JP3602283B2 - レーザーダイオード励起固体レーザー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザー結晶をレーザーダイオード(半導体レーザー)によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーに関し、特に詳細には、横モードの高次化を抑制するようにしたレーザーダイオード励起固体レーザーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば特開昭62−189783号に示されるように、ネオジウム等の希土類が添加された固体レーザー結晶を、レーザーダイオードから発せられた光によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーが公知となっている。このレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、より短波長のレーザービームを得るために、その共振器内に光波長変換素子を配置して、固体レーザービームを第2高調波等に波長変換することも広く行なわれている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この種のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、横モードが高次化してビーム品質が低下しやすいという問題が認められる。また特に上記の波長変換を行なう場合は、横モードが高次化しやすくなっていると、横モード競合すなわち、TEM00モードとTEM01モード等の高次モードとがμsec オーダーの時間間隔で交互に立つ現象が生じてしまう。
【0004】
従来の各種固体レーザーでは、横モードの高次化を抑制するために、多くの場合、共振器内の固体レーザービームの光路にそのビーム径を絞るピンホール板が設けられていた。
【0005】
このピンホール板は、レーザーダイオード励起固体レーザーにおいて設置しても勿論有効であるが、しかしその場合は、共振器内での損失が大きい、ピンホール板挿入の前後で発振特性が大きく変わるため発振特性の調整が難しい、といった問題が認められていた。なお図8には、このピンホール板挿入の前後の発振特性例を示す。ここでは、共振器温度対レーザー出力および発振波長の関係を示しており、図中実線で示すのがピンホール板挿入前の特性、破線で示すのがピンホール板挿入後の特性である。
【0006】
さらに上記のピンホール板は、ピンホール中心とビーム軸とを一致させる位置調整が困難であるため、固体レーザーの大量生産には不向きである、という問題も認められる。
【0007】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、横モードの高次化を抑制可能で、共振器内での損失が小さい上に発振特性の調整が容易で、そして大量生産にも適するレーザーダイオード励起固体レーザーを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザーダイオード励起固体レーザーは、共振器と、この共振器内に配設された固体レーザー結晶と、この固体レーザー結晶を、その端面から励起するレーザービームを発するレーザーダイオードと、上記レーザービームを固体レーザー結晶内あるいはその近傍において収束させる集光レンズとを有してなる端面励起型のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいて、
共振器内の固体レーザービームの光路に、励起用レーザーダイオードのストライプ幅方向のみについてビーム径を絞って横モードの高次化を抑制するスリット板が設けられたことを特徴とするものである。
【0009】
【発明の効果】
レーザーダイオードから出射した励起光としてのレーザービームが集光レンズによって収束するとき、その収束スポット径は、活性層方向(層厚方向)については比較的小さく、それと直角なストライプ幅方向については比較的大きくなる。またこのレーザービームの強度分布は、活性層方向についてはガウス分布に近い傾向を示すのに対し、ストライプ幅方向ではそのような傾向が低いものとなっている。
【0010】
このように励起光の収束スポット径および強度分布が、活性層方向とストライプ幅方向とで異なるために、励起光と固体レーザービームとのモードマッチングは活性層方向では良好である一方、ストライプ幅方向では良くないものとなっている。
【0011】
以上のことから、レーザーダイオード励起固体レーザーにおいて横モードが高次化しやすいのは、一般にストライプ幅方向についてのみであり、活性層方向ではその傾向はかなり低くなっている。そこで本発明におけるように、スリット板を用いて、固体レーザービームのビーム径をレーザーダイオードのストライプ幅方向のみに関して絞っても、横モードの高次化を抑制する効果が十分に得られるようになる。
【0012】
このように、固体レーザービームのビーム径をスリット板を用いて1次元的に絞るのであれば、前述のピンホール板を用いてビーム径を2次元的に絞る場合と比べて、共振器内での損失を少なく抑えることができる。
【0013】
一方、ピンホール板挿入の前後で発振特性が大きく変わるという従来装置の問題は、ピンホール板での反射光量が大きいことから共振器内温度が著しく上昇することに起因していた。それに対して本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、固体レーザービームのビーム径をスリット板を用いて1次元的に絞るようにしたので、スリット板での反射光量は著しく低減する。そこで本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、スリット板挿入の前後で発振特性が大きく変化することがなくなり、発振特性の調整が容易になる。
【0014】
固体レーザービームの強度は、レーザーダイオードのストライプ幅方向よりも活性層方向について特に集中しているので、この活性層方向についてそのビーム径を絞らないようにしたことにより、共振器内での損失を少なく抑える効果、および反射光量を抑える効果が特に顕著となる。
