(57)【要約】【課題】スパイク状の寄生発振を大幅に抑制でき、レーザパワー密度が高くなる位置での光学部材の光損傷を防止できる固体レーザ装置およびその設計方法を提供する。【解決手段】固体レーザ装置はレーザ発振部１０とレーザ増幅部２０とを備え、レーザ発振部１０は、リアミラー１１と、部分反射ミラー１２と、リアミラー１１と部分反射ミラー１２との間に縦列配置されたＭ個の光増幅器Ｐ１〜Ｐ９で構成され、レーザ増幅部２０はＮ個の光増幅器Ｑ１〜Ｑ５が縦列配置される。レーザ増幅部２０の光増幅器の個数Ｎをレーザ発振部１０の光増幅器の個数Ｍよりも少なくし、レーザ増幅部２０での合計利得Ｇ２がレーザ発振部１０での合計利得Ｇ１より小さくなり、寄生発振に関与する利得が小さくなって、第２スパイク発振を大幅に抑制できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器、および該光共振器の中に縦列配置された複数の光増幅器を有するレーザ発振部と、
複数の光増幅器が縦列配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光を増幅して、外部の光学部材へ供給するためのレーザ増幅部とを備え、
レーザ増幅部での光増幅器の合計利得は、レーザ発振部での光増幅器の合計利得より小さいことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
光共振器、および該光共振器の中に縦列配置された複数の光増幅器とを有するレーザ発振部と、
複数の光増幅器が縦列配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光を増幅して、外部の光学部材へ供給するためのレーザ増幅部とを備え、
レーザ増幅部での光増幅器の個数は、レーザ発振部での光増幅器の個数より少ないことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項３】
外部の光学部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
高反射ミラーおよび部分反射ミラーからなる光共振器、および該光共振器の中に縦列配置された複数の光増幅器を有するレーザ発振部と、
複数の光増幅器が縦列配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光を増幅して、外部の光学部材へ供給するためのレーザ増幅部とを備える固体レーザ装置の設計方法であって、
外部の光学部材と部分反射ミラーとの間で寄生共振が発生する場合、レーザ増幅部の光増幅器の個数を減らし、レーザ発振部の光増幅器の個数を増やすことを特徴とする固体レーザ装置の設計方法。
【請求項５】
外部の光学部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項４記載の固体レーザ装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接、切断、穴あけ等のレーザ加工に好適であって、例えば１ｋＷ〜十数ｋＷクラスの高出力レーザ光を発生できる固体レーザ装置およびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の固体レーザ装置の一例を示す構成図である。この固体レーザ装置は、レーザ発振部１０と、レーザ増幅部２０とを備える。
【０００３】
レーザ発振部１０は、高い反射率を有するリアミラー１１と、４０％程度の反射率を有する部分反射ミラー１２と、リアミラー１１と部分反射ミラー１２との間に光軸に沿って縦列的に配置された７個の光増幅器Ｐ１〜Ｐ７などで構成され、リアミラー１１と部分反射ミラー１２とで光共振器を構成している。
【０００４】
レーザ増幅部２０は、７個の光増幅器Ｑ１〜Ｑ７が光軸に沿って縦列的に配置されている。
【０００５】
