JP7341673B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ装置に関し、例えば、外部から入射したレーザ光を増幅して出射するレーザ装置に好適に利用できるものである。

レーザ加工、長距離レーザ伝搬などの技術分野において、高品質なレーザビームが求められている。ビーム品質がより高いレーザ光を使用することによって、レーザ光をより小さい口径に集光することが可能となり、また、伝搬中のビームの広がりをより小さくすることが可能となる。

高品質なレーザビームを生成するための課題として、レーザ媒質中に発生する熱による波面歪みがある。レーザ媒質中の熱の影響により、レーザビームの波面が歪み、レーザビームの品質が低下する。その結果、レーザビームの集光径は大きくなり、伝搬中のビームの広がりは大きくなる。さらに、比較的大きい波面歪みが発生した場合においては、レーザビームが光学素子上に集光して光学素子が破損する可能性がある。このような観点において、レーザ媒質内部の熱分布によるレーザビームの波面歪みへの影響は、レーザ媒質内部の熱分布を一次元分布に近づけることによって低減できることが知られている。

その一方で、高出力レーザビームを生成するために用いるレーザ媒質を効果的に冷却する手法として、噴流をレーザ媒質の表面に直撃するように噴射する技術が知られている。しかし、噴流による冷却では面内の冷却能力の緻密な制御が困難であり、したがってレーザ媒質内部の熱分布を一次元分布に近づけることも困難であった。

上記に関連して、非特許文献１（植田憲一著、「超高出力固体レーザーのための新概念 熱レンズフリーレーザー材料とＨｅａｔ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｉｒｒｏｒ」豊田研究報告、２０１７年５月２９日発行、７０号、１０９～１２０頁）には、波面歪みを低減する方法が開示されている。非特許文献１では、レーザ媒質の一部だけを冷却したり、レーザ媒質の側面を加熱したりすることによって、レーザ媒質の熱分布を一次元分布に近づけている。

独国特許出願公開第１０００５１９５号明細書 特許第５３３０８０１号公報 特表２０１５－５１５１２４号公報 特開２０１７－０７６７５１号公報

植田憲一著、「超高出力固体レーザーのための新概念 熱レンズフリーレーザー材料とＨｅａｔ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｉｒｒｏｒ」豊田研究報告、２０１７年５月２９日発行、７０号、１０９～１２０頁

高品質なレーザビームを生成できるレーザ装置を提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

一実施の形態によれば、レーザ装置（１）は、レーザ媒質（２０）と、断熱膜（３０）と、冷却装置（４０）とを備える。レーザ媒質（２０）は、第１表面（２１）と、第２表面（２２）とを有する。第１表面（２１）は、外部から入射レーザ光（１１）が入射する。第２表面（２２）は、垂線に対して臨界角以上の角度で入射した入射レーザ光（１１）を全反射する。断熱膜（３０）は、レーザ媒質（２０）の第２表面（２２）のうち、入射レーザ光が全反射する第１領域（２２１）の周囲を囲む第２領域（２２２）を被う。冷却装置（４０）は、第２表面（２２）の第１領域（２２１）に向けて噴流を噴射してレーザ媒質（２０）を冷却する。第１領域（２２１）において、レーザ媒質（２０）は露出している。

前記一実施の形態によれば、高品質なレーザビームを生成できる。

図１は、一実施形態によるレーザ装置の一構成例を示す図である。 図２Ａは、一実施形態による入射レーザ光の形状の一例を示す概略俯瞰図である。 図２Ｂは、図２Ａの入射レーザ光の形状の一例を示す概略断面図である。 図２Ｃは、図２Ａの入射レーザ光に対応する断熱膜の形状の一例を示す図である。 図３は、一実施形態による入射レーザ光の半径方向におけるパワー分布の一例を示すグラフである。 図４Ａは、一実施形態による入射レーザ光の形状の別の一例を示す概略俯瞰図である。 図４Ｂは、図４Ａの入射レーザ光の形状の別の一例を示す概略断面図である。 図４Ｃは、図４Ａの入射レーザ光に対応する断熱膜の形状の別の一例を示す図である。 図５Ａは、一実施形態による入射レーザ光の形状のさらに別の一例を示す概略俯瞰図である。 図５Ｂは、図５Ａの入射レーザ光の形状のさらに別の一例を示す概略断面図である。 図５Ｃは、図５Ａの入射レーザ光に対応する断熱膜の形状のさらに別の一例を示す図である。 図６は、一実施形態によるレーザ装置の一構成例を示す図である。 図７は、一実施形態によるレーザ装置の一構成例を示す図である。 図８は、一実施形態によるレーザ装置の一構成例を示す図である。

