(57)【要約】【課題】より簡易な構成で、低コストで製作することのできるレーザ発振装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ発振装置２Ａは、光ファイバー２２と、その両端に設けられる出射光学系２４、入射光学系２６、光ファイバー２２の一端２２ａから出射された励起光を光ファイバー２２の他端２２ｂに入射させる全反射ミラー１６とからなるループ光路部８を備えることで、励起光をレーザ媒質部２０に繰り返し照射させ、レーザ媒質部２０からレーザ光を出力する。その結果、複雑な光学系を用いることなく、装置のコンパクト化、製作コストの低減を図る。【選択図】図１
2009071231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザ媒質を励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記励起光源から出力された前記励起光が照射されることで前記レーザ光を発振するレーザ媒質部と、
前記励起光源から出力された前記励起光が前記レーザ媒質部に複数回繰り返して照射されるよう、前記励起光を循環させる光路を形成するループ光路部とを備え、
前記ループ光路部は、前記励起光が導入される光ファイバーと、前記光ファイバーの一端から出射される前記励起光を前記光ファイバーの他端に結合する光学系および反射部材と、を備えるとともに、
前記レーザ媒質部は、前記ループ光路部における前記励起光の光路上に配置されていることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記ループ光路部は、マルチモードファイバー、屈折率の異なるコア部を有する光ファイバー、ファイバーレーザのいずれか一つから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記レーザ媒質部には、前記反射部材が積層されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質部を介し、ファイバー出射端面を物体として、その像をファイバー入射端面に任意の倍率で結像する結像光学系を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体レーザ発振を行う場合、そのレーザ媒質形状はロッドやスラブであるのが大半であったが、これに対して近年、媒質形状を薄いディスクとした、いわゆる薄ディスクレーザが用いられつつある（例えば、特許文献１参照。）。
ディスクレーザは、半導体レーザ等の光源から出力されたビームを励起光とし、レーザ媒質として設置されたディスクに上記励起光を複数回照射して用いる。ディスクに入射した励起光は、ディスク裏面で反射され、プリズムペアーおよび放物面ミラーによって、ディスクの同じ位置に同じビーム径で照射される。このようにして、励起光はディスク上に１６回にわたって順次照射されることにより、９０％以上のエネルギーがディスクに吸収され、高効率なレーザ発振を可能にする。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５２４８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような技術においては、ディスクに照射された光をディスクの同じ位置に同形状で複数回再照射させるためのプリズムやミラーから構成される光学系が非常に複雑となり、装置の高コスト化、光軸調整を含む製作の困難化が伴うという問題があった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より簡易な構成且つ低コストで製作可能なレーザ発振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】
かかる目的のもと、本発明のレーザ発振装置は、レーザ光を発振するレーザ媒質を励起するための励起光を出力する励起光源と、励起光源から出力された励起光が照射されることでレーザ光を発振するレーザ媒質部と、励起光源から出力された励起光がレーザ媒質部に複数回繰り返して照射されるよう、励起光を循環させる光路を形成するループ光路部とを備える。そして、ループ光路部は、励起光が導入される光ファイバーと、光ファイバーの一端から出射される励起光を光ファイバーの他端に結合する光学系および反射部材と、を備えるとともに、レーザ媒質部は、ループ光路部における励起光の光路上に配置されていることを特徴とする。
