JP2003008121A

JP2003008121A - 固体レーザ発振器

Info

Publication number: JP2003008121A
Application number: JP2001188138A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Yamamoto; 修平山本; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高励起出力時でも高出力なシングルモードレ
ーザ光を発生する固体レーザ発振器を得る。【解決手段】同軸上に平行に配置され、励起により蛍
光を発光する複数の固体レーザ媒質４−１，４−２と、
固体レーザ媒質と同軸上で、かつ、固体レーザ媒質の間
に配置された９０度旋光子５と、固体レーザ媒質と同軸
上で、任意の位置に配置された任意の個数の熱レンズ補
償手段６と、固体レーザ媒質と同軸上で、かつ、全ての
固体レーザ媒質と熱レンズ補償手段の両外側に配置され
て、蛍光のうち軸方向に発生した光成分を共振させる反
射手段７および部分反射手段８とを備え、反射手段と部
分反射手段との間で共振する光成分のうち、部分反射手
段を通過する光成分を、出力光としてレーザ出力する固
体レーザ発振器であって、熱レンズ補償手段と、反射手
段と、部分反射手段のうち、少なくとも１つが誘電体で
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体レーザ媒質
を用いた固体レーザ発振器に関し、特に、高出力半導体
レーザ励起固体レーザ媒質を用いた高出力シングルモー
ド共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】シングルモード発振器において、固体レ
ーザ媒質は半導体レーザおよびフラッシュランプ等の励
起光源で励起される。この励起された固体レーザ媒質お
よび任意の光学部品を用い、シングルモード発振を行う
ことで、シングルモード出力は得られる。図４は、本出
願人の先願（特願平１１−３４４８０２号）に関わるシ
ングルモード発振器を示す構成図である。図４におい
て、固体レーザ媒質１０４としての第１の固体レーザ媒
質１０４−１、第２の固体レーザ媒質１０４−２は、そ
れぞれの固体レーザ媒質軸に対して平行で、同軸に配置
されている。９０度旋光子１０５は、第１の固体レーザ
媒質１０４−１、第２の固体レーザ媒質１０４−２の間
で、固体レーザ媒質軸と同軸上に配置される。第１の固
体レーザ媒質１０４−１、第２の固体レーザ媒質１０４
−２は、固体レーザ媒質１０４としてＹＡＧにＮｄ原子
が印加された結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧという場合もあ
る）を用いている。このため、励起光源により励起を行
うことで、固体レーザ媒質１０４は、熱レンズ、熱複レ
ンズを生じる。２つの固体レーザ媒質と９０度旋光子１
０５を用いることで熱複レンズの補償を行っている。反
射手段１０７、部分反射手段１０８は、固体レーザ媒質
軸と同軸上で、２つの固体レーザ媒質４の両外側に垂直
に配置されている。２つの固体レーザ媒質４の持つ熱レ
ンズは熱レンズ補償手段１０６としての第１の凹面レン
ズ１０６−１および第２の凹面レンズ１０６−２で補償
を行っている。この結果、高出力励起時においても、反
射手段１０７と部分反射手段１０８間を周回し、固体レ
ーザ媒質で増幅された共振シングルモード光１３０の一
部が、部分反射鏡１０８を透過し、固体レーザ発振器１
０１のレーザ出力としてシングルモード出力光１３１が
得られる。

【０００３】シングルモード共振器を構成する部分反射
手段、反射手段などの光学部品は、共振器内を周回する
レーザ光を反射、部分反射あるいは透過させる。このと
き、光学部品では照射されるレーザ光の出力に応じて熱
が発生する。熱が発生することにより、光学部品の温度
が上昇し、光学部品の屈折率を変化させることがある。
発生した熱はレーザ光が照射されていない外周部分に向
かって熱伝導していくため、レーザ光が照射された光学
部品の中心部分ではより温度が高く、レーザ光が照射さ
れた光学部品の外周部分では、中心部分に比べ温度が低
くなることがある。このため、レーザ光が照射された光
学部品の中心部分では屈折率の変化がより大きくなり、
レーザ光が照射された光学部品の外周部分では屈折率の
変化が小さくなることがある。このように光学部品の屈
折率が部分的に変化することで、光学部品は収差を持つ
こととなる。この熱が発生したことによって生じる収差
を熱収差と呼ぶことがある。

【０００４】光学部品の熱収差は近似的には発生した熱
の量に比例する。共振器内部で周回するレーザ光の出力
は、レーザ媒質の増幅率に比例し、増幅率はレーザ媒質
を励起する励起出力に比例する。このため、熱収差はレ
ーザ媒質の励起出力に比例して発生する。熱収差を持っ
た光学部品を反射、部分反射あるいは透過したレーザ光
の波面は、熱収差量に比例した波面収差を持つことにな
る。このため、共振器内を周回するレーザ光の波面収差
は、レーザ媒質の励起出力に比例して発生する。ここ
で、レーザ光の波面収差値をΔφとして、近似的に下記
の式（１）と表すことができる。

