JP2004140260A - 固体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】励起効率および励起分布がともに良好であり、かつ異方性をもつレーザ媒質においても結晶軸の位置決めが容易に行える固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ装置は、ＬＤ１０からの励起光１２を吸収し所定波長の光を発生または増幅するレーザ媒質１１と、レーザ媒質１１の位置決めとレーザ媒質１１の冷却、さらには励起光１２の反射を行う第１乃至第３ブロック１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなるヒートシンクを備える。レーザ媒質１１は入射面Ａが円弧状、反射部が平面である。拡がり角を有する励起光１２は入射面Ａで平行光にされるので、レーザ媒質１１が均一に励起される。また反射部は平面となっているので、軸方向によって特性の異なるレーザ媒質１１の位置決めが容易に行えるだけでなく、反射光は入射光とほぼ平行に反射するので効率よくレーザ媒質１１が励起される。
【選択図】 図１
【解決手段】固体レーザ装置は、ＬＤ１０からの励起光１２を吸収し所定波長の光を発生または増幅するレーザ媒質１１と、レーザ媒質１１の位置決めとレーザ媒質１１の冷却、さらには励起光１２の反射を行う第１乃至第３ブロック１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなるヒートシンクを備える。レーザ媒質１１は入射面Ａが円弧状、反射部が平面である。拡がり角を有する励起光１２は入射面Ａで平行光にされるので、レーザ媒質１１が均一に励起される。また反射部は平面となっているので、軸方向によって特性の異なるレーザ媒質１１の位置決めが容易に行えるだけでなく、反射光は入射光とほぼ平行に反射するので効率よくレーザ媒質１１が励起される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体レーザ装置に関し、特に励起光源として半導体レーザ（以下「ＬＤ」という）を用いたＬＤ励起固体レーザ装置において、励起効率および励起分布がともに良好であり、かつ異方性を有するレーザ媒質においても結晶軸の位置決めが容易に行える固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＤを励起光光源とするＬＤ励起固体レーザ装置は、ランプ励起の固体レーザ装置と比較して小型、高効率、長寿命のレーザ光源として注目されている。特に近年ではＬＤの性能や品質の向上が目覚しく、ＬＤ励起の完全固体レーザの実用化が急速に進展している。これにより従来のランプ励起の固体レーザ装置と比較して寿命が１，０００時間から１０，０００時間と上昇した。また、ＬＤ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の吸収波長とＬＤの発振波長とが一致するので効率良くレーザ結晶を励起することが出来、量子効率が高いので熱レンズ効果が低減され、ビーム品質が格段に向上している。なお、励起方式としては長尺な固体レーザ媒質から発振するレーザ光の光軸の側面にＬＤを並べて励起する側面励起方式と呼ばれる固体レーザ装置が多数提案され、製作されている。
【０００３】
産業用固体レーザ装置に用いられるレーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が広く知られている。このＮｄ：ＹＡＧ結晶は機械強度、熱伝導性に優れる反面、蛍光寿命が長いので、３０ｋＨｚ以上の高繰り返しパルスの発振には適していない。また結晶の軸特性はなく、励起効率は励起光の偏光特性に依存しないため、扱いやすい結晶である。一方、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶は機械強度、熱伝導性ではＮｄ：ＹＡＧに劣るものの、蛍光寿命が短く、誘導放出断面積がＮｄ：ＹＡＧに比べて高いので、高繰り返しパルス発振に最適な材料である。ただし１軸性の結晶であるため、レーザ発振に用いた時に特定の方向に偏光して発振するばかりでなく、その吸収特性にも異方性がある。このように、ＬＤは一般に特定の方向に偏光して発振するために、結晶に対する偏光方向を選ぶことによって、効率のよい励起が可能になることが特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１３７７７５号公報
【０００５】
側面励起方式のＬＤ励起固体レーザ装置の例として特許文献２に記載されたものがある。
【０００６】
【特許文献２】
特開平２−５４５８８号公報
【０００７】
このレーザ装置では、図６に示すように、円筒状のレーザ媒質６１の光軸に沿う外周を囲む反射層６４と、ＬＤ６０からの励起光６２をレーザ媒質６１に入射させるための反射層６４の一部に設けられた開口６３とを備えている。そして、レーザ媒質６１に沿う外面の殆どを反射層６４で覆い、その微小部分をＬＤ６０からの励起光６２の入射部分としている。これにより、ＬＤ６０からのによる励起光６２をレーザ媒質６１内に閉じ込めて、レーザ媒質６１に効率よく吸収させることが出来るため、発振のエネルギー効率が向上するというものである。
