JP2823924B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はレーザダイオードにより高効率な光励起を
行うレーザ装置に関するものである。
行うレーザ装置に関するものである。
第３図は例えばトーマス・マイケル・ベイアにより特
開平１−122180号に示されたレーザ装置の構成図であ
る。第３図において、１は固体レーザ媒質で作製したレ
ーザブロック、２は適切な間隔をもって並べた複数のレ
ーザダイオードＤで構成したダイオードバー、３はファ
イバレンズで実現される円柱レンズ、４は高反射鏡、５
は出力結合鏡、６は空洞内素子である。なお、上記各構
成要素の詳細は下記の動作説明で述べる。
開平１−122180号に示されたレーザ装置の構成図であ
る。第３図において、１は固体レーザ媒質で作製したレ
ーザブロック、２は適切な間隔をもって並べた複数のレ
ーザダイオードＤで構成したダイオードバー、３はファ
イバレンズで実現される円柱レンズ、４は高反射鏡、５
は出力結合鏡、６は空洞内素子である。なお、上記各構
成要素の詳細は下記の動作説明で述べる。
次にこの従来例の動作について説明する。ダイオード
バー２を構成するレーザダイオードＤからの出力光は、
一般に水平方向の拡がり角に比べ垂直方向の拡がり角が
広い。そこで円柱レンズ３により垂直方向の出力光のみ
を、ビーム径を固体レーザの横モードの大きさと調和す
るような平行光束としてレーザブロック１に入射する。
ここでダイオードバー２からの出力光波長を固体レーザ
媒質の吸収帯に一致させておくと、ダイオードバー２か
らの出力光は、レーザブロック１の中で伝搬に従い指数
関数的に吸収されレーザ発信波長で利得を有する反転分
布を形成する。このときの反転分布の空間分布は、円柱
レンズ３を通過したダイオードバー２からの出力光の空
間分布を反映してダイオードバー２を構成する各レーザ
ダイオードＤの配置位置で大きく、レーザダイオードＤ
の間隔位置では小さい。このような反転分布を形成させ
たレーザブロック１内で第３図に示したようなダイオー
ドバー２からの出力光が入射する一側面のダイオードバ
ー２を構成する各レーザダイオードＤの配置位置と、そ
の一側面に対向する他側面で反射するジグザグな光路を
もってレーザ共振器を形成するように高反射鏡４及び出
力結合５を設置する。このときダイオードバー２からの
出力光が入射するレーザブロック１の一側面は、ダイオ
ードバー２からの出力光波長に対しては低反射としレー
ザ発振波長に対しては高反射のダイクロイックコーティ
ングを施してある。ダイオードバー２からの出力光が入
射するレーザブロック１の一側面に対向するレーザブロ
ック１の他側面には固体レーザ発振波長に対して高反射
コーティングを施し、一部、高反射鏡４及び出力結合鏡
５にレーザ光が出力されるレーザブロック１他側面の一
部分には固体レーザ発振波長に対して低反射コーティン
グを施してある。このようにレーザ共振器を構成するこ
とにより、ダイオードバー２から出射された光のエネル
ギーを高効率でレーザ発振モードに結合できる。ダイオ
ードバー２を構成するレーザダイオードＤの数を増やし
ジグザグの反射回数を増やしていくことでレーザ発振パ
ワーを増加させることができる。またレーザ共振器内に
Ｑスイッチ素子や波長変換素子を空洞内素子６として挿
入することでＱスイッチ動作や波長変換動作も可能であ
る。上記Ｑスイッチ素子はレーザ共振器のＱ値を変化さ
せるもので、電気光学結晶や音響光学結晶で実現され
る。また、上記Ｑスイッチ動作とは、レーザ共振器のＱ
値をある一定時間低くし、レーザ発振を抑制しておくと
励起エネルギーはレーザブロック１に蓄積され、その後
Ｑ値を高めるとレーザ発振が生じ、蓄積エネクギーがパ
ルス状に光として放出される動作をいう。
バー２を構成するレーザダイオードＤからの出力光は、
一般に水平方向の拡がり角に比べ垂直方向の拡がり角が
広い。そこで円柱レンズ３により垂直方向の出力光のみ
を、ビーム径を固体レーザの横モードの大きさと調和す
るような平行光束としてレーザブロック１に入射する。
ここでダイオードバー２からの出力光波長を固体レーザ
媒質の吸収帯に一致させておくと、ダイオードバー２か
らの出力光は、レーザブロック１の中で伝搬に従い指数
関数的に吸収されレーザ発信波長で利得を有する反転分
布を形成する。このときの反転分布の空間分布は、円柱
レンズ３を通過したダイオードバー２からの出力光の空
間分布を反映してダイオードバー２を構成する各レーザ
ダイオードＤの配置位置で大きく、レーザダイオードＤ
の間隔位置では小さい。このような反転分布を形成させ
たレーザブロック１内で第３図に示したようなダイオー
ドバー２からの出力光が入射する一側面のダイオードバ
ー２を構成する各レーザダイオードＤの配置位置と、そ
の一側面に対向する他側面で反射するジグザグな光路を
もってレーザ共振器を形成するように高反射鏡４及び出
