JPH0462881A

JPH0462881A - レーザーダイオードポンピング固体レーザー

Info

Publication number: JPH0462881A
Application number: JP16589190A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Hiuga; 浩彰日向; Yoji Okazaki; 洋二岡崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1992-02-27
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JP2670638B2

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、固体レーザーロッドを半導体レーザ（レーザ
ーダイオード）によってポンピングするレーザーダイオ
ードポンピング固体レーザーに関し、特に詳細には、そ
の固体レーザーロッド自身か光波長変換機能を有し、固
体レーザー発振ビームをその第２高調波、もしくは固体
レーザー発振ビームと別のレーザービームをそれらの和
周波等の波長変換波に波長変換するようにしたレーザー
ダイオードポンピング固体レーザーに関するものである
。

（従来の技術）例えばＳ　Ｐ　Ｉ　Ｅ　Ｖｏｌ、１１０４　ｐＬＯＯＭ
ａｒｃｈ　ｌＨ９に記載されているように、Ｎｄ　（ネ
オジウム）等の希土類がドーピングされ、かつ光波長変
換機能を有する固体レーザーロッドとして、Ｎｄ：Ｃ０
ＡＮＰ、Ｎｄ　　：ＰＮＰ等か公知となっている。また
そのような固体レーザーロッドとして、同誌ｐ］３２に
記載されているように、Ｎｄ　　：　Ｌｉ　Ｎｂ　０３
ＮＹＡＢ　　（Ｎｄ　ｘ　　Ｙ＋−ｘ　　ＡＪ！３　（
ＢＯ３）ａ　　　Ｘ＝　０．０４〜０．０８）等も公知
であり、これらは、ＳｅｌｆＦｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｏ
ｕｔ）ｌｉｎｇ　Ｃｒｙｓｔａｌ　と呼ばれている。

これらを用いたレーザーダイオードポンピング固体レー
ザーとしては、Ｓ　Ｐ　Ｉ　Ｅ　　Ｖｏｌ、ＢＯ４ｐｌ
−３２Ｍａｒｃｈ　１９８９や、レーザー研究Ｖｏ１．
１７　　Ｎｏ、１２　ｐ４８（１９８９）に示されるよ
うに、ＮＹＡＢ結晶を用い、レーザーダイオードポンピ
ングによるその発振レーザビームの第２高調波を得るも
のか知られている。またＪ、　　Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　
Ａｍ　Ｖｏｌ、３　ｐＬ４０（１９８６）には、Ｎｄ　
：Ｍｇ　Ｏ：Ｌｉ　Ｎｂ　０３を波長０，６０μｍの色
素レーザーにより励起し、その発振レーザービームの第
２高調波を得ることか示されている。

（発明が解決しようとする課題）ところが、このような波長変換機能を備えた従来の固体
レーザーにおいては、非線形光学結晶。

固体レーザーロッド、出力ミラー１発振レーザービーム
を縦モードシングル化して波長変換波のパワーを安定さ
せる機能を有するエタロン板や、波長板等の光学素子か
固別に配置され、かつ固別にレーザー用部品として加工
、研磨、コートされていた。そのために、加工表面には
発振レーザービームの散乱および各コート膜による吸収
２散乱。

反射等が生じてしまい、さらには各部品内部の吸収によ
り共振器内の内部ロスが数％以上と非常に大きなものと
なってしまっていた。これらの内部ロスは、部品点数が
多ければ多いほど増大する。

そのため、共振器内の発振レーザーパワーが小さくなり
、その結果、波長変換効率か低下してしまうという問題
点があった。

また、上記の内部ロスが従来は数％と高かったために、
固体レーザーのポンプ光源としては、高出力のアレイ・
レーザーが一般に用いられている。

すなわち、それにより共振器内のロスをカバーして高出
力の共振器内内部パワーを得、波長変換効率を向上させ
るようにしていた。しかし従来のアレイ・レーザーでは
、そのスペクトル線幅が数ｎｍもあるために、固体レー
ザーの発振効率が低く、このことは、エネルギーの利用
効率の低下につながっていた。