【０００８】
レーザ媒質の結晶軸の位置決めが出来るようにレーザ媒質を固定し、反射光を１点に集中させないように構成されたＬＤ励起固体レーザ装置として、角型ロッド状のレーザ媒質を用いたものがある。図７に示すように、このＬＤ励起固体レーザ装置では、四角柱状のレーザ媒質７１の光軸に沿う外周を囲む反射層７４と、ＬＤからの励起光７２をレーザ媒質７１に入射させるための、反射層７４の一部に設けられた開口７３とを備えている。レーザ媒質７１に沿う外面の殆どを反射層７４で覆い、その微小部分をＬＤ７０からの励起光７２の入射部分としている。これにより、ＬＤ７０からの励起光７２をレーザ媒質７１内に閉じ込めて、レーザ媒質７１に効率よく吸収させることが出来るため、発振のエネルギー効率が向上するというものである。レーザ媒質７１として角型のＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いることで、励起光７２の光電界方向と、ａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸とを平行にすることが可能となる。
【０００９】
集光光学系を使用することなく、レーザ媒質を均一に励起することを可能にした固体レーザ装置として、例えば特許文献３に開示されたものがある。
【００１０】
【特許文献３】
特開平７−３０７５１０号公報
【００１１】
図８に示すように、この固体レーザ装置では、レーザ媒質８１が励起光８２に対して所定の屈折率を有することを利用して、レーザ媒質８１を励起光８２に近接させて配置し、レーザ媒質８１の励起光源側の面に凸面部８６を形成することによって、集光光学系を用いずに励起光８２の広がり角を小さくすることを可能にしている。
【００１２】
また、固体レーザロッド（レーザ媒質）に吸収されなかった励起光を有効に固体レーザロッドに戻すための工夫が特許文献４に開示されている。
【００１３】
【特許文献４】
特開２００１−２４４５２６号公報
【００１４】
しかしながら、特許文献４に示された固体レーザ装置では、図９に示すように、固体レーザロッド１と同心円状に冷却媒質用の隙間２、冷却チューブ３、さらに反射面を形成するための円筒状部材４が多重に配設されているため、固体レーザロッド１に吸収されなかった励起光は冷却媒質用の隙間２、冷却チューブ３を少なくとも２度通過することになり、その間に励起光が減衰し、反射光をきわめて有効に活用することが出来ない惧れがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上例示した従来のＬＤ励起固体レーザ装置は何れもレーザ媒質をＬＤで励起すると、その分布が一様にならないという問題点があった。
【００１６】
例えば、図６に示した従来例では反射層６４が円形であるため、反射光が一点に集中し、レーザ媒質６１が均一にＬＤで励起されない（図１０参照）。また、図７の例では反射面を角型にすることで反射光が一点に集光せず全体的に広がるが、ＬＤ７０からの励起光７２は拡がり角を有するため、レーザ媒質７１の外側は弱い励起分布の拡がりが生じ、高次の空間モードが発生する。この結果、ビーム品質が劣化することは特許文献５に記載されている。レーザ媒質内が励起光によって平行に励起されることが望ましい。
【００１７】
【特許文献５】
特開平５−３３５６６２号公報
【００１８】
また、従来例における課題として、レーザ媒質の結晶軸の位置決めが出来ないこと、およびレーザ媒質を均一に効率よく励起出来ないことがあった。
【００１９ 】
例えば図６の固体レーザ装置では、レーザ媒質６１が円筒状なので、結晶軸の位置決めがしにくいという不具合がある。図７の固体レーザ装置では、レーザ媒質７１が角型であるため、結晶軸の位置決めが出来るものの、ＬＤ７０からの励起光７２がレーザ媒質７１中で大きく広がるため、均一に励起されないという欠点がある。図８の固体レーザ装置では、レーザ媒質８１の一端の面を凸面、他端の面を平面とし、それらの面に鏡を隣接させている。そのため、励起光８２の一部が出力鏡８４を透過してしまい、効率よくレーザ媒質８１を励起出来ない。また、レーザ媒質８１の結晶軸と励起光８２との関係についての考慮が図られていない。
【００２０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、励起効率および励起分布がともに良好であり、かつ異方性をもつレーザ媒質においても結晶軸の位置決めが容易に行える固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の側面に配設され上記固体レーザ媒質を励起する励起光源と、上記固体レーザ媒質で吸収されなかった上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に戻す反射部とを備えた固体レーザ装置において、上記固体レーザ媒質は、上記励起光源と対向する面を、上記励起光が上記固体レーザ媒質内で平行となるように形成された光入射面とするとともに、上記反射部と対向する面を平面とし、上記反射部からの反射光を平行状態で上記固体レーザ媒質に戻すようにしたことを特徴とする。