JP2008283189A - Laser device using anisotropy laser crystal by which diode pumping was carried out - Google Patents

Laser device using anisotropy laser crystal by which diode pumping was carried out Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a symmetric property of a converged spot in an anisotropy laser crystal when the crystal is diode-pumped by radiation of an output beam having narrow streaks, and improve the efficiency when a solid-state laser is pumped in the form of vertical pumping. <P>SOLUTION: This apparatus includes a pump radiation source generating a pump beam which has an asymmetrical cross-section and brightness, the asymmetrical cross-section being larger in a first direction (early direction) and being smaller in a second direction (late direction); an aspheric surface lens which makes the pump beams parallel in the first direction; a polarization slewing gear which rotates the polarization of the pump beams from the aspheric surface lens, by 90 degrees; a second cylinder lens which makes the polarized pump beams parallel in a second direction; a convergent lens which converges the pump beams on the anisotropy laser crystal; a first axis and a second axis which are crystallography perpendicular each other; and the anisotropy laser crystal in which the first axis and the second axis have different absorbance each other due to the polarization of the pump beam. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置に関し、更に詳しくは、異方性レーザー結晶が狭い縞模様の出力ビームを有する放射によりポンピングされる時、異方性レーザー結晶内で収束されるスポットの対称性を向上させることができ、特に縞模様を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーなどを使用して縦のポンピング形態で固体レーザーをポンピングする時、レーザーシステムの効率を向上させることができる異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置に関する。   The present invention relates to a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal, and more particularly, when the anisotropic laser crystal is pumped by radiation having a narrow striped output beam, The symmetry of the focused spot can be improved, especially when pumping a solid state laser in a vertical pumping configuration using striped laser diodes, laser diode bars and laser diode arrays, etc. The present invention relates to a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal capable of improving efficiency.

最近、レーザーダイオード、レーザーダイオードバー、レーザーダイオードアレーなどにより光ポンピングされる固体レーザーシステム分野は大きく発展してきた。   Recently, the field of solid-state laser systems that are optically pumped by laser diodes, laser diode bars, laser diode arrays, etc. has been greatly developed.

レーザーダイオードはサイズが小さく、実際の使用に有用であり、閃光ランプのような光源と関連した加熱問題が発生しないため、ポンピング光源として適する。更に、レーザーダイオードは集積されるため、縦のポンピング構造において効率的に使用され得る。   Laser diodes are suitable as pumping light sources because they are small in size, useful for practical use, and do not cause heating problems associated with light sources such as flash lamps. Furthermore, since the laser diode is integrated, it can be used efficiently in a vertical pumping structure.

レーザーダイオードでポンピングされる既存のレーザー装置のように、高い効率を有するレーザー放射横方向モードＴＥＭ００を発生させるために、レーザーダイオードビームと共振器内で振動するレーザービームが互いによく重なり合えば、縦のポンピングシステムは横のポンピングシステムより更に効果的である。 As with existing laser devices pumped with a laser diode, in order to generate a laser radiation transverse mode TEM 00 with high efficiency, if the laser diode beam and the laser beam oscillating in the resonator overlap well, A vertical pumping system is more effective than a horizontal pumping system.

言い換えると、レーザー結晶内でレーザーダイオードのモード体積がレーザー共振器のＴＥＭ００モードと一致する時、ダイオードポンピングされたレーザーシステムで最大の効率が得られる。 In other words, maximum efficiency is obtained with a diode-pumped laser system when the mode volume of the laser diode in the laser crystal matches the TEM 00 mode of the laser resonator.

多くのレーザーダイオードがこのような条件を充足させることは難しい。この問題はレーザーダイオード（そして、特別に高い出力のレーザーダイオード）が長い長方形態のビーム出力領域を有しており、出力ビームの幅が高さよりはるかに大きい非対称的な形態を有するという事実と関連がある。   It is difficult for many laser diodes to satisfy these conditions. This problem is related to the fact that laser diodes (and especially high power laser diodes) have a long rectangular beam output region and an asymmetrical form in which the output beam width is much larger than the height. There is.

更に、Ｍ２で表現されるレーザーダイオードビームの２つの垂直方向での輝度分布は非常に非対称的である。 Furthermore, the luminance distribution in two perpendicular directions of the laser diode beam is represented by M 2 is very asymmetrical.

狭い縞模様のレーザーダイオードのような典型的な高出力レーザーダイオードの場合、狭い高さ方向（早い軸）での発散角は広い幅方向（遅い軸）での発散角より更に大きい。   For a typical high power laser diode, such as a narrow striped laser diode, the divergence angle in the narrow height direction (fast axis) is even greater than the divergence angle in the wide width direction (slow axis).

しかしながら、幅の大きさが高さの大きさよりはるかに大きいため、高さの大きさでの輝度は幅の大きさでの輝度より依然１０倍以上大きい。   However, because the width is much larger than the height, the brightness at the height is still more than 10 times greater than the brightness at the width.

従って、レーザー結晶内部で非常に非対称的な分布を有するレーザーダイオードの出力ビームを改善するために、そして対称的な分布を有する共振器ビームと一致させるために、相当な努力が要求される。   Therefore, considerable effort is required to improve the output beam of a laser diode having a very asymmetric distribution within the laser crystal and to match the resonator beam having a symmetric distribution.

