JP2007299962A - 薄ディスクレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、極薄ディスクをレーザ媒質とした場合でも簡便な調整で安定かつ高効率な励起がなしえる薄ディスクレーザ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】厚さが０．１ｍｍ以下のＹＡＧ透明セラミックス接合体１１と、このＹＡＧ透明セラミックス接合体１１と光学的に接合されたＹＡＧ透明セラミックス接合体１２を具備することを特徴とする薄ディスクレーザ装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、薄ディスクレーザ装置に関する。

産業用の加工機等に使用される高出力固体レーザ装置は、従来のランプ励起に比べてより長寿命、高効率、かつ信頼性が高い半導体レーザ（レーザダイオード。以下、ＬＤと呼ぶ）を励起光源としたＬＤ励起固体レーザ装置へと移行しつつある。これはＬＤの高出力化、低価格化が大きく進んだためである。ＬＤの性能向上とともに利得媒質の形状も従来主流のロッド形状だけでなく、ファイバー、ディスク等のこれまでにない様々な形状が出現し、非常に高性能なレーザ装置が提案されている。連続発振（以下、ＣＷ発振）レーザ装置では、光ファイバーのコア部にレーザ活性イオンをドープしたファイバーレーザにおける出力の延びが目覚しく、現在ではシングルモードでＣＷ１ｋＷ以上の出力が得られるものも得られている。輝度の点においても、従来の高出力レーザの代名詞であったＣＯ_２レーザを超える出力が得られようになった。

しかし、ファイバーレーザは直径１ｍｍ以下のコアを通してレーザ光の伝搬・増幅を行うため、エネルギー密度が高くなりやすく、ピークパワーの高いパルスレーザヘの応用では損傷閾値（特にファイバー端面）の問題からハイパワー化が難しい。また、ファイバーレーザでは一般に数メートルオーダーのファイバーを用いるため、レーザ光が長い光路を通過する際に生じる光誘導ラマン散乱、ブリルアン散乱等の非線形光学効果の影響が大きくなり、分散補償の面からも短パルス化が難しいといったデメリットも存在する。

それに対し、バルクの利得媒質を用いる固体レーザにおいては、ビーム径を大きくとることで利得媒質やミラー等の光学部品上におけるレーザ光のパワー密度を低く抑えることが可能となり、ハイパワーパルスの発生が可能である。さらに、ディスクレーザにおいては、利得媒質中のレーザ光路長が短くなるため、ファイバーレーザとは反対に非線形光学効果の影響が小さく分散補償も比較的容易になり、フェムト秒クラスの超短パルス・高ピークパワーレーザの発振も可能である。このように、ディスクレーザは高出力レーザ用の構成として非常に大きな可能性を持っている。

ところで、ディスクレーザにおいては、ディスク片面にミラーコーティングが施されたものは特にアクティブミラー型と呼ばれ、ミラーコーティング面をヒートシンク等と接合することにより高効率な利得媒質の冷却が可能となる。また、このような形式のディスクレーザは利得媒質を薄くするほど冷却効率が高くなり、利得媒質の厚さが数百μｍ程度のものは特に薄ディスクレーザと呼ばれている。この薄ディスクレーザは理論的には優れた特性が得られる構造であるが、利得媒質の薄さから励起光を効率的に吸収させることが難しい。そこで、ディスク側面から励起光を導入しディスク面内方向に光を伝搬させることで吸収長を稼ぐ側面励起方式のレーザ装置（特許文献１）、ミラーを用いて利得媒質中で励起光を反復させる端面往復励起方式のレーザ装置（特許文献２）、励起光を導くための導波光学系を接合したレーザ装置（特許文献３）など、様々な励起方式が検討されている。特許文献２による方法では、数ｋＷクラスのＣＷ出力が得られるレーザ装置も市販されている。なお、特許文献１のように側面励起方式のレーザ装置としては、例えば非特許文献１が知られている。
特開２００４−３５６４７９ 特開平１１−１２１８５５ 特開２００４−１５２８１７ 「側面励起型高出力Ｙｂ：ＹＡＧコンポジットディスクレーザー」，社団法人レーザ学会，第３３巻第４号，２００５年４月発行

