JP3100948B2

JP3100948B2 - 固体レーザ発振装置

Info

Publication number: JP3100948B2
Application number: JP31830898A
Authority: JP
Inventors: 信明家久; 久忠町田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: JP2000133862A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばレーザ加工
装置等に搭載して使用される固体レーザ発振装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶などの固体レー
ザ媒体を用いた固体レーザ発振装置は、金属あるいは非
金属の材料の切断、溶接などを行なうレーザ加工装置等
に広く使用されている。この種の固体レーザ発振装置で
は、一般に、レーザ固体媒体の長さを大きくとれば高出
力化が容易になる。しかし、実際に単体で入手可能なレ
ーザ固体媒体の長さには限りがあり、例えばＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶の場合、２００ｍｍ程度が実際上の上限となって
いる。また、仮に入手可能な長さであっても価格面や量
産性で問題が生じる。

【０００３】このような問題を回避する手法として、複
数の固体レーザ媒体を直列（長さ方向）に結合して高出
力化を図ることが知られている。図５は、そのような手
法に従って構成された従来の固体レーザ発振装置の概略
構造を表わしている。同図に示したように、リア鏡３と
出力鏡４の間に固体レーザ媒体１が配置される。

【０００４】固体レーザ媒体１は、２個またはそれ以上
の固体レーザ媒体要素１ａ、１ｂを結合して形成され
る。固体レーザ媒体要素１ａ、１ｂのそれぞれは例えば
偏平スラブ形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、ブリュース
タ条件に適合するように斜めにカットされた面同士を突
き合わせて結合面１ｃで連結され、全体が１個の偏平ス
ラブ形状の固体レーザ媒体１を形成する。ロッド形状の
固体レーザ媒体要素同士を連結したロッド形状の固体レ
ーザ媒体が使用される場合もある。

【０００５】なお、固体レーザ媒体要素１ａ、１ｂ同士
を結合するには、例えば次のような手法が用いられる。（１）結合面１ｃを形成する両要素１ａ、１ｂの端面を
精密に研磨した後、端面同士を高圧力をかけて押し付け
合うことで、両要素１ａ、１ｂを結合する。（２）結合面１ｃを形成する両要素１ａ、１ｂの端面を
精密に研磨した後、レーザ媒体の融点よりもやや低い温
度（軟化温度）まで熱する。この状態で端面同士を押し
付け合うことで、両要素１ａ、１ｂを結合する。（３）結合面１ｃを形成する両要素１ａ、１ｂの端面を
研磨した後、端面同士を押し付け合た状態で機械的な保
持機構（例えば締め付け保持枠）で保持することによ
り、両要素１ａ、１ｂを結合する。

【０００６】このような手法で連結された固体レーザ媒
体１は、冷却管（固体レーザ媒体冷却用冷却管）７で冷
却される。これら固体レーザ媒体１と冷却管７は、励起
キャビティ（あるいはレーザキャビティ）と呼ばれるハ
ウジング内に配置される（後述図２参照）。冷却管７の
内部には例えば純水等の冷却媒体を流通させる。なお、
冷却媒体を流通させるための配管、ポンプ等の図示は省
略した。

【０００７】冷却管７の側方（外側）には、固体レーザ
媒体１をレーザ励起するための励起光９を発生する励起
ランプ６ａ、６ｂが所定本数配置される。このような配
置により、励起光９は固体レーザ媒体冷却用の冷却管７
の管壁を透過して固体レーザ媒体１に到達する。そのた
め、冷却管７の管壁材料には透明な材料（通常は透明度
の高いガラス材料）が使用される。

【０００８】励起光９の励起により固体レーザ媒体１内
（要素１ａまたは１ｂ内）で発生したレーザビーム５
は、スラブ形状の固体レーザ媒体１内部ではジグザグ状
の光路を形成し、リア鏡３と出力鏡４の間を往復する
が、出力鏡４への入射時にその一部が外部に出力され
る。

【０００９】このような複合形の固体レーザ媒体１をキ
ャビティ内に配置する技術により、高出力化が容易に達
成出来るようになった。しかし、複数の固体レーザ媒体
要素１ａ、１ｂの結合面１ｃに関連して、次のような新
たな問題が発生する。即ち、発振中の固体レーザ媒体要
素１は、冷却管７を用いてもかなりの高温になることが
避けられず、そのために歪みが発生し、内部応力が生じ
る。

【００１０】このような熱による歪み乃至内部応力の悪
影響は、当然、結合面１ｃの近傍（以下、「結合部」と
呼ぶ）に顕著に現れる。なぜならば、一般に、結合部に
は固体レーザ媒体１の結晶構造あるいは媒体形状の不連
続領域が存在し、応力の集中が生じ易くなっているから
である。熱による結合部への悪影響は、具体的にはレー
ザ媒体要素１ａ、１ｂの結合破壊（結合面１ｃがはがれ
てしまう）や、レーザ出力の低下等となって現われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は、複合形の固体レーザ媒体を使用した固体レーザ発振
装置に生起する熱による悪影響の問題を克服することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の固体レ
ーザ媒体要素の研磨した端面同士を好ましくはレーザ媒
体の軟化点以下の条件で、高圧をかけて押し付けること
によって結合するか、あるいは、同端面同士を押し付け
た状態で機械的な保持機構で保持することによって結合
するかによって形成された固体レーザ媒体と、該固体レ
ーザ媒体を冷却するための冷却管を励起キャビティ内に
配置し、冷却管の側方より励起光を照射することによっ
て固体レーザ媒体を励起する固体レーザ発振装置におい
て、結合部への励起光の入射量を減少させる入射抑制手
段を設けることによって、上記課題を解決する。この入
射抑制手段は冷却管に設けられるが、その設置個所は固
体レーザ媒体要素間の結合部に対応した個所とされる。
入射抑制手段は、結合部に対応する個所で、同個所への
励起光量の内の一部のみを結合部へ到達させるために光
拡散面または部分反射面を設けることでより、より好ま
しい形態で具体化され得る。

【００１３】入射抑制手段としては、例えば冷却管に形
成された光拡散面、部分反射面などが利用出来る。固体
レーザ媒体は、典型的に偏平スラブ形状を有している
が、ロッド形状であっても構わない。冷却管の外側に
は、入射抑制手段により直進を阻止された光成分を固体
レーザ媒体の励起に再利用するための反射手段が配置さ
れていることが好ましい。

【００１４】本発明においては、固体レーザ媒体要素間
の結合部への励起光の入射が抑制される。そのため、結
合部の温度は他の部分（結合部から離れた領域）に比し
て低く保たれ、レーザ媒体要素間の結合破壊、レーザ出
力の低下等の悪影響が回避される。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一つの実施形態
の要部構造を示した図である。なお、本図以下（図１〜
図４）を参照して行なわれる実施形態の説明では、図５
に示した従来装置と共通的に使用されている部材等につ
いて、共通した参照符号を適宜使用する。

【００１６】同図を参照すると、リア鏡３と出力鏡４の
間に固体レーザ媒体１が配置される。固体レーザ媒体１
は、図５のケースと同様、２個またはそれ以上の固体レ
ーザ媒体要素１ａ、１ｂを結合して形成される。固体レ
ーザ媒体要素１ａ、１ｂのそれぞれは例えば偏平スラブ
形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、ブリュースタ条件に適
合するように斜めにカットされた面同士を突き合わせて
結合面１ｃで連結され、全体が１個の偏平スラブ形状の
固体レーザ媒体１を形成する。ロッド形状の固体レーザ
媒体要素同士を連結したロッド形状の固体レーザ媒体が
使用される場合もある。固体レーザ媒体要素１ａ、１ｂ
同士を結合するには、例えば前述した手法（１）〜
（３）の一つが用いられる。

【００１７】固体レーザ媒体１は、冷却管（固体レーザ
媒体冷却用冷却管）７で冷却される。冷却管７の内部に
は例えば純水等の冷却媒体を流通させる。なお、冷却媒
体を流通させるための配管、ポンプ等の図示は省略し
た。冷却管７の側方（外側）には、固体レーザ媒体１を
レーザ励起するための励起光９を発生する励起ランプ６
ａ、６ｂが所定本数配置される。ここまで説明した基本
構造は、図５に示した従来構造と特に変わるところはな
い。

【００１８】本実施形態が、図５に示した従来構造と異
なっているのは、冷却管７の一部に結合面１ｃの近傍
（結合部）への励起光９の入射量を減少させる入射抑制
手段８が設けられていることである。

【００１９】ここで、図１に示した実施形態について、
結合部付近の断面を入射抑制手段の説明図を付けて表わ
した図２を参照図に加える。両図から明かなように、冷
却管７の長手方向について、結合部の周囲（全周が好ま
しい）の部分に入射抑制手段８が位置している。より詳
細に見ると、本実施形態における入射抑制手段８は、冷
却管７の透明な材料の表面上に形成されている。この入
射抑制手段８は、例えば次のような形態で具体化するこ
とが出来る。

【００２０】（１）冷却管７の透明な材料の表面を粗面
化する（符号Ａで示した説明図の粗面８１を参照）。粗
面化には、化学的あるいは機械的な種々の手法が知られ
ているので、詳細は省略する。冷却管７の材料の表面を
粗面化することで、光拡散性が生じ、励起光９が結合部
へ直進し難くなり、入射光量が透明である場合（即ち、
入射抑制手段８の存在しない個所）に比して少なくな
る。

【００２１】（２）冷却管７の透明なベース材料の表面
を部分反射面とする（符号Ａで示した説明図の非反射部
８ａと反射部８ｂを参照）。非反射部８ａと反射部８ｂ
は、例えばセラミック等の反射性の膜を斑模様に溶射す
ることで形成される。

【００２２】（３）冷却管７の透明なベース材料の表面
上に誘電体の単層膜あるいは多層膜（高屈折率の誘電体
膜と低屈折率の誘電体膜を交互積層）を形成すること
で、部分反射性を与えることが出来る。

【００２３】さて、特に図２を参照すると、励起ランプ
９は励起ランプ冷却用の冷却管１０内に収められてい
る。また、励起ランプ９、冷却管７、１０等を収容する
励起キャビティが符号１１で示されている。冷却管１０
は透明材料で構成され、励起光９は冷却管１０の管壁を
透過して冷却管７または励起キャビティ１１の内側面１
１］ａへ向かう。励起キャビティ１１の内側面１１ａ
は、正反射性または拡散反射性とされる。

【００２４】入射抑制手段８の形成されていない部分
（結合部周辺以外）では、ランプ６ａ、６ｂからの直接
光、あるいは面１１ａの反射光が冷却管７に到達する
と、励起光９は効率的に冷却管７を透過してレーザ媒体
１を励起する。

【００２５】これに対して、図２に示したように、入射
抑制手段８が形成されている部分（結合部周辺）では、
ランプ６ａ、６ｂからの直接光、あるいは面１１ａの反
射光が冷却管７に到達すると、励起光９の一部は冷却管
７を透過してレーザ媒体１を励起するが、相当部分は拡
散反射光あるいは部分反射光１２となる。これら反射光
１２の多くは励起キャビティ１１の内側面１１ａで反射
され、再度励起に利用される。

【００２６】これにより、入射抑制手段８を設けたこと
にとる効率低下が防止される。なお、反射光１２は、励
起キャビティ１１の内側面１１ａで反射して冷却管７に
戻るが、再度入射抑制手段８の存在する位置に戻って来
る割合は一般に大きくはない。特に、入射抑制手段８あ
るいは励起キャビティ１１の内側面１１ａに光拡散性が
あれば、この割合は非常に小さくなる。

【００２７】本発明の作用効果を確認するために、本実
施形態と同様の固体レーザ発振装置（実施例）と図５に
示した従来装置の入出力特性を比較し、図３のグラフを
得た。測定条件は、次の通りとした。実施例と従来装置
の条件は、入射抑制手段の有無以外は同等とした。

【００２８】（１）固体レーザ媒体要素として、両端面
をブリュースタ角にカットされた長さ２０６ｍｍ、厚さ
２５ｍｍのスラブ形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶を２本使用
し、長手方向に列連結した。

【００２９】（２）実施例で採用する入射抑制手段とし
て、固体レーザ媒体用の透明冷却管の外周に、結合部を
中心に幅（長手方向）１０ｍｍの粗面を形成した。粗面
は砂の吹き付け衝突（ブラスト）によって機械的に形成
した。

