JP4541272B2 - Laser oscillation method and solid-state laser device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー発振方法および固体レーザー装置に関し、さらに詳細には、単一横モードでレーザー発振させるレーザー発振方法および固体レーザー装置に関する。   The present invention relates to a laser oscillation method and a solid-state laser device, and more particularly to a laser oscillation method and a solid-state laser device that perform laser oscillation in a single transverse mode.

従来より、レーザー共振器内を往復する光は、ある特定の状態(モード)にて発振することが知られている。   Conventionally, it is known that light reciprocating in a laser resonator oscillates in a specific state (mode).

こうしたモードのなかで横モードの0次の状態は、単一横モード(TEM00モード)と称されている。一方、高次のものを含んだ場合は、マルチモードと呼ばれている。 Among these modes, the zero-order state of the transverse mode is referred to as a single transverse mode (TEM 00 mode). On the other hand, when a higher order is included, it is called multimode.

ここで、単一横モードでのレーザー発振により得られるレーザー光は、その光軸に対して垂直の断面から見た場合に強度分布がガウス分布(正規分布)をしており、他のモードでのレーザー発振により得られるレーザー光と比較すると、最も集光性に優れていることが知られている。   Here, the laser light obtained by laser oscillation in a single transverse mode has a Gaussian distribution (normal distribution) when viewed from a cross section perpendicular to the optical axis. Compared with laser light obtained by laser oscillation, it is known that it has the best light collecting property.

このため、単一横モードでのレーザー発振により得られるレーザー光は、レーザー加工などを含む様々な技術分野において利用されている。特に、単一横モードでのレーザー発振により得られるレーザー光をレーザー加工に用いた場合には、切り幅が狭く、断面がなめらかな切断、所謂、ファインカッティングを行うことが可能になる。   For this reason, laser light obtained by laser oscillation in a single transverse mode is used in various technical fields including laser processing. In particular, when laser light obtained by laser oscillation in the single transverse mode is used for laser processing, it is possible to perform so-called fine cutting with a narrow cut width and a smooth cross section.

ところで、レーザー媒質としてレーザー結晶などのロッド状に形成された固体レーザー媒質を単一横モードでレーザー発振させるには、固体レーザー媒質内の有効励起ボリューム径とモードボリューム径とを等しくするか、あるいは、有効励起ボリューム径よりモードボリューム径を大きくするように各種の設定を調整する必要がある。   By the way, in order to oscillate a solid laser medium formed in a rod shape such as a laser crystal as a laser medium in a single transverse mode, the effective excitation volume diameter and the mode volume diameter in the solid laser medium are made equal, or It is necessary to adjust various settings so that the mode volume diameter is larger than the effective excitation volume diameter.

ここで、有効励起ボリューム径とモードボリューム径とについて説明するが、まず、図1を参照しながら、有効励起ボリューム径について説明する。   Here, the effective excitation volume diameter and the mode volume diameter will be described. First, the effective excitation volume diameter will be described with reference to FIG.

即ち、図1には、紙面に対して垂直方向に沿って軸方向が延長する円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質10が示されている。   That is, FIG. 1 shows a rod-shaped solid laser medium 10 having a cylindrical shape extending in the axial direction along a direction perpendicular to the paper surface.

このような固体レーザー媒質10の外周面、即ち、側面10aからレーザーダイオード(LD)などにより励起光を入射して、固体レーザー媒質10を励起すると、固体レーザー媒質10内には励起状態となった部分が発生する。   When excitation light is incident from the outer peripheral surface of the solid laser medium 10, that is, the side surface 10 a by a laser diode (LD) or the like to excite the solid laser medium 10, the solid laser medium 10 is excited. Part occurs.

上記した固体レーザー媒質10内の励起状態には、図1において破線で示すように、励起光を吸収した度合いに応じて分布が生じる(図1における破線は、励起光を吸収した度合いが異なる領域の境界を概念的に示す。)。こうした励起状態の分布のうちで実際にレーザー発振に寄与している場所を有効励起ボリュームと称し、有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の当該同心円の最外円の直径を有効励起ボリューム径と称している。なお、有効励起ボリューム径は、ωpによりあらわす。   In the above-described excited state in the solid-state laser medium 10, a distribution is generated according to the degree of absorption of the excitation light as indicated by the broken line in FIG. 1 (the broken line in FIG. 1 is a region having a different degree of absorption of the excitation light. Conceptually shows the boundaries of.) Of these distributions of excited states, the place that actually contributes to laser oscillation is called the effective excitation volume, and the outermost circle of the concentric circle in the region where the excited states are distributed concentrically in the effective excitation volume. The diameter is referred to as the effective excitation volume diameter. The effective excitation volume diameter is represented by ωp.

また、モードボリューム径とは、固体レーザー装置のレーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径たるビーム径である(図2を参照する。)。なお、有効励起ボリューム径は、ωcによりあらわす。   The mode volume diameter is a beam diameter which is a diameter of a laser beam of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator of the solid-state laser device (see FIG. 2). The effective excitation volume diameter is represented by ωc.

ところで、図1を参照しながら説明した固体レーザー媒質10の外周面、即ち、側面10aからレーザーダイオード(LD)などにより励起光を入射して固体レーザー媒質10を励起する励起手法たる側面励起(サイドポンプ)の場合には、励起状態の分布が同心円状になり難く、単一横モードのレーザー発振モードが得られ難いことが指摘されていた。   By the way, the side surface excitation (side) which is an excitation method for exciting the solid laser medium 10 by entering the excitation light from the outer peripheral surface of the solid laser medium 10 described with reference to FIG. In the case of a pump), it has been pointed out that the distribution of excited states is unlikely to be concentric, and it is difficult to obtain a single transverse mode laser oscillation mode.

このため、従来の側面励起の固体レーザー装置においては、有効励起ボリューム径に応じて、例えば、レーザー共振器の共振器長を変化したり、あるいは、レーザー共振器内の出力ミラーやリアミラーの曲率を変化したりすることにより、モードボリューム径を慎重に微調整して単一横モードのレーザー発振モードを得るようしていた。   For this reason, in the conventional side-pumped solid-state laser device, for example, the resonator length of the laser resonator is changed according to the effective excitation volume diameter, or the curvature of the output mirror and rear mirror in the laser resonator is changed. By changing the mode volume diameter, the mode volume diameter is carefully fine-tuned to obtain a single transverse mode laser oscillation mode.


しかしながら、レーザー出力を変化させるために励起光の強度(励起強度)を変化させた場合には、有効励起ボリューム径が変化するとともに、熱レンズの大きさも変化するため、有効励起ボリューム径とモードボリューム径との関係が変化することになり、単一横モードのレーザー発振モードを維持することが困難であるという問題点があった。即ち、ある一定の励起強度において、単一横モードのレーザー発振モードを維持することができていたとしても、レーザー光出力を変化させるために励起強度を変化すると、有効励起ボリューム径とモードボリューム径との関係も変化して、レーザー発振モードが高次モード(マルチモード)になってしまい、単一横モードで安定してレーザー発振させることができないという問題点があった。

However, when the intensity of the excitation light (excitation intensity) is changed to change the laser output, the effective excitation volume diameter changes and the size of the thermal lens also changes. The relationship with the diameter changes, and it is difficult to maintain the single transverse mode laser oscillation mode. That is, even if the laser oscillation mode of the single transverse mode can be maintained at a certain excitation intensity, if the excitation intensity is changed to change the laser light output, the effective excitation volume diameter and the mode volume diameter are changed. As a result, the laser oscillation mode becomes a higher order mode (multi-mode), and there is a problem that laser oscillation cannot be stably performed in a single transverse mode.


また、従来の側面励起の固体レーザー装置において、Qスイッチなどを用いてパルス発振させる場合には、励起強度を一定に維持していても、パルス発振の繰り返し周波数を変化させると、固体レーザー媒質に蓄積されるエネルギーが変化するため、熱レンズの大きさが変化するようになる。その結果、有効励起ボリューム径とモードボリューム径との関係も変化してしまい、単一横モードのレーザー発振モードを維持することができなくなるという問題点があった。

In the case of pulse oscillation using a Q switch or the like in a conventional side-pumped solid-state laser device, if the repetition frequency of pulse oscillation is changed even if the excitation intensity is kept constant, the solid-state laser medium As the stored energy changes, the size of the thermal lens changes. As a result, the relationship between the effective excitation volume diameter and the mode volume diameter also changes, and there is a problem that it is impossible to maintain the single transverse mode laser oscillation mode.


なお、上記のようにレーザー共振器の構成などを変化させることにより、有効励起ボリューム径とモードボリューム径との関係が変化して単一横モードが維持できないという問題点を解決する手法としては、レーザー共振器内にアパーチャーを挿入し、レーザー共振器内を往復するモードを強制的に制限する手法が知られている。

As a technique for solving the problem that the single transverse mode cannot be maintained by changing the relationship between the effective excitation volume diameter and the mode volume diameter by changing the configuration of the laser resonator as described above, There is known a technique for forcibly limiting a mode in which an aperture is inserted in a laser resonator and reciprocates in the laser resonator.

しかしながら、この手法によれば、安定した単一横モードのレーザー発振を維持することは可能ではあるが、レーザー共振器内に損失が生じるため効率が低下するという新たな問題点を招来するものであった。   However, according to this method, it is possible to maintain stable single transverse mode laser oscillation, but this causes a new problem that efficiency is lowered due to loss in the laser resonator. there were.


また、従来の側面励起の固体レーザー装置のレーザー共振器内にモードロッカーを配置したモードロックレーザーにおいては、モードロッカーに外部よりある特定の高周波信号を印加して、パルス幅がピコ秒程度の短パルスレーザー光を発生させるが、この場合に、印加した高周波信号の周波数に対応して、式(1)に示す条件を満たすようにレーザー共振器の実効長Lを正確に設定する必要がある。

In addition, in a mode-locked laser in which a mode locker is arranged in the laser resonator of a conventional side-pumped solid-state laser device, a specific high frequency signal is applied to the mode locker from the outside, and the pulse width is as short as about picoseconds In this case, it is necessary to accurately set the effective length L of the laser resonator so as to satisfy the condition shown in Expression (1) in accordance with the frequency of the applied high-frequency signal.

