(57)【要約】【課題】ホスト結晶の発熱を抑制し、小型化が可能であり、かつ熱的耐久性にすぐれ、高品質、高出力の出力ビームが得られるパルスレーザ発振器を提供する。【解決手段】本発明に関るパルスレーザ発振器は、励起光源２で発生された励起光をベッセルビーム化させて固体レーザ媒質５に入射させる円錐レンズ１０を備え、固体レーザ媒質５、アパーチャー７及びホスト結晶６は、一体に接合され、固体レーザ媒質５とアパーチャー７との間、及びアパーチャー７とホスト結晶６との間は、直接接合される。【選択図】  図１
2009010066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光が入射されることで蛍光を発生させる固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質から発生された蛍光を吸収し、吸収に伴って透過率が減少するホスト結晶と、
前記固体レーザ媒質とホスト結晶との間に設けられ、前記固体レーザ媒質で発生した蛍光の前記ホスト結晶に入射する光の光路を制御するアパーチャーと、
前記励起光源と前記固体レーザ媒質との間に設けられた第１の反射鏡と、
前記固体レーザ媒質、前記アパーチャー及び前記ホスト結晶を介して、前記第１の反射鏡に対向して配置された第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡と、前記励起光源との間に設けられ、前記励起光源で発生された前記励起光をベッセルビーム化させて前記固体レーザ媒質に入射させる円錐レンズとを備え、
前記固体レーザ媒質、前記アパーチャー及び前記ホスト結晶は、一体に接合され、前記固体レーザ媒質と前記アパーチャーとの間、及び前記アパーチャーと前記ホスト結晶との間は、直接接合されていることを特徴とするパルスレーザ発振器。
【請求項２】
前記ベッセルビームにより集光する集光領域が前記固体レーザ媒質内に来るように、前記円錐レンズと前記固体レーザ媒質とを配置し、前記ベッセルビームの強度分布がドーナツ状になったところに開口部を有する前記アパーチャーを配置することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ発振器。
【請求項３】
前記アパーチャーは、前記励起光を反射させる金属材料で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスレーザ発振器。
【請求項４】
前記固体レーザ媒質及び前記ホスト結晶は、セラミックス材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のパルスレーザ発振器。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質、前記アパーチャー及び前記ホスト結晶との直接接合は、拡散接合、または一体焼成により行われることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のパルスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルスレーザ発振器に係り、特に発振器の構造を改良したパルスレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、切断、孔明け、溶接等の材料加工、マーキング、露光等に使用することができ、その用途は多岐に渡る。
【０００３】
レーザ光を加工用途に用いる場合は被加工物への熱的ダメージが問題となる場合があるが、このような用途には、被加工物に対し短時間に高エネルギーを与えることができるパルスレーザ光が用いられる。このパルスレーザには、ガスレーザ、固体レーザ等種々のものがあるが、高パワー、短パルスを出力できるものとしてＱスイッチング技術を用いたレーザ発振器が注目されている。
【０００４】