添付図面を参照して、本発明によるレーザ装置を実施するための形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して、一実施形態によるレーザ装置１の一構成例について説明する。図１は、一実施形態によるレーザ装置１の一構成例を示す図である。

図１のレーザ装置１は、入射レーザ光生成装置１０と、レーザ媒質２０と、断熱膜３０と、冷却装置４０と、励起光生成装置５０とを備えている。

入射レーザ光生成装置１０は、入射レーザ光１１を生成する。励起光生成装置５０は、励起光５１を生成する。レーザ媒質２０は、第１表面２１と、第１表面２１に対向する第２表面２２とを有している。レーザ媒質２０は、第１表面２１から励起光５１を受光することによって、レーザ媒質２０を通過する入射レーザ光１１を増幅して出射レーザ光１２を生成する。このとき、入射レーザ光１１は第１表面２１から入射して第２表面２２で全反射し、第１表面２１から出射する。入射レーザ光１１がレーザ媒質２０の第１表面２１から出射した後は、便宜上、出射レーザ光１２と呼ぶ。言い換えれば、レーザ装置１は、出射レーザ光１２を生成するように構成されている。

冷却装置４０は、噴流４１を噴射してレーザ媒質２０の第２表面２２の一部分を直撃して冷却する。レーザ媒質２０の第２表面２２の残る部分のうち、少なくとも一部分は、断熱膜３０によって被れており、噴流４１の直撃を受けない。噴流４１に用いられる冷媒としては、水、不凍液、フロリナート、液体窒素などが例として用いられる。

断熱膜３０は、例えば、レーザ媒質２０の第２表面２２の反射率を高める増反射膜であってもよい。ここで、増反射膜は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：高反射）コートとも呼ばれ、例えば、入射レーザ光１１の波長の４分の１の厚さをそれぞれ有する低屈折率の第１膜および高屈折率の第２膜を交互に積層して構成されていてもよい。一例として、入射レーザ光１１の波長が１μｍ（マイクロメートル）に等しく、増反射膜の積層数は２１である場合には、増反射膜の膜厚は５．２５μｍとなる。断熱膜３０の厚さがこのオーダーであれば、噴流４１の流れへの影響は事実上無視できるほど小さく、したがって噴流４１が断熱膜３０の端部で淀むことによる冷却性能への影響も事実上無視できる。

また、断熱膜３０は、例えば、レーザ媒質２０の第２表面２２の透過率を高める反射防止膜であってもよい。ここで、反射防止膜は、ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：反射防止）コートとも呼ばれ、例えば、レーザ媒質２０の屈折率よりも低い屈折率と、入射レーザ光１１の波長の４分の１の厚さとを有する誘電体膜などで構成されていても良い。一例として、入射レーザ光１１の波長が１μｍに等しい場合には、反射防止膜の膜厚は０．２５μｍとなり、やはり噴流４１の流れおよびレーザ媒質２０を冷却する性能への影響は事実上無視できる。なお、前段落ならびに本段落における膜厚の計算においては、簡略化のため入射角θを０°で膜材の屈折率は１（吸収なし）としたものであり、実際の厚みはこれらを加味して適宜修正される。

一般的に、増反射膜の熱伝導率も、反射防止膜の熱伝導率も、レーザ媒質２０の熱伝導率より大幅に低い。一例として、増反射膜の一部に使用されるＴａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）の熱伝導率は約０．２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、反射防止膜の一部に使用されるＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）の熱伝導率は摂氏２７度において約０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、レーザ媒質２０の一部に使用されるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の熱伝導率は約１１．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

さらに、増反射膜および反射防止膜をレーザ媒質２０の表面に成膜するための技術が確立している。また、マスキング、エッチング、レーザーパルスデポジションなどの手法によって増反射膜および／または反射防止膜を所望の形状に成膜する技術も知られている。

このように、増反射膜および反射防止膜は、レーザ媒質２０の第２表面２２に設ける断熱膜３０としての利用に適している。しかし、本来は入射レーザ光１１を反射するための増反射膜または反射させないための反射防止膜で形成される断熱膜３０が、レーザ媒質２０の第２表面２２のうち、入射レーザ光１１が届いて全反射する領域には存在せず、反対に入射レーザ光１１が届かない領域だけに存在していることに注目されたい。このことについて以下に説明する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃを参照して、一実施形態による入射レーザ光１１および断熱膜３０の形状の一例について説明する。図２Ａは、一実施形態による入射レーザ光１１の形状の一例を示す概略俯瞰図である。図２Ｂは、図２Ａの入射レーザ光１１の形状の一例を示す概略断面図である。図２Ｃは、図２Ａの入射レーザ光１１に対応する断熱膜３０の形状の一例を示す図である。

