JP6739164B2 - Laser oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ発振装置、特に固体レーザ媒質を用いた外部共振器型のレーザ発振装置に関する。 The present invention relates to a laser oscillator, and more particularly to an external resonator type laser oscillator using a solid laser medium.
固体レーザ媒質を用いた外部共振器型レーザ発振装置は、例えば、高反射率鏡と出力鏡とで構成された共振器の間に固体レーザ媒質を配置し、共振器の外部から高反射率鏡を介して励起光を入力し、増幅させ、出力鏡を介し出力光として外部に取り出す構成となっている。 An external resonator type laser oscillating device using a solid laser medium includes, for example, a solid laser medium arranged between a resonator composed of a high-reflectance mirror and an output mirror, and a high-reflectance mirror from the outside of the resonator. The pumping light is input through the amplifier, amplified, and taken out as output light through the output mirror.
外部共振器型レーザ発振装置の固体レーザ媒質においては、放熱性の向上等の観点から、レーザ発振に直接寄与する利得領域に隣接させて、レーザ発振に直接寄与しない非利得領域を設ける場合がある。以下、このような構成の固体レーザ媒質を「コンポジット型」の固体レーザ媒質という。 In the solid-state laser medium of the external resonator type laser oscillator, a non-gain region that does not directly contribute to laser oscillation may be provided adjacent to the gain region that directly contributes to laser oscillation from the viewpoint of improving heat dissipation. .. Hereinafter, the solid-state laser medium having such a configuration is referred to as a "composite type" solid-state laser medium.
従来技術に係る透明セラミックスを用いたコンポジット型の固体レーザ媒質として、特許文献１に開示された複合レーザ素子（固体レーザ媒質）が知られている。特許文献１に開示された複合レーザ素子は、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）利得領域の周囲をレーザ発振に寄与しない領域であるＹＡＧ非利得領域で囲んだ構造を有している。このような構造を有する特許文献１に開示された複合レーザ素子では、利得領域と非利得領域との接合面が良好な接合状態となることから、本来の複合レーザ素子の機能を最大限に引き出すことができるとしている。 As a composite type solid-state laser medium using transparent ceramics according to the related art, a composite laser element (solid-state laser medium) disclosed in Patent Document 1 is known. The composite laser device disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a YAG (Y 3 Al 5 O 12 : yttrium aluminum garnet) gain region is surrounded by a YAG non-gain region which is a region that does not contribute to laser oscillation. doing. In the composite laser element disclosed in Patent Document 1 having such a structure, the junction surface between the gain region and the non-gain region is in a good junction state, so that the original function of the composite laser element is maximized. I'm trying to do it.
一方、特許文献２には、透明セラミックスを用いた他の形態のコンポジット型固体レーザ媒質が開示されている。特許文献２の固体レーザ媒質は、励起用の半導体レーザからのレーザ光によって励起される、Ｎｄ（ネオジウム）が添加されかつレーザ発振方向に垂直な方向に関するＮｄの濃度プロファイルが、濃度０近傍からの立ち上がり形状がゆるやかに増加するスロープ状であるガドリニウムバナデイト（ＧｄＶＯ４）の一軸性単結晶を含むレーザ媒質としての固体レーザ結晶を備えている。これにより、固体レーザ結晶の中央にピークをもつ所望の吸収量分布を容易に得ることができるので、レーザ発振装置において、大型化を招くことなく、良好なビーム品質のレーザ光を出射することができるとしている。 On the other hand, Patent Document 2 discloses another type of composite solid-state laser medium using transparent ceramics. In the solid-state laser medium of Patent Document 2, Nd (neodymium)-doped Nd concentration profile, which is excited by laser light from a semiconductor laser for excitation, and the Nd concentration profile in the direction perpendicular to the laser oscillation direction is around 0 concentration. The solid-state laser crystal as a laser medium includes a uniaxial single crystal of gadolinium vanadate (GdVO 4 ) having a slope shape in which the rising shape gradually increases. With this, it is possible to easily obtain a desired absorption amount distribution having a peak in the center of the solid-state laser crystal, so that it is possible to emit laser light with good beam quality without causing an increase in size in the laser oscillator. I'm going to do it.
また、非特許文献１には、ドーピングによって利得領域を形成したコンポジット型の固体レーザ媒質、及びそれを用いたレーザ発振装置が開示されている。図５（ａ）は、非特許文献１に開示されたレーザ発振装置３００の構成を、図５（ｂ）は、固体レーザ媒質３０２の構成を各々示している。図５（ａ）に示すように、非特許文献１に係るレーザ発振装置３００は、固体レーザ媒質３０２、励起光源３０４、高反射率平面鏡３０６、出力平面鏡３０８、及びレンズ系３１０を備えている。 Non-Patent Document 1 discloses a composite-type solid-state laser medium in which a gain region is formed by doping, and a laser oscillation device using the same. FIG. 5A shows the configuration of the laser oscillation device 300 disclosed in Non-Patent Document 1, and FIG. 5B shows the configuration of the solid-state laser medium 302. As shown in FIG. 5A, the laser oscillation device 300 according to Non-Patent Document 1 includes a solid-state laser medium 302, an excitation light source 304, a high-reflectance plane mirror 306, an output plane mirror 308, and a lens system 310.
レーザ発振装置３００では、１本あたり３０Ｗの光が出力されるファイバを１０本束ねたバンドルファイバからの励起光を、レンズ系３１０、高反射率平面鏡３０６を介して固体レーザ媒質３０２に入射させる。高反射率平面鏡３０６から入射された励起光は高反射率平面鏡３０６と出力平面鏡３０８とで構成される共振器で増幅され、出力平面鏡３０８から出力される。 In the laser oscillating device 300, excitation light from a bundle fiber in which 10 fibers each outputting 30 W of light are bundled is incident on the solid-state laser medium 302 via the lens system 310 and the high-reflectance plane mirror 306. The excitation light incident from the high-reflectance plane mirror 306 is amplified by the resonator formed of the high-reflectance plane mirror 306 and the output plane mirror 308, and output from the output plane mirror 308.
一方、図５（ｂ）に示すように、レーザ発振装置３００の固体レーザ媒質３０２は、Ｎｄを添加した利得領域３１２（Ｎｄ：ＹＡＧ）が、Ｎｄを添加していない非利得領域３１４（ＹＡＧ）に内包された形態を有している。固体レーザ媒質３０２では、利得領域３１２において発生した熱が非利得領域３１４に拡散され、非利得領域３１４を通して外部に放散される。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the solid-state laser medium 302 of the laser oscillator 300, the gain region 312 (Nd:YAG) to which Nd is added is different from the non-gain region 314 (YAG) to which Nd is not added. It has a form enclosed in. In the solid-state laser medium 302, the heat generated in the gain region 312 is diffused into the non-gain region 314 and radiated to the outside through the non-gain region 314.
ところで、コンポジット型の固体レーザ媒質を用いた外部共振器型のレーザ発振装置では、高反射率鏡、出力鏡の位置や励起光の光軸の変化に対して鋭敏に反応し、発振モードの制御が困難となり、また発振自体が不安定になる場合がある。これは、固体レーザ媒質の利得領域及び非利得領域は、一般に接合あるいは所定の元素のドーピングによって形成するため異なる物性の領域同士が隣接することになり、両者の間に屈折率の差が発生することが原因のひとつとなっている。つまり、利得領域を伝播する励起光、あるいはレーザ光は、屈折率が異なる利得領域と非利得領域との界面で全反射、又は、一部反射して伝播するため、発振モードにおいて高次モード等の本来目的とするモードとは異なる寄生モードが発生することに起因している。 By the way, in an external resonator type laser oscillator using a composite type solid-state laser medium, the oscillation mode is controlled by reacting sensitively to changes in the positions of the high-reflectance mirror and output mirror and the optical axis of the excitation light. May become difficult and the oscillation itself may become unstable. This is because the gain region and the non-gain region of the solid-state laser medium are generally formed by bonding or doping with a predetermined element, so that regions having different physical properties are adjacent to each other, and a difference in refractive index occurs between them. This is one of the causes. In other words, the pumping light or the laser light propagating in the gain region propagates after being totally reflected or partially reflected at the interface between the gain region and the non-gain region having different refractive indexes, so that the higher-order mode etc. This is due to the occurrence of a parasitic mode different from the originally intended mode of.