このようなＱスイッチング技術を用いたレーザ発振器としては、例えば、共振器を構成する一対の反射鏡内に配置された固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質から発生した蛍光を吸収し、吸収に伴って透過率が減少するホスト結晶（過飽和吸収体）と、固体レーザ媒質を励起させる励起光を出射する半導体レーザ素子と、励起光の入射を抑制すると共に、レーザ媒質からの発光によるホスト結晶の発熱を抑制できるアパーチャー部材とを備える受動Ｑスイッチレーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、レーザ媒質の出射面及びホスト結晶の入射面の少なくとも一方に凹部を設けることにより、レーザ媒質とホスト結晶との間に空間部を形成し、レーザ媒質とホスト結晶との間を接着剤やオプティカルコンタクト、拡散接合などにより一体化された受動Ｑスイッチレーザも開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−８６８７３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２等に示す構成のレーザ発振器は、固体レーザ媒質とホスト結晶とが並べて配置されているため、励起光源から発せられる励起光の一部が固体レーザ媒質に吸収されずに、固体レーザ媒質で発生した蛍光と共に、ホスト結晶に入射してしまうため、ホスト結晶に不要な温度上昇が発生する。より高出力のパルスレーザ光を得るために、励起光源からより高エネルギーの励起光を固体レーザ媒質に入射させる場合は、より顕著な問題となる。このような問題に対して、例えば、特許文献１のように、ホスト結晶の発熱を抑制できるアパーチャー部材を設けたとしても、ホスト結晶の発熱の抑制には限界がある。
【０００７】
また、固体レーザ媒質のホスト結晶側の端面に前記励起光の波長のみを反射する反射膜をコーティングする技術、また、前記一対の反射鏡以外の別の反射鏡を設け、別光路により折り返す形の共振器構成を適用する技術等が知られている。
【０００８】
しかしながら、前者の場合には、固体レーザ媒質とホスト結晶とをそれぞれ別々に固定、調整しなければならなく、調整箇所、部品点数が増加すると共にレーザ発振器として大型化してしまう。また、後者においても別光路が必要となるため、同様に、レーザ発振器として、大型化してしまう。
【０００９】
なお、装置の大型化を抑制するには、特許文献２に記載のように、固体レーザ媒質とホスト結晶とを一体化させることが必要である。
【００１０】
しかしながら、固体レーザ媒質とホスト結晶とを一体化させる場合には、固体レーザ媒質が発熱した場合でも、固体レーザ媒質とホスト結晶との接着面のズレ等が無いような熱的耐久性があることが必要となる。このような接着面のズレが発生した場合は、当然のごとく、高品質の出力ビームを得ることができない。
【００１１】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、ホスト結晶の発熱を抑制し、小型化が可能であり、かつ熱的耐久性にすぐれ、高品質、高出力の出力ビームが得られるパルスレーザ発振器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】
【００１２】
本発明者らは上記課題に鑑み、円錐レンズを用いて前記励起光をベッセルビーム化させるとともに、固体レーザ媒質、アパーチャー及びホスト結晶を直接接合して一体化することで、上記問題を解決できることを見出した。
【００１３】
すなわち、本発明に係るパルスレーザ発振器は、励起光を出射する励起光源と、前記励起光が入射されることで蛍光を発生させる固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質から発生された蛍光を吸収し、吸収に伴って透過率が減少するホスト結晶と、前記固体レーザ媒質とホスト結晶との間に設けられ、前記固体レーザ媒質で発生した蛍光の前記ホスト結晶に入射する光の光路を制御するアパーチャーと、前記励起光源と前記固体レーザ媒質との間に設けられた第１の反射鏡と、前記固体レーザ媒質、前記アパーチャー及び前記ホスト結晶を介して、前記第１の反射鏡に対向して配置された第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と、前記励起光源との間に設けられ、前記励起光源で発生された前記励起光をベッセルビーム化させて前記固体レーザ媒質に入射させる円錐レンズとを備え、前記固体レーザ媒質、前記アパーチャー及び前記ホスト結晶