JPH0412578A - スラブ形固体レーザ発振装置 - 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〕 本発明は、高出力固体レーザ発振装置に関し、特に平板
（スラブ）状固体レーザ媒質をレーザ光の発振に用いた
スラブ形固体レーザ発振装置に関する。

［従来技術］ 板状結晶のレーザ媒質（レーザ素子ともいう、）を挾ん
でレーザ光路上に反射ミラーと出力ミラーを設けて共振
器を構成する固体レーザ発振装置において、板状結晶（
以下、スラブという、）としてＮｄ−ＹＡＧ単結晶が使
用されている。

従来の固体レーザ発振装置は、第４図に示すように、ス
ラブ１は励起用ランプ４とともに反射箱５に収納され、
これらスラブ１と励起用ランプ４とは反射箱５に導入し
た水で冷却される。

この固体レーザ発振装置において、スラブ１の端面２ａ
、２ｂに対しブリュースター角度θおで、すなわちスラ
ブ１の主面３ａ、３ｂに平行にレーザ光が入射および出
射する（以下、ブリュースター負犬出射という、）よう
に構成していた。この場合、スラブの長軸方向の光路り
上に反射ミラー６と出力ミラー７が配置される。すなわ
ち、反射箱５の外部に露出しているスラブ１の一方の端
面２ａ（ｔｌには全反射ミラー６が、また他方の端面２
ｂ側には出力ミラー７が配置され、これにより共振系を
構成している。

この固体レーザ発振装置で、励起用ランプ４を点灯して
スラブ１中に励起光が透過すると、スラブ１内のＮｄ’
＋イオンが高いエネルギー準位に励起される。

この高いエネルギー単位から低いエネルギー単位に下落
する際にレーザ光か発せられ、このレーザ光がさらに刺
激光となってレーザ光の誘導放出を惹き起こす。

上記共振系は、反射ミラー６で反射しなレーザ光が光Ｆ
Ｉ！ＩＬに沿ったスラブ１の端面２ａで屈折してスラブ
１内に入り、スラブ１の両生面３ａ、３ｂで全反射をく
り返して端面２ｂに到達し、この端面２ｂで再び屈折し
て出力ミラー７に向かい、該出力ミラー７から反射しな
レーザ光が再び光路りを通るよう調整しである。従って
、レーザ光が光路り上を往復する間に増幅されて、その
一部を出力ミラー７かち得るようにする。

このようなスラブ形レーザ発振装置によれは、レーザ光
はスラブ１の両生面３ａ、３ｂで全反射され、スラブ１
のレーザ媒質全体をジグザグに伝搬するので、熱レンズ
効果の影響を受けず、拡がり角の少ないレーザ光を得る
ことができる。

ブリュースター万人出射では、入出射角度はブリュース
ター角度（Ｎｄ−ＹＡＧの場合θお＝６１．２°）によ
り決められる。すなわち、第４図に示すように、スラブ
１の両生面３ａ、３ｂに対して平行にレーザ光を入出射
する場合、スラブ１の端面２ａ、２ｂの傾斜角度θ、＝
２８．８°となる。

ブリュースター万人出射にする理由は次による。

屈折率Ｎ、の物質と屈折率Ｎ２の物質の界面に法線に対
しθ１の角度で屈折１＄Ｎ１の物質から入射して、屈折
率Ｎ２の物質をθ２の角度で進む場合、Ｓ波とＰ波の反
射率Ｒｓ、Ｒｐはフレネルの反射式によりつぎのように
なる。

５ｉｎ２　（θ１−θ２　） Ｒｓ＝ ｓｉｎ’（θ１＋０２） ｊａｎ’（（θ、−θ２　） ここで、θ１と０２の関係は、スネルの式；Ｎ、ｓｉｎ
θｌ　＝Ｎ２　Ｓ　１　ｎθ２の関係がある。

空気からＮｄ−ＹＡＧスラブ１に入射する場合、Ｎ１＝
１、Ｎ２　＝１．８２で、入射角θ１に対する反射率Ｒ
ｐ、Ｒｓは第３図に表わされる。この図においてＲｐ＝
０になる入射角がブリュースター角（６１，２’　）で
ある。

