JPH08306997A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最終段のレーザ媒質を出射したレーザビーム
がレンズ等によって精度良く集光可能であって、被加工
物におけるレーザ光のエネルギー密度を格段に向上でき
る固体レーザ装置を提供する。 【構成】 固体レーザ装置は、レーザ発振器７とレーザ
増幅器８とで構成される。レーザ発振器７は、レーザロ
ッド１と、レーザロッド１に励起光を照射する励起光源
４と、光共振器を構成する１対のミラー２、３と、励起
光源４からの励起光をレーザロッド１に集光する反射鏡
筒等を備える。レーザ増幅器８は、レーザロッド５と、
レーザロッド５に励起光を照射する励起光源６と、励起
光源６からの励起光をレーザロッド５に集光する反射鏡
筒等を備える。最終段のレーザロッド５から出射される
レーザビームの発散角は、最終段１つ手前のレーザ媒質
１から出射されるレーザビームの発散角よりも小さくな
るように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工、レーザ溶
接などに利用される大出力レーザ光を発生する固体レー
ザ装置に関し、特に加工物上のレーザ照射面でのレーザ
エネルギ密度の向上が可能な固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の固体レーザ装置の一例を
示す構成図である。この固体レーザ装置はレーザ発振器
７とレーザ増幅器８で構成される。レーザ発振器７は、
レーザ活性媒質からなるレーザロッド１と、励起光を発
してレーザロッド１の側面から照射するためのフラッシ
ュランプ等の励起光源４と、レーザロッド１の両端面を
挟んで光共振器を構成する１対のミラー２、３とを備え
る。励起光源４は、連続的またはパルス状の電力が供給
されると、それに応じて連続的またはパルス状の励起光
を発する。この励起光は、励起光源４およびレーザロッ
ド１を取り囲む反射鏡筒（図示せず）で反射してレーザ
ロッド１に集光され、レーザロッド１を励起することに
よってレーザ光９が発振する。

【０００３】１台のレーザ発振器７によるレーザ出力で
は不十分な場合、この後段にレーザ増幅器８を設けてレ
ーザ光出力を増幅する。レーザ増幅器８は、レーザ活性
媒質からなるレーザロッド５と、励起光を発してレーザ
ロッド５の側面から照射するためのフラッシュランプ等
の励起光源６と、励起光源６およびレーザロッド５を取
り囲んで、励起光源６からの励起光をレーザロッドに集
光するための反射鏡筒（図示せず）とを備える。さら
に、１つのレーザ増幅器８でも不充分な場合には、複数
のレーザ増幅器８を直列的に配置してて、複数段の光増
幅器を構成することも可能である。

【０００４】レーザ増幅器８によって増幅されたレーザ
光は、レンズ等の集光光学素子１０によって光ファイバ
１１の入射端面に集光され、さらに光ファイバ１１内を
伝搬して被加工物質へ導かれる。

【０００５】このように１台のレーザ発振器では得られ
ない大きな出力が必要な場合、以上述べたようなアンプ
方式と、共振器の中に複数のレーザ媒質を設けるマルチ
ヘッド発振器方式がある。

【０００６】ある文献（平成４年電気学会全国大会予稿
集Ｓ．７−２１）によると、マルチヘッド発振器方式に
おいて最も重要な要素は特性の揃ったロッドを用いて共
振器を構成することであり、熱レンズ効果の大きさの異
なるロッドを使用した共振器では特性の揃ったロッドで
構成した共振器に比べ、モードボリュームが減少すると
記載されている。

【０００７】また別の文献（Optics&Laser Technology
Vol.24 p67(1992)）によると、複数のロッドを使用する
レーザ（マルチロッドレーザ）では、同一の熱レンズ効
果を持つレーザ媒質を等間隔にｎ段配置するとレーザ出
力はｎ倍になるが、ビーム発散角は段数ｎと無関係であ
って、レーザ発振器を出た発散角がそのまま維持される
ことが記載されている。このことは、最終段で得られる
レーザビームの発散角は、レーザ発振器での発散角によ
って決定されてしまい、しかもレーザ発振器の発散角よ
り小さくならないことを意味する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】アンプ方式において、
発振器や各増幅器における熱レンズ効果の大きさをどの
ように適正化すればよいかは未だ知られていない。その
ため漫然と装置を構成すると、最終段から得られるレー
ザビームの発散角の投入電力依存性が大きくなってしま
い、たとえば最終段のレーザビームを光ファイバ端面に
集光する場合、集光点位置が投入電力の変動によって大
きく外れたり、ビーム径がファイバ径に適合した大きさ
に集光できないことがある。

