(57)【要約】【課題】レーザ結晶を有する発振器を用いたレーザ加工において、励起光の吸収効率を高める。【解決手段】レーザ媒質５０は、第一光路ＯＰ１に沿って物理的に離間して配置された、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶５１と、第一レーザ結晶５１よりも下流側に配置された第二レーザ結晶５２を含む。レーザ発振部５は、さらに第一光路ＯＰ１に沿ってレーザ結晶５１、５２同士の間に配置され、第一レーザ結晶５１を透過した励起光を、第一光路ＯＰ１から分岐させるための励起光分岐機構３０と、励起光分岐機構３０により分岐された励起光を、第二レーザ結晶５２の手前で第一光路ＯＰ１に合流させて、第二レーザ結晶５２の端面から透過させるための励起光合流機構３２とを備え、励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２の間に、励起光を通過させる第二光路ＯＰ２を、第一光路ＯＰ１とは別に形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、
種光を生成するための種光源と、
前記種光源で生成された種光を、該種光の光路である第一光路上に配置されたレーザ媒質に透過させることにより、レーザ光を発振、増幅させるためのレーザ発振部と、
前記レーザ媒質を励起するための励起光を、前記第一光路上から前記レーザ媒質の端面に透過させるための励起光供給部と、
前記レーザ発振部により発振、増幅されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部と、
を備え、
前記レーザ媒質は、前記第一光路に沿って物理的に離間して配置された、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶と、前記第一レーザ結晶よりも下流側に配置された第二レーザ結晶を含むレーザ媒質で構成され、
前記レーザ発振部は、種光を、該レーザ媒質に透過させることにより、増幅されたレーザ発振光を生成するよう構成されており、
前記レーザ発振部は、さらに
前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、
前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、さらに、
前記第二光路上に設けられ、下流側のレーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整するための励起光調整光学系を備えるレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置であって、
前記励起光分岐機構は、前記第一光路上に配置された、レーザ光を反射させ、励起光を透過させるための第一レーザ光反射光学系を備えるレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工装置であって、
前記励起光合流機構は、前記第一光路に沿って、第一レーザ光反射光学系よりも下流側に配置された、レーザ光を反射させ、励起光を透過させるための第二レーザ光反射光学系を備えるレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のレーザ加工装置であって、
前記第一レーザ光反射光学系が、角度調整可能なダイクロイックミラーであるレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記第一レーザ結晶及び第二レーザ結晶はそれぞれ、一方向に延長された形状であって、該一方向に亘って透過光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されてなるレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
レーザ光の出射される方向に対して最も上流側に配置された前記第一レーザ結晶にドープされるドーパントの濃度を、レーザ光の出射される方向に対して最も下流側に配置された前記第二レーザ結晶にドープされるドーパントの濃度よりも少なくしてなるレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
各レーザ結晶の入射面に入射される励起光のスポット径とレーザ光のビーム径の比率が、
（励起光のスポット径）／（レーザ光のビーム径）＜１．１
であるレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
各レーザ結晶の入射面に入射されるレーザ光のビーム径が、１ｍｍ以下であるレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つは、一方向の長さが１５ｍｍ以下の結晶長を有するレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つは、一方向の１ｍｍ当たりの励起光吸収量が１０Ｗ／ｍｍ以下であるレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶の内、ｉ番目のレーザ結晶の吸収率Ａｉとするとき、前記レーザ媒質の吸収率の総和Ａに対してＡｉ＞８５％であるレーザ加工装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶の各々の断片吸収量の最大値Ｒが、８Ｗ／ｍｍ未満であるレーザ加工装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のレーザ加工装置であって、
断片吸収量の最大値Ｒが、次式の範囲内であるレーザ加工装置。
Ｒ＜２．４＊Ｒａ
（ただしＲａ＝（励起パワー）／（総励起長））
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記種光源が、種光であるレーザ光を生成するためのレーザ光生成部であり、
前記レーザ発振部が、前記レーザ光生成部で生成されたレーザ光を種光として、前記レーザ媒質でもって増幅するレーザ増幅機構を構成してなるレーザ加工装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ発振部がさらに、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
前記全反射ミラーとの間で種光を前記レーザ媒質を透過させて繰り返し反射させてレーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを備え、
前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成してなるレーザ加工装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ発振部がさらに、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
種光を反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを備え、
前記レーザ発振部は、前記全反射ミラーと出力ミラーとレーザ媒質の一部でレーザ共振機構を部分的に構成しており、かつ、
前記レーザ共振機構でレーザ発振されたレーザ発振光を、レーザ媒質の他の一部でもって増幅するレーザ増幅機構を部分的に構成してなるレーザ加工装置。
【請求項１８】
加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、
レーザ光を生成するためのレーザ光生成部と、
レーザ光が伝搬される経路である第一光路に配置された、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を透過させて増幅するためのレーザ媒質と、
前記レーザ媒質を励起する励起光を前記第一光路から前記レーザ媒質の端面に供給するための励起光供給部と、
前記レーザ媒質により増幅されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部と、
を備え、
前記レーザ媒質は、前記第一光路に沿って物理的に離間して配置された、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶と、前記第一レーザ結晶よりも下流側に配置された第二レーザ結晶を含むレーザ媒質で構成され、
前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、前記第一レーザ結晶から第二レーザ結晶に順に透過させることにより、該レーザ光を増幅するレーザ増幅機構を構成しており、
前記レーザ発振部は、さらに
前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、
前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ加工装置。
【請求項１９】
加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、
種光を生成するための種光源と、
励起光を生成するための励起光生成部と、
複数のレーザ結晶で構成されるレーザ媒質と、
前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
前記全反射ミラーとの間で種光を前記複数のレーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを有し、前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成し、前記励起光生成部により生成された励起光で前記レーザ結晶を励起させて、レーザ光を発振させ、該発振されたレーザ光を出力するためのレーザ共振部と、
前記レーザ共振部から出力されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部と
を備え、
前記レーザ共振部は、前記種光源により生成された種光を、前記第一光路に沿って離間して配置された複数のレーザ結晶に順に透過させることにより、増幅されたレーザ発振光を生成するよう構成されており、
前記レーザ発振部は、
前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、
前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ加工装置。
【請求項２０】
加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、
種光を生成するための種光源と、
励起光を生成するための励起光生成部と、
前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
種光の光路である第一光路に沿って、離間して配置された、第一レーザ結晶と、第二レーザ結晶と、第三レーザ結晶と、
前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を挟むように配置され、種光を前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーと、
前記第一光路上に配置された前記第一レーザ結晶と第二レーザ結晶との間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第一励起光分岐機構と、
前記第一励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための第一励起光合流機構と、
前記第一光路上に配置された前記第二レーザ結晶と第三レーザ結晶との間に配置され、前記第二レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第二励起光分岐機構と、
前記第二励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第三レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第三レーザ結晶の端面から透過させるための第二励起光合流機構と、
前記出力ミラーから出力されたレーザ発振光を、前記第二レーザ結晶及び第三レーザ結晶を透過させて増幅させたレーザ発振光を、二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ加工装置。
【請求項２１】
レーザ光を生成するためのレーザ光生成部と、
前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、該レーザ光が伝搬される経路である第一光路上に配置されたレーザ媒質に透過させることにより、該レーザ光を増幅するためのレーザ光増幅部と、
前記第一光路上に励起光を供給して、前記レーザ媒質を端面から励起するための励起光供給部と、
を備えるレーザ増幅器であって、
前記レーザ媒質は、前記第一光路に沿って離間して配置されたレーザ媒質を備え、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、該レーザ媒質に順に透過させることにより、該レーザ光を増幅するよう構成されており、
前記レーザ媒質の各々は、一方向に延長された形状であって、該一方向に亘ってレーザ光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されており、
前記レーザ光増幅部は、
前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、
前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ増幅器。
【請求項２２】
種光を生成するための種光源と、
励起光を生成するための励起光生成部と、
種光の光路である第一光路上に配置されたレーザ媒質と、
前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
前記全反射ミラーとの間で種光を前記レーザ媒質を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを有し、前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成し、前記励起光生成部により生成された励起光で前記レーザ結晶を励起させて、レーザ光を発振させ、該発振されたレーザ光を出力するためのレーザ光共振部と、
を備えるレーザ共振器であって、
前記レーザ媒質の各々は、一方向に延長され且つ該一方向に亘って種光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されており、
前記レーザ光共振部が、
前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、
前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなるレーザ共振器。
【請求項２３】
種光を生成するための種光源と、
励起光を生成するための励起光生成部と、
前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、
種光の光路である第一光路に沿って、離間して配置された、第一レーザ結晶と、第二レーザ結晶と、第三レーザ結晶と、
前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を挟むように配置され、種光を前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーと、
前記第一光路上に配置された前記第一レーザ結晶と第二レーザ結晶との間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第一励起光分岐機構と、
前記第一励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための第一励起光合流機構と、
前記第一光路上に配置された前記第二レーザ結晶と第三レーザ結晶との間に配置され、前記第二レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第二励起光分岐機構と、
前記第二励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第三レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第三レーザ結晶の端面から透過させるための第二励起光合流機構と、
を備え、
前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成してなる主発振器出力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、レーザ増幅器、レーザ共振器、主発振器出力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ光を加工対象のワークに対して二次元状に走査して、ワークに所望のマーキング等の加工を行うレーザマーキング装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このようなレーザマーキング装置には、種光を増幅してレーザ光を生成するための発振器が組み込まれている。発振器の中には、例えばＹＡＧやＹＶＯ4等のレーザ結晶媒質が配置されている。種光が、励起光により励起されたレーザ結晶を透過することで増幅されて、レーザ光が生成される。
【０００３】
レーザ光を高効率に生成して発振器の性能を向上させるためには、励起光の吸収効率を高める必要がある。この点、レーザ結晶を透過した光をミラーで折り返し、再びレーザ結晶に戻す構成も考えられる。しかしながら、この構成では往復２回の透過で励起光をレーザ結晶に十分吸収させるべく、他の方策を採る必要がある。例えば、レーザ結晶にドープされるドーパント（不純物）であるネオジム（Ｎｄ）の濃度を高くすることが考えられる。しかしながら、Ｎｄの濃度が高くなると、熱レンズ効果によりビーム品質が低下してしまう。
【０００４】
別の方法として、レーザ結晶の結晶長を長くすることも考えられる。しかしながら、この場合はレーザ結晶内で次第に径が広がる励起光とレーザ光との間のモード結合効率が低下してしまい、励起光を十分吸収できずに、吸収効率を高めることが困難になる。
【０００５】
このように、レーザ光の生成においては相反する特性が複数存在するため、最適な設計が困難であり、現実にはいずれかの特性を犠牲にして調整するしかなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６２２５８号公報
【特許文献２】米国特許第５４１０５５９号明細書
