CN101228676A - 激发半导体激光的固体激光装置 - Google Patents

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Abstract

激发半导体激光的固体激光装置。在作为Nd:YAG端面的光谐振腔端部的端面上，在涂布相对于波长1064.4nm附近的HR涂层的同时，通过使Nd:YAG在光透过方向上的厚度成为在1064.4nm附近存在有反射峰，而在1061.8nm不存在反射峰的厚度，以在光谐振腔内不插入校准器等的结构实现在1064.4nm附近的单模振荡。

Description

激发半导体激光的固体激光装置
技术领域
本发明涉及激发半导体激光的固体激光装置，更详细涉及以在光谐振腔内不插入校准器等结构，能够在1064.4nm附近实现单模(シングルモ一ド)振荡的激发半导体激光的固体激光装置。
背景技术
过去，对于由半导体激光器激发而在YAG晶体内同时发生的在1.06μm频带和在1.32μm频带产生的振荡，为了抑制前者而只是选择性地使后者振荡，要在光谐振腔中插入波长选择元件，在YAG晶体的两个端面上涂布三色性涂层的技术是公知的(参照例如专利文件1)。
而在光谐振腔内插入校准器，调节校准器的温度，使得校准器的透过峰适合于激光输出峰波长的技术也是公知的(参照例如专利文件2)。
另外，在光谐振腔内插入非线性光学结晶进行波长变换时，存在有多个纵模的情况下，能够抑制由于各个模经由和频发生(和周波発生)而结合时产生的模竞争噪音和当纵模单模化产生的模竞争噪音也是已知的(参照例如非专利文件1)。
对在光谐振腔内形成第二谐振腔的振荡模进行控制的技术也是已知的(参照例如非专利文件2)。
专利文件1：特开昭64-31485号
专利文件2：专利第3509598号
非专利文件1：J.Opt.Soc.Am.B.第3卷，No.9，p1175(1986)
非专利文件2：Lasers(University Science Books，Mill Valley，CA.1986)，p524
发明内容
发明要解决的问题
希望利用从4F3/2到4I1/2的能级之间的迁移，由Nd:YAG在1064.4nm附近产生单模振荡。可是，各个能级更细分裂为作为次能级(サブレベル)的斯塔克能级(シユタルク準位)，在从次能级R2向次能级Y3迁移产生的1064.4nm附近振荡谱线的附近有从次能级R1向次能级Y1迁移产生的1061.8nm附近的振荡谱线，为了在1064.4nm附近进行单模振荡，就必须抑制在1061.8nm附近的振荡谱线。
但是，为了使在1064.4nm附近进行单模振荡而抑制在1061.8nm附近的振荡谱线是现有的技术所不知道的。
另一方面，在向光谐振腔中插入校准器的现有技术中，在部件数增加使结构复杂的同时，会产生由于插入校准器等所引起的反射损失或吸收损失等谐振腔内损失的问题。
在YAG的两个端面上涂布三色性涂层的现有技术中，也有很难只用涂层来抑制在1061.8nm附近的振荡谱线而实现在1064.4nm附近的单模振荡的问题。
因此，本发明的目的是提供一种用在光谐振腔内不插入校准器的结构，就能够实现1064.4nm附近的单模振荡的激发半导体激光的固体激光装置。
解决问题的手段
按照本发明的第一个观点，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在其结构为由半导体激光器输出的激光激发包含固体激光介质的光谐振腔内装有非线性光学晶体，向外部输出在上述光谐振腔中振荡的基本波的高次谐波，控制上述半导体激光器的驱动电流，使检出一部分高次谐波得到的高次谐波输出成为常数，在该激光装置中，上述固体激光介质是Nd:YAG，上述Nd:YAG具有与光轴垂直的两个端面，在构成上述Nd:YAG的上述光谐振腔端部的端面上，涂布有相对于从能级4F3/2向能级4I11/2迁移时产生的光线HR涂层，上述Nd:YAG通过两个端面反射光干涉起着频带(バンド)反射镜的作用，其在光线透过方向上具有的厚度，使得对从次能级R2向次能级Y3迁移发生的光线，反射率显示出极大值，而对从次能级R1向次能级Y1迁移发生的光线，反射率显示出极小值。
