学的に一定の距離(通常は焦点距離またはこれに近い距離)を隔てて平行に対向している。
The first semi-pumping
折り返しミラー44は、ビームスプリッタ38からの第1の半励起LD光EBh1を入射して、それをレーザ媒体14に向けて直角に反射する。折り返しミラー44で折り返された第1の半励起LD光EBh1は、集光レンズ46および高調波分離ミラー22を通ってレーザ媒体14の右側端面に入射する。高調波分離ミラー22には、励起LD光EBの波長(たとえば880nm)に対して透過性の膜がコーティングされている。The
第2の半励起光学ユニット42は、光共振器13内の基本波光路FHと直交して図のY方向に一列に配置される折り返しミラー48、集光レンズ50および折り返しミラー52を有している。ここで、折り返しミラー52は、レーザ媒体14とQスイッチ16との間で光共振器13内の基本波光路FH上に斜めの角度で配置されている。集光レンズ50は、光学的には、折り返しミラー52を介してレーザ媒体14の左側端面と光学的に一定の距離(通常は焦点距離またはこれに近い距離)を隔てて平行に対向している。
The second semi-pumping
折り返しミラー48は、ビームスプリッタ38からの第2の半励起LD光EBh2を入射し、それを後段の折り返しミラー52に向けて直角に反射する。折り返しミラー48で折り返された第2の半励起LD光EBh2は、集光レンズ50を通って折り返しミラー52に入射し、そこで直角に折り返され、レーザ媒体14の左側端面に入射する。折り返しミラー52は、ダイクロイックミラーからなり、基本波に対して透過性の膜と励起LD光EBの波長に対して高反射性の膜とを有している。The
[レーザ発振の動作(作用)]
このレーザ装置にレーザ発振動作を行わせるときは、図示しない制御部の制御の下で、上記励起光源のLDが駆動回路によって発光駆動され、Qスイッチ16がQスイッチドライバによりスイッチング駆動される。[Laser oscillation operation (action)]
When the laser device performs a laser oscillation operation, under the control of a control unit (not shown), the LD of the excitation light source is driven to emit light by a drive circuit, and the
励起光源のLDより出力された励起LD光は、ファイバカップリング方式により光ファイバ32を介して出射ユニット34まで伝送される。出射ユニット34内で光ファイバ32の終端から出た励起LD光はコリメートレンズ36より平行光にコリメートされ、平行光の励起LD光がビームスプリッタ38により第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2に分割される。そして、第1の半励起LD光EBh1は、第1の半励起光学ユニット40を介してレーザ媒体14の右側端面に集光照射される。一方、第2の半励起LD光EBh2は、第2の半励起光学ユニット42を介してレーザ媒体14の左側端面に集光照射される。The excitation LD light output from the LD of the excitation light source is transmitted to the
この実施形態では、上記のようにファイバカップリング方式の光ファイバ32で大きなコア径(φ0.4mm)を選択するとともに、後述するような高次モード調整により、図3に示すように、第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2がレーザ媒体14の両側端面にアパーチャユニット18の開口18aの口径(φ1〜φ1.2mm)よりも大きなビーム径D1,D2(たとえばφ1.32mm)で集光入射するようになっている。因みに、シングルモード志向の従来装置における片側端面励起方式の励起LD光入射ビーム径はφ0.6〜0.9mmである。In this embodiment, a large core diameter (φ0.4 mm) is selected in the fiber coupling type
レーザ媒体14において、左右両側の非活性部14bの外側端面に上記のような大きなビーム径D1,D2で集光入射した第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2は、非活性部14bを通って内奥の活性媒質部14aに導入され、活性媒質部14a内の活性原子を励起する。このポンピングによって、活性媒質部14aは、左右両側から供給される半励起LD光EBh1,EBh2のレーザエネルギーを吸収して発熱する。一方、アンドープの非活性部14bは、外から入射した半励起LD光EBh1,EBh2を吸収せずにそのまま内奥の活性媒質部14aに通すだけであり、殆ど発熱しない。In the
したがって、図3に示すように、レーザ媒体14の中では、活性媒質部14aと非活性部14bとの界面付近が吸収開始点になり、活性媒質部14a内で発生する熱の相当量が矢印Hで示すように非活性部14bに拡散する。この場合、活性媒質部(Nd:YVO4結晶)14aと非活性部(アンドープYVO4結晶)14bとは同一材質の結晶であって熱膨張率が同じであり、かつ拡散結合によって互いに結合されているので、両者の間には安定かつ良好な物理的かつ熱的な一体性が保持される。Therefore, as shown in FIG. 3, in the
Qスイッチングのオフ期間中は、ポンピングが持続的に行われ、これによってレーザ媒体14ないし光共振器13内にエネルギーが蓄積される。この場合、レーザ媒体14内では、上記のように、活性媒質部14aから非活性部14bへ熱が逃げるので、この熱引きの効果により活性媒質部14a内に熱が篭もらず、熱レンズ効果の発生が抑制される。そして、一定のタイミングでQスイッチ16がオンすることにより、光共振器13内にジャイアントパルス発振が起こって、ピークパワーのきわめて高いQスイッチパルスの基本波レーザビームLBFHが発生する。During the Q switching off period, pumping is continuously performed, and energy is stored in the
非線形光学結晶20は、この結晶を通過する基本波レーザビームLBFHと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波レーザビームLBFHと同様に低次モードの第2高調波レーザビームLBSHを生成する。非線形光学結晶20で生成された第2高調波レーザビームLBSHは、高調波分離ミラー22を通って光共振器13の外に取り出される。The nonlinear
この実施形態のレーザ装置をレーザ加工装置、たとえばレーザマーキング装置またはレーザトリミング装置に適用する場合は、光共振器13にたとえば伝送用の光ファイバ(図示せず)を介して出射ユニット(図示せず)が光学的に接続される。出射ユニットは、コリメートレンズ、ガルバノスキャナおよび集光レンズ等の光学系を内蔵し、光共振器13より光ファイバを介して受け取った第2高調波レーザビームLBSHを被加工物(図示せず)に集光照射する。When the laser apparatus of this embodiment is applied to a laser processing apparatus such as a laser marking apparatus or a laser trimming apparatus, an emission unit (not shown) is connected to the
一般に、Qスイッチパルス型の固体レーザにおいては、Qスイッチ周波数つまり繰り返し周波数を低くするほど、スイッチングオフの時間中に光共振器内に蓄積されるエネルギーが大きくなるため、ジャイアントパルス発振時のピークパワーが高くなる。しかし、他方で、一周期内にレーザ媒体に篭もる熱も増すことにより、熱レンズ効果が発生しやすくなる。特に、片側端面励起方式のYVO4レーザにおいては、LD励起光が入射するレーザ媒体の端面付近に非常に強い吸収が起きて局所的に熱レンズが発生しやすくなる。In general, in Q-switched pulse type solid-state lasers, the lower the Q switch frequency, that is, the repetition frequency, the greater the energy stored in the optical resonator during the switching-off time. Becomes higher. However, on the other hand, the heat trapped in the laser medium within one period also increases, so that the thermal lens effect is likely to occur. In particular, in the YVO 4 laser of the one-side end face excitation type, very strong absorption occurs near the end face of the laser medium on which the LD excitation light is incident, and a thermal lens is likely to be generated locally.
この実施形態では、上記のようなレーザ媒体14の特殊な構造(Nd:YVO4結晶14a/アンドープYVO4結晶14b)と、励起部30による両側端面励起方式と、後述するアパーチャユニット18のビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、上記のトレードオフを解決している。In this embodiment, the special structure (Nd: YVO 4 crystal 14a / undoped YVO 4 crystal 14b) of the
この実施形態におけるQスイッチパルス型のYVO4第2高調波(SHG)レーザによれば、繰り返し周波数20kHzの条件の下で、第2高調波レーザビームLBSHのM2(エムスクエア値)が1.3以下、平均レーザ出力が10W以上、ピーク出力が45kW以上、パルスエネルギーが500μJ以上の諸特性が得られることが実験で確かめられている。According to the Q switch pulse type YVO 4 second harmonic (SHG) laser in this embodiment, M 2 (em square value) of the second harmonic laser beam LB SH is 1 under the condition of a repetition frequency of 20 kHz. Experiments have confirmed that various characteristics such as .3 or less, average laser output of 10 W or more, peak output of 45 kW or more, and pulse energy of 500 μJ or more can be obtained.
図4は、端面励起方式のQスイッチパルス型YVO4第2高調波(SHG)レーザにおいて、第2高調波平均レーザ出力の励起LD駆動電流値依存性について、本発明の上述した実施例とレーザ媒体14をNd:YVO4結晶の単体で構成した場合(比較例)とを比較して示す。なお、励起部30のビームスプリッタ38にはハーフミラーを用いた。FIG. 4 shows the above-described embodiment of the present invention and the laser regarding the dependency of the second harmonic average laser output on the excitation LD drive current value in the Q-switch pulse type YVO 4 second harmonic (SHG) laser of the end face excitation type. A case where the medium 14 is composed of a single Nd: YVO 4 crystal (comparative example) is shown in comparison. A half mirror was used as the
図示のように、実施例では、励起LD駆動電流を約1.5Aから6.6Aまで増やしていくと、これに比例して第2高調波(SHG)の平均レーザ出力は0Wから約10.5Wまで線形的に高くなる。これに対して、比較例では、励起LD駆動電流を増やすとそれに平均レーザ出力も線形的に比例して増大するが、励起LD駆動電流が約5.5Aのときに極大値(約8.1W)に達してからは、励起LD駆動電流をそれ以上増やしても平均レーザ出力はむしろ低下する。比較例のこのような特性は、熱レンズ効果に起因するものと考えられる。 As shown in the figure, in the embodiment, when the excitation LD drive current is increased from about 1.5 A to 6.6 A, the average laser output of the second harmonic (SHG) is proportionally increased from 0 W to about 10.5. It increases linearly up to 5W. On the other hand, in the comparative example, when the excitation LD drive current is increased, the average laser output also increases linearly in proportion thereto, but the maximum value (about 8.1 W) when the excitation LD drive current is about 5.5 A. ), Even if the excitation LD drive current is further increased, the average laser output is rather lowered. Such characteristics of the comparative example are considered to be caused by the thermal lens effect.
[実施形態における高次モード調整]
この実施形態のレーザ装置においては、レーザ出力について上記のような諸特性(繰り返し周波数20kHz、M2<1.3、平均レーザ出力10W以上、ピーク出力45kW以上、パルスエネルギー500μJ以上)を適確かつ効率よく実現するために、アパーチャユニット18を光共振器13に脱着可能に取り付ける。そして、アパーチャユニット18を光共振器13から外した状態で、光共振器13内に高調波および第2高調波を高次モードで発生させ、高次モードについてビームプロファイル(特にM2)の調整を行う。[High-order mode adjustment in the embodiment]
In the laser apparatus of this embodiment, the laser output has the above characteristics (
この高次モード調整では、図5に示すように、光共振器13および励起部30において各光学系または光学部品の位置および/または傾きを調整する。特に、安定な光共振を得るために、さらにはレーザ媒体14に対する両側端面励起方式において半励起LD光EBh1,EBh2の入射ビーム径D1,D2を最適化するために、両終端ミラー10,12間の光学的距離や、両終端ミラー10,12とレーザ媒体14または非線形光学結晶20との間の距離、集光レンズ46,50の位置等が調整される。In this higher-order mode adjustment, as shown in FIG. 5, the position and / or inclination of each optical system or optical component is adjusted in the
高次モードの調整具合は、光共振器13の外でレーザ測定器54が第2高調波レーザビームLBSHを取り込み、そのM2(エムスクエア値)を測定することによりモニタリングする。そして、M2の測定値が所定の範囲内、好ましくは3<M2<4の範囲内に入ったところで、高次モード調整を終了する。この後に、励起LD光入射ビーム径D1,D2(φ1.3mm)よりも小さなアパーチャ口径(φ1mm〜1.2mm)を有するアパーチャユニット18を光共振器13に挿入する。これが、図1の装置状態である。The adjustment of the higher-order mode is monitored by the
[励起部の光学系の配置構成に関する他の実施例]
この実施形態のレーザ装置は、上記のように、光共振器13のレイアウトを平面視で“ワ”字状または“7”字状の折り返し配置型にしており、これによって光共振器13の小型化ないし省スペース化を実現している。一方で、光共振器13の周囲に励起部30の光学系を配置している。[Other Embodiments Regarding Arrangement of Optical System of Excitation Unit]
In the laser apparatus of this embodiment, as described above, the layout of the
励起部30の光学系の配置構成に関して、図1の実施例は、光共振器13と同一の二次元方向(XY平面上)に、出射ユニット34、ビームスプリッタ38、第1および第2の半励起光学ユニット40,42の全部を展開して配置している。
With respect to the arrangement of the optical system of the
この場合、X方向に延びる光共振器13の基本波光路FHに対して、それと直交するようにY方向からファイバカップリングの光ファイバ32を引き込むため、装置全体がX方向およびY方向のいずれにも広がっており、比較的大きな装置面積となっている。なお、高調波分離ミラー22から見てビームスプリッタ38と第1の半励起光学ユニット40との間に設定される第1の半励起LD光EBh1の光路の手前に、第2高調波レーザビームLBSHを適当な方角へ向ける折り返しミラー55が配置されてもよい。In this case, since the
図6に示す第2の実施例は、光共振器13の基本波光路FHと同じ方向(X方向)でファイバカップリングの光ファイバ32を引き込む構成を特徴としている。このレイアウトによれば、Y方向において装置サイズを縮小し、そのぶん装置全体の面積を小さくすることができる。なお、ビームスプリッタ38は、図示のようなプレート型のものであってもよい。ただし、プレート型は、詳細には図2の(b)に示すように透過光EBh1の光軸がオフセットするので、この点を考慮して周囲の光学系の配置位置を調整する必要がある。この実施形態のレーザ装置に設けられるビームスプリッタ38は、キューブ型またはプレート型のいずれであっても、ハーフミラー(反射光と透過光の強さがほぼ1:1であるミラー)を好適に用いることができる。The second embodiment shown in FIG. 6 is characterized in that a fiber coupling
なお、この第2の実施例において、ビームスプリッタ38より部分透過光として得られる第1の半励起LD光EBh1は、第1の半励起光学ユニット40(集光レンズ46)および高調波分離ミラー22を通ってレーザ媒体14の右側端面に集光入射する。一方、ビームスプリッタ38より部分反射光として得られる第2の半励起LD光EBh2は、折り返しミラー45および第2の半励起光学ユニット42(折り返しミラー48、集光レンズ50、折り返しミラー52)を介してレーザ媒体14の左側端面に集光入射する。In the second embodiment, the first half-pumped LD light EB h1 obtained as the partially transmitted light from the
図7および図8に、第3の実施例による励起部30の光学系の配置構成を示す。この第3の実施例は、上記第2の実施例と同様に光共振器13の基本波光路FHと同じ方向(X方向)でファイバカップリングの光ファイバ32を引き込むことに加えて、第1の半励起光学ユニット40における第1の半励起LD光EBh1の光路を、図8(略側面図)に示すように、その全区間を通じてレーザ媒質14の光軸または光共振器13の基本波光路FHと同一線上に設定し、第2の半励起光学ユニット42における第2の半励起LD光EBh1の光路を、図7(略平面図)に示すように、レーザ媒質14の光軸または光共振器13の基本波光路FHと重なる垂直面内に設定することを特徴とする。7 and 8 show the arrangement of the optical system of the
なお、図8は、レーザ媒質14の光軸を含む垂直面(XZ面)上に位置している各部を示す。終端ミラー10,12および非線形光学結晶20はこの垂直面(XZ面)の外に位置しているため、図8では図示されていない。
FIG. 8 shows each part located on a vertical plane (XZ plane) including the optical axis of the
この第3の実施例のレイアウトによれば、Y方向において励起部30の光学系自体のサイズおよび装置全体のサイズに与える影響を可及的に小さくすることが可能であり、平面視で“ワ”字状または“7”字状の折り返し配置型を採る光共振器13の利点を最大限に高めることができる。
According to the layout of the third embodiment, the influence on the size of the optical system itself of the
[他の実施形態又は変形例]
本発明は、上記実施形態におけるようなQスイッチパルス型の空冷式YVO4第2高調波(SHG)レーザに限定されず、他の種種の固体レーザに適用可能であり、たとえば連続発振型あるいは水冷式のYVO4レーザや、Qスイッチパルス型または連続発振型のYAGレーザ等にも適用可能である。[Other Embodiments or Modifications]
The present invention is not limited to the Q-switch pulse type air-cooled YVO 4 second harmonic (SHG) laser as in the above embodiment, but can be applied to other types of solid-state lasers. The present invention can also be applied to a YVO 4 laser of the formula, a Q switch pulse type or a continuous oscillation type YAG laser.
上記実施形態における励起部30は、レーザ媒体14に対する両側端面励起方式において、第1および第2の半励起光学ユニット40,42に単一または共通のファイバカップリングLDを用いて効率化および低コスト性を図っている。しかし、第1および第2の半励起光学ユニット40,42に別々のファイバカップリングLDまたは他の種類の励起LDを充てることも可能である。
The
上記実施形態は、第2高調波レーザビームLBSHを発振出力するレーザ装置に係るものであった。しかし、容易に理解されるように、本発明は、基本波レーザビームLBFHを発振出力するレーザ装置にも適用可能である。たとえば、上記実施形態のレーザ装置において、光共振器13から非線形光学結晶20を取り除き、終端ミラー12を基本波に対して透過性と反射性とを兼ね備えた部分透過ミラー(出力ミラー)に置き換えることにより、基本波レーザ装置を得ることができる。The above embodiments were those according to the second harmonic laser beam LB SH laser device which oscillates output. However, as can be easily understood, the present invention is also applicable to a laser apparatus that oscillates and outputs the fundamental laser beam LB FH . For example, in the laser device of the above embodiment, the nonlinear
10,12 終端ミラー
13 光共振器
14 レーザ媒体
16 Qスイッチ
18 アパーチャユニット
20 非線形光学結晶
22 中間ミラー(高調波分離ミラー)
24 中間ミラー(全反射ミラー)
30 励起部
32 光ファイバ
34 出射ユニット
38 ビームスプリッタ
40 第1の半励起光学ユニット
42 第2の半励起光学ユニット10, 12
24 Intermediate mirror (total reflection mirror)
DESCRIPTION OF
この点に関して、最近のシングルモード志向のレーザ装置では、NdイオンをドープしたYAG結晶を活性媒質に用いるYAGレーザよりも、NdイオンをドープしたYVO4結晶を活性媒質に用いるYVO4レーザの方が、結晶内の吸収効率や励起効率等にすぐれ、シングルモードのレーザビーム、特にQスイッチパルスのレーザビームを得るのに適しているとされている。 In this regard, in a recent single-mode oriented laser apparatus, a YVO 4 laser using a YVO 4 crystal doped with Nd ions as an active medium is more preferable than a YAG laser using a YAG crystal doped with Nd ions as an active medium. However, it has excellent absorption efficiency and excitation efficiency in the crystal and is said to be suitable for obtaining a single-mode laser beam, particularly a Q-switch pulse laser beam.
本発明の第1の観点におけるレーザ装置は、光学的に相対向する第1の終端ミラーと第2の終端ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープした結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープしていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを同一の光強度で照射する励起部と、前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために前記光共振器内の光路上に配置される高調波分離ミラーとを有し、前記レーザ媒質の両側端面に対する前記励起レーザビームの入射ビーム径が、前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口より大きく、かつシングルモードの基本波レーザビームを得るための入射ビーム径よりも大きい構成としている。 A laser device according to a first aspect of the present invention includes an optical resonator having a first termination mirror and a second termination mirror that are optically opposed to each other, an active medium portion made of a crystal doped with active ions, The active medium portion is made of a crystal that is not doped with active ions, and has a pair of inactive portions coupled to opposite end faces of the active medium portion. In order to generate a fundamental laser beam having a fundamental wavelength, a laser medium arranged with the active medium part and the inactive part aligned on the optical path, both sides of the laser medium on the optical path in the optical resonator An excitation unit that irradiates an end surface with an excitation laser beam with the same light intensity; an aperture unit disposed on an optical path in the optical resonator to reduce a beam diameter of the fundamental laser beam; and the fundamental laser. beam In order to generate a harmonic laser beam having a harmonic wavelength with respect to the fundamental wavelength, a nonlinear optical crystal disposed on an optical path in the optical resonator, and the harmonic laser beam from the fundamental laser beam A harmonic separation mirror disposed on an optical path in the optical resonator for separation and output, and an incident beam diameter of the excitation laser beam with respect to both end faces of the laser medium is set to rather larger than the opening through which the fundamental wave laser beam, and has a larger configuration than the incident beam diameter to obtain a fundamental wave laser beam of single mode.
本発明の第2の観点におけるレーザ装置は、光学的に相対向する全反射ミラーと部分透過ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープされた結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープされていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、所定波長のレーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを同一の光強度で照射する励起部と、前記レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットとを有し、前記レーザ媒質の両側端面に対する前記励起レーザビームの入射ビーム径が、前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口より大きく、かつシングルモードの基本波レーザビームを得るための入射ビーム径よりも大きい構成としている。 A laser device according to a second aspect of the present invention includes an optical resonator having optically opposed total reflection mirrors and partial transmission mirrors, an active medium portion made of a crystal doped with active ions, and the active medium. A pair of inactive portions that are made of a crystal that is the same material as the portion and is not doped with active ions, and that are coupled to opposite end faces of the active medium portion, on the optical path in the optical resonator In order to generate a laser beam having a predetermined wavelength and a laser medium arranged with the active medium part and the inactive part aligned, excitation laser beams are applied to both end faces of the laser medium on the optical path in the optical resonator. an excitation section that irradiates with the same light intensity, in order to narrow the beam diameter of the laser beam, and a aperture unit disposed on an optical path within the optical resonator, the relative side end face of said laser medium Incident beam diameter of the raised laser beam, and with the fundamental wave laser beam rather larger than the opening through which, and greater configuration than the incident beam diameter to obtain a fundamental wave laser beam of a single mode of the aperture unit.
この実施形態では、上記のようにファイバカップリング方式の光ファイバ32で大きなコア径(φ0.4mm)を選択するとともに、後述するような高次モード調整により、図3に示すように、第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2がレーザ媒体14の両側端面にアパーチャユニット18の開口18aの口径(φ1〜φ1.2mm)よりも大きなビーム径D1,D2(たとえばφ1.32mm)で集光入射するようになっている。因みに、シングルモード志向の従来装置における片側端面励起方式のレーザ媒体の端面に対する励起LD光の入射ビーム径はφ0.6〜0.9mmである。
In this embodiment, a large core diameter (φ0.4 mm) is selected in the fiber coupling type
この点に関して、最近は、NdイオンをドープしたYAG結晶を活性媒質に用いるYAGレーザよりも、NdイオンをドープしたYVO4結晶を活性媒質に用いるYVO4レーザの方が、結晶内の吸収効率や励起効率等にすぐれ、シングルモードのレーザビーム、特にQスイッチパルスのレーザビームを得るのに適しているとされている。 In this regard, recently, than YAG laser used a YAG crystal doped with Nd ions in the active medium, towards a YVO 4 laser using a YVO 4 crystal doped with Nd ions in the active medium, Ya absorption efficiency in the crystal It has excellent excitation efficiency and is suitable for obtaining a single-mode laser beam, particularly a Q-switch pulse laser beam.
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、両端面励起方式の固体レーザにおける熱レンズ効果の発生を空冷式でも効果的に抑制し、高出力の低次モード高調波レーザビームを生成することができるレーザ装置を提供する。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art , and effectively suppresses the generation of the thermal lens effect in a solid-state laser of both-ends excitation type even in the air-cooling type. A laser apparatus capable of generating a beam is provided.
本発明のレーザ装置は、空冷式であって、光学的に相対向する第1の終端ミラーと第2の終端ミラーとを有する光共振器と、活性イオンをドープした結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープしていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、前記基本波レーザビームおよび前記高調波レーザビームを一定繰り返し周波数のQスイッチパルスとして生成するために、前記光共振器内の光路上に配置されるQスイッチと、前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質と前記第1の終端ミラーとの間に配置される高調波分離ミラーとを有し、前記励起部は、前記光共振器の外で励起用の原レーザビームを出射する励起原レーザビーム出射部と、前記励起原レーザビーム出射部からの前記励起用の原レーザビームを第1および第2の励起レーザビームに分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタより得られる前記第1の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第1の集光レンズに通し、前記第1の集光レンズを透過した前記第1の励起レーザビームを前記高調波分離ミラーを介して前記レーザ媒質の一方の端面に導いて集光させる第1の半励起光学ユニットと、前記ビームスプリッタより得られる前記第2の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第2の集光レンズに通し、前記第2の集光レンズを透過した前記第2の励起レーザビームを前記光共振器内の光路上に配置される折り返しミラーで反射させて前記レーザ媒質の他方の端面に導いて集光させる第2の半励起光学ユニットとを有し、前記レーザ媒質は、前記活性媒質部がNdイオンをドープしたYVO 4 結晶からなり、前記非活性部が活性イオンを一切ドープしていないYVO 4 結晶からなり、前記活性媒質部の両端面に前記非活性部が拡散接合によって結合され、前記活性媒質部は前記非活性部よりも軸方向で長く、前記活性媒質部および前記非活性部が全体として直方体形状を有し、前記励起原レーザビーム出射部の出力の調整に応じて熱レンズ効果を抑制しつつ20kHz以下の繰り返し周波数で前記高調波レーザビームの平均出力を0Wから少なくとも10Wまで略線形的に上げることが可能であり、前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口よりも大きい構成としている。 The laser apparatus of the present invention is an air-cooled type, and includes an optical resonator having a first end mirror and a second end mirror that are optically opposed to each other, and an active medium portion made of a crystal doped with active ions. A pair of inactive portions made of a crystal that is made of the same material as the active medium portion and is not doped with active ions, and is coupled to opposite opposite end faces of the active medium portion, and in the optical resonator In order to generate a fundamental wave laser beam having a fundamental wavelength, and a laser medium in which the active medium portion and the inactive portion are arranged on the optical path of the optical resonator, the laser medium An excitation unit that irradiates both end faces with an excitation laser beam ; an aperture unit disposed on an optical path in the optical resonator to reduce a beam diameter of the fundamental laser beam; and a fundamental wavelength of the fundamental laser beam Against To generate a higher harmonic wave laser beam having a wavelength of the harmonic, and a non-linear optical crystal disposed in the optical path in the optical resonator, the fundamental wave laser beam and the higher harmonic wave laser beam of a constant repetition frequency Q to generate a switch pulse, a Q-switch disposed on the light path in the optical resonator, the higher harmonic wave laser beam to output separate from said fundamental wave laser beam, in the optical resonator A harmonic separation mirror disposed on the optical path between the laser medium and the first terminal mirror, and the excitation unit emits an original laser beam for excitation outside the optical resonator An excitation original laser beam emitting unit, a beam splitter for dividing the original laser beam for excitation from the excitation original laser beam emitting unit into first and second excitation laser beams, and The first excitation laser beam obtained from the beam splitter is passed through a first condenser lens disposed outside the optical resonator, and the first excitation laser beam transmitted through the first condenser lens is passed through the first condenser lens. A first half-pumping optical unit that is guided to one end face of the laser medium via a harmonic separation mirror and condensed, and the second pumping laser beam obtained from the beam splitter is placed outside the optical resonator. The second excitation laser beam that has passed through the second condensing lens disposed and transmitted through the second condensing lens is reflected by a folding mirror disposed on the optical path in the optical resonator, and the laser and a second half excitation optical unit for condensing light is guided to the other end face of the medium, the laser medium is made from the YVO 4 crystal active medium portion is doped with Nd ions, the inactive portion Becomes sex ions from all doped non YVO 4 crystal, wherein the end surfaces of the active medium portion inactive portion are joined by diffusion bonding, the active medium portion is long in the axial direction than the non-active portion, the The active medium part and the inactive part as a whole have a rectangular parallelepiped shape, and suppress the thermal lens effect according to the adjustment of the output of the excitation source laser beam emitting part, and the harmonic laser beam with a repetition frequency of 20 kHz or less. The average output can be increased substantially linearly from 0 W to at least 10 W, and the beam diameter of the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium is larger than the aperture through which the fundamental laser beam of the aperture unit passes. It has a large configuration.
上記の装置構成においては、励起原レーザビーム出射部より出射される1つの原レーザビームをビームスプリッタで2分割して得られる第1および第2の励起レーザビームをそれぞれ第1および第2の半励起光学ユニットを介してレーザ媒質の両端面にアパーチャユニットの開口よりも大きなビーム径で照射し、レーザ媒質を両端面励起方式で励起する。ここで、本発明の用いるレーザ媒質は、活性媒質部がNdイオンをドープしたYVO 4 結晶からなり、非活性部が活性イオンを一切ドープしていないYVO 4 結晶からなり、活性媒質部の両端面に非活性部が拡散接合によって結合され、活性媒質部は非活性部よりも軸方向で長く、活性媒質部および非活性部が全体として直方体形状を有し、励起原レーザビーム出射部の出力の調整に応じて熱レンズ効果を抑制しつつ20kHz以下の繰り返し周波数で高調波レーザビームの平均出力を0Wから少なくとも10Wまで略線形的に上げることが可能なものである。これにより、アパーチャユニットのビーム絞り機能との結合的または相乗的な作用により、シングルモードに近い低次モードの高調波レーザビームを高出力で得ることができる。 In the above apparatus configuration, the first and second excitation laser beams obtained by dividing one original laser beam emitted from the excitation original laser beam emitting section into two by the beam splitter are respectively the first and second half lasers. The both end surfaces of the laser medium are irradiated with a beam diameter larger than the aperture of the aperture unit through the excitation optical unit, and the laser medium is excited by the both end surface excitation method. Here, the laser medium used the present invention may consist of the active medium portion YVO 4 crystal doped with Nd ions, it becomes inactive portion of the active ions from YVO 4 crystal undoped at all, both end surfaces of the active medium portion The active medium part is longer in the axial direction than the inactive part, the active medium part and the inactive part have a rectangular parallelepiped shape as a whole, and the output of the excitation laser beam emitting part is The average output of the harmonic laser beam can be increased substantially linearly from 0 W to at least 10 W at a repetition frequency of 20 kHz or less while suppressing the thermal lens effect according to the adjustment. As a result, a harmonic laser beam having a low-order mode close to a single mode can be obtained at a high output by a combined or synergistic action with the beam stop function of the aperture unit.
本発明の好適な一態様においては、励起原レーザビーム出射部、ビームスプリッタ、第1および第2の半励起光学ユニットを用いる両端面励起方式を採用しつつ、レーザ媒質の光軸の直線を基準線として相直交する第1の面(XZ面)および第2の面(XY面)内に励起光学系(ビームスプリッタ、第1および第2の半励起光学ユニット)および波長変換光学系(非線形光学結晶、共振器ミラー、高調波分離ミラー)をそれぞれ配置する。かかるレイアウト構成により、熱レンズ効果を伴わずに高出力の低次モード高調波レーザビームが得られる小型・小面積の空冷式レーザ装置を提供することができる。In a preferred embodiment of the present invention, a straight line of the optical axis of the laser medium is used as a reference while adopting a both-ends excitation method using an excitation original laser beam emitting portion, a beam splitter, and first and second semi-excitation optical units. Excitation optical system (beam splitter, first and second semi-excitation optical units) and wavelength conversion optical system (non-linear optics) in the first plane (XZ plane) and the second plane (XY plane) orthogonal to each other as lines A crystal, a resonator mirror, and a harmonic separating mirror). With this layout configuration, it is possible to provide a small-sized and small-area air-cooled laser apparatus that can obtain a high-power low-order mode harmonic laser beam without the thermal lens effect.
本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、両端面励起方式の固体レーザにおける熱レンズ効果の発生を空冷式でも効果的に抑制し、高出力の低次モード高調波レーザビームを生成することができる。 According to the laser apparatus of the present invention, with the configuration and operation as described above, the generation of the thermal lens effect in the double-sided excitation type solid-state laser is effectively suppressed even in the air cooling type, and the high-output low-order mode harmonic laser A beam can be generated .
この実施形態では、上記のようにファイバカップリング方式の光ファイバ32で大きなコア径(φ0.4mm)を選択するとともに、後述するような高次モード調整により、図3に示すように、第1および第2の半励起LD光EBh1,EBh2がレーザ媒体14の両側端面にアパーチャユニット18の開口18aの口径(φ1〜φ1.2mm)よりも大きなビーム径D1,D2(たとえばφ1.32mm)で集光入射するようになっている。因みに、シングルモード志向の従来装置における片側端面励起方式の励起LD光入射ビーム径はφ0.6〜0.9mmである。
In this embodiment, a large core diameter (φ0.4 mm) is selected in the fiber coupling type
Claims (11)
活性イオンをドープした結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープしていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、
基本波長を有する基本波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、
前記基本波レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、
前記基本波レーザビームの基本波長に対して高調波の波長を有する高調波レーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上に配置される非線形光学結晶と、
前記高調波レーザビームを前記基本波レーザビームから分離して出力するために前記光共振器内の光路上に配置される高調波分離ミラーと
を有し、
前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起レーザビームのビーム径が、前記アパーチャユニットの前記基本波レーザビームを通す開口より大きい、
レーザ装置。An optical resonator having a first termination mirror and a second termination mirror that are optically opposed to each other;
An active medium portion made of a crystal doped with active ions, and a pair of non-active materials that are made of the same material as the active medium portion and not doped with active ions and are coupled to opposite opposite end faces of the active medium portion. A laser medium having an active part, and arranged with the active medium part and the inactive part aligned on an optical path in the optical resonator;
An excitation unit that irradiates both end faces of the laser medium on the optical path in the optical resonator to generate a fundamental laser beam having a fundamental wavelength; and
An aperture unit disposed on the optical path in the optical resonator to reduce the beam diameter of the fundamental laser beam;
A nonlinear optical crystal disposed on an optical path in the optical resonator to generate a harmonic laser beam having a harmonic wavelength with respect to a fundamental wavelength of the fundamental laser beam;
A harmonic separation mirror disposed on an optical path in the optical resonator for separating and outputting the harmonic laser beam from the fundamental laser beam;
A beam diameter of the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium is larger than an aperture through which the fundamental laser beam of the aperture unit passes;
Laser device.
前記光共振器の外で励起用の原レーザビームを出射する励起原レーザビーム出射部と、
前記励起原レーザビーム出射部からの前記励起用の原レーザビームを第1および第2の励起レーザビームに分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタより得られる前記第1の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第1の集光レンズに通し、前記第1の集光レンズを透過した前記第1の励起レーザビームを前記レーザ媒質の一方の端面に導いて集光させる第1の半励起光学ユニットと、
前記ビームスプリッタより得られる前記第2の励起レーザビームを前記光共振器の外に配置される第2の集光レンズに通し、前記第2の集光レンズを透過した前記第2の励起レーザビームを前記レーザ媒質の他方の端面に導いて集光させる第2の半励起光学ユニットと
を有する、請求項1に記載のレーザ装置。The excitation unit is
An excitation original laser beam emitting unit for emitting an original laser beam for excitation outside the optical resonator;
A beam splitter that divides the original laser beam for excitation from the excitation original laser beam emitting unit into first and second excitation laser beams;
The first excitation laser beam obtained by the beam splitter is passed through a first condenser lens disposed outside the optical resonator, and is transmitted through the first condenser lens. A first half-pumping optical unit that guides light to one end face of the laser medium and collects the light,
The second excitation laser beam obtained by the beam splitter is passed through a second condenser lens disposed outside the optical resonator, and transmitted through the second condenser lens. 2. The laser device according to claim 1, further comprising: a second half-pumping optical unit that guides the light to the other end face of the laser medium and focuses the light.
前記第2の半励起光学ユニットにおいて、前記第2の励起レーザビームの光路は、前記レーザ媒質の光軸と重なる垂直面内に設定される、
請求項2に記載のレーザ装置。In the first semi-pumping optical unit, the optical path of the second excitation laser beam is set on the same line as the optical axis of the laser medium throughout the entire section.
In the second semi-pumping optical unit, an optical path of the second excitation laser beam is set in a vertical plane overlapping with an optical axis of the laser medium.
The laser device according to claim 2.
励起用のレーザダイオードより生成された前記励起用の原レーザビームをファイバカップリング方式によって伝送し、その終端の端面より出射する光ファイバと、
前記光ファイバの終端の端面より出射された前記励起用の原レーザビームを平行光にコリメートするコリメートレンズと
を有する、請求項2に記載のレーザ装置。The excitation source laser beam emitting section is
An optical fiber that transmits the original laser beam for excitation generated by the laser diode for excitation by a fiber coupling method and emits it from the end face of the end; and
The laser device according to claim 2, further comprising: a collimating lens that collimates the excitation original laser beam emitted from the end face of the optical fiber into parallel light.
前記活性媒質部は、NdイオンをドープしたYVO4結晶からなり、
前記非活性部は、活性イオンを一切ドープしていないYVO4結晶からなり、前記活性媒質部の両端面に拡散接合によって結合されている、
請求項1に記載のレーザ装置。In the laser medium,
The active medium part is made of YVO 4 crystal doped with Nd ions,
The inactive part is made of YVO 4 crystal not doped with any active ions, and is bonded to both end faces of the active medium part by diffusion bonding.
The laser device according to claim 1.
前記アパーチャユニットを取り除いた状態では、前記基本波レーザビームは、高次モードで、そのM2が3以上であり、
前記アパーチャユニットを挿入した状態では、前記基本波レーザビームは、低次モードで、そのM2が1.3以下である、
請求項1に記載のレーザ装置。In the optical resonator,
In a state where the aperture unit is removed, the fundamental laser beam is in a higher order mode, and its M 2 is 3 or more.
In the state where the aperture unit is inserted, the fundamental laser beam is in a low-order mode, and its M 2 is 1.3 or less.
The laser device according to claim 1.
前記第1の終端ミラーと前記第2の中間ミラーとの間に、前記第1の終端ミラーと、前記第1の中間ミラーと、前記Qスイッチと、前記レーザ媒体とが配置され、
前記第2の終端ミラーと前記第2の中間ミラーとの間に、前記非線形光学結晶が配置され、
前記第1および第2の中間ミラーを介して前記第1の終端ミラーと前記第2の終端ミラーとを結ぶ光路が“ワ”字状または“7”字状に形成される、
請求項1に記載のレーザ装置。In the optical resonator, a first intermediate mirror that reflects the fundamental laser beam, the fundamental laser beam is reflected between the first termination mirror and the second termination mirror, and the harmonic is reflected. A second intermediate mirror for transmitting the wave laser beam,
The first terminal mirror, the first intermediate mirror, the Q switch, and the laser medium are disposed between the first terminal mirror and the second intermediate mirror,
The nonlinear optical crystal is disposed between the second terminal mirror and the second intermediate mirror,
An optical path connecting the first terminal mirror and the second terminal mirror via the first and second intermediate mirrors is formed in a “wa” shape or a “7” shape,
The laser device according to claim 1.
活性イオンをドープされた結晶からなる活性媒質部と、前記活性媒質部と同じ材質で活性イオンをドープされていない結晶からなり、前記活性媒質部の相対向する両端面に結合されている一対の非活性部とを有し、前記光共振器内の光路上に前記活性媒質部および前記非活性部を揃えて配置されるレーザ媒質と、
所定波長のレーザビームを生成するために、前記光共振器内の光路上で前記レーザ媒質の両側端面に励起レーザビームを照射する励起部と、
前記レーザビームのビーム径を絞るために、前記光共振器内の光路上に配置されるアパーチャユニットと、
を有し、
前記レーザ媒質の両側端面に入射する前記励起用レーザビームのビーム径が、前記アパーチャユニットの前記レーザビームを通す開口より大きい、
レーザ装置。An optical resonator having optically opposed total reflection mirrors and partial transmission mirrors;
A pair of active medium portions made of crystals doped with active ions, and crystals made of the same material as the active medium portions and not doped with active ions, which are coupled to opposite opposite end faces of the active medium portions. A laser medium having a non-active part, and arranged with the active medium part and the non-active part aligned on an optical path in the optical resonator;
An excitation unit that irradiates both end faces of the laser medium on the optical path in the optical resonator to generate a laser beam of a predetermined wavelength; and
An aperture unit disposed on the optical path in the optical resonator in order to reduce the beam diameter of the laser beam;
Have
A beam diameter of the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium is larger than an aperture through which the laser beam of the aperture unit passes;
Laser device.
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