前記レーザーダイオードの出力ビームを共振器ビームと一致させるために、レーザー結晶内部でレーザーダイオードポンピングビームの横縦比を変更するために、プリズム、レンズなどのような多様な光学素子が採用される。   In order to make the output beam of the laser diode coincide with the resonator beam, various optical elements such as a prism and a lens are employed to change the aspect ratio of the laser diode pumping beam inside the laser crystal.

このような接近方法中の一つとして、レーザーダイオードビームを先ず非球面レンズに通過させて異なる２つの軸（早い軸と遅い軸）を平行にさせる。   One such approach is to first pass the laser diode beam through an aspheric lens so that two different axes (the fast axis and the slow axis) are parallel.

シリンダー形態の光学部品を使用しない標準のレーザー共振器において、共振器内部のレーザーモードは多少丸い。   In a standard laser resonator that does not use a cylinder-shaped optical component, the laser mode inside the resonator is somewhat round.

従って、レーザービームとポンプビームとの間にモード整合を成すために、ポンプビームは利得媒質（光が増幅される物質）の内部で円形のスポットとなるように収束されなければならない。   Therefore, in order to achieve mode matching between the laser beam and the pump beam, the pump beam must be converged to be a circular spot inside the gain medium (the material from which the light is amplified).

一般的に、ビーム品質係数Ｍ２を有するレーザービームの光経路にレンズが置かれると、通過したビームは下記数学式１のような半径サイズｗ０で収束される。 Generally, when the lens to the laser beam optical paths having a beam quality factor M 2 is placed, a beam which has passed through is focused in the radial size w 0 as following Equation 1.

ここで、λはポンプビームの波長を表し、ｆはレンズの焦点の長さ、そしてｗｌｅｎｓはレンズを通過したビームの半径サイズを表す。そして、レンズを通過したビームの曲率半径は焦点の長さよりはるかに大きいと仮定した。
式１は、固定された波長から与えられた焦点の長さｆを有するレンズを通過した後のビーム半径はＭ２／ｗｌｅｎｓに比例することを示す。 Here, λ represents the wavelength of the pump beam, f is the length of the focal point of the lens , and w lens is the radial size of the beam that has passed through the lens. It was assumed that the radius of curvature of the beam that passed through the lens was much larger than the focal length.
Equation 1, the beam radius after passing through the lens having the length f of the focusing provided from a fixed wavelength shown to be proportional to M 2 / w lens.

従って、球面収束レンズを通過した後で丸い形態のスポットを得るために、ポンプビームは遅い方向でビーム品質係数の比、Ｍ２ ｓｌｏｗ／Ｍ２ ｆａｓｔによって拡大されなければならない。 Thus, in order to obtain a round shaped spot after passing through the spherical converging lens, the pump beam must be expanded in the slow direction by the ratio of beam quality factors, M 2 slow / M 2 fast .

このような拡大は普通、カプランまたはガリレオ式のシリンダー拡大鏡を使用して得られる。Ｍ２ ｓｌｏｗ／Ｍ２ ｆａｓｔ≒１５程度の広い面積を有する狭い縞模様のレーザーダイオードの場合、レンズを通過したレンズビームは遅い方向に強く拡張される。ポンプビームのサイズが増加するため、このことが、直径が大きいレンズを使用するようにさせる。 Such magnification is usually obtained using a Kaplan or Galileo type cylinder magnifier. In the case of a laser diode with a narrow stripe pattern having a large area of about M 2 slow / M 2 fast ≈15, the lens beam that has passed through the lens is strongly expanded in the slow direction. This increases the size of the pump beam, which makes it possible to use a lens with a large diameter.

ポンプビームを狭い面積に収束する時、ダイオードの高い輝度のため、利得媒質で非常に高いポンプ強度を得ることができる。三準位と類似した器具では透明強度をより容易に克服するために、このような高いポンプ強度が特に要求される。   When converging the pump beam to a small area, a very high pump intensity can be obtained with a gain medium due to the high brightness of the diode. Such high pump strength is particularly required in devices similar to the three levels in order to more easily overcome the transparent strength.

Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ結晶のように、三準位と類似した器具で動作する数種の異方性レーザー結晶は偏光に依存する様々な波長吸収バンドを有している。電気場のベクター方向がレーザー結晶のａ軸に平行である時、吸収が最大となる。   Several types of anisotropic laser crystals operating in a device similar to the three levels, such as Yb: KGW and Yb: KYW crystals, have various wavelength absorption bands depending on the polarization. Absorption is maximized when the vector direction of the electric field is parallel to the a-axis of the laser crystal.

結晶の端面で反射による損失を減らすために、レーザー媒質をブルースター角度で切断する。この場合、ポンプビームがレーザー結晶に入射する時、レーザー結晶の屈折率のためレーザー結晶の内部でポンプビームのサイズは入射平面で増加する。   In order to reduce the loss due to reflection at the end face of the crystal, the laser medium is cut at a Brewster angle. In this case, when the pump beam is incident on the laser crystal, the size of the pump beam increases in the incident plane inside the laser crystal due to the refractive index of the laser crystal.

屈折率が大きいレーザー結晶の場合、レーザービームのサイズとビームの非対称が深刻に増加する。広い面積のレーザーダイオードは大部分、遅い軸方向の偏光ベクターを有するＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードで偏光された出力を有する。   In the case of a laser crystal having a large refractive index, the size of the laser beam and the asymmetry of the beam are seriously increased. Large area laser diodes mostly have an output polarized in TE (Transverse Electric) mode with a slow axial polarization vector.

