WO2017138373A1 - レーザ装置 - Google Patents

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WO2017138373A1
WO2017138373A1 PCT/JP2017/002910 JP2017002910W WO2017138373A1 WO 2017138373 A1 WO2017138373 A1 WO 2017138373A1 JP 2017002910 W JP2017002910 W JP 2017002910W WO 2017138373 A1 WO2017138373 A1 WO 2017138373A1
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laser
optical
laser beam
excitation
mirror
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PCT/JP2017/002910
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紘一 井上
昌利 齋藤
一平 村山
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株式会社アマダミヤチ
株式会社アマダホールディングス
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
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    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

Definitions

  • the present invention relates to a laser device using a crystal doped with active ions in a laser medium of a solid-state laser.
  • 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).
  • 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).
  • Patent Document 1 the end face excitation method (Patent Document 1) is now the mainstream instead of the original side surface excitation method (Patent Document 2).
  • 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.
  • 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.
  • the YVO 4 laser has a problem that the average laser output is greatly reduced in a region ( ⁇ 20 kHz) where the repetition frequency (Q switch frequency) where a high peak power can be 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.
  • 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 ⁇ J or less.
  • 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.
  • MOPA type fiber laser which amplifies the output of seed light and extracts a high-power laser beam
  • the MOPA fiber laser is considerably large.
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • the conventional pulse oscillation type MOPA fiber laser has a peak power of 10 kW and a pulse energy of 100 ⁇ J or less.
  • 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.
  • a laser device 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 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a laser device 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
  • both end surfaces of the laser medium are irradiated with an excitation laser beam on the optical path in the optical resonator.
  • an aperture unit disposed on the optical path in the optical resonator to reduce the beam diameter of the laser beam, and the excitation laser beam incident on both end faces of the laser medium. Over beam diameter, and with the opening larger structure through which the laser beam of the aperture unit.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a laser device according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the structural example of the beam splitter used for the excitation part of the said laser apparatus. It is a figure which shows the structure of the laser medium in the said laser apparatus, and the effect
  • 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.
  • 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 terminal mirrors 10 and 12, a laser medium 14, a Q switch 16, an aperture unit 18, a nonlinear optical (wavelength conversion) crystal 20, and intermediate mirrors 22 and 24 are arranged.
  • Both end mirrors 10 and 12 are optically opposed to each other via intermediate mirrors 22 and 24 to constitute an optical resonator 13.
  • the reflecting surface of the terminal mirror 10 is coated with a highly reflective film for the fundamental wave (1064 nm) generated in the optical resonator 13.
  • the reflecting surface of the other end mirror 12 is coated with two types of films that are highly reflective to the fundamental wave and the second harmonic (532 nm) generated in the optical resonator 13, respectively.
  • the reflecting surface of the other end mirror 12 is coated with two types of films that are highly reflective to the fundamental wave and the second harmonic (532 nm) generated in the optical resonator 13, respectively.
  • the laser medium 14 has a rectangular parallelepiped active medium portion 14a made of a YVO 4 crystal doped with Nd ions as active ions (Nd: YVO 4 crystal), and diffuses on both end surfaces of the active medium portion 14a facing each other in the axial direction. It has a pair of inactive part 14b couple
  • the inactive portion 14b is made of a YVO 4 crystal (undoped YVO 4 crystal) made of the same material as the active medium portion 14a and not doped with any active ions.
  • the laser medium 14 is configured as a solid or crystal body having a rectangular parallelepiped shape having parallel both end faces (left end face and right end face in FIG. 1).
  • the length of the active medium portion 14a is 10 mm
  • the lengths of the inactive portions 14b on the left and right sides are 2 mm
  • the total length of the laser medium 14 is 14 mm.
  • the active medium portion 14a and the inactive portion 14b are aligned between the intermediate mirrors 22 and 24 on the fundamental optical path FH in the optical resonator 13 (the optical axis of the crystal is overlapped with the optical path). Arranged). Note that the fundamental wave optical path FH in the optical resonator 13 is set between the both end mirrors 10 and 12 via the intermediate mirrors 22 and 24.
  • the Q switch 16 is composed of, for example, an acousto-optic Q switch, and is driven to be switched at a constant repetition frequency by a Q switch driver (not shown) when performing laser oscillation.