在按照上述第一观点的激发半导体激光的固体激光装置中，由于在构成Nd:YAG光谐振腔端部的端面上，涂布有相对于从能级4F3/2向能级4I11/2迁移发生的光线的HR涂层，使得能够抑制1.32μm频带的振荡，只是选择性地在1.06μm的频带发生振荡。而在Nd:YAG半导体激光一侧的端面上可以没有涂层，也可以有具有一定反射率的涂层。
其次，由于Nd:YAG的两个端面是平行的(都与光轴垂直)，Nd:YAG起着频带反射镜的作用，具有对波长的选择性。因此，当控制Nd:YAG的厚度进行调谐，使例如从次能级R2向次能级Y3迁移发生的光线显示出反射率的极大值，而对从次能级R1向次能级Y1迁移发生的光线显示出反射率的极小值时，就能够抑制作为从次能级R1向次能级Y1迁移发生的光线在1061.8nm附近的振荡谱线，实现作为从次能级R2向次能级Y3迁移发生的光线在1064.4nm附近进行的单模振荡。
而在如专利文件1的图2中所示，在光谐振腔内插入端面垂直于光轴的校准器的情况下，形成使校准器的反射光在光谐振腔内谐振的第二谐振腔，产生了此第二谐振腔具有与校准器不同波长选择特性的问题。另外，如在专利文件2的图1中所示，如果校准器的端面稍许倾斜于光轴，就不会形成第二谐振腔。但是由于端面倾斜而使透过的精度变差，造成谐振腔内损失，产生激光器振荡效率降低的问题。
与此相反，在本发明中，由于Nd:YAG的两个端面是垂直于光轴的，在光谐振腔内会形成第二谐振腔，但由于作为此第二谐振腔的波长选择特性与Nd:YAG形成的频带反射镜的波长选择特性是一致的，所以不会产生如在光谐振腔内插入校准器时那样的问题。而Nd:YAG的两个端面由于是与光轴垂直的，不会使透过精度(フイネス)变差，不会引起端面倾斜时那样的问题。
在本发明的第二个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第一观点的激发半导体激光的固体激光装置中，上述Nd:YAG在光透过方向上具有的厚度，使得在1064.4nm附近存在有反射峰，而且1061.8nm附近不存在反射峰。
在上述按照第二观点的激发半导体激光的固体激光装置中，由于在构成Nd:YAG光谐振腔端部的端面上涂布有相对于1064.4nm附近的HR涂层，能够抑制1.32μm频带的振荡而只选择性地在1.06μm频带振荡，而在Nd:YAG在半导体激光一侧的端面上也可以没有涂层，也可以有具有一定反射率的涂层。
其次，由于Nd:YAG的两个端面是平行的(都垂直于光轴)，Nd:YAG具有波长选择性，发挥了频带反射镜的作用。因此，当控制Nd:YAG的厚度进行调谐，使得在例如1064.4nm±0.35nm(图2的斜线部分a)处具有反射峰，而在1061.8nm±0.2nm(图2的斜线部分b)处没有反射峰时，就能够抑制在1061.8nm附近的振荡谱线，实现在1064.4nm附近的单模振荡。
在本发明的第三个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第一或第二观点的激发半导体激光的固体激光装置中，上述Nd:YAG在光透过方向上的厚度是0.13～0.22mm、0.26～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个。
在图3中表示在Nd:YAG的反射特性中自由光谱区(FSR：freeSpectral Range)和反射峰波长的关系。图3中的放射状直线表示与FSR相对应的Nd:YAG反射峰的波长。对Nd:YAG进行温度调谐，使得一个反射峰存在于与自由光谱区无关的作为本发明对象的波长1064.4nm的附近。
图3上在水平方向上的区域a，是在1064.4nm附近的区域，在水平方向上的区域β，是在1061.8nm附近的区域。在垂直方向上的区域A、B、CD和E，分别表示在区域a中存在有Nd:YAG的反射峰且在区域b中没有反射峰的FSR的范围。如在图3中所看到的，如果FSR的值是0.467～0.480、0.56～0.60、0.70～0.80、0.933～1.20和1.4～2.4，就能够抑制在1061.8nm附近的振荡谱线，实现在1064.4nm附近的单模振荡。当把这些FSR值换算为Nd:YAG的厚度时，就是0.13～0.22mm、0.26～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm和0.65～0.67mm。
在本发明的第四个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第一至第三当中任何一个观点的激发半导体激光的固体激光装置中，包括有变更上述Nd:YAG温度的组件。
在将Nd:YAG的温度控制为一定的状态下，为了让其在光透过方向上的厚度使得在1064.4nm附近存在有反射峰，而在1061.8nm附近不存在反射峰，有必要控制Nd:YAG的厚度在10nm的数量级(オ一ダ一)。可以通过研磨加工做到这一点。但是进行如此高精度的研磨加工会成为提高成本的主要原因。
而在按照上述第四观点的激发半导体激光的固体激光装置中，并不要求通过研磨加工达到10nm数量级的精度，由于研磨加工所引起的厚度偏差(バラツキ)，变更Nd:YAG的温度而吸收。由此就能够避免由于高精度研磨加工带来的成本上升。
在本发明的第五个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第四观点的激发半导体激光的固体激光装置中，上述Nd:YAG在光透过方向上的厚度，取0.31～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个值。
被Nd:YAG频带反射镜反射的波长相对于温度的变化率dλ/dT由如下公式表示。
dλ/dT＝λ{(1/n)(dn/dT)+α}
这里，λ表示波长；n表示Nd:YAG的折射率；α表示Nd:YAG的线膨胀系数。当λ＝1064.4nm，n＝1.82，dn/dT＝9.05×10-6/K，α＝7×10-6/K时，dλ/dT＝0.013nm/℃。
使用此dλ/dT值将Nd:YAG的反射峰调谐在1064.4nm附近的增益频带(ゲインバンド)的峰值上，但是实际的增益频带伴随着温度升高而向长的波长方向移动。其移动的比例Δλ是0.003nm/℃。从而校准器的反射峰和增益频带的波长差相对于温度的调谐能力(チユ一ナビリテイ一)是0.01nm/℃(＝0.013nm/℃-0.003nm/℃)。
考虑到结构部件的耐热性，现实Nd:YAG的可变温度的幅度在100℃左右。从而，通过温度变化能够覆盖的波长幅度为1nm(0.01nm/℃×100℃)。一般说来，为了改变温度将反射峰调谐在希望的波长上，使温度能够覆盖(スイ一プ)上由Nd:YAG厚度决定的FSR就是条件。
而FSR如下式所表示。
FSR＝λ2/(2·n·L)
这里L是Nd:YAG的厚度。
使FSR等于1nm(＝由于温度变更所能够覆盖波长的幅度)的Nd:YAG厚度为0.31mm。实际上这就把Nd:YAG厚度的下限条件设定为“0.31mm以上”。
另外，Nd:YAG厚度的上限，由用来选择增益频带内一个纵模使FSR为大于增益频带宽度一半的值这个条件决定。这就是说，由于Nd:YAG增益频带的宽度为大约0.7nm，所以FSR在0.35nm以上，将其换算为Nd:YAG的厚度L就在0.89mm以下。这就成为Nd:YAG厚度L的上限条件“0.89mm以下”。
在Nd:YAG的下限条件为“0.31mm以上”和上限条件为“0.89mm以下”的上述第三观点中，当Nd:YAG的厚度符合此范围时，适当的Nd:YAG厚度为0.31～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中任何一个值。
在本发明的第六个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第一至第五观点中任何一个的激发半导体激光的固体激光装置中，在不是构成上述Nd:YAG光谐振腔端部端面的端面是没有涂层的。