この点に関し、上記各文献に開示されたレーザ発振装置の固体レーザ媒質でも、非利得領域の屈折率は、利得領域の屈折率よりも低くなっているが、いずれの文献においても、この利得領域と非利得領域との間の屈折率の差、及びこの屈折率差によって派生する問題については何も議論されていない。従って、上記各文献に開示された固体レーザ媒質を外部共振器型のレーザ発振装置に適用した場合には、上術の問題が発生する可能性がある。 In this regard, even in the solid-state laser medium of the laser oscillator disclosed in each of the above documents, the refractive index of the non-gain region is lower than that of the gain region. Nothing has been discussed about the difference in refractive index between the and non-gain regions, and the problems deriving from this difference in refractive index. Therefore, when the solid-state laser medium disclosed in each of the above documents is applied to an external resonator type laser oscillation device, there is a possibility that the problem of the above operation may occur.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、外部共振器型レーザ発振装置において、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in an external resonator type laser oscillator, suppresses parasitic oscillation and absorption of excitation energy that does not contribute to laser oscillation, and provides stable and highly efficient oscillation. It is possible to increase the tolerance for positional deviation and angular deviation of the excitation light.
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ発振装置は、励起光によって励起された固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させ前記レーザ光を増幅して出力するレーザ発振装置であって、前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向に延伸されるとともに前記レーザ光に対して利得を有する利得領域と、前記利得領域に接合されると共に前記利得領域の周囲を囲んで配置され、かつ前記励起光を吸収しない元素が添加されると共に前記レーザ光に対して利得を有さない非利得領域と、を含み、前記利得領域の屈折率と前記非利得領域の屈折率とが略等しくなるように、前記利得領域及び前記非利得領域の少なくとも一方が、添加された元素を含み、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間を往復する前記レーザ光は少なくとも前記利得領域に包含されるものである。 In order to achieve the above object, the laser oscillation device according to claim 1 reciprocates laser light between a first reflecting mirror and a second reflecting mirror via a solid-state laser medium excited by excitation light. A laser oscillation device that amplifies and outputs the laser light, wherein the solid-state laser medium extends in the optical axis direction of the laser light and has a gain region having a gain with respect to the laser light, and the gain. A non-gain region having a gain with respect to the laser light, which is joined to a region and arranged around the periphery of the gain region, and which is added with an element that does not absorb the pumping light , wherein the refractive index of the gain region so that the refractive index of the non-gain regions are substantially equal, at least one of said gain region and said non-gain region, see contains an added element, the said first reflector The laser light that travels back and forth between the second reflecting mirror is included in at least the gain region .
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記利得領域は、前記励起光を吸収する１以上の第１の元素を含み、前記非利得領域は、前記励起光を吸収せずかつ前記非利得領域の屈折率を変化させる１以上の第２の元素を含むものである。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the gain region includes one or more first elements that absorb the pumping light, and the non-gain region includes the pumping light. Is included and one or more second elements that change the refractive index of the non-gain region are included.
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであるものである。 In the invention according to claim 3, in the invention according to claim 2, each of the gain region and the non-gain region is formed of yttrium aluminum garnet, and the first element is: Nd added by substituting the Y site of yttrium aluminum garnet and Cr added by substituting the Al site, wherein the second element is the Y site of the yttrium aluminum garnet. It is Gd added by substitution.
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、Ｙサイトを置換して添加された元素をＭ、Ａｌサイトを置換して添加された元素をＮとし、元素Ｍ、Ｎが添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネットをＭｘＹ（３−ｘ）ＮｙＡｌ（５−ｙ）Ｏ１２とした場合の、元素Ｍの添加率をＹサイト置換率＝ｘ／３で定義し、元素Ｎの添加率をＡｌサイト置換率＝ｙ／５で定義した場合、前記利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＮｄのＹサイト置換率が１．０ａｔ％でありかつＣｒのＡｌサイト置換率が０．４ａｔ％であり、前記非利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＧｄのＹサイト置換率が５ａｔ％であるものである。 In the invention according to claim 4, in the invention according to claim 3, the element added by substituting the Y site is M, the element added by substituting the Al site is N, and the element M, definition when N yttrium aluminum garnet which is added to the M x Y (3-x) N y Al (5-y) O 12, the addition of the element M in the Y-site substitution rate = x / 3 If the addition rate of the element N is defined as Al site substitution rate=y/5, the Y site substitution rate of Nd in the yttrium aluminum garnet forming the gain region is 1.0 at% and Cr Al site substitution rate is 0.4 at%, and the Y site substitution rate of Gd in the yttrium aluminum garnet forming the non-gain region is 5 at %.
また、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記利得領域は、前記利得領域の屈折率を変化させる１以上の第３の元素をさらに含むものである。 In the invention according to claim 5, in the invention according to claim 2, the gain region further includes one or more third elements that change the refractive index of the gain region.
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであり、前記第３の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＡｌサイトを置換して添加されたＳｃであるものである。 In the invention according to claim 6, in the invention according to claim 5, each of the gain region and the non-gain region is formed of yttrium aluminum garnet, and the first element is Nd added by substituting the Y site of yttrium aluminum garnet and Cr added by substituting the Al site, wherein the second element is the Y site of the yttrium aluminum garnet. It is Gd added by substituting, and the third element is Sc added by substituting the Al site of the yttrium aluminum garnet.
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向において前記利得領域を含まない前記非利得領域のみの領域を有するものである。
Further, in the invention described in claim 7 , in the invention described in claim 6 , the solid-state laser medium has a region only in the non-gain region that does not include the gain region in the optical axis direction of the laser light. Is.
本発明によれば、外部共振器型レーザ発振装置において、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることができるという効果を奏する。 According to the present invention, in an external resonator type laser oscillator, parasitic oscillation and absorption of excitation energy that does not contribute to laser oscillation are suppressed, stable and highly efficient oscillation is possible, and displacement of excitation light and This has the effect of increasing the tolerance for angular displacement.
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［第１の実施の形態］
図１ないし図４を参照して本実施の形態に係るレーザ発振装置１０について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０は、固体レーザ媒質１２、励起光源１８、高反射率鏡２０、及び出力鏡２２を備えて構成されている。
図１（ａ）と図１（ｂ）とは、後述するように、利得領域と出力光との重なり方に違いを有する。
[First Embodiment]
A laser oscillation device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
As shown in FIGS. 1A and 1B, the laser oscillation device 10 according to the present embodiment includes a solid-state laser medium 12, an excitation light source 18, a high reflectance mirror 20, and an output mirror 22. ing.
1(a) and 1(b), as will be described later, there is a difference in how the gain region and the output light overlap.
レーザ発振装置１０では、高反射率鏡２０及び出力鏡２２によって共振器ＲＥＳが構成されている。励起光源１８から高反射率鏡２０を介して励起光Ｌｉが共振器ＲＥＳに入射され、共振器ＲＥＳによって増幅されたレーザ光が出力光Ｌｏとして共振器ＲＥＳから出力される。ここで、共振器ＲＥＳ内の光束を「出力光束１３０」と呼ぶことにすると、図１（ａ）は、出力光束１３０が利得領域１４内に包含される形態を示しており、図１（ｂ）は、利得領域１４が出力光束１３０に包含される形態を示している。 In the laser oscillator 10, the high reflectance mirror 20 and the output mirror 22 form a resonator RES. Excitation light Li enters the resonator RES from the excitation light source 18 through the high-reflectance mirror 20, and the laser light amplified by the resonator RES is output from the resonator RES as output light Lo. Here, when the light flux in the resonator RES is referred to as an “output light flux 130 ”, FIG. 1A shows a configuration in which the output light flux 130 is included in the gain region 14, and FIG. ) Indicates a configuration in which the gain region 14 is included in the output light flux 130.
図１（ｃ）示すように、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、利得（活性）領域１４及び非利得領域１６を含んで形成されている。利得領域１４は、一例として、Ｎｄ、Ｃｒ（クロム）が共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスで形成されている。利得領域１４に添加されるＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧは、特定の波長の光を吸収し、当該特定の波長に基づいた波長で発光する蛍光体である。非利得領域１６は、一例として、Ｇｄ（ガドリニウム）が添加されたＹＡＧ（Ｇｄ：ＹＡＧ）セラミックスで形成されている。詳細については後述するが、この利得領域１４及び非利得領域１６の構成により、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率の差が抑制されている。 As shown in FIG. 1C, the solid-state laser medium 12 according to this embodiment is formed to include a gain (active) region 14 and a non-gain region 16. The gain region 14 is formed of, for example, YAG (Nd/Cr:YAG) ceramics in which Nd and Cr (chromium) are co-doped. Nd/Cr:YAG added to the gain region 14 is a phosphor that absorbs light having a specific wavelength and emits light at a wavelength based on the specific wavelength. The non-gain region 16 is formed of, for example, Yd (Gd:YAG) ceramics to which Gd (gadolinium) is added. Although the details will be described later, in the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment, the difference in refractive index between the gain region 14 and the non-gain region 16 is suppressed by the configuration of the gain region 14 and the non-gain region 16. There is.