【０００９】このような場合、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）
に示すような状況が発生して、光ファイバ１１の一部を
破壊することがある。最終段のレーザ増幅器８を構成す
るレーザロッド５から出射したレーザビーム１２はレン
ズ１０によって集束されるが、図７（ａ）はレーザビー
ム１２の集光位置が手前にシフトして、光ファイバ１１
の端面でレーザビーム１２が広がってしまう様子を示し
ている。図７（ｂ）はレーザビーム１２の集光位置が進
行方向にシフトして、光ファイバ１１の端面でのビーム
径が広がった様子を示している。図７（ｃ）はレーザビ
ーム１２の集光位置は合致しているが、光ファイバ１１
の端面でのビーム径が大きくなり過ぎた様子を示してい
る。

【００１０】本発明の目的は、最終段より出射されるレ
ーザビームのビーム品質（BeamQuality)をレーザ発振器
でのビーム品質よりも改善して、レンズ等で集光したと
きの焦点変動や集光径を小さくし、これによって大出力
レーザ光を高密度に被照射体へ導くための細径光ファイ
バへの集光を実現することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、アンプ方式に
おいて最適な構成を鋭意研究した結果、最終段とその１
つ手前の増幅器または発振器の熱レンズ効果の大きさを
以下に述べるように異なるものにすることで、発振器を
出射したレーザビームよりもビーム品質の優れたレーザ
ビームが最終段から得られることを見いだして本発明に
至ったものである。すなわち本発明は、レーザ媒質、該
レーザ媒質の側面に起光を照射するための励起光源、お
よび該レーザ媒質の両端面を挟む１対の鏡から成る光共
振器を含むレーザ発振器と、該レーザ発振器から後段に
配置され、レーザ媒質および該レーザ媒質の側面に励起
光を照射するための励起光源を含む少なくとも１つ以上
のレーザ増幅器とを備え、各レーザ媒質がレーザビーム
の進行方向に沿って直列に配置されるとともに、最終段
のレーザ媒質から出射されるレーザビームの発散角が、
最終段１つ手前のレーザ媒質から出射されるレーザビー
ムの発散角よりも小さくなるように構成されたことを特
徴とする固体レーザ装置である。また本発明は、レーザ
媒質、該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励
起光源、および該レーザ媒質の両端面を挟む１対の鏡か
ら成る光共振器を含むレーザ発振器と、該レーザ発振器
から後段に配置され、レーザ媒質および該レーザ媒質の
側面に励起光を照射するための励起光源を含む少なくと
も１つ以上のレーザ増幅器とを備え、各レーザ媒質がレ
ーザビームの進行方向に沿って直列に配置されるととも
に、各レーザ媒質の形状は円柱状であって、最終段のレ
ーザ媒質の直径が最終段１つ手前のレーザ媒質の直径よ
りも大きいことを特徴とする固体レーザ装置である。ま
た本発明は、レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起光
を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両端
面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振器
と、該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質お
よび該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起
光源を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備
え、各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直
列に配置されるとともに、最終段のレーザ媒質の励起光
吸収率が最終段１つ手前のレーザ媒質の励起光吸収率よ
りも小さいことを特徴とする固体レーザ装置である。ま
た本発明は、レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起光
を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両端
面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振器
と、該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質お
よび該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起
光源を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備
え、各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直
列に配置されるとともに、最終段のレーザ媒質の発光中
心イオン濃度が最終段１つ手前のレーザ媒質の発光中心
イオン濃度よりも小さいことを特徴とする固体レーザ装
置である。また本発明は、最終段のレーザ媒質に到達す
る励起光量が、最終段１つ手前のレーザ媒質に到達する
励起光量よりも小さいことを特徴とする。また本発明
は、最終段のレーザ媒質を励起する励起光源の発生光量
が、最終段１つ手前のレーザ媒質を励起する励起光源の
発生光量よりも小さいことを特徴とする。また本発明
は、最終段のレーザ媒質と励起光源との間および最終段
１つ手前のレーザ媒質と励起光源との間にレーザ媒質の
励起に寄与が小さい波長成分を吸収して励起に寄与する
光を発光する発光手段がそれぞれ設けられ、最終段１つ
手前のレーザ媒質に設けられた発光手段の量が、最終段
のレーザ媒質に設けられた発光手段の量よりも大きいこ
とを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明に従えば、最終段のレーザ媒質の熱レン
ズの焦点距離を最終段１つ手前のレーザ媒質の熱レンズ
の焦点距離よりも長くし、最終段のレーザ媒質から出射
されるレーザビームの発散角が、最終段１つ手前のレー
ザ媒質から出射されるレーザビームの発散角よりも小さ
くなるように構成することによって、後段に配置される
レンズ等の集光光学素子で集光する際に、目標とする焦
点位置に適切なスポット形状で集光可能になる。このこ
とは最終段１つ手前のレーザ媒質が、共振器構造を有す
るレーザ発振器を構成しているか、レーザ増幅器を構成
しているかには無関係である。

