JP4231829B2 - 内部共振器型和周波混合レーザ - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザに関し、非線形光学結晶を使用してレーザ発振波長を変換するレーザで、特に２種のレーザ発振の和周波混合を共振器内で行うことにより可視光領域の波長のレーザ光を発生する内部共振器型和周波レーザに関する。

波長が可視領域で小出力、例えば１ｍＷから１００ｍＷ程度のレーザは、最近の十数年で気体レーザから半導体レーザや半導体レーザ励起固体レーザへの置き換えが進みつつある。波長が４００ｎｍ〜４４０ｎｍの領域ではＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の半導体レーザが、そして波長６３０ｎｍ以上ではＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系の半導体レーザが使用さてきている。

この間の波長領域を埋める方式として、半導体レーザ励起固体レーザの内部共振器型第２高調波発生によって近赤外レーザ光を可視光領域の波長のレーザ光に変換し出力するレーザがある。この種のレーザに用いられるレーザ結晶の種類と波長変換前後の波長を次に示す。
Ｎｄ：ＹＶＯ_４、９１４ｎｍ → ４５７ｎｍ
Ｎｄ：ＹＡＧ、９４６ｎｍ → ４７３ｎｍ
Ｎｄ：ＹＬＦ、１０４７ｎｍ → ５２３ｎｍ
Ｎｄ：ＹＡＧ、１０６４ｎｍ → ５３２ｎｍ
Ｎｄ：ＹＶＯ_４、１０６４ｎｍ → ５３２ｎｍ
Ｎｄ：ＹＡＧ、１１１２ｎｍ →５５６ｎｍ

このように内部共振器型第２高調波発生をおこなう半導体レーザ励起固体レーザが、半導体レーザでは出せない波長を補っている。しかしながら、波長５００ｎｍ近辺と波長５９０ｎｍ近辺の領域が大きく開いている。さらにこの付近の波長を発生する方式として、次の文献例や特許例がある。
米国特許第５、３４５、４５７号公報 米国特許第５、８０２、０８６号公報

参考文献１＿＿Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ２００３， ＣＷＣ６， “Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ−ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ ｃｒｙｓｔａｌ．”

参考文献１では、面発光型の半導体レーザの出力側の反射鏡を半導体素子の外部に独立に設け、半導体素子と外部に設けた反射鏡の間でレーザ共振器を構成し波長約９８０ｎｍで発振させ、その共振器内に非線形光学素子を配置して内部共振器型第２高調波発生をおこない波長４８９ｎｍのレーザ光を発生させている。

特許文献１に示されている内部共振器型和周波混合レーザでは、２つのＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いて、それぞれのＮｄ：ＹＡＧ結晶に波長１０６４ｎｍと波長１３１８ｎｍを発振させ、２つのレーザ共振器の共通の光路上に非線形結晶を配置して波長５８９ｎｍの和周波光を発生させている。このレーザの２つのレーザ共振器は一部が共通の光路をもつものの、レーザ共振器の分岐した部分に２つのＮｄ：ＹＡＧ結晶を配置して、それぞれの結晶をフラッシュランプによって励起している。

特許文献２に示されている内部共振器型和周波混合レーザでは、１つのＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を用い、さらに１つの半導体レーザを使用してＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を励起し、同じ共振器内で波長１０６４ｎｍと波長１３４２ｎｍを同時に発振させ、共振器内に設けた非線形光学結晶により和周波混合をおこない波長５９４ｎｍのレーザ光を発生させている。

参考文献１に示される面発光型の半導体レーザの内部共振器型第２高調波発生によるレーザでは、半導体素子の発振波長が約１０００ｎｍになるように設計し、波長変換用の結晶を適切なものに替えれば、波長約５００ｎｍのレーザ光を発生することは可能であるが、半導体素子を使用する以上、波長の個体差が大きくなるという問題がある。

導波路型波長変換素子を使用し、半導体レーザ光を波長変換する方法もあり、広く試みられてきているが、この方式によれば、波長１０００ｎｍ付近の半導体レーザを波長約５００ｎｍのレーザ光に変換することは可能であるが、半導体レーザの性質上、やはり波長の個体差が大きくなるという問題がある。

