JPH03225880A - 固体レーザ発振装置 - Google Patents
固体レーザ発振装置Info
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- JPH03225880A JPH03225880A JP1890590A JP1890590A JPH03225880A JP H03225880 A JPH03225880 A JP H03225880A JP 1890590 A JP1890590 A JP 1890590A JP 1890590 A JP1890590 A JP 1890590A JP H03225880 A JPH03225880 A JP H03225880A
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- JP
- Japan
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- laser
- solid
- concave lens
- state laser
- rod
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- Pending
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-
- 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
- H01S3/10—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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の目的コ
(産業上の利用分野)
本発明は固体レーザ発振装置に関する。
(従来の技術)
一般にYAGレーザ等の固体レーザ発振装置では、レー
ザ°発振中に固体レーザ媒質であるレーザロッドに熱レ
ンズ効果が発生する。この熱レンズ効果は、励起過程で
レーザロッドが外部から光エネルギーを受け、また、レ
ーザロッドの外周部分を冷却するため、レーザロッドの
内部において熱的分布が生じ、これにつれて屈折率が周
辺部分と中心部分とで一様で・なくなることから凸レン
ズや凹レンズのような作用を生じる現象である。この熱
レンズ効果でレーザロッドが集光性または発散性のビー
ム案内路的な役割をなし、レーザ光の指向性が低下し、
特にレーザ光の拡がり角が大きくなる問題があった。こ
の拡がり角が大きくなると集光性が悪くなり、加工能力
、加工精度を低下させる事態を招いていた。
ザ°発振中に固体レーザ媒質であるレーザロッドに熱レ
ンズ効果が発生する。この熱レンズ効果は、励起過程で
レーザロッドが外部から光エネルギーを受け、また、レ
ーザロッドの外周部分を冷却するため、レーザロッドの
内部において熱的分布が生じ、これにつれて屈折率が周
辺部分と中心部分とで一様で・なくなることから凸レン
ズや凹レンズのような作用を生じる現象である。この熱
レンズ効果でレーザロッドが集光性または発散性のビー
ム案内路的な役割をなし、レーザ光の指向性が低下し、
特にレーザ光の拡がり角が大きくなる問題があった。こ
の拡がり角が大きくなると集光性が悪くなり、加工能力
、加工精度を低下させる事態を招いていた。
このような拡がり角を低減化するために従来では、W
alter K oeehner著「S olid
−S tateL aser E ngneerin
g J (第2判、1988年)に示されているよう
に、共振器ミラー間にモードセレクタを設けたり、ある
いは望遠鏡を付加してその実現を計っていた。
alter K oeehner著「S olid
−S tateL aser E ngneerin
g J (第2判、1988年)に示されているよう
に、共振器ミラー間にモードセレクタを設けたり、ある
いは望遠鏡を付加してその実現を計っていた。
(発明が解決しようとする課題)
モードセレクタを設置する技術では、低次モトで発振す
る部分であるレーザロッドの中心部分を選択して発振す
るようにしているので、レーザロッド内の活性体積を有
効に用いることができず、大幅な出力低下を余儀無くさ
れていた。実際にモードセレクタによりレーザ光の拡が
り角をl/lOに低減するとレーザ出力もl/10以下
になってしまっていた。一方、このようなレーザ出力の
低減を解消するために考えられた望遠鏡を設置する技術
は、レーザロッド内において低次モードで発振する部分
を拡大し、かつ熱レンズ効果を補正するものである。し
たがって、この補正のために望遠鏡を構成する2枚以上
のレンズ間隔は望遠鏡としての設計値から僅かに外され
て制作されている。
る部分であるレーザロッドの中心部分を選択して発振す
るようにしているので、レーザロッド内の活性体積を有
