JP2809181B2

JP2809181B2 - Ｌｄ励起固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2809181B2
Application number: JP6640296A
Authority: JP
Inventors: 利光林
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH09260755A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器に関
し、特にレーザダイオード（以下、「ＬＤ」と称す）で
固体利得媒質を励起してレーザ発振を行なうＬＤ励起固
体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体レーザは小型、高効率、なおかつエ
ネルギー蓄積効果を活用し、加工やマーキング等の用途
に用いられており、ガスレーザの欠点を一部補っている
事から徐々にその市場規模が拡大している。

【０００３】固体レーザ発振器については、高効率で発
振させるべく以下のような工夫がなされてきた。

【０００４】（１）励起光にレーザダイオードを用いる（２）端面励起法（３）高効率固体レーザ媒質の開発（４）利得媒質の移動によるモードボリューム領域（利
得媒質のレーザ光発振に寄与する利得領域）の増加「励起光にレーザダイオードを用いる」は、励起光のス
ペクトルが狭い事に着目し、波長が固体利得媒質のある
帯域を持った吸収スペクトルと合致するレーザダイオー
ドを励起光用光源として用い、無駄なく固体利得媒質を
励起できるようにする方法である。この方法により発振
効率は１００倍以上改善される。また励起パワーを低減
できることから、励起光による固体利得媒質の膨張によ
るマルチモード発振を抑制することができる。

【０００５】「端面励起法」は、励起光を共振器の光軸
と同じ方向から入射させ、利得媒質のレーザ発振にあず
かるモードボリューム領域内に集光させることにより、
レーザ発振の高効率化を図る手法である。この方法の場
合、利得媒質のレーザ発振に寄与しない部分を除去する
ために例えば励起光のビーム径に利得媒質の大きさを近
付けるといったが行われ、これによりレーザ発振の高効
率化を図っている。この場合、励起光のビーム径と利得
媒質の大きさの比率を１：３とすれば、この端面励起法
は、利得媒質の側面から励起が行なわれる側面励起法に
比べ、数倍程度の効率改善がなされる。

【０００６】「高効率固体レーザ媒質」は、一般的に用
いられているネオジウムＮｄを混入したＹＡＧ結晶の利
得媒質、ネオジウムＮｄを混入したＹＶＯ₄結晶等のス
ロープ効率の高い利得媒質を用いる手法であって、一般
に良く知られている。この手法によれば、１０％程度の
レーザ発振効率の改善が見込まれる。

【０００７】「利得媒質の移動によるモードボリューム
領域の増加」は、炭酸ガスレーザ等において用いられて
いる、利得媒質を共振器内に流入させ利得を機械的に増
加させるとともに内部循環させることにより冷却時間を
長くとれるようにし、結果的に冷却効果を向上させ飛躍
的に発振効率を増大させる手法を固体レーザにおいて用
いることをいう。

【０００８】以上説明したことから分かるように、固体
レーザの発振効率向上には共振器内における利得媒質の
モードボリューム領域に励起光を集中させれば良い。一
方、ハイパワー化の為には励起光出力を上げれば良い
が、レーザダイオード単体で励起光出力を上げようとす
ると結晶界面損傷により限界があるため、レーザダイオ
ードチップをアレイ状にする必要がある。しかし、この
アレイ状に配置したレーザダイオードチップからのビー
ムを、モードボリューム領域である固体レーザ光束の断
面直径約０．５ｍｍφに集光するのは極めて困難という
問題があった。そのため、従来は以下のような手法、す
なわち先の４番目に挙げた利得媒質の移動により仮想的
なモードボリューム領域が必要になっていた。

【０００９】図８に、特開平５−７５１８８号公報に記
載されている従来のＬＤ励起固体レーザの構造を示す。
この図において、（ａ）は側面図、（ｂ）はレーザダイ
オードの配置を示す図である。

【００１０】図８に示した従来のＬＤ励起固体レーザ構
造では、固体利得媒質１１１は円盤状の形状をしてお
り、その中心軸上に取り付けられたモータ１１２により
回転可能である。固体利得媒質１１１の一方の側には、
励起用光源であるレーザダイオード１１５が固体利得媒
質１１１の円周上に多数配置されており、モータ１１２
の回転に合わせて順次発光し、固体利得媒質１１１を励
起するようになっている。固体利得媒質１１１の他方の
側にはミラー１１６が配置されており、固体利得媒質１
１１で吸収されないで透過した励起光が該ミラー１１６
にて折り返されて、再度固体利得媒質１１１を励起し効
率を上げる。共振器はミラー１１３及びミラー１１４間
において形成されている。

