JP2008117914A - Solid-state laser device - Google Patents

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JP2008117914A JP2006299271A JP2006299271A JP2008117914A JP 2008117914 A JP2008117914 A JP 2008117914A JP 2006299271 A JP2006299271 A JP 2006299271A JP 2006299271 A JP2006299271 A JP 2006299271A JP 2008117914 A JP2008117914 A JP 2008117914A
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Hirotake Fukuoka
大岳 福岡
Takeshi Kanzaki
武司 神崎
Kazunori Kuroyanagi
和典 黒柳
Hirobumi Suga
博文 菅
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain an output energy as high as several hundreds of mJ per pulse with a simple arrangement in a solid-state laser device which generates a laser beam of wavelengths in a 2.94 μm band. <P>SOLUTION: A solid-state laser device 1 comprises a solid-state laser rod 11 of an erbium-yttrium aluminum garnet (Er:YAG) crystal, a high reflective mirror 3 and an output mirror 4 forming a resonator arranged at both ends of the solid-state laser rod 11, and a semiconductor laser module 12 for illuminating the side surface of the solid-state laser rod 11 with exciting light Lp having a wavelength component included in an absorption wavelength band (0.96 μm band) when an energy level of Er<SP>3+</SP>transits from<SP>4</SP>I<SB>15/2</SB>to<SP>4</SP>I<SB>11/2</SB>. The peak wavelength of a laser beam L is included in a luminous wavelength band (2.94 μm band) when the energy level of Er<SP>3+</SP>is transits from<SP>4</SP>I<SB>11/2</SB>to<SP>4</SP>I<SB>13/2</SB>, and the peak wavelength of the exciting light Lp is longer than the maximum absorption peak wavelength included in the absorption wavelength band of the Er<SP>3+</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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.

エルビウムイオン(Er3+)をドープされたYAG結晶(以下、Er:YAG結晶と略記する)が励起されて発生する波長2.94μm帯のレーザ光は、水分を含む生体組織における吸収係数が最も高い波長帯であるため、軟組織・硬組織の切削等を行うレーザ治療装置などに応用されている。例えば、歯牙の切削などの一部の用途においては、比較的高いピークパワーと1パルス当たり数百mJといった大きなエネルギーが必要とされるので、Er:YAG結晶をフラッシュランプにより励起する方式が多く用いられている。しかしながら、このような方式では、励起光源であるフラッシュランプの寿命が約1000万〜2000万パルスと短いため、励起光源の交換を頻繁に行う必要がある。従って、メンテナンスに手間がかかり作業効率が低下してしまう。 The laser light having a wavelength of 2.94 μm generated by exciting a YAG crystal doped with erbium ion (Er 3+ ) (hereinafter abbreviated as Er: YAG crystal) has the highest absorption coefficient in biological tissues containing moisture. Since it has a high wavelength band, it is applied to laser treatment devices that perform cutting of soft tissue and hard tissue. For example, in some applications such as tooth cutting, a relatively high peak power and a large energy of several hundred mJ per pulse are required. Therefore, an Er: YAG crystal is often excited by a flash lamp. It has been. However, in such a system, the life of the flash lamp that is an excitation light source is as short as about 10 million to 20 million pulses, and therefore it is necessary to frequently exchange the excitation light source. Therefore, it takes time for maintenance and the work efficiency is lowered.

このような問題点に対し、励起光源としてフラッシュランプではなく、より寿命が長い半導体レーザを用いる方式が考えられている。例えば、特許文献1には、半導体レーザからの励起光を、光ファイバを介してEr:YAG結晶の端面に照射する構成を備える固体レーザ装置が開示されている。   In order to deal with such problems, a system using a semiconductor laser having a longer lifetime as an excitation light source instead of a flash lamp has been considered. For example, Patent Document 1 discloses a solid-state laser device having a configuration in which excitation light from a semiconductor laser is irradiated onto an end face of an Er: YAG crystal via an optical fiber.

また、非特許文献1には、図16に示す構成を備える固体レーザ装置が開示されている。この固体レーザ装置100は、厚さ1.5mm程度の板状のEr:YAG結晶からなるレーザ結晶(Laser Crystal)101と、光学部材(Transfer Optics)102を介してレーザ結晶101の側面に励起光Lpaを照射し、レーザ光Laを発生させる複数の半導体レーザアレイ(Stacked Diode Lasers)103と、レーザ光Laの光路の一端及び他端にそれぞれ配置された高反射ミラー(HR-Mirror)104及びレーザ光取り出し用ミラー(OC-Mirror)105とを備えている。そして、レーザ結晶101の中央部には孔101aが形成されており、この孔101aとレーザ結晶101の両端面とにヒートシンク(不図示)を接触させることでレーザ結晶101を冷却している。   Non-Patent Document 1 discloses a solid-state laser device having the configuration shown in FIG. This solid-state laser device 100 includes a laser crystal 101 made of a plate-like Er: YAG crystal having a thickness of about 1.5 mm, and excitation light on the side surface of the laser crystal 101 via an optical member (Transfer Optics) 102. A plurality of semiconductor laser arrays (Stacked Diode Lasers) 103 that emit Lpa and generate laser light La, high reflection mirrors (HR-Mirror) 104 and lasers disposed at one end and the other end of the optical path of the laser light La, respectively An optical extraction mirror (OC-Mirror) 105 is provided. A hole 101a is formed at the center of the laser crystal 101, and the laser crystal 101 is cooled by bringing a heat sink (not shown) into contact with the hole 101a and both end faces of the laser crystal 101.

また、非特許文献2には、図17に示す構成を備える固体レーザ装置が開示されている。この固体レーザ装置110は、Er:YAG結晶からなるレーザ結晶(Er:YAG Crystal)111と、結合光学系(Coupling Optics)112を介してレーザ結晶111に励起光Lpbを照射し、レーザ光Lbを発生させる半導体レーザアレイ(4-bar InGaAs Laser Diode array)113と、レーザ光Lbの光路の一端及び他端にそれぞれ配置された高反射ミラー(High Reflector)114及びレーザ光取り出し用ミラー(Output Coupler)115とを備えている。そして、高反射ミラー114とレーザ結晶111との間には、発振波長を調整するためのエタロンフィルタ(Uncoated YAG Etalon)116が設けられている。   Non-Patent Document 2 discloses a solid-state laser device having the configuration shown in FIG. The solid-state laser device 110 irradiates the laser crystal 111 with excitation light Lpb via a laser crystal (Er: YAG Crystal) 111 made of an Er: YAG crystal and a coupling optical system (Coupling Optics) 112, and emits the laser light Lb. Semiconductor laser array (4-bar InGaAs Laser Diode array) 113 to be generated, high reflection mirror 114 and laser light extraction mirror (Output Coupler) arranged at one end and the other end of the optical path of laser light Lb, respectively 115. An etalon filter (Uncoated YAG Etalon) 116 for adjusting the oscillation wavelength is provided between the high reflection mirror 114 and the laser crystal 111.

なお、エルビウム以外の希土類元素を用いた固体レーザ装置も考えられている。例えば、特許文献2に記載されたレーザ装置は、NdをドープされたYAG結晶(Nd:YAG結晶)を備えており、この結晶を励起して発生する波長1.06μmのレーザ光を波長変換することにより、波長2.9μm帯のレーザ光を得ている。また、特許文献3には、Nd:YAG結晶からなるレーザロッドの側面に対し複数のレーザダイオードアレイから励起光を照射する構成が開示されている。
特許第3167844号公報 特開2001−352118号公報 米国特許第5742634号明細書 C. Ziolek, et.al., “High-repetition-rate, high-average-power, diode-pumped 2.94-μm Er:YAGlaser”, Optics Letters, Vol.26, No.9, pp.599 (2001) C.E. Hamilton,et. al., “1-W average power levels and tunability from a diode-pumped 2.94-μmEr:YAG oscillator”, Optics Letters, Vol.19, No.20, pp.1627 (1994)
A solid-state laser device using a rare earth element other than erbium is also considered. For example, the laser device described in Patent Document 2 includes a YAG crystal doped with Nd (Nd: YAG crystal), and converts the wavelength of laser light having a wavelength of 1.06 μm generated by exciting the crystal. Thus, a laser beam having a wavelength of 2.9 μm is obtained. Patent Document 3 discloses a configuration in which excitation light is irradiated from a plurality of laser diode arrays onto a side surface of a laser rod made of an Nd: YAG crystal.
Japanese Patent No. 3167844 JP 2001-352118 A US Pat. No. 5,742,634 C. Ziolek, et.al., “High-repetition-rate, high-average-power, diode-pumped 2.94-μm Er: YAGlaser”, Optics Letters, Vol.26, No.9, pp.599 (2001) CE Hamilton, et. Al., “1-W average power levels and tunability from a diode-pumped 2.94-μmEr: YAG oscillator”, Optics Letters, Vol. 19, No. 20, pp. 1627 (1994)

しかしながら、特許文献1に記載された構成では、Er:YAG結晶に照射できる励起光の光量が少なく、上述したような高エネルギーの光パルスを得ることは難しい。また、非特許文献1及び2に記載された構成(図16,図17参照)は、いずれもEr:YAG結晶内での内部全反射を利用した共振器構成となっており、高エネルギーの励起光をEr:YAG結晶に入力することが構造上困難なので、1パルス当たりのエネルギーはそれぞれ32mJ/パルス、7.1mJ/パルスにとどまっている。また、図16や図17に記載された構成を単位構造として複数の単位構造を重ね合わせることにより大出力化を図ることも考えられるが、1パルス当たり数百mJといった高エネルギーのレーザ光を得ようとすると、多くの単位構造が必要となり、構造が複雑化するので、レーザ光の共振器内での損失が増大し、レーザ光の生成効率の著しい低下が予想される。   However, with the configuration described in Patent Document 1, the amount of excitation light that can be applied to the Er: YAG crystal is small, and it is difficult to obtain a high-energy light pulse as described above. In addition, the configurations described in Non-Patent Documents 1 and 2 (see FIGS. 16 and 17) both have a resonator configuration using total internal reflection in an Er: YAG crystal, and are excited with high energy. Since it is structurally difficult to input light to the Er: YAG crystal, the energy per pulse is only 32 mJ / pulse and 7.1 mJ / pulse, respectively. In addition, it is conceivable to increase the output by superimposing a plurality of unit structures by using the structure described in FIG. 16 or FIG. 17 as a unit structure, but high-energy laser light of several hundred mJ per pulse is obtained. If so, a large number of unit structures are required, and the structure becomes complicated. Therefore, the loss of laser light in the resonator increases, and a significant decrease in laser light generation efficiency is expected.

