JP2006135262A - Solid state laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体レーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state laser device.
固体レーザ装置における構成として端面励起型がある。端面励起型の固体レーザ装置では、励起光源から発せられる励起光を固体レーザ媒質の端面より照射し、固体レーザ媒質を励起してレーザ光を発生させ、共振させた後に出射する。端面励起型による固体レーザ装置では、固体レーザ媒質内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので励起効率が良く、また得られるレーザ光の品質も良い(非特許文献1)。
固体レーザ装置のレーザ媒質である結晶においては、励起光を入射した場合、結晶の軸方向との関係から光の偏光方向により一般に吸収係数が異なる。したがって、結晶の種類、及び励起光の波長等により、一方の偏光成分の励起光が結晶で吸収されにくく、結晶の励起に対する寄与が小さくなる場合がありうる。一方、例えばファイバカップリングLDを励起光源として用いた場合には励起光の偏光方向がランダムとなる。このため、上記のように一方の偏光成分について吸収係数が低い場合には、全体として励起光の吸収率が低くなり、励起効率の低下を招くおそれがある。また、励起光の吸収率が低いと、励起効率の低下を招く。 In a crystal, which is a laser medium of a solid-state laser device, when excitation light is incident, an absorption coefficient generally differs depending on the polarization direction of light due to the relationship with the axial direction of the crystal. Therefore, depending on the type of crystal, the wavelength of the excitation light, etc., the excitation light of one polarization component is difficult to be absorbed by the crystal, and the contribution to the excitation of the crystal may be small. On the other hand, for example, when a fiber coupling LD is used as an excitation light source, the polarization direction of the excitation light is random. For this reason, when the absorption coefficient is low for one polarization component as described above, the absorptance of the excitation light as a whole is lowered, which may cause a decrease in excitation efficiency. Further, if the absorption rate of the excitation light is low, the excitation efficiency is reduced.
また、上記したファイバカップリングLDのように、偏光方向がランダム光を供給する励起光供給手段を用いた場合には、結晶で吸収されなかった励起光が戻り光となり、ファイバ等を傷つける可能性がある。 In addition, when using an excitation light supply means that supplies random light with a polarization direction like the above-described fiber coupling LD, the excitation light that has not been absorbed by the crystal becomes return light, which may damage the fiber or the like. There is.
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い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 to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state laser device having a high excitation light absorption rate in a solid-state laser medium.
このような目的を達成するために、本発明による固体レーザ装置は、共振器の第1反射面と第2反射面との間に配置された固体レーザ媒質と、共振器の前記第1反射面から共振器内に第1の励起光を入射する励起光供給手段と、共振器から出射された第1の励起光を、その光軸と垂直な面内で偏光方向を変えて第2の励起光とし、第2の励起光を共振器内に入射させる再入射光学系と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a solid-state laser device according to the present invention includes a solid-state laser medium disposed between a first reflecting surface and a second reflecting surface of a resonator, and the first reflecting surface of the resonator. The pumping light supply means for entering the first pumping light into the resonator from the first and the second pumping light by changing the polarization direction in the plane perpendicular to the optical axis of the first pumping light emitted from the resonator And a re-incident optical system that makes the second excitation light enter the resonator.
上記の固体レーザ装置では、第1の励起光を共振器の第1反射面から固体レーザ媒質に入射させる端面励起の構成としている。このような構成では、固体レーザ媒質内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので、高い励起効率が実現される。また、この固体レーザ装置は、固体レーザ媒質で吸収されずに共振器から出射された第1の励起光を、その偏光方向を変えて第2の励起光とし共振器内に再度入射させる再入射光学系を備える。これにより、吸収係数が低く固体レーザ媒質から出射された励起光について吸収係数の高い方向に偏光させ、再度固体レーザ媒質内に入射させることが可能となる。その結果、この固体レーザ装置では、固体レーザ媒質において高い励起光吸収率が実現される。なお、再入射光学系は、共振器から出射された第1の励起光を、その光軸と垂直な面内で90°偏光方向を変えて第2の励起光とすることが特に好ましい。偏光方向を90°回転することにより、結晶の軸方向との関係から、励起光吸収率が効果的に向上される。 The above-described solid-state laser device has an end-face excitation configuration in which the first excitation light is incident on the solid-state laser medium from the first reflection surface of the resonator. In such a configuration, since the optical paths of the laser light and the excitation light in the solid-state laser medium are in the same direction, high excitation efficiency is realized. Further, the solid-state laser device re-enters the first pumping light emitted from the resonator without being absorbed by the solid-state laser medium as a second pumping light by changing its polarization direction and entering again into the resonator. An optical system is provided. As a result, it is possible to polarize the excitation light emitted from the solid laser medium with a low absorption coefficient in a direction with a high absorption coefficient and to enter the solid laser medium again. As a result, in this solid-state laser device, a high pumping light absorption rate is realized in the solid-state laser medium. It is particularly preferable that the re-incidence optical system changes the first excitation light emitted from the resonator into the second excitation light by changing the polarization direction by 90 ° in a plane perpendicular to the optical axis. By rotating the polarization direction by 90 °, the excitation light absorptance is effectively improved from the relationship with the axial direction of the crystal.
