JP5009796B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents
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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、光共振器内にエタロンなどを挿入しない構成で、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。
従来、半導体レーザにより励起したＹＡＧ結晶で同時に生じうる１.０６μｍ帯域の発振と１.３２μｍ帯域の発振の前者を抑制し後者のみを選択的に発振させるために、光共振器内に波長選択素子を挿入したり、ＹＡＧ結晶の２つの端面に三色性コートを施したりする技術が公知である（例えば、特許文献１参照。）。
また、光共振器内にエタロンを挿入し、エタロンの透過ピークがレーザ出力のピーク波長に合うようにエタロンの温度を調整する技術が公知である（例えば、特許文献２参照。）。
また、光共振器内にエタロンを挿入し、エタロンの透過ピークがレーザ出力のピーク波長に合うようにエタロンの温度を調整する技術が公知である（例えば、特許文献２参照。）。
その他、光共振器内に非線形光学結晶を挿入して波長変換するときに縦モードが複数本存在する場合に、それぞれのモードが和周波発生を介して結合することが原因でモード競合ノイズが発生すること及び縦モードをシングルモード化することでモード競合ノイズを抑制できることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
また、光共振器内に第二の共振器を形成して発振モード制御する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
また、光共振器内に第二の共振器を形成して発振モード制御する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
Ｎｄ：ＹＡＧによる4Ｆ3/2から4Ｉ11/2へのエネルギーレベル間の遷移を利用した１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振が望まれている。ところが、それぞれのエネルギーレベルはサブレベルであるシュタルク準位に細かく分裂しており、サブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移である１０６４.４ｎｍ近傍の発振線の近くにサブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移である１０６１.８ｎｍ近傍の発振線があり、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振のためには１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制する必要がある。
しかし、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振のために１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制する従来技術は知られていない。
しかし、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振のために１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制する従来技術は知られていない。
他方、光共振器内にエタロンなどを挿入する従来技術では、部品点数が増加して構成が複雑になると共に、挿入したエタロンなどに起因する反射ロスや吸収ロスなどの共振器内ロスが発生してしまう問題点がある。
また、ＹＡＧの２つの端面に三色性コートを施す従来技術では、コーティングだけで１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制して１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現することが難しい問題点がある。
また、ＹＡＧの２つの端面に三色性コートを施す従来技術では、コーティングだけで１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制して１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現することが難しい問題点がある。
そこで、本発明の目的は、光共振器内にエタロンなどを挿入しない構成で、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現でき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を収容して、前記光共振器で発振する基本波の高調波を外部に出力し、高調波の一部を検出して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Ｎｄ：ＹＡＧは、光軸に垂直な２つの端面をもち、前記Ｎｄ：ＹＡＧの前記光共振器の端部となる端面には、レベル4Ｆ3/2からレベル4Ｉ11/2への遷移で発生する光に対してＨＲコートが施されており、前記Ｎｄ：ＹＡＧは、両端面の反射光の干渉によりバンド反射ミラーとして機能し、サブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光に対しては反射率が極大値を示し、且つサブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光に対しては反射率が極小値を示すような光透過方向の厚みをもつ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。
