JP2018074017A

JP2018074017A - レーザ装置

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Publication number: JP2018074017A
Application number: JP2016212769A
Authority: JP
Inventors: 和哉井上; Kazuya Inoue; 守久光; Mamoru Hisamitsu; 一智門倉; Kazutomo Kadokura; 亮祐西; Ryosuke Nishi
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】部品点数を少なくしレーザ発振の効率を良くするレーザ装置。【解決手段】半導体レーザ１１の励起光で励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質１２、互いに直交する第１軸と第２軸の一方の軸に曲率が形成され半導体レーザの所定の厚みのストライプから出射される楕円状のレーザビームのＦＡＳＴ軸と曲率が形成された一方の軸とを略平行に配置しＦＡＳＴ軸のレーザビームを一方の軸方向に集束又は拡散させるＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４、第１軸と第２軸の他方の軸に曲率が形成されレンズ１４とレーザ媒質との間に配置され所定のストライプ幅から出射されるレーザビームのＳＬＯＷ軸と曲率が形成された他方の軸とを略平行に配置しレーザ媒質の略中心点においてレンズ１４から出射されるＦＡＳＴ軸のレーザビーム径と略同径となるようにＳＬＯＷ軸のレーザビームを他方の軸方向に集束又は拡散させるＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振を行うレーザ装置に関し、特に半導体レーザ励起固体レーザの集光光学系に関する。

半導体レーザ励起固体レーザは、半導体レーザからの出力光を集光してレーザ媒質に照射し、レーザ媒質から誘導放出される光を光共振器内で発振させ出力ミラーを介して外部に出力する。

半導体レーザ励起固体レーザを効率よく発振させるためには、励起用半導体レーザの光軸と共振器の光軸とを高精度に一致させ、且つ励起光のビーム形状と、共振器内の固体レーザの基本モードの形状を一致させる必要がある。

しかし、励起用半導体レーザにおいて、レーザ光を発振する活性層のストライプ幅が、数百μｍ程度であるのに対して、ストライプの厚みが１μｍ程度である。このため、図８に示す球面レンズからなるコリメートレンズ１３１と収束レンズ１３２とで集光する光学系では、レーザ媒質内での励起光のビーム形状が楕円になってしまう。

このため、レーザの発振効率が低下し、焦点位置にレーザ媒質を配置した場合には、楕円形状の短軸方向では、ビーム径が小さくなりすぎる。その結果、励起光の出力が大きい場合には、レーザ媒質を損傷させることがあった。

励起光のビーム形状を真円に近づける方法としては、図９に示すような３つのレンズを用いて集光するレーザ装置が知られている。このレーザ装置は、ファイバレンズとロッドレンズとで半導体レーザのビームのＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸を個別にコリメートさせ、フォーカスレンズで集光する。

特開平１０−７４９９７号公報

Ｍ２因子を用いたレーザダイオード端面励起高効率固体レーザの設計法

しかしながら、図９に示す構成では、３つのレンズが必要となり、部品点数が増加してしまう。

また、一般的な方法として、半導体レーザからの拡がり角が大きいＦＡＳＴ軸レンズは、半導体レーザに近接させる必要があるため、半導体レーザのエミッタ近傍に直付させることが多い。このため、ＦＡＳＴ軸方向の出射方向が決まってしまい、ＦＡＳＴ軸方向に微調整させることができず、レーザ発振の効率が悪かった。

