(57)【要約】【課題】ジグザグ光路と直交する方向の位置変化に対して光路長を均一化できる固体レーザ装置及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】活性イオンが添加された励起領域を有し、スラブ型形状とされたレーザ媒質と、前記励起領域内の第１の光路を通過したビームを像反転し、前記励起領域内の第２の光路を通過させる像反転光学手段と、を備え、前記第１の光路は、前記励起領域の対称面に関して一方の側にあり、前記第２の光路は、前記対称面に関して他方の側にあり、かつ前記第１の光路と略平行であることを特徴とする固体レーザ装置及びレーザ加工方法が提供される。【選択図】図１
2009194176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性イオンが添加された励起領域を有し、スラブ型形状とされたレーザ媒質と、
前記励起領域内の第１の光路を通過したビームを像反転し、前記励起領域内の第２の光路を通過させる像反転光学手段と、
を備え、
前記第１の光路は、前記励起領域の対称面に関して一方の側にあり、
前記第２の光路は、前記対称面に関して他方の側にあり、かつ前記第１の光路と略平行であることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記レーザ媒質は、前記活性イオンが添加されない非励起領域をさらに有し、
前記励起領域と、前記非励起領域と、は、一体成型されてい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】
前記励起領域は、第１の励起領域と、第２の励起領域と、を有し、
前記第１の励起領域と、前記第２の領域と、は、前記対称面に関して略対称であり、かつ前記非励起領域により互いに分離されていることを特徴とする請求項２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質は、第１の面と、前記第１の面と対向しかつ略平行な第２の面と、前記第１の面と所定の角度で交差する第３の面と、前記第３の面に略平行な第４の面と、を有し、
前記所定の角度は、前記ビームが前記第１及び第２の面で全反射を繰り返しつつジグザグ光路を進むように設定されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１の光路と、前記第２の光路と、は、前記像反転光学手段により前記対称面との直交方向の位置が平面視で入れ替わり、前記直交方向に温度分布が生じても前記ビームの光路長が前記位置に依存せず略均一となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
前記像反転光学手段は、像反転プリズムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項７】
前記レーザ媒質は、前記第１の面と略直交しかつ前記対称面と略平行な横面を有し、
前記活性イオンを励起する励起光が前記横面から入射することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項８】
前記第１及び第２の面には冷却部が設けられることを特徴とする請求項７記載の固体レーザ装置。  
【請求項９】
前記ビームを反射する全反射ミラーと、
前記ビームの一部分を反射し、前記ビームの他の部分を透過する部分反射ミラーと、
をさらに備え、
前記全反射ミラーと、前記部分反射ミラーと、により構成される光共振器により前記ビームを生成し、
前記部分反射ミラーを介して前記ビームを外部に出射することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記励起領域に信号光を入射するシード光源をさらに備え、
前記信号光は、前記第１及び第２の光路において増幅され、前記ビームとして出射することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の固体レーザ装置を用いて前記ビームを生成し、
前記ビームを被加工体に照射し、前記被加工体における照射点近傍を溶融することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