L=c/4ν ・・・ 式(1)
c:光速度
ν:印加した高周波信号の周波数
一般に、上記した式(1)に示す条件を満たすためには、レーザー共振器内のミラーの曲率を変化させたり、レンズを挿入するなどの措置が必要であった。
L = c / 4ν Formula (1)
c: speed of light ν: frequency of the applied high-frequency signal Generally, in order to satisfy the condition shown in the above equation (1), measures such as changing the curvature of the mirror in the laser resonator or inserting a lens are required. It was necessary.

ところで、上記したようなモードロックレーザーにおいて、和周波発生や差周波発生などの波長変換を行う場合や、時間分解分光法のひとつであるポンプ&プローブ法による分光測定を行う場合などでは、異なる二つの固体レーザー装置から出力される短パルスレーザー光の繰り返しを正確に同期させる必要がある。   By the way, in the mode-locked laser as described above, there are two different cases when performing wavelength conversion such as sum frequency generation or difference frequency generation, or when performing spectroscopic measurement by the pump-and-probe method which is one of time-resolved spectroscopy. It is necessary to synchronize the repetition of short pulse laser beams output from two solid-state laser devices accurately.

ここで、異なる二つの固体レーザー装置から出力される短パルスレーザー光の繰り返しを正確に同期させるためには、レーザー共振器の実効長を正確に合わせる必要があるが、異なる二つの固体レーザー装置から出力される短パルスレーザー光の波長が異なる場合には、同一の固体レーザー媒質を使用している場合でもレーザー共振器内に生じる熱レンズの大きさが異なることになる。   Here, in order to accurately synchronize the repetitions of the short pulse laser beams output from two different solid-state laser devices, it is necessary to accurately match the effective length of the laser resonator. When the wavelength of the short pulse laser beam to be output is different, the size of the thermal lens generated in the laser resonator is different even when the same solid-state laser medium is used.

このため、異なる二つの固体レーザー装置においてレーザー共振器の実効長を正確に合わせることは難しく、両方の固体レーザー装置をともに最適な状態、即ち、式(1)に示す条件を満たすようにレーザー共振器の実効長Lを正確に設定することは困難であるという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
For this reason, it is difficult to accurately match the effective lengths of the laser resonators in two different solid-state laser devices, and the laser resonance is performed so that both solid-state laser devices are both in an optimal state, that is, satisfy the condition shown in Equation (1). There is a problem that it is difficult to set the effective length L of the vessel accurately.

The prior art that the applicant of the present application knows at the time of filing a patent is as described above and is not an invention related to a known literature, so there is no prior art information to be described.

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザー発振モードとして単一横モードを安定して維持することができるようにしたレーザー発振方法および固体レーザー装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the above-described various problems of the prior art, and an object of the present invention is to stably maintain a single transverse mode as a laser oscillation mode. An object of the present invention is to provide a laser oscillation method and a solid-state laser device.

また、本発明の目的とするところは、異なる二つの固体レーザー装置から出力される短パルスレーザー光の繰り返しを正確に同期させることができるようにしたレーザー発振方法および固体レーザー装置を提供しようとするものである。   Another object of the present invention is to provide a laser oscillation method and a solid-state laser device that can accurately synchronize the repetition of short pulse laser beams output from two different solid-state laser devices. Is.

上記目的を達成するために、本発明は、固体レーザー装置の固体レーザー媒質として、レーザー共振器の共振器長やロッド状の固体レーザー媒質に生じる熱レンズの大きさに合わせて選択されたロッド径の固体レーザー媒質を用いるようにしたものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides a rod diameter selected according to the resonator length of a laser resonator and the size of a thermal lens generated in a rod-shaped solid laser medium as a solid laser medium of a solid laser device. The solid-state laser medium is used.

従って、本発明によれば、固体レーザー装置の固体レーザー媒質のロッド径をレーザー共振器の共振器長に応じて選択することにより、広範囲の長さのレーザー共振器において、単一横モードでのレーザー発振を安定して維持することができるようになる。   Therefore, according to the present invention, the rod diameter of the solid-state laser medium of the solid-state laser device is selected according to the resonator length of the laser resonator. Laser oscillation can be maintained stably.

即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、レーザー共振器内に配置された固体レーザー媒質を側面励起することにより単一横モードでレーザー発振させるレーザー発振方法において、円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質のロッド径を、レーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、上記有効励起ボリューム径とは、上記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、上記モードボリューム径とは、上記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であるようにしたものである。 That is, the invention according to claim 1 of the present invention is provided with a cylindrical shape in a laser oscillation method in which laser oscillation is performed in a single transverse mode by side-exciting a solid laser medium disposed in a laser resonator. The rod diameter of the rod-shaped solid laser medium is a curve showing the change of the effective pump volume diameter with the change of the pump intensity of the solid laser medium according to the cavity length of the laser resonator and the pump intensity of the solid laser medium The rod diameter is such that the curve showing the change in the mode volume diameter accompanying the change in the diameter of the rod has a point of contact at only one point, and the effective excitation volume diameter is the distribution of the excited states in the solid-state laser medium. Thus, the concentric circles in the region where the excited states are concentrically distributed in the effective excitation volume, which is actually contributing to the laser oscillation. Outermost circle is the diameter, and is the mode volume diameter, in which as is the diameter of the laser light beam of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator.

また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記レーザー共振器の共振器長は76cmであり、上記ロッド径は1.7mmであり、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振するようにしたものである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the resonator length of the laser resonator is 76 cm, and the rod diameter is 1.7 mm. The laser beam having a wavelength of 1064 nm is oscillated.

また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、本発明のうち請求項2に記載の発明において、上記レーザー共振器にQスイッチを配置してパルス発振させるようにしたものである。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, a Q switch is disposed in the laser resonator to cause pulse oscillation.

また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記レーザー共振器にモードロッカーを配置し、上記レーザー共振器の共振器長を上記レーザー共振器の実効長
実効長=c/4ν
c:光速度
ν:モードロッカーに印加した高周波信号の周波数
とするようにしたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a mode locker is disposed in the laser resonator, and the resonator length of the laser resonator is set to the laser. Effective length of resonator Effective length = c / 4ν
c: speed of light
ν: The frequency of the high-frequency signal applied to the mode locker.

また、本発明のうち請求項5に記載の発明は、それぞれモードロッカーを備えた2つのレーザー共振器内にそれぞれ配置された円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質をそれぞれ側面励起することにより、同期したパルスレーザー光を単一横モードでレーザー発振させるレーザー発振方法において、第1のモードロッカーと第1の固体レーザー媒質とを備えた第1のレーザー共振器と、第2のモードロッカーと第2の固体レーザー媒質とを備えた第2のレーザー共振器とを有し、円柱形状を備えたロッド状の上記第1の固体レーザー媒質のロッド径を、上記第1のレーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、円柱形状を備えたロッド状の上記第2の固体レーザー媒質のロッド径を、上記第2のレーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、上記有効励起ボリューム径とは、上記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、上記モードボリューム径とは、上記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であって、上記第1のレーザー共振器の共振器長は100cmであり、上記第1の固体レーザー媒質のロッド径は2mmであり、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振し、上記第2のレーザー共振器の共振器長は100cmであり、上記第2の固体レーザー媒質のロッド径は2.6mmであり、波長1319nmのレーザー光をレーザー発振するようにしたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, the rod-shaped solid laser medium having a cylindrical shape respectively disposed in two laser resonators each having a mode locker is excited on each side. In the laser oscillation method of oscillating synchronized pulsed laser light in a single transverse mode, a first laser resonator including a first mode locker and a first solid state laser medium, a second mode locker, And a second laser resonator including a second solid-state laser medium, the rod diameter of the rod-shaped first solid-state laser medium having a cylindrical shape is set to the resonance of the first laser resonator. Depending on the length of the solid laser medium, the curve indicating the change in the effective excitation volume diameter accompanying the change in the excitation intensity of the solid laser medium and the change in the excitation intensity of the solid laser medium The curve indicating the change in mode volume diameter is a rod diameter that draws a curve having a contact at only one point, and the rod diameter of the rod-shaped second solid laser medium having a cylindrical shape is the second diameter of the second solid laser medium. A curve indicating a change in effective excitation volume diameter associated with a change in excitation intensity of the solid laser medium and a change in mode volume diameter associated with a change in excitation intensity of the solid laser medium according to the cavity length of the laser resonator. The rod diameter is such that the curve draws a curve with a contact at only one point, and the effective excitation volume diameter is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid laser medium. Is the diameter of the outermost circle of the concentric circle in the region where the excited states are distributed concentrically in the effective excitation volume, and the mode volume diameter is A diameter of the laser light beam of a single transverse mode determined by the configuration of the Za resonator, the resonator length of the first laser cavity is 100 cm, the rod diameter of the first solid-state laser medium is 2 mm, and the laser oscillates a laser beam having a wavelength 1064 nm, the resonator length of the second laser resonator is 100 cm, the rod diameter of the second solid-state laser medium is 2.6 mm, the wavelength 1319nm This laser beam is made to oscillate.

また、本発明のうち請求項6に記載の発明は、レーザー共振器内に固体レーザー媒質を配置し、上記固体レーザー媒質の側面から励起光を入射して前記固体レーザー媒質を側面励起することにより、単一横モードでレーザー発振させる固体レーザー装置において、円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質は、レーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え、上記有効励起ボリューム径とは、上記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、上記モードボリューム径とは、上記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であるようにしたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, a solid-state laser medium is arranged in a laser resonator, and excitation light is incident from a side surface of the solid-state laser medium to laterally excite the solid-state laser medium. In a solid-state laser device that oscillates in a single transverse mode, a rod-shaped solid laser medium with a cylindrical shape is effective as the excitation intensity of the solid-state laser medium changes according to the cavity length of the laser resonator. and the curve showing the change in the mode volume diameter with changes in excitation intensity curve and the solid-state laser medium exhibiting a change in the excitation volume diameter is provided with a rod diameter such as to draw a curve having a contact only one point, the effective excitation The volume diameter is an effective excitation volume that is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid-state laser medium. Is the diameter of the outermost circle of the concentric circles in the region where the excited states are concentrically distributed in the chamber, and the mode volume diameter is a laser of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator This is the diameter of the light beam .

