JP2004281595A

JP2004281595A - Solid state laser apparatus

Info

Publication number: JP2004281595A
Application number: JP2003069172A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Ito; 隆喜伊東; Hironori Hirato; 平等　　拓範; Ichiro Shoji; 庄司　　一郎
Original assignee: Wakayama Prefecture
Current assignee: Wakayama Prefecture
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a small-sized solid state laser apparatus having a short resonator length is obtained with the structure of an end face excitation type having a practical performance. <P>SOLUTION: The solid state laser apparatus A includes a potassium tungstate crystal 1, to which Yb is added for optically exciting by absorbing an exciting laser beam 7 from an exciting laser beam supply means 5. In the solid state laser apparatus A, a first dielectric multilayer film 3 having the reflectivity of a light having an oscillation wavelength of 99.4% or more and the transmittivity of the light in the exciting wavelength of 90% or more is vapor-deposited on the end face 9 of the potassium tungstate crystal 1 of the exciting laser incident side. A second dielectric multilayer film 4 which transmits the light of the oscillation wavelength and which has the reflectivity of the light in the exiting wavelength of 99.9% or more is vapor-deposited on the end face 10 of the potassium tungstate crystal of the laser beam emitting side. A light transmissive heat sink means 2 is fixed to the exciting laser beam incident side of the potassium tungstate crystal 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、加工用レーザ装置、学術研究用レーザ装置などの固体レーザ発生装置や、高密度記録媒体である光ディスク等の記録並びに再生を目的としたレーザ装置などに利用される固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに知られている、Ｎｄ（ネオジム）を添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶を半導体レーザ光で励起する場合、励起波長８０８ｎｍに対してレーザ発振波長は１０６４ｎｍである。従って、フォトンエネルギーの比である量子効率は７６％となり、当然にレーザの光−光変換効率は７６％までにとどまる。これに伴って、吸収された励起パワーの２４％（熱発生率）は不可逆的に熱に変換される。
【０００３】
一方で、Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた波長１ミクロン帯の固体レーザの研究開発が活性化している。その中で、Ｙｂ（イッテルビウム）系の固体レーザ装置、特にＹｂを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）を用いたものは、９４０ｎｍないし９７０ｎｍの半導体レーザ光で励起して１０３０ｎｍの発振レーザ光を出射し、前述の量子効率が９０％を超えるため本質的に効率が良いことで知られている。
【０００４】
しかしながら、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶はレーザ下準位に全Ｙｂイオン数の５％ものイオンが熱励起された状態にあるため、レーザ発振に必要な反転分布を形成しにくいという不具合がある。更に、レーザ下準位が温度依存性を持つので、当然にレーザ発振閾値や出力特性も温度依存性を持つ。そのため、下記の特許文献１に示されたように、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶を−１００℃で動作させる温度制御・冷却装置を備える必要がある。従って、装置が大型になり生産現場などに設置することが困難なため実用的でない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２９４５２０号公報
【０００６】
他方で、Ｙｂを添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２）は量子効率が極めて高く蛍光幅が広いため、準四準位系の高効率レーザ媒質として期待されている。但し、励起波長９８１ｎｍが発振波長１０２２ｎｍと極めて近いため、レーザ光軸方向の端面間が短い結晶でのレーザ発振が困難である。