前記照射点近傍が溶融された前記被加工体を切断または溶接することを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｄ：ＹＡＧなどの固体レーザでは、ランプや半導体レーザなどの発光により励起を行う。この励起光は固体レーザ媒質である結晶またはガラス内に分布するレーザ活性イオンで吸収される。レーザ活性イオンは励起光を吸収し、通常それよりも長波長であるレーザ光を放射する。
【０００３】
励起波長と放射光波長との差に対応するエネルギーは熱となる。高出力レーザにおいて発生熱は大きく、固体レーザ媒質を冷却して放熱を行う。この場合、外周部を経由して熱が拡散するので、中心部が高く、外周部が低い温度分布を生じる。この温度分布は、屈折率分布やストレス分布を起こす。
【０００４】
スラブ型固体レーザにおいて板状媒質の上下の２面の間で全反射をさせジグザグ光路とすると、ビームは上下方向の温度分布変化を斜めに交互に通過する。このために、温度分布をビーム断面内で均一化し、出射ビームの品質を改善することができる。
【０００５】
ジグザグスラブレーザの収差制御を行う技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、一次元収差補正器を用いてスラブ内のビームのジグザグ方向を横切る方向の波面の非均一性を補償する。
しかしながら、この技術開示例を用いても、ジグザグ光路と直交する方向の温度分布の影響があり、ビーム品質の改善が十分とは言えない。
【特許文献１】特開平９−１８０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ジグザグ光路と直交する方向の位置変化に対して光路長を均一化できる固体レーザ装置及びレーザ加工方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、活性イオンが添加された励起領域を有し、スラブ型形状とされたあるレーザ媒質と、前記励起領域内の第１の光路を通過したビームを像反転し、前記励起領域内の第２の光路を通過させる像反転光学手段と、を備え、前記第１の光路は、前記励起領域の対称面に関して一方の側にあり、前記第２の光路は、前記対称面に関して他方の側にあり、かつ前記第１の光路と略平行であることを特徴とする固体レーザ装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の他の一態様によれば、上記の固体レーザ装置を用いて前記ビームを生成し、前記ビームを被加工体に照射し、前記被加工体における照射点近傍を溶融することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
ジグザグ光路と直交する方向の位置変化に対して光路長を均一化できる固体レーザ装置及びレーザ加工方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体レーザ装置を表す模式図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った断面における屈折率分布のグラフ図である。具体的には、本実施形態はミラーによる光共振器を備えた発振器とする。スラブ型形状のレーザ媒質１０は、希土類元素のひとつであるネオジム（以下Ｎｄ）のようなレーザ活性イオンが添加された第１の励起領域１２と、第２の励起領域１４１４と、これらに隣接して設けられたレーザ活性イオンが添加されない非励起領域１６と、が一体成型されている。
【００１１】
非励起領域１６は透明多結晶ＹＡＧ(yttrium  aluminum  garnet）セラミックなどとし、第１の励起領域１２及び第２の励起領域１４はＮｄが添加された透明多結晶ＹＡＧセラミックにＮｄなどとする。
【００１２】
また、第１の励起領域１２及び第２の励起領域１４は、非励起領域１６に囲まれるように、焼結工程などを用いて一体成型されている。この場合、第１及び第２の励起領域１２、１４の表面がレーザ媒質１０の表面に露出していてもよく、覆われていてもよい。第１及び第２の励起領域１２、１４は励起光Ｇｅｘを吸収し高温になるが、図１のように表面を非励起領域１６により覆うと、高温表面の保護ができる。レーザ媒質１０の第１の面１０ａと、第２の面１０ｂと、は図１（ｂ）のように対向している。
