雷射裝置、其激發方法、以及雷射加工機的製作方法

2023-05-03 03:36:06 2

專利名稱：雷射裝置、其激發方法、以及雷射加工機的製作方法
技術領域：
本發明是涉及包含光學特性隨著激發能量的變化而發生變化的雷射活性媒質的雷射裝置及雷射加工裝置的、為了縮小雷射光束參數隨著其激發能量的變化所發生的變化的發明。
在圖26中，1a是曲率為平面的全反射鏡，2a是曲率為平面的部分透射鏡。5a、5b、5c、5d為分別配備有雷射活性媒質4a、4b、4c、4d及雷射活性媒質激發裝置3a、3b、3c、3d，以及按照需要對它們進行冷卻的機構，和向它們供應電力等動力的機構、構成單個或多個雷射振蕩器及雷射放大器的基本裝置，下面稱之為雷射激發部。在圖26中，111a是表示全反射鏡1a的端面的光束腰位置的標號，111b是表示雷射激發部5a與5b之間的光束腰位置的標號，100a是表示雷射活性媒質4b的被激發區域中間的位置的標號，111c是表示部分透射鏡2a的端面上的光束腰位置的標號，111d是表示雷射激發部5c與5d之間的光束腰位置的標號，111e是表示形成在雷射激發部5d的出射側的光束腰位置的標號。此外，60a、60b、60c、60d是分別表示包含111a與111b之間，111b與111c之間，111c與111d之間，以及，111d與111e之間的雷射活性媒質的熱透鏡的光學系統的標號。下面，在歸納起來表示在雷射軸上配置多個光學元件的情況下，稱之為光學系統。
下面，對圖26所示的本發明的現有技術的例子的動作進行說明。在由全反射鏡1a，雷射激發部5a、5b和部分透射鏡2a構成的雷射振蕩器中所發生的雷射光束7，通過部分透射鏡2a提取到振蕩器之外，導入到由雷射激發部5c、5d構成的雷射放大器，在通過時被放大，構成雷射光束77。這裡，雷射激發部5a、5b、5c、5d全部用相同的部件構成，用相同的激發能量激發。
如圖26所示的那樣構成的雷射裝置，不考慮增益及全反射鏡、全透射鏡的光學特性，如果只著眼於振蕩器和放大器內部的光束模的形狀及給予光束模的形狀大的影響的、聚焦元件以及傳導距離等重要因素的話，由於光學系統60b、60c、60d是和光學系統60a相同的，所以，雷射裝置整體是一種將構成基本單位的光學系統60a周期性地串聯配置成的級聯式的雷射振蕩器和激發放大器。因此，如後面所述的，隨著激發能量的變化，111e位置的光束直徑發生大的變化。
如上所述，由於現有技術中的級聯式的固體雷射振蕩器及級聯式固體雷射放大器，其出射的雷射光束的直徑或光束波陣面曲率隨著激發強度的不同發生很大的變化，所以，用提取出來的光束進行波長變換時，波長變換活性媒質所處位置的光束直徑隨激發強度的不同而變化，波長變換條件隨著激發強度的不同發生變化。此外，在把從現有技術的裝置發生的雷射光束向光纖進行導光時，由於出射光束的直徑、光束波陣面曲率因激發強度的不同而發生很大變化，所以，光纖導光條件對雷射激發強度的依存性大。另外，把從現有的雷射裝置產生的雷射用於加工時，由於出射光束隨激發強度變化而變化，所以加工條件也隨著雷射裝置的激發強度、即隨著雷射光束的能量發生變化。
另一方面，例如，當考慮利用圖26的雷射激發部5c、5d構成的放大部單獨地作為放大器，使入射光束從位置111c入射時，在級聯式放大器的設計方面，該位置111c成為光束直徑變化的位置，所以有必要根據雷射強度變更入射光束的光束參數。此外，當採用光束直徑、光束波陣面曲率一定的入射光束，構成可以改變放大器中的激發強度並進行輸出的可變雷射裝置時，由於不能構成放大器中的光束的動作具有周期性的結構的級聯式，所以，存在著放大器設計變得複雜，很難將放大級製成多級的，而且被放大的光束模與被激發的區域的重疊部分的體積變小，不能進行高效率的放大的問題。
本發明的雷射裝置，是在將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯配置在雷射光軸上，在前述多個雷射活性媒質配置的區域內的雷射光束上產生多個光束腰的雷射裝置中，使得向配置在比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質輸送的激發能量，小於向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量。
這樣，可以提供一種在激發能量變化的情況下、出射光束的光束波陣面曲率和光束的直徑的變化較小的雷射裝置，或者，提供一種相對於激發能量的變化、可以在一個很寬的範圍內不破壞級聯狀的光束模地傳播相同的入射光束、可以高效率地進行放大的雷射裝置。
此外，令向配置在比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端側的雷射活性媒質輸送的激發能量，為向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量的25％至75％。
藉此，可以提供一種出射光束的光束波陣面曲率和光束的直徑的變化更小的雷射裝置，或者，提供一種相對於激發能量的變化、可以在一個寬的範圍內更加不破壞級聯狀的光束模地傳播相同的入射光束、可以高效率地放大的雷射裝置。
此外，令向比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端側配置的雷射活性媒質輸送的激發能量，大致為輸送給配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質的激發能量的二分之一。
藉此，可以提供一種出射光束的光束波陣面曲率和光束的直徑的變化非常小的雷射裝置，或者，提供一種相對於激發能量的變化、可以在一個寬的範圍內基本上不破壞級聯狀的光束模地傳播相同的入射光束、可以高效率地進行放大的雷射裝置。
此外，採用只激發雷射活性媒質的端面的結構，在多個光束腰中，比至少位於一端的光束腰更靠近端側配置的雷射活性媒質，其只有一個端面被激發，配置在前述多個光束腰中的相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質，其兩個端面被激發。
藉此，可以提供一種出射光束的光束波陣面曲率和光束的直徑的變化非常小的裝置，或者，提供一種相對於激發能量的變化、可以在一個很寬的範圍內基本上不破壞級聯狀的光束模地傳播相同的入射光束、可以高效率地放大的雷射裝置。
此外，雷射活性媒質是杆式固體雷射活性媒質。
藉此，可以提供一種出射光束的光束波陣面曲率、光束直徑的變化非常小的雷射裝置，或者，提供一種相對於激發能量的變化，在一個很寬的範圍基本上不使級聯狀光束模破壞的傳播相同的入射光束的效果更大的雷射裝置。
此外，在雷射光軸上配置90度偏振光方向旋轉器。
藉此，可以提供一種縮小因偏振方向不同造成的光束參數的差異、出射光束的光束波陣面曲率及光束直徑變化小的雷射裝置。
此外，對從上述雷射裝置輸出的雷射光束進行波長變換。
藉此，可以提供一種在很寬的激發能量的範圍內，波長變換條件、波長變換雷射光束的光束波陣面曲率、直徑變化小、可進行動作的波長變換雷射裝置。
此外，將從上述雷射裝置輸出的雷射光束導光到光纖中。
藉此，可以獲得即使激發能量變化，也可以從光纖中穩定地提取出輸出雷射光束的雷射裝置。
此外，配置在比位於多個光束腰中至少其中的一個端部的光束腰更靠近端側的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距，是配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距的二倍左右。
藉此，可以提供出射光束的光束波陣面曲率以及光束直徑的變化非常小的雷射裝置，或者，提供相對於激發能量的變化在很寬的範圍內可以基本上不破壞級聯狀的光束模傳播相同的入射光束、並且可以高效率地進行放大的雷射裝置。
此外，將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯地配置在雷射光軸上，在配置前述多個雷射活性媒質的區域內的雷射光束上產生一個光束腰的雷射裝置中，向夾持前述光束腰、配置在一側的雷射活性媒質輸送的激發能量，大致為向配置在另外一側的雷射活性媒質輸送的激發能量的二分之一。
藉此，可以提供一種出射光束的光束波陣面曲率及光束直徑的變化非常小的雷射裝置，或者可以提供一種相對於激發能量的變化，在一個很寬的範圍內可以基本上不破壞級聯狀的光束模、傳播相同的入射光束、能夠高效率地進行放大的雷射裝置。
此外，在全反射鏡和部分反射鏡之間配備有由於激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質的雷射共振器中，在該雷射共振器的內部具有一個光束腰，向配置在該光束腰與前述全反射鏡之間的雷射活性媒質輸送的激發能量，與向配置在前述光束腰和前述部分反射鏡之間的雷射活性媒質輸送的能量基本上相等。
藉此，可以提供不容易引起光學元件的損傷，出射光束的光束波陣面的曲率及光束直徑的變化小的雷射裝置。
