(57)【要約】【課題】熱影響による光学的特性の変化を最小限に抑えて高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる安価でかつ製造が容易な固体レーザ媒体を提供する。【解決手段】固体レーザ媒体１０は、ロッド状（棒状）媒体として構成されている。ここで、固体レーザ媒体１０は、複数の混合物を焼結することにより形成されたＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１とガラス多結晶体１２という２種類の多結晶体からなるものである。なお、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１にはレーザ媒質（Ｎｄ）が含まれている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２は、ロッド状媒体内にて均一に分散されており、かつ、ロッド状媒体の所定の光学的特性（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２で生じる合成屈折率温度係数）が所望の値になるようにＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２の構成比が調整されている。【選択図】図１
2007128964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒体において、
複数の混合物を焼結して形成された複数種類の多結晶体からなるロッド状媒体からなり、
前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体にレーザ媒質が含まれ、
前記複数種類の多結晶体は前記ロッド状媒体内にて均一に分散され、かつ、前記ロッド状媒体の所定の光学的特性が所望の値になるように前記ロッド状媒体内の前記複数種類の多結晶体の構成比が調整されていることを特徴とする固体レーザ媒体。
【請求項２】
前記ロッド状媒体の光学的特性は、前記複数種類の多結晶体で生じる合成屈折率温度係数、合成熱膨張率、光弾性効果による合成屈折率変化及び合成複屈折率差のうちの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザ媒体。
【請求項３】
前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体がＹＡＧ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媒体。
【請求項４】
前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体がガラスであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体レーザ媒体。
【請求項５】
前記レーザ媒質がＮｄであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体レーザ媒体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体レーザ媒体を備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の固体レーザ装置を備えたことを特徴とするレーザ応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒体に係り、とりわけ、熱影響による光学的特性の変化を最小限に抑えることができる固体レーザ媒体並びにそれを用いた固体レーザ装置及びレーザ応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒体の材料としては、単結晶が用いられている。特に、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ（ネオジウム）添加ＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット））単結晶は、固体レーザ媒体の材料として広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、このような単結晶からなる固体レーザ媒体は、レーザ光を発生させるときに生じる熱により、屈折率の変化や熱膨張による形状の変化等の影響（熱影響）が誘発され、その光学的特性が変化することにより、固体レーザ媒体が用いられる固体レーザ装置の効率の低下やレーザビームの品質の低下等の原因となっている。
【０００４】
なお、近年では、単結晶よりも比較的容易にかつ安価に製造することができる固体レーザ媒体の材料として、焼結により形成された多結晶体（例えばＮｄ：ＹＡＧセラミック）が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、このような多結晶体からなる固体レーザ媒体も、基本的な光学的特性については単結晶からなる固体レーザ媒体と変わらないので、上述したのと同様の熱影響に起因した問題が生じる。
【０００５】
このため、従来においては、このような熱影響に起因した問題を低減するための方法として、特許文献２〜４に記載された方法が提案されている。
【０００６】
具体的には、特許文献２に記載された方法は、固体レーザ媒体で生じる熱影響の程度に応じてレーザ発振器内に設けられたレンズの位置を調整することにより、熱影響に起因した問題を低減するものである。特許文献３に記載された方法は、固体レーザ媒体で生じる熱影響の程度に応じてレーザ発振器内に設けられた補償光学素子を制御することにより、熱影響に起因した問題を低減するものである。特許文献４に記載された方法は、固体レーザ媒体の中心部と周辺部とでレーザ媒質の濃度を変えて中心部から周辺部への温度勾配を小さくすることにより、熱影響に起因した問題を低減するものである。
【０００７】
しかしながら、特許文献２及び３に記載された方法では、いずれも、その方法を実現するための装置の構成及び制御が複雑になり、装置コストの増大につながるという問題がある。また、特許文献４に記載された方法は、熱影響を積極的に補償するものではないので固体レーザ媒体の光学的特性の変化を効果的に抑えることができず、固体レーザ媒体の製造工程が増加して製造コストの増大につながるという問題もある。