特許文献１に示されている内部共振器型和周波混合レーザでは、２つの共振器の分岐した部分に２つのＮｄ：ＹＡＧ結晶を１個づつ配置してあるので、励起光源をフラッシュランプから適切なパワーの半導体レーザに替えたとしても、励起光源が２つ必要であることには変わりなく、また、複雑な共振器構成であることから、小型化が難しく、また生産コストが高くなるという問題がある。

特許文献２に示されている内部共振器型和周波混合をおこなう半導体レーザ励起固体レーザでは、使用するレーザ結晶や半導体レーザがそれぞれ１個で、非常に単純な構造で小型化や生産コストの低減が可能な方式である。しかし、２つの発振波長のうち、発振が強く起こる波長１０６４ｎｍに対して損失を与えるような特性を、共振器を構成する反射鏡にもたせることが必要なため、高い効率は望めないと推測される。

本発明は、これらの問題を克服し、内部共振器型和周波混合をおこなう半導体レーザ励起固体レーザで、５００ｎｍ近辺や５９０ｎｍ近辺の波長のレーザ光を発生し、しかもその波長変動や波長の個体差が小さく、また小型化が可能で、生産コストを低く抑えられるレーザ装置を提供することを目的とする。

Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ：Ｙ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２、ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザは、波長９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１８ｎｍなどで発振することが知られている。また、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウム添加バナジン酸イットリウム）は波長９１４ｎｍ、１０６４、１３４２ｎｍなどで発振することが知られている。
これらのレーザ波長のうち波長９４６ｎｍと１０６４ｎｍとから、非線形光学結晶を使用して和周波混合をおこなうことにより、波長が５０１ｎｍのレーザ光が得られるのは容易に推測できる。

また、波長１３１８ｎｍと１０６４ｎｍとのレーザ光から、前記特許文献１と同様に、非線形光学結晶を使用して和周波混合をおこなうことにより、波長が約５８９ｎｍのレーザ光がえられることが容易にわかる。また、波長１３４２ｎｍと１０６４ｎｍとのレーザとから、前記特許文献２と同様に、非線形光学結晶を使用して和周波混合をおこなうことにより、波長が約５９４ｎｍのレーザ光がえられることが容易にわかる。

これらの和周波混合は、２つの基本波を発生させるのに結晶性の媒質に希土類イオンのレーザ遷移を利用するので、２つのレーザの発振波長の個体差は通常０．１ｎｍに満たない値となる。そのため、和周波混合によって得られるレーザ光の波長の個体差も０．１ｎｍ未満となる。

以上に示す、レーザ波長の組合せの和周波混合により、目的とする波長５００ｎｍ近辺と波長５９０ｎｍ近辺のレーザ光を発生させることが可能で、また、そのレーザ波長の個体差が小さいという特徴を持ち合わせることが可能となる。

しかしながら、少なくとも連続動作では、これらの波長の組合せのレーザを使用してそれぞれの出力光を、非線形光学結晶に集光して照射して和周波混合をおこなっても、実用的な出力は得られない。

実用的な効率や出力を得るために、２つの波長でそれぞれ発振する２つのレーザ共振器に共通の光路を設け、この共通の光路上に非線形結晶を配置して２つの波長の和周波となる新たな波長のレーザ光を発生させる内部共振器型和周波混合を行えば、レーザ発振光の共振器内部パワーが非常に高くなる特性を利用して、格段によい変換効率が達成でき、実用的な出力が得られる。

この特徴を利用した、本発明の内部共振器型和周波混合レーザについて、図３を参照しながら参照しながら説明する。

まず、第１の反射鏡５、第１のレーザ結晶１１、第２の反射鏡６、第２のレーザ結晶１２、非線形光学結晶１３、第３の反射鏡７が、順に直線上に並べて配置してある。

第１の反射鏡５は第１のレーザ結晶１１の１面にコーティングによって設けた誘電体多層膜であってもよいし、ガラス板や結晶板の上に誘電体多層膜を設けたものでもよい。また、第１の反射鏡５がガラス板や結晶板の上に誘電体多層膜を設けたものである場合、必ずしも第１のレーザ結晶１１に密着あるいは近接している必要はなく、離れていてもよい。

第２の反射鏡６は第２のレーザ結晶１２の１面に設けた誘電体多層膜であってもよいし、ガラス板や結晶板の上に誘電体多層膜を設けたものでもよい。また、第２の反射鏡６がガラス板や結晶板の上に誘電体多層膜を設けたものである場合、かならずしも第２のレーザ結晶１２に密着あるいは近接している必要はなく、離れていてもよい。