力結合５を設置する。このときダイオードバー２からの
出力光が入射するレーザブロック１の一側面は、ダイオ
ードバー２からの出力光波長に対しては低反射としレー
ザ発振波長に対しては高反射のダイクロイックコーティ
ングを施してある。ダイオードバー２からの出力光が入
射するレーザブロック１の一側面に対向するレーザブロ
ック１の他側面には固体レーザ発振波長に対して高反射
コーティングを施し、一部、高反射鏡４及び出力結合鏡
５にレーザ光が出力されるレーザブロック１他側面の一
部分には固体レーザ発振波長に対して低反射コーティン
グを施してある。このようにレーザ共振器を構成するこ
とにより、ダイオードバー２から出射された光のエネル
ギーを高効率でレーザ発振モードに結合できる。ダイオ
ードバー２を構成するレーザダイオードＤの数を増やし
ジグザグの反射回数を増やしていくことでレーザ発振パ
ワーを増加させることができる。またレーザ共振器内に
Ｑスイッチ素子や波長変換素子を空洞内素子６として挿
入することでＱスイッチ動作や波長変換動作も可能であ
る。上記Ｑスイッチ素子はレーザ共振器のＱ値を変化さ
せるもので、電気光学結晶や音響光学結晶で実現され
る。また、上記Ｑスイッチ動作とは、レーザ共振器のＱ
値をある一定時間低くし、レーザ発振を抑制しておくと
励起エネルギーはレーザブロック１に蓄積され、その後
Ｑ値を高めるとレーザ発振が生じ、蓄積エネクギーがパ
ルス状に光として放出される動作をいう。
従来のレーザ装置は以上のように構成されているの
で、高効率な光励起を実現するためにダイオードバー２
を構成する複数のレーザダイオードＤの設置位置とレー
ザ共振器を構成するジグザグ光路の反射位置を一致させ
る必要があり、このため高反射鏡４、出力結合鏡５及び
ダイオードバー２の配置を調整することが難しかった。
また、レーザブロック１に施す高反射コーティングは誘
電体多層膜で作製しており、多層膜での吸収や散乱、製
作精度などにより反射率は最大99.8％程度で0.2％程度
の損失を有する。このためレーザ発振パワーを増やすた
めジグザグ光路の反射回数を増やすことによりレーザ共
振器内部損失が増加してしまうという問題点があった。
さらにダイオードバー２からの出力光が入射するレーザ
ブロック１の一側面に対向する他側面の一部に高反射鏡
４及び出力結合鏡５にレーザ光が出力するためレーザ発
振波長に対し低反射コーティングを施す必要があり、高
反射コーティング領域と低反射コーティング領域は分離
して作製するのに手間がかかった。また、従来の構成で
はレーザ共振器がジグザグ光路をとるめ共振器長が長く
なってしまい、光子寿命が長くなってしまうことを反映
してＱスイッチ動作を行った場合パルス幅が長くなりパ
ルスのピークパワーが大きくとれなかった。
で、高効率な光励起を実現するためにダイオードバー２
を構成する複数のレーザダイオードＤの設置位置とレー
ザ共振器を構成するジグザグ光路の反射位置を一致させ
る必要があり、このため高反射鏡４、出力結合鏡５及び
ダイオードバー２の配置を調整することが難しかった。
また、レーザブロック１に施す高反射コーティングは誘
電体多層膜で作製しており、多層膜での吸収や散乱、製
作精度などにより反射率は最大99.8％程度で0.2％程度
の損失を有する。このためレーザ発振パワーを増やすた
めジグザグ光路の反射回数を増やすことによりレーザ共
振器内部損失が増加してしまうという問題点があった。
さらにダイオードバー２からの出力光が入射するレーザ
ブロック１の一側面に対向する他側面の一部に高反射鏡
４及び出力結合鏡５にレーザ光が出力するためレーザ発
振波長に対し低反射コーティングを施す必要があり、高
反射コーティング領域と低反射コーティング領域は分離
して作製するのに手間がかかった。また、従来の構成で
はレーザ共振器がジグザグ光路をとるめ共振器長が長く
なってしまい、光子寿命が長くなってしまうことを反映
してＱスイッチ動作を行った場合パルス幅が長くなりパ
ルスのピークパワーが大きくとれなかった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、励起レーザ光の光路調整が容易であり、Ｑ
スイッチ動作時にはピークパーワーを高くとれ、しかも
容易に装置を製作できるレーザ装置を得ることを目的と
する。
れたもので、励起レーザ光の光路調整が容易であり、Ｑ
スイッチ動作時にはピークパーワーを高くとれ、しかも
容易に装置を製作できるレーザ装置を得ることを目的と
する。
この発明は、少なくとも１対の対向する側面を有する
レーザブロック１と、複数の同じ形状のレーザダイオー
ドＤで構成されかつ各レーザダイオードＤの出力端面を
出力光が放射される方向から見て各レーザダイオードＤ
の活性層を楕円形状のニア・フィールド・パターンの長
軸方向に一直線上に整列するように配置された励起用ダ
イオードバー２と、この励起用ダイオードバー２からの
