(57)【要約】【課題】  小型で高出力、長寿命、低コストな固体レーザ装置が得られるようにする。【解決手段】  内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質１３に、他方の焦線側に配置した励起ランプ１４からの励起光１４ａを前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質１３からのレーザ光２０を固体レーザ媒質１３の両側に配した出力ミラー１９とリアミラー１８との間で共振させながら出力ミラー１９から出射させるのに、励起光１４ａを固体レーザ媒質１３に対しその外径ｄＹよりも小さな集光径ｄＡにて集光させることにより励起し、レーザ光２０を出射させることにより、上記の目的を達成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。
【請求項２】
内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。
【請求項３】
内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置し端部外周部でＯリングにより水没環境を封止した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ出力を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。
【請求項４】
励起光の集光位置は固体レーザ媒質とほぼ同心位置である請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レーザ媒質の励起方法。
【請求項５】
固体レーザ媒質は、１８０ｍｍ以上の長さのものを用いる請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ媒質の励起方法。
【請求項６】
内側に２つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器と、この集光器内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でＯリングにより水没環境を封止するとともにランタノイド希土元素をドープした固体レーザ媒質と、前記集光器の他方の焦線側に配置され、円形断面と前記固体レーザ媒質とほぼ同じ長さとを有し、前記固体レーザ媒質を励起するための発光径が前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプと、前記固体レーザ媒質の両側に配置された出力ミラーおよびリアミラーと、これらミラー間に位置して前記固体レーザ媒質からの前記励起によるレーザ光の通過域を規制するアパーチャとを備え、
前記固体レーザ媒質の長さが１８０ｍｍ以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が５００ｍｍ以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さいことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項７】
内側に２つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器と、この集光器内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でＯリングにより水没環境を封止するとともに円形断面を有しランタノイド希土元素をドープした固体レーザ媒質と、前記集光器の他方の焦線側に配置され、円形断面と前記固体レーザ媒質とほぼ同じ長さとを有し、前記固体レーザ媒質を励起するための発光径が前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプと、前記固体レーザ媒質の両側に配置された出力ミラーおよびリアミラーと、これらミラー間に位置して前記固体レーザ媒質からの前記励起によるレーザ光の通過域を規制するアパーチャとを備え、
前記固体レーザ媒質の長さが１８０ｍｍ以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が５００ｍｍ以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、集光反射面は励起ランプからの励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さい集光径にて集光させるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項８】
前記励起ランプは、キセノンフラッシュランプであり、ガス圧が６００Ｐａ以上である請求項６、７のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項９】
前記固体レーザ媒質の前記外径はＯリングにより支持される両端部にて満足し、これら両端部間は前記励起ランプの発光径およびアパーチャ径とほぼ同等である請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１０】
出射ミラーの後段にカップリングした光ファイバを備え、この光ファイバのコア径が、アパーチャ径の１／１５程度である請求項６〜９のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１１】
前記固体レーザ媒質のリアミラー側またはおよび出力ミラー側に、リアミラー側またはおよび出力ミラー側のＯリングにリアミラーまたはおよび出力ミラーからのレーザ光が及ぶのを遮断するプロテクタ径を有したプロテクタを備え、前記プロテクタ径が前記集光径およびアパーチャ径とほぼ同等である請求項６〜１０のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１２】
プロテクタは、対応するＯリングの端部からほぼ５ｍｍ以内の位置に配置する請求項１１に記載の固体レーザ装置。
【請求項１３】
出力ミラーおよびリアミラーのミラー面近傍にレーザ光の通過域を規制するアパーチャを設けた請求項１１に記載の固体レーザ装置。
【請求項１４】
リアミラーおよび固体レーザ媒質との間に光軸に対し傾けて配置され、レーザ光の外部出力を阻止する内部シャッタを備えた請求項１３に記載の固体レーザ装置。
【請求項１５】
励起電流を制御してレーザ光を所定の出力エネルギにて繰り返しショット出力して加工に供するのに、所定回数目ごとの出力エネルギを検出する検出手段と、この検出された出力エネルギに基づき次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギになるように拡大、縮小係数を変化させながら励起電流を制御する制御手段とを備えた請求項６〜１４のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１６】
固体レーザ媒質から出力ミラー側またはおよびリアミラー側の光軸を可変とした請求項６〜１５のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１７】
光軸は、固体レーザ媒質の水没環境を封止するＯリング部を支点に可変とする請求項１６に記載の固体レーザ装置。
【請求項１８】
光軸が可変な側のアパーチャおよびプロテクタ間の外周は遮光している請求項６〜１７のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１９】
Ｏリングは固体レーザ媒質の端部を受け入れて支持するホルダの端面部に位置し、ホルダの外周から固体レーザ媒質の中央側に張り出してＯリングを覆いかつ保持するＯリングキャップを備え、ＯリングキャップのＯリングから固体レーザ媒質の中央側への張り出し寸法をレーザ光の出力の大きさに応じて設定する請求項６〜１８のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項２０】
