JP2000091670A

JP2000091670A - 固体レーザ発生装置

Info

Publication number: JP2000091670A
Application number: JP10253116A
Authority: JP
Inventors: Takuya Togawa; 拓哉戸川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ光メインビームと不要な光である迷光
とを分離して、アパーチャの焼き付き、熱衝撃による破
損を防止することができる固体レーザ発生装置を提供す
る。【解決手段】レーザ光１１を透過させる孔を設けた透
明材料からなるアパーチャ１を有し、このアパーチャ１
はレーザ光１１の照射方向の後面にレーザ波長に対する
臨界角以上で傾斜した全反射面２を有し、前面に無反射
コーティングされた面３を有する。アパーチャ１は冷却
されたホルダ４により保持され、また、アパーチャ１の
レーザ照射方向の前方に冷却されたヒートシンク６ａ及
び後方に冷却されたヒートシンク６ｂが設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＹＡＧレーザ等の大
出力の固体レーザ発生装置に関し、特に、非吸収型アパ
ーチャ方式の固体レーザ発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、平均出力が数ｋＷ級の大出力固体
レーザ発生装置においては、一般的に１個のレーザ結晶
から取り出すことができるパワーが結晶の破壊入力限界
により制限されていること及び入力の増加によりレーザ
光のビーム品質が悪化することから、レーザ結晶を含む
集光器を複数個直列に配置して、集光器の性能で決まる
ビーム品質を保持しながら大出力化するカスケード接続
型が採用されている。このカスケード接続型には、複数
個の集光器を含んだ発振器のみで構成する方式と更に出
力を上げるために増幅器を複数個追加する方式（一般に
ＭＯＰＡ方式といわれる）等がある。

【０００３】図５は従来のＭＯＰＡ方式の固体レーザ発
生装置を示す模式図である。図５に示すように、従来の
ＭＯＰＡ方式の固体レーザ発生装置は、レーザ光を発振
する２個の発振ロッド１４３と、そのレーザ光を増幅す
る２個の増幅器ロッド１４４と、レーザ光１４２に含ま
れる不要な光である迷光をレーザ光１４２から分離する
３個のアパーチャ１４１と、レーザ光１４２を加工面１
４６へ伝搬する光ファイバー１４５とから構成されてい
る。

【０００４】このように構成された従来の固体レーザ発
生装置においては、発振ロッド１４３から発振されたレ
ーザ光１４２は増幅ロッド１４４により増幅され、適所
に設置されたアパーチャ１４１により迷光が分離され
て、更にレンズ等により集光された後、光ファイバー１
４５を介して加工面１４６に伝搬される。

【０００５】また、最近、ＹＡＧレーザを主流とした固
体レーザ発生装置は、複数個のレーザ結晶を多段接続す
ることにより平均出力の大出力化が行われ、出力が数ｋ
Ｗの固体レーザ発生装置が開発されている。このような
数ｋＷ級のレーザ発生装置では大出力を維持しながら高
いビーム品質のレーザ光を発生できるかが課題となって
おり、そのため集光器自体の性能及び共振器の構成の改
善が図られている。そして、更に一度のビーム品質の向
上を図り、また、ビームを整形するための一般的な技術
として、ビームの拡がりにより周辺部分に現れる高次の
空間モード光を分離し、低次の空間モード光のみを通過
させる開口部を有するアパーチャを設置する方法があ
る。

【０００６】また、出力が２乃至３ｋＷを超える大出力
レーザ発生装置では、発振器に増幅器を追加したＭＯＰ
Ａ構成を用いることがあるが、高い利得をもつ増幅器を
多段接続した場合に、増幅器から発生する自然放出光が
増幅するＡＳＥ光が発生して、増幅光のビーム品質を悪
化させたり、増幅器の利得を低下させるため、増幅器間
にメインビームからＡＳＥ光を分離させる前述と同様の
アパーチャが必要である。

【０００７】更に、前述の固体レーザ発生装置は複数個
の光学部品を配置した構成であるため、各光学部品の端
面からの散乱光及びエッジ部からの回折光が発生し、そ
れらを分離する必要がある。

