(57)【要約】【課題】禁水が必要な場所で使用可能であるＹＡＧレーザー発振装置を提供する。【解決手段】  レーザー媒質であるＹＡＧロッドと、励起源であるフラッシュランプと、前記フラッシュランプからのフラッシュランプ光を前記ＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、前記ＹＡＧロッド、前記フラッシュランプ、及び、前記楕円形反射光学系を囲むとともに冷却用空気導入口及び冷却用空気排出口が形成されたジャケットと、を含むレーザーポンプチャンバーと、前記ジャケットの前記冷却用空気導入口から前記レーザーポンプチャンバー内に空気を送り込むベローズ式ポンプと、を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー媒質であるＹＡＧロッドと、励起源であるフラッシュランプと、前記フラッシュランプからのフラッシュランプ光を前記ＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、前記ＹＡＧロッド、前記フラッシュランプ、及び、前記楕円形反射光学系を囲むとともに冷却用空気導入口及び冷却用空気排出口が形成されたジャケットと、を含むレーザーポンプチャンバーと、
前記レーザーポンプチャンバーの前方に配置された出力ミラーと、前記レーザーポンプチャンバーの後方に配置された薄膜ポラライザーと、前記薄膜ポラライザーの後方に配置されたポッケルスセルと、前記ポッケルスセルの後方に配置されたλ／４板と、前記λ／４板の後方に配置されたリア反射ミラーと、を含む光学系と、
前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系が取り付けられるベース板と、
前記ベース板に取り付けられた前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系を覆うカバーと、
前記ジャケットの前記冷却用空気導入口から前記レーザーポンプチャンバー内に空気を送り込むベローズ式ポンプと、
を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置。
【請求項２】
前記ベローズ式ポンプのベローズは、ポリテトラフルオロエチレンまたはステンレスによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
【請求項３】
前記ジャケットは、金属製であることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
【請求項４】
前記ジャケットは、アルミニウム、チタン、ステンレスのいずれかによって形成されたことを特徴とする請求項３に記載のＹＡＧレーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＹＡＧレーザー発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピークパワーが１０ＭＷ以上となるジャイアントパルス（ＧＰ）発振方式の固体レーザー発振装置であるＹＡＧレーザー発振装置は、レーザーアブレーション、レーザー誘起蛍光分析、レーザーピーニング等の分野で使用可能である。
【０００３】
このような固体レーザー発振装置は、その安定性を確保するために、レーザーポンプチャンバーを冷却する冷却機構を具備している。例えば、冷却機構として、水冷方式が多く用いられている。水冷方式を適用したレーザーポンプチャンバーでは、ＹＡＧロッド及びフラッシュランプを密閉した水冷ジャケットに収めて冷却水を循環させ冷却を行うことでレーザーポンプチャンバーを熱的に安定に保っている。
【０００４】
しかしながら、水の使用及び水の発生が厳禁とされる禁水が必要な場所においては、水冷方式の冷却機構は適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−１７７４７０号公報
【特許文献２】特開平１１−２３３８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態の目的は、禁水が必要な場所で使用可能であるＹＡＧレーザー発振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】
本実施形態によれば、
