JP2006165292A - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で高出力な半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ光によりレーザ結晶１２を励起し共振器によってレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザ１０であって、レーザ結晶１２としてはディスク状の単結晶構成のＮｄ：ＧｄＶＯ_４を用い、半導体レーザ素子１１とレーザ結晶１２とを同一平面上の実装基板１３に実装・配置し、且つ、半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子１４を配置し、半導体レーザによる励起光を固体レーザ光出射方向よりレーザ結晶１２に入射させる構成としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスクドライブ装置の光ピックアップ装置やレーザプリンタ、レーザスキャンディスプレイなどの小型光源、または光計測用光源、非線形波長変換用の励起光源等に使用される半導体レーザ励起固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは半導体レーザ励起波長変換型固体レーザ装置を含むものである。

近年、レーザ光を利用した装置として、光ディスク装置やレーザプリンタ、レーザ計測器などの製品が実用化されている。また、将来的な実用化を目指し、レーザディスプレイ等も開発、検討が進められている。上記のような応用に対しては、レーザ光源の短波長化の要求や、三原色（赤、青、緑色）光源などの要求がある。これらの要求に対しては、半導体レーザ素子の開発や波長変換レーザの開発が進められている。特に、高出力（〜１０Ｗ程度）のレーザ光源を必要とする応用に対しては、固体レーザを用いた波長変換光源が適しており、様々な研究機関が開発に取り組んでいる。

レーザディスプレイ等の応用を考えた場合、レーザ光源の小型化は不可欠である。また、その出力は高出力のものほど良く、広い応用が考えられる。小型で高出力のレーザ光源としては、レーザ結晶に薄いディスクを使用した、マイクロチップレーザが有効であるが、これまで高出力化に対して難しい課題があった（例えば、特許文献１、２および４、非特許文献３参照）。以下、半導体レーザのことを「ＬＤ」（Laser Diode）と略記することがある。

第一の従来例としての特開平５−１８３２２０号公報（特許文献１）記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、低雑音で出力の安定な固体レーザの構成とするため、熱制御やシングルモードＬＤを使用しているが、この構成では、高出力のシングルモードＬＤが存在しないため、高出力の励起ができず、高出力化が達成できない。このため、高出力の応用には使用できないことになる。
第二の従来例としての特開平１１−１７７１６７号公報（特許文献２）記載の小型半導体レーザ励起固体レーザ装置では、マイクロチップＳＨＧ（ＳＨＧ：Second Harmonics Generation第二高調波発生）レーザ構成に、マイクロレンズを採用することにより、高効率化を達成することで高出力化が可能な構成にはなっているが、励起のシングルストライプＬＤは最大でも２Ｗ程度の出力でしかなく、１０Ｗ程度の高出力を得ることは難しい。また、レーザ結晶部分への放熱に関しても十分ではなく、１０Ｗ程度の出力を得ることは難しい。
上記二つの従来例に示したように、レーザ光出射方向と同一方向からＬＤによる励起を行う、いわゆる端面励起構成では、半導体レーザ光（以下、「ＬＤ光」と略記することがある）のパワーに限界がある点および放熱の観点より高出力化を達成することは難しい。

第３の従来例として、マイクロチップレーザの高出力化構成を記載しているJJAP vol.41(2002) pp.L606-L608（非特許文献１）が挙げられる。この構成では、励起用のＬＤ光のパワーを増加するために、マイクロチップ構成のレーザ結晶の側面よりＬＤ光を入射させることを採用している。これにより、励起パワーを増大させ、且つ、放熱効率も向上し、高出力化を達成できている。しかしながら、第３の従来例においては、不要な部分の励起光に対する吸収を抑えるために、レーザ結晶にコンポジット結晶を用い、レーザ結晶の周辺に吸収の無い領域を設けている。コンポジット結晶を単結晶構成で作製するためには、貼り合わせなどの高価となる工程が必要であり、装置が高価になってしまうという問題点がある。

次に、第４の従来例として米国特許No.5,553,088号明細書（特許文献３）が挙げられる。これは、薄型のレーザ結晶に対して表面より励起する構成を取ったレーザ装置であるが、折り返しのミラーや半導体レーザの配置が小型化には適しておらず、大型の装置となってしまうため、小型レーザの実現に対しては有効ではない。

