JP2018181991A

JP2018181991A - 固体レーザ装置

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Publication number: JP2018181991A
Application number: JP2017077396A
Authority: JP
Inventors: ラケシュバンダリ; Bhandari Rakesh
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-10
Also published as: JP6919287B2

Abstract

【課題】ビームの拡がりが異なる非円形のレーザビームを出力する光源によりレーザ媒質を励起する場合に、ガウシアンのＴＥＭ００出力ビームを得る固体レーザ装置。【解決手段】ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なるレーザビームを出力する光源１と、光源からのレーザビームをファスト軸とスロー軸にコリメートするコリメータ２，３と、コリメータからのレーザビームを均一なレーザビームに整形するホモジナイザー４と、ホモジナイザーからの均一なレーザビームをデフォーカスの状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形するビームサイズ整形光学系５と、光共振器を構成する入力ミラー１５ａ及び出力ミラー１５ｂ間に配置され且つビームサイズ整形光学系からのレーザビームにより励起させて出力レーザビームを放出するレーザ媒質１６を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオード（ＬＤ）のビームによるレーザ媒質のエンドポンプを行う固体レーザ装置に関する。

固体レーザ装置において、レーザ媒質のエンドポンプ（レーザ媒質の端部励起）として、図６に示すファイバ結合型ＬＤを用いた固体レーザ装置が知られている。この固体レーザ装置は、ファイバ結合型ＬＤ１１、光ファイバ１２、レンズ１３，１４、入力ミラー１５ａ、レーザ媒質１６、出力ミラー１５ｂで構成されている。

また、図７に示すＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、垂直共振器面発光レーザ）又は複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤを用いた固体レーザ装置が知られている。この固体レーザ装置は、ＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬ又は複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ２１、ビーム整形光学系２２、レンズ１３、入力ミラー１５ａ、レーザ媒質１６、出力ミラー１５ｂで構成されている。

最近、ファイバ結合型ＬＤ１１によるレーザ媒質の励起法が多く用いられている。この方法では、簡単に良質の円形ビームによりレーザ媒質１６を励起できる。

しかし、光ファイバ１２の最小曲げ半径は、ファイバの仕様で決まってしまうので、光ファイバをレーザの箱に組み込むとレーザの小型化ができない。また、光ファイバ１２を移動させると、励起光のモードが変動し、レーザ媒質１６から出力されるレーザビームの特性も変わってしまう。

従って、小型且つ安定したレーザを設計する場合には、図７に示すＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）又は複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ等の光源を用いて、レーザ媒質１６を励起するのが良い。

しかし、上記の光源では、ビームの拡がりが水平軸と垂直軸でかなり異なる。このようなビームでレーザ媒質を励起すると、出力レーザビームの拡がりも異なり、ＴＥＭ_００ビームが得られない。このため、図７に示す例では、適切なビーム整形光学系２２により水平軸と垂直軸との拡がりをある程度まで補正できる。そして、補正されたビームをレンズ１３で集光して、レーザ媒質１６を励起する。レーザ媒質１６からの出力レーザビームの形は、励起ビームの形に従う。

Lew Goldberg, Chris McIntosh and Brian Cole, "VCSEL end-pumped passively Q-switched Nd:YAG laser with adjustable pulse energy,"Opt.Express,Vol.19 No.5,pp4261-4267(2011). Robert Van Leeuwen et al.,"VCSEL-pumped passively Q-switched monolithic solid-state lasers," Proc. SPIE 9726,Solid State Lasers XXV: Technology and Devices,97260U(March 16,2016); doi: 10.1117/12.2213322

しかしながら、ＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬ又は複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ２１のビームは、円形ではないため、ガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得るのが困難であった（非特許文献１，２）。

本発明の課題は、ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なるレーザビームを出力する光源によりレーザ媒質を励起する場合に、ガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる固体レーザ装置を提供する。

本発明に係る固体レーザ装置は、上記課題を解決するために、長方形のレーザビームを出力する光源と、前記光源からの長方形のレーザビームの水平と垂直との拡がりを補正する光学系と前記の補正されたビームを均一なレーザビームに整形する均一ビーム整形光学系と、前記均一ビーム整形光学系からの均一なレーザビームをデフォーカス（集光ではなく、少し拡がっている）の状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形するビームサイズ整形光学系と、光共振器を構成する入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記ビームサイズ整形光学系からのレーザビームにより励起させて出力レーザビームを放出するレーザ媒質とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、均一ビーム整形光学系が、光源からの長方形のレーザビームを均一なレーザビームに整形し、ビームサイズ整形光学系が、均一なレーザビームをデフォーカス（集光ではなく、少し拡がっている）の状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形する。

