JP2007115877A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体レーザ装置において、装置全体を大型化することなく、紫外〜可視域のレーザ光を高効率及び高出力で得ることを可能とし、低コスト化も可能とする。
【解決手段】固体レーザ装置１は、少なくとも１個の半導体レーザ１１からなる励起光源と、励起光源から発振されるレーザ光Ｌ１により励起されて、レーザ光Ｌ１とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質１３とを備えたものであり、半導体レーザ１１が窒化物系半導体レーザであり、利得媒質１３が透光性を有する無機多結晶焼結体により構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザによって利得媒質を励起して、励起光源である半導体レーザから出射されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を得る固体レーザ装置に関するものである。
半導体レーザによって利得媒質を励起して、励起光源である半導体レーザから発振されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を得る半導体レーザ励起固体レーザ装置が知られている。
特許文献１〜３には、励起光源として３５０〜５５０ｎｍのレーザ光（紫外光〜可視光）を発振する窒化物系半導体レーザ（ＧａＮ系等）を用い、利得媒質として発光中心イオンをなす希土類イオン及び／又は遷移金属イオンをドープした固体レーザ結晶を用いた固体レーザ装置が提案されている。
特許文献１に記載されているように、ドープする発光中心イオンとしては、可視域に複数の発光ピークを有するＰｒが注目されている。Ｐｒをドープする母体化合物としては、熱的安定性に優れる等の理由から、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）等が候補材料として挙げられる。
特開平１１−１７２６６号公報 特開２００２−４３６６２号公報 特開２００４−３５６４７９号公報
しかしながら、ＹＡＧにＰｒをドープする場合、ＡサイトのＹ３＋イオンの一部をＰｒ３＋に固溶置換することになるが、Ｙ３＋（Ａサイト）のイオン半径ｒ１＝０．１０１９ｎｍに対して、Ｐｒ３＋（Ａサイト）のイオン半径ｒ２＝０．１１２６ｎｍが大きい（ｒ２＞ｒ１）。そのため、ＹＡＧにＰｒをドープする際の偏析係数はほとんどゼロであり、ＹＡＧにＰｒを固溶させることが非常に困難である。したがって、Ｐｒの高濃度ドープは難しく、せいぜい０．５モル％である。Ｐｒドープ量が０．５モル％以下の固体レーザ結晶では、吸収係数は１ｃｍ−１未満と低く、可視域のレーザ光を高効率で得ることは難しい。
Ｐｒドープ固体レーザ結晶の結晶長を長くすれば、吸収効率を向上して高効率化を図ることも可能である。しかしながら、端面励起方式と側面励起方式のいずれの励起方式を採用するにせよ、結晶長を長くすれば、励起光の吸収領域と発振ビームのビーム径分布とが一致せず、モードマッチング効率が低下して高効率化を達成することはできない。
励起光源を高出力化すれば、Ｐｒドープ固体レーザ結晶の吸収効率が悪くても、高出力レーザ光を得ることも可能であるが、励起光源の大型化や高コスト化に繋がり、好ましくない。
また、「結晶」といった場合には特に明記されていない限り単結晶を意味すると判断するのが妥当な解釈であり、特許文献１〜３には、多結晶の利得媒質について記載がない以上、単結晶の利得媒質のみが記載されていると解釈される。Ｐｒドープ固体レーザ結晶に限らず、単結晶は高コストであり、サイズを大きくすることも難しい。上記したように、固体レーザ結晶へのＰｒドープは特に難しいが、その他の発光中心イオンについても、単結晶では高濃度ドープが難しい傾向にある。
従来の固体レーザ装置では、波長変換素子を用いて波長変換光として取り出す紫外光の高効率化及び高出力化も難しい。
上記事情から、紫外〜可視域のレーザ光を高効率でかつ低コストに得ることが可能な固体レーザ装置は、実用化されていないのが現状である。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、装置全体を大型化することなく、紫外〜可視域のレーザ光を高効率及び高出力で得ることができ、しかも低コストな固体レーザ装置を提供することを目的とするものである。
本発明の第１の固体レーザ装置は、少なくとも１個の半導体レーザからなる励起光源と、前記励起光源から発振されるレーザ光により励起されて、該励起光源から発振されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質とを備えた固体レーザ装置において、
前記半導体レーザが窒化物系半導体レーザであり、前記利得媒質が透光性を有する無機多結晶焼結体からなることを特徴とするものである。
