JP3512051B2 - レーザ光発生装置 - Google Patents

レーザ光発生装置

Info

Publication number
JP3512051B2
JP3512051B2 JP16690596A JP16690596A JP3512051B2 JP 3512051 B2 JP3512051 B2 JP 3512051B2 JP 16690596 A JP16690596 A JP 16690596A JP 16690596 A JP16690596 A JP 16690596A JP 3512051 B2 JP3512051 B2 JP 3512051B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
solid
resonator
active medium
laser light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP16690596A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH09326516A (ja
Inventor
裕 今井
美智雄 岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP16690596A priority Critical patent/JP3512051B2/ja
Priority to US08/869,478 priority patent/US5930283A/en
Publication of JPH09326516A publication Critical patent/JPH09326516A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3512051B2 publication Critical patent/JP3512051B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083—Ring lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H01S3/0816—Configuration of resonator having 4 reflectors, e.g. Z-shaped resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10084—Frequency control by seeding
    • H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光発生装置に
関し、特に固体レーザ活性媒質を用いて高出力、高安
定、高効率にレーザ光を発生させる光源装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】
（全固体レーザ）従来、固体レーザ活性媒質を共振器内
部に配置し、その活性媒質を励起することで、レーザ光
出力を得る方法が提案されてきた。この固体レーザと呼
ばれるレーザ光源は、一般に、励起光源として半導体レ
ーザを使用している。
【０００３】このため、この固体レーザ活性媒質を使用
したレーザ光源は、非常に実用性が高いものとなってい
る。この理由は、半導体レーザの発振スペクトルを固体
レーザ活性媒質の吸収スペクトルのピークに合わせるこ
とが簡単であるため、比較的容易に出力を得ることがで
きるからである。そしてまた、固体レーザの出力パワー
は励起光源のパワーに比例するので、半導体レーザの高
出力化に伴って全固体レーザの高出力化を実現できるか
らである。
【０００４】（端面励起と側面励起）固体レーザ活性媒
質の励起方法には、励起の方法によって、主に側面励起
と端面励起に分けられる。側面励起は、レーザの発振の
方向に対して側面の方向から励起するものであり、端面
励起は、レーザの出力の方向と同一方向から励起するも
のである。
【０００５】端面励起は、側面励起に比べて励起光と共
振器のモードとの空間的な重なりが大きいので、高効率
なレーザ光源を得ることができる。また、共振器の発振
モードの光軸と同一方向から励起するので、単一横モー
ドを容易に得やすい。反面、側面励起では、複数の励起
光源によって励起を行うことができるのに対し、端面励
起では、端面から入射させることのできる励起光源の数
に制限があるために、高出力化が難しいという欠点があ
る。
【０００６】（全固体レーザでの問題点）固体レーザ活
性媒質を使用したレーザ光源を高出力化するときの問題
として、励起光源である半導体レーザの高出力化の方法
の他に、熱処理の問題がある。励起光源のパワーが大き
くなったとき、固体レーザ活性媒質に熱が発生するた
め、活性媒質の温度が上昇する。この活性媒質の熱によ
る破損を防ぐため、効率的な排熱をしなければならな
い。
【０００７】（熱レンズ効果）しかし、固体レーザ活性
媒質の排熱をしても、活性媒質内の励起光が当たってい
る部分と冷却の行われている部分との間に熱勾配が生じ
てしまう。この活性媒質内の熱勾配が、収差、複屈折、
応力の局所的な変化を起こす。このような熱変化によ
り、活性媒質が薄レンズと同様の働きをすることが知ら
れている。これを、熱レンズ効果と呼んでいる（文献
１：S. D. Silvestri, P. L. Laporta, andV. Magni,
“Pump Power Stability Range of Single-Mode Solid-
State Laserswith Rod Thermal Lensing”, IEEE J. Qu
antum Elec., Vol.23, No.11, p1999-p2004(1987））。
このレンズ効果により、共振器が形成するモードが変化
