JP5349757B2 - 固体レーザー発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザー発振装置に関し、さらに詳細には、外部からの励起光を固体レーザー媒質中に照射することにより反転分布を生起してレーザー光を発振する固体レーザー発振装置に関する。

従来より、励起光源としてレーザーダイオードを用いた固体レーザー発振装置たる、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置が知られている。

こうしたレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、励起光源たるレーザーダイオードから出力された励起光が照射される固体レーザー媒質（以下、励起光が照射される固体レーザー媒質を単に「レーザー媒質」と適宜に称することとする。）として、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｏｒｔｈｏｖａｎａｄａｔｅ）やＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などが一般的に使用されている。

ここで、Ｎｄ：ＹＶＯ_４やＮｄ：ＹＡＧなどをレーザー媒質として用いた小型のレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、一般に、ファイバーカップルされたレーザーダイオードを用いて、ファイバーを介してレーザー媒質の端面から励起光を照射する手法が採用されている。

こうした励起の手法を採用する理由は、ファイバーカップルされたレーザーダイオードを用いてファイバーを介してレーザー媒質の端面から励起光を照射すると、レーザーダイオードによる励起光の照射によりレーザー媒質内に作られる励起ボリュームと共振器のモードボリュームとの重なりがよくなり、効率よくレーザーエネルギーを得ることができるようになるからである。

そして、その結果、レーザーダイオードが出力する励起光の励起パワーが小さくてすみ、レーザー媒質における熱の発生を小さく抑えることができるようになるため、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置の出力が１０Ｗを超えるものであっても、レーザー媒質を空冷により冷却することが可能となるものであった。

また、通常、低出力のレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置における排熱は、当該レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置の筐体内部においてレーザー媒質を支持するために用いる金属部品たる、当該レーザー媒質と緊密に接触しているレーザー媒質ホルダーを利用して伝熱することにより実現されている。なお、こうした金属部品たるレーザー媒質ホルダーには、例えば、フィンや熱拡散プレートなどが取り付けられており、効率よく排熱することができるように工夫されている。

ところで、レーザーダイオードが出力する励起光の励起パワーが１０Ｗを超えるような高出力励起によるレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、レーザー媒質と緊密に接触している金属部品たるレーザー媒質ホルダーが熱的な平衡に達するまでに長時間がかかるため、当該レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置のウォームアップに長い時間を必要とすることが指摘されていた。

また、レーザー媒質の放熱は外部に向けて行われるものであるが、レーザー媒質の周囲の温度が変化するような場合には、その変化に伴ってレーザー媒質の温度も変化してしまうため、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置の出力自体が変動してしまうものであった。

このため、従来のレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、レーザー媒質を緊密に接触して支持するレーザー媒質ホルダーの恒温化を図る必要があり、このため、水冷ヒートシンク、ＴＥクーラー、ファンまたはヒーターなどを用いてレーザー媒質ホルダーの温度を一定に保つような工夫がなされている。

具体的には、例えば、特許文献１として提示する特開２００１−１１１１４３号公報に開示された技術によれば、レーザー媒質やレーザーダイオードの温度を冷却装置を用いて管理することにより、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置において安定したレーザー発振動作を行わせるようになされている。

しかしながら、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置において、上記した特開２００１−１１１１４３号公報に開示された技術を用いる場合には、冷却器、ペルチェ素子あるいはファンなどの各種のアクティブな付帯設備を用いて外部から能動的な熱的な制御を行う必要があり、装置全体の構成が複雑かつ大型になるという問題点があった。

一方、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置において、上記した冷却器などのアクティブな付帯設備を用いて外部から能動的な熱的な制御を行うことなく、フィンや熱拡散プレートなどを使用した場合には、冷感時にレーザー発振を開始すると、図１（ａ）に示すように、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置からのレーザー出力が、予め設定した所望の値Ａを一度大きく超えた後に所望の値Ａに徐々に移行したり、あるいは、図１（ｂ）に示すように、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置からのレーザー出力が、予め設定した所望の値Ａより著しく低い値から徐々に所望の値Ａに移行したりするなどの現象が見られという問題点があった。