【０００５】 Δφ＝Δφ₀×Ｐ（１）

【０００６】ここで、Δφ₀ は単位励起出力あたりの波
面収差値、Ｐはレーザ媒質の励起出力である。

【０００７】レーザ光が共振器内部を周回する際、周回
損失は、波面収差の２乗に比例して増加する。このた
め、周回損失はレーザ媒質の励起出力の２乗に比例して
増加する。ここで、周回損失値Ｌｏｓｓは近似的に下記
の式（２）と表すことができる。

【０００８】Ｌｏｓｓ ∝ Δφ² ∝ Ｐ² （２）

【０００９】一方、レーザ媒質の利得（増幅率）はレー
ザ媒質の励起出力に比例する。ここで、レーザ媒質の利
得係数ｇは近似的に下記の式（３）と表すことができ
る。

【００１０】ｇ ∝ ｇ₀×Ｐ／Ｌ（３）

【００１１】ここで、ｇ₀ は単位励起出力あたりの利得
係数、Ｌはレーザ媒質長である。このように共振器内を
周回するレーザ光の周回損失Ｌｏｓｓは励起出力の２乗
に比例し、レーザ媒質の利得ｇ（増幅率）は励起出力に
比例するため、高出力励起を行った場合、レーザ媒質の
利得よりも周回損失の方が大きくなる。このため、周回
損失の小さい低励起出力時には、励起出力に比例したレ
ーザ出力が得られるが、高励起出力になるにしたがいレ
ーザ出力が飽和し、さらに強い励起を行った場合、レー
ザ出力は減少することとなる。励起出力に対するレーザ
出力の割合を示す発振効率η（Ｐ）は、上記式（１）、
（２）、（３）から、下記の式（４）と表すことができ
る。

【００１２】 η（Ｐ）∝（１−Ｌｏｓｓ／（２×ｇ×Ｌ））² ＝（１−Ｃｏｎｓｔ×（Δφ₀×Ｐ）／ｇ₀）² （４）

【００１３】ここで、Ｃｏｎｓｔは定数である。式
（４）において、単位励起出力あたりの波面収差値Δφ
₀、および単位励起出力あたりの利得係数ｇ₀ は、ある
レーザ発振器に対して一定値である。従って、発振効率
η（Ｐ）は励起出力Ｐの２乗に比例して減少することと
なる。このため、高励起出力を行った場合、発振効率が
減少してくるためレーザ出力は飽和し、さらに強い励起
を行った場合、レーザ出力は減少することとなる。以上
から、レーザ出力は光学部品で発生する熱収差のため
に、最大の出力が制限されることがある。

【００１４】シングルモード光の光軸の断面方向のビー
ム強度分布は、ガウシアン分布をしている。このため、
シングルモード光断面内の中心部分ではレーザ出力が大
きく、外周部になるにしたがい出力は小さくなる。この
ため、レーザ光の断面方向のビーム強度が矩形状である
場合と比べて、レーザ光が照射された中心部分はより温
度上昇が大きくなり、外周部分の温度上昇は小さくな
る。従って、シングルモードのレーザ光が照射された光
学部品を反射、部分反射および透過したレーザ光は、よ
り大きな波面収差を持ち、レーザ出力の飽和および減少
はレーザ媒質の励起出力がより小さい場合でも生じるこ
とがある。

【００１５】シングルモード共振器を構成する部分反射
手段、反射手段などの光学部品の材質は、一般に、ＢＫ
７、ＦｕｓｅｄＳｉｌｉｃａなどの硝材が用いられ
る。これらの材料は、レーザ発振波長に対してほぼ透明
ではあるが、極少量の光吸収がある。このため、材料は
光吸収による熱の発生がおこり、この結果、レーザ光の
波面収差を増大させ、レーザ出力を制限するものであ
る。ここで、ＢＫ７、ＦｕｓｅｄＳｉｌｉｃａなど
は、硝材であるために、熱伝導率が比較的小さい。例え
ばＢＫ７の熱伝導率は１．１１４（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｆｕ
ｓｅｄＳｉｌｉｃａの熱伝導率は１．３８（Ｗ／ｍ・
Ｋ）であり、例えばレーザ媒質の母材として良く用いら
れているＹＡＧの熱伝導率は１３．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）で
ある。ＹＡＧと比較して、ＢＫ７、ＦｕｓｅｄＳｉｌ
ｉｃａの熱伝導率はそれぞれ、８．３％、１０．３％で
ある。このように熱伝導率が低い場合、発生した熱量が
伝達しにくいために、熱の発生が僅かでもレーザ光が照
射されている部分に熱量が積み重なり、結果として、レ
ーザが照射されている部分が局所的に温度上昇し、大き
な熱収差を発生させることとなる。