してしまうため、種々の問題を引き起こす。
【０００８】ここで、熱レンズ効果について簡単に説明
する。この熱レンズによる光の屈折の効果は、薄いレン
ズを置き換えたもので近似することができる。このよう
に近似して置き換えた熱レンズの焦点距離をｆthとおく
と、屈折力ｄthは、 ｄth＝１／ｆth ・・・（１） で表される。
【０００９】この屈折力ｄthは、次式のように、励起光
源による活性媒質の吸収パワーＰpu mpに比例することが
知られている。 ｄth∝Ｐpump ・・・（２）
【００１０】このように、高励起に伴って固体レーザ活
性媒質の熱レンズ効果が生じると、屈折力が変化する薄
レンズを共振器内に差し込んだものと同じような状態と
なる。共振器内に熱レンズ効果が生じると、共振器のモ
ードの状態が変わり、不安定な状態となった場合、共振
器が共振しなくなり、出力が得られなくなる。
【００１１】この熱レンズを含む共振器が、熱レンズ効
果により屈折力に変化が生じても、安定に共振するよう
な設計方法が研究されている（前記の文献１）。そし
て、排熱処理と熱レンズ効果は、高出力化の過程で大き
な問題となるため、その影響を避けるための工夫が必要
となる。
【００１２】（従来のレーザ共振器のデザインとその問
題点）現在のところ、端面励起による固体レーザでは、
２つの励起光源を使い、これらの光源によって１つの固
体レーザ活性媒質を励起する方法が提案されている（文
献２：A. J. Alfrey, “Simple 1 Micron Ring Laser O
scillators Pumped byFiber-Coupled Laser Diodes”,
IEEE J. Quantum Elec., Vol.30, No.10, p2350-p2355
(1994））。
【００１３】この方法では、図１２に示すように、共振
器内部に配置した固体レーザ活性媒質21の両方の端面の
それぞれから、計２個の励起レーザ光源30、31で励起す
る。なお、図中の11、12、13、14はそれぞれ平面ミラー
である。
【００１４】しかしながら、２個の励起光Ｌ0 、Ｌ1 を
同一の活性媒質21に入射させて励起するので、それぞれ
の励起光が作りだす熱レンズによる薄レンズは非常に隣
接して形成される。これらの近接した薄レンズの合計の
屈折力は、それぞれの薄レンズの屈折力の和になる。つ
まり、１つの高出力な励起光源を使用して励起したもの
と同じ熱レンズ効果が起こると考えてよい。従って、非
常に屈折力の大きい媒体を差し込んだ状態と同じになる
ため、共振器は不安定になりやすい。
【００１５】ここで、各励起光源30、31によって固体レ
ーザ活性媒質21内に作りだされる熱レンズ効果による屈
折力をｄとし、共振器長をＬとして、共振器１周期の光
線行列を考えると、
【数１】 となる（文献３：J. M. Eggleston,“Periodic Resonat
ors for Average-PowerScaling of Stable-Resonator S
olid-State Lasers”IEEE J. Quantum Elec., Vol.24,
No.9, p1821-p1824, (1988 ））。
【００１６】１周期の光線が自己再生する条件より、こ
のモード半径ωを求めると、
【数２】 であり、このモード半径ωが実数解を持つ条件は、 ０＜Ｌｄ＜２ ・・・（５） として求められる。これが、この共振器の熱レンズ効果
を考慮した安定共振領域に相当する。
【００１７】この安定共振領域内のモード径を熱レンズ
効果による屈折力ｄの関数として表すと、図１３のよう
になる。安定共振領域の境界線上では、モード径は無限
大に発散しているのがわかる。これは、共振器の安定条
件を考えるときに特徴的な事柄である。
【００１８】励起光源の出力を変化させたとき、熱レン
ズの効果より共振器のモードの大きさが変化してしま
う。これにより、励起光のスポット径と共振器のモード
径との重なりが変わってしまうことになる。スポット径
とモード径の重なり度合いが低くなると、出力の効率が
低くなるだけでなく、ビームの質も悪くなる。
【００１９】そのため、図１３の安定共振領域内の極限
値付近の平坦な部分を利用する方が、レーザ光源として
性能の良いものを作ることができる。しかし、上記した
従来例のように、固体レーザ活性媒質を１個しか用いな
い場合では、式（５）で制限される範囲でしか使用でき
ない。そのため、これ以上は安定化共振領域を広げるこ
とができない。
【００２０】この結果、この従来例の方法では、例え
ば、合計26Ｗの励起で 8.5Ｗの出力を得ている。そし
て、出力として取り出されなかった17.5Ｗの熱は固体レ
ーザ活性媒質に吸収されるため、排熱を行わなければな
らない。そして、この共振器のデザインでは、安定化共
振領域内で得られる出力の範囲は、約 8.5Ｗ程度に限ら
れている。
【００２１】（従来の多励起型レーザ共振器（スラブ型
レーザ）の問題点）さらに、励起光源を増やした光源装
置として、スラブ型のレーザがある（文献４：CLEO 199
0, CMF2, CMF4, CMF6)。一般に、これらのレーザは、棒
状の固体レーザ活性媒質に、多重反射している共振器モ
ードに沿って入射励起させている（一種の端面励起）。
これによって、合計の励起光源パワーが大きくなるた
め、レーザの高出力化を行うことができる。
【００２２】しかし、前記の従来例と同様、固体レーザ
活性媒質内で発生する熱の排熱が不便であることと、励
起されることによって生じる熱レンズ効果が近接して発
生することにより共振器の安定性が悪化することが問題
となる。
【００２３】以上に述べたように、いずれの従来例で
も、熱レンズ効果を分離分散させ、その影響を抑える方
法は講じられていない。しかも、固体レーザ活性媒質が
共振器の一箇所にまとまっていることは、排熱の問題を
