JP2006245608A - Semiconductor-laser pumped solid-state laser apparatus - Google Patents

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陽子 井上
Shuichi Fujikawa
周一 藤川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor-laser pumped solid-state laser apparatus capable of generating a stable, high-power and high-efficiency laser beam. <P>SOLUTION: The semiconductor-laser pumped solid-state laser apparatus is provided with a solid-state laser element 2 including an active medium, semiconductor lasers 1 for optically pumping the solid-state laser element, a power source 8 for feeding electric power to the semiconductor lasers, and an optical resonator 9, 10 for extracting the laser beam from the optically pumped solid-state laser element. In pulse-pumping the solid-state laser element by pulse-operating the semiconductor lasers 1, the current flowing through each semiconductor laser is varied within a single pulse. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、安定で効率よくレーザビームを発生させることができる半導体レーザ励起固体レーザ装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor laser pumped solid-state laser device capable of generating a laser beam stably and efficiently.

図17(a),(b)及び図18は、例えば特許文献1に示された従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成を示す側面図と横断面図、及び半導体レーザに流す入力電流波形とレーザ出力波形を示す図である。図17(a),(b)において、1は励起光源である半導体レーザ、2は固体レーザ素子としてのスラブ形状のNd:YAGである。3は励起光である半導体レーザ光、4はフローチューブである。   17A, 17B, and 18 are a side view and a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor laser pumped solid-state laser device disclosed in, for example, Patent Document 1, and a waveform of an input current passed through the semiconductor laser. It is a figure which shows a laser output waveform. In FIGS. 17A and 17B, 1 is a semiconductor laser that is an excitation light source, and 2 is a slab-shaped Nd: YAG as a solid-state laser element. 3 is a semiconductor laser beam which is excitation light, and 4 is a flow tube.

上記固体レーザ素子2は、フローチューブ4に挿入され、固体レーザ素子2とフローチューブ4の間には、固体レーザ素子2を冷却するために、冷却媒体5として冷水が流されいる。半導体レーザ1は、フローチューブ4外部に設置され、出射された半導体レーザ光3は、金製のミラー6により反射、導光されて、フローチューブ4を介して固体レーザ素子2を励起する。また、フローチューブ4の周囲は、半導体レーザ光3が入射する領域を除き、金製のミラー6で覆われている。これにより、フローチューブ4内部に半導体レーザ光3を閉じ込める効果を得、励起効率の向上を図っている。9と10は共振器を構成する主反射ミラーと部分反射ミラーであり、11は共振器外部に放出されるレーザ光である。   The solid laser element 2 is inserted into the flow tube 4, and cold water is allowed to flow between the solid laser element 2 and the flow tube 4 as a cooling medium 5 in order to cool the solid laser element 2. The semiconductor laser 1 is installed outside the flow tube 4, and the emitted semiconductor laser light 3 is reflected and guided by a gold mirror 6 to excite the solid-state laser element 2 through the flow tube 4. The periphery of the flow tube 4 is covered with a gold mirror 6 except for the region where the semiconductor laser light 3 is incident. Thereby, the effect of confining the semiconductor laser light 3 inside the flow tube 4 is obtained, and the excitation efficiency is improved. Reference numerals 9 and 10 are a main reflection mirror and a partial reflection mirror constituting the resonator, and 11 is a laser beam emitted to the outside of the resonator.

次に、半導体レーザ1のパルス励起による固体レーザ装置の動作について説明する。半導体レーザ1に電流を流すと、発光部より半導体レーザ光が出射する。従来は、半導体レーザをパルス動作させる際、図18に示す入力電流波形のように、1パルス内の電流値を常に一定に保っていた。半導体レーザ内部では、電流による入力エネルギーに対して、半導体レーザ光として取り出される出力エネルギーとの差は半導体レーザの発熱となり、ここでは図示されていないが、冷却装置により、この熱量を除去している。   Next, the operation of the solid state laser device by pulse excitation of the semiconductor laser 1 will be described. When a current is passed through the semiconductor laser 1, semiconductor laser light is emitted from the light emitting portion. Conventionally, when a semiconductor laser is pulse-operated, the current value within one pulse is always kept constant as shown in the input current waveform shown in FIG. Inside the semiconductor laser, the difference between the input energy due to the current and the output energy extracted as the semiconductor laser light is the heat generated by the semiconductor laser. Although not shown here, this amount of heat is removed by a cooling device. .

出射された半導体レーザ光は、固体レーザ素子2を励起し、固体レーザ素子2より自然放出光が発生する。その際、図17(a)に示すように、ミラー9、10により構成された光共振器を備えることで、自然放出光が共振器間を往復する間に増幅され、指向性のよいレーザ光となる。そして、一定以上の大きさに達すると、レーザ光11として共振器外部に放出される。   The emitted semiconductor laser light excites the solid-state laser element 2 and spontaneous emission light is generated from the solid-state laser element 2. At this time, as shown in FIG. 17A, by providing an optical resonator constituted by mirrors 9 and 10, spontaneously emitted light is amplified while reciprocating between the resonators, and laser light having good directivity. It becomes. When reaching a certain size or larger, the laser beam 11 is emitted outside the resonator.

Advanced High-Power Lasers, SPIE Vol.3889, pp. 182-189Advanced High-Power Lasers, SPIE Vol.3889, pp. 182-189

ところで、半導体レーザ1に電流を流し始めてから、入力エネルギー、半導体レーザ光として取り出される出力エネルギー、および冷却装置による廃熱とが熱平衡に達するまでには時間を要する。このため、従来の技術のように、半導体レーザ1に常に一定値の電流を流した場合には、半導体レーザ1の内部で熱平衡に達するまでの間は経時的に内部温度が変化していた。   By the way, it takes time for the input energy, the output energy extracted as the semiconductor laser light, and the waste heat from the cooling device to reach thermal equilibrium after the current starts to flow through the semiconductor laser 1. For this reason, when a constant current is always supplied to the semiconductor laser 1 as in the prior art, the internal temperature changes over time until the semiconductor laser 1 reaches thermal equilibrium.