第１のレーザ結晶１１は第１の波長で発振するものを使用し、また第２のレーザ結晶１２は第２の波長で発振するものを使用する。ここで、第１の波長と第２の波長とは異なるものとする。

第１の反射鏡５、第２の反射鏡６、第３の反射鏡７の反射率は以下の表１に示す波長特性を持たせる。

第３の反射鏡７は反射面を凹面としその曲率半径を、この反射鏡と第１の反射鏡５と第２の反射鏡６のどちらの反射鏡との間でも安定共振器を形成できる値とする。

第１の反射鏡５と第３の反射鏡７の間で第１のレーザ結晶の誘導放出遷移を利用して第１の波長で発振するレーザ共振器を形成し、また、第２の反射鏡６と第３の反射鏡７の間で第２のレーザ結晶の誘導放出遷移を利用して第２の波長で発振するレーザ共振器を形成する。２つのレーザ共振器の共通の光路上に配置する非線形光学結晶１３は、第１の波長と第２の波長に対して和周波混合により第３の波長を発生可能なもので、この非線形光学結晶１３によって第３の波長をもつ和周波の出力光１６を発生させることができる。

第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２の材料を選択するときには、所望の和周波光を得るのに必要な波長で発振が可能であることは当然のことながら、少なくとも次の３つの条件を満たす必要がある。

その一つは、第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２は、一つの半導体レーザからの励起光を分配して２つのレーザ結晶を励起できるよう、同じ波長で励起が可能な材料であることである。

次の条件は、第１のレーザ結晶１１は第２のレーザ波長で誘導放出が可能な結晶であってもよいが、少なくとも、第２のレーザ結晶１２は第１の波長においては誘導放出遷移や吸収遷移をもたない材料を選択する必要なことである。これは、第２のレーザ結晶１２が第１の波長においてにおいて吸収遷移がある場合、第２のレーザ結晶が第１の反射鏡５と第２の反射鏡６の間に形成された第１の波長で発振する第１のレーザ共振器に共振器損失を与えることになるので、第１の共振器の内部パワーが十分に上がらず十分な和周波混合が起こらなくなるからである。また、第２のレーザ結晶１２が第１の波長において誘導放出遷移が可能な場合、第１の波長のレーザ光が第２のレーザ結晶１２を通過することで、第２のレーザ結晶１２では第１の波長において誘導放出が起こり、第２の波長で誘導放出がまったく起こらないか弱くなり、和周波混合が十分に起こらなくなるためである。

３つめの条件として、第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２の両方あるいはどちらか一方の吸収係数が大きく、２つの結晶の合計の長さが１ｍｍから３ｍｍ程度で励起光の大半を、たとえば８０％以上を吸収できることが必要である。

半導体レーザ１は第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２の両方を励起可能な波長をもつものとする。そして半導体レーザ１からの励起光１５を集光光学系１４によって集光し、第１のレーザ結晶１と第２のレーザ結晶１２を同軸上に１方向から励起する。第１のレーザ結晶１では半導体レーザ１１からの励起光１５の一部を吸収し、第１のレーザ結晶１１を透過した励起光１５を第２のレーザ結晶１２が吸収する。２つのレーザ結晶に与える励起光１５の分配比は、第１のレーザ結晶１１の厚さによって調整する。

一つの半導体レーザ１１からの励起光１５が集光光学系１４によって集光された位置に、第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２の両方が配置されていなくてはならないので、この２つのレーザ結晶は密着させるか、例えば間隔が０．５ｍｍ以内となるように近接させる必要がある。

また、図３に示す構成では第２の反射鏡６を第２のレーザ結晶１２の第１のレーザ結晶１１に近い面上に設けている。この構成では、第１の反射鏡５と第３の反射鏡７の間の光学的な調整と、第２の反射鏡６と第３の反射鏡７の間の光学的な調整をおこなう必要がある。そのため、第３の反射鏡７の位置や向きを調整することはやむを得ないとしても、第１の反射鏡５か第２の反射鏡６の少なくとも一方の向きを調整する必要がある。