【００１３】また本発明に従えば、各レーザ媒質が円柱
状であって、最終段のレーザ媒質の直径が最終段１つ手
前のレーザ媒質の直径よりも大きいことによって、最終
段からのレーザビームの発散角が最終段１つ手前からの
レーザビームの発散角よりも小さくなる。すなわち、レ
ーザロッドの直径が大きいほど熱レンズ効果が小さくな
り熱レンズの焦点距離が長くなるため、最終段から出射
したレーザビームの発散角が小さくなる。

【００１４】また本発明に従えば、最終段のレーザ媒質
の励起光吸収率を、最終段１つ手前のレーザ媒質の励起
光吸収率よりも小さくすることによって、最終段からの
レーザビームの発散角が最終段１つ手前からのレーザビ
ームの発散角よりも小さくなる。

【００１５】また本発明に従えば、最終段のレーザ媒質
の発光中心イオン濃度（たとえばＹＡＧ結晶でのＮｄ含
有量）が最終段１つ手前のレーザ媒質の発光中心イオン
濃度よりも小さいことによって、最終段での励起光の吸
収が小さくなり、熱レンズ効果が前段よりも小さくな
る。そのため、熱レンズの焦点距離が長くなって、最終
段から出射したレーザビームの発散角が小さくなる。

【００１６】ここで、励起光吸収率は、励起波長近傍の
吸収スペクトルから求めることができるが、その大小関
係は次のようにして求めることができる。すなわち、熱
レンズ効果の焦点距離ｆと投入パワーＰの関係はｆ＝Ｃ
／Ｐとなるが、Ｃ（定数）が励起光吸収率に反比例の関
係となるので、Ｃの大小関係から励起光吸収率の大小が
分かる。

【００１７】また、最終段のレーザ媒質に到達する励起
光量が、最終段１つ手前のレーザ媒質に到達する励起光
量よりも小さいことによって、レーザ媒質での発熱が小
さいほど熱レンズ効果が小さくなるため、最終段からの
レーザビームの発散角が最終段１つ手前からのレーザビ
ームの発散角よりも小さくなる。

【００１８】また、最終段のレーザ媒質を励起する励起
光源の発生光量が、最終段１つ手前のレーザ媒質を励起
する励起光源の発生光量よりも小さいことによっても同
様に、レーザ媒質での発熱が小さいほど熱レンズ効果が
小さくなり、最終段からのレーザビームの発散角が最終
段１つ手前からのレーザビームの発散角よりも小さくな
る。これは、たとえば最終段の励起ランプへの投入電力
をその前段よりも小さくすることによって容易に実現で
きる。