難しくしているだけでなく、共振器の安定化領域を狭め
る原因になっている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、固体
レーザ活性媒質を使ったレーザ光源の高出力化を図るに
際し、熱レンズ効果に起因する以下の問題点：1. 励起光源のパワーを強くした場合、固体レーザ活性媒
質の冷却が困難であること。2. 固体レーザ活性媒質の熱レンズ効果により、レーザの
出力を得ることができる安定領域が制限されてしまうこ
と。3. 複数個の励起光源を使用して出力をスケールアップす
る時に熱レンズ効果などの問題が起こること。を主とし
て解消し、高出力、高安定、高効率にレーザ光を発生さ
せることのできる装置、特に光源装置を提供することに
ある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した課
題を解決するために鋭意検討を加えた結果、リング共振
器内の固体レーザ活性媒質を例えば２個分離して配置
し、これらの活性媒質のそれぞれを別々の励起光源を用
いて励起すること、更には、それぞれの固体レーザ活性
媒質を凹面ミラーの近傍に配置すること等によって、上
述した問題点を解消し、レーザ光が高出力にして安定か
つ効率良く得られることを見出し、本発明に到達したも
のである。
【００２６】即ち、本発明は、リング共振器として構成
されたレーザ発振器からなり、複数の励起光源と、これ
らの励起光源によってそれぞれ励起される複数の固体レ
ーザ活性媒質とを有し、これらの固体レーザ活性媒質が
前記リング共振器内の光路上に互いに分離して配置され
ているレーザ光発生装置において、レーザの出力として
得られる光の波長に対して高反射率を有する少なくとも
１個の共振ミラー又は反射面と、２個の凹面ミラーとか
らリング共振器が構成され、レーザ共振器内部において
２個の固体レーザ活性媒質が前記リング共振器内の光路
上に配置され、前記２個の固体レーザ活性媒質にそれぞ
れ対応して２つの励起光源が用いられ、前記励起光源か
らのレーザ光がそれぞれの前記凹面ミラーを透過して、
前記固体レーザ活性媒質が端面励起によって励起される
と共に、前記固体レーザ活性媒質と前記凹面ミラーと前
記励起光源とによって構成される共振器構造の２個が組
として配置され、前記２個の固体レーザ活性媒質がそれ
ぞれ、前記リング共振器内のモードのウェストが太い側
であって前記２個の凹面ミラー間の長い方の光路上に配
置されることを特徴とするレーザ光発生装置に係るもの
である。この本発明のレーザ光発生装置は、従来例には
ない主として次の１〜４に示す如き顕著な作用効果を奏
するものである。
【００２７】１．固体レーザ活性媒質の冷却を分散させ
ることによる利点 本発明の構成によれば、複数（例えば２個）の固体レー
ザ活性媒質を使用し、これらの各活性媒質をそれぞれ励
起光源により別個に励起するため、各活性媒質１個当た
りの励起パワーは例えば 1/2になる。従ってこの場合、
それぞれの励起強度が 1/2であるので、活性媒質の排熱
量も 1/2に抑えることができ、活性媒質の冷却が容易に
行える。また、熱源が分離して置かれることになるた
め、個々の冷却機構の設置箇所を大きくとることができ
る。
【００２８】２．熱レンズ効果による安定領域を広くで
きること さらに、複数（例えば２個）の活性媒質を分離して配置
することによって、各活性媒質の熱レンズ効果による屈
折力を例えば 1/2に分割できるため、各活性媒質毎にお
いては熱レンズ効果によって制限される安定共振領域を
広くとることができる。即ち、共振器内で２つの屈折力
をもつ媒体を接して配置する（熱レンズによる薄レンズ
が近接する場合）よりも、本発明のように分離して置い
た方が安定共振範囲を広くすることができる。
【００２９】３．それぞれの固体レーザ活性媒質と凹面
ミラーと励起光源とからなる共振器構造の２個を組とし
て対称的に配置することができるので、共振器がデザイ
ンし易くなる。４．それぞれの凹面ミラーの近くに各固体レーザ活性媒
質を配置するとき、リング共振器内の凹面ミラーと共振
器モードのウェストとの距離が長い方（凹面ミラー間の
光軸上の距離が長い方）の光路上、即ち、共振器内のモ
ードのウェストの太い側の光路上に固体レーザ活性媒質
を配置するので、ビームの絞られ方が緩くなり、凹面ミ
ラーから離れた時のビームの半径の変化が小さくなり、
スポット径を大きくとることができる。これによって、
モードサイズが大きくなり、励起光源のスポットサイズ
と活性媒質内のモードのサイズを合わせ易くなり、レー
ザの品質が向上する。
【００３０】
【発明の実施の形態】本発明のレーザ光発生装置におい
ては、前記２個の凹面ミラーの間の間隔がこれらの凹面
ミラーの曲率半径の値とほぼ同じであることが望まし
い。
【００３１】
【００３２】固体レーザ活性媒質内のモードと励起光の
スポットとのオーバーラップの許容幅を広くするため
に、固体レーザ活性媒質をできる限り共振器のモードの
大きい部分に配置する必要がある。オーバーラップでき
る部分が大きくなれば、励起光の光軸合わせが比較的容
易になり、出力の効率を高めることができる。このた
め、共振器のモード径が最も大きくなっている凹面ミラ
ー近傍に固体レーザ活性媒質を配置することが望まし
い。
【００３３】このように凹面ミラー近くに固体レーザ活
性媒質を配置するとき、二通りの場所が考えられる。リ
ング共振器内の光路を考えたとき、凹面ミラー間の光路
は長い光路と短い光路と２つある。２つの凹面ミラー間
の光路が長い方の光軸のビームの絞られ方は、短い方の
光路に比べて緩くなる。ビームの絞られ方が緩ければ、
凹面ミラーから離れた時のビームの半径の変化も小さく
なる。そのため、上記したように、光路の短い方に配置
するよりも長い方に配置する方が、ビームの径を大きく
とることができ、有利である。