特開平５−１８３２２０号公報 特開平１１−１７７１６７号公報 JJAP vol.41(2002) pp.L606-L608 米国特許No.5,553,088号明細書

上述したとおり、現状では、小型で高出力な半導体レーザ励起固体レーザ装置に関して本格的な発明は未だなされていない。そこで、本発明は、小型で高出力な半導体レーザ励起固体レーザ装置の提供を主な目的としている。

詳細には、請求項１記載の発明では、レーザ結晶と半導体レーザ素子とを同一平面上に配置することによって小型の装置を実現し、且つ、半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子を配置し、半導体レーザによる励起光を固体レーザ光出射方向よりレーザ結晶に入射させることによって、レーザ結晶後方からの背熱効率を向上することと、レーザ発振領域への有効な励起光の照射とを可能にするため、高出力な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している。

請求項２記載の発明では、請求項１の構成において、半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子に少なくとも一つのマイクロレンズ面を含ませることにより、半導体レーザと光学素子との距離を短くすることを可能とし、もって装置の小型化を図ることを目的としている。

請求項３記載の発明では、請求項１または２の構成において、半導体レーザ素子をシングルストライプ型とし、一つ以上の個数を配置することにより、半導体レーザ励起固体レーザ装置構成の配置自由度を向上させ、且つ、半導体レーザ個数による出力増加を目的としている。
請求項４記載の発明では、請求項１または２の構成において、半導体レーザ素子をアレイ型とし、一つ以上の個数を配置することにより、励起光の強度を増加させ、高出力化を達成することを目的としている。

請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の何れか一つの構成において、レーザ光出力光路中に非線形光学結晶を配置し、第二高調波を発生させることで、レーザ装置の短波長化を図ることを目的としている。
請求項６記載の発明では、請求項５の構成において、非線形光学結晶を擬似位相整合型素子とすることで、波長変換の効率を向上し短波長化と光出力化を両立させることを目的としている。

請求項７記載の発明では、請求項１ないし６の何れか一つの構成、特には請求項５または６の構成において、レーザ結晶をバナデート系の材料を使用することにより、レーザ発振出力の直線偏光化を達成し、波長変換効率の向上とそれに伴う高出力化を図ることを目的としている。
請求項８記載の発明では、請求項１ないし７の何れか一つの構成、特には請求項５、６または７の構成において、レーザ結晶をＮｄ：ＧｄＶＯ_４とすることにより、熱に対する伝導率が良く、吸収係数も大きいため、より安定で高出力の直線偏光レーザを実現することを目的としている。

上述した課題を解決すると共に上述した目的を達成するために、各請求項ごとの発明では、以下のような特徴ある手段・発明特定事項（以下、「構成」という）を採っている。
請求項１記載の発明は、半導体レーザ素子からの半導体レーザ光によりレーザ結晶を励起しレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記レーザ結晶は、ディスク状の結晶構成であり、前記半導体レーザ素子と前記レーザ結晶とを同一平面上に配置し、且つ、前記半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子を配置し、前記半導体レーザ光による励起光を前記固体レーザ光出射方向より前記レーザ結晶に入射させる構成としたことを特徴とする。
その動作は、半導体レーザ光によりレーザ結晶を励起することにより、レーザ光が共振器より出射されることで行われる。
ここで、「半導体レーザ素子からの半導体レーザ光によりレーザ結晶を励起しレーザ発振を行わせる」とは、詳しくは、「半導体レーザ素子からの半導体レーザ光によりレーザ結晶を励起し、共振器によってレーザ発振を行わせる」と同義である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記光学素子は、少なくとも一つのマイクロレンズを含んでいることを特徴とする。その動作は、請求項１と同様である。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子は、一つの発光点を持つシングルストライプ型であり、前記半導体レーザ素子を一つ以上配置していることを特徴とする。その動作は、請求項１、２と同様である。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子は、複数の発光点を持つアレイ型であり、前記半導体レーザ素子を一つ以上配置していることを特徴とする。その動作は、請求項１、２と同様である。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、固体レーザ出力光路中に非線形光学結晶を配置し、第二高調波を発生させる構成としたことを特徴とする。
その動作は、請求項１ないし４と基本的に同様であるが、上記構成により、出力レーザ光に対する波長変換が短波長側に行われる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記非線形光学結晶は、強誘電体材料に周期的な分極反転構造を作製した擬似位相整合型素子であることを特徴とする。
その動作は、請求項１ないし４と基本的に同様であるが、上記構成により、出力レーザ光に対する波長変換が短波長側に効率的に行われる。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記レーザ結晶としては、バナデート系の材料を用いていることを特徴とする。その動作は、請求項１ないし４と基本的に同様であるが、特に請求項５または６においては、固体レーザ装置の出力が直線偏光の動作が行われる。

