JPH05267756A - 半導体励起固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏光制御素子を挿入することなく偏光制御を
行い、温度変化などによって生じる高調波レーザ光の２
つの成分間の干渉を防止して安定な出力が得られる小形
の半導体励起固体レーザを得る。 【構成】 薄板形状の固体レーザ媒質３を採用し、励起
光入射端面３２と対向する固体レーザ媒質の端面３３
が、発振するレ−ザ光軸に対しブリュースター角をなす
ように生成されており、全反射ミラーまたは高調波発生
素子６の端面６２に施された全反射膜と、上記励起光入
射端面３２に施された全反射膜と、基本波４を折り返
し、かつ高調波４１、４２を外部に出力する出力ミラー
５によりレーザ共振器を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザを励起源と
し、共振器内部に高調波発生素子を導入し、内部波長変
換により高調波を出力する半導体励起固体レーザに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、例えばレーザ・電子光学国際会
議予稿集第１０巻（１９９１）（Conference on Lasers
and Electro-Optics, 1991 Technical Digest Series
Vol.10）Ｐ５２４−５２６に示された内部波長変換固体
レーザの概略構成を示すものである。図において、１は
励起光を発生する半導体レーザ、２は励起光、３は固体
レーザ媒質で、たとえば円柱状のNd:YAG（Y_3-xNd_xAl₅O
₁₂） 結晶、４は固体レーザ媒質から出力される基本波
レーザ光、３２は固体レーザ媒質３の励起光入射端面で
励起光２に対しては無反射、基本波レーザ光４の波長に
対しては全反射の膜が形成され、球面の一部をなすよう
に研磨されている。３３は固体レーザ媒質３の端面で励
起光２に対しては高反射、基本波レーザ光４の波長に対
しては無反射の膜が形成されている。６は高調波発生素
子であり、例えばＫＴＰ(KTiOPO₄) 結晶である。６１は
高調波発生素子６の端面で基本波レーザ光４の波長に対
しては無反射、第２高調波にたいしては高反射の膜が形
成されている。６２は高調波発生素子６の出力側の端面
で、基本波の波長に対しては全反射、第２高調波の波長
に対しては無反射の膜が生成されている。７は光学窓で
あり、窓の平面の法線が基本波レーザ光４の光軸に対し
てブリュースター角をなし、かつ、この光学窓の平面の
法線と基本波レーザ光４の光軸が含まれる平面、すなわ
ち図５の紙面の方向が第２高調波発生素子の結晶軸（Ｃ
軸）に対し概略４５゜になるよう設置されている。８は
励起光２を集光するための集光レンズである。

【０００３】次に動作について説明する。半導体レ−ザ
１から出射される励起光２は、集光レンズ８によって励
起光入射端面３２を通って固体レ−ザ媒質３に照射さ
れ、これを励起する。励起光入射端面３２と高調波発生
素子の出力側の端面６２とで共振器が構成されており、
基本波レ−ザ光４が共振器内部に発振する。この際、光
学窓７によりレーザ光の偏光が図５の紙面に平行な方向
になる。共振器内に配置された高調波発生素子６から端
面６１、６２の方向にそれぞれ高調波レ−ザ光４１、４
２が発生する。基本波の偏光方向が高調波発生素子６の
結晶軸（Ｃ軸）に対し概略４５゜になるよう設置されて
いるため、特開平１−２２０８７９号公報に開示されて
いるように高周波成分の少ない高調波レーザ光を得るこ
とができる。高調波レ−ザ光４２は直接高調波発生素子
の出力側の端面部分６２から外部に出力され、高調波レ
−ザ光４１は高調波発生素子の端面６１によって逆方向
に反射され、外部に出力される。

【０００４】一方、図６は、例えばレーザー研究第１８
巻第８号（１９９０）Ｐ６２２−６２７に示された小さ
な断面のレーザ媒質にＬＤを近接配置する半導体励起固
体レーザの概略構成を示すものであり、（ａ）は平面構
成図、（ｂ）は側面構成図である。図において、１は励
起光を発生する半導体レーザ、２は励起光、３は固体レ
ーザ媒質で、たとえば長さ 5mm、幅 2mm、厚さ 0.5mmの
矩形断面のNd:YAG（Y_3-xNd_xAl₅O₁₂） 結晶、４は固体レ
ーザ媒質から出力されるレーザ光、３２は固体レーザ媒
質３の励起光入射端面で励起光２に対しては無反射、基
本波レーザ光４に対しては全反射のコーティングが形成
されている。３３は固体レーザ媒質３の他端面で励起光
２に対しては高反射、基本波レーザ光４に対しては無反
射のコーティングが形成されている。５は出力ミラーで
ある。