このように構成したことにより、励起光源からの拡がりを有する励起光をレーザ媒質中で平行光にし、１回のパスでレーザ媒質に吸収されなかった励起光を反射部で反射させ、固体レーザ媒質に戻すことにより、励起効率および励起分布をともに良好にすることが出来ると共に、固体レーザ媒質の平面を反射部に当接させることで結晶軸の位置決めを容易に行うことが出来る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態のＬＤ励起固体レーザ装置（以下、「本実施の形態の固体レーザ装置」という）のレーザ発振軸方向と垂直な方向の断面図であり、図２は本実施の形態の固体レーザ装置におけるレーザ媒質の斜視図である。また、図３は本実施の形態の固体レーザ装置を励起したときの光線追尾図である。
【００２３】
本実施の形態の固体レーザ装置は、ＬＤ１０と、レーザ媒質１１と、第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、および第３ブロック１５ｃからなるヒートシンク１５とを備えている。
【００２４】
ここで、ＬＤ１０として励起光１２の出力が４０Ｗ、拡がり全角が４０°（半値幅）、波長が８００ｎｍ帯の構成を有するものを用いた。そして、レーザ発振する端面には１０６４ｎｍのＡｒコートおよび光学研磨を施し、レーザ発振の損失を低減させている。
【００２５】
レーザ媒質１１はレーザ発振軸方向と垂直な方向の断面がＤ字形となされている。すなわち、ＬＤ１０と対向する面が円弧状の入射面Ａとなされ、入射面Ａと反対側の面は平面部となされている。入射面Ａが凸レンズと同様の凸面を形成しているということもできる。さらに励起光源であるＬＤ１０と対向する部分を除き、反射層１４がレーザ媒質１１に形成されている。この反射層１４により、上記平面部に反射面Ｂが形成される。レーザ媒質１１は結晶体であり、さらに具体的には、Ｎｄドープ量０．５ａｔ％のａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質１１の結晶体のｃ軸方向は図２に示すように、平面部と平行である。レーザ媒質１１は直径１．５ｍｍ、長さは１２ｍｍのロッドであり、ロッドの側面の一部を、側面から中心に向かって０．５ｍｍの位置にて平面に切り落としたものである。レーザ媒質１１はＬＤ１０からの励起光１２を吸収し所定波長の光を発生または増幅する。なお、レーザ媒質１１として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｅｒ：ＹＶＯ４ 、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＧｄＶＯ４、Ｈｏ：ＹＶＯ４、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＧｄＶＯ４、Ｔｉ：ＡｌＯ３等も利用することが出来る。
【００２６】
例えば銅よりなる第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、および第３ブロック１５ｃ は、レーザ媒質１１を覆うように配設され、さらに第１ブロック１５ａと第２ブロック１５ｂとの間には、ＬＤ１０からの励起光１２がレーザ媒質１１に入力されるようにスリット１３が設けられている。また、第３ブロック１５ｃにはレーザ媒質１１の平面部を当接させて結晶軸の位置合わせに利用するための平面形状部１６が形成されている。なお、図示しないが、各ブロックの内部は冷却水が循環しているので、レーザ媒質１１およびＬＤ１０を間接的に冷却することが出来る。また、冷却効果を向上させるため、レーザ媒質１１との接触部は凹凸のないように十分に研磨して、レーザ媒質１１とヒートシンクとの密着性を高めている。また、第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、第３ブロック１５ｃの内面を鏡面に研磨したり、Ａｕコートに代表される高反射膜コーティングを施すことが好適である。
【００２７】
以上のように構成された本実施の形態の固体レーザ装置において、励起光１２がＬＤ１０の出射口から０．５ｍｍ離れたＤ字形ロッドからなるレーザ媒質１１の入射面Ａに入射すると励起光１２の拡がり全角が５°以下に減少する。励起光１２は実質的に平行となり、励起光１２の光軸が媒質１１の中心部を通過する。レーザ媒質内１１の励起光１２はほぼ平行に進みながら吸収されていくが、一度のパス（ここでは１．０ｍｍ）で吸収されなかった約３０％の励起光１２は平面部の反射面Ｂで入射光とほぼ平行に反射され、そのまま入射光にほぼ重なり合ってレーザ媒質１１に励起されるので励起効率が格段に向上する。
【００２８】
