JP2005285807A - Semiconductor laser-excited solid-state laser device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser-excited solid-state laser device which can be uniformed in an excitation intensity distribution in a cross section perpendicular to the central axis line of a laser rod. <P>SOLUTION: In the solid-state laser device 1, excitation light L from each LD stack 4 is absorbed by the laser rod 2 so that the intensity I(R) of the excitation light L at the center P<SB>1</SB>of the laser rod may be I<SB>0</SB>/N<I(R)<2I<SB>0</SB>/N, and the intensity I(2R) at a position P<SB>2</SB>opposite from the entrance side of the laser rod 2 may be 0<I(2R)<0.3I<SB>0</SB>. Since the number of the LD stacks 4 is N(=6), the intensity of the superimposed excitation light of the excitation lights from all the LD stacks 4 is N(=6) times larger than I(R) at the center P<SB>1</SB>. The LD stacks 4 are located at equal intervals on the circumference of the laser rod 2 so that the width of the excitation light L which has reached the laser rod 2 may be equal to the diameter of the laser rod 2. Due to this structure, the excitation intensity distribution can be uniformed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser excitation solid-state laser device.

従来におけるこの種の技術として、下記の特許文献１に記載された半導体レーザ励起固体レーザ発生装置がある。この固体レーザ発生装置では、内方へ向かって励起光を照射可能な環状の半導体レーザ素子が、ＹＡＧロッドの周面を取り囲むようにＹＡＧロッドの長手方向に並べられ、半導体レーザスタックが形成されている。このような構成により、ＹＡＧロッドに対しては、その周方向全方位から励起光が照射されることになるため、ＹＡＧロッドの周面近傍の温度分布を均一化することができ、理想的な熱レンズ効果を得ることが可能になる。
特開２００２−９３７２号公報 As a conventional technique of this type, there is a semiconductor laser excitation solid-state laser generator described in Patent Document 1 below. In this solid-state laser generator, annular semiconductor laser elements that can irradiate excitation light inwardly are arranged in the longitudinal direction of the YAG rod so as to surround the peripheral surface of the YAG rod, thereby forming a semiconductor laser stack. Yes. With such a configuration, the YAG rod is irradiated with excitation light from all circumferential directions, so that the temperature distribution in the vicinity of the peripheral surface of the YAG rod can be made uniform, which is ideal. A thermal lens effect can be obtained.
JP 2002-9372 A

しかしながら、上述したような固体レーザ発生装置にあっては、ＹＡＧロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度がＹＡＧロッドの中心部と周面近傍とで不均一となり、ＹＡＧロッドから出射されるレーザ光の品質が劣化するおそれがある。   However, in the solid-state laser generator as described above, the excitation intensity in the cross section perpendicular to the central axis of the YAG rod becomes nonuniform between the central portion of the YAG rod and the vicinity of the peripheral surface, and the laser emitted from the YAG rod There is a possibility that the quality of light may deteriorate.

多重パス増幅方式のＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）システム等のレーザシステムにおける主増幅器（メインアンプ）においては、この励起強度の不均一性が顕著な問題となる。ＭＯＰＡシステムに係る出力光（アウトプット）を大出力なものにする際には、これを構成する増幅器が有するレーザロッド（ＹＡＧロッド等）は、小口径のものではなく、大口径のもので構成する必要が生じている。この理由としては、レーザロッド端面におけるダメージ閾値（ロッド端面のＡＲコート若しくはロッド自体の表面が光損傷に耐えることができるレーザ光のエネルギー密度やパワー密度の限界値であり、Ｊ／ｃｍ２、Ｗ／ｃｍ２等で表記される）が固定されるため、より大きな出力を得るためにはロッド端面の面積を大きくする、すなわち大口径化が必要である。 In a main amplifier (main amplifier) in a laser system such as a multi-path amplification type MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) system, this non-uniformity of the excitation intensity becomes a significant problem. When the output light (output) related to the MOPA system is made to have a large output, the laser rod (YAG rod, etc.) included in the amplifier constituting the MOPA system is not a small diameter but a large diameter. There is a need to do that. The reason for this is that the damage threshold at the laser rod end face (the AR coating on the rod end face or the limit value of the energy density and power density of the laser light that can withstand the optical damage, J / cm 2 , W because the / cm are expressed in 2, etc.) is fixed, in order to obtain a larger output to increase the area of the rod end face, that is required large diameter.

より具体的には、レーザロッド端面においては、ＭＯＰＡシステムのトータル性能を良好に保つため（高効率化、規制発振の防止のため）に、ＡＲコートがされているが、これは、ロッド自体よりも格段にダメージ閾値が低く、高強度のレーザ光が該端面に入射した場合には、特に光損傷を受けやすいからでる。レーザ光の強度が高く、またレーザロッドの口径が小さい場合には、ＡＲコートについて光損傷等が生じやすく、これによってＭＯＰＡシステムにおいて更なるダメージの進行や伝播ビーム品質の劣化によりレーザロッド自体やその他の光学部品の光損傷を引き起こす。しかし、レーザ光の出力が高い場合においても、レーザロッドの口径が大きい場合には、端面の面積が大きいため、ロッド端面におけるダメージ閾値よりレーザ光のエネルギー密度またはパワー密度を十分小さくすることができる。   More specifically, the AR coating is applied to the end face of the laser rod in order to keep the total performance of the MOPA system good (in order to improve efficiency and prevent regulated oscillation). This is because the damage threshold is remarkably low, and when high-intensity laser light is incident on the end face, it is particularly susceptible to optical damage. If the intensity of the laser beam is high and the diameter of the laser rod is small, the AR coating is likely to be damaged by light, etc., which causes further damage to the MOPA system and deterioration of the propagating beam quality. Cause optical damage of optical components. However, even when the output of the laser beam is high, if the diameter of the laser rod is large, the area of the end surface is large, so that the energy density or power density of the laser beam can be made sufficiently smaller than the damage threshold at the rod end surface. .

レーザロッドの口径を大きくすれば、かかる問題は解決するのであるが、レーザロッドの口径を大きくした際には、レーザ光軸に垂直な断面における励起強度を均一とすることは、小口径のものにおいて実施する場合に比べて困難を極めた。なお、均一な強度分布を有するレーザ光を得るための条件としては、レーザロッドが周囲の励起光源から均一に励起されることが必要となるが、これは、レーザ光が、レーザ光軸に沿って伝播する過程において、その進行に伴って強度が増幅されるからである。   This problem can be solved by increasing the diameter of the laser rod. However, when the diameter of the laser rod is increased, it is possible to make the excitation intensity in the cross section perpendicular to the laser optical axis uniform. It was extremely difficult compared to the case where it was carried out. As a condition for obtaining a laser beam having a uniform intensity distribution, it is necessary that the laser rod be uniformly excited from the surrounding excitation light source. This is because the laser beam is along the laser optical axis. In the process of propagation, the intensity is amplified as the process proceeds.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することができる半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser pumped solid-state laser device capable of uniformizing the pumping intensity distribution in the cross section perpendicular to the central axis of the laser rod. And

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、半導体レーザの発光面から出射された励起光を円柱状のレーザロッドに照射することによりレーザロッドを励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、半導体レーザは、発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを実質的に含むように、レーザロッドの周囲に実質的に等しい間隔で複数配置されており、レーザロッドに到達した励起光の強度をＩ０とし、レーザロッドによる励起光の実効的な吸収係数をαとし、レーザロッドの半径をＲとし、半導体レーザの数量をＮとすると、レーザロッドの中心位置での励起光の強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ０・exp(−αＲ)は、Ｉ０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ０／Ｎを満たし、レーザロッドの反対位置での励起光の強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ０・exp(−２αＲ)は、０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ０を満たすことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the present invention excites a laser rod by irradiating a cylindrical laser rod with pumping light emitted from a light emitting surface of the semiconductor laser. A solid-state laser device, wherein the semiconductor laser has substantially equal spacing around the periphery of the laser rod such that the excitation light substantially includes the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. The intensity of the excitation light reaching the laser rod is I 0 , the effective absorption coefficient of the excitation light by the laser rod is α, the radius of the laser rod is R, and the number of semiconductor lasers is N Then, the intensity I (R) = I 0 · exp (−αR) of the excitation light at the center position of the laser rod satisfies I 0 / N <I (R) <2I 0 / N, The intensity I (2R) = I 0 · exp (−2αR) of the excitation light at a position opposite to the point satisfies 0 <I (2R) <0.3I 0 .

