JPH01270367A - レーザ装置 - Google Patents

レーザ装置

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JPH01270367A
JPH01270367A JP9981588A JP9981588A JPH01270367A JP H01270367 A JPH01270367 A JP H01270367A JP 9981588 A JP9981588 A JP 9981588A JP 9981588 A JP9981588 A JP 9981588A JP H01270367 A JPH01270367 A JP H01270367A
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公治 安井
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ装置から発生されるレーザビームの高品
質化に関するものである。
〔従来の技術〕
第16図は、たとえばレーザハンドブック(オーム社、
昭和57年)IC示された従来の固体レーザ装置を示す
断面構成図であ91図において、(1)は固体素子で、
たとえばYAGレーザをとれば’15−X Nd X 
A 15012よシなるロッド状の結晶、(31’はフ
ラッシュランプ、(4)はフラッシュラング(3)を点
灯させるための電源、(5)は集光反射ミラー、(6)
はたとえばガラスでできた出口ミラー、(7Iは出口ミ
ラー(6)の内面にもうけられたたとえばTl 02よ
)なる部分反射膜、(8)は出口ミラー外面および固体
素子両側面にもうけられたたとえば5102よシ々る無
反射膜、(9)はレーザ共振器内のレーザビーム、αa
は外部に取出されたレーザビーム、azB外ワク、an
は全反射ミラーである。
次に動作について説明する。固体素子+11は電源(4
)、によシ点灯さhたフラッシュランプ(3)からの直
接光および集光反射ミラー(5)よシの反射光によシ励
起され、レーザ媒質をなす。一方、内面にもうけられた
部分反射膜(71によシ部分反射率をもった出口ミラー
(6)と全反射ミラー@とからなるいわゆる安定型共振
器内に閉じこめられたレーザビーム(9)は1両ミラー
間を往復するごとにこのレーザ媒質により増幅され、あ
る一定板上の大きさになるとその一部が出口ミラー(6
)を通して外部にレーザビームa・として放出される。
第11図にその発振出力特性の一例を示す。ここで固体
素子+11はY2.4NdOJムt5012  よυな
ル、断面の直径110.長さl50m、  出ロミラー
イ6)、全反射ミラー■の内面の曲率はともVr−Q、
4tn。
両ミラー間の距Sは0.45m、  出口ミラーの反射
率は10%である。また投入電力とはフラッシュランプ
の点灯に消費された電力であ夛、  62mWの投入電
力で約toowのレーザ出力が得られている。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の固体レーザ装置は以上のように、安定型共振器を
もちいているため発生するレーザビームは発散角の大き
いいわゆる高次モードである。この高次モードの度合す
の指標としては、共振器内に発生しうる位相のそろった
最低次モードの断面直径とレーザ媒質の断面直径との比
がある。この例では最低次モードは正規分布をもつ、い
わゆるガウスビームとなるためその強度が中心の1/e
2ととなる点で定義した断面直径φ0は両ミラー間の距
離り、レーザビームの波長λとして と計算される。一方、レーザ媒質の断面直径は8nであ
るから両者の比は約15と大変大きく、この値から経験
的に100次以上の高次モードが発生していると予測さ
れる。高次モードの次数は実験的には発生されたレーザ
ビームの発散角を測定するととKよシおこなわれ、たと
えば第18図にその実測例を示す。この図から1発散角
は10mrad程度と把握され、対応する高次モードの
次数として10次程度であると計算される。この発散角
の大小はレーザビームの集光性能そのものといえる。こ
れは焦点距離での集光レンズによる集光スポット径φB
は概略的九発散角θに対してφe二f・θ で表わさり、したがって発散角の大小に比例して集光ス
ポット径の大小が決定されるためである。
ここでの10 m radという値を市販のCO2レー
ザと比較すると約10倍であ汎 したがって従来の固体
レーザ装置の集光特性は002レーザ装置の1/1aで
あるといえる。さらにその発散角の大きさが第18図に
示すように投入電力、したがってレーザ出力によシ大き
く変化してしまうという問題をもつ。これは固体素子(
1)内圧発生する温度勾配によシ固体素子(11がレン
ズ化し、共振状態を崩すためである。このため、たとえ
ば投入電力をさらに増大させると7xw以上で発振が非
常に不安定になってしまうという現象も観劇さねている
・本発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので1発散角の小さいレーザビームをレーザ出力の
大小にかかわらず安定に発生させることのできるレーザ
装置を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係るレーザ装置は、ネガティブブランチの不安
定型共振器をもちいるとともに、レーザ媒質を、共振器
を構成するミラーのいずれかの内側面に近接して配設し
たものである。
また、上記不安定型共振器を構成するミラーとしては、
コリメートミラーと拡大ミラーとで栴成し、上記コリメ
ートミラーよ)レーザビームをと)めすよりにするとよ
い。
また、上記不安定型共振器を構成するミラーとしては、
中央に部分反射部、その周囲に無反射部をもつめロミラ
ーと全反射ミラーとで構成してもよい。
さらに上記部分反射部と上記無反射部とを通過するレー
ザビーム間の位相差を打消す手段を設けることもできる
〔作用〕
本発明におけるネガティブブランチの不安定形共振器は
最低次のレーザビームを発生するとともに、共振器ミラ
ー近傍に配設されたレーザ媒質との相互効果で、レーザ
媒質内の温度分布忙寄因するレンズ化の影響を受けにく
くする。
〔実施例〕
以下1本発明の一実施例を第1図九ついて説明する。第
1色において、(1)は固体素子で、たとえばYAGレ
ーザを例にとればY5−x NdzA45012よシな
るロッド状の結晶、(2)はとのロッド端面にもうけら
れた全反射ミラーで、拡大ミラーをなす。
(3)は光源であシ1例えばフラッシュランプ、(4J
はフラッシュラング(3)を点灯させるための電源、(
5)は集光反射ミラー、(6)はたとえばガラスででき
た出口ミラーで、コリメートミラーをなす。(71は出
口ミラー(61の内面中央にもうけられた例えばTlO
2よシなる部分反射膜、(81は出口ミラー内面の部分
反射膜(7)の外周上、出口ミラー(6)の外面さらに
固体素子+11の端面にもうけられた例えば8102よ
うなる無反射膜t ts’t αBは出口ミラー(6)
と全反射ミラー(2)とからなるレーザ共振器内に発生
し九レーザビーム、顛はレーザ共振器外部処と)出さハ
たレーザビーム、α2は外ワクである。
次に動作について説明する。固体素子(11は電源(4
)によシ点灯されたフラッシュランプ(3)からの直接
光、および集光反射ミラー(5)よりの反射光によシ励
起され、レーザ媒質をなす。一方、出口ミラー(6)と
全反射ミラー+21とからなるレーザ共振器内に発生し
たレーザビーム、 +91.αυはこのレーザ媒質によ
シ増幅され、ある一定板上の大きさになると、その一部
がレーザビームaaとして外部にとシ出される。
レーザ共振器についてさらに詳しく説明する。
出口ミラー(6)と全反射ミラー(2)とはいわゆるネ
ガティブブランチの不安定型共振器を構成している。
レーザビームαtは固体素子+11で増幅されたのち。
全反射ミラー(2)によ)集光されるとともに、固体素
子(11によシ増幅され、レーザビーム(9)となシ。
このレーザビーム(91の周囲部は出口ミラー(61内
面周囲部の無反射膜の作用によシそのほとんどが外部に
放出され、また中央部はその一部が出口ミラー(6)内
面中央部の部分反射膜(7)の作用によシ外部にとシ出
され、のこシの部分はレーザビーム0として再びレーザ
共振器内を往復する。したがって外部のレーザビームα
Gは中づまシ状となっている。
またこのような不安定型共振器では位相の揃った最低次
モードと高次モードとの損失の差が安定型共振器にくら
べて非常に大きいため、数回往復後発生するレーザビー
ムは最低次モードのもののみとなる。また、出口ミラー
の外面の曲率半径は内面の曲率半径よシ小さく、メニス