張り出し寸法は０．５ｍｍ以上である請求項１９に記載の固体レーザ装置。
【請求項２１】
Ｏリングキャップの外面はＡｕメッキしてある請求項１９、２０のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ媒質を励起ランプにより励起する固体レーザ媒質の励起方法と、それを利用した固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザ媒質としてＹＡＧロッドを用い、これをパルス駆動する励起ランプからの励起光により励起してレーザ光をショット出力させて光ファイバ伝送し溶接などを繰り返すような加工が行われている。例えば、自動車の製造段階における溶接では、加工上６００Ｗ以上の出力、コア径０．６ｍｍ以下の光ファイバ結合が要求されている。
【０００３】
ところで、長さが１８０ｍｍ以上の長いＹＡＧロッドでは外径が７ｍｍを超えると単ランプでは熱レンズ効果と片側照射による反りコア径０．６ｍｍの光ファイバ結合は難しくなる。しかし、従来から知られている１つの固体レーザ媒質の両側に励起ランプを配し、これら２つの励起ランプからの励起光を双集光反射面により前記１つの固体レーザ媒質に対しその外径のほぼ一杯に集光させる方式（例えば、特許文献１参照。）によると、１５０ｍｍ程度のＹＡＧロッドによっても６００Ｗ程度の出力が得られ、コア径０．６ｍｍの光ファイバ結合が可能である。また、左右からの対照的な励起によって固体レーザ媒質の熱歪みによる反りをキャンセルでき、必要な出力が６００Ｗを超えて大きくなるにつれて、共振ミラー間にＹＡＧロッドおよび励起ランプの組を複数直列に配置するタンデム構造として対応することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平０５−０６３２６８号公報（図１、図１０）
【特許文献２】特開２００１−１２７３６１号公報（図１、図４、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のようなツインランプ構成の固体レーザ装置では装置が複雑で大型化するし、高価にもつく。また、固体レーザ媒質まわりの水没環境域を固体レーザ媒質の両端部で封止し、大気との間をシールするＯリングが固体レーザ媒質からのレーザ光によってダメージを受けないように、Ｏリング近傍に及ぶレーザ光をアパーチャにより遮断するようにしており、結果的に、固体レーザ媒質からのレーザ光にけられによるロスが発生する。このため、励起光を固体レーザ媒質の外径のほぼ一杯に集光させることにより、固体レーザ媒質のボリュームの全体を有効利用できるようにしながらそれを活かせず、出力効率向上の限界になっている。その上、固体レーザ媒質における前記ロス範囲にも励起による熱歪みが発生する不合理があり、寿命低下の原因にもなっている。
【０００５】
これらにつき、本発明者等が種々に実験をしながら研究を重ねたところ、１８０ｍｍ以上の長いＹＡＧロッドでも固体レーザ媒質の外径ないしは水没環境を封止する封止部の径に対する励起域を制限することによって熱歪みが抑えられ、その分、固体レーザ媒質の長尺化によるボリュームおよび出力の増大が図れることを知見した。
【０００６】
本発明の目的は、このような新たな知見に基づき、小型で高出力、長寿命、低コストな固体レーザ装置が得られる固体レーザ媒質の励起方法とそれを利用した固体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の固体レーザ媒質の励起方法は、内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを１つの特徴としている。
【０００８】
このような構成では、固体レーザ媒質はその外径よりも小さな集光径を持つように、集光反射面および励起ランプによる励起が行われて、固体レーザ媒質の前記集光径に見合った範囲で励起によるレーザ光が発生して出射する。つまり、固体レーザ媒質はその外径に対する励起域が制限されて外周部層は励起が及ばない分だけ熱歪みが抑えられる。これにより、１つの励起ランプの片側からの励起によっても固体レーザ媒質の寿命は高まり、主として長尺化による出力の増大が図れて、固体レーザ装置の簡略化、小型化、低コスト化が実現し、併せて、０．６ｍｍ以下の集光を可能とする７ｍｍ以下の外径での実用にも対応できる。しかも、励起域、レーザ光発生域を抑えた分だけ固体レーザ媒質の外径での水没環境を封止する封止部にレーザ光が及ばないようにすることができ、アパーチャは固体レーザ装置から出力するレーザ光を整形する程度でよくなり、封止のためのＯリングにダメージを与えることなくアパーチャによるけられ損失が低減するので出力効率が向上する。さらに、必要な出力が高くなる分だけ励起ランプの駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。
【０００９】
また、前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを他の特徴とする固体レーザ媒質の励起方法の構成では、
固体レーザ媒質に対する前記集光径がアパーチャ径とほぼ同等とするので、アパーチャは異常発振するレーザ光を遮断する程度のものでよくなり、アパーチャけられによる出力効率の低下を前記１つの特徴の場合に比し、さらに抑えられる。
【００１０】
また、固体レーザ媒質の端部外周部で水没環境をＯリングにより封止し、前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ出力を出射させることを別の特徴とする固体レーザ媒質の励起方法の構成では、
固体レーザ媒質に対する前記集光径がアパーチャ径とほぼ同等とするので、固体レーザ媒質の励起域からのレーザ光が前記Ｏリングに及んでダメージを与えるのを防止しやすい上に、アパーチャは異常発振するレーザ光を遮断する程度のものでよくなり、アパーチャけられによる出力効率の低下を前記１つの特徴の場合に比し、さらに抑えられる。
【００１１】
励起光の集光位置は固体レーザ媒質とほぼ同心位置である、さらなる構成では、
固体レーザ媒質がその外径よりも小さいほぼ同心位置にて励起されて、外周部層の熱歪みがほぼ均等に抑えられるので、熱歪みが外周部の偏った部分に集中して生じダメージとなるようなことを防止することができ寿命が高まる。
【００１２】
固体レーザ媒質が、１８０ｍｍ以上の長さのものを用いる、さらなる構成では、
１８０ｍｍ以上の長さの固体レーザ媒質を用いることによりゲインを高められるため出力効率が従来の３％程度に比して４％程度と向上し、１ＫＷ以上の出力が得られる上に、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径を７ｍｍ以下として０．６ｍｍ以下の集光も可能である。さらに、必要な出力を得るための励起ランプの駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、低電流で大きなパワーが得られるためＩＧＢＴにより電流制御するのにその寿命上従来困難であった周波数の上限５００ＰＰＳを超えて７００ＰＰＳ〜１ＫＰＰＳを実現することができる。
【００１３】
また、本発明の固体レーザ装置は、２つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器と、この集光器内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でＯリングにより水没環境を封止するとともにランタノイド希土元素をドープした固体レーザ媒質と、前記集光器の他方の焦線側に配置され、円形断面と前記固体レーザ媒質とほぼ同じ長さとを有し、前記固体レーザ媒質を励起するための発光径が前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプと、前記固体レーザ媒質の両側に配置された出力ミラーおよびリアミラーと、これらミラー間に位置して前記固体レーザ媒質からの前記励起によるレーザ光の通過域を規制するアパーチャとを備え、前記固体レーザ媒質の長さが１８０ｍｍ以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が５００ｍｍ以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さいことを１つの特徴としている。
【００１４】
このような構成では、励起ランプの発光径が固体レーザ媒質の外径よりも小さい関係から１：１の集光比にても固体レーザ媒質はその外径よりも小さな集光径を持つように、集光器および励起ランプによる励起が行われて、固体レーザ媒質の前記集光径に見合った範囲で励起によるレーザ光が発生して出射し、加工などに供することができる。つまり、固体レーザ媒質はその外径に対する励起域が制限されて外周部層は励起が及ばない分だけ熱歪みが抑えられる。これにより、１つの励起ランプの片側からの励起によっても固体レーザ媒質の寿命は高まり、主として長尺化による出力の増大が図れて、固体レーザ装置の簡略化、小型化、低コスト化が実現する。特に、１８０ｍｍ以上の長さの固体レーザ媒質を用いることによりゲインを高められるため出力効率が従来の３％程度に比して４％程度と向上し、１ＫＷ以上の出力が得られる上に、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径を７ｍｍ以下として０．６ｍｍ以下の集光も可能である。さらに、必要な出力を得るための励起ランプの駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。また、低電流で大きなパワーが得られるためＩＧＢＴにより電流制御するのにその寿命上従来困難であった周波数の上限５００ＰＰＳを超えて７００ＰＰＳ〜１ＫＰＰＳを実現することができる。しかも、前記集光上、励起域、レーザ光発生域を抑えた分だけ固体レーザ媒質の外径での水没環境を封止する封止部にレーザ光が及ばないようにすることができる上、励起ランプによる集光径がアパーチャのアパーチャ径とほぼ一致し異常発振光だけを遮光して封止のためのＯリングにダメージを与えることなくアパーチャによるこれら損失がさらに低減するので出力効率がさらに向上する。
【００１５】
また、前記固体レーザ媒質の長さが１８０ｍｍ以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が５００ｍｍ以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、集光反射面は励起ランプからの励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さい集光径にて集光させるようにしたことを他の特徴とする固体レーザ装置の構成では、
固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、アパーチャ径にほぼ等しい集光径をもって集光させるのに、励起ランプの発光系がそれらアパーチャ径および集光径にほぼ等しいことにより、集光器における集光反射面の通常の楕円形状による集光比１：１の通常の集光状態にて簡単かつ確実に安定して達成することができる。
【００１６】
前記励起ランプは、キセノンフラッシュランプであり、ガス圧が６００Ｐａ以上である、さらなる構成では、
励起ランプは固体レーザ媒質の長大化に見合った長さの増大によって電子ビームの長行路化による十分な減速に加え、キセノンは原子量が大きく電子ビームを減速させるので、電子ビームがランプ電極に与える衝撃を緩和してランプ寿命を高めるのに好適であり、ガス圧を６００Ｐａ以上とすることによって発光密度が高まり十分な発光出力が得られる。
【００１７】
前記固体レーザ媒質の前記外径はＯリングにより支持される両端部にて満足し、これら両端部間は前記励起ランプの発光径およびアパーチャ径とほぼ同等である、さらなる構成では、
集光径によって設定される固体レーザ媒質の励起域径よりも大きく、両端部のＯリングのレーザ光に対する安全が図れる固体レーザ媒質の外径を、その両端部で確保しながら、この両端部間では固体レーザ媒質の外径を集光径およびアパーチャ径とほぼ同等程度までスリム化することにより、励起光が固体レーザ媒質を通過することによるロスを低減し出力効率を高められる。
【００１８】
出射ミラーの後段にカップリングした光ファイバを備え、この光ファイバのコア径が、アパーチャ径の１／１５程度である、さらなる構成では、
１／１５の集光比にて透過出力１ＫＷ、１００％近い透過率で光ファイバを透過させることができ、０．６ｍｍ以下の集光状態を得るのに好適である。
【００１９】
前記固体レーザ媒質のリアミラー側またはおよび出力ミラー側に、リアミラー側またはおよび出力ミラー側のＯリングにリアミラーまたはおよび出力ミラーからのレーザ光が及ぶのを遮断するプロテクタ径を有したプロテクタを備え、前記プロテクタ径が前記集光径およびアパーチャ径とほぼ同等である、さらなる構成では、
Ｏリングを専用のプロテクタによってレーザ光から保護することができ、特に専用であることにより、その保護のための独自な配置や形態、材質などとして異常発振するレーザ光にも十分配慮しながら、プロテクタ径がアパーチャ径とほぼ同等であることにより、アパーチャ以上にレーザ光にけられが生じるのを防止し、出力効率が低下しないようにすることができる。
【００２０】
プロテクタは、対応するＯリングの端部からほぼ５ｍｍ以内の位置に配置する、さらなる構成では、
Ｏリングとプロテクタとの間からＯリングに異常発振光が働くようなことを防止することができ、このような意味ではプロテクタはＯリングに近いほどよい。しかし、近すぎるとプロテクタのＯリング側の端面で反射するレーザ光がＯリングに及ぶので、１．５ｍｍ程度以上とするのが好適であり、より好適には１．５〜３ｍｍ程度とする。
【００２１】
出力ミラーおよびリアミラーのミラー面近傍にレーザ光の通過域を規制するアパーチャを設けた、さらなる構成では、
これらアパーチャがプロテクタと互いの邪魔なく協働してより多くの個所にてレーザ光に働くので、レーザ光の整形性、所定位置への集光性を高められ、０．６ｍｍ以下の集光にて光ファイバに入力させるのに好適であるし、異常発振したレーザ光を遮断しやすい利点もある。
【００２２】
リアミラーと固体レーザ媒質との間に光軸に対し傾けて配置され、レーザ光の外部出力を阻止する内部シャッタを備えた、さらなる構成では、
リアミラーと固体レーザ媒質との間に配置した内部シャッタであるため、外部出力側のような高いパワーのレーザ光に曝されないで、外部出力を遮断することができるし、シャッタは光軸に斜めに配置したので通過を遮断するレーザ光を光軸外に向け反射させてダメージを受けにくくすることができるので、寿命が向上する。また、内部シャッタにより通過を遮断されるレーザ光は光路外へ反射されて、Ｏリング側に向かうようなことがあっても前記のような専用のプロテクタによってそれを遮断することができるのでＯリングにダメージを与えるようなことがない。
【００２３】
励起電流を制御してレーザ光を所定の出力エネルギにて繰り返しショット出力して加工に供するのに、所定回数目ごとの出力エネルギを検出する検出手段と、この検出された出力エネルギに基づき次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギになるように拡大、縮小係数を変化させて励起電流を制御する制御手段とを備えた、さらなる構成では、
