WO1997028585A1 - Oscillateur laser transistorise - Google Patents

Description

明 細 書

固体レ ーザ発振装置

技 術 分 野

本発明は、 レ ーザ加工装置等に搭載し て使用さ れる 固 体レ ーザ発振装置に関する 。

背 景 技 術

Y A G ( イ ッ ト リ ゥ ム ア ルミ ニ ゥ ム ガ ーネ ッ ト ） レ ー ザのよ う な 固体レ ーザ発振装置は、 高出力で安定し たレ 一ザビ ーム が得ら れる こ と から 、 金属あ る いは非金属の 材料の切断、 溶接な ど を 行なう レ ーザ加工装置等に広く 使用さ れて いる 。 図 4 は、 ス ラ ブ形 Y A G レ 一ザ発振装 置を 例にと り 、 従来の固体レ ーザ発振装置の構造の概略 を 示す図であ る 。

図 4 において 、 レ ーザ結晶 （ Y A G レ ーザ結晶） 1 は 例え ばキ セノ ンラ ンプから なる 励起ラ ンプ L 1 及び L 2 と 共にレ フ レ ク タ 3 0 內に配置さ れる 。 レ ーザ結晶 1 の 両端には全反射鏡 M l と 部分反射鏡 M 2 が配置さ れ、 フ ア ブリ ペロ ー型の光共振器が構成さ れる 。 レ フ レ ク タ 3 0 の 內壁 3 1 は高光反射率の面と さ れている。

ま た 、 レ フ レ ク タ 3 0 の内部を循環する よ う 〖こ冷却水 ( 純水） を 流通さ せる こ と でレ ーザ結晶、 励起ラ ンプ、 レ フ レ ク タ 等を 含む装置各部の過熱を 防ぎ 、 温度上昇に よ る レ ーザ光の品質低下を 防止し て いる 。 矢印 C 1 及び C 2 は夫々 循環する 冷却水の入 口及び出 口 を 表わ し てい る 。 励起ラ ンプ L 1 及び L 2 は励起電源 4 0 で駆動さ れ， 励起光 5 0 を 放射する 。

励起ラ ン プ L 1 及び L 2 から 放射さ れた励起光 5 0 が 直接あ る いはレ フ レ ク タ 3 0 の高光反射率の内壁 3 1 で 反射さ れてから レ ーザ結晶 1 に入射する と 、 レ ーザ結晶 1 がボ ン ビ ン グさ れて 、 レ ーザ光 S が生成さ れる 。 レ ー ザ光は全反射鏡 M l と 部分反射鏡 M 2 の光共振器空間を 往復する 過程で增幅さ れ、 その一部 S ' が外部に取り 出 さ れて 、 レ ーザ加工等の 目 的に利用さ れる 。

レ ーザ結晶 1 の表面は空気又は冷却水 （ 純水） に直接 接触し て いる 。 従っ て 、 レ 一ザ結晶 1 への光入射並びに レ ーザ結晶 1 から の光出射は、 レ ーザ結晶 1 と 空気又は 冷却水 （ 純水） と の間の界面を通し て行なわれる 。 レ 一 ザ結晶 1 と 空気又は冷却水 （ 純水） の間には 当 然相 当大 き な屈折率差が存在する。 そこ で、 レ ーザ結晶 1 の 両端 面 2 及び 3 は、 光共振器の効率を 高く 保っために、 プリ ユ ース タ 条件を ほぼ満たす角度を持たせて斜め にカ ツ ト さ れた面と さ れる 。 Y A G レ ーザ結晶の場合、 ブリ ュ 一 ス タ 角 は 6 0 度〜 6 2 度前後である から 、 本例のよ う に , 全反射鏡 M l 、 レ ーザ結晶 1 及び部分反射鏡 M 2 を 一直 線上に並べた配置では、 レ ーザ結晶 1 の両端面 2 及び 3 の傾斜角 6 は、 2 8 度〜 3 0 度前後と さ れる 。