励起光源から出力された励起光は、ファイバー長の任意位置で光ファイバーに導入されて一端面から出射される。その出射端面から出力された励起光は、反射部材と集光または結像光学系を介して同じファイバーの他端面に結合される。これによりループ光路部が構成され、励起光は、反射部材と光学系、および光ファイバー内を繰り返し循環する。レーザ媒質部は、ループ光路部における励起光の光路上に配置されているので、励起光が繰り返し照射され、これによってレーザ光が発振される。
【０００６】
ここで、ループ光路部には、励起光をファイバーに導くための導光ファイバーが融着されたマルチモードファイバー、その導光ファイバーがクラッドに融着されて屈折率の異なるコア部を有する光ファイバー、ファイバーレーザのいずれか一つを用いることができる。
【０００７】
レーザ媒質部には、反射部材を積層することができる。この反射部材は、レーザ媒質部の片面に全反射膜としてコーティングすることができる。これにより、このループ光路を形成する役割と共に、ディスクレーザの共振器後部ミラーとして用いられる。
【０００８】
レーザ媒質部を介し、ファイバー出射端面を物体として、その像をファイバー入射端面に任意の倍率で結像する結像光学系を備えるのがこのましい。上記、マルチモードファイバーとコア部を有する光ファイバーにおいて、前者は、エネルギー損失の無いように出射端面から入射端面へ任意の倍率で結合光学系を設置し、後者においては、出射面積であるコアとクラッドの像が入射側コア面積内に結合するように倍率を調整するのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、励起光は、光ファイバーを用いて構成されたループ光路部を通して循環することでレーザ媒質部に繰り返し照射される。これにより、レーザ媒質部からレーザ光を発振することができ、ロッド状のレーザ媒質を用いる方式や従来のディスクレーザ方式に比較して、装置のコンパクト化を図るとともに、光学系をより簡易な構成とすることができ、装置を低コストで製作することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
〔第一の実施形態〕
図１は、本実施形態におけるレーザ発振装置２Ａの構成を説明するための図である。
図１に示すように、レーザ発振装置２Ａは、レーザの励起光を出力する励起光源４と、レーザを発振するレーザ発振部６と、ループ光路部８と、を備えている。
【００１１】
励起光源４は、レーザダイオード１０を備え、レーザダイオード１０は、予め定められた波長のレーザ光を励起光として出力する。レーザダイオード１０としては、例えば、ＩｎＧａＡｓ系半導体レーザを用いることができる。本発明のレーザダイオード１０は、もちろんこれに限るものではない。
励起光源４は、レーザダイオード１０を複数備えている。これは、励起光源４が発振するレーザ光の出力値を大きくするためである。ただし、単一のレーザダイオード１０によって大きな出力を得ることができるのであれば、複数のレーザダイオード１０を備える必要がないことは言うまでもなく、さらに数個のレーザダイオード１０が複数箇所に融着されていても構わない。
【００１２】
それぞれのレーザダイオード１０から出力された励起光は、石英ガラスを用いた導光用光ファイバー１２に入力される。
導光用光ファイバー１２は、合波カプラ１４Ａを介し、ループ光路部８に光学的に接続されている。ここで、各レーザダイオード１０に接続された導光用光ファイバー１２は、合波カプラ１４Ａの内部で互いに融着されている。
【００１３】
レーザ発振部６は、出力ミラー２８と、全反射ミラー（反射部材）１６とからなるレーザ共振器と、ヒートシンク１８と、レーザ媒質部２０と、を備えている。
全反射ミラー１６は、レーザ媒質部２０の裏面に励起光および出力ビームを全反射するコーティング膜として施されている。
ヒートシンク１８は、全反射ミラー１６の裏面側に設けられ、励起光照射に起因した熱によるレーザ媒質部２０の熱レンズ効果等の熱的負荷を抑制する。ヒートシンク１８としては、ペルチェ素子等を用いることができる。
レーザ媒質部２０を構成するレーザ結晶としては、例えばＹｂ：ＹＡＧを用いることができる。このレーザ媒質部２０の表面には、励起光と出力光の波長に対するＡＲ（anti-reflective）コーティング膜２１が形成されている。
【００１４】
ループ光路部８は、石英ガラスを用いたマルチモードの光ファイバー２２と、光ファイバー２２の一端２２ａの近傍に設けられた出射光学系２４と、光ファイバー２２の他端２２ｂの近傍に設けられた入射光学系２６と、前記全反射ミラー１６とから構成されている。
出射光学系２４は、光ファイバー２２の一端２２ａから出射される励起光をレーザ発振部６の全反射ミラー１６上の所定の位置に任意の面積で照射させる光学系であり、複数枚のレンズ等の光学素子を組み合わせることで構成される。