【００１９】また、レーザ媒質と励起光源との間に設け
られ、レーザ媒質の励起に寄与が小さい波長成分を吸収
し、レーザ励起波長を発光する発光手段について、最終
段１つ手前のレーザ媒質に設けられた発光手段の量を最
終段のレーザ媒質に設けられた発光手段の量よりも大き
くする。これによっても最終段からのレーザビームの発
散角を最終段１つ手前からのレーザビームの発散角より
も小さく設定できる。この発光手段として、たとえば励
起ランプとレーザ媒質のそれぞれの周囲に配置される冷
却管に、レーザ媒質を励起する波長で発光する成分をド
ープする手法が考えられ、そして最終段の冷却管でのド
ープ量よりその前段の冷却管でのドープ量の方を大きく
することによって容易に実現できる。なお、ドープする
成分として、レーザ媒質の励起波長よりも短波長成分を
吸収する元素、たとえばＣｅ、Ｃｒ、Ｓｍなどを使用す
ることも可能である。さらに、レーザ媒質間の距離など
はモードボリュームが大きくなるように調整すればよ
い。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の第１実施例を示す構成図
である。固体レーザ装置は、レーザ発振器７とレーザ増
幅器８とで構成される。レーザ発振器７は、レーザ活性
媒質からなるレーザロッド１と、励起光を発してレーザ
ロッド１の側面から照射するためのフラッシュランプ等
の励起光源４と、レーザロッド１の両端面を挟んで光共
振器を構成する１対のミラー２、３と、励起光源４およ
びレーザロッド１を取り囲んで、励起光源４からの励起
光をレーザロッド１に集光するための反射鏡筒（図示せ
ず）とを備える。

【００２１】レーザロッド１は、Ｎｄ（ネオジウム）を
０．８ａｔ％ドープしたＹＡＧ（イットリウムアルミニ
ウムガーネット）結晶から成り、直径が８ｍｍの円柱形
状である。ミラー２、３は平面鏡であって、ミラー２の
反射率がほぼ１００％で、ミラー３の反射率が４５％と
なる光共振器を構成している。

【００２２】レーザ増幅器８は、レーザ活性媒質から成
るレーザロッド５と、励起光を発してレーザロッド５の
側面から照射するためのフラッシュランプ等の励起光源
６と、励起光源６およびレーザロッド５を取り囲んで、
励起光源６からの励起光をレーザロッド５に集光するた
めの反射鏡筒（図示せず）とを備える。レーザロッド
１、５および励起光源４、６の外周には、不純物をドー
プしていない石英ガラスから成る冷却管（図示せず）が
それぞれ配置されている。

【００２３】レーザロッド５は、レーザロッド１と同じ
組成であって、直径がレーザロッド１のものより大き
く、たとえば直径１０ｍｍの円柱形状である。２つのレ
ーザロッド１、５は、レーザビーム進行方向に沿って直
列に配置される。

【００２４】２つの励起光源４、６がパルス状に発光す
ると、レーザ発振器７ではパルスのレーザ発振が起こ
る。このとき励起光源４と励起光源６への投入電力の比
は、２本のレーザロッドの熱レンズ効果の比をさらに最
適化するため１：０．９に設定している。レーザ発振器
７からのレーザビーム９は、レーザ増幅器８によって増
幅され、さらにレンズ等の集光光学素子１０によって光
ファイバ１１の入射端面に集光され、さらに光ファイバ
１１内を伝搬して被加工物質へ導かれる。本実施例で
は、たとえば励起光源４、６の発光によって最大１．１
ｋＷのレーザ出力が得られるとともに、レンズで集光す
ることによって直径０．６ｍｍの光ファイバ１１に問題
なく集光された。

【００２５】図２は、レーザビームの発散角を測定する
方法を示す説明図である。レーザ媒質５から出たレーザ
ビーム９は、ビームウエスト１２で最小ビーム径とな
り、ここから進行方向に沿って徐々に広がっていく。レ
ーザビーム９の発散角とは、ビームウエスト１２を基準
位置として、ここから遠い位置でのビームの拡がり角θ
をいう。

