JPH08213689A - 固体レーザ媒質および固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高出力で安定した単峰横モードの得られる固体
レーザを得る。 【構成】母材に発振元素を含有する固体レーザ材料１
と、その固体レーザ材料１の母材と同一の母材２とが直
接に隣接してなる固体レーザ媒質を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ装置および
その固体レーザ装置内に配設されてレーザ光を発生す
る、固体レーザ装置の部品を成す固体レーザ媒質に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の固体レーザ装置の一例を
示す概略構成図である（オプテックスレターズ（Ｏｐｔ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌、１７巻、１００３頁参
照）。励起用の１９個の半導体レーザ１０１から発せら
れた励起光としてのレーザ光を光ファイバ１０２により
伝送し、それらを直径約７００μｍに束ねたものを励起
光源１０８とし、曲率半径８００ｍｍの凹面ミラー１０
５を通してＮｄ：ＹＡＧロッド１０６に励起光を照射
し、そのＮｄ：ＹＡＧロッド１０６の励起を行ってい
る。

【０００３】この凹面ミラー１０５と出力ミラー１０７
とによりレーザ共振器が構成されており、このレーザ共
振器の内部には、横モード制御用の開口板１０９が備え
られている。上記文献によると、この構成により、１
６．４Ｗの励起光吸収時に７．６ＷのＴＥＭ００の単峰
レーザ出力を得ている。

【０００４】図６は従来の固体レーザ装置の他の例を示
す概略構成図である（アプライドフィジックスＢ（Ａｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ）誌、５８巻、８６５
頁参照）。ここでは、０．３ｍｍ厚のＹｂ：ＹＡＧ結晶
１１１の全反射コーティングを施した面１１１ｂを、銅
製のヒートシンク１１０にＩｎフォイル１１９を介して
密着させ、励起及びレーザ発振はもう片方の高透過率膜
を形成した面１１１ａから行うというものである。

【０００５】光ファイバ１１２から射出された励起光１
１２ａはＹｂ：ＹＡＧ結晶１１１に入射し、Ｙｂ：ＹＡ
Ｇ結晶１１１の、全反射コーティングが施された面１１
１ｂで反射しレンズ１１４を介して全反射ミラー１１５
で反射し、再度レンズ１１４を介してＹｂ：ＹＡＧ結晶
１１１に入射する。この励起光１１２ａの照射によりＹ
ｂ：ＹＡＧ結晶１１１で発生したレーザ光は、全反射ミ
ラー１１６と出力ミラー１１７との間で共振し出力ミラ
ー１１７を透過して出力される。

【０００６】この図６に示す構成によると、Ｙｂ：ＹＡ
Ｇ結晶１１１の内部で発生した熱を、ヒートシンク１１
０に密着させた結晶面１１１ｂを経由してヒートシンク
１１０に吸収させることにより、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶１１
１内の熱勾配を発振レーザ光の進行方向（図６の上下方
向）に対して平行にし、熱勾配によって生じる結晶内の
熱レンズや複屈折の、発振レーザ光に対する影響を緩和
し、高出力でも良好な単峰モードのレーザ光を得ること
ができる。

【０００７】図７は、従来の固体レーザ装置のもう１つ
の例を示す概略構成図である（オプティクス・レターズ
（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１７巻、１５８７頁
参照）。厚さ２ｍｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶１２１をサファ
イア結晶１２２に接着剤１２３によって密着固定し、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ結晶１２１の密着させた面１２１ｂと相対す
る面１２１ａより半導体レーザアレイ１２８で励起を行
っている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１２１には励起面１２１ａ
側に１．０６μｍに対する高反射コーティング、サファ
イア１２２に密着させた側の面１２１ｂには反射率９８
％の部分反射コーティングがなされており、この二つの
面１２１ａ，１２１ｂのコーティングによりレーザ共振
器が形成されている。サファイア１２２のＮｄ：ＹＡＧ
１２１に密着させた面１２２ａにはコーティングはな
く、反対側の面１２２ｂには１．０６μｍに対して高透
過率のコーティングがなされており、サファイア結晶１
２２を通して１．０６μｍのレーザ出力が取り出され
る。この図７に示す例は、図６に示す例同様、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧ結晶１２１内で発生する熱を密着したサファイア結
晶１２２によってレーザ発振方向に効果的に逃がすもの
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す方式では、
Ｎｄ：ＹＡＧロッド１０６内の発熱がそのＮｄ：ＹＡＧ
ロッド１０６の側面に逃げ、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１０６
内に円筒状の熱分布が生じ、それに伴う屈折率変化によ
り、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１０６内部に等価的にレンズ
（一般に「熱レンズ」と呼ばれる）が形成される。その
熱レンズの焦点距離は、発熱量、すなわち励起光強度に
依存して変化するために、レーザ共振器内のレーザ光の
固有モードも励起光強度に応じて変化する。このためＴ
ＥＭ００モードのレーザ出力は励起光強度に対して線形
でなく、１５Ｗ以上の吸収励起光強度ではＴＥＭ００レ
ーザ出力が飽和する傾向がみられる。またレーザ出力強
度やレーザ放射角がレーザ共振器内の固有モードによっ
て変化するために、励起光強度の変動のみならず、Ｎ
ｄ：ＹＡＧロッド１０６の外側を囲むホルダーの温度や
温度分布、外気温などによってもレーザ出力強度やレー
ザ放射角が変動する恐れがある。

【０００９】図６に示す方式では、前述したように、Ｙ
ＡＧ結晶１１１内の熱勾配が発振レーザ光の進行方向に
対し平行であるため、熱レンズや複屈折の影響を受けに
くいという利点があるものの、励起とレーザ発振をＹＡ
Ｇ結晶１１１の同じ面１１１ａ側から行うために、励起
光の集光光学系や、レーザ共振器を構成するミラーの配
置位置が制約を受け、励起光の集光光学系やレーザ共振
器の構成の自由度が制限される。また、レーザ共振器及
び励起光の集光光学系を必ずしも最適な特性に設定する
ことができない恐れがある。さらに、励起光の集光光学
系とレーザ共振器を互いに同じ軸方向には配置できない
ために、配置が２次元的あるいは３次元的となりレーザ
装置全体が大型化し、かつ、調整やアライメントが複雑
になりやすい。さらに、放熱をよくする目的で薄いＹＡ
Ｇ結晶１１１を用いているため、励起光の１回の照射で
は吸収効率が低く、外側にミラー１１５を設けて励起光
を何度も結晶内に往復させる必要があり、励起光学系が
複雑である。

【００１０】また図７に示す方式では、図６に示す方式
と同様、熱レンズや複屈折の影響は受けにくいものの、
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１２１とサファイア結晶１２２を密着
させてもその間のコーティング膜や接着剤１２３の薄い
層によって熱の伝搬が阻害されるという問題がある。さ
らに接着剤１２３でのレーザ光の吸収やコーティングを
行っていないサファイアの面１２２ａで１．０６μｍ発
振光が反射されるため、損失が大きいという問題もあ
る。さらにＹＡＧ結晶１２１の厚さによりレーザ共振器
の形状が制限されるため、高出力化は望むことができ
ず、またレーザ共振器の構成に汎用性が低いという問題
もある。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑み、高出力で安定
した単峰横モードのレーザ光を得るのに適した固体レー
ザ媒質およびその固体レーザ媒質を使用した固体レーザ
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の固体レーザ媒質は、母材に発振元素を含有する固体
レーザ材料と、その固体レーザ材料に直接に隣接する、
その固体レーザ材料の母材と同一の母材とを有すること
を特徴とする。ここで、「直接に隣接する」とは、それ
ら固体レーザ材料と母材との間に接着剤等が配置されて
おらず固体レーザ材料の直ぐ隣りに母材が存在すること
を意味する。

【００１３】固体レーザ材料と母材とを直接に隣接させ
るには、例えば固体レーザ材料と母材とを加熱接着して
もよく、あるいは、例えば母材を結晶成長させ、その母
材結晶の先に、その母材に発振元素を含有させた固体レ
ーザ結晶を成長させてもよく、あるいは、母材の一部分
に、発振元素を注入しあるいは拡散させてもよく、その
製法は、どのようなものであってもよい。

【００１４】ここで、例えば結晶成長の手法により、固
体レーザ材料と母材とが直接に隣接した固体レーザ媒質
を得る場合は、それら固体レーザ材料の結晶方向と母材
の結晶方向は当然に揃っているが、例えば固体レーザ材
料と母材を加熱接着すること等により固体レーザ媒質を
得る場合においても、それら固体レーザ材料と母材が、
いずれも結晶の場合において、固体レーザ材料の結晶方
向と母材の結晶方向が互いに揃った状態で互いに隣接し
ていることが好ましい。