従って、異方性レーザー結晶の効果的なポンピングのために、レーザーダイオードの偏光方向をレーザー結晶の吸収が最大となる方向と一致させ、ブルースター角の入射平面に置かれるようにしなければならない。   Therefore, for effective pumping of the anisotropic laser crystal, the polarization direction of the laser diode must be aligned with the direction in which the absorption of the laser crystal is maximized and placed in the Brewster angle incident plane.

遅い軸方向でレーザーダイオードビームの輝度は、基本的に早い軸方向の輝度より小さい。これはレーザー結晶内部でビームが収束される時、レーザーダイオードビームの深刻な非対称性を引き起こし、レーザー共振器とモードの非整合を引き起こす。   The brightness of the laser diode beam in the slow axis direction is basically smaller than the brightness in the fast axis direction. This causes severe asymmetries in the laser diode beam when the beam is focused inside the laser crystal, causing a mode mismatch with the laser resonator.

例えば、特許文献１によると、レーザーダイオードのポンプビームが空気中で３１μｍ×１６５μｍで非対称的に収束されるが、これがレーザー結晶内では１．５倍増加し、レーザー共振器とのモード非整合が増加する。   For example, according to Patent Document 1, the pump beam of a laser diode is asymmetrically converged in air at 31 μm × 165 μm, but this increases 1.5 times in the laser crystal, resulting in mode mismatch with the laser resonator. To increase.

このような点にも関わらず、異方性レーザー結晶を利用することができ、回折がほぼ制限されるＴＥＭ００モードで高い効率及び高い出力で作動するダイオードポンピングされたレーザーを開発することが有益である。 Despite this, it is beneficial to develop diode-pumped lasers that can utilize anisotropic laser crystals and operate with high efficiency and high power in TEM 00 mode where diffraction is nearly limited. It is.

これは異方性特性を有する物質が特定の応用に適合する特性を有しているためである。ネオジム（Ｎｄ）がドーピングされた媒質に比べ、Ｙｂ：ＫＧＷとＹｂ：ＫＹＷのようなイッテルビウム（Ｙｂ）を含む結晶はバンド幅が大きく、長い上位状態の寿命時間を示す。   This is because a substance having anisotropic characteristics has characteristics suitable for a specific application. Compared to a medium doped with neodymium (Nd), crystals containing ytterbium (Yb) such as Yb: KGW and Yb: KYW have a large bandwidth and a long lifetime in the upper state.

このような特性はフェムト秒パルス幅と高い平均出力を有するモードロックレーザー（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）をデザインする時に重要であり、調整可能な変数を提供する。更に、異方性を有するイッテルビウムがドーピングされた結晶の数種の特性は、ダイオードポンピングにとって魅力的である。   Such characteristics are important when designing a mode-locked laser with femtosecond pulse width and high average power, providing an adjustable variable. In addition, several properties of anisotropic ytterbium doped crystals are attractive for diode pumping.

即ち、波長９４０ｎｍから９８０ｎｍのダイオードポンプ波長で、吸収係数が非常に高く、ポンプビームの波長と発振ビームの波長との間の量子欠損が低いため、高い出力のダイオードポンプの光をレーザー結晶に効率的に結合させることができる。
A.Shirakawa, K.Takaichi, H.Jagi et al.，Optics express, 11, 2911（2003) In other words, the diode pump wavelength from 940 nm to 980 nm has a very high absorption coefficient, and the quantum defect between the pump beam wavelength and the oscillation beam wavelength is low. Can be combined.
A. Shirakawa, K. Takaichi, H. Jagi et al., Optics express, 11, 2911 (2003)

Ｙｂ：ＫＧＷとＹｂ：ＫＹＷのような異方性レーザー結晶はより高いポンプ出力を使用する特定のレーザーで使用されている。しかし、ポンプビームの強い非対称性により縦のポンピング構造での出力と効率が制限される。   Anisotropic laser crystals such as Yb: KGW and Yb: KYW are used in certain lasers that use higher pump power. However, the strong asymmetry of the pump beam limits the power and efficiency of the vertical pumping structure.

一方、高い効率を有するレーザーに対する要求がある。レーザーの効率が低い場合、所望するレーザー出力を得るために、より高いポンピング出力のレーザーダイオードが要求される。   On the other hand, there is a need for a laser with high efficiency. If the efficiency of the laser is low, a laser diode with a higher pumping power is required to obtain the desired laser power.

特に、狭い縞模様のレーザーダイオード光源で出力を高めると、ダイオード接合温度が増加し、レーザーダイオード光源の寿命が低下する。これは長い寿命時間を要求する応用に受容されにくい。   In particular, when the output is increased with a narrow striped laser diode light source, the diode junction temperature increases and the life of the laser diode light source decreases. This is unacceptable for applications requiring a long lifetime.

更に、低い効率のレーザーは、所望するレーザー出力を得るためにポンプ光源を追加的に使用しなければならない。これは費用や複雑性に敏感である応用では受容されにくい。   In addition, low efficiency lasers must additionally use a pump light source to obtain the desired laser power. This is unacceptable for applications that are sensitive to cost and complexity.