【００２６】ここでは数枚の感熱紙１３を１枚ずつレー
ザビーム９の光路の数カ所に挿入して、光吸収による加
熱によって感熱紙の中央を発色させて、いわゆるバーン
パターン１４の大きさとその時の感熱紙の位置から求め
ることができる。この方法はバーンパターン法とも称さ
れる。この方法を用いて、レーザ発振器７およびレーザ
増幅器８から出射した各レーザビームの発散角を測定し
た。

【００２７】図３は、図１での各レーザビームの発散角
の変化を示すグラフである。横軸は励起光源４、６への
投入電力であり、縦軸は各レーザビームの発散角であ
る。図３において「□」はレーザ発振器７からのレーザ
ビームの発散角を示し、「●」はレーザ増幅器８からの
レーザビームの発散角を示す。

【００２８】グラフを見ると、投入電力が増加するにつ
れて、レーザ発振器７からのレーザビームの発散角は熱
レンズ効果によって単調増加するが、レーザ増幅器８か
らのレーザビームの発散角は約８ｋＷまでは単調増加
し、その後徐々に小さくなることが判る。また、両者の
発散角を比較すると、全体として後者の発散角が前者よ
りも小さくなっている。この状態で１．１ｋＷの出力を
得るための励起光源１本当りの投入電力において、集光
レンズで集光したとき、焦点位置ずれは発振器から出力
したレーザビームの場合と比べて１／２．６に抑制さ
れ、集光径は１／１．５に小さくなり、発振器のみと比
べて大幅にビーム品質が改善されたことが判った。ここ
で、焦点位置ずれとは集光レンズの焦点距離から決まる
集光点からのずれ量である。

【００２９】（実施例２）本発明の第２実施例は、図１
と同じ構成である。固体レーザ装置は、レーザ発振器７
とレーザ増幅器８とで構成される。レーザ発振器７は、
レーザ活性媒質からなるレーザロッド１と、励起光を発
してレーザロッド１の側面から照射するためのフラッシ
ュランプ等の励起光源４と、レーザロッド１の両端面を
挟んで光共振器を構成する１対のミラー２、３と、励起
光源４およびレーザロッド１を取り囲んで、励起光源４
からの励起光をレーザロッド１に集光するための反射鏡
筒（図示せず）とを備える。

【００３０】レーザロッド１は、Ｎｄを０．８ａｔ％ド
ープしたＹＡＧ結晶から成り、直径が８ｍｍの円柱形状
である。ミラー２、３は平面鏡であって、ミラー２の反
射率がほぼ１００％で、ミラー３の反射率が４５％とな
る光共振器を構成している。

【００３１】レーザ増幅器８は、レーザ活性媒質から成
るレーザロッド５と、励起光を発してレーザロッド５の
側面から照射するためのフラッシュランプ等の励起光源
６と、励起光源６およびレーザロッド５を取り囲んで、
励起光源６からの励起光をレーザロッド５に集光するた
めの反射鏡筒（図示せず）とを備える。

【００３２】レーザロッド１および励起光源４の外周に
は、Ｃｅ（セリウム）を約２０００ｐｐｍドープした石
英ガラス製の冷却管（図示せず）がそれぞれ配置されて
いる。また、レーザロッド５および励起光源６の外周に
は、不純物をドープしていない石英ガラス製の冷却管
（図示せず）がそれぞれ配置されている。

【００３３】レーザロッド５は、レーザロッド１と同じ
組成であって、直径がレーザロッド１のものより大き
く、たとえば直径１０ｍｍの円柱形状である。２つのレ
ーザロッド１、５は、レーザビーム進行方向に沿って直
列に配置される。

【００３４】２つの励起光源４、６がパルス状に発光す
ると、レーザ発振器７ではパルスのレーザ発振が起こ
り、レーザ発振器７からのレーザビーム９はレーザ増幅
器８によって増幅される。このときレーザ発振器７の励
起光源４とレーザ増幅器８の励起光源６への投入電力の
比は、２本のレーザロッドの熱レンズ効果の比を最適化
するために１：１に設定した。投入電力の比が１：１と
なったことで実施例１と比較して最大投入電力が５％増
大し、それに伴い最大出力も増加した。

