JP2014229738A - 平面導波路型レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得る。
【解決手段】平面導波路形状のレーザ媒質３の１対の端面４、５にレーザ光高反射膜１３、１４を施し、これらのレーザ光高反射膜１３、１４によりレーザ光８を反射させてジグザグ伝搬させる。レーザ媒質３の１対の端面４、５のうち、少なくともいずれか一方の端面４、５と直交する側面６を備え、端面４または端面５と側面６により形成される頂点部によりレーザ光８を反射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面導波路構造のレーザ媒質内でジグザグにレーザ光を伝搬させてレーザ光の発振および増幅を行うレーザ発振器やレーザ増幅器に適用される平面導波路型レーザ装置に関する。

従来、平面導波路形状のレーザ媒質において、レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ反射コートを設け、２つの反射コート間でレーザ光を反射させることにより、レーザ光をレーザ媒質内でジグザグに伝搬させ、レーザ光の増幅を行うようにした平面導波路型レーザ装置があった（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１には、反射コートを設けた１対の端面に角度を設ける（非平行とする）ことにより、レーザ媒質内でジグザグ伝搬させたレーザ光を折り返し反射させ、レーザ光の入射部からレーザ出力を取り出す構成が開示されている。

このような構成では、レーザ媒質内でのレーザ光の伝搬光路長を長くすることができ、高利得なレーザ光の増幅が可能となる。また、特許文献１には、レーザ媒質の側面から励起光を入力する構成が記載されているが、このように構成することで、レーザ光と励起光のオーバラップを高めることができ、レーザ光の効率の良い増幅を行うことができる。

米国特許出願公開第２００３／００６３８８４号明細書

レーザ媒質内では、入力された励起光が吸収されることによって発熱が生じ、励起光の伝搬方向に沿って温度分布が生じる。また、励起光強度分布の空間分布がある場合にも温度分布が生じる。レーザ媒質では、温度分布によって屈折率分布が生じ、熱レンズ効果として一般的に良く知られているように、この屈折率分布はレーザ媒質内を伝搬するレーザ光のビーム伝搬状態に影響を与える。

温度分布がある一定の状態になっている場合にはレーザ光が受ける影響は一定となるが、励起光パワーの変化や励起光分布の変化、または周囲温度等の変化により導波路内の温度分布が変動する場合には、レーザ光が受ける影響も変動することになり、出力されるレーザ光の出射光軸やビームの伝搬（集光）状態に変動が生じ、動作が不安定になる場合がある。また、特許文献１の構成のように、レーザ光をレーザ媒質内でジグザグに伝搬させる構成では、レーザ光が伝搬する過程で受けた影響が積み重なるため、温度分布および温度分布の変動による影響がより大きくなるという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、平面導波路形状のレーザ媒質と、レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、端面と側面により形成される頂点部によりレーザ光を反射させるようにしたものである。

この発明の平面導波路型レーザ装置は、レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、端面と側面により形成される頂点部によりレーザ光を反射させるようにしたので、安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の上面図である。 図１のＡ−Ａ′線に沿って示す断面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置におけるｙ軸方向の励起光パワーとレーザ媒質温度とレーザ媒質屈折率を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の導波路コーナ部での光線の反射状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の他の例を示す上面図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置の上面図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置の他の例を示す上面図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置の更に他の例を示す上面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ´線に沿って紙面に対して垂直な面内での断面図を示している。

図１および図２において、平面導波路型レーザ装置は、レーザ媒質３の互いに平行に対向する一対の主面１６、１７上にそれぞれ接合されたクラッド１８、１９を有する。また、レーザ媒質３の主面１６、１７にそれぞれ垂直で互いに平行に対向する一対の端面４、５上にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜１３、１４、端面５の一部にレーザ光高反射膜１４の代わりに設けられたレーザ光反射防止膜１２を有する。レーザ媒質３の側面６は、レーザ媒質３の主面１６、１７および端面４、５に対して垂直な平面であり、レーザ光高反射膜１５が施されている。また、レーザ媒質３の側面７は、励起光発生源１から励起光２を導入する。

レーザ媒質３としては、結晶、セラミック、ガラスなどの一般的な固体レーザ材料を使用することができる。また、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏなど一般的な活性媒質を添加した固体レーザ材料であっても良い。固体レーザ材料は、レーザ発振または増幅を行うレーザ光の波長に合わせて好適なものを選択する。

