JPH0637368A - レーザ装置およびビームエキスパンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】対向する光学研磨面を有するスラブ状固体レー
ザ媒質中をレーザ光が光学研磨面で全反射を繰り返しな
がらジグザグに進行するレーザ装置、およびレーザダイ
オードの発光で固体レーザ媒質を励起するレーザ装置と
して、小型で励起注入のためのレーザ媒質内ビームの広
がりが大きく、かつ収差の小さい装置の構成と、このた
めのビームエキスパンダの構成とを提供する。 【構成】レーザ光がジグザグに進行する装置では、共振
器内光路中に凸円筒レンズ３と、頂角が９０°の円錐反
射面を有する反射体９とを、反射面の中心軸が凸円筒レ
ンズ３の焦点と平行になるように配し、レーザダイオー
ドで励起する装置では、円錐反射面でビームを扇状に広
げてレーザ媒質内を通過させる。ビームエキスパンダは
凸円筒レンズ３と頂角が９０°の円錐反射面を有する反
射体９とで構成したものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ装置および
その光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザを代表とする固体レーザ
は、小型で使いやすい反面、熱レンズ効果等、レーザ媒
質内で発生する熱に起因する光学特性の不均一性が高ビ
ーム品質での発振を困難にしている。これを解決する方
法として、スラブ状の固体レーザ媒質を用いる方法が注
目されている。例えばNd：ＹＡＧスラブレーザでは、図
３に示すように、Nd：ＹＡＧスラブ１の対向する２面を
光学研磨し、レーザ光２は研磨面 (励起面) で全反射を
繰り返してジグザグに進む。これにより結晶の厚み方向
(ｙ方向) に発生する温度分布の影響が除去される。一
方側面 (非励起面)は断熱状態とすることにより、幅方
向 (ｘ方向) の温度分布が均一化される。したがってス
ラブレーザは従来のロッド型固体レーザに比べてはるか
に熱の影響を受けにくい。

【０００３】一般に、ビーム拡がりを小さくしようとす
ると、レーザの性能は結晶の光学特性変化の影響を受け
やすくなるため、熱の影響が大きい場合には、限られた
条件以外では目標の性能を維持することが困難になる。
しかしスラブレーザは熱の影響が小さいため、ビーム拡
がりを小さくするための共振器構成を採用することがで
きる。

【０００４】ビーム拡がりを小さくするためには、共振
器長と結晶幅の比を大きくすれば良い。しかしスラブレ
ーザでは結晶幅が大きいため、この方法でｘ方向のビー
ム拡がり角を小さくすることは困難である。そこで共振
器内にビームエキスパンダを挿入する方法が用いられ
る。図４の凸円筒レンズと凹円筒レンズとで構成される
ビームエキスパンダ５はｘ方向のビーム幅を変化させ
る。一種の望遠鏡であるビームエキスパンダをスラブ側
から覗くと全反射ミラーが遠くに見えることを考えれば
分かるように、ビームエキスパンダは共振器長を長くし
たのと同等の効果をもたらす。よってこの方法によりｘ
方向のビーム拡がりを小さくすることが可能になる。同
様の方法は図５のようなプリズム８を用いても可能であ
る。

【０００５】固体レーザの熱の問題を解決する方法とし
て注目されている技術として、励起源にＬＤ (レーザダ
イオード) を用いる方法がある。従来から固体レーザ励
起用に用いられる放電管の発光スペクトルは紫外から赤
外領域まで広く分布しているが、ＬＤは線スペクトルを
有し、その波長をレーザ媒質の励起に都合のよい値に調
節することができる。そのためＬＤ励起固体レーザは効
率が高く、熱に起因する問題も少ない。

【０００６】ＬＤを励起源として用いた場合のもう一つ
の特徴は、励起光を小さなスポットに集光できるため、
最も直径の小さい基本モードビームの中に励起光を注入
することにより、基本モード発振が可能となり、きわめ
て拡がりの小さいレーザ光を発振することができる。し
かしながら、ＬＤも出力の大きなものになると発光点が
大きくなり、特に多数の発光点を線状に並べたアレイ構
造のものとなると、励起光を微小スポットに集光するの
が困難になる。そこで共振器内レーザビームを偏平ビー
ムに拡大し、拡大された部分に励起光を注入する方法が
知られている。具体的には上記のスラブレーザと同様、
円筒レンズを用いる方法も可能であるが、放物面での反
射を用いる方法も公知である (特願平２−41968 号参
照) 。

【０００７】上記の２つの技術では、レーザビームを一
方向にのみ拡大, あるいは縮小する光学素子が重要な役
割を果たしている。この種のビームエキスパンダは、こ
のほかレーザを溶接に利用するためにレーザ光を線状に
集光する場合等にも重要な役割を果たす。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ビームエキスパンダを
スラブレーザに用いる場合、その拡大率Ｍが大きい程ビ
ーム拡がりを小さくすることができる。ｆ_P を凸レンズ
の焦点距離、ｆ_N を凹レンズの焦点距離とするとＭ＝ｆ
_P ／ｆ_N と表せるから、Ｍを大きくするためには、ｆ_P
を大きくするかｆ_N を小さくすればよい。ところが、ｆ
_P を大きくすると、凸レンズと凹レンズとの間隔を大き
くする必要があり装置が大型化する。一方、ｆ_N を小さ
くするとレンズの収差が大きくなるという問題を生じ
る。プリズムを用いる場合も、１つのプリズムの拡大率
は小さいため、Ｍを大きくしようとすると多数のプリズ
ムが必要になり、大型の装置が必要になる。

【０００９】これらの問題はＬＤ励起固体レーザの場合
も同様である。この場合、基本モードのビーム径は２０
０μｍ程度であるから、これをＬＤアレイの幅 (約10m
m) まで広げるためには、Ｍ＝５０とする必要があり、
通常のレンズペアでこれを実現するのは難しい。上記の
放物面反射面を用いる方法はＭを大きくするためには都
合が良いが、放物面加工を光学的に十分な面粗さで加工
するのは実際には難しい。

【００１０】上記の課題はビームエキスパンダを他の目
的に用いる場合も同様で、Ｍを大きく取ろうとするとレ
ンズ間距離が大きくなり、装置が大型になる。第１発明
の目的は、スラブ型固体レーザ装置において、小型でＭ
が大きく、かつ収差の小さいビームエキスパンダを提供
し、ビーム拡がり角の小さいレーザ光の発振を可能にす
ることにある。

【００１１】第２発明の目的は、ＬＤ励起固体レーザ装
置において、小型でＭが大きく、かつ収差の小さいビー
ムエキスパンダを提供し、ビーム拡がり角の小さいレー
ザ光の発振を可能にすることにある。第３の発明の目的
は、レーザ加工等に広く応用できる, 小型でＭが大き
く、且つ収差の小さいビームエキスパンダを提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１発明の目的は、対向
する光学研磨面を有するスラブ状の固体レーザ媒質中
を、レーザ光が前記光学研磨面で全反射を繰り返しなが
らジグザグに通過するようにしたスラブレーザにおい
て、共振器内光路中に、レーザ光をスラブの幅方向にの
み集光するための凸円筒レンズ, あるいはそれと同等の
機能を有する光学素子を備えるとともに、頂角が９０°
の円錐反射面をその中心軸が前記光学素子の焦線と平行
となるように共振器内光路中に配置することにより達成
される。

【００１３】第２の発明の目的は、ＬＤが発光する光で
レーザ共振器内の固体レーザ媒質を励起してレーザ光を
発振させるレーザ装置において、頂角が９０°でその中
心軸が光学軸と平行となるような円錐反射面を共振器内
に配設し、共振器内レーザ光を前記円錐反射面で前記中
心軸と９０°の方向に扇状に反射せしめ、この偏平レー
ザビームが前記固体レーザ媒質内を通過するようにし
て、この固体レーザ媒質内において、前記偏平レーザビ
ーム内に前記励起光を注入することにより達成される。

【００１４】第３の発明の目的は、凸円筒レンズ, ある
いはそれと同等の機能を有する光学素子と、頂角９０°
の円錐反射面とを有し、前記円錐反射面の中心軸が前記
光学素子の焦線と平行となるように両者を配置すること
により達成される。

【００１５】

【作用】本発明の作用を図６により説明する。今、図に
示すような頂角９０°の円錐状くぼみを有するレンズ
(凹アクシコン) ９の円錐反射面に対し、この円錐の中
心軸Ｃと平行に進んできたレーザ光２がこの面で反射さ
れる場合を考える。反射の様子を中心軸Ｃに対して垂直
方向Ｂからながめると、光は９０°方向に反射するかの
如く見える。これに対し中心軸Ｃと平行方向Ａからなが
めると、光は円弧状にひろがるように見える。すなわち
円錐面は凹円柱レンズと同等の機能を果たしていること
がわかる。光は厳密に円錐中心軸Ｃを曲率中心とする円
弧として広がるから収差は生じない。さらに入射光を円
錐頂点付近に入射することにより、光を大きく広げるこ
とができるため、この原理を用いることにより、小型で
拡大率Ｍの大きいビームエキスパンダを製作することが
できる。

【００１６】もちろん図７に示すような凸アクシコン１
０を用いても同様の効果が得られる。

【００１７】

【実施例】以下実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。図１は第１発明の実施例である。図中１はＹＡＧス
ラブ, ９は凹アクシコン, ７は全反射ミラー, ３は凸円
筒レンズ, ６は出力ミラーである。この実施例では、図
示してない励起ランプからの光でＹＡＧスラブが励起さ
れてレーザが発振する。ＹＡＧスラブの中ではレーザ光
の幅はスラブの幅にほぼ等しい。スラブ内で光はジグザ
グ光路を進むが、この図ではその様子は示していない。
ＹＡＧスラブから出力側へでた光は凸円筒レンズ３で集
光され、凹アクシコン９で平行光にコリメートされた
後、出力ミラー６から出力される。この実施例で、凸円
筒レンズ３と凹アクシコン９で構成されるビームエキス
パンダは、高次モードの除去と出力レーザビーム径を小
さくする２つの役割を果たしている。

【００１８】図２は第２発明の実施例である。図中、図
１と同一番号は同一名称を表している。この実施例で
は、レーザ光は凹アクシコン９で一方向にのみ広げられ
た後ＹＡＧスラブに入射し、全反射面１２で反射した
後、凹円筒ミラー１１で反射される。励起光１３はこの
図に示してないＬＤアレイで発せられ、図に示したごと
く、ＹＡＧスラブ内の全反射面から、線状に見えるレー
ザ光部分に入射される。低次のモードほどこの線状部分
の幅が狭くなるため、励起光を基本モードの幅以下の線
幅に集光して注入することにより、基本モード発振が可
能となる。図１、図２は、第３発明の実施例でもある。
いずれも、ビームエキスパンダの構成要素としてスラブ
状レーザ媒質, ここではNd：ＹＡＧスラブ１の出力ミラ
ー６側に頂角が９０°の円錐反射面をもつ反射体 (凹ア
クシコン９) を備えている。特に図１の実施例では、凹
アクシコン９に加え凸円筒レンズ３を備え、レーザ光を
線状に集光して溶接に応用するなど、広い分野での応用
を可能にしている。

【００１９】

【発明の効果】第１発明によれば、小型でビーム拡がり
の小さなスラブ固体レーザ装置を提供することができ
る。第２発明によれば、小型でビーム拡がりの小さなＬ
Ｄ励起固体レーザ装置を提供することができる。第３発
明によれば、小型で拡大率の大きなビームエキスパンダ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明の実施例を示すレーザ装置構成図

【図２】第２発明の実施例を示すレーザ装置構成図

【図３】スラブ状固体レーザ媒質の構造原理図

【図４】従来の第１の例によるビームエキスパンダ内蔵
のスラブ型レーザ装置の構成図

【図５】従来の第２の例によるビームエキスパンダ内蔵
のスラブ型レーザ装置の構成図

【図６】レーザビームの円錐面での反射状態の説明図

【図７】レーザビームの円錐面での反射状態の説明図

【符号の説明】

１ Ｎｄ：ＹＡＧスラブ ３ 凸円筒レンズ ９ 凹アクシコン １１ 凹円筒ミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する光学研磨面を有するスラブ状の固
   体レーザ媒質中を、レーザ光が前記光学研磨面で全反射
   を繰り返しながらジグザグに通過するようにしたレーザ
   装置において、共振器内光路中に、レーザ光をスラブの
   幅方向にのみ集光するための凸円筒レンズ, あるいはそ
   れと同等の機能を有する光学素子を備えるとともに、頂
   角が９０°の円錐反射面をその中心軸が前記光学素子の
   焦線と平行となるように共振器内光路中に配置したこと
   を特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】レーザダイオードが発光する光でレーザ共
   振器内の固体レーザ媒質を励起してレーザ光を発振させ
   るレーザ装置において、頂角が９０°でその中心軸が光
   学軸と平行となるような円錐反射面を共振器内に配設
   し、共振器内レーザ光を前記円錐反射面で前記中心軸と
   ９０°の方向に扇状に反射せしめ、この偏平レーザビー
   ムが前記固体レーザ媒質内を通過するようにして、この
   固体レーザ媒質内において、前記偏平レーザビーム内に
   前記励起光を注入することを特徴とするレーザ装置。
3. 【請求項３】凸円筒レンズ, あるいはそれと同等の機能
   を有する光学素子と、頂角が９０°の円錐反射面とを有
   し、前記円錐反射面の中心軸が前記光学素子の焦線と平
   行となるように両者を配置したことを特徴とするビーム
   エキスパンダ。