上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器の端部となる端面にレベル4Ｆ3/2からレベル4Ｉ11/2への遷移で発生する光に対してＨＲコートを施しているため、１.３２μｍ帯域の発振を抑制し１.０６μｍ帯域のみを選択的に発振させることが出来る。なお、Ｎｄ：ＹＡＧの半導体レーザ側の端面は無コートとしてもよいし、ある反射率を有するコートとしてもよい。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は平行（共に光軸に垂直）なので、Ｎｄ：ＹＡＧがバンド反射ミラーとして機能し、波長選択性を有するようになる。このため、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みを制御して、例えばサブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光に対しては反射率が極大値を示し、且つサブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光に対しては反射率が極小値を示すようにチューニングすると、サブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光である１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、サブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光である１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
上記第１の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器の端部となる端面にレベル4Ｆ3/2からレベル4Ｉ11/2への遷移で発生する光に対してＨＲコートを施しているため、１.３２μｍ帯域の発振を抑制し１.０６μｍ帯域のみを選択的に発振させることが出来る。なお、Ｎｄ：ＹＡＧの半導体レーザ側の端面は無コートとしてもよいし、ある反射率を有するコートとしてもよい。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は平行（共に光軸に垂直）なので、Ｎｄ：ＹＡＧがバンド反射ミラーとして機能し、波長選択性を有するようになる。このため、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みを制御して、例えばサブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光に対しては反射率が極大値を示し、且つサブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光に対しては反射率が極小値を示すようにチューニングすると、サブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光である１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、サブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光である１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
なお、特許文献１の第２図のように光共振器内に端面が光軸に垂直なエタロンを挿入した場合、エタロンでの反射光が光共振器内で共振して第二の共振器を形成し、この第二の共振器がエタロンとは異なる波長選択特性をもつ問題がある。一方、特許文献２の図１のようにエタロンの端面を光軸から少し傾ければ第二の共振器は形成されない。しかし、端面を傾けることによって透過フィネスが悪化し、共振器内ロスとなって、レーザの発振効率を低下させる問題がある。
これに対して、本発明では、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面が光軸に垂直であるため、光共振器内に第二の共振器を形成するが、この第二の共振器としての波長選択特性がＮｄ：ＹＡＧによるバンド反射ミラーの波長選択特性と一致するために、エタロンを光共振器内に挿入したときのような問題は起こらない。また、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は光軸に垂直なので透過フィネスの悪化がなく、端面を傾けたときのような問題は起こらない。
これに対して、本発明では、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面が光軸に垂直であるため、光共振器内に第二の共振器を形成するが、この第二の共振器としての波長選択特性がＮｄ：ＹＡＧによるバンド反射ミラーの波長選択特性と一致するために、エタロンを光共振器内に挿入したときのような問題は起こらない。また、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は光軸に垂直なので透過フィネスの悪化がなく、端面を傾けたときのような問題は起こらない。
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レーザ装置において、前記Ｎｄ：ＹＡＧは、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが存在しないような光透過方向の厚みをもつ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。