即ち、冷却器などのアクティブな付帯設備を用いて外部から能動的な熱的な制御を行うことなく、フィンや熱拡散プレートなどを使用したレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、冷感時にレーザー発振を開始した際には、レーザー発振開始直後に所望のレーザー出力が得られず、レーザー発振開始後に徐々に所望の出力が得られるようになるという立ち上がり応答性を現出するという問題点があった。

従って、こうしたレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置をレーザー加工などに応用した場合には、レーザー加工開始部分において加工が浅くなったり深くなったりするという不具合が生じる恐れがあった。

また、冷却器などのアクティブな付帯設備を用いることなく、フィンや熱拡散プレートなどを使用したレーザーダイオード励起固体レーザー発振装置においては、レーザー出力を変更するなどのレーザー発振条件を変更した場合においても、冷感時と同様に、レーザー発振開始直後に所望のレーザー出力が得られず、レーザー発振開始後に徐々に所望の出力が得られるようになるという立ち上がり応答性を現出するという問題点があった。

なお、こうした現象は、レーザー発振時とレーザー非発振時とでレーザー媒質の温度が異なることにより、レーザー媒質内で生じる熱レンズなどが変化することに起因するものであった。

つまり、レーザー非発振時にはレーザー媒質が吸収したレーザーダイオードによる励起光のエネルギーは、ほとんど光エネルギーに変化しないため熱に変化し、レーザー媒質およびレーザー媒質ホルダーの温度を上昇させるように作用する。

これに対し、レーザー発振時にはレーザー媒質が吸収したレーザーダイオードによる励起光のエネルギーは、光エネルギーとなってレーザー出力されるため、レーザー非発振時に比べてレーザー媒質およびレーザー媒質ホルダーの温度は下がることになる。

こうしたレーザー媒質およびレーザー媒質ホルダーの温度変化が、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置のレーザー出力変動の主な原因であると認識されている。

また、レーザー媒質の周辺の温度が変化すると、レーザー媒質およびレーザー媒質ホルダーの温度もそれと連動して変化してしまい、その結果、レーザーダイオード励起固体レーザー発振装置のレーザー出力も変動してしまうことも指摘されていた。

このため、上記した問題点や現象に鑑みて、装置全体の構成が簡潔かつ小型であるとともに、外部からの能動的な温度制御を行うことなしに、レーザー出力の立ち上がり応答性に優れた固体レーザー発振装置の実現や、周辺の温度の変動に対して影響を受け難い固体レーザー発振装置の実現が強く要望されていた。

特開２００１−１１１１４３号公報

本発明は、上記したような従来の技術に対する強い要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置全体の構成が簡潔かつ小型であるとともに、外部からの能動的な温度制御を行うことなしに、レーザー出力の立ち上がり応答性に優れた固体レーザー発振装置を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、周辺の温度の変動に対して影響を受け難い固体レーザー発振装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザー共振器内に配置された固体レーザー媒質に、ファイバーカップルされた励起光源からの励起光を入射してレーザー発振させ、上記レーザー共振器からレーザー光を出力する固体レーザー発振装置において、筐体内に配設され、熱伝導特性の優れた材料により構成されて、略直方体の下端部が突出して凸部を形成した略Ｔ字状体を逆さまにした形状の基台部と、所定の空間を形成するようにして上記記基台部に融着されるとともにネジにより上記記基台部に固定された略直方体の接合部とを備え、上記所定の空間において上記基台部と上記接合部とによって固体レーザー媒質を挟持することにより、上記固体レーザー媒質を保持する保持手段と、上記保持手段に形成された凸部における底面と上記筐体との間に配置され、上記保持手段から前記筐体への伝熱を抑制する断熱手段とを有し、上記保持手段および上記断熱手段により能動的な温度制御を行うことなしに、レーザー出力の立ち上がり応答性を向上するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記保持手段の体積が３〜６ｃｍ^３であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記断熱手段は、上記保持手段の温度を６０〜１００℃に維持するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記断熱手段は、熱伝導率が３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記断熱手段は、熱伝導率が１〜３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記レーザー共振器内にＱスイッチを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の発明において、上記レーザー共振器内に非線形光学素子を有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の発明において、上記固体レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４であり、上記レーザー共振器から出力されるレーザー光は、波長が１０６４ｎｍであり、レーザー出力が８Ｗ以上であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち７に記載の発明において、上記固体レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４であり、上記レーザー共振器から出力されるレーザー光は、波長５３２ｎｍであり、レーザー出力が５Ｗ以上であるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、装置全体の構成を簡潔かつ小型化することができるとともに、外部からの能動的な温度制御を行うことなしに、レーザー出力の立ち上がり応答性を向上することができるという優れた効果を奏する。

