JP2738038B2

JP2738038B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2738038B2
Application number: JP1179884A
Authority: JP
Inventors: 公治安井; 裕司竹中; 重典八木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH0344983A

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12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
面構成図であり、図において、（１）は固体素子で、た
とえばYAGレーザを例に取ればY_3-xNd_xAl₅O₁₂よりなるロ
ッド状の結晶、（３）はフラッシュランプ、（４）はフ
ラッシュランプ（３）を点灯するための電源、（５）は
集光反射ミラー、（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TiO₂よりなる部分反射膜、（８）は出口ミ
ラー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SiO₂よりなる無反射膜、（９）はレーザ共
振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
直接光および集光反射ミラー（５）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。

第13図にその発振出力特性の一例を示す。ここで固体
素子（１）はＹ_2.4Nd_0.6Al₅O₁₂よりなり、断面の直径8m
m、長さ150mm、出口ミラー（６）と全反射ミラー（20）
を内面の曲率はともに0.4m、両ミラー間の距離は0.45
m、出口ミラーの反射率は70％である。また投入電力と
フラッシュランプの点灯に消費された電力であり、6kW
の投入電力で約100Wのレーザ出力が得られている。

［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、一つのロッド
（固体素子）を備え、この固体素子を励起する光源への
投入電力を変化させてレーザ出力を変化させていたた
め、発生するレーザビームの発散角が第14図に示すよう
に光源への投入電力、したがってレーザ出力により変化
してしまうという問題があった。これは固体素子への投
入電力の変化にともない、固体素子（１）内に発生する
温度勾配による固体素子（１）の熱レンズ化の程度が変
化し、共振状態を変化させるためである。

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φ_ｓは概略的に発散角θに
対して φ_ｓ＝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。さらに、投入電力
を増大させ、固体素子の熱レンズ化が著しくなる、例え
ば7kW以上では発振が著しく不安定になってしまう現象
も観測された。

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、高出力の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］この発明に係わるレーザ装置は、光路上に直列に複数
の固体素子を備えるとともに、上記複数の上記複数の固
体素子のうちの少なくとも一つの固体素子を励起する光
源を、平均投入電力が一定になるようにして点灯し、他
の固体素子を励起する光源を、所望のレーザ出力が得ら
れるように投入する電力を変化して点灯させ、さらに上
記少なくとも一つの固体素子の熱レンズ値を補償するよ
うにしたものである。

また、パルス発振においては、固体素子にパルス状の
電力を投入し、パルス電力の波形を変化させてレーザ出
力を制御するとともに、パルス電力の波形変化に対応し
てベース電力を、光源への投入電力の平均値を一定に保
つように変化させるという制御を行なうとよい。

また、固体素子の熱レンズ値の変化が小さくなるよう
にするには、固体素子のうち、熱レンズ化を発生しやす
いものを照射する光源に投入する電力波形を、他の固体
素子の熱レンズ値の変化を補償するように調節して、固
体素子全体の熱レンズ値がレーザ出力の変化に対して一
定になるようにしてもよい。

［作用］この発明における固体レーザ装置は複数の固体素子の
うちの少なくとも一つの固体素子を励起する光源を、平
均投入電力が一定になるようにして点灯し、他の固体素
子を励起する光源を、所望のレーザ出力が得られるよう
に投入する電力を変化して点灯すれば、上記少なくとも
一つの固体素子は一定の熱レンズ状態を示し、熱レンズ
値の変化はこの固体素子以外の固体素子の熱レンズ値の
変化のみに低減することが出来る。

また、パルス電力の時は、一定の投入電力として、パ
ルス電力の波形変化に対応してベース電力を、光源への
投入電力の平均値を一定に保つように変化させるように
すれば、同様にして熱レンズ値の変化を低減することが
出来る。

さらに、熱レンズ値の変化が異なる固体素子を用い
て、互いの熱レンズ値を補償するように各光源の電力波
形を制御し、固体素子全体の熱レンズ値がレーザ出力の
変化に対して一定になるようにしても発散角の変化は少
なくなる。

［実施例］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）は光路上に直列に置かれた
複数の固体素子で、たとえばYAGレーザを例に取れば、Y
_3-xNd_xAl₅O₁₂よりなるロッド状の結晶、（２）はこのロ
ッド端面に設けられた全反射ミラーで、拡大ミラーをな
す。（３）は複数の固体素子（１）を各々励起する複数
の励起光源であり、例えばアークランプ、フラッシュラ
ンプである。（４）は励起光源（３）を点灯するための
電源、（５）は集光反射ミラー、（６）はたとえばガラ
スでできた出口ミラーで、コリメートミラーをなす。
（７）は出口ミラー（６）の内面中央に設けられた、た
とえばTiO₂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、及び出口ミラー（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SiO₂よりなる無反射膜、（９）（11）は出口ミラ
ー（６）と全反射ミラー（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）により点灯された励起光
源（３）からの直接光、および集光反射ミラー（５）よ
りの反射光により励起され、レーザ媒質をなす。一方、
出口ミラー（６）と全反射ミラー（２）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（９）（1
1）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
部が外部にレーザビーム（10）として放出される。

光源への電力投入についてさらに詳しく説明する。第
２図はこの発明の一実施例による固体レーザ装置の発振
特性を示す特性図であり、ここで固体素子（１）は、ラ
ンプにより励起されたＹ_2.4Nd_0.6Al₅O₁₂であり、その断
面の直径は6mm、長さは100mm、出口ミラー（６）と全反
射ミラー（２）間の距離は0.44mm、出口ミラー（６）の
内面中央に設けた部分反射膜（７）の反射率は90％であ
る。また投入電力とは第１図中、右側の光源へ投入され
た電力と左側の光源へ投入された電力の和である。第３
図（ａ）（ｂ）は各々、２つの光源に同一の電力を投入
し、レーザ出力を制御した場合（制御Ａ）と、左側の出
口ミラー前面の光源には一定の5kWの電力を投入し、一
方右側の全反射ミラー前面の光源への電力を変化させて
レーザ出力を調整すると言う、２つの光源に異なる電力
を投入してレーザ出力を制御した場合（制御Ｂ）とにお
ける、レーザビームの発散角のレーザ出力に対する変化
を示す特性図である。第３図から、２つの光源に異なる
電力を投入してレーザ出力を制御した制御Ｂの場合の方
が、発散角の変化がレーザ出力に対して緩やかになって
いることがわかる。ここで制御Ｂの場合は出口ミラー内
面の曲率は一定電力で動作している左側の光源により励
起された固体素子の熱レンズ化を補償するように配置し
た。

制御Ｂの場合が発散角の変化が小さくなった理由を説
明する。制御Ａの場合、レーザ出力の変化は両光源への
全投入電力を５〜8kW変化せることが必要で、この変化
に対して、左側の固体素子内に発生する、温度勾配によ
るレンズ化のパワー成分（1/f）の変化は（1/f）＝7.5m
^-1であり、この変化に対応して、第３図（ａ）に示すよ
うに発散角の大きい変化をもたらしたと説明できる。一
方制御Ｂの場合、レーザ出力の変化は右側の光源への投
入電力を０〜3kW変化させるのみで可能であり、この変
化に対して、右側の固体素子内に発生する、温度勾配に
よるレンズ化のパワー成分（1/f）の変化は（1/f）＝1.
0m^-1と、制御Ａの場合に比較して十分小さく、結果第３
図に示すように、発散角の変化が小さくできたと説明で
きる。

この発明の実用的な利点をさらに考えると、従来はレ
ーザの動作状態に対応して、光源への平均投入電力が変
化していたため、光源の寿命はレーザの動作状態により
変化し、したがってその交換時期の判定は実際のレーザ
出力の状態を観測して行なう必要があった。一方、この
発明による装置では、少なくとも一つの光源への平均投
入電力はほぼ一定で、したがってその寿命もレーザの動
作状態にかかわらず一定であるため、たとえばレーザの
通算動作時間を記録しておけば、光源の交換時期を容易
に判定できる。

なお上記実施例では出口ミラー（６）の曲率を固定素
子の熱レンズ化を補償するように設定する構成を示した
が、第４図に示すように、固体素子の熱レンズ化の補償
は固体素子の前後に配置した凹レンズ（100）により行
なってもよいし、固体素子の端にカーブをつけて、実質
的に凹レンズにしてもよい。あるいは、集光性は悪くな
るが、上記のような熱レンズ化を補償する種々の手段を
設けなくても、集光性の変化は低減できる。

また、上記実施例では少なくとも一つの光源への平均
電力を一定に保つ例を示したが、複数の光源への熱レン
ズの総和を一定に保つようにしても良く、この場合例え
ば一つのロッドに他のものに比較して熱レンズを発生し
易いものを用いれば、そのロッドへの投入電力のみをお
もに調整して容易に制御することができる。例えば、YA
Gロッドを固体素子の１つに用いた場合に、YAGロッドに
比較して、同一投入電力照射で３倍程度熱レンズ化を起
こし易いGGGロッドを他の１つに直列に挿入しておけ
ば、YAGロッドへの照射投入電力減少に対応して、GGGロ
ッドへの照射投入電力を、他の１つとしてYAGロッドを
用いた場合に比較して1/3程度増大させるのみで、素子
全体としての熱レンズ化を一定に保つことが出来る。

また上記実施例では定常発振をする場合を例に示した
が、パルス発振を行なうものでも良く、この場合、例え
ば第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、少なくとも一つ
のロッドに、ピーク電力の変化に対応してベース電力を
変化させて平均電力が一定になるように制御すれば、上
記実施例と同様の効果が得られる。即ち、第５図におい
て、点線は発振のしきい値であり、斜線部はレーザ出力
に対応する。従って、ピーク電力を変化させてレーザ出
力を制御するとともに、ピーク電力の波形変化に対応し
てベース電力を、上記光源への投入電力の平均値が一定
になるように変化させ、制御すればよい。