この半導体レーザ励起固体レーザ装置においては、各半導体レーザから出射された励起光は、レーザロッドの中心位置で強度Ｉ(Ｒ)がＩ０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ０／Ｎとなるように吸収されると共に、レーザロッドの反対位置で強度Ｉ(２Ｒ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ０となるように吸収される。ここで、半導体レーザの数量はＮであるから、各半導体レーザから出射された励起光が重なり合った励起光（以下、「重畳励起光」という）の強度は、レーザロッドの中心位置でＩ(Ｒ)をＮ倍したものとなる。しかも、各半導体レーザは、発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを実質的に含むように、レーザロッドの周囲に実質的に等しい間隔で配置されている。従って、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面において重畳励起光の強度が均一化されることになるため、当該断面における励起強度の分布を均一化することができる。なお、励起光の強度Ｉ(Ｒ)及び強度Ｉ(２Ｒ)は、一の半導体レーザから出射された励起光の強度である。また、レーザロッドの反対位置とは、一の半導体レーザに着目した場合に、レーザロッドにおける当該半導体レーザの反対側の位置を意味する。 In this semiconductor laser excitation solid-state laser device, the excitation light emitted from each semiconductor laser has an intensity I (R) of I 0 / N <I (R) <2I 0 / N at the center position of the laser rod. And at the opposite position of the laser rod, the intensity I (2R) is absorbed so that 0 <I (2R) <0.3I 0 . Here, since the number of the semiconductor lasers is N, the intensity of the pumping light (hereinafter referred to as “superimposed pumping light”) in which the pumping lights emitted from the respective semiconductor lasers are overlapped is I (R) at the center position of the laser rod. ) Multiplied by N. Moreover, the semiconductor lasers are arranged at substantially equal intervals around the laser rod so that the excitation light substantially includes the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. Yes. Therefore, since the intensity of the superimposed excitation light is made uniform in the cross section perpendicular to the central axis of the laser rod, the excitation intensity distribution in the cross section can be made uniform. The intensity I (R) and intensity I (2R) of the excitation light are the intensity of the excitation light emitted from one semiconductor laser. Further, the opposite position of the laser rod means the position on the laser rod opposite to the semiconductor laser when attention is paid to one semiconductor laser.

また、レーザロッドに到達した励起光の幅は、発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において、レーザロッドの直径と実質的に等しいことが好ましい。これにより、半導体レーザから出射された励起光をレーザロッドの励起に最大限に利用することができる。   The width of the excitation light reaching the laser rod is preferably substantially equal to the diameter of the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. Thereby, the excitation light emitted from the semiconductor laser can be utilized to the maximum for excitation of the laser rod.

また、発光面とレーザロッドとの間に、励起光の拡がり角を補正する補正レンズが配置されていてもよい。このような補正レンズを配置することで、半導体レーザの発光面から出射された励起光の拡がり角を補正し、発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを実質的に含むように、又はレーザロッドに到達した励起光の幅がレーザロッドの直径と実質的に等しくなるようにすることができる。   A correction lens that corrects the divergence angle of the excitation light may be disposed between the light emitting surface and the laser rod. By arranging such a correction lens, the divergence angle of the excitation light emitted from the light emitting surface of the semiconductor laser is corrected, and the excitation light is emitted in the direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. Or the width of the excitation light reaching the laser rod can be substantially equal to the diameter of the laser rod.

また、レーザロッドは、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材と、励起部材に密接して励起部材を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層とを有することが好ましい。レーザロッドの中心軸線に垂直な断面に着目した場合、レーザロッドの中心部では、レーザロッドの周面近傍に比べて励起強度の分布がより均一化される。そのため、レーザロッドの中心部を、レーザ遷移元素を含有する励起部材とし、レーザロッドの周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層とすることで、励起部材における励起強度の分布をより均一化することができる。   The laser rod preferably includes a cylindrical excitation member containing a laser transition element, and a cylindrical sleeve layer that closely surrounds the excitation member and does not contain a laser transition element. When attention is paid to the cross section perpendicular to the central axis of the laser rod, the distribution of the excitation intensity is made more uniform in the central portion of the laser rod than in the vicinity of the peripheral surface of the laser rod. For this reason, the central portion of the laser rod is an excitation member containing a laser transition element and the vicinity of the peripheral surface of the laser rod is a sleeve layer that does not contain a laser transition element, so that the excitation intensity distribution in the excitation member is more uniform. Can be

本発明によれば、レーザロッドの中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することができる。   According to the present invention, the distribution of excitation intensity in a cross section perpendicular to the central axis of the laser rod can be made uniform.

以下、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Preferred embodiments of a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

図１に示す半導体レーザ励起固体レーザ装置１は、例えば、レーザシステムにおいて主増幅器として用いられるものである。図２２は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１を主増幅器として使用したダブルパス増幅方式のＭＯＰＡシステムの構成図である。同図に示すように、ＭＯＰＡシステム１００は、フロントエンド発振器１０１、プリアンプ１０２、光アイソレータ１０３、ビーム拡大器１０４、アポダイザ１０５、スペーシャルフィルタ１０６、光学系１０７、偏光器１１３、第１の主増幅器１０８ａ、９０度ローテータ１０９、第２の主増幅器１０８ｂ、拡がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、及び位相共役鏡（またはデフォーマブルミラー、折り返しミラー等）１１１を備えている。   A semiconductor laser excitation solid-state laser device 1 shown in FIG. 1 is used as a main amplifier in a laser system, for example. FIG. 22 is a configuration diagram of a double-pass amplification type MOPA system using the semiconductor laser pumped solid-state laser device 1 as a main amplifier. As shown in the figure, the MOPA system 100 includes a front-end oscillator 101, a preamplifier 102, an optical isolator 103, a beam expander 104, an apodizer 105, a spatial filter 106, an optical system 107, a polarizer 113, and a first main amplifier. 108a, 90 degree rotator 109, second main amplifier 108b, divergence angle adjuster 110, Faraday rotator 112, and phase conjugate mirror (or deformable mirror, folding mirror, etc.) 111.

フロントエンド発振器１０１は、高品質のパルスレーザ光を高い繰り返し周波数で発生させる。   The front end oscillator 101 generates high-quality pulsed laser light at a high repetition frequency.

