专利名称：激光装置、其激发方法、以及激光加工机的制作方法
技术领域：
本发明是涉及包含光学特性随着激发能量的变化而发生变化的激光活性媒质的激光装置及激光加工装置的、为了缩小激光光束参数随着其激发能量的变化所发生的变化的发明。
背景技术：
图26是用于说明A.Takada et al.，“Highly efficient operation ofdiode laser transversely pumped high-power Nd:YAG rod Laser”(二极管激光器横向泵激的大功率Nd:YAG杆激光器的高效率操作)Advanced High-Power Lasers，Proceedings of SPIE vol.3889中所示的现有技术的激光装置的结构图。
在图26中，1a是曲率为平面的全反射镜，2a是曲率为平面的部分透射镜。5a、5b、5c、5d为分别配备有激光活性媒质4a、4b、4c、4d及激光活性媒质激发装置3a、3b、3c、3d，以及按照需要对它们进行冷却的机构，和向它们供应电力等动力的机构、构成单个或多个激光振荡器及激光放大器的基本装置，下面称之为激光激发部。在图26中，111a是表示全反射镜1a的端面的光束腰位置的标号，111b是表示激光激发部5a与5b之间的光束腰位置的标号，100a是表示激光活性媒质4b的被激发区域中间的位置的标号，111c是表示部分透射镜2a的端面上的光束腰位置的标号，111d是表示激光激发部5c与5d之间的光束腰位置的标号，111e是表示形成在激光激发部5d的出射侧的光束腰位置的标号。此外，60a、60b、60c、60d是分别表示包含111a与111b之间，111b与111c之间，111c与111d之间，以及，111d与111e之间的激光活性媒质的热透镜的光学系统的标号。下面，在归纳起来表示在激光轴上配置多个光学元件的情况下，称之为光学系统。
下面，对图26所示的本发明的现有技术的例子的动作进行说明。在由全反射镜1a，激光激发部5a、5b和部分透射镜2a构成的激光振荡器中所发生的激光光束7，通过部分透射镜2a提取到振荡器之外，导入到由激光激发部5c、5d构成的激光放大器，在通过时被放大，构成激光光束77。这里，激光激发部5a、5b、5c、5d全部用相同的部件构成，用相同的激发能量激发。
如图26所示的那样构成的激光装置，不考虑增益及全反射镜、全透射镜的光学特性，如果只着眼于振荡器和放大器内部的光束模的形状及给予光束模的形状大的影响的、聚焦元件以及传导距离等重要因素的话，由于光学系统60b、60c、60d是和光学系统60a相同的，所以，激光装置整体是一种将构成基本单位的光学系统60a周期性地串联配置成的级联式的激光振荡器和激发放大器。因此，如后面所述的，随着激发能量的变化，111e位置的光束直径发生大的变化。
如上所述，由于现有技术中的级联式的固体激光振荡器及级联式固体激光放大器，其出射的激光光束的直径或光束波阵面曲率随着激发强度的不同发生很大的变化，所以，用提取出来的光束进行波长变换时，波长变换活性媒质所处位置的光束直径随激发强度的不同而变化，波长变换条件随着激发强度的不同发生变化。此外，在把从现有技术的装置发生的激光光束向光纤进行导光时，由于出射光束的直径、光束波阵面曲率因激发强度的不同而发生很大变化，所以，光纤导光条件对激光激发强度的依存性大。另外，把从现有的激光装置产生的激光用于加工时，由于出射光束随激发强度变化而变化，所以加工条件也随着激光装置的激发强度、即随着激光光束的能量发生变化。
另一方面，例如，当考虑利用图26的激光激发部5c、5d构成的放大部单独地作为放大器，使入射光束从位置111c入射时，在级联式放大器的设计方面，该位置111c成为光束直径变化的位置，所以有必要根据激光强度变更入射光束的光束参数。此外，当采用光束直径、光束波阵面曲率一定的入射光束，构成可以改变放大器中的激发强度并进行输出的可变激光装置时，由于不能构成放大器中的光束的动作具有周期性的结构的级联式，所以，存在着放大器设计变得复杂，很难将放大级制成多级的，而且被放大的光束模与被激发的区域的重叠部分的体积变小，不能进行高效率的放大的问题。
发明内容
本发明是为了消除上述现有技术的的激光装置中的问题而进行的，其目的是提供一种降低所输出的激光光束的光束直径和波阵面曲率对激发强度的依赖性的激光装置，或者，提供一种可以高效率地放大具有固定的光束参数的入射光束的激光装置。
本发明在全反射镜和部分反射镜之间配备有由于激发产生透镜效应的多个激光活性媒质的激光共振器中，在该激光共振器的内部具有一个光束腰，向配置在该光束腰与前述全反射镜之间的激光活性媒质输送的激发能量，与向配置在前述光束腰和前述部分反射镜之间的激光活性媒质输送的能量基本上相等。
借此，可以提供不容易引起光学元件的损伤，出射光束的光束波阵面的曲率及光束直径的变化小的激光装置。
此外，在具有把由于激发产生透镜效应的多个激光活性媒质串联地配置在激光光轴上、以周期的形状传播激光光束的结构的激光装置中，从前述周期状的激光光束的传播中被准直的点附近入射或出射激光光束。
借此，可以提供一种即使令激发能量发生变化，出射光束的光束波阵面曲率及光束直径的变化也很小的激光装置，或者，可以提供一种相对于激发能量的变化，可以在很宽的范围内不破坏级联状的光束模、传播相同的入射光束的、可以高效率地进行放大的激光装置。
图1是根据本发明的实施例1的激光装置的简略结构图。
图2是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图3是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图4是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图5是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图6是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图7是说明根据本发明的实施例1的激光装置的动作的图。
图8是说明相对于根据本发明的实施例1的激光装置的偏差、偏移的余量的图。
图9是说明相对于根据本发明的实施例1的激光装置的偏差、偏移的余量的图。
图10是根据本发明的实施例1的激光装置的主要部分的放大图。
图11是说明根据本发明的实施例2的激光装置的结构的主要部分的放大图。
图12是根据本发明的实施例3的激光装置的简略结构图。
图13是说明根据本发明的实施例3的激光装置的动作的图。
图14是说明根据本发明的实施例3的激光装置的动作的图。
图15是根据本发明的实施例4的激光装置的简略结构图。
图16是根据本发明的实施例5的激光装置的简略结构图。
图17是根据本发明的实施例6的激光装置的简略结构图。
图18是根据本发明的实施例7的激光装置的简略结构图。
图19是根据本发明的实施例8的激光装置的简略结构图。
图20是根据本发明的实施例9的激光装置的简略结构图。
图21是根据本发明的实施例10的激光装置的简略结构图。
图22是根据本发明的实施例11的激光装置的简略结构图。
图23是根据本发明的实施例12的激光装置的简略结构图。
图24是根据本发明的实施例13的激光装置的简略结构图。
图25是根据本发明的实施例14的激光加工装置的简略结构图。
图26是现有激光装置的简略结构图。
具体实施例方式
实施例1.
