JPH11307843A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明はレーザロッドの凸レンズ作用によ
ってレーザ光のビーム品質が低下するのを防止した固体
レーザ装置を提供することにある。 【解決手段】 所定間隔で対向して配置された一対の反
射ミラー１１，１２を有し、これら反射ミラー間に主固
体レーザロッド１６が配設された光共振器１３と、端面
が凹面１８ａに形成され上記主固体レーザロッドと上記
反射ミラーとの間に配置された補正用レーザロッド１８
と、上記主固体レーザロッドを光励起する第１の励起光
源２５と、上記補正用レーザロッドを光励起する第２の
励起光源２６と、上記第１の励起光源に給電する第１の
電源２７と、上記第２の励起光源に給電する第２の電源
２８と、上記第２の電源による上記第２の励起光源への
給電を制御して上記光共振器から所定のビーム形状のレ
ーザ光を出力させる制御装置３３とを具備したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は固体レーザ媒質を
光励起してレーザ光を発生させる固体レーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、固体レーザ装置は固体レーザ媒
質としてのレーザロッドを有し、このレーザロッドを光
励起することでレーザ光を発生するようになっている。
したがって、上記レーザロッドを光共振器内に配置すれ
ば、このレーザロッドから発生したレーザ光が上記光共
振器によって増幅されて発振出力されるようになってい
る。

【０００３】上記レーザロッドを光励起する励起光源と
してはアークランプやフラッシュランプあるいは半導体
レーザなどが知られている。レーザロッドを励起光源で
光励起すると温度が上昇してレーザロッド自体が損傷す
る虞があるから、通常は上記レーザロッドを水などの冷
却媒体で冷却しながら光励起するようにしている。

【０００４】そのため、上記レーザロッドは冷却媒体に
よって冷却される外周部よりも径方向内部の温度が高く
なるという、温度勾配をもつため、その温度勾配によっ
て凸レンズ作用を呈することになる。

【０００５】図４（ａ），（ｂ）は、一対の反射ミラー
２からなる光共振器１内にレーザロッド３を配置し、こ
のレーザロッド３を冷却媒体によって冷却しながら光励
起したときに、上記光共振器１から出力されるレーザ光
Ｌのビーム品質の変化を示している。

【０００６】つまり、同図（ａ）は低出力時であり、同
図（ｂ）は高出力時である。低出力時にはレーザロッド
３への入熱量が小さく、凸レンズ作用もほとんどない。
そのため、光共振器１の出力側の反射ミラー２から出力
されるレーザ光Ｌのビーム広がり角が大きくなることが
ないから、良好なビーム品質のレーザ光Ｌを得ることが
できる。

【０００７】しかしながら、同図（ｂ）に示す高出力時
には、レーザロッド３が凸レンズ作用を呈し、両端面が
図中破線で示すように変形するため、光共振器１の出力
側の反射ミラー２から出力されるレーザ光Ｌのビーム形
状がレーザロッド３の凸レンズ作用によって広がってし
まう。つまり、光共振器１から出力されるレーザ光Ｌの
ビーム形状が変化してしまう。それによって、レーザ光
Ｌのビーム品質が低下することになるから、そのレーザ
光Ｌを用いての加工などを精密に行なうことができない
ということがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体レーザ装置は、固体レーザ媒質が光励起されることで
凸レンズ作用を呈するから、その凸レンズ作用によって
光共振器から出力されるレーザ光の広がり角が大きくな
り、ビーム断面形状が変化してしまうということがあっ
た。

【０００９】この発明は、光共振器から出力されるレー
ザ光のビーム形状を低出力時だけでなく、高出力時にも
所定形状に維持できるようにした固体レーザ装置を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、少な
くと第１の固体レーザ媒質を光励起してレーザ光を出力
する固体レーザ装置において、所定間隔で対向して配置
された一対の反射ミラーを有し、これら反射ミラー間に
上記第１の固体レーザ媒質が配設された光共振器と、端
面が凹面に形成され上記第１の固体レーザ媒質と上記反
射ミラーとの間に配置された第２の固体レーザ媒質と、
上記第１の固体レーザ媒質を光励起する第１の励起光源
と、上記第２の固体レーザ媒質を光励起する第２の励起
光源と、上記第１の励起光源に給電する第１の電源と、
上記第２の励起光源に給電する第２の電源と、上記第２
の電源による上記第２の励起光源への給電を制御して上
記光共振器から所定のビーム形状のレーザ光を出力させ
る制御手段とを具備したことを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記制御手段は、上記光共振器から出力されたレー
ザ光のビーム断面形状を検出する検出手段と、この検出
手段からの検出信号によって上記第２の電源から上記第
２の励起光源への給電量を制御する制御装置とを具備し
たことを特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記制御手段は、上記第１の電源から上記第１の励
起光源への給電量に応じて上記第２の電源から上記第２
の励起光源への給電量を制御する制御装置を具備するこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項１の発明によれば、第１の固体レー
ザ媒質と反射ミラーとの間に端面が凹面に形成された第
２の固体レーザ媒質を配置したことで、上記第１の固体
レーザ媒質による凸レンズ作用を上記第２の固体レーザ
媒質の凹レンズ作用によって打ち消すことができるか
ら、光共振器から出力されるレーザ光のビーム断面形状
を所定形状に維持することができ、しかも第１の固体レ
ーザ媒質が凸レンズ作用を呈しないときには、上記第２
の固体レーザ媒質への給電を制御してその凹レンズ作用
を低減することで、レーザ光のビーム断面形状を所定形
状に維持することができる。

【００１４】請求項２の発明によれば、光共振器から出
力されるレーザ光のビーム断面形状を検出して第２の励
起光源への給電量を制御するため、上記レーザ光のビー
ム断面形状の制御を精度よく行なうことができる。

【００１５】請求項３の発明によれば、第１の励起光源
への給電量に応じて第２の励起光源への給電量が制御さ
れるため、予め設定されたプログラムに基いてレーザ光
のビーム形状を所定形状に維持することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態を
図１乃至図３を参照して説明する。図１に示すこの発明
の固体レーザ装置は一対の高反射ミラー１１と部分反射
ミラー１２とを所定の間隔で対向させて配置した光共振
器１３を備えている。この光共振器１３の一対の反射ミ
ラー１１，１２間には容器１４が設けられている。この
容器１４内には軸線を上記光共振器１３の光軸に一致さ
せた循環パイプ１５が配設されている。

【００１７】上記循環パイプ１５内には固体レーザ媒質
としてのたとえばＮｄ−ＹＡＧ結晶ロッドなどの固体レ
ーザ媒質からなる主レーザロッド１６（第１の固体レー
ザ媒質）が上記光共振器１３の光軸と同軸に配置されて
いる。この主レーザロッド１６の両端には第１の接続管
１７の一端部が液密に接続され、他端部には上記主レー
ザロッド１６に比べて短い補正用レーザロッド１８（第
２の固体レーザ媒質）の一端部が液密に接続されてい
る。

【００１８】一対の補正用レーザロッド１８の他端部に
はそれぞれ第２の接続管１９の一端部が液密に接続され
ている。一方の第２の接続管１９の他端は上記容器１４
の一端面に形成された第１の透過窓２１に液密な状態で
光学的に接続され、他方の第２の接続管１９の他端は上
記容器１４の他端面に形成された第２の透過窓２２に液
密な状態で光学的に接続されている。上記第１の透過窓
２１には上記部分反射ミラー１２が対向配置され、上記
第２の透過窓２２には上記高反射ミラー１１が対向配置
されている。

【００１９】上記補正用レーザロッド１８は主レーザロ
ッド１６と同じ材質によって形成されているとともに、
その両端面は所定の曲率の凹面１８ａに形成されてい
る。それによって、上記補正用レーザロッド１８は後述
するごとく発生するレーザ光Ｌに対して凹レンズ作用を
呈するようになっている。

【００２０】上記循環パイプ１５には水などの冷却媒体
が循環されるようになっている。つまり、上記循環パイ
プ１５には上記冷却媒体の供給管２３と排出管２４とが
接続されている。上記供給管２３から上記循環パイプ１
５内に供給された冷却媒体は上記主レーザロッド１６と
補正用レーザロッド１８とを冷却して排出管２４から排
出されるようになっている。

【００２１】上記循環パイプ１５は光を透過する透明な
材料によって形成されている。この循環パイプ１５の外
側には、上記主レーザロッド１８と対向して第１の励起
光源２５が配設され、各補正用レーザロッド１８と対向
して第２の励起光源２６が配設されている。第１の励起
光源２５と第２の励起光源２６とはそれぞれ各レーザロ
ッド１６，１８を光励起するためのもので、フラッシュ
ランプ、アークランプあるいは半導体レーザなどが用い
られている。

【００２２】上記第１の励起光源２５には第１の電源２
７が接続され、上記第２の励起光源２６には第２の電源
２８が接続されている。そして、各電源２７，２８から
各励起光源２５，２６に電力が供給されることで、これ
ら各励起光源２５，２６から出力される励起光によって
各レーザロッド１６，１８がそれぞれ光励起されるよう
になっている。それによって、各レーザロッド１６，１
８からはレーザ光Ｌが発生し、そのレーザ光Ｌは光共振
器１３で増幅され、部分反射ミラー１２から発振出力さ
れるようになっている。

【００２３】上記部分反射ミラー１２から出力されたレ
ーザ光Ｌの光路にはハーフミラー３１が所定の角度で傾
斜して配置されている。このハーフミラー３１によって
分割されたレーザ光Ｌの一部はＣＣＤ（固体撮像素子）
などの検出器３２によってそのビーム形状が検出され
る。検出器３２からの検出信号は制御装置３３に入力さ
れる。制御装置３３は上記検出器３２からの検出信号に
応じて上記第１の電源２７と第２の電源２８への給電量
を制御するようになっている。

【００２４】つぎに、上記構成の固体レーザ装置の作用
について説明する。循環パイプ１５に冷却媒体を循環さ
せるとともに、制御装置３３によって第１の電源２７を
作動し、第１の励起光源２７へ給電する。それによっ
て、主レーザロッド１６が光励起されてレーザ光Ｌが発
生し、そのレーザ光Ｌは光共振器１３で増幅されて部分
反射ミラー１２から発振出力される。

【００２５】上記第１の励起光源２７への給電量を増加
し、上記主レーザロッド１６の光励起強度を大きくして
平均出力を増大させる高出力時には、この主レーザロッ
ド１６は冷却媒体によって冷却される外周部に比べて蓄
熱され易い中心部の温度が高くなるから、主レーザロッ
ド１６の両端面は図２に破線で示すように変形し、凸レ
ンズ作用を呈してレーザ光Ｌが大きな広がり角をもつこ
とになり、ビーム品質が低下する。

【００２６】その場合、主レーザロッド１６の両側に配
置された補正用レーザロッド１３が凹レンズ作用を呈す
るから、その凹レンズ作用が上記主レーザロッド１６の
凸レンズ作用と打ち消し合う。そのため、光共振器１３
の部分反射ミラー１２からは、レーザ光Ｌの広がり角が
拡大し過ぎることのないレーザ光Ｌ、つまりビーム品質
の良好なレーザ光Ｌを発振出力することができる。

【００２７】一方、第１の励起光源２７への給電量を低
減し、上記主レーザロッド１６の光励起強度を小さくし
て平均出力を低くする低出力時には、主レーザロッド１
６の加熱度合が低い。そのため、この主レーザロッド１
６は凸レンズ作用をほとんど呈することがないから、補
正用レーザロッド１８の凹レンズ作用によってレーザ光
Ｌが集束させられてビーム品質が低下することになる。

【００２８】そのような場合、第２の電源２８から供給
され、補正用レーザロッド１８を光励起する第２の励起
光源２６への給電量を増大させ、この補正用レーザロッ
ド１８を光励起する励起光の強度を増大し、径方向にお
ける中心部分と外周部との温度差を大きくする。それに
よって、補正用レーザロッド１８の端面は図３に破線で
示すように熱変形し、凹面１８ａが平面状になり、その
凹レンズ作用が消失するから、部分反射ミラー１２から
発振出力されるレーザ光Ｌが集束されることが防がれて
ビーム品質が低下するのが防止される。

【００２９】すなわち、主レーザロッド１６の両端側に
端面が凹面１８ａに形成された補正用レーザロッド１８
を配置し、その凹面１８ａの形状を高出力時と低出力時
とで制御できるようにしたことで、上記主レーザロッド
１６の励起強度に応じて常にビーム品質の良好なレーザ
光Ｌを発振出力することができる。

【００３０】なお、第２の電源２８から第２の励起コウ
現２６へ給電し、補正用レーザロッド１８を光励起する
場合には、レーザ光Ｌは主レーザロッド１６と補正用レ
ーザロッド１８とから励起された光を含むことになる。

【００３１】光共振器１３の部分反射ミラー１２から出
力されるレーザ光Ｌは、そのビーム形状が検出器３２に
よって検出され、その検出信号が制御装置３３に入力さ
れる。そして、制御装置３３は検出器３２からの検出信
号に応じて第１の電源２７と第２の電源２６とが第１の
励起光源２５と第２の励起光源２６とに供給する電力を
制御する。

【００３２】したがって、主レーザロッド１６の凸レン
ズ作用や補正用レーザロッド１８の凹レンズ作用によっ
てレーザ光Ｌのビーム品質が低下し始めると、そのこと
が検出器３２によって検出され、その検出信号で上記補
正用レーザロッド１８の凹レンズ作用が制御されるか
ら、光共振器１３から発振出力されるレーザ光Ｌのビー
ム品質を自動的に良好な状態に維持することができる。

