(57)【要約】【課題】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。【解決手段】所定のレーザ光を全反射する終端鏡１２と、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１４と、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２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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る、ことを特徴とする３次元ディスクレーザ。
【請求項２】
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、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元ディスクレーザ。
【請求項３】
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を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元ディスクレーザ。
【請求項４】
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を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の３次元ディスクレーザ。
【請求項５】
前記立体支持部材は、中空球体又は中空多面体である、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元ディスクレーザ。
【請求項６】
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、ことを特徴とする請求項４に記載の３次元ディスクレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５５５３０８８号明細書、「ＬＡＳＥＲ  ＡＭＰＬＩＦＹＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ」
【特許文献２】特開２０００−２１６４６８号公報、「レーザ発振器」
【特許文献３】特表２００３−５０２８５０号公報、「固体レーザ」
【特許文献４】特開２００４−３４９７０１号公報、「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」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、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を備える。
【００１７】
また、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を備える。
【００１８】
前記立体支持部材は、中空球体又は中空多面体である。
【００１９】
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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】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。
【図２】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の構成図である。
【図３】図１の３次元ディスクレーザを構成する立体支持部材の模式図である。
【図４】図３の立体支持部材の平面展開図である。
【図５】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６】図５の反射経路の模式図である。
【図７】中空６面体の各面に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た例を示す図である。
【図８】立体支持部材が中空球体の場合の反射経路の説明図である。
【図９】特許文献１の「レーザ増幅システム」の模式図である。
【図１０】特許文献２の「レーザ発振器」の模式図である。
【図１１】特許文献３の「固体レーザ」の模式図である。
【図１２】特許文献４のディスクレーザの模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
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
【図１】
2008159665.tif 000003
【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】
2008159665.tif 000011
【図１０】
2008159665.tif 000012
【図１１】
2008159665.tif 000013
【図１２】
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