本実施の形態に係る励起光源１８は、利得領域１４に添加された上記蛍光体で吸収される波長の光を発生する光源であり、その種類は特に限定されず、半導体レーザやキセノンランプ等のランプ光源を用いることができる。また、太陽光を集光して光源としてもよい。なお、図１（ａ）、（ｂ）は、レーザ発振の光軸に沿って励起光Ｌｉを入射させる端面励起を例示しているが、光軸に直交（交差）する方向から固体レーザ媒質１２に励起光Ｌｉを入射させる側面励起の形態を採用してもよい。 The pumping light source 18 according to the present embodiment is a light source that emits light having a wavelength that is absorbed by the phosphor added to the gain region 14, and the type thereof is not particularly limited, and may be a semiconductor laser, a xenon lamp, or the like. A lamp light source can be used. Alternatively, sunlight may be condensed to serve as a light source. 1A and 1B exemplify the end face excitation in which the excitation light Li is incident along the optical axis of the laser oscillation, the solid-state laser medium 12 is perpendicular to (intersects) the optical axis. A side excitation mode in which the excitation light Li is incident on may be adopted.
高反射率鏡２０は、励起光Ｌｉの波長に対し１００％又は１００％に近い透過率を有すると共に、レーザ光の波長に対して１００％又は１００％に近い反射率を有する鏡である。高反射率鏡２０のレーザ光の波長に対する反射率は、一例として９０％以上である。一方、出力鏡２２の反射率は、出力光Ｌｏの波長に対し、励起光の最大値に対して、レーザ出力が最大になるように設定する。一例として高反射率鏡２０の反射率より数％低い反射率とする。上述したように、高反射率鏡２０が共振器ＲＥＳの一方の端面を形成し、出力鏡２２が共振器ＲＥＳの他方の端面を形成しており、出力鏡２２の曲率半径Ｒ及びＹ軸方向の位置によって出力光束１３０の形状、あるいはレーザ発振装置１０の発振モードが制御される。 The high-reflectance mirror 20 is a mirror having a transmittance of 100% or close to 100% with respect to the wavelength of the excitation light Li and a reflectance of 100% or close to 100% with respect to the wavelength of the laser light. The reflectance of the high-reflectance mirror 20 with respect to the wavelength of the laser light is, for example, 90% or more. On the other hand, the reflectance of the output mirror 22 is set so that the laser output becomes maximum with respect to the wavelength of the output light Lo and the maximum value of the excitation light. As an example, the reflectance is lower than the reflectance of the high reflectance mirror 20 by several percent. As described above, the high reflectance mirror 20 forms one end surface of the resonator RES, and the output mirror 22 forms the other end surface of the resonator RES. The shape of the output light beam 130 or the oscillation mode of the laser oscillator 10 is controlled by the position of.
一例として、出力鏡２２の光路長（媒質の屈折率を考慮した長さ）はＲ／２程度とする。出力鏡２２の光路長がＲ／２より小さくなるにつれレーザ発振モードにおいて高次の横モードが発生し、横モードが多モード化しやすいので、単一横モードを目標とする場合には、出力鏡２２の光路長を適切に調整する。 As an example, the optical path length of the output mirror 22 (length considering the refractive index of the medium) is about R/2. As the optical path length of the output mirror 22 becomes smaller than R/2, higher-order transverse modes are generated in the laser oscillation mode, and the transverse modes are likely to be multimode. The optical path length of 22 is adjusted appropriately.
なお、出力鏡２２の励起光Ｌｉに対する反射率に特に制約はないが、固体レーザ媒質１２の端面Ｓには、広帯域な波長特性を有する低反射率膜（あるいは、無反射膜）を形成する場合がある。これに対し、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、さらに、レーザ発振波長に対して低反射率膜（あるいは、無反射膜）であり、かつ、レーザ発振波長以外の波長に対して高反射率膜として機能する膜を形成することにより、固体レーザ媒質１２で吸収されつつ＋Ｙ方向に伝播する励起光Ｌｉのうち、１回の伝播で吸収されなかった励起光Ｌｉを端面Ｓで反射し、固体レーザ媒質１２で励起光Ｌｉを吸収させることによって、励起光Ｌｉの有効利用を図るものである。 There is no particular restriction on the reflectance of the output mirror 22 with respect to the excitation light Li, but in the case where a low reflectance film (or a non-reflection film) having a broadband wavelength characteristic is formed on the end surface S of the solid-state laser medium 12. There is. On the other hand, in the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment, the solid-state laser medium 12 is a low-reflectance film (or a non-reflective film) with respect to the laser oscillation wavelength and high with respect to wavelengths other than the laser oscillation wavelength. By forming a film that functions as a reflectance film, the pumping light Li that is absorbed in the solid-state laser medium 12 and propagates in the +Y direction but is not absorbed in one propagation is reflected by the end surface S. By making the solid-state laser medium 12 absorb the excitation light Li, the excitation light Li is effectively used.
次に、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０の作用について説明するが、その前に、図４を参照して、従来技術に係るレーザ発振装置について説明する。 Next, the operation of the laser oscillation device 10 according to the present embodiment will be described, but before that, the laser oscillation device according to the related art will be described with reference to FIG.
図４（ａ）に示すように、従来技術に係るレーザ発振装置１００ａは、固体レーザ媒質１２０ａ、高反射率鏡２００、出力鏡２２０、及びレンズ１０２を備えており、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって共振器が構成されている。固体レーザ媒質１２０ａは媒質全体が利得領域となっている、つまり、固体レーザ媒質１２０ａの全体で励起光Ｌｉを吸収することが可能な構成となっている。 As shown in FIG. 4A, a laser oscillation device 100a according to the related art includes a solid laser medium 120a, a high-reflectance mirror 200, an output mirror 220, and a lens 102. The mirror 220 constitutes a resonator. The solid laser medium 120a has a gain region in its entirety, that is, the whole solid laser medium 120a can absorb the pumping light Li.
図４（ａ）に示すように、レンズ１０２により集光され固体レーザ媒質１２０ａに結合された励起光Ｌｉは、共振器によって形成された出力光束１３０と重複する部分だけでなく、出力光束１３０の外側の媒質領域１２２にも広がっている。つまり、励起光Ｌｉの一部は、出力光束１３０とは無関係な固体レーザ媒質１２０ａの媒質領域１２２に吸収され、媒質領域１２２に吸収された励起光Ｌｉはレーザ発振に寄与しない。 As shown in FIG. 4A, the excitation light Li condensed by the lens 102 and coupled to the solid-state laser medium 120a is not limited to the portion overlapping the output light flux 130 formed by the resonator, but also the output light flux 130 of the output light flux 130. It also extends to the outer medium region 122. That is, part of the pumping light Li is absorbed by the medium region 122 of the solid-state laser medium 120a that is unrelated to the output light flux 130, and the pumping light Li absorbed by the medium region 122 does not contribute to laser oscillation.
このような構成のレーザ発振装置１００ａでは、固体レーザ媒質１２０ａの励起された領域と、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって構成される共振器と、によって発振特性が決まる。そのため、レーザ発振装置１００ａの発振特性（発振の可否等）が、励起光Ｌｉの光束の固体レーザ媒質１２０ａに対する位置と、出力鏡２２０の位置によって鋭敏に影響を受ける。つまり、励起光Ｌｉの位置及び出力鏡２２０の位置に対する発振特性の許容範囲が狭い。 In the laser oscillator 100a having such a configuration, the oscillation characteristics are determined by the excited region of the solid laser medium 120a and the resonator formed by the high-reflectance mirror 200 and the output mirror 220. Therefore, the oscillation characteristics (oscillation availability, etc.) of the laser oscillator 100a are sensitively affected by the position of the luminous flux of the excitation light Li with respect to the solid-state laser medium 120a and the position of the output mirror 220. That is, the allowable range of the oscillation characteristics with respect to the position of the excitation light Li and the position of the output mirror 220 is narrow.