此外，在具有把由於激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯地配置在雷射光軸上、以周期的形狀傳播雷射光束的結構的雷射裝置中，從前述周期狀的雷射光束的傳播中被準直的點附近入射或出射雷射光束。
藉此，可以提供一種即使令激發能量發生變化，出射光束的光束波陣面曲率及光束直徑的變化也很小的雷射裝置，或者，可以提供一種相對於激發能量的變化，可以在很寬的範圍內不破壞級聯狀的光束模、傳播相同的入射光束的、可以高效率地進行放大的雷射裝置。
此外，根據本發明的雷射加工裝置，採用上述雷射裝置作為光源。
藉此，即使改變輸出也可以獲得穩定的加工。
進而，根據本發明的雷射裝置的激發方法，在將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯地配置在雷射光軸上、在位於前述多個雷射活性媒質所配置的區域內的雷射光束上產生多個光束腰的雷射裝置中，令向配置在比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端側的雷射活性媒質輸送的激發能量，大致為向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量的二分之一地進行激發。
藉此，可以實現一種出射光束的光束波陣面曲率和光束的直徑的變化非常小的裝置，或者，實現一種相對於激發能量的變化、可以在一個很寬的範圍內基本上不破壞級聯狀的光束模、傳播相同的入射光束、可以高效率地進行放大的雷射裝置。
圖2是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖3是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖4是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖5是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖6是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖7是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置的動作的圖。
圖8是說明相對於根據本發明的實施例1的雷射裝置的偏差、偏移的餘量的圖。
圖9是說明相對於根據本發明的實施例1的雷射裝置的偏差、偏移的餘量的圖。


圖10是根據本發明的實施例1的雷射裝置的主要部分的放大圖。
圖11是說明根據本發明的實施例2的雷射裝置的結構的主要部分的放大圖。
圖12是根據本發明的實施例3的雷射裝置的簡略結構圖。
圖13是說明根據本發明的實施例3的雷射裝置的動作的圖。
圖14是說明根據本發明的實施例3的雷射裝置的動作的圖。
圖15是根據本發明的實施例4的雷射裝置的簡略結構圖。
圖16是根據本發明的實施例5的雷射裝置的簡略結構圖。
圖17是根據本發明的實施例6的雷射裝置的簡略結構圖。
圖18是根據本發明的實施例7的雷射裝置的簡略結構圖。
圖19是根據本發明的實施例8的雷射裝置的簡略結構圖。
圖20是根據本發明的實施例9的雷射裝置的簡略結構圖。
圖21是根據本發明的實施例10的雷射裝置的簡略結構圖。
圖22是根據本發明的實施例11的雷射裝置的簡略結構圖。
圖23是根據本發明的實施例12的雷射裝置的簡略結構圖。
圖24是根據本發明的實施例13的雷射裝置的簡略結構圖。
圖25是根據本發明的實施例14的雷射加工裝置的簡略結構圖。
圖26是現有雷射裝置的簡略結構圖。
圖1是說明根據本發明的實施例1的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是雷射裝置的結構圖。
在圖1中，1a是曲率為平面的全反射鏡，2a是曲率為平面的部分透射鏡，3a、3b、3c、30a是LD(Laser Diode雷射二極體)及燈等的雷射活性媒質激發裝置，4a、4b、4c、40a是材料為NdYAG的杆式固體雷射活性媒質，5a、5b、5c、50a是雷射激發部。兩個激發部5a和5b配置在全反射鏡1a與部分透射鏡2a之間，構成雷射振蕩器。此外，在雷射振蕩器的外部作為放大器進一步配置兩個雷射激發部5c及50a。50a是配置在輸出端的雷射激發部，配備有雷射活性媒質40a和雷射活性媒質激發裝置30a。
這裡，三個雷射激發部5a、5b、5c結構相同，即，雷射活性媒質4a、4b、4c均具有相同的尺寸形狀、Nd原子摻雜濃度等規格相同，雷射活性媒質激發裝置3a、3b、3c具有相同的結構，即激發能量及激發能量密度和激發光在雷射活性媒質中的吸收特性相同。進而，激發配置在雷射激發部50a上的雷射活性媒質40a的全部能量，為配置在雷射激發部5a、5b、5c上的雷射活性媒質4a、4b、4c中的雷射活性媒質中一個的全部激發能量的二分之一，雷射活性媒質40a的被激發的部分的長度是其它的雷射活性媒質4a、4b、4c的二分之一。即，雷射活性媒質40a，其長度為雷射活性媒質4a、4b、4c的二分之一的部分，是用和雷射活性媒質4a、4b、4c相同的激發能量密度激發的。
下面，詳細說明實施例1的雷射裝置的結構。在圖1中，111a是表示全反射鏡1a的端面的光束腰的位置的標號，100a是表示雷射活性媒質4a的被激發部分的中間點的標號，111b是表示位於雷射激發部5a和5b之間的光束腰的位置的標號，111c是表示位於部分透射鏡2a的位置處的光束腰的位置的標號，111d是表示位於雷射激發部5c的光束出射側的光束腰的位置的標號。6a是從位置111a到位置100a的光學系統，6b是從位置100a到位置111b的光學系統。由於光學系統6a、6b包含雷射活性媒質4a的被激發部分的二分之一，所以，對於雷射光束光軸上的光學特性，包含由雷射活性媒質4a被激發、發熱產生的熱透鏡的二分之一。即，光學系統6a、6b分別包含其熱透鏡焦距是雷射活性媒質4a的熱透鏡焦距的二倍的熱透鏡。此外，當只考慮對模的形狀造成大的影響電動熱透鏡及光學距離的特性時，三個雷射激發部5a、5b、5c的結構為，以6a和6b的光學系統，從位置111a到位置111c，沿光軸按照6a、6b，6a、6b，6a、6b的順序重複三次的方式構成。在本實施例中，作為構成上述這種級聯式的雷射裝置的方法，將各雷射激發部5a、5b、5c以雷射活性媒質4a、4b、4c的中心之間的距離相等的方式配置，向雷射激發部5a、5b、5c供應相同的電能，使激發雷射活性媒質產生的熱透鏡相等。
由於雷射激發部50a，其激發能量是雷射激發部5a、5b、5c中的一個的激發能量的二分之一，雷射活性媒質40a的倍激發部分的長度是其它雷射活性媒質4a、4b、4c的二分之一，所以，在雷射活性媒質40a被激發的狀態下，從位置111d到雷射活性媒質40a的出射端100的光學系統的雷射光束光軸上的光學特性，與光學系統6a是等價的。即，位於光束腰中第一端的光束腰111d的端側的雷射活性媒質40a的激發能量，是位於相鄰的光束腰111c與111d之間的雷射活性媒質4c、以及位於其它的相鄰的光束腰之間的雷射活性媒質4a、4b的激發能量的一半，所生成的熱透鏡的焦距成為二倍。
根據上面所述的總體結構，光學系統按照6a、6b，6a、6b，6a、6b、6a的配置方式構成。在這樣構成的雷射裝置中，在用全反射鏡1a，部分透射鏡2a，雷射激發部5a、5b構成的雷射振蕩器中所產生的雷射光束7的一部分，通過部分透射鏡2a被提取出來，通過由雷射激發部5c、50a構成的雷射放大器被放大，作為雷射光束70被提取出來。
下面，詳細說明根據本實施例的雷射裝置的動作。圖2是表示圖1的位置100a處的固有模的光束的直徑的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。圖3是表示圖1的位置100a處的固有模的光束的波陣面的曲率的倒數的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。圖4是表示在圖1的雷射活性媒質4a的端部120a處的固有模的光束的直徑的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。圖5是表示在圖1的雷射活性媒質4a的端部120a處的固有模的光束的波陣面曲率的倒數的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。圖6是在光束腰的位置111a處的固有模的光束的直徑的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。圖7是在光束腰的位置111a處的固有模的光束的波陣面曲率的倒數的計算值，與和激發能量成正比的熱透鏡的焦距的倒數之間的關係。在圖2～圖7中，虛線表示沿周向方向的偏振光成分(φ方向)，實線表示徑向方向的偏振光成分(r方向)。這裡，實際的雷射光束的光束直徑對位置的依賴性，與光學系統的固有模光束直徑對位置的依賴性近似地相同，實際的雷射光束的波陣面的曲率，近似地等於光學系統的固有模光束波陣面曲率。此外，在圖3、圖7中，表示周向方向的偏振光成分(φ方向)的特性的虛線與表示徑向方向的偏振光成分(r方向)的特性的實線一致。