前述のようにブリュースター入出射する理由は、ブリュ
ースター角の時にＰ波の反射率Ｒρが０になり、スラブ
１の端面２ａ、２ｂにおける反射はＳ波のみにすること
かできること、およびスラブ１の両生面３ａ、３ｂに対
して入出射レーザ光を平行にすることかできるからであ
る。

第３図においてＳ波の反射率ＲｓとＰ波の反射率ＲＰの
和は、入射角θ１−Ｏ（スラブｌの端面に対し垂直方向
入出射）の時に最も小になるが、この入出射角度にした
場合、第４図の点ｉｆ！　Ｌ　ａのようにランプ４の端
に当ってしまう。

そのため１人出射光が第４図の光Ｆ＃ＩＬのようにスラ
ブの両生面３ａ、３ｂに対しできるだけ平行になるよう
にして長軸方向入出射させ、光路りか励起用ランプの端
に当らないようにし、しかもＰ波の反射率ＲｐＩｆｉｏ
となるブリュースター万人出射が従来多く行われている
のである。

ブリュースター万人出射の場合、Ｐ波の反射率は０とな
るが、Ｓ波の反射率Ｒｓは約３０％となる。そこで、通
常Ｓ波成分のレーザ光の有効な取り出しのために、スラ
ブ１の端面２ａ、２ｂに、Ｍ　ｇ　Ｆ　２等の材料にて
反射防止コーティングが施される６反射防止コーティン
グを施した場合の反射率Ｒｐ、Ｐ、ｓは各々３％となる
。これか、スラブ入出射に伴う反射損失となる。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のように従来のスラブ形し−サ発振装置では、スラ
ブ１にレーザ光を長軸方向入出射させると、端面２ａ、
２ｂに反射防止コーティングを施しても、例えばＭ　ｇ
　Ｆ　２を単層でλ／４＝０．２６μｍコーティングし
ても、Ｐ波及びＳ波の反射率は各々約３％となり、すな
わち反射損失か２％〜３％あり、レーザ出力もこの影響
を受け、出力に限界があり、高出力化を達成できない原
因となっていた。

また、光のＳ波、Ｐ波を損失なくスラブ１にレーザ光を
入射および出射させるためには、第４図に点線で示すよ
うに、スラブ１の長軸に一定の角度をつけて入出射させ
ることになるが、第４図の点線で示すように、端面２ａ
、２ｂに対し法線近くの角度でスラブにレーザ光を入射
および出射させると、ランプ４の電極にレーザ光の光路
Ｌａが当たってしまうという問題があった。

すなわち、この角度が４５°近くなると、スラブ１周辺
に配置したランプ４の端に設けられた電極にレーザ光か
当ってしまう。

従って、本発明は、スラブにおける入出射時のレーザ光
反射損失が最少限になるようにし、出力の増大を図った
固体レーザ発振装置を提供することを目的とする。

本発明は、スラブに対するレーザ光の入射をスラブの端
面の法線方向から行うこと（以下、垂直方向入出射とい
う、）により、スラブにおける入出射の反射損失を低減
した固体レーザ発振装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のスラブ形固体し−サ発振装置では、励起用ラン
プと板状レーザ媒質を有し、レーザ媒質の長軸方向に対
し傾けてレーザ光を入射および出射するようにし、平行
な２枚の高反射率ミラーかレーザ蝋質の端面に近接して
レーサ蝋質の長軸方向に配置されることにより、該ミラ
ー間にレーザ光を反射させる光路が形成され、レーザ媒
質の光路長が実質的に延長されている。