出力光の内上記各レーザダイオードＤの楕円形状のニア
・フィールド・パターンの短軸方向のみを平行光束を変
換する平行光束変換手段（円柱レンズ３）と、上記レー
ザブロック１の一側面を含んで設けられた高反射鏡４
と、入射されたビームを入射面内で任意に選んだ第１方
向（水平方向）及び第２方向（垂直方向）の直交２成分
で第１方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大きくして出
射し上記レーザブロック１内でビームが拡大されるよう
に設けられた第１方向望遠光学系（水平方向望遠光学系
７）と、この第１方向望遠光学系からの出力光を結合し
て上記高反射鏡４側へ折り返すように設けられた出力結
合鏡５とを備え、上記レーザブロック１に複数の上記励
起用ダイオードバー２の出力光を各レーザダイオードＤ
の出力光のニア・フィールド・パターンの短軸方向と上
記第１方向望遠光学系の第２方向を一致させて入射する
ように構成し、上記高反射鏡４と上記第１方向望遠光学
系との間の光学長をL1、上記第１方向望遠光学系の光学
長をL2、上記第１方向望遠光学系と上記出力結合鏡５と
の間の光学長をL3、上記第１方向望遠光学系の第１方向
の倍率をMx、上記第１方向望遠光学系の第２方向の倍率
をMy、上記高反射鏡４の第１方向の曲率半径をR1x、上
記高反射鏡４の第２方向の曲率半径をR1y、上記出力結
合鏡５の第１方向の曲率半径をR2x、上記出力結合鏡５
の第２方向の曲率半径をR2yとして、 （Ｌ−Lx/R1x）（Ｌ−Lx/R2x）＜１ ・・・（１） （Ｌ−Ly/R1y）（Ｌ−Ly/R2y）＜１ ・・・（２） ここでLx＝L1＋L2＋Mx・L3 Ly＝L1＋L2＋My・L3 上記（１）式及び（２）式を同時に満たす条件を有す
る構成にしたことを特徴とするものである。
レーザブロック１と、複数の同じ形状のレーザダイオー
ドＤで構成されかつ各レーザダイオードＤの出力端面を
出力光が放射される方向から見て各レーザダイオードＤ
の活性層を楕円形状のニア・フィールド・パターンの長
軸方向に一直線上に整列するように配置された励起用ダ
イオードバー２と、この励起用ダイオードバー２からの
出力光の内上記各レーザダイオードＤの楕円形状のニア
・フィールド・パターンの短軸方向のみを平行光束を変
換する平行光束変換手段（円柱レンズ３）と、上記レー
ザブロック１の一側面を含んで設けられた高反射鏡４
と、入射されたビームを入射面内で任意に選んだ第１方
向（水平方向）及び第２方向（垂直方向）の直交２成分
で第１方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大きくして出
射し上記レーザブロック１内でビームが拡大されるよう
に設けられた第１方向望遠光学系（水平方向望遠光学系
７）と、この第１方向望遠光学系からの出力光を結合し
て上記高反射鏡４側へ折り返すように設けられた出力結
合鏡５とを備え、上記レーザブロック１に複数の上記励
起用ダイオードバー２の出力光を各レーザダイオードＤ
の出力光のニア・フィールド・パターンの短軸方向と上
記第１方向望遠光学系の第２方向を一致させて入射する
ように構成し、上記高反射鏡４と上記第１方向望遠光学
系との間の光学長をL1、上記第１方向望遠光学系の光学
長をL2、上記第１方向望遠光学系と上記出力結合鏡５と
の間の光学長をL3、上記第１方向望遠光学系の第１方向
の倍率をMx、上記第１方向望遠光学系の第２方向の倍率
をMy、上記高反射鏡４の第１方向の曲率半径をR1x、上
記高反射鏡４の第２方向の曲率半径をR1y、上記出力結
合鏡５の第１方向の曲率半径をR2x、上記出力結合鏡５
の第２方向の曲率半径をR2yとして、 （Ｌ−Lx/R1x）（Ｌ−Lx/R2x）＜１ ・・・（１） （Ｌ−Ly/R1y）（Ｌ−Ly/R2y）＜１ ・・・（２） ここでLx＝L1＋L2＋Mx・L3 Ly＝L1＋L2＋My・L3 上記（１）式及び（２）式を同時に満たす条件を有す
る構成にしたことを特徴とするものである。
レーザブロック１内のレーザ光の光路は、レーザブロ
ック１の１対の対向する側面間を通過する。励起用ダイ
オードバー２からの励起光は平行光束変換手段（円柱レ
ンズ３）により第２方向（垂直方向）に関してほぼガウ
ス分布を有した平行光束となる。第１方向（水平方向）
に関しては、上記励起光はレーザブロック１内全域に渡
り拡がった分布を有するが、第１方向望遠光学系（水平
方向望遠光学系７）によりレーザブロック１内で第１方
向にレーザブロック１内全域に拡張される。高反射鏡４
とレーザブロック１と第１方向望遠光学系と出力結合鏡
５とを含みレーザ共振器が形成される。
ック１の１対の対向する側面間を通過する。励起用ダイ
オードバー２からの励起光は平行光束変換手段（円柱レ
ンズ３）により第２方向（垂直方向）に関してほぼガウ
ス分布を有した平行光束となる。第１方向（水平方向）
に関しては、上記励起光はレーザブロック１内全域に渡