【００３４】また、上記した共振器デザインを単位と
し、２ｎ個の凹面ミラーと、２ｎ個の固体レーザ活性媒
質と、２ｎ個の励起光源とを用いて、前記共振器デザイ
ンをｎ個組み合わせた構成を有する（但し、以上のｎは
いずれも、２以上の整数である。）のがよい。
【００３５】例えば、固体レーザ活性媒質と励起光源と
凹面ミラーによって構成される共振器の２組をｎ個連続
して並べて、１つの共振器を構成し、全体として２ｎ個
の励起光源を使用して２ｎ個の固体レーザ活性媒質をそ
れぞれ励起する。
【００３６】このように、上記の共振器構造を１つの単
位として、この単位の複数個を対称に接続して並べ、全
体として１つの共振器を構成すると、各固体レーザ活性
媒質に生じる熱レンズ効果による安定化領域の制限は単
位となる共振器構造での安定化領域と等しいが、全体の
励起光源は高出力励起となるため、最終的な出力を高く
することができる。つまり、出力を得ることのできる全
体の安定領域範囲が広くなる（前記の文献３を参照）。
【００３７】さらに、レーザ光源をスレーブレーザと
し、このスレーブレーザよりも出力が小さいが周波数が
安定なレーザ光源をマスターレーザとしてそのレーザ光
を前記スレーブレーザに入射させ、注入同期を行うのが
よい。このような注入同期によれば、周波数安定度の高
い低出力のレーザ光源によって大出力レーザの発振周波
数を制御することができる（文献５：C. D. Nabors et.
al.“Injection locking of a 13-W cw Nd:YAG ring l
aser”, Optics Letters, Vol.14, No.21, (1989）及び
「注入同期とモード同期」, 量子電子工学, p104-105,
コロナ社）。
【００３８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面参照下に説明す
る。
【００３９】（排熱での利点）図１は、本発明の第１の
実施例によるリング共振器（レーザ発振器）の構成を示
すものである。
【００４０】図１において、リング共振器は、平面折り
返しミラー11及び12と、凹面ミラー15及び16とを有して
いて、その共振器の内部には、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶からな
る２つの固体レーザ活性媒質20及び21が配置されてい
る。そして、それぞれの活性媒質20、21は、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザ励起光源30、31によって別々に励起される。
【００４１】本実施例による共振器が、既述した従来例
と根本的に相違する構成は、２個の固体レーザ活性媒質
２０、２１が共振器内部に分離して配置されていること
である。そして、励起光源３０、凹面ミラー１５及び固
体レーザ活性媒質２０と、励起光源３１、凹面ミラー１
６及び固体レーザ活性媒質２１とが対称的に配置されて
いる。
【００４２】このように構成することにより、それぞれ
の活性媒質20、21を励起するためのパワーは、従来のも
のに比べて 1/2でよい。このため、それぞれの活性媒質
20、21の冷却処理を別個に行えば、一つ一つに対する活
性媒質の冷却を比較的容易に行うことができる。固体レ
ーザ活性媒質の冷却には、一般的にペルティエ素子を使
った熱電冷却を利用する。発熱源を分離して配置するこ
とができれば、個々の熱源に対して小型の素子で確実に
冷却できる。
【００４３】（熱レンズ効果による安定化領域の範囲の
拡大）本実施例によるリング共振器の安定化領域の拡大
の有効性について述べる。２つの励起光源30、31によっ
て固体レーザ活性媒質20、21をそれぞれ励起した場合、
各活性媒質には熱レンズ効果による薄レンズがそれぞれ
形成される。従来技術のように、２つの励起光源によっ
て１つの固体レーザ活性媒質を励起したときには、２つ
の薄レンズが活性媒質内に近接して形成されるが、これ
らの２つの薄レンズを接しておいた場合、２つのレンズ
を合わせた屈折力はそれぞれの屈折力の和になる。その
ため、このときにできる固体レーザ活性媒質の熱レンズ
効果は非常に大きいものになる。
【００４４】しかし、本実施例のように、固体レーザ活
性媒質を２つに分離して配置して別個に励起すれば、各
活性媒質20、21の熱レンズ効果による屈折力は 1/2にな
り、熱レンズ効果の共振器の安定性に対する影響を小さ
くすることができる。
【００４５】これを定量的に計算すると、次のようにな
る。まず、パラメータを図１について説明すると、共振
器長をＬ、凹面ミラー15−16間の距離をＤ、凹面ミラー
15、16の曲率半径をＲ、固体レーザ活性媒質20、21と凹
面ミラー15、16との距離をΔとし、また長さの次元を無
次元化するために、 Ｄ＝αＬ ・・・（６） で表される共振器構造比αを導入する。
【００４６】固体レーザ活性媒質20と凹面ミラー15との
距離Δは、簡単化のため、Δ〜０となるように、固体レ
ーザ活性媒質20と凹面ミラー15とを近付けて配置してい
ると近似しても問題ない。また、固体レーザ活性媒質20
のＹＡＧ結晶の屈折率を便宜的にｎ〜１とし、その長さ
は考えずに、熱レンズに相当する薄レンズの効果だけを
考える。固体レーザ活性媒質21と凹面ミラー16に関して
も同様に考える。
【００４７】このような簡単化を行うことにより、上記
のリング共振器の一周期の構成は図２のようになる。こ
こで、励起光源30、31の強度が同じであれば、固体レー
ザ活性媒質20、21の熱レンズ効果の屈折力は同じ値ｄ
th(1) ＝ｄth(2) ＝ｄth＝１／ｆthになる。
【００４８】ここで、ｄを次式のように置けば、 ｄ＝ｄth＋２／Ｒ ・・・（７） 図３と等価になる。
【００４９】次に、上記の共振器の光線行列を解き、安