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、周辺の温度の変動に対して影響を受け難いという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による固体レーザー発振装置の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。

図２には、右側面から見た状態において筐体のみを破断して示した本発明による固体レーザー発振装置の実施の形態の一例の概略構成説明図が示されている。

この固体レーザー発振装置１０は、後述する出力ミラー２０ａと高反射ミラー２０ｂとによりレーザー共振器が構成されており、このレーザー共振器内にレーザー媒質１６が配置されている。

より詳細には、固体レーザー発振装置１０は、ファイバー１１をカップルされたレーザーダイオード１２と、レーザーダイオード１２により生成されてファイバー１１を介して出射される励起光を平行光とするためのコリメーターレンズ１４ａと、コリメーターレンズ１４ａで平行光とされた励起光を集光するための集光レンズ１４ｂと、集光レンズ１４ｂにより集光された励起光によりレーザー発振するレーザー媒質１６と、レーザー媒質１６を保持するレーザー媒質ホルダー１８と、レーザー媒質１６から誘導放出されたレーザー光の波長に対して所定の透過率を持つ出力ミラー２０ａと、ファイバー１１を介して出射された励起光の波長を透過するとともにレーザー媒質１６から誘導放出されたレーザー光の波長を高反射率で反射する高反射ミラー２０ｂと、ファイバー１１から出力される励起光をレーザー共振器内に入射するための入射ウインドウ２２ａおよび出力ミラー２０ａからレーザー共振器の外部へ出力されたレーザー光を出射するための出射ウインドウ２２ｂを設けられた筐体２４とを有して構成されている。

なお、筐体２４は、レーザー媒質ホルダー１８などが配置される筐体底部２４ａ−１と筐体底部２４ａ−１から立設された筐体側壁部２４ａ−２とよりなる筐体基部２４ａおよび筐体基部２４ａの上面を閉塞するための筐体蓋部２４ｂとより構成されている。入射ウインドウ２２ａならびに出射ウインドウ２２ｂは、対向して配置される筐体側壁部２４ａ−２にそれぞれ形成されている。

ここで、固体レーザー発振装置１０におけるレーザー媒質ホルダー１８の構成ならびにレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４の筐体底部２４ａ−１へ取り付けるための構成を除く他の構成については、従来より公知の技術を援用することができるものであるので、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略し、以下においては、レーザー媒質ホルダー１８の構成ならびにレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４の筐体底部２４ａ−１へ取り付けるための構成を中心に詳細に説明する。

まず、図３（ａ）にはレーザー媒質１６を保持したレーザー媒質ホルダー１８の正面図が示されており、図３（ｂ）にはレーザー媒質１６を保持したレーザー媒質ホルダー１８の右側面図が示されており、図３（ｃ）にはレーザー媒質１６を保持したレーザー媒質ホルダー１８の平面図が示されている。なお、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したレーザー媒質ホルダー１８の寸法（単位：ｍｍ）はその一例に過ぎず、その寸法に限定されるものではない。

このレーザー媒質ホルダー１８は、略直方体の下端部が左右方向に突出して凸部１８ｄ、１８ｅを形成した略Ｔ字状体を逆さまにした形状の基台部１８ａと、所定の空間１８ｃを形成するようにして基台部１８ａに融着され、さらに、ネジ１８ｂａ、１８ｂｂにより基台部１８ａに固定された略直方体の接合部１８ｂとを有して構成されている。