また、特許文献2に記載された固体レーザ装置では、波長変換結晶における光損傷による制限のため、実証されている出力エネルギーは1パルス当たり125mJにとどまっている。なお、特許文献3には、波長2.94μm帯のレーザ光を得ることに関しては記載されていない。   Further, in the solid-state laser device described in Patent Document 2, the proven output energy is limited to 125 mJ per pulse due to a limitation due to optical damage in the wavelength conversion crystal. Patent Document 3 does not describe obtaining laser light with a wavelength of 2.94 μm.

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、波長2.94μm帯のレーザ光を発生する固体レーザ装置において、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーを簡易な構成で実現することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. In a solid-state laser device that generates laser light having a wavelength of 2.94 μm, high output energy of several hundred mJ per pulse is realized with a simple configuration. For the purpose.

上記した課題を解決するために、本発明による固体レーザ装置は、エルビウムイオンを添加されたYAG結晶の柱状固体レーザロッドと、固体レーザロッドの一端側に設けられる第1ミラーと、固体レーザロッドの他端側に設けられ、第1ミラーとともに共振器を構成してレーザ発振を起こさせ、レーザ光を出射させる第2ミラーと、固体レーザロッドの周囲に設けられ、エルビウムイオンのエネルギー準位が415/2から411/2へ遷移する場合の吸収波長帯に含まれる波長成分を有する励起光を固体レーザロッドの側面に照射する半導体レーザ素子とを備え、レーザ光がパルス状であり、該レーザ光のピーク波長は、エルビウムイオンのエネルギー準位が411/2から413/2へ遷移する場合の発光波長帯に含まれており、励起光のピーク波長が、エルビウムイオンの吸収波長帯に含まれる最大吸収ピーク波長より長いことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a solid-state laser device according to the present invention includes a columnar solid-state laser rod of YAG crystal doped with erbium ions, a first mirror provided on one end of the solid-state laser rod, and a solid-state laser rod. A second mirror that is provided on the other end side and constitutes a resonator together with the first mirror to cause laser oscillation and emit laser light, and is provided around the solid laser rod. The energy level of erbium ions is 4 A semiconductor laser element that irradiates the side surface of the solid-state laser rod with excitation light having a wavelength component included in the absorption wavelength band in the case of transition from I 15/2 to 4 I 11/2 , and the laser light is pulsed , the peak wavelength of the laser beam is included in the emission wavelength band when the energy level of erbium ions is changed from 4 I 11/2 to 4 I 13/2, peak wavelength of the excitation light Is longer than the maximum absorption peak wavelength included in the absorption wavelength band of erbium ions.

また、本発明による固体レーザ装置は、エルビウムイオンを添加されたYAG結晶の柱状固体レーザロッドと、固体レーザロッドの一端側に設けられる第1ミラーと、固体レーザロッドの他端側に設けられ、第1ミラーとともに共振器を構成してレーザ発振を起こさせ、レーザ光を出射させる第2ミラーと、固体レーザロッドの周囲に設けられ、エルビウムイオンの吸収波長帯のうち0.96μm帯に含まれる波長成分を有する励起光を固体レーザロッドの側面に照射する半導体レーザ素子とを備え、レーザ光がパルス状であり、該レーザ光のピーク波長が、エルビウムイオンの発光波長帯のうち2.94μm帯に含まれており、励起光のピーク波長が、エルビウムイオンの0.96μm帯に含まれる最大吸収ピーク波長より長いことを特徴とする。   The solid-state laser device according to the present invention is provided with a columnar solid-state laser rod of YAG crystal to which erbium ions are added, a first mirror provided on one end side of the solid-state laser rod, and on the other end side of the solid-state laser rod, A resonator is formed together with the first mirror to cause laser oscillation, and is provided around the solid laser rod and the second mirror that emits laser light, and is included in the 0.96 μm band of the absorption wavelength band of erbium ions. A semiconductor laser element that irradiates the side surface of the solid-state laser rod with excitation light having a wavelength component, the laser light is pulsed, and the peak wavelength of the laser light is a 2.94 μm band of the emission wavelength band of erbium ions The peak wavelength of the excitation light is longer than the maximum absorption peak wavelength included in the 0.96 μm band of erbium ions. That.

上記したそれぞれの固体レーザ装置では、Er:YAG結晶の固体レーザロッドと、第1ミラー及び第2ミラーとによって共振器が構成されており、半導体レーザ素子から固体レーザロッドへ励起光が照射されることによって、Er:YAG結晶から誘導放出された光がレーザ光として取り出される。   In each of the above-described solid-state laser devices, a resonator is configured by the solid laser rod of Er: YAG crystal, the first mirror, and the second mirror, and excitation light is irradiated from the semiconductor laser element to the solid-state laser rod. Thus, the light stimulated and emitted from the Er: YAG crystal is extracted as a laser beam.

ここで、図18は、Er:YAG結晶のエネルギー準位の構造を示す図である。図18に示すように、Er:YAG結晶は、波長0.96μm付近の励起光を吸収することにより、そのエネルギー準位が415/2から411/2へ遷移し、励起状態となる。その後、エネルギー準位が411/2から413/2へ遷移する際に波長2.94μm付近の光が放出され、その後の発振及び誘導放出によってレーザ光が取り出される。しかしながら、Er:YAG結晶の411/2から413/2への遷移時の誘導放出断面積は3×10-20cm2程度と極めて小さく、また、この遷移は、411/2の状態の寿命が約100μsであるのに対し、413/2の状態の寿命は数msと長い、いわゆる自己終端的(self-terminating)な特性を示す。従って、Er:YAG結晶においては、波長0.96μm付近の励起光に対する波長2.94μm付近の発光効率が本質的に低い。 Here, FIG. 18 is a diagram showing the structure of the energy level of the Er: YAG crystal. As shown in FIG. 18, Er: YAG crystal, by absorbing the excitation light near a wavelength of 0.96 .mu.m, the energy level changes from a 4 I 15/2 to 4 I 11/2, and excited state Become. Thereafter, when the energy level transitions from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 , light having a wavelength of about 2.94 μm is emitted, and laser light is extracted by subsequent oscillation and stimulated emission. However, the stimulated emission cross section of Er: YAG crystal at the transition from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 is as small as about 3 × 10 −20 cm 2 , and this transition is 4 I 11 / The lifetime of the 2 state is about 100 μs, whereas the lifetime of the 4 I 13/2 state is as long as several ms, so-called self-terminating characteristics. Therefore, in the Er: YAG crystal, the luminous efficiency in the vicinity of the wavelength of 2.94 μm with respect to the excitation light in the vicinity of the wavelength of 0.96 μm is essentially low.

しかし、エルビウムイオン(Er3+)の濃度が例えば50原子パーセントといった高い濃度のEr:YAG結晶に波長0.96μm付近の励起光を照射すると、413/2状態の2個のイオンが或る確率で相互作用して、一方が49/2へ遷移し、他方が415/2へ遷移する(非輻射クロス緩和過程)。更に、49/2へ遷移したイオンが411/2へ遷移する、下準位から上準位へのリサイクル過程が存在する。そして、413/2状態のイオン密度が大きいほど、このような作用が生じる確率が高いと考えられる。従って、Er:YAG結晶を高密度に励起して413/2状態のイオン密度を大きくすることによって、本質的な発光効率の低さを補い、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーを得ることも可能となる。 However, when an Er: YAG crystal having a high concentration of erbium ions (Er 3+ ), for example 50 atomic percent, is irradiated with excitation light having a wavelength of about 0.96 μm , two ions in the 4 I 13/2 state are With one probability, one transitions to 4 I 9/2 and the other transitions to 4 I 15/2 (non-radiative cross relaxation process). Furthermore, there is a recycling process from the lower level to the upper level in which the ions that have transitioned to 4 I 9/2 transition to 4 I 11/2 . And it is thought that the probability that such an effect occurs is higher as the ion density of the 4 I 13/2 state is larger. Therefore, by exciting the Er: YAG crystal at a high density to increase the ion density in the 4 I 13/2 state, it compensates for the low intrinsic luminous efficiency, and a high output energy of several hundred mJ per pulse is obtained. It can also be obtained.

本発明者らは、Er:YAG結晶を高密度に励起して413/2状態のイオン密度を大きくするために、光軸方向(固体レーザロッドの長手方向)から見た固体レーザロッド内での励起密度の分布に着目した。すなわち、固体レーザロッドの側面付近で励起光が多く吸収されてしまうと、固体レーザロッドの中心線(すなわち共振器の光軸)付近へ励起光が十分に到達できず、光軸付近の励起密度が小さくなる。従って、光軸付近における411/2状態および413/2状態のイオン密度が小さくなってしまい、良好な品質のレーザ光を効率良く取り出すことが困難となる。なお、前述した非特許文献1,2に記載された固体レーザ装置では、励起用レーザ光の中心波長としてそれぞれ962nm、963nmが選定されているが、これらの波長の光に対するEr:YAG結晶の吸収率は極めて高いので、固体レーザロッドの側面に励起光を照射してもその側面付近で殆ど吸収されてしまう。 In order to increase the ion density of the 4 I 13/2 state by exciting the Er: YAG crystal at a high density, the inventors in the solid laser rod viewed from the optical axis direction (longitudinal direction of the solid laser rod). We focused on the distribution of the excitation density at. That is, if a lot of excitation light is absorbed near the side surface of the solid-state laser rod, the excitation light cannot sufficiently reach the center line of the solid-state laser rod (that is, the optical axis of the resonator), and the excitation density near the optical axis. Becomes smaller. Therefore, the ion density in the 4 I 11/2 state and 4 I 13/2 state in the vicinity of the optical axis becomes small, and it becomes difficult to efficiently extract laser light of good quality. In the solid-state laser devices described in Non-Patent Documents 1 and 2 described above, 962 nm and 963 nm are selected as the center wavelengths of the excitation laser light, respectively, but the absorption of Er: YAG crystals with respect to light of these wavelengths is selected. Since the rate is extremely high, even if the side surface of the solid laser rod is irradiated with excitation light, it is almost absorbed near the side surface.

これに対し、励起密度が、光軸付近で大きく側面付近へ向けて減少するような(例えばガウス分布のような)分布か、或いは、光軸付近から側面付近に亘ってほぼ均一な分布であれば、Er:YAG結晶を全体的に高密度に励起するとともに、413/2状態のイオン密度を高め、レーザ光を効率良く取り出すことができる。 On the other hand, the excitation density should be a distribution (such as a Gaussian distribution) that decreases largely toward the side surface near the optical axis, or a substantially uniform distribution from the vicinity of the optical axis to the side surface. For example, the Er: YAG crystal can be excited with a high density as a whole, and the ion density in the 4 I 13/2 state can be increased, so that the laser beam can be extracted efficiently.

このような励起密度の分布を実現するために、上記したそれぞれの固体レーザ装置では、励起光のピーク波長が、Er3+の吸収波長帯(0.96μm帯)に含まれる最大吸収ピーク波長より長くなっている。これにより、固体レーザロッドの側面付近での励起光の吸収量を抑え、中心線(光軸)付近まで励起光を十分に到達させることができるので、上記した励起密度分布を好適に得ることができる。以上のことから、上記した各固体レーザ装置によれば、Er:YAG結晶を全体的に高密度に励起し、レーザ光を効率良く取り出すことができるので、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーのレーザ光を得ることが可能となる。また、従来の固体レーザ装置を複数用いて大出力を得るような構成と比較して、極めて簡易な構成にできる。 In order to realize such an excitation density distribution, in each of the above-described solid-state laser devices, the peak wavelength of the excitation light is greater than the maximum absorption peak wavelength included in the Er 3+ absorption wavelength band (0.96 μm band). It is getting longer. As a result, the amount of excitation light absorbed near the side surface of the solid-state laser rod can be suppressed and the excitation light can sufficiently reach the vicinity of the center line (optical axis), so that the above-described excitation density distribution can be suitably obtained. it can. From the above, according to each solid-state laser device described above, the Er: YAG crystal can be excited with high density as a whole and the laser beam can be efficiently extracted, so that high output energy such as several hundred mJ per pulse can be obtained. It becomes possible to obtain the laser beam. In addition, the configuration can be made extremely simple as compared with a configuration in which a large output is obtained by using a plurality of conventional solid-state laser devices.

また、上記した各固体レーザ装置は、励起光のスペクトルの半値幅が2nm以上10nm以下であることを特徴としてもよい。Er:YAG結晶の0.96μm帯における吸収スペクトルは、例えば半値幅が2nm以下といった極めて狭帯域の複数のピーク波形からなる。半導体レーザ素子から出力される励起光の波長は温度変化等により変動するが、励起光のスペクトルの半値幅が過度に狭く単色性が高いと、励起光の波長変化に伴ってEr:YAG結晶における励起光の吸収率が大きく変化し、光軸方向から見た励起密度分布が大きく変化してしまう。これに対し、上記した固体レーザ装置によれば、励起光のスペクトルの半値幅を2nm以上と広くすることにより、励起光の波長変化に伴う励起密度分布の変化を小さく抑え、高エネルギーのレーザ光を安定的に取り出すことができる。また、励起光のスペクトルが過度に広くなると、励起光量のうちEr:YAG結晶に吸収されない割合が増加してしまうので、スペクトルの半値幅は10nm以下であることが好ましい。   Each of the above-described solid-state laser devices may be characterized in that the half-value width of the spectrum of the excitation light is 2 nm or more and 10 nm or less. The absorption spectrum of the Er: YAG crystal in the 0.96 μm band is composed of a plurality of peak waveforms in a very narrow band, such as a half width of 2 nm or less. The wavelength of the pumping light output from the semiconductor laser element varies depending on a temperature change or the like. However, if the half-value width of the pumping light spectrum is excessively narrow and the monochromaticity is high, the Er: YAG crystal is changed with the pumping light wavelength change. The absorptance of the excitation light changes greatly, and the excitation density distribution seen from the optical axis direction changes greatly. On the other hand, according to the solid-state laser device described above, the half-width of the excitation light spectrum is widened to 2 nm or more, so that the change in the excitation density distribution accompanying the change in the wavelength of the excitation light can be kept small, and the high-energy laser light Can be taken out stably. If the spectrum of the excitation light becomes excessively wide, the proportion of the excitation light amount that is not absorbed by the Er: YAG crystal increases. Therefore, the half width of the spectrum is preferably 10 nm or less.

また、第1及び第2の固体レーザ装置は、励起光のピーク波長が969nm以上975nm以下であることを特徴としてもよい。本発明者らが行った検討によれば、Er:YAG結晶の最大吸収ピーク波長は約966nmであり、励起光のピーク波長が969nm以上であれば、良好な励起密度分布が得られる。また、励起光のピーク波長が975nm以下であれば、励起光量のうちEr:YAG結晶に吸収されない割合が十分に低い。従って、励起光のピーク波長が上記範囲に含まれることによって、Er:YAG結晶を全体的に高密度に励起して、レーザ光を効率良く取り出すことができる。   In addition, the first and second solid-state laser devices may be characterized in that the peak wavelength of the excitation light is 969 nm or more and 975 nm or less. According to studies conducted by the present inventors, the maximum absorption peak wavelength of the Er: YAG crystal is about 966 nm, and if the peak wavelength of the excitation light is 969 nm or more, a good excitation density distribution can be obtained. If the peak wavelength of the excitation light is 975 nm or less, the proportion of the excitation light amount that is not absorbed by the Er: YAG crystal is sufficiently low. Therefore, when the peak wavelength of the excitation light is included in the above range, the Er: YAG crystal can be excited with high density as a whole, and the laser light can be efficiently extracted.

本発明による固体レーザ装置によれば、波長2.94μm帯のレーザ光を発生する固体レーザ装置において、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーを簡易な構成で実現できる。   According to the solid-state laser device of the present invention, high output energy of several hundred mJ per pulse can be realized with a simple configuration in a solid-state laser device that generates laser light having a wavelength of 2.94 μm.

以下、添付図面を参照しながら本発明による固体レーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Embodiments of a solid-state laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明による固体レーザ装置の一実施形態の構成を示す図である。本実施形態の固体レーザ装置1は、パルス状のレーザ光Lを生成するための装置であって、ポンプモジュール2、高反射鏡(第1ミラー)3、出力鏡(第2ミラー)4、QCW(Quasi Continuous Wave)電源5、レーザ冷却器6、制御器7、電流供給用ケーブル8、及び冷却水供給管9を備えている。ポンプモジュール2は、活性元素を含む柱状のレーザ結晶を側面から励起する、いわゆる側面励起構造を備えている。ポンプモジュール2は、活性元素を含むレーザ結晶からなる固体レーザロッド11、固体レーザロッド11を励起するための複数の半導体レーザモジュール12、冷却用配管13、一対の反射鏡14及び15、各半導体レーザモジュール12に対応して配置された複数のシリンドリカルレンズ16、並びにこれらを収容する筐体17を有している。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a solid-state laser device according to the present invention. The solid-state laser device 1 according to the present embodiment is a device for generating a pulsed laser beam L, and includes a pump module 2, a high reflection mirror (first mirror) 3, an output mirror (second mirror) 4, and a QCW. (Quasi Continuous Wave) A power source 5, a laser cooler 6, a controller 7, a current supply cable 8, and a cooling water supply pipe 9 are provided. The pump module 2 includes a so-called side excitation structure that excites a columnar laser crystal containing an active element from the side. The pump module 2 includes a solid-state laser rod 11 made of a laser crystal containing an active element, a plurality of semiconductor laser modules 12 for exciting the solid-state laser rod 11, a cooling pipe 13, a pair of reflecting mirrors 14 and 15, and each semiconductor laser. A plurality of cylindrical lenses 16 arranged corresponding to the module 12 and a housing 17 for housing them are provided.

固体レーザロッド11は、活性元素としてエルビウムイオン(Er3+)を添加されたYAG結晶からなる部材であり、励起光を受けて誘導放出を行うレーザ媒質として機能する。本実施形態の固体レーザロッド11には、Er3+が25〜70原子パーセント、好ましくは50原子パーセントといった比較的高い割合でドープされている。固体レーザロッド11は、或る方向を長手方向とする円柱形状(ロッド状)に形成されており、固体レーザロッド11の寸法は、例えば直径4mm、長さ115mmといった大きさである。 The solid laser rod 11 is a member made of a YAG crystal to which erbium ions (Er 3+ ) are added as an active element, and functions as a laser medium that performs stimulated emission upon receiving excitation light. The solid laser rod 11 of the present embodiment is doped with Er 3+ at a relatively high rate of 25 to 70 atomic percent, preferably 50 atomic percent. The solid laser rod 11 is formed in a cylindrical shape (rod shape) having a certain direction as a longitudinal direction, and the dimensions of the solid laser rod 11 are, for example, a diameter of 4 mm and a length of 115 mm.

また、固体レーザロッド11の長手方向の一端側には高反射鏡3が、他端側には出力鏡4が、それぞれ固体レーザロッド11の端面から間隔をあけて配置されている。すなわち、高反射鏡3、固体レーザロッド11、及び出力鏡4は、固体レーザロッド11の長手方向に沿った中心軸線上に並んで配置されており、この中心軸線が、高反射鏡3、固体レーザロッド11、及び出力鏡4からなる共振器の光軸Cとなる。レーザ発振は高反射鏡3と出力鏡4との間で発生し、出力鏡4からレーザ光Lが取り出される。なお、高反射鏡3の反射率はほぼ100%であり、出力鏡4の反射率は例えば92%といった値である。   Further, the high-reflection mirror 3 is disposed on one end side in the longitudinal direction of the solid-state laser rod 11, and the output mirror 4 is disposed on the other end side with an interval from the end face of the solid-state laser rod 11. That is, the high reflection mirror 3, the solid laser rod 11, and the output mirror 4 are arranged side by side on the central axis along the longitudinal direction of the solid laser rod 11. This is the optical axis C of the resonator composed of the laser rod 11 and the output mirror 4. Laser oscillation occurs between the high reflection mirror 3 and the output mirror 4, and the laser light L is extracted from the output mirror 4. The reflectivity of the high reflection mirror 3 is approximately 100%, and the reflectivity of the output mirror 4 is, for example, 92%.

なお、レーザ光Lの1パルス当たりのエネルギーが高エネルギーである場合、レーザ光Lによる固体レーザロッド11の両端面の光損傷を避けるために、固体レーザロッド11は或る程度以上の直径を有することが望ましい。例えば、1パルス当たり数百mJといった出力エネルギーである場合、固体レーザロッド11の直径は3mm以上であることが望ましい。   When the energy per pulse of the laser beam L is high, the solid laser rod 11 has a certain diameter or more in order to avoid optical damage of both end surfaces of the solid laser rod 11 by the laser beam L. It is desirable. For example, when the output energy is several hundred mJ per pulse, the diameter of the solid laser rod 11 is desirably 3 mm or more.

半導体レーザモジュール12は、図18に示したEr3+のエネルギー準位が415/2から411/2へ遷移する場合の吸収波長帯(すなわち0.96μm帯)に含まれる波長成分を有する励起光を固体レーザロッド11に照射するための励起光源である。半導体レーザモジュール12は、固体レーザロッド11の周囲に配置され、固体レーザロッド11の側面にシリンドリカルレンズ16を介して励起光を照射する。本実施形態では、複数の半導体レーザモジュール12が、固体レーザロッド11の中心軸線(光軸C)周りに等間隔に並んで配置され、筐体17に固定されている。 The semiconductor laser module 12, the wavelength components contained in the absorption wavelength band when the energy level of Er 3+ shown in FIG. 18 is changed from 4 I 15/2 to 4 I 11/2 (i.e. 0.96μm band) This is an excitation light source for irradiating the solid laser rod 11 with excitation light having The semiconductor laser module 12 is disposed around the solid-state laser rod 11 and irradiates the side surface of the solid-state laser rod 11 with excitation light via a cylindrical lens 16. In the present embodiment, a plurality of semiconductor laser modules 12 are arranged at equal intervals around the central axis (optical axis C) of the solid-state laser rod 11 and fixed to the housing 17.

また、半導体レーザモジュール12から照射される励起光は、固体レーザロッド11の中心軸方向から見た固体レーザロッド11内部での励起密度が、中心軸付近において大きくなるように(すなわち、励起光が固体レーザロッド11の中心軸まで十分に届くように)、その波長が選定される。具体的には、半導体レーザモジュール12から照射される励起光のピーク波長は、Er3+の上記吸収波長帯(0.96μm帯)に含まれる最大吸収ピーク波長より長く設定され、例えば969nm以上975nm以下であることが好ましい。また、励起光のスペクトルの半値幅は2nm以上10nm以下であることが好ましい。 Further, the excitation light emitted from the semiconductor laser module 12 is such that the excitation density inside the solid laser rod 11 as viewed from the central axis direction of the solid laser rod 11 becomes large near the central axis (that is, the excitation light is The wavelength is selected so that it reaches the central axis of the solid laser rod 11 sufficiently. Specifically, the peak wavelength of the excitation light emitted from the semiconductor laser module 12 is set longer than the maximum absorption peak wavelength included in the above-described absorption wavelength band (0.96 μm band) of Er 3+ , for example, 969 nm or more and 975 nm. The following is preferable. Moreover, it is preferable that the half value width of the spectrum of excitation light is 2 nm or more and 10 nm or less.

QCW電源5は、半導体レーザモジュール12に駆動電流を供給するための構成要素である。本実施形態のQCW電源5は、複数の半導体レーザモジュール12と電流供給用ケーブル8を介して電気的に接続されており、各半導体レーザモジュール12が所定のピーク波長を有する励起光を発光するための矩形パルス状の駆動電流を各半導体レーザモジュール12へ供給する。なお、QCW電源5が出力する駆動電流の大きさ及びパルス幅は、制御器7によって制御される。   The QCW power supply 5 is a component for supplying a drive current to the semiconductor laser module 12. The QCW power source 5 of the present embodiment is electrically connected to a plurality of semiconductor laser modules 12 via a current supply cable 8 so that each semiconductor laser module 12 emits excitation light having a predetermined peak wavelength. The rectangular pulsed drive current is supplied to each semiconductor laser module 12. The magnitude and pulse width of the drive current output from the QCW power supply 5 are controlled by the controller 7.

レーザ冷却器6は、ポンプモジュール2の固体レーザロッド11及び半導体レーザモジュール12を冷却するための構成要素である。すなわち、レーザ冷却器6は、冷却水供給管9を介してポンプモジュール2と接続されており、冷却水供給管9を通じて冷却水をポンプモジュール2に循環させる。ポンプモジュール2の内部には、冷却水供給管9に接続された冷却用配管13が固体レーザロッド11及び筐体17に沿って配設されており、冷却水は、冷却用配管13を通って固体レーザロッド11を冷却すると同時に、筐体17を介して半導体レーザモジュール12を冷却する。   The laser cooler 6 is a component for cooling the solid-state laser rod 11 and the semiconductor laser module 12 of the pump module 2. That is, the laser cooler 6 is connected to the pump module 2 via the cooling water supply pipe 9 and circulates the cooling water to the pump module 2 through the cooling water supply pipe 9. Inside the pump module 2, a cooling pipe 13 connected to the cooling water supply pipe 9 is disposed along the solid laser rod 11 and the housing 17. The cooling water passes through the cooling pipe 13. Simultaneously with cooling the solid laser rod 11, the semiconductor laser module 12 is cooled via the housing 17.

ここで、図2は、図1に示したポンプモジュール2の主要部を示す拡大図である。また、図3は、図2に示すポンプモジュール2のIII−III線に沿った断面図である。   Here, FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of the pump module 2 shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of the pump module 2 shown in FIG.

本実施形態のポンプモジュール2は、図3に示すように7個の半導体レーザモジュール12を有している。これらの半導体レーザモジュール12は、固体レーザロッド11の中心軸線(すなわち図2に示す光軸C)周りに等間隔に並設され、各光出射面12aは固体レーザロッド11の中心軸線(光軸C)に向けられている。なお、このような半導体レーザモジュール12は、固体レーザロッド11の側面の少なくとも3を超える複数方向に等間隔に設置されることが好ましい。   The pump module 2 of the present embodiment has seven semiconductor laser modules 12 as shown in FIG. These semiconductor laser modules 12 are arranged in parallel at equal intervals around the central axis of the solid-state laser rod 11 (that is, the optical axis C shown in FIG. 2), and each light emitting surface 12a has a central axis (optical axis) of the solid-state laser rod 11. C). Such semiconductor laser modules 12 are preferably installed at equal intervals in a plurality of directions exceeding at least 3 on the side surface of the solid-state laser rod 11.

図2に示すように、各半導体レーザモジュール12は複数の半導体レーザアレイ121を有している。各半導体レーザアレイ121は、複数の半導体レーザ素子が固体レーザロッド11の中心軸線と直交する方向に1次元に配列されて成る。また、複数の半導体レーザアレイ121は、そのレーザ光出射端面が光出射面12aと一致するように固体レーザロッド11の中心軸線に沿って積層されている。そして、これらの半導体レーザアレイ121は、励起光Lpを固体レーザロッド11の中心軸線へ向けて一斉に照射する。   As shown in FIG. 2, each semiconductor laser module 12 has a plurality of semiconductor laser arrays 121. Each semiconductor laser array 121 includes a plurality of semiconductor laser elements arranged one-dimensionally in a direction orthogonal to the central axis of the solid-state laser rod 11. The plurality of semiconductor laser arrays 121 are stacked along the central axis of the solid-state laser rod 11 so that the laser beam emission end face coincides with the light emission surface 12a. These semiconductor laser arrays 121 irradiate the excitation light Lp all at once toward the central axis of the solid-state laser rod 11.

なお、半導体レーザアレイ121の各々は、そのピークパワーが例えば140Wであり、光軸Cに沿った方向から見た発光幅が例えば10mmといったものである。半導体レーザモジュール12は、このような半導体レーザアレイ121が光軸Cに沿った方向に例えば0.4mm間隔で75枚積層されて成る。この場合、固体レーザロッド11の側方(すなわち光軸Cと交差する方向)から見た半導体レーザモジュール12の発光幅は29.6mmとなる。また、半導体レーザアレイ121に含まれる個々の半導体レーザ素子は、該半導体レーザアレイ121の長手方向(すなわち、光軸Cと直交する方向)に垂直な面に投影したビーム拡がり角(ファースト軸)のほうが、光軸Cに垂直な面に投影したビーム拡がり角(スロー軸)よりも大きくなるように、その向きが設定されている。ビーム拡がり角の一例を挙げると、半導体レーザモジュール12のファースト軸方向における発散半角が例えば16°であり、半導体レーザモジュール12のスロー軸方向における発散半角が例えば3.5°である。   Each of the semiconductor laser arrays 121 has a peak power of, for example, 140 W, and a light emission width as viewed from the direction along the optical axis C of, for example, 10 mm. The semiconductor laser module 12 is formed by stacking 75 such semiconductor laser arrays 121 in the direction along the optical axis C, for example, at intervals of 0.4 mm. In this case, the emission width of the semiconductor laser module 12 viewed from the side of the solid-state laser rod 11 (that is, the direction intersecting the optical axis C) is 29.6 mm. Each semiconductor laser element included in the semiconductor laser array 121 has a beam divergence angle (first axis) projected on a plane perpendicular to the longitudinal direction of the semiconductor laser array 121 (that is, the direction orthogonal to the optical axis C). The direction is set so as to be larger than the beam divergence angle (slow axis) projected on the plane perpendicular to the optical axis C. As an example of the beam divergence angle, the divergence half angle in the fast axis direction of the semiconductor laser module 12 is, for example, 16 °, and the divergence half angle in the slow axis direction of the semiconductor laser module 12 is, for example, 3.5 °.

固体レーザロッド11の周囲には、冷却用配管13が配設されている。固体レーザロッド11の周囲の冷却用配管13は光軸Cを中心軸線とする円筒状に形成されており、該円筒の中心部分を固体レーザロッド11が挿通されることにより冷却用配管13が固体レーザロッド11を覆う構成となっている。冷却用配管13と固体レーザロッド11との隙間には冷却水が流れ、これにより固体レーザロッド11が冷却される。また、冷却用配管13は励起光Lpの波長に対し透明な材料からなり、このような材料としては例えば石英が好適である。これにより、励起光Lpは冷却用配管13を透過して固体レーザロッド11に照射される。   A cooling pipe 13 is disposed around the solid laser rod 11. The cooling pipe 13 around the solid-state laser rod 11 is formed in a cylindrical shape with the optical axis C as the central axis, and the solid-state laser rod 11 is inserted through the central portion of the cylinder so that the cooling pipe 13 is solid. The laser rod 11 is covered. Cooling water flows through the gap between the cooling pipe 13 and the solid laser rod 11, thereby cooling the solid laser rod 11. The cooling pipe 13 is made of a material that is transparent with respect to the wavelength of the excitation light Lp. As such a material, for example, quartz is suitable. As a result, the excitation light Lp passes through the cooling pipe 13 and is irradiated onto the solid laser rod 11.

反射鏡14及び15は、固体レーザロッド11の中心軸線方向における励起光Lpの照射範囲を制限する。本実施形態の反射鏡14及び15は、光軸Cを中心軸線とする円板状を呈しており、その中心部には、固体レーザロッド11及び冷却用配管13を挿通させるための孔が形成されている。そして、反射鏡14は固体レーザロッド11の中心軸線方向の一端寄りに配置され、反射鏡15は他端寄りに配置されている。反射鏡14及び15において互いに対向する面は光反射面となっており、励起光Lpのうち固体レーザロッド11の両端へ向けて拡がった部分は反射鏡14または反射鏡15によって折り返されるので、励起光Lpは、反射鏡14及び15の間に位置する固体レーザロッド11に集中的に照射される。   The reflecting mirrors 14 and 15 limit the irradiation range of the excitation light Lp in the central axis direction of the solid-state laser rod 11. The reflecting mirrors 14 and 15 of the present embodiment have a disk shape with the optical axis C as the central axis, and a hole through which the solid laser rod 11 and the cooling pipe 13 are inserted is formed at the center. Has been. The reflecting mirror 14 is disposed near one end of the solid laser rod 11 in the central axis direction, and the reflecting mirror 15 is disposed near the other end. The surfaces facing each other in the reflecting mirrors 14 and 15 are light reflecting surfaces, and the portion of the excitation light Lp that extends toward both ends of the solid laser rod 11 is folded back by the reflecting mirror 14 or the reflecting mirror 15. The light Lp is focused on the solid laser rod 11 positioned between the reflecting mirrors 14 and 15.

シリンドリカルレンズ(円柱レンズ)16は、半導体レーザモジュール12から出射された励起光Lpを固体レーザロッド11へ向けて収束させるための光学部材であり、固体レーザロッド11の中心軸線に沿って配置されている。本実施形態では、図3に示すように、7個のシリンドリカルレンズ16がそれぞれ対応する半導体レーザモジュール12と固体レーザロッド11との間に配置されており、各シリンドリカルレンズ16は、固体レーザロッド11の中心軸線と直交する面内において励起光Lpを収束させる。   The cylindrical lens (cylindrical lens) 16 is an optical member for converging the excitation light Lp emitted from the semiconductor laser module 12 toward the solid laser rod 11, and is arranged along the central axis of the solid laser rod 11. Yes. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, seven cylindrical lenses 16 are disposed between the corresponding semiconductor laser module 12 and the solid-state laser rod 11, and each cylindrical lens 16 includes the solid-state laser rod 11. The excitation light Lp is converged in a plane orthogonal to the central axis of the.

以上の構成を備える固体レーザ装置1において、QCW電源5から各半導体レーザモジュール12へ駆動電流が供給されると、0.96μm帯にピークを有する励起光Lpが、各半導体レーザモジュール12から固体レーザロッド11へ照射される。固体レーザロッド11に含まれるEr:YAG結晶は、この励起光Lpを吸収することによって、図18に示したようにそのエネルギー準位が415/2から411/2へ遷移し、励起状態となる。その後、エネルギー準位が411/2から413/2へ遷移する際に波長2.94μm付近の光が放出され、この光が高反射鏡3と出力鏡4との間で共振し、誘導放出を誘起することによってレーザ光Lが取り出される。 In the solid-state laser device 1 having the above configuration, when a drive current is supplied from the QCW power source 5 to each semiconductor laser module 12, the pumping light Lp having a peak in the 0.96 μm band is transmitted from each semiconductor laser module 12 to the solid-state laser. The rod 11 is irradiated. Er included in the solid-state laser rod 11: YAG crystals by absorbing the excitation light Lp, the energy level as shown in FIG. 18 shifts from 4 I 15/2 to 4 I 11/2, Excited state. Thereafter, when the energy level transitions from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 , light having a wavelength of about 2.94 μm is emitted, and this light resonates between the high reflection mirror 3 and the output mirror 4. The laser beam L is extracted by inducing stimulated emission.

ここで、上記構成の固体レーザ装置1において、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーのレーザ光Lを得るための条件について更に説明する。   Here, the conditions for obtaining the laser beam L having a high output energy of several hundred mJ per pulse in the solid-state laser device 1 having the above configuration will be further described.

Er:YAG結晶の411/2から413/2への遷移時の誘導放出断面積は3×10-20cm2程度と極めて小さく、また、この遷移は、411/2の状態の寿命が約100μsであるのに対し、413/2の状態の寿命は数msと長い、いわゆる自己終端的(self-terminating)な特性を示す。従って、Er:YAG結晶においては、波長0.96μm付近の励起光に対する波長2.94μm付近の発光効率が本質的に低い。 The stimulated emission cross section of Er: YAG crystal at the transition from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 is as small as 3 × 10 −20 cm 2 , and this transition is 4 I 11/2 While the lifetime of the state is about 100 μs, the lifetime of the 4 I 13/2 state is as long as several ms, so-called self-terminating characteristics. Therefore, in the Er: YAG crystal, the luminous efficiency in the vicinity of the wavelength of 2.94 μm with respect to the excitation light in the vicinity of the wavelength of 0.96 μm is essentially low.

しかし、本実施形態の固体レーザロッド11のように、エルビウムイオン(Er3+)の濃度が高いEr:YAG結晶内で高密度に413/2状態のEr3+イオンが集積すると、413/2状態の2個のイオンが或る確率で相互作用して、一方が49/2へ遷移し、他方が415/2へ遷移する。更に、49/2へ遷移したイオンが411/2へ遷移する、下準位から上準位へのリサイクル過程が存在する。そして、413/2状態のイオン密度が大きいほど、このような作用が生じる確率が高いと考えられる。従って、Er:YAG結晶(固体レーザロッド11)を高密度に励起して413/2状態のイオン密度を大きくすることによって、本質的な発光効率の低さを補い、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーを得ることも可能となる。 However, when Er 3+ ions in a 4 I 13/2 state are accumulated at a high density in an Er: YAG crystal having a high concentration of erbium ions (Er 3+ ) as in the solid laser rod 11 of the present embodiment, 4 Two ions in the I 13/2 state interact with a certain probability, one transitions to 4 I 9/2 and the other transitions to 4 I 15/2 . Furthermore, there is a recycling process from the lower level to the upper level in which the ions that have transitioned to 4 I 9/2 transition to 4 I 11/2 . And it is thought that the probability that such an effect occurs is higher as the ion density of the 4 I 13/2 state is larger. Therefore, the Er: YAG crystal (solid laser rod 11) is excited at a high density to increase the ion density in the 4 I 13/2 state, thereby compensating for the inherent low luminous efficiency, and several hundred per pulse. It is also possible to obtain high output energy such as mJ.

ここで、Er:YAG結晶を高密度に励起して413/2状態のイオン密度を大きくするためには、光軸Cに沿った方向(固体レーザロッド11の中心軸方向)から見た固体レーザロッド11内での励起密度が、固体レーザロッド11の中心軸付近において大きいことが重要である。このことは、十分な光量の励起光Lpが固体レーザロッド11の中心軸付近まで達していることの証であり、固体レーザロッド11内部での励起密度がこのように分布することによって、光軸C付近における413/2状態のイオン密度が大きくなり、質の良いレーザ光Lを効率よく発生させることができる。換言すれば、固体レーザロッド11内部での励起密度が、固体レーザロッド11の中心軸付近で大きく側面付近へ向けて減少するような(例えばガウス分布のような)分布か、或いは、固体レーザロッド11の中心軸付近から側面付近に亘ってほぼ均一な分布であれば、Er:YAG結晶を全体的に高密度に励起して、413/2状態のイオン密度を高め、レーザ光を効率良く取り出すことができる。 Here, in order to increase the ion density of the 4 I 13/2 state by exciting the Er: YAG crystal at a high density, it was viewed from the direction along the optical axis C (the central axis direction of the solid-state laser rod 11). It is important that the excitation density in the solid laser rod 11 is large in the vicinity of the central axis of the solid laser rod 11. This is a proof that a sufficient amount of excitation light Lp has reached the vicinity of the central axis of the solid-state laser rod 11, and the excitation density inside the solid-state laser rod 11 is distributed in this manner, so that the optical axis The ion density in the 4 I 13/2 state in the vicinity of C is increased, and a high-quality laser beam L can be generated efficiently. In other words, a distribution in which the excitation density inside the solid laser rod 11 is reduced in the vicinity of the central axis of the solid laser rod 11 and decreases toward the side surface (such as a Gaussian distribution), or the solid laser rod If the distribution is almost uniform from around the central axis of 11 to the side, the Er: YAG crystal is excited with high density as a whole to increase the ion density of the 4 I 13/2 state, and the laser beam is made efficient. Can be taken out well.

このような課題を解決するために、本実施形態に係る固体レーザ装置1では、励起光Lpのピーク波長が、Er3+の吸収波長帯(0.96μm帯)に含まれる最大吸収ピーク波長より長くなっている。これにより、固体レーザロッド11の側面付近での励起光Lpの吸収量を抑え、中心線(光軸C)付近まで励起光Lpを十分に到達させることができるので、上述したような励起密度分布を好適に得ることができる。従って、固体レーザロッド11のEr:YAG結晶を全体的に高密度に励起し、レーザ光Lを効率良く取り出すことができるので、1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーのレーザ光を得ることが可能となる。また、従来の固体レーザ装置(例えば図16、図17参照)を複数用いて大出力を得るような構成と比較して、極めて簡易な構成にできる。 In order to solve such a problem, in the solid-state laser device 1 according to the present embodiment, the peak wavelength of the excitation light Lp is greater than the maximum absorption peak wavelength included in the Er 3+ absorption wavelength band (0.96 μm band). It is getting longer. As a result, the absorption amount of the excitation light Lp in the vicinity of the side surface of the solid-state laser rod 11 can be suppressed, and the excitation light Lp can sufficiently reach the vicinity of the center line (optical axis C). Can be suitably obtained. Accordingly, the Er: YAG crystal of the solid laser rod 11 can be excited with a high density as a whole, and the laser light L can be extracted efficiently, so that a laser light with a high output energy of several hundred mJ per pulse can be obtained. It becomes possible. In addition, the configuration can be made extremely simple as compared with a configuration in which a plurality of conventional solid-state laser devices (for example, see FIGS. 16 and 17) is used to obtain a large output.

また、半導体レーザモジュール12に用いられるような半導体レーザ素子の発光波長は、素子自身の温度、繰返し周波数、パルス幅、或いはピーク電流値などによって変化するが、このような励起光Lpの波長の変化は、上述した励起密度分布の変化をもたらす。従って、励起密度分布は励起光Lpの特定の波長においてのみ良好であれば良いというものではなく、半導体レーザ素子の発光波長が或る範囲内で変化した場合であっても上述した励起密度分布を維持できることが好ましい。   The emission wavelength of a semiconductor laser element used in the semiconductor laser module 12 varies depending on the temperature, repetition frequency, pulse width, peak current value, etc. of the element itself. Causes a change in the above-described excitation density distribution. Therefore, it is not necessary that the excitation density distribution is good only at a specific wavelength of the excitation light Lp. Even if the emission wavelength of the semiconductor laser element changes within a certain range, the above-described excitation density distribution is not obtained. It is preferable that it can be maintained.

なお、レーザ光Lの生成効率は励起光Lpの波長変化による励起密度分布の変化の影響を受け易いが、このことは、本実施形態のような側面励起方式の固体レーザ装置に特有の現象である。すなわち、前述した特許文献1のような端面励起方式では、主として光軸に平行な方向に励起密度分布が変化するため、励起密度分布の変化がレーザ発振に与える影響は相対的に小さい。また、前述した非特許文献1,2のようにレーザ媒質内での内部全反射により共振器を構成する場合においても、全反射時に光軸上から見た像の反転作用があり、励起密度分布の変化がレーザ発振に与える影響はやはり小さい。このように、とりわけ側面励起方式においては励起光の波長変化による励起密度分布の変化を小さく抑えることが重要となる。   Note that the generation efficiency of the laser light L is easily affected by the change in the excitation density distribution due to the change in the wavelength of the excitation light Lp. This is a phenomenon peculiar to the side-pumped solid-state laser device as in this embodiment. is there. That is, in the end face excitation method as described in Patent Document 1 described above, the excitation density distribution changes mainly in the direction parallel to the optical axis. Therefore, the influence of the change in the excitation density distribution on the laser oscillation is relatively small. In addition, even when the resonator is configured by total internal reflection in the laser medium as described in Non-Patent Documents 1 and 2, there is an inversion action of the image viewed from the optical axis during total reflection, and the excitation density distribution The effect of this change on laser oscillation is still small. Thus, particularly in the side excitation method, it is important to suppress the change in the excitation density distribution due to the change in the wavelength of the excitation light.

ここで、図4は、Er:YAG結晶(直径5mm、厚さ1mm、Er3+濃度:50原子パーセント)において、Er3+415/2状態から411/2状態へ励起される際の波長0.96μm帯の吸収スペクトルを実際に調べた結果である。図4に示すように、Er:YAG結晶の0.96μm帯においては、吸収スペクトルは非常に急峻であり、かつ複数の吸収ピークを有することがわかる。また、Er:YAG結晶の0.96μm帯における最大吸収ピーク波長、すなわち図4に示す複数の吸収ピークのうち吸収係数が最大である吸収ピークのピーク波長は約966nmであることがわかる。 Here, FIG. 4, Er: YAG crystal (diameter 5 mm, thickness 1 mm, Er 3+ concentration: 50 atomic percent) in, Er 3+ is excited from 4 I 15/2 state to the 4 I 11/2 state This is the result of actually examining the absorption spectrum in the 0.96 μm wavelength band. As can be seen from FIG. 4, in the 0.96 μm band of Er: YAG crystal, the absorption spectrum is very steep and has a plurality of absorption peaks. Further, it can be seen that the maximum absorption peak wavelength in the 0.96 μm band of the Er: YAG crystal, that is, the peak wavelength of the absorption peak having the maximum absorption coefficient among the plurality of absorption peaks shown in FIG. 4 is about 966 nm.

固体レーザロッド11の側面から入射した励起光Lpは、固体レーザロッド11内部でEr3+に吸収されながら減衰する。仮に、励起光Lpの発光スペクトルが単色であるか、Er:YAG結晶の吸収スペクトルが平坦であれば、固体レーザロッド11の側面に到達したときの励起光強度をI、固体レーザロッド11内部への侵入深さをL、吸収係数をαとして、深さLでの励起光強度I(L)は、

と表される。しかしながら、図4に示したとおりEr:YAG結晶の吸収スペクトルは急峻であり、且つ、半導体レーザモジュール12からのレーザ光である励起光Lpのスペクトルも或る程度の幅を有するため、実際の励起光Lpはこのような減衰特性とはならない。すなわち、励起光Lpのピーク波長をλとし、励起光Lpのスペクトルの形状関数f(λ)とEr:YAG結晶の吸収スペクトルα(λ)とを導入して、実際の励起光強度I(L)は、

と表される。
The excitation light Lp incident from the side surface of the solid laser rod 11 is attenuated while being absorbed by Er 3+ inside the solid laser rod 11. If the emission spectrum of the excitation light Lp is monochromatic or the absorption spectrum of the Er: YAG crystal is flat, the intensity of the excitation light when it reaches the side surface of the solid laser rod 11 is I 0 , and the inside of the solid laser rod 11 The penetration light intensity I (L) at the depth L, where L is the penetration depth into the liquid crystal and L is the absorption coefficient, is

It is expressed. However, as shown in FIG. 4, the absorption spectrum of the Er: YAG crystal is steep and the spectrum of the excitation light Lp, which is the laser light from the semiconductor laser module 12, also has a certain width, so that the actual excitation The light Lp does not have such attenuation characteristics. That is, the peak wavelength of the excitation light Lp is λ, the shape function f (λ) of the spectrum of the excitation light Lp and the absorption spectrum α (λ) of the Er: YAG crystal are introduced, and the actual excitation light intensity I (L )

It is expressed.

図5は、この数式(2)に基づいて算出した、励起光Lpのスペクトルが図6に示すような形状であるときの侵入深さLと励起光強度I(L)との相関を示す図である。なお、図6は、半値幅が1nmである場合(グラフG5)、半値幅が2nmである場合(グラフG6)、半値幅が3nmである場合(グラフG7)、及び半値幅が4nmである場合(グラフG8)の励起光Lpのスペクトルをそれぞれ示しており、各場合のピーク波長は全て969nmとしている。また、図5は、励起光源(半導体レーザモジュール12)が一つの場合の励起光強度I(L)を示しており、各グラフG1〜G4は、それぞれ図6のグラフG5〜G8に対応している。図5から、励起光Lpの減衰特性は該励起光Lpの半値幅にも依存することがわかる。   FIG. 5 is a diagram showing the correlation between the penetration depth L and the excitation light intensity I (L) when the spectrum of the excitation light Lp calculated based on the equation (2) has a shape as shown in FIG. It is. FIG. 6 shows a case where the half-value width is 1 nm (graph G5), a half-value width is 2 nm (graph G6), a half-value width is 3 nm (graph G7), and a half-value width is 4 nm. The spectrum of the excitation light Lp in (Graph G8) is shown, and the peak wavelength in each case is 969 nm. FIG. 5 shows the excitation light intensity I (L) when there is one excitation light source (semiconductor laser module 12), and the graphs G1 to G4 correspond to the graphs G5 to G8 in FIG. Yes. FIG. 5 shows that the attenuation characteristic of the excitation light Lp also depends on the half width of the excitation light Lp.

また、図7は、本実施形態のように複数の半導体レーザモジュール12を備える固体レーザ装置1において、数式(2)に基づいて算出される励起密度分布の形状から判断される励起光Lpのピーク波長の好適な値を示す図表である。なお、図7に示す各ピーク波長は、Er:YAG結晶の0.96μm帯における最大吸収ピーク波長(約966nm、図4参照)より長く、何れも励起光Lpとして好適な波長である。また、図7には、各ピーク波長に対応する固体レーザロッド11の励起光吸収率も併記している。   FIG. 7 shows the peak of the excitation light Lp determined from the shape of the excitation density distribution calculated based on Equation (2) in the solid-state laser device 1 including the plurality of semiconductor laser modules 12 as in this embodiment. It is a graph which shows the suitable value of a wavelength. Each peak wavelength shown in FIG. 7 is longer than the maximum absorption peak wavelength (about 966 nm, see FIG. 4) of the Er: YAG crystal in the 0.96 μm band, and any of them is a suitable wavelength as the excitation light Lp. FIG. 7 also shows the excitation light absorption rate of the solid-state laser rod 11 corresponding to each peak wavelength.

また、図8(a)、図8(b)、図9(a)及び図9(b)は、例として、励起光Lpのピーク波長がそれぞれ968nm、969nm、970nm、及び974nmの各場合における励起密度分布の計算結果を示す三次元グラフである。図8(a)、図8(b)、図9(a)及び図9(b)において、横軸(X軸及びY軸)は固体レーザロッド11の中心軸線と直交する断面における平面座標であり、中心軸線の座標は(X,Y)=(0,0)である。また、縦軸は励起密度を表している。   8A, FIG. 8B, FIG. 9A, and FIG. 9B are examples in which the peak wavelengths of the excitation light Lp are 968 nm, 969 nm, 970 nm, and 974 nm, respectively. It is a three-dimensional graph which shows the calculation result of excitation density distribution. 8A, 8B, 9A, and 9B, the horizontal axis (X axis and Y axis) is a plane coordinate in a cross section orthogonal to the central axis of the solid-state laser rod 11. Yes, the coordinates of the central axis are (X, Y) = (0, 0). The vertical axis represents the excitation density.

図8(a)に示すように、励起光Lpのピーク波長が968nmの場合には、固体レーザロッド11の中心軸線付近よりも寧ろ側面付近で励起密度が高くなっている。これに対し、図8(b)、図9(a)、及び図9(b)に示すように、励起光Lpのピーク波長が969nm、970nm、または974nmである場合には、固体レーザロッド11の中心軸線付近で励起密度が高くなっており、中心軸線付近の励起が十分になされていることがわかる。なお、励起光Lpのピーク波長が970nm〜973nmの場合の励起密度分布は、970nmの場合とほぼ同様であった。また、励起光Lpのピーク波長が974nm〜976nmの場合の励起密度分布は、974nmの場合とほぼ同様であった。このことから、励起光Lpのピーク波長は969nm以上であることが好ましく、これによって十分な光量の励起光Lpが固体レーザロッド11の中心軸付近まで達し、光軸C付近における413/2状態のイオン密度が大きくなり、質の良いレーザ光Lを効率よく発生させ得ることがわかる。 As shown in FIG. 8A, when the peak wavelength of the excitation light Lp is 968 nm, the excitation density is higher in the vicinity of the side surface than in the vicinity of the central axis of the solid laser rod 11. On the other hand, as shown in FIGS. 8B, 9A, and 9B, when the peak wavelength of the excitation light Lp is 969 nm, 970 nm, or 974 nm, the solid-state laser rod 11 It can be seen that the excitation density is high in the vicinity of the central axis, and excitation near the central axis is sufficiently performed. The excitation density distribution when the peak wavelength of the excitation light Lp was 970 nm to 973 nm was almost the same as that at 970 nm. Further, the excitation density distribution when the peak wavelength of the excitation light Lp is 974 nm to 976 nm was almost the same as that at 974 nm. For this reason, the peak wavelength of the excitation light Lp is preferably 969 nm or more, whereby a sufficient amount of excitation light Lp reaches the vicinity of the central axis of the solid-state laser rod 11 and 4 I 13/2 near the optical axis C. It turns out that the ion density of a state becomes large and can generate | occur | produce the high quality laser beam L efficiently.

また、図7に示すように、励起光Lpのピーク波長が975nm以下であれば、固体レーザロッド11における励起光吸収率が概ね高い(80%以上)ので、励起光LpのうちEr:YAG結晶に吸収されない割合が十分に低い。Er:YAG結晶の励起光吸収率が高いことは高効率でレーザ発振させるために極めて重要なので、励起光Lpのピーク波長は975nm以下であることが望ましい。   Further, as shown in FIG. 7, if the peak wavelength of the pumping light Lp is 975 nm or less, the pumping light absorptance of the solid laser rod 11 is generally high (80% or more). The percentage not absorbed by the water is sufficiently low. Since it is extremely important that the Er: YAG crystal has a high excitation light absorptivity for laser oscillation with high efficiency, the peak wavelength of the excitation light Lp is preferably 975 nm or less.

また、図4に示したように、Er:YAG結晶の吸収スペクトルは、例えば半値幅が2nm以下といった極めて狭帯域の複数のピーク波形からなる。従って、励起光Lpのスペクトルの半値幅が狭く単色性が高いと、半導体レーザモジュール12の温度変化等に起因する励起光Lpの波長変化によってEr:YAG結晶の吸収率が大きく変化するので、励起光Lpのピーク波長が広範囲に変化した場合に良好な励起密度分布を維持することが難しくなる。これに対し、励起光Lpのスペクトル(すなわち半導体レーザモジュール12の発光スペクトル)の半値幅を2nm以上とすることにより、励起光Lpのピーク波長が変化した場合であっても励起密度分布の変化を抑え、高出力エネルギーのレーザ光Lを安定的に取り出すことができる。   Further, as shown in FIG. 4, the absorption spectrum of the Er: YAG crystal is composed of a plurality of peak waveforms in a very narrow band, for example, having a half-value width of 2 nm or less. Accordingly, if the half width of the spectrum of the pumping light Lp is narrow and the monochromaticity is high, the absorption rate of the Er: YAG crystal greatly changes due to the wavelength change of the pumping light Lp caused by the temperature change of the semiconductor laser module 12. It becomes difficult to maintain a good excitation density distribution when the peak wavelength of the light Lp changes over a wide range. On the other hand, by setting the half-value width of the spectrum of the excitation light Lp (that is, the emission spectrum of the semiconductor laser module 12) to 2 nm or more, even if the peak wavelength of the excitation light Lp is changed, the change in the excitation density distribution is changed. The laser beam L with high output energy can be stably extracted.

また、励起光Lpのスペクトルの半値幅を2nm以上とすることにより、上記のように励起光Lpのピーク波長が変化しても励起密度分布の変化を抑え得るので、励起光Lpのピーク波長が969nm以上975nm以下といった広い波長範囲で変動した場合であっても、高出力エネルギーのレーザ光Lを好適に維持することができる。一般的な半導体レーザ素子の特性として、素子温度が1℃上昇する毎に出力光(励起光)のピーク波長が約0.33nm増加するので、このことを利用して、駆動電流の変化等に起因する発光波長の変化を抑えることができる。しかし、ピーク波長の許容範囲が上述した6nm(969nm〜975nm)程度であれば、駆動電流の変化等に起因する発光波長の変化をこの範囲に収めることができるので、固体レーザ装置の使用条件が変化する度に半導体レーザ素子の冷却温度を変更する手間を省くことができる。更には、半導体レーザモジュールの製造誤差による発光ピーク波長のばらつきも十分に吸収できる。   Also, by setting the half width of the spectrum of the excitation light Lp to 2 nm or more, even if the peak wavelength of the excitation light Lp changes as described above, the change in the excitation density distribution can be suppressed, so that the peak wavelength of the excitation light Lp is Even in the case where the wavelength fluctuates over a wide wavelength range from 969 nm to 975 nm, the laser light L with high output energy can be suitably maintained. As a general characteristic of a semiconductor laser element, every time the element temperature rises by 1 ° C., the peak wavelength of the output light (excitation light) increases by about 0.33 nm. It is possible to suppress the change in the emission wavelength caused by it. However, if the allowable range of the peak wavelength is about 6 nm (969 nm to 975 nm) as described above, the change in the emission wavelength caused by the change in the drive current or the like can be kept in this range. It is possible to save the trouble of changing the cooling temperature of the semiconductor laser element each time it changes. Furthermore, variations in the emission peak wavelength due to manufacturing errors of the semiconductor laser module can be sufficiently absorbed.

また、励起光Lpのスペクトルが過度に広くなると、励起光Lpの全光量のうちEr:YAG結晶に吸収されない割合が増加してしまう。従って、励起光Lpのスペクトルの半値幅は10nm以下であることが好ましい。   Further, when the spectrum of the excitation light Lp becomes excessively wide, the proportion of the total light quantity of the excitation light Lp that is not absorbed by the Er: YAG crystal increases. Therefore, the half width of the spectrum of the excitation light Lp is preferably 10 nm or less.

本実施形態の固体レーザ装置1によれば、既に述べたように1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーのレーザ光を得ることが可能なので、この固体レーザ装置を例えばレーザ治療装置に利用することによって、励起光源の頻繁な交換が必要なくなり、メンテナンスの手間を省いて作業効率を向上できる。すなわち、半導体レーザ素子の寿命はフラッシュランプの10倍以上であるので、励起光源をフラッシュランプではなく半導体レーザ素子(半導体レーザモジュール12)とすることにより、メンテナンス間隔を10倍以上に広げることが可能となる。   According to the solid-state laser device 1 of the present embodiment, it is possible to obtain laser light with high output energy of several hundreds mJ per pulse as already described. Therefore, this solid-state laser device is used for, for example, a laser treatment apparatus. As a result, frequent replacement of the excitation light source is not required, and maintenance work can be saved and work efficiency can be improved. That is, the lifetime of the semiconductor laser element is 10 times longer than that of the flash lamp, so that the maintenance interval can be increased to 10 times or more by using a pump laser as the semiconductor laser element (semiconductor laser module 12) instead of the flash lamp. It becomes.

(実施例)
次に、上記構成を備える固体レーザ装置1を実際に試作した結果を実施例として説明する。なお、本実施例では、半導体レーザモジュール12の発光スペクトルの半値幅は3nmであった。また、使用した7個の半導体レーザモジュール12から出力される励起光Lpのピーク波長は、1.1nmの幅でばらつきがあった。励起光Lpのピーク波長は、半導体レーザモジュール12の冷却温度を変更することにより調整した。
(Example)
Next, the result of actually making a prototype of the solid-state laser device 1 having the above configuration will be described as an example. In this example, the half width of the emission spectrum of the semiconductor laser module 12 was 3 nm. In addition, the peak wavelength of the excitation light Lp output from the seven semiconductor laser modules 12 used varied with a width of 1.1 nm. The peak wavelength of the excitation light Lp was adjusted by changing the cooling temperature of the semiconductor laser module 12.

図10〜図13は、本実施例における励起密度分布の測定結果を示すグラフである。図10〜図13において、横軸は固体レーザロッド11の中心軸線からの距離を表し、縦軸は励起密度に相当する蛍光強度を表している。また、データ測定時の励起光Lpのピーク波長を次のように調整した。すなわち、図10では968.0nm〜969.1nmとし、図11では968.7nm〜969.8nmとし、図12では969.3nm〜970.4nmとし、図13では972.0nm〜973.1nmとした。   FIGS. 10-13 is a graph which shows the measurement result of the excitation density distribution in a present Example. 10 to 13, the horizontal axis represents the distance from the central axis of the solid laser rod 11, and the vertical axis represents the fluorescence intensity corresponding to the excitation density. Further, the peak wavelength of the excitation light Lp at the time of data measurement was adjusted as follows. That is, 968.0 nm to 969.1 nm in FIG. 10, 968.7 nm to 969.8 nm in FIG. 11, 969.3 nm to 970.4 nm in FIG. 12, 972.0 nm to 973.1 nm in FIG. .

図10に示すように、励起光Lpのピーク波長を968.0nm〜969.1nmとすると、励起密度分布は固体レーザロッド11全体に亘ってほぼ平坦となったが、固体レーザロッド11の側面付近において励起密度が若干大きくなった。このような励起密度分布であってもレーザ光Lを効率良く取り出すことができるが、固体レーザロッド11の中心軸線付近における励起密度を更に大きくすることがより望ましい。   As shown in FIG. 10, when the peak wavelength of the pumping light Lp is 968.0 nm to 969.1 nm, the pumping density distribution is almost flat over the entire solid laser rod 11, but near the side surface of the solid laser rod 11. The excitation density increased slightly. Even with such an excitation density distribution, the laser beam L can be extracted efficiently, but it is more desirable to further increase the excitation density in the vicinity of the central axis of the solid laser rod 11.

また、図11に示すように、励起光Lpのピーク波長を968.7nm〜969.8nmとすると、固体レーザロッド11の中心軸線付近まで励起光Lpが十分に達し、中心軸線付近の励起密度が大きくなった。また、図12及び図13に示すように、励起光Lpのピーク波長を969.3nm〜970.4nm及び972.0nm〜973.1nmとしたときも同様であった。すなわち、励起光Lpのピーク波長をこれらの範囲内に設定すれば、固体レーザロッド11のEr:YAG結晶を全体的に高密度に励起し、レーザ光Lを効率良く取り出し得ることが示された。   As shown in FIG. 11, when the peak wavelength of the pumping light Lp is 968.7 nm to 969.8 nm, the pumping light Lp sufficiently reaches the vicinity of the central axis of the solid laser rod 11, and the pumping density near the central axis is It became bigger. Moreover, as shown in FIG.12 and FIG.13, it was the same when the peak wavelength of excitation light Lp was 969.3 nm-970.4 nm and 972.0 nm-973.1 nm. That is, it was shown that if the peak wavelength of the pumping light Lp is set within these ranges, the Er: YAG crystal of the solid-state laser rod 11 can be pumped with high density as a whole, and the laser light L can be extracted efficiently. .

続いて、試作した固体レーザ装置1から取り出されるレーザ光Lの強度を測定した結果について説明する。図14及び図15は、固体レーザ装置1における励起光Lpの強度とレーザ光Lの強度との関係を示すグラフである。図14は、レーザ光Lの繰返し周波数を10Hzとし、励起光Lpのパルス幅(1パルス当たりの照射時間)を200μsとした場合を示しており、図に示すように、このとき1パルス当たり最大出力940mJを得ることができた。また、図15は、レーザ光Lの繰返し周波数を40Hzとし、励起光Lpのパルス幅を100μsとした場合を示しており、図に示すように、このとき1パルス当たり最大出力309mJ、平均出力12Wを得ることができた。   Next, the results of measuring the intensity of the laser beam L extracted from the prototype solid-state laser device 1 will be described. 14 and 15 are graphs showing the relationship between the intensity of the excitation light Lp and the intensity of the laser light L in the solid-state laser device 1. FIG. 14 shows a case where the repetition frequency of the laser light L is 10 Hz and the pulse width (irradiation time per pulse) of the excitation light Lp is 200 μs. As shown in FIG. An output of 940 mJ could be obtained. FIG. 15 shows a case where the repetition frequency of the laser light L is 40 Hz and the pulse width of the excitation light Lp is 100 μs. As shown in the figure, the maximum output per pulse is 309 mJ and the average output is 12 W. Could get.

これらの測定結果より、上記実施形態に係る固体レーザ装置1によって1パルス当たり数百mJといった高出力エネルギーが得られることが示された。   From these measurement results, it was shown that high output energy such as several hundred mJ per pulse can be obtained by the solid-state laser device 1 according to the embodiment.

本発明による固体レーザ装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では固体レーザロッド11の形状を円柱状としているが、本発明における固体レーザロッドの形状はこれに限られるものではなく、例えば六角柱状のような多角柱形状であってもよい。また、上記実施形態では半導体レーザモジュール12とシリンドリカルレンズ16の組を7組設け、これらを固体レーザロッド11の中心軸線周りに等間隔に配置しているが、半導体レーザ素子の形態、数および配置は任意である。また、シリンドリカルレンズに代えて、励起光の照射範囲を制限する他の光学部品(台形プリズム等)を用いてもよい。   The solid-state laser device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the solid laser rod 11 has a columnar shape, but the shape of the solid laser rod in the present invention is not limited to this, and may be a polygonal column shape such as a hexagonal column. . Further, in the above embodiment, seven sets of the semiconductor laser module 12 and the cylindrical lens 16 are provided, and these are arranged at equal intervals around the central axis of the solid laser rod 11, but the form, number and arrangement of the semiconductor laser elements are arranged. Is optional. Further, instead of the cylindrical lens, other optical components (such as a trapezoidal prism) that limit the irradiation range of the excitation light may be used.

また、上記実施形態における固体レーザロッド11の諸条件(Er:YAG結晶のEr3+濃度、直径、長さ等)は好適な一つの例に過ぎず、本発明の構造を逸脱することなく別の諸条件の組合せによって同等の効果が得られる固体レーザ装置を構成することが可能である。 Moreover, the various conditions (Er 3+ concentration, diameter, length, etc. of Er: YAG crystal) of the solid-state laser rod 11 in the above embodiment are only one preferred example, and can be changed without departing from the structure of the present invention. It is possible to configure a solid-state laser device that can obtain the same effect by combining these conditions.

また、上記実施形態の構成に加え、第1ミラー(高反射鏡3)及び第2ミラー(出力鏡4)の間にQスイッチ素子を更に組み込むことによって、ジャイアントパルスを取り出すことも可能となる。   In addition to the configuration of the above embodiment, a giant pulse can be taken out by further incorporating a Q switch element between the first mirror (high reflection mirror 3) and the second mirror (output mirror 4).

本発明による固体レーザ装置の一実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Embodiment of the solid-state laser apparatus by this invention. 図1に示したポンプモジュールの主要部を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the principal part of the pump module shown in FIG. 図2に示すポンプモジュールのIII−III線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the III-III line of the pump module shown in FIG. Er:YAG結晶においてEr3+415/2状態から411/2状態へ励起される際の0.96μm帯の励起光に対する吸収スペクトルを実際に調べた結果である。It is the result of actually examining the absorption spectrum for the excitation light in the 0.96 μm band when Er 3+ is excited from the 4 I 15/2 state to the 4 I 11/2 state in the Er: YAG crystal. 励起光のスペクトルが図6に示すような形状であるときの、侵入深さと励起光強度との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the penetration depth and excitation light intensity when the spectrum of excitation light is a shape as shown in FIG. 励起光のスペクトル形状の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the spectrum shape of excitation light. 複数の半導体レーザモジュールを備える固体レーザ装置において、励起密度分布の形状から判断される励起光のピーク波長の好適な値を示す図表である。5 is a chart showing suitable values for the peak wavelength of pumping light determined from the shape of pumping density distribution in a solid-state laser device including a plurality of semiconductor laser modules. 励起光のピーク波長が(a)968nm、(b)969nmの各場合における励起密度分布の計算結果の一例を示す三次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows an example of the calculation result of excitation density distribution in each case where the peak wavelength of excitation light is (a) 968 nm and (b) 969 nm. 励起光のピーク波長が(a)970nm、(b)974nmの各場合における励起密度分布の計算結果の一例を示す三次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows an example of the calculation result of excitation density distribution in each case where the peak wavelength of excitation light is (a) 970 nm and (b) 974 nm. 実施例における励起密度分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the excitation density distribution in an Example. 実施例における励起密度分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the excitation density distribution in an Example. 実施例における励起密度分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the excitation density distribution in an Example. 実施例における励起密度分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the excitation density distribution in an Example. 固体レーザ装置における励起光の強度とレーザ光の強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the intensity | strength of the excitation light in a solid-state laser apparatus, and the intensity | strength of a laser beam. 固体レーザ装置における励起光の強度とレーザ光の強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the intensity | strength of the excitation light in a solid-state laser apparatus, and the intensity | strength of a laser beam. 非特許文献1に開示された固体レーザ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state laser apparatus disclosed by the nonpatent literature 1. FIG. 非特許文献2に開示された固体レーザ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the solid-state laser apparatus disclosed by the nonpatent literature 2. FIG. Er:YAG結晶のエネルギー準位の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the energy level of Er: YAG crystal.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体レーザ装置、2…ポンプモジュール、3…高反射鏡、4…出力鏡、5…電源、6…レーザ冷却器、7…制御器、8…電流供給用ケーブル、9…冷却水供給管、11…固体レーザロッド、12…半導体レーザモジュール、13…冷却用配管、14,15…反射鏡、16…シリンドリカルレンズ、17…筐体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid laser apparatus, 2 ... Pump module, 3 ... High reflection mirror, 4 ... Output mirror, 5 ... Power supply, 6 ... Laser cooler, 7 ... Controller, 8 ... Current supply cable, 9 ... Cooling water supply pipe DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Solid laser rod, 12 ... Semiconductor laser module, 13 ... Cooling piping, 14, 15 ... Reflector, 16 ... Cylindrical lens, 17 ... Housing.

Claims (4)

エルビウムイオンを添加されたYAG結晶の柱状固体レーザロッドと、
前記固体レーザロッドの一端側に設けられる第1ミラーと、
前記固体レーザロッドの他端側に設けられ、前記第1ミラーとともに共振器を構成してレーザ発振を起こさせ、レーザ光を出射させる第2ミラーと、
前記固体レーザロッドの周囲に設けられ、前記エルビウムイオンのエネルギー準位が415/2から411/2へ遷移する場合の吸収波長帯に含まれる波長成分を有する励起光を前記固体レーザロッドの側面に照射する半導体レーザ素子と
を備え、
前記レーザ光がパルス状であり、該レーザ光のピーク波長は、前記エルビウムイオンのエネルギー準位が411/2から413/2へ遷移する場合の発光波長帯に含まれており、
前記励起光のピーク波長が、前記エルビウムイオンの前記吸収波長帯に含まれる最大吸収ピーク波長より長いことを特徴とする、固体レーザ装置。
A columnar solid-state laser rod of YAG crystal doped with erbium ions;
A first mirror provided on one end side of the solid-state laser rod;
A second mirror provided on the other end of the solid-state laser rod, constituting a resonator together with the first mirror, causing laser oscillation, and emitting laser light;
The solid provided around the laser rod, said solid-state laser excitation light having a wavelength component contained in the absorption wavelength band when the energy level of the erbium ion transitions from 4 I 15/2 to 4 I 11/2 A semiconductor laser element for irradiating the side surface of the rod,
The laser light is pulse-like, the peak wavelength of the laser beam is included in the emission wavelength band when the energy level of the erbium ion transitions from 4 I 11/2 to 4 I 13/2,
A solid-state laser device, wherein a peak wavelength of the excitation light is longer than a maximum absorption peak wavelength included in the absorption wavelength band of the erbium ion.
エルビウムイオンを添加されたYAG結晶の柱状固体レーザロッドと、
前記固体レーザロッドの一端側に設けられる第1ミラーと、
前記固体レーザロッドの他端側に設けられ、前記第1ミラーとともに共振器を構成してレーザ発振を起こさせ、レーザ光を出射させる第2ミラーと、
前記固体レーザロッドの周囲に設けられ、前記エルビウムイオンの吸収波長帯のうち0.96μm帯に含まれる波長成分を有する励起光を前記固体レーザロッドの側面に照射する半導体レーザ素子と
を備え、
前記レーザ光がパルス状であり、該レーザ光のピーク波長が、前記エルビウムイオンの発光波長帯のうち2.94μm帯に含まれており、
前記励起光のピーク波長が、前記エルビウムイオンの前記0.96μm帯に含まれる最大吸収ピーク波長より長いことを特徴とする、固体レーザ装置。
A columnar solid-state laser rod of YAG crystal doped with erbium ions;
A first mirror provided on one end side of the solid-state laser rod;
A second mirror provided on the other end of the solid-state laser rod, constituting a resonator together with the first mirror, causing laser oscillation, and emitting laser light;
A semiconductor laser element provided around the solid-state laser rod and irradiating a side surface of the solid-state laser rod with excitation light having a wavelength component included in a 0.96 μm band of the absorption wavelength band of the erbium ions;
The laser beam is pulsed, and the peak wavelength of the laser beam is included in the 2.94 μm band of the emission wavelength band of the erbium ions,
A solid-state laser device, wherein a peak wavelength of the excitation light is longer than a maximum absorption peak wavelength included in the 0.96 μm band of the erbium ions.
前記励起光のスペクトルの半値幅が2nm以上10nm以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の固体レーザ装置。   3. The solid-state laser device according to claim 1, wherein a half width of a spectrum of the excitation light is 2 nm or more and 10 nm or less. 前記励起光のピーク波長が969nm以上975nm以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体レーザ装置。   The solid-state laser device according to claim 1, wherein a peak wavelength of the excitation light is 969 nm or more and 975 nm or less.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018037944A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 株式会社ブイ・テクノロジー Laser pump chamber device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031730A (en) * 2000-07-17 2002-01-31 Fuji Photo Film Co Ltd Optical waveguide element and light emitting device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002031730A (en) * 2000-07-17 2002-01-31 Fuji Photo Film Co Ltd Optical waveguide element and light emitting device

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018037944A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 株式会社ブイ・テクノロジー Laser pump chamber device
CN109314364A (en) * 2016-08-23 2019-02-05 株式会社V技术 Laser pump cavity device
KR20190039881A (en) * 2016-08-23 2019-04-16 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디 Laser pump chamber device
TWI733886B (en) * 2016-08-23 2021-07-21 日商V科技股份有限公司 Laser pump chamber device and laser oscillation device
KR102332955B1 (en) * 2016-08-23 2021-11-29 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디 laser pump chamber device

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