【００３５】レーザ増幅器８からのレーザビーム９は、
レンズ等の集光光学素子１０によって光ファイバ１１の
入射端面に集光され、さらに光ファイバ１１内を伝搬し
て被加工物質へ導かれる。本実施例では、最大１．２ｋ
Ｗのレーザ出力が得られるとともに、レンズで集光する
ことによって直径０．６ｍｍの光ファイバ１１に問題な
く集光された。

【００３６】（実施例３）図４は、本発明の第３実施例
を示す構成図である。固体レーザ装置は、レーザ発振器
７と２段のレーザ増幅器８、１８とで構成される。レー
ザ発振器７は、レーザ活性媒質からなるレーザロッド１
と、励起光を発してレーザロッド１の側面から照射する
ためのフラッシュランプ等の励起光源４と、レーザロッ
ド１の両端面を挟んで光共振器を構成する１対のミラー
２、３と、励起光源４およびレーザロッド１を取り囲ん
で、励起光源４からの励起光をレーザロッド１に集光す
るための反射鏡筒（図示せず）とを備える。

【００３７】レーザロッド１は、Ｎｄを０．８ａｔ％ド
ープしたＹＡＧ結晶から成り、直径が１０ｍｍの円柱形
状である。ミラー２、３はたとえば平面鏡であって、ミ
ラー２の反射率がほぼ１００％で、ミラー３の反射率が
４５％となる光共振器を構成している。

【００３８】１段目のレーザ増幅器８は、レーザ活性媒
質から成るレーザロッド５と、励起光を発してレーザロ
ッド５の側面から照射するためのフラッシュランプ等の
励起光源６と、励起光源６およびレーザロッド５を取り
囲んで、励起光源６からの励起光をレーザロッド５に集
光するための反射鏡筒（図示せず）とを備える。

【００３９】レーザロッド５は、Ｎｄを１．１ａｔ％ド
ープしたＹＡＧ結晶から成り、直径がレーザロッド１と
同じ１０ｍｍの円柱形状である。

【００４０】２段目のレーザ増幅器１８は、レーザ活性
媒質から成るレーザロッド１６と、励起光を発してレー
ザロッド１６の側面から照射するためのフラッシュラン
プ等の励起光源１７と、励起光源１７およびレーザロッ
ド１６を取り囲んで、励起光源１７からの励起光をレー
ザロッド１６に集光するための反射鏡筒（図示せず）と
を備える。

【００４１】レーザロッド１６は、Ｎｄを０．７ａｔ％
ドープしたＹＡＧ結晶から成り、直径がレーザロッド１
と同じ１０ｍｍの円柱形状である。こうして３つのレー
ザロッド１、５、１６は、レーザビーム進行方向に沿っ
て直列に配置される。このときレーザロッド１６の励起
光吸収率はレーザロッド５のそれの１／１．７であっ
た。

【００４２】３つの励起光源４、６、１７がパルス状に
発光すると、レーザ発振器７ではパルスのレーザ発振が
起こる。レーザ発振器７からのレーザビーム９は、レー
ザ増幅器８、１８によって次々と増幅され、さらにレン
ズ等の集光光学素子１０によって光ファイバ１１の入射
端面に集光され、さらに光ファイバ１１内を伝搬して被
加工物質へ導かれる。本実施例では、最大２．０ｋＷの
レーザ出力が得られるとともに、レンズを通すことによ
って入射直径０．６ｍｍの光ファイバ１１に問題なく集
光された。

【００４３】図５は、図４での各レーザビームの発散角
の変化を示すグラフである。横軸は励起光源４、６、１
７への投入電力の１個当りの換算値であり、縦軸は各レ
ーザビームの発散角であり、バーンパターン法で測定し
ている。図５において「□」は最終段１つ手前のレーザ
増幅器８からのレーザビームの発散角を示し、「●」は
最終段のレーザ増幅器１８からのレーザビームの発散角
を示す。