効に用いることができず、大幅な出力低下を余儀無くさ
れていた。実際にモードセレクタによりレーザ光の拡が
り角をl/lOに低減するとレーザ出力もl/10以下
になってしまっていた。一方、このようなレーザ出力の
低減を解消するために考えられた望遠鏡を設置する技術
は、レーザロッド内において低次モードで発振する部分
を拡大し、かつ熱レンズ効果を補正するものである。し
たがって、この補正のために望遠鏡を構成する2枚以上
のレンズ間隔は望遠鏡としての設計値から僅かに外され
て制作されている。
したがって、この外した距離を熱レンズ効果の大きさに
応じて整合させなければ共振器の安定性が保てないので
、実際上狭い入力範囲でのみ効果か生じるという致命的
な欠点があった。
応じて整合させなければ共振器の安定性が保てないので
、実際上狭い入力範囲でのみ効果か生じるという致命的
な欠点があった。
本発明は以゛上のような問題点を解消するためになされ
たもので、レーザ出力の低減を小さくし、しかもレーザ
光の拡がり角を小さくした固体レーザ発振装置を提供す
ることを目的とする。
たもので、レーザ出力の低減を小さくし、しかもレーザ
光の拡がり角を小さくした固体レーザ発振装置を提供す
ることを目的とする。
[発明の構成]
(課題を解決するための手段と作用)
固体レーザ媒質を励起する励起手段と、上記固体レーザ
媒質を間にして設けられた少なくとも一組の共振器ミラ
ーと、上記共振器ミラーのどちらか一方と上記固体レー
ザ媒質との間に設けられ、上記固体レーザ媒質の軸線方
向に移動自在になり上記固体レーザ媒質への入射光束径
を拡大する光学系と、上記励起手段に対する入力に応じ
て上記光学系の位置を制御する移動制御手段とを備えた
もので、光学系によって広い入力範囲で固体レーザ媒質
内における低次モードのレーザ光の光束が拡大されると
ともに拡がり角も小さくなる。
媒質を間にして設けられた少なくとも一組の共振器ミラ
ーと、上記共振器ミラーのどちらか一方と上記固体レー
ザ媒質との間に設けられ、上記固体レーザ媒質の軸線方
向に移動自在になり上記固体レーザ媒質への入射光束径
を拡大する光学系と、上記励起手段に対する入力に応じ
て上記光学系の位置を制御する移動制御手段とを備えた
もので、光学系によって広い入力範囲で固体レーザ媒質
内における低次モードのレーザ光の光束が拡大されると
ともに拡がり角も小さくなる。
(実施例)
以下、本発明を実施例を示す図面に基づいて説明する。
第1図において、1は本発明の一実施例である固体レー
ザ発振装置で次のように構成されている。すなわち、ベ
ーステーブル2を有し、このテーブル上のほぼ中央部に
励起ユニット3が設置されている。この励起ユニット3
は冷却用ジャケットを兼ねた集光楕円筒鏡4と、その内
部の焦点位置にそれぞれ設けられたレーザロッド6およ
び励起ランプ9とを備えている。励起ランプ9は外部に
設けられた電力供給手段としての第1電源ユニツト10
に接続されている。この第1電源ユニツト10には制御
ユニット11が接続されている。また、集光楕円筒鏡4
には冷却水を循環する循環ユニット12が接続され、上
記循環で集光楕円筒鏡4内に供給された冷却水によって
、レザロッド6および励起ランプ9とがレーザ発振中冷
却されるようになっている。
ザ発振装置で次のように構成されている。すなわち、ベ
ーステーブル2を有し、このテーブル上のほぼ中央部に
励起ユニット3が設置されている。この励起ユニット3
は冷却用ジャケットを兼ねた集光楕円筒鏡4と、その内
部の焦点位置にそれぞれ設けられたレーザロッド6およ
び励起ランプ9とを備えている。励起ランプ9は外部に
設けられた電力供給手段としての第1電源ユニツト10
に接続されている。この第1電源ユニツト10には制御
ユニット11が接続されている。また、集光楕円筒鏡4
には冷却水を循環する循環ユニット12が接続され、上
記循環で集光楕円筒鏡4内に供給された冷却水によって
、レザロッド6および励起ランプ9とがレーザ発振中冷
却されるようになっている。
また、ベーステーブル2上の一端側には、共振器ミラー
の一つである出力ミラー13が同じく他端側には共振器
ミラーの一つである高反射ミラー14がそれぞれ設けら
れていて、これらミラーはレーザロッド6の軸線上で対
峙している。出力ミラー13と励起ユニット3との間に
はモードセレクタ15が設けられ、高反射ミラー14と
励起ユニット3との間には凹レンズ16が設けられてい
る。この凹レンズ16と出力ミラー13および高反射ミ
ラー14とて安定形共振器が構成されている。ベーステ
ーブル2上において、凹レンズ16は支持手段としての
スライダ17に固定的に支持されている。このスライダ
17はベーステーブル2に設けられたレシーバ18によ
ってレーザ口・ンド6の軸線方向に進退自在に支持され
ている。
の一つである出力ミラー13が同じく他端側には共振器
ミラーの一つである高反射ミラー14がそれぞれ設けら
