JP2962561B2 - レーザダイオード励起固体レーザ装置 - Google Patents
レーザダイオード励起固体レーザ装置Info
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- JP2962561B2 JP2962561B2 JP8805390A JP8805390A JP2962561B2 JP 2962561 B2 JP2962561 B2 JP 2962561B2 JP 8805390 A JP8805390 A JP 8805390A JP 8805390 A JP8805390 A JP 8805390A JP 2962561 B2 JP2962561 B2 JP 2962561B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は高効率、高出力、高スペクトル純度を有す
るレーザダイオード励起固体レーザ装置の構成方式に関
するものである。
るレーザダイオード励起固体レーザ装置の構成方式に関
するものである。
第８図はウォルター・ケフナー著ソリッドステート
レーザー エンジニアリング、Springer−Verlag社出
版、p316（1988）に示された端面励起方式固体レーザ装
置の従来の構成例である。第８図において、（１）は固
体レーザ媒質で作成したレーザブロック、（２）はレー
ザダイオード、（４）は高反射鏡、（５）は出力結合
鏡、（６）は結合光学系である。
レーザー エンジニアリング、Springer−Verlag社出
版、p316（1988）に示された端面励起方式固体レーザ装
置の従来の構成例である。第８図において、（１）は固
体レーザ媒質で作成したレーザブロック、（２）はレー
ザダイオード、（４）は高反射鏡、（５）は出力結合
鏡、（６）は結合光学系である。
第８図に示した端面励起方式固体レーザ装置ではレー
ザブロック（１）の吸収波長近傍の発振波長を有するレ
ーザダイオード（２）出力励起光を結合光学系（６）に
よりレーザブロック（１）内に集光して入力する。この
励起光はレーザブロック（１）内を伝搬するに従い吸収
されレーザ発振に必要な反転分布を形成する。この反転
分布はレーザダイオード（２）出力光の伝搬モードに一
致した空間分布を有しており、レーザブロック（１）内
の１部分だけに集中している。レーザ共振器はレーザ光
の伝搬が励起光の伝搬方向と平行となるように高反射鏡
（４）、出力結合鏡（５）間で構成される。共振器内で
形成されるレーザモードは共振器長と高反射鏡（４）、
出力結合鏡（５）の曲率半径により変化でき、励起光の
伝搬モードは結合光学系（６）の設定により設定できる
ので、所望のレーザモードを励起光伝搬モードと空間的
重なりを大きくする。すなわちモード調和をはかるよう
に結合光学系（６）とレーザ共振器の設定を行って用い
られる。この方式のレーザダイオード励起固体レーザは
高い反転分布密度を反映して閾値が低く、また反転分布
の空間分布によるレーザモード選択性からTEM00単一横
モード発振であることが特徴である。しかし励起するレ
ーザダイオードの数はこの方式では限られてしまい高出
力化には不向きである。第９図は1971年11月に開示され
た米国特許第3624545号に示された従来の側面励起方式
固体レーザ装置の構成例である。第９図において、
（３）は複数のレーザダイオードで構成したダイオード
バーである。第９図に示した側面励起方式固体レーザ装
置ではレーザブロック（１）の吸収波長近傍の発振波長
を有する複数のレーザダイオードで構成されたダイオー
ドバー（３）出力励起光を結合光学系（６）により集
光、または平行光束に変換してレーザブロック（１）に
入力して励起を行う。レーザ共振器はレーザ光の伝搬が
励起光の伝搬方向と直交するように高反射鏡（４）、出
力結合鏡（５）間で構成される。励起光はレーザブロッ
ク（１）全体にわたって伝搬し、反転分布の空間分布は
レーザブロック（１）全体に広がっている。このためこ
の方式のレーザダイオード励起固体レーザ装置では反転
分布密度が低く発振閾値は高い。また反転分布の空間分
布によるレーザモード選択性がないため、横多モード発
振となる。しかし出力の大きいダイオードバー（３）を
励起光源として用いることが可能であり、高出力レーザ
を構成するには有効な方式である。この２つの励起方式
を比較してみるとビーム品質、効率の面からは明らかに
端面励起方式が優れているが、高出力化においては側面
励起方式が優っている。第10図はトーマス・マイケル・
ベイアにより特開平１−122180号に示された高効率モー
ド調和形固体レーザ装置の構成例である。第10図に示し
たモード調和型レーザダイオード励起固体レーザ装置
は、第８図に示した端面励起方式の特徴を残してレーザ
出力光の高出力化をはかるために成された発明であり、
良好なビーム品質、高効率、高出力を同時に実現するも
のである。同一基板上に一定の間隔をもって複数のレー
ザダイオード、またはレーザダイオードアレーを並べた
ダイオードバー（３）からの出力光は結合光学系（６）
によりレーザダイオード活性層接合面に垂直方向のみを
平行光束としてレーザブロック（１）に入力する。レー
ザ共振部はレーザブロック（１）の励起光が入力される
端面とその端面に対向する端面間で反射を繰り返すジグ
ザグ光路をとるように高反射鏡（４）、出力結合鏡
（５）間で構成される。ダイオードバー（３）を抗せす