プリアンプ１０２は、レーザ媒質を含む円柱状レーザロッドと、励起光源とから構成される（図示せず）。励起光源としては、半導体レーザが好適である。フロントエンド発振器１０１からのパルスレーザ光は、プリアンプ１０２を構成するレーザロッドの入射端面から該レーザロッドの長手方向に進行し、その出射端面から出力される。レーザロッドの周囲に配設されている励起光源からの励起光は、レーザロッドに含まれるレーザ媒質を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって、増幅されることになる。   The preamplifier 102 includes a cylindrical laser rod including a laser medium and an excitation light source (not shown). As the excitation light source, a semiconductor laser is suitable. Pulse laser light from the front-end oscillator 101 travels in the longitudinal direction of the laser rod from the incident end face of the laser rod constituting the preamplifier 102 and is output from the emission end face. Excitation light from an excitation light source disposed around the laser rod excites a laser medium included in the laser rod, thereby forming an inversion distribution and light of a specific wavelength is stimulated and emitted. With this configuration, the intensity of the pulsed laser light traveling through the laser rod is amplified as the travel proceeds.

なお、このプリアンプ１０２による増幅は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂによる増幅が飽和する程度にまで行うのが好適である。飽和増幅は主増幅器１０８ａ，１０８ｂの効率を最大にするためには必要不可欠だからである。   The amplification by the preamplifier 102 is preferably performed to such an extent that the amplification by the main amplifiers 108a and 108b is saturated. This is because saturation amplification is indispensable for maximizing the efficiency of the main amplifiers 108a and 108b.

光アイソレータ１０３は、戻り光、特に主増幅器１０８ａ，１０８ｂで増幅された戻りパルスレーザ光の偏光解消分がフロントエンド発振器１０１に逆入射するのを阻止する。   The optical isolator 103 prevents the return light, particularly the depolarized amount of the return pulse laser light amplified by the main amplifiers 108 a and 108 b, from being incident back to the front-end oscillator 101.

ビーム拡大器１０４は、プリアンプ１０２で増幅され、かつ光アイソレータ１０３を通過したパルスレーザ光のビーム径を拡大する。   The beam expander 104 expands the beam diameter of the pulsed laser light amplified by the preamplifier 102 and passed through the optical isolator 103.

アポダイザ１０５は、例えばセレーテッドアパーチャを用いて実現され、そこを通過するパルスレーザ光のビームプロファイルが平坦となるように、ビーム拡大器１０４にて拡大されたパルスレーザ光の一部を通過させ、残りの通過を阻止する。このアポダイザ１０５は、入射するパルスレーザ光の径方向中心部を通過させ、径方向周縁部の通過を阻止するように構成させることが好ましい。   The apodizer 105 is realized by using, for example, a selected aperture, and passes a part of the pulse laser light expanded by the beam expander 104 so that the beam profile of the pulse laser light passing therethrough becomes flat, Block the rest of the passage. The apodizer 105 is preferably configured to allow the incident pulse laser beam to pass through the central portion in the radial direction and to block the peripheral edge portion in the radial direction.

スペーシャルフィルタ１０６は、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光が有するビームプロファイルを、第１の主増幅器１０８ａへ像転送する。即ち、スペーシャルフィルタ１０６は、アポダイザ１０５を通過したレーザビームが、光学系１０７及び偏光器１１３を通過伝播後に、第１の主増幅器１０８ａに入射する位置で、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光を結像しビームプロファイルを一致させている。   The spatial filter 106 transfers the image of the beam profile of the pulse laser beam that has passed through the apodizer 105 to the first main amplifier 108a. That is, the spatial filter 106 transmits the pulse laser beam that has passed through the apodizer 105 at a position where the laser beam that has passed through the apodizer 105 enters the first main amplifier 108a after propagating through the optical system 107 and the polarizer 113. An image is formed and the beam profiles are matched.

光学系１０７は、アポダイザ１０５を通過したパルスレーザ光を第１の主増幅器１０８ａへ入射させるためのものである。光学系１０７は、一対のミラーにより構成されているが、適宜変更可能である。   The optical system 107 is for making the pulse laser beam that has passed through the apodizer 105 enter the first main amplifier 108a. The optical system 107 includes a pair of mirrors, but can be changed as appropriate.

偏光器１１３は、光学系１０７からのパルスレーザ光を通過させて第１の主増幅器１０８ａへ入射させ、位相共役鏡１１１により反射され増幅された第１の主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光を反射し光学系１０７への入射を阻止する。なお、偏光器１１３ではファラデーローテータ１１２を往復することで９０度偏光が回転されているため第１の主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光が反射され、このＭＯＰＡシステム１００の出力となる。   The polarizer 113 allows the pulse laser beam from the optical system 107 to pass through and enter the first main amplifier 108a, and reflects the pulse laser beam from the first main amplifier 108a reflected and amplified by the phase conjugate mirror 111. The incident on the optical system 107 is blocked. The polarizer 113 reciprocates the Faraday rotator 112 so that the 90-degree polarized light is rotated, so that the pulsed laser light from the first main amplifier 108 a is reflected and becomes the output of the MOPA system 100.

第１及び第２の主増幅器１０８ａ，１０８ｂは、ＭＯＰＡシステム１００における主増幅部１０８を構成する。偏光器１１３を通過してきたパルスレーザ光は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂにおいて、その進行とともに、レーザ光強度が増幅されることとなる。   The first and second main amplifiers 108 a and 108 b constitute the main amplification unit 108 in the MOPA system 100. The pulsed laser light that has passed through the polarizer 113 is amplified in the main amplifiers 108a and 108b as the laser light intensity proceeds.

主増幅器１０８ａ，１０８ｂについての具体的構成は図１及び図２に示されており、主増幅器１０８ａ，１０８ｂとしての固体レーザ装置１は、図１及び図２に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧロッドである円柱状のレーザロッド２を有している。なお、このレーザロッド２の表面には、ＡＲコート（図示せず）が施されている。これによって、透過損失の低減、規制発振の抑制がなされている。レーザロッド２の周囲には、その中心軸線ＣＬに沿って多数のＬＤ（Laser Diode）バー３が積層されて構成されたＬＤスタック（半導体レーザ）４が中心軸線ＣＬ回りに実質的に等しい間隔で（すなわち、実質的に等しい角度毎に）６個配置されている。各ＬＤスタック４の発光面４ａは、積層されたＬＤバー３の発光面３ａの集合であり、レーザロッド２に対面している。   The specific configuration of the main amplifiers 108a and 108b is shown in FIGS. 1 and 2, and the solid-state laser device 1 as the main amplifiers 108a and 108b is an Nd: YAG rod as shown in FIGS. A certain columnar laser rod 2 is provided. An AR coat (not shown) is applied to the surface of the laser rod 2. As a result, transmission loss is reduced and regulated oscillation is suppressed. Around the laser rod 2, an LD stack (semiconductor laser) 4 formed by laminating a number of LD (Laser Diode) bars 3 along the central axis CL is arranged at substantially equal intervals around the central axis CL. Six (ie, at substantially equal angles) are arranged. The light emitting surface 4 a of each LD stack 4 is a set of the light emitting surfaces 3 a of the stacked LD bars 3 and faces the laser rod 2.

ここで、図２２に戻り、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂについて、これを進行するパルスレーザ光の経路について説明する。   Here, referring back to FIG. 22, the path of the pulsed laser light traveling through the main amplifiers 108a and 108b constituting the MOPA system 100 will be described.

