JP4544606B2

JP4544606B2 - Laser system

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Publication number: JP4544606B2
Application number: JP2002142604A
Authority: JP
Inventors: 智之和田; 貴代小川; 平等　　拓範; 庄司　　一郎; 佐藤　　庸一; ルペイボイク; パベルニコライ
Original assignee: 株式会社日本政策投資銀行
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003332657A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーシステムに関し、さらに詳細には、励起光により励起されてレーザー発振するレーザー媒質を備えたレーザーシステムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来のレーザーシステムとして、ランプの発光を励起光として用いて、共振器内に配設されたレーザー媒質を励起するようにしたものが知られている。
【０００３】
しかしながら、こうしたレーザーシステムは、ランプの発光を励起光として用いてレーザー媒質を励起するものであるので、レーザー発振の効率がよくないという問題点があった。
【０００４】
こうした問題点を解決するために、レーザーダイオードなどの半導体レーザーから出射される所定の波長のレーザー光を励起光として用いて、共振器内に配設されたレーザー媒質を励起するレーザーシステムが開発されている。
【０００５】
この半導体レーザーから出射される所定の波長のレーザー光を励起光として用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムは、レーザー媒質の吸収帯の波長のレーザー光を出射する半導体レーザーを選択して、当該半導体レーザーのレーザー光を励起光として用いてレーザー媒質を励起することができるので、レーザー発振の効率が極めてよいものである。
【０００６】
ところで、従来の半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムにおいては、例えば、励起光によりレーザー媒質としてのロッド状レーザー結晶の側面から励起する場合には、励起光としてのレーザー光を出射するレーザーダイオードなどの半導体レーザーを、ロッド状レーザー結晶に近接させて配置する必要があった。このため、従来の半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムにおいては、一般に、内部にレーザー媒質を配置した共振器と一体的に半導体レーザーが配置されていた。
【０００７】
しかしながら、こうした従来の半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムによれば、内部にレーザー媒質を配置した共振器と一体的に近接して半導体レーザーが配置されることになるため、共振器周りの装置構成が大型化してスペース的に不利になるという問題点があった。
【０００８】
また、上記した従来の半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムによれば、内部にレーザー媒質を配置した共振器と一体的に近接して半導体レーザーが配置されることになるため、半導体レーザーから発生する熱によりレーザー媒質の安定性の低下を招くという問題点があり、さらに、半導体レーザーから発生する熱を冷却するための冷却機構が必要になるので、共振器周りの装置構成が大型化してスペース的に不利になるという問題点があった。
【０００９】
さらに、上記した従来の半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するレーザーシステムによれば、半導体レーザーの故障や寿命による交換などの際に、共振器の再調整が必要となるため、メンテナンスが煩雑になるという問題点があった。
【００１０】
また、従来の波長８０８ｎｍでの励起では、波長１０６３ｎｍのレーザー光を発生させる場合に、エネルギー変換効率は「８０８／１０６３」により制限され、残りのエネルギーが熱としてレーザー媒質に残されるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術が有する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、共振器周りの装置構成を小型化することのできるレーザーシステムを提供しようとするものである。
【００１２】
また、本発明の目的とするところは、レーザー媒質が熱による影響を受けることがないようにして、ビームの高品質化を図ったレーザーシステムを提供しようとするものである。
【００１３】
また、本発明の目的とするところは、励起波長をレーザーの発振波長に近づけることにより、エネルギーの変換効率を向上させて高効率化を図り、レーザー媒質に残る熱を低減することができるようにしたレーザーシステムを提供しようとするものである。
【００１４】
また、本発明の目的とするところは、メンテナンスを容易にしたレーザーシステムを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、電源と、上記電源により駆動されて発振波長８８０±５ｎｍのレーザー光を出射する半導体レーザーと、上記半導体レーザーを冷却する冷却装置とを有し、上記半導体レーザーから出射されたレーザー光を外部へ出射する電源部と、上記電源部と電気配線により電気的に接続されて上記電源部を制御するコントローラーと、共振器と、レーザー媒質として上記共振器内に配置されたレーザー活性イオンとしてネオジウムが添加されたガドリニウムバナデイト結晶たるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（Ｎｄ：ＧｄＶＯ _４）結晶とを有して、上記電源部とは別体に構成され、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶が励起光により励起されてレーザー発振することにより、外部へレーザー光を出射するレーザーヘッド部と、上記電源部と上記レーザーヘッド部とを光学的に接続し、上記電源部から外部へ出射されたレーザー光を上記レーザーヘッド部の上記共振器内へ導光するファイバーとを有し、上記ファイバーにより上記共振器内に導光された発振波長８８０±５ｎｍの上記半導体レーザーから出射されたレーザー光を励起光として、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を端面励起してレーザー発振させるレーザーシステムであって、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、フローティングゾーン法により生成され、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたガドリニウムバナデイト結晶であり、上記電源部は波長８８０±５ｎｍのレーザー光を外部へ出射し、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長８８０ｎｍ帯の励起光により励起されるようにしたものである。
【００１６】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、互いに分離された電源部とレーザーヘッド部とをファイバーにより光学的に接続し、電源部から外部へ出射されたレーザー光をレーザーヘッド部の共振器内へ導光するようにしたため、共振器周りの装置構成を小型化することができるようになるとともに、レーザー媒質が熱による影響を受けることがなくなり、さらには、半導体レーザーの交換などの際におけるメンテナンスが容易になる。
【００２４】
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、上記半導体レーザーはパルス動作し、上記電源部は発振波長８８０±５ｎｍのパルスレーザー光を外部へ出射するようにしたものである。
【００２５】
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１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上記レーザーヘッド部は、上記共振器内に配置されたＱスイッチを有するようにしたものである。
【００２６】
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３に記載の発明において、上記Ｑスイッチは、受動Ｑスイッチとしたものである。
【００２７】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記受動Ｑスイッチは、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶としたものである。
【００２８】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記Ｑスイッチは、ＥＯ−Ｑスイッチとしたものである。
【００２９】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記Ｑスイッチは、ＡＯ−Ｑスイッチとしたものである。
【００３０】
また、本発明のうち請求項８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、上記半導体レーザーは連続発振動作し、上記電源部は発振波長８８０±５ｎｍの連続レーザー光を外部へ出射するようにしたものである。
【００３２】