アクティブミラー型ディスクレーザの高性能化には、レーザ媒質の薄肉化による冷却効率向上と励起効率向上が必要となる。側面励起方式はシンプルな光学系で高効率な励起を実現できるが、ディスクが薄くなるほど励起光を導入する利得媒質側面の面積も狭くなるため、励起光の導入も困難になる。往復端面励起においてはディスク端面から励起光を導入するため、ディスク厚が薄くなっても励起光照射部の面積は変わらない。しかし、十分な励起光の吸収を得るためには反復回数を増やす必要があり、光学系が複雑になるうえ往復用のミラーにも精密な調整が要求されるようになる。このようにディスクの薄肉化と励起の高効率化は相反する関係にあり、これまでの方法では両者を追及すると非常にシビアな調整が要求されるシステムとなっていた。

ディスク厚を薄くした際に生じる弊害としては、上記励起方式の問題以外にも、薄ディスクの光学研磨の困難さがある。また、ディスクはヒートシンクに貼り付けられてはいるものの、高出力励起時にはどうしてもディスク内部の熱分布によって反りが生じ、それがレンズ効果を生み出し出力レーザ光のビーム品質を劣化させてしまうといった問題点も潜在的に存在していた。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、極薄ディスクをレーザ媒質とした場合でも簡便な調整で安定かつ高効率な励起がなしえる薄ディスクレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の薄ディスクレーザ装置は、厚さが０．１ｍｍ以下のディスクレーザ媒質と、このディスクレーザ媒質と光学的に接合された励起光閉じ込め部を具備することを特徴とする。
また、本発明の薄ディスクレーザ装置は、前記励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質の屈折率の差が±１０％以下であることを特徴とする。

更に、本発明の薄ディスクレーザ装置は、前記励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質のホスト材料が同一、もしくはお互いの屈折率が同じであることを特徴とする。
更には、本発明の薄ディスクレーザ装置は、前記励起光閉じ込め部の一部に励起光導入窓を有し、該励起光導入窓１個あたりの面積が０．８ｍｍ^２以下であることを特徴とする。

本発明によれば、本発明の構造を用いることにより、従来の側面励起・端面励起ディスクレーザと比較して、効率、ビーム品質の面で優れたディスクレーザ装置を得られることが可能。また、光学系の調整も他の方式に比べて非常に容易になる。

以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明における薄ディスクレーザ装置の構成を図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す。ここで、図１（Ａ）は薄ディスクレーザ装置の構成を示す概略図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ部の断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＹ部の断面図を示す。
本発明の薄ディスクレーザ装置は、厚さ０．１ｍｍ以下の薄ディスクレーザ媒質１と、励起光閉じ込め部としての励起光閉じ込め用コア部２と、励起光閉じ込め用クラッド部３を備えている。薄ディスクレーザ媒質１は、遷移金属、希土類などのレーザ活性イオンが添加されたＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３等の単結晶もしくはセラミックスのレーザホスト材料からなる。励起光閉じ込め用コア部２は、励起光波長、レーザ発振波長に対して透明な材質からなり、前記薄ディスクレーザ媒質１と接合、一体化されている。励起光閉じ込め用クラッド部３は、励起光閉じ込め用コア部２よりも低屈折率な材料からなり、前記薄ディスクレーザ媒質１と励起光閉じ込め用コア部２の接合体側面を取り囲むように接合されている。

前記薄ディスクレーザ媒質１，励起光閉じ込め用コア部２，励起光閉じ込め用クラッド部３の接合体の接合界面は、光の散乱等が十分に小さい光学的な接合とする。また、前記薄ディスクレーザ媒質１，励起光閉じ込め用コア部２，励起光閉じ込め用クラッド部３の接合体の上下端面は、光学研磨されている。前記薄ディスクレーザ媒質１が接合されている側の端面には、励起波長およびレーザ発振波長に対する高反射コーティング層（誘電多層膜）４を形成することでアクティブミラーを形成している。

