JP2010034345A

JP2010034345A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2010034345A
Application number: JP2008195781A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Miura; 泰祐三浦
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】励起光からレーザー発振光への変換効率を向上させることにより、小型でランニングコストの低い固体レーザ装置を提供すること。
【解決手段】励起光源と、レーザ媒質を含む軸励起方式のレーザ共振器と、励起光源から出射される励起光を、レーザ共振器内レーザ媒質の一端部へと、レーザ共振光と同軸に入射させるための励起光導入光学系とを有し、レーザ媒質は３準位動作にてレーザ発振を行うように構成されており、かつレーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、レーザ媒質中を通過して、レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される励起光の全部又は一部を折り返して、レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射させるための励起光再導入光学系をさらに有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、３準位動作にてレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置に関する。

Ｎｄ^３＋を添加したレーザー結晶において^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザ発振を行なわせる場合や、Ｙｂ^３＋を添加したレーザ結晶でレーザ発振を行なわせる場合のように、３準位動作にてレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置は、従来より知られている。

この種の固体レーザ装置は、励起光源と、レーザ媒質を含む軸励起方式のレーザ共振器と、励起光源から出射される励起光を、レーザ共振器内レーザ媒質の一端部へと、レーザ共振光と同軸に入射させるための励起光導入光学系とを有し、レーザ媒質は３準位動作にてレーザ発振を行うように構成されている。

３準位動作にてレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置は、４準位動作にてレーザ発振を行うものに比べて、一般的に、励起光からレーザ発振光への変換効率が高いことから、例えば、極短パルスレーザリペア装置のような比較的に高出力用途のレーザ光源部として採用が期待されている。

一方、軸励起方式の固体レーザ装置の励起光源としては、ファイバカップルＬＤが知られている。このファイバカップルＬＤは、円形で均一な発散角および強度分布を持つ理想的なレーザビームを発生させることが可能であり、消費電力も低いことから、現在、レーザ加工装置やレーザ直描装置等の光源として広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３５４６５９号公報

レーザ共振器内レーザ媒質の一端部へと、レーザ共振光と同軸に入射された励起光は、レーザ媒質中をその軸方向へとレーザ媒質に吸収されつつ進行し、最終的にレーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される。そのため、レーザ媒質の軸方向に沿ったレーザ媒質内における励起光強度は、その進行距離に応じて指数関数的に減衰することとなり、励起光強度はレーザ媒質の出射端面において最も低下する。

また、Ｎｄ^３＋を添加したレーザ結晶において^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザ発振を行わせる場合や、Ｙｂ^３＋を添加したレーザ結晶でレーザ発振を行わせる場合のように、３準位動作でレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置にあっては、レーザ媒質中における励起光密度が低い領域では、レーザ発振波長における光の再吸収が生じて、レーザ発振光出力の低下を招くことが知られている。

そのため、この種の固体レーザ装置においては、レーザ媒質の出射端面近傍においてレーザ発振光の再吸収が起こらないように、入射された励起光のうちの４０〜６０％程度はレーザ媒質を透過すると言った動作条件を採用するのが通例であり、このことが、励起光からレーザ発振光への変換効率を低下させる要因の１つとされていた。

一方、Ｎｄ^３＋やＹｂ^３＋を、バナジン酸塩結晶やタングステン酸塩結晶に添加すれば、レーザー発振波長において誘導放出断面積が大きく、励起波長において吸収断面積も大きな固体レーザ媒質を得ることができる。このようなレーザ媒質を、３準位動作でレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置に採用すれば、比較的に高出力の固体レーザ装置を実現することができる。

しかし、バナジン酸塩結晶やタングステン酸塩結晶は光学異方性をもつ複屈折結晶であることから、レーザ媒質として用いた場合には、誘導放出断面積および吸収断面積ともに偏光依存がある。そのため、ファイバーカップルＬＤを励起光源に使用すると、媒質の吸収断面積が小さい偏光方向の励起光成分は、レーザ発振へ寄与することなく、媒質を透過してしまい、このことが、励起光からレーザー発振光への変換効率を低下させる要因の１つとされていた。

