JP2018181991A - 固体レーザ装置 - Google Patents

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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、TEM00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TEM00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TEM00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TEM00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TEM00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TEM00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TEM00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TEM00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。
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TEM00出力ビームを得ることができる。
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TEM00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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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