JP4333139B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
第26図において、1aは曲率が平面の全反射ミラー、2aは曲率が平面の部分透過ミラーである。5a、5b、5c、5dは、それぞれレーザ活性媒質4a、4b、4c、4dとレーザ活性媒質励起装置3a、3b、3c、3d、および必要に応じて、それらを冷却する手段や、それらへ電力等の動力を供給するための手段を備え、単数、もしくは複数でレーザ発振器やレーザ増幅器を構成する基本装置であって、以下、レーザ励起部と呼ぶ。第26図において、111aは全反射ミラー1aの端面のビームウエスト位置を示す記号、111bはレーザ励起部5aと5bの間のビームウエスト位置を示す記号、100aはレーザ活性媒質4bの被励起領域中間の位置を示す記号、111cは部分透過ミラー2aの端面上のビームウエスト位置を示す記号、111dはレーザ励起部5cと5dの間のビームウエスト位置を示す記号、111eはレーザ励起部5dのビーム出射側に形成されるビームウエスト位置を示す記号である。また、60a、60b、60c、60dはそれぞれ、111aと111bの間、111bと111c、111cと111d、および、111dと111eの間のレーザ活性媒質の熱レンズを含んだ光学系を示す記号である。以下、レーザ光軸上に複数の光学素子が配置されたものをまとめて示す場合、光学系と呼ぶこととする。
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1とし、
あるいは、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1としたものである。
これによれば、励起エネルギーを変化させた場合の出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードを崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1とし、
あるいは、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さを前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略2倍となるよう、前記複数のレーザ活性媒質を励起するようにしたものである。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。
前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第1のレーザ活性媒質の励起部分の長さを前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第2のレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1とし、
あるいは、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第1のレーザ活性媒質の長さを前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第2のレーザ活性媒質の長さと同じとして、
前記第1のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第2のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1としたものである。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率およびビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。
これによれば、出射ビームのビーム波面曲率、ビーム径の変化の非常に小さいレーザ装置、あるいは励起エネルギーの変化に対して広い範囲で同一の入射ビームをカスケード状のビームモードをほとんど崩さず伝播でき、高効率に増幅できるレーザ装置を提供できる。
第1図は、本発明の実施例1によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置の構成図である。第1図において、1aは曲率が平面である全反射ミラー、2aは曲率が平面である部分透過ミラー、3a、3b、3c、30aはLD(Laser Diode)やランプ等のレーザ活性媒質励起装置、4a、4b、4c、40aは材質がNd:YAGであるロッド型固体レーザ活性媒質、5a、5b、5c、50aはレーザ励起部である。2個のレーザ励起部5aと5bを全反射ミラー1aと部分透過ミラー2aとの間に配置してレーザ発振器を構成する。またレーザ発振器の外部にさらに2個のレーザ励起部5cおよび50aが増幅器として配置されている。50aは出力端に配置されたレーザ励起部であり、レーザ活性媒質40aおよびレーザ活性媒質励起装置30aを備えている。
第11図は、本発明の実施例2によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ励起部を示す概略図である。すなわち、励起源をLD(Laser Diode、すなわち半導体レーザ)とした場合の、実施例1におけるレーザ励起部5c、50aの構成の例である。第11図においてレーザ活性媒質の光軸方向の領域のうち、領域D1、D2、Eで示される部分のみが励起されるようになっており、励起されている領域DがD1、D2の2つに分割されている。130aはレーザ活性媒質4cの被励起部分の端の位置であり、102はレーザ活性媒質40aの被励起部分の端の位置である。また、100dはレーザ活性媒質40aの端の位置である。
第12図は、本発明の実施例3によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置の構成図である。第12図において、25は45度入射の赤外ビームに対して高い反射率を持つレーザビーム折り返しミラー、26はパワーメータ、27はレーザビームの波面曲率が無限大となる位置までの距離とその位置におけるビーム径をモニターすることのできる、市販のビームモニタ装置である。
第15図は、本発明の実施例4によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。本実施例では、曲率のついたミラーと、レンズを使用してレーザ装置を構成した場合について説明する。第15図において、1bは曲率を有する全反射ミラー、2bは曲率を有する部分透過ミラー、5a、5b、5cは第1図で示したレーザ励起部5a、5b、5cと同様のレーザ励起部である。8a、8bは凹レンズである。レーザ励起部50aはレーザ活性媒質40aの励起エネルギーがレーザ活性媒質4a、4b、4cの半分で励起部分の長さが半分に構成されている。また、111aはミラー1b端面上の位置を示す記号、100aはレーザ活性媒質4aの中間位置を示す記号、111bはレンズ内のビーム波面曲率符号が変化する位置を示す記号である。