前記高反射コーティング層４の端面は、高熱伝導接着剤やはんだ等によって冷却用ヒートシンク５に接合されて固定されている。誘電多層膜４の反対側に位置する前記励起光閉じ込め用コア部２及び励起光閉じ込め用クラッド部３の端面には、励起光波長に対しては高反射で、レーザ発振波長に対しては低反射のダイクロイックコーティング層（誘電多層膜）６が形成され、そこに近接するように出力ミラー７を配置して高反射コーティング層４との間でレーザ共振器を構成する。前記誘電多層膜６には、図１（Ｂ）に示すように、励起光導入用窓８として面積０．８ｍｍ^２以下の無コーティング部（又は励起光波長に対する低反射コーティング部）が形成され、集光した励起光をそこから励起光閉じ込め用コア部２に導入するようになっている。

集光したビームは、ビームウェスト（焦点）より遠い位置では発散するようになる。しかし、発散ビームが励起光閉じ込め用コア部２と励起光閉じ込め用クラッド部３の接合界面に対して入射する角度を全反射角以上にすることで、励起光導入用窓８より外に出てしまう一部の励起光を除いた大部分の励起光を励起光閉じ込め用コア部２の中に閉じ込めることが出来る。閉じ込められた励起光は、励起光閉じ込め用コア部２の中で反射を繰り返すうちに、底面に接合されている薄ディスクレーザ媒質１に吸収される。ここで、薄ディスクレーザ媒質１と励起光閉じ込め用コア部２の接合界面は何度も光が通過するため、素材の屈折率の違いに起因する反射損失（フレネル反射）を小さくするためにも同じ素材であることが好ましい。

本発明において、前記励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質の屈折率の差は±１０％以下であることが好ましい。ここで、両者の屈折率の差が小さければ小さいほどレーザの特性が向上する。また、本発明においては、励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質のホスト材料が同一、もしくはお互いの屈折率が同じであることが好ましい。具体的な材料としては、例えばＹＡＧ，Ｙ_２Ｏ_３が挙げられる。

本発明において、前記励起光導入窓８のサイズは大きいほど励起光の導入は容易になるが、励起光の閉じ込め効率も低下する。また、励起用に用いられる高出力ＬＤは、ビーム品質が低く集光性も悪いが、φ１ｍｍ程度までなら容易に集光が可能である。そのため、励起光導入窓１個あたりのサイズは０．８ｍｍ^２（約φ１ｍｍ）以下であることが好ましい。ここで、励起光導入窓のサイズが０．８ｍｍ^２を超えると、励起光の閉じ込め効率が低下する。

また、厚み０．１ｍｍ以下の自立薄ディスクレーザ媒質を得るのは、加工の面で非常に困難である。しかし、本発明では、薄ディスクレーザ媒質１は励起光閉じ込め用コア部２と接合されているため、レーザ媒質自体の厚みが薄くなっても剛性が高く、高精度の光学研磨が可能となる。更に、本発明の場合、高出力動作時における熱歪に対しても自立型薄ディスクに比べて強くなる利点を持つ。

以下に、本発明の具体的な実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
本発明の実施例１に係る薄ディスクレーザ増幅装置の構成を図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す。ここで、図２（Ａ）は薄ディスクレーザ増幅装置の構成を示す概略図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＸ部の断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＹ部の断面図を示す。