請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４を用いていることを特徴とする。その動作は、請求項１ないし４と基本的に同様であるが、特に請求項５、６または７においては、固体レーザ装置の出力が直線偏光の動作が行われる。
ここで、請求項８における「レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４（Neodymium Doped Gadolinium Vanadate）を用いている」ことにより、特に請求項５、６または７との関係において後述する顕著な効果や実施例の利点を奏するが、それ程顕著な効果等を望まなくても良いのであれば、請求項１ないし６の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置においては、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ_４等であっても良く、これらのレーザ結晶も含まれる。同様に、請求項７におけるレーザ結晶としては、バナデート系の材料を用いたＮｄ：ＹＶＯ_４等も含まれる。

本発明によれば、各請求項記載の構成により、前記課題を解決して新規な半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することができる。主な発明の効果を挙げれば、以下のとおりである。
本発明によれば、レーザ結晶と半導体レーザ素子とを同一平面上に配置することによって装置の小型化を実現でき、且つ、半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子を配置し、半導体レーザによる励起光を固体レーザ光出射方向よりレーザ結晶に入射させることによって、レーザ結晶後方からの背熱効率が向上すると共に、レーザ発振領域への有効な励起光の照射が可能となって、高出力化が達成できる（請求項１）。

本発明によれば、半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子は、少なくとも一つのマイクロレンズを含んでいることにより、半導体レーザ素子と光学素子との距離を短くすることが可能となり、さらなる装置の小型化を実現できる（請求項２）。

本発明によれば、半導体レーザ素子をシングルストライプ型とし、これを一つ以上配置することにより、半導体レーザ励起固体レーザ装置構成の配置自由度が向上すると共に、半導体レーザ素子数の増加による出力増加を達成できる。（請求項３）。

本発明によれば、半導体レーザ素子をアレイ型とし、これを一つ以上配置することにより、励起光の強度が増加するので、さらなる高出力化を達成できる（請求項４）。

本発明によれば、レーザ光出力光路中に非線形光学結晶を配置し、第二高調波を発生させることにより、固体レーザ装置での短波長化を図れる（請求項５）。

本発明によれば、非線形光学結晶を擬似位相整合型素子とすることにより、波長変換の効率が向上するので、短波長化と高出力化とを両立させることができる（請求項６）。

本発明によれば、レーザ結晶としてバナデート系の材料を用いることにより、レーザ発振出力の直線偏光化を達成でき、波長変換効率の向上とそれに伴う高出力化を達成できる（請求項７）。

本発明によれば、レーザ結晶としてＮｄ：ＧｄＶＯ_４を用いることにより、熱に対する伝導率が良く、吸収係数も大きいため、より安定な高出力の直線偏光レーザを実現することができる（請求項８）。

以下、図を参照して本発明の実施例を説明する。図および説明の簡明化を図るため、図に表されるべき構成要素であっても、その図において特別に説明する必要がないものは適宜断わりなく省略することがある。公開特許公報等の構成要素を引用して説明する場合は、その符号に括弧を付して示し、各実施例等のそれと区別するものとする。なお、各実施例を示す各図においては、図の見やすさを考慮して半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図を上に、同装置の平面図は下に配置していることを付記しておく。

図１を参照して、実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置（以下、単に「固体レーザ装置」という）について説明する。同図において、符号１０は、実施例１の固体レーザ装置を示す。この固体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１１、レーザ結晶１２、実装基板１３、光学素子１４およびレンズ素子１５から構成されている。

