JP2013219209A - 固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アパーチャーを１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体レーザ光源１１と、半導体レーザ光源１１のエミッタ厚み方向がエミッタ幅方向より小さくなるように集光する集光レンズ１３と、集光レンズ１３からの励起レーザ光１２を受光して基本波光２０を発生するレーザ媒質１４と、レーザ媒質１４との間で基本波光２０を共振させる凹面ミラー２３と、長辺と短辺で形成された開口部１９を有し基本波光２０の少なくとも一部を通過させてエミッタ幅方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャー１８と、を備え、アパーチャー１８は、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３との間に配置され、開口部１９の短辺方向が半導体レーザ光源１１のエミッタ幅方向と同一方向であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は高出力のシングルモードのレーザを得ることのできる半導体レーザ励起の固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置に関するものである。

近年、半導体レーザで励起する固体レーザ装置が研究開発されている。半導体レーザ励起の固体レーザ装置とは、半導体レーザから出射されるレーザ光によりレーザ媒質を励起こし、レーザ媒質と共振器ミラーにより形成される共振器によりレーザ光を発生させる装置である。

半導体レーザで励起する固体レーザ装置は、半導体レーザを用いてレーザ媒質を励起するため、アークランプ等のランプで励起するよりも小型化、高効率化が可能である。なぜならば、半導体レーザは理想的な点光源に近いことから、集光性に優れており、光学系の小型化を可能とする。また、半導体レーザは、アークランプに比べて電気から光への変換効率が高いため、発熱量を抑えることができ冷却装置の小型化が可能となっている。

さらに、半導体レーザから発せられるレーザ光の波長は、ランプの光に比べ波長帯域が狭いため、半導体レーザから発せられるレーザ光の波長帯域と固体レーザ装置に使用されるレーザ媒質の吸収波長帯域とを適切に選んでやることで、効率よくレーザ媒質を励起することのできる固体レーザ装置を実現することができる。

固体レーザ装置は、加工、計測、の光源等に幅広く使用されている。また、固体レーザ装置の共振器内に波長変換素子を挿入した波長変換装置も研究開発されている。固体レーザ装置の共振器内に波長変換素子を挿入することで、固体レーザ装置で生成されるレーザ光を基本波光とし高調波光を生成する構成である。波長変換装置は、加工、計測、さらに、レーザディスプレイの光源として利用されている。

このようなレーザ装置においては、ビームの品質も重要な特性のひとつである。特に、レーザビーム断面の強度分布を表す横モードは、マルチモードではなく、シングルモードが好ましい。なぜならば、シングルモードであれば、ビームの集光性や波長安定性に優れ、レーザを使った加工の精度や計測の精度を高くすることが可能だからである。

シングルモードのビームを得るために、従来では、例えば（特許文献１）に示されるように、共振器内部にアパーチャーを挿入する方法がある。アパーチャーを共振器内に挿入することにより、マルチモードのビームの発振を抑えシングルモードのビームのみを取り出すことが可能となる。

特開平１１−１０３１１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、アパーチャーの中心と、固体レーザ装置のレーザビームの光軸中心とを精度良く一致させるため、アパーチャーを２軸方向で調整する必要があった。そのため、アパーチャーの中心と、固体レーザ装置のレーザビームの光軸中心とを一致させる際に、多くの時間を要するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、アパーチャーを１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、マルチモードの励起レーザ光を発生する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向がエミッタ幅方向より小さくなるように集光する集光レンズと、前記集光レンズからの励起レーザ光を受光して基本波光を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質との間で前記基本波光を共振させる共振器ミラーと、長辺と短辺で形成された開口部を有し前記基本波光の少なくとも一部を通過させてエミッタ幅方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャーと、を備え、前記アパーチャーは、前記レーザ媒質と前記共振ミラーとの間に配置され、前記開口部の短辺方向が前記半導体レーザ光源のエミッタ幅方向と同一方向であることを特徴とする。