【００３３】しかも、上記検出器３２の検出信号に基く
補正用レーザロッド１８の凹レンズ作用の制御は連続的
に行なうことができるから、出力状態が高出力と低出力
との間の状態であっても、レーザ光Ｌのビーム品質を良
好に維持することができる。

【００３４】この発明は上記一実施の形態に限定され
ず、発明の要旨を逸脱しない範囲で変形可能である。た
とえば、上記一実施の形態では第１、第２の励起光源２
５，２６への給電量を制御するために、検出器３２によ
って光共振器１３から発振出力されるレーザ光のビーム
断面形状を検出してそのビーム品質を制御したが、光検
出器１３を用いずにビーム品質を制御することもでき
る。

【００３５】すなわち、第１の電源２７から第１の励起
光源２５へ給電される電力を制御装置３３によって積算
し、所定時間内における給電量に応じてレーザ光Ｌの出
力状態が高出力にあるのか、低出力にあるのかを上記制
御装置３３に予め設定された設定値と比較して判別す
る。

【００３６】そして、その判別結果に応じて第２の電源
２８への給電量を制御し、第２の励起光源２８から出力
される励起光の強度を変えることで、補正用レーザロッ
ド１８の凹レンズ作用を調整し、レーザ光Ｌのビーム品
質が良好となるように維持することができる。

【００３７】つまり、このような手段によれば、制御装
置３３に予め所定のプログラムを設定しておくことで、
第１の励起光源２５への給電量に応じて第２の励起光源
２６への給電量を制御することができる。

【００３８】また、上記一実施の形態では主レーザロッ
ドの両端側に補正用レーザロッドを配置したが、少なく
とも部分反射ミラー側の一方だけに上記補正用レーザロ
ッドを配置する構成であってもよい。

【００３９】さらに、固体レーザ媒質としてはＹＡＧ結
晶ロッド限られず、ルビーやＮｄガラスなどの他の固体
レーザ媒質であってもよく、要は使用状態において主レ
ーザロッドが凸レンズ作用を呈するものであれば、補正
用レーザロッドを用いることでこの発明を適用すること
ができる。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、第
１の固体レーザ媒質に生じる凸レンズ作用を第２の固体
レーザ媒質によって打ち消し、ビーム品質の良好なレー
ザ光を得ることができるばかりか、上記第１の固体レー
ザ媒質が凸レンズ作用を呈しないときには第２のレーザ
媒質の凹レンズ作用を防ぐことができるから、その場合
にもビーム品質の良好なレーザ光を得ることができ
る。、

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す固体レーザ装置
の概略的構成図。

【図２】同じく高出力時のレーザ光の発振状態の説明
図。

【図３】同じく低出力時のレーザ光の発振状態の説明
図。

【図４】（ａ）は従来の低出力時のレーザ光の発振状態
の説明図、（ｂ）は同じく高出力時のレーザ光の発振状
態の説明図。

【符号の説明】

１１…高反射ミラー １２…部分反射ミラー １３…光共振器 １６…主固体レーザロッド １８…補正用レーザロッド １８ａ…凹面 ２５…第１の励起光源 ２６…第２の励起光源 ２７…第１の電源 ２８…第２の電源 ３２…検出器 ３３…制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも第１の固体レーザ媒質を光励
   起してレーザ光を出力する固体レーザ装置において、 所定間隔で対向して配置された一対の反射ミラーを有
   し、これら反射ミラー間に上記第１の固体レーザ媒質が
   配設された光共振器と、 端面が凹面に形成され上記第１の固体レーザ媒質と上記
   反射ミラーとの間に配置された第２の固体レーザ媒質
   と、 上記第１の固体レーザ媒質を光励起する第１の励起光源
   と、 上記第２の固体レーザ媒質を光励起する第２の励起光源
   と、 上記第１の励起光源に給電する第１の電源と、 上記第２の励起光源に給電する第２の電源と、 上記第２の電源による上記第２の励起光源への給電を制
   御して上記光共振器から所定のビーム形状のレーザ光を
   出力させる制御手段とを具備したことを特徴とする固体
   レーザ装置。
2. 【請求項２】 上記制御手段は、上記光共振器から出力
   されたレーザ光のビーム断面形状を検出する検出手段
   と、 この検出手段からの検出信号によって上記第２の電源か
   ら上記第２の励起光源への給電量を制御する制御装置と
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ
   装置。
3. 【請求項３】 上記制御手段は、上記第１の電源から上
   記第１の励起光源への給電量に応じて上記第２の電源か
   ら上記第２の励起光源への給電量を制御する制御装置を
   具備することを特徴とする請求項１記載の固定レーザ装
   置。