そして、基台部１８ａと接合部１８ｂとにより形成された空間１８ｃに、レーザー媒質１６が配置されている。レーザー媒質１６の側面と基台部１８ａならびに接合部１８ｂとの当接面は融着されていて、レーザー媒質１６は空間１８ｃにおける所定の位置に固定的に配設されている。

具体的には、空間１８ｃ内において、レーザー媒質１６は上下方向ではレーザー媒質ホルダー１８に接することなしに左右方向でのみ固定され保持されている。

また、凸部１８ｄ、１８ｅには、筐体底部２４ａ−１方向に貫通する楕円形状の長孔１８ｄａ、１８ｅａが穿設されている。そして、この長孔１８ｄａ、１８ｅａの任意の位置にネジ１８ｄｂ、１８ｅｂを挿通して、そのネジを筐体底部２４ａ−１に形成されたネジ孔（図示せず。）にネジ結合することにより、レーザー媒質ホルダー１８を位置調整可能に筐体底部２４ａ−１に固定することができるよう構成されている。

ここで、この固体レーザー発振装置１０においては、ネジ１８ｄｂ、１８ｅｂによりレーザー媒質ホルダー１８を筐体底部２４ａ−１に固定する際には、ネジ１８ｄｂ、１８ｅｂのネジ頭と凸部１８ｄ、１８ｅとの間と、凸部１８ｄ、１８ｅと筐体底部２４ａ−１との間とに、断熱材２６として熱伝導特性の低い材料により構成されるワッシャを介在させ、レーザー媒質ホルダー１８と筐体２４との断熱を図るようにしている。こうした断熱材２６に用いる熱伝導特性の低い材料としては、例えば、熱伝導度が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることが好ましく、より詳細には、熱伝導度が１〜３０Ｗ／ｍ・Ｋを用いることが好ましい。こうした材料としては、例えば、セラミックやステンレスなどが挙げられる。

なお、レーザー媒質ホルダー１８を構成する基台部１８ａ、接合部１８ｂおよびネジ１８ｂａ、１８ｂｂは、熱伝導特性の優れた材料、具体的には、金属、例えば、銅などにより構成することが好ましい。

一方、ネジ１８ｄｂ、１８ｅｂは、熱伝導特性の低い材料により構成することが好ましい。こうしたネジ１８ｄｂ、１８ｅｂに用いる熱伝導特性の低い材料としては、例えば、熱伝導度が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることが好ましく、より詳細には、熱伝導度が１〜３０Ｗ／ｍ・Ｋを用いることが好ましい。こうした材料としては、例えば、セラミックやステンレスなどが挙げられる。

なお、筐体２４は、断熱材２６よりも熱伝導性が高い材料、例えば、金属などにより構築することができる。

ここで、内側空間の体積が５００ｃｍ^３の筐体２４にレーザー媒質ホルダー１８を固定する際には、レーザー媒質ホルダー１８の寸法は図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す値とすることが好ましい。また、断熱材２６については、その材質としては、熱伝導度が２４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるアルミナ９６を用い、その寸法としては、厚さ１．５ｍｍ、外径５．０ｍｍ、内径２．８ｍｍであるものを用いることが好ましい。

以上の構成において、本発明による固体レーザー発振装置１０を用いてレーザーを発振するには、まず、ファイバー１１にカップリングされたレーザーダイオード１２より、入射ウインドウ２２ａからファイバー１１を介して筐体２４内に励起光を入射し、コリメーターレンズ１４ａにおいて入射された励起光を平行光にする。そして、平行光とされた励起光を集光レンズ１４ｂにおいて集光し、集光した励起光をレーザー媒質１６に入射する。

このレーザー媒質１６への励起光の入射によりレーザー媒質１６からレーザー光が誘導放出される。この誘導放出されたレーザー光は、出力ミラー２０ａと高反射ミラー２０ｂとからなるレーザー共振器において増幅され、増幅されたレーザー光は透過性のある出力ミラー２０ａからレーザー共振器の外部へ出力され、出射ウインドウ２２ｂを通って固体レーザー発振装置１０の外部へ出力される。