光増幅器Ｐ１〜Ｐ７および光増幅器Ｑ１〜Ｑ７は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を光励起するレーザダイオードと、固体レーザ媒質を冷却する水冷機構などが一体的にモジュール化されたものであり、一般には、各光増幅器Ｐ１〜Ｐ７，Ｑ１〜Ｑ７は同一仕様のモジュールを使用する。
【０００６】
レーザ発振部１０とレーザ増幅部２０との間には、レーザ光を転送するリレーレンズ１３，１６と、レーザ光を反射する折り曲げミラー１４，１５が設けられる。
【０００７】
レーザ増幅部２０の後段には、レーザ光を伝送するための光ファイバ３０と、光ファイバ３０の出力端３０ｂに装着され、集光レンズ等を内蔵した加工ヘッド３１が配置される。光ファイバ３０の入力端３０ａの前段には、レーザ増幅部２０から出力されるレーザ光を集光する転写レンズ２１，２２が配置される。
【０００８】
次に動作を説明する。レーザ発振部１０において、リアミラー１１と部分反射ミラー１２との間でレーザ発振が生じ、レーザ光は光増幅器Ｐ１〜Ｐ７によって増幅され、部分反射ミラー１２を介して外部に取り出される。レーザ発振部１０から出力されたレーザ光は、リレーレンズ１３、折り曲げミラー１４，１５およびリレーレンズ１６を通って、レーザ増幅部２０に入力される。
【０００９】
レーザ増幅部２０を通過するレーザ光は、光増幅器Ｑ１〜Ｑ７によって増幅され、さらに転写レンズ２１，２２によってスポット状に集光され、光ファイバ３０に入射する。光ファイバ３０を通過したレーザ光は、加工ヘッド３１によって所望のスポット径に制御され、加工対象物４０に照射される。
【００１０】
なお、関連する先行技術（例えば非特許文献１）には、図５と同様な構成を有する固体レーザ装置が記載されている。
【００１１】
【非特許文献１】
レーザ加工国際フォーラム２０００、７４頁、図２
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光ファイバの入射端面および出射端面には、光損失を低減するための反射防止コートを施すことがある。しかし、１ｋＷ〜十数ｋＷクラスの高出力レーザ光になると、光ファイバ３０の入射端面および出射端面でのレーザパワー密度が極めて高くなるため、反射防止コートの存在は逆に光ファイバ３０の損傷閾値を下げる方向に作用する。そのため、反射防止コート無しの光ファイバ３０を使用せざるを得ず、１つの端面につき約３．４％のフレネル反射損失が生じ、入射端面および出射端面の合計で約７％のフレネル反射損失が発生してしまう。
【００１３】
こうしたフレネル反射は、光損失だけでなく、レーザ増幅部２０やレーザ発振部１０へ戻り光を発生させて、レーザ動作を不安定にする要因となる。特に、光ファイバ３０の入力端３０ａと部分反射ミラー１２と間で別の光共振器が成立すると、寄生発振が発生する。寄生発振は、定常発振パワーより数十倍高いピークパワーを有するスパイク状のパルス光を発生させ、その結果、光ファイバ３０の入射端面に致命的な損傷をもたらす。
【００１４】
本発明の目的は、スパイク状の寄生発振を大幅に抑制でき、レーザパワー密度が高くなる位置での光学部材の光損傷を防止できる固体レーザ装置およびその設計方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体レーザ装置は、光共振器、および該光共振器の中に縦列配置された複数の光増幅器を有するレーザ発振部と、
複数の光増幅器が縦列配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光を増幅して、外部の光学部材へ供給するためのレーザ増幅部とを備え、
レーザ増幅部での光増幅器の合計利得は、レーザ発振部での光増幅器の合計利得より小さいことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態を示す構成図である。この固体レーザ装置は、レーザ発振部１０と、レーザ増幅部２０とを備える。
【００１７】
レーザ発振部１０は、高い反射率を有するリアミラー１１と、４０％程度の反射率を有する部分反射ミラー１２と、リアミラー１１と部分反射ミラー１２との間に光軸に沿って縦列的に配置されたＭ個（ここではＭ＝９の例を示す）の光増幅器Ｐ１〜Ｐ９などで構成され、リアミラー１１と部分反射ミラー１２とで光共振器を構成している。