半導体レーザ1の発振スペクトルは温度依存性を有し、高温化するほど長波長へ変化する。従来の半導体レーザ1のパルス動作では、温度変化に対応し、1パルス内での発振スペクトルも経時的に変化していた。そのため、1パルス全体でも半導体レーザ1の発振スペクトルと固体レーザ素子2の吸収スペクトルとの整合性が低下し、半導体レーザ光の吸収率の低下等を引き起こしていた。   The oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 has temperature dependence, and changes to a longer wavelength as the temperature increases. In the conventional pulse operation of the semiconductor laser 1, the oscillation spectrum within one pulse also changes with time in response to temperature changes. For this reason, the consistency between the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 and the absorption spectrum of the solid-state laser element 2 is reduced even in one entire pulse, causing a decrease in the absorption rate of the semiconductor laser light and the like.

例えば熱平衡時に半導体レーザ1の発振スペクトルが固体レーザ素子2の吸収スペクトルよりも長い場合、励起開始直後は、固体レーザ素子2における半導体レーザ光の吸収率は高くなるものの、温度上昇による経時的な波長変化のために、1パルス内における半導体レーザ光の吸収率は逐次減少する。この結果、1パルス継続時間内におけるレーザ出力も逐次低下し、加工用途等へ使用した場合、加工品質が劣化するという問題があった。   For example, when the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 is longer than the absorption spectrum of the solid-state laser element 2 at the time of thermal equilibrium, the absorption rate of the semiconductor laser light in the solid-state laser element 2 increases immediately after the start of excitation, but the wavelength over time due to the temperature rise. Due to the change, the absorption rate of the semiconductor laser light within one pulse decreases sequentially. As a result, there is a problem that the laser output within one pulse duration time decreases successively and the processing quality deteriorates when used for processing applications.

さらに、励起開始直後の励起光吸収率が高くなるため、図18にも現れているように、緩和発振によるレーザパルス先頭のスパイクが顕著になり、加工品質を低下させる原因になるばかりでなく、共振器ミラー等の光学部品損傷を引き起こす一因ともなっていた。   Furthermore, since the pumping light absorptance immediately after the start of excitation becomes high, as shown in FIG. 18, the spike at the head of the laser pulse due to relaxation oscillation becomes prominent, which not only causes a reduction in processing quality, It has also contributed to damage to optical components such as resonator mirrors.

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、パルス動作させる半導体レーザにおいて、1パルス内での半導体レーザの発振スペクトルの変化を抑制し、効率良く固体レーザ媒質を励起し、安定かつ高出力にレーザ光を発生させることができる半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることを目的としている。   The present invention has been made to solve such a problem, and in a semiconductor laser to be operated in a pulse, a change in the oscillation spectrum of the semiconductor laser within one pulse is suppressed, and a solid laser medium is efficiently excited. An object of the present invention is to obtain a semiconductor laser excitation solid-state laser device capable of generating laser light stably and with high output.

この発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、活性媒質を含む固体レーザ素子と、前記固体レーザ素子を光励起する半導体レーザと、前記半導体レーザに電力を供給する電源と、光励起された固体レーザ素子よりレーザ光を取り出す光共振器とを備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記半導体レーザをパルス動作させ前記固体レーザ素子をパルス励起する際、前記光共振器からレーザ出力値が得られる1パルス時間内で前記電源から前記半導体レーザに流す電流値を変化させることを特徴とする。   A semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the present invention includes: a solid-state laser element including an active medium; a semiconductor laser that optically pumps the solid-state laser element; a power source that supplies power to the semiconductor laser; and an optically pumped solid-state laser element In a semiconductor laser pumped solid-state laser device including an optical resonator for extracting laser light, when the solid-state laser element is pulse-excited by pulsing the semiconductor laser, a laser output value is obtained from the optical resonator. The value of the current flowing from the power source to the semiconductor laser is changed.

この発明によれば、半導体レーザをパルス動作させ、固体レーザ素子をパルス励起する際、光共振器からレーザ出力値が得られる1パルス時間内で電源から半導体レーザに流す電流値を変化させるようにしたので、1パルス内で半導体レーザの発振スペクトルおよび出力を制御することができ、安定で効率のよい半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることができる。   According to the present invention, when the semiconductor laser is pulse-operated and the solid-state laser element is pulse-excited, the current value flowing from the power source to the semiconductor laser is changed within one pulse time in which the laser output value is obtained from the optical resonator. Therefore, the oscillation spectrum and output of the semiconductor laser can be controlled within one pulse, and a stable and efficient semiconductor laser pumped solid-state laser device can be obtained.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための図である。
図1において、図17に示す従来例と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示す。本実施の形態1において、活性媒質を含む固体レーザ素子2は、例えばNd:YAG(Nd:Yttrium Aluminum Garnet)からなり、断面が円形のロッド状の形をしている。固体レーザ素子2には、これを囲むようにフローチューブ4が設けられ、このフローチューブ4と固体レーザ素子2の間には冷却媒体5が流されている。半導体レーザ1は、フローチューブ4の外部に設置され、フローチューブ4は、ガラスや石英等のように、半導体レーザ1から発せられた半導体レーザ光3を透過する媒質で製作されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, the same reference numerals as those of the conventional example shown in FIG. In the first embodiment, the solid-state laser element 2 including the active medium is made of, for example, Nd: YAG (Nd: Yttrium Aluminum Garnet) and has a rod-like shape with a circular cross section. The solid laser element 2 is provided with a flow tube 4 so as to surround it, and a cooling medium 5 is passed between the flow tube 4 and the solid laser element 2. The semiconductor laser 1 is installed outside the flow tube 4, and the flow tube 4 is made of a medium that transmits the semiconductor laser light 3 emitted from the semiconductor laser 1, such as glass or quartz.

