JP3967276B2

JP3967276B2 - 端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュール

Info

Publication number: JP3967276B2
Application number: JP2003060738A
Authority: JP
Inventors: 栄川戸; 喬郎小林
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: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004273649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー装置に係り、特に、端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、かかる端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールとしては、以下に開示するようなものがあった。
【０００３】
図８は従来のレーザー利得モジュールの構成図、図９は図８のＡ部拡大模式図である。
【０００４】
これらの図において、１０１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、１０２は微細ロッド形状のレーザー結晶（以下、単にレーザー結晶という）、１０３はヒートシンク、１０４は金フィルム、１０５はレーザービーム、１１１は第１のレーザーダイオード（ＬＤ）、１１２は光ファイバ、１１３はレンズ、１１４はレーザー結晶１０２のレーザービーム１０５の出射側に斜め方向から入射する励起光、１２１は第２のレーザーダイオード（ＬＤ）、１２２は光ファイバ、１２３はレンズ、１２４はレーザー結晶１０２のレーザビーム１０５のもう一方側に斜め方向から入射する励起光である。
【０００５】
これらの図に示すように、従来のレーザー利得モジュールでは、励起光１１４，１２４をレーザー結晶１０２の両端面に対し斜め方向に入射し、レーザー結晶１０２中での励起光１１４，１２４の伝搬距離を伸ばし、レーザー結晶１０２の内側面で多重反射させて、励起光１１４，１２４の強度分布の均一化を行う。
【０００６】
レーザー結晶１０２の内側面で励起光１１４，１２４を反射させるためには、誘電体の全反射膜、高反射膜や、反射率の高い金属である金や銀などのコーティングやフィルム１０４などを用いる。このとき、非常に長くて厚みが薄いレーザー結晶１０２を用いることにより、常温でのレーザーの高効率動作が可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般的なレーザーである４準位レーザーは、レーザー結晶中のレーザーイオンの数が少なすぎると、励起光の吸収効率が低下するため、励起光からレーザー出力光への変換効率が悪くなる。しかし、準４準位レーザーは、４準位レーザーと異なり、レーザー下準位の分布がゼロではなく、レーザーイオンの数が多いと損失が増える。このため、準４準位レーザーの場合、効率を上げるにはレーザーイオン数を最適にする必要がある。
【０００８】
同様の理由により、励起パワー密度を上げなければ下準位分布を上回る上準位分布を得ることは出来ないため、高効率動作は難しく、また、励起密度を高くすると熱レンズ効果が高くなり、レーザー結晶の温度が上昇する。更には、レーザー結晶の温度上昇によりレーザー下準位分布が増大するために効率が低下する。このため、高効率動作のためには冷却効率を高くする必要がある。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、準４準位レーザーの高出力かつ高効率動作に必要な高励起密度と高冷却効率を達成することができる端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【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〕端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールにおいて、微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（１２）の第１の端面に１個の励起光装置（１５）からの連続波である励起光を放物面鏡（１６）又は球面鏡を介して照射するとともに、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（１２）の第２の端面に折り返しミラー（１４）を配置し、この折り返しミラー（１４）より戻ってきた励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（１２）の内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡（１６）又は球面鏡で平行光線にし、この平行光線を更に平面鏡（１７）で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールにおいて、前記折り返しミラー（１４）に代えて、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