薄ディスクレーザ増幅装置は、厚さ約５０μｍのＹＡＧ透明セラミックス接合体（薄ディスクレーザ媒質）１１と、励起光閉じ込め部としてのＹＡＧ透明セラミックス接合体（励起光閉じ込め用コア部）１２と、光学接着剤層（励起光閉じ込め用クラッド部）１３を備えている。一方のＹＡＧ透明セラミックス接合体（以後、第１の接合体と呼ぶ）１１にはレーザ活性イオンとしてイッテルビウム（Ｙｂ）が２０ａｔ％添加され、他方のＹＡＧ透明セラミックス接合体（以後、第２の接合体と呼ぶ）１２は無添加である。また、光学接着剤層１３の屈折率ｎはｎ＝１．５である。

第１の接合体１１及び第２の接合体１２は当初φ１５ｍｍ×４０ｍｍ（第１の接合体１１は約２ｍｍ×０．５ｍｍ、波長６３２．８ｎｍにおける屈折率は１．８３）であり、第１の接合体１１の厚みが約１００μｍ前後になるように第１の接合体１１を研削加工した後、全体のサイズがφ１２×３０ｍｍになるように形状加工および全面に対して光学研磨を施した。なお、第１の接合体１１は、最終的には厚みが約５０μｍ前後になるように調整した。

前記第１の接合体１１及び第２の接合体１２のレーザ媒質部側には、励起波長（９４０ｎｍ）と発振波長（１０３０ｎｍ）に対してＲ＞９９．５％の高反射率が得られる，高熱伝導率の導電接着剤からなる誘電多層膜１４がスパッタ法により形成されている。同様にして、第１の接合体１１及び第２の接合体１２のレーザ媒質部と対向する面には、励起波長（９４０ｎｍ）に対してＲ＞９９．５％の高反射率、発振波長（１０３０ｎｍ）に対してはＲ＜０．２％の低反射率が得られる，誘電多層膜１５が形成されている。

誘電多層膜１５には、図２（Ｂ）に示すように、φ０．８ｍｍの励起光導入用窓１６が４個形成されている。これらの励起光導入用窓１６より、光ファイバー１７から集光レンズ（ｆ＝５０ｍｍ）１８，出力ミラー１９を経た集光した励起光を導入し、第１の接合体１１に導入するようになっている。なお、誘電多層膜１５の形成時、励起光導入窓１６となる部分にはマスキングを施し、その部分のみコーティングがされないようにした。

曲率５０ｍｍの出力ミラー１９は、誘電多層膜１４と平行になるように設置されて、レーザ共振器を構成している。出力ミラー１９は、励起波長（９４０ｎｍ）に対してＲ＜０．２％の低反射率、発振波長（１０３０ｎｍ）に対してはＲ＜９７％の反射率となる。集光レンズ１８は出力ミラー１９の上方に位置し、光ファイバー１７の端から出力されるレーザ光をスポットサイズφ０．４ｍｍに集光するようになっている。図示しないが、波長９４０ｎｍ、出力１００Ｗの励起用ファイバー結合型半導体レーザは４台準備され、夫々の半導体レーザのＬＤに前記ファイバー１７が接続されている。

前記第１の接合体１１，第２の接合体１２、光学接着剤１３及び誘電多層膜１４，１５を一体化したものは、φ１３ｍｍ、深さ３０ｍｍの穴２０ａが開いた銅製の水冷ヒートシンク２０に収納されている。

こうした構成の薄ディスクレーザ増幅装置は、第１の接合体１１と、第２の接合体１２と、光学接着剤層１３と、第２の接合体１２及び光学接着剤層１３の上下部に夫々配置された誘電多層膜１４，１５と、これらの各部材を収納する水冷ヒートシンク２０と、誘電多層膜１５の上方に配置された出力ミラー１９，集光レンズ１８と、光ファイバー１７を具備した構成となっている。

