JP3182749B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents

固体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光エレクトロニクス分
野、特に紫外レーザ光源および同レーザ光源を用いたレ
ーザプリンタ装置、光造形装置または光ディスク装置等
のレーザ応用装置に用いるための個体レーザ装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】高度情報化時代の進展に伴い、光ディス
ク装置やレーザプリンタ装置などの光記録分野において
は記録密度向上や高速印刷の要求を満足するため、短波
長化への要求が高まっている。しかし製品化レベルで要
求の高い波長域である紫外領域を満足する光源としては
He−Cd(ヘリウムーカドミウム)レーザ装置やAr
(アルゴン)レーザ装置などのガスレーザ装置しかな
く、大型で消費電力が大きく、例えば光ディスク装置な
どには不向きであった。
【0003】これに対して光和周波発生(SFG;Sum
Frequency Generation)技術を用いることで短波長化す
る方法が提案された。SFGとは非線形光学結晶に2波
長の光λ1λ2が入射した場合、1/λ1+1/λ2=1/
λ3の関係でλ3の波長の光が発生する現象をいう。具体
的には半導体レーザ励起YAG(Nd:YAG;ネオジウム添
加のイットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザ
において共振器中に配置された非線形光学結晶であるK
TP(KTiOPO4;チタン酸リン酸カリウム)において励
起用半導体レーザ光808nmとYAGレーザの発振波
1064nmのSFGにより青色レーザ出力459nm
を得る方法が提案された(米国特許第4791631
号)。
【0004】さらに上記構成に非線形光学結晶を付加す
ることで光第2高調波(SHG;Second Harmonic Gene
ration)を発生させることにより、紫外領域のレーザ光
を発生する方法が提案された。これは、具体的には第1
の非線形光学結晶においてYAGレーザのSHGである
波長532nmのレーザ光を発生しさらに第2の非線形
光学結晶において前記532nmのレーザ光とYAGレ
ーザの発振波1064nmのSFGにより紫外レーザ出
力355nmを得る方法が提案された(米国特許第52
53102号)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記半導体レ
ーザ励起YAGレーザとKTP結晶を組み合わせSFG
により得られる波長459nmのレーザ出力は前述の光
記録分野で要求の高い波長400nm以下の紫外領域に
到達しなかった。
【0006】またSFGの変換効率は第1、第2のレー
ザ光の強度の積に比例する。前記YAGレーザとSHG
を組み合わせて得られる波長355nmの紫外レーザで
は、SFGの基本波の一つであるYAGレーザのSHG
波である波長532nmのレーザ光のパワーが小さいた
め高い変換効率が得られず前述のガスレーザ装置の問題
点である大型で消費電力が大きいといった問題点を解決
する仕様でのレーザ装置の実現が困難であった。本発明
の目的は高効率な紫外領域のレーザ光の発生が可能な固
体レーザ装置を提案することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは第1のレー
ザ光を出射する励起光源と、前記励起光源により励起さ
れるクロムを含有するレーザ結晶と、前記レーザ結晶か
ら発生する放射を発振し第2のレーザ光を得るための共
振器構造と、前記第1のレーザ光と第2のレーザ光の相
互作用により波長360〜400nmの第3のレーザ光
を発生する手段とからなる固体レーザ装置を用いれば、
波長400nm以下の紫外領域のレーザ光が高効率で安
定して得られることを見いだし、本発明に想到した。
【0008】図1は本発明の基本的な構造を説明するた
めの図である。励起光となる第1のレーザ入力41はC
r系レーザ結晶21に一部吸収されレーザ結晶21を励
起する。励起されたレーザ結晶21を含む共振器構造2
0によりレーザ結晶からの放射光は発振し、第2のレー
ザ光42となる。ここで前記第1のレーザ光41のう
ち、レーザ結晶21を透過した一部のレーザ光は共振器
内部に配置された非線形光学結晶31に第2のレーザ光
42と一緒に入射される。非線形光学結晶31において
前記第1および第2のレーザ光(41,42)の相互作
用により第3のレーザ光43が発生し、出射される。
【0009】ここで前記Cr系レーザ結晶21がLiS
AF(Cr:LiSrAlF6;クロム添加のフッ化リ
チュウムストロンチュウムアルミニュウム)結晶である
場合、前記第1のレーザ入力41である励起光の波長は
670nm近傍とすることができ、現状で市販のコンパ
クトな半導体レーザによる励起が可能で小型化および高
効率化が達成できる。またLiSAFレーザの発振波で
ある前記第2のレーザ光42は780〜1000nmの
範囲で発振可能であり、したがって前記第3のレーザ光
