JP3222340B2 - 単一縦モードレーザー - Google Patents
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Description
関し、特に詳細には、共振器内にエタロンを配して発振
モードを単一縦モード化するレーザーに関するものであ
る。
ム(Nd)が添加されたYAGの 0.9μm帯の発振を利
用する固体レーザーが種々提供されている。この種のレ
ーザーにおいては、例えば特開平5-218556号公報、同6-
130328号公報、特願平5-289082号明細書等に示されるよ
うに、共振器内にファブリー・ペロー型エタロン(本明
細書における「エタロン」は、すべてこのファブリー・
ペロー型エタロンを指すものである)を配して発振モー
ドを単一縦モード化することも広く行なわれている。
タロンを用いて単一縦モード化を図る従来のNd:YA
Gレーザーにおいては、良好な単一縦モード性が得られ
るエタロンの条件(すなわちエタロン厚さ、エタロン反
射率、エタロン傾き)および共振器の条件(縦モード間
隔)が不明であったので、ある共振器内に配されて良好
な単一縦モード性が得られたエタロンをそのまま別の共
振器に使用すると、不十分な単一縦モード性しか得られ
ない、といった問題が生じていた。
性を得ても、その一方でビームプロファイルが悪化した
り、出力が低下することがあり、単一縦モード性、ビー
ムプロファイル、出力の3点を同時に満足させるよう
な、エタロンおよび共振器の条件は明らかになっていな
かった。
さ、エタロン反射率、エタロン傾きのそれぞれを大きく
すると単一縦モード性は良化するが、ビームプロファイ
ルが悪化し、出力も低下する。反対にエタロン厚さ、エ
タロン反射率、エタロン傾きのそれぞれを小さくすると
ビームプロファイル、出力は良化するが、単一縦モード
性が悪化する。
器縦モード間隔を小さくする)と単一縦モード性は悪化
し、反対に共振器長を短くすると単一縦モード性は良化
するが、ビームプロファイルおよび出力はさほど共振器
長の影響を受けない。
であり、良好で安定した単一縦モード性、良好なビーム
プロファイル、高出力の3点が全て得られる単一縦モー
ドレーザーを提供することを目的とするものである。
ドレーザーは、前述したようにNd:YAGの 0.9μm
帯の発振を利用した上で、共振器内に配置したエタロン
により発振モードを単一縦モード化する単一縦モードレ
ーザーにおいて、エタロンの共振波長λO から共振器縦
モード間隔Δλc分だけずれた波長λ=λO ±Δλcに
おけるエタロンの実効反射率をRN 、共振器光軸に対す
るエタロン光軸の傾きをθとしたとき、 0.6%≦RN ≦3%、 0.2°≦θ≦1° の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、
エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されて
いることを特徴とするものである。
率、エタロン傾き、および共振器縦モード間隔は、 0.8%≦RN ≦2%、 0.4°≦θ≦ 0.8° の関係を満たすように調整されるとさらに好ましい。
ンは、光の多重干渉を利用した波長選択素子であり、そ
の実効反射率Reff の波長特性は、図3に曲線aで示す
ようなものとなる。図示の通りこの実効反射率Reff は
周期的に変化し、波長間隔Δλe(FSR:Free Spect
ral Range )毎にReff =0となるところにエタロン縦
モードが存在することになる。
Gのゲインスペクトルである。一般に共振器縦モード
は、このゲインスペクトル中の発振可能な波長幅W内に
複数存在するので、エタロンが用いられなければレーザ
ーは多重縦モード発振する。それに対して共振器内にエ
タロンが挿入されると、エタロンの実効反射率Reff に
より、共振器の各縦モードが感じる損失が変調を受け、
上記波長幅W内に存在する複数の共振器縦モードのう
ち、最も損失が低いものだけが発振する。
ード化がなされるが、従来は、エタロンの実効反射率R
eff による損失変調や、エタロンの傾きをどのようにす
れば、良好で安定した単一縦モード性、良好なビームプ
ロファイル、高出力の3点が全て満足されるのか不明で
あった。
意研究した結果、エタロンの共振波長λO から共振器縦
モード間隔Δλc分だけずれた波長λ=λO ±Δλcに
おけるエタロンの実効反射率RN (図3参照)をある特
定の範囲に収めることにより適度な損失変調を与え、ま
たエタロンの傾きθもある特定の範囲に収めることによ
り、上記の3点が全て満足されることを見出した。この
実効反射率RN とエタロン光軸の傾きθの特定の範囲
は、具体的に、前述した 0.6%≦RN ≦3%(より好ま
しくは 0.8%≦RN ≦2%)、 0.2°≦θ≦1°(より
好ましくは 0.4°≦θ≦ 0.8°)である。
求め方を説明する。まず、一般にエタロンの実効反射率
Reff は、エアリーの公式(Airy’s Formulae )よ
り、