また、本発明のうち請求項９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、上記冷却装置は、電子冷却により上記半導体レーザーを冷却するようにしたものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、パルス電源と、上記パルス電源により駆動されて発振波長８８０±５ｎｍのパルスレーザー光を出射する半導体レーザーと、上記半導体レーザーを冷却する冷却装置とを有し、上記半導体レーザーから出射されたパルスレーザー光を外部へ出射する電源部と、上記電源部と電気配線により電気的に接続されて上記電源部を制御するコントローラーと、共振器と、レーザー媒質として上記共振器内に配置されたレーザー活性イオンとしてネオジウムが添加されたガドリニウムバナデイト結晶たるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（Ｎｄ：ＧｄＶＯ _４）結晶と、上記共振器内に配置された受動Ｑスイッチとを有して、上記電源部とは別体に構成され、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶が励起光により励起されてレーザー発振することにより、外部へレーザー光を出射するレーザーヘッド部と、上記電源部と上記レーザーヘッド部とを光学的に接続し、上記電源部から外部へ出射されたレーザー光を上記レーザーヘッド部の上記共振器内へ導光するファイバーとを有し、上記ファイバーにより上記共振器内に導光された発振波長８８０±５ｎｍの上記半導体レーザーから出射されたレーザー光を励起光として、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を端面励起してレーザー発振させるレーザーシステムであって、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、フローティングゾーン法により生成され、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたガドリニウムバナデイト結晶であり、上記電源部は波長８８０±５ｎｍのパルスレーザー光を外部へ出射し、上記ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長８８０ｎｍ帯の励起光により励起されるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９または請求項１０のいずれか１項に記載の発明において、上記レーザーヘッド部は、上記共振器内に高調波発生用の結晶を配置するようにしたものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるレーザーシステムの実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００３７】
図１には、本発明の実施の形態の一例によるレーザーシステムの概略構成説明図が示されている。
【００３８】
このレーザーシステム１０は、電源部１２と、レーザーヘッド部１４と、電源部１２とレーザーヘッド部１４とを光学的に接続するファイバー１６と、電源部１２の動作を制御するためのコントローラー１８とにより構成されている。なお、電源部１２とコントローラー１８とは別体に構成され、電源部１２とコントローラー１８とは電気配線２０により電気的に接続されている。
【００３９】
電源部１２は、ケーシング１２ａ内に、半導体レーザー１２ｃ（後述する。）を駆動する電源１２ｂと、電源１２ｂにより駆動されてレーザー媒質１４ｅ（後述する。）を励起する励起光としてのレーザー光を出射する半導体レーザー１２ｃと、電源１２ｂならびに半導体レーザー１２ｃを電子冷却などにより冷却する冷却装置１２ｄとを配設して構成されている。即ち、半導体レーザー１２ｃは、電源部１２内においてその発振動作を制御される。
【００４０】
なお、電源１２ｂのオン／オフ制御、冷却装置１２ｄの温度制御ならびに半導体レーザー１２ｃがレーザー光としてパルスレーザー光を出射するパルス動作をさせる際のパルスの繰り返し制御などは、コントローラー１８によって制御される。
【００４１】
ここで、電源１２ｂをオンすると、このレーザーシステム１０全体が駆動状態におかれ、電源１２ｂをオフすると、このレーザーシステム１０全体が停止状態となる。
【００４２】
電源１２ｂとしては、例えば、パルス電源や連続動作安定化電源を用いることができる。
【００４３】
即ち、このレーザーシステム１０において、半導体レーザー１２ｃがレーザー光としてパルスレーザー光を出射するパルス動作をさせる場合には、電源１２ｂとしてパルス電源を用いればよい。一方、半導体レーザー１２ｃがレーザー光としてパルスレーザー光を出射するパルス動作をさせる必要がなく、半導体レーザー１２ｃがレーザー光として連続レーザー光を出射する連続発振動作をさせる場合には、電源１２ｂとして連続動作安定化電源を用いればよい。
【００４４】
ここで、電源１２ｂとしてのパルス電源とは、半導体レーザー１２ｃをパルス動作させるために、電源１２ｂから半導体レーザー１２ｃに電流が流れる回路の途中にスイッチ機構が設けられているものである。このスイッチ機構を開けたり閉じたりすることにより、当該回路を流れている電流を遮ったり通したりすることができ、その結果、半導体レーザー１２ｃはパルス動作して出力されるレーザー光はパルス、即ち、パルスレーザー光となるものである。そして、コントローラー１８は、このスイッチ機構のスイッチングの間隔を任意に設定することができ、それにより半導体レーザー１２ｃをパルス動作させる際のパルスの繰り返し制御が実現される。
【００４５】
また、後述するように、電源部１２内において半導体レーザー１２ｃをパルス動作するように制御すると、この半導体レーザー１２ｃのパルス動作により、受動Ｑスイッチ１４ｆの繰り返しが制御される。
【００４６】
ここで、ケーシング１２ａは、例えば、アルミニウムや鉄などの材料に構成することができる。
【００４７】
また、半導体レーザー１２ｃとしては、例えば、ＧａＡｓを用いたレーザーバーを用いることができる。
上記したように、冷却装置１２ｄは半導体レーザー１２ｃを冷却して、半導体レーザー１２ｃの温度制御が行っている。こうした冷却装置１２ｄによる半導体レーザー１２ｃの温度制御によって、半導体レーザー１２ｃの発振波長を微調整することが可能である。
【００４８】
冷却装置１２ｄとしては、例えば、電子冷却方式の冷却装置を用いることができる。なお、冷却装置１２ｄは電子冷却方式の冷却装置に限られるものではなく、水冷式の冷却装置や、空冷式の冷却装置などを用いるようにしてもよい。
【００４９】
コントローラー１８は、マイクロコンピューターにより構成されており、以下のような制御を行う。
【００５０】
即ち、コントローラー１８は、上記したように、例えば、電源１２ｂのオン／オフ制御や冷却装置１２ｄの温度制御や半導体レーザー１２ｃのパルス動作の制御などを行う。
【００５１】
なお、後述するように、半導体レーザー１２ｃのパルス動作に応じて、受動Ｑスイッチ１４ｆの制御が行われる。
【００５２】
レーザーヘッド部１４は、図２にその詳細な構成を示すように、ケーシング１４ａ内に、ファイバー１６を接続するためのファイバーコネクタ１４ｂと、ファイバー１６およびファイバーコネクタ１４ｂを介して半導体レーザー１２ｃから出射されたレーザー光（以下、「半導体レーザー１２ｃから出射されたレーザー光」を「励起光」と称する。）を集光する集光レンズ１４ｃと、集光レンズ１４ｃから出射された励起光を透過するとともにレーザー媒質１４ｅ（後述する。）から出射されたレーザー光を高効率で反射する反射鏡１４ｄと、半導体レーザー１２ｃから出射された所定の波長のレーザー光の当該所定の波長に吸収帯があって当該所定の波長のレーザー光を励起光としてレーザー発振するレーザー結晶などのレーザー媒質１４ｅと、パルス動作のためのＱスイッチとしての受動Ｑスイッチ（ＰａｓｓｉｖｅＱ−ｓｗｉｔｃｈ）１４ｆと、反射鏡１４ｄとレーザー共振器を構成する出力カップラー１４ｇと、出力カップラー１４ｇから出射されたレーザー光を外部へ透過させるウインドウ１４ｈとを配設して構成されている。
【００５３】
即ち、このレーザーシステム１０においては、レーザーヘッド部１４の反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより共振器が構成されている。
【００５４】
ここで、ケーシング１４ａは、例えば、アルミニウムやインバー（ニッケル合金の一種）などの材料に構成することができる。
【００５５】
なお、ファイバーコネクタ１４ｂとしては、例えば、ＳＭＡコネクタやＦＣコネクタなどの各種の市販のコネクタを用いることができる。
【００５６】
また、集光レンズ１４ｃは、例えば、合成石英の平凸レンズよりなり、その焦点距離は、例えば、５０ｍｍである。
【００５７】
また、反射鏡１４ｄは、例えば、合成石英よりなり、その反射率は、例えば、波長１０６３ｍｍに対して９９％以上である。
【００５８】
また、レーザー媒質１４ｅとしては、例えば、レーザー活性イオンとしてネオジウム（Ｎｄ）が添加（以下、「ドープ」と適宜に称する。）されたガドリニウムバナデイト（ＧｄＶＯ_４）結晶であるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（以下、「Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４」と適宜称する。）結晶や、レーザー活性イオンとしてネオジウムがドープされたイットリウムバナデイト結晶であるネオジウム添加イットリウムバナデイト（以下、「Ｎｄ：ＹＶＯ_４」と適宜称する。）結晶などを用いることができる。
【００５９】
これらＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶は、例えば、フローティングゾーン法を用いて作成されたものが好ましい。また、Ｎｄ添加濃度としては、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で１５％以下の濃度となるものであることが好ましく、その中でも２％以上の濃度であることが好ましく、例えば、２％乃至１５％の濃度であることが好ましい。