【００１３】
ビームＧＴは、例えば光路Ｇ１、光路Ｇ２などを通過する。ビームＧＴが通過する第１の励起領域１２内の第１の光路Ｇ１ａ、Ｇ２ａは、レーザ媒質１０の第１及び第２の面１０ａ、１０ｂと直交する対称面２６に関して一方の側にある。また、ビームＧＴが通過する第２の励起領域１４内の第２の光路Ｇ１ｂ、Ｇ２ｂは対称面２６に関して他方の側にあり、かつ第１の光路と略平行である。
【００１４】
なお、図１のように、光路Ｇ１、Ｇ２を、対称面２６と平行とすると、ミラーなど外部光学手段との光結合を簡素にできるのでより好ましい。図１において、第１の面１０ａ及び第２の面１０ｂと直交する方向をｘ軸、対称面２６と平行な方向をｚ軸、ｘ軸及びｚ軸と直交する方向をｙ軸とする。
【００１５】
また、第１及び第２の面１０ａ、１０ｂと直交し、ｚ軸に平行な横面（エッジ面）１０ｅ、１０ｆからは励起光Ｇｅｘが入射する。励起光Ｇｅｘを吸収したＮｄは誘導放出を生じる。励起光Ｇｅｘとしては、例えば波長が８１０ｎｍの半導体レーザ光を用いる。半導体レーザ光を導光用ファイバで導き、その端部をレーザ媒質１０の横面１０ｅ、１０ｆに近接して配置する。この場合、ｘ−ｚ面内において、第１の励起領域１２及び第２の励起領域１４の断面に励起光Ｇｅｘを照射すると効率がよく、非励起領域１６は発熱しないのでよりレーザ媒質１０の表面をより低温に保つことができる。  
【００１６】
本実施形態を発振器とする場合、ビームＧＴは全反射ミラー２０と部分反射ミラー２４との間を通過する。ビームＧＴが通過する光路Ｇ１は、第１の励起領域１２内の光路Ｇ１ａと、第２の励起領域１４内の光路Ｇ１ｂと、これらの間に挟まれた台形断面を有する像反転光学手段２２内の光路Ｇ１ｃと、を有する。また、ビームＧＴが通過する光路Ｇ２は、第１の励起領域１２内の光路Ｇ２ａと、第２の励起領域１４内の光路Ｇ１ｂと、これらの間に挟まれた像反転光学手段２２内の光路Ｇ２ｃと、を有する。実際にはこれらの間の空間にも光路は存在するが、光路Ｇ１及び光路Ｇ２に対して等しい長さであるので省略して考える。なお、像反転光学手段２２として、ダブプリズムのような像反転プリズムなどを用いることができる。
【００１７】
励起光Ｇｅｘにより励起されたＮｄ添加ＹＡＧは約１．０６μｍのレーザ光を誘導放出する。このため第１及び第２の励起領域１２、１４で生じる増幅利得により、全反射ミラー２０と部分反射ミラー２４との間で構成されるファブリー・ペロー共振器によりレーザ発振を生じ、部分反射ミラー２４から外部へビームＧＴを取り出すことができる。この構成において、励起領域と、像反転光学手段２２と、は共通の対称面２６を有している。
【００１８】
レーザ媒質１０は、横面１０ｅ、１０ｆに直交し、第１及び第２の面１０ａ、１０ｂと斜めに交差する第３の面１０ｃと、第４の面１０ｄと、を有している。すなわち、第３の面１０ｃと第１の面１０ａとが角度θで交差し、第４の面１０ｄと第２の面１０ｂとが角度θで交差する。この場合、例えば第３の面１０ｃ及び第４の面１０ｄから入射したビームＧＴが第１及び第２の面１０ａ、１０ｂで全反射を生じるようにくさび形状の角度θを選択する。この場合、第１及び第２の面１０ａ、１０ｂを光学研磨し反射率を高めることが好ましい。
【００１９】
なお、図１（ｂ）に表すように、第２の光路Ｇ１ｂはｘ−ｚ面内においてジグザグ光路とする。同様に、第１の光路Ｇ１ａ、Ｇ２ａ、第２の光路Ｇ２ｂはｘ−ｚ面内においてジグザグ光路とする。励起領域と非励起領域とは、ＹＡＧセラミック材料を組成に含んでおり、屈折率差は小さいので界面での光路の折れ曲がりを殆ど生じない。
【００２０】
図２は、ジグザグ光路を進むビームを説明する図である。図２（ａ）はレーザ媒質１０のくさび形状近傍を表す模式図、図２（ｂ）はｘ軸方向温度分布を表すグラフ図である。実際のビームＧＴは図２（ａ）のように断面積を有し、この断面内を通過する多くの光路を有している。本図において、ビームＧＴの断面は直径２ａの円形を有しておりレーザ媒質１０内を全反射を繰り返しつつジグザグ光路Ｇｚを進む。
【００２１】
