JP4409573B2 - 固体レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザー装置に関するものである。

従来の固体レーザー装置として、結晶の中央部にレーザー発振元素を含むコアを有し、このコアの周囲に励起光を導波するための透明な光ガイドを有する厚さ１ｍｍ以下の薄い結晶が配置され、その結晶のレーザー光を出射する面と反対側の面がヒートシンクに固着され、冷却される構造を有するものが示されている（下記特許文献１、非特許文献１、２）。
米国特許第６６２５１９３号公報 オプティクス・レターズ、２７巻（２００２年発行）、１７９１頁 アプライド・フィジックス・レターズ、８３巻（２００３年発行）、４０８６頁

しかしながら、上記した従来技術では、図１および図２に示すように、励起光１０４を入射する光ガイド１０２の光入射窓１０３は、単に励起光１０４の光軸に対して垂直な平面１０３Ａまたは曲面１０３Ｂであり、特に、励起光１０４をコア１０１に導くための積極的な構造および効果は有していなかった。

また、励起光をコアに集光するために光ガイドの手前でレンズが用いられていた。しかし、ＬＤ（半導体レーザー）の横方向（遅相軸）の光はコヒーレンスが低いためにレンズを用いても励起光を狭い幅に集光することが難しく、特にコアの外形が小さい、またはコアに比べて励起光の幅が大きい場合、励起光の集光効率が低下するという問題があった。

また図２のように光ガイドの入射窓が曲率を有する場合、励起光は窓で屈折して、光ガイド内でややコアに向かって進行方向が曲げられるため、図１の例に比べより多くの励起光がコアに入射する場合があるが、コアや励起光の幅、コアと励起窓の距離などで最適な曲率が大きく変化し、その許容範囲も狭いために条件によって、ウィンドウ面に最適な曲率が機械的に加工できない場合があった。またウィンドウの表面を高精度に曲率に加工することは製造コストが高くなるという問題もあった。

本発明は、上記状況に鑑み、そのままでは結晶のコア部を通過しない励起光に対し、その光が通過する入射面に特定の角度を設け、角度によって光が屈折し曲がることにより、レンズを用いることなく、しかもレンズを用いた場合より効率よく励起光がコア内を透過することができる固体レーザー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕中央にレーザー発振元素を含む円筒状のコアを有し、この円筒状のコアの周囲に一体化された光ガイドを有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の前記光ガイドの外側より励起光を導入し、前記円筒状のコアを励起することでレーザー発振を行わせる固体レーザー装置であって、前記光ガイドは前記励起光と直交する入射面と、さらにこの直交する入射面に隣接する両方の側に前記励起光と特定の角度をなす入射面とを有し、前記励起光は前記直交する入射面および前記特定の角度をなす入射面とで構成される前記光ガイドの光入射窓に直進し、前記励起光を導入する前記光ガイドの光入射窓によって前記励起光のうち前記特定の角度をなす入射面に入射する励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの前記励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓が前記光ガイドの外周面の４箇所に等間隔に配置され、前記円筒状のコアを中心に前記光ガイドの光入射窓に４方向から入射する励起光に対し、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓の入射面の特定の角度がブリュースター角であることを特徴とする。

〔４〕中央にレーザー発振元素を含む円筒状のコアを有し、この円筒状のコアの周囲に一体化された光ガイドを有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の前記光ガイドの外側より励起光を導入し、前記円筒状のコアを励起することでレーザー発振を行わせる固体レーザー装置であって、前記光ガイドは四角筒状の光ガイドであり、この光ガイドは外周に入射面を有する４つの光入射窓を有し、前記円筒状のコアの外周と前記入射窓との距離が小さく、さらに励起光の幅が前記円筒状のコアの直径と略同じサイズであり、前記四角筒状の光ガイドの角部を中心として前記４つの入射面のうち隣接する少なくとも２つの入射面に入射する前記励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の固体レーザー装置において、前記励起光が前記円筒状のコアを中心として対向する２つの方向から入射され、前記四角筒状の光ガイドの角部を中心として前記４つの入射面の全てに入射する前記励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓の入射面と前記励起光との交差角度がブリュースター角であることを特徴とする。