この発明は、３準位動作でレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置における上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、励起光からレーザー発振光への変換効率を向上させることにより、小型でランニングコストの低い固体レーザ装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。

上述の技術的課題は、以下の構成を有する３準位動作でレーザ発振を行う軸励起方式のレーザ共振器を有する固体レーザ装置により解決することができる。

すなわち、この発明の固体レーザ装置は、励起光源と、レーザ媒質を含む軸励起方式のレーザ共振器と、前記励起光源から出射される励起光を、前記レーザ共振器内レーザ媒質の一端部へと、レーザ共振光と同軸に入射させるための励起光導入光学系とを有するものであり、前記レーザ媒質は３準位動作にてレーザ発振を行うように構成されている。

上述の固体レーザ装置には、新たに、励起光再導入光学系が設けられる。この励起光再導入光学系は、前記レーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、前記レーザ媒質中を通過して、前記レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される前記励起光の全部又は一部を折り返して、前記レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射させる機能を有するものである。

このようにすれば、レーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、レーザ媒質中を通過して、レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される励起光の全部又は一部は、折り返されたのち、レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射されることから、レーザ媒質の励起光出射端部近傍領域における励起光強度は、往路励起光と復路励起光とが重畳されて増強される結果、励起光からレーザー発振光への変換効率を高めることができると共に、増強される分だけ励起光源の出力強度を低下させて、冷却構造体の簡素化等による装置の小型化並びにランニングコストの低減化を図ることも可能となる。

このとき、前記レーザ媒質が、光学異方性を有する複屈折結晶を有する物質にて構成されているのであれば、前記励起光再導入光学系には、再入射されるべき励起光の偏光方向を出射された励起光の偏光方向に対して所定角度異ならせるための偏光方向回転手段を設けるようにしてもよい。

このようにすれば、レーザ媒質中の吸収断面積が小さい偏光方向を透過してきた励起光成分を、励起光の再入射を通して媒質中へと有効に吸収させることが可能なるため、励起光からレーザ発振光への変換効率を一層高め、装置の小型化並びにランニングコストの低減を促進することかできる。

なお、異ならせるべき変更角度を９０度とすれば、透過励起光の再利用効率を最大とすることができる。また、励起光源として、円形で均一な発散角および強度分布を持つ理想的なレーザビームを発生するファイバカップルＬＤを採用すれば、励起光からレーザー発振光への変換効率を最大とすることができる。

本発明の一実施形態としては、つぎのような具体的な構成を採用することもできる。すなわち、前記レーザ共振器は、レーザ媒質と、第１のハーフミラーと、第１の通常ミラーと、第２のハーフミラーと、第２の通常ミラーとから構成される。

ここで、レーザ媒質は、前記励起光導入光学系側に位置する第１の端部と前記励起光再導入光学系側に位置する第２の端部とを有する。

第１のハーフミラーは、前記第１の端部と前記励起光導入光学系との間に介在され、前記励起光導入光学系から前記第１の端部に向かう励起光の大部分を直進透過させる一方、前記第１の端部から前記励起光導入光学系に向かうレーザ発振光の大部分を所定方向へと折り曲げ反射しかつ逆に同方向から到来するレーザ発振光の大部分を前記第１の端部へと折り曲げる反射すると言った光学的性質を有する。

第１の通常ミラーは、前記第１のハーフミラーで反射されたレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返す反射機能を有する。

第２のハーフミラーは、前記第２の端部と前記励起光再導入光学系との間に介在され、前記第２の端部と前記励起光再導入光学系との間において励起光を双方向へ直進透過させる一方、前記第２の端部から前記励起光再導入光学系に向かうレーザ発振光の大部分を所定方向へと屈曲反射させかつ逆に同方向から到来するレーザ発振光の大部分を前記第２の端部へと屈曲反射させると言った光学的性質を有する。

第２の通常ミラーは、前記第２のハーフミラーで反射されたレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返す反射機能を有する。

一方、前記励起光再導入光学系については、前記第２のハーフミラーを直進透過したレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返すための第３の通常ミラーを含んで構成することができる。ここで、通常ミラーについては、出射から再入射に至る光路の収束設計に応じて平面ミラー又は凹面ミラーとすることができる。

さらに、前記偏光方向回転手段としては、前記第２のハーフミラーと前記第３の通常ミラーとの間に介在され、往路と復路とでそれぞれ１／４波長だけ偏光方向を回転させる１／４波長板とすることができる。

なお、本発明において、レーザ媒質を構成する物質の一例としては、ＹＶＯ_４、ＧｄＶＯ_４、又はＬｕＶＯ_４のバナジン酸塩結晶や、ＫＹ（ＷＯ_４）_２、ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、又はＫＬｕ（ＷＯ_４）_２のタングステン酸塩結晶といった、光学異方性をもつ複屈折結晶にＮｄ^３＋イオンもしくはＹｂ^３＋イオンを添加した固体レーザー媒質（Ｎｄ^３＋：ＹＶＯ４、Ｎｄ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＹＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２）（ただしＮｄ^３＋を添加したレーザー結晶では、^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザー発振をさせる場合に限る）等を挙げることができる。

本発明によれば、レーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、レーザ媒質中を通過して、レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される励起光の全部又は一部は、折り返されたのち、レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射されることから、レーザ媒質の励起光出射端部近傍領域における励起光強度は、往路励起光と復路励起光とが重畳されて増強される結果、励起光からレーザー発振光への変換効率を高めることができると共に、増強される分だけ励起光源の出力強度を低下させて、冷却構造体の簡素化等による装置の小型化並びにランニングコストの低減化を図ることも可能となる。

このとき、前記レーザ媒質が、光学異方性を有する複屈折結晶を有する物質にて構成されているのであれば、前記励起光再導入光学系には、再入射されるべき励起光の偏光方向を出射された励起光の偏光方向に対して所定角度異ならせるための偏光方向回転手段を設けるようにすれば、レーザ媒質中の吸収断面積が小さい偏光方向を透過してきた励起光成分を、励起光の再入射を通して媒質中へと有効に吸収させることが可能なるため、励起光からレーザ発振光への変換効率を一層高め、装置の小型化並びにランニングコストの低減を促進することかできる。

以下に、本発明に係る固体レーザ装置の好適な実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明に係る固体レーザ装置の第１実施形態の構成図が図１に示されている。先ず、この固体レーザ装置の全体を概略的に説明する。

同図に示されるように、この固体レーザ装置は、励起光源１と、レーザ媒質２１を含む軸励起方式のレーザ共振器２と、励起光源１から出射される励起光Ｌｐを、レーザ共振器２内のレーザ媒質２１の一端部２１ａへと、レーザ共振光Ｌｏと同軸に入射させるための励起光導入光学系３とを有するものであり、レーザ媒質２１は３準位動作にてレーザ発振を行うように構成されている。

上述の固体レーザ装置には、さらに、励起光再導入光学系４が設けられている。この励起光再導入光学系４は、レーザ媒質２１の一端部２１ａからレーザ媒質２１内へと入射され、レーザ媒質２１中を通過して、レーザ媒質２１の他端部２１ｂからレーザ媒質外へと出射される励起光Ｌｐの全部又は一部を折り返して、再び、レーザ媒質２１の他端部２１ｂへとレーザ共振光Ｌｏと同軸に再入射させる機能を有するものである。

このような構成を有することから、レーザ媒質２１の一端部２１ａからレーザ媒質２１内へと入射され、レーザ媒質２１中を通過して、レーザ媒質２１の他端部２１ｂからレーザ媒質２１外へと出射される励起光Ｌｐの全部又は一部は、折り返されたのち、再び、レーザ媒質２１の他端部２１ｂへとレーザ共振光Ｌｏと同軸に再入射されることから、レーザ媒質２１の励起光出射端部２１ｂの近傍領域における励起光強度は、往路励起光と復路励起光とが重畳されて増強される結果、励起光Ｌｐからレーザー発振光Ｌｏへの変換効率を高めることができると共に、増強される分だけ励起光源１の出力強度を低下させて、冷却構造体の簡素化等による装置の小型化並びにランニングコストの低減化を図るとも可能となる。

次に、励起光源１、レーザ共振器２、励起光導入光学系３、及び励起光再導入光学系４の詳細について説明する。

励起光源１としては、この例にあっては、レーザダイオード（ＬＤ）（図示せず）から出射されるレーザ光を光ファイバへと導き、その先端から出射させるようにした、所謂ファイバカップルＬＤが採用されている。当業者にはよく知られているように、ファイバカップルＬＤは、円形で均一な発散角および強度分布を持つ理想的なレーザビームを発生させることが可能である。

レーザ共振器２は、この例にあっては、レーザ媒質２１と、第１のハーフミラー２２と、平面鏡で構成される第１の通常ミラー２３と、第２のハーフミラー２４と、平面鏡で構成される第２の通常ミラー２５とを含み、それらの光学要素によって、レーザ発振光を閉じ込めるための閉ループが形成されるように構成されている。

レーザ媒質２１は、３順位動作でレーザ発振を行う物質で構成されており、励起光導入光学系３側に位置する第１の端部２１ａと励起光再導入光学系４側に位置する第２の端部２１ｂとを有する。

第１のハーフミラー２２は、レーザ媒質２１の第１の端部２１ａと励起光導入光学系３との間に介在され、励起光導入光学系３から第１の端部２１ａに向かう励起光Ｌｐの大部分（９０％以上）を直進透過させる一方、第１の端部２１ａから励起光導入光学系３に向かうレーザ発振光Ｌｏの大部分（９０％以上）を所定方向（この例では、９０度方向）へと折り曲げ反射し、かつ逆に同方向から到来するレーザ発振光Ｌｏの大部分（９０％以上）を第１の端部２１ａへと折り曲げ（この例では、９０度方向）反射すると言った光学的性質を有する。

第１の通常ミラー２２は、平面鏡で構成されており、第１のハーフミラー２２で反射されたレーザ発振光Ｌｏの進行方向を１８０度だけ折り返す反射機能を有する。

第２のハーフミラー２４は、レーザ媒質２１の第２の端部２１ｂと励起光再導入光学系４との間に介在され、レーザ媒質２１の第２の端部２１ｂと励起光再導入光学系４との間において励起光を双方向へと大部分（９０％以上）直進透過させる一方、レーザ媒質２１の第２の端部２１ｂから励起光再導入光学系４に向かうレーザ発振光Ｌｏの大部分（９０％以上）を所定方向（この例では、９０度方向）へと折り曲げ反射し、かつ逆に同方向から到来するレーザ発振光Ｌｏの大部分（９０％以上）を第２の端部へと折り曲げ（この例では、９０度方向）反射すると言った光学的性質を有する。

第２の通常ミラー２５は、平面鏡で構成されており、第２のハーフミラー２４で反射されたレーザ発振光Ｌｏの進行方向を１８０度だけ折り返す反射機能を有する。

そして、それらの光学要素２１〜２５からなる閉ループに閉じ込められたレーザ発振光は、閉ループ上のいずかの箇所に設けられた図示しないレーザ光取り出し口から、外部へと放出可能となされている。

励起光導入光学系３は、この例にあっては、ファイバカップルＬＤである光源１から所定の発散角で出射される励起光Ｌｐを平行光線とするためのレンズ３１と、このレンズ２により平行光線とされた励起光Ｌｐを絞り込むためのレンズ３２とを含んで構成されている。

励起光再導入光学系４は、この例にあっては、レーザ媒質２１の第２の端部２１ｂから所定の発散角をもって出射されたのち、第２のハーフミラー２４を直進透過した励起光Ｌｐを平行光線とするためのレンズ４２と、レンズ４２により平行光線とされた励起光Ｌｐを１８０度だけ折返し反射する平面鏡である第３の通常ミラー４１とを含んで構成されている。

なお、この励起光再導入光学系４は、要するに、レーザ媒質２１の一端部２１ａからレーザ媒質２１内へと入射され、レーザ媒質２１中を通過して、レーザ媒質２１の他端部２１ｂからレーザ媒質２１外へと出射される励起光Ｌｐの全部又は一部を折り返して、レーザ媒質２１の他端部２１ｂへとレーザ共振光Ｌｐと同軸に再入射させる機能を有するものであれば足り、必ずしも、レンズと反射鏡との組合せに限定されるものではなく、例えば光ファイバその他の導光部材を利用して励起光を折り返すと言った方法でもよいであろう。

そして、以上の具体的構成を有する固体レーザ装置によれば、レーザ媒質２１の一端部２１ａからレーザ媒質２１内へと入射され、レーザ媒質２１中を通過して、レーザ媒質２１の他端部２１ｂからレーザ媒質２１外へと出射される励起光Ｌｐの大部分は、励起光再導入光学系４を介して１８０度だけ折り返されたのち、レーザ媒質２１の他端部２１ｂへとレーザ共振光Ｌｏと同軸に再入射されることから、レーザ媒質２１の励起光出射端部近傍領域における励起光強度は、往路励起光と復路励起光とが重畳されて増強される結果、励起光Ｌｐからレーザー発振光Ｌｏへの変換効率を高めることができると共に、増強される分だけ励起光源１の出力強度を低下させて、冷却構造体の簡素化等による装置の小型化並びにランニングコストの低減化を図ることも可能となる。

次に、本発明に係る固定レーザ装置の第２実施形態の構成図が図２に示されている。この第２実施形態の特徴は、レーザ媒質２１が、光学異方性を有する複屈折結晶を有する物質にて構成されている場合を考慮して、再入射されるべき励起光Ｌｐの偏光方向を出射された励起光Ｌｐの偏光方向に対して所定角度異ならせるための偏光方向回転手段を励起光再導入光学系４に設けた点にある。

同図に示されるように、この例にあっては、励起光再導入光学系４には、偏光方向回転手段として機能する１／４波長板４３が設けられている。この１／４波長板４３は、第２のハーフミラー２４と第３の通常ミラー４１との間に介在され、往路と復路とでそれぞれ１／４波長だけ偏光方向を回転させる機能を有するものであり、その結果、再入射されるべき励起光Ｌｐの偏光方向は、出射された励起光Ｌｐの偏光方向に対して９０度だけ異ならせることが可能となされている。なお、図２において、１／４波長板４３とレンズ４２とは位置を置き換えても同様に機能する。

また、３順位動作でレーザ発振を行うレーザ媒質２１としては、ＹＶＯ_４、ＧｄＶＯ_４、又はＬｕＶＯ_４のバナジン酸塩結晶や、ＫＹ（ＷＯ_４）_２、ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、又はＫＬｕ（ＷＯ_４）_２のタングステン酸塩結晶といった、光学異方性をもつ複屈折結晶にＮｄ^３＋イオンもしくはＹｂ^３＋イオンを添加した固体レーザー媒質（Ｎｄ^３＋：ＹＶＯ４、Ｎｄ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＹＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２）（ただしＮｄ^３＋を添加したレーザー結晶では、^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザー発振をさせる場合に限る）が採用されている。

そして、このような偏光方向回転手段を設ける構成によれば、レーザ媒質２１中の吸収断面積が小さい偏光方向を透過してきた励起光成分Ｌｐを、励起光Ｌｐの再入射を通して媒質中へと有効に吸収させることが可能なるため、励起光Ｌｐからレーザ発振光Ｌｏへの変換効率を一層高め、装置の小型化並びにランニングコストの低減を促進することが可能となる。

加えて、図示例のように、偏光方向回転手段として１／４波長板４３を採用すれば、再利用される励起光の偏光方向は、元の励起光の偏光方向に対して９０度回転するため、透過励起光の再利用効率を最大とすることができるほか、励起光源１として、円形で均一な発散角および強度分布を持つ理想的なレーザビームを発生するファイバカップルＬＤを採用すれば、励起光からレーザー発振光への変換効率を最大とすることができる。

なお、以上の第１、第２実施形態においては、励起光再導入光学系４として、レンズ４２と平面反射鏡である第３の通常ミラー４１との組合せを採用したが、これは励起光再導入光学系４の単なる一例として理解されるべきである。例えば、第１実施形態の固体レーザ装置にあっては図３（ａ）に、また第２実施形態の固定レーザ装置にあっては図３（ｂ）にそれぞれ示されるように、レンズ４２と平面反射鏡である第３の通常ミラー４１との組合せの代わりに、凹面鏡である通常ミラー４４の単独構成を採用しても、同様な機能を実現することができる。

最後に、上述の固体レーザ装置において、（ａ）「励起光再導入光学系」を採用した場合と、（ｂ）「励起光再導入光学系」に「偏光方向回転手段」を設けた場合と、（ｃ）「励起光再導入光学系」を設けていない従来の場合とを、励起光／レーザ発振光の変換効率について比較した実験結果を示すグラフが図４に示されている。

同図から明らかなように、黒丸点でプロットされた従来例（ｃ）に比べて、黒三角点でプロットされた「励起光再導入光学系」を採用した場合（ｂ）の方が、同一の励起光強度であっても、より高いレーザ発振光が得られており、「励起光再導入光学系」の採用により、励起光／レーザ発振光の変換効率が改善されていることが確認された。

同様に、黒三角点でプロットされた「励起光再導入光学系」を採用した場合（ｂ）に比べて、黒四角点でプロットされた「励起光再導入光学系」に「偏光方向回転手段」を設けた場合の方が、同一の励起光強度であっても、より高いレーザ発振光が得られており、「偏光方向回転手段」の採用により、励起光／レーザ発振光の変換効率が一層改善されていることが確認された。

特に、本発明者の実験によれば、３順位動作するレーザ媒質として、ＹＶＯ_４、ＧｄＶＯ_４、又はＬｕＶＯ_４のバナジン酸塩結晶や、ＫＹ（ＷＯ_４）_２、ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、又はＫＬｕ（ＷＯ_４）_２のタングステン酸塩結晶といった、光学異方性をもつ複屈折結晶にＮｄ^３＋イオンもしくはＹｂ^３＋イオンを添加した固体レーザー媒質（Ｎｄ^３＋：ＹＶＯ４、Ｎｄ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＹＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２）（ただしＮｄ^３＋を添加したレーザー結晶では、^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザー発振をさせる場合に限る）を採用し、ＬＤの出力を光ファイバに導光したファイバカップルＬＤを励起光源とした、励起光とレーザ発振光が同軸方向である、軸励起方式の固体レーザーによれば、レーザ媒質を透過し出射してきた励起光を１８０度折り返して、かつ励起光の偏光方向を９０度回転させて再度レーザー媒質に入射させて励起光を再利用することにより、励起光からレーザ発振光への変換効率を１．１倍乃至３倍に高める得ることが確認された。

本発明に係る固体レーザ装置によれば、レーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、レーザ媒質中を通過して、レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される励起光の全部又は一部は、折り返されたのち、レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射されることから、レーザ媒質の励起光出射端部近傍領域における励起光強度は、往路励起光と復路励起光とが重畳されて増強される結果、励起光からレーザー発振光への変換効率を高めることができると共に、増強される分だけ励起光源の出力強度を低下させて、冷却構造体の簡素化等による装置の小型化並びにランニングコストの低減化を図ることも可能となる。

本発明に係る固体レーザ装置の第１実施形態の構成図である。本発明に係る固体レーザ装置の第２実施形態の構成図である。第１、第２実施形態の変形例を示す構成図である。励起光強度とレーザ発振光強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１励起光源
２レーザ共振器
３励起光導入光学系
４励起光再導入光学系
２１レーザ媒質
２１ａ第１の端部
２１ｂ第２の端部
２２第１のハーフミラー
２３第１の通常ミラー
２４第２のハーフミラー
２５第２の通常ミラー
３１レンズ
３２レンズ
４１平面鏡である第３の通常ミラー
４２レンズ
４３１／４波長板（偏光方向回転手段）
４５凹面鏡である第３の通常ミラー
Ｌｐ励起光
Ｌｏレーザ発振光

Claims

励起光源と、
レーザ媒質を含む軸励起方式のレーザ共振器と、
前記励起光源から出射される励起光を、前記レーザ共振器内レーザ媒質の一端部へと、レーザ共振光と同軸に入射させるための励起光導入光学系とを有する固体レーザ装置であって、
前記レーザ媒質は３準位動作にてレーザ発振を行うように構成されており、かつ
前記レーザ媒質の一端部からレーザ媒質内へと入射され、前記レーザ媒質中を通過して、前記レーザ媒質の他端部からレーザ媒質外へと出射される前記励起光の全部又は一部を折り返して、前記レーザ媒質の他端部へとレーザ共振光と同軸に再入射させるための励起光再導入光学系をさらに有する、ことを特徴とする固体レーザ装置。
前記レーザ媒質は、光学異方性を有する複屈折結晶を有する物質にて構成されており、かつ
前記励起光再導入光学系には、再入射されるべき励起光の偏光方向を出射された励起光の偏光方向に対して所定角度異ならせるための偏光方向回転手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
前記所定角度が９０度である、ことを特徴とする請求項２に記載の固体レーザ装置。
前記励起用光源がファイバカップルＬＤである、ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
前記レーザ共振器が、
前記励起光導入光学系側に位置する第１の端部と前記励起光再導入光学系側に位置する第２の端部とを有するレーザ媒質と、
前記第１の端部と前記励起光導入光学系との間に介在され、前記励起光導入光学系から前記第１の端部に向かう励起光の大部分を直進させる一方、前記第１の端部から前記励起光導入光学系に向かうレーザ発振光の大部分を所定方向へと折り曲げかつ前記所定方向から到来するレーザ発振光の大部分を前記第１の端部へと折り曲げると言った光学的性質を有する第１のハーフミラーと、
前記第１のハーフミラーで反射されたレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返すための第１の通常ミラーと、
前記第２の端部と前記励起光再導入光学系との間に介在され、前記第２の端部と前記励起光再導入光学系との間において励起光を双方向へ直進させる一方、前記第２の端部から前記励起光再導入光学系に向かうレーザ発振光の大部分を所定方向へと屈曲させかつ前記所定方向から到来するレーザ発振光の大部分を前記第２の端部へと屈曲させると言った光学的性質を有する第２のハーフミラーと、
前記第２のハーフミラーで反射されたレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返すための第２の通常ミラーとからなり、さらに
前記励起光再導入光学系が、前記第２のハーフミラーを直進したレーザ発振光の進行方向を１８０度だけ折り返すための第３の通常ミラーからなる、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。
前記偏光方向回転手段が、前記第２のハーフミラーと前記第３の通常ミラーとの間に介在された１／４波長板である、ことを特徴とする請求項５に記載の固体レーザ装置。
前記レーザ媒質を構成する物質が、ＹＶＯ_４、ＧｄＶＯ_４、又はＬｕＶＯ_４のバナジン酸塩結晶や、ＫＹ（ＷＯ_４）_２、ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、又はＫＬｕ（ＷＯ_４）_２のタングステン酸塩結晶といった、光学異方性をもつ複屈折結晶にＮｄ^３＋イオンもしくはＹｂ^３＋イオンを添加した固体レーザー媒質（Ｎｄ^３＋：ＹＶＯ４、Ｎｄ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｎｄ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｎｄ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＹＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＧｄＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＬｕＶＯ_４、Ｙｂ^３＋：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２、Ｙｂ^３＋：ＫＬｕ（ＷＯ_４）_２）（ただしＮｄ^３＋を添加したレーザー結晶では、^４Ｆ_３／２→^４Ｉ_９／２遷移でレーザー発振をさせる場合に限る）である、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。