また、上記実施例では平均電力を一定に保つ例を示し
たが共振器の構成によっては厳密に一定である必要はな
く、ある程度の偏差を生じても発散角の偏差は小さく、
安定なレーザビームを得ることができる。

また、上記実施例では不安定型共振器を用いた例を示
したが、従来と同じように安定型共振器でも同様の効果
が得られることは言うまでもない。

また、出口ミラー内面中央部が部分反射率を持つもの
を示したが、これは全反射率を持つものでも良く、この
場合にはリング状のレーザビームが発生され、そのリン
グ状に起因する回折光により、集光性能は悪化するが、
同様に発散角の安定したレーザビームを発生させること
ができる。

また、上記実施例では出口ミラー内面の中央部と周囲
部とを通過するレーザビーム間の位相差は小さく、問題
とならなかったが、部分反射膜（７）の構成によっては
これが問題となることも考えられ、その場合には両レー
ザビーム間の位相差を打ち消す手段を設けてもよく、例
えば第６図に示すように出口ミラー外面に段差（70）を
設けて実現できる。

また、上記実施例では全反射ミラー（２）は固体素子
の側面に形成するものを示したが、第７図、第８図に示
すように、固体素子と離してもよい。なお、第８図は出
口ミラーを固体素子と一体に形成した例でもある。

また、上記実施例では全反射ミラー（２）からは集光
状のレーザビームが反射されて来る例を示したが、平行
状のレーザビームが反射されるようにしてもよく、第１
図、第７図、及び第８図に対応して、第９図、第10図、
および第11図に示すような変形例が考えられる。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば光路上に直列に複数
の固体素子を備えるとともに、上記複数の固体素子を各
々励起する複数の光源を備え、複数の固体素子のうちの
少なくとも一つの固体素子を励起する光源を、平均投入
電力が一定になるようにして点灯し、他の固体素子を励
起する光源を、所望のレーザ出力が得られるように投入
する電力を変化して点灯させ、さらに上記少なくとも一
つの固体素子の熱レンズ値を補償するようにしたので、
出力されるレーザ光の発散角の変化を小さくでき、安定
なレーザ発振を実現できる効果がある。さらに、光源の
交換時期を容易に判定できるという効果もある。

また、固体素子にパルス状の電力を投入し、パルス電
力の波形を変化させてレーザ出力を制御するとともに、
パルス電力の波形変化に対応してベース電力を、光源へ
の投入電力の平均値を一定に保つように変化させるとい
う制御を行なえば、パルス発振においても、発散角のレ
ーザ出力の変化に対しての変化が小さくできるようにな
り、安定なレーザ発振を実現できる効果がある。

【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図はこの発明の一実施例による固体
レーザ装置の発振特性を示す特性図、第３図（ａ）
（ｂ）は各々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説明する特性図、第４図はこの発
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５図（ａ）（ｂ）は各々この発明の他の実施例に
係わる光源への投入電力波形を示す波形図、第６図ない
し第11図は各々この発明のさらに他の実施例による固体
レーザ装置を示す断面構成図、第12図は従来の固体レー
ザ装置を示す断面構成図、第13図は従来の固体レーザ装
置における発振特性を示す特性図、並びに第14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）、（20）……全反射ミラ
ー、（３）……光源、（４）……電源、（６）……出口ミラ
ー、（９）（10）（11）……レーザビームなお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光路上に直列に置かれた複数の固体素子、
上記複数の固体素子を各々励起する複数の光源、上記複
数の光源により励起された上記複数の固体素子からレー
ザビームを取り出すレーザ共振器、上記複数の固体素子
のうちの少なくとも一つの固体素子を励起する光源を、
平均投入電力が一定になるようにして点灯し、他の固体
素子を励起する光源を、所望のレーザ出力が得られるよ
うに投入する電力を変化して点灯させる電源、及び上記
少なくとも一つの固体素子の熱レンズ値を補償する補償
手段を備えた固体レーザ装置。
【請求項２】光路上に直列に置かれた複数の固体素子、
上記複数の固体素子を各々励起する複数の光源、上記複
数の光源により励起された上記複数の固体素子からレー
ザビームを取り出すレーザ共振器、及び上記複数の固体
素子のうちの少なくとも一つの固体素子を励起する光源
に、パルス状の電力を投入し、パルス電力の波形を変化
させてレーザ出力を制御するとともに、パルス電力の波
形変化に対応してベース電力を、上記光源への投入電力
の平均値が一定になるように変化させて、上記光源を点
灯させる電源を備えた固体レーザ装置。
【請求項３】光路上に直列に置かれ、熱レンズ値に大小
がある複数の固体素子、上記複数の固体素子を各々励起
する複数の光源、上記複数の光源により励起された上記
複数の固体素子からレーザビームを取り出すレーザ共振
器、及び上記複数の固体素子のうち熱レンズ値の大きい
ものを励起する光源に投入する電力波形を、熱レンズ値
の小さい固体素子の上記熱レンズ値の変化を補償するよ
うに調節して、固体素子全体の熱レンズ値がレーザ出力
の変化に対して一定となるように上記複数の光源を各々
点灯させる電源を備えた固体レーザ装置。