レーザー媒質であるＹＡＧロッドと、励起源であるフラッシュランプと、前記フラッシュランプからのフラッシュランプ光を前記ＹＡＧロッドに集光して照射するための楕円形反射光学系と、前記ＹＡＧロッド、前記フラッシュランプ、及び、前記楕円形反射光学系を囲むとともに冷却用空気導入口及び冷却用空気排出口が形成されたジャケットと、を含むレーザーポンプチャンバーと、前記レーザーポンプチャンバーの前方に配置された出力ミラーと、前記レーザーポンプチャンバーの後方に配置された薄膜ポラライザーと、前記薄膜ポラライザーの後方に配置されたポッケルスセルと、前記ポッケルスセルの後方に配置されたλ／４板と、前記λ／４板の後方に配置されたリア反射ミラーと、を含む光学系と、前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系が取り付けられるベース板と、前記ベース板に取り付けられた前記レーザーポンプチャンバー及び前記光学系を覆うカバーと、前記ジャケットの前記冷却用空気導入口から前記レーザーポンプチャンバー内に空気を送り込むベローズ式ポンプと、を備えたことを特徴とするＹＡＧレーザー発振装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す上面図である。
【図２】図２は、図１に示したＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す側面図である。
【図３】図３は、図１に示したＹＡＧレーザー発振装置の構成を概略的に示す正面図である。
【図４】図４は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置に適用可能なベローズ式ポンプの構成を概略的に示す図である。
【図５】図５は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置に適用可能な空冷式のレーザーポンプチャンバーの構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置１の構成を概略的に示す上面図である。図２は、図１に示したＹＡＧレーザー発振装置１の構成を概略的に示す側面図である。図３は、図１に示したＹＡＧレーザー発振装置１の構成を概略的に示す正面図である。なお、図１では、カバーの図示を省略している。
【００１１】
すなわち、ＹＡＧレーザー発振装置１は、レーザーポンプチャンバー１０と、光学系２０と、ベース板３０と、カバー４０と、ベローズ式ポンプ５０と、を備えている。
【００１２】
レーザーポンプチャンバー１０は、レーザー媒質であるＹＡＧロッド１１と、励起源であるフラッシュランプ１２と、フラッシュランプ１２からのフラッシュランプ光をＹＡＧロッド１１に集光して照射するための楕円形反射光学系１３と、ＹＡＧロッド１１、フラッシュランプ１２、及び、楕円形反射光学系１３を囲むとともに冷却用空気導入口１４Ｉ及び冷却用空気排出口１４Ｏが形成されたジャケット１４と、を含んでいる。
【００１３】
ＹＡＧロッド１１は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶中に不純物として、例えば、３価のネオジウムイオン（Ｎｄ３＋）が存在するものである。このＹＡＧロッド１１は、略一直線状に延出しており、一端面１１Ａ及び他端面１１Ｂを有している。フラッシュランプ１２は、略一直線状に延出しており、ＹＡＧロッド１１と略平行に配置されている。このフラッシュランプ１２は、電源ユニット６０に接続されている。
【００１４】
楕円形反射光学系１３は、２つの焦点軸を有している。ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２は、楕円形反射光学系１３の２つの焦点軸にそれぞれ配置されている。詳述しないが、ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２は、図示しない保持機構によってそれぞれ位置決めされた状態で保持されており、楕円形反射光学系１３の内部に固定されている。
【００１５】
ジャケット１４は、略箱状に形成されており、ＹＡＧロッド１１及びフラッシュランプ１２が保持された状態の楕円形反射光学系１３を囲むよう取り付けられている。このようなジャケット１４には、冷却用空気導入口１４Ｉ及び冷却用空気排出口１４Ｏの他に、詳述しないが、少なくともＹＡＧロッド１１の一端面１１Ａ及び他端面１１Ｂにそれぞれ対向する開孔部が形成されている。
【００１６】
また、このジャケット１４は、金属製である。より具体的には、ジャケット１４は、耐熱性及び防錆性に優れた金属素材であるアルミニウム、チタン、ステンレスのいずれかによって形成されている。
【００１７】
光学系２０は、レーザーポンプチャンバー１０の前方に配置された出力ミラー２１と、レーザーポンプチャンバー１０の後方に配置された薄膜ポラライザー２２と、薄膜ポラライザー２２の後方に配置されたポッケルスセル２３と、ポッケルスセル２３の後方に配置されたλ／４板２４と、λ／４板２４の後方に配置されたリア反射ミラー２５と、を含んでいる。
【００１８】
出力ミラー２１は、部分透過ミラーであり、ＹＡＧロッド１１の一端面１１Ａと対向している。薄膜ポラライザー２２は、ＹＡＧロッド１１の他端面１１Ｂと対向している。ポッケルスセル２３は、電源ユニット６０に接続されている。リア反射ミラー２５は、全反射ミラーであり、出力ミラー２１との間に共振器光学系を形成している。
【００１９】
ベース板３０には、レーザーポンプチャンバー１０及び光学系２０が取り付けられている。レーザーポンプチャンバー１０がベース板３０に取り付けられることにより、ＹＡＧロッド１１、フラッシュランプ１２、及び、楕円形反射光学系１３は、ベース板３０に対して所定の位置に固定されている。また、光学系２０がベース板３０に取り付けられる際には、出力ミラー２１、ＹＡＧロッド１１、薄膜ポラライザー２２、ポッケルスセル２３、λ／４板２４、及び、リア反射ミラー２５が同軸上において適当な間隔を置いてこの順に配置、固定されている。
【００２０】
カバー４０は、埃対策や遮光などのために、ベース板３０に取り付けられたレーザーポンプチャンバー１０及び光学系２０の全体を覆っている。このようなカバー４０は、ベース板３０に固定されている。カバー４０の前方、つまり、出力ミラー２１と対向する位置には、レーザー出射穴４０Ｈが形成されている。レーザー光は、このレーザー出射穴４０Ｈから外部に向けて出射される。
【００２１】
ベローズ式ポンプ５０は、ジャケット１４の冷却用空気導入口１４Ｉからレーザーポンプチャンバー１０内に空気を送り込むものである。このベローズ式ポンプ５０は、配管Ｐ１を介して冷却用空気導入口１４Ｉに接続されている。ジャケット１４の冷却用空気排出口１４Ｏは、配管Ｐ２を介して、ベローズ式ポンプ５０とは別の図示しない排気系などに接続されている。
【００２２】
図４は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置１に適用可能なベローズ式ポンプ５０の構成を概略的に示す図である。
【００２３】
すなわち、ベローズ式ポンプ５０は、回転可能なモータ５１と、モータ５１に接続されたクランク５２と、クランク５２に接続された蛇腹状のベローズ５３と、を備えて構成されている。吸気口５４は、レーザーポンプチャンバー１０とは別の図示しない吸気系などに接続されている。この吸気口５４とベローズ５３との間には、逆止弁５５が介在している。吐出口５６は、レーザーポンプチャンバー１０と配管Ｐ１を介して接続されている。この吐出口５６とベローズ５３との間には、逆止弁５７が介在している。
【００２４】
このようなベローズ式ポンプ５０は、モータ５１の回転をクランク５２にて往復運動に変換し、クランク５２に接続されたベローズ５３を伸縮させて吸気口５４から取り込んだ空気を吐出口５６からレーザーポンプチャンバー１０に送り込む送風機構を構成している。
【００２５】
ベローズ５３は、蛇腹状であるためゴム材に比べて硬質な材料を使用することが可能である。このようなベローズ５３は、アウトガスを発生しない材質であるステンレスもしくはポリテトラフルオロエチレン（あるいはテフロン（登録商標））によって形成されている。
【００２６】
図５は、本実施形態のＹＡＧレーザー発振装置１に適用可能な空冷式のレーザーポンプチャンバー１０の構成を概略的に示す図である。
【００２７】
図示しないベローズ式ポンプ５０の吐出口５６から送風された空気は、配管Ｐ１を通り、この配管Ｐ１が接続されたジャケット１４の冷却用空気導入口１４Ｉからレーザーポンプチャンバー１０の内部に導入される。レーザーポンプチャンバー１０の内部に導入された空気は、発熱源となるフラッシュランプ１２及びＹＡＧロッド１１の周囲を通り、ジャケット１４の冷却用空気排出口１４Ｏからレーザーポンプチャンバー１０の外部に排気される。
【００２８】
このように、レーザーポンプチャンバー１０の内部に空気を供給して冷却することで、レーザーポンプチャンバー１０を熱的に安定に保っている。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置１は、ＹＡＧロッド１１とフラッシュランプ１２とを保持しながら冷却を行うレーザーポンプチャンバー１０の内部に空気を送り込んで冷却する空冷方式を採用している。このような空冷方式のレーザーポンプチャンバー１０では、水冷方式よりも温度上昇が大きくなる傾向にある。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、レーザーポンプチャンバー１０に圧力が掛けられる送風機構を接続してレーザーポンプチャンバー１０の内部の冷却を行っている。このような送風機構としては、コンプレッサーやダイヤフラム式ポンプが適用可能であるが、構成上、以下のような課題がある。
【００３１】
すなわち、送風機構として、コンプレッサーを適用した場合には、ピストン式ポンプによってポンプの後段に接続されたパージタンクで空気を圧縮してその空気をレーザーポンプチャンバー１０に送り込むこととなる。ところが、空気を圧縮した際に水分が発生する場合がある。このため、水の使用及び水の発生が厳禁とされる禁水が必要な場所においては、このようなコンプレッサーは送風機構として適用できない。
【００３２】
一方、ダイヤフラム式ポンプは、水槽への空気の供給などに広く用いられるポンプであり、この方式はモータの回転をクランクにて往復運動に変換してクランクに接続されたダイヤフラムを伸縮させて空気を送り込むため水分の発生は無い。このダイヤフラム式ポンプでは、ダイヤフラムを伸縮させる必要があり、ダイヤフラムの耐久性を確保するためにＥＤＰＭ材（エチレンプロピレンゴム）やＦＫＭ材（フッ素ゴム）といったゴム系材を使用する場合には、ダイヤフラムからアウトガスが発生するおそれがある。このようなアウトガスは、レーザーポンプチャンバー１０の内部を汚染し、レーザー発振効率を悪化させるおそれがある。このため、ダイヤフラム式ポンプは、送風機構として適用できない。
【００３３】
本実施形態においては、送風機構として、ベローズ式ポンプ５０を適用している。このようなベローズ式ポンプ５０は、発熱部分であるレーザーポンプチャンバー１０の内部にアウトガスの無いクリーンな空気を供給して冷却を行い、かつ水分を発生させない。このため、禁水が必要な場所でＹＡＧレーザー発振装置１の使用が可能となる。また、レーザーポンプチャンバー１０の内部の汚染を抑制することがかのうである。
【００３４】
また、本実施形態においては、レーザーポンプチャンバー１０を構成するジャケット１４は、耐熱性のある金属素材によって形成されている。このため、レーザーポンプチャンバー１０の冷却効率を高めることが可能となる。
【００３５】
（実施例）
空冷方式のレーザーポンプチャンバー１０及び送風機構としてベローズ式ポンプ５０を適用したジャイアントパルス発振方式のＹＡＧレーザー発振装置１を構成した。
【００３６】
このとき、出力ミラー２１の反射率を５０％とし、ＹＡＧロッド１１中の不純物ドープ濃度を１％ａｔｍとし、ＹＡＧロッド１１の口径をφ５ｍｍとし、ＹＡＧロッド１１の長さを７６ｍｍとし、ベローズ式ポンプ５０の冷却空気流量を２０Ｌ/ｍｉｎとし、ベローズ式ポンプ５０のベローズ５３の材質としてテフロンを使用し、電源ユニット６０からフラッシュランプ１２への注入エネルギーを８Ｊとし、フラッシュランプ１２のランプ発光周波数を１Ｈｚとした。そして、発振繰り返し周波数１Ｈｚの空冷式ジャイアントパルス発振方式ＹＡＧレーザー発振装置１として、出力エネルギー１００ｍＪ、パルス幅７ｎｓｅｃを得た。
【００３７】
また、このようなＹＡＧレーザー発振装置１から出射されたレーザー光を焦点距離２５ｍｍのレンズで集光してエアーブレークダウンを発生させることが出来たため、本実施形態におけるＹＡＧレーザー発振装置１をレーザー誘起蛍光分析装置用のレーザー光源として用いることができる。また、その際に空冷方式であることから、冷却水の交換等が不要となり、メンテナンス性が良く、禁水を要求される様な状況でも使用することができるレーザー誘起蛍光分析装置を提供できる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、禁水が必要な場所で使用可能である、ピークパワーが１０ＭＷ以上となるジャイアントパルス発振方式の空冷冷却方式のＹＡＧレーザー発振装置を提供することができる。
【００３９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…ＹＡＧレーザー発振装置
１０…レーザーポンプチャンバー
１１…ＹＡＧロッド  １２…フラッシュランプ
１３…楕円形反射光学系  １４…ジャケット
２０…光学系
２１…出力ミラー  ２２…薄膜ポラライザー  ２３…ポッケルスセル
２４…λ／板  ２５…リア反射ミラー
３０…ベース板
４０…カバー
５０…ベローズ式ポンプ
５１…モータ  ５２…クランク  ５３…ベローズ
６０…電源ユニット
【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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