れていて、これらミラーはレーザロッド6の軸線上で対
峙している。出力ミラー13と励起ユニット3との間に
はモードセレクタ15が設けられ、高反射ミラー14と
励起ユニット3との間には凹レンズ16が設けられてい
る。この凹レンズ16と出力ミラー13および高反射ミ
ラー14とて安定形共振器が構成されている。ベーステ
ーブル2上において、凹レンズ16は支持手段としての
スライダ17に固定的に支持されている。このスライダ
17はベーステーブル2に設けられたレシーバ18によ
ってレーザ口・ンド6の軸線方向に進退自在に支持され
ている。
19はレシーバ18を駆動するドライブユニ、ント、2
0はこのドライブユニット19に接続される第2電源ユ
ニツトで、制御ユニット11による制御を受けるように
なっている。
0はこのドライブユニット19に接続される第2電源ユ
ニツトで、制御ユニット11による制御を受けるように
なっている。
次に上記構成の作用について説明する。レーザ発振にお
いて、レーザロッド6は発振の初期段階では周辺部分が
中心部分よりも熱分布が高くなるため屈折率も大きくな
り、したがって凹レンズ的な効果を示すが、冷却によっ
て次第にその熱分布が逆転し凸レンズ的な効果を示すよ
うになる。凹レンズ16は励起ユニット3で発生したレ
ーザ光に及はす¥−記ルンズ効果を補正し、また、高反
射ミラー14からもどる高次、低次両方のモードを含ん
だレーザ光を光束を拡大してレーザロッド6内における
共振器に含まれる体積を増加させる。
いて、レーザロッド6は発振の初期段階では周辺部分が
中心部分よりも熱分布が高くなるため屈折率も大きくな
り、したがって凹レンズ的な効果を示すが、冷却によっ
て次第にその熱分布が逆転し凸レンズ的な効果を示すよ
うになる。凹レンズ16は励起ユニット3で発生したレ
ーザ光に及はす¥−記ルンズ効果を補正し、また、高反
射ミラー14からもどる高次、低次両方のモードを含ん
だレーザ光を光束を拡大してレーザロッド6内における
共振器に含まれる体積を増加させる。
したがって、モードセレクタ15によって上記光束の拡
大によって同時に拡大した高次モードを制限することで
、励起効率を高くしかつ低次発振が香られるようになっ
た。さらに、発振モードがTEMooのときの拡かり角
θは2λ/πω0て表される。ここて、λはレーザ光の
波長、ω0はレーザ光の光束の半径である。これから明
らかなように、拡がり角θは光束に反比例するので、上
記光束の拡大は低拡がり角を与えることとなる。ところ
で、安定形の共振器では共振器の安定化を計るために出
力ミラー13、高反射ミラー14、レザロッド6、凹レ
ンズ16のδ位置関係が重要である。レーザロッド6内
の光束径を最大にする配置とした場合では、励起ランプ
9への入力範囲が上記安定化の観点から狭くなることが
シミュレーションされ°、実験の結果それを確認した。
大によって同時に拡大した高次モードを制限することで
、励起効率を高くしかつ低次発振が香られるようになっ
た。さらに、発振モードがTEMooのときの拡かり角
θは2λ/πω0て表される。ここて、λはレーザ光の
波長、ω0はレーザ光の光束の半径である。これから明
らかなように、拡がり角θは光束に反比例するので、上
記光束の拡大は低拡がり角を与えることとなる。ところ
で、安定形の共振器では共振器の安定化を計るために出
力ミラー13、高反射ミラー14、レザロッド6、凹レ
ンズ16のδ位置関係が重要である。レーザロッド6内
の光束径を最大にする配置とした場合では、励起ランプ
9への入力範囲が上記安定化の観点から狭くなることが
シミュレーションされ°、実験の結果それを確認した。
入力範囲を広げようとするとレーザロッド6内における
光束径が小さくなる傾向がある。本発明者は、凹レンズ
16の位置を励起ランプ9への入力に応じて変えていく
ことにより、レーザロッド6内における光束径を大きく
保てることを見出だした。
光束径が小さくなる傾向がある。本発明者は、凹レンズ
16の位置を励起ランプ9への入力に応じて変えていく
ことにより、レーザロッド6内における光束径を大きく
保てることを見出だした。
したがって本発明では、レーザロッド6内における光束
径を最大にした状態を固定し、入力に応じて発振が停止
しない凹レンズ16の位置関係が記憶され、この記憶に
基づいた制御信号を発する制御ユニット11を設けたの
で、凹レンズ16は励起入力に応じた適正な位置に保た
れる。
径を最大にした状態を固定し、入力に応じて発振が停止
しない凹レンズ16の位置関係が記憶され、この記憶に
基づいた制御信号を発する制御ユニット11を設けたの
で、凹レンズ16は励起入力に応じた適正な位置に保た
れる。
なお、上記実施例では光学系として凹レンズを用いたか
、複数枚のレンズにより構成された望遠鏡や、複数のプ
リズムからなるビームエキスパンダ等でもよく、要はレ
ーザロッド6に向けてレーザ光の光束を拡大するもので