励起光１２の偏光面は図１のＹ軸方向と平行なものを使用しているので、レーザ媒質１１の平面部を第３ブロック１５ｃ に押し当てると、励起光１２の偏光面とレーザ媒質１１のｃ軸とは平行になる。したがって、レーザ媒質１１の励起光１２の吸収率およびレーザ発振の誘導放出断面積が最大となり、レーザ媒質１１が異方性をもつＮｄ：ＹＶＯ４であっても効率良くレーザ発振が行える。ここで、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の異方性について具体例をあげて説明する。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶からなるレーザ媒質を最も効率よく励起出来る軸方向から結晶軸を９０°回転させると励起光（８０８ｎｍ付近）の吸収率が１／４〜１／５程度、また誘導放出断面積も１／４〜１／５程度に激減してしまう。本実施の形態においては、レーザ媒質１１の側面の一部が平面となっているため、この平面を第３ブロック１５ｃの平面形状部１６に当接させることで、最も効率よく励起出来る軸方向に結晶軸を容易に位置決めすることが出来る。
【００２９】
このように、本実施の形態の固体レーザ装置によれば、レーザ媒質１１の入射面Ａが、ＬＤ１０からの拡がりを有する励起光１２を平行光にする形状を有するので、励起光１２を平行光にするための光学部品を使用しない簡素な構造にて、レーザ媒質１１を均一にかつ高密度に励起することが出来る。また、レーザ媒質１１の外面の殆どが反射層１４で覆われており、励起光１２をレーザ媒質１１内に閉じ込めることが出来るので、効率良く励起することが可能である。さらに、レーザ媒質１１の側面の一部が平面となっているため、結晶軸の位置決めが容易となる。したがって、例えばＮｄ：ＹＶＯ４のように異方性を有する結晶においても効率よく励起することが可能である。つまり、本実施の形態の固体レーザ装置によれば、異方性または等方性いずれのレーザ媒質においても高効率で高ビーム品質なレーザ発振が行える。
【００３０】
なお、レーザ媒質の形状は、図２に示したような発振軸方向と垂直な方向の断面の形状がＤ字形だけでなく、入射面が、拡がりを有する励起光を平行光にする形状であり、反射部が平面であれば同様の効果が得られる。図４および図５は、図１、２とは異なる形状のレーザ媒質を用いた変形例である。図４においては、レーザ媒質４１が図２に示したようなＤ字形ロッドの上面と下面を平行に切り落とした形状を有している。図５においては、レーザ媒質５１が図４の入射面を上下対称な直線で置き換えた形状を有しており、断面全体としては五角形となっている。図４および図５において、レーザ媒質４１およびレーザ媒質５１以外の構成要素は、図１における同名の構成要素と同様に構成されている。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の側面に配設され上記固体レーザ媒質を励起する励起光源と、上記固体レーザ媒質で吸収されなかった上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に戻す反射部とを備えた固体レーザ装置において、上記固体レーザ媒質は、上記励起光源と対向する面を、上記励起光が上記固体レーザ媒質内で平行となるように形成された光入射面とするとともに、上記反射部と対向する面を平面とし、上記反射部からの反射光を平行状態で上記固体レーザ媒質に戻すようにしたので、光学部品を全く使用しない簡素な構造にて、レーザ媒質を均一にかつ高密度で励起することができ、高効率で高ビーム品質なレーザ発振が可能となる。また、軸方向によって特性の異なる異方性をもつレーザ媒質を使用する場合でも、反射部と対向する面を平面を利用して位置決めが容易に行えるので、レーザ媒質を効率良く励起することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図２】本実施の形態の固体レーザ装置に使用するレーザ媒質の斜視図、
【図３】本実施の形態の固体レーザ装置においてレーザ媒質を励起したときの光線追尾図、
【図４】本実施の形態の固体レーザ装置の変形例を示す図、
【図５】本実施の形態の固体レーザ装置の別の変形例を示す図、
【図６】従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図７】レーザ媒質が角柱状である従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図８】集光光学系を用いずに励起光の広がり角を小さくすることを可能にした従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図９】固体レーザロッドに吸収されなかった励起光を有効に固体レーザロッドに戻すための工夫がなされた従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図１０】従来の固体レーザ装置におけるレーザ媒質の励起状態をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図である。
【符号の説明】
１０ ＬＤ
１１ レーザ媒質
１２ 励起光
１３ スリット
１４ 反射層
１５ ヒートシンク
１６ 平面形状部
Ａ 入射面
Ｂ 反射面
【発明の属する技術分野】
本発明は固体レーザ装置に関し、特に励起光源として半導体レーザ（以下「ＬＤ」という）を用いたＬＤ励起固体レーザ装置において、励起効率および励起分布がともに良好であり、かつ異方性を有するレーザ媒質においても結晶軸の位置決めが容易に行える固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＤを励起光光源とするＬＤ励起固体レーザ装置は、ランプ励起の固体レーザ装置と比較して小型、高効率、長寿命のレーザ光源として注目されている。特に近年ではＬＤの性能や品質の向上が目覚しく、ＬＤ励起の完全固体レーザの実用化が急速に進展している。これにより従来のランプ励起の固体レーザ装置と比較して寿命が１，０００時間から１０，０００時間と上昇した。また、ＬＤ励起固体レーザ装置では、固体レーザ媒質の吸収波長とＬＤの発振波長とが一致するので効率良くレーザ結晶を励起することが出来、量子効率が高いので熱レンズ効果が低減され、ビーム品質が格段に向上している。なお、励起方式としては長尺な固体レーザ媒質から発振するレーザ光の光軸の側面にＬＤを並べて励起する側面励起方式と呼ばれる固体レーザ装置が多数提案され、製作されている。
【０００３】
産業用固体レーザ装置に用いられるレーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が広く知られている。このＮｄ：ＹＡＧ結晶は機械強度、熱伝導性に優れる反面、蛍光寿命が長いので、３０ｋＨｚ以上の高繰り返しパルスの発振には適していない。また結晶の軸特性はなく、励起効率は励起光の偏光特性に依存しないため、扱いやすい結晶である。一方、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶は機械強度、熱伝導性ではＮｄ：ＹＡＧに劣るものの、蛍光寿命が短く、誘導放出断面積がＮｄ：ＹＡＧに比べて高いので、高繰り返しパルス発振に最適な材料である。ただし１軸性の結晶であるため、レーザ発振に用いた時に特定の方向に偏光して発振するばかりでなく、その吸収特性にも異方性がある。このように、ＬＤは一般に特定の方向に偏光して発振するために、結晶に対する偏光方向を選ぶことによって、効率のよい励起が可能になることが特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１３７７７５号公報
【０００５】
側面励起方式のＬＤ励起固体レーザ装置の例として特許文献２に記載されたものがある。
【０００６】
【特許文献２】
特開平２−５４５８８号公報
【０００７】
このレーザ装置では、図６に示すように、円筒状のレーザ媒質６１の光軸に沿う外周を囲む反射層６４と、ＬＤ６０からの励起光６２をレーザ媒質６１に入射させるための反射層６４の一部に設けられた開口６３とを備えている。そして、レーザ媒質６１に沿う外面の殆どを反射層６４で覆い、その微小部分をＬＤ６０からの励起光６２の入射部分としている。これにより、ＬＤ６０からのによる励起光６２をレーザ媒質６１内に閉じ込めて、レーザ媒質６１に効率よく吸収させることが出来るため、発振のエネルギー効率が向上するというものである。
【０００８】
レーザ媒質の結晶軸の位置決めが出来るようにレーザ媒質を固定し、反射光を１点に集中させないように構成されたＬＤ励起固体レーザ装置として、角型ロッド状のレーザ媒質を用いたものがある。図７に示すように、このＬＤ励起固体レーザ装置では、四角柱状のレーザ媒質７１の光軸に沿う外周を囲む反射層７４と、ＬＤからの励起光７２をレーザ媒質７１に入射させるための、反射層７４の一部に設けられた開口７３とを備えている。レーザ媒質７１に沿う外面の殆どを反射層７４で覆い、その微小部分をＬＤ７０からの励起光７２の入射部分としている。これにより、ＬＤ７０からの励起光７２をレーザ媒質７１内に閉じ込めて、レーザ媒質７１に効率よく吸収させることが出来るため、発振のエネルギー効率が向上するというものである。レーザ媒質７１として角型のＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いることで、励起光７２の光電界方向と、ａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸とを平行にすることが可能となる。
【０００９】
集光光学系を使用することなく、レーザ媒質を均一に励起することを可能にした固体レーザ装置として、例えば特許文献３に開示されたものがある。
【００１０】
【特許文献３】
特開平７−３０７５１０号公報
【００１１】
図８に示すように、この固体レーザ装置では、レーザ媒質８１が励起光８２に対して所定の屈折率を有することを利用して、レーザ媒質８１を励起光８２に近接させて配置し、レーザ媒質８１の励起光源側の面に凸面部８６を形成することによって、集光光学系を用いずに励起光８２の広がり角を小さくすることを可能にしている。
【００１２】
また、固体レーザロッド（レーザ媒質）に吸収されなかった励起光を有効に固体レーザロッドに戻すための工夫が特許文献４に開示されている。
【００１３】
【特許文献４】
特開２００１−２４４５２６号公報
【００１４】
しかしながら、特許文献４に示された固体レーザ装置では、図９に示すように、固体レーザロッド１と同心円状に冷却媒質用の隙間２、冷却チューブ３、さらに反射面を形成するための円筒状部材４が多重に配設されているため、固体レーザロッド１に吸収されなかった励起光は冷却媒質用の隙間２、冷却チューブ３を少なくとも２度通過することになり、その間に励起光が減衰し、反射光をきわめて有効に活用することが出来ない惧れがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上例示した従来のＬＤ励起固体レーザ装置は何れもレーザ媒質をＬＤで励起すると、その分布が一様にならないという問題点があった。
【００１６】
例えば、図６に示した従来例では反射層６４が円形であるため、反射光が一点に集中し、レーザ媒質６１が均一にＬＤで励起されない（図１０参照）。また、図７の例では反射面を角型にすることで反射光が一点に集光せず全体的に広がるが、ＬＤ７０からの励起光７２は拡がり角を有するため、レーザ媒質７１の外側は弱い励起分布の拡がりが生じ、高次の空間モードが発生する。この結果、ビーム品質が劣化することは特許文献５に記載されている。レーザ媒質内が励起光によって平行に励起されることが望ましい。
【００１７】
【特許文献５】
特開平５−３３５６６２号公報
【００１８】
また、従来例における課題として、レーザ媒質の結晶軸の位置決めが出来ないこと、およびレーザ媒質を均一に効率よく励起出来ないことがあった。
【００１９ 】
例えば図６の固体レーザ装置では、レーザ媒質６１が円筒状なので、結晶軸の位置決めがしにくいという不具合がある。図７の固体レーザ装置では、レーザ媒質７１が角型であるため、結晶軸の位置決めが出来るものの、ＬＤ７０からの励起光７２がレーザ媒質７１中で大きく広がるため、均一に励起されないという欠点がある。図８の固体レーザ装置では、レーザ媒質８１の一端の面を凸面、他端の面を平面とし、それらの面に鏡を隣接させている。そのため、励起光８２の一部が出力鏡８４を透過してしまい、効率よくレーザ媒質８１を励起出来ない。また、レーザ媒質８１の結晶軸と励起光８２との関係についての考慮が図られていない。
【００２０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、励起効率および励起分布がともに良好であり、かつ異方性をもつレーザ媒質においても結晶軸の位置決めが容易に行える固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体レーザ装置は、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の側面に配設され上記固体レーザ媒質を励起する励起光源と、上記固体レーザ媒質で吸収されなかった上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に戻す反射部とを備えた固体レーザ装置において、上記固体レーザ媒質は、上記励起光源と対向する面を、上記励起光が上記固体レーザ媒質内で平行となるように形成された光入射面とするとともに、上記反射部と対向する面を平面とし、上記反射部からの反射光を平行状態で上記固体レーザ媒質に戻すようにしたことを特徴とする。このように構成したことにより、励起光源からの拡がりを有する励起光をレーザ媒質中で平行光にし、１回のパスでレーザ媒質に吸収されなかった励起光を反射部で反射させ、固体レーザ媒質に戻すことにより、励起効率および励起分布をともに良好にすることが出来ると共に、固体レーザ媒質の平面を反射部に当接させることで結晶軸の位置決めを容易に行うことが出来る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態のＬＤ励起固体レーザ装置（以下、「本実施の形態の固体レーザ装置」という）のレーザ発振軸方向と垂直な方向の断面図であり、図２は本実施の形態の固体レーザ装置におけるレーザ媒質の斜視図である。また、図３は本実施の形態の固体レーザ装置を励起したときの光線追尾図である。
【００２３】
本実施の形態の固体レーザ装置は、ＬＤ１０と、レーザ媒質１１と、第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、および第３ブロック１５ｃからなるヒートシンク１５とを備えている。
【００２４】
ここで、ＬＤ１０として励起光１２の出力が４０Ｗ、拡がり全角が４０°（半値幅）、波長が８００ｎｍ帯の構成を有するものを用いた。そして、レーザ発振する端面には１０６４ｎｍのＡｒコートおよび光学研磨を施し、レーザ発振の損失を低減させている。
【００２５】
レーザ媒質１１はレーザ発振軸方向と垂直な方向の断面がＤ字形となされている。すなわち、ＬＤ１０と対向する面が円弧状の入射面Ａとなされ、入射面Ａと反対側の面は平面部となされている。入射面Ａが凸レンズと同様の凸面を形成しているということもできる。さらに励起光源であるＬＤ１０と対向する部分を除き、反射層１４がレーザ媒質１１に形成されている。この反射層１４により、上記平面部に反射面Ｂが形成される。レーザ媒質１１は結晶体であり、さらに具体的には、Ｎｄドープ量０．５ａｔ％のａ軸カットのＮｄ：ＹＶＯ４である。レーザ媒質１１の結晶体のｃ軸方向は図２に示すように、平面部と平行である。レーザ媒質１１は直径１．５ｍｍ、長さは１２ｍｍのロッドであり、ロッドの側面の一部を、側面から中心に向かって０．５ｍｍの位置にて平面に切り落としたものである。レーザ媒質１１はＬＤ１０からの励起光１２を吸収し所定波長の光を発生または増幅する。なお、レーザ媒質１１として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｅｒ：ＹＶＯ４ 、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＧｄＶＯ４、Ｈｏ：ＹＶＯ４、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＧｄＶＯ４、Ｔｉ：ＡｌＯ３等も利用することが出来る。
