JPH05167146A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価なスラブ型固体素子を用いずに、高出
力、高品質の一次元レーザビームを発散角を一定に保っ
て発生させることができる固体レーザ装置を得る。 【構成】 レーザ共振器の光路上に直列に二組のスラブ
型固体素子１、１１を設け、一方のスラブ型固体素子１
を光源２で励起するとともに、もう一方のスラブ型固体
素子１１の、光路に沿って対向する両面に音波発生素子
９を取付け、その音波発生素子９を駆動し、上記光源２
への投入電力の値に応じて上記音波発生素子９から発す
る音波出力を調整するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ装置、特に
スラブ型固体レーザ装置から発生される一次元的なレー
ザビームの品質安定化に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は、例えばレーザハンドブック（オ
ーム社、昭和５７年）に記載された従来のスラブ型固体
レーザ装置を示す断面構成図であり、（ａ）は上面から
の断面図、（ｂ）は側面からの断面図である。図におい
て、１は固体素子で、例えばＹＡＧレーザを例に取れば
Ｙ_3-XＮｄ_XＡｌ₅Ｏ₁₂ よりなるスラブ状の結晶、２は固
体素子１を励起する光源、３は光源２を点灯させる電
源、４は全反射ミラー、５は全反射ミラー４に対向配置
された出力ミラー、６は外わく、７はミラー４、５より
構成されるレーザ共振器の内部に発生するレーザビー
ム、８は出力ミラー５によりレーザ共振器外部に取り出
されるレーザビームである。

【０００３】次に動作について説明する。固体素子１は
電源３により点灯された光源２からの直接光により励起
され、レーザ媒質をなす。このとき固体素子１はその幅
方向から冷却されているので、厚み方向に放物線状の温
度勾配を持つ。全反射ミラー４と出力ミラー５からなる
レーザ共振器内に閉じ込められたレーザビーム７は、ミ
ラー４、５を往復するごとに固体素子１の中を温度勾配
の生じている厚み方向に複数回全反射を繰り返しながら
増幅され、ある一定値以上の大きさになるとその一部が
出力ミラー５を通してレーザ共振器外部にレーザビーム
８として取り出される。

【０００４】固体素子１の厚み方向に生じている二次の
温度分布によって、固体素子１中には二次の屈折率分布
が生じる。従って、固体素子１の厚み方向には凸状の一
次元的な熱レンズが生じ、この熱レンズによって、固体
素子１を通過するレーザビーム７は位相変化を受ける。
一般に従来のスラブ型固体レーザはレーザビーム７を固
体素子１の中を通過させる際、厚み方向に複数回全反射
を繰り返すように設計されているので、固体素子１を通
過したレーザビーム７は通過前後において熱レンズによ
る位相変化の影響を受けない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のスラブ型固体レ
ーザ装置は以上のように構成されており、レーザビーム
７が固体素子１の中で全反射をする箇所には、例えば全
反射による位相とびを防止するため、なんらかのコーテ
_イングがなされている。品質の良いレーザビーム８を発
生させるには固体素子１中での全反射回数を多くするこ
とが望ましいが、それにともない、反射面の光学的研
磨、全反射角度の変化に合わせたコーテ_イング技術の困
難さおよびコーテ_イング箇所の増大等、コスト面で非常
に高価なものとなる。また、レーザビーム７を固体素子
１の中で全反射を繰り返すように設計したとしても、実
際には微少な反射損失が存在し、この損失のためジグザ
グスラブ型の固体レーザ装置のレーザ効率は一般の固体
レーザ装置と比較して悪かった。

【０００６】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたものであり、高価なスラブ型固体素子を用
いずに、高出力のレーザビームを発散角を一定に保って
発生させることができるスラブ型固体レーザ装置を得る
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体レーザ
装置は、レーザ共振器の光路上に直列に二組のスラブ型
固体素子を設け、一方のスラブ型固体素子を光源で励起
するとともに、もう一方のスラブ型固体素子の、光路に
沿って対向する両面に音波発生素子を取付け、その音波
発生素子を駆動し、上記光源への投入電力の値に応じて
上記音波発生素子から発する音波出力を調整するように
したものである。