図２Ａでは、図１に示したレーザ装置１のうち、レーザ媒質２０および入射レーザ光１１を抜き出し、入射レーザ光１１がレーザ媒質２０の第２表面２２で全反射する様子を示している。図２Ａでは、全反射してからレーザ媒質２０から出るまでの入射レーザ光１１を、レーザ媒質２０から出た後の出射レーザ光１２と区別するために、便宜上、反射レーザ光１３と記している。

レーザ媒質２０の内部を第２表面２２に向かって進む、全反射する前の入射レーザ光１１の光軸１１１と、第２表面２２の垂線との間の角度を、入射角θと呼ぶ。図２Ａの例では、入射角θは６０度であるが、これはあくまでも一例であって、本実施形態はこの数値に限定されない。この入射角θが所定の臨界角以上であるとき、入射レーザ光１１は、第２表面２２で全反射する。なお、この臨界角は、レーザ媒質２０の屈折率と、噴流４１を構成する流体の屈折率とに基づいて定まる。

図２Ｂの例では、入射レーザ光１１の断面１１２の形状は、真円である。ここで、入射レーザ光１１の断面１１２とは、直交座標ＩＪＫにおいて、Ｋ軸に平行な入射レーザ光１１の光軸１１１に直交するＩＪ平面と、所定の太さを有する入射レーザ光１１とが交わる平面である。

第２表面２２のうち、入射レーザ光１１が全反射する領域を、第１領域２２１と呼ぶ。また、第２表面２２のうち、第１領域２２１の周囲を囲む領域を、第２領域２２２と呼ぶ。断熱膜３０は、この第２領域２２２だけを被うように構成されており、反対に第１領域２２１を被わない。言い換えれば、断熱膜３０は第１領域２２１と同じ位置に、第１領域２２１と同じ形状の欠損領域３１を有している。さらに言い換えれば、レーザ媒質２０の第２表面２２のうち、第１領域２２１は露出している。なお、図１などに示したように、第２表面２２のうち、第１領域２２１以外の全域を第２領域２２２としてもよい。しかし、実際には、レーザ媒質２０のうち、励起光５１によって発熱する第１領域２２１周辺部分から十分に離れた部分において、断熱膜３０は省略可能である。これは、第１領域２２１周辺部分から十分に離れた部分においては、噴流４１による冷却がレーザ媒質２０内部の熱分布に与える効果が十分に小さく、出射レーザ光１２の波面への寄与も十分に小さいからである。

図２Ｃの例では、断熱膜３０の欠損領域３１の形状は、縦横比が１対２の楕円である。この形状は、入射レーザ光１１の断面形状および入射角θに基づいて定まる。言い換えれば、図２Ｃに示した欠損領域３１の形状は、あくまでも一例にすぎず、本実施形態を限定しない。

図３を参照して、入射レーザ光１１の境界と、断熱膜３０の欠損領域３１の形状との関係について説明する。図３は、一実施形態による入射レーザ光１１の半径方向におけるパワー分布の一例を示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は入射レーザ光１１の光軸１１１からの距離を示し、縦軸は入射レーザ光１１のパワーを示している。

図３に示すように、入射レーザ光１１のパワーは、光軸１１１からの距離が大きければ大きいほど小さくなるように分布している。この分布は、例えば、正規分布である。このような場合において、入射レーザ光１１の境界は、例えば、以下のように定義してもよい。すなわち、入射レーザ光１１のパワーに所定の閾値Ｐを設け、入射レーザ光１１のうち、パワーがこの閾値Ｐとなる位置を入射レーザ光１１の境界とする。言い換えれば、入射レーザ光１１のうち、パワーがこの閾値Ｐ以上である部分だけを入射レーザ光１１として扱い、パワーがこの閾値Ｐ未満である部分については無視する。図２Ｂおよび図３の例では、入射レーザ光１１の断面１１２の形状は直径ｒを有する真円である。

このように定義された入射レーザ光１１の境界に基づいて、断熱膜３０の欠損領域３１の形状も決定されてもよい。すなわち、レーザ媒質２０の第２表面２２のうち、上記のように定義された境界の内側の入射レーザ光１１が照射されて全反射する部分を、第１領域２２１と定義することができる。言い換えれば、レーザ媒質２０の第２表面２２のうち、この第１領域２２１の周囲を囲む領域を第２領域２２２と定義することができる。このとき、断熱膜３０が第２領域２２２だけを覆い、かつ、第１領域２２１が露出するように、断熱膜３０の欠損領域３１の形状を決定することができる。

