JP3046562B2

JP3046562B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP3046562B2
Application number: JP9132364A
Authority: JP
Inventors: 正樹常包
Original assignee: 株式会社生体光情報研究所
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2000-05-29
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: JPH1065254A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第２高調波を発生
する内部共振器型のレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ共振器内に非線形光学結晶を挿入
して高い効率で第２高調波を発生させるレーザ装置にお
いて、そのレーザ装置が複数の縦モードを有する場合、
レーザ光の複数の縦モードそれぞれの第２高調波と同時
に、各縦モード間の和周波が発生する。この和周波の発
生が原因となって、一般にグリーンプロブレムと呼ばれ
る激しいモード競合ノイズが発生する場合がある。現在
様々な応用の面からその解決が待たれており、これまで
いくつかの解決方法が提案されている。

【０００３】図９は、従来の低ノイズレーザ装置の一例
であり、１９８８年発行のオプティクス・レターズ誌
（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）第１３巻８０５頁に
記載された、低ノイズの第２高調波光を発生させる内部
共振器型レーザ装置の構成図である。この図９には、レ
ーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶３１、タイプＩＩの位
相整合条件を満足する、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶３１より発せ
られる波長１０６４ｎｍのレーザ光の第２高調波を発生
させる非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶３２、ＫＴＰ結
晶３２のｃ軸に対して４５°方位に配置された、Ｎｄ：
ＹＡＧ結晶３１より発せられる波長１０６４ｎｍのレー
ザ光に対する１／４波長板３３、レーザ共振器を構成す
ると共に、ＫＴＰ結晶３２で発生した第２高調波を出力
する出力ミラー３４が示されている。

【０００４】このレーザ装置では、１／４波長板３３が
ＫＴＰ結晶３２のｃ軸に対しての４５°の方位に配置さ
れているため、共振器内のレーザ光の固有偏光モードが
制御されて、ＫＴＰ結晶３２内で和周波を発生させる非
線形分極の打ち消しが生じ、和周波が発生せず、したが
ってグリーンプロブレムによるノイズは発生しない。ま
た、図１０は、異なる方式による低ノイズのレーザ装置
の従来例であり、１９９２年発行のアイトリプルイー、
ジャーナルオブカンタムエレクトロニクス誌（Ｉ
ＥＥＥ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）２８巻、１１６４頁に記載されて
いる。

【０００５】ここには、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶４１、励起光
３７を発するレーザダイオード３６、レーザダイオード
３６から発せられた励起光３７を集光してＮｄ：ＹＡＧ
結晶４１に入射させるレンズ３８、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶４
１で発せられたレーザ光の第２高調波を発生する、タイ
プＩＩの位相整合条件を有する非線形光学結晶であるＫ
ＴＰ結晶４２、およびＫＴＰ結晶４２のｃ軸に対して４
５°方位に偏光した直線偏光光に対して最も高い透過率
が得られるように配置されたブリュースター板４３が示
されている。

【０００６】このレーザ装置では、ＫＴＰ結晶４２の複
屈折性とブリュースター板４３の透過率の偏光方向依存
性により、一般によく知られている複屈折フィルターが
形成され、レーザ光の各縦モード毎に異なる共振器損失
が与えられ、このため、損失の最も少ない１本の縦モー
ドのみが選択的に発振し、したがって和周波が発生せ
ず、ノイズの発生が抑えられる。レーザを単一縦モード
で発振させる方式としては、リング共振器を用いたもの
もよく知られている。

【０００７】図１１は、さらに異なる方式による低ノイ
ズのレーザ装置の従来例であり、１９９６年に発行され
たテクニカルダイジェストオブアドバンスドソリ
ッドステートレーザズ（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇ
ｅｓｔｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｏｌｉｄＳｔａ
ｔｅＬａｓｅｒｓ）ポストデッドラインＰＤ４に記載
されている。

【０００８】この従来例では、発振波長幅の広いレーザ
媒質であるＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶４５が用いられており、
ミラー５１〜５７によりレーザ共振器が構成されてい
る。また、ここには、光ファイバ端４６、コリメートレ
ンズ４８および集光レンズ４９からなる励起光学系が示
されており、各励起光学系から出射された各励起光は、
各ミラー５２，５３を透過して、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶に
入射する。

