JP3033532B2 - Ｌｄ励起型固体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリズムを用いた
ＬＤ励起型固体レーザ装置に係り、特に、パルス励起Ｌ
Ｄアレーでレーザ媒質である結晶或いはガラスを励起す
るパルス発振のＬＤ励起型固体レーザ装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ（ＬＤ）励起型の固
体レーザ装置においては、レンズで集光した半導体レー
ザ光（ＬＤ光）でレーザ媒質の側面を励起すると、レー
ザ媒質中で光励起される光の断面形状は、狭い励起幅に
比べて深さ方向には長い吸収長のため深く励起されて楕
円状となる。このため、発振するレーザ光は、光励起さ
れた形状に合わせて楕円形の断面形状になることが一般
に知られている。

【０００３】従来のＬＤ励起型の固体レーザでは、レー
ザ光の集光特性の改善および使用し易くするために、レ
ーザ光の断面形状を円形に変換するためのプリズムを共
振器中に挿入していた。この場合の従来例を、図５に示
す。

【０００４】この図５に示す従来例は、特開平６−１７
７４７１号公報に開示されたものであって、共振器中に
位置するレーザ媒質であるＹＡＧ結晶５１と出力ミラー
５２との間に、一方と他方の二個のプリズム５３，５４
を装備している。

【０００５】この各プリズム５３，５４は、フラット面
５３Ａ，５４ＡをＹＡＧ結晶５１側に向けると共に、ブ
リュースタ面５３Ｂ，５４Ｂを出力ミラー５２側に向け
て光軸上に（励起光の伝搬方向と垂直に）装備されてい
る。ここで、符号５１Ａは、ＹＡＧ結晶５１の図５にお
ける右端面に装着された全反射ミラーを示す。また、符
号５５は半導体レーザを示し、符号５６は集光レンズを
示し、符号５７は開口アパーチュアを示す。

【０００６】そして、かかる構成をもって、上記従来例
は、ＹＡＧ結晶５１から出射した楕円状レーザ光を二個
のプリズム５３，５４を透過させることにより長軸方向
のみを縮小させ、円形状の断面形状を持つ細いレーザ光
に変換している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例にあっては、共振器内のレーザ光はレーザ媒質５１
中の楕円状レーザ光の長軸方向を短縮したエネルギー密
度の高い光となり、これがため、例えばＱスイッチ素子
を用いた高ピークパワーレーザ光を発振するパルスＬＤ
励起固体レーザの場合は、レーザ光のエネルギー密度が
ミラーおよびプリズムの耐光強度を越えて光学的ダメー
ジを生じさせたり、耐光強度の劣化を促進させる等の光
学的ダメージを生じ易く、かかる点において、共振器を
構成するミラーおよびプリズムに光学的ダメージが生じ
易く、耐久性が悪くなる、という不都合が常に存在して
いた。

【０００８】

【発明の目的】本発明では、レーザ媒質中の楕円状レー
ザ光の短軸方向を拡大することでレーザ光を円形状に
し、且つレーザ光の光軸に断面形状を太く変換すること
を可能とし、これによって、従来例のレーザ光より高ピ
ークパワーにおいてもエネルギー密度の低いレーザ光を
出力し得るＬＤ励起型固体レーザ装置を提供すること
を、その目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、まず、光学的に対向して装備された全
反射ミラーと出力ミラーとを有するレーザ共振器と、こ
のレーザ共振器中に置かれたレーザ媒質と、このレーザ
媒質の側面に置かれたパルス励起用の半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）と、前述したレーザ媒質とパルス励起半導体レーザ
との間に置かれ半導体レーザ光（ＬＤ光）を集光してレ
ーザ媒質の側面に入射するレンズ体と、レーザ媒質と出
力ミラーとの間に装備されたＱスイッチ素子とからなる
ＬＤ励起型固体レーザ装置であって、前述したＱスイッ
チ素子とレーザ媒質との間に、ブリュースタ面とフラッ
ト面とを備えたプリズムを配設する。このプリズムは、
そのブリュースタ面をレーザ媒質の端面方向に向けると
共に、そのフラット面を出力用レーザ光の伝搬方向に垂
直に配設する。これによって、前述したレーザ媒質から
出射するレーザ光がプリズムを透過するようにする、と
いう構成を採っている。

