JP4713271B2 - レーザ発振方法・レーザ装置およびレーザ装置アレイ - Google Patents

Description

この発明は、レーザ発振方法・レーザ装置およびレーザ装置アレイに関する。

この発明のレーザ装置やレーザ装置アレイは、光プリンタ用の光源や、ディスプレイ用の光源などに適用することができる。

従来、「レーザ媒質となる元素を添加したコア」と「レーザ媒質となる元素を含まないクラッド」からなるレーザ結晶と、このレーザ結晶を挟むように配置された共振器面とを有するレーザ共振器のレーザ結晶に、側面から励起光を照射してレーザ結晶を励起してレーザ発振を行わせるレーザ装置が知られている（特許文献１等）。
この種のレーザ装置は、レーザ結晶の肉厚が「１ｍｍ以下という非常に薄く小さい」ものであるところからマイクロチップレーザと呼ばれている。
このようなレーザ装置においては、励起光強度：Ａに対する「レーザ結晶からのレーザ発振出力光強度：Ｂ」の比である「発振効率：Ｂ／Ａ」を如何に高めるかが大きな課題である。

コアに添加されたレーザ媒質は「特定の波長領域の光を吸収する特性」を有するので、この吸収波長域と略同じ波長域をカバーするように「励起光の波長域」を設定すべきであるが、光源として用いられる半導体レーザやＬＥＤの発光波長域は「レーザ媒質の吸収波長域」よりも広く、吸収波長域外の波長成分の光はレーザ発振に寄与しないため、レーザ発振出力光強度：Ｂに対して励起光強度：Ａが大きい。このため、発振効率を高めることが困難である。

なお、この発明においては「時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスによる光の波長シフト」を行うが、「時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質による波長シフトの原理」は非特許文献１、２により知られている。

特許第３５０３５８８号 白井、朝倉「光散乱に伴うスペクトル変化現象」、学術雑誌：光学 ｐ．１３４ １９９５年３月 白井「ランダム媒質による光多重散乱とスペクトル変化」、学術雑誌：光学 ｐ．４５９ １９９８年８月

この発明は、上述したところに鑑み、上記レーザ装置における発振効率を高めるレーザ発振方法の実現、このレーザ発振方法を実施するレーザ装置の実現を課題とする。この発明はまた、上記レーザ装置を複数個、アレイ状に配列したレーザ装置アレイの実現を課題とする。

この発明のレーザ発振方法は「レーザ媒質となる元素を添加したコアと、レーザ媒質となる元素を含まないクラッドからなるレーザ結晶と、このレーザ結晶を挟むように配置された共振器面とを有するレーザ共振器のレーザ結晶に、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる励起光源から射出した励起光を、励起光学系を介して入射させてレーザ結晶を励起するレーザ発振方法」であって、以下の点を特徴とする（請求項１）。
すなわち、励起光源から射出した励起光のうち「レーザ結晶の励起に寄与しない波長の光」を分光手段により励起光学系の光路から分離し、分離された光の周波数を「時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質で構成されるデバイス」によりシフトして「レーザ結晶の励起に寄与する光」とし、レーザ結晶へ入射させる。

この発明のレーザ装置は、請求項１記載のレーザ発振方法を実施する装置であって、レーザ共振器と、励起光源と、第１励起光学系および第２励起光学系と、分光手段と、周波数シフト手段とを有する。

「レーザ共振器」は、レーザ結晶と共振器面とを有する。
「レーザ結晶」は、コアとクラッドとからなり、コアには「レーザ媒質となる元素」が添加されるが、クラッドは「レーザ媒質となる元素」を含まない。

「共振器面」は、レーザ結晶を挟むように配置される。共振器面は、レーザ結晶の対向する端面に形成された反射膜および反射透過膜であることができる。

「励起光源」は、レーザ結晶を励起させる励起光を放射する光源であり、具体的には半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）が「発光源」として用いられる。半導体レーザや発光ダイオードは、その発光部がアレイ配列した所謂「半導体レーザアレイ」や「発光ダイオードアレイ」であることができる。

「第１励起光学系」は、励起光源から射出した励起光をレーザ結晶へ入射させる光学系である。

「分光手段」は、励起光源から射出した励起光のうち「レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光」を第１励起光学系の光路から分離する手段である。

「周波数シフト手段」は、分光手段により分離された光の周波数をシフトさせ、レーザ結晶の励起に寄与する光とする手段であり、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスである。

