(57)【要約】      （修正有）【課題】固体レーザ媒質からなるレーザロッドを簡易な構成で均一に且つ効率良く励起することができる固体レーザ装置を提供する。【解決手段】レーザダイオード１１ａ、１１ｂ、１１cから出射された励起光は、扇形形状レンズ１２ａ、１２ｂ、１２cによる光学的な作用によりスリット１７ａ、１７ｂ、１７cの通過後に拡げられた状態でフローチューブ１５の内部へ導かれ、それぞれの励起光の一部がレーザロッド１３に正面方向から照射される。一方、それぞれの励起光の残りは、レーザロッド１３に照射されずに通り抜け、フローチューブ１５の外周面に形成された反射コート部１６ａ，１６ｂ，１６ｃで反射された後にレーザロッド１３に正面方向とは異なる方向から照射される。【選択図】図１
2005285797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させる固体レーザ装置において、
固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、
前記レーザロッドの外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のスリーブと、
前記スリーブの外周面のうち三角形断面の頂角部に光学的なスリットを形成するようにその残りの辺部に設けられた反射部材と、
前記スリーブの外方に配置され、前記スリーブの外周面に形成された前記スリットへ向けて励起光を出射する励起光源と、
前記スリーブと前記励起光源との間に配置され、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットを介して前記スリーブの内部へ導く導光用レンズとを備え、
前記導光用レンズは、前記スリーブの内部に導かれた励起光の一部が前記レーザロッドに正面方向から照射されるとともに当該励起光の残りが前記レーザロッドに照射されずに通り抜けるように構成され、前記反射部材は、前記スリーブの内部に導かれた励起光のうち前記レーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光が前記レーザロッドの背部に位置する部位及び前記レーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後に前記レーザロッドに前記正面方向とは異なる方向から照射されるように構成されていることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記スリーブは、前記レーザロッドの外周面に対応する円筒状の内周面を有するフローチューブであり、前記スリーブの内周面と前記レーザロッドの外周面との間の空間に流される冷却水により前記レーザロッドを冷却するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
前記導光用レンズは、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットの位置で一旦集光させた上で拡散光として前記スリーブの内部へ導くレンズであることを特徴とする、請求項１又は２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光により励起させてレーザ光を出力させる固体レーザ装置に係り、とりわけ、固体レーザ媒質を均一に且つ効率良く励起することができる固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の固体レーザ装置としては、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、レーザロッドへ向けて励起光を出射する励起光源と、励起光源から出射された励起光をレーザロッドに導く励起光学系と、レーザロッドを冷却する冷却機構とを備えたものが知られている。
【０００３】
ところで、このような固体レーザ装置においては、レーザロッドを均一に且つ効率良く励起することが重要であり、そのための方法として、特許文献１には、レーザロッドの外周面を取り囲むフローチューブの外周面に沿って、拡散反射面を持つ集光器（拡散集光器）を配置し、励起光源から拡散集光器へ導かれた励起光を当該拡散集光器内で多重反射させた上でレーザロッドに照射する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２〜４には、レーザロッドの外周面を取り囲むフローチューブの外方に複数の励起光源を配置し、励起光源の位置に応じた複数の方向から励起光をレーザロッドに照射する方法が提案されている。
【０００５】
図５は、特許文献２〜４で提案されている従来の固体レーザ装置を説明するための図である。図５に示すように、従来の固体レーザ装置１００において、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッド１３０の外方には、その外周面を取り囲むように円筒状のフローチューブ１５０が配置されている。フローチューブ１５０の外周面には、その一部に光学的なスリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃを形成するように残りの部分に反射コート部１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃが形成されている。また、フローチューブ１５０の外方には、フローチューブ１５０の外周面に形成されたスリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃへ向けて励起光を出射する励起光源としてのレーザダイオード１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃと、レーザダイオード１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃから出射された励起光をスリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃを介してフローチューブ１５０の内部へ導く導光用レンズとしてのシリンドリカルレンズ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃとが設けられている。
【０００６】