異方性レーザー結晶を使用するが、広範囲のポンプ出力で高い品質のビームを提供する高効率及び高出力のレーザーに対する要求がある。そして、減少された熱的複屈折を有するダイオードポンピングされた固体レーザーに対する要求がある。   Although anisotropic laser crystals are used, there is a need for high efficiency and high power lasers that provide high quality beams with a wide range of pump power. There is then a need for a diode-pumped solid state laser with reduced thermal birefringence.

本発明の目的は、レーザーダイオード、ダイオードバー及びダイオードアレーのような非常に非対称的な回折性を有するポンピング光源を使用する場合、レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを持つことで、ＴＥＭ００モードで作動し、偏光された出力を発生させながらも効率が非常に高く、レーザーダイオードから放出されるポンピング光を高密度でレーザー媒質の中に収束することができる異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置を提供することにある。 The object of the present invention is to reconstruct the intensity distribution in the abscissa direction inside the laser crystal when using pumping light sources with very asymmetrical diffractive properties such as laser diodes, diode bars and diode arrays. Since the beam focused on has a substantially circular spot with an absorption length, it operates in the TEM 00 mode and is very efficient while generating polarized output and pumping light emitted from the laser diode. An object of the present invention is to provide a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal that can be focused in a laser medium at high density.

前記目的を達成するために、本発明は、ダイオードポンピングされたレーザー装置において、第１方向（早い方向）でより小さく、前記第１方向に対して直交する第２方向（遅い方向）でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させるポンプ放射源と；前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを前記第１方向で平行にする非球面レンズと；前記非球面レンズを通過したポンプビームの偏光を９０°回転させる偏光回転装置と；前記偏光回転装置を通過したポンプビームを前記第２方向で平行にする第２シリンダーレンズと；前記ポンプビームを異方性レーザー結晶に収束する収束レンズと；結晶学的に互いに直交する第１軸及び第２軸を有し、これらの軸がポンプビームの偏光によって互いに異なる吸収度を有する異方性レーザー結晶とを含み、前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを利用して前記異方性レーザー結晶をポンピングすることを特徴とする。   To achieve the above object, the present invention provides a diode-pumped laser device that is smaller in a first direction (faster direction) and larger in a second direction (slower direction) orthogonal to the first direction. A pump radiation source for generating a pump beam having an asymmetric cross section and brightness; an aspherical lens for collimating the pump beam output from the pump radiation source in the first direction; and a pump beam passed through the aspherical lens. A polarization rotator that rotates the polarization by 90 °; a second cylinder lens that collimates the pump beam that has passed through the polarization rotator in the second direction; and a converging lens that focuses the pump beam on an anisotropic laser crystal; A first axis and a second axis that are crystallographically orthogonal to each other, and these axes have different absorptions depending on the polarization of the pump beam. And a sexual laser crystal, characterized by pumping said anisotropic laser crystal by utilizing the pump beam output from the pump radiation source.

好ましい態様として、前記偏光回転装置と前記第２シリンダーレンズとの間に位置し、前記偏光回転装置を通過したポンプビームのサイズを前記第２方向で拡大させる第１シリンダーレンズを更に含み、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームは前記第１及び第２シリンダーレンズにより楕円形ビームに作られることを特徴とする。 In a preferred embodiment, located between said polarization rotation device second cylinder lens further comprises a first cylinder lens for enlarging the size of the pump beam passing through the polarization rotation device in the second direction, said pump The pump beam output from the radiation source is formed into an elliptical beam by the first and second cylinder lenses.

更に好ましい態様として、前記異方性レーザー結晶がポンプビームを最大に吸収することができるように、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームの偏光方向が前記異方性レーザー結晶のａ軸に沿って置かれることを特徴とする。   In a further preferred embodiment, the polarization direction of the pump beam output from the pump radiation source is along the a-axis of the anisotropic laser crystal so that the anisotropic laser crystal can absorb the pump beam to the maximum extent. It is characterized by being placed.

更に、本発明は、前記異方性レーザー結晶はビーム入口と出口でブルースター角で切断され、空気屈折率に対するレーザー結晶の屈折率の比によって前記ブルースター角が増加することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the anisotropic laser crystal is cut at a Brewster angle at a beam entrance and an exit, and the Brewster angle is increased according to a ratio of a refractive index of the laser crystal to an air refractive index.

また、前記異方性レーザー結晶は、Ｙｂ３＋イオンが添加されたタングステン酸塩媒質であるＹｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷ結晶であることを特徴とする。 The anisotropic laser crystal may be a Yb: KYW or Yb: KGW crystal that is a tungstate medium to which Yb 3+ ions are added.

更に、前記偏光回転装置は半偏光板であることを特徴とする。   Furthermore, the polarization rotator is a semi-polarizing plate.

更に、前記ポンプ放射源はビームを送る各々のエミッターが線形態を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーの中から選択されるいずれか一つであることを特徴とする。   The pump radiation source may be any one selected from a laser diode having a linear configuration, a laser diode bar, and a laser diode array.