J.Chem.Soc.J.,109 (2001) 640には、ＰｒドープＹＡＧにおいて、多結晶焼結体であれば、単結晶よりもＰｒの高濃度ドープ（具体的には４．３モル％）が可能であることが記載されている。しかしながら、該文献は、ＰｒドープＹＡＧの基礎研究に関するものであり、固体レーザ装置への応用についてそもそも記載がなく、励起光源として窒化物系半導体レーザを用いた固体レーザ装置への応用については記載がない。
窒化物系半導体レーザは、３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する半導体レーザである。窒化物系半導体レーザに限らず、かかる発振波長の半導体レーザと上記利得媒質とを備えた固体レーザ装置が新規である。
すなわち、本発明の第２の固体レーザ装置は、少なくとも１個の半導体レーザからなる励起光源と、前記励起光源から発振されるレーザ光により励起されて、該励起光源から発振されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質とを備えた固体レーザ装置において、
前記半導体レーザが３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する半導体レーザであり、前記利得媒質が透光性を有する無機多結晶焼結体からなることを特徴とするものである。
本発明の第１、第２の固体レーザ装置において、前記半導体レーザとしては、ＧａＮ系半導体レーザが好ましい。
本発明の第１、第２の固体レーザ装置において、前記利得媒質が、ガーネット型化合物、Ｃ−希土類型化合物、及びペロブスカイト型化合物のうちいずれかの無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることが好ましい。
本発明の第１、第２の固体レーザ装置において、前記利得媒質が、母体化合物に発光中心イオンをなす希土類イオン及び／又は遷移金属イオンがドープされた無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることが好ましい。母体化合物にドープする前記希土類イオン及び／又は遷移金属イオンとしては、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｃｒ，及びＴｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素イオンが好ましい。
本発明の第１、第２の固体レーザ装置においては、前記利得媒質の後段に、該利得媒質から発振されたレーザ光の波長を変換する少なくとも１個の波長変換素子を備える構成とすることができる。
本発明の固体レーザ装置は、励起光源として３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する窒化物系半導体レーザを用い、利得媒質として無機多結晶焼結体を用いる構成としている。本発明の固体レーザ装置では、必要に応じて波長変換素子を備える構成としている。
上記構成の本発明の固体レーザ装置では、紫外〜可視域のレーザ光が得られる。
本発明の固体レーザ装置では、利得媒質として無機多結晶焼結体を用いる構成としているので、単結晶の利得媒質を用いる従来技術に比して、利得媒質の製造がはるかに容易であり、発光中心イオンの高濃度ドープを実現することができる。発光中心イオンの高濃度ドープを実現できることは、同じ大きさの利得媒質で比較した場合、利得媒質の励起光の吸収量が増大して出力が増すので、高効率化及び高出力化に繋がる。
無機多結晶焼結体からなる利得媒質は、単結晶の利得媒質に比して製造が容易であるので、単結晶を用いるよりも利得媒質のサイズを大きくすることもできる。このことも高効率化及び高出力化に繋がる。
無機多結晶焼結体からなる利得媒質は、単結晶を用いるよりも安価である。また、励起光源を大型化しなくても高出力レーザ光が得られるので、安価で小型の励起光源を用いることができる。
以上のように、本発明によれば、装置全体を大型化することなく、紫外〜可視域のレーザ光を高効率及び高出力で得ることができ、しかも低コストな固体レーザ装置を提供することができる。
（第１実施形態）
図１に基づいて、本発明に係る第１実施形態の固体レーザ装置の構造について説明する。
本実施形態の固体レーザ装置１は、励起光源である１個の半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から発振されるレーザ光Ｌ１（励起光）により励起されて、レーザ光Ｌ１とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質１３とを備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置である。
半導体レーザ１１と利得媒質１３との間に、発散光であるレーザ光Ｌ１を集光する集光レンズ１２が配置され、利得媒質１３の後段に出力ミラー１４が配置されている。
上記構成要素１１〜１４は、ペルチェ素子１５上に固定されている。ペルチェ素子１５上には温度検出用のサーミスタ１６が固定されており、温度調節回路（図示略）により、サーミスタ１６の出力に基づいてペルチェ素子１５が駆動され、上記構成要素１１〜１４が所定温度に調整されるようになっている。上記構成要素１１〜１４は、銅製等の金属ホルダを介してペルチェ素子１５上に固定されてもよい。
利得媒質１３の励起光入射面１３ａには、励起波長の光を良好に透過し（好ましくは反射率１％以下）、出力波長の光を良好に反射する（好ましくは反射率９９％以上）、コーティングが施されている。利得媒質１３の出力光出射面１３ｂには、出力波長の光を良好に透過する（好ましくは反射率が１％以下）、コーティングが施されている。
出力ミラー１４は、光入射面１４ａが凹曲面であり、該面に出力波長の光の一部を透過し（例えば透過率２％）、その他の光を反射するコーティングが施されたミラーである。
利得媒質１３の励起光入射面１３ａと出力ミラー１４の光入射面１４ａとの間で共振器構造が構成され、特定波長のレーザ光Ｌ２（出力光）が出力されるようになっている。
本実施形態において、励起光源である半導体レーザ１１として、窒化物系半導体レーザが用いられる。窒化物系半導体レーザとしては、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の含窒素半導体化合物を１種又は２種以上含む活性層を備えた半導体レーザが挙げられる。例示した窒化物系半導体レーザは、いずれも３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する。半導体レーザ１１は、シングル横モード型でもブロードエリア型でもよい。
本実施形態において、利得媒質１３は、透光性を有する無機多結晶焼結体により構成されている。
利得媒質１３は、上記励起光源により励起されて、励起光とは異なる波長の光を発光するものであればよく、その組成は特に制限されない。以下、好適な組成について説明する。
利得媒質１３は、ガーネット型化合物、Ｃ−希土類型化合物、及びペロブスカイト型化合物のうちいずれかの無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることが好ましい。利得媒質１３は特に、母体化合物に発光中心イオンをなす希土類イオン及び／又は遷移金属イオンがドープされた無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることが好ましい。母体化合物にドープする希土類イオン及び／又は遷移金属イオンとしては、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｃｒ，及びＴｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素イオンが好ましい。
利得媒質１３としては、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）等の母体化合物にＰｒをドープした無機化合物が挙げられる。ＹＡＧは熱的安定性に優れるため、母体化合物として好適であり、発光中心イオンをなすＰｒは、可視域に複数の発光ピークを有し、好ましい。
利得媒質１３としては、ＹＡＧ等の母体化合物に、Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｄｙ，Ｈｏ，及びＥｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素イオンと、Ｐｒとを共ドープした無機化合物も好ましい。
以下、利得媒質１３として、ＹＡＧにＰｒをドープしたＰｒ−ＹＡＧを用いる場合について説明する。
「発明が解決しようとする課題」の項において、ＹＡＧ中へのＰｒドープは難しいことを述べたが、本実施形態では、利得媒質１３を多結晶焼結体により構成しているので、単結晶を用いる場合に比してＰｒをドープさせやすく、単結晶を用いるよりも高濃度ドープが可能である。発光強度（蛍光強度）を考慮すれば、Ｐｒドープ量は１．０〜４．０モル％が好ましく、例えば２．０モル％が好ましい。ＹＡＧ中に２．０モル％のＰｒをドープした化合物を２．０％Ｐｒ−ＹＡＧと表記する。
Ｐｒ−ＹＡＧの多結晶焼結体は、例えば以下のように製造できる。
原料粉末であるＹ２Ｏ３粉末とα−Ａｌ２Ｏ３粉末とＰｒ６Ｏ１１粉末とを所望の組成となるようにそれぞれ秤量し、これら粉末とエチルアルコールとアルミナボールとをポットミルに入れ、湿式混合を行う。アルミナボールを取り除き、得られた混合粉末スラリー中のエチルアルコールをロータリーエバポレーターを用いて除去した後、１００℃で１２時間乾燥し、得られた乾燥粉末を乳鉢で軽くほぐす。得られた乾燥粉末を、所望の形状に一軸圧縮成型する。得られた圧縮成型体に対して、電気炉にて、大気雰囲気下、５００℃／ｈｒで１４５０℃まで昇温し、同温度で２時間保持し、５００℃／ｈｒで１０００℃まで冷却し、自然炉冷するという仮焼成プロセスを実施する。常温まで冷却した仮焼結体を乳鉢で粉砕し、再度一軸圧縮成型する。得られた再圧縮成型体に対して、真空焼結炉にて、真空度１．３×１０−３Ｐａ下、５００℃／ｈｒで１７５０℃まで昇温し、同温度で２０時間保持し、５００℃／ｈｒで１０００℃まで冷却し、自然炉冷するという本焼成プロセスを実施し、Ｐｒ−ＹＡＧの多結晶焼結体が製造される。
利得媒質１３がＰｒ−ＹＡＧ以外の多結晶焼結体からなる場合も、製造方法は同様である。
Ｐｒの吸収ピーク波長（励起スペクトルを取ったときに最大発光強度を示す励起波長）は、４５２ｎｍである。利得媒質１３としてＰｒ−ＹＡＧを用いる場合、半導体レーザ１１としては、ＧａＮ系半導体レーザ（発振ピーク波長：３７０〜４５０ｎｍ）が好ましい。
Ｐｒ−ＹＡＧの発光スペクトル（蛍光スペクトル）では、励起波長を４５２ｎｍとした場合、６０８ｎｍに強い発光強度の発光ピークが見られるので、上記系では、例えば６０８ｎｍのレーザ光Ｌ２を出力するようにすればよい。
本実施形態の設計例を以下に示す。
半導体レーザ１１：ＧａＮ系（発振ピーク波長：４５０ｎｍ、シングル横モード型、出力５０ｍＷ）、
利得媒質１３：２．０％Ｐｒ−ＹＡＧ（吸収ピーク波長４５２ｎｍ）、厚み２ｍｍ、
出力ミラー１４：曲率半径５０ｍｍ、利得媒質１３の励起光入射面１３ａからの離間距離１０ｍｍ、
レーザ光Ｌ２（出力光）：６０８ｎｍ
本発明者は、上記設計例では、半導体レーザ１１の発振ピーク波長と利得媒質１３の吸収ピーク波長とがほぼ一致しており、利得媒質１３の励起光の吸収量は約３０％であり、出力１ｍＷ程度のレーザ光Ｌ２が得られることを見出している。
Ｐｒ−ＹＡＧは、６０８ｎｍ以外にも発光ピーク波長を有するので、利得媒質１３及び出力ミラー１４に施したコーティングを変更することで、出力光であるレーザ光Ｌ２の波長を４８７ｎｍ、５３２ｎｍ、５６４ｎｍ等に変更することができる。
また、励起光源である半導体レーザ１１と利得媒質１３の組成の組合わせを変更するなどして、出力光であるレーザ光Ｌ２の波長をＰｒ−ＹＡＧの発光ピーク波長以外の波長に変更することができる。
本実施形態の固体レーザ装置１は、励起光源である半導体レーザ１１として３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する窒化物系半導体レーザを用い、利得媒質１３として無機多結晶焼結体を用いる構成としている。
本実施形態の固体レーザ装置１では、可視域のレーザ光Ｌ２が得られる。
本実施形態の固体レーザ装置１では、利得媒質１３として無機多結晶焼結体を用いる構成としているので、単結晶の利得媒質を用いる従来技術に比して、利得媒質１３の製造がはるかに容易であり、発光中心イオンの高濃度ドープを実現することができる。発光中心イオンの高濃度ドープを実現できることは、同じサイズの利得媒質１３で比較した場合、利得媒質１３の励起光の吸収量が増大して出力が増すので、高効率化及び高出力化に繋がる。
無機多結晶焼結体からなる利得媒質１３は、単結晶の利得媒質に比して製造が容易であるので、単結晶を用いるよりも利得媒質１３を大きくすることもできる。このことも高効率化及び高出力化に繋がる。
無機多結晶焼結体からなる利得媒質１３は、単結晶を用いるよりも安価である。また、励起光源を大型化しなくても高出力のレーザ光Ｌ２が得られるので、安価で小型の励起光源を用いることができる。
以上のように、本実施形態によれば、装置全体を大型化することなく、可視域のレーザ光Ｌ２を高効率及び高出力で得ることができ、しかも低コストな固体レーザ装置１を提供することができる。
（第２実施形態）
図２に基づいて、本発明に係る第２実施形態の固体レーザ装置の構造について説明する。本実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、同じ構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
第１実施形態の固体レーザ装置１では、励起光源を１個の半導体レーザ１１により構成したのに対し、本実施形態の固体レーザ装置２は、励起光源を複数の半導体レーザ２１により構成している。複数の半導体レーザ２１は、合波レーザモジュール２０の形態で装置に搭載されている。
合波レーザモジュール２０は、複数の半導体レーザ２１と、複数の半導体レーザ２１から発振されたレーザ光を各々平行光束化する、半導体レーザ２１と同数のコリーメータレンズ２２と、これら複数のコリーメータレンズ２２から出射される光を一括して集光する１個の集光レンズ２３と、集光レンズ２３により集光された光を導光する光ファイバ２４とから構成されている。半導体レーザ２１とコリーメータレンズ２２と集光レンズ２３と光ファイバ２４の一部とが、パッケージ２５内に気密封止されている。
半導体レーザ２１の個数は適宜設計できる。半導体レーザ２１としては、第１実施形態の半導体レーザ１１と同様の半導体レーザが用いられる。本実施形態では、合波レーザモジュール２０の光ファイバ２４から励起光であるレーザ光Ｌ１（本実施形態では合波レーザ光）が出射されて、利得媒質１３が励起される。半導体レーザ２１と利得媒質１３との組合せは、第１実施形態と同様である。
本実施形態の設計例を以下に示す。
半導体レーザ２１：ＧａＮ系（発振ピーク波長：４５０ｎｍ、シングル横モード型、出力５０ｍＷ）、
半導体レーザ２１の個数：７個、
合波レーザモジュール２０の出力：２５０Ｗ、
レーザ光Ｌ１（励起光）：４５０ｎｍ、
利得媒質１３：２．０％Ｐｒ−ＹＡＧ（吸収ピーク波長４５２ｎｍ）、厚み２ｍｍ、
出力ミラー１４：曲率半径５０ｍｍ、利得媒質１３の励起光入射面１３ａからの離間距離１０ｍｍ、
レーザ光Ｌ２（出力光）：６０８ｎｍ
本発明者は、上記設計例では、利得媒質１３の吸収ピーク波長と半導体レーザ１１の発振ピーク波長とほぼ一致しており、利得媒質１３の励起光の吸収量は約３０％であり、出力１０ｍＷ程度のレーザ光Ｌ２が得られることを見出している。
本実施形態の固体レーザ装置２は、励起光源を複数の半導体レーザ２１により構成する以外は、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、半導体レーザ２１と利得媒質１３との組合せは第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、本実施形態によれば、装置全体を大型化することなく、可視域のレーザ光Ｌ２を高効率及び高出力で得ることができ、しかも低コストな固体レーザ装置２を提供することができる。本実施形態では、励起光源を複数の半導体レーザ２１により構成しているので、第１実施形態よりも高出力な固体レーザ装置２が得られる。
（設計変更例）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
出力ミラー１４の後段側に、レーザ光Ｌ２の一部を反射又は透過するミラーを設け、該ミラーにより反射又は透過された光の光量を検出するフォトダイオード等の光検出素子を設け、光検出素子により検出される光量が一定になるように半導体レーザ１１をフィードバック制御するＡＰＣ（Auto Power Control）制御を行う構成としてもよい。
出力ミラー１４を設けず、利得媒質１３単独で共振器構造を構成することもできる。例えば、図３に示す如く、利得媒質１３の出力光出射面１３ｂに出力ミラー１４の光入射面１４ａと同様のコーティングを施し、利得媒質１３の励起光入射面１３ａ及び／又は出力光出射面１３ｂを研磨やドライエッチング等により曲面状に加工することで、利得媒質１３単独で共振器構造を構成することができる。
図４に示す如く、利得媒質１３と出力ミラー１４との間に、利得媒質１３から発振されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子１７とエタロン１８とを配置する構成としてもよい。
波長変換素子１７は、例えば、非線形光学結晶（例えば、ＭｇＯがドープされたＬｉＴａＯ３結晶）に周期ドメイン反転構造が設けられたものであり、利得媒質１３から発振されるレーザ光（例えば波長６０８ｎｍ）を３０４ｎｍ等の紫外光（第２次高周波）に変換する素子である。波長変換素子１７を複数設けて、第３次高調波や第４次高調波等を得る構成としてもよい。エタロン１８は必要に応じて設けられる波長選択素子であり、エタロン１８を設けることで、単一縦モード発振させて低ノイズ化を実現することができる。また、偏光制御素子としてのブリュースタ板をさらに配してもよい。
図４に示す固体レーザ装置では、半導体レーザ１１がホルダ３１を介してペルチェ素子１５に取り付けられ、集光レンズ１２がホルダ３２を介してペルチェ素子１５に取り付けられ、利得媒質１３と波長変換素子１７とエタロン１８と出力ミラー１４とがホルダ３３を介してペルチェ素子１５に取り付けられている。また、構成要素１１〜１４、１７、１８が、出力光であるレーザ光Ｌ２が透過する透過窓１９ａが嵌め込まれたパッケージ１９内に気密封止されている。パッケージ１９内には、好ましくは乾燥空気や窒素ガス等が封入される。かかる構成では、構成要素１１〜１５、１７、１８の汚染や結露が防止され、好ましい。少なくとも共振器構造を構成する要素をパッケージ１９内に気密封止すれば、良好な汚染防止効果が得られる。
図４に示す如く、波長変換素子１７を設ける構成とすることで、紫外域のレーザ光Ｌ２を安価に簡易に得ることができ、安価で小型の紫外固体レーザ装置を実現することができる。波長変換素子１７としては、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶等、紫外光に波長変換可能なものなら、いずれの結晶を使用してもよい。
第１、第２実施形態の固体レーザ装置１、２、及び図３に示した固体レーザ装置についても、図４に示したような気密パッケージ構造を採用することができる。
上記実施形態では、端面励起方式について説明したが、利得媒質１３の側面側から励起する方式、共振器に対して斜めに励起光を入射させて励起する方式、励起光を利得媒質１３内で多重反射させる方式など、半導体レーザで励起可能な方式であれば、いかなる励起方式を採用しても構わない。モードロッカー等を配置し、パルスレーザ光を出力する構成としてもよい。
本発明は、紫外〜可視域のレーザ光を出力する固体レーザ装置として利用することができる。
本発明に係る第１実施形態の固体レーザ装置の構造を示す図 本発明に係る第２実施形態の固体レーザ装置の構造を示す図 設計変更例を示す図 設計変更例を示す図
符号の説明
１、２ 固体レーザ装置
１１、２１ 半導体レーザ（励起光源）
１３ 利得媒質
１７ 波長変換素子
Ｌ１ レーザ光（励起光）
Ｌ２ レーザ光（出力光）

Claims (7)

  1. 少なくとも１個の半導体レーザからなる励起光源と、
    前記励起光源から発振されるレーザ光により励起されて、該励起光源から発振されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質とを備えた固体レーザ装置において、
    前記半導体レーザが窒化物系半導体レーザであり、
    前記利得媒質が透光性を有する無機多結晶焼結体からなることを特徴とする固体レーザ装置。
  2. 少なくとも１個の半導体レーザからなる励起光源と、
    前記励起光源から発振されるレーザ光により励起されて、該励起光源から発振されるレーザ光とは異なる波長のレーザ光を発振する利得媒質とを備えた固体レーザ装置において、
    前記半導体レーザが３５０〜５５０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する半導体レーザであり、
    前記利得媒質が透光性を有する無機多結晶焼結体からなることを特徴とする固体レーザ装置。
  3. 前記半導体レーザがＧａＮ系半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ装置。
  4. 前記利得媒質が、ガーネット型化合物、Ｃ−希土類型化合物、及びペロブスカイト型化合物のうちいずれかの無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
  5. 前記利得媒質が、母体化合物に発光中心イオンをなす希土類イオン及び／又は遷移金属イオンがドープされた無機化合物（不可避不純物を含んでいてもよい）からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体レーザ装置。
  6. 前記希土類イオン及び／又は遷移金属イオンは、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｃｒ，及びＴｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素イオンであることを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ装置。
  7. 前記利得媒質の後段に、該利得媒質から発振されたレーザ光の波長を変換する少なくとも１個の波長変換素子を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体レーザ装置。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019221770A2 (en) * 2017-10-06 2019-11-21 Alakai Defense Systems, Inc. Uv lasers and uv raman systems for effective and efficient molecular species identification with raman spectroscopy
DE102019116113A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Jenoptik Optical Systems Gmbh Passiv gütegeschalteter Festkörperlaser
CN110994345A (zh) * 2019-12-17 2020-04-10 华中科技大学 一种基于自陷态激子的可调谐激光器

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05301770A (ja) * 1992-04-27 1993-11-16 Kurosaki Refract Co Ltd レーザ用多結晶透明セラミックス
JPH10270792A (ja) * 1997-03-27 1998-10-09 Sharp Corp 化合物半導体レーザ
JPH1117266A (ja) * 1997-04-28 1999-01-22 Fuji Photo Film Co Ltd レーザーダイオード励起固体レーザー
JP2001036175A (ja) * 1999-07-21 2001-02-09 Fuji Photo Film Co Ltd レーザーダイオード励起固体レーザー
JP2001057461A (ja) * 1999-06-10 2001-02-27 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体レーザ素子
JP2002043662A (ja) * 2000-06-09 2002-02-08 Agilent Technol Inc 高効率及び高出力の可視波長固体レーザー
JP2002057388A (ja) * 2000-08-11 2002-02-22 Nippon Avionics Co Ltd 固体レーザ発振器
JP2002204016A (ja) * 2000-12-27 2002-07-19 Murata Mfg Co Ltd 光学的発振素子

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6125132A (en) * 1997-04-28 2000-09-26 Fuji Photo Film Co., Ltd. Laser diode pumped solid state laser, fiber laser and fiber amplifier
US6490309B1 (en) * 1999-07-21 2002-12-03 Fuji Photo Film Co., Ltd. Laser-diode-pumped laser apparatus in which Pr3+-doped laser medium is pumped with GaN-based compound laser diode
US6816532B2 (en) * 2001-05-15 2004-11-09 Fuji Photo Film Co., Ltd. Laser-diode-excited laser apparatus, fiber laser apparatus, and fiber laser amplifier in which laser medium doped with one of ho3+, sm3+, eu3+, dy3+, er3+, and tb3+is excited with gan-based compound laser diode
DE102004004259B3 (de) * 2004-01-23 2005-11-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Transparente polykristalline Sinterkeramik kubischer Kristallstruktur

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05301770A (ja) * 1992-04-27 1993-11-16 Kurosaki Refract Co Ltd レーザ用多結晶透明セラミックス
JPH10270792A (ja) * 1997-03-27 1998-10-09 Sharp Corp 化合物半導体レーザ
JPH1117266A (ja) * 1997-04-28 1999-01-22 Fuji Photo Film Co Ltd レーザーダイオード励起固体レーザー
JP2001057461A (ja) * 1999-06-10 2001-02-27 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体レーザ素子
JP2001036175A (ja) * 1999-07-21 2001-02-09 Fuji Photo Film Co Ltd レーザーダイオード励起固体レーザー
JP2002043662A (ja) * 2000-06-09 2002-02-08 Agilent Technol Inc 高効率及び高出力の可視波長固体レーザー
JP2002057388A (ja) * 2000-08-11 2002-02-22 Nippon Avionics Co Ltd 固体レーザ発振器
JP2002204016A (ja) * 2000-12-27 2002-07-19 Murata Mfg Co Ltd 光学的発振素子

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