半導体レーザ1は、温度制御装置7に接続され、温度制御装置7は、半導体レーザ1から発せられる半導体レーザ光3のスペクトルが固体レーザ素子2の吸収スペクトルにほぼ一致するように、半導体レーザ1の温度を制御している。
また、半導体レーザ1は、電源8に接続し、電流が供給される。電源8によって半導体レーザ1に電流が流されると、半導体レーザ1から半導体レーザ光3が出射され、固体レーザ素子2に吸収されて、固体レーザ素子2内の活性媒質を励起する。
The semiconductor laser 1 is connected to a temperature control device 7, and the temperature control device 7 is configured so that the spectrum of the semiconductor laser light 3 emitted from the semiconductor laser 1 substantially matches the absorption spectrum of the solid-state laser element 2. The temperature is controlled.
The semiconductor laser 1 is connected to a power source 8 and supplied with current. When a current is supplied to the semiconductor laser 1 by the power supply 8, the semiconductor laser light 3 is emitted from the semiconductor laser 1 and absorbed by the solid-state laser element 2 to excite the active medium in the solid-state laser element 2.

全反射ミラー9、部分反射ミラー10は、固体レーザ素子2を挟んで光軸上に設けられている。全反射ミラー9は、レーザ光11に対してほとんど全反射する高い反射率を持ち、部分反射ミラー10は、レーザ光11の一部を反射するような反射率を有し、これらによって、光励起された固体レーザ素子2からレーザ光11を取り出す光共振器を構成する。   The total reflection mirror 9 and the partial reflection mirror 10 are provided on the optical axis with the solid-state laser element 2 interposed therebetween. The total reflection mirror 9 has a high reflectivity that almost totally reflects the laser beam 11, and the partial reflection mirror 10 has a reflectivity that reflects a part of the laser beam 11. An optical resonator for extracting the laser beam 11 from the solid state laser element 2 is configured.

次に、従来の技術を比較例に用いて、本実施の形態1による半導体レーザ励起固体レーザ装置の動作を詳しく説明する。
図2は、本実施の形態1と比較例による、電源8から半導体レーザ1に供給される電流波形を示している。
1パルスを通して半導体レーザ1に流される電流値は、比較例では一定であるが(図2(a)参照)、本実施の形態1では、パルス初期に最も高く、パルス継続時間とともに逐次減少するように制御している(図2(b)参照)。すなわち、電源8は、1パルス内での電流波形を制御するパルス電流波形制御手段を備えている。
Next, the operation of the semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the first embodiment will be described in detail using a conventional technique as a comparative example.
FIG. 2 shows a current waveform supplied from the power supply 8 to the semiconductor laser 1 according to the first embodiment and the comparative example.
The value of the current passed through the semiconductor laser 1 through one pulse is constant in the comparative example (see FIG. 2A), but in the first embodiment, it is the highest in the initial stage of the pulse and decreases sequentially with the pulse duration. (See FIG. 2B). That is, the power supply 8 includes pulse current waveform control means for controlling the current waveform within one pulse.

前述したように、半導体レーザ1の発振スペクトルは温度に依存する。
図3に、半導体レーザ1の発振スペクトルと温度との関係を表した例を示す。図3に示すように、半導体レーザ1の発振スペクトルは、温度が高いほど長くなる。
As described above, the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 depends on the temperature.
FIG. 3 shows an example of the relationship between the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 and the temperature. As shown in FIG. 3, the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 becomes longer as the temperature is higher.

半導体レーザ1に電流を流すと、半導体レーザ1は発熱し、内部温度が上昇を始める。半導体レーザ1の発熱量と温度制御装置7の廃熱量とが熱平衡に達すると、半導体レーザ1の温度が一定になる。しかし、温度制御装置7には応答時間が存在し、また、半導体レーザ1内部が熱平衡に達し、発振スペクトルが一定に定まるまでには時間を要する。したがって、1パルスの継続時間内において、半導体レーザ1内部で熱平衡に達するまでの間は、発振スペクトルが随時変化する。   When a current is passed through the semiconductor laser 1, the semiconductor laser 1 generates heat and the internal temperature starts to rise. When the heat generation amount of the semiconductor laser 1 and the waste heat amount of the temperature control device 7 reach thermal equilibrium, the temperature of the semiconductor laser 1 becomes constant. However, the temperature control device 7 has a response time, and it takes time until the inside of the semiconductor laser 1 reaches thermal equilibrium and the oscillation spectrum is fixed. Therefore, within the duration of one pulse, the oscillation spectrum changes from time to time until thermal equilibrium is reached within the semiconductor laser 1.

図4は、本実施の形態1と比較例による半導体レーザの温度変化の様子を表している。
パルス開始と同時に急激に電流が立ち上がるために、半導体レーザ1の内部では発熱量が廃熱量を上回り、半導体レーザ1に蓄熱され、温度が上昇する。この温度上昇は、半導体レーザ1の内部が熱平衡に達するまで継続するが、比較例では、常に同じエネルギーが入力され続けるために、熱平衡に達するまでには長時間必要になる(図4(a)参照)。
一方、本実施の形態1では、パルス開始時から時間とともに入力エネルギーが減少するため、過熱による温度上昇を抑制することができ、熱平衡に達するまでの時間を短縮することができる(図4(b)参照)。
FIG. 4 shows the temperature change of the semiconductor laser according to the first embodiment and the comparative example.
Since the current suddenly rises simultaneously with the start of the pulse, the amount of heat generated in the semiconductor laser 1 exceeds the amount of waste heat, and heat is stored in the semiconductor laser 1 to increase the temperature. This temperature rise continues until the inside of the semiconductor laser 1 reaches thermal equilibrium, but in the comparative example, since the same energy is always input, it takes a long time to reach thermal equilibrium (FIG. 4A). reference).
On the other hand, in the first embodiment, since the input energy decreases with time from the start of the pulse, the temperature rise due to overheating can be suppressed, and the time to reach thermal equilibrium can be shortened (FIG. 4B). )reference).