上記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器の端部となる端面に波長１０６４.４ｎｍ近傍に対するＨＲコートを施しているため、１.３２μｍ帯域の発振を抑制し１.０６μｍ帯域のみを選択的に発振させることが出来る。なお、Ｎｄ：ＹＡＧの半導体レーザ側の端面は無コートとしてもよいし、ある反射率を有するコートとしてもよい。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は平行（共に光軸に垂直）なので、Ｎｄ：ＹＡＧがバンド反射ミラーとして機能し、波長選択性を有するようになる。このため、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みを制御して、例えば１０６４.４ｎｍ±０.３５ｎｍ（図２の斜線部ａ）に反射ピークが来るように且つ１０６１.８ｎｍ±０.２ｎｍ（図２の斜線部ｂ）に反射ピークが来ないようにチューニングすると、１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
上記第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器の端部となる端面に波長１０６４.４ｎｍ近傍に対するＨＲコートを施しているため、１.３２μｍ帯域の発振を抑制し１.０６μｍ帯域のみを選択的に発振させることが出来る。なお、Ｎｄ：ＹＡＧの半導体レーザ側の端面は無コートとしてもよいし、ある反射率を有するコートとしてもよい。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧの２つの端面は平行（共に光軸に垂直）なので、Ｎｄ：ＹＡＧがバンド反射ミラーとして機能し、波長選択性を有するようになる。このため、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みを制御して、例えば１０６４.４ｎｍ±０.３５ｎｍ（図２の斜線部ａ）に反射ピークが来るように且つ１０６１.８ｎｍ±０.２ｎｍ（図２の斜線部ｂ）に反射ピークが来ないようにチューニングすると、１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記Ｎｄ：ＹＡＧの光透過方向の厚みが０.１３〜０.２２ｍｍ，０.２６〜０.３３ｍｍ，０.３９ｍｍ〜０.４４ｍｍ，０.５１ｍｍ〜０.５５ｍｍ，０.６５ｍｍ〜０.６７ｍｍのいずれかに入る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。
図３に、Ｎｄ：ＹＡＧの反射特性におけるＦＳＲ（Free Spectral Range）と反射ピーク波長の関係を示す。図３の放射状の直線が、ＦＳＲに対するＮｄ：ＹＡＧの反射ピークの波長を示している。なお、反射ピークの一つが、ＦＳＲに関係なく本発明が対象としている波長１０６４.４ｎｍ近傍に合うように、Ｎｄ：ＹＡＧを温度チューニングしている。
図３の水平方向の領域ａは１０６４.４ｎｍ近傍の領域であり、水平方向の領域βは１０６１.８ｎｍ近傍の領域である。また、垂直方向の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、領域ａにＮｄ：ＹＡＧの反射ピークが存在し且つ領域ｂに反射ピークが来ないＦＳＲの範囲をそれぞれ示している。図３から判るように、ＦＳＲの値が、０.４６７〜０.４８０，０.５６〜０.６０，０.７０〜０.８０，０.９３３〜１.２０，１.４〜２.４であれば、１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。これらのＦＳＲの値をＮｄ：ＹＡＧの厚みに換算すると、０.１３〜０.２２ｍｍ，０.２６〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍになる。
図３に、Ｎｄ：ＹＡＧの反射特性におけるＦＳＲ（Free Spectral Range）と反射ピーク波長の関係を示す。図３の放射状の直線が、ＦＳＲに対するＮｄ：ＹＡＧの反射ピークの波長を示している。なお、反射ピークの一つが、ＦＳＲに関係なく本発明が対象としている波長１０６４.４ｎｍ近傍に合うように、Ｎｄ：ＹＡＧを温度チューニングしている。
図３の水平方向の領域ａは１０６４.４ｎｍ近傍の領域であり、水平方向の領域βは１０６１.８ｎｍ近傍の領域である。また、垂直方向の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、領域ａにＮｄ：ＹＡＧの反射ピークが存在し且つ領域ｂに反射ピークが来ないＦＳＲの範囲をそれぞれ示している。図３から判るように、ＦＳＲの値が、０.４６７〜０.４８０，０.５６〜０.６０，０.７０〜０.８０，０.９３３〜１.２０，１.４〜２.４であれば、１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。これらのＦＳＲの値をＮｄ：ＹＡＧの厚みに換算すると、０.１３〜０.２２ｍｍ，０.２６〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍになる。
第４の観点では、本発明は、前記第１から第３のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記Ｎｄ：ＹＡＧの温度を変更する手段を備えた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の温度を一定に制御した状態において、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが存在しないような光透過方向の厚みとするためには、１０ｎｍのオーダーでＮｄ：ＹＡＧの厚みを制御する必要がある。これを研磨加工で行ってもよい。しかし、このような高精度の研磨加工を行うのはコストアップの要因になる。
そこで、上記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、研磨加工では１０ｎｍのオーダーまでの精度は求めず、研磨加工に起因する厚みのバラツキはＮｄ：ＹＡＧの温度を変更することで吸収する。これにより、高精度の研磨加工によるコストアップを回避できる。
Ｎｄ：ＹＡＧの温度を一定に制御した状態において、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが存在しないような光透過方向の厚みとするためには、１０ｎｍのオーダーでＮｄ：ＹＡＧの厚みを制御する必要がある。これを研磨加工で行ってもよい。しかし、このような高精度の研磨加工を行うのはコストアップの要因になる。