そこで、Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶の励起レーザ光入側端面に蒸着膜を蒸着し、この蒸着膜を共振器の後部鏡として利用する試みがなされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の蒸着膜は、図７に示した分光スペクトルのように、発振波長で高反射となっているのに対し、励起波長においては損失が２０％以上あるために発振閾値が上がり、マイクロチップ化に必要な、いわゆる端面励起ができない。この問題を回避するために、従来はブリュースタ角に加工した結晶を共振器内に設置して励起を行っていたが、装置が大掛かりになるという欠点があった。
【０００８】
そこで、前記のブリュースタ角に加工した結晶の使用を省くために、結晶のレーザ光出射側端面に無反射コートが蒸着される。この無反射コートは、図８の分光スペクトル中の矢印Ｋで示すように、励起波長（９８０ｎｍ）においてほとんど反射しない。そのため、レーザ光出射側に外部鏡を設けなければならず、かえって共振器の小型化を妨げる一因になっていた。
【０００９】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、実用的な性能を有する端面励起方式の構成でありながら、共振器長が短い小型の固体レーザ装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ装置は、励起用レーザ光供給手段からの励起用レーザ光を吸収して光励起させる、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶を備えた固体レーザ装置であって、前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側の端面に、発振波長における光の反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長における光の透過率が９０％以上である第１誘電体多層膜が蒸着された構成にしてある。
【００１１】
また、前記構成に加えて、前記タングステン酸カリウム系結晶のレーザ光出射側の端面に、発振波長の光を部分透過し、かつ、励起波長における光の反射率が９９．９％以上である第２誘電体多層膜が蒸着されたものである。
【００１２】
そして、前記した各構成において、前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側に、光透過性の放熱手段を設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一形態に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。ここに、図１は本発明の一実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
図において、この実施形態に係る固体レーザ装置Ａは、結晶全体で原子数比５％のイッテルビウム（Ｙｂ）を添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（５ａｔ．％Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、結晶１）を有して成る共振器Ｂと、この結晶１の後方に配置された励起用レーザ光出射手段５と、結晶１と励起用レーザ光供給手段５の間に配置されて励起用レーザ光供給手段５からの励起用レーザ光７を集光して共振器Ｂに供給するレンズ６とを備えている。この固体レーザ装置Ａは励起レーザ光軸と出射レーザ光軸が平行（この例では同軸）な端面励起方式に構成されている。結晶１の偏光方向はＥ／／ａである。Ｅ／／ａは光の電場Ｅと結晶１のａ軸が平行であることを示している。また、この結晶１は立方晶系で２回対称軸を有する結晶（Ｃ２／ｃ）である。
【００１４】
結晶１の励起レーザ光入射側の端面９には第１誘電体多層膜３が蒸着されている。この第１誘電体多層膜３は公知の真空蒸着法により高屈折率膜と低屈折率膜を交互に蒸着して積層したものである。この場合、第１誘電体多層膜３は、発振波長（１０２０ｎｍから１１４０ｎｍ）における反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長（９８０ｎｍ）における透過率が９０％以上となるように、前記の高屈折率膜および低屈折率膜の膜材料、膜厚、および積層数がそれぞれ設定されている。
ここでは、例えば、高屈折率膜と低屈折率膜の積層数を合計で約８０層とした。高屈折率膜は五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を膜材料として成膜し、低屈折率膜は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を膜材料として成膜した。そして、高屈折率膜の膜厚はλ（設計波長）／４を目標値とし、このλ／４から微小に変えてある。また、低屈折率膜も、高屈折率膜と同様に各層の膜厚を調整してある。これらにより、前記した特徴的な反射率範囲および透過率範囲を有する第１誘電体多層膜３を得ることができた。
【００１５】
前記の第１誘電体多層膜３と対向する、結晶１のレーザ光出射側の端面１０には第２誘電体多層膜４が蒸着されている。この第２誘電体多層膜４も第１誘電体多層膜３と同じ成膜法（真空蒸着法）により高屈折率膜と低屈折率膜が交互に蒸着して形成されていて、発振波長（中心波長１０２０ｎｍ）の光を部分透過し、かつ、励起波長（９８０ｎｍ）における光の反射率が９９．９％以上となるように、高屈折率膜および低屈折率膜の膜材料（Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２）、膜厚（λ／４を目標値として各層ごとに微小に変化させた）、および積層数（約８０層）がそれぞれ設定されている。
【００１６】