また、第1の励起光は、共振器の光軸に対して斜めに共振器内に入射することが好ましい。このように共振器の光軸に対して斜めに第1の励起光を入射させることで、第1の励起光が励起光供給手段に戻って損傷を与えることを防ぐことができる。さらに、このような構成によれば、再入射光学系等の設置が容易になる。 The first excitation light is preferably incident on the resonator obliquely with respect to the optical axis of the resonator. By making the first excitation light incident obliquely with respect to the optical axis of the resonator in this way, it is possible to prevent the first excitation light from returning to the excitation light supply means and damaging it. Furthermore, according to such a configuration, the re-incident optical system and the like can be easily installed.
また、再入射光学系が、反射手段と、反射手段と共振器との間に配置された1/4波長板とを有することが好ましい。このような構成では、共振器から出射された第1の励起光について、その偏光方向を90°回転させて第2の励起光とし、共振器内に入射させることが可能である。 In addition, it is preferable that the re-incidence optical system includes a reflection unit and a quarter-wave plate disposed between the reflection unit and the resonator. In such a configuration, the first excitation light emitted from the resonator can be rotated into the polarization direction by 90 ° to be the second excitation light, and can enter the resonator.
また、固体レーザ媒質に対する再入射光学系からの第2の励起光のスポット径が、第1の励起光のスポット径と略同一となるように調整するスポット径調整光学系をさらに備えることが好ましい。これにより、第1の励起光を供給する際に達成されたモードマッチング効率を第2の励起光入射時にも達成することが可能となる。 In addition, it is preferable to further include a spot diameter adjusting optical system that adjusts the spot diameter of the second excitation light from the re-incidence optical system to the solid laser medium so as to be substantially the same as the spot diameter of the first excitation light. . Thereby, the mode matching efficiency achieved when supplying the first excitation light can be achieved even when the second excitation light is incident.
また、固体レーザ媒質は、Nd:GdVO4結晶からなることが好ましい。本発明者による検討結果によると、Nd:GdVO4結晶は光の偏光方向によって吸収係数が異なる。したがって、このような結晶に対して上記構成を適用することで固体レーザ媒質での励起光吸収率を向上させることが可能となる。さらに、Nd:GdVO4結晶を固体レーザ媒質として用いることにより、高出力で安定性があり、かつコスト面でも効率が良い固体レーザ装置が可能となる。 The solid-state laser medium is preferably made of Nd: GdVO 4 crystal. According to the examination result by the present inventor, the Nd: GdVO 4 crystal has an absorption coefficient different depending on the polarization direction of light. Therefore, by applying the above configuration to such a crystal, it becomes possible to improve the pumping light absorption rate in the solid-state laser medium. Furthermore, by using the Nd: GdVO 4 crystal as a solid-state laser medium, a solid-state laser device having high output, stability, and cost efficiency can be realized.
本発明によれば、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state laser device having a high excitation light absorption rate in a solid-state laser medium.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は本実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成を説明するために模式的に表された斜視図、図2は横断面図である。固体レーザ装置1は、共振器4と固体レーザ媒質2と、励起光供給部8と、再入射光学系10と、集光光学系16、18とを備える。固体レーザ装置1は端面励起型であり、所定波長の励起光を固体レーザ媒質2の端面から照射し、励起する。励起された固体レーザ媒質2によって励起光とは異なる波長のレーザ光が発生し、共振器4によって共振された後出射する。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a schematic configuration of a solid-state laser device according to this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view. The solid-
固体レーザ装置1が備える固体レーザ媒質2は、Ndイオン(Nd3+)が添加されたバナデート系材料であるGdVO4(Nd:GdVO4)から構成される。固体レーザ媒質2であるNd:GdVO4結晶は、波長808nm及び880nmの光を吸収し、波長1063nmの光を発生する。本実施形態における固体レーザ装置1では、波長880nmの光を励起光l1、l2として固体レーザ媒質2を励起し、波長1063nmのレーザ光l3を出力させる。図3にNd:GdVO4結晶の性質を詳細に示す。