【０００９】さらに、レーザ共振器内には、Ｎｂ：ＹＶ
Ｏ₄ 結晶４５で発生したレーザ光の第２高調波を発生す
る非線形光学結晶であるＬＢＯ結晶４０、及びＬＢＯ結
晶４０内のレーザモードを調整するためのレンズ４１が
配置されている。この従来例では、発振波長幅の広いレ
ーザ媒質であるＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶４５を用い、光路を
ミラー５４、５５、５６で折り返してレーザ共振器を１
ｍ程度まで長くすることによって、レーザ発振光の縦モ
ードの本数を１００本程度まで増やしている。これによ
り、ＬＢＯ結晶４０内で発生する第２高調波光のグリー
ンプロブレムによる各縦モード出力の揺らぎは、それら
多数の縦モードの出力の揺らぎが互いにキャンセルされ
ることによって緩和され、得られる全体の出力の見掛け
上のノイズは低減される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示した１／４波長板を挿入する方法においては、直交す
る２つの偏光モードをそれぞれ各１本の縦モードで発振
させる必要があり、各結晶のコーティングの反射率やミ
ラーのアライメント角度の許容範囲が狭く、かつノイズ
のない状態を長時間維持するためには各部品や共振器全
体を高精度に温度制御する必要がある。

【００１１】また、図１０に示した、ブリュースター板
を配置する方法においても同様に、１本の縦モードを安
定的に維持するためには、ＫＴＰ結晶の温度及び共振器
長を高精度に制御する必要がある。また１Ｗを越える高
出力を取り出す場合には、レーザ媒質中の利得が高くな
りレーザ光の縦モードが複数になりやすく、複数になっ
た場合にはグリーンプロブレムによるノイズが発生する
ため安定性に欠ける恐れがある。

【００１２】、さらに、図１１に示す従来例において
は、共振器長を長くし、かつ発振する縦モードの本数を
１００本以上立てているため発振する波長帯が広がって
しまい、位相整合の波長許容幅に限界があることから波
長変換の効率が低下する恐れがある。また共振器内部に
挿入された光学部材等の反射によって縦モードの分布が
左右されやすく、離れた周波数の縦モードも発振する可
能性があり、その場合にはグリーンプロブレムによるノ
イズが発生する恐れがある。さらに共振器長を１ｍ以上
に長くする必要があるために小型化が困難であって、し
かも共振器の構成が複雑になりやすく、機械的な安定性
が低下する恐れもある。また、レーザ装置に実際に組み
立てるにあたっては、調整のしやすさや設計の自由度が
大きいことも極めて大切である。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑み、ノイズの発生
を防止し安定的な出力を得ることのできるレーザ装置を
提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のレーザ装置は、励起光が入射され励起光のエネルギ
ーによって励起されて複数の縦モードからなるレーザ光
を発生するレーザ媒質、そのレーザ媒質を通過するレー
ザ光の光路を形成するレーザ共振器を構成する２枚のミ
ラー、およびそのレーザ共振器内に配置され、上記レー
ザ媒質で発生するレーザ光を構成する複数の縦モードの
うちの１本の縦モードに起因する第２高調波と、そのレ
ーザ光を構成する複数の縦モードのうちの２本の縦モー
ドに起因する和周波とを発生する非線形光学部材を備
え、上記レーザ媒質で発生するレーザ光を構成する縦モ
ードの波長および位相が、上記非線形光学部材により互
いに同一波長であってかつ互いに弱め合う位相を有する
第２高周波と和周波あるいは和周波どうしを含む、第２
高周波および和周波が発生される条件に、調整されてな
ることを特徴とする。

【００１５】グリーンプロブレムは、レーザ媒質で発生
したレーザ光が第２高周波や和周波に変換される際の、
第２高周波や和周波による、もともとのレーザ光のエネ
ルギーの奪い合いが原因となって発生するものであり、
詳細な説明は後にまわすが、第２高周波と和周波あるい
は和周波どうしが互いに同一の波長かつ互いに弱め合う
位相を有する場合、そのようなエネルギーの奪い合いが
抑制され、グリーンプロブレムの発生が抑えられる。

【００１６】ここで、上記本発明のレーザ装置におい
て、上記２枚のミラーのうちの１枚のミラーが、上記非
線形光学部材から出射した第２高調波および和周波をそ
の非線形光学部材に向けて反射するものであって、その
１枚のミラーの、第２高調波および和周波に対する反射
率が、上記の条件を満足する反射率に調整されてなるこ
とが好ましい。

【００１７】ミラーの反射率が低過ぎると、上記の条件
に合致しないこととなり、ミラーの反射率もグリーンプ
ロブレムの抑制に大きく関与している。また、上記本発
明のレーザ装置において、上記レーザ媒質が、レーザ共
振器を構成する２枚のミラーに挟まれた上記レーザ光の
光路上の位置に関し、その光路に沿って、それら２枚の
ミラーのいずれからも、それら２枚のミラーに挟まれた
レーザ光の光路全長の長さの１／３以上離れた位置に配
設されてなることが好ましい。

【００１８】レーザ媒質をレーザ共振器内の中央付近に
置くと、グリーンプロブレムが抑えられ安定的に発振す
る。これは、このような配置条件の場合、中央の縦モー
ドのエネルギーが大きく、その両側のエネルギーがその
約半分になるように縦モードのエネルギーが分布し、こ
の場合レーザ媒質内に蓄えられたエネルギーが効率良く
取り出され、縦モードどうしの位相が安定し、グリーン
プロブレムの抑制に寄与しているものと考えられる。