励起電流に対する外部出力の関係をショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになるように次のショット出力に対する励起電流の拡大、縮小係数を変える制御をするので、設定した出力波形を特に変化させることなくエネルギに過不足ないよう出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトや加工動作を加工中に切り換えることにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。それには、前記拡大、縮小係数を変化させる割合を波形やエネルギ、周波数、熱レンズ効果の大小などに応じて設定すればよい。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。
【００２４】
固体レーザ媒質から出力ミラー側またはおよびリアミラー側の光軸を可変とした、さらなる構成では、
固体レーザ媒質の長尺化などボリューム増大に伴うドープ密度のバラツキの増大によって、機械加工などにより得ている光軸に対してレーザ光の発振ビームの光軸が必ずしも一致しないことに対して、固体レーザ媒質から出力ミラー側またはおよびリアミラー側の光軸の角度などを調節することにより固体レーザ装置ごとに簡単に調整し適性化できる。
【００２５】
光軸は、固体レーザ媒質の水没環境を封止するＯリング部を支点に可変とする、さらなる構成では、
Ｏリングによる水没環境の封止に影響せずに、前記のような光軸調整がミラーやアパーチャ、プロテクタなどの光学機器を伴い調整できる。
【００２６】
光軸が可変な側のアパーチャおよびプロテクタ間の外周は遮光している、さらなる構成では、
光軸を調節して傾かせたことによって、かえって、光路外へ洩れるレーザ光が生じるのを遮断することができる。
【００２７】
Ｏリングが固体レーザ媒質の端部を受け入れて支持するホルダの端面部に位置し、ホルダの外周から固体レーザ媒質の中央側に張り出してＯリングをまわりから覆いかつ保持するＯリングキャップを備え、ＯリングキャップのＯリングから固体レーザ媒質の中央側への張り出し寸法はレーザ光の出力の大きさに応じて設定するさらなる構成では、
ＯリングはＯリングキャップに外まわりを覆われて励起ランプからの励起光から保護され、装置の軽量、コンパクト化には前記張り出し寸法を小さくするほどよく、０．５ｍｍ程度以上あればよいが、レーザ光の出力が大きくなるに従ってＯリングキャップが励起光によって吸熱し、Ｏリングや固体レーザ媒質に熱影響を与えるので、レーザ光の出力の大きさに応じて張り出し寸法Ｓを大きくしていくのが好適である。
【００２８】
Ｏリングキャップの外面はＡｕメッキしてある、さらなる構成では、
励起光を反射させて吸熱を抑えられ、Ｏリングや固体レーザ媒体への熱影響を緩和することができる。
【００２９】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態に係る固体レーザ媒質の励起方法とそれを利用した固体レーザ装置につき、図１〜図８を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００３１】
本実施の形態に係る固体レーザ装置は図１に示すような全体構成を有している。これにつき説明すると、固体レーザ装置の本体部分である固体レーザ発振器１２と、この固体レーザ発振器１２に備える励起ランプ１４を駆動する駆動回路３０とを備えている。固体レーザ発振器１２は、丸棒状の固体レーザ媒質１３と、この固体レーザ媒質１３の近傍箇所に平行に配置される単一で丸棒状の励起ランプ１４と、内側に２つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線位置に固体レーザ媒質１３を収納、配置し、他方の焦線位置に励起ランプ１４を収納、配置した集光器４０と固体レーザ媒質１３の光軸上の両側に配置されたリアミラー１８と出力ミラー１９とで構成され、駆動回路３０は前記励起ランプ１４を駆動する。リアミラー１８および出力ミラー１９は励起ランプ１４からの励起光１４ａの照射によって励起された固体レーザ媒質１３から発生するレーザ光２０を正帰還してレーザ発振を実現する光共振器１７をなし、発生したレーザ光２０を通過させる円形の光通過孔を有した出力側のアパーチャ２１ａ、およびリア側のアパーチャ２１ｂを備え、これら２つでレーザ光２０を整形するようにしている分だけ整形度が高まる。しかし、基本的にはいずれか１つ、好適には出力側の１つでもよい。
【００３２】
前記出力側のアパーチャ２１ａおよび出力ミラー１９を通過したレーザ光２０は、凹レンズと凸レンズの組み合わせからなるビームエキスパンダ２３によって平行光を維持して拡径される。ビームエキスパンダ２３を通過したレーザ光２０は集光レンズ２８により集光して光ファイバ２９に入射させる光ファイバ結合によって加工などに供される。集光レンズ２８は例えば焦点距離が３０〜５０ｍｍ程度の回折限界集光レンズである。
【００３３】
駆動回路３０は、交流電源３１の商用交流電力を整流回路３２によって直流電力に変換し、この直流電力により電解コンデンサ３３を充電し、この電解コンデンサ３３の充電電荷を、チョッパ回路３５によって所定のチョッピング周期でスイッチング制御されるスイッチング素子３４を介して放電させた後、この放電電流をリアクタンス素子３７および逆流防止用ダイオード３８を介して励起ランプ１４の電極に供給している。これにより、励起ランプ１４はフラッシュ制御されて固体レーザ媒質１３を励起するので、固体レーザ媒質１３はパルス励起されてレーザ光２０を所定の周期でショット出力する。上記スイッチング素子３４としては、本実施の形態において電圧制御形トランジスタであるＩＧＢＴが用いられている。このスイッチング素子３４は印加電圧が制御されることによって電解コンデンサ３３の放電電流を制御する。また、リアクタンス素子３７は、電流チョッピング周期を最適化するよう機能する。
【００３４】
集光器４０は、例えば、横断面楕円形の内面に金めっきして集光反射面とされている。集光反射面は、いわゆる双楕円形集光反射面とは異なり、幾何学の原理によって一方の焦線位置に配置された励起ランプ１４から出た励起光１４ａの全てを反射させて他方の焦線位置に配置された固体レーザ媒質１３に集光させることができ、１本の励起用ランプ１４から出射する励起光に対する固体レーザ媒質１３の励起効率が格段に向上する。なお、集光器には、上記楕円形集光反射面に代えて、放物線形集光反射面などを形成したものでもよい。要は励起ランプ１４から出射した励起光１４ａの全てを固体レーザ媒質１３に集光できるものであればよい。
【００３５】
本実施の形態では、特に、励起ランプ１４によって固体レーザ媒質１３を励起する励起方法として、図２の例、図３の例、図４の例、図５の例でそれぞれ示すように、励起ランプ１４からの励起光１４ａを集光器４０の集光反射面により、固体レーザ媒質１３に対しその外径ｄＹよりも小さな集光径ｄＡにて集光させることにより励起し、レーザ光２０を出射させることを基本的な特徴としている。固体レーザ媒質１３はその外径ｄＹよりも小さな集光径ｄＡを持った励起光１４ａの集光が行われると、固体レーザ媒質１３における外径ｄＹ内の前記集光径ｄＡに見合った範囲で励起によるレーザ光２０が発生して出射する。
【００３６】
つまり、固体レーザ媒質１３はその外径ｄＹに対する励起域が前記集光径ｄＡの範囲に制限されて、励起域から外れる外周部層１３ａはそこに励起が及ばない分だけ熱歪みが抑えられる。また、片側からのアンバランスな励起に起因した反りも緩和できる。これにより、１つの励起ランプ１４の片側からの励起によっても固体レーザ媒質１３の寿命は高まり、主として長尺化によるボリュームおよび出力の増大が図れる。この結果、固体レーザ装置の簡略化、小型化、低コスト化が実現し、併せて、０．６ｍｍ以下の集光を可能とする７ｍｍ以下の外径ｄＹでの実用にも対応できる。しかも、励起域、レーザ光発生域を抑えた分だけ固体レーザ媒質１３の外径ｄＹでの水没環境を封止する封止部にレーザ光２０が及ばないようにすることができ、アパーチャ２１ａ、２１ｂは固体レーザ装置から出力するレーザ光２０を整形する程度でよくなり、封止のためのＯリング５１にダメージを与えることなくアパーチャ２１ａ、２１ｂによるけられ損失が低減するので出力効率が向上する。さらに、必要な出力が高くなる分だけ励起ランプ１４の駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、スイッチング素子３４として超高速のＩＧＢＴを電流制御に用いて制御周波数を高められる。
【００３７】
ここで、励起光１４ａの集光位置は固体レーザ媒質１３とほぼ同心位置とすると、固体レーザ媒質１３がその外径ｄＹよりも小さいほぼ同心位置にて励起されて、外周部層１３ａの熱歪みがほぼ均等に抑えられるので、熱歪みが外周部の偏った部分に集中して生じダメージとなるようなことを防止することができ寿命が高まる。また、前記励起光１４ａを固体レーザ媒質１３に対しその外径よりも小さい集光径ｄＡにて集光させるのに、さらに、この集光径ｄＡがレーザ光２０の通過域を規制するアパーチャ２１ａ、２１ｂのアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同径となるようにする。このように、固体レーザ媒質１３に対する前記励起光１４ａの集光径ｄＡがアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同等とすると、従来、固体レーザ媒質１３の全域に及んで発振するレーザ光２０をそれがＯリング５１に及ばないビーム径にまでアパーチャ２１ａ、２１ｂによって規制しているのに対し、本実施の形態のアパーチャ２１ａ、２１ｂは異常発振するレーザ光２０を遮断する程度のものでよくなり、アパーチャけられによる出力効率の低下を前記の場合よりも、さらに抑えられる。具体的にはレーザ光２０のロスは０．数ｍｍオーダとなり、低電流での出力が固体レーザ媒質外径ｄＹ／ランプ発光径ｄＬの比近くまで向上する。
【００３８】
このような固体レーザ媒質の励起方法を実現するのに、本実施の形態の固体レーザ装置は、特に、図２で代表して示すように、２つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器４０と、この集光器４０内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でＯリング５１により水没環境を封止するとともにランタノイド希土元素をドープした円形断面の固体レーザ媒質１３と、集光器４０の他方の焦線側に配置され、円形断面で、かつ前記固体レーザ媒質１３とほぼ同じ長さを有し、さらに固体レーザ媒質１３を励起するための発光径ｄＬが固体レーザ媒質１３の外径ｄＹ（あるいは封止部径）よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプ１４と、固体レーザ媒質１３の両側に配置された出力ミラー１９およびリアミラー１８と、これらミラー１８、１９間に位置して固体レーザ媒質１３からの前記励起によるレーザ光２０の通過域を規制するアパーチャ２１ａ、２１ｂとを備えたものとするのに加え、さらに、固体レーザ媒質１３の長さＬがＬ≧１８０ｍｍ、出力ミラー１９およびリアミラー１８がなす共振器長ＬＬがＬＬ≧５００ｍｍ、前記アパーチャ２１ａ、２１ｂのアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂおよび励起ランプ１４の発光径ｄＬがほぼ等しく、かつ固体レーザ媒質１３の外径ｄＹよりも小さいものとしている。
【００３９】
このようにすると、励起ランプ１４の発光径ｄＬが固体レーザ媒質１３の外径ｄＹよりも小さい関係から単純な１：１の集光比にても固体レーザ媒質１３はその外径ｄＹよりも小さな集光径ｄＡを持つように、集光器４０および励起ランプ１４による励起が行われる。これによって、固体レーザ媒質１３の集光径ｄＡに見合った範囲で励起によるレーザ光２０が発生して出射し、加工などに供することができる。つまり、固体レーザ媒質１３はその外径ｄＹに対する励起域が集光径ｄＡ域に制限する前記基本的な励起方法が実現できる。その上で、１８０ｍｍ以上の長さＬの固体レーザ媒質１３を用いることによりゲインを高められるため出力効率が従来の３％程度に比して４％程度と向上し、１ＫＷ以上の出力が得られる。しかも、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径ｄＹを７ｍｍ以下として光ファイバ２９などに対する０．６ｍｍ以下の集光も可能である。
【００４０】
これに併せ、必要な出力を得るための励起ランプ１４の駆動電流を低く抑えられるので、ランニングコストが低減するし、ランプの長寿命化が図れる。同時に、超高速のＩＧＢＴを電流制御用のスイッチング素子３４に用いて制御周波数を高められる。また、低電流で大きなパワーが得られるためＩＧＢＴにより電流制御するのにその寿命上従来困難であった１ＫＷでの繰り返し周波数の壁５００ＰＰＳを破り、周波数の上限５００ＰＰＳを超えて７００ＰＰＳ〜１ＫＰＰＳを実現することができる。しかも、前記集光上、励起域、レーザ光発生域を抑えた分だけ固体レーザ媒質１３の外径での水没環境を封止する封止部５２にレーザ光２０が及ばずＯリング５１にダメージを与えないようにすることができる上、既述した励起方法での励起ランプ１４による集光径ｄＡがアパーチャ２１ａ、２１ｂのアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ一致することによる特徴も発揮する。また、励起ランプ１４の発光径ｄＡが固体レーザ媒質１３の外径ｄＹよりも小さくなった分だけ、発光密度が高まり発光出力が高まる。
【００４１】
なお、アパーチャ２１ａ、２１ｂのアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂは、固体レーザ媒質１３の外径ｄＹの−１ｍｍ程度が好適で、そのときの許容誤差は±０．３ｍｍ程度である。
【００４２】
また、励起ランプ１４は固体レーザ媒質１３の長大化に見合った長さ、つまり発光する範囲である励起長ｌの増大よって、電子ビームの長行路化による十分な減速が図れて、電子ビームがランプ電極１４ｂ、１４ｃに与える衝撃を緩和してランプ寿命を高められる。具体的には定格１０ＫＷのランプを２倍の２０ＫＷで使用してもランプの励起長ｌを２５０ｍｍ程度にすると、電流が１００〜１５０Ａで３００〜８００Ｗという十分な発光出力が単ランプにて得られ、しかも、数億ショットと通常のランプの数倍以上の寿命を実現している。
【００４３】
励起ランプ１４としてキセノンフラッシュランプを採用すると、キセノンは原子量が大きく電子ビームを減速させるので、これによっても前記ランプ電極１４ｂ、１４ｃに与える衝撃をさらに緩和させることができる。このような意味からキセノン１００％のものとするのが好適である。また、ランプの長寿命化にはキセノンが有効であるが、キセノンは発光密度を上げないとクリンプトンよりも発光効率が低いので、ガス圧を６００Ｐａ以上と上げることによって発光密度が高まり十分な発光出力が得られる。具体的には６００Ｐａのガス圧よりも８００〜１６００Ｐａ程度とさらに高めることにより励起密度をあげて、より低い電流で同じパワーを得ることができる。なお、励起長ｌは固体レーザ媒質１３の両側における封止部２１間の長さｌｌよりも小さい。
【００４４】
一方、励起ランプ１４の励起長ｌが１８０ｍｍを超えると、ガス圧が６００Ｐａより高くなればランプ抵抗値、つまりＶ＝Ｋ0×ＳＱＲ（Ｉ）におけるＫ0値が高くなり、またランプのコイル特性であるＬ成分が大きくなって、レーザショット直後の０電圧発生によりシマー電流が落ちやすくなる。この現象を回避するためにＫ0が３０を超えるランプに関してはシマー電流を通常の最大値の１．５Ａより高く１．７Ａ以上にする。
【００４５】
さらに、１ＫＷ以上の出力を得るには固体レーザ媒質１３の長さＬは図３に示す例で示すようにＬ≧２００ｍｍとすればよく、２５０ｍｍ以上とするのがより好適である。また、出力ミラー１９の後段にカップリングした光ファイバ２９のコア径ｄｆを、アパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂの１／１５程度に設定すると、１／１５以上の集光比にて透過出力１ＫＷ、１００％近い透過効率で光ファイバ２９を透過させることができ、０．６ｍｍ以下の集光状態を得るのに好適である。また、リアミラー１８の反射率はリアミラー１８の後方に図１に示すようなセンサ７１を設けてレーザ光２０の出力をモニタする以外は１００％、出力ミラー１９は平面で透過率が７０％程度以下とするのが好適である。また、固体レーザ媒質１３は長さＬが１８０ｍｍ以上でネオジウムドープ量ＮｄがＮｄ＝０．８％〜０．７％程度の範囲にするのが熱レンズ効果を低減するのに好適である。
【００４６】
具体的には、固体レーザ媒質長さＬ＝２００ｍｍ、アパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂ／固体レーザ媒質外径ｄＹの比を９／１０ｍｍに設定し、レーザ光２０の出力をビームエキスパンダ２３により１００／６０のコリメートをした後、既述した回折限界レンズである集光レンズ２８により集光することにより、ＮＡ＝０．２、コア径ｄｆ＝０．６ｍｍ＝９／１５の光ファイバ２９を透過出力１ＫＷ以上、透過効率９８％以上で透過させることができる。
【００４７】
さらに、励起ランプ発光径ｄＡ／固体レーザ冷媒外径ｄＹの比を６／７ｍｍ〜６／８ｍｍにして、レーザ光２０の出力をビームエキスパンダ２３により１００／６０のコリメートをした後、既述した回折限界レンズである集光レンズ２８により集光することにより、ＮＡ＝０．２、コア径ｄｆ＝０．４ｍｍの光ファイバ２９を透過出力１ＫＷ以上、透過効率９７％以上で透過させることができる。さらに、ＮＡ＝０．１５の光ファイバ２９を用いることにより微小金属板の切断に好適になる。
【００４８】
また、別に、前記固体レーザ媒質１３の前記外径ｄＹは図４の例で示すように封止用のＯリング５１により支持される両端部１３ｂ、１３ｃの外径ｄＹ１として満足し、これら両端部１３ｂ、１３ｃ間の中間部分１３ｄは前記励起ランプ１４の発光径ｄＬおよびアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同等の外径ｄＹ２とすることができる。これにより、集光径ｄＬによって設定される固体レーザ媒質１３の励起域径よりも大きく、かつ、両端部１３ｂ、１３ｃの外まわりに位置するＯリング５１のレーザ光２０に対する安全が図れる、固体レーザ媒質１３の外径ｄＹを、その両端部１３ｂ、１３ｃの外径ｄＹ１として確保しながら、この両端部１３ｂ、１３ｃ間の中間部分１３ｄでは固体レーザ媒質１３の外径を集光径ｄＡおよびアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同等程度の外径ｄＹ２までスリム化することにより、励起光１４ａが固体レーザ媒質１３を通過することによるロスを低減し出力効率を高められる。具体的には、既述した最大効率４％以上が得られる。
【００４９】
セリウムドープセラミックにすると任意形状の固体レーザ媒質１３を焼結により形成することができ、上記のような両端部１３ｂ、１３ｃと中間部分１３ｄとの間に段差ができるような形状も容易に得られる。しかし、その段差部は例えばアールと称される図４に示すような曲面１３ｅにて連続させるのが耐久性上好適である。一方、段付き形状は前記中間部分１３ｄの外径ｄＹ２を持って形成したストレートな固体レーザ媒質１３の両端部外周に、前記レーザ光２０に対するＯリング５１の安全を図るのに必要な外径ｄＹとの差ｄＹ３を埋める厚みを持った図示しないカラーを装着してフリット材で封止し段付き形状にすることもできる。このときのカラーは固体レーザ媒質１３と同質のセラミックとするのが好適である。このカラーをレーザ光２０を通さないものとすると、その外まわりを支持するＯリング５１にレーザ光２０が及びにくくなり、Ｏリング５１に対するいわゆるプロテクタとしても働く。具体的には、図７（ａ）に破線で示すような固体レーザ媒質１３内でＯリング５１の内周部対応いちにて反射する異常発振光２０ａが生じても、これがＯリング５１に及ぶのを防止することができる。
【００５０】
一方、異常発振光には、図７（ａ）に示すように出力ミラー１９やリアミラー１８にて異常発振して直接Ｏリング５１に及ぶ実線で示した異常発振光２０ｂ、図７（ｂ）に示すように固体レーザ媒質１３での異常発振を経て出力ミラー１９やリアミラー１８を介しＯリング５１に及ぶ異常発振光２０ｃなどがあり、１８０ｍｍ以上の長い固体レーザ媒質１３を用いると、Ｏリング５１のレーザ光２０に対する保護のために、外径ｄＹ＝１０ｍｍの固体レーザ媒質１３に対してアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂ＝９ｍｍのアパーチャ２１ａ、２１ｂを用いても、これら異常発振光２０ｂ、２０ｃなどによってＯリング５１にダメージを与える懸念がある。これに対応するのに、図５の例では、固体レーザ媒質１３のリアミラー１８側またはおよび出力ミラー１９側、好適には両側のＯリング５１に対して、リアミラー１８や出力ミラー１９からのレーザ光２０が及ぶのを遮断するプロテクタ径ｄＰａ、ｄＰｂの円形な光通過穴を有したプロテクタ５３ａまたはおよび５３ｂを備えたものとする。しかも、プロテクタ径ｄＰａ、ｄＰｂが前記集光径ｄＡ、アパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同等としてある。
【００５１】
このようにすると、Ｏリング５１を専用のプロテクタ５３ａ、５３ｂによってレーザ光２０、つまり上記のような異常発振光２０ｂ、２０ｃなどから保護することができ、特に、専用であることにより前記保護のための独自な配置や形態、材質などとして種々に異常発振するレーザ光２０にも十分配慮しながら、プロテクタ径ｄＰａ、ｄＰｂがアパーチャ径ｄＸａ、ｄＸｂとほぼ同等であることにより、アパーチャ２１ａ、２１ｂ以上にレーザ光２０にけられが生じるのを防止し、出力効率が低下しないようにすることができる。また、このように、アパーチャ２１ａ、２１ｂ、およびプロテクタ５３ａ、５３ｂを併用すると、ビームの通過規制機能が、より多くの個所にてレーザ光２０に働くので、レーザ光２０の整形性、所定位置への集光性を高められ、コア径ｄｆが０．６ｍｍ以下の光ファイバ２９に集光させるのに好適であるし、異常発振したレーザ光２０を遮断しやすい利点もある。それには、互いの誤差が±０．２ｍｍ程度以内とするのが好適である。また、プロテクタ５３ａ、５３ｂなどはそのプロテクタ機能上から、対応するＯリング５１の対向する端部からほぼ５ｍｍ以内の位置に配置すると、Ｏリング５１とプロテクタ５３ａ、５３ｂとの間からＯリング５１に異常発振光が働くようなことを防止しやすく好適である。
【００５２】
また、図５に示すように、出力ミラー１９およびリアミラー１８のミラー面近傍にアパーチャ２１ａ、２１ｂを設けると、これらアパーチャ２１ａ、２１ｂが対応するプロテクタ５３ａ、５３ｂと互いの邪魔なく協働することができ、アパーチャ２１ａ、２１ｂ、およびプロテクタ５３ａ、５３ｂを併用するのに好適であり、ポインティングスタビリティが安定し、ファイバ結合したときにも焦光点がぶれないため高出力のファイバ伝送が可能になる。しかも、このようなアパーチャ２１ａ、２１ｂの配置は内部シャッタなど他のものを配置するのにも好適である。
【００５３】
図６にプロテクタ５３ａ、５３ｂを設ける具体例を示している。これについて説明すると、固体レーザ媒質１３の外径ｄＹ＝１０ｍｍ、プロテクタ径ｄＰａ、ｄＰｂ＝発光径(ランプ内径)ｄＬ＝９ｍｍとし、筒状をしたロッドホルダ８１の固体レーザ媒質１３の端部を受け入れて支持する端部内フランジ８１ａの外面と、ロッドホルダ８１の端部外周にねじ嵌合部８３でねじ嵌合して装着したＯリングキャップ８２の端部内フランジ８２ａの内面との間で軸線方向に挟み付けたＯリング５１によってロッド状の固体レーザ媒質１３の端部外周を支持し、水没環境８４を封止し、まわりの空気環境８５から隔絶している。Ｏリング５１は前記軸線方向の挟み付けによって内周側に厚み出しをして固体レーザ媒質１３の外周に圧着させ前記封止を行うことはできる。しかし、本例ではこれに代えて、あるいは、さらに、Ｏリングキャップ８２の内周のねじ嵌合部８３を避けた、内フランジ８２ａ側部分をテーパ面８２ｂとし、前記ロッドホルダ８１とのねじ嵌合時にＯリング５１をテーパ面８２ｂによってＯリング５１を固体レーザ媒質１３の外周に押し付けて、より強力な封止ができるようにしてある。ロッドホルダ８１の内周には筒状をしたプロテクタ５３ａ、５３ｂを嵌め合せてあり、ロッドホルダ８１の内フランジ８１ａの内面に突き当ててＯリング５１との間の距離Ｓ１を所定値に設定している。この距離Ｓ１は、既述した異常発振光がＯリング５１とプロテクタ５３ａ、５３ｂとの間からＯリング５１に及ぶのを防止する意味からはプロテクタ５３ａ、５３ｂは前記５ｍｍの範囲でもＯリング５１に近いほど望ましい。しかし、近すぎると銅製などとされるプロテクタ５３ａ、５３ｂのＯリング側の端面５３ｃに入射するレーザ光により生じる熱などがＯリング５１に及ぶことがあるので距離Ｓ１は１．５ｍｍ程度以上とするのが好適であり、より好適には１．５〜３ｍｍ程度の範囲とする。
【００５４】
また、Ｏリングキャップ８２はＬ型断面をなしてＯリング５１を励起ランプ１４からの励起光１４ａに曝されないように覆っている。このため、Ｏリング５１よりも固体レーザ媒質１３の中央側への張り出し寸法Ｓ２だけ長くなっている。しかし、張り出し寸法Ｓ２は装置の軽量、コンパクト化には小さくするほどよく、０．５ｍｍ程度以上あればよいが、レーザ光２０の出力が大きくなるに従ってＯリングキャップ８２が励起光１４ａによって吸熱し、Ｏリング５１や固体レーザ媒質１３に熱影響を与える。このため、レーザ光２０の出力の大きさに応じて張り出し寸法Ｓを大きくしていくのが好適である。具体的には、出力が５００Ｗの場合はＳ＝０．５ｍｍ程度、７５０Ｗの場合はＳ＝１ｍｍ程度、１ＫＷの場合はＳ＝１．５ｍｍ程度とする。
【００５５】
この張り出し寸法Ｓ２は図示する例では内フランジ８２ａの厚みと等しくなっており、張り出し寸法Ｓ２を大きくしていくと熱容量が増大して吸熱による昇温が抑えられる。しかし、前記テーパ面８２ｂによるＯリング５１の押し付けによって、内フランジ８２ａはＯリング５１を内フランジ８１ａとの間で挟み付けなくても、固体レーザ媒質１３の外周に押し付けて保持でき、内フランジ８２ａをＯリング５１から離して前記の張り出し寸法Ｓ２を大きくすることができ、Ｏリング５１に対する熱影響を防止するのに好都合である。
【００５６】
さらに、Ｏリングキャップ８２の外面をＡｕメッキして鏡面とし、励起光１４ａの反射率を高めて励起光１４ａによる吸熱を軽減するようにしている。これによってＯリングキャップ８２によるＯリング５１や固体レーザ媒質１３に対する熱影響をさらに抑えられる。
【００５７】
ところで、従来、固体レーザ装置の動作の開始時、固体レーザ媒質１３の熱歪み変化に伴うレーザ光２０の出力ビーム変動による加工への影響を回避するために、まず、発振を阻止する内部シャッタを開いて発振動作を開始させ、続いて外部シャッタを閉じてレーザ光照射開始後の数百秒間レーザ光２０の出射を止めた後、外部シャッタを開いて加工を開始するようにしている。しかし、ＫＷ級のレーザ光を止めるのは容易ではなく、ハイパワーのために外部シャッタが溶けたり、ソレノイドなどのシャッタ駆動用のアクチュエータが熱のために動作しなくなったりするトラブルが発生している。また、外部シャッタの開閉を検出するセンサも強い光や電気ノイズにより誤動作することがよくあり、今後の課題になっている。
【００５８】
そこで、図５に示す固体レーザ装置では、さらに、リアミラー１８と固体レーザ媒質１３との間に光軸６１に対し傾けて配置され、レーザ光２０の外部出力を阻止する内部シャッタ６２を備えたものとしてある。この内部シャッタ６２はリアミラー１８と固体レーザ媒質１３との間に配置したものであるため、外部出力側のような高いパワーのレーザ光２０に曝されないで、外部出力を遮断することができる。また、内部シャッタ６２は光軸６１に斜めに配置したので通過を遮断するレーザ光２０を破線で示すように光軸６１外に向け反射させることにより、内部シャッタ６２自体にダメージを受けにくくすることができるので、寿命が向上する。また、内部シャッタ６２により通過を遮断されるレーザ光２０は光軸６１外へ反射されて、Ｏリング５１の側に向かうようなことがあっても前記のような専用のプロテクタ５３ａ、５３ｂによってそれを遮断することができるのでＯリング５１にダメージを与えるようなことがない。従って、１つの内部シャッタ６２にて、レーザ光２０の発振を遮断する従来の２つの内部シャッタの機能を発揮するのは勿論、出力が安定しない間の外部出力を遮断する従来の外部シャッタに対する代替シャッタとしても有効であり、誤動作しやすいシャッタが１つになる利点もある。これらの結果、信頼性の高いものとなる。また、リアミラー１８側の内部シャッタ６２だけになることで、シャッタの故障は、センサ７１がシャッタ閉じタイミングでありながらリアミラー１８を抜け出るレーザ光２０を検出したり、シャッタ開きタイミングでありながらリアミラー１８から抜け出るレーザ光２０が検出されなかったりすることにより容易に判定でき、シャッタ故障の専用のセンサが不要となる。よって、構造が簡単で安価なものでありながら信頼性の高いものとなる。
【００５９】
また、光軸６１は固体レーザ媒質１３の水没環境を封止するＯリング５１部を支点Ｑとして可変、つまり図５に矢印７２で示すように首振り可能にすると、Ｏリング５１による水没環境の封止に影響せずに、前記のような光軸調整がミラーやアパーチャ、プロテクタなどの光学機器を伴い調整できる。これを実現するには、例えば、支点Ｑとなる側のＯリング５１の外まわり、つまりＯリング５１と干渉しない外まわり位置に、支点Ｑを仮想支点として得る光軸調整用の図示しない自在継手を設ければよい。
【００６０】
これにより、固体レーザ媒質１３の長尺化などボリューム増大に伴うドープ密度のバラツキの増大によって、機械加工などにより得ている光軸６１に対してレーザ光２０のビーム光軸が必ずしも一致しないことに対して、固体レーザ媒質１３から出力ミラー１９側またはおよびリアミラー１８側の光軸６１の角度などを調節することにより固体レーザ装置ごとに簡単に調整し適性化できる。
【００６１】
光軸６１を可変とするのを出力側とすれば出射方向、特に焦光位置を直接調整できる利点がある。しかし、出力側およびリア側の双方に設けることもでき、そのようにすると両側で少しずつ調整でき、片側だけの調節で調節量が多くなりすぎて不具合になるようなことを回避することができる。
【００６２】
また、光軸６１を調整する側となる例えばアパーチャ２１ａおよびプロテクタ５３ａ間の外周は破線で示すように遮光部材６４により遮光している。これにより、固体レーザ媒質１３のボリュームの増大に伴い多くなる異常発振光はもとより、光軸６１を調節して傾かせたことによって、かえって、光路外へ洩れるレーザ光２０が生じるのを遮断することができ、出射効率が低下したり、Ｏリング５１にダメ−ジを与えるようなことを防止することができる。この場合の遮光はプロテクタ５３ａ、５３ｂをそれらが対向しているアパーチャ２１ａ、２１ｂまで延長することで実現できるし、逆にアパーチャ２１ａ、２１ｂの側をそれらが対向しているプロテクタ５３ａ、５３ｂまで延長しても実現する。また、対向し合うプロテクタ５３ａ、アパーチャ２１ａどうし、プロテクタ５３ｂ、アパーチャ２１ｂどうしを一体物に形成してもよい。
【００６３】
なお、Ｏリング５１はレーザ光２０を吸収して寿命低下を招かないように透明な材料よりなるのが望ましく、特に、透明なパーフロロエラストマー（例えば、カルレッツ社製）を用いるのが好適である。
【００６４】
本実施の形態では、また、励起ランプ１４に直列接続されるリアクタンス素子３７として、２本の励起用ランプを個々に駆動するランプ駆動電源に用いられているリアクタンス素子よりも小さいリアクタンスのものを用いている。上述のように励起ランプ１４は、封入ガス圧が高くなったのに対応して電気的インピーダンスが高くなっているから、この電気的インピーダンスが高いのに伴い励起ランプ１４の応答時間が長くなるのを、リアクタンス素子３７のリアクタンスを低くしたことによって補償するように図っている。これにより、励起ランプ１４を高速応答させて、固体レーザ媒質１３の出力レーザ光を高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形、例えば図８に例示する出力Ｐ０のような波形に制御することを可能としている。
【００６５】
また、固体レーザ媒質１３は、単結晶でなく多結晶のレーザ材料を用いて形成されている。これにより、単一の励起ランプ１４により一方側からのみ光励起されることに起因して発生する固体レーザ媒質１３の反りは、一層効果的に抑制される。また、セラミックＹＡＧは、単結晶のいわゆるガラスＹＡＧよりも１．２倍の耐力を有しているため、例えば、通常５００Ｗ用に用いるロッドサイズのＹＡＧロッドで６００Ｗを得ることができる。
【００６６】
チョッパ回路３５は電流制御型または電流、電圧制御型であって、これによる励起ランプ１４の駆動は図１に示すコントローラ７３によって設定する電流、電圧に従って行われる。このときの励起電流Ｉ（Ａ）と固体レーザ発振器の出力Ｐ（Ｗ）との相関関係を模式的に示すと図８に示すようになる。図８では励起電流Ｉの変化に対し出力Ｐが全く、またはほとんど変化しない不感帯域Ａと、直線比例関係が成立する相関域Ｂ、Ｃが認められる。しかし、相関域Ｂ、Ｃでは相関比率が異なっている。このような相関の境界点はそれらの域での実際の電流Ｉと出力Ｐとの相関特性線についての近似直線の交点Ｄ１、Ｄ２として求めることができる。
【００６７】
ここで、相関域Ｂ、Ｃの電流Ｉの範囲ではそれぞれでの直線的な相関比率に基づき励起電流Ｉを制御すれば、目標とする出力Ｐが得られることを意味する。言い換えると、加工対象や加工の種類に応じて理想的に設定した目標出力、例えば目標エネルギや目標波形を設定すれば、これに見合う出力Ｐが得られるように前記相関域ＢやＣでの相関比率に従って算出した励起電流にて励起ランプ２を駆動すればよいことになる。
【００６８】
しかし、固体レーザ発振器１２自体の特性によってこの相関性が一定しないし、同じ固体レーザ発振器１２にても熱レンズ効果やミラー平行度に変化のある過渡期では相関性は変化し続け、その後は熱レンズ効果やミラー平行度が定常的になって相関性は安定するが、加工時の生産タクト周期が変更されたり変動するようなことがあると、熱レンズ効果やミラー平行度が不安定になって相関性も不安定になる。また、励起ランプ１４は経時的に劣化するので相関比率が徐々に低下し、不感帯域Ａまで劣化したときは交換しないと励起電流Ｉをいくら上げても出力Ｐは上がらない。また、光学系の汚れなども励起電流Ｉに対する出力Ｐの経時的な相関比率の低下を招く。
【００６９】
これら励起電流Ｉと出力Ｐとの相関性、相関比率の変動や、低下は目標出力に見合った励起電流制御によるときの図６に破線で示す出力Ｐ１、Ｐ２のような正規出力Ｐ０に対する変動や低下につながり、出力Ｐが安定せず、加工が不安定になる。中でも、熱レンズ効果やミラー平行度による相関性の変動は立ち上げ時の短い時間の内に大きく生じて加工に大きく影響するので特に問題である。しかも、上記のような２つのアパーチャ２１ａ、２１ｂと２つのプロテクタ５３ａ、５３ｂの配置によってポインティングスタビリティが高くても、固体レーザ媒質１３の熱レンズ効果によってレーザ光２０のビーム光軸が振れるとレーザ光２０に多くのけられが生じるので、レーザ照射開始の数百ミリ秒間のパワーが半減しやすい。
【００７０】
これらに対応するのに、本実施の形態では、さらに、励起電流を制御してレーザ光２０を所定の出力エネルギにて繰り返しショット出力して加工に供するのに、前記センサ７１により所定回数目ごとの出力エネルギを検出し、この検出された出力エネルギに基づきコントローラ７３が次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギになるように励起電流Ｉの拡大、縮小係数を変化させて励起電流Ｉを制御するようにしている。これにより、コントローラ７３は励起電流Ｉに対する外部出力Ｐの関係をショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになるように次のショット出力に対する励起電流Ｉの拡大、縮小係数を変える制御をするので、設定した出力波形を特に変化させることなくエネルギに過不足ないよう出力を安定させられる。前記所定回目は１回目と少なく設定するほどきめ細かな制御ができる。つまり、前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のフィードバック制御となることになり、もし加工時の生産タクトや加工動作を加工中に切り換えることにより固定レーザ発振器１２の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。それには、前記拡大、縮小係数を変化させる割合を波形やエネルギ、周波数、熱レンズ効果の大小などに応じて設定すればよい。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけを内部シャッタ６２によって遮断しダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は溶接や切断に実用して、小型、長寿命、安価なものにて加工に適した高出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体レーザ装置の1つの例を示すブロック構成図。
【図２】図１の装置に適用される固体レーザ装置の１つの具体例を示す縦断面図および横断面図。
【図３】図１の装置に適用される固体レーザ装置の他の具体例を示す縦断面図。
【図４】図１の装置に適用される固体レーザ装置の別の具体例を示す縦断面図。
【図５】図１の装置に適用される固体レーザ装置の今１つの具体例を示す縦断面図。
【図６】図１の装置に適用される固体レーザ装置のさらに他の具体例を示す一部の縦断面図およびその上面図。
【図７】固体レーザ装置の異常発振状態とＯリングの関係を示す説明図。
【図８】励起電流Ｉと出力Ｐとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００７３】
１３  固体レーザ媒質
１４  励起ランプ
１４ａ  励起光
１８  リアミラー
１９  出力ミラー
２０  レーザ光
２１ａ、２１ｂ  アパーチャ
２８  集光レンズ
２９  光ファイバ
３４  スイッチング素子
４０  集光器
５１  Ｏリング
５２  封止部
５３ａ、５３ｂ  プロテクタ
６１  光軸
６２  内部シャッタ
７１  センサ
８１  ロッドホルダ
８２  Ｏリングキャップ
８２ａ、８３ａ  内フランジ
８４  水没環境
８５  空気環境
ｄＹ  外径
ｄＡ  集光径
ｄＬ  発光径
ｄＸａ、ｄＸｂ  アパーチャ径
ｄＰａ、ｄＰｂ  プロテクタ径
Ｌ  固体レーザ媒体長
ＬＬ  共振器長
Ｓ１  距離
Ｓ２  張り出し寸法
【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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