高反射率ミラーには完全反射コーティングを施したもの
が使用される。

この構成により、レーザ媒質の長軸方向に対して傾けて
レーザ光を入射および出射する場合に、ランプの端にあ
る電極にレーザ光が当たるのを防ぐことができる。

［作用］ 光のＳ波、Ｐ波を損失なくスラブ１にレーザ光を入射お
よび出射させるためには、第１図に示すように、スラブ
１の長軸に一定の角度をつけて入出射させている。しか
し、この角度が４５°近くなると、スラブ１周辺に配置
したランプ４の端に設けられた電極にレーザ光が当って
しまうので、２枚の端部反射ミラー８ａ〜８ｂ、８ｃ〜
８ｄをスラブ１の両端部に配置し、端部反射ミラー８ａ
〜８ｂ及び８ｃ〜８ｄ間でレーザ光が反射する光１ｉＬ
か延長形成されることにより、レーザ光がランプ４の端
に当らないようになる。

本実施例では、従来のブリュースター角では入出射で２
〜３％反射損失かあったものが、その１／１０である０
、２〜０３％の反射損失になり、レーザ出力か向上する
。端部反射ミラー８ａ〜８ｄに高反射率ミラーを使用し
、さらにこの高反射率ミラーに多層誘電体膜の完全反射
コーティングを施して、反射率を９９．８％にすること
により反射損失を少なくする。

［実施例〕 次に本発明のスラブレーザ形発振装置の作用を第１図に
基づき説明する。

第１図は、本発明のスラブ形レーザ発振装置の構成を示
す。

Ｎｄを添加したＮｄ−ＹＡＧ単結晶にて作成したスラブ
１の両端面２ａ、２ｂは互いに平行で、且つスラブの主
面３ａ、３ｂに対して一定の傾斜角度で切り出されてい
る。

スラブ１の端面２ａ、２ｂの近くに端部反射ミラー８ａ
〜８ｄを設けて、レーザ光を端部反射ミラー８ａ〜８ｂ
及び８Ｃ〜８ｄ間で反射させ、スラブ１に入射および出
射する。

この場合、ランプ４の電極にレーザ光があたらないよう
に、端部反射ミラー８ａ〜８ｄの長さや端面角度を設計
する。端部反射ミラー８ａ〜８ｄは、例えば、スラブ１
の端面２ａ、２ｂから６８ｍｍ、８０ｍｍの長さの違う
厚さ３ｍｍ、幅２５ｍｍ高反射率ミラーを間隔１２ｍｍ
でスラブ１の両端に置いた。

また、端部反射ミラー８ａ〜８ｄでの反射損失を少なく
するため、高反射コートをミラー８ａ〜８ｄに刃組した
。

この端部反射ミラー８ａ〜８ｄは、レーザ光が２回反射
してスラブに入出射する。その時の角度はスラブ長軸方
向より３３．０６°傾いている。

レーザ光の誘導放出の原理は、従来例において説明した
通りであり、本発明の構成にて全反射ミラー６で反射し
たレーザ光は端部反射ミラー８ａで反射し、次に対面す
る端部反射ミラー８ｂでさらに反射し、端面２ａに垂直
方向入射する。入射したレーザ光はスラブの主面３ａ、
３ｂで全反射をくり返して端面２ｂから垂直方向出射さ
れる。

出射したレーザ光は、端部反射ミラー８Ｃ２８ｄで反射
し、出力ミラー７に到達し、出力ミラー７から反射した
レーザ光は、再び光Ｆ＃ＩＬ　ａを通るように各ミラー
がＦＩ整されている。この光＃ＩＬ　ａ上をレーザ光が
往復する間に増幅され、増幅されなレーザ光の一部の出
力ミラー７から出射される。

このように端部ミラー８ａ、８ｂ、８Ｃ１８ｄをスラブ
の端面付近に配置することによって、レーザ光をスラブ
１の端面２ａ、２ｂに垂直入出射することか可能となり
、端面２ａ、２ｂでの反射損失を低減できるようになっ
た。

なお、端部反射ミラー８ａ〜８ｄには、反射率を高める
なめ、光学ガラス製の高反射ミラー上にＴ　ｉ　Ｏ２や
Ｍ　ｇ　Ｆ　２などの誘電体多層膜の完全反射コーティ
ングを施す。

第２図に、端部反射ミラー８ａの近くの構成を示しであ
る。スラブ１の端面２ａに近接して端部反射ミラー８ａ
が上下に設けられ、その間に光路Ｌａを形成している。

光路Ｌａの両端にあるレーザ光Ｌｌ、Ｌ２がラング４の
電極４ａと干渉していないのことが示されている。

火里■ユ 第１図の構成にて、Ｎｄ−ＹＡＧスラブ１と共に反射率
１００％の全反射ミラー６と反射率５０％の出力ミラー
７にて共振器を構成した。さらにスラブ１の端面２ａ、
２ｂ付近に端部反射ミラーを４枚８ａ〜８ｂ配置し、レ
ーザ光をスラブ端面に対して大体垂直方向から（法線に
対して１６４°）入出射できるようにした。スラブは、
幅２５ｍｍ、全長１５２ｍｍ、厚さ１０ｍｍとし、端面
角度は４０．５４°とした。

端部反射ミラーは、端部反射ミラー８ａ、８ｄの長さ８
０ｍｍ、端部反射ミラー８ｂ、８ｃの長さ６８ｍｍとし
、いずれも幅２５ｍｍ、厚さ３ｍｍで、光学カラス（Ｂ
Ｋ−７）から作った。なお、この表面には、誘電体多層
膜の完全反射コーティングを施して反射率９９％を得た
。完全反射コーティングは、Ｔ　ｉ　Ｏ２とＳ　ｉ　Ｏ
２を交互に、またハＴ　ｉ　Ｏ２トＭ　ｇ　Ｆ　２を交
互４：ｌ：１５〜３０層コーティングしたものであり、
コーティング厚みが入／２＝０．５３μｍとなった。

励起用ランプ４は、スラブ１の両生面３ａ、３ｂ側に２
本、合計４本を使用した。

パルス電源により、ランプへの入力電力は１０ｋｗ、パ
ルス幅７ミリ秒（ｍｓ）、＜り返し数１０ｐｐｓの条件
にて、レーザ出力２６０Ｗを得ることかできた。

これは、第４図に示す従来例の構成で同一条件にて得た
レーザ出力２００ｗに対し、顕著な利点である。

なお、本発明構成の垂直方向入出射にてＰ波、Ｓ波の反
射率Ｒｐ、Ｒｓを測定した結果、各々０゜３％であり、
これは従来例構成のブリュースター角入射の反射率Ｒｐ
、Ｒｓ各々３％に対し極めて小さくなっている。

［発明の効果〕 本発明の構成にてミラー間でレーザ光を垂直方向入出射
させることにより、従来のブリュースター九人出射に比
べて、反射損失が３％から０．３％に減少し、その結果
レーザ出力は、従来のレー出力に対し、３０％向上し、
レーザ発振効率を上げることかできた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例のスラブ形レーザ発振装置の
構成を示す概略平断面図。 第２図は、第１図もスラブ形レーザ発振装置のスラブ端
部付近の構成を示す概略部分断面図。 第３図は、空気からＮｄ−ＹＡＧスラブに入射する場合
のＰ波、Ｓ波の入射角と反射率の関係を示すグラフ。 第４図は、従来のスラブ形し−ザ発振装装置の構成を示
す概略平断面図。 （この頁以下余白） 図中、参照記号は次のものを示す。 １：レーザ媒質スラブ、 ２ａ、２ｂ＝スラブ端面、 ４：励起用ランプ、 ５：反射箱、 ６：反射ミラー ７：出力ミラー ８ａ、８ｂ＝端部反射ミラー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 励起用ランプと板状レーザ媒質を有し、レーザ媒質の長
   軸方向に対し傾けてレーザ光を入射および出射するよう
   にした固体レーザ発振装置において、平行な２枚の高反
   射率ミラーがレーザ媒質の端面に近接してレーザ媒質の
   長軸方向に配置されていることにより、該ミラー間にレ
   ーザ光を反射させる光路が形成され、レーザ媒質の光路
   長が実質的に延長されていることを特徴とするスラブ形
   固体レーザ発振装置。