さらに、固体レーザ媒質１２０ａの励起光Ｌｉが吸収された領域は発熱するので、固体レーザ媒質１２０ａ全体の温度が上昇する。一方、固体レーザ媒質は、一般に、動作温度が高くなると利得が低下するので、レーザ発振装置の発振効率の低下を招く。つまり、上記の固体レーザ媒質１２０ａでは、レーザ発振に寄与しない媒質領域１２２が存在するため、熱的に不利であり、効率的な発振が妨げられている。 Further, since the region of the solid-state laser medium 120a where the excitation light Li is absorbed generates heat, the temperature of the entire solid-state laser medium 120a rises. On the other hand, the solid-state laser medium generally has a lower gain as the operating temperature rises, which causes a reduction in the oscillation efficiency of the laser oscillator. That is, in the above-described solid-state laser medium 120a, the medium region 122 that does not contribute to laser oscillation is present, which is thermally disadvantageous and prevents efficient oscillation.
図４（ｂ）に示す、従来技術に係るレーザ発振装置１００ｂは、固体レーザ媒質１２０ｂ、高反射率鏡２００、及び出力鏡２２０を備えており、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって共振器が構成されている。固体レーザ媒質１２０ｂは、利得領域１４０と非利得領域１６０とを有している。 A conventional laser oscillation device 100b shown in FIG. 4B includes a solid-state laser medium 120b, a high-reflectance mirror 200, and an output mirror 220. The high-reflectance mirror 200 and the output mirror 220 form a resonator. Is configured. The solid-state laser medium 120b has a gain region 140 and a non-gain region 160.
従来技術に係る固体レーザ媒質１２０ｂでは、利得領域１４０の屈折率と非利得領域１６０の屈折率とが異なる。この屈折率差により、高反射率鏡２００を介して固体レーザ媒質１２０ｂに入射された励起光Ｌｉが有効に利得領域１４０に到達せず、一部が反射されてしまう。レーザ発振光が利得領域１４０と非利得領域１６０との界面で反射されることにより、発振モード（横モード）に高次モードが発生し、発振が不安定になりやすい。 In the conventional solid-state laser medium 120b, the gain region 140 and the non-gain region 160 have different refractive indices. Due to this difference in refractive index, the pumping light Li incident on the solid-state laser medium 120b via the high-reflectance mirror 200 does not effectively reach the gain region 140 and is partially reflected. Since the laser oscillation light is reflected at the interface between the gain region 140 and the non-gain region 160, a higher-order mode is generated in the oscillation mode (transverse mode), and oscillation is likely to be unstable.
上記のような従来技術に対し、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、ＹＡＧをホスト材料とし、一例として、Ｎｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスで形成された利得領域１４と、一例として、Ｇｄが添加されたＹＡＧ（Ｇｄ：ＹＡＧ）セラミックスで形成された非利得領域１６と、を備えている。 In contrast to the above-described conventional technique, the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment uses YAG as a host material and is formed of, for example, YAG (Nd/Cr:YAG) ceramics in which Nd and Cr are co-doped. The gain region 14 and, as an example, a non-gain region 16 formed of Gd-added YAG (Gd:YAG) ceramics.
図１（ｃ）を参照して、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２の構造についてより詳細に説明する。図１（ｃ）に示すように、固体レーザ媒質１２の利得領域１４は、一例として、円筒状の形状を有している。非利得領域１６は、円筒状の外形形状を有すると共に、該外形と同心円状に形成された円筒状の貫通孔を有し、該貫通孔の内周面は利得領域１４の外周に沿った形状とされている。そして、非利得領域１６の貫通孔内に利得領域１４が配置され、光学的なつなぎ目がない状態で接合されている（以下、このような固体レーザ媒質１２の構造を「コア・クラッド構造」という場合がある）。本実施の形態において「光学的なつなぎ目がない」とは、利得領域１４と非利得領域１６との界面が平坦であり、散乱が抑制され、かつ両者の屈折率差が抑制されていることをいう。利得領域１４と非利得領域１６との間に光学的なつなぎ目がない状態とすることにより、上記のような高次モードの発生を抑制することができる。 The structure of the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. As shown in FIG. 1C, the gain region 14 of the solid-state laser medium 12 has, for example, a cylindrical shape. The non-gain region 16 has a cylindrical outer shape and a cylindrical through hole formed concentrically with the outer shape, and the inner peripheral surface of the through hole has a shape along the outer periphery of the gain region 14. It is said that. Then, the gain region 14 is arranged in the through hole of the non-gain region 16 and is joined in a state where there is no optical joint (hereinafter, such a structure of the solid-state laser medium 12 is referred to as “core/clad structure”). Sometimes). In the present embodiment, “there is no optical joint” means that the interface between the gain region 14 and the non-gain region 16 is flat, the scattering is suppressed, and the refractive index difference between them is suppressed. Say. By providing a state where there is no optical joint between the gain region 14 and the non-gain region 16, it is possible to suppress the generation of the higher-order mode as described above.
本実施の形態に係る利得領域１４は、一例として、Ｎｄ及びＣｒが所定の添加率で添加されたＹＡＧパウダーを焼結して形成する。ＮｄはＹＡＧのＹサイトに置換して添加され、ＣｒはＹＡＧのＡｌサイトに置換して添加される。非利得領域１６は、一例として、Ｇｄが所定の添加率で添加されたＹＡＧパウダーを焼結して形成する。Ｇｄは、ＹＡＧのＹサイトに置換して添加される。 As an example, the gain region 14 according to the present embodiment is formed by sintering YAG powder to which Nd and Cr are added at a predetermined addition rate. Nd is added by substituting the Y site of YAG, and Cr is added by substituting the Al site of YAG. The non-gain region 16 is formed by, for example, sintering YAG powder to which Gd is added at a predetermined addition rate. Gd is added by substituting the Y site of YAG.
Ｎｄ、Ｃｒは、固体レーザ媒質１２において利得領域１４を形成する目的で添加されるが、Ｎｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスは、屈折率が上昇する。そのため、非利得領域１６として、例えば元素を何も添加しないＹＡＧセラミックスを用いると、利得領域１４と非利得領域１６との間に屈折率差Δｎが発生する。 Nd and Cr are added for the purpose of forming the gain region 14 in the solid-state laser medium 12, but YAG (Nd/Cr:YAG) ceramics in which Nd and Cr are co-doped have an increased refractive index. Therefore, if YAG ceramics to which no element is added is used as the non-gain region 16, a refractive index difference Δn occurs between the gain region 14 and the non-gain region 16.
そこで、本実施の形態では、非利得領域１６としてＧｄが添加されたＹＡＧセラミックスを用いている。ＹＡＧセラミックスにＧｄを添加すると屈折率が上昇するので、屈折率差Δｎを調整することができる。Ｇｄの添加率を調整することによって、共振器ＲＥＳ内のレーザ光が利得領域１４と非利得領域１６との界面を実質的に感じない（レーザ光の界面での反射がほとんど発生しない）レベルまで小さくすることができる（利得領域１４の屈折率と非利得領域１６の屈折率とを略等しくすることができる）。後述するように、本実施の形態において、利得領域１４の屈折率と非利得領域１６の屈折率とを略等しくするとは、屈折率差Δｎを、一例として０．００１のオーダーにすることをいう。 Therefore, in the present embodiment, YAG ceramics to which Gd is added is used as the non-gain region 16. When Gd is added to YAG ceramics, the refractive index increases, so that the refractive index difference Δn can be adjusted. By adjusting the addition ratio of Gd, the laser light in the resonator RES can be made to a level at which the interface between the gain region 14 and the non-gain region 16 is not substantially sensed (reflection of the laser light at the interface hardly occurs). It can be made small (the refractive index of the gain region 14 and the non-gain region 16 can be made substantially equal). As will be described later, in the present embodiment, to make the refractive index of the gain region 14 and the refractive index of the non-gain region 16 substantially equal means to set the refractive index difference Δn to the order of 0.001 as an example. ..