下面，說明用於圖2～圖7的計算參數。作為雷射活性媒質，假定其材料為長度80mm的NdYAG杆，杆的長度為80mm。此外，被激發部分是杆的長度80mm中的中心40mm的部分。被激發部分的杆的截面內的折射率的分布，根據W.Koechner Solid-state LaserEngineering 5th edition，p.408-419，如公式n(r)＝n0-n2/2×r2所示，近似地以相對於從中心起的距離r的平方的方式變化，其中，n0＝1.82，n2對於周向方向的偏振光成分(φ方向)和徑向方向的偏振光成分(r方向)不同，以保持n2r＝n2φ×1.2不動地依賴激發能量密度進行變化，n2大致與激發能量成正比。因此，n2的φ方向n2＝0～0.8×10-4，(在圖2～圖7中，相當於在橫軸的左端n2＝0，右端n2＝0.8×10-4)，在r方向n2＝0～0.96×10-4(在圖2～圖7中，相當於在橫軸的左端n2＝0，右端n2＝0.96×10-4)。此外，共振器的結構，相對於杆的中心是對稱的，其中所作的計算是對於從杆的端部到鏡的端部為400mm(從120a至111a)的結構進行的。此外，n2與激發能量密度之間的比例係數，可以令探測光通過雷射活性媒質的內部，利用測定熱透鏡焦距等實驗正確地進行測量。n2與激發能量之間的光學，隨激發部的結構給激發光的吸收率而變，在其結構為從側面用LD激發直徑為幾個mm，激發部分的長度為幾十mm的NdYAG杆的情況下，變為n2＝1.0×10-4左右，激發LD的光的平均功率為幾百W至幾kW左右。
通過比較圖2、圖4、圖6，在對應於圖2、圖4的雷射活性媒質的激發區域中間的位置100a與雷射活性媒質端部的位置120a處，可以看出，相對於激發能量，光束的直徑變化小。另一方面，通過比較圖3、圖5、圖7可以看出，在對應於圖3、圖7的位置100a與位置111a處，雷射光束波陣面曲率依賴於激發能量的激發變化很小。如上所述，由圖2～圖7可以看出，在雷射活性媒質的被激發區域中間的位置100a處，雷射光束波陣面曲率和光束直徑的變化小。在圖2中用A表示的激發能量的整個區域內基本上滿足這些條件。
在如圖1所示結構的雷射裝置中，光學系統6a、6b，重複地配置6a、6b，6a、6b，6a、6b、6a，所以，圖2～圖7所說明的雷射光束的光束直徑、光束波陣面曲率的變化的狀態也隨著這些光學系統的配置進行重複。這樣，雷射光束的輸出位置100，對於雷射光束的光束直徑、光束波陣面曲率的變化而言，變成與位置100a等價的，可以提供一種在裝置的可基本上穩定動作的區域內，所輸出的與激發能量有依賴關係的光束的波陣面曲率和光束的直徑變化都比較小的雷射裝置。
即，在將曲率為平面的鏡以從NdYAG杆的兩個端面起等距離配置的結構等價地結合、構成的周期性的結構的光束模中，在對應於平面鏡的位置和NdYAG杆的中間點的兩個點，光束曲率總是平面。對應於平面鏡的位置，隨著離開透鏡，光束直徑變小，可以說是聚焦點，相對於與激發強度依賴性大、光束直徑變化大的位置而言、對應於NdYAG杆的中間點的位置，是從透鏡的出射點，光束直徑大，可以說是準直點，光束直徑隨激發強度的變化小。通過從在這種周期性的光束中的被準直的點處提取光束，可以獲得依賴於激發強度的變化小的輸出結構光束。
與此相對，在圖26中所說明的現有技術的雷射裝置中，由於把位置111a和120a，或者，相當於它們中間的位置作為光束輸出位置，所以，被輸出的光束，當使激發能量、即雷射的輸出變化時，其光束直徑，或者光束波陣面其中之一，或者它們兩者，如圖4、圖5或圖6、圖7所示，發生大的變化。
上面對利用圖2～圖7所示的計算進行的設計，構成理想的雷射裝置，各個雷射激發部的激發能量和各個雷射活性媒質的熱透鏡焦距的偏差不成為問題的情況進行了說明，下面，在配置在雷射激發部50a內的雷射活性媒質40a的激發能量偏離其它雷射活性媒質4a、4b、4c的激發能量的二分之一時的情況下、即，在雷射活性媒質40a的熱透鏡的焦距偏離雷射活性媒質4a、4b、4c的熱透鏡的焦距的二倍時，對本發明所起的作用進行說明。
圖8是表示令雷射激發部5a、5b、5c、50a的被激發部分的激發能量密度全部為圖2～圖7所示的橫軸的左端(n2r＝0.96×10-4，n2φ＝0.8×10-4)的值一定，使雷射激發部50a的被激髮長度從圖1的雷射激發部5a、5b、5c的被激發部分的0％至100％的範圍內變化，繪製在出射端100的位置處的光束波陣面曲率的倒數的曲線。即，所述曲線對應於雷射激發部50a處的雷射活性媒質40a的全部激發能量相對於在雷射激發部5a處的雷射活性媒質4a的全部激發能量的比例，在0％至100％的範圍內變化時的情況。圖中的φ、r分別意味著對周向方向、矢徑方向的偏振光成分的計算值。以圖8的縱軸作為絕對值，用100％的值規格化時，變成圖9的形式。
由圖9可以看出，光束波陣面曲率的變化與偏振方向無關，在恰好50％時，即，在圖3中所說明的情況下，光束波陣面曲率的變化被抑制到最小，從50％起，越靠近0％或者從50％起越靠近100％，其變化越大。由圖9可以看出，本發明的效果，當最終級的雷射激發能量與前級的1/2相一致、且激發密度在全部雷射活性媒質的被激發部分的光束光軸上一定的情況下，發揮最大的效果，但只要雷射激發部50a的激發能量小於雷射激發部5a、5b、5c的激發能量的話，本發明就具有一定的效果，與圖26所示的現有的雷射裝置，即，與圖9中的0％和100％時的情況相比，可以縮小光束波陣面的曲率的變化。特別是，在將激發能量設定成如圖1所示的雷射激發部5a、5b、5c的25％至75％的情況下，可以從圖9的計算例看出，光束波陣面的曲率的變化大約可以降低一半。更優選地，當設定未在40％至60％時，將光束波陣面曲率的變化抑制在大致20％以下。
這裡，參照作為放大地表示雷射激發部5c和50a的雷射活性媒質4c以及40a的圖示的圖10，對提取光束的部分的裝置的結構、光束直徑的變化，進行進一步的說明。在圖10中，雷射活性媒質4c從位置130a到位置130b之間，即，用B表示的區域被激發，在該區域生成熱透鏡。同樣，雷射活性媒質40a在位置130c至位置100之間，即以C表示的區域被激發。圖10所示的雷射裝置內的雷射光束直徑和光束波陣面曲率，在位置100c處，如圖2和圖3所示的那樣進行變化，在位置130a、130b、130c處，如圖4和圖5所示的那樣進行變化，在位置111d處，如圖6及圖7所示的那樣進行變化，在作為雷射活性媒質40b的激發部的端部位置的100處，再次如圖2及圖3所示的那樣進行變化。即，位置100成為光束直徑及光束波陣面曲率相對於激發能量都幾乎不發生變化的位置。此外，在圖10中，示意地表示雷射軸上的雷射光束7的光束直徑的變化，但在不激發的部分，光學特性不依賴於激發能量進行變化。因此，不言而喻，在作為不被激發、即不生成熱透鏡的雷射活性媒質中很少傳播的雷射活性媒質端的位置101處，和作為激發端部的位置100一樣，光束直徑、光束波陣面曲率依賴於激發能量的變化很小。
此外，在圖1所示的實施例中，對在雷射振蕩器中沒有描述模選擇孔徑、杆狀雷射活性媒質的截面起著振蕩器的模選擇孔徑作用的情況進行了說明，但是，不言而喻，在振蕩器內配置模選擇孔徑的情況下，或者在雷射活性媒質的增益分布決定橫模的情況下，本發明同樣可以發揮取出不依賴於激發強度的光束直徑大的準直光束的效果。進而，不言而喻，在靠近杆狀雷射活性媒質的位置處配置模選擇孔徑的情況下，也可以發揮本發明的抑制光束直徑依賴於激發強度而變化的效果。
此外，在圖1所示的實施例中，表示出在雷射振蕩器內配置兩個雷射激發部、在雷射放大器內利用兩個雷射激發部的情況，但也可以根據需要，改變構成振蕩器和放大器的激發部分的個數。此外，在圖1中所表示的是將雷射激發部製成從垂直於光軸的側面激發全部雷射活性媒質的側面激髮型的結構，但也可以採用端面激發等任意的激發方法。此外，雷射活性媒質並不局限於NdYAG，也可以採用NdYLF，NdYVO4，YbYAG等其它固體雷射活性媒質。
此外，在圖1所示的實施例中，作為雷射活性媒質，採用杆狀固體雷射活性媒質，杆狀固體雷射活性媒質沿光軸方向被激發的區域長，容易並列配置，所以更容易發揮本發明的效果。但是對於除此之外的板、盤等其它形狀的固體雷射活性媒質，由於激發能量的變化會造成熱透鏡的變化，所以，如果採用本發明的話，可以發揮作用。此外，也可以用於依賴於激發能量折射率或折射率分布變化的除固體雷射活性媒質之外的氣體、液體等雷射活性媒質。此外，不僅是連續振蕩的雷射裝置，對於Q脈衝及鎖模等脈衝雷射裝置，也可以採用同樣的結構，也可以採用模擬連續激發等激發方法。這在下面的各實施例中，如果沒有特別進行說明的話，情況與此相同。
實施例2.
圖11是用於說明根據本發明的實施例2的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射激發部的簡圖。即，在用LD(Laser Diode，即，半導體雷射器)作為激發源時的、實施例1中的雷射激發部5c、50a的結構例。在圖11中，在雷射活性媒質的光軸方向的區域中，僅有用區域D1、D2、E表示的部分被激發，被激發的區域D被分割成D1、D2兩個部分。130a是雷射活性媒質4c的被激發部分的端部的位置，102是雷射活性媒質40a的被激發部分的端部的位置。此外，100d是雷射活性媒質40a的端部的位置。
在圖11所示的實施例中，雷射活性媒質4c的被激發部分分離成D1和D2兩個部分。在這種情況下，令雷射活性媒質40a的全部激發能量為雷射活性媒質4c的激發能量的大致的1/2，從位置100c到位置111d之間的光學系統與從位置111d到位置100d之間的光學系統，相對於位置111d對稱地配置，藉此，令提取光束的位置與圖10的位置100一樣，可以選擇光束直徑、光束波陣面曲率均變化小的位置。
此外，在圖10、圖11中，所表示的是，配置在端部的雷射活性媒質是一個，激發能量是其它的雷射活性媒質的1/2左右，被激發區域為一個部位的情況，但是，比光束腰111d更靠近端部側配置在雷射活性媒質也可以是多個，也可以將一個雷射活性媒質分割成多個被激發區域進行激發。在這種情況下。比光束腰111d更靠近端部配置的雷射活性媒質的激發能量總計可以是雷射活性媒質4c、即位於相鄰的光束腰之間的雷射活性媒質的激發能量的1/2左右。
此外，在實施例1和2中，對於雷射活性媒質40a，被激發的部分的長度是雷射活性媒質4a、4b、4c的二分之一，以和雷射活性媒質4a、4b、4c相同的單位長度的激發能量密度進行激發，但即使令雷射活性媒質40a的長度和雷射活性媒質4a的長度相同，用和雷射活性媒質4a的一半的激發能量密度進行激發的話，也可以發揮和實施例1及2同樣的效果。即，如果使提取雷射光束70的部分的雷射激發部的雷射激發能量大致為其它的雷射激發部、即位於相鄰的光束腰之間的雷射激發部的雷射激發能量的大致一半的話，可以發揮和實施例1及2相同的效果。
此外，在採用其它的激發方法、另外的形狀的雷射活性媒質的情況下，如果對應於實施例1的40a的雷射活性媒質的雷射光束通過部分的熱透鏡，是對應於實施例1的4a、4b、4c的雷射活性媒質的雷射光束通過部分的熱透鏡的大致一半、即，熱透鏡的焦距大致為二倍的話，可以發揮和實施例1相同的效果。
此外，在實施例2中，對如果提取雷射光束70的部分的雷射激發部的雷射激發能量是其它雷射激發部、即位於相鄰的光束腰之間的雷射激發部的雷射激發能量的大致一半的話，可以獲得出射的光束70的光束波陣面曲率、光束直徑的變化非常小的雷射裝置的情況進行了說明，但如實施例1中所說明的那樣，並不局限於大致一半，只要提取光束70的部分的雷射激發部的雷射激發能量小於其它的雷射激發部的雷射激發能量(例如，25％至75％，優選地，40％至60％)，即使使激發能量變化，也可以獲得出射光束的光束波陣面曲率、光束直徑下變化小的雷射裝置。這在下面的各個實施例中，只要沒有特別說明，情況也是如此。
實施例3.
圖12是用於說明根據本發明的實施例3的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是雷射裝置的結構圖。在圖12中，25是對45度入射的紅外光束具有高發射率的雷射光束折回境，26是功率計，27是可以監測直到雷射光束的波陣面曲率成為無限大的位置的距離及在該位置處的光束直徑的、市售的光束監測器。
下面，對利用具有圖12所示的結構的側面LD激髮型的NdYAG杆狀雷射的雷射裝置進行的證實本發明的試驗進行說明。雷射激發部5a、5b是，16個作為雷射活性媒質激發裝置的LD(Laser Diode)3a、3b，以材料為NdYAG的杆狀固體雷射活性媒質4a、4b(杆狀固體雷射活性媒質4a、4b，其激發部分的長度為72mm，φ4×105mm)為旋轉對稱軸四個四次對稱地沿光軸方向成四列排列地配置。雷射激發部5a、5b，其杆狀固體雷射活性媒質4a、4b端面之間120b與120c之間的光學距離為800mm，杆狀固體雷射活性媒質4a的端面120a與全反射鏡(曲率為平面)1a之間的光學距離，以及杆狀固體雷射活性媒質4b的端部120d與部分透射鏡(曲率為平面)2a之間的光學距離為400mm，以級聯式結構進行配置，構成雷射振蕩器。
雷射激發部50a是，八個作為雷射活性媒質激發裝置的LD30a，以材料為NdYAG的杆狀固體雷射活性媒質40a(杆狀固體雷射活性媒質40a，其激發部分的長度為36mm，φ4×70mm)為旋轉對稱軸四個四次對稱地沿光軸方向成二列排列地配置。雷射激發部50a是，以從部分透射鏡2a在雷射激發部5b側的端面到杆狀固體雷射活性媒質40a的部分透射鏡2a側的端面120e的光學距離為400mm的方式配置在雷射振蕩器外的光路上，構成雷射放大器。
在這種結構中，通過雷射激發部50a被放大的雷射光束70，其大部分被折回鏡25折回，入射到功率計26上。此外，通過用光束監測裝置27監測未被折回鏡25折回的洩漏的光，可以計量輸出的光束70的波陣面曲率成為無限大的位置，波陣面成為無限大的位置處的光束直徑，以及光束的品質。雷射激發部5a和5b的激發電流值，可以通過另外分別測量NdYAG杆狀固體雷射活性媒質4a與4b的熱透鏡，設定成使各雷射激發部5a和5b的熱透鏡的焦距相等的電流值。此外，雷射激發部50a的LD30a的激發電流值，可以通過另外測量NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的熱透鏡，以使得NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的被激發部分的n2的值(折射率n(r)＝n0-n2×r2/2)等於雷射激發部5a和5b的NdYAG杆被激發部的熱透鏡的值的方式設定該電流值。此外，各個NdYAG杆狀固體雷射活性媒質4a、4b、40a的熱透鏡的焦距的測量，可以通過令準直的He-Ne雷射通過各個NdYAG杆狀固體雷射活性媒質4a、4b、40a的中心部φ1.5mm的部分，測量改變激發LD的電流值時的熱透鏡焦距來決定。
在圖13中，黑色圓圈表示如圖12所示，在配置雷射激發部50a的情況下，對在雷射激發部5b的各種激發強度下輸出的光束70的波陣面曲率成為無限大的位置(用從光束監測裝置27到波陣面曲率變為無限大的位置的距離表示)進行實際測量的結果，空白圓圈表示在不配置雷射激發部50a的情況下，在雷射激發部5b的各個激發強度輸出的光束70的波陣面曲率成為無限大的位置的實際測量結果。圖14分別表示，在配置(圖中的黑色圓圈)和不配置(圖中的空白圓圈)雷射激發部50a時，實際測量的在雷射激發部5b的各個激發強度時波陣面曲率成為無限大時的位置處的光束直徑。圖13和圖14的橫軸(激發強度)用雷射激發部5b的電流值表示。
這裡，在配置雷射激發部50a的情況下，成為波陣面曲率無限大的位置，基本上成為雷射激發部50a的固體雷射活性媒質40a的雷射出射端，該位置成為雷射光束被準直的位置。此外，如圖13的黑色圓圈所示，該位置依賴於激發強度的變化基本上在±4％以下，基本上是一定的。進而，如圖14的黑色圓圈所示，在該位置處的光束直徑值的變化在2.0％以下。
另一方面，在沒有配置雷射激發部50a的情況下，可以看出波陣面成為無限大的位置基本上是部分透射鏡2a的位置，相對於光束腰的位置。如圖13的空心圓圈所示，該位置的變動少，如圖14的空心圓圈所示，該位置的光束直徑，在電流值17A時為3.3mm，在22A時為2.6mm，變化為21％以上。這樣，可以證明，配置雷射激發部50a的情況與不配置雷射激發部50a的情況相比，可以獲得光束直徑非常小的裝置。
此外，通過令雷射激發部50a的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的被激發部分的長度與雷射激發部5a、5b的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質4a、4b的被激發部分的長度相等，也可以發揮與本實施形式近似的效果，但這時，用於雷射激發部50a的激發LD30a的LD驅動電流值，必須比用於雷射激發部5a、5b的激發LD3a、3b的驅動電流值小，不能將多個雷射激發部直接連接到一臺電源上，或者，造成必須使用複雜的電流調整設備等不方便之處。
此外，在雷射激發部50a的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的長度長的情況下，為了提取準直的光束，與雷射激發部5a、5b相比，有必要使NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的n2小。因此，造成在雷射激發部50a的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的出射側與杆的外徑衝突，產生不能高效率的運轉的問題。
下面詳細說明上面所述的內容。在忽略微小的修正的情況下，將雷射活性媒質中的被激發部分的激發強度分布與通過雷射活性媒質的光束強度分布之積，對雷射活性媒質中的被激發部分相加變成最大時，從雷射活性媒質中提取出來的能量成為最大。
在本發明中所述的級聯式雷射裝置中，在大多數情況下，為了使能量的提取變得最大，在多個雷射激發部的雷射活性媒質的被激發變大，在不超出垂直於雷射活性媒質的光軸的方向上的有效直徑的範圍內，構成傳播光束的直徑儘可能大的裝置。
在這種裝置中，在雷射激發部50a的n2小於雷射激發部5a、5b的n2的情況下，在雷射活性媒質50a內傳播的光束的直徑變得大於雷射激發部5a、5b內的光束直徑，超過雷射活性媒質的有效直徑，造成與杆的外徑衝突，引起不能進行高效率的運轉的問題。
另一方面，在雷射激發部50a的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的被激發部分的長度比雷射激發部5a、5b的NdYAG杆狀固體雷射活性媒質4a、4b的被激發部分的長度的一半短時，NdYAG杆狀固體雷射活性媒質40a的n2必須很大，為了提取出準直的光束，出射側的光束直徑變小。從而，不能從NdYAG杆狀固體雷射活性媒質內的被激發的部分提取出足夠的能量，不能高效率地動作。
下面對上述內容進行更詳細的說明。忽略衍射等微小的修正，將雷射活性媒質中的被激發部分的激發強度分布與通過雷射活性媒質的光束強度分布之積相對於全部被激發部分相加成為最大的情況下，從雷射活性媒質中的能量提取量成為最大。
在這種裝置中，當雷射激發部50a內的光束直徑與雷射激發部5a、5b內的光束直徑相比小時，在雷射激發部50a的雷射活性媒質的被激發部分內，會產生雷射光束的強度顯著降低的部分，雷射活性媒質中的被激發部分的激發強度分布與通過雷射活性媒質的光束強度分布之積相對於全部被激發部分相加變小，所以，能量提取效率降低，不能高效率地動作。
從而，當令雷射激發部50a的被激發部分的長度為雷射激發部5a、5b的被激發部分的長度的一半時，可以更大地發揮本發明的效果。
實施例4.
圖15是用於說明根據本發明的實施例4的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示構成雷射裝置的圖示。在本實施例中，對使用具有曲率的鏡和透鏡構成雷射裝置的情況進行說明。在圖15中，1b是具有曲率的全反射鏡，2b是具有曲率的部分透射鏡，5a、5b、5c是和圖1中所示的雷射激發部5a、5b、5c同樣的雷射激發部。8a、8b是凹透鏡。雷射激發部50a的雷射活性媒質40a的激發能量是雷射活性媒質4a、4b、4c的一半，其激發部分的長度也是後者的一半。此外，111a是表示鏡1b的端面上的位置的標號，100a是表示雷射活性媒質4a的中間位置的標號，111b是表示透鏡內的光束波陣面曲率符號變化的位置的標號。
在圖15中，以使得從位置111a到111b之間的光束模的形狀在從位置111a至111d之間重複的方式，選擇鏡1b、2b和透鏡8a、8b的曲率或焦距進行配置。具體地說，部分透射鏡2b，振蕩器內側的鏡的曲率與全反射鏡1b相同，在放大器側也設置曲率，使透射的、從振蕩器輸出的光束與反射的振蕩器內的雷射光束，具有相同的光束波陣面曲率，向兩個方向傳播。
這樣，在雷射活性媒質與雷射活性媒質之間配置具有曲率的鏡和透鏡，也可以使雷射活性媒質中的雷射光束的光束直徑和光束波陣面曲率的變化與圖1所示的情況一樣。從而，和圖1所示的實施例一樣，可以構成出射光束波陣面曲率、光束直徑對激發能量依賴性小的雷射裝置。
此外，在圖15中，表示了全反射鏡和部分透射鏡1b、2b的鏡的曲率為凸的時的情況，但當全反射鏡和部分透射鏡1b、2b的鏡的曲率是凹的時，情況也一樣。此外，在圖15所示的結構中，有的情況下不產生圖1所示的激發部之間光束腰，但在這種情況下，光束波陣面曲率的符號依賴於光軸方向的位置變化的位置對應於圖1的光束腰，生成在雷射激發部之間。即，該位置成為與光束腰等同的位置。
實施例5.
圖16是用於說明根據本發明的實施例5的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在圖16中，9是光纖雷射和固體雷射等雷射光束髮生裝置，7a是從雷射光束髮生裝置9產生的雷射光束，71是從雷射裝置提取出來的雷射光束，8c、8d是將從雷射光束髮生裝置9產生的雷射光束7a導入到雷射激發部50a、5a、5b、5c構成的雷射放大器用的透鏡。
此外，在圖16中，111a是表示雷射激發部50a與5a之間的光束腰位置的標號，100a是表示雷射活性媒質4a的被激發區域的中間點的標號，111b是表示雷射激發部5a與5b之間的光束腰的位置的標號。此外，6a是表示位置111a與100a之間的光學系統的標號，6b是表示位置100a與111b之間的光學系統的標號。雷射激發部5a、5b、5c是重複相同的光學系統傳播的級聯式結構，即，以光學系統6a與6b的組合作為單位結構製成三個周期的6a、6b，6a、6b，6a、6b的周期性結構的方式配置光學部件。
此外，雷射激發部50a作為其光學特性，以光學系統6b的位置100a重疊在位置100上的形式，將光學系統6b配置在位置100與111a之間，即，當描述包括用雷射激發部50a構成的放大器的總體結構時，成為6b、6a，6b、6a，6b、6a、6b這樣的結構。為了實現這種結構，與實施例1、即與圖1所示的配置在輸出端的雷射激發部50a的雷射活性媒質40a一樣，配置在輸入端的雷射激發部50a的雷射活性媒質40a與其它的雷射活性媒質4a、4b、4c相比，被激發能量為二分之一，熱透鏡的焦距為二倍，雷射活性媒質40a的被激發部分的長度為其它雷射活性媒質4a、4b、4c的二分之一。
在這樣構成的雷射放大器中，由於雷射光束入射的位置100，與使激發能量變化時，光束直徑、光束波陣面曲率的變化小的100a等價，所以，相對於雷射活性媒質激發能量的變化。在很寬的範圍內，可以在不破壞級聯狀的光束模的情況下傳播同樣的入射光束。因此，被放大的光束模與被激發區域重合的部分的體積大，可以高效率地進行放大。此外，由於相對於激發能量的變化，可以在很寬的範圍內使用同樣的入射光束，從而簡化放大器的設計。
即，在將曲率為平面的鏡從杆狀雷射活性媒質的兩個端面等距離的配置的結構等價地結合的周期性結構的光束模中，對應於平面鏡的位置和杆狀雷射活性媒質的中間點的兩個點，光束曲率總是平面。對應於平面鏡的位置離開透鏡時光束直徑小，可以說是聚焦點，與依賴於激發強度光束直徑有大變化的情況相對地，對應於杆狀雷射活性媒質的中間點的位置，對應於透鏡的出射點，光束直徑大，可以說是準直點，依賴於激發強度的光束直徑的變化小。在這一點上，就是說，在周期性的光束傳播中從被準直的點入射光束的情況下，可以不依賴於激發強度，使入射光束與級聯結構內傳播的模相一致，獲得不依賴於激發強度、以很高的效率穩定地在放大器內的傳播。
此外，在本實施例5中，放大器的輸出側與現有技術的結構裝置相同，表示出了從相當於111b的位置輸出的情況，但是，不言而喻，當和實施例1所示的情況一樣，在輸出端也配置激發能量為一半的結構激發部時，可以進一步縮小輸出光束的直徑和光束波陣面曲率對應於激發能量的變化。此外，在本實施例中，對於雷射放大器，採用四個雷射激發部進行四級放大結構，但也可以根據需要改變放大器的激發部分的個數，也可以採用實施例4所示的具有曲率的鏡和透鏡構成的雷射裝置。
實施例6.
圖17是用於說明根據本發明的實施例6的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在圖17中，在全反射鏡1a與部分透射鏡2a之間配置雷射激發部5a構成雷射振蕩器。7是雷射振蕩器內產生的雷射光束，7a是從雷射振蕩器提取出來的雷射光束，入射到用雷射激發部50a構成的雷射放大器內。用上述雷射振蕩器和雷射放大器構成雷射裝置L1。雷射裝置L1輸出的雷射光束70，通過光學元件8e、8f入射到由雷射激發部50b、5b、5c構成的雷射放大器、即雷射裝置L2。這裡，在L1、L2中，雷射激發部50a的激發能量為雷射激發部5a的激發能量的二分之一，雷射活性媒質40a的熱透鏡激發焦距是雷射活性媒質4a的二倍，此外，雷射激發部50b的雷射活性媒質的激發能量，是雷射激發部5b、5c的激發能量的二分之一，雷射激發部50b的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距是雷射激發部5b、5c的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距的二倍。即，雷射激發部5a和50a構成的雷射裝置L1，雷射激發部50b和雷射激發部5b、5c構成的雷射裝置L2，各自分別與圖1及圖16的雷射裝置的端部具有相同的結構。此外，在圖17中，111a、111b、111c、111d分別是表示光束腰位置的標號，100a是表示雷射活性媒質4a的激發部分中間位置的標號，100、100b分別是表示雷射激發部50a、50b的被激發部分的端部的位置的標號。
下面，對圖17所示的雷射裝置的動作進行說明。從利用全反射鏡1a、部分透射鏡2a，雷射激發部5a構成的雷射振蕩器提取出來的雷射光束7a，在通過用雷射激發部50a構成的雷射放大器時被放大，變成雷射光束70被輸出。圖17的100所示的位置，和圖1的100一樣，成為在激發能量變化時，光束直徑、光束波陣面曲率的變化小的位置。從而，輸出的雷射光束70和圖1中的輸出雷射光束70一樣，相對於雷射裝置L1中的激發能量的變化，光束直徑、光束波陣面曲率的變化小。輸出的光束70，成為經由光學元件8e、8f入射到下一個放大級的光束70a。由於該入射光束70a在雷射裝置L1中相對於激發能量的變化其光束直徑、光束波陣面的曲率變化也小，所以，成為光束直徑、光束波陣面曲率變化小的入射光束。
後面的雷射裝置L2與圖16相比，放大級少一級，其它結構相同。即，雷射裝置L2由雷射激發部50b、5b、5c構成，雷射光束的入射位置100b與圖16的入射位置100b一樣，由於即使使激發能量變化，通過選擇入射位置可以將相同光束直徑、光束波陣面曲率的被放大的入射光束調整成級聯型結構進行傳播，所以，在雷射裝置L2很寬的激發能量範圍內，可以將相同光束直徑、光束波陣面曲率的入射光束進行導光，將其放大。此外，即使獨立地使激發能量變化，在很寬的激發能量區域內，也可以將雷射裝置L1和雷射裝置L2穩定地結合。此外，在L1的雷射活性媒質和雷射活性媒質激發裝置與L2的雷射活性媒質和雷射活性媒質的激發裝置具有不同的結構的情況下，在L1和L2的各個的動作區域內，能夠使它們結合動作。
實施例7.
圖18是用於說明根據本發明的實施例7的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在圖18中，8g、8h是透鏡，16是光纖。在全反射鏡1a和部分透射鏡2a之間配置雷射激發部5a、5b、5c，構成雷射振蕩器。7是雷射振蕩器中產生的雷射光束，它的一部分被通過圖示反射鏡2a提取出來，入射到用雷射激發部50a構成的雷射放大器內。上述雷射振蕩器和雷射放大器構成雷射裝置L1。雷射裝置L1輸出的雷射光束70，依次通過透鏡8g、光纖16、以及透鏡8h，入射到由雷射激發部50b、5d、5e、5f構成的雷射放大器，即，入射到雷射裝置L2。這裡，在L1、L2中，雷射激發部50a的激發能量是雷射激發部5a、5b、5c的激發能量的二分之一，雷射激發部50a的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距是雷射激發部5a、5b、5c的雷射活性媒質的二倍，此外，雷射激發部50b的雷射活性媒質的激發能量是雷射激發部5d、5e、5f的激發能量的二分之一，雷射激發部50b的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距是雷射激發部5d、5e、5c的雷射活性媒質的熱透鏡焦距的二倍。即，雷射激發部5a、5b、5c和50a構成的雷射裝置L1，雷射激發部50b和雷射激發部5d、5e、5f構成的雷射裝置L2，改變各自與圖1及圖16的雷射裝置端部具有等同的結構。在實施例6中，雷射裝置L1的輸出雷射光束70通過光學元件8e、8f入射到雷射裝置L2，但在本實施例中與之不同，雷射裝置L1的輸出光束70依次通過透鏡8g、光纖16、和透鏡8h，入射到雷射裝置L2。
下面對圖18所示的雷射裝置的動作進行說明。當由全反射鏡1a、部分透射鏡2a，雷射激發部5a、5b、5c構成的雷射振蕩器中產生的雷射光束7通過由雷射激發部50a構成的雷射放大器時，被放大，成為雷射光束70。圖18中用100表示的位置，和圖1中的100一樣，成為激發能量變化時，光束直徑、光束波陣面的曲率變化小的位置。從而，輸出的雷射光束70，與圖1中輸出的雷射光束70一樣，相對於雷射裝置L1中激發能量的變化、光束直徑、光束波陣面曲率的變化小。輸出光束70被透鏡8g聚光後入射到光纖16。由光纖16提取出來的雷射光束70a，為了利用透鏡8h與雷射激發部50b結合，改變光束曲率、光束直徑，成為入射到下一個放大級的光束70a。由於該入射光束70a相對於雷射裝置L1處的激發能量的變化，光束直徑、光束波陣面曲率的變化小，所以，成為相對於激發能量的變化光束直徑、光束波陣面曲率的變化小的入射雷射光束。入射光束70a入射到由雷射激發部50b和雷射激發部5d、5e、5f構成的雷射放大器(雷射裝置L2)並被放大，作為出射光束71被提取出來。
它後面的雷射裝置L2與圖16具有構成的同樣的結構。即，雷射裝置L2由雷射激發部50b、5d、5e、5f構成，雷射光束的入射位置100b與圖16的入射位置100b一樣，通過選擇入射位置，使得即使令激發能量變化，也可以把相同光束直徑、光束波陣面曲率的被放大的入射光束調整成級聯式結構進行傳播，所以，能夠在雷射裝置L2的很寬的激發能量範圍內，將相同光束直徑及相同光束波陣面曲率的入射光束進行導光，將其放大。
此外，即使獨立地使激發能量變化，也可以將雷射裝置L1和雷射裝置L2在很寬的激發能量的區域內穩定地結合。此外，在L1的雷射活性媒質和雷射活性媒質的激發裝置與L2的雷射活性媒質及雷射活性媒質激發裝置的結構不同的情況下，也可以在L1、L2的各自的動作區域內，使之結合動作。此外，可以避免由於在光纖16端面上過度聚焦造成的損傷。此外，在圖18中，光纖16出射側的光學系統，全部用放大器構成，通過在雷射激發部50b、5d、5e、5f其中的一個的後面配置部分透射鏡，可以構成包括光纖16的雷射振蕩器。此外，通過使出射側最終端的雷射激發部5e與激發部50a、50b相同，可以製成出射光束曲率、直徑變化小的結構。
實施例8.
圖19是用於說明根據本發明的實施例8的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在該實施例8中，雷射激發部50c、50d、50e、50f、50a全部具有和圖1的50a相同的結構。同時，在全反射鏡1a、部分透射鏡2a之間配置雷射激發部50c和50d兩者，構成雷射振蕩器M1。這裡，在雷射激發部50c與50d之間，不存在波陣面曲率的符號變化位置、光束腰。此外，當令全反射鏡1a端面上的光束腰的位置為111a，部分透射鏡2a的端面的光束腰的位置為111b，令光束腰111a與111d中間的位置為100a，沿雷射光束的光軸、在位置111a與100a之間的光學系統為6a，位置100a與111b之間的光學系統為6b時，光學系統6a和6b相對於位置100a對稱地構成。此外，在雷射振蕩器M1的後級，配置雷射激發部50e和50f作為雷射放大器M2，進而，在其後級，配置雷射激發部50a，作為雷射放大器M3，作為整個光學系統，成為沿雷射光束的光軸重複6a、6b、6a、6b、6a的結構。
在圖19中，位置100a為與圖1的100a等價的位置，是光束的直徑和光束的波陣面曲率依賴於雷射激發部的激發能量變化小的位置。此外，111c是表示雷射激發部50f與50a之間的光束腰的位置，位置111c的後級的雷射激發部50a的激發能量，和圖1的雷射激發部50a一樣，是位於相鄰的光束腰之間、或者光束波陣面曲率的符號變化的位置之間、即位置111a與111b之間的雷射激發部50c和50d的激發能量的二分之一，在光束提取位置100處，光束直徑和光束波陣面曲率依賴於激發能量的變化很小。
這樣，可以將和圖1所示的一個激發部5a等同的激發部分割成雷射激發部。此外，在圖19中，表示出了雷射裝置內的光束腰於光束腰之間的雷射激發部，特別是，表示出了將雷射活性媒質分割兩個時的情況，但也可以將雷射激發部50c、50d、50e、50f、50a等進一步分割成多個，製成在相鄰的光束腰之間的雷射活性媒質的激發能量的總和與圖19相等的裝置。此外，在本實施例中，表示出了用平面鏡、不含透鏡的結構，但和實施例4一樣，也可以構成採用具有曲率的鏡和透鏡的雷射裝置。
實施例9.
圖20是用於說明根據本發明的實施例9的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在該實施例9中，與實施例8相同，雷射激發部50c、50d、50e、50a全部具有和圖1的50a相同的結構。同時，在曲率為平面的全反射鏡1a和曲率為平面的部分透射鏡2a之間配置雷射激發部50c和50d兩者，構成雷射振蕩器M4。從雷射振蕩器M4出射的雷射光束入射到由雷射激發部50e構成的放大器中，通過放大器部分的光學系統6b在位置111b處形成光束腰，進而，入射到由雷射激發部50a構成的放大器，被放大，作為雷射光束70出射。
這裡，雷射共振器內的光學配置，與實施例8、即圖19所示的不同。光束腰位於共振器的雷射激發部50c和50d之間的位置111a上，全反射鏡1a和部分透射鏡2a端面上的位置100c和位置100d，以及光束提取 100成為光束波陣面為平面、光束直徑最大的位置。即，100c、100d、100從光束的動作的角度看，相當於圖19的100a、100b的位置，圖20的111a、111b相當於圖19的111a、111b、111c的位置。從而，從雷射振蕩器M4出射的光束及從雷射放大器的出射部分100提取出來的雷射光束，光束波陣面曲率和光束直徑依賴於激發能量的變化小。
此外，在該實施例9中，位於光束提取位置的端部的雷射激發部50a的激發能量，為位於相鄰光束腰之間、111a與111b之間的雷射激發部50d和50e的激發能量的總計值的二分之一。
根據本實施例9，在靠近雷射活性媒質的位置上配置鏡，構成雷射裝置。此外，可以在雷射活性媒質40c和40d的端面上進行塗覆製成全反射鏡、部分透射鏡。此外，在如圖20所示構成的雷射裝置中，由於將鏡的位置的雷射光束直徑設定得比振蕩器內部的其它位置的光束直徑大，所以，可以避免由雷射光束造成的損傷。因此，在發生Q脈衝光束等的情況下，利用更高輸出的雷射光束，可以更好的發揮本發明的效果。圖20中沒有示出，在雷射裝置的內部也可以配置除透鏡等之外的光學元件。此外，圖中表示除了採用平面鏡的情況，但和實施例2一樣，也可以採用加有曲率的鏡。
實施例10.
圖21是用於說明根據本發明的實施例10的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在全反射鏡1a、部分透射鏡2a之間配置雷射激發部50c和50d兩者，構成雷射振蕩器M5，在雷射振蕩器M5的後級，將雷射激發部50e和50f作為雷射放大器M6，進而，在其後級配置雷射激發部50a作為雷射放大器M7，作為整個光學系統，沿雷射光束的光軸重複6a、6b、6a、6b、6a地構成。這樣，雷射振蕩器、放大器的雷射激發部以及鏡的配置結構，基本上和圖19相同，但在本實施例10中，在雷射振蕩器的雷射激發部50c和50d之間配置90度偏振光方向旋轉器10a，此外，在雷射激發部50e和50f之間配置90度偏振光方向旋轉器10b。
在圖21所示的結構的雷射裝置中，由於雷射振蕩器採用包括90度偏振光方向旋轉器的取消復透鏡的結構，所以，在雷射共振器中，在很寬的激發能量範圍及沿光學系統內的光軸很寬的位置範圍內，在矢量徑方向r偏振光和周向φ偏振光相同。即，圖2～圖7所示的r偏振光和φ偏振光的光束直徑及光束波陣面曲率的曲線一致，相對於很寬的激發能量可以進行穩定的振蕩，所以，可以更有效地發揮本發明的效果。此外，在線偏振光振蕩動作有利的結構中，可以實現依賴於激發能量變化小的結構。進而，如圖21所示，在配置90度偏振光方向旋轉器的結構中，在光束提取位置的矢徑方向r偏振光和周向方向的φ偏振光、由於從兩個偏振光方向的光束的直徑、光束波陣面曲率的差別小的位置提取結構光束，所以可以很容易使用輸出的光束。
實施例11.
圖22是用於說明根據本發明的實施例11的雷射裝置及其激發方法的圖示，更具體地說，是表示雷射裝置的結構圖。在圖22中，1a為曲率是平面的全反射鏡，2a是曲率為平面的部分透射鏡。31a、31b、31c、31d、31e是雷射活性媒質激發裝置，下面，對所述激發裝置是LD(Laser Diode雷射二極體)時的情況進行說明。41a、41b、41c是材料為NdYAG的杆狀固體雷射活性媒質，雷射活性媒質激發裝置31a、31b、31c、31d、31e以從端面激發固體雷射活性媒質41a、41b、41c的方式配置。21a、21b、21c、21d、21e、21f是相對於從LD31a、31b、31c、31d、31e來的雷射光束全部透射、相對於固體雷射光束全部反射的、塗覆了的雷射光束折回鏡。7是共振器內的雷射光束，70是出射雷射光束。
下面，根據對實施例11的雷射裝置的結構進行詳細說明。在圖22中，利用從雷射活性媒質激發裝置31a、31b、31c、31d出射的、通過雷射光束折回鏡21a、21b、21c、21d的激發光，激發構成雷射振蕩器的固體雷射活性媒質41a、41b的兩個端面。另一方面，構成雷射放大器的固體雷射活性媒質41c，利用雷射活性媒質31e只激發和出射側相反側的端面。雷射活性媒質激發裝置31a、31b、31c、31d、31e，通過調整向各個固體雷射活性媒質41a、41b、41c的光束入射條件以及固體雷射活性媒質41a、41b、41c對LD的光的吸收率等，以使吸收到固體雷射活性媒質41a、41b、41c內的功率相同的方式進行設計構成，使固體雷射活性媒質41a、41b、41c全部具有相同的尺寸形狀，Nd原子的摻雜濃度等規格相同，設計形成它們的熱透鏡、象差等也相同、從全反射鏡1a到部分透射鏡2a成為周期性的光束模的級聯式雷射裝置。
即，從全反射鏡1a到固體雷射活性媒質41a的端面的光學距離與從部分透射鏡2a至固體雷射活性媒質41b的端面的光學距離，等於從固體雷射活性媒質41a的端面到固體雷射活性媒質41b的端面的光學距離一半。另一方面。固體雷射活性媒質41c，從固體雷射活性媒質41c的端面到部分透射鏡2a的端面的距離與從固體雷射活性媒質41b的端面到部分透射鏡2a的端面的距離相等。
另外，在圖22中，111a是表示全反射鏡1a的端面的光束腰的位置的標號，111b是表示位於固體雷射活性媒質41a與41b之間的光束腰的位置的標號，111c是表示位於部分透射鏡2a的位置處的光束腰的位置的標號。比光束腰中位於最開始的端部的光束腰111c的更靠近端部側的雷射活性媒質41c的激發能量，為位於相鄰的光束腰111c和111b之間的雷射活性媒質41b、以及位於另外的相鄰的光束腰111b和111a之間的雷射活性媒質41a的激發能量的一半，所生成的熱透鏡的焦距為二倍。換句話說，形成在雷射振蕩器、雷射放大器結構內的周期性的傳播光束模的準直點，成為光束提取口。
下面，對根據本實施例的雷射裝置的動作進行說明。由全反射鏡1a、固體雷射活性媒質41a、41b，部分透射鏡2a構成的雷射振蕩器，通過利用雷射活性媒質激發裝置31a、31b、31c、31d激發固體雷射活性媒質41a、41b的兩個端面，產生共振器內的雷射光束7。配置在光軸的固體雷射活性媒質41c通過利用雷射活性媒質激發裝置31e進行激發，起著雷射放大器的作用。雷射光束7被從部分透射鏡2a提取到共振器之外，通過經過固體雷射活性媒質41c被放大，作為雷射光束70被提取到雷射振蕩器和雷射放大器之外。
在這樣構成的雷射振蕩器和雷射放大器中，由於固體雷射活性媒質41c的出射側端面不被激發，所以，固體雷射活性媒質41c所持有的熱透鏡焦距比其它雷射活性媒質41a、41b的熱透鏡的焦距長，可以縮小雷射裝置的光束直徑以及光束曲率依賴於雷射裝置的激發強度的變化。進而，當雷射活性媒質激發裝置31e的固體雷射活性媒質吸收激發功率與分別從雷射活性媒質31a、31b、31c、31d來的固體雷射活性媒質吸收激發管路相同時，本發明可以發揮最大的效果。這時，由於從不依賴於雷射裝置的激發強度的周期性的光束傳播準直的點提取光束，所以可以不依賴於激發強度，提取出基本上準直的光束。
上面所述的實施例1～11，都是將多個雷射激發部級聯地進行配置，藉助雷射活性媒質的熱透鏡周期性地生成光束腰，令比位於最靠近入射側或出射側的光束腰更靠近端部側配置的雷射激發部的激發能量，等於位於相鄰的光束腰之間的激發部激發能量的總和的二分之一，入射端或出射端成為雷射光束的光束直徑最大的位置。藉此，可以提供一種即便使激發能量變化，也能夠使光束直徑及光束波陣面曲率的變化少的輸出光束的雷射裝置、或者，可以提供一種相對於激發能量的變化、在很寬的範圍內在不破壞級聯狀的光束模的情況下傳播同一個的入射光束放大器。
實施例12.
圖23是表示根據本發明的實施例12的雷射裝置的結構圖。在圖23中，11是出射的光束波陣面曲率和出射光束直徑依賴於激發能量變化小的雷射裝置，是實施例1～11中任何一個所述的雷射裝置。70是從雷射裝置11發生的雷射光束，8g、8h是透鏡，12是波長變換元件，設置調整溫度的裝置和調整角度的裝置等位相匹配機構。13是相對于波長變換的雷射光束透射率高、相對於基本波長的雷射光束反射率高的雷射光束分束鏡，14是經過波長變換的雷射光束，15是通過波長變換元件後未被變換的基本波長的雷射光束。
在圖23所示的結構中，由本發明的雷射裝置11產生的雷射光束70利用透鏡8g聚焦在波長變換元件12上，將其一部分進行波長變換。經過波長變換的雷射光束和基本波長的光束，利用透鏡8h被準直後，在雷射光束分束鏡13處被分離成波長變換過的雷射光束14和基本波長的雷射光束15。
在這種結構的雷射裝置中，由於作為用於進行波長變換的基本波長的光源採用實施例1～11中的任何一個所述的本發明的雷射裝置，所以，從雷射光源11出射的光束的光束直徑和波陣面曲率，依賴於激發能量的變化小。其結果是，可以提供一種在很寬的激發能量的範圍內，即，在很寬的輸出範圍內，具有高的變換效率的雷射裝置。此外，由于波長變換過的雷射光束的光束波陣面曲率及光束直徑，依賴于波長變換活性媒質處的基本波長的光束的直徑及光束波陣面曲率的變化而變化，所以，可以提供一種相對於雷射裝置11的激發能量的變化，波長變換的雷射光束的光束直徑及光束波陣面曲率的變化小的波長變化雷射光束光源。
此外，在本實施例中，其結構為，經過單一的波長變換，產生所需的波長變換的雷射光束，但，根據需要，也可以在光路上設置兩個以上的波長變換元件，進行波長變換。
實施例13.
圖24是表示根據本發明的實施例13的雷射裝置的結構圖。在圖24中，11是出射光束參數變化小的雷射裝置，是實施例1～11中的任何一個所述的雷射裝置，70是由雷射裝置11發生的雷射光束，16是光纖，72是從光纖16出射的光束，8h是聚焦透鏡。
下面對圖24所示的雷射裝置的動作進行說明。從雷射光源11產生的雷射光束70，被聚焦透鏡8h聚焦，被導入到光纖16中，作為輸出光束72被提取出來。在圖24所示的雷射裝置中，由於將在很寬的激發能量範圍內光束波陣面曲率和光束直徑變化小的雷射光束導光到光纖中，所以，可以進行導光的條件變化小的光纖的導光。從而，很容易進行導光系統的設計和配置。
實施例14.
圖25是表示根據本發明的實施例14的雷射加工裝置的結構圖，在圖25中，11是出射光束參數依賴於激發能量的變化小的雷射裝置，是實施例1～11中任何一個所述的雷射裝置。70是從雷射裝置11中出射的雷射光束，8i是聚焦透鏡，17是光圈，18是雷射光束折回鏡，19a、19b是能夠使雷射光束的方向高速變化的電子鏡(galvano mirror)，20是加工透鏡，21是加工對象，安裝在能夠以高速移動加工對象21的的工作檯22上。
在圖25所示的結構的雷射加工裝置中，由於從雷射裝置11產生的雷射光束70，其光束波陣面曲率及光束直徑依賴於激發能量的變化小，所以，可以提供一種在雷射裝置11的很寬的激發能量的範圍內，即，在很寬的輸出範圍內，雷射光束參數變化小的雷射加工裝置。此外，如本實施例所述的那樣，在雷射光軸上配置光圈，均化器，非球面透鏡等對雷射是進行依賴於光束截面內的位置的的調製的裝置的情況下，本發明的效果可以得到更大的發揮。
工業上的可利用性根據本發明的雷射裝置，例如，可以用於雷射加工機，由於這種雷射加工機可以進行長時間穩定地高精度的均勻加工，例如，可以非常有利地用於印刷基板的製造以及纖維光柵的製造等種種加工。進而，本發明的雷射裝置，由於其輸出加工光束的直徑依賴於激發強度的變化小，所以，在進行聚焦使用加工光束時其效果特別大。舉例說，利用伴隨著聚焦的光纖導光的焊接用雷射和切斷用雷射，或者，伴隨著聚焦的波長變換等。在這些應用當中，由於可以獲得與激發強度無關的穩定的加工特性，所以，操作變得容易，並且，可以抑制因同一機種的部件的偏差造成的特性的偏差。
權利要求
1.一種雷射裝置，將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯配置在雷射光軸上，在前述多個雷射活性媒質配置的區域內的雷射光束上產生多個光束腰，其特徵為，向配置在比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質輸送的激發能量，小於向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量。
2.如權利要求1所述的雷射裝置，其特徵為，向配置在比多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質輸送的激發能量，為向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量的25％至75％。
3.如權利要求2所述的雷射裝置，其特徵為，向配置在比多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質輸送的激發能量，大致為向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量的二分之一。
4.如權利要求1所述的雷射裝置，其特徵為，採用激發雷射活性媒質的端面的結構，配置在比多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質，只有一個端面被激發；配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質，其兩個端面被激發。
5.如權利要求1所述的雷射裝置，其特徵為，雷射活性媒質是杆狀固體雷射活性媒質。
6.如權利要求1所述的雷射裝置，其特徵為，在雷射光軸上配置90度偏振光方向旋轉器。
7.一種雷射裝置，其特徵為，將從權利要求1所述的雷射裝置輸出的雷射光束進行了波長變換。
8.一種雷射裝置，其特徵為，將從權利要求1所述的雷射裝置輸出的雷射光束向光纖導光。
9.一種雷射裝置，將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯配置在雷射光軸上，在前述多個雷射活性媒質配置的區域內的雷射光束上產生多個光束腰，其特徵為，配置在比位於多個光束腰中的至少一端的光束腰更靠近端側的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距，是配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質的熱透鏡的焦距的大致二倍。
10.一種雷射裝置，將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯配置在雷射光軸上，在前述多個雷射活性媒質配置的區域內的雷射光束上產生一個光束腰，其特徵為，向夾持前述光束腰、配置在一側的雷射活性媒質輸送的激發能量，是向配置在另一側的雷射活性媒質輸送的激發能量的大致二分之一。
11.一種雷射裝置，其特徵為，在全反射鏡和部分反射鏡之間，配置由激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質的雷射共振器中，在該共振器的內部具有一個光束腰，向配置在該光束腰與前述全反射鏡之間的雷射活性媒質輸送的激發能量，與向配置在前述光束腰和前述部分反射鏡之間的雷射活性媒質輸送的能量大致相等。
12.一種雷射裝置，構成為，把由激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯地配置在雷射光軸上、雷射光束以周期的形狀傳播，其特徵為，從前述周期的形狀的雷射光束的傳播中被準直的點附近入射或出射雷射光束。
13.一種雷射加工裝置，其特徵為，採用權利要求1所述的雷射裝置作為光源。
14.一種雷射裝置的激發方法，在構成為，將藉助激發產生透鏡效應的多個雷射活性媒質串聯地配置在雷射光軸上、在位於前述多個雷射活性媒質所配置的區域內的雷射光束上產生多個光束腰的雷射裝置中，以向配置在比前述多個光束腰中至少位於一端的光束腰更靠近端部側的雷射活性媒質輸送的激發能量、大致為向配置在前述多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質輸送的激發能量的二分之一的方式進行激發。
全文摘要
本發明的目的是降低從雷射裝置中輸出的雷射光束的雷射光束直徑和光束曲率因激發強度不同引起的變化。配置在比多個光束腰中兩端的光束腰更靠近端側的雷射活性媒質的至少一方的雷射活性媒質的總激發能量，大致為配置在多個光束腰中相鄰的兩個光束腰之間的雷射活性媒質的總激發能量的二分之一。
文檔編號H01S3/102GK1462495SQ02801563
公開日2003年12月17日 申請日期2002年4月24日 優先權日2001年5月7日
發明者今野進, 小島哲夫, 藤川周一 申請人:三菱電機株式會社