上記の結晶１は前後方向の長さＬ（すなわち、第１誘電体多層膜３と第２誘電体多層膜４間の寸法）が例えば１ｍｍとなるように形成されている。また、励起用レーザ光供給手段５は例えば波長９８０．８ｎｍのＴｉ：サファイアレーザ光（励起用レーザ光７）を出射するようになっている。そして、誘電体多層膜３の後面には光透過性の放熱手段２が取り付けられている。この放熱手段２は例えばサファイアから成り、光学接着剤により誘電体多層膜３の後面に固定されている。
【００１７】
下記の表１に、本実施形態に用いた、Ｙｂを添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、結晶１）の分光特性に係るパラメータを示す。従来汎用の、Ｙｂを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（Ｙｂ：ＹＡＧ）結晶の分光特性も比較して示す。
結晶１の最小励起率βｍｉｎはＹｂ：ＹＡＧと比べて高いため反転分布形成が困難になるが、高い吸収断面積を反映して励起光飽和強度が低くなる。そのため、反転分布形成に必要な最小励起強度ＩｍｉｎはＹｂ：ＹＡＧの数分の１となり、発振閾値を低く抑えることが可能になる。また、波長９８１ｎｍでの吸収が強く、この波長における励起が実用的に可能なため、スロープ効率が高くなる。さらに、蛍光幅△λｅがＹｂ：ＹＡＧの約１．７倍と広く、超短パルス発生にも適している。
【００１８】
【表１】

【００１９】
続いて、上記のように構成された固体レーザ装置Ａの動作を説明する。まず、励起用レーザ光供給手段５から出射された励起用レーザ光７はレンズ６により集光されたのち放熱手段２および第１誘電体多層膜３を透過しスポット径６３μｍで結晶１に照射される。結晶１に照射された励起用レーザ光７は第１誘電体多層膜３および第２誘電体多層膜４で反射しながら結晶１でレーザ励起されることにより、波長１０２０ｎｍの出射レーザ光８として第２誘電体多層膜４から放射される。
【００２０】
この実施形態の固体レーザ装置Ａにおける入出力特性を図２に示す。図２によれば、発振波長１０２２ｎｍのレーザ光出力が発振閾値３８６ｍＷ（吸収励起パワー）で得られ、最大出力が５６ｍＷであり、スロープ効率（吸収励起パワーに対する出力の比）は４５％であった。
【００２１】
第１誘電体多層膜３の透過率特性を図３に示す。この第１誘電体多層膜３の透過率特性および後述する第２誘電体多層膜４の透過率特性は汎用の光スペクトラムアナライザ（分光器）を用いて測定した。
図３のグラフによると、第１誘電体多層膜３は波長９８０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｆで示す）での光の透過率が９０％であり、波長１０２０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｇで示す）での光の反射率が９９．５％であった。
【００２２】
第２誘電体多層膜４の透過率特性を図４に示す。図４のグラフによれば、波長９８０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｈで示す）での光の透過率がほぼ０（反射率≒１００％）であった。これにより、励起用レーザ光７は１００％近くが結晶１に吸収されて励起されることがわかる。一方、波長１０２０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｊで示す）での光の反射率は９８％であるため、中心波長１０２０ｎｍのレーザ光８が出射される。
【００２３】
上記したように、本実施形態に係る固体レーザ装置Ａにおいて、結晶１の励起レーザ光入射側の結晶端面に形成された第１誘電体多層膜３は、励起光に対して高透過で損失が小さく、１０２０ｎｍの光に対して高反射の特性を有しているため、質の良い端面励起に適した後部鏡となる。これと対向するレーザ光出射側の結晶端面に形成された第２誘電体多層膜４は、励起光に対して高反射であり、出射レーザ光に対して部分透過性を有しているために効率の良い出力鏡となる。
【００２４】
従って、第１誘電体多層膜３と第２誘電体多層膜４の存在により結晶１での吸収効率が一定以上に確保されるから、第１誘電体多層膜３〜第２誘電体多層膜４間の結晶１の長さＬが短くて済む。これにより、結晶１の長さＬ（共振器長）を１ｍｍ以下とした、いわゆるマイクロチップレーザを実現できたのである。
また、本実施形態に用いた結晶１は量子効率ひいては光−光変換効率が高いために、元来、レーザ動作時の発熱が少ないが、加えてサファイア製の放熱手段２を備えているので、結晶１の熱障害を確実に抑止することができる。
【００２５】
尚、上記の実施形態では放熱手段としてサファイアを例示したが、本発明の放熱手段はサファイアに限らず、熱伝導性が良く、励起波長の光に対し透過率の良い結晶を用いることができる。
【００２６】
あるいは、図５に示すように、放熱手段を備えていない共振器Ｂ１を有する固体レーザ装置Ａ１も本発明に含まれる。かかる構成の場合でも、本発明で用いた、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶は、Ｙｂ：ＹＡＧなどと比べ吸収効率がよくエネルギ損失が少ないから、放熱手段を用いなくても実用化が可能である。
【００２７】
更には、図６に示すように、結晶１のレーザ光出射側端面に第２誘電体多層膜４のない共振器Ｂ２を有する固体レーザ装置Ａ２も、本発明に含まれる。かかる構成の場合には、結晶１のレーザ光出射側に光部分透過性の外部鏡１１が配備される。
【００２８】
そして、本発明に用いるタングステン酸カリウム系結晶としては、Ｙｂを添加したＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶に限らない。例えば、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウムガドリニウム結晶（Ｙｂ：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２）を用いることもできる。尚、タングステン酸カリウム系結晶の切断方向は、結晶軸のａ軸，ｂ軸，ｃ軸のいずれであっても良い。
