JPH11346020A

JPH11346020A - 固体レーザー発振器

Info

Publication number: JPH11346020A
Application number: JP15038298A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nakagawa; 啓志中川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザーロッド６や励起光源７の設置位置が腔
５の焦点軸上から若干ずれて設置されていても所定出力
のレーザ光を出射することが可能で、製造が容易な固体
レーザ発振器を提供する。【解決手段】集光器２を構成する外装体３をボイド率が
５〜１６％の白色系セラミックスにより形成し、上記外
装体３の腔５の壁面をガラス膜で被覆して集光反射面４
とするとともに、上記腔５の焦点軸上に励起光源７とレ
ーザーロッド６とをそれぞれ設置し、かつ上記レーザー
ロッド６の両端面に一対の反射鏡８，９をそれぞれ配置
して固体レーザ発振器１を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＹＡＧレーザー、
ガラスレーザー、ルビーレーザーなどの固体レーザー発
振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より用いられている固体レーザー発
振器としては、図７に示すように、集光器１２を構成す
る金属製の外装体１３に、断面形状が楕円形状をした腔
１５を長手方向に穿設してあり、この腔１５の一方の焦
点軸上にはクリプトン−アークランプやタングステン−
ハロゲンランプ、あるいはキセノンランプなどの円柱状
をした励起光源７を、他方の焦点軸上には固体レーザー
としてのＹＡＧやガラス、あるいはルビーからなる円柱
状のレーザーロッド６をそれぞれ設置するとともに、該
レーザーロッド６の両端側には一対の反射鏡８，９をそ
れぞれ設置したものがあった。また、外装体１３の腔内
壁面１５ａには金や銀の薄膜１６を被覆してあり、励起
光源７からの光をレーザーロッド６へ照射するための集
光反射面１４を構成するようになっていた（実開昭６２
−１８６４５０号公報、実開平２−８４３５４号公報参
照）。

【０００３】そして、この固体レーザー発振器１１を作
動させるには、励起光源７にトリガー電圧を印加して発
光させ、その５００〜８００ｎｍの波長を有する光（以
下、励起光という）を直接的及び集光反射面１４で反射
させて間接的にそれぞれレーザーロッド６へ照射するこ
とにより、レーザーロッド６がＹＡＧやガラスである場
合にはＮｄイオンが、レーザーロッド６がルビーである
場合にはＣｒイオンがそれぞれ励起し、これらＮｄイオ
ンやＣｒイオンが励起状態から安定状態へ遷移する時に
発せられる光をレーザ光として取り出し、このレーザ光
を反射鏡８，９間で往復させたあと、所定出力のレーザ
光を反射鏡８から出射させるようになっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図７に示す
固体レーザー発振器１１において、レーザーロッド６や
励起光源７を楕円形状をした腔１５の焦点軸上へ高精度
に設置することは非常に難しく、特に、レーザーロッド
６の取り付け位置が少しでもずれてしまうと、レーザー
ロッド６に照射される励起光の光量が減少するためにレ
ーザ光の出力が低下し、酷いときにはレーザーロッド６
中のＮｄイオンやＣｒイオンを励起させることができ
ず、レーザ光を出射させることができないといった課題
があった。

【０００５】即ち、集光反射面１４を構成する金や銀の
薄膜は、励起光の反射効率が高く、集光反射面１４の構
成材料としては優れているものの、入射する光を一方向
へのみしか反射させることができないため、レーザーロ
ッド６や励起光源７が焦点軸上に設置されている時に
は、集光反射面１４で反射された励起光が全て焦点軸上
のレーザーロッド６へ照射され、高出力のレーザ光を出
射させることができるが、レーザーロッド６や励起光源
７が焦点軸上からずれて設置されると、集光反射面１４
で反射された励起光をレーザーロッド６へ効果的に照射
することができないため、所定出力のレーザ光を出射さ
せることができなかった。

【０００６】また、上記固体レーザー発振器１１の中に
は、レーザーロッド６の発熱を抑えるために、集光器１
２の腔１５内を冷却水で満たすようになっているものも
あるが、この場合、集光反射面１４をなす金や銀の薄膜
１６に水あかやゴミ等の付着による曇りが発生し易く、
本来の輝きが得られなくなると集光反射面１４での励起
光の反射効率が低下するため、レーザ光の出力が低下す
るといった課題もあった。

【０００７】また、このような課題は集光器１２の腔１
５内に冷却水を満たしていない固体レーザー発振器１１
にもあり、例えば、環境の急激な変化により結露を生じ
て金や銀の薄膜１６に水滴が付着すると集光反射面１４
を曇らせる恐れがあった。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は、レーザーロッドや励起
光源の設置位置が所定の位置から若干ずれたとしても、
所望の出力が得られ、かつ安定したレーザ光の出射が長
期間にわたって可能な固体レーザー発振器を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、外装体の腔内壁面を集光反射面としてなる集
光器と、上記外装体の腔内に内設された励起光源及びレ
ーザーロッドと、該レーザーロッドの両端側にそれぞれ
配置された一対の反射鏡とからなる固体レーザー発振器
において、上記集光器を構成する外装体の少なくとも腔
内壁面を、ボイド率が５〜１６％の白色系セラミックス
により形成したことを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明は上記外装体の腔内壁面を透
明なガラス膜で被覆したことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明の固体レーザー発振器によれば、外装体
の少なくとも腔内壁面を１２〜１６％のボイド率を有す
るセラミックスにより形成し、適度な凹凸を持たせて乱
反射させ易い面としたことから、レーザーロッドや励起
光源の設置位置が所定の位置から若干ずれたとしても、
集光反射面で反射された励起光の殆どをレーザーロッド
へ照射することができる。しかも、セラミックスの色を
光を反射させ易い白色系としてあることから、集光反射
面での反射効率を高めることができ、適度な凹凸を持た
せたことと相まって集光反射面で反射された励起光の殆
どをレーザーロッドへ効果的に照射することができる。

【００１２】また、本発明によれば、適度な凹凸を持っ
た腔内壁面にガラス膜を被覆してあることから、セラミ
ックスのボイド中にゴミが溜まったり、水あかが付くこ
とを防ぐことができ、ガラス膜に曇りを生じることがな
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１４】図１は本発明の固体レーザー発振器１の一
部を破断した斜視図である。なお、従来技術と同一部分
については同一符号で示す。

【００１５】この固体レーザー発振器１は、集光器２を
構成する外装体３を、ボイド率が５〜１６％である白色
系セラミックスにより形成してあり、この外装体３に
は、断面形状が楕円形状をした腔５を長手方向に備え、
この腔内壁面５ａに透明なガラス膜１０を被覆して集光
反射面４としてある。また、上記楕円形状をした腔５の
一方の焦点軸上には固体レーザーとしてＹＡＧやガラ
ス、あるいはルビーからなる円柱状のレーザーロッド６
を、他方の焦点軸上にはクリプトン−アークランプやタ
ングステン−ハロゲンランプ、あるいはキセノンランプ
などの円柱状をした励起光源７をそれぞれ設置してあ
り、上記レーザーロッド６の両端側には一対の反射鏡
８，９をそれぞれ配置した構造としてある。そして、こ
の固体レーザー発振器１を作動させるには、励起光源７
にトリガー電圧を印加して発光させ、その励起光（特
に、５００〜８００ｎｍの波長光）を直接的及び集光反
射面４で反射させて間接的にレーザーロッド６へそれぞ
れ照射することにより、レーザーロッド６がＹＡＧやガ
ラスである場合にはＮｄイオンが、レーザーロッド６が
ルビーである場合にはＣｒイオンがそれぞれ励起し、こ
れらＮｄイオンやＣｒイオンが励起状態から安定状態へ
遷移する時に発せられる光をレーザ光として取り出し、
このレーザ光を反射鏡８，９間で往復させたあと、所定
出力のレーザ光を反射鏡８より出射させるのであるが、
この固定レーザー発振器１によれば、レーザーロッド６
や励起光源７の設置位置が楕円形状をした腔５の焦点軸
上から若干ずれたとしても、所定出力のレーザ光を出射
させることができる。

【００１６】即ち、本発明によれば、外装体３の腔内壁
面５ａの色を白色系とするとともに、ボイドを有するセ
ラミックスにより形成することによって集光反射面４を
適度な凹凸面とし、この集光反射面４で励起光源７から
の励起光を乱反射させるようにしてあることから、レー
ザーロッド６や励起光源７の設置位置が焦点軸上から若
干ずれていても集光反射面４で反射された励起光の殆ど
をレーザーロッド６へ照射することができるため、所定
出力のレーザ光を出射することができる。

【００１７】しかも、レーザーロッド６や励起光源７を
楕円形状をした腔５の焦点軸上に厳密に設置する必要が
ないため、固体レーザー発振器１の組み立てが簡単であ
る。ところで、このような特性を得るためには、前述し
たように、外装体３を構成するセラミックスのボイド率
を５〜１６％とすることが重要である。ボイド率が５％
未満であると、集光反射面４での励起光の乱反射が十分
ではないため、レーザーロッド６や励起光源７の設置位
置が楕円形状をした腔５の焦点軸上からずれると所定出
力のレーザ光を出射させることができなくなるからであ
り、逆に、ボイド率が１６％より大きくなると、セラミ
ックスの焼成温度がガラス膜１０の焼き付け温度と近く
なり、集光反射面４での反射率を変化させてしまうから
である。なお、好ましいボイド率としては１０〜１６
％、望ましくは１２〜１５％の範囲が良い。

【００１８】また、集光反射面４での反射効率を高める
ためには腔内壁面５ａの色が白色系であることが必要で
あり、本発明において白色系とは、社団法人日本塗料
工業会発行の塗料用標準色見本帳（１９８９年版）にお
ける見本と比較した時に、色票番号（カッコ内数字はマ
ンセル値）で、Ｐ１−１０３６（Ｎ−９．５）、Ｐ１−
１０３１（Ｎ−９．０）、Ｐ３−３７６（５Ｙ９．３／
１．１）、Ｐ４−３７８（７．５ｙ９．３／０．５）、
Ｐ４−３７９（７．５ｙ９．２／０．７）、Ｐ３−３７
７（５ｙ９／０．７）、Ｐ４−３８０（１０ｙ９／０．
５）、Ｐ４−３６２（１０ｙ８．５／１）、Ｐ４−４０
１（５ＧＹ９／１）、Ｐ５−９３９（５Ｐ９／１）に該
当するものであれば良い。

【００１９】このような白色系のセラミックスとして
は、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、
フォルステライトセラミックス、ステアタイトセラミッ
クスを用いることができる。

【００２０】例えば、アルミナセラミックスとしては、
アルミナを主成分とし、焼結助剤にＭｇＯ、ＳｉＯ₂、
ＣａＯ等を含有したものを用いることができ、ジルコニ
アセラミックスとしては、ジルコニアを主成分とし、安
定化剤にＹ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂等を含有したもの
を用いることができる。また、フォルステライトセラミ
ックスとしては、ＭｇＯとＳｉＯ₂を２：１の割合で含
有したものを用いることができ、ステアタイトセラミッ
クスとしては、ＭｇＯとＳｉＯ₂を１：１の割合で含有
したものを用いることができる。

【００２１】なお、外装体３を構成するセラミックスが
導電性や半導電性であると、励起光源７にトリガー電圧
を印加した時に外装体３へリークする恐れがあるため、
絶縁性であることが必要であり、特に体積固有抵抗値が
１０¹³Ω・ｃｍ以上であるものが望ましい。

【００２２】また、外装体３の腔内壁面５ａには透明な
ガラス膜１０を被覆してあることから、腔内壁面５ａを
構成するセラミックスのボイドにゴミが堆積したり、水
あかが付着することを防ぐことができ、長期使用におい
ても集光反射面４での反射効率を低下させることがな
い。

【００２３】ただし、ガラス膜１０の膜厚みｔが０．０
４ｍｍ未満となると、薄すぎるために腔内壁面５ａを完
全にガラス膜１０で被覆することが難しくなり、０．１
ｍｍより厚くなると、励起光源７からの励起光や腔内壁
面５ａで反射された励起光が吸収され、レーザーロッド
６へ照射することができる光量が減少することになる。
その為、ガラス膜１０の膜厚みｔは０．０４〜０．１ｍ
ｍとすることが良く、好ましくは０．０４〜０．０７ｍ
ｍの範囲が良い。

【００２４】また、ガラス膜１０の表面状態が粗れてい
ると、ガラス膜１０の透明性が低下して励起光が吸収さ
れ、レーザーロッド６へ照射することができる光量が減
少することになるため、ガラス膜１０の表面は中心線平
均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下とすることが良い。

【００２５】なお、ガラス膜１０の組成としては、Ｎａ
₂Ｏ、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐｏ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂、ＺｎＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ
₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＣａＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ₂、
ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃を用いることができる。

【００２６】次に、固定レーザ発振器１の集光器２を構
成する外装体３の製造方法について説明する。

【００２７】まず、前述したセラミックス原料に対して
溶媒やバインダーを添加混練して泥漿を作製し、スプレ
ードライヤにて乾燥造粒して顆粒を製作したあと、型中
に充填して一軸加圧成形法や等加圧成形法など周知のセ
ラミック成形手段により円柱状をした成形体を形成す
る。そして、この円柱状をした成形体に切削加工を施す
ことにより、断面形状が半楕円状をした凹部を長手方向
に刻設してなる直方体状の成形体を２つ製作する。しか
るのち、これらの成形体を大気雰囲気中や真空雰囲気
中、あるいは不活性ガス雰囲気中にて焼成することによ
り外装体３の半割りり部材を得るのであるが、セラミッ
クスがアルミナセラミックスである場合には１２００〜
１５００℃の温度で、ジルコニアセラミックスである場
合には１１００〜１４００℃の温度で、フォルステライ
トセラミックスである場合には、１０００〜１２００℃
の温度で、ステアタイトセラミックスである場合には、
１０００〜１２００℃の温度でそれぞれ焼成することに
より、セラミックスのボイド率を５〜１６％とすること
ができる。

【００２８】そして、得られた半割り部材の凹部にバフ
研磨を施したあと、前述したガラスのシートを凹部に載
置するか、あるいはガラスペーストを塗布し、５００〜
１１００℃の温度で熱処理を加えることによりガラス膜
１０を被覆する。

【００２９】そして、得られた凹部同士を対向させた状
態で両半割り部材を接合することにより外装体３を得る
ことができる。

【００３０】なお、実施形態では集光器２を構成する外
装体３の全体を、ボイド率が５〜１６％の白色系セラミ
ックスにより形成した例を示したが、外装体３の少なく
とも腔内壁面が上記白色系セラミックスにより形成され
ていれば良い。

【００３１】（実験例）本発明に係る固定レーザ発振器
の特性を確認するため、集光反射面の一部を取り出した
試料を用意し、この試料に対して白色光を照射し、照射
する角度を変化させた時の反射率を測定することにより
乱反射の度合いを調べる実験を行った。本実験では、試
料として、社団法人日本塗料工業会発行の塗料用標準
色見本帳（１９８９年版）における見本と比較した時
に、色票番号（カッコ内数字はマンセル値）がＰ１−１
０３６（Ｎ−９．５）に該当し、ボイド率が７％と１３
％のアルミナセラミックスからなる基板を用意し、これ
らの基板上にＮａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ
₂からなるガラス膜を０．０５ｍｍの膜厚みでそれぞれ
被覆したものを用いた。

【００３２】そして、これらの試料を自記分光光度計
（日立製作所製３３０型）に設置し、白色光の入射角度
を０°及び５°に変えた時のそれぞれの反射率を測定し
た。反射率の評価にあたっては、硫酸バリウム（ＢａＳ
Ｏ₄）を標準試料とし、この標準試料の反射率を１００
％とした時の相対反射率として評価した。

【００３３】なお、自記分光光度計とは、図２に示すよ
うな積分球２１と呼ばれる球状体の側部に検出部２２を
備え、底部に試料Ｗを設置したものであり、試料Ｗに白
色光を照射し、この試料Ｗで反射された光を積分球２１
に取り付けられた検出部２２で検出するようになってい
る。そして、白色光の入射角度が０°とは、積分球２１
の真上から水平に設置された試料Ｗに対して白色光を照
射した時のことであり、白色光の入射角度が５°とは、
試料Ｗを水平線より５°傾けた状態で設置し、この試料
Ｗに対して積分球２１の真上から白色光を照射した時の
ことである。

【００３４】また、比較例として、基板のボイド率が
２．６％である以外は本発明の試料と同じ試料Ｗ₃と、
ステンレスからなる基板上に金の薄膜を被覆した従来の
試料Ｗ₄もそれぞれ用意して同様の実験を行った。

【００３５】本発明のうち、アルミナセラミックスのボ
イド率が７％である試料Ｗ₁の反射率は図３に、アルミ
ナセラミックスのボイド率が１３％である試料Ｗ₂の反
射率は図４にそれぞれ示すとともに、比較例の試料Ｗ₃
の反射率は図５に、従来例の試料Ｗ₄の反射率は図６に
それぞれ示す通りである。

【００３６】この結果、従来例の試料Ｗ₂は、入射角度
が５°の時には高い反射効率が得られたものの、入射角
度が０°の時には殆ど白色光の反射が得られなかった。
この結果より、従来例では集光反射面に入射した光は一
方向へしか反射させられないことが判る。

【００３７】一方、アルミナセラミックスからなる基板
上にガラス膜を被覆した試料Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₃は、いず
れも入射角度に関係なく乱反射させることができるもの
の、試料Ｗ₃はアルミナセラミックスのボイド率が５％
未満であることからその反射率が８０％程度と低いもの
であった。

【００３８】これに対し、本発明の試料Ｗ₁，Ｗ₂は、
アルミナセラミックスのボイド率が５％以上であること
から、入射角度に関係なく反射率が９０％以上と、非常
に高い割合で乱反射させることができた。特に、ボイド
率が１０％以上である試料ＷＷ₂にあっては反射率が９
６％程度と高反射率が得られ、優れていた。

【００３９】このことから、集光反射面をボイド率が５
％以上である白色系セラミックスにより形成した固定レ
ーザー発振器を用いれば、レーザーロッド６や励起光源
７の設置位置に若干のずれがあっても所定出力のレーザ
光を出射できることが判る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、外装体
の腔内壁面を集光反射面としてなる集光器と、上記外装
体の腔内に内設された励起光源及びレーザーロッドと、
該レーザーロッドの両端側にそれぞれ配置された一対の
反射鏡とからなる固体レーザー発振器において、上記集
光器を構成する外装体の少なくとも腔内壁面を、ボイド
率が５〜１６％の白色系セラミックスにより形成すると
ともに、その腔内壁面をガラス膜で被覆したことによっ
て、上記レーザーロッドや励起光源の設置位置が腔の焦
点軸上から若干ずれて設置されたとしても励起光源から
の励起光を集光反射面にて殆ど乱反射させてレーザーロ
ッドへ照射することができるため、所定出力のレーザ光
を出射することができるとともに、レーザーロッドや励
起光源の高精度に位置決めが不要となることから、固体
レーザ発振器を容易に製作することができる。しかも、
集光反射面に曇りを生じることもないため、長期使用に
おいても高出力のレーザ光を安定して出射することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体レーザー発振器の一部を破断した
斜視図である。

【図２】自記分光光度計の構造を示す概略図である。

【図３】本発明における試料の反射率を示すグラフであ
る。

【図４】本発明における他の試料の反射率を示すグラフ
である。

【図５】比較例における試料の反射率を示すグラフであ
る。

【図６】従来例における試料の反射率を示すグラフであ
る。

【図７】従来の固体レーザー発振器の一部を破断した斜
視図である。

【符号の説明】

１，１１・・・固体レーザ発振器２，１２・・・集光器３，１３・・・外装体４，１４・・・集光反射面５，１５・・・腔５ａ，１５ａ・・・腔内壁面６・・・レーザーロッド７・・・励起光源８，９・・・反射鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外装体の腔内壁面を集光反射面としてなる
集光器と、上記外装体の腔に内設された励起光源及びレ
ーザーロッドと、該レーザーロッドの両端側にそれぞれ
配置された一対の反射鏡とからなる固体レーザー発振器
において、上記集光器を構成する外装体の少なくとも腔
内壁面を、ボイド率が５〜１６％の白色系セラミックス
により形成したことを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】上記外装体の腔内壁面を透明なガラス膜で
被覆したことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ
発振器。