半導体レーザ1の発振スペクトルは、この温度変化に対応して変化し、1パルス動作の時間内で熱平衡に達しなければ、半導体レーザ1の発振スペクトルは1パルス中で常に変化しつづける。図2に示したパルス動作に対する半導体レーザ1の発振スペクトルの変化を、初期(パルス立ち上がり開始より0100μsec)、中期(400500μsec)、後期(9001000μsec)の3期間について図示すると、比較例では図5(a)、本実施の形態1では図5(b)のように示される。ここでは、例として、熱平衡時に半導体レーザ1の発振スペクトルが固体レーザ素子2の吸収スペクトルにほぼ一致するものについて示している。   The oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 changes corresponding to this temperature change, and if the thermal equilibrium is not reached within the time of one pulse operation, the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 always changes during one pulse. The change of the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 with respect to the pulse operation shown in FIG. In the first embodiment, it is shown as in FIG. Here, an example is shown in which the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 substantially matches the absorption spectrum of the solid-state laser element 2 during thermal equilibrium.

固体レーザ素子2としてNd:YAGの場合について、その吸収スペクトルを図6に示すと、スペクトル吸収率は808nm付近をピークとして、その前後の波長では急激に低下する。比較例では、励起光である半導体レーザ光の1パルス内での発振スペクトルの変化が大きく、パルス全体に渡っての固体レーザ素子2の吸収スペクトルと半導体レーザ1の発振スペクトルの整合がとれないことが示されている。   In the case of Nd: YAG as the solid-state laser element 2, when the absorption spectrum thereof is shown in FIG. 6, the spectral absorptance has a peak at around 808 nm and rapidly decreases at wavelengths around that. In the comparative example, the change in the oscillation spectrum within one pulse of the semiconductor laser light, which is the excitation light, is large, and the absorption spectrum of the solid-state laser element 2 and the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 over the entire pulse cannot be matched. It is shown.

図7は、比較例および本実施の形態1による励起効率を示している。
発振スペクトルの変化が原因となり、比較例ではパルス初期に励起効率が大きく低下する(図7(a)参照)。一方、本実施の形態1では、パルス全体を通して高く、ほぼ一定の励起効率を維持することができている(図7(b)参照)。
FIG. 7 shows the excitation efficiency according to the comparative example and the first embodiment.
Due to the change in the oscillation spectrum, in the comparative example, the excitation efficiency is greatly reduced at the beginning of the pulse (see FIG. 7A). On the other hand, in the first embodiment, the excitation efficiency is high throughout the pulse and can maintain a substantially constant excitation efficiency (see FIG. 7B).

最終的に得られるレーザ出力波形を図示すると、比較例では図8(a)、本実施の形態1では図8(b)のようになる。比較例による大きな出力波形の崩れに対し、本実施の形態1では、パルス全体を通して一定の高い出力が得られている。これは、励起効率を主に反映したものであるが、さらに、本実施の形態1では、パルス初期は大きな電流を流すために、半導体レーザ1の出力が高く、励起効率の低下を補い、レーザ出力を一層安定化する効果も上げている。また、電流を逐次減少させているため、消費電力を削減する効果もある。   The laser output waveform finally obtained is shown in FIG. 8A in the comparative example and FIG. 8B in the first embodiment. In contrast to the large collapse of the output waveform due to the comparative example, in the first embodiment, a constant high output is obtained throughout the entire pulse. This mainly reflects the pumping efficiency. Furthermore, in the first embodiment, since a large current flows at the initial stage of the pulse, the output of the semiconductor laser 1 is high, and the decrease in pumping efficiency is compensated for. The effect of further stabilizing the output is also raised. In addition, since the current is sequentially reduced, there is an effect of reducing power consumption.

これらのレーザを加工に用いる場合には、比較例では、加工性能が劣化し、1パルスあたりのレーザ出力も低いため、加工効率も低下する。一方、本実施の形態1では、レーザ出力波形もほぼ矩形状を維持しており、また、パルス全体としても高い出力が得られているため、性能、効率ともに良好な加工を行うことができる。   When these lasers are used for processing, in the comparative example, the processing performance is deteriorated and the laser output per pulse is low, so that the processing efficiency is also reduced. On the other hand, in the first embodiment, the laser output waveform is also maintained in a substantially rectangular shape, and a high output is obtained for the entire pulse, so that processing with good performance and efficiency can be performed.

また、熱平衡時の発振スペクトルが固体レーザ素子2の吸収スペクトルより短波長である半導体レーザ1を使用する場合においても、常に熱平衡時の状態に近い動作を実現するために、パルス初期の顕著な励起効率の低下を回避して高い励起効率を維持し、本実施の形態1はさらに効果を発する。   Further, even when using the semiconductor laser 1 whose oscillation spectrum at the time of thermal equilibrium is shorter than the absorption spectrum of the solid-state laser element 2, in order to always realize an operation close to the state at the time of thermal equilibrium, significant excitation at the initial stage of the pulse The lower efficiency is avoided and high excitation efficiency is maintained, and the first embodiment is more effective.