本発明の課題は、部品点数を少なくでき、且つレーザ発振の効率を良くすることができるレーザ装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、光共振器内に配置され且つ前記励起光源からの励起光により励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質と、互いに直交する第１軸と第２軸の一方の軸に曲率が形成され、前記励起光源の所定の厚みのストライプから出射される楕円状のレーザビームのＦＡＳＴ軸と曲率が形成された前記一方の軸とを略平行に配置し、ＦＡＳＴ軸のレーザビームを前記一方の軸方向に集束又は拡散させるＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズと、前記第１軸と前記第２軸の他方の軸に曲率が形成され、前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズと前記レーザ媒質との間に配置され、前記励起光源の所定のストライプ幅から出射される楕円状のレーザビームのＳＬＯＷ軸と曲率が形成された前記他方の軸とを略平行に配置し、前記レーザ媒質の略中心点において前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズから出射されるＦＡＳＴ軸のレーザビーム径と略同径となるように、ＳＬＯＷ軸のレーザビームを前記他方の軸方向に集束又は拡散させるＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズとＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズとを用いて、ＦＡＳＴ軸のレーザビーム径とＳＬＯＷ軸のレーザビーム径とを略同径としたので、レーザ媒質に入射されるレーザビームが真円となる。従って、部品点数を少なくでき、且つレーザ発振の効率を良くすることができる。

本発明の実施例１のレーザ装置の構成図である。本発明の実施例１のレーザ装置の半導体レーザの構造及び半導体レーザから出射されるレーザビームを示す図である。本発明の実施例１のレーザ装置のＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズとＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズを示す図である。厚み１μｍのストライプから拡がり半角が４８０ｍｒａｄで出射されるレーザビームを焦点距離が０．６１ｍｍのＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズで集光する場合の半導体レーザからＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズまでの距離に対するＦＡＳＴ軸ビーム径を示す図である。４００μｍのストライプ幅から拡がり半角が１５０ｍｒａｄで出射されるレーザビームを焦点距離が１５ｍｍのＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズで集光する場合の半導体レーザからＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズまでの距離に対するＳＬＯＷ軸ビーム径を示す図である。ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズを用いてＳＬＯＷ軸方向の光軸を調整する実施例２のレーザ装置の主要構成を示す図である。ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズを用いてＦＡＳＴ軸方向の光軸を調整する実施例２のレーザ装置の主要構成を示す図である。２つの球面レンズで集光した従来のレーザ装置を示す図である。３つのレンズで集光した従来のレーザ装置を示す図である。

以下、本発明のレーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１のレーザ装置の構成図である。図１（ａ）は半導体レーザから出射されるレーザビームのＦＡＳＴ軸から見たレーザ装置の側面図である。図１（ｂ）は半導体レーザから出射されるレーザビームのＳＬＯＷ軸から見たレーザ装置の側面図である。

レーザ装置は、共振によりレーザ光を発振させる共振器１と、共振器１に励起光を出力する励起光学系２とから構成されている。

励起光学系２は、半導体レーザ１１とＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４とＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５とで構成されている。半導体レーザ１１は、本発明の励起光源に対応し、共振器１内のレーザ媒質１２を励起する。半導体レーザ１１は、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生された励起光を出力する。

図２に、半導体レーザ１１の構造及び半導体レーザ１１から出射されるレーザビームを示す。半導体レーザ１１は、レーザ結晶１１１上に、電子と正孔とが結合してレーザ光を出力する中心層からなる活性層１１２と、活性層１１２の上下に配置されたクラッド層１１３とを配置して構成される。

活性層１１２の発振領域１１４は、ストライプの幅がｗで、厚みがｈであり、レーザ光を発振する。ストライプ幅ｗは、数百μｍであり、厚みｈが１μｍ程度である。実施例１では、活性層１１２のストライプ幅が４００μｍであり、厚みｈが１μｍの半導体レーザ１１を用いた。このため、活性層１１２で発生したレーザ光は、楕円状のレーザビームＢＭで出力される。

厚み１μｍのストライプから所定の拡がり角で出射された楕円状のレーザビームの長軸がＦＡＳＴ軸である。４００μｍのストライプ幅から所定の拡がり角で出射される楕円状のレーザビームの短軸がＳＬＯＷ軸である。

図３（ａ）にＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４の構成を示し、図３（ｂ）にＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の構成を示す。シリンドリカルレンズ１４，１５は、互いに直交するＸ軸（第１軸に対応）とＹ軸（第２軸に対応）の一方の軸のみにレンズとして作用する曲率が形成され、他方の軸にはレンズとして作用する曲率は形成されていない。

ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４は、半導体レーザ１１の近傍に配置され、厚み１μｍのストライプから出射される楕円状のレーザビームのＦＡＳＴ軸と曲率が形成されたＹ軸とを略平行に配置して、ＦＡＳＴ軸のレーザビームをＹ軸方向のみに集束又は拡散又はコリメートを行う。

ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５は、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４とレーザ媒質１２との間に配置され、４００μｍのストライプ幅から出射される楕円状のレーザビームのＳＬＯＷ軸と曲率が形成されたＸ軸とを略平行に配置して、レーザ媒質１２の略中心点においてＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４から出射されるＦＡＳＴ軸のレーザビーム径Φ１と略同径となるように、ＳＬＯＷ軸のレーザビーム径Φ２をＸ軸方向のみに集束又は拡散又はコリメートを行う。

共振器１は、レーザ媒質１２、出射ミラー１３から構成される。レーザ媒質１２は、レーザ発振の元となる物質であり、共振器１内に配置され且つ半導体レーザ１１からの励起光により励起されて基本波のレーザ光を放出する。レーザ媒質１２は、例えば、Ｎｄ−ＹＶＯ４などのレーザ結晶であり、励起光の入射面は共振器ミラーの一方になるので、発振光を高反射するためのコーティングがなされている。

次に、ＦＡＳＴ軸方向のビーム径の調整について説明する。一例として、ＦＡＳＴ軸方向のビーム径を計算したものを示す。図４に、厚み１μｍのストライプから拡がり半角が４８０ｍｒａｄで出射されるレーザビームを焦点距離が０．６１ｍｍのＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４で集光する場合の半導体レーザ１１からＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４までの距離に対するＦＡＳＴ軸ビーム径を示す。

半導体レーザ１１からＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４までの距離ｄ１が、焦点距離（０．６１ｍｍ）と一致するようにＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を設置した場合（図６の実線）には、ＦＡＳＴ軸方向のビーム径は約６００μｍにコリメートされる。即ち、ＦＡＳＴ軸方向のビームは平行光となる。

また、半導体レーザ１１に対してＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を焦点距離よりも近づけて設置した場合（焦点距離−０．００５ｍｍ）には、ビーム径は図６の点線で示すように発散する。また、半導体レーザ１１に対してＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を焦点距離よりも遠ざけて設置した場合（焦点距離＋０．００５ｍｍ）には、ビーム径は図６の一点鎖線で示すようにレンズの後方で焦点を持つ。

実施例１では、半導体レーザ１１からＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４までの距離ｄ１が焦点距離（０．６１ｍｍ）と一致するようにＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を設置したので、ＦＡＳＴ軸方向のビーム径は、約６００μｍとなった。

次に、ＳＬＯＷ軸方向のビーム径の調整について説明する。ＳＬＯＷ軸方向のビーム径の調整は、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の位置を光軸方向に移動することによって行う。

一例として、ＳＬＯＷ軸方向のビーム径を計算したものを示す。図５に、４００μｍのストライプ幅から拡がり半角が１５０ｍｒａｄで出射されるレーザビームを焦点距離が１５ｍｍのＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５で集光する場合の半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離ａに対するＳＬＯＷ軸ビーム径を示す。

半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離ａを変えることにより、ビームウェスト幅が変わる。この例の場合、式（１）に示すレンズの公式で近似することができる。
（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）…（１）
ここで、ｆはＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の焦点距離、ａは半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離、ｂはＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５からレーザ媒質１２までの距離である。

式（１）にｆとａを代入することにより、ｂを求めることができる。ＳＬＯＷ軸方向のビーム径は、ストライプ幅４００μｍのｂ／ａ倍となる。

図５では、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の焦点距離ｆを１５ｍｍとし、半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離ａを２３ｍｍ（実線）、２５ｍｍ（点線）、３０ｍｍ（一点鎖線）、３５ｍｍ（二点鎖線）と、変えたときのＳＬＯＷ軸ビーム径を示した。実施例１では、半導体レーザ１１から２５ｍｍ（点線）離れた位置にＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を設置したので、焦点位置でのＳＬＯＷ軸ビーム径が約６００μｍとなった。

このように、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５によるＳＬＯＷ軸ビーム径は、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の焦点距離ｆと、半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離ａと、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５からレーザ媒質１２までの距離ｂと、ストライプ幅ｗによって決定される。

これにより、ＦＡＳＴ軸方向のビーム径は、約６００μｍとなり、ＳＬＯＷ軸ビーム径が約６００μｍとなり、レーザ媒質１２に入射されるレーザビームは、略真円となる。従って、レーザ発振の効率を良くすることができる。また、２つのシリンドリカルレンズ１４，１５で済むので、部品点数を少なくできる。

また、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４によるＦＡＳＴ軸ビーム径は、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４の焦点距離ｆと、半導体レーザ１１からＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４までの距離ｄ１と、ストライプの厚みｈと、レーザビームの拡がり角θと、半導体レーザ１１の波長λとによって決定される。

また、ＦＡＳＴ軸ビーム径は、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を半導体レーザ１１に直付けした後、図示しない計測器により、ビーム径のプロファイル（半導体レーザ１１との距離と、ビーム径との関係）を計測することにより求めることもできる。

求められたＦＡＳＴ軸ビーム径と略同径となるように、半導体レーザ１１からＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５までの距離ａを調整することもできる。

また、ＹＶＯ４を設置する場合において、計算や、実際の測定したビーム径と合致するように、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の位置を調整すると良い。

次に、実施例１のレーザ装置の組み立て方法について説明する。まず、半導体レーザ１１からの励起光がレーザ媒質１２内で所定の寸法となるように、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を半導体レーザ１１に取り付ける。

ＦＡＳＴ軸は拡がり角が大きいため、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４は半導体レーザ１１のエミッタに近接させる必要がある。このため、接着剤を用いて半導体レーザ１１にＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を直付けして固定する。即ち、半導体レーザ１１のエミッタに対して、ＦＡＳＴ軸方向の出射方向が決まる。

実施例１では、焦点距離が０．６１ｍｍのＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を用いて、ＦＡＳＴ軸を約６００μｍの幅でほぼ平行となるように構成したので、半導体レーザ１１から０．６１ｍｍ離れた位置にＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を設置している。

次に、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４を取り付けた半導体レーザ１１を、レーザ媒質１２の所定の位置、例えば、レーザ媒質１２の開口部の中心付近にレーザビームが入射されるように設置する。

次に、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を、光軸方向に対しては、ＳＬＯＷ軸ビーム径が、レーザ媒質１２内で所定の寸法となる位置に仮設置し、且つ、ＳＬＯＷ軸方向に対しては、レーザ媒質１２の所定の位置、例えば、レーザ媒質１２の開口部の中心付近に仮設置する。実施例１では、ＳＬＯＷ軸のビームウェスト径が約６００μｍとなる位置に設定した。

このように、ＦＡＳＴ軸、ＳＬＯＷ軸で励起光のビーム径をそれぞれ６００μｍの光学系にすることができる。

次に、出射ミラー１３の角度を調整し、最も高い出力が得られる位置に出射ミラー１３を固定する。出射ミラー１３は例えば、接着剤により固定する。その後、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を固定する。

このように、実施例１のレーザ装置によれば、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１４とＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５との２つのレンズのみで励起光の形状を真円に近く整形できるので、部品点数を少なくでき、且つレーザ発振の効率を良くすることができるレーザ装置を提供することができる。

実施例１では、出射ミラー１３を接着剤により固定したが、接着剤の硬化収縮等により、光学部品が僅かに動いてしまう。出射ミラー１３は角度が僅かに動くだけで、共振器１の光軸が大きく変わってしまう。このため、出射ミラー１３を接着剤で固定する前よりも出力が低下する。

また、この時点で共振器１の光軸の位置が決まってしまうため、効率よくレーザを発振させるためには、励起光の光軸をずらすことで、励起光の光軸と共振器１の光軸とを一致させる必要がある。

そこで、実施例２のレーザ装置は、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズを光軸に対して傾けて設置することによりＦＡＳＴ軸方向のビームをシフトさせる。図６（ａ）に、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５の中心位置を励起光の光軸に一致させた状態を示す。図６（ｂ）に示すように、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５をＳＬＯＷ軸方向にずらすことで、ＳＬＯＷ軸方向の光軸を調整することができる。

さらに、図７（ｂ）に示すように、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を励起光の光軸に対して傾けて設置することにより、ＦＡＳＴ軸方向のレーザビームＢＭ１をシフトさせてＦＡＳＴ軸方向の光軸を調整することができる。これにより、ＦＡＳＴ軸方向の光軸と共振器１の光軸とを一致させることができる。

なお、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５を固定する際にも、接着剤の硬化収縮等で僅かに動いてしまうが、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１５は、出射ミラー１３の調整ほどの精度は必要ではないため、効率良くレーザ発振を得ることができる。

このように、実施例２のレーザ装置によれば、真円に近く整形できるとともに、励起光の光軸と共振器１の基本モードの光軸を高精度で一致させることができるので、部品点数を少なくでき、且つレーザ発振の効率を良くすることができるレーザ装置を提供することができる。

本発明は、レーザ発振器に利用可能である。

１共振器
２励起光学系
１１半導体レーザ
１２レーザ媒質
１３出射ミラー
１４ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ
１５ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ
１１１レーザ結晶
１１２活性層
１１３クラッド層
１３１コリメートレンズ
１３２収束レンズ

Claims

励起光を出力する励起光源と、
光共振器内に配置され且つ前記励起光源からの励起光により励起されてレーザ光を放出するレーザ媒質と、
互いに直交する第１軸と第２軸の一方の軸に曲率が形成され、前記励起光源の所定の厚みのストライプから出射される楕円状のレーザビームのＦＡＳＴ軸と曲率が形成された前記一方の軸とを略平行に配置し、ＦＡＳＴ軸のレーザビームを前記一方の軸方向に集束又は拡散させるＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズと、
前記第１軸と前記第２軸の他方の軸に曲率が形成され、前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズと前記レーザ媒質との間に配置され、前記励起光源の所定のストライプ幅から出射される楕円状のレーザビームのＳＬＯＷ軸と曲率が形成された前記他方の軸とを略平行に配置し、前記レーザ媒質の略中心点において前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズから出射されるＦＡＳＴ軸のレーザビーム径と略同径となるように、ＳＬＯＷ軸のレーザビームを前記他方の軸方向に集束又は拡散させるＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズと、
を備えることを特徴とするレーザ装置。
前記ＳＬＯＷ軸のレーザビーム径は、前記ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズの焦点距離と前記ストライプ幅と前記励起光源から前記ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズまでの距離と前記ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズから前記レーザ媒質までの距離とによって決定され、
前記ＳＬＯＷ軸のレーザビーム径が前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズから出射されるＦＡＳＴ軸のレーザビーム径と略同径となるように、前記励起光源から前記ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズまでの距離が調整されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
前記励起光源から前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズまでの距離は、前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズの焦点距離と等しく設定されることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
前記ＦＡＳＴ軸のレーザビーム径は、前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズの焦点距離と、前記励起光源から前記ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズまでの距離と、前記ストライプの厚みと、前記レーザビームの拡がり角と、前記励起光源の波長とによって決定されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のレーザ装置。
前記ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズは、前記励起光源の光軸に対して傾けて設置され、ＦＡＳＴ軸方向のレーザビームをシフトさせることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のレーザ装置。