JP2008244212A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射するレーザ光から変換効率の高い第２次高調波レーザ光を得る固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ装置１は、半導体レーザ２から出射するレーザ光で励起して基本波レーザ光を生成するレーザ媒質６と、一方の面に前記基本波レーザ光を集光する平凸型レンズ７Ａが形成され、他方の面に平凸型レンズ７Ａで集光された基本波レーザ光をこの基本波レーザ光の径よりも小さい平行光にする平凸型レンズ７Ｂが形成された光学素子７と、平凸型レンズ７Ｂで基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にされた基本波レーザ光を第２次高調波レーザ光を生成する非線形光学素子８と、レーザ媒質６のレーザ光の入射面及び非線形光学素子８の第２次高調波レーザ光の出射面にそれぞれ形成された一対の反射ミラー９Ａ、９Ｂと、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非線形光学素子に入射したレーザ光を用いて第２次高調波に変換する際の変換効率を向上させた固体レーザ装置に関するものである。

特許文献１には、図６に示すように、固体レーザ装置１００は、波長８０９ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ１０１と、このレーザ光を集光する第１のレンズ１０２と、この第１のレンズ１０２で集光されたレーザ光でポンピングして波長１０６４ｎｍの基本波の励起光を生成するＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０３と、このＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０３で生成された基本波の励起光を集光する第２レンズ１０４と、この第２レンズ１０４により集光された基本波の励起光の変換を行って第２次高調波レーザ光を生成して出射するＫＴＰ結晶１０５と、から構成されていることが記載されている。

更に、固体レーザ装置１００は、第１のレンズ１０２側のＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０３の端面には、球面加工がなされ、第２次高調波レーザ光を出射するＫＴＰ結晶１０５側の端面にも球面加工されている。
更に、第１レンズ１０２側のＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０３の端面及び第２次高調波レーザ光を出射するＫＴＰ結晶１０５側の端面には、高反射コーティング１０６、１０７が施されている。
特開平５−９０６８７号公報

しかしながら、第２のレンズ１０４で集光された基本波の励起光は、ＫＴＰ結晶１０５中では、広がるので、ＫＴＰ結晶１０５から出射する第２次高調波レーザ光は、パワーが中心部で高く、周辺部で低い分布を有するため、第２次高調波レーザ光への変換効率が悪かった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、入射するレーザ光から変換効率の高い第２次高調波のレーザ光を得る固体レーザ装置を提供することを目的とする。

本願発明における第１の発明は、半導体レーザから出射されるレーザ光で励起して基本波レーザ光を生成するレーザ媒質と、少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する第１の平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記第１の平凸型レンズと光軸を一致させ、前記第１の平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする第２の平凸型レンズとを有する光学素子と、前記第２の平凸型レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子と、前記レーザ光が入射する前記レーザ媒質の入射面及び前記第２次高調波レーザ光が出射する前記非線形光学素子の出射面に形成されて、前記レーザ媒質、前記光学素子及び前記非線形光学素子と共にレーザ共振器を構成する一対の反射ミラーと、を備えたことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。
第２の発明は、半導体レーザから出射されるレーザ光で励起して基本波レーザ光を生成するレーザ媒質と、少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記平凸型レンズと光軸を一致させ、前記平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする凹レンズとを有する光学素子と、前記凹レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子と、前記レーザ光が入射する前記レーザ媒質の入射面及び前記第２次高調波レーザ光が出射する前記非線形光学素子の出射面に形成されて、前記レーザ媒質、前記光学素子及び前記非線形光学素子と共にレーザ共振器を構成する一対の反射ミラーと、を備えたことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。

本願発明によれば、少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する第１の平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記第１の平凸型レンズと光軸を一致させ、前記第１の平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする第２の平凸型レンズとを有する光学素子と、前記第２の平凸型レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子と、を有するので、非線形光学素子の長さ方向全体に渡って光密度を高めることができるため、非線形光学素子での第２次高調波レーザ光の変換効率を向上させることができる。
また、少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記平凸型レンズと光軸を一致させ、前記平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする凹レンズとを有する光学素子と、前記凹レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子とを有している場合も同様の効果が得られる。

以下に本発明の実施の形態に係る固体レーザ装置について図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における固体レーザ装置を示す断面図である。
図２は、固体レーザ装置の作製方法を示す断面図である。
図３は、第1変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。
図４は、第２変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。
図５は、第３変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。

まずは、固体レーザ装置１の構成について図１を用いて説明する。
固体レーザ装置１は、波長８０８ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザ２と、ガラス基板４Ａ上にレーザ光を集光する集光レンズ３が形成された集光レンズ素子４と、レーザ共振器５とから構成されている。
レーザ共振器５は、集光レンズ３で集光されたレーザ光で励起して波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を生成するレーザ媒質６と、一方の面にレーザ媒質６で生成された基本波レーザ光を集光する平凸型レンズ７Ａが形成され、他方の面に平凸型レンズ７Ａと光軸を一致させ、平凸型レンズ７Ａで集光された基本波レーザ光を基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にする平凸型レンズ７Ｂが形成された光学素子７とを備えている。更に、レーザ共振器５は、光学素子７の平凸型レンズ７Ｂで基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にされた基本波レーザ光を波長変換して、この平行光にされた基本波レーザ光と同じ径の第２次高調波レーザ光を生成して出射する非線形光学素子８と、レーザ媒質６の集光レンズ３側の端面及び非線形光学素子８の第２次高調波レーザ光の出射側の端面にそれぞれ形成された一対の反射ミラー９Ａ、９Ｂとを有している。
そして、集光レンズ素子４は、レーザ共振器５と共に一体化されている。

平凸型レンズ７Ａの凸側は、レーザ媒質６から出射された基本波レーザ光の出射方向に向いている。平凸型レンズ７Ｂの凸側は、平凸型レンズ７Ａの凸側に対向して向い合っている。ここで、平凸型レンズ７Ａの焦点距離をｆ₁、平凸型レンズ７Ｂの焦点距離をｆ₂とするとき、光学素子７の厚さは、平凸型レンズ７Ａと平凸型レンズ７Ｂの配置がｆ₁＋ｆ₂となるときの長さである。
このとき、第１の平凸型レンズ７Ａで集光された基本波レーザ光を第２の平凸型レンズ７Ｂでｆ₂／ｆ₁に縮小して基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にし、非線形光学素子８に入射するようにしているので、非線形光学素子８内での基本波レーザ光の光密度を非線形光学素子８の長さ方向全体に亘って高めることができる。
上記したレーザ媒質６の材料としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｙｂ：ＹＡＧ、セラミックＹＡＧにＮｄ、Ｙｂ等の遷移元素をドーピングした透明セラミックを用いることができる。光学素子７の材料としては、ガラス、基本波レーザ光と第２次高調波のレーザ光の波長に対して透明な材料を用いることができる。非線形光学素子８の材料としては、ＫＴｉＯＰＯ₄（ＫＴＰ）、ＬｉＢＯ₆（ＬＢＯ）、ＢａＢ₂Ｏ₄（ＢＢＯ）、ＣｓＢ₃Ｏ₅（ＣＢＯ）、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀（ＣＬＢＯ）等の強誘電体結晶を用いることができる。

次に、その動作について説明する。
半導体レーザ２から出射した波長８０８ｎｍのレーザ光は、集光レンズ３に入射し、この集光レンズ３により反射ミラー９Ａを介してレーザ媒質６に集光される。レーザ媒質６に入射したレーザ光は、レーザ媒質６を励起して、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を発振し、この基本波レーザ光は、光学素子７に入射する。そして、基本波レーザ光は、光学素子７の平凸型レンズ７Ａで一旦集光された後、平凸型レンズ７Ｂに入射して、基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にされて非線形光学素子８に入射する。基本波レーザ光よりも小さい径の大きさとしては、基本波レーザ光の波長において回折せずに平行光として成り立つ大きさとする。具体的には、その大きさは、数μｍφから１０μｍφ程度が好ましい。
非線形光学素子８に入射した基本波レーザ光は、そのまま進み、反射ミラー９Ｂで反射されて反射光となり、この反射光は、反射ミラー９Ａの方向に進み、反射ミラー９Ａで再び反射される。このように、基本波レーザ光は、一対の反射ミラー９Ａ、９Ｂ間で繰り返し反射される。

そして、非線形光学素子８に入射した基本波レーザ光よりも小さい径の平行光は、この平行光の径と同じ径の波長５３２ｎｍの第２次高調波レーザ光を生成し、反射ミラー９Ｂから出射する。
こうして、半導体レーザ２のレーザ光で励起されたレーザ媒質６から出射する１０６４ｎｍの基本波レーザ光は、第２次高調波である波長５３２ｎｍの短波長レーザ光に変換することができる。

次に、レーザ共振器５を作製する方法について図２を用いて説明する。
（集光レンズ素子及び光学素子の作製工程）
図２（Ａ）に示すように、Ｔｉ、Ａｇ、Ｐｂ等をどーパンととし、これらのどーパンととガラスの構成元素とのイオン交換を行って、ガラス基板４Ａ上に所定ピッチで集光レンズ３を形成して集光レンズ素子４を作製する。
また、同様の方法で、ガラス基板４Ａ上に集光レンズ３が形成されたピッチと同じピッチで、ガラス基板１０の両面にＺｎ拡散を行って第１、第２の平凸型レンズ７Ａ、７Ｂを形成して光学素子７を作製する。

（貼り合わせ工程）
予め用意された非線形光学素子８の表面を加工して、基本波レーザ光の波長に位相整合する結晶軸が表面に出るようにする。
図２（Ｂ）に示すように、集光レンズ素子４のガラス基板４Ａ、予め用意したレーザ媒質６及び光学素子７のガラス基板１０及び非線形光学素子８のそれぞれの両面を平坦度がλ／８（λ：基本波レーザ光の波長）以下になるまで研磨する。
この後、光学素子７の平凸型レンズ７Ａが形成された面側にレーザ媒質６を、平凸型レンズ７Ｂが形成された面側に非線形光学素子８を加圧又は加熱圧着して貼り合わせて一体化する。

（一対の共振器ミラーの形成工程）
図２（Ｃ）に示すように、レーザ媒質６に誘電体多層膜を形成して反射ミラー９Ａを形成し、非線形光学素子８に誘電体多層膜を形成して反射ミラー９Ｂを形成する。
ここで、反射ミラー９Ａは、半導体レーザ２のレーザ光に対して無反射で、基本波レーザ光に対して高反射率が得られるようにし、共振器ミラー９Ｂは、基本波レーザ光に対して高反射率が得られ、第２次高調波レーザ光に対して無反射になるようにする。

（集光レンズ素子の取り付け工程）
図２（Ｄ）に示すように、反射ミラー９Ａ上に集光レンズ素子４を光学素子７の平凸型レンズ７Ａ、７Ｂの光軸と集光レンズ３の光軸が一致するように加圧又は加熱圧着して貼り付ける。

（切断工程）
図２（Ｅ）に示す点線部分から集光レンズ３が形成されたと同じピッチで切断することによって、図１に示す固体レーザ装置１が得られる。

本発明の実施の形態によれば、光学素子７は、一方の面にレーザ媒質６で生成された基本波レーザ光を集光する平凸型レンズ７Ａが形成され、他方の面に平凸型レンズ７Ａと光軸を一致させ、平凸型レンズ７Ａで集光された基本波レーザ光を基本波レーザ光よりも小さい径の平行光にする平凸型レンズ７Ｂが形成され、かつその厚さが平凸型レンズ７Ａの焦点距離ｆ₁と平凸型レンズ７Ｂの焦点距離ｆ₂を加えた長さとなるように、平凸型レンズ７Ａと平凸型レンズ７Ｂは、配置されているので、平凸型レンズ７Ａで集光された基本波レーザ光は、平凸型レンズ７Ｂでｆ₂／ｆ₁に縮小され、非線形光学素子８への基本波レーザ光を基本波レーザ光の径よりも小さい平行光で入射させることができるため、非線形光学素子８の長さ方向全体に渡って光密度を高めることができ、非線形光学素子８における第２次高調波光の変換効率を高くすることができる。

次に、実施の形態の第１変形例について図３を用いて説明する。
図３に示すように、第１変形例の固体レーザ装置１１は、実施の形態の固体レーザ装置１におけるレーザ媒質６と光学素子７との間及び光学素子７と非線形光学素子８との間にそれぞれ基本波レーザ光を無反射にさせる誘電体膜１２、１３を形成したものであり、それ以外は同様である。
第１変形例によれば、実施の形態の効果に加え、更にレーザ媒質６と光学素子７との間の屈折率差が大きい場合や光学素子７と非線形光学素子８との間の屈折率差が大きい場合に、基本波レーザ光に対して無反射にさせることができるので、光学的損失を低減することができる。

次に、実施の形態の第２変形例について図４を用いて説明する。
図４に示すように、第２変形例の固体レーザ装置１４は、実施の形態の固体レーザ装置１における光学素子７の平凸型レンズ７Ｂを凹型レンズ１５に代えたものであり、それ以外は同様である。
この場合、光学素子７の厚さは、凹型レンズ１５の焦点距離をｆ₂とするとき、平凸型レンズ７Ａと凹型レンズ１５の配置は、ｆ₁−ｆ₂となる長さである。
第２変形例によっても、実施の形態と同様な効果が得られる。

次に、実施の形態の第３変形例について図５を用いて説明する。
図５に示すように、第３変形例の固体レーザ装置１６は、第２変形例の固体レーザ装置１４におけるレーザ媒質６と光学素子７との間及び光学素子７と非線形光学素子８との間のそれぞれに基本波レーザ光に対して無反射となる誘電体膜１２、１３を形成したものであり、それ以外は同様である。
第３変形例によっても、第１変形例と同様な効果が得られる。
なお、上記した集光レンズ素子４、光学素子７は、切削加工、ガラスモールド加工によっても作製できる。

本発明の実施の形態における固体レーザ装置を示す断面図である。 固体レーザ装置の作製方法を示す断面図である。 第1変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。 第２変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。 第３変形例の固体レーザ装置を示す断面図である。 従来の固体レーザ装置を示す断面図である。

符号の説明

１、１１、１４、１６…固体レーザ装置、２…半導体レーザ、３…集光レンズ、４…集光レンズ素子、４Ａ、１０…ガラス基板、５…レーザ共振器、６…レーザ媒質、７…光学素子、７Ａ、７Ｂ…平凸型レンズ、１５…凹型レンズ、８…非線形光学素子、９Ａ、９Ｂ…反射ミラー、１２、１３…誘電体膜

Claims (2)

1. 半導体レーザから出射されるレーザ光で励起して基本波レーザ光を生成するレーザ媒質と、
   少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する第１の平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記第１の平凸型レンズと光軸を一致させ、前記第１の平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする第２の平凸型レンズとを有する光学素子と、
   前記第２の平凸型レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子と、
   前記レーザ光が入射する前記レーザ媒質の入射面及び前記第２次高調波レーザ光が出射する前記非線形光学素子の出射面に形成されて、前記レーザ媒質、前記光学素子及び前記非線形光学素子と共にレーザ共振器を構成する一対の反射ミラーと、を備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
2. 半導体レーザから出射されるレーザ光で励起して基本波レーザ光を生成するレーザ媒質と、
   少なくとも互いに対向する２面を有する光学材料からなり、前記基本波レーザ光が入射する一方の面に形成される前記基本波レーザ光を集光する平凸型レンズと、他方の面に形成されて前記平凸型レンズと光軸を一致させ、前記平凸型レンズで集光された前記基本波レーザ光を前記基本波レーザ光の径より小さい平行光とする凹レンズとを有する光学素子と、
   前記凹レンズで平行光にされた前記基本波レーザ光を波長変換して、前記平行光と同じ径の第２次高調波レーザ光を出射する非線形光学素子と、
   前記レーザ光が入射する前記レーザ媒質の入射面及び前記第２次高調波レーザ光が出射する前記非線形光学素子の出射面に形成されて、前記レーザ媒質、前記光学素子及び前記非線形光学素子と共にレーザ共振器を構成する一対の反射ミラーと、を備えたことを特徴とする固体レーザ装置。

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