は、一体に接合され、前記固体レーザ媒質と前記アパーチャーとの間、及び前記アパーチャーと前記ホスト結晶との間は、直接接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパルスレーザ発振器によれば、ホスト結晶の発熱を抑制し、小型化が可能であり、かつ熱的耐久性にすぐれ、高品質、高出力の出力ビームが得られるパルスレーザ発振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係るパルスレーザ発振器について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係るパルスレーザ発振器の概念図である。
【００１７】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るパルスレーザ発振器１は、ファブリ・ペロー共振器を用いた端面励起方式の受動Ｑスイッチパルスレーザ発振器であり、励起光を出射する励起光源２と、励起光を導く光ファイバ４とコリメータ３を介して、励起光が入射されることで蛍光を発生させる固体レーザ媒質５と、この固体レーザ媒質５から発生された蛍光を吸収し、吸収に伴って透過率が減少するホスト結晶６と、固体レーザ媒質５とホスト結晶６との間に設けられ、固体レーザ媒質５で発生した蛍光のホスト結晶６に入射する光の光路を制御するアパーチャー７と、励起光源２と固体レーザ媒質５との間に設けられた第１の反射鏡８と、固体レーザ媒質５、アパーチャー７及びホスト結晶６を介して、第１の反射鏡８に対向して配置された第２の反射鏡９と、第１の反射鏡８と、励起光源２との間に設けられ、この励起光源２で発生された励起光をベッセルビーム化させて固体レーザ媒質５に入射させる円錐レンズ１０を備える。
【００１８】
励起光源２は例えばファイバ出力ＬＤが用いられ、波長８０８ｎｍ、出力５Ｗのものが用いられる。
【００１９】
固体レーザ媒質５は、例えば、Ｎｄ添加ＹＡＧ等を用いることができる。
【００２０】
ホスト結晶６は、固体レーザ媒質５から発生する蛍光に対して所定の初期透過率を持ち、蛍光強度がある程度強くなると透明となる結晶（過飽和吸収体）のことをいい、例えば、Ｃｒ添加ＹＡＧ、Ｃｒ添加ＧＳＧＧ等を用いることができる。
【００２１】
アパーチャー７は、前記励起光を吸収せずに反射させる金属、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル等を用いることができる。
【００２２】
第１の反射鏡８、第２の反射鏡９は、例えば曲率半径（ＲＯＣ）＝∞／∞、無反射（ＡＲ）＠８０８ｎｍ／高反射（ＨＲ）＠１０６４ｎｍ、第２の反射鏡（平凹レンズ）９はＲＯＣ＝５０ｎｍ／∞、ＡＲ＠８０８ｎｍ／Ｔ＝７０％＠１０６４ｎｍのものを用いる。
【００２３】
固体レーザ媒質５とアパーチャー７との間、及びアパーチャー７とホスト結晶６との間は直接接合されており、固体レーザ媒質５、アパーチャー７及びホスト結晶６は、一体に接合されている。ここでいう「直接接合」とは、コーティング層や接着剤層を介さないで直接接合されていることを示す。具体的には、拡散接合、または一体焼成で接合されていることを示す。
【００２４】
拡散接合とは、固体レーザ媒質５とアパーチャー７とホスト結晶６を高温度下で圧力をかけて接合する方法である。
【００２５】
一体焼成とは、同時焼成ともいい、焼成前の成形体の段階で固体レーザ媒質５とアパーチャー７とホスト結晶６を積み重ねた後に、プレス等を用いて一体化し、それを所定の温度で焼成する方法である。
【００２６】
すなわち、固体レーザ媒質５とホスト結晶６をアパーチャー７を介して直接接合された、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ／Ｐｔ／Ｃｒ：ＹＡＧの単結晶同士の接合一体品または、一体接合合成品同士の同時焼成品が用いられる。
【００２７】
このように、固体レーザ媒質５とアパーチャー７との間、アパーチャー７とホスト結晶６との間は、コーティング層や接着剤層を介さないで直接接合されているため、熱的耐久性にすぐれている。仮に、接着剤層を介する場合は、主にこれらの層は樹脂で構成されているため、ホスト結晶６の発熱に伴う熱的耐久性に弱く、接着面のわずかなズレを生じることになる。このようなズレの発生は出力ビームの品質低下を招くことになるため好ましくない。