【００２９】
他方、第１誘電体多層膜と第２誘電体多層膜における高屈折率膜と低屈折率膜を成膜する方法としては、前記した真空蒸着法に限るものでなく、他に例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、溶融法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、電子ビーム法、イオンビーム法など、公知の方法を用いることができる。
また、第１誘電体多層膜と第２誘電体多層膜における高屈折率膜と低屈折率膜を構成する膜材料としては、既述したＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２に限らない。すなわち、他の膜材料として、高屈折率膜用では例えばＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_３，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＣｅＯ_２などが挙げられ、低屈折率膜用では例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＧｅＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＦ_２，ＡｌＦ_３などが挙げられる。また、第１誘電体多層膜の膜材料と第２誘電体多層膜の膜材料は、異なる種類の材料を用いても構わない。
高屈折率膜と低屈折率膜の積層数は特に限定されないが、例えば二十数層から二百数十層とすることが好ましい。積層数が二十数層を下回ると、本発明の特徴的な所定反射率と所定透過率が得られなくなるおそれがある。逆に、積層数が多すぎて二百数十層を超えると、製造コストが高騰して現実的でなくなる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶のように励起波長と発振波長が極めて近いレーザ媒質（量子損失は４％未満）をマイクロチップレーザ化するにあたり、少なくとも励起レーザ光入射側端面での損失を抑えて吸収効率の良い共振器を構成したため、効率の良い小型の固体レーザ装置を実現できた。かかる本発明の固体レーザ装置を用いることにより、小型化された半導体レーザ励起の超短パルスレーザ、インジェクションシーディング、モードロックレーザへの応用が期待できる。更には、加工レーザ装置、学術研究用レーザ装置として利用される固体レーザ発生装置、高密度記録媒体である光ディスクの記録並びに再生を目的とするレーザ装置といった産業分野での応用が期待できる。
【００３１】
また、前記した第１誘電体多層膜のみならず、レーザ光出射側の端面にも第２誘電体多層膜を設けた場合は、よりいっそうの小型化を図ることができる。
【００３２】
そして、共振器の励起レーザ光入射側に光透過性の放熱手段を設けた場合は、高熱による結晶歪増大や結晶格子損傷などを確実に防いでレーザ性能の低下を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態による固体レーザ装置の入出力特性を示すグラフである。
【図３】本実施形態による第１誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図４】本実施形態による第２誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の別の実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図７】従来技術による励起レーザ光側の誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図８】従来技術によるレーザ光出射側の無反射コートにおける分光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ａ１，Ａ２固体レーザ装置
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２共振器
１結晶
２放熱手段
３第１誘電体多層膜
４第２誘電体多層膜
５励起用レーザ光供給手段
７励起用レーザ光
８出射レーザ光
９端面
１０端面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is, for example, a solid-state laser device used in a solid-state laser generation device such as a processing laser device, a laser device for academic research, and a laser device for recording and reproducing an optical disk as a high-density recording medium. About.
[0002]
[Prior art]
When a known Y ₃ Al ₅ O ₁₂ crystal doped with Nd (neodymium) is excited by a semiconductor laser beam, the laser oscillation wavelength is 1064 nm with respect to the excitation wavelength of 808 nm. Therefore, the quantum efficiency, which is the ratio of the photon energies, is 76%, and the light-to-light conversion efficiency of the laser is naturally limited to only 76%. Accordingly, 24% (heat generation rate) of the absorbed pump power is irreversibly converted to heat.