この際に、断熱材２６によりレーザー媒質ホルダー１８は筐体２４から断熱されているので、レーザー媒質ホルダー１８の温度変動が抑制されて、能動的に温度調節を行うことなしに変動率の小さいレーザー出力を得ることができる。

即ち、本発明による固体レーザー発振装置１０においては、断熱材２６によりレーザー媒質ホルダー１８は筐体２４から断熱されているため、レーザー媒質ホルダー１８から筐体２４への伝熱が抑制されて排熱が抑止され、レーザー発振時とレーザー非発振時とにおけるレーザー媒質ホルダー１８の温度差が小さくなり、レーザー発振直後から安定したレーザー出力を得ることができるとともに、レーザー媒質ホルダー１８の温度が周辺環境温度の変化の影響を受けにくくなり、レーザー媒質ホルダー１８の温度を安定させることができ、周辺環境温度が変化しても安定したレーザー出力を得ることができる。

次に、本願発明者が上記した固体レーザー発振装置１０を用いて行った実験結果について詳細に説明する。なお、実験は、以下の条件において行った。

１．寸法
筐体２４の内部空間の体積：５００ｃｍ^３
レーザー媒質ホルダー１８の大きさ：図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した寸法
断熱材２６：厚さ１．５ｍｍ、外径５．０ｍｍ、内径２．８ｍｍのワッシャ
２．材料
レーザーダイオード１２：ＡｌＧａＡｓ
レーザー媒質１６：Ｎｄ：ＹＶＯ_４
レーザー媒質ホルダー１８：銅
筐体２４：アルミ合金
断熱材２６：熱伝導度が２４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であるアルミナ９６
３．レーザーダイオード１２により出力される励起光
波長：８０８ｎｍ
エネルギー：２５Ｗ
４．出力されるレーザー光
波長：１０６４ｎｍ
ここで、図４には、レーザー媒質ホルダー１８の温度を変化させてレーザー出力を測定した測定結果が示されている。即ち、図４は、レーザー媒質ホルダー１８の温度とレーザー出力との関係を示すグラフである。なお、レーザー媒質１６としては、Ｎｄ：ＹＶＯ_４を用いており、レーザー出力されたレーザー光は基本波であってその波長は１０６４ｎｍである。

図４に示されているように、レーザー媒質ホルダー１８の温度が変化すると、その変化に伴ってレーザー出力も変化し、レーザー媒質ホルダー１８の温度が８０℃のときにピークを迎えている。そして、レーザー媒質ホルダー１８の温度が６０℃〜１００℃の間では、レーザー出力の変動が小さいことがわかる。

ここで、レーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に断熱材２６を用いることなしに直接固定した場合では、周辺環境温度２５℃ではレーザー媒質ホルダー１８の温度はレーザー非発振時に約６０℃となり、レーザー発振時では約４０℃となる結果が得られた。これを図４にあてはめてみると、レーザー発振直後にはレーザー媒質ホルダー１８の温度とレーザー出力との関係はＡの状態にあり、レーザー発振が安定した後にはレーザー媒質ホルダー１８の温度とレーザー出力との関係はＢの状態にあることを示している。従って、この場合のレーザーの立ち上がり応答性は、図１（ａ）に示すようになり、レーザー発振直後から安定した出力を得ることはできない。

これに対して、断熱材２６を用いてレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に固定して、レーザー媒質ホルダー１８と筐体２４との断熱を図った固体レーザー発振装置１０においては、断熱材２６の断熱効果によって、周辺環境温度２５℃ではレーザー媒質ホルダー１８の温度はレーザー非発振時に約８５℃となり、レーザー発振時では約７２℃となる結果が得られた。これを図４にあてはめてみると、レーザー発振直後にはレーザー媒質ホルダー１８の温度とレーザー出力との関係はＣの状態にあり、レーザー発振が安定した後にはレーザー媒質ホルダー１８の温度とレーザー出力との関係はＤの状態にあることを示している。従って、この場合のレーザーの立ち上がり応答性は、図１（ｃ）に示すようになり、レーザー発振直後から安定した出力を得ることができる。

