JPH0569963U - 固体レーザ媒体及びこれを用いた固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光の大出力化に伴う励起光の損失を減
少させ、発振効率の向上を図る。 【構成】 光軸方向に複数配設したＮｄ：ＹＡＧロッド
片１Ａの光学接触面１Ｂを融着して長尺の固体レーザ媒
体を形成する。この媒体は、光学接触面１Ｂを電気炉を
用いて一定速度（例えば２°Ｃ／分）で温度上昇させ、
次いで融着するに十分な温度（例えば９２０°Ｃ）に保
って一定時間（例えば２０時間）加熱して融着し、その
後、熱応力の除去が可能な冷却速度である一定速度（例
えば１°Ｃ／分）で冷却して形成する。この長尺のＮ
ｄ：ＹＡＧロッド１を用いてレーザ装置を形成する。長
尺のＮｄ：ＹＡＧロッド１を使用することで大出力のレ
ーザ光が容易に出力できる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本発明は金属加工等に用いる大出力の固体レーザ媒体及びこれを用いた固体レ ーザ装置に関し、特に発振効率の向上、装置の簡素化等を図った固体レーザ媒体 及びこれを用いた固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

固体レーザ装置としては、一般に図５に示すようなものが知られている。図５ はＮｄ：ＹＡＧレーザと共振器とからなる装置の構成を示す概略斜視図である。

【０００３】 図中の符号５０１はＮｄ：ＹＡＧロッド、符号５０２は励起光源であるランプ 、５０３は励起光源から放射された光を効率よくＮｄ：ＹＡＧロッドに集めるた めのリフレクタである。また、この他にも、図示しないがＮｄ：ＹＡＧロッド５ ０１とランプ５０２とリフレクタ５０３を水冷するための冷却装置、ランプ５０ ２に電力を供給するための高圧電源装置、レーザ共振器を構成するための出力鏡 と全反射鏡等が付随する。

【０００４】 このレーザ装置によって得られるレーザ出力は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド５０１の 大きさにもよるが、４００〜６００Ｗが上限である。

【０００５】 一方、現在のＮｄ：ＹＡＧ結晶成長技術では、結晶長の上限は２０ｃｍ程度で あるため、大出力のレーザ光を必要とする場合には、図５に示すレーザ装置を複 数個光軸方向に空間を介して直列に接続した多段型レーザ装置（例えば４段直列 接続の（株）東芝製ＬＡＹ−６５７Ｂ）が用いられる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上述した従来の多段型レーザ装置では、その構造上Ｎｄ：ＹＡ Ｇロッド５０１の両端部で励起光がリフレクタ５０３外にもれ易い。また、ラン プ５０２の電極部では励起光の反射が期待できない。さらに、これらロッド両端 部とランプ電極部はレーザ装置の接続数に比例して増えるため、これらの部分で の励起光の損失も接続数に比例して増えることになる。

【０００７】 この問題を解消し、励起効率の向上と励起分布の一様化のために、近紫外から 赤外の範囲にかけて高い反射率をもつ白色セラミック等の拡散反射型リフレクタ を使用したレーザ装置が用いられることがある。しかしこの場合、リフレクタの 断面形状（光軸と直行方向の形状）は前述の構成のような十分に空間を確保した 楕円形ではなく、拡散反射型であるためレーザロッドとランプをできるだけ近づ け、リフレクタもこれらに近づけてその表面積が小さくなるように囲う形状とな っている。即ち、リフレクタの断面形状が小さいため、ロッド両端部とランプ電 極部での励起光の損失の割合はより大きくなる。

【０００８】 つまり、現在の多段型レーザ装置では、多段化する装置数に応じて励起光の損 失が増加し、励起効率が悪いという問題点がある。

【０００９】 また、Ｎｄ：ＹＡＧ等の結晶を用いたスラブレーザ装置の場合には、スラブ端 面形状を３０度程度（ブリュースター角）のスロープに仕上げ、さらに装置内側 の封止のためにＯリング等のシール部品を組み付けるため、スラブの両先端から 一定距離（スラブの厚さの３から４倍程度の距離）の範囲で励起できなくなる。 これはブリュースター端面の無いロッド型では問題にならないスラブ特有の問題 である。例えば長さ１５０ｍｍ、厚さ６ｍｍのＮｄ：ＹＡＧスラブの場合、スラ ブの端から片側で約２４ｍｍ、両側では約４８ｍｍの部分が励起できない。Ｎｄ ：ＹＡＧ結晶は高価なものであるが、それにもかかわらずこの例ではスラブ全長 に対して２／３の範囲しかレーザ発振に直接作用していない。例えば、特公平２ ー３１５１３「光共振空洞をもつ面ポンプ型長方形厚板レーザ装置」に示された 実施例では、スラブの全長が約１３９．４ｍｍ、厚さが約８ｍｍであるので、ス ラブの端から片側で約３２ｍｍ、両側では約６４ｍｍの部分は励起できないと見 積もられる。そのため、この厚板レーザ装置では、励起されている部分はスラブ の全長の半分程度と考えられる。