同様の観点から、断熱膜３０を構成する材質を決定することができる。言い換えれば、出射レーザ光１２のパワーの観点から、断熱膜３０を増反射膜または反射防止膜のどちらで生成するかを決定してもよい。すなわち、出射レーザ光１２内部の品質よりもパワーを優先する場合には、断熱膜３０を増反射膜で生成することによって、入射レーザ光１１のうち、図３で示した直径ｒより内側の部分のみならず外側の成分をも全反射させることができる。反対に、出射レーザ光１２のパワーよりも品質を優先する場合には、断熱膜３０を反射防止膜で生成することによって、入射レーザ光１１のうち、図３で示した直径ｒより内側の成分だけを全反射させることができる。なお、適当な膜構造とすることにより、増反射膜と反射防止膜の中間的な特性を持たせることもできる。

このような断熱膜３０を形成されたレーザ媒質２０の第２表面２２に向けて噴流４１を噴射し、入射レーザ光１１が全反射する第１領域２２１を選択的に冷却することによって、レーザ媒質２０の内部の熱分布を、レーザ媒質２０の厚さ方向（図２ＡのＺ方向）に対する１次元分布に近づけることができることを発明者は見出した。なお、断熱膜３０として利用される増反射膜または反射防止膜は、それぞれの本来的な光学的特性は不要であるので、断熱性能を優先するために、例えば、ポーラス構造で構成されていてもよい。

図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃを参照して、一実施形態による入射レーザ光１１および断熱膜３０の形状の別の一例について説明する。図４Ａは、一実施形態による入射レーザ光１１の形状の別の一例を示す概略俯瞰図である。図４Ｂは、図４Ａの入射レーザ光１１の形状の別の一例を示す概略断面図である。図４Ｃは、図４Ａの入射レーザ光１１に対応する断熱膜３０の形状の別の一例を示す図である。

図４Ａは、図２Ａに以下の変更を加えたものに等しい。すなわち、入射レーザ光１１の形状と、第１領域２２１の形状とが異なる。図４Ｂに示すように、入射レーザ光１１の断面１１２の形状は、縦横比が１対２の楕円である。図４Ｃに示すように、断熱膜３０の欠損領域３１の形状は、真円である。

図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して、一実施形態による入射レーザ光１１および断熱膜３０の形状のさらに別の一例について説明する。図５Ａは、一実施形態による入射レーザ光１１の形状のさらに別の一例を示す概略俯瞰図である。図５Ｂは、図５Ａの入射レーザ光１１の形状のさらに別の一例を示す概略断面図である。図４Ｃは、図５Ａの入射レーザ光１１に対応する断熱膜３０の形状のさらに別の一例を示す図である。

図５Ａは、図２Ａに以下の変更を加えたものに等しい。すなわち、入射レーザ光１１の形状と、第１領域２２１の形状とが異なる。入射レーザ光１１の断面１１２の形状は、図５Ｂに示すように、正方形である。第１領域２２１は、断熱膜３０の欠損領域３１と同じ形状を有しており、断熱膜３０の欠損領域３１の形状は、図５Ｃに示すように、縦横比が１対２の長方形である。この場合は、出射レーザ光１２も正方形の断面を有することになる。同じ正方形の断面を有する複数の出射レーザ光１２を束ねることで、断面積がより大きいレーザ光を生成することが容易となる。

図６を参照して、励起光５１の光軸を配置する方法について説明する。図６は、一実施形態によるレーザ装置１の一構成例を示す図である。

図６は、図１を部分的に簡略化し、ダイクロイックミラー６１を追加し、励起光生成装置５０の配置を変更したものに等しい。

ダイクロイックミラー６１は、所定の波長を有する光を反射し、別の波長を有する光を透過する光学素子である。図６の例では、励起光５１は入射レーザ光１１とは異なる波長を有しており、ダイクロイックミラー６１は励起光５１を反射する一方で入射レーザ光１１を透過する。なお、ダイクロイックミラー６１が入射レーザ光１１を反射する一方で励起光５１を透過する特性のものを選んでもよい。

励起光生成装置５０およびダイクロイックミラー６１を図６のように配置することによって、励起光５１は、ダイクロイックミラー６１で反射してからレーザ媒質２０に入射するまで、入射レーザ光１１と光路を共有する。こうすることで、励起光５１がレーザ媒質２０の内部を進む距離が、図１の場合よりも長くなり、したがって励起光５１のエネルギーがレーザ媒質２０によって吸収される割合が向上する。

以上に説明したように、本実施形態によるレーザ装置１は、噴流４１によってレーザ媒質２０の第１領域２２１を強力に冷却しながら、第２領域２２２を断熱膜３０によって断熱することによって、レーザ媒質２０の内部の熱分布を一次元分布に近づけることができ、高品質なレーザビームを生成することができる。

（第２実施形態）
図７を参照して、第１実施形態によるレーザ装置１の応用でレーザ発振が可能であることについて説明する。図７は、一実施形態によるレーザ装置１の一構成例を示す図である。

図７のレーザ装置１は、図６に示したレーザ装置１に以下の変更を加えることによってレーザ発振器として動作する。すなわち、図６に示した入射レーザ光１１の光軸に直交する位置に共振ミラー６３を追加し、同じく図６に示した出射レーザ光１２の光軸に直交する位置に共振ミラー６２を追加する。

共振ミラー６２、６３の間の光路は、レーザ媒質２０の第２表面２２の第１領域２２１で全反射する。共振ミラー６３の反射率は、共振ミラー６２の反射率より高くてもよい。励起光５１は、ダイクロイックミラー６１を介して、共振ミラー６３と、レーザ媒質２０の第２表面２２の第１領域２２１との間の光路と同じ光路を通ってレーザ媒質２０に入射する。こうすることで、図７のレーザ装置１では、共振ミラー６２、６３の間でレーザ発振が行われ、そのパワーが所定の閾値に達した出射レーザ光１２０が共振ミラー６２から出力される。

図８を参照して、図７のレーザ装置１の変形例について説明する。図８は、一実施形態によるレーザ装置１の一構成例を示す図である。

図８のレーザ装置１は、図７のレーザ装置１に以下の変更を加えたものに等しい。すなわち、ダイクロイックミラー６１を省略し、励起光５１の光軸を図１と同様の位置に移動する。図８のレーザ装置１も、図７の場合と同様に、レーザ発振を行うことが出る。

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

１ レーザ装置
１０ 入射レーザ光生成装置
１１ 入射レーザ光
１１１ 光軸
１１２ 断面
１２、１２０ 出射レーザ光
１３ 反射レーザ光
１３１ 光軸
２０ レーザ媒質
２１ 第１表面
２２ 第２表面
２２１ 第１領域
２２２ 第２領域
３０ 断熱膜
３１ 欠損領域
４０ 冷却装置
４１ 噴流
５０ 励起光生成装置
５１ 励起光
６１ ダイクロイックミラー
６２ 共振ミラー
６３ 共振ミラー

Claims (7)

1. 外部から入射レーザ光が入射する第１表面と、垂線に対して臨界角以上の角度で入射した前記入射レーザ光を全反射する第２表面とを有するレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質の前記第２表面のうち、前記入射レーザ光を全反射する第１領域の周囲を囲む第２領域を被う断熱膜と、
   前記第２表面の前記第１領域に向けて噴流を噴射して前記レーザ媒質を冷却する冷却装置と
   を具備し、
   前記第１領域において前記レーザ媒質は露出している
   レーザ装置。
2. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記入射レーザ光を生成する入射レーザ光生成装置と、
   前記レーザ媒質の前記第１領域に向けて照射する励起光を生成する励起光生成装置と
   をさらに具備する
   レーザ装置。
3. 請求項２に記載のレーザ装置において、
   前記励起光を前記入射レーザ光と同じ光軸で前記レーザ媒質に入射するように構成された光学素子
   をさらに具備する
   レーザ装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
   前記断熱膜の厚さは、前記入射レーザ光の波長の４分の１倍以上、かつ、前記波長の４分の２１倍以下である
   レーザ装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
   前記断熱膜は、
   前記第２領域の反射率を高める増反射膜
   を具備する
   レーザ装置。
6. 請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
   前記断熱膜は、
   前記第２領域の透過率を高める反射防止膜
   を具備する
   レーザ装置。
7. 請求項２～６のいずれか一項に記載のレーザ装置において、
   外部から前記レーザ媒質に入射する前記入射レーザ光を透過し、前記第１領域で全反射した前記入射レーザ光の少なくとも一部を前記第１領域に向けて反射する第１共振ミラーと、
   前記第１領域で全反射した前記入射レーザ光を前記第１領域に向けて前記第１共振ミラーより高い反射率で反射する第２共振ミラーと
   をさらに具備し、
   前記第１共振ミラーおよび前記第２共振ミラーの間でレーザ発振を行ってレーザ光を出射する
   レーザ装置。

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