レーザ媒質３は平面導波路型であり、１軸方向に厚さの薄い平板の形状である。ここで、説明のために、レーザ媒質３の厚さ方向をｚ軸とし、図１に示すようにレーザ媒質３の平面内の２軸をｘ軸、ｙ軸と呼び、３軸がそれぞれ互いに直交した座標系を用いる。

図２に示すクラッド１８、１９は、レーザ媒質３に比べて小さな屈折率を有し、レーザ媒質３のｘｙ平面に平行なレーザ媒質主面１６、１７上にそれぞれ接合されている。クラッド１８、１９は、例えば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、光学材料をオプティカルコンタクト又は拡散接合等によってレーザ媒質３と光学的に接合することにより構成される。なお、クラッド１８、１９は図示しない基板に接合されていても良い。さらに該基板は図示しないヒートシンクに接合されていても良い。基板及びヒートシンクはレーザ媒質３のｘｙ平面の片側であっても良いし、対向する２面の両側に接合されていても良い。なお、レーザ媒質３、基板、ヒートシンク等は接合材（好ましくは熱伝導率の良い接合材）で接合される（以下同様）。また、レーザ光反射防止膜およびレーザ光高反射膜は、光学材料を原料とした膜（例えば誘電体の多層膜）を蒸着することなどにより形成される。

励起光発生源１は、レーザ媒質３の側面７に近接して配置され、図示は省略しているが、必要に応じて冷却用のヒートシンクが接合される。励起光発生源１には、マルチエミッタ半導体レーザやブロードエリアＬＤ、およびファイバ出力ＬＤの出力ファイバを配列上に設置したものなどが使用できる。励起光発生源１のｘ軸方向の大きさはレーザ媒質３のｘ軸方向の大きさとほぼ等しいことが好ましく、出力される励起光２がレーザ媒質３内でｚ軸方向には導波路伝搬し、ｘ軸方向に広がる成分はレーザ媒質３の端面４、５で全反射して伝搬できるように出力光のビーム幅と広がり角が好適なものを用いる。また、図１において、励起光発生源１は、レーザ媒質３の側面７に近接して配置されているが、励起光発生源１とレーザ媒質３の間にレンズ等の光学部品を設置し、励起光２をコリメートまたは集光状態にしてレーザ媒質３へと入力しても良い。また、レーザ媒質３の側面７には、図示しない励起光に対する反射防止膜を施しても良い。

次に、実施の形態１の動作について説明する。励起光発生源１から出力された励起光２は、レーザ媒質３の側面７からレーザ媒質３に入射して、ｙ軸方向に伝搬しながらレーザ媒質３に吸収される。励起光２が吸収されることにより、レーザ媒質３内部でレーザ光に対する利得を発生する。レーザ媒質３内で発生した利得により、通過するレーザ光は増幅作用を受けて、レーザ出力が増加する。レーザ種光を準備してレーザ媒質３に導入し増幅を行わせることでレーザ増幅器になり、レーザ光の一部を反射する図示しない出力鏡をレーザ光軸上に軸と直交するように配置することでレーザ発振器となる。このため、以降の説明は、特に説明がない限り、レーザ発振器およびレーザ増幅器の両方に適用される。

ここで、端面５のレーザ光反射防止膜１２からレーザ光８をレーザ媒質３内に導入する。まず、ｘｙ平面内でのレーザ光の伝搬経路について説明する。レーザ光８はレーザ媒質３のレーザ光反射防止膜１２に対してｘｙ平面内でレーザ光入射方向９として図示したように所定の入射角度を持って入力される。レーザ媒質３に入力されたレーザ光８は、レーザ媒質３内を伝搬し、端面４へと到達する。端面４上にはレーザ光高反射膜１３が施されており、レーザ光は反射される。反射されたレーザ光はレーザ媒質３を再び伝搬し、端面５に到達し、端面５上のレーザ光高反射膜１４により反射される。レーザ光高反射膜１３、１４での反射を繰り返すことにより、レーザ光はレーザ光伝搬光１１で示される経路を通り、レーザ媒質３内をｙ軸方向へと進行していく。レーザ光高反射膜１３、１４で数回反射された後、レーザ光は、側面６と端面５により形成された導波路のコーナ部へと入射する。ここで、側面６上にもレーザ光高反射膜１５が施されているため、レーザ光は、レーザ光高反射膜１４、１５の２面で反射され、逆向きに進行方向を変えてレーザ光伝搬光１１を伝搬し、レーザ光反射防止膜１２に到達してレーザ媒質３の外部にレーザ光出射方向１０として図示したように所定の出射角度で出力される。レーザ光８はレーザ媒質３を伝搬する過程で増幅される。

