JP6227212B1 - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質（１，２）と、複数のレーザ媒質（１，２）から入射した複数のレーザビームを重ねて出射する回折格子（３）と、回折格子（３）から出射された複数のレーザビームの一部を反射して回折格子（３）に戻し、残りを透過させる部分反射ミラー（４）と、複数のレーザ媒質（１，２）の各々と回折格子（３）との間に個別に配置された複数のレンズ（５，６）とを備え、複数のレンズ（５，６）の各々は、複数のレーザ媒質（１，２）と回折格子（３）との間に形成される光路ごとに配置されており、複数のレーザ媒質（１，２）からのレーザビームを、回折格子（３）への入射面上において同一外径で重畳する。

Description

本発明は、波長の異なる複数のレーザビームを結合することによって高出力のレーザビームを得るレーザ発振装置に関する。

レーザビームの輝度を高めるために、複数のレーザ媒質から発せられる波長の異なる複数のレーザビームを波長分散素子で波長結合させることが試みられている。なお、本明細書において「波長結合」とは、波長の異なる複数のレーザビームを同じ出射角で出射させること、すなわち、波長の異なる複数のレーザビームを一つに重ねることを意味する。

特許文献１には、複数のレーザ媒質及び波長分散素子を含む外部共振器により、複数のレーザ媒質からレーザビームの波長を固有の値に決定し、外部共振器外に設置した別の波長分散素子で複数のレーザ媒質からのレーザビームを結合する技術が開示されている。

特表２０１３−５２１６６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明では、同じ波長かつ同じ光学特性を有する複数のレーザビームを波長分散素子上に入射させるため、同じビーム径で波長分散素子上にレーザビームを重ねることはできず、レーザビームの重なりにずれが生じてしまう。その結果、ビーム径が異なる複数のレーザビームを外部共振器で共振させることになるため、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性が低下し、外部共振器の出力が低下するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性を高めたレーザ発振装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、複数のレーザ媒質から入射した複数のレーザビームを重ねて出射する波長分散素子と、波長分散素子から出射された複数のレーザビームの一部を反射して波長分散素子に戻し、残りを透過させる部分反射素子と、複数のレーザ媒質の各々と波長分散素子との間に個別に配置された複数のレンズとを備える。複数のレンズの各々は、複数のレーザ媒質と波長分散素子との間に形成される光路ごとに配置されており、複数のレーザ媒質からのレーザビームを、波長分散素子への入射面上において同一外径で重畳する。

本発明に係るレーザ発振装置は、外部共振器から出力されるレーザビームの集光性を高められるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す図 実施の形態１に係るレーザ発振装置の回折格子でのビーム径変換作用を説明するための図 本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す図 本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す図である。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、制御部９０と、駆動回路７１，７２と、駆動電源８１，８２と、外部共振器１０とを備えている。外部共振器１０は、発するレーザビームの波長が異なるレーザ媒質１，２と、入射光の一部を反射し残りを透過させる部分反射素子である部分反射ミラー４とで構成されている。外部共振器１０の内部には、レーザ媒質１，２から入射した波長の異なるレーザビームを重ねて出射する波長分散素子である回折格子３と、レンズ５，６とが設置されている。レンズ５，６は、レーザ媒質１，２と回折格子３との間に設置され、焦点距離が互いに異なっている。レンズ５，６は、レーザ媒質１，２と回折格子３との間に形成される光路ごとに配置されており、レーザ媒質１，２からのレーザビームを、回折格子３への入射面上において同一外径で重畳する。なお、レーザビームが回折格子３の入射面に垂直に入射しない場合、回折格子３の入射面上においてレーザビームは楕円形状となるが、本明細書において回折格子３に対して垂直に入射しないレーザビームを同一外径で重畳することは、楕円の長径を一致させてレーザビームを重畳させることを意味する。駆動回路７１，７２は、レーザ媒質１，２のオンオフの制御及び短絡発生時にレーザ媒質１，２への電力供給を遮断する保護機能を有する。駆動電源８１，８２は、駆動回路７１，７２に電力を供給する電源である。制御部９０は、数値制御装置から入力される指令に基づいて駆動回路７１，７２を制御する。