【００６０】
また、このレーザーシステム１０において、レーザー媒質１４ｅとしてＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を用いる場合には、例えば、「縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚さ１ｍｍ」ほどのサイズの長方体形状のものを用いることができる。
【００６１】
また、受動Ｑスイッチ１４ｆは、内部に蓄えられた光エネルギーがある一定値を越えたとき、透過率が８０％〜９０％になるという性質をもった結晶である。
この受動Ｑスイッチ１４ｆとしては、例えば、クロームＹＡＧ（Ｃｒ：ＹＡＧ）結晶やＣｒ：ＭｇＳｉＯ_４結晶などを用いることができる。
【００６２】
また、出力カップラー１４ｇは、例えば、部分反射鏡により構成することができる。より詳細には、出力カップラー１４ｇは、例えば、表面に誘電多層膜をコーディングした凹面鏡により構成することができる。こうした出力カップラー１４ｇの波長１０６３ｎｍでの反射率は、例えば、８０％〜９５％である。
【００６３】
また、ウインドウ１４ｈとしては、例えば、合成石英やＢＫ７ガラスを用いることができる。
【００６４】
さらに、ファイバー１６としては、例えば、石英のバンドル型などのファイバーを用いることができる。
【００６５】
ここで、ファイバー１６とレーザーヘッド部１４とは、ファイバーコネクタ１４ｂを介して接続されることになるが、ファイバー１６と半導体レーザー１２ｃとは、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すようにして接続される。
【００６６】
ここで、図５（ａ）にはバンドル方式が示されており、半導体レーザー１２ｃに近接して配置したファイバー１６に光を入射させ、バンドル状に束ねて光を伝送するようになされている。
【００６７】
また、図５（ｂ）にはレンズ集光方式が示されており、半導体レーザー１２ｃから出射された光を合成石英などの集光レンズで集光して、ファイバー１６に入射して伝送するようになされている。
【００６８】
以上の構成において、このレーザーシステム１０においては、電源部１２とレーザーヘッド部１４とがファイバー１６によって接続され、電源部１２から出射された励起光はファイバー１６を介してファイバー伝送され、レーザーヘッド部１４へ入射される。
【００６９】
従って、電源部１２とレーザーヘッド部１４とは、ファイバー１６を取り付けたり取り外したりすることにより、容易に接続や切り離しを行うことができる。
【００７０】
そして、レーザーヘッド部１４へ入射した励起光は、レーザー媒質１４ｅ内で焦点を結ぶように、集光レンズ１４ｃにより集光される。
【００７１】
上記したように、このレーザーシステム１０の共振器は、反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより構成され、反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとの間にレーザー媒質１４ｅが配置される。
【００７２】
レーザーヘッド部１４における共振器により発振されたレーザー光は、ウインドウ１４ｈを透過して外部へと出射される。
【００７３】
上記したように、このレーザーシステム１０においては、電源部１２の半導体レーザー１２ｃとレーザーヘッド部１４とをファイバー１６によってファイバー結合し、励起光をファイバー１６によってレーザーヘッド部１４の共振器へ伝送するようにしている。これにより、レーザーヘッド部１４と励起源ならびに電気系たる電源部１２とを空間的に分離して配置することが可能となされている。
【００７４】
即ち、このレーザーシステム１０は、半導体レーザー１２ｃを電源部１２内に組み込み、半導体レーザー１２ｃからの励起光をファイバー１６によって伝送させてレーザーヘッド部１４内に入射させるようにして、レーザーヘッド部１４内から熱源となる電機部品を排除することを可能にし、レーザーヘッド部１４の小型化や安定化を実現している。
【００７５】
また、電源部１２とレーザーヘッド部１４とを光学的に接続する接続手段として、脱着可能なファイバー１６を用いるようにしたので、電源部１２とレーザーヘッド部１４とを容易に分離することができる。このため、電源部１２内の電源１２ｂや半導体レーザーｃのメンテナンスの際に、レーザーヘッド部１４内の共振器の環境を変える必要がなく、容易にメンテナンスを行うことができる。
【００７６】
このレーザーシステム１０のレーザーヘッド部１４内に配置されたレーザー媒質１４ｅとしてＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いると、レーザー媒質１４ｅたるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を８８０±５ｎｍ帯の励起光で励起して、レーザー発振させることができる。つまり、このレーザーシステム１０においては、８８０ｎｍ帯での励起を行うことが可能となる。
【００７７】
即ち、Ｎｄをレーザー活性イオンとするレーザー結晶（レーザー媒質）の励起光をもっとも効率よく吸収する波長は８０８ｎｍであり、それ以外の波長帯では吸収が非常に小さく、効率が悪いために励起を行うのは難しかった。
【００７８】
しかしながら、Ｎｄ添加濃度を上げることで、図３に示すように、低濃度のときには励起が行えなかった８８０ｎｍ帯での励起が可能となるものである。なお、８８０ｎｍ帯での励起が可能となるＮｄ添加濃度は、好ましくは１５％以下の濃度（ネオジウムの原子数の比率が１５％以下）であり、その中でも２％以上の濃度（ネオジウムの原子数の比率が２％以上）であることが好ましく、例えば、２％乃至１５％の濃度（ネオジウムの濃度が２％乃至１５％）であることが好ましい。
【００７９】
そして、この８８０ｎｍ帯での励起を用いると、８０８ｎｍ帯での励起に比べエネルギー変換効率の理論的限界として約１０％ほど上昇させることができ、また、レーザー媒質１４ｅ内部の熱の影響を約３０％ほど低減させることができる。そして、こうした効果により、レーザーシステム１０全体の高効率化や、出射されるレーザー光のビームの品質の向上などを図ることができる。
【００８０】
そして、レーザー媒質１４ｅとして用いることのできるＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶は、ファイバー１６による励起に適している。即ち、高品質なレーザー光を高効率に得るためには、ファイバーによる結晶の端面励起が適しており、その端面励起には、吸収係数が高いＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶が大変有効である。
【００８１】
さらに、このレーザーシステム１０においては、レーザーヘッド部１４から出射されるレーザー光をパルス動作させるために、受動Ｑスイッチ１４ｆを用いている。従って、レーザーヘッド部１４からパルス動作させるための電気系を除去することができ、レーザーヘッド部１４を小型化することができるとともに、制御性が向上される。
【００８２】
即ち、受動Ｑスイッチ１４ｆは、内部に蓄えられた光エネルギーがある一定値を越えたとき、透過率が８０％〜９０％になるというシャッター動作を行うものである。従って、反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより構成される共振器内に配置された受動Ｑスイッチ１４ｆは、レーザー媒質１４ｅからの自然放出光によりシャッター動作を制御されることになる。
【００８３】
ここで、反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより構成される共振器内を往復するレーザー光の生成の制御は、電源部１２によって行われる励起光の生成の制御に基づくものであるので、ひいてはレーザーヘッド部１４から出射されるレーザー光のパルス動作の制御は、電源部１２によって行われることになる。
【００８４】
上記したように、受動Ｑスイッチ１４ｆを用いることにより、レーザーヘッド部１４から出射されるレーザー光のパルス動作の制御を、励起光を生成する半導体レーザー１２ｃの電源部１２によって行うことができるので、当該レーザー光のパルス動作の安定化を図ることができるとともに、レーザーヘッド部１４の小型化を図ることができる。
【００８５】
即ち、従来のレーザーシステムにおいては、ＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチなどが使用されていた。これら従来において用いられていたＱスイッチは、音響波や電気によってスイッチングを行っていたため、共振器内にＱスイッチを挿入した場合には、電気部品の組み込みが不可欠となり、レーザーヘッドの大型化が避けられず、また、熱の発生によるレーザー発振の不安定さの原因にもなっていた。また、電気配線、発振器などの必要性により、装置全体の大型化も免れなかった。
【００８６】
しかしながら、このレーザーシステム１０においては、パルス動作のために受動Ｑスイッチを用いることで、Ｑスイッチから電気部品を一切排除するようにしたものである。そのため、レーザーヘッド部１４も極めて簡潔な構造として小型化することが可能となり、また、レーザーヘッド部１４から出射されるレーザー光のパルス動作の制御を、半導体レーザー１２ｃのパルス動作の制御によって行うことができるため、Ｑスイッチ用の電源も不要になった。受動Ｑスイッチ１４ｆに入射するレーザー光のパルス動作を制御することにより、任意の繰り返しをもつＱスイッチの機能を果たすことができる。
【００８７】
特に、この受動Ｑスイッチ１４ｆは、自然放出断面積が大きなレーザー媒質に適しているため、大きな自然放出断面積をもつＮｄ：ＧｄＶＯ_４やＮｄ：ＹＶＯ_４との適性が極めて好ましいものである。
【００８８】
