JP4863301B2 - レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、レーザー装置に関し、より詳細には、高品質な横モードを有するレーザーを出力するレーザー装置に関する。

一般に、レーザー加工やレーザー医療に用いられるレーザー装置には、より大きな出力が求められると共に、より高品質なビーム品質を有するレーザーを出力することが求められている。

また、レーザー装置内にアパーチャや吸収体等を用いることなくビーム品質を向上させる技術として、励起により熱歪みが非対称に生じる増幅媒体を透過するレーザービームを折り返しミラーにより反転させ、反転したレーザービームが再度増幅媒体を透過することにより、増幅をレーザービーム全体で均質化し、ビーム品質を向上させる技術がある（特許文献１参照）。

さらに、準３準位系のレーザー媒質を用いてビーム品質を向上させる技術としては、レーザー遷移の上準位を直接励起し、レーザー媒質の濃度を高くしたり、レーザー媒質の長さをある程度長く調整したりすることにより、レーザー媒質の吸光度を２．０以上にし、高品質な横モードを有するレーザーを発振する技術がある（特許文献２参照）。

このように、より高品質な横モードを持ったレーザーを得るために、様々な技術が開発されている。

特開２００３−１１５６２７号公報 特願２００７−０６７６０６号

しかしながら、上述した前者の技術においては、レーザー装置内に、別途折り返しミラーを必要とする。また、上述した後者の方法は、複雑であり、その制限も大きい。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アパーチャや吸収体等を用いることなく、より簡単に高品質なビームを出力することができるレーザー装置を提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、準３準位系且つ非変形性のレーザー媒質を備えたレーザー装置であって、共振器内レーザーモードのウエストを前記レーザー媒質の励起光側の外部に配置し、前記レーザー媒質中の励起光ビームのウエストの位置において、共振器内レーザーモード径と励起光ビーム径とを一致させたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内にＡＯ変調器を備える能動モード同期レーザー発振器であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内に過飽和吸収体を備える受動モード同期レーザー発振器であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー装置であって、前記レーザー媒質またはレーザー共振器内に備えたカー媒質のカーレンズ効果を利用するカーレンズモード同期レーザー発振器であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内にポッケルスセルまたは偏光板を備えるレーザー再生増幅器であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザー装置内にアパーチャや吸収体等を設置することなく、励起光でレーザー媒質を励起するだけで簡単に高ビーム品質なレーザーを出力することが可能となる。また、本発明によれば、レーザー遷移の上準位を直接励起する必要もなく、レーザー媒質の濃度や長さによらず、高ビーム品質なレーザーを出力することができる。さらに本発明は、一般的に高ビーム品質を得ることが難しい高出力レーザーにおいても適用することができるので、集光性が要求されるレーザー加工等へ応用することも期待される。

図１は、本発明に係る励起光ビーム１１と共振器内レーザーモード１２の重なりを示した図であり、図２は、本発明に係るレーザー媒質２１中の利得（Ｇａｉｎ）２２と損失（Ｌｏｓｓ）２３、並びに共振器内レーザーモード２４の様子を示した図である。

励起光となる半導体レーザーのビーム品質は、最良のビーム品質を持つ回折限界ガウシアンビームと比べて非常に悪く、短焦点レンズで強く集光してもそのウエストの径は一般に大きい。回折限界ガウシアンビームに近い共振器内モードでレーザーを発振する為には、そのモードと励起光ビームを重ねる必要がある。その為に、共振器内レーザーモードウエスト１３をレーザー媒質１４の外側に配置し、レーザー媒質１４中の励起光ビームウエスト１５のところで、共振器内モード径と励起光ビーム径とを同じになるようにする（図１参照）。次いで図２を参照すると、レーザー下準位が常温では熱励起のため占有されている準３準位系のレーザー媒質は、十分に励起されていない媒質部分においては共振器内モードに対して損失（Ｌｏｓｓ）２３となり、レーザー媒質２１自体がアパーチャの役割を果たし、ビーム品質を向上させることができる。

レーザー遷移に関係する２準位のうち下準位が常温では熱励起のため占有度が高くなっている準３準位系のレーザー媒質としては、ルビー（Ｃｒ：Ａｌ₂Ｏ₃）、Ｅｒ系レーザー媒質（Ｅｒ：ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ等）、及びＹｂ系レーザー媒質（Ｙｂ：ＹＡＧを始め、Ｙｂ：ＹＬＦ，Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＳＹＳ、Ｙｂ：ＹＶＯ₄、Ｙｂ：ＬｕＶＯ₄、Ｙｂ：ＧｄＶＯ₄、Ｙｂ：Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ：Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｙｂ：Ｌｕ₂Ｏ₃、Ｙｂ：ＣａＦ₂、Ｙｂ：ＧＳＯ、Ｙｂ：ＣａＧｄＡｌＯ₄等）を用いることができる。

以下に、図３を参照しながら、本発明の第１の実施例について詳細に説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係るリングレーザー発振器の実験配置図である。このレーザー発振器は、半導体レーザー３１、集光レンズ３２、２つの凹面鏡３３、３５、レーザー媒質３４、全反射平面鏡３６、及び出力鏡３７を備える。レーザー媒質３４として、代表的な準３準位系のレーザー媒質であるＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いた（常温）。ファイバーに結合された半導体レーザー３１から出力される励起光は、焦点距離ｆ＝４０ｍｍの集光レンズ３２で集光され、凹面鏡３３を介して、低損失にするためにブリュースタ角にてレーザー媒質３４に入射する。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶長は３ｍｍ、Ｙｂ濃度は５％であった。共振器内レーザーモードウエストは、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶の外側（励起光側）０．７５ｍｍに配置した。出力鏡３７の反射率は９７％であった。ファイバーコアの直径は５０μｍ、ファイバー後の半導体レーザー３１の出力は４．７Ｗであった。

ここで、集光された光の広がり具合を調べることにより、ビーム品質を示すＭ²の値を得ることができる。集光された光の節の部分の径を同じにしたとき、ビームの広がり角をΘ、最良ビーム品質を持つガウシアンモードＴＥＭ₀₀のときの広がり角をΘ₀とすると、Ｍ²＝Θ／Θ₀で表わされる。本実施例では、全反射平面鏡３６からの漏れ光でレーザービームの横モードを観測した。ビーム品質を示すＭ²の値は、Ｍ²（水平方向）＝１．６７、Ｍ²（垂直方向）＝１．０６となっており、ほぼＴＥＭ₀₀の横モードを持つレーザービームを得ることができた。

図４は、本実施例によるレーザーの横モードパターンである。図示されるように、本実施例によると、最良ビーム品質を持つガウシアンモードＴＥＭ₀₀の横モードとほぼ同様の横モードを有するレーザービームを得ることができた。

次に、図５を参照しながら、本発明の第２の実施例について詳細に説明する。
図５は、本発明の第２の実施例に係るＶ字型レーザー発振器の実験配置図である。レーザー媒質５４は、第１の実施例と同じレーザー媒質を用いた。励起光源は、ファイバーに結合されたレーザーダイオード５１であり、ファイバーコアの直径は１００μｍ、ファイバー後のレーザーダイオード５１の出力は５０Ｗであった。焦点距離ｆ＝３５ｍｍの集光レンズ５２で励起光をレーザー媒質５４に集光した。共振器は、平面鏡５３、凹面鏡５５（Ｒ＝１００）、及び出力平面鏡５６をＶ字型に構成されている。平面鏡５３は、波長９６９ｎｍの励起光を通し、レーザー発振波長１０３０ｎｍに対しては全反射となっている。出力平面鏡５６のレーザー発振波長１０３０ｎｍに対しては８０％反射となっている。このＶ字型共振器において、レーザー共振器内のウエストは明らかに平面鏡５３のところでレーザー媒質の外側にあるが、最大励起において、ほぼＴＥＭ₀₀の横モードを持つレーザービームを得ることができた。なお、レーザー出力は１１Ｗであった。

また、本発明に係るレーザー装置は、レーザー発振器及びレーザー再生増幅器を包含するものであり、レーザー共振器内にＡＯ（音響光学素子）変調器を備える能動モード同期レーザー発振器、レーザー共振器内に過飽和吸収体を備える受動モード同期レーザー発振器、レーザー共振器内のレーザー媒質またはレーザー共振器内に備えたカー媒質のカーレンズ効果を利用するカーレンズモード同期レーザー発振器、及びレーザー共振器内にポッケルスセルまたは偏光板を備えるレーザー再生増幅装置として用いることもできる。

本発明に係る励起光と共振器内レーザーモードの重なりを示した図である。 本発明に係るレーザー媒質中の利得（Ｇａｉｎ）と損失（Ｌｏｓｓ）、並びに共振器内レーザーモードの様子を示した概念図である。 本発明に係るリングレーザー発振器の実験配置図である。 本実施例によるレーザーの横モードパターンを示した図である。 本発明に係るＶ字型レーザー発振器の実験配置図である。

符号の説明

１１ 励起光ビーム
１２ 共振器内レーザーモード
１３ 共振器内レーザーモードウエスト
１４ レーザー媒質
１５ 励起光ビームウエスト
２１ レーザー媒質
２２ 利得（Ｇａｉｎ）
２３ 損失（Ｌｏｓｓ）
２４ 共振器内レーザーモード
３１ 半導体レーザー
３２ 集光レンズ
３３、３５ 凹面鏡
３４ レーザー媒質
３６ 全反射平面鏡
３７ 出力鏡
５１ レーザーダイオード
５２ 集光レンズ
５３ 平面鏡
５４ レーザー媒質
５５ 凹面鏡
５６ 出力平面鏡

Claims (5)

1. 準３準位系且つ非変形性の固体レーザー媒質を備えたレーザー装置において、励起光を共振器内レーザーモードと同一光路に沿って前記レーザー媒質に入射させ、共振器内レーザーモードのウエストを前記レーザー媒質の励起光入射側の外部に配置し、前記レーザー媒質中の励起光ビームのウエストの位置において、共振器内レーザーモード径と励起光ビーム径とを一致させたことを特徴とするレーザー装置。
2. 請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内にＡＯ変調器を備えることを特徴とする能動モード同期レーザー発振器。
3. 請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内に過飽和吸収体を備えることを特徴とする受動モード同期レーザー発振器。
4. 請求項１に記載のレーザー装置であって、前記レーザー媒質のカーレンズ効果を利用すること、またはレーザー共振器内にカー媒質を備えることを特徴とするカーレンズモード同期レーザー発振器。
5. 請求項１に記載のレーザー装置であって、レーザー共振器内にポッケルスセルまたは偏光板を備えることを特徴とするレーザー再生増幅器。