本発明に係る異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置によると、レーザーダイオード、ダイオードバー及びダイオードアレーのような非常に非対称的な回折性を有するポンピング光源を使用する場合、レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを有することで、ＴＥＭ００モードで作動し、偏光された出力を発生させながらも効率が非常に高く、レーザーダイオードから放出されるポンピングビームを高密度でレーザー媒質の中に収束することができる。 According to the diode-pumped laser apparatus using the anisotropic laser crystal according to the present invention, when using a pump light source having a highly asymmetrical diffractive property such as a laser diode, a diode bar and a diode array, the laser crystal Reconstructing the intensity distribution in the abscissa direction internally, and the ultimately focused beam has a nearly circular spot with absorption length, so that it operates in TEM 00 mode and produces a polarized output The efficiency is very high and the pumping beam emitted from the laser diode can be focused into the laser medium at high density.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置について説明する。   Hereinafter, a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１は、レーザーダイオードから発生する狭い縞模様１０の非対称ビームの断面模様及び軸方向を表す図面である。   FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional pattern and an axial direction of an asymmetric beam having a narrow stripe pattern 10 generated from a laser diode.

商用のワット級レーザーダイオードにおいて、高さ（Ｈ）に対する幅（Ｗ）の比は１００〜１である。幅（Ｗ）方向の遅い軸での発散角は約１０°であり、ビーム品質係数Ｍ２は約１５である。 In a commercial watt class laser diode, the ratio of width (W) to height (H) is 100-1. The divergence angle on the slow axis in the width (W) direction is about 10 °, and the beam quality factor M 2 is about 15.

一方、高さ（Ｈ）方向の早い軸での発散角は約３０°であるが、ビーム品質係数Ｍ２は約１である。従って、レーザービームの出力は大部分遅い軸方向に沿って偏光される。 On the other hand, the divergence angle on the fast axis in the height (H) direction is about 30 °, but the beam quality factor M 2 is about 1. Thus, the output of the laser beam is mostly polarized along the slow axis direction.

図２は、入射平面でＹｂ：ＫＹＷのような異方性レーザー結晶１１で作られたレーザー活性物質の軸とブルースター角（θ）の方向を表す図面である。   FIG. 2 is a drawing showing the axis of the laser active material made of an anisotropic laser crystal 11 such as Yb: KYW and the direction of the Brewster angle (θ) on the incident plane.

レーザーダイオード１４の出力開口は、異方性レーザー結晶１１で吸収を最大化するために、遅い軸方向、即ち偏光方向１２が結晶のａ軸１３に沿って置かれる。遅い軸方向でレーザーダイオード１４の輝度が低いため、遅い軸方向でポンプビームのサイズは、その大部分が、早い軸方向でのビームサイズを超過する。 Output aperture of the laser diode 14, in order to maximize the absorption anisotropic laser crystal 11, the slow axis direction, i.e. the polarization direction 12 is placed along the a-axis 13 of the crystal. Due to the low brightness of the laser diode 14 in the slow axis direction, the pump beam size in the slow axis direction mostly exceeds the beam size in the fast axis direction.

前記異方性レーザー結晶１１は、ポンプ放射源のポンプビームとレーザー共振器１９のレーザービームがＴＭ偏光である時、反射損失をなくすためにブルースター角度（θ）で切断される。   The anisotropic laser crystal 11 is cut at a Brewster angle (θ) to eliminate reflection loss when the pump beam of the pump radiation source and the laser beam of the laser resonator 19 are TM polarized light.

そして、ブルースター角（θ）で切断された結晶で損失を最小化するために、レーザーダイオード１４の偏光ベクターは入射平面に置かれる。それ故に、遅い軸方向でビームのサイズはブルースター表面での屈折のため追加的に更に増加する。   The polarization vector of the laser diode 14 is then placed in the plane of incidence in order to minimize losses with crystals cut at the Brewster angle (θ). Therefore, in the slow axis direction, the size of the beam is additionally increased due to refraction at the Brewster surface.

これはレーザー結晶内部で長方形の横断面形態を有するポンプビームで表す。   This is represented by a pump beam having a rectangular cross-sectional shape inside the laser crystal.

前記異方性レーザー結晶はＹｂ３＋イオンが添加されたタングステン酸塩媒質であるＹｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷ結晶である。 The anisotropic laser crystal is a Yb: KYW or Yb: KGW crystal that is a tungstate medium to which Yb 3+ ions are added.

前記Ｙｂ３＋イオンが添加されたタングステン酸塩媒質はダイオードポンピングされた固体レーザーに利用される分光学的特性とレーザーの特性を有しているため、最近数年間多くの注目を受けている（例えば、非特許文献２：［N.V.Kuleshov，A.A.Lagatsky，A.V.Podlipensky，and V.P.Mikhailov，and G.Huber,“Pulsed laser operation of Yb-doped KY(WO4)2 and KGd(Wo4)2，Optics Letters Vol.22, No.17, pp.1317-13（1997）］を参照）。 The tungstate medium doped with Yb 3+ ions has received much attention in recent years because it has the spectroscopic and laser characteristics used in diode-pumped solid state lasers (for example, Non-Patent Document 2: [NVKuleshov, AALagatsky, AVPodlipensky, and VPMikhailov, and G. Huber, “Pulsed laser operation of Yb-doped KY (WO4) 2 and KGd (Wo4) 2, Optics Letters Vol.22, No.17 , pp.1317-13 (1997)].

前記異方性レーザー結晶は単斜晶系Ｃ２／ｃ構造を有する。単位セルのパラメーターはＹｂ：ＫＧＷの場合、ａ＝０．８０９５ｎｍ、ｂ＝１．０４３ｎｍ、ｃ＝０．７５８８であり、Ｙｂ：ＫＹＷの場合、ａ＝０．８０５ｎｍ、ｂ＝１．０３５ｎｍ、ｃ＝０．７５４ｎｍである。   The anisotropic laser crystal has a monoclinic C2 / c structure. The unit cell parameters for Yb: KGW are a = 0.08095 nm, b = 1.043 nm, c = 0.7588, and for Yb: KYW, a = 0.805 nm, b = 1.35 nm, c = 0.754 nm.

原子単位として５％のＹｂイオンがドーピングされた異方性レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷの室温での偏光による吸収と放出スペクトルは、図５に図示した通りである（非特許文献２）。   The absorption and emission spectra due to polarization at room temperature of anisotropic laser crystal Yb: KYW doped with 5% Yb ions as atomic units are as shown in FIG. 5 (Non-Patent Document 2).

図示した通り、偏光方向がａ軸と平行である時、即ち、Ｅ‖ａである時、波長９８１．２ｎｍで吸収が最も強いことを確認することができ、レーザー発振に最も適合した波長１０２５ｎｍ放出線の幅は約１６ｎｍである。   As shown in the figure, when the polarization direction is parallel to the a axis, that is, E‖a, it can be confirmed that the absorption is the strongest at the wavelength of 981.2 nm, and the emission of the wavelength 1025 nm most suitable for the laser oscillation. The line width is about 16 nm.

前記の異方性レーザー結晶は、改良された チョクラルスキー法により作られる。図６の写真はその一例であり、Ｙｂイオンが５％の原子単位比率でドーピングされた厚さ３ｍｍのＹｂ：ＫＹＷレーザー結晶を示している。 The anisotropic laser crystal is made by an improved Czochralski method. The photograph of FIG. 6 is an example thereof, and shows a Yb: KYW laser crystal having a thickness of 3 mm doped with Yb ions at an atomic unit ratio of 5%.

ビームの入口と出口がブルースター角度で切断され、精密に光沢練磨がされたものである。Ｙｂ：ＫＹＷは空気中でθ＝ｔａｎ−１（ｎ）で定義されるブルースター角度６３．７°である。ここでｎは屈折率を表す。   The entrance and exit of the beam are cut at a Brewster angle and polished with precision. Yb: KYW is a Brewster angle of 63.7 ° defined by θ = tan−1 (n) in air. Here, n represents a refractive index.

図３−ａは本発明の一実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図であり、図３−ｂは本発明の一実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。   FIG. 3A is a block diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to an embodiment of the present invention as viewed from a direction perpendicular to an incident plane, and FIG. It is the block diagram which looked at the solid laser device seen from the incident plane.

前記のような非対称は図３−ａ及び図３−ｂの光ポンピング構造に改善され得る。   The asymmetry as described above can be improved to the optical pumping structure shown in FIGS.

レーザー結晶１１を縦のポンピング構造でポンピングする場合、本実施の形態の光ポンピング構造は狭い縞模様を有するレーザーダイオード１４、レーザーダイオードバーまたはレーザーダイオードアレーのポンプ放射源を含み、非球面レンズ１５と２個の第１及び第２シリンダーレンズ１６，１７を使用してこのポンプビームを平行光に作り、収束レンズ１８を使用してレーザー結晶１１の入口の表面にビームを収束する。   When the laser crystal 11 is pumped by a vertical pumping structure, the optical pumping structure of the present embodiment includes a laser diode 14 having a narrow stripe pattern, a pump radiation source of a laser diode bar or a laser diode array, and an aspheric lens 15. Two first and second cylinder lenses 16, 17 are used to make this pump beam into parallel light, and a converging lens 18 is used to focus the beam on the entrance surface of the laser crystal 11.

この時、前記ポンプ放射源は第１方向（早い方向）でより小さく、第１方向に対して垂直である第２方向（遅い方向）でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させる。   At this time, the pump radiation source generates a pump beam that is smaller in the first direction (fast direction) and has a larger asymmetric cross section and brightness in the second direction (slow direction) perpendicular to the first direction.

前記非球面レンズ１５はポンプ放射源から照射されたポンプビームを第１方向で平行に作り、第１シリンダーレンズ１６は非球面レンズ１５を通過したポンプビームのサイズを拡大させる役割をし、第１シリンダーレンズ１６の隣（右側）に位置した第２シリンダーレンズ１７は前記ポンプビームを第２方向で平行にする役割をする。   The aspheric lens 15 makes the pump beam irradiated from the pump radiation source parallel in the first direction, and the first cylinder lens 16 serves to enlarge the size of the pump beam that has passed through the aspheric lens 15. The second cylinder lens 17 located next to the cylinder lens 16 (on the right side) serves to make the pump beam parallel in the second direction.

レーザー共振器１９で発振されるレーザービームを反射させてレーザー結晶１１に収束させ、レーザーダイオード１４で出力されるポンプビームを通過させるために、二色性共振器ミラー２０を配列する。ダイオードポンピングされた固体レーザーでこのような光ポンピング構造をレーザー結晶の一先端または両先端に配列することができる。   A dichroic resonator mirror 20 is arranged in order to reflect the laser beam oscillated by the laser resonator 19 to converge on the laser crystal 11 and to pass the pump beam output from the laser diode 14. Such an optical pumping structure can be arranged at one or both ends of a laser crystal with a diode-pumped solid state laser.

レーザーダイオードの遅い軸を入射平面に対して垂直方向に向けると、レーザーダイオードの初期偏光はレーザー結晶の入射平面に対して垂直面に置かれ、これはＴＥ偏光モードとなる。   When the slow axis of the laser diode is oriented perpendicular to the plane of incidence, the initial polarization of the laser diode is placed in a plane perpendicular to the plane of incidence of the laser crystal, which becomes a TE polarization mode.

一方、ブルースター角（θ）という特別な入射角があるが、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光モードである場合、境界での反射がゼロとなる。即ち、ポンピングパワーの損失を最小化し、ポンピング効率を高めるために、偏光方向をＴＥモードからＴＭモードに変換させなければならない。   On the other hand, there is a special incident angle called Brewster angle (θ), but in the TM (Transverse Magnetic) polarization mode, reflection at the boundary becomes zero. That is, in order to minimize pumping power loss and increase pumping efficiency, the polarization direction must be converted from TE mode to TM mode.

従って、偏光方向を９０°回転させるために、半波長板を光ポンピング構造に配列する。半波長板はポンプビームが平行光となる位置に配列される。   Therefore, in order to rotate the polarization direction by 90 °, the half-wave plate is arranged in the optical pumping structure. The half-wave plate is arranged at a position where the pump beam becomes parallel light.

高いポンプビーム密度を得るために、非球面レンズ１５を使用して早い軸と遅い軸方向のビームを平行に作り、レーザーダイオード１４のビーム特性を改善すれば良いことが証明されてきた。   In order to obtain a high pump beam density, it has been proved that the beam characteristics of the laser diode 14 may be improved by using the aspherical lens 15 to make the beams of the fast axis and the slow axis in parallel.

レーザーダイオード１４で出力されたビームは発散角の差のため、非球面レンズ１５の位置で早い軸方向でのビームサイズが遅い軸方向でのビームサイズより大きい。   Due to the difference in divergence angle, the beam output from the laser diode 14 has a larger beam size in the fast axis direction than the beam size in the slow axis direction at the position of the aspheric lens 15.

このような非対称性を補正するために、遅い軸方向でのみビームのサイズを増加させる必要がある。   In order to correct such asymmetry, it is necessary to increase the beam size only in the slow axis direction.

即ち、遅い軸方向でのビームサイズを増加させるために、シリンダーレンズ１６，１７を光ポンピング構造に配列する。第１シリンダーレンズ１６は第２方向でポンプビームのサイズを拡大させる役割をし、第２シリンダーレンズ１７は前記ポンプビームを第２方向で平行にする役割をする。   That is, in order to increase the beam size in the slow axis direction, the cylinder lenses 16 and 17 are arranged in an optical pumping structure. The first cylinder lens 16 serves to enlarge the size of the pump beam in the second direction, and the second cylinder lens 17 serves to make the pump beam parallel in the second direction.

ここで、拡大鏡の比率は早い軸方向と遅い軸方向に対するレーザーダイオード１４のビーム品質係数Ｍ２の比に該当する。 Here, the ratio of the magnifying glass corresponds to the ratio of the beam quality factor M 2 of the laser diode 14 with respect to fast axial and the slow axis direction.

レーザー結晶１１の内部で収束されるビームをほぼ円形スポット形態で得るために、レーザー結晶１１の屈折率を考慮して収束レンズ１８の位置で早い軸方向のビームサイズが遅い軸方向のビームサイズより少し小さくなる。   In order to obtain a beam that is focused inside the laser crystal 11 in a substantially circular spot form, the beam size in the fast axial direction is larger than the beam size in the slow axial direction at the position of the focusing lens 18 in consideration of the refractive index of the laser crystal 11. A little smaller.

図４−ａは本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図であり、図４−ｂは本発明の別の実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。   FIG. 4-a is a block diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention viewed from a direction perpendicular to the incident plane, and FIG. 4-b is a diagram of another embodiment of the present invention. It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus from the incident plane.

前記光ポンピング構造で採用されたシリンダーレンズ１６，１７の代案として、図４−ａ及び図４−ｂに図示した通り、先ず非球面レンズ２５を使用してレーザーダイオードビームを早い軸方向で平行に作った後、シリンダーレンズ２７を使用して遅い方向で平行に作ることが可能である。   As an alternative to the cylinder lenses 16 and 17 employed in the optical pumping structure, as shown in FIGS. 4A and 4B, first, an aspheric lens 25 is used to parallelize the laser diode beam in the fast axis direction. After making, it can be made parallel in the slow direction using the cylinder lens 27.

その次に、遅い軸に沿って大きくなった楕円形態の断面形態を有する平行になったビームはレーザー結晶１１に収束させてほぼ円形のスポットを得る。   Then, the collimated beam having an elliptical cross-sectional shape that is enlarged along the slow axis is focused on the laser crystal 11 to obtain a substantially circular spot.

レーザーダイオードで発生される狭い縞模様の非対称ビームの断面形態及び軸方向を表す図面である。2 is a cross-sectional view and an axial direction of a narrow striped asymmetric beam generated by a laser diode. 入射平面でレーザー媒質の軸とブルースター角の方向を表す図面である。It is a drawing showing the axis of the laser medium and the direction of the Brewster angle in the incident plane. 本発明の一実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図である。It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus by one embodiment of this invention from the orthogonal | vertical direction with respect to the incident plane. 本発明の一実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus by one embodiment of this invention from the incident plane. 本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention viewed from a direction perpendicular to an incident plane. 本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention as seen from an incident plane. 室温での異方性レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷの偏光による吸収（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ｓｏｌｉｄ ｌｉｎｅ）と放出（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ｄｏｔｔｅｄ ｌｉｎｅ）のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of absorption (Absorption: solid line) by the polarization | polarized-light and emission (Emission: dotted line) of anisotropic laser crystal Yb: KYW at room temperature. 本発明の一実施の形態による異方性レーザー結晶Ｙｂ：ＫＹＷのイメージを写真により示す図である。It is a figure which shows the image of anisotropic laser crystal Yb: KYW by one embodiment of this invention with a photograph.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 狭い縞模様
１１ 異方性レーザー結晶
１２ 偏光方向
１３ ａ軸
１４ レーザーダイオード
１５，２５ 非球面レンズ
１６ 第１シリンダーレンズ
１７，２５ 第２シリンダーレンズ
１８ 収束レンズ
１９ レーザー共振器
２０ 二色性共振器ミラー
２１ 偏光回転装置
Ｈ 高さ
Ｗ 幅
θ ブルースター角 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Narrow stripe pattern 11 Anisotropic laser crystal 12 Polarization direction 13 A axis 14 Laser diode 15, 25 Aspherical lens 16 1st cylinder lens 17, 25 Second cylinder lens 18 Converging lens 19 Laser resonator 20 Dichroic resonator Mirror 21 Polarizing rotator H Height W Width θ Brewster angle

Claims (7)

ダイオードポンピングされたレーザー装置において、
第１方向（早い方向）でより小さく、前記第１方向に対して直交する第２方向（遅い方向）でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させるポンプ放射源と、
前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを前記第１方向で平行にする非球面レンズと、
前記非球面レンズを通過したポンプビームの偏光を９０°回転させる偏光回転装置と、
前記偏光回転装置を通過したポンプビームを前記第２方向で平行にする第２シリンダーレンズと、
前記ポンプビームを異方性レーザー結晶に収束する収束レンズと、
結晶学的に互いに直交する第１軸及び第２軸を有し、これらの軸がポンプビームの偏光によって互いに異なる吸収度を有する異方性レーザー結晶と
を含み、
前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを利用して前記異方性レーザー結晶をポンピングすることを特徴とする
異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 In a diode-pumped laser device,
A pump radiation source generating a pump beam having a smaller asymmetric cross section and brightness in a second direction (slow direction) that is smaller in a first direction (early direction) and perpendicular to the first direction;
An aspheric lens that collimates the pump beam output from the pump radiation source in the first direction;
A polarization rotation device that rotates the polarization of the pump beam that has passed through the aspheric lens by 90 °;
A second cylinder lens that collimates the pump beam that has passed through the polarization rotator in the second direction;
A converging lens for converging the pump beam to an anisotropic laser crystal;
An anisotropic laser crystal having first and second axes that are crystallographically orthogonal to each other, the axes having different absorptions depending on the polarization of the pump beam;
A diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal, wherein the anisotropic laser crystal is pumped using a pump beam output from the pump radiation source. 前記偏光回転装置と前記第２シリンダーレンズとの間に位置し、前記偏光回転装置を通過したポンプビームのサイズを前記第２方向で拡大させる第１シリンダーレンズを更に含み、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームは前記第１及び第２シリンダーレンズにより楕円形ビームに作られることを特徴とする、
請求項１記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 Positioned between said polarization rotation device second cylinder lens further comprises a first cylinder lens for enlarging the size of the pump beam passing through the polarization rotation device in the second direction, the output from the pump radiation source The pump beam is made into an elliptical beam by the first and second cylinder lenses,
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 1. 前記異方性レーザー結晶がポンプビームを最大に吸収することができるように、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームの偏光方向が前記異方性レーザー結晶のａ軸に沿って置かれることを特徴とする、
請求項１または２記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 The polarization direction of the pump beam output from the pump radiation source is placed along the a-axis of the anisotropic laser crystal so that the anisotropic laser crystal can absorb the pump beam to the maximum extent. Features
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 1. 前記異方性レーザー結晶はビーム入口と出口でブルースター角で切断され、空気屈折率に対するレーザー結晶の屈折率の比によって前記ブルースター角が増加することを特徴とする、
請求項１または２記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 The anisotropic laser crystal is cut at a Brewster angle at the beam entrance and exit, and the Brewster angle increases according to the ratio of the refractive index of the laser crystal to the air refractive index,
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 1. 前記異方性レーザー結晶は、Ｙｂ３＋イオンが添加されたタングステン酸塩媒質であるＹｂ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷ結晶であることを特徴とする、
請求項４記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 The anisotropic laser crystal is a Yb: KYW or Yb: KGW crystal that is a tungstate medium to which Yb 3+ ions are added,
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 4. 前記偏光回転装置は半偏光板であることを特徴とする、
請求項１記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 The polarization rotation device is a semi-polarizing plate,
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 1. 前記ポンプ放射源はビームを送る各々のエミッターが線形態を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーの中から選択されるいずれか一つであることを特徴とする、
請求項１または２記載の異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置。 The pump radiation source may be any one selected from a laser diode, a laser diode bar, and a laser diode array, each of which emits a beam.
A diode-pumped laser device using the anisotropic laser crystal according to claim 1.
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