JP4440812B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は「半導体レーザ励起固体レーザ装置」に関する。この発明の半導体レーザ励起固体レーザは、光ピックアップ装置やレーザプリンター、レーザスキャンディスプレイ等に光源として使用することができる。

近年、レーザ光を利用する装置として光ディスク装置やレーザプリンター、レーザ計測器などが実用化され、また、将来的な実用化を目指してレーザディスプレイ等も開発、検討が進められている。このような状況において、レーザ光源の短波長化や、三原色（赤、青、緑色）光源などが求められ、半導体レーザ素子の開発や波長変換レーザの開発が進められている。特に、高出力（〜１０Ｗ程度）のレーザ光源には「固体レーザを用いた波長変換光源」が適しており開発が盛んに行われている。

レーザディスプレイ等への応用を考えた場合にはレーザ光源の小型化は不可欠であり、その出力は高出力であるほど良い。小型で高出力のレーザ光源としては「レーザ材料に薄い板状のものを使用したマイクロチップレーザ構成」が有効である。

半導体レーザからのレーザ光でレーザ材料を励起する方式の半導体レーザ励起固体レーザ装置としては、従来から特許文献１〜３、非特許文献１等に記載されたものが知られている。

特許文献１、２記載のものは「半導体レーザからのレーザ光を、レーザ光射出方向と同一方向から入射させて励起を行う端面励起構成」であり、半導体レーザからのレーザ光のパワーに限界があることと放熱の観点から、高出力化が容易でない。

また、特許文献３、非特許文献１記載のものは、レーザ結晶に半導体レーザからの光を側面から入射させてレーザ励起を行っているが、何れも装置としての構成が複雑で、小型化が容易でない。

特開平 ５−１８３２２０号公報 特開平１１−１７７１６７号公報 米国特許第５，５５３，０８８号明細書 ＪＪＡＰ ｖｏｌ．４１(２００２)ｐｐ．Ｌ６０６−Ｌ６０８

この発明は、上述した事情に鑑みて為されたものであって、小型化・高出力化を容易ならしめる新規な半導体レーザ励起固体レーザ装置の実現を課題とする。

この発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は「半導体レーザによるレーザ光によりレーザ材料を励起してレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザ」であって、レーザ材料は板状で、その両端面を共振器面として用いた共振器を持つマイクロチップレーザ構成であり、且つ、励起光を共振器面以外の端面から導入する側面励起構成の半導体レーザ励起固体レーザ装置である。

請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置は以下の如き特徴を有する。
即ち、レーザ材料が、励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、励起光に対して
吸収係数が異なる領域が複数存在する。励起光の吸収量は、レーザ材料の「励起光入射方
向における中心付近」で最も大きく設定されている。
具体的には、レーザ材料は、複数の短冊状の薄板を厚み方向に張り合わせて板状に一体
化してなり、各薄板の厚みをなす面が連なって、板状両面の共振器面をなす。
短冊状の薄板は何れも、励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、各薄板は、励
起光に対する固有の吸収係数を有する。
側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光は平行光束化されて励起光となり、薄板の
厚み方向に入射される。
各薄板に固有の吸収係数は、張り合わせられた位置に応じて「張り合わせ方向における中心付近で、励起光の吸収量が最も大きくなる」ように設定される。

この請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光の入射方向を１方向のみとすることもできるし(請求項２)、側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光の入射方向を複数方向とすることもできる(請求項３)。
即ち、側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光は、上記のごとく平行光束化されて
薄板の厚み方向、即ち張り合わせ方向に入射されるが、この平行光束化されたレーザ光を、板状のレーザ材料の片面側から入射させてもよいし、平行光束化した２光束を、レーザ材料の両面側から入射させてもよいのである。

請求項１または２または３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置におけるレーザ材料を構成する短冊状の各薄板は「単結晶で一軸性結晶であり、添加物のドープ量により励起光の吸収量が調整されている」ものであることができる（請求項４）。この場合、「添加物をドープしたＧｄＶＯ_４」は好適なレーザ材料の１つである（請求項５）。

