JP5007799B2 - 3D disk laser - Google Patents
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Description
本発明は、固体レーザに係り、更に詳しくはビーム品質が高くかつ高出力化が可能なディスクレーザに関する。 The present invention relates to a solid-state laser, and more particularly to a disk laser with high beam quality and high output.
レーザ光を発振するレーザ装置として、ガスレーザ、固体レーザ、半導体レーザ、等が知られている。このうち固体レーザで最も一般的なのがNd:YAGレーザであり、これにはランプ励起とLD(半導体レーザ)励起の2種がある。
ランプ励起YAGレーザは、励起光源に波長範囲の広い放電ランプを用いるため発振効率が低い(約2〜4%)。また、高出力になるとYAGロッドが熱によりひずみ、集光性が悪くなる(ビーム品質の低下)欠点がある。
Gas lasers, solid-state lasers, semiconductor lasers, and the like are known as laser devices that oscillate laser light. Of these, the most common solid-state laser is an Nd: YAG laser, which includes lamp excitation and LD (semiconductor laser) excitation.
Since the lamp-pumped YAG laser uses a discharge lamp having a wide wavelength range as a pumping light source, the oscillation efficiency is low (about 2 to 4%). Further, when the output is high, the YAG rod is distorted by heat and the light condensing property is deteriorated (deterioration of beam quality).
これに対してLD励起YAGレーザは、励起に単一波長の半導体レーザを使っているため、発振効率は大幅に上昇する(約10〜20%)。しかし、ロッドタイプのLD励起YAGレーザでは、熱ひずみは完全には抑制することができない。 On the other hand, since the LD-pumped YAG laser uses a single wavelength semiconductor laser for pumping, the oscillation efficiency is greatly increased (about 10 to 20%). However, in a rod type LD pumped YAG laser, thermal strain cannot be completely suppressed.
ディスクレーザは、ロッドタイプのLD励起YAGレーザの欠点であるビーム品質の低下を改善したものであり、レーザ媒質を薄いディスク状にし、この裏面を強制冷却することにより熱ひずみを取り除いたものである。 The disk laser is an improvement of the beam quality degradation, which is a drawback of the rod-type LD-pumped YAG laser. The laser medium is made into a thin disk, and the back surface is forcibly cooled to remove thermal strain. .
上述したディスクレーザは、例えば特許文献1〜4に既に開示されている。
The disk laser described above has already been disclosed in, for example,
特許文献1の「LASER AMPLIFYING SYSTEM(レーザ増幅システム)」の図9において、51はレーザ媒質、52は冷却面、53は反射層であり、反射層53と冷却体54により冷却エレメント55を構成する。反射層53の反対側の表面56は、レーザ放射領域57に対向している。レーザ放射領域57は反射層53と出力ミラー58との間に形成され全体としてレーザ発振器59を構成する。レーザ媒質51の側面60には励起光源64から励起光62が入射し、レーザ媒質51を励起するようになっている。
この構成により、レーザ媒質51の熱を冷却面52を介して冷却エレメント55に伝達できるので、レーザ出力を高出力化することができる。また、レーザ媒質51内の温度勾配がどの位置でも同一になるので、熱ひずみを完全に抑制しビーム品質の低下を抑制することができる。
In FIG. 9 of “LASER AMPLIFYING SYSTEM (Laser Amplifying System)” of
With this configuration, the heat of the