レーザ媒質１０を構成するＹＡＧセラミック材料の屈折率を１．８とし、外部を空気とすると、臨界角θＣは約３４度となり、臨界角θＣよりも大きい入射角αで全反射を生じる。すなわち、入射角αが臨界角θＣよりも大きくなるようにレーザ媒質１０の断面の角度θを決める。
【００２２】
また、第３の面１０ｃ及び第４の面１０ｄへの入射角βを、ブルースタ角θＢ近傍とするとｐ偏光の透過率を１００％に近づけ、光取り出し効率を改善できるのでより好ましい。なお、レーザ媒質１０の屈折率が１．８の場合、ブルースタ角θＢは約２９度となる。
【００２３】
ｘ軸方向の厚さがＴ、ｚ軸方向の長さがＬ、くさび形断面の角度がθであるレーザ媒質１０の第４の面１０ｄへ入射したビームＧＴは、ジグザグ光路Ｇｚを進むが、レーザ媒質１０内においてビームＧＴの不通過領域Ｑを生じる。レーザ媒質１０における角度θ及び長さＬを適正に選択すると、この不通過領域Ｑを低減しレーザ媒質１０を小型とできるのでより好ましい。
【００２４】
励起光Ｇｅｘの光出力は高いので、第１及び第２の面１０ａ、１０ｂを冷却し、レーザ媒質１０で生じる熱を放散する。このようにしても、図２（ｂ）に表すように厚さＴのレーザ媒質１０の中央部（ｘ＝Ｔ／２近傍）が高温となり、例えば２乗曲線で表される温度分布を生じる。この温度分布に基づいて、屈折率変化率ｄｎ／ｄＴが、例えばＹＡＧ材料においては数ｐｐｍとなる。また、この温度分布に基づいて中央部近傍で圧縮、表面近傍で引っ張り応力を生じる。
【００２５】
図１（ｂ）に表すように、ビームＧＴはｘ−ｚ面内で全反射によるジグザグ光路Ｇ１ｂなどを進み、ｘ軸方向の温度分布８１による変化を斜めかつ交互に通過し、温度分布８１に基づく屈折率分布や応力分布がｘ軸方向で均一化される。このために、屈折率分布や応力分布を生じても光路長を均一とし、波面を揃え、ビーム広がり角を小さくした高品質ビームを得ることが容易となる。ｘ−ｚ面内の屈折率分布が無視できる場合にはジグザグ光路でなくともよいが、ジグザグ光路としｘ軸方向の屈折率を均一化することがより好ましい。  
【００２６】
他方、ｙ−ｚ面内では横面１０ｅ、１０ｆから励起光Ｇｅｘが入射してｙ軸方向の温度分布８０を生じ、例えば図１（ａ）のように対称面２６近傍において温度が極大となっている。横面１０ｅ及び１０ｆに、例えば断熱材を配置し温度分布８０を平坦化する方法が考えられるがレーザ媒質１０の発熱により調整が困難である。またレーザ媒質１０の中央部近傍のみを励起する方法が考えられるが、励起が不十分となりビーム出力が低くなる問題がある。
【００２７】
図１において、第１の励起領域１２の第１の光路Ｇ１ａと、第２の励起領域１４における第２の光路Ｇ１ｂと、は対称面２６に対してそれぞれ平行とする。同様に第１の光路Ｇ２ａと、第２の光路Ｇ２ｂと、は対称面２６に対してそれぞれ平行とする。 第１の光路Ｇ１ａを通過したビームＧＴは、像反転光学手段２２内の光路Ｇ１ｃを通過し、ｙ軸方向位置を平面視で入れ替えて、第２の光路Ｇ１ｂを通過する。なお、部分反射ミラー２４による反射光はこの光路を逆に進む。同様に、第１の光路Ｇ２ａを通過したビームＧＴは、像反転光学手段２２内の光路Ｇ２ｃを通過し、ｙ軸方向位置を平面視で入れ替えて、第２の光路Ｇ２ｂを通過する。図１（ａ）に表す矢印はｘ−ｙ面内の像姿勢Ｖを表し、像反転手段２２の通過後に進行方向に向かって像姿勢Ｖが反転している。
【００２８】
図１（ｃ）において、縦軸は温度分布８０に依存して変化する屈折率（ｎ）であり、横（ｙ）軸は対称面２６からの距離である。ｘ−ｙ面内において、第１の光路Ｇ１ａの屈折率はｎ１であり、第２の光路Ｇ１ｂの屈折率はｎ２（ｎ１＜ｎ２）である。また、第１の光路Ｇ２ａの屈折率はｎ３であり、第２の光路Ｇ２ｂの屈折率はｎ４（ｎ４＜ｎ３）である。なお、ｘ−ｚ面内における光路はジグザグ光路であるので、屈折率ｎはｘ軸方向位置により変化する。しかし、ジグザグ光路に沿った屈折率ｎの変化はｘ軸方向に平均化できるために、図１（ｃ）に表す屈折率ｎはｙ軸方向位置にのみに依存するものと考えることにする。
【００２９】
光路長は屈折率ｎと幾何学的長さとの積で表される。図１（ｃ）のように、屈折率分布の傾斜が単調に変化し、かつ対称面２６に関して略対称である場合、ｎ１とｎ２との平均屈折率と、ｎ３とｎ４との平均屈折率と、を近づけることは容易である。第１及び第２の励起領域１２、１４のｚ軸方向長さは同一であるので、Ｇ１の光路長とＧ２の光路長とを略同一とできる。すなわち、図１（ａ）に表すようにｙ軸方向位置を平面視において入れ替えることによりビームＧＴが通過するｘ−ｙ面内位置が変化しても、光路長を均一とすることが容易となる。なお、励起領域１２、１４における屈折率分布の傾斜が、直線に近いほど平均屈折率を近づけることができより好ましい。