る各レーザダイオード、またはレーザダイオードアレー
の出力光がレーザブロックに入力される端面位置を光路
の反射点とし、レーザモードと励起光モードのモード調
和をはかることで、ジグザグ光路の各反射点において端
面励起を行っていることになり、低閾値化、TEM00モー
ド発振という端面励起方式の特徴を有し、かつ高出力化
がはかれる。モード調和を図る方法として、ダイオード
バー（３）を構成する各レーザダイオード、またはレー
ザダイオードアレーの活性層接合面に垂直方向に出射さ
れる励起光を円柱レンズでレーザモードのビーム径程度
の平行光束に変換し、またジグザグ光路の励起光が入力
される端面での反射角（端面の法線と光路のなす角度の
２倍）を活性層接合面に水平方向の拡がり角と等しくな
るように共振器を設定している。
ザブロック（１）の吸収波長近傍の発振波長を有するレ
ーザダイオード（２）出力励起光を結合光学系（６）に
よりレーザブロック（１）内に集光して入力する。この
励起光はレーザブロック（１）内を伝搬するに従い吸収
されレーザ発振に必要な反転分布を形成する。この反転
分布はレーザダイオード（２）出力光の伝搬モードに一
致した空間分布を有しており、レーザブロック（１）内
の１部分だけに集中している。レーザ共振器はレーザ光
の伝搬が励起光の伝搬方向と平行となるように高反射鏡
（４）、出力結合鏡（５）間で構成される。共振器内で
形成されるレーザモードは共振器長と高反射鏡（４）、
出力結合鏡（５）の曲率半径により変化でき、励起光の
伝搬モードは結合光学系（６）の設定により設定できる
ので、所望のレーザモードを励起光伝搬モードと空間的
重なりを大きくする。すなわちモード調和をはかるよう
に結合光学系（６）とレーザ共振器の設定を行って用い
られる。この方式のレーザダイオード励起固体レーザは
高い反転分布密度を反映して閾値が低く、また反転分布
の空間分布によるレーザモード選択性からTEM00単一横
モード発振であることが特徴である。しかし励起するレ
ーザダイオードの数はこの方式では限られてしまい高出
力化には不向きである。第９図は1971年11月に開示され
た米国特許第3624545号に示された従来の側面励起方式
固体レーザ装置の構成例である。第９図において、
（３）は複数のレーザダイオードで構成したダイオード
バーである。第９図に示した側面励起方式固体レーザ装
置ではレーザブロック（１）の吸収波長近傍の発振波長
を有する複数のレーザダイオードで構成されたダイオー
ドバー（３）出力励起光を結合光学系（６）により集
光、または平行光束に変換してレーザブロック（１）に
入力して励起を行う。レーザ共振器はレーザ光の伝搬が
励起光の伝搬方向と直交するように高反射鏡（４）、出
力結合鏡（５）間で構成される。励起光はレーザブロッ
ク（１）全体にわたって伝搬し、反転分布の空間分布は
レーザブロック（１）全体に広がっている。このためこ
の方式のレーザダイオード励起固体レーザ装置では反転
分布密度が低く発振閾値は高い。また反転分布の空間分
布によるレーザモード選択性がないため、横多モード発
振となる。しかし出力の大きいダイオードバー（３）を
励起光源として用いることが可能であり、高出力レーザ
を構成するには有効な方式である。この２つの励起方式
を比較してみるとビーム品質、効率の面からは明らかに
端面励起方式が優れているが、高出力化においては側面
励起方式が優っている。第10図はトーマス・マイケル・
ベイアにより特開平１−122180号に示された高効率モー
ド調和形固体レーザ装置の構成例である。第10図に示し
たモード調和型レーザダイオード励起固体レーザ装置
は、第８図に示した端面励起方式の特徴を残してレーザ
出力光の高出力化をはかるために成された発明であり、
良好なビーム品質、高効率、高出力を同時に実現するも
のである。同一基板上に一定の間隔をもって複数のレー
ザダイオード、またはレーザダイオードアレーを並べた
ダイオードバー（３）からの出力光は結合光学系（６）
によりレーザダイオード活性層接合面に垂直方向のみを
平行光束としてレーザブロック（１）に入力する。レー
ザ共振部はレーザブロック（１）の励起光が入力される
端面とその端面に対向する端面間で反射を繰り返すジグ
ザグ光路をとるように高反射鏡（４）、出力結合鏡
（５）間で構成される。ダイオードバー（３）を抗せす
る各レーザダイオード、またはレーザダイオードアレー
の出力光がレーザブロックに入力される端面位置を光路
の反射点とし、レーザモードと励起光モードのモード調
和をはかることで、ジグザグ光路の各反射点において端
面励起を行っていることになり、低閾値化、TEM00モー
ド発振という端面励起方式の特徴を有し、かつ高出力化
がはかれる。モード調和を図る方法として、ダイオード
バー（３）を構成する各レーザダイオード、またはレー
ザダイオードアレーの活性層接合面に垂直方向に出射さ
れる励起光を円柱レンズでレーザモードのビーム径程度
の平行光束に変換し、またジグザグ光路の励起光が入力
される端面での反射角（端面の法線と光路のなす角度の
２倍）を活性層接合面に水平方向の拡がり角と等しくな
るように共振器を設定している。
次に高スペクトル純度を有する、従来のレーザダイオ
ード励起固体レーザ装置について述べる。単一縦モード
発振を行う、従来のレーザダイオード励起固体レーザ装
置としては、J.J,Zayhouskiet.al.によりOpt.Lett.vol.