即ち、固体レーザー発振装置１０においては、断熱材２６を設けたことによる断熱効果によって、レーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に直接固定した固体レーザー発振装置に比べて、レーザー媒質ホルダー１８はレーザー非発振時およびレーザー発振時ともに高い温度を安定して示し、レーザー非発振時とレーザー発振時とにおけるレーザー媒質ホルダー１８の温度の差が小さくなって、その結果、レーザー出力の変動が抑制されて安定したレーザー出力が得られている。

次に、レーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に断熱材２６を用いることなしに直接固定した場合と、断熱材２６を用いてレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に固定した場合とにおける、周辺環境温度に対するレーザー媒質ホルダー１８の温度の変化を図５に示す。 なお、レーザー発振条件は、
繰返し ４０ｋＨｚ
入力ＬＤパワー ２２Ｗ
である。

図５に示されているように、レーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に断熱材２６を用いることなしに直接固定した場合（図５では◆印で示す。）では、周辺環境温度が０℃〜５０℃まで変化すると、レーザー媒質ホルダー１８の温度は１５℃〜６５℃まで変化している。

これは、周辺環境温度の変化に影響されてレーザー媒質ホルダー１８の温度が連動して変化し、周辺環境温度の変化量５０℃がそのままレーザー媒質ホルダー１８の温度の変化量となっている。

これに対して、断熱材２６を用いてレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に固定した場合（図５では▲印で示す。）では、周辺環境温度が０℃〜５０℃まで変化すると、レーザー媒質ホルダー１８の温度は６３℃〜９２℃まで変化している。この場合には、周辺環境温度の変化量５０℃に対し、レーザー媒質ホルダー１８の温度の変化量は約３０℃となっている。

即ち、レーザー媒質ホルダー１８が筐体２４に直接固定されている場合には、レーザー媒質ホルダー１８と筐体２４との間の伝熱により、レーザー媒質１６からレーザー媒質ホルダー１８へ伝熱された熱は筐体２４を介して外部に放出されるのに対し、レーザー媒質ホルダー１８が断熱材２６を介して筐体２４に固定されている場合には、レーザー媒質ホルダー１８と筐体２４とが断熱されているため、レーザー媒質１６が吸収した熱をレーザー媒質ホルダー１８が保持して筐体２４への排熱が小さくなり、レーザー媒質ホルダー１８の温度は周辺環境温度よりも高く維持されてその変動幅も小さくなる。

そして、図４に示したように、レーザー媒質ホルダー１８の温度の変化に伴いレーザー出力も変動するものであるが、図６には周辺環境温度を変化された場合のレーザー出力の変動を示している。

図６に示すように、レーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に断熱材２６を用いることなしに直接固定した場合（図６では■印で示す。）では、周辺環境温度を０℃〜５０℃で変化させると、レーザー出力は６Ｗ〜１２Ｗで変化している。

これに対して、断熱材２６を介してレーザー媒質ホルダー１８を筐体２４に固定した場合（図６では□印で示す。）は、周辺環境温度を０℃〜５０℃で変化させても、レーザー出力は全ての周辺環境温度で約１２Ｗとなり、周辺環境温度に対するレーザー出力の変動率は５％以下とすることができた。

即ち、上記した実験に用いた固体レーザー発振装置１０によれば、レーザー媒質ホルダー１８の温度が常温より５０℃前後高い温度に維持されるように、レーザー媒質ホルダー１８における放熱と吸熱とのバランスが維持され、一般に固体レーザー発振装置が設置される常温２５℃近辺の周辺環境温度では、周辺環境温度の変化に対して極めて影響の少ないレーザー発振を実現することができる。

以上において説明したように、本発明による固体レーザー発振装置１０によれば、能動的に温度調節を行うことなしに、レーザー出力の変動率を小さくして安定したレーザー出力を得ることができる。