【００２６】
例えば銅よりなる第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、および第３ブロック１５ｃ は、レーザ媒質１１を覆うように配設され、さらに第１ブロック１５ａと第２ブロック１５ｂとの間には、ＬＤ１０からの励起光１２がレーザ媒質１１に入力されるようにスリット１３が設けられている。また、第３ブロック１５ｃにはレーザ媒質１１の平面部を当接させて結晶軸の位置合わせに利用するための平面形状部１６が形成されている。なお、図示しないが、各ブロックの内部は冷却水が循環しているので、レーザ媒質１１およびＬＤ１０を間接的に冷却することが出来る。また、冷却効果を向上させるため、レーザ媒質１１との接触部は凹凸のないように十分に研磨して、レーザ媒質１１とヒートシンクとの密着性を高めている。また、第１ブロック１５ａ、第２ブロック１５ｂ、第３ブロック１５ｃの内面を鏡面に研磨したり、Ａｕコートに代表される高反射膜コーティングを施すことが好適である。
【００２７】
以上のように構成された本実施の形態の固体レーザ装置において、励起光１２がＬＤ１０の出射口から０．５ｍｍ離れたＤ字形ロッドからなるレーザ媒質１１の入射面Ａに入射すると励起光１２の拡がり全角が５°以下に減少する。励起光１２は実質的に平行となり、励起光１２の光軸が媒質１１の中心部を通過する。レーザ媒質内１１の励起光１２はほぼ平行に進みながら吸収されていくが、一度のパス（ここでは１．０ｍｍ）で吸収されなかった約３０％の励起光１２は平面部の反射面Ｂで入射光とほぼ平行に反射され、そのまま入射光にほぼ重なり合ってレーザ媒質１１に励起されるので励起効率が格段に向上する。
【００２８】
励起光１２の偏光面は図１のＹ軸方向と平行なものを使用しているので、レーザ媒質１１の平面部を第３ブロック１５ｃ に押し当てると、励起光１２の偏光面とレーザ媒質１１のｃ軸とは平行になる。したがって、レーザ媒質１１の励起光１２の吸収率およびレーザ発振の誘導放出断面積が最大となり、レーザ媒質１１が異方性をもつＮｄ：ＹＶＯ４であっても効率良くレーザ発振が行える。ここで、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の異方性について具体例をあげて説明する。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶からなるレーザ媒質を最も効率よく励起出来る軸方向から結晶軸を９０°回転させると励起光（８０８ｎｍ付近）の吸収率が１／４〜１／５程度、また誘導放出断面積も１／４〜１／５程度に激減してしまう。本実施の形態においては、レーザ媒質１１の側面の一部が平面となっているため、この平面を第３ブロック１５ｃの平面形状部１６に当接させることで、最も効率よく励起出来る軸方向に結晶軸を容易に位置決めすることが出来る。
【００２９】
このように、本実施の形態の固体レーザ装置によれば、レーザ媒質１１の入射面Ａが、ＬＤ１０からの拡がりを有する励起光１２を平行光にする形状を有するので、励起光１２を平行光にするための光学部品を使用しない簡素な構造にて、レーザ媒質１１を均一にかつ高密度に励起することが出来る。また、レーザ媒質１１の外面の殆どが反射層１４で覆われており、励起光１２をレーザ媒質１１内に閉じ込めることが出来るので、効率良く励起することが可能である。さらに、レーザ媒質１１の側面の一部が平面となっているため、結晶軸の位置決めが容易となる。したがって、例えばＮｄ：ＹＶＯ４のように異方性を有する結晶においても効率よく励起することが可能である。つまり、本実施の形態の固体レーザ装置によれば、異方性または等方性いずれのレーザ媒質においても高効率で高ビーム品質なレーザ発振が行える。
【００３０】
なお、レーザ媒質の形状は、図２に示したような発振軸方向と垂直な方向の断面の形状がＤ字形だけでなく、入射面が、拡がりを有する励起光を平行光にする形状であり、反射部が平面であれば同様の効果が得られる。図４および図５は、図１、２とは異なる形状のレーザ媒質を用いた変形例である。図４においては、レーザ媒質４１が図２に示したようなＤ字形ロッドの上面と下面を平行に切り落とした形状を有している。図５においては、レーザ媒質５１が図４の入射面を上下対称な直線で置き換えた形状を有しており、断面全体としては五角形となっている。図４および図５において、レーザ媒質４１およびレーザ媒質５１以外の構成要素は、図１における同名の構成要素と同様に構成されている。