以上に述べたように、本実施の形態1によれば、電源8から半導体レーザ1に流す電流を1パルス内で変化させる制御、つまり逐次減少するように制御を行うことにより、消費電力を削減しつつ、固体レーザ素子2を効率良く励起することができ、高出力なレーザビームを安定に得ることができる。また、本実施の形態1は、電流の制御のみで実現することができるため、簡易かつ安価に高性能なレーザ装置を得ることができるという利点もある。   As described above, according to the first embodiment, power consumption can be reduced by controlling the current flowing from the power supply 8 to the semiconductor laser 1 to change within one pulse, that is, controlling the current to decrease sequentially. However, the solid-state laser element 2 can be excited efficiently, and a high-power laser beam can be obtained stably. In addition, since the first embodiment can be realized only by controlling the current, there is an advantage that a high-performance laser device can be obtained simply and inexpensively.

実施の形態2.
前記実施の形態1においては、パルス全体に渡り、電源8から半導体レーザ1に流す電流を、逐次減少させる構成を示したが、電流を減少させる方法はこれに限るものではない。例えば、図9に示すように、パルス初期のみの電流を逐次減少させる構成とすれば、パルス初期の励起効率の低下を抑制し、常に効率良く励起し、安定なレーザビームを得ることができる。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the configuration in which the current flowing from the power source 8 to the semiconductor laser 1 over the entire pulse is sequentially reduced has been described. However, the method for reducing the current is not limited to this. For example, as shown in FIG. 9, when the current only at the initial stage of the pulse is sequentially reduced, the pumping efficiency at the initial stage of the pulse can be prevented from being lowered, and the pump can always be efficiently excited to obtain a stable laser beam.

実施の形態3.
図10は、この発明の実施の形態3による半導体レーザ励起固体レーザ装置の半導体レーザを駆動する電流波形を示した図である。
本実施の形態3では、半導体レーザ1に流す電流を1パルス内で逐次増加させることを特徴としている。
図10のように、1パルス内で半導体レーザ1に流す電流を増加させることにより、半導体レーザ1の発振スペクトルが、固体レーザ素子2の吸収スペクトルよりも長い場合、パルス全体を通してほぼ一定の発振効率を保つことができる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a current waveform for driving the semiconductor laser of the semiconductor laser excitation solid-state laser device according to the third embodiment of the present invention.
The third embodiment is characterized in that the current passed through the semiconductor laser 1 is sequentially increased within one pulse.
As shown in FIG. 10, by increasing the current passed through the semiconductor laser 1 within one pulse, when the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 is longer than the absorption spectrum of the solid-state laser element 2, the oscillation efficiency is almost constant throughout the entire pulse. Can keep.

これは次のように説明される。
まず、パルス初期では、電流値が小さく、入力エネルギーが小さいため、半導体レーザ1の発振波長は熱平衡時よりも短く、パルス継続時間とともに、長波長へと変化していく。発振スペクトル変化にともなう励起効率の変化を図11(a)に示す。レーザ出力では、パルス後期に発振スペクトルが長く、低い励起効率となる領域を、電流値が大きいために半導体レーザ出力が大きくなり、これを補い、図11(b)に示すように、パルス全体を通して、ほぼ一定の出力となる。
This is explained as follows.
First, since the current value is small and the input energy is small at the initial stage of the pulse, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is shorter than that at the time of thermal equilibrium, and changes to a longer wavelength with the pulse duration. FIG. 11 (a) shows the change in excitation efficiency accompanying the change in the oscillation spectrum. In the laser output, in the region where the oscillation spectrum is long in the latter part of the pulse and the pumping efficiency is low, the semiconductor laser output becomes large due to the large current value, and this is compensated. As shown in FIG. The output is almost constant.

さらに、このように半導体レーザ1の発振スペクトルが吸収スペクトルよりも長い場合には、図12(a)に示す比較例では、レーザ発振開始直後の励起光吸収率が高くなる。この場合、図12(b)のように、レーザの発振開始直後に緩和発振が発生する。しかし、本実施の形態3によれば、パルス初期に電流値を小さくして、吸収率を低下させることができるため、緩和発振を抑制することもできる。また、パルス初期の電流値を下げることにより、消費電力を削減するため、レーザの効率を向上する効果もある。   Furthermore, when the oscillation spectrum of the semiconductor laser 1 is longer than the absorption spectrum in this way, in the comparative example shown in FIG. 12A, the excitation light absorption rate immediately after the start of laser oscillation becomes high. In this case, relaxation oscillation occurs immediately after the laser oscillation starts, as shown in FIG. However, according to the third embodiment, the current value can be reduced at the initial stage of the pulse to reduce the absorption rate, so that relaxation oscillation can also be suppressed. Further, by reducing the current value at the initial stage of the pulse, the power consumption is reduced, so that the laser efficiency is also improved.

以上のように、本実施の形態3によれば、半導体レーザ1を用いてパルス励起をする際、半導体レーザ1に流す電流を逐次増加させるので、消費電力を低減しながら、常に一定の発振効率を保つことができるばかりでなく、緩和発振を効果的に抑制することができる。この結果、発振スペクトルの長い半導体レーザを用いる場合でも、1パルスのレーザ出力を一定に保ち、高い加工品質を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, when pulse excitation is performed using the semiconductor laser 1, the current flowing through the semiconductor laser 1 is sequentially increased, so that constant oscillation efficiency is always achieved while reducing power consumption. Not only can be maintained, but also relaxation oscillation can be effectively suppressed. As a result, even when a semiconductor laser having a long oscillation spectrum is used, the laser output of one pulse can be kept constant and high processing quality can be obtained.