  • the repetition frequency can be selected in a wide range, and a low frequency region of 30 kHz or less or 20 kHz or less can be selected as well as a conventional high frequency region of 40 kHz or more.
  • the aperture unit 18 is made of, for example, a metal plate, and forms an opening 18a having a predetermined diameter (for example, ⁇ 1 to ⁇ 1.2 mm) for narrowing the beam diameter of the fundamental laser beam generated in the optical resonator 13. Yes.
  • the Q switch 16 and the aperture unit 18 are arranged side by side between the laser medium 14 and the left intermediate mirror 24 on the fundamental wave path FH in the optical resonator 13.
  • the intermediate mirror 24 has a reflection surface coated with a film highly reflective to the fundamental wave, and the fundamental wave path FH in the optical resonator 13 is folded back at an acute angle (usually 30 ° to 60 °). It is arranged at an angle.
  • the fundamental laser beam that is incident on the intermediate mirror 24 from the laser medium 14 side and turned back is incident perpendicularly to the termination mirror 10 disposed near the aperture unit 18, where it is totally reflected and terminated on the opposite side. Return to the mirror 12.
  • the nonlinear optical crystal 20 is made of, for example, a rectangular parallelepiped LBO crystal, and is disposed on the fundamental / second harmonic optical path FH / SH set between the terminal mirror 12 and the intermediate mirror 22.
  • the nonlinear optical crystal 20 is optically coupled to a fundamental wave mode that is excited or amplified in the optical resonator 13, and generates a second harmonic by nonlinear interaction with the fundamental wavelength.
  • the intermediate mirror 22 is a harmonic separation mirror.
  • the harmonic separation mirror 22 is composed of a dichroic mirror having a film highly reflective to the fundamental wave and a film transmissive to the second harmonic, and the incident and reflection angles of the fundamental wave are acute angles. It functions as a folding mirror (usually 30 ° to 60 °) and functions as an output mirror for the second harmonic.
  • the fundamental-wave laser beam incident on the harmonic separation mirror 22 from the laser medium 14 side and turned back there passes through the nonlinear optical crystal 20 and then enters the termination mirror 12 perpendicularly, where it is totally reflected and the same.
  • the light propagates in the reverse direction along the optical path FH.
  • the second harmonic wave coming out from the nonlinear optical crystal 20 toward the terminal mirror 12 is totally reflected by the terminal mirror 12 and enters the nonlinear optical crystal 20.
  • the second harmonic emitted from the nonlinear optical crystal 20 toward the harmonic separation mirror 22 is transmitted through the harmonic separation mirror 22 and output as a second harmonic laser beam LB SH .
  • This laser apparatus includes a pumping unit 30 as described below in order to pump the laser medium 14 in the optical resonator 13 having the above-described configuration.
  • the pump unit 30 includes a fiber coupling type optical fiber 32 that transmits pumping LD light from an LD (not shown) of a pumping light source to the front of the optical resonator 13 and pumping LD light extracted from the optical fiber 32.
  • An optical system leading to the laser medium 14, that is, an emission unit 34, a beam splitter 38, and first and second semi-excitation optical units 40 and 42 are provided.
  • the optical fiber 32 is attached so that the tip of the fiber is inserted into an optical connector or a receptacle (not shown) of the emission unit 34.
  • the optical fiber 32 has a core with a diameter of, for example, ⁇ 0.4 mm.
  • a collimating lens 36 is provided in the emission unit 34. The pumping LD light EB emitted from the end of the optical fiber 32 at a certain spread angle is collimated into parallel light by passing through the collimating lens 36.
  • the beam splitter 38 is, for example, a cube-type beam splitter (FIG. 2A) or a plate-type beam splitter (FIG. 2B) configured by two right-angle prisms, and is excited from the output unit 34.
  • the LD light EB is divided into two, that is, first and second half-pumped LD lights EB h1 and EB h2 .
  • the first half-pumped LD light EB h1 is emitted as transmitted light from the beam splitter 38 toward the first half-pump optical unit 40.
  • the second half-pumped LD light EB h2 is emitted as reflected light from the beam splitter 38 toward the second half-pump optical unit 42.
  • the first semi-pumping optical unit 40 has a folding mirror 44 and a condensing lens 46 arranged on the same line as the fundamental wave path FH in the optical resonator 13 (in a line in the X direction in the figure).