【０００８】更にまた、大出力レーザ装置に光ファイバ
ーを接続した場合に、通常光ファイバー３３には無反射
処理が施されていないので、３乃至４％の端面反射光が
増幅器や発振器の側に戻ってくる。この端面反射光のほ
とんどはメインビームと同軸上に戻るため実用上問題は
ないが、メインビームの光軸からわずかにずれた場合に
は、例えば、レーザ結晶のホルダ付近に照射してそれを
加熱し、最悪の場合はレーザ結晶の破損を引き起こす可
能性がある。このような光軸からずれた端面反射光を分
離するためにもアパーチャが有効である。

【０００９】更にまた、レーザ加工対象物が高反射率を
有する材料である場合には、加工対象物により散乱した
光が光ファイバーを通して伝搬するため、上述と同様に
戻り光の問題が生じる。

【００１０】以上のように、大出力レーザ発生装置おい
ては、メインビームの周辺部に高い出力を有する高次の
空間モード光、ＡＳＥ光、光学部品の端面からの散乱
光、エッジ部からの回折光、光ファイバーの端面反射光
又は加工対象物からの戻り光等の不要な光である迷光が
生じており、メインビーム品質の低下、増幅器利得の低
下又は周辺部品の発熱等の問題を引き起こす。その防止
のためにメインビームと迷光を分離する必要上、アパー
チャを設置している。しかし、大出力レーザ発生装置で
は数１０乃至数１００Ｗの高いパワー密度の迷光を除去
する必要があり、このため、高い対光強度を有し効率的
に冷却できるアパーチャを設ける必要がある。

【００１１】図６は従来の固体レーザ発生装置のアパー
チャの周辺部分を示す模式図である。図６に示すように
アパーチャ１０１は内部に冷却水１０５が通流して冷却
されたホルダ１０４により保持され、発振器１３１又は
増幅器１３２から出射する迷光１１２及びアパーチャ１
０１に戻ってくる迷光１１３を遮断している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
アパーチャ１０１の材質は、例えば、反射率が高い金メ
ッキを施した金属又はセラミックスであるが、レーザ光
と接する部分は局所的に強いパワー密度の光が照射され
るため、焼き付き又は熱衝撃による破損が生じる可能性
があり、対光強度的に信頼性が欠けるという問題点があ
る。

【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、レーザ光メインビームと不要な光である迷
光とを分離して、アパーチャの焼き付き、熱衝撃による
破損を防止することができる固体レーザ発生装置を提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体レーザ
発生装置は、レーザ光を透過させる孔を設けた透明材料
からなるアパーチャを有し、このアパーチャは前記レー
ザ光の照射方向の後面にレーザ波長に対する臨界角以上
で傾斜した全反射面を有することを特徴とする。

【００１５】前記アパーチャは前記レーザ光の照射方向
の前面に無反射コーティングされた面を有しているか、
又は光軸に対して傾斜した傾斜面を有する。

【００１６】前記アパーチャは冷却されたホルダにより
保持することが好ましく、更に、前記アパーチャのレー
ザ照射方向の前方及び／又は後方にヒートシンクを設け
ることが好ましい。

【００１７】更に、本発明のアパーチャを、１：１に結
像しているレンズペアの中間に高次の空間モード光及び
ＡＳＥ光を除去する空間フィルタとして配置することが
できる。

【００１８】本発明によれば、発生するレーザ光はアパ
ーチャに吸収されず、反射又は出射してホルダ及びヒー
トシンクにより吸収され処理される。このため、大出力
レーザ光に対しても、アパーチャのレーザ光の吸収によ
る損傷及び劣化を防止することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る固体
レーザ発生装置について、添付の図面を参照して具体的
に説明する。図１は本発明の第１実施例に係る固体レー
ザ発生装置を示す模式図、図２は同じくそのアパーチャ
開口部を示す模式図である。

【００２０】図１に示すように、本実施例の固体レーザ
発生装置においては、レーザ光（波長１．０６μｍ）を
発振する発振器ロッド３１と、この発振器ロッド３１か
ら発振されたレーザ光を増幅する増幅器ロッド３２とが
設けられており、この増幅器ロッド３２からほとんどの
パワーを含む部分であるメインビーム１１と、このメイ
ンビームの周辺に不要な光である迷光１２とが出力され
る。更に、このメインビーム１１が通過する適当な開口
径の孔が設けられたアパーチャ１と、このアパーチャ１
の孔を通過したメインビーム１１を集光するレンズと、
このレンズにより集光されたメインビームを加工面まで
伝搬する光ファイバー３３とが設けられている。

【００２１】また、アパーチャ１は吸収が少なく、耐熱
性を有する透明な光学材料、例えば大出力レーザに適し
た合成石英からなり、アパーチャ１におけるメインビー
ム１１の照射方向の前面は光軸に対し直交し、無反射コ
ーティングが施されている。また、アパーチャ１におけ
るメインビーム１１の照射方向の後面はテーパ状に傾斜
し、光学研磨されている。前面（無反射コーティング面
３）と後面（テーパ面２）のなす角度２１は、光軸に平
行の迷光１２がテーパ面２に対する入射角度２２が臨界
角以上となるように設けられており、従ってこの迷光１
２はテーパ面２で全反射する。本実施例においては、大
出力レーザ光の波長が１．０６μｍであり、アパーチャ
１の材質の合成石英の屈折率ｎは１．４５であるので、
臨界角θ _cはｓｉｎθ_c＝１／ｎという関係からθ_c＝４
３．６°となる。このため、角度２１及び２２は４５°
に設定される。

【００２２】このように構成されたアパーチャ１の無反
射面３に迷光１２が照射すると、この迷光１２は無反射
面３を通過し、次にテーパ面２により全反射され、メイ
ンビーム１１の光軸と直角方向に進み、アパーチャ１の
砂目加工面１ａに入射する。この砂目加工面１ａは砂目
加工されており、この面に入射した迷光１２は拡散され
て出射する。

【００２３】また、アパーチャ１はホルダ４によりメイ
ンビーム１１の光軸に対する反対側の端面を保持されて
いる。ホルダ４には砂目加工面１ａにより拡散され出射
した迷光１２が入射される照射面４ａが設けられてお
り、この照射面４ａは凹凸面となっているため、迷光１
２は完全に吸収されるようになっている。迷光１２は熱
に変化するが、ホルダ４にはこのホルダ４を冷却するた
めの冷却水５が通流するようになっており、迷光１２が
照射面４ａに入射して発生した熱が冷却される。

【００２４】なお、アパーチャ１及びホルダ４は、メイ
ンビーム１１の光軸を対称軸として、１対設けられてい
る。

【００２５】また、アパーチャ１を通過したメインビー
ム１１が他の光学部品を通過するときに反射して戻り光
１３が発生し、メインビーム１１の照射方向の反対方向
からテーパ面２に入射するが、この戻り光１３は屈折率
が低い空気の側から入射している。そして、４５°入射
の場合の表面反射ロスは約８％であるので、わずかな反
射光１４が生じるが、そのほとんどが屈折され、アパー
チャ１の基板内に侵入する。このとき、戻り光１３のテ
ーパ面２に対する入射角２３は４５°であるため、スネ
ルの法則ｎ・ｓｉｎθ（２４）＝ｓｉｎθ（２３）によ
り、角度２４＝２９．２°で屈折され、更に、この屈折
された戻り光１３は無反射面３に入射し、無反射面３に
対して出射角度２５＝２３．３°で再びアパーチャ１か
ら出射する。このように出射した戻り光１３はメインビ
ーム１１の光軸とは大きく離れた角度でリング状に拡が
る。このリング状に拡がった戻り光１３はアパーチャ１
の無反射面３側のヒートシンク６ａに入射する。このヒ
ートシンク６ａの内部には冷却水５が通流するようにな
っており、戻り光１３の入射によるヒートシンク６ａの
発熱が抜勢されて冷却される。

【００２６】また、メインビーム１１の有効部分を選択
するためにアパーチャ１の孔の径を決めるが、メインビ
ーム１１のビーム品質の向上を図ることを目的に孔の径
を小さく絞ると、アパーチャ１の孔のエッジ部分で回折
光１５が発生する場合がある。このため、回折光１５が
入射するようにアパーチャ１のテーパ面２側にヒートシ
ンク６ｂが設けられている。このヒートシンク６ｂの内
部には冷却水５が通流するようになっており、戻り光１
３の入射によるヒートシンク６ａの発熱が抜勢されてヒ
ーシンク６ｂが冷却される。

【００２７】このように構成された本実施例の固体レー
ザ発生装置においては、発振器ロット３１から発振さ
れ、増幅器ロッド３２により増幅されたメインビーム１
１はアパーチャ１の開口部を通過するが、メインビーム
１１の周辺に存在する発振器ロッド側からの迷光１２は
開口部を通過せず、無反射処理された直交面３をメイン
ビーム１１とほぼ平行な方向にて透過し、臨界角以上の
入射角（４５°）となるように設定されたテーパ面２よ
り全反射される。そして、迷光１２はメインビーム１１
の光軸に対しほぼ直交方向に進み、砂目加工されたアパ
ーチャ１の砂目加工面１ａに入射する。これにより迷光
１２は拡散してホルダ４の照射壁４ａに照射する。照射
面４ａは凸凹面となっているので、迷光１２の光学的エ
ネルギは完全に吸収され、ホルダ４は発熱するが、冷却
水５により冷却される。

【００２８】また、アパーチャを通過したメインビーム
１１が他の光学部品を通過する際に反射して発生する戻
り光１３が、メインビーム１１の照射方向の反対方向か
らテーパ面２に入射するが、屈折率の低い空気側から入
射しているため、わずかな反射光１４（もう一方のアパ
ーチャ１に入射し、処理される）以外のほとんどが屈折
しアパーチャ１内に侵入する。このとき、テーパ面２、
次に無反射面３で屈折しアパーチャ１から出射される。
このように出射された戻り光１３はメインビームの光軸
に対し２０°以上という十分に大きな角度でリング状に
拡がるので、アパーチャ１とは別に設けたヒートシンク
６ａ、６ｂにより容易に光学的エネルギを吸収すること
ができる。

【００２９】また、アパーチャ１の孔のエッジ部分で発
生する回折光１５はテーパ面２側に設けられたヒートシ
ンク６ａに照射するため、回折光１５の拡散が防止で
き、回折光１５が他の光学部品に入射して発熱すること
を防止し、容易に光学的エネルギを吸収することができ
る。

【００３０】このように、本実施例においては、迷光１
２、戻り光１３及び回折光１５による発熱をアパーチャ
１ではなく、ホルダ４及びヒートシンク６ａ，６ｂによ
り処理することができる。このため、アパーチャ１のレ
ーザ光の吸収による損傷及び劣化を防止することができ
る。

【００３１】本実施例のアパーチャにおいては、迷光１
２に対して全反射し、戻り光１３に対して屈折してメイ
ンビーム１１と分離するように構成しているが、逆に迷
光１２に対して屈折し、戻り光１３に対して全反射する
ように構成してもよい。この場合、迷光１２及び戻り光
１３の有するパワーを比較して、ヒートシンク６ａ，６
ｂの効率がよい構成を選択する。

【００３２】また、迷光には高次の空間モード光、ＡＳ
Ｅ光、光学部品の端面からの散乱光、エッジ部からの回
折光、光ファイバー端面反射光及び加工対象物からの戻
り光等があるが、それらはメインビーム１１のごく近傍
に生じる光であるため対象とする迷光の性質に合わせて
レーザ光路の適切な位置に適当な開口径を有するアパー
チャ１を設置することが特に効果的である。例えば、高
次の空間モード光に対しては、発振器内の設置が効果的
であり、また、ＡＳＥ光に対しては、増幅器内の設置が
効果的であり、更に、光ファイバー端面反射光、加工対
象物からの戻り光に対しては、光ファイバーの結合部分
に設置するのが効果的である。

【００３３】このように、高次の空間モード光を低減で
きるため、レーザ光のビーム品質を向上することができ
る。また、アパーチャ１を多段階式の増幅器列の間に設
置することにより、ＡＳＥ光（自然放出増幅光）による
ビーム品質の劣化、増幅器の利得の低下を抑制すること
ができる。更に、アパーチャ１を光ファイバー加工シス
テムの光ファイバー入射前段に設置することにより、光
ファイバーの端面反射光又は加工面からの戻り光を除去
して、レーザ結晶ホルダ付近の部品、シール材の劣化を
防止することができる。

【００３４】なお、前述の第１実施例においては、ヒー
トシンクが必須であるが、本発明はこれに限らずヒート
シンクを省略した構成にすることもできる。本発明の第
２実施例に係る固体レーザ発生装置について、添付の図
面を参照して具体的に説明する。図３は本発明の第２実
施例に係る固体レーザ発生装置のアパーチャ周辺を示す
模式図であり、メインビーム６１の光軸を対称軸として
片側のみを示している。本実施例は、図２のアパーチャ
の開口部の形状と異なり、直交面の代わりにテーパ面５
２ａ，５２ｂを発振器ロッド側と光ファイバー側の双方
に対称に設けたものである。

【００３５】図３に示すように、第１実施例と同様に光
ファイバー側からの迷光６３がテーパ面５２ｂに入射す
ると、ほとんどがテーパ面５２ｂにて屈折する。このと
き、わずかな反射光６４が生じるが、もう一方のアパー
チャのテーパ面５２ａからアパーチャ９１内に入射し処
理される。更に、屈折した迷光６３の入射角７２が臨界
角以上になるように設けられたテーパ面５２ａにて全反
射してメインビーム１１の光軸とほぼ直交方向に進み、
ホルダ（図示せず）に入射される。迷光６３はホルダの
ような冷却されたブロックに入射させてホルダ内に閉じ
こめて処理する。ホルダ発振器ロッド側からの迷光６２
も上述と同様にテーパ面５２ａにて屈折し、更にテーパ
面５２ｂにて全反射して、ホルダ（図示せず）に照射さ
れる。

【００３６】このように構成された本発明の第２実施例
に係る固体レーザ発生装置においては、ヒートシンクを
設けることなく迷光の分離を行うことができ、装置の構
成をコンパクトにすることができる。従って、例えば、
共振器内に配置するアパーチャなどに適している。

【００３７】また、本発明は積極的に高次の空間モード
光及びＡＳＥ光を除去するための空間フィルタとしてレ
ーザ発生装置に適用することもできる。図４は本発明の
第３実施例に係る固体レーザ発生装置を示す模式図であ
り、１：１に結像しているレンズペアの中間に本発明の
アパーチャを配置したものである。

【００３８】このように構成された本発明に係る第３実
施例においては、集光部が遠視野域となるため、高次空
間モード光及びＡＳＥ光と低次空間モード光とを容易に
分離することができ、高いビーム品質の大出力レーザ光
を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
発生するレーザ光はアパーチャに吸収されず、ホルダ及
びヒートシンクにより吸収され処理される。このため、
大出力レーザ光に対しても、アパーチャのレーザ光の吸
収による損傷及び劣化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る固体レーザ発生装置
を示す模式図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る固体レーザ発生装置
のアパーチャ開口部を示す模式図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る固体レーザ発生装置
のアパーチャ周辺を示す模式図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る固体レーザ発生装置
を示す模式図である。

【図５】従来のＭＯＰＡ方式の固体レーザ発生装置を示
す模式図である。

【図６】従来の固体レーザ発生装置のアパーチャの周辺
部分を示す模式図である。

【符号の説明】

１、５１、９１、１０１、１４１；アパーチャ１ａ；砂目加工面２、５２ａ、５２ｂ；テーパ面３；直交面４、１０４；ホルダ４ａ；照射面５、１０５；冷却水６ａ、６ｂ；ヒートシンク１１、６１、１１１、１４２；メインビーム１２、６２、６３、１１２、１１３；迷光１３；戻り光１４、６４；反射光１５；回折光２１；角２１２２；角２２２３；角２３２４；角２４２５；角２５３１、１３１、１４３；発振器ロッド３２、１３２、１４４；増幅器ロッド３３、１３３，１４５；光ファイバー７２；角７２９２；レンズペア１４２；レーザ光１４６；加工面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を透過させる孔を設けた透明材
料からなるアパーチャを有し、このアパーチャは前記レ
ーザ光の照射方向の後面にレーザ波長に対する臨界角以
上で傾斜した全反射面を有することを特徴とする固体レ
ーザ発生装置。
【請求項２】前記アパーチャは前記レーザ光の照射方
向の前面に無反射コーティングされた面を有することを
特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発生装置。
【請求項３】前記アパーチャは冷却されたホルダによ
り保持されていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の固体レーザ発生装置。
【請求項４】前記アパーチャのレーザ照射方向の前方
にヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれか１項に記載の固体レーザ発生装
置。
【請求項５】前記アパーチャのレーザ照射方向の後方
にヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求
項１乃至４のいずれか１項に記載の固体レーザ発生装
置。
【請求項６】前記アパーチャは前記レーザ光の照射方
向の前面に光軸に対して傾斜した傾斜面を有することを
特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発生装置。
【請求項７】１：１に結像しているレンズペアの中間
に高次の空間モード光及びＡＳＥ光を除去する空間フィ
ルタとして前記請求項１又は６に記載のアパーチャを配
置したことを特徴とする固体レーザ発生装置。