ここで、受動Ｑスイッチ１４ｆについてさらに説明すると、受動Ｑスイッチ１４ｆを使う場合には、パルス動作の半導体レーザー１２ｃと組み合わせて用いることが重要である。即ち、受動Ｑスイッチは、内部に蓄えられた光エネルギーがある一定値を越えたとき、透過率が８０〜９０％になるという性質を持った結晶である。そのため、受動Ｑスイッチそのものはパルスを発生させることはできても、その繰り返しを制御する機能は持っておらず、ある一定の光エネルギーが溜まった時点でレーザー光を放出し、また光エネルギーを溜めて放出するということしかできない。そこで、受動Ｑスイッチ１４ｆに入射した光エネルギーが溜まっていくまでの間隔は、励起用レーザー、即ち、半導体レーザー１２ｃから発生される光の量を調節することによって制御することが可能となる。このため、励起用レーザー、即ち、半導体レーザー１２ｃをパルス動作させれば、半導体レーザー１２ｃからのパルスレーザー光が入射しているときだけレーザー媒質１４ｅが励起され、光エネルギーが放出されて受動Ｑスイッチ１４ｆに蓄えられるので、半導体レーザー１２ｃの電流の印加時間によって、受動Ｑスイッチ１４ｆの繰り返しも制御できることになる。
【００８９】
また、このレーザーシステム１０がパルス動作を必要としない場合には、受動Ｑスイッチ１４ｆを設ける必要はなく、半導体レーザー１２ｃの電源１２ｂとしてもスイッチング機構を持たない連続動作する連続安定化電源などを用いればよく、半導体レーザー１２ｃとしても連続発振を行うことができるものを用いればよい。
【００９０】
なお、上記した実施の形態は、以下に説明する（１）乃至（８）に示すように変形してもよい。
【００９１】
（１）上記した実施の形態においては、レーザーヘッド部１４の反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより共振器を構成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、図４（ａ）に示すように、レーザー媒質１４ｅの励起光の入射側の面、即ち、ファイバーコネクタ１４ｂが位置する側の面を全反射膜４０でコーティングすることにより、反射鏡１４ｄを省略するようにしてもよい。
【００９２】
なお、全反射膜４０は、例えば、誘電体多層膜よりなるものであり、反射率は、例えば、９９％以上である。
【００９３】
（２）上記した実施の形態においては、レーザーヘッド部１４の反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより共振器を構成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、図４（ｂ）に示すように、レーザー媒質１４ｅの励起光の入射側の面、即ち、ファイバーコネクタ１４ｂが位置する側の面を全反射膜４０でコーティングするとともに、他方の面を受動Ｑスイッチ１４ｆと接合させることにより、反射鏡１４ｄを省略し、かつ、レーザー媒質１４ｅと受動Ｑスイッチ１４ｆとを一体化するようにしてもよい。
【００９４】
（３）上記した実施の形態においては、レーザーヘッド部１４の反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより共振器を構成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、図４（ｃ）に示すように、レーザー媒質１４ｅの励起光の入射側の面、即ち、ファイバーコネクタ１４ｂが位置する側の面を全反射膜４０でコーティングするとともに、他方の面を受動Ｑスイッチ１４ｆと接合させ、さらに受動Ｑスイッチ１４ｆに出力カップラー１４ｇを接合することにより、反射鏡１４ｄを省略し、かつ、レーザー媒質１４ｅと受動Ｑスイッチ１４ｆと出力カップラー１４ｇとを一体化するようにしてもよい。
【００９５】
（４）上記した実施の形態においては、レーザーヘッド部１４の反射鏡１４ｄと出力カップラー１４ｇとにより共振器を構成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、図４（ｄ）に示すように、レーザー媒質１４ｅの励起光の入射側の面、即ち、ファイバーコネクタ１４ｂが位置する側の面を全反射膜４０でコーティングするとともに、他方の面を受動Ｑスイッチ１４ｆと接合させ、さらに受動Ｑスイッチ１４ｆのレーザー光の出射側の面に部分反射膜４２をコーティングすることにより、反射鏡１４ｄおよび出力カップラー１４ｇを省略し、レーザー媒質１４ｅと受動Ｑスイッチ１４ｆとを一体化するようにしてもよい。
【００９６】
なお、部分反射膜４２は、例えば、誘電体多層膜よりなるものであり、反射率葉、例えば、８０〜９５％である。
【００９７】
（５）上記した実施の形態においては、Ｑスイッチとして受動Ｑスイッチ１４ｆを用いたが、これに限られるものではないことは勿論である。Ｑスイッチとして受動ＱスイッチでないＡＯ−ＱスイッチやＥＯ−Ｑスイッチを用いた場合には、これらのＱスイッチのドライバーを電源部１２に組み込み、コントローラー１８で制御するようにしてもよい。
【００９８】
なお、レーザーシステム１０にパルス動作を行わせる必要がない場合には、共振器内にＱスイッチを配置する必要はない。
【００９９】
（６）上記した実施の形態においては、レーザーヘッド部１４にレーザー光を透過するウインドウｈを設けたが、必ずしもウインドウ１４ｈを使用しなくてもよいものであり、その場合にはウインドウ１４ｈを配設しなければよい。
【０１００】
（７）上記した実施の形態において、レーザーシステム１０の共振器内に高調波発生用の結晶を配置して、この高調波発生用の結晶にレーザーシステム１０のレーザー媒質１４ｅによって発振されたレーザー光を入射するようにして、当該入射したレーザー光の波長とは異なった波長のレーザー光をレーザーシステム１０から取り出すようにしてもよい。高調波発生用の結晶としては、例えば、ＬＢＯ結晶やＫＴＰ結晶などの非線形光学結晶がある。こうしたＬＢＯ結晶やＫＴＰ結晶などの非線形光学結晶のサイズは、例えば、「縦４ｍｍ×横４ｍｍ×厚さ５ｍｍ」程度であり、こうした非線形光学結晶にレーザー媒質１４ｅによって発振されたレーザー光を入射させることにより、当該入射されたレーザー光の波長とは異なった波長のレーザー光を取り出すことができる。例えば、入射されたレーザー光の波長が１０６３ｎｍであるならば、約５３１．５ｎｍの波長のレーザー光を取り出すことができる。
【０１０１】
（８）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、共振器周りの装置構成を小型化することができるという優れた効果を奏する。
【０１０３】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、レーザー媒質が熱による影響を受けることがなく、ビームの高品質化を図ることができるという優れた効果を奏する。
【０１０４】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、励起波長をレーザーの発振波長に近づけることにより、エネルギーの変換効率を向上させて高効率化を図ることができ、結晶に残る熱を低減することができるようになるという優れた効果を奏する。
【０１０５】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、メンテナンスが容易になるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例によるレーザーシステムの概略構成説明図である。
【図２】レーザーヘッド部の詳細な構成を示す概略構成説明図である。
【図３】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶のうちで、ネオジウムの濃度が２％、即ち、ネオジウムの原子数の比率が２％のものについて、その吸収スペクトルの測定結果を示すグラフである。なお、横軸は［ｎｍ］単位で波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を示し、縦軸は［ｃｍ^−１］単位で吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示している。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ならびに（ｄ）は、本発明の実施の形態の一例によるレーザーシステムの変形例の概略構成説明図である。
【図５】ファイバーと半導体レーザーとの接続の手法を示す説明図であり、（ａ）はバンドル方式を示し、（ｂ）はレンズ集光方式を示している。
【符号の説明】
１０レーザーシステム
１２電源部
１２ａケーシング
１２ｂ電源
１２ｃ半導体レーザー
１２ｄ冷却装置
１４レーザーヘッド部
１４ａケーシング
１４ｂファイバーコネクタ
１４ｃ集光レンズ
１４ｄ反射鏡
１４ｅレーザー媒質
１４ｆ受動Ｑスイッチ（ＰａｓｓｉｖｅＱ−ｓｗｉｔｃｈ）
１４ｇ出力カップラー
１４ｈウインドウ
１６ファイバー
１８コントローラー
２０電気配線
４０全反射膜
４２部分反射膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser system, and more particularly, to a laser system including a laser medium that is excited by excitation light and oscillates.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
As a conventional laser system, there is known a laser system that uses a light emitted from a lamp as excitation light to excite a laser medium disposed in a resonator.