（２２）の第２の端面側にも放物面鏡（２７）又は球面鏡及び平面鏡（２８，２９）を配置して、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（２２）における励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（２２）の両内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡（２５，２７）又は球面鏡で平行光線にし、この平行光線を平面鏡（２６，２８，２９）で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールにおいて、前記折り返しミラー（１４）に代えて、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（３２）の第２の端面側にも第２の励起光装置（３７）からの連続波である励起光を放物面鏡（３８）又は球面鏡及び平面鏡（３９）を介して照射する手段を配置して、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（３２）における励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶（３２）の両内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡（３５，３８）又は球面鏡で平行光線にし、この平行光線を平面鏡（３６，３９）で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、準４準位レーザーの問題を以下のようにして克服する。
【００１４】
（１）結晶長が長く、結晶の厚みが非常に薄く、レーザーイオン濃度が薄い、ロッド（又はスラブ）型のレーザー利得モジュールとする。
【００１５】
レーザー結晶の冷却効率を上げるために、冷却方向の結晶の厚みを薄く、結晶の体積に対して冷却面積を広く、レーザーイオン濃度を薄くする。
【００１６】
（２）斜め入射多重光路励起
上記の結晶長が長く、結晶の厚みが非常に薄く、イオン濃度の薄い結晶を高密度に励起するために、両端面励起を行う。更には、結晶中のイオン数を増やさずに励起光を効率よく吸収させるために、
（ｉ）斜め励起を行い、励起光の伝搬距離を増やす。
【００１７】
（ii）多重光路励起を行い、励起光の伝搬距離を増やす。
【００１８】
（３）多重反射励起による励起光強度分布の均一化
一般に、固体レーザー励起用の高出力レーザーダイオードは出力レーザービームの強度分布が歪んでおり、そのまま集光して励起すると、励起光の強度分布が歪むため、レーザーの効率やレーザー光のビーム品質が下がってしまう。この問題を解決するため、励起光を結晶に入射させた後、レーザー結晶内側面で多重反射させ、励起光の強度分布を均一にする。
【００１９】
なお、本発明では、折り返しミラー（図１、図２および図５に示す折り返しミラーを除く）は、ルーフミラー（ミラー２枚を９０度に合わせて、反射光を丁度入射光の方向へ返すミラー）やコーナーキューブミラー（ミラー３枚をそれぞれ１２０度に合わせて、反射光を丁度入射光の方向へ返すミラー）を含むものである（以下の実施例においても同様）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１参考例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００２２】
この図において、１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、２は微細ロッド（ｔｈｉｎ−ｒｏｄ）形状の準４準位レーザー結晶（以下、単にレーザー結晶）、３はヒートシンク、４は折り返しミラー、５は第１の励起光装置であり、この第１の励起光装置５は、第１のレーザーダイオード（ＬＤ）５Ａ、レンズ５Ｂ、第１の励起光５Ｃからなる。また、６は第２の励起光装置であり、この第２の励起光装置６は、第２のレーザーダイオード（ＬＤ）６Ａ、レンズ６Ｂ、第２の励起光６Ｃからなる。また、７はレーザービームである。
【００２３】
このように、第１、第２の励起光５Ｃ，６Ｃをレーザー結晶２の第１の端面に斜め入射させ、入射側と反対側の第２の端面に配置した折り返しミラー４で折り返し、２重光路（２重パス）で励起する。
【００２４】
このように構成したので、斜め入射される第１，第２の励起光５Ｃ，６Ｃの吸収に必要とされるレーザーイオンの数が半分ですむため、レーザー発振の閾値が半分になり、従来よりも高効率動作が可能となる。
【００２５】
その場合、結晶長が長く、結晶の厚みが非常に薄く、レーザーイオン濃度が薄い、ロッド（又はスラブ）型のレーザー利得モジュールとすると効果的である。
【００２６】
また、レーザー結晶の冷却効率を上げるために、冷却方向の結晶の厚みを薄く、結晶の体積に対して冷却面積を広く、レーザーイオン濃度を薄くすることが望ましい。
【００２７】
この第１参考例では、斜め励起を行うようにしたので、励起光の伝搬距離を増やすことができる。また、多重光路励起を行うようにしたので、更に、励起光の伝搬距離を増やすことができる。
【００２８】