【００１９】また、上記本発明のレーザ装置において、
上記レーザ共振器内にレーザ光の縦モードの本数を制限
する光学部材が配設されてなることが好ましい。こうす
ることにより、縦モード間隔の飛びを避けることがで
き、グリーンプロブレムが発生する可能性が低減され
る。さらに、上記本発明のレーザ装置において、上記レ
ーザ媒質で発生するレーザ光を構成する複数の縦モード
のうち互いの周波数が最も離れた２つの縦モードの周波
数の相違が１．５ＧＨｚ以内となるように調整されてな
ることが好ましい。

【００２０】後述する実施例に示すように、周波数が最
も離れた２つの縦モードどうしの周波数が１．５ＧＨｚ
よりも離れていても、前述の条件が満足されるときはグ
リーンプロブレムの発生は抑えられるが、周波数が最も
離れた２つの縦モードどうしの周波数が１．５ＧＨｚ以
内にまで挟まると、そのレーザ光に含まれる縦モードの
ほとんど全てが上記の条件を満足し、グリーンプロブレ
ムの発生が極めて安定的に抑えられる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。以下に第１実施形態として説明するレーザ装
置は、励起光が入射され励起光のエネルギーにより励起
されて複数の縦モードからなるレーザ光を発生するレー
ザ媒質、上記レーザ媒質で発生しそのレーザ媒質を経由
する第１の光路に沿う方向に出射されたレーザ光を、そ
のレーザ光が第１の光路に沿ってレーザ媒質に戻る方向
に反射する第１のミラー、上記第１の光路上の、第１の
ミラーに対しレーザ媒質を間に挟んだ位置に配置され、
励起光を透過させてその励起光をレーザ媒質に入射させ
るとともに、そのレーザ媒質から出射されたレーザ光
を、第１の光路の延びる方向とは異なる方向に延びる第
２の光路に沿う方向に反射する第２のミラー、第２の光
路上に配置され、上記第２のミラーにより第２の光路に
沿う方向に反射されたレーザ光を、その第２の光路の延
びる方向とは異なる方向に延びる第３の光路に沿う方向
に反射する第３のミラー、第３の光路上に配置され、上
記第３のミラーにより第３の光路に沿う方向に反射され
たレーザ光を、そのレーザ光が第３の光路に沿って第３
のミラーに戻る方向に反射する第４のミラー、および第
３のミラーと第４のミラーとの間の第３の光路上に配置
された、上記レーザ媒質で発生したレーザ光を構成する
複数の縦モードのうちの１本の縦モードに起因する第２
高周波と、そのレーザ光を構成する複数の縦モードのう
ちの２本の縦モードに起因する和周波とを発生する非線
形光学部材を備え、第３の反射ミラーが、レーザ媒質で
発生したレーザ光を反射するとともに非線形光学部材で
発生した第２高周波および和周波を透過するものであ
り、第４のミラーが、レーザ媒質で発生したレーザ光
と、非線形光学部材で発生した第２高周波および和周波
との双方を反射するものであるレーザ装置である。

【００２２】また、第１実施形態の説明の次に説明する
第２の実施形態のレーザ装置は、レーザ媒質が、第１の
光路上に配置されていることに代わり、第２の光路上に
配置されてなるレーザ装置である。上記本発明の第１な
いし第２の実施形態によれば、共振器内のレーザモード
を調整するにあたり、第１のミラーを第１の光路に沿う
方向に移動させることができるとともに、第４のミラー
を第３の光路に沿う方向に移動させることができ、した
がって調整の自由度が高く、第３のミラーを凹面ミラー
とした場合にその凹面ミラーの曲率はゆるやかでよく、
第３のミラーと第４のミラーとの間隔を広くとることが
でき、第４のミラーの位置を変化させたことに対する特
性の変化率も小さく、したがってグリーンプログラムの
発生を抑えるための調整も容易であり、長期安定性にも
優れている。このようなことから設計の自由度も大幅に
向上する。

【００２３】また、上記本発明の第１ないし第２の実施
形態によれば、非線形光学部材により発生した第２高調
波を上記第３のミラーを出力ミラーとして外部に取り出
すことができる。ここで、上記第１ないし第２の実施形
態において、上記第３のミラーが凹面ミラーであること
が好ましい。

【００２４】レーザ媒質の熱レンズ効果を補償し、ま
た、この第３のミラーと上述した第４のミラーとの間に
配置された非線形光学部材内でのレーザモードを狭め、
第２高調波を高効率で発生させるためである。また、上
記第１ないし第２の実施形態において、上記第１、第２
および第３の光路のうちのいずれかの光路上に、レーザ
光の縦モードの本数を制限する光学部材を備えることが
好ましい。

【００２５】レーザ媒質で発生する縦モードの本数を制
限すると、非線形光学部材における位相整合条件の波長
依存性の影響が少なくなって、第２高調波への波長変換
効率が向上する。また、縦モードの本数の減少は、前述
したように、グリーンプロブレムの抑制にも大きく貢献
する。さらに、第１実施形態において、上記レーザ媒質
に対し第２のミラーを間に挟んだ位置に配置された、励
起光をレーザ媒質内に集光する、励起光の集光位置を上
記第１の光路に沿う方向に調整自在な集光光学部材を備
えることが好ましく、またこれと同様に、本発明の第２
実施形態において、レーザ媒質に対し上記第２のミラー
を間に挟んだ位置に配置された、励起光をそのレーザ媒
質内に集光する、励起光の集光位置を上記第２の光路に
沿う方向に調整自在な集光光学部材を備えることが好ま
しい。

【００２６】励起光の集光位置を調整可能にすることに
より、レーザ媒質内での励起モードとレーザモードとの
重なりを最適に調整することができ、励起光のパワーを
上げたときそのパワーに応じてその集光位置を調整する
ことにより、その励起光のパワーに見合ったレーザ出力
を得ることができる。図１は、本発明のレーザ装置の第
１実施形態の構造を示した図である。

【００２７】この図１に示すレーザ装置には、レーザ媒
質の１つである、直径５ｍｍ、長さ５ｍｍのＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶５が配置されており、このＮｄ：ＹＡＧ結晶５に
は励起光２０が照射される。励起光２０は、光ファイバ
２１に導かれてその端面２１ａから出射し、コリメート
レンズ２２によりコリメートされ、さらに集光レンズ２
３を経由し、上述の第２のミラーの一例である平面ミラ
ー２を透過してＮｄ：ＹＡＧ結晶５内に集光する。ここ
で、集光レンズ２３は、図示の矢印Ａ−Ｂ方向に移動自
在な可動ステージ２４上に固定されており、その集光レ
ンズ２３の位置が調整される。

【００２８】また、平面ミラー２は、上述の第２のミラ
ーの一例であり、ここではＮｄ：ＹＡＧ結晶５での発振
レーザ光の波長１０６４ｎｍの光に対して９９．９％以
上の高い反射率を有し、励起光の波長８０９ｍｍの光に
対して９５％の透過率を有している。またＮｄ：ＹＡＧ
結晶５の両端面５ａ，５ｂには、発振レーザ光（波長１
０６４ｎｍ）に対して反射率０．１％以下、励起光（波
長８０９ｎｍ）に対して反射率０．５％以下の誘電体膜
が形成されている。

【００２９】Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５の内部では、励起光の
エネルギーによりレーザ発振が生じて、上述した波長１
０６４ｎｍのレーザ光が発生し、その発生したレーザ光
は、第１の光路１１に沿う方向に、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５
から出射する。第１の光路１１上には、レーザ光（波長
１０６４ｎｍ）に対して９９．９％の反射率を有する平
面ミラー１（上述の第１のミラーの一例）が配置されて
いる。本実施形態では、平面ミラー１と平面ミラー２と
の間隔は３０ｃｍであり、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５は、平面
ミラー２に近接した位置に配置されている。

【００３０】この図１に示す第１実施形態には、さら
に、第１の光路１１にブリュースター板８が配置されて
いる。このブリュースター板８は、その透過率が最も高
い偏光の方位が、第２高周波や和周波を発生するＫＴＰ
結晶６（ＫＴＰ結晶６に関しては後述する。）の結晶軸
の１つであるｃ軸の方位に対して４５°になるように固
定されている。この条件のとき、ＫＴＰ結晶６における
第２高調波の発生効率が最も高まると同時に、複屈折フ
ィルタとして最も効果的に波長選択作用をなすために発
振スペクトルの縦モード本数が大幅に減少し、位相整合
条件の波長依存性の影響が少なくなり、第２高調波への
変換効率がさらに向上する。また、発振スペクトルの縦
モード本数が大幅に減少することから、後述するよう
に、グリーンプロブレムも有効に抑制される。

