JPH03286583A - レーザダイオード励起固体レーザ装置 - 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］ この発明は高効率、高出力、高スペクトル純度を有する
レーザダイオード励起固体レーザ装置の構成方式に関す
るものである。

〔従来の技術） 第８図はウオルター・ケフナー著ソリッドステート　レ
ーザー　エンジニアリング、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ社出版、ｐ３１６　（１９８８）に示された端面
励起方式固体レーザ装置の従来の構成例である。第８図
において、（１）は固体レーザ媒質で作成したレーザブ
ロック、（２）はレーザダイオード、（４）は高反射鏡
、（５）は出力結合鏡、（６）は結合光学系である。

第８図に示した端面励起方式固体レーザ装置ではレーザ
ブロック（１）の吸収波長近傍の発振波長を有するレー
ザダイオード（２）出力励起光を結合光学系（６）によ
りレーザブロック（１）内に集光して人力する。この励
起光はレーザブロック（１）内を伝搬するに従い吸収さ
れレーザ発振に必要な反転分布を形成する。この反転分
布はレーザダイオード（２）出力光の伝搬モートに一致
した空間分布を有しており、レーザブロック（１）内の
１部分だけに集中している。レーザ共振器はレーザ光の
伝搬が励起光の伝搬方向と平行となるように高反射鏡（
４）、出力結合鏡（５）間で構成される。共振器内で形
成されるレーザモードは共振器長と高反射！（４）、出
力結合鏡（５）の曲率半径により変化でき、励起光の伝
搬モードは結合光学系（６）の設定により設定できるの
で、所望のレーザモードを励起光伝搬モードと空間的重
なりを大きくする。

すなわちモート調和をはかるように結合光学系（６）と
レーザ共振器の設定を行って用いられる。

この方式のレーザダイオード励起固体レーザは高い反転
分布密度を反映して閾値が低く、また反転分布の空間分
布によるレーザモード選択性からＴＥＭ００単一横モー
ド発振であることが特徴である。しかし励起するレーザ
ダイオードの数はこの方式では限られてしまい高出力化
には不向きである。第９図は１９７１年１１月に開示さ
れた米国特許第３６２４５４５号に示された従来の側面
励起方式固体レーザ装置の構成例である。第９図におい
て、（３）は複数のレーザダイオードで構成したダイオ
ードバーである。第９図に示した側面励起方式固体レー
ザ装置ではレーザブロック（１）の吸収波長近傍の発振
波長を有する複数のレーザダイオードで構成されたダイ
オードバー（３）出力励起光を結合光学系（６）により
集光、または平行光束に変換してレーザブロック（１）
に人力して励起を行う。レーザ共振器はレーザ光の伝搬
が励起光の伝搬方向と直交するように高反射鏡（４）　
　出力結合！Ｉｔ　（５）間で構成される。励起光はレ
ーザブロック（１）全体にわたって伝搬し、反転分布の
空間分布はレーザブロック（１）全体に広がっている。

このためこの方式のレーザダイオード励起固体レーザ装
置では反転分布密度が低く発振閾値は高い。また反転分
布の空間分布によるレーザモード選択性がないため、横
多モート発振となる。しかし出力の大きいダイオードバ
ー（３）を励起光源として用いることが可能であり、高
出力レーザを構成するには有効な方式である。この２つ
の励起方式を比較してみるとビーム品質、効率の面から
は明らかに端面励起方式が優れているが、高出力化にお
いては側面励起方式が優っている。第１０図はトーマス
・マイケル・ベイアにより特開平１−１２２１８０号に
示された高効率モード調和形固体レーザ装置の構成例で
ある。第１０図に示したモード調和型レーザダイオード
励起固体レーサ装置は、第８図に示した端面励起方式の
特徴を残してレーザ出力光の高出力化をはかるために成
された発明であり、良好なビーム品質、高効率、高出力
を同時に実現するものである。同一基板上に一定の間隔
をもって複数のレーザダイオード、またはレーザダイオ
ードアレーを並べたダイオードバー（３）からの出力光
は結合光学系（６）によりレーザダイオード活性層接合
面に垂直方向のみを平行光束としてレーザブロック（１
）に入力する。レーザ共振器はレーザブロック（１）の
励起光が入力される端面とその端面に対向する端面間で
反射を繰り返すジグザグ光路をとるように高反射鏡（４
）　　出力結合鏡（５）間で構成される。ダイオードバ
ー（３）を構成する各レーザダイオード、またはレーザ
ダイオードアレーの出力光がレーザブロックに入力され
る端面位置を光路の反射点とし、レーザモードと励起光
モードのモード調和をはかることで、ジグザグ光路の各
反射点において端面励起を行っていることになり、低閾
値化、丁ＥＭｏｏモード発振という端面励起方式の特徴
を有し、かつ高出力化がはかれる。モート調和を図る古
注として、ダイオードバー（３）を構成する各レーザダ
イオード、またはレーザダイオードアレーの活性層接合
面に垂直方向に出射される励起光を円柱レンズでレーザ
モードのビーム径程度の平行光束に変換し、またジグザ
グ光路の励起光か入力される端面ての反射角（端面の法
線と光路のなす角度の２倍）を活性層接合面に水平方向
の拡がり角と等しくなるように共振器を設定している。