こうした装置においては、励起導入窓１６のサイズ（φ０．８ｍｍ）が励起光の集光スポットサイズ（φ０．４ｍｍ）の２倍であるため、光軸調整が非常に容易である。また、第１の接合体１１の屈折率はｎ＝１．８３、光学接着剤層１３の屈折率はｎ＝１．５であるため、第１の接合体１１から光学接着剤層１３に光が出射する際の全反射角θ_Ｔはθ_Ｔ＝ｓｉｎ^−１（１．５／１．８３）＝５５°となる。ここで、導入した励起光を第１の接合体１１の内部に閉じ込めるためには、励起光の界面に対する入射角を全反射角θ_Ｔ以上にすることで光の閉じ込めを行うことが出来る。レーザ出力特性を評価したところ、励起光出力トータル２５０Ｗ時に、ＣＷレーザ出力１００Ｗ、Ｍ^２＜３５、スロープ効率６１％を得た。

（比較例１）
実施例と全く同様の系で、励起光導入窓１６のサイズをφ２ｍｍとしたものを作製し、レーザ出力特性を評価した。その結果、励起光出力ト一夕ル２５０Ｗ時にＣＷレーザ出力６０Ｗ、Ｍ^２＜３６、スロープ効率３６％を得た。比較例１の場合、励起光導入窓のサイズは励起光の集光スポットサイズの５倍となり、実施例と比較してもさらに光軸調整は容易になった。しかし、励起光導入窓１６のサイズの増加と共に励起光の閉じ込め効率が低下し、出力と効率が低下した。

（比較例２）
比較例２に係るレーザ発振光学系を、図３を参照して説明する。但し、図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。
図中の符番２１は、銅製の水冷ヒートシンクを示す。この水冷ヒートシンク２の上部には高反射の誘電多層膜２２が高熱伝導接着剤（図示せず）を介して形成され、その上に薄ディスクレーザ媒質２３が形成されている。薄ディスクレーザ媒質２３には、イッテルビウム（Ｙｂ）が２０ａｔ％添加されている。前記薄ディスクレーザ媒質２３の上方には、曲率５０ｍｍの出力ミラー１９が誘電多層膜２２と平行になるように設置されて、レーザ共振器を構成している。出力ミラー１９は、励起波長（９４０ｎｍ）に対してＲ＜０．２％の低反射率、発振波長（１０３０ｎｍ）に対してはＲ＜９７％の反射率となる。なお、図示しないが、波長９４０ｎｍ、出力１００Ｗの励起用ファイバー結合型半導体レーザは４台準備され、夫々の半導体レーザのＬＤにファイバー１７が接続されている。

こうした構成の薄ディスクレーザ装置において、薄ディスクレーザ媒質２３としてＹｂが２０ａｔ％添加されている□２ｍｍ×０．５ｍｍのＹＡＧ単結晶を準備し、表面全体に対して光学研磨を施した。また、半導体レーザの夫々のＬＤに接続されたファイバー１７の端から出力されるレーザ光をｆ＝５０ｍｍの集光レンズ１８で薄ディスクレーザ媒質２３の厚み以下のスポット径まで集光し、薄ディスクレーザ媒質２３に対して側面励起が可能な光学系を構築し、薄ディスクレーザ増幅装置を得た。励起光は、薄ディスクレーザ媒質２３に対して４方向から均等に入射される。
上記レーザ装置のレーザ出力特性を評価したところ、励起光出力トータル２５０Ｗ時にＣＷレーザ出力９０Ｗ、Ｍ^２＜４５、スロープ効率４３％を得た。

（比較例３）
実施例２と全く同様の系で、薄ディスクレーザ媒質の厚さを０．１ｍｍとしたものを作製し、レーザ出力特性を評価した。その結果、励起光出力トータル２５０Ｗ時にＣＷレーザ出力５Ｗ、Ｍ^２＜４８、スロープ効率１０％を得た。出力と効率の低下原因は、薄ディスクレーザ媒質の厚さに対して励起光のスポットサイズが十分に小さくなっていないため、励起光が蹴られて結合効率が大幅に低下したことによると推定される。なお、光軸調整も非常に困難であった。

（比較例４）
比較例４に係るレーザ発振光学系を、図４を参照して説明する。但し、図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。
図中の符番２４は、集光レンズ１９からの励起光（波長９４０ｎｍ）が入射される，中心に穴２４ａが開けられた放物面ミラーを示す。この放物面ミラー２４は、薄ディスクレーザ媒質２３に重なるように配置されている。また、符番２５は、放物面ミラー２４で反射された光を受ける８個の励起光折り返し用９０度プリズムを示す。なお、図示しないが、波長９４０ｎｍ、出力３００Ｗの励起用ファイバー結合型半導体レーザが準備され、半導体レーザのＬＤにファイバー１７が接続されている。

こうした構成の薄ディスクレーザ装置において、薄ディスクレーザ媒質２３としてＹｂが２０ａｔ％添加されているφ２ｍｍ×０．５ｍｍのＹＡＧ単結晶を準備し、両端面に対して光学研磨を施した。また、半導体レーザのＬＤに接続されたファイバー１７の端から出力されるレーザ光を、集光レンズ１８で平行光として放物面ミラー２４に対し垂直に入射した。レーザ光（励起光）は放物面ミラー２４によって薄ディスク媒質２３上に集光・吸収され、吸収されなかったレーザ光は誘電多層膜２２によって反射され、放物面ミラー２４に垂直な方向へ出射される。ここで、前記９０度プリズム２５の設置により、励起光を１８０度方向転換させ、再び放物面ミラー２４に入射し、薄ディスクレーザ媒質２３の励起を行う。
なお、９０度プリズム２５を複数個用いることで、その個数分だけ反復の回数を増加させることができる。

比較例４の薄ディスクレーザ装置について、レーザ出力特性を評価したところ、励起光出力２５０Ｗ時にＣＷレーザ出力９０Ｗ、Ｍ^２＜４０、スロープ効率５３％を得た。しかし、プリズムの調整にはかなりの時間を要した。下記表１は、上記実施例及び比較例１〜４の結果のまとめを示す。

本発明によれば、励起光吸収効率の向上、剛性の向上、ディスクの薄肉化に寄る冷却性能の向上などの寄与により、従来の側面励起ディスクレーザ、端面励起ディスクレーザと比較しても、効率、ビーム品質の面で優れたディスクレーザ装置が得られることが確認できた。また、光学系の調整も他の方式に比べて非常に容易である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。具体的には、上記実施形態ではＣＷ発振の例のみ取り上げたが、共振器中にＱスイッチ等を配置することによりパルスレーザ発振も可能である。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合せてもよい。

図１は、本発明に係る薄ディスクレーザ増幅装置の説明図を示す。 図２は、本発明の実施例に係る薄ディスクレーザ増幅装置の説明図を示す。 図３は、比較例２に係る薄ディスクレーザ増幅装置（側面励起型）のレーザ発信光学系の説明図を示す。 図４は、比較例４に係る薄ディスクレーザ増幅装置（端面励起型）のレーザ発信光学系の説明図を示す。

符号の説明

１１…ＹＡＧ透明セラミックス接合体（第１の接合体）、１２…ＹＡＧ透明セラミックス接合体（第２の接合体）、１３…光学接着剤層、１４，１５…誘電多層膜、１６…励起光導入窓、１７…光ファイバー、１８…集光レンズ、１９…出力ミラー、２０…水冷ヒートシンク。

Claims (4)

1. 厚さが０．１ｍｍ以下のディスクレーザ媒質と、このディスクレーザ媒質と光学的に接合された励起光閉じ込め部を具備することを特徴とする薄ディスクレーザ装置。
2. 前記励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質の屈折率の差が±１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の薄ディスクレーザ装置。
3. 前記励起光閉じ込め部と前記ディスクレーザ媒質のホスト材料が同一、もしくはお互いの屈折率が同じであることを特徴とする請求項１もしくは２記載の薄ディスクレーザ装置。
4. 前記励起光閉じ込め部の一部に励起光導入窓を有し、該励起光導入窓１個あたりの面積が０．８ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の薄ディスクレーザ装置。

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