つまり、本発明による固体レーザー発振装置１０においては、レーザー媒質ホルダー１８と筐体２４とを断熱することにより、レーザー媒質ホルダー１８から筐体２４への排熱を制御することにより、レーザー発振時とレーザー非発振時とでレーザー媒質ホルダー１８の温度差が小さくなり、レーザー発振直後から安定したレーザー出力を得ることができるとともに、レーザー媒質ホルダー１８の温度が周辺環境温度の変化の影響を受けにくくなり、レーザー媒質ホルダー１８の温度を、例えば、６０℃〜１００℃の範囲で維持することができ、安定したレーザー出力を得ることができる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（７）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、励起光源としてレーザーダイオード１２を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ガスレーザーあるいは固体レーザーを励起光源として用いるようにしてもよい。

（２）上記した実施の形態においては、レーザー媒質１６としてＮｄ：ＹＶＯ_４を用いた場合を中心に説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー媒質としてＮｄ：ＹＡＧ、チタンサファイアまたはＹＡＧなどの各種のレーザー媒質に用いるようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態において、図７に示すように、レーザー共振器内にＱスイッチを設けてパルス発光を可能とし、よりエネルギー密度の高いレーザー光を出力することができるようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態においては詳細な説明を省略したが、固体レーザー発振装置１０においてレーザー媒質１６としてＮｄ：ＹＶＯ_４を用いた場合には、その基本発振波長は１０６４ｎｍの近赤外であるが、可視領域や紫外領域の波長を有するレーザー光を得るために、レーザー共振器内に非線形光学素子を配置してレーザー出力として高調波を得るようにしてもよい。例えば、図８に示すように、レーザー媒質１６としてＮｄ：ＹＶＯ_４を用いた場合に、高反射ミラー２０ｂと高反射ミラー３０とによりレーザー共振器を構成し、このレーザー共振器内に非線形光学素子を配置すればよい。符号３２は出力ミラーであって、波長１０６４ｎｍの光を反射するとともに波長５３２ｎｍの光を透過し、波長５３２ｎｍのレーザー光を出射ウインドウ２２ｂから筐体２４の外部へ出力する。

なお、図９には、基本波と第２高調波とについて、レーザー媒質ホルダー１８の温度を変化させてレーザー出力を測定した測定結果が示されている。

第２高調波においても基本波と同様に、レーザー媒質ホルダー１８の温度が６０℃〜１００℃においてレーザー出力の変動は極めて少なかった。

（５）上記した実施の形態においては、図３にレーザー媒質ホルダー１８の寸法の一例が記載されているが、これに限られるものでなはいことは勿論であり、レーザー媒質ホルダー１８の寸法は適宜に設定してよいが、レーザー媒質ホルダー１８の体積が３ｃｍ^３〜６ｃｍ^３の範囲内となるように寸法設定することが好ましい。

（６）上記した実施の形態においては、断熱材２６の材質を熱伝導度が２４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１のアルミナ９６とし、その寸法を厚さ１．５ｍｍ、外径５．０ｍｍ、内径２．８ｍｍとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、筐体２４の内側空間の体積、レーザー媒質ホルダー１８の材質、レーザーダイオード１２やレーザー媒質１６の種類などにより、断熱材２６の材質や寸法を適宜に変更するようにしてもよい。この際に、断熱材２６の熱伝導度が３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下、より詳細には、１〜３０Ｗ／ｍ・Ｋとすることが好ましい。

（７）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（６）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、レーザーマーキングおよびレーザー溶接といった各種のレーザー加工などの分野で利用することができる。