定化の条件を求める。一周期の光線行列は、一方の固体
レーザ活性媒質を参照面として、
【数３】 で表される。
【００５０】
【数４】 であれば、一周期後の光線が自己再生すればよいので、
【数５】 が成り立てばよい。
【００５１】これを解いて、
【数６】 となる。ここで、ＡＤ−ＢＣ＝１の関係を使っている。
ωは、ＹＡＧ結晶内での共振器モード半径である。
【００５２】このωが実数値を持てば、共振器に安定な
モードを形成することができる。モード半径は計算によ
り、
【数７】 となるので、ωが実数値を持つ条件は、 Ｌd(２−αＬｄ)(２−Ｌｄ＋αＬｄ)(２−αＬｄ＋α2 Ｌｄ）＞０・・・（13） である。
【００５３】この安定条件の境界値は、次の４つの式で
表される。
【数８】 これを図示すると、図４に示すような領域（着色領域）
になる。ここで、ｘ軸は共振器の構造比α＝Ｄ／Ｌを、
ｙ軸は熱レンズの屈折力を共振器長Ｌで規格化した値Ｌ
ｄ（無次元）を表している。境界線上では発散してしま
うので、不安定になる。縦軸は、ｄ＝（１／ｆth）＋
（２／Ｒ）で表される。
【００５４】ここで、励起光のパワーがないとき、つま
り、 ｆth→∞（ｄ＝２／Ｒ） ・・・（15） のとき、共振器の状態は矢印の始点にある。この始点の
位置は、 （α＝Ｄ／Ｌ，Ｌｄ＝２Ｌ／Ｒ） ・・・（16） で表される。
【００５５】励起光のパワーを上げるに伴って、熱レン
ズ効果による屈折力ｌ／ｆthが大きくなる（焦点距離ｆ
thが短くなる）。このとき、共振器の状態は、矢印の方
向に移動する。共振器の状態が安定化領域内であれば、
出力を得ることができる。
【００５６】図５は、α＝Ｄ／Ｌ＝0.25の場合について
考えている。図中の矢印の始点は境界線上にある。これ
は、励起光パワーの変化に対して、共振器のモードが動
的に変化する安定領域を広くとるためである。これが境
界線上にある条件は、前述した式（14）より、
【数９】 となる。つまり、 Ｄ＝Ｒ ・・・（18） である。
【００５７】上記の条件のもとで、確保できる屈折力の
安定共振領域は、
【数１０】 で表すことができる。ここで注意しておきたいことは、
この式でのα＝０の場合は、従来技術で求めた式（５）
に該当することである。
【００５８】ここまでは、Δ〜０となる条件を使って求
めたが、実際には共振器のモードがある程度の大きさの
半径を持つため、凹面ミラーと固体レーザ活性媒質とを
近付けることは難しくなり、互いに離さなければならな
い。その際、共振器内のモードのウェストの太い側の光
路上、つまり凹面ミラー間の光軸の距離の長い方に固体
レーザ活性媒質を置く方が、ビームの絞られ方が緩くな
り、スポット径を大きくとることができる。また、図１
の距離Ｄは正確に決めたいために、そこに活性媒質を置
くことは共振器の性質を定量的に設計しにくくするた
め、良くない。
【００５９】ここで、図１において、凹面ミラーから共
振器モードのウェストまでの距離が遠い（長い）場合、
モードのウェストは太くなる。つまり、絞られ方が緩く
なる。反対に、凹面ミラーからウェストまでの距離が短
ければ、絞り方は急であり、ウェストのサイズも細くな
る。
【００６０】固体レーザ活性媒質内のモードサイズはで
きる限り大きくするようにデザインする。何故ならば、
励起光源のスポットサイズと活性媒質内のモードのサイ
ズをぴったり合わせることがこの種のレーザの品質を決
めるためである。モードサイズが大きければ、それだけ
容易にスポットサイズを合わせておくことができる。
【００６１】（安定化領域についての従来例に対する本
実施例の優位性）上記のように考えると、α＝Ｄ／Ｌ＝
0.25という配置にしたとき、従来技術（式（19）でのα
＝０、つまり式（５））での安定化領域範囲にくらべ、
30％以上広くなることがわかる。α＝0.5 にしたとき、
最大で２倍の安定化領域を確保できる（図５参照）。
【００６２】実験的には、次に示す例のものが確認され
ている。図１において、凹面ミラー15、16として曲率半
径Ｒ＝100mm のものを使用し、距離Ｄ＝100mm 、共振器
の共振器長Ｌ＝400mm とする。各励起光源30、31とし
て、12Ｗの出力のものを用いる。
【００６３】この条件で、励起光のパワーに対する出力
パワーは、図６に示す結果になった。ここで、トータル
の励起パワーとして24Ｗで励起し、結果として10Ｗの出
力を得ることができる。また、安定化領域を外れてしま
ったときは、共振器が共振しないため、出力が急激に下
がる。しかし、出力が直線性になっていることから、励
起していない状態から10Ｗ以上の出力まで安定化領域に
入っていることがわかる。
【００６４】図７は、本発明の第２の実施例によるリン
グ共振器の構成を示すものである。
【００６５】この実施例では、図１の例に比べて、各光
学素子の配置を回転対称的にし、図１の線対称的な配置
から変化させている点が異なり、その他は同様である。
【００６６】図８〜図11は、本発明の他の各種実施例に
よるリング共振器の構成を示すものである。
【００６７】（多数個の固体レーザ活性媒質の励起によ
る高出力化）図１に示した共振器は、同様の構造の共振
器（励起光源−凹面ミラー−固体レーザ活性媒質の組）
を対称に配置し、全体として多数個のレーザ活性媒質に
よって励起する共振器を構成している。例えばこの場
合、図８のように、平面折り返しミラー11、12を使用
し、２つの共振器を１つにまとめた構成の共振器が考え
られる。即ち、図１のユニットと対称的に、励起光源32
−凹面ミラー17−固体レーザ活性媒質22及び励起光源33
−凹面ミラー18−固体レーザ活性媒質23を配置した共振
器としている。
【００６８】ここで、各活性媒質の安定化領域は、この
ように多数個化を行っても変化しない。何故ならば、平
面折り返しミラー11、12によって区切られる（光学的に
接続される）一対の共振器の構造は同じであるためであ