【００２８】
固体レーザ媒質５とホスト結晶６との間に形成されたアパーチャー７は、固体レーザ媒質５で発生する蛍光及び固体レーザ媒質５で吸収されずに透過した励起光の一部をカットする。
【００２９】
円錐レンズ１０は、励起光源２から出射した励起光を固体レーザ媒質５に集光するために用いる。図２に、円錐レンズ１０に入射した励起光が出射した際の光の強度分布を説明する概念図を示す。図２に示すように、円錐レンズ１０を用いて集光された光の強度分布は、円錐レンズ１０の中心軸Ｈにおいて集光部分１０ａまでの強度は円錐レンズ１０から遠ざかるにつれて強くなるが、集光部分１０ａから更に遠ざかると中心部分が空洞化したドーナツ状の強度分布を示す。以下、このような光をベッセルビームという（例えば、特開平９−３６４６２号参照）。この性質を利用し、励起光が集光される光軸、共振器のアライメント軸、アパーチャー７開口部７ａの中心軸等を調整し、励起光の集光領域１０ａを固体レーザ媒質５内に来るように、円錐レンズ１０と固体レーザ媒質５を配置し、前記ベッセルビームの強度分布がドーナツ状になったところに開口部７ａを持つアパーチャー７を配置すると、共振器の空間モードを遮ることなく励起光のみをアパーチャー７で選択的にカットすることができる（図３）。よって、励起光が固体レーザ媒質５に吸収されずに、ホスト結晶６に入射してしまうことを防止することができ、ホスト結晶６に不要な温度上昇が発生するのを抑制することができるため、熱的耐久性にすぐれ、高出力の出力ビームを得ることができる。更に、固体レーザ媒質５、アパーチャー７及びホスト結晶６をそれぞれ一体化することができるため、小型化が可能である。
【００３０】
なお、励起光を完全にカットするためには、アパーチャー７の開口部７ａの開口径を、アパーチャー７の位置におけるベッセルビームのドーナツ状の強度分布の内径よりも小さくすることが必要である。また、レーザ発振を妨げないためには、アパーチャー７の開口部７ａの開口径はアパーチャー７の位置における共振器の空間モード径に対して大きくすることが必要である。一方、アパーチャー７の開口部７ａの直径を共振器の基本モードに近い大きさにするとレーザ発振のモードセレクターとしての機能も持たせることができる。
【００３１】
なお、従来の楕円レンズ１０’を用いた場合は、図４に示すように、楕円レンズ１０から出射した励起光は、前述したベッセルビームのような光の光路を有さない。従って、楕円レンズ１０’の集光部分を固体レーザ媒質５内に来るように配置してもアパーチャーの開口部から固体レーザ媒質５に吸収されない励起光がホスト結晶６に入射してしまうため、ホスト結晶６の不要な温度上昇の発生を抑制することが出来ない。
【００３２】
固体レーザ媒質５、前記ホスト結晶６は、セラミックス材料で構成されていることが好ましい。固体レーザ媒質５、ホスト結晶６が単結晶で構成されている場合は、固体レーザ媒質５及びホスト結晶６各々と金属材料で構成されるアパーチャー７との接合強度が弱い場合があり、熱的耐久性に劣る場合がある。しかしながら、固体レーザ媒質５、ホスト結晶６をセラミックス材料で構成すると、アパーチャー７との接合強度も単結晶の場合より強固となり、より熱的耐久性に優れたパルスレーザ発振器を得ることができる。
【実施例】
【００３３】
（実施例１）
ａ）φ１０ｍｍ×１０ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ単結晶の固体レーザ媒質を用意し、φ１０ｍｍの片端面に研磨を施し、研磨面の中心を基準としてタングステン薄膜をＥＢ蒸着により内径φ０．２ｍｍ、外径８ｍｍのアパーチャーを形成した。
【００３４】
ｂ）φ１０ｍｍ×４ｍｍのＣｒ：ＹＡＧ単結晶のホスト結晶を準備し、片端面に研磨を施した。
【００３５】
ｃ）タングステン薄膜で構成されたアパーチャーを介して、上記固体レーザ媒質及びホスト結晶の各々の研磨面が接合面となるように、加熱・加圧することで両者を拡散接合して一体化させた積層体を形成した。さらに先に研磨を行わなかった端面に対してレーザグレード研磨を施した。
【００３６】
ｄ）図１に示すようなファブリ・ペロー共振器を準備し、その中に冷却ブロックで覆った前記積層体を設置した。