偏光器１１３を通過したパルスレーザ光は、主増幅器１０８ａ（図１における固体レーザ装置１）を構成するレーザロッドの入射面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの出射面から出力される。主増幅器１０８ａを構成するレーザロッドの周囲に配置されている励起光源からの励起光は、レーザロッドにドープされているレーザ遷移元素を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって増幅されることになる。   The pulsed laser light that has passed through the polarizer 113 travels in the longitudinal direction of the laser rod from the incident surface of the laser rod constituting the main amplifier 108a (solid-state laser device 1 in FIG. 1), and is output from the emitting surface of the laser rod. . Excitation light from an excitation light source arranged around the laser rod constituting the main amplifier 108a excites a laser transition element doped in the laser rod, thereby forming an inversion distribution and a specific wavelength. Light is stimulated emission. With this configuration, the intensity of the pulsed laser light traveling through the laser rod is amplified as the travel proceeds.

主増幅器１０８ａの出射端面から出力されたパルスレーザ光は、９０度ローテータ１０９を透過することにより偏光方向を９０度回転し、主増幅器１０８ｂに進行する。主増幅器１０８ａと主増幅器１０８ｂとの励起分布が等しい場合、このように偏光を９０度回転させることで偏光解消ロスを理論的に０に近づけられる。主増幅器１０８ｂを構成するレーザロッドの周囲に配置されている励起光源からの励起光は、レーザロッドにドープされているレーザ遷移元素を励起し、これにより、反転分布が形成され、特定の波長の光が誘導放出される。かかる構成により、レーザロッドを進行するパルスレーザ光の強度は、その進行にともなって増幅されることになる。なお、増幅器１０８ｂは、図１に示された固体レーザ装置１と同じ構成をとることで励起分布を一致させることが偏光解消ロス低減のためにも好ましい。   The pulsed laser light output from the emission end face of the main amplifier 108a passes through the 90-degree rotator 109, rotates the polarization direction by 90 degrees, and proceeds to the main amplifier 108b. When the main amplifier 108a and the main amplifier 108b have the same excitation distribution, the depolarization loss can theoretically approach zero by rotating the polarization by 90 degrees in this way. Excitation light from an excitation light source arranged around the laser rod constituting the main amplifier 108b excites a laser transition element doped in the laser rod, thereby forming an inversion distribution and a specific wavelength. Light is stimulated emission. With this configuration, the intensity of the pulsed laser light traveling through the laser rod is amplified as the travel proceeds. In order to reduce the depolarization loss, it is preferable that the amplifier 108b has the same configuration as the solid-state laser device 1 shown in FIG.

次に、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂを通過したパルスレーザ光の進行について説明する。   Next, the progression of the pulse laser beam that has passed through the main amplifiers 108a and 108b constituting the MOPA system 100 will be described.

主増幅器１０８ｂを透過したパルスレーザ光は、広がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、位相共役鏡１１１、ファラデーローテータ１１２、広がり角調整器１１０という順序で進行し、再び主増幅器１０８ｂに到達する。より、具体的には、先に説明したところの主増幅器１０８ｂを構成するレーザロッドの出射端面にパルスレーザ光は戻ってくる。そして、このパルスレーザ光は、かかるレーザロッドの出射面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの入射端面から出力されることとなる。この主増幅器１０８ｂから出力されたパルスレーザ光は、９０度ローテータ１０９を経由し、主増幅器器１０８ａに到達する。より具体的には、パルスレーザ光は、先に説明したところの主増幅器１０８ａを構成するレーザロッドの出射端面に戻ってくる。そして、このパルスレーザ光は、かかるレーザロッドの出射端面からレーザロッドの長手方向に進行し、レーザロッドの入射端面から出力されることとなる。それぞれの増幅器１０８ａ，１０８ｂにおいては、上記したところと同様に、パルスレーザ光がレーザロッドの長手方向に進行するとともに、その強度が増幅される。   The pulse laser light transmitted through the main amplifier 108b proceeds in the order of the spread angle adjuster 110, the Faraday rotator 112, the phase conjugate mirror 111, the Faraday rotator 112, and the spread angle adjuster 110, and reaches the main amplifier 108b again. More specifically, the pulsed laser light returns to the emission end face of the laser rod constituting the main amplifier 108b as described above. The pulsed laser light travels in the longitudinal direction of the laser rod from the exit surface of the laser rod and is output from the incident end surface of the laser rod. The pulse laser beam output from the main amplifier 108b reaches the main amplifier 108a via the 90 degree rotator 109. More specifically, the pulsed laser light returns to the emission end face of the laser rod constituting the main amplifier 108a as described above. The pulsed laser light travels in the longitudinal direction of the laser rod from the emitting end face of the laser rod and is output from the incident end face of the laser rod. In each of the amplifiers 108a and 108b, as described above, the pulse laser beam travels in the longitudinal direction of the laser rod and the intensity thereof is amplified.

上述した説明から明らかな通り、図２２に示したＭＯＰＡシステム１００は、ダブルパス式のＭＯＰＡシステムである。   As is clear from the above description, the MOPA system 100 shown in FIG. 22 is a double-pass MOPA system.

つまり、偏光器１１３を通過し、主増幅器１０８ａ、９０度ローテータ１０９、主増幅器１０８ｂ、広がり角調整器１１０、ファラデーローテータ１１２、位相共役鏡１１１に至る経路を「往路」とし、位相共役鏡１１１、ファラデーローテータ１１２、広がり角調整器１１０、主増幅器１０８ｂ、９０度ローテータ１０９、主増幅器１０８ａ、偏光器１１３に至る経路を「復路」とすれば、往路、復路を通じて、被増幅光であるパルスレーザ光は、それぞれの主増幅器１０８ａ，１０８ｂを２回通過（ダブルパス）することが認められる。   That is, a path that passes through the polarizer 113 and reaches the main amplifier 108a, the 90-degree rotator 109, the main amplifier 108b, the divergence angle adjuster 110, the Faraday rotator 112, and the phase conjugate mirror 111 is referred to as an “outward path”, and the phase conjugate mirror 111, If the path to the Faraday rotator 112, the divergence angle adjuster 110, the main amplifier 108b, the 90-degree rotator 109, the main amplifier 108a, and the polarizer 113 is a “return path”, the pulse laser beam that is the amplified light is transmitted through the forward path and the return path. Is seen to pass through each main amplifier 108a, 108b twice (double pass).

なお、このようなダブルパスさせるＭＯＰＡシステム１００において、これを構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂの数を増加させることで、パルスレーザ光の強度をより高いものとすることもできる。   Note that in such a double-pass MOPA system 100, the intensity of the pulsed laser light can be increased by increasing the number of main amplifiers 108a and 108b constituting the same.

上述した説明によれば、パルスレーザ光の強度は、主増幅器１０８ａ，１０８ｂ内の反転分布が枯渇しない限り主増幅器１０８ａ，１０８ｂを透過するたびに増加していく。ここで、仮にこのパルスレーザ光について、その進行方向に対して垂直な面における強度分布に強度差が生じるとすれば、主増幅器１０８ａ，１０８ｂをパスするたびに、強度差の度合いは非線形に強調されていく。また、パルスレーザ光が有する２次元状の強度分布に起因して、レーザロッド端面に存するＡＲコートに一部破壊が生じた場合には、パルスレーザ光の強度分布はさらに悪化し、ひいてはＭＯＰＡシステム１００がダウンする原因ともなる。   According to the above description, the intensity of the pulsed laser light increases every time it passes through the main amplifiers 108a and 108b unless the inversion distribution in the main amplifiers 108a and 108b is depleted. Here, assuming that an intensity difference occurs in the intensity distribution in a plane perpendicular to the traveling direction of the pulse laser light, the intensity difference degree is nonlinearly emphasized every time the main amplifiers 108a and 108b are passed. It will be done. If the AR coating on the end face of the laser rod is partially broken due to the two-dimensional intensity distribution of the pulse laser beam, the intensity distribution of the pulse laser beam is further deteriorated, and the MOPA system This also causes 100 to go down.