光ファイバー２２の一端２２ａから出射光学系２４を経てレーザ発振部６の全反射ミラー１６上で反射した励起光は、入射光学系２６に入力される。入射光学系２６は、入力された励起光を光ファイバー２２の他端２２ｂに任意の倍率で入射結合させる。
【００１５】
このようにして、ループ光路部８は、光ファイバー２２、出射光学系２４、入射光学系２６によって、全反射ミラー１６で反射した励起光を循環させ、再び全反射ミラー１６の同じ位置に照射させる。その結果、励起光がループ光路部８において循環することで、励起光の光路上に配置されているレーザ媒質部２０には励起光が複数回照射されることになる。レーザ媒質部２０への入射を繰り返すことで、励起光の光子エネルギーは逐次吸収されて消失する。励起光光子から得たエネルギーにより、レーザ媒質部２０は励起され、その結果、レーザ共振器からレーザビームが出力される。
【００１６】
出力ミラー２８より共振器外に伝搬したレーザビームは、ループ光路部８の光ファイバー２２と干渉しないように、光ファイバー２２を配置する必要がある。
【００１７】
上述したようなレーザ発振装置２Ａによれば、励起光は、ループ光路部８を通してレーザ媒質部２０に繰り返し照射される構成となっている。これにより、従来のディスクレーザでは、レーザ媒質部２０への照射回数が限定されていたのに対して、本発明では、光子エネルギーがレーザ媒質部２０で吸収消失するまでレーザ媒質部２０を励起することが可能であり、さらに、従来方式のように複雑な光学系を用いる必要がない、よって、より簡易な構成とすることができ、装置を低コストで製作することが可能となる。特に、ループ光路部８は、光ファイバー２２と、その両端に設けられる出射光学系２４、入射光学系２６、全反射ミラー１６から構成されるので、既存の技術を用いて製作された部材を用いることができ、低コスト化という点で特に有効である。
【００１８】
ところで、上記においては、ループ光路部８によって、励起光をレーザ媒質部２０の同一位置に複数回照射される構成としたが、これに限るものではない。例えば、ループ光路部８において励起光をレーザ媒質部２０に照射するたびに、レーザ媒質部２０における照射位置を異ならせるようにしても良い。ただしこれには、光ファイバー２２、出射光学系２４、入射光学系２６を複数組設ける必要があり、装置の複雑化を招く。それでも従来のディスクレーザに比較すれば、複雑な光学系を用いる必要がないというメリットは享受することができる。
【００１９】
〔第二の実施形態〕
図２は、本実施形態におけるレーザ発振装置２Ｂの構成を説明するための図である。本実施形態と、第一の実施形態が異なる点は、ループ光路部８に用いるファイバーをマルチモードの光ファイバー２２から屈折率がクラッド部より大きいコア部を有する光ファイバー３２に変更した点である。以下においては、第一の実施形態と共通する構成については、同符号を付してその説明を省略することがある。
【００２０】
合波カプラ１４Ｂでは、導光用光ファイバー１２が、光ファイバー３２のクラッド部に融着されている。励起光は、クラッド部およびコア部を最初に周回する過程で、出射端３２ａより空間に出射した後、出射光学系２４を通過し、レーザ媒質部２０を励起することになるが、この第１照射で吸収されなかった残りの励起光は第一の実施形態と同様に全反射ミラー１６により入射光学系２６に向けて伝搬され、その後、入射端面３２ｂのコア部に結合される。
【００２１】
従って、ｎ周目以降では、そのコア部を伝搬する（ｎ−１）周目で吸収されなかった残りの励起光と新たにレーザダイオード１０より注入された励起光が周回することになる。
【００２２】
またこのとき、出射光学系２４と入射光学系２６は、クラッド径をコア径以下に結像投影する光学系を構成している。  
【００２３】
このような構成によれば、（ｎ−１）周目で吸収されなかった励起光は、コア部のみを周回するため、合波カプラ１４Ｂと干渉することが無い。したがって、合波カプラ１４Ｂの融着部にビーム伝搬に損失となる要因が発生しても、上記励起光はコア部を伝搬するために損失させられることは無い。合波カプラ１４Ｂに求められる性能は、レーザダイオード１０より出力された励起光を損失無く光ファイバー３２のクラッド部に注入することだけである。
【００２４】
〔第三の実施形態〕
図３は、本実施形態におけるレーザ発振装置２Ｃの構成を説明するための図である。本実施形態と、第一の実施形態が異なる点は、ループ光路部８に用いるファイバーをマルチモードの光ファイバー２２からファイバーレーザ４２に変更した点である。以下においては、第一の実施形態と共通する構成については、同符号を付してその説明を省略することがある。
【００２５】