本発明によれば、複雑な光学系を必要とせず、固体レーザー装置の光入射窓の入射面を簡単に加工するだけで励起光を効率よく中心のコア部分に集光することができる。特に、高出力励起用ＬＤは集光性が悪いため、本発明による改善の効果は高い。また、入射面の角度等を変化させることで、コア内での励起光の吸収分布を任意に可変とすることができる。

したがって、レーザーの高い発振効率とビーム品質を得ることができる。

中央にレーザー発振元素を含む円筒状のコアを有し、この円筒状のコアの周囲に一体化された光ガイドを有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の前記光ガイドの外側より励起光を導入し、前記円筒状のコアを励起することでレーザー発振を行わせる固体レーザー装置であって、前記光ガイドは前記励起光と直交する入射面と、さらにこの直交する入射面に隣接する両方の側に前記励起光と特定の角度をなす入射面とを有し、前記励起光は前記直交する入射面および前記特定の角度をなす入射面とで構成される前記光ガイドの光入射窓に直進し、前記励起光を導入する前記光ガイドの光入射窓によって前記励起光のうち前記特定の角度をなす入射面に入射する励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの前記励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにした。よって、複雑な光学系を必要とせず、結晶の入射面を簡単に加工するだけで励起光を効率よく中心のコア部分に集光することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図３は本発明の第１実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図、図４はレーザー結晶と励起光、およびレーザー共振器の全体を示す断面図である。

まず、図３において、１はレーザー発振元素を含む円筒状のコア、２はその円筒状のコア１の周囲に配置される光ガイド、３は励起光４を入射させるための光ガイド２の光入射窓であり、３Ａ〜３Ｃは光入射窓３の入射面である。この光入射窓３の入射面３Ｂ，３Ｃは励起光４に対して角度を持たせることで励起光４が光ガイド２内に入射する際に屈折し、その進行方向がコア１側に向くように構成したものである。

図３のように、励起光４が横方向にほぼ平行に進んでいる場合で、励起光４に対し直交する入射面３Ａの幅をＷとし、この幅Ｗがコア１の外形（ここでは直径Ｄ）と同等であるとする。励起光４の幅が幅Ｗより小さい時、幅Ｗを有する入射面３Ａに入射した励起光４Ａはそのまま直線的にコア１を透過することになる。一方、励起光４の幅が幅Ｗより大きい時、幅Ｗを有する入射面３Ａより外側の入射面３Ｂと３Ｃに入射する励起光４Ｂについては、図１に示す従来例のように光入射窓３が励起光４Ｂに対して垂直であれば、励起光４Ｂはそのまま進んでコア１を通過しないが、図３に示すように、入射面３Ｂ，３Ｃに励起光４Ｂに対して角度θを持たせると、励起光４Ｂは入射面３Ｂ，３Ｃで屈折し、進行方向が曲がりコア１を透過するようになる。なお、角度θ、幅Ｗは、コア１の形状、大きさ、光入射窓３からの中心位置、入射する励起光４の全幅、および横方向の広がり角等に合わせて適切に選択される。

このような構成により、励起光４の幅がコア１の外径より大きくても、簡単な構成でコア１内に励起光４を通過させることができる。

次に、図４において、５はヒートシンク、６はそのヒートシンク５上に形成される高熱伝導性接着層、７はその高熱伝導性接着層６上に形成される全反射膜、８はコア１および光ガイド２上に形成される反射防止膜、９は出力ミラー、１０はレーザー発振光、１１はヒートシンク、１２はそのヒートシンク１１に搭載されるＬＤチップ、１３はマイクロレンズ、１４，１５は集光レンズである。

図４に示すように、積層されたＬＤチップ１２から出た励起光４はそれぞれマイクロレンズ１３により進相軸方向がコリメートされ、集光レンズ１４を透過し、集光レンズ１５で光ガイド２の側面の光入射窓３に集光される。集光レンズ１４は励起光４の遅相軸方向を集光する場合に使用される。光入射窓３から光ガイド２内に入射した励起光４は光ガイド２の上下の境界で全反射を繰り返しながら光ガイド２内を伝搬し、円筒状のコア１に到達する。その円筒状のコア１内には励起光４を吸収しレーザー光を誘導放出するレーザー発振元素が添加されており、出力ミラー９と全反射膜７との間でレーザー共振器が構成され、レーザー発振が起こる。円筒状のコア１及び光ガイド２は全反射膜７および高熱伝導性接着層６を介してヒートシンク５に固定されており、円筒状のコア１内で励起光４を吸収した際に発生する熱を効果的に放熱する効果を有している。