[0003]
On the other hand, research and development of solid-state lasers in the 1-micron wavelength band using laser active ions other than Nd have been activated. Among them, a Yb (ytterbium) -based solid-state laser device, particularly a device using a Y ₃ Al ₅ O ₁₂ crystal (Yb: YAG) doped with Yb, is excited by a semiconductor laser beam of 940 nm to 970 nm to emit 1030 nm. It is known that the device emits an oscillating laser beam and has an inherently high efficiency because the above quantum efficiency exceeds 90%.
[0004]
However, since the Yb: YAG crystal is in a state in which as many as 5% of the total number of Yb ions are thermally excited at the lower level of the laser, there is a problem that it is difficult to form a population inversion required for laser oscillation. Further, since the lower level of the laser has temperature dependence, the laser oscillation threshold and output characteristics naturally have temperature dependence. Therefore, as shown in Patent Document 1 below, it is necessary to provide a temperature control / cooling device for operating the Yb: YAG crystal at −100 ° C. Therefore, it is not practical because the device becomes large and it is difficult to install it at a production site or the like.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-294520
On the other hand, Yb-added yttrium potassium tungstate crystal (Yb: KY (WO ₄ ) ₂ ) has an extremely high quantum efficiency and a wide fluorescence width, and is therefore expected to be a quasi-four-level high-efficiency laser medium. However, since the excitation wavelength of 981 nm is very close to the oscillation wavelength of 1022 nm, it is difficult to oscillate the laser with a crystal having a short distance between the end faces in the laser optical axis direction.
Therefore, an attempt has been made to deposit a vapor deposition film on the end face of the Yb: KY (WO ₄ ) ₂ crystal on the entrance side of the excitation laser beam, and to use the vapor deposition film as a rear mirror of the resonator.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned deposited film has high reflection at the oscillation wavelength as shown in the spectrum shown in FIG. The so-called end face excitation required for chip formation cannot be performed. In order to avoid this problem, conventionally, a crystal processed to a Brewster angle is placed in a resonator to perform excitation, but there is a disadvantage that the apparatus becomes large-scale.
[0008]
Therefore, in order to omit the use of the crystal processed at the Brewster angle, a non-reflection coating is deposited on the laser light emitting side end face of the crystal. This anti-reflection coat hardly reflects at the excitation wavelength (980 nm) as indicated by the arrow K in the spectrum of FIG. Therefore, an external mirror must be provided on the laser beam emission side, which has been a factor that hinders miniaturization of the resonator.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and has as its object to provide a small-sized solid-state laser device having a short cavity length while having a configuration of an end face pumping method having practical performance. I do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a solid-state laser device according to the present invention includes a solid-state laser including a potassium tungstate-based crystal doped with Yb, which absorbs and excites a laser beam for excitation from a laser beam supply unit for excitation. An apparatus in which the potassium tungstate-based crystal has an end face on the excitation laser light incident side with a light reflectance of 99.4% or more at an oscillation wavelength and a light transmittance of 90% or more at an excitation wavelength. It has a configuration in which a certain first dielectric multilayer film is deposited.
[0011]
In addition to the above-described structure, the potassium tungstate-based crystal partially transmits the light having the oscillation wavelength to the end face on the laser light emission side and has a light reflectance of 99.9% or more at the excitation wavelength. A two-dielectric multilayer film is deposited.
[0012]
In each of the above-described structures, a light-transmitting heat radiating means is provided on the side of the potassium tungstate-based crystal on which the excitation laser light is incident.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments described below are merely embodiments embodying the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state laser device according to an embodiment of the present invention.
In the figure, a solid-state laser device A according to this embodiment includes a crystal of yttrium potassium tungstate (5 at.% Yb: KY (WO ₄ ) ₂ , crystal 1) to which ytterbium (Yb) having an atomic ratio of 5% is added to the whole crystal. ), A pumping laser beam emitting unit 5 disposed behind the crystal 1, and a pumping laser beam supply unit disposed between the crystal 1 and the pumping laser beam supplying unit 5. A lens 6 for condensing the excitation laser light 7 from the means 5 and supplying it to the resonator B. The solid-state laser device A is configured as an end-pumping system in which the excitation laser optical axis and the emission laser optical axis are parallel (in this example, coaxial). The polarization direction of crystal 1 is E // a. E // a indicates that the electric field E of light and the a-axis of the crystal 1 are parallel. The crystal 1 is a cubic crystal (C2 / c) having a two-fold symmetry axis.
[0014]
A first dielectric multilayer film 3 is deposited on an end face 9 of the crystal 1 on the excitation laser beam incident side. The first dielectric multilayer film 3 is formed by alternately depositing high-refractive-index films and low-refractive-index films by a known vacuum deposition method and laminating them. In this case, the first dielectric multilayer film 3 has a reflectivity at an oscillation wavelength (1020 nm to 1140 nm) of 99.4% or more and a transmittance at an excitation wavelength (980 nm) of 90% or more. The film material, the film thickness, and the number of layers of the high refractive index film and the low refractive index film are respectively set.
Here, for example, the total number of layers of the high refractive index film and the low refractive index film is about 80. The high refractive index film was formed using tantalum pentoxide (Ta ₂ O ₅ ) as a film material, and the low refractive index film was formed using silicon oxide (SiO ₂ ) as a film material. The target thickness of the high refractive index film is λ (design wavelength) / 4, which is slightly changed from λ / 4. The thickness of each layer of the low-refractive-index film is adjusted similarly to the high-refractive-index film. Thus, the first dielectric multilayer film 3 having the characteristic reflectance range and transmittance range described above could be obtained.
[0015]
A second dielectric multilayer film 4 is vapor-deposited on the end face 10 of the crystal 1 on the laser light emission side, which faces the first dielectric multilayer film 3. The second dielectric multilayer film 4 is also formed by alternately depositing high-refractive-index films and low-refractive-index films by the same deposition method (vacuum deposition method) as the first dielectric multilayer film 3, and has an oscillation wavelength ( The film material (Ta ₂ O) of the high-refractive-index film and the low-refractive-index film is such that the light having a center wavelength of 1020 nm is partially transmitted and the light reflectance at the excitation wavelength (980 nm) is 99.9% or more. ₅ / SiO ₂ ), the film thickness (minutely changed for each layer with λ / 4 as a target value), and the number of layers (about 80 layers) are set.
[0016]
The crystal 1 is formed such that the length L in the front-rear direction (that is, the dimension between the first dielectric multilayer film 3 and the second dielectric multilayer film 4) is, for example, 1 mm. Further, the excitation laser light supply means 5 emits, for example, Ti: sapphire laser light (excitation laser light 7) having a wavelength of 980.8 nm. On the rear surface of the dielectric multilayer film 3, a light transmitting heat radiating means 2 is attached. The heat radiating means 2 is made of, for example, sapphire, and is fixed to the rear surface of the dielectric multilayer film 3 by an optical adhesive.
[0017]
Table 1 below shows parameters relating to the spectral characteristics of the Yb-added yttrium potassium tungstate crystal (Yb: KY (WO ₄ ) ₂ , crystal 1) used in the present embodiment. The spectral characteristics of a conventional Yb-added Y ₃ Al ₅ O ₁₂ (Yb: YAG) crystal, which is commonly used, are also shown in comparison.
Since the minimum excitation rate βmin of the crystal 1 is higher than that of Yb: YAG, it is difficult to form a population inversion. However, the excitation light saturation intensity is reduced by reflecting a high absorption cross section. Therefore, the minimum excitation intensity Imin required for forming the population inversion is a fraction of Yb: YAG, and the oscillation threshold can be suppressed low. In addition, absorption at a wavelength of 981 nm is strong, and excitation at this wavelength is practically possible, so that the slope efficiency is increased. Further, the fluorescence width Δλe is about 1.7 times as wide as Yb: YAG, which is suitable for generating an ultrashort pulse.
[0018]
[Table 1]

[0019]
Next, the operation of the solid-state laser device A configured as described above will be described. First, the excitation laser light 7 emitted from the excitation laser light supply means 5 is condensed by the lens 6 and then passes through the heat radiation means 2 and the first dielectric multilayer film 3 to irradiate the crystal 1 with a spot diameter of 63 μm. You. The excitation laser light 7 applied to the crystal 1 is laser-excited by the crystal 1 while being reflected by the first dielectric multilayer film 3 and the second dielectric multilayer film 4, so that the laser light 8 has a wavelength of 1020 nm. Radiated from the two-dielectric multilayer film 4.