実施の形態4.
前記実施の形態3においては、パルス全体に渡り、半導体レーザ1に流す電流を、逐次増加させる構成を示したが、電流を増加させる方法はこれに限るものではない。例えば、図13に示すように、パルス初期のみの電流を逐次増加させる構成とすれば、発振スペクトルによらず、緩和発振の発生を効果的に抑制し、高い加工品質が得られるばかりでなく、光学部品の損傷を防止することもできる。
Embodiment 4 FIG.
In the third embodiment, the configuration in which the current passed through the semiconductor laser 1 is sequentially increased over the entire pulse has been described. However, the method for increasing the current is not limited to this. For example, as shown in FIG. 13, if the current is increased gradually only at the initial stage of the pulse, the occurrence of relaxation oscillation is effectively suppressed regardless of the oscillation spectrum, and not only high processing quality can be obtained, It is also possible to prevent damage to the optical component.

実施の形態5.
前記した実施の形態1乃至4においては、連続的に電流を減少または増加させる構成を示したが、電流値の変化をステップ状に行ってもよい。例えば、図14に示すように、パルスの先頭部分のみをステップ的に電流値を減少させても、実施の形態4と同様の効果が得られるばかりでなく、電流の制御が容易になる。
なお、本実施の形態5では、半導体レーザ1に流す電流をステップ状に1段階変化させるものを示したが、複数段階に分けて変化させてもよい。
Embodiment 5. FIG.
In the first to fourth embodiments described above, the configuration in which the current is continuously decreased or increased is shown. However, the current value may be changed stepwise. For example, as shown in FIG. 14, even if the current value is decreased stepwise only at the head portion of the pulse, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained, and the current can be easily controlled.
In the fifth embodiment, the current flowing through the semiconductor laser 1 is changed stepwise in one step, but may be changed in a plurality of steps.

実施の形態6.
図15は、この発明の実施の形態6による半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための図である。
図15において、図1に示す実施の形態1と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、12は固体レーザ素子2を囲むように配置され、内面が半導体レーザ光3を拡散反射するように構成された、拡散反射集光器であり、半導体レーザ1から発せられた半導体レーザ光3を内部に導光するための開口部(図示せず)が開けられている。また、その開口部には、サファイア、ドープされていないYAG(Yttrium Aluminum Garnet)、または半導体レーザ光3に対して高屈折率のガラスからなる、半導体レーザ光3を導波する光導波光学素子14が取り付けられている。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 15 is a diagram for explaining a semiconductor laser pumped solid-state laser device according to the sixth embodiment of the present invention.
In FIG. 15, the same parts as those of the first embodiment shown in FIG. As a new code, reference numeral 12 denotes a diffuse reflection concentrator which is arranged so as to surround the solid-state laser element 2, and whose inner surface is configured to diffusely reflect the semiconductor laser light 3, and which is a semiconductor emitted from the semiconductor laser 1. An opening (not shown) for guiding the laser beam 3 to the inside is opened. Further, the optical waveguide optical element 14 for guiding the semiconductor laser light 3 made of sapphire, undoped YAG (Yttrium Aluminum Garnet), or glass having a high refractive index with respect to the semiconductor laser light 3 is formed in the opening. Is attached.

そして、光導波光学素子14の内部に入射した半導体レーザ光3は、光導波光学素子14と周囲との屈折率差により、光導波光学素子14の内部において全反射をくり返すことによって、効率良く導波される。さらに、光導波光学素子14の端面には、半導体レーザ光3に対する無反射コーティングが施され、半導体レーザ1は、光導波光学素子14の端面に近接して配置されているため、半導体レーザ光3はほとんど損失無く拡散反射集光器12の内部に導光される。なお、この実施の形態6に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置においても、前記実施の形態1乃至5で述べたようにして、半導体レーザ1に電流を流す。   The semiconductor laser light 3 incident on the inside of the optical waveguide optical element 14 is efficiently reflected by repeating total reflection inside the optical waveguide optical element 14 due to the refractive index difference between the optical waveguide optical element 14 and the surroundings. Waveguided. Further, the end face of the optical waveguide optical element 14 is provided with a non-reflective coating for the semiconductor laser light 3, and the semiconductor laser 1 is disposed close to the end face of the optical waveguide optical element 14. Is guided to the inside of the diffuse reflector 12 with almost no loss. In the semiconductor laser excitation solid-state laser device according to the sixth embodiment, a current is supplied to the semiconductor laser 1 as described in the first to fifth embodiments.

したがって、実施の形態6によれば、固体レーザ素子2によって吸収されなかった励起光が、固体レーザ素子2を通過後、拡散反射集光器12の内面で拡散反射し、再び固体レーザ素子2を励起するようにしたので、固体レーザ素子2を均一に効率良く励起することができ、さらに効率よくレーザ光を取り出すことができる。   Therefore, according to the sixth embodiment, after the excitation light that has not been absorbed by the solid-state laser element 2 passes through the solid-state laser element 2, it is diffusely reflected by the inner surface of the diffuse reflection collector 12, and the solid-state laser element 2 is again reflected. Since excitation is performed, the solid-state laser element 2 can be excited uniformly and efficiently, and laser light can be extracted more efficiently.

また、拡散反射集光器12に光導波光学素子14を取り付けたので、励起光を効率良く拡散反射集光器12内部へ導光することができ、さらに効率のよい半導体レーザ励起固体レーザ装置となる。   Further, since the optical waveguide optical element 14 is attached to the diffuse reflection collector 12, the pumping light can be efficiently guided into the diffuse reflection collector 12, and a more efficient semiconductor laser excitation solid-state laser device can be obtained. Become.

なお、本実施の形態6においては、集光器の内面が拡散反射面で構成される拡散反射集光器を用いる場合を示したが、集光器内面は、例えば金の内面を鏡面研摩したもの、あるいは、ガラスの内面に半導体レーザ光3に対する全反射コーティングを施したもののように、半導体レーザ光3に対して高反射な内面を有していればよい。   In addition, in this Embodiment 6, although the case where the diffuse reflection collector which the inner surface of a collector was comprised with a diffuse reflection surface was shown, the collector inner surface mirror-polished, for example, the inner surface of gold | metal | money What is necessary is just to have the inner surface highly reflective with respect to the semiconductor laser beam 3 like what gave the internal reflection coating with respect to the semiconductor laser beam 3 to the thing or the inner surface of glass.

また、本実施の形態6においては、光導波光学素子14は板状のものを示したが、これは楔形やレンズ効果を有したものなどいかなる形状であってもよい。また、ここでは、光導波光学素子14を用いる構成を示したが、これを用いずに、集光器12の開口部に近接して半導体レーザ1を設置してもよい。また、開口部の内壁全面もしくは一部に、半導体レーザ光に対して高反射なコーティングや光学素子により構成すれば、効率良く半導体レーザ光を集光器内部に伝送することができる。   In the sixth embodiment, the optical waveguide optical element 14 has a plate shape, but may have any shape such as a wedge shape or a lens effect. Although the configuration using the optical waveguide optical element 14 is shown here, the semiconductor laser 1 may be installed close to the opening of the condenser 12 without using this. Further, if the coating is formed on the entire inner wall or a part of the opening with a coating or optical element highly reflective to the semiconductor laser light, the semiconductor laser light can be efficiently transmitted into the condenser.

実施の形態7.
上述したいずれの実施の形態においても、固体レーザ素子2として、ロッド状のものについてのみ説明したが、断面が円形に限るものではなく、例えば矩形、楕円等どのような形状でもよい。また、固体レーザ素子2の冷却には、その周囲を取り囲むように設置したフローチューブ4の内部に冷却媒体5を流すことにより行うことを説明したが、冷却手段はこれに限るものではなく、どのような冷却手段を用いてもよい。例えば、図16に示すように、断面が矩形の固体レーザ素子2を冷却板15の上に配置すれば、簡単な構成で固体レーザ素子2を冷却することができる。
なお、いずれの実施の形態においても、固体レーザ素子2として、Nd:YAGを用いるものについてのみ説明したが、この発明はこれに限るものではなく、半導体レーザで光励起できる固体レーザ素子であればよい。
Embodiment 7 FIG.
In any of the above-described embodiments, only the rod-shaped solid laser element 2 has been described. However, the cross section is not limited to a circle, and may be any shape such as a rectangle or an ellipse. In addition, it has been described that the cooling of the solid-state laser element 2 is performed by flowing the cooling medium 5 into the flow tube 4 installed so as to surround the periphery of the solid-state laser element 2, but the cooling means is not limited to this. Such cooling means may be used. For example, as shown in FIG. 16, if the solid laser element 2 having a rectangular cross section is disposed on the cooling plate 15, the solid laser element 2 can be cooled with a simple configuration.
In any of the embodiments, only the solid laser element 2 using Nd: YAG has been described. However, the present invention is not limited to this, and any solid laser element that can be optically excited by a semiconductor laser may be used. .

以上のように、この発明によれば、活性媒質を含む固体レーザ素子、この固体レーザ素子を光励起する半導体レーザ、半導体レーザに電力を供給する電源、光励起された固体レーザ素子よりレーザ光を取り出す光共振器を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置において、半導体レーザをパルス動作させ、固体レーザ素子をパルス励起する際、半導体レーザに流す電流を、1パルス内で変化させるようにしたので、1パルス内で半導体レーザの発振スペクトルおよび出力を制御することができ、安定で効率のよい半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることができる。   As described above, according to the present invention, a solid-state laser element including an active medium, a semiconductor laser that optically excites the solid-state laser element, a power source that supplies power to the semiconductor laser, and light that extracts laser light from the optically-excited solid-state laser element In a semiconductor laser excitation solid-state laser device having a resonator, when a semiconductor laser is pulse-operated and a solid-state laser element is pulse-excited, the current flowing through the semiconductor laser is changed within one pulse. Thus, the oscillation spectrum and output of the semiconductor laser can be controlled, and a stable and efficient semiconductor laser pumped solid-state laser device can be obtained.

また、半導体レーザに流す電流を、1パルス内で逐次減少させるようにしたので、消費電力を削減しながら固体レーザ素子を効率良く励起することができ、半導体レーザの発振スペクトルの変化を低減し、常に一定の発振効率を保ち、安定で効率のよい半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることができる。   In addition, since the current flowing to the semiconductor laser is sequentially decreased within one pulse, the solid-state laser element can be efficiently excited while reducing power consumption, and the change in the oscillation spectrum of the semiconductor laser is reduced. A stable and efficient semiconductor laser pumped solid-state laser device can be obtained which always maintains a constant oscillation efficiency.

また、半導体レーザに流す電流を、パルス初期のみの電流を逐次減少させることにより、パルス初期の励起効率の低下を抑制し、常に効率良く励起し、安定なレーザビームを得ることができる。   Further, by sequentially decreasing the current flowing through the semiconductor laser only at the initial stage of the pulse, it is possible to suppress a decrease in the excitation efficiency at the initial stage of the pulse and to always excite efficiently and obtain a stable laser beam.

また、半導体レーザに流す電流を、1パルス内で逐次増加させるように変化させたので、消費電力を削減しながら、常に一定の発振効率を保つことができるばかりでなく、レーザ発振開始直後に発生しうる緩和発振を抑制し、安定で効率のよい半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることができる。   In addition, since the current flowing through the semiconductor laser is changed so as to increase sequentially within one pulse, not only can constant oscillation efficiency be maintained while reducing power consumption, but also it occurs immediately after the start of laser oscillation. A stable and efficient semiconductor laser-excited solid-state laser device can be obtained by suppressing possible relaxation oscillation.

