JP7185893B2 - レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザー装置の冷却機構に関する。

ＹＡＧレーザーその他の個体レーザーでは、高出力化を図ると、レーザー材料で熱が発生し、数百度に達することもあるため、レーザー材料の冷却が重要となる。従来、レーザー材料の冷却効率を向上させるため、液体の冷媒を用いることも試みられていた。
特許文献１は、ロッド状のレーザー材料の周囲に冷媒の流路を形成するとともに、その上流側に羽根車を設けることによって、レーザー材料の側面に均一の流れを生じさせ、レーザー材料の温度分布の不均一を抑制する技術を開示している。
特許文献２は、ディスク状のレーザー材料の裏面に液体金属を収納した冷却器を配置した冷却機構を開示している。
特許文献３は、スラブ形状のレーザー材料の外周に冷媒の流路を形成した冷却機構を開示している。

特開平９－２３２６５２号公報 特開平５－１５２６４６号公報 特開２００３－１０１１０８公報

従来技術において、さらに冷却効率を向上させる方法の一つとして、冷媒として熱伝達率の高い液体金属を利用することが考えられる。しかし、特許文献２は、冷媒として冷却水よりも熱伝達率の高い液体金属を使用しているものの、レーザー材料の背面しか冷却できない。また、特許文献１、３は冷却水などを念頭においた構成であり、側面から照射するランプによって励起する構成であるため、透光性で劣る液体金属を冷媒として適用することはできない。
本発明は、かかる課題に鑑み、液体金属を冷媒として用い、レーザー装置の冷却効率の向上を図ることを目的とする。

本発明は、レーザー装置であって、
レーザー光を射出するレーザー材料と、
前記レーザー材料を励起するための励起用レーザーを、前記レーザー光が射出される軸方向から前記レーザー材料に照射する励起機構と、
液体金属を冷媒として前記レーザー材料の端面以外の部分を冷却する冷却機構と、
前記レーザー材料および冷却機構の少なくとも一方が、冷却に伴って前記レーザー材料に生じる温度分布の偏りによる影響を抑制するための温度分布抑制構造を有するレーザー装置として構成することができる。

本発明によれば、液体金属を冷媒として用いることにより、冷却効率を向上させることができる。励起用レーザーは、レーザー材料の端面に軸方向から照射されるため、透光性に劣る液体金属を冷媒として用いても励起には支障がない。
また、本発明には、温度分布抑制構造が設けられている。レーザー材料に温度分布の偏りが生じると、これによって射出されるレーザー光の品質が低下したり、発振できなくなったり、レーザー材料が損傷したり、といった悪影響が生じることがある。レーザー材料の冷却効率が低下すれば、かかる悪影響は、より顕著となるおそれがある。温度分布抑制構造は、こうした温度分布の偏りに起因する影響を抑制するための構造である。本発明では、このように温度分布抑制構造を設けることにより、かかる悪影響を緩和しながら、冷却効率を向上させることが可能となるのである。液体金属を利用することにより、熱伝達率の差違によって、冷却水を用いる場合よりも１０倍程度の冷却効率向上が見込まれることになる。

本発明においてレーザー材料としては、ネオジムなどの希土類元素や遷移金属元素を数％添加したＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の酸化物結晶、セラミックス材料、フッ化物材料等、ファイバーなどを用いることができる。
液体金属としては、室温で液体となる種々の金属、即ち融点が室温以下である金属を利用可能であり、ガリウム、インジウム、水銀、すず、鉛、亜鉛、ビスマスなどから選択することができる。

本発明は、温度分布抑制構造に応じて、第１の態様、第２の態様に大きく２分できる。以下、順番に説明する。
＜第１の態様＞
第１の態様として、本発明のレーザー装置においては、
前記温度分布抑制構造は、前記レーザー材料を軸方向に長い形状とするとともに、レーザー材料内でレーザー光が側面に反射しながら進む構造とし、
前記冷却機構は、液体金属を前記レーザー材料の外周側面に直接、または該レーザー材料の外周側面に施されたコーティングを介して接触させる機構であるものとしてもよい。

第１の態様では、レーザー材料内をレーザー光が反射しながら進む構造とする。かかる構造としては、例えば、レーザー材料をスラブ形状等とすることが挙げられる。レーザー材料の周囲は、レーザー光を反射させるためのコーティングを施してもよい。ここで言うコーティングには、レーザー材料の外周に、レーザー材料と同素材で他元素を添加していないもので覆うものも含まれる。また、レーザー材料の周囲にコーティングを施さない構造としてもよい。第１の態様では、レーザー材料の外周側面に液体金属を接触させるため、冷媒としての液体金属が反射のためのコーティングの機能を果たすこともできるからである。
このようにレーザー材料内をレーザー光が反射しながら進む構造とすることにより、レーザー材料内に温度分布の偏りが生じたとしても、レーザー光は種々の温度分布の領域を通過することになるから、温度分布の偏りによる影響を平均化し、緩和することができる。その上で、第１の態様によれば、レーザー材料を直接またはコーティングを介して液体金属に接触させることができるため、冷却効率の向上を図ることができる。

第１の態様においては、
前記冷却機構は、前記液体金属を貯留する冷却槽を備え、
前記レーザー材料は、側面のみが前記液体金属に接触するよう端面を前記冷却槽外に出した状態で、前記冷却槽内に収容されているものとしてもよい。

レーザー材料を液体金属に浸して冷却する態様である。液体金属は熱伝達率が高いため、浸す方法によっても、液体金属の温度がレーザー材料の周囲のみ局所的に高くなるといった現象が生じにくく均一に冷却をすることが可能となる。レーザー材料の端面は、冷却槽外に出すため、冷却槽内の液体金属によってレーザー光や励起用レーザーの入射・射出に支障が生じることはない。冷却槽外には、レーザー材料の端面を冷却槽の外面と面一にすることも含まれる。例えば、冷却槽を構成する側壁に、レーザー材料を取り付けるための孔を形成し、ここから端面を突出させてレーザー材料をはめ込んだり、孔を設けた側面とレーザー材料の端面を面一に取り付けたりする構造が考えられる。かかる構造では、液体金属の漏出を防ぐため、レーザー材料と孔との隙間を埋めるシールを適宜、施すことが好ましい。
この態様においては、冷却槽に液体金属の供給口、排出口を設け、冷却槽内の液体金属が入れ替わるようにすることが好ましいが、必須ではない。例えば、液体金属が入れ替わらない構造であっても、レーザー材料で生じる熱に対して冷却槽が十分な容量をもたせることにより、レーザー装置の使用中は冷却効果を維持することは可能である。

また第１の態様においては、
前記冷却槽に前記液体金属を供給するための供給口は前記レーザー材料の一方の端面近傍に形成され、
前記液体金属を前記冷却槽から排出するための排出口は前記レーザー材料の他方の端面近傍に形成されているものとしてもよい。

こうすることにより、冷却槽内の液体金属の入れ替えによる冷却効果の維持を図ることができる。また、供給口、排出口をレーザー材料の両端面の近傍に形成するため、冷却槽内を一方の端面から他方の端面に向けて液体金属の流れを形成することができ、レーザー材料を全体にわたってより均一に冷却することが可能となる。上記態様において「端面近傍」とは、このようにレーザー材料の一方の端面から他方の端面に向かう流れを形成できる程度に、供給口、排出口が離れて形成されていればよい。また、供給口および排出口とレーザー材料の端面との間に、こうした流れの影響を受けずに液体金属が淀む箇所が形成されるほど、供給口、排出口が端面から離れていなければよい。

＜第２の態様＞
第２の態様として、本発明のレーザー装置においては、
前記温度分布抑制構造は、前記レーザー材料を、励起用レーザーによって励起される薄板状のホスト材料と、透光性を有するディスク状の放熱部材とを交互に積層したＤＦＣ(Distributed Face Cooling)構造であり、
前記冷却機構は、前記放熱部材を前記液体金属で冷却する機構であるものとしてもよい。

第２の態様によれば、放熱部材を介して薄板状のホスト材料を側面からではなく面全体で冷却することができ、ホスト材料の温度分布の偏りを抑制しつつ冷却することが可能となる。
第２の態様においても、ホスト材料としては、先に説明したＹＡＧなどを用いることができる。放熱部材としては、サファイア、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、他元素を添加していないＹＡＧ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などを用いることができる。

第２の態様においては、
前記ホスト材料の側面を断熱素材でコーティングしてもよい。

こうすることにより、ホスト材料が側面から冷却されることを抑制し、ホスト材料に温度分布の偏りが生じることを抑制できる。
断熱素材は、テフロン（登録商標）、ガラス、真空などとすることができる。真空を断熱素材として用いる場合には、ホスト材料の側面に、真空の空間を形成すればよい。

第２の態様においては、
前記冷却機構は、前記レーザー材料の端面以外の部分に沿って前記液体金属を流す流路を有し、該流路内に前記放熱部材の外周部分を突出させた機構であるものとしてもよい。

こうすることにより、液体金属によって放熱部材は外周部分から全体が冷却され、ホスト材料を冷却することになる。流路内には、ＤＦＣ構造を形成する複数の放熱部材が突出する状態となるため、液体金属に乱流を生じさせ、熱伝達をより促進させることができる。また、かかる構造によれば、流路内に突出させた分、放熱部材と液体金属との接触面積を増大させることもでき、より冷却効率を向上させることができる。

第２の態様においては、
前記流路に前記液体金属を供給するための供給口は前記レーザー材料の一方の端面側に前記軸方向に開口して形成され、
前記液体金属を前記流路から排出するための排出口は前記レーザー材料の他方の端面側に前記軸方向に開口して形成され、
前記供給口と排出口は、該レーザー材料の光軸周りに回転させた位置関係にあるものとしてもよい。

こうすることにより、液体金属をレーザー材料の側面に沿って軸方向に流すとともに、側面に沿って周方向の流れを生じさせることも可能となる。従って、レーザー材料周囲の液体金属の流れを均一化することができ、均一に冷却することが可能となる。
供給口と排出口は、３６０度の周内に均一に配置することがより好ましい。例えば、供給口と排出口とをそれぞれ１つずつ設ける場合には、相互に１８０度ずらした位置に設ければよい。２つずつ設ける場合には、９０度ずつずらした位置に設ければよい。

第１の態様および第２の態様のいずれにおいても、本発明のレーザー装置においては、
前記冷却機構は、前記液体金属を循環させる循環流路を有しており、
該循環流路の内面は、該循環流路を形成する素材よりも前記液体金属の濡れ性を低減させるためのコーティングが施されているものとしてもよい。

こうすることにより、レーザー材料を冷却した後の液体金属を循環させ、無駄なく利用することができる。循環流路には、液体金属を冷却する熱交換器を設けることがより好ましい。
しかも、上記態様では、循環流路に、濡れ性を低減させるためのコーティングが施されている。液体金属は、一般に濡れ性が非常に高いため、循環する過程で圧力損失が生じやすいが、かかるコーティングを施すことにより圧力損失を抑制できる利点がある。コーティングには、例えば、テフロン（登録商標）、グラファイトなどを用いることができる。
また、循環流路を金属で形成する場合、液体金属によって、流路が金属脆性を誘発することがあるが、コーティングを施すことにより金属脆性を抑制することができる効果もある。

上述した種々の特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。
また、本発明は、レーザー装置としての態様の他、レーザー装置の冷却機構、若しくはレーザー装置の冷却方法など、種々の態様で構成することも可能である。

実施例としてのレーザー装置の構成を模式的に示す説明図である。 レーザー材料および冷却機構の構造を示す説明図である。 変形例としてのレーザー材料および冷却機構の構造を示す説明図である。

以下、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例としてのレーザー装置の構成を模式的に示す説明図である。このレーザー装置において、レーザー材料・冷却機構２０には、励起されてレーザー光を発振するレーザー材料が組み込まれている。このレーザー材料と、高反射ミラーとしてのダイクロイックミラー３、および出力ミラー５が共振器を構成する。
レーザー装置は、レーザー材料を励起するための励起用レーザーとして、半導体レーザー６を有する。半導体レーザー６から射出されたレーザー光は、光ファイバーによって導かれ、照射器７から励起用レーザー光Ｌ１として照射される。励起用レーザー光Ｌ１は、コリメートレンズ１、集光レンズ２を介して集光されながら、ダイクロイックミラー３を透過し、レーザー材料に照射される。こうすることによって、レーザー材料が励起され、レーザー光Ｌ２が発振される。本実施例では、出力されるレーザー光は連続光となるが、レーザー材料後段にＱスイッチレーザーを設けることで、パルス光とすることもできる。

レーザー材料・冷却機構２０には、冷媒として液体金属が供給される。図示する通り、レーザー装置には、レーザー材料・冷却機構２０を通じて液体金属を循環させるための循環機構１０が設けられている。循環機構１０は、液体金属を循環させる循環流路１１、ポンプ１２、熱交換器１３で構成されている。熱交換器１３は、外管１３ａの内部に、液体金属が流れる内管１３ｂを設けた二重管となっている。本実施例では、外管１３ａには、液体金属を冷却するための冷却水を流している。熱交換器１３は、レーザー材料を冷却した後の液体金属を冷却するための装置であるから、ここで例示した二重管以外の構造を適用することもできる。

循環流路１１は、内部にテフロン（登録商標）でコーティングが施されている。こうすることにより液体金属と循環流路１１の濡れ性を低減することができ、液体金属を循環させる際の圧力損失を抑制することができる。
テフロン（登録商標）によるコーティングは、必ずしも循環流路１１の全体に施されている必要はなく、一部にのみ施されていても良い。また、ポンプ内などに施しても良い。

図２は、レーザー材料および冷却機構の構造を示す説明図である。レーザー材料・冷却機構２０は、冷却機構２１にレーザー材料２４をはめ込んだ構造となっている。
冷却機構２１は、内部が中空の直方体であり、液体金属を貯留することができる。上面には、液体金属を供給するための供給口２２が設けられ、下面には、液体金属を排出するための排出口２３が設けられている。供給口２２および排出口２３は、図１に示した循環流路１１に接続されている。

レーザー材料２４は、スラブ形状とすることができる。本実施例では、ＹＡＧを用いた。その側面２４ａには、レーザー光をレーザー材料内で反射するためのコーティングが施されている。このコーティングにより、端面２４ｂから入射したレーザー光Ｌ１（励起用レーザー光の場合もある）は、破線Ｌ３で示すように内部でジグザグに反射し、他方の端面２４ｃからレーザー光Ｌ２として射出される。このようにレーザー光がレーザー材料２４の内部をジグザグに通過することにより、レーザー材料２４に温度分布の偏りが生じたとしても、温度の低いところだけレーザーが通過する光路や温度が高いところだけレーザーが通過する光路がなくなり、温度の高いところ及び低いところをまんべんなく通過することにより、その影響を平均化し緩和することが可能となる。
冷却機構２１内の液体金属もレーザー光を反射させる効果を奏することができるから、上述のコーティングを施すことなくレーザー材料２４を液体金属に浸すようにしてもよい。こうすることにより、レーザー材料２４を直接液体金属に接触させることができるから、より冷却効果を向上させることができる。

冷却機構２１には、側面に孔が形成され、上述のレーザー材料２４がはめ込まれている。レーザー材料２４の周囲には、液体金属の漏出を防ぐシール２５が施されている。かかる構造により、レーザー材料は、側面２４ａのほとんどが、冷却機構２１内に貯留した液体金属に、コーティングを介して接触することになり、液体金属によって冷却されることになる。
図２の例では、レーザー材料２４の両端が冷却機構２１の側面から突出している状態を示したが、レーザー材料２４の全体を冷却するという観点から、突出長さは短い方が好ましく、端面２４ｂ、２４ｃが側面に面一とすることがより好ましい。

実施例において、供給口２２は、入射側の端面２４ｂの近傍に設けられ、排出口２３は、射出側の端面２４ｃの近傍に設けられている。また、平面視において、供給口２２と排出口２３は対角に位置させてある。こうすることにより、冷却機構２１内の液体金属に、冷却機構２１の対角方向の流れを生じさせることができ、液体金属に淀みが生じることを抑制できる。この結果、レーザー材料を均一に冷却することが可能となる。
供給口２２、排出口２３は、図２に示した他、種々の位置に設けることができる。もっとも、供給口２２、排出口２３のいずれもレーザー材料２４の端面２４ｂ、２４ｃの付近に液体金属の淀みが生じない程度の位置に設けることが好ましい。

図３は、変形例としてのレーザー材料および冷却機構の構造を示す説明図である。レーザー材料・冷却機構４０では、レーザー材料として、ＤＦＣ構造を採用した。図３（ａ）には、レーザー光の光軸を含む側断面を示し、図３（ｂ）にはレーザー光Ｌ１の入射側から見た正面図を示した。

変形例では、レーザー材料は、ＹＡＧによる円盤状のホスト材料４６と、円盤状の放熱部材４５とを複数枚積層した構造となっている。放熱部材４５の直径は、ホスト材料４６の直径よりも大きい。放熱部材としては、サファイア、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、他元素を添加していないＹＡＧ、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などを用いることができる。
ホスト材料４６の側面には、断熱材としてのテフロン（登録商標）のコーティング４７が施されている。

上述のＤＦＣ構造からなるレーザー材料は、円形断面の冷却機構４１内に取り付けられている。冷却機構４１には、外周側に、液体金属の流路４４が形成されている。変形例では、レーザー材料も流路の一部を構成しており、放熱部材４５は、その外周部分で流路内の液体金属と直接に接触しており、液体金属によって冷却される。放熱部材４５が冷却されることにより、ホスト材料４６を平面全体で冷却することが可能となり、ホスト材料４６に温度分布の偏りが生じることを抑制できる。
放熱部材４５が液体金属に接触するのに対し、ホスト材料４６は、テフロン（登録商標）のコーティング４７が流路の一部を形成しており、液体金属に直接接触してはいない。テフロン（登録商標）は断熱効果を有するため、かかる構造は、ホスト材料４６が側面から冷却されることを抑制する効果を生じ、ホスト材料４６に温度分布の偏りが生じることを抑制している。テフロン（登録商標）に代えて断熱性を有する他の素材を用いてもよいし、ホスト材料４６と流路４４との間に空隙を形成し、この部分を真空にしてもよい。

図３（ａ）の右下に、レーザー材料の一部を拡大して示した。変形例では、放熱部材４５の外周部分が流路４４内に突出するため、放熱部材４５は、側面だけでなく、外周部分の領域ｓ１，ｓ２などでも液体金属に接触することができ。このように変形例の構造では、放熱部材４５と液体金属との接触面積を増大させることができるため、より冷却効率を向上させることができる。
また、積層したＤＦＣ構造において放熱部材４５の外周部分を流路４４に突出させることによって、流路４４には、放熱部材４５による凹凸が形成されることとなり、液体金属に乱流ｆ１を生じさせることができる。かかる効果によっても、冷却効率を向上させることができる。

流路４４には液体金属の供給口４２、排出口４３が設けられている。図３（ｂ）に示すように、変形例では供給口４２，排出口４３は、それぞれ上下、左右に２個ずつ形成されており、供給口４２の位置と排出口４３の位置はレーザー光の光軸回りに９０度ずらしてある。こうすることにより、正面から見て、供給口４２、排出口４３を偏りなく配置することができる。この結果、冷却機構４１内に供給される液体金属は、軸方向（図３（ａ）の左右方向）に流れるだけでなく、図３（ｂ）に示すように周方向にも流れを生じることになる。従って、レーザー材料の外周を、均等に冷却することが可能となる。

以上、本発明の実施例について説明した。実施例および各変形例で説明した種々の特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりして実施例を構成することも可能である。この他にも、種々の変形例を構築することが可能である。

本発明は、レーザー装置の冷却効率の向上に利用できる。

１ コリメートレンズ
２ 集光レンズ
３ ダイクロイックミラー
５ 出力ミラー
６ 半導体レーザー
７ 照射器
１０ 循環機構
１１ 循環流路
１２ ポンプ
１３ 熱交換器
１３ａ 外管
１３ｂ 内管
２０ レーザー材料・冷却機構

Claims (3)

1. レーザー装置であって、
   レーザー光を射出する円形断面のレーザー材料と、
   前記レーザー材料を励起するための励起用レーザーを、前記レーザー光が射出される軸方向から前記レーザー材料に照射する励起機構と、
   液体金属を冷媒として前記レーザー材料の端面以外の部分を冷却する冷却機構と、
   前記レーザー材料および冷却機構の少なくとも一方が、冷却に伴って前記レーザー材料に生じる温度分布の偏りによる影響を抑制するための温度分布抑制構造を有し、
   前記温度分布抑制構造は、前記レーザー材料を、励起用レーザーによって励起される薄板状のホスト材料と、透光性を有し該レーザー材料よりも径の大きいディスク状の放熱部材とを積層した構造であり、
   前記冷却機構は、前記放熱部材を前記液体金属で冷却する機構であって、
   前記レーザー材料および前記放熱部材を収容することによって、その外周側に前記液体金属の流路が形成される容器と、
   前記レーザー材料の一方の端面側に前記円形形状の直径方向の対向する位置に前記軸方向に開口して形成され、前記流路に前記液体金属を供給するための２つの供給口と、
   前記レーザー材料の一方の他端側に前記軸方向に開口して形成され、前記液体金属を前記流路から排出するための２つの排出口とを備え、
   前記供給口と排出口は、該レーザー材料の光軸周りに９０度回転させた位置関係にあるレーザー装置。
2. 請求項１記載のレーザー装置であって、
   前記ホスト材料の側面を断熱素材でコーティングしたレーザー装置。
3. 請求項１または２いずれか記載のレーザー装置であって、
   前記冷却機構は、前記液体金属を循環させる循環流路を有しており、
   該循環流路の内面は、該循環流路を形成する素材よりも前記液体金属の濡れ性を低減させるためのコーティングが施されているレーザー装置。
   

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