【００３０】
図３は、比較例にかかる固体レーザ装置を表す。図３（ａ）は模式平面図、図３（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）はｘ−ｙ面内の屈折率分布のグラフ図である。比較例を発振器とする場合、ビームＧＴは全反射ミラー１２０と部分反射ミラー１２４との間を通過する。光路Ｇ１１は、第１の励起領域１１２内の第１の光路Ｇ１１ａと、第２の励起領域１１４内の第２の光路Ｇ１１ｂと、を有する。また、光路Ｇ１２は、第１の励起領域１１２内の第１の光路Ｇ１２ａと、第２の励起領域１１４内の第２の光路Ｇ１２ｂと、を有する。第１及び第２の励起領域１１２、１１４で生じる増幅利得により、全反射ミラー１２０と部分反射ミラー１２４との間で構成されるファブリー・ペロー共振器にレーザ発振を生じ、部分反射ミラー１２４から外部へビームＧＴを取り出す。この構成において、レーザ媒質１１０と、ミラー１３０及び１３１と、は共通の対称面１２６を有している。
【００３１】
第１の励起領域１１２における第１の光路Ｇ１１ａと、第２の励起領域１１４における第２の光路Ｇ１１ｂと、は対称面１２６とそれぞれ平行とする。同様に第１の光路Ｇ１２ａと、第２の光路Ｇ１２ｂと、は対称面１２６とそれぞれ平行とする。
【００３２】
ビームＧＴは、第１の光路Ｇ１１ａ，Ｇ１２ａを通過し、ミラー１３０、１３１により反射し、第２の光路Ｇ１１ｂ、Ｇ１２ｂを通過する。このために、第１の光路Ｇ１１ａと第２の光路Ｇ１１ｂとは対称面１２６に関して略対称の位置となり、第１の光路Ｇ１２ａと第２の光路Ｇ１２ｂも対称面１２６に関して略対称の位置となる。すなわち、比較例では、矢印で表す像姿勢Ｖが、第１の光路Ｇ１１ａ、Ｇ１２ａと、第２の光路Ｇ１１ｂ、Ｇ１２ｂと、の間で進行方向に向かって同一であり像反転していない。
【００３３】
図３（ｃ）は、温度分布１８０に基づく屈折率（ｎ）のｙ軸方向位置依存性である。ｘ−ｙ面内において、第１の光路Ｇ１１ａ及び第２の光路Ｇ１１ｂにおける屈折率はｎ５である。また、第１の光路Ｇ１２ａ及び第２の光路Ｇ１２ｂにおける屈折率はｎ６である。ｎ５＜ｎ６であるので、第１の光路Ｇ１１ａ及び第２の光路Ｇ１１ｂを有する光路長Ｇ１１は、第１の光路Ｇ１２ａ及び第２の光路Ｇ１２ｂを有する光路長Ｇ１２よりも短い。このように屈折率が異なるために、光路Ｇ１１と光路Ｇ１２とは光路長が異なりビームＧＴの広がり角がｙ−ｚ面内において大きくなりやすい。すなわち、中央部近傍が高い屈折率となり波面が広がり、ビーム広がり角が大きくなり、ビーム品質が低下する。
【００３４】
これに対して本実施形態では、光路長の均一化が容易である。例えば図２（ａ）のような断面を有するビームＧＴが、ｘ−ｙ面内のｙ軸方向の位置変化に対しても光路長を均一とし、波面を揃え、ｙ−ｚ面内におけるビーム広がり角を低減し、ビーム品質を改善するのが容易である。温度分布８０に基づく応力分布についても同様な効果を得ることが容易である。
【００３５】
図４は、レーザ媒質の変形例を表す模式図である。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面の屈折率分布を表すグラフ図である。第１の励起領域１２と、第２の励起領域１４と、の間隔Ｓを変化させると、温度分布８２のｙ軸方向依存性を制御できる。横面１０ｅ、１０ｆ近傍において、励起光Ｇｅｘの強度が高いので第１及び第２の励起領域１２、１４における吸収が大きく、温度が上昇する。間隔Ｓを広げて行くと、横面１０ｅ、１０ｆ近傍では温度が極大に近づき、対称面２６近傍で温度極小となる双峰性の温度分布８２とできる。すなわち、間隔Ｓにより温度分布８２を制御できる。
【００３６】
図４（ｂ）のように、温度分布８２に対応した双峰性の屈折率分布の傾斜が単調に変化し、かつ対称面２６に関して略対称とする。この場合、第１の光路Ｇ１ａの屈折率をｎ１とし、第２の光路Ｇ１ｂの屈折率をｎ２とする。また第１の光路Ｇ２ａの屈折率をｎ３とし、第２の光路Ｇ２ｂの屈折率をｎ４とする。ｎ１とｎ２との平均屈折率と、ｎ３とｎ４との平均屈折率と、を近づけることは容易である。なお、励起領域１２、１４における屈折率分布の傾斜が、直線に近いほど平均屈折率を近づけることができより好ましい。
【００３７】
第１及び第２の励起領域１２、１４のｚ軸方向長さは同一であるので、第１及び第２の光路Ｇ１ａ、Ｇ１ｂを有する光路Ｇ１の光路長と、第１及び第２の光路Ｇ２ａ、Ｇ２ｂを有する光路Ｇ２の光路長と、を略同一とできる。すなわち、ｙ軸方向位置を平面視で入れ替えることによりビームＧＴが通過するｘ−ｙ面内位置が変化しても、光路長を均一とすることが容易となる。このように、像反転光学手段２２により第１の光路と第２の光路とを入れ替え、ｙ軸方向位置の変化に対して光路長を均一にできる。
【００３８】
図５は、第２の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図である。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図である。ビームＧＴは、共通の励起領域１１の第１及び第２の面１０ａ、１０ｂに直交する対称面２７に関して互いに反対側となるような第１の光路Ｇ１ａと第２の光路Ｇ１ｂとを通過する。このようにすると、励起領域１１をｚ軸方向に長くし、増幅利得及びレーザ出力を高めることが容易となる。また、ｚ軸方向に細長い平面形状は放熱性を改善することが容易となる。ｚ軸方向の長さは、例えば２００ｍｍ程度にすることができる。
【００３９】
なお、レーザ媒質１０を励起領域のみで構成することもできる。しかし、励起光Ｇｅｘを照射しやすい中央領域に励起領域を配置し、その周辺に非励起領域を設ける方が、励起効率及び冷却効果を高めるためにより好ましい。この場合、励起領域１１を非励起領域１６により覆うようにすればよい。
【００４０】
図６は、第２の実施形態の変形例にかかる固体レーザ装置の模式図である。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は対称面２７における断面図である。本変形例の場合、像反転光学手段２２の先端部が鋭角をなしている。レーザ媒質１０をｚ軸方向に細長い平面形状にしていくと、第１の光路Ｇ１ａが像反転光学手段２２の先端部Ｍ近傍を通る。この場合、高いビーム出力を吸収し先端部Ｍが劣化する場合がある。このために先端部Ｍに反射層または遮光領域を設ける。像反転光学手段２２に対向するレーザ媒質１０に遮光領域Ｎを設けてもよい。このようにすると、先端部Ｍの劣化を抑制することができる。
【００４１】
図７は、第３の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図である。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施形態の固体レーザ装置は増幅器である。すなわち、シード光源４０からの信号光Ｇｇｎをレーザ媒質１０に入射し、第１の光路Ｇ１ａ、像反転光学手段２２、第２の光路Ｇ１ｂ、を通過した増幅光であるビームＧＴを外部へ出射する。この場合にも、光路長が均一化され、品質が改善されたビームＧＴを得ることができる。
【００４２】
本実施形態にかかる固体レーザ装置は、空中の遠距離までビームを放射することができる。このために離れた目標物に向かって正確にビームを照射することが容易となる。
【００４３】
図８は、本実施形態の固体レーザ装置を発振器として用いたレーザ加工方法を説明する模式図である。固体レーザ装置５０は、図１に表す基本構成と、Ｑスイッチ５２と、制御部６２と、励起光源５４と、冷却部５６と、を備えている。
【００４４】
Ｑスイッチ５２が第１の励起領域１２と全反射ミラー２０との間に配置される。Ｑスイッチ５２は圧電材料からなり、電圧をオンまたはオフに変えることにより光軸の向きを変え、光共振器をオンまたはオフに制御する。このために高いパルスピーク出力を有するビームを得ることができる。制御部６２はＱスイッチ制御信号Ｃ１を出力する。
【００４５】
