JP2988354B2 - 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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Description
起固体レーザ装置は、TEM00モード(特定のTEM波
(電磁波)が導波管や空洞中を伝播するモード)で高出
力なバワーを引き出すのに有利な端面励起方式のレーザ
ダイオード(以下LDと称す)励起固体レーザ装置に関
し、特にLD励起固体レーザ装置の結合光学系に関す
る。
モードを高効率で取り出すためには、側面励起方式と比
較して、LD励起光と共振器中で発振している、レーザ
ビームとの重なり効率がより高い端面励起方式が採用さ
れることが多かった。このとき問題となるのは、LDの
ストライプから大きな拡がり角で、しかも異なる拡がり
角で出射される励起レーザ光を共振器中のTEM00モー
ド径と同等な径になるまで、いかに効率良く絞れるかに
あった。
RINレンズ等で簡単に集光させるか、集光レンズとし
て1枚の凸レンズあるいはより細径にまで絞り込むため
に複数枚の凸レンズや凹レンズを組み合わせたレンズ光
学系を用いて集光させていた。
起固体レーザ装置において、シングルストライプLDヘ
の適用に際しては、集光スポットが楕円形状にはなるも
のの、100〜200ミクロン程度にまでは比較的容易
に絞り込める。しかしながら、シングルストライプLD
で高出力化を図るためには、特開平4−320383の
ようにファイバー結合されたLD光源を複数本レンズで
まとめる方式を採るか、または、特開平1−25167
8のようにファイバー結合された複数本のLD光源の出
力部を束にしたバンドルファイバーを用いる必要があ
り、結合光学系全体としては複雑・大型化を避けられな
かった。
にさせたリニアアレー型LDを使用する場合も、シング
ルストライプLDの使用とは異なり、以下のような数多
くの問題が発生した。
ライプ形状は、たとえばlミクロン(垂直方向)×20
0ミクロン(平行方向)で、各方向ヘのビーム拡がり角
はそれぞれ40ミリラジアン,10ミリラジアン程度で
あり、さらにアレーに並ベられたときの長さは約l0m
mであることにある。即ち、このビームを適当な集光光
学系で集光する場合、その光学系の縮小率はLDのスト
ライプの各々の方向に対して約100倍も異なることで
ある。各ストライプから出射されるレーザ光の拡がり角
が幸い約4倍異なるため、上述した縮小率の差異は約2
5倍の違いまで緩和される。しかしながら、ストライプ
に垂直な方向が仮に100ミクロンまで集光されたとし
て、もう一方のストライプに平行な方向(アレーの長手
方向)は2.5ミリまでしか集光できない。実際には、
集光レンズ光学系のレンズ収差のため、縮小率の大きな
2.5ミリの方は理想的に集光されないので、最終的な
スポツト径はこの計算よりさらに大きくなる。
ために、上述したリニアアレーをスタック化したLDを
使用する場合に生ずる。スタック化した場合の各リニア
アレーの間隔は、0.4〜2ミリ程度である。たとえ
ば、間隔が1.1ミリで10段スタックだと仮定する
と、スタックに重ねられた方向は約10ミリとなる。こ
の場合、リニアアレーに100ミクロンまで集光された
方向に対しても、縮小率が0.2として約2ミリまでし
か絞り込めなくなる。結果的に10×2ミリ角程度まで
しか絞り込めなくなる。
く、特開平2−146782に代表されるファイバー結
合型の励起光学系を用いて、100ミクロン程度のコア
径から出射されたLD励起光を、1:1あるいはそれ以
下の比で結像させる集光光学系を用いた方法が提案され
ている。特に、テーバー付き光ファイバーを用いること
によって、光ファイバーの入射部は比較的大きなビーム
スポットでも励起光を簡単に取り込むことが可能にな
る。しかしながら、この方法に関しては次のような問題
がある。
LD励起光は大きな発散角になるため、ファイバー出射
端の後に挿入される集光光学系での結合損失を少なくす
るには、顕微鏡の対物レンズ並みの大きな開口値(N
A)が要求される。ましてや出射端のファイバーのコア
径と同じ程度にまで集光するためには、大変複雑で大が
かりな光学系が必要となる,当然ながら形状が大きくな
るばかりでなく、励起光の透過率も大幅に下がり、さら
に製作コストも大変高価なものになる。
コートすることは、大変な困難を生じるが、ARコ一ト