このような構成からなる固体レーザ装置１００において、各レーザダイオード１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃから各スリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃを介してフローチューブ１５０の内部に導かれた励起光はその大半がレーザロッド１３０に照射され、残りの一部が、フローチューブ１５０に関してスリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃの反対側に位置する反射コート部１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ（例えば、スリット１７０ａを介して導かれた励起光であれば反射コート部１６０ｂ）で反射された後に再度レーザロッド１３０に照射される。なお、レーザロッド１３０の外周面とフローチューブ１５０の内周面との間の空間１４０には冷却水（図示せず）が流されるようになっており、これによりレーザロッド１３０が冷却される。
【特許文献１】特開平８−１８１３６８号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７８３７号公報
【特許文献３】特開平１０−８４１５０号公報
【特許文献４】特開２００１−２４４５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載された方法では、拡散集光器内で多重反射された励起光がレーザロッドに多数の方向から照射されてレーザロッドが均一に励起されるものの、拡散集光器内での多重反射のためにレーザロッドに照射される励起光の効率が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
一方、上記特許文献２〜４に記載された方法では、励起光源の位置に応じた複数の方向から出射された励起光がレーザロッドに直接照射されるので、レーザロッドが効率良く励起される。しかしながら、上記特許文献２〜４に記載された方法では、図５からも明らかなように、励起光の発光分布の均一性が単純に励起光源の数に依存したものとなるので、励起光の発光分布を均一にするためには多数の励起光源を配置しなければならないという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、固体レーザ媒質からなるレーザロッドを簡易な構成で均一に且つ効率良く励起することができる固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させる固体レーザ装置において、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッドと、前記レーザロッドの外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のスリーブと、前記スリーブの外周面のうち三角形断面の頂角部に光学的なスリットを形成するようにその残りの辺部に設けられた反射部材と、前記スリーブの外方に配置され、前記スリーブの外周面に形成された前記スリットへ向けて励起光を出射する励起光源と、前記スリーブと前記励起光源との間に配置され、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットを介して前記スリーブの内部へ導く導光用レンズとを備え、前記導光用レンズは、前記スリーブの内部に導かれた励起光の一部が前記レーザロッドに正面方向から照射されるとともに当該励起光の残りが前記レーザロッドに照射されずに通り抜けるように構成され、前記反射部材は、前記スリーブの内部に導かれた励起光のうち前記レーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光が前記レーザロッドの背部に位置する部位及び前記レーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後に前記レーザロッドに前記正面方向とは異なる方向から照射されるように構成されていることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
【００１１】
なお、本発明において、前記スリーブは、前記レーザロッドの外周面に対応する円筒状の内周面を有するフローチューブであり、前記スリーブの内周面と前記レーザロッドの外周面との間の空間に流される冷却水により前記レーザロッドを冷却するように構成されていることが好ましい。また、前記導光用レンズは、前記励起光源から出射された励起光を前記スリットの位置で一旦集光させた上で拡散光として前記スリーブの内部へ導くレンズであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、励起光源から出射された励起光が各導光用レンズによる光学的な作用によりスリットの通過後に拡げられた状態でスリーブの内部へ導かれ、その一部がレーザロッドに正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッドに照射されずに通り抜ける。そして、このようにしてレーザロッドに照射されずに通り抜けた励起光は、スリーブの外周面に形成された反射部材のうちレーザロッドの背部に位置する部位及びレーザロッドの側部に位置する部位で順に反射された後にレーザロッドに正面方向とは異なる方向（側方の２方向）から照射される。ここで、励起光源から出射された励起光は、レーザロッドの周りに配置された３つのスリットを介してスリーブの内部へ導かれるので、レーザロッドに対して照射される励起光の方向は擬似的に９方向となり、レーザロッドに多数の方向（多重パス）から励起光を照射することが可能となる。このため、レーザロッドを均一に励起することが可能となり、固体レーザ装置から最終的に出力されるレーザ光の広がり角が改善され、多レーザヘッド化（固体レーザ装置を複数直列に配置）等により大出力なレーザ光を容易に取り出すことができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
まず、図１及び図２により、本実施の形態に係る固体レーザ装置の全体構成について説明する。なお、図１は固体レーザ装置の全体構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す固体レーザ装置のII−II線に沿った断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る固体レーザ装置１０は、固体レーザ媒質を励起光により励起させてレーザ光を出力させるためのものであり、固体レーザ媒質からなる円柱状のレーザロッド１３と、レーザロッド１３の外周面を取り囲むように設けられた三角柱状のフローチューブ（スリーブ）１５とを備えている。
【００１６】