したがって、かかる強度分布を生じないようにすることは、多重パス増幅に特徴があるＭＯＰＡシステム１００においては、特に重要となり、そのためには、ＭＯＰＡシステム１００を構成する主増幅器１０８ａ，１０８ｂにおけるレーザロッドについて、その中心軸線に垂直な断面における励起強度の分布を均一化することが必要となる。パルスレーザ光は、かかるレーザロッドの長手方向を進行するに従って、強度が増幅されるからである。   Accordingly, it is particularly important in the MOPA system 100 that is characterized by multipath amplification to prevent such an intensity distribution from occurring. For this purpose, the laser rods in the main amplifiers 108a and 108b that constitute the MOPA system 100 are used. It is necessary to make the excitation intensity distribution uniform in a cross section perpendicular to the central axis. This is because the intensity of the pulsed laser light is amplified as it travels in the longitudinal direction of the laser rod.

再び、図２２に示されたＭＯＰＡシステム１００の構成について続きを説明する。   Again, a continuation is demonstrated about the structure of the MOPA system 100 shown by FIG.

９０度ローテータ１０９は、往路においては、主増幅器１０８ａから主増幅器１０８ｂへ向かうパルスレーザ光の偏光方向を９０度回転させ、復路においては、主増幅器１０８ｂから主増幅器１０８ａへ向かうパルスレーザ光の偏光方向を９０度回転させる。   The 90-degree rotator 109 rotates the polarization direction of the pulse laser beam from the main amplifier 108a toward the main amplifier 108b in the forward path by 90 degrees, and the polarization direction of the pulse laser beam from the main amplifier 108b toward the main amplifier 108a in the return path. Rotate 90 degrees.

広がり角調整器１１０は、往路において、主増幅器１０８ａからのパルスレーザ光の広がり角を調整して平行光に変換する。   The divergence angle adjuster 110 adjusts the divergence angle of the pulsed laser light from the main amplifier 108a and converts it into parallel light in the forward path.

ファラデーローテータ１１２は、広がり角調整器１１０からのパルスレーザ光の偏光方向と位相共役鏡１１１からの戻りパルスレーザ光の偏光方向とが直交するように、広がり角調整器１１０からのパルスレーザ光及び位相共役鏡１１１からの戻りパルスレーザ光の偏光方向を４５度ずつ回転させる。（往路、復路では進行方向に対して偏光は反対方向に回転する。）   The Faraday rotator 112 includes the pulse laser light from the divergence angle adjuster 110 and the polarization direction of the pulse laser light from the divergence angle adjuster 110 so that the polarization direction of the return pulse laser light from the phase conjugate mirror 111 is orthogonal. The polarization direction of the return pulse laser beam from the phase conjugate mirror 111 is rotated by 45 degrees. (The polarized light rotates in the opposite direction with respect to the traveling direction on the forward and return paths.)

位相共役鏡１１１は、主増幅部１０８でのダブルパス増幅を実現するために、ファラデーローテータ１１２を通過したパルスレーザ光を、その波面を保存した形で反射し、戻りパルスレーザ光としてファラデーローテータ１１２へ入射させる。   The phase conjugate mirror 111 reflects the pulsed laser beam that has passed through the Faraday rotator 112 in a form that preserves its wavefront in order to realize double-pass amplification in the main amplification unit 108, and returns it to the Faraday rotator 112 as a return pulsed laser beam. Make it incident.

図１に戻り、主増幅器１０８ａ，１０８ｂとしての固体レーザ装置１の構成について続いて説明する。   Returning to FIG. 1, the configuration of the solid-state laser device 1 as the main amplifiers 108a and 108b will be described subsequently.

上述したように、図１及び図２には、主増幅部１０８ａ，１０８ｂを構成する増幅器としての固体レーザ装置１が示されており、かかる固体レーザ装置１は、Ｎｄ：ＹＡＧロッドである円柱状のレーザロッド２を有している。このレーザロッド２の表面には、ＡＲコートが施されている。ＭＯＰＡシステム１００に生じる透過損失や規制発振を抑制するためである。   As described above, FIG. 1 and FIG. 2 show the solid-state laser device 1 as an amplifier constituting the main amplification units 108a and 108b, and the solid-state laser device 1 is a cylindrical shape which is an Nd: YAG rod. The laser rod 2 is provided. An AR coat is applied to the surface of the laser rod 2. This is to suppress transmission loss and regulated oscillation that occur in the MOPA system 100.

レーザロッド２の周囲には、その中心軸線ＣＬに沿って多数のＬＤバー３が積層されて構成されたＬＤスタック４が中心軸線ＣＬ回りに実質的に等しい間隔で（すなわち、実質的に等しい角度毎に）６個配置されている。各ＬＤスタック４の発光面４ａは、積層されたＬＤバー３の発光面３ａの集合であり、レーザロッド２に対面している。   Around the laser rod 2, an LD stack 4 formed by laminating a number of LD bars 3 along the central axis CL is arranged at substantially equal intervals around the central axis CL (that is, substantially equal angles). 6 are arranged for each). The light emitting surface 4 a of each LD stack 4 is a set of the light emitting surfaces 3 a of the stacked LD bars 3 and faces the laser rod 2.

なお、各ＬＤスタック４は、隣り合うＬＤスタック４が中心軸線ＣＬ方向にオフセットした状態で配置されることで、中心軸線ＣＬ回りに千鳥状に並んでレーザロッド２を取り囲んでいる。これは、各ＬＤスタック４の発光面４ａから出射された励起光Ｌがレーザロッド２の所定の部分に集中して照射されることによりレーザロッド２が破壊されるのを防止するためである。   Each LD stack 4 is arranged in a state in which adjacent LD stacks 4 are offset in the direction of the central axis CL, and surrounds the laser rods 2 in a zigzag manner around the central axis CL. This is to prevent the laser rod 2 from being broken by the excitation light L emitted from the light emitting surface 4 a of each LD stack 4 being concentrated and irradiated on a predetermined portion of the laser rod 2.

また、各ＬＤスタック４の内方側には、レーザロッド２の周面を取り囲むように円筒状に形成された透明ガラス製のフローチューブ６が配置されている。このフローチューブ６内には、レーザロッド２を冷却するための冷却水が循環供給される。   Further, a transparent glass flow tube 6 formed in a cylindrical shape so as to surround the peripheral surface of the laser rod 2 is arranged on the inner side of each LD stack 4. Cooling water for cooling the laser rod 2 is circulated and supplied into the flow tube 6.

以上のように構成された半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、各ＬＤスタック４の発光面４ａから出射された励起光Ｌが、透明ガラス製のフローチューブ６を透過してレーザロッド２に照射される。この励起光Ｌの照射によりレーザロッド２が励起されるため、レーザロッド２の入射面２ａからレーザ光がレーザロッド２内に入射すると、当該レーザ光は、増幅されてレーザロッド２の出射面２ｂから出射することになる。   In the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1 configured as described above, the excitation light L emitted from the light emitting surface 4a of each LD stack 4 passes through the transparent glass flow tube 6 and irradiates the laser rod 2. Is done. Since the laser rod 2 is excited by the irradiation of the excitation light L, when the laser light enters the laser rod 2 from the incident surface 2a of the laser rod 2, the laser light is amplified and emitted from the emission surface 2b of the laser rod 2. It will be emitted from.

