JP6583894B2 - Q-switch laser device - Google Patents

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本明細書は、光励起するとパルスレーザー光を発振するQスイッチレーザー装置を開示する。特に、希土類元素を含むイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶をレーザー媒質に用いるQスイッチレーザー装置を開示する。本明細書では、イットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶をYAGという。   The present specification discloses a Q-switched laser device that oscillates pulsed laser light when optically excited. In particular, a Q-switch laser apparatus using a yttrium, aluminum, garnet crystal containing a rare earth element as a laser medium is disclosed. In this specification, yttrium, aluminum, and garnet crystals are referred to as YAG.

希土類元素を含むYAGを挿入した共振系に励起光を入力するとレーザー光を発振する現象を利用したレーザー装置が知られている。共振系にQスイッチを挿入することによって、パルスレーザー光を発振させる技術も知られている。非特許文献1に、希土類元素を含むYAGをレーザー媒質に用いたQスイッチレーザー装置が開示されている。   There is known a laser apparatus that utilizes a phenomenon in which laser light is oscillated when excitation light is input to a resonance system in which YAG containing a rare earth element is inserted. A technique for oscillating pulsed laser light by inserting a Q switch in the resonance system is also known. Non-Patent Document 1 discloses a Q-switched laser device using YAG containing a rare earth element as a laser medium.

パルスレーザー光のピークパワーを増大したいとする要求が存在する。そのためには、レーザー媒質に入力する励起光の空間密度を高めることが有望だと推定される。すなわち励起光を集光してレーザー媒質に入力することによって、パルスレーザー光のピークパワーが増大するものと期待される。実際に、連続発振レーザー装置の場合、励起光を集光することでレーザー光のパワーが増大する。
しかしながら、Qスイッチレーザー装置の場合、励起光の集光度を高めても、パルスレーザー光の繰り返し周波数が増大するだけで、パルスレーザー光のピークパワーは増大しない。その問題に対処するために、特許文献1と2に記載の技術が開発された。この技術では励起光の集光度を高めるのではなく、レーザー媒質に入力する励起光のビーム径を広げる。すなわち、光スイッチが開く際に蓄積されている反転分布の総量を増やす。具体的には、励起光を集光するのではなく、励起光のビーム面積を拡げてレーザー媒質に入射する。ビーム径が拡大すると、反転分布の総数が増えることから、Qスイッチレーザー装置から発振されるパルスレーザー光の出力エネルギー、すなわちピークパワーが増大する。
There is a demand to increase the peak power of pulsed laser light. For that purpose, it is estimated that it is promising to increase the spatial density of the excitation light input to the laser medium. That is, it is expected that the peak power of the pulsed laser beam is increased by collecting the excitation light and inputting it into the laser medium. Actually, in the case of a continuous wave laser device, the power of the laser light is increased by condensing the excitation light.
However, in the case of a Q-switch laser apparatus, even if the degree of concentration of excitation light is increased, only the repetition frequency of the pulse laser light is increased, and the peak power of the pulse laser light is not increased. In order to deal with this problem, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 have been developed. This technique does not increase the concentration of the excitation light, but widens the beam diameter of the excitation light input to the laser medium. That is, the total amount of inversion distribution accumulated when the optical switch is opened is increased. Specifically, instead of condensing the excitation light, the beam area of the excitation light is expanded and incident on the laser medium. When the beam diameter is enlarged, the total number of inversion distributions is increased, so that the output energy of the pulse laser beam oscillated from the Q switch laser device, that is, the peak power is increased.

レーザー媒質に励起光を入射すると、量子欠損によりレーザー媒質が加熱される。具体的には、励起光入射面における励起光の照射範囲内とその近傍において、レーザー媒質が局所的に加熱される。レーザー媒質が局所的に加熱されると、レーザー媒質が局所的に熱膨張し、励起光の入射面が変形し、レーザー光の発振に悪影響を及ぼす(以下では熱問題という)。
特許文献1と2に記載されている技術、すなわち、励起光のビーム面積を広げて入力する技術(以下では励起体積増大技術という)によると、レーザー媒質の励起光入射面における単位面積当たりの励起光パワーが減少し、レーザー媒質の単位体積当たりの発熱量を下げることになる。
When excitation light is incident on the laser medium, the laser medium is heated by quantum defects. Specifically, the laser medium is locally heated within and near the excitation light irradiation range on the excitation light incident surface. When the laser medium is locally heated, the laser medium is thermally expanded locally, the incident surface of the excitation light is deformed, and adversely affects the oscillation of the laser light (hereinafter referred to as a heat problem).
According to the techniques described in Patent Documents 1 and 2, that is, a technique for expanding and inputting the beam area of excitation light (hereinafter referred to as an excitation volume increasing technique), excitation per unit area on the excitation light incident surface of the laser medium The optical power is reduced, and the amount of heat generated per unit volume of the laser medium is reduced.

レーザー媒質の励起光入射面に、励起光に対して透明な固体の板を接合する(以下ではエンドキャップ技術という)と、励起光入射面の変形を抑制することができる。エンドキャップ技術もまた、熱問題の解決に有利である。
Qスイッチレーザー装置を励起する励起光には、連続光を用いることもできれば、パルス光を用いることもできる。励起光にパルス光を用いると、レーザー媒質の励起光入射面に入射される励起光パワーの時間平均値が低下し、熱問題を抑制することができる。一方で、瞬時的な強励起が可能なため反転分布は高くできる。繰り返し周波数が低いパルス光で励起するほど、励起光パワーの時間平均値が低下し、熱問題を強く抑制しながらQスイッチレーザー装置の特性を高めることができる(以下では低周波励起技術という)。
特許文献1と2の技術では、励起体積増大技術とエンドキャップ技術と低周波励起技術を併用して、熱問題を抑制している。
なお、非特許文献2と特許文献3の開示内容については後記する。
When a solid plate transparent to the excitation light is joined to the excitation light incident surface of the laser medium (hereinafter referred to as an end cap technology), deformation of the excitation light incident surface can be suppressed. End cap technology is also advantageous in solving thermal problems.
As excitation light for exciting the Q-switch laser device, continuous light or pulsed light can be used. When pulsed light is used as the pumping light, the time average value of pumping light power incident on the pumping light incident surface of the laser medium is reduced, and the thermal problem can be suppressed. On the other hand, the inversion distribution can be increased because instantaneous strong excitation is possible. The more the excitation is performed with pulse light having a lower repetition frequency, the lower the time average value of the excitation light power, and the characteristics of the Q-switched laser device can be enhanced while strongly suppressing thermal problems (hereinafter referred to as low frequency excitation technology).
In the techniques of Patent Documents 1 and 2, the thermal problem is suppressed by using a combination of an excitation volume increasing technique, an end cap technique, and a low frequency excitation technique.
The disclosure contents of Non-Patent Document 2 and Patent Document 3 will be described later.

High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp 1253-1259High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd: YAG Laser Passively Q-switched by Cr4 +: YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp 1253-1259 Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3Al5O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048-3050Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110) -cut Y3Al5O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters.Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048-3050

特開2003-158325号公報JP 2003-158325 A 米国特許公報6950449号公報US Pat. No. 6,950,449 特許第3585891号公報Japanese Patent No. 3585891

励起体積増大技術とエンドキャップ技術と低周波励起技術を組み合わせて用いる特許文献1と2の技術は、熱問題を抑制してパルスレーザー光のピークパワーを増大させる優れた技術あるが、励起光の繰り返し周波数を低周波化(具体的には100Hz程度)しなければならないという問題を内在している。   The techniques of Patent Documents 1 and 2 using a combination of an excitation volume increasing technique, an end cap technique, and a low frequency excitation technique are excellent techniques for suppressing the thermal problem and increasing the peak power of the pulsed laser beam. The problem is that the repetition frequency must be lowered (specifically, about 100 Hz).

例えばPM2.5といった微粒子中における物質の分布を計測したいという要求があり、質量イメージング装置の開発がすすめられている。その分析装置は、例えば1kHz程度の繰り返し周波数を持つパルスレーザー光を必要とする。特許文献1と2の技術では、低周波励起技術を採用するために、上記の要請に応えることができない。   For example, there is a demand to measure the distribution of substances in fine particles such as PM2.5, and development of a mass imaging apparatus has been promoted. The analyzer requires pulsed laser light having a repetition frequency of about 1 kHz, for example. In the techniques of Patent Documents 1 and 2, since the low frequency excitation technique is adopted, the above request cannot be met.

特許文献1と2の技術において、励起光の繰り返し周波数を1kHz程度にまで高周波化してみた。すると、励起体積増大技術とエンドキャップ技術とによって熱問題を除去する効果が高く、励起光の繰り返し周波数を1kHz程度にまで高周波化してもピークパワーはそれほどに低下しないことが分かった。しかしながら、レーザー光を波長変換装置に入力して波長変換すると、波長変換後のピークパワーが極端に低下してしまうことが分かった。波長変換して用いるパルスレーザー光を発振させるためには、励起体積増大技術とエンドキャップ技術と低周波励起技術を合わせて用いる必要があり、低周波励起技術を外すと波長変換効率が極端に低下してしまうことが分かった。YAGを利用するQスイッチレーザー装置によって波長変換用のパルスレーザー光を発振させる場合には、繰り返し周波数を100Hz程度に抑える必要がある。   In the techniques of Patent Documents 1 and 2, the repetition frequency of the excitation light was increased to about 1 kHz. Then, it was found that the effect of removing the heat problem is high by the excitation volume increasing technique and the end cap technique, and the peak power does not decrease so much even if the repetition frequency of the excitation light is increased to about 1 kHz. However, it has been found that when laser light is input to a wavelength conversion device and wavelength conversion is performed, the peak power after wavelength conversion is extremely reduced. In order to oscillate the pulsed laser light that is used after wavelength conversion, it is necessary to use a combination of the excitation volume increasing technology, the end cap technology, and the low frequency excitation technology. I found out that When a pulsed laser beam for wavelength conversion is oscillated by a Q switch laser device using YAG, it is necessary to suppress the repetition frequency to about 100 Hz.

本明細書では、低周波励起技術に依らないで、波長変換用のパルスレーザー光を発振させる技術を開示する。パルスレーザー光が直線偏光していれば、波長変換後のピークパワーが高く維持される。本明細書では、低周波励起技術に依らないで、YAGから直線偏光しているパルスレーザー光を発振させる技術を開示する。   In the present specification, a technique for oscillating a pulse laser beam for wavelength conversion without depending on a low frequency excitation technique is disclosed. If the pulsed laser beam is linearly polarized, the peak power after wavelength conversion is maintained high. In this specification, a technique for oscillating a pulse laser beam linearly polarized from YAG without depending on a low frequency excitation technique is disclosed.

低周波励起技術を除外すると、パルスレーザー光の強度は確保できるものの、パルスレーザー光の直線偏光度が劣化する原因を研究した。強度が確保されることから、熱的な問題は抑制されているはずであり、それにも拘わらずに直線偏光度が劣化する原因が不明であった。その結果、励起体積増大技術とエンドキャップ技術を用いると、低周波励起技術を用いないでも、レーザー媒質の光軸に沿った領域での熱的問題を抑えることができてパルスレーザー光の強度は確保できる反面、レーザー媒質とエンドキャップとの接合面においてローカルな加熱域が形成され、その局所的加熱領域に生じる複屈折現象によって、レーザー光の直線偏光度が劣化することを確認した。具体的には、希土類元素を含むYAGは、励起に伴う量子欠損により発熱、膨張しようとするが、希土類元素を含まないYAGそのものは発熱しないため、両者間に応力が発生する。両者が原子レベルで接合していればしているほど、その界面に強い応力が発生する。一方で、これらの界面の接合が厳密でなければ、両者のストレスは緩和される。ただし、その場合は希土類元素を含まないYAGよる排熱効果は低下する。
上記に知見から、強固に接合しても局所発生する応力によって偏光度劣化がおきにくい新たな結晶軸が存在すれば、これらの諸問題が一挙に解決できるというアイデアが得られた。研究の結果、レーザー装置の共振系の光軸に沿って<100>軸が延びる向きにYAGを配置すると、前記の現象が抑制され、レーザー光が直線偏光から劣化することを抑制できることが分かった。
Excluding the low-frequency excitation technology, although the intensity of the pulsed laser beam could be secured, the cause of the deterioration of the linear polarization degree of the pulsed laser beam was studied. Since the strength is ensured, the thermal problem should be suppressed, and the cause of the deterioration of the linear polarization degree was never known. As a result, using the excitation volume increase technology and end cap technology, thermal problems in the region along the optical axis of the laser medium can be suppressed without using the low frequency excitation technology, and the intensity of the pulsed laser light On the other hand, it was confirmed that a local heating region was formed at the joint surface between the laser medium and the end cap, and the degree of linear polarization of the laser beam deteriorated due to the birefringence phenomenon occurring in the local heating region. Specifically, YAG containing a rare earth element tends to generate heat and expand due to quantum defects due to excitation, but YAG itself containing no rare earth element does not generate heat, and stress is generated between the two. The more they are bonded at the atomic level, the stronger the stress at the interface. On the other hand, if the bonding of these interfaces is not strict, the stress of both is relieved. However, in that case, the exhaust heat effect by YAG not containing rare earth elements is reduced.
From the above knowledge, the idea has been obtained that these problems can be solved all at once if there is a new crystal axis that is less susceptible to polarization degree degradation due to locally generated stress even if it is firmly bonded. As a result of research, it was found that if the YAG is arranged in the direction in which the <100> axis extends along the optical axis of the resonance system of the laser device, the above phenomenon can be suppressed and the laser light can be prevented from deteriorating from linearly polarized light. .

本明細書で開示するQスイッチレーザー装置は、エンドキャップとレーザー媒質とQスイッチを備えており、それらがその順序に従って直線上に配置されている。本明細書で開示するQスイッチレーザー装置では、Qスイッチから放出されるパルスレーザー光を波長変換装置に入力し、波長変換したパルスレーザー光を出力する。エンドキャップは、希土類元素を含まないYAGで構成され、レーザー媒質は、希土類元素を含むYAGで構成されている。エンドキャッを形成するYAGとレーザー媒質を形成するYAGは、その<100>軸がレーザー装置の光軸に沿って延びる向きに配置されている。エンドキャップを形成するYAGとレーザー媒質を形成するYAGは接合されている。
The Q-switch laser device disclosed in the present specification includes an end cap, a laser medium, and a Q switch, which are arranged on a straight line in the order. In the Q-switch laser device disclosed in this specification, pulse laser light emitted from the Q switch is input to a wavelength converter, and the wavelength-converted pulse laser light is output. The end cap is made of YAG not containing a rare earth element, and the laser medium is made of YAG containing a rare earth element. The YAG that forms the end cap and the YAG that forms the laser medium are arranged such that the <100> axis extends along the optical axis of the laser device. YAG forming the YAG and the laser medium to form an end cap is engaged against each other.

通常は、レーザー装置の光軸に沿って<111>軸が延びる向きにYAGを配置する。YAGは、<111>軸に沿って成長することから、<111>軸方向に延びているロッド状結晶が入手しやすいからである。非特許文献1と特許文献1と特許文献2に開示されているレーザー装置でも、光軸に沿って<111>軸が延びる向きにYAGを配置する。
<111>軸方向に延びるロッド状のYAG(希土類が含まれており、励起光を吸収してレーザー発振する)の励起光入射面に、結晶軸が揃っているYAG(希土類が含まれておらず、励起光に対して透明である)を接合すると、エンドキャップ効果によって、励起光入射面が熱の影響を受けて変形することを防止できる。励起体積増大技術と合わせて用いると、低周波励起技術を併用しないでも、ピークパワーが高いパルスレーザー光を発振させることができる。しかしながら、低周波励起技術を併用しないと、直線偏光から劣化してしまう。
それに対して、レーザー装置の光軸に沿って<100>軸が延びる向きにYAGを配置すると、低周波励起技術を併用しないでも直線偏光が維持される。同様のことが、レーザー装置の光軸に沿って<110>軸が延びる向きにYAGを配置した場合にも得られる。本明細書に記載のレーザー装置によると、直線偏光が維持されていてピークパワーが高いパルスレーザー光を発振する。波長変換した後に高いピークパワーが得られるレーザー光が得られる。
Usually, YAG is arranged in the direction in which the <111> axis extends along the optical axis of the laser device. This is because YAG grows along the <111> axis, so that rod-shaped crystals extending in the <111> axis direction are easily available. Even in the laser devices disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1 and Patent Document 2, YAGs are arranged in the direction in which the <111> axis extends along the optical axis.
<111> A rod-shaped YAG extending in the axial direction (which contains a rare earth and absorbs the excitation light and oscillates the laser light) has an excitation light incident surface on which YAG (the rare earth is contained) is aligned. 1), it is possible to prevent the excitation light incident surface from being deformed by the influence of heat due to the end cap effect. When used in combination with the excitation volume increasing technique, pulse laser light having a high peak power can be oscillated without using a low frequency excitation technique. However, if the low frequency excitation technique is not used together, it will deteriorate from linearly polarized light.
On the other hand, when YAG is arranged in the direction in which the <100> axis extends along the optical axis of the laser device, linearly polarized light is maintained without using a low-frequency excitation technique. The same can be obtained when the YAG is arranged in the direction in which the <110> axis extends along the optical axis of the laser device. According to the laser device described in this specification, pulse laser light having a high peak power while oscillating linearly polarized light is oscillated. Laser light with high peak power can be obtained after wavelength conversion.

非特許文献2と特許文献3に、レーザー媒質に用いるYAGを、その<100>軸が共振系の光軸に沿って延びる向きに配置する技術が開示されている。この技術は、連続波のレーザー光を発振する技術に関しており、レーザー媒質に用いるYAGの光軸に沿った範囲がレーザー媒質の全長に亘って加熱される場合の技術である。レーザー媒質の光軸に沿った範囲が全長に亘って加熱される場合は、<100>軸が光軸に沿って延びる向きに配置することで、直線偏光が維持されることを報告している。本明細書で開示する技術と比較すると、<100>軸と光軸を平行に配置するという点では共通するものの、直線偏光から劣化する原因が相違しており、本技術の想到過程を容易化するものでない。レーザー媒質の光軸に沿って伸びる範囲で生じる現象に対する対処法と、励起光の入射面(エンドキャップである無添加YAGとレーザー媒質である希土類元素添加YAGの接合界面)で生じる現象に対する対処法は、当然のことながら相違すると考えられる。非特許文献2と特許文献3は、本発明者らが報告したものであるが、連続レーザー光の発振装置とパルスレーザー光の発振装置では、入力する励起光のエネルギーレベルが相違し、レーザー媒質の加熱度合いが相違し、レーザー媒質の加熱領域が相違する。非特許文献2と特許文献3で報告した連続レーザー光の発振技術が、Qスイッチレーザー光の発振技術にも活用できるとは予想されていなかった。   Non-Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a technique in which YAG used for a laser medium is arranged in a direction in which the <100> axis extends along the optical axis of a resonance system. This technique relates to a technique for oscillating continuous wave laser light, and is a technique in the case where the range along the optical axis of YAG used for the laser medium is heated over the entire length of the laser medium. It has been reported that when the range along the optical axis of the laser medium is heated over the entire length, linear polarization is maintained by arranging the <100> axis in a direction extending along the optical axis. . Compared to the technology disclosed in this specification, although the <100> axis and the optical axis are arranged in parallel, the cause of deterioration from linearly polarized light is different, and the process of this technology is simplified. It is not what you do. Countermeasures for phenomena that occur in the range extending along the optical axis of the laser medium, and countermeasures for phenomena that occur on the incident surface of the excitation light (junction interface between the additive-free YAG that is the end cap and the rare-earth element-added YAG that is the laser medium) Are of course different. Non-Patent Document 2 and Patent Document 3 have been reported by the present inventors, but the energy level of the input excitation light differs between the oscillation device for continuous laser light and the oscillation device for pulse laser light, and the laser medium. The degree of heating differs, and the heating area of the laser medium is different. It has not been expected that the continuous laser light oscillation technique reported in Non-Patent Document 2 and Patent Document 3 can also be used for the Q-switch laser light oscillation technique.

本明細書で開示するレーザー装置によると、低周波励起技術を採用しないでも、直線偏光度が良好であって波長変換後も高いピークパワーを持つ光を提供するパルスレーザー光を発振させることができる。その結果、次世代質量イメージング装置の実現に必要なパルスレーザー光(繰り返し周波数が高くて直線偏光しているパルスレーザー光)を提供するといったことが可能となる。   According to the laser device disclosed in this specification, it is possible to oscillate pulsed laser light that provides light having a high degree of linear polarization and high peak power even after wavelength conversion without adopting low-frequency excitation technology. . As a result, it becomes possible to provide pulse laser light (pulse laser light having a high repetition frequency and linearly polarized light) necessary for realizing a next-generation mass imaging apparatus.

実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of an Example. 励起光の繰り返し周波数と、パルスレーザー光のエネルギーの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the repetition frequency of excitation light, and the energy of a pulse laser beam. 励起光の繰り返し周波数と、パルスレーザー光の直線偏光度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the repetition frequency of excitation light, and the linear polarization degree of a pulse laser beam. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example. 他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure of the Q switch laser apparatus of another Example.

以下に説明する実施例の特徴を先に列記する。
(形態1)レーザー媒質に、Ndを含むYAGを用いる。
(形態2)エンドキャップに、希土類元素を含まないYAGを用いる。
(形態3)QスイッチにCr4+を含むYAGを用いる。可飽和吸収体を利用する受動Qスイッチとして動作する。
(携帯4)
エンドキャップとレーザー媒質とQスイッチが、その順序に従って直線上に配置されており、前記Qスイッチから放出されるパルスレーザー光を波長変換装置に入力し、波長変換したパルスレーザー光を質量イメージング装置に出力するQスイッチレーザー装置であり、
前記エンドキャップは、希土類元素を含まないイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶(YAG)からなり、
前記レーザー媒質は、希土類元素を含むYAGからなり、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGの<100>軸または<110>軸が、前記直線に沿って延びており、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGが接合されており、
繰り返し周波数を1kHzとしたときに前記Qスイッチから放出されるパルスレーザー光が2.4MWのピークパワーを確保することを特徴とするQスイッチレーザー装置。
The features of the embodiments described below are listed first.
(Mode 1) YAG containing Nd is used as a laser medium.
(Mode 2) YAG containing no rare earth element is used for the end cap.
(Mode 3) YAG including Cr 4+ is used for the Q switch. Operates as a passive Q switch using a saturable absorber.
(Mobile 4)
The end cap, the laser medium, and the Q switch are arranged in a straight line according to the order thereof, the pulse laser light emitted from the Q switch is input to the wavelength converter, and the wavelength converted pulse laser light is input to the mass imaging apparatus. Q-switched laser device that outputs,
The end cap is made of yttrium / aluminum / garnet crystal (YAG) containing no rare earth element,
The laser medium is made of YAG containing a rare earth element,
The <100> axis or the <110> axis of YAG forming the end cap and YAG forming the laser medium extends along the straight line,
YAG forming the end cap and YAG forming the laser medium are joined,
A Q-switched laser device, wherein a pulsed laser beam emitted from the Q-switch ensures a peak power of 2.4 MW when the repetition frequency is 1 kHz.

図1において、参照番号2は半導体レーザー装置であり、励起光4を発光する。実験では、参照番号2aに示すパルス電流を加え、参照番号4aに示すパルス励起光を得た。励起光4の波長は808nmであり、そのパワーは100Wであり、パルス幅は120μsとした。繰り返し周波数は、100Hzから1kHzの間で変化させて実験した。
参照番号6は、希土類元素を含まないYAGであり、エンドキャップである。直径が5mmで厚みが1mmの円板形状をしている。YAG6は、その<100>軸が厚み方向を向いている。
参照番号8は、1.1at%のNdを含むYAGであり、レーザー媒質である。直径が5mmで厚みが4mmの円板形状をしている。YAG8は、その<100>軸が厚み方向を向いている。
YAG6は、Nd:YAG8の半導体レーザー装置2側の端面に接合されている。希土類元素を含まないYAG6は、波長808nmの励起光に対して透明である。励起光4は、Nd:YAG8の半導体レーザー装置2側の端面に入力する。励起光4には、励起体積増大技術が用いられている。
参照番号10は、Cr4+を含むYAGであり、初期透過率が40%である。Cr4+:YAG10は、可飽和吸収体であり、受動Qスイッチとして動作する。
参照番号12は、アウトプットカプラーであり、鏡面膜が形成されている。YAG6にも鏡面膜が形成されている。アウトプットカプラー12の鏡面膜とYAG6の鏡面膜によって共振系が形成され、その共振系の内側に、エンドキャップ(YAG6)と、レーザー媒質(Nd:YAG8)と、受動Qスイッチ(Cr4+:YAG10)とが配置されている。エンドキャップとレーザー媒質と受動Qスイッチは、2枚の鏡面膜に直交する直線上に配置されている。YAG6とNd:YAG8は、その<100>軸が前記直線に沿って伸びる向きに配置されている。Cr4+:YAG10については、その結晶軸と光軸の関係が特に制約されない。<111>軸が光軸に平行でもよいし、<100>または<110>軸が光軸と平行であってもよい。
In FIG. 1, reference numeral 2 is a semiconductor laser device that emits excitation light 4. In the experiment, a pulse current indicated by reference number 2a was applied to obtain pulsed excitation light indicated by reference number 4a. The wavelength of the excitation light 4 was 808 nm, its power was 100 W, and the pulse width was 120 μs. The experiment was performed by changing the repetition frequency between 100 Hz and 1 kHz.
Reference numeral 6 is a YAG that does not contain a rare earth element and is an end cap. It has a disk shape with a diameter of 5 mm and a thickness of 1 mm. YAG6 has its <100> axis oriented in the thickness direction.
Reference numeral 8 is a YAG containing 1.1 at% Nd, which is a laser medium. It has a disk shape with a diameter of 5 mm and a thickness of 4 mm. YAG8 has its <100> axis facing the thickness direction.
YAG6 is joined to the end face of Nd: YAG8 on the semiconductor laser device 2 side. YAG6 containing no rare earth element is transparent to excitation light having a wavelength of 808 nm. The excitation light 4 is input to the end surface of the Nd: YAG 8 on the semiconductor laser device 2 side. Excitation volume increasing technology is used for the excitation light 4.
Reference numeral 10 is YAG containing Cr 4+ and has an initial transmittance of 40%. Cr 4+ : YAG10 is a saturable absorber and operates as a passive Q switch.
Reference numeral 12 is an output coupler, on which a mirror film is formed. A mirror film is also formed on YAG6. A resonance system is formed by the mirror film of the output coupler 12 and the mirror film of YAG6. Inside the resonance system, an end cap (YAG6), a laser medium (Nd: YAG8), and a passive Q switch (Cr4 + : YAG10). ) And are arranged. The end cap, the laser medium, and the passive Q switch are arranged on a straight line orthogonal to the two mirror films. YAG6 and Nd: YAG8 are arranged such that the <100> axis extends along the straight line. Regarding Cr 4+ : YAG10, the relationship between the crystal axis and the optical axis is not particularly limited. The <111> axis may be parallel to the optical axis, and the <100> or <110> axis may be parallel to the optical axis.

上記のレーザー装置に励起光4を入力すると、アウトプットカプラー12からパルスレーザー光14が発振された。パルスレーザー光14の波長は1064nmであり、繰り返し周波数は励起光4の繰り返し周波数に等しい。パルスレーザー光14のパルス幅(半値幅)は600psであった。   When the excitation light 4 was input to the laser device, the pulse laser light 14 was oscillated from the output coupler 12. The wavelength of the pulse laser beam 14 is 1064 nm, and the repetition frequency is equal to the repetition frequency of the excitation light 4. The pulse width (half width) of the pulse laser beam 14 was 600 ps.

図2は、励起光の繰り返し周波数(パルスレーザー光の繰り返し周波数に等しい)と、パルスレーザー光のエネルギー(mJ)の関係を示している。パルスレーザー光のエネルギーについては、励起光の繰り返し周波数を上げていってもそれほど減少しない。低周波励起技術を解除し、1kHzで励起しても、1.42mJほどのエネルギー(ピークパワーでは2.4MW)が確保できた。   FIG. 2 shows the relationship between the repetition frequency of the excitation light (equal to the repetition frequency of the pulse laser light) and the energy (mJ) of the pulse laser light. The energy of the pulse laser beam does not decrease so much even if the repetition frequency of the excitation light is increased. Even if the low-frequency excitation technology was released and excitation was performed at 1 kHz, energy of about 1.42 mJ (2.4 MW at peak power) could be secured.

図3は、励起光の繰り返し周波数と、パルスレーザー光14の直線偏光度の関係を示している。縦軸の上方ほど、直線偏光からの劣化の度合いが大きいことを示している。カーブ32は<111>軸と光軸を平行にした場合の関係を示している。励起光の繰り返し周波数を高周波化すると、パルスレーザー光14が直線偏光から劣化することを示している。それに対して、カーブ34は<100>軸と光軸を平行にした場合の関係を示している。励起光の繰り返し周波数を高周波化しても、パルスレーザー光14が直線偏光を維持することを示している。<100>軸と光軸を平行すると、波長変換後の強度が高い光を得ることができるパルスレーザー光が得られる。図示はしないが、YAGの<110>軸と光軸を平行しても、カーブ34に類似するカーブが得られる。YAGの<110>軸と光軸を平行にしても波長変換後の強度が高い光を得ることができるパルスレーザー光が得られる。   FIG. 3 shows the relationship between the repetition frequency of the excitation light and the linear polarization degree of the pulsed laser light 14. The upper part of the vertical axis indicates that the degree of deterioration from linearly polarized light is larger. A curve 32 shows the relationship when the <111> axis and the optical axis are parallel. It shows that the pulse laser beam 14 deteriorates from linearly polarized light when the repetition frequency of the excitation light is increased. On the other hand, the curve 34 shows the relationship when the <100> axis and the optical axis are parallel. This shows that the pulse laser beam 14 maintains linearly polarized light even when the repetition frequency of the excitation light is increased. When the <100> axis and the optical axis are parallel, a pulsed laser beam capable of obtaining light with high intensity after wavelength conversion is obtained. Although not shown, a curve similar to the curve 34 can be obtained even if the <110> axis of the YAG is parallel to the optical axis. Even if the <110> axis of the YAG is parallel to the optical axis, a pulsed laser beam can be obtained that can obtain light with high intensity after wavelength conversion.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の
変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
上記実施例では、エンドキャップ+レーザー媒質+Qスイッチの順に配置しているが、エンドキャップ+レーザー媒質+エンドキャップ+Qスイッチの順に配置してもよいし、エンドキャップ+レーザー媒質+エンドキャップ+Qスイッチ+エンドキャップの順に配置してもよい。図4から図9は、他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示している。また本実施例では、受動Qスイッチ10を利用するが、外部から制御するQスイッチを用いてもよい。レーザー媒質に添加する希土類元素にNdを用いたが、それ以外の希土類元素を設けてもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
In the above embodiment, the end cap, the laser medium, and the Q switch are arranged in this order. However, the end cap, the laser medium, the end cap, and the Q switch may be arranged in this order. You may arrange | position in the order of an end cap. 4 to 9 schematically show the configuration of a Q-switched laser apparatus according to another embodiment. In this embodiment, the passive Q switch 10 is used, but a Q switch controlled from the outside may be used. Nd is used as the rare earth element added to the laser medium, but other rare earth elements may be provided.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

2:半導体レーザー装置
4:励起光
6:エンドキャップ(希土類元素を含まないYAG)
8:レーザー媒質(1.1at%Nd:YAG)
10:Qスイッチ(Cr4+:YAG)
12:アウトプットカプラー
14:パルスレーザー光
2: Semiconductor laser device 4: Excitation light 6: End cap (YAG not containing rare earth elements)
8: Laser medium (1.1 at% Nd: YAG)
10: Q switch (Cr 4+ : YAG)
12: Output coupler 14: Pulsed laser beam

Claims (1)

エンドキャップとレーザー媒質とQスイッチが、その順序に従って直線上に配置されており、前記Qスイッチから放出されるパルスレーザー光を波長変換装置に入力するQスイッチレーザー装置であり、
前記エンドキャップは、希土類元素を含まないイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶(YAG)からなり、
前記レーザー媒質は、希土類元素を含むYAGからなり、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGの<100>軸または<110>軸が、前記直線に沿って延びており、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGが接合されていることを特徴とするQスイッチレーザー装置。
An end cap, a laser medium, and a Q switch are arranged in a straight line according to the order thereof, and is a Q switch laser device that inputs pulsed laser light emitted from the Q switch to a wavelength converter,
The end cap is made of yttrium / aluminum / garnet crystal (YAG) containing no rare earth element,
The laser medium is made of YAG containing a rare earth element,
The <100> axis or the <110> axis of YAG forming the end cap and YAG forming the laser medium extends along the straight line,
Q-switched laser apparatus characterized by YAG forming the laser medium and YAG forming the end cap is engaged against each other.
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