(57)【要約】【課題】極低温冷却により熱レンズ効果を低減するレーザー装置において、平均出力を大きくとることにより発生する冷却能力の低下を抑制し、高い平均出力を得る。【解決手段】レーザー媒質をレーザー媒質に比べて充分に大きな体積を有する良熱伝導性金属中に保持し、液体窒素が金属と大きな面積で接触するように構成して、気化した窒素による冷却の阻害が起きないようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体により固体レーザー媒質を設けた放熱用金属体を冷却する固体レーザー装置であって、
固体レーザー媒質を前記放熱用金属体の放熱用金属ブロックに設け、前記放熱用金属体の放熱用金属突起部を前記冷却媒体中に突出させたことを特徴とする固体レーザー装置。
【請求項２】
前記放熱用金属突起部を、該放熱用金属突起部の表面に沿って自然対流する前記冷却媒体が渦を形成しないように形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザー装置。
【請求項３】
前記放熱用金属突起部を、該放熱用金属突起部の表面に沿って自然対流する前記冷却媒体が渦を形成しないように溝形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体レーザー装置。
【請求項４】
前記放熱用金属突起部を、前記放熱用金属ブロックに連続する側から自由端に向かう方向に任意の曲面に成形することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体レーザー装置。
【請求項５】
前記曲面を、前記放熱用金属ブロックに連続する側から自由端に向かう方向に弧面、又は、放物面に成形することを特徴とする請求項４記載の固体レーザー装置。
【請求項６】
請求項１記載のレーザー装置であって、固体レーザー媒質を固定した良熱伝導性金属と液体窒素との接触部分に鉛直方向の突起を設け、液体窒素が自然対流することにより冷却能力を増強したことを特徴としたレーザー装置。
【請求項７】
請求項６記載のレーザー装置であって、良熱伝導性金属は、固体レーザー媒質を収納する凹部を有すると共に、前記凹部を含んで分割形成され、前記分割形成した良熱伝導性金属は、前記固体レーザー媒質が前記凹部内に密着状態で収納されるように、前記固体レーザー媒質に圧接されていることを特徴とするレーザー装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載のレーザー装置であって、固体レーザー媒質と良熱伝導性金属の間にインジウム等の軟質金属もしくは熱伝導コンパウンドを充填したことを特徴としたレーザー装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項記載のレーザー装置であって、液体窒素注入チャンネルと蒸発ガス排気チャンネルとを有することを特徴としたレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体窒素冷却により高い平均出力を得る固体レーザー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザー装置において、高い平均出力を得ようとした場合、熱によってレーザー媒質が歪む現象、いわゆる熱レンズ効果によって最大出力が制限される。
チタンサファイアなどのサファイア系結晶をレーザー媒質とする固体レーザー装置においては、特許文献１および非特許文献１に示されるように、レーザー結晶を極低温で冷却することにより、熱レンズ効果を低減し、より高い平均出力を得るように構成することが知られている。
【０００３】
従来の技術においては、レーザー媒質を直接液体窒素中に液浸させることが最も効果的な冷却方法であり、レーザー媒質を銅のホルダー等に固定する場合も、金属部分を極力薄くし、あるいは金属に穴をあけるなどの手段により、液体窒素がレーザー媒質の近傍に達するように構成されてきた。これは金属部分が熱抵抗を有するため、その値を極力小さくすべきとの考え方に基づいて設計されるからである。
この考え方は発熱量が数Ｗ程度の装置に対しては有効であった。
【特許文献１】特開２００５−２１００３７号公報
【非特許文献１】Ｊ．  Ｙａｎｇ  ａｎｄ  Ｂ．  Ｗａｌｋｅｒ，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．  ２６，  ｐ４５３  （２００１）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、発熱量が１００Ｗを越える高出力レーザー装置においては、従来の技術では１４０Ｋ以下に冷却することが必要となる。しかし、発熱量が１００Ｗを越えるような高出力レーザー装置においては充分な冷却が得られなくなるという問題があった。
従来の高出力レーザー装置において、充分な冷却が得られなくなる原因を解析した。それによると、従来の高出力レーザー装置においては、液体窒素がレーザー媒質あるいはそれを保持する金属部分と接する面積が限られていて十分な冷却の条件を満たさず、更に、液体窒素がレーザー媒質あるいはそれを保持する金属部分と接する部分において気化し、気化したガスが断熱層を形成し、冷却を阻害していることが明らかになった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、高出力レーザー装置において、充分な冷却が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために以下の解決手段を採用する。
本発明の固体レーザー装置は、レーザー媒質をレーザー媒質に比べて充分に大きな体積、例えば、固体レーザー媒質を該固体レーザー媒質の１０倍以上の体積を有する良熱伝導性金属中に保持し、この良熱伝導性金属を冷却媒体、例えば、液体窒素と大きな面積で接触するように構成する。大きな面積となる構成としては、平板状、対向テーパー面からなる断面楔形状等の構成をとる。この構成によって、気化した窒素による冷却の阻害が起きないようにする。
【０００７】
具体的には、以下のようになる。
（１）固体レーザー装置は、冷却媒体により固体レーザー媒質を設けた放熱用金属体を冷却する固体レーザー装置であって、
固体レーザー媒質を前記放熱用金属体の放熱用金属ブロックに設け、放熱用金属体の放熱用金属突起部を前記冷却媒体中に突出させたことを特徴とする。
（２）上記（１）記載の固体レーザー装置は、放熱用金属突起部を、放熱用金属突起部の表面に沿って自然対流する冷却媒体が渦を形成しないように形成されていることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載の固体レーザー装置は、前記放熱用金属突起部を、該放熱用金属突起部の表面に沿って自然対流する前記冷却媒体が渦を形成しないように溝形成されていることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の固体レーザー装置は、放熱用金属突起部を、放熱用金属ブロックに連続する側から自由端に向かう方向に任意の曲面に成形することを特徴とする。
（５）上記（４）記載の固体レーザー装置は、曲面を、放熱用金属ブロックに連続する側から自由端に向かう方向に弧面、又は、放物面に成形することを特徴とする。
（６）上記（１）記載のレーザー装置は、固体レーザー媒質を固定した良熱伝導性金属と液体窒素との接触部分に鉛直方向の突起を設け、液体窒素が自然対流することにより冷却能力を増強したことを特徴とする。
（７）上記（６）記載のレーザー装置は、良熱伝導性金属は、固体レーザー媒質を収納する凹部を有すると共に、前記凹部を含んで分割形成され、前記分割形成した良熱伝導性金属は、前記固体レーザー媒質が前記凹部内に密着状態で収納されるように、前記固体レーザー媒質に圧接されていることを特徴とする。
（８）上記（６）又は（７）記載のレーザー装置は、固体レーザー媒質と良熱伝導性金属の間にインジウム等の軟質金属もしくは熱伝導コンパウンドを充填したことを特徴とする。
（９）上記（６）乃至（８）のいずれか１項記載のレーザー装置は、液体窒素注入チャンネルと蒸発ガス排気チャンネルとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の固体レーザー装置は、固体レーザー媒質を放熱用金属体の放熱用金属ブロックに設け、放熱用金属体の放熱用金属突起部を冷却媒体中に突出させたので、冷却媒体と接する放熱用金属突起部の放熱面積を大きくすることができ、放熱用金属突起部に熱を伝える放熱用金属ブロックの面積を大きくでき、固体レーザー媒質の発熱を放出しやすいように固体レーザー媒質を放熱用金属体の放熱用金属ブロックに設けることができ、冷却用の金属部分を大型化して、従来は不可能であった高い冷却効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の固体レーザー装置の断面図である。
図１の固体レーザー装置１は、固体レーザー媒質２と、この固体レーザー媒質２が発生する熱を流体中へ放熱するための放熱用金属体５と、放熱用金属体５から熱を奪うための冷却媒体、例えば、液体窒素９と、この液体窒素９を案内するための配管８からなる。
放熱用金属体５は、放熱用金属ブロック部３と放熱用金属突起部４から構成される。
配管８は、注入用配管６と冷却・排気用配管７から構成される。
冷却・排気用配管７は、下端面を開放し、その下端面に連接する側面に注入用配管６を連結する。冷却・排気用配管７と注入用配管６の連結位置は、放熱用金属突起部４に沿った流路をより長くするために冷却・排気用配管７の下端面に連接する側面が最も好ましいが、放熱用金属突起部４に沿った流路が形成できる位置で有れば問題なく使用できる。
【００１１】
冷却・排気用配管７の下端面には、放熱用金属ブロック部３の放熱用金属突起部４を設けた面が密封状態に接続される。この結果、放熱用金属突起部４は液体窒素９を収納した冷却・排気用配管７の内部に挿入配置される。
固体レーザー媒質２はチタンサファイア等のレーザー発光素子用の結晶をいう。
放熱用金属体５は、放熱用金属ブロック部３と、放熱用金属突起部４からなる。放熱用金属ブロック３は、対角線に沿って分割された分割ブロックの組み合わせ体であり、組み合わせ接合部に固体レーザー媒質を固定する凹部が形成されている。
【００１２】
放熱用金属ブロック部３は、固体レーザー媒質１の発熱を放熱用金属突起部４へ効率的に伝導させることができる材料、形状および構造のものであればよく、例えば、紙面に直角方向で見て、正方形、長方形、円形、扇形、楕円形等の任意の形状でよく、また、立体的に見て、立方体、直方体、球体、多面体等の任意の構造体でよい。放熱用金属ブロック部３の材料は熱伝導率や価格の点で銅や銅合金が好ましい。金属ブロック３は、固体レーザー媒質の１０倍以上の体積を有する良熱伝導性金属とする。
放熱用金属突起部４は、冷却効率を高くするために、液体窒素との接触面積が広く渦が発生しない形状であればよく、例えば、平板状、対向テーパー面からなる断面楔形状等の形状が好ましい。放熱用金属突起部４と放熱用金属ブロック部３の接続部分は、流体の渦が発生しないように（円）弧面や放物面等に構成するのが好ましい。
液体窒素との接触面積を広くすることは冷却面積を広くすることであり、渦が発生しない形状とすることは蒸発ガスが渦になって突起部表面に滞留して断熱構造を呈し、冷却作用を低下させることがないようにすることにある。
【００１３】
レーザー媒質２から銅ブロック３へは良好な熱伝導が必要であり、銅ブロックを対角線方向に分割してボルトで圧接して空隙が生じないようにするか、あるいは微小な空隙が生ずる可能性がある場合には、インジウム等の柔らかな金属や熱伝導性コンパウンド等を充填する。銅ブロックは液体窒素３中に鉛直方向に突起４を有する。突起４に接した液体窒素は加熱され、一部は気化するが、気泡は浮力により上昇する。このため液体窒素は図１中の矢印Ａで示すように対流運動を行ない、気化した窒素に妨げられることなく、効果的な冷却が行なわれる。
【００１４】
銅の熱伝導率ｋは−１００°Ｃにおいて４２０Ｗ／ｍＫであり、Ｐ［Ｗ］の熱パワーが断面積Ｓ［平方ｍ］長さＬ［ｍ］の銅ブロックを伝導した際に生ずる温度差ΔＴは次式で表される。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
上記の数式からわかるように銅ブロックの外形を大きくした場合、断面積は外形寸法の２乗で増えるのに対し、長さは外形寸法に比例するため、結果的に液体窒素とレーザー媒質の温度差を小さくすることができる。
一方で、冷却能力を決定する銅の表面から液体窒素への核沸騰熱伝達は、大気圧下にあっては清浄な表面の場合２０Ｗ／ｃｍ２程度が期待できる。ただしこのときの液体窒素と銅の温度差は２０Ｋを超えないため、液体窒素と接触する銅の表面積を十分に大きくとることによって、レーザー媒質の温度を必要な１４０Ｋ以下に保持することが可能となる。（液体窒素の大気圧下における沸点はおよそ７７Ｋである）。
【００１７】
ここでは液体窒素は蒸発により冷却能力を発揮するが、この能力を維持するためには円滑な液体窒素の補給を必要とする。蒸発した窒素ガスにより液体の注入が妨げられることをさけるため、蒸発ガスの排気チャネルとは別に液体注入チャネルを設け、もって連続的なレーザー装置の運用を可能にする。
このように液体窒素とレーザー媒質との間に生ずる温度差を小さく抑え、一方で液体窒素は冷却するパワーに比べて充分に大きな接触面積を有し、かつ対流によって高い冷却能力を維持するとともに、円滑な液体の補給を行って連続運用を可能にする。このため従来は不可能であった高い平均出力を有するレーザー装置が可能となる。
【実施例２】
【００１８】
図２は本発明の固体レーザー装置の実施例２の構成図である。図２（ａ）は、側面図である図２（ｂ）のＣ−Ｃ断面図。図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ側面図である。ここで、図２の図１と同じ符号を付した部品は、図１の説明を援用し、このでは説明を省略する。
図２（ａ）に断面を示すように、放熱用金属突起部４の断面形状が裾拡がりになっている。換言すると、断面で見たとき、放熱用金属突起部４は、放熱用金属ブロック部３に連接する側（流路の上流側）を幅広に、放熱用金属突起部４の先端側を幅狭に、前記両側間をなだらかに連結するように曲面に構成する。この曲面はなだらかな曲面が好ましい。放熱用金属突起部４は、図２（ｂ）に示すように、その両側面に、流路に沿って溝を複数本設ける。流路の方向は、注入用配管６の出口から、蒸発ガスが出る方向に向かう。
【００１９】
このように、放熱用金属突起部４は、なだらかな曲面に構成しているので、液体窒素の渦が発生せず、冷却効果が向上する。また、放熱用金属突起部４は、流路に沿って溝を設けたので、表面積が増大し、冷却効果が増大する。
尚、銅ブロックは液体窒素とレーザー媒質との間に生ずる温度差が許容範囲に収まるのであれば他の金属や熱伝導材料を用いてもよく、また冷却媒体は、液体窒素の代わりに液体ヘリウムなどの他の液化ガスや冷却液であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
これまではチタンサファイアレーザーは平均出力が小さかったために、産業用としてはあまり利用されていなかったが、本発明によれば高い平均出力が可能となり、加工などの産業用途に適用可能となる。また、チタンサファイアレーザーに限らず、極低温冷却が必要な他の産業用レーザー用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の固体レーザー装置の断面図である。
【図２】本発明の固体レーザー装置の実施例２の構成図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    固体レーザー装置
２    固体レーザー媒質
３    放熱用金属ブロック部
４、４ａ    放熱用金属突起部
４ｂ    溝部
５    放熱用金属体
６    注入用配管
７    冷却・排気用配管
８    配管
９    液体窒素
Ａ    対流の方向
【図１】
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【図２】
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