「第２励起光学系」は、周波数シフト手段により周波数をシフトされた光をレーザ結晶へ入射させる光学系である。

請求項２記載のレーザ装置における分光手段としては、分光プリズムを用いることもできるし（請求項３）、「スーパープリズム効果をもつフォトニック結晶を用いたもの」を用いることもできる（請求項４）。

請求項２〜４の任意の１に記載のレーザ装置における「時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイス」は、「微小な球体が液体中にランダムに配置され、熱による球体のゆらぎで時間的・空間的なゆらぎを起こすように構成され、時間的・空間的なゆらぎを起こすための熱を制御することによりシフト量を調整するもの」であることができる（請求項５）。

この発明の「レーザ装置アレイ」は、請求項２〜５の任意の１に記載のレーザ装置を複数個、アレイ状に配列してなる（請求項６）。請求項６記載のレーザ装置アレイにおける「アレイ状に配列された複数個のレーザ装置の２以上」は、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の「分光透過率のピーク波長」の異なるものであることができる（請求項７）。

この場合、アレイを構成するレーザ装置が２以上にグループ分けされ、同一グループに属するレーザ装置は「レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光反射率が同一」であり、異なるグループに属するレーザ装置は「レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長が相互に異なる」ようにしてもよいし、請求項８記載のレーザ装置アレイのように「アレイ状に配列された複数個のレーザ装置のそれぞれが、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長の異なるもの」であるようにしてもよい（請求項８）。上述のグループ分けにおける「グループ」は「単一のレーザ装置を含む」ものも含まれることを付記しておく。なお、請求項７、８のレーザ装置アレイとも、レーザ結晶を挟む共振器面のうち、レーザ光射出側と逆の側の共振器面の分光反射率は「射出させるレーザ光の波長に対して１００％」とする。

請求項７または８記載のレーザ装置アレイにおける「複数個のレーザ装置」は、同一基板上にアレイ配列されていることが好ましい（請求項９）が、もちろん、別個の基板に１以上のレーザ装置を配設したものをアレイ配列してレーザ装置アレイを構成してもよい。

非特許文献１、２に示されたように「時間的・空間的にゆらぎをもつ散乱媒質（媒質の応答を記述する誘電分極率が、空間位置と時間に関するランダム関数となるような媒質を謂う。）」に光を入射させて散乱させると、散乱された光のスペクトルは一般に「入射光のスペクトル」とは異なる。

即ち、入射光はこの散乱媒質との相互作用の過程で時間的ゆらぎと空間的ゆらぎの作用を受ける。単色光が「時間的ゆらぎ」をもった散乱媒質に入射すると、散乱媒質を構成する微小要素の相対運動に起因して「散乱光のスペクトル」は幅をもった分布となる。この「幅の広がったスペクトルの光」が散乱媒質の「空間的ゆらぎ」と相互作用すると「スペクトルのピーク波長」が偏移する現象がある。この発明では、周波数シフト手段に、この現象を利用する。

この発明のレーザ発振方法では、レーザ結晶に入射される励起光のうち「レーザ結晶の励起に寄与しない波長の光」を分光手段により励起光学系の光路から分離し、分離された光の周波数をシフトして「レーザ結晶の励起に寄与する光」としてレーザ結晶に入射させるので、励起光源から放射される励起光における「レーザ結晶の励起に寄与する成分」が増大し、レーザ結晶の発振効率を向上させることができる。従って、この方法を実施するレーザ装置やこれをアレイ配列したレーザ装置アレイでは、レーザ装置における発振効率がよく、発振レーザ光の強度を有効に強くすることができる。

以下、発明の実施の形態を具体的な実施例により説明する。

図１に即して実施例１を説明する。
図１（ａ）は、実施例１のレーザ装置の上面図である。符号１０はレーザ装置、符号１１はベース基板、符号１３はサブマウント、符号１５は半導体レーザアレイ、符号１７、１９はコリメートレンズを構成するレンズ、符号２１は分光プリズム、符号２３は集光レンズ、符号２５はサブマウント、符号２７はレーザ結晶、符号２９は周波数シフト手段、符号３１は反射鏡をそれぞれ示す。

半導体レーザアレイ１５は「励起光源」であり、ベース基板１１上に設けられたサブマウント１３上に設けられている。半導体レーザアレイ１５は、中心波長が８０８ｎｍである１９個の半導体レーザ発光部が、図１（ａ）の上下方向に１列に配列したものである。これら１９個の半導体レーザ発光部は一括駆動され、その個々から発散性のレーザ光を励起光として放射する。

