(57)【要約】    【課題】  レーザ結晶、波長変換結晶等の光学結晶の冷却、特にレーザ光線が入射する端面での冷却を効果的に行える様にする。    【解決手段】  光学結晶８を有するレーザ発振装置に於いて、レーザ光線１７が入射する光学結晶の端面２８をガス冷却した。    【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、レーザ光線が入射する光学結晶の端面をガス冷却したことを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
冷却ガスが光学結晶のレーザ光線入射点に向けて吹付けられる請求項１のレーザ発振装置。
【請求項３】
冷却ガスが光学結晶の端面に沿って流動される請求項１のレーザ発振装置。
【請求項４】
冷却ガスはガス噴出ノズルから吐出される請求項２又は請求項３のレーザ発振装置。
【請求項５】
光学結晶がブロックによって保持され、該ブロックに冷却ガスを前記光学結晶の端面に向けて吐出するガス噴出ノズルが形成された請求項１のレーザ発振装置。
【請求項６】
光学結晶が冷却器により冷却されると共に冷却ガスが該冷却器により冷却される請求項１のレーザ発振装置。
【請求項７】
前記ガス噴出ノズルの反対側に前記端面に吹付けられたガスを案内する斜面が形成された請求項４のレーザ発振装置。
【請求項８】
レーザ発振装置がカバーに覆われた密閉構造を有し、冷却ガスは前記カバー内に充填された雰囲気ガスであり、雰囲気ガスを吸引し、前記光学結晶の端面に吐出する冷却ガス循環装置を具備した請求項１のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを励起源としたレーザ発振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先ず、レーザ発振装置１の概略を説明する。
【０００３】
図７はレーザ発振装置１の一例である、１波長発振のＬＤ励起固体レーザを示している。
【０００４】
図７中、２は発光部、３は光共振部である。前記発光部２はＬＤ発光器４、集光レンズ５を具備し、更に前記光共振部３は第１の誘電体反射膜７が形成された第１光学結晶（レーザ結晶８）、第２光学結晶（非線形光学結晶（ＮＬＯ）（波長変換結晶９））、第２の誘電体反射膜１１が形成された凹面鏡１２であり、前記光共振部３に於いてレーザ光線をポンピングし、共振、増幅して出力している。尚、前記レーザ結晶８としては、Ｎｄ：ＹＶＯ4 、前記波長変換結晶９としてはＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4   リン酸チタニルカリウム）が挙げられる。
【０００５】
更に説明すると以下の通りである。
【０００６】
レーザ発振装置１は、例えば波長８０９ｎｍのレーザ光線を射出する為のものであり、半導体レーザである前記ＬＤ発光器４が使用されている。又、該ＬＤ発光器４が励起光を発生させるポンプ光発生装置としての機能を有する。尚、前記レーザ発振装置１は半導体レーザに限ることなく、レーザ光線を生じさせることができれば、何れの光源手段をも採用することができる。
【０００７】
前記レーザ結晶８は光の増幅を行う為のものである。該レーザ結晶８には、発振線が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ4 が使用される。その他、Ｎｄ3+イオンをドープしたＹＡＧ（イットリウム  アルミニウム  ガーネット）等が採用され、ＹＡＧは、９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ等の発振線を有している。又、発振線が７００〜９００ｎｍのＴｉ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）等を使用することができる。
【０００８】
前記レーザ結晶８の前記ＬＤ発光器４側には、第１の誘電体反射膜７が形成されている。該第１の誘電体反射膜７は、前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線に対して高透過であり、且つ前記レーザ結晶８の発振波長に対して高反射であると共に、２次高調波（ＳＨＧ：ＳＥＣＯＮＤ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ）に対しても高反射となっている。
【０００９】
前記凹面鏡１２は、前記レーザ結晶８に対向する様に構成されており、前記凹面鏡１２のレーザ結晶８側は、適宜の半径を有する凹面球面鏡の形状に加工されており、第２の誘電体反射膜１１が形成されている。該第２の誘電体反射膜１１は、前記レーザ結晶８の発振波長に対して高反射であり、２次高調波に対して高透過となっている。
【００１０】
以上の様に、前記レーザ結晶８の前記第１の誘電体反射膜７と、前記凹面鏡１２の第２の誘電体反射膜１１とを組合わせ、前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線を前記集光レンズ５を介して前記レーザ結晶８にポンピングさせると、該レーザ結晶８の第１の誘電体反射膜７と、前記第２の誘電体反射膜１１との間で光が往復し、光を長時間閉込めることができるので、光を共振させて増幅させることができる。
【００１１】
前記レーザ結晶８の第１の誘電体反射膜７と、前記凹面鏡１２とから構成された光共振器内に前記波長変換結晶９が挿入されている。該波長変換結晶９にレーザ光線の様に強力なコヒーレント光が入射すると、光周波数を２倍にする２次高調波が発生する。該２次高調波の発生は、ＳＥＣＯＮＤ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮと呼ばれている。従って、前記レーザ発振装置１からは波長５３２ｎｍのレーザ光線が射出される。
【００１２】
前記したレーザ発振装置１は前記波長変換結晶９を、前記レーザ結晶８と凹面鏡１２とから構成された光共振器内に挿入しているので、内部型ＳＨＧと呼ばれており、変換出力は、励起光電力の２乗に比例するので、光共振器内の大きな光強度を直接利用できるという効果がある。
【００１３】
一般的に半導体レーザには大出力のレーザ光線を射出するものはなく、従って前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線を励起光とするＬＤ励起固体レーザとしても大きな出力は得られないものであるが、近年の大出力化の要望に対応して、ＬＤ発光器４を複数の半導体レーザ１３で構成したものがある。
【００１４】
例えば、特許文献１に示されるレーザ発振装置では、図８に示される様に、ＬＤ発光器４が複数の半導体レーザ１３を具備し、該複数の半導体レーザ１３をアレイ状に配設し、各半導体レーザ１３から射出されたレーザ光線をロッドレンズ１４で対応する光ファイバ１５に集光させ、該光ファイバ１５を束ねてファイバケーブル１６とし高光強度の励起光１７としてレーザ結晶８に入射させ、高出力化を図っている。
【００１５】
該レーザ結晶８に励起光１７を入射させると、前記レーザ結晶８に吸収されて該レーザ結晶８の端面で励起発振し、又吸収されなかった励起光１７のエネルギの一部が熱となる。この為、端面励起型のレーザ発振装置ではレーザ結晶８の入射端面が最も温度が上昇する。
【００１６】
該レーザ結晶８に入射させる励起光の光強度、即ち励起光のエネルギ密度が増大すると、前記レーザ結晶８の温度、特に端面温度が局部的に上昇し、而もレーザ結晶８自体熱伝導性は悪いので、光学的、機械的な歪みが生じ、レーザ発振しなくなる虞れがあり、又更に歪みが増大することで結晶の破壊に至る虞れが生じる。
【００１７】
励起光の光強度の増大に起因するレーザ結晶８、波長変換結晶９の温度上昇に対して、該レーザ結晶８、波長変換結晶９を冷却することが行われており、特許文献１では図９で示される冷却構造を有している。図９中、図７、図８中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００１８】
発光部２、光共振部３はヒートシンクであるベース１９に固着され、前記発光部２、光共振部３は光軸１０（図５参照）上に配設され、前記発光部２と前記光共振部３との間には集光レンズ５を含むレンズユニット２１が配設されている。
【００１９】
前記ベース１９に光共振器ブロック２２が固着され、該光共振器ブロック２２は前記光軸１０上にレーザ結晶８を具備し、前記光共振器ブロック２２の反レンズユニット２１側には凹面鏡１２が設けられている。
【００２０】
前記光共振器ブロック２２には上方から凹部２３が形成され、該凹部２３内には波長変換結晶ホルダ２４に保持された波長変換結晶９が収納されている。前記波長変換結晶ホルダ２４は、球面座２５を介して前記光共振器ブロック２２に傾動可能に取付けられており、前記光軸１０と前記波長変換結晶ホルダ２４との光軸合せが可能となっている。又、前記光共振器ブロック２２には前記波長変換結晶９を冷却する為のペルチェ素子２６が設けられている。
【００２１】
前記レーザ結晶８の熱は、前記光共振器ブロック２２を介して前記ベース１９から放熱され、前記波長変換結晶９は前記ペルチェ素子２６によって冷却される構造となっている。
【００２２】
前記レーザ結晶８の冷却は、該レーザ結晶８から前記光共振器ブロック２２へ、更に該光共振器ブロック２２から前記ベース１９への熱伝導により行われる。前記レーザ結晶８自体は熱伝導性が悪く、機械強度も低いので、該レーザ結晶８と前記光共振器ブロック２２の熱伝達性を向上させる為にインジウム等の軟質の金属を介在してレーザ結晶８と光共振器ブロック２２との密着性を向上させることも考えられている。
【００２３】
ところが、前記レーザ結晶８で温度が最も高くなるのは励起光１７が入射する端面であり、該励起光１７は高エネルギで、エネルギ密度が高く、而もレーザ結晶８自体の熱伝導率が小さいことから、該レーザ結晶８の励起光１７の入射点での入熱量は熱伝導による熱移動量に比して大きくなる。この為、レーザ結晶８から光共振器ブロック２２への熱伝導による冷却ではレーザ結晶８の端面の温度上昇を抑制することが難しく、入射点での温度が高温に上昇すると共に、入射点周辺との間で急激な温度勾配を生じてしまう。
【００２４】
従って、従来のレーザ結晶８から前記光共振器ブロック２２への熱伝導を介する冷却構造ではレーザ結晶８、特に励起光１７の入射点について充分な冷却を行うことが難しいという問題があった。
【００２５】
【特許文献１】特開２００３−１２４５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は斯かる実情に鑑み、レーザ結晶、波長変換結晶等の光学結晶の冷却、特にレーザ光線が入射する端面での冷却を効果的に行える様にするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、レーザ光線が入射する光学結晶の端面をガス冷却したレーザ発振装置に係り、又冷却ガスが光学結晶のレーザ光線入射点に向けて吹付けられるレーザ発振装置に係り、又冷却ガスが光学結晶の端面に沿って流動されるレーザ発振装置に係り、又冷却ガスはガス噴出ノズルから吐出されるレーザ発振装置に係り、又光学結晶がブロックによって保持され、該ブロックに冷却ガスを前記光学結晶の端面に向けて吐出するガス噴出ノズルが形成されたレーザ発振装置に係り、又光学結晶が冷却器により冷却されると共に冷却ガスが該冷却器により冷却されるレーザ発振装置に係り、又前記ガス噴出ノズルの反対側に前記端面に吹付けられたガスを案内する斜面が形成されたレーザ発振装置に係り、更に又レーザ発振装置がカバーに覆われた密閉構造を有し、冷却ガスは前記カバー内に充填された雰囲気ガスであり、雰囲気ガスを吸引し、前記光学結晶の端面に吐出する冷却ガス循環装置を具備したレーザ発振装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、レーザ光線が入射する光学結晶の端面をガス冷却したので、温度が最も上昇する光学結晶の端面の温度上昇を抑制できる。
【００２９】
又本発明によれば、冷却ガスが光学結晶のレーザ光線入射点に向けて吹付けられるので、局部的に温度が上昇する入射点の温度上昇を抑制できる。
【００３０】
又本発明によれば、光学結晶がブロックによって保持され、該ブロックに冷却ガスを前記光学結晶の端面に向けて吐出するガス噴出ノズルが形成されたので、ノズルから吐出される冷却ガスが正確に入射点に吹付けられ、冷却が効果的に行われる。
【００３１】
又本発明によれば、光学結晶が冷却器により冷却されると共に冷却ガスが該冷却器により冷却されるので、より冷却効果が増大する。
【００３２】
又本発明によれば、前記ガス噴出ノズルの反対側に前記端面に吹付けられたガスを案内する斜面が形成されたので、冷却ガスの滞留がなく、冷却効果が増大する。
【００３３】
又本発明によれば、レーザ発振装置がカバーに覆われた密閉構造を有し、冷却ガスは前記カバー内に充填された雰囲気ガスであり、雰囲気ガスを吸引し、前記光学結晶の端面に吐出する冷却ガス循環装置を具備したので、密閉構造を有するレーザ発振装置での光学結晶の端面のガス冷却を可能とする等の優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００３５】
本発明では、レーザ結晶の端面、特に励起光の入射点の熱をガスの流動により発散させ冷却しようとするものである。
【００３６】
図１により本発明の第１の実施の形態の概略を説明する。
【００３７】
図１中、図８、図９中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００３８】
１又は複数の半導体レーザ１３から励起光１７が発せられ、該励起光１７が集光レンズ５により集光されレーザ結晶８の端面に入射する。該レーザ結晶８の半導体レーザ１３側端面には前記励起光１７に対して高透過であり、レーザ結晶８の発振波に対して高反射の第１の誘電体反射膜７が形成され、又反半導体レーザ１３側の端面には発振波に対して高透過な第２の誘電体反射膜１１が形成され、前記レーザ結晶８が光共振部３として機能する様になっている。
【００３９】
前記励起光１７の光軸に対して傾斜する様にガス噴出ノズル２７が設けられ、前記レーザ結晶８の端面の入射点２８に向けてガス噴出ノズル２７より冷却ガス２９が吹付けられる。該冷却ガス２９が前記入射点２８に吹付けられることで、前記レーザ結晶８の端面、特に前記入射点２８が冷却される。
【００４０】
前記冷却ガス２９は、清浄な乾燥した気体が好ましく、例えば液体窒素ガスから気化させた冷たい窒素ガス、或はエアフィルタを通して清浄とした空気、或はレーザ発振装置が窒素ガス雰囲気に封入されている場合は、エアフィルタ、冷却装置等を循環させた雰囲気ガス等である。
【００４１】
又、冷却ガス２９を吹付けて冷却する場合、放熱特性は該冷却ガス２９の流量、温度により影響されるので、前記励起光１７のエネルギ量に応じて前記冷却ガス２９の流量、温度を決定する。
【００４２】
尚、本発明による冷却は、前記レーザ結晶８と波長変換結晶９とを一体化して複合結晶とし、内部型ＳＨＧのレーザ発振装置として構成し、２次高調波を出力する様にしてもよい。
【００４３】
図２は本発明の第２の実施の形態の概略を示している。
【００４４】
レーザ出力によっては入射点２８での発熱量が少ない場合があり、この場合は冷却ガス２９を前記入射点２８に吹付けず、前記レーザ結晶８の端面に接触する気体をエアカーテンの様に流動させてもよい。
【００４５】
ガス噴出ノズル２７は前記レーザ結晶８の端面と平行、或は略平行に設けられ、前記冷却ガス２９を前記レーザ結晶８の端面に沿って流れる様に吐出している。
【００４６】
前記ガス噴出ノズル２７は冷却ガス２９を前記レーザ結晶８の端面に沿って流動させればよいので、前記ガス噴出ノズル２７の設置精度を要求されず、又該ガス噴出ノズル２７の微妙な位置合せ作業も必要なくなる。又、該ガス噴出ノズル２７の吐出口の形状は、スリット状であってもよい。
【００４７】
図３は本発明の第３の実施の形態を示している。
【００４８】
第３の実施の形態では、レーザ結晶８がヒートシンクを兼ねる光共振器ブロック３１に保持されている場合に、前記ガス噴出ノズル２７を前記光共振器ブロック３１に形成した場合を示している。
【００４９】
該光共振器ブロック３１には光路孔３２が形成され、該光路孔３２をレーザ光線が通過する様になっており、該光路孔３２の半導体レーザ１３側の開口部は一側が前記レーザ結晶８の端面に対して垂直面３３になっており、他側は傾斜面３４となっている。
【００５０】
前記光共振器ブロック３１の前記レーザ結晶８より前記半導体レーザ１３側に前記ガス噴出ノズル２７が穿設され、該ガス噴出ノズル２７は前記レーザ結晶８の端面に近づく様に傾斜し、先端が前記垂直面３３に開口し、前記ガス噴出ノズル２７の基端は冷却ガス供給装置（図示せず）に接続されている。
【００５１】
前記ガス噴出ノズル２７が前記光共振器ブロック３１に形成されているので、前記ガス噴出ノズル２７の位置調整が不要となり、又該ガス噴出ノズル２７から吐出される冷却ガス２９が確実に入射点２８に吹付けられる。又、前記傾斜面３４は冷却ガス２９の整流機能を奏し、吹出された冷却ガス２９は前記レーザ結晶８の端面で反射され、滞留することなく流出し、前記入射点２８について冷却ガス２９による放熱が効率よく行われる。
【００５２】
又、前記レーザ結晶８はヒートシンクである前記光共振器ブロック３１に保持されているので、該光共振器ブロック３１からも放熱が行われる。
【００５３】
図４は本発明の第４の実施の形態の概略を示している。
【００５４】
該第４の実施の形態では、前記光共振器ブロック３１に冷却手段の１つであるペルチェ素子２６が設けられ、前記光共振器ブロック３１と前記ペルチェ素子２６によって冷却器が構成される。前記光共振器ブロック３１はレーザ結晶８を冷却すると共に入射点２８に吹付ける冷却ガス２９を冷却する様になっている。
【００５５】
前記光共振器ブロック３１の前記ペルチェ素子２６と接合する面に沿って冷却ガス流路３５が形成され、該冷却ガス流路３５はガス噴出ノズル２７に接続されている。
【００５６】
冷却ガス２９が前記冷却ガス流路３５を通過する過程で前記ペルチェ素子２６により冷却され、前記ガス噴出ノズル２７を通って、前記レーザ結晶８の入射点２８に吹付けられる。冷された冷却ガス２９が前記入射点２８に吹付けられることで、該入射点２８からの放熱量が増大し、該入射点２８の温度上昇が抑制される。
【００５７】
尚、前記冷却ガス２９の冷却については、別途冷却器を設けて冷却したものを前記ガス噴出ノズル２７から吹付ける様にしてもよい。
【００５８】
図５は第４の実施の形態を具体的に示すものである。
【００５９】
前記光共振器ブロック３１には凹部２３が形成され、該凹部２３を横断する様に前記光共振器ブロック３１に光路孔３２が形成されている。前記凹部２３で分断された一方の光路孔３２にレーザ結晶８が設けられ、該レーザ結晶８に対向する様に半導体レーザ１３が設けられ、他方の光路孔３２に対向する様に凹面鏡１２が設けられている。前記凹部２３には波長変換結晶ホルダ３６を介して波長変換結晶９が収納されている。前記半導体レーザ１３、前記レーザ結晶８、前記波長変換結晶９、前記光路孔３２、前記凹面鏡１２は光軸１０上に配置されている。
【００６０】
前記光共振器ブロック３１の底面にはペルチェ素子２６が固着され、前記光共振器ブロック３１には前記ペルチェ素子２６に沿って冷却ガス流路３５が穿設され、又前記光路孔３２の半導体レーザ１３側の端部に開口するガス噴出ノズル２７が形成され、該ガス噴出ノズル２７と前記冷却ガス流路３５とが接続されている。
【００６１】
尚、前記レーザ結晶８の半導体レーザ１３側端面には励起光１７に対しては高透過で光共振部３で発振される基本波及び前記波長変換結晶９で波長変換された２次高調波に対して高反射の第１の誘電体反射膜７が形成され、前記凹面鏡１２の第２の誘電体反射膜１１は基本波に対しては高反射、２次高調波に対しては高透過となっている。
【００６２】
前記半導体レーザ１３から前記レーザ結晶８に入射した励起光１７は前記レーザ結晶８で発振され、前記光共振部３でポンピングされ、更に前記波長変換結晶９で波長変換され、前記凹面鏡１２を透って射出される。
【００６３】
前記光共振器ブロック３１は前記ペルチェ素子２６によって冷却され、前記波長変換結晶９は前記波長変換結晶ホルダ３６を介して光共振器ブロック３１により冷却され、前記レーザ結晶８は前記光共振器ブロック３１によって冷却される。
【００６４】
又、冷却ガスが前記冷却ガス流路３５を流通し、前記ペルチェ素子２６によって冷却され、冷却された冷却ガスは前記ガス噴出ノズル２７を通って前記レーザ結晶８の端面に吹付けられ、入射点２８を冷却して温度の上昇を抑制する。
【００６５】
図６は本発明の他の具体例を示すものであり、レーザ発振装置１が密閉容器に封入された構造を有している場合を示している。
【００６６】
図６中、図９中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００６７】
発光部２、光共振部３を気密に覆うカバー３７がベース１９に設けられ、前記カバー３７内には雰囲気ガスとして窒素ガスが充填されている。
【００６８】
レーザ結晶８の励起光１７の入射点２８に向け冷却ガスを吹付ける様にガス噴出ノズル２７が設けられ、該ガス噴出ノズル２７には冷却ガス循環装置３８が接続されている。
【００６９】
該冷却ガス循環装置３８は前記カバー３７の所要位置に連通し、前記ガス噴出ノズル２７に接続される循環ライン３９を有し、該循環ライン３９にはエアフィルタ４１、ファン４２が設けられている。
【００７０】
該ファン４２が駆動されることで、カバー３７内部の窒素ガスが吸引され、該窒素ガスは前記エアフィルタ４１を通過することで埃等が除去され、更に前記ガス噴出ノズル２７から冷却ガスとして吐出される。冷却ガスは前記レーザ結晶８の端面を冷却して温度の上昇を抑制する。尚、前記ガス噴出ノズル２７は図４に示した様に前記光共振器ブロック２２に形成してもよい。又、前記循環ライン３９の途中に放熱器、或はペルチェ素子等の冷却器を設け、循環させる窒素ガスを冷却し、前記レーザ結晶８の端面を冷却すると共にカバー３７内部の雰囲気温度の上昇を抑制する様にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す概略図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す概略図である。
【図５】本発明の第１の具体例を示す要部断面図である。
【図６】本発明の第２の具体例を示す断面図である。
【図７】レーザ発振装置の概略図である。
【図８】レーザ発振装置の発光部が複数の半導体レーザを有する場合の概略図である。
【図９】従来のレーザ発振装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１              レーザ発振装置
２              発光部
３              光共振部
４              ＬＤ発光器
５              集光レンズ
８              レーザ結晶
９              波長変換結晶
１２            凹面鏡
１３            半導体レーザ
１７            励起光
２６            ペルチェ素子
２７            ガス噴出ノズル
２８            入射点
２９            冷却ガス
３１            光共振器ブロック
３４            傾斜面
３５            冷却ガス流路
３７            カバー
３８            冷却ガス循環装置
【図１】
2005332842.tif 000003
【図２】
2005332842.tif 000004
【図３】
2005332842.tif 000005
【図４】
2005332842.tif 000006
【図５】
2005332842.tif 000007
【図６】
2005332842.tif 000008
【図７】
2005332842.tif 000009
【図８】
2005332842.tif 000010
【図９】
2005332842.tif 000011