レーザ媒質３のｘｙ面内のｙ方向の幅、ｘ方向の長さ、入射するレーザ光のビーム幅、レーザ光反射防止膜１２の幅は、レーザ媒質３内を伝搬するレーザ光のビームオーバラップ効率が高く、レーザ光の伝搬経路長が長くなるように設定する。通常、レーザ光の反射回数が多くなるようにすると、レーザ光の伝搬経路長が長くなり、ビームオーバラップ効率も増加する。

図１に示す導波路形状およびレーザ光の伝搬経路では、レーザ光の光路長を長くとることができ、ビームオーバラップ効率も高くすることができるため、高効率で高出力なレーザ出力を得ることができる。

次に、導波路断面方向内でのレーザ光の伝搬、つまり、レーザ媒質３の厚さ方向すなわちｘｚ面内でのレーザ光の伝搬について説明する。レーザ媒質３では、クラッド１８、１９との屈折率差により、レーザ光をレーザ媒質３内に閉じ込めて伝搬させる導波路となる。導波路において、レーザ光は導波モードと呼ばれる特定の電磁界分布を持って伝搬する。導波モードは、レーザ光の波長と、コア（ここではレーザ媒質３に相当する部分）とクラッド間の屈折率差、コアの厚さにより決まる。一般的には、レーザ光の波長は長く、屈折率差は小さく、コアの厚さは薄くなるほど導波可能なモード数は減少する。単一の導波モードのみが導波可能な導波路はシングルモード導波路と呼ばれる。

図１および図２に示す導波路形状およびレーザ光経路では、レーザ光はｚ軸方向に導波路の導波モードで伝搬するため、導波モードの設計により出力されるレーザ光のビーム品質を良くすることが可能となる。また、ｚ軸方向へのレーザ光の閉じ込めにより、レーザ光のパワー密度を大きくすることができるため、飽和強度が得られやすくなり、レーザ光によるエネルギーの抜き出しが向上し、高効率な増幅を行うことが可能になる。

図１に示す構成において、励起光はレーザ媒質側面７よりレーザ媒質３に入射される。レーザ媒質３では、クラッド１８、１９との屈折率差により、レーザ光の場合と同様に、励起光をレーザ媒質３内に閉じ込めて伝搬させる導波路となる。つまり、ｚ軸方向に対して励起光は導波モードで伝搬し、ｙ軸方向へとレーザ媒質３による吸収を受けながら進行していく。

ここで、励起光の入射パワーをＰｐｉｎ［Ｗ］、レーザ媒質３による励起光の吸収係数をαｐ［１／ｍ］とすると、励起光の入射端であるレーザ媒質側面７の位置を原点としてｙ軸方向の伝搬長をＬとした場合の励起光パワーＰｐ（Ｌ）はＰｐ（Ｌ）＝ｅｘｐ（−αｐ＊Ｌ）と表せる。Ｌ〜（Ｌ＋ΔＬ）までの区間ΔＬに吸収される励起光パワーＰｐａｂｓ（ΔＬ）はＰｐａｂｓ（ΔＬ）＝Ｐｐ（Ｌ）−Ｐｐ（Ｌ＋ΔＬ）となる。このため、ｙ軸方向について、レーザ媒質３によって吸収される励起光パワーは、図３上図に示す吸収される励起光パワー分布２０の曲線のような分布となる。

励起光パワーを吸収することにより、レーザ媒質３は励起状態となるが、レーザ光の誘導放出に関係する以外のエネルギー準位間の遷移では、熱としてエネルギーが放出される。このため、吸収される励起光パワーにほぼ比例してレーザ媒質３の温度が上昇する。これにより、レーザ媒質の温度分布は図３中図に示すレーザ媒質温度分布２１の曲線のような分布となる。

温度が変化することにより、レーザ媒質３では屈折率の変化が生じる。温度による屈折率の変化量はｄｎ／ｄＴとして表され、ｄｎ／ｄＴがプラスの値をとる場合には温度上昇により屈折率が増加し、ｄｎ／ｄＴがマイナスの値をとる場合には温度上昇により屈折率が減少する。ここでは、レーザ媒質３のｄｎ／ｄＴがプラスの値であるとすると、レーザ媒質３の屈折率分布は図３下図に示すレーザ媒質屈折率分布２２の曲線のような分布となる。