14,p24（1988）に示されたマイクロチップNdレーザ、T.
J.Kane et.al.によりOpt.Lett.vol.10,p65（1985）に示
されたNd:YAGリングレーザが知られている。マイクロチ
ップNdレーザはNd:YAGレーザ共振器長を750μｍと短共
振器化をはかり共振器の自由スペクトルレンジ（FSR）
をレーザ媒質の利得帯域幅程度に広くとったことで利得
帯域幅内で一本の縦モードのみ位相整合条件を満足する
ようにして単一モード化をはかっている。Nd:YAGリング
レーザでは、リング共振器では定在波でなく進行波が形
成されることで発振レーザ縦モードが他の位相整合条件
を満足する縦モードの利得を十分に消費する性質に基づ
いて単一モード化をはかっている。これらの単一モード
レーザは、その単一モード化の方式がどちらも共振器長
が短かい場合有効であるため、励起方式としては端面励
起方式を用いており高出力化には不向きである。
ード励起固体レーザ装置について述べる。単一縦モード
発振を行う、従来のレーザダイオード励起固体レーザ装
置としては、J.J,Zayhouskiet.al.によりOpt.Lett.vol.
14,p24（1988）に示されたマイクロチップNdレーザ、T.
J.Kane et.al.によりOpt.Lett.vol.10,p65（1985）に示
されたNd:YAGリングレーザが知られている。マイクロチ
ップNdレーザはNd:YAGレーザ共振器長を750μｍと短共
振器化をはかり共振器の自由スペクトルレンジ（FSR）
をレーザ媒質の利得帯域幅程度に広くとったことで利得
帯域幅内で一本の縦モードのみ位相整合条件を満足する
ようにして単一モード化をはかっている。Nd:YAGリング
レーザでは、リング共振器では定在波でなく進行波が形
成されることで発振レーザ縦モードが他の位相整合条件
を満足する縦モードの利得を十分に消費する性質に基づ
いて単一モード化をはかっている。これらの単一モード
レーザは、その単一モード化の方式がどちらも共振器長
が短かい場合有効であるため、励起方式としては端面励
起方式を用いており高出力化には不向きである。
従来のレーザダイオード励起固体レーザ装置は以上の
ように構成されており高効率、高出力化をはかるために
は端面励起方式で高出力化をはかったモード調和型が最
も適している。しかしこのモード調和型レーザダイオー
ド励起固体レーザ装置を実現するためにダイオードバー
（３）を構成する複数のレーザダイオードまたはレーザ
ダイオードアレーの設置位置とレーザ共振部を構成する
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（５）、出力結合鏡（６）及びダイオード
バー（３）の配置を調整することが難しかった。またジ
グザグ光路を形成するためにレーザブロック（１）端面
に高反射コーティングを施す必要があり、このコーティ
ング膜での吸収や散乱、作製精度などによる反射損失は
反射回転が多くなると無視できず、20回の反射で15％以
上の損失となるなど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。また従
来の構成ではレーザ共振器がジグサグ光路をとるため共
振器長が長くなってしまい、レーザ発振可能な縦モード
の間隔が狭くなるため、利得を有する波長内に多数の縦
モードが存在し縦マルチモード発振となりスペクトル純
度は低かった。
ように構成されており高効率、高出力化をはかるために
は端面励起方式で高出力化をはかったモード調和型が最
も適している。しかしこのモード調和型レーザダイオー
ド励起固体レーザ装置を実現するためにダイオードバー
（３）を構成する複数のレーザダイオードまたはレーザ
ダイオードアレーの設置位置とレーザ共振部を構成する
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（５）、出力結合鏡（６）及びダイオード
バー（３）の配置を調整することが難しかった。またジ
グザグ光路を形成するためにレーザブロック（１）端面
に高反射コーティングを施す必要があり、このコーティ
ング膜での吸収や散乱、作製精度などによる反射損失は
反射回転が多くなると無視できず、20回の反射で15％以
上の損失となるなど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。また従
来の構成ではレーザ共振器がジグサグ光路をとるため共
振器長が長くなってしまい、レーザ発振可能な縦モード
の間隔が狭くなるため、利得を有する波長内に多数の縦
モードが存在し縦マルチモード発振となりスペクトル純
度は低かった。
この発明は係る難点を解決するためになされたもので
あり、レーザ共振器の調整が不要であり、高出力時にも
安定な縦単一モード発振を行う高効率、高スペクトル純
度のレーザダイオード励起固体レーザ装置を得ることを
目的とする。
あり、レーザ共振器の調整が不要であり、高出力時にも
安定な縦単一モード発振を行う高効率、高スペクトル純
度のレーザダイオード励起固体レーザ装置を得ることを
目的とする。
こ発明によるレーザダイオード励起固体レーザ装置
