JP6569865B2 - 固体レーザー装置 - Google Patents
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Description
このようなレーザー媒質は、レーザー出力の増大に伴ってその温度が上昇してしまう。しかし、このレーザー媒質により高効率でレーザー発振させるためには、例えば、120K以下のような低温にすることが望ましい。そのため、このような高出力の固体レーザーでは、液化窒素などを用いてレーザー媒質を冷却することが行われている。しかしながら、レーザー媒質は、容器内に収容されているため、レーザー媒質を冷却することによって容器の内側と外側とに温度差が生じて結露が発生する場合がある。
そこで、特許文献2には、薄く形成された増幅媒質を透明な媒質に接合して、全反射によりレーザー光が伝搬する構造が提案されている。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザー媒質の破損、および、レーザー光が遮られることを抑制しつつ、レーザー媒質を容易に交換でき、高効率でレーザー発振させることが可能な固体レーザー装置を提供することを目的とする。
その結果、レーザー媒質の破損、および、レーザー光が遮られることを抑制しつつ、レーザー媒質を容易に交換でき、高効率でレーザー発振させることが可能となる。
このように構成することで、傾斜面の上端部から冷媒の液滴が落下し易くなるので、仮に、カバー部によって冷媒の移動を防ぎきれない場合であっても、冷媒の液滴が光入出射面の傾斜面を伝って移動することを低減できる。その結果、光が冷媒によって遮られることを抑制できる。
このように構成することで、扱いが容易な励起光およびレーザー出力光が水平面内を伝搬するようなレーザー媒質の形状とすることができる。さらに、レーザー媒質に対して水平な方向から冷媒が吹き付けられることで、冷媒の液滴が光入出射面に回り込むことを抑制できる。その結果、レーザー光が冷媒によって遮られることを抑制できる。
このように構成することで、カバー部によってレーザー媒質を保持することができるため、カバー部と保持部とを個別に設ける場合よりも部品点数を低減できる。さらに、カバー部の配置自由度を向上できる。
このように構成することで、仮に、内側容器の内部に微小な揮発成分等が残存している場合であっても、これら揮発成分が内側光透過部やレーザー媒質に付着する前に捕集することができる。その結果、揮発成分による結露が生じることを抑制できる。
このように構成することで、内側光透過部やレーザー媒質の光入出射面を温度上昇させることができるため、内側容器の内部において相対的に温度の低い箇所で先んじて揮発成分を結露させることができる。その結果、揮発成分がレーザー媒質や内側光透過部で結露することを抑制できる。
このように構成することで、内側容器の内部を真空引きして、内側容器の内部に残存する揮発成分を減少させることができる。その結果、より一層、内側容器の内部に残存する揮発成分が光入出射面や内側光透過部に付着することを抑制することができる。
次に、この発明の第一実施形態における固体レーザー装置について説明する。
図1は、この発明の第一実施形態における固体レーザー装置の概略構成を示す図である。図2は、上記固体レーザー装置のレーザー媒質の斜視図である。
この第一実施形態における固体レーザー装置は、活性元素としてイッテルビウム(以下、単にYbと称する)がドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(以下、単にYAGと称する)を増幅媒質として用いた固体レーザー装置を一例に説明するが、この増幅媒質または母材を用いる固体レーザー装置に限られない(以下、各変形例、および、第二から第六実施形態も同様)。
レーザー媒質2Aは、透明部10Aと増幅媒質11とを備えている。このレーザー媒質2Aは、透明部10Aに励起光の入射と、励起光を増幅したレーザー光の出射との少なくとも一方がなされる光入出射面を表面の一部に有している。
2つの側面12Aは、それぞれYZ平面に平行に形成されている。2つの側面12Aは、それぞれ同一の台形状に形成されている。これら側面12Aは、X方向から見て重なるように配置されている。この台形状に形成された側面12Aの上辺12aと下辺12bとは、それぞれY方向に延びて、互いの長さ方向の中心位置がY方向で一致している。さらに、台形状に形成された側面12Aの2つの斜辺12cは、上辺12aと下辺12bとの端部同士を繋いでいる。
ここで、この実施形態におけるレーザー媒質2Aは、例えば、冷媒供給領域A2において、支持部材(図示せず)を介して内側容器3に支持されている。つまり、支持部材(図示せず)が励起光やレーザー光を遮ることが無いようになっている。
この図3においては、支持部材(図示せず)の固定箇所を太線(実線および破線)で示している。さらに、図3においては、増幅媒質11の図示を省略している。
図3に示すように、この実施形態における支持部材は、上面13Aの周縁に沿ってレーザー媒質2Aに固定されている。さらに、支持部材は、下面14Aの周縁に沿ってレーザー媒質2Aに固定されている。
図1に示すように、カバー部6は、光通過領域A1の直近の上面13Aから上方に立ち上がるように配置されるとともに、光通過領域A1の直近の下面14A(又は増幅媒質11)から下方に垂れ下がるように配置されている。これらカバー部6の立ち上がる長さ、および、垂れ下がる長さは、冷媒の噴射される勢いなどに応じて設定すればよい。例えば、カバー部6の一方の端部がレーザー媒質2Aに固定され、他方の端部が内側容器3の内面25に固定されていてもよい。
図4は、この発明の第一実施形態における固体レーザー装置の運用方法のフローチャートである。
図4に示すように、まず、内側容器3の内部の水分(例えば、水蒸気)等の揮発成分を除去する工程を行う(ステップS01)。
さらに、レーザー媒質2Aが十分に冷却された状態で、レーザー媒質2Aへ励起光の入射を開始して徐々にその出力を増加させて(ステップS04)、定常運転へと移行する(ステップS05)。
さらに、光入出射面である入(出)射面15Aを除くレーザー媒質2Aの表面に冷媒が直接触れるように冷媒を供給できるため、効率よくレーザー媒質を冷却することができる。
上述した第一実施形態においては、図3に示す固定位置でレーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)をレーザー媒質2Aに固定する場合について説明した。しかし、支持部材の固定位置は、上述した第一実施形態の固定位置に限られない。
例えば、図5に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、2つの側面12Aのそれぞれの周縁部に沿って固定するようにしても良い。このようにすることで、光入出射面である入(出)射面15Aを遮蔽することなく、増幅媒質の設置スペースを減少させることもない。更に、側面視におけるレーザー媒質2Aの台形の端部となる部分は先細りとなるため相対的に強度が低くなるが、この台形の端部となる部分に荷重が集中しないため、台形の端部となる部分への荷重をより少なくできる。
図6は、この発明の第一実施形態の第二変形例における図3に相当する斜視図である。
例えば、図6に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、2つの入(出)射面の周縁部に沿って固定するようにしても良い。このようにすることで、冷媒によって直接冷却できるレーザー媒質2Aの表面積を増加できるとともに、増幅媒質の設置スペースを減少させることもない。
図7は、この発明の第一実施形態の第三変形例における図3に相当する斜視図である。
例えば、図7に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、それぞれの2つの入(出)射面15Aよりも中央寄りの位置において、上面13Aと下面14Aとの両方に垂直な垂直面と交わる部分(矩形環状の部分)に固定するようにしても良い。このようにすることで、光入出射面である入(出)射面15Aを遮蔽することなく、更に、側面視におけるレーザー媒質2Aの台形の端部となる部分にかかる荷重をより少なくできる。
図8は、この発明の第一実施形態の第四変形例における図3に相当する斜視図である。
例えば、図8に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、それぞれの2つの入(出)射面15Aよりも中央寄りの位置において、入(出)射面15Aと平行な平面と交わる部分(矩形環状の部分)に固定するようにしても良い。このようにすることで、第三変形例よりも冷媒によって直接冷却できるレーザー媒質2Aの表面積を増加できる。さらに、光入出射面である入(出)射面15Aを遮蔽することがない。
図9は、この発明の第一実施形態の第五変形例における図3に相当する斜視図である。
例えば、図9に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、それぞれ2つの側面12Aの近傍で側面12Aと平行な平面と交わる部分(台形環状の部分)に固定するようにしても良い。このようにすることで、第二変形例よりも、側面視におけるレーザー媒質2Aの台形の端部となる部分にかかる荷重をより少なくできる。
図10は、この発明の第一実施形態の第六変形例における図3に相当する斜視図である。
例えば、図10に示すように、レーザー媒質2Aを支持する支持部材(図示せず)は、それぞれ上面13Aおよび下面14Aの近傍で上面13Aおよび下面14Aと平行な平面と交わる部分(大小の環状の部分)に固定するようにしても良い。このようにすることで、特に、カバー部6の取り付けの妨げとならず、また、増幅媒質11の設置スペースを広く確保できる点で有利となる。
なお、レーザー媒質2Aに対する支持部材の固定部位は、上述した第一実施形態、および、各変形例の固定部位に限られない。例えば、これら固定部位を適宜組み合わせて用いても良い。
次に、この発明の第二実施形態の固体レーザー装置を図面に基づき説明する。この第二実施形態の固体レーザー装置は、上述した第一実施形態の固体レーザー装置とレーザー媒質の向きが異なるだけであるため、同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図11に示すように、この第二実施形態の固体レーザー装置1Bは、レーザー媒質2Bと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6と、を主に備えている。
透明部10Bは、第一実施形態の透明部10Aと同様に、活性元素がドープされていないYAG等により形成されている。透明部10Bは、2つの側面12Bと、上面13Bと、下面14Bと、2つの入(出)射面(光入出射面)15Bとを備えている。この透明部10Bは、上述した第一実施形態の透明部10Aを、上下反転したものに相当する。すなわち、2つの側面12Bは、それぞれ逆台形状に形成され、上面13Bは下面14Bよりも長く形成されている。
次に、この発明の第三実施形態の固体レーザー装置を図面に基づき説明する。この第三実施形態の固体レーザー装置は、上述した第一実施形態の固体レーザー装置と冷媒を吹き付ける向きが異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図12に示すように、この第三実施形態における固体レーザー装置1Cは、第一実施形態の固体レーザー装置1Aにおける、冷媒の噴射方向を上下方向から水平方向に変更し、且つ、この噴射方向の変更に伴いレーザー媒質の姿勢を90度変更したものである。すなわち、この実施形態のレーザー媒質2Cは、2つの台形状の面がそれぞれ上面13Cおよび下面14Cとなっている。さらに、レーザー媒質2Cの入(出)射面15Cが、それぞれ水平方向に傾斜している。このレーザー媒質2Cは、大きさの異なる側面12Cに、レーザー媒質2Aの上面13A、下面14Aと同様に、それぞれ増幅媒質11が接合されている。