【００１８】
レーザ増幅部２０は、Ｎ個（ここではＮ＝５の例を示す）の光増幅器Ｑ１〜Ｑ５が光軸に沿って縦列的に配置されている。
【００１９】
光増幅器Ｐ１〜Ｐ９および光増幅器Ｑ１〜Ｑ５は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を光励起するレーザダイオード（ＬＤ）と、固体レーザ媒質を冷却する水冷機構などが一体的にモジュール化されたものであり、一般には、各光増幅器Ｐ１〜Ｐ９，Ｑ１〜Ｑ５は同一仕様のモジュールを使用する。
【００２０】
レーザ発振部１０とレーザ増幅部２０との間には、レーザ光を転送するリレーレンズ１３，１６と、レーザ光を反射する折り曲げミラー１４，１５が設けられる。
【００２１】
レーザ増幅部２０の後段には、レーザ光を伝送するための光ファイバ３０と、光ファイバ３０の出力端３０ｂに装着され、集光レンズ等を内蔵した加工ヘッド３１が配置される。こうした光ファイバ３０を使用することによって、固体レーザ装置から加工ヘッド３１に至るまでの伝送光学系を簡素化できる。光ファイバ３０の入力端３０ａの前段には、レーザ増幅部２０から出力されるレーザ光を集光する転写レンズ２１，２２が配置される。
【００２２】
次に動作を説明する。レーザ発振部１０において、リアミラー１１と部分反射ミラー１２との間でレーザ発振が生じ、レーザ光は光増幅器Ｐ１〜Ｐ９によって増幅され、部分反射ミラー１２を介して外部に取り出される。レーザ発振部１０から出力されたレーザ光は、リレーレンズ１３、折り曲げミラー１４，１５およびリレーレンズ１６を通って、レーザ増幅部２０に入力される。
【００２３】
レーザ増幅部２０を通過するレーザ光は、光増幅器Ｑ１〜Ｑ５によって増幅され、さらに転写レンズ２１，２２によってスポット状に集光され、光ファイバ３０に入射する。光ファイバ３０を通過したレーザ光は、加工ヘッド３１によって所望のスポット径に制御され、加工対象物４０に照射される。
【００２４】
図２は、寄生発振の典型例を示すグラフである。縦軸はレーザ出力で、横軸は時間である。各光増幅器における励起用ＬＤをオンにすると、レーザ光の発振および増幅が開始し、過渡状態においてレーザ出力は周期的に変動しながら全体として徐々に上昇して、定常状態ではほぼ一定のレベルに安定する。
【００２５】
寄生発振が生ずると、極めて高いピークパワーを有するスパイク状のパルス光が不定期で出現する。これは、装置内外で発生した振動や外乱により、光ファイバ３０の入力端３０ａと部分反射ミラー１２と間に形成される光共振器のＱ値が不定期で変動し、いわゆるＱスイッチングが働くためと考えられる。実際には、光ファイバ３０の入力端３０ａだけでなく、出力端３０ｂや加工ヘッド３１、加工対象物４０等からも戻り光が発生するため、寄生発振のメカニズムはこれらの戻り光が複合した現象として現れる。
【００２６】
典型的には、過渡状態でのパルス光を第１スパイク発振と称し、定常状態でのパルス光を第２スパイク発振と称する。第１スパイク発振は、単発性のものが多く、光ファイバ３０の前段に機械的シャッタを配置して、過渡状態でのレーザ光を一定時間だけ遮断することによって容易に回避できる。
【００２７】
第２スパイク発振は、レーザ光が安定した定常状態で数十マイクロ秒の周期で連続的に発生することが多く、問題となる。
【００２８】
本実施形態では、レーザ増幅部２０の光増幅器の個数Ｎをレーザ発振部１０の光増幅器の個数Ｍよりも少なく設定することによって、レーザ増幅部２０での光増幅器の合計利得Ｇ２がレーザ発振部１０での光増幅器の合計利得Ｇ１より小さくなる。その結果、全ての光増幅器の合計利得Ｇ（＝Ｇ１＋Ｇ２）に対するレーザ増幅部２０の合計利得Ｇ２の割合が小さくなって、寄生発振に関与する利得が小さくなり、第２スパイク発振を大幅に抑制することができる。
【００２９】