【0015】
さらに、上記のスリット板の固体レーザービームに対する位置調整は、ストライプ幅方向のみに関して行なえばよいものであって、それと直角な活性層方向についての位置調整は不要となる。したがって本発明によるレーザーダイオード励起固体レーザーは、スリット板の位置調整が容易で、大量生産にも適したものとなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示すものである。このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光としてのレーザービーム10を発するレーザーダイオード(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を集光する集光レンズ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YLF結晶(以下、Nd:YLF結晶と称する)13と、このNd:YLF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:YLF結晶13との間に配された光波長変換素子15とを有している。
【0017】
また光波長変換素子15と共振器ミラー14との間には、偏光制御素子としてのブリュースタ板16、波長選択素子としてのエタロン17、および横モード制御素子としてのスリット板18が配設されている。そしてNd:YLF結晶13の前後には、発振モードをツイストモード化してホールバーニングを防止するためのλ/4板19および20が配されている。
【0018】
以上述べた要素13〜20は、Cu−Be等からなる共振器ホルダー21に固定されており、この共振器ホルダー21はペルチェ素子22の冷却面上に固定されている。この実施形態においては、後述するようにλ/4板19と共振器ミラー14とによってファブリー・ペロー型共振器が構成される。この共振器の部分は、上記ペルチェ素子22が図示しない温調回路によって駆動制御されることにより、所定温度に保たれる。
【0019】
レーザーダイオード11としては、波長797 nmのレーザービーム10を発するものが用いられている。Nd:YLF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て、波長1314nmの光を発する。λ/4板19の励起光入射側の端面19aには、波長797 nmの励起用レーザービーム10は良好に透過させ(透過率99%以上)、波長1314nmおよび下記の波長657 nmの光は良好に反射させる(反射率99.9%以上)コートが施されている。一方共振器ミラー14のミラー面14aには、波長1314nmの光は良好に反射させ、波長657 nmの光は透過させるコートが施されている。
【0020】
したがって、波長1314nmの光は上記各面19a、14a間で共振してレーザー発振を引き起こし、こうして発生したレーザービーム30は光波長変換素子15により波長が1/2すなわち657 nmの第2高調波31に変換され、主にこの第2高調波31が共振器ミラー14から出射する。なお光波長変換素子15としては、例えばMgOがドープされたLiNbO3 結晶に周期ドメイン反転構造が形成されてなるもの等が利用可能である。
【0021】
図2には、上記レーザーダイオード11とスリット板18との相対位置関係を示してある。図示の通りスリット板18は、その十分に長いスリット18aがレーザーダイオード11の活性層方向(活性層11aの層厚方向:矢印Y方向)に延びる向きに配置されている。またレーザービーム30のストライプ幅方向(矢印X方向)のビーム径(1/e2 径)が約200 μmであるのに対し、スリット18aの幅は約440 μmとされている。したがってレーザービーム30はこのスリット板18により、ビーム径がレーザーダイオード11のストライプ幅方向のみについて絞られるようになる。
【0022】
図3の(a)、(b)にはそれぞれ、Nd:YLF結晶13内における励起用レーザービーム10およびレーザービーム30の形状を、上記ストライプ幅方向、活性層方向について示してある。図示の通り励起用レーザービーム10の拡がり角およびスポット径は、ストライプ幅方向については比較的大きく、活性層方向については比較的小さくなる。そのため、この励起用レーザービーム10とレーザービーム30とのモードマッチングは、ストライプ幅方向では悪く、活性層方向では良好なものとなる。
【0023】
スリット板18を挿入しないときのレーザービーム30の、ストライプ幅方向、活性層方向の光強度分布を、図4の(a)、(b)にそれぞれ示す。これからも明らかな通り、横モードが高次化しやすいのはストライプ幅方向についてのみであり、活性層方向ではその傾向は低くなっている。そこで、上述のようにレーザービーム30のビーム径をストライプ幅方向のみに絞るだけで、ピンホール板を用いて2次元的に絞る場合と同様に、横モードの高次化を抑制する効果が十分に得られる。
【0024】
本実施形態では、レーザービーム30を第2高調波31に波長変換するようにしているので、横モードが高次化すると前述の横モード競合が生じ得るが、横モードの高次化を抑制することにより、この横モード競合も抑えることができる。
【0025】
また、レーザービーム30のビーム径を1次元的に絞るのであれば、ピンホール板を用いて2次元的に絞る場合と比べて、共振器内での損失を少なく抑えることができる。
【0026】
さらにスリット板18のレーザービーム30に対する位置調整は、ストライプ幅方向のみに関して行なえばよいものであって、それと直角な活性層方向についての位置調整は不要である。したがってこのレーザーダイオード励起固体レーザーは、スリット板18の位置調整が容易で、大量生産にも適したものとなる。
【0027】
また、レーザービーム30のビーム径をスリット板18によって1次元方向のみに絞るようにしたことにより、スリット板18での反射光量は著しく低減する。そこでこのレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、スリット板18の挿入のために共振器内温度が大きく上昇することがなくなり、よってスリット板挿入の前後で発振特性が大きく変化することを防止できる。
【0028】
具体的に、スリット板18の代わりに、直径1mmの孔を有する開口板を配して発振特性を調整した後、この開口板をスリット板18に置き換えても、発振特性が大きく変化することはなかった。
【0029】
次に図5を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。なおこの図5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(以下、同様)。
【0030】
この第2実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、図1のものと比べると基本的に、光波長変換素子15が除かれた点が異なるものである。つまりこの第2実施形態において、固体レーザービーム30は第2高調波に変換されることなく、そのまま共振器ミラー14から出射する。なおこの場合も、λ/4板19と共振器ミラー14とによってファブリー・ペロー型共振器が構成されるが、ミラー14のミラー面14aに施されるコートは、波長1314nmの固体レーザービーム30を一部透過させるものとされる。
【0031】
この第2実施形態においても、スリット板18により、レーザービーム30のビーム径をレーザーダイオード11のストライプ幅方向のみについて絞ることにより、第1実施形態で得られたものと同様の効果が得られる。
【0032】
次に図6を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。この第3実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、図5のものと比べると基本的に、ブリュースタ板16、エタロン17、λ/4板19および20が除かれ、λ/4板19の位置に平板状の共振器ミラー40が配設された点が異なるものである。そしてこの共振器ミラー40のミラー面40aには、波長797 nmの励起用レーザービーム10は良好に透過させ(透過率99%以上)、波長1314nmの固体レーザービーム30は良好に反射させる(反射率99.9%以上)コートが施されている。
【0033】
この第3実施形態においても、スリット板18により、レーザービーム30のビーム径をレーザーダイオード11のストライプ幅方向のみについて絞ることにより、第1および2実施形態で得られたものと同様の効果が得られる。
【0034】
次に図7を参照して、本発明の第4の実施形態について説明する。この第4実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、図1のものと比べると基本的に、ブリュースタ板16、λ/4板19および20が除かれ、λ/4板19の位置に平板状の共振器ミラー40が配設された点が異なるものである。そしてこの共振器ミラー40のミラー面40aには、波長797 nmの励起用レーザービーム10は良好に透過させ(透過率99%以上)、波長1314nmの固体レーザービーム30および波長657 nmの第2高調波31は良好に反射させる(反射率99.9%以上)コートが施されている。
【0035】
この第4実施形態においても、スリット板18により、レーザービーム30のビーム径をレーザーダイオード11のストライプ幅方向のみについて絞ることにより、第1、2および3実施形態で得られたものと同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す側面図
【図2】図1のレーザーダイオード励起固体レーザーの一部を示す斜視図
【図3】図1のレーザーダイオード励起固体レーザーにおける励起用レーザービームと固体レーザービームの形状を、励起用レーザーダイオードのストライプ幅方向(a)、活性層方向(b)毎に示す概略図
【図4】図1のレーザーダイオード励起固体レーザーにおける固体レーザービームの光強度分布を、励起用レーザーダイオードのストライプ幅方向(a)、活性層方向(b)毎に示すグラフ
【図5】本発明の第2実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す側面図
【図6】本発明の第3実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す側面図
【図7】本発明の第4実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す側面図
【図8】レーザーダイオード励起固体レーザーにおける共振器温度と、出力および発振波長との関係例を示すグラフ
【符号の説明】
10 レーザービーム(励起光)
11 レーザーダイオード
12 集光レンズ
13 Nd:YLF結晶
14 共振器ミラー
15 光波長変換素子
16 ブリュースタ板
17 エタロン
18 スリット板
19、20 λ/4板
21 共振器ホルダー
22 ペルチェ素子
30 固体レーザービーム
31 第2高調波
40 共振器ミラー
Claims (2)
- 共振器と、
この共振器内に配設された固体レーザー結晶と、
この固体レーザー結晶を、その端面から励起するレーザービームを発するレーザーダイオードと、
前記レーザービームを、前記固体レーザー結晶内あるいはその近傍において収束させる集光レンズとを有してなる端面励起型のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいて、
共振器内の固体レーザービームの光路に、前記レーザーダイオードのストライプ幅方向のみについてビーム径を絞って横モード高次化を抑制するスリット板が設けられたことを特徴とするレーザーダイオード励起固体レーザー。 - 前記共振器内に、前記固体レーザービームを波長変換する光波長変換素子が配設されていることを特徴とする請求項1記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
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