そこで、上記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、研磨加工では１０ｎｍのオーダーまでの精度は求めず、研磨加工に起因する厚みのバラツキはＮｄ：ＹＡＧの温度を変更することで吸収する。これにより、高精度の研磨加工によるコストアップを回避できる。
第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記Ｎｄ：ＹＡＧの光透過方向の厚みが０.３１〜０.３３ｍｍ，０.３９ｍｍ〜０.４４ｍｍ，０.５１ｍｍ〜０.５５ｍｍ，０.６５ｍｍ〜０.６７ｍｍのいずれかに入る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によるバンド反射ミラーの反射波長の温度に対する変化率ｄλ／ｄＴは、次式で表される。
ｄλ／ｄＴ＝λ｛（１／ｎ）（ｄｎ／ｄＴ）＋α｝
ここで、λは波長、ｎはＮｄ：ＹＡＧの屈折率，αはＮｄ：ＹＡＧの線膨張係数である。λ＝１０６４.４ｎｍ，ｎ＝１.８２，ｄｎ／ｄＴ＝９.０５×１０-6／Ｋ，α＝７×１０-6／Ｋであるので、ｄλ／ｄＴ＝０.０１３ｎｍ／℃となる。
このｄλ／ｄＴの値を用いてＮｄ：ＹＡＧの反射ピークを１０６４．４ｎｍ近傍のゲインバンドのピークにチューニングすることになるが、実際はゲインバンドも温度上昇に伴って長波長側に移動する。その移動する割合Δλは、０.００３ｎｍ／℃である。従って、エタロンの反射ピークとゲインバンドとの波長差の温度によるチューナビリティーは０.０１ｎｍ／℃（＝０.０１３ｎｍ／℃−０.００３ｎｍ／℃）となる。
構成部材の耐熱性などを考慮すると、現実的なＮｄ：ＹＡＧの可変温度幅は１００℃程度である。従って、温度変更によりスイープできる波長の幅は１ｎｍ（０.０１ｎｍ／℃×１００℃）となる。一般に、温度を変えて所望の波長に反射ピークをチューニングするには、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みで決まるＦＳＲ分を温度でスイープできることが条件となる。
さて、ＦＳＲは次式で示される。
ＦＳＲ＝λ2／（２・ｎ・Ｌ）
ここで、ＬはＮｄ：ＹＡＧの厚みである。
ＦＳＲが１ｎｍ（＝温度変更によりスイープできる波長の幅）となるＮｄ：ＹＡＧの厚みは０.３１ｍｍとなる。これが実質的にＮｄ：ＹＡＧの厚みＬの下限条件「０.３１ｍｍ以上」となる。
一方、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みの上限は、ゲインバンド内の縦モードの１つを選択するためにはＦＳＲがゲインバンド幅の半分よりも大きい値であるという条件により決定される。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧのゲインバンド幅は約０.７ｎｍであるので、ＦＳＲは０.３５ｎｍ以上になり、これをＮｄ：ＹＡＧの厚みＬに換算すると０.８９ｍｍ以下となる。これがＮｄ：ＹＡＧの厚みＬの上限条件「０.８９ｍｍ以下」となる。
Ｎｄ：ＹＡＧの下限条件「０.３１ｍｍ以上」と上限条件「０.８９ｍｍ以下」と前記第３の観点におけるＮｄ：ＹＡＧの厚みの範囲とを合わせると、適正なＮｄ：ＹＡＧの厚みは、０.３１〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍのいずれかの値ということになる。
Ｎｄ：ＹＡＧによるバンド反射ミラーの反射波長の温度に対する変化率ｄλ／ｄＴは、次式で表される。
ｄλ／ｄＴ＝λ｛（１／ｎ）（ｄｎ／ｄＴ）＋α｝
ここで、λは波長、ｎはＮｄ：ＹＡＧの屈折率，αはＮｄ：ＹＡＧの線膨張係数である。λ＝１０６４.４ｎｍ，ｎ＝１.８２，ｄｎ／ｄＴ＝９.０５×１０-6／Ｋ，α＝７×１０-6／Ｋであるので、ｄλ／ｄＴ＝０.０１３ｎｍ／℃となる。
このｄλ／ｄＴの値を用いてＮｄ：ＹＡＧの反射ピークを１０６４．４ｎｍ近傍のゲインバンドのピークにチューニングすることになるが、実際はゲインバンドも温度上昇に伴って長波長側に移動する。その移動する割合Δλは、０.００３ｎｍ／℃である。従って、エタロンの反射ピークとゲインバンドとの波長差の温度によるチューナビリティーは０.０１ｎｍ／℃（＝０.０１３ｎｍ／℃−０.００３ｎｍ／℃）となる。
構成部材の耐熱性などを考慮すると、現実的なＮｄ：ＹＡＧの可変温度幅は１００℃程度である。従って、温度変更によりスイープできる波長の幅は１ｎｍ（０.０１ｎｍ／℃×１００℃）となる。一般に、温度を変えて所望の波長に反射ピークをチューニングするには、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みで決まるＦＳＲ分を温度でスイープできることが条件となる。
さて、ＦＳＲは次式で示される。
ＦＳＲ＝λ2／（２・ｎ・Ｌ）
ここで、ＬはＮｄ：ＹＡＧの厚みである。
ＦＳＲが１ｎｍ（＝温度変更によりスイープできる波長の幅）となるＮｄ：ＹＡＧの厚みは０.３１ｍｍとなる。これが実質的にＮｄ：ＹＡＧの厚みＬの下限条件「０.３１ｍｍ以上」となる。
一方、Ｎｄ：ＹＡＧの厚みの上限は、ゲインバンド内の縦モードの１つを選択するためにはＦＳＲがゲインバンド幅の半分よりも大きい値であるという条件により決定される。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧのゲインバンド幅は約０.７ｎｍであるので、ＦＳＲは０.３５ｎｍ以上になり、これをＮｄ：ＹＡＧの厚みＬに換算すると０.８９ｍｍ以下となる。これがＮｄ：ＹＡＧの厚みＬの上限条件「０.８９ｍｍ以下」となる。
Ｎｄ：ＹＡＧの下限条件「０.３１ｍｍ以上」と上限条件「０.８９ｍｍ以下」と前記第３の観点におけるＮｄ：ＹＡＧの厚みの範囲とを合わせると、適正なＮｄ：ＹＡＧの厚みは、０.３１〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍのいずれかの値ということになる。