【０００５】次に動作について説明する。励起光２は固
体レーザ媒質３の励起光入射端面３２から入射する。固
体レーザ媒質３の上下面３１で内部反射を繰り返し、固
体レーザ媒質３内に閉じこめられたまま吸収され、有効
にこれを励起する。半導体レーザ活性層の垂直方向に広
がる光を上下面３１で反射させることにより、固体レー
ザ媒質内の光励起領域は、垂直方向平行方向ともに 0.5
mm程度となる。励起光入射端面３２と出力ミラー５の間
で安定形共振器が構成され、例えば励起光入射端面３２
では平面、出力ミラー５の曲率半径 400mm、共振器長10
mmの場合、基本モード（ガウスモード）のビーム直径は
約0.25mmのビームが発振する。この従来例の共振器内に
図５で示した例のように高調波発生素子と光学窓を導入
すると、高周波成分の少ない小形の高調波レーザ装置が
実現する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体励起固体
レーザは以上のように構成されているため、高調波レー
ザ光の出力が温度により変動する、高調波発生素子に非
常に高い作成精度が要求される、さらなる小形化が困難
である、あるいは高調波レーザ光のモニタが困難である
等の欠点があった。

【０００７】高調波レ−ザ光の出力が温度により変動す
る原因は以下のように考えられる。一般の製造方法で
は、高調波発生素子６の厚さを高調波レ−ザ光の波長の
精度以下で製作することはきわめて困難である。したが
って高調波レ−ザ光の２つの成分４１、４２は片方が高
調波発生素子６を往復して他方と合成されるため、両者
の間には位相のずれが不可避的に存在する。この位相の
ずれは出力レベルの変化などによって高調波発生素子６
における熱的条件が変化すると変動し易いため、出力さ
れる高調波レ−ザ光の２つの成分が干渉して出力が安定
しない。また、高調波発生素子６の２つの端面６１、６
２が厳密に平行に作成されていないと高調波レ−ザ光の
２つの成分４１、４２に角度ずれが起こり、伝搬距離に
よってビームのモードが変わり、あるいは集光した際に
スポットが２点できるということがあった。

【０００８】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、固体レーザ媒質の形状によって発
振ビームの偏光制御を行い、温度変化などによって生じ
る高調波レーザ光の２つの成分間の干渉を防止して安定
な出力が得られるきわめて小形の半導体励起固体レーザ
を得ることを目的とする。

【０００９】また、本発明は高調波レーザ光のモニタを
容易に行なえる半導体励起固体レーザを得ることを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体励起
固体レーザは、薄板形状のレーザ媒質を採用し、励起光
入射端面と対向する固体レーザ媒質の端面が、発振する
レ−ザ光軸に対しブリュースター角をなすように生成さ
れており、全反射ミラーまたは高調波発生素子に施され
た全反射膜と、上記励起光入射端面に施された全反射膜
と、基本波を折り返し、かつ高調波を外部に出力する出
力ミラーによりレーザ共振器を構成したものである。

【００１１】また、本発明に係る他の半導体励起固体レ
ーザは、薄板形状のレーザ媒質を採用し、励起光入射端
面と対向する固体レーザ媒質の端面が、発振するレ−ザ
光軸に対しブリュースター角をなすように生成されてお
り、基本波を全反射し、高調波を全透過または部分透過
する選択性反射ミラーまたは上記高調波発生素子に施さ
れた選択性反射膜と、上記励起光入射端面に施された全
反射膜と、基本波を折り返し、かつ高調波を外部に出力
する出力ミラーによりレーザ共振器を構成し、さらに上
記選択性反射ミラーまたは選択性反射膜の外側に高調波
レーザ光の検出器を備えたものである。

【００１２】

【作用】本発明においては、薄板形状のレーザ媒質端面
がブリュースター角をなしているため、発振ビームがレ
ーザ媒質の端面で屈折する。屈折したビームを出力ミラ
ーで折り返して高調波発生素子に導入することにより、
光軸方向の小形化を図ることができる。また、基本波レ
ーザ光の反射面と高調波レーザ光の反射面を一致させる
ことにより、２つの方向の高調波レーザ光の位相と光軸
が合致し、出力変動およびビームずれが起こらなくな
る。

【００１３】また、高調波発生素子近傍に置かれた選択
性反射ミラーまたは高調波発生素子に施された選択性反
射膜の外側に配置した高調波レーザ光の検出器により、
高調波レーザ光が容易にモニタできる。

【００１４】

【実施例】実施例１．以下、本発明の一実施例を図につ
いて説明する。図１（ａ）は本発明の一実施例による半
導体励起固体レーザを示す平面構成図、図１（ｂ）は側
面構成図である。図において、１は励起光を発生する半
導体レーザ、２は励起光、３は固体レーザ媒質で、たと
えば長さ約 5mm、幅 2mm、厚さ 0.5mmの矩形断面のNd:Y
AG（Y_3-xNd_xAl₅O₁₂） 結晶、４は固体レーザ媒質から出
力される基本波レーザ光、４１、４２は高調波レーザ
光、５は出力ミラーで例えばＲ＝４００ｍｍ程度の曲率
を持っており、基本波レーザ光に対しては全反射、高調
波レーザ光４１、４２に対しては全透過の膜が形成され
ている。６は固体レーザ媒質に隣接して配置された高調
波発生素子であり、基本波レーザ光４と高調波レーザ光
４１、４２に対し端面に垂直に入射した場合位相整合さ
れるように成形されている。３２は固体レーザ媒質３の
励起光入射端面で励起光２に対しては無反射、基本波レ
ーザ光４に対しては全反射の膜が形成されている。３３
は固体レーザ媒質の励起光入射の反対側の端面で、基本
波レーザ光４に対し幅方向にブリュースター角をなすよ
う切断、研磨されており、膜は施されていない。Nd:YAG
の場合、屈折率が約1.83であり、これより端面３３の法
線とレーザ媒質内の基本波レーザ光４の光軸とのなす角
は θ＝ｔａｎ^-1(１／1.83)＝28.7(degree) となる。６１は高調波発生素子の出力ミラー側の端面で
基本波レーザ光４および高調波レーザ光４１、４２の波
長に対して無反射の膜が形成されている。６２は高調波
発生素子の端面で、基本波レーザ光４および高調波レー
ザ光４１、４２の波長に対して全反射の膜が生成されて
いる。

【００１５】次に動作について説明する。励起光２は固
体レーザ媒質３の励起光入射端面３２から入射する。固
体レーザ媒質３の上下面で内部反射を繰り返し、固体レ
ーザ媒質３内に閉じこめられたまま吸収され、有効にこ
れを励起する。基本波レーザ光４に対する共振器は出力
ミラー５での反射を介して固体レーザ媒質の励起光入射
端面３２と高調波発生素子の端面６２の間で形成され
る。基本波レーザ光４は固体レーザ媒質３内では励起光
入射端面３２に対して垂直に直進するが、レーザ媒質端
面３３で屈折し、空気中では固体レーザ媒質内の光軸に
対し約32.6゜の角度を成す直線上を進み、出力ミラー５
に達する。基本波レーザ光４は出力ミラー５で進行方向
がおおよそ固体レーザ媒質中の光軸に平行になるように
反射されて高調波発生素子６に入射し、高調波発生素子
の端面６２でもとの光軸上に全反射される。これによ
り、基本波レーザ光４は固体レーザ媒質の励起光入射端
面３２と高調波発生素子の端面６２の間に閉じ込めら
れ、発振する。

【００１６】基本波レーザ光４は高調波発生素子６の内
部で一部、二分の一の波長である高調波レーザ光４１、
４２に変換される。高調波レーザ光４１は図において高
調波発生素子６中を左から右へ進む基本波レーザ光４か
ら変換されて発生し、そのまま出力ミラー５から外部へ
出力される。一方、高調波レーザ光４２は高調波発生素
子６中を右から左へ進む基本波レーザ光４から変換され
て発生し、高調波発生素子の端面６２で全反射されて高
調波レーザ光４１と同じ光軸上を進み、出力ミラー５か
ら外部へ出力される。本構成では基本波レーザ光４と高
調波レーザ光４２の全反射面が同一であるため、高調波
レーザ光４１、４２とも基本波レーザ光４の光軸上を通
り、２つのビームの光軸ずれが起こらない。また、高調