构成Nd:YAG光谐振腔端部的端面涂布上HR涂层，而不是构成光谐振腔端部端面的端面则没有涂层，这不仅简化了制造工序，而且由于没有由涂层膜造成的散射、吸收等谐振腔内损失，具有提高了效率，也有不担心涂层膜老化等优点。
在本发明的第七个观点中，提供一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在按照上述第六观点的激发半导体激光的固体激光装置中，上述光谐振腔的光学长度在18mm以下。
本发明人发现，为了实现单模振荡，使Nd:YAG的反射峰与一个谐振腔的模几乎是一致的，再给予相邻的谐振腔模0.3％以上的损失即可。在构成Nd:YAG光谐振腔端部端面涂布HR涂层而不是构成光谐振腔端部端面的端面没有涂层的情况下，为了给予相邻的谐振腔的模以0.3％以上的损失，只要使谐振腔模的间隔在0.03nm以上即可。如果将此换算的话，光谐振腔的光学长度在18mm以下。
本发明的效果
按照本发明的激发半导体激光的固体激光装置，其结构在光谐振腔内不插入校准器等，能够在1064.4nm附近实现单模振荡。
附图说明
图1是表示涉及实施例一的激发半导体激光的固体激光装置的结构说明图。
图2是表示当Nd:YAG的厚度为0.41mm时透过率的特性图。
图3是表示Nd:YAG反射峰波长相对于FSR的特性图。
符号说明
1  半导体激光器
3  Nd:YAG
3a HR涂层
4  温度变更装置
6  波长变换元件
7  镜片
8  光谐振腔
9  光束分束器
10 光电二极管
11 半导体激光器驱动电路
100激发半导体激光的固体激光装置
具体实施方式
下面按照图中所示的实施形态详细说明本发明。但是并不由此限定本发明。
实施例一
图1是表示涉及实施例一的激发半导体激光的固体激光装置100的结构说明图。
此激发半导体激光的固体激光装置100包括射出激发激光的半导体激光器1、将激发的激光聚焦的第一透镜21和第二透镜22、被聚焦的激光激发感应放出基本波激光的Nd:YAG(固体激光介质)3、用来改变Nd:YAG3温度的温度变更装置4、调节偏振光的Brewster板(ブリユ一スタ板)5、将基本波激光变换为二次谐波光线的波长变换元件6、在构成光谐振腔8一端的同时还透过二次谐波光线的镜片7、取出透过镜片7的一部分二次谐波的光束分束器9、接受用光束分束器9取出的二次谐波光并变换为电信号的光电二极管10和控制半导体激光器1的驱动电流使光电二极管10的电信号强度一定的半导体激光器驱动电路11。
半导体激光器1，对图中未显示的帕尔帖(ペルチエ)元件进行温度调谐，使激发的激光成为Nd:YAG的波长808.5nm的吸收峰。
Nd:YAG3是将单晶或微晶烧结得到的陶瓷。在构成Nd:YAG3端部的光谐振腔8的端部端面上涂有对波长808.5nm具有高透过率，而对波长1064nm具有高反射率的HR涂层3a。另一方面，在Nd:YAG3端部的不是光谐振腔8端部的端面上则没有涂层。Nd:YAG3的两个端面的平行度被加工成5秒以下的精度。Nd:YAG3被设置得其两个端面都与光轴垂直。
在涂布了HR涂层3a的Nd:YAG3端面和镜片7之间构成了光谐振腔8。光谐振腔8的光学长度在18mm以下。
温度变更装置4通过帕尔帖元件变更Nd:YAG的温度，调节光透过方向上的厚度，使得在1064.4nm附近存在有反射峰，而在1061.8nm附近不存在反射峰。
波长变换元件5是LiNbO3、LiTaO3、MgO:LiNbO3、MgO:LiTaO3、KNbO3、KTiOPO4之类的材料或者对这些材料实施极化反转处理得到的材料。通过波长变换元件5的在波长1064.4nm附近的基本波激光被转换为二次谐波光或三次谐波光等高次谐波光输出。
波长变换元件5被图中未显示的帕尔帖元件或加热器调整到适当的温度。
图2是表示当Nd:YAG 3的厚度为0.41mm(FSR是0.76)时，从谐振腔的内侧观察Nd:YAG 3时的反射率的特性图。
图2中的斜线部分a表示1064.4nm振荡谱线的位置和具有周边增益的区域(例如1064.4nm±0.35nm)。由于对此斜线部分a的波长存在着一个反射峰，所以在其附近发生振荡。
另外，斜线部分b表示1061.8nm的振荡谱线的位置和具有周边增益的区域(例如1061.8nm±0.2nm)。此斜线部分b的波长反射率低，其振荡受到抑制。
按照实施例一的激发半导体激光的固体激光装置100，其结构在光谐振腔内不插入校准器，能够实现在1064.4nm附近的单模振荡。
实施例二
Nd:YAG3的厚度可以取0.13～0.22mm、0.26～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个值。
按照实施例二的激发半导体激光的固体激光装置，FSR值可取0.467～0.480、0.56～0.60、0.70～0.80、0.933～1.20和1.4～2.4中的任何一个值，即图3中的斜线部分A、B、C、D和E。在这些斜线部分A、B、C、D和E处，由于在1064.4nm附近存在有反射峰，而在1061.8nm附近不存在反射峰，所以能够抑制在1061.8nm附近的振荡谱线，而在1064.4nm附近实现单模振荡。
如果Nd:YAG 3的厚度取0.31～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个，对100℃左右的温度覆盖是合适的。
产业上利用的可能性
本发明的激发半导体激光的固体激光装置，可用于生物工程领域或测量领域。

Claims (7)

1.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，
该激光装置中，由半导体激光器输出的激光激发包含固体激光介质的光谐振腔内装有非线性光学晶体，向外部输出在上述光谐振腔中振荡的基本波的高次谐波，控制上述半导体激光器的驱动电流，使检出一部分高次谐波得到的高次谐波输出成为常数，
上述固体激光介质是Nd:YAG，
上述Nd:YAG具有与光轴垂直的两个端面，
在构成上述Nd:YAG的上述光谐振腔端部的端面上，涂布有相对于从能级4F3/2向能级4I11/2迁移时产生的光线HR涂层，
上述Nd:YAG通过两个端面反射光干涉起着频带反射镜的作用，其在光线透过方向上具有的厚度，使得对从次能级R2向次能级Y3迁移发生的光线，反射率显示出极大值，而对从次能级R1向次能级Y1迁移发生的光线，反射率显示出极小值。
2.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求1中所述的激发半导体激光的固体激光装置中，
上述Nd:YAG在光透过方向上具有的厚度，使得在1064.4nm附近存在有反射峰，而且1061.8nm附近不存在反射峰。
3.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求1或权利要求2中所述的激发半导体激光的固体激光装置中，
上述Nd:YAG在光透过方向上的厚度取0.13～0.22mm、0.26～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个值。
4.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求1至权利要求3中任何一项中所述的激发半导体激光的固体激光装置中，
包括有变更上述Nd:YAG温度的组件。
5.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求4中所述的激发半导体激光的固体激光装置中，
上述Nd:YAG在光透过方向上的厚度，取0.31～0.33mm、0.39～0.44mm、0.51～0.55mm、0.65～0.67mm中的任何一个值。
6.激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求1至权利要求5中任何一项的激发半导体激光的固体激光装置中，
在不是构成上述Nd:YAG光谐振腔端部端面的端面是没有涂层的。
7.一种激发半导体激光的固体激光装置，其特征在于，在权利要求6中所述的激发半导体激光的固体激光装置中，
上述光谐振腔的光学长度在18mm以下。
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