また、従来のこの種のレーザーダイオードポンピング固
体レーザーは、共振器構造がファブリペロ−型のものと
なっていたので、発振モードがマルチ縦モードとなって
いる。そのため、従来のレーザーダイオードポンピング
固体レーザーにあっては、発振レーザービームの縦モー
ド間のモード競合により、パワーが不安定になるという
問題点があった。

そこで、発振レーザービームを縦モードシングル化して
波長変換波のパワーを安定化するために、共振器内に前
述のエタロン板や波長板を挿入することが考えられるの
であるが、それらは非常に内部ロスを増大させるために
、高出力なアレイ・レザーもしくはブロードエリアレー
ザーを用いざるを得なかった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、波長変換効率が高く、そしてエネルギ利用効率が良く
、かつ発振モードがシングルモードで波長変換波のパワ
ーが安定するレーザーダイオードポンピング固体レーザ
ーを提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段および作用）本発明のレー
ザーダイオードポンピング固体レーザーは、前述したよ
うにＮｄ等の希土類がドーピングされ、かつ光波長変換
機能を有する固体レーザーロッドを、半導体レーザーに
よってポンピングするレーザーダイオードポンピング固
体レーザーにおいて、固体レーザーロッドをリング共振器構造とし、それによ
る発振レーザービームの第２高調波もしくは、半導体レ
ーザービームと発振レーザービームの和周波等の波長変
換波を取り出すことを特徴とするものである。

上記固体レーザーロッドしては、通常のＳｅｌｆ−Ｐｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｏｕｂｌｉｎｇ　Ｃｒｙｓｔａｌと
呼ばれる材料、すなわち前述のＮＹＡＢ、Ｎｄ　：Ｍｇ
　Ｏ：　Ｌｉ　ＮｂＯ３、Ｎｄ　　：　ＰＮＰ等を用い
ることができる。またその他に、無機材料であるＫＴＰ
、　　β−ＢＢＯ。

Ｌｊ　Ｂ２Ｏ３，ＫＮｂ　０３　、カルコパイライト系
の半導体にＮｄ等の希土類をドープした波長変換用の非
線形光学材料を用いることも可能である。

特にＫ　Ｔ　Ｐは非線形光学定数が大きく、温度許容範
囲、角度許容範囲も大きいので、高い波長変換効率を実
現できる。

さらにＮｄ：ＰＮＰに代表されるように、ＮＰＰ　（Ｎ
−（４−二トロフェニル）−Ｌ−プロリノール）、ＮＰ
ＡＮ　（Ｎ−（４−ニトロフェニル）Ｎ−メチルアミノ
アセトニトリル）、特開昭６２−２１−０４３２号公報
に開示されたＰＲＡ　（’３．５−ジメチルー１−（４
−ニトロフェニル）ピラゾール）等の有機非線形光学材
料に希土類をドープしたものも用いることができる。特
にＰＲＡは非線形光学定数が先のＫＴＰよりも大きく、
温度許容範囲が大きいので高い波長変換効率を実現でき
る。

これらの固体レーザーロッドそのものを共振器とするこ
とにより、部品点数か減り、加工研磨面およびコート面
が最も少なくすれば３面のみとなり、かつレーザー発振
ビームの吸収媒体も１つとなり、大幅に内部ロスを低減
させることかできる。

その結果、発振レーザービームの内部パワーか増大し、
波長変換効率が大幅に向上する。

そして共振器をリング共振器としたので、定在波の発生
を抑えてシングルモード化でき、よって前述した縦モー
ド競合がなくなり、波長変換波のパワーを安定化するこ
とができる。

また、半導体レーザービームと固体レーザー発振ビーム
の和周波を発生させる場合の効率は、従来、その半導体
レーザービームのパワーレベルが低いために第２高調波
の効率より低く、実用的ではなかった。しかし本発明に
おいては、発振レーザービームの内部ロスが低減するこ
とでその内部パワーが増大する結果、和周波発生の場合
も高効率化することが可能となる。

本発明のレーザーダイオードポンピング固体レザーにお
いて、好ましくは、ボンピング用半導体レーザーとして
単一横モード、単一縦モード半導体レーザーが用いられ
る。本発明においては、前述のように内部ロスを極端に
小さくできるので、これらの半導体レーザーにより少パ
ワーでボンピングしても十分な波長変換効率が得られる
。