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の側面に配設され上記固体レーザ媒質を励起する励起光源と、上記固体レーザ媒質で吸収されなかった上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に戻す反射部とを備えた固体レーザ装置において、上記固体レーザ媒質は、上記励起光源と対向する面を、上記励起光が上記固体レーザ媒質内で平行となるように形成された光入射面とするとともに、上記反射部と対向する面を平面とし、上記反射部からの反射光を平行状態で上記固体レーザ媒質に戻すようにしたので、光学部品を全く使用しない簡素な構造にて、レーザ媒質を均一にかつ高密度で励起することができ、高効率で高ビーム品質なレーザ発振が可能となる。また、軸方向によって特性の異なる異方性をもつレーザ媒質を使用する場合でも、反射部と対向する面を平面を利用して位置決めが容易に行えるので、レーザ媒質を効率良く励起することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図２】本実施の形態の固体レーザ装置に使用するレーザ媒質の斜視図、
【図３】本実施の形態の固体レーザ装置においてレーザ媒質を励起したときの光線追尾図、
【図４】本実施の形態の固体レーザ装置の変形例を示す図、
【図５】本実施の形態の固体レーザ装置の別の変形例を示す図、
【図６】従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図７】レーザ媒質が角柱状である従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図８】集光光学系を用いずに励起光の広がり角を小さくすることを可能にした従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図９】固体レーザロッドに吸収されなかった励起光を有効に固体レーザロッドに戻すための工夫がなされた従来の固体レーザ装置をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図、
【図１０】従来の固体レーザ装置におけるレーザ媒質の励起状態をレーザ発振軸方向に垂直な面で切断した断面図である。
【符号の説明】
１０ ＬＤ
１１ レーザ媒質
１２ 励起光
１３ スリット
１４ 反射層
１５ ヒートシンク
１６ 平面形状部
Ａ 入射面
Ｂ 反射面
Claims (9)
- 固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の側面に配設され上記固体レーザ媒質を励起する励起光源と、上記固体レーザ媒質で吸収されなかった上記励起光源からの励起光を上記固体レーザ媒質に戻す反射部とを備えた固体レーザ装置において、
上記固体レーザ媒質は、上記励起光源と対向する面を、上記励起光が上記固体レーザ媒質内で平行となるように形成された光入射面とするとともに、上記反射部と対向する面を平面とし、上記反射部からの反射光を平行状態で上記固体レーザ媒質に戻すようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。 - 上記固体レーザ媒質の側面と直交する断面における前記光入射面の部分の形状は円弧状であるしたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質の側面と直交する断面における前記光入射面の部分の形状は多角形であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質は上記励起光源と対向する部分を除き反射層が形成され、この反射層を上記反射部としたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質は上記励起光源と対向する部分を除きヒートシンクで外周が覆われ、このヒートシンクにおける上記固体レーザ媒質の平面と対向する面を鏡面とし、この鏡面を上記反射部としたことを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質は異方性を有する結晶体からなり、上記励起光源からの励起光が上記結晶体のｃ軸に実質的に平行となるように配設されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質は等方性を有する結晶体からなり、上記励起光源からの励起光が上記結晶体に実質的に平行になるように配設されていることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
- 上記結晶体は、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＧｄＶＯ４、Ｅｒ：ＹＶＯ４、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＧｄＶＯ４、Ｈｏ：ＹＶＯ４、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＧｄＶＯ４、Ｔｉ：ＡｌＯ３の何れかからなり、上記励起光源は半導体レーザからなることを特徴とする請求項６記載の固体レーザ装置。
- 上記固体レーザ媒質は、側面と直交する断面の形状がＤ字形のロッドからなることを特徴とする請求項６記載の固体レーザ装置。
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