【０００８】また、本発明に係る別の固体レーザ装置
は、レーザ共振器の光路上に置かれたスラブ型固体素子
の一部を光源で励起するとともに、このスラブ型固体素
子の他の一部の、光路に沿って対向する両面に音波発生
素子を取付け、その音波発生素子を駆動し、上記光源へ
の投入電力の値に応じて上記音波発生素子から発する音
波出力を調整するようにしたものである。

【０００９】

【作用】上記のように構成された固体レーザ装置は、固
体素子を光源により励起する際に発生する熱レンズの影
響を、ジグザグ光路により打ち消すのではなく、レーザ
共振器の光路上に直列に設けられた二組のスラブ型固体
素子、あるいは１つのスラブ型固体素子を２つの部分に
分け、一方のスラブ型固体素子を光源により励起する際
に発生する厚み方向の熱レンズを、もう一方のスラブ型
固体素子に装着された音波発生素子により発生する音波
の周波数と出力を調整することで補償している。これに
より、光源への投入電力、即ちレーザ出力を変化させて
も発散角の一定したきわめて安定なレーザビームを取り
出すことができる。

【００１０】

【実施例】実施例１．図１は本発明の一実施例を示す固
体レーザ装置の構成図であり、（ａ）は上面からの断面
図、（ｂ）は側面からの断面図である。図において、１
〜８は上記従来装置と全く同一のものである。９は本発
明の固体レーザ装置に具備されている音波発生素子であ
り、１０は音波発生素子９を駆動させるための駆動装
置、１１はスラブ型固体素子である。音波発生素子９は
スラブ型固体素子１１の結晶内において、その厚み方向
に定在波の音波を発生させることができるように調整さ
れており、駆動装置１０は音波発生素子９から発生する
音波の周波数と出力を任意に設定することができる。こ
の実施例では駆動装置１０はスラブ型固体素子１１の厚
みＤと音波の波長Λとの間に Ｄ／Λ＝１ なる関係が成り立つように調節されているものとする。

【００１１】上記のように構成された固体レーザ装置に
おいて、スラブ型固体素子１は電源３により点灯された
光源２からの直接光により励起され、レーザ媒質をな
す。一方、全反射ミラー４と出力ミラー５から成るレー
ザ共振器内に閉じ込められたレーザビーム７は、ミラー
４、５を往復するごとにスラブ型固体素子１により増幅
され、ある一定値以上の大きさになるとその一部が出力
ミラー５を通してレーザ共振器外部にレーザビーム８と
して取り出される。

【００１２】音波による固体素子熱レンズ化の補償方法
について詳しく説明する。図２（ａ）、（ｂ）は各々本
発明の上記実施例における固体レーザ装置のレーザ発振
前後におけるレーザ共振器の状態を示したものである。
図２（ａ）より、レーザ発振前においてはスラブ型固体
素子１には熱レンズは発生せず、レーザ共振器は全反射
ミラー４と出力ミラー５から構成される状態を保ってい
る。光源２が点灯され、スラブ型固体素子１が励起さ
れ、レーザ発振が開始すると、図２（ｂ）に示すように
スラブ型固体素子１はその厚み方向において、一次元的
なレーザ出力に関係した焦点距離ｆ_t を持つ熱レンズと
なる。従来ではこのスラブ型固体素子１の熱レンズ化に
よって生じるレーザ共振器の状態変化を防ぐために、ジ
グザグ光路を採用していたが、本発明ではスラブ型固体
素子１の熱レンズの焦点距離ｆ_t を、音波を用いてスラ
ブ型固体素子１１に焦点距離−ｆ_t の一次元的なレンズ
を発生させることで補償しているので、ジグザグ光路を
必要とせず、常に安定なレーザ共振器の状態を保つこと
ができる。

【００１３】音波発生素子９と駆動装置１０を用いてス
ラブ型固体素子１１の厚み方向に図３（ａ）に示すよう
な定在音波をたたせると、図３（ｂ）に示すようにスラ
ブ型固体素子１１の厚み方向には音波の粗密により生じ
た一次元的な屈折率分布が生じる。この屈折率分布を持
つスラブ型固体素子１１を通過したレーザビームの位相
分布は図４に示すように変化し、この分布はレーザビー
ムがちょうど凹面レンズを通過した直後の状態のものと
同等となる。この位相分布は音波の出力を変化させると
変化するため、駆動装置１０を調節することで、即ち音
波の出力を調節することで、スラブ型固体素子１で発生
している熱レンズの焦点距離ｆ_t とちょうど異符号の焦
点距離−ｆ_t を持つレンズをスラブ型固体素子１１で発
生させることが可能になる。

【００１４】スラブ型固体素子１で発生する熱レンズの
焦点距離ｆ_t はレーザ出力により変化するが、レーザ出
力の変化に応じて音波の出力を調節することにより、ス
ラブ型固体素子１に生じた熱レンズを補償することがで
き、レーザ共振器の状態はレーザ発振前後で変化しない
ことが可能となる。

【００１５】図５に上記実施例の固体レーザ装置を用い
て実験を行った時の発散角の投入電力依存性の測定結果
を示す。図５の結果より、本発明を用いることにより発
散角は投入電力の変化、即ちレーザ出力の変化に対して
一定値を示すことがわかる。

【００１６】本発明の利点は、音波を用いてスラブ型固
体素子の厚み方向の熱レンズを補償しているため、補償
するのに要する時間がきわめて短時間ですみ、時間応答
性が優れていることである。従って、例えばレーザ出力
を変化させながら行うようなレーザ加工においても、集
光ビーム径を常に一定に保つことができるため、きわめ
て安定に行うことができる。さらに、光学的研磨とスラ
ブ型固体素子内におけるレーザビームの全反射箇所にコ
ーテ_イングをする必要がないため、コスト面で非常に安価
に作製することができる。

【００１７】実施例２．前記実施例１ではスラブ型固体
素子１１に凹面レンズが発生するように音波発生素子９
を調節したが、スラブ型固体素子１１を凸面レンズ化す
るように音波発生素子９を調節しても良い。

【００１８】図６（ａ）、（ｂ）に上記実施例における
レーザ発振前後での共振器の状態を示す。図６（ａ）に
おいて、レーザ発振前ではスラブ型固体素子１には熱レ
ンズが存在しないものの、スラブ型固体素子１１にはあ
らかじめその厚み方向に一次元的な定在音波をたたせて
おき、スラブ型固体素子１１が焦点距離ｆの凸レンズに
なるようにしておく。従って、レーザ発振前の共振器状
態はレーザ共振器内に焦点距離ｆの一次元的な凸レンズ
が存在していることになる。レーザ発振が開始すると、
図６（ｂ）に示すようにスラブ型固体素子１にはその厚
み方向に一次元的な焦点距離ｆ_t の熱レンズが生じる
が、この時、駆動装置１０を調節してスラブ型固体素子
１１に生じている凸レンズの焦点距離ｆ_a を １／ｆ＝１／ｆ_t＋１／ｆ_a が成り立つように調節することで、レーザ発振前後で共
振器状態が変化しないように保つことができる。

【００１９】上記実施例の固体レーザ装置を用いても、
発散角は投入電力依存性のない一定値を示し、集光ビー
ム径を一定にすることができるため、きわめて安定なレ
ーザ加工を実現することができる。

【００２０】実施例３．前記実施例１では二組のスラブ
型固体素子を用いて一方を励起用に、もう一方を熱レン
ズ補償用にしたものを示したが、図７（ａ）（ｂ）に示
すように一本のスラブ型固体素子１２を用いて熱レンズ
を補償しても良い。