【００１０】 一方、この励起できない部分を減らすためにスラブの厚さを薄くすると、スラ ブを透過してしまう励起光が増えるため励起効率が低下してしまう。このため現 在のＮｄ：ＹＡＧスラブの厚さは、スラブの大きさにもよるが、最低でも５〜６ ｍｍ程度となっている。

【００１１】 以上の理由から、励起できない部分を減少させスラブの全長に対する励起部分 の割合を改善するには、スラブの全長を長くする以外はない。しかし現在のＮｄ ：ＹＡＧ結晶成長技術では、結晶長の上限は２０ｃｍ程度というのが現状である 。

【００１２】 また、スラブレーザの特長の１つとして、スラブ内部でのジグザグ光路によっ て励起に伴うスラブ内部の熱の影響が打ち消されるということが知られているが 、実際には、強励起時に熱歪による波面歪が生じる。その主な原因はブリュース ター端面付近での熱応力であることが知られている（詳しくは文献「Thomas J. Kane,John M. Eggleston, Robert L. Byer, IEEE Journal of Quantum Electron ics,vol. QE-21, No.8, 1195,August 1985,The Slab Geometry Laser-Part ＩＩ :Thermal Effects in a Finite Slab」を参照)。

【００１３】 このため、スラブレーザ装置を多段接続することによって高出力のレーザ光を 得ようとすると、ブリュースター端面の数が増えてしまう。この結果、レーザ光 の集光性等のビーム品質が劣化してしまうという問題点がある。

【００１４】 本考案は以上の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、複数のロッドまた はスラブを一体的に融着し、励起光の損失の大きいロッド両端部とランプ電極部 の数を減少させ、高効率化した大出力の固体レーザ媒体及びこれを用いた固体レ ーザ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために本考案に係る固体レーザ媒体は、光軸方向に複数の 固体レーザ媒体片を配設してその光学接触面を融着し、長尺に形成したものであ る。

【００１６】 当該固体レーザ媒体は、前記光学接触面を融着するに十分な温度まで加熱し融 着することが望ましい。

【００１７】 本考案に係る固体レーザ装置は、その固体レーザ媒体として、前記長尺の固体 レーザ媒体を用いたものである。

【００１８】

【作用】

前述のように固体レーザ媒体を長尺に形成することで、大出力のレーザ光を容 易に作ることができる。

【００１９】 複数の固体レーザ媒体片の融着を、その融着するに十分な温度まで一定速度で 加熱し、一定時間当該温度で加熱し続けることで、光学的に損失の少ない固体レ ーザ媒体を形成することができる。

【００２０】 また、固体レーザ装置の固体レーザ媒体として、前記長尺の固体レーザ媒体を 用いることで、従来のように、高出力化のために短尺の固体レーザ媒体を多段に 接続する場合の接続部分での損失がなくなる。このため、大出力化に伴う励起光 の損失を減少させ、高効率化を図ることができる。また、少ない部品点数で装置 を構成でき、製造コストの低減及び信頼性の向上を図れる。

【００２１】

【実施例】

以下に本考案の実施例を添付図面に基づいて説明する。

【００２２】 図１は本考案の第１の実施例に係る固体レーザ装置の主要部を示す概略斜視図 である。この固体レーザ装置は長尺の固体レーザ媒体としてのＮｄ：ＹＡＧレー ザを用いている。

【００２３】 図中の符号１は後述する融着技術を用いて、複数の固体レーザ媒体片としての Ｎｄ：ＹＡＧロッド片１Ａを光軸方向に融着して長尺に形成したＮｄ：ＹＡＧロ ッド、符号２は励起光源であるランプ、３は励起光源から放射された光を効率よ くＮｄ：ＹＡＧロッド１に集めるためのリフレクタである。符号４は平面出力鏡 、符号５は凸面全反射鏡である。さらに、これ以外に、図示しない各部品を固定 する構造体又は匡体、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１とランプ２とリフレクタ３を水冷す る純水冷却装置、ランプ２に電力を供給するための高圧電源装置、Ｎｄ：ＹＡＧ ロッド１とランプ２を均一に冷却するためのガラス製フローチューブ等が付随す る。なお、符号６は平面出力鏡４と凸面全反射鏡５との間で発振するレーザ光を 示す。