【特許文献１】特開平５−２９４７２２号公報
【特許文献２】特開平６−１５２０１８号公報
【特許文献３】特開２００３−２９８１６１号公報
【特許文献４】特開２００１−２２０２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、熱影響による光学的特性の変化を最小限に抑えて高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる安価でかつ製造が容易な固体レーザ媒体並びにそれを用いた固体レーザ装置及びレーザ応用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】
【０００９】
本発明は、固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒体において、複数の混合物を焼結して形成された複数種類の多結晶体からなるロッド状媒体からなり、前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体にレーザ媒質が含まれ、  前記複数種類の多結晶体は前記ロッド状媒体内にて均一に分散され、かつ、前記ロッド状媒体の所定の光学的特性が所望の値になるように前記ロッド状媒体内の前記複数種類の多結晶体の構成比が調整されていることを特徴とする固体レーザ媒体を提供する。
【００１０】
なお、本発明において、前記ロッド状媒体の光学的特性は、前記複数種類の多結晶体で生じる合成屈折率温度係数、合成熱膨張率、光弾性効果による合成屈折率変化及び合成複屈折率差のうちの少なくとも一つであることが好ましい。また、前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体がＹＡＧであることが好ましい。さらに、前記複数種類の多結晶体のうちの少なくとも一種類の多結晶体がガラスであることが好ましい。さらに、前記レーザ媒質がＮｄであることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上述した固体レーザ媒体を備えたことを特徴とする固体レーザ装置や、当該固体レーザ装置を備えたことを特徴とするレーザ応用装置をも提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の混合物を焼結して形成された複数種類の多結晶体により固体レーザ媒体を構成しているので、熱影響による光学的特性の変化が少なく、かつ、高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる固体レーザ媒体を、比較的容易に製造して安価に提供することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、上述したようにして構成された固体レーザ媒体を固体レーザ装置やレーザ応用装置に用いることにより、熱影響を補償するための外部的な補助手段や他の補償素子等を設けることなく、高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる高性能な固体レーザ装置やレーザ応用装置を、比較的簡単な構成で安価に提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
まず、図１（ａ）（ｂ）により、本実施形態に係る固体レーザ媒体について説明する。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る固体レーザ媒体１０は、ロッド状（棒状）媒体として構成されている。ここで、固体レーザ媒体１０は、図１（ｂ）に図１（ａ）の一部（ＩＢ部）を拡大して示すように、複数の混合物を焼結することにより形成されたＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１とガラス多結晶体１２という２種類の多結晶体からなるものである。なお、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１にはレーザ媒質（Ｎｄ）が含まれている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２は、図１（ａ）に示すようなロッド状媒体内にて均一に分散されており、かつ、ロッド状媒体の所定の光学的特性（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２で生じる合成屈折率温度係数）が所望の値になるようにＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２の構成比が調整されている。
【００１７】
なお、図１（ａ）（ｂ）に示すような固体レーザ媒体１０は一般に、図２に示すような固体レーザ装置２０に組み込まれて用いられる。図２に示すように、固体レーザ装置２０は、固体レーザ媒体１０へ向けて励起光Ｌ１を照射するレーザダイオード２１と、固体レーザ媒体１０をその両端部側から挟み込むように配置された全反射ミラー２２及びハーフミラー２３とを有している。このような固体レーザ装置２０において、固体レーザ媒体１０は、励起源であるレーザダイオード２１から照射された励起光Ｌ１により励起され、レーザ共振器を構成する全反射ミラー２２とハーフミラー２３との間で、固体レーザ媒体１０から出射された光が増幅され、最終的にハーフミラー２３を介してレーザ光Ｌとして出力される。なお、固体レーザ装置２０内には冷却機構２４が設けられており、冷却機構２４から放出された冷却媒体等により固体レーザ媒体１０の外周面が冷却されるようになっている。
【００１８】
ここで、図２に示すような固体レーザ装置２０に組み込まれた固体レーザ媒体１０は、レーザダイオード２１から照射された励起光Ｌ１により固体レーザ媒体１０内で生じる励起が均一であれば、固体レーザ媒体１０の発熱も均一に行われる。しかしながら、固体レーザ媒体１０の冷却は、固体レーザ媒体１０の外周面からしか行うことができないので、固体レーザ媒体１０内には、当該固体レーザ媒体１０の中心部の温度が高く、外周部の温度が低い、という温度勾配が生じる。従って、固体レーザ媒体１０内の屈折率分布も、このような温度勾配に応じて、中心部で高く、外周部で低くなり、固体レーザ媒体１０自体がレンズのような働きをすることとなる。このような現象は一般的に「熱レンズ」と呼ばれており、固体レーザ装置２０の効率の低下やレーザビームの品質の低下等の原因となっている。また、固体レーザ媒体１０の励起の開始から固体レーザ媒体１０が熱的に定常状態に達するまでの過渡期間では、固体レーザ媒体１０により形成される熱レンズが時間的に変化し、その結果、レーザビームの品質も変化することとなる。このため、一定の大きさのレーザ光を利用するためには、上述したような過渡期間を除外して利用する必要があり、その結果として、レーザ出力の利用効率が低下するという問題も生じる。
【００１９】
一般に、上述したような温度勾配に起因した屈折率勾配によって生じる熱レンズの焦点距離ｆは、固体レーザ媒体の熱伝導率をＫ、固体レーザ媒体の断面積をＡ、発熱量をＰ、屈折率温度係数をαとすると、固体レーザ媒体が均一に励起されている場合には、次式（１）により近似することができる。
【００２０】
ｆ＝ＫＡ／Ｐα    …  （１）
今、図２に示すような固体レーザ装置２０に用いられる固体レーザ媒体１０として、従来から用いられているＮｄ：ＹＡＧ多結晶体（Ｋ＝０．１１Ｗ／ｃｍ；α＝７．３×１０−６）が用いられる場合について説明する。
【００２１】
この場合には、図５に示すように、固体レーザ媒体の励起量が増加し、発熱量Ｐが増加するにつれて、熱レンズの効果も大きくなり、焦点距離ｆが短くなっていることが分かる。なお、図５は、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体からなる固体レーザ媒体の断面が直径１０ｍｍの円形である場合についてのものである。
【００２２】
これに対し、本実施形態に係る固体レーザ媒体１０は、上述したように、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１とガラス多結晶体１２という２種類の多結晶体からなるものである。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体は一般に上述したような正の屈折率温度係数を有するが、ガラス材料の中には、負の屈折率温度係数を有するものがある。従って、このようなガラス材料からなるガラス多結晶体１２とＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１とにより固体レーザ媒体１０を構成するようにすれば、そのような固体レーザ媒体１０の合成屈折率温度係数をＮｄ：ＹＡＧ多結晶体単体からなる固体レーザ媒体１０の合成屈折率温度係数よりも小さくすることができ、その結果、上述した「熱レンズ」の現象による固体レーザ装置２０の効率の低下やレーザビームの品質の低下等の問題を効果的に解消することができる。また、固体レーザ媒体１０の合成屈折率温度係数がそもそも小さくなるので、固体レーザ媒体１０の励起の開始から固体レーザ媒体１０が熱的に定常状態に達するまでの過渡期間が短くなり、レーザ出力の利用効率を向上させることができる。
【００２３】
次に、このような構成からなる固体レーザ媒体の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、所定の粒子径のＡｌ２Ｏ３粉末、Ｙ２Ｏ３粉末及びガラス粉末を、Ｎｄや所望量の焼結助剤（例えばＬｉ２Ｏ）等とともにポットミル等の中で混合した後、一軸又は同方向プレス等によって目的となる形状に成形し、さらにこの成形体を１６００〜１８００℃の酸素、水素、ガス中又は真空下において焼成する。
【００２５】
なお、Ａｌ２Ｏ３粉末、Ｙ２Ｏ３粉末はそれぞれ、市販のものを用い、混合後の組成がＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）となるようにその混合量を調整する。また、ガラス粉末としては、負の屈折率温度係数を有するものを用いる。
【００２６】
このようにして得られた焼結体を所望の形状（例えばロッド状）になるように加工することにより、最終的に固体レーザ媒体が得られる。
【００２７】
このように本実施形態によれば、複数の混合物を焼結して形成された２種類の多結晶体（Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２）により固体レーザ媒体１０を構成しているので、熱影響による光学的特性の変化が少なく、かつ、高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる固体レーザ媒体１０を、比較的容易に製造して安価に提供することができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、固体レーザ媒体１０の合成屈折率温度係数がそもそも小さくなるので、固体レーザ媒体１０の励起の開始から固体レーザ媒体１０が熱的に定常状態に達するまでの過渡変化が小さくなり、レーザ出力の利用効率を向上させることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態によれば、上述したようにして構成された固体レーザ媒体１０を固体レーザ装置２０に用いることにより、熱影響を補償するための外部的な補助手段や他の補償素子等を設けることなく、高効率でかつ高品位なレーザ光を出力することができる高性能な固体レーザ装置２０を、比較的簡単な構成で安価に提供することができる。
【００３０】
なお、上述した実施形態においては、固体レーザ媒体１０を構成する多結晶体として、ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２が用いられているが、上述した作用効果を奏するのであれば、他の任意の多結晶体を用いることができる。
【００３１】
また、上述した実施形態においては、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２の２種類の多結晶体を組み合わせて固体レーザ媒体１０を構成しているが、これに限らず、他の多結晶体を含む３種類以上の多結晶体を組み合わせて固体レーザ媒体１０を構成するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、上述した実施形態においては、屈折率温度係数の異なるＮｄ：ＹＡＧ多結晶体１１及びガラス多結晶体１２の構成比を調整することにより、固体レーザ媒体１０の合成屈折率温度係数を制御する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、（１）熱膨張率の異なる複数種類の多結晶体の構成比を調整することにより、固体レーザ媒体１０の合成熱膨張率を制御したり、（２）光弾性係数の異なる複数種類の多結晶体の構成比を調整することにより、固体レーザ媒体１０の光弾性効果による合成屈折率変化を制御したり、（３）屈折率の異なる複数種類の多結晶体の構成比を調整することにより、固体レーザ媒体１０の合成複屈折率差を制御したりすることも可能である。これらによっても、熱影響を積極的に補償して、上述した実施形態の作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
【００３３】
なお、上述した実施形態においては、固体レーザ媒体１０が用いられる装置として固体レーザ装置２０を例に挙げて説明したが、このような固体レーザ装置２０はさらに、図３に示すレーザ加工装置３０のようなレーザ応用装置に組み込んで用いることも可能である。なお、図３に示すレーザ加工装置３０において、固体レーザ装置２０から出力されたレーザ光Ｌは光ファイバ３１を介して被加工物４０の近傍まで導かれ、集光レンズ３２により集光された上で被加工物４０上の加工点４１に集光され、被加工物４０に対して所望のレーザ加工が行われる。
【実施例】
【００３４】
次に、上述した実施形態の具体的実施例について述べる。
【００３５】
（実施例）
粒子径が０．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、粒子径が０．１μｍのＹ２Ｏ３粉末、熱伝導率がＫ＝０．６７Ｗ／ｃｍ、屈折率温度係数がα＝−６．８×１０−６で、粒子径が１μｍ程度のガラス粉末を、Ｎｄ、焼結助剤（Ｌｉ２Ｏ等）とともにポットミルの中で混合した後、同方向プレスによってロッド状に成形し、さらにこの成形体を１６００℃の真空下において焼成した。
【００３６】
なお、Ａｌ２Ｏ３粉末、Ｙ２Ｏ３粉末はそれぞれ、市販のものを用い、混合後の組成がＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）となるようにその混合量を調整した。
【００３７】
これにより、Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体とガラス多結晶体とが均一に分散された焼結体が得られた。なお、このようにして得られた焼結体内におけるＮｄ：ＹＡＧ多結晶体及びガラス多結晶体の構成比は１：１であった。
【００３８】
その後、このようにして得られた焼結体を直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのロッド状（Ｎｄの濃度は３ａｔ．％）になるように加工し、最終的に実施例に係る固体レーザ媒体を得た。
【００３９】
（比較例）
チョコラルスキー法で単結晶化された市販のＮｄ：ＹＡＧロッド（Ｎｄ濃度：１ａｔ．％、直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）を用意し、比較例に係る固体レーザ媒体とした。
【００４０】
（評価結果）
図４は、実施例における熱影響の大きさ（熱レンズ効果の大きさ）を、比較例における熱影響の大きさと比較して示した図である。
【００４１】
図４に示すように、固体レーザ媒体により形成される熱レンズの焦点距離ｆに対して、図４の縦軸は１／ｆの値をとっており、この値が大きい（焦点距離ｆが短い）ほど、熱影響が大きいことになる。図４から分かるように、実施例及び比較例のいずれにおいても、固体レーザ媒体の励起量が増加し、発熱量Ｐが増加するにつれて、熱レンズの効果も大きくなり、焦点距離ｆが短くなっている。しかしながら、実施例と比較例とを対比すると、実施例の場合には、比較例の場合に比べて、熱影響の大きさが１／１０程度軽減されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体レーザ媒体を説明するための模式図。
【図２】図１に示す固体レーザ媒体を用いた固体レーザ装置の一例を示す図。
【図３】図２に示す固体レーザ装置を用いたレーザ加工装置（レーザ応用装置）の一例を示す図。
【図４】実施例（Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体とガラス多結晶体とからなる固体レーザ媒体）における熱影響の大きさを、比較例（Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体単体からなる固体レーザ媒体）における熱影響の大きさと比較して示した図。
【図５】従来の固体レーザ媒体（Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体単体からなる固体レーザ媒体）における熱レンズ効果の大きさを示した図。
【符号の説明】
【００４３】
１０  固体レーザ媒体
１１  Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶体
１２  ガラス多結晶体
２０  固体レーザ装置
２１  レーザダイオード
２２  全反射ミラー
２３  ハーフミラー
２４  冷却機構
３０  レーザ加工装置（レーザ応用装置）
３１  光ファイバ
３２  集光レンズ
４０  被加工物
４１  加工点
Ｌ  レーザ光
Ｌ１  励起光
【図１】
2007128964.tif 000003
【図２】
2007128964.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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