JP2004088125A - 単一縦モード固体レーザー - Google Patents

Abstract

　【課題】　良好で安定した単一縦モード性、良好なビームプロファイル、高出力の３点を全て満足する発振波長１μｍ帯の固体レーザーを得る。
　【解決手段】　固体レーザー媒質13の端面13ａと共振器ミラー14のミラー面14ａとで構成される共振器内に、ファブリー・ペロー型のエタロン17を挿入して発振モードを単一縦モード化する。そして、エタロン17の共振波長λ_O から共振器縦モード間隔Δλｃ分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロンの実効反射率をＲ_Nとし、共振器光軸に対するエタロン光軸の傾きをθとしたとき、1.2％≦Ｒ_N ≦15％ かつ 0.5°≦θ≦2.0°の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔を調整する。
【選択図】　　　　　図１

Description

　本発明は固体レーザーに関し、特に詳細には、共振器内にエタロンを配して発振モードを単一縦モード化する固体レーザーに関するものである。

　従来より、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂ ）、Ｎｄ：ＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄ ）、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄ 、Ｎｄ：ＹＡｌＯ（ＹＡｌＯ₃ ）、Ｎｄ：glass 等、ネオジウム（Ｎｄ）がドープされた固体レーザー媒質を用いて、 １μｍ帯（概ね１．０μｍ〜１．１μｍ）の波長で発振する固体レーザーが種々提供されている。この種のレーザーにおいては、例えば特許文献１、特許文献２に示されるように、共振器内にファブリー・ペロー型エタロン（本明細書における「エタロン」は、すべてこのファブリー・ペロー型エタロンを指すものである）を配して発振モードを単一縦モード化することも広く行なわれている。
特開平5-218556号公報 特開平6-130328号公報

　しかし、このようにエタロンを用いて単一縦モード化を図る従来の単一縦モード固体レーザーにおいては、良好な単一縦モード性が得られるエタロンの条件（すなわちエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き）および共振器の条件（縦モード間隔）が不明であったので、ある共振器内に配されて良好な単一縦モード性を実現するエタロンをそのまま別の共振器に使用しても、不十分な単一縦モード性しか得られない、といった問題が生じていた。

　また、エタロンにより良好な単一縦モード性を得ても、その一方でビームプロファイルが悪化したり、出力が低下することがあり、単一縦モード性、ビームプロファイル、出力の３点を同時に満足させるような、エタロンおよび共振器の条件は明らかになっていなかった。

　本発明者等の研究によると、エタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾きのそれぞれを大きくすると単一縦モード性は良化するが、ビームプロファイルが悪化し、出力も低下する。反対にエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾きのそれぞれを小さくするとビームプロファイル、出力は良化するが、単一縦モード性が悪化する。

　他方、共振器長を大きくする（つまり共振器縦モード間隔を小さくする）と単一縦モード性は悪化し、反対に共振器長を短くすると単一縦モード性は良化するが、ビームプロファイルおよび出力はさほど共振器長の影響を受けない。

　本発明者は、特開平8-186316号公報に示されるように、固体レーザー媒質として特にＮｄ：ＹＡＧを用いて 0.9μｍ帯で発振する固体レーザーについては、良好で安定した単一縦モード性、良好なビームプロファイル、高出力の３点が全て得られるエタロンの条件を既に見出している。しかし、前述のように１μｍ帯で発振する固体レーザーについては、そのようなエタロンの条件は未だ解明されていない。

　本発明は上記の事情に鑑みて、良好で安定した単一縦モード性、良好なビームプロファイル、高出力の３点が全て得られる１μｍ帯の単一縦モード固体レーザーを提供することを目的とするものである。

　本発明による単一縦モード固体レーザーは、前述したようにＮｄが添加された固体レーザー媒質を半導体レーザーにより励起して１μｍ帯で発振し、共振器内に配置されたファブリー・ペロー型エタロンにより発振モードを単一縦モード化するとともに発振光を光波長変換素子により波長変換する単一縦モード固体レーザーにおいて、エタロンの共振波長λ_O から共振器縦モード間隔Δλｃ分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロンの実効反射率をＲ_N 、共振器光軸に対するエタロン光軸の傾きをθとしたとき、
　　　1.2％≦Ｒ_N ≦15％ 　かつ 　0.5°≦θ≦2.0°
の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されていることを特徴とするものである。

　なおこれらのエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔は、
　　　3.0％≦Ｒ_N ≦10％ 　かつ 　0.8°≦θ≦ 1.5°
の関係を満たすように調整されるとさらに好ましい。