放射されるレーザ光の発散角は、図１（ａ）において図面に直交する方向において大きい。各半導体レーザ発光部から放射されたレーザ光はレンズ１７に入射する。レンズ１７は、シリンダレンズであってベース基板１１上に設けられ、図１（ａ）の図面に直交する方向にのみ正のパワーを持ち、この方向において、入射レーザ光を平行光束化する。

レンズ１９は、図１（ａ）の図面に直交する方向を母線方向とするシリンダレンズを複数個、図の上下方向にアレイ配列して一体化したシリンダレンズアレイであってベース基板１１上に設けられ、個々のシリンダレンズごとに、透過光束を図１（ａ）の上下方向において平行光束化する。

このようにして、レンズ１９から、そのシリンダレンズアレイごとに平行光束化されたレーザ光が射出する。前述の如く、個々の半導体レーザ発光部から放射されるレーザ光の発散角は、図１（ａ）の図面に直交する方向において大きいので、レンズ１７は「焦点距離の短いシリンダレンズ」とし、図１（ａ）の上下方向においては各レーザ光の発散角が小さいので、レンズ１９においてアレイ配列されたシリンダレンズは焦点距離の長いものとしている。そして、レンズ１９のシリンダレンズアレイの各シリンダレンズにより平行光束となった励起光の光束断面が「略円形状」となるように、レンズ１７、１９の焦点距離を調整している。

レンズ１９から複数の平行光束として射出した「励起光」は、続いて分光プリズム２１に入射する。分光プリズム２１はベース基板１１上に設けられ、励起光を透過させるとともに、励起光の光路を曲げ、周波数分布に従って分光する。

図１（ａ）において、符号ＬＥで示す励起光束は、分光プリズム２１により光路を曲げられた光束のうち「レーザ結晶の励起に寄与する波長成分（８０８ｎｍ近傍の波長領域）の光束」であり、この励起光束ＬＥは集光レンズ２３に入射する。集光レンズ２３はベース基板１１に設けられ、入射してくる励起光束ＬＥを集光させ、励起光としてレーザ結晶２７に照射する。

レーザ結晶２７は、断面矩形状のコア２７Ａと、これを囲繞する断面矩形状のクラッド２７Ｂとからなり、ベース基板１１に設けられたサブマウント２５上に設けられている。

図１（ｂ）は、半導体レーザアレイ１５からレーザ結晶２７に至る励起光の光路を、説明図的に示す図である。

サブマウント２５上に設けられたレーザ結晶２７は、ベース基板１１の面に直交する方向から見ると、図１（ａ）に示すように矩形形状であり、中心部のコア２７Ａは「レーザ媒質となる元素」を添加され、コア２７Ａを囲繞するクラッド２７Ｂは「レーザ媒質となる元素」を含まない。コア２７Ａの部分は「ＮｄをドープしたＹＡＧ」で、図１（ａ）に現れた矩形形状は１辺が０．５ｍｍの正方形形状、高さ（図１（ｂ）における上下方向の高さ）は１ｍｍである。

クラッド２７Ｂの部分は、セラミックスＹＡＧで形成され、図１（ａ）に現れた矩形形状は１辺が１ｍｍの正方形形状、高さ（図１（ｂ）における上下方向の高さ）は１ｍｍである。従って、レーザ結晶２７の全体は１辺が１ｍｍの立方体である。レーザ結晶２７はレーザ発振する波長が１０６４ｎｍである。

図１（ｃ）は、レーザ共振器の構造を説明するための図である。上記の如く、レーザ結晶２７は「１辺：１ｍｍの立方体形状」であり、サブマウント２５に面する側の端面には共振器面２７Ｃが形成され、反対側の端面には共振器面２７Ｄが形成されている。共振器面２７Ｃは「反射率：１００％の反射膜」であり、共振器面２７Ｄは「反射率：９７％の反射透過膜（前述の反射透過面に相当する。）」であり、これら共振器面２７Ｃ、２７Ｄはレーザ結晶２７の上記端面に、レーザ結晶２７を挟むようにコーティングにより形成されている。

図１（ｂ）に示すように、励起光がレーザ結晶２７の側面からコア２７Ａに入射すると、波長：８０８ｎｍ近傍の励起光が、コア２７Ａに添加された「レーザ媒質となる元素」に吸収されてこの元素を高いエネルギ順位に励起し、励起された元素が「より低いエネルギ準位」に戻るときに波長：１０６４ｎｍの光を放出する。この光は、共振器面２７Ｃ、２７Ｄ間で反射されつつ、レーザ媒質となる元素の励起と誘導放出とを惹起する。このようにしてレーザ発振が生じ、一部が共振器面２７Ｄを透過してレーザ光Ｌとして取り出される。