図２は本発明の第１実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００２９】
この実施例では、非常に結晶の厚みが薄く、結晶長が長く、イオン濃度の薄い結晶を斜め入射多重光路励起を行う。
【００３０】
この図において、１１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、１２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、１３はヒートシンク、１４は折り返しミラー、１５は励起光装置であり、この励起光装置１５は、レーザーダイオード（ＬＤ）１５Ａ、レンズ１５Ｂ、励起光１５Ｃからなる。また、１６は放物面鏡（または球面鏡でもよい）、１７は平面鏡、１８はレーザービームである。
【００３１】
そこで、励起光１５Ｃを放物面鏡（または球面鏡）１６で反射させてレーザー結晶１２の第１の端面に集光して入射させ、入射側と反対側の第２の端面に配置した折り返しミラー１４で折り返す。戻ってきた励起光１５Ｃは、レーザー結晶１２内側面での多重反射により大きく広がるため、これをまた放物面鏡１６で平行光線にし、この平行光線を平面鏡１７で折り返せば、多重光路（２重パス）を形成させることが可能になる。このとき、戻り光は大きく広がっているため、レーザーダイオード１５Ａへの戻り光は少ない。もし無視できないほど多いとしても、光アイソレータなどを用いれば問題はない。
【００３２】
このように、この実施例によれば、励起光１５Ｃの多重光路を形成することができるので、効率をさらに上げることができる。
【００３３】
また、このように、斜め励起を行うことで、結晶中のイオン数を増やさずに励起光を効率よく吸収できるため、励起光の伝搬距離を増やすことができる。更に、多重光路励起を行うようにしたので、励起光の伝搬距離を増やすことができる。また、励起光を結晶に入射させた後、折り返しミラーに反射して戻ってきた励起光を結晶内側面で多重反射させるようにしたので、励起光の強度分布を均一化することができる。
【００３４】
図３は本発明の第２実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００３５】
この図において、２１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、２２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、２３はヒートシンク、２４は励起光装置であり、この励起光装置２４は、レーザーダイオード（ＬＤ）２４Ａ、レンズ２４Ｂ、励起光２４Ｃからなる。また、２５は第１の放物面鏡（または球面鏡でもよい）、２６，２８，２９は平面鏡、２７は第２の放物面鏡（または球面鏡でもよい）、３０はレーザービームである。
【００３６】
この実施例では、第１実施例（図２）の作用効果を奏するとともに、その第１実施例に比べて、レーザー結晶２２の入射側と反対側の端面の励起光の折り返しミラーが不要であるため、この利得モジュールを使ったレーザー発振器又は増幅器の設計に自由度が増え、様々な構成に利用できる。
【００３７】
図４は本発明の第３実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００３８】
この図において、３１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、３２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、３３はヒートシンク、３４は第１の励起光装置であり、この第１の励起光装置３４はレーザーダイオード（ＬＤ）３４Ａ、レンズ３４Ｂ、励起光３４Ｃからなる。また、３５は第１の放物面鏡（または球面鏡でもよい）、３６，３９は平面鏡、３７は第２の励起光装置であり、この第２の励起光装置３７はレーザーダイオード３７Ａ、レンズ３７Ｂ、励起光３７Ｃからなる。３８は第２の放物面鏡（または球面鏡でもよい）、４０はレーザービームである。
【００３９】
このように第３実施例では、レーザー結晶３２は両端面より励起される構成としたので、第２実施例（図３）の作用効果を奏するとともに、第２実施例をさらに発展させることができる。
【００４０】
また、本発明の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールは、図５〜図７に示すように、光路の途中にレンズを組み込むように構成してもよい。
【００４１】
図５は本発明の第２参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００４２】
この図において、４１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、４２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、４３はヒートシンク、４４は折り返しミラー、４５は励起光装置であり、この励起光装置４５はレーザーダイオード（ＬＤ）４５Ａ、レンズ４５Ｂ、励起光４５Ｃからなる。また、４６はレンズ、４７はミラー又はルーフリフレクター、４８はレーザービームである。
【００４３】