る。一方、図１の例に比べて励起光源の数が２倍になっ
ているため、最終的に得られることのできる出力は２倍
になる。
【００６９】さらに、図８の共振器を２つ並べることに
より、図９に示すように、図１の共振器の４倍の出力を
得ることのできる共振器をつくることができる。そし
て、以下同様に、図１０に示すように、共振器の組み合
わせの個数を一層増やすことにより、更に高出力化が図
れる。
【００７０】現在、励起光源である半導体レーザは、10
Ｗクラスの出力のものが市販されている。全固体レーザ
の中で、特にＮｄ：ＹＡＧ結晶を固体レーザ活性媒質と
して使用しているレーザ共振器では、この10Ｗクラスの
励起光源は大変都合が良い。何故ならば、励起によって
おこるＮｄ：ＹＡＧ結晶の熱レンズ効果の焦点距離は、
10Ｗの励起で10cmから40cm程度になるが、これは全固体
レーザで一般的に設計されている共振器長にほぼ等し
い。10Ｗ以上の励起による熱レンズ効果を防ぐには、熱
レンズ効果の焦点距離の短さに合わせて共振器長を短く
するなど特別な工夫が必要になる。
【００７１】つまり、現行の共振器サイズから考えた場
合、励起光源10Ｗクラスのものが、熱レンズ効果の影響
を比較的容易に解決できる最大のパワーである。本発明
は、この10Ｗクラスの半導体レーザを複数個利用し、各
半導体レーザごとにＮｄ：ＹＡＧ結晶を励起するとき非
常に有効である。
【００７２】（注入同期）リング型の共振器でのレーザ
出力は、基本的に２方向の発振となる。これを１方向の
発振に揃え、レーザの安定化を図る方法として注入同期
を行うのがよい。
【００７３】即ち、図１１に示すように、図１と同様の
構成において、レーザ光源30、31をスレーブレーザと
し、このスレーブレーザよりも出力が小さいが周波数が
安定なレーザ光源をマスターレーザ41としてそのレーザ
光を平面ミラー42、43を介してスレーブレーザに入射さ
せ、注入同期を行う。
【００７４】このような注入同期によれば、周波数安定
度の高い低出力のレーザ光源によって大出力レーザの発
振周波数を制御することができる。
【００７５】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基づいて種々に変形が
可能である。
【００７６】例えば、上述したリング共振器を構成する
各光学素子の配置は更に変化させてよいし、それに適用
する材質や動作方法も上述したものに限定されることは
ない。
【００７７】また、上記の固体レーザ活性媒質の配置は
勿論、その個数も変えてよく、例えば１つの光路中に複
数個を直列に配置してもよい。この場合は、更に熱レン
ズの影響を軽減できる可能性がある。
【００７８】また、共振したレーザ光の進行方向もミラ
ーによって種々に変えることができるし、これを用途に
応じて選択してよい。
【００７９】
【発明の作用効果】以上説明したように、本発明によれ
ば、共振器内部の複数の固体レーザ活性媒質を光路上で
それぞれ別個に分離し、励起し、また共振器構造の２個
を組として配置し、各固体レーザ活性媒質を２個の凹面
ミラー間の長い方の光路上に配置しているので、 （１）活性媒質の冷却処理が容易になる。 （２）活性媒質の熱レンズによって制限される安定領域
を広くすることができる。 （３）励起光源と固体レーザ活性媒質の数を増やして、
更に高出力化を容易にすることができる。（４）共振器がデザインし易くなる。 （５）励起光源のスポットサイズと活性媒質内のモード
のサイズを合わせ易くなり、レーザの品質が向上する。
という、高出力、高安定、高効率のレーザ光発生装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ光発生装置
（光源装置）の構成図である。
【図２】同装置の構成を示す模式図である。
【図３】同装置の構成を簡単化して示す模式図である。
【図４】同装置の安定共振領域を示すグラフである。
【図５】同装置の熱レンズ効果による共振器の状態の変
化を示すグラフである。
【図６】同装置を用いて実際に得られた出力パワーを示
すグラフである。
【図７】本発明の他の実施例によるレーザ光発生装置
（光源装置）の構成図である。
【図８】本発明の他の実施例による４個の固体レーザ活
性媒質を励起したレーザ光発生装置（光源装置）の構成
図である。
【図９】本発明の他の実施例による８個の固体レーザ活
性媒質を励起したレーザ光発生装置（光源装置）の構成
図である。
【図１０】本発明の他の実施例による２ｎ個の固体レー
ザ活性媒質を励起したレーザ光発生装置（光源装置）の
構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例による注入同期を行うレ
ーザ光発生装置（光源装置）の構成図である。
【図１２】従来例による固体レーザ活性媒質を１個励起
した固体レーザの構成図である。
【図１３】同従来例による共振器の固体レーザ活性媒質
内のモード径の熱レンズ効果による変化を示すグラフで
ある。
【符号の説明】
11、12、13、14…平面ミラー、15、16、17、18…凹面ミ
ラー、20、21、22、23…固体レーザ活性媒質、30、31、
32、33…励起光源、41…（注入同期用）マスターレー
ザ、42、43…平面折り返しミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−102887（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−64438（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−224504（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66483（ＪＰ，Ａ) 国際公開95／021478（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リング共振器として構成されたレーザ発