次に、図２を参照して、本実施の形態に係る利得領域１４と非利得領域１６との間の屈折率差Δｎの低減方法について、より詳細に説明する。まず、本実施の形態に係る、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）のＹサイト、Ａｌサイトに対する元素の添加率について定義する。Ｙサイトを置換して添加された元素をＭ、Ａｌサイトを置換して添加された元素をＮとし、各元素が添加されたＹＡＧをＭｘＹ（３−ｘ）ＮｙＡｌ（５−ｙ）Ｏ１２と定義した場合、元素Ｍの添加率（Ｙサイト置換率）ｍをｍ＝ｘ／３、元素Ｎの添加率ｎ（Ａｌサイト置換率）をｎ＝ｙ／５で定義する。また、添加率はａｔ％（原子百分率、以下、単に「％」と表記する）で表す。以上の定義の下、図２は、ＹＡＧにＮｄを１．０％（Ｙサイト置換率）、Ｃｒを０．４％（Ａｌサイト置換率）添加したＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ（以下、「Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧ」と表記する）セラミックスに対して、屈折率が整合する（屈折率を略等しくさせる）Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスのＧｄ添加率（Ｙサイト置換率）を検討した結果を示すグラフである。 Next, with reference to FIG. 2, a method of reducing the refractive index difference Δn between the gain region 14 and the non-gain region 16 according to the present embodiment will be described in more detail. First, the addition ratio of elements to the Y site and the Al site of YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) according to the present embodiment will be defined. An added element by replacing the Y site M, an added element by replacing the Al site is N, a YAG each element is added M x Y (3-x) N y Al (5-y ) When defined as O 12 , the addition rate (Y site substitution rate) m of the element M is defined as m=x/3, and the addition rate n (Al site substitution rate) of the element N is defined as n=y/5. The addition rate is expressed in at% (atomic percentage, hereinafter simply referred to as “%”). Under the above definition, FIG. 2 shows that Nd/Cr:YAG (hereinafter, “Nd(Yd site substitution rate) and Cr 0.4% (Al site substitution rate)) is added to YAG. 1.0)/Cr(0.4):YAG”), the refractive index is matched with that of the ceramic (the refractive index is made approximately equal), and the Gd addition rate of the Gd:YAG ceramics (Y site substitution rate) It is a graph which shows the result of having examined.
図２では、波長をパラーメータとして、Ｇｄ添加率に対するＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率を測定した結果をシンボル◆で示している。波長は、６３３ｎｍ、８３０ｎｍ、１３００ｎｍとした。図２に示すように、Ｇｄ添加率を０〜１０％の範囲で変化させた場合、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率は、各波長に対して、１．８１〜１．８３程度の範囲で漸増する傾向を示す。 In FIG. 2, the result of measuring the refractive index of Gd:YAG ceramics with respect to the Gd addition ratio is shown by the symbol ♦ with the wavelength as a parameter. The wavelength was 633 nm, 830 nm, and 1300 nm. As shown in FIG. 2, when the Gd addition rate is changed in the range of 0 to 10%, the refractive index of the Gd:YAG ceramics gradually increases in the range of about 1.81 to 1.83 with respect to each wavelength. Shows the tendency to
これに対し、Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率は、波長６３３ｎｍで約１．８３０、波長８３０ｎｍで約１．８２０、波長１３００ｎｍで約１．８１２であった。この結果を上記Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率のグラフに重ね合わせて考察すると、Ｇｄの添加率を５．０％とすることにより、各波長で、Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率とＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とが、０．００１程度の精度で一致することがわかった。図２では、この際のＮｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率をシンボル●で示している。すなわち、本発明者らは、ＹＡＧにＮｄを１．０％、Ｃｒを０．４％添加したＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスに対して、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスのＧｄ添加率を５％とすることにより、全ての波長で、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とを整合させることが可能であることを見出した。 On the other hand, the refractive index of Nd(1.0)/Cr(0.4):YAG ceramics is about 1.830 at a wavelength of 633 nm, about 1.820 at a wavelength of 830 nm, and about 1.812 at a wavelength of 1300 nm. It was Considering this result by superimposing it on the graph of the refractive index of the above Gd:YAG ceramics, by setting the addition rate of Gd to 5.0%, Nd(1.0)/Cr(0.4 ):YAG ceramics and Gd:YAG ceramics were found to match with an accuracy of about 0.001. In FIG. 2, the symbol ● indicates the refractive index of the Nd(1.0)/Cr(0.4):YAG ceramics at this time. That is, the present inventors set the Gd addition rate of Gd:YAG ceramics to 5% with respect to the Nd/Cr:YAG ceramics in which Nd is added to YAG at 1.0% and Cr is added to 0.4%. Have found that it is possible to match the refractive index of Nd/Cr:YAG ceramics with that of Gd:YAG ceramics at all wavelengths.
本実施の形態では、上記の検討結果に基づき、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスにおけるＮｄ、Ｃｒの添加率と、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスにおけるＧｄの添加率とを調整することにより、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを低減している。このことにより、共振器ＲＥＳ中の励起光Ｌｉ、あるいは出力光Ｌｏが、利得領域１４と非利得領域１６との界面において屈折率差Δｎを感じることが抑制されるので、レーザ発振装置１０の発振モードが、出力鏡２２の条件（曲率半径、及びＹ軸上の位置）のみによって制御することができる。 In the present embodiment, the gain region 14 and the non-gain region are adjusted by adjusting the Nd/Cr addition ratio in the Nd/Cr:YAG ceramics and the Gd addition ratio in the Gd:YAG ceramics based on the above-described examination results. The refractive index difference Δn with the region 16 is reduced. This suppresses the pumping light Li or the output light Lo in the resonator RES from feeling the refractive index difference Δn at the interface between the gain region 14 and the non-gain region 16, so that the oscillation of the laser oscillator 10 is suppressed. The mode can be controlled only by the condition of the output mirror 22 (the radius of curvature and the position on the Y axis).
むろん、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎは小さければ小さいほどよいが、本実施の形態では、屈折率差Δｎの具体的な値としてΔｎ＝０．００１程度としている。例えば、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスによる利得領域１４の屈折率を１．８２０程度とし、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスによる非利得領域１６の屈折率を１．８１９程度とし、屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．００１程度とした場合の励起光Ｌｉに対する影響を考える。この場合、非利得領域１６から利得領域１４への励起光Ｌｉの入射角度（図１中のＺ軸から測った角度）が８９°の場合の反射率は約１０％となるが、それより小さな入射角度（８９°未満）では、励起光Ｌｉは界面で反射されることなく利得領域１４に到達することができる。つまり、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、励起光Ｌｉの光軸が若干ずれたとしても固体レーザ媒質１２を伝播する間に利得領域１４に吸収されるので、出力光Ｌｏの変動（光量、モード等）も少なく、安定なレーザ発振を維持することができる。その結果、固体レーザ媒質１２と出力鏡２２の位置を固定した場合の、励起光Ｌｉの位置に対する許容範囲が拡大される。 Needless to say, the smaller the refractive index difference Δn between the gain region 14 and the non-gain region 16 is, the better, but in the present embodiment, a specific value of the refractive index difference Δn is about Δn=0.001. For example, the refractive index of the gain region 14 made of Nd/Cr:YAG ceramics is about 1.820, the refractive index of the non-gain region 16 made of Gd:YAG ceramics is about 1.819, and the refractive index difference Δn is Δn=0. Consider the influence on the excitation light Li when it is set to about 001. In this case, the reflectance is about 10% when the incident angle (the angle measured from the Z axis in FIG. 1) of the pumping light Li from the non-gain region 16 to the gain region 14 is 89%, but it is smaller than that. At the incident angle (less than 89°), the pumping light Li can reach the gain region 14 without being reflected at the interface. That is, in the laser oscillation device 10 according to the present embodiment, even if the optical axis of the pumping light Li is slightly deviated, it is absorbed by the gain region 14 while propagating through the solid-state laser medium 12, so that the fluctuation of the output light Lo ( The amount of light, mode, etc.) is small, and stable laser oscillation can be maintained. As a result, when the positions of the solid-state laser medium 12 and the output mirror 22 are fixed, the allowable range for the position of the excitation light Li is expanded.
