(57)【要約】【課題】  耐久性を向上させ得る固体レーザ装置を提供する。【解決手段】  固体レーザ装置１では、固体レーザ媒質３に対し冷却水を循環させる本管１１に、冷却水を冷却する熱交換器１４が設けられ、レーザ媒質３の温度上昇が防止される。この冷却水が酸性又はアルカリ性となった場合には、制御部２４が流量調整バルブ２３を制御して、純水フィルタ２２が設けられたバイパス管２１へ流入する冷却水の流量を増加させるため、冷却水の酸性又はアルカリ性を弱めることができる。従って、冷却水によりレーザ装置３の所定部分が劣化するのを防止することができ、固体レーザ装置１の耐久性を向上させ得る。しかも、本管１１の一部に対し並列に接続されたバイパス管２１に純水フィルタ２２が設けられるため、本管１１を循環する冷却水の流量の低下を抑制し、レーザ媒質３の冷却効率の低下を防止し得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質を冷却水により冷却する固体レーザ装置であって、
前記固体レーザ媒質に対して前記冷却水を循環させる本管と、
前記本管に設けられ、前記冷却水を冷却する冷却手段と、
前記本管の少なくとも一部に対して並列に接続されたバイパス管と、
前記バイパス管に設けられ、前記冷却水の酸性又はアルカリ性を弱める中和手段と、
前記バイパス管において前記中和手段の上流側に設けられ、前記バイパス管へ流入する前記冷却水の流量を調整する流量調整手段と、
前記冷却水が酸性又はアルカリ性である場合に、前記バイパス管へ流入する前記冷却水の流量が増加するように前記流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記冷却水の酸性又はアルカリ性が強いほど、前記バイパス管へ流入する前記冷却水の流量を増加させることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
前記固体レーザ媒質には前記冷却水が直接接触することを特徴とする請求項１又は２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
前記本管には、前記冷却水を循環させるポンプが設けられ、
前記バイパス管は、前記固体レーザ媒質と前記ポンプの吸込口との間における前記本管の少なくとも一部に対して並列に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記本管には、前記冷却水を貯留するタンクが設けられ、
前記制御手段は、前記タンク内に貯留された前記冷却水の酸性又はアルカリ性を検知することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
前記バイパス管は、前記固体レーザ媒質と前記タンクの流入口との間における前記本管の少なくとも一部に対して並列に接続されることを特徴とする請求項５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、固体レーザ媒質を冷却水により冷却する固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来におけるこの種の技術として、例えば、非特許文献１に記載されたジグザグスラブ型固体レーザ装置がある。この固体レーザ装置においては、レーザ媒質に対して冷却水を循環させてレーザ媒質の温度上昇を防止している。これは、半導体レーザから発せられた励起光によりレーザ媒質の温度が上昇して熱レンズ効果等が発生するのを防止するためである。
【非特許文献１】高出力ＬＤ励起ジグザグスラブＮｄガラスレーザーの増幅解析，「レーザー学会学術講演会第２３回年次大会  講演予稿集」，ｐ．５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような固体レーザ装置にあっては、冷却水として中性の純水を循環させても、循環過程において炭酸ガスを含んだり、配管等から発生する不純物イオンを含んだりして、冷却水が酸性又はアルカリ性になってしまう場合がある。このように冷却水が酸性又はアルカリ性になると、固体レーザ装置の所定部分が劣化するおそれがあり、固体レーザ装置の耐久性が妨げられてしまう。特に、レーザ媒質に冷却水を直接接触させる場合、レーザ媒質の表面は侵食され易いため、出射されるレーザ光の品質が短期間で劣化するおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐久性を向上させ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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質を冷却水により冷却する固体レーザ装置であって、固体レーザ媒質に対して冷却水を循環させる本管と、本管に設けられ、冷却水を冷却する冷却手段と、本管の少なくとも一部に対して並列に接続されたバイパス管と、バイパス管に設けられ、冷却水の酸性又はアルカリ性を弱める中和手段と、バイパス管において中和手段の上流側に設けられ、バイパス管へ流入する冷却水の流量を調整する流量調整手段と、冷却水が酸性又はアルカリ性である場合に、バイパス管へ流入する冷却水の流量が増加するように流量調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
この固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質に対して冷却水を循環させる本管に、冷却水を冷却する冷却手段が設けられているため、固体レーザ媒質の温度上昇を防止することができる。そして、冷却水が酸性又はアルカリ性となった場合には、制御手段が流量調整手段を制御することで、中和手段が設けられたバイパス管へ流入する冷却水の流量が増加するため、冷却水の酸性又はアルカリ性を弱めることができる。従って、酸性又はアルカリ性の冷却水により固体レーザ装置の所定部分が劣化するのを防止することができ、固体レーザ装置の耐久性を向上させることが可能になる。しかも、本管の少なくとも一部に対して並列に接続されたバイパス管に中和手段が設けられているため、本管を循環する冷却水の流量の低下を抑制することができ、固体レーザ媒質の冷却効率の低下を防止することが可能になる。
【０００７】
また、制御手段は、冷却水の酸性又はアルカリ性が強いほど、バイパス管へ流入する冷却水の流量を増加させることが好ましい。これにより、冷却水の酸性又はアルカリ性を早急に弱めることができる。
【０００８】
また、固体レーザ媒質には冷却水が直接接触することが好ましい。これにより、固体レーザ装置の冷却効率を向上させることができる。ただしこの場合、酸性又はアルカリ性の冷却水により固体レーザ媒質が侵食され易いということが懸念される。しかしながら、本発明に係る固体レーザ装置によれば、上述したように冷却水の酸性又はアルカリ性を弱めることができるため、冷却水によるレーザ媒質表面の侵食が防止される。従って、レーザ媒質自体の耐久性を向上させることができると同時に、出射されるレーザ光の品質を長期間良好に維持することができる。
【０００９】
また、本管には、冷却水を循環させるポンプが設けられ、バイパス管は、固体レーザ媒質とポンプの吸込口との間における本管の少なくとも一部に対して並列に接続されることが好ましい。これにより、ポンプから吐出された冷却水は、その流量が低下することなく固体レーザ媒質に達することになるため、固体レーザ媒質の冷却効率の低下をより一層確実に防止することが可能になる。
【００１０】
また、本管には、冷却水を貯留するタンクが設けられ、制御手段は、タンク内に貯留された冷却水の酸性又はアルカリ性を検知することが好ましい。タンク内に一旦貯留された冷却水について酸性又はアルカリ性を検知することで、精度の高い検知結果を得ることができる。
【００１１】
また、バイパス管は、固体レーザ媒質とタンクの流入口との間における本管の少なくとも一部に対して並列に接続されることが好ましい。これにより、バイパス管を通って（つまり、中和手段を通って）酸性又はアルカリ性が弱められた冷却水と、本管を通ってきた冷却水とがタンク内で混ざり合うことになるため、固体レーザ媒質に達する冷却水の酸性又はアルカリ性をより一層高精度に検知することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固体レーザ装置の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る固体レーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１に示されるように、固体レーザ装置１は、レーザヘッド２内に収容されたスラブ状（ここでは、長方形平板状）の固体レーザ媒質３を冷却水により冷却するものである。レーザヘッド２においてレーザ媒質３は、図２に示されるように、その長手方向において対面する各端面を被増幅光Ｌの入射面３ａ、出射面３ｂとし、これら入射面３ａ及び出射面３ｂと直交する幅広の各端面を被増幅光Ｌの反射面３ｃ，３ｃとしている。ここで、レーザ媒質３は、リン酸塩系のレーザ用ガラスを母材として、ネオジウム（Ｎｄ）をレーザ活性種としてドープしたものであるが、これに限定されない。例えば、母材としては、シリカ系のレーザ用ガラス、又はＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４、Ｓ−ＦＡＰ、サファイア、アレキサンドライト、フォルステライト、ガーネット等の結晶材料を用いてもよい。また、レーザ活性種としては、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ等の希土類元素、又はＣｒ、Ｔｉ等の遷移元素を用いてもよい。
【００１５】
レーザ媒質３の各反射面３ｃに対向する位置には、レーザ媒質３に励起光を照射する半導体レーザ４が配置され、対向する反射面３ｃと半導体レーザ４との間には、励起光を透過させる窓部材６が配置されている。各窓部材６は、レーザヘッド２のハウジング（図示せず）の一部である保持部７に水密に固定されており、水密に固定された窓部材６及び保持部７とレーザ媒質３の反射面３ｃとの間には、図２において実線の矢印で示されるように冷却水が流通する流路８が形成される。
【００１６】
以上のように構成されたレーザヘッド２においては、入射面３ａからレーザ媒質３内に入射した被増幅光Ｌは、半導体レーザ４から発せられた励起光により励起されたレーザ媒質３内で増幅されながら、対面する反射面３ｃ，３ｃで全反射を繰り返してレーザ媒質３内をジグザグ伝播し、出射面３ｂから出射する。このとき、半導体レーザ４から発せられた励起光によってレーザ媒質３が加熱されるが、レーザ媒質３の反射面３ｃには冷却水が直接接触するため、レーザ媒質３から効率良く熱を奪うことができる。従って、レーザ媒質３の温度が上昇して熱レンズ効果等が発生するのを防止することが可能になる。
【００１７】
更に、図１に示されるように、固体レーザ装置１は、上述したレーザヘッド２内の流路８を介してレーザ媒質３に対し冷却水を循環させるべく環状に敷設された本管１１を有している。つまり、流路８は、本管１１の一部を構成している。この本管１１の途中には、冷却水を貯留するタンク１２が設けられており、このタンク１２の流出口１２ａとレーザ媒質３との間における本管１１上には、タンク１２内の冷却水をレーザ媒質２側へ吐出するポンプ１３が接続されている。このポンプ１３によりタンク１２内の冷却水は、図１において実線の矢印で示されるように、本管１１を介してレーザ媒質３に対し循環供給される。
【００１８】
また、レーザ媒質３とタンク１２の流入口１２ｂとの間における本管１１上には、冷却水を冷却する熱交換器（冷却手段）１４が接続されている。この熱交換器１４は、タンク１２内の冷却水の温度をモニタする温度センサ１５の測定結果に基づいて、所定の温度範囲内の温度となるように冷却水を冷却する。従って、レーザヘッド２においてレーザ媒質３から熱を奪って温度が上昇した冷却水は、熱交換器１４により所定の温度範囲内の温度に冷却されて、タンク１２内に戻される。なお、本管１１には、レーザヘッド２内に流入する冷却水の圧力をモニタする圧力計１７や、レーザヘッド２内から流出する冷却水の流量をモニタする流量計１８が設けられている。そして、これらの測定結果に基づいて、圧力が所定の圧力範囲外になった場合や流量が所定の流量範囲外になった場合には、警報としてアラームが鳴ったり、インターロックが働いたりする。
【００１９】
更に、レーザ媒質３とタンク１２の流入口１２ｂとの間における本管１１の一部に対しては、バイパス管２１が並列に接続されている。より具体的には、バイパス管２１の上流端２１ａが流量計１８と熱交換器１４との間における本管１１に接続され、バイパス管２１の下流端２１ｂがタンク１２に接続されている。このバイパス管２１上には、酸性又はアルカリ性の冷却水をほぼ中性にするイオン交換樹脂製の純水フィルタ（中和手段）２２が接続されている。また、バイパス管２１上において純水フィルタ２２の上流側には、図１において破線の矢印で示されるように、バイパス管２１へ流入する冷却水の流量を調整する流量調整バルブ（流量調整手段）２３が接続されている。
【００２０】
そして、この流量調整バルブ２３は、制御部（制御手段）２４によって、冷却水が酸性又はアルカリ性である場合に、バイパス管２１へ流入する冷却水の流量が増加するように制御される。より詳細には、制御部２４は、タンク１２内の冷却水の水素イオン指数（ｐＨ値）をモニタするｐＨセンサ２５と、このｐＨセンサ２５の測定結果に基づいて流量調整バルブ２３の開度を制御するフィードバック回路２６とを有している。このフィードバック回路２６は、タンク１２内の冷却水のｐＨ値が所定のｐＨ範囲（例えば、ｐＨ７を中心値として設定された範囲）外になった場合（すなわち、タンク１２内の冷却水の酸性又はアルカリ性が所定の強さを超えた場合）に流量調整バルブ２３を開放させると共に、冷却水の酸性又はアルカリ性が強くなるほど流量調整バルブ２３の開度を大きくする。
【００２１】
このように、制御部２４のｐＨセンサ２５は、タンク１２内に一旦貯留された冷却水について酸性又はアルカリ性を検知する。しかも、タンク１２内では、バイパス管２１を通って（つまり、純水フィルタ２２を通って）ほぼ中性にされた冷却水と、本管１１を通ってきた冷却水とが混ざり合うことになる。従って、ｐＨセンサ２５は、レーザ媒質３に達する冷却水のｐＨ値を極めて高精度に検知することができる。
【００２２】
ここで、ｐＨセンサ２５は、イオン感応性を有するＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４薄膜を感受部とした電界効果型トランジスタ（ISFET:Ion Sensitive Field Effect Transistor）を利用したものであって、そのゲート上にあるＳｉ３Ｎ４膜に冷却水を接触させることで、冷却水中の水素イオン量に応じた界面電位を発生させ、これを出力電圧として取り出すものである。すなわち、ｐＨセンサ２５は、冷却水のｐＨ依存性を測定することができるものである。ただし、ｐＨセンサ２５としては、このようなものに限定されず、例えば、ＫＣｌやＡｇ／ＡｇＣｌを蒸着したガラス電極によりイオン量を検知してｐＨ値を測定するものや、冷却水の電気伝導度を測定してｐＨ値を算出するものを用いてもよい。
【００２３】
以上のように構成された固体レーザ装置１においては、タンク１２内の冷却水は、ポンプ１３によって本管１１を介してレーザ媒質３に対し循環供給されるが、冷却水は熱交換器１４によって所定の温度範囲内の温度となるように冷却されるため、レーザ媒質３の温度上昇を防止することができる。このとき、例えば、タンク１２内の上部に溜まっている二酸化炭素や酸素、窒素等の気体を冷却水が含んだり、レーザヘッド２や本管１１等から発生する不純物イオンを冷却水が含んだりするといった様々な理由によって、タンク１２内の冷却水のｐＨ値が所定のｐＨ範囲外になってしまう場合がある。そうすると、制御部２４によって流量調整バルブ２３が開放されて、純水フィルタ２２が接続されたバイパス管２１へ冷却水が流入するため、冷却水はほぼ中性にされてタンク１２内に戻され、冷却水の酸性又はアルカリ性が弱められることになる。従って、酸性又はアルカリ性の冷却水により固体レーザ装置１の所定部分が劣化するのを防止することができ、固体レーザ装置１の耐久性を向上させることが可能になる。
【００２４】
ここで、流量調整バルブ２４の開度は、冷却水の酸性又はアルカリ性が強くなるほど大きくされるため、冷却水の酸性又はアルカリ性が強くなるほど、バイパス管２１へ流入する冷却水の流量が増加することになる。従って、冷却水の酸性又はアルカリ性を早急に弱めることができる。なお、固体レーザ装置１の動作開始時から流量調整バルブ２１を所定の開度で開放させて、一定量の冷却水が純水フィルタ２２を通るようにしておき、冷却水の酸性又はアルカリ性が強くなった場合に、バイパス管２１へ流入する冷却水の流量を増加させるようにしてもよい。
【００２５】
更に、上述したように固体レーザ媒質３には冷却水が直接接触するが、固体レーザ装置１では冷却水の酸性又はアルカリ性を弱めることができるため、冷却水によるレーザ媒質３表面（すなわち、反射面３ｃ）の侵食を防止することができる。従って、レーザ媒質３自体の耐久性を向上させることができると同時に、反射面３ｃでの被増幅光Ｌの散乱を防止する等、出射されるレーザ光の品質を長期間良好に維持することができる
また、本管１１の一部に対して並列に接続されたバイパス管２１に純水フィルタ２２が設けられているため、本管１１を循環する冷却水の流量の低下を抑制することができ、固体レーザ媒質３の冷却効率の低下を防止することが可能になる。しかも、バイパス管２１は、レーザ媒質３とタンク１２の流入口１２ｂとの間、つまり、レーザ媒質３とポンプ１３の吸込口１３ａとの間における本管１１の一部に対して並列に接続されているため、ポンプ１３から吐出された冷却水は、その流量が低下することなくレーザ媒質３に到達することになる。従って、レーザ媒質３の冷却効率の低下をより一層確実に防止することが可能になる。
【００２６】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、中和手段としての純水フィルタ２２は、酸性又はアルカリ性の冷却水をほぼ中性にするものであったが、冷却水の酸性又はアルカリ性を弱めるものであっても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る固体レーザ装置の一実施形態の構成図ある。
【図２】図１の固体レーザ装置のレーザヘッドの構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…固体レーザ装置、３…固体レーザ媒質、１１…本管、１２…タンク、１２ｂ…流入口、１３…ポンプ、１３ａ…吸込口、１４…熱交換器（冷却手段）、２１…バイパス管、２２…純水フィルタ（中和手段）、２３…流量調整バルブ（流量調整手段）、２４…制御部（制御手段）。
【図１】
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【図２】
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