JP2005322713A

JP2005322713A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2005322713A
Application number: JP2004138190A
Authority: JP
Inventors: Norihide Noda; 憲秀野田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持する。
【解決手段】複屈折性を有し励起レーザ光Ｌｅにより励起され発振レーザ光を発振する固体レーザ媒質１２と、複屈折性を有し発振レーザ光の波長を変換する非線形光学素子１３と、出力ミラー１４と、固体レーザ媒質１２と非線形光学素子１３と出力ミラー１４とにより構成されるレーザ共振器１７の温度を制御して出力レーザ光Ｌｏの偏光方向および偏光比が所定範囲に入るように制御する温度制御回路１９とを具備する。
【効果】出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る固体レーザ装置に関する。

従来の固体レーザ装置では、温度変動による出力レーザ光の波長変動を抑制するために、レーザ共振器を構成する各部品の温度を一定に温度調整している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−８２８５９号公報（［０００６］［００１６］）

複屈折性を有する固体レーザ媒質および光学素子を含むレーザ共振器により出力レーザ光を出力する固定レーザ装置では、固体レーザ媒質および光学素子におけるレターデーション（retardation）によって、偏光方向および偏光比が影響を受ける（偏光方向および偏光比の定義については後述する）。
しかし、上記従来の固体レーザ装置では、レーザ共振器を温調して出力レーザ光の波長変動を抑制してはいたが、出力レーザ光の偏光方向および偏光比の制御については全く考慮していなかった。このため、出力レーザ光の偏光方向および偏光比が、所望の範囲から外れてしまうことがある問題点があった。
そこで、本発明の目的は、出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る固体レーザ装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、励起光を出射する励起光源と、複屈折性を有する固体レーザ媒質および光学素子を含み前記励起光に応じて出力レーザ光を発生するレーザ共振器と、前記出力レーザ光の偏光方向および偏光比が所定範囲に入るように前記共振器を温度節調する温調手段とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第１の観点による固体レーザ装置では、出力レーザ光の偏光方向および偏光比が所定範囲に入るように、レーザ共振器の温調を行うので、出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る。

第２の観点では、本発明は、上記構成の固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ_４であることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第２の観点による固体レーザ装置では、例えば、励起光が８１０[ｎｍ]であるとき、レーザ媒質によって波長１０６４[ｎｍ]のレーザ光を発振することが出来る。

第３の観点では、本発明は、上記構成の固体レーザ装置において、前記複屈折性を有する光学素子は、前記固体レーザ媒質が発振するレーザ光の波長を変換する非線形光学素子であることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第３の観点による固体レーザ装置では、非線形光学素子によって所望の波長の出力レーザ光を得ることが出来る。

第４の観点では、本発明は、上記構成の固体レーザ装置において、前記非線形光学素子が、ＫＴｉＯＰＯ_４であることを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
上記第４の観点による固体レーザ装置では、例えば、レーザ媒質で波長が１０６４[ｎｍ]のレーザ光を発振させたとき、非線形光学素子によって波長が５３２[ｎｍ]の第２高調波光を発生させ、出力レーザ光とすることが出来る。

本発明の固体レーザ装置によれば、出力レーザ光の偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る固体レーザ装置１００を示す説明図である。
この固体レーザ装置１００は、波長８１０[ｎｍ]の励起レーザ光Ｌｅを発生する半導体レーザ１０と、励起レーザ光Ｌｅを集光するレンズ系１１と、複屈折性を有し励起レーザ光Ｌｅにより励起され波長１０６４[ｎｍ]の発振レーザ光を発振する固体レーザ媒質１２と、固体レーザ媒質１２の励起レーザ光Ｌｅの入射面に形成され且つ励起レーザ光Ｌｅに対する透過率が高く且つ発振レーザ光に対する反射率が高いコーティング１２ａと、複屈折性を有し発振レーザ光の波長を変換し波長５３２[ｎｍ]の出力レーザ光Ｌｏを発生する非線形光学素子１３と、出力レーザ光Ｌｏに対する透過率が高く且つ発振レーザ光に対する反射率が高い出力ミラー１４と、固体レーザ媒質１２および非線形光学素子１３を支持するベース１８と、ベース１８に設置されたペルチェ素子１５および温度センサ１６と、出力レーザ光Ｌｏの偏光方向および偏光比が所定範囲に入るようにペルチェ素子１５を駆動する温度制御回路１９とを具備している。
なお、固体レーザ媒質１２と非線形光学素子１３と出力ミラー１４とにより、レーザ共振器１７が構成されている。