さらに、これらの単一横モード、単一縦モード半導体レ
ーザー光は、スペクトル線幅が０．１ｎｍ以下と、前述
のブロードエリアレーザーやアレイ・レーザーよりも狭
いので、十分に固体レーザーに吸収され、固体レーザー
の発振効率を高めることができ、よってエネルギー利用
効率を向上させることができる。また、アレイ・レーザ
ーを用いる場合と異なり、回折限界まで集光できるので
、ポンピング光と発振レーザー光とのモードマツチング
が向上し、その点からも発振効率を向上させることがで
きる。

さらに和周波発生の場合、アレイ・レーザー光と発振レ
ーザービームの和周波は、アレイ・レーザー光のビーム
が回折限界ビームでないため良好に集光できないという
問題点があるが、上記単一縦モード、単一横モードレー
ザーでは回折限界ビームを得ることが可能となり、十分
良好に集光することができる。

（実　施　例）以下、図面に示す実施例に基づいて、本発明の詳細な説
明する。

第１図は、本発明の第１実施例によるレーザーダイオー
ドポンピング固体レーザーを示すものである。このレー
ザーダイオードポンピング固体レーザーはポンピング光
としてのレーザービーム１゜を発する半導体レーザー月
（単一縦モードあるいは単一横モードレーザー、以下、
ＬＤと称する）と、発散光である上記レーザービーム１
０を平行光化するコリメーターレンズ１２と、平行光と
されたレーザービーム１０を集光する集光レンズ１４と
、ＳｅＩｆ−Ｐｒｅｑｕｓｎｃｙ−Ｄｏｕｂｌｊｎｇ　
ＣｒｙｓｔａｌであるＮＹＡＢロッド１３とからなる。

以上述べた各要素は、例えば共通の筐体（図示せず）に
マウントされて一体化されている。また、これらの要素
をモノリシックに形成することも可能である。なおＬＤ
ｌ、１は、ペルチェ素子１６と図示しない温調回路によ
り、所定温度に温調される。

このＬＤＩＩは、波長λ１＝８０４　ｎｍのレーザービ
ーム１０を発するものか用いられる。一方ＮＹＡＢロッ
ド１３は、ドーピングされているネオジウム原子が、上
記レーザービーム１０によって励起されることにより、
λ２　＝ＩＯＢ２ｎｍのレーザービーム１５を発する。

共振器は、ＮＹＡＢロッド１３のみによって、レンゲ共
振器として形成される。すなわち、入力側共振器ミラー
として、ＬＤｌ、Ｉ側のロッド端面１３ａが、曲率「１
コ心がレンズ］２．１４の光軸から外れた球面に形成さ
れ、その表面には、波長１０６２ｎ　ｍのレーザービー
ム１５は良好に反射させ（反射率９９，９％以上）、波
長８０４ｎｍのポンピング用し−ザービム１０は良好に
透過させる（透過率９９％以上）コーティングが施され
ている。出力側共振器ミラーはもう一方のロッド端面１
３ｂが、上記と同様に曲率中心がレンズ１２．１４の光
軸から外れた球面に形成されてなり、その表面には、上
記波長のレーザービームｊＯおよび１５を良好に反射（
反射率９９．９％以上）させ、そして後述する波長５３
１ｎｍの第２高調波１５゛　は良好に透過させるコーテ
ィングが施されている。

一方ＮＹＡＢロッド１３の下表面１３ｃは平坦に研磨さ
れ、そこには、上記波長のレーザービーム１゜および１
５を良好に反射させるコーティングが施されている。な
お第２図に、このＮＹＡＢロッド１３の斜視形状を示す
。

上記構成のＮＹＡＢロッド１３において、波長１０Ｂ２
ｎｍのレーザービーム１５は、共振器の各面１３ａ１］
、３ｂおよび１３ｃで次々に反射して１つの環状経路内
に閉じ込められ、レーザー発振を起こす。

このレーザービーム１５は、発振媒体でかつ波長変換機
能を有するＮＹＡＢロッド１３内で、波長が１／２ずな
わぢ５８１ｎｍの第２高調波１５′　に波長変換される
。なおＮＹＡＢロッド１３は、波長１ｏ６２ｎｍと５３
１ｎｍとの間でＴＹＰＥＩの角度位相整合が取れるよう
に結晶がカットされてなる。共振器の出力側ミラー１３
ｂには、前述した通りのコーティングか施されているの
で、この共振器からは、第２高調波１５′が効率良く取
り出される。

ここで本実施例の場合、ポンピング光である半導体レー
ザービーム１０の出力を１００ｍＷとしたときに、第２
高調波１５′　の出力は約１．０　ｍＷとなっ１また。ロッド１３の全長が約７ｍｍと非常に短いのにもか
かわらず、本実施例の場合は内部ロスが１％以下に低減
し、高効率の波長変換が可能となった。

また、本実施例装置の共振器はリング共振器構造である
ので、定在波が発生しない。そこで発振レーザービーム
１５は単一縦モード発振し、その結果、パワーが安定し
た第２高調波１５′　を得ることができる。

なお上記構成のリング共振器において、通常レーザービ
ーム１５は、第１図中で右回りにもまた左回りにも進行
するようになるか、この種のリング共振器について従来
より知られているように、レーザービーム１５に磁界を
作用させてその偏波面を、制御し、レーザービーム１５
を一方向のみに（本実施例では第１図中布回りのみに）
進行させることも可能である。そのようにすれば、レー
ザービーム１５がＬＤＩＩに入射することをより確実に
防止できる。

また本実施例では、ＮＹＡＢロッド１３が温度変化を受
けたときその各面１３ａ　％　１３ｂ　％　Ｌ３ｃ間の
距離が変動することになるが、そうなっても発振波長が
極く僅か変化するのみで、レーザー発振そのものが不可
能になることはない。したがって、ＮＹＡＢロッド１３
を温調しなくても、十分実用が可能である。

次に第３図を参照して、本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第３図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を（＝ｔ　Ｌ、それらについて
の重複した説明は省略する。

この実施例は、和周波を発生するように構成されたもの
である。このレーザーダイオードポンピング固体レーザ
ーにおいては、ポンピング源のしＤ４１として、フェー
ズドアレイレーザーが用いられている。このＬＤ４１は
、波長８０４ｎｍのレーザービーム４０を発する。また
コリメーターレンズ１２と集光レンズ］４との間にはビ
ームスプリッタ４２が配され、このビームスプリッタ４
２には、もう１つのＬＤ（単一縦モードレーザー）４３
から発せられコリメーターレンズ４４によって平行光と
された、波長８３０ｎｍのレーザービーム４５が入射せ
しめられる。このレーザービーム４５はビームスプリッ
タ４２によって、ボンピング光であるレーザービーム４
０と合波され、ＮＹＡＢロッＦ’１３に入射される。

なお、上記ＬＤ４］、４３は各々、ペルチェ素子１６と
図示しない温調回路により、所定温度に温調される。

ＮＹＡＢロッド１３に入射した波長λ□＝８３０　ｎｍ
のレーザービーム４５と、波長λｚ＝ＩＯＢ２ｎｍのＮ
ＹＡＢロッド１３の発振ビーム４６は、このＮＹＡＢロ
ッドＪ３自身によって、波長λ３　＝４６６　ｎｍの和
周波４７に波長変換される。なおＮＹＡＢロッド１３は
、ＴＹＰＥＩの角度位相整合が成立するようにカットさ
れている。

また、ＮＹＡＢロッド１３の入射端面１３ａには、波長
１１０６２ｎに対してＨＲ（高反射）、波長８０４ｎｍ
と８３０ｎｍに対してＡＲ（無反射）のコートが施され
、−力出力端面１３ｂには、波長１０Ｂ２ｎｍ。

８０４ｎｍおよび８３０ｎｍに対に対してＨＲ，波長４
［ｉ６ｎｍに対してＡＲのコートが施され、下表面１３
ｃには、波長１０Ｂ２ｎｍ、　８０４　ｎｍおよび８３
０　ｎｍに対するＨＲコートが施されている。それによ
り、波長ＬＯ６２ｎｍのレーザービーム４６が閉じ込め
られてレーザー発振し、また、波長λ３　＝４ＢＢ　ｎ
ｍの和周波４７が出力端面１３ｂから取り出される。

このようにして、ＩＷの半導体レーザービーム４０と、
１００　ｍＷの半導体レーザービーム４５から、１ｍＷ
の和周波４７が得られた。

以上、Ｓｅｌ　ｒ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｏｕｂｌ　
］ｎｇ　ＣｒｙｓｔａｌとしてＮＹＡＢ結晶を例にとっ
て説明したが、本発明においては、その他の結晶として
Ｎｄ：ＭｇＯ：Ｌｊ　Ｎｂ　０３　やＮｄ　：　ＫＴＰ
ＳＮｄ　：　ＰＮＰ等も同様にして用いることか可能で
ある。これらの材料はＮＹＡＢ結晶より大きな非線形光
学定数を有することがあり、したがってそれらを用いれ
ば、さらに効率良く波長変換波を得ることが可能となる
。

また以上の実施例では、Ｎｄの発振ラインの１μｍ帯の
みで説明してきたが、本発明のレーザダイオードボンピ
ング固体レーザーにおいてはその内部ロスを低減可能で
あるので、Ｎｄの発振うインの０．９μｍ帯、１，３μ
ｍ帯の発振も可能となり、その発振ビームの第２高調波
、およびその発振ビームと半導体レーザービームとの和
周波等の波長変換波を、効率良く得ることができる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明のレーザーダイオードボ
ンピング固体レーザーは、波長変換機能を有する固体レ
ーザーロッド自体を共振器としたので、内部ロスを減少
させて内部パワーを増大させ、それにより波長変換効率
を向上させて極めて高強度、高効率な短波長レーザー光
を得ることが可能となる。特に従来低効率であった和周
波発生を、高効率で実現可能となる。

そして本発明のレーザーダイオードポンピング固体レー
ザーにおいては、上述のように波長変換効率が高くなる
ので、現在のところ比較的出力が低い単一横モード、単
一縦モード半導体レーザーをボンピンク源として用いて
も、十分高強度の短波長レーザーを得ることが可能とな
る。こうして、単一横モード、単一縦モード半導体レー
ザーをボンピンク源として用いれば、固体レーザーの発
振効率が高くなるので、この場合はエネルギー利用効率
が特に高くなる。

また、上記のように比較的低出力の半導体レーザーをボ
ンピング源として用いても、十分高強度の短波長レーザ
ーを得ることができるから、本発明のレーザーダイオー
ドポンピング固体レーザーは従来装置と比べて、同一光
強度の波長変換波を得る場合は、より低出力で安価な半
導体レーザーを使用可能となり、前述の固体レーザーロ
ッドを共振器とすることによりコンパクト化および部品
点数の減少が可能であることとあいまって、低コストか
つ超コンパクトな固体レーザーが実現できる。

さらに、本発明のレーザーダイオードポンピング固体レ
ーザーは、共振器がリング共振器とされているので、発
振ビームをシングルモード化でき、よって縦モード競合
を抑えて、波長変換波のパワーを安定させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例によるレーザーダイオー
ドポンピング固体レーザーを示す概略側面図、第２図は、上記実施例のレーザーダイオードポンピング
固体レーザーにおける固体レーザーロッドを示す斜視図
、第３図は、本発明の第２実施例によるレーザーダイオー
ドポンピング固体レーザーを示す概略側面図である。１０．４０．４５・・・レーザービーム１１．４１．４
３・・・半導体レーザー１２．４４・・・コリメーター
レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

　ネオジウム等の希土類がドーピングされ、かつ光波長
変換機能を有する固体レーザーロッドを、半導体レーザ
ーによってポンピングするレーザーダイオードポンピン
グ固体レーザーにおいて、固体レーザーロッドをリング
共振器構造とし、それによる発振レーザービームの第２
高調波もしくは、半導体レーザービームと発振レーザー
ビームの和周波等の波長変換波を取り出すことを特徴と
するレーザーダイオードポンピング固体レーザー。