【００１１】上記構成のＬＤ励起固体レーザでは、レー
ザダイオード１１５がモータ１１２の回転に合わせて順
次発光し、該発光により固体利得媒質１１１が部分的に
強く励起される。この固体利得媒質１１１の部分的に強
く励起された部分（反転分布が生じた部分）は、モータ
１１２の回転により共振器を成すミラー１１３、１１４
間に順次進入する。

【００１２】ここで、励起された固体利得媒質１１１
は、その励起準位の自然放出寿命により、自然放出寿命
を超えるまで放置すると緩和し、利得を失ってしまうこ
とから、この緩和前に誘導放出させる必要がある。上記
ＬＤ励起固体レーザでは、固体利得媒質１１１が励起さ
れてからミラー１１３、１１４間に進入するまでの時間
は自然放出寿命を超えないものとなっている。このよう
な構成とすることにより、共振器内に順次進入する共振
器外の利得も仮想的にモードボリューム領域として利用
することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示した固体利得媒質の移動により発振効率を向上させる
手法には、以下のような問題がある。

【００１４】利得媒質のエネルギー蓄積は飽和すること
から、利得媒質を過飽和励起しても、ある一定のエネル
ギー蓄積量以上にはエネルギーは蓄積されない。そのた
めに、励起光のエネルギー損失が生じて、発振効率の低
下をもたらすという問題点がある。

【００１５】さらには、定在波の節目においては、蓄積
されたエネルギーが発振に寄与しないために、利得の誘
導放出が効率的に行われないという問題点もある。

【００１６】そこで本発明は、上記従来技術の課題に鑑
み、過飽和励起の生じることのないＬＤ励起固体レーザ
装置を提供することを目的とする。さらには、定在波の
節目においても利得を得ることができ、かつ、空間的ホ
ールバーニングをなくすことができるＬＤ励起固体レー
ザ装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のＬＤ励起固体レーザは、円盤形状で、光学
軸が円盤面内方向に平行な一軸性もしくは二軸性の固体
利得媒質と、前記固体利得媒質の円盤中心軸を回転軸と
し、該固体利得媒質を所定の回転速度で回転する回転手
段と、前記固体利得媒質を挟んで設けられ、光軸が該固
体利得媒質の円盤中心軸に直交するよう配置されたレー
ザ共振器と、前記共振器の光軸に沿って複数のレーザダ
イオードがアレイ状に配置され、前記固体利得媒質に対
して励起光を照射するレーザダイオード光源と、を有す
ることを特徴とする。

【００１８】上記の場合、前記レーザダイオード光源か
らの励起光は、前記共振器における固体利得媒質のレー
ザ光発振に寄与する利得領域を照射するようにしてもよ
い。

【００１９】さらに、前記固体利得媒質の側面のレーザ
光発振に寄与する利得領域以外の部分を斜めにテーパ状
に加工してもよい。

【００２０】さらに、前記固体利得媒質の側面のレーザ
光発振に寄与する利得領域以外の部分をスリガラス状に
加工してもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２２】図１は本発明のＬＤ励起固体レーザの一実
施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図であ
る。

【００２３】図１において、１は円盤形状の一軸性固体
利得媒質で、反射ミラー２および出力ミラー３を対向配
置してなる共振器内に配置されている。また、この一軸
性固体利得媒質１はモータ５の回転軸に取り付けられて
おり、一軸性固体利得媒質１の中心軸とモータ５の回転
軸とは一致させてある。本実施例では、反射ミラー２と
して平面型の全反射ミラーを用い、出力ミラー３として
曲率半径７０ｍｍの凹面ミラーを用いており、これらミ
ラーにより形成される共振器の光軸は、一軸性固体利得
媒質１の回転軸と直交するように構成されている。尚、
この共振器内の出力ミラー３側には、不要モードを抑え
るためのアパーチヤー４が配置されている。

【００２４】一軸性固体利得媒質１の上方には、励起光
源としてのレーザダイオード（ＬＤ）光源６が配置され
ている。このＬＤ光源６は一軸性固体利得媒質１の直径
方向に共振器の光軸に沿って複数のレーザダイオードを
アレイ状に配置した構成となっており、該ＬＤ光源６か
らの励起光は、図２に示すように一軸性固体利得媒質１
におけるモードボリューム領域を含む所定領域を照射す
る。

【００２５】モータ５による一軸性固体利得媒質１の回
転速度は、ＬＤ光源６からの励起光により一軸性固体利
得媒質１の反転分布を生じた部分が励起準位の自然放出
寿命前に共振器の光軸において誘導放出させることがで
きる速度とされている。

【００２６】上記構成のＬＤ励起固体レーザでは、ＬＤ
光源６からの励起光はモータ５により所定の回転速度で
回転している一軸性固体利得媒質１に連続して照射され
る。このＬＤ光源６からの励起光により一軸性固体利得
媒質１では、照射された部分に反転分布が生じ、この反
転部分が生じた部分は共振器のモードボリューム領域に
おいて誘導放出される。

【００２７】ここで、ＬＤ光源６からの励起光は図３
（ａ）に示すような強度分布を有しており、図３（ｂ）
に示すようにモードボリューム領域に照射される。すな
わち、強度分布の中央部分（強度の十分高い部分）でモ
ードボリューム領域が照射され、強度分布の斜線で示さ
れた裾の部分（強度の弱い部分）はモードボリューム領
域近傍に照射される。モードボリューム領域において
は、過剰に励起光が照射されても誘導放出がなされるの
で、過飽和励起を生じることはない。また、モードボリ
ューム領域近傍においては、強度の弱い励起光によりエ
ネルギー蓄積が行われる。このエネルギー蓄積では過飽
和励起を生じず、該蓄積されたエネルギーにより反転分
布を生じた部分は、回転により共振器内に進入して誘導
放出がなされる。

【００２８】以上のように、ＬＤ光源６を共振器の光軸
に沿って配置し、励起光はモードボリューム領域を照射
するよう構成したことにより、励起光を十分に高い強度
にしても過飽和励起が生じることはなく、モードボリュ
ーム領域外にて励起光により蓄積されたエネルギーは、
回転により共振器内に進入して誘導放出がなされるの
で、発振効率が大幅に向上する。

【００２９】また、上述のＬＤ励起固体レーザでは、一
軸性固体利得媒質１がもたらす異常光線の縦モードによ
り該媒質内に生じる空間的ホールバーニングの影響をな
くすことができ、エネルギー効率を上げることができ
る。以下、その理由のついて詳しく説明する。

【００３０】一軸性固体利得媒質１は複屈折材料であ
り、直交するレーザの偏光に対して２つの屈折率を有
し、その内の１つは媒質に対する光の入射角の変化、す
なわち一軸性固体利得媒質１の光学軸（一軸性固体利得
媒質１の回転により光学軸も回転する）と共振器の光軸
とのなす角度の変化に応じて変化する。図４に、一軸性
固体利得媒質１の屈折率を示す。同図では、常光線は屈
折率ｎ₀の円、異常光線は屈折率ｎ_eの楕円で示されてい
る。ａは一軸性固体利得媒質１の光学軸方向を示し、一
軸性固体利得媒質１の回転により光学軸方向がａから
ａ’に変化したときのレーザ周波数の変化を図５に示
す。

【００３１】ｆは常光線による縦モード、ａ₁は異常光
線による縦モードである。いま、結晶軸方向がａから
ａ’に変化したと仮定すると、異常光線における屈折率
ｎ_eが大きなる。ここで、一軸性固体利得媒質１内にお
ける光の速度は屈折率をｎとすると、Ｃ／ｎで表され、
波長はｎλで表されることから、屈折率ｎが大きくなる
と利得媒質内における共振器長は長くなる。このことよ
り、屈折率ｎ_eが大きくなると、レーザの有効共振器長
が長くなり、異常光線による縦モードａ₁（レーザ周波
数）は低周波側（縦モードａ₁’）にシフトする。一
方、常光線の屈折率ｎ₀は変化しないので、常光線によ
る縦モードｆは変化しない。

【００３２】上記のように本実施例では、一軸性固体利
得媒質１内を通過するレーザ光（共振器内で反射される
レーザ光）と光学軸とのなす角度（レーザ光の入射角
度）を一軸性固体利得媒質１の回転に応じて一定周期で
正弦波的に変化するので、この屈折率変化にともなって
異常光線の縦モードの周波数も一定周期で正弦波的にシ
フトされる。この周波数シフトを高速に行えば、利得包
絡線内に蓄えられた利得を周波数の掃引ととももに効果
的に誘導放出させることができ、この結果、一軸性固体
利得媒質１内に生じる空間的ホールバーニングの影響に
よる発振効率の低下をなくすことができる。

【００３３】また、定在波の節目においては、例えば図
６に示すように波長がλから３／２λへ連続的にシフト
すると、定在波の節目もｘ₁からｘ₂へ連続的にシフトす
ることとなり、このシフトの過程で利得の誘導放出のム
ダがなくなる。このことから、波長のシフトを高速で増
減すれば、すなわち一軸性固体利得媒質１を高速に回転
させて該一軸性固体利得媒質１内を通過するレーザ光と
光学軸とのなす角度（レーザ光の入射角度）を一定周期
で正弦波的に高速に変化させれば、定在波の節目も高速
に連続的にｘ軸上を移動することとなり、定常的に利得
媒質の誘導放出のムダが空間的（図６中、ｘ軸に対し
て）になくなる。

【００３４】なお、本実施例では、アパーチヤー４によ
り不要モードを抑えるようになっているが、一軸性固体
利得媒質１の形状を以下のようにすることによっても不
要モードを抑えることができる。例えば、図７（ａ）に
示すように、一軸性固体利得媒質１の端面（曲面）のレ
ーザビーム径から外れる部分（モードボリューム領域か
ら外れる部分）を共振器の光軸に対して斜めにテーパ状
に加工したものとしてもよい。この場合は、レーザビー
ム径から外れる部分では、テーパ状に加工された面によ
り共振器の光軸とは異なる方向に不要モードの光が出射
され、これにより不要モードが抑えられる。また、図７
（ｂ）に示すように、一軸性固体利得媒質１の端面（曲
面）のレーザビーム径から外れる部分（モードボリュー
ム領域から外れる部分）をスリガラス状に加工したもの
としてもよい。この場合は、スリガラス状に加工した面
において不要モードの乱反射し、これにより不要モード
が抑えられる。このスリガラス状に加工したものにおい
ては、特にマルチモード発振の抑制が可能である。

【００３５】また、本実施例では、固体利得媒質を一軸
性固体利得媒質として説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば二軸性固体利得媒質であっ
てもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、過
飽和入力しても励起光吸収漏れが少なくなり、励起効率
が上がるという効果がある。

【００３７】さらには、異常光の高速周波数シフトよ
り、定在波の節目においても利得を得ることができると
ともに空間的ホールバーニングをなくすことができるの
で、利得を効率よくレーザ発振に変換することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＬＤ励起固体レーザ装置の一実施形態
を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図２】図１に示すＬＤ光源６から励起光の照射領域を
説明するための図で、（ａ）は上からみた図、（ｂ）は
横からみた図である。

【図３】（ａ）は励起光の強度分布を示す図、（ｂ）は
（ａ）に示した強度分布に対応した照射領域を摸式的に
示す図である。

【図４】一軸性固体利得媒質の屈折率を示す図である。

【図５】図４に示す光学軸方向がａからａ’に変化した
ときのレーザ周波数の変化を示す図である。

【図６】共振器内のレーザ波長をλから３／２λへシフ
トした場合における定在波の節目のシフトを示す図であ
る。

【図７】図１に示す一軸性固体利得媒質１の形状例を示
す図で、（ａ）は一軸性固体利得媒質１の端面（曲面）
が斜めにテーパ状に加工された例、（ｂ）は一軸性固体
利得媒質１の端面（曲面）がスリガラス状に加工された
例である。

【図８】従来のＬＤ励起固体レーザの構造の一例を示
し、（ａ）は側面図、（ｂ）はレーザダイオードの配置
から示す図である。

【符号の説明】１一軸性固体利得媒質２反射ミラー３出力ミラー４アパーチャー５モータ６ＬＤ光源

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円盤形状で、光学軸が円盤面内方向に平
行な一軸性もしくは二軸性の固体利得媒質と、前記固体利得媒質の円盤中心軸を回転軸とし、該固体利
得媒質を所定の回転速度で回転する回転手段と、前記固体利得媒質を挟んで設けられ、光軸が該固体利得
媒質の円盤中心軸に直交するよう配置されたレーザ共振
器と、前記共振器の光軸に沿って複数のレーザダイオードがア
レイ状に配置され、前記固体利得媒質に対して励起光を
照射するレーザダイオード光源と、を有することを特徴
とするＬＤ励起固体レーザ。
【請求項２】請求項１に記載のＬＤ励起固体レーザに
おいて、前記レーザダイオード光源からの励起光は、前記共振器
における固体利得媒質のレーザ光発振に寄与する利得領
域を照射することを特徴とするＬＤ励起固体レーザ。
【請求項３】請求項１に記載のＬＤ励起固体レーザに
おいて、前記固体利得媒質の側面のレーザ光発振に寄与する利得
領域以外の部分を斜めにテーパ状に加工したことを特徴
とするＬＤ励起固体レーザ。
【請求項４】請求項１に記載のＬＤ励起固体レーザに
おいて、前記固体利得媒質の側面のレーザ光発振に寄与する利得
領域以外の部分をスリガラス状に加工したことを特徴と
するＬＤ励起固体レーザ。