JP2725648B2 - 固体レーザ励起方法及び固体レーザ装置 - Google Patents

固体レーザ励起方法及び固体レーザ装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工、計測、
波長変換等に利用される高出力、高効率レーザ光を生成
可能な固体レーザ励起方法及び固体レーザ装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】高品質で高効率かつ高出力の固体レーザ
を実現する方法として、半導体レーザを励起光源とする
固体レーザが提案されているが、特にビーム品質を落と
すことなくレーザ出力を増大させ得る励起方式が望まれ
ている。このための励起方式として、励起光をレーザ発
振光路に一致させて入射させる端面励起方式、レーザ発
振光路と直交する方向から励起光を入射させる側面励起
方式に大きく分けることができる。
【0003】側面励起方式では、ロッド状の固体レーザ
を用い、ロッドの長さ方向に励起光を分散させること
で、発熱を分散させ高出力を得ることが可能である。し
かしながら、励起領域と発振モード領域の重なりが十分
とれないために高効率な発振ができないこと、高次モー
ドの発振が起き易くビーム品質が低下するという問題が
ある。これに対し、端面励起方式では、励起領域と低次
発振モードの重なりを高くとることが可能で高効率かつ
高ビーム品質のレーザ光を発振できる利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
端面励起方式では、レーザ出力を50W以上の高出力を
得ようとする場合、レーザ光の吸収長と、励起ビームの
広がり角で決まる有効励起長が側面励起方式に比べて短
いために、補正の困難な大きな熱レンズ効果が起こるほ
か、過大な励起密度のためにロッドが応力破壊を引き起
こす等の問題が生じている。このため、励起に対するレ
ーザ出力の効率を高め、かつ低次モードの高品質なレー
ザ出力を得ることが難しいという問題がある。本発明
は、レーザ出力の効率を高め、かつ高品質なレーザ出力
を得ることを可能とした固体レーザ励起方法及び固体レ
ーザ装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の固体レーザ励起
方法は、固体レーザの端面励起方法において、励起光を
ベッセルビームとし、このベッセルビームの焦点深度及
びビーム径から決まる励起領域内に固体レーザ媒質の発
振モード領域が含まれるようにする。
【0006】また、本発明の固体レーザ装置は、固体レ
ーザ媒質の端面に励起光源からの励起光を集光して入射
させる固体レーザ装置において、励起光を集光するため
の集光光学系にベッセルビーム光学系を用いている。こ
こで、固体レーザ媒質は、母材中にレーザ活性イオンを
含む固体レーザ材料の周囲に、レーザ活性イオンを含ま
ない母材のみの層を接合させた複合材料で構成されるこ
とが好ましい。
【0007】また、本発明の固体レーザ装置の構成とし
ては、固体レーザ媒質の一方の端面をレーザ共振器の高
反射鏡とする構成、あるいは高反射鏡と固体レーザ媒質
の間にベッセルビーム光学系を配置し、ベッセルビーム
光学系の中心部にレーザ光を低損失に透過する光路を設
け、励起光源とベッセルビーム光学系の間に励起光とレ
ーザ発振光とを合成するダイクロイックミラーを配置す
る構成が好ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施形態の第1例
の構成を示す模式構成図である。半導体レーザ光源等の
励起光源3から出射される平行光1は、ベッセルビーム
光学系である円錐レンズ10によりベッセルビーム20
に変換され、Nd:YAGからなるNdイオンを含有す
る部分41を中心部に有し、その回りをYAG結晶42
で囲んで形成した複合材料で構成される固体レーザ媒質
40に端面46より集光照射される。
【0009】ここで、前記ベッセルビーム光学系として
の円錐レンズ10においては、図2に示すように、入射
平行励起光1は円錐レンズ10でベッセルビーム20に
変換される。このとき、入射ビーム径R、円錐レンズの
傾斜角をα、円錐レンズの先端から光路方向の距離を
L、ρを円錐レンズからの出射角とするとき、最大の焦
点深度は、 Lmax=R〔tan(π/2−ρ+α)−tanα〕 で表される。
【0010】このように、ベッセルビームでは、通常の
レンズで集光されるガウシャンビーム等に比べておおよ
そ30倍程度の深い焦点深度を得ることができる。ま
た、図3(a),(b)にベッセルビームの光軸方向と
半径方向の各代表的な強度分布を示すように、ベッセル
ビームでは光軸の進行方向には距離に比例して中心深度
は強まり、半径方向には中心部で強いビーム状の強度分
布が得られる。以上はベッセルビームの伝搬する空間が
吸収のない自由空間の場合であるが、励起光の吸収があ
る固体レーザ媒質の励起に用いる場合には、励起光の吸
収に伴う強度の減衰が起こるので、図3(a)に示す勾
配よりも緩い勾配で光軸方向の強度が変化する。しかし
ながら、ベッセルビームの長い焦点深度特性は維持され
るので、端面励起の構成においても、長い吸収長にわた
って固体レーザ媒質を励起することが可能となり、その
結果固体レーザ媒質にかかる単位長さ当たりの熱負荷を
低減し、熱レンズ効果等を小さい値に抑制することがで
きる。
【0011】前記固体レーザ媒質40の端面46には高
反射コート80が形成されており、この高反射コート8
0により励起光を高透過、レーザ光を高反射することが
可能となる。また、固体レーザ媒質40の他の一方の端
面はロッドの軸に対して45度の角度でカットされ、こ
のカット面45にレーザ光の高反射コートを施し、さら
にこの面はヒートシンク32に接着されている。固体レ
ーザ媒質40の側面にも第2のヒートシンク30が接着
され、両方向からの放熱により冷却効率を高めることの
できる構成となっている。
【0012】カット面45で反射されたレーザ光は、無
反射コートを施した固体レーザ媒質40の平坦部から出
て出力鏡70に向けられる。そして、前記コート80と
出力鏡70の間にレーザ共振器が構成され、その結果、
出力鏡70から出力されるレーザ発振光60を得ること
が可能となる。
【0013】ここで、入射ビーム径5mm、カット角4
1度の合成石英製の円錐レンズ10からのベッセルビー
ムの焦点深度は自由空間で8mmに相当するので、固体
レーザ媒質40の長さは、屈折率を考慮して20mmと
した。また、固体レーザ媒質40の内部でのレーザ発振
モード径は600μmに設計し、Ndイオンを含有する
部分41の直径は900μmとして、ベッセルビーム光
がレーザ発振モード領域内でのみ効率よく吸収される構
成をとっている。固体レーザ媒質40の直径は1.5m
mである。
【0014】この構成を用い、励起入力を50W程度と
した場合、出力鏡透過率を最適化することで、出力とし
て出力20W程度を得ることが可能である。この構成で
は、固体レーザ媒質40への熱負荷が長さ方向に分散さ
れるので、破壊のおそれがなく、またヒートシンク32
の付近で励起光強度が極大化するので、通常のガウシャ
ンビームによる端面励起に比べ、強い発熱領域とヒート
シンクの距離を短縮することができて冷却能率を高める
ことができた。
【0015】図4は本発明の第2の実施態様の模式構成
図であり、ここでは反射鏡71をベッセルビーム光学系
の外側に配置している。固体レーザ媒質40の端面46
には励起光及びレーザ光に対して無反射コートを施し、
円錐レンズ10の光軸中心部にレーザ光を低損失に透過
できる穴100を設け、励起光1を透過しレーザ発振光
を反射するダイクロイックミラー90でレーザ光路と励
起光光路を分離し、高反射鏡71をレーザ共振器の一方
の反射鏡とする。この構成を用いれば、固体レーザ媒質
40の端面46を一方の反射鏡とする場合に比べ発熱に
よる熱レンズ効果が共振器モードに与える影響が小さ
く、レーザ発振特性の安定製が良くなる利点がある。ま
た、高反射鏡71、及び出力鏡60の曲率及び固体レー
ザ媒質40との距離を励起ビームとのモードマッチが最
適となるよう選択する自由度が高い利点がある。
【0016】図5は本発明の第3の実施態様の模式構成
図である。ここでは、固体レーザ媒質40の両側から励
起ビームを導入できる構成としている。第1の励起光1
及び第2の励起光2はそれぞれベッセルビーム光学系を
構成する第1の円錐レンズ10及び第2の円錐レンズ1
1を通り、固体レーザ媒質40の各端面より入射する。
レーザ共振器の高反射鏡71及び出力鏡70は、第1の
ダイクロイックミラー90及び第2のダイクロイックミ
ラー91により励起光光路と分離されてレーザ共振器を
構成する。この構成によれば、固体レーザ媒質40の長
さ方向の励起強度分布が一方向からのみの励起に比べ更
に均一化でき、単位体積当たりの励起密度を高めること
ができる利点がある。
【0017】図6は本発明の第4の実施態様の模式構成
図であり、ここでは図1に示した発振器の共振器を取り
除いた増幅ユニットを複数個シリーズに結合して高出力
化を図ったものである。第1増幅ユニット150、第2
増幅ユニット151、第3増幅ユニット152はそれぞ
れ第1及び第2のカップリングレンズ200,201で
結合され、高反射鏡70と、出力鏡71の間でレーザ共
振器を形成している。第1及び第2のカップリングレン
ズ200,201は、レーザ共振モードの熱レンズ効果
の影響を補償するために用いる。この構成により、各増
幅ユニットに50Wで、計150Wの励起入力を行い、
出力として60Wを得ることが可能である。
【0018】なお、前記各実施態様では、ベッセルビー
ム光学系として円錐レンズを用いた例を示したが、円錐
レンズの代わりに2つの逆向き円錐レンズや、同心円ゾ
ーンプレート、同心円マスクと集光レンズの組み合わせ
たものを用いても本発明の効果を得ることができる。ま
た、励起光源には半導体レーザの他、半導体レーザアレ
イ、面発光半導体レーザ、ファイバ出力半導体レーザを
用いてもよいことは言うまでもない。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、端面励起
型の固体レーザ装置の集光光学系としてベッセルビーム
を利用しているので、励起光の焦点深度が長くかつレー
ザ発振モードと励起モードのモードマッチングのよい固
体レーザ装置を実現することができる。これにより、励
起に対するレーザ出力の効率が高く、かつ低次モードの
高品質なレーザ出力の固体レーザ装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施態様の模式構成図である。
【図2】ベッセルビームの発生方法を説明するための模
式構成図である。
【図3】ベッセルビームの光軸方向と半径方向の各強度
分布を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施態様の模式構成図である。
【図5】本発明の第3の実施態様の模式構成図である。
【図6】本発明の第4の実施態様の模式構成図である。
【符号の説明】
3 励起光光源 10 円錐レンズ 20 ベッセルビーム 30 第2のヒートシンク 32 ヒートシンク 40 固体レーザ媒質 41 レーザイオンを含有する部分 42 YAG結晶 45 カット面 46 端面(入射面) 70 出力鏡 80 高反射コート 90 ダイクロイックミラー

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体レーザの端面励起方法において、励
    起光をベッセルビームとし、このベッセルビームの焦点
    深度及びビーム径から決まる励起領域内に固体レーザ媒
    質の発振モード領域が含まれることを特徴とする固体レ
    ーザ励起方法。
  2. 【請求項2】 固体レーザ媒質と、その両側に配置され
    る高反射鏡と出力鏡でレーザ共振器を構成し、前記固体
    レーザ媒質の端面に励起光源からの励起光を集光して入
    射させる固体レーザ装置において、前記励起光を集光す
    るための集光光学系にベッセルビーム光学系を用いたこ
    とを特徴とする固体レーザ装置。
  3. 【請求項3】 固体レーザ媒質は、母材中にレーザ活性
    イオンを含む固体レーザ材料の周囲に、レーザ活性イオ
    ンを含まない母材のみの層を接合させた複合材料で構成
    される請求項2の固体レーザ装置。
  4. 【請求項4】 固体レーザ媒質の一方の端面をレーザ共
    振器の高反射鏡とする請求項3の固体レーザ装置。
  5. 【請求項5】 高反射鏡と固体レーザ媒質の間にベッセ
    ルビーム光学系を配置し、ベッセルビーム光学系の中心
    部にレーザ光を低損失に透過する光路を設け、励起光源
    とベッセルビーム光学系の間に励起光とレーザ発振光と
    を合成するダイクロイックミラーを配置してなる請求項
    3の固体レーザ装置。
  6. 【請求項6】 固体レーザ媒質のベッセルビーム光学系
    と反対側の端面を中心軸に対して斜めに形成し、この端
    面に高反射コートを施すとともに、ヒートシンクを接着
    させてなる請求項4または5の固体レーザ装置。
  7. 【請求項7】 ベッセルビーム光学系は、円錐レンズ、
    2つの逆向き円錐レンズ、同心円ゾーンプレート、同心
    円マスクと集光レンズのいずれかで構成される請求項2
    ないし6のいずれかの固体レーザ装置。
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