特許文献2の「レーザ発振器」は、従来に比較して煩雑な光軸調整を不要にすることができ、またレーザ発振器を安価にすることを目的とし、図10に示すように、レーザ発振器71が、互いに向き合わせて配置されて、レーザ光L1をジグザグに反射する第1固体レーザ媒質74と第2固体レーザ媒質75と、レーザ光に対して対向する反射ミラー77と出力ミラー78とを備えている。第1個体レーザ媒質74は第1基板72に間隔を開けて複数設けられ、また第2固体レーザ媒質75は第2基板73に間隔を開けて複数設けられており、この第1固体レーザ媒質との間および第2固体レーザ媒質との間にそれぞれに共振器空間に励起用レーザ光L2を導入する導入口76を設けているものである。
The “laser oscillator” of
特許文献3の「固体レーザ」は、単一のポンプ光源により複数個の結晶板を光学的に励起することができ、共振器の構成を簡単化し、固体レーザの保守性を高めることを目的とし、図11に示すように、共振器88内に配置され、かつ互いに光学的に結合されており、さらにレーザ光線Lに対する共通の光路を形成する多数の結晶板82、82a〜82dから成るレーザ光線Lを発生するための能動媒質と、その光軸が多くの光学的に相前後して配置された結晶板の平らな面81、83と交わるポンプ光線Pを発生するためのポンプ光源80とを備えたものである。なおこの図で84は終端鏡、86は出力鏡である。
The “solid-state laser” disclosed in
特許文献4の「ダイオードポンプ固体ディスクレーザおよび均一なレーザ利得を生成する方法」は、固体レーザを横切るポンプ放射の分布を改善した固体レーザを生成することを目的とし、図12に示すように、固体レーザ用の増幅モジュール90が2つのほぼ平行な表面92,94と周縁部95とを備え、光利得材料96を含んでいるディスク91と、ディスク91の周囲に配置され、光利得材料96に光ポンプ放射を与えるように構成された複数のダイオードバー98とを備え、それらのダイオードバー98はそれぞれ光利得材料96を横切って実質上均一な利得を生成するように空間的にディスク91と整列して配置されているものである。
The “diode-pumped solid-state disk laser and method of generating uniform laser gain” of Patent Document 4 aims to produce a solid-state laser with improved distribution of pump radiation across the solid-state laser, as shown in FIG. An amplifying
特許文献1に開示されているようにディスクレーザは、レーザ出力を高出力化した場合でも、レーザ媒質内の温度勾配を均一化でき、熱ひずみを高度に抑制して高いビーム品質を得ることができる特徴がある。
しかし、単一のディスクレーザにおけるレーザ媒質の大きさは直径10〜30mm、厚さ0.1〜0.3mm程度であり、特許文献1及び4のように側面から励起光を入射する場合の出力は最大でも約500W程度に制限される。
As disclosed in
However, the size of the laser medium in a single disk laser is about 10 to 30 mm in diameter and about 0.1 to 0.3 mm in thickness, and the output when the excitation light is incident from the side as in
また特許文献1、2及び3は、レーザ出力をさらに高めるために、複数のディスクレーザを同一平面上に配置し、これらのディスクレーザでレーザ光を順次増幅しながら反射する構成を開示している。
しかし、この場合、レーザ出力の増大にほぼ比例して終端鏡から出力鏡までの距離が増大するため、全体として装置が大型化する問題点がある。
Further,
However, in this case, since the distance from the terminal mirror to the output mirror increases almost in proportion to the increase in laser output, there is a problem that the apparatus becomes large as a whole.
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、単一のディスクレーザに比較して数倍以上の高出力化が可能であり、ビーム品質が高く、かつ終端鏡及び出力鏡を含むレーザ発振器全体を大幅に小型化できる3次元ディスクレーザを提供することにある。 The present invention has been developed to solve the above-described problems. In other words, the object of the present invention is that it is possible to increase the output several times or more compared with a single disk laser, the beam quality is high, and the entire laser oscillator including the terminal mirror and the output mirror is greatly reduced in size. An object of the present invention is to provide a three-dimensional disk laser that can be used.
本発明によれば、所定のレーザ光を全反射する終端鏡と、前記レーザ光の大部分を反射しその一部を透過させる出力鏡と、前記終端鏡から出力鏡までの光路間に3次元的に配置され前記レーザ光を終端鏡から出力鏡まで所定の順序で全反射する4以上の増幅モジュールとを備え、
さらに、前記終端鏡を通してレーザ光と同一の光路に励起光を入射する外部励起装置と、
前記終端鏡、出力鏡、及び増幅モジュールが外面に取り付けられ、内部が中空であり、レーザ光の通過する開口を有する立体支持部材とを備える、ことを特徴とする3次元ディスクレーザが提供される。
According to the present invention, a terminal mirror that totally reflects a predetermined laser beam, an output mirror that reflects most of the laser beam and transmits part of the laser beam, and a three-dimensional space between the optical path from the terminal mirror to the output mirror. And four or more amplification modules that totally reflect the laser light in a predetermined order from the terminal mirror to the output mirror ,
Furthermore, an external excitation device that makes excitation light incident on the same optical path as the laser light through the terminal mirror,
There is provided a three-dimensional disk laser characterized in that the terminal mirror, the output mirror, and the amplification module are attached to the outer surface, the interior mirror is hollow, and a three-dimensional support member having an opening through which laser light passes is provided. .
前記各増幅モジュールは、片面に反射層が形成された平板状のレーザ媒質と、前記反射層に密着してレーザ媒質を冷却する冷却体と、前記レーザ媒質に励起光を入射して励起する内部励起装置とからなる。 Each of the amplification modules includes a flat plate-shaped laser medium having a reflective layer formed on one side thereof, a cooling body that is in close contact with the reflective layer and cools the laser medium, and an interior that pumps the laser light by being incident on the laser medium. It consists of an excitation device.
前記立体支持部材は、中空球体又は中空多面体である。 The three-dimensional support member is a hollow sphere or a hollow polyhedron.
前記立体支持部材は、中空6面体であり、各面に少なくとも1つの終端鏡、出力鏡、又は増幅モジュールが取り付けられる、ことが好ましい。 Preferably, the three-dimensional support member is a hollow hexahedron, and at least one terminal mirror, output mirror, or amplification module is attached to each surface.
上記本発明の構成によれば、終端鏡、出力鏡、および4以上の増幅モジュールを備え、所定のレーザ光を終端鏡から出力鏡まで所定の順序で反射するので、4以上の増幅モジュールにおける反射の際にレーザ光を励起することができ、終端鏡と出力鏡の間でレーザ発振器を構成でき、かつそのレーザ出力を単一のディスクレーザに比較して各増幅モジュールの出力の総和として4倍以上の高出力化が可能である。 According to the configuration of the present invention, the terminal mirror, the output mirror, and four or more amplification modules are provided, and the predetermined laser light is reflected in a predetermined order from the terminal mirror to the output mirror. The laser beam can be excited at the time, a laser oscillator can be configured between the terminal mirror and the output mirror, and the laser output is 4 times the sum of the outputs of each amplification module compared to a single disk laser. The above high output is possible.
また、各増幅モジュールは、レーザ媒質内の温度勾配を均一化でき、熱ひずみを高度に抑制して高いビーム品質を得ることができるので、4倍以上の高出力化の場合でもビーム品質を高く維持することができる。 In addition, each amplification module can make the temperature gradient in the laser medium uniform, and can suppress the thermal distortion to obtain high beam quality, so that the beam quality can be improved even when the output is four times higher. Can be maintained.
また、4以上の増幅モジュールは、終端鏡から出力鏡までの光路間に3次元的に配置されレーザ光を終端鏡から出力鏡まで所定の順序で全反射するので、終端鏡から出力鏡までのレーザ光の光路を増幅モジュールと終端鏡及び出力鏡で囲まれる空間に集中して重ねることができ、終端鏡及び出力鏡を含むレーザ発振器全体を大幅に小型化できる。 Further, the four or more amplification modules are three-dimensionally arranged between the optical paths from the terminal mirror to the output mirror, and totally reflect the laser light in a predetermined order from the terminal mirror to the output mirror. The optical path of the laser light can be concentrated and overlapped in the space surrounded by the amplification module, the terminal mirror and the output mirror, and the entire laser oscillator including the terminal mirror and the output mirror can be greatly reduced in size.
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明による3次元ディスクレーザの実施形態を示す全体斜視図である。
この図において、本発明の3次元ディスクレーザは、終端鏡12(図5参照)、出力鏡14、4以上(この例では22台)の増幅モジュール20、および立体支持部材30を備える。
FIG. 1 is an overall perspective view showing an embodiment of a three-dimensional disk laser according to the present invention.
In this figure, the three-dimensional disk laser of the present invention includes a terminal mirror 12 (see FIG. 5), an
図2は、図1の3次元ディスクレーザを構成する増幅モジュール20の構成図であり、(A)は正面図、(B)は半断面図である。
各増幅モジュール20は、レーザ媒質22、冷却体24、内部励起装置26からなる。
2A and 2B are configuration diagrams of the
Each
レーザ媒質22は、平板状の部材であり、表面と裏面がほぼ平行に形成されている。レーザ媒質22の形状は、この例では円板状であるが、楕円形、多角形であってもよい。レーザ媒質22の裏面(この図で下面)に反射層23が形成されている。レーザ媒質22は、例えばNd3+をドープしたYAG結晶であるが、その他の周知のレーザ媒質であってもよい。
レーザ媒質22は、活性イオンがドープされていない光学媒体25で囲まれている。レーザ媒質22と光学媒体25の接合は、嵌め合いでもよいし、光学的損失がない充填材を用いてもよい。レーザ媒質22の外周形状は、この例では六角柱であるが、円柱でもその他の形状でもよい。
The
The
冷却体24は、レーザ媒質22の反射層23に密着してレーザ媒質を冷却する。冷却体24は図示しない冷却装置により、レーザ媒質22の全体をほぼ一定の温度に保持するように冷却されている。
The cooling
内部励起装置26は、この例では六角柱の光学媒体25の各面にそれぞれ設けられた6台の高出力CW半導体レーザであり、光学媒体25を介してレーザ媒質22に励起光を入射してレーザ媒質22を励起するようになっている。
上述した構成により、内部励起装置26でレーザ媒質22を励起し、この状態でレーザ媒質22の表面から入射した所定のレーザ光を裏面の反射層23で反射すると共に、レーザ媒質22内でレーザ光を増幅することができる。
In this example, the
With the configuration described above, the
図3は、図1の3次元ディスクレーザを構成する立体支持部材30の模式図である。
この例において、立体支持部材30は、中空6面体であり、A,B,C,D,E,Fの6面を有する。X,Y,Z軸を有する3次元空間において、この例ではA面とC面はY軸に直交する対向面、B面とD面はX軸に直交する対向面、E面とF面はZ軸に直交する対向面である。
FIG. 3 is a schematic diagram of the three-
In this example, the three-
図4は、図3の立体支持部材30の平面展開図である。この例において、A,B,C,D,E,Fの6面は、それぞれ4つずつ(計24個)のレーザ光の通過する開口H01〜H24を有する。
FIG. 4 is a plan development view of the three-
図5は、図1の3次元ディスクレーザの反射経路の説明図である。
図4の開口H23の外面には、レーザ光を全反射する終端鏡12が取り付けられる。終端鏡12は、レーザ光に直交し、入射したレーザ光を同一の光路に向けて全反射するように、立体支持部材30の図示しない取り付け座に取り付けられる。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the reflection path of the three-dimensional disk laser of FIG.
A
図1において、この終端鏡12を通してレーザ光1と同一の光路に、全反射ミラー34を介して励起光を入射する外部励起装置32を備える。終端鏡12は、所定のレーザ光1に対し高反射性を有し、励起光2に対して透過性を有する。なお、後述するように、外部励起装置32は必須ではなく、これを省略し、終端鏡12を全反射鏡又は増幅モジュール20に置き換えることができる。
In FIG. 1, an
図4の開口H01の外面には、レーザ光1の大部分を反射しその一部を透過させる出力鏡14が取り付けられる。出力鏡14は、レーザ光1に直交し、入射したレーザ光を同一の光路に向けて反射するように、図示しない取り付け座に取り付けられる。出力鏡14は、レーザ光1に対して部分透過性である。
An
この例において22台の増幅モジュール20は、開口H01〜H24のうち、開口H01と開口H23を除くすべての開口の外面にそれぞれ1つずつ取り付けられる。以下、各開口に取り付けられた増幅モジュール20を取り付け面と開口番号の組み合わせで、例えばA02,A03,・・・F22,F24と呼ぶ。
In this example, 22
図5において、22台の増幅モジュール20は、終端鏡12から出力鏡14までの光路間に3次元的に配置され、レーザ光1を終端鏡12から出力鏡14まで所定の順序で全反射するようになっている。各増幅モジュール20は、入射したレーザ光1を所定の順序で次の増幅モジュール20に向けて反射するように、図示しない取り付け座に取り付けられる。
In FIG. 5, the 22
図6は、図5の反射経路の模式図である。終端鏡12から出力鏡14までの所定の順序は、E17,F21,E19,F22,E20,F24,E18,D15,B08,D13,B06,D14,B05,D16,B07,C12,A03,C11,A04,C09,A02,C10の順である。
この構成により、レーザ光1が終端鏡12から出力鏡14まで達する間に22台の増幅モジュール20で反射され、その反射毎に増幅される。また出力鏡14で反射されたレーザ光1は逆の順序で終端鏡12まで達する間に同様に22台の増幅モジュール20で反射され、その反射毎に増幅される。
出力鏡14は、レーザ光1に対して部分透過性であるため、増幅されたレーザ光1の一部が外部に出力レーザ光3として出力される。
FIG. 6 is a schematic diagram of the reflection path of FIG. The predetermined order from the
With this configuration, the
Since the
従って、上述した実施形態では、所定のレーザ光1を終端鏡12から出力鏡14まで所定の順序で反射するので、22台の増幅モジュール20における反射の際にレーザ光1を励起することができ、終端鏡と出力鏡の間でレーザ発振器を構成でき、かつそのレーザ出力を単一のディスクレーザに比較して各増幅モジュールの出力の総和として22倍の高出力化が可能である。
例えば、単一のディスクレーザの出力限界が500Wである場合でも、本発明の実施形態によればその22倍の10KWの高出力化が可能となる。
Therefore, in the above-described embodiment, since the
For example, even when the output limit of a single disk laser is 500 W, according to the embodiment of the present invention, a high output of 10 KW, which is 22 times that, can be achieved.
また、各増幅モジュール20は、レーザ媒質内の温度勾配を均一化でき、熱ひずみを高度に抑制して高いビーム品質を得ることができるので、22倍以上の高出力化の場合でもビーム品質を高く維持することができる。
In addition, each
また、22台の増幅モジュール20は、終端鏡12から出力鏡14までの光路間に3次元的に配置されレーザ光1を終端鏡12から出力鏡14まで所定の順序で全反射するので、終端鏡12から出力鏡14までのレーザ光1の光路を各増幅モジュール20と終端鏡12及び出力鏡14で囲まれる空間に集中して重ねることができ、終端鏡及び出力鏡を含むレーザ発振器全体を大幅に小型化できる。
例えば、一辺30cmの中空正6面体(立方体)で立体支持部材30を構成し、22台の増幅モジュール20をその外面に取り付けることにより、終端鏡及び出力鏡を含むレーザ発振器全体を大幅に小型化できる。
Further, the 22
For example, a solid regular hexahedron (cube) with a side of 30 cm constitutes the three-
また、上述したように立体支持部材30が中空6面体である場合に、各面を構成する支持板と、増幅モジュール20及び図示しない取り付け座を一体の面モジュールとして構成し、面モジュールを組み立てて3次元ディスクレーザを構成するようにしてもよい。
このように構成することにより、各面モジュールの加工性を向上させることができる。
また、立体支持部材30を省略し、増幅モジュール20を互いに連結して3次元ディスクレーザを構成するようにしてもよい。
Further, when the three-
By comprising in this way, the workability of each surface module can be improved.
The three-
増幅モジュール20は、上述した実施形態では22台であるが、4以上の増幅モジュールを3次元的に配置すればよい。
例えば上述した実施形態では、中空6面体のA,B,C,D,E,Fの6面に4つずつ(計24個)のレーザ光の通過する開口を設けたが、本発明はこれに限定されず、各面に少なくとも1つの終端鏡、出力鏡、又は増幅モジュールが取り付けられればよい。
There are 22
For example, in the above-described embodiment, four (a total of 24) openings through which laser light passes are provided on six surfaces A, B, C, D, E, and F of the hollow hexahedron. It is not limited to this, and at least one terminal mirror, output mirror, or amplification module may be attached to each surface.
図7は、中空6面体の各面に1つの終端鏡12、出力鏡14、又は増幅モジュール20が取り付けられた例を示している。
この例では、終端鏡12はF面、出力鏡14はA面に取り付けられ、終端鏡12から出力鏡14までの所定の順序は、E面、B面、D面、C面の順である。
この構成により、レーザ光1が終端鏡12から出力鏡14まで達する間に4台の増幅モジュール20で反射され、その反射毎に増幅される。また出力鏡14で反射されたレーザ光1は逆の順序で終端鏡12まで達する間に同様に4台の増幅モジュール20で反射され、その反射毎に増幅される。
従って増幅モジュールが4台であり、単一のディスクレーザの出力限界が500Wである場合でも、本発明によればその4倍の2KWの高出力化が可能となる。
FIG. 7 shows an example in which one
In this example, the
With this configuration, the
Therefore, even when the number of amplification modules is four and the output limit of a single disk laser is 500 W, according to the present invention, a high output of 2 KW, which is four times that, can be achieved.
上述した立体支持部材30は、中空6面体に限定されず、中空球体又は中空多面体であってもよい。
図8は、立体支持部材30が中空球体の場合の反射経路の説明図である。なおこの例では、平面上の円形の外周に上述した終端鏡12から出力鏡14までの光路を模式的に示しているが、実際には球面上にほぼ均等に配置するのがよい。
増幅モジュール20の反射順序は、レーザ媒質22における入射角と反射角が表面における反射が十分小さいように1°以上、45°未満にするのがよい。またレーザ媒質22での反射を低減するようにレーザ媒質22の表面側に反射防止膜を設けてもよい。
The three-
FIG. 8 is an explanatory diagram of a reflection path when the three-
The reflection order of the
上述した外部励起装置32は必須ではなく、これを省略することができる。この場合、終端鏡F23は、励起光に対する透過性は不要である。
また、この場合、終端鏡F23を追加の増幅モジュール20に置き換え、さらに増幅するように構成してもよい。
The
In this case, the terminal mirror F23 may be replaced with an
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, a various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention.
12 終端鏡、14 出力鏡、
20 増幅モジュール、22 レーザ媒質、
23 反射層、24 冷却体、25 光学媒体、
26 内部励起装置(高出力CW半導体レーザ)、
30 立体支持部材(中空6面体)、32 外部励起装置
12 terminal mirror, 14 output mirror,
20 amplification module, 22 laser medium,
23 reflective layer, 24 cooling body, 25 optical medium,
26 Internal excitation device (high power CW semiconductor laser),
30 solid support member (hollow hexahedron), 32 external excitation device
Claims (4)
さらに、前記終端鏡を通してレーザ光と同一の光路に励起光を入射する外部励起装置と、
前記終端鏡、出力鏡、及び増幅モジュールが外面に取り付けられ、内部が中空であり、レーザ光の通過する開口を有する立体支持部材とを備える、ことを特徴とする3次元ディスクレーザ。 The laser is disposed in a three-dimensional manner between an end mirror that totally reflects a predetermined laser beam, an output mirror that reflects most of the laser beam and transmits a part thereof, and an optical path from the end mirror to the output mirror. And four or more amplification modules that totally reflect light in a predetermined order from the terminal mirror to the output mirror ,
Furthermore, an external excitation device that makes excitation light incident on the same optical path as the laser light through the terminal mirror,
A three-dimensional disk laser comprising: a three- dimensional support member, wherein the terminal mirror, the output mirror, and the amplification module are attached to an outer surface, the interior is hollow, and the solid support member has an opening through which laser light passes .
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