43は前述の1/λ1+1/λ2=1/λ3の関係から3
60〜400nmとなり、紫外領域のレーザ出力を得る
ことができる。
【0010】前述のようにSFGの変換効率は前記第
1、第2のレーザ光の強度の積に比例するため、この積
の値が最大となるようにレーザ結晶における第1のレー
ザ光の透過率を決定する必要がある。例えばLiSAF
結晶の場合には最適なCr元素の添加量を決定する必要
がある。さらに、前述の360〜400nmの範囲でS
FGが可能な非線形光学結晶としてLBO(LiB3O5;ホ
ウ酸リチュウム)やBBO(β-BaB2O4;ホウ酸バリウ
ム)などの結晶が挙げられる。
【0011】
【実施例】
(実施例1)図2は本発明の一実施例を説明するための
図である。半導体レーザ11から出射された励起光であ
る第1の発振波41は集光光学系12により集光され、
レーザ結晶21を励起する。半導体レーザ11はAlGaIn
P系半導体レーザを用い、発振波長670nmである。
また、集光光学系12は半導体レーザコリメータ(f=
8mm)とアナモルフィックプリズムペア(倍率;6
倍)、および単レンズ(f=50mm)を用いた。
【0012】励起されたレーザ結晶21はレーザ結晶端
面に形成された入射側共振器ミラー22と出力ミラー2
4からなる固体レーザ共振器20で固体レーザ発振波で
ある第2の発振波42を発生する。固体レーザ共振器2
0中にはレーザ結晶21とSFG結晶31と波長制御素
子25が配置されている。このとき共振器構造20は平
凹式共振器であり、出力ミラー24の曲率半径は150
mm、共振器長は145mmとした。レーザ結晶21に
はCr添加量3mol%のLiSAF結晶(3×3×1
mm)を用いた。結晶の前方端面22には第1の発振波
41に対して反射率2%以下の無反射(以下単にAR;
Anti-Reflection)コーティング、第2の発振波42に
対して反射率99%以上の全反射(以下単にHR;High
-Reflection)コーティングを施した。後方端面には第
1および第2の発振波(41,42)に対して反射率5
%以下のARコーティングを施した。このときLiSA
F結晶における第1の発振波41の透過率は40%程度
となる。
【0013】SFG結晶31としては3×3×5mmの
LBO結晶をLiSAF結晶21の直後に配置した。L
BO結晶31の両端面には第1および第2の発振波(4
1,42)に対して反射率2%以下、第1および第2の
発振波の相互作用により得られた第3の発振波43に対
して反射率15%以下のARコーティングを施した。
【0014】波長制御素子25としては厚さが異なる3
枚の水晶板からなる複屈折フィルタをブリュースター角
に配置したものを用いた。前記複屈折フィルタ25は光
軸の回りに回転調整することで第2の発振波42の波長
を約780〜1000nmの範囲で制御する。このとき
波長選択幅は2nm以下とした。出力ミラー24には第
1および第2の発振波(41,42)に対して反射率9
9%以上HRコーティングを施した。特に第1の発振波
41は出力ミラーにより反射し再びSFG結晶31に帰
還することで効率よく第3の発振波43を得ることがで
きる。
【0015】前述のように複屈折フィルタ25を用いて
第2の発振波を780〜1000nmとし、第1の発振
波とのSFGにより360〜400nmの範囲のレーザ
出力43を得ることができた(以下単にSFG光源と称
す)。なお、本発明における図2中の共振器内部に挿入
されたSFG結晶31と波長制御素子25の位置は前後
の交代が可能である。また、前記HRコーティングの反
射率は95%以上のものを用いればよく、特に99%以
上とする必要はない。本実施例ではCr添加量3mol
%のLiSAF結晶(3×3×1mm)を用いたが、第1
の発振波の透過率が10%以上の範囲でCr添加量と結
晶長との組合せは任意である。また、LiSAF結晶2
1の吸収の波長許容幅は約100nmと広く励起用半導
体レーザを温度制御素子などを用いて波長制御しなかっ
たが、最大吸収波長に一致させるため制御しても良い。
SFG結晶31としてLBO結晶の代わりにBBO結晶
を用いても良い。前記複屈折フィルタ25はプリズムな
ど波長制御可能な素子であれば代用可能である。
【0016】(実施例2) 図3は本発明の個体レーザ装置を応用したレーザプリン
タ装置の一実施例を説明するための図である。実施例1
で説明したSFG光源1から出射された第3の発振波4
3は、音響光学(以下単にAO;Acousto-Optical)変
調器51、ビームエキスパンダ52、回転 多面鏡5
3、fθレンズ54を通過し、感光ドラム55に集光さ
れる。AO変調器51は画像情報に応じてSFG出力4
3の変調を行い、回転多面鏡53は水平(紙面内)方向
に走査する。この組合せで2次元情報は感光ドラム55
に部分的な電位差として記録される。感光ドラム55は
前記電位差に応じてトナーを付着して回転し、記録用紙
に情報を再生する。
【0017】このとき感光ドラム55に塗布された感光
体はセレン(Se)であり、感度のピーク波長は400
nmにある。このときSFG光源は波長400nm、出
力15mWとした。
【0018】(実施例3) 図4は本発明の個体レーザ装置を応用した光造形装置の
一実施例を説明するための図である。光源には実施例1
で説明したSFG光源1を用いた。波長370nm近傍
にて吸収特性のピークを有する紫外線硬化樹脂61を容
器に満たし、レーザ光を液面上に2次元走査する。この
とき紫外線硬化樹脂61は光が吸収された液面部61−
aのみ硬化する。一断層の形成が終了するとエレベータ
62は降下し、次の断層の造形を連続的に行う。この作
業により、所望の形状の立体モデル63が作成可能であ
る。このときSFG光源は波長370nm、出力30m
Wとした。
【0019】(実施例4) 図5は本発明の個体レーザ装置を応用した光ディスク装
置の一実施例を説明するための図である。光源には実施
例1で説明したSFG光源1を用いた。光ディスク装置
は光磁気記録方式を採用した。光源より出射されたSF
G出力43はビームエキスパンダ52で拡大された後平
行光となる。ビームスプリッタ72で一部はねられた光
は前方モニタ73に取り込まれる。ビームスプリッタ7
2を通過したビームは集光光学系74で媒体75に集光
され、反射された光はビームスプリッタ72で一部反射
された後2つのビームに分離され2つのディテクタ76
に各々取り込まれる。前方モニタ73ではSFG出力4
3をモニタしてSFG出力43の制御を行う。また、ビ
ームスプリッタ72後の2つのディテクタ76は各々オ
ートフォーカスと信号検出を行う。
【0020】媒体75には一定の磁界が印加されてお
り、SFG出力43を変調させて媒体のキュリー温度ま
で焦点の温度を上げて磁化を反転することにより記録を
行った。出力ON時には媒体の磁界が反転し、出力OFF時
には磁界反転が行われず信号記録が可能となる。なお、
記録周波数は10MHzとした。信号再生時には記録時
と同様のSFG光源1を用い、良好な再生信号を得た。
【発明の効果】本発明ではSFG方式を用いた新しい全
固体紫外光源を提案し、さらにこのSFG光源を用いた
レーザプリンタ、光造形装置および光ディスク装置を実
現した。本発明により小型で高効率な全固体紫外レーザ
光源が可能となり、さらに高精細でかつ高速のレーザプ
リンタ装置、高速の光造形装置および高密度記録可能な
光ディスク装置を実現した。さらに光源が全固体レーザ
であることから、寿命および安定性の改善が可能とな
り、紫外レーザの信頼性を向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本的な方式を説明するための図であ
る。
【図2】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図3】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図4】本発明の一実施例を説明するための図である。
【図5】本発明の一実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ励起固体レーザ装置 11 半導体レーザ 12 集光光学系 20 固体レーザ共振器 21 レーザ結晶 22 入射側共振器ミラー 23 出力ミラー 25 波長制御素子(複屈折フィルタ) 31 SFG結晶 41 第1の発振波(励起ビーム) 42 第2の発振波(固体レーザ発振波) 43 第3の発振波(SFG出力)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−62621(JP,A) 特開 平6−164048(JP,A) 特開 平5−210135(JP,A) 特開 平2−2194(JP,A) Appl.Phys.Lett.61 (20)p.p.2381−2382 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/37 H01S 3/109 JICSTファイル(JOIS) WPI/L(QUESTEL)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発生する第1のレーザ光の波長λ が6
    00nm帯である半導体レーザと、前記波長λ におけ
    る透過率が少なくとも10%以上のクロムを含有するレ
    ーザ結晶と、励起された前記レーザ結晶からの放射を波
    長λ が約780〜1000nmの帯域の波長で発振す
    るための前記レーザ結晶を内包するように備えられた
    振器構造と、前記λ とλ との和周波を効率よく発生
    するように共振器中に配置された非線形光学結晶である
    LBO(LiB3O5;ホウ酸リチュウム)またはBBO
    (β-BaB2O4;ホウ酸バリウム)とからなることを特徴
    とする固体レーザ装置。
  2. 【請求項2】 前記レーザ結晶がLiSAF(Cr:L
    iSrAlF6;クロム添加のフッ化リチュウムストロ
    ンチュウムアルミニュウム)結晶であることを特徴とす
    る請求項1に記載の固体レーザ装置。
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