JP3094436B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ励起固体レーザ装置

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【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、半導体レーザを励起光源とし、レーザ共振
器内にレーザ媒質と非線形光学材料を配置した固体レー
ザ装置に関する。
「従来の技術」 近年、半導体レーザ、特にレーザダイオード(以下LD
という)を励起光源とする固体レーザ装置の研究開発が
盛んに行なわれている。このLD励起固体レーザは、従来
のランプ励起に比べ、励起光源の寿命が長いことや、レ
ーザ媒質での熱的影響がほとんどなく水冷の必要がない
ことから、小型・長寿命の全固体素子レーザとして注目
されている。
全固体素子レーザとしては、現在LDがよく知られてい
るが、LDはレーザ光の空間出力形状が楕円であること
や、瞬間端面破壊などの問題がある。LD励起固体レーザ
では、それらの問題は解消された上、励起準位での寿命
が長いため、エネルギーを蓄えることができ、そのため
Qスイッチ発振によって高いピーク出力が得られる等の
特徴を有している。
また、レーザ共振器内部に非線形光学材料を設けるこ
とにより、LDによっては発光が難しい緑色や青色等の可
視光を波長変換により容易に発生させることもできる。
LD励起固体レーザは、このような特徴を有するため、光
情報伝達装置、例えば光記録再生装置などの分野におけ
る応用が期待されている。
第3図には、レーザ共振器内部に非線形光学材料を備
えた従来のLD励起固体レーザ装置の一例が示されてい
る。すなわち、励起光源としてLD41が配置され、その励
起光51の出射方向には、集光レンズ43が配置されてい
る。集光レンズ43の光出射方向には、例えばYAGなどの
レーザ媒質45が配置されている。レーザ媒質45の励起光
51の入射面には、励起光51を透過し、レーザ発振光52を
反射する光学膜53が設けられている。この光学膜53は、
ミラーとして機能し、光学膜53と出力ミラー49とでレー
ザ共振器を構成する。そして、レーザ媒質45と出力ミラ
ー49との間には非線形光学材料47が配置されている。出
力ミラー49の入射面には、レーザ発振光を反射し、非線
形光学材料47で変換された波長変換光54を透過する光学
膜50が形成されている。
LD41から出射される励起光51は、集光レンズ43を通過
して細いビームに絞られ、光学膜53を通してレーザ媒質
45の一方の端面から入射する。励起光51は、レーザ媒質
45内を通過するときに大部分が吸収され、レーザ媒質か
ら特定の波長のレーザ光が発生する。このレーザ光は、
非線形光学材料47を通過して出力ミラー49の光学膜50で
反射され、レーザ媒質45の入射面に形成された光学膜53
との間で反射を繰り返して、レーザ発振光52となる。こ
のレーザ発振光52は、非線形光学材料47を通過するとき
に一部が波長1/2の第2高調波に変換され、この波長変
換光54が出力ミラー49を透過して出力される。
上記の装置において、非線形光学材料47における第2
高調波への変換を効率よく行なうには、位相整合をとる
ことが必要である。位相整合の方法としては、レーザ発
振光52の光軸に対する非線形光学材料47の結晶軸の角度
を所定の値にする方法(角度整合)が多用されている。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、非線形光学材料の波長変換効率が最大
となるように、レーザ発振光52の光軸に対する非線形光
学材料47の角度を一度調整しても、非線形光学材料47の
温度が変化すると、位相整合が最適条件からズレて変換
効率の低下をもたらす。通常、変換効率が1/2に低下す
る温度幅を温度許容幅と呼ぶが、特に、この温度許容幅
が狭い材料(例えば、KNbO3やBBO(β−BaB2O4)等)を
用いた場合に問題となる。
非線形光学材料47の温度変動の原因としては、外気か
らの影響、レーザ媒質45に吸収されずに透過してきた未
吸収励起光による影響などが挙げられる。外気からの影
響に対しては、ペルチェ素子等による非線形光学材料47
の温度調節によって対処することが可能である。これに
対して、未吸収励起光は、光入出射面を通して非線形光
学材料内47に入ってきたり、また、非線形光学材料47の
周辺に位置する部品へ入射するなどして、かなりの温度
上昇を引き起こす。特に、レーザ媒質45の再吸収のた
め、レーザ媒質の長さを十分にとれない3準位レーザ
(YAG(Y3Al5O12)の946nm発振ライン)などは、レーザ
媒質長が短いため未吸収励起光が強く、非線形光学材料
47の温度上昇が顕著となる。従来、この未吸収励起光に
よる温度上昇に対して特別な配慮はなされておらず、こ
のため、しばしば波長変換効率を低下させていた。
したがって、本発明の目的は、非線形光学材料に入射
する未吸収励起光を少なくして、非線形光学材料の温度
上昇を防止し、波長変換効率を向上させた半導体レーザ
励起固体レーザ装置を提供することにある。
「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、本発明は、励起光源として
の半導体レーザと、この半導体レーザから照射される励
起光を絞る集光レンズと、この集光レンズで絞られた励
起光が入射するレーザ媒質と、このレーザ媒質で発生す
る特定波長のレーザ光を発振させる共振器と、この共振
器内に配置された非線形光学材料とを備えた半導体レー
ザ励起固体レーザ装置において、前記レーザ媒質の励起
光入射側の端面には、励起光を透過し、レーザ発振光を
反射する光学膜が形成され、前記集光レンズと前記レー
ザ媒質との間の光路中又は、前記集光レンズと前記レー
ザ媒質との間及び前記レーザ媒質と前記非線形光学材料
との間の両光路中にピンホールを設けたことを特徴とす
る。このピンホールは通孔であり、あるいは通孔にガラ
ス等の透明材料をつめたり、通孔を該透明材料で覆った
ものであってもよい。
「作用」 本発明では、集光レンズから非線形光学材料に至る光
路、具体的には、集光レンズとレーザ媒質との間又は、
集光レンズとレーザ媒質の間及びレーザ媒質と非線形光
学材料との間に、ピンホールが設けられている。このピ
ンホールは、レーザ発振に有効でない励起光をカットし
て、未吸収励起光が非線形光学材料に入射するのを減少
させ、非線形光学材料の温度上昇を抑えて安定した波長
変換が達成されるのに寄与する。
すなわち、ピンホールを集光レンズとレーザ媒質との
間に設けた場合について説明すると、半導体レーザから
発せられ、集光レンズで絞られる励起光には、個々の半
導体レーザ(LD等)の放射特性のバラツキや、集光レン
ズの設計、製作上の問題や、アライメントのズレ等の理
由により、実際にはレーザ媒質の励起に有効でない、絞
りきれない光が存在する。ピンホールを集光レンズとレ
ーザ媒質との間に設けると、上記のような絞りきれなか
った、レーザ発振に有効でない励起光がカットされ、そ
の結果、レーザ媒質から出射される未吸収励起光を減少
させることができ、非線形光学材料に入射される未吸収
励起光を減少させることができる。
また、ピンホールをレーザ媒質と非線形光学材料との
間に設けた場合について説明すると、半導体レーザから
発せられ、集光レンズで絞られた励起光は、レーザ媒質
内で焦点を結んだ後、その一部がレーザ媒質内で吸収さ
れずにレーザ媒質を通過して、急激に広がる未吸収励起
光となる。このため、レーザ媒質と非線形光学材料との
間にピンホールを設けると、急激に広がった未吸収励起
光のうちのかなりの部分が、このピンホールによってカ
ットされる。その結果、レーザ媒質から非線形光学材料
に入射される未吸収励起光を減少させることができる。
更に、このピンホールは、光軸調整に利用することが
できるため、モジュール組立時の作業性を向上させるの
にも寄与する。更にまた、このピンホールによって、楕
円形をなした励起光を円形にして、良好なTEM00横モー
ドが得られるという効果ももたらされる。
「実施例」 第1図には、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装
置の一実施例が示されている。
図において、11は励起光源をなす半導体レーザ(例え
ばLD)であり、励起光21を出射する。励起光21の出射方
向には、集光レンズ13が配置されており、励起光21を集
光して細く絞る。集光レンズ13の絞り方向には、レーザ
媒質15が設けられている。レーザ媒質15としては、例え
ばYAG、YLF(LiYF4)、YAP(YAlO3)、YVO4等の結晶が
用いられるが、この実施例では、YAGが用いられてい
る。レーザ媒質15の励起光入射面には、励起光21を透過
し、レーザ発振光22を反射する光学膜23が形成されてい
る。光学膜23は、レーザ媒質15のレーザ光出射方向に配
置された出力ミラー19と協働して共振用ミラーの役割を
果す。
集光レンズ13とレーザ媒質15の間には絞り板25が配値
されている。絞り板25には、レーザ発振光22の光軸に一
致するピンホール27が形成されている。絞り板25の厚さ
は、集光レンズ13とレーザ媒質15との間に挿入でき、か
つ、各部の調整が十分にできる厚さであればよいが、通
常0.5〜1mm程度が好ましい。また、ピンホール27の径
は、レーザキャビティモードに損失を与えない径でなる
べく小さい径が望ましいが、アライメント上のずれも考
慮し、0.5mm程度が実際上使用しやすい。非線形光学材
料17としては、例えばKNbO3、LiNbO3、KTiOPO4、KH2P
O4、BBO等が用いられる。
非線形光学材料17のレーザ媒質15に向いた方向とは反
対側には、出力ミラー19が配置されている。出力ミラー
19のレーザ光入射面には、レーザ発振光を反射し、非線
形光学材料17で変換された波長変換光を透過する光学膜
20が形成されている。そして、前記レーザ媒質15の光学
膜23と出力ミラー19の光学膜20とで共振器が構成されて
いる。
次に、この半導体レーザ励起固体レーザ装置の発振動
作について説明する。
半導体レーザ11は、例えば波長808nmの励起光21を出
射し、この励起光21は、集光レンズ13により細いビーム
に絞られ、光学膜23を透過して固体レーザ媒質15に入射
する。励起光21は、レーザ媒質15中で大部分が吸収され
て、レーザ媒質15から波長1064nmのレーザ光が発生す
る。
レーザ媒質15から出射したレーザ光は、非線形光学材
料17を通過し、出力ミラー19の光学膜20で反射され、共
振器を構成するレーザ媒質15の光学膜23との間で反射を
繰り返し、レーザ発振光22となる。このレーザ発振光22
は、非線形光学材料17を通過するときに、その一部が1/
2の波長、この例では波長532nmの第2高調波に波長変換
され、出力ミラー19の光学膜20を透過し、波長変換波24
として出力される。
一方、集光レンズで絞られる励起光21のうち、レーザ
媒質の励起に有効でない、絞りきれない光は、絞り板25
のピンホール27を通るときにカットされる。その結果、
レーザ媒質15から出射される未吸収励起光21を減少させ
ることができ、非線形光学材料17に入射される未吸収励
起光21を減少させ、非線形光学材料17の温度上昇を抑え
て安定した波長変換を達成することができる。
第2図には、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装
置の更に他の実施例が示されている。
この実施例においては、第1図に示した実施例をファ
イバ結合型にしたものであり、半導体レーザ11から出射
される励起光21の出射方向に集光レンズ33を配置し、集
光レンズ33によって絞られた励起光21を光ファイバー29
を通して集光レンズ13に照射させ、集光レンズ13で再び
絞られた励起光21をレーザ媒質15に入射させるようにし
ている。他の構成及び作用は、第1図の実施例と同様で
ある。
なお、上記両実施例では、ピンホール27を集光レンズ
13とレーザ媒質15との間に配置するようにしているが、
上記の個所に加え、ピンホール27をレーザ媒質15と非線
形光学材料17の間に配置してもよい。
「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、集光レンズか
ら非線形光学材料に至る光路、具体的には集光レンズと
レーザ媒質との間又は、集光レンズとレーザ媒質の間及
びレーザ媒質と非線形光学材料との間に配置したことに
より、レーザキャビティーモードに損失を与えることな
く、レーザ発振に寄与しない励起光をカットすることが
でき、その結果、未吸収励起光が非線形光学材料に入射
されるのを減少させることができ、非線形光学材料の温
度上昇を抑えて、安定した波長変換を実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の半導体レーザ励起固体レー
ザ装置のそれぞれ異なる実施例を示すブロック図、第3
図は従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置の一例を示
すブロック図である。 図中、11は半導体レーザ、13、33は集光レンズ、15はレ
ーザ媒質、17は非線形光学材料、19は出力ミラー、21は
励起光、22はレーザ発振光、24は波長変換光、25は絞り
板、27はピンホール、31はミラーである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/0941 H01S 3/098 H01S 3/108 - 3/109

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】励起光源としての半導体レーザと、この半
    導体レーザから照射される励起光を絞る集光レンズと、
    この集光レンズで絞られた励起光が入射するレーザ媒質
    と、このレーザ媒質で発生する特定波長のレーザ光を発
    振させる共振器と、この共振器内に配置された非線形光
    学材料とを備えた半導体レーザ励起固体レーザ装置にお
    いて、前記レーザ媒質の励起光入射側の端面には、励起
    光を透過し、レーザ発振光を反射する光学膜が形成さ
    れ、前記集光レンズと前記レーザ媒質との間の光路中又
    は、前記集光レンズと前記レーザ媒質との間及び前記レ
    ーザ媒質と前記非線形光学材料との間の両光路中にピン
    ホールを設けたことを特徴とする半導体レーザ励起固体
    レーザ装置。
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