【００１０】これに加え、前述した全反射ミラーとレー
ザ媒質との間に、ブリュースタ面とフラット面とを備え
た他のプリズムを配設する。この場合も、当該他のプリ
ズムのブリュースタ面を前述したレーザ媒質の端面方向
に向けと共にフラット面を前述した全反射ミラーの入出
力反射光の伝搬方向に垂直に配設する。

【００１１】更に、Ｑスイッチ素子については、レーザ
媒質と全反射ミラーとの間に装備してもよい。この場
合、レーザ媒質と出力ミラーとの間には前述した一方の
プリズムが、又Ｑスイッチ素子とレーザ媒質との間には
他方のプリズムが、それぞれ装備される。そして、この
場合は、各プリズムのブリュースタ面はレーザ媒質側に
向けられ、各プリズムのフラット面が各ミラー側に向け
られて装備される。更に、前述したレンズ体は、円柱状
レンズで構成され、又レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＬＦ
結晶、又はＮｄ：ＹＡＧ結晶等の結晶部材が使用されて
いる。

【００１２】このようにすることによって、本発明のＬ
Ｄ励起固体レーザでは、レーザ光断面が円形状で且つ高
ピークパワーにおいてもエネルギー密度の小さなレーザ
光が得られる。

【００１３】即ち、本発明では、二枚のミラーで構成さ
れたレーザ共振器の中に、レーザ媒質端面方向にブリュ
ースタ面を向け、且つブリュースタ面をＬＤ光の伝搬方
向と垂直に少なくとも１個以上のプリズム（図１参照）
をレーザ媒質とＱスイッチ素子間、もしくはレーザ媒質
とミラー間の少なくとも一方に設置し、これによって、
レーザ光断面が円形状で且つ高ピークパワー時のエネル
ギー密度を小さく抑えたレーザ光を得ることが可能とな
った。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して詳細に説明する。

【００１５】〔第１の実施形態〕図１乃至図２にこれを
示す。この図１は装置全体の概略を示す平面図を示し、
図２は図１の概略正面図を示す。上記図１乃至図２にお
いて、レーザ共振器は、光軸上で所定間隔を隔てて対向
し配設された出力ミラー１と全反射ミラー２とを備えて
いる。この出力ミラー１と全反射ミラー２との間には、
レーザ媒質３が配設され、このレーザ媒質３の側面にパ
ルス励起用の半導体レーザ（ＬＤ）４が併設されてい
る。又、この半導体レーザ４と前述したレーザ媒質３と
の間には、パルス励起用の半導体レーザ４から出力され
る半導体レーザ光Ｌ₁₂を集光してレーザ媒質３の側面に
（下方から）入射するレンズ体５が装備されている。

【００１６】又、前述したレーザ媒質３と出力ミラー１
との間にはＱスイッチ素子７が装備され、これらによ
り、ＬＤ励起型固体レーザ装置の基本形が構成されてい
る。

【００１７】更に、本実施形態では、前述したＱスイッ
チ素子７とレーザ媒質３との間に、ブリュースタ面１３
Ｂとフラット面１３Ａとを備えた一方のプリズム１３が
配設されている。この一方のプリズム１３は、そのブリ
ュースタ面１３Ｂが前述したレーザ媒質３の端面方向に
（図１に示すように）斜めに向けて配設され、フラット
面１３Ａが出力用レーザ光の伝搬方向に垂直に配設され
ている。これによって、レーザ媒質３から出射するレー
ザ光がプリズム１３を透過するように構成されている。

【００１８】又、図１において、全反射ミラー２とレー
ザ媒質３との間に、ブリュースタ面１４Ｂとフラット面
１４Ａとを備えた他方のプリズム１４が配設されてい
る。

【００１９】この他方のプリズム１４は、そのブリュー
スタ面１４Ｂがレーザ媒質３に（図１に示すように）斜
めに向けて配設され、そのフラット面１４Ａを全反射ミ
ラー２の入出力反射光の光軸に直交するように配設し、
これによってレーザ媒質３から出射するレーザ光が、当
該レーザ媒質３の両端面側でプリズムを透過し得るよう
になっている。