[0020]
FIG. 2 shows the input / output characteristics of the solid-state laser device A of this embodiment. According to FIG. 2, a laser light output with an oscillation wavelength of 1022 nm was obtained at an oscillation threshold of 386 mW (absorption pump power), the maximum output was 56 mW, and the slope efficiency (the ratio of the output to the absorption pump power) was 45%. .
[0021]
FIG. 3 shows the transmittance characteristics of the first dielectric multilayer film 3. The transmittance characteristics of the first dielectric multilayer film 3 and the transmittance characteristics of the second dielectric multilayer film 4 described later were measured using a general-purpose optical spectrum analyzer (spectroscope).
According to the graph of FIG. 3, the first dielectric multilayer film 3 has a light transmittance of 90% at a wavelength of 980 nm (indicated by an arrow F on the curve in the graph) and a wavelength of 1020 nm (a curve on the curve in the graph). (Indicated by an arrow G) was 99.5%.
[0022]
FIG. 4 shows the transmittance characteristics of the second dielectric multilayer film 4. According to the graph of FIG. 4, the light transmittance at a wavelength of 980 nm (indicated by the arrow H on the curve in the graph) was almost 0 (reflectance 反射 100%). Thus, it can be seen that nearly 100% of the excitation laser light 7 is absorbed by the crystal 1 and is excited. On the other hand, since the reflectance of light at a wavelength of 1020 nm (indicated by the arrow J on the curve in the graph) is 98%, the laser light 8 having a center wavelength of 1020 nm is emitted.
[0023]
As described above, in the solid-state laser device A according to the present embodiment, the first dielectric multilayer film 3 formed on the crystal end face of the crystal 1 on the excitation laser light incident side has a high transmission with respect to the excitation light and a loss. Since it is small and has high reflection characteristics with respect to light of 1020 nm, the rear mirror is suitable for high-quality end face excitation. The second dielectric multilayer film 4 formed on the crystal end face on the laser light emission side opposite to this is highly reflective to the excitation light and partially transparent to the emitted laser light, It becomes an efficient output mirror.
[0024]
Therefore, since the absorption efficiency of the crystal 1 is maintained at a certain level or more by the presence of the first dielectric multilayer film 3 and the second dielectric multilayer film 4, the first dielectric multilayer film 3 and the second dielectric multilayer film 4 The length L of the crystal 1 between them can be short. Thus, a so-called microchip laser in which the length L (resonator length) of the crystal 1 was 1 mm or less was realized.
Further, the crystal 1 used in the present embodiment has a high quantum efficiency and thus a high light-to-light conversion efficiency, so that it originally generates little heat during laser operation, but additionally has a sapphire-made radiating means 2. Thermal damage of crystal 1 can be reliably suppressed.
[0025]
In the above embodiment, sapphire is exemplified as the heat dissipating means. However, the heat dissipating means of the present invention is not limited to sapphire, and it is possible to use a crystal having good thermal conductivity and good transmittance for light having an excitation wavelength.
[0026]
Alternatively, as shown in FIG. 5, the present invention also includes a solid-state laser device A1 having a resonator B1 having no heat radiation means. Even in such a configuration, the potassium tungstate-based crystal to which Yb is added used in the present invention has high absorption efficiency and low energy loss as compared with Yb: YAG or the like, so that it can be put to practical use without using a heat radiation means. It is.
[0027]
Further, as shown in FIG. 6, a solid-state laser device A2 having a resonator B2 without the second dielectric multilayer film 4 on the end face of the crystal 1 on the laser light emission side is also included in the present invention. In the case of such a configuration, an external mirror 11 that partially transmits light is provided on the laser light emission side of the crystal 1.
[0028]
The potassium tungstate-based crystal used in the present invention is not limited to the KY (WO ₄ ) ₂ crystal to which Yb is added. For example, potassium gadolinium tungstate crystal to which Yb is added (Yb: KGd (WO ₄ ) ₂ ) can be used. The cutting direction of the potassium tungstate-based crystal may be any of the a-axis, b-axis, and c-axis of the crystal axis.
