JPH03242984A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はレーザダイオードにより高効率な光励起を行
うレーザ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は例えばｉ・−マス・マイケル・ベイアにより特
開平１−１２２１８０号に示されたレーザ装置の構成図
である。第３図において、１は固体レーザ媒質で作製し
たレーザブロック、２は適切な間隔をもって並べた複数
のレーザダイオードＤで構成したダイオードパー、３は
ファ、イバレンズで実現される円柱レンズ、４は高反射
鏡、５は出力結合鏡、６は空洞内素子である。なお、上
記各構成要素の詳細は下記の動作説明で述べる。

次にこの従来例の動作について説明する。ダイオードパ
ー２を構成するレーザダイオードＤからの出力光は、一
般に水平方向の拡がり角に比べ垂直方向の拡がり角が広
い。そこで円柱レンズ３により垂直方向の出力光のみを
、ビーム径を固体レザの横モードの大きさと調和するよ
うな平行光束としてレーザブロック１に入射する。ここ
でダイオードバー２からの出力光波長を固体レーザ媒質
の吸収帯に一致させておくと、ダイオードバー２からの
出力光は、レーザブロック１の中で伝搬に従い指数関数
的に吸収されレーザ発振波長で利得を有する反転分布を
形成する。このときの反転分布の空間分布は、円柱レン
ズ３を通過したダイオードパー２からの出力光の空間分
布を反映してダイオードパー２を構成する各レーザダイ
オードＤの配置位置で大きく、レーザダイオードＤの間
隔位置では小さい。このような反転分布を形成させたレ
ーザブロック１内で第３図に示したようなダイオードパ
ー２からの出力光が入射する一側面のダイオードパー２
を構成する各レーザダイオードＤの配置位置と、その−
側面に対向する他側面３− で反射するジグザクな光路をもってレーザ共振器を形成
するように高反射鏡４及び出力結合５を設置する。この
ときダイオードパー２からの出力光が入射するレーザブ
ロック１の一側面は、ダイオドパー２からの出力光波長
に対しては低反射としレーザ発振波長に対しては高反射
のダイクロイックコーティングを施しである。ダイオー
ドバー２からの出力光が入射するレーザブロックｌの一
側面に対向するレーザブロック１の他側面には固体レー
ザ発振波長に対して高反射コーティングを施し、一部、
高反射鏡４及び出力結合鏡５にレザ光が出力されるレー
ザブロック１他側面の一部分には固体レーザ発振波長に
対して低反射コーティングを施しである。このようにレ
ーザ共振器を構成することにより、ダイオードパー２か
ら出射された光のエネルギーを高効率でレーザ発振モト
に結合できる。ダイオードパー２を構成するレザダイオ
ードＤの数を増やしジグザグの反射回数を増やしていく
ことでレーザ発振パワーを増加させることができる。ま
たレーザ共振器内にＱスイッチ素子や波長変換素子を空
洞内素子６として挿入することでＱスイッチ動作や波長
変換動作も可能である。上記Ｑスイッチ素子はレーザ共
振器のＱ値を変化させるもので、電気光学結晶や音響光
学結晶で実現される。また、上記Ｑスイッチ動作とは、
レーザ共振器のＱ値をある一定時間低くし、レーザ発振
を抑制しておくと励起エネルギはレーザブロック１に蓄
積され、その後Ｑ値を高めるとレーザ発振が生じ、蓄積
エネクギーがパルス状に光として放出される動作をいう
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のレーザ装置は以上のように構成されているので、
高効率な光励起を実現するためにダイオドパ−２を構成
する複数のレーザダイオードＤ、の設置位置とレーザ共
振器を構成するジグザグ光路の反射位置を一致させる必
要があり、このため高反射鏡４、出力結合鏡５及びダイ
オードパー２の配置を調整することが難しかった。また
、レザブロック１に施す高反射コーティングは誘電体多
層膜で作製しており、多層膜での吸収や散乱、製作精度
などにより反射率は最大９９．８％程度で０．２％程度
の損失を有する。このためレーザ発振パワーを増やすた
めジグザグ光路の反射回数を増やすことによりレーザ共
振器内部損失が増加してしまうという問題点があった。

さらにダイオードパー２からの出力光が入射するレーザ
プロ・ツク１の一側面に対向する他側面の一部に高反射
鏡４及び出力結合鏡５にレーザ光が出力するためレーザ
発振波長に対し低反射コーティングを施す必要があり、
高反射コーティング領域と低反射コーティング領域を分
離して作製するのに手間がかかった。

また、従来の構成ではレーザ共振器がジグザグ光路をと
るため共振器長が長くなってしまい、光子寿命が長くな
ってしまうことを反映してＱスイ・ノチ動作を行った場
合パルス幅が長くなりパルスのビークパワーが大きくと
れなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、励起レーザ光の光路調整が容易であり、Ｑス
イッチ動作時にはピークパーワーを高くとれ、しかも容
易に装置を製作できるレザ装置を得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、少なくとも１対の対向する側面を有するレ
ーザブロック１と、半数もしくは複数の同じ形状のレー
ザダイオードＤで構成されかつ各レーザダイオードＤの
出力端面を出力光が放射される方向から見て各レーザダ
イオードＤの活性層を楕円形状のニア・フィールド、パ
ターンの長軸方向に一直線上に整列するように配置され
た励起用ダイオードパー２と、この励起用ダイオードバ
ー２からの出力光の内上記各レーザダイオードＤの楕円
形状のニア・フィールド・パターンの短軸方向のみを平
行光束に変換する平行光束変換手段（円柱レンズ３）と
、上記レーザブロック１の一側面を含んで設けられた高
反射鏡４と、入射されたビームを入射面内で任意に選ん
だ第１方向（水平方向）及び第２方向（垂直方向）の直
交２ｅ、分で第１方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大
きくして出射し上記レーザブロック１内でビームが拡大
されるように設けられた第１方向望遠光学系７−− （水平方向望遠光学系７）と、この第１方向望遠光学系
からの出力光を結合して上記高反射鏡４側へ折り返すよ
うに設けられた出力結合鏡５とを備え、上記レーザブロ
ック１に複数の上記励起用ダイオードパー２の出力光を
各レーザダイオードＤの出力光のニア・フィールド・パ
ターンの短軸方向と上記第１方向望遠光学系の第２方向
を一致させて入射するように構成し、上記高反射鏡４と
上記第１方向望遠光学系との間の光学長をＬＬ、上記第
１方向望遠光学系の光学長をＬ２、上記第１方向望遠光
学系と上記出力結合鏡５との間の光学長をＬ３、上記第
１方向望遠光学系の第１゛方向の倍率をＭｘ、上記第１
方向望遠光学系の第２方向の倍率をＭｙ、上記高反射鏡
４の第１方向の曲率半径をＲ１ｘ、上記高反射鏡４の第
２方向の曲率半径をＲ１ｙ、上記出力結合鏡５の第１方
向の曲率半径をＲ２ｘ、上記出力結合鏡５の第２方向の
曲率半径をＲ２ｙとして、 （Ｌ−Ｌｘ／Ｒ１ｘ）（Ｌ−Ｌｘ／Ｒ２ｘ）＜１・　・
　・（１） （Ｌ−Ｌｙ／Ｒ１ｙ）　　（Ｌ−Ｌｙ／Ｒ２ｙ）＜１・
　・（２） ここで　Ｌｘ＝Ｌｉ十Ｌ２＋Ｍし−Ｌ３Ｌｙ＝Ｌ１＋Ｌ
２＋Ｍｙ−Ｌ’３ 上記（１１式及び（２）式を同時に満たす条件を有する
権威にしたことを特徴とするものである。

〔作用〕

レーザブロック１内のレーザ光の光路は、レザブロック
１の１対の対向する側面間を通過する。

励起用ダイオードパー２からの励起光は平行光束変換手
段（円柱レンズ３）により第２方向（垂直方向）に関し
てほぼガウス分布を有した平行光束となる。第１方向く
水平方向）に関しては、上記励起光はレーザブロック１
内全域に渡り拡がった分布を有するが、第１方向望遠光
学系（水平方向望遠光学系７）によりレーザブロックｌ
内で第１方向にレーザブロックｌ内全域に拡張される。

高反射鏡４とレーザブロック１と第１方向望遠光学系と
出力結合鏡５とを含みレーザ共振器が形成される。

９ １０ 〔実施例〕 第１図（ａ）はこの発明の一実施例に係るレーザ装置の
構成図であり、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すＡ−
Ａ’　による断面を示すレーザ装置の構成図である。第
１図（ａ）　、　（ｂ）において、１は少なくとも１対
の対向する側面を有するレーザブロック、２は単数もし
くは複数の同じ形状のレーザダイオードＤで構成されか
つ各レーザダイオードＤの出力端面を出力光が放射され
る方向から見て各レーザダイオードＤの活性層を楕円形
状のニア・フィールド・パターンの長軸方向に一直線上
に整列するように配置された励起用ダイオードパー、３
は励起用ダイオードパー２からの出力光のうち各レーザ
ダイオードＤの楕円形状のニア・フィールド・パターン
の短軸方向のみを平行光束に変換する平行光束変換手段
としての円柱レンズ、４はレーザブロックｌの一側面を
含んで設けられた高反射鏡、７は入射されたビームを入
射面内で任意に選んだ第１方向（水平方向）及び第２方
向（垂直方向〉の直交２威分て第１方向の倍率が第２方
向の倍率に比べ大きくして出射し上記レーザブロック１
内でビームが拡大されるよ、うに設けられた第１方向望
遠光学系としての水平方向望遠光学系、５は水平方向望
遠光学系７からの出力光を結合して高反射鏡４側へ折り
返すように設けられた出力結合鏡、６ａはレーザブロッ
ク１と水平方向望遠光学系７間に設けられた空洞内素子
、６ｂは水平方向望遠光学系７と出力結合鏡５間に設け
られた空洞内素子である。

次にこの実施例の動作について説明する。

複数のアレー型もしくはブロードエリア型レーザダイオ
ードＤをモノリシックあるいはハイブリッドに集積して
構成されたダイオードパー２の出力光を例えば円柱レン
ズ３等により垂直方向のみを平行光束に変換しＮｄ　：
　ＹＡＧ、Ｎｄ　：　ＹＬＦ。

Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ等で作製したレーザブロック１内に照
射する。通常アレー型やブロードエリア型ＡｌＧａＡｓ
レーザダイオード出力光の遠視野像は、活性層垂直方向
である垂直方向では単峰、活性層幅方向である水平方向
では高次モードのたし１ ２ 合わされた形状となる。また、出力光の拡がり角度は垂
直方向で３０度、水平方向で１５度程度である。円柱レ
ンズ３の直径をレーザ光のビーム直径である４００μｍ
程度とし、円柱レンズ３とレザダイオードＤとの距離を
３０μｍ程度とすることで垂直方向の出射光を平行光束
に変換できる。

このときダイオードパー２内の個々のレーザダイオード
０間のスペースはどのようにとってもよいが、レーザダ
イオードＤと円柱レンズ３との間隔は±１０μｍ程度の
設定が必要である。第１図の構成では各ダイオードパー
２は高反射鏡４を誘電体多層膜で作製したレーザブロッ
クｌの一側面及び他の２つの側面に対向して配置され、
グイオドパー２の出射光が有効にレーザブロック１内に
入射されるように励起光波長に対して低反射コーティン
グを施しである。励起光はレーザブロック１内で吸収さ
れレーザ光波長に対して利得を有する反転分布を形成す
る。励起光の吸収はレーザブロック１の材料の吸収係数
に依存し例えばｌａｔｍ％のＮｄ：ＹＡＧにおいては５
ｃｍ−’程度の吸収係数を有する。第２図は幅５ｍｍ、
高さ２ｍｍ、長さ５ｍｍ程度の大きさを持つＮｄ　：　
ＹＡＧのレザブロック１を用いた場合のレーザブロック
１内の水平方向反転分布を示したものであり、レザブロ
ック１の側面付近で大きな反転分布を有する。垂直方向
に関しては励起光が単峰の平行光束となっておリガウス
分布となる。このような反転分布を有したレーザブロッ
ク１からの自然放出による発光は、高反射鏡４を施した
側面に対向するレーザ光波長に対して、低反射コーティ
ングを施した側面では反転分布形状を反映し水平方向に
広がった横長のパターンとなる。このパターンを例えば
凸円柱レンズと凹円柱レンズを組合わせ、またはアナモ
ルフィックプリズムにより構成した水平方向望遠光学系
７により水平方向のみ１／１２程度に縮小することで縦
横比がそろって４００μｍ程度のパターンにできる。こ
のパターンを出力結合鏡５で一部折り返し高反射鏡４と
の間で共振器を構成すればレーザブロック１内に生じた
反転分布を効率良くレーザ光に変換できる。従来のう３ ４− ンプ励起固体レーザ装置において例えばＷａ　ｌ　ｔｅ
ｒＫｏｅｃｈｎｅｒ著“５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｌａ
５ｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐ２０１に示されるよ
うにレーザモードボリュームをかせぐ目的で望遠光学系
をレーザ共振器内に挿入するものが知られているが軸対
称にレーザビムの拡大、縮小を行っていたにすぎず、本
実施例のように拡大、縮小の倍率が軸弁対象の場合は内
部で形成されるレーザ光のモードを水平方向と垂直方向
に分離したエルミートガウス分布としてそのモードの安
定性を議論する必要がある。高反射鏡４と水平方向望遠
光学系７の間の光学長をＬｌ。

水平方向望遠光学系７の光学長をＬ２．水平方向望遠光
学系７と出力結合鏡５の間の光学長をＬａ、水平方向望
遠光学系７の水平方向の倍率をＭｘ。

その垂直方向の倍率をＭｙ、高反射鏡４の水平方向の曲
率半径Ｒ１ｘ、その垂直方向の曲率半径をＲ１ｙ、出力
結合鏡５の水平方向の曲率半径をＲ２ｘ、その垂直方向
の曲率半径をＲ２ｙとした場合、第１式、第２式を同時
に果たす条件がモードが安定に存在するための必要条件
である。

（Ｉ　　　Ｌｘ／Ｒ１ｘ）　　（１−Ｌｘ／Ｒ２Ｘ）＜
１・　・　・（１１ （１−Ｌｙ／Ｒ１ｙ）　　（１−Ｌｙ／Ｒ２ｙ）＜１・
　・　・（２） ここで　Ｌｘ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｍｘ−Ｌ３Ｌｙ＝Ｌ１＋Ｌ
２＋Ｍｙ　−Ｌａ・ 実際上は、第１式、第２式を満たしていても、水平方向
、垂直方向の電磁界を台底したレーザモトは共振器内で
非点収差をもってしまい発振闇値が高くなってしまい発
振が生じない場合があるので、出力結合鏡５もしくは高
反射鏡４を平面鏡として用いるか、第３式、第４式を同
時に満足するようにＲ１ｘ、Ｒ１ｙ、Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙを
選ぶことで、レーザ共振器内でのビームウェスト位置を
水平方向、垂直方向ともに位置させ共振器内の非点収差
を除去できる。

Ｌｘ／Ｒ１ｘ＝Ｌｙ／Ｒ１）’　　　　　ＨＨ１３）Ｌ
ｘ／Ｒ２ｘ＝Ｌｙ／Ｒ２ｙ　　　　・・・（４）また出
力結合鏡５を平面鏡にした場合、出射される光のモード
も非点収差を持たない。

レーザ発振モードは第２図に示した水平方向の反転分布
の空間分布を反映してＴ　Ｅ　Ｍ　＋。モードなどの高
次モードとなり易いが、高出力鏡４の反射率分布を水平
方向に対してガウス分布とすることでＴＥＭ、。モード
と高次モードとの闇値利得差を大きくとれる。またＱス
イッチ動作では、電気光学効果を用いるＱスイッチの場
合は例えばＬｉＮｂＯ３やＫＤ”Ｐなどが電気光学結晶
として良く用いられるが結晶の破壊限界が〜１００　Ｍ
Ｗ／　ｃｍ２と低いので空洞内素子６ａとして共振器内
に挿入する場合はレーザブロック１と水平方向望遠光学
系７との間に設置するがレーザ光パワー密度が低いので
望ましい。音響光学結晶を用いる場合は結晶の破壊限界
は高いが、スイッチングに要する時間がレーザ光のビー
ムを横切る時間に比例するので、空洞内素子６ｂは水平
方向望遠光学系７と出力結合鏡５との間に設置するのが
望ましい。

また空洞内素子６ｂとしてＫＴＰなとの波長変換素子を
挿入する場合は、波長変換効率がレーザ光のパワー密度
に比例して大きくなるので水平方向望遠光学系７と出力
結合鏡５との間に設置するのが望ましい。

以上のように本実施例では、励起光により生じた反転分
布を垂直方向に関してはレーザ光とのモト調和、水平方
向に関しては水平方向望遠光学系７により有効にレーザ
発振に利用できるので大変高効率なレーザダイオード励
起固体レーザ装置を構成できる。またダイオードパー２
を構成するレーザダイオードの数を増やしてレーザ光の
パワを増やしていく場合にもダイオードパー２の大きさ
にあわせたレーザブロック１の大きさを設定するだけで
良く、レーザ光パワーの損失の増加、光路調整の変更等
をせずに簡単に出力増加が図れる。さらにレーザ共振器
長がレーザブロック１、水平方向望遠光学系７、空洞内
素子６ａ、５ｂの長さの和できまり５０ｍｍ程度とでき
る。これは従来のものに比べ１／１０〜１／２０の共振
器長でありＱスイッチ動作を行った場合のパルス幅も同
様に減じるため、出力ピークパワーは１０〜２０倍に高
くできる。

７ ８− なお、上述したように高反射鏡４としてはレザ光波長に
対して高反射となり、励起光波長に対して低反射となる
ようなコーティングを施した鏡が用いられる。また、高
反射鏡４としては上記水平方向に対して反射率がガウス
分布を有した高反射コーティングによる鏡が用いられる
。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ダイオードバーからの励
起光を第２方向のみ平行光束としレーザブロックの励起
を行い、レーザブロックから出力される第１方向に横長
の光束パターンを第１方向望遠光学系を用いて縦横比を
そろえ、レーザブロック内ではレーザ光の光路はレーザ
ブロック全域に広がり、出力結合鏡上では縦横比のそろ
った光ビームを得るように構成したので、従来のような
レーザブロック内でジグザグな光路を有せず、レザ光は
レーザブロックの側面間を通過するだけであり、ジグザ
グな光路による上記問題点がなくなる。また、本発明に
よれば、励起分布は励起光が第２方向に関してほぼガウ
ス分布を有した平行光束になるので、第２方向には拡が
りを持たない分布となり、し〜ザ光とのモード調和がと
れる。

また本発明によれば、第１方向に関しては励起分布はレ
ーザブロック内全域に渡り拡がった分布を有するが、第
１方向望遠光学系によりレーザ光をレーザブロック内で
第１方向にレーザブロック内全域に拡張することで励起
エネルギーを有効に取り出せる。したがって、本発明に
よれば、励起レザ光の光路調整が容易になり、Ｑスイッ
チ動作時にはビークパワーが高くとれ、高出力のレーザ
装置を容易に製作でき、コストダウンにもつながるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌはこの発明の一実施例に係るレーザ装置の
構成図、第１図（ｂｌは第１図（ａ）に示すＡ−Ａ’に
よる断面を示す構成図、第２図はこの実施例におけるレ
ーザブロック内の水平方向反転分布の空間分布全説明す
るための図、第３図は従来のレザ装置の構成図である。 １・・・　レーザブロック、２・・・励起用ダ９ ０ イオードバー、３・・・円柱レンズ（平行光束変換手段
）、４・・・高反射鏡、５・・・出力結合鏡、７・・・
水平方向望遠光学系（第１方向望遠光学系）、Ｄ・・・
レーザダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 少なくとも１対の対向する側面を有するレーザブロック
   と、単数もしくは複数の同じ形状のレーザダイオードで
   構成され、かつ各レーザダイオードの出力端面を出力光
   が放射される方向から見て各レーザーダイオードの活性
   層を楕円形状のニア・フィールド・パターンの長軸方向
   に一直線上に整列するように配置された励起用ダイオー
   ドバーと、この励起用ダイオードバーからの出力光のう
   ち上記各レーザダイオードの楕円形状のニア・フィール
   ド・パターンの短軸方向のみを平行光束に変換する平行
   光束変換手段と、上記レーザブロックの一側面を含んで
   設けられた高反射鏡と、入射されたビームを入射面内で
   任意に選んだ第１方向及び第２方向の直交２成分で第１
   方向の倍率が第２方向の倍率に比べ大きくして出射し上
   記レーザブロック内でビームが拡大されるように設けら
   れた第１方向望遠光学系と、この第１方向望遠光学系か
   らの出力光を結合して上記高反射鏡側へ折り返すように
   設けられた出力結合鏡とを備え、上記レーザブロックに
   複数の上記励起用ダイオードバーの出力光を各レーザダ
   イオードの出力光のニア・フィールド・パターンの短軸
   方向と上記第１方向望遠光学系の第２方向を一致させて
   入射するように構成し、上記高反射鏡と上記第１方向望
   遠光学系との間の光学長をＬ１、上記第１方向望遠光学
   系の光学長をＬ２、上記第１方向望遠光学系と上記出力
   結合鏡との間の光学長をＬ３、上記第１方向望遠光学系
   の第１方向の倍率をＭｘ、上記第１方向望遠光学系の第
   ２方向の倍率をＭｙ、上記高反射鏡の第１方向の曲率半
   径をＲ１ｘ、上記高反射鏡の第２方向の曲率半径をＲ１
   ｙ、上記出力結合鏡の第１方向の曲率半径をＲ２ｘ、上
   記出力結合鏡の第２方向の曲率半径をＲ２ｙとして、（
   １−Ｌｘ／Ｒ１ｘ）（１−Ｌｘ／Ｒ２ｘ）＜１・・・（
   １） （１−Ｌｙ／Ｒ１ｙ）（１−Ｌｙ／Ｒ２ｙ）＜１・・・
   （２） ここでＬｘ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｍｘ・Ｌ３ Ｌｙ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｍｙ・Ｌ３ 上記（１）式及び（２）式を同時に満たす条件を有する
   構成にしたことを特徴とするレーザ装置。