まず、ファイバーレーザビームを得るために、ファイバーレーザ４２のレーザ媒質であるコア部に励起光を注入しなければならない。第一および第二の実施形態のように、導光用ファイバー１２をクラッドへ融着し上記励起光を注入することも可能であるが、ここではその他の例として下記のような方法を述べる。
例えば励起光として、図中には指示していないファイバー端面から出射する半導体レーザ光を用いたならば、その出射端面積が、結像光学系４３によりファイバーレーザ４２のクラッド内に結像投影されるようにする。
【００２６】
このとき、後述するファイバーレーザビームも略同じ光軸を伝搬できるように、上記半導体レーザのクラッドへの光路途中にビームコンバイナ４４を配置した。このビームコンバイナ４４は上記の半導体レーザの波長は全反射し、ファイバーレーザビームの波長においては全透過するコーティングが形成されている。
【００２７】
ファイバーレーザ４２のクラッド内を伝搬するファイバーレーザ励起光は、伝搬距離に依存してそのエネルギーがコア部で吸収される。その結果、レーザ媒質であるコア部は励起され、遷移光が放射される。
【００２８】
一般のファイバーレーザならば、ファイバー両端面にファイバーブラッググレーティング（以下、ＦＢＧ）等のレーザ共振器を設けることにより、片方のファイバー端面から位相の揃ったレーザビームを出力し、加工応用等に利用するが、本発明におけるファイバーレーザ４２の使用法では、コア部に発生しているレーザビームを所定の光路から外部に取り出さずに利用する。
【００２９】
つまり、ファイバーレーザ４２のコア部から一度出射したレーザビームを入射光学系２６、出射光学系２４、ディスクレーザであるレーザ発振部６のレーザ媒質部２０、全反射ミラー１６、およびビームコンバイナ４４を用いて、再度ファイバーレーザ４２のコア部に挿入しループ光路を形成して利用する。これは、一般的なレーザ発振器の共振器ミラーを前後共に全反射ミラーとした場合と酷似しており、本来このようなレーザ発振器は産業上の利用価値は小さいが、本発明のように、ループ光路途中にディスクレーザのレーザ媒質部２０による吸収損失を設けることにより、あたかもレーザ共振器の外部にレーザビームを取り出して利用しているのと同等となる。ここで、ファイバーレーザ４２の励起光である半導体レーザは、その損失分を補うように出力すれば良い。
【００３０】
一度の入射で、レーザ発振部６のレーザ媒質部２０で吸収されずに反射したレーザビームは、再度ファイバーレーザ４２のコア部に注入されることにより、レーザ発振の基本原理である誘導放出による光の増幅に寄与する。また、このようなループ構成によるレーザ発振のため、ＦＢＧのようなコア部への特殊加工も必要としない。
【００３１】
ファイバーレーザ４２によるレーザビームをディスクレーザの励起光に用いることは、以下のような効果が得られる。
まず、レーザビームの本質である優れた指向性および収束性を利用できるため、レーザ発振部６のレーザ媒質部２０を高いレーザパワー密度で励起することが出来る。従って、発振効率の改善を実現でき、電源を始めとした周辺装置の小型化が実現でき、結果、低価格な装置と成り得る。
また、ファイバーに偏波保持ファイバーを用いれば、ファイバーレーザビームは、直線偏光となり、吸収率に偏光方向依存性があるディスクレーザのレーザ媒質を用いれば、さらに発振効率の改善を見込める。
【００３２】
なお、上記実施の形態では、励起光、レーザ媒質等の具体例を例示したが、言うまでもなく、励起光の波長やレーザ媒質にはいかなるものを用いても良い。
また、発振したレーザの用途については何ら限定するものではなく、さまざまな用途に用いることが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施の形態におけるマルチモードファイバー方式のレーザ発振装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態における屈折率の異なるコア部を有する光ファイバー方式のレーザ発振装置の構成を示す図である。
【図３】本実施の形態におけるファイバーレーザ方式のレーザ発振装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…レーザ発振装置、４…励起光源、６…レーザ発振部、８…ループ光路部、１０…レーザダイオード、１２…導光用光ファイバー、１６…全反射ミラー（反射部材）、２０…レーザ媒質部、２２…光ファイバー、２４…出射光学系、２６…入射光学系、２８…出力ミラー、３２…光ファイバー
【図１】
2009071231.tif 000003
【図２】
2009071231.tif 000004
【図３】
2009071231.tif 000005