JP3953937B2

JP3953937B2 - レーザー装置

Info

Publication number: JP3953937B2
Application number: JP2002313598A
Authority: JP
Inventors: 平等　　拓範; ダスカルトライアン; パベルニコライ
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004152817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｙｂ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＡＧ（９４６ｎｍレーザー遷移）などの準四準位レーザーは、高効率動作のためには発振閾値の数倍以上の強励起が求められる。これは強励起によりレーザー下準位での発光再吸収を飽和できるためである。
【０００３】
従来のレーザー装置では、軸方向励起では吸収長が短くなり、効率が低下するため、折り返し複数回励起する必要があった。
【０００４】
または、レーザー媒質を、そのコア部にのみに活性イオンを添加する構成としていた。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．Ｌ６０６−Ｌ６０８Ｐａｒｔ２．Ｎｏ．６Ａ．１Ｊｕｎｅ２００２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のレーザー装置では、軸方向励起では吸収長が短くなり、効率が低下するため、折り返し複数回励起する必要があった。
【０００７】
しかしながら、かかる折返し型複数励起構成は、励起光学系が複雑で不安定であるという欠点を有していた。また、レーザー媒質としてコア部に活性イオンを添加するという構成を実現するには複雑な製造工程が必要であり、機械的にも脆くなるという欠点を有していた。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑み、簡素な構造で、かつ機械的にも強固なレーザー装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕レーザー装置において、ヒートシンク部上に貼り付けられる薄い板状のマイクロチップレーザー媒質と、前記ヒートシンク部からは離間され、前記マイクロチップレーザー媒質上に同心状に配置される導波光学系を備え、外部から入射される励起光は前記導波光学系内を全反射しながら前記導波光学系と同心状に配置された前記レーザー媒質で吸収され、吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再び前記レーザー媒質で吸収されるように構成したことを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の厚みと直径との比であるアスペクト比（直径／厚み）が２以上となることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載のレーザー装置において、前記導波光学系はその周辺部に前記励起光の入口を有する円形状または多角形状などの任意形状の薄い導波板による集光系であることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載のレーザー装置において、前記励起光をレーザー媒質まで効率良く伝搬するために、前記入口としてプリズムやこれに準じた光学部品、光学加工を前記導波光学系に施す、または一体化することを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質として発光中心として用いる添加希土類イオンを導入することを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔５〕記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはＹｂであることを特徴とする。
【００１５】
〔７〕上記〔５〕記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはＮｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｅｒ又はＰｒであることを特徴とする。
【００１６】
〔８〕上記〔１〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるように構成することを特徴とする。
【００１７】
〔９〕上記〔１〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の母材として用いる結晶がＹＡＧ，ＹＳＧＧ，ＹＳＡＧ，ＧＳＧＧ，ＧＧＧなどのガーネット系、ＹＶＯ₄などのバナデート系、ＫＹＷ，ＫＧＷなどのタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系であることを特徴とする。
【００１８】
〔１０〕上記〔６〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるＹｂ³⁺イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群²Ｆ_7/3よりレーザー上準位である、²Ｆ_5/2に遷移させる波長で励起することを特徴とする。
【００１９】
〔１１〕上記〔６〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるＹｂ³⁺イオンを添加したＹＡＧに関して励起する波長として、中心波長９４０ｎｍ前後または９７０ｎｍ前後を含むスペクトル幅の光源で励起することを特徴とする。
【００２０】
〔１２〕上記〔１０〕又は〔１１〕記載のレーザー装置において、前記励起光源として、９３０ｎｍから９９０ｎｍの波長領域の半導体レーザー（ダイオードレーザー）または発光ダイオードを用いることを特徴とする。
【００２１】
上記したように、本発明によれば、放熱のためヒートシンク部上に貼り付けた薄い板状のマイクロチップレーザー媒質を効率よく光励起するため、レーザー媒質上に導波光学系を配置する。励起光は、導波光学系内を全反射しながら中心位置に配置されたマイクロチップレーザー媒質で吸収される。この時に吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再びレーザー媒質で吸収するため効率よい励起が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示すレーザー装置の模式図、図２はそのレーザー装置の内部ビーム放射状態を示す平面図、図３はそのレーザー装置の薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の構成図であり、図３（ａ）はその薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の側面図、図３（ｂ）はその薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の平面図である。図４はその導波光学系（円形状の集光導波光学系）の構成図であり、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）はその図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
これらの図において、１はヒートシンク部材、２は薄い板状のマイクロチップレーザー媒質（以下、単にレーザー媒質という）、３は集光導波光学系、４はその集光導波光学系３に設けられる励起光としてのダイオードレーザーの入口、５は外部のダイオードレーザーからの励起光である。
【００２５】
図３に示すように、レーザー媒質２は活性イオンを添加した結晶（活性媒体）からなる、厚みＬ₂が数百μｍの薄い円板状であり、その円板の表面は４０〜２０の光学研摩溝に研磨され、これらの表面は平行度１０秒以内であり、その片面（下面）はレーザー波長での反射性の高い誘電体層で覆われ、この面がレーザー発振に付随して発生する熱を除去するために、ヒートシンク部材１にろう付けされる。
【００２６】
なお、レーザー媒質２の厚みＬ₂と直径Ｌ₁との比であるアスペクト比（直径／厚み）の値が２以上となるようにする。
【００２７】
図３に示した、レーザー媒質２の直径Ｌ₁は、１．５ｍｍ、厚みＬ₂は０．２ｍｍ（これに限定するものではなく、上記したように数百μｍあればよい）である。
【００２８】
一方、集光導波光学系３は、レーザー媒質２（活性媒体）と同じ物質でイオンが添加されていないものからなり、活性媒体と同じ光学的性質を持ち、図２に示すように、レーザー媒質２と同心状に配置され、拡散結合により、集光導波光学系３とレーザー媒質２間のコンタクトをとる。
【００２９】
集光導波光学系３には、励起光としてのダイオードレーザーの入口４が形成される、本実施例では、３つの入口４が示されている（なお、入口は３つに限定されるものではない）。
【００３０】
なお、図４に示した、集光導波光学系３の直径Ｌ₃は、１０ｍｍ、厚みＬ₄は０．８ｍｍ、励起光としてのダイオードレーザーの入口４の幅Ｌ₅は０．８ｍｍであり、励起光としてのダイオードレーザーの入口４は集光導波光学系３の下側面に対して４５度の傾斜面を有している。
【００３１】
図１および図２に示すように、励起光としてのダイオードレーザーの入口４から集光導波光学系３内に入った励起光５はＴＩＲ（全反射）により伝搬する。この励起光５がレーザー媒質２に入射し、ここで部分的に吸収される。その後引き続き、吸収されなかった励起光５が集光導波光学系３内の円筒状表面に伝搬し、再びレーザー媒質２に戻ってくる。このシステムの効率は高く、吸収される励起光５の均等性も高い。
【００３２】
図５は本発明の実施例を示す励起光入口としてのプリズムを一体化した集光導波光学系の構成図であり、図５（ａ）はその集光導波光学系の側面図，図５（ｂ）はその平面図である。図６はその一体化されるプリズムの斜視図である。
【００３３】
図５に示すように、集光導波光学系１１は、図６に示すようなプリズム１２と一体化することができる。すなわち、プリズム１２を励起光としてのダイオードレーザーの入口となる集光導波光学系１１の３個所に一体化する。
【００３４】
なお、図５に示すように、集光導波光学系１１の直径Ｌ₆は６ｍｍ、厚みＬ₇は０．８ｍｍ、励起のためのそれぞれのプリズム１２の厚みＬ₇は０．８ｍｍ、３つのダイオードレーザーの入口の幅（プリズム１２の高さ）Ｌ₈は１ｍｍ、斜面の幅Ｌ₉は１．４１ｍｍである。
【００３５】
図７はプリズムを３個所に一体化した集光導波光学系の励起光のビーム放射による励起の模式図、図８はそのプリズムを一体化した導波光学系とレーザー媒質組み合わせ体の励起ビーム放射の模式図である。
【００３６】
図７に示すように、プリズム１２は集光導波光学系１１に一体化され、励起光は集光導波光学系１１の内部を図７、図８に示すように伝搬する。
【００３７】
図９は本発明の実施例を示す他の集光導波光学系（導波板）を示す図であり、図９（ａ）はその斜視図、図９（ｂ）はその側面図である。
【００３８】
これらの図に示すように、集光導波光学系（導波板）としては、全体として３角形状の導波板２１とし、その頂点部に励起光の入口２２を形成するようにしてもよい。なお、２０は３角形状の導波板２１の下部に配置されるレーザー媒質である。
【００３９】
図１０は本発明の実施例を示す更なる他の集光導波光学系（導波板）を示す図であり、図１０（ａ）はその斜視図、図１０（ｂ）はその側面図である。
【００４０】
これらの図に示すように、集光導波光学系（導波板）としては、全体として円板状の導波板３１とし、その円板状の導波板３１の３箇所の上半部傾斜部に入口３２を形成するようにしてもよい。なお、３０は円板状の導波板３１の下部に配置されるレーザー媒質である。
【００４１】
本発明におけるレーザー媒質としては、発光中心として用いる添加希土類イオンをＹｂとするのが望ましいが、これ以外にも、Ｎｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｐｒなどの希土類イオンを導入するようにしてもよい。
【００４２】
また、レーザー媒質の励起効率を高めるために、高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるような構成を採用する。
【００４３】
更に、レーザー媒質の母材として用いる結晶としてＹＡＧ，ＹＳＧＧ，ＹＳＡＧ，ＧＳＧＧ，ＧＧＧなどのガーネット系、ＹＶＯ₄などのバナデート系、ＫＹＷ，ＫＧＷなどのタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系を用いるのが望ましい。
【００４４】
また、レーザー媒質、特にＹｂ³⁺イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群²Ｆ_7/3よりレーザー上準位である、²Ｆ_5/2に遷移させる波長で励起するのが望ましい。
【００４５】
更に、レーザー媒質、Ｙｂ³⁺イオンを添加したＹＡＧに関してこれを励起する波長として、中心波長９４０ｎｍ前後または９７０ｎｍ前後を含むスペクトル幅の光源で励起するのが望ましい。
【００４６】
また、励起光源として、９３０ｎｍから９９０の波長領域の半導体レーザー（ダイオードレーザー）または発光ダイオードを用いるのが望ましい。
【００４７】
このように構成したので、本発明によれば、以下のような利点を有する。
【００４８】
（１）レーザー媒質を薄く、直径も小さく構成することができる。これは、エッジ励起を行い、レーザー媒質へ吸収された励起ビームにトップハット拡散を行わせることができるためである。つまり、複雑な光学的焦点系が必要でないので、高い信頼性と低コスト化を実現することができる。
【００４９】
（２）集光導波光学系に覆われたレーザー媒質を用いることにより、励起中の結晶の歪みを防止することができ、レーザー媒質の冷却効果が高い。
【００５０】
（３）レーザー媒質の直径を大きくすることで、レーザー光の出力を増大させることができる。
【００５１】
これにより、本発明は、複数のダイオードレーザーにより励起されたハイパワーマイクロチップ固体レーザー装置に適用することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【００５４】
（Ａ）励起光学系が簡素で安定である。
【００５５】
（Ｂ）コア部に活性イオンを添加する構成を実現するのに簡単な製造工程で済み、かつ機械的にも強固である。
【００５６】
（Ｃ）励起に伴う熱歪みによるレーザー媒質の湾曲、破壊を防止することができる。
【００５７】
（Ｄ）簡単で、小型の高性能・高機種のレーザー装置を低価格で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すレーザー装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すレーザー装置の内部ビーム放射状態を示す平面図である。
【図３】本発明の実施例を示すレーザー装置の薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の構成図である。
【図４】本発明の実施例を示すレーザー装置の集光導波光学系の構成図である。
【図５】本発明の実施例を示す励起光入口としてのプリズムを一体化した集光導波光学系の構成図である。
【図６】図５に示す励起光入口に一体化されるプリズムの斜視図である。
【図７】本発明の実施例を示すプリズムを３個所に一体化した集光導波光学系の励起光のビーム放射による励起の模式図である。
【図８】本発明の実施例を示すプリズムを３個所に一体化した導波光学系とレーザー媒質組み合わせ体の励起ビーム放射の模式図である。
【図９】本発明の実施例を示す他の集光導波光学系（導波板）を示す図である。
【図１０】本発明の実施例を示す更なる他の集光導波光学系（導波板）を示す図である。
【符号の簡単な説明】
１ヒートシンク部材
２，２０，３０薄い板状のマイクロチップレーザー媒質
３，１１，２１，３１集光導波光学系
４，２２，３２励起光としてのダイオードレーザーの入口
５外部のダイオードレーザーからの励起光
１２プリズム

Claims

（ａ）ヒートシンク部上に貼り付けられる薄い板状のマイクロチップレーザー媒質と、
（ｂ）前記ヒートシンク部からは離間され、前記マイクロチップレーザー媒質上に同心状に配置される導波光学系を備え、
（ｃ）外部から入射される励起光は前記導波光学系内を全反射しながら前記導波光学系と同心状に配置された前記レーザー媒質で吸収され、吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再び前記レーザー媒質で吸収されるように構成したことを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の厚みと直径との比であるアスペクト比（直径／厚み）が２以上となることを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記導波光学系はその周辺部に前記励起光の入口を有する円形状または多角形状などの任意形状の薄い導波板による集光系であることを特徴とするレーザー装置。
請求項３記載のレーザー装置において、前記励起光をレーザー媒質まで効率良く伝搬するために、前記入口としてプリズムやこれに準じた光学部品、光学加工を前記導波光学系に施す、または一体化することを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質として発光中心として用いる添加希土類イオンを導入することを特徴とするレーザー装置。
請求項５記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはＹｂであることを特徴とするレーザー装置。
請求項５記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはＮｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｅｒ又はＰｒであることを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるように構成することを特徴とするレーザー装置。
請求項１記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の母材として用いる結晶がＹＡＧ，ＹＳＧＧ，ＹＳＡＧ，ＧＳＧＧ，ＧＧＧなどのガーネット系、ＹＶＯ₄などのバナデート系、ＫＹＷ，ＫＧＷなどのタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系であることを特徴とするレーザー装置。
請求項６記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるＹｂ³⁺イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群²Ｆ_7/3よりレーザー上準位である、²Ｆ_5/2に遷移させる波長で励起することを特徴とするレーザー装置。
請求項６記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるＹｂ³⁺イオンを添加したＹＡＧに関して励起する波長として、中心波長９４０ｎｍ前後または９７０ｎｍ前後を含むスペクトル幅の光源で励起することを特徴とするレーザー装置。
請求項１０又は１１記載のレーザー装置において、前記励起光源として、９３０ｎｍから９９０ｎｍの波長領域の半導体レーザー（ダイオードレーザー）または発光ダイオードを用いることを特徴とするレーザー装置。