このうち、フローチューブ１５は、断面形状が略正三角形の外周面と、レーザロッド１３の外周面に対応する円筒状の内周面とを有しており、フローチューブ１５の内周面とレーザロッド１３の外周面との間の空間１４に流される冷却水（図示せず）によりレーザロッド１３を冷却することができるようになっている。
【００１７】
ここで、フローチューブ１５の外周面のうち、三角形断面の頂角部（フラットに面取りされた部分）には非常に狭い光学的なスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃが形成されている。なお、スリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃには、反射防止コート（図示せず）が施されている。また、フローチューブ１５の外周面のうち、三角形断面の頂角部以外の残りの辺部には反射コート部（反射部材）１６ａ，１６ｂ，１６ｃが形成されている。なお、反射コート部（反射部材）１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、その内面が鏡面（反射面）となっており、フローチューブ１５の内部に導かれた励起光を反射するようになっている。
【００１８】
また、フローチューブ１５の外方には、フローチューブ１５の外周面に形成されたスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃへ向けて励起光を出射するレーザダイオード（励起光源）１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、それぞれのレーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対応して配置された扇形形状レンズ（導光用レンズ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃとが設けられている。なお、扇形形状レンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出射された励起光をスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの位置で一旦集光させた上で拡散光としてフローチューブ１５の内部へ導くためのものである。
【００１９】
なお、以上において、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、扇形形状レンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、レーザロッド１３及びフローチューブ１５は、それらの端部に配置された一対の端板１８ａ，１８ｂにより固定されている。
【００２０】
このような構成からなる固体レーザ装置１０において、フローチューブ１５の内部に導かれた励起光は、各扇形形状レンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによる光学的な作用によりスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの通過後に拡げられた状態でフローチューブ１５の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド１３に正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッド１３に照射されずに通り抜ける。ここで、フローチューブ１５の内部に導かれた励起光のうちレーザロッド１３に照射されずに通り抜けた励起光は、反射コート部１６ａ，１６ｂ，１６ｃで反射され、レーザロッド１３に正面方向とは異なる方向から照射される。
【００２１】
具体的には、図３（ａ）に示すように、レーザダイオード１１ａから出射された励起光は、扇形形状レンズ１２ａによる光学的な作用によりスリット１７ａの通過後に拡げられた状態でフローチューブ１５の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド１３に正面方向から照射される。一方、励起光の残りは、レーザロッド１３に照射されずに通り抜け、フローチューブ１５の外周面に形成された反射コート部１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうちレーザロッド１３の背部に位置する部位（反射コート部１６ｂ）及びレーザロッド１３の側部に位置する部位（反射コート部１６ａ，１６ｃ）で順に反射された後にレーザロッド１３に正面方向とは異なる方向（側方の２方向）から照射される。以上のとおり、レーザダイオード１１ａから出射された励起光は、最終的にレーザロッド１３に３方向から照射される。なお、図３（ａ）に示すような配置関係の下でレーザロッド１３に照射される励起光の方向ごとの割合をシミュレーションにより計算したところ、正面方向から照射される励起光は４８％、側方の２方向から照射される励起光は２７％となった。ここで、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出射された励起光は、レーザロッド１３の周りに配置された３つのスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃを介してフローチューブ１５の内部へ導かれるので、レーザロッド１３に対して照射される励起光の方向は擬似的に９方向となり、レーザロッド１３を均一に励起することが可能となる。
【００２２】
一方、図５に示すような従来の固体レーザ装置１００においては、図３（ｂ）に示すように、レーザダイオード１１０ａから出射された励起光は、シリンドリカルレンズ１２０ａによりフローチューブ１５０の内部へ導かれ、その大半がレーザロッド１３０に正面方向の１方向のみから照射される。なお、図３（ｂ）に示すような配置関係の下でレーザロッド１３０に照射される励起光の方向ごとの割合をシミュレーションにより計算したところ、正面方向から照射される励起光は６９％、側方の２方向から照射される励起光は１％となった。なお、レーザダイオード１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃから出射された励起光は、レーザロッド１３の周りに配置された３つのスリット１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃを介してフローチューブ１５０の内部へ導かれるが、それぞれのレーザダイオード１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃによる励起光の照射方向はほぼ１方向のみであるので、全体でも高々３方向となり、図３（ａ）に示す固体レーザ装置１０に比べて、レーザロッド１３０を均一に励起することが困難となる。
【００２３】
なお、レーザロッド１３が均一に励起されたか否かは、固体レーザ装置１０から最終的に出力されるレーザ光の広がり角を測定することにより検証することができる。図３（ａ）（ｂ）に示すような配置関係の下で、図１に示す固体レーザ装置１０、及び図５に示すような従来の固体レーザ装置１００におけるレーザ光の出力と広がり角との関係を測定した実験結果を図４に示す。図４に示すように、同じ出力同士でレーザ光の広がり角を比較すると、図１に示す固体レーザ装置１０の方が、図５に示す従来の固体レーザ装置１００に比べて、レーザ光の広がり角が約２０％小さくなっているのが分かる（なおこのことは、同じ広がり角同士でレーザ光の出力を比較したときに、図１に示す固体レーザ装置１０の方が、図５に示す従来の固体レーザ装置１００に比べて、レーザ光の出力が約２０％大きくなることを意味する）。これにより、図１に示す固体レーザ装置１０においてレーザロッド１３０が均一に励起されることが検証された。
【００２４】
このように本実施の形態によれば、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出射された励起光が各扇形形状レンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによる光学的な作用によりスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの通過後に拡げられた状態でフローチューブ１５の内部へ導かれ、その一部がレーザロッド１３に正面方向から照射される一方で、残りがレーザロッド１３に照射されずに通り抜ける。そして、このようにしてレーザロッド１３に照射されずに通り抜けた励起光は、フローチューブ１５の外周面に形成された反射コート部１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうちレーザロッド１３の背部に位置する部位（例えば、スリット１７ａを通過した励起光であれば反射コート部１６ｂ）及びレーザロッド１３の側部に位置する部位（例えば、スリット１７ａを通過した励起光であれば反射コート部１６ａ，１６ｃ）で順に反射された後にレーザロッド１３に正面方向とは異なる方向（側方の２方向）から照射される。ここで、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出射された励起光は、レーザロッド１３の周りに配置された３つのスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃを介してフローチューブ１５の内部へ導かれるので、レーザロッド１３に対して照射される励起光の方向は擬似的に９方向となり、レーザロッド１３に多数の方向（多重パス）から励起光を照射することが可能となる。このため、レーザロッド１３を均一に励起することが可能となり、固体レーザ装置１０から最終的に出力されるレーザ光の広がり角が改善され、多レーザヘッド化（固体レーザ装置を複数直列に配置）等により大出力なレーザ光を容易に取り出すことができる。
【００２５】
また、本実施の形態によれば、レーザダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出射された励起光が扇形形状レンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによりスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの位置で一旦集光された上で拡散光としてフローチューブ１５の内部へ導かれるので、フローチューブ１５のスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの幅を小さくしてもフローチューブ１５の内部へ励起光を問題なく取り込むことができる。ここで、フローチューブ１５のスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃの幅をできるだけ小さくするようにすれば、フローチューブ１５の内部へ導かれた励起光の外部への漏れが最小限に抑えられるので、レーザロッド１３に照射される励起光の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る固体レーザ装置の全体構成を示す斜視図。
【図２】図１に示す固体レーザ装置のII−II線に沿った断面図。
【図３】図１に示す固体レーザ装置及び従来の固体レーザ装置におけるレーザロッドの励起の様子を説明するための図。
【図４】図１に示す固体レーザ装置及び従来の固体レーザ装置におけるレーザ光の出力と広がり角との関係を示す図。
【図５】従来の固体レーザ装置を説明するための図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  固体レーザ装置
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  レーザダイオード（励起光源）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  扇形形状レンズ（導光用レンズ）
１３  レーザロッド
１４  冷却水用の空間
１５  フローチューブ（スリーブ）
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  反射コート部
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  スリット
１８ａ，１８ｂ  端板
１００  固体レーザ装置
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ  レーザダイオード（励起光源）
１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ  シリンドリカルレンズ（導光用レンズ）
１３０  レーザロッド
１４０  冷却水用の空間
１５０  フローチューブ
１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ  反射コート部
１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃ  スリット
【図１】
2005285797.tif 000003
【図２】
2005285797.tif 000004
【図３】
2005285797.tif 000005
【図４】
2005285797.tif 000006
【図５】
2005285797.tif 000007