図６は本発明の第３参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００４４】
この図において、５１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、５２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、５３はヒートシンク、５４は励起光装置であり、この励起光装置５４はレーザーダイオード（ＬＤ）５４Ａ、レンズ５４Ｂ、励起光５４Ｃからなる。また、５５，５７はレンズ、５６，５８はミラー又はルーフリフレクターである。
【００４５】
図７は本発明の第４参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【００４６】
この図において、６１はレーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置、６２は微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶、６３はヒートシンク、６４は第１の励起光装置であり、この第１の励起光装置６４はレーザーダイオード（ＬＤ）６４Ａ、レンズ６４Ｂ、励起光６４Ｃからなる。また、６５はレンズ、６６はミラー又はルーフリフレクター、６７は第２の励起光装置であり、この第２の励起光装置６７はレーザーダイオード（ＬＤ）６７Ａ、レンズ６７Ｂ、励起光６７Ｃからなる。また、６８はレンズ、６９はミラー又はルーフリフレクター、７０はレーザービームである。
【００４７】
これらの方式は、ロッド型、スラブ型レーザー結晶の励起を中心に考えたものであるが、ディスク型レーザーの励起にも用いることが可能であり、汎用性が非常に高い。また、これらの方式は側面励起の場合にも応用することができる。
【００４８】
従来の方式では、準４準位レーザーを側面励起する場合、レーザー結晶に励起光を効率よく吸収させるためにはイオン数を多くしなければならず、発振閾値が上がり効率が低下するため、パルス励起を行わなければ高効率動作は難しかった。しかしながら、本発明による多重パス励起を行えば、励起光を吸収させるのに必要なイオン数を劇的に減らし、発振閾値を下げることが可能であるため、１ｋＷを超える高出力レーザー用の利得モジュールの高効率化も可能である。
【００４９】
上記した本発明の実施例及び参考例では、励起光をレーザー結晶端面または内側面に集光し、レーザー結晶端面又は内側面から出てきた励起光をコリメートするために、レーザー結晶から焦点距離の位置に放物面鏡、球面鏡又はレンズを設置したが、その代わりに焦点距離の２倍の位置に放物面鏡、球面鏡又はレンズを設置すれば、その代用も可能である。
【００５０】
また、レーザー結晶の構造としては、ロッド型、スラブ型、及びレーザーイオンを添加した結晶とレーザーイオンを添加しない結晶を組み合わせたコアドープ型の結晶でどれも適用可能である。一般に、コアドープ型の結晶を用いると、励起光とレーザー光のモードマッチング効率を上げる一方、励起光の吸収効率が悪くなるという問題点があるが、本発明のように多重パス励起にすることにより、励起光の吸収効率の低下を補うことができる。
【００５１】
本発明によれば、高平均出力のナノ秒からフェムト秒域のパルスレーザーの性能や信頼性が従来に比べ非常に高くなるため、レーザーの低価格化が進み、高出力レーザーの産業応用が促進される。このため、レーザープロセシングやレーザー微細加工など、新しい製造技術を産業化し、これからの社会を支えるシーズ技術となる。
【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、次のような効果を奏することができる。
【００５４】
（１）両端面励起により、非常に結晶の厚みが薄く、結晶長が長く、イオン濃度の薄い結晶を高密度に励起することができる。更には、結晶中のイオン数を増やさずに励起光を効率よく吸収させるために、斜め励起させるようにしたので、励起光の伝搬距離を増やすことができる。また、多重光路励起を行うようにしたので、更に、励起光の伝搬距離を増やすことができる。
【００５５】
（２）多重反射励起により励起光強度分布の均一化を図ることができる。すなわち、一般に、固体レーザー励起用の高出力レーザーダイオードは出力レーザービームの強度分布が歪んでおり、そのまま集光して励起すると、励起光の強度分布も歪んでしまい、レーザーの効率やレーザー光のビーム品質を下げる。しかし、本発明によれば、励起光を結晶に入射させた後、結晶内側面で多重反射させることで、励起光の強度分布を均一にすることができる。
【００５６】
（３）従来に比べ、低濃度で細長い結晶を用いるため、冷却効率に優れ、結晶の温度上昇による利得の低下が少ない。励起光の吸収長を非常に長く取れるため、励起効率が高い。また、利得長を長く取れるため利得が高く、レーザー共振器及び増幅器内部の損失が大きくとも効率的に動作させることが可能である。
【００５７】
また、ファイバレーザーに比べ桁違いに断面積が大きいため、１０ｍＪを超す高いパルスエネルギーと１０ＭＷ以上の高いピーク出力を得ることも可能であり、パルスレーザーの高平均出力化及び高エネルギー化が容易になる。
【００５８】
（４）一般に、準４準位レーザーの場合、レーザー下準位の分布があるため、高効率動作のためには高密度励起が必要である。このため、レーザー結晶内部のレーザービームが通る断面積を小さくする必要があるため、１パルスあたりのエネルギーをあげることが困難である。これに対して、本発明の多重パス励起を用いれば、レーザー下準位損失を減らすことができる。このため、励起密度を下げても高効率動作が可能になり、レーザービームが通る断面積を大きくすることができ、１パルスあたりのエネルギーをあげることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１参考例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図５】本発明の第２参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図６】本発明の第３参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図７】本発明の第４参考例を示す光路の途中にレンズを組み込んだ端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図８】従来の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールの構成図である。
【図９】図５のＡ部拡大模式図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１，５１，６１レーザー結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）装置
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２微細ロッド形状の準４準位レーザー結晶
３，１３，２３，３３，４３，５３，６３ヒートシンク
４，１４，４４折り返しミラー
５，３４，６４第１の励起光装置
５Ａ第１のレーザーダイオード（ＬＤ）
５Ｂ，６Ｂ，１５Ｂ，２４Ｂ，３４Ｂ，３７Ｂ，４５Ｂ，４６，５４Ｂ，５５，５７，６４Ｂ，６５，６７Ｂ，６８レンズ
５Ｃ第１の励起光
６，３７，６７第２の励起光装置
６Ａ第２のレーザーダイオード（ＬＤ）
６Ｃ第２の励起光
７，１８，３０，４０，４８，５９，７０レーザービーム
１５，２４，４５，５４励起光装置
１５Ａ，２４Ａ，３４Ａ，３７Ａ，４５Ａ，５４Ａ，６４Ａ，６７Ａレーザーダイオード（ＬＤ）
１５Ｃ，２４Ｃ，３４Ｃ，３７Ｃ，４５Ｃ，５４Ｃ，６４Ｃ，６７Ｃ励起光
１６放物面鏡（または球面鏡でもよい）
１７平面鏡
２５，３５第１の放物面鏡（または球面鏡でもよい）
２６，２８，２９，３６，３９平面鏡
２７，３８第２の放物面鏡（または球面鏡でもよい）
４７，５６，５８，６６，６９ミラー又はルーフリフレクター

Claims

微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の第１の端面に１個の励起光装置からの連続波である励起光を放物面鏡又は球面鏡を介して照射するとともに、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の第２の端面に折り返しミラーを配置し、該折り返しミラーより戻ってきた励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡又は球面鏡で平行光線にし、該平行光線を更に平面鏡で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュール。
請求項１記載の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールにおいて、前記折り返しミラーに代えて、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の第２の端面側にも放物面鏡又は球面鏡及び平面鏡を配置して、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶における励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の両内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡又は球面鏡で平行光線にし、該平行光線を平面鏡で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュール。
請求項１記載の端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュールにおいて、前記折り返しミラーに代えて、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の第２の端面側にも第２の励起光装置からの連続波である励起光を放物面鏡又は球面鏡及び平面鏡を介して照射する手段を配置して、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶における励起光を、前記微細なロッド形状の準４準位レーザー結晶の両内側面での多重反射により大きく広げて、前記放物面鏡又は球面鏡で平行光線にし、該平行光線を平面鏡で折り返し、多重光路を形成させることを特徴とする端面励起微細ロッド型レーザー利得モジュール。