[0003]
However, such a laser system has a problem that the laser oscillation efficiency is not good because the laser medium is excited by using the light emitted from the lamp as the excitation light.
[0004]
In order to solve these problems, a laser system has been developed that uses a laser beam of a predetermined wavelength emitted from a semiconductor laser such as a laser diode as excitation light to excite a laser medium disposed in the resonator. ing.
[0005]
A laser system that excites a laser medium using laser light of a predetermined wavelength emitted from the semiconductor laser as excitation light, selects a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength in the absorption band of the laser medium, and Since the laser medium can be excited using the laser beam of the laser as the excitation light, the laser oscillation efficiency is extremely good.
[0006]
By the way, in a laser system that excites a laser medium using a conventional semiconductor laser, for example, when exciting from the side of a rod-shaped laser crystal as a laser medium by excitation light, laser light as excitation light is emitted. It was necessary to arrange a semiconductor laser such as a laser diode close to the rod-shaped laser crystal. For this reason, in a laser system that excites a laser medium using a conventional semiconductor laser, the semiconductor laser is generally disposed integrally with a resonator in which the laser medium is disposed.
[0007]
However, according to a laser system that excites a laser medium using such a conventional semiconductor laser, the semiconductor laser is disposed in close proximity to the resonator in which the laser medium is disposed. There is a problem in that the surrounding device configuration becomes large and disadvantageous in terms of space.
[0008]
In addition, according to the laser system that excites the laser medium using the conventional semiconductor laser described above, the semiconductor laser is disposed in close proximity to the resonator in which the laser medium is disposed. There is a problem that the stability of the laser medium is reduced due to the heat generated from the laser, and furthermore, a cooling mechanism for cooling the heat generated from the semiconductor laser is required, so the device configuration around the resonator is large. There was a problem of becoming disadvantageous in terms of space.
[0009]
Furthermore, according to the laser system that excites the laser medium using the above-described conventional semiconductor laser, the resonator needs to be readjusted when the semiconductor laser fails or is replaced due to its life, so that maintenance is complicated. There was a problem of becoming.
[0010]
Further, in the conventional excitation at a wavelength of 808 nm, when laser light having a wavelength of 1063 nm is generated, the energy conversion efficiency is limited by “808/1063”, and the remaining energy is left as heat in the laser medium. It was.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the problems of the conventional techniques as described above, and an object of the present invention is to provide a laser system capable of downsizing the device configuration around the resonator. To do.
[0012]
It is another object of the present invention to provide a laser system in which the laser medium is not affected by heat and the beam quality is improved.
[0013]
Further, the object of the present invention is to improve the energy conversion efficiency by increasing the excitation wavelength to the oscillation wavelength of the laser so as to increase the efficiency and reduce the heat remaining in the laser medium. Is intended to provide a laser system.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a laser system that facilitates maintenance.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention includes a power source, and a semiconductor laser driven by the power source to emit laser light having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm.A cooling device for cooling the semiconductor laser;A power supply unit that emits laser light emitted from the semiconductor laser to the outside;A controller that is electrically connected to the power source by electrical wiring and controls the power source;Resonator and neodymium-added gadolinium vanadate as a gadolinium vanadate crystal with neodymium added as laser active ions arranged in the resonator as a laser medium(Nd: GdVO ₄ )A laser head unit configured to be separated from the power source unit, wherein the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light and oscillates to emit laser light to the outside; With the above power supplythe aboveA fiber that optically connects the laser head unit and guides laser light emitted from the power supply unit to the inside of the resonator of the laser head unit. A laser system that uses the laser light emitted from the semiconductor laser having a guided oscillation wavelength of 880 ± 5 nm as excitation light to excite the neodymium-doped gadolinium vanadate crystal to cause laser oscillation.The neodymium-added gadolinium vanadate crystal is a gadolinium vanadate crystal produced by a floating zone method and doped with neodymium as a laser active ion at a concentration of 2% to 15% in terms of the number of atoms. The power supply unit emits laser light having a wavelength of 880 ± 5 nm to the outside, and the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light having a wavelength of 880 nm, which is different from the wavelength 808 nm which is the main absorption band.It is what I did.
[0016]
Therefore, according to the first aspect of the present invention, the power supply unit and the laser head unit separated from each other are optically connected by a fiber, and the laser beam emitted from the power supply unit to the outside is connected to the laser head. Since the light is guided into the resonator of the part, the device configuration around the resonator can be reduced in size, the laser medium is not affected by heat, and the semiconductor laser is replaced. Maintenance in the case of, etc. becomes easy.
[0024]
  Further, the present invention claims2In the invention described in Item 1, in the invention described in Item 1 of the present invention, the semiconductor laser operates in pulses, and the power supply unit emits pulsed laser light having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm to the outside. is there.
[0025]
  Further, the present invention claims3The invention described in claim 1 is the first aspect of the present invention.OrIn the invention according to claim 2, the laser head section further includes a Q switch disposed in the resonator.
[0026]
  Further, the present invention claims4The invention described in claim 1 is a part of the present invention.3In the present invention, the Q switch is a passive Q switch.
[0027]
  Further, the present invention claims5The invention described in claim 1 is a part of the present invention.4In the invention described in (1), the passive Q switch is a Cr: YAG crystal.
[0028]
  Further, the present invention claims6The invention described in claim 1 is a part of the present invention.3The Q switch is an EO-Q switch.
[0029]
  Further, the present invention claims7The invention described in claim 1 is a part of the present invention.3In the invention described in (1), the Q switch is an AO-Q switch.
[0030]
  Further, the present invention claims8According to the invention described in Item 1, in the invention described in Item 1 of the invention, the semiconductor laser operates continuously, and the power source emits continuous laser light having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm to the outside. It is.
[0032]
  Further, the present invention claims9The invention described in claim 1 is a part of the present invention.1In the invention described in (1), the cooling device cools the semiconductor laser by electronic cooling.
[0033]
  Further, the present invention claims10The invention described in (1) includes a pulse power source, and a semiconductor laser that is driven by the pulse power source and emits a pulse laser beam having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm.A cooling device for cooling the semiconductor laser;A power supply unit that emits pulsed laser light emitted from the semiconductor laser to the outside;A controller that is electrically connected to the power source by electrical wiring and controls the power source;Resonator and neodymium-added gadolinium vanadate as a gadolinium vanadate crystal with neodymium added as laser active ions arranged in the resonator as a laser medium(Nd: GdVO ₄ )A crystal and a passive Q switch disposed in the resonator are configured separately from the power supply unit, and the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light and laser-oscillated. A laser head for emitting laser light to the outside, and the power sourcethe aboveA fiber that optically connects the laser head unit and guides laser light emitted from the power supply unit to the inside of the resonator of the laser head unit. A laser system that uses the laser light emitted from the semiconductor laser having a guided oscillation wavelength of 880 ± 5 nm as excitation light to excite the neodymium-doped gadolinium vanadate crystal to cause laser oscillation.The neodymium-added gadolinium vanadate crystal is a gadolinium vanadate crystal produced by a floating zone method and doped with neodymium as a laser active ion at a concentration of 2% to 15% in terms of the number of atoms. Yes, the power supply unit emits a pulsed laser beam having a wavelength of 880 ± 5 nm to the outside, and the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light having a wavelength of 880 nm, which is different from the wavelength 808 nm which is the main absorption band.It is what I did.
[0035]
  Further, the present invention claims11The invention according to claim 1 is the invention according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8 and claim 9.OrThe method according to claim 10.inventionIn the laser head unit, a crystal for generating harmonics is arranged in the resonator.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of a laser system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0037]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a laser system according to an example of an embodiment of the present invention.
[0038]
The laser system 10 includes a power supply unit 12, a laser head unit 14, a fiber 16 that optically connects the power supply unit 12 and the laser head unit 14, and a controller 18 that controls the operation of the power supply unit 12. It is configured. Note that the power supply unit 12 and the controller 18 are configured separately, and the power supply unit 12 and the controller 18 are electrically connected by electrical wiring 20.