また、半導体レーザに流す電流を、1パルス内でパルス初期のみ逐次増加させるように変化させたので、発振スペクトルによらず、緩和発振の発生を抑制し、高いか高品質が得られるばかりでなく、光学部品の損傷を防止できる。   In addition, since the current flowing through the semiconductor laser is changed so as to increase sequentially only at the beginning of the pulse within one pulse, the generation of relaxation oscillation is suppressed regardless of the oscillation spectrum, and not only high or high quality can be obtained. , Damage to the optical components can be prevented.

また、半導体レーザに流す電流を、1パルス内でステップ状に減少するように変化させたので、上記効果に加え、電流の制御が容易で安価な半導体レーザ励起固体レーザ装置を得ることができる。   Further, since the current flowing through the semiconductor laser is changed so as to decrease stepwise within one pulse, in addition to the above effects, it is possible to obtain a semiconductor laser pumped solid-state laser device that is easy to control the current and is inexpensive.

また、拡散反射集光器と光導波光学素子を備えたので、励起光を効率良く拡散反射集光器内部へ導光することができ、固体レーザ素子を均一に効率良く励起することができ、さらに効率よくレーザ光を取り出せることができる。   In addition, since the diffuse reflection concentrator and the optical waveguide optical element are provided, the excitation light can be efficiently guided into the diffuse reflection concentrator, and the solid laser element can be excited uniformly and efficiently. Furthermore, laser light can be extracted efficiently.

さらに、断面が矩形の固体レーザ素子を冷却板の上に配置することにより、簡単な構成で固体レーザ素子を冷却することができる。   Furthermore, by disposing the solid laser element having a rectangular cross section on the cooling plate, the solid laser element can be cooled with a simple configuration.

この発明の実施の形態1による半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram which shows the semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus by Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1および比較例による半導体レーザに流す電流波形を示す図である。It is a figure which shows the electric current waveform sent through the semiconductor laser by Embodiment 1 and a comparative example. 半導体レーザの発振スペクトルと温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the oscillation spectrum of a semiconductor laser, and temperature. 実施の形態1および比較例による半導体レーザの温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of the semiconductor laser by Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1および比較例による半導体レーザの発振スペクトル変化を示す図である。It is a figure which shows the oscillation spectrum change of the semiconductor laser by Embodiment 1 and a comparative example. 固体レーザ素子の吸収スペクトルを示した図である。It is the figure which showed the absorption spectrum of the solid-state laser element. 実施の形態1と比較例による半導体レーザの励起効率の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the excitation efficiency of the semiconductor laser by Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1および比較例におけるレーザ出力波形を示す図である。It is a figure which shows the laser output waveform in Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態2に係る半導体レーザに流す電流波形を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a current flowing through a semiconductor laser according to a second embodiment. 実施の形態3に係る半導体レーザに流す電流波形を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a current flowing through a semiconductor laser according to a third embodiment. 実施の形態3による励起効率とレーザ出力波形を示す図である。It is a figure which shows the excitation efficiency and laser output waveform by Embodiment 3. 実施の形態3における比較例による励起効率とレーザ出力波形を示す図である。It is a figure which shows the excitation efficiency and laser output waveform by the comparative example in Embodiment 3. FIG. 実施の形態4に係る半導体レーザに流す電流波形を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a waveform of a current flowing through a semiconductor laser according to a fourth embodiment. 実施の形態5に係る半導体レーザに流す電流波形を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a waveform of a current flowing through a semiconductor laser according to a fifth embodiment. 実施の形態6に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a semiconductor laser excitation solid-state laser device according to a sixth embodiment. 実施の形態7に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram showing a semiconductor laser excitation solid-state laser device according to a seventh embodiment. 従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus. 従来の半導体レーザに流す電流波形を示す図である。It is a figure which shows the electric current waveform sent through the conventional semiconductor laser.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体レーザ、2 固体レーザ素子、3 半導体レーザ光、4 フローチューブ、5 冷却媒体、6 金製ミラー、7 温度制御装置、8 電源、9 全反射ミラー、10 部分反射ミラー、11 レーザ光、12 拡散反射集光器、13 開口部、14 光導波光学素子、15 冷却板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser, 2 Solid state laser element, 3 Semiconductor laser beam, 4 Flow tube, 5 Cooling medium, 6 Gold mirror, 7 Temperature control apparatus, 8 Power supply, 9 Total reflection mirror, 10 Partial reflection mirror, 11 Laser beam, 12 Diffuse reflection collector, 13 aperture, 14 optical waveguide optical element, 15 cooling plate.

Claims (2)

活性媒質を含む固体レーザ素子と、
前記固体レーザ素子を光励起する半導体レーザと、
前記半導体レーザに電力を供給する電源と、
光励起された固体レーザ素子よりレーザ光を取り出す光共振器と
を備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
前記半導体レーザをパルス動作させ前記固体レーザ素子をパルス励起する際、前記光共振器からレーザ出力値が得られる1パルス時間内で前記電源から前記半導体レーザに流す電流値を変化させる
ことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
A solid-state laser element containing an active medium;
A semiconductor laser for optically exciting the solid-state laser element;
A power supply for supplying power to the semiconductor laser;
In a semiconductor laser pumped solid state laser device comprising: an optical resonator that extracts laser light from an optically pumped solid state laser element;
When the semiconductor laser is pulse-operated and the solid-state laser element is pulse-excited, a value of a current flowing from the power source to the semiconductor laser is changed within one pulse time in which a laser output value is obtained from the optical resonator. Semiconductor laser pumped solid state laser device.
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、
前記半導体レーザに流す電流の変化は、ステップ状である
ことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
In the semiconductor laser excitation solid-state laser device according to claim 1,
The semiconductor laser pumped solid-state laser device is characterized in that the change in the current passed through the semiconductor laser is stepped.
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