り拡がった分布を有するが、第１方向望遠光学系（水平
方向望遠光学系７）によりレーザブロック１内で第１方
向にレーザブロック１内全域に拡張される。高反射鏡４
とレーザブロック１と第１方向望遠光学系と出力結合鏡
５とを含みレーザ共振器が形成される。
第１図（ａ）はこの発明の一実施例に係るレーザ装置
の構成図であり、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すＡ
−Ａ′による断面を示すレーザ装置の構成図である。第
１図（ａ），（ｂ）において、１は少なくとも１対の対
向する側面を有するレーザブロック、２は複数の同じ形
状のレーザダイオードＤで構成されかつ各レーザダイオ
ードＤの出力端面の出力光が放射される方向から見て各
レーザダイオードＤの活性層を楕円形状のニア・フィー
ルド・パターンの長軸方向に一直線上に整列するように
配置された励起用ダイオードバー、３は励起用ダイオー
ドバー２からの出力光のうち各レーザダイオードＤの楕
円形状のニア・フィールド・パターンの短軸方向のみを
平行光束に変換する平行光束変換手段としての円柱レン
ズ、４はレーザブロック１の一側面を含んで設けられた
高反射鏡、７は入射されたビームを入射面内で任意に選
んだ第１方向（水平方向）及び第２方向（垂直方向）の
直交２成分で第１方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大
きくして出射し上記レーザブロック１内でビームが拡大
されるように設けられた第１方向望遠光学系としての水
平方向望遠光学系、５は水平方向望遠光学系７からの出
力光を結合して高反射鏡４側へ折り返すように設けられ
た出力結合鏡、6aはレーザブロック１と水平方向望遠光
学系７間に設けられた空洞内素子、6bは水平方向望遠光
学系７と出力結合鏡５間に設けられた空洞内素子であ
る。
の構成図であり、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すＡ
−Ａ′による断面を示すレーザ装置の構成図である。第
１図（ａ），（ｂ）において、１は少なくとも１対の対
向する側面を有するレーザブロック、２は複数の同じ形
状のレーザダイオードＤで構成されかつ各レーザダイオ
ードＤの出力端面の出力光が放射される方向から見て各
レーザダイオードＤの活性層を楕円形状のニア・フィー
ルド・パターンの長軸方向に一直線上に整列するように
配置された励起用ダイオードバー、３は励起用ダイオー
ドバー２からの出力光のうち各レーザダイオードＤの楕
円形状のニア・フィールド・パターンの短軸方向のみを
平行光束に変換する平行光束変換手段としての円柱レン
ズ、４はレーザブロック１の一側面を含んで設けられた
高反射鏡、７は入射されたビームを入射面内で任意に選
んだ第１方向（水平方向）及び第２方向（垂直方向）の
直交２成分で第１方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大
きくして出射し上記レーザブロック１内でビームが拡大
されるように設けられた第１方向望遠光学系としての水
平方向望遠光学系、５は水平方向望遠光学系７からの出
力光を結合して高反射鏡４側へ折り返すように設けられ
た出力結合鏡、6aはレーザブロック１と水平方向望遠光
学系７間に設けられた空洞内素子、6bは水平方向望遠光
学系７と出力結合鏡５間に設けられた空洞内素子であ
る。
次にこの実施例の動作について説明する。
複数のアレー型もしくはブロードエリア型レーザダイ
オードＤをモノリシックあるいはハイブリッドに集積し
て構成されたダイオードバー２の出力光を例えば円柱レ
ンズ３等により垂直方向のみを平行光束に変換しNd:YA
G,Nd:YLF,Nd:Glass等で作製したレーザブロック１内に
照射する。通常アレー型やブロードエリア型AlGaAsレー
ザダイオード出力光の遠視野像は、活性層垂直方向であ
る垂直方向では単峰、活性層幅方向である水平方向では
高次モードのたし合わされた形状となる。また、出力光
の拡がり角度は垂直方向で30度、水平方向で15度程度で
ある。円柱レンズ３の直径をレーザ光のビーム直径であ
る400μｍ程度とし、円柱レンズ３とレーザダイオード
Ｄとの距離を30μｍ程度とすることで垂直方向の射出光
を平行光束に変換できる。このときダイオードバー２内
の個々のレーザダイオードＤ間のスペースはどのように
とってもよいが、レーザダイオードＤと円柱レンズ３と
の間隔は±10μｍ程度の設定が必要である。第１図の構
成では各ダイオードバー２は高反射鏡４を誘電体多層膜
で作製したレーザブロック１の一側面及び他の２つの側
面に対向して配置され、ダイオードバー２の出射光が有
効にレーザブロック１内に入射されるように励起光波長
に対して低反射コーティングを施してある。励起光はレ
ーザブロック１内で吸収されレーザ光波長に対して利得
を有する反転分布を形成する。励起光の吸収はレーザブ