を実施しない場合、通常の石英光フアイバーの両端面で
約8%の損失が発生する。これはフォトンコストの大変
高価なスタック化されたリニアアレーLDにとっては無
視できない多大な損失である。
の場合、実際に、入射側が、φ2〜3ミリで、出射側が
数百ミクロンφ程度が実現できれば理想的である。これ
だけのテーパー比を有する光ファイバーを100ミリ程
度あるいはそれ以下の短い長さで製作することは、困難
で、かつ製作費もかさみ実用的でない。
光パワー密度が高くなることである。この出射端面に僅
かな塵・ほこりなどが付着すると端面にダメージや汚れ
が発生し易く、レーザの高出力化を阻む一因となってい
た。
は実用化に際しての問題点が山積されていた。
は2次元リニアアレー型LDを用いた端面励起方式LD
励起固体レーザの結合光学系において、LD励起光を
高密度にレーザ媒質上に集光すること、伝送効率を高
めること、簡単な構成で、かつ、コンパクトであるこ
と、信頼性が高いこと、を同時に実現するLD励起固
体レーザを提供することである。
LDあるいは2次元リニアアレー型LDから出射された
LD励起光を適当な結合光学系を用いてφ2ミリ程度ま
で効率良く集光させ、その後、人射部がφ2ミリ、出射
部がφ0.5ミリ程度で傾斜したテーパー付き全反射ロ
ッドに結合する2段階の集光光学系で構成された結合光
学系から成る。
ッドを含む2段階の集光光学系に分けることにより、ス
夕ック化された二次元リニアアレー型の高出力LD光か
ら出射された励起光を高い伝送効率でレーザ媒質まで導
入できる。特に、テーパー付き全反射ロッドを用いるこ
とによって、構成が単純化されるだけでなく、従来複雑
な光学系を用いても実現が困難であったφ1ミリ以下の
径にまで簡単にしかも効率良く絞り込むことが可能とな
った。また、テーパー付きロットの出力端面とレーザ媒
質を光学的に結合あるいは突き合わせ接合させることに
よって、スポット径形状の高い安定性が得られ、高いレ
ーザ発振効率のみならず同時に高い出力安定度ならびに
信頼性を得ることになった。
第1の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
第一の実施例の構成図で(A)は側面図、(B)は平面
図である。
レー型LD1と、シリンドリカルレンズ2、3と、球面
レンズ4と、非球面レンズ5と、テーパー付き全反射ロ
ッド61と、全反射コート付きレーザ媒質71と、出力ミ
ラー8とからなる。全反射コート付きレーザ媒質71は
一方の端面には発振波長に対して全反射ミラーコート付
きで、かつ、LD励起光の波長に対して無反射コート付
きであり、他方の端面には、発振波長に対して無反射ミ
ラーコート付きである。
は、ストライプの長手方向に垂直な方向は拡がり角が約
40度と大きいため、この方向にのみシリンドリカルレ
ンズ2と3によりコリメートして、球面レンズ3と非球
面レンズ4からなる集光光学系によって、1/5〜1/
10程度の縮小比で集光され、非球面レンズの直後でφ
2〜3ミリにまで絞り込まれる。このときの伝達効率は
約90%である。テーパー付きの全反射ロッドの入射部
が、前段の光学系で最も絞られる位置に配置される。テ
ーバー付きの全反射ロッド61とは、たとえばコアとク
ラッドを有した所謂光ファイバーと同様な構成を採るも
のである。あるいはLD励起波長に対して吸収のない石
英,重フリントガラスやBK7,SF2などの光学ガラ
スで製作された円錐状口ッドの側面を鏡面研磨し、クラ
ッド無しでも全反射するように設計したもの、あるい
は、これらのガラス側面にアルミや金などの金属を蒸着
させたものである。ロッド長は20〜100ミリ程度で
ある。レ一ザ装置は全体の形状を小さくするには短い方
が望ましいが、短過きるとモードスクランブル効果が少
なくなる。可撓性がある必要はない。尚、テーパー付き
の全反射口ッドの両端面は、LD励起波長に対して無反
射コーティングを施してある。重フリントガラスによる
クラッド付きの口ッドの場合、NA=0.9であり、1
28度の見込角内の入射励起光を取り込むことができ
る。本実施例で非球面レンズ5にf=8を用いた場合、
前段の光学系からテーパー付きの全反射ロッド6への結
合効率は80%程度確保できる。全反射ロッドに一旦入
射されると、ほぼ100%の効率で出射端にまで導入さ
れるが、この出力は大きな出射角で出射される。このた
め、本テーパー付きの全反射ロッド61の出射端はレー
ザ媒質7に接触させている。あるいは、適当な光学接着