カス状にし、出射ビームをほぼ平行にしている。これら
のことから結局1等位相の中づま)状平行ビームという
最も理想的なレーザビームが得られる。
第2図にはその発振出力特性の一例を示す0ここで固体
素子(1)はY2,4 N(10,6At5012よシ
な〕。
断面の直径8絽、長さ15QO,出口ミラー(6)。
全反射ミラー(2)の内面の曲率はそれぞれQ、48m
Q−am、両ミラー間の距離は0.44m、  出口ミ
ラー(6)内面中央の部分反射膜(7)の反射率80%
である。また投入電力とはフラッシュラングの点灯に消
費された電力であ6,6KWの投入電力で約100Wの
レーザ出力が得られている。
第3図にレンズでレーザビームを集光したパターンを、
レーザ出力10Wにおいて1本発明の一実施例の固体レ
ーザ装置によるもの(第3図(a))と従来の固体レー
ザ装置によるもの(第3図(b))とを比較して示す。
本発明によるものでは従来の約1/40程度に幅が縮小
されているばかシでなく。
中実軸上強度はI 000倍以上になっていること−が
わかる。
また第4図は本発明の実施例に係るレーザビームの発散
角を示すが、Imrad以下と、従来の1/10以下で
あり、tたその変化率も小さい。不安定形共振器では固
体素子(11内に熱レンズ化が発生しても、従来例で示
したようなモード次数の変化はなく、最低次モードが発
生するため、この発散角の変化は幾何光学的なものであ
〕、シたがって集光性能への影響は小さい。次にこれに
ついて考察する。第5図は固体素子(菫)のレンズ化後
の等価焦点距離を投入電力に対して測定したものを示す
。固体素子は全反射ミラーの近くに設定しであるため両
者を1つのミラーとしてみなすことができる。固体素子
をレーザビームが往復することによる効果を考慮して計
算すると全反射ミラー(2)の等両面率はaE6図に示
すよ5になる。さてこの全反射ミラー(2)の実質焦点
距離の変化Δfと発散角変化Δθとは第1図よシ 但し、第1図においてR1は出口ミラー内面の曲率、 
 R2は全反射ミラーの曲率、ψは共振器内ビームの半
頂角、Dはビーム径である。
式(1rにおいて、ψは小さいとして。
ここでD = 8 tm、  R4= o、 48 m
よシlθ=0.035  Δf(2) 線であるが、実験ポイントデータをよく説明しているこ
とがわかる。このことから第4図に示した発散角は幾何
光学的な変化分が大部分で集光特性への影響はほとんど
でないといえる。
また、このように発散角の変化率が小さい主因としては
、共振器をネガティブブランチとしたため共振器を構成
するミラーの曲率半径が小さく。
したがって固体素子の熱レンズ化の影響を受けにくいこ
とと、固体素子をミラーの近傍に設置したため、熱レン
ズの効果が共振器ミラーの等測的曲率変化のみですんだ
ことがあげられる。
なお、上記実施例では出口ミラー内面中央部が部分反射
率をもつものを示したが、これは全反射でもよく、この
場合はリンク状のレーザビームが発生され、そのリング
形状に寄因する回折効果によシ、集光性能は悪化するが
、従来例にくらべれば十分に高品質なレーザビームを発
生することができる。
また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部と周囲部
とを通過するレーザビーム間の位相差は小さく2問題と
々らなかったが1部分反射M(nの構成によってはこれ
が問題となることも考えられその場合は両レーザビーム
間の位相差を打消す手段をもうけてもよく1例えば第8
図に示すように出口ミラー外面に段差(70) ?もう
けて実現できる。
また、上記実施例では全反射ミラー(2)は固体素子の
側面に形成するものを示したが、第8図に示すように両
者を分離してもよい。また固体素子も第10図、第11
図に示すよ5に出口ミラー(6)の近くに設置してもよ
い。
また上記実施例では全反射ミラーからは集光状のレーザ
ビームが反射されてくる例を示したが。
平行状のレーザビームが反射されるようにしてもよ<、
 1iE1図、第9図、第10図、及び第11図に対応
して、第12図、第13図、第14図及び第15図に示
すような変形例が考えられる。
言らに、上記実施例では固体レーザ装置につbて述べた
が、レーザ媒質の温度分布がレンズ状に作用するものK
はすべて適用できる。
〔発明の効果〕
以上のように1本発明によればネガティブブランチの不