  • the condenser lens 46 optically has an optically constant distance (usually a focal length or a distance close to this) from one end face (right side of the drawing) of the laser medium 14 via the harmonic separation mirror 22. Opposite parallel and spaced apart.
  • the folding mirror 44 receives the first half-pumped LD light EB h1 from the beam splitter 38 and reflects it at a right angle toward the laser medium 14.
  • the first half-pumped LD light EB h1 turned back by the turning mirror 44 enters the right end surface of the laser medium 14 through the condenser lens 46 and the harmonic separation mirror 22.
  • the harmonic separation mirror 22 is coated with a film that is transmissive to the wavelength of the excitation LD light EB (for example, 880 nm).
  • the second semi-pumping optical unit 42 includes a folding mirror 48, a condensing lens 50, and a folding mirror 52 that are arranged in a line in the Y direction in the figure perpendicular to the fundamental wave path FH in the optical resonator 13. Yes.
  • the folding mirror 52 is disposed at an oblique angle on the fundamental wave path FH in the optical resonator 13 between the laser medium 14 and the Q switch 16.
  • the condenser lens 50 is optically opposed in parallel to the left end surface of the laser medium 14 via the folding mirror 52 at a certain optical distance (usually a focal length or a distance close thereto). .
  • the folding mirror 48 receives the second half-pumped LD light EB h2 from the beam splitter 38 and reflects it at a right angle toward the folding mirror 52 at the subsequent stage.
  • the second half-pumped LD light EB h2 folded by the folding mirror 48 is incident on the folding mirror 52 through the condenser lens 50, is folded at a right angle, and is incident on the left end surface of the laser medium 14.
  • the folding mirror 52 is formed of a dichroic mirror, and includes a film that is transmissive to the fundamental wave and a film that is highly reflective to the wavelength of the excitation LD light EB.
  • the excitation LD light output from the LD of the excitation light source is transmitted to the emission unit 34 via the optical fiber 32 by a fiber coupling method.
  • the excitation LD light emitted from the end of the optical fiber 32 in the emission unit 34 is collimated into parallel light by the collimating lens 36, and the parallel excitation light is converted by the beam splitter 38 into the first and second semi-excitation LD light EB h1. , EB h2 .
  • the first half-pumped LD light EB h1 is condensed and applied to the right end surface of the laser medium 14 via the first half-pump optical unit 40.
  • the second half-pumped LD light EB h2 is condensed and applied to the left end surface of the laser medium 14 via the second half-pump optical unit 42.
  • a large core diameter ( ⁇ 0.4 mm) is selected in the fiber coupling type optical fiber 32 as described above, and, as shown in FIG.
  • the second half-pumped LD light beams EB h1 and EB h2 have beam diameters D 1 and D 2 (for example, ⁇ 1...) That are larger than the apertures ( ⁇ 1 to ⁇ 1.2 mm) of the aperture 18a of the aperture unit 18 on both end surfaces of the laser medium 14. (32 mm).
  • the diameter of the incident LD light beam of the one-side end surface excitation method in the single mode-oriented conventional apparatus is ⁇ 0.6 to 0.9 mm.
  • the first and second half-pumped LD light beams EB h1 and EB h2 focused and incident on the outer end surfaces of the inactive portions 14b on both the left and right sides with the large beam diameters D 1 and D 2 as described above are It is introduced into the inner active medium part 14a through the inactive part 14b and excites active atoms in the active medium part 14a.
  • the active medium portion 14a generates heat by absorbing the laser energy of the half-pumped LD light EB h1 and EB h2 supplied from both the left and right sides.
  • the undoped non-active part 14b does not absorb the half-pumped LD light EB h1 and EB h2 incident from the outside, but passes it through the active medium part 14a as it is, and hardly generates heat.
  • the vicinity of the interface between the active medium part 14a and the non-active part 14b is the absorption start point, and a considerable amount of heat generated in the active medium part 14a is indicated by an arrow. As indicated by H, it diffuses into the inactive portion 14b.
  • the active medium portion (Nd: YVO 4 crystal) 14a and the non-active portion (undoped YVO 4 crystal) 14b are crystals of the same material, have the same thermal expansion coefficient, and are coupled to each other by diffusion bonding. Therefore, stable and good physical and thermal integrity is maintained between the two.
  • the nonlinear optical crystal 20 is optically coupled with the fundamental laser beam LB FH that passes through the crystal, and generates a second-order harmonic laser beam LB SH in a low-order mode in the same manner as the fundamental laser beam LB FH due to the nonlinear optical effect. Generate.
  • the second harmonic laser beam LB SH generated by the nonlinear optical crystal 20 is taken out of the optical resonator 13 through the harmonic separation mirror 22.
  • an emission unit (not shown) is connected to the optical resonator 13 via a transmission optical fiber (not shown), for example. ) Are optically connected.
  • the emission unit incorporates an optical system such as a collimator lens, a galvano scanner, and a condenser lens, and receives a second harmonic laser beam LB SH received from the optical resonator 13 via an optical fiber (not shown). Condensed and irradiated.
  • the lower the Q switch frequency that is, the repetition frequency
  • the heat trapped in the laser medium within one period also increases, so that the thermal lens effect is likely to occur.
  • 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.
  • the special structure (Nd: YVO 4 crystal 14a / undoped YVO 4 crystal 14b) of the laser medium 14 as described above, both-side end face excitation method by the excitation unit 30, and the beam stop of the aperture unit 18 described later.
  • the above trade-off is solved by a combined or synergistic action with the function.
  • 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.
  • 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 ⁇ J or more can be obtained.
  • 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 half mirror was used as the beam splitter 38 of the excitation unit 30.
  • 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.
  • the average laser output 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.
  • the laser output has the above characteristics (repetition frequency 20 kHz, M 2 ⁇ 1.3, average laser output 10 W or more, peak output 45 kW or more, pulse energy 500 ⁇ J or more).
  • the aperture unit 18 is detachably attached to the optical resonator 13. Then, with the aperture unit 18 removed from the optical resonator 13, harmonics and second harmonics are generated in the high-order mode in the optical resonator 13, and the beam profile (especially M 2 ) is adjusted for the high-order mode. I do.
  • each optical system or optical component is adjusted in the optical resonator 13 and the excitation unit 30.
  • both end mirrors are used.
  • the optical distance between 10 and 12, the distance between both terminal mirrors 10 and 12 and the laser medium 14 or the nonlinear optical crystal 20, the position of the condensing lenses 46 and 50, etc. are adjusted.
  • the adjustment of the higher-order mode is monitored by the laser measuring instrument 54 taking out the second harmonic laser beam LB SH outside the optical resonator 13 and measuring its M 2 (em square value). Then, when the measured value of M 2 falls within a predetermined range, preferably 3 ⁇ M 2 ⁇ 4, the high-order mode adjustment is terminated. Thereafter, an aperture unit 18 having an aperture diameter ( ⁇ 1 mm to 1.2 mm) smaller than the excitation LD light incident beam diameters D 1 and D 2 ( ⁇ 1.3 mm) is inserted into the optical resonator 13. This is the device state of FIG.
  • the layout of the optical resonator 13 is a folded arrangement type of “W” shape or “7” shape in plan view. Realization of space saving or space saving.
  • the optical system of the excitation unit 30 is disposed around the optical resonator 13.
  • the embodiment of FIG. 1 is arranged in the same two-dimensional direction as the optical resonator 13 (on the XY plane), the emission unit 34, the beam splitter 38, the first and second half. All of the excitation optical units 40 and 42 are deployed and arranged.
  • the entire apparatus is in either the X direction or the Y direction. Is also widening and has a relatively large device area.
  • the second harmonic laser beam is placed before the optical path of the first half-pumped LD light EB h1 set between the beam splitter 38 and the first half-pump optical unit 40 when viewed from the harmonic separation mirror 22.
  • a folding mirror 55 that directs LB SH in an appropriate direction may be arranged.
  • the second embodiment shown in FIG. 6 is characterized in that a fiber coupling optical fiber 32 is drawn in the same direction (X direction) as the fundamental wave optical path FH of the optical resonator 13. According to this layout, the apparatus size can be reduced in the Y direction, and the area of the entire apparatus can be reduced.
  • the beam splitter 38 may be a plate type as illustrated. However, in the plate type, since the optical axis of the transmitted light EB h1 is offset as shown in detail in FIG. 2B, it is necessary to adjust the arrangement position of the surrounding optical system in consideration of this point. .
  • the beam splitter 38 provided in the laser apparatus of this embodiment is preferably a half mirror (a mirror having reflected light and transmitted light intensity of approximately 1: 1), regardless of whether it is a cube type or a plate type. be able to.
  • the first half-pumped LD light EB h1 obtained as the partially transmitted light from the beam splitter 38 is the first half-pump optical unit 40 (condensing lens 46) and the harmonic separation mirror. 22 is focused and incident on the right end surface of the laser medium 14.
  • the second half-pumped LD light EB h2 obtained as partially reflected light from the beam splitter 38 passes through the folding mirror 45 and the second half-pumping optical unit 42 (the folding mirror 48, the condenser lens 50, and the folding mirror 52). Then, the light is focused and incident on the left end surface of the laser medium 14.
  • FIG. 7 and 8 show the arrangement of the optical system of the excitation unit 30 according to the third embodiment.
  • the optical path of the laser medium 14 or the fundamental wave light of the optical resonator 13 passes through the entire optical path of the first half-pumped LD light EB h1 in the half-pump optical unit 40.
  • the optical path of the second half-pumped LD light EB h1 in the second half-pump optical unit 42 is set on the same line as the path FH, as shown in FIG. 7 (substantially plan view). It is characterized in that it is set in a vertical plane overlapping the fundamental wave optical path FH of the optical resonator 13.
  • the influence on the size of the optical system itself of the excitation unit 30 and the size of the entire apparatus in the Y direction can be reduced as much as possible. It is possible to maximize the advantages of the optical resonator 13 that adopts the “shaped” or “7” shaped folded arrangement type.
  • 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.
  • the excitation unit 30 in the above embodiment uses a single or common fiber coupling LD for the first and second half-pumping optical units 40 and 42 in the both-side end face excitation system for the laser medium 14, thereby improving efficiency and reducing costs. I am trying sex.
  • the first and second semi-pumping optical units 40, 42 can be filled with separate fiber coupling LDs or other types of pumping LDs.
  • the above embodiments were those according to the second harmonic laser beam LB SH laser device which oscillates output.
  • the present invention is also applicable to a laser apparatus that oscillates and outputs the fundamental laser beam LB FH .
  • the nonlinear optical crystal 20 is removed from the optical resonator 13, and the terminal mirror 12 is replaced with a partially transmissive mirror (output mirror) having both transparency and reflectivity with respect to the fundamental wave.
  • a fundamental wave laser device can be obtained.

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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。

Description

レーザ装置
　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。
　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）。
　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）。
　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。
特開２００６－５２１２号公報 特開２００５－２０９９６５号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
本発明の一実施形態におけるレーザ装置の構成を示す略平面図である。 上記レーザ装置の励起部に用いられるビームスプリッタの構成例を示す図である。 上記レーザ装置におけるレーザ媒質の構成および両側端面励起方式の作用を示す図である。 第２高調波の平均レーザ出力の励起ＬＤ駆動電流値依存性について、実施例と比較例とを比較して示す図である。 上記レーザ装置において高次モード調整を行う際の各部の位置調整を示す図である。 上記レーザ装置の励起部における光学系の配置構成に関する第２の実施例を示す略平面図である。 上記レーザ装置における励起部の光学系の配置構成に関する第３の実施例を示す略平面図である。 上記第３の実施例に係る励起部の光学系の配置構成を示す略側面図である。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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

Claims (11)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　前記第２の半励起光学ユニットが、前記光共振器内の光路上に配置される折り返しミラーを有し、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く、請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 　前記第１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、その全区間を通じて前記レーザ媒質の光軸と同一線上に設定され、
    　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。
  5. 　前記励起原レーザビーム出射部は、
    　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。
  6. 　前記ビームスプリッタはハーフミラーを有する、請求項２に記載のレーザ装置。
  7. 　前記レーザ媒質において、
    　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。
  8. 　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スイッチを有する、請求項１に記載のレーザ装置。
  9. 　前記光共振器において、
    　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。
  10. 　前記光共振器において、前記第１の終端ミラーと第２の終端ミラーとの間に、前記基本波レーザビームを反射する第１の中間ミラーと、前記基本波レーザビームを反射し、かつ前記高調波レーザビームを透過させる第２の中間ミラーとが配置され、
    　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。
  11. 　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。
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