ロック１の材料の吸収係数に依存し例えば1atm％のNd:Y
AGにおいては5cm-1程度の吸収係数を有する。第２図は
幅5mm、高さ2mm、長さ5mm程度の大きさを持つNd:YAGの
レーザブロック１を用いた場合のレーザブロック１内の
水平方向反転分布を示したものであり、レーザブロック
１の側面付近で大きな反転分布を有する。垂直方向に関
しては励起光が単峰の平行光束となっておりガウス分布
となる。このような反転分布を有したレーザブロック１
からの自然放出による発光は、高反射鏡４を施した側面
に対向するレーザ光波長に対して、低反射コーティング
を施した側面では反転分布形状を反映し水平方向に広が
った横長のパターンとなる。このパターンを例えば凸円
柱レンズと凹円柱レンズを組合わせ、またはアナモルフ
ィックプリズムにより構成した水平方向望遠光学系７に
より水平方向のみ1/12程度に縮小することで縦横比がそ
ろって400μｍ程度のターンにできる。このパターンを
出力結合鏡５で一部折り返し高反射鏡４との間で共振器
を構成すればレーザブロック１内に生じた反転分布を効
率良くレーザ光に変換できる。従来のランプ励起固体レ
ーザ装置において例えばWalter Koechner著“Solid Sta
te Laser Engineering"p201に示されるようにレーザモ
ードボリュームをかせぐ目的で望遠光学系をレーザ共振
器内に挿入するものが知られているが軸対称にレーザビ
ームの拡大、縮小を行っていたにすぎず、本実施例のよ
うに拡大、縮小の倍率が軸非対象の場合は内部で形成さ
れるレーザ光のモードを水平方向と垂直方向に分離した
エルミートガウス分布としてそのモードの安定性を議論
する必要がある。高反射鏡４と水平方向望遠光学系７の
間の光学長をL1,水平方向望遠光学系７の光学長をL2,水
平方向望遠光学系７と出力結合鏡５の間の光学長をL3、
水平方向望遠光学系７の水平方向の倍率をMx,その垂直
方向の倍率をMy,高反射鏡４の水平方向の曲率半径R1x,
その垂直方向の曲率半径をR1y,出力結合鏡５の水平方向
の曲率半径をR2x,その垂直方向の曲率半径をR2yとした
場合、第１式、第２式を同時に果たす条件がモードが安
定に存在するための必要条件である。
オードＤをモノリシックあるいはハイブリッドに集積し
て構成されたダイオードバー２の出力光を例えば円柱レ
ンズ３等により垂直方向のみを平行光束に変換しNd:YA
G,Nd:YLF,Nd:Glass等で作製したレーザブロック１内に
照射する。通常アレー型やブロードエリア型AlGaAsレー
ザダイオード出力光の遠視野像は、活性層垂直方向であ
る垂直方向では単峰、活性層幅方向である水平方向では
高次モードのたし合わされた形状となる。また、出力光
の拡がり角度は垂直方向で30度、水平方向で15度程度で
ある。円柱レンズ３の直径をレーザ光のビーム直径であ
る400μｍ程度とし、円柱レンズ３とレーザダイオード
Ｄとの距離を30μｍ程度とすることで垂直方向の射出光
を平行光束に変換できる。このときダイオードバー２内
の個々のレーザダイオードＤ間のスペースはどのように
とってもよいが、レーザダイオードＤと円柱レンズ３と
の間隔は±10μｍ程度の設定が必要である。第１図の構
成では各ダイオードバー２は高反射鏡４を誘電体多層膜
で作製したレーザブロック１の一側面及び他の２つの側
面に対向して配置され、ダイオードバー２の出射光が有
効にレーザブロック１内に入射されるように励起光波長
に対して低反射コーティングを施してある。励起光はレ
ーザブロック１内で吸収されレーザ光波長に対して利得
を有する反転分布を形成する。励起光の吸収はレーザブ
ロック１の材料の吸収係数に依存し例えば1atm％のNd:Y
AGにおいては5cm-1程度の吸収係数を有する。第２図は
幅5mm、高さ2mm、長さ5mm程度の大きさを持つNd:YAGの
レーザブロック１を用いた場合のレーザブロック１内の
水平方向反転分布を示したものであり、レーザブロック
１の側面付近で大きな反転分布を有する。垂直方向に関
しては励起光が単峰の平行光束となっておりガウス分布
となる。このような反転分布を有したレーザブロック１
からの自然放出による発光は、高反射鏡４を施した側面
に対向するレーザ光波長に対して、低反射コーティング
を施した側面では反転分布形状を反映し水平方向に広が
った横長のパターンとなる。このパターンを例えば凸円
柱レンズと凹円柱レンズを組合わせ、またはアナモルフ
ィックプリズムにより構成した水平方向望遠光学系７に
より水平方向のみ1/12程度に縮小することで縦横比がそ
ろって400μｍ程度のターンにできる。このパターンを
出力結合鏡５で一部折り返し高反射鏡４との間で共振器
を構成すればレーザブロック１内に生じた反転分布を効
率良くレーザ光に変換できる。従来のランプ励起固体レ
ーザ装置において例えばWalter Koechner著“Solid Sta