【００２１】この場合も、一本のスラブ型固体素子１２
を機能分割することで熱レンズ補償を行っているため、
前記実施例１、２と同様の動作を行うことが可能であ
り、従ってきわめて安定なレーザ加工を行うことができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によればレーザ共
振器の光路上に直列に二組のスラブ型固体素子を設け、
一方のスラブ型固体素子を光源で励起するとともに、も
う一方のスラブ型固体素子の、光路に沿って対向する両
面に音波発生素子を取付け、その音波発生素子を駆動
し、上記光源への投入電力の値に応じて上記音波発生素
子から発する音波出力を調整するようにしたので、一方
のスラブ型固体素子を光源により励起する際に発生する
熱レンズを、もう一方のスラブ型固体素子に装着された
音波発生素子により発生する音波の周波数と出力を調整
することで補償することができるため、光源への投入電
力、即ちレーザ出力を変化させても発散角の一定したき
わめて安定なレーザビームを取り出すことができる。ま
た、音波を用いて熱レンズを補償しているため、補償す
るのに要する時間がきわめて短時間ですみ、時間応答性
が優れているという利点がある。従って、例えばレーザ
出力を変化させながら行うようなレーザ加工において
も、集光ビーム径を常に一定に保つことができるため、
きわめて安定に行うことができる。さらに、光学的研磨
とスラブ型固体素子内におけるレーザビームの全反射箇
所にコーテ_イングをする必要がないため _、 コスト面で非常
に安価に作製することができる。

【００２３】また、レーザ共振器の光路上に置かれたス
ラブ型固体素子の一部を光源で励起するとともに、この
スラブ型固体素子の他の一部の、光路に沿って対向する
両面に音波発生素子を取付け、その音波発生素子を駆動
し、上記光源への投入電力の値に応じて上記音波発生素
子から発する音波出力を調整するようにしても、上記固
体レーザ装置と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す固体レーザ装置の構成
図である。

【図２】本発明の実施例１による固体レーザ装置の動作
を説明する説明図である。

【図３】本発明の実施例１における音波によるレンズ発
生の原理を説明する説明図である。

【図４】本発明の実施例１において音波により発生した
レンズをレーザビームが通過した直後の位相分布を示す
分布図である。

【図５】本発明の実施例１により発生したレーザビーム
の発散角を示す特性図である。

【図６】本発明の実施例２による固体レーザ装置の動作
を説明する説明図である。

【図７】本発明の実施例３を示す固体レーザ装置の構成
図である。

【図８】従来の固体レーザ装置の構成図である。

【符号の説明】

１ 固体素子 ２ 光源 ４ 全反射ミラー ５ 出力ミラー ７ レーザビーム ８ レーザビーム ９ 音波発生素子 １０ 駆動装置 １１ 固体素子 １２ 固体素子

フロントページの続き (72)発明者 瀬口 正記 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社中央研究所内 (72)発明者 山本 卓 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社中央研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力ミラーと全反射ミラーからなるレー
   ザ共振器、上記レーザ共振器の光路上に直列に置かれた
   第１及び第２のスラブ型固体素子、第１のスラブ型固体
   素子を励起する光源、第２のスラブ型固体素子の、光路
   に沿って対向する両面に取り付けられた音波発生素子、
   並びに上記音波発生素子を駆動し、上記光源への投入電
   力の値に応じて上記音波発生素子から発する音波出力を
   調整する手段を備えた固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 出力ミラーと全反射ミラーからなるレー
   ザ共振器、上記レーザ共振器の光路上に置かれたスラブ
   型固体素子、上記スラブ型固体素子の一部を励起する光
   源、上記スラブ型固体素子の他の一部において、上記ス
   ラブ型固体素子の、光路に沿って対向する両面に取り付
   けられた音波発生素子、並びに上記音波発生素子を駆動
   し、上記光源への投入電力の値に応じて上記音波発生素
   子から発する音波出力を調整する手段を備えた固体レー
   ザ装置。