このように、励起光の入力により、レーザ媒質３ではｙ軸方向に対して屈折率の分布が生じる。ここで、図１に示すような光路でレーザ光が伝搬する場合、レーザ光は屈折率分布の生じたレーザ媒質３を通過することとなる。レーザ光は、ｚ軸方向には導波路の導波モードで伝搬するため屈折分布の影響を受けないが、ｘｙ平面内では入射したレーザ光の空間モードで伝搬するためｙｚ平面におけるレーザ光のビーム断面内でビームの領域によって屈折率が異なることとなる。この場合、例えば、入射したレーザ光８がレーザ光反射防止膜１２からレーザ媒質端面４へ向かう光路を考えた場合には、レーザ光８の進行方向に向かって右側の屈折率が大きく、左側の屈折率が小さくなる。このように、レーザ光のビーム断面内でビームの領域によって屈折率の差が生じることとなり、レーザ光は屈折率の大きい方へと屈折しようとする性質があるため、ｘｙ平面内においてレーザ光の波面曲率に変化（収差）が生じ、伝搬モードが変化することとなる。また、レーザ光の進行方向（ｘｙ平面内での伝搬角度）が変化することとなる。

レーザ光は、レーザ媒質端面４のレーザ光高反射膜１３で反射された後、レーザ媒質端面５に向かって伝搬するが、このとき、前述のレーザ光反射防止膜１２からレーザ媒質端面４へ向かうレーザ光の進行方向に向かって右側の部分は、レーザ光高反射膜１３で反射された後には進行方向に向かって左側の部分となり、レーザ光のビーム断面内では屈折率の大きい部分に相当するようになる。このように、レーザ光高反射膜１３とレーザ光高反射膜１４で反射を繰り返した場合にも、初めに入射したレーザ光８の進行方向右側の部分が常に屈折率の大きい箇所を通過することとなり、反射パスによる長い光路長を伝搬する過程でレーザ光の伝搬モードの変化および進行方向の変化が大きくなってしまう。

特許文献１に記載されている構成では、レーザ光を、角度を設けた１対の端面によってレーザ媒質内でジグザグ伝搬させ、レーザ光を折り返し反射させてレーザ光の入射部からレーザ出力を取り出す構成となっているが、この構成では、折り返し反射させた後も折り返し反射の前と同じ一方の片側部分が常に屈折率の大きい箇所を通過することとなり、反射パスによる長い光路長を伝搬する過程でレーザ光の伝搬モードの変化および進行方向の変化が大きくなるという問題がある。

これに対し、実施の形態１の構成では、図１に示すように、レーザ媒質端面５と、レーザ媒質端面５に直交するレーザ媒質側面６とにそれぞれ施されたレーザ光高反射膜１４および１５（ここでは導波路コーナ部と呼ぶ）によりレーザ光を折り返し反射させる構成としている。この場合、図４に示すように、２つの端面でそれぞれ１回ずつ反射することにより、レーザ光のビーム全体としては同軸逆向きで反射されるが、レーザ光のビーム断面内で見たときの左右が反転する。つまり、光線２３は、前述の屈折率が大きい部分を伝搬している部分に当たるが、導波路コーナ部での反射後は屈折率が小さい部分を伝搬することとなる。同様に、光線２６は、前述の屈折率が小さい部分を伝搬している部分に当たるが、導波路コーナ部での反射後は屈折率が大きい部分を伝搬することとなる（光線２４、２５についても、光線２３、２６と同様に考えることができる）。

導波路コーナ部での反射後、レーザ光は同軸逆向きで伝搬するが、このとき、往路（ここではレーザ光反射防止膜１２から導波路コーナ部に至るまでのレーザ光の伝搬光路）においてレーザ光のビーム断面内で屈折率が大きい部分を伝搬してきた部分は、復路（ここでは導波路コーナ部からレーザ光反射防止膜１２に至るまでのレーザ光の伝搬光路）では屈折率が小さい部分を伝搬することとなり、往路と復路でほぼ同一のパスを通るため、レーザ光が往路で受けた伝搬モードの変化および進行方向の変化は復路を通過するうちに打ち消されることとなる。これにより、レーザ光反射防止膜１２から取り出されるレーザ出力は、入射するレーザ光のビーム伝搬状態を維持できることとなり、レーザ装置の安定した動作を得ることが可能となる。

このように、直交する面で構成される導波路コーナ部を用いてレーザ光を折り返し反射させるジグザグパス構成により、温度分布に伴う屈折率分布の影響を補償することができ、レーザ光の伝搬モードを安定化させることができる。また、この構成では、導波路コーナ部に対するレーザ光の入射角度が変化した場合にも、レーザ光は導波路コーナ部への入射光と同軸で逆向きに伝搬するように反射されるため、レーザ媒質３内で生じたレーザ光の伝搬角度の変化を補償することができ、光軸の安定化を行うことができる。