上記点については、図１（ａ）と（ｂ）との違い、すなわち、出力光束１３０と、利得領域１４との位置関係についてあまり影響されない。励起光Ｌｉの位置に対する許容範囲の観点からは、図１（ｂ）に示すように、利得領域１４が出力光束１３０に包含されていた方が望ましいといえる。しかしながら、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率が整合している本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、図１（ａ）に示すように利得領域１４が出力光束１３０からはみ出しているような場合でも、レーザ発振特性が大きく劣化することが抑制される。なお、本実施の形態では、屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．００１程度とする場合を例示して説明したが、これに限られず、屈折率差Δｎの値は、レーザ発振装置１０における目標発振モード等に応じて適宜設定してよい。 With respect to the above point, the difference between FIGS. 1A and 1B, that is, the positional relationship between the output light flux 130 and the gain region 14 is not significantly affected. From the viewpoint of the allowable range with respect to the position of the pumping light Li, it can be said that the gain region 14 should be included in the output light flux 130 as shown in FIG. 1B. However, in the laser oscillation device 10 according to the present embodiment in which the gain regions 14 and the non-gain regions 16 have the same refractive index, the gain regions 14 protrude from the output light flux 130 as shown in FIG. Even in such a case, it is possible to prevent the laser oscillation characteristic from being greatly deteriorated. In the present embodiment, the case where the refractive index difference Δn is set to approximately Δn=0.001 has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the value of the refractive index difference Δn is the target oscillation in the laser oscillation device 10. It may be appropriately set according to the mode or the like.
一方、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、放熱の観点からも有利な構成となっている。すなわち、利得領域１４に添加される元素Ｎｄ、及びＣｒは励起光Ｌｉを吸収する一方、非利得領域１６に添加される元素Ｇｄは励起光Ｌｉを吸収しない。従って、出力鏡２２のみによってレーザ発振の状態（発振モード）を制御できる本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、利得領域１４に対する出力光束１３０の配置関係を簡易に調整できる（容易に、利得領域１４と出力光束１３０との重なりを大きくすることができる）ので、不要な励起エネルギーの吸収を容易に抑制することができる。 On the other hand, the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment is also advantageous in terms of heat dissipation. That is, the elements Nd and Cr added to the gain region 14 absorb the excitation light Li, while the element Gd added to the non-gain region 16 does not absorb the excitation light Li. Therefore, in the laser oscillation device 10 according to the present embodiment in which the laser oscillation state (oscillation mode) can be controlled only by the output mirror 22, the positional relationship of the output light flux 130 with respect to the gain region 14 can be easily adjusted (the gain can be easily adjusted. Since it is possible to increase the overlap between the region 14 and the output light flux 130), it is possible to easily suppress the absorption of unnecessary excitation energy.
さらに、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、発熱体としての利得領域１４を励起エネルギーを吸収しない（発熱しない）非利得領域１６で囲む構成となっており、しかも利得領域１４と非利得領域１６との界面が密着して接合されている。そのため、利得領域１４で発生した熱が非利得領域１６によって効率よく拡散され、外部に放熱されるので、レーザ発振における利得飽和を効果的に抑制することができる。 Further, in the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment, the gain region 14 as a heating element is surrounded by the non-gain region 16 that does not absorb the excitation energy (does not generate heat), and the gain region 14 and the non-gain region are not included. The interface with the region 16 is closely adhered and joined. Therefore, the heat generated in the gain region 14 is efficiently diffused by the non-gain region 16 and radiated to the outside, so that the gain saturation in laser oscillation can be effectively suppressed.
以上詳述したように、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０によれば、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることができる。 As described in detail above, according to the laser oscillation device 10 of the present embodiment, parasitic oscillation and absorption of excitation energy that does not contribute to laser oscillation are suppressed, and stable and highly efficient oscillation is possible. It is possible to increase the tolerance for the positional deviation and the angular deviation of the excitation light.
次に、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２の製造に際し、ＹＡＧセラミックスに添加すべき元素についてより詳細に説明する。上記実施の形態では、利得領域１４を構成するＹＡＧセラミックスにＮｄ、Ｃｒを添加し、非利得領域１６を構成するＹＡＧセラミックスにＧｄを添加する形態を例示して説明したが、これに限られない。 Next, the elements to be added to the YAG ceramics when manufacturing the solid-state laser medium 12 according to the present embodiment will be described in more detail. In the above-described embodiment, a mode in which Nd and Cr are added to the YAG ceramics forming the gain region 14 and Gd is added to the YAG ceramics forming the non-gain region 16 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. ..
例えば、利得領域１４のＹＡＧセラミックスに添加する元素としては、励起光を吸収して、レーザ発振に寄与する元素であればよいので、Ｎｄ、Ｃｒに限られず、吸収−蛍光特性を有する希土類元素や遷移金属を用いることができる。また、上記実施の形態では、利得領域１４としてＮｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧセラミックスを用いた形態を例示して説明したが、これに限られず、Ｎｄのみが添加されたＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）セラミックスを用いた形態としてもよい。 For example, the element added to the YAG ceramics of the gain region 14 is not limited to Nd and Cr, as long as it is an element that absorbs excitation light and contributes to laser oscillation, and a rare earth element having absorption-fluorescence characteristics or Transition metals can be used. In the above-described embodiment, the YAG ceramics in which Nd and Cr are co-doped is used as the gain region 14, but the present invention is not limited to this, and YAG (Nd:YAG) in which only Nd is added is used. ) A form using ceramics may be used.
一方、非利得領域１６のＹＡＧセラミックスに添加する元素としては、利得領域１４との屈折率の調整が可能であり、励起光波長に対しても、レーザ発振波長に対しても吸収特性を示さない材料であればよいので、Ｇｄに限られず、Ｌａ（ランタン）やＣｅ（セリウム）等が広い波長範囲で用いることができる。また、励起光波長、あるいはレーザ発振波長によっては、Ｔｂ（テルビウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）等のランタニド元素を用いることもできる。 On the other hand, as an element added to the YAG ceramics in the non-gain region 16, the refractive index with the gain region 14 can be adjusted, and it does not exhibit absorption characteristics with respect to the pumping light wavelength and the laser oscillation wavelength. Any material may be used, and not limited to Gd, La (lanthanum), Ce (cerium), or the like can be used in a wide wavelength range. A lanthanide element such as Tb (terbium) or Eu (europium) may be used depending on the excitation light wavelength or the laser oscillation wavelength.
さらに、上記Ｇｄ等の元素はＹＡＧのＹサイトと置換される元素であるが、Ａｌサイトを置換可能な元素、例えばＧａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｃ（スカンジウム）等の元素をＹＡＧに添加して、非利得領域１６を構成するＹＡＧセラミックスの屈折率を大きくし、利得領域１４の屈折率と整合させることも可能である。 Further, the above-mentioned element such as Gd is an element that replaces the Y site of YAG, but an element that can replace the Al site, for example, an element such as Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium) is added to YAG. It is also possible to increase the refractive index of the YAG ceramics forming the non-gain region 16 to match the refractive index of the gain region 14.
また、上記実施の形態では、所定の元素の添加により大きくなった利得領域１４の屈折率に対し、非利得領域１６に所定の元素を添加して屈折率を上げることによって両者の屈折率を整合させているが、これに限られない。本発明では、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを、励起光あるいは出力光束１３０が感じない程度に小さくすることが重要であるので、所定の元素の添加により小さくなった利得領域１４の屈折率に対し、非利得領域１６に所定の元素を添加して屈折率を下げることによって両者の屈折率を整合させもよい。 Further, in the above-described embodiment, the refractive index of the gain region 14 increased by the addition of the predetermined element is adjusted by adding the predetermined element to the non-gain region 16 to increase the refractive index. However, it is not limited to this. In the present invention, it is important to reduce the refractive index difference Δn between the gain region 14 and the non-gain region 16 to such an extent that the pumping light or the output light flux 130 does not feel it. Therefore, the gain reduced by the addition of a predetermined element. The refractive index of the region 14 may be matched with the refractive index of the region 14 by adding a predetermined element to the non-gain region 16 to lower the refractive index.
さらには、利得領域１４に、レーザ発振に寄与しかつ屈折率を大きくする元素を添加すると共に、レーザ発振に寄与せずかつ屈折率を小さくする元素を添加して、利得領域１４自体の屈折率がＹＡＧセラミックスの屈折率に対して変動しないようにしてもよい。例えば、ＹＡＧのＡｌサイトを置換すると屈折率が低下する元素のうちの、いずれかの元素でＡｌサイトを置換して屈折率を調整してもよい。 Further, an element that contributes to laser oscillation and increases the refractive index is added to the gain region 14, and an element that does not contribute to laser oscillation and decreases the refractive index is added to the gain region 14 to increase the refractive index of the gain region 14 itself. May not change with respect to the refractive index of YAG ceramics. For example, the refractive index may be adjusted by substituting the Al site with one of the elements whose refractive index is lowered by substituting the Al site of YAG.
また、ＹＡＧセラミックスによる利得領域１４へＮｄ／Ｃｒ、Ｓｃを添加する一方、非利得領域１６には、屈折率を上昇させる元素、例えばＧｄを添加することで、屈折率の調整をしてもよい。つまり、利得領域１４におけるＳｃの効果と、非利得領域のＧｄの効果の両方で屈折率整合させてもよい。このような方法によれば、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎをより精度よく調整することができる。 Further, while Nd/Cr and Sc are added to the gain region 14 made of YAG ceramics, the refractive index may be adjusted by adding an element that increases the refractive index, such as Gd, to the non-gain region 16. .. That is, the refractive index may be matched by both the effect of Sc in the gain region 14 and the effect of Gd in the non-gain region. According to such a method, the refractive index difference Δn between the gain region 14 and the non-gain region 16 can be adjusted more accurately.
次に、図３を参照して、固体レーザ媒質１２の構造、及び該固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４、非利得領域１６の形状について述べる。 Next, the structure of the solid-state laser medium 12 and the shapes of the gain region 14 and the non-gain region 16 which form the solid-state laser medium 12 will be described with reference to FIG.
上記実施の形態においては、図１（ｃ）に示すように、円筒状の利得領域１４を円筒状の非利得領域１６で囲んだコア・クラッド構造の固体レーザ媒質１２を例示して説明したがこれに限られない。利得領域１４と出力光束１３０の重なりを大きくすることができ、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを出力光束１３０が感じない程度に小さくすることができるという本発明に係る固体レーザ媒質１２の特徴を具現化する限りにおいて、特に構造、形状は限定されない。図３は、固体レーザ媒質１２の構造、及び該固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４、非利得領域１６の形状の他の例を示している。なお、図３においては、＋Ｙ方向に出力光が出射するものとしている。 In the above-described embodiment, as shown in FIG. 1C, the solid-state laser medium 12 having the core/clad structure in which the cylindrical gain region 14 is surrounded by the cylindrical non-gain region 16 has been described as an example. It is not limited to this. The solid state according to the present invention that the overlap between the gain region 14 and the output light beam 130 can be increased, and the refractive index difference Δn between the gain region 14 and the non-gain region 16 can be decreased to such an extent that the output light beam 130 does not feel. The structure and shape are not particularly limited as long as the characteristics of the laser medium 12 are embodied. FIG. 3 shows another example of the structure of the solid-state laser medium 12 and the shapes of the gain region 14 and the non-gain region 16 which form the solid-state laser medium 12. In addition, in FIG. 3, the output light is assumed to be emitted in the +Y direction.
図３（ａ）は、板状の利得領域１４を、上下から板状の非利得領域１６で挟持した構造を有する固体レーザ媒質１２ａの例を示している。固体レーザ媒質１２ａは、いわゆるスラブ導波路構造を有しており、Ｚ軸方向に対してはレーザ光の不要な吸収を効果的に抑制可能な構造であるが、Ｘ軸方向に対しては必ずしも十分に抑制されない可能性がある構造といえる。しかしながら、製造が容易であるという利点がある。 FIG. 3A shows an example of a solid-state laser medium 12a having a structure in which a plate-shaped gain region 14 is sandwiched between plate-shaped non-gain regions 16 from above and below. The solid-state laser medium 12a has a so-called slab waveguide structure, and is a structure capable of effectively suppressing unnecessary absorption of laser light in the Z-axis direction, but not necessarily in the X-axis direction. It can be said that the structure may not be sufficiently suppressed. However, it has the advantage of being easy to manufacture.
図３（ｂ）〜（ｄ）は、いずれもコア・クラッド構造を有する固体レーザ媒質の例である。レーザ発振装置１０の発振特性の観点からは、これらのコア・クラッド構造がより好ましい。図３（ｂ）に示す固体レーザ媒質１２ｂは、四角柱状の利得領域１４を四角柱状の非利得媒質１６で囲んだ構造を有する例である。図３（ｃ）に示す固体レーザ媒質１２ｃは、円柱状の利得領域１４を四角柱状の非利得媒質１６で囲んだ構造を有する例である。このように、本発明においては、固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４の形状及び非利得領域１６の形状の組み合わせは特に限定されない。なお、図３（ｂ）及び（ｃ）では、利得領域１４の端面と非利得領域１６の端面とが一致した形態を例示しているが、これに限られず、少なくとも一方の利得領域１４の端面が非利得領域１６の端面より後退していてもよい、すなわち、利得領域１４の端面が非利得領域１６で覆われていてもよい。 3B to 3D are all examples of solid-state laser media having a core/clad structure. From the viewpoint of the oscillation characteristics of the laser oscillator 10, these core/clad structures are more preferable. A solid-state laser medium 12b shown in FIG. 3B is an example having a structure in which a square columnar gain region 14 is surrounded by a square columnar non-gain medium 16. A solid-state laser medium 12c shown in FIG. 3C is an example having a structure in which a cylindrical gain region 14 is surrounded by a quadrangular prism-shaped non-gain medium 16. As described above, in the present invention, the combination of the shape of the gain region 14 and the shape of the non-gain region 16 forming the solid-state laser medium 12 is not particularly limited. 3B and 3C illustrate a case where the end surface of the gain region 14 and the end surface of the non-gain region 16 are coincident with each other, the present invention is not limited to this, and at least one end surface of the gain region 14 is illustrated. May be recessed from the end face of the non-gain region 16, that is, the end face of the gain region 14 may be covered with the non-gain region 16.
図３（ｄ）に示す固体レーザ媒質１２ｄは、コア・クラッド構造の一形態であるが、コア・クラッド部３０とエンドキャップ３２とを有しており、コア・クラッド部３０には利得領域１４が配置されているが、エンドキャップ３２は利得領域１４を欠いている。固体レーザ媒質１２ｄでは、＋Ｙ方向に向かって励起光Ｌｉが入射され、＋Ｙ方向に向かって徐々に出力光束１３０が拡大されるが、出力光束１３０が一定程度拡大された領域に利得領域１４を配置することができるので、利得領域１４と出力光束１３０の重なりをより大きくすることができるという効果を奏する。なお、図３（ｄ）では、利得領域１４の一方の端面と、非利得領域１６の一方の端面とが一致している形態を例示しているが、これに限られず、利得領域１４の端面が非利得領域１６に包含（埋設）される形態としてもよい。 The solid-state laser medium 12d shown in FIG. 3D is one form of the core-clad structure, but has a core-clad portion 30 and an end cap 32, and the gain region 14 is provided in the core-clad portion 30. , But the end cap 32 lacks the gain region 14. In the solid-state laser medium 12d, the pumping light Li is incident in the +Y direction and the output light flux 130 is gradually expanded in the +Y direction, but the gain region 14 is arranged in a region where the output light flux 130 is expanded to a certain extent. Therefore, it is possible to further increase the overlap between the gain region 14 and the output light flux 130. Note that FIG. 3D illustrates an example in which one end face of the gain region 14 and one end face of the non-gain region 16 are coincident with each other, but the present invention is not limited to this, and the end face of the gain region 14 is not limited to this. May be included (embedded) in the non-gain region 16.
また、上記実施の形態では、レーザ発振装置の発振波長については特に言及しなかったが、発振波長を選択する構成を付加してもよい。この場合は、例えば、励起光源に広帯域光源を用い、高反射率鏡の透過特性に発振波長を透過するような波長依存性をもたせればよい。 Further, in the above embodiment, the oscillation wavelength of the laser oscillator is not particularly mentioned, but a configuration for selecting the oscillation wavelength may be added. In this case, for example, a broadband light source may be used as the excitation light source, and the transmission characteristics of the high-reflectance mirror may have wavelength dependency such that the oscillation wavelength is transmitted.
また、上記実施の形態では、固体レーザ媒質１２のホスト材料としてＹＡＧを用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば、ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）等を用いてもよい。ＧＧＧ系では、ＧａサイトをＡｌ（アルミニウム）で置換することにより屈折率が低下するので、この効果を用いて屈折率の調整を行ってもよい。 Further, in the above-described embodiment, the case where YAG is used as the host material of the solid-state laser medium 12 has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and for example, GGG (Gd 3 Ga 5 O 12 , gadolinium gallium garnet). Etc. may be used. In the GGG system, the refractive index is lowered by substituting Al (aluminum) for the Ga site, so the refractive index may be adjusted using this effect.
［第２の実施の形態］
以下、上記レーザ発振装置１０の応用形態について説明する。レーザ発振装置１０は、レーザ加工、レーザ溶接、あるいはレーザマーキング等、特に限定されることなく用いることができるが、上記のレーザ発振装置１０の特徴を生かした用途として、太陽光エネルギーを電気エネルギー等の他のエネルギー形態に変換するエネルギー変換システムが挙げられる。
[Second Embodiment]
Hereinafter, application forms of the laser oscillation device 10 will be described. The laser oscillating device 10 can be used without particular limitation such as laser processing, laser welding, laser marking, and the like, but solar energy can be used as electrical energy or the like as an application utilizing the characteristics of the laser oscillating device 10. Energy conversion system for converting into other energy forms.
一例として、太陽電池を用いた太陽電池システムについて説明する。太陽電池システムは、太陽光の集光部、レーザ発振装置１０、及び太陽電池を含んで構成される。集光部はすなわち励起光源であり、例えばパラボラ反射鏡で集光した光を、直接、もしくはバンドルファイバ等の導光体を介してレーザ発振装置１０に入射させる。 As an example, a solar cell system using a solar cell will be described. The solar cell system is configured to include a sunlight condensing unit, a laser oscillation device 10, and a solar cell. That is, the condensing unit is an excitation light source, and makes the light condensed by, for example, a parabolic reflector enter the laser oscillator 10 directly or through a light guide such as a bundle fiber.
レーザ発振装置１０はこの太陽光で励起され、当該単色光の波長のレーザ光が太陽電池に出力される。太陽電池が、このレーザ光を電気エネルギーに変換することにより、本実施の形態に係る太陽電池システムが実現される。上述したように、レーザ発振装置１０は、安定かつ高効率に発振するとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度が大きいので、効率のよい太陽電池システムを構築することができる。あるいは、レーサ発振装置１０のこのような特徴を生かすことにより、他のエネルギー変換システム一般、例えば、太陽光を光源とし、レーザを発振させ、レーザ波長を直接、もしくは、非線形光学素子を用いて波長変換して、光触媒により水素などの化学物質を生成してエネルギー源とする光触媒システム等に用いることもできる。 The laser oscillating device 10 is excited by this sunlight, and the laser light having the wavelength of the monochromatic light is output to the solar cell. The solar cell converts the laser light into electric energy, so that the solar cell system according to the present embodiment is realized. As described above, the laser oscillating device 10 oscillates stably and highly efficiently, and has a high tolerance for the positional deviation and the angular deviation of the excitation light, so that an efficient solar cell system can be constructed. Alternatively, by making use of such characteristics of the laser oscillator 10, other energy conversion systems in general, for example, sunlight is used as a light source to oscillate a laser, and the laser wavelength is directly or by using a nonlinear optical element. It can also be used for a photocatalyst system or the like which is converted to generate a chemical substance such as hydrogen by a photocatalyst and used as an energy source.
１０ レーザ発振装置
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 固体レーザ媒質
１４ 利得領域
１６ 非利得領域
１６ａ 非利得領域
１８ 励起光源
２０ 高反射率鏡
２２ 出力鏡
３０ コア・クラッド部
３２ エンドキャップ
１００ａ、１００ｂ レーザ発振装置
１０２ レンズ
１２０ａ、１２０ｂ 固体レーザ媒質
１２２ 媒質領域
１３０ 出力光束
１４０ 利得領域
１６０ 非利得領域
２００ 高反射率鏡
２２０ 出力鏡
３００ レーザ発振装置
３０２ 固体レーザ媒質
３０４ 励起光源
３０６ 高反射率平面鏡
３０８ 出力平面鏡
３１０ レンズ系
３１２ 利得領域
３１４ 非利得領域
Ｌｉ 励起光
Ｌｏ 出力光
ＲＥＳ 共振器
Ｓ 端面
10 Laser oscillator 12, 12a, 12b, 12c, 12d Solid-state laser medium 14 Gain region 16 Non-gain region 16a Non-gain region 18 Pumping light source 20 High reflectance mirror 22 Output mirror 30 Core/clad portion 32 End cap 100a, 100b Laser Oscillator 102 Lenses 120a and 120b Solid-state laser medium 122 Medium region 130 Output light flux 140 Gain region 160 Non-gain region 200 High-reflectance mirror 220 Output mirror 300 Laser oscillator 302 Solid-state laser medium 304 Excitation light source 306 High-reflectance plane mirror 308 Output plane mirror 310 lens system 312 gain region 314 non-gain region Li pumping light Lo output light RES resonator S end face
Claims (7)
前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向に延伸されるとともに前記レーザ光に対して利得を有する利得領域と、前記利得領域に接合されると共に前記利得領域の周囲を囲んで配置され、かつ前記励起光を吸収しない元素が添加されると共に前記レーザ光に対して利得を有さない非利得領域と、を含み、
前記利得領域の屈折率と前記非利得領域の屈折率とが略等しくなるように、前記利得領域及び前記非利得領域の少なくとも一方が、添加された元素を含み、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間を往復する前記レーザ光は少なくとも前記利得領域に包含される
レーザ発振装置。 A laser oscillating device for amplifying and outputting laser light by causing a laser light to reciprocate between a first reflecting mirror and a second reflecting mirror via a solid-state laser medium excited by excitation light,
The solid-state laser medium is arranged in such a manner that it extends in the optical axis direction of the laser light and has a gain region having a gain with respect to the laser light, and is joined to the gain region and surrounds the periphery of the gain region. And a non-gain region having no gain with respect to the laser light and an element that does not absorb the excitation light is added ,
As the refractive index of said gain region and the refractive index of the non-gain regions are substantially equal, at least one of said gain region and said non-gain region, see contains an added element,
A laser oscillating device in which the laser light traveling back and forth between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror is included in at least the gain region .
前記非利得領域は、前記励起光を吸収せずかつ前記非利得領域の屈折率を変化させる１以上の第２の元素を含む
請求項１に記載のレーザ発振装置。 The gain region includes one or more first elements that absorb the pumping light;
The laser oscillation device according to claim 1, wherein the non-gain region includes one or more second elements that do not absorb the pumping light and change a refractive index of the non-gain region.
前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、
前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄである
請求項２に記載のレーザ発振装置。 Each of the gain region and the non-gain region is formed of yttrium aluminum garnet,
The first element is Nd added by replacing the Y site of the yttrium aluminum garnet, and Cr added by replacing the Al site,
The laser oscillation device according to claim 2, wherein the second element is Gd added by substituting the Y site of the yttrium aluminum garnet.
前記利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＮｄのＹサイト置換率が１．０ａｔ％でありかつＣｒのＡｌサイト置換率が０．４ａｔ％であり、
前記非利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＧｄのＹサイト置換率が５ａｔ％である
請求項３に記載のレーザ発振装置。 An added element by replacing the Y site M, is added to replace the Al site an element a is N, the element M, N the yttrium aluminum garnet is doped with M x Y (3-x) N When y Al (5-y) O 12 is defined, the addition rate of the element M is defined as Y site substitution rate=x/3, and the addition rate of the element N is defined as Al site substitution rate=y/5. ,
The Y site substitution rate of Nd in the yttrium aluminum garnet forming the gain region is 1.0 at% and the Al site substitution rate of Cr is 0.4 at%.
The laser oscillation device according to claim 3, wherein a Y site substitution rate of Gd in the yttrium aluminum garnet forming the non-gain region is 5 at %.
前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、
前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであり、
前記第３の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＡｌサイトを置換して添加されたＳｃである
請求項５に記載のレーザ発振装置。 Each of the gain region and the non-gain region is formed of yttrium aluminum garnet,
The first element is Nd added by replacing the Y site of the yttrium aluminum garnet, and Cr added by replacing the Al site,
The second element is Gd added by substituting the Y site of the yttrium aluminum garnet,
The laser oscillator according to claim 5, wherein the third element is Sc added by substituting the Al site of the yttrium-aluminum-garnet.
請求項６に記載のレーザ発振装置 The laser oscillator according to claim 6 , wherein the solid-state laser medium has a region only in the non-gain region that does not include the gain region in the optical axis direction of the laser light.
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