次に高スペクトル純度を有する、従来のレーザダイオー
ド励起固体レーザ装置について述べる。

単一縦モート発振を行う、従来のレーザダイオード励起
固体レーザ装置としては、Ｊ、Ｊ、Ｚａｙｈｏｕｓｉ＜
ｉｅｔ、ａｌによりＯｐｔ、Ｌｅｔｔ、ｖｏｌ、１４．
ｐ２４　　（１９８８）に示されたマイクロチップＮｄ
レーザ、Ｔ、Ｊ、Ｋａｎｅ　ｅｔａｌ、によりＯｐｔ、
Ｌｅｔｔ、ｖｏｌ、１０．ｐ６５　　（１９８５）に示
されたＮｄ　：　ＹＡＧ　リングレーザが知られている
。マイクロチップＮｄレーザはＮｄ　：　ＹＡＧレーザ
共振器長を７５０μｍと雑兵振器化をはかり共振器の自
由スペクトルレンジ（ＦＳＲ）をレーザ媒質の利得帯域
幅程度に広くとったことで利得帯域幅内で一本の縦モー
ドのみ位相整合条件を満足するようにして車−モード化
をはかつている。Ｎｄ　：　ＹＡＧ　リングレーザでは
、リング共振器では定在波でなく進行波が形成されるこ
とで発振レーザ縦モードが他の位相整合条件を満足する
縦モードの利得を十分に消費する性質に基づいて単一モ
ード化をはかつている。これらの単一モードレーザは、
その単一モート化の方式がどちらも共振器長が短かい場
合有効であるため、励起方式としては端面励起方式を用
いており高出力化には不向きである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のレーザダイオード励起固体レーザ装置は以上のよ
うに構成されており高効率、高出力化をはかるためには
端面励起方式で高出力化をはかったモード調和型が最も
通している。しかしこのモート調和型レーザダイオード
励起固体レーザ装置を実現するためにダイオードバー（
３）を構成する複数のレーザダイオードまたはレーザダ
イオードアレー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（５）　　出力結合鏡（６）及びダイオード
バー（３）の配置を調整することが難しかった。またジ
グザグ光路を形成するためにレーザブロック（１）　ｆ
１面に高反射コーティングを施す必要があり、このコー
テイング膜での吸収や散乱、作製精度などによる反射損
失は反射回数が多くなると無視できず、２０回の反射で
１５％以上の損失となるなど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
。

また従来の構成ではレーザ共振器がジグサグ光路をとる
ため共振器長が長くなってしまい、レーザ発振可能な縦
モードの間隔が狭くなるため、利得を有する波長内に多
数の縦モードが存在し縦マルチモード発振となりスペク
トル純度は低かった。

この発明は係る難点を解決するためになされたものであ
り、レーザ共振器の調整か不要であり、高出力時にも安
定な縦単一モート発振を行う高効率、高スペクトル純度
のレーザダイオード励起固体レー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） この発明によるレーザダイオード励起固体レーザ装置は
、少なくとも１つの平面を有する固体レーザ媒質と、該
固体レーザ媒質を含み共振器を構成する２枚の反射鏡と
、回折格子を形成し、上記固体レーザ媒質の平面に形成
された先導波路と、該先導波路の回折格子に対向して設
置された複数のレーザダイオードで構成されるダイオー
ドバーと、該ダイオードバーの各レーザダイオードより
射出された励起用出力光を平行ビームにして回折格子に
結合させる結合光学系とを備えたものである。

