特許 6578670 レーザビームダンパー及びこれを用いたレーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6578670

(24)【登録日】2019年9月6日

(45)【発行日】2019年9月25日

(54)【発明の名称】レーザビームダンパー及びこれを用いたレーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/02 20060101AFI20190912BHJP

   G02F 1/37 20060101ALI20190912BHJP

   G02B 5/00 20060101ALI20190912BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/02

   G02F1/37

   G02B5/00 Z

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-34816(P2015-34816)

(22)【出願日】2015年2月25日

(65)【公開番号】特開2016-157829(P2016-157829A)

(43)【公開日】2016年9月1日

【審査請求日】2017年6月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(72)【発明者】

【氏名】西 亮祐

(72)【発明者】

【氏名】徳田 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】久光 守

(72)【発明者】

【氏名】門倉 一智

(72)【発明者】

【氏名】井上 和哉

【審査官】 大和田 有軌

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００６−５２０４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５３−１２１８３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００８００８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００５−５１６２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２６７８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２８４３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７５１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５００３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８５９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５０５０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４４５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１３３７９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４４３９８６０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ３／３０

Ｇ０２Ｂ ５／００

Ｇ０２Ｂ ６／１２ − ６／１４

Ｇ０２Ｆ １／３５ − １／３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザビームを遮断するレーザビームダンパーであって、
ビーム入射口を有する熱伝導部材と、
前記ビーム入射口に連結され、前記ビーム入射口から入射された前記レーザビームを円を描くように進行させる円環状に形成された円環部とを有し、
前記円環部の外周面には光を反射するための光反射膜が形成され、前記円環部の内周面には光を吸収するための光吸収膜が形成されてなり、
円盤型部材と、前記円盤型部材及び前記熱伝導部材を覆う蓋部材とを有し、
前記熱伝導部材は、前記円盤型部材の径よりも大径の円状の平坦部を有し、前記円環部は、前記熱伝導部材の前記平坦部に前記円盤型部材を同心状に配置することにより形成されることを特徴とするレーザビームダンパー。

【請求項2】

前記光反射膜は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｒ又はこれらを主成分とする合金のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１記載のレーザビームダンパー。

【請求項3】

前記光吸収膜は、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｚｎ又はこれらを主成分とする合金のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１記載のレーザビームダンパー。

【請求項4】

前記光吸収膜は、炭素膜で形成されることを特徴とする請求項１記載のレーザビームダンパー。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載されたレーザビームダンパーと、
レーザ光の基本波を発振する基本波発振器と、
前記基本波発振器で発振されたレーザ光の基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子で変換された高調波と基本波とを分離して基本波を前記レーザビームダンパーに出力するセパレータと、
を備えることを特徴とするレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を遮断するときに、遮断したレーザ光を吸収するレーザビームダンパー及びこれを用いたレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザビームダンパーは、レーザ光を遮断する機能を有し、レーザ装置の安全性確保や光の制御に用いられている。例えば、所望の波長のレーザ光を得るための波長変換装置では、波長変換結晶を透過した後の波長変換されなかった赤外光の処理にレーザビームダンパーが用いられている。

【0003】

図６は従来のレーザビームダンパーの一例を示す構成図である。このレーザビームダンパーは、光吸収・熱伝導性に優れた金属材料を用いたビーム吸収部５がヒートシンク６と一体となっている。レーザビームが金属材料を介して熱に変換され、ヒートシンク６で冷却される。ビーム吸収部５は、レーザ光軸に対して所定の角度だけ傾斜させて配置され、より大きな面積でビームを吸収する。

【0004】

このレーザビームダンパーはレーザ光を熱に変換して排出するため、入射した高出力レーザ光が同じ位置に照射され続けると、レーザ光吸収部材（ビーム吸収部５）は、局所的に非常に高温になる。このため、レーザビームダンパーを繰り返し使用することで、レーザ光吸収部材が著しく劣化し、ダンパーとしての性能が低下する。そこで、ダンパーの長寿命化のために、ビーム入射時にビームを分散させレーザ光吸収部材へのダメージを軽減する必要がある。

【0005】

このレーザビームダンパーの課題を解決したものとして、例えば、特許文献１〜４が知られている。特許文献１では、レンズによって対象とするレーザビームのビーム径を広げ、レーザ光吸収部材の消耗を抑制している。また、特許文献４では、複数のレーザ光分岐手段を用いてレーザビームを複数に分け、レーザ光吸収部材の消耗を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平７−２４５９１号公報

【特許文献2】特開平７−２７９０３号公報

【特許文献3】特開平１０−３２６９３１号公報

【特許文献4】特開２００１−３１７９９５号公報

【特許文献5】特開２０１２−２４３８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１，４では、ミラーやレンズなどの光学系が必要であり、特許文献２，３においても、構造が複雑になる。

【0008】

また、波長変換装置においては、対象とする赤外光が戻り光として波長変換部などに再入射すると、結晶の温度が上昇し、波長変換効率が低下する。図６に示す従来の手法では、ダンパーによりビームが完全に吸収されておらず、反射を繰り返すことで光がダンパーから出射し、戻り光となる場合がある。戻り光は、波長変換装置において性能劣化の原因となるだけでなく、その他のレーザ装置においても検出器の感度低下などの不良の原因となることが多い。このような課題については、特許文献５に記載されている。このため、戻り光が発生しないように使用済みビームを効果的にダンパー内に閉じ込める必要がある。

【0009】

本発明の課題は、長寿命化を実現でき、しかもレーザビームを閉じ込めて戻り光を低減させるレーザビームダンパー及びこれを用いたレーザ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記課題を解決するために、レーザビームを遮断するレーザビームダンパーであって、ビーム入射口を有する熱伝導部材と、前記ビーム入射口に連結され、前記ビーム入射口から入射された前記レーザビームを円を描くように進行させる円環状に形成された円環部とを有し、前記円環部の外周面には光を反射するための光反射膜が形成され、前記円環部の内周面には光を吸収するための光吸収膜が形成されてなり、円盤型部材と、前記円盤型部材及び前記熱伝導部材を覆う蓋部材とを有し、前記熱伝導部材は、前記円盤型部材の径よりも大径の円状の平坦部を有し、前記円環部は、前記熱伝導部材の前記平坦部に前記円盤型部材を同心状に配置することにより形成されることを特徴とする。

【0012】

また、本発明のレーザ装置は、レーザビームダンパーと、レーザ光の基本波を発振する基本波発振器と、前記基本波発振器で発振されたレーザ光の基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子で変換された高調波と基本波とを分離して基本波を前記レーザビームダンパーに出力するセパレータとを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ビームをビーム入射口に入射させることで、ビームは反射を繰り返し、円を描くように進行し続ける。円環部の外周面及び内周面を利用することでビームを拡大することができ、さらにビームの入射方向がビーム吸収面の法線に対して大きな角度をとることができるため、ビームを一部に集中させず分散させて吸収することができる。このため、レーザ光吸収部材における局所的な発熱が抑制される。これにより、レーザ光吸収部材の劣化が抑制されるため、レーザビームダンパーの長寿命化を実現できる。

【0014】

また、ビームが円環部を進行し再度ビーム入射口に達したときに、そのビーム進行方向が新規ビーム入射方向と同様の方向となる。このため、円環部を進行するビームがビーム入射口から再度出射することがなくなる。これにより、ビームが閉じ込められ、戻り光を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例１のレーザビームダンパーの構成を示す図である。

【図2】本発明の実施例１のレーザビームダンパーの外壁部材の詳細な構成を示す図である。

【図3】本発明の実施例２のレーザビームダンパーの断面図である。

【図4】本発明の実施例３のレーザビームダンパーの断面図である。

【図5】本発明の実施例のレーザビームダンパーを含むレーザ装置の構成図である。

【図6】従来のレーザビームダンパーの一例を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明のレーザビームダンパー及びレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【実施例1】

【0017】

図１は、実施例１のレーザビームダンパーの構成を示す図である。図１（ａ）は、レーザビームダンパーの斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すレーザビームダンパーの横断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すレーザビームダンパーの縦断面図である。図２（ａ）は外壁部材の上面図、図２（ｂ）は外壁部材の斜視図である。

【0018】

図１に示す実施例１のレーザビームダンパーは、円環部１３の外壁となる外壁部材１、円環部の内壁となる円盤型部材２、外壁部材１及び円盤型部材２を覆う蓋部材３、蓋部材３を冷却する冷却用ファン４とを有して構成される。

【0019】

外壁部材１と円盤型部材２とは、熱伝導率が高く、耐熱性に優れた部材からなり、例えば、金属材料からなる。外壁部材１は、本発明の熱伝導部材に対応する。外壁部材１と円盤型部材２と蓋部材３とは、溶接等の方法で接合され、一体化した状態となる。

【0020】

外壁部材１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、レーザビームを入射するためのビーム入射口１１と円盤型部材２の直径よりも大径の円状の平坦部１２を有している。外壁部材１の平坦部１２に、円盤型部材２を円状の平坦部１２の中心と同心状に配置することにより、図１（ｂ）に示すような円環状の円環部１３が形成されている。

【0021】

また、外壁部材１の内側の曲面部分には、光を反射するための光反射膜が形成され、円盤型部材２の曲面部分には光を吸収するための光吸収膜が形成されている。

【0022】

外壁部材１は、ステンレス鋼又はアルミニウム合金等を母体として、その表面粗さを小さくし、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｒ等の金属材料又はこれらを主成分とする合金などの反射膜を被覆することで光の反射率を高くする。円盤型部材２は、ステンレス鋼又はアルミニウム合金等の表面に、光吸収膜として、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｚｎ等の金属材料又はこれらを主成分とする合金又はダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の炭素膜を被覆して、光吸収・熱伝導性を高める。さらに、円盤型部材２の光吸収率を高めるために、表面粗さを大きくするといった方法も例示できる。

【0023】

蓋部材３は、排熱用のヒートシンクからなり、Ｃｕ，Ａｌ等の熱伝導性に優れた材料が用いられる。この蓋部材３には、冷却を促進させるための空冷用のフィン構造が形成されている。冷却用ファン４は、空冷用のフィンを冷却する。

【0024】

次にこのように構成された実施例１のレーザビームダンパーの動作を説明する。まず、吸収対象のレーザビームは、外壁部材１に形成されたビーム入射口１１からレーザビームダンパー内に入射する。入射したビームは、円環部１３の接線方向から外壁部材１及び円盤型部材２に当たり、外壁部材１及び円盤型部材２の曲面で反射・吸収される。

【0025】

ビームは、外壁部材１及び円盤型部材２に対して円環構造の接線に近い角度で入射するため、ビームが照射される面積が大きくなり、ビームが吸収される場合には、ビームによる部材へのダメージが軽減される。また、ビームが反射される場合には、反射されるビームが曲面により拡大・分散される。即ち、部材へ局所的に熱が集中することを防ぎ、部材の劣化を抑えることができる。

【0026】

次に、部材により吸収されず反射されたビームは、別の部材表面に照射され、同様にビームの吸収及び反射が起こる。ビームの吸収及び反射が繰り返されることで、ビームは円を描くように進行しながら強度がゼロになるまで徐々に熱に変換されて吸収される。さらに、円環構造の下では、吸収されなかったビームが円環部１３を一周してビーム入射口１１に再度、到達した場合でも、そのビームの進行方向は、新規に入射するビームと同様の方向であり、ビーム入射口１１から出射してしまうことがない。このため、ビームはダンパー内に閉じ込められ戻り光の発生が抑えられる。

【0027】

さらに、実施例１では、外壁部材１と円盤型部材２とにそれぞれ光反射膜及び光吸収膜を施している。これにより、ビームの熱は外壁部材１の外面に漏れにくくなり、さらに円盤型部材２を介してビーム吸収による熱が冷却用フィン構造を有する蓋部材３へ伝達し易くなり、効率良く冷却できる。

【0028】

また、実施例１では、外壁部材１と円盤型部材２とにそれぞれ光反射膜・光吸収膜を施したが、例えば、全体のビーム反射率が７０％程度になるように一様な表面処理を施す方法も考えられる。この方法では、ビームは円環構造を進行する途中で部材に当たり反射する度に少しずつ吸収される。また、反射が主であるため、光吸収によって一部が大きく劣化することなく、さらなるレーザビームダンパーの長寿命化を図ることができる。

【0029】

このように、実施例１のレーザビームダンパーによれば、ビームをビーム入射口１１に入射させることで、ビームは反射を繰り返し、円を描くように進行し続ける。円環部１３の外周面及び内周面を利用することでビームを拡大することができ、さらにビームの入射方向がビーム吸収面の法線に対して大きな角度をとることができるため、ビームを一部に集中させず分散させて吸収することができる。このため、レーザ光吸収部材における局所的な発熱が抑制される。これにより、レーザ光吸収部材の劣化が抑制されるため、レーザビームダンパーの長寿命化を実現できる。

【0030】

なお、実施例１では、外壁部材１と円盤型部材２とを組み合わせて円環部１３を形成したが、円盤型部材２を削除し、外壁部材１のみに円環部を形成しても良い。

【実施例2】

【0031】

図３は、本発明の実施例２のレーザビームダンパーの断面図である。図１に示す実施例１では、外壁部材１と円盤型部材２とを組み合わせて円環部１３を形成し、この円環部１３が図１（ｃ）の断面図に示すように角型となっていた。

【0032】

これに対して、実施例２のレーザビームダンパーは、図３に示すように、円盤型部材２を削除し、外壁部材１ａと蓋部材３ａとからなる。

【0033】

外壁部材１ａ及び蓋部材３ａには、円環状の溝部１３ａ，１３ｂが形成され、外壁部材１ａの溝部１３ａと蓋部材３ａの溝部１３ｂとを対向配置させることにより断面が丸い円環構造の円環部が形成されている。円環状の溝部１３ａ，１３ｂは、金属加工用のエンドミルの形状を工夫等して形成されている。

【0034】

断面が丸い円環構造の円環部が形成されているので、曲面を利用したビームの分散によって、光吸収部材の劣化がより低減される。

【実施例3】

【0035】

図４は、本発明の実施例３のレーザビームダンパーの断面図である。この断面図は、図１に示す横断面図に相当する。

【0036】

実施例３のレーザビームダンパーは、円盤型部材２を削除し、外壁部材１ｂと図３に示す蓋部材３ａとからなる。

【0037】

外壁部材１ｂは、図４に示すように、ビーム入射口１１と螺旋状に形成された螺旋部１４を有し、螺旋部１４の外周面には光を反射するための光反射膜が形成され、螺旋部１４の内周面には光を吸収するための光吸収膜が形成されてなる。

【0038】

このような構成によれば、より長いレーザ光吸収経路を確保でき、レーザ光吸収部材の劣化が抑えられ、レーザビームダンパーの長寿命化を図ることができる。また、同時にレーザ光の戻り光をより大きく低減できる。

【0039】

図５は、本発明の実施例のレーザビームダンパーを含むレーザ装置の構成図である。レーザ装置は、基本波発振器２１、レンズ２２、波長変換素子２３、レンズ２４、セパレータ２５、レーザビームダンパー２６を備えている。

【0040】

基本波発振器２１は、レーザ光の基本波を発振し、基本波をレンズ２２を介して波長変換素子２３に出力する。波長変換素子２３は、基本波発振器２１で発振されたレーザ光の基本波を高調波に変換して、高調波及び波長変換できなかった基本波をセパレータ２５に出力する。

【0041】

セパレータ２５は、波長変換素子２３で変換された高調波と波長変換できなかった基本波とを分離して基本波をレーザビームダンパー２６に出力する。レーザビームダンパー２６は、実施例１乃至３のレーザビームダンパーであり、セパレータ２５からの基本波を吸収する。

【0042】

このように実施例１乃至３のレーザビームダンパーをレーザ装置に適用することができ、実施例１乃至３のレーザビームダンパーの効果が得られる。

【符号の説明】

【0043】

１ 外壁部材
２ 円盤型部材
３ 蓋部材
４ 冷却用ファン
５ ビーム吸収部
６ ヒートシンク
１１ ビーム入射口
１２ 平坦部
１３ 円環部
１４ 螺旋部
２１ 基本波発振器
２２，２４ レンズ
２３ 波長変換素子
２５ セパレータ
２６ レーザビームダンパー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】