JPH0344982A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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］ この発明は、固体レーザ装置、とくに固体レーザ装置か
ら発生されるレーザビームの品質安定化に関するもので
ある。

［従来の技術］ 第１３図は、たとえばレーザハンドブック（オーム社、
昭和５７年）に示された従来の固体レーザ装置を示す断
面構成図である。図において、（１）は固体素子であり
、たとえばＹＡＧレーザを例にとれば、Ｙ３−ｘＮｄｘ
ＡＩｓｏ＋　２よりなるロッド状の結晶、（３）は励起
光源で、例えばフラッシュランプ、（４）は励起光Ｒ（
３）を点灯するためＱ電源、（５０００）は反射ミラー
　（６）はたとえばガラスでできた出口ミラー　（７）
は出口ミラー（６）の内面に設けられたたとえばＴｉｆ
ｈよりなる部分反射膜、（８）は出口ミラー（６）の外
面および固体素子（１）の両側面に設けられた、たとえ
ば５１０２よりなる無反射膜、（９）はレーザ共据器内
のレーザビーム、（１０）は外部に取り出されたレーザ
ビーム、（１２）は外ワク、（２０）は全反射ミラー　
（３０）は励起光源（３）及び固体素子（１）の側面周
囲を冷却するための水路を構成するフローチューブ、（
５０）は冷却水導入口、（５１）は冷却水排水口、（６
０）は冷却水の流れを示す矢印である。

次に動作について説明する。固体素子（１）は電源（４
）により点灯されたフラッシュランプ（３）からの直接
光および反射ミラー（５０００）内面よりの反射光によ
り励起され、レーザ媒質をなす。一方、内面に設けられ
た部分反射膜（７）により部分反射率を持った出口ミラ
ー（６）と全反射ミラー（２０）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、
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、ある一定以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（１０）として
放出される。

なお、固体素子及びランプの側面は冷却水導入口（５０
）より流入した冷却媒体により側面より冷却される。

［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、ロッド即ち固体
素子の側面を冷却して用いていたため、ロッド断面内の
温度分布及びこの温度分布がもたらす屈折率分布は、第
１４図に示すように二次分布となり、上記温度分布がも
たらす屈折率差により、ロッドはロッドの軸方向に通過
するレーザビームに対してレンズとして働き、共振器の
状態を変化させていた。上記ロッドのレンズ化の度合は
ロッドを照射する励起光源への投入電力、したがってレ
ーザ出力により変化し、したがって、共振器より発生す
るレーザビームの発散角が、例えば第１５図に示すよう
にレーザ出力により変化してしまうという問題があった
。

ところでレーザビーム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ｆの集光レ
ンズによる集光スポット系φ５は概略的に発散角θに対
して φ、＝ｆ・θ で表され、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。

したがって、発散角がレーザ出力により変化することは
集光特性が変化することを意味し、安定なレーザ加工が
行えないという問題が発生していた。

この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、レーザ出力によらずレーザビームを発散角を
一定にたもって発生させることのできる安定した固体レ
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］ この発明に係わる固体レーザ装置は、固体素子を励起す
る励起光源の光を筒状の導光路により、固体素子の光軸
方向の一端面に導くとともに、上記一端面を冷却し、ざ
らに上記一端面に、励起光源の光に対して無反射、レー
ザ光に対して全反射となる反射ミラーを、レーザ共振器
を構成する共振器ミラーの一つとして設けたものである
。

なお、上記筒状の導光路の内面の少なくとも一部に、励
起光源の光を乱反射する加工を施すとよい。

［作用］ この発明における筒状の導光路は、励起光源の光の分布
を均一にして、冷却された固体素子の光軸方向の一端面
に導き、上記固体素子の一端面に設けられた反射ミラー
は上記励起光源の光を全透過させ、上記全透過した光は
固体素子を断面方向、したがってレーザビーム進行方向
く光軸方向）に垂直な方向に均一励起するとともに、励
起された固体素子から発生したレーザビームを共振器内
に反射させて共振器状態を構成する。この構成において
、レーザビームの進行方向と垂直な方向の状態に温度分
布は発生せず、したがってレーザビームは固体素子に入
射し、反射することにより集束、もしくは発散されるこ
とはなく、結果励起光源への人力の変化、したがってレ
ーザ出力の変化によるレーザ出力の発散角の変化を小さ
くすることができる。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を第１図について説明する。

第１図において、（１）は固体素子で、たとえば’／Ａ
Ｇレーザを例に取ればＹ３−　ＮｄヶＡｌ５Ｏ１２より
なるａラド状の結晶、（２）はこのロッド（１）の、光
軸方向の一端面に設けられた、レーザビームに対して全
反射、励起光源の光に対して全透過となる反射ミラーで
、例えはＴｌＯ２と５１０２の組合せからなる誘電体多
層膜よりなり、コリメートミラーをなす。（３）は励起
光源であり、例えばアークランプ、（４）は励起光源（
３）を点灯するための電源、（５）は筒状の導光路、（
６）はたとえばガラスでできた出口ミラーで、拡大ミラ
ーをなす。（７）は出口ミラー（６）の内面中央に設け
られた、たとえばＴｉ（ｈよりなる部分反射膜、（８）
は出口ミラー内面の、部分反射膜（７）の周囲上、出口
ミラー（６）の外面、さらに固体素子（１）の側面に設
けられた、たとえばＳ：０２よりなる無反射膜、（９）
（１１）は出口ミラー（６）と反射ミラー（２）からな
るレーザ共振器内に発生したレーザビーム、（１０）は
レーザ共振器外部に取り出されたレーザビーム、（１２
）は外ワク、（３０）は励起光源（３）の周囲に冷却媒
体の通路を形成するフローチューブで、たとえば光源の
光を全透過するコーティングが施されたパイレックスガ
ラス、（５０）は導光路内への冷却媒体の流入口、（５
１）は冷却媒体の流出口、（５５）は冷却媒体であり、
例えば水、（６０）は冷却媒体（５５）の流れを示す矢
印、（７０）は固体素子（１）の周囲を断熱する断熱材
である。

次に動作について説明する。電源（４）により点灯され
た励起光源（３）から発せられた光はその一部が直接に
、また大部分の光は励起光源（３）から固体素子（１）
に向かって口の細くなるコーン状になっている筒状の導
光路（５）内面で繰り返し反射し、結果、励起光源（３
）からの光は積分され、反射ミラー（２）を通過して、
固体素子（１）を光軸方向の一端面から均一照射し、照
射により励起された固体素子（１）はレーザ媒質をなす
。一方、出口ミラー（６）と反射ミラー（２）とからな
るいわゆる不安定型共振器内に発生したレーザビーム（
９Ｘ１１）は、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−室以上の大きさになると、
その周囲部の全部は出口ミラー（６）の内面の無反射膜
（８）を通して、また中央部の一部は出口ミラー（６）
の内面の部分反射膜（７）を通して出射し、両者は合成
されて中詰まり状のレーザビーム（１０）として放出さ
れる。不安定型共振器を用いているためレーザビームは
ほとんど等位相であり、従ってほぼ回折限界の集光品質
を持つレーザビームが得られる。

次にこの発明の中心である固体素子の端面励起構成につ
いて説明を加える。励起光源（３）からの光は筒状の導
光路（５）により積分された後、断面方向にほぼ均一な
強度を持つ光に変換され、固体素子（１）を端面より反
射ミラー（２）を通して均一照射励起する。固体素子（
１）内に入射した光の一部はレーザビーム（１０）とし
て外部に取り出されるが、残りの光は熱となり、固体素
子内に温度分布、従って屈折率分布を発生させる。しか
しながら、固体素子（１）は冷却媒体（５５）により、
光を照射されたのと同一の端面より冷却され、周囲面は
断熱材（７０）により断熱されているため、固体素子内
の屈折率分布はレーザビームの光軸方向にのみ発生し、
その断面方向にはほとんど分布が発生しないことになる
。第２図（ａ）にはこの発明の一実施例による構成によ
り固体素子を励起した場合の固体素子（１）内圧折率分
布を、第２図（ｂ）には同じ固体素子（１）を従来の構
成（第１３図）により励起した場合の固体素子内屈折率
分布を示す。この発明による構成では固体素子断面方向
にほとんど屈折率の変化がないことがわかる。なお、こ
の発明による構成ではレーザビーム光軸方向には屈折率
分布が発生するが、この分布はミラー（６）、ミラー（
２）間の共振器長を若干変化させるのみで、はとんど発
生されるレーザビーム（１０）の発散角には影響しない
。第３図にはレーザ出力変化に対するレーザビーム発散
角の変化を示す。ここで固体素子（１）は、アークラン
プにより励起されたＹ２．ａＮｄｅ、ｅＡＩ５０１２で
あり、その断面の直径は１２ｍｍ、長さは１０ｍｍ、出
口ミラー（６）と全反射ミラー（２）間の距離は０　、
４４ｍ、出口ミラー内面中央の部分反射膜（７）の反射
率は８０ｒである。

なお、第４図に示すように、導光路内面の一部もしくは
全面に光源の光を乱反射する拡散反射面（５００）を構
成すれば光を積分する効果がさらに増し、より高い精度
で固体素子（１）を端面より均一照射できる。