また、本発明のうち請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の固体レーザー装置において、上記レーザー共振器の共振器長を76cmとし、上記ロッド径を1.7mmとし、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振するようにしたものである。   According to a seventh aspect of the present invention, in the solid-state laser device according to the sixth aspect, the resonator length of the laser resonator is 76 cm, the rod diameter is 1.7 mm, and the wavelength is 1064 nm. The laser beam is made to oscillate.

また、本発明のうち請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の固体レーザー装置において、上記レーザー共振器に配置されたQスイッチを備えるようにしたものである。   According to an eighth aspect of the present invention, in the solid-state laser device according to the seventh aspect, a Q switch arranged in the laser resonator is provided.

また、本発明のうち請求項9に記載の発明は、請求項6に記載の固体レーザー装置において、上記レーザー共振器に配置されたモードロッカーを備え、上記レーザー共振器の共振器長を前記レーザー共振器の実効長
実効長=c/4ν
c:光速度
ν:モードロッカーに印加した高周波信号の周波数
とするようにしたものである。
According to a ninth aspect of the present invention, in the solid-state laser device according to the sixth aspect of the present invention, the solid-state laser device includes a mode locker disposed in the laser resonator, and the resonator length of the laser resonator is the laser length. Effective length of resonator Effective length = c / 4ν
c: speed of light
ν: The frequency of the high-frequency signal applied to the mode locker.

また、本発明のうち請求項10に記載の発明は、それぞれモードロッカーを備えた2つのレーザー共振器内にそれぞれ配置された固体レーザー媒質をそれぞれ側面励起することにより、同期したパルスレーザー光を単一横モードでレーザー発振させる固体レーザー装置において、第1のモードロッカーと第1の固体レーザー媒質とを備えた第1のレーザー共振器と、第2のモードロッカーと第2の固体レーザー媒質とを備えた第2のレーザー共振器とを有し、円柱形状を備えたロッド状の上記第1の固体レーザー媒質は、上記第1のレーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え、円柱形状を備えたロッド状の上記第2の固体レーザー媒質は、上記第2のレーザー共振器の共振器長に応じて、上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と上記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え、上記有効励起ボリューム径とは、上記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、上記モードボリューム径とは、上記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であって、上記第1のレーザー共振器の共振器長を100cmとし、上記第1の固体レーザー媒質のロッド径を2mmとし、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振させ、上記第2のレーザー共振器の共振器長を100cmとし、上記第2の固体レーザー媒質のロッド径を2.6mmとし、波長1319nmのレーザー光をレーザー発振させるようにしたものである。
In the invention according to claim 10 of the present invention, a synchronized pulsed laser beam can be obtained by exciting the solid laser medium respectively disposed in two laser resonators each having a mode locker. In a solid-state laser device that oscillates in one transverse mode, a first laser resonator including a first mode locker and a first solid-state laser medium, a second mode locker, and a second solid-state laser medium are provided. A rod-shaped first solid-state laser medium having a cylindrical shape, the rod-shaped first solid-state laser medium according to a cavity length of the first laser resonator. A curve showing the change in effective excitation volume diameter with changes in excitation intensity and a curve showing the change in mode volume diameter with changes in the excitation intensity of the solid laser medium. However, the rod-shaped second solid-state laser medium having a rod diameter that draws a curve having a contact point at only one point and having a cylindrical shape depends on the resonator length of the second laser resonator. The curve indicating the change in effective excitation volume diameter associated with the change in the excitation intensity of the solid laser medium and the curve indicating the change in mode volume diameter associated with the change in the excitation intensity of the solid laser medium have a single point of contact. It has a rod diameter that draws a curve, and the effective excitation volume diameter is the excitation volume within the effective excitation volume that is the place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid laser medium. The diameter of the outermost circle of the concentric circle in the region where the states are distributed concentrically, and the mode volume diameter is a single value determined by the configuration of the laser resonator A diameter of the laser light beam mode, the resonator length of said first laser resonator and 100 cm, the rod diameter of the first solid-state laser medium and 2 mm, to a laser oscillating a laser beam having a wavelength of 1064nm The resonator length of the second laser resonator is 100 cm, the rod diameter of the second solid-state laser medium is 2.6 mm, and laser light having a wavelength of 1319 nm is oscillated.

本発明は、以上説明したように構成されているので、レーザー発振モードとして単一横モードを安定して維持することができるようにしたレーザー発振方法および固体レーザー装置を提供することができるという優れた効果を奏する。   Since the present invention is configured as described above, it is possible to provide a laser oscillation method and a solid-state laser device that can stably maintain a single transverse mode as a laser oscillation mode. Has an effect.

また、本発明は、以上説明したように構成されているので、異なる二つの固体レーザー装置から出力される短パルスレーザー光の繰り返しを正確に同期させることができるようになるという優れた効果を奏する。   In addition, since the present invention is configured as described above, it has an excellent effect that it is possible to accurately synchronize the repetition of the short pulse laser light output from two different solid-state laser devices. .

以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるレーザー発振方法および固体レーザー装置の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。   Hereinafter, an example of an embodiment of a laser oscillation method and a solid-state laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成などについては、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。   In the following description, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and a duplicate description thereof is omitted as appropriate.


図2には、本発明の実施の形態の一例による固体レーザー装置の概念構成説明図が示されている。なお、図2においては、理解を容易にするために、後述する励起ユニット110の内部構成については省略して図示した。

FIG. 2 is a conceptual configuration explanatory diagram of a solid-state laser device according to an example of the embodiment of the present invention. In FIG. 2, in order to facilitate understanding, the internal configuration of the excitation unit 110 described later is omitted.

この固体レーザー装置100は、出力ミラー102とリアミラー104とを有して構成されるレーザー共振器と、出力ミラー102とリアミラー104との間に配置されるとともに内部に円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質114を配置した励起ユニット110とを有して構成されている。   This solid-state laser device 100 is disposed between a laser resonator having an output mirror 102 and a rear mirror 104, and between the output mirror 102 and the rear mirror 104, and has a rod shape with a cylindrical shape inside. And an excitation unit 110 in which a solid-state laser medium 114 is arranged.

ここで、図3には、励起ユニット110のIII−III線による概略構成端面図が示されており、この図3を参照しながら励起ユニット110の詳細な構成を説明する。   Here, FIG. 3 shows a schematic configuration end view of the excitation unit 110 taken along line III-III. The detailed configuration of the excitation unit 110 will be described with reference to FIG.

即ち、励起ユニット110は、この固体レーザー装置100により出力されるレーザー光の波長に対して透明な窓部を当該レーザー光の光路上に配置したケース112と、ケース112内において紙面に対して水平方向に沿って軸方向が延長するとともに両方の端面114a、114bが紙面の左右方向に位置するように配置された円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質114と、固体レーザー媒質114の外周面、即ち、側面114cに対向して配置された3個のレーザーダイオード116a、116b、116cと、固体レーザー媒質114の側面114cを被覆するように配置されたフローチューブ118と、固体レーザー媒質114を挟んでレーザーダイオード116a、116b、116cとそれぞれ対向するように配置された3個のリフレクター120a、120b、120cとを有して構成されている。   That is, the excitation unit 110 includes a case 112 in which a window portion transparent to the wavelength of the laser beam output from the solid-state laser device 100 is arranged on the optical path of the laser beam, and a horizontal plane with respect to the paper surface in the case 112. A rod-shaped solid laser medium 114 having a cylindrical shape arranged so that the axial direction extends along the direction and both end faces 114a and 114b are positioned in the left-right direction of the paper surface, and the outer peripheral surface of the solid laser medium 114 In other words, the three laser diodes 116a, 116b, 116c arranged to face the side surface 114c, the flow tube 118 arranged to cover the side surface 114c of the solid-state laser medium 114, and the solid-state laser medium 114 are sandwiched. Are arranged so as to face the laser diodes 116a, 116b, 116c, respectively. Three reflectors 120a which, 120b, is configured to have a 120c.

以下に、上記した励起ユニット110の各構成についてさらに詳細に説明すると、まず、固体レーザー媒質114は、円柱形状の直径(以下、「ロッド径」と称する。)Dを所定の値に設定されている。ロッド径Dの値の決定の手法については、後に詳細に説明する。また、固体レーザー媒質114としては、例えば、Nd:YAG単結晶やTi:SiO単結晶などを用いるものである。 Hereinafter, each configuration of the above-described excitation unit 110 will be described in more detail. First, the solid laser medium 114 has a cylindrical diameter (hereinafter referred to as “rod diameter”) D set to a predetermined value. Yes. A method for determining the value of the rod diameter D will be described in detail later. As the solid laser medium 114, for example, an Nd: YAG single crystal, Ti: SiO 4 single crystal, or the like is used.

次に、レーザーダイオード116a、116b、116cは、その発光面116aL、116bL、116cLを固体レーザー媒質114の中心Oへ向けるようにして側面114cに対向させて、側面114cの周りに等間隔に配置されており、発光面116aL、116bL、116cLから固体レーザー媒質114内へ、励起光として、例えば、波長808nmで発光幅1cmのレーザー光を入射する。なお、発光面116aL、116bL、116cLと固体レーザー媒質114の中心Oとの間の距離Xは、例えば、それぞれ4.5mmに設定されている。   Next, the laser diodes 116a, 116b, and 116c are arranged at equal intervals around the side surface 114c with the light emitting surfaces 116aL, 116bL, and 116cL facing the side surface 114c so as to face the center O of the solid-state laser medium 114. For example, laser light having a wavelength of 808 nm and an emission width of 1 cm is incident as excitation light into the solid-state laser medium 114 from the light emitting surfaces 116aL, 116bL, and 116cL. Note that the distances X between the light emitting surfaces 116aL, 116bL, 116cL and the center O of the solid-state laser medium 114 are set to 4.5 mm, for example.

次に、フローチューブ118であるが、このフローチューブ118内には冷却用の純水が供給されており、フローチューブ118内を冷却用の純水が流れることにより、固体レーザー媒質114の熱負荷による影響が抑止される。   Next, the flow tube 118 is supplied with pure water for cooling in the flow tube 118, and the pure water for cooling flows in the flow tube 118, so that the heat load of the solid laser medium 114 is increased. The influence of is suppressed.

また、リフレクター120a、120b、120cは、リフレクター120aの反射面120aRを固体レーザー媒質114の中心Oへ向けるようにして固体レーザー媒質114を挟んでレーザーダイオード116aの発光面116aLと対向させ、リフレクター120bの反射面120bRを固体レーザー媒質114の中心Oへ向けるようにして固体レーザー媒質114を挟んでレーザーダイオード116bの発光面116bLと対向させ、リフレクター120cの反射面120cRを固体レーザー媒質114の中心Oへ向けるようにして固体レーザー媒質114を挟んでレーザーダイオード116cの発光面116cLと対向させて、レーザーダイオード116a、116b、116cの発光面116aL、116bL、116cLから出射される励起光を遮ることのないように側面114cの周りに等間隔に配置されている。   The reflectors 120a, 120b, and 120c face the light emitting surface 116aL of the laser diode 116a with the solid laser medium 114 sandwiched so that the reflection surface 120aR of the reflector 120a faces the center O of the solid laser medium 114, and the reflector 120b. The reflecting surface 120bR faces the center O of the solid-state laser medium 114 so as to face the light-emitting surface 116bL of the laser diode 116b with the solid-state laser medium 114 interposed therebetween, and the reflecting surface 120cR of the reflector 120c faces the center O of the solid-state laser medium 114. In this manner, the light emitting surfaces 116aL, 116bL, and 116cL of the laser diodes 116a, 116b, and 116c are opposed to the light emitting surface 116cL of the laser diode 116c with the solid laser medium 114 interposed therebetween. They are equally spaced around the side surface 114c so as not to block the excitation light Isa.

従って、レーザーダイオード116aの発光面116aLから出射されて固体レーザー媒質114を透過した励起光は、リフレクター120aの反射面120aRにより反射されて固体レーザー媒質114へ再度入射される。同様に、レーザーダイオード116bの発光面116bLから出射されて固体レーザー媒質114を透過した励起光は、リフレクター120bの反射面120bRにより反射されて固体レーザー媒質114へ再度入射され、また、レーザーダイオード116cの発光面116cLから出射されて固体レーザー媒質114を透過した励起光は、リフレクター120cの反射面120cRにより反射されて固体レーザー媒質114へ再度入射される。   Accordingly, the excitation light emitted from the light emitting surface 116aL of the laser diode 116a and transmitted through the solid laser medium 114 is reflected by the reflecting surface 120aR of the reflector 120a and is incident on the solid laser medium 114 again. Similarly, the excitation light emitted from the light emitting surface 116bL of the laser diode 116b and transmitted through the solid laser medium 114 is reflected by the reflecting surface 120bR of the reflector 120b and is incident on the solid laser medium 114 again. The excitation light emitted from the light emitting surface 116cL and transmitted through the solid laser medium 114 is reflected by the reflecting surface 120cR of the reflector 120c and is incident on the solid laser medium 114 again.


以上の構成において、レーザーダイオード116a、116b、116cの発光面116aL、116bL、116cLから出射される励起光を固体レーザー媒質114の側面114cに入射して、固体レーザー媒質114を側面励起すると、固体レーザー媒質114はレーザー発振してレーザー光を放射し、固体レーザー媒質114から放射されたレーザー光は出力ミラー102とリアミラー104とを有して構成されるレーザー共振器内を往復して増幅され、出力ミラー102からレーザー共振器の外部へ出力される。

In the above configuration, when the excitation light emitted from the light emitting surfaces 116aL, 116bL, 116cL of the laser diodes 116a, 116b, 116c is incident on the side surface 114c of the solid laser medium 114 and the solid laser medium 114 is side-excited, a solid state laser is obtained. The medium 114 oscillates and emits laser light. The laser light emitted from the solid-state laser medium 114 is amplified by reciprocating in a laser resonator including the output mirror 102 and the rear mirror 104, and output. Output from the mirror 102 to the outside of the laser resonator.

この際に、固体レーザー媒質114のロッド径Dを後述する手法により決定した値に設定すると、レーザー発振モードとして単一横モードを安定して維持することができるようになる。   At this time, if the rod diameter D of the solid-state laser medium 114 is set to a value determined by a method described later, the single transverse mode can be stably maintained as the laser oscillation mode.


以下に、固体レーザー媒質114のロッド径Dを決定する手法について、上記した固体レーザー装置100を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、固体レーザー装置100は、具体的には次のような構成を備えるものとする。

Hereinafter, a method for determining the rod diameter D of the solid-state laser medium 114 will be described with reference to the solid-state laser device 100 described above. In the following description, the solid-state laser device 100 is specifically assumed to have the following configuration.

まず、固体レーザー媒質114としては、波長1064nmのレーザー光を発振するNd:YAG単結晶を用いた。   First, as the solid-state laser medium 114, an Nd: YAG single crystal that oscillates laser light with a wavelength of 1064 nm was used.

次に、レーザー共振器を構成する出力ミラー102とリアミラー104とは、いずれも曲率∞、即ち、フラットな平面鏡により構成した。   Next, the output mirror 102 and the rear mirror 104 constituting the laser resonator are both configured by a curvature ∞, that is, a flat plane mirror.

そして、出力ミラー102には、波長1064nmのレーザー光の90%を反射するように部分反射コーティング(反射率90%)を施こし、レーザー共振器内を往復する波長1064nmのレーザー光の一部を外部へ出力することができるようにした。   The output mirror 102 is provided with a partial reflection coating (reflectance 90%) so as to reflect 90% of the laser light having a wavelength of 1064 nm, and a part of the laser light having a wavelength of 1064 nm that reciprocates in the laser resonator. Enabled to output to the outside.

一方、リアミラー104には、波長1064nmのレーザー光を全て反射するように反射コーティング(反射率99.9%以上)を施こし、レーザー共振器内を往復するレーザー光を外部へ出力することがないようにした。   On the other hand, the rear mirror 104 is provided with a reflective coating (reflectance of 99.9% or more) so as to reflect all the laser light having a wavelength of 1064 nm, so that the laser light reciprocating in the laser resonator is not output to the outside. I did it.

このレーザー共振器においては、出力ミラー102とリアミラー104との間の距離である共振器長L1を76cmに設定した。   In this laser resonator, the resonator length L1, which is the distance between the output mirror 102 and the rear mirror 104, was set to 76 cm.

また、レーザーダイオード116a、116b、116cとしては、励起光として波長808nmで発光幅1cmのレーザー光を出力するものを用いた。   As the laser diodes 116a, 116b, and 116c, those that output laser light having a wavelength of 808 nm and an emission width of 1 cm as excitation light were used.


従って、上記した構成の固体レーザー装置100においては、レーザーダイオード116a、116b、116cの波長808nmのレーザー光により固体レーザー媒質114が励起され、励起された固体レーザー媒質114から放射された波長1064nmのレーザー光はレーザー共振器内を往復し、その往復の間に増幅され、その一部が出力ミラー102から出力される。このとき、励起された固体レーザー媒質114たるNd:YAG単結晶は、上記した熱レンズ効果を示す。

Therefore, in the solid-state laser device 100 having the above-described configuration, the solid-state laser medium 114 is excited by the laser light having a wavelength of 808 nm of the laser diodes 116a, 116b, and 116c, and the laser having a wavelength of 1064 nm emitted from the excited solid-state laser medium 114. The light reciprocates in the laser resonator, is amplified during the reciprocation, and a part of the light is output from the output mirror 102. At this time, the excited Nd: YAG single crystal as the solid laser medium 114 exhibits the thermal lens effect described above.


ところで、上記において説明したように、単一横モードのレーザー発振を実現するためには、有効励起ボリューム径ωpとモードボリューム径ωcとの関係が、
ωp=ωc または ωp<ωc
となるように設定しなければならない。

By the way, as described above, in order to realize laser oscillation in a single transverse mode, the relationship between the effective excitation volume diameter ωp and the mode volume diameter ωc is
ωp = ωc or ωp <ωc
Must be set to be

即ち、
ωp>ωc
の状態では、固体レーザー媒質内で単一横モードでは使用されない励起部分が生じるため、マルチモードでのレーザー発振となる。
That is,
ωp> ωc
In this state, an excitation portion that is not used in the single transverse mode is generated in the solid-state laser medium, so that laser oscillation is performed in multimode.

また、ωp<ωc
の状態では、発振できるモードが制限されて、単一横モードにてレーザー発振させることは可能である。しかしながら、
ωp<<ωc
の状態になると、ロスが生じて発振出力の効率が低下する。
Also, ωp <ωc
In this state, the modes that can oscillate are limited, and laser oscillation in a single transverse mode is possible. However,
ωp << ωc
In this state, loss occurs and the efficiency of oscillation output decreases.

さらに、
ωp=ωc
の状態では、有効励起ボリューム径ωp内のエネルギーを最も効率的にレーザー共振器内を往復させることができるため、レーザー出力の効率は最大となる。
further,
ωp = ωc
In this state, the energy within the effective excitation volume diameter ωp can be reciprocated most efficiently within the laser resonator, so that the efficiency of the laser output is maximized.


ここで、レーザー共振器の共振器長L1を76cmとし、固体レーザー媒質114としてロッド径Dが2mmのNd:YAG単結晶を用いた場合には、本願発明者の実験によれば、有効励起ボリューム径ωpとモードボリューム径ωcとは、レーザーダイオード116a、116b、116cの励起強度(LD励起強度)に応じて図4(a)に示すように変化する。また、そのときのLD励起強度とレーザー光出力との関係を示す固体レーザー装置100の入出力特性は、図4(b)に示すものとなる。

Here, when the resonator length L1 of the laser resonator is 76 cm and an Nd: YAG single crystal having a rod diameter D of 2 mm is used as the solid laser medium 114, according to the experiment of the present inventor, an effective excitation volume is obtained. The diameter ωp and the mode volume diameter ωc change as shown in FIG. 4A according to the excitation intensity (LD excitation intensity) of the laser diodes 116a, 116b, and 116c. Further, the input / output characteristics of the solid-state laser device 100 showing the relationship between the LD excitation intensity and the laser light output at that time are as shown in FIG.