これにより、マルチモードレーザ光として発生した基本波光をレーザ媒質と共振ミラーとの間で共振させる際に、この基本波光をシングルモードレーザ光に変換することができる。また、半導体レーザ光源のエミッタ幅方向にアパーチャーを移動させるだけで、アパーチャーの中心とレーザビームの光軸中心とを容易に一致させることができる。その結果、アパーチャーを１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置を実現することができる。また、高価な半導体レーザ光源を用いることなく、シングルモードのレーザ光を得ることができるため、低コストの固体レーザ装置を実現することができる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アパーチャーを１軸方向に調整するだけで容易にシングルモードのレーザ光を得ることができるので、高出力のシングルモードのレーザを得ることのできる半導体レーザ励起の固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置に適応可能である。

本発明の実施の形態１における固体レーザ装置の概略構成図 本発明の実施の形態２における波長変換装置の概略構成図 本発明の実施の形態２における波長変換装置の詳細斜視図 波長変換装置の概略構成図 本発明の実施の形態３におけるアパーチャーの斜視図 アパーチャー斜視図 本発明の実施の形態４における固体レーザ装置の概略構成図 アパーチャーの構成図 アパーチャーの構成図 アパーチャーの短辺方向の長さと基本波光のビーム径との関係を示す図

請求項１記載の発明は、マルチモードの励起レーザ光を発生する半導体レーザ光源と、半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向がエミッタ幅方向より小さくなるように集光する集光レンズと、集光レンズからの励起レーザ光を受光して基本波光を発生するレーザ媒質と、レーザ媒質との間で前記基本波光を共振させる共振器ミラーと、長辺と短辺で形成された開口部を有し基本波光の少なくとも一部を通過させてエミッタ幅方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャーと、を備え、アパーチャーは、レーザ媒質と共振器ミラーとの間に配置され、開口部の短辺方向が半導体レーザ光源のエミッタ幅方向と同一方向であることを特徴とする。これにより、マルチモードレーザ光として発生した基本波光をレーザ媒質と共振ミラーとの間で共振させる際に、この基本波光をシングルモードレーザ光に変換することができる。また、半導体レーザ光源のエミッタ幅方向にアパーチャーを移動させるだけで、アパーチャーの中心とレーザビームの光軸中心とを容易に一致させることができる。その結果、アパーチャーを１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置を実現することができる。また、高価な半導体レーザ光源を用いることなく、シングルモードのレーザ光を得ることができるため、低コストの固体レーザ装置を実現することができる。

請求項２記載の発明は、アパーチャーの開口部における短辺の長さは、その開口部を通過する基本波光のシングルモードビーム径の１．５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする。これにより、高出力なシングルモードのレーザ光を得ることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の固体レーザ装置と、基本波光を高調波光に変換する波長変換素子と、を備え、波長変換素子は、高調波光を反射する反射膜を片面に有し、レーザ媒質とアパーチャーとの間に配置されることを特徴とする。これにより、波長変換素子が高調波光を反射する反射膜を有するので、光利用効率を高くすることができ、波長変換素子がレーザ媒質とアパーチャーとの間に配置されるので、基本波光から高調波光へ効率よく変換することができる。

請求項４記載の発明は、エミッタ幅方向にマルチモードの励起レーザ光を発生する半導体レーザ光源と、励起レーザ光を受光して半導体レーザ光源の基本波光を発生するレーザ媒質と、レーザ媒質との間で基本波光を共振させる共振器ミラーと、長辺と短辺で形成された開口部を有し基本波光の少なくとも一部を通過させてエミッタ厚み方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャーと、を備え、アパーチャーは、レーザ媒質と共振器ミラーとの間に配置され、開口部の短辺方向が半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向と同一方向であることを特徴とする。これにより、マルチモードレーザ光として発生した基本波光をレーザ媒質と共振ミラーとの間で共振させる際に、この基本波光をシングルモードレーザ光に変換することができる。また、半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向にアパーチャーを移動させるだけで、アパーチャーの中心とレーザビームの光軸中心とを容易に一致させることができる。その結果、アパーチャーを１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置を実現することができる。また、高価な半導体レーザ光源を用いることなく、シングルモードのレーザ光を得ることができるため、低コストの固体レーザ装置を実現することができる。

請求項５記載の発明は、アパーチャーの開口部における短辺の長さは、開口部を通過する基本波光のシングルモードビーム径の１．５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする。これにより、高出力なシングルモードのレーザ光を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における固体レーザ装置の概略構成図である。