レーザ媒質１，２は、光又は電気といったエネルギーを与えることで、レーザ光を発生する。レーザ媒質１，２には、半導体レーザの活性層及びファイバレーザのコアを例示できるが、これらに限定されない。レーザ媒質１，２の後側の端面には、高反射率の反射コーティング１１，２１が形成され、光の大部分を反射する。したがって、レーザ媒質１，２で生じた光は、前端１２，２２から前方に出射される。

レーザ媒質１，２から発せられたレーザビームは、レーザ媒質１，２ごとに調整された距離に設置した焦点距離の異なるレンズ５，６で発散角が調整される。図１においては、レーザビームの光軸上でのレーザ媒質１とレンズ５との距離はＬ_１であり、レーザビームの光軸上でのレーザ媒質２とレンズ６との距離はＬ_２である。レンズ５，６を通過したレーザビームは、レーザ媒質１，２ごとに調整された距離離れた回折格子３に入射する。図１においては、レーザビームの光軸上でのレンズ５の中心と回折格子３との距離はｌ_１であり、レーザビームの光軸上でのレンズ６の中心と回折格子３との距離はｌ_２である。

レンズ５，６は、球面レンズといった軸対称のレンズでも良いが、より好適には、紙面と平行な面であるビーム結合次元のみにパワーを有する円筒面レンズが適当である。なぜなら、以下で説明するように、レンズ５，６によるビーム径変換作用の補正は、ビーム結合次元においてなされるものであり、紙面と垂直な面である非ビーム結合次元に影響を与えないことが望ましいからである。また、レーザ媒質１，２とレンズ５，６の中心との距離Ｌ_１，Ｌ_２及びレンズ５，６の中心と回折格子３との距離ｌ_１，ｌ_２は、レンズ５，６を凹レンズとすると、レンズ５，６が凸レンズである場合よりも短くなる。したがって、レンズ５，６を凹レンズとすることにより、外部共振器１０を小型化できる。

レーザ媒質１，２で発生したレーザビームは、レンズ５，６を経由して回折格子３に到達する。回折格子３への入射角αと回折格子３における出射角である回折角βとの関係は、回折格子３の溝間隔ｄ、波長λを用いて下記式（１）のように表わされる。ｍは、回折の次数と呼ばれる自然数である。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ ・・・（１）

図１に示すように、レーザ媒質１からのレーザビーム及びレーザ媒質２からのレーザビームは、異なる入射角で回折格子３に入射し、同じ回折角で出射される。すなわち、レーザ媒質１から発せられたレーザビームと、レーザ媒質２から発せられたレーザビームとは、回折格子３において１本に重ねられて部分反射ミラー４側へ出射される。回折格子３において回折されたレーザビームの一部は、部分反射ミラー４で反射され、残りのレーザビームは部分反射ミラー４を透過して外部共振器１０の外に出力される。外部共振器１０の外に出力されるレーザビームは、レーザ加工を始めとする各種の用途に使用される。

部分反射ミラー４で反射されたレーザビームは、上述した光路を逆にたどって、回折格子３及びレンズ５，６を経て、レーザ媒質１，２に戻る。レーザ媒質１，２まで戻ったレーザビームは、レーザ媒質１，２中で増幅され、レーザ媒質１，２の後側の反射コーティング１１，２１で反射され、再びレーザ媒質１，２から出射される。

外部共振器１０が成立している時には、部分反射ミラー４、回折格子３、レンズ５，６及びレーザ媒質１，２の位置関係により、レーザ媒質１，２ごとに光路が決まる。そして、光路が決まることにより上記式（１）を満たす固有の波長が決定される。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、異なる波長を持つレーザ媒質１，２からのレーザビームを、回折格子３への入射面上において同一外径で重畳させ、回折格子３から部分反射ミラー４側へ出射するレーザビームを一本に重ね合わせることにより、レーザビームの輝度を向上させることが可能である。