[0029]
On the other hand, the method of forming the high-refractive-index film and the low-refractive-index film in the first dielectric multilayer film and the second dielectric multilayer film is not limited to the above-described vacuum deposition method. A known method such as an ion plating method, a melting method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, an electron beam method, and an ion beam method can be used.
Further, the film material forming the high refractive index film and the low refractive index film in the first dielectric multilayer film and the second dielectric multilayer film is not limited to Ta ₂ O ₅ / SiO _{2 described} above. That is, other film materials include, for example, ZrO ₂ , TiO ₂ , Ta ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₅ , HfO ₂ , and CeO ₂ for high refractive index films, and Al ₂ for low refractive index films. O ₃ , GeO ₂ , Y ₂ O ₃ , MgF ₂ , AlF _{3 and the} like can be mentioned. Further, different types of materials may be used as the film material of the first dielectric multilayer film and the film material of the second dielectric multilayer film.
The number of layers of the high-refractive-index film and the low-refractive-index film is not particularly limited, but is preferably, for example, from twenty to several tens of layers. If the number of laminated layers is less than twenty and several layers, the predetermined reflectance and the predetermined transmittance characteristic of the present invention may not be obtained. Conversely, if the number of layers exceeds 200 and several tens of layers, the manufacturing cost rises and becomes impractical.
[0030]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, when a laser medium (quantum loss is less than 4%) whose excitation wavelength and oscillation wavelength are extremely close, such as a potassium tungstate-based crystal to which Yb is added, is converted into a microchip laser. Since a resonator having good absorption efficiency was formed by suppressing at least the loss at the end face on the pump laser light incident side, an efficient small solid-state laser device could be realized. By using such a solid-state laser device of the present invention, applications to miniaturized semiconductor laser-excited ultrashort pulse lasers, injection seeding, and mode-locked lasers can be expected. Furthermore, applications in industrial fields such as a processing laser device, a solid-state laser generator used as an academic research laser device, and a laser device for recording and reproducing an optical disk as a high-density recording medium can be expected.
[0031]
In addition, when the second dielectric multilayer film is provided not only on the first dielectric multilayer film but also on the end face on the laser light emission side, further downsizing can be achieved.
[0032]
When a light-transmitting heat-dissipating means is provided on the excitation laser beam incident side of the resonator, it is possible to reliably prevent an increase in crystal distortion or damage to a crystal lattice due to high heat and to suppress a decrease in laser performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing input / output characteristics of the solid-state laser device according to the present embodiment.
FIG. 3 is a graph showing a spectral spectrum of a first dielectric multilayer film according to the present embodiment.
FIG. 4 is a graph showing a spectrum of a second dielectric multilayer film according to the present embodiment.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a solid-state laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a solid-state laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a spectrum of a conventional dielectric multilayer film on the side of an excitation laser beam.
FIG. 8 is a graph showing a spectral spectrum of a non-reflection coating on a laser light emission side according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
A, A1, A2 Solid-state laser devices B, B1, B2 Resonator 1 Crystal 2 Heat radiating means 3 First dielectric multilayer film 4 Second dielectric multilayer film 5 Exciting laser light supply means 7 Exciting laser light 8 Emitted laser light 9 End face 10 End face

Claims

What is claimed is: 1. A solid-state laser device comprising: a Yb-doped potassium tungstate-based crystal for absorbing and exciting a laser beam for excitation from an excitation laser light supply unit, wherein the potassium-tungstate-based crystal has an excitation laser beam incident side. Characterized in that a first dielectric multilayer film having a light reflectance of 99.4% or more at an oscillation wavelength and a light transmittance of 90% or more at an excitation wavelength is deposited on the end face of the first dielectric multilayer film. Solid state laser device.

A second dielectric multilayer film that partially transmits light having an oscillation wavelength and has a light reflectance of 99.9% or more at an excitation wavelength is deposited on an end face of the potassium tungstate-based crystal on a laser light emission side. The solid-state laser device according to claim 1, wherein

3. The solid-state laser device according to claim 1, wherein a light-transmitting heat radiating unit is provided on the side of the potassium tungstate-based crystal on which the excitation laser light is incident. 4.