第16図、本発明の実施例5によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第16図において、9はファイバーレーザや固体レーザ等のレーザビーム発生装置、7aはレーザビーム発生装置9から発生したレーザビーム、71はレーザ装置から取り出されるレーザビーム、8c、8dはレーザビーム発生装置9から発生したレーザビーム7aをレーザ励起部50a、5a、5b、5cで構成されるレーザ増幅器に導入するためのレンズである。
第17図は本発明の実施例6によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第17図において、全反射ミラー1aと部分透過ミラー2aの間にレーザ励起部5aを配置してレーザ発振器を構成している。7はレーザ発振器内で発生したレーザビーム、7aはレーザ発振器から取り出されたレーザビームであり、レーザ励起部50aで構成されるレーザ増幅器に入射される。以上のレーザ発振器とレーザ増幅器でレーザ装置L1を構成している。レーザ装置L1の出力レーザビーム70は光学素子8e、8fを通過して、レーザ励起部50b、5b、5cで構成されるレーザ増幅器、すなわちレーザ装置L2へ入射される。ここで、L1、L2において、レーザ励起部50aの励起エネルギーはレーザ励起部5aの励起エネルギーの2分の1で、レーザ活性媒質40aの熱レンズ焦点距離はレーザ活性媒質4aの2倍、また、レーザ励起部50bのレーザ活性媒質励起エネルギーはレーザ励起部5b、5cの励起エネルギーの2分の1で、レーザ励起部50bのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部5b、5cのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の2倍になるようそれぞれ構成されている。すなわち、レーザ励起部5aと50aのなすレーザ装置L1、レーザ励起部50bとレーザ励起部5b、5cのなすレーザ装置L2は、それぞれ、別々に、第1図および第16図のレーザ装置端部と同等の構成になっている。また、第17図において、111a、111b、111c、111dはそれぞれ、ビームウエスト位置を示す記号、100aはレーザ活性媒質4aの励起部分中間位置を示す記号、100、100bはそれぞれ、レーザ励起部50a、50bの被励起部分端部の位置を示す記号である。
第18図は本発明の実施例7によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第18図において、8g、8hはレンズ、16は光ファイバーである。全反射ミラー1aと部分透過ミラー2aの間にレーザ励起部5a、5b、5cを配置してレーザ発振器を構成している。7はレーザ発振器において発生したレーザビームであり、その一部は部分透過ミラー2aを通過して取り出され、レーザ励起部50aで構成されるレーザ増幅器に入射される。以上のレーザ発振器とレーザ増幅器でレーザ装置L1を構成している。レーザ装置L1の出力レーザビーム70はレンズ8g、光ファイバー16、およびレンズ8hを順に通過して、レーザ励起部50b、5d、5e、5fで構成されるレーザ増幅器、すなわちレーザ装置L2へ入射される。ここで、L1、L2において、レーザ励起部50aの励起エネルギーはレーザ励起部5a、5b、5cの励起エネルギーの2分の1で、レーザ励起部50aのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部5a、5b、5cのレーザ活性媒質の2倍、また、レーザ励起部50bのレーザ活性媒質励起エネルギーはレーザ励起部5d、5e、5fの励起エネルギーの2分の1でレーザ励起部50bのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離はレーザ励起部5d、5e、5fのレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の2倍になるようそれぞれ構成されている。すなわち、レーザ励起部5a、5b、5cと50aのなすレーザ装置L1、レーザ励起部50bとレーザ励起部5d、5e、5fのなすレーザ装置L2は、それぞれ、別々に、第1図および第16図のレーザ装置端部と同等の構成になっている。実施例6ではレーザ装置L1の出力レーザビーム70は光学素子8e、8fを通過してレーザ装置L2へ入射されたが、本実施例では、レーザ装置L1の出力レーザビーム70はレンズ8g、光ファイバー16、およびレンズ8hを順に通過してレーザ装置L2へ入射されるところが異なる。
第19図は、本発明の実施例8によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。この実施例8においては、レーザ励起部50c、50d、50e、50f、50aが全て、第1図の50aと同様の構成となっている。そして、全反射ミラー1a、部分透過ミラー2aの間にレーザ励起部50cと50dの2個を配置してレーザ発振器M1を構成している。ここで、レーザ励起部50cと50dの間にはビーム波面曲率の符号の変化する位置、ビームウエストが存在しない。また、全反射ミラー1a端面上のビームウエスト位置を111a、部分透過ミラー2a端面上のビームウエスト位置を111b、ビームウエスト位置111aと111dの中間位置を100aとし、レーザビーム光軸に沿って位置111aと100aの間の光学系を6a、位置100aと111bの間の光学系を6bとすると、光学系6aと6bは位置100aに関して対称に構成されている。また、レーザ発振器M1の後段にレーザ励起部50eと50fを対にしてレーザ増幅器M2とし、さらにその後段にレーザ励起部50aを配置してレーザ増幅器M3として、全体として光学系がレーザビーム光軸に沿って6a、6b、6a、6b、6aと繰り返される構成となっている。
第20図は、本発明の実施例9によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。この実施例9においては、実施例8と同様、レーザ励起部50c、50d、50e、50aが全て、第1図の50aと同様の構成となっている。そして、曲率が平面の全反射ミラー1aと曲率が平面の部分透過ミラー2aの間にレーザ励起部50cと50dの2個を配置してレーザ発振器M4を構成している。レーザ発振器M4から出射されたレーザビームはレーザ励起部50eで構成される増幅器に入射され、増幅器部分の光学系6bを通過して、ビームウエストを位置111bに形成し、さらにレーザ励起部50aで構成される増幅器に入射されて増幅され、レーザビーム70として出射される。
第21図は、本発明の実施例10によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。全反射ミラー1a、部分透過ミラー2aの間にレーザ励起部50cと50dの2個を配置してレーザ発振器M5を構成し、レーザ発振器M5の後段にレーザ励起部50eと50fを対にしてレーザ増幅器M6とし、さらにその後段にレーザ励起部50aを配置してレーザ増幅器M7として、全体として光学系がレーザビーム光軸に沿って6a、6b、6a、6b、6aと繰り返される構成となっている。このように、レーザ発振器、増幅器のレーザ励起部、およびミラーの配置構成は第19図とほぼ同じであるが、本実施例10では、レーザ発振器のレーザ励起部50cと50dの間に90度偏光方向ローテータ10aを、また、レーザ励起部50eと50fの間に90度偏光方向ローテータ10bを配置している。