第６の観点では、本発明は、前記第１から第５のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器端部となる端面でない端面は無コート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の光共振器端部となる端面をＨＲコートとするが、光共振器端部となる端面でない端面を無コートとすることで、製作工程を簡略化できるだけでなく、コーティング膜による散乱，吸収などの共振器内ロスがなくなることによる効率の向上およびコーティング膜の劣化の心配が無いなど多くのメリットがある。
Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器端部となる端面をＨＲコートとするが、光共振器端部となる端面でない端面を無コートとすることで、製作工程を簡略化できるだけでなく、コーティング膜による散乱，吸収などの共振器内ロスがなくなることによる効率の向上およびコーティング膜の劣化の心配が無いなど多くのメリットがある。
第７の観点では、本発明は、前記第６の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記光共振器の光学長が１８ｍｍ以下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。
本発明者は、シングルモード発振を実現するためには、Ｎｄ：ＹＡＧの反射ピークと共振器モードの一つをほぼ一致させ、さらに隣接する共振器モードに０.３％以上のロスを与えればよいことを見出した。Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器端部となる端面をＨＲコートとし光共振器端部となる端面でない端面を無コートとした場合、隣接する共振器モードに０.３％以上のロスを与えるためには、共振器モード間隔を０.０３ｎｍ以上にすればよい。これを換算すれば、光共振器の光学長１８ｍｍ以下となる。
本発明者は、シングルモード発振を実現するためには、Ｎｄ：ＹＡＧの反射ピークと共振器モードの一つをほぼ一致させ、さらに隣接する共振器モードに０.３％以上のロスを与えればよいことを見出した。Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器端部となる端面をＨＲコートとし光共振器端部となる端面でない端面を無コートとした場合、隣接する共振器モードに０.３％以上のロスを与えるためには、共振器モード間隔を０.０３ｎｍ以上にすればよい。これを換算すれば、光共振器の光学長１８ｍｍ以下となる。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、光共振器内にエタロンなどを挿入しない構成で、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
以下、図に示す実施の形態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第１レンズ２１および第２レンズ２２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、Ｎｄ：ＹＡＧ３の温度を変更するための温度変更装置４と、偏光を調整するブリュースタ板５と、基本波レーザ光を第二高調波光に変換する波長変換素子６と、光共振器８の一端を構成すると共に第二高調波光を透過させるミラー７と、ミラー７を透過した第二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で取り出した第二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。
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第１レンズ２１および第２レンズ２２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、Ｎｄ：ＹＡＧ３の温度を変更するための温度変更装置４と、偏光を調整するブリュースタ板５と、基本波レーザ光を第二高調波光に変換する波長変換素子６と、光共振器８の一端を構成すると共に第二高調波光を透過させるミラー７と、ミラー７を透過した第二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で取り出した第二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。
半導体レーザ１は、励起レーザ光がＮｄ：ＹＡＧの吸収ピークである波長８０８.５ｎｍになるように、図示しないペルチェ素子で温度チューニングされている。
Ｎｄ：ＹＡＧ３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：ＹＡＧ３の端部であって光共振器８の端部となる端面には、波長８０８.５ｎｍに対しては高透過率であり、波長１０６４ｎｍに対しては高反射率のＨＲコート３ａが施されている。他方、Ｎｄ：ＹＡＧ３の端部であって光共振器８の端部でない端面は、無コートである。Ｎｄ：ＹＡＧ３の２つの端面の平行度は５秒以下の精度に加工されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ３は、その２つの端面が光軸に垂直になるように設置されている。
ＨＲコート３ａを施されたＮｄ：ＹＡＧ３の端面とミラー７との間で光共振器８が構成される。光共振器８の光学長は１８ｍｍ以下である。
温度変更装置４は、ペルチェ素子によりＮｄ：ＹＡＧ３の温度を変更して、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが存在しないような光透過方向の厚みに調整する。
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１０６４.４ｎｍ近傍の基本波レーザ光は、第二高調波光や第三高調波光などの高調波光に変換され出力される。
波長変換素子５は、図示しないペルチェ素子またはヒータにより適正な温度にチューニングされる。
波長変換素子５は、図示しないペルチェ素子またはヒータにより適正な温度にチューニングされる。
図２は、Ｎｄ：ＹＡＧ３の厚みを０.４１ｍｍ（ＦＳＲは０.７６）としたときのＮｄ：ＹＡＧを共振器の内側から見たときの反射率を示す特性図である。
図２中の斜線部ａは１０６４.４ｎｍの発振線の位置および周辺のゲインを有する領域（例えば１０６４.４ｎｍ±０.３５ｎｍ）を示す。この斜線部ａの波長には反射ピークの一つが存在するため、その付近で発振する。
一方、斜線部ｂは１０６１.８ｎｍの発振線の位置および周辺のゲインを有する領域（例えば１０６１.８ｎｍ±０.２ｎｍ）を示す。この斜線部ｂの波長は、反射率が低く、発振が抑制される。
図２中の斜線部ａは１０６４.４ｎｍの発振線の位置および周辺のゲインを有する領域（例えば１０６４.４ｎｍ±０.３５ｎｍ）を示す。この斜線部ａの波長には反射ピークの一つが存在するため、その付近で発振する。
一方、斜線部ｂは１０６１.８ｎｍの発振線の位置および周辺のゲインを有する領域（例えば１０６１.８ｎｍ±０.２ｎｍ）を示す。この斜線部ｂの波長は、反射率が低く、発振が抑制される。
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、光共振器内にエタロンなどを挿入しない構成で、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
Ｎｄ：ＹＡＧ３の厚みを、０.１３〜０.２２ｍｍ，０.２６〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍのいずれかに入る値としてもよい。
実施例２の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、ＦＳＲの値が０.４６７〜０.４８０，０.５６〜０.６０，０.７０〜０.８０，０.９３３〜１.２０，１.４〜２.４のいずれかに入る値となり、図３に示す斜線部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅとなる。これらの斜線部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅでは、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが来ないため、１０６１.８ｎｍ近傍の発振線を抑制でき、１０６４.４ｎｍ近傍のシングルモード発振を実現できる。
なお、Ｎｄ：ＹＡＧ３の厚みを、０.３１〜０.３３ｍｍ，０.３９〜０.４４ｍｍ，０.５１〜０.５５ｍｍ，０.６５〜０.６７ｍｍのいずれかに入る値とすれば、１００℃程度の温度スイープに対して好適となる。
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。
１ 半導体レーザ
３ Ｎｄ：ＹＡＧ
３ａ ＨＲコート
４ 温度変更装置
６ 波長変換素子
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
３ Ｎｄ：ＹＡＧ
３ａ ＨＲコート
４ 温度変更装置
６ 波長変換素子
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 (4)
- 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を収容して、前記光共振器で発振する基本波の高調波を外部に出力し、高調波の一部を検出して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Ｎｄ：ＹＡＧは、光軸に垂直な２つの端面をもち、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの前記光共振器の端部となる端面には、レベル4Ｆ3/2からレベル4Ｉ11/2への遷移で発生する光に対してＨＲコートが施されており、
前記Ｎｄ：ＹＡＧは、両端面の反射光の干渉によりバンド反射ミラーとして機能し、サブレベルＲ2からサブレベルＹ3への遷移で発生する光に対しては反射率が極大値を示し、且つサブレベルＲ1からサブレベルＹ1への遷移で発生する光に対しては反射率が極小値を示すような光透過方向の厚みをもち、
前記Ｎｄ：ＹＡＧは、１０６４.４ｎｍ近傍に反射ピークが存在し且つ１０６１.８ｎｍ近傍に反射ピークが存在しないような光透過方向の厚みをもち、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの温度を変更する手段を備え、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの光透過方向の厚みが０.１３〜０.２２ｍｍ，０.２６〜０.３３ｍｍ，０.３９ｍｍ〜０.４４ｍｍ，０.５１ｍｍ〜０.５５ｍｍ，０.６５ｍｍ〜０.６７ｍｍのいずれかに入る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。 - 請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの光透過方向の厚みが０.３１〜０.３３ｍｍ，０.３９ｍｍ〜０.４４ｍｍ，０.５１ｍｍ〜０.５５ｍｍ，０.６５ｍｍ〜０.６７ｍｍのいずれかに入る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。 - 請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの光共振器端部となる端面でない端面は無コート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。 - 請求項３に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置において、
前記光共振器の光学長が１８ｍｍ以下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。
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