この光学調整を容易にするためには図４に示すように、第１のレーザ結晶１１の、レーザ光が通過する２面の平行度を良くしておき、第２の反射鏡６を、第１の結晶の表面上に設ければよい。この場合でも、第２の反射鏡６の反射率の波長特性は、表１に示されるとおりとする。こうすることにより、仮に第２のレーザ結晶１２が第１のレーザ結晶１１に対して大きく傾いる場合にでも、第１のレーザ結晶１１と第３の反射鏡7の間の相対的な位置を調整するだけで容易に光学的な調整をおこなうことができる。

以上、図３をもとにした説明では、レーザ共振器を構成する光学素子は直線状に配置して、第３の反射鏡７から出力光１６となる和周波光を取り出しているが、新たに第４の反射鏡を第２のレーザ結晶１２と非線形光学結晶１３の間の光路に入れて、第１の共振器、第２の共振器ともにＶ字型の共振器とし、和周波光を第４の反射鏡から取り出す構成としてもよい。

また、第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２を、第１のレーザ結晶１のある側から励起しているが、反対側から励起しても同様に一つの励起光源により励起が可能である。

本発明によれば、半導体レーザや半導体レーザ励起固体レーザの内部共振器型第２高調波発生では得にくかった波長が約５００ｎｍ近辺や波長５９０ｎｍ近辺で、その波長の個体差が小さいという特徴を持ったレーザを、小型でかつ生産コストを抑えることが可能な構成で実現できる。

図１を参照しながら実施例１について説明する。

半導体レーザ１は、波長が８０８ｎｍで、最大出力が２Ｗ、そして活性領域の幅が１００μｍである。また、半導体レーザ１は出力光の電界方向が接合面と平行となるＴＥモードで発振するもので、出力光の電界が紙面と平行となるように配置してある。この半導体レーザ１の出力光がレーザ結晶を励起する励起光１５となる。励起光１５はレンズ２、シリンドリカルレンズ３、シリンドリカルレンズ４によって集光される。

レンズ２は焦点距離が８ｍｍの非球面レンズであり、これによって半導体レーザ１から出た直後の励起光１５のビーム拡がり角を小さくする。シリンドリカルレンズ２は焦点距離が１９ｍｍで、励起光１５の紙面に対して垂直方向の広がる成分を集光する。シリンドリカルレンズ３は焦点距離が７.７ｍｍで、励起光１５の紙面に平行な方向の広がる成分を集光する。これらのレンズやシリンドリカルレンズの位置を適切に調整することにより、半導体レーザから約３２ｍｍの位置において励起光１５は集光され、そのビーム断面サイズは、約２ｍｍの長さにわたって０．２ｍｍ×０．２ｍｍ以下となる。

レーザ共振器は、図１に示すように、第１の反射鏡５、第１のレーザ結晶として使用するＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Ｎｄ：Ｙ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２）結晶８、第２の反射鏡６、第２のレーザ結晶として使用するＮｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウム添加バナジン酸イットリウム）結晶９、ＫＴＰ（チタン酸リン酸カリウム、ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶１０、第３の反射鏡７が、励起光１５の伝播する方向に順に直線状に並べて配置してある。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９は、励起光１５が集光する位置に配置してある。

Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８は、ネオジウムイオンの濃度が１原子％で、また光軸方向の長さは、１．５ｍｍである。波長８０８ｎｍの励起光１５に対して、このＮｄ：ＹＡＧ結晶８の吸収係数は約６ｃｍ^−１となる。そのためＮｄ：ＹＡＧは入射する半導体レーザ１光の約６０％を吸収する。このＮｄ：ＹＡＧは波長９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１８ｎｍなどで発振が可能なレーザ結晶であるが、第１の実施例では反射鏡の反射率に適切な波長特性を持たせることにより波長９４６ｎｍにおいてのみ発振させる。なお、Ｎｄ：ＹＡＧは等方性の結晶なので、発振光の電界ベクトルは紙面に平行な成分と垂直な成分の両方を持つ。

Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８の、半導体レーザ１光が最初に入射する面の上には誘電体多層膜をコーティングによって第１の反射鏡５が設けてある。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８において第１の反射鏡５を設けた面の反対側の面上には、誘電体多層膜をコーティングによって設けた第２の反射鏡６を設けてある。

第２の固体レーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウム添加バナジン酸イットリウム）結晶９を使用しており、光軸方向の長さは１ｍｍで、またネオジウムの濃度は１原子％で、またａ軸カットである。このＮｄ：ＹＶＯ_４は波長９１４ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３４２ｎｍなどで発振が可能なレーザ結晶であるが、実施例１では反射鏡の反射率に適切な波長特性を持たせることにより波長１０６４ｎｍにおいてのみ発振させる。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９は、そのｃ軸と励起光１５の電界ベクトル方向とが平行になるように配置してある。波長８０８ｎｍの励起光１５に対して、このＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９の吸収係数は約３０ｃｍ^−１となる。 Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８で吸収されなかった励起光１５の約９５％を吸収する。Ｎｄ：ＹＶＯ_４はａ軸カットのものを使用し、特に偏光制御をしない場合、電界ベクトルがｃ軸に平行となるπ偏光で発振するので、実施例１では発振光の電界ベクトルは紙面に平行となる。

なお、第２の固体レーザ結晶とするＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９は、第１の波長の９４６ｎｍに対して誘導放出遷移や吸収遷移を持たないために、第１の波長９４６ｎｍのレーザ発振を妨げたり、あるいは第１の波長９４６ｎｍのレーザ光によって第２の波長の１０６４ｎｍの発振が妨げられたりすることはない。

第３の反射鏡７は、石英ガラスの凹面に誘電体多層膜のコーティングを施したもので、その反射面の局率半径は１００ｍｍとなっている。そして第１の反射鏡５と第３の反射鏡７の距離が約２０ｍｍ、第２の反射鏡６と第３の反射鏡７の距離が約１８ｍｍとなるように配置してある。

第１の反射鏡５、第２の反射鏡６、第３の反射鏡７の反射率の波長特性は以下の表２に示すようにしてある。

第１の反射鏡５と第３の反射鏡７は波長９４６ｎｍにおいて９９．５％以上の高い反射率をもち、この２つの反射鏡の間で第１のレーザ共振器を形成し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８の誘導放出を利用して第１の波長９４６ｎｍで発振する。第２の反射鏡６と第３の反射鏡７は波長１０６４ｎｍにおいて９９．５％以上の高い反射率をもち、この２つの反射鏡の間で第２のレーザ共振器を形成し、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９の誘導放出を利用して第２の波長１０６４ｎｍで発振する。両方の共振器は、どちらも共振器内のＴＥＭ_００のモード径が約０．２ｍｍとなる。

Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８は波長９４６ｎｍより１０６４ｎｍの方が誘導放出が強く、１０６４ｎｍの発振が生じやすい。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８のこの波長における発振を抑制するために、第１の反射鏡５の波長１０６４ｎｍにおける反射率を低く、具体的には、５０％以下になるようにしてある。

Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９は 波長１３１８ｎｍや１３４２ｎｍにも発振線をもち、これらの波長における発振を抑えるために第１の反射鏡５、第２の反射鏡６、第３の反射鏡７は波長１．３μｍにおける反射率が５０％以下となるようにしてある。

なお、光学調整を容易にするために、第１の反射鏡５と第２の反射鏡６が誘電体多層膜によって設けられたＮｄ：ＹＡＧ結晶８の２面は、その平行度が１５秒以内となるようにしてある。こうすることにより、第３の反射鏡７と第１の反射鏡５の間に形成される第１のレーザ共振器と、第３の反射鏡７と第２の反射鏡６の間に形成される第２のレーザ共振器を、第３の反射鏡７のみを調整することにより２つの共振器に対して同時に光学調整を行える。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９と第３の反射鏡７の間に配置するＫＴＰ結晶１０は、光軸方向の長さが５ｍｍで、結晶方位がおおよそ（θ、φ）＝（９０°、４５°）であり、ＫＴＰ結晶１０のｃ軸と平行な電界ベクトルをもつ波長９４６ｎｍのレーザ光と、ＫＴＰ結晶１０のｘｙ面と平行な電界ベクトルをもつ波長１０６４ｎｍのレーザ光に対して、和周波混合の位相整合が可能となり、波長５０１ｎｍのレーザ光を発生できる。

和周波混合の位相整合が可能となるようにＫＴＰ結晶１０はそのｘｙ面がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９のｃ軸と平行になるよう配置してある。

波長９４６ｎｍと波長１０６４ｎｍの２つの共振器の共通部分に非線形結晶を配置する場合、非線形結晶から和周波光が光軸の両方向に向かって発生する。第１の実施例では、波長５０１ｎｍのレーザ光はＫＴＰ結晶１０の光軸の両方向に発生する。第３の反射鏡７の方へ向かって発生した和周波光は、波長５０１ｎｍにおいて低反射となる第３の反射鏡７を通過し、出力光１６の一部として取り出される。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９の方に向かって発生した和周波光は、波長５０１ｎｍにおいて高反射となる第１の反射鏡５によって反射し、第３の反射鏡７を通過して残りの出力光１６となる。

実施例１では、半導体レーザ１の出力が１．５Ｗのときに１０ｍＷでＴＥＭ_００モードの波長５０１ｎｍの出力光１６が得られた。また、半導体レーザ１の出力が２Ｗのときに、マルチ横モードではあるが、３０ｍＷの出力光１６が得られた。

次に、図１を参照しながら実施例２について説明する。図１に示される構成は実施例１と同じであるが、次の点が異なる。

第１の異なる点は、第１の反射鏡５、第２の反射鏡６、第３の反射鏡７に以下の表３に示される反射率の波長特性をもたせたことある。

こうすることにより、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８の波長１３１８ｎｍの誘導放出遷移を利用して第１の反射鏡５と第３の反射鏡７の間で第１の波長とする１３１８ｎｍで発振する第１のレーザ共振器を形成する。また、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９の波長１０６４ｎｍの誘導放出遷移を利用して、第２の反射鏡６と第３の反射鏡７の間で第２の波長１０６４ｎｍで発振する第２のレーザ共振器を形成する。なお、第２の固体レーザ結晶とするＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９は、第１の波長の１３１８ｎｍに対して誘導放出遷移や吸収遷移を持たないために、第１の波長１３１８ｎｍのレーザ発振を妨げたり、あるいは第１の波長１３１８ｎｍによって第２の波長の１０６４ｎｍの発振が妨げられたりすることはない。

第２の異なる点は、ＫＴＰ結晶１０の結晶方位を、波長１３１８ｎｍと波長１０６４ｎｍの２つの基本波に対しての和周波混合が可能な（θ、φ）＝（７９．５°、０°）のものに変えてあり、そのｘｚ面がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶のｃ軸と直交するように配置したことである。以上の構成により、波長５８９ｎｍの出力光１６が得られた。

次に、図２を参照しながら実施例３について説明する。構成は実施例１、実施例２とほぼ同じであるが次の点で異なる。

第１の異なる点は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８とＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９の位置が入れ替わり、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９の光軸方向長さを０．３ｍｍとし、またＮｄ：ＹＡＧ結晶８の光軸方向長さを２ｍｍとしていることである。こうすることにより、励起光の約６０％がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶９で吸収され、通過した励起光の約７０％がＮｄ：ＹＡＧ結晶８において吸収される。
第２の異なる点は、第１の反射鏡５、第２の反射鏡、第３の反射鏡に以下の表４に示される反射率の波長特性をもたせた点である。

こうすることにより、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶９の波長１３４２ｎｍの誘導放出遷移を利用して第１の反射鏡５と第３の反射鏡７の間で第１の波長とする１３４２ｎｍで発振する第１のレーザ共振器を形成する。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶８の波長１０６４ｎｍの誘導放出遷移を利用して、第２の反射鏡６と第３の反射鏡７の間で第２の波長１０６４ｎｍで発振する第２のレーザ共振器を形成する。なお、第２の固体レーザ結晶とするＹＡＧ結晶8は、第１の波長の１３４２ｎｍに対して誘導放出遷移や吸収遷移を持たないために、第１の波長１３４２ｎｍのレーザ発振を妨げたり、あるいは、第１の波長１３４２ｎｍのレーザ光によって第２の波長の１０６４ｎｍのレーザ発振が妨げられたりすることはない。

第３の異なる点は、ＫＴＰ結晶１０の結晶方位を、波長１３４２ｎｍと波長１０６４ｎｍの２つの基本波に対しての和周波混合が可能な（θ、φ）＝（７９．０°、０°）のものに変えてあり、そのｘｚ面がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶のｃ軸と直交するように配置した点である。以上の構成により、波長５９４ｎｍの出力光１６が得られた。

以上の３つの実施例では、非線形光学結晶としてＫＴＰ結晶を使用しているが、和周波混合を行う波長において位相整合が可能なものであれば、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ、ＬｉＢ_３Ｏ_５）やその他の非線形光学結晶、あるいはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）に周期的分極反転構造を設けた素子を使用しても同様の効果が得られる。

また、実施例１と実施例２では第２の波長の１０６４ｎｍを発振させるために、第２のレーザ結晶としてＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用しているが、ネオジウム添加バナジン酸ガドリウム（Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４）結晶を使用してもよい。Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は、励起光の吸収波長が８０８ｎｍで、しかも、その波長における吸収係数がＮｄ：ＹＶＯ_４よりも大きく、また、波長１０６２ｎｍと波長１３４２ｎｍに誘導放出遷移をもつ。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶をＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶に置き換えても同様の効果が得られる。

本発明の実施例１および実施例２を説明するためのダイヤグラム図である。 本発明の実施例３を説明するためのダイヤグラム図である。 本発明の動作を説明するためのダイヤグラム図である。 本発明の動作を説明するためのダイヤグラム図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ レンズ
３、４ シリンドリカルレンズ
５ 第１の反射鏡
６ 第２の反射鏡
７ 第３の反射鏡
８ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
９ Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶
１０ ＫＴＰ結晶
１１ 第１のレーザ結晶
１２ 第２のレーザ結晶
１３ 非線形光学結晶
１４ 集光光学系
１５ 励起光
１６ 出力光

Claims (9)

1. 半導体レーザ励起固体レーザにおいて、
   少なくとも第１の反射鏡、第１のレーザ結晶、第２の反射鏡、第２のレーザ結晶、非線形光学結晶、および第３反射鏡を順に配置し、
   前記第１の反射鏡と前記第３の反射鏡の間で前記第１のレーザ結晶の誘導放出遷移を利用して第１の波長でレーザ発振をおこなう第１のレーザ共振器を構成し、
   前記第２のレーザ結晶が、前記第１のレーザ結晶と同じ励起が可能な波長を持ち、また前記第２のレーザ結晶は前記第１の波長において吸収遷移や誘導放出遷移を持たない材料であり、前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡の間で前記第２のレーザ結晶の誘導放出遷移を利用して第２の波長でレーザ発振をおこなう第２のレーザ共振器を構成し、
   さらに、前記非線形光学結晶が前記第１の波長と前記第２の波長の和周波混合により第３の波長のレーザ光を発生するための位相整合が可能であり、
   さらに、１個の半導体レーザとこの半導体レーザから発するレーザ光を集光する手段を有し、
   前記半導体レーザから発するレーザ光によって前記第１のレーザ結晶と前記第２のレーザ結晶の両方を一方向から同時に励起する構成であることを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
   
2. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第１の反射鏡が前記第１のレーザ結晶の表面上に施した誘電体多層膜であることを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
3. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第２の反射鏡が前記第２のレーザ結晶の表面上に施した誘電体多層膜であることを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
4. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡を、前記第１のレーザ結晶の対向する２面の表面上にそれぞれ施した誘電体多層膜であることを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
5. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第１のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＡＧ結晶を使用しこれにより前記第１の波長が９４６ｎｍとなるレーザ発振をさせ、また、前記第２のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用し前記第２の波長が１０６４ｎｍとなる発振をさせることにより、前記第３の波長が約５０１ｎｍとなるレーザ光を出力することを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
6. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第１のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＡＧ結晶を使用しこれにより前記第１の波長が１３１８ｎｍとなるレーザ発振をさせ、また、前記第２のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用し前記第２の波長が１０６４ｎｍとなる発振をさせることにより、前記第３の波長が約５８９ｎｍとなるレーザ光を出力することを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
7. 請求項１の内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記第１のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用しこれにより前記第１の波長が１３４２ｎｍとなるレーザ発振をさせ、また、前記第２のレーザ結晶にはＮｄ：ＹＡＧ結晶を使用し前記第２の波長が１０６４ｎｍとなる発振をさせることにより、前記第３の波長が約５９４ｎｍとなるレーザ光を出力することを特徴とする内部共振器型和周波混合レーザ。
8. 請求項５、６及び７のいずれかの内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記非線形光学結晶としてＫＴｉＯＰＯ_４結晶を使用することを特徴とする、内部共振器型和周波混合レーザ。
9. 請求項５、６及び７のいずれかの内部共振器型和周波混合レーザにおいて、
   前記Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶の代わりにＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を使用することを特徴とする、内部共振器型和周波混合レーザ。
   

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