請求項１または２または３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置におけるレーザ材料を構成する短冊状の各薄板はまた「セラミックス材料であって添加物のドープ量により励起光の吸収量が調整されているもの」であることができ（請求項６）、この場合「ＹＡＧ」は、セラミックス材料として好適なものの１つである（請求項７）。上記請求項５または７に記載された添加物としては「Ｎｄ」が好適である（請求項８）。

上記の如く、この発明の「半導体レーザ励起固体レーザ装置」では、両端面を共振器面とする板状のレーザ材料に、励起用半導体レーザか らのレーザ光を「レーザ材料の共振器面以外の端面」から導入する。レーザ材料は「励起光波長に対して、全域で吸収係数を持ち、且つ吸収係数が異なる領域が複数存在し、レーザ材料の中心付近で励起光吸収量が最も大きい」構成となっている。

励起光である半導体レーザ光がレーザ材料へ側面より入射すると、励起光により「レーザ材料に添加（ドープ）されている材料」が励起され、共振器面による共振により誘導放出が生じてレーザ発振が起こる。レーザ材料の両端面が共振器面となっているので、レーザ材料からレーザ光が直接射出する。

マイクロチップレーザ構成では、励起光の吸収プロファイルがレーザ横モードに大きく影響を与えるが、この発明の半導体レーザ励起固体レーザは、励起光の吸収分布をレーザ材料における励起光の入射方向の中心部分で最も大きくしたので、小型化が可能なマイクロチップレーザ構成と高出力化が可能な側面励起構成とを採用しつつ、レーザ横モードが良好なレーザ発振を実現できる。

以下、発明の実施の形態を具体的な実施例に即して説明する。

実施例１の「半導体レーザ励起固体レーザ装置」は、図１に示すように、半導体レーザ１１、半導体レーザ用光学系１２、レーザ材料１３、放熱板１４から構成されている。半導体レーザ１１は波長８０８ｎｍ、出力２Ｗのものである。図の如く、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を定める。

半導体レーザ用光学系１２は、単レンズもしくは２以上のレンズ素子を組み合わせて構成され、レーザ材料１３へ半導体レーザ光が入射する際に「ビーム径：０．５ｍｍの平行光束」となるように光学特性を定められている。レーザ材料１３は「ＮｄをドープしたＧｄＶＯ_４単結晶」であり、第２図に示す様な構成で、励起光入射方向（Ｚ方向）に「吸収係数の異なる領域」を持つ構成である。

即ち、レーザ材料１３は、図２に示すように１０枚の短冊形の「ＮｄをドープしたＧｄＶＯ_４単結晶」の薄板を厚み方向にオプティカルボンディングにより張り合わせて一体化した構成である。図１との対応で言えば、短冊形の単結晶の「貼り合せ方向がＺ方向」で「長手方向がＸ方向」であり、Ｚ方向は励起光の入射方向である。

１０枚の「短冊形のＧｄＶＯ_４単結晶」の各々は、これらがレーザ材料１３中において占める位置に従って、Ｎｄのドープ量を調整されている。Ｎｄのドープ密度は「各短冊形のＧｄＶＯ_４単結晶内では均一」である。オプティカルボンディングにより貼り合わせられた個々の短冊形の単結晶におけるＮｄのドープ量の調整により「励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、吸収係数が異なる領域（短冊）が複数存在し、レーザ材料における励起光の入射方向（Ｚ方向）の中心付近で励起光吸収量が最も大きい構成」を実現している。

レーザ材料１３のサイズは、励起光の入射方向（Ｚ方向：短辺方向）が０．５ｍｍ、長辺方向（Ｘ方向）が２ｍｍ、厚み方向（Ｙ方向）を０．５ｍｍとしている。その吸収係数の「（Ｚ方向の）領域（短冊）ごとの値」を以下に表１として示す。

表１ 「Ｚ方向の吸収係数」
Ｚ方向領域 吸収係数（ｃｍ^-1）
０ｍｍ〜０.０５ｍｍ ５
０.０５ｍｍ〜０.１０ｍｍ １０
０.１０ｍｍ〜０.１５ｍｍ ２０
０.１５ｍｍ〜０.２０ｍｍ ４０
０.２０ｍｍ〜０.２５ｍｍ ８０
０.２５ｍｍ〜０.３０ｍｍ ８０
０.３０ｍｍ〜０.３５ｍｍ ８０
０.３５ｍｍ〜０.４０ｍｍ ８０
０.４０ｍｍ〜０.４５ｍｍ ８０
０.４５ｍｍ〜０.５０ｍｍ ８０ 。