    振器からなり、複数の励起光源と、これらの励起光源に
    よってそれぞれ励起される複数の固体レーザ活性媒質と
    を有し、これらの固体レーザ活性媒質が前記リング共振
    器内の光路上に互いに分離して配置されているレーザ光
    発生装置において、 レーザの出力として得られる光の波長に対して高反射率
    を有する少なくとも１個の共振ミラー又は反射面と、２
    個の凹面ミラーとからリング共振器が構成され、 レーザ共振器内部において２個の固体レーザ活性媒質が
    前記リング共振器内の光路上に配置され、 前記２個の固体レーザ活性媒質にそれぞれ対応して２つ
    の励起光源が用いられ、 前記励起光源からのレーザ光がそれぞれの前記凹面ミラ
    ーを透過して、前記固体レーザ活性媒質が端面励起によ
    って励起されると共に、前記固体レーザ活性媒質と前記凹面ミラーと前記励起光
    源とによって構成される共振器構造の２個が組として配
    置され、 前記２個の固体レーザ活性媒質がそれぞれ、前記リング
    共振器内のモードのウェストが太い側であって前記２個
    の凹面ミラー間の長い方の光路上に配置されることを特
    徴とするレーザ光発生装置 。
  2. 【請求項２】 前記２個の凹面ミラーの間の間隔がこれ
    らの凹面ミラーの曲率半径の値とほぼ同じである光源装
    置として構成された、請求項１に記載したレーザ光発生
    装置。
  3. 【請求項３】 前記共振器構造の２個が対称的に配置さ
    れる、請求項１に記載したレーザ光発生装置。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載した共振器デザインを単
    位とし、２ｎ個の凹面ミラーと、２ｎ個の固体レーザ活
    性媒質と、２ｎ個の励起光源とを用いて、前記共振器デ
    ザインをｎ個組み合わせた構成を有する（但し、以上の
    ｎはいずれも、２以上の整数である。）、請求項２に記
    載したレーザ光発生装置。
  5. 【請求項５】 レーザ光源をスレーブレーザとし、この
    スレーブレーザよりも出力が小さいが周波数が安定なレ
    ーザ光源をマスターレーザとしてそのレーザ光を前記ス
    レーブレーザに入射させ、注入同期を行うようにした、
    請求項２に記載したレーザ光発生装置。
JP16690596A 1996-06-06 1996-06-06 レーザ光発生装置 Expired - Fee Related JP3512051B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP16690596A JP3512051B2 (ja) 1996-06-06 1996-06-06 レーザ光発生装置
US08/869,478 US5930283A (en) 1996-06-06 1997-06-05 Laser beam generating apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP16690596A JP3512051B2 (ja) 1996-06-06 1996-06-06 レーザ光発生装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH09326516A JPH09326516A (ja) 1997-12-16
JP3512051B2 true JP3512051B2 (ja) 2004-03-29

Family

ID=15839819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP16690596A Expired - Fee Related JP3512051B2 (ja) 1996-06-06 1996-06-06 レーザ光発生装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US5930283A (ja)
JP (1) JP3512051B2 (ja)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11126934A (ja) * 1997-10-24 1999-05-11 Mitsubishi Electric Corp 固体レーザ装置並びにその光共振器の設計方法
US7155131B2 (en) * 2001-10-23 2006-12-26 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte. Ltd. Optical communication devices, light emission devices and optical communication methods
DE10241988B3 (de) * 2002-09-11 2004-04-08 Tui Laser Ag Diodengepumpter Festkörperlaser mit resonatorinterner thermischer Linse
DE102004053136B4 (de) * 2004-10-29 2008-04-03 Raab, Volker, Dr. Laserresonator mit internem Strahlteiler
JP4945934B2 (ja) * 2005-06-21 2012-06-06 ソニー株式会社 光学システム、検査装置、処理装置および測定装置
JP5069875B2 (ja) * 2006-06-26 2012-11-07 富士フイルム株式会社 レーザ装置および光増幅装置