图1是说明根据本发明的实施例1的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是激光装置的结构图。
在图1中，1a是曲率为平面的全反射镜，2a是曲率为平面的部分透射镜，3a、3b、3c、30a是LD(Laser Diode激光二极管)及灯等的激光活性媒质激发装置，4a、4b、4c、40a是材料为Nd:YAG的杆式固体激光活性媒质，5a、5b、5c、50a是激光激发部。两个激发部5a和5b配置在全反射镜1a与部分透射镜2a之间，构成激光振荡器。此外，在激光振荡器的外部作为放大器进一步配置两个激光激发部5c及50a。50a是配置在输出端的激光激发部，配备有激光活性媒质40a和激光活性媒质激发装置30a。
这里，三个激光激发部5a、5b、5c结构相同，即，激光活性媒质4a、4b、4c均具有相同的尺寸形状、Nd原子掺杂浓度等规格相同，激光活性媒质激发装置3a、3b、3c具有相同的结构，即激发能量及激发能量密度和激发光在激光活性媒质中的吸收特性相同。进而，激发配置在激光激发部50a上的激光活性媒质40a的全部能量，为配置在激光激发部5a、5b、5c上的激光活性媒质4a、4b、4c中的激光活性媒质中一个的全部激发能量的二分之一，激光活性媒质40a的被激发的部分的长度是其它的激光活性媒质4a、4b、4c的二分之一。即，激光活性媒质40a，其长度为激光活性媒质4a、4b、4c的二分之一的部分，是用和激光活性媒质4a、4b、4c相同的激发能量密度激发的。
下面，详细说明实施例1的激光装置的结构。在图1中，111a是表示全反射镜1a的端面的光束腰的位置的标号，100a是表示激光活性媒质4a的被激发部分的中间点的标号，111b是表示位于激光激发部5a和5b之间的光束腰的位置的标号，111c是表示位于部分透射镜2a的位置处的光束腰的位置的标号，111d是表示位于激光激发部5c的光束出射侧的光束腰的位置的标号。6a是从位置111a到位置100a的光学系统，6b是从位置100a到位置111b的光学系统。由于光学系统6a、6b包含激光活性媒质4a的被激发部分的二分之一，所以，对于激光光束光轴上的光学特性，包含由激光活性媒质4a被激发、发热产生的热透镜的二分之一。即，光学系统6a、6b分别包含其热透镜焦距是激光活性媒质4a的热透镜焦距的二倍的热透镜。此外，当只考虑对模的形状造成大的影响电动热透镜及光学距离的特性时，三个激光激发部5a、5b、5c的结构为，以6a和6b的光学系统，从位置111a到位置111c，沿光轴按照6a、6b，6a、6b，6a、6b的顺序重复三次的方式构成。在本实施例中，作为构成上述这种级联式的激光装置的方法，将各激光激发部5a、5b、5c以激光活性媒质4a、4b、4c的中心之间的距离相等的方式配置，向激光激发部5a、5b、5c供应相同的电能，使激发激光活性媒质产生的热透镜相等。
由于激光激发部50a，其激发能量是激光激发部5a、5b、5c中的一个的激发能量的二分之一，激光活性媒质40a的倍激发部分的长度是其它激光活性媒质4a、4b、4c的二分之一，所以，在激光活性媒质40a被激发的状态下，从位置111d到激光活性媒质40a的出射端100的光学系统的激光光束光轴上的光学特性，与光学系统6a是等价的。即，位于光束腰中第一端的光束腰111d的端侧的激光活性媒质40a的激发能量，是位于相邻的光束腰111c与111d之间的激光活性媒质4c、以及位于其它的相邻的光束腰之间的激光活性媒质4a、4b的激发能量的一半，所生成的热透镜的焦距成为二倍。
根据上面所述的总体结构，光学系统按照6a、6b，6a、6b，6a、6b、6a的配置方式构成。在这样构成的激光装置中，在用全反射镜1a，部分透射镜2a，激光激发部5a、5b构成的激光振荡器中所产生的激光光束7的一部分，通过部分透射镜2a被提取出来，通过由激光激发部5c、50a构成的激光放大器被放大，作为激光光束70被提取出来。
下面，详细说明根据本实施例的激光装置的动作。图2是表示图1的位置100a处的固有模的光束的直径的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。图3是表示图1的位置100a处的固有模的光束的波阵面的曲率的倒数的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。图4是表示在图1的激光活性媒质4a的端部120a处的固有模的光束的直径的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。图5是表示在图1的激光活性媒质4a的端部120a处的固有模的光束的波阵面曲率的倒数的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。图6是在光束腰的位置111a处的固有模的光束的直径的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。图7是在光束腰的位置111a处的固有模的光束的波阵面曲率的倒数的计算值，与和激发能量成正比的热透镜的焦距的倒数之间的关系。在图2～图7中，虚线表示沿周向方向的偏振光成分(方向)，实线表示径向方向的偏振光成分(r方向)。这里，实际的激光光束的光束直径对位置的依赖性，与光学系统的固有模光束直径对位置的依赖性近似地相同，实际的激光光束的波阵面的曲率，近似地等于光学系统的固有模光束波阵面曲率。此外，在图3、图7中，表示周向方向的偏振光成分(方向)的特性的虚线与表示径向方向的偏振光成分(r方向)的特性的实线一致。
下面，说明用于图2～图7的计算参数。作为激光活性媒质，假定其材料为长度80mm的Nd:YAG杆，杆的长度为80mm。此外，被激发部分是杆的长度80mm中的中心40mm的部分。被激发部分的杆的截面内的折射率的分布，根据W.Koechner Solid-state LaserEngineering 5th edition，p.408-419，如公式n(r)＝n0-n2/2×r2所示，近似地以相对于从中心起的距离r的平方的方式变化，其中，n0＝1.82，n2对于周向方向的偏振光成分(方向)和径向方向的偏振光成分(r方向)不同，以保持n2r＝n2×1.2不动地依赖激发能量密度进行变化，n2大致与激发能量成正比。因此，n2的方向n2＝0～0.8×10-4，(在图2～图7中，相当于在横轴的左端n2＝0，右端n2＝0.8×10-4)，在r方向n2＝0～0.96×10-4(在图2～图7中，相当于在横轴的左端n2＝0，右端n2＝0.96×10-4)。此外，共振器的结构，相对于杆的中心是对称的，其中所作的计算是对于从杆的端部到镜的端部为400mm(从120a至111a)的结构进行的。此外，n2与激发能量密度之间的比例系数，可以令探测光通过激光活性媒质的内部，利用测定热透镜焦距等实验正确地进行测量。n2与激发能量之间的光学，随激发部的结构给激发光的吸收率而变，在其结构为从侧面用LD激发直径为几个mm，激发部分的长度为几十mm的Nd:YAG杆的情况下，变为n2＝1.0×10-4左右，激发LD的光的平均功率为几百W至几kW左右。