図１（ａ）において、符号ＬＯで示す光は、分光プリズム２１により分光され、励起光束ＬＥの光路から分離した光である。この光ＬＯは、励起光として使用される励起光束ＬＥとは異なる周波数（レーザ媒質となる元素に吸収されない周波数）をもち「レーザ結晶２７の発振に寄与しない光」である。

すなわち、光ＬＯは、励起光源１５から放射された励起光のうちで、レーザ結晶の励起に寄与しない周波数成分の光である。

図１に示す実施例１においては、光ＬＯは周波数シフト手段２９に入射する。周波数シフト手段２９は「空間的・時間的ゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイス」であり、図１（ｄ）に示すように、透明な直方体状の容器２９Ａに「透明な液体中に、この液体と屈折率の異なる微小球体を分散によりランダムに配置した分散液２９Ｂを封入した周波数シフト部」と、この周波数シフト部を可調整に加熱する加熱手段２９Ｃとを有し、ベース基板１１上に設けられている。

この散乱媒質による周波数シフト量は、「非特許文献２」中の式（１９）と式（２０）と式（２１）の散乱光スペクトルの式から得ることができる。媒質の相関間隔を「σ」とし、媒質の相関時間を「τ」とすると、「散乱媒質の周波数」は、非特許文献２中の上記式（１９）と式（２１）から、
｛(σ／ｃ)^２＋τ^２｝／｛(σ／ｃ)^２ｃｏｓθ＋τ^２｝｝ω_０
となる。ここに、「ｃ」は光速、「θ」は散乱角、「ω_０」は入射光の周波数である。

光ＬＯを周波数シフト部に入射させ、加熱手段２９Ｃにより分散液２９Ｂを加熱すると、分散液中の微小球体が熱により時間的・空間的にゆらぎを生じ、相関間隔：σと相関時間：τが変化することにより、光ＬＯは「波長をシフトされた光」として周波数シフト手段２９から射出する。

たとえば、入射光の周波数：ω_０が２．３３×１０^１５（波長８０８ｎｍに対応する。）、散乱角：θが８０度の場合、σ＝１．２×１０^−５ｍ、τ＝５．０×１０^−１３ｓｅｃでは、シフトされた周波数は「２．３２×１０^１５（波長８１２ｎｍに対応する。）」となり、σ＝２．４×１０^−６ｍ、τ＝２．５×１０^−１２ｓｅｃでは、シフトされた周波数は「２．３３×１０^１５（波長８０８．０１ｎｍに対応する。）」となる。即ち、相関間隔：σが大きく、相関時間：τが小さいほど「周波数シフト量」は大きくなる。

なお、上記周波数の式は「非特許文献２」中の式（１９）の「単一散乱光スペクトル」を元に数値化したが、「非特許文献２」中の式（２０）の「多重散乱光スペクトル」では単一散乱光スペクトルよりもシフト量がさらに大きくなる。実際には、単一散乱光と多重散乱光の分離はできず、和となったスペクトルとなる。

このように、波長のシフト量は相関間隔：σと相関時間：τで定まるので、加熱手段２９Ｃによる加熱量を制御することにより周波数のシフト量を調整でき、この調整により、光ＬＯの周波数を「レーザ結晶の励起に寄与する周波数を持った光」に変換することができる。このように「レーザ結晶の励起に寄与する周波数を持った光に変換された光」は、反射鏡３１により反射されてレーザ結晶２７のコア２７Ａに照射され、レーザ結晶２７の励起に寄与する。

このようにして、励起光源である半導体レーザアレイ１５から放射された励起光中に含まれていた「レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光ＬＯ」を励起光の光路から分離し、レーザ結晶の励起に寄与する周波数を持った光に変換してレーザ結晶に照射することにより、発振効率を有効に高めることができる。

なお、ベース基板１１の適宜の部位、たとえば裏面側に、ペルチェ素子や空冷ユニットなどの温度制御手段（図示されず）が設けられ、半導体レーザアレイ１５やレーザ結晶２７の温度制御を行うようになっている。

この実施例１では、上記の如く、レンズ１７、１９によりコリメートされた励起光は、互いに平行な平行光束がアレイ状に配列しているが、フライアイレンズ等によるインテグレータを用い、アレイ配列した励起光を１つの光束として合成してもよい。励起光を合成処理する光学系としては、上記のものに限らず、特開平７−９８４０２等により公知のレンズ系を使用することもできる。

また、分光プリズム２１により分光した光ＬＯを、レンズ等により集光し、あるいはコリメートして周波数シフト手段２９に入射させてもよいし、周波数シフト手段２９により周波数をシフトされた「レーザ結晶の励起に寄与する光」をレンズ等の集光手段で、レーザ結晶２７のコア部に集光させるようにしてもよい。この集光手段として、反射鏡３１を凹面鏡として形成してもよい。

図１に示した実施例１のレーザ装置は、レーザ媒質となる元素を添加したコア２７Ａと、レーザ媒質となる元素を含まないクラッド２７Ｂとからなるレーザ結晶２７と、このレーザ結晶を挟むように配置される共振器面２７Ｃ、２７Ｄとを有するレーザ共振器と、半導体レーザからなる励起光源１５と、この励起光源から射出した励起光をレーザ結晶２７へ入射させる第１励起光学系１７、１９、２３と、励起光のうち、レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光ＬＯを第１励起光学系の光路から分離する分光手段２１と、この分光手段により分離された光ＬＯの周波数をシフトさせ、レーザ結晶２７の励起に寄与する光とする周波数シフト手段２９と、この周波数シフト手段により周波数をシフトされた光をレーザ結晶２７へ入射させる第２励起光学系３１とを有し、周波数シフト手段２９が、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスである（請求項２）。

また、分光手段２１として分光プリズムが用いられている（請求項３）。周波数シフト手段２９である「時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイス」は、微小な球体が液体中にランダムに配置され、熱による上記球体のゆらぎで時間的・空間的なゆらぎを起こすように構成され、上記時間的・空間的なゆらぎを起こすための熱を制御することによりシフト量を調整するものである（請求項５）。

図２に即して実施例２を説明する。煩雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけるのと同一の符号を付した。これらについての説明は、実施例１における説明を援用する。

図２（ａ）は、実施例２のレーザ装置の上面図である。符号１００はレーザ装置、符号１３、２５はサブマウント、符号１５は励起光源である半導体レーザアレイ、符号１７、１９はコリメートレンズを構成するレンズ、符号２１１、２１２は「縮小光学系」を構成するレンズ、符号２１３は分光手段、符号２３は集光レンズ、符号２９Ａ、２９Ｂは周波数シフト手段、符号３１Ａ、３１Ｂは反射鏡、符号２７０はレーザ結晶をそれぞれ示している。これらは同一のベース基板１１上に装荷されている。

サブマウント１３上に設けられた励起光源である半導体レーザアレイ１５は、実施例１で用いられているものと同じものであり、中心波長が８０８ｎｍである１９個の半導体レーザ発光部を図２（ａ）の上下方向に１列に配列したものである。これら１９個の半導体レーザ発光部は一括駆動されてその個々から発散性のレーザ光を励起光として放射する。

半導体レーザアレイ１５から放射された励起光は、実施例１と同様、レンズ１７、１９によるコリメートレンズでコリメートされ、その後「レンズ２１１、２１２により構成される縮小光学系」により光束径を縮小されて分光手段２１３に入射する。

分光手段２１３は「スーパープリズム効果をもつフォトニック結晶を用いたもの」である。「フォトニック結晶」は、周知の如く、使用波長に対して透明な材料による「２次元周期構造」をもつものである。実施例２においては、ＴｉＯ_２基板に対して「微細な円柱状の中空部」を空間的に２次元の周期的構造として微細加工したものを用いている。

このフォトニック結晶は波長：８０８ｎｍの光はそのまま直進的に透過させ、波長差：１％の光を５０度分光する作用（スーパープリズム効果）を持つ。図２（ｃ）は、分光手段２１３を説明するための図である。この図において、符号２１３Ａで示す部分が上述の「波長：８０８ｎｍの光はそのまま直進的に透過させ、波長差：１％の光を５０度分光する作用を持つフォトニック結晶」であり、その入射側面と射出側面には「屈折率が徐々に変化」する構造２１３Ｂ、２１３Ｃが設けられている。
屈折率が徐々に変化する構造２１３Ｂ、２１３Ｃは「光の波面に対して徐々に屈折率が変化するような山型の構造」である。

光束径を縮小された励起光が分光手段２１３に入射すると「波長：８０８ｎｍ近傍の波長を持ちレーザ結晶２７０の励起に寄与」する光束ＬＥ０は分光手段２１３を略直進的に透過し、集光レンズ２３により集光されつつレーザ結晶２７０に入射する。

図２（ｅ）に示すようにレーザ結晶２７０はコア２７１とクラッド２７２とからなる。コア２７１は「ＮｄをドープしたＹＡＧ」により構成され「直径：０．５ｍｍ、高さ：１ｍｍの円柱状」である。コア２７１を囲繞するクラッド２７２は「セラミックスＹＡＧ」で形成され、コア２７１を含む直径：１ｍｍ、高さ：１ｍｍの円柱状である。

円柱状のレーザ結晶２７０の両端面には、図２（ｄ）に示すように、共振器面２７３、２７４が形成されている。共振器面２７３は「レーザ発振する波長：１０６４ｎｍ」に対して反射率：１００％の反射膜であり、共振器面２７４は上記波長に対し反射率：９７％の反射透過膜であり、これらはコーティングにより形成されている。

コア２７１、クラッド２７２とも材質は、実施例１のレーザ結晶２７と同一であるので、光束ＬＥ０がレーザ結晶２７０の側面から入射してコア２７１に集光すると、８０８ｎｍ近傍の波長領域の光が吸収され、実施例１の場合と同様にレーザ発振して、発振波長：１０６４ｎｍのレーザ光Ｌが共振器面２７４から放射される。

一方、波長：８０８ｎｍに対して波長差を持つ成分の光ＬＯ１、ＬＯ２は「レーザ結晶２７０の励起に寄与しない波長成分の光」であり、分光手段２１３により分光されて、それぞれ、周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂに入射する。

周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂは、実施例１において用いられている周波数シフト手段２９と同一のものである。周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂに入射した光ＬＯ１、ＬＯ２は、空間的・時間的ゆらぎの作用を受けて周波数がシフトされる。このとき、加熱量を制御することにより、波長が８０８ｎｍの近傍となるように「周波数シフトされた光」が周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂから射出するようにする。

このようにして、周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂから射出した光は「レーザ結晶２７０の励起に寄与する光」として反射鏡３１Ａ、３１Ｂにより反射され、レーザ結晶２７０に照射され「レーザ結晶の励起」に寄与し、発振効率を有効に向上させる。

実施例２における周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂ、反射鏡３１Ａ、３１Ｂは、縮小光学系を構成するレンズ２１１、２１２および集光レンズ２３の共通光軸に対して対称的に配置されている。

実施例２では、上記の如く、レンズ１７、１９によりコリメートされた励起光は、互いに平行な平行光束がアレイ状に配列しているが、フライアイレンズ等によるインテグレータを用い、アレイ配列した励起光を１つの光束として合成したのち、縮小光学系に入射させてもよく、励起光を合成処理する光学系としては、上記のものに限らず、特開平７−９８４０２等により公知のレンズ系を使用することもできる。

また、分光手段２１３により分光した光ＬＯ１、ＬＯ２を、レンズ等により集光し、あるいはコリメートして周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂに入射させてもよいし、周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂにより周波数をシフトされた「レーザ結晶の励起に寄与する光」をレンズ等の集光手段で、レーザ結晶２７０のコア部に集光させるようにしてもよい。この集光手段として、反射鏡３１Ａ、３１Ｂを凹面鏡として形成してもよい。

実施例１の場合と同様、ベース基板１１の適宜の部分、たとえば裏面側に、ペルチェ素子や空冷ユニットなどの温度制御手段（図示されず）が設けられ、半導体レーザアレイ１５やレーザ結晶２７の温度制御を行うようになっている。

実施例２のレーザ装置は、レーザ媒質となる元素を添加したコア２７１と、レーザ媒質となる元素を含まないクラッド２７２とからなるレーザ結晶２７０と、このレーザ結晶を挟むように配置される共振器面２７３、２７４とを有するレーザ共振器と、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる励起光源１５と、この励起光源から射出した励起光を上記レーザ結晶へ入射させる第１励起光学系１７、１９、２１１、２１２、２３と、励起光のうち、レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光を第１励起光学系の光路から分離する分光手段２１３と、この分光手段により分離された光の周波数をシフトさせ、レーザ結晶２７０の励起に寄与する光とする周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂと、この周波数シフト手段により周波数をシフトされた光をレーザ結晶２７０へ入射させる第２励起光学系３１Ａ、３１Ｂとを有し、周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂが、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスである（請求項２）。

また、分光手段２１３は「スーパープリズム効果をもつフォトニック結晶２１３Ａを用いたもの」であり（請求項４）、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスである周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂは、微小な球体が液体中にランダムに配置され、熱による球体のゆらぎで時間的・空間的なゆらぎを起こすように構成され、時間的・空間的なゆらぎを起こすための熱を制御することによりシフト量を調整するものである（請求項５）。

そして、実施例１、２のレーザ装置によれば、レーザ媒質となる元素を添加したコアと、レーザ媒質となる元素を含まないクラッドとからなるレーザ結晶と、このレーザ結晶を挟むように配置された共振器面とを有するレーザ共振器のレーザ結晶に、半導体レーザからなる励起光源から射出した励起光を、励起光学系を介して入射させてレーザ結晶を励起させるレーザ発振方法において、励起光のうち、レーザ結晶の発振に寄与しない波長の光を、分光手段により励起光学系の光路から分離し、分離された光の周波数を、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質で構成されるデバイスによりシフトしてレーザ結晶の励起に寄与する光とし、レーザ結晶へ入射させるレーザ発振方法（請求項１）が実施される。

図３を参照して実施例３を説明する。
実施例３は、レーザ装置アレイの実施例であり、図３はレーザ装置アレイの上面図である。実施例３のレーザ装置アレイ３００は、同一のベース基板１１０上に、３個のレーザ装置３０１、３０２、３０３をアレイ配列したものである。

個々のレーザ装置は、実施例２に即して説明したのと同じタイプのものであるので、各部については、レーザ装置３０１を代表して、図２におけるのと同一の符号を付し、これらについての説明は、実施例２の説明を援用する。

サブマウント１３、２５、励起光源である半導体レーザアレイ１５、コリメートレンズを構成するレンズ１７、１９、縮小光学系を構成するレンズ２１１、２１２、分光手段２１３、集光レンズ２３、周波数シフト手段２９Ａ、２９Ｂ、反射鏡３１Ａ、３１Ｂは、レーザ装置３０１、３０２、３０３とも、実施例２において用いられているものと同一のものである。

アレイ配列されたレーザ装置３０１、３０２、３０３において、互いに異なるのはレーザ共振器である。これら互いに異なるレーザ共振器を符号３０１Ａ、３０２Ａ、３０３Ａにより表す。

レーザ共振器３０１Ａ、３０２Ａ、３０３Ａは、実施例２のものと同じく、直径：０．５ｍｍ、高さ：１ｍｍの円柱状のコアと、これを囲繞する直径：１ｍｍ、高さ：１ｍｍのクラッドとからなるレーザ結晶と、その両端面に反射膜・反射透過膜として形成された共振器面とにより構成される。

これらレーザ結晶と共振器面のうち、レーザ結晶は「レーザ共振器３０１Ａ、３０２Ａ、３０３Ａにおけるものとも同一のもの」である。すなわち、レーザ共振器３０１Ａ、３０２Ａ、３０３Ａに共通して用いられているレーザ結晶は、コアが「ＮｄをドープしたＧｄＶＯ_４」、クラッドが「ＧｄＶＯ_４」で構成されている。
このレーザ結晶は、８０８ｎｍの励起光を吸収して「９１２ｎｍ、１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍの波長を持つ３つの基本波のレーザ光」を発振できるものである。

そこで、レーザ共振器３０１Ａのレーザ光射出側の共振器面は「９１２ｎｍの波長に対して反射率：９７％、波長：１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍに対して反射率：１００％の反射透過面」とし、反対側の共振器面は「波長：９１２ｎｍ、１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍに対して反射率：１００％の反射面」とし、レーザ共振器３０２Ａのレーザ光射出側の共振器面は「１０６３ｎｍの波長に対して反射率：９７％、波長：９１２ｎｍ、１３４６ｎｍに対して反射率：１００％の反射透過面」とし、反対側の共振器面は「波長：９１２ｎｍ、１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍに対して反射率：１００％の反射面」とし、レーザ共振器３０３Ａのレーザ光射出側の共振器面は「１３４６ｎｍの波長に対して反射率：９７％、波長：１０６３ｎｍ、９１２ｎｍに対して反射率：１００％の反射透過面」とし、反対側の共振器面は「波長：９１２ｎｍ、１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍに対して反射率：１００％の反射面」とする。

このようにすると、レーザ共振器３０１Ａからは波長：９１２ｎｍのレーザ光を取り出すことができ、レーザ共振器３０２Ａからは波長：１０６３ｎｍのレーザ光を取り出すことができ、レーザ共振器３０３Ａからは波長：１３４６ｎｍのレーザ光を取り出すことができる。

各レーザ装置３０１、３０２、３０３とも、実施例２のレーザ装置と同様に、周波数シフト手段により「励起光源から放射される励起光のうちで、レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光を分光手段で分離し、周波数シフト手段で波長をシフトさせて、レーザ結晶の励起に寄与できる光としてレーザ結晶に照射する」ので、それぞれのレーザ装置における発振効率を有効に高めることができる。

ベース基板１１０の適宜の部分、たとえば裏面側に、ペルチェ素子や空冷ユニットなどの温度制御手段（図示されず）が設けられ、半導体レーザアレイ１５やレーザ結晶２７の温度制御を行うようになっている。

図３のレーザ装置アレイは、請求項２〜５の任意の１に記載のレーザ装置を複数個、アレイ状に配列してなるレーザ装置アレイ（請求項６）であり、アレイ状に配列された複数個のレーザ装置３０１、３０２、３０３の２以上が、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長（９１２ｎｍ、１０６３ｎｍ、１３４６ｎｍ）の異なるものであり（請求項７）、アレイ状に配列された複数個のレーザ装置のそれぞれが、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長の異なるものである（請求項８）。そして、複数個のレーザ装置３０１、３０２、３０３が、同一基板１１０上にアレイ配列されている（請求項９）。

もちろん、アレイ配列するレーザ装置として実施例１の装置を用いてもよく、あるいは、実施例１、２のレーザ装置を混合してアレイ配列してもよい。また、アレイ配列するレーザ装置の配列数は３個に限らず、任意である。

実施例１のレーザ装置を説明するための図である。 実施例２のレーザ装置を説明するための図である。 実施例３のレーザ装置アレイを説明するための図である。

符号の説明

１５ 励起光源である半導体レーザアレイ
１７、１９ コリメートレンズを構成するシリンダレンズ
２１ 分光手段としての分光プリズム
２３ 集光レンズ
２７ レーザ結晶
２７Ａ コア
２７Ｂ クラッド
２９ 周波数シフト手段
３１ 反射鏡

Claims (9)

1. レーザ媒質となる元素を添加したコアと、レーザ媒質となる元素を含まないクラッドとからなるレーザ結晶と、このレーザ結晶を挟むように配置された共振器面とを有するレーザ共振器の上記レーザ結晶に、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる励起光源から射出した励起光を、励起光学系を介して入射させて上記レーザ結晶を励起するレーザ発振方法において、
   上記励起光のうち、レーザ結晶の励起に寄与しない波長の光を、分光手段により励起光学系の光路から分離し、分離された光の周波数を、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質で構成されるデバイスによりシフトして上記レーザ結晶の励起に寄与する光とし、上記レーザ結晶へ入射させることを特徴とするレーザ発振方法。
2. レーザ媒質となる元素を添加したコアと、レーザ媒質となる元素を含まないクラッドとからなるレーザ結晶と、このレーザ結晶を挟むように配置される共振器面とを有するレーザ共振器と、
   半導体レーザまたは発光ダイオードからなる励起光源と、
   この励起光源から射出した励起光を上記レーザ結晶へ入射させる第１励起光学系と、
   上記励起光のうち、上記レーザ結晶の励起に寄与しない波長成分の光を上記第１励起光学系の光路から分離する分光手段と、
   この分光手段により分離された光の周波数をシフトさせ、上記レーザ結晶の励起に寄与する光とする周波数シフト手段と、
   この周波数シフト手段により周波数をシフトされた光を上記レーザ結晶へ入射させる第２励起光学系とを有し、
   上記周波数シフト手段が、時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスであることを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項２記載のレーザ装置において、
   分光手段として分光プリズムを用いたことを特徴とするレーザ装置。
4. 請求項２記載のレーザ装置において、
   分光手段が、スーパープリズム効果をもつフォトニック結晶を用いたものであることを特徴とするレーザ装置。
5. 請求項２〜４の任意の１に記載のレーザ装置において、
   時間的・空間的にゆらぎを持つ散乱媒質を有するデバイスは、
   微小な球体が液体中にランダムに配置され、熱による上記球体のゆらぎで時間的・空間的なゆらぎを起こすように構成され、上記時間的・空間的なゆらぎを起こすための熱を制御することによりシフト量を調整するものであることを特徴とするレーザ装置。
6. 請求項２〜５の任意の１に記載のレーザ装置を複数個、アレイ状に配列してなるレーザ装置アレイ。
7. 請求項６記載のレーザ装置アレイにおいて、
   アレイ状に配列された複数個のレーザ装置の２以上が、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長の異なるものであることを特徴とするレーザ装置アレイ。
8. 請求項７記載のレーザ装置アレイにおいて、
   アレイ状に配列された複数個のレーザ装置のそれぞれが、レーザ光射出側の共振器面を構成する反射透過面の分光透過率のピーク波長の異なるものであることを特徴とするレーザ装置アレイ。
9. 請求項７または８記載のレーザ装置アレイにおいて、
   複数個のレーザ装置が、同一基板上にアレイ配列されていることを特徴とするレーザ装置アレイ。

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