半導体レーザ素子１１は、一つの発光点を持つシングルストライプ型のＬＤであり、波長８０８ｎｍ、出力２Ｗで、発光領域が２００×１μｍのものを使用している。半導体レーザ素子１１は、レーザ結晶１２を挟んで図において左右両側に対向して１個ずつ配置され、実装基板１３にダイボンドされて実装されている。
ここで、「ダイボンド」とは、載置・固定するという意味合いであり、「実装」とは、位置の合わせ込みを行って載置・固定することを意味する（以下、同様）。

レーザ結晶１２は、Ｎｄ濃度が１．０ａｔ％の単結晶構成のＮｄ：ＧｄＶＯ_４を用いていて、アパーチャサイズが３×３ｍｍ、厚みが０．５ｍｍのものを使用している。レーザ結晶１２の両端面（図１（ａ）における同レーザ結晶１２の上下方向の上・下端面を表している）には、誘電体コーティングが施してあり、レーザ結晶１２が実装基板１３に接している下端面は、１０６３ｎｍに対し全反射コーティングを施し、対向する上端面は１０６３ｎｍに対して、透過率が３％となるコーティングを施している。レーザ結晶１２は、半導体レーザ素子１１と同一の実装基板１３上であって、同一平面上にダイボンドされている。
誘電体コーティング材料としては、例えばＭｇＦ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等が主な材料成分として用いられる。同コーティングの施工方法としては、蒸着法やスパッタリング法が適宜使用される（後述の実施例２ないし４を示す図２ないし図４のレーザ結晶２２、３２、４２に対する誘電体コーティングでも同様であるため、以下この説明を省略する）。

実装基板１３は、熱伝導率が良好で比較的安価な銅製であり、その下方より冷却ができる構成としている（図示せず）。
光学素子１４は、例えば石英やＢＫ７で形成されている（後述の実施例２ないし４を示す図２ないし図４の光学素子２４、３４、４４でも同様であるため、以下この説明を省略する）。光学素子１４は、半導体レーザ光をレーザ結晶１２の中央部に導入できるような構成であり、反射を利用して機能を満たしている。光学素子１４の反射面に対しては、８０８ｎｍに対して全反射となり、光学素子１４の透過面に対しては、全透過となるようにコーティング（ミラーと同様の作用をする。以下、同様）が施されている。光学素子１４の配置は、図１に示したように、実装基板１３上に接着剤を用いて配置・固定している。レンズ素子１５は、レーザ結晶１２上に、同図の矢印で示す光路を通して、約２００μｍ程度のスポットサイズを実現できるものを使用している。

実施例１の動作について説明する。
レーザ結晶１２周辺に対向して配置された各半導体レーザ素子１１から出射された半導体レーザ光（ＬＤ光）はレンズ素子１５、光学素子１４を通過し、レーザ結晶１２上へ照射される。レーザ結晶１２中に照射された半導体レーザ光はレーザ結晶１２で吸収され、レーザ結晶１２両端面に構成された共振器構成でレーザ発振が起こる。ここで、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は吸収係数が大きく７０ｃｍ^−１であるため、０．５ｍｍの結晶を往復することで、ほぼ半導体レーザ光は吸収され、迷光による他の半導体レーザへ影響することはない。ここでは、レーザ共振器を１０６３ｎｍ用にしているため、レーザ結晶１２上部より一点鎖線で示すレーザ光Ｌが光学素子１４を通して出射される。

実施例１によれば、レーザ結晶１２にディスク状のマイクロチップレーザ構成を採用し、半導体レーザ素子１１とレーザ結晶１２とを同一平面上に実装・配置することで、小型化を達成でき、且つ、レーザ結晶１２上から励起光を照射できる光学素子１４を配置することにより、レーザ発振に不要な領域への励起を無くし、レーザ結晶１２の背面からの放熱も可能になることで、高出力化と熱的な安定性とを達成できた。また、実施例１によれば、半導体レーザ素子１１をシングルストライプ型として２個対向して配置していることにより、半導体レーザパワーを増加できるだけでなく、その構成や配置自由度も保つことができた。

図２を参照して、第２の実施例に係る固体レーザ装置について説明する。同図において、符号２０は、実施例２の固体レーザ装置を示す。固体レーザ装置２０は、半導体レーザ素子２１、レーザ結晶２２、実装基板２３および光学素子２４から構成されている。

固体レーザ装置２０は、実施例１の固体レーザ装置１０と比較して、光学素子１４と分離して配置されたレンズ素子１５に代えて、光学素子２４に一体形成されたマイクロレンズ素子２４ａを有する点、換言すれば光学素子２４には少なくとも一つのマイクロレンズ素子２４ａを含んでいる点が主に相違する。半導体レーザ素子２１、レーザ結晶２２および実装基板２３の各形成材料、材料組成・濃度、各形状・寸法、取り付け・配置方法、機能等は、実施例１における固体レーザ装置１０の半導体レーザ素子１１、レーザ結晶１２および実装基板１３とそれぞれ実質的に同一である。

レーザ結晶２２の両端面（図２（ａ）における同レーザ結晶２２の上下方向の上・下端面を表している）には、誘電体コーティングが施してあり、レーザ結晶２２が実装基板２３に接している下端面は、１０６３ｎｍに対し全反射コーティングを施し、対向する上端面は１０６３ｎｍに対して、透過率が３％となるコーティングを施している。レーザ結晶２２は、半導体レーザ素子２１と同一の実装基板２３上であって、同一平面上にダイボンドされている。

光学素子２４は、半導体レーザ光をレーザ結晶２２の中央部に導入できるような構成であり、一体で形成したマイクロレンズ素子２４ａ、反射面、凹面を利用して機能を満たしている。反射面に対しては、８０８ｎｍに対して全反射となり、透過面に対しては、全透過となるようにコーティングが施されている。その配置は、図２に示したように、実装基板２３上に接着剤を用いて配置・固定している。
マイクロレンズ素子２４ａは、レーザ結晶２２上に、同図の矢印で示す光路を通して、約２００μｍ程度のスポットサイズを実現できるものを使用している。

実施例２の動作について説明する。
レーザ結晶２２周辺に対向して配置された半導体レーザ素子２１から出射された半導体レーザ光（ＬＤ光）はマイクロレンズ素子２４ａ、光学素子２４を通過し、レーザ結晶２２上へ照射される。レーザ結晶２２中に照射された半導体レーザ光はレーザ結晶２２で吸収され、レーザ結晶２２両端面に構成された共振器構成でレーザ発振が起こる。ここで、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は吸収係数が大きく７０ｃｍ^−１であるため、０．５ｍｍの結晶を往復することで、ほぼ半導体レーザ光は吸収され、迷光による他の半導体レーザへ影響することはない。ここでは、レーザ共振器を１０６３ｎｍ用にしているため、レーザ結晶２２上部より一点鎖線で示すレーザ光Ｌ光学素子２４を通して出射される。

実施例２によれば、レーザ結晶２２にディスク状のマイクロチップレーザ構成を採用し、半導体レーザ素子２１とレーザ結晶２２とを同一平面上に実装・配置することで、装置の小型化を達成でき、且つ、レーザ結晶２２上から励起光を照射できる光学素子２４を配置することにより、レーザ発振に不要な領域への励起を無くし、レーザ結晶２２の背面からの放熱も可能になることで、高出力化と熱的な安定性とを達成できた。また、光学素子２４に一体としてマイクロレンズ素子２４ａを形成していることにより、半導体レーザ素子２１と光学素子２４との距離を短くし、さらなる装置の小型化が達成できた。また、実施例２によれば、半導体レーザ素子２１をシングルストライプ型として２個対向して配置していることにより、半導体レーザパワーを増加できるだけでなく、その構成や配置自由度も保つことができた。

図３を参照して、第３の実施例に係る固体レーザ装置について説明する。同図において、符号３０は、実施例３の固体レーザ装置を示す。固体レーザ装置３０は、半導体レーザ素子３１、レーザ結晶３２、実装基板３３および光学素子３４から構成されている。

固体レーザ装置３０は、実施例２の固体レーザ装置２０と比較して、一つの発光点を持つシングルストライプ型半導体レーザ素子２１に代えて、複数の発光点を持つアレイ型の半導体レーザ素子３１を有する点、および光学素子２４に一体形成されたマイクロレンズ素子２４ａに代えて、複数のアレイ型半導体レーザ素子３１に対応して光学素子３４に一体形成されたマイクロレンズ素子３４ａを有する点が主に相違する。

アレイ型の半導体レーザ素子３１は、波長８０８ｎｍ、出力２０Ｗで、発光領域が２００×１μｍ、発光点が１０個（図３には簡略化のため個数を減少して示している）のＬＤを使用している。また、半導体レーザ素子３１は、レーザ結晶３２を挟んで図において左右両側に対向して１組ずつ配置され、実装基板３３上にダイボンドされて実装されている。

レーザ結晶３２の形成材料、材料組成・濃度、形状・寸法、機能等は、実施例２における固体レーザ装置２０の半導体レーザ素子２１と実質的に同一である。
レーザ結晶３２の両端面（図３（ａ）における同レーザ結晶３２の上下方向の上・下端面を表している）には、誘電体コーティングが施してあり、レーザ結晶３２が実装基板３３に接している下端面は、１０６３ｎｍに対し全反射コーティングを施し、対向する上端面は１０６３ｎｍに対して、透過率が３％となるコーティングを施している。レーザ結晶３２は、半導体レーザ素子３１と同一の実装基板３３上であって、同一平面上にダイボンドされている。
実装基板３３は、実施例２と同様の銅製であり、その下方より冷却ができる構成としている（図示せず）。実装基板３３は、実施例２の実装基板２３と比較して、アレイ型の半導体レーザ素子３１およびマイクロレンズ素子３４ａを含む光学素子３４の実面積が増加していることにより、形状が大きく形成されている点が相違する。

光学素子３４は、半導体レーザ光をレーザ結晶３２中央部に導入できるような構成であり、一体で形成した半導体レーザ素子３１アレイの発光点に対応したマイクロレンズ素子３４ａ（図３（ｂ）には簡略化のため個数を減少して左右８個で示している）、反射面、凹面を利用して機能を満たしている。反射面に対しては、８０８ｎｍに対して全反射となり、透過面に対しては、全透過となるようにコーティングが施されている。アレイ型の半導体レーザ素子３１からのレーザ光をレーザ結晶３２上の一点に照射できるように、反射面と凹面を設定しており、光学素子３４は、図３（ａ）（ｂ）に示したように、実装基板３３上に接着剤を用いて配置・固定している。
各マイクロレンズ素子３４ａは、レーザ結晶３２上に、同図の矢印で示す光路を通して、約２００μｍ程度のスポットサイズを実現できるものを使用している。

実施例３の動作について説明する。
レーザ結晶３２周辺に対向して配置した半導体レーザ素子３１アレイから出射された各半導体レーザ光は各マイクロレンズ３４ａおよび光学素子３４を通過し、レーザ結晶３２上の一点へ照射される。レーザ結晶３２中に照射された半導体レーザ光はレーザ結晶３２で吸収され、レーザ結晶３２両端面に構成された共振器構成でレーザ発振が起こる。ここで、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は吸収係数が大きく７０ｃｍ^−１であるため、０．５ｍｍの結晶を往復することで、ほぼ半導体レーザ光は吸収され、迷光による他の半導体レーザへ影響することはない。ここでは、レーザ共振器を１０６３ｎｍ用にしているため、レーザ結晶３２上部より一点鎖線で示すレーザ光Ｌが光学素子３４を通して出射される。

実施例３によれば、レーザ結晶３２にディスク状のマイクロチップレーザ構成を採用し、半導体レーザ素子３１とレーザ結晶３２を同一平面上に実装・配置することで、装置の小型化を達成でき、且つ、レーザ結晶３２上から励起光を照射できる光学素子３４を配置することにより、レーザ発振に不要な領域への励起を無くし、レーザ結晶３２の背面からの放熱も可能になることで、高出力化と熱的な安定性とを達成できた。また、実施例３によれば、光学素子３４に一体として複数のマイクロレンズ素子３４ａを形成していることにより、半導体レーザ素子３１と光学素子３４との距離を短くし、さらなる装置の小型化が達成できた。また、アレイ型の半導体レーザ素子３１を対向して使用することで、励起光を増加させ、出力が増加した。

図４を参照して、第４の実施例に係る固体レーザ装置について説明する。同図において、符号４０は、実施例４の固体レーザ装置を示す。固体レーザ装置４０は、アレイ型の半導体レーザ素子４１、レーザ結晶４２、実装基板４３、光学素子４４および非線形光学素子４５から構成されている。
固体レーザ装置４０は、実施例３の固体レーザ装置３０と比較して、非線形光学結晶からなる非線形光学素子４５を、固体レーザ出力光路中に配置し、第二高調波を発生させる構成とした点が主に相違する。

アレイ型の半導体レーザ素子４１は、実施例３の半導体レーザ素子３１と同様に、波長８０８ｎｍ、出力２０Ｗで、発光領域が２００×１μｍ、発光点が１０個（図４には簡略化のため個数を減少して示している）のものを使用している。また、半導体レーザ素子４１は、レーザ結晶４２を挟んで図において左右両側に対向して１組ずつ配置され、実装基板４３上にダイボンドされて実装されている。

レーザ結晶４２の形成材料、材料組成・濃度、形状・寸法、機能等は、実施例３における半導体レーザ素子３１と実質的に同一である。レーザ結晶４２の両端面（図４（ａ）における同レーザ結晶４２の上下方向の上・下端面を表している）には、誘電体コーティングが施してあり、レーザ結晶４２が実装基板４３に接している下端面は、１０６３ｎｍに対し全反射コーティングを施し、対向する上端面は１０６３ｎｍに対して、透過率が３％となるコーティングを施している。また、レーザ結晶４２は、半導体レーザ素子４１と同一の実装基板４３上であって、同一平面上にダイボンドされている。

実装基板４３は、実施例３と同様の銅製であり、その下方より冷却ができる構成としている（図示せず）。実装基板４３は、実施例３の実装基板３３と同様に、アレイ型の半導体レーザ素子４１およびマイクロレンズ素子４４ａを含む光学素子４４の実面積が増加していることにより、形状が大きく形成されている。

光学素子４４は、実施例３の光学素子３４と同様に、半導体レーザ光をレーザ結晶４２中央部に導入できるような構成であり、一体で形成した半導体レーザ素子４１アレイの発光点に対応したマイクロレンズ素子４４ａ（図４（ｂ）には簡略化のため個数を減少して示している）、反射面、凹面を利用して機能を満たしている。反射面に対しては、８０８ｎｍに対して全反射となり、透過面に対しては、全透過となるようにコーティングが施されている。光学素子４４は、アレイ型の半導体レーザ素子４１からのレーザ光をレーザ結晶４２上の一点に照射できるように、反射面と凹面を設定しており、図４（ａ）（ｂ）に示したように、実装基板４３上に接着剤を用いて配置・固定している。
各マイクロレンズ素子４４ａは、レーザ結晶４２上に、同図の矢印で示す光路を通して、約２００μｍ程度のスポットサイズを実現できるものを使用している。

非線形光学素子４５は、強誘電体材料に周期的な分極反転構造を作製した擬似位相整合型素子としてのＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶を使用しており、アパーチャサイズが２×２ｍｍ、長さが１０ｍｍであり、分極反転周期は６．９５μｍとしている。その配置は、光学素子４４上に接着にて固定している。

実施例４の動作について説明する。
レーザ結晶４２周辺に対向して配置した半導体レーザ素子４１アレイから出射された各半導体レーザ光（ＬＤ光）は各マイクロレンズ３４ａおよび光学素子４４を通過し、レーザ結晶４２上の一点へ照射される。レーザ結晶４２中に照射された半導体レーザ光はレーザ結晶４２で吸収され、レーザ結晶４２両端面に構成された共振器構成でレーザ発振が起こる。ここで、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は吸収係数が大きく７０ｃｍ^−１であるため、０．５ｍｍの結晶を往復することで、ほぼ半導体レーザ光は吸収され、迷光による他の半導体レーザへ影響することはない。ここでは、レーザ共振器を１０６３ｎｍ用にしているため、レーザ結晶４２上部より一点鎖線で示すレーザ光Ｌが光学素子４４を通して出射される。
その際に、レーザ出力はバナデート系のＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を使用しているため、その結晶のＣ軸方向に沿った直線偏光のレーザ光Ｌが出射される。そのレーザ光Ｌを、非線形光学素子４５を形成している周期的な分極反転構造を作製したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶を通過させることにより、第二高調波として短波長に変換されたレーザ光Ｌ’として５３１．５ｎｍの出力を得ることができる。

実施例４によれば、レーザ結晶４２にディスク状のマイクロチップレーザ構成を採用し、半導体レーザ素子４１とレーザ結晶４２を同一平面上に実装・配置することで、装置の小型化を達成でき、且つ、レーザ結晶４２上から励起光を照射できる光学素子４４を配置することにより、レーザ発振に不要な領域への励起を無くし、レーザ結晶４２の背面からの放熱も可能になることで、高出力化と熱的な安定性とを達成できた。また、光学素子４４に一体として複数のマイクロレンズ素子４４ａを形成していることにより、半導体レーザ素子４１と光学素子４４との距離を短くし、さらなる装置の小型化が達成できた。また、アレイ型の半導体レーザ素子４１を対向して使用することで、励起光を増加させ、出力が増加した。
また、固体レーザ出力光路中に非線形光学結晶からなる非線形光学素子４５を配置したので、固体レーザ装置の短波長化を実現できると共に、さらに非線形光学結晶を分極反転型とすることで、作用長を長く取れるためにさらなる高出力化が実現できた。加えて、レーザ結晶４２にバナデート系結晶を使用することによりレーザが直線偏光化できるため、波長変換効率が向上し、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４を使用することにより、熱伝導や吸収係数の高い構成が実現でき、より安定な高出力の直線偏光レーザ装置を実現できた。
実施例１ないし４では、レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４を用いた実施例で説明したが、上述した効果や各実施例で述べた特有の利点、すなわち高出力化等をそれ程望まなくてもよいのでれば、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、またはＮｄ：ＹＶＯ_４等であってもよい。

（ａ）は本発明の実施例１を示す半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図、（ｂ）は同装置の平面図である。 （ａ）は本発明の実施例２を示す半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図、（ｂ）は同装置の平面図である。 （ａ）は本発明の実施例３を示す半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図、（ｂ）は同装置の平面図である。 （ａ）は本発明の実施例４を示す半導体レーザ励起固体レーザ装置の正面図、（ｂ）は同装置の平面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ （半導体レーザ励起）固体レーザ装置
１１、２１、３１、４１ 半導体レーザ素子
１２、２２、３２、４２ レーザ結晶
１３、２３、３３、４３ 実装基板
１４、２４、３４、４４ 光学素子
１５ レンズ素子
２４ａ、３４ａ、４４ａ マイクロレンズ
４５ 非線形光学素子（非線形光学結晶、擬似位相整合型素子）

Claims (8)

1. 半導体レーザ素子からの半導体レーザ光によりレーザ結晶を励起しレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記レーザ結晶は、ディスク状の結晶構成であり、前記半導体レーザ素子と前記レーザ結晶とを同一平面上に配置し、且つ、前記半導体レーザ光を固体レーザ光出射方向より入射させることが可能な光学素子を配置し、前記半導体レーザ光による励起光を前記固体レーザ光出射方向より前記レーザ結晶に入射させる構成としたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
2. 請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記光学素子は、少なくとも一つのマイクロレンズを含んでいることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記半導体レーザ素子は、一つの発光点を持つシングルストライプ型であり、前記半導体レーザ素子を一つ以上配置していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
4. 請求項１または２記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記半導体レーザ素子は、複数の発光点を持つアレイ型であり、前記半導体レーザ素子を一つ以上配置していることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   固体レーザ出力光路中に非線形光学結晶を配置し、第二高調波を発生させる構成としたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
6. 請求項５記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記非線形光学結晶は、強誘電体材料に周期的な分極反転構造を作製した擬似位相整合型素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記レーザ結晶としては、バナデート系の材料を用いていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一つに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   前記レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４を用いていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。

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