【００３７】
ｅ）励起光源として出力５Ｗ、波長８０８ｎｍのファイバ結合型半導体レーザを準備した。ファイバの出力端にはコリメータを接続、平行光となるようにし、この出力光を円錐レンズで利得媒質に集光した。この際、アパーチャー位置において励起光の強度分布がドーナツ状かつその内径がアパーチャー開口径よりも大きくなる範囲で、最もレーザの出力が大きくなるように、共振器長、共振器中の前記積層体の位置、円錐レンズの焦点距離、円錐レンズの位置等を最適に調整した。
【００３８】
ｆ）その結果、パルス幅２ｎｍ、平均出力３００ｍＷ、ビーム品質Ｍ２＜１．１のパルスレーザ出力を得た。このレーザを２４時間連続動作させたときの、平均出力の安定度は±３％以内であった。
【００３９】
（実施例２）
ａ）Ｎｄ：ＹＡＧ多結晶セラミックスの造粒粉を準備し、φ１３ｍｍの金型を用いて厚さ１３ｍｍのサイズになるようにプレス成型した。Ｎｄ：ＹＡＧ成型体は金型から取り出さずに、その上に外径φ１０ｍｍ、内径φ０．２ｍｍのタングステン箔を中心軸を合わせてセットした。
【００４０】
ｂ）Ｃｒ：ＹＡＧ多結晶セラミックスの造粒粉を準備し、上記金型中の成形体の上に成型後の厚みが１０ｍｍとなる量を投入、一緒にプレスすることで、内部にタングステン（アパーチャー）を埋設し、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｃｒ：ＹＡＧ一体成型体を得た。
【００４１】
ｃ）上記成型体を真空焼成した後、添加イオンの価数制御のためのアニール処理を行った。この焼結体を外径φ１０ｍｍ、Ｎｄ：ＹＡＧ部厚み１０ｍｍ、Ｃｒ：ＹＡＧ部厚み４ｍｍとなるように研削加工し、両端面にレーザグレード研磨を施すことで積層体を得た。
【００４２】
ｄ）図１に示すようなファブリ・ペロー共振器を準備し、その中に冷却ブロックで覆った上記積層体を設置した。
【００４３】
ｅ）励起光源として出力５Ｗ、波長８０８ｎｍのファイバ結合型半導体レーザを準備した。
【００４４】
ファイバの出力端にはコリメータを接続、平行光となるようにし、この出力光を円錐レンズで利得媒質に集光した。この際、アパーチャー位置において励起光の強度分布がドーナツ状かつその内径がアパーチャー開口径よりも大きくなる範囲で、最もレーザの出力が大きくなるように、共振器長、共振器中の積層体の位置、円錐レンズの焦点距離、円錐レンズの位置等を最適に調整した。
【００４５】
ｆ）その結果、パルス幅２ｎｓ、平均出力３００ｍＷ、ビーム品質Ｍ２＜１．３のパルスレーザ出力を得た。このレーザを２４時間連続動作させたときの、平均出力の安定度は±３％以内であった。
【００４６】
（比較例１）
ａ）ＹＡＧ単結晶レーザ利得媒質とＹＡＧ単結晶受動Ｑスイッチ素子の研磨面が接合面となるようにして両者を有機系の光学接着剤で接着・一体化すること以外は、実施例１と同様にして、試験を行った。
【００４７】
ｂ）その結果、パルス幅２ｎｓ、平均出力２５０ｍＷ、ビーム品質Ｍ２＜２．１のパルスレーザ出力を得た。このレーザを２４時間連続動作させたときの、平均出力の安定度は±１０％以内（平均出力も４０ｍＷ減少）であった。出力の減少とビーム品質の低下は、接着層が熱ダメージを受けたことによるロスの発生およびアライメント変化が原因と推定される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルスレーザ発振器の概念図。
【図２】円錐レンズに入射した励起光が出射した際の光の強度分布を説明する概念図。
【図３】ベッセルビーム化した励起光がアパーチャーにより遮光される様子を説明する概念図。
【図４】従来の楕円レンズに入射した励起光が出射した際の光の強度分布を説明する概念図。
【符号の説明】
【００４９】
１  パルスレーザ発振器
２  励起光源
３  コリメータ
４  光ファイバ
５  固体レーザ媒質
６  ホスト結晶
７  アパーチャー
８  第１の反射鏡
９  第２の反射鏡９
１０  円錐レンズ
【図１】
2009010066.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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