〔作用〕

この発明におけるレーザダイオード励起固体レーザ装置
は、励起光、レーザ光をともに単一の光導波路内を拡か
りなく伝搬させ、主に先導波路からの励起光、レーザ光
のしみ出しによりレーザ媒質を通してエネルギーの結合
を行う。一般に励起光はレーザ光より短波長であるので
しみ出しの量はレーザ光のほうが大きく励起光のエネル
ギーはほとんど１００％に近い効率でレーザ光の増幅に
あてられる。また励起光の導波路への結合を回折格子に
より行っており、この回折格子のピッチをレーザ光に対
してブラッグ反射条件を満足させるように設定しである
のでこの回折格子により車の発振波長のみを選択的に反
射させ共振器内で共振させる分布帰還形や分布反射形の
レーザ装置が構成てきレーザ共振器長に無関係に単一モ
ート化がはかれる。

〔実施例） 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明の一実施例を示す構成
図であり、（７）は先導波路、（８）は先導波路（７）
上に作製した回折格子である。また（９）はマイクロレ
ンズアレー　（ｌＯ）は円柱レンズ、（１１）は縮小光
学器でありこれらは結合光学系（６）の構成要素である
。レーザブロック（１）は幅５■、高さ５　ｍｍ、長さ
２０ｍｍ程度の大きさのＮｄ　：　ＹＡＧ　、　Ｎｄ：
ＹＬＦ　、　Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ等の固体レーザ媒質であ
り高出力化に応じて長さを長くしても良い。ここではレ
ーザブロック（１）の幅方向をＸ、高さ方向をＹ、長さ
方向を２として説明を行う。このレーザブロック（１）
を基板としてＹ−Ｚ平面上にガラスの光導波路（７）を
作製する。光導波路（７）としてＹ−Ｚ平面上でＸ方向
のみ光を閉じ込める２次元導波路とするためガラス材料
としてはレーザブロック媒質より高屈折率のものを用い
る。例えば屈折率１．８２のＮｄ：ＹＡＧの場合屈折率
１．８５のショット社Ｌａ　５Ｆ８１５などを、また常
光屈折率１．４４、異常光屈折率１．４７のＮｄ　：　
ＹＬＦの場合はスパッタ時の屈折率が１．５３程度のコ
ーニング社の７０５９ガラスなどが使用できる。屈折率
１．８２のＮｄ　Ｉ　ＹＡＧ上に屈折率１．８５のショ
ット社Ｌａ　ＳＦ　Ｎ１５の光導波路（７）を１μｍ厚
で作製した場合、１．０６４　μｍのＮｄ：ＹＡ［ｉレ
ーザ発振波長に対し横車−モード導波路となり、閉し込
メ係数は５５％、７Ｍモードに対する等偏屈折率は１．
８４６である。このとき８０８ｎｍの励起光波長に対し
ても横車−モード導波路として作用し閉じ込め係数は７
０％、７Ｍモードに対する等偏屈折率は１．８３９であ
る。つまり先導波路（７）を伝搬する励起光の３０％が
先導波路（７）からしみ出しレーザブロック（１）内で
吸収される。ｌａｔｍ％濃度のＮｄＹＡＧの場合８０８
ｎｍの励起光波長に対しての吸収係数は５　ｃｍ−’程
度なので先導波路（７）伝搬時における有効な吸収係数
は１．５ｃ１１１−’　となる。光導波路（７）上の１
部分に格子ベクトルを２方向とする回折格子（８）を作
製する。この回折格子（８）は励起光の光導波路（７）
への結合及びレーザ光に対するブラッグ反射器を兼ねて
いる。回折格子（８）としては西原他“光集積回路”オ
ーム社（１９８５）ｐ２１５〜ｐ２３０に述べられてい
るように屈折率変調形、レリーフ形どちらを用いても良
い。作製は２光束干渉によるパターニング、リフトオフ
またはエツチングによる金属膜へのパターン転写ののち
、屈折率変調形では転写パターンをマスクとしてのイオ
ン交換もしくはイオン注入、レリーフ形では転写パター
ンをマスクとしてのイオンビームエツチング等で容易に
行える。回折格子（８）としてレリーフ形を選んだ場合
回折格子（８）の溝深さは１００〜１２０人程度とすれ
程度く形状は励起光の結合効率を高くできるブレーズ形
などが望ましい。また回折格子（８）のピッチ八として
はレーザ光波長に対しブラッグ反射条件を満たすように
とる。第１式に回折格子（８）のピッチとブラッグ反射
条件を満たすレーザ光波長λ、の関係を示す。

Ａ＝λ、・ｑ／２・ｎ□　　　　　　　　（１）ｎｅｑ
Ｌ：光導波路（７）のλしての等偏屈折率ｑＬ二回折格
子（８）のλ、での次数 回折格子（８）の次数ｑとして高い次数のものを選ぶと
回折格子（８）による反射光の内１次以外は光導波路（
７）の外へ放射されてしまうので１次の回折格子（８）
を作製するのが望ましい。

ｑ　ｌ　＝　１．λＬ＝　１．０６４　、　ｎ　ｅａ’
　＝　１．８４５とした場合のピッチＡは２８８ｎｍで
ある。

このピッチの回折格子（８）はダイオードバー（３）か
ら出射される励起光を先導波路（７）に結合するための
結合器として作用する。第１図（ａ）のように励起光の
回折格子（８）となす角度をθとすると励起光波長大２
、ピッチ八とθの関係は第２式となる。

一ｃｏｓ　θ＝ｎｅｑ　　　Ｑｐ　◆λｐ／Ａ　　　（
２）０．９　：先導波路（７）のλ２ての等偏屈折率ｑ
ｐ　二回折格子（８）のλ２ての次数ｑＰ　＝　１．λ
、　、＝０．８０８　μｍ、　ｎｅｑ’　＝１．８３９
てのθは１５度となる。

ダイオードバー（３）は構成要素のレーザダイオードの
活性層接合面に垂直な方向をＹ方向とし、レーザ光出射
方向とＺ方向の成す角度をθとするように設置する。ダ
イオードバー（３）、回折格子（８）間には結合光学系
（６）が必要である。ダイオードバー（３）の長さは１
　ｃｍ程度であり、バーを構成する個々のレーザダイオ
ードやレーザダイオードアレーの出射光は第２図（ａ）
　、　（ｂ）に示すように活性層接合面に垂直方向と水
平方向で遠視野像の形状が異なる。垂直方向ては遠視野
像は単峰で拡がり全角は３０度程度、水平方向では広い
活性層幅に依存して多くの高次モードの足し合わせとな
り拡がり全角数置〜１５程度度で双峰や平坦な遠視野像
となる。回折格子（８）による励起光の光導波路（７）
への結合は格子ベクトル方向（Ｚ方向）では励起光の入
射角度θに大きく依存するために活性層接合面に水平方
向に対する励起光の拡がり角度を小さくする必要がある
。このため結合光学系（５）としてはダイオードバー（
３）を構成する個々のレーザダイオードやレーザダイオ
ードアレーごとに出射光を平行化するための小型のコリ
メートレンズが必要である。このようなコリメートレン
ズとしては伊賀他、電気学会誌、　１０３巻。

２号、　ｐｐ２５−３２　（１９８３）に示されたマイ
クロレンズアレー（９）などを用いることができる。こ
のレンズアレーを用いた場合活性層接合面に垂直方向で
は数ｍｒａｄ、水平方向で５０ｍ　ｒａｄ程度のコリメ
ート光か得られる。このコリメート光の内情性層接合面
に垂直方向の光のみを垂直方向のみに曲率を有した円柱
レンズ（１０）で回折格子（８）上に集光することによ
り励起光の先導波路（７）への結合がてきる。励起光の
光導波路（７）への結合効率をさらに高めるためにはレ
ーザダイオード、レーザダイオードアレー間の位相同期
を行ったダイオードアレー（３）を用いれば良い。位相
同期をとる方法としては第３図に示すような外部共振器
構成とする方法が良く用いられる。この場合、ダイオー
ドバー（３）出射の水平方向での拡がり角は１　ｍｒａ
ｄ以下となるため回折格子（８）との高い結合が得られ
る。ダイオードバー（３）の大きさが１　ｃｍ程度の場
合、回折格子（８）への入射角度θが大きいため励起光
のパターンは格子ベクトル方向（２方向）において４ｃ
ｍにも拡がってしまう。これを是正するために円柱レン
ズ（１０）と回折格子（８）の間に、活性層接合面に水
平方向に対してビーム径を変換する縮小光学器（１１）
を設置しても良い。縮小光学器（１１）は第４図（ａ）
　、　（ｂ）に示すような活性層接合面に水平方向に対
して曲率を有する凸円柱レンズと凹円柱レンズの組み合
わせや、アナモルフィックプリズムペアで実現できる。

縮小倍率として１／４程度を選ぶと回折格子（８）上で
の励起光のパターンは格子ベクトル方向（２方向）にお
いて［ｍｍ、これに垂直な方向では数μｍ程度の線状パ
ターンとなる。先導波路（７）に結合された励起光は先
導波路（７）を伝搬するに従って先に述べた吸収係数で
減衰する。このとき励起光強度に従ってレーザブロック
（１１の先導波路（７）との接合面近傍に反転分布が生
しる。この時の光導波路（７）内の励起光強度を第５図
（ａ）　、　（ｂ）　に模式的に示す。

この反転分布により光導波路（７）は、１．０６４μｍ
のレーザ波長に対し利得を有する。レーザ発振を行うた
めの共振器は光導波路（７）の端面に誘電体膜で作成さ
れた出力結合鏡（５）と、回折格子（８）によるブラッ
グ反射器間で構成される。ブラッグ反射器は良く知られ
ているようにブラッグ条件を満足する波長に対し高い反
射率を有する。このためこのレーザはブラッグ波長で選
択的に縦単一モートて発振する。また横モードはＸ方向
に関しては、先導波路（７）により零次モードが選択さ
れ、またＹ方向に関しては、励起光分布が第５図（ｂ）
に示したように単峰性てありレーザの零次モードと調和
するのでＴＭｏｏ、またはＴＥｏｏモードで発振する。

第６図はこの発明の他の発明の一実施例を示す構成図て
あり、先導波路（７）上の全領域に回折格子（８）を作
製したものであり、この場合、レーザはＤＦＢ（Ｄｉｓ
ｔｒｉ−ｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ）レーザとな
り、第１図の実施例と同様の動作を行う。

第７図はこの発明の他の一実施例を示す構成図であり、
先導波路（７）上に回折格子（８）を２ケ所作製し２方
向から励起を行うものである。このとき、共振器は２個
のブラッグ反射器て構成てきレーザはＤＢＲ（Ｄｉｓｔ
ｒｉｂｕｔｅｄ−Ｂｒａｇｇ−１’１ｅｆｌｅｃｔｅｒ
　）レーザとして動作し第１図の実施例と同様の動作を
行う。

また、本実施例においてダイオードバー（３）を構成す
るレーザダイオードは接合面水平方向に光を出射すると
して説明したか、接合面垂直方向に光を出射するものを
用いても良い。また先導波路（７）としてＸ、Ｙ２方向
に光を閉し込める３次元光導波路を用いても良い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、レーザブロック上に
先導波路を形成し、先導波路に励起光、レーザ光を導波
させレーザブロックへの光のしみ出しを利用して結合を
行っているのでＴＥｏｏまたはＴＭｏｏレーザモードの
高効率な励起が可能である。また先導波路上に作製した
回折格子をレーザ光に対するブラッグ反射器として用い
ているので単一の縦モードが選択されて発振するので高
スペクトル純度を有するレーザが実現できるとともに、
この回折格子を励起光の光導波路への結合器として用い
ているので、高出力のダイオードバーを励起光源として
用いることが可能であり高出力化に適し、従って、高出
力、高効率、高スペクトル純度、高ビーム品質のレーザ
ダイオード励起固体レーザが実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）はこの発明の一実施例による
レーザダイオード励起固体レーザ装置の構成図、第２図
（ａ）〜（Ｃ）はレーザダイオード出力光の出射パター
ンの模式図、第３図は位相同期をかけたダイオードバー
の構成図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は縮小光学系の構
成図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は先導波路内の励起光
の大きさを示す概念図、第６図および第７図はこの発明
の他の実施例を示す構成図、第８図ないし第１０図は従
来のレーザダイオード励起固体レーザ装置の構成図であ
る。 （１）はレーザブロック、（２）はレーザダイオード、
（３）はダイオードバー　（４）は高反射鏡、（５）は
出力結合鏡、（６）は結合光学系、（７）は先導波路、
（８）は回折格子、（９）はマイクロレンズアレー　（
１０）は円柱レンズ、（１１）は縮小光学器である。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１つの平面を有する固体レーザ媒質と、該固
   体レーザ媒質を含み共振器を構成する２枚の反射鏡とを
   備えたレーザダイオード励起固体レーザ装置において、
   回折格子を形成し、上記固体レーザ媒質の平面に形成さ
   れた光導波路と、該光導波路の回折格子に対向して設置
   された複数のレーザダイオードで構成されるダイオード
   バーと、該ダイオードバーの各レーザダイオードより射
   出された励起用出力光を平行ビームにして回折格子に結
   合させる結合光学系とを備えたことを特徴とするレーザ
   ダイオード励起固体レーザ装置。