【００２０】そして、上記構成において、ブリュースタ
面１３Ｂ，１４Ｂを垂直（図１は平面図であるから）に
置いたプリズム１３，１４のブリュースタ面１３Ｂ，１
４Ｂにブリュースタ角度でレーザ光を入射すると、当該
ブリュースタ面１３Ｂ，１４Ｂにおいてレーザ光が屈曲
しプリズム１３，１４を透過する。

【００２１】この時、レーザ光断面のうち、水平方向成
分がブリュースタ面１３Ｂ，１４Ｂに対して斜入射にな
り、レーザ光の水平方向成分だけが広がってプリズム１
３，１４を透過することになる。

【００２２】このことより、図１乃至図２において水平
方向が短軸であるレーザ媒質３から出力する楕円形レー
ザ光をブリュースタ角度でブリュースタ面１３Ｂ，１４
Ｂに入射させると、プリズム１３，１４を透過したレー
ザ光は、短軸方向のみが拡大され、楕円形状から円形状
に変換される。

【００２３】以下これを更に詳述する。図１乃至図２に
おいて、前述したように、レーザ出力を取り出す出力ミ
ラー１よび全反射ミラー２の二枚のミラーで共振器が構
成されている。

【００２４】レーザ媒質３としては、円柱状のＮｄ：Ｙ
ＬＦ結晶が用いられ、両端面を垂直面として１．０５３
〔μｍ〕のレーザ光に対して無反射コーティングが施さ
れ、又、側面は光学研磨され，波長０．７９８〔μｍ〕
のパルス励起ＬＤ光Ｌ₁₂に対して無反射コーティングが
施されている。

【００２５】パルス電流で励起される半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）４は、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶から成るレーザ媒質３の下
方側面に置かれ、０．７９８〔μｍ〕のパルス発振の半
導体レーザ光（ＬＤ光）Ｌ₁₂で励起されるようになって
いる。

【００２６】そして、このＬＤ光Ｌ₁₂を集光し効率よく
レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＬＦ結晶）３の側面（図１では背
面側）に入射させるために、当該側面が光学研磨され
０．７９８〔μｍ〕のＬＤ光Ｌ₁₂を透過させるために無
反射コーティングが施された石英製のレンズ体（円柱レ
ンズ）５が、レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＬＦ結晶）３と半導
体レーザ４との間に設置している。このレンズ体５とし
ては、本実施形態にあっては円柱レンズが使用されてい
る。

【００２７】又、高ピークパワーのパルスレーザ光を得
るために、レーザ媒質３と出力ミラー１との間に、Ｑス
イッチ素子７としてポッケルス・セルが装備されてい
る。

【００２８】そして、更に、レーザ媒質３から出射され
る楕円状レーザ光Ｌ₁₁を円形状に変換するために、レー
ザ媒質３とＱスイッチ素子（ポッケルス・セル）７間お
よびレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＬＦ結晶）３と全反射ミラー
２との間の２カ所に、石英製のプリズム１３，１４が設
置されている。

【００２９】このプリズム１３，１４は、ブリュースタ
面１３Ｂ，１４Ｂがレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＬＦ結晶）３
の端面方向を向き、且つフラット面１３Ａ，１４Ａが全
反射ミラー２の入出力反射光の光軸に直交するように配
設されている。このフラット面１３Ａ，１４Ａには、
１．０５３〔μｍ〕のレーザ光（楕円状レーザ光Ｌ₁₁）
に対して無反射コーティングが施されている。

【００３０】このように構成されたＬＤ励起型固体レー
ザ装置では、高ピークパワーのレーザ光を得るため、前
述したようにポッケルス・セルによってＱスイッチ動作
を行わせ、パルス励起のＬＤ光（半導体レーザ光）Ｌ₁₂
をレンズ体（円柱レンズ）５で集光し、レーザ媒質（Ｎ
ｄ：ＹＬＦ結晶）３の下方側面から当該レーザ媒質（Ｎ
ｄ：ＹＬＦ結晶）３を励起している。

【００３１】この励起により、レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＬ
Ｆ結晶）３中の励起領域は、当該レーザ媒質（Ｎｄ：Ｙ
ＬＦ結晶）３の長い吸収長によって縦長の楕円形状にな
り、レーザ媒質３中および当該レーザ媒質３から出射し
た楕円状レーザ光Ｌ₁₁は縦長の楕円状となっている。

【００３２】一方、楕円状レーザ光Ｌ₁₁を円形状レーザ
光に変換する方式は、図５に示した従来例の場合と異な
り、楕円状レーザ光Ｌ₁₁がプリズム１３，１４を透過す
るときに、レーザ光断面の短軸方向がブリュースタ面１
３Ｂ，１４Ｂに対して斜入射になることから当該ブリュ
ースタ面１３Ｂ，１４Ｂの屈折で短軸方向だけが拡大
し、これによって断面が円形状の太いレーザ光Ｌ₁₃にな
る。

【００３３】このために、ポッケルス・セルを用いＱス
イッチ動作によるレーザ発振を行っている本実施形態に
おけるＬＤ励起型固体レーザ装置では、高ピークパワー
であるにもかかわらずエネルギー密度が低く断面が円形
状のパルスレーザ光Ｌ₁₃が得られる。

【００３４】〔第２の実施形態〕図３にこれを示す。こ
の図３に示す第２の実施形態は、前述した第１の実施形
態の場合と異なり、Ｑスイッチ素子７としてのポッケル
ス・セルを、他のプリズム１４と全反射ミラー２との間
に設置した点に特徴を備えている。その他の構成は、前
述した図１〜図２の第１の実施形態と同一となってい
る。このようにしても、前述した第１の実施形態と同一
の作用効果を備えたＬＤ励起型固体レーザ装置を得るこ
とができる。

【００３５】〔第３の実施形態〕図４にこれを示す。こ
の図４に示す第３の実施形態は、前述した第１の実施形
態（図１参照）において、他のプリズム１４を削除する
と共に、全反射ミラー２に代えて前述したレーザ媒質
（Ｎｄ：ＹＬＦ結晶）３の端面に１．０５３〔μｍ〕に
対する全反射コーティング１７を施し、これを全反射ミ
ラーとした点に特徴を備えている。このようにしても、
前述した第１の実施形態と同一の作用効果を備えたＬＤ
励起型固体レーザ装置を得ることができる。

【００３６】ここで、上記各実施形態においては、レー
ザ媒質３としてＮｄ：ＹＬＦ結晶を用いた場合を例示し
たが、レーザ媒質３として、Ｎｄ：ＹＡＧ，又はＮｄ：
ＹＶＯ₄ 等を使用してもよい。

【００３７】更に、プリズム１３，１４としては、石英
を用いた場合を例示したが、ＢＫ７等の光学ガラスやサ
ファイヤ等の光学材料を用いてもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、レーザ媒質から出射された楕円形
状のレーザ光の短軸方向が斜入射になるようにブリュー
スタ面からプリズムに入射させるようにしたことから当
該ブリュースタ面での屈折時にレーザ光の短軸方向が拡
大され、これがため、レーザ媒質から出射する楕円形状
のレーザ光の短軸方向のみが拡大され、断面円形状のレ
ーザ光を得ることができ、同時に、前述した如くレーザ
媒質から出射するレーザ光の短軸方向を拡大するように
したので、出力されるレーザ光の断面積が増加し、高ピ
ークパワーのレーザ光においても前述した従来例の場合
に比較してエネルギ一密度を確実に低下させることがで
き、これがため、光学部品へのダメージを減少させるこ
とができ、共振器中の光学部品の耐久性および信頼性の
向上を図ることができるという従来にない優れたＬＤ励
起型固体レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略平面図であ
る。