安定型共振器を用いると共に、レーザ媒質を 共振器を
構成するミラーのいずれかの内側面に近接して配設した
ので1発散角の小さい高品質のレーザビームがレーザ出
力に係わらず安定に得られる効果がある。
さらに、不安定型共振器を構成するミラーとして、コリ
メートミラーと拡大ミラーを用い、上記コリメートミラ
ーよシレーザビームをとり出すとよシ品質のよいレーザ
ビームが得うれる。
また、不安定型共振器を構成するミラーとして中央に部
分反射部、その周囲部に無反射部をもつ出口ミラーと全
反射ミラーとを用いると、集光性のよい高品質のビーム
を得ることができる。またこの場合1部分反射部と無反
射部とを通過するレーザビーム間の位相差を打消す手段
を設けるととくより、ビーム品質がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による固体レーザ装置を示す
断面構成図、第2図はその出力特性を示す特性図、第3
図(a)(1))は各々本発明の一実施例。 及び従来の固体レーザ装置における集光パターンを示す
特性図、第4図は本発明の一実施例に係るレーザビーム
の発散角を示す特性図、第5図は本発明の一実施例に係
る固体素子の等価焦点距離を示す特性図、第6図は本発
明の一実施例に係る全反射ミラーの等制御率を示す特性
図、第7図は本発明の一実施例による固体レーザ装置の
動作を説明する説明図、第8図ないし第15図は各々本
発明の他の実施例によるレーザ装置を示す断面構成図、
第16図は従来の固体レーザ装置を示す断面構成図、並
びに第1T図及び第18図は各々従来の固体レーザ装置
におけるレーザ出力及び発散角を示す特性図である。 (1)・・・固体素子、(2)■・・・全反射ミラー、
(3)・・・光源。 (6)・・・出口ミラー、())・・・部分反射膜、(
81・・・無反射膜。 +91 +II (Ill 、、、 V−ザビーム、 
 (70)−・・段差。 なお1図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 lJ 1 園 1:」惨系千  7:讐分酵■ 2:全反射ミラー 8:兄反清寸膜 3z兜fi     9,10.II:l、−サ°ど一
ムロ:此Uミヲー 第 2 rR 設入電力 (kWl 館3図 (b) 第4図 投入電力(kw) 第5図 投入電力(kW) 第6図 第7図 ig  図 第 9 図 20:全反射ミラー 第 10  図 第11図 第12図 気 13図 1と      II     ′j      コ 
  O第14図 第15図 第16図 第17図 牧人電力 (kW) 設入電力 (kwJ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)複数のミラーによりネガテイブブランチとなるよ
    うに構成された不安定型共振器,上記ミラーのいずれか
    の内側面に近接して設けられたレーザ媒質,及び上記レ
    ーザ媒質を励起する光源を備えたレーザ装置。
  2. (2)ミラーは拡大ミラーとコリメートミラーとで構成
    され,上記コリメートミラー側からレーザビームをとり
    出すようにした請求項1記載のレーザ装置。
  3. (3)ミラーは中央に部分反射部,その周囲に無反射部
    をもつ出口ミラーと全反射ミラーとで構成された請求項
    1または2記載のレーザ装置。(4)部分反射部と無反
    射部とを通過するレーザビーム間の位相差を打消す手段
    を設けた請求項3記載のレーザ装置。
JP63099815A 1988-04-22 1988-04-22 レーザ装置 Expired - Fee Related JP2663497B2 (ja)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5010093A (ja) * 1973-05-24 1975-02-01
JPS60119786A (ja) * 1983-12-01 1985-06-27 Nec Corp Qスイッチレ−ザ装置
JPS61199686A (ja) * 1985-03-01 1986-09-04 Mitsubishi Electric Corp 不安定型レ−ザ共振器

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