EP1879269A1 (en) * 2006-07-12 2008-01-16 Danmarks Tekniske Universitet Pumped laser system using feedback to pump means
DE102012000510A1 (de) 2012-01-13 2013-07-18 Neolase Gmbh Nichtregenerativer optischer Verstärker
JP7176738B2 (ja) * 2016-11-16 2022-11-22 国立大学法人電気通信大学 レーザ共振器、及びレーザ共振器の設計方法
CN108155550B (zh) * 2017-12-19 2019-12-13 北京理工大学 一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器
CN109586150B (zh) * 2018-11-29 2020-12-25 山西大学 一种单谐振腔实现百瓦级连续单频全固态激光器
CN109950778A (zh) * 2019-03-29 2019-06-28 中国空间技术研究院 一种端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置
US11563305B2 (en) * 2021-04-15 2023-01-24 Coherent Lasersystems Gmbh & Co. Kg Resonantly enhanced frequency conversion with adaptive thermal-lensing compensation
WO2022264791A1 (ja) * 2021-06-14 2022-12-22 国立大学法人東海国立大学機構 波長可変レーザ装置

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09326516A (ja) 1997-12-16
US5930283A (en) 1999-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3512051B2 (ja) レーザ光発生装置
US6185235B1 (en) Lasers with low doped gain medium
US5623510A (en) Tunable, diode side-pumped Er: YAG laser
JP2007081415A (ja) 高出力レーザ装置
US5627849A (en) Low amplitude noise, intracavity doubled laser
Inoue et al. Diode-pumped Nd: YAG laser producing 122-W CW power at 1.319/spl mu/m
US20110150013A1 (en) Resonant pumping of thin-disk laser with an optically pumped external-cavity surface-emitting semiconductor laser
JPH09510836A (ja) ダイオード励起多軸モード空洞内周波数２倍型レーザ
US7991028B1 (en) Tunable solid state laser system
US6167069A (en) Thermal lens elimination by gradient-reduced zone coupling of optical beams
US6287298B1 (en) Diode pumped, multi axial mode intracavity doubled laser
JP5231806B2 (ja) レーザ光源、およびそれを用いたディスプレイ装置
US5206874A (en) Solid-state laser
JP4407039B2 (ja) 固体レーザ装置および固体レーザ装置システム
US5696786A (en) Solid-state laser system
Goodno et al. High average-power Yb: YAG end-pumped zig-zag slab laser
JP2004172307A (ja) 固体レーザ装置
JP2001168429A (ja) 固体レーザ発振器
JP2004172315A (ja) 固体レーザ装置
Ostermeyer et al. 50 Watt average output power with 1.2* DL beam quality from a single rod Nd: YALO laser with phase-conjugating SBS mirror
JP2891240B2 (ja) 多波長同時発振光ファイバ型レーザ
JP2003008121A (ja) 固体レーザ発振器
JPH10150238A (ja) 光パラメトリック発振器とその設計方法
Tawy et al. 8.5 W Linear and 3.6 W Ring TEM 00 Diode-Pumped Alexandrite Lasers
Schnitzler et al. Improving the brightness of a diode end pumped slab laser by a new pumping scheme

Legal Events

Date Code Title Description
A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20031230

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees