JP2011238792A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】出射されるレーザ光の横モードを精度良く調整することができる固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ装置１０は、ＳＥＳＡＭ１２及び出力ミラー１４から成る共振器と、共振器内に配置された固体レーザ媒質１８と、固体レーザ媒質１８に励起光を入射させる半導体レーザ２０及びセルフォックレンズ２２と、共振器内の発振光の横モードを制御するためのナイフエッジ２６と、ナイフエッジ２６を保持し且つ共振器の光軸方向へ移動させるナイフエッジホルダ２８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ装置に関する。
固体レーザ装置から出射されるレーザ光のビーム品質（ここでは横モードの品質を意味する）は、そのレーザ装置を使用したアプリケーションの性能に大きく影響する。
品質が劣化した（マルチモード化した）レーザ光を集光した場合、その集光スポット径は、所謂理想的なＴＥＭ００モード（シングルモード）のレーザ光を集光した場合よりも大きくなり、集光スポットにおける光密度が低下してしまう。これらのことが、レーザ加工分野においては、加工精度および加工速度の低下を招き、レーザ顕微鏡等の画像取得分野においては、画像分解能の低下を招いてしまう。
また、マルチモード化したレーザ光を出力するようなレーザ装置は、ビーム品質以外のレーザ性能にも、問題が生じている場合がある。例えば、モード同期固体レーザにおいては、マルチモードビームの影響により、共振器長で決まるパルス光の繰返し周期とは異なる周期のパルス光が生じてしまう現象が確認されている（例えば非特許文献１参照）。そのようなパルス光は、パルス光間の強度ばらつきがあるため、パルス光を応用する様々な場合において好ましくない。
また、特許文献１にも記載されているように、マルチモードを除去するため、共振器内に、アパーチャーやスリット、ナイフエッジ等のモードセレクターを搭載し、マルチモードビームにロスを与え、発振を抑制することが一般的に行われている。これらのモードセレクターでは、共振器光軸と垂直する方向に、アパーチャー径やスリット幅、ナイフエッジ位置の調整を行っている。
特開平２−１７０５８５
しかしながら、マルチモードビームに対して、ビームの中心に向って深くモードセレクターを挿入してしまうと、シングルモードにまでロスを与えてしまい、発振効率の低下を招いてしまう。そのため、マルチモードビームにのみロスを与えるには、モードセレクターの高精度な調整が必要となってくる。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、出射されるレーザ光の横モードを精度良く調整することができる固体レーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、共振器と、共振器内に配置された固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段と、共振器内の発振光の横モードを制御するためのモードセレクターと、前記モードセレクターを前記共振器の光軸方向へ移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、共振器内の発振光の横モードを制御するためのモードセレクターを共振器の光軸方向へ移動させる移動手段を備えた構成としたため、出射されるレーザ光の横モードを精度良く調整することができる。
なお、請求項２に記載したように、前記共振器が、半導体可飽和吸収ミラー及び共振器内の群速度分散を制御するための負分散ミラーを含んで成る構成としてもよい。
この場合、請求項３に記載したように、前記モードセレクターの位置が、前記共振器内を周回する発振光の繰り返し周波数と異なる周波数の光によるノイズが抑制され且つモード同期が維持された状態となる位置に調整されていることが好ましい。
また、請求項４に記載したように、前記励起手段からの励起光の前記固体レーザ媒質における集光スポットが楕円形状であり、前記モードセレクターは、前記発振光の前記楕円形状の長軸方向の光を遮断する構成としてもよい。
また、請求項５に記載したように、前記モードセレクターが、ナイフエッジ、スリット、及びアパーチャーの何れかである構成としてもよい。
本発明によれば、出射されるレーザ光の横モードを精度良く調整することができる、という効果を有する。
（Ａ）は固体レーザ装置の平面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。 ナイフエッジによる横モードの制御について説明するための図である。 従来の固体レーザ装置におけるレーザ光のビームスポットの形状を示す図である。 従来における固体レーザ装置におけるレーザ光の周波数スペクトルを示す線図である。 本発明に係る固体レーザ装置におけるレーザ光のビームスポットの形状を示す図である。 本発明に係る固体レーザ装置におけるレーザ光の周波数スペクトルを示す線図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（Ａ）には、本実施形態に係る固体レーザ装置１０の概略構成を示す平面図を、同図（Ｂ）には、側面図を示した。同図に示すように、固体レーザ装置１０は、共振器の両端がＳＥＳＡＭ１２と出力ミラー１４によって構成されたヘミスフェリカル共振器構造のモード同期レーザ装置である。
共振器内部には、ダイクロイックミラー１６と、固体レーザ媒質１８と、が配置されている。
固体レーザ媒質１８を励起するための励起光学系は、半導体レーザ２０及びセルフォックレンズ２２によって構成されている。
半導体レーザ２０は、一例として発振波長が９８０ｎｍ、発光幅５０μｍ、最大出力２．５Ｗのものを用いることができる。
セルフォックレンズ２２は、一例として９８０±５ｎｍの波長の光に対して２％以下の反射防止コーティングが施されている。
半導体レーザ２０から出射されたレーザ光、すなわち励起光は、セルフォックレンズ２２によって集光され、ダイクロイックミラー１６によって固体レーザ媒質１８の方向に折返される。
ダイクロイックミラー１６は、９８０±５ｎｍの波長の光に対して９５％以上の反射率を有し、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して反射率が０．２％以下の反射率を有するダイクロイックコーティングが施されている。
共振器内に配置された固体レーザ媒質１８は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）を添加した固体レーザ結晶であり、具体的には一例としてＹｂ：ＫＹＷ等が挙げられる。また、固体レーザ媒質１８は、一例としてＹｂ濃度５％、厚み１．５ｍｍのものを用いることができ、発振光が入射する両端面には、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して０．２％以下の反射率を有する反射防止コーティングが施されている。
共振器の一端を構成するＳＥＳＡＭ１２は、半導体可飽和吸収ミラーデバイスであり、一例として変調深さ（ΔＲ）０．５％、飽和フルーエンス（Ｆｓａｔ，Ｓ）１２０μＪ／ｃｍ２のものを使用することができる。ＳＥＳＡＭ１２は、出力ミラー１４から一例として約５０ｍｍの位置に配置される。
共振器の他端を構成する出力ミラー１４は、共振器内の群速度分散を補正する機能及び発振光に対してある程度の透過率を有する、曲率半径が一例として５０ｍｍの凹面ミラーとなっている。
また、出力ミラー１４の平面側には、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して０．２％以下の反射率を有する反射防止コーティングが施されており、出力ミラー１４の凹面側には、１０４５±１０ｎｍの波長の光に対して透過率が１％であり、群速度分散量が−１０００ｆｓ２の高反射負分散コーティングが施されている。
このような構成の固体レーザ装置１０では、半導体レーザ２０から出射された励起光によって固体レーザ媒質１８が励起され、共振器内を光パルスが周回して出力ミラー１４より超短パルス光が出射される。
また、出力ミラー１４は、ミラーホルダ２４に接着固定されており、ミラーホルダ２４上には、ナイフエッジ２６が接着固定されたナイフエッジホルダ２８が設けられている。図１（Ｃ）には、ミラーホルダ２４を同図（Ｂ）における矢印Ｂ方向から見た図を示した。同図（Ｃ）に示すように、ミラーホルダ２４は、凹字状となっており、その凹み部分に跨るように且つ同図（Ｂ）に示す矢印Ａ方向に移動可能にナイフエッジホルダ２８が設けられている。このナイフエッジホルダ２８を共振器の光軸方向、すなわち矢印Ａ方向に移動させることにより、マルチモードのレーザ光にロスを与え、横モードの制御を行うことができる。すなわち、楕円形状化した共振器内の発振光の長軸方向の光を、ナイフエッジ２６によって遮断することにより、出射されるレーザ光の横モードの品質を向上させることができる。
ナイフエッジ２６の位置は、共振器内を周回する光パルスの周波数と異なる周波数のパルス光によるノイズが抑制され且つモード同期が維持された状態となるように調整される。
上記で説明した各部品は、ペルチェ素子３０が接着された銅板３２上に接着されており、ペルチェ素子３０を図示しない駆動部によって駆動することによって、半導体レーザ２０を含む各部品の温度調整を行う。
このように、本実施形態に係る固体レーザ装置１０は、モードセレクターとしてのナイフエッジを共振器光軸に対して平行な方向に調整可能な構成としている。これにより、図２に示すように、拡散角θのマルチモードのレーザビームＬに対して共振器光軸Ｃと垂直な矢印Ｄ方向にナイフエッジ２６を挿入し、シングルモードのレーザビームになるまでビームを絞った場合のビーム深度に対して、ナイフエッジ２６を共振器光軸Ｃと平行な方向に移動させる場合の距離が１／ｔａｎθ分長くなるため、その分レーザ光の横モードを微調整しやすくなる。このため、レーザ光の横モードの調整精度を高めることが可能になる。
図３には、ナイフエッジ２６を非搭載の固体レーザ装置から発振されたレーザ光のビームプロファイルを示した。同図に示すように、このビームはｘ軸においては、Ｍ２＝１．０５であり、シングルモードとなっているが、ｙ軸方向においては、Ｍ２＝１．４であり、若干マルチモード化している傾向がある。これは、固体レーザ媒質内の励起光スポットが楕円形状（ｙ軸方向の長さ：８０μｍ、ｘ軸方向の長さ：２μｍ）となっており、発振光のスポット径（８０μｍ）と近い励起光スポットを持つｙ軸側が、熱レンズの影響によりマルチモード化しているものと考えられる。
図４には、固体レーザ装置から出射されたパルス光をホトディテクタで検出したＲＦスペクトルデータを示した。共振器長で決まる繰返し周波数約３ＧＨｚ以外に、その半分の周期付近にもピーク強度（以下ノイズと称す）が検出されている。これは、ｙ軸方向におけるマルチモード成分の影響であると考えられる。この状態から、共振器光軸に向かってｙ軸方向、すなわち楕円形状の長軸方向にナイフエッジを挿入していき、ｙ軸方向の横モードを抑制した時のビームプロファイルを図５に示した。また、図６には、この場合に固体レーザ装置１０から出射されたパルス光をホトディテクタで検出したＲＦスペクトルデータを示した。
図５に示すように、ｙ軸方向においてもＭ２＝１．０７のシングルモードとなっており、図６に示すように、ＲＦスペクトルについてもノイズが消滅していることが判る。ただし、共振器光軸に向かってｙ軸方向にナイフエッジを挿入していって始めにノイズが消滅する位置から、ナイフエッジをさらにビームの中心に向けて進入させた場合、前記位置からの距離が２０μｍになった時点で出力が低下し、モード同期がかからなくなった。一方、図１の固体レーザ装置１０におけるナイフエッジホルダ２８を移動させることにより、初期位置から共振器光軸方向（ｚ軸方向、図１の紙面において右方向）に移動させた場合、始めにノイズが消滅する位置から約２ｍｍの位置において、同様にモード同期がかからなくなった。つまり、共振器光軸に対し垂直方向にナイフエッジを挿入する場合に対して、共振器光軸方向に移動させる方が、はるかにナイフエッジ２６の移動許容度が大きくなったことがわかった。
なお、本実施形態では、モードセレクターとしてナイフエッジ２６を用いた場合について説明したが、これに限らず、スリットやアパーチャーを用いてもよい。
１０ 固体レーザ装置
１２ ＳＥＳＡＭ（共振器）
１４ 出力ミラー（共振器）
１６ ダイクロイックミラー
１８ 固体レーザ媒質
２０ 半導体レーザ（励起手段）
２２ セルフォックレンズ（励起手段）
２４ ミラーホルダ
２６ ナイフエッジ（モードセレクター）
２８ ナイフエッジホルダ（移動手段）
３０ ペルチェ素子
３２ 銅板

Claims (5)

  1. 共振器と、
    共振器内に配置された固体レーザ媒質と、
    固体レーザ媒質に励起光を入射させる励起手段と、
    共振器内の発振光の横モードを制御するためのモードセレクターと、
    前記モードセレクターを前記共振器の光軸方向へ移動させる移動手段と、
    を備えた固体レーザ装置。
  2. 前記共振器が、半導体可飽和吸収ミラー及び共振器内の群速度分散を制御するための負分散ミラーを含んで成る
    請求項１記載の固体レーザ装置。
  3. 前記モードセレクターの位置が、前記共振器内を周回する発振光の繰り返し周波数と異なる周波数の光によるノイズが抑制され且つモード同期が維持された状態となる位置に調整されている
    請求項２記載の固体レーザ装置。
  4. 前記励起手段からの励起光の前記固体レーザ媒質における集光スポットが楕円形状であり、前記モードセレクターは、前記発振光の前記楕円形状の長軸方向の光を遮断する
    請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の固体レーザ装置。
  5. 前記モードセレクターが、ナイフエッジ、スリット、及びアパーチャーの何れかである
    請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の固体レーザ装置。
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