次に、この発明の第四実施形態の固体レーザー装置を図面に基づき説明する。この第四実施形態の固体レーザー装置は、上述した第一実施形態の固体レーザー装置とカバー部材の構成が異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図13に示すように、この実施形態における固体レーザー装置1Dは、レーザー媒質2Dと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6Dと、を主に備えている。
カバー部6Dは、上述した第一実施形態の支持部材(図示せず)を兼ねている。すなわち、この第四実施形態のレーザー媒質2Dは、カバー部6Dを介して内側容器3に支持されている。
さらに、支持部材がカバー部6Dの設置を妨げることが無いので、カバー部6Dの配置自由度を向上できる。
次に、この発明の第五実施形態の固体レーザー装置を図面に基づき説明する。この第五実施形態の固体レーザー装置は、トラップ部を備えている点で上述した第一実施形態の固体レーザー装置と異なる。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図15に示すように、この実施形態における固体レーザー装置1Eは、レーザー媒質2Aと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6と、トラップ部30と、を主に備えている。レーザー媒質2Aと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6とは、上述した第一実施形態と同様の構成である。
次に、この発明の第六実施形態の固体レーザー装置を図面に基づき説明する。この第六実施形態の固体レーザー装置は、加温部を備えている点で上述した第一実施形態の固体レーザー装置と異なる。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図16に示すように、この実施形態における固体レーザー装置1Fは、レーザー媒質2Aと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6と、加温部31と、を主に備えている。レーザー媒質2Aと、内側容器3と、外側容器4と、冷媒供給部5と、カバー部6とは、上述した第一実施形態と同様の構成である。
例えば、図17に示す固体レーザー装置1Gように、第五実施形態のトラップ部30を第六実施形態の加温部31と組み合わせて用いても良い。このように構成することで、内側窓部20および入(出)射面15Aを加温して結露が生じることを低減しつつ、トラップ部30によって揮発成分を捕集することができるため、より積極的に結露の発生を抑制できる。
さらに、上述した第一実施形態においては、予冷工程において、レーザー媒質2Aを冷媒に浸漬させる場合について説明したが、ノズル24からの冷媒噴射によって、予冷工程を行うようにしても良い。また、低温のガスにより、予冷工程を行うようにしても良い。
さらに、上述した第一実施形態においては、内側容器3と外側容器4との間の全域に渡って真空断熱する場合を一例に説明した。しかし、真空断熱は、内側窓部20と外側窓部21との間のみ行い、他の部分については、真空断熱以外の断熱構造(例えば、スーパーインシュレーション)や、積極的な断熱を行わない構造としても良い。
Claims (7)
- 光の入射と出射との少なくとも一方がなされる光入出射面を表面の一部に有したレーザー媒質と、
前記レーザー媒質を収容し、前記光入出射面に入射される入射光および前記光入出射面から出射される出射光が透過する内側光透過部を有する内側容器と、
前記内側容器を収容するとともに前記内側光透過部と対向する部位に設けられて、前記入射光および前記出射光を透過し、前記内側光透過部に対して真空断熱された外側光透過部を少なくとも有する外側容器と、
前記レーザー媒質における前記光入出射面を除く少なくとも一部の表面に冷媒が接するように前記内側容器の内部に前記冷媒を供給する冷媒供給部と、
前記光入出射面と前記内側光透過部との間の前記入射光および前記出射光が通過する光通過領域を、前記冷媒供給部によって冷媒が供給される冷媒供給領域から区画するカバー部と、
を備え、
前記内側容器は、
前記冷媒供給領域と前記光通過領域とが同一圧力となるように前記レーザー媒質を収容する固体レーザー装置。 - 前記光入出射面は、下方から上方に向かって漸次外方に配置される下向きの傾斜面とされ、
前記冷媒供給部は、前記レーザー媒質に対して上下方向から冷媒を吹き付ける請求項1に記載の固体レーザー装置。 - 前記冷媒供給部は、前記レーザー媒質に対して水平な方向から冷媒を吹き付ける請求項1又は2に記載の固体レーザー装置。
- 前記カバー部は、前記レーザー媒質を支持する支持部を備える請求項1から3の何れか一項に記載の固体レーザー装置。
- 前記内側容器の内部に設けられて、前記内側容器内の雰囲気に含まれる揮発成分を捕集するトラップ部を備える請求項1から4の何れか一項に記載の固体レーザー装置。
- 前記内側光透過部と前記光入出射面との少なくとも一方を加温可能な加温部を備える請求項1から5の何れか一項に記載の固体レーザー装置。
- 前記内側容器は、真空引き可能な真空容器とされる請求項1から6の何れか一項に記載の固体レーザー装置。
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