The solid-
Nd:GdVO4結晶は、互いに直交する3つの結晶軸a軸、b軸、及びc軸を有する異方性結晶であり、軸方向によって光の吸収係数が異なる。図4は、a軸及びc軸のそれぞれの方向に偏光した光、すなわち電場方向がa軸及びc軸方向の光について、Nd:GdVO4結晶の吸収係数を表したグラフである。グラフAはa軸方向に偏光した光のNd:GdVO4結晶の吸収係数を表しており、グラフBはc軸方向に偏光した光のNd:GdVO4結晶の吸収係数を表している。また、これらのグラフは、Ndイオン(Nd3+)の濃度が0.5at%で、一辺の長さが3mmの立方体形状のNd:GdVO4結晶を用いて測定した結果である。これらのグラフからわかるように、Nd:GdVO4結晶は808nm及び878.8nm(以下、880nmとして論じる)を中心波長とする吸収波長帯域を有している。いずれの吸収波長帯域においても、c軸方向に偏光している光の吸収係数に比べ、a軸方向に偏光している光の吸収係数は小さい。しかし、808nmを中心波長とする吸収波長帯域では、a軸方向に偏光している光についても吸収係数はある程度の大きさを有するため、結晶で吸収されなかった光について問題となることは少ない。一方、880nmを中心波長とする吸収波長帯域では、a軸方向に偏光している光の吸収係数は非常に小さく、その上スペクトル幅も狭い。そのため、ランダムな方向に偏光している波長880nmの光を励起光として用いると、a軸方向に偏光している成分が吸収されず、波長808nmの光では起こらなかった問題も生じてくる。なお、a軸方向に偏光している光のみでなく、c軸に垂直な方向であればいずれの方向に偏光している光であってもグラフAに表した吸収係数と同じ吸収係数を示す。 The Nd: GdVO 4 crystal is an anisotropic crystal having three crystal axes a-axis, b-axis, and c-axis orthogonal to each other, and the light absorption coefficient differs depending on the axial direction. FIG. 4 is a graph showing the absorption coefficient of the Nd: GdVO 4 crystal with respect to light polarized in the respective directions of the a-axis and c-axis, ie, light whose electric field directions are the a-axis and c-axis directions. Graph A represents the absorption coefficient of Nd: GdVO 4 crystal of light polarized in the a-axis direction, and graph B represents the absorption coefficient of Nd: GdVO 4 crystal of light polarized in the c-axis direction. These graphs are the results of measurement using a cubic Nd: GdVO 4 crystal having a Nd ion (Nd 3+ ) concentration of 0.5 at% and a side length of 3 mm. As can be seen from these graphs, the Nd: GdVO 4 crystal has an absorption wavelength band centered on 808 nm and 878.8 nm (hereinafter, discussed as 880 nm). In any absorption wavelength band, the absorption coefficient of light polarized in the a-axis direction is smaller than the absorption coefficient of light polarized in the c-axis direction. However, in the absorption wavelength band having a central wavelength of 808 nm, the absorption coefficient of the light polarized in the a-axis direction has a certain size, so that there is little problem with the light that is not absorbed by the crystal. On the other hand, in the absorption wavelength band centered at 880 nm, the absorption coefficient of light polarized in the a-axis direction is very small, and the spectrum width is also narrow. Therefore, when light having a wavelength of 880 nm that is polarized in a random direction is used as excitation light, a component that is polarized in the a-axis direction is not absorbed, and a problem that does not occur with light having a wavelength of 808 nm also occurs. In addition, not only light polarized in the a-axis direction but also light polarized in any direction as long as the direction is perpendicular to the c-axis, the same absorption coefficient as the absorption coefficient shown in the graph A is shown. .
固体レーザ媒質2は、図1に示すように直方体形状に形成される。また、図1及び図2に示されるように、固体レーザ媒質2は互いに対向する第1面2a及び第2面2bを有している。固体レーザ装置1では、Nd:GdVO4結晶のc軸が、励起光l1、l2の光軸を含む平面に垂直となるように固体レーザ媒質2を配置する。Nd:GdVO4結晶のa軸は、c軸に垂直な平面と平行であればよく、例えば図2に示されるa1〜a3軸のいずれの軸と平行となるように固体レーザ媒質2を配置してもよい。なお、固体レーザ媒質2の具体例としては、例えば1辺の長さが3mmの立方体形状をした結晶を用いる構成が挙げられる。
The solid-