固体レーザ媒質１２は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４である。
非線形光学素子１３は、ＫＴｉＯＰＯ_４である。

図２は、固体レーザ媒質１２および非線形光学素子１３の結晶方位を示す説明図である。
固体レーザ媒質１２は、主屈折率ｎｃが他の主屈折率ｎａより大きく、且つ、発振容易軸であるｃ軸が光軸Ａｘに対して垂直上方に向き、ａ軸が光軸Ａｘに一致するように配置されている。
非線形光学素子１３は、屈折率楕円体の主屈折率がｎｘ＜ｎｙ＜ｎｚとなるように直交するｘ，ｙ，ｚ軸を選び且つ表面の法線をｘ’軸，ｙ’軸，ｚ軸とするとき、ｚ軸とｘ’軸，ｙ’軸のなす角度が９０゜、ｘ軸とｘ’軸のなす角度が２３.５゜、ｙ軸とｙ’軸のなす角度が２３.５゜の方向に傾いたｚ−ｙ’平面に平行に切り出されている。従って、偏光軸は、ｚ軸，ｙ’軸となっている。そして、ｘ’軸が光軸Ａｘと一致し、且つ、ｚ軸が固体レーザ媒質１２のｃ軸に対して光軸Ａｘ方向から見て４５゜の角度で傾いて配置されている。

この結果、非線形光学素子１３において、ｚ軸方向に直線偏光した基本波およびｙ’軸方向に直線偏光した第２高調波が発生する。この第２高調波は、出力ミラー１４側へ進んで出力ミラー１４を透過し出力レーザ光Ｌｏとなるものと、固体レーザ媒質１２側へ進んでコーティング１２ａで反射され出力ミラー１４側へ戻って出力ミラー１４を透過し出力レーザ光Ｌｏとなるものの２つがある。この後者の出力レーザ光Ｌｏが、固体レーザ媒質１２および非線形光学素子１３におけるレターデーションにより、偏光方向および偏光比に影響を受ける。

固体レーザ媒質１２でのレタデーションによる位相差をｄ１とし、非線形光学素子１３でのレタデーションによる位相差をｄ２とし、ミューラ行列による解析を行うと、レーザ共振器１７内を進行する光のミューラ行列Ｍは、次式で示される。
Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２
Ｍ１＝Ｅ
Ｍ２＝Ｒ(ｄ２)・Ｔ(α)・Ｒ(ｄ１)・Ｔ^−１(α)・Ｒ(ｄ２）
但し、Ｍ１は、非線形光学素子１３から出力ミラー１４側へ進行した光のミューラ行列である。Ｍ２は、非線形光学素子１３から固体レーザ媒質１２側へ進行した光のミューラ行列である。Ｅは、単位行列である。Ｒ(ｄ１)は、固体レーザ媒質１２で生じる位相変化である。Ｒ(ｄ２)は、非線形光学素子１３内で生じる位相変化である。Ｔ(α)は、角度αの回転による座標変換を示す。各マトリックスは次の通りである。

ここで、α＝４５°を代入すると、次のマトリックスが得られる。

これらにより、非線形光学素子１３で発生した直線偏光の光がレーザ共振器１７内を進行したときのストークスパラメータＳは次のように表される。

また、ストークスパラメータＳをミューラ行列Ｍで変換したストークスパラメータＳ’は次にようになる。

出力ミラー１４を透過した出力レーザ光Ｌｏの偏光方向θ，楕円率角βおよび偏光比Ｈは、ストークスパラメータＳ'と次の関係がある。
２θ＝arctan(Ｓ'１／Ｓ'２)
２β＝arcsin(Ｓ'３／Ｓ'０)
Ｈ＝１／tan(β)

ここで、固体レーザ媒質１２でのレターデーションｄ１と非線形光学素子１３でのレターデーションｄ２をレーザ共振器１７の温度ｔcvの関数として次のように仮定する。
ｄ１＝(２／３)π＋(ｔcv／２００)π
ｄ２＝{(ｔcv−３０)／７.５}π