次に、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離について説明する。   Next, the distance between the central axis CL of the laser rod 2 and the light emitting surface 4a of the LD stack 4 will be described.

当該距離は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向（発光面４ａに平行で且つレーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な方向）においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように設定する。すなわち、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、レーザロッド２の直径並びにフローチューブ６の内径及び外径に応じて、発光面４ａから出射された励起光Ｌの光線追跡を行い、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離を決定する。これは、ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌをレーザロッド２の励起に最大限に利用するためである。   The distance is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction (the direction parallel to the light emitting surface 4a and perpendicular to the central axis CL of the laser rod 2) of the excitation light L reaching the laser rod 2. Set as follows. That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, according to the diameter of the laser rod 2 and the inner and outer diameters of the flow tube 6, ray tracing of the excitation light L emitted from the light emitting surface 4a is performed. The distance between the central axis CL of the laser rod 2 and the light emitting surface 4a of the LD stack 4 is determined so that the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction. To do. This is because the excitation light L emitted from the LD stack 4 is used to the maximum for the excitation of the laser rod 2.

なお、図４に示すように、フローチューブ６がない場合には、レーザロッド２の半径をＲとし、スロー軸方向における発光面４ａでの励起光Ｌの幅をＨとし、スロー軸方向における励起光Ｌの拡がり半角をθとすると、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるためには、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離Ｄが次の式（１）を満たせばよい。
Ｒ≒Ｈ／２＋（Ｄ−Ｒ）tanθ…（１） As shown in FIG. 4, when there is no flow tube 6, the radius of the laser rod 2 is R, the width of the excitation light L on the light emitting surface 4a in the slow axis direction is H, and the excitation in the slow axis direction is performed. If the half angle of the light L is θ, the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction. The distance D with respect to the light emitting surface 4a of the stack 4 should just satisfy | fill following Formula (1).
R≈H / 2 + (D−R) tan θ (1)

次に、レーザロッド２内における励起光Ｌの強度について説明する。ここでは、図２においてレーザロッド２の真上に配置されたＬＤスタック４に着目して説明するが、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の他のＬＤスタック４についても同様である。   Next, the intensity of the excitation light L in the laser rod 2 will be described. Here, description will be given focusing on the LD stack 4 disposed immediately above the laser rod 2 in FIG. 2, but the same applies to the other LD stacks 4 of the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1.

レーザロッド２に到達した励起光Ｌの強度をＩ０とし、レーザロッド２による励起光Ｌの実効的な吸収係数をαとし、レーザロッド２の半径をＲとすると、レーザロッド２内における励起光Ｌの強度Ｉ(ｔ)は次の式（２）で表される。
Ｉ(ｔ)＝Ｉ０・exp(−αｔ)…（２） When the intensity of the excitation light L reaching the laser rod 2 is I 0 , the effective absorption coefficient of the excitation light L by the laser rod 2 is α, and the radius of the laser rod 2 is R, the excitation light in the laser rod 2 The intensity I (t) of L is expressed by the following equation (2).
I (t) = I 0 · exp (−αt) (2)

ここで、ｔは、レーザロッド２において、ＬＤスタック４に最も近い位置Ｐ０から中心位置Ｐ１を通って最も遠い位置（反対位置）Ｐ２に至る励起光Ｌの伝播距離である。また、αは、レーザロッド２におけるレーザ遷移元素の濃度ｄ、励起光Ｌの中心波長λ、及び励起光Ｌのスペクトル幅Δλの関数として表され、これらのパラメータにより決定される係数である。 Here, t is the propagation distance of the pumping light L from the position P 0 closest to the LD stack 4 to the farthest position (opposite position) P 2 through the center position P 1 in the laser rod 2. Α is a coefficient that is expressed as a function of the concentration d of the laser transition element in the laser rod 2, the center wavelength λ of the excitation light L, and the spectral width Δλ of the excitation light L, and is determined by these parameters.

そして、この半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、図５に示すように、レーザロッド２の中心位置Ｐ１（ｔ＝Ｒ）での励起光Ｌの強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ０・exp(−αＲ)がＩ０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ０／Ｎを満たし、レーザロッド２の反対位置Ｐ２（ｔ＝２Ｒ）での励起光Ｌの強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ０・exp(−２αＲ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ０を満たすように、各パラメータが設定されている。なお、ＮはＬＤスタック４の数量であり、この固体レーザ装置１ではＮ＝６である。 In the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1, as shown in FIG. 5, the intensity I (R) = I 0 · exp () of the excitation light L at the center position P 1 (t = R) of the laser rod 2 is obtained. −αR) satisfies I 0 / N <I (R) <2I 0 / N, and the intensity I (2R) = I 0 · exp of the excitation light L at the opposite position P 2 (t = 2R) of the laser rod 2 Each parameter is set so that (−2αR) satisfies 0 <I (2R) <0.3I 0 . Note that N is the quantity of the LD stack 4, and N = 6 in the solid-state laser device 1.

以上のように、半導体レーザ励起固体レーザ装置１においては、各ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌは、レーザロッド２の中心位置Ｐ１で強度Ｉ(Ｒ)がＩ０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ０／Ｎとなるように吸収されると共に、レーザロッド２の反対位置Ｐ２で強度Ｉ(２Ｒ)が０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ０となるように吸収される。ここで、ＬＤスタック４の数量はＮ（＝６）であるから、各ＬＤスタック４から出射された励起光Ｌが重なり合った励起光の強度、すなわち重畳励起光の強度は、レーザロッド２の中心位置Ｐ１でＩ(Ｒ)をＮ（＝６）倍したものとなる。しかも、各ＬＤスタック４は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるように、レーザロッド２の周囲に実質的に等しい間隔で配置されている。従って、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面において重畳励起光の強度が均一化されることになるため、当該断面における励起強度の分布を均一化することができる。 As described above, in the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1, the excitation light L emitted from each LD stack 4 has the intensity I (R) at the center position P 1 of the laser rod 2 and I 0 / N <I ( R) <2I 0 / N is absorbed, and at the opposite position P 2 of the laser rod 2 , the intensity I (2R) is absorbed so that 0 <I (2R) <0.3I 0 . Here, since the number of the LD stacks 4 is N (= 6), the intensity of the excitation light with which the excitation light L emitted from each LD stack 4 overlaps, that is, the intensity of the superimposed excitation light is the center of the laser rod 2. in position P 1 a that I a (R) N (= 6) multiplied. In addition, each LD stack 4 is spaced at substantially equal intervals around the laser rod 2 so that the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction. Has been placed. Accordingly, since the intensity of the superimposed excitation light is made uniform in the cross section perpendicular to the central axis CL of the laser rod 2, the distribution of the excitation intensity in the cross section can be made uniform.

次に、半導体レーザ励起固体レーザ装置１の実施例について、比較例を挙げて説明する。   Next, examples of the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1 will be described with reference to comparative examples.