固体レーザ媒質2の第1面2a上には、励起光l1、l2をより多く透過するため、励起波長(例えば880nm)を含む所定波長帯域(例えば800nm〜900nm)の光の反射を防止する反射防止コート(ARコート)22Aが施されている。それに加え、第1面2a上には、レーザ光l3をより多く反射するため、発振波長(例えば1063nm)を含む所定波長帯域の光に対して高反射率である高反射コート(HRコート)22Hが施されている。
On the
また、固体レーザ媒質2の第2面2b上には、固体レーザ媒質2において吸収されなかった第1の励起光l1をより多く反射するため、励起波長(例えば880nm)を含む所定波長帯域(例えば800nm〜900nm)の光に対して高反射率である高反射コート(HRコート)24Hが施されている。それに加え、第2面2b上には、レーザ光l3を透過するため、発振波長(例えば1063nm)を含む所定波長帯域の光の反射を防止する反射防止コート(ARコート)24Aが施されている。
Further, on the
さらに、固体レーザ装置1は、固体レーザ媒質2の第1面2a及び第2面2bの法線方向に沿って第2面2bから離れた位置に、第1面2a上の高反射コート(HRコート)22Hと共に共振器4を構成するように配置された出力ミラー6を備える。すなわち、固体レーザ媒質2の第1面2aが共振器4の第1反射面として、出力ミラー6が共振器4の第2反射面としてそれぞれ機能する。したがって、図1及び図2から理解されるように、固体レーザ媒質2は共振器4の第1反射面と第2反射面との間に配置される。また、出力ミラー6は固体レーザ媒質2の第1面2a及び第2面2bと平行に配置される。そのため、共振器4の光軸Axは、固体レーザ媒質2の第1面2a及び第2面2bと直交する。また、共振器4の光軸AxとNd:GdVO4結晶のc軸とは直交する関係にある。出力ミラー6は、発生するレーザ光l3の一部を透過し、残りを反射する一部透過ミラーである。
Further, the solid-
また、固体レーザ装置1は、第1の励起光l1を出力する励起光供給部8及び固体レーザ媒質2に対する第1の励起光l1のスポット径を調整する第1集光光学系16を備える。励起光供給部8は、第1の励起光l1を、共振器4の第1反射面から共振器4内に入射する。このとき、第1の励起光l1は、共振器4の光軸Axに対して斜めに共振器4内に入射する。これにより、第1の励起光l1の入射方向は共振器4の光軸Axと角度θをなす。例えば一辺の長さが3mmの固体レーザ媒質2を用いた場合には、角度θ=2.77°とすることができる。励起光供給部8は、励起光源である半導体レーザ素子8aと光ファイバ8bとを有する。半導体レーザ素子8aから出力された第1の励起光l1は、光ファイバ8bを経て固体レーザ媒質2に入射する。
The solid-
さらに、固体レーザ装置1は、固体レーザ媒質2で吸収されず第2面2bで反射され共振器4から出射された第1の励起光l1に対し、偏光方向を変えて第2の励起光l2とし共振器4内に入射させる再入射光学系10を備える。再入射光学系10は、第1の励起光l1の偏光方向をその光軸と垂直な面内で変えさせるため、反射手段であるミラー14と1/4波長板12とを有する。ミラー14には、励起波長(例えば880nm)を含む所定波長帯域(例えば800nm〜900nm)の光に対して高反射率である高反射コート(HRコート)が施されている。
Further, the solid-
加えて、固体レーザ装置1は、再入射光学系10から出射された第2の励起光l2を共振器4内に入射させる像転送用レンズである第2集光光学系18を備える。第2集光光学系18は、固体レーザ媒質2に対する再入射光学系10からの第2の励起光l2のスポット径が第1の励起光l1のスポット径と略同一となるように調整するスポット径調整光学系として機能し、例えば1枚又は複数枚のレンズによって構成される。また、第2集光光学系18は、その光軸と再入射光学系10の光軸とが一致するようにして、再入射光学系10と共振器4との間に配置される。ここで、本明細書では以下、スポット径とは固体レーザ媒質2の第2面2b入射時における励起光のスポット直径をいう。
In addition, the solid-
次に、固体レーザ装置1のレーザ発振動作について説明する。
Next, the laser oscillation operation of the solid
まず、半導体レーザ素子8aから波長880nmの第1の励起光l1を出力し、これを光ファイバ8bに入射する。そして、光ファイバ8bから第1集光光学系16を介して、第1の励起光l1を固体レーザ媒質2に入射し、固体レーザ媒質2を励起する。このとき、モードマッチング効率を考慮し、第1集光光学系16によって第1の励起光l1は、所定のスポット径となるように集光される。例えば、15℃(ただし、12℃〜20℃までであれば可変)の冷却温度の下、Ndイオン(Nd3+)の添加量が0.5at%で、1辺の長さが3mmの立方体形状をしたNd:GdVO4結晶を固体レーザ媒質2として用い、共振器長を120mmとした場合には、第1の励起光l1のスポット径は400μmとするのが好適であり、共振器長によっては800μmまで大きくすることが可能である。また、共振器4内に入射する際、第1の励起光l1は共振器4の光軸Axに対して角度θだけ斜めに入射する。
First, the first pumping light 11 having a wavelength of 880 nm is output from the
第1の励起光l1は、光ファイバ8bを経由して供給されるため、ランダムな方向に偏光している。また、固体レーザ媒質2であるNd:GdVO4結晶では、図4に示すように、偏光方向によって光の吸収係数が大きく異なる。すなわち、c軸方向に偏光した光の吸収係数は大きいのに対し、a軸方向などc軸方向と垂直な方向に偏光した光の吸収係数は非常に小さい。そのため、第1の励起光l1のうち、結晶のc軸方向に偏光した成分は結晶において吸収されるが、c軸方向と垂直な方向(例えばa軸方向)に偏光した成分は吸収されにくい。
Since the first pumping light 11 is supplied via the
また、第1の励起光l1は、図5に示すように、共振器4の光軸Axに対して角度θをなして共振器4内に入射する。そのため、固体レーザ媒質2で吸収されなかった第1の励起光l1は、高反射コート(HRコート)24Hを施した固体レーザ媒質2の第2面2bにおいて、共振器4の光軸Axと入射時とは反対の方向に角度θをなして反射され、共振器4から出射する。
Further, as shown in FIG. 5, the first excitation light l 1 enters the
共振器4から出射された第1の励起光l1は、図1及び図2に示すように、再入射光学系10に入射する。再入射光学系10に入射した第1の励起光l1は、ミラー14で反射され1/4波長板12を2回通過する。これにより、第1の励起光l1はその光軸と垂直な面内でその偏光方向を90°回転させた第2の励起光l2となる。固体レーザ媒質2で吸収されなかった第1の励起光l1は主にc軸と垂直な方向(例えばa軸方向)に偏光しているため、第2の励起光l2は主にc軸方向に偏光する。
First excitation light l 1 emitted from the
再入射光学系10から出射された第2の励起光l2は、第2集光光学系18によって、共振器4の第1反射面(固体レーザ媒質2の第1面2a)に集光され、共振器4内に入射する。こうして入射した第1及び第2の励起光l1、l2により、固体レーザ媒質2はレーザ発振可能な状態に励起され、レーザ光l3を発生する。発生したレーザ光l3は、共振器4の第1反射面2a及び第2反射面6の間でレーザ共振された後、出力ミラー6から出力される。
Second excitation light l 2 emitted from the re-incident