【００２４】 本実施例においてＮｄ：ＹＡＧロッド１は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド片１Ａを２本 光軸方向に融着して長尺に形成している。そして、各Ｎｄ：ＹＡＧロッド片１Ａ の融着は、特開平２−１５３８４９号公報記載の融着技術によって行う。この融 着技術は具体的には次のようになる。

【００２５】 ２本のＮｄ：ＹＡＧロッド片１Ａを、その端面（光学接触面１Ｂ）でオプティ カルコンタクト（光学接触）させ、電気炉を用いて一定の加熱速度で光学接触面 １Ｂを加熱し温度を上昇させる。次いで光学接触面１Ｂを融着するに十分な温度 まで加熱した後、その温度を保って一定時間加熱する。これにより光学接触面１ Ｂが融着し、その後、融着部分での熱応力の発生を除去可能な冷却速度で冷却す る。

【００２６】 次いで、固体レーザ装置を具体的数値を上げて説明する。

【００２７】 まず、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の融着は次のようにして行う。Ｎｄ：ＹＡＧロッ ド片１Ａ（Ｎｄドープ量１．０原子％）は長さ１１０ｍｍ、直径１０ｍｍに形成 する。２本のＮｄ：ＹＡＧロッド片１Ａを、その光学接触面１Ｂでオプティカル コンタクトさせ、電気炉を用いて２°Ｃ／分の速度で温度を上昇させて加熱する 。このとき、２本のＮｄ：ＹＡＧロッド片１Ａは、その光学接触面１Ｂを加圧し て融着を促進するために、加圧装置（図示せず）によって互いに加圧された状態 で加熱される。次いで光学接触面１Ｂを融着するに十分な温度である９２０°Ｃ の温度まで上昇させ、その温度を保って２０時間加熱する。その後、熱応力の除 去が可能な冷却速度である１°Ｃ／分の速度で冷却する。

【００２８】 また、ランプ２としては発光長約２００ｍｍ、内径１０ｍｍのクリプトンラン プ（米国ＩＬＣ社製、型番１０Ｆ８）を用いる。リフレクタ３としては励起光源 から放射された光を効率よくＮｄ：ＹＡＧロッド１に集めるために、白色セラミ ック（三井鉱山（株）製、商品名：マセライト）で製作したリフレクタを用いる 。このリフレクタ３としては金蒸着のリフレクタでもよい。平面出力鏡４として は反射率７５％の鏡を、凸面全反射鏡５としては曲率２ｍの鏡を用いる。共振器 長は４００ｍｍである。純水冷却装置は、冷却能力約２５ｋＷ、純水流量毎分約 ４０リットルとする。

【００２９】 以上の構成の固体レーザ装置では、マルチモード発振時に、電気入力１９ｋＷ に対して約８００Ｗのレーザ出力が得られた。このときの効率（レーザ出力／電 気入力）は４．２％であった。従来の多段型レーザ装置での効率が２．５〜３％ 程度であるのに比べると、本考案の長尺の融着Ｎｄ：ＹＡＧロッド１を用いた固 体レーザ装置の効率が非常に高いことが分る。

【００３０】 一方、固体レーザ装置の製造費用の大部分が電源部であることは周知の事実で ある。このため出力の大きいレーザ装置ほど発振効率の高さが重要になる。例え ば、従来の多段型レーザ装置においては、レーザ出力１ｋＷを得ようとする場合 、効率が３％程度であるからレーザ電源の出力は少なくとも約３３．４ｋＷ必要 となる。

【００３１】 これに対して本実施例の固体レーザ装置では、レーザ出力１ｋＷを得ようとす る場合、効率が４．２％で得られるとすれば、レーザ電源の出力は約２３．８ｋ Ｗとなる。このため、従来の効率３％のレーザ装置に比べて、その約７１％の出 力をもったレーザ電源で同じ１ｋＷを発生することができる。

【００３２】 以上の説明から明らかなごとく本実施例のＮｄ：ＹＡＧロッド１を用いた固体 レーザ装置によれば、従来の多段型レーザ装置のように、励起光の損失の大きい ロッド両端部とランプ電極部の数を増やさずに装置の大出力化が可能となり、よ り高い発振効率を得ることができるようになる。

【００３３】 さらに、単一のＮｄ：ＹＡＧロッド１によるレーザ装置であるため部品点数が 減少し、さらに冷却対象の減少による冷却機電源が減少し、冷却機の体積も小さ くなる。このため、冷却機の製造費用は大幅に下がる。また、前述のようにレー ザ電源の出力を小さくできる。即ち、レーザ発振の効率が高いと、装置が小型化 し、製造費用が少なくてすむ外に、運転時の電気使用量も少なくなる。さらに、 消耗品であるランプ２の数が増えないので、ランプ交換時の作業時間の短縮にも つながる。これらの理由により、製造コスト及びランニングコストを大幅に低減 することができると共にレーザ装置に対する信頼性が向上する。

【００３４】 なお、本実施例ではＮｄ：ＹＡＧロッド１として同じ長さの２本のＮｄ：ＹＡ Ｇロッド片１Ａを融着した場合を例に説明したが、これら２本のＮｄ：ＹＡＧロ ッド片１Ａは必ずしも同じ長さである必要はなく、また融着する本数も２本に限 定されるものではない。即ち、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１の長さは設定出力値に応じ て異なり、ロッド１を設定出力値に応じた長さにするために、同一の又は異なる 長さの複数のＮｄ：ＹＡＧロッド片１Ａを組合わせて設定長さに調整する。

【００３５】 図２は本考案の第２の実施例を示す。

【００３６】 本実施例では、固体レーザ媒体として長尺のＮｄ：ＹＡＧスラブを用いている 。図中の符号２０１はＮｄ：ＹＡＧスラブ片２０１Ａを２本光軸方向に融着して 長尺に形成したＮｄ：ＹＡＧスラブ、符号２０２は励起光源であるランプ、２０ ３はリフレクタである。符号２０４はＮｄ：ＹＡＧスラブ２０１によって光増幅 されたレーザ光を示す。また、他の構成は前記第１の実施例と同様である。

【００３７】 前記Ｎｄ：ＹＡＧスラブ片２０１Ａの融着手段は、前記第１の実施例で説明し た融着技術による。また、Ｎｄ：ＹＡＧスラブ片２０１Ａの長さ等の諸条件も前 記第１の実施例と同様に適用される。なおここでいう光軸方向とは、Ｎｄ：ＹＡ Ｇスラブ２０１内でジグザグに進む具体的なレーザ光の進行方向ではなく、Ｎｄ ：ＹＡＧスラブ２０１内で励起されたレーザ光が全体として進行する方向、即ち 、図２において各Ｎｄ：ＹＡＧスラブ片２０１Ａの長手方向を意味する。

【００３８】 以上の構成のレーザ装置においても、前記第１の実施例と同様の作用、効果を 奏することができる。

【００３９】 また、スラブレーザにおいては、Ｎｄ：ＹＡＧスラブ２０１の全長に対する被 励起部分の割合を上げることができる。

【００４０】 さらに、熱歪の原因箇所であるブリュースター端面の数を増やさないので、大 出力化とレーザ光の集光性等のビーム品質の向上とを両立させることができる。

【００４１】 図３は本考案の第３の実施例を示す。

【００４２】 本実施例では、固体レーザ媒体として長尺の管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いてい る。図中の符号３０１は管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶片３０１Ａを２本光軸方向に融着 して長尺に形成した管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、符号３０２は励起光源であるランプ 、３０３はリフレクタである。また、符号３０４は管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶３０１ で光増幅されて円形状に出射されたレーザ光を示す。他の構成は前記第１の実施 例と同様である。そして、ランプ３０２は管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶３０１の内部に 挿入され、内部から励起光を管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶３０１に照射するようになっ ている。

【００４３】 管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶３０１として管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶片３０１Ａを２本光 軸方向に融着する手段は前記第１実施例の融着技術による。また、管状Ｎｄ：Ｙ ＡＧ結晶３０１の長さ等の諸条件も前記第１の実施例と同様に適用される。

【００４４】 以上の構成のレーザ装置においても、前記第１の実施例と同様の作用、効果を 奏することができる。

【００４５】 図４は本考案の第４の実施例を示す。

【００４６】 本実施例では、固体レーザ媒体としての長尺のＮｄ：ＹＡＧロッドにクラッド を設けている。図中の符号４０１はＮｄ：ＹＡＧロッドである。このＮｄ：ＹＡ Ｇロッド４０１の外周には、励起効率を上げるため、ＮｄをドープしていないＹ ＡＧ結晶で作ったクラッド層４０４を、前記第１実施例の融着技術で取付けてい る。Ｎｄ：ＹＡＧロッド４０１は、クラッド層４０４を取付けたＮｄ：ＹＡＧロ ッド片４０１Ａを２本光軸方向に、前記融着技術で融着して長尺に形成している 。