あればよい。
、複数枚のレンズにより構成された望遠鏡や、複数のプ
リズムからなるビームエキスパンダ等でもよく、要はレ
ーザロッド6に向けてレーザ光の光束を拡大するもので
あればよい。
[発明の効果]
固体レーザ媒質に向かってレーザ光の光束径を拡大する
光学系を組込んだ安定形共振器とするととともに、この
光学系を励起人力にしたがって固体レーザ媒質の軸線方
向に沿って移動制御するようにしたので、第2図に示す
ように従来の拡がり特性(a)に比べ、同様な入力範囲
で極めて小さい拡がり特性(b)が得られる高輝度なレ
ーザ発振器を実現することができるようになった。した
がって、ビームスポットをより微小に絞り込め、同時に
ビームスポットのエネルギ密度の増大から、たとえばレ
ーザ加工における穴あけ加工では厚材の高速穴あけ、ま
た、切断加工では切断幅を狭めることができ、一方、半
導体加工においては高精度な微細加工を実現した。
光学系を組込んだ安定形共振器とするととともに、この
光学系を励起人力にしたがって固体レーザ媒質の軸線方
向に沿って移動制御するようにしたので、第2図に示す
ように従来の拡がり特性(a)に比べ、同様な入力範囲
で極めて小さい拡がり特性(b)が得られる高輝度なレ
ーザ発振器を実現することができるようになった。した
がって、ビームスポットをより微小に絞り込め、同時に
ビームスポットのエネルギ密度の増大から、たとえばレ
ーザ加工における穴あけ加工では厚材の高速穴あけ、ま
た、切断加工では切断幅を狭めることができ、一方、半
導体加工においては高精度な微細加工を実現した。
第1図は本発明の一実施例を示す構成図、第2図はレー
ザ出力と拡がり角との関係を表した図である。 1・・・固体レーザ発振装置、6・・・レーザロッド(
固体レーザ媒質) 9・・・励起ランプ(励起手段)、
11・・・制御ユニット、13・・・出力ミラ14・・
高反射ミラー 16・・・凹レンズ(光学系)、17・
・・スライ゛グ 手 続 金山 正 書 平成 年3.1月21 特JT庁長官 植松 敏 殿 1、事件の表示 特願平2−18905号 2、発明の名称 固体レーザ発振装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 (307) 株式会社 東 芝 代 理 人 東京都千代田区霞が関3丁に17番2号〒100 電
話03(3502>3181 (大代表)(5847)
弁理士 鈴 江 武 彦7、補正の内容 (1)明細書第2ページ16行目に「第2判」とあるの
を「第2版」と補正する。 (2)同しく第5ページ2行目に「このテーブル上のほ
ぼ中央部」とあるのを「このテーブル上の端部ではない
位置」と補正する。 (3)同じく第6ページ14行目〜第7ペーシ13行目
に「次に上記構成の・・・与えることとなる。」とある
のを「次に上記構成の作用について説明する。レーザ発
振において、レーザロッド6は励起光を吸収して加熱を
受けることになる。レーザロッド6内には熱分布か生じ
、それかレーザロット6内面内の屈折率分布を与える。 Nd : YAG結晶なとの多くのレーザロッドでは集
光性の屈折卒1分(+iレンズの性質を示す。凹レンズ
16は、レサロッド6が示す集光性レンスを組み合わさ
れ、共振器ミラー13.14とともにレーザ共振器条件
を与え、かつ、凹レンズ16とレーザロッド6の作用に
より、共振器内のレーサ光束径かレーザロット6内で・
最大になる。このように、レ−サ光東経がレーザロッド
6内で大きくなるため、レザ発振基本モード(T E
Mo 0モード)のロッドにしめる体積(モード体積)
を大きくすることができる。最も拡がり角が小さいレー
ザ出力を与えるレーザモードはT E M 00である
ため、低拡がり角を小さくさせるレーザモードのレーザ
ロッド6内の拡大は高出力な低拡がり角を与えることに
なる。」と補正する。 (4)同しく第8ページ11行目と12行目との間に「
また、シュミレーションの結果、凹レンズ16の焦点距
離は、レーザロッド6か示す熱レンズ効果のパラメタ後
方焦点距離か15cmから35cmの間では、−100
から−300とすべきであることを見出した。」と加入
する。 (5)同じく第8ページ13〜14行目に「望遠鏡」と
あるのを「拡大光学系」と補正する。 (6)図面中箱1図と第2図を別紙の通り補正する。 たたし、第1図には補正箇所はない。
ザ出力と拡がり角との関係を表した図である。 1・・・固体レーザ発振装置、6・・・レーザロッド(
固体レーザ媒質) 9・・・励起ランプ(励起手段)、
11・・・制御ユニット、13・・・出力ミラ14・・
高反射ミラー 16・・・凹レンズ(光学系)、17・
・・スライ゛グ 手 続 金山 正 書 平成 年3.1月21 特JT庁長官 植松 敏 殿 1、事件の表示 特願平2−18905号 2、発明の名称 固体レーザ発振装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 (307) 株式会社 東 芝 代 理 人 東京都千代田区霞が関3丁に17番2号〒100 電