このため、レーザ媒質の励起は、集光しているビームではなく、少し拡がった状態のビームで行うことになる。すると、レーザビームに対して垂直のプレーンでは、励起の強度がほぼ均一となる。このため、丸いガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。

本発明の実施例１の固体レーザ装置の構成図である。本発明の実施例１の固体レーザ装置のファスト軸コリメータ、スロー軸コリメータ、ホモジナイザーのレーザ波形を示す図である。サイドポンプの構造を示す図である。本発明の実施例１の固体レーザ装置の変形例の構成図である。本発明の実施例２の固体レーザ装置の構成図である。従来の固体レーザ装置の一例の構成図である。従来の固体レーザ装置の他の一例の構成図である。

以下、本発明の固体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。

以下、本発明の実施形態に係る固体レーザ装置を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例１の固体レーザ装置の構成図である。図１に示す実施例１の固体レーザ装置は、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１のレーザビームを、ビーム整形光学系を用いて、レーザダイオードビームに対して垂直のプレーンに均一の強度の正方形又は長方形のビームに整形してレーザ媒質を励起するものである。

実施例１の固体レーザ装置は、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１、ファスト軸コリメータ２、スロー軸コリメータ３、ホモジナイザー４、ビームサイズ縮小光学系５、入力ミラー１５ａ、出力ミラー１５ｂ、レーザ媒質１６を備えている。

複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１は、本発明の光源に対応し、ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なるレーザビームを出力する。

なお、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１の代わりに、ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なるレーザビームを出力するＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬを用いても良い。

ファスト軸コリメータ２は、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１からのレーザビームをファスト軸にコリメートしてスロー軸コリメータ３に出射する。スロー軸コリメータ３は、ファスト軸コリメータからのレーザビームをスロー軸にコリメートしてホモジナイザー４に出力する。

ホモジナイザー４は、スロー軸コリメータ３からのレーザビームを均一なレーザビームに整形する。

ビームサイズ縮小光学系５は、凸レンズ等であり、ホモジナイザー４からの均一なレーザビームをデフォーカスの状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形する。励起スポットのサイズは、ビームの最小径であり、例えば、５００ｕｍである。ビームサイズ縮小光学系５から例えば、５００ｕｍ（横サイズ）×７００ｕｍ（縦サイズ）の長方形のビームがレーザ媒質に入射される。

レーザ媒質１６は、光共振器を構成する入力ミラー１５ａと出力ミラー１５ｂとの間に配置され、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を有する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１からのポンプ光（波長８０８ｎｍ）により励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長１０６４ｎｍのレーザ光を放出する。

レーザ媒質１６の一端には、入力ミラー１５ａが取り付けられ、入力ミラー１５ａは、波長８０８ｎｍの光を透過するとともに、波長１０６４ｎｍの光を高反射率で反射する。出力ミラー１５ｂは、波長１０６４ｎｍの光の一部を透過するとともに、残りを反射させる。

なお、光共振器は、モノリシックマイクロチップから構成してもよい。

次にこのように構成された実施例１の固体レーザ装置の動作を説明する。まず、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１は、ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なるレーザビームを出力する。ファスト軸は例えば垂直軸であり、スロー軸は、例えば水平軸である。出力されたレーザビームは、楕円錐形に広がるビームとなる。

次に、ファスト軸コリメータ２は、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１からのレーザビームを図２（ａ）に示すように、ファスト軸にコリメートしてスロー軸コリメータ３に出射する。

スロー軸コリメータ３は、ファスト軸コリメータからのレーザビームを図２（ｂ）に示すように、スロー軸にコリメートしてホモジナイザー４に出力する。出力されるビームは、長方形のコリメートビームとなる。

ホモジナイザー４は、スロー軸コリメータ３からの長方形のコリメートビームを、図２（ｃ）に示すような均一な光強度分布のビームプロファイルに変換する。この均一な光強度分布のビームも長方形のビームからなる。

さらに、ビームサイズ縮小光学系５は、ホモジナイザー４からの長方形の均一なレーザビームを、デフォーカス（集光ではなく、少し拡がっている）の状態で且つレーザ媒質１６の励起スポットのサイズの長方形に整形して、レーザ媒質１６に出射する。

レーザ媒質１６の励起は、デフォーカスの状態、即ち、集光しているビームではなく、少し拡がった状態のビームで行う。励起ビーム断面の大きさは、レーザビームウェストの断面よりも少し大きい。

この条件において、レーザ媒質１６を励起すると、レーザビームに対して垂直のプレーンでは、励起の強度がほぼ均一である。このため、丸いガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。

この原理を理解するために、図３に示すレーザ媒質１６のサイドポンプ（レーザ媒質の側面部励起）の構造を説明する。ＬＤバー又はＬＤスタック２１のビームをビーム整形光学系２２で整形し、レーザ媒質１６の側面部に入射させて、レーザ媒質１６の側面部励起を行う。

これにより、サイドポンプの方法において、丸いガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。これは、レーザ媒質１６中に、励起光が集中している場所がなく、レーザ媒質１６はほぼ均一に励起しているからである。同様に、実施例１の固体レーザ装置のように、少し拡がったビームでエンドポンプ（レーザ媒質の端面部励起）した場合でも、均一の励起になれば、丸いガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。

従って、ＬＤバー又はＬＤスタック又はＶＣＳＥＬ又は複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ２１を用いてレーザ媒質１６を励起した場合でも、エンドポンプの有利な点、例えば、高いポンプ吸収効率、高い出力レーザビーム質等を保持しながら、丸いガウシアンのＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。

このように、実施例１の固体レーザ装置によれば、複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ１からのレーザビームをコリメータ２，３でファスト軸とスロー軸にコリメートする。ホモジナイザー４が、コリメータ２，３からのレーザビームを均一なレーザビームに整形し、ビームサイズ整形光学系５が、均一なレーザビームをデフォーカス（集光ではなく、少し拡がっている）の状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形する。

図４に実施例１の固体レーザ装置の変形例の構成図を示す。図４に示す変形例では、図１に示す構成に対して、ファスト軸コリメータ２とスロー軸コリメータ３とを入れ替えたことを特徴とする。

このように、コリメータを入れ替えても、実施例１の固体レーザ装置の効果と同様な効果が得られる。

図５は、本発明の実施例２の固体レーザ装置の構成図である。実施例２の固体レーザ装置は、レーザ媒質１６と出力ミラー１５ｂとの間に、レーザの吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体１７を配置したことを特徴とする。可飽和吸収体１７は、励起準位の電子密度が飽和すると、透明化し、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が発生してパルス光が発生するＱスイッチである。可飽和吸収体１７は、例えば、Ｃｒ：ＹＡＧからなる。

このように実施例２の固体レーザ装置によれば、レーザ媒質１６と出力ミラー１５ｂとの間に可飽和吸収体１７を配置したので、ＱスイッチのパルスＴＥＭ_００出力ビームを得ることができる。

本発明は、分光法、レーザを用いた測定器、レーザ加工、レーザ誘起ブレイクダウン分光法（ＬＩＢＳ；Laser Induced Breakdown spectroscopy）、ライダ（LIDAR; Laser Imaging Detection And Ranging）に適用可能である。

１複数のシングルエミッタビーム結合型ＬＤ
２ファスト軸コリメータ
３スロー軸コリメータ
４ホモジナイザー
５ビームサイズ縮小光学系
１５ａ，１５ｂミラー
１６レーザ媒質
１７可飽和吸収体

Claims

長方形のレーザビームを出力する光源と、
前記光源からの長方形のレーザビームを均一なレーザビームに整形する均一ビーム整形光学系と、
前記均一ビーム整形光学系からの均一なレーザビームをデフォーカスの状態で且つ励起スポットのサイズの長方形に整形するビームサイズ整形光学系と、
光共振器を構成する入力ミラー及び出力ミラー間に配置され且つ前記ビームサイズ整形光学系からのレーザビームにより励起させて出力レーザビームを放出するレーザ媒質と、
を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
前記光源は、ファスト軸とスロー軸とでビームの拡がりが異なる前記長方形のレーザビームを出力し、
前記光源からのレーザビームをファスト軸にコリメートするファスト軸コリメータと、
前記ファスト軸コリメータからのレーザビームをスロー軸にコリメートして前記均一ビーム整形光学系に出力するスロー軸コリメータと、
を備えることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
前記光源は、レーザダイオードバー又はレーザダイオードスタック又は垂直共振器面発光レーザ又は複数のシングルエミッタビーム結合型ダイオードからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体レーザ装置。
前記レーザ媒質と前記出力ミラーとの間に配置され、レーザの吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の固体レーザ装置。