【００４７】 また、符号４０２はランプ、４０３はリフレクタである。符号４０５はＮｄ： ＹＡＧロッド４０１によって光増幅されたレーザ光を示す。他の構成は前記第１ の実施例と同様である。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド片４０１Ａの長さ等の諸条件 も前記第１の実施例と同様に適用される。

【００４８】 以上の構成のレーザ装置においても、前記第１の実施例と同様の作用、効果を 奏することができる。

【００４９】 さらに、本実施例ではＮｄ：ＹＡＧロッド片４０１Ａにクラッド層４０４を取 付けているので、さらに励起効率の向上を図ることができる。

【００５０】 なお、前記各実施例では長尺の固体レーザ媒体を発振器として使用した場合を 例に説明したが、増幅器として使用した場合でも前記同様の作用、効果を奏する ことができる。

【００５１】 また、固体レーザ媒体としては、前述したＮｄ：ＹＡＧ結晶等以外にも、ＧＧ Ｇ，ＧＳＧＧ，ＹＳＧＧ，ＹＳＡＧ，ＹＬＦ，アレキサンドライト、サファイヤ 等のレーザ結晶や燐酸塩系レーザガラス（例えば、ＨＯＹＡ（株）製 ＬＨＧ− ５、８）、硅酸塩系レーザガラス（例えば、ＨＯＹＡ（株）製 ＬＳＧ−９１Ｈ ）等の各種レーザガラスを用いることが可能である。

【００５２】 さらにレーザ活性イオンもＮｄのみならず、他に、Ｅｒ，Ｃｒ，Ｈｏ，Ｔｍ， Ｔｉを用いてもよい。また、レーザ活性イオンのドープ量や種類の異なるものを 用いることも必要に応じて可能である。

【００５３】

【考案の効果】

以上、詳述したように本考案によれば、固体レーザ媒体を長尺に形成したの で、大出力化のレーザ光を得るために短尺の固体レーザ媒体を複数配列する必要 がなくなり、その接続部分での励起光の損失を解消することができる。

【００５４】 また、固体レーザ装置の固体レーザ媒体として前記長尺の固体レーザ媒体を用 いることで、励起光の損失の大きいロッド両端部とランプ電極部の数を増やさず に装置の大出力化が可能となり、より高い発振効率を得ることができるようにな る。

【００５５】 さらに、レーザ装置の部品点数が減少し、小型化、省電力化するので、製造コ スト及びランニングコストを大幅に低減することができ、レーザ装置に対する信 頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体レーザ媒体としてＮｄ：ＹＡＧロッドを用
いた本考案の第１の実施例に係る固体レーザ装置の主要
部分を示す概略斜視図である。

【図２】固体レーザ媒体としてＮｄ：ＹＡＧスラブを用
いた第２の実施例に係る固体レーザ装置の主要部分を示
す概略斜視図である。

【図３】固体レーザ媒体として管状Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を
用いた第３の実施例に係る固体レーザ装置の主要部分を
示す概略斜視図である。

【図４】固体レーザ媒体としてクラッド層付きＮｄ：Ｙ
ＡＧロッドを用いた第４の実施例に係る固体レーザ装置
の主要部分を示す概略斜視図である。

【図５】従来の大出力Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置の主要部
分を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１…Ｎｄ：ＹＡＧロッド、１Ａ…Ｎｄ：ＹＡＧロッド
片、２…ランプ、３…リフレクタ、４…平面出力鏡、５
…凸面全反射鏡、２０１…Ｎｄ：ＹＡＧスラブ、２０１
Ａ…Ｎｄ：ＹＡＧスラブ片、３０１…Ｎｄ：ＹＡＧ結
晶、３０１Ａ…Ｎｄ：ＹＡＧ結晶片、４０１…Ｎｄ：Ｙ
ＡＧロッド、４０１Ａ…Ｎｄ：ＹＡＧロッド片、４０４
…クラッド層。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸方向に複数の固体レーザ媒体片を配
   設し、これらの接合面である光学接触面を融着して長尺
   に形成したことを特徴とする固体レーザ媒体。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記光学接触面を融
   着するに十分な温度まで加熱し融着してなる固体レーザ
   媒体。
3. 【請求項３】 固体レーザ媒体と、この固体レーザ媒体
   を励起する励起光源とを有してなる固体レーザ装置にお
   いて、 前記固体レーザ媒体として、請求項１又は請求項２記載
   の長尺の固体レーザ媒体を用いたことを特徴とする固体
   レーザ装置。