【００３１】ただし、このブリュースター板８を配置し
た目的は、レーザ光の縦モードを１本に制限することで
はなく、周波数軸上で等間隔ではない、離れた位置にレ
ーザ発振の縦モードが発生するのを抑えるためである。
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５から平面ミラー２側に出射したレー
ザ光は、第１の光路１１の延びる方向とは異なる方向に
延びる第２の光路１２に沿う方向に反射する。この第２
の光路１２上には、波長１０６４ｎｍの光に対して９
９．９％以上の高い反射率を有するとともに、ＫＰＴ結
晶６で発生した、波長１０６４ｎｍのレーザ光の第２高
周波である波長５３２ｎｍの光に対して９５％の透過率
を有する、曲率半径７０ｍｍの凹面ミラー３（上述の第
３のミラーの一例）が配置されており、この凹面ミラー
３は、第２高調波の出力ミラーとしての作用をなしてい
る。平面ミラー２で反射され第２の光路１２に沿って進
んで凹面ミラー３に達したレーザ光は、凹面ミラー３
で、その第２の光路１２の延びる方向とは異なる方向に
延びる第３の光路１３に沿う方向に反射される。本実施
形態では、平面ミラー２と凹面ミラー３との間の距離は
約２５ｃｍである。第３の光路１３上には、波長１０６
４ｎｍの光に対して９９．９％以上の高い反射率を有す
るとともに、波長１０６４ｎｍのレーザ光の第２高調波
である波長５３２ｎｍの光に対しても９９．５％以上の
高い反射率を有する平面ミラー４（上述の第４のミラー
の一例）が配置されており、凹面ミラー３で反射され第
３の光路１３に沿って進んだレーザ光は、この平面ミラ
ー４で、第３の光路１３に沿って凹面ミラー３に戻る方
向に反射される。本実施形態では、凹面ミラー３と平面
ミラー４との距離は約４ｃｍである。

【００３２】凹面ミラー３と平面ミラー４との間の第３
の光路１３には、波長１０６４ｎｍの光を入射すると波
長５３２の第２高調波を発生する、タイプＩＩの位相整
合結晶方位を有する非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶６
が配置されている。ＫＴＰ結晶６の両端面には、波長１
０６４ｎｍの光に対して反射率０．２％以下、波長５３
２ｎｍの光に対して反射率０．４％以下の誘電体膜が形
成されている。ＫＴＰ結晶６はそのＣ軸方向が、ブリュ
ースター板８における透過率が最も高い偏光の方位に対
して４５°になるように配置されており、これにより、
第２高調波への変換効率が最大になるように工夫されて
いる。ＫＴＰ結晶６より双方向に出射される波長５３２
ｎｍの第２高調波のうち平面ミラー４に向う光は、その
平面ミラー４で反射され、同じ方向にまとめられて凹面
ミラー３より共振器外に取り出される。レンズ７は、５
３２ｎｍの光をコリメートするためのレンズである。

【００３３】ここで、この図１に示す構造のレーザ装置
の場合、平面ミラー１を第１の光路１１の延びる方向に
移動させることにより平面ミラー１と平面ミラー２との
間の間隔を調整することができ、かつ、平面ミラー４を
第３の光路１３の延びる方向に移動させることにより凹
面ミラー３と平面ミラー４との間隔を調整することがで
き、これらの調整により、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶５の内部に
おける熱レンズ効果を補償してレーザ共振器を安定に保
ち、かつＮｄ：ＹＡＧ結晶５の内部における、励起モー
ドとレーザモードとの重なりを最適に調整しレーザ発振
の効率を高めることができる。また共振器内のレーザモ
ードの設計の自由度が高く、凹面ミラー３の曲率半径を
７０ｍｍと大きくしても第３の光路１３に配置されたＫ
ＴＰ結晶６内でのレーザモードを小さく絞ることができ
るため、凹面ミラー３と平面ミラー４との間隔を４ｃｍ
程度に長くすることが可能であり、長さの長い非線形光
学結晶を余裕を持って配置することができ、第２高調波
の発生効率を向上させることができる。加えて、凹面ミ
ラー３と平面ミラー４との間の間隔の変動の許容幅も広
く、調整が容易であって、かつ外乱による出力変動の影
響も小さい。したがって、図１に示す構造を採用するこ
とにより、いかなる励起状態においてもその励起状態に
おける最高効率のレーザ出力を得ることができ、またレ
ーザモード調整用のピンホール等を配置する必要もなく
良好な回折限界ビームを得ることができる。

【００３４】また、上述したように、集光レンズ２３
は、矢印Ａ−Ｂ方向に移動可能であり、レーザ光のパワ
ーが最大となるように集光レンズ２３の位置が調整され
る。この集光レンズ２３の位置を調整すると、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧ結晶５の内部の熱レンズの焦点距離および励起モー
ドが調整され、したがって出力特性がそのレーザ共振器
に応じて最適になるように調整される。

【００３５】このように、図１に示す実施形態によれ
ば、調整が容易であってかつレーザ共振器を安定的に保
つことができることから、グリーンプログレムが安定的
に抑制された条件に容易に調整することができる。尚、
図１に示す実施形態では、レーザ媒質の一例としてＮ
ｄ：ＹＡＧ結晶が用いられてるが、ここに用いるレーザ
媒質はＮｄ：ＹＡＧ結晶である必要はなく、Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ₄ 結晶であってもよく、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶であっても
よく、あるいはその他のいかなるレーザ媒質であっても
よい。励起に使用する励起光源、例えば半導体レーザダ
イオードとしては、使用するレーザ媒質に対応した好適
な波長の励起光を発生させる励起光源が選択される。

【００３６】また、この第３実施形態では第２高調波を
発生させる非線形光学材料としてＫＴＰ結晶を用いた
が、必ずしもＫＴＰ結晶を用いる必要はなく、例えばＢ
ＢＯ結晶であってもよく、ＬＢＯ結晶であってもよく、
その他の非線形光学材料であってもよい。図２は、本発
明のレーザ装置の第２実施形態の構造を示した図であ
る。

【００３７】図１に示す実施形態との相違点はＮｄ：Ｙ
ＡＧ結晶５が第２の光路１２に配置されている点であ
る。このように、レーザ媒質は、図１に示すように第１
の光路上に配置してもよく、図２に示すように第２の光
路上に配置してもよい。

【００３８】

【実施例】以下に図１に示す構成のレーザ装置を用いた
実験結果について説明する。ここでは、図１に示すレー
ザ装置においてレーザ共振器の長さや一部のミラーの特
定の波長に対する反射率を変えながら、出力されるレー
ザ光の縦モードやパワーの時間変動を測定した。

【００３９】図３は、図１の構成におけるグリーン出力
（ここでは、第２高調波および和周波は緑色の光である
ため、第２高調波および和周波を総称して「グリーン
光」と称し、それらの出力を総称して「グリーン出力」
と称する）の時間波形を示す図、図４は、レーザ共振器
からわずかに漏れ出た波長１０６４ｎｍレーザ発振光の
縦モード分布を示す図、図５は出射されるグリーン光の
縦モード分布をファブリベロー干渉計を用いて測定した
結果を示す図である。干渉計の自由スペクトル間隔は共
に３ＧＨｚであり、図４および図５中にみられる２つの
スペクトル分布は測定原理上観測される同一のスペクト
ルであり、以下ではいずれか一方の分布について説明を
進める。

【００４０】ここでは、図４に示すように、レーザ共振
器ではレーザ発振光の複数の縦モードが観測され、レー
ザ共振器内に配置したＫＴＰ結晶内においては、図５の
ように、図４の各縦モードに対応する第２高調波のみで
はなくそれらの各モード間の和周波の発生も観測され、
縦モードの数が増えているが、このように和周波が発生
している状態にあっても、図３に示すように安定したグ
リーン出力が得られた。

【００４１】ここで、図４と図５の縦モード分布を比較
することにより、ノイズの発生しない原因について次の
ように説明することができる。図４のような縦モード分
布において図６（Ａ）のように代表的な３つの縦モー
ド、すなわち周波数υ１，υ２，υ３の縦モードの強度
をそれぞれＩ１，Ｉ２，Ｉ３、強度比を１：２：１とす
ると、それぞれの縦モードに対応する第２高調波の縦モ
ード分布は理論的にそれぞれの強度の２乗に比例し、図
６（Ｂ）に示すように与えられる。また各縦モード間の
和周波は各モードの強度積の２倍に比例し図５（Ｃ）に
示すように与えられる。従って通常、それらのモード間
の位相関係がランダムである場合には、得られるグリー
ン光の縦モード分布は、図６（Ｂ）に示す各周波数毎の
強度と図６（Ｃ）に示す各周波数毎の強度との単純な和
で与えられる。さて、周波数υ１，υ２，υ３がそれぞ
れ等間隔で隣り合う縦モードの周波数である場合には、
υ２の第２高調波２υ２と、υ１とυ３との和周波υ１
＋υ３は、ほぼ同じ周波数となる。従ってレーザ発振の
縦モードが図４のように与えられる場合には、グリーン
光の相互の強度分布は図６（Ｄ）に示すように中央の２
υ２が最も強くなるはずである。しかしながら測定の結
果が得られたグリーン光の分布を示す図５は、これとは
全く異なるものであり、特に、最も強いはずの２υ２に
おけるグリーン光が逆に弱いというものである。この現
象は以下のように説明することができる。図６（Ｂ）の
第２高調波２υ２と図６（Ｃ）の和周波υ１＋υ３の位
相が常に１８０度程度ずれていれば、ＫＴＰ内で発生す
る非線形の分極が互いに打ち消しあい、取り出される２
υ２におけるグリーン光は図６（Ｅ）のように弱くなる
ことが導かれる。グリーンプロブレムは、もともとのレ
ーザ光から第２高調波や和周波へのエネルギーの変換効
率の変動や第２高調波と和周波とのエネルギーの奪い合
いに原因を有するものであるため、上記のように各縦モ
ード間の位相が第２高調波と和周波が互いに打ち消し合
い弱めあうように作用する場合、グリーンプロブレムの
発生が抑制されることになる。

【００４２】なお、上述の実験において、各縦モードは
きわめて安定しており、ＫＴＰ結晶の温度や位置、角
度、共振器のアライメントを特別精密に行わなくても縦
モード間の競合いやいわゆるグリーンプロブレムによる
ノイズは発生しなかった。図７は、図１の構成において
平面ミラー１と平面ミラー２との間の距離を１０ｃｍと
短くし、その他の間隔は図１を参照して説明した状態の
ままである場合のレーザ発振光の縦モード分布（図７
（Ａ））および出射されるグリーン光の縦モード分布
（図７（Ｂ））のファブリベロー干渉形で測定した結果
を示した図である。平面ミラー１と平面ミラー２との間
隔を狭めることに伴い、レーザ発振光の縦モードの間隔
が広がり、縦モードの本数も５本に増加し、その相対的
な強度分布も変化しているが、これはレーザ共振器長が
短くなりレーザ発振の縦モード間隔が広がったこと、お
よびＮｄ：ＹＡＧ結晶の相対的な位置がレーザ共振器の
中央から端に近づいたために、エネルギーの抽出の分配
効率、すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶に注入されそのＮ
ｄ：ＹＡＧ結晶内に溜まったエネルギーをレーザ光の各
縦モードが抽出するときの効率が変化したことを反映し
ている。この構成においても、図７（Ｂ）により解るよ
うに、本来最も強度が強いはずの、中央とその両隣の縦
モードとの和周波のモードが弱められており、各縦モー
ド間の位相が常に安定しており、いわゆる同期状態が実
現されていることが分かる。この状態においてもグリー
ンプロブレムは発生しない。

【００４３】図８は、図１の構成において、共振器内で
グリーン光を反射している平面ミラー４を、グリーン光
に対し９５％の透過率を持つ平面ミラーに交換し、平面
ミラー１と平面ミラー２との間の距離を１０ｃｍと短く
した場合のグリーン出力の時間変化を示した図である。
この条件下では、出力に周期的な変動が見られグリーン
プロブレムが起こっていることが解る。このことから上
述のモード同期を実現している大きな要素としてグリー
ン光のＫＴＰ結晶への内部反射が作用していることが解
った。すなわちＫＴＰ結晶の内部で発生したグリーン光
がＫＴＰ結晶の外部で反射されて再びＫＴＰ結晶内を通
過する際、可逆的な光パラメトリックによる逆の波長変
換が起こり、グリーン光が１０６４ｎｍに変換される。
その変換された１０６４ｎｍ光はレーザ発振光と厳密に
同じ波長を有するために干渉を容易に起こし、各縦モー
ドの位相の同期を起こす、あるいはそれを助長するもの
と考えられる。

【００４４】先に述べた平面ミラー４をグリーン光に対
し高い透過率を有する平面ミラーに交換した場合におい
ても、平面ミラー１と平面ミラー２の間隔が２０ｃｍか
ら４０ｃｍまであれば、グリーンプロブレムによるノイ
ズは発生しなかった。これはレーザ媒質Ｎｄ：ＹＡＧの
レーザ共振器内での相対的な位置に関係しており、レー
ザ共振器内におけるレーザ媒質の位置が、平面ミラー１
および平面ミラー４のいずれからもレーザ共振器長の１
／３以上離れている場合、縦モードの強度は、中央の周
波数の縦モードの強度が最も高く、その両端の周波数の
縦モードが約その半分の強度になるように分布する。こ
れは、そのような縦モード分布において、空間的には、
中央の周波数の縦モードが抽出しきれなかったレーザ媒
質中の空間的なエネルギー分布を、その両隣の周波数の
縦モードが二分割するようにエネルギーを抽出すること
で抽出効率が最大になるためであり、時間的には、エネ
ルギー抽出の時間積分を考えた場合、それぞれの縦モー
ドが特定の位相差を有する方が、ランダムな位相状態に
比べ、レーザ媒質中に蓄えられたエネルギを効率よく取
り出すことができるためである。従ってそのようなレー
ザ媒質の位置関係においては、発振する縦モードの位相
が同期しやすく、グリーンプロブレムの発生を押えるこ
とができるものと考えられる。

【００４５】さらにノイズの発生しないモード同期状態
を考えた場合、それぞれの第２高調波と和周波を発生さ
せるためのＫＴＰ結晶の分極成分が互いに弱め合うよう
に干渉する必要があるが、そのように干渉するために
は、レーザ発振している縦モードが周波数軸上で同一間
隔である必要がある。一般のレーザ装置において、構成
する光学部品等の残留的な反射によるいわゆるエタロン
効果や空間的なホールバーニング効果などによって、実
際の発振光の縦モードは等間隔ではなくなる場合も少な
くない。発振する縦モードが等間隔ではない場合には、
各縦モードの位相がたとえ同期していても、それらは互
いに干渉せず、第２高調波のみあるいは和周波のみが単
独で存在する縦モードが発生する場合がある。その時に
はグリーンプロブレムが発生する可能性がある。従って
レーザ共振器内にはレーザ光の縦モードの本数を制限す
る光学部材が配置されて、エタロン効果や空間的なホー
ルバーニング効果などによる縦モードどうしの間隔の飛
びを避けることが望ましい。図１の構成においてはＫＴ
Ｐ結晶とブリュースター板とによっていわゆる複屈折フ
ィルターが形成され、発振する縦モードの本数を、一定
間隔に並んだ３から５本程度に制限している。

【００４６】またさらに、モード同期が起こりそれらの
第２高調波と和周波が相互に強く干渉するためには、そ
れらの縦モードがすべて位相整合条件を同時に満足する
ように、最も離れた縦モード同士の間隔がなるべく狭い
ことが要求される。今回の実験では図１の構成において
波長１０６４ｎｍレーザ発振光の最も離れた縦モード同
士の間隔が１．５ＧＨｚ以下と狭く、かつ本数も少な
い。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ノイズの発生が防止され、安定した出力を得ることので
きるレーザ装置が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ装置の第１実施形態の構造を示
した図である。

【図２】本発明のレーザ装置の第２実施形態の構造を示
した図である。

【図３】ノイズが起こらない場合のグリーン出力の時間
変化を示した図である。

【図４】ノイズが起こらない場合のレーザ発振光１０６
４ｎｍの縦モード分布の測定結果を示した図である。

【図５】ノイズが起こらない場合のグリーン出力５３２
ｎｍの縦モード分布の測定結果を示した図である。

【図６】レーザ発振光の縦モードが位相同期していない
場合や同期している場合に予想されるグリーン出力の縦
モード分布を示した図である。

【図７】平面ミラー１と平面ミラー２との間隔を１０ｃ
ｍまで短くした場合のレーザ発振光１０６４ｎｍおよび
グリーン出力５３２ｎｍの縦モード分布の測定結果を示
した図である。

【図８】平面ミラー１と平面ミラー２との間隔を１０ｃ
ｍまで短くし、かつ平面ミラー４をグリーン光に対して
高い透過率を持つものに交換した場合に観測されたグリ
ーン出力の時間変化を測定した結果を示す図である。

【図９】従来の低ノイズのレーザ装置の一例を示す図で
ある。

【図１０】異なる方式による従来の低ノイズのレーザ装
置の一例を示す図である。

【図１１】さらに異なる方式による従来の低ノイズのレ
ーザ装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

１，２，４平面ミラー３凹面ミラー５Ｎｄ：ＹＡＧ結晶６ＫＴＰ結晶８ブリュースター板１１第１の光路１２第２の光路１３第３の光路２０励起光

フロントページの続き (56)参考文献米国特許5446749（ＵＳ，Ａ) 国際公開97／32374（ＷＯ，Ａ１) ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．18 Ｎｏ．24（15 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ 1993）ｐｐ．2111−2113 ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．28 Ｎｏ．４（Ａｐｒｉｌ 1992）ｐｐ．1164−1168 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/108 - 3/109 G02F 1/35 - 1/39 H01S 3/081 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光が入射され該励起光のエネルギー
によって励起されて複数の縦モードからなるレーザ光を
発生するレーザ媒質、該レーザ媒質を通過するレーザ光の光路を形成するレー
ザ共振器を構成する２枚のミラー、および該レーザ共振
器内に配置され、前記レーザ媒質で発生するレーザ光を
構成する複数の縦モードのうちの１本の縦モードに起因
する第２高調波と、該レーザ光を構成する複数の縦モー
ドのうちの２本の縦モードに起因する和周波とを発生す
る非線形光学部材を備え、前記レーザ媒質で発生するレーザ光を構成する縦モード
の波長および位相が、前記非線形光学部材により互いに
同一波長であってかつ互いに弱め合う位相を有する第２
高周波と和周波あるいは和周波どうしを含む、第２高周
波および和周波が発生される条件に、調整されてなるこ
とを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】前記２枚のミラーのうちの１枚のミラー
が、前記非線形光学部材から出射した第２高調波および
和周波を、該非線形光学部材に向けて反射するものであ
って、該１枚のミラーの、前記第２高調波および和周波
に対する反射率が、前記条件を満足する反射率に調整さ
れてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】前記レーザ媒質が、前記レーザ共振器を
構成する２枚のミラーに挟まれた前記レーザ光の光路上
の位置に関し、該光路に沿って、該２枚のミラーのいず
れからも、該２枚のミラーに挟まれた前記レーザ光の光
路全長の１／３以上離れた位置に配設されてなることを
特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項４】前記レーザ共振器内にレーザ光の縦モー
ドの本数を制限する光学部材が配設されてなることを特
徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】前記レーザ媒質で発生するレーザ光を構
成する複数の縦モードのうち互いの周波数が最も離れた
２つの縦モードの周波数の相違が１．５ＧＨｚ以内とな
るように調整されてなることを特徴とする請求項１記載
のレーザ装置。