通过比较图2、图4、图6，在对应于图2、图4的激光活性媒质的激发区域中间的位置100a与激光活性媒质端部的位置120a处，可以看出，相对于激发能量，光束的直径变化小。另一方面，通过比较图3、图5、图7可以看出，在对应于图3、图7的位置100a与位置111a处，激光光束波阵面曲率依赖于激发能量的激发变化很小。如上所述，由图2～图7可以看出，在激光活性媒质的被激发区域中间的位置100a处，激光光束波阵面曲率和光束直径的变化小。在图2中用A表示的激发能量的整个区域内基本上满足这些条件。
在如图1所示结构的激光装置中，光学系统6a、6b，重复地配置6a、6b，6a、6b，6a、6b、6a，所以，图2～图7所说明的激光光束的光束直径、光束波阵面曲率的变化的状态也随着这些光学系统的配置进行重复。这样，激光光束的输出位置100，对于激光光束的光束直径、光束波阵面曲率的变化而言，变成与位置100a等价的，可以提供一种在装置的可基本上稳定动作的区域内，所输出的与激发能量有依赖关系的光束的波阵面曲率和光束的直径变化都比较小的激光装置。
即，在将曲率为平面的镜以从Nd:YAG杆的两个端面起等距离配置的结构等价地结合、构成的周期性的结构的光束模中，在对应于平面镜的位置和Nd:YAG杆的中间点的两个点，光束曲率总是平面。对应于平面镜的位置，随着离开透镜，光束直径变小，可以说是聚焦点，相对于与激发强度依赖性大、光束直径变化大的位置而言、对应于Nd:YAG杆的中间点的位置，是从透镜的出射点，光束直径大，可以说是准直点，光束直径随激发强度的变化小。通过从在这种周期性的光束中的被准直的点处提取光束，可以获得依赖于激发强度的变化小的输出结构光束。
与此相对，在图26中所说明的现有技术的激光装置中，由于把位置111a和120a，或者，相当于它们中间的位置作为光束输出位置，所以，被输出的光束，当使激发能量、即激光的输出变化时，其光束直径，或者光束波阵面其中之一，或者它们两者，如图4、图5或图6、图7所示，发生大的变化。
上面对利用图2～图7所示的计算进行的设计，构成理想的激光装置，各个激光激发部的激发能量和各个激光活性媒质的热透镜焦距的偏差不成为问题的情况进行了说明，下面，在配置在激光激发部50a内的激光活性媒质40a的激发能量偏离其它激光活性媒质4a、4b、4c的激发能量的二分之一时的情况下、即，在激光活性媒质40a的热透镜的焦距偏离激光活性媒质4a、4b、4c的热透镜的焦距的二倍时，对本发明所起的作用进行说明。
图8是表示令激光激发部5a、5b、5c、50a的被激发部分的激发能量密度全部为图2图7所示的横轴的左端(n2r＝0.96×10-4，n2＝0.8×10-4)的值一定，使激光激发部50a的被激发长度从图1的激光激发部5a、5b、5c的被激发部分的0％至100％的范围内变化，绘制在出射端100的位置处的光束波阵面曲率的倒数的曲线。即，所述曲线对应于激光激发部50a处的激光活性媒质40a的全部激发能量相对于在激光激发部5a处的激光活性媒质4a的全部激发能量的比例，在0％至100％的范围内变化时的情况。图中的、r分别意味着对周向方向、矢径方向的偏振光成分的计算值。以图8的纵轴作为绝对值，用100％的值规格化时，变成图9的形式。
由图9可以看出，光束波阵面曲率的变化与偏振方向无关，在恰好50％时，即，在图3中所说明的情况下，光束波阵面曲率的变化被抑制到最小，50％起，越靠近0％或者从50％起越靠近100％，其变化越大。由图9可以看出，本发明的效果，当最终级的激光激发能量与前级的1/2相一致、且激发密度在全部激光活性媒质的被激发部分的光束光轴上一定的情况下，发挥最大的效果，但只要激光激发部50a的激发能量小于激光激发部5a、5b、5c的激发能量的话，本发明就具有一定的效果，与图26所示的现有的激光装置，即，与图9中的0％和100％时的情况相比，可以缩小光束波阵面的曲率的变化。特别是，在将激发能量设定成如图1所示的激光激发部5a、5b、5c的25％至75％的情况下，可以从图9的计算例看出，光束波阵面的曲率的变化大约可以降低一半。更优选地，当设定未在40％至60％时，将光束波阵面曲率的变化抑制在大致20％以下。
这里，参照作为放大地表示激光激发部5c和50a的激光活性媒质4c以及40a的图示的图10，对提取光束的部分的装置的结构、光束直径的变化，进行进一步的说明。在图10中，激光活性媒质4c从位置130a到位置130b之间，即，用B表示的区域被激发，在该区域生成热透镜。同样，激光活性媒质40a在位置130c至位置100之间，即以C表示的区域被激发。图10所示的激光装置内的激光光束直径和光束波阵面曲率，在位置100c处，如图2和图3所示的那样进行变化，在位置130a、130b、130c处，如图4和图5所示的那样进行变化，在位置111d处，如图6及图7所示的那样进行变化，在作为激光活性媒质40b的激发部的端部位置的100处，再次如图2及图3所示的那样进行变化。即，位置100成为光束直径及光束波阵面曲率相对于激发能量都几乎不发生变化的位置。此外，在图10中，示意地表示激光轴上的激光光束7的光束直径的变化，但在不激发的部分，光学特性不依赖于激发能量进行变化。因此，不言而喻，在作为不被激发、即不生成热透镜的激光活性媒质中很少传播的激光活性媒质端的位置101处，和作为激发端部的位置100一样，光束直径、光束波阵面曲率依赖于激发能量的变化很小。
此外，在图1所示的实施例中，对在激光振荡器中没有描述模选择孔径、杆状激光活性媒质的截面起着振荡器的模选择孔径作用的情况进行了说明，但是，不言而喻，在振荡器内配置模选择孔径的情况下，或者在激光活性媒质的增益分布决定横模的情况下，本发明同样可以发挥取出不依赖于激发强度的光束直径大的准直光束的效果。进而，不言而喻，在靠近杆状激光活性媒质的位置处配置模选择孔径的情况下，也可以发挥本发明的抑制光束直径依赖于激发强度而变化的效果。
此外，在图1所示的实施例中，表示出在激光振荡器内配置两个激光激发部、在激光放大器内利用两个激光激发部的情况，但也可以根据需要，改变构成振荡器和放大器的激发部分的个数。此外，在图1中所表示的是将激光激发部制成从垂直于光轴的侧面激发全部激光活性媒质的侧面激发型的结构，但也可以采用端面激发等任意的激发方法。此外，激光活性媒质并不局限于Nd:YAG，也可以采用Nd:YLF，Nd:YVO4，Yb:YAG等其它固体激光活性媒质。
此外，在图1所示的实施例中，作为激光活性媒质，采用杆状固体激光活性媒质，杆状固体激光活性媒质沿光轴方向被激发的区域长，容易并列配置，所以更容易发挥本发明的效果。但是对于除此之外的板、盘等其它形状的固体激光活性媒质，由于激发能量的变化会造成热透镜的变化，所以，如果采用本发明的话，可以发挥作用。此外，也可以用于依赖于激发能量折射率或折射率分布变化的除固体激光活性媒质之外的气体、液体等激光活性媒质。此外，不仅是连续振荡的激光装置，对于Q脉冲及锁模等脉冲激光装置，也可以采用同样的结构，也可以采用模拟连续激发等激发方法。这在下面的各实施例中，如果没有特别进行说明的话，情况与此相同。
实施例2.
图11是用于说明根据本发明的实施例2的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光激发部的简图。即，在用LD(Laser Diode，即，半导体激光器)作为激发源时的、实施例1中的激光激发部5c、50a的结构例。在图11中，在激光活性媒质的光轴方向的区域中，仅有用区域D1、D2、E表示的部分被激发，被激发的区域D被分割成D1、D2两个部分。130a是激光活性媒质4c的被激发部分的端部的位置，102是激光活性媒质40a的被激发部分的端部的位置。此外，100d是激光活性媒质40a的端部的位置。
在图11所示的实施例中，激光活性媒质4c的被激发部分分离成D1和D2两个部分。在这种情况下，令激光活性媒质40a的全部激发能量为激光活性媒质4c的激发能量的大致的1/2，从位置100c到位置111d之间的光学系统与从位置111d到位置100d之间的光学系统，相对于位置111d对称地配置，借此，令提取光束的位置与图10的位置100一样，可以选择光束直径、光束波阵面曲率均变化小的位置。
此外，在图10、图11中，所表示的是，配置在端部的激光活性媒质是一个，激发能量是其它的激光活性媒质的1/2左右，被激发区域为一个部位的情况，但是，比光束腰111d更靠近端部侧配置在激光活性媒质也可以是多个，也可以将一个激光活性媒质分割成多个被激发区域进行激发。在这种情况下。比光束腰111d更靠近端部配置的激光活性媒质的激发能量总计可以是激光活性媒质4c、即位于相邻的光束腰之间的激光活性媒质的激发能量的1/2左右。
此外，在实施例1和2中，对于激光活性媒质40a，被激发的部分的长度是激光活性媒质4a、4b、4c的二分之一，以和激光活性媒质4a、4b、4c相同的单位长度的激发能量密度进行激发，但即使令激光活性媒质40a的长度和激光活性媒质4a的长度相同，用和激光活性媒质4a的一半的激发能量密度进行激发的话，也可以发挥和实施例1及2同样的效果。即，如果使提取激光光束70的部分的激光激发部的激光激发能量大致为其它的激光激发部、即位于相邻的光束腰之间的激光激发部的激光激发能量的大致一半的话，可以发挥和实施例1及2相同的效果。
此外，在采用其它的激发方法、另外的形状的激光活性媒质的情况下，如果对应于实施例1的40a的激光活性媒质的激光光束通过部分的热透镜，是对应于实施例1的4a、4b、4c的激光活性媒质的激光光束通过部分的热透镜的大致一半、即，热透镜的焦距大致为二倍的话，可以发挥和实施例1相同的效果。
此外，在实施例2中，对如果提取激光光束70的部分的激光激发部的激光激发能量是其它激光激发部、即位于相邻的光束腰之间的激光激发部的激光激发能量的大致一半的话，可以获得出射的光束70的光束波阵面曲率、光束直径的变化非常小的激光装置的情况进行了说明，但如实施例1中所说明的那样，并不局限于大致一半，只要提取光束70的部分的激光激发部的激光激发能量小于其它的激光激发部的激光激发能量(例如，25％至75％，优选地，40％至60％)，即使使激发能量变化，也可以获得出射光束的光束波阵面曲率、光束直径下变化小的激光装置。这在下面的各个实施例中，只要没有特别说明，情况也是如此。
实施例3.
图12是用于说明根据本发明的实施例3的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是激光装置的结构图。在图12中，25是对45度入射的红外光束具有高发射率的激光光束折回境，26是功率计，27是可以监测直到激光光束的波阵面曲率成为无限大的位置的距离及在该位置处的光束直径的、市售的光束监测器。
下面，对利用具有图12所示的结构的侧面LD激发型的Nd:YAG杆状激光的激光装置进行的证实本发明的试验进行说明。激光激发部5a、5b是，16个作为激光活性媒质激发装置的LD(LaserDiode)3a、3b，以材料为Nd:YAG的杆状固体激光活性媒质4a、4b(杆状固体激光活性媒质4a、4b，其激发部分的长度为72mm，φ4×105mm)为旋转对称轴四个四次对称地沿光轴方向成四列排列地配置。激光激发部5a、5b，其杆状固体激光活性媒质4a、4b端面之间120b与120c之间的光学距离为800mm，杆状固体激光活性媒质4a的端面120a与全反射镜(曲率为平面)1a之间的光学距离，以及杆状固体激光活性媒质4b的端部120d与部分透射镜(曲率为平面)2a之间的光学距离为400mm，以级联式结构进行配置，构成激光振荡器。
激光激发部50a是，八个作为激光活性媒质激发装置的LD30a，以材料为Nd:YAG的杆状固体激光活性媒质40a(杆状固体激光活性媒质40a，其激发部分的长度为36mm，φ4×70mm)为旋转对称轴四个四次对称地沿光轴方向成二列排列地配置。激光激发部50a是，以从部分透射镜2a在激光激发部5b侧的端面到杆状固体激光活性媒质40a的部分透射镜2a侧的端面120e的光学距离为400mm的方式配置在激光振荡器外的光路上，构成激光放大器。
在这种结构中，通过激光激发部50a被放大的激光光束70，其大部分被折回镜25折回，入射到功率计26上。此外，通过用光束监测装置27监测未被折回镜25折回的泄漏的光，可以计量输出的光束70的波阵面曲率成为无限大的位置，波阵面成为无限大的位置处的光束直径，以及光束的品质。激光激发部5a和5b的激发电流值，可以通过另外分别测量Nd:YAG杆状固体激光活性媒质4a与4b的热透镜，设定成使各激光激发部5a和5b的热透镜的焦距相等的电流值。此外，激光激发部50a的LD30a的激发电流值，可以通过另外测量Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的热透镜，以使得Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的被激发部分的n2的值(折射率n(r)＝n0-n2×r2/2)等于激光激发部5a和5b的Nd:YAG杆被激发部的热透镜的值的方式设定该电流值。此外，各个Nd:YAG杆状固体激光活性媒质4a、4b、40a的热透镜的焦距的测量，可以通过令准直的He-Ne激光通过各个Nd:YAG杆状固体激光活性媒质4a、4b、40a的中心部φ1.5mm的部分，测量改变激发LD的电流值时的热透镜焦距来决定。
在图13中，黑色圆圈表示如图12所示，在配置激光激发部50a的情况下，对在激光激发部5b的各种激发强度下输出的光束70的波阵面曲率成为无限大的位置(用从光束监测装置27到波阵面曲率变为无限大的位置的距离表示)进行实际测量的结果，空白圆圈表示在不配置激光激发部50a的情况下，在激光激发部5b的各个激发强度输出的光束70的波阵面曲率成为无限大的位置的实际测量结果。图14分别表示，在配置(图中的黑色圆圈)和不配置(图中的空白圆圈)激光激发部50a时，实际测量的在激光激发部5b的各个激发强度时波阵面曲率成为无限大时的位置处的光束直径。图13和图14的横轴(激发强度)用激光激发部5b的电流值表示。
这里，在配置激光激发部50a的情况下，成为波阵面曲率无限大的位置，基本上成为激光激发部50a的固体激光活性媒质40a的激光出射端，该位置成为激光光束被准直的位置。此外，如图13的黑色圆圈所示，该位置依赖于激发强度的变化基本上在±4％以下，基本上是一定的。进而，如图14的黑色圆圈所示，在该位置处的光束直径值的变化在2.0％以下。
另一方面，在没有配置激光激发部50a的情况下，可以看出波阵面成为无限大的位置基本上是部分透射镜2a的位置，相对于光束腰的位置。如图13的空心圆圈所示，该位置的变动少，如图14的空心圆圈所示，该位置的光束直径，在电流值17A时为3.3mm，在22A时为2.6mm，变化为21％以上。这样，可以证明，配置激光激发部50a的情况与不配置激光激发部50a的情况相比，可以获得光束直径非常小的装置。
此外，通过令激光激发部50a的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的被激发部分的长度与激光激发部5a、5b的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质4a、4b的被激发部分的长度相等，也可以发挥与本实施形式近似的效果，但这时，用于激光激发部50a的激发LD30a的LD驱动电流值，必须比用于激光激发部5a、5b的激发LD3a、3b的驱动电流值小，不能将多个激光激发部直接连接到一台电源上，或者，造成必须使用复杂的电流调整设备等不方便之处。
此外，在激光激发部50a的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的长度长的情况下，为了提取准直的光束，与激光激发部5a、5b相比，有必要使Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的n2小。因此，造成在激光激发部50a的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的出射侧与杆的外径冲突，产生不能高效率的运转的问题。
下面详细说明上面所述的内容。在忽略微小的修正的情况下，将激光活性媒质中的被激发部分的激发强度分布与通过激光活性媒质的光束强度分布之积，对激光活性媒质中的被激发部分相加变成最大时，从激光活性媒质中提取出来的能量成为最大。
在本发明中所述的级联式激光装置中，在大多数情况下，为了使能量的提取变得最大，在多个激光激发部的激光活性媒质的被激发变大，在不超出垂直于激光活性媒质的光轴的方向上的有效直径的范围内，构成传播光束的直径尽可能大的装置。
在这种装置中，在激光激发部50a的n2小于激光激发部5a、5b的n2的情况下，在激光活性媒质50a内传播的光束的直径变得大于激光激发部5a、5b内的光束直径，超过激光活性媒质的有效直径，造成与杆的外径冲突，引起不能进行高效率的运转的问题。
另一方面，在激光激发部50a的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的被激发部分的长度比激光激发部5a、5b的Nd:YAG杆状固体激光活性媒质4a、4b的被激发部分的长度的一半短时，Nd:YAG杆状固体激光活性媒质40a的n2必须很大，为了提取出准直的光束，出射侧的光束直径变小。从而，不能从Nd:YAG杆状固体激光活性媒质内的被激发的部分提取出足够的能量，不能高效率地动作。
下面对上述内容进行更详细的说明。忽略衍射等微小的修正，将激光活性媒质中的被激发部分的激发强度分布与通过激光活性媒质的光束强度分布之积相对于全部被激发部分相加成为最大的情况下，从激光活性媒质中的能量提取量成为最大。
在这种装置中，当激光激发部50a内的光束直径与激光激发部5a、5b内的光束直径相比小时，在激光激发部50a的激光活性媒质的被激发部分内，会产生激光光束的强度显著降低的部分，激光活性媒质中的被激发部分的激发强度分布与通过激光活性媒质的光束强度分布之积相对于全部被激发部分相加变小，所以，能量提取效率降低，不能高效率地动作。
从而，当令激光激发部50a的被激发部分的长度为激光激发部5a、5b的被激发部分的长度的一半时，可以更大地发挥本发明的效果。
实施例4.
图15是用于说明根据本发明的实施例4的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示构成激光装置的图示。在本实施例中，对使用具有曲率的镜和透镜构成激光装置的情况进行说明。在图15中，1b是具有曲率的全反射镜，2b是具有曲率的部分透射镜，5a、5b、5c是和图1中所示的激光激发部5a、5b、5c同样的激光激发部。8a、8b是凹透镜。激光激发部50a的激光活性媒质40a的激发能量是激光活性媒质4a、4b、4c的一半，其激发部分的长度也是后者的一半。此外，111a是表示镜1b的端面上的位置的标号，100a是表示激光活性媒质4a的中间位置的标号，111b是表示透镜内的光束波阵面曲率符号变化的位置的标号。
在图15中，以使得从位置111a到111b之间的光束模的形状在从位置111a至111d之间重复的方式，选择镜1b、2b和透镜8a、8b的曲率或焦距进行配置。具体地说，部分透射镜2b，振荡器内侧的镜的曲率与全反射镜1b相同，在放大器侧也设置曲率，使透射的、从振荡器输出的光束与反射的振荡器内的激光光束，具有相同的光束波阵面曲率，向两个方向传播。
这样，在激光活性媒质与激光活性媒质之间配置具有曲率的镜和透镜，也可以使激光活性媒质中的激光光束的光束直径和光束波阵面曲率的变化与图1所示的情况一样。从而，和图1所示的实施例一样，可以构成出射光束波阵面曲率、光束直径对激发能量依赖性小的激光装置。
此外，在图15中，表示了全反射镜和部分透射镜1b、2b的镜的曲率为凸的时的情况，但当全反射镜和部分透射镜1b、2b的镜的曲率是凹的时，情况也一样。此外，在图15所示的结构中，有的情况下不产生图1所示的激发部之间光束腰，但在这种情况下，光束波阵面曲率的符号依赖于光轴方向的位置变化的位置对应于图1的光束腰，生成在激光激发部之间。即，该位置成为与光束腰等同的位置。
实施例5.
图16是用于说明根据本发明的实施例5的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在图16中，9是光纤激光和固体激光等激光光束发生装置，7a是从激光光束发生装置9产生的激光光束，71是从激光装置提取出来的激光光束，8c、8d是将从激光光束发生装置9产生的激光光束7a导入到激光激发部50a、5a、5b、5c构成的激光放大器用的透镜。
此外，在图16中，111a是表示激光激发部50a与5a之间的光束腰位置的标号，100a是表示激光活性媒质4a的被激发区域的中间点的标号，111b是表示激光激发部5a与5b之间的光束腰的位置的标号。此外，6a是表示位置111a与100a之间的光学系统的标号，6b是表示位置100a与111b之间的光学系统的标号。激光激发部5a、5b、5c是重复相同的光学系统传播的级联式结构，即，以光学系统6a与6b的组合作为单位结构制成三个周期的6a、6b，6a、6b，6a、6b的周期性结构的方式配置光学部件。
此外，激光激发部50a作为其光学特性，以光学系统6b的位置100a重叠在位置100上的形式，将光学系统6b配置在位置100与111a之间，即，当描述包括用激光激发部50a构成的放大器的总体结构时，成为6b、6a，6b、6a，6b、6a、6b这样的结构。为了实现这种结构，与实施例1、即与图1所示的配置在输出端的激光激发部50a的激光活性媒质40a一样，配置在输入端的激光激发部50a的激光活性媒质40a与其它的激光活性媒质4a、4b、4c相比，被激发能量为二分之一，热透镜的焦距为二倍，激光活性媒质40a的被激发部分的长度为其它激光活性媒质4a、4b、4c的二分之一。
在这样构成的激光放大器中，由于激光光束入射的位置100，与使激发能量变化时，光束直径、光束波阵面曲率的变化小的100a等价，所以，相对于激光活性媒质激发能量的变化。在很宽的范围内，可以在不破坏级联状的光束模的情况下传播同样的入射光束。因此，被放大的光束模与被激发区域重合的部分的体积大，可以高效率地进行放大。此外，由于相对于激发能量的变化，可以在很宽的范围内使用同样的入射光束，从而简化放大器的设计。
即，在将曲率为平面的镜从杆状激光活性媒质的两个端面等距离的配置的结构等价地结合的周期性结构的光束模中，对应于平面镜的位置和杆状激光活性媒质的中间点的两个点，光束曲率总是平面。对应于平面镜的位置离开透镜时光束直径小，可以说是聚焦点，与依赖于激发强度光束直径有大变化的情况相对地，对应于杆状激光活性媒质的中间点的位置，对应于透镜的出射点，光束直径大，可以说是准直点，依赖于激发强度的光束直径的变化小。在这一点上，就是说，在周期性的光束传播中从被准直的点入射光束的情况下，可以不依赖于激发强度，使入射光束与级联结构内传播的模相一致，获得不依赖于激发强度、以很高的效率稳定地在放大器内的传播。
此外，在本实施例5中，放大器的输出侧与现有技术的结构装置相同，表示出了从相当于111b的位置输出的情况，但是，不言而喻，当和实施例1所示的情况一样，在输出端也配置激发能量为一半的结构激发部时，可以进一步缩小输出光束的直径和光束波阵面曲率对应于激发能量的变化。此外，在本实施例中，对于激光放大器，采用四个激光激发部进行四级放大结构，但也可以根据需要改变放大器的激发部分的个数，也可以采用实施例4所示的具有曲率的镜和透镜构成的激光装置。
实施例6.