レーザ材料１３は、放熱のため銅製の板材料による放熱板１４（Ｚ方向：１．０ｍｍ、Ｘ方向：５ｍｍ、Ｙ方向：２ｍｍ）に半田を用いて実装されている。レーザ材料１３の両端面（図１のＹ方向の面）は「平行平板型の光共振器」とするべくコーティングを施してあり、放熱板１４と接触している側の面は「波長：１０６３ｎｍに対して全反射」、反対側の面は「波長：１０６３ｎｍに対して透過率：３％」としている。

半導体レーザ１１から射出した励起光（レーザ光）は、半導体レーザ用光学系１２によりコリメートされ、光束径：０.５ｍｍの平行光束となって、レーザ材料１３に「共振器面とは異なる側面（図１のＺ方向に直交する側面）」から入射する。レーザ材料１３に入射した励起光は、レーザ材料１３中の添加物：Ｎｄを励起し、共振器面（Ｙ方向の側面）による共振で誘導放出を行い、レーザ発振が行われ、放熱板１４に接していない側の面からＹ方向にレーザ光が射出する。

レーザ結晶１３中のＺ方向における各領域の吸収係数を上記表１の如きものとすることにより、励起光吸収量は、図３に示す如き吸収プロファイルを持つものとなる。すなわち吸収量は「（Ｘ、Ｚ軸方向の幅の）中心付近で最大であり、周辺へ向かって徐々に低下するプロファイル」となる。

図３（ａ）はＺ方向の吸収量であり、これはＺ方向の吸収係数を上記表１の如く設定したことによるものである。図３（ｂ）はＸ方向の吸収量であり、これは入射励起光（光束径：０.５ｍｍはレーザ材料１３のＺ方向の幅に等しい。）が光軸の周りにガウス型の強度分布を持つことによる。

レーザ材料の端面を共振器面として利用したマイクロチップレーザ構成では、射出レーザビームの横モードは「励起光の吸収プロファイル」に大きく影響されるが、図３に示した吸収プロファイルは「端面励起型（レーザ出射面の対向側から励起する方式）で得られるプロファイルと似た形状」となっており、側面励起構成でありながら「端面励起構成と同様のレーザ横モード」が得られている。

また、実施例１では単一の半導体レーザ１１からの励起光を示しているが、「半導体レーザアレイからのレーザ光など、さらに強度の高い励起光」を用いた場合でも、レーザ材料１３自体を放熱板１４に接触させることが出来るため安定な出力特性を得られることになり、横モードと安定出力の両立が可能となる。コンポジットレーザ材料と比較しても、励起光の吸収プロファイルを各領域におけるＮｄのドープ量でコントロール出来ることから、横モードが良好なものとなる。

さらに、励起光の入射を１方向のみ（片側入射）としながら良好な横モードを実現出来るため装置が小型となる。また、レーザ材料として「Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４単結晶」を用いることで透明度を高くでき、「Ｃ軸方向に励起光の偏光を合わせることで吸収を大きく出来る」ため高効率化と材料の小型化が可能となり、材料コストも低減出来、且つ熱伝導率も高い材料であるため「熱による共振器ずれによる出力低下」を回避できる。

なお、レーザ材料１３の吸収係数分布は、上記のものに限らず「励起光ビームプロファイルや必要なレーザ横モードによってそれぞれ最適設計」することができる。材料に関しても、「Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４単結晶」の他に「ＹＶＯ_４」の使用も可能である。

図４を参照して実施例２を説明する。

実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂ、半導体レーザ用光学系４２Ａ、４２Ｂ、レーザ材料４３、放熱板４４により構成されている。半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂは共に、波長：８０８ｎｍ、出力：２Ｗのものであり、レーザ材料４３の各側面に対応して配置される。

半導体レーザ用光学系４２Ａ、４２Ｂは同一構成のもので、複数のレンズ素子を組み合わせ、半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂからの光束をビーム直径：０．５ｍｍの平行光束にコリメートしてレーザ材料４３に入射させる。

レーザ材料４３は「ＮｄをドープしたＹＡＧセラミックス」であり、図２に示したものと同様の構成であり、短冊形に形成した「ＮｄドープＹＡＧセラミックス」を半焼き状態で厚み方向に張り合わせ、焼結により一体化して形成されている。個々の短冊形のＹＡＧセラミックス層におけるＮｄのドープ量の調整により「励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、吸収係数が異なる領域が複数存在し、レーザ材料の中心付近で励起光吸収量が最も大きい構成」を実現し、励起光入射方向（Ｚ方向）に「吸収係数の異なる領域」が存在する構成となっている。

レーザ材料４３のサイズは、励起光進行方向（短辺方向：Ｚ方向）が０．５ｍｍ、長辺方向が２ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとしている。各領域の吸収係数の値を表２に示す。

表２ 「Ｚ方向の吸収係数」
Ｚ方向領域 吸収係数（ｃｍ^-1）
０ｍｍ〜０．０５ｍｍ ５
０.０５ｍｍ〜０.１０ｍｍ １０
０.１０ｍｍ〜０.１５ｍｍ ２０
０.１５ｍｍ〜０.２０ｍｍ ４０
０.２０ｍｍ〜０.２５ｍｍ ８０
０.２５ｍｍ〜０.３０ｍｍ ８０
０.３０ｍｍ〜０.３５ｍｍ ４０
０.３５ｍｍ〜０.４０ｍｍ ２０
０.４０ｍｍ〜０.４５ｍｍ １０
０.４５ｍｍ〜０.５０ｍｍ ５ 。

レーザ材料４３は放熱のためＺ方向：１．０ｍｍ、Ｘ方向：５ｍｍ、Ｙ方向：２ｍｍの銅製の板材による放熱板４４に半田を用いて実装されている。また、レーザ材料４３のＹ方向の両端面は、平行平板型の光共振器面とするべくコーティングが施され、放熱板４４と接触している面は「波長：１０６４ｎｍの光に対して全反射」、対向する面は「波長：１０６４ｎｍの光に対して透過率：３％」としている。

半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂから射出した励起光は、対応する半導体レーザ用光学系４２Ａ、４２Ｂによりコリメートされて、Ｚ方向に対向する２方向からレーザ材料４３の両側面に入射する。レーザ材料４３に入射した励起光は、レーザ材料４３中のＮｄを励起し、光共振器面に寄る共振により誘導放出を行い、レーザ発振し、Ｙ方向にレーザ光が射出する。

吸収係数の分布を表２に示す如く設定したことにより、レーザ材料４３中の励起光吸収量の吸収プロファイルは図５に示す如きものとなる。すなわち、吸収量は入射方向の中心付近で最大であり、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の周辺へ向かって徐々に低下するプロファイルとなる。

図５（ａ）はＺ方向の吸収量であり、この吸収量の分布はＺ方向の吸収係数を上記表２の如く設定したことによるものである。図５（ｂ）はＸ方向の吸収量であり、この吸収量の分布は、入射励起光（光束径：０.５ｍｍはレーザ材料１３のＺ方向の幅に等しい。）が光軸の周りにガウス型の強度分布を持つことによる。

レーザ材料の端面を共振器面として利用したマイクロチップレーザ構成では、射出レーザビームの横モードは励起光の吸収プロファイルに大きく影響されるが、図５に示した吸収プロファイルは「端面励起型で得られるプロファイルと似た形状」となっており、側面励起構成でありながら端面励起構成と同様のレーザ横モードが得られている。

実施例２でも、半導体レーザアレイからのレーザ光などのさらに強度の高い励起光を用いた場合でも、レーザ材料自体を放熱板に接触させることが出来る為、安定な出力特性が得られることになり、横モードと安定出力の両立が可能となる。コンポジットレーザ材料と比較しても、励起光吸収プロファイルをコントロール出来ることから、横モードが良好なものとなる。

さらに、励起光を２方向としながら良好な横モードを実現出来るため、装置が小型で、かつ励起光を増加することが可能となり高出力化できる。また、レーザ材料としてＹＡＧセラミックスを用いることで透明度を高くでき、Ｎｄ添加量を大きくすることによって吸収を大きく出来ることや、レーザ材料を燒結で容易に作製できるため装置の低価格化を実現できる。ＹＡＧセラミックスは熱伝導率が高い材料であるため、放熱板４４への放熱の効率が高く「熱による共振器ずれによる出力低下」を良好に回避出来る。

レーザ材料４３の吸収係数分布は上記表２のものに限らず、励起光ビームプロファイルや必要なレーザ横モードによってそれぞれ最適設計することができる。レーザ材料として他の材料も使用可能である。

即ち、実施例１、２の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、半導体レーザによるレーザ光によりレーザ材料を励起してレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザであって、レーザ材料は板状で、その両端面を共振器面として用いた共振器を持つマイクロチップレーザ構成であり、且つ、励起光を共振器面以外の端面から導入する側面励起構成の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、レーザ材料１３、４３が、励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、吸収係数が異なる領域が複数存在し、レーザ材料の中心付近で励起光吸収量が最も大きい構成である。

また、実施例１のレーザ励起固体レーザ装置は、側面励起を行う半導体レーザ１１からのレーザ光の入射方向が１方向のみであり、実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、側面励起を行う半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂからのレーザ光の入射方向が互いに逆の２方向である。

実施例１の半導体レーザ励起固体レーザ装置においては、レーザ材料１３が単結晶で、一軸性結晶であり（請求項４）、ＮｄをドープしたＧｄＶＯ_４ である。
実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置においては、レーザ材料４３がセラミックス材料で、ＮｄをドープしたＹＡＧセラミックスである。

なお、この発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、波長変換型固体レーザ装置の基本波レーザ発生部として用いることができる。

実施例１の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための図である。 レーザ材料の構造を説明するための図である。 実施例１におけるレーザ材料の励起光の吸収プロファイルを示す図である。 実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するための図である。 実施例２におけるレーザ材料の励起光の吸収プロファイルを示す図である。

符号の説明

１１ 半導体レーザ
１２ 半導体レーザ用光学系（コリメートレンズ）
１３ レーザ材料
１４ 放熱板

Claims (8)

1. 半導体レーザによるレーザ光によりレーザ材料を励起してレーザ発振を行わせる半導体レーザ励起固体レーザであって、上記レーザ材料は板状で、その両端面を共振器面として用いた共振器を持つマイクロチップレーザ構成であり、且つ、励起光を上記共振器面以外の端面から導入する側面励起構成の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   レーザ材料が、複数の短冊状の薄板を厚み方向に張り合わせて板状に一体化してなり、各薄板の厚みをなす面が連なって共振器面をなし、
   上記短冊状の薄板は何れも、励起光波長全域に対して吸収係数を持ち、且つ、各薄板は、励起光に対する固有の吸収係数を有し、
   側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光を平行光束化した励起光として、上記薄板の厚み方向に入射され、
   上記各薄板に固有の吸収係数は、張り合わせられた位置に応じて、上記張り合わせ方向における中心付近で、上記励起光の吸収量が最も大きくなるように設定されたことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
2. 請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光が、平行光束化されてレーザ材料の片面側から入射されることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
3. 請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   側面励起を行う半導体レーザからのレーザ光が、平行光束化された２光束であって、レーザ材料の両面側から入射されることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
4. 請求項１または２または３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   厚み方向に張り合わせられてレーザ材料を構成する短冊状の各薄板が単結晶で一軸性結晶であり、添加物のドープ量により励起光の吸収量が調整されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
5. 請求項４記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   レーザ材料がＧｄＶＯ４に添加物をドープしたものであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
6. 請求項１または２または３記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   レーザ材料をなす各薄板がセラミックス材料であり、添加物のドープ量により励起光の吸収量が調整されていることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
7. 請求項６記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   レーザ材料がＹＡＧに添加物をドープしたものであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
8. 請求項５または７記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
   レーザ材料における添加物がＮｄであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。

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