図１（ａ）（ｂ）は、従来の技術を用いた際の固体レーザー発振装置におけるレーザー出力の立ち上がり応答性を示したグラフであり、図１（ｃ）は、本発明による固体レーザー発振装置におけるレーザー出力の立ち上がり応答性を示したグラフである。 図２は、右側面から見た状態において筐体のみを破断して示した本発明による固体レーザー発振装置の実施の形態の一例の概略構成説明図である。 図３（ａ）は、レーザー媒質を保持したレーザー媒質ホルダーの正面図であり、図３（ｂ）は、レーザー媒質を保持したレーザー媒質ホルダーの右側面図であり、図３（ｃ）は、レーザー媒質を保持したレーザー媒質ホルダーの平面図である。 図４は、実験に用いたレーザー媒質ホルダーの温度を変化させてレーザー出力を測定した測定結果を示し、レーザー媒質ホルダーの温度の変化に対するレーザー出力の変動を示すグラフである。 図５は、レーザー媒質ホルダーを筐体に断熱材を用いることなしに直接固定した場合と、断熱材を介してレーザー媒質ホルダーを筐体に固定した場合とについて、周辺環境温度の変化に対するレーザー媒質ホルダーの温度の変化を示すグラフである。 図６は、レーザー媒質ホルダーを筐体に断熱材を用いることなしに直接固定した場合と、断熱材を介してレーザー媒質ホルダーを筐体に固定した場合とについて、周辺環境温度の変化に対するレーザー出力の変動を示すグラフである。 図７は、本発明による固体レーザー発振装置においてレーザー共振器内にＱスイッチを配設した状態を示すものであって、筐体のみを破断して平面から見た状態の概略構成説明図である。 図８は、本発明による固体レーザー発振装置において非線形光学素子をを配設した状態を示すものであって、筐体のみを破断して平面から見た状態の概略構成説明図である。 図９は、本発明による固体レーザー発振装置における基本波と第２高調波とについて、実験に用いたレーザー媒質ホルダーの温度を変化させてレーザー出力を測定した測定結果を示し、レーザー媒質ホルダーの温度の変化に対するレーザー出力の変動を示すグラフである。

符号の説明

１０ 固体レーザー発振装置
１１ ファイバー
１２ レーザーダイオード
１４ａ コリメーターレンズ
１４ｂ 集光レンズ
１６ レーザー媒質
１８ レーザー媒質ホルダー
１８ａ 基台部
１８ｂ 接合部
１８ｂａ、１８ｂｂ ネジ
１８ｃ 空間
１８ｄ、１８ｅ 凸部
１８ｄｂ、１８ｅｂ ネジ
２０ａ 出力ミラー
２０ｂ 高反射ミラー
２２ａ 入射ウインドウ
２２ｂ 出射ウインドウ
２４ 筐体
２４ａ 筐体基部
２４ａ−１ 筐体底部
２４ａ−２ 筐体側壁部
２４ｂ 筐体蓋部
２６ 断熱材
３０ 高反射ミラー
３２ 出力ミラー

Claims (9)

1. レーザー共振器内に配置された固体レーザー媒質に、ファイバーカップルされた励起光源からの励起光を入射してレーザー発振させ、前記レーザー共振器からレーザー光を出力する固体レーザー発振装置において、
   筐体内に配設され、熱伝導特性の優れた材料により構成されて、略直方体の下端部が突出して凸部を形成した略Ｔ字状体を逆さまにした形状の基台部と、所定の空間を形成するようにして前記基台部に融着されるとともにネジにより前記基台部に固定された略直方体の接合部とを備え、前記所定の空間において前記基台部と前記接合部とにより固体レーザー媒質を挟持することにより、前記固体レーザー媒質を保持する保持手段と、
   前記保持手段に形成された凸部における底面と前記筐体との間に配置され、前記保持手段から前記筐体への伝熱を抑制する断熱手段と
   を有し、
   前記保持手段および前記断熱手段により能動的な温度制御を行うことなしに、レーザー出力の立ち上がり応答性を向上した
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
2. 請求項１に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記保持手段は、体積が３〜６ｃｍ^３である
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記断熱手段は、前記保持手段の温度を６０〜１００℃に維持する
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記断熱手段は、熱伝導率が３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下である
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
5. 請求項４に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記断熱手段は、熱伝導率が１〜３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
6. 請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記レーザー共振器内にＱスイッチを有する
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
7. 請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記レーザー共振器内に非線形光学素子を有する
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
8. 請求項１、２、３、４、５または６のいずれか１項に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記固体レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４であり、
   前記レーザー共振器から出力されるレーザー光は、波長が１０６４ｎｍであり、レーザー出力が８Ｗ以上である
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。
9. 請求項７に記載の固体レーザー発振装置において、
   前記固体レーザー媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ４であり、
   前記レーザー共振器から出力されるレーザー光は、波長が５３２ｎｍであり、レーザー出力が５Ｗ以上である
   ことを特徴とする固体レーザー発振装置。

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