材を用いるか、熱圧着法によってオプティカルコンタク
トさせている。
る。図2に示すように、本実施例は、第一の実施例と同
じ構成である。異なるのはテーパー付き全反射口ッド6
2の出射部が球面に研磨してある点である。
曲面(r<0.5mm)を有するため、条件によっては
平面どうしを突き合わせるよりも小さく絞り込むことが
可能である。
する。図3に示すように、本実施例は、第一の実施例と
同じ構成であるが、異なるのはテーパー付きの全反射ロ
ッド63の入射部が球面に研磨してある点である。ボー
ルレンズに相当する曲率半径の小さな曲面(r<1〜
1.5mm)を有するため、第一の実施例や第二の実施
例で示した1段目の集光光学系における最終段の非球面
レンズ5が不要になる。また、不要になるばかりでな
く、テーパー付き全反射ロッドへの結合効率が改善され
る。
する。図4に示すように、本実施例は、第一の実施例と
同様の構成であるが、異なるのはテーパー付き全反射ロ
ッド64の出射端面にLD励起光に対して全反射し,レ
ーザ媒質の発振波長に対して無反射特性を有する二波長
コートが施されている点と、レーザ媒質72のテーパー
付き全反射ロッド64側にLD励起光に対して無反射
で,レーザ媒質7 2 の発振波長に対して無反射特性を有
する二波長コートが施され、かつ、レーザ媒質72の出
力ミラー8側にLD励起光に対して全反射,レーザ媒質
7 2 の発振波長に対して無反射特性を有する二波長コー
トが施されている点にある。
する。図5に示すように、本実施例は、第一の実施例の
テーパー付きの全反射口ッド61の代わりにテーパー付
きの全反射スラブ65を用いている点と第一の実施例の
非球面レンズ5の代わりにシリンドリカルレンズ15を
用いている点が異なっている。
する。図6に示すように、本実施例は、第一の実施例の
テーパー付き全反射ロッド61の代わりにテーパー付き
の中空導波路16に置き換えた例である。本中空導波路
16は銅パイプ製で、内面は研磨した後、ニッケルメッ
キが施され、最後に金メッキ処理されたものである。
する。図7に示すように、本実施例は、テーパー付き全
反射ロッド66へのLD入力光は、シングルストライプ
LDの出力をファイバー結合させたものを多数本使用し
て、各々のファイバー12の先端部に設けられた適当な
コリメートレンズ(例えばGRINレンズ)13を通し
て、最後に凸レンズ等の集光レンズ14で集光すること
によって得られる。勿論、最近市場に出始めたリニアア
レー型のLDのファイバー出力型LDを本実施例に用い
れば、より高出力な励起が可能となる。
する。図8に示すように、本実施例は、第七の実施例の
集光光学系からテーパー付き全反射ロッド66までの光
学系を複数を並列に用いて、各々のテーパー付き全反射
ロッド66の出力端を束ねて(バンドル化)、これを再
び入射口径の大きなテーパー付き全反射ロッド67に結
合したものである。
する。本実施例は、準連続発振LDを用いてパルス発振
させているレーザ装置の場合である。図9に示すよう
に、本実施例は、第七の実施例のファイバー出力型のL
D励起光源を各々並列動作可能なLDドライバーで動作
させ、この時図10に示すタイミングで位相を1/nA
づつシフトさせて、各々のLD光源を並列運転させたも
のである。
光を集光する結合光学系の出力を密着させたテーパー付
きの全反射ロッドに入力してスポット絞り込みをするこ
とにより、第一の効果として、従来、簡単な構成では実
現困難であった2次元アレー型LDをφ1ミリ以下に絞
り込む装置が小型化でき、レーザ媒質に集光するスポッ
トは、テーパー付き全反射ロッドあるいはスラブの出力
端であるので、突き合わせるだけすみ、調整の必要がな
く確実で高い信頼性が得られ、大量生産に実用的に効果
があり、また、高密度励起が可能になったことにより、 TEM00モードにおけるレーザ発振効率と、 Qスイッチパルス発振させる場合、Qスイッチパルス
の取り出し効率と、パルス幅の縮小化等の点で飛躍的な
向上が実現できた効果がある。
純化でき、レーザ発振効率の格段の向上による小型化が
達成された効果がある。
性のある光ファイバーと異なるガラス製の口ッドやスラ
ブを用い、両端面に励起LD光波長に対する無反射コー
トが施せるため、励起の損失を小さくできる効果があ
る。また、金属製の中空導波路を用いた場合は、入出力
端面損失は皆無になる。
ザ媒質の両端面には発振レーザ光波長に対して無反射コ
ートのみを施し、レーザ共振器の全反射ミラーとしての