回折格子３は、入射角αと回折角βとが異なる場合には、ビーム径変換作用がある。図２は、実施の形態１に係るレーザ発振装置の回折格子でのビーム径変換作用を説明するための図である。図２において、回折格子３上のビーム幅ｘは、入射ビーム４１のビーム径２ω_ｉ及び回折ビーム４２のビーム径２ω_ｄを用いて、ｘ＝２ω_ｉ／ｃｏｓα＝２ω_ｄ／ｃｏｓβで表わされるため、入射ビーム４１のビーム径２ω_ｉと回折ビーム４２のビーム径２ω_ｄとの間には、下記式（２）が成立する。
ω_ｄ＝（ｃｏｓβ／ｃｏｓα）ω_ｉ ・・・（２）

すなわち、回折格子３を通過する前後でレーザビームのビーム径は、（ｃｏｓβ／ｃｏｓα）倍になる。つまり、入射角α又は回折角βが異なると、回折格子３を通過後のレーザビームのビーム径は異なる値となる。回折格子３の前後でビーム径と発散角との積は保存されるという関係がある。したがって、入射ビーム４１の発散角がθ_１であり、回折ビーム４２の発散角がθ_２であれば、下記式（３）が成立する。
２ω_ｉ×θ_１＝２ω_ｄ×θ_２ ・・・（３）

上記式（２）を用いて上記式（３）を変形すると、下記式（４）となる。
θ_２＝（ｃｏｓα／ｃｏｓβ）θ_１ ・・・（４）

したがって、回折ビーム４２の発散角θ_２は、入射ビーム４１の発散角θ_１の（ｃｏｓα／ｃｏｓβ）倍となる。よって、回折格子３の光線行列Ａは、下記式（５）で表わされる。

式（５）は、波長が異なり、ビーム径及び発散角が同じであるレーザビームを異なる入射角αで回折格子３に入射すると、レーザビームごとに異なる径及び発散角で回折されることを示している。

外部共振器１０で異なるビーム特性のレーザビームを共振させると、出力されるレーザビームの効率が低下するとともに、集光性も劣化する。

実施の形態１においては、回折格子３から出射される、各レーザ媒質１，２からのレーザビームのビーム径が同一外径になるように、距離Ｌ_１，ｌ_１，Ｌ_２，ｌ_２及びレンズ５，６の焦点距離が調整されている。式（５）に示した回折格子３の光線行列、距離Ｌ_１，Ｌ_２，ｌ_１，ｌ_２の自由伝搬の光線行列、及びレンズ５，６の光線行列を用いると、レーザ媒質１，２発光点ごとに、レーザ媒質１，２から、回折格子３を通過した後までのレーザビームの伝搬を計算できる。

レーザ媒質１，２から、回折格子３を通過した後までのレーザビームの伝搬の計算結果を基に、回折格子３での回折後のレーザビームのビーム径がレーザ媒質１とレーザ媒質２とで同じになるように、距離Ｌ_１，ｌ_１，Ｌ_２，ｌ_２とレンズ５，６の焦点距離とを設定することにより、回折格子３での回折後の各レーザビームのビーム径を一致させることが可能である。したがって、レーザ媒質１とレンズ５との距離Ｌ_１と、レーザ媒質２とレンズ６との距離Ｌ_２とは異なるものとなる。また、レンズ５と回折格子３との距離ｌ_１と、レンズ６と回折格子３との距離ｌ_２とは異なるものとなる。また、レンズ５の焦点距離とレンズ６の焦点距離とは異なるものとなる。

ここで、レーザ媒質１，２の一方はレンズ５，６を配置しない基準のレーザ媒質にし、レンズ５，６を配置しないレーザ媒質１，２からの回折格子３通過後のレーザビームに他のレーザ媒質１，２からの回折格子３通過後のレーザビームを合わせることが可能である。この場合には、基準のレーザ媒質からのレーザビームの光路中には、他のレーザ媒質からのレーザビームの光路と比較して、レンズを少なくすることができるので、構成単純化及び低コスト化の効果がある。

以上のように、実施の形態１に係るレーザ発振装置１００においては、レーザ媒質１，２からの波長が異なるレーザビームを、回折格子３への入射面上において同一外径で重畳させるようにレンズ５，６を設置し、回折格子３から部分反射ミラー４側へ出射するレーザビームを一本に重ね合わせることで、外部共振器１０の効率向上及び集光性の劣化抑制が可能である。なお、回折格子３への入射面においてレーザ媒質１，２からのレーザビームのビーム径が同一外径とならない場合でも、レンズ５，６が、回折格子３の入射面におけるレーザ媒質１，２からのレーザビームのビーム径の差を、複数のレーザビームがレーザ媒質１，２から回折格子３に入射する場合よりも小さくするのであれば、外部共振器１０の効率向上及び集光性の劣化抑制の効果が得られる。

上記の説明においては、波長分散素子に回折格子３を用いた構成を示したが、波長分散素子は回折格子に限定されることはない。波長分散素子にはプリズムを用いることもできる。また、上記の説明においては、部分反射素子に部分反射ミラー４を用いた構成を示したが、部分反射素子は、レーザビームが部分的に当たるように設置した全反射ミラーでも実現できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す図である。実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１は、実施の形態１に係るレーザ発振装置１００と比較して、外部共振器１０の構成が異なる。実施の形態２に係るレーザ発振装置１０１の外部共振器１０では、レーザ媒質には、半導体レーザバーといった発光点が複数個整列したレーザ媒質１７，１８が用いられている。回折格子２３は、実施の形態１の回折格子３と同様である。部分反射ミラー２４は、実施の形態１の部分反射ミラー４と同様である。

図３に示すように、レーザ媒質１７は、発光点１９ａ，１９ｂ，１９ｃを備えており、レーザ媒質１８は、発光点２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えている。レーザ媒質１７，１８の後側の端面には、高反射率の反射コーティング１７１，１８１が形成され、光の大部分を反射する。したがって、レーザ媒質１７，１８で生じた光は、前端１７２，１８２から前方に出射される。

実施の形態１では、レーザ媒質１，２ごとにレンズ５，６との距離を調整するとともに、レンズ５，６の焦点距離が異なったが、実施の形態２では、レーザ媒質１７，１８ごとに異なる光学系となる。図３の例では、レーザ媒質１７に対しては距離Ｌ_１の地点にレンズ２５が、レーザ媒質１８に対しては距離Ｌ_２の地点にレンズ２６が配置される。

レーザ媒質１７内の発光点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ同士は、回折格子２３から見た角度が小さいため、回折格子２３のビーム径変換作用によるビーム径の変動の割合は小さい。同様に、レーザ媒質１８内の発光点２０ａ，２０ｂ，２０ｃ同士は、回折格子２３から見た角度が小さいため、回折格子２３のビーム径変換作用によるビーム径の変動の割合は小さい。したがって、発光点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃごとに異なるレンズを用いるのではなく、レーザ媒質１７，１８ごとに異なるレンズ２５，２６を用いることで、レーザビームのビーム径の差を、複数のレーザビームがレーザ媒質１７，１８から回折格子２３に入射する場合よりも小さくする効果を得ることができる。

複数の発光点１９ａ，１９ｂ，１９ｃを含んだレーザ媒質１７及び複数の発光点２０ａ，２０ｂ，２０ｃを含んだレーザ媒質１８を使用することで、より沢山の発光点からのレーザビームを結合することができ、高出力で高輝度の波長結合レーザ装置を安価に得ることができる。

実施の形態２では、説明を簡単にするために、レーザ媒質１７が三つの発光点１９ａ，１９ｂ，１９ｃを備え、レーザ媒質１８が三つの発光点２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備える構成を示したが、レーザ媒質１７，１８に搭載される発光点の数は、一般的には数十程度で、多いものでは数百に及ぶこともある。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す図である。実施の形態３に係るレーザ発振装置１０２は、外部共振器１０の構成が実施の形態１，２と相違する。

実施の形態１，２において、回折格子３，２３におけるレーザビームの一次回折光に対して部分反射ミラー４，２４を設置していたが、実施の形態３においては、回折格子３３におけるレーザビームの二次回折光をレーザ媒質１，２に戻す。すなわち、実施の形態３に係るレーザ発振装置１０２においては、レーザ媒質１，２と回折格子３３とで外部共振器１０が構成されている。このとき、一次回折光は、回折角ゼロ度で回折される。すなわち、一次回折光は、回折格子３３に対して垂直に出射される。レーザ発振装置１０２の出力ビームに使用されるのは、一次回折光である。レーザ発振装置１０２は、複数のレーザ媒質１，２を有するが、一次回折光は回折格子３３と垂直に出射されるため、複数のレーザ媒質１，２からの複数のレーザビームを一本に重畳することが可能である。

実施の形態３に係るレーザ発振装置１０２においても、回折格子３３での回折後のレーザビームのビーム径がレーザ媒質１とレーザ媒質２とで同じになるように、レーザ媒質１とレンズ３５との距離、レンズ３５と回折格子３３との距離、レーザ媒質２とレンズ３６との距離及びレンズ３６と回折格子３３との距離と、レンズ３５，３６の焦点距離とを設定することにより、回折格子３３での回折後の各レーザビームのビーム径を一致させ、ビーム品質を向上させることができる。

実施の形態３に係るレーザ発振装置１０２は、部分反射ミラーを使用しないため装置を簡略化及び小型化できることに加え、外部共振器１０内部の損失を低減させてレーザ発振の効率を高めることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，２，１７，１８ レーザ媒質、３，２３，３３ 回折格子、４，２４ 部分反射ミラー、５，６，２５，２６，３５，３６ レンズ、１０ 外部共振器、１１，２１ 反射コーティング、１２，２２ 前端、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 発光点、４１ 入射ビーム、４２ 回折ビーム、７１，７２ 駆動回路、８１，８２ 駆動電源、９０ 制御部、１００，１０１，１０２ レーザ発振装置。

Claims (5)

1. 発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、複数の前記レーザ媒質から入射した複数の前記レーザビームを重ねて出射する波長分散素子と、前記波長分散素子から出射された複数の前記レーザビームの一部を反射して前記波長分散素子に戻し、残りを透過させる部分反射素子と、複数の前記レーザ媒質の各々と前記波長分散素子との間に個別に配置された複数のレンズとを備え、
   複数の前記レンズの各々は、複数の前記レーザ媒質と前記波長分散素子との間に形成される光路ごとに配置されており、複数の前記レーザ媒質からの前記レーザビームを、前記波長分散素子への入射面上において同一外径で重畳することを特徴とするレーザ発振装置。
2. 複数の前記レーザ媒質の各々は、前記レーザビームを発する発光点を複数備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 複数の前記レーザ媒質が発する前記レーザビームの光路ごとに、前記レーザ媒質と前記レンズとの距離が異なり、かつ前記レンズと前記波長分散素子との距離が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
4. 前記レンズは、凹レンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
5. 発するレーザビームの波長が異なる複数のレーザ媒質と、複数の前記レーザ媒質から入射した複数の前記レーザビームの一部を反射して前記レーザ媒質に戻し、残りの複数の前記レーザビームを重ねて出射する波長分散素子と、複数の前記レーザ媒質の各々と前記波長分散素子との間に個別に配置された複数のレンズとを備え、
   複数の前記レンズの各々は、複数の前記レーザ媒質と前記波長分散素子との間に形成される光路ごとに配置されており、複数の前記レーザ媒質からの前記レーザビームを、前記波長分散素子への入射面上において同一外径で重畳することを特徴とするレーザ発振装置。

Images