【００４４】グラフを見ると、投入電力が増加するにつ
れて、レーザ増幅器８からのレーザビームの発散角は熱
レンズ効果によって単調増加するが、レーザ増幅器８か
らのレーザビームの発散角は約１２ｋＷまでは単調増加
し、その後減少することが判る。また、両者の発散角を
比較すると、全体として後者の発散角が前者よりも小さ
くなっている。また、この装置で２ｋＷの出力を出すと
き励起光源１本当りの投入電力において、発振器のみの
場合と比べて、最終段での出力ビームの焦点位置ずれは
１／９．６に抑制され、集光径は１／１．７に小さくな
り、ビーム品質が大きく改善したことが分かった。

【００４５】（比較例）図６は、本発明の比較例を示す
構成図である。固体レーザ装置は、レーザ発振器７とレ
ーザ増幅器８とで構成される。レーザ発振器７は、レー
ザ活性媒質からなるレーザロッド１と、励起光を発して
レーザロッド１の側面に照射するためのフラッシュラン
プ等の励起光源４と、レーザロッド１の両端面を挟んで
光共振器を構成する１対のミラー２、３と、励起光源４
およびレーザロッド１を取り囲んで、励起光源４からの
励起光をレーザロッド１に集光するための反射鏡筒（図
示せず）とを備える。

【００４６】レーザロッド１は、Ｎｄを０．８ａｔ％ド
ープしたＹＡＧ結晶から成り、直径が８ｍｍの円柱形状
である。ミラー２、３は平面鏡であって、ミラー２の反
射率がほぼ１００％で、ミラー３の反射率が４５％とな
る光共振器を構成している。

【００４７】レーザ増幅器８は、レーザ活性媒質から成
るレーザロッド５と、励起光を発してレーザロッド５の
側面から照射するためのフラッシュランプ等の励起光源
６と、励起光源６およびレーザロッド５を取り囲んで、
励起光源６からの励起光をレーザロッド５に集光するた
めの反射鏡筒（図示せず）とを備える。レーザロッド１
および励起光源４ならびにレーザロッド５および励起光
源６の外周には、不純物をドープしていない石英ガラス
から成る冷却管（図示せず）がそれぞれ配置されてい
る。

【００４８】レーザロッド５は、レーザロッド１と同じ
組成であって、同じ直径である。２つのレーザロッド
１、５は、ミラー３に関して対称な位置になるようにレ
ーザビーム進行方向に沿って直列に配置される。

【００４９】２つの励起光源４、６がパルス状に発光す
ると、レーザ発振器７ではパルスのレーザ発振が起こ
り、レーザ発振器７からのレーザビーム９は、レーザ増
幅器８によって増幅され、さらにレンズ等の集光光学素
子１０によって光ファイバ１１の入射端面に集光され
る。

【００５０】本比較例では、励起光源４、６の発光によ
って最大１．１ｋＷのレーザ出力が得られたが、レンズ
で集光すると直径０．６ｍｍの光ファイバ１１に集光で
きず、光ファイバ入射端面を焼損した。

【００５１】図８は、レーザ発振器７のレーザビームの
発散角とレーザ発振器７ののちレーザ増幅器８を経た後
のレーザビームの発散角の変化を示すグラフである。横
軸はロッド１本当りの励起光源への投入電力であり、縦
軸は各レーザビームの発散角である。図８において
「□」はレーザ発振器７後のレーザビームの発散角を示
し、「●」はレーザ増幅器７とレーザ増幅器８との構成
で最終段におけるレーザビームの発散角を示している。
グラフから判るように、レーザ発振器７後のレーザビー
ムの発散角と、レーザ増幅器７とレーザ増幅器８との構
成におけるレーザビームの発散角は、ほぼ同一曲線上に
ある。つまりこの構成では、ロッドが２本に増えても、
発散角は変化しないということが判る。また、発散角は
実施例１、実施例２と比べて大きくなっている。

【００５２】また本比較例の最終段のレーザビームをレ
ンズで集光したときの焦点位置ずれと集光径は、投入電
力の主範囲において、発振器のみから出射したレーザビ
ームの値と変わらず、ビーム品質の改善が見られなかっ
た。