また、本実施の形態では、図１に示すようにレーザ媒質端面４とレーザ媒質端面５とがほぼ平行な構成となっているが、レーザ媒質端面４とレーザ媒質端面５には微小テーパー角をつけても良い。この場合、図５に示すように、レーザ媒質３内を伝搬するレーザ光の光路を密にできるため、励起分布とのオーバラップを大きくすることができ、高利得、高効率なレーザ光の増幅を行うことができる。この場合も、直交する面で構成される導波路コーナ部を用いてレーザ光を折り返し反射させる構成により、温度分布に伴う屈折率分布の影響を補償することができ、レーザ光の伝搬モードおよび光軸を安定化させる効果が得られる。

以上説明したように、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、平面導波路形状のレーザ媒質と、レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、端面と側面により形成される頂点部によりレーザ光を反射させるようにしたので、コーナ部での反射により、温度分布等の変動によるレーザ光軸の変化を補償することができ、安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。

また、実施の形態１の平面導波路型レーザ装置によれば、側面にはレーザ光高反射膜を備えているので、端面と側面により形成される頂点部により確実にレーザ光を反射させることができ、安定した動作に寄与することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、導波路コーナ部によりレーザ光を折り返し反射させる構成を示したが、レーザ光がレーザ媒質端面５と、レーザ媒質端面５に直交するレーザ媒質側面６でそれぞれ１回ずつ反射される構成にしても、実施の形態１と同様の効果が得られる。このような例を実施の形態２として、レーザ光が導波路コーナ部から外れて入射する場合について説明する。

図６は、この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置の上面図である。実施の形態２では、図１に示すレーザ装置の構成に対して、レーザ媒質３に入射するレーザ入力光２０１とレーザ出力光２０２の光軸が一致しない（同軸で折り返し反射されない）構成となっている。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、レーザ入力光２０１は、レーザ媒質３のレーザ光反射防止膜１２に対してｘｙ平面内でレーザ光入射方向９として図示したように所定の入射角度を持って入力される。レーザ媒質３に入力されたレーザ入力光２０１は、レーザ光高反射膜１３、１４での反射を繰り返すことにより、レーザ光はレーザ光伝搬光１１で示される経路を通り、レーザ媒質３内をｙ軸方向へと進行していく。レーザ光高反射膜１３、１４で数回反射された後、レーザ光は側面６へと到達し、側面６上に施されたレーザ光高反射膜１５により反射され、往路と逆向きで併走するような光路で伝搬する。さらに、レーザ光反射防止膜１２に到達してレーザ媒質３の外部にレーザ光出射方向１０として図示しているように所定の出射角度で取り出されることにより、レーザ出力光２０２が得られる。

ここで、レーザ光が端面５と側面６で反射されることにより、往路（ここではレーザ光反射防止膜１２から側面６で反射が起こるまでのレーザ光の伝搬光路）においてレーザ光のビーム断面内で屈折率が大きい部分を伝搬してきた部分は、復路（ここでは側面６で反射されてからレーザ光反射防止膜１２に至るまでのレーザ光の伝搬光路）では屈折率が小さい部分を伝搬することとなり、かつ往路と復路の伝搬長の差が小さく同一の温度分布の領域をほぼ同じ程度の伝搬長だけ伝搬することになるため、往路でレーザ光が受けた温度分布に伴う屈折率分布の影響を補償することができ、レーザ光の伝搬モードおよび光軸の安定化を行うことができる。このため、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、図６の構成では、レーザ光の伝搬光路が往路と復路で重ならないため、励起分布とのオーバラップを大きくすることができ、高利得、高効率なレーザ光の増幅を行うことができる。

また、励起分布とのオーバラップをさらに大きくするために、図７に示す構成のように、レーザ光の往路と復路の光路がレーザ媒質３のｘ軸方向長さの中心で交差する構成としても良い。この場合、端面４上に新たなレーザ光反射防止膜２０３を設けることにより、レーザ出力光２０４を取り出すことができる。この構成では、往路（ここではレーザ光反射防止膜１２から側面６で反射が起こるまでのレーザ光の伝搬光路）と復路（ここでは側面６で反射されてからレーザ光反射防止膜２０３に至るまでのレーザ光の伝搬光路）の伝搬長が一致し、同一の温度分布の領域を同一の伝搬長だけ伝搬することになるため、往路でレーザ光が受けた温度分布に伴う屈折率分布の影響を復路で補償することができ、レーザ光の伝搬モードおよび光軸の安定化を行うことができるため、実施の形態１と同様の効果が得られる。この構成では、励起分布とのオーバラップをさらに大きくすることができるため、高利得、高効率なレーザ光の増幅を行うことができる。

また、励起分布とのオーバラップをさらに大きくするために、図８に示す構成のようにしても良い。図８では、レーザ媒質側面６をｘ軸に対して所定の角度だけ傾けた構成としている。この構成では、側面６で反射されたレーザ光が端面４へ入射する際の入射角が小さくなることによって復路の光路長が増加する。これにより、励起分布とのオーバラップをさらに大きくすることができるため、高利得、高効率なレーザ光の増幅を行うことができる。また、レーザ媒質３に入力したレーザ光は、伝搬の過程で増幅を受けて次第に強度を増していくため、ある程度の強度にまで増幅されたレーザ光の復路の光路長を長くすることによって、飽和増幅に近い動作が得られやすくなり、レーザ光によるエネルギーの抜き出しが良くなり、効率の良い増幅を行うことができる。さらに、レーザ媒質側面６をｘ軸に対して所定の角度だけ傾いていることにより、レーザ媒質３内部での寄生発振パスを抑制することができる。この構成では、往路と復路の光路長が異なるため前述までの構成よりもレーザ光の伝搬モードおよび光軸を安定化させる効果は少ないが、レーザ光が屈折率分布の影響を受けるのは往路と復路の光路長の差程度であるため、特許文献１の構成のように単純にレーザ光を折り返し反射させる場合よりもレーザ光の伝搬モードおよび光軸の安定化の効果を得ることができる。

なお、図７および図８では、レーザ光反射防止膜２０３からレーザ出力光２０４を取り出す構成としているが、図１と同様に端面４上には全面にレーザ光高反射膜１３を施し、レーザ光を反射させてレーザ光反射防止膜１２からレーザ出力を取り出す構成としても良い。これは、レーザ光の伝搬光路および反射防止膜１２の幅を適切に設定することにより実施可能である。

以上説明したように、実施の形態２の平面導波路型レーザ装置によれば、平面導波路形状のレーザ媒質と、レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、直交する端面と側面とによりレーザ光を反射させるようにしたので、温度分布の変動による影響を小さくすることができ、安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。

また、実施の形態２の平面導波路型レーザ装置によれば、平面導波路形状のレーザ媒質と、レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、レーザ媒質の主面と直交しかつ１対の端面と所定角度を成す側面を備え、端面と側面によりレーザ光を反射させるようにしたので、温度分布の変動による影響を小さくすることができ、安定した動作が可能な平面導波路型レーザ装置を得ることができる。

また、実施の形態１および２の図１〜図８に示すレーザ媒質端面４、端面５、および側面６上のそれぞれのレーザ光高反射膜１３、１４、１５では、このうちのいくつかまたは全てにおいて、レーザ光の偏光特性によって反射率に差が生じるようにしても良い。このようにすることで、単一偏光のレーザ出力を得ることができるようになる。反射膜に対して角度を持ったレーザ光が入射する場合、ｓ偏光の反射率をｐ偏光よりも大きくすることができるため、レーザ光の波長と入射角度に合わせてｐ偏光の反射率が低下するようにレーザ光高反射膜の反射特性を設定することにより、レーザ光高反射膜でレーザ光が反射する際にレーザ光のｐ偏光成分に損失を与えることができ、レーザ光のｓ偏光成分については低損失に反射させることができる。これにより、レーザ光高反射膜でレーザ光が反射するたびにレーザ光のｐ偏光成分だけを選択して減衰させることができ、ｓ偏光成分を優先的に増幅させることができるため、レーザ光の偏光方向をｓ偏光を主としてレーザ媒質に入力することにより、レーザ光を高利得、高効率に増幅させることができる。これにより、単一偏光（ｓ偏光）のレーザ出力が得られやすくなり、出力の安定性も向上する。

さらに、図１〜図８に示す構成では、レーザ媒質端面４および端面５で多数回の反射を行うため、レーザ光高反射膜１３および１４に上記反射率特性を持たせることにより、偏光選択性の効果が大きくなる。また、レーザ光高反射膜１３および１４に上記反射率特性を持たせる場合には、多数回の反射によりレーザ光高反射膜でのｐ偏光の反射率低下量が小さい場合にも偏光選択性の効果を大きくすることができるため、レーザ光高反射膜の特性に対する条件を緩和でき製造が容易になる。また、図１、６、７に示すような端面４と端面５が略平行なレーザ媒質形状では、端面４および端面５に対するレーザ光の入射角度がそれぞれ一定となるため、レーザ光高反射膜の特性では一定の入射角度だけを考慮すれば良いため、レーザ光高反射膜の設計が容易になり製造を容易に行うことができるようになる。

また、図１〜図８に示すレーザ媒質端面４、端面５、および側面６上のそれぞれのレーザ光高反射膜１３、１４、１５では、このうちのいくつかまたは全てにおいて、レーザ光の波長以外の波長に対する反射率を低下させる（波長選択性を持たせる）ようにしても良い。このようにすることにより、自然放出光の増幅を抑制することができ、レーザ光を効率よく高利得に増幅させることができるようになる。レーザ光の波長以外の波長に対する反射率を低下させることにより、高反射膜で反射される際にレーザ光の波長以外の波長の光に対して損失を与えることができ、高反射膜で反射されて伝搬し増幅される自然放出光の強度を低下させることができる。これにより、レーザ光を効率よく高利得に増幅させることができる。

例えば、レーザ媒質３の活性媒質がＥｒ（エルビウム：Ｅｒｂｉｕｍ）であり、レーザ光の波長が１５５０ｎｍである場合には、材料特性として最も利得が大きくなる波長は１５３５ｎｍ帯であるため波長１５５０ｎｍのレーザ光を増幅しようとすると１５３５ｎｍ帯の自然放出光が発生し増幅されることにより、レーザ光の増幅利得が低下してしまうが、上述のように高反射膜に波長選択性（ここでは１５３５ｎｍ帯に対する反射率を６０％以下とする）を持たせることにより、反射パスによる自然放出光の増幅を抑制することができ、レーザ光を効率よく高利得に増幅させることができるようになる。

このように、レーザ光高反射膜に波長選択性を持たせることにより、広帯域な利得帯域を持つレーザ媒質を用いて、材料特性上利得の小さい波長帯のレーザ光を増幅する場合にも、レーザ光を効率よく高利得に増幅させることができる。

また、材料特性上利得の大きい波長帯のレーザ光を増幅する場合にも、レーザ光高反射膜に波長選択性を持たせることにより、自然放出光の反射パスによる増幅を抑制できるため、レーザ光をさらに高効率に増幅できるようになる。

さらに、図１〜図８に示す構成では、自然放出光もレーザ媒質端面４および端面５での反射を繰り返して増幅されていくため、レーザ光高反射膜１３および１４に上記波長選択性を持たせることにより、自然放出光の増幅を抑制する効果が大きくなる。なお、高反射膜の波長選択性（レーザ光波長以外の波長に対する反射率低下量）は、レーザ媒質の利得の大きさや、レーザ光の入力パワー、レーザ光の伝搬角度などを考慮して好適な値を設定する。

また、図１〜図８に示すレーザ媒質端面４、端面５、および側面６上のそれぞれのレーザ光高反射膜１３、１４、１５では、いずれか１つまたは複数または全てにおいて、上記偏光選択性と上記波長選択性とを同時に持たせても良い。これにより、自然放出光の増幅を抑制することができるため、高効率、高利得にレーザ光を増幅させることができ、高出力な単一偏光のレーザ出力を得ることができる。

なお、図１〜図８の構成では、レーザ光高反射膜１５に対して、励起光に対しても高反射となる特性を持たせても良い。この場合、レーザ媒質３で吸収されなかった励起光はレーザ光高反射膜１５で反射され、再度レーザ媒質３を伝搬し吸収されることとなり、励起光の吸収量が増加し、効率を良くすることができる。また、励起光の吸収量と伝搬長を適切に設計することにより、ｙ軸方向の励起分布を均一な分布に近づけることができ、レーザ光を高利得、高効率に増幅させることができる。また、レーザ光高反射膜１５に対して、励起光に対しては反射を防止する特性を持たせ、図示しない新たな励起光源を用いてレーザ媒質側面６から励起光を入力しても良い。レーザ媒質の側面６および側面７の両側から励起光を入力することにより、高密度な励起を行うことができ、増幅利得を向上させることができる。また、両側面からの励起により、ｙ軸方向の励起分布を均一な分布に近づけることができ、レーザ光を高利得、高効率に増幅させることができる。また、レーザ光高反射膜１３または１４、またはその両方についても励起光に対しては反射を防止する特性を持たせ、図示しない新たな励起光源を用いてレーザ媒質端面４および５から励起光を入力しても良い。

また、レーザ光の伝搬光路に対して、レーザ媒質側面６が全反射条件を満たす場合、レーザ媒質側面６上のレーザ光高反射膜１５は省略することができる。また、この場合も上述のように、図１に図示しない新たな励起光源を用いてレーザ媒質側面６から励起光を入力しても良く、レーザ媒質側面６には励起光に対する反射防止膜を施しても良い。

また、図２の構成では、レーザ媒質側面７はｚ軸と平行になっているが、レーザ媒質側面７がｚ軸と所定の角度を持つようにしても良い。レーザ媒質側面７をｚ軸に対して所定の角度を持たせることにより、側面７によって全反射された光が導波路内に閉じ込められるのを防ぐことができ、レーザ媒質３内部で寄生発振パスが生じないようにすることができる。また、レーザ媒質側面７から励起光源への励起光の反射戻り光を無くすことができる。

また、各実施の形態では、図２に示すようにコアの上下面にクラッドを配置したシングルクラッド型の構造としているが、コアの上面または下面のどちらか一方、またはコアの上面と下面の両方に更なるクラッドを追加したダブルクラッド型構造としても良い。ダブルクラッド型構造とすることにより、コアを薄くして導波モードを低次モード化すると共に、輝度の低い高出力な励起光源を用いて励起光を入力させることができる。ダブルクラッド構造では、励起光の空間分布によってｙ軸方向の温度分布に大きな位置依存性が生じることとなり、屈折率分布の影響が大きくなるが、本実施の形態の構成を適用することにより屈折率分布の影響を補償でき、レーザ光の伝搬モードおよび光軸を安定化させる効果が得られる。

また、図１〜図８の構成では、レーザ媒質３の端面４と端面５およびレーザ媒質３の側面６において、レーザ光の伝搬光路に当たらない箇所の光反射膜を除去するか、または表面を荒らし面としても良い。これにより、レーザ媒質３内部で寄生発振パスが生じないようにすることができる。

なお、図１〜図８では、端面５と、端面５と直交する側面６とにより形成される導波路コーナ部を用いてレーザ光を折り返し反射させる構成としているが、端面４と側面６とを直交するように構成し、端面４と側面６とで形成される導波路のコーナ部を用いてレーザ光を折り返し反射させる構成としても良い。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 励起光発生源、２ 励起光、３ レーザ媒質、４，５， レーザ媒質端面、６，７ レーザ媒質側面、８ レーザ光、９ レーザ光入射方向、１０ レーザ光出射方向、１１ レーザ光伝搬光、１２ レーザ光反射防止膜、１３，１４，１５ レーザ光高反射膜、１６，１７ レーザ媒質主面、１８，１９ クラッド、２０ 吸収される励起光パワー分布、２１ レーザ媒質温度分布、２２ レーザ媒質屈折率分布、２３〜２６ 光線、２７ 端面４と端面５間の角度、２０１ レーザ入力光、２０２，２０４ レーザ出力光、２０３ レーザ光反射防止膜、２０５ レーザ光の出射方向、２０６ 側面６の傾き角。

Claims (6)

1. 平面導波路形状のレーザ媒質と、前記レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、前記１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、
   前記レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、前記端面と前記側面により形成される頂点部によりレーザ光を反射させることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
2. 平面導波路形状のレーザ媒質と、前記レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、前記１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、
   前記レーザ媒質の１対の端面のうち、少なくともいずれか一方の端面と直交する側面を備え、直交する前記端面と前記側面とによりレーザ光を反射させることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
3. 平面導波路形状のレーザ媒質と、前記レーザ媒質の１対の端面にそれぞれ施されたレーザ光高反射膜とを備え、前記１対のレーザ光高反射膜によりレーザ光を反射させてジグザグ伝搬させる平面導波路型レーザ装置において、
   前記レーザ媒質の主面と直交しかつ１対の端面と所定角度を成す側面を備え、前記端面と前記側面によりレーザ光を反射させることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
4. 前記側面にはレーザ光高反射膜を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の平面導波路型レーザ装置。
5. 前記レーザ光高反射膜のうち、少なくとも１つは所定波長と所定角度でレーザ媒質に入射されるレーザ光に対して、前記レーザ光の偏光状態によって反射率が異なる特性を持つことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の平面導波路型レーザ装置。
6. 前記レーザ光高反射膜のうち、少なくとも１つはレーザ媒質が利得を持つ波長帯域内において所定波長を有するレーザ光と前記レーザ光以外の波長とに対して反射率が異なる特性を持つことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の平面導波路型レーザ装置。

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