図６に示すように、実施例１及び比較例１〜１１について各パラメータを設定し、実施例１及び比較例１〜１１のそれぞれについて求めた「レーザロッド２における励起強度の分布を示すグラフ」を図７〜図１８に示す。なお、図７〜図１８に示されるグラフの径方向位置とは、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面における図２のI−I線に沿っての位置である。また、実施例１及び比較例１〜１１について共通するパラメータは次の通りである。
ＬＤスタックの数量Ｎ：６個
レーザロッドの半径Ｒ：６ｍｍ
励起光の中心波長λ：８０８ｎｍ
励起光のスペクトル幅Δλ：４．５ｎｍ
フローチューブの内半径／外半径：９．５ｍｍ／１４ｍｍ As shown in FIG. 6, each parameter was set for Example 1 and Comparative Examples 1 to 11, and a “graph showing the distribution of excitation intensity in the laser rod 2” obtained for Example 1 and Comparative Examples 1 to 11 respectively. Are shown in FIGS. In addition, the radial direction position of the graph shown by FIGS. 7-18 is a position along the II line | wire of FIG. 2 in the cross section perpendicular | vertical to the center axis line CL of the laser rod 2. FIG. The parameters common to Example 1 and Comparative Examples 1 to 11 are as follows.
LD stack quantity N: 6 Laser rod radius R: 6mm
Center wavelength of excitation light λ: 808 nm
Spectral width of excitation light Δλ: 4.5 nm
Inner radius / outer radius of flow tube: 9.5 mm / 14 mm

また、図６において、レーザロッド２の中心軸線ＣＬとＬＤスタック４の発光面４ａとの距離Ｄが５５ｍｍで、且つスロー軸方向における励起光Ｌの拡がり半角θが６．８度（１／ｅ２）の場合に、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなる。その他の場合は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径より小さくなる。 In FIG. 6, the distance D between the central axis CL of the laser rod 2 and the light emitting surface 4a of the LD stack 4 is 55 mm, and the half angle θ of the excitation light L in the slow axis direction is 6.8 degrees (1 / e In the case of 2 ), the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction. In other cases, the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is smaller than the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction.

図７〜図１８に示されるグラフから、実施例１（図１０）についての励起強度の分布が、比較例１〜１１（図７〜図９、図１１〜図１８）についての励起光の強度分布よりも均一化されていることが分かる。   From the graphs shown in FIGS. 7 to 18, the excitation intensity distribution for Example 1 (FIG. 10) is the intensity of the excitation light for Comparative Examples 1 to 11 (FIGS. 7 to 9 and FIGS. 11 to 18). It can be seen that the distribution is more uniform than the distribution.

本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態は、半導体レーザ励起固体レーザ装置１がレーザ光増幅器として用いられる場合であったが、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置はレーザ光発振器等にも適用可能である。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the above embodiment is a case where the semiconductor laser excitation solid-state laser device 1 is used as a laser light amplifier, but the semiconductor laser excitation solid-state laser device according to the present invention can also be applied to a laser light oscillator or the like.

また、上記実施形態は、ＬＤスタック４の数量が６個の場合であったが、本発明では、半導体レーザの数量は複数であれば幾つでも構わない。   In the above-described embodiment, the number of LD stacks 4 is 6. However, in the present invention, any number of semiconductor lasers may be used as long as the number is plural.

また、上記実施形態は、レーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がスロー軸方向においてレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるようにＬＤスタック４を配置した場合であったが、本発明では、半導体レーザの発光面に平行で且つレーザロッドの中心軸線に垂直な方向において励起光がレーザロッドを実質的に含むように半導体レーザを配置してもよい。なお、図２に示すように、ＬＤスタック４の発光面４ａとレーザロッド２との間に、励起光Ｌの拡がり角を補正する補正レンズ７を配置してもよい。このような補正レンズ７を配置することで、発光面４ａから出射された励起光Ｌの拡がり角を補正し、スロー軸方向において励起光Ｌがレーザロッド２を実質的に含むように、又はレーザロッド２に到達した励起光Ｌの幅がレーザロッド２の直径と実質的に等しくなるようにすることができる。   In the above embodiment, the LD stack 4 is arranged so that the width of the excitation light L reaching the laser rod 2 is substantially equal to the diameter of the laser rod 2 in the slow axis direction. Then, the semiconductor laser may be arranged so that the excitation light substantially includes the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface of the semiconductor laser and perpendicular to the central axis of the laser rod. As shown in FIG. 2, a correction lens 7 that corrects the divergence angle of the excitation light L may be disposed between the light emitting surface 4 a of the LD stack 4 and the laser rod 2. By disposing such a correction lens 7, the spread angle of the excitation light L emitted from the light emitting surface 4 a is corrected, and the excitation light L substantially includes the laser rod 2 in the slow axis direction or the laser. It is possible to make the width of the excitation light L reaching the rod 2 substantially equal to the diameter of the laser rod 2.

また、図１９に示すように、レーザロッド２が、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材１１と、励起部材１１に密接して励起部材１１を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層１２とを有するようにしてもよい。レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面に着目した場合、レーザロッド２の中心部では、レーザロッド２の周面近傍に比べて励起強度の分布がより均一化される。そのため、レーザロッド２の中心部を、レーザ遷移元素を含有する励起部材１１とし、レーザロッド２の周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層１２とすることで、励起部材１１における励起強度の分布をより均一化することができる。   As shown in FIG. 19, the laser rod 2 includes a cylindrical excitation member 11 containing a laser transition element, and a cylindrical shape that surrounds the excitation member 11 in close contact with the excitation member 11 and does not contain a laser transition element. The sleeve layer 12 may be included. When attention is paid to the cross section perpendicular to the central axis CL of the laser rod 2, the distribution of the excitation intensity is made more uniform in the central portion of the laser rod 2 than in the vicinity of the peripheral surface of the laser rod 2. For this reason, the excitation member 11 containing the laser transition element is used as the central portion of the laser rod 2 and the sleeve layer 12 containing no laser transition element is used in the vicinity of the peripheral surface of the laser rod 2, thereby Can be made more uniform.

図２０は、スリーブ層１２がなく励起部材１１のみからなるレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布を示すグラフであり、図２１は、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布を示すグラフである。なお、図２０及び図２１に示されるグラフにおいて、実線で示されるデータについての径方向位置とは、レーザロッド２の中心軸線ＣＬに垂直な断面における図２のI−I線に沿っての位置であり、破線で示されるデータについての径方向位置とは、図２のII−II線に沿っての位置である。また、各パラメータは次の通りである。
ＬＤスタックの数量Ｎ：６個
レーザロッドの中心軸線とＬＤスタックの発光面との距離Ｄ：５５ｍｍ
レーザロッドの半径Ｒ：６．５ｍｍ
励起部材におけるレーザ遷移元素の濃度ｄ：０．６at％
スロー軸方向における励起光の拡がり半角θ：６．８度（１／ｅ２）
励起光の中心波長λ：８０８ｎｍ
励起光のスペクトル幅Δλ：４．５ｎｍ
フローチューブの内半径／外半径：９．５ｍｍ／１４ｍｍ FIG. 20 is a graph showing the distribution of excitation intensity in the excitation member 11 for the laser rod 2 that is composed only of the excitation member 11 without the sleeve layer 12, and FIG. 21 is a laser rod having the excitation member 11 and the sleeve layer 12. 2 is a graph showing the excitation intensity distribution in the excitation member 11 for 2; In the graphs shown in FIGS. 20 and 21, the radial position for the data indicated by the solid line is the position along the line II in FIG. 2 in the cross section perpendicular to the central axis CL of the laser rod 2. The radial position for the data indicated by the broken line is a position along the line II-II in FIG. Each parameter is as follows.
LD stack quantity N: 6 Distance D: 55 mm between the center axis of the laser rod and the light emitting surface of the LD stack
Laser rod radius R: 6.5 mm
Concentration of laser transition element in the excitation member d: 0.6 at%
Excitation light half-angle θ in the slow axis direction: 6.8 degrees (1 / e 2 )
Center wavelength of excitation light λ: 808 nm
Spectral width of excitation light Δλ: 4.5 nm
Inner radius / outer radius of flow tube: 9.5 mm / 14 mm

また、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についてのスリーブ層１２の内半径／外半径は５．０ｍｍ／６．５ｍｍである。   The inner radius / outer radius of the sleeve layer 12 for the laser rod 2 having the excitation member 11 and the sleeve layer 12 is 5.0 mm / 6.5 mm.