すると、偏光方向θは、共振器温度ｔcvの変化に対して図３に示すように変化する。また、偏光比Ｈは、共振器温度ｔcvの変化に対して図４に示すように変化する。
つまり、共振器温度ｔcvを調整することによって、出力レーザ光Ｌｏの偏光方向および偏光比を制御できることが判る。

図５は、固体レーザ装置１００の共振器温度ｔcvの変化に対する出力レーザ光Ｌｏの偏光方向と偏光比の変化を実測する手順を示すフロー図である。
この対応温度範囲測定処理は、固体レーザ装置１００の出力レーザ光Ｌｏの偏光方向と偏光比を実測する計測器を設置すると共に、温度制御回路１９に対して目標温度を外部から与えたり測定した偏光方向と偏光比とを温度に対応付けて記憶するコンピュータを設置して実行する。

ステップＳ１では、レーザ共振器１７の温度を開始温度（例えば２１℃）にする。

ステップＳ２では、偏光方向と偏光比とを測定し、記憶する。
ステップＳ３では、終了温度（例えば３８℃）になっていないならステップＳ４へ進み、終了温度になっているならステップＳ５へ進む。
ステップＳ４では、レーザ共振器１７の温度を１℃上げてステップＳ２に戻る。

ステップＳ５では、所望の偏光方向範囲（例えば９０゜±４゜）および所望の偏光比範囲（例えば１００以上）を満たす対応温度範囲を探す。例えば、実測した偏光方向が図６に示すようであり、実測した偏光比が図７に示すようであれば、対応温度範囲は、３０℃〜３３℃である。
ステップＳ６では、対応温度範囲を温度制御回路１９に記憶させる。そして、処理を終了する。

図８は、固体レーザ装置１００を実際に使用する際の温度制御処理を示すフロー図である。
ステップＰ１では、温度制御回路１９は、記憶していた対応温度範囲を読み出す。
ステップＰ２では、温度制御回路１９は、温度センサ１６の温度が対応温度範囲になるようにペルチェ素子１５を駆動する。なお、対応温度範囲内において、出力レーザ光Ｌｏの波長変動が少ない温度領域や出力が最大になる温度領域になるように温度を制御するのが好ましい。

実施例１に係る固体レーザ装置１００によれば、出力レーザ光Ｌｏの偏光方向および偏光比を所望の範囲に維持することが出来る。

本発明の固体レーザ装置は、光記録，通信，計測，画像などの分野で光源として利用できる。

実施例１に係る固体レーザ装置を示す構成説明図である。固体レーザ媒質および非線形光学素子の結晶方位を示す説明図である。レーザ共振器温度の変化に対する偏光方向の変化の理論値を示すグラフである。レーザ共振器温度の変化に対する偏光比の変化の理論値を示すグラフである。レーザ共振器温度の変化に対する偏光方向および偏光比の実測手順を示すフロー図である。レーザ共振器温度の変化に対する偏光方向の変化の実測値を示すグラフである。レーザ共振器温度の変化に対する偏光比の変化の実測値を示すグラフである。実施例１に係る固体レーザ装置における温度制御処理を示すフロー図である。

符号の説明

１０半導体レーザ
１１レンズ系
１２固体レーザ媒質
１２ａコーティング
１３非線形光学素子
１４出力ミラー
１５ペルチェ素子
１６温度センサ
１７レーザ共振器
１９温度制御回路
１００固体レーザ装置

Claims

励起光を出射する励起光源と、複屈折性を有する固体レーザ媒質および光学素子を含み前記励起光に応じて出力レーザ光を発生するレーザ共振器と、前記出力レーザ光の偏光方向および偏光比が所定範囲に入るように前記共振器を温度節調する温調手段とを具備したことを特徴とする固体レーザ装置。
請求項１に記載の固体レーザ装置において、前記固体レーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＶＯ_４であることを特徴とする固体レーザ装置。
請求項１または請求項２に記載の固体レーザ装置において、前記複屈折性を有する光学素子は、前記固体レーザ媒質が発振するレーザ光の波長を変換する非線形光学素子であることを特徴とする固体レーザ装置。
請求項３に記載の固体レーザ装置において、前記非線形光学素子が、ＫＴｉＯＰＯ_４であることを特徴とする固体レーザ装置。