円筒状のコア１の材質としては、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）をレーザー発振元素として含むＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、光ガイド２の材料としてはレーザー発振元素を含まないＹＡＧが代表例であるが、発振元素としては、他にＮｄ（ネオジウム）でもよいし、Ｔｍ（ツリウム）、Ｈｏ（ホロミウム）などの遷移金属でもよい。またＣｒ（クロム）やＴｉ（チタン）でもよいし、それを複数含んでもよい。また、コア１や光ガイド２の母材としてはＹＡＧ以外にＹＶＯ₄ （イットリウム・バナデート）、ＧｄＶＯ₄ （ガドリウムバナデート）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）、ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などでもよい。また、材料としては結晶構造であっても良く透光性セラミックであっても良い。励起光４はレーザー発振元素が吸収する波長であればよく、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧコアであれば、９４０ｎｍまたは９７０ｎｍが適している。すなわち、使用する円筒状のコア１の材料に応じて励起光の波長が選択される。

また、円筒状のコア１および光ガイド２の母材は異なるものでもよいが、同じものの方が屈折率が近いために境界での光の損失を抑えることができる。また、コア１と光ガイド２は製造の過程で一体化されている方が取り扱いが容易で、かつ境界での光の損失を抑えることができる。

高熱伝導性接着層６は有機系、無機系の接着剤でもよいし、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｃｕなどを含む金属はんだ材料でも構わない。

ヒートシンク５はＣｕ，ＣｕＷなどの金属材料をはじめ、ダイアモンド、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＣＢＮ，ＤＬＣなどの非金属、複合材料でもよい。

図５は本発明の第２実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。

この図において、２１はレーザー発振元素を含む円筒状のコア、２２はその円筒状のコア１の周囲に配置される８角筒状の光ガイド、２３は励起光４を入射させるための光ガイド２２の光入射窓であり、この入射窓２３は、全体で八角形状の入射面２３Ａ〜２３Ｈを構成している。入射面２３Ａ、２３Ｃ、２３Ｅ、２３Ｇの幅Ｗは円筒状のコア２１の直径Ｄに等しく、励起光２４〜２７と直交する平面を形成している。一方、入射面２３Ｂ、２３Ｄ、２３Ｆ、２３Ｈは入射面２３Ａ、２３Ｃ、２３Ｅ、２３Ｇの間を結ぶ平面を形成している。ここで、θは励起光２３〜２６と入射面２３Ｂ、２３Ｄ、２３Ｆ、２３Ｈとのなす角である。

この実施例でも、上記した第１実施例と同様に、励起光２４〜２７の幅が入射面２３Ａ、２３Ｃ、２３Ｅ、２３Ｇの幅Ｗより大きい場合でも、入射面２３Ｂ、２３Ｄ、２３Ｆ、２３Ｈでの屈折によって、より多くの励起光を円筒状のコア２１に取り込むことができる。

さらにこの実施例では、１つのレーザー発振元素を含む円筒状のコア２１の四方向から励起光２４〜２７を入射窓２３を介して光ガイド２２に入射して励起するようにしている。

このように多方面から励起を行うことで、円筒状のコア２１内に強い励起を起こすことができるため、高いレーザー出力を得ることができる。この例では励起光は四方向から照射するようにしているが、さらに多くの方向から照射するようにしてもよい。

図６は本発明の第３実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。

この図において、３１は円筒状のコア、３２はこの円筒状のコア３１の周囲に配置される四角筒状の光ガイド、３３はその光ガイド３２の光入射窓、３４は励起光である。なお、３３Ａ〜３３Ｄは光入射窓３３の入射面である。

この実施例では、励起光３４に直交する入射面（図３、図５における入射面３Ａ，２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇが対応）が存在しない。ここでは、励起光３４と入射面３３Ａ〜３３Ｄとのなすθは４５°である。

この実施例は、円筒状のコア３１が入射窓３３に近く、さらに励起光３４の幅が円筒状のコア３１の直径φと略同じかわずかに大きい場合に有効である。この場合、全ての励起光３４が角度θで入射面３３Ａ〜３３Ｄへ入射し屈折を受け円筒状のコア３１を透過することができる。励起光に対し垂直な入射窓がなく面が少ないために加工が簡単で、レーザー装置のコストを下げることができる。

図７は本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。

この図において、４１は円筒状のコア、４２はこの円筒状のコア４１の周囲に配置される菱形筒状の光ガイド、４３はその光ガイド４２の光入射窓、４４，４５は励起光である。なお、４３Ａ〜４３Ｄは光入射窓４３の入射面である。

この実施例でも、励起光４４，４５に直交する入射面（図３、図５における入射面３Ａ，２３Ａ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｇが対応）は存在しない。ここでは、励起光４４，４５と入射面４３Ａ〜４３Ｄとのなすθはブリュースター角の２８．８°に設定したものである。

このように構成することにより、励起光４４，４５の電界の振動方向が図７のＡ方向であれば、入射窓４３に無反射コーティングを行わなくてもほとんどの励起光４４，４５が光ガイド４２内に導入されるため、低価格で効率のよい励起が可能になる。

この実施例では、円筒状のコア４１に向かって２方向から励起を行うようにしており、また、屈折率１．８２のＹＡＧを菱形筒状の光ガイド４２の材質としているが、ブリュースター角は光ガイドの材質、屈曲率や励起光の波長などで変化するために実際に使用するガイド材料の組み合わせで適切に設定される。

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き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。

本発明の固体レーザー装置は、レーザーの高い発振効率とビーム品質を得ることができる固体レーザー装置として利用可能である。

従来の固体レーザー装置（その１）の要部平面図である。 従来の固体レーザー装置（その２）の要部平面図である。 本発明の第１実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。 本発明のレーザー結晶と励起光、およびレーザー共振器の全体を示す断面図である。 本発明の第２実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。 本発明の第３実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。 本発明の第４実施例を示す固体レーザー装置の要部平面図である。

Claims (6)

1. 中央にレーザー発振元素を含む円筒状のコアを有し、該円筒状のコアの周囲に一体化された光ガイドを有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の前記光ガイドの外側より励起光を導入し、前記円筒状のコアを励起することでレーザー発振を行わせる固体レーザー装置であって、前記光ガイドは前記励起光と直交する入射面と、さらに該直交する入射面に隣接する両方の側に前記励起光と特定の角度をなす入射面とを有し、前記励起光は前記直交する入射面および前記特定の角度をなす入射面とで構成される前記光ガイドの光入射窓に直進し、前記励起光を導入する前記光ガイドの光入射窓によって前記励起光のうち前記特定の角度をなす入射面に入射する励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの前記励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする固体レーザー装置。
2. 請求項１記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓が前記光ガイドの外周面の４箇所に等間隔に配置され、前記円筒状のコアを中心に前記光ガイドの光入射窓に４方向から入射する励起光に対し、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする固体レーザー装置。
3. 請求項１又は２記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓の入射面の特定の角度がブリュースター角であることを特徴とする固体レーザー装置。
4. 中央にレーザー発振元素を含む円筒状のコアを有し、該円筒状のコアの周囲に一体化された光ガイドを有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の前記光ガイドの外側より励起光を導入し、前記円筒状のコアを励起することでレーザー発振を行わせる固体レーザー装置であって、前記光ガイドは四角筒状の光ガイドであり、該光ガイドは外周に入射面を有する４つの光入射窓を有し、前記円筒状のコアの外周と前記入射窓との距離が小さく、さらに励起光の幅が前記円筒状のコアの直径と略同じサイズであり、前記四角筒状の光ガイドの角部を中心として前記４つの入射面のうち隣接する少なくとも２つの入射面に入射する前記励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする固体レーザー装置。
5. 請求項４記載の固体レーザー装置において、前記励起光が前記円筒状のコアを中心として対向する２つの方向から入射され、前記四角筒状の光ガイドの角部を中心として前記４つの入射面の全てに入射する前記励起光が屈折して前記円筒状のコアの方へ曲がることにより、より多くの励起光を前記円筒状のコアに取り込むようにしたことを特徴とする固体レーザー装置。
6. 請求項４又は５記載の固体レーザー装置において、前記光ガイドの光入射窓の入射面と前記励起光との交差角度がブリュースター角であることを特徴とする固体レーザー装置。