例えば、１つの光増幅器がレーザ出力５００Ｗ相当の光利得を有する場合、図５に示した従来の構成では、レーザ発振部１０の合計利得Ｇ１＝３．５ｋＷ、レーザ増幅部２０の合計利得Ｇ２＝３．５ｋＷ、装置全体の合計利得Ｇ＝７ｋＷとなる。そのため寄生発振に関与する利得が比較的大きくなり、強い第２スパイク発振が出現するようになる。
【００３０】
一方、図１に示した構成では、レーザ発振部１０の合計利得Ｇ１＝４．５ｋＷ、レーザ増幅部２０の合計利得Ｇ２＝２．５ｋＷ、装置全体の合計利得Ｇ＝７ｋＷとなる。そのため、最終のレーザ出力は図５と同程度に維持しつつ、寄生発振に関与する利得が小さくなり、第２スパイク発振の出現頻度およびピーク強度を格段に低減することができる。
【００３１】
次に、寄生発振のシミュレーション結果を説明する。レーザ動作のレート方程式は下記の式（１）〜（５）を使用するとともに、光ファイバ等の外部光学部材から反射率３．４％で戻り光が発生し、寄生共振器が５００ｎｓだけ存在した場合を想定している。
【００３２】
励起粒子密度に対するレート方程式に関し、励起粒子密度の時間変化については、通常のレート方程式を用いて記述している。励起パワーをＰＬＤ、励起光角周波数をνＬＤとすれば、ポンピングレートＷｐ  は（１）式で表される。
【００３３】
【数１】
2004241531.tif 000003
【００３４】
但し、Ｖｐ  は励起領域の体積、ηｐ  は励起光利用効率、ｈはプランク定数である。
【００３５】
Ｎｄ：ＹＡＧの波長１０６４ｎｍ発振は、典型的な４準位モデルで記述することができる。上準位４Ｆ３／２、下準位４Ｉ１１／２、基底準位４Ｉ９／２の原子数密度をそれぞれＮ２、Ｎ１、Ｎ０の時間変化を表すレート方程式は、次の（２）〜（４）式で記述できる。
【００３６】
【数２】
2004241531.tif 000004
【００３７】
ここで、σは誘導放出断面積、τｆ２は上準位（４Ｆ３／２）緩和時間、τｆ１は下準位（４Ｉ１１／２）緩和時間、βは上準位の全緩和経路に対する４Ｆ３／２→４Ｉ１１／２遷移の分岐比、φは共振器内を往復するレーザ媒質内での光子密度、ｃは真空中の光速、ｎは媒質の屈折率を表す。ｆｕｐは４Ｆ３／２にある全原子中、レーザ発振に直接寄与するＲ２  レベルが占める割合、ｆｌｏｗ  は４Ｉ１１／２にある全原子中、レーザ発振に直接寄与するＹ３  レベルが占める割合を表す。また、励起領域内の４準位原子全体の密度をＮｔｏｔａｌとすれば、（５）式が成り立つ。
【００３８】
【数３】
2004241531.tif 000005
【００３９】
図３は装置全体で８個の光増幅器を搭載した場合のレーザ出力変動を示すグラフであり、図３（ａ）はレーザ発振部１０の光増幅器の個数Ｍ＝６、レーザ増幅部２０の光増幅器の個数Ｎ＝２の場合、図３（ｂ）はＭ＝２、Ｎ＝６の場合を示す。縦軸はレーザ出力で、横軸は時間である。
【００４０】
まず図３（ａ）を見ると、過渡状態においてレーザ出力の周期的変動が約２０μｓの期間出現しているが、定常状態ではほぼ一定のレベルに安定している。時刻８０μｓにおいて寄生共振器が５００ｎｓの期間存在しているが、第２スパイク発振は小さなレベルに抑制されており、外部光学部材の光損傷は生じない。
【００４１】
次に図３（ｂ）を見ると、過渡状態においてレーザ出力の周期的変動が図３（ａ）より小さくなっているが、定常状態の時刻８０μｓにおいて寄生共振器が存在すると、定常出力の約４０倍という極めて高いピークを有する第２スパイク発振が出現しており、外部光学部材が損傷する可能性が高くなる。
【００４２】
例えば、最終のレーザ出力４ｋＷ（＝５００Ｗ×８個）を光ファイバのコア径に相当する直径４００μｍのスポットに集光した場合、パワー密度は約３．２ＭＷ／ｃｍ２  と計算される。第２スパイク発振が定常出力の約４０倍のピーク出力を有すると、パワー密度は約１２８ＭＷ／ｃｍ２  に達し、例えばステップインデックス型光ファイバの光損傷レベル１００ＭＷ／ｃｍ２  を超えてしまう。
【００４３】
図４は装置全体で１０個の光増幅器を搭載した場合のレーザ出力変動を示すグラフであり、図４（ａ）はＭ＝８、Ｎ＝２の場合、図４（ｂ）はＭ＝２、Ｎ＝８の場合を示す。縦軸はレーザ出力で、横軸は時間である。
【００４４】
まず図４（ａ）を見ると、過渡状態においてレーザ出力の周期的変動が約２０μｓの期間出現しているが、定常状態ではほぼ一定のレベルに安定している。時刻８０μｓにおいて寄生共振器が５００ｎｓの期間存在しているが、第２スパイク発振は小さなレベルに抑制されており、外部光学部材の光損傷は生じない。
【００４５】
次に図４（ｂ）を見ると、過渡状態においてレーザ出力の周期的変動が図４（ａ）より小さくなっているが、定常状態の時刻８０μｓにおいて寄生共振器が存在すると、定常出力の約５５倍という極めて高いピークを有する第２スパイク発振が出現しており、外部光学部材が損傷する可能性が高くなる。
【００４６】
例えば、最終のレーザ出力５ｋＷ（＝５００Ｗ×１０個）を光ファイバのコア径に相当する直径４００μｍのスポットに集光した場合、パワー密度は約４．０ＭＷ／ｃｍ２  と計算される。第２スパイク発振が定常出力の約５５倍のピーク出力を有すると、パワー密度は約２２０ＭＷ／ｃｍ２  に達し、例えばステップインデックス型光ファイバの光損傷レベル１００ＭＷ／ｃｍ２  を超えてしまう。
【００４７】
このように光ファイバ３０等の外部光学部材と部分反射ミラー１２との間で寄生共振が発生する場合、外部レーザ出力があまり変化しないように装置全体の光増幅器の個数を一定に維持しつつ、レーザ増幅部２０の光増幅器の個数を減らし、レーザ発振部１０の光増幅器の個数を増やすように設計することによって、全ての光増幅器の合計利得Ｇ（＝Ｇ１＋Ｇ２）に対するレーザ増幅部２０の合計利得Ｇ２の割合が小さくなって、寄生発振に関与する利得が小さくなり、第２スパイク発振を大幅に抑制することができる。なお、レーザ発振部１０の光増幅器の個数を増やし過ぎると、光増幅器の特性ばらつきによってレーザ発振が不安定になることから、第２スパイク発振が許容できる程度にレーザ増幅部２０に光増幅器を割当てることが好ましい。
【００４８】
上述のように各光増幅器の利得が互いに同程度である場合は、光増幅器の個数を考慮すればよい。一方、利得が異なる光増幅器を混在させる場合は、レーザ増幅部２０での合計利得Ｇ２とレーザ発振部１０での合計利得Ｇ１を考慮することによって、寄生発振を防止することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳説したように、レーザ増幅部の光増幅器の個数をレーザ発振部の光増幅器の個数よりも少なく設定することによって、レーザ増幅部での光増幅器の合計利得がレーザ発振部での光増幅器の合計利得より小さくなる。その結果、レーザ増幅部の合計利得の割合が小さくなって、寄生発振に関与する利得が小さくなり、スパイク状の寄生発振を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。
【図２】寄生発振の典型例を示すグラフである。
【図３】装置全体で８個の光増幅器を搭載した場合のレーザ出力変動を示すグラフであり、図３（ａ）はＭ＝６、Ｎ＝２の場合、図３（ｂ）はＭ＝２、Ｎ＝６の場合を示す。
【図４】装置全体で１０個の光増幅器を搭載した場合のレーザ出力変動を示すグラフであり、図４（ａ）はＭ＝８、Ｎ＝２の場合、図４（ｂ）はＭ＝２、Ｎ＝８の場合を示す。
【図５】従来の固体レーザ装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０  レーザ発振部、  １１  リアミラー、  １２  部分反射ミラー、  １３，１６  リレーレンズ、  １４，１５  折り曲げミラー、  Ｐ１〜Ｐ９  光増幅器、  ２０  レーザ増幅部、  Ｑ１〜Ｑ５  光増幅器、  ３０  光ファイバ、  ３１  加工ヘッド、  ４０  加工対象物。
【図１】
2004241531.tif 000006
【図２】
2004241531.tif 000007
【図３】
2004241531.tif 000008
【図４】
2004241531.tif 000009
【図５】
2004241531.tif 000010