コートは、レーザ媒質に突き合てられたテーパー付き全
反射ロッドの出射端面に付けることにより、高い励起光
密度でレーザ媒質端面を励起したときに吸収発熱により
発生するレーザ結晶端面の変形に対して、レーザ発振光
の不安定さを回避させることができる。
製中空導波路を用いることによって、励起パワーが大き
く冷却の必要な場合には対応し易くなる。第六の効果
は、テーパー付きの全反射ロッドの前段の結合光学系は
融通性が高く、第七の実施例や第八の実施例のようによ
り高い高出力化を狙った励起光源のバンドル化対応が容
易にできる。この結果として第九の実施例のようにLD
ドライバーを並列動作させることにより、従来準連続発
振LDにおいて制限されていた繰り返し周波数をn倍に
上げることが可能になった。
例の構成図で、(A)は側面図、(B)は平面図であ
る。
例の構成図で、(A)は側面図、(B)は平面図であ
る。
例の構成図で、(A)は側面図、(B)は平面図であ
る。
例の構成図で、(A)は側面図、(B)は平面図であ
る。
例の構成図で、(A)は側面図、(B)は平面図であ
る。
例の構成を示す側面図である。
例の構成図で、(A)は斜視図、(B)は側面図であ
る。
例の構成を示す斜視図である。
例の構成を示す斜視図である。
ルに流すLD電流のタイミングチャートである。
束 11 LD励起光の出射光学系 12 光ファイバーケーブル 13 コリメータ光学系 14 高集光光学系 15 シリンドリカルレンズ 16 テーパー付き全反射中空導波路 17 第八の実施例の励起光学系同様の励起光学系 18 LDへの結合光学系 19 LDドライバー 201〜206 結合光学系
Claims (8)
- 【請求項1】 リニアアレー型レーザダイオード、ある
いは2段以上スタックされたリニアアレー型レーザダイ
オードを用いて励起し、集光光学系によりコリメートし
て出力するレーザダイオード励起固体レーザ装置におい
て、 前記リニアアレー型レーザダイオードにより出力された
励起光を前記集光光学系によりコリメートしその出力を
レンズ光学系により1/5から1/10程度の縮小比で
集光する結合光学系の出力を入力し、通過光線を内側へ
全反射し入射口より小口径の出射口までスポットを絞り
込みつつ導くテーパー形の光学媒体を有し、 前記テーパー形の光学媒体とレーザ活性媒質とが光学的
結合、乃至突き合わせ接触されていることを特徴とする
レーザダイオード励起固体レーサ装置。 - 【請求項2】 前記光学媒体がテーパー付き全反射ロッ
ドである請求項1記載のレーザダイオード励起固体レー
ザ装置。 - 【請求項3】 前記光学媒体がテーパー付き全反射スラ
ブである請求項1記載のレーザダイオード励起固体レー
サ装置。 - 【請求項4】 前記光学媒体がテーバー付き全反射中空
導波路である請求項1記載のレーザダイオード励起固体
レーザ装置。 - 【請求項5】 少なくとも2個以上の複数のレーザダイ
オードからコリメート光学系を通して出射された励起光
を前記テーパー付き全反射ロッドの入力側に結合する請
求項2記載のレーザダイオード励起固体レーザ装置。 - 【請求項6】 少なくとも2個以上の複数のレーザダイ
オードからコリメート光学系を通して出射された励起光
を前記テーパー付き全反射スラブの入力側に結合する請
求項3記載のレーザダイオード励起固体レーザ装置。 - 【請求項7】 少なくとも2個以上の複数のレーザダイ
オードからコリメート光学系を通して出射された励起光
を前記テーパー付き全反射中空導波路の入力側に結合す
る請求項2記載のレーザダイオード励起固体レーザ装
置。 - 【請求項8】 前記リニアアレーレーザダイオードがn
個の準連続発振レーザダイオードからなり、各準連続発
振レーザダイオードの最大発振繰返し数がAHzである
とき、前記各準連続発振レーザダイオードが同じ繰返し
数AHzで周期を1/nA秒づつ位相をずらして励起す
る請求項5乃至7のいずれか一項に記載のレーザダイオ
ード励起固体レーサ装置。
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JP8008453A Expired - Fee Related JP2988354B2 (ja) | 1996-01-22 | 1996-01-22 | レーザダイオード励起固体レーザ装置 |
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