第22図は、本発明の実施例11によるレーザ装置およびその励起方法を説明するための図であり、より具体的には、レーザ装置を示す構成図である。第22図において、1aは曲率が平面である全反射ミラー、2aは曲率が平面である部分透過ミラーである。31a、31b、31c、31d、31eはレーザ活性媒質励起装置であり、以下ではLD(Laser Diode)である場合について説明する。41a、41b、41cは材質がNd:YAGであるロッド型固体レーザ活性媒質であり、レーザ活性媒質励起装置31a、31b、31c、31d、31eは固体レーザ活性媒質41a、41b、41cを端面から励起するように配置されている。21a、21b、21c、21d、21e、21fは、LD31a、31b、31c、31d、31eからのレーザビームに対しては全透過、固体レーザビームに対しては全反射であるようにコーティングされたレーザビーム折り返しミラーである。7は共振器内レーザビーム、70は出射レーザビームである。
第23図は本発明の実施例12によるレーザ装置を示す構成図である。第23図において、11は出射ビーム波面曲率および出射ビーム径の励起エネルギーに依存する変化が小さくなるよう構成したレーザ装置であり、実施例1〜11の何れかに示したレーザ装置である。70はレーザ装置11から発生したレーザビーム、8g、8hはレンズ、12は波長変換素子であり、温度を調整する装置や、角度を調整する装置等の位相整合を行わせる手段が設けてある。13は波長変換レーザビームに対して透過率が高く、基本波レーザビームに対して反射率の高いレーザビームスプリッターミラー、14は波長変換レーザビーム、15は波長変換素子通過後に波長変換されなかった基本波レーザビームである。
第24図は本発明の実施例13によるレーザ装置を示す構成図である。第24図において、11は出射ビームパラメータの変化が小さくなるよう構成されたレーザ装置であり、実施例1〜11の何れかに示したレーザ装置、70はレーザ装置11から発生したレーザビーム、16は光ファイバー、72は光ファイバー16からの出射ビーム、8hは集光レンズである。
第25図は本発明の実施例14によるレーザ加工装置を示す構成図である。第25図において、11は出射ビームパラメータの励起エネルギーに依存した変化が小さくなるよう構成したレーザ装置であり、実施例1〜11の何れかに示したレーザ装置である。70はレーザ装置11からの出射レーザビーム、8iは集光レンズ、17はアパーチャ、18はレーザビーム折り返しミラー、19a、19bはレーザビームの方向を高速に変化させることが可能なガルバノミラー、20は加工レンズ、21は加工対象物であり、高速で加工対象物21を移動可能なステージ22に装着されている。
Claims (7)
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1であり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1であることを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1であることを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1であり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略2倍となるよう、前記複数のレーザ活性媒質を励起することを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の長さは前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離が、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離の略2倍となるよう、前期複数のレーザ活性媒質を励起することを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームに一つのビームウエストが生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第1のレーザ活性媒質の励起部分の長さは前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第2のレーザ活性媒質の励起部分の長さの略2分の1であり、前記第1のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第2のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1であることを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームに一つのビームウエストが生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記ビームウエストを挟んで一方の側に配置された第1のレーザ活性媒質の長さは前記ビームウエストを挟んで他方の側に配置された第2のレーザ活性媒質の長さと同じであり、前記第1のレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記第2のレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1であることを特徴とするレーザ装置。
- 励起によりレンズ効果を生じる複数のロッド形状のレーザ活性媒質がレーザ光軸上に直列に配置され、前記複数のレーザ活性媒質が配置された領域内にあるレーザビームにビームウエストが複数生じるよう構成されたレーザ装置において、前記複数のロッド形状のレーザ活性媒質は全てロッドの径およびドープ濃度が等しく、前記レーザ活性媒質はその端面を励起するように構成されており、前記複数のビームウエストのうち少なくとも一端にあるビームウエストより端側に配置されたレーザ活性媒質は一方の端面のみが励起され、前記複数のビームウエストのうち隣り合う2つのビームウエスト間に配置されたレーザ活性媒質は両端面が励起され、前記一方の端面のみ励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーが、前記両端面が励起されるレーザ活性媒質への励起エネルギーの略2分の1であることを特徴とするレーザ装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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