励起光源５４は、例えば並列に配置された半導体レーザから励起光Ｇｅｘをレーザ媒質１０の横面１０ｅ、１０ｆに照射する。なお、励起光源にフラッシュランプを用いてもよい。励起領域１２、１４は励起光Ｇｅｘを吸収し、Ｎｄが励起され誘導放出が可能となり、光共振器により発振を生じレーザ光が放射される。制御部６２は励起光制御信号Ｃ２を出力する。
【００４６】
なお、Ｑスイッチと図１の発振器とを備えた固体レーザ装置の代わりに、図７に表す増幅器を用いてもよい。この場合、信号光Ｇｇｎを、例えばＱスイッチなどを用いてパルス変調し、誘導放出により増幅し、ビームＧＴとする。
【００４７】
レーザ媒質１０の第１及び第２の面１０ａ、１０ｂには冷却部５６が設けられる。励起光Ｇｅｘを吸収した励起領域１２、１４は発熱を生じるので冷却を行う。例えばレーザ媒質１０に低屈折率の材料を用いた表面コーティングを行い、銅ブロックを介して放熱する熱伝導を利用した方法を用いることができる。また、冷却水を循環させる熱対流を利用した方法を用いることもできる。制御部６２は冷却部制御信号Ｃ３を出力する。
【００４８】
固体レーザ装置５０から、部分反射ミラー２４を介して外部に取り出されたビームＧＴは、例えばミラー５８により被加工体７０の方向へ向けられる。必要により、ビーム整形光学部６０によりビーム整形を行い、所望のビームＧＴが被加工体７０に照射される。なお、ビームＧＴは波面が揃っているので、レンズなどを用いて集光することは容易である。
制御部６２はビーム整形制御信号Ｃ４を出力する。
【００４９】
高いピーク出力を有するビームＧＴは、例えば厚い鉄鋼板などであっても照射点７２の近傍を溶融させる。ビームＧＴまたは被加工体７０を移動させることにより被加工体７０を切断または溶接できる。パルス駆動のビームＧＴの平均出力は、例えば数ｋＷ〜１００ｋＷ程度とすることが可能である。
【００５０】
本実施形態にかかるレーザ加工方法では、ビームＧＴの断面において光路差が均一であり波面が揃っており、広がり角が小さいビームＧＴを用いることができる。このために、固体レーザ装置５０から離れた位置においてレーザ加工することが容易となる。高出力ビームを用いて遠くからレーザ加工する方法は、安全及び作業性の点から好ましい。
【００５１】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。固体レーザ装置を構成するレーザ媒質、活性イオン、像反転光学手段、光学部品、光共振器、シード光源、励起光源、冷却部の材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図
【図２】ジグザグ光路を説明する模式図
【図３】比較例にかかる固体レーザ装置の模式図
【図４】レーザ媒質の変形例を表す模式図
【図５】第２の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図
【図６】第２の実施形態の変形例にかかる固体レーザ装置の模式図
【図７】第３の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図
【図８】レーザ加工方法を説明する図
【符号の説明】
【００５３】
１０  レーザ媒質、１１  励起領域、１２  第１の励起領域、１４  第２の励起領域、１６  非励起領域、２０  全反射ミラー、２２  像反転光学手段、２４  部分反射ミラー、２６、２７  対称面、４０  シード光源、５０  固体レーザ装置、５６  冷却部、７０  被加工体、７２  照射点、８０、８２  温度分布、Ｇ１、Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、Ｇ２、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ  光路、ＧＴ  ビーム、Ｇｇｎ  信号光、Ｇｅｘ  励起光                                                                                                                               
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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