ス ラ ブ 形 の レ ーザ結晶を用いれば、 図 中に破線で示し たよ う に、 レ ーザ結晶 1 内の光路を ジグザグ状にと る こ と が出来る 。 レ ーザ結晶 1 内の光路を ジグザグ 状にと る こ と は、 レ ーザ結晶 1 内に生じ る 屈折率勾配によ る ビ ー ム 品質の低下を 回避する 上で有利であ る 。 即ち 、 レ ーザ 結晶 内では 中心軸付近から 周辺へ向けて低下する 温度分 布が生じ 易く 、 それに応じ て屈折率も 同心状のプロ フ ァ ィ ノレが形成さ れる こ と になる 。 従っ て 、 も し レ ーザ結晶 1 内 の光路を 一直線状にと る と 往復ビ ーム の通過する 径 方向位置によ つ て光学的光路差が発生し 、 光共振に悪影 響を及ぼす。 こ れに対し て 、 ジグザグ状の光路では、 往 復ビ ーム 間の光学的光路長が平均化さ れ、 光学的光路差 が発生し 難く なる 。 なお、 レ ーザ結晶の両端面が傾斜し て い る 場合、 その傾斜角がブリ ュ ース タ 条件を満た し て いな く と も レ ーザ結晶内でジグザグ状の光路を と ら せる こ と は可能である 。

レ ーザ結晶 1 にはス ラ ブ形のも のに代えて 口 ッ ド 形

( 円棒形状） のも のを 用いる こ と が出来る 。 し かし 、 そ の場合には、 ジグザグ状の光路を と ら せる こ と は出来な いため 、 両端面を 長手方向に対し て 垂直にカ ッ ト し 、 A R コ ート を施すこ と が通常である 。

こ のよ う な事情も あっ て 、 高出力の 固体レ ーザ発振装 置ではス ラ ブ形のレ ーザ結晶が採用さ れる こ と が多い。 ま た 、 ス ラ ブ形ある いはロ ッ ド 形いずれのレ ーザ結晶を 用いる にし ても 、 大き な結晶ほど 高出力が得易く なる 。 し かし 、 レ ーザ結晶に使用さ れる 結晶は一般に製造時の 結晶成長が遅く 、 且つ、 サイ ズが大き く なる 程欠陥のな い結晶を創造する こ と が難し く なる 。 そ の結果、 レ ーザ 結晶の価格はサイ ズが増大する と 指数関数的に増大し 、 高出力の 固体レ ーザ発振装置の価格を 押し 上げる 原因に なっ ていた。

発 明 の 開 示

本発明の 目 的は、 比較的小さ なサイ ズのレ ーザ結晶を 用いて 安価で高出力が得ら れる 固体レ ーザ発振装置を 提 供する こ と にある 。

本発明の固体レ ーザ発振装置は、 隣合う レ ーザ結晶間 に相互のォプティ カルコ ンタ ク ト が保たれる よ う に、 出 力さ れる レ ーザ光の光軸に沿っ て 並んで配置さ れた複数 の レ ーザ結晶と 、 複数のレ ーザ結晶にボ ン ビ ン グ を行な う 励起手段と を 備え る 。 複数のレ ーザ結晶間のォプティ 力 ノレコ ン タ ク ト は、 次のよ う な種々 の形態で確保さ れ得 る 。

( 1 ) 隣合う レ ーザ結晶が直接面接触し 合う よ う に SS 置する 。

( 2 ) 隣合う レ ーザ結晶が狭いギャ ッ プを挟んで相互 に向い合う よ う に配置する 。

( 3 ) 隣合う レ ーザ結晶間に低光吸収率の材料を介在 さ せる 。 こ れは、 上記 （ 2 ) の配置で、 狭いギャ ッ プの 一部ま た は全部を低光吸収率の材料で埋めた配置に相当 する 。 低光吸収率の材料はレ ーザ結晶と ほぼ等し い屈折 率を 有し ている こ と が好ま し い。