また、上記実施例では共振器内のレーザビームが焦点を
結ぶネガティブブランチ構成の不安定型共振器を用いる
構成を示したが、第５図に示すように共振器内で焦点を
結ばないポジティブブランチ構成の不安定型共振器を用
いてもよい、また第６図に示すような全反射膜（７７）
を用いたリング状のレーザビーム（１０）を発生する不
安定型共振器、第７図に示すような内面全体に部分反射
膜（７）が施された出口ミラー（６）を用いた安定型共
振器など各種共振器を用いることができる。

また、上記実施例では励起光源（３）からの光は固体素
子（１）に向かって口の細くなるコーン状になっている
筒状の導光路（５）内面で、繰り返し反射積分され、固
体素子（１）を端面から均一照射する構成を示したが、
励起光源（３）が十分細い場合などには、第８図に示す
ように、固体素子（１）に向かって口の広くなるコーン
状になっている筒状の導光路（５）を用いたほうが、よ
り効率よく励起光源（３）の光を固体素子（１）に導く
ことができる。

また、固体素子の一端面に設けられた反射ミラー（２）
を、第９図に示すように、出口ミラー（６）と全反射ミ
ラー（２０）から構成される共振器内の折返し中間ミラ
ーとして用いてもよい。

また、励起光源はランプに限るものではなく、例えば第
１Ｏ図に示すように、マイクロ波励起などの外部光源（
３００）により発生した光（３１０）を、窓（８０）を
通して導光路（５）内に導くようにすれば、固体素子を
冷却する冷却媒体（５５）は固体素子のみを冷却すれば
よく、冷却効率が向上する。

さらに、第１１図に示すように、半導体レーザ（３０１
）から発生された光（３１１）を導光路（５）内に導い
てもよく、この場合半導体の波長を固体素子のレーザ発
振の吸収波長に合わせることにより、レーザ発振に用い
られる光のみが固体素子に入射することになり、従って
固体素子内での発熱が減少し、発明の効果が高まる。

さらに、第１２図に示すように、半導体レーザ（３０１
）からの光を光ファイバー（３１２）により導光路（５
）内に導くようにすれば、半導体レーザ（３０１）の大
きさに制限されず、より多くの半導体レーザからの光を
固体素子内に導くことができる。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、固体素子を励起する励
起光源の光を筒状の導光路により、固体素子の光軸方向
の一端面に導くとともに、上記−端面を冷却し、さらに
上記一端面に、励起光源の光に対して無反射、レーザ光
に対して全反射となる反射ミラーを、レーザ共振器を構
成する共振器ミラーの一つとして設けたので、固体素子
励起の度合によらず固体素子内の断面方向の屈折率は一
定に保つことができ、従ってレーザ出力によらず発散角
の安定したレーザビームを得ることができる。

さらに、上記筒状の導光路の内面の少なくとも一部に、
励起光源の光を乱反射する加工を施せば、励起光源の光
を効率よく積分して固体素子を断面方向により均一に励
起し、より安定したレーザビームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの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（ａ）（ｂ）は各々この発明の一
実施例及び従来の固体レーザ装置における固体素子の屈
折率分布を示す分布図、第３図はこの発明の一実施例に
よる固体レーザ装置に・おける発散角特性を示す特性図
、第４図ないし第１２図は各々この発明の他の実施例に
よる固体レーザ装置を示す断面構成図、第１３図は従来
の固体レーザ装置を示す断面構成図、第１４図は従来の
固体レーザ装置における固体素子の屈折率分布を示す分
布図、並びに第１５図は従来の固体レーザ装置における
発散角特性を示す特性図である。 （１）・・・固体素子、（２）・・・反射ミラー　（２
０）・・・全反射ミラー　（３）・・・光源、（３００
）・・・外部光源、（３０＋）・・・半導体レーザ、（
５）・・・導光路、（５００）・・・拡散反射面、（６
）・・・出口ミラー　（９Ｘ１０）（１１）・・・レー
ザビーム、（５０）・・・冷却媒体流入口、（５１）・
・・冷却媒体の流出口、（５５）・・・冷却媒体なお、
図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体素子、この固体素子を励起する光源、この光
   源からの光を内面で反射させて積分し、上記固体素子の
   光軸方向の一端面に導く筒状の導光路、上記固体素子の
   上記一端面を冷却する冷却手段、及び上記固体素子の上
   記一端面に設けられ、上記光源の光に対して無反射、レ
   ーザ光に対して全反射となる反射ミラー、この反射ミラ
   ーと共にレーザ共振器を構成する共振器ミラーを備えた
   固体レーザ装置。
2. （２）筒状の導光路の内面の少なくとも一部に、光源の
   光を乱反射する加工が施されている請求項１記載の固体
   レーザ装置。