te Laser Engineering"p201に示されるようにレーザモ
ードボリュームをかせぐ目的で望遠光学系をレーザ共振
器内に挿入するものが知られているが軸対称にレーザビ
ームの拡大、縮小を行っていたにすぎず、本実施例のよ
うに拡大、縮小の倍率が軸非対象の場合は内部で形成さ
れるレーザ光のモードを水平方向と垂直方向に分離した
エルミートガウス分布としてそのモードの安定性を議論
する必要がある。高反射鏡４と水平方向望遠光学系７の
間の光学長をL1,水平方向望遠光学系７の光学長をL2,水
平方向望遠光学系７と出力結合鏡５の間の光学長をL3、
水平方向望遠光学系７の水平方向の倍率をMx,その垂直
方向の倍率をMy,高反射鏡４の水平方向の曲率半径R1x,
その垂直方向の曲率半径をR1y,出力結合鏡５の水平方向
の曲率半径をR2x,その垂直方向の曲率半径をR2yとした
場合、第１式、第２式を同時に果たす条件がモードが安
定に存在するための必要条件である。
（１−Lx/R1x）（１−Lx/R2x）＜１ ・・・（１） （１−Ly/R1y）（１−Ly/R2y）＜１ ・・・（２） ここでLx＝L1＋L2＋Mx・L3 Ly＝L1＋L2＋My・L3 実際上は、第１式、第２式を満たしていても、水平方
向、垂直方向の電磁界を合成したレーザモードは共振器
内で非点収差をもってしまい発振閾値が高くなってしま
い発振が生じない場合があるので、出力結合鏡５もしく
は高反射鏡４を平面鏡として用いるか、第３式、第４式
を同時に満足するようにR1x,R1y,R2x,R2yを選ぶこと
で、レーザ共振器内でのビームウエスト位置を水平方
向、垂直方向ともに位置させ共振器内の非点収差を除去
できる。
向、垂直方向の電磁界を合成したレーザモードは共振器
内で非点収差をもってしまい発振閾値が高くなってしま
い発振が生じない場合があるので、出力結合鏡５もしく
は高反射鏡４を平面鏡として用いるか、第３式、第４式
を同時に満足するようにR1x,R1y,R2x,R2yを選ぶこと
で、レーザ共振器内でのビームウエスト位置を水平方
向、垂直方向ともに位置させ共振器内の非点収差を除去
できる。
Lx/R1x＝Ly/R1y ・・・（３） Lx/R2x＝Ly/R2y ・・・（４） また出力結合鏡５を平面鏡にした場合、出射される光
のモードも非点収差を持たない。
のモードも非点収差を持たない。
レーザ発振モードは第２図に示した水平方向の反転分
布の空間分布を反映してTEM10モードなどの高次モード
となり易いが、高出力鏡４の反射率分布を水平方向に対
してガウス分布とすることでTEM00モードと高次モード
との閾値利得差を大きくとれる。またＱスイッチ動作で
は、電気光学効果を用いるＱスイッチの場合は例えばLi
NbO3やKD＊Ｐなどが電気光学結晶として良く用いられる
が結晶の破壊限界が〜100MW/cm2と低いので空洞内素子6
aとして共振器内に挿入する場合はレーザブロック１と
水平方向望遠光学系７との間に設置するがレーザ光パワ
ー密度が低いので望ましい。音響光学結晶を用いる場合
は結晶の破壊限界は高いが、スイッチングに要する時間
がレーザ光のビームを横切る時間に比例するので、空洞
内素子6bは水平方向望遠光学系７と出力結合鏡５との間
に設置するのが望ましい。また空洞内素子6bとしてKTP
などの波長変換素子を挿入する場合は、波長変換効率が
レーザ光のパワー密度に比例して大きくなるので水平方
向望遠光学系７と出力結合鏡５との間に設置するのが望
ましい。
布の空間分布を反映してTEM10モードなどの高次モード
となり易いが、高出力鏡４の反射率分布を水平方向に対
してガウス分布とすることでTEM00モードと高次モード
との閾値利得差を大きくとれる。またＱスイッチ動作で
は、電気光学効果を用いるＱスイッチの場合は例えばLi
NbO3やKD＊Ｐなどが電気光学結晶として良く用いられる
が結晶の破壊限界が〜100MW/cm2と低いので空洞内素子6
aとして共振器内に挿入する場合はレーザブロック１と
水平方向望遠光学系７との間に設置するがレーザ光パワ
ー密度が低いので望ましい。音響光学結晶を用いる場合
は結晶の破壊限界は高いが、スイッチングに要する時間
がレーザ光のビームを横切る時間に比例するので、空洞
内素子6bは水平方向望遠光学系７と出力結合鏡５との間
に設置するのが望ましい。また空洞内素子6bとしてKTP
などの波長変換素子を挿入する場合は、波長変換効率が
レーザ光のパワー密度に比例して大きくなるので水平方
向望遠光学系７と出力結合鏡５との間に設置するのが望
ましい。
以上のように本実施例では、励起光により生じた反転
分布を垂直方向に関してはレーザ光とのモード調和、水
平方向に関しては水平方向望遠光学系７により有効にレ
ーザ発振に利用できるので大変高効率なレーザダイオー
ド励起固体レーザ装置を構成できる。またダイオードバ
ー２を構成するレーザダイオードの数を増やしてレーザ
光のパワーを増やしていく場合にもダイオードバー２の
大きさにあわせたレーザブロック１の大きさを設定する
だけで良く、レーザ光パワーの損失の増加、光路調整の
変更等をせずに簡単に出力増加が図れる。さらにレーザ
共振器長がレーザブロック１、水平方向望遠光学系７、
空洞内素子6a、6bの長さの和できまり50mm程度とでき
る。これは従来のものに比べ1/10〜1/20の共振器長であ
りＱスイッチ動作を行った場合のパルス幅も同様に減じ
るため、出力ピークパワーは10〜20倍に高くできる。
分布を垂直方向に関してはレーザ光とのモード調和、水
平方向に関しては水平方向望遠光学系７により有効にレ
ーザ発振に利用できるので大変高効率なレーザダイオー
ド励起固体レーザ装置を構成できる。またダイオードバ
ー２を構成するレーザダイオードの数を増やしてレーザ
光のパワーを増やしていく場合にもダイオードバー２の
大きさにあわせたレーザブロック１の大きさを設定する
だけで良く、レーザ光パワーの損失の増加、光路調整の
変更等をせずに簡単に出力増加が図れる。さらにレーザ
共振器長がレーザブロック１、水平方向望遠光学系７、
空洞内素子6a、6bの長さの和できまり50mm程度とでき
る。これは従来のものに比べ1/10〜1/20の共振器長であ
りＱスイッチ動作を行った場合のパルス幅も同様に減じ
るため、出力ピークパワーは10〜20倍に高くできる。
なお、上述したように高反射鏡４としてはレーザ光波
長に対して高反射となり、励起光波長に対して低反射と
なるようなコーティングを施した鏡が用いられる。ま
た、高反射鏡４としては上記水平方向に対して反射率が
ガウス分布を有した高反射コーティングによる鏡が用い
られる。
長に対して高反射となり、励起光波長に対して低反射と
なるようなコーティングを施した鏡が用いられる。ま
た、高反射鏡４としては上記水平方向に対して反射率が
ガウス分布を有した高反射コーティングによる鏡が用い
られる。
以上のように本発明によれば、ダイオードバーからの
励起光を第２方向のみ平行光束としレーザブロックの励
起を行い、レーザブロックから出力される第１方向の横
長の光束パターンを第１方向望遠光学系を用いて縦横比
をそろえ、レーザブロック内ではレーザ光の光路はレー
ザブロック全域に広がり、出力結合鏡上では縦横比のそ
ろった光ビームを得るように構成したので、従来のよう
なレーザブロック内でジグザグな光路を有せず、レーザ
光はレーザブロックの側面間を通過するだけであり、ジ
グザグな光路による上記問題点がなくなる。また、本発
明によれば、励起分布は励起光が第２方向に関してほぼ
ガウス分布を有した平行光束になるので、第２方向には
拡がりを持たない分布となり、レーザ光とのモード調和
がとれる。また本発明によれば、第１方向に関しては励
起分布はレーザブロック内全域に渡り拡がった分布を有
するが、第１方向望遠光学系によりレーザ光をレーザブ
ロック内で第１方向にレーザブロック内全域に拡張する
ことで励起エネルギーを有効に取り出せる。したがっ
て、本発明によれば、励起レーザ光の光路調整が容易に
なり、Ｑスイッチ動作時にはピークパワーが高くとれ、
高出力のレーザ装置を容易に製作でき、コストダウンに
もつながるという効果が得られる。
励起光を第２方向のみ平行光束としレーザブロックの励
起を行い、レーザブロックから出力される第１方向の横
長の光束パターンを第１方向望遠光学系を用いて縦横比
をそろえ、レーザブロック内ではレーザ光の光路はレー
ザブロック全域に広がり、出力結合鏡上では縦横比のそ
ろった光ビームを得るように構成したので、従来のよう
なレーザブロック内でジグザグな光路を有せず、レーザ
光はレーザブロックの側面間を通過するだけであり、ジ
グザグな光路による上記問題点がなくなる。また、本発
明によれば、励起分布は励起光が第２方向に関してほぼ
ガウス分布を有した平行光束になるので、第２方向には
拡がりを持たない分布となり、レーザ光とのモード調和
がとれる。また本発明によれば、第１方向に関しては励
起分布はレーザブロック内全域に渡り拡がった分布を有
するが、第１方向望遠光学系によりレーザ光をレーザブ
ロック内で第１方向にレーザブロック内全域に拡張する
ことで励起エネルギーを有効に取り出せる。したがっ
て、本発明によれば、励起レーザ光の光路調整が容易に
なり、Ｑスイッチ動作時にはピークパワーが高くとれ、
高出力のレーザ装置を容易に製作でき、コストダウンに
もつながるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】 第１図（ａ）はこの発明の一実施例に係るレーザ装置の
構成図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すＡ−Ａ′に
よる断面を示す構成図、第２図はこの実施例におけるレ
ーザブロック内の水平方向反転分布の空間分布を説明す
るための図、第３図は従来のレーザ装置の構成図であ
る。 １……レーザブロック、２……励起用ダイオードバー、
３……円柱レンズ（平行光束変換手段）、４……高反射
鏡、５……出力結合鏡、７……水平方向望遠光学系（第
１方向望遠光学系）、Ｄ……レーザダイオード。
構成図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すＡ−Ａ′に
よる断面を示す構成図、第２図はこの実施例におけるレ
ーザブロック内の水平方向反転分布の空間分布を説明す
るための図、第３図は従来のレーザ装置の構成図であ
る。 １……レーザブロック、２……励起用ダイオードバー、
３……円柱レンズ（平行光束変換手段）、４……高反射
鏡、５……出力結合鏡、７……水平方向望遠光学系（第
１方向望遠光学系）、Ｄ……レーザダイオード。
Claims (1)
- 【請求項１】少なくとも１対の対向する側面を有するレ
ーザブロックと、複数の同じ形状のレーザダイオードで
構成され、かつ各レーザダイオードの出力端面を出力光
が放射される方向から見て各レーザダイオードの活性層
を楕円形状のニア・フィールド・パターンの長軸方向に
一直線上に整列するように配置された励起用ダイオード
バーと、この励起用ダイオードバーからの出力光のうち
上記各レーザダイオードの楕円形状のニア・フィールド
・パターンの短軸方向のみを平行光束に変換する平行光
束変換手段と、上記レーザブロックの一側面を含んで設
けられた高反射鏡と、入射されたビームを入射面内で任
意に選んだ第１方向及び第２方向の直交２成分で第１方
向の倍率が第２方向の倍率に比べ大きくして出射し上記
レーザブロック内でビームが拡大されるように設けられ
た第１方向望遠光学系と、この第１方向望遠光学系から
の出力光を結合して上記高反射鏡側へ折り返すように設
けられた出力結合鏡とを備え、上記レーザブロックに複
数の上記励起用ダイオードバーの出力光を各レーザダイ
オードの出力光のニア・フィールド・パターンの短軸方
向と上記第１方向望遠光学系の第２方向を一致させて入
射するように構成し、上記高反射鏡と上記第１方向望遠
光学系との間の光学長をL1、上記第１方向望遠光学系の
光学長をL2、上記第１方向望遠光学系と上記出力結合鏡
との間の光学長をL3、上記第１方向望遠光学系の第１方
向の倍率をMx、上記第１方向望遠光学系の第２方向の倍
率をMy、上記高反射鏡の第１方向の曲率半径をR1x、上
記高反射鏡の第２方向の曲率半径をR1y、上記出力結合
鏡の第１方向の曲率半径をR2x、上記出力結合鏡の第２
方向の曲率半径をR2yとして、 （１−Lx/R1x）（１−Lx/R2x）＜１ ・・・（１） （１−Ly/R1y）（１−Ly/R2y）＜１ ・・・（２） ここでLx＝L1＋L2＋Mx・L3 Ly＝L1＋L2＋My・L3 上記（１）式及び（２）式を同時に満たす条件を有する
構成にしたことを特徴とするレーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4006390A JP2823924B2 (ja) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4006390A JP2823924B2 (ja) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03242984A JPH03242984A (ja) | 1991-10-29 |
| JP2823924B2 true JP2823924B2 (ja) | 1998-11-11 |
Family
ID=12570468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4006390A Expired - Fee Related JP2823924B2 (ja) | 1990-02-21 | 1990-02-21 | レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2823924B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06177471A (ja) * | 1992-07-02 | 1994-06-24 | Etsuo Fujiwara | プリズム拡大器を用いた半導体レーザー励起固体レーザー |
| JP2012113223A (ja) * | 2010-11-26 | 2012-06-14 | Sony Corp | 照明装置、投影型表示装置および直視型表示装置 |
-
1990
- 1990-02-21 JP JP4006390A patent/JP2823924B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03242984A (ja) | 1991-10-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |