JP4505462B2 - レーザ・ダイオードによってポンピングされるモノリシック固体レーザ装置、およびこの装置の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ・ダイオードによってポンピングされるモノリシック固体レーザ装置に係り、より詳しくは、イントラキャビティー（intracavity）二逓倍されたモノモードの固体レーザに関する。本発明は、また、この装置で実施する方法に関する。
本発明は青色又は緑色レーザ・ルミネセンスの生成の分野に特に有意義に利用することができるが、これに限定されるものではない。

マルチモード・ダイオードを用いて、例えば473ｎｍの可視光における空間的かつスペクトル的に良好な品質のビームをレーザ発射することは、産業上、特に医療上の用途にとって非常に有意義である。この波長（高調波と呼ばれる）は、ネオジムでドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）からの946ｎｍの波長（基本波長と呼ばれる）のレーザ発射を周波数において二逓倍することにより得ることができる。

一般に、イントラキャビティー二逓倍されたレーザは、946ｎｍにおける増幅器を形成する固体レーザ（例えばNd:YAG）をポンピングするためのレーザ・ダイオードを備えている。二逓倍を行うためには、増幅器に非線形結晶を接続して、周波数二逓倍により近赤外の基本信号を可視信号に変換する（周波数二逓倍（frequency doubling）は第２高調波生成（second harmonic generation）SHGとも呼ばれる）。こうして、基本波長を２で割ったものが得られる。増幅器と非線形結晶は１つのキャビティー内に収容されており、レーザビームの進路上で互いに対向するこのキャビティーの２つの両端表面はある種の波長に対して反射性である。

しかしながら、連続発射が望ましい場合には、基本波発射の出力はレーザ・ダイオードの出力よりも小さく、従って、周波数の二逓倍は非常に非効率である。

米国特許4,809,291（発明の名称「ダイオードでポンピングされるレーザおよび青色光を得るための二逓倍」）が知られており、その中でR. L. ByerとT. Y. Fanは、946ｎｍの基本波長の出力を増加して二逓倍の効率を向上させるために、イントラキャビティー二逓倍を提案している。

1988年発行のオプチックス・レター誌（13巻、137-139頁）の“イントラキャビティー二逓倍された946ｎｍ Nd:YAGレーザからの効率的青色発光”と題する記事において、Dixon等はイントラキャビティー二逓倍されたNd:YAGをベースとするマイクロレーザによる青色（473ｎｍ）の５mW発光を提示している。Ndの濃度はat.%で１.１である。二逓倍の効率は２％でしかない。

これらのイントラキャビティー二逓倍されたレーザの主要な問題点は、軸方向モードおよびノイズ偏光が存在することであり、これらはレーザの効率を低減させると共に強力な出力変動の原因となる。例えば、Matthews等は、記事“青色（473ｎｍ）Nd:YAG/KNbO₃マイクロチップ・レーザにおけるダイオードポンピング”（CLEO’96、9巻、174頁）において、10％より大きな強度変動を伴いながら26.5mWの青色を生成している。

より正確には、イントラキャビティー周波数二逓倍は選択的な損失を惹起し、この損失は主レーザ発射のポンピング出力と共に増大する。二逓倍の効率が増加する場合には、過剰な損失を補償するためキャビティーの平均個体群の反転を増加させなければならない。しかしながら、これは隣接モードおよび直交偏光発射がレーザ発射を開始するのを許容する。隣接モードについては、この効果は、隣接モードがレーザ発射するのを既に許容する“空間的ホール燃焼”の効果に追加される。

キャビティー内でレーザ発射する異なる複数のモードは、増幅用媒質内で互いに連結される（ゲイン競合）と共に、周波数二逓倍媒質内で連結される（周波数追加）。これらの連結は非線形であって、複雑な非線形の動力学に関与する。後者は強度の（即ち、無秩序の）出力変動を招く。

周波数二逓倍が“タイプI”のものである場合には、直交偏光モードは効果的な周波数二逓倍を受けることはない（基本波と高調波との間の位相の適合の欠如）。これらのモードはポンピング出力と共に増大しながら個体群の反転を安定化させる。これらは転換効率を低下させる（転換効率を大きくするには個体群反転の増加を必要とする）。“空間的ホール燃焼”効果だけが、転換効率を僅かに大きくすることを可能にする。

レーザをモノモードにするための、或いは非線形結晶内で複数のモードをアンカップルするための、複数の方法が提供されている。それらは以下の３つのカテゴリに分類することができる：
ａ）第１の方法は、キャビティー内に楔を導入することである。この方法は、特に下地氏の米国特許5,838,713に開示されており、幾つかの問題を提起している。即ち、楔は、それがYAGの面と二逓倍用結晶の面と
によって形成されていない限り、キャビティー内に損失を生じさせる。YAGの面と二逓倍用結晶の面とによって楔を形成する場合には、工業的に達成しかつ安定化するのが困難な非常に高い位置決め精度（サブミクロン）を必要とする。この問題を解決する一方法は、接触面の一部にわたって角度を設けながら増幅用媒質を二逓倍用結晶に光学的に接触させることである。この角度は２つの物質の間に小さな空気スペースを生じさせる。この方法は接触、ひいてはモノリシック・レーザの一体性を弱化させると共に、接着剤による界面の保護を不可能にする。

ｂ）第２カテゴリーの方法は基本波の偏光に関連する。増幅用媒質は“空間的ホール燃焼”効果を回避するべく２つの四分の一波長プレートの間に挿入することができる（特にHollmann等の「周波数安定化された、ダイオードポンピングされた、473ｎｍおよび237ｎｍの高調波をもった、946ｎｍのNd:YAGレーザ（Opt. Lett., 192頁, 1994年2月）」参照）。この方法の難点はキャビティー内に損失が導入されることである。

“タイプI”二逓倍とは、基本波長レーザ光が結晶の複数の光軸のうちのいづれか１つ（一般に、低速軸）の上を伝播し、高調波レーザ光が前記光軸に直交する結晶の他の光軸上を伝播するような実施態様を意味する。タイプIの二逓倍は、基本波長に対する光軸の屈折率が高調波長に対する他の光軸の屈折率に等しくなるように結晶をカットすることができる場合に起こる。これはKNbO₃の場合である。

タイプIIの二逓倍とは、基本波長レーザ光が２つの軸上の存在し、かつ、基本波長レーザの偏光がこれらの光軸に関して４５°を成す時に転換係数が最適化されるような実施態様を意味する。

ｃ）第３の方法はキャビティーの長さを低減することからなる。この方法はA. Mooradianによって1993年10月の米国特許5,256,164に提案されている。946ｎｍでの発光のスペクトル線幅１ｎｍの場合には（1.064μｍでのスペクトル線の場合の0.6ｎｍに相当）、Mooradianの式は、YAGおよびKNbO₃を通じて、300μｍより小さなキャビティー長さを必要とする。従来刊行され又は特許されているマイクロチップ中のNd濃度は、1.1 at.%を超えない。これは808.4ｎｍにおける0.85ｍｍ^−１の減衰に対応する（即ち、厚さ100μｍによってポンプ出力8.1％が吸収され、かつ、200μｍによってポンプ出力15.6％が吸収される）。他方、 KNbO₃の100又は200ｎｍは充分な変換効率をもたらさない。従って、Mooradianの不均等によるマイクロチップ・レーザは、レーザダイオードのポンプ出力１mWでもって、数mW以上の青色を発射できないように見受けられる。

更に、イントラキャビティ二逓倍されたレーザを単一周波数にするためにT. Y. FANによって提案された効果的な方法“単一アキシャルモード、イントラキャビティ二逓倍されたNd:YAGレーザ”（IEEE Journal of Quantum Electronics, 27巻, 09.9.1991）が知られている。この方法では、増幅用媒質（Nd:YAG）は空気に対するブリュースター（Brewster）角でカットされている。複屈折性の非線形結晶は基本波長によって45°でアタックされる（タイプIIの二逓倍）。Brewster窓は直交偏光に対して大きな損失を生じさせ、それがレーザ発射するのを阻害する。Brewster窓は、また、複屈折性結晶によって偏光が回転せられたあらゆる波長に対して損失を生じさせる。波長に応じたこの損失変調はレーザをモノモードにすることができる。しかしながら、基本周波数の信号は非線形結晶のいづれか１つの光軸上にあるので、この方法はタイプIの二逓倍には適用されない。他方、二重屈折に因り、Brewster角度でカットされた増幅用結晶を非線形結晶に接合することができない。即ち、二重屈折は、キャビティーの外面によって反射されたビームは増幅器内に戻った時に再結合することがないという位相効果をもたらす。

本発明は、サイズがコンパクトで、大きな作動安定性を呈し、タイプIおよびタイプIIの周波数二逓倍を可能にするような、イントラキャビティー二逓倍された固体レーザを提供することにより、前述した難点の大部分を解消することを目的とするものである。本発明の他の目的は、モノモードで作動することの可能な、同調可能な固体レーザを提供することである。本発明は、更に、ポンピング用レーザダイオードの出力レベルが如何様であろうともパワフルな固体レーザを目的とするものである。

前記目的の少なくとも１つは、
−光学的ポンピング手段（好ましくはレーザダイオード）と、
−前記光学的ポンピング手段から発射された基本波長のレーザ光によって励起される増幅用媒質であって、その出力面が前記基本波長に対するブリュースター（Brewster）角に沿ってカットされたものと、
−周波数二逓倍用の複屈折性結晶、
とを備えたレーザ装置によって達成される。

本発明によれば、この装置は、更に、増幅用媒質の出力面と複屈折性結晶の入力面との間に挿入された等方性媒質を備え、増幅用媒質と複屈折性結晶とはモノリシック又は複合式の共鳴用キャビティーを構成するべく互いに一体になっている。更に、複屈折性結晶の“ｃ”結晶軸は基本波の偏光の直交方向（Brewster表面によって定まる）に対してゼロでない角度θ_ｃをなす。

本発明の装置によれば、等方性媒質と複屈折性結晶との間の界面は法線に近い。楔入されたこの等方性媒質は複屈折性結晶の二重屈折効果を制限するのを可能にする。即ち、入射角が法線に向かうと、二重屈折角はゼロに向かう。従って、増幅用媒質を複屈折性結晶（二逓倍器）と一体化させ、コンパクトな構成要素を得ることができる（これは1991年のT. Y. Fanの文献の場合にはできない）。

Brewster角をもった界面と軸を外れた複屈折性結晶との組合せは単一のモードを選択するのを可能にする。即ち、Brewster界面は直交偏光に対して選択的な損失を生じさせる。複屈折に起因する位相ずれが２πの倍数であるような波長だけが、Brewster界面において低損失の偏光を維持する。特に非線形結晶の長さを調節することにより、発射帯域内で単一のモードだけを選択することができる。換言すれば、等方性媒質の屈折率とキャビティーの長さに関連づけられた角度θ_ｃはキャビティー内に単一のモードしか許容しないように調節することができる。

従って、タイプIIの二逓倍の場合においてさえも、45°とは異なる角度θ_ｃを取るのが正しいことがあり得る。

更に、二逓倍の効率が大きい場合には、θ_ｃを増加することにより隣接モードの損失を増大させることができる。

本発明の好ましい特徴によれば、複屈折性結晶の入力面及び／又は出力面はレーザ光の伝播方向に対する法線に対して僅かな角度εでカットされている。従って、入力面と出力面とは最早完全に平行ではない。この特徴は、従来の二逓倍においては、一切の二重屈折を避けるために角度εは常にゼロに等しいという事実故に顕著である。従って、ゼロでない角度εを設定することは従来のやり方に反することである。装置の特性（キャビティーのサイズ、屈折率、θ_ｃ、等）に応じて、当業者は、これを超えるとBrewster面のところにおける透過スペクトルが最早透過率のピークを呈さなくなるような、最大角度εを決定することができる。例示として、εは１度より小さいか１度に等しく設定することができる。

この角度εは平行および直交の２つの方位内で僅かな二重屈折を生じさせる。それは偏光に対して平行な寸法内に導入することができる。こうして信号の進路内に導入されたこの僅かな二重屈折は、εが小さい限り、ポンプによって生じた熱レンズによって補償される。しかしながら、好ましくは、εは偏光に対して直交する寸法内に導入される。

一般に、この角度εは有利なことに単にポンプ（従って、信号）を並進移動させるだけで複屈折性結晶の長さを変化させるのを可能にする。この長さの変化はキャビティーの周波数を同調させるのを可能にする。

本発明によれば、基本波の伝播方向に対する直交面は、好ましくは“ｃ”結晶軸を含むことができると共に、基本波と高調波（二逓倍波）との間で作動温度に対する位相の同調を得るべく、複屈折性結晶の“ａ”軸および“ｂ”軸に対して角度をなすことができる。

キャビティーのサイズは最早モノモードの作動を得るために修正可能な唯一のパラメータではない。複屈折性結晶の媒質、それらの屈折率、およびそれらの寸法、方位を適正に選択すれば、モノモードの安定した作動が可能になる。

増幅用媒質は、ネオジム（Nd）でドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）で構成することができる。この結晶は、入力面がミラー面を構成するような円柱形状にすることができる。

好ましくは、複屈折性結晶はニオブ酸カリウム（KNbO₃）からなる。

本発明の第１の変化形によれば、等方性媒質はタンタル酸カリウム（KTaO₃）からなる結晶性材料である。その場合、３つの媒質は互いに接合される。

本発明の第２の変化形によれば、等方性媒質は空気である。この場合には、増幅器の出力面および複屈折性結晶の入力面の表面状態は過剰な純度を必要としない。

好ましくは、複屈折性結晶の屈折率に近い屈折率（例えば10％以内）を有する等方性結晶によって構成された等方性媒質を選択するように配慮する。これは二重屈折効果を最小限にすると共に、界面に対する信号の迎角（法線を中心とする）の許容公差をより大きくすることを可能にする。

本発明の他の観点においては、本発明は、ポンピング手段によって発射されたレーザ光を増幅器の入力面に対して並進移動させることにより、レーザ光が通る光路を変化させるような方法を提供する。より正確には、増幅器内でこのレーザ光が通る距離が緯度に応じて変化するような平面に沿ってレーザ光を移動させる。

本発明の他の特徴や利点は非限定的な実施例の詳細な説明および添付図面から明らかとなろう。

次に、946ｎｍで発光するNd:YAGレーザを備え、KNbO₃結晶を用いて473ｎｍにイントラキャビティー二逓倍された、イントラキャビティー周波数二逓倍されたモノリシックレーザ装置を説明するが、勿論、本発明はこれに限定されるものではない。

図１を参照するに、ポンピング用レーザダイオード１０は808ｎｍのレーザ光１１を、３つの結晶２、３、４を組み合わせて構成されたキャビティー１に向かって発射する。増幅用結晶２はNd:YAGである。その屈折率は946ｎｍでｎ_１＝1.82である。この結晶２の入力面６は平らなミラーを構成するように処理してある。その出力面７は、屈折率ｎ_１と等方性結晶３の屈折率ｎ_２とに基づいて計算したBrewster角度でカットしてある。２つの結晶２および３は面７の一部にわたって互いに接合してある。

等方性結晶３は946ｎｍでの屈折率ｎ_２が2.179に等しいタンタル酸カリウムKTaO₃で構成されている。その出力面８には屈折率および直径が等方性結晶３のものにほぼ等しいニオブ酸カリウムKNbO₃からなる複屈折性の周波数二逓倍用結晶４が接合してある。

２つの結晶３と４は共線状の幾何学軸線を有する。等方性結晶３は、Nd:YAG２から出て面７で偏向されたレーザ光５が結晶３および４の幾何学軸線に平行に結晶３および４を横断するように、面７のところでカットしてある。

Nd:YAG２の入力面６とKNbO₃４の出力面９は、共鳴用キャビティーを構成するべく、従来のやり方で処理してある。面９から出るビームは946ｎｍ又は473ｎｍであり得る。

図１の模式図はNd:YAG内における946ｎｍの信号の垂直偏光に基づいている。垂直軸は同図の紙面内に位置しており、水平軸は紙面に垂直である。当業者は水平の又は任意の線形偏光向けにこの図を容易に適合し得るであろう。

複屈折性KNbO₃結晶内では、入力面８は、ｃ軸を含んでいると共に、308ｋでの波長946ｎｍと波長473ｎｍとの間の位相の同調を得るべく、軸ｂに対する角度φ＝32°で面ａｂを切断している。当業者は他の温度に位相を適合させるべくこの角度を修正し得るであろう。946ｎｍでは、ｃ軸の屈折率はｎ_３ｆ＝2.127であり、直交軸の屈折率はｎ_３Ｓ＝2.238である。従って、複屈折はΔｎ_３＝0.111によって特徴づけられる。

面７の角度φａはYAGとKTaO₃との間のBrewster角度である。それは関係tan（φａ）＝ｎ_１／ｎ_２により定まる。面８は、入力面６に対して直交方向に発射された946ｎｍのビームの伝播方向に対する法線の角度εでカットしてある。φｂおよびφｃは、夫々、面８および９の角度であって、φｂ≒２φａ−π／２＋ε、および、φｃ≒２φａ−π／２＋ε１により定まる（ε１はε（１−ｎ_２／ｎ_３ｓ）とε（１−ｎ_２／ｎ_３ｆ）との間の好ましい値を有する）。φｂに対する許容公差は１°のオーダーであり、これは二重屈折効果によって制限される。φｃに対する許容公差は数分の角度より小さい。何故ならば、キャビティーを閉じるのは後者の面だからである。

更に図１を参照するに、“ｙ”＝０の場合は、垂直軸上で、信号は３つの結晶２、３、４のいづれの中でも２ｍｍ伝播する。“ｙ”＜０の場合は３つの媒質の中での夫々の伝播距離は３つの角度φａ、φｂ、φｃから容易に導かれる。距離と屈折率との積である光学距離Ｌ_ｏは“ｙ”の関数として容易に計算される。角度εは0.003 rad又は角度10分に等しくなるように選ばれる。キャビティー内を伝播することの可能な光学周波数はＣ／２Ｌ（Ｃは真空中の光の速度）に比例する。光学周波数は図２〜図７に×印と丸で示してある。

図２〜図７は、垂直方向および水平方向偏光を伴って伝播する信号についての、３つの結晶２、３、４によって構成されたキャビティー内へ出入りする際の、Brewster角の面７によって生じる損失を示す。複屈折性の結晶４のカット角（即ち、水平との軸ｃの角度）はθ_ｃ＝0.3 radである。増幅用媒質２は946.6ｎｍにセンタリングされた１ｎｍのバンドにわたってゲインを提供することが可能である。増幅されたモード全体の損失を計算したので、図２〜図７に示す。図２では、直交偏光の損失もまた示してある（丸印）。直交偏光の損失はレーザ発振を可能にするには余りにも大きいので、以下には示してない。

基本波信号の偏光は図示した場合では垂直である。ｃ軸が水平であるならば、光学軸は水平および垂直であろう。その場合には、基本波信号は複屈折軸内を伝播し、その偏光は最早回転することができないであろう。もしもｃ軸（従って、複屈折軸）が本件の場合のように回転せられるならば、基本波は最早複屈折軸内にはなく、従って、その偏光は結晶中を伝播する際に回転せられる。この場合には、偏光の回転によるモードの選択を適用することができる。

レーザ光の垂直方向位置“ｙ”は図３〜図７では変化させてある。“ｙ”が−1.4ｍｍから−0.8ｍｍまで上る場合には、発射バンドの波長全体は順次に選択することができる。図４およ図５から分かるように、ｎ２、KnbO₃複屈折性結晶４の長さ、およびθ_ｃを正しく選べば、単一のモードしか選択しないことが可能になる。小さなｎ_２／ｎ_１比は特に透過率のピークの幅を小さくし、フィルタを非常に選択的にすることを可能にする。角θ_ｃは隣接するモードに対してより多くの損失を生じさせるように増加させることができる。同一のモード選択（図３および図７参照）に戻すには1.2ｍｍの垂直変位で足りる。従って、レーザはモノモードでであり、レーザダイオードに対して結晶を単に並進移動させるだけで同調させることができる。

図８には等方性媒質が空気からなる本発明の装置の好ましい変化形を示す。
ポンピング装置は示してない。

Nd:YAGレーザ１２の出力面１４はBrewster角でカットしてある。この面１４の上部は946ｎｍのレーザ光を通過させることを目的としている。面１４の下部には、KNbO₃をベースとする複屈折性結晶１３が接合してある。後者は、 Nd:YAGから出て空気を横断したレーザ光１６がこの結晶の入力面１７に到達するようにカットしてある。レーザ光の進路においては、Nd:YAGレーザの出力面１４と複屈折性結晶１３の入力面１７との間には何等の材料も存在しない。この変化形の利点は、接合領域１５における表面状態に関する要件が最小であるということである。

勿論、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく上記実施例に種々の修正を加えることができる。

図１は接合した３つの結晶を備えた本発明のレーザ装置の模式的断面図である。 図２〜７は図１の装置の共鳴キャビティー内にある異なるモードの出力レベルを示すグラフである。 図８は中間材料を雰囲気空気で置換した本発明の装置の変化形の模式的断面図である。

Claims (13)

1. −光学的ポンピング手段（１０）と、
   −前記光学的ポンピング手段から発射された基本波長のレーザ光（１１）によって励起される増幅用媒質（２）であって、その出力面（７）が前記基本波長に対するブリュースター角に沿ってカットされたものと、
   −周波数二逓倍用の複屈折性結晶、
   とを備えたレーザ装置であって：
   その特徴は、前記増幅用媒質の出力面（７）と前記複屈折性結晶の入力面（８）との間に挿入された等方性媒質（３）を更に備え、前記増幅用媒質（２）と複屈折性結晶（４）とはモノリシック共鳴用キャビティーを構成するべく互いに一体になっており、前記複屈折性結晶の“ｃ”結晶軸は、ブリュースター表面によって定まる基本波の偏光の直交方向に対して、ゼロでない角度θ_ｃをなすことからなるレーザ装置。
2. 前記複屈折性結晶の入力面（８）はレーザ光（５）の伝播方向に対する法線に対してゼロでなくかつ１度に等しいかそれより小さい角度εでカットされていることを特徴とする請求項１に基づくレーザ装置。
3. 前記複屈折性結晶の出力面（９）はレーザ光（５）の伝播方向に対する法線に対してゼロでなくかつ１度に等しいかそれより小さい角度εでカットされていることを特徴とする請求項１又は２に基づくレーザ装置。
4. 前記角度εは１度に等しいかそれより小さいことを特徴とする請求項２又は３に基づくレーザ装置。
5. 基本波の伝播方向に対する直交面は“ｃ”結晶軸を含み、この面は、基本波と高調波との間で作動温度に対する位相の同調を得るべく、複屈折性結晶の“ａ”軸および“ｂ”軸に対して角度をなしていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置。
6. 増幅用媒質（２）はネオジム（Nd）でドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）からなることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置。
7. 増幅用媒質（２）は入力面がミラー面を構成する円柱形Nd:YAGであることを特徴とする請求項６に基づくレーザ装置。
8. ポンピング手段（１０）はレーザダイオードであることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置。
9. 複屈折性結晶（４）はニオブ酸カリウム（KNbO₃）からなることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置。
10. 等方性媒質は空気であることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置。
11. 等方性媒質はタンタル酸カリウム（KTaO₃）からなることを特徴とする請求項１から９のいづれかに基づくレーザ装置。
12. 等方性媒質は複屈折性結晶の屈折率に近い屈折率（等方性媒質の屈折率と複屈折性結晶の屈折率との差が複屈折性結晶の屈折率の10％以内）を有する等方性結晶で構成されていることを特徴とする請求項１から９のいづれかに基づくレーザ装置。
13. 前記請求項のいづれかに基づくレーザ装置内で実施する方法であって、ポンピング手段によって発射されたレーザ光を増幅器の入力面に対して並進移動させることにより、レーザ光が通る光路を変化させることを特徴とする方法。

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