JP4398036B2 - レーザ発振装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、固体レーザ媒体を用いるレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ発振装置は、基本的には、所定の距離を隔てて平行に配置された全反射ミラーと部分反射ミラー（出力ミラー）との間にレーザ媒体を設けた構成になっている。レーザ励起手段によりレーザ媒体に所定の方法でエネルギーを与えて媒体中の原子を励起せしめると、誘導放出でレーザ媒体から光が放出される。放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラーと出力ミラーとの間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラーよりレーザ光として出力される。
【０００３】
ＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振装置では、熱レンズ効果を抑制してレーザ発振の安定性を高めるために、固体レーザ媒体とレーザ励起手段である励起光供給手段とを冷媒たとえば冷却水で強制冷却するのが通例である。一般にこの種の冷却機構は、固体レーザ媒体と励起光供給手段とを１つのチャンバに収容し、該チャンバ内に設けた所定の配管または流路に冷却水を循環供給することにより、固体レーザ媒体および励起光供給手段の励起光源より発生する熱を冷却水に吸収させてチャンバの外へ排出する構成になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ発振装置においては、レーザ光を共振増幅する過程で共振器ミラーも発熱する。共振器ミラーが熱膨張したり熱収縮して歪むと、両ミラー（全反射ミラー、出力ミラー）間の平行度が失われ、レーザ発振動作ないし発振出力が不安定になってしまう。したがって、安定したレーザ発振を保証するには、共振器ミラーに対しても冷媒を用いた温調を行うのが望ましい。
【０００５】
しかしながら、共振器ミラーにも冷却機構を設けるとなると、固体レーザ媒体および励起光源側とは別個の冷却機構が必要になるという理由、あるいは配管系統が複雑になるうえ装置スペースや装置コストの増大を来すという理由から、従来一般の固体レーザ発振装置は共振器ミラーの十全な冷却または温調を放棄してきた。
【０００６】
また、従来のこの種のチャンバでは、レーザロッドや励起光源の回りで冷却用の配管または流路を形成または構築する機構が煩雑で所要スペースも大きく、コンパクト化するのが難しかった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、レーザ発振器を構成する固体レーザ媒体、励起光供給手段および光共振器ミラーを部品点数の少ないコンパクトな構成で効率的に冷却するようにしたレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、側面に励起光を照射されると軸方向の両端面から光を放出するロッド型の固体レーザ媒体と、前記固体レーザ媒体を間隔を空けて包囲し、前記固体レーザ媒体の側面に沿って第１の冷媒流路を形成する光透過性のチューブと、励起用のレーザビームを発生するための半導体レーザ素子を直線的に複数個配列してなるレーザビーム出射面と前記半導体レーザ素子を保持する熱伝導性の保持部材と前記保持部材に貫通して形成された第２の冷媒流路とを有し、前記レーザビーム出射面が前記固体レーザ媒体の側面と対向するようにして前記固体レーザ媒体の周囲に周回方向の間隔を置いて並列に配置される複数の励起レーザユニットと、前記固体レーザ媒体の両端面にそれぞれ対向して配置される一対の光共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体、前記励起レーザユニットおよび少なくとも一方の前記光共振器ミラーを一体的に保持する保持ユニットと、前記保持ユニットに冷媒を供給する冷媒供給部とを具備し、前記保持ユニットが、前記固体レーザ媒体と前記励起レーザユニットとを収容するチャンバと、前記保持ユニット内の光共振器ミラーを包囲して保持する箱型の熱伝導性部材からなるミラー保持部と、前記保持ユニットに保持される光共振器ミラーの周囲に温調空間を形成するように前記ミラー保持部と密着した状態で前記チャンバと前記ミラー保持部との間に挟まれ、前記固体レーザ媒体と前記光共振器ミラーとの間で伝播する前記レーザ光を通すための光通路を有する熱伝導性ブロックからなる連結部と、前記冷媒供給部からの冷媒を一方が導入し他方が排出するために前記連結部に設けられる第１および第２のポートと、前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の始端を並列に接続するために、前記チャンバの前記連結部と隣接する側の端部に設けられる第１の接続通路と、前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の終端を前記第１の流路の始端に共通接続するために、前記チャンバの前記連結部と反対側の端部に設けられる第２の接続通路と、前記第１の接続ポートから前記第１の接続通路までの流路を形成するために前記連結部に設けられる第３の接続通路と、前記第１の流路の終端から前記第２のポートまでの流路を形成するために前記連結部に設けられる第４の接続通路とを有する。
【００１０】
本発明では、固体レーザ媒体、励起レーザユニットおよび少なくとも１つの光共振器ミラーの三者が共通の保持ユニットに一体的に保持される。この保持ユニットは、冷媒導入口（第１のポート）および冷媒排出口（第２のポート）を設けた熱伝導性ブロックの連結部を挟んで、片側に固体レーザ媒体および励起レーザユニットを収容するチャンバを連結し、反対側に光共振器ミラーを包囲して保持する熱伝導性部材からなるミラー保持部を連結している。
【００１１】
チャンバ内では、１本のロッド型固体レーザ媒体の側面の回りに複数の励起レーザユニットを放射状に配置し、各ユニットのレーザビーム出射面より出射された励起用レーザビームを四方から固体レーザ媒体の側面に集めるようにして照射または供給する。ここで、第１ポートに導入された冷媒は、第３の接続通路および第１の接続通路を通ってから複数の励起レーザユニットの第２の流路を並列的に分散して流れ、第２の流路を抜けると第２の接続通路を介して合流し、最も強力な冷却を必要とする固体レーザ媒体に対してはその側面に沿って形成された第１の冷媒流路を全流量で流れる。このように、コンパクトなスペースで各発熱性素子または部分に見合った効率的な冷却を行うことができる。
【００１２】
一方で、熱伝導性ブロックからなる連結部には、冷媒導入口（第１のポート）、冷媒排出口（第２のポート）、第３および第４の冷媒通路が設けられ、それら往復の流路を冷媒が全流量で通過する。箱型のミラー保持部は、そのような連結部と一体化して冷媒に熱的に結合され、一定温度に管理された熱容量の大きい温調空間の中で光共振器ミラーを保持する。これにより、レーザ発振中に該ミラーが発熱しても、ミラーの熱は速やかにこの温調空間に吸収され、ミラーの熱膨張や熱収縮が回避または抑制され、レーザ発振動作およびレーザ出力が安定に保たれる。
【００１９】
【発明の好適な実施形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１に、本発明の一実施形態によるレーザ発振装置の基本構成およびこのレーザ発振装置を用いるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１０、冷却水供給部１２、レーザ電源部１４およびレーザ出射部１５を有している。
【００２１】
レーザ発振器１０は、固体レーザ媒体たとえばＹＡＧロッド１６と、このＹＡＧロッド１６に励起用の光を供給する励起光供給部１８と、ＹＡＧロッド１６の軸方向の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラーすなわち全反射ミラー２０および部分反射ミラー（出力ミラー）２２とで構成されている。
【００２２】
レーザ発振器１０において、励起光供給部１８がレーザ電源部１４より供給される電力に応じて励起光ＥＢを発生し、この励起光ＥＢをＹＡＧロッド１６に側面から照射すると、ＹＡＧロッド１６が励起光のエネルギーによって励起され、誘導放出でロッド端面から軸方向に光が放出される。ＹＡＧロッド１６の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラー２０と出力ミラー２２との間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラー２２よりＹＡＧレーザ光ＬＢとして出力される。
【００２３】
レーザ発振器１０より出力されたＹＡＧレーザ光ＬＢは、光伝送系たとえば反射ミラー２４を介してレーザ出射部１５に送られ、レーザ出射部１５に内蔵の集光レンズにより被加工物Ｗに集光照射される。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、レーザ発振器１０を構成する要素のうち、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８および一方の光共振器ミラーたとえば全反射ミラー２０が１つの保持ユニット２６内に一体的に収容される。この保持ユニット２６は、冷却水入口（ＩＮ）２８および出口（ＯＵＴ）３０を備えており、内部に所定のルート、好ましくは固体レーザ媒体１６および励起光供給部１８に熱的に結合されるルートで冷却水流路を設けている。冷却水供給部１２は、配管３２を介して所定温度に温調された冷却水を保持ユニット２６の冷却水入口（ＩＮ）２８に供給し、保持ユニット２６の冷却水出口（ＯＵＴ）３０から冷却水を配管３４を介して回収する。保持ユニット２６内では、上記流路を冷却水が循環することにより、各部１６，１８，２０が共通の冷却水で同時に冷却される。
【００２５】
図２〜図８に、本発明の一実施形態におけるレーザ発振器１０の具体的な構成例を示す。図２は、レーザ発振器１０の内部の構造を示す縦断面図である。図３および図４は、図２においてそれぞれ矢印Ａ，Ｂの方向から見たレーザ発振器１０の左側面図および右側面図である。図５は、レーザ発振器１０のチャンバに設けられる内側保持板の構成を示す斜視図である。図６は、図２の矢印Ｃについての横断面図である。図７は、レーザ発振器１０のチャンバ内に設けられる励起レーザユニットの外観を示す斜視図である。図８は、図２の矢印Ｄについての矢視図である。
【００２６】
図２〜図４に示すように、レーザ発振器１０の保持ユニット２６は、円柱形のＹＡＧロッド１６と励起光供給部１８を収容して保持するチャンバ４０と、全反射ミラー２０を包囲して保持するミラー保持部４２と、チャンバ４０とミラー保持部４２との間に密着した状態で挿入される連結部４４とを一体結合してなる。
【００２７】
チャンバ４０は、電気的に絶縁性でかつ遮光性の材質たとえば樹脂からなる円筒状カバー体４６と、このカバー体４６の内側で周回方向に等間隔たとえば１２０゜間隔で配置された軸方向に延在する複数本たとえば３本の円柱状支持ロッド４８と、これらの支持ロッド４８の一端部（内側端部）に嵌合取付された電気的に絶縁性の円盤状保持板５０と、これらの支持ロッド４８の他端部（外側端部）にボルト５２によって固定取付された電気的に絶縁性の円盤状保持板５４とを有している。
【００２８】
図５に示すように、保持板５０の周縁部には３つの貫通孔５０ａが１２０゜間隔で形成されるとともに、中心部に１つの貫通孔５０ｂが形成されている。中心部の貫通孔５０ｂの周囲に円形の凹所５０ｃが形成され、この円形凹所５０ｃから各隣接する貫通孔５０ａの間を通るように１２０゜間隔で３つの放射状に延在する凹所５０ｄが形成されており、各放射状凹所５０ｄの中間部に貫通孔５０ｅが形成されている。
【００２９】
図２において、保持板５０の各周縁貫通孔５０ａに各支持ロッド４８の内側端部４８ａが嵌入され、保持板５０の中心貫通孔５０ｂにＹＡＧロッド１６が隙間を空けて挿入されるたとえばガラス製の透明チューブ５６の一端部がＯリング５８を介して嵌入され、保持板５０の放射状凹所５０ｄに励起光供給部１８の各励起レーザユニット６０の一端部が嵌入される。ここで、各励起レーザユニット６０の一端面より円筒状に突出している冷却水導入口６０ａが放射状凹所５０ｄ内の貫通孔５０ｅにＯリング６２を介して嵌入される。なお、チューブ５６の内側面とＹＡＧロッド１６の側面または外周面との間に形成される円筒状の隙間は冷却水ＣＷを流すための流路１７を形成する。
【００３０】
他方の保持板５４には、上記保持板５０の各周縁貫通孔５０ａと対応する位置に円形の凹所５４ａが形成され、上記保持板５０の中心貫通孔５０ｂと対応する位置に中心貫通孔５４ｂが形成され、上記保持板５０の円形凹所５０ｃおよび放射状凹所５０ｄとそれぞれ対応する位置に円形凹所５４ｃおよび放射状凹所５４ｄが形成され、上記保持板５０の各貫通孔５０ｅと対応する位置に各貫通孔５４ｅが形成されている。
【００３１】
図２において、保持板５４の各周縁凹所５４ａに各支持ロッド４８の外側端部４８ｂが嵌入され、保持板５４の中心貫通孔５４ｂに透明チューブ５６の他端部がＯリング６４を介して嵌入され、保持板５４の放射状凹所５４ｄに各励起レーザユニット６０の他端部が嵌入される。ここで、各励起レーザユニット６０の他端面より円筒状に突出している冷却水排出口６０ｂが放射状凹所５４ｄ内の貫通孔５４ｅにＯリング６６を介して嵌入される。
【００３２】
保持板５４の外側には、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂを透明チューブ５６内の流路の外側端に接続するための接続通路６８が形成されている。
【００３３】
より詳細には、保持板５４の外側面にたとえばシリコーンゴムからなるシート状のパッキン７０が貼り合わされる。このパッキン７０には、図４で点線で示すように、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂから透明チューブ５６の外側端にかけて放射状の開口７０ａが形成されている。このパッキン７０に軸方向および半径方向外側から蓋体７２が被さり、外からボルト５２および７４がそれぞれ蓋体７２およびパッキン７０を介して保持板５４ないし支持ロッド４８に螺着している。蓋体７２の中心部にはＹＡＧロッド１６の外側端部を通す孔７２ａが形成されるとともに、蓋体７２の外側面にはロッド通し孔７２ａの周囲に円形の凹所７２ｂが形成され、この円形凹所７２ｂの外周璧面にはタップ（雌ねじ）７２ｃが切られている。この円形凹所７２ｂにＯリング７６を介して外周面にねじ山（雄ネジ）を有するリングネジ７８が螺合する。かかる構成により、パッキン７０の開口７０ａに沿って密閉された接続通路６８が形成される。
【００３４】
なお、図４では、説明の便宜のため、蓋体７２の外側面において中心部の円形の凹所７２ｂやリングネジ７８等を省略している。
【００３５】
図２において、保持板５０の外側には、各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａおよび透明チューブ５６内の流路の内側端をそれぞれ連結部４４内の対応する流路に接続するための接続通路８０，８２が形成されている。
【００３６】
より詳細には、保持板５０の（チャンバ４０中心部からみて）外側の面にたとえばシリコーンゴムからなるシート状のパッキン８４が貼り合わされる。このパッキン８４には、各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａと対向する位置に開口８４ａが形成されるとともに、図８で点線に示すように透明チューブ５６の内側端から放射状に（たとえば１２０゜間隔で三方へ）所定の長さだけ延びる開口８４ｂが形成されている。このパッキン８４に軸方向および半径方向外側から蓋体８６が被さり、外からボルト８８が蓋体８６およびパッキン８４を介して各支持ロッド４８に螺着している。蓋体８６には、パッキン８４の各円形開口８４ａと対応する位置に円形開口８６ａが形成されるとともに、パッキン８４の各放射状開口８４ｂの半径方向外側端部と対応する位置に円形の開口８６ｂが形成されている。さらに、蓋体８６の中心部にはＹＡＧロッド１６の内側端部を通す孔８６ｃが形成されるとともに、蓋体８６の外側面にはロッド通し孔８６ｃの周囲に円形の凹所８６ｄが形成され、この円形凹所８６ｄの外周璧面にはタップ（雌ねじ）８６ｅが切られている。この円形凹所８６ｄにＯリング９０を介して外周面にねじ山（雄ネジ）を有するリングネジ９２が螺合する。かかる構成により、パッキン８４および蓋体８６の各円形開口８４ａ，８６ａを貫通して密閉された接続通路８０が形成されるとともに、パッキン８４の各放射状開口８４ｂに沿って密閉され、かつ蓋体８６の各円形開口８６ｂを貫通して密閉された接続通路８２が形成される。
【００３７】
図７において、各励起レーザユニット６０は、たとえば銅からなる直方体形状の熱伝導性ブロックまたはホルダ６０ｃを有している。このブロックの長手方向の両側面に上記円筒型冷却水導入口６０ａおよび排出口６０ｂが設けられるとともに、ブロック内部には両ポート６０ａ，６０ｂ間で冷却水を流すための流路６０ｄが形成されている。また、ブロック６０ｃの前面には、励起光源用の半導体レーザたとえばレーザダイオードＬＤが一列に多数配列して設けられるとともに、ブロック６０ｃの厚み方向の両側面に一対の電力入力用電極６０ｅが設けられている。これらの電極６０ｅは電気ケーブルまたはコード９４，９６を介してレーザ電源部１４（図１）の出力端子に接続されている。
【００３８】
図２および図６に示すように、チャンバ４０内で、各励起レーザユニット６０のレーザダイオードアレイＬＤＡはＹＡＧロッド１６の側面（励起面）と対向して配置される。レーザ電源部１４からの電力の供給を受けて、各レーザダイオードが励起用のレーザビームＥＢを出射する。出射されたレーザビームＥＢは、正面のガラスチューブ５６を透過してＹＡＧロッド１６の側面（励起面）に入射し、ＹＡＧロッド１６を励起する。
【００３９】
なお、レーザ発振中は、励起状態のＹＡＧロッド１６が発熱する。また、各励起レーザユニット６０でも発光部のレーザダイオードアレイＬＤＡが発熱する。これらのＹＡＧロッド１６，ＬＤＡから発生した熱は、それらと熱的に結合されている付近の流路１７，６０ｄを流れる冷却水ＣＷに吸収される。
【００４０】
連結部４４は、たとえばステンレス鋼からなる直方体形状の熱伝導性ブロックとして構成され、チャンバ４０の蓋体８６にボルト９８で密着固定される。連結部４４の中心部には、ＹＡＧロッド１６の内側端面を受け入れ、ＹＡＧロッド１６の光軸上で伝播する光またはレーザ光ＬＢを通すための貫通孔４４ａが形成されている。また、連結部４４の内部には、該貫通孔４４ａには当たらないルートで冷却水導入口（ＩＮ）２８からチャンバ４０の蓋体８６の各円形開口８６ａに至る流路（接続通路）４４ｂと冷却水排出口（ＯＵＴ）２８から該蓋体８６の各円形開口８６ｂに至る流路（接続通路）４４ｃとが形成されている。
【００４１】
冷却水供給部１２より配管３２を介して連結部４４の冷却水導入口（ＩＮ）２８より保持ユニット２６内に導入された冷却水ＣＷは、連結部４４内の各接続通路４４ｂおよびチャンバ４０内の各接続通路８０を通って各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａに供給される。各励起レーザユニット６０に供給された冷却水ＣＷは、各ユニット６０のブロック６０ｃ内を縦断するようにして内部流路６０ｄを流れ、その際に各レーザダイオードアレイＬＤＡより発生された熱を吸収する。そして、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂから出た冷却水ＣＷは、チャンバ４０の外側端部の各接続通路６８を通って透明チューブ５６の外側端からチューブ５６内の流路１７に入る。チューブ５６内の流路１７に外側端から入った冷却水ＣＷは、ＹＡＧロッド１６の側面または外周面に沿ってチューブ５６の内側端へ向って流れ、その際にＹＡＧロッド１６より発生された熱を吸収する。そして、チューブ５６の内側端より出て各接続通路８２へ分岐した冷却水ＣＷは、連結部４４内の各接続通路４４ｃを通って冷却水出口（ＯＵＴ）３０に集められ、このポート３０から配管３４を通って冷却水供給部１２に回収される。
【００４２】
冷却水供給部１２は、熱交換器を備えており、保持ユニット２６の冷却水出口（ＯＵＴ）３０より回収した冷却水ＣＷを所定の温度まで温調（冷却）し、温調した冷却水ＣＷを再び保持ユニット２６の冷却水入口（ＩＮ）２８に送る。
【００４３】
上記のように、この実施形態では、保持ユニット２６のチャンバ４０内に、ＹＡＧロッド１６の側面または外周面の回りに複数個たとえば３個の励起レーザユニット６０を一定の角度間隔で放射状に配置し、各励起レーザユニット６０の前面（レーザビーム出射面）のレーザダイオードアレイＬＤＡより出射された励起用レーザビームＥＢを三方からＹＡＧロッド１６の外周面に集めるようにして照射または供給するので、小さなチャンバスペースに励起レーザユニット６０を高密度に近接配置している。
【００４４】
そして、チャンバ４０内で、循環供給される冷却水ＣＷは、３個の励起レーザユニット６０に対しては各ユニット６０の熱伝導性ブロック６０ｃ内の流路６０ｄを並列的に分散して流れるとともに、最も強力な冷却を必要とするＹＡＧロッド１６に対してはチューブ５６内に沿ってＹＡＧロッド１６周囲の流路１７を全部（全冷却水）が流れる。これにより、コンパクトなチャンバスペースで各発熱部（ＹＡＧロッド１６，ＬＤＡ）に見合った冷却を効率的に行うことができる。
【００４５】
ミラー保持部４２は、箱型の熱伝導性部材たとえばステンレス鋼からなり、その四面の側璧４２ａの端面を連結部４４のチャンバ４０側とは反対側の側面に密着させてボルト１００で密着固定されている。ミラー保持部４２の内側凹所４２ｂ内において、全反射ミラー２０は、たとえばアルミニウムからなる熱伝導性のキャップ状ミラーケース１０２内に保持された状態で、連結部４４の貫通孔４４ａと対向し、ひいては該貫通孔４４ａを介してＹＡＧロッド１６の内側端面と対向する向きに配設される。ミラーケース１０２のキャップ頂面の部位つまり全反射ミラー２０の正面の部位は開口１０２ａになっており、全反射ミラー２０とＹＡＧロッド１６との間でレーザ光ＬＢが伝播できるようになっている。
【００４６】
ミラーケース１０２の鍔部または周縁部１０２ｂは図３に示すように四角状に形成され、その裏面（凹所４２ｂの底面と対向する面）は１つの角隅部１０２ｃにて支点用のボール１０６に当接し、該支点１０６の隣または両側の角隅部１０２ｄ，１０２ｅにてＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０の半球面状内側端１０８ａに当接している。ケース１０２の周縁部１０２ｂよりも半径方向内側の部分はミラー２０の出し入れを可能とするために開口しており、内側壁面にはタップまたは雌ネジ１０２ｅが切られている。このタップ１０２ｅにリングネジ１１２が螺合することで、全反射ミラー２０がケース１０２内に保持されている。また、支点ボール１０６とＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０それぞれとのほぼ中間の位置にて、全反射ミラー２０の裏面とミラー保持部４２の外側面４２ｃとの間に圧縮コイルバネ１１４が取り付けられており、これらのコイルバネ１１４の弾性的な引っ張り力によって全反射ミラー２０およびミラーケース１０２は支点１０６およびＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０を介してミラー保持部４２に対して（詳細には凹所４２の底面に対して）押し付けられている。
【００４７】
支点ボール１０６は、このボールの直径よりも小さい穴径で形成されたミラーケース１０２およびミラー保持部４２の孔１０２ｆ，４２ｄに挟まれた状態でミラーケース１０２の角隅部１０２ｃに当接している。これにより、ミラーケース１０２は、支点ボール１０６を支点としてＸ方向およびＹ方向にミラーの向きを変えられるようになっている。一方、Ｘ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０は、ミラー保持部４２の貫通孔に取付された円筒状のナット１１６に螺合し、その半球面状先端部１０８ａ，１１０ａ（１１０ａは図示せず）をミラーケース１０２の角隅部１０２ｄ，１０２ｅに当接させている。これにより、たとえばＸ方向傾き調整ネジ１０８を回すことで、このネジ１０８の先端部１０８ａを軸方向に変位させ、その変位量に応じてミラーケース１０２および全反射ミラー２０のＸ方向における傾きを調整することができる。同様にして、Ｙ方向傾き調整ネジ１１０を回すことで、ミラーケース１０２および全反射ミラー２０のＹ方向における傾きを調整することができる。
【００４８】
ミラー保持部４２の中心部には、リングネジ１１２の内側開口とほぼ同径の円形開口４２ｅが形成されている。全反射ミラー２０の裏面から漏れた光は、リングネジ１１２の内側開口およびミラー保持部４２の開口４２ｅを通して外部へ取出可能となっている。したがって、ミラー保持部４２の開口４２ｅの外に、たとえば光センサ（図示せず）を配置して、漏れた光の光強度を検出し、その光強度の検出値からレーザ光ＬＢの出力を求めることも可能である。
【００４９】
上記したように、本実施形態のレーザ発振装置では、熱伝導性の連結部４４に密着接合された熱伝導性の箱型ミラー保持部４２の凹所または室４２ｂ内に全反射ミラー２０が収容される。連結部４４は、その内部の流路４４ｂ，４４ｃに冷却水ＣＷが循環供給されるため、一定の温度に保たれる。ミラー保持部４２も、熱的に連結部４４と一体化しているため、一定の温度に保たれる。こうして、一定温度に管理された熱容量の大きい温調空間に全反射ミラー２０が配設されることで、レーザ発振中に全反射ミラー２０が発熱しても、ミラー２０の熱は速やかにこの温調空間に吸収され、ミラー２０の熱膨張や熱収縮が回避または抑制される。したがって、本実施形態のレーザ加工装置においては、安定した出力のレーザ光ＬＢを用いて高品質のレーザ加工を被加工物Ｗに施すことができる。
【００５０】
なお、ミラー保持部４２の内部に流路を形成するとともに、連結部４４に該ミラー保持部４２の流路に接続する接続通路を設け、ミラー保持部４２の内部流路に冷却水ＣＷを循環供給する構成も可能である。
【００５１】
上記したように、本実施形態では、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８（励起レーザユニット６０）および全反射ミラー２０の三者が共通の保持ユニット２６に一体的に保持され、共通の冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０を通じて循環供給される冷却水ＣＷにより保持ユニット２６内の各発熱部が冷却または温調されるようになっている。このような一括的または一元的な冷却方式により、部品点数の少ないコンパクトな機構で冷却効率の高い装置構成となっている。
【００５２】
上記した実施形態では、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８および全反射ミラー２０の三者を共通の保持ユニット２６で一体的に保持する構成であったが、全反射ミラー２０に代えて出力ミラー２２を本発明の保持ユニットで保持する構成としてもよく、あるいは両ミラー２０，２２の双方を本発明の保持ユニットで保持する構成とすることも可能である。
【００５３】
上記した実施形態では、保持ユニット２６に冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０をそれぞれ１個ずつ設けた。しかし、これらのポート２８，３０を複数個設ける構成も可能である。また、上記した実施形態では、連結部４４に冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０を設けた。しかし、これらのポート２８，３０の片側または双方をチャンバ４０またはミラー保持部４２に設けることも可能であり、連結部４４を実質的に省いてチャンバ４０とミラー保持部４２同士を結合するような構成も可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ発振装置によれば、固体レーザ媒体と励起光供給手段とを、あるいはこれらに加えて光共振器ミラーとを部品点数の少ないコンパクトな構成で効率的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ発振装置の基本構成およびこのレーザ発振装置を用いるレーザ加工装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態におけるレーザ発振器の具体的な構成例を示す縦断面図である。
【図３】図２の矢印Ａの方向から見た実施形態におけるレーザ発振器の側面図である。
【図４】図２の矢印Ｂの方向から見た実施形態におけるレーザ発振器の側面図である。
【図５】実施形態のレーザ発振器のチャンバに設けられる保持板の構成を示す斜視図である。
【図６】図２の矢印Ｃについての横断面図である。
【図７】実施形態のレーザ発振器のチャンバ内に設けられる励起レーザユニットの外観を示す斜視図である。
【図８】図２の矢印Ｄについての矢視図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振器
１２ 冷却水供給部
１４ レーザ電源部
１６ ＹＡＧロッド（固体レーザ媒体）
１７ 流路
１８ 励起光供給部
２０ 全反射ミラー
２２ 出力ミラー
４０ チャンバ
４２ ミラー保持部
４２ｂ 凹所
４４ 連結部
４４ｃ，４４ｂ 接続通路（流路）
４８ 支持ロッド
５０ 内側保持板
５４ 外側保持板
５６ 透明チューブ
６０ 励起レーザユニット
６０ｄ 流路
ＬＤＡ レーザダイオードアレイ
６８ 接続通路（流路）
７０，８４ パッキン
８０，８２ 連通路
１０２ ミラーケース
１０６ 支点ボール
１０８ Ｘ方向傾き調整ネジ
１１０ Ｙ方向傾き調整ネジ
１１４ 圧縮コイルバネ
【発明が属する技術分野】
本発明は、固体レーザ媒体を用いるレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ発振装置は、基本的には、所定の距離を隔てて平行に配置された全反射ミラーと部分反射ミラー（出力ミラー）との間にレーザ媒体を設けた構成になっている。レーザ励起手段によりレーザ媒体に所定の方法でエネルギーを与えて媒体中の原子を励起せしめると、誘導放出でレーザ媒体から光が放出される。放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラーと出力ミラーとの間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラーよりレーザ光として出力される。
【０００３】
ＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振装置では、熱レンズ効果を抑制してレーザ発振の安定性を高めるために、固体レーザ媒体とレーザ励起手段である励起光供給手段とを冷媒たとえば冷却水で強制冷却するのが通例である。一般にこの種の冷却機構は、固体レーザ媒体と励起光供給手段とを１つのチャンバに収容し、該チャンバ内に設けた所定の配管または流路に冷却水を循環供給することにより、固体レーザ媒体および励起光供給手段の励起光源より発生する熱を冷却水に吸収させてチャンバの外へ排出する構成になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ発振装置においては、レーザ光を共振増幅する過程で共振器ミラーも発熱する。共振器ミラーが熱膨張したり熱収縮して歪むと、両ミラー（全反射ミラー、出力ミラー）間の平行度が失われ、レーザ発振動作ないし発振出力が不安定になってしまう。したがって、安定したレーザ発振を保証するには、共振器ミラーに対しても冷媒を用いた温調を行うのが望ましい。
【０００５】
しかしながら、共振器ミラーにも冷却機構を設けるとなると、固体レーザ媒体および励起光源側とは別個の冷却機構が必要になるという理由、あるいは配管系統が複雑になるうえ装置スペースや装置コストの増大を来すという理由から、従来一般の固体レーザ発振装置は共振器ミラーの十全な冷却または温調を放棄してきた。
【０００６】
また、従来のこの種のチャンバでは、レーザロッドや励起光源の回りで冷却用の配管または流路を形成または構築する機構が煩雑で所要スペースも大きく、コンパクト化するのが難しかった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、レーザ発振器を構成する固体レーザ媒体、励起光供給手段および光共振器ミラーを部品点数の少ないコンパクトな構成で効率的に冷却するようにしたレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、側面に励起光を照射されると軸方向の両端面から光を放出するロッド型の固体レーザ媒体と、前記固体レーザ媒体を間隔を空けて包囲し、前記固体レーザ媒体の側面に沿って第１の冷媒流路を形成する光透過性のチューブと、励起用のレーザビームを発生するための半導体レーザ素子を直線的に複数個配列してなるレーザビーム出射面と前記半導体レーザ素子を保持する熱伝導性の保持部材と前記保持部材に貫通して形成された第２の冷媒流路とを有し、前記レーザビーム出射面が前記固体レーザ媒体の側面と対向するようにして前記固体レーザ媒体の周囲に周回方向の間隔を置いて並列に配置される複数の励起レーザユニットと、前記固体レーザ媒体の両端面にそれぞれ対向して配置される一対の光共振器ミラーと、前記固体レーザ媒体、前記励起レーザユニットおよび少なくとも一方の前記光共振器ミラーを一体的に保持する保持ユニットと、前記保持ユニットに冷媒を供給する冷媒供給部とを具備し、前記保持ユニットが、前記固体レーザ媒体と前記励起レーザユニットとを収容するチャンバと、前記保持ユニット内の光共振器ミラーを包囲して保持する箱型の熱伝導性部材からなるミラー保持部と、前記保持ユニットに保持される光共振器ミラーの周囲に温調空間を形成するように前記ミラー保持部と密着した状態で前記チャンバと前記ミラー保持部との間に挟まれ、前記固体レーザ媒体と前記光共振器ミラーとの間で伝播する前記レーザ光を通すための光通路を有する熱伝導性ブロックからなる連結部と、前記冷媒供給部からの冷媒を一方が導入し他方が排出するために前記連結部に設けられる第１および第２のポートと、前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の始端を並列に接続するために、前記チャンバの前記連結部と隣接する側の端部に設けられる第１の接続通路と、前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の終端を前記第１の流路の始端に共通接続するために、前記チャンバの前記連結部と反対側の端部に設けられる第２の接続通路と、前記第１の接続ポートから前記第１の接続通路までの流路を形成するために前記連結部に設けられる第３の接続通路と、前記第１の流路の終端から前記第２のポートまでの流路を形成するために前記連結部に設けられる第４の接続通路とを有する。
【００１０】
本発明では、固体レーザ媒体、励起レーザユニットおよび少なくとも１つの光共振器ミラーの三者が共通の保持ユニットに一体的に保持される。この保持ユニットは、冷媒導入口（第１のポート）および冷媒排出口（第２のポート）を設けた熱伝導性ブロックの連結部を挟んで、片側に固体レーザ媒体および励起レーザユニットを収容するチャンバを連結し、反対側に光共振器ミラーを包囲して保持する熱伝導性部材からなるミラー保持部を連結している。
【００１１】
チャンバ内では、１本のロッド型固体レーザ媒体の側面の回りに複数の励起レーザユニットを放射状に配置し、各ユニットのレーザビーム出射面より出射された励起用レーザビームを四方から固体レーザ媒体の側面に集めるようにして照射または供給する。ここで、第１ポートに導入された冷媒は、第３の接続通路および第１の接続通路を通ってから複数の励起レーザユニットの第２の流路を並列的に分散して流れ、第２の流路を抜けると第２の接続通路を介して合流し、最も強力な冷却を必要とする固体レーザ媒体に対してはその側面に沿って形成された第１の冷媒流路を全流量で流れる。このように、コンパクトなスペースで各発熱性素子または部分に見合った効率的な冷却を行うことができる。
【００１２】
一方で、熱伝導性ブロックからなる連結部には、冷媒導入口（第１のポート）、冷媒排出口（第２のポート）、第３および第４の冷媒通路が設けられ、それら往復の流路を冷媒が全流量で通過する。箱型のミラー保持部は、そのような連結部と一体化して冷媒に熱的に結合され、一定温度に管理された熱容量の大きい温調空間の中で光共振器ミラーを保持する。これにより、レーザ発振中に該ミラーが発熱しても、ミラーの熱は速やかにこの温調空間に吸収され、ミラーの熱膨張や熱収縮が回避または抑制され、レーザ発振動作およびレーザ出力が安定に保たれる。
【００１９】
【発明の好適な実施形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１に、本発明の一実施形態によるレーザ発振装置の基本構成およびこのレーザ発振装置を用いるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザ発振器１０、冷却水供給部１２、レーザ電源部１４およびレーザ出射部１５を有している。
【００２１】
レーザ発振器１０は、固体レーザ媒体たとえばＹＡＧロッド１６と、このＹＡＧロッド１６に励起用の光を供給する励起光供給部１８と、ＹＡＧロッド１６の軸方向の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラーすなわち全反射ミラー２０および部分反射ミラー（出力ミラー）２２とで構成されている。
【００２２】
レーザ発振器１０において、励起光供給部１８がレーザ電源部１４より供給される電力に応じて励起光ＥＢを発生し、この励起光ＥＢをＹＡＧロッド１６に側面から照射すると、ＹＡＧロッド１６が励起光のエネルギーによって励起され、誘導放出でロッド端面から軸方向に光が放出される。ＹＡＧロッド１６の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラー２０と出力ミラー２２との間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラー２２よりＹＡＧレーザ光ＬＢとして出力される。
【００２３】
レーザ発振器１０より出力されたＹＡＧレーザ光ＬＢは、光伝送系たとえば反射ミラー２４を介してレーザ出射部１５に送られ、レーザ出射部１５に内蔵の集光レンズにより被加工物Ｗに集光照射される。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、レーザ発振器１０を構成する要素のうち、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８および一方の光共振器ミラーたとえば全反射ミラー２０が１つの保持ユニット２６内に一体的に収容される。この保持ユニット２６は、冷却水入口（ＩＮ）２８および出口（ＯＵＴ）３０を備えており、内部に所定のルート、好ましくは固体レーザ媒体１６および励起光供給部１８に熱的に結合されるルートで冷却水流路を設けている。冷却水供給部１２は、配管３２を介して所定温度に温調された冷却水を保持ユニット２６の冷却水入口（ＩＮ）２８に供給し、保持ユニット２６の冷却水出口（ＯＵＴ）３０から冷却水を配管３４を介して回収する。保持ユニット２６内では、上記流路を冷却水が循環することにより、各部１６，１８，２０が共通の冷却水で同時に冷却される。
【００２５】
図２〜図８に、本発明の一実施形態におけるレーザ発振器１０の具体的な構成例を示す。図２は、レーザ発振器１０の内部の構造を示す縦断面図である。図３および図４は、図２においてそれぞれ矢印Ａ，Ｂの方向から見たレーザ発振器１０の左側面図および右側面図である。図５は、レーザ発振器１０のチャンバに設けられる内側保持板の構成を示す斜視図である。図６は、図２の矢印Ｃについての横断面図である。図７は、レーザ発振器１０のチャンバ内に設けられる励起レーザユニットの外観を示す斜視図である。図８は、図２の矢印Ｄについての矢視図である。
【００２６】
図２〜図４に示すように、レーザ発振器１０の保持ユニット２６は、円柱形のＹＡＧロッド１６と励起光供給部１８を収容して保持するチャンバ４０と、全反射ミラー２０を包囲して保持するミラー保持部４２と、チャンバ４０とミラー保持部４２との間に密着した状態で挿入される連結部４４とを一体結合してなる。
【００２７】
チャンバ４０は、電気的に絶縁性でかつ遮光性の材質たとえば樹脂からなる円筒状カバー体４６と、このカバー体４６の内側で周回方向に等間隔たとえば１２０゜間隔で配置された軸方向に延在する複数本たとえば３本の円柱状支持ロッド４８と、これらの支持ロッド４８の一端部（内側端部）に嵌合取付された電気的に絶縁性の円盤状保持板５０と、これらの支持ロッド４８の他端部（外側端部）にボルト５２によって固定取付された電気的に絶縁性の円盤状保持板５４とを有している。
【００２８】
図５に示すように、保持板５０の周縁部には３つの貫通孔５０ａが１２０゜間隔で形成されるとともに、中心部に１つの貫通孔５０ｂが形成されている。中心部の貫通孔５０ｂの周囲に円形の凹所５０ｃが形成され、この円形凹所５０ｃから各隣接する貫通孔５０ａの間を通るように１２０゜間隔で３つの放射状に延在する凹所５０ｄが形成されており、各放射状凹所５０ｄの中間部に貫通孔５０ｅが形成されている。
【００２９】
図２において、保持板５０の各周縁貫通孔５０ａに各支持ロッド４８の内側端部４８ａが嵌入され、保持板５０の中心貫通孔５０ｂにＹＡＧロッド１６が隙間を空けて挿入されるたとえばガラス製の透明チューブ５６の一端部がＯリング５８を介して嵌入され、保持板５０の放射状凹所５０ｄに励起光供給部１８の各励起レーザユニット６０の一端部が嵌入される。ここで、各励起レーザユニット６０の一端面より円筒状に突出している冷却水導入口６０ａが放射状凹所５０ｄ内の貫通孔５０ｅにＯリング６２を介して嵌入される。なお、チューブ５６の内側面とＹＡＧロッド１６の側面または外周面との間に形成される円筒状の隙間は冷却水ＣＷを流すための流路１７を形成する。
【００３０】
他方の保持板５４には、上記保持板５０の各周縁貫通孔５０ａと対応する位置に円形の凹所５４ａが形成され、上記保持板５０の中心貫通孔５０ｂと対応する位置に中心貫通孔５４ｂが形成され、上記保持板５０の円形凹所５０ｃおよび放射状凹所５０ｄとそれぞれ対応する位置に円形凹所５４ｃおよび放射状凹所５４ｄが形成され、上記保持板５０の各貫通孔５０ｅと対応する位置に各貫通孔５４ｅが形成されている。
【００３１】
図２において、保持板５４の各周縁凹所５４ａに各支持ロッド４８の外側端部４８ｂが嵌入され、保持板５４の中心貫通孔５４ｂに透明チューブ５６の他端部がＯリング６４を介して嵌入され、保持板５４の放射状凹所５４ｄに各励起レーザユニット６０の他端部が嵌入される。ここで、各励起レーザユニット６０の他端面より円筒状に突出している冷却水排出口６０ｂが放射状凹所５４ｄ内の貫通孔５４ｅにＯリング６６を介して嵌入される。
【００３２】
保持板５４の外側には、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂを透明チューブ５６内の流路の外側端に接続するための接続通路６８が形成されている。
【００３３】
より詳細には、保持板５４の外側面にたとえばシリコーンゴムからなるシート状のパッキン７０が貼り合わされる。このパッキン７０には、図４で点線で示すように、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂから透明チューブ５６の外側端にかけて放射状の開口７０ａが形成されている。このパッキン７０に軸方向および半径方向外側から蓋体７２が被さり、外からボルト５２および７４がそれぞれ蓋体７２およびパッキン７０を介して保持板５４ないし支持ロッド４８に螺着している。蓋体７２の中心部にはＹＡＧロッド１６の外側端部を通す孔７２ａが形成されるとともに、蓋体７２の外側面にはロッド通し孔７２ａの周囲に円形の凹所７２ｂが形成され、この円形凹所７２ｂの外周璧面にはタップ（雌ねじ）７２ｃが切られている。この円形凹所７２ｂにＯリング７６を介して外周面にねじ山（雄ネジ）を有するリングネジ７８が螺合する。かかる構成により、パッキン７０の開口７０ａに沿って密閉された接続通路６８が形成される。
【００３４】
なお、図４では、説明の便宜のため、蓋体７２の外側面において中心部の円形の凹所７２ｂやリングネジ７８等を省略している。
【００３５】
図２において、保持板５０の外側には、各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａおよび透明チューブ５６内の流路の内側端をそれぞれ連結部４４内の対応する流路に接続するための接続通路８０，８２が形成されている。
【００３６】
より詳細には、保持板５０の（チャンバ４０中心部からみて）外側の面にたとえばシリコーンゴムからなるシート状のパッキン８４が貼り合わされる。このパッキン８４には、各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａと対向する位置に開口８４ａが形成されるとともに、図８で点線に示すように透明チューブ５６の内側端から放射状に（たとえば１２０゜間隔で三方へ）所定の長さだけ延びる開口８４ｂが形成されている。このパッキン８４に軸方向および半径方向外側から蓋体８６が被さり、外からボルト８８が蓋体８６およびパッキン８４を介して各支持ロッド４８に螺着している。蓋体８６には、パッキン８４の各円形開口８４ａと対応する位置に円形開口８６ａが形成されるとともに、パッキン８４の各放射状開口８４ｂの半径方向外側端部と対応する位置に円形の開口８６ｂが形成されている。さらに、蓋体８６の中心部にはＹＡＧロッド１６の内側端部を通す孔８６ｃが形成されるとともに、蓋体８６の外側面にはロッド通し孔８６ｃの周囲に円形の凹所８６ｄが形成され、この円形凹所８６ｄの外周璧面にはタップ（雌ねじ）８６ｅが切られている。この円形凹所８６ｄにＯリング９０を介して外周面にねじ山（雄ネジ）を有するリングネジ９２が螺合する。かかる構成により、パッキン８４および蓋体８６の各円形開口８４ａ，８６ａを貫通して密閉された接続通路８０が形成されるとともに、パッキン８４の各放射状開口８４ｂに沿って密閉され、かつ蓋体８６の各円形開口８６ｂを貫通して密閉された接続通路８２が形成される。
【００３７】
図７において、各励起レーザユニット６０は、たとえば銅からなる直方体形状の熱伝導性ブロックまたはホルダ６０ｃを有している。このブロックの長手方向の両側面に上記円筒型冷却水導入口６０ａおよび排出口６０ｂが設けられるとともに、ブロック内部には両ポート６０ａ，６０ｂ間で冷却水を流すための流路６０ｄが形成されている。また、ブロック６０ｃの前面には、励起光源用の半導体レーザたとえばレーザダイオードＬＤが一列に多数配列して設けられるとともに、ブロック６０ｃの厚み方向の両側面に一対の電力入力用電極６０ｅが設けられている。これらの電極６０ｅは電気ケーブルまたはコード９４，９６を介してレーザ電源部１４（図１）の出力端子に接続されている。
【００３８】
図２および図６に示すように、チャンバ４０内で、各励起レーザユニット６０のレーザダイオードアレイＬＤＡはＹＡＧロッド１６の側面（励起面）と対向して配置される。レーザ電源部１４からの電力の供給を受けて、各レーザダイオードが励起用のレーザビームＥＢを出射する。出射されたレーザビームＥＢは、正面のガラスチューブ５６を透過してＹＡＧロッド１６の側面（励起面）に入射し、ＹＡＧロッド１６を励起する。
【００３９】
なお、レーザ発振中は、励起状態のＹＡＧロッド１６が発熱する。また、各励起レーザユニット６０でも発光部のレーザダイオードアレイＬＤＡが発熱する。これらのＹＡＧロッド１６，ＬＤＡから発生した熱は、それらと熱的に結合されている付近の流路１７，６０ｄを流れる冷却水ＣＷに吸収される。
【００４０】
連結部４４は、たとえばステンレス鋼からなる直方体形状の熱伝導性ブロックとして構成され、チャンバ４０の蓋体８６にボルト９８で密着固定される。連結部４４の中心部には、ＹＡＧロッド１６の内側端面を受け入れ、ＹＡＧロッド１６の光軸上で伝播する光またはレーザ光ＬＢを通すための貫通孔４４ａが形成されている。また、連結部４４の内部には、該貫通孔４４ａには当たらないルートで冷却水導入口（ＩＮ）２８からチャンバ４０の蓋体８６の各円形開口８６ａに至る流路（接続通路）４４ｂと冷却水排出口（ＯＵＴ）２８から該蓋体８６の各円形開口８６ｂに至る流路（接続通路）４４ｃとが形成されている。
【００４１】
冷却水供給部１２より配管３２を介して連結部４４の冷却水導入口（ＩＮ）２８より保持ユニット２６内に導入された冷却水ＣＷは、連結部４４内の各接続通路４４ｂおよびチャンバ４０内の各接続通路８０を通って各励起レーザユニット６０の冷却水導入口６０ａに供給される。各励起レーザユニット６０に供給された冷却水ＣＷは、各ユニット６０のブロック６０ｃ内を縦断するようにして内部流路６０ｄを流れ、その際に各レーザダイオードアレイＬＤＡより発生された熱を吸収する。そして、各励起レーザユニット６０の冷却水排出口６０ｂから出た冷却水ＣＷは、チャンバ４０の外側端部の各接続通路６８を通って透明チューブ５６の外側端からチューブ５６内の流路１７に入る。チューブ５６内の流路１７に外側端から入った冷却水ＣＷは、ＹＡＧロッド１６の側面または外周面に沿ってチューブ５６の内側端へ向って流れ、その際にＹＡＧロッド１６より発生された熱を吸収する。そして、チューブ５６の内側端より出て各接続通路８２へ分岐した冷却水ＣＷは、連結部４４内の各接続通路４４ｃを通って冷却水出口（ＯＵＴ）３０に集められ、このポート３０から配管３４を通って冷却水供給部１２に回収される。
【００４２】
冷却水供給部１２は、熱交換器を備えており、保持ユニット２６の冷却水出口（ＯＵＴ）３０より回収した冷却水ＣＷを所定の温度まで温調（冷却）し、温調した冷却水ＣＷを再び保持ユニット２６の冷却水入口（ＩＮ）２８に送る。
【００４３】
上記のように、この実施形態では、保持ユニット２６のチャンバ４０内に、ＹＡＧロッド１６の側面または外周面の回りに複数個たとえば３個の励起レーザユニット６０を一定の角度間隔で放射状に配置し、各励起レーザユニット６０の前面（レーザビーム出射面）のレーザダイオードアレイＬＤＡより出射された励起用レーザビームＥＢを三方からＹＡＧロッド１６の外周面に集めるようにして照射または供給するので、小さなチャンバスペースに励起レーザユニット６０を高密度に近接配置している。
【００４４】
そして、チャンバ４０内で、循環供給される冷却水ＣＷは、３個の励起レーザユニット６０に対しては各ユニット６０の熱伝導性ブロック６０ｃ内の流路６０ｄを並列的に分散して流れるとともに、最も強力な冷却を必要とするＹＡＧロッド１６に対してはチューブ５６内に沿ってＹＡＧロッド１６周囲の流路１７を全部（全冷却水）が流れる。これにより、コンパクトなチャンバスペースで各発熱部（ＹＡＧロッド１６，ＬＤＡ）に見合った冷却を効率的に行うことができる。
【００４５】
ミラー保持部４２は、箱型の熱伝導性部材たとえばステンレス鋼からなり、その四面の側璧４２ａの端面を連結部４４のチャンバ４０側とは反対側の側面に密着させてボルト１００で密着固定されている。ミラー保持部４２の内側凹所４２ｂ内において、全反射ミラー２０は、たとえばアルミニウムからなる熱伝導性のキャップ状ミラーケース１０２内に保持された状態で、連結部４４の貫通孔４４ａと対向し、ひいては該貫通孔４４ａを介してＹＡＧロッド１６の内側端面と対向する向きに配設される。ミラーケース１０２のキャップ頂面の部位つまり全反射ミラー２０の正面の部位は開口１０２ａになっており、全反射ミラー２０とＹＡＧロッド１６との間でレーザ光ＬＢが伝播できるようになっている。
【００４６】
ミラーケース１０２の鍔部または周縁部１０２ｂは図３に示すように四角状に形成され、その裏面（凹所４２ｂの底面と対向する面）は１つの角隅部１０２ｃにて支点用のボール１０６に当接し、該支点１０６の隣または両側の角隅部１０２ｄ，１０２ｅにてＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０の半球面状内側端１０８ａに当接している。ケース１０２の周縁部１０２ｂよりも半径方向内側の部分はミラー２０の出し入れを可能とするために開口しており、内側壁面にはタップまたは雌ネジ１０２ｅが切られている。このタップ１０２ｅにリングネジ１１２が螺合することで、全反射ミラー２０がケース１０２内に保持されている。また、支点ボール１０６とＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０それぞれとのほぼ中間の位置にて、全反射ミラー２０の裏面とミラー保持部４２の外側面４２ｃとの間に圧縮コイルバネ１１４が取り付けられており、これらのコイルバネ１１４の弾性的な引っ張り力によって全反射ミラー２０およびミラーケース１０２は支点１０６およびＸ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０を介してミラー保持部４２に対して（詳細には凹所４２の底面に対して）押し付けられている。
【００４７】
支点ボール１０６は、このボールの直径よりも小さい穴径で形成されたミラーケース１０２およびミラー保持部４２の孔１０２ｆ，４２ｄに挟まれた状態でミラーケース１０２の角隅部１０２ｃに当接している。これにより、ミラーケース１０２は、支点ボール１０６を支点としてＸ方向およびＹ方向にミラーの向きを変えられるようになっている。一方、Ｘ，Ｙ方向傾き調整ネジ１０８，１１０は、ミラー保持部４２の貫通孔に取付された円筒状のナット１１６に螺合し、その半球面状先端部１０８ａ，１１０ａ（１１０ａは図示せず）をミラーケース１０２の角隅部１０２ｄ，１０２ｅに当接させている。これにより、たとえばＸ方向傾き調整ネジ１０８を回すことで、このネジ１０８の先端部１０８ａを軸方向に変位させ、その変位量に応じてミラーケース１０２および全反射ミラー２０のＸ方向における傾きを調整することができる。同様にして、Ｙ方向傾き調整ネジ１１０を回すことで、ミラーケース１０２および全反射ミラー２０のＹ方向における傾きを調整することができる。
【００４８】
ミラー保持部４２の中心部には、リングネジ１１２の内側開口とほぼ同径の円形開口４２ｅが形成されている。全反射ミラー２０の裏面から漏れた光は、リングネジ１１２の内側開口およびミラー保持部４２の開口４２ｅを通して外部へ取出可能となっている。したがって、ミラー保持部４２の開口４２ｅの外に、たとえば光センサ（図示せず）を配置して、漏れた光の光強度を検出し、その光強度の検出値からレーザ光ＬＢの出力を求めることも可能である。
【００４９】
上記したように、本実施形態のレーザ発振装置では、熱伝導性の連結部４４に密着接合された熱伝導性の箱型ミラー保持部４２の凹所または室４２ｂ内に全反射ミラー２０が収容される。連結部４４は、その内部の流路４４ｂ，４４ｃに冷却水ＣＷが循環供給されるため、一定の温度に保たれる。ミラー保持部４２も、熱的に連結部４４と一体化しているため、一定の温度に保たれる。こうして、一定温度に管理された熱容量の大きい温調空間に全反射ミラー２０が配設されることで、レーザ発振中に全反射ミラー２０が発熱しても、ミラー２０の熱は速やかにこの温調空間に吸収され、ミラー２０の熱膨張や熱収縮が回避または抑制される。したがって、本実施形態のレーザ加工装置においては、安定した出力のレーザ光ＬＢを用いて高品質のレーザ加工を被加工物Ｗに施すことができる。
【００５０】
なお、ミラー保持部４２の内部に流路を形成するとともに、連結部４４に該ミラー保持部４２の流路に接続する接続通路を設け、ミラー保持部４２の内部流路に冷却水ＣＷを循環供給する構成も可能である。
【００５１】
上記したように、本実施形態では、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８（励起レーザユニット６０）および全反射ミラー２０の三者が共通の保持ユニット２６に一体的に保持され、共通の冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０を通じて循環供給される冷却水ＣＷにより保持ユニット２６内の各発熱部が冷却または温調されるようになっている。このような一括的または一元的な冷却方式により、部品点数の少ないコンパクトな機構で冷却効率の高い装置構成となっている。
【００５２】
上記した実施形態では、ＹＡＧロッド１６、励起光供給部１８および全反射ミラー２０の三者を共通の保持ユニット２６で一体的に保持する構成であったが、全反射ミラー２０に代えて出力ミラー２２を本発明の保持ユニットで保持する構成としてもよく、あるいは両ミラー２０，２２の双方を本発明の保持ユニットで保持する構成とすることも可能である。
【００５３】
上記した実施形態では、保持ユニット２６に冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０をそれぞれ１個ずつ設けた。しかし、これらのポート２８，３０を複数個設ける構成も可能である。また、上記した実施形態では、連結部４４に冷却水導入口（ＩＮ）２８および冷却水排出口（ＯＵＴ）３０を設けた。しかし、これらのポート２８，３０の片側または双方をチャンバ４０またはミラー保持部４２に設けることも可能であり、連結部４４を実質的に省いてチャンバ４０とミラー保持部４２同士を結合するような構成も可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ発振装置によれば、固体レーザ媒体と励起光供給手段とを、あるいはこれらに加えて光共振器ミラーとを部品点数の少ないコンパクトな構成で効率的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ発振装置の基本構成およびこのレーザ発振装置を用いるレーザ加工装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態におけるレーザ発振器の具体的な構成例を示す縦断面図である。
【図３】図２の矢印Ａの方向から見た実施形態におけるレーザ発振器の側面図である。
【図４】図２の矢印Ｂの方向から見た実施形態におけるレーザ発振器の側面図である。
【図５】実施形態のレーザ発振器のチャンバに設けられる保持板の構成を示す斜視図である。
【図６】図２の矢印Ｃについての横断面図である。
【図７】実施形態のレーザ発振器のチャンバ内に設けられる励起レーザユニットの外観を示す斜視図である。
【図８】図２の矢印Ｄについての矢視図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振器
１２ 冷却水供給部
１４ レーザ電源部
１６ ＹＡＧロッド（固体レーザ媒体）
１７ 流路
１８ 励起光供給部
２０ 全反射ミラー
２２ 出力ミラー
４０ チャンバ
４２ ミラー保持部
４２ｂ 凹所
４４ 連結部
４４ｃ，４４ｂ 接続通路（流路）
４８ 支持ロッド
５０ 内側保持板
５４ 外側保持板
５６ 透明チューブ
６０ 励起レーザユニット
６０ｄ 流路
ＬＤＡ レーザダイオードアレイ
６８ 接続通路（流路）
７０，８４ パッキン
８０，８２ 連通路
１０２ ミラーケース
１０６ 支点ボール
１０８ Ｘ方向傾き調整ネジ
１１０ Ｙ方向傾き調整ネジ
１１４ 圧縮コイルバネ
Claims (1)
- 側面に励起光を照射されると軸方向の両端面から光を放出するロッド型の固体レーザ媒体と、
前記固体レーザ媒体を間隔を空けて包囲し、前記固体レーザ媒体の側面に沿って第１の冷媒流路を形成する光透過性のチューブと、
励起用のレーザビームを発生するための半導体レーザ素子を直線的に複数個配列してなるレーザビーム出射面と前記半導体レーザ素子を保持する熱伝導性の保持部材と前記保持部材に貫通して形成された第２の冷媒流路とを有し、前記レーザビーム出射面が前記固体レーザ媒体の側面と対向するようにして前記固体レーザ媒体の周囲に周回方向の間隔を置いて並列に配置される複数の励起レーザユニットと、
前記固体レーザ媒体の両端面にそれぞれ対向して配置される一対の光共振器ミラーと、
前記固体レーザ媒体、前記励起レーザユニットおよび少なくとも一方の前記光共振器ミラーを一体的に保持する保持ユニットと、
前記保持ユニットに冷媒を供給する冷媒供給部と
を具備し、
前記保持ユニットが、
前記固体レーザ媒体と前記励起レーザユニットとを収容するチャンバと、
前記保持ユニット内の光共振器ミラーを包囲して保持する箱型の熱伝導性部材からなるミラー保持部と、
前記保持ユニットに保持される光共振器ミラーの周囲に温調空間を形成するように前記ミラー保持部と密着した状態で前記チャンバと前記ミラー保持部との間に挟まれ、前記固体レーザ媒体と前記光共振器ミラーとの間で伝播する前記レーザ光を通すための光通路を有する熱伝導性ブロックからなる連結部と、
前記冷媒供給部からの冷媒を一方が導入し他方が排出するために前記連結部に設けられる第１および第２のポートと、
前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の始端を並列に接続するために、前記チャンバの前記連結部と隣接する側の端部に設けられる第１の接続通路と、
前記複数の励起レーザユニットのそれぞれの第２の流路の終端を前記第１の流路の始端に共通接続するために、前記チャンバの前記連結部と反対側の端部に設けられる第２の接続通路と、
前記第１の接続ポートから前記第１の接続通路までの流路を形成するために前記連結部に設けられる第３の接続通路と、
前記第１の流路の終端から前記第２のポートまでの流路を形成するために前記連結部に設けられる第４の接続通路と
を有する、レーザ発振装置。
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