【図２】図１の概略正面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す概略平面図であ
る。

【図４】本発明の第３の実施形態を示す概略平面図であ
る。

【図５】従来例を示す概略平面図である。

【符号の説明】

１ レーザ共振器の要部を成す出力ミラー ２ レーザ共振器の要部を成す全反射ミラー ３ レーザ媒質としてのＮｄ：ＹＬＦ結晶 ４ 半導体レーザ（ＬＤ） ５ レンズ体としての円柱レンズ ７ Ｑスイッチ素子としてのポッケルス・セル １３ プリズム １４ 他のプリズム １３Ａ，１４Ａ フラット面 １３Ｂ，１４Ｂ ブリュースタ面 １７ 全反射コーティング Ｌ₁₁ 楕円状レーザ光 Ｌ₁₂ 半導体レーザ光（ＬＤ光） Ｌ₁₃ レーザ光（出力光）

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/10 - 3/139 H01S 3/0941 H01S 5/00 - 5/026

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的に対向して装備された全反射ミラ
   ーと出力ミラーとを有するレーザ共振器と、このレーザ
   共振器中に置かれたレーザ媒質と、このレーザ媒質の側
   面に置かれたパルス励起半導体レーザ（ＬＤ）と、前記
   レーザ媒質とパルス励起半導体レーザとの間に置かれ半
   導体レーザ光（ＬＤ光）を集光して前記レーザ媒質の側
   面に入射するレンズ体と、前記レーザ媒質と出力ミラー
   との間に装備されたＱスイッチ素子とからなるＬＤ励起
   型固体レーザ装置において、 前記Ｑスイッチ素子と前記レーザ媒質との間に、ブリュ
   ースタ面とフラット面とを備えたプリズムを配設しする
   と共に、このプリズムのブリュースタ面を前記レーザ媒
   質の端面方向に向け且つ前記フラット面を出力用レーザ
   光の伝搬方向に垂直に設定し、 これによって前記レーザ媒質から出射するレーザ光がプ
   リズムを透過するようにし、 前記全反射ミラーとレーザ媒質との間に、ブリュースタ
   面とフラット面とを備えた他のプリズムを配設し、 この他のプリズムのブリュースタ面を前記レーザ媒質の
   端面方向に向け且つ前記フラット面を前記全反射ミラー
   の入出力反射光の伝搬方向に垂直に設定し、 これによって前記レーザ媒質から出射するレーザ光が、
   前記レーザ媒質の両端面側でプリズムを透過するように
   したことを特徴とするＬＤ励起型固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 光学的に対向して装備された全反射ミラ
   ーと出力ミラーとを有するレーザ共振器と、このレーザ
   共振器中に置かれたレーザ媒質と、このレーザ媒質の側
   面に置かれたパルス励起半導体レーザ（ＬＤ）と、前記
   レーザ媒質とパルス励起半導体レーザとの間に置かれ半
   導体レーザ光（ＬＤ光）を集光して前記レーザ媒質の側
   面に入射するレンズ体と、前記レーザ媒質と全反射ミラ
   ーとの間に置かれたＱスイッチ素子とからなるＬＤ励起
   型固体レーザ装置において、 前記レーザ媒質と出力ミラーとの間に、ブリュースタ面
   とフラット面とを備えたプリズムを配設すると共に、こ
   のプリズムのブリュースタ面を前記レーザ媒質の端面方
   向に向け且つ前記フラット面を出力用レーザ光の伝搬方
   向に垂直に設定し、 前記Ｑスイッチ素子と前記レーザ媒質との間に、ブリュ
   ースタ面とフラット面とを備えたプリズムを配設すると
   共に、このプリズムのブリュースタ面を前記レーザ媒質
   の端面方向に向け且つ前記フラット面を全反射ミラーの
   入出力反射光の伝搬方向に垂直に設定し、 これによって、前記レーザ媒質から出射するレーザ光が
   各プリズムを透過するようにしたことを特徴とするＬＤ
   励起型固体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記レンズ体を円柱状レンズとしたこと
   を特徴とする請求項１又は２記載のＬＤ励起型固体レー
   ザ装置。
4. 【請求項４】 前記レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＬＦ結
   晶、又はＮｄ：ＹＡＧ結晶等の結晶部材を使用したこと
   を特徴とする請求項１，２又は３記載のＬＤ励起型固体
   レーザ装置。