　ファブリー・ペロー型エタロンは、光の多重干渉を利用した波長選択素子であり、その実効反射率Ｒeff の波長特性は、図３に曲線ａで示すようなものとなる。図示の通りこの実効反射率Ｒeff は周期的に変化し、波長間隔Δλｅ（ＦＳＲ：Free Spectral Range ）毎にＲeff ＝０となるところにエタロン縦モードが存在することになる。

　一方、同図に曲線ｂで示すのは固体レーザー媒質のゲインスペクトルである。一般に共振器縦モードは、このゲインスペクトル中の発振可能な波長幅Ｗ内に複数存在するので、エタロンが用いられなければレーザーは多重縦モード発振する。それに対して共振器内にエタロンが挿入されると、エタロンの実効反射率Ｒeff により、共振器の各縦モードが感じる損失が変調を受け、上記波長幅Ｗ内に存在する複数の共振器縦モードのうち、最も損失が低いものだけが発振する。

　以上のようにしてエタロンにより単一縦モード化がなされるが、従来は、エタロンの実効反射率Ｒeff による損失変調や、エタロンの傾きをどのようにすれば、良好で安定した単一縦モード性、良好なビームプロファイル、高出力の３点が全て満足されるのか不明であった。

　本発明者等は、この点を明らかにすべく鋭意研究した結果、エタロンの共振波長λ_O から共振器縦モード間隔Δλｃ分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロンの実効反射率Ｒ_N （図３参照）をある特定の範囲に収めることにより適度な損失変調を与え、またエタロンの傾きθもある特定の範囲に収めることにより、上記３点の要求が全て満足されることを見出した。この実効反射率Ｒ_N とエタロン光軸の傾きθの特定の範囲は、前述した通り 1.2％≦Ｒ_N ≦15％（より好ましくは 3.0％≦Ｒ_N ≦10％）、0.5°≦θ≦2.0°（より好ましくは 0.8°≦θ≦ 1.5°）である。

　ここで、上記エタロンの実効反射率Ｒ_N の求め方を説明する。まず、一般にエタロンの実効反射率Ｒeff は、エアリーの公式（Airy’s Formulae ）より、

となる。

　ここで
　　　　Ｒ ：エタロンのコート反射率
　　　　ｎe ：エタロンの屈折率
　　　　ｌe ：エタロンの厚さ
　　　　λ：光の波長
である。

　またこのエタロンの縦モード間隔Δλｅは、発振波長をλ_O とすると、
　　　　Δλｅ＝λ_O ² ／（２ｎe ｌe ） ……(2)
である。

　次に共振器縦モード間隔Δλｃを求める。共振器内に屈折率ｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃、ｎ₄ 、……の媒質（空気も含む）が並んでいて、それらの厚さがそれぞれｌ₁、ｌ₂ 、ｌ₃ 、ｌ₄ 、……であるとすると、共振器光路長Ｌopt は、

となり、共振器縦モード間隔Δλｃは、
　　　　Δλｃ＝λ_O ² ／２Ｌopt ……(4)
となる。

　以上の(1) 、(2) および(4) 式より、エタロンの共振波長λ_O から共振器縦モード間隔Δλｃ分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロンの実効反射率Ｒ_N は、一部近似を適用して、

となる。

　次に、上に記した実効反射率Ｒ_N とエタロン光軸の傾きθの数値範囲の根拠について詳しく説明する。

　（ａ）単一縦モード性
　ファブリー・ペロー型エタロンにより単一縦モード化を図る固体レーザーにおいて、共振器温度を連続的に10℃変化させ、そのうち単一縦モード発振する温度領域の割合を％で表示し、これを単一縦モード性の指標とする。この指標は、エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθに応じて、基本的に図４のように変化する。

　（ｂ）出力
　ＡＲ（無反射）コートを施したエタロン（Ｒ_N ＝０）をθ≒０°で共振器内に挿入したときのレーザー出力を100 ％とし、それに対してエタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθを種々に変えた際のレーザー出力の比を調べた。このレーザー出力の変化の様子を図５に示す。なおこの特性は、共振器長を一定とした場合のものである。

　（ｃ）ビーム品質
　ビーム品質をＭ² 値で示すと、その値はエタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθに応じて、基本的に図６のように変化する。なおこの特性も、共振器長を一定とした場合のものである。

　上の図４、５および６の特性から、単一縦モード性、出力およびビーム品質に関する任意の仕様に対して、エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθをどのような範囲内に設定すれば良いかが分かる。例えば、
　　　　単一縦モード性≧80％
　　　　出力≧30％
　　　　Ｍ² ≦1.2
のように比較的緩い仕様は、図７の斜線部の範囲にエタロンの実効反射率Ｒ_N および傾きθを設定すれば達成され、この場合は、 1.2％≦Ｒ_N ≦15％でかつ0.5°≦θ≦2.0°である。

　他方、例えば、
　　　　単一縦モード性≧100 ％
　　　　出力≧50％
　　　　Ｍ² ≦1.05
のように比較的厳しい仕様は、図８の斜線部の範囲にエタロンの実効反射率Ｒ_Ｎと傾きθを設定すれば達成され、この場合は、 3.0％≦Ｒ_N ≦10％でかつ0.8°≦θ≦ 1.5°である。

　以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による単一縦モード固体レーザーを示すものである。この単一縦モード固体レーザーは一例として半導体レーザー励起固体レーザーであり、励起光としてのレーザービーム10を発する半導体レーザー11と、発散光である上記レーザービーム10を収束させる集光レンズ12と、ネオジウム（Ｎｄ）がドープされた固体レーザー媒質であるＹＶＯ₄ 結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶）13と、このＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の前方側（図中右方側）に配された共振器ミラー14とを有している。

　また上記共振器ミラー14とＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13との間には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶13側から順に光波長変換素子15、偏光制御素子16およびエタロン17が配設されている。

　本例では、後述するようにＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13および共振器ミラー14によって固体レーザーの共振器が構成されており、それらと、共振器内に配された各要素15、16および17は、例えば銅からなる共通の共振器ホルダー18に保持されている。そしてこの共振器ホルダー18はペルチェ素子19の上に固定され、該ペルチェ素子19と図示外の温度調節回路とによって、共振器内の温度が所定値に制御される。

　またペルチェ素子19の上には、ＡＰＣ（Automatic Power Control ）ユニット20が固定されている。このＡＰＣユニット20は、後述のようにして発生する波長532ｎｍの第２高調波31を一部分岐させるビームスプリッタ21と、この分岐された第２高調波31を検出するフォトダイオード等からなる光検出器22とを有している。

　上記ペルチェ素子19は、その歪みを抑制する補強板として作用する金属板24を介して、密閉型のパッケージ25内に固定されている。このパッケージ25には、それぞれ透明部材が嵌め込まれた励起光入射窓26および第２高調波出射窓27が形成されている。

　一方光波長変換素子15は、非線形光学材料である、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ₃ 結晶に周期ドメイン反転構造が形成されてなるものである。また偏光制御素子16は、ブリュースター角に配されたノンコート石英ガラス板からなる。エタロン17は、両端面にコートが施された石英ガラス板からなる。また共振器ミラー（出力ミラー）14は、一端面が凹面研磨され、両端面にコートが施された石英ガラス板からなる。

　半導体レーザー11としては、波長 809ｎｍのレーザービーム10を発するものが用いられている。Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13は入射したレーザービーム10によってネオジウムイオンが励起されることにより、波長1064ｎｍの光を発する。そして後述のようにＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13および共振器ミラー14で構成された共振器によりレーザー発振が引き起こされて、波長1064ｎｍの固体レーザービーム30が得られる。この固体レーザービーム30は光波長変換素子15に入射して、波長が１／２つまり 532ｎｍの第２高調波31に変換される。

　なお本実施形態では、ＡＰＣユニット20のビームスプリッタ21で一部分岐された第２高調波31の光出力が光検出器22によって検出され、該光検出器22の出力信号Ｓが図示外の半導体レーザー駆動回路に入力される。そしてこの半導体レーザー駆動回路が、上記出力信号Ｓが一定になるように半導体レーザー11の駆動電流を制御することにより、第２高調波31の出力が一定に保たれる。

　ここで図２には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13から共振器ミラー14までの間の構成を拡大して示す。ここに示されるＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の両端面13ａおよび13ｂ、光波長変換素子15の両端面15ａおよび15ｂ、エタロン17の両端面17ａおよび17ｂ、そして共振器ミラー14の両端面14ａおよび14ｂの上記波長 809ｎｍ、1064ｎｍ、 532ｎｍに対する反射率あるいは透過率は、適宜のコートを施すことにより、下記の（表１）の通りに調整されている。偏光制御素子16は両端面ともコート無しである。

　なおこの（表１）中、％表示の数値は反射率を示している。またＡＲは無反射コート、ＨＲは高反射コートを示し、−はコート無しを示している。

　上記の構成においては、波長1064ｎｍのレーザービーム30がＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の端面13ａと共振器ミラー14のミラー面14ａとの間で共振し、そして先に詳しく説明した通りのエタロン17の作用により単一縦モード化される。したがって第２高調波31も単一縦モード化され、ほぼこの第２高調波31のみが共振器ミラー14の光出射端面14ｂから出射する。

　本例において、共振器内に位置するＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13、光波長変換素子15、偏光制御素子16およびエタロン17の屈折率と厚さは、以下の（表２）の通りである。また共振器長つまりＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の端面13ａと共振器ミラー14のミラー面14ａとの間の距離は 9.23ｍｍである。

　また、共振器内にある空気の屈折率を１とすると、共振器光路長Ｌopt は前述の(3) 式よりＬopt ＝15.2ｍｍとなり、これを基に共振器縦モード間隔Δλｃは(4) 式よりΔλｃ＝0.037 ｎｍとなる。またエタロン縦モード間隔Δλｅは(2)式よりΔλｅ＝1.75 ｎｍとなる。

　上記の各数値に基づくと、エタロン17の共振波長λ_O （＝1064ｎｍ）から共振器縦モード間隔Δλｃ（＝0.037 ｎｍ）分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロン17の実効反射率Ｒ_N は、先の(5) 式よりＲ_N ＝6.27％となる。一方エタロン17は、その光軸が共振器光軸に対してθ＝1.0 °傾くように配設されている。以上の通り本実施形態では、前述した 1.2％≦Ｒ_N ≦15％ かつ0.5°≦θ≦2.0°の関係が満足されており、さらには、より好ましい3.0％≦Ｒ_N ≦10％かつ0.8°≦θ≦ 1.5°の関係も満足されている。

　以上の構成を有するこの単一縦モード固体レーザーにおいては、半導体レーザー11の出力が２Ｗのとき、安定に単一縦モード発振した出力 500ｍＷの第２高調波31が得られた。またこの第２高調波31はＴＥＭ₀₀モードで、かつほぼ理想的なガウスビームであった。

　以上、固体レーザー媒質としてＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶を用いた実施形態について説明したが、本発明はそれ以外の固体レーザー媒質、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ₄ 、Ｎｄ：ＹＡｌＯ、Ｎｄ：glass 等を用いる発振波長１μｍ帯の固体レーザーに対しても同様に適用可能であり、そして同様の効果を奏するものである。

本発明の一実施形態による単一縦モード固体レーザーを示す一部破断側面図 上記単一縦モード固体レーザーの要部を拡大して示す側面図 エタロンの実効反射率と、エタロン縦モードと、共振器縦モードとの関係を示す説明図 固体レーザーの単一縦モード性が、エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθに応じて変化する様子を示すグラフ 固体レーザーの出力が、エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθに応じて変化する様子を示すグラフ 固体レーザーのビーム品質が、エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθに応じて変化する様子を示すグラフ エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθの好ましい範囲を示すグラフ エタロンの実効反射率Ｒ_N と傾きθのさらに好ましい範囲を示すグラフ

符号の説明

　　　10　　レーザービーム（励起光）
　　　11　　半導体レーザー
　　　12　　集光レンズ
　　　13　　Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶
　　　14　　共振器ミラー
　　　15　　光波長変換素子
　　　16　　偏光制御素子
　　　17　　エタロン
　　　19　　ペルチェ素子
　　　20　　ＡＰＣユニット
　　　21　　ビームスプリッタ
　　　22　　光検出器
　　　30　　固体レーザービーム
　　　31　　第２高調波

Claims (2)

1. 　Ｎｄが添加された固体レーザー媒質を半導体レーザーにより励起して１μｍ帯で発振し、共振器内に配置されたファブリー・ペロー型エタロンにより発振モードを単一縦モード化するとともに発振光を光波長変換素子により波長変換する単一縦モード固体レーザーにおいて、
   　エタロンの共振波長λ_O から共振器縦モード間隔Δλｃ分だけずれた波長λ＝λ_O ±Δλｃにおけるエタロンの実効反射率をＲ_N、共振器光軸に対するエタロン光軸の傾きをθとしたとき、
   　　　1.2％≦Ｒ_N ≦15％ 　かつ　 0.5°≦θ≦2.0°
   の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されていることを特徴とする単一縦モード固体レーザー。
2. 　前記実効反射率をＲ_N 、共振器光軸に対するエタロン光軸の傾きをθとしたとき、
   　　　3.0％≦Ｒ_N ≦10％ 　かつ　 0.8°≦θ≦ 1.5°
   の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されていることを特徴とする請求項１記載の単一縦モード固体レーザー。

Images