次に本実施形態による固体レーザ装置1の効果について説明する。
Next, effects of the solid-
固体レーザ装置1は、共振器4の第1反射面(固体レーザ媒質2の第1面2a)から固体レーザ媒質2に励起光l1、l2を供給する端面励起の構成である。このような構成では、固体レーザ媒質2内でのレーザ光l3と励起光l1、l2との光路が略同一方向となるので、高い励起効率が実現される。また、固体レーザ媒質2内での発振領域と励起領域とが容易に一致することにより、高いモードマッチング効率が得られる。
The solid-
また、固体レーザ装置1は、共振器4に出射される第1の励起光l1を、その偏光方向を変えて第2の励起光l2とし共振器4内に入射させる再入射光学系10を備える。これにより、第1の励起光l1のうち吸収係数が低く共振器4から出射された励起光成分についても、吸収係数の高い方向に偏光方向を回転させて、再度固体レーザ媒質2内に入射させることができる。その結果、固体レーザ媒質2において、高い励起光吸収率が実現される。
The solid-
また、再入射光学系10によって励起光の偏光方向を90°回転させることが好ましい。偏光方向による吸収係数の違いは結晶の軸方向との関係によるものであり、Nd:GdVO4結晶の結晶軸は互いに直交しているため、90°回転させることで効率的に吸収率の向上を図ることができるからである。
Further, it is preferable to rotate the polarization direction of the excitation light by 90 ° by the re-incident
上記の励起光吸収率向上の効果をNd:GdVO4結晶で具体的に説明する。Nd:GdVO4結晶は、図4に示すように、励起光の偏光方向によって吸収係数が大きく異なる。すなわち、c軸方向偏光成分の吸収係数は大きいのに対し、a軸方向などc軸と垂直な方向に偏光する成分の吸収係数は非常に小さい。したがって、第1の励起光l1のうちc軸方向偏光成分は吸収されるが、c軸と垂直な方向(例えばa軸方向)に偏光する成分はほとんど吸収されずに、共振器4から出射される。こうして出射された第1の励起光l1は、再入射光学系10によって90°偏光方向を回転され、c軸方向に偏光した第2の励起光l2となる。また、このようにして得られた第2の励起光l2は、吸収係数の大きいc軸方向に主に偏光するため、これを共振器4内に再入射させることで、励起光の吸収率向上が図られる。このように、固体レーザ装置1は、単一偏光ダブルパス励起光学機構として機能することができる。
The effect of improving the excitation light absorptance will be specifically described using an Nd: GdVO 4 crystal. As shown in FIG. 4, the absorption coefficient of the Nd: GdVO 4 crystal varies greatly depending on the polarization direction of the excitation light. That is, the absorption coefficient of the polarization component in the c-axis direction is large, whereas the absorption coefficient of the component polarized in the direction perpendicular to the c-axis such as the a-axis direction is very small. Therefore, the c-axis direction polarization component of the first excitation light l 1 is absorbed, but the component polarized in the direction perpendicular to the c-axis (for example, the a-axis direction) is hardly absorbed and emitted from the
また、本実施形態のように光ファイバによって励起光を供給した場合、特に吸収率の向上度は大きくなる。光ファイバを介して供給される励起光はランダムに偏光するため、吸収係数の低い偏光成分を含有するからである。 Further, when excitation light is supplied by an optical fiber as in the present embodiment, the degree of improvement in absorption rate is particularly large. This is because the excitation light supplied via the optical fiber is randomly polarized and therefore contains a polarization component having a low absorption coefficient.
上述の効果が得られることを計算によって示す。励起光源である半導体レーザのスペクトル分布をガウシアン分布とすると、その分布は以下の(1)式で表すことができる。 It is shown by calculation that the above-described effect can be obtained. If the spectral distribution of a semiconductor laser that is an excitation light source is a Gaussian distribution, the distribution can be expressed by the following equation (1).
ここで、λは励起光の波長(nm)を、λ0は半導体レーザスペクトルの中心波長(878.8nm)を、λxは中心波長λ0(878.8nm)からずれたときの変位量(nm)を、Δλは半値全幅のスペクトル幅(nm)をそれぞれ表す。(1)式で得られたスペクトル分布I(λx、λ)を用いてNd:GdVO4結晶の励起光吸収率A(λx、λ)を以下の(2)式で表すことができる。 Here, λ is the wavelength (nm) of the excitation light, λ 0 is the center wavelength (878.8 nm) of the semiconductor laser spectrum, and λ x is the displacement amount when deviating from the center wavelength λ 0 (878.8 nm) ( nm), and Δλ represents the spectrum width (nm) of the full width at half maximum. Using the spectral distribution I (λ x , λ) obtained by the equation (1), the excitation light absorption rate A (λ x , λ) of the Nd: GdVO 4 crystal can be expressed by the following equation (2).
ここで、α(λ)はNd:GdVO4結晶の吸収係数スペクトルを数値化したものを、tはNd:GdVO4結晶の厚さ(mm)をそれぞれ表す。したがって、2tは、励起光が結晶内を往復した際の光路の長さを表す。こうして計算されたNd:GdVO4結晶の励起光吸収率A(λx、λ)を、c軸成分及びc軸に垂直であるa軸成分それぞれについて、図6及び図7でグラフに表す。図6が励起光のc軸成分の吸収率A(λx、λ)を表し、図7がa軸成分の吸収率A(λx、λ)を表す。また、図6及び図7では、スペクトル幅の異なる半導体レーザを励起光源とした場合ごとにグラフに表し、グラフCa及びCcがスペクトル幅Δλ=1nmの励起光源による場合を、グラフDa及びDcがスペクトル幅Δλ=1.5nmの励起光源による場合を、グラフEa及びEcがスペクトル幅Δλ=2.0nmの励起光源による場合を、グラフFa及びFcがスペクトル幅Δλ=2.5nmの励起光源による場合を表している。図6及び図7から、a軸方向に偏光している成分はc軸方向に偏光している成分に比べて吸収率が1/2近く小さくなることがわかる。 Here, α (λ) is Nd: a quantification for the absorption coefficient spectra of GdVO 4 crystal, t is Nd: represents the thickness of GdVO 4 crystal (mm), respectively. Therefore, 2t represents the length of the optical path when the excitation light reciprocates in the crystal. The thus calculated excitation light absorptance A (λ x , λ) of the Nd: GdVO 4 crystal is graphically represented in FIGS. 6 and 7 for the c-axis component and the a-axis component perpendicular to the c-axis, respectively. Figure 6 represents the absorptance A of the c-axis component of the excitation light (λ x, λ), Fig. 7 represents the absorptivity A (λ x, λ) of the a-axis component. Further, in FIG. 6 and FIG. 7, it represents the graph for each case where a semiconductor laser having different spectral width as an excitation light source, a case graph C a and C c is due to the excitation light source spectral width [Delta] [lambda] = 1 nm, graph D a and When D c is based on an excitation light source having a spectral width Δλ = 1.5 nm, graphs E a and E c are based on an excitation light source having a spectral width Δλ = 2.0 nm, and graphs F a and F c are based on a spectral width Δλ = 2. The case with an excitation light source of .5 nm is shown. 6 and 7, it can be seen that the component polarized in the a-axis direction has an absorptance of nearly ½ compared to the component polarized in the c-axis direction.
さらに、すべての偏光成分を含む励起光全体での吸収率A(λx、λ)を計算した結果を図8及び図9に示す。図8はランダムに偏光している励起光を再入射光学系のない固体レーザ装置に供給した場合を、図9は図1に示した構成を有する固体レーザ装置1にランダムに偏光した励起光を供給した場合をそれぞれ示す。また、図8及び図9では、グラフC1及びC2がスペクトル幅Δλ=1nmの励起光源による場合を、グラフD1及びD2がスペクトル幅Δλ=1.5nmの励起光源による場合を、グラフE1及びE2がスペクトル幅Δλ=2.0nmの励起光源による場合を、グラフF1及びF2がスペクトル幅Δλ=2.5nmの励起光源による場合を表している。本実施形態による固体レーザ装置1と対応させると、図8は第1の励起光l1のみを供給したときの固体レーザ媒質2の励起光吸収率A(λx、λ)に、図9は第1の励起光l1及び第2の励起光l2を供給したときの固体レーザ媒質2の励起光吸収率A(λx、λ)に相当する。スペクトル幅Δλ=2.0nmの場合で、図8と図9とを中心波長合致(λx=0.0nm)箇所において比較すると、ランダム偏光による場合(図8)の吸収率は67.8%であるのに対し、図1に示した構成を有する場合(図9)では97%と、吸収率は30%近く向上することがわかる。また、こうした吸収率の向上に伴い、励起波長スペクトル幅が広帯域化する。具体的には、図9から、±1nmの波長シフトが発生しても90%以上の吸収率を維持できることがわかる。このため、多少の励起波長変化が発生しても、図1に示した構成を有する固体レーザ装置であれば、90%以上の吸収率を有することが推測される。以上述べたように、吸収されなかった励起光を偏光方向を変えて再入射させることによって励起光吸収率が大幅に向上することが図8及び図9により示される。
Further, the results of calculating the absorption rate A (λ x , λ) of the entire excitation light including all polarization components are shown in FIGS. 8 shows a case where randomly polarized excitation light is supplied to a solid-state laser device without a re-incident optical system, and FIG. 9 shows randomly polarized excitation light applied to the solid-
さらに、固体レーザ媒質2における励起光の吸収率の向上に伴い、励起可能な波長帯域が広帯域化される。即ち、広い波長範囲で高い吸収率を維持するため、図9に示すように中心波長からの波長シフトが発生しても高い吸収率を実現することが可能となる。そのため、スペクトル幅に広がりのある光源を用いることもできるようになり、励起光源にかけるコストを抑えることが可能となる。
Furthermore, with the improvement of the absorption rate of the excitation light in the solid-
また、こうして固体レーザ媒質での励起光吸収率が向上することによって、固体レーザ装置の励起効率も向上する。 In addition, the pumping light absorptance in the solid laser medium is thus improved, so that the pumping efficiency of the solid laser device is also improved.
また、励起光供給部8は、共振器4の光軸Axに対して斜めに第1の励起光l1を入射するように配置されている。そのため、固体レーザ媒質2で吸収されなかった第1の励起光l1が励起光供給部8に戻り、励起光源8a及び光ファイバ8bを傷つけることがない。特に、励起光として波長880nmの光を入射した場合、図4に示すようにa軸方向などc軸に垂直な方向に偏光した成分の吸収係数は極端に小さいので、c軸に垂直な方向(例えばa軸方向)に偏光した成分のほとんどが共振器4から出射される。そのため、光ファイバ8b等が戻り光によって損傷を受けるおそれがある。しかし、固体レーザ装置1のように第1の励起光l1を共振器4の光軸Axに対して斜めに入射した場合には、吸収されなかった励起光が励起光供給部とは異なる方向に出射されるので、励起光供給部が損傷を受けることはない。
Also, pumping
さらに、第1の励起光l1は共振器4の光軸Axに対して斜めに入射するため、共振器4に入射する第1の励起光l1と、吸収されず共振器から出射する第1の励起光とでは、その光路が異なる。したがって、この配置により、再入射光学系10を容易に設置することができる。
Furthermore, since the first excitation light l 1 is incident obliquely with respect to the optical axis A x of the
また、再入射光学系10は、1/4波長板12とミラー14とを有し、1/4波長板12は共振器4の第1反射面(固体レーザ媒質2の第1面2a)とミラー14との間に配置される。したがって、共振器4から出射された第1の励起光l1は、ミラー14で反射され、1/4波長板12を2回通過する。その結果、第1の励起光l1の偏光方向を、90°回転させることができる。これにより、上述したように、効率的に固体レーザ媒質での励起光吸収率の向上が図られる。
The re-incidence
また、固体レーザ装置1では第2集光光学系18によって、第2の励起光l2のスポット径を、第1の励起光l1のスポット径と略同一にする。そのため、第1の励起光l1を供給する際に達成されたモードマッチング効率を、第2の励起光l2入射時にも達成することが可能となる。
Further, the solid-
また、固体レーザ媒質2は、Nd:GdVO4結晶からなる。Nd:GdVO4結晶は、光の偏光方向によって吸収係数が異なるため、固体レーザ装置1に用いることで、吸収係数の低い方向に偏光している励起光成分も利用でき、励起効率の向上を図ることが可能となる。
The solid-
さらに、Nd:GdVO4結晶は、レーザ発振波長における広い誘導放出断面積、広い励起波長帯域における高い吸収係数、励起波長における広い吸収帯域、高い熱伝導率、高いスロープ効率、及び高いレーザ誘導ダメージ閾値を持つといった特性を有する。そのため、Nd:GdVO4結晶を用いることにより、高出力で安定性があり、さらにはコストを抑えた固体レーザ装置の実現が可能となる。また、Nd:GdVO4結晶は光学的に一軸で大きい複屈折を示し、強力な偏光レーザ発振を可能とする。さらには、Nd:GdVO4結晶は、励起波長に対する依存性が低く、シングルモード出力に最適である。加えて、Nd:GdVO4結晶は、高い熱伝導率を持ち、かつ高出力を得ることができるため、熱レンズ特性に優れている。また、高いスロープ効率により、装置の小型化が可能である。このように、Nd:GdVO4結晶は、高出力DPSS(Diode Pumped Solid−State)レーザ用媒質として優れた特性を持つ。また、Nd:GdVO4結晶に対して、波長880nmの光を励起光として用いた場合、熱複屈折や熱レンズ効果などの熱的問題が少ないレーザ上準位への直接励起が可能となる。 Furthermore, the Nd: GdVO 4 crystal has a broad stimulated emission cross section at the lasing wavelength, a high absorption coefficient at a wide excitation wavelength band, a wide absorption band at the excitation wavelength, a high thermal conductivity, a high slope efficiency, and a high laser induced damage threshold. It has the characteristic of having. Therefore, by using the Nd: GdVO 4 crystal, it is possible to realize a solid-state laser device that is stable at a high output and further reduced in cost. In addition, the Nd: GdVO 4 crystal shows a large birefringence optically in one axis, and enables powerful polarized laser oscillation. Furthermore, the Nd: GdVO 4 crystal has low dependence on the excitation wavelength and is optimal for single mode output. In addition, since the Nd: GdVO 4 crystal has high thermal conductivity and can obtain high output, it has excellent thermal lens characteristics. Further, the device can be downsized due to high slope efficiency. As described above, the Nd: GdVO 4 crystal has excellent characteristics as a medium for a high-power DPSS (Diode Pumped Solid-State) laser. In addition, when light having a wavelength of 880 nm is used as excitation light for an Nd: GdVO 4 crystal, direct excitation to a laser upper level with less thermal problems such as thermal birefringence and thermal lens effect becomes possible.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、固体レーザ媒質はNd:GdVO4結晶に限られず、Nd:YVO4結晶、あるいはNd:YLF結晶などであってもよい。例えばNd:YVO4結晶はNd:GdVO4結晶同様、結晶の軸方向によって光の偏光成分の吸収係数が異なる。そのため、Nd:YVO4結晶に対して本発明による固体レーザ装置を適用し、吸収率を向上させることが可能となる。さらに、Nd:YVO4結晶においても、Nd:GdVO4結晶同様、波長880nmの光を励起光として用いた場合、熱複屈折や熱レンズ効果などの熱的問題が少ないレーザ上準位への直接励起が可能となる。Nd:YVO4結晶を用いた場合、固体レーザ装置の励起光学系の寸法や励起方法などは、同じバナデート系媒質であるため、結晶の大きさ等も含め、Nd:GdVO4結晶を固体レーザ媒質として用いた場合と同様である。なお、固体レーザ媒質として異なる結晶を用いる場合には、その結晶の吸収波長帯域の中心波長を用いることが好ましい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the solid-state laser medium is not limited to an Nd: GdVO 4 crystal, but may be an Nd: YVO 4 crystal or an Nd: YLF crystal. For example, the Nd: YVO 4 crystal, like the Nd: GdVO 4 crystal, has a different absorption coefficient of the polarization component of light depending on the crystal axis direction. Therefore, the absorptance can be improved by applying the solid-state laser device according to the present invention to the Nd: YVO 4 crystal. Further, in the Nd: YVO 4 crystal, as in the case of the Nd: GdVO 4 crystal, when light having a wavelength of 880 nm is used as excitation light, the direct laser directing to the laser upper level has few thermal problems such as thermal birefringence and thermal lens effect. Excitation is possible. When the Nd: YVO 4 crystal is used, the dimensions and the excitation method of the pumping optical system of the solid-state laser device are the same vanadate-based medium, and therefore the Nd: GdVO 4 crystal including the size of the crystal is used as the solid-state laser medium. It is the same as the case where it used as. When a different crystal is used as the solid-state laser medium, it is preferable to use the center wavelength of the absorption wavelength band of the crystal.
また、結晶の大きさ、形状は、本実施形態でのNd:GdVO4結晶のように一辺が3mmの立方体でなくてもよい。例えば、Ndイオン(Nd3+)の添加量が1.0at%で、大きさが3×3×1(mm)の直方体である固体レーザ媒質2Aを用い、第1の励起光l1が供給した状態を図10に示す。この場合、例えば角度θを26°とすることができる。なお、励起光とレーザ光l3とのモードマッチング効率のため、励起光の光軸と結晶内のレーザ光の光軸とが隙間なく合致する方がよいので、角度θは小さい方が好ましい。また、Nd:GdVO4結晶は、発振効率の観点から、Nd:GdVO4結晶のc軸と励起光の光軸を含む平面とが直交するように配置することが好ましいが、この配置に限られない。
Further, the size and shape of the crystal may not be a cube having a side of 3 mm as in the Nd: GdVO 4 crystal in the present embodiment. For example, the solid-
なお、共振器の光軸方向での固体レーザ媒質の長さが変化した場合における励起光のスポット径ωは、以下の(3)式によって算出される。 The spot diameter ω of the excitation light when the length of the solid-state laser medium in the optical axis direction of the resonator is changed is calculated by the following equation (3).
ここで、M2はビーム品質、λpは励起光中心波長、Lは固体レーザ媒質長、nは固体レーザ媒質の屈折率を表す。 Here, M 2 is the beam quality, λ p is the excitation light center wavelength, L is the solid laser medium length, and n is the refractive index of the solid laser medium.
また、固体レーザ装置1では、再入射光学系10によって励起光の偏光方向を90°回転させているが、回転させる角度は90°に限定されない。ただし、72°〜108°の間が好ましい。
In the solid-
また、励起光供給部において光ファイバを用いた場合、固体レーザ装置内における励起光源の位置の自由度が大きくなり、固体レーザ装置1内におけるスペースの有効利用が可能となる。そのため、固体レーザ装置の小型化が可能となる。ただし、光ファイバを用いずに励起光を励起光源から固体レーザ媒質に直接供給してもよい。また、励起光の波長は880nmに限られず、例えば808nmであってもよい。また、本発明による固体レーザ装置は、CWグリーンレーザ、遠赤外CWレーザ、及びブルーCWレーザなどのCW発振器、近赤外及びグリーンなどのパルス発振器のほか、例えばモードロック発振器などにも応用が可能である。
Further, when an optical fiber is used in the pumping light supply unit, the degree of freedom of the position of the pumping light source in the solid-state laser device is increased, and the space in the solid-
本発明は、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ装置として利用可能である。 The present invention can be used as a solid-state laser device having a high excitation light absorption rate in a solid-state laser medium.
1…固体レーザ装置、2、2A…固体レーザ媒質、2a…第1面、2b…第2面、4…共振器、6…出力ミラー、8…励起光供給部、8a…半導体レーザ素子、8b…光ファイバ、10…再入射光学系、12…1/4波長板、14…ミラー、16…第1集光光学系、18…第2集光光学系、22A、24A…反射防止コート、22H、24H…高反射コート、Ax…共振器の光軸、l1…第1の励起光、l2…第1の励起光、l3…レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記共振器の前記第1反射面から前記共振器内に第1の励起光を入射する励起光供給手段と、
前記共振器から出射された前記第1の励起光を、その光軸と垂直な面内で偏光方向を変えて第2の励起光とし、前記第2の励起光を前記共振器内に入射させる再入射光学系と、
を備えることを特徴とする固体レーザ装置。 A solid-state laser medium disposed between the first reflecting surface and the second reflecting surface of the resonator;
Excitation light supply means for entering first excitation light into the resonator from the first reflecting surface of the resonator;
The first pumping light emitted from the resonator is changed into a second pumping light by changing the polarization direction in a plane perpendicular to the optical axis, and the second pumping light is incident on the resonator. Re-incidence optics,
A solid-state laser device comprising:
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2004
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