【００１６】このため、特に、レーザ光の断面方向のビ
ーム強度がガウシアン分布をしているシングルモード光
を発生するシングルモード共振器の場合、レーザ媒質の
励起出力が小さい場合でも、発生した光学部品の熱収差
のためレーザ出力が飽和および減少し、高出力シングル
モード光の発生は困難となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のシ
ングルモード共振器においては、高出力励起を行った
時、光学部品で発生する熱収差のため、ビーム品質が低
下する、または、レーザ出力が飽和および減少するなど
の課題があった。

【００１８】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものであり、高励起出力時でも高出力な
シングルモードレーザ光を得ることができる固体レーザ
発振器を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る固
体レーザ発振器は、同軸上に平行に配置され、励起によ
り蛍光を発光する複数の固体レーザ媒質と、上記固体レ
ーザ媒質と同軸上で、かつ、上記固体レーザ媒質の間に
配置された９０度旋光子と、上記固体レーザ媒質と同軸
上で、任意の位置に配置された任意の個数の熱レンズ補
償手段と、上記固体レーザ媒質と同軸上で、かつ、全て
の上記固体レーザ媒質と上記熱レンズ補償手段の両外側
に配置されて、上記蛍光のうち軸方向に発生した光成分
を共振させる反射手段および部分反射手段とを備え、上
記反射手段と上記部分反射手段との間で共振する上記光
成分のうち、上記部分反射手段を通過する光成分を、出
力光としてレーザ出力する固体レーザ発振器であって、
上記熱レンズ補償手段と、上記反射手段と、上記部分反
射手段のうち、少なくとも１つが誘電体で構成されてい
るものである。

【００２０】請求項２の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項１の発明において、上記誘電体が、ＹＡＧ
（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：イットリウム・アルミニュウム・
ガーネット）で構成されているものである。

【００２１】請求項３の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項１の発明において、上記誘電体が、ＭｇＯで
構成されているものである。

【００２２】請求項４の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項１の発明において、上記誘電体が、Ｃ（ダイ
アモンド）で構成されているものである。

【００２３】請求項５の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項１の発明において、上記誘電体の代わりに半
導体を用いたものである。

【００２４】請求項６の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項５の発明において、上記半導体が、ＧａＰで
構成されているものである。

【００２５】請求項７の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項５の発明において、上記半導体が、ＧａＡｓ
で構成されているものである。

【００２６】請求項８の発明に係る固体レーザ発振器
は、請求項５の発明において、上記半導体が、ＳｉＣで
構成されているものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図を参照して説明する。実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１による
固体レーザ発振器を示す構成図である。図１において、
１は固体レーザ発振器、４は固体レーザ媒質、４−１は
第１の固体レーザ媒質、４−２は第２の固体レーザ媒
質、５は９０度旋光子、６は熱レンズ補償手段、６−１
は第１の凹面レンズ、６−２は第２の凹面レンズ、７は
反射手段、８は部分反射手段、３０は共振シングルモー
ド光、３１はシングルモード出力光である。

【００２８】均一に励起された第１の固体レーザ媒質４
−１と均一に励起された第２の固体レーザ媒質４−２
は、固体レーザ媒質軸方向が平行で、同一軸上に配置さ
れている。また、高出力シングルモード共振器２の共振
鏡である反射手段７および部分反射手段８は固体レーザ
媒質４の軸方向に対して垂直で、かつ、軸方向に配置さ
れており、２つの固体レーザ媒質４の両端に配置されて
いる。反射手段７は、共振レーザ光の波長に対して高反
射する性質があり、共振レーザ光の波長に対して全反射
コートが施された全反射鏡であってもよい。また、部分
反射手段８は、共振レーザ光の波長に対して一部の割合
で反射する性質があり、共振レーザ光の波長に対して部
分反射コートが施された部分反射鏡であってもよい。

【００２９】励起された固体レーザ媒質４で発生した蛍
光の内、２つの固体レーザ媒質４の軸方向と平行で、反
射手段７と部分反射手段８に垂直な方向に発生した成分
は、反射手段７と部分反射手段８により周回し、固体レ
ーザ媒質４を何度も通過することになる。このため、励
起された固体レーザ媒質４では、光出力の増幅が行わ
れ、最終的には大きな光出力が抜き出されることとな
る。一方、固体レーザ媒質４は一定出力で励起が行われ
ているため、光出力が抜き出されることにより利得は減
少する。このため、最終的には、共振器周回損失と、抜
き出した光出力の増加による利得の減少と、励起による
利得の増加の釣り合った光出力の抜き出しが行われるこ
とになる。このように共振している光出力の内、部分反
射鏡を透過する成分が、レーザ出力として取り出され
る。

【００３０】固体レーザ媒質４の断面に対する径方向の
熱レンズと、周方向の熱レンズは異なる。これを熱複レ
ンズと言う場合もある。このため、固体レーザ媒質４を
通過し増幅した出力光には非点収差が生じることとな
る。この非点収差を減少させるために、第１の固体レー
ザ媒質４−１と第２の固体レーザ媒質４−２の間で、固
体レーザ媒質軸上に９０度旋光子５を配置する。これに
よって、第１の固体レーザ媒質４−１で径方向の偏光を
持つレーザ光は、第２の固体レーザ媒質４−２で周方向
の偏光となる。

【００３１】したがって、第１の固体レーザ媒質４−１
では径方向の熱レンズを受け、第２の固体レーザ媒質４
−２では周方向の熱レンズを受ける。同様に、第１の固
体レーザ媒質４−１で周方向の偏光を持つレーザ光は、
第２の固体レーザ媒質４−２で径方向の偏光となり、第
１の固体レーザ媒質４−１で周方向の熱レンズを受け、
第２の固体レーザ媒質４−２で径方向の熱レンズを受け
る。このように、２つの同等に励起された固体レーザ媒
質４と、２つの固体レーザ媒質４の間に配置された９０
度旋光子５を用いることで、径方法と周方向に発生する
熱複レンズは平均化されることになる。このため、高励
起出力時にビーム径を固体レーザ媒質４の開口程度に大
きくし、共振器の安定領域が狭い場合においても、周方
向と径方向の共振器安定領域は等しくなり、安定動作領
域が最も広く取れるなどの特徴がある。

【００３２】側面励起により固体レーザ媒質４を励起し
た場合、効率的な高出力シングルモード動作を行うため
には、固体レーザ媒質４自身をモード選択開口とし、最
大の励起出力時に固体レーザ媒質４におけるビームサイ
ズが最適となる共振器を設計する必要がある。一方、励
起出力が増加することで熱レンズが増加した場合の共振
器の安定領域は、ビーム径の２乗に反比例して小さくな
る。このため、固体レーザ媒質４の開口程度にビーム径
を大きくすると安定領域は小さくなり、高励起出力まで
安定領域を保つことは困難となる。このため、固体レー
ザ媒質４の開口程度にビーム径を大きくする必要のある
シングルモード発振においては、熱レンズの大きくなる
高励起出力までは、レーザ発振を行うことが困難とな
る。

【００３３】これを解決する手段として、共振器内に熱
レンズを補償する熱レンズ補償手段６を配置すること
で、安定領域の動作点を高励起出力領域にシフトさせる
ことが有効である。熱レンズは、固体レーザ媒質４がＮ
ｄ：ＹＡＧである場合には、凸レンズになるため、熱レ
ンズ補償手段６は凹面レンズで合っても良い。また、熱
レンズ補償手段６は像転送の効果がある２つの凸レンズ
で合っても良い。

【００３４】図１に示す高出力シングルモード共振器
は、対称型共振器であり、９０度旋光子５を中心に、第
１の固体レーザ媒質４−１および第２の固体レーザ媒質
４−２までの距離が等しく、同等に励起されており、ま
た、均一に励起されている。同様に、９０度旋光子５を
中心に、第１の凹面レンズ６−１および第２の凹面レン
ズ６−２までの距離が等しく、反射手段７および部分反
射手段８までの距離が等しい。このため、固体レーザ媒
質４で発生する断面に対し径方向と周方向で異なる熱レ
ンズの熱複レンズによる安定動作領域は、一致すること
になり、安定な共振領域は最も広く取れる特徴がある。

【００３５】シングルモード共振器を構成する反射手段
７、部分反射手段８、熱レンズ補償手段６などの光学部
品は、共振器内を周回するレーザ光を反射、部分反射あ
るいは透過させる。このとき、光学部品では照射される
レーザ光の出力に応じて熱が発生する。熱が発生するこ
とにより、光学部品の温度が上昇し、光学部品の屈折率
を変化させることがある。発生した熱はレーザ光が照射
されていない外周部分に向かって熱伝導していくため、
レーザ光が照射された光学部品の中心部分ではより温度
が高く、レーザ光が照射された光学部品の外周部分で
は、中心部分に比べ温度が低くなることがある。このた
め、レーザ光が照射された光学部品の中心部分では屈折
率の変化がより大きくなり、レーザ光が照射された光学
部品の外周部分では屈折率の変化が小さくなることがあ
る。このように光学部品の屈折率が部分的に変化するこ
とで、光学部品は熱収差を持つこととなる。高出力動作
時に共振器内光学部品で発生する熱収差により、レーザ
光の伝搬特性は劣化することがある。

【００３６】シングルモード光は断面方向の強度がガウ
シアン分布である。共振器内を伝搬するレーザ光の断面
方向の分布がスポットサイズω_Pのガウス分布である場
合、光学部品はガウス分布のレーザ光により強度の強い
部分でより多くの熱が発生し、光学部品の面内において
温度分布が生じる。レーザ光がこの温度分布を持つ光学
部品を通過した場合に受ける面内での光路長差ＯＰＤ
は、光軸方向に対して積分を行うと下記の式（２−１）
となる。

【００３７】

【数１】

【００３８】ここで、ΔＴ（ｒ，ｚ）はガウス分布のレ
ーザ光による光学部品の温度上昇、χは光学部品の温度
上昇による光の位相への変化量、ｒはレーザ光断面方向
の光学部品の中心からの距離、ｆ_Tは熱レンズ焦点距
離、Δφ（ｒ）は非球面収差である。光路長差がｒ²に
比例している場合には、光学部品は焦点距離ｆ_Tの球面
レンズと等しい働きをしていることになる。ｒ²に比例
した光路長差は、逆の光路長差を与える球面レンズで補
償可能なため、ビーム品質を劣化させたり、収差による
共振器内損失の増大によるレーザ出力の飽和および減少
を招くことはない。一方、式（２−１）の第２項Δφ
（ｒ）は非球面収差であるため、球面レンズでは補償が
困難であり、レーザ出力の増大と共に収差が増大する。
これによって、ビーム品質は劣化し、また、共振器内損
失の増大によるレーザ出力の飽和および減少を招くこと
がある。

【００３９】ガウス分布のレーザ光によって発生する非
球面収差Δφ（ｒ）は解析的には計算されないため、数
値計算を行った例を図２に示す。ここで、図２の縦軸は
規格化した非球面収差量であり、実際の値に変換する場
合は、Ｐ_T・χ／４πkを掛ければ求まる。一般にレーザ
ビーム径に比べ光学部品径は十分に大きいので、ｒ_b/ω
_P＝５として計算を行った。ここで、ｒ_bは光学部品径、
ω_Pはレーザビーム径である。また、光学部品とレーザ
ビームの中心は等しいと仮定した。図２の横軸は、光学
部品の中心からの距離である。スポットサイズ即ちレー
ザビーム径ω_Pのガウス分布のレーザ光は０≦ｒ／ω_P≦
１の範囲を通過している。このため、０≦ｒ／ω_P≦１
の範囲で直線近似を行い、透過するレーザビームに発生
する非球面の全波面収差量は下記の式（２−２）で表せ
る。

【００４０】

【数２】

【００４１】ここで、kは熱伝導率、χは光学部品の温
度上昇による光の位相への変化量、Ｐ_Tは光学部品で発
生した熱パワーである。光学部品の温度上昇による光の
位相への変化量χは下記の式（２−３）で表せる。

【００４２】

【数３】

【００４３】ここで、ｎはレーザ媒質の屈折率、νは光
学部品のポアソン比、α_Tは熱膨張係数、Ｃは光弾性定
数である。第１項は屈折率変化、第２項は膨張、第３項
は膨張により生じる応力による屈折率変化を示してい
る。また、光学部品で発生した熱パワーＰ_Tは、光学部
品を通過する光パワーＰと、光学部品における光の吸収
率ηを用いて下記の式（２−４）と表せる。

【００４４】

【数４】

【００４５】ここで、αは光学部品のレーザ光の波長に
対する吸収係数、Ｌは光学部品の光軸方向の長さであ
る。光軸断面方向の強度がガウス分布であるシングルモ
ード光のビーム品質が劣化すると、シングルモード光は
高次横モードを含むレーザ光となる。シングルモード光
と高次横モードのビームスポットサイズが等しいとき、
高次モードのビームの広がり角はシングルモードのビー
ムの広がり角に比べＭ²倍大きくなるとすると、このと
き、高次モードのビームはＭ²倍の広がり角をもつシン
グルモード光として取り扱うことが可能である。このた
め、シングルモードのビーム品質はＭ ²＝１であり、Ｍ²
値が大きい程ビーム品質が劣化していると理解すること
ができる。

【００４６】図３は光学部品の非球面収差による通過レ
ーザ光の劣化を示す模式図である。非球面収差を受けて
高次モードを含むレーザ光は、Ｍ²倍の広がり角を持つ
シングルモード光として取り扱うことが可能である。光
学部品を通過する前のシングルモード光の光軸断面方向
のピーク強度がＰ_dlとする。レーザ光が光学部品の非球
面収差によりＭ²倍の広がり角となり、光軸断面方向の
ピーク強度がＰ_abとなった場合、ビーム品質Ｍ²は下記
の式（２−５）で表せる。

【００４７】

【数５】

【００４８】一方、波面収差によるレーザ光ピーク強度
の低下率は下記の式（２−６）で表せる。

【００４９】

【数６】

【００５０】ここで、λはレーザ光の波長である。従っ
て、上記式（２−５）、（２−６）より、ビーム品質Ｍ
²は非球面収差量Δφで表すことができる。これを下記
の式（２−７）に示す。

【００５１】

【数７】

【００５２】シングルモード光のレーザが光学部品の非
球面収差によってビーム品質Ｍ²に劣化しているとき、
上記式（２−２）、（２−３）、（２−４）、（２−
７）を用いて、光学部品を通過するレーザ出力は、ビー
ム品質Ｍ²、光学部品の各種物理定数、光学部品の光軸
方向の長さＬを用いて下記の式（２−８）と表すことが
できる。

【００５３】

【数８】

【００５４】ここで、ビーム品質の劣化が少ないシング
ルモードレーザとして、ビーム品質Ｍ²＜２の条件を与
えた場合、光学部品を通過するレーザ出力は下記の式
（２−９）を満たす必要がある。

【００５５】

【数９】

【００５６】レーザ出力の取り出しが行われる部分反射
鏡の反射率をＲ、共振器からのレーザ出力をＰ_Outとす
ると、共振器内部を周回するレーザ出力Ｐ_Inは下記の式
（２−１０）を表せる。

【００５７】

【数１０】

【００５８】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、例えば、材質がＹＡＧで構成されていてもよ
い。ＹＡＧの各種物理定数は、熱伝導率k＝１４（Ｗｍ
^-1Ｋ^-1）、レーザ光波長λ＝１．０６４×１０
^-6（ｍ）、ｄｎ／ｄＴ＝７．３×１０^-6（Ｋ^-1）、屈折
率ｎ＝１．８２、ポアソン比ν＝０．２４、熱膨張率α
_T＝７．５×１０^-6（Ｋ^-1）、光弾性定数Ｃ＝０．０１
７である。また、共振器内光学部品の合計の光軸方向の
長さをＬ＝１０（ｍｍ）、レーザ光波長に対する光学部
品の吸収係数α＝０．００１（ｃｍ^-1）を仮定する。こ
のとき、ビーム品質の劣化が少ないシングルモードレー
ザとして、ビーム品質Ｍ²＜２を満たす場合、共振器内
レーザ出力Ｐ_Inは上記式（２−９）より、Ｐ_I _n＜２６８
５（Ｗ）である必要がある。このため、シングルモード
共振器のレーザ出力として、

【００５９】

【数１１】

【００６０】が得られ、例えば部分反射手段７の反射率
をＲ＝０．７を選択した場合、Ｐ_Out＜４７４（Ｗ）ま
でのレーザ出力が得ることができる。

【００６１】一方、シングルモード共振器を構成する熱
レンズ補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、など
の光学部品が、例えば、一般的な光学硝子材料であるＢ
Ｋ７である場合、共振器内光学部品の合計の光軸方向の
長さをＬ＝１０（ｍｍ）、レーザ光波長に対する光学部
品の吸収係数α＝０．００２（ｃｍ^-1）を仮定し、ビー
ム品質Ｍ²＜２を満たす共振器内レーザ出力Ｐを上記式
（２−９）より計算を行うと、Ｐ_In＜２４８（Ｗ）とな
る。これは光学部品にＹＡＧを用いたときと比較して約
１０分の１と小さいレーザ出力でビーム品質の劣化が起
こり、熱収差が大きく発生することが分かる。このよう
に熱収差が大きく発生する場合、共振器内周回損失の増
加が起こり、レーザ出力は飽和することとなる。

【００６２】また、同様に共振器内光学部品材料にＢＫ
７を用い、共振器内光学部品の合計の光軸方向の長さを
Ｌ＝１（ｍｍ）として、ビーム品質Ｍ²＜２を満たす共
振器内レーザ出力Ｐを上記式（２−９）より計算を行う
と、Ｐ_In＜２４８０（Ｗ）となる。このように、熱収差
が発生しやすい材料を用いた場合でも、共振器内光学部
品の合計の光軸方向の長さを短く取ることで、共振器内
で発生する熱収差を低減し、高ビーム品質のレーザを高
出力で得ることができる。

【００６３】図１に示す高出力シングルモード共振器
は、共振器内の熱レンズ補償手段６、部分反射手段７、
反射手段８、などの光学部品が、材質が誘電体であり，
例えば，ＹＡＧで構成されていてもよい。ＹＡＧは波長
が０．２１μｍから５．２μｍ程度まで透明であるた
め、一般的な固体レーザの発振波長に対して透明であ
る。特に、Ｎｄ：ＹＡＧを用いた波長１．０６４μｍの
レーザ発振光に対しても透明である。また、ＹＡＧは熱
伝導率が１３．４（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるため、硝材ＢＫ
７に比べ約１２倍の熱伝導率がある。このため、レーザ
が光学部品に照射されたとき、ＹＡＧにおいても極少量
の光吸収によって、レーザが照射された部分の局所的熱
の発生はあるが、熱伝導率が高いために速やかにレーザ
光が照射されていない部分に熱量が伝達し、結果とし
て、レーザ光が照射された部分に大きな熱量の蓄積はな
く、局所的な温度の上昇量は小さくなる。

【００６４】このため、光学部品に硝材ＢＫ７を用いた
ときと比べて、共振器内を周回するレーザ光の波面収差
は小さくなる。これによって、光学部品に硝材ＢＫ７を
用いたときと比較して、光学部品にＹＡＧを用いたとき
は、レーザ媒質を高出力励起して、共振器内部で周回す
るレーザ出力が大きくなり、光学部品を反射、部分反射
または透過するレーザ出力が大きい場合でも、光学部品
のレーザが照射されている部分の局所的温度上昇は僅か
であり、光学部品のレーザ光が照射されている部分の屈
折率の変化は僅かとなる。このため、共振器内を周回す
るレーザ光の損失量の上昇は僅かとなるため、大きな励
起出力で固体レーザ媒質４を励起した場合、固体レーザ
媒質４の増幅率が大きく、レーザ光の周回損失が小さい
ために、高出力なレーザ出力が得られるなどの特徴があ
る。

【００６５】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、材質が誘電体であり，例えば，ＭｇＯで構成さ
れていてもよい。ＭｇＯは波長が０．３５μｍから６．
８μｍ程度まで透明であるため、一般的な固体レーザの
発振波長に対して透明である。特に、Ｎｄ：ＹＡＧを用
いた波長１．０６４μｍのレーザ発振光に対しても透明
である。また、ＭｇＯは熱伝導率が５９（Ｗ／ｍ・Ｋ）
であるため、硝材ＢＫ７に比べ約５３倍の熱伝導率があ
る。このため、レーザ媒質を高出力励起した場合でも、
光学部品で発生する熱収差は小さく、熱収差によるレー
ザ光の周回損失が小さいために、高出力なレーザ出力が
得られるなどの特徴がある。

【００６６】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、材質が誘電体であり，例えば，材質がＣ（ダイ
アモンド）で構成されていてもよい。ダイアモンドは波
長が０．２４μｍから２．７μｍ程度まで透明であるた
め、一般的な固体レーザの発振波長に対して透明であ
る。特に、Ｎｄ：ＹＡＧを用いた波長１．０６４μｍの
レーザ発振光に対しても透明である。また、ダイアモン
ドは熱伝導率が２２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるため、硝
材ＢＫ７に比べ約１９７５倍の熱伝導率がある。このた
め、レーザ媒質を高出力励起した場合でも、光学部品で
発生する熱収差は極めて小さく、熱収差によるレーザ光
の周回損失が小さいために、高出力なレーザ出力が得ら
れるなどの特徴がある。

【００６７】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、材質が半導体であり，例えば，ＧａＰで構成さ
れていてもよい。ＧａＰは波長が０．５４μｍから１
０．５μｍ程度まで透明であるため、近赤外から中赤外
の発振波長に対して透明である。特に、Ｎｄ：ＹＡＧを
用いた波長１．０６４μｍのレーザ発振光に対しても透
明である。また、ＧａＰは熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・
Ｋ）であるため、硝材ＢＫ７に比べ約９０倍の熱伝導率
がある。このため、レーザ媒質を高出力励起した場合で
も、光学部品で発生する熱収差は小さく、熱収差による
レーザ光の周回損失が小さいために、高出力なレーザ出
力が得られるなどの特徴がある。

【００６８】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、材質が半導体であり，例えば，ＧａＡｓで構成
されていてもよい。ＧａＡｓは波長が０．９０μｍから
１７．３μｍ程度まで透明であるため、近赤外から中赤
外の発振波長に対して透明である。特に、Ｎｄ：ＹＡＧ
を用いた波長１．０６４μｍのレーザ発振光に対しても
透明である。また、ＧａＡｓは熱伝導率が２００（Ｗ／
ｍ・Ｋ）であるため、硝材ＢＫ７に比べ約１８０倍の熱
伝導率がある。このため、レーザ媒質を高出力励起した
場合でも、光学部品で発生する熱収差は小さく、熱収差
によるレーザ光の周回損失が小さいために、高出力なレ
ーザ出力が得られるなどの特徴がある。

【００６９】シングルモード共振器を構成する熱レンズ
補償手段６、部分反射手段７、反射手段８、などの光学
部品は、材質が半導体であり，例えば，ＳｉＣで構成さ
れていてもよい。ＳｉＣは波長が０．５μｍから４μｍ
程度まで透明であるため、近赤外から中赤外の発振波長
に対して透明である。特に、Ｎｄ：ＹＡＧを用いた波長
１．０６４μｍのレーザ発振光に対しても透明である。
また、ＳｉＣは熱伝導率が４９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）である
ため、硝材ＢＫ７に比べ約４４０倍の熱伝導率がある。
このため、レーザ媒質を高出力励起した場合でも、光学
部品で発生する熱収差は小さく、熱収差によるレーザ光
の周回損失が小さいために、高出力なレーザ出力が得ら
れるなどの特徴がある。

【００７０】以上のように、本実施の形態によれば、２
つの固体レーザ媒質と、９０度旋光子と、２つの熱レン
ズ補償手段と、反射手段および部分反射手段とで構成
し、熱レンズ補償手段、部分反射手段、反射手段の少な
くとも１つ以上をＹＡＧにより構成したので、高励起出
力時でも高出力なシングルモードレーザ光を得ることが
できるなどの効果がある。

【００７１】また、熱レンズ補償手段、部分反射手段、
反射手段の少なくとも１つ以上をＭｇＯにより構成した
ので、高励起出力時でも高出力なシングルモードレーザ
光を得ることができるなどの効果がある。

【００７２】また、熱レンズ補償手段、部分反射手段、
反射手段の少なくとも１つ以上をダイアモンドにより構
成したので、高励起出力時でも高出力なシングルモード
レーザ光を得ることができるなどの効果がある。

【００７３】また、熱レンズ補償手段、部分反射手段、
反射手段の少なくとも１つ以上をＧａＰにより構成した
ので、高励起出力時でも高出力なシングルモードレーザ
光を得ることができるなどの効果がある。

【００７４】また、熱レンズ補償手段、部分反射手段、
反射手段の少なくとも１つ以上をＧａＡｓにより構成し
たので、高励起出力時でも高出力なシングルモードレー
ザ光を得ることができるなどの効果がある。

【００７５】また、上記熱レンズ補償手段、部分反射手
段、反射手段の少なくとも１つ以上をＳｉＣにより構成
したので、高励起出力時でも高出力なシングルモードレ
ーザ光を得ることができるなどの効果がある。

【００７６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、同軸
上に平行に配置され、励起により蛍光を発光する複数の
固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質と同軸上で、か
つ、上記固体レーザ媒質の間に配置された９０度旋光子
と、上記固体レーザ媒質と同軸上で、任意の位置に配置
された任意の個数の熱レンズ補償手段と、上記固体レー
ザ媒質と同軸上で、かつ、全ての上記固体レーザ媒質と
上記熱レンズ補償手段の両外側に配置されて、上記蛍光
のうち軸方向に発生した光成分を共振させる反射手段お
よび部分反射手段とを備え、上記反射手段と上記部分反
射手段との間で共振する上記光成分のうち、上記部分反
射手段を通過する光成分を、出力光としてレーザ出力す
る固体レーザ発振器であって、上記熱レンズ補償手段
と、上記反射手段と、上記部分反射手段のうち、少なく
とも１つが誘電体で構成されているので、高励起出力時
でも高出力なシングルモードレーザ光を得ることができ
るなどの効果がある。

【００７７】また、この発明によれば、上記誘電体が、
ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：イットリウム・アルミニュウム
・ガーネット）、ＭｇＯ、またはＣ（ダイアモンド）で
構成されているので、高励起出力時でも高出力なシング
ルモードレーザ光を得ることができるなどの効果があ
る。

【００７８】また、この発明によれば、上記誘電体の代
わりに半導体を用いたので、高励起出力時でも高出力な
シングルモードレーザ光を得ることができるなどの効果
がある。

【００７９】また、この発明によれば、上記半導体が、
ＧａＰ、ＧａＡｓ、またはＳｉＣで構成されているの
で、高励起出力時でも高出力なシングルモードレーザ光
を得ることができるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態による固体レーザ発振
器の構成図である。

【図２】ガウス分布のレーザ光によって発生する非球
面収差の模式図である。

【図３】通過レーザ光の劣化を示す模式図である。

【図４】本出願人の先願（特願平１１−３４４８０２
号）に関わるシングルモード発振器を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１固体レーザ発振器、４固体レーザ媒質、４−１
第１の固体レーザ媒質、４−２第２の固体レーザ媒
質、５９０度旋光子、６熱レンズ補償手段、６−１
第１の凹面レンズ、６−２第２の凹面レンズ、７
反射手段、８部分反射手段、３０共振シングルモー
ド光、３１シングルモード出力光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸上に平行に配置され、励起により蛍
光を発光する複数の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ
媒質と同軸上で、かつ、上記固体レーザ媒質の間に配置
された９０度旋光子と、上記固体レーザ媒質と同軸上
で、任意の位置に配置された任意の個数の熱レンズ補償
手段と、上記固体レーザ媒質と同軸上で、かつ、全ての
上記固体レーザ媒質と上記熱レンズ補償手段の両外側に
配置されて、上記蛍光のうち軸方向に発生した光成分を
共振させる反射手段および部分反射手段とを備え、上記
反射手段と上記部分反射手段との間で共振する上記光成
分のうち、上記部分反射手段を通過する光成分を、出力
光としてレーザ出力する固体レーザ発振器であって、上記熱レンズ補償手段と、上記反射手段と、上記部分反
射手段のうち、少なくとも１つが誘電体で構成されてい
ることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項２】上記誘電体が、ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：
イットリウム・アルミニュウム・ガーネット）で構成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ発
振器。
【請求項３】上記誘電体が、ＭｇＯで構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ発振器。
【請求項４】上記誘電体が、Ｃ（ダイアモンド）で構
成されていることを特徴とする請求項１記載の固体レー
ザ発振器。
【請求項５】上記誘電体の代わりに半導体を用いたこ
とを特徴とする請求項１記載の固体レーザ発振器。
【請求項６】上記半導体が、ＧａＰで構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の固体レーザ発振器。
【請求項７】上記半導体が、ＧａＡｓで構成されてい
ることを特徴とする請求項５記載の固体レーザ発振器。
【請求項８】上記半導体が、ＳｉＣで構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の固体レーザ発振器。