話03(3502>3181 (大代表)(5847)
弁理士 鈴 江 武 彦7、補正の内容 (1)明細書第2ページ16行目に「第2判」とあるの
を「第2版」と補正する。 (2)同しく第5ページ2行目に「このテーブル上のほ
ぼ中央部」とあるのを「このテーブル上の端部ではない
位置」と補正する。 (3)同じく第6ページ14行目〜第7ペーシ13行目
に「次に上記構成の・・・与えることとなる。」とある
のを「次に上記構成の作用について説明する。レーザ発
振において、レーザロッド6は励起光を吸収して加熱を
受けることになる。レーザロッド6内には熱分布か生じ
、それかレーザロット6内面内の屈折率分布を与える。 Nd : YAG結晶なとの多くのレーザロッドでは集
光性の屈折卒1分(+iレンズの性質を示す。凹レンズ
16は、レサロッド6が示す集光性レンスを組み合わさ
れ、共振器ミラー13.14とともにレーザ共振器条件
を与え、かつ、凹レンズ16とレーザロッド6の作用に
より、共振器内のレーサ光束径かレーザロット6内で・
最大になる。このように、レ−サ光東経がレーザロッド
6内で大きくなるため、レザ発振基本モード(T E
Mo 0モード)のロッドにしめる体積(モード体積)
を大きくすることができる。最も拡がり角が小さいレー
ザ出力を与えるレーザモードはT E M 00である
ため、低拡がり角を小さくさせるレーザモードのレーザ
ロッド6内の拡大は高出力な低拡がり角を与えることに
なる。」と補正する。 (4)同しく第8ページ11行目と12行目との間に「
また、シュミレーションの結果、凹レンズ16の焦点距
離は、レーザロッド6か示す熱レンズ効果のパラメタ後
方焦点距離か15cmから35cmの間では、−100
から−300とすべきであることを見出した。」と加入
する。 (5)同じく第8ページ13〜14行目に「望遠鏡」と
あるのを「拡大光学系」と補正する。 (6)図面中箱1図と第2図を別紙の通り補正する。 たたし、第1図には補正箇所はない。
Claims (1)
- 固体レーザ媒質を励起する励起手段と、上記固体レーザ
媒質を間にして設けられた少なくとも一組の共振器ミラ
ーと、上記共振器ミラーのどちらか一方と上記固体レー
ザ媒質との間に設けられ、上記固体レーザ媒質の軸線方
向に移動自在になり上記固体レーザ媒質への入射光束径
を拡大する光学系と、上記励起手段に対する入力に応じ
て上記光学系の位置を制御する移動制御手段とを備えた
ことを特徴とする固体レーザ発振装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1890590A JPH03225880A (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 固体レーザ発振装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1890590A JPH03225880A (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 固体レーザ発振装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03225880A true JPH03225880A (ja) | 1991-10-04 |
Family
ID=11984614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1890590A Pending JPH03225880A (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 固体レーザ発振装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03225880A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001320114A (ja) * | 2000-05-10 | 2001-11-16 | Inst Of Physical & Chemical Res | レーザー共振器 |
-
1990
- 1990-01-31 JP JP1890590A patent/JPH03225880A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001320114A (ja) * | 2000-05-10 | 2001-11-16 | Inst Of Physical & Chemical Res | レーザー共振器 |
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