【００１５】また、本発明の固体レーザ媒質は、固体レ
ーザ材料と母材を各一層のみ有するものであってもよい
が、各一層のみである必要はなく、固体レーザ材料およ
び母材のうちの少なくとも一方が少なくとも二層形成さ
れるように、固体レーザ材料と母材が交互に順次隣接し
ているものであってもよい。また本発明の固体レーザ装
置は、母材に発振元素を含有する固体レーザ材料と、そ
の固体レーザ材料の母材と同一の母材とが直接に隣接し
てなる固体レーザ媒質と、固体レーザ材料と母材との境
界面をレーザ光が横切るように固体レーザ媒質を挟んで
配設されてなるレーザ共振器と、固体レーザ媒質に励起
光を入射する励起光源とを備えたことを特徴とするもの
である。

【００１６】本発明の固体レーザ装置における固体レー
ザ媒質としては、上述した本発明の固体レーザ媒質の種
々の態様のものを用いることができる。また、本発明の
固体レーザ装置は、本発明の固体レーザ媒質がレーザ光
の進行方向に対し複数個直列に配置されたものであって
もよい。

【００１７】

【作用】本発明の固体レーザ媒質は、発振元素を含有す
る固体レーザ材料と、その固体レーザ材料の母材と共通
の母材とを、例えば、接着剤を使用せず、高い精度で研
磨した面どうしを結晶方位をあわせておいて加熱して接
着すること等により、直接に隣接させたものであるた
め、発振元素を含有する固体レーザ材料内で発生した熱
は、その境界面を通して、励起光を吸収しない、したが
って発熱のない母材内に拡散・伝搬する。そのため発振
元素を含有する固体レーザ材料内の温度勾配はその境界
面に垂直に形成され、それに伴う固体レーザ材料内の屈
折率変化も同様に境界面に垂直になるため、境界面に対
して平行な波面を持つレーザ発振光は、その固体レーザ
材料内を透過しても、一様な影響を受けるだけであって
波面自体が乱れることは少ない。従って励起光強度によ
らず、レーザ共振器内の固有モードは変化せず、高出力
でも安定した単峰レーザ出力が得られる。また発熱の最
も大きい部分から、最も近い経路で、しかも間に接着剤
もコーティング膜も空気も含まない、構造的にほぼ一体
と見なせる境界面を通して、非常に効果的に熱を伝搬さ
せることができるために、発振元素を含有する固体レー
ザ材料の温度上昇自体を著しく下げることができる。そ
のため熱勾配に伴う屈性率変化ならびに複屈折の大きさ
自体を低減する事ができ、さらに固体レーザ材料の熱的
な物性変化によるレーザ特性の劣化や、固体レーザ材料
内での極小的な発熱、膨張による固体レーザ材料の破損
も防ぐことができる。さらに同じ母材同士をほとんど一
体にすることから、境界面における光学的な損失はほぼ
無視できるほど小さく、コーティング膜による高透過率
化よりもさらに損失の少ないレーザ共振器を構成するこ
とができ、レーザ発振特性を向上させることができる。

【００１８】さらに、本発明の固体レーザ媒質は、固体
レーザ材料と母材とが完全に一体化しているために、一
個の固体として扱うことができ、取り扱いが容易であ
る。また、発振元素を含有する固体レーザ材料を複数層
形成した場合は、一層目の固体レーザ材料では吸収しき
れなかった励起光が二層目以降の固体レーザ材料で吸収
され、励起光を高効率で吸収し、レーザ発振効率を大幅
に改善することができる。

【００１９】また、母材を複数層形成した場合は、それ
らの母材に挟まれた固体レーザ材料内で発生した熱が、
その固体レーザ材料に隣接する双方の母材に向かって放
熱されるため、その放熱効率が格段に向上する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明の固体レーザ装置の第１実施例を示した概
略構成図である。本実施例における固体レーザ媒質はＹ
ＡＧ結晶であり、このＹＡＧ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
（本発明にいう固体レーザ材料の一例）１とアンドープ
ＹＡＧ結晶（本発明にいう母材の一例）２とにより形成
されている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１は、外形直径５ｍｍ、
厚さ１ｍｍの、Ｎｄ（ネオジウム；本発明にいう発振元
素の一例）の原子含有率１．１％のＹＡＧ（イットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット）であり、アンドープＹ
ＡＧ結晶２の外形直径は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１の外形直
径５ｍｍと同一の５ｍｍ、厚さは３ｍｍのものである。
これらＮｄ：ＹＡＧ結晶１とアンドープＹＡＧ結晶の双
方の結晶方向が一致するように、例えばこの実施例では
＜１１１＞方向が図１の左右に延びるようにしてＮｄ：
ＹＡＧ結晶１とアンドープＹＡＧ結晶２とを密着させ、
その状態で１０００℃に加熱してそれらを接着する。こ
の接着の後、結晶１，２の両外面１ａ，２ａに、波長
１．０６μｍと０．８１μｍに対して、反射率０．５％
以下の低反射率のコーティングを行なう。本実施例のＹ
ＡＧ結晶（固体レーザ媒質）は、このようにして形成さ
れている。

【００２１】このＹＡＧ結晶は側面にＩｎ９を介してＣ
ｕのヒートシンク１０に保持されており、結晶側面から
効果的な放熱を行っている。レーザ共振器は曲率半径１
ｍの凹面ミラー５と平面出力ミラー６からなり、これら
のミラー５，６の間隔は０．５ｍである。ミラー５の凹
面にはＹＡＧ結晶で発振レーザ光の波長１．０６μｍに
対して反射率９９．７％以上の高反射、励起用半導体レ
ーザから出力される励起レーザ光の波長である０．８１
μｍに対しては反射率５％以下の低反射の膜がコーティ
ングされており、平面ミラー６には波長１．０６μｍに
対して反射率９５％の部分反射膜がコーティングされて
いる。ＹＡＧ結晶への励起はコア径６００μｍのファイ
バー出力型の半導体レーザ８（波長０．８１μｍ、最大
出力２０Ｗ）を用い、光ファイバー８ａを経由して出力
された励起レーザ光を、２枚の焦点距離５０ｍｍの平凸
レンズ７を用い、さらに凹面ミラーを通してＹＡＧ結晶
に集光し、ＹＡＧ結晶を励起している。横モードの制御
はレーザ共振器内に配置した開口径４００μｍピンホー
ル１１で行っている。本実施例によれば、高出力励起時
にも良好な出力特性と単峰ＴＥＭ００モードが得られ
る。

【００２２】この実施例では、発振元素としてＮｄ、母
材としてＹＡＧの例を示したが、この他にも発振元素と
して、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｃｅなどを採用
することができ、また母材としてはＹＡＧの他にＹＬ
Ｆ、ＹＶＯ４、ＹＡＯ、ＬｉＳＡＦ、ＬｉＣＡＦ、ＧＳ
ＧＧ、ＹＳＧＧなどを採用することができる。また母材
としてガラス材料を使用しても同様の効果が期待でき
る。

【００２３】またこの実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１
の片面のみにアンドープＹＡＧ結晶２を接着したが、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ結晶１の両面をアンドープＹＡＧ結晶２で挟
んでやればＮｄ：ＹＡＧ結晶１の両面から発熱が吸収さ
れるために、放熱特性をさらに改善することができる。
図２は、本発明の固体レーザ装置の第２実施例を示した
概略構成図である。図１に示す実施例における各構成要
素に対応する構成要素には、図１に付した符号と同一の
符号を付して示し、相違点のみについて説明する。図
３，図４についても同様である。

【００２４】発振元素を含まないアンドープＹＡＧ結晶
２の接着していない側の面２ａを曲率１ｍの球面上に加
工・研磨し、その面２ａに発振レーザ波長に対して高反
射、励起光波長に対して高透過率の反射膜を形成し、こ
の反射膜をもって図１に示す凹面ミラー５に代えてい
る。励起はこの球面ミラーを通して行う。レーザ共振器
の構成としては、図１に示すレーザ共振器にほぼ等しい
が、凹面ミラーとＹＡＧ結晶が一体化されたことによ
り、部品点数が減ると共に、図１に比べ、レーザ共振器
内でレーザ発振光が透過する面が１つ少なくなり、損失
が減少し、固体レーザ装置の効率が向上する。

【００２５】図３は、本発明の固体レーザ装置の第３実
施例を示した概略構成図である。レーザ共振器の構成は
先に示した第１実施例（図１参照）と同じである。この
例では加熱接着したＮｄ：ＹＡＧ結晶１とアンドープＹ
ＡＧ結晶２からなるＹＡＧ結晶と、そのＹＡＧ結晶と同
一構造の、加熱接着したＮｄ：ＹＡＧ結晶１′とアンド
ープＹＡＧ結晶２′とからなるＹＡＧ結晶が、発振レー
ザ光の進行方向に直列に互いに近接して配置されてい
る。一層目のＮｄ：ＹＡＧ結晶１で吸収しきれなかった
励起レーザ光は、さらに引き続き同様な構造の二層目の
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１′内を通過することにより、さらに
吸収され、実効的にＮｄ：ＹＡＧ結晶の厚みが２倍にな
ったのと同じ吸収効率を得ることができる。

【００２６】この例では２つのＹＡＧ結晶を並べたが、
さらに多くのＹＡＧ結晶を並べることによりさらに吸収
効率を高め、レーザの発振効率をさらに向上させること
も可能である。図４は、本発明の固体レーザ装置の第４
実施例を示した概略構成図である。レーザ共振器及び励
起方法の構成は先に示した第１実施例（図１参照）と同
じである。本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１とアンド
ープＹＡＧ結晶２が交互に三層ずつ並べられ、それぞれ
が交互に加熱接着されて一体化されたＹＡＧ結晶が用い
られている。このように一体化することにより、図３に
示す第３実施例の場合に比べコーティング面が少なくな
るために、レーザ共振器内のレーザ光の損失を小さくす
ることができる。また取り扱いも容易になる。

【００２７】尚、上記各実施例におけるＹＡＧ結晶は、
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１とアンドープＹＡＧ結晶２を別々に
形成しそれらを加熱接着して形成するものとして説明し
たが、結晶成長により、あるいは、アンドープＹＡＧ結
晶にＮｄ元素を注入あるいは拡散させることによりＹＡ
Ｇ結晶を形成してもよい。また、本発明はＹＡＧ結晶に
限られるものでもなく、例えば、前述した各種の母材お
よび各種の発振元素を用いることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高出力でも良好な単峰モードのレーザ出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体レーザ装置の第１実施例を示した
概略構成図である。

【図２】本発明の固体レーザ装置の第２実施例を示した
概略構成図である。

【図３】本発明の固体レーザ装置の第３実施例を示した
概略構成図である。

【図４】本発明の固体レーザ装置の第４実施例を示した
概略構成図である。

【図５】従来の固体レーザ装置の一例を示す概略構成図
である。

【図６】従来の固体レーザ装置の他の例を示す概略構成
図である。

【図７】従来の固体レーザ装置のもう１つの例を示す概
略構成図である。

【符号の説明】

１ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶 ２ アンドープＹＡＧ結晶 ５ 凹面ミラー ６ 平面出力ミラー ７ 平凸レンズ ８ 半導体レーザ ９ Ｉｎプレート １０ ヒートシンク １１ ピンホール

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材に発振元素を含有させた固体レーザ
   材料と、該固体レーザ材料に直接に隣接する、該固体レ
   ーザ材料の母材と同一の母材とを有することを特徴とす
   る固体レーザ媒質。
2. 【請求項２】 前記固体レーザ材料と前記母材とが加熱
   接着されてなることを特徴とする請求項１記載の固体レ
   ーザ媒質。
3. 【請求項３】 前記固体レーザ材料と前記母材が、いず
   れも結晶であって、該固体レーザ材料の結晶方向と該母
   材の結晶方向が互いに揃った状態で互いに隣接している
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体レーザ媒
   質。
4. 【請求項４】 前記固体レーザ材料および前記母材のう
   ちの少なくとも一方が少なくとも二層形成されるよう
   に、該固体レーザ材料と該母材が交互に順次隣接してい
   ることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項
   記載の固体レーザ媒質。
5. 【請求項５】 母材に発振元素を含有する固体レーザ材
   料と、該固体レーザ材料の母材と同一の母材とが直接に
   隣接してなる固体レーザ媒質と、 前記固体レーザ材料と前記母材との境界面をレーザ光が
   横切るように前記固体レーザ媒質を挟んで配設されてな
   るレーザ共振器と、 前記固体レーザ媒質に励起光を入射する励起光源とを備
   えたことを特徴とする固体レーザ装置。