【００５３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、最終段のレーザ
増幅器から出射したレーザビームをレンズ等で集束する
とき、従来よりも小さい大きさに集束することができ
る。このことは例えば本装置から出射したレーザビーム
を光ファイバーで加工対象の近くまで導く場合、径の小
さな光ファイバーの入射端面に集光することができ、加
工面で高輝度すなわちエネルギー密度の高いレーザビー
ムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図である。

【図２】レーザビームの発散角を測定する方法を示す説
明図である。

【図３】図１（実施例１）における各レーザビームの発
散角の変化を示すグラフである。

【図４】本発明の第３実施例を示す構成図である。

【図５】図４（実施例２）における各レーザビームの発
散角の変化を示すグラフである。

【図６】従来の固体レーザ装置の一例を示す構成図であ
る。

【図７】従来でのレーザビームの集光状態を示す説明図
である。

【図８】図６（比較例）における各レーザビームの発散
角の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１、５、１６ レーザロッド ２、３ ミラー ４、６、１７ 励起光源 ７ レーザ発振器 ８、１８ レーザ増幅器 ９ レーザビーム １０ 集光光学素子 １１ 光ファイバ １２ ビームウエスト １３ 感熱紙 １４ バーンパターン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起
   光を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両
   端面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振
   器と、 該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質および
   該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起光源
   を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備え、 各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直列に
   配置されるとともに、最終段のレーザ媒質から出射され
   るレーザビームの発散角が、最終段１つ手前のレーザ媒
   質から出射されるレーザビームの発散角よりも小さくな
   るように構成されたことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起
   光を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両
   端面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振
   器と、 該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質および
   該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起光源
   を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備え、 各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直列に
   配置されるとともに、各レーザ媒質の形状は円柱状であ
   って、最終段のレーザ媒質の直径が最終段１つ手前のレ
   ーザ媒質の直径よりも大きいことを特徴とする固体レー
   ザ装置。
3. 【請求項３】 レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起
   光を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両
   端面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振
   器と、 該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質および
   該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起光源
   を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備え、 各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直列に
   配置されるとともに、最終段のレーザ媒質の励起光吸収
   率が最終段１つ手前のレーザ媒質の励起光吸収率よりも
   小さいことを特徴とする固体レーザ装置。
4. 【請求項４】 レーザ媒質、該レーザ媒質の側面に励起
   光を照射するための励起光源、および該レーザ媒質の両
   端面を挟む１対の鏡から成る光共振器を含むレーザ発振
   器と、 該レーザ発振器から後段に配置され、レーザ媒質および
   該レーザ媒質の側面に励起光を照射するための励起光源
   を含む少なくとも１つ以上のレーザ増幅器とを備え、 各レーザ媒質がレーザビームの進行方向に沿って直列に
   配置されるとともに、最終段のレーザ媒質の発光中心イ
   オン濃度が最終段１つ手前のレーザ媒質の発光中心イオ
   ン濃度よりも小さいことを特徴とする固体レーザ装置。
5. 【請求項５】 最終段のレーザ媒質に到達する励起光量
   が、最終段１つ手前のレーザ媒質に到達する励起光量よ
   りも小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記
   載の固体レーザ装置。
6. 【請求項６】 最終段のレーザ媒質を励起する励起光源
   の発生光量が、最終段１つ手前のレーザ媒質を励起する
   励起光源の発生光量よりも小さいことを特徴とする請求
   項５記載の固体レーザ装置。
7. 【請求項７】 最終段のレーザ媒質と励起光源との間お
   よび最終段１つ手前のレーザ媒質と励起光源との間にレ
   ーザ媒質の励起に寄与が小さい波長成分を吸収して励起
   に寄与する光を発光する発光手段がそれぞれ設けられ、
   最終段１つ手前のレーザ媒質に設けられた発光手段の量
   が、最終段のレーザ媒質に設けられた発光手段の量より
   も大きいことを特徴とする請求項５記載の固体レーザ装
   置。