【特許文献３】米国特許第６１８５２３５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Koechner "Solid-State Laser Engineering" Spinger (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、その目的の一は、レーザ結晶を有する発振器を用いたレーザ加工において、励起光の吸収効率を高めることを可能としたレーザ加工装置、レーザ増幅器、レーザ共振器、主発振器出力増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の側面に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、種光を生成するための種光源と、前記種光源で生成された種光を、該種光の光路である第一光路上に配置されたレーザ媒質に透過させることにより、レーザ光を発振、増幅させるためのレーザ発振部と、前記レーザ媒質を励起するための励起光を、前記第一光路上から前記レーザ媒質の端面に透過させるための励起光供給部と、前記レーザ発振部により発振、増幅されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部とを備え、前記レーザ媒質は、前記第一光路に沿って物理的に離間して配置された、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶と、前記第一レーザ結晶よりも下流側に配置された第二レーザ結晶を含むレーザ媒質で構成され、前記レーザ発振部は、種光を、該レーザ媒質に透過させることにより、増幅されたレーザ発振光を生成するよう構成されており、前記レーザ発振部は、さらに前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。上記構成により、レーザ結晶を複数に分割して第一光路上に配置し、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるように第二光路を構成したことで、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、レーザ結晶で吸収されなかった励起光を次段のレーザ結晶の励起に再利用するリサイクル励起によって、全体としての効率を高めることが可能となる。また、上流側のレーザ結晶を透過させた励起光を、下流側のレーザ結晶の端面に供給する光路を、第一光路とは別に設けることで、光の性質が異なるレーザ光と励起光を、それぞれに応じた適切な設計とした経路にて送出できる。
【００１０】
また、前記第一光路が、励起光を通過させる経路を兼ねるように構成してもよい。上記構成により、第一光路は、レーザ光と励起光を通過させる経路としつつ、励起光のみを透過させる経路を励起光分岐機構と励起光合流機構の間に設けることで、励起光を前段のレーザ結晶を透過させて次段のレーザ結晶に投入する際のモードマッチングを取りやすい状態に調整し易くできる。
【００１１】
また第２の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記構成に加えて、さらに前記第二光路上に設けられ、下流側のレーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整するための励起光調整光学系を備えることができる。上記構成により、一般にレーザ光よりも品質の劣る励起光用に安価な励起光調整光学系を用意して、低コスト化を図ることができる。
【００１２】
さらに第３の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記励起光分岐機構は、前記第一光路上に配置された、レーザ光を反射させ、励起光を透過させるための第一レーザ光反射光学系を備えることができる。
【００１３】
さらにまた第４の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記励起光合流機構は、前記第一光路に沿って、第一レーザ光反射光学系よりも下流側に配置された、レーザ光を反射させ、励起光を透過させるための第二レーザ光反射光学系を備えることができる。
【００１４】
さらにまた第５の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記第一レーザ光反射光学系を、角度調整可能なダイクロイックミラーとできる。
【００１５】
さらにまた第６の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記第一レーザ結晶及び第二レーザ結晶はそれぞれ、一方向に延長された形状であって、該一方向に亘って透過光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計できる。上記構成より、モードマッチングするように結晶長を従来よりも短くしたレーザ結晶としつつ、これらを複数、第一光路上に配置することで、短くしたレーザ結晶では吸収しきれなかった励起光の成分を、下流側のレーザ結晶で再利用すなわちリサイクルすることができ、これにより全体としての効率を高めることが可能となる。
【００１６】
さらにまた第７の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、レーザ光の出射される方向に対して最も上流側に配置された前記第一レーザ結晶にドープされるドーパントの濃度を、レーザ光の出射される方向に対して最も下流側に配置された前記第二レーザ結晶にドープされるドーパントの濃度よりも少なくすることができる。上記構成により、第一レーザ結晶のドープ量を相対的に低くして、モードマッチングを高めることに注力でき、吸収されなかった励起光は次段のレーザ結晶で吸収させることにより、全体として励起光を効率よく吸収させることができる。
【００１７】
さらにまた第８の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、各レーザ結晶の入射面に入射される励起光のスポット径とレーザ光のビーム径の比率を、
（励起光のスポット径）／（レーザ光のビーム径）＜１．１
とできる。上記構成により、励起光のモードマッチングを十分に維持できる。
【００１８】
さらにまた第９の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、各レーザ結晶の入射面に入射されるレーザ光のビーム径を、１ｍｍ以下とできる。上記構成により、ビーム径を細くして高効率で短パルス幅のレーザ加工を実現しつつ、熱レンズ効果の発生をリサイクル励起によって抑制できる。
【００１９】
さらにまた第１０の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つは、一方向の長さが１５ｍｍ以下の結晶長を有するよう構成できる。
【００２０】
さらにまた第１１の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つは、一方向の１ｍｍ当たりの励起光吸収量を１０Ｗ／ｍｍ以下とできる。上記構成により、励起光の局所吸収を防ぎ、吸収効率を向上させることができる。
【００２１】
さらにまた第１２の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶の内、ｉ番目のレーザ結晶の吸収率Ａｉとするとき、前記レーザ媒質の吸収率の総和Ａに対してＡｉ＞８５％とできる。
【００２２】
さらにまた第１３の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶の各々の断片吸収量の最大値Ｒを、８Ｗ／ｍｍ未満とできる。
【００２３】
さらにまた第１４の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、断片吸収量の最大値Ｒを、次式の範囲内に設定できる。
Ｒ＜２．４＊Ｒａ
（ただしＲａ＝（励起パワー）／（総励起長））
【００２４】
またレーザ媒質を、第一レーザ結晶、第二レーザ結晶、第三レーザ結晶の３つで構成してもよい。さらにレーザ媒質を構成する複数のレーザ結晶の長さを略等しくしてもよい。さらにまた二次元走査部で走査される二次元の面と直交する高さ方向にレーザ光を調整可能なＺ軸方向走査系を備えることもできる。
【００２５】
さらにまた第１５の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記種光源が、種光であるレーザ光を生成するためのレーザ光生成部であり、前記レーザ発振部が、前記レーザ光生成部で生成されたレーザ光を種光として、前記レーザ媒質でもって増幅するレーザ増幅機構を構成することができる。
【００２６】
またレーザ媒質を、ロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4の固体レーザ媒質としてもよい。
【００２７】
さらにまた第１６の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ発振部がさらに、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、前記全反射ミラーとの間で種光を前記レーザ媒質を透過させて繰り返し反射させてレーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを備え、前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成できる。
【００２８】
さらにまた第１７の側面に係るレーザ加工装置によれば、上記いずれかの構成に加えて、前記レーザ発振部がさらに、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、種光を反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを備え、前記レーザ発振部は、前記全反射ミラーと出力ミラーとレーザ媒質の一部でレーザ共振機構を部分的に構成しており、かつ、前記レーザ共振機構でレーザ発振されたレーザ発振光を、前記レーザ媒質の他の一部でもって増幅するレーザ増幅機構を部分的に構成できる。
【００２９】
さらにまた第１８の側面に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、レーザ光を生成するためのレーザ光生成部と、レーザ光が伝搬される経路である第一光路に配置された、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を透過させて増幅するためのレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起する励起光を前記第一光路から前記レーザ媒質の端面に供給するための励起光供給部と、前記レーザ媒質により増幅されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部とを備え、前記レーザ媒質は、第一光路に沿って物理的に離間して配置された、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶と、前記第一レーザ結晶よりも下流側に配置された第二レーザ結晶を含むレーザ媒質で構成され、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、前記第一レーザ結晶から第二レーザ結晶に順に透過させることにより、該レーザ光を増幅するレーザ増幅機構を構成しており、前記レーザ発振部は、さらに前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。上記構成により、レーザ媒質を複数のレーザ結晶に分割し、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
【００３０】
さらにまた第１９の側面に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、種光を生成するための種光源と、励起光を生成するための励起光生成部と、複数のレーザ結晶で構成されるレーザ媒質と、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、前記全反射ミラーとの間で種光を前記複数のレーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを有し、前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成し、前記励起光生成部により生成された励起光で前記レーザ結晶を励起させて、レーザ光を発振させ、該発振されたレーザ光を出力するためのレーザ共振部と、前記レーザ共振部から出力されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部とを備え、前記レーザ共振部は、前記種光源により生成された種光を、前記第一光路に沿って離間して配置された複数のレーザ結晶に順に透過させることにより、増幅されたレーザ発振光を生成するよう構成されており、前記レーザ発振部は、前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。
【００３１】
さらにまた第２０の側面に係るレーザ加工装置によれば、加工対象物に対してレーザ光を走査して、所望の加工を行うためのレーザ加工装置であって、種光を生成するための種光源と、励起光を生成するための励起光生成部と、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、種光の光路である第一光路に沿って、離間して配置された、第一レーザ結晶と、第二レーザ結晶と、第三レーザ結晶と、前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を挟むように配置され、種光を前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーと、前記第一光路上に配置された前記第一レーザ結晶と第二レーザ結晶との間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第一励起光分岐機構と、前記第一励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための第一励起光合流機構と、前記第一光路上に配置された前記第二レーザ結晶と第三レーザ結晶との間に配置され、前記第二レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第二励起光分岐機構と、前記第二励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第三レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第三レーザ結晶の端面から透過させるための第二励起光合流機構と、前記出力ミラーから出力されたレーザ発振光を、前記第二レーザ結晶及び第三レーザ結晶を透過させて増幅させたレーザ発振光を、二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。
【００３２】
さらにまた第２１の側面に係るレーザ増幅器によれば、レーザ光を生成するためのレーザ光生成部と、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、該レーザ光が伝搬される経路である第一光路上に配置されたレーザ媒質に透過させることにより、該レーザ光を増幅するためのレーザ光増幅部と、前記第一光路上に励起光を供給して、前記レーザ媒質を端面から励起するための励起光供給部とを備えるレーザ増幅器であって、前記レーザ媒質は、前記第一光路に沿って離間して配置されたレーザ媒質を備え、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、該レーザ媒質に順に透過させることにより、該レーザ光を増幅するよう構成されており、前記レーザ媒質の各々は、一方向に延長された形状であって、該一方向に亘ってレーザ光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されており、前記レーザ光増幅部は、前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。上記構成により、レーザ媒質を複数に分割して、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
【００３３】
さらにまた第２２の側面に係るレーザ共振器によれば、種光を生成するための種光源と、励起光を生成するための励起光生成部と、種光の光路である第一光路上に配置されたレーザ媒質と、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、前記全反射ミラーとの間で種光を前記レーザ媒質を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーとを有し、前記全反射ミラーと出力ミラーとでレーザ共振機構を構成し、前記励起光生成部により生成された励起光で前記レーザ結晶を励起させて、レーザ光を発振させ、該発振されたレーザ光を出力するためのレーザ光共振部とを備えるレーザ共振器であって、前記レーザ媒質の各々は、一方向に延長され且つ該一方向に亘って種光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されており、前記レーザ光共振部が、前記第一光路に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための励起光分岐機構と、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための励起光合流機構とを備えることができる。上記構成により、レーザ媒質を複数に分割して、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
【００３４】
さらにまた第２３の側面に係る主発振器出力増幅器によれば、種光を生成するための種光源と、励起光を生成するための励起光生成部と、前記種光源で生成された種光を全反射させる全反射ミラーと、種光の光路である第一光路に沿って、離間して配置された、第一レーザ結晶と、第二レーザ結晶と、第三レーザ結晶と、前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を挟むように配置され、種光を前記全反射ミラーとの間で前記第一レーザ結晶を透過させて繰り返し反射させ、レーザ発振されたレーザ発振光を出力させるための出力ミラーと、前記第一光路上に配置された前記第一レーザ結晶と第二レーザ結晶との間に配置され、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第一励起光分岐機構と、前記第一励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第二レーザ結晶の端面から透過させるための第一励起光合流機構と、前記第一光路上に配置された前記第二レーザ結晶と第三レーザ結晶との間に配置され、前記第二レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から分岐させるための第二励起光分岐機構と、前記第二励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第三レーザ結晶の手前で前記第一光路に合流させて、該第三レーザ結晶の端面から透過させるための第二励起光合流機構とを備え、前記励起光分岐機構と励起光合流機構の間に、励起光を通過させる第二光路を、前記第一光路とは別に形成することができる。上記構成により、レーザ媒質を複数に分割して、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
【００３５】
なお、レーザ光増幅方法によれば、レーザ光を増幅させるレーザ光増幅方法であって、レーザ光を生成するためのレーザ光生成部でレーザ光を生成する工程と、前記レーザ光生成部により生成されたレーザ光を、該レーザ光が伝搬される経路である第一光路上に配置されたレーザ媒質の一である第一レーザ結晶の端面に透過させる一方、前記第一光路上に励起光生成部から励起光を供給して、前記第一レーザ結晶を端面から励起させ、該レーザ光を増幅する第一増幅工程と、前記第一レーザ結晶を透過したレーザ光を、前記第一光路に沿って該第一レーザ結晶と離間して配置された第二レーザ結晶の端面に透過させる一方、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から励起光分岐機構でもって第二光路に分岐させ、該第二光路上に配置された励起光調整光学系でもって、前記第二レーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整した上で、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二光路上に配置された励起光合流機構でもって、前記第二レーザ結晶の端面の手前で再度、前記第一光路に合流させて、前記第二レーザ結晶を端面から励起させ、該レーザ光を第二段で増幅する第二増幅工程とを含むことができる。
【００３６】
またレーザ光共振方法によれば、レーザ光を共振させるレーザ光共振方法であって、種光源で種光を生成する工程と、前記種光源により生成された種光を、該種光が透過する経路である第一光路上に配置されたレーザ媒質の一である第一レーザ結晶の端面に透過させ、かつ、前記第一光路上に励起光生成部から励起光を供給して、前記第一レーザ結晶を端面から励起させ、該種光を増幅する第一増幅工程と、前記第一レーザ結晶を透過した種光を、前記第一光路に沿って該第一レーザ結晶と離間して配置された第二レーザ結晶の端面に透過させる一方、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から励起光分岐機構でもって第二光路に分岐させ、該第二光路上に配置された励起光調整光学系でもって、前記第二レーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整した上で、前記励起光分岐機構により分岐された励起光を、前記第二光路上に配置された励起光合流機構でもって、前記第二レーザ結晶の端面の手前で再度、前記第一光路に合流させて、前記第二レーザ結晶を端面から励起させ、該種光を第二段で増幅する第二増幅工程と、前記増幅された種光を、前記第一光路上に配置された全反射ミラーと、出力ミラーとの間で、繰り返し反射させ、かつ前記全反射ミラーと出力ミラーの間に配置された前記第一レーザ結晶と第二レーザ結晶を繰り返し透過させることで、レーザ発振を生じさせる工程とを含むことができる。
【００３７】
またレーザ光増幅方法によれば、レーザ光を共振させて増幅させるレーザ光増幅方法であって、種光源で種光を生成する工程と、前記種光源により生成された種光を、該種光が透過する経路である第一光路上に配置された全反射ミラーと、レーザ媒質の一である第一レーザ結晶と、出力ミラーとの間で、繰り返し反射させてレーザ光を発振させる工程と、前記発振されたレーザ光を、前記第一光路に沿って該第一レーザ結晶と離間して配置された第二レーザ結晶の端面に透過させる一方、前記第一レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から第一励起光分岐機構でもって第二光路に分岐させ、該第二光路上に配置された第一調整光学系でもって、前記第二レーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整した上で、前記第二光路上に配置された励起光合流機構でもって、前記第二レーザ結晶の端面の手前で再度、前記第一光路に合流させて、前記第二レーザ結晶を端面から励起させ、該レーザ光を増幅する第一増幅工程と、前記増幅されたレーザ光を、前記第一光路に沿って該第二レーザ結晶と離間して配置された第三レーザ結晶の端面に透過させる一方、前記第二レーザ結晶を透過した励起光を、前記第一光路から第二励起光分岐機構でもって第二光路に分岐させ、該第二光路上に配置された第二調整光学系でもって、前記第三レーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整した上で、前記第二光路上に配置された第二励起光合流機構でもって、前記第三レーザ結晶の端面の手前で再度、前記第一光路に合流させて、前記第三レーザ結晶を端面から励起させ、該レーザ光を増幅する第二増幅工程とを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】Ｘ・Ｙ・Ｚ軸スキャナの配置状態を示す透明斜視図である。
【図３】実施形態１に係るレーザ加工装置のレーザ発振部をレーザ光増幅部で構成したレーザ増幅器を示す模式図である。
【図４】レーザ結晶のモードマッチングを説明する模式断面図である。
【図５】熱レンズ効果を説明するためのレーザ結晶の断面図である。
【図６】熱レンズ効果を低減する一方法を示す模式図である。
【図７】図７Ａは結晶長の長い、ドープ量の多いレーザ結晶、図７Ｂは結晶長を短くしてドープ量を低減したレーザ結晶に励起光を照射する様子を示す断面図である。
【図８】２段のレーザ結晶でリサイクル励起を構成したレーザ加工装置の例を示す模式図である。
【図９】マスタ発振器とレーザ光増幅部に跨がってリサイクル励起を行うレーザ加工装置の例を示す模式図である。
【図１０】実施形態２に係るレーザ加工装置のレーザ発振部をレーザ光共振部で構成したレーザ共振器を示すブロック図である。
【図１１】実施形態３に係るレーザ加工装置のレーザ発振部をＭＯＰＡで構成した主発振器出力増幅器を示すブロック図である。
【図１２】結晶長とモードマッチングの関係を示すグラフである。
【図１３】比較例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのｃ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図１４】比較例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのａ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図１５】比較例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとの全体での吸収量計算を示すグラフである。
【図１６】比較例１に係るレーザ結晶を励起光が透過する割合を示す模式図である。
【図１７】比較例２に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのｃ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図１８】比較例２に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのａ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図１９】比較例２に係るレーザ結晶の１ｍｍごとの全体での吸収量計算を示すグラフである。
【図２０】比較例２に係るレーザ結晶を励起光が透過する割合を示す模式図である。
【図２１】比較例３に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのｃ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図２２】比較例３に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのａ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図２３】比較例３に係るレーザ結晶の１ｍｍごとの全体での吸収量計算を示すグラフである。
【図２４】比較例３に係るレーザ結晶を励起光が透過する割合を示す模式図である。
【図２５】比較例４に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのｃ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図２６】比較例４に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのａ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図２７】比較例４に係るレーザ結晶の１ｍｍごとの全体での吸収量計算を示すグラフである。
【図２８】比較例４に係るレーザ結晶を励起光が透過する割合を示す模式図である。
【図２９】実施例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのｃ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図３０】実施例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとのａ軸上の吸収量計算を示すグラフである。
【図３１】実施例１に係るレーザ結晶の１ｍｍごとの全体での吸収量計算を示すグラフである。
【図３２】実施例１に係るレーザ結晶を励起光が透過する割合を示す模式図である。
【図３３】図３３Ａは、実施例１に係るレーザ増幅器を示す模式図、図３３Ｂは各レーザ結晶でのビーム径を示す模式図である。
【図３４】励起光の吸収に関する基本原理を示す模式断面図である。
【図３５】レーザ結晶の偏光依存性を示す模式斜視図である。
【図３６】Ｎ段のレーザ結晶に分割したリサイクル励起システムを示す模式断面図である。
【図３７】レーザ結晶の長さ方向１ｍｍ当たりの断片吸収量を示す模式断面図である。
【図３８】実施例２に係るレーザ結晶を示す模式断面図である。
【図３９】図３８のレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４０】実施例３に係るレーザ結晶を示す模式断面図である。
【図４１】図４０のレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４２】３個のレーザ結晶のＮｄ濃度を設定する例を示す模式図である。
【図４３】図４２のレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４４】レーザ結晶の入射側断片吸収量を均等に近づけるように３個のレーザ結晶でリサイクル励起システムを構成した例を示す模式断面図である。
【図４５】図４４におけるレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４６】１０個のレーザ結晶で構成されるリサイクル励起システムにおける、各レーザ結晶のＮｄ濃度、入射励起光パワー、透過励起光パワー、吸収率を示す表である。
【図４７】図４６のリサイクル励起システムにおけるレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４８】比較例５に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図４９】比較例６に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図５０】比較例７に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図５１】比較例８に係る励起光を元に戻す構成を示す模式断面図である。
【図５２】比較例８に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図５３】実施例４に係る２個のレーザ結晶で構成されたリサイクル励起システムを示す模式断面図である。
【図５４】図５３に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図５５】実施例５に係る２個のレーザ結晶で構成されたリサイクル励起システムを示す模式断面図である。
【図５６】図５５に係るレーザ結晶の各位置における各断片の吸収量を示すグラフである。
【図５７】出力ミラーの透過率とレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図５８】出力ミラーの反射率Ｒと出力Ｐの関係を示す模式図である。
【図５９】レーザ結晶内の位置におけるレーザ出力を示すグラフである。
【図６０】変形例に係るレーザ加工装置の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００４０】
以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、印字を行うレーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、印刷機器、医療機器等において、好適に利用できる。また、本明細書においては加工の代表例として印字について説明するが、印字とは文字や記号、図形等のマーキングの他、上述した各種の加工も含む概念で使用する。
【００４１】
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図１に示す。この図に示すレーザ加工装置１０００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。レーザ制御部１からの操作や指示に基づいて、レーザ出力部２のレーザ発振部５でレーザ発振を生じさせる。レーザ発振部５で得られたレーザ発振光（レーザ光）は、ビームエキスパンダ６でビーム径を拡大されてレーザ光ＬＢとして、レーザ光走査部１０に導かれる。レーザ光走査部１０は、レーザ光ＬＢを反射させて所望の方向に偏向され、集光部７から出力されて、ワークＷＫの表面で走査されて印字等の加工を行う。
（二次元のレーザ光走査部１０）
【００４２】
レーザ加工装置１０００は、レーザ光ＬＢをワークＷＫ上で走査させるために、図１に示すようなレーザ光走査部１０を備える。レーザ光走査部１０は、一対のガルバノミラーを構成するＸ軸スキャナ１１ａ、Ｙ軸スキャナ１１ｂと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ１２ａ、１２ｂとを備えている。Ｘ軸スキャナ１１ａ、Ｙ軸スキャナ１１ｂは、図１に示すように互いに直交する姿勢で配置されており、レーザ光をＸ方向、Ｙ方向に反射させて走査させることができる。またＸ軸スキャナ１１ａ、Ｙ軸スキャナ１１ｂは、これらを駆動するスキャナ駆動回路８に接続される。スキャナ駆動回路８は、Ｘ軸スキャナ１１ａ、Ｙ軸スキャナ１１ｂを制御する制御信号をレーザ制御部１から受けて、これに基づいてＸ軸スキャナ１１ａ、Ｙ軸スキャナ１１ｂを駆動する。また、レーザ光走査部１０の下方には、集光部７が備えられる。集光部７はレーザ光ＬＢを作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズで構成され、ｆθレンズ等が使用される。
（レーザ光三次元走査部１０Ｂ）
【００４３】
また、本発明は二次元平面内での加工を行うレーザ加工装置のみならず、高さ方向すなわちＺ軸方向にレーザ光の焦点距離を調整して三次元状の加工を可能としたレーザ加工装置も利用できる。図２に、このような三次元加工可能なレーザ加工装置の一例として、Ｚ軸スキャナ１１ｃを付加することで焦点距離を変化可能としたレーザ加工装置のレーザ光三次元走査部１０Ｂを示す。Ｚ軸スキャナ１１ｃは、レーザ発振部５側に面する入射レンズと、レーザ出射側に面する出射レンズを含んでおり、レンズを駆動モータ等で摺動させてレンズ間の距離を相対的に変化させ、焦点距離すなわち高さ方向のワーキングディスタンスを調整可能としている。これによってレーザ光ＬＢを加工エリアＷＡ内で走査させると共に、高さ方向への調整も可能としている。
【００４４】
このようにレーザ光走査部は、レーザ発振部５により発振されたレーザ光を二次元状に走査して、加工対象物に加工を行うための二次元走査部（二次元スキャナ）としたり、さらに高さ方向も加えた三次元状の走査を可能とした三次元走査部（三次元スキャナ）とすることができる。
（入力部３）
【００４５】
図１に示す入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置１０００を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置１０００の動作条件や具体的な印字内容（印字パターン）等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３で入力された入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部４を設けることもできる。表示部４はＬＣＤや有機ＥＬ、ＣＲＴ等のモニタが利用できる。またタッチパネル方式を利用すれば、入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
（レーザ出力部２）
【００４６】
レーザ出力部２は、レーザ発振部５を備える。レーザ発振部５は、レーザ増幅器やレーザ共振器、あるいはレーザ共振機構とレーザ増幅機構を組み合わせた主発振器出力増幅部（Master Oscillator Power Amplifier：ＭＯＰＡ）で構成できる。ここで、レーザ発振部５の例として、レーザ発振部をレーザ光増幅部で構成したレーザ増幅器１００を実施形態１に係るレーザ加工装置として図３に、レーザ発振部をレーザ光共振部で構成したレーザ共振器２００を実施形態２に係るレーザ加工装置として図１０に、レーザ発振部をＭＯＰＡで構成した主発振器出力増幅器３００を実施形態３に係るレーザ加工装置として図１１に、それぞれ示す。
［実施形態１：レーザ増幅器１００］
【００４７】
レーザ発振部５をレーザ光増幅部で構成したレーザ増幅器１００は、図３に示すように種光源であるレーザ光生成部２０と、励起光を供給するための励起光供給部２２と、レーザ光増幅部１０１を備える。レーザ光増幅部１０１は、レーザ光生成部２０で生成されたレーザ光を種光として、これを増幅するアンプとして機能する。このレーザ増幅器１００は、レーザ光生成部２０で生成されたレーザ光を、レーザ光増幅部１０１で増幅して出力し、増幅されたレーザ発振光は、レーザ光走査部１０を介して走査され、加工対象物であるワークＷＫに照射される。
【００４８】
レーザ光生成部２０は、既にレーザ光として発振された種光を生成させるための部材であり、マスタ発振器等とも呼ばれる。このようなレーザ光生成部２０でレーザ光を発生させる光源としては、半導体レーザが利用できる。また半導体レーザを複数個組み合わせたアレイ状とすることもできる。このようなレーザー光生成部２０には、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶で共振器を構成してもよいし、レーザー媒質にＮｄ：ＹＡＧを使うことも可能である。また、１０６４ｎｍの波長を有する半導体レーザーを種光にしてもよい。
【００４９】
励起光供給部２２は、レーザ結晶を端面から励起する励起光を発生させて、レーザ光の光路である第一光路ＯＰ１上に供給するための部材である。例えば、半導体レーザを単数又は複数組み合わせたシングルエミッタやマルチエミッタなどが利用できる。励起光供給部２２は、励起光光学結合系２４により、レーザ光増幅部１０１と光学的に結合される。図３の例では、励起光結合光学系として励起光集光レンズを用いて、励起光を第一光路ＯＰ１に導入する。
【００５０】
一方で励起光は、常時第一光路ＯＰ１にあるのでなく、途中で第一光路ＯＰ１から出て、励起光の経路である第二光路ＯＰ２に移る。さらに第二光路ＯＰ２から第一光路ＯＰ１に返される。このためレーザ発振部５は、励起光を第一光路ＯＰ１から第二光路ＯＰ２に分岐させる励起光分岐機構３０と、第二光路ＯＰ２から第一光路ＯＰ１に合流させる励起光合流機構３２とを備えている。励起光分岐機構３０は、第一光路ＯＰ１に沿ってレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、第一光路ＯＰ１から分岐させるための機構である。一方、励起光合流機構３２は、励起光分岐機構３０により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で第一光路ＯＰ１に合流させて、この下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための機構である。このようにして、レーザ媒質５０を複数に分割して、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる（詳細は後述）。
（レーザ光増幅部１０１）
【００５１】
以下、各部材を詳細に説明する。レーザ光増幅部１０１は、レーザ光生成部２０により生成されたレーザ光を、このレーザ光が伝搬される経路である第一光路ＯＰ１上に配置されたレーザ媒質５０に透過させることにより、レーザ光を増幅するための部材である。このレーザ光増幅部１０１は、レーザ光の光路である第一光路ＯＰ１と、励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２の間に設けられた、励起光を透過させる第二光路ＯＰ２を構成している。このように、励起光を第一光路ＯＰ１から分岐させるために、第一光路ＯＰ１とは別に励起光を通過させるための第二光路ＯＰ２を設けている。第二光路ＯＰ２は、励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２の間に形成される。このようにして、上流側のレーザ結晶を透過させた励起光を、下流側のレーザ結晶の端面に供給する光路を、第一光路ＯＰ１とは別に設けることで、光の性質が異なるレーザ光と励起光を、それぞれに応じた適切な設計とした経路にて送出できる。
（レーザ光反射光学系）
【００５２】
励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２を実現するため、第一光路ＯＰ１上には、レーザ光を反射させ、レーザ光を反射させる一方、励起光を透過させるためのレーザ光反射光学系が配置される。一方、第二光路ＯＰ２上には、レーザ光反射光学系を透過した励起光を反射させるための励起光反射光学系３４が配置される。このように、レーザ光用と励起光用とで、異なる反射光学系を配置することで、それぞれの光学系を構成する光学部材を、光の波長や特性に特化させた反射や透過のための光学パラメータに設計できる。特にレーザ光と励起光では、要求される光の品質が異なる。特に励起光はレーザ光やその種光と比べ、波長や位相が揃っていないなど、品質が悪く、その結果綺麗に光束を絞ることができない。このような相対的に品質の低い励起光に対しては、レーザ光で用いられる非球面レンズのような高品位な光学系を用いる必要がない。よって励起光反射光学系３４には、レーザ光反射光学系と比べて低品位な光学部材で足り、例えば平凸レンズ等の比較的安価な光学部材を用いることができる。これによって光学部材のコストを低減することが可能となる。
（レーザ媒質５０）
【００５３】
レーザ光反射光学系で構成される第一光路ＯＰ１上には、レーザ媒質５０が配置され、レーザ媒質５０に種光を透過させることでレーザ光を発振させる。あるいは既に発振されたレーザ光を、レーザ媒質５０を透過させて増幅する。レーザ媒質５０は、複数のレーザ結晶で構成される。図３の例では、レーザ媒質５０は、第一レーザ結晶５１と、第二レーザ結晶５２と、第三レーザ結晶５３で構成される（詳細は後述）。各レーザ結晶は、一方向に延長された形状とされている。この延長された一方向に亘って、レーザ光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されている。ここで、一方向に亘ってレーザ光と励起光がモードマッチングするとは、完全なモードマッチングを取ることが必ずしも困難であることに鑑み、ほぼ全体でモードマッチングが取れる設計とすることで足りる。
（ダイクロイックミラー）
【００５４】
レーザ光反射光学系としては、レーザ光が伝搬される経路である第一光路ＯＰ１を規定する複数のダイクロイックミラーが利用できる。ダイクロイックミラーは、励起光集光レンズから導入された励起光を通過させ、かつレーザ光生成部２０で生成されたレーザ光を反射させる部材である。図３の例では、第一ダイクロイックミラー４１と、第二ダイクロイックミラー４２と、第三ダイクロイックミラー４３と、第四ダイクロイックミラー４４と、第五ダイクロイックミラー４５と、第六ダイクロイックミラー４６の６つのダイクロイックミラーを用意している。また各ダイクロイックミラーは、第一光路ＯＰ１上に配置されると共に、角度調整を可能としている。ダイクロイックミラーは、例えばハーフミラーで構成できる。
【００５５】
第一ダイクロイックミラー４１と第二ダイクロイックミラー４２は、第一レーザ結晶５１を挟むように、第一レーザ結晶５１の両側端面に対向するようにそれぞれ配置される。第一ダイクロイックミラー４１は、第一レーザ結晶５１の入射面側に配置され、レーザ光生成部２０で生成されたレーザ光を反射させて第一レーザ結晶５１に照射する。また第一ダイクロイックミラー４１は、励起光供給部２２からの励起光を透過させて、第一レーザ結晶５１の入射面に照射させる。また第二ダイクロイックミラー４２は、第一レーザ結晶５１の出射面側で、レーザ光を反射させて第三ダイクロイックミラー４３に進行させると共に、第一レーザ結晶５１を透過した励起光を透過させて、第一励起光反射ミラー６１（後述）に進行させる。
【００５６】
同様に第三ダイクロイックミラー４３と第四ダイクロイックミラー４４は、第二レーザ結晶５２の両側端面に対向するように配置される。第三ダイクロイックミラー４３は、第二レーザ結晶５２の入射面側に配置され、第二ダイクロイックミラー４２で反射されたレーザ光をさらに反射させて第二レーザ結晶５２の入射端面に照射する。同時に第二ダイクロイックミラー４２は、第二励起光反射ミラー６２（後述）で反射された励起光を透過させて、第二レーザ結晶５２の入射端面に照射させる。また第四ダイクロイックミラー４４は、第二レーザ結晶５２の出射面側で、レーザ光を反射させて第五ダイクロイックミラー４５に進行させると共に、第二レーザ結晶５２を透過した励起光を透過させて、第三励起光反射ミラー６３（後述）に進行させる。
【００５７】
さらに第五ダイクロイックミラー４５と第六ダイクロイックミラー４６は、第三レーザ結晶５３の両側端面に対向するように配置される。第五ダイクロイックミラー４５は、第三レーザ結晶５３の入射端面側に配置され、第四ダイクロイックミラー４４で反射されたレーザ光をさらに反射させて第三レーザ結晶５３の入射端面に照射する。同時に第五ダイクロイックミラー４５は、第四励起光反射ミラー６４（後述）で反射された励起光を透過させて、第三レーザ結晶５３の入射端面に照射させる。また第六ダイクロイックミラー４６は、第三レーザ結晶５３の出射面側で、レーザ光を反射させてレーザ光走査部１０に進行させると共に、第三レーザ結晶５３を透過した励起光を透過させ、例えば所定の吸収体に吸収させる。
【００５８】
なお第一光路ＯＰ１は、レーザ光のみならず励起光を通過させる経路を兼ねている。このように、第一光路ＯＰ１を、レーザ光と励起光を通過させる経路としつつ、励起光のみを通過させる経路を別途、第二光路ＯＰ２として設けることで、前段のレーザ結晶を透過した励起光を次段のレーザ結晶に投入する際のモードマッチングを取りやすい状態に調整できる。例えば、第二光路ＯＰ２に励起光調整光学系２６を設けて、前段のレーザ結晶を透過した励起光を、次段のレーザ結晶に投入するのに適した光学特性に調整できる。本明細書においては、励起光を通過させる第二光路ＯＰ２の一部が、レーザ光を通過させる第一光路ＯＰ１を構成している（レーザ光がレーザ光反射光学系に入射される前と出射された後を除く）。
（励起光反射光学系３４）
【００５９】
励起光は、第一光路ＯＰ１から分岐されて、励起光反射光学系３４でもって第二光路ＯＰ２に沿って進行される。励起光反射光学系３４としては、第二光路ＯＰ２に沿うように励起光を反射させる励起光反射ミラーが挙げられる。また励起光を案内する光学系としては、励起光反射光学系３４の他、励起光供給部２２からの励起光を受ける励起光光学結合系２４と、励起光分岐機構３０と、励起光合流機構３２と、励起光調整光学系２６が挙げられる。なお励起光光学結合系２４には、上述の通り励起光集光レンズ等が好適に利用できる。
（励起光反射ミラー）
【００６０】
励起光反射光学系３４を構成する励起光反射ミラーは、励起光を効率よく全反射させるように設計されたミラーである。図３の例では、励起光反射ミラーとして、第一励起光反射ミラー６１、第二励起光反射ミラー６２、第三励起光反射ミラー６３、第四励起光反射ミラー６４を、第二光路ＯＰ２に沿って設けている。第一励起光反射ミラー６１は、第一ダイクロイックミラー４１を透過した励起光を反射させて、第二励起光反射ミラー６２に進行させるための部材である。第二励起光反射ミラー６２は、第一励起光反射ミラー６１からの励起光を反射させて、第三ダイクロイックミラー４３に進行させるための部材である。第三励起光反射ミラー６３は、第四ダイクロイックミラー４４を透過した励起光を反射させて、第四励起光反射ミラー６４に進行させるための部材である。第四励起光反射ミラー６４は、第三励起光反射ミラー６３からの励起光を反射させて、第五ダイクロイックミラー４５に進行させるための部材である。
【００６１】
第二光路ＯＰ２に配置された励起光反射光学系３４は、励起光反射ミラーを用いて、励起光の進行方向を少なくとも二回以上変更する。これにより、レーザ加工装置内で効率良く励起光を分岐し、スポット径を調整できる。図３の例では、四枚の第一励起光反射ミラー６１から第四励起光反射ミラー６４を用いて、４回励起光を反射させている。なお、励起光の反射回数や励起光反射ミラーの数は、これに限定せず、２枚以下、あるいは５枚以上とすることもできる。
（励起光分岐機構３０）
【００６２】
励起光分岐機構３０は、第一光路ＯＰ１上に配置されたレーザ結晶同士の間に配置され、上流側のレーザ結晶を透過した励起光を、第一光路ＯＰ１から分岐させるための部材である。ここでは、上述した第二ダイクロイックミラー４２を、励起光分岐機構３０として機能させている。図３の第二ダイクロイックミラー４２は、第一レーザ結晶５１を透過した励起光を透過させると共に、レーザ光を反射させて第三ダイクロイックミラー４３に進行させる。この第二ダイクロイックミラー４２は、励起光分岐機構３０を構成すると共に、レーザ光反射光学系としても機能する。
（励起光合流機構３２）
【００６３】
励起光合流機構３２は、励起光分岐機構３０により分岐された励起光を、レーザ光の出射される方向に対して下流側のレーザ結晶の手前で第一光路ＯＰ１に合流させて、この下流側のレーザ結晶の端面から透過させるための部材である。図３の例では、第三ダイクロイックミラー４３が励起光合流機構３２にあたり、第二励起光反射ミラー６２で反射された励起光を透過させて第二レーザ結晶５２の入射端面に照射させると共に、第二ダイクロイックミラー４２で反射されたレーザ光をさらに反射させて、第二レーザ結晶５２の入射端面に照射させている。この第二ダイクロイックミラー４２は、励起光合流機構３２を構成すると共に、レーザ光反射光学系としても機能する。
【００６４】
同様に図３の例では、第四ダイクロイックミラー４４が励起光分岐機構３０に、また第五ダイクロイックミラー４５が励起光合流機構３２にあたる。さらに、これら第三ダイクロイックミラー４３、第四ダイクロイックミラー４４、第五ダイクロイックミラー４５、第六ダイクロイックミラー４６が、レーザ光反射光学系を構成することが上述の通りである。このように、第一ダイクロイックミラー４１〜第六ダイクロイックミラー４６は、レーザ光反射光学系を構成しつつ、一部が励起光分岐機構３０や励起光合流機構３２としても機能する。このように、レーザ光反射光学系の一部が、励起光分岐機構３０として機能し、また他の一部が励起光合流機構３２として機能する。
（励起光調整光学系２６）
【００６５】
励起光調整光学系２６は、第二光路ＯＰ２上に設けられ、下流側のレーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整するための部材である。これにより、一般にレーザ光よりも品質の劣る励起光用に安価な励起光調整光学系２６を用意して、低コスト化を図ることができる。
【００６６】
図３の例では、励起光調整光学系２６として、第一励起光反射ミラー６１と第二励起光反射ミラー６２との間に、第一励起光調整レンズ７１を配置している。第一励起光調整レンズ７１でもって、第一レーザ結晶５１を透過した励起光のスポット径を、第二レーザ結晶５２に導入するのに適したスポット径に調整する。さらに集光角も調整して、第二レーザ結晶５２でモードマッチングが成立するように調整される。
【００６７】
また第三励起光反射ミラー６３と第四励起光反射ミラー６４との間には、第二励起光調整レンズ７２を配置し、第二レーザ結晶５２を透過した励起光を、第三レーザ結晶５３に導入するのに適したスポット径や集光角に調整する。このようにして、一度レーザ結晶を透過した励起光を再び、他のレーザ結晶に導入するに際してモードマッチングを図ることが可能となる。また、このようなスポット径や集光角といった励起光の特性の調整は、第一光路ＯＰ１から分岐された第二光路ＯＰ２にて行うことにより、レーザ光の送出に影響を与えることなく励起光を整えた上で、次段のレーザ結晶に供給できる。
（レーザ媒質５０）
【００６８】
レーザ媒質５０はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光ＬＢを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
【００６９】
レーザ媒質５０は、第一光路ＯＰ１に沿って離間して配置された複数のレーザ結晶を備える。レーザ光生成部２０により生成されたレーザ光を、この複数のレーザ結晶に順に透過させることにより、レーザ光を増幅するよう構成されている。複数のレーザ結晶は、第一光路ＯＰ１に沿って互いに離間して配置されている。図３の例では、レーザ光の出射方向において上流側に配置された第一レーザ結晶５１と、第一レーザ結晶５１の下流側に配置された第二レーザ結晶５２と、第二レーザ結晶５２の下流側に配置された第三レーザ結晶５３を備える。なお、レーザ媒質５０を構成する複数のレーザ結晶の数は、３個に限られず、２個としたり、４個以上とすることもできる。
【００７０】
複数のレーザ結晶の各々は、一方向に延長された形状としている。この一方向に亘ってレーザ光と励起光がモードマッチングする結晶長に設計されている。このようにすることで、モードマッチングするように結晶長を従来よりも短くしたレーザ結晶としつつ、このような短めのレーザ結晶を複数、第一光路ＯＰ１上に配置することで、短くした結果、一のレーザ結晶では吸収しきれなかった励起光の成分を、下流側のレーザ結晶で再利用すなわちリサイクルすることによって活用し、これにより全体としての効率を高めることが可能となる。ここで、一方向に亘ってレーザ光と励起光がモードマッチングするとは、完全なモードマッチングを取ることが必ずしも困難であることに鑑み、ほぼ全体でモードマッチングが取れる設計とすることで足りる。
（レーザ結晶）
【００７１】
この例では、レーザ結晶としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4の固体レーザ媒質５０を用いた。また固体レーザ媒質５０の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ4の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質５０として、例えばドーパント（不純物）として希土類をドープしたＹＡＧ、ＹＬＦ、ＧｄＶＯ4、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。希土類にはＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｃｒ、Ｙｂ等が好適に利用できる。また、固体レーザ媒質５０に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光ＬＢの波長を任意の波長に変換できる。なおＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4は４準位レーザである。
（リサイクル励起）
【００７２】
以上のレーザ発振部５では、レーザ媒質５０を複数のレーザ結晶、ここでは第一レーザ結晶５１、第二レーザ結晶５２、第三レーザ結晶５３で構成すると共に、これら複数のレーザ結晶を、第一光路ＯＰ１に沿って離間して配置している。特に、上流側のレーザ結晶の端面から出射されたレーザ光が、下流側のレーザ結晶の端面から入射されるように、複数段のレーザ結晶を直列状に配置している。このような配置により、レーザ光生成部２０により生成されたレーザ光が、複数のレーザ結晶に順に透過されて増幅される。この際、励起光については、前段の第一レーザ結晶５１を透過した励起光を、次段の第二レーザ結晶５２にも導入する、リサイクル励起を実現している。リサイクル励起では、第一レーザ結晶５１を透過した励起光が、次段の第二レーザ結晶５２に導入される前に、一旦第一光路ＯＰ１とは別の第二光路ＯＰ２に分岐して、スポット径等の特性を調整した上で、次段の第二レーザ結晶５２に導入する。このようにすることで、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
【００７３】
ここで、リサイクル励起の背景について説明する。まず、Ｎｄ：ＹＶＯ4等のレーザ媒質を用いる固体レーザの性能を決める要因を検討すると、１．励起光の吸収効率；２．モードマッチング；３．ゲイン；４．熱レンズ効果の４つが挙げられる。
（１．励起光の吸収効率）
【００７４】
ここで、１．励起光の吸収効率とは、投入した励起光の何％がＮｄ：ＹＶＯ4に吸収されるかを示す指標である。吸収効率を高めるには、レーザ結晶へのＮｄのドープ量を高めたり、レーザ結晶の結晶長を長くすることが考えられる。しかしながら、レーザ結晶にドープされるドーパントの濃度を高めると、４．の熱レンズ効果が大きくなり、レーザ光が折曲される。また、レーザ結晶の結晶長を長くすると、２．のモードマッチングを取ることが困難となる。
（２．モードマッチング）
【００７５】
また２．モードマッチングは、励起光とレーザ光のモード結合であり、モードマッチングの度合いを示す指標として、モード結合効率（オーバーラップ効率）が知られている。モードマッチングが取れていないと、効率が悪くなる。例えば上述の通りレーザ結晶の結晶長を長くするとモードマッチングが取れないため、無駄が生じる。この様子を、図４の模式断面図に示す。図４においては、ロッド状のレーザ結晶５０Ｘの端面から、ダイクロイックミラー４０Ａを介してレーザ励起光を入力して励起するエンドポンピング（端面励起）による励起方式を採用している。ここで、レーザ結晶の端面から投入される励起光は、その性質上レーザ光のようには収束せず、レーザ光の透過領域と完全に重ならない結果、励起光の１００％がレーザ結晶に吸収されてレーザ励起に利用されずに、一部がレーザ結晶５０Ｘを透過する（図４において斜線で示す領域）。このように励起光の内、レーザ結晶５０Ｘを透過した成分は無駄となる。また、このような励起光の吸収領域とレーザ光の通過領域のモードマッチングの不整合（ミスマッチ）は、効率低下の原因となる。このように、１．励起光の吸収効率と２．モードマッチングとはトレードオフの関係にある。
（３．ゲイン）
【００７６】
一方、３．ゲインは利得を示す。一般に励起光のスポット径を小さくすることでゲインが向上し、効率は上がる。このゲインはポンピングレートに比例し、ポンピングレートは励起密度に比例する。いいかえると、励起光を集光した方が、ゲインを高めることができる。
（４．熱レンズ効果）
【００７７】
さらに４．熱レンズ効果とは、図５の断面図に示すように、レーザ光を照射することによりレーザ結晶５０Ｘが局所的に温度上昇して、屈折率分布が生じる現象である。熱レンズ効果の抑制は、レーザの安定動作には不可欠である。例えばレーザの品質を図る指標の一として、Ｍ２（エムスクウェア）が知られている。Ｍ２は理想的なガウスモードのレーザからのずれ量の比であり、同じウエストサイズを持つ理論的なビームの広がりθに対する実際の広がりの比を示しており、理想値は１である。熱レンズ効果が顕著になると、Ｍ２も悪化する。
【００７８】
ここで、Ｎｄドープ量を増して濃度を高めると、上述の通り１．の吸収効率は向上する。しかしながら、同時に熱レンズ効果によるＭ２の悪化が顕著に現れる。レーザを安定動作させるためには熱レンズ効果の抑制が重要である。ここで、熱レンズ効果を抑制する方法として、以下の２つの方法が知られている。まず、励起光をレーザ光のビーム径より少し大きくする方法がある（特許文献３参照）。これによって２．のモード結合効率を多少犠牲にしてでも、４．の熱レンズ効果を抑制した方が結果として効果がある点に立脚している。
【００７９】
また別の方法として、レーザ結晶にドープされるＮｄのドープ量を下げる方法がある（特許文献４参照）。これによって励起光の吸収の集中を抑制できる。この結果、２．のモード結合効率の悪化、１．の励起光の吸収効率の低下が生じるが、これを踏まえても熱錬効果の抑制の効果がある。
【００８０】
あるいは、図６に示すように、レーザ結晶５０Ｘを透過した励起光をミラーで折り返し、再び同じレーザ結晶５０Ｘに戻す方法が知られている。この方法の欠点として、光源２０Ｘ側にレーザ光が戻ってしまうため、光ファイバが焼けてしまったり、光源である半導体レーザを傷める虞があることが挙げられる。また、レーザ結晶の往復で励起光の吸収を１００％に近づけるには、Ｎｄ濃度を上げて調整するか、長いレーザ結晶を使う必要が生じる。この結果、モード結合効率を落とすか、励起スポットを大きくし、レーザ光のビーム径を大きく設計することになるが、この結果としてゲインが下がり、発振効率も下がるという問題は解消できなかった。
（リサイクル励起の基本的な考え方）
【００８１】
このように、固体レーザに特有の課題として、レーザの性能を左右する要因は相互に関連しており、またトレードオフの関係にあるため、これらを両立させることができず、結局のところいずれかを犠牲にせざるを得ない状況であった。
【００８２】
これに対して、本実施の形態では、励起光をリサイクルするリサイクル励起を採用している。このリサイクル励起の基本原理を、図７Ａ及び図７Ｂに基づいて説明する。まずレーザ結晶５０Ｘの結晶長を従来の長さ（図７Ａ）よりも短くする（図７Ｂ）。これによって、図７Ａにおいて斜線で示した、励起光の内、レーザ光の非通過領域を、図７Ｂに示す第一レーザ結晶５１において無くす、又は大きく低減することができる。この結果、モード結合効率を１００％に近づけることが可能となる。
【００８３】
また、Ｎｄ等のドーパントのドープ量を低濃度化する。このようにＮｄ濃度を低減させることで、熱レンズによるＭ２の悪化を抑制できる。また、励起光のスポット径も小さくできる。このようにドープ量を抑え、かつ結晶長を短くしたことで、励起スポットも細くでき、この結果ゲインを高めることができる。
【００８４】
一方で、上記の構成によれば第一レーザ結晶５１に与えられた励起光の内、多くの成分がこの第一レーザ結晶５１を透過してしまう。そこで、図３に示すように、第一レーザ結晶５１を透過した励起光の光路上に、第二レーザ結晶５２を配置することで、吸収されなかった励起光を、このレーザ結晶での励起に利用する、いわば励起光を再利用（励起光のリサイクル）することで、全体としての効率を高めている。特に第一レーザ結晶５１及び第二レーザ結晶５２では、透過光は次段のレーザ結晶で利用することから、吸収効率を１００％に近付けることができる。
【００８５】
また、必要に応じて第二レーザ結晶５２の後段に、さらに第三レーザ結晶５３を配置して、第二レーザ結晶５２で吸収されなかった励起光をレーザ励起に利用できる。この第三レーザ結晶５３を複数のレーザ結晶の最終段とした場合、励起光の透過光はあるものの、この時点で励起光は大きく減衰しているため、Ｎｄのドープ量を高めても熱レンズ効果の発生は少なく、吸収を高めることができる。
【００８６】
以上のような構成により、レーザ媒質５０を複数に分割して、さらに励起光を各レーザ結晶を順次透過させるようにしてこれを再利用することにより、各レーザ結晶における励起光とのモードマッチングを高めつつ、全体としての効率を高めることが可能となる。
（ドープ量）
【００８７】
図３の例では、各レーザ結晶の断面積及び結晶長を同じとして、ドープ量を異ならせている。すなわち、複数のレーザ結晶の内、レーザ光の出射される方向に対して最も上流側に配置された第一レーザ結晶５１にドープされるドーパントの濃度を、レーザ光の出射される方向に対して最も下流側に配置された第二レーザ結晶５２にドープされるドーパントの濃度以下としている。このようにしたことで、第一レーザ結晶５１のドープ量を相対的に低くして、モードマッチングを高めることに注力でき、吸収されなかった励起光は次段のレーザ結晶で吸収させることにより、全体として励起光を効率よく吸収させることができる。
【００８８】
より具体的には、第一レーザ結晶５１のドーパントの濃度を０．２％以下とすることが好ましい。ドーパントの濃度を低くすることで熱レンズ効果を低減し、またレーザ結晶のモードマッチングを確保することができる。また、各レーザ結晶におけるドーパントの濃度は、後段の方が高くなるように設計することが好ましい。例えば、第三レーザ結晶５３のドープ量を、ドーパントの濃度が０．５％以上となるように設計する。
【００８９】
また複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つは、一方向の長さを１５ｍｍ以下の結晶長としている。好ましくは、すべてのレーザ結晶の結晶長を、１５ｍｍ以下とする。例えば、レーザ結晶が三段ある場合は、第一レーザ結晶５１において励起光の５０％以上を透過させるように設定する。また、複数のレーザ結晶の全体での励起光の吸収量が９５％以上となるように設計することが好ましい。
【００９０】
また、レーザ結晶の単位長さあたり（例えば１ｍｍ当たり）の吸収量が、できるだけ均等になるように結晶長、ドーパントの濃度を設計することが好ましい。これによって熱レンズ効果を分散させることができる。例えば、複数のレーザ結晶のうち少なくとも一つで、一方向１ｍｍ当たりの励起光吸収量を１０Ｗ／ｍｍ以下としている。このようにしたことで、励起光の局所吸収を防ぎ、吸収効率を向上させることができる。
【００９１】
一方で、各レーザ結晶の入射面に入射されるレーザ光のビーム径を、１ｍｍ以下とすることが好ましい。より好適には、５００μｍ前後に設定する。ビーム径を細くすることで高効率で短パルス幅のレーザ加工を実現しつつ、ビーム径が細くなると熱レンズ効果が顕著となるところ、成就したリサイクル励起によってこれを抑制できる。
【００９２】
また、励起光のスポット径とレーザ光のビーム径の比率を、
（励起光のスポット径）／（レーザ光のビーム径）＜１．１
とすること好ましい。これにより、励起光のモードマッチングを十分に維持できる。なお励起光のスポット径が小さい場合は効率は低下しないものの、上述の通り熱レンズ効果が悪化する。よって、励起光のスポット径をある程度の大きさとしつつも、励起光のスポット径とレーザ光のビーム径の比率差を１０％以下とすることで、熱レンズ効果を抑制しつつ、モードマッチングを維持できる。
【００９３】
また、レーザ結晶の後段ほど、入射面におけるレーザ光のビーム径を細くすることが好ましい。レーザ結晶が後段に進むほど、励起光が減衰するため熱レンズ効果が抑制されるので、これに応じてビーム径を細くすることが可能となる。
【００９４】
加えて、入射面におけるレーザ光のビーム径に応じて、各レーザ結晶の結晶長を調整してもよい。ビーム径が細いほど、モードマッチング距離は短くなるからである。例えば、第一レーザ結晶５１を１２ｍｍ、第二レーザ結晶５２を１０ｍｍ、第三レーザ結晶５３を８ｍｍとする。これにより、さらにモードマッチングを高めて高効率なレーザ加工を実現できる。なお、レーザ結晶の結晶長を短くすると吸収率が低下するが、励起光をリサイクルする回数、すなわちレーザ結晶の段数を増やすことで、効率を維持できる。ただ、レーザ結晶の段数を増やすことで構成が複雑化することから、レーザ結晶の結晶長は７ｍｍ以上とし、レーザ結晶の段数を４段以下とすることが、コストの面からは好ましい。
【００９５】
なお、上述した図３の例では、レーザ媒質５０を第一レーザ結晶５１、第二レーザ結晶５２、第三レーザ結晶５３の３段で構成しているが、本発明はこの構成に限られず、レーザ媒質５０を第一レーザ結晶５１、第二レーザ結晶５２の２段としても効果が得られる。一例として、レーザ媒質５０Ｈを第一レーザ結晶５１Ｈ、第二レーザ結晶５２Ｈの２段でリサイクル励起を構成したレーザ加工装置の例を、図８に示す。この図に示すレーザ光増幅部は、レーザ光生成部２０Ｈと、第一レーザ結晶５１Ｈと、第二レーザ結晶５２Ｈと、励起光光学結合系２４Ｈと、励起光調整光学系２６Ｈと、励起光反射光学系３４Ｈと、ビームエキスパンダ６Ｈとを備える。この構成においても、図３等と同様に、レーザ光生成部２０Ｈで生成されたレーザ光を、第一光路ＯＰ１Ｈ上に配置されたレーザ光反射光学系である第一ダイクロイックミラー４１Ｈ、第二ダイクロイックミラー４２Ｈ、第三ダイクロイックミラー４３Ｈ、第四ダイクロイックミラー４４Ｈで反射させながら第一レーザ結晶５１Ｈ、第二レーザ結晶５２Ｈで増幅させ、ビームエキスパンダ６Ｈを介してレーザ光のスポット径を調整した後出力する。その一方で、励起光供給部２２Ｈから供給される励起光を、第三折り返しミラー９２Ｈ及び励起光光学結合系２４Ｈを介して第二ダイクロイックミラー４２Ｈを透過させ、第一レーザ結晶５１Ｈの端面に供給する。そして第一レーザ結晶５１Ｈを透過した励起光を、第一ダイクロイックミラー４１Ｈを透過させて、第二光路ＯＰ２Ｈ上に配置された励起光調整光学系２６Ｈである第一励起光調整レンズ７１Ｈ、励起光反射光学系３４Ｈである第一励起光反射ミラー６１Ｈと第二励起光反射ミラー６２Ｈ、第二励起光調整レンズ７２Ｈを経て、第四ダイクロイックミラー４４Ｈを透過させて第二レーザ結晶５２Ｈの端面に照射させることで、励起光を再利用するリサイクル励起を実現している。なお、図８の例では第三折り返しミラー９２Ｈを励起光光学結合系２４Ｈと区別しているが、第三折り返しミラーを励起光光学結合系２４Ｈに含めてもよい。
【００９６】
以上の図８の例では、レーザ結晶を２段に分割した例を示したが、本発明はこの構成に限られず、４段以上に分割することも可能である。
【００９７】
また図８の例では、レーザ光生成部２０Ｈとして、光源８０Ｈと、光源結合光学系と、マスタ側ダイクロイックミラー８４Ｈと、マスタ側レーザ結晶８５Ｈと、リアミラー８６Ｈと、Ｑスイッチ８７Ｈと、折り返しミラー８８Ｈと、出力ミラー８９Ｈを備えている。光源８０Ｈから得られた種光は、光源結合光学系を介してマスタ側ダイクロイックミラー８４Ｈに入射され、リアミラー８６Ｈとの間で繰り返し反射されてマスタ側レーザ結晶８５Ｈを透過させることでレーザ発振される。レーザ発振光は、マスタ側ダイクロイックミラー８４Ｈを介してＱスイッチ８７Ｈに与えられ、さらに折り返しミラー８８Ｈと、出力ミラー８９Ｈを介してレーザ光生成部２０Ｈから出力され、第一ダイクロイックミラー４１Ｈに与えられる。
【００９８】
光源結合光学系は、光源８０Ｈからの光を、マスタ側レーザ結晶８５Ｈの端面に与えるようスポット径を調整するための部材である。この光源結合光学系は、第一平凸レンズ８１Ｈと、ビームスプリッタ８３Ｈと、第二平凸レンズ８２Ｈで構成される。一方で、光源８０Ｈからの光を、マスタ側レーザ結晶８５Ｈの種光とすることに加えて、レーザ光増幅部のレーザ媒質に与える励起光としても利用するために、第一平凸レンズ８１Ｈを経た光を、ビームスプリッタ８３Ｈで分岐させて、第二折り返しミラー９１Ｈ及び第三折り返しミラー９２Ｈを介して、励起光光学結合系２４Ｈに与えている。このように光源８０Ｈは、マスタ発振器用の種光用、及び励起光用の光源を兼用している。
【００９９】
なお、上述した図３の例では、レーザ光を進行させる第一光路ＯＰ１と、励起光と進行させる第二光路ＯＰ２の方向を一致させていた。すなわち、第一レーザ結晶５１の図３において下側の端面から、レーザ光生成部からのレーザ光を投入し、上側の端面から出射させて、一方で次段の第二レーザ結晶５２については、上側の端面から第一レーザ結晶５１を透過したレーザ光を投入し、下側の端面から出射させている。同様に励起光についても、第一レーザ結晶５１の下側の端面から投入して上側の端面から透過させており、さらに第二レーザ結晶５２においては上側の端面から、第一レーザ結晶５１を透過した励起光を投入して、第二レーザ結晶５２の下側の端面から透過させている。
【０１００】
ただ本発明はこのような構成に限らず、図８で示したように、レーザ光を進行させる第一光路ＯＰ１と、励起光と進行させる第二光路ＯＰ２の方向を異ならせてもよい。具体的には、各レーザ結晶に対して、励起光を投入する端面とレーザ光を投入する端面を同じ端面とする構成に限らず、異なる端面とすることもできる。このような構成を採用することで、レーザ結晶の一方の端面に熱が集中することを避け、熱レンズ効果を低減できる等の利点が得られる。
【０１０１】
さらに上述した図３等の例では、下流側のレーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整するための励起光調整光学系２６を、励起光反射光学系３４同士の間に配置した例を説明したが、本発明はこの構成に限られない。すなわち励起光調整光学系は、第二光路に配置で励起光のスポット径を調整できる任意の位置に配置すれば足りる。例えば図８の例では、励起光調整光学系２６Ｈを、第一ダイクロイックミラー４１Ｈと第一励起光反射ミラー６１Ｈとの間に配置された、第一励起光調整レンズ７１Ｈと、第二励起光反射ミラー６２Ｈと第四ダイクロイックミラー４４Ｈとの間に配置された、第二励起光調整レンズ７２Ｈで構成している。この構成によれば、第二レーザ結晶５２Ｈのより近傍で端面の大きさに応じたスポット径に励起光を調整し易くでき、安価な平凸レンズ等が利用できる。
【０１０２】
以上の例では、レーザ光増幅部を構成する２段の増幅器（アンプ）すなわちレーザ結晶でリサイクル励起を行っており、一方マスタ発振器であるレーザ光生成部２０側ではリサイクル励起を行っていないが、本発明はこの構成に限らず、マスタ発振部とレーザ光増幅部に跨がってリサイクル励起を行わせることもできる。このような例を図９に示す。この例では、マスタ発振器であるレーザ光生成部２０Ｉに設けたマスタ側レーザ結晶８５Ｉと、レーザ結晶５０Ｉを構成する２段のアンプ、すなわち第一レーザ結晶５１Ｉと第二レーザ結晶５２Ｉに跨がってリサイクル励起を行わせている。具体的には、このレーザ光増幅部は、レーザ光生成部２０Ｉと、第一レーザ結晶５１Ｉと、第二レーザ結晶５２Ｉと、励起光光学結合系２４Ｉと、励起光調整光学系２６Ｉと、励起光反射光学系３４Ｉと、ビームエキスパンダ６Ｉとを備える。この構成においても、図８等と同様に、レーザ光生成部２０Ｉで生成されたレーザ光を、第一光路ＯＰ１Ｉ上に配置されたレーザ光反射光学系である第一ダイクロイックミラー４１Ｉ、第二ダイクロイックミラー４２Ｉ、第三ダイクロイックミラー４３Ｉ、第四ダイクロイックミラー４４Ｉで反射させながら第一レーザ結晶５１Ｉ、第二レーザ結晶５２Ｉで増幅させ、ビームエキスパンダ６Ｉを介してレーザ光のスポット径を調整した後出力する。その一方で、励起光供給部２２Ｉから供給される励起光を、励起光光学結合系２４Ｉを介して第二ダイクロイックミラー４２Ｉを透過させ、第一レーザ結晶５１Ｉの端面に供給する。そして第一レーザ結晶５１Ｉを透過した励起光を、第一ダイクロイックミラー４１Ｉを透過させて、第二光路ＯＰ２Ｉ上に配置された励起光調整光学系２６Ｉである第一励起光調整レンズ７１Ｉ、励起光反射光学系３４Ｉである第一励起光反射ミラー６１Ｉと第二励起光反射ミラー６２Ｉ、第二励起光調整レンズ７２Ｉを経て、第四ダイクロイックミラー４４Ｉを透過させて第二レーザ結晶５２Ｉの端面に照射させることで、励起光を再利用するリサイクル励起を実現している。
【０１０３】
その一方で、マスタ発振器であるレーザ光生成部２０Ｉ側のマスタ側レーザ結晶８５Ｉに対してリサイクル励起を行っている。すなわち、図９のレーザ光生成部２０Ｉは、光源８０Ｉと、光源結合光学系である第一平凸レンズ８１Ｉ及び第二平凸レンズ８２Ｉと、第一マスタ側ダイクロイックミラー８４Ｉと、マスタ側レーザ結晶８５Ｉと、第二マスタ側ダイクロイックミラー９０Ｉと、リアミラー８６Ｉと、第三平凸レンズと、第二折り返しミラー９１Ｉと、Ｑスイッチ８７Ｉと、折り返しミラー８８Ｉと、出力ミラー８９Ｉを備えている。
【０１０４】
光源８０Ｉから得られた種光は、光源結合光学系である第一平凸レンズ８１Ｉ及び第二平凸レンズ８２Ｉを介して第一マスタ側ダイクロイックミラー８４Ｉに入射され、第二マスタ側ダイクロイックミラー９０Ｉを介してリアミラー８６Ｉとの間で繰り返し反射されてマスタ側レーザ結晶８５Ｉを透過させることでレーザ発振される。レーザ発振光は、第一マスタ側ダイクロイックミラー８４Ｉを介してＱスイッチ８７Ｉに与えられ、さらに折り返しミラー８８Ｉと、出力ミラー８９Ｉを介してレーザ光生成部２０Ｉから出力され、第一ダイクロイックミラー４１Ｉに与えられることは図８と同様である。一方で、マスタ側レーザ結晶８５Ｉを励起するために端面から照射された励起光の内、マスタ側レーザ結晶８５Ｉを透過した成分については、第二マスタ側ダイクロイックミラー９０Ｉを透過されて、第三平凸レンズ９３Ｉ、第二折り返しミラー９１Ｉ、励起光光学結合系２４Ｉを介して第二ダイクロイックミラー４２Ｉを透過されて、第一レーザ結晶５１Ｉの端面に与えられる。このようにして、マスタ発振部のマスタ側レーザ結晶８５Ｉの励起光を、レーザ光増幅部（アンプ）側のレーザ結晶の励起光として再利用することができ、効率をさらに高められる。このように本発明においては、レーザ光のリサイクルをレーザ光増幅部側に限定せず、マスタ側や、マスタ側とアンプ側に跨がったリサイクルにも適用することができる。なお、図９の例では第三平凸レンズ９３Ｉと第二折り返しミラー９１Ｉを、励起光光学結合系２４Ｉと区別しているが、第三平凸レンズと第二折り返しミラーを、励起光光学結合系２４Ｉに含めてもよい。
（レーザ光増幅部１０１）
【０１０５】
以下、各部材を詳細に説明する。レーザ光増幅部１０１は、レーザ光生成部２０により生成されたレーザ光を、このレーザ光が伝搬される経路である第一光路ＯＰ１上に配置されたレーザ媒質５０に透過させることにより、レーザ光を増幅するための部材である。このレーザ光増幅部１０１は、レーザ光の光路である第一光路ＯＰ１と、励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２の間に設けられた、励起光を透過させる第二光路ＯＰ２を構成している。このように、励起光を第一光路ＯＰ１から分岐させるために、第一光路ＯＰ１とは別に励起光を通過させるための第二光路ＯＰ２を設けている。第二光路ＯＰ２は、励起光分岐機構３０と励起光合流機構３２の間に形成される。このようにして、上流側のレーザ結晶を透過させた励起光を、下流側のレーザ結晶の端面に供給する光路を、第一光路ＯＰ１とは別に設けることで、光の性質が異なるレーザ光と励起光を、それぞれに応じた適切な設計とした経路にて送出できる。
［実施形態２：レーザ共振器２００］
【０１０６】
以上の実施形態１では、レーザ発振部５をレーザ光増幅部で構成したレーザ増幅器１００を説明した。ただ本発明はレーザ発振部をレーザ光増幅部で構成する例に限らず、レーザ共振器で構成する例に適用することもできる。次に実施形態２に係るレーザ加工装置として、レーザ共振器２００で構成したレーザ発振部５を図１０に示す。この図に示すレーザ共振器２００は、第一光路ＯＰ１Ｂ上に配置された共振器光学系と、複数のレーザ結晶に分割されたレーザ媒質５０Ｂと、励起光供給部２２Ｂと、励起光光学結合系２４Ｂと、励起光分岐機構３０Ｂと、励起光合流機構３２Ｂと、励起光反射光学系３４Ｂと、励起光調整光学系２６Ｂを備える。励起光分岐機構３０Ｂと励起光合流機構３２Ｂは、第一ダイクロイックミラー４１Ｂと、第二ダイクロイックミラー４２Ｂと、第三ダイクロイックミラー４３Ｂと、第四ダイクロイックミラー４４Ｂと、第五ダイクロイックミラー４５Ｂと、第六ダイクロイックミラー４６Ｂで構成される。また励起光反射光学系３４Ｂは、第一励起光反射ミラー６１Ｂ、第二励起光反射ミラー６２Ｂ、第三励起光反射ミラー６３Ｂ、第四励起光反射ミラー６４Ｂで構成される。
【０１０７】
一方、共振器光学系は、全反射ミラー４７と、出力ミラー４８と、その間に配置されたレーザ媒質５０Ｂとでレーザ光共振部２０１を構成している。必要に応じて、第一光路ＯＰ１Ｂ上にＱスイッチを付加することもできる。レーザ光共振部２０１では、レーザ媒質５０Ｂ（第一レーザ結晶５１Ｂ、第二レーザ結晶５２Ｂ、第三レーザ結晶５３Ｂ）で発光した自然放出光のうち、共振器方向に沿って進む光の一部が種光となってレーザー発振が開始される。また、レーザ媒質５０Ｂを第一レーザ結晶５１Ｂ、第二レーザ結晶５２Ｂ、第三レーザ結晶５３Ｂの３つに分割して、前段のレーザ結晶を透過した励起光を、励起光分岐機構３０Ｂで一旦第一光路ＯＰ１Ｂから第二光路ＯＰ２Ｂに分岐させ、励起光調整光学系２６Ｂで整えた後、励起光合流機構３２Ｂで第一光路ＯＰ１Ｂに合流させて後段のレーザ結晶に投入するリサイクル励起を行っている。このようにしてレーザ共振器２００における励起光の効率を高めて、出力ミラー４８から出射させることができる。
［実施形態３：主発振器出力増幅器３００］
【０１０８】
さらに、レーザ共振器とレーザ発振器を組み合わせたＭＯＰＡに、本発明を適用することもできる。このような例を実施形態３として、レーザ発振部５をＭＯＰＡで構成したレーザ加工装置を図１１に示す。この図に示すＭＯＰＡは、第一レーザ結晶５１Ｃでレーザ光共振部２０１Ｃを、第二レーザ結晶５２Ｃと第三レーザ結晶５３Ｃでレーザ光増幅部１０１Ｃを、それぞれ構成している。そして第一レーザ結晶５１Ｃ、第二レーザ結晶５２Ｃ、第三レーザ結晶５３Ｃでリサイクル励起を行っている。
【０１０９】
具体的には、このＭＯＰＡはレーザ光反射光学系を構成する励起光分岐機構３０Ｃ及び励起光合流機構３２Ｃと、レーザ媒質５０Ｃと、励起光反射光学系３４Ｃと、励起光供給部２２Ｃと、励起光光学結合系２４Ｃと、励起光反射光学系３４Ｃと、励起光調整光学系２６Ｃを備える。具体的には、レーザ光反射光学系は、第一ダイクロイックミラー４１Ｃと、第二ダイクロイックミラー４２Ｃと、第三ダイクロイックミラー４３Ｃと、第四ダイクロイックミラー４４Ｃと、第五ダイクロイックミラー４５Ｃと、第六ダイクロイックミラー４６Ｃで構成される。また励起光反射光学系３４Ｃは、第一励起光反射ミラー６１Ｃ、第二励起光反射ミラー６２Ｃ、第三励起光反射ミラー６３Ｃ、第四励起光反射ミラー６４Ｃで構成される。さらにレーザ媒質５０Ｃは、第一レーザ結晶５１Ｃ、第二レーザ結晶５２Ｃ、第三レーザ結晶５３Ｃの３つに分割されている。
【０１１０】
レーザ光共振部２０１Ｃは、第一光路ＯＰ１Ｃ上に配置された全反射ミラー４７Ｃと、出力ミラー４８Ｃと、その間に配置されたレーザ光反射光学系である第一ダイクロイックミラー４１Ｃと、第二ダイクロイックミラー４２Ｃと、さらにその間に配置された第一レーザ結晶５１Ｃとで構成される。レーザ光共振部２０１Ｃをマスタ発振器としてレーザ発振されたレーザ光は、さらにアンプとなるレーザ光増幅部１０１Ｃに与えられて増幅される。加えて、第一レーザ結晶５１Ｃを透過した励起光は、第二ダイクロイックミラー４２Ｃと、第一励起光反射ミラー６１Ｃと、励起光調整光学系２６Ｃと、第二励起光反射ミラー６２Ｃを経て、レーザ光増幅部１０１Ｃに与えられる。
【０１１１】
レーザ光増幅部１０１Ｃは、第三ダイクロイックミラー４３Ｃと、第四ダイクロイックミラー４４Ｃと、第五ダイクロイックミラー４５Ｃと、第六ダイクロイックミラー４６Ｃと、第二レーザ結晶５２Ｃと、第三レーザ結晶５３Ｃとで構成される。ここで、第二レーザ結晶５２Ｃと第三レーザ結晶５３Ｃに与えられる励起光は、レーザ光共振部２０１Ｃに与えられて第一レーザ結晶５１Ｃで吸収されずに透過したものであり、これをレーザ光増幅部１０１Ｃにおいても再利用することで、リサイクル励起を行っている。具体的には、第二励起光反射ミラー６２Ｃで反射されてレーザ光増幅部１０１Ｃに与えられた励起光は、第三ダイクロイックミラー４３Ｃを経て第二レーザ結晶５２Ｃの入射面に照射され、第二レーザ結晶５２Ｃを励起させる。さらに第二レーザ結晶５２Ｃを透過した励起光は、第四ダイクロイックミラー４４Ｃを透過し、第三励起光反射ミラー６３Ｃで反射され、励起光調整光学系２６Ｃで調整され、第四励起光反射ミラー６４Ｃで反射され、第五ダイクロイックミラー４５Ｃを透過して第三レーザ結晶５３Ｃの入射面に照射され、第三レーザ結晶５３Ｃを励起する。このようにして、レーザ結晶を透過した励起光は次段のレーザ結晶の励起に再利用されて、効率良く励起を行うことが可能となる。
【０１１２】
なお、上述の例では、種光を発生させる機構をレーザ出力部のレーザ発振機構内に設けた構成を示したが、本発明はこの構成に限られず、例えばレーザ制御部１側に種光の発生機構を設けてもよい。例えば、図３に示すレーザ光増幅部１０１の例では、レーザ光生成部２０をレーザ増幅機構に設けているが、レーザ制御部１側にレーザ光生成部２０を設けてもよい。同様に図１０に示すレーザ光共振部の例では、種光源をレーザ共振機構に設けているが、レーザ制御部１側に種光源を設けてもよい。
（結晶長とモードマッチングの関係）
【０１１３】
ここで、レーザ結晶の結晶長とモードマッチングの関係について、図１２のグラフに基づいて説明する。図１２は、レーザ結晶の結晶長（ｚ［ｍｍ］）におけるビーム径方向（ｘ又はｙ［ｍｍ］）の励起光とレーザ光のパターンを、レーザ結晶の中心（円筒状の中心軸をｘ又はｙの０とし、長手方向の中心をｚの０と置く。）に対して軌跡を描いたグラフである。このレーザ光は、ＴＥＭ00モード（計算上はＭ２＝１．１）とし、また励起光は、マルチモード（ファイバコアφ＝４００μｍ；開口数ＮＡ＝０．２）としている。さらにレーザ結晶としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4結晶を用いた。この励起光は中心波長が８８０ｎｍ、出力光が１０６４ｎｍである。
【０１１４】
この場合に、レーザ光のビーム径が５００μｍのとき、結晶長が１０ｍｍまでであれば、励起光とのモードマッチングが可能となる。すなわち、図１２においてｚ＝±５ｍｍの範囲であれば、励起光とレーザ光のビーム径の比率が１．０１以下（１％以下）となり、モードマッチングが取れる。これよりも結晶長が長くなると、図１２において斜線で示すように励起光がレーザ結晶に吸収されてもレーザ発振（増幅）に寄与しない成分となって、ミスマッチが増えることとなる。よって、この条件においては、最終段を除く各レーザ結晶（レーザ結晶の数をｎとする場合、第一レーザ結晶５１〜第（ｎ−１）レーザ結晶。図３の例では第一レーザ結晶５１と第二レーザ結晶５２）の結晶長は、１０ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。
【０１１５】
一般的な傾向として、レーザ光のビーム径が大きいほどモードマッチング距離は大きくできるが、ゲインが下がり効率を上げ難くなる。また、励起光の輝度を上げれば、モードマッチング距離は長くできる。しかし、輝度の高い励起光源は、それ自体が効率を犠牲にしており、価格も高くなる。すなわち励起光源も含めた効率は改善せず、コスト高になる。そこで、上述の通り一の要因を考慮すれば他の要因を犠牲にするようなトレードオフの関係にある固体レーザの課題において、レーザ結晶の結晶長を短くして、ドープ量を抑えると共に、透過光をリサイクルして励起することで、全体の効率を高めつつ、ゲインの低下を回避し、励起光の価格も抑えたレーザ加工装置を実現できる。
（結晶長とドープ量、吸収の関係）
【０１１６】
次に、レーザ結晶の結晶長とドープされるＮｄ濃度、吸収の関係について、図１３〜図３２に基づいて説明する。
（比較例１）
【０１１７】
これらの図において、まず図１３〜図１５は、比較例１に係るレーザ結晶の、結晶１ｍｍごとの吸収量計算を、ｃ軸（図１３）、ａ軸（図１４）、これらの合計（図１５）について、それぞれ示したグラフである。各グラフは、横軸にレーザ結晶中の位置として、左端面から励起するものとし、この端面からの所定距離［１ｍｍ］毎に、１ｍｍ厚のレーザ結晶片による励起光の吸収量［Ｗ］を示している。
【０１１８】
比較例１では、レーザ結晶としてＮｄ：ＹＶＯ4を１個、そのＮｄ濃度を０．２７％、結晶長を１０ｍｍとして、その端面から励起光を照射させて励起させた。また励起光は、６０Ｗ（Ｐ、Ｓ成分がそれぞれ３０Ｗ）、波長８７８．６ｎｍのものを使用した。また吸収係数は、ｃ軸６．９５［１／ｃｍ］、ａ軸３．８５［１／ｃｍ］とした。図１５に示すように、励起光の６０Ｗのうち、入射面側から最初の１ｍｍまでの部分で、８Ｗが吸収される。また、最初の３ｍｍで計２１Ｗが吸収されることが判る。総吸収量は、ｃ軸８４．７％、ａ軸６４．７％、全体で７４．７％であった。いいかえると、図１６に示すように、励起光の内、（１００％−７４．７％＝）２５．３％が、レーザ結晶５０Ｘ１を透過して無駄になっていることが判る。
（比較例２）
【０１１９】
次に比較例２として、レーザ結晶５０Ｘ２に比較例１と同じくＮｄ：ＹＶＯ4を１個、そのＮｄ濃度を０．２７％としたものを用いつつ、結晶長のみを１５ｍｍに変更して、比較例１と同様の励起光を照射した場合の、結晶１ｍｍごとの吸収量計算を、ｃ軸（図１７）、ａ軸（図１８）、及びこれらの合計（図１９）について、それぞれ示す。ここでの総吸収量は、図２０に示すようにｃ軸９４．０％、ａ軸７９．０％、全体８６．５％であった。よって、励起光の１３．５％が、レーザ結晶５０Ｘ２を透過することが判る。このように、結晶長を長くした分だけ、吸収量は増える。しかしながら、モードマッチングは悪化する。
（比較例３）
【０１２０】
さらに比較例３として、レーザ結晶５０Ｘ３に比較例１と同じくＮｄ：ＹＶＯ4を１個、結晶長を１０ｍｍとしたものを用いつつ、Ｎｄ濃度を０．６％に増やして、比較例１と同様の励起光を照射した場合の、結晶１ｍｍごとの吸収量計算を、ｃ軸（図２１）、ａ軸（図２２）、これらの合計（図２３）について、それぞれ示す。図２３に示すように、励起光の６０Ｗの内、レーザ結晶５０Ｘ３の最初の１ｍｍで１６．４Ｗが吸収される。また最初の３ｍｍで計３６．４Ｗが吸収される（全体の約６１％）。またここでの総吸収量は、ｃ軸９８．５％、ａ軸９０．１％、全体９４．３％となり、図２４に示すように、励起光の内、５．７％がレーザ結晶５０Ｘ３を透過する。このように、レーザ結晶のＮｄ濃度を上げれば吸収は増える。しかしながら、この場合は熱レンズが悪化する。すなわちレーザ結晶の端面に吸収が集中して大きな熱レンズ効果が生じ、ひどい場合にはレーザ結晶の破壊が生じる。
（比較例４）
【０１２１】
上述した通り、Ｎｄ濃度が０．２７％でも、レーザ結晶の端面から１ｍｍで８Ｗの吸収があり、熱レンズ効果は依然として大きい。これをさらに抑えるためにはＮｄ濃度を下げる必要があるものの、この場合は吸収も下がる。そこで、レーザ結晶の結晶長を長くすることが考えられる。そこで比較例４として、レーザ結晶５０Ｘ４に比較例１と同じくＮｄ：ＹＶＯ4を１個、ただしＮｄ濃度を０．１５％に減らしつつ、結晶長を２０ｍｍに増やして、比較例１と同様の励起光を照射した場合の、結晶１ｍｍごとの吸収量計算を、ｃ軸（図２５）、ａ軸（図２６）、これらの合計（図２７）について、それぞれ示す。図２７に示すように、励起光の６０Ｗの内、レーザ結晶５０Ｘ４の最初の１ｍｍに吸収されるのは４．６Ｗで、３ｍｍでも計１２．８Ｗと低く抑えられており、大幅な熱レンズ効果の低減が期待できる。しかしながら、総吸収量については、ｃ軸８７．６％、ａ軸６８．５％、全体７８．０％となって、図２８に示すように励起光の２２．０％がレーザ結晶５０Ｘ４を透過することとなって、吸収効率は悪化する。また、レーザ結晶の結晶長を長くしたことで、モードマッチングはさらに悪化する。このように熱レンズ効果の低減を最優先して設計すると、モードマッチングは大幅に悪化し、吸収効率も悪くなる。
（実施例１）
【０１２２】
そこで、実施例１として、レーザ媒質５０としてレーザ結晶を３つ、第一レーザ結晶５１、第二レーザ結晶５２、第三レーザ結晶５３を用いて、各Ｎｄ濃度を、０．１％、０．２％、０．７％に抑え、さらに結晶長をすべて１０ｍｍとしたレーザ増幅器において、比較例１と同様の励起光を照射した場合の、結晶１ｍｍごとの吸収量計算を、ｃ軸（図２９）、ａ軸（図３０）、これらの合計（図３１）について、それぞれ示す。図３１に示すように、励起光の６０Ｗの内、各レーザ結晶の最初の１ｍｍに吸収されるのはすべて４Ｗ以下に抑えられていることが判る。また、図３２に示すように、第一レーザ結晶５１で励起光の４１．０％が吸収され、５９．０％が透過しているものの、続く第二レーザ結晶５２で励起光の３７．０％が吸収され、２２．０％が透過され、最後に第三レーザ結晶５３では２０．９％吸収が吸収されて、１．１％のみが透過される。この結果、総吸収量は、ｃ軸９９．９％、ａ軸９７．９％で、全体で９８．９％となり、レーザ結晶を透過されるのは僅か１．１％のみに抑制できる。また、各レーザ結晶でほぼ完全なモードマッチングが可能となる。さらに、１ｍｍ当たりの吸収は４Ｗ以下で、熱レンズ効果の大幅低減が可能となる。このように実施例１によれば、比較例の構成に比較して、熱レンズ効果の抑制、吸収効率、モードマッチングのすべてにおいて優れた結果が得られることが確認された。
【０１２３】
図３３Ａに、実施例１に係るレーザ増幅器１００を、図３３Ｂに各レーザ結晶でのビーム径を、それぞれ示す。図３３Ａでは、上述した図３と同様にレーザ媒質５０を三段のレーザ結晶に分割した構成を採用している。
【０１２４】
これらの図に示すように、レーザ光は第一ダイクロイックミラー４１で反射されて第一レーザ結晶５１の入射端面に照射される。一方、励起光が励起光集光レンズ及び第一ダイクロイックミラー４１を介して、第一レーザ結晶５１の入射端面に照射される。励起光集光レンズは、焦点距離Ｆを３０ｍｍとした。第一レーザ結晶５１においては、結晶長を短くして、励起光のモードマッチングを取る。実施例１では、第一レーザ結晶５１の外形を、端面を正方形とする直方体状とし、端面を３ｍｍ×３ｍｍ、結晶長を１０ｍｍとした。またＮｄのドープ量を抑えることで、低濃度で熱レンズ効果を低減している。この例ではＮｄ濃度を０．１％とした。さらにレーザ光のビーム径も細く設計する。この例では図３３Ｂに示すように、第一レーザ結晶５１の入射面におけるレーザ光のビーム径を５５０μｍとした。このビーム径に合わせて、モードマッチングを取ることができる。ここでは、第一レーザ結晶５１の入射面における励起光のスポット径を５３２μｍとしている。また、第一レーザ結晶５１の出射面におけるレーザ光のビーム径は５２６μｍ、励起光のスポット径は５２６μｍである。
【０１２５】
このようにして第一レーザ結晶５１でモードマッチングを取った後、レーザ光は第二ダイクロイックミラー４２で反射させて第一光路ＯＰ１に沿って第三ダイクロイックミラー４３に向かわせる。その一方で第一レーザ結晶５１を透過される励起光は、第二ダイクロイックミラー４２を透過して、一旦第一光路ＯＰ１から出され、第二光路ＯＰ２に移る。さらに第二光路ＯＰ２上に配置された第一励起光調整レンズ７１でもって、スポット径や集光角と行った特性を調整した上で、第三ダイクロイックミラー４３を透過して再び第一光路ＯＰ１に戻し、第二レーザ結晶５２を励起する。
【０１２６】
第二レーザ結晶５２においても、第一レーザ結晶５１と同様、結晶長を短くしてモードマッチングを達成し、さらにドープ量を抑えて熱レンズ効果を低減し、加えてレーザ光のビーム径も細くする。第二レーザ結晶５２の外形は、第一レーザ結晶５１と同様、端面を３ｍｍ×３ｍｍ、結晶長を１０ｍｍとした。またＮｄ濃度を０．２％としている。さらに第二レーザ結晶５２の入射面におけるレーザ光のビーム径を、図３３Ｂに示すように５００μｍとした。また、第二レーザ結晶５２の入射面における励起光のスポット径は４８４μｍ、第二レーザ結晶５２の出射面におけるレーザ光のビーム径は４８０μｍ、励起光のスポット径は４８４μｍである。
【０１２７】
さらに第三レーザ結晶５３を透過した励起光は、第四ダイクロイックミラー４４を透過して一旦、第一光路ＯＰ１外に出される。そして、第二光路ＯＰ２上で、第二励起光調整レンズ７２で再度、スポット径や集光角等の特性を調整された後、第五ダイクロイックミラー４５を透過させて第一光路ＯＰ１に戻され、第三レーザ結晶５３を励起する。ここで第三レーザ結晶５３の入射面におけるレーザ光のスポット径は、図３３Ｂに示すように４５０μｍとなっている。また、第三レーザ結晶５３の入射面における励起光のスポット径は４４０μｍ、第三レーザ結晶５３の出射面におけるレーザ光のビーム径は４３４μｍ、励起光のスポット径は４３８μｍである。
【０１２８】
ここでは励起光は、大部分が二つのレーザ結晶で励起に費やされており、既に減衰して小さくなっているため、この段階でドープ量を上げても、熱レンズ効果は悪化しない。そこで第三レーザ結晶５３においては、外形を第一レーザ結晶５１等を同じとしつつ、ドープ量を０．７％に上げている。そして、最終の第三レーザ結晶５３を透過する励起光は、第六ダイクロイックミラー４６を透過した後、破棄される。
【０１２９】
このように、各レーザ結晶のドープ量は、初段のレーザ結晶から次段のレーザ結晶の増加分よりも、最終段の前段のレーザ結晶から最終段のレーザ結晶への増加分を、大きくする。図３３Ａの例では、第一レーザ結晶５１から第二レーザ結晶５２の増加分（０．１％→０．２％）よりも、第二レーザ結晶５２から第三レーザ結晶５３への増加分（０．２％→０．７％）を、大きくしている。励起光が投入された当初は、ドープ量を抑制することで熱レンズ効果が低減される。一方、励起光を順次レーザ結晶に透過させることで、励起光は徐々に減衰され、最終段ではドープ量を大きくしても熱レンズ効果が大きくならず、吸収効率を高めることができる。図３３Ａの実施例１では最終段のレーザ結晶である第三レーザ結晶５３に到達する励起光は、全体の１／３となっているため、この段階ではＮｄ濃度をある程度高めても熱レンズ効果の悪化は生じない。加えて、レーザ媒質５０を複数のレーザ結晶に分割し、分割された各レーザ結晶の長さを短くすることで、各レーザ結晶におけるモードマッチングを取り易くできる。
【０１３０】
以上の実施例１では、レーザ光のビーム径が収束する例を説明した。ただ本発明は、レーザ光のビーム径が平行な場合や拡大する場合にも適用可能であり、各々のレーザ光のビーム径に応じて、励起光のスポット径を調整してモードマッチングを図ることができる。
【０１３１】
このようにリサイクル励起において励起光は、モードマッチングが成立するように、まず第一ダイクロイックミラー４１を通過して、第一レーザ結晶５１を励起する。第一レーザ結晶５１を透過した励起光は、第二ダイクロイックミラー４２を通過して第一光路ＯＰ１の外に出る。第一光路ＯＰ１外から出た励起光は第二光路ＯＰ２上で、第一励起光調整レンズ７１でもって、ビーム径や集光角が調整される。これによって、次段の第二レーザ結晶５２でモードマッチングが成立するように励起光の特性が調整される。そして第三ダイクロイックミラー４３を通過して第一光路ＯＰ１に戻り、第二レーザ結晶５２を励起する。第二レーザ結晶５２を透過した励起光は、同様にして第三レーザ結晶５３に伝達される。
（励起光の吸収に関する基本原理）
【０１３２】
ここで、励起光がレーザ結晶に吸収に関する基本原理を、図３４に基づいて説明する。この図において、レーザ結晶５０Ｙに入射される励起光のパワーをＰ1、レーザ結晶５０Ｙを透過する励起光のパワーをＰ2とすると、次式が成立する。
【０１３３】
Ｐ2＝Ｐ1・ｅｘｐ（−α・ｄ・Ｌ）
【０１３４】
上式において、αはドーパント（例えばＮｄ）の濃度が１％のときの吸収係数、ｄはドーパント濃度、Ｌは結晶長を示す。ここで、レーザ結晶５０ＹとしてＮｄ：ＹＶＯ4を用いる場合、偏光依存性が存在するため、垂直偏光と水平偏光とで異なる吸収となる。すなわち吸収係数が変化する。図３５に示すように、レーザ結晶５０Ｙの端面において垂直方向における励起光の透過光パワーをＰ2_v、水平方向における励起光の透過光パワーをＰ2_hとすると、それぞれは次式で表現される。
【０１３５】
Ｐ2_v＝Ｐ1_v・ｅｘｐ（−α_v・ｄ・Ｌ）
Ｐ2_h＝Ｐ1_h・ｅｘｐ（−α_h・ｄ・Ｌ）
【０１３６】
以上はレーザ媒質を一本のレーザ結晶で構成した場合である。以下では、図３６に示すようにレーザ媒質をＮ段のレーザ結晶に分割したリサイクル励起システムを考える。この図において、１〜Ｎ番目のレーザ結晶の、ｉ番目のレーザ結晶をＣi、そのＮｄ濃度をｄi、その結晶長をＬiとし、また入射される励起光パワーをＰi-1、透過される励起光パワーをＰiとする。ここで、ｉ番目のレーザ結晶Ｃiに入射される励起パワーＰi-1が、透過後にＰiに変化する状態を計算すると、上述の通りレーザ結晶にＮｄ：ＹＶＯ4を用いる場合は偏光依存性が存在することから、次式のようになる。
【０１３７】
Ｐi＝Ｐi_v＋Ｐi_h
Ｐ(i-1)＝Ｐ(i-1)_v＋Ｐ(i-1)_h
Ｐi_v＝Ｐ(i-1)_v・ｅｘｐ（−α_v・ｄi・Ｌi）
Ｐi_h＝Ｐ(i-1)_h・ｅｘｐ（−α_h・ｄi・Ｌi）
【０１３８】
なお、λ＝８７８．６ｎｍのとき、α_v＝６．９５［１／ｃｍ］、α_h＝３．８５［１／ｃｍ］となり、ｖはレーザ結晶のｃ軸、ｈはａ軸となる。ここで、各レーザ結晶Ｃiにおける吸収率Ａiは、次式で表すことができる。
【０１３９】
Ａi＝（Ｐi−Ｐ(i-1)）／Ｐ0
【０１４０】
よってすべてのレーザ結晶の吸収率の合計Ａは、次式で表すことができる。
【０１４１】
Ａ＝Σ（i＝1〜N）Ａi＝（Ｐ0−ＰN）／Ｐ0
【０１４２】
また、レーザ結晶の長さ方向１ｍｍ当たりの吸収量である断片吸収量ｒを、以下のように定義する。図３７の模式図に示すように、レーザ結晶Ｃiの入射端面よりｋｍｍの位置から、１ｍｍの長さの区間に吸収される量をｒik［Ｗ／ｍｍ］とする。この場合においても、偏光依存が存在するため、ｒik＝ｒik_v＋ｒik_hである。よって、次式のように表現できる。
【０１４３】
ｒik_v＝Ｐ(i-1)_v｛ｅｘｐ（−α_v・ｄi(k+1)）−ｅｘｐ（−α_v・ｄik）｝
ｒik_h＝Ｐ(i-1)_h｛ｅｘｐ（−α_h・ｄi(k+1)）−ｅｘｐ（−α_h・ｄik）｝
【０１４４】
ここで、熱レンズ効果を分散させるためには、各レーザ結晶での吸収率Ａが等しい状態とすることが理想といえる。よって、Ａ1＝Ａ2＝Ａ3＝．．．＝ＡNが理想であるものの、現実的には設計の困難さ等に鑑みて、吸収率Ａの最大値をｍａｘ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）、最小値をｍｉｎ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）とおくとき、
【０１４５】
ｍａｘ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）＜３・ｍｉｎ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）
とすることが好ましい。例えば、上述した実施例に係る３段のレーザ結晶で構成する場合は、Ａ1＝４１．０％、Ａ2＝３７．０％、Ａ3＝２０．９％となり、上式を満たす。また、理想状態として全体の吸収量Ａが１００％に近い状態が、励起光をリサイクルできている状態となり、さらに吸収率を均等に分散できているとすれば、Ａ1＝Ａ2＝Ａ3＝ＡN＝１００／Ｎとなる。現実的には、全体の吸収量Ａ＞８０％であれば、実用的ということができる。
【０１４６】
また、部分的な励起光の吸収によって熱レンズ効果が発生される。各レーザ結晶において断片吸収量ｒは、結晶への入射面で最大となることから、システム全体における最大断片吸収量Ｒは、次式で表現できる。
【０１４７】
Ｒ＝ｍａｘ（ｒ10、ｒ20、ｒ30、．．．、ｒN0）
【０１４８】
励起光のスポット径が５００μｍの状態では、Ｒ＝２０であればレーザ結晶が破損する等の問題を生じる。そこで実用的には、Ｒ＜７［Ｗ／ｍｍ］であることが好ましい。
【０１４９】
以上を纏めると、リサイクル励起に好ましい条件としては、
・吸収率の合計であるＡを１００％に近付ける。好ましくはＡ≧８０［％］とする。
・各レーザ結晶の吸収率Ａ1，Ａ2，．．．，ＡNを１００／Ｎ［％］に近付けて均等な分散を図る。好ましくは、ｍａｘ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）＜３・ｍｉｎ（Ａ1，Ａ2，．．．，ＡN）とする。
・断片吸収量ｒの、すべてのレーザ結晶における最大値Ｒを小さくする。好ましくはＲ＜７［Ｗ／ｍｍ］とする。
・各レーザ結晶での励起光を調整してモードマッチングを満たすようにする。例えばモードマッチングを満たすように各レーザ結晶の結晶長Ｌiを決定する。好ましくは、Ｌi≦１５ｍｍとする。
（実施例２）
【０１５０】
例えば、図３８に示すレーザ結晶を第一レーザ結晶５１Ｂ、第二レーザ結晶５２Ｂ、第三レーザ結晶５３Ｂの３段とする実施例２において、Ａ＞９８．０％以上とし、Ａ1＝Ａ2＝Ａ3＜３５％となるように設計する。ここでは、レーザ結晶長をＬ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝１０ｍｍとしている。また励起パワーを６０Ｗとしている。この場合の、結晶中の各位置（左側端面から励起する場合の、端面からの距離［ｍｍ］）における各断片（１ｍｍ厚）の吸収量［Ｗ］を、図３９のグラフに示す。この構成では、３断面のレーザ結晶を透過した光をリサイクルできないため、吸収効率を重視すると３段目のＮｄ濃度を高くせざるを得ず、結果として３段目の入射時の断片吸収量ｒ30が大きくなっている。図３９に示すように、第三レーザ結晶５３に入射する時点における断片吸収量ｒ30が最大となり、Ｒ＝５Ｗ／ｍｍとなる。
（実施例３）
【０１５１】
次に、図４０に示すレーザ結晶を第一レーザ結晶５１Ｃ、第二レーザ結晶５２Ｃ、第三レーザ結晶５３Ｃの３段とする実施例３について説明する。ここでは、全体の吸収量Ａ＞９８．０％以上とし、Ｒをできるだけ小さくするように設計している。またレーザ結晶長は、上記と同じくＬ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝１０ｍｍとしている。また励起パワーを６０Ｗとしている。この場合の、結晶中の各位置における各断片の吸収量を、図４１のグラフに示す。この図に示すように、全体の吸収率を維持したまま３段目のレーザ結晶における断片吸収量ｒ30を下げるためには、３段目の吸収率を下げる必要がある。このため、初段のレーザ結晶における断片吸収量ｒ10が最大となり、Ｒ＝３．３Ｗ／ｍｍとなる。この構成であれば、最大吸収率を低下させつつも、第三レーザ結晶５３を透過する励起光の比率を低下させ、効率のよいレーザ出力が実現される。
（計算式の根拠）
【０１５２】
以上の通りリサイクル励起においては、基本的には励起光を複数のレーザ結晶に分散することが望ましい。例えば、各レーザ結晶Ｃiにおける吸収率をＡiとしたとき、Ａ1＝Ａ2＝・・・・＝ＡNとなるように均等に分散することが考えられる。例えばレーザ媒質を第一レーザ結晶Ｃ1、第二レーザ結晶Ｃ2、第三レーザ結晶Ｃ3の３個で構成する場合を考える。全体吸収率をＡ＝９９％程度としたとき、Ａ1＝Ａ2＝Ａ3＝３３％となる。また、各レーザ結晶の結晶長をＬ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝１０ｍｍとし、励起光を６０Ｗとする。この場合において、３個のレーザ結晶５１Ｄ、５２Ｄ、５３ＤのＮｄ濃度を、図４２に示すようにそれぞれ０．０７５％、０．１３５％、０．８％とすれば、ほぼ条件を満たせる。
【０１５３】
ただし、図４３のレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を示すグラフに示すように、３段目のレーザ結晶における断片吸収量ｒ30は６．５２Ｗ／ｍｍとなって、１段目のレーザ結晶における２．３８Ｗ／ｍｍと比べて差が大きい。この理由の一は、３段目のレーザ結晶では、最早後段のレーザ結晶がなく、これ以上は励起光をリサイクルできないため、Ｎｄ濃度を高めに設計せざるを得ないことが挙げられる。
【０１５４】
その一方で、１段目と２段目のレーザ結晶を比較した場合、１段目のレーザ結晶＝２．３８Ｗ／ｍｍ、２段目のレーザ結晶＝２．７３Ｗ／ｍｍであり、２段目のレーザ結晶の断片吸収率が高いことが判る。１段目と２段目のレーザ結晶で吸収率が同じであるにも拘わらず、２段目のレーザ結晶の断片吸収量ｒ20が大きい理由は、２段目のＮｄ濃度が１段目よりも高いからである。断片吸収量ｒは、入射する励起パワーＰとＮｄ濃度が決まれば、レーザ結晶の入射端面からの距離に応じて自動的に計算される。このとき、Ｎｄ濃度の高い方が、断片吸収量ｒの変化が激しいことが計算式からも理解できる。図４２の例では、１段目のレーザ結晶では断面吸収量が２．３８Ｗ／ｍｍから１．６１Ｗ／ｍｍに変化し、２段目のレーザ結晶では２．７３Ｗ／ｍｍから１．４０Ｗ／ｍｍに変化する。各レーザ結晶の吸収率を同じに設計すれば、断片吸収量ｒの変化が大きい方が、必然的に入射側の値は大きくなり、出射側は小さくなる。これが２段目のレーザ結晶が１段目のレーザ結晶よりも断片吸収量ｒが高い理由である。
【０１５５】
前述したように、励起光は分散させることが望ましいが、これは各レーザ結晶に分散することだけでなく、全レーザ結晶の全断片へ分散することを意味する。断片吸収量ｒは、同一のレーザ結晶内では入射側で最大となり、出射側で最小となるところ、各レーザ結晶での入射側の値ができるだけ一致するように設計することが考えられる。
【０１５６】
以上の例では、各レーザ結晶の長さがほぼ等しい場合について説明した。ただ本発明はこの構成に限られず、レーザ結晶の長さを後段に向かうほど短くすることもできる。後段に向かうほどレーザ光のビーム径が細くなるような場合は、後段ほどモードマッチング距離が短くなるので、これに応じてレーザ結晶を短く設計する。このような場合は、必然的に後段のレーザ結晶ほど吸収量が減る。ここで、各吸収率Ａ1、Ａ2、…、ＡNの関係性として、ｍａｘ（Ａ1，Ａ2，…，ＡN）＜３・ｍｉｎ（Ａ1，Ａ2，…，ＡN）が好ましい。現実には、各レーザ結晶の吸収率よりも断片吸収量ｒの方が重要であり、理想的には各レーザ結晶の入射側断片吸収量ｒi0が極力均等になるのが望ましい。これに鑑みて、３個のレーザ結晶５１Ｅ、５２Ｅ、５３Ｅでリサイクル励起システムを構成した例を図４４の模式断面図に、またこの構成においてレーザ結晶中の各位置における各断片の吸収量を図４５のグラフに、それぞれ示す。この図に示すように、各レーザ結晶における入射側の断片吸収量ｒは、
ｒ10＝３．４５Ｗ／ｍｍ
ｒ20＝３．４２Ｗ／ｍｍ
ｒ30＝３．５１Ｗ／ｍｍ
となり、ほぼ均等である。また前述したように、後段に向かうほどＮｄ濃度が高いため、断片吸収量の変化が大きくなっている。
【０１５７】
ここで、本実施例の優位性を説明するために、極端な例として１０個のレーザ結晶でリサイクル励起を行うこと考える。ここでは、すべてのレーザ結晶は結晶長を３ｍｍに設計しており、励起光は６０Ｗとする。各レーザ結晶のＮｄ濃度や入射励起光、透過励起光のパワー、吸収等を図４６の表に示す。この表において、初段のレーザ結晶への入力を１００として、各レーザ結晶における吸収は吸収率（％）を意味すると考えてよい。ここで、図４６のように１０個のレーザ結晶のＮｄ濃度を設定した場合、吸収率合計は９８．１％となる。
【０１５８】
このときの断片吸収量ｒは、図４７のようになり、全体にわたって相当均等化されていることが理解できる。実際に、断片吸収量ｒの最大は２．２８Ｗ／ｍｍとなり、図４４の例（３段リサイクル）と比較して小さい。ここでは、励起光は６０Ｗで、各レーザ結晶長の総和は３ｍｍ×１０＝３０ｍｍであるから、仮にすべての断片吸収量ｒが等しくできたとすれば、６０Ｗ／３０ｍｍ＝２Ｗ／ｍｍとなる。上述した図４４の例における２．２８Ｗ／ｍｍは、かなり理想に近い状態と言える。
【０１５９】
ただし現実には、１０個のレーザ結晶でリサイクル励起を実施する構成とすると、部品点数の増加によるコストの増加とスペースの増加といった大型化に起因するデメリットがあるため、必ずしも現実的ではない。よって、レーザ結晶の入射面の段数は適切な値に設定する必要がある。ここで適切な段数とは、励起光出力に依存する。出力が低ければＮｄ濃度を上げても熱レンズは発生し難いため、リサイクル励起の必要性がない。しかし出力が上がり熱レンズが無視できなくなるとリサイクル励起の必要性が生じる。このような議論に鑑みて、断片吸収量ｒを幾らとすべきかについて、以下検討する。
（比較例５）
【０１６０】
ここで比較例５として、レーザ結晶が１個の場合を考える。ここではＮｄ濃度０．５％、結晶長１０ｍｍ、励起光を６０Ｗとする。このとき吸収率は９１．２％であるが、断片吸収量ｒは最大で１４Ｗ／ｍｍを越える。ここで、レーザ結晶の左側の端面から励起光が入射されるとして、左側端面からの各位置における各断片（１ｍｍ厚）の吸収量（Ｗ）を図４８のグラフに示す。この構成では、大きな熱レンズ効果のためにレーザ発振が難しく、レーザ結晶にクラックが入る場合もある。
（比較例６）
【０１６１】
断片吸収量ｒを低減するために、Ｎｄ濃度を下げて０．２５％とする。この場合のレーザ結晶の左側端面からの各位置における各断片の吸収量を、図４９のグラフに示す。この図に示すように、断片吸収量ｒは最大でも７．５４Ｗまで低減するものの、吸収率が７２．１％となって低下する。この構成では依然として熱レンズは大きいものの、動作自体は可能である。ただし、吸収率が低いために、結果として全体の効率も低くなる。
（比較例７）
【０１６２】
Ｎｄ濃度を０．２５％としたまま、結晶長を１５ｍｍまで伸ばした場合の、レーザ結晶の左側端面からの各位置における各断片の吸収量を、図５０のグラフに示す。このように結晶長を伸ばすことで、吸収率は８４．５％まで増えるものの、モードマッチングを犠牲にするため、吸収が増えたほどに効率は向上されない。また、この構成でも依然として熱レンズは大きいものの、動作自体は可能である。ただし、吸収が増えたことにより全体の効率は上がるものの、吸収の増分ほど効率は上がらない。
（比較例８）
【０１６３】
次に図５１に示すように、上述した比較例５〜７では透過させた励起光を、レーザ結晶５０Ｚに元に戻す構成を検討する。また、レーザ結晶５０Ｚの左側端面からの各位置における各断片の吸収量を、図５２のグラフに示す。この場合は励起光源である半導体レーザＬＤへの戻り光が破損を引き起こす可能性があることから、全体の吸収量を１００％に近付けなければならない。さらに、結晶長１０ｍｍでＮｄ濃度０．２７％の場合に計算したのが以下の例である。トータルの吸収率は９２．６％で７．４％は半導体レーザＬＤに戻ってしまう。また断片吸収量ｒは８．１Ｗ／ｍｍと高い。この場合はリサイクル励起のように２個のレーザ結晶で吸収させるのと似たような効果は得られるものの、Ｎｄ濃度を選択できない。
【０１６４】
これに対してリサイクル励起の場合は、２段目のレーザ結晶のＮｄを高めることで、全体の吸収を上げることができる。また１段目のＮｄを下げることで、トータルの吸収は維持したまま、断片吸収量ｒの最大値を下げることが可能となる。
【０１６５】
なお、半導体レーザへの戻り光を避けるためには、Ｎｄ濃度は０．２７％のままで結晶長を１５ｍｍにすれば、トータルの吸収量は９７．６％まで高めることはできる。しかしながら、依然として吸収されない２．４％は半導体レーザに戻り、また結晶長を伸ばしたことによりモードマッチングが犠牲になっているのは前述の通りである。
【０１６６】
このように、２個のレーザ結晶で励起光をリサイクルする構成によれば、Ｎｄ濃度の最適化が可能となり、さらに半導体レーザに励起光が戻らないという利点が得られる。また、断片吸収量ｒの上限は、２個のレーザ結晶で構成されたリサイクル励起で得られる断片吸収量ｒであって、これを下回るように設計できておれば、十分にリサイクル励起の効果はあると言える。そこで、２個のリサイクル励起で断片吸収量ｒの最大値が最小になるような一例を、以下に計算する。
（実施例４）
【０１６７】
ここでは、実施例４として図５３に示すように２個のレーザ結晶５１Ｆ、５２Ｆを用いて、Ｌ1＝Ｌ2＝１０ｍｍ、励起光６０Ｗとする。また、レーザ結晶の左側端面からの各位置における各断片の吸収量を、図５４のグラフに示す。この図に示すように、断片吸収量ｒの最大値は５．８Ｗ／ｍｍとなる。以上より、６０Ｗ励起において、断片吸収量ｒの最大値が５．８Ｗ以下になれば、リサイクル励起の効果は十分にあると考えられる。
【０１６８】
断片吸収量ｒは励起パワーにも依存するので、励起光が分散されたことを示すためには、すべての断片に均等に分散された理想断片吸収量Ｒａ＝（励起パワー）／（総励起長）を使って表現できる。上記の例ではＲａ＝６０Ｗ／２０ｍｍ＝３Ｗ／ｍｍであるから、５．８Ｗ／ｍｍは２＊Ｒａ程度である。
【０１６９】
また、モードマッチングを犠牲にしても断片吸収量ｒを分散化した方がレーザとしては優れた特性が得られる可能性があるため、図５３の構成で結晶長を１５ｍｍにした場合について計算した結果を以下に示す。ここでは、図５５に示すように、２段のレーザ結晶５１Ｇ、５２Ｇを結晶長Ｌ１＝Ｌ２＝１５ｍｍとし、励起光６０Ｗとしている。またレーザ結晶の左側端面からの各位置における各断片の吸収量を、図５６のグラフに示す。この結果、トータル吸収量は９７．５％と高いが、モードマッチングを犠牲にしているため全体の効率は下がるものの、断片吸収量の最大値Ｒは４．０６Ｗまで下がっている。この場合Ｒａ＝６０Ｗ／３０ｍｍ  ＝２Ｗ／ｍｍであるため、この場合もＲは２＊Ｒａ程度である。
【０１７０】
以上の２例は、２個のレーザ結晶において入射側の断片吸収量ｒがほぼ一致するようにＮｄ濃度を決定したもので、ある意味、２個のリサイクル系において断片結晶を理想分散化したものである。上述した比較例８では、８．１Ｗ／ｍｍであったものが、図５３のリサイクル系では５．８Ｗ／ｍｍまで低減している。この結果、効率向上と半導体レーザへの戻り光も防止しているのだから、５．８Ｗ／ｍｍ以上であってもリサイクル励起の効果はあると言える。よって、２個のレーザ結晶の断片吸収量ｒのバランスが多少崩れ、最大値が７Ｗ／ｍｍ程度であっても、十分に効果はあると言える。現実にＮｄ濃度や半導体レーザ波長のばらつきによってこの程度の変化は起こり得るものである。
【０１７１】
以上を考慮すると、断片吸収量の最大値Ｒ＝７Ｗ／ｍｍでも効果があると考えられ、この場合Ｒａ＝３Ｗ／ｍｍであるから、Ｒ＜２．３３であれば意味のあるリサイクル励起であると言える。
【０１７２】
以上から、リサイクル励起の効果が発揮される構成として、以下の計算式で表現することが可能である。
１．吸収率が高いこと
【０１７３】
レーザ結晶ｉでの吸収率Ａｉの総和Ａに対してＡ＞８５％である。
２．断片吸収量ｒが分散されていること
【０１７４】
Ｒａ＝（励起パワー）／（総励起長）とするとき、断片吸収量の最大値Ｒ＜７Ｗ／ｍｍであること、またはＲ＜２．４＊Ｒａであること。
（ビーム径）
【０１７５】
次にレーザ光のビーム径について検討する。レーザ結晶としてＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4を用いる場合、４準位レーザとなる。ここで、非特許文献１によれば４準位レーザの小信号利得ｇ０は、次式で表現される。
【０１７６】
ｇ０＝σ２１＊ｎ０＊Ｗｐ＊τｆ
【０１７７】
上式においてσ２１は誘導放出断面積であり、τｆは蛍光寿命でレーザ結晶の特性によって決まる物理定数である。またｎ０は単位体積当たりの基底準位のＮｄの数であり、Ｗｐはポンピングレートで単位体積・単位時間あたりの上準位に移行するＮｄの数である。
【０１７８】
実際の利得ｇは、光の強度によって飽和する。小信号利得ｇ０は光の強度が限りなく０に近い場合の利得である。実際の利得ｇは、小信号利得ｇ０を用いて次式で表現できる。
【０１７９】
ｇ＝ｇ０／（１＋Ｉ／Ｉｓ）
【０１８０】
上式においてＩは光の強度（単位面積の密度）を意味し、利得ｇがｇ０の１／２になるときの強度ＩをＩｓで表現する。またＩｓは飽和定数と呼ばれる。４準位レーザにおいて、Ｉｓは以下のように表現できる。
【０１８１】
Ｉｓ＝ｈν／（σ２１＊τｆ）
【０１８２】
上式においてｈはプランク定数、νはレーザ波長での振動数である。
【０１８３】
次に、レーザ結晶の有効断面積（励起領域の断面積）をＡとし、結晶長をＬとすると、励起堆積はＡ＊Ｌである。ここで、レーザ共振器の励起が均一に行われたと仮定して、利得の有効領域における不均一はないと仮定する。このときのレーザ発振器の出力Ｐoutは、以下の式によって表現される。
【０１８４】
Ｐout＝（Ｔ／（Ｔ＋Ｓ））＊Ａ＊Ｉｓ＊ｇ０＊Ｌ−Ｔ＊Ａ＊Ｉｓ／２
【０１８５】
上式において、Ｔは出力ミラーの透過率、Ｓはレーザ共振器内部損失で、ミラーやレーザ結晶表面での発熱による損失やレーザ共振器内部を光が往復する際のフレネル損失の総和を意味する。
【０１８６】
ここで、励起断面積によってレーザ光の特性がどう変化するかを調べるために、Ｎｄ：ＹＶＯ4を例にとり、出力Ｐoutが出力ミラーの透過率によってどのように変化するかを計算する。ここでは比較のため、レーザ光のビーム径Φが０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍの３つの場合について計算する。またレーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ4を用い、結晶長（有効励起長）は１０ｍｍとする。さらに上述の通り、励起領域において励起は均一に行われているものとする。Ｎｄ：ＹＶＯ4の誘導放出断面積は１５．６ｘ１０-19［１／ｃｍ2］であり、蛍光寿命は１００μｓｅｃである。また励起パワーは２０Ｗとし、すべてが励起領域に吸収されるとして、レーザ共振器内部損失Ｓ＝５％とした。完全なモードマッチングが行われ、励起波長は８８０ｎｍ、発振波長は１０６４ｎｍとして、ポンピングレートを計算した（量子効率は８２．７％）。この結果を、出力ミラーの透過率とレーザ出力［Ｗ］のグラフとして図５７に示す。
【０１８７】
図５７によれば、ビーム径Φが０．５ｍｍの場合は、出力ミラーの透過率が７０％のときに最大値をとり１１．９５Ｗとなるが、Φ＝１．０ｍｍ、１．５ｍｍの場合はそれぞれ３０％、２０％で最大値１０．３２Ｗ、８．８４Ｗとなって出力が下がる。またエネルギー変換効率は、それぞれ６０％、５２％、４４％となる。これは、ゲインが小さい場合にはレーザ共振器内を数多く往復しなければ出力があるレベルには達しないところ、往復する回数が多いほど、レーザ共振器内部損失の影響を受けるため、ゲインが小さいほど損失が増大して、結果として効率が下がるためと考えられる。
【０１８８】
一方でゲインが大きい場合は、最適な出力ミラーの透過率が大きくなり、結果として出力ミラーの反射率Ｒが下がる。この様子を図５８の模式図に示す。この図に示すように、同一の出力Ｐを得るレーザ共振器の構成においては、出力ミラー４８Ｋの反射率Ｒが低い方がレーザ結晶５０内部に蓄積されるエネルギーが小さくて済むため、出力ミラーの損傷や発熱等の影響を低減できる利点が得られる。
【０１８９】
なお、上述したΦ＝０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍの３つの場合における小信号利得ｇ０の計算値は、Φ＝０．５ｍｍにおいて５．８４［１／ｃｍ］、Φ＝１ｍｍにおいて１．４６［１／ｃｍ］、Φ１．５ｍｍにおいて０．６５［１／ｃｍ］である。
【０１９０】
次に、励起断面積の相違がレーザ増幅器（アンプ）に与える影響について考察する。ここでは上述したレーザ共振器と同様、Ｎｄ：ＹＶＯ4に対してレーザ光のビーム径Φが０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍの３つの場合について考え、それぞれの励起長（レーザ結晶の有効長さ）を１０ｍｍとする。励起は２０Ｗで均一に行われ、小信号利得ｇ０は一定とする。上述の通り、利得ｇは光の強度によって飽和するため、次式で表現される。
【０１９１】
ｇ（ｚ）＝ｇ０／（１＋Ｉ（ｚ））／Ｉｓ…（１）
【０１９２】
上式においてｚはレーザ結晶の位置を表し、ｇ（ｚ）、Ｉ（ｚ）はそれぞれ位置ｚにおける利得とレーザ光の強度である。利得ｇと光の強度Ｉは位置によって変化し、以下の微分方程式が成立する。
【０１９３】
ｄＩ（ｚ）／ｄｚ＝ｇ（ｚ）＊Ｉ（ｚ）…（２）
【０１９４】
これらの２式より、ｇ（ｚ）を消去すると、次式の微分方程式が得られる。
【０１９５】
ｄＩ（ｚ）／ｄｚ＝Ｉｓ＊Ｉ（ｚ）／（Ｉｓ＋Ｉ（ｚ））＊ｇ０
【０１９６】
この関係式をもとに、レーザ結晶内の位置［ｍｍ］とレーザ出力［Ｗ］の関係を、ビーム径（Φ＝０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ）毎に数値的に計算した結果を、図５９のグラフに示す。このレーザ増幅器には３Ｗのレーザが入射すると仮定し、レーザ増幅器内でどのように光が増幅されるかを計算している。この結果によればビーム径Φが０．５ｍｍの場合はゲインが高いため、１回の通過により１２．９６Ｗまで増幅され、レーザ増幅器における光の取り出し効率は２０Ｗの励起に対して９．９６Ｗであるから効率５０％に近い。一方、ビーム径Φが１ｍｍ、１．５ｍｍの場合は光が十分に増幅されないため、レーザ光をレーザ増幅器内で何度も往復させなければ効率的なレーザ増幅器とならないことが判る（マルチパス増幅器）。この結果から、レーザ増幅器においてはレーザ光のビーム径を小さく設計した方が、ゲインが上がり、少ない通過回数で所要の出力が得られることが判明した。
（変形例）
【０１９７】
以上の例では、レーザ結晶を透過した励起光を一旦レーザ光から分岐させるために、レーザ光側を反射させ、励起光側を透過させる構成としているが、本発明はこの構成に限られず、レーザ光側を透過させ、励起光側を反射させる構成とすることもできる。このような例を変形例として図６０の模式図に示す。図６０において、励起光分岐機構は、図３等とは逆に、レーザ光を透過させ、励起光を反射させる構成となる。図６０の例では、励起光集光レンズから導入された励起光を反射させ、かつレーザ光生成部２０’で生成されたレーザ光を透過させるダイクロイックミラーで構成される。具体的には、第一光路上ＯＰ１’上に配置された第一ダイクロイックミラー４１’と、第二ダイクロイックミラー４２’と、第三ダイクロイックミラー４３’と、第四ダイクロイックミラー４４’で構成される。
【０１９８】
また、励起光光学結合系２４’を介して導入される励起光の光路である第二光路ＯＰ２’上には、励起光分岐機構で反射された励起光を反射させるための励起光反射光学系３４’が配置される。ここでは、励起光反射光学系３４’を構成する励起光反射ミラーは、第一励起光反射ミラー６１’、第二励起光反射ミラー６２’で構成される。さらに、レーザ結晶の端面の大きさに基づいて励起光のスポット径を調整するための励起光調整光学系２６’として、第二ダイクロイックミラー４２’と第一励起光反射ミラー６１’との間に配置された、第一励起光調整レンズ７１’と、第二励起光反射ミラー６２’と第三ダイクロイックミラー４３’との間に配置された、第二励起光調整レンズ７２’とを備える。このような構成においても、上流側の第一レーザ結晶５１’を透過した励起光をレーザ光の第一光路ＯＰ１’から分岐させて、スポット径を調整した後、再び第一光路ＯＰ１’に合流させて、下流側の第二レーザ結晶５２’の端面に与えることが可能となり、リサイクル励起が実現される。
【産業上の利用可能性】
【０１９９】
本発明のレーザ加工装置、レーザ増幅器、レーザ共振器、主発振器出力増幅器は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理、材料プロセス、分光、ウェハ検査、医療診断、レーザプリント等、レーザ照射を行う処理において広く適用可能であり、半導体等の微細加工やディスプレイリペア、トリミングシステム等の用途に利用できる。
【符号の説明】
【０２００】
１０００…レーザ加工装置
１００…レーザ増幅器
１０１、１０１Ｃ…レーザ光増幅部
２００…レーザ共振器
２０１、２０１Ｃ…レーザ光共振部
３００…主発振器出力増幅器
１…レーザ制御部
２…レーザ出力部
３…入力部
４…表示部
５…レーザ発振部
６、６Ｈ、６Ｉ…ビームエキスパンダ
７…集光部
８…スキャナ駆動回路
１０…レーザ光走査部；１０Ｂ…レーザ光三次元走査部
１１ａ…Ｘ軸スキャナ；１１ｂ…Ｙ軸スキャナ；１１ｃ…Ｚ軸スキャナ
１２ａ、１２ｂ…ガルバノモータ
２０、２０Ｈ、２０Ｉ、２０’…レーザ光生成部；２０Ｘ…光源
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｈ、２２Ｉ…励起光供給部
２４、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｈ、２４Ｉ、２４’…励起光光学結合系
２６、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｈ、２６Ｉ、２６’…励起光調整光学系
３０、３０Ｂ、３０Ｃ…励起光分岐機構
３２、３２Ｂ、３２Ｃ…励起光合流機構
３４、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｈ、３４Ｉ、３４’…励起光反射光学系
４０Ａ…ダイクロイックミラー
４１、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｈ、４１Ｉ、４１’…第一ダイクロイックミラー
４２、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｈ、４２Ｉ、４２’…第二ダイクロイックミラー
４３、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｈ、４３Ｉ、４３’…第三ダイクロイックミラー
４４、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｈ、４４Ｉ、４４’…第四ダイクロイックミラー
４５、４５Ｂ、４５Ｃ…第五ダイクロイックミラー
４６、４６Ｂ、４６Ｃ…第六ダイクロイックミラー
４７、４７Ｃ…全反射ミラー
４８、４８Ｃ、４８Ｋ…出力ミラー
５０、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｈ、５０Ｉ…レーザ媒質；５０Ｋ、５０Ｘ、５０Ｘ１、５０Ｘ２、５０Ｘ３、５０Ｘ４、５０Ｙ、５０Ｚ…レーザ結晶
５１、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ、５１Ｅ、５１Ｆ、５１Ｇ、５１Ｈ、５１Ｉ、５１’…第一レーザ結晶
５２、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ、５２Ｆ、５２Ｇ、５２Ｈ、５２Ｉ、５２’…第二レーザ結晶
５３、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄ、５３Ｅ…第三レーザ結晶
６１、６１Ｂ、６１Ｃ、６１Ｈ、６１Ｉ、６１’…第一励起光反射ミラー
６２、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｈ、６２Ｉ、６２’…第二励起光反射ミラー
６３、６３Ｂ、６３Ｃ…第三励起光反射ミラー
６４、６４Ｃ…第四励起光反射ミラー
７１、７１Ｈ、７１Ｉ、７１’…第一励起光調整レンズ
７２、７２Ｈ、７２Ｉ、７２’…第二励起光調整レンズ
８０Ｈ、８０Ｉ…光源
８１Ｈ、８１Ｉ…第一平凸レンズ
８２Ｈ、８２Ｉ…第二平凸レンズ
８３Ｈ…ビームスプリッタ
８４Ｈ…マスタ側ダイクロイックミラー
８４Ｉ…第一マスタ側ダイクロイックミラー
８５Ｈ、８５Ｉ…マスタ側レーザ結晶
８６Ｈ、８６Ｉ…リアミラー
８７Ｈ、８７Ｉ…Ｑスイッチ
８８Ｈ、８８Ｉ…折り返しミラー
８９Ｈ、８９Ｉ…出力ミラー
９０Ｉ…第二マスタ側ダイクロイックミラー
９１Ｈ、９１Ｉ…第二折り返しミラー
９２Ｈ…第三折り返しミラー
９３Ｉ…第三平凸レンズ
ＬＢ…レーザ光；ＬＤ…半導体レーザ；ＷＫ…ワーク
ＯＰ１、ＯＰ１Ｂ、ＯＰ１Ｃ、ＯＰ１Ｈ、ＯＰ１Ｉ、ＯＰ１’…第一光路
ＯＰ２、ＯＰ２Ｂ、ＯＰ２Ｃ、ＯＰ２Ｈ、ＯＰ２Ｉ、ＯＰ２’…第二光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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