( 4 ) 隣合う レ ーザ結晶間を 低光吸収率の接着剤で結 合し た配置。 こ れは、 上記 （ 3 ) の配置で、 低光吸収率 の材料を 接着剤と し たも の相 当する 。 接着剤は、 レ ーザ 結晶と ほ ぼ等し い屈折率を 有し ている こ と が好ま し い。 なお、 いずれの配置形態においても 、 各レ ーザ結晶の 端面は、 レ ーザ光の進行方向に対し てほ ぼプリ ユ ース タ 条件を満たすよ う に傾斜し ている こ と が好ま し い。 但し ( 3 ) 及び（ 4 ) の形態において 、 隣合う レ ーザ結晶間 のみを レ 一ザ結晶と ほぼ等し い屈折率の材料で満たし た 場合には、 その端面についてプリ ユ ース タ 条件を 考慮す る 必要はなく なる。

本発明によ れば、 相対的に小さ なサイ ズの複数のレ ー ザ結晶を 用いて 、 相対的に大き なサイ ズの単一のレ ーザ 結晶を 用いたと 同等の作用が得ら れる 。 即ち 、 個々 のレ —ザ結晶のサイ ズは相対的に小さ なも のであっ ても 、 そ れら を 出力さ れる レ ーザ光の光軸方向に沿っ てォプティ 力ノレコ ンタ ク ト を保つよ う に配置する こ と で、 固体レ 一 ザ発振装置全体のレ ーザ活性媒体の有効長を加算的に增 大さ せる こ と が出来る 。

隣合う レ ーザ結晶が直接密着し 合う か、 ある いは十分 狭いギャ ッ プを挟んで向き 合う 関係にあれば良好なォプ ティ カ ルコ ンタ ク ト を期待し 得る が、 隣合う レ ーザ結晶 間に低光吸収率の材料を 介在さ せる こ と で、 ォプティ カ ノレコ ンタ ク ト を確実にする こ と が出来る 。 低光吸収率の 材料と し て接着剤を 用いれば、 レ ーザ結晶の機械的な結 合手段が 同時に提供さ れる 。 こ れら 低光吸収率の材料に レ ーザ結晶と ほぼ等し い屈折率を 有する も のを使用すれ ば、 レ ーザ結晶と の間で光学的なマッ チングがと れる の で、 よ り 高度のオプティ カルコ ンタ ク ト が確保さ れる 。

図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の一実施例に係る一ザ発振装置の要部 構造を 示す概念図、

図 2 は、 レ ーザ結晶集合体の両端のレ ーザ結晶の外側 端面の方向を 平行と し た場合の配置と 光路を 示す説明図、 図 3 は、 レ ーザ結晶集合体の 両端のレ ーザ結晶の外側 端面の方向を 非平行と し た場合の配置と 光路を 示す概念 図、

図 4 は、 従来のス ラ ブ形 Y A G レ ーザ発振装置の構造 を 示す概念図である 。

発明を 実施する ための最良の形態

図 1 では、 本発明の特徴が複数のレ ーザ結晶の配列構 造にあ る こ と を 考慮し て 、 主と し てレ ーザ結晶の配列構 造を抽出し た要部構造のみが示さ れている 。 ま た 、 レ ー ザ結晶の配列構造以外の部分 （ 光共振器の構成、 冷却水 の循環機構、 レ フ レ ク タ 、 励起ラ ンプの駆動電源な ど ） の構造、 機能等について は、 緣り 返し 説明を 省略する 。

図 1 を 参照する と 、 光共振器の光軸に沿っ て計 3 個の レ ーザ結晶 （ Y A G レ 一ザ結晶ま たは他のレ ーザ結晶） 1 a 、 1 b 及び 1 c が配置さ れている 。 本実施例では、 各レ ーザ結晶 1 a 、 1 b 及び 1 c は、 ほぼ等サイ ズのス ラ ブ形のも のが使用さ れている が、 ロ ッ ド 形状のも のを 使用 し ても 良い。 ま た 、 使用する レ ーザ結晶の個数も一 般には任意であ り 、 ま た 、 必ずし も 等サイ ズであ る 必要 も 無い。

隣接する レ ーザ結晶同士 1 a と 1 b 、 1 b と 1 c は夫 々 、 薄い接着剤層 1 0 及び 2 0 を鋏んで互いに向き 合う 面を 有し 、 全体と し て 直線状の集合体を 形成する よ う に 配列さ れている 。 各レ 一ザ結晶 1 a 〜 1 c の各端面は、 光散乱を 防止する ために高精度に平面研磨さ れる こ と が 望ま し い。 ま た 、 無用な反射を 出来る だけ抑制し て高い レ ーザ光出力を維持する ために、 レ ーザ結晶 中を 通過す る 光に対し てほぼプリ ユ ース タ 条件を満たすよ う な角度 ø 、 Θ を 持つよ う な傾斜面と さ れる こ と が好ま し い。 接 着剤層 1 0 、 2 0 が存在する 場合、 プリ ユ ース タ 条件を 満たすレ ーザ結晶の対向面の傾斜角 Φ は、 同じ く ブリ ュ ース タ 条件を満たすレ ーザ結晶集合体の両端の傾斜角 0 と は若千異なる 。 こ れは、 レ ーザ結晶 1 a 〜 1 c を 取り 囲む媒体 （ 冷却水） と 接着剤の屈折率は一般に異なる こ と から 考えて 当然であ る 。

接着剤層 1 0 及び 2 0 を形成する 接着剤は、 レ ーザの 発振波長の光や励起光に対し て 出来る だけ低い光吸収率 を 示すも のが使用さ れる こ と が好ま し い。 ま た 、 接着剤 の屈折率が使用する レ 一ザ結晶 1 a ~ 1 c と ほぼ同じ で あれば、 光学的なマッ チング が実現する ので、 レ ーザ結 晶集合体の両端以外ではブリ ュ ース タ 条件を 考慮し なく と も 、 無用な反射は十分に抑制さ れる 。

レ ーザ結晶 1 a 〜 1 c が他の手段 （ 例え ば、 適当な枠 体） で固定さ れて いれば、 接着剤を使用し なく ても 良い。 そ の際、 隣接する レ ーザ結晶に面接触を 確保出来れば、 接着剤層 1 0 及び 2 0 に代わる 材料を 隣接レ ーザ結晶間 に介在さ せなく と も 良いと 考えら れる が、 狭いギャ ッ プ が残っ ている 場合には、 そのギャ ッ プを レ ーザの発捩波 長の光や励起光に対し て 出来る だけ低い光吸収率を 示す 材料 （ 液体、 半液体材料、 ダリ ース 等） で満たすこ と が 好ま し い。 ま た、 その材料の屈折率が使用する レ ーザ結 晶 1 a 〜 1 c と ほ ぼ同じ であれば、 光学的なマッ チング が実現さ れ、 レ ーザ結晶集合体の 両端以外ではプリ ユ ー ス タ 条件を 考慮し なく と も 、 無用な反射が十分に抑制さ れる 点は接着剤を使用し た場合と 同様である 。

と こ ろ で、 図 1 の例ではレ ーザ結晶集合体の長さ 方向 に取り 出さ れる 出力光 S の光路が一点鎖線 S " で描示さ れて いる が 、 こ れは図 4 の事例と 同様の趣旨でス ラ ブ形 のレ ーザ結晶内でジ グザグ の光路を 確保し ている こ と を 表わ し て いる 。 ジ グザグ の光路の利点は、 図 1 の 関連説 明で述べた通り である 。

ま た 、 ロ ッ ド 形のレ ーザ結晶を 用いた場合には、 ジ グ ザグ の光路が確保出来ず、 両端面 （ 両端の結晶の外側端 面） を 垂直にカ ッ ト し て A R コ ート が施さ れる こ と も 既 に述べた通り であ る 。 但し 、 両端の結晶の外側端面を ブ リ ユ ース タ 条件を満たすよ う にカ ッ ト し て A R コ ート を 施さ ないよ う にする こ と も 可能であ る。 その場合、 各レ 一ザ結晶の配列姿勢と 光軸方向の 関係に注意する 必要が あ る 。 即ち 、 両端に置かれる レ ーザ結晶 1 a 及び 1 c の 外側端面 2 及び 3 の方向を 図 2 のよ う に平行と する か、 図 3 のよ う に非平行と する （ レ ーザ結晶集合体の断面形 状が台形） かに応じ て 、 レ ーザ結晶集合体の両端におけ る 光軸の振れ方向が異なる ので 、 それに応じ て光共振器 を構成する 反射鏡 （ 図 4 の M l 、 M 2 参照） の配置位置 と 向き を調整する 必要がある 。

なお、 ス ラ ブ形のレ ーザ結晶を 用いた場合でも 、 図 2 、 図 3 のよ う な配置を と ら せても よ いが、 レ ーザ結晶内の 光路をジ グザグ状にと る こ と は出来な く なる 。

ま た 、 ス ラ ブ形、 ロ ッ ド 形いずれのレ ーザ結晶を 使用 し た場合であっ ても 、 レ ーザ結晶同士が隣り 合う 端面間 にギャ ッ プが存在する と 、 光軸のずれ （ ほぼ空隙の大き さ 位置シ フ ト ） が起こ り 得る 。 し 力 し 、 通常こ のギヤ ッ プは非常に狭く 出来る ので 、 光軸のずれも 問題が生じ る よ う な大き さ にはなら ない。 なお、 上述し た方法で屈折 率のマッ チングを行なえ ば、 当然、 こ のずれは解消さ れ る 。

本発明によ れば、 製造が難し く 高価な大サイ ズのレ ー ザ結晶を 使用し なく と も 、 いく つかの製造が容易で安価 な 小サイ ズのレ ーザ結晶を 用いて 同等のレ ーザ出力が得 ら れる の で 、 高出力の 固体レ ーザ発振装 Sの製造原価を 低く 抑える こ と が出来る 。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 共振器内でレ ーザ光を発振し て 出力する 固体レ ーザ 発振装置であっ て 、

前記共振器內に、 隣合う レ ーザ結晶間に相互のォプテ ィ カ ルコ ンタ ク ト が保たれる よ う に、 前記共振器の光軸 に沿っ て並んで配置さ れた複数のレ ーザ結晶と 、

前記複数のレ ーザ結晶にポンビ ング を行なう 励起手段 と を備えた、 固体レ ーザ発振装置。

2 . 前記隣合う レ ーザ結晶は、 直接面接触し 合っ て配置 さ れている 、 請求の範囲第 1 項に記載の固体レ ーザ発振 装置。

3 . 前記隣合う レ ーザ結晶は、 狭いギャ ッ プを挟んで相 互に向い合っ て配置さ れている 、 請求の範囲第 1 項に記 載の固体レ一ザ発振装置。

4 . 前記隣合う レ ーザ結晶間に低光吸収率の材料が介在 し ている 、 請求の範囲第 3 項に記載の 固体レ ーザ発振装 置。

5 . 前記低光吸収率の材料の屈折率は、 前記レ ーザ結晶 の屈折率と ほぼ等し い、 請求の範囲第 4 項に記載の 固体 レ ーザ発振装置。

6 . 前記複数のレ ーザ結晶の内、 両端に位置する レ ーザ 結晶の外側端面が 、 励起さ れたレ ーザ光の進行方向に対 し てほぼプリ ユ ース タ 条件を満たす角度を 以て傾斜し て いる 、 請求の範囲第 5 項に記載の 固体レ ーザ発振装置。

7 . 前記隣合う レ ーザ結晶は、 低光吸収率の接着剤で結 合さ れている 、 請求の範囲第 3 項に記載の固体レ ーザ発 振装置。

8 . 前記接着剤の屈折率は、 前記レ ーザ結晶の屈折率と ほぼ等し い、 請求の範囲第 7 項に記載の固体レ ーザ発振 装置。

9 . 前記複数のレ ーザ結晶の内、 両端に位置する レ ーザ 結晶の外側端面が、 励起さ れたレ 一ザ光の進行方向に対 し てほぼプリ ユ ー ス タ 条件を満たす角度を 以て傾斜し て いる 、 請求の範囲第 8 項に記載の固体レ ーザ発振装置。

1 0 . 前記複数のレ ーザ結晶の各端面が、 励起さ れたレ 一ザ光の進行方向に対し てほぼプリ ユ ー ス タ 条件を満た す角度を 以て傾斜し ている 、 請求の範囲第 1 項から 第 4 項及び第 7 項のいずれかに記載の固体レ ーザ発振装置。