JP4763337B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ励起固体レーザ装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、波長５５８ｎｍのレーザ光を安定に出力しうる半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。
従来、半導体レーザから出力されたレーザ光により励起されるＹＡＧ結晶を含む光共振器内にエタロンを収容して、波長１３２０ｎｍのレーザ光だけを選択的に発振させる技術が公知である（例えば、特許文献１参照。）。
また、半導体レーザから出力されたレーザ光により励起されるＮｄ：ＹＡＧ結晶を含む光共振器内に収容したエタロンの温度を調節することにより波長９４６ｎｍのレーザ光だけを選択的に発振させる技術が公知である（例えば、特許文献２参照。）。
特開昭６４−３１４８５号公報 特許第３５０９５９８号公報
バイオ研究の分野で必要とされる波長５５０ｎｍ〜５６０ｎｍのレーザ光のうち、波長５５８ｎｍのレーザ光が得られる半導体レーザ励起固体レーザ装置は、これまで実用化されていない。
そこで、本発明の目的は、波長５５８ｎｍのレーザ光を安定に出力しうる半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。
第１の観点では、本発明は、半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質を含む光共振器内に非線形光学結晶およびソリッドエタロンを収容して、前記光共振器で発振する基本波の第２高調波を外部に出力し、第２高調波の一部を検出して第２高調波出力が一定になるように前記半導体レーザの駆動電流を制御するように構成されたレーザ装置において、前記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧであり、前記第２高調波の波長が５５７〜５５９ｎｍであり、前記ソリッドエタロンのフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）が１.０４〜１.０７ｎｍ、１.４２〜１.６１ｎｍ、２.０７〜２.１４ｎｍおよび２.３７〜３.２１ｎｍの範囲のいずれかの値であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶には、１.０μｍ帯，１.１μｍおよび１.３μｍ帯等に発振線がある。これらのうちの一つを選択的に発振させるために、従来は共振器を構成するミラーに波長選択性を持たせたり、共振器に波長選択素子を挿入したり、共振器内のエタロンの温度を調節することが行われていた。しかし、１.１μｍ帯の発振帯域を選択的に発振させても、この帯域には波長１１１２ｎｍ，１１１６ｍおよび１１２３ｎｍの３つの発振線が近接しており、本発明が対象としている波長１１１６ｎｍのみを選択的に発振させるのは、困難であった。また、本発明が対象としている波長１１１６ｎｍでは、一般的に使われている波長１０６４ｎｍに比べて誘導放出断面積が小さく発振効率が悪いため、共振器内に波長選択素子を挿入する場合は反射ロスや吸収ロスなどの共振器内ロスが極力少ない波長選択素子を採用する必要があるが、従来技術では困難であった。
このような状況に鑑みて本願発明者が鋭意研究したところ、図３に示すような特性を見い出した。
すなわち、図３の領域αは、波長１１１２ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。領域βは、波長１１１６ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。領域γは、波長１１２３ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。
一方、図３の放射状の直線は、フリースペクトラルレンジに対するソリッドエタロンの透過ピークの波長を示している。なお、本発明が対象としている波長１１１６ｍに透過ピークの一つが合うようにソリッドエタロンを温度チューニングしている。
そして、図３の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、領域αおよび領域γにソリッドエタロンの透過ピークが存在しないフリースペクトラルレンジ範囲をそれぞれ示している。
図３から判るように、波長１１１６ｍに対応する領域βに対しては、フリースペクトラルレンジに関わらず、透過ピークが存在する。
ところが、フリースペクトラルレンジ範囲が１.０４〜１.０７ｎｍの領域Ａには、波長１１１２ｎｍに対応する領域αおよび波長１１２３ｎｍに対応する領域γにソリッドエタロンの透過ピークが存在しない。
よって、１.１μｍ帯の発振帯域にある波長１１１２ｎｍ，１１１６ｍおよび１１２３ｎｍの近接した３つの発振線のうちの１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振を抑制でき、１１１６ｎｍのシングルモード発振が得られる。このため、その第２高調波として、バイオ研究の分野で必要とされる波長５５８ｎｍの安定な出力が得られる。
フリースペクトラルレンジ範囲が１.４２〜１.６１ｎｍの領域Ｂ，フリースペクトラルレンジ範囲が２.０７〜２.１４ｎｍの領域Ｃおよびフリースペクトラルレンジ範囲が２.３７〜３.２１ｎｍの領域Ｄについても同様であり、１.１μｍ帯の発振帯域にある波長１１１２ｎｍ，１１１６ｍおよび１１２３ｎｍの近接した３つの発振線のうちの１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振を抑制でき、１１１６ｎｍのシングルモード発振が得られる。このため、その第２高調波として、バイオ研究の分野で必要とされる波長５５８ｎｍの安定な出力が得られる。
なお、フリースペクトラルレンジ範囲が４.２ｎｍ以上の領域Ｅについては、ソリッドソリッドエタロンでは厚みが０.１ｍｍ以下となってしまうため、実用的ではない。
第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による半導体レーザ励起固体装置において、前記ソリッドエタロンの両光学面はノンコートであり、前記ソリッドエタロン材質の屈折率が１.７５以上であり、前記共振器の実効長が１３ｍｍ以下であり、前記ソリッドエタロンのフリースペクトラルレンジが１.０４〜１.０７ｎｍ、１.４２〜１.６１ｎｍの範囲のいずれかの値であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
安定したシングルモード発振を得るには、隣接する共振器縦モード（以下、縦モード）の発振を抑制する必要がある。隣接する縦モードに損失を与えて発振を抑制するには、最低０.３％の損失を与えればよい。ソリッドエタロンの表面にコーティングを施して反射率を上げることで、隣接する縦モードの損失を大きくすることが出来るが、コーティング自身が有する散乱や吸収により共振器内損失を生じ、ゲインの小さい波長１１１６ｎｍの発振には不利となる。ゲインの小さい波長１１１６ｎｍを効率よく発振させるためには、ノンコーティングとし、素材表面のフレネル反射を利用してソリッドエタロンを形成することが有利である。そして、ソリッドエタロン材質の屈折率が１.７５以上であり、共振器実効長が１３ｍｍ以下であり、ソリッドエタロンのフリースペクトラルレンジが１.０４〜１.０７ｎｍ，１.４２〜１.６１ｎｍの範囲のいずれかの値であれば、ソリッドエタロンの両光学面はノンコートでも、隣接する縦モードに０.３％以上の損失を与えることが出来る。すなわち、波長１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振を抑制しつつ、波長１１１６ｎｍのシングルモード発振を促進することが可能になる。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、１.１μｍ帯の発振帯域にある波長１１１２ｎｍ，１１１６ｍおよび１１２３ｎｍの近接した３つの発振線のうちの１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振を抑制でき、１１１６ｎｍのシングルモード発振が得られる。このため、その第２高調波として、バイオ研究の分野で必要とされる波長５５８ｎｍの安定な出力が得られる。
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図１は、実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置１００は、励起レーザ光を出射する半導体レーザ１と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系２と、集光された励起レーザ光で励起され基本波レーザ光を誘導放出するＮｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質３と、偏光を調整するブリュースタ板４と、基本波レーザ光を第２高調波光に変換する波長変換素子５と、縦モードをシングル化するためのソリッドエタロン６と、光共振器８の一端を構成すると共に第２高調波光を透過させるミラー７と、ミラー７を透過した第２高調波光の一部を取り出すビームスプリッタ９と、ビームスプリッタ９で取り出した第２高調波光を受光し電気信号に変換するフォトダイオード１０と、フォトダイオード１０での電気信号の強度が一定になるように半導体レーザ１の駆動電流を制御する半導体レーザ駆動回路１１とを具備している。
図示しないが、半導体レーザ１は、励起レーザ光がＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収ピークである波長８０８.５ｎｍになるように、ペルチェ素子で温度チューニングされる。
Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質３は、単結晶または微細結晶を焼結したセラミックである。Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質３の半導体レーザ側端面には、波長８０８.５ｎｍに対しては高透過率であり、波長１１１６ｎｍに対しては高反射率のコーティングが施されている。他方、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質３のミラー側端面には、波長１１１６ｎｍに対して高透過率のコーティングが施されている。
Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質３の半導体レーザ側端面とミラー７との間で光共振器８が構成され、波長１１１６ｎｍが発振する。光共振器８の実効長は１３ｍｍ以下である。
波長変換素子５は、ＬｉＮｂＯ3，ＬｉＴａＯ3，ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3，ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ3，ＫＮｂＯ3，ＫＴｉＯＰＯ4のような材料またはこれらの材料に分極反転処理を施したものである。波長変換素子５を通過する波長１１１６ｎｍの基本波レーザ光は、波長５５８ｎｍの第２高調波光に変換される。
図示しないが、波長変換素子５は、ペルチェ素子により一定温度に制御される。
ソリッドエタロン６は、両光学面がノンコートの１枚のソリッドエタロンであり、材質がＳＦ１１であり、厚みが０.２４ｍｍである。フリースペクトラルレンジは、約１.５ｎｍである。
図示しないが、ソリッドエタロン６は、透過ピークの一つが波長１１１６ｎｍになるように、ペルチェ素子により温度チューニングされる。
図２は、波長に対するソリッドエタロン６の透過率を示す特性図である。
領域αは、波長１１１２ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。領域βは、波長１１１６ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。領域γは、波長１１２３ｎｍの発振線の位置およびその近傍のゲインを有する波長範囲である。
波長１１１６ｎｍに対応する領域βでは、ソリッドエタロン６の透過率が高くなっている（山に位置している）。このため、波長１１１６ｎｍの発振が促進される。他方、波長１１１２ｎｍに対応する領域αおよび波長１１２３ｎｍに対応する領域γでは、ソリッドエタロン６の透過率が低くなっている（谷に位置している）。このため、波長１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振が抑制される。
また、ソリッドエタロン６は、透過ピークの一つが波長１１１６ｎｍに合うように温度チューニングされ、さらには波長１１１６ｎｍに立つ縦モードの一つにチューニングされ、隣接する縦モードに損失を与えるので、縦モードは波長１１１６ｍのシングルモードになる。
実施例１の半導体レーザ励起固体レーザ装置１００によれば、１.１μｍ帯の発振帯域にある波長１１１２ｎｍ，１１１６ｎｍおよび１１２３ｎｍの近接した３つの発振線のうちの１１１２ｎｍおよび１１２３ｎｍの発振を抑制でき、波長１１１６ｎｍのシングルモード発振が得られる。このため、その第２高調波光として、バイオ研究の分野で必要とされる波長５５８ｎｍの安定なレーザ出力を得ることが出来る。
フリースペクトラルレンジが１.０４〜１.０７ｎｍ、１.４２〜１.６１ｎｍ、２.０７〜２.１４ｎｍおよび２.３７〜３.２１ｎｍの範囲のいずれかの値のソリッドエタロン６を採用してもよい。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。
実施例１に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置を示す構成説明図である。 実施例１に係るソリッドエタロンの波長に対する透過率を示す特性図である。 フリースペクトラルレンジに対するソリッドエタロンの透過ピークの波長を示す特性図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ
２ 集光レンズ
３ Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ媒質
４ ブリュースタ板
５ 波長変換素子
６ ソリッドエタロン
７ ミラー
８ 光共振器
９ ビームスプリッタ
１０ フォトダイオード
１１ 半導体レーザ駆動回路
１００ 半導体レーザ励起固体レーザ装置

Claims (1)

  1. 半導体レーザから出力されたレーザ光により励起される固体レーザ媒質を含む光共振器内に非線形光学結晶およびソリッドエタロンを収容して、前記光共振器で発振する基本波の第２高調波を外部に出力し、第２高調波の一部を検出して第２高調波出力が一定になるように前記半導体レーザの駆動電流を制御するように構成されたレーザ装置において、
    前記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧであり、
    前記ソリッドエタロンの両光学面はノンコートであり、
    前記ソリッドエタロン材質の屈折率が１．７５以上であり、
    前記共振器の実効長が１３ｍｍ以下であり、
    前記第２高調波の波長が５５７〜５５９ｎｍであり、
    前記ソリッドエタロンのフリースペクトラルレンジが１．０４〜１．０７ｎｍ、１．４２〜１．６１ｎｍの範囲のいずれかの値であり、
    さらに前記ソリッドエタロンを波長１１１６ｎｍに立つ縦モードの一つに温度チューニングする温度制御手段を具備したことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
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