[0039]
The power source unit 12 emits laser light as excitation light that is driven by the power source 12b and excites a laser medium 14e (described later) into the casing 12a. And a cooling device 12d for cooling the power source 12b and the semiconductor laser 12c by electronic cooling or the like. That is, the oscillation operation of the semiconductor laser 12 c is controlled in the power supply unit 12.
[0040]
The controller 18 controls on / off control of the power supply 12b, temperature control of the cooling device 12d, and pulse repetition control when the semiconductor laser 12c performs a pulse operation of emitting pulsed laser light as laser light.
[0041]
Here, when the power supply 12b is turned on, the entire laser system 10 is in a driving state, and when the power supply 12b is turned off, the entire laser system 10 is stopped.
[0042]
As the power supply 12b, for example, a pulse power supply or a continuous operation stabilization power supply can be used.
[0043]
That is, in the laser system 10, when the semiconductor laser 12c performs a pulse operation of emitting a pulse laser beam as a laser beam, a pulse power source may be used as the power source 12b. On the other hand, when the semiconductor laser 12c does not need to perform a pulse operation of emitting a pulse laser beam as a laser beam, and the semiconductor laser 12c performs a continuous oscillation operation of emitting a continuous laser beam as a laser beam, the semiconductor laser 12c operates continuously as a power source 12b. A stabilized power supply may be used.
[0044]
Here, the pulse power supply as the power supply 12b is a switch mechanism provided in the middle of a circuit in which a current flows from the power supply 12b to the semiconductor laser 12c in order to cause the semiconductor laser 12c to perform a pulse operation. By opening and closing the switch mechanism, the current flowing through the circuit can be blocked or passed. As a result, the laser beam output by the semiconductor laser 12c is pulsed, that is, It becomes pulse laser light. The controller 18 can arbitrarily set the switching interval of the switch mechanism, thereby realizing the repetition control of pulses when the semiconductor laser 12c is operated in pulses.
[0045]
As will be described later, when the semiconductor laser 12c is controlled to pulse in the power supply unit 12, the repetition of the passive Q switch 14f is controlled by the pulse operation of the semiconductor laser 12c.
[0046]
Here, the casing 12a can be made of a material such as aluminum or iron, for example.
[0047]
As the semiconductor laser 12c, for example, a laser bar using GaAs can be used.
As described above, the cooling device 12d cools the semiconductor laser 12c and controls the temperature of the semiconductor laser 12c. The oscillation wavelength of the semiconductor laser 12c can be finely adjusted by controlling the temperature of the semiconductor laser 12c by the cooling device 12d.
[0048]
As the cooling device 12d, for example, an electronic cooling type cooling device can be used. The cooling device 12d is not limited to an electronic cooling type cooling device, and a water cooling type cooling device, an air cooling type cooling device, or the like may be used.
[0049]
The controller 18 is constituted by a microcomputer and performs the following control.
[0050]
That is, as described above, the controller 18 performs, for example, on / off control of the power supply 12b, temperature control of the cooling device 12d, control of pulse operation of the semiconductor laser 12c, and the like.
[0051]
As will be described later, the passive Q switch 14f is controlled in accordance with the pulse operation of the semiconductor laser 12c.
[0052]
  As shown in detail in FIG. 2, the laser head unit 14 is emitted from the semiconductor laser 12c through the fiber connector 14b and the fiber connector 14b for connecting the fiber 16 in the casing 14a. The condensing lens 14c for condensing the laser light (hereinafter, “laser light emitted from the semiconductor laser 12c” is referred to as “excitation light”) and the excitation light emitted from the condensing lens 14c are transmitted. A reflecting mirror 14d that reflects laser light emitted from a laser medium 14e (described later) with high efficiency, and a semiconductor laser 12cA laser medium 14e such as a laser crystal that has an absorption band at the predetermined wavelength of the laser light of a predetermined wavelength emitted from the laser and that oscillates using the laser light of the predetermined wavelength as excitation light, and Q for pulse operation A passive Q switch (Passive Q-switch) 14f as a switch, an output coupler 14g constituting a reflecting mirror 14d and a laser resonator, and a window 14h for transmitting laser light emitted from the output coupler 14g to the outside are provided. Configured.
[0053]
That is, in this laser system 10, a resonator is constituted by the reflecting mirror 14d of the laser head unit 14 and the output coupler 14g.
[0054]
Here, the casing 14a can be made of a material such as aluminum or invar (a kind of nickel alloy).
[0055]
As the fiber connector 14b, for example, various commercially available connectors such as an SMA connector and an FC connector can be used.
[0056]
The condenser lens 14c is made of, for example, a plano-convex lens made of synthetic quartz, and has a focal length of, for example, 50 mm.
[0057]
The reflecting mirror 14d is made of, for example, synthetic quartz, and the reflectance thereof is 99% or more with respect to a wavelength of 1063 mm, for example.
[0058]
In addition, as the laser medium 14e, for example, gadolinium vanadate (GdVO) to which neodymium (Nd) is added as a laser active ion (hereinafter appropriately referred to as “dope”) is used.₄) Neodymium-doped gadolinium vanadate (hereinafter referred to as “Nd: GdVO”)₄As appropriate. ) Neodymium-doped yttrium vanadate (hereinafter referred to as “Nd: YVO”), which is a yttrium vanadate crystal doped with neodymium as a laser active ion.₄As appropriate. ) Crystals can be used.
[0059]
These Nd: GdVO₄Crystal or Nd: YVO₄The crystal is preferably prepared using, for example, a floating zone method. The Nd addition concentration is preferably such that Nd as a laser active ion is a concentration of 15% or less in terms of the number of atoms, of which a concentration of 2% or more is preferable, for example, 2% A concentration of 15 to 15% is preferred.
[0060]
Further, in this laser system 10, Nd: GdVO is used as the laser medium 14e.₄Crystal or Nd: YVO₄In the case of using a crystal, for example, a rectangular shape having a size of about 3 mm in length, 3 mm in width, and 1 mm in thickness can be used.
[0061]
The passive Q switch 14f is a crystal having such a property that when the light energy stored inside exceeds a certain value, the transmittance becomes 80% to 90%.
As this passive Q switch 14f, for example, chrome YAG (Cr: YAG) crystal or Cr: MgSiO₄Crystals and the like can be used.
[0062]
Further, the output coupler 14g can be configured by, for example, a partial reflection mirror. More specifically, the output coupler 14g can be constituted by, for example, a concave mirror whose surface is coated with a dielectric multilayer film. The reflectance of the output coupler 14g at a wavelength of 1063 nm is, for example, 80% to 95%.
[0063]
As the window 14h, for example, synthetic quartz or BK7 glass can be used.
[0064]
Further, as the fiber 16, for example, a fiber such as a quartz bundle type can be used.
[0065]
  Here, the fiber 16 and the laser head unit 14 are connected via a fiber connector 14b.cIs connected, for example, as shown in FIGS.
[0066]
  Here, FIG. 5A shows a bundle system, and the semiconductor laser 12cThe light is incident on the fiber 16 disposed in the vicinity of the optical fiber, and is bundled in a bundle to transmit the light.
[0067]
  FIG. 5B shows a lens condensing method, and the semiconductor laser 12cThe light emitted from the light is condensed by a condenser lens such as synthetic quartz, and is incident on the fiber 16 and transmitted.
[0068]
  With the above configuration, in the laser system 10, the power supply unit 12 and the laser head unit 14 are connected by the fiber 16, and the excitation light emitted from the power supply unit 12 is fiber-transmitted through the fiber 16, so that the laser head unit 14Is incident on.
[0069]
Therefore, the power supply unit 12 and the laser head unit 14 can be easily connected and disconnected by attaching or removing the fiber 16.
[0070]
Then, the excitation light incident on the laser head unit 14 is condensed by the condenser lens 14c so as to be focused in the laser medium 14e.
[0071]
As described above, the resonator of the laser system 10 includes the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g, and the laser medium 14e is disposed between the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g.
[0072]
The laser light oscillated by the resonator in the laser head unit 14 is transmitted to the outside through the window 14h.
[0073]
  As described above, in the laser system 10, the semiconductor laser 12 of the power supply unit 12 is used.cAnd the laser head unit 14 are coupled by a fiber 16 so that excitation light is transmitted to the resonator of the laser head unit 14 through the fiber 16. Thereby, it is possible to spatially separate the laser head unit 14 from the excitation source and the power supply unit 12 as an electrical system.
[0074]
  That is, the laser system 10 includes a semiconductor laser 12cIs incorporated in the power supply unit 12 and the semiconductor laser 12cThe pumping light from the laser 16 is transmitted by the fiber 16 and the laser head 14In this way, it is possible to eliminate electrical parts that serve as heat sources from the inside of the laser head unit 14, thereby realizing miniaturization and stabilization of the laser head unit 14.
[0075]
Further, since the detachable fiber 16 is used as the connecting means for optically connecting the power supply unit 12 and the laser head unit 14, the power supply unit 12 and the laser head unit 14 can be easily separated. . For this reason, when maintaining the power supply 12b and the semiconductor laser c in the power supply unit 12, it is not necessary to change the environment of the resonator in the laser head unit 14, and the maintenance can be easily performed.
[0076]
  When an Nd: GdVO4 crystal is used as the laser medium 14e disposed in the laser head portion 14 of the laser system 10, the laser medium 14 is used.eThe oscillating Nd: GdVO4 crystal can be excited by excitation light in the 880 ± 5 nm band to cause laser oscillation. That is, in this laser system 10, it becomes possible to perform excitation in the 880 nm band.
[0077]
That is, the wavelength at which the excitation light of the laser crystal (laser medium) having Nd as the laser active ion is most efficiently absorbed is 808 nm, and excitation is performed because the absorption is very small and the efficiency is poor in other wavelength bands. It was difficult.
[0078]
However, by increasing the Nd addition concentration, as shown in FIG. 3, excitation in the 880 nm band, which could not be excited at a low concentration, can be performed. The Nd addition concentration that enables excitation in the 880 nm band is preferably a concentration of 15% or less (neodymium atom ratio is 15% or less), and a concentration of 2% or more (the number of neodymium atoms). The ratio is preferably 2% or more. For example, the concentration is preferably 2% to 15% (the concentration of neodymium is 2% to 15%).
[0079]
When the excitation in the 880 nm band is used, the theoretical limit of the energy conversion efficiency can be increased by about 10% compared to the excitation in the 808 nm band, and the influence of heat in the laser medium 14e is about 30%. % Can be reduced. Such effects can improve the efficiency of the entire laser system 10 and improve the quality of the emitted laser beam.
[0080]
Nd: GdVO that can be used as the laser medium 14e₄Crystal or Nd: YVO₄The crystal is suitable for excitation by the fiber 16. That is, in order to obtain high-quality laser light with high efficiency, end face excitation of a crystal by a fiber is suitable, and Nd: GdVO having a high absorption coefficient is used for the end face excitation.₄Crystal or Nd: YVO₄Crystals are very effective.
[0081]
Further, in this laser system 10, a passive Q switch 14f is used to pulse the laser light emitted from the laser head unit 14. Therefore, the electric system for performing the pulse operation from the laser head unit 14 can be removed, the laser head unit 14 can be reduced in size, and controllability is improved.
[0082]
That is, the passive Q switch 14f performs a shutter operation such that the transmittance becomes 80% to 90% when the light energy stored inside exceeds a certain value. Therefore, the shutter operation of the passive Q switch 14f arranged in the resonator constituted by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g is controlled by the spontaneous emission light from the laser medium 14e.
[0083]
Here, the control of the generation of the laser light that reciprocates in the resonator constituted by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g is based on the control of the generation of the excitation light performed by the power supply unit 12, and therefore the laser. The power supply unit 12 controls the pulse operation of the laser light emitted from the head unit 14.
[0084]
As described above, by using the passive Q switch 14f, the pulse operation of the laser beam emitted from the laser head unit 14 can be controlled by the power supply unit 12 of the semiconductor laser 12c that generates the excitation light. The pulse operation of the laser beam can be stabilized and the laser head unit 14 can be downsized.
[0085]
That is, in the conventional laser system, an AO-Q switch, an EO-Q switch, or the like has been used. Since these Q switches used in the past were switched by acoustic waves or electricity, when the Q switch was inserted into the resonator, it was indispensable to incorporate electrical components, avoiding an increase in the size of the laser head. In addition, the laser oscillation was unstable due to heat generation. In addition, due to the need for electrical wiring, oscillators, etc., the overall size of the apparatus has not been avoided.
[0086]
However, in this laser system 10, a passive Q switch is used for pulse operation, so that no electrical components are excluded from the Q switch. Therefore, the laser head unit 14 can also be miniaturized with a very simple structure, and the pulse operation of the laser light emitted from the laser head unit 14 is controlled by controlling the pulse operation of the semiconductor laser 12c. Therefore, the power source for the Q switch is no longer necessary. By controlling the pulse operation of the laser light incident on the passive Q switch 14f, the function of the Q switch having an arbitrary repetition can be achieved.
[0087]
In particular, since the passive Q switch 14f is suitable for a laser medium having a large spontaneous emission cross section, Nd: GdVO having a large spontaneous emission cross section.₄And Nd: YVO₄The suitability is very favorable.
[0088]
Here, the passive Q switch 14f will be further described. When the passive Q switch 14f is used, it is important to use it in combination with the pulsed semiconductor laser 12c. That is, the passive Q switch is a crystal having a property that when the light energy stored inside exceeds a certain value, the transmittance is 80 to 90%. Therefore, even though the passive Q switch itself can generate a pulse, it does not have a function to control the repetition, and when a certain amount of light energy is accumulated, it emits laser light and accumulates light energy. Can only be released. Therefore, the interval until the light energy incident on the passive Q switch 14f is accumulated can be controlled by adjusting the amount of light generated from the excitation laser, that is, the semiconductor laser 12c. For this reason, if the excitation laser, that is, the semiconductor laser 12c is operated in a pulsed manner, the laser medium 14e is excited only when the pulse laser beam from the semiconductor laser 12c is incident, and the light energy is emitted, thereby the passive Q switch. Since it is stored in 14f, the repetition of the passive Q switch 14f can also be controlled by the application time of the current of the semiconductor laser 12c.
[0089]
Further, when the laser system 10 does not require a pulse operation, it is not necessary to provide the passive Q switch 14f, and the power source 12b of the semiconductor laser 12c may be a continuously stabilized power source that operates continuously without a switching mechanism. What is necessary is just to use what can perform continuous oscillation as the semiconductor laser 12c.
[0090]
The embodiment described above may be modified as shown in (1) to (8) described below.
[0091]
(1) In the above-described embodiment, the resonator is constituted by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g of the laser head unit 14. However, the present invention is not limited to this. As shown in (a), the surface on the incident side of the excitation light of the laser medium 14e, that is, the surface on which the fiber connector 14b is located is coated with the total reflection film 40 so that the reflecting mirror 14d is omitted. May be.
[0092]
The total reflection film 40 is made of, for example, a dielectric multilayer film, and the reflectance is, for example, 99% or more.
[0093]
(2) In the above-described embodiment, the resonator is constituted by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g of the laser head unit 14. However, the present invention is not limited to this. As shown in (b), the surface on the incident side of the excitation light of the laser medium 14e, that is, the surface on which the fiber connector 14b is located is coated with the total reflection film 40, and the other surface is the passive Q switch 14f. By joining, the reflecting mirror 14d may be omitted, and the laser medium 14e and the passive Q switch 14f may be integrated.
[0094]
(3) In the above-described embodiment, the resonator is configured by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g of the laser head unit 14. However, the present invention is not limited to this, and FIG. As shown in (c), the surface on the incident side of the excitation light of the laser medium 14e, that is, the surface on which the fiber connector 14b is located is coated with the total reflection film 40, and the other surface is formed with the passive Q switch 14f. Further, the output coupler 14g may be joined to the passive Q switch 14f, so that the reflecting mirror 14d may be omitted, and the laser medium 14e, the passive Q switch 14f, and the output coupler 14g may be integrated.
[0095]
(4) In the above-described embodiment, the resonator is constituted by the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g of the laser head unit 14. However, the present invention is not limited to this. As shown in (d), the surface on the incident side of the excitation light of the laser medium 14e, that is, the surface on which the fiber connector 14b is located is coated with the total reflection film 40, and the other surface is coated with the passive Q switch 14f. Further, by coating the surface of the passive Q switch 14f on the laser light emission side with the partial reflection film 42, the reflecting mirror 14d and the output coupler 14g are omitted, and the laser medium 14e and the passive Q switch 14f are integrated. You may make it do.
[0096]
The partial reflection film 42 is made of, for example, a dielectric multilayer film, and has a reflectance leaf, for example, 80 to 95%.
[0097]
(5) In the above-described embodiment, the passive Q switch 14f is used as the Q switch. However, the present invention is not limited to this. When an AO-Q switch or EO-Q switch that is not a passive Q switch is used as the Q switch, a driver of these Q switches may be incorporated in the power supply unit 12 and controlled by the controller 18.
[0098]
In addition, when it is not necessary to make the laser system 10 perform a pulse operation, it is not necessary to arrange a Q switch in the resonator.
[0099]
(6) In the above-described embodiment, the window h that transmits the laser beam is provided in the laser head unit 14, but the window 14h is not necessarily used. In this case, the window 14h is arranged. If you don't install it.
[0100]
  (7) In the embodiment described above, a crystal for generating harmonics is arranged in the resonator of the laser system 10, and the laser medium 14 of the laser system 10 is placed on the crystal for generating harmonics.eThe laser beam oscillated by the laser beam may be incident, and laser light having a wavelength different from the wavelength of the incident laser beam may be extracted from the laser system 10. As a crystal for generating harmonics, for example, there is a nonlinear optical crystal such as an LBO crystal or a KTP crystal. The size of such a nonlinear optical crystal such as an LBO crystal or a KTP crystal is, for example, about “length 4 mm × width 4 mm × thickness 5 mm”.eBy making the laser beam oscillated by the laser beam incident, a laser beam having a wavelength different from the wavelength of the incident laser beam can be extracted. For example, if the wavelength of the incident laser beam is 1063 nm, a laser beam having a wavelength of about 531.5 nm can be extracted.
[0101]
(8) The above-described embodiment and the modifications shown in (1) to (7) may be used in appropriate combination.
[0102]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, there is an excellent effect that the device configuration around the resonator can be reduced in size.
[0103]
In addition, since the present invention is configured as described above, the laser medium is not affected by heat, and has an excellent effect that the quality of the beam can be improved.
[0104]
In addition, since the present invention is configured as described above, it is possible to improve the energy conversion efficiency by bringing the excitation wavelength close to the oscillation wavelength of the laser, thereby improving the efficiency of the heat remaining in the crystal. There is an excellent effect that can be reduced.
[0105]
Moreover, since the present invention is configured as described above, it has an excellent effect that maintenance is facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a laser system according to an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration explanatory diagram showing a detailed configuration of a laser head unit.
FIG. 3 is a graph showing a result of an experiment by the inventor of the present application, and shows Nd: GdVO.₄It is a graph which shows the measurement result of the absorption spectrum about the density | concentration of 2% of neodymium among crystals, ie, the ratio of the number of atoms of neodymium is 2%. The horizontal axis indicates the wavelength (Wavelength) in [nm] units, and the vertical axis indicates [cm.^-1] Absorption coefficient (Absorption coefficient) is shown in units.
4 (a), (b), (c) and (d) are schematic configuration explanatory views of a modified example of a laser system according to an example of an embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams showing a method of connecting a fiber and a semiconductor laser, where FIG. 5A shows a bundle method and FIG. 5B shows a lens condensing method.
[Explanation of symbols]
10 Laser system
12 Power supply
12a casing
12b power supply
12c semiconductor laser
12d cooling device
14 Laser head
14a casing
14b Fiber connector
14c condenser lens
14d reflector
14e Laser medium
14f Passive Q switch (Passive Q-switch)
14g output coupler
14h window
16 fiber
18 controller
20 Electrical wiring
40 Total reflection film
42 Partial reflection film

Claims

A power source; a semiconductor laser that is driven by the power source to emit laser light having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm; and a cooling device that cools the semiconductor laser, and emits the laser light emitted from the semiconductor laser to the outside. A power supply unit to
A controller that is electrically connected to the power supply unit by electrical wiring and controls the power supply unit;
A power source unit including a resonator and a neodymium-added gadolinium vanadate (Nd: GdVO ₄ ) crystal, which is a gadolinium vanadate crystal to which neodymium is added as a laser active ion disposed in the resonator as a laser medium. And a laser head part that emits laser light to the outside by exciting the laser with the neodymium-added gadolinium vanadate crystal excited by excitation light, and
Wherein the power supply unit and the laser head unit optically connected, the laser beam emitted to the outside from the power supply unit and a fiber for guiding into the cavity of the laser head,
A laser system that excites the neodymium-doped gadolinium vanadate crystal by using the laser light emitted from the semiconductor laser having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm guided into the resonator by the fiber as excitation light, and oscillates the laser ; There,
The neodymium-added gadolinium vanadate crystal is a gadolinium vanadate crystal that is generated by a floating zone method and added with a concentration of 2% to 15% of neodymium as a laser active ion in a ratio of the number of atoms.
The power supply unit emits laser light having a wavelength of 880 ± 5 nm to the outside, and the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light having a wavelength of 880 nm that is different from a wavelength of 808 nm that is a main absorption band. Laser system to do.

The laser system according to claim 1, wherein
The semiconductor laser performs a pulse operation, and the power supply unit emits a pulse laser beam having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm to the outside.

In the laser system according to any one of claims 1 or claim 2, further
The laser system, wherein the laser head unit includes a Q switch disposed in the resonator.

The laser system according to claim 3 , wherein
The laser system, wherein the Q switch is a passive Q switch.

The laser system according to claim 4 , wherein
The passive Q switch is a Cr: YAG crystal.

The laser system according to claim 3 , wherein
The laser system, wherein the Q switch is an EO-Q switch.

The laser system according to claim 3 , wherein
The laser system, wherein the Q switch is an AO-Q switch.

The laser system according to claim 1 , wherein
The semiconductor laser operates continuously, and the power source emits continuous laser light having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm to the outside.

The laser system according to claim 1 , wherein
The laser system characterized in that the cooling device cools the semiconductor laser by electronic cooling.

A pulse laser beam emitted from the semiconductor laser, comprising: a pulse power source; a semiconductor laser driven by the pulse power source to emit a pulse laser beam having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm; and a cooling device for cooling the semiconductor laser. A power supply unit that emits light to the outside,
A controller that is electrically connected to the power supply unit by electrical wiring and controls the power supply unit;
A resonator, a neodymium-added gadolinium vanadate (Nd: GdVO ₄ ) crystal, which is a gadolinium vanadate crystal to which neodymium is added as a laser active ion disposed in the resonator as a laser medium, and the resonator is disposed in the resonator. And a passive Q switch that is configured separately from the power supply unit, and the neodymium-doped gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light and oscillates to emit laser light to the outside. And
Wherein the power supply unit and the laser head unit optically connected, the laser beam emitted to the outside from the power supply unit and a fiber for guiding into the cavity of the laser head,
A laser system that excites the neodymium-doped gadolinium vanadate crystal by using the laser light emitted from the semiconductor laser having an oscillation wavelength of 880 ± 5 nm guided into the resonator by the fiber as excitation light, and oscillates the laser ; There,
The neodymium-added gadolinium vanadate crystal is a gadolinium vanadate crystal that is generated by a floating zone method and added with a concentration of 2% to 15% of neodymium as a laser active ion in a ratio of the number of atoms.
The power supply unit emits a pulse laser beam having a wavelength of 880 ± 5 nm to the outside, and the neodymium-added gadolinium vanadate crystal is excited by excitation light having a wavelength of 880 nm, which is different from a wavelength of 808 nm which is a main absorption band. And laser system.

The laser system according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10. ,
In the laser system, a crystal for generating harmonics is disposed in the resonator.