即ち、有効励起ボリューム径ωpは、LD励起強度が増大するに従って徐々に増大するように変化することになる。一方、モードボリューム径ωcは、LD励起強度の変化に応じて熱レンズの大きさが変化するため、LD励起強度が増大するに従って徐々に減少するが、LD励起強度がある値を超えると急激に増大するようになる。   That is, the effective excitation volume diameter ωp changes so as to gradually increase as the LD excitation intensity increases. On the other hand, the mode volume diameter ωc gradually decreases as the LD excitation intensity increases because the size of the thermal lens changes according to the change in the LD excitation intensity, but rapidly increases when the LD excitation intensity exceeds a certain value. It will increase.

このため、図4(a)において、LD励起強度が最も低いA点においては
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
であるので単一横モードとなり、LD励起強度が増大されてB点に至るまで
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
の状態が続き単一横モードが維持されるが、B点において
有効励起ボリューム径ωp=モードボリューム径ωc
となり、単一横モードでありかつ効率が最大となる。
Therefore, in FIG. 4A, at the point A where the LD excitation intensity is the lowest, the effective excitation volume diameter ωp <the mode volume diameter ωc.
Therefore, it becomes a single transverse mode, and the effective excitation volume diameter ωp <mode volume diameter ωc until the LD excitation intensity is increased to the point B.
The single transverse mode is maintained and the effective excitation volume diameter ωp = mode volume diameter ωc at point B.
Thus, the single transverse mode is achieved and the efficiency is maximized.

さらにLD励起強度が増大されてB点を超えてC点に至るまでは、
有効励起ボリューム径ωp>モードボリューム径ωc
の状態が続きマルチモードとなるが、C点において
有効励起ボリューム径ωp=モードボリューム径ωc
となり、単一横モードでありかつ効率が最大となる。
Furthermore, until the LD excitation intensity is increased and exceeds point B to point C,
Effective excitation volume diameter ωp> mode volume diameter ωc
The multi-mode is continued and the effective excitation volume diameter ωp = mode volume diameter ωc at point C.
Thus, the single transverse mode is achieved and the efficiency is maximized.

さらにLD励起強度が増大されると、
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
の状態とはなるが、D点においてはモードボリューム径ωcの値が有効励起ボリューム径ωpの値から大きく離れているためにロスが大きくなって、レーザー発振は止まる。
When the LD excitation intensity is further increased,
Effective excitation volume diameter ωp <mode volume diameter ωc
However, at point D, the value of the mode volume diameter ωc is far away from the value of the effective excitation volume diameter ωp, so that the loss increases and laser oscillation stops.

従って、図4(a)(b)より、レーザー共振器の共振器長L1を76cmとし、固体レーザー媒質114としてロッド径Dが2mmのNd:YAG単結晶を用いた場合には、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができるのは、A点からB点までのレーザー光出力が低い状態のときとなる。   Therefore, from FIGS. 4A and 4B, when the resonator length L1 of the laser resonator is 76 cm and the solid laser medium 114 is an Nd: YAG single crystal having a rod diameter D of 2 mm, it is stable. The single transverse mode laser oscillation state can be maintained when the laser light output from point A to point B is low.


次に、レーザー共振器の共振器長L1を76cmとし、固体レーザー媒質114としてロッド径Dが1.7mmのNd:YAG単結晶を用いた場合には、本願発明者の実験によれば、有効励起ボリューム径ωpとモードボリューム径ωcとは、レーザーダイオード116a、116b、116cの励起強度(LD励起強度)に応じて図5(a)に示すように変化する。また、そのときのLD励起強度とレーザー光出力との関係を示す固体レーザー装置100の入出力特性は、図5(b)に示すものとなる。

Next, when an Nd: YAG single crystal having a rod length D of 1.7 mm is used as the solid-state laser medium 114 with the resonator length L1 of the laser resonator being 76 cm, it is effective according to the experiment of the present inventor. The excitation volume diameter ωp and the mode volume diameter ωc change as shown in FIG. 5A according to the excitation intensity (LD excitation intensity) of the laser diodes 116a, 116b, and 116c. Also, the input / output characteristics of the solid-state laser device 100 showing the relationship between the LD excitation intensity and the laser light output at that time are as shown in FIG.

即ち、LD励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径ωpの変化を示す曲線とLD励起強度の変化に伴うモードボリューム径ωcの変化を示す曲線とは、A’点の一点のみで接点を持つカーブを描く。   That is, a curve indicating a change in effective excitation volume diameter ωp associated with a change in LD excitation intensity and a curve indicating a change in mode volume diameter ωc associated with a change in LD excitation intensity are curves having a contact at only one point A ′. Draw.

即ち、LD励起強度が増大されてA’点に至るまで
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
の状態が続き単一横モードが維持され、A’点において
有効励起ボリューム径ωp=モードボリューム径ωc
となり、単一横モードでありかつ効率が最大となる。また、このとき、レーザー光出力も最大となる。
That is, the effective excitation volume diameter ωp <mode volume diameter ωc until the LD excitation intensity is increased to the point A ′.
The single transverse mode is maintained and the effective excitation volume diameter ωp = mode volume diameter ωc at the point A ′.
Thus, the single transverse mode is achieved and the efficiency is maximized. At this time, the laser beam output is also maximized.

従って、図5(a)(b)より、レーザー共振器の共振器長L1を76cmとし、固体レーザー媒質114としてロッド径Dが1.7mmのNd:YAG単結晶を用いた場合には、LD励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径ωpの変化を示す曲線とLD励起強度の変化に伴うモードボリューム径ωcの変化を示す曲線とは、A’点の一点のみで接点を持つカーブを描くようになり、レーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができる。   Therefore, from FIGS. 5A and 5B, when the cavity length L1 of the laser resonator is 76 cm and the solid laser medium 114 is an Nd: YAG single crystal having a rod diameter D of 1.7 mm, LD The curve indicating the change in the effective excitation volume diameter ωp accompanying the change in the excitation intensity and the curve indicating the change in the mode volume diameter ωc accompanying the change in the LD excitation intensity draw a curve having a contact at only one point A ′. The laser oscillation state of the single transverse mode can be stably maintained from the state where the laser light output is low to the maximum, and the maximum efficiency is obtained at the point where the laser light output is maximum. Can do.

また、最大のレーザー光出力が得られるA’点においては、有効励起ボリューム径ωpを示す曲線とモードボリューム径ωcを示す曲線との傾きが等しいので、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができるようになる。   In addition, at the point A ′ where the maximum laser light output is obtained, the slope of the curve indicating the effective excitation volume diameter ωp and the curve indicating the mode volume diameter ωc is equal. The variation of the mode volume diameter ωc can be minimized with respect to the effective excitation volume diameter ωp.


図4(a)(b)および図5(a)(b)を参照した上記した説明より、レーザー共振器の共振器長L1が76cmのレーザー共振器に対しては、固体レーザー媒質114としてロッド径が1.7mmのものを選択することによって、単一横モードのレーザー発振において最適な入出力特性を得ることができるようになる。また、出力されるレーザー光のビーム品質は、
<1.1
となる。

From the above description with reference to FIGS. 4A and 4B and FIGS. 5A and 5B, a rod as the solid-state laser medium 114 is used for a laser resonator having a resonator length L1 of 76 cm. By selecting one having a diameter of 1.7 mm, it is possible to obtain optimum input / output characteristics in single transverse mode laser oscillation. The beam quality of the output laser light is
M 2 <1.1
It becomes.


ここで、図6には、図5(a)(b)に示すように、レーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるものであって、さらに、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができる固体レーザー装置100における、レーザー共振器の共振器長L1と固体レーザー媒質114のロッド径Dとの関係が示されている。

Here, in FIG. 6, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the laser oscillation state of the single transverse mode can be stably maintained from the state where the laser light output is low to the maximum. In addition, the maximum efficiency can be obtained at the point where the laser light output is maximum, and if the thermal lens varies, the mode volume diameter ωc with respect to the effective excitation volume diameter ωp. The relationship between the resonator length L1 of the laser resonator and the rod diameter D of the solid-state laser medium 114 in the solid-state laser device 100 that can minimize the fluctuation of the solid-state laser is shown.

即ち、この図6に示す共振器長L1とロッド径Dとの組み合わせを示す曲線上の共振器長L1とロッド径Dとの組み合わせを用いることにより、レーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができるようになるとともに、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるようになり、さらに、熱レンズに変動があった場合にも、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができる。つまり、図6を参照して、共振器の共振器長L1に最適な固体レーザー媒質114のロッド径を選択すると、LD励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径ωpの変化を示す曲線とLD励起強度の変化に伴うモードボリューム径ωcの変化を示す曲線とは一点のみで接点を持つカーブを描くことになり、レーザー光出力中にLD励起強度を変えたとしても、容易にマルチモードにはならず、単一横モードのレーザー発振を安定して維持することが可能となる。   That is, when the combination of the resonator length L1 and the rod diameter D on the curve showing the combination of the resonator length L1 and the rod diameter D shown in FIG. Until it becomes possible to maintain the laser oscillation state of the single transverse mode stably, the maximum efficiency can be obtained at the point where the laser light output is maximum, and further, the thermal lens fluctuates. Even in the case where there is, the fluctuation of the mode volume diameter ωc can be minimized with respect to the effective excitation volume diameter ωp. That is, referring to FIG. 6, when the rod diameter of the solid-state laser medium 114 optimum for the resonator length L1 of the resonator is selected, a curve indicating the change in the effective excitation volume diameter ωp accompanying the change in the LD excitation intensity and the LD excitation The curve showing the change in the mode volume diameter ωc accompanying the change in intensity is a curve having a contact point at only one point. Even if the LD excitation intensity is changed during laser light output, it is not easy to change to the multimode. Therefore, it is possible to stably maintain single transverse mode laser oscillation.