図２０及び図２１に示されるグラフからも、スリーブ層１２がなく励起部材１１のみからなるレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布に比べ、励起部材１１とスリーブ層１２とを有するレーザロッド２についての励起部材１１における励起強度の分布の方がより均一化されていることが分かる。なお、レーザロッド２の周面近傍は、回折損失を考慮するとレーザ光を通過させない方がよいため、レーザロッド２の周面近傍を、レーザ遷移元素を含有しないスリーブ層１２としても問題はない。   From the graphs shown in FIGS. 20 and 21, the laser having the excitation member 11 and the sleeve layer 12 as compared with the distribution of the excitation intensity in the excitation member 11 for the laser rod 2 having only the excitation member 11 without the sleeve layer 12. It can be seen that the excitation intensity distribution in the excitation member 11 for the rod 2 is made more uniform. In addition, since it is better not to allow laser light to pass near the peripheral surface of the laser rod 2 in consideration of diffraction loss, there is no problem even if the vicinity of the peripheral surface of the laser rod 2 is the sleeve layer 12 containing no laser transition element.

本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の一実施形態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment of a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the present invention. 図１の半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図である。It is a front view of the semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus of FIG. 発光面から出射された励起光の光線追跡の様子を示す図であり、（ａ）は、レーザロッドの半径が６ｍｍでフローチューブの内半径／外半径が７ｍｍ／１０ｍｍの場合であり、（ｂ）は、レーザロッドの半径が６ｍｍでフローチューブの内半径／外半径が７ｍｍ／３０ｍｍの場合である。It is a figure which shows the mode of the ray tracing of the excitation light radiate | emitted from the light emission surface, (a) is a case where the radius of a laser rod is 6 mm, and the inner radius / outer radius of a flow tube is 7 mm / 10mm, (b ) Is the case where the radius of the laser rod is 6 mm and the inner radius / outer radius of the flow tube is 7 mm / 30 mm. フローチューブがない場合の「レーザロッドの中心軸線とＬＤスタックの発光面との距離」を説明するための図である。It is a figure for demonstrating "the distance of the center axis line of a laser rod, and the light emission surface of LD stack" when there is no flow tube. 励起光の伝播距離と励起光の強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the propagation distance of excitation light, and the intensity | strength of excitation light. 実施例１及び比較例１〜１１についての各パラメータを示す表である。It is a table | surface which shows each parameter about Example 1 and Comparative Examples 1-11. 比較例１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。6 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 1. 比較例２についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 2. 比較例３についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 3. 実施例１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。3 is a graph showing the distribution of excitation intensity in the laser rod for Example 1. 比較例４についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing a distribution of excitation intensity in a laser rod for Comparative Example 4. 比較例５についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 5. 比較例６についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 6. 比較例７についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 7. 比較例８についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 8. 比較例９についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 9. 比較例１０についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。10 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 10. 比較例１１についてのレーザロッドにおける励起強度の分布を示すグラフである。14 is a graph showing the excitation intensity distribution in the laser rod for Comparative Example 11. 本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の変形例を示す正面図である。It is a front view which shows the modification of the semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus which concerns on this invention. スリーブ層がなく励起部材のみからなるレーザロッドについての励起部材における励起強度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the excitation intensity | strength in the excitation member about the laser rod which does not have a sleeve layer but consists only of an excitation member. 励起部材とスリーブ層とを有するレーザロッドについての励起部材における励起強度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the excitation intensity in the excitation member about the laser rod which has an excitation member and a sleeve layer. 図１の半導体レーザ励起固体レーザ装置を主増幅器として使用したＭＯＰＡシステムの構成図である。It is a block diagram of the MOPA system which uses the semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus of FIG. 1 as a main amplifier.

符号の説明Explanation of symbols

１…半導体レーザ励起固体レーザ装置、２…レーザロッド、４…ＬＤスタック（半導体レーザ）、４ａ…発光面、７…補正レンズ、Ｌ…励起光、ＣＬ…中心軸線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus, 2 ... Laser rod, 4 ... LD stack (semiconductor laser), 4a ... Light emission surface, 7 ... Correction lens, L ... Excitation light, CL ... Center axis line

Claims (4)

半導体レーザの発光面から出射された励起光を円柱状のレーザロッドに照射することにより前記レーザロッドを励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、
前記半導体レーザは、前記発光面に平行で且つ前記レーザロッドの中心軸線に垂直な方向において前記励起光が前記レーザロッドを実質的に含むように、前記レーザロッドの周囲に実質的に等しい間隔で複数配置されており、
前記レーザロッドに到達した前記励起光の強度をＩ０とし、前記レーザロッドによる前記励起光の実効的な吸収係数をαとし、前記レーザロッドの半径をＲとし、前記半導体レーザの数量をＮとすると、
前記レーザロッドの中心位置での前記励起光の強度Ｉ(Ｒ)＝Ｉ０・exp(−αＲ)は、Ｉ０／Ｎ＜Ｉ(Ｒ)＜２Ｉ０／Ｎを満たし、
前記レーザロッドの反対位置での前記励起光の強度Ｉ(２Ｒ)＝Ｉ０・exp(−２αＲ)は、０＜Ｉ(２Ｒ)＜０．３Ｉ０を満たすことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。 A semiconductor laser excitation solid-state laser device that excites the laser rod by irradiating a cylindrical laser rod with excitation light emitted from a light emitting surface of a semiconductor laser,
The semiconductor laser is arranged at substantially equal intervals around the laser rod such that the excitation light substantially includes the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. There are several,
The intensity of the excitation light reaching the laser rod is I 0 , the effective absorption coefficient of the excitation light by the laser rod is α, the radius of the laser rod is R, and the number of the semiconductor lasers is N Then
The intensity I (R) = I 0 · exp (−αR) of the excitation light at the center position of the laser rod satisfies I 0 / N <I (R) <2I 0 / N,
Intensity I (2R) = I 0 · exp (−2αR) of the excitation light at the opposite position of the laser rod satisfies 0 <I (2R) <0.3I 0 Laser device. 前記レーザロッドに到達した前記励起光の幅は、前記発光面に平行で且つ前記レーザロッドの中心軸線に垂直な方向において、前記レーザロッドの直径と実質的に等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。   The width of the excitation light reaching the laser rod is substantially equal to the diameter of the laser rod in a direction parallel to the light emitting surface and perpendicular to the central axis of the laser rod. The semiconductor laser excitation solid-state laser device described. 前記発光面と前記レーザロッドとの間には、前記励起光の拡がり角を補正する補正レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。   The semiconductor laser excitation solid-state laser device according to claim 1, wherein a correction lens that corrects a spread angle of the excitation light is disposed between the light emitting surface and the laser rod. 前記レーザロッドは、レーザ遷移元素を含有する円柱状の励起部材と、前記励起部材に密接して前記励起部材を包囲すると共にレーザ遷移元素を含有しない円筒状のスリーブ層とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。   The laser rod includes a cylindrical excitation member containing a laser transition element, and a cylindrical sleeve layer that surrounds the excitation member in close contact with the excitation member and does not contain a laser transition element. The semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus as described in any one of Claims 1-3.
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