図１において、励起用の横マルチモード半導体レーザ光源としての半導体レーザ１１は８００ｎｍ帯の励起レーザ光１２を出射しており、例えば８０８ｎｍ近傍の波長を出力する半導体レーザである。半導体レーザ１１のチップのエミッタ幅は２０μｍ以上であり、例えば２００μｍである。半導体レーザ１１のエミッタ幅は、一般に高出力になればなるほど長くなる。なぜならば、エミッタ端面の光密度の増大を抑え、端面の破壊を防ぐことができるからである。

集光レンズ１３は、例えば、ボールレンズやロッドレンズ等の光を集光することが可能なレンズであり、励起レーザ光１２をレーザ媒質としてのレーザ媒質１４に集光している。励起レーザ光１２は、例えば、半導体レーザ１１のチップ面をレーザ媒質１４内に１対１で投影するように集光している。集光レンズ１３により励起レーザ光１２を集光してレーザ媒質を励起するため、効率のよい固体レーザ装置を実現することができる。レーザ媒質１４は、たとえば、Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ（以下、Ｎｄ）をドープしたＹｔｔｒｉｕｍ Ｖａｎａｄａｔｅ（以下、ＹＶＯ４）であり（以下、ＮｄをドープしたＹＶＯ４をＮｄ：ＹＶＯ４とする）、８００ｎｍ帯のレーザ光を吸収し、基本波光２０としての、１０６４ｎｍの波長の光を発生する。

凹面ミラー２３は、レーザ媒質１４の出射方向側に配置され、レーザ媒質１４の入射端面１５と凹面ミラー端面２１とで共振器を構成している。レーザ媒質１４の入射端面１５と、凹面ミラー２３の凹面ミラー端面２１との距離は、例えば８ｍｍであり、凹面ミラーの曲率半径は例えば４０ｍｍである。レーザ媒質１４の出射端面１６は、共振器の基本波光２０に対する損失を低減するために、基本波光２０に対して、例えば、９５％以上の透過率を有する透過膜が生成されている。なお、基本波光２５は凹面ミラー２３から出射される基本波光である。

長辺と短辺で形成された開口部１９を備えたアパーチャー１８は、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３の間に配置されている。開口部１９のアスペクト比は、２以上であり、例えば、エミッタ厚み方向に２ｍｍであり、エミッタ幅方向には、０．３ｍｍである。開口部１９により、基本波光２０の横モードはシングルモードとなり、凹面ミラー２３より、固体レーザ装置１より外部へ出力される。

次に、アパーチャー１８を挿入することで、基本波光２０がシングルモードになる理由を下記に述べる。

半導体レーザ１１のエミッタの厚みは、一般に数μｍ以下である。そのため、エミッタ厚み方向の励起レーザ光１２は、集光レンズ１３により、レーザ媒質１４に容易に数μｍの大きさに集光することができる。実施の形態１にかかる固体レーザ装置１では、レーザ媒質１４の入射端面１５と、凹面ミラー２３の凹面ミラー端面２１とで構成される共振器の、レーザ媒質１４内のシングルモードビーム径は、１５０μｍとなる。そのため、エミッタ厚み方向の励起レーザ光１２は、シングルモードビーム径よりも十分小さくすることができ、エミッタ厚み方向の基本波光２０はシングルモードのビームとすることができる。

一方、エミッタ幅方向の励起レーザ光１２は、エミッタの幅が２００μｍと大きいため、１５０μｍよりも十分小さくすることが難しい。例えば、エミッタの面をレーザ媒質１４内に１対１で投影している場合、エミッタ幅方向の励起レーザ光１２は、２００μｍ程度となる。この２００μｍは基本波光のシングルモードのビーム径よりも大きいため、基本波光２０のエミッタ幅方向のビームはマルチモードとなってしまう。基本波光２０のエミッタ幅方向をシングルモードのビームにすべく、開口部１９を有するアパーチャー１８を挿入する。開口部１９を共振器に応じた適当な長さにすることで、基本波光２０のマルチモード成分を抑えることができ、シングルモードのビームにすることができる。

ここで、アパーチャー１８は、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３との間に配置され、開口部１９の短辺方向が半導体レーザ１１のエミッタ幅方向と同一方向である。これにより、マルチモードレーザ光として発生した基本波光２０をレーザ媒質１４と凹面ミラー２３との間で共振させる際に、この基本波光２０をシングルモードレーザ光に変換することができる。また、半導体レーザ１１のエミッタ幅方向にアパーチャー１８を移動させるだけで、アパーチャー１８の中心とレーザビームの光軸中心とを容易に一致させることができる。その結果、アパーチャー１８を１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置を実現することができる。また、高価な半導体レーザ光源を用いることなく、シングルモードのレーザ光を得ることができるため、低コストの固体レーザ装置を実現することができる。

さらに、開口部１９のエミッタ幅方向の長さ、すなわち、開口部１９の短辺の長さをシングルモードのビーム径の１．５倍以上、２．５倍以下程度にすることで、基本波光２０のマルチモードの成分を抑えることができ、かつ、シングルモードの成分の光出力の低下を防ぐことが可能となる。

次に、アパーチャー１８の固体レーザ装置１への設置について下記に述べる。

アパーチャー１８は、レーザ媒質１４と、凹面ミラー２３の間に挿入する。アパーチャー１８の挿入前の基本波光２０は、エミッタ厚み方向にはシングルモードのビームであり、エミッタ幅方向にはマルチモードのビームである。ここで、基本波光２０のビームの光路は、励起レーザ光１２のレーザ媒質１４に入射する位置や、レーザ媒質１４の傾きに応じてばらつきを生じる。そのため、アパーチャー１８を挿入する際、エミッタ幅方向は、開口部１９の中心をビームが通るように、アパーチャーを調整する必要がある。一方、エミッタ厚み方向には、開口が十分大きいため調整が不要である。そのため、エミッタ幅方向のみにアパーチャー１８を調整すればよく、２軸調整と比べて調整及び接着が容易であり、低コストのシングルモード固体レーザ装置を実現することができる。

なお、励起用半導体レーザ光源は、８８０ｎｍ帯でもよく、レーザ媒質１４に吸収される波長であればよい。そのため、レーザ媒質１４の種類に応じて、最適な波長の励起用レーザ光源を選定すればよい。また、レーザ媒質は、ＮｄをＧａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｖａｎａｄａｔｅ（以下、ＧｄＶＯ４）にドープしたものでもよい（以下、ＮｄをドープしたＧｄＶＯ４をＮｄ：ＧｄＶＯ４とする）。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４はレーザ媒質の熱伝導率が高いため、レーザ媒質の温度上昇を防ぐことができる。レーザ媒質の温度を低減すればレーザ媒質の変換効率を高くできるため、効率のよい波長変換装置を実現できる。また、レーザ媒質１４はＹｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ（以下、Ｙａｇ）にＮｄをドープしたものでもよい（以下、ＮｄをドープしたＹａｇをＮｄ：Ｙａｇとする）。Ｎｄ：Ｙａｇは比較的安価なレーザ媒質であるため、低コストの波長変換装置を実現することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態２における波長変換装置の概略構成図である。本発明の実施の形態２における波長変換装置２は、本発明の実施の形態１の固体レーザ装置１に波長変換素子３０をさらに備えたものである。なお、図２に示す符号が図１に示す符号と同一番号の場合、その符号は図１の符号と同一機能を有する。

波長変換素子３０は、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３の間に挿入され、共振器内の基本波光２０を高調波光３１としての、例えば５３２ｎｍの光に波長変換する。波長変換素子３０は例えば、マグネシウム（以下、Ｍｇ）がドープされた、強誘電体結晶ニオブ酸リチウム（以下、ＬＮ）に分極反転を形成したものである。このような構成とすることで、シングルモードの高調波光３１を得ることができる。

図３は、本発明の実施の形態２における波長変換装置の詳細斜視図である。ベース５１に各部材を配置している。なお、図３に示す符号が図１および図２に示す符号と同一番号の場合、その符号は図１および図２の符号と同一機能を有する。

図３に示すとおり、エミッタ幅方向には短い開口部１９を有するアパーチャー１８をレーザ媒質１４と凹面ミラー２３の間に挿入する。そして、エミッタ幅方向のみ調整し、アパーチャー１８を配置することにより、シングルモードの高調波光を得ることができる。

なお、開口部１９の必要加工精度を低減し、部材コストを低減してコスト低減を図りたい場合、アパーチャー１８を挿入する位置は、波長変換素子３０と凹面ミラー２３の間が好ましい。なぜならば、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３で生成される基本波光のシングルモードのビーム径は、レーザ媒質１４の入射面で最も小さく、凹面ミラー２３に近づくにつれて大きくなる。開口部１９のエミッタ幅方向の長さは、シングルモードビーム径の１．５倍以上、２．５倍以下が好ましいため、開口部１９のエミッタ幅方向の長さは、レーザ媒質１４に近い箇所で挿入する場合に比べて、凹面ミラー２３に近い箇所で挿入する場合、長くなる。つまり、開口部１９の長さの尤度の絶対値は、レーザ媒質１４の付近にアパーチャー１８を挿入するときよりも、凹面ミラー２３の付近にアパーチャー１８を挿入するときのほうが大きくなる。そのため、凹面ミラー２３の付近にアパーチャー１８を挿入することで、必要加工精度を低減することができ、低コストの波長変換装置を実現することができる。

なお、波長変換装置２の光利用効率を向上させたい場合、波長変換素子３０は、前記高調波光を反射する反射膜を入射面に有し、アパーチャー１８は、レーザ媒質１４と、波長変換素子３０との間に配置されていることが好ましい。

図４は、波長変換装置の概略構成図であり、アパーチャーを波長変換素子とレーザ媒質の間に挿入した構成を示す図である。

図４において、レーザ媒質１４と凹面ミラー２３の間で基本波光２０は往復している。そのため、波長変換素子３０を挿入して高調波光３１を得る際、厳密には紙面の左右の両方向に高調波光３１が発生する。紙面左方向に進む高調波光（図示せず）を凹面ミラー２３から取り出して利用するには、レーザ媒質１４あるいは、波長変換素子３０で紙面右方向に反射させる必要がある。レーザ媒質１４は、一般に高調波光を吸収してしまうため、効率よく取り出すには、波長変換素子３０の入射面で反射させることが好ましい。この時、アパーチャー１８を波長変換素子３０と凹面ミラー２３の間に挿入すると、波長変換素子３０の入射面で反射された高調波光３２を遮蔽してしまう可能性がある。

なお、もともと紙面右方向につくられた高調波光３１は、基本波光２０と同じ光路であるため、アパーチャー１８に遮蔽されることはない。アパーチャー１８を、波長変換素子３０とレーザ媒質１４の間に配置すれば、波長変換素子３０の入射面で反射されて紙面右方向に進む高調波光３２になんら問題を与えない。このような理由により、波長変換素子３０は、前記高調波光を反射する反射膜を入射面に有し、アパーチャー１８は、レーザ媒質１４と波長変換素子３０との間に配置されていることで、光利用効率の高い、シングルモードのビームを得ることのできる、波長変換装置を実現することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明の実施の形態３におけるアパーチャーの斜視図であり、このアパーチャーは固体レーザ装置、あるいは波長変換装置に用いられるものである。アパーチャー５は、少なくとも２つ以上の開口部を有し、１つは円形の開口部４２であり、１つはＶ字形の開口部４３である。アパーチャー５以外の構成は、本発明の実施の形態１における固体レーザ装置、あるいは実施の形態２における波長変換装置と同一である。アパーチャー５を固体レーザ装置の共振器内、あるいは、波長変換装置の共振器内に挿入する際、Ｖ字形の開口部４３は、粗調のためのガイドとして用いられる。一方、円形の開口部４２は、マルチモードの基本波光をシングルモードに整形するために用いられる。

円形の開口部４２は、基本波光の光軸中心に配置する必要があり、エミッタ厚み方向とエミッタ幅方向の２軸調整が必要となる。調整の際、円形の開口部４２を基本波光の光軸中心と一致させることは非常に難しい。なぜならば、基本波光の光軸中心と、円形の開口部４２の位置がずれていれば、共振器として構成できないため、基本波光は発生せず、観測するビームがないからである。つまり、円形の開口部４２と、基本波光の光軸の相対位置関係が不明であるため、アパーチャー５を、エミッタ厚み方向にどれだけ動かせばよいかわからず、また、エミッタ幅方向にどれだけ動かせばよいかわからないのである。そのため、基本波光が円形の開口部４２を通過し、ビームが観測できるまで、エミッタ厚み方向とエミッタ幅方向にアパーチャー５を走査する必要がある。

このような問題を解決するために、Ｖ字形の開口部４３を備えている。Ｖ字型の開口部４３は、アパーチャー５の粗調整のために用いる。Ｖ字型の開口部４３の開口が広い部分はエミッタ幅方向に十分に長く、その長さは基本波光の位置ずれや、アパーチャー５の初期挿入位置の誤差を十分許容するものである。まず、Ｖ字形の開口部４３内を基本波光が通過するように、アパーチャー５を配置する。Ｖ字形の開口部４３の開口が広い部分は十分に大きいため、アパーチャーの位置調整なしでＶ字形の開口部４３内を基本波光が通過する。そして次に、エミッタ厚み方向のＶ字形の開口部が狭くなる方向に、アパーチャー５を移動させる。この時、基本波光が小さくなると、Ｖ字形の開口部４３のエッジ部に基本波光が接し始めたということであるので、アパーチャー５をエミッタ幅方向に移動させる。そして、ビームが大きくもどれば、Ｖ字型の開口部４３のエミッタ幅方向の中央に基本波光が近づいていることがわかる。

同様に、エミッタ厚み方向と、エミッタ幅方向にアパーチャー５を動かしていくと、最終的にＶ字形の開口部４３のＶ字の頂点近傍を基本波光が通過することになる。この状態になると、アパーチャー５をエミッタ厚み方向のＶ字形の開口部が狭くなる方向にのみ移動させる。そうすることにより、基本波光は、アパーチャー５により一旦ビームが消えるが、その後、円形の開口部４２を通過しビームが発生する。

このような構成とすることにより、Ｖ字型の開口部４３を位置合わせの粗調に用いることで、少ない工数で円形の開口部４２と基本波光の光軸中心を一致させることができ、低コストの固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現することができる。また、円形の開口部４２を基本波光が通過しているため、例えば、凹面ミラー２３が位置ずれを起こした場合でも、基本波光はシングルモードのビームであるため、高い信頼性を有する固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現するこができる。なお、開口部は２つ以上あってもよい。

図６は、アパーチャーの斜視図であり、開口部が３つあるものである。第二の円形の開口部４４が、アパーチャー５に追加されたものである。第二の円形の開口部４４の直径は、円形の開口部４２と異なっている。このような構成とすることで、基本波光のシングルモードビーム径のばらつきがある場合に、円形の開口部４２と第二の円形の開口部４４との２つの開口部から最適なものを選ぶことが可能となる。このような構成とすることにより、高出力なシングルモードの基本波光あるいは、高調波光を得ることのできる、固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現することができる。なお、シングルモードのビーム径のばらつきの発生要因は、光学素子の形状のばらつき、配置のばらつき、レーザ媒質や波長変換素子の温度上昇による屈折率変化等の影響が考えられる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図７は、本発明の実施の形態４における固体レーザ装置の概略構成図である。

実施の形態４における固体レーザ装置は、実施の形態１における固体レーザ装置と比較して、次に示す点で相違する。１点目は、集光レンズがなく、半導体レーザ１１とレーザ媒質１４が近接して配置されており、半導体レーザ１１と、レーザ媒質１４の距離は、例えば２００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下となっている。２点目は、アパーチャー７０の開口部７１の長さが短い方向がエミッタ厚み方向になっていることである。

半導体レーザ１１は、エミッタの厚みが数μｍ以下であり、かつ、エミッタの幅が２０μｍ以上であるため、エミッタ幅方向に比べ、エミッタ厚み方向に励起レーザ光１２は大きく拡がる。なぜならば、光は、回折により出射する幅が小さければ小さいほど拡がるという性質をもっているからである。集光レンズを用いずにレーザ媒質１４を励起レーザ光１２で励起する場合、励起レーザ光１２を効率よくレーザ媒質１４の中に入射させるには、半導体レーザ１１とレーザ媒質１４との距離を２００μｍ以下程度に小さくする必要がある。特に、エミッタ厚み方向には、励起レーザ光１２が大きく拡がるため、５０μｍ以下にすることがより好ましい。そうすることにより、レーザ媒質１４の中での励起レーザ光１２の拡がりを抑えて、さらに効率よくレーザ媒質１４を励起することが可能となる。

一方、エミッタ幅方向の励起レーザ光の拡がりは、エミッタ厚み方向に比べて小さいため、エミッタ幅方向の励起レーザ光１２を、基本波光２０のシングルモードビーム径以下に抑えることが可能となり、エミッタ幅方向にシングルモードの基本波光２０を生成することができる。つまり、共振器光は、アパーチャー７０がない場合に、エミッタ厚み方向にマルチモードのビームとなり、エミッタ幅方向にシングルモードのビームとなる。

アパーチャー７０は、長辺と短辺で形成された開口部７１を有しており、エミッタ厚み方向にのみ、基本波光２０をシングルモードにするように共振器光のシングルモードビーム径の１．５倍以上、２．５倍以下の長さの開口となっている。一方、開口部７１のエミッタ幅方向は、エミッタ厚み方向に比べて十分長くなっている。すなわち、開口部７１の短辺方向が半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向と同一方向となっている。

このような構成とすることにより、マルチモードレーザ光として発生した基本波光２０をレーザ媒質１４と凹面ミラー２３との間で共振させる際に、この基本波光２０をシングルモードレーザ光に変換することができる。また、半導体レーザ１１のエミッタ厚み方向にアパーチャー７０を移動させるだけで、アパーチャー７０の中心とレーザビームの光軸中心とを容易に一致させることができる。その結果、アパーチャー７０を１軸方向に調整するだけで、マルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができる固体レーザ装置を実現することができる。また、高価な半導体レーザ光源を用いることなく、シングルモードのレーザ光を得ることができるため、低コストの固体レーザ装置を実現することができる。また、集光レンズを使用する構成に比べて、部品点数を削減することができ、低コストな固体レーザ装置を実現することができる。

なお、波長変換素子を追加することで、シングルモードの高調波光を得ることのできる、波長変換装置を実現できることは言うまでもない。

また、アパーチャー７０は、ブラスト処理、レイデント処理、黒塗装等の反射防止処理をしていることが好ましい。このような構成とすることで、迷光の発生を防止することができる。

また、アパーチャー７０は、板金、ダイカスト、機械加工での削りだし、エッチング等で加工されてもよい。

さらに、エッチングによる薄型構造の場合、アパーチャー７０は調整保持部と、調整設置部に切り分けできる構造でもよい。

図８は、アパーチャーの構成図であり、エッチングにより作製されたものである。

エッチングにより作製されたアパーチャー８は、開口部６３と、調整設置部６１と、切り分けのための梁部６４と、調整保持部６２からなる。調整保持部６２は、調整設置部６１よりも十分大きく、例えば調整治具により、容易に保持することが可能となっている。そのため、調整治具の構造を簡素化することができ、高精度の調整が可能となる。アパーチャー８を調整し接着した後は、梁部６４を切断することで、固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置内に、調整設置部６１のみを残すことができ、小型の固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現することができる。このような構成とすることにより、アパーチャー８を高精度に配置することが可能で、かつ、小型な固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現することができる。

なお、アパーチャーの調整が、開口部のスリットの直交方向に難しい場合、開口部のスリットが斜めになっていることが好ましい。

図９は、アパーチャーの構成図であり、図９（ａ）はスリットが調整方向と直交している場合を示し、図９（ｂ）はスリットが調整方向と直交していない場合を示す。

アパーチャー１０１はスリット１０２を有し、スリットの直交方向に調整を行う。この調整方向１に調整が難しい場合、アパーチャー１１１のように、スリット１１２を斜めに有していることが好ましい。このような構成とすることで、基本波光に対しては、調整方向２に調整する場合でも、スリット１１２が斜めになっていることにより、調整方向１にもスリットが移動することになる。つまり、調整方向２の調整を、等価的に調整方向１の調整に変換することができるのである。こうすることにより、アパーチャーの調整が、開口部のスリットの直交方向に難しい場合でも、調整が可能となり、シングルモードのビームを出力する、固体レーザ装置、あるいは、波長変換装置を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について、例を上げて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、様々な変形ができることは言うまでもない。

図１０は、アパーチャーの短辺方向の長さと基本波光のビーム径との関係を示す図であり、基本波光のビーム径はアパーチャーの開口部を通過する際のビーム径を示したものである。

アパーチャーの短辺の長さを変化させて、固体レーザ装置の出力とＭ２（エムスクエア）を測定したグラフである。なお、Ｍ２はシングルモードのビームの尺度を示す値であり、理想的なシングルモードはＭ２が１となる。アパーチャーの短辺長さが、レーザ媒質と共振器ミラーで構成されるシングルモードビーム径の３倍となるときを１００％パワーとして、実線でプロットしている。また、破線はその時のＭ２をプロットしている。

図１０から明らかなように、アパーチャーの短辺を小さくすれば、パワー、Ｍ２ともに小さくなっていることがわかる。つまり、シングルモードに近づくほど、出力が低下しているといえる。可能な限り、高出力かつシングルモードのレーザ光を得るには、アパーチャー短辺長さがシングルモードビーム径の１．５倍以上、２．５倍以下であることが好ましい。なぜならば、アパーチャー短辺長さがシングルモードビーム径の１．５倍よりも小さければ、出力が急峻に低下し、アパーチャー短辺長さがシングルモードビーム径の２．５倍よりも大きければ、Ｍ２が急激に増大し、シングルモードとならないからである。

本発明は、アパーチャーを１軸方向に調整するだけでマルチモードのレーザ光からシングルモードのレーザ光を容易に得ることができるので、高出力のシングルモードのレーザを得ることのできる半導体レーザ励起の固体レーザ装置、及びそれを用いた波長変換装置に適応可能である。

１ 固体レーザ装置
２ 波長変換装置
３ 波長変換装置
４ 波長変換装置
５ アパーチャー
６ アパーチャー
７ 固体レーザ装置
８ アパーチャー
１１ 半導体レーザ
１２ 励起レーザ光
１３ 集光レンズ
１４ レーザ媒質
１５ 入射端面
１８ アパーチャー
１９ 開口部
２０ 基本波光
２１ 凹面ミラー端面
２３ 凹面ミラー
２５ 基本波光
３０ 波長変換素子
３１ 高調波光
５１ ベース
４２ 開口部
４３ 開口部
４４ 開口部
６１ 調整設置部
６２ 調整保持部
６３ 開口部
６４ 梁部
７０ アパーチャー
７１ 開口部
１０１ アパーチャー
１０２ スリット
１１１ アパーチャー
１１２ スリット

Claims (5)

1. マルチモードの励起レーザ光を発生する半導体レーザ光源と、
   前記半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向がエミッタ幅方向より小さくなるように集光する集光レンズと、
   前記集光レンズからの励起レーザ光を受光して基本波光を発生するレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質との間で前記基本波光を共振させる共振器ミラーと、
   長辺と短辺で形成された開口部を有し前記基本波光の少なくとも一部を通過させてエミッタ幅方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャーと、を備え、
   前記アパーチャーは、前記レーザ媒質と前記共振器ミラーとの間に配置され、前記開口部の短辺方向が前記半導体レーザ光源のエミッタ幅方向と同一方向であることを特徴とする固体レーザ装置。
2. 前記アパーチャーの開口部における短辺の長さは、前記開口部を通過する基本波光のシングルモードビーム径の１．５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
3. 請求項１記載の固体レーザ装置と、
   前記基本波光を高調波光に変換する波長変換素子と、を備え、
   前記波長変換素子は、前記高調波光を反射する反射膜を片面に有し、前記レーザ媒質と前記アパーチャーとの間に配置されることを特徴とする波長変換装置。
4. エミッタ幅方向にマルチモードの励起レーザ光を発生する半導体レーザ光源と、
   前記励起レーザ光を受光して前記半導体レーザ光源の基本波光を発生するレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質との間で前記基本波光を共振させる共振器ミラーと、
   長辺と短辺で形成された開口部を有し前記基本波光の少なくとも一部を通過させてエミッタ厚み方向のマルチモードレーザ光の発振を抑制するアパーチャーと、を備え、
   前記アパーチャーは、前記レーザ媒質と前記共振器ミラーとの間に配置され、前記開口部の短辺方向が前記半導体レーザ光源のエミッタ厚み方向と同一方向であることを特徴とする固体レーザ装置。
5. 前記アパーチャーの開口部における短辺の長さは、前記開口部を通過する基本波光のシングルモードビーム径の１．５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする請求項４記載の固体レーザ装置。