【００３０】（３）励起ランプはロッド状のアークラン
プを４本使用し、固体レーザ媒体の周囲に平行配置し
た。

【００３１】図３のグラフから次のことが読み取れる。

【００３２】（１）実施例の装置では、入力（励起ラン
プ電力）が約５１ｋＷの時、レーザ出力１５５０Ｗが得
られた。

【００３３】（２）従来の装置では、入力（励起ランプ
電力）が約４６ｋＷを越える当りから、実施例と比較し
て、レーザ出力の低下が観測された。

【００３４】これらのことから、本発明の作用は、励起
入力を大きくした時により有効であることが理解され
る。これはレーザの高出力化によって非常に有利な事柄
である。

【００３５】なお、以上の説明において、励起光源には
ロッド状の励起ランプ６ａ、６ｂを用いたが、本発明が
これに制限されないことは明らかである。例えば、図４
に示したように、図１あるいは図２に示した構成におい
て、励起ランプ６ａ、６ｂに代えて半導体レーザを発光
源とするＬＤのスタック１３ａ〜１３ｆを採用した実施
形態が実現可能である。図４に示した実施形態は、図１
あるいは図２に示した構成と励起光源以外に差異がな
く、その作用効果も同様なので、繰り返し説明は省略す
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複合形の固体レーザ媒体を用いて高出力化を図りなが
ら、レーザ媒体要素間の結合部に関連して現れ易い、結
合破壊、レーザ出力の低下等の悪影響を回避することが
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの実施形態の要部構造を示した図
である。

【図２】図１に示した実施形態について、結合部付近の
断面を入射抑制手段の説明図を付けて表わした図であ
る。

【図３】本発明を適用した固体レーザ発振装置と従来の
固体レーザ発振装置の入出力特性を比較したグラフであ
る。

【図４】本発明の別の実施形態の要部構造を示した図で
ある。

【図５】複合形の固体レーザ媒体を使用した従来の固体
レーザ発振装置の概略構造を表わした図である。

【符号の説明】

１固体レーザ媒体１ａ、１ｂ固体レーザ媒体要素２固体レーザ媒体要素間の結合面３リア鏡４出力鏡５レーザビーム６ａ、６ｂ励起ランプ７冷却管（レーザ媒体冷却用）８入射抑制手段（拡散面、部分反射面）９励起光１０冷却管（励起ランプ冷却用）１１励起キャビティ１１ａ励起キャビティの内側面（反射面）１２拡散反射光または部分反射光１３ａ〜１３ｆ半導体レーザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/042 H01S 3/06 - 3/07 H01S 3/23

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の固体レーザ媒体要素の研磨した端
面同士を高圧下で押し付けることにより結合した固体レ
ーザ媒体と、該固体レーザ媒体を冷却するための冷却管
を励起キャビティ内に配置し、前記冷却管の側方より励起光を照射することによって前
記固体レーザ媒体を励起する固体レーザ発振装置におい
て、前記冷却管には、前記複数個の固体レーザ媒体要素間の
結合部に対応した個所に、前記結合部への前記励起光の
入射光量を減少させる入射抑制手段が設けられている、
前記装置。
【請求項２】前記端面同士の高圧下での押し付けがレ
ーザ媒体の軟化点以下で行なわれる、請求項１に記載の
固体レーザ発振装置。
【請求項３】複数の固体レーザ媒体要素の研磨した端
面同士を押し付けた状態で機械的な保持機構で保持する
ことによって結合した固体レーザ媒体と、該固体レーザ
媒体を冷却するための冷却管を励起キャビティ内に配置
し、前記冷却管の側方より励起光を照射することによって前
記固体レーザ媒体を励起する固体レーザ発振装置におい
て、前記冷却管には、前記複数個の固体レーザ媒体要素間の
結合部に対応した個所に、前記個所への前記励起光量の
内の一部のみを結合部へ到達させるために光拡散面また
は部分反射面が入射抑制手段として設けられている、前
記装置。
【請求項４】前記入射抑制手段が、前記冷却管に形成
された光拡散面を含んでいる、請求項１または請求項２
のいずれか１項に記載の固体レーザ発振装置。
【請求項５】前記入射抑制手段が、前記冷却管に形成
された部分反射面を含んでいる、請求項１または請求項
２のいずれか１項に記載の固体レーザ発振装置。
【請求項６】前記冷却管の外側には、前記入射抑制手
段により直進を阻止された光成分を前記固体レーザ媒体
の励起に再利用するための反射手段が配置されている、
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の固体レーザ
発振装置。
【請求項７】前記固体レーザ媒体が、偏平スラブ形状
を有している、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記
載の固体レーザ発振装置。