は、発振波長をλO とすると、 Δλe=λO 2 /(2ne le ) ……(2) である。
共振器内に屈折率n1 、n2 、n3、n4 、……の媒質
(空気も含む)が並んでいて、それらの厚さがそれぞれ
l1、l2 、l3 、l4 、……であるとすると、共振器
光路長Lopt は、
ロンの共振波長λO から共振器縦モード間隔Δλc分だ
けずれた波長λ=λO ±Δλcにおけるエタロンの実効
反射率RN は、一部近似を適用して、
ン光軸の傾きθの数値範囲の根拠について詳しく説明す
る。
図るNd:YAGレーザーにおいて、共振器温度を連続
的に10°C変化させ、そのうち単一縦モード発振する温
度領域の割合を%で表示し、これを単一縦モード性の指
標とする。この指標は、エタロンの実効反射率RN と傾
きθに応じて、基本的に図4のように変化する。
θ≒0°で共振器内に挿入したときのレーザー出力を10
0 %とし、それに対してエタロンの実効反射率RN と傾
きθを種々に変えた際のレーザー出力の比を調べた。こ
のレーザー出力の変化の様子を図5に示す。なおこの特
性は、共振器長を一定とした場合のものである。
反射率RN と傾きθに応じて、基本的に図6のように変
化する。なおこの特性も、共振器長を一定とした場合の
ものである。
モード性、出力およびビーム品質に関する任意の仕様に
対して、エタロンの実効反射率RN と傾きθをどのよう
な範囲内に設定すれば良いかが分かる。例えば、 単一縦モード性≧80% 出力≧30% M2 ≦1.2 のように比較的緩い仕様は、図7の斜線部の範囲にエタ
ロンの実効反射率RN および傾きθを設定すれば達成さ
れ、この場合は 0.6%≦RN ≦3%でかつ 0.2°≦θ≦
1°である。
タロンの実効反射率RNと傾きθを設定すれば達成さ
れ、この場合は 0.8%≦RN ≦2%で、かつ 0.4°≦θ
≦ 0.8°である。
詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施例による単
一縦モードレーザーを示すものである。この単一縦モー
ドレーザーは一例としてレーザーダイオードポンピング
固体レーザーであり、ポンピング光としてのレーザービ
ーム10を発する半導体レーザー11と、発散光である上記
レーザービーム10を集束させる集光レンズ12と、ネオジ
ウム(Nd)がドーピングされた固体レーザー媒質であ
るYAG結晶(Nd:YAG結晶)13と、このNd:Y
AG結晶13の前方側(図中右方側)に配された共振器ミ
ラー14と、この共振器ミラー14とNd:YAG結晶13と
の間に配された石英からなるエタロン15と、同じく共振
器ミラー14とNd:YAG結晶13との間に配された非線
形光学結晶であるKNbO3 結晶16とからなる。
マウントされて一体化されている。また、後述するよう
にNd:YAG結晶13と共振器ミラー14とで構成される
共振器の部分および半導体レーザー11は、図示しないペ
ルチェ素子と温調回路とにより所定温度に保たれる。
のレーザービーム10を発するものが用いられている。N
d:YAG結晶13は入射したレーザービーム10によって
ネオジウムイオンが励起されることにより、波長946.2
nmのレーザービーム17を発する。このレーザービーム
17はKNbO3 結晶16に入射して、波長が1/2つまり
473.1nmの第2高調波18に変換される。
よび13bと、KNbO3 結晶16の両端面16aおよび16b
と、エタロン15の両端面15aおよび15bと、共振器ミラ
ー14のミラー面14aおよび光出射端面14bは適宜のコー
ティングが施されて、以上挙げた波長、並びにNd:Y
AG結晶13の別の発振線1064nm、1300nmに対して反
射率あるいは透過率が下の(表1)の通りとなるように
調整されている。なおこの表中、Rは反射率を、Tは透
過率を示しており、それらの数値の単位は%である。
レーザービーム17がNd:YAG結晶13の端面13aと共
振器ミラー14のミラー面14aとの間で共振し、このレー
ザービーム17は先に詳しく説明した通りのエタロン15の
作用により単一縦モード化される。したがって第2高調
波18も単一縦モード化され、この第2高調波18は共振器
ミラー14の光出射端面14bから出射する。
YAG結晶13、KNbO3 結晶16およびエタロン15の屈
折率と厚さは、以下の通りである。また共振器長つまり
Nd:YAG結晶13の端面13aと共振器ミラー14のミラ
ー面14aとの間の距離は15mmである。
器光路長Lopt は前述の(3) 式よりLopt =18.7mmと
なり、これを基に共振器縦モード間隔Δλcは(4) 式よ
りΔλc=0.024 nmとなる。またエタロン縦モード間
隔Δλeは(2)式よりΔλe=0.8 nmとなる。
振波長λO (=946.2 nm)から共振器縦モード間隔Δ
λc(=0.024 nm)分だけずれた波長λ=λO ±Δλ
cにおけるエタロン15の実効反射率RN は、先の(5) 式
よりRN =1.87%となる。一方エタロン15は、その光軸
が共振器光軸に対してθ=0.4 °傾くように配設されて
いる。以上の通り本実施例では、前述した 0.6%≦RN
≦3%および 0.2°≦θ≦1°の関係が満足されてお
り、さらには、より好ましい 0.8%≦RN ≦2%および
0.4°≦θ≦ 0.8°の関係も満足されている。
縦モードレーザーにおいては、半導体レーザー11の出力
が300 mWのとき、安定に単一縦モード発振した出力5
mWの第2高調波18が得られた。またこの第2高調波18
はTEM00モードで、かつほぼ理想的なガウスビームで
あった。
について説明する。なおこの図2において、図1中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する。
第1実施例の装置と比べると、基本的に、石英からなる
エタロン15に代えて方解石からなるエタロン25が用いら
れ、KNbO3 結晶16に代えて周期ドメイン反転構造を
有するMgO:LiNbO3結晶(MgOがドープされ
たLiNbO3 結晶)26が用いられている点のみが異な
る。この構成においてもエタロン25の作用により、波長
946.2 nmの単一縦モードのレーザービーム17が得られ
る。そしてこのレーザービーム17は、非線形光学結晶で
あるMgO:LiNbO3 結晶26により、波長が1/2
すなわち473.1nmの第2高調波18に変換される。
するNd:YAG結晶13、MgO:LiNbO3 結晶26
およびエタロン25の屈折率と厚さは、以下の通りであ
る。また共振器長つまりNd:YAG結晶13の端面13a
と共振器ミラー14のミラー面14aとの間の距離は10mm
である。
aおよび25bのコート特性が下記の通りである以外、第
1実施例におけるものと同様とされている(MgO:L
iNbO3 結晶26の両端面26aおよび26bのコート特性
は、KNbO3結晶16の両端面16aおよび16bのコート
特性と同じである)。
路長Lopt =13.6mm、共振器縦モード間隔Δλc=0.
033 nm、エタロン縦モード間隔Δλe=0.8nmとな
る。
振波長λO (=946.2 nm)から共振器縦モード間隔Δ
λc(=0.033 nm)分だけずれた波長λ=λO ±Δλ
cにおけるエタロン25の実効反射率RN は、先の(5) 式
よりRN =1.02%となる。一方エタロン25は、その光軸
が共振器光軸に対してθ=0.6 °傾くように配設されて
いる。以上の通り本実施例でも、前述した 0.6%≦RN
≦3%および 0.2°≦θ≦1°の関係が満足されてお
り、さらには、より好ましい 0.8%≦RN ≦2%および
0.4°≦θ≦ 0.8°の関係も満足されている。
縦モードレーザーにおいては、半導体レーザー11の出力
が300 mWのとき、安定に単一縦モード発振した出力20
mWの第2高調波18が得られた。またこの第2高調波18
はTEM00モードで、かつほぼ理想的なガウスビームで
あった。なお、本実施例で用いられているMgO:Li
NbO3 結晶26は、KNbO3 結晶にみられるようなウ
ォークオフ効果がないので、より良質のビームが得られ
る。
25は複屈折性を有する方解石から形成されて、偏光制御
機能を有するものとなっている。そこでこのエタロン25
により、レーザービーム17の直線偏光の向きをMgO:
LiNbO3 結晶26のc軸方向と一致させることによ
り、基本波であるこのレーザービーム17が効率良く第2
高調波18に変換されるようになる。
ーを示す側面図
ーを示す側面図
と、共振器縦モードとの関係を示す説明図
タロンの実効反射率RN と傾きθに応じて変化する様子
を示すグラフ
効反射率RN と傾きθに応じて変化する様子を示すグラ
フ
ンの実効反射率RN と傾きθに応じて変化する様子を示
すグラフ
範囲を示すグラフ
ましい範囲を示すグラフ
Claims (2)
- 【請求項1】 Nd:YAGをレーザー媒質として用い
て 0.9μm帯で発振し、共振器内に配置されたファブリ
ー・ペロー型エタロンにより発振モードを単一縦モード
化する単一縦モードレーザーにおいて、 エタロンの共振波長λO から共振器縦モード間隔Δλc
分だけずれた波長λ=λO ±Δλcにおけるエタロンの
実効反射率をRN 、共振器光軸に対するエタロン光軸の
傾きをθとしたとき、 0.6%≦RN ≦3%、 0.2°≦θ≦1° の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、
エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されて
いることを特徴とする単一縦モードレーザー。 - 【請求項2】 前記実効反射率をRN 、共振器光軸に対
するエタロン光軸の傾きをθとしたとき、 0.8%≦RN ≦2%、 0.4°≦θ≦ 0.8° の関係を満たすようにエタロン厚さ、エタロン反射率、
エタロン傾き、および共振器縦モード間隔が調整されて
いることを特徴とする請求項1記載の単一縦モードレー
ザー。
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