图17是用于说明根据本发明的实施例6的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在图17中，在全反射镜1a与部分透射镜2a之间配置激光激发部5a构成激光振荡器。7是激光振荡器内产生的激光光束，7a是从激光振荡器提取出来的激光光束，入射到用激光激发部50a构成的激光放大器内。用上述激光振荡器和激光放大器构成激光装置L1。激光装置L1输出的激光光束70，通过光学元件8e、8f入射到由激光激发部50b、5b、5c构成的激光放大器、即激光装置L2。这里，在L1、L2中，激光激发部50a的激发能量为激光激发部5a的激发能量的二分之一，激光活性媒质40a的热透镜激发焦距是激光活性媒质4a的二倍，此外，激光激发部50b的激光活性媒质的激发能量，是激光激发部5b、5c的激发能量的二分之一，激光激发部50b的激光活性媒质的热透镜的焦距是激光激发部5b、5c的激光活性媒质的热透镜的焦距的二倍。即，激光激发部5a和50a构成的激光装置L1，激光激发部50b和激光激发部5b、5c构成的激光装置L2，各自分别与图1及图16的激光装置的端部具有相同的结构。此外，在图17中，111a、111b、111c、111d分别是表示光束腰位置的标号，100a是表示激光活性媒质4a的激发部分中间位置的标号，100、100b分别是表示激光激发部50a、50b的被激发部分的端部的位置的标号。
下面，对图17所示的激光装置的动作进行说明。从利用全反射镜1a、部分透射镜2a，激光激发部5a构成的激光振荡器提取出来的激光光束7a，在通过用激光激发部50a构成的激光放大器时被放大，变成激光光束70被输出。图17的100所示的位置，和图1的100一样，成为在激发能量变化时，光束直径、光束波阵面曲率的变化小的位置。从而，输出的激光光束70和图1中的输出激光光束70一样，相对于激光装置L1中的激发能量的变化，光束直径、光束波阵面曲率的变化小。输出的光束70，成为经由光学元件8e、8f入射到下一个放大级的光束70a。由于该入射光束70a在激光装置L1中相对于激发能量的变化其光束直径、光束波阵面的曲率变化也小，所以，成为光束直径、光束波阵面曲率变化小的入射光束。
后面的激光装置L2与图16相比，放大级少一级，其它结构相同。即，激光装置L2由激光激发部50b、5b、5c构成，激光光束的入射位置100b与图16的入射位置100b一样，由于即使使激发能量变化，通过选择入射位置可以将相同光束直径、光束波阵面曲率的被放大的入射光束调整成级联型结构进行传播，所以，在激光装置L2很宽的激发能量范围内，可以将相同光束直径、光束波阵面曲率的入射光束进行导光，将其放大。此外，即使独立地使激发能量变化，在很宽的激发能量区域内，也可以将激光装置L1和激光装置L2稳定地结合。此外，在L1的激光活性媒质和激光活性媒质激发装置与L2的激光活性媒质和激光活性媒质的激发装置具有不同的结构的情况下，在L1和L2的各个的动作区域内，能够使它们结合动作。
实施例7.
图18是用于说明根据本发明的实施例7的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在图18中，8g、8h是透镜，16是光纤。在全反射镜1a和部分透射镜2a之间配置激光激发部5a、5b、5c，构成激光振荡器。7是激光振荡器中产生的激光光束，它的一部分被通过图示反射镜2a提取出来，入射到用激光激发部50a构成的激光放大器内。上述激光振荡器和激光放大器构成激光装置L1。激光装置L1输出的激光光束70，依次通过透镜8g、光纤16、以及透镜8h，入射到由激光激发部50b、5d、5e、5f构成的激光放大器，即，入射到激光装置L2。这里，在L1、L2中，激光激发部50a的激发能量是激光激发部5a、5b、5c的激发能量的二分之一，激光激发部50a的激光活性媒质的热透镜的焦距是激光激发部5a、5b、5c的激光活性媒质的二倍，此外，激光激发部50b的激光活性媒质的激发能量是激光激发部5d、5e、5f的激发能量的二分之一，激光激发部50b的激光活性媒质的热透镜的焦距是激光激发部5d、5e、5c的激光活性媒质的热透镜焦距的二倍。即，激光激发部5a、5b、5c和50a构成的激光装置L1，激光激发部50b和激光激发部5d、5e、5f构成的激光装置L2，改变各自与图1及图16的激光装置端部具有等同的结构。在实施例6中，激光装置L1的输出激光光束70通过光学元件8e、8f入射到激光装置L2，但在本实施例中与之不同，激光装置L1的输出光束70依次通过透镜8g、光纤16、和透镜8h，入射到激光装置L2。
下面对图18所示的激光装置的动作进行说明。当由全反射镜1a、部分透射镜2a，激光激发部5a、5b、5c构成的激光振荡器中产生的激光光束7通过由激光激发部50a构成的激光放大器时，被放大，成为激光光束70。图18中用100表示的位置，和图1中的100一样，成为激发能量变化时，光束直径、光束波阵面的曲率变化小的位置。从而，输出的激光光束70，与图1中输出的激光光束70一样，相对于激光装置L1中激发能量的变化、光束直径、光束波阵面曲率的变化小。输出光束70被透镜8g聚光后入射到光纤16。由光纤16提取出来的激光光束70a，为了利用透镜8h与激光激发部50b结合，改变光束曲率、光束直径，成为入射到下一个放大级的光束70a。由于该入射光束70a相对于激光装置L1处的激发能量的变化，光束直径、光束波阵面曲率的变化小，所以，成为相对于激发能量的变化光束直径、光束波阵面曲率的变化小的入射激光光束。入射光束70a入射到由激光激发部50b和激光激发部5d、5e、5f构成的激光放大器(激光装置L2)并被放大，作为出射光束71被提取出来。
它后面的激光装置L2与图16具有构成的同样的结构。即，激光装置L2由激光激发部50b、5d、5e、5f构成，激光光束的入射位置100b与图16的入射位置100b一样，通过选择入射位置，使得即使令激发能量变化，也可以把相同光束直径、光束波阵面曲率的被放大的入射光束调整成级联式结构进行传播，所以，能够在激光装置L2的很宽的激发能量范围内，将相同光束直径及相同光束波阵面曲率的入射光束进行导光，将其放大。
此外，即使独立地使激发能量变化，也可以将激光装置L1和激光装置L2在很宽的激发能量的区域内稳定地结合。此外，在L1的激光活性媒质和激光活性媒质的激发装置与L2的激光活性媒质及激光活性媒质激发装置的结构不同的情况下，也可以在L1、L2的各自的动作区域内，使之结合动作。此外，可以避免由于在光纤16端面上过度聚焦造成的损伤。此外，在图18中，光纤16出射侧的光学系统，全部用放大器构成，通过在激光激发部50b、5d、5e、5f其中的一个的后面配置部分透射镜，可以构成包括光纤16的激光振荡器。此外，通过使出射侧最终端的激光激发部5e与激发部50a、50b相同，可以制成出射光束曲率、直径变化小的结构。
实施例8.
图19是用于说明根据本发明的实施例8的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在该实施例8中，激光激发部50c、50d、50e、50f、50a全部具有和图1的50a相同的结构。同时，在全反射镜1a、部分透射镜2a之间配置激光激发部50c和50d两者，构成激光振荡器M1。这里，在激光激发部50c与50d之间，不存在波阵面曲率的符号变化位置、光束腰。此外，当令全反射镜1a端面上的光束腰的位置为111a，部分透射镜2a的端面的光束腰的位置为111b，令光束腰111a与111d中间的位置为100a，沿激光光束的光轴、在位置111a与100a之间的光学系统为6a，位置100a与111b之间的光学系统为6b时，光学系统6a和6b相对于位置100a对称地构成。此外，在激光振荡器M1的后级，配置激光激发部50e和50f作为激光放大器M2，进而，在其后级，配置激光激发部50a，作为激光放大器M3，作为整个光学系统，成为沿激光光束的光轴重复6a、6b、6a、6b、6a的结构。
在图19中，位置100a为与图1的100a等价的位置，是光束的直径和光束的波阵面曲率依赖于激光激发部的激发能量变化小的位置。此外，111c是表示激光激发部50f与50a之间的光束腰的位置，位置111c的后级的激光激发部50a的激发能量，和图1的激光激发部50a一样，是位于相邻的光束腰之间、或者光束波阵面曲率的符号变化的位置之间、即位置111a与111b之间的激光激发部50c和50d的激发能量的二分之一，在光束提取位置100处，光束直径和光束波阵面曲率依赖于激发能量的变化很小。
这样，可以将和图1所示的一个激发部5a等同的激发部分割成激光激发部。此外，在图19中，表示出了激光装置内的光束腰于光束腰之间的激光激发部，特别是，表示出了将激光活性媒质分割两个时的情况，但也可以将激光激发部50c、50d、50e、50f、50a等进一步分割成多个，制成在相邻的光束腰之间的激光活性媒质的激发能量的总和与图19相等的装置。此外，在本实施例中，表示出了用平面镜、不含透镜的结构，但和实施例4一样，也可以构成采用具有曲率的镜和透镜的激光装置。
实施例9.
图20是用于说明根据本发明的实施例9的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在该实施例9中，与实施例8相同，激光激发部50c、50d、50e、50a全部具有和图1的50a相同的结构。同时，在曲率为平面的全反射镜1a和曲率为平面的部分透射镜2a之间配置激光激发部50c和50d两者，构成激光振荡器M4。从激光振荡器M4出射的激光光束入射到由激光激发部50e构成的放大器中，通过放大器部分的光学系统6b在位置111b处形成光束腰，进而，入射到由激光激发部50a构成的放大器，被放大，作为激光光束70出射。
这里，激光共振器内的光学配置，与实施例8、即图19所示的不同。光束腰位于共振器的激光激发部50c和50d之间的位置111a上，全反射镜1a和部分透射镜2a端面上的位置100c和位置100d，以及光束提取口100成为光束波阵面为平面、光束直径最大的位置。即，100c、100d、100从光束的动作的角度看，相当于图19的100a、100b的位置，图20的111a、111b相当于图19的111a、111b、111c的位置。从而，从激光振荡器M4出射的光束及从激光放大器的出射部分100提取出来的激光光束，光束波阵面曲率和光束直径依赖于激发能量的变化小。
此外，在该实施例9中，位于光束提取位置的端部的激光激发部50a的激发能量，为位于相邻光束腰之间、111a与111b之间的激光激发部50d和50e的激发能量的总计值的二分之一。
根据本实施例9，在靠近激光活性媒质的位置上配置镜，构成激光装置。此外，可以在激光活性媒质40c和40d的端面上进行涂覆制成全反射镜、部分透射镜。此外，在如图20所示构成的激光装置中，由于将镜的位置的激光光束直径设定得比振荡器内部的其它位置的光束直径大，所以，可以避免由激光光束造成的损伤。因此，在发生Q脉冲光束等的情况下，利用更高输出的激光光束，可以更好的发挥本发明的效果。图20中没有示出，在激光装置的内部也可以配置除透镜等之外的光学元件。此外，图中表示除了采用平面镜的情况，但和实施例2一样，也可以采用加有曲率的镜。
实施例10.
图21是用于说明根据本发明的实施例10的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在全反射镜1a、部分透射镜2a之间配置激光激发部50c和50d两者，构成激光振荡器M5，在激光振荡器M5的后级，将激光激发部50e和50f作为激光放大器M6，进而，在其后级配置激光激发部50a作为激光放大器M7，作为整个光学系统，沿激光光束的光轴重复6a、6b、6a、6b、6a地构成。这样，激光振荡器、放大器的激光激发部以及镜的配置结构，基本上和图19相同，但在本实施例10中，在激光振荡器的激光激发部50c和50d之间配置90度偏振光方向旋转器10a，此外，在激光激发部50e和50f之间配置90度偏振光方向旋转器10b。
在图21所示的结构的激光装置中，由于激光振荡器采用包括90度偏振光方向旋转器的取消复透镜的结构，所以，在激光共振器中，在很宽的激发能量范围及沿光学系统内的光轴很宽的位置范围内，在矢量径方向r偏振光和周向偏振光相同。即，图2～图7所示的r偏振光和偏振光的光束直径及光束波阵面曲率的曲线一致，相对于很宽的激发能量可以进行稳定的振荡，所以，可以更有效地发挥本发明的效果。此外，在线偏振光振荡动作有利的结构中，可以实现依赖于激发能量变化小的结构。进而，如图21所示，在配置90度偏振光方向旋转器的结构中，在光束提取位置的矢径方向r偏振光和周向方向的偏振光、由于从两个偏振光方向的光束的直径、光束波阵面曲率的差别小的位置提取结构光束，所以可以很容易使用输出的光束。
实施例11.
图22是用于说明根据本发明的实施例11的激光装置及其激发方法的图示，更具体地说，是表示激光装置的结构图。在图22中，1a为曲率是平面的全反射镜，2a是曲率为平面的部分透射镜。31a、31b、31c、31d、31e是激光活性媒质激发装置，下面，对所述激发装置是LD(Laser Diode激光二极管)时的情况进行说明。41a、41b、41c是材料为Nd:YAG的杆状固体激光活性媒质，激光活性媒质激发装置31a、31b、31c、31d、31e以从端面激发固体激光活性媒质41a、41b、41c的方式配置。21a、21b、21c、21d、21e、21f是相对于从LD31a、31b、31c、31d、31e来的激光光束全部透射、相对于固体激光光束全部反射的、涂覆了的激光光束折回镜。7是共振器内的激光光束，70是出射激光光束。
下面，根据对实施例11的激光装置的结构进行详细说明。在图22中，利用从激光活性媒质激发装置31a、31b、31c、31d出射的、通过激光光束折回镜21a、21b、21c、21d的激发光，激发构成激光振荡器的固体激光活性媒质41a、41b的两个端面。另一方面，构成激光放大器的固体激光活性媒质41c，利用激光活性媒质31e只激发和出射侧相反侧的端面。激光活性媒质激发装置31a、31b、31c、31d、31e，通过调整向各个固体激光活性媒质41a、41b、41c的光束入射条件以及固体激光活性媒质41a、41b、41c对LD的光的吸收率等，以使吸收到固体激光活性媒质41a、41b、41c内的功率相同的方式进行设计构成，使固体激光活性媒质41a、41b、41c全部具有相同的尺寸形状，Nd原子的掺杂浓度等规格相同，设计形成它们的热透镜、象差等也相同、从全反射镜1a到部分透射镜2a成为周期性的光束模的级联式激光装置。
即，从全反射镜1a到固体激光活性媒质41a的端面的光学距离与从部分透射镜2a至固体激光活性媒质41b的端面的光学距离，等于从固体激光活性媒质41a的端面到固体激光活性媒质41b的端面的光学距离一半。另一方面。固体激光活性媒质41c，从固体激光活性媒质41c的端面到部分透射镜2a的端面的距离与从固体激光活性媒质41b的端面到部分透射镜2a的端面的距离相等。
另外，在图22中，111a是表示全反射镜1a的端面的光束腰的位置的标号，111b是表示位于固体激光活性媒质41a与41b之间的光束腰的位置的标号，111c是表示位于部分透射镜2a的位置处的光束腰的位置的标号。比光束腰中位于最开始的端部的光束腰111c的更靠近端部侧的激光活性媒质41c的激发能量，为位于相邻的光束腰111c和111b之间的激光活性媒质41b、以及位于另外的相邻的光束腰111b和111a之间的激光活性媒质41a的激发能量的一半，所生成的热透镜的焦距为二倍。换句话说，形成在激光振荡器、激光放大器结构内的周期性的传播光束模的准直点，成为光束提取口。
下面，对根据本实施例的激光装置的动作进行说明。由全反射镜1a、固体激光活性媒质41a、41b，部分透射镜2a构成的激光振荡器，通过利用激光活性媒质激发装置31a、31b、31c、31d激发固体激光活性媒质41a、41b的两个端面，产生共振器内的激光光束7。配置在光轴的固体激光活性媒质41c通过利用激光活性媒质激发装置31e进行激发，起着激光放大器的作用。激光光束7被从部分透射镜2a提取到共振器之外，通过经过固体激光活性媒质41c被放大，作为激光光束70被提取到激光振荡器和激光放大器之外。
在这样构成的激光振荡器和激光放大器中，由于固体激光活性媒质41c的出射侧端面不被激发，所以，固体激光活性媒质41c所持有的热透镜焦距比其它激光活性媒质41a、41b的热透镜的焦距长，可以缩小激光装置的光束直径以及光束曲率依赖于激光装置的激发强度的变化。进而，当激光活性媒质激发装置31e的固体激光活性媒质吸收激发功率与分别从激光活性媒质31a、31b、31c、31d来的固体激光活性媒质吸收激发管路相同时，本发明可以发挥最大的效果。这时，由于从不依赖于激光装置的激发强度的周期性的光束传播准直的点提取光束，所以可以不依赖于激发强度，提取出基本上准直的光束。
上面所述的实施例1～11，都是将多个激光激发部级联地进行配置，借助激光活性媒质的热透镜周期性地生成光束腰，令比位于最靠近入射侧或出射侧的光束腰更靠近端部侧配置的激光激发部的激发能量，等于位于相邻的光束腰之间的激发部激发能量的总和的二分之一，入射端或出射端成为激光光束的光束直径最大的位置。借此，可以提供一种即便使激发能量变化，也能够使光束直径及光束波阵面曲率的变化少的输出光束的激光装置、或者，可以提供一种相对于激发能量的变化、在很宽的范围内在不破坏级联状的光束模的情况下传播同一个的入射光束放大器。
实施例12.
图23是表示根据本发明的实施例12的激光装置的结构图。在图23中，11是出射的光束波阵面曲率和出射光束直径依赖于激发能量变化小的激光装置，是实施例1～11中任何一个所述的激光装置。70是从激光装置11发生的激光光束，8g、8h是透镜，12是波长变换元件，设置调整温度的装置和调整角度的装置等位相匹配机构。13是相对于波长变换的激光光束透射率高、相对于基本波长的激光光束反射率高的激光光束分束镜，14是经过波长变换的激光光束，15是通过波长变换元件后未被变换的基本波长的激光光束。
在图23所示的结构中，由本发明的激光装置11产生的激光光束70利用透镜8g聚焦在波长变换元件12上，将其一部分进行波长变换。经过波长变换的激光光束和基本波长的光束，利用透镜8h被准直后，在激光光束分束镜13处被分离成波长变换过的激光光束14和基本波长的激光光束15。
在这种结构的激光装置中，由于作为用于进行波长变换的基本波长的光源采用实施例1～11中的任何一个所述的本发明的激光装置，所以，从激光光源11出射的光束的光束直径和波阵面曲率，依赖于激发能量的变化小。其结果是，可以提供一种在很宽的激发能量的范围内，即，在很宽的输出范围内，具有高的变换效率的激光装置。此外，由于波长变换过的激光光束的光束波阵面曲率及光束直径，依赖于波长变换活性媒质处的基本波长的光束的直径及光束波阵面曲率的变化而变化，所以，可以提供一种相对于激光装置11的激发能量的变化，波长变换的激光光束的光束直径及光束波阵面曲率的变化小的波长变化激光光束光源。
此外，在本实施例中，其结构为，经过单一的波长变换，产生所需的波长变换的激光光束，但，根据需要，也可以在光路上设置两个以上的波长变换元件，进行波长变换。
实施例13.
图24是表示根据本发明的实施例13的激光装置的结构图。在图24中，11是出射光束参数变化小的激光装置，是实施例1～11中的任何一个所述的激光装置，70是由激光装置11发生的激光光束，16是光纤，72是从光纤16出射的光束，8h是聚焦透镜。
下面对图24所示的激光装置的动作进行说明。从激光光源11产生的激光光束70，被聚焦透镜8h聚焦，被导入到光纤16中，作为输出光束72被提取出来。在图24所示的激光装置中，由于将在很宽的激发能量范围内光束波阵面曲率和光束直径变化小的激光光束导光到光纤中，所以，可以进行导光的条件变化小的光纤的导光。从而，很容易进行导光系统的设计和配置。
实施例14.
图25是表示根据本发明的实施例14的激光加工装置的结构图，在图25中，11是出射光束参数依赖于激发能量的变化小的激光装置，是实施例1～11中任何一个所述的激光装置。70是从激光装置11中出射的激光光束，8i是聚焦透镜，17是光圈，18是激光光束折回镜，19a、19b是能够使激光光束的方向高速变化的电子镜(galvanomirror)，20是加工透镜，21是加工对象，安装在能够以高速移动加工对象21的的工作台22上。
在图25所示的结构的激光加工装置中，由于从激光装置11产生的激光光束70，其光束波阵面曲率及光束直径依赖于激发能量的变化小，所以，可以提供一种在激光装置11的很宽的激发能量的范围内，即，在很宽的输出范围内，激光光束参数变化小的激光加工装置。此外，如本实施例所述的那样，在激光光轴上配置光圈，均化器，非球面透镜等对激光是进行依赖于光束截面内的位置的的调制的装置的情况下，本发明的效果可以得到更大的发挥。
工业上的可利用性根据本发明的激光装置，例如，可以用于激光加工机，由于这种激光加工机可以进行长时间稳定地高精度的均匀加工，例如，可以非常有利地用于印刷基板的制造以及纤维光栅的制造等种种加工。进而，本发明的激光装置，由于其输出加工光束的直径依赖于激发强度的变化小，所以，在进行聚焦使用加工光束时其效果特别大。举例说，利用伴随着聚焦的光纤导光的焊接用激光和切断用激光，或者，伴随着聚焦的波长变换等。在这些应用当中，由于可以获得与激发强度无关的稳定的加工特性，所以，操作变得容易，并且，可以抑制因同一机种的部件的偏差造成的特性的偏差。
权利要求
1.一种激光装置，构成为，由激发产生透镜效应的多个激光活性媒质被串联地配置在激光光轴上、激光光束以周期的形状传播，其特征为，从前述周期的形状的激光光束的传播中被准直的点附近入射或出射激光光束。
2.如权利要求1所述的激光装置，其特征为，在全反射镜和部分反射镜之间，设有由激发产生透镜效应的多个激光活性媒质的激光共振器中，在该共振器的内部具有一个光束腰，送往配置在该光束腰与前述全反射镜之间的激光活性媒质的激发能量，与送往配置在前述光束腰和前述部分反射镜之间的激光活性媒质的激发能量相等。
全文摘要
本发明的目的是降低从激光装置中输出的激光光束的激光光束直径和光束曲率因激发强度不同引起的变化。配置在比多个光束腰中两端的光束腰更靠近端侧的激光活性媒质的至少一方的激光活性媒质的总激发能量，大致为配置在多个光束腰中相邻的两个光束腰之间的激光活性媒质的总激发能量的二分之一。
文档编号H01S3/23GK1783602SQ200510124749
公开日2006年6月7日 申请日期2002年4月24日 优先权日2001年5月7日
发明者今野进, 小岛哲夫, 藤川周一 申请人:三菱电机株式会社