次に、図7には、Qスイッチを備えた固体レーザー装置の概念構成説明図が示されている。

Next, FIG. 7 shows a conceptual configuration explanatory diagram of a solid-state laser device provided with a Q switch.

ここで、このQスイッチを備えた固体レーザー装置200と上記した固体レーザー装置100とを比較すると、固体レーザー装置200がQスイッチ202を備えている点においてのみ両者は異なる。   Here, when the solid-state laser device 200 provided with the Q switch is compared with the solid-state laser device 100 described above, they are different only in that the solid-state laser device 200 includes the Q switch 202.

このQスイッチ202を備えた固体レーザー装置200を用いて、LD励起強度を75Wに固定し、Qスイッチ202の発振繰り返し周波数を変化させてパルスレーザー光を出力させた実験結果が、図8に示されている。なお、固体レーザー媒質114については、そのロッド径Dが2mmと1.7mmとのそれぞれのものについての実験結果を示した。   FIG. 8 shows the experimental results of using the solid-state laser device 200 provided with the Q switch 202 to output the pulsed laser light by fixing the LD excitation intensity to 75 W and changing the oscillation repetition frequency of the Q switch 202. Has been. In addition, about the solid laser medium 114, the experimental result about each with the rod diameter D of 2 mm and 1.7 mm was shown.

この固体レーザー装置200においては、Qスイッチ202の繰り返し周波数の変化によって熱レンズが変化するため、Qスイッチ202の繰り返し周波数の変化に伴いレーザー共振器の構成により決まるモードボリューム径ωcが図8に示すように変化する。   In this solid-state laser device 200, since the thermal lens changes due to the change in the repetition frequency of the Q switch 202, the mode volume diameter ωc determined by the configuration of the laser resonator with the change in the repetition frequency of the Q switch 202 is shown in FIG. To change.

なお、このとき、LD励起強度を固定しているため、Qスイッチ202の繰り返し周波数を変化させても、有効励起ボリューム径ωpの値にほとんど変化は見られない。   At this time, since the LD excitation intensity is fixed, even if the repetition frequency of the Q switch 202 is changed, the value of the effective excitation volume diameter ωp hardly changes.

この図8に示す実験結果より、ロッド径2mmの固体レーザー媒質114を用いた場合には、Qスイッチ202の繰り返し周波数が1kHz以下では、
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
の状態であるため、単一横モードのレーザー発振となる。しかしながら、Qスイッチ202の繰り返し周波数が1kHzを超えると、
有効励起ボリューム径ωp>モードボリューム径ωc
の状態となり、マルチモードでレーザー発振する。
From the experimental results shown in FIG. 8, when the solid laser medium 114 having a rod diameter of 2 mm is used, when the repetition frequency of the Q switch 202 is 1 kHz or less,
Effective excitation volume diameter ωp <mode volume diameter ωc
In this state, single transverse mode laser oscillation is obtained. However, when the repetition frequency of the Q switch 202 exceeds 1 kHz,
Effective excitation volume diameter ωp> mode volume diameter ωc
In this state, laser oscillation occurs in multimode.

一方、ロッド径1.7mmの固体レーザー媒質114を用いた場合には、Qスイッチ202の全ての繰り返し周波数において
有効励起ボリューム径ωp<モードボリューム径ωc
の状態であるため、常に単一横モードのレーザー発振とすることができる。
On the other hand, when a solid laser medium 114 having a rod diameter of 1.7 mm is used, the effective excitation volume diameter ωp <mode volume diameter ωc at all repetition frequencies of the Q switch 202.
Therefore, it is possible to always achieve single transverse mode laser oscillation.

即ち、ロッド径1.7mmの固体レーザー媒質114を用いると、Qスイッチ202により単一横モードでパルスレーザー発振の最中に、Qスイッチ202の繰り返し周波数を増加させても、安定した単一横モードでパルスレーザー発振を維持することができるようになる。このように、Qスイッチ202を用いてパルスレーザー発振を行う際にも、単一横モードを維持することが可能となる。   That is, when a solid laser medium 114 having a rod diameter of 1.7 mm is used, even if the repetition frequency of the Q switch 202 is increased during pulse laser oscillation in the single transverse mode by the Q switch 202, a stable single transverse medium can be obtained. Pulse laser oscillation can be maintained in the mode. Thus, even when pulse laser oscillation is performed using the Q switch 202, the single transverse mode can be maintained.


次に、図9には、モードロッカーを備えた固体レーザー装置の概念構成説明図が示されている。

Next, FIG. 9 shows an explanatory diagram of a conceptual configuration of a solid-state laser device provided with a mode locker.

この図9に示すモードロッカーを備えた固体レーザー装置300と上記した固体レーザー装置100とを比較すると、固体レーザー装置300がモードロッカー302を備えている点においてのみ両者は異なる。   Comparing the solid-state laser device 300 having the mode locker shown in FIG. 9 with the solid-state laser device 100 described above, the solid-state laser device 300 is different only in that the mode-locker 302 is provided.

ここで、モードロッカーは、外部よりある特定の周波数の高周波信号を印加して短パルスレーザー光を発生するが、このとき、印加する高周波信号に対応して、レーザー共振器の実効長Lが、
L=c/4ν ・・・ 式(1)
c:光速度
ν:印加した高周波信号の周波数
という条件を正確に満たす必要がある。
Here, the mode locker generates a short pulse laser beam by applying a high-frequency signal having a specific frequency from the outside. At this time, the effective length L of the laser resonator corresponds to the applied high-frequency signal,
L = c / 4ν Formula (1)
c: speed of light ν: it is necessary to accurately satisfy the condition of the frequency of the applied high-frequency signal.

このモードロッカーにより決まるレーザー共振器の実効長Lにおいて、最適なロッド径の固体レーザー媒質114を選択することにより、レーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるものであって、さらに、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができることになる。   In the effective length L of the laser resonator determined by this mode locker, by selecting the solid laser medium 114 having the optimum rod diameter, the laser beam output can be stably changed from a low state to a maximum in a single transverse mode. The laser oscillation state can be maintained, and the maximum efficiency can be obtained at the point where the laser light output is maximum. Further, when the thermal lens varies, the effective excitation volume diameter The variation of the mode volume diameter ωc can be minimized with respect to ωp.

即ち、モードロッカーの周波数から算出されたレーザー共振器の実効長に最も適したロッド径の固体レーザー媒質を選択することにより、上記特性を持ったレーザー共振器を実現することができ単一横モードの光を維持することができる。   That is, by selecting a solid laser medium having a rod diameter most suitable for the effective length of the laser resonator calculated from the frequency of the mode locker, a laser resonator having the above characteristics can be realized and a single transverse mode can be realized. Can keep the light.

例えば、周波数νが75MHzのモードロッカーを使用した場合には、実効長Lの値は100cmにする必要がある。図6を参照すると、100cmの実効長Lに対応するロッド径は2mmとなり、従って、ロッド径が2mmの固体レーザー媒質114を選択すれば、上記したように安定した単一横モードを得ることが可能となる。   For example, when a mode locker having a frequency ν of 75 MHz is used, the value of the effective length L needs to be 100 cm. Referring to FIG. 6, the rod diameter corresponding to the effective length L of 100 cm is 2 mm. Therefore, if a solid laser medium 114 having a rod diameter of 2 mm is selected, a stable single transverse mode can be obtained as described above. It becomes possible.


ところで、2つの異なるモードロックレーザーにてパルスを同期させて出力させる場合に、2つの異なるモードロックレーザーからの出力の繰り返しを正確に合わせる必要がある。そして、この繰り返しを正確に合わせるためには、2つの異なるモードロックレーザーのレーザー共振器の実効長を正確に合わせる必要がある。

By the way, when the pulses are output in synchronization with two different mode-locked lasers, it is necessary to accurately match the repetition of outputs from the two different mode-locked lasers. And in order to match this repetition correctly, it is necessary to match | combine the effective length of the laser resonator of two different mode lock lasers correctly.

このとき、2つの異なるモードロックレーザーの発振波長が異なる場合には、熱レンズの大きさが異なることになるので、同一のロッド径の固体レーザー媒質を用いると最適な実効長が異なることになってしまうものである。   At this time, when the oscillation wavelengths of two different mode-locked lasers are different, the size of the thermal lens will be different. Therefore, if a solid laser medium having the same rod diameter is used, the optimum effective length will be different. It will be.

ここで、図10は、固体レーザー装置100において、波長1319nmでレーザー発振させた場合におけるレーザー共振器の共振器長L1と固体レーザー媒質114たるNd:YAG単結晶のロッド径Dとの関係を示すグラフである。なお、出力ミラー102としては、波長1319nmのレーザー光に対して95%の反射率を持つ部分反射ミラーを用い、また、リアミラー104としては、波長1319nmのレーザー光に対して99.9%以上の反射率を持つ全反射ミラーを用いた。   Here, FIG. 10 shows the relationship between the resonator length L1 of the laser resonator and the rod diameter D of the Nd: YAG single crystal as the solid-state laser medium 114 when the solid-state laser device 100 oscillates at a wavelength of 1319 nm. It is a graph. As the output mirror 102, a partial reflection mirror having a reflectance of 95% with respect to a laser beam having a wavelength of 1319 nm is used. As the rear mirror 104, 99.9% or more of a laser beam having a wavelength of 1319 nm is used. A total reflection mirror with reflectivity was used.

なお、この条件でレーザー発振した場合には、固定レーザー媒質114のロッド径が2〜3mmであるならば、4W以上のレーザー光出力が得られた。   When laser oscillation was performed under these conditions, a laser beam output of 4 W or more was obtained if the rod diameter of the fixed laser medium 114 was 2 to 3 mm.


ここで、波長1319nmの発振線で固体レーザー媒質114たるNd:YAG単結晶をレーザー発振させると、波長1064nmでのレーザー発振時に比べて熱レンズが強くなり、最適なレーザー共振器の実効長は短くなる。

Here, when the Nd: YAG single crystal serving as the solid-state laser medium 114 is laser-oscillated with an oscillation line having a wavelength of 1319 nm, the thermal lens becomes stronger than that at the time of laser oscillation at a wavelength of 1064 nm, and the effective length of the optimum laser resonator is short. Become.

即ち、一般的に、熱レンズの効果を弱めるためには、レーザー共振器の実効長を短くする必要がある。   That is, generally, in order to weaken the effect of the thermal lens, it is necessary to shorten the effective length of the laser resonator.

このため、波長1064nmでレーザー発振するレーザー共振器と波長1319nmでレーザー発振するレーザー共振器との実効長を100cmに揃える場合には、波長1064nmでレーザー発振するレーザー共振器における固体レーザー媒質114のロッド径を2.0mmとし、波長1319nmでレーザー発振するレーザー共振器における固体レーザー媒質114のロッド径を2.6mmとすると、両者で完全に同期したパルスレーザー光を出力することができるようになるとともに、レーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるものであって、さらに、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができることになる。   Therefore, when the effective length of the laser resonator that oscillates at a wavelength of 1064 nm and the laser resonator that oscillates at a wavelength of 1319 nm is equal to 100 cm, the rod of the solid laser medium 114 in the laser resonator that oscillates at a wavelength of 1064 nm. When the diameter is 2.0 mm and the rod diameter of the solid laser medium 114 in the laser resonator that oscillates at a wavelength of 1319 nm is 2.6 mm, it becomes possible to output a pulse laser beam that is completely synchronized between the two. The laser oscillation state of the single transverse mode can be stably maintained from the state where the laser light output is low to the maximum, and the maximum efficiency can be obtained at the point where the laser light output is maximum. If there is a change in the thermal lens It will be able to minimize the variation of the mode volume diameter ωc the effective pumping volume diameter .omega.p.


なお、以上において説明した上記した実施の形態は、以下の(1)乃至(3)に説明するように変形してもよい。

The above-described embodiment described above may be modified as described in the following (1) to (3).

(1)上記した実施の形態においては、固体レーザー媒質としてNd:YAG単結晶を用いた場合について説明したが、固体レーザー媒質はNd:YAG単結晶に限られるものではないことは勿論であり、円柱形状を備えたロッド状の形状を備えているのであれば種々の固体レーザー媒質を用いることができる。   (1) In the above-described embodiment, the case where an Nd: YAG single crystal is used as the solid laser medium has been described. However, the solid laser medium is not limited to the Nd: YAG single crystal. Various solid-state laser media can be used as long as they have a rod-like shape with a cylindrical shape.

(2)上記した実施の形態においては、励起光の光源として3個のレーザーダイオードを用いたが、励起光の光源の個数は3個に限られるものではないことは勿論であり、励起光の光源は1個、2個あるいは4個以上備えるようにしてもよい。   (2) In the above-described embodiment, three laser diodes are used as the excitation light source. However, the number of excitation light sources is not limited to three. One, two, or four or more light sources may be provided.

(3)上記した実施の形態ならびに上記した(1)乃至(2)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。   (3) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown in above-mentioned (1) thru | or (2) suitably.

本発明は、切り幅が狭く、断面がなめらかな切断、所謂、ファインカッティングを行うレーザー加工に利用することができる。   The present invention can be used for laser processing in which the cutting width is narrow and the section is smooth, that is, so-called fine cutting.

図1は、紙面に対して垂直方向に沿って軸方向が延長する円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質の概念構成説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a rod-shaped solid laser medium having a cylindrical shape whose axial direction extends along a direction perpendicular to the paper surface. 図2は、本発明の実施の形態の一例による固体レーザー装置の概念構成説明図である。FIG. 2 is a conceptual configuration explanatory diagram of a solid-state laser device according to an example of an embodiment of the present invention. 図3は、励起ユニットのIII−III線による概略構成端面図である。FIG. 3 is a schematic end view of the excitation unit taken along line III-III. 図4(a)は、レーザー共振器の共振器長を76cmとし、固体レーザー媒質としてロッド径が2mmのNd:YAG単結晶を用いた場合において、LD励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径ωpとモードボリューム径ωcの変化を示すグラフであり、図4(b)は、そのときのLD励起強度とレーザー光出力との関係を表す固体レーザー装置の入出力特性を示すグラフである。FIG. 4 (a) shows an effective excitation volume diameter ωp associated with a change in LD excitation intensity when the cavity length of the laser resonator is 76 cm and an Nd: YAG single crystal having a rod diameter of 2 mm is used as the solid laser medium. 4B is a graph showing the input / output characteristics of the solid-state laser device showing the relationship between the LD excitation intensity and the laser beam output at that time. 図5(a)は、レーザー共振器の共振器長を76cmとし、固体レーザー媒質としてロッド径が1.7mmのNd:YAG単結晶を用いた場合において、LD励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径ωpとモードボリューム径ωcの変化を示すグラフであり、図5(b)は、そのときのLD励起強度とレーザー光出力との関係を表す固体レーザー装置の入出力特性を示すグラフである。FIG. 5A shows an effective excitation volume associated with a change in LD excitation intensity when a laser resonator has a resonator length of 76 cm and an Nd: YAG single crystal having a rod diameter of 1.7 mm is used as a solid laser medium. FIG. 5B is a graph showing the input / output characteristics of the solid-state laser device showing the relationship between the LD excitation intensity and the laser beam output at that time. 図6は、波長1064nmのレーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるものであって、さらに、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができる固体レーザー装置における、レーザー共振器の共振器長と固体レーザー媒質のロッド径との関係を示すグラフである。FIG. 6 shows that the laser oscillation state of the single transverse mode can be stably maintained from the low state to the maximum when the laser light output at the wavelength of 1064 nm is maximized, and the maximum laser light output is at the maximum. In the solid-state laser device that can obtain the efficiency, and further, when the thermal lens varies, the variation of the mode volume diameter ωc with respect to the effective excitation volume diameter ωp can be minimized. It is a graph which shows the relationship between the resonator length of a laser resonator, and the rod diameter of a solid laser medium. 図7は、Qスイッチを備えた固体レーザー装置の概念構成説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a solid-state laser device including a Q switch. 図8は、Qスイッチを備えた固体レーザー装置を用いて、LD励起強度を75Wに固定し、Qスイッチの発振繰り返し周波数を変化させてパルスレーザー光を出力させた場合における、有効励起ボリューム径ωpの変化とモードボリューム径ωcの変化との関係を表すグラフである。FIG. 8 shows an effective excitation volume diameter ωp when a solid-state laser device provided with a Q switch is used and the LD excitation intensity is fixed at 75 W and the pulse repetition is output by changing the oscillation repetition frequency of the Q switch. 5 is a graph showing the relationship between the change in the mode volume and the change in the mode volume diameter ωc. 図9は、モードロッカーを備えた固体レーザー装置の概念構成説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of a conceptual configuration of a solid-state laser device including a mode locker. 図10は、波長1319nmのレーザー光出力が低い状態から最大となるときまで、安定的に単一横モードのレーザー発振状態を維持することができ、しかも、レーザー光出力が最大の点において最大の効率を得ることができるものであって、さらに、熱レンズに変動があった場合には、有効励起ボリューム径ωpに対してモードボリューム径ωcの変動を最小とすることができる固体レーザー装置における、レーザー共振器の共振器長と固体レーザー媒質のロッド径との関係を示すグラフである。FIG. 10 shows that the laser oscillation state of the single transverse mode can be stably maintained from the low state to the maximum when the laser light output at the wavelength of 1319 nm is maximized, and the maximum laser light output is at the maximum. In the solid-state laser device that can obtain the efficiency, and further, when the thermal lens varies, the variation of the mode volume diameter ωc with respect to the effective excitation volume diameter ωp can be minimized. It is a graph which shows the relationship between the resonator length of a laser resonator, and the rod diameter of a solid laser medium.

符号の説明Explanation of symbols

10、114 固体レーザー媒質
10a、114c 固体レーザー媒質側面
100、200、300 固体レーザー装置
102 出力ミラー
104 リアミラー
110 励起ユニット
112 ケース
114a、114b 固体レーザー媒質端面
116a、116b、116c レーザーダイオード
116aL、116bL、116cL レーザーダイオードの発光面
118 フローチューブ
120a、120b、120c リフレクター
120aR、120bR、120cR リフレクターの反射面
202 Qスイッチ
302 モードロッカー

10, 114 Solid laser medium 10a, 114c Solid laser medium side surface 100, 200, 300 Solid laser device 102 Output mirror 104 Rear mirror 110 Excitation unit 112 Case 114a, 114b Solid laser medium end face 116a, 116b, 116c Laser diode 116aL, 116bL, 116cL Light emitting surface of laser diode 118 Flow tube 120a, 120b, 120c Reflector 120aR, 120bR, 120cR Reflector surface of reflector 202 Q switch 302 Mode locker

Claims (10)

レーザー共振器内に配置された固体レーザー媒質を側面励起することにより単一横モードでレーザー発振させるレーザー発振方法において、
円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質のロッド径を、レーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、
前記有効励起ボリューム径とは、前記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、
前記モードボリューム径とは、前記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径である
ことを特徴とするレーザー発振方法。
In a laser oscillation method in which laser oscillation is performed in a single transverse mode by side-exciting a solid-state laser medium disposed in a laser resonator,
The rod diameter of a rod-shaped solid laser medium having a cylindrical shape is a curve showing the change in effective pumping volume diameter accompanying the change in pumping intensity of the solid laser medium according to the cavity length of the laser resonator and the solid The rod diameter is such that the curve showing the change in the mode volume diameter accompanying the change in the excitation intensity of the laser medium draws a curve with a contact at only one point ,
The effective excitation volume diameter is a region in which excitation states are concentrically distributed in an effective excitation volume that is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid-state laser medium. The diameter of the outermost circle of the concentric circles of
The mode volume diameter is a laser beam diameter of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator .
請求項1に記載のレーザー発振方法において、
前記レーザー共振器の共振器長は76cmであり、
前記ロッド径は1.7mmであり、
波長1064nmのレーザー光をレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
The laser oscillation method according to claim 1,
The laser resonator has a resonator length of 76 cm,
The rod diameter is 1.7 mm,
A laser oscillation method characterized by lasing laser light having a wavelength of 1064 nm.
請求項2に記載のレーザー発振方法において、
前記レーザー共振器にQスイッチを配置してパルス発振させる
ことを特徴とするレーザー発振方法。
The laser oscillation method according to claim 2,
A laser oscillation method comprising: oscillating a pulse by arranging a Q switch in the laser resonator.
請求項1に記載のレーザー発振方法において、
前記レーザー共振器にモードロッカーを配置し、
前記レーザー共振器の共振器長を前記レーザー共振器の実効長
実効長=c/4ν
c:光速度
ν:モードロッカーに印加した高周波信号の周波数
とした
ことを特徴とするレーザー発振方法。
The laser oscillation method according to claim 1,
A mode locker is disposed in the laser resonator,
The resonator length of the laser resonator is the effective length of the laser resonator. Effective length = c / 4ν
c: speed of light
ν: A laser oscillation method characterized in that the frequency of the high frequency signal applied to the mode locker is used.
それぞれモードロッカーを備えた2つのレーザー共振器内にそれぞれ配置された固体レーザー媒質をそれぞれ側面励起することにより、同期したパルスレーザー光を単一横モードでレーザー発振させるレーザー発振方法において、
第1のモードロッカーと第1の固体レーザー媒質とを備えた第1のレーザー共振器と、
第2のモードロッカーと第2の固体レーザー媒質とを備えた第2のレーザー共振器と
を有し、
円柱形状を備えたロッド状の前記第1の固体レーザー媒質のロッド径を、前記第1のレーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、
円柱形状を備えたロッド状の前記第2の固体レーザー媒質のロッド径を、前記第2のレーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径とし、
前記有効励起ボリューム径とは、前記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、
前記モードボリューム径とは、前記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であって、
前記第1のレーザー共振器の共振器長は100cmであり、前記第1の固体レーザー媒質のロッド径は2mmであり、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振し、
前記第2のレーザー共振器の共振器長は100cmであり、前記第2の固体レーザー媒質のロッド径は2.6mmであり、波長1319nmのレーザー光をレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
In a laser oscillation method of oscillating a synchronized pulsed laser beam in a single transverse mode by laterally exciting solid laser media respectively disposed in two laser resonators each having a mode locker,
A first laser resonator comprising a first mode locker and a first solid state laser medium;
A second laser resonator comprising a second mode locker and a second solid state laser medium;
Have
The rod diameter of the rod-shaped first solid-state laser medium having a cylindrical shape is determined based on the effective pumping volume diameter associated with the change in the excitation intensity of the solid-state laser medium according to the resonator length of the first laser resonator. A rod diameter that draws a curve having a contact point at only one point, a curve indicating a change in mode and a curve indicating a change in mode volume diameter accompanying a change in excitation intensity of the solid-state laser medium,
The rod diameter of the rod-shaped second solid-state laser medium having a cylindrical shape is determined based on the effective pumping volume diameter accompanying the change in the excitation intensity of the solid-state laser medium according to the resonator length of the second laser resonator. A rod diameter that draws a curve having a contact point at only one point, a curve indicating a change in mode and a curve indicating a change in mode volume diameter accompanying a change in excitation intensity of the solid-state laser medium,
The effective excitation volume diameter is a region in which excitation states are concentrically distributed in an effective excitation volume that is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid-state laser medium. The diameter of the outermost circle of the concentric circles of
The mode volume diameter is a diameter of a laser beam of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator,
The resonator length of the first laser cavity is 100 cm, the rod diameter of the first solid-state laser medium is 2 mm, and the laser oscillates a laser beam having a wavelength of 1064 nm,
The resonator length of the second laser resonator is 100 cm, the rod diameter of the second solid-state laser medium is 2.6 mm, laser oscillation method characterized by lasing the laser beam having a wavelength of 1319nm .
レーザー共振器内に固体レーザー媒質を配置し、前記固体レーザー媒質の側面から励起光を入射して前記固体レーザー媒質を側面励起することにより、単一横モードでレーザー発振させる固体レーザー装置において、
円柱形状を備えたロッド状の固体レーザー媒質は、レーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え
前記有効励起ボリューム径とは、前記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、
前記モードボリューム径とは、前記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径である
ことを特徴とする固体レーザー装置。
In a solid-state laser device that oscillates in a single transverse mode by arranging a solid-state laser medium in a laser resonator and injecting excitation light from a side surface of the solid-state laser medium to excite the solid-state laser medium side-by-side,
A rod-shaped solid laser medium having a cylindrical shape includes a curve indicating a change in effective pumping volume diameter according to a change in pumping intensity of the solid laser medium and a solid laser medium according to a cavity length of the laser resonator. With a rod diameter that draws a curve with a contact point at only one point, a curve showing a change in mode volume diameter with a change in excitation intensity ,
The effective excitation volume diameter is a region in which excitation states are concentrically distributed in an effective excitation volume that is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid-state laser medium. The diameter of the outermost circle of the concentric circles of
The mode volume diameter is a diameter of a single transverse mode laser beam determined by the configuration of the laser resonator .
請求項6に記載の固体レーザー装置において、
前記レーザー共振器の共振器長を76cmとし、
前記ロッド径を1.7mmとし、
波長1064nmのレーザー光をレーザー発振する
ことを特徴とする固体レーザー装置。
The solid-state laser device according to claim 6,
The laser resonator has a resonator length of 76 cm,
The rod diameter is 1.7 mm,
A solid-state laser device that oscillates laser light having a wavelength of 1064 nm.
請求項7に記載の固体レーザー装置において、
前記レーザー共振器に配置されたQスイッチを備える
ことを特徴とする固体レーザー装置。
The solid-state laser device according to claim 7,
A solid-state laser device comprising a Q switch disposed in the laser resonator.
請求項6に記載の固体レーザー装置において、
前記レーザー共振器に配置されたモードロッカーを備え、
前記レーザー共振器の共振器長を前記レーザー共振器の実効長
実効長=c/4ν
c:光速度
ν:モードロッカーに印加した高周波信号の周波数
とした
ことを特徴とする固体レーザー装置。
The solid-state laser device according to claim 6,
Comprising a mode locker disposed in the laser resonator;
The resonator length of the laser resonator is the effective length of the laser resonator. Effective length = c / 4ν
c: speed of light
ν: A solid-state laser device characterized by having a frequency of a high-frequency signal applied to a mode locker.
それぞれモードロッカーを備えた2つのレーザー共振器内にそれぞれ配置された固体レーザー媒質をそれぞれ側面励起することにより、同期したパルスレーザー光を単一横モードでレーザー発振させる固体レーザー装置において、
第1のモードロッカーと第1の固体レーザー媒質とを備えた第1のレーザー共振器と、
第2のモードロッカーと第2の固体レーザー媒質とを備えた第2のレーザー共振器と
を有し、
円柱形状を備えたロッド状の前記第1の固体レーザー媒質は、前記第1のレーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え、
円柱形状を備えたロッド状の前記第2の固体レーザー媒質は、前記第2のレーザー共振器の共振器長に応じて、前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴う有効励起ボリューム径の変化を示す曲線と前記固体レーザー媒質の励起強度の変化に伴うモードボリューム径の変化を示す曲線とが、一点のみで接点を持つカーブを描くようなロッド径を備え、
前記有効励起ボリューム径とは、前記固体レーザー媒質における励起状態の分布のうちで、実際にレーザー発振に寄与している場所である有効励起ボリュームの中で励起状態が同心円状に分布している領域の該同心円の最外円の直径であり、
前記モードボリューム径とは、前記レーザー共振器の構成により決定される単一横モードのレーザー光のビームの直径であって、
前記第1のレーザー共振器の共振器長を100cmとし、前記第1の固体レーザー媒質のロッド径を2mmとし、波長1064nmのレーザー光をレーザー発振させ、
前記第2のレーザー共振器の共振器長を100cmとし、前記第2の固体レーザー媒質のロッド径を2.6mmとし、波長1319nmのレーザー光をレーザー発振させる
ことを特徴とする固体レーザー装置。
In a solid-state laser device that laser-oscillates a synchronized pulsed laser beam in a single transverse mode by laterally exciting solid laser media respectively disposed in two laser resonators each having a mode locker,
A first laser resonator comprising a first mode locker and a first solid state laser medium;
A second laser resonator comprising a second mode locker and a second solid state laser medium;
The rod-shaped first solid-state laser medium having a cylindrical shape has a change in effective pumping volume diameter associated with a change in pumping intensity of the solid-state laser medium according to the resonator length of the first laser resonator. The curve shown and the curve showing the change in the mode volume diameter accompanying the change in the excitation intensity of the solid-state laser medium have a rod diameter that draws a curve with a contact at only one point,
The rod-shaped second solid-state laser medium having a cylindrical shape has a change in effective pumping volume diameter accompanying a change in pumping intensity of the solid-state laser medium according to the resonator length of the second laser resonator. The curve shown and the curve showing the change in the mode volume diameter accompanying the change in the excitation intensity of the solid-state laser medium have a rod diameter that draws a curve with a contact at only one point,
The effective excitation volume diameter is a region in which excitation states are concentrically distributed in an effective excitation volume that is a place that actually contributes to laser oscillation in the distribution of excitation states in the solid-state laser medium. The diameter of the outermost circle of the concentric circles of
The mode volume diameter is a diameter of a laser beam of a single transverse mode determined by the configuration of the laser resonator,
The resonator length of the first laser resonator is 100 cm, the rod diameter of the first solid-state laser medium is 2 mm, and laser light with a wavelength of 1064 nm is laser-oscillated.
A solid-state laser device, wherein a resonator length of the second laser resonator is 100 cm, a rod diameter of the second solid-state laser medium is 2.6 mm, and laser light having a wavelength of 1319 nm is laser-oscillated.
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