は、固体レーザ媒質の長手方向に沿って作成された光導
波路の一終端に形成された出力結合鏡および前記光導波
路の表面に作成された回折格子により構成されるレーザ
発振用の共振器と、前記回折格子より離隔して設置され
た複数のレーザダイオードで構成されるダイオードと、
該ダイオードバーの各レーザダイオードより射出された
励起用出力光を平行ビームにし、前記回折格子に対して
鋭角で結合させる結合光学系とを備えたものである。
は、固体レーザ媒質の長手方向に沿って作成された光導
波路の一終端に形成された出力結合鏡および前記光導波
路の表面に作成された回折格子により構成されるレーザ
発振用の共振器と、前記回折格子より離隔して設置され
た複数のレーザダイオードで構成されるダイオードと、
該ダイオードバーの各レーザダイオードより射出された
励起用出力光を平行ビームにし、前記回折格子に対して
鋭角で結合させる結合光学系とを備えたものである。
この発明におけるレーザダイオード励起固体レーザ装
置は、励起光、レーザ光をともに単一の光導波路内を拡
がりなく伝搬させ、主に光導波路からの励起光、レーザ
光のしみ出しによりレーザ媒質を通してエネルギーの結
合を行う。一般に励起光はレーザ光より短波長であるの
でしみ出しの量はレーザ光のほうが大きく励起光のエネ
ルギーはほとんど100％に近い効率でレーザ光の増幅に
あてられる。また励起光の導波路への結合を回折格子に
より行っており、この回折格子のピッチをレーザ光に対
してブラッグ反射条件を満足させるように設定してある
のでこの回折格子により単一の発振波長のみを選択適に
反射させ共振器内で共振させる分布帰還形や分布反射形
のレーザ装置が構成できレーザ共振器長に無関係に単一
モード化がはかれる。
置は、励起光、レーザ光をともに単一の光導波路内を拡
がりなく伝搬させ、主に光導波路からの励起光、レーザ
光のしみ出しによりレーザ媒質を通してエネルギーの結
合を行う。一般に励起光はレーザ光より短波長であるの
でしみ出しの量はレーザ光のほうが大きく励起光のエネ
ルギーはほとんど100％に近い効率でレーザ光の増幅に
あてられる。また励起光の導波路への結合を回折格子に
より行っており、この回折格子のピッチをレーザ光に対
してブラッグ反射条件を満足させるように設定してある
のでこの回折格子により単一の発振波長のみを選択適に
反射させ共振器内で共振させる分布帰還形や分布反射形
のレーザ装置が構成できレーザ共振器長に無関係に単一
モード化がはかれる。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図（ａ），（ｂ）はこの発明の一実施例を示す構成図
であり、（７）は光導波路、（８）は光導波路（７）上
に作製した回折格子である。また（９）はマイクロレン
ズアレー、（10）は円柱レンズ、（11）は縮小光学器で
ありこれらは結合光学系（６）の構成要素である。レー
ザブロック（１）は幅5mm、高さ5mm、長さ20mm程度の大
きさのNd:YAG,Nd:YLF,Nd:Glass等の固体レーザ媒質であ
り高出力化に応じて長さを長くしても良い。ここではレ
ーザブロック（１）の幅方向をＸ、高さ方向をＹ、長さ
方向をＺとして説明を行う。このレーザブロック（１）
を基板としてＹ−Ｚ平面上にガラスの光導波路（７）を
作製する。光導波路（７）としてＹ−Ｚ平面上でＸ方向
のみ光を閉じ込める２次元導波路とするためガラス材料
としてはレーザブロック媒質より高屈折率のものを用い
る。例えば屈折率1.82のNd:YAGの場合屈折率1.85のショ
ット社La SFN15などを、また常光屈折率1.44、異常光屈
折率1.47のNd:YLFの場合はスパッタ時の屈折率が153程
度のコーニング社の7059ガラスなどが使用できる。屈折
率1.82のNd:YAG上に屈折率1.85のショット社La SF N15
の光導波路（７）を１μｍ厚で作製した場合、1064μｍ
のNd:YAGレーザ発振波長に対し横単一モード導波路とな
り、閉じ込め係数は55％、TMモードに対する等価屈折率
は1.846である。このとき808nmの励起光波長に対しても
横単一モード導波路として作用し閉じ込め係数は70％、
TMモードに対する等価屈折率は1.839である。つまり光
導波路（７）を伝搬する励起光の30％が光導波路（７）
からしみ出しレーザブロック（１）内で吸収される。1a
tm％濃度のNd:YAGの場合808nmの励起光波長に対しての
吸収係数は5cm-1程度なので光導波路（７）伝搬時にお
ける有効な吸収係数は1.5cm-1となる。光導波路（７）
上の１部分に格子ベクトルをＺ方向とする回折格子
（８）を作製する。この回折格子（８）は励起光の光導
波路（７）への結合及びレーザ光に対するブラッグ反射
器を兼ねている。回折格子（８）としては西原他“光集
積回路”オーム社（1985）p215〜p230に述べられている
ように屈折率変調形、レリーフ形どちらを用いても良
い。作製は２光束干渉によるパターニング、リフトオフ
またはエッチングによる金属膜へのパターン転写のの
ち、屈折率変調形では転写パターンをマスクとしてのイ
オン交換もしくはイオン注入、レリーフ形では転写パタ
ーンをマスクとしてのイオンビームエッチング等で容易
に行える。回折格子（８）としてレリーフ形を選んだ場
合回折格子（８）の溝深さは100〜120Å程度とすれば良
く形状は励起光の結合効率を高くできるブレーズ形など
が望ましい。また回折格子（８）のピッチΛとしてはレ
ーザ光波長に対しブラッグ反射条件を満たすようにと
る。第１式に回折格子（８）のピッチとブラッグ反射条
件を満たすレーザ光波長λＬの関係を示す。
１図（ａ），（ｂ）はこの発明の一実施例を示す構成図
であり、（７）は光導波路、（８）は光導波路（７）上
に作製した回折格子である。また（９）はマイクロレン
ズアレー、（10）は円柱レンズ、（11）は縮小光学器で
ありこれらは結合光学系（６）の構成要素である。レー
ザブロック（１）は幅5mm、高さ5mm、長さ20mm程度の大
きさのNd:YAG,Nd:YLF,Nd:Glass等の固体レーザ媒質であ
り高出力化に応じて長さを長くしても良い。ここではレ
ーザブロック（１）の幅方向をＸ、高さ方向をＹ、長さ
方向をＺとして説明を行う。このレーザブロック（１）
を基板としてＹ−Ｚ平面上にガラスの光導波路（７）を
作製する。光導波路（７）としてＹ−Ｚ平面上でＸ方向
のみ光を閉じ込める２次元導波路とするためガラス材料
としてはレーザブロック媒質より高屈折率のものを用い
る。例えば屈折率1.82のNd:YAGの場合屈折率1.85のショ
ット社La SFN15などを、また常光屈折率1.44、異常光屈
折率1.47のNd:YLFの場合はスパッタ時の屈折率が153程
度のコーニング社の7059ガラスなどが使用できる。屈折
率1.82のNd:YAG上に屈折率1.85のショット社La SF N15
の光導波路（７）を１μｍ厚で作製した場合、1064μｍ
のNd:YAGレーザ発振波長に対し横単一モード導波路とな
り、閉じ込め係数は55％、TMモードに対する等価屈折率
は1.846である。このとき808nmの励起光波長に対しても
横単一モード導波路として作用し閉じ込め係数は70％、
TMモードに対する等価屈折率は1.839である。つまり光
導波路（７）を伝搬する励起光の30％が光導波路（７）
からしみ出しレーザブロック（１）内で吸収される。1a
tm％濃度のNd:YAGの場合808nmの励起光波長に対しての
吸収係数は5cm-1程度なので光導波路（７）伝搬時にお
ける有効な吸収係数は1.5cm-1となる。光導波路（７）
上の１部分に格子ベクトルをＺ方向とする回折格子
（８）を作製する。この回折格子（８）は励起光の光導
波路（７）への結合及びレーザ光に対するブラッグ反射
器を兼ねている。回折格子（８）としては西原他“光集
積回路”オーム社（1985）p215〜p230に述べられている
ように屈折率変調形、レリーフ形どちらを用いても良
い。作製は２光束干渉によるパターニング、リフトオフ
またはエッチングによる金属膜へのパターン転写のの
ち、屈折率変調形では転写パターンをマスクとしてのイ
オン交換もしくはイオン注入、レリーフ形では転写パタ
ーンをマスクとしてのイオンビームエッチング等で容易
に行える。回折格子（８）としてレリーフ形を選んだ場
合回折格子（８）の溝深さは100〜120Å程度とすれば良
く形状は励起光の結合効率を高くできるブレーズ形など
が望ましい。また回折格子（８）のピッチΛとしてはレ
ーザ光波長に対しブラッグ反射条件を満たすようにと
る。第１式に回折格子（８）のピッチとブラッグ反射条
件を満たすレーザ光波長λＬの関係を示す。
Λ＝λＬ・q/2・neq （１） neq L:光導波路（７）のλＬでの等価屈折率 qL:回折格子（８）のλＬでの次数 回折格子（８）の次数ｑとして高い次数のものを選ぶ
と回折格子（８）による反射光の内１次以外は光導波路
（７）の外へ放射されてしまうので１次の回折格子
（８）を作製するのが望ましい。q1＝１、λＬ＝1.064,
Neq L＝1.846とした場合のピッチΛは288nmである。
と回折格子（８）による反射光の内１次以外は光導波路
（７）の外へ放射されてしまうので１次の回折格子
（８）を作製するのが望ましい。q1＝１、λＬ＝1.064,
Neq L＝1.846とした場合のピッチΛは288nmである。
このピッチの回折格子（８）はダイオードバー（３）
から出射される励起光を光導波路（７）に結合するため
の結合器として作用する。第１図（ａ）のように励起光
の回折格子（８）となす角度をθとすると励起光波長λ
ｐ、ピッチΛとθの関係は第２式となる。
から出射される励起光を光導波路（７）に結合するため
の結合器として作用する。第１図（ａ）のように励起光
の回折格子（８）となす角度をθとすると励起光波長λ
ｐ、ピッチΛとθの関係は第２式となる。
−cosθ＝neq p−qp・λp/Λ （２） neq p:光導波路（７）のλｐでの等価屈折率 qp:回折格子（８）のλｐでの次数 qp＝1,λｐ＝0.808μm,neq p＝1.839でのθは15度とな
る。
る。
ダイオードバー（３）は構成要素のレーザダイオード
の活性層接合面に垂直な方向をＹ方向とし、レーザ光出
射方向とＺ方向の成す角度をθとするように設置する。
ダイオードバー（３）、回折格子（８）間には結合光学
系（６）が必要である。ダイオードバー（３）の長さは
1cm程度であり、バーを構成する個々のレーザダイオー
ドやレーザダイオードアレーの出射光は第２図（ａ），
（ｂ）に示すように活性層接合面に垂直方向と水平方向
で遠視野像の形状が異なる。垂直方向では遠視野像は単
峰で拡がり全角は30度程度、水平方向では広い活性層幅
に依存して多くの高次モードの足し合わせとなり拡がり
全角数度〜15度程度で双峰や平坦な遠視野像となる。回
折格子（８）による励起光の光導波路（７）への結合は
格子ベクトル方向（Ｚ方向）では励起光の入射角度θに
大きく依存するために活性層接合面に水平方向に対する
励起光の拡がり角度を小さくする必要がある。このため
結合光学系（６）としてはダイオードバー（３）を構成
する個々のレーザダイオードやレーザダイオードアレー
ごとに出射光を平行化するための小型のコリメートレン
ズが必要である。このようなコリメートレンズとしては
伊賀他、電気学会誌,103巻,2号,pp25−32（1983）に示
されたマイクロレンズアレー（９）などを用いることが
できる。このレンズアレーを用いた場合活性層接合面に
垂直方向では数mrad、水平方向で50m rad程度のコリメ
ート光が得られる。このコリメート光の内活性層接合面
に垂直方向の光のみを垂直方向のみに曲率を有した円柱
レンズ（10）で回折格子（８）上に集光することにより
励起光の光導波路（７）への結合ができる。励起光の光
導波路（７）への結合効率をさらに高めるためにレーザ
ダイオード、レーザダイオードアレー間の位相同期を行
ったダイオードアレー（３）を用いれば良い。位相同期
をとる方法としては第３図に示すような外部共振器構成
とする方法が良く用いられる。この場合、ダイオードバ
ー（３）出射の水平方向での拡がり角は1mrad以下とな
るため回折格子（８）との高い結合が得られる。ダイオ
ードバー（３）の大きさが1cm程度の場合、回折格子
（８）への入射角度θが大きいため励起光のパターンは
格子ベクトル方向（ｚ方向）において4cmにも拡がって
しまう。これを是正するために円柱レンズ（10）と回折
格子（８）の間に、活性層接合面に水平方向に対してビ
ーム径を変換する縮小光学器（11）を設置しても良い。
縮小光学器（11）は第４図（ａ），（ｂ）に示すような
活性層接合面に水平方向に対して曲率を有する凸円柱レ
ンズと凹円柱レンズの組み合わせや、アナモルフィック
プリズムペアで実現できる。縮小倍率として1/4程度を
選ぶと回折格子（８）上での励起光のパターンは格子ベ
クトル方向（Ｚ方向）において10mm、これに垂直な方向
では数μｍ程度の線状パターンとなる。光導波路（７）
に結合された励起光は光導波路（７）を伝搬するに従っ
て先に述べた吸収係数で減衰する。このとき励起光強度
に従ってレーザブロック（１）の光導波路（７）との接
合面近傍に反転分布が生じる。この時の光導波路（７）
内の励起光強度を第５図（ａ），（ｂ）に模式的に示
す。この反転分布により光導波路（７）は、1.064μｍ
のレーザ波長に対し利得を有する。レーザ発振を行うた
めの共振器は光導波路（７）の端面に誘電体膜で作成さ
れた出力結合鏡（５）と、回折格子（８）によるブラッ
グ反射器間で構成される。ブラッグ反射器は良く知られ
ているようにブラッグ条件を満足する波長に対し高い反
射率を有する。このためこのレーザはブラッグ波長で選
択的に縦単一モードで発振する。また横モードはＸ方向
に関しては、光導波路（７）により零次モードが選択さ
れ、またＹ方向に関しては、励起光分布が第５図（Ｂ）
に示したように単峰性でありレーザの零次モードと調和
するのでTM00、またはTE00モードで発振する。第６図は
この発明の他の発明の一実施例を示す構成図であり、光
導波路（７）上の全領域に回折格子（８）を作製したも
のであり、この場合、レーザはDFB（Distributed−Feed
−Back）レーザとなり、第１図の実施例と同様の動作を
行う。
の活性層接合面に垂直な方向をＹ方向とし、レーザ光出
射方向とＺ方向の成す角度をθとするように設置する。
ダイオードバー（３）、回折格子（８）間には結合光学
系（６）が必要である。ダイオードバー（３）の長さは
1cm程度であり、バーを構成する個々のレーザダイオー
ドやレーザダイオードアレーの出射光は第２図（ａ），
（ｂ）に示すように活性層接合面に垂直方向と水平方向
で遠視野像の形状が異なる。垂直方向では遠視野像は単
峰で拡がり全角は30度程度、水平方向では広い活性層幅
に依存して多くの高次モードの足し合わせとなり拡がり
全角数度〜15度程度で双峰や平坦な遠視野像となる。回
折格子（８）による励起光の光導波路（７）への結合は
格子ベクトル方向（Ｚ方向）では励起光の入射角度θに
大きく依存するために活性層接合面に水平方向に対する
励起光の拡がり角度を小さくする必要がある。このため
結合光学系（６）としてはダイオードバー（３）を構成
する個々のレーザダイオードやレーザダイオードアレー
ごとに出射光を平行化するための小型のコリメートレン
ズが必要である。このようなコリメートレンズとしては
伊賀他、電気学会誌,103巻,2号,pp25−32（1983）に示
されたマイクロレンズアレー（９）などを用いることが
できる。このレンズアレーを用いた場合活性層接合面に
垂直方向では数mrad、水平方向で50m rad程度のコリメ
ート光が得られる。このコリメート光の内活性層接合面
に垂直方向の光のみを垂直方向のみに曲率を有した円柱
レンズ（10）で回折格子（８）上に集光することにより
励起光の光導波路（７）への結合ができる。励起光の光
導波路（７）への結合効率をさらに高めるためにレーザ
ダイオード、レーザダイオードアレー間の位相同期を行
ったダイオードアレー（３）を用いれば良い。位相同期
をとる方法としては第３図に示すような外部共振器構成
とする方法が良く用いられる。この場合、ダイオードバ
ー（３）出射の水平方向での拡がり角は1mrad以下とな
るため回折格子（８）との高い結合が得られる。ダイオ
ードバー（３）の大きさが1cm程度の場合、回折格子
（８）への入射角度θが大きいため励起光のパターンは
格子ベクトル方向（ｚ方向）において4cmにも拡がって
しまう。これを是正するために円柱レンズ（10）と回折
格子（８）の間に、活性層接合面に水平方向に対してビ
ーム径を変換する縮小光学器（11）を設置しても良い。
縮小光学器（11）は第４図（ａ），（ｂ）に示すような
活性層接合面に水平方向に対して曲率を有する凸円柱レ
ンズと凹円柱レンズの組み合わせや、アナモルフィック
プリズムペアで実現できる。縮小倍率として1/4程度を
選ぶと回折格子（８）上での励起光のパターンは格子ベ
クトル方向（Ｚ方向）において10mm、これに垂直な方向
では数μｍ程度の線状パターンとなる。光導波路（７）
に結合された励起光は光導波路（７）を伝搬するに従っ
て先に述べた吸収係数で減衰する。このとき励起光強度
に従ってレーザブロック（１）の光導波路（７）との接
合面近傍に反転分布が生じる。この時の光導波路（７）
内の励起光強度を第５図（ａ），（ｂ）に模式的に示
す。この反転分布により光導波路（７）は、1.064μｍ
のレーザ波長に対し利得を有する。レーザ発振を行うた
めの共振器は光導波路（７）の端面に誘電体膜で作成さ
れた出力結合鏡（５）と、回折格子（８）によるブラッ
グ反射器間で構成される。ブラッグ反射器は良く知られ
ているようにブラッグ条件を満足する波長に対し高い反
射率を有する。このためこのレーザはブラッグ波長で選
択的に縦単一モードで発振する。また横モードはＸ方向
に関しては、光導波路（７）により零次モードが選択さ
れ、またＹ方向に関しては、励起光分布が第５図（Ｂ）
に示したように単峰性でありレーザの零次モードと調和
するのでTM00、またはTE00モードで発振する。第６図は
この発明の他の発明の一実施例を示す構成図であり、光
導波路（７）上の全領域に回折格子（８）を作製したも
のであり、この場合、レーザはDFB（Distributed−Feed
−Back）レーザとなり、第１図の実施例と同様の動作を
行う。
第７図はこの発明の他の一実施例の示す構成図であ
り、光導波路（７）上に回折格子（８）を２ケ所作製し
２方向から励起を行うものである。このとき、共振器は
２個のブラッグ反射器で構成できレーザはDBR（Distrib
uted−Bragg−Reflecter）レーザとして動作し第１図の
実施例と同様の動作を行う。
り、光導波路（７）上に回折格子（８）を２ケ所作製し
２方向から励起を行うものである。このとき、共振器は
２個のブラッグ反射器で構成できレーザはDBR（Distrib
uted−Bragg−Reflecter）レーザとして動作し第１図の
実施例と同様の動作を行う。
また、本実施例においてダイオードバー（３）を構成
するレーザダイオードは接合面水平方向に光を出射する
として説明したが、接合面垂直方向に光を出射するもの
を用いても良い。また光導波路（７）としてX,Y2方向に
光を閉じ込める３次元光導波路を用いても良い。
するレーザダイオードは接合面水平方向に光を出射する
として説明したが、接合面垂直方向に光を出射するもの
を用いても良い。また光導波路（７）としてX,Y2方向に
光を閉じ込める３次元光導波路を用いても良い。
以上のように、この発明によれば、レーザブロック上
に光導波路を形成し、光導波路に励起光、レーザ光を導
波させレーザブロックへの光のしみ出しを利用して結合
を行っているのでTE00またはTM00レーザモードの高効率
な励起が可能である。また光導波路上に作製した回折格
子をレーザ光に対するブラッグ反射器として用いている
ので単一の縦モードが選択されて発振するので高スペク
トル純度を有するレーザが実現できるとともに、この回
折格子を励起光の光導波路への結合器として用いている
ので、高出力のダイオードバーを励起光源として用いる
ことが可能であり高出力化に適し、従って、高出力、高
効率、高スペクトル純度、高ビーム品質のレーザダイオ
ード励起固体レーザが実現できる効果がある。
に光導波路を形成し、光導波路に励起光、レーザ光を導
波させレーザブロックへの光のしみ出しを利用して結合
を行っているのでTE00またはTM00レーザモードの高効率
な励起が可能である。また光導波路上に作製した回折格
子をレーザ光に対するブラッグ反射器として用いている
ので単一の縦モードが選択されて発振するので高スペク
トル純度を有するレーザが実現できるとともに、この回
折格子を励起光の光導波路への結合器として用いている
ので、高出力のダイオードバーを励起光源として用いる
ことが可能であり高出力化に適し、従って、高出力、高
効率、高スペクトル純度、高ビーム品質のレーザダイオ
ード励起固体レーザが実現できる効果がある。
第１図（ａ），（ｂ）はこの発明の一実施例によるレー
ザダイオード励起固体レーザ装置の構成図、第２図
（ａ）〜（ｃ）はレーザダイオード出力光の出射パター
ンの模式図、第３図は位相同期をかけたダイオードバー
の構成図、第４図（ａ），（ｂ）は縮小光学系の構成
図、第５図（ａ），（ｂ）は光導波路内の励起光の大き
さを示す概念図、第６図および第７図はこの発明の他の
実施例を示す構成図、第８図ないし第10図は従来のレー
ザダイオード励起固体レーザ装置の構成図である。 （１）はレーザブロック、（２）はレーザダイオード、
（３）はダイオードバー、（４）は高反射鏡、（５）は
出力結合鏡、（６）は結合光学系、（７）は光導波路、
（８）は回折格子、（９）はマイクロレンズアレー、
（10）は円柱レンズ、（11）は縮小光学器である。 尚、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
ザダイオード励起固体レーザ装置の構成図、第２図
（ａ）〜（ｃ）はレーザダイオード出力光の出射パター
ンの模式図、第３図は位相同期をかけたダイオードバー
の構成図、第４図（ａ），（ｂ）は縮小光学系の構成
図、第５図（ａ），（ｂ）は光導波路内の励起光の大き
さを示す概念図、第６図および第７図はこの発明の他の
実施例を示す構成図、第８図ないし第10図は従来のレー
ザダイオード励起固体レーザ装置の構成図である。 （１）はレーザブロック、（２）はレーザダイオード、
（３）はダイオードバー、（４）は高反射鏡、（５）は
出力結合鏡、（６）は結合光学系、（７）は光導波路、
（８）は回折格子、（９）はマイクロレンズアレー、
（10）は円柱レンズ、（11）は縮小光学器である。 尚、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】固体レーザ媒質の長手方向に沿って作成さ
れた光導波路の一終端に形成された出力結合鏡およびこ
の光導波路の表面に作成された回折格子により構成され
るレーザ発振用の共振器と、前記回折格子より離隔して
設置された複数のレーザダイオードで構成されるダイオ
ードバーと、該ダイオードバーの各レーザダイオードよ
り射出された励起用出力光を平行ビームにし、前記回折
格子に対して鋭角で結合させる結合光学系とを備えたこ
とを特徴とするレーザダイオード励起固体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8805390A JP2962561B2 (ja) | 1990-04-02 | 1990-04-02 | レーザダイオード励起固体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8805390A JP2962561B2 (ja) | 1990-04-02 | 1990-04-02 | レーザダイオード励起固体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03286583A JPH03286583A (ja) | 1991-12-17 |
| JP2962561B2 true JP2962561B2 (ja) | 1999-10-12 |
Family
ID=13932098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8805390A Expired - Fee Related JP2962561B2 (ja) | 1990-04-02 | 1990-04-02 | レーザダイオード励起固体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2962561B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6229939B1 (en) * | 1999-06-03 | 2001-05-08 | Trw Inc. | High power fiber ribbon laser and amplifier |
| JP2010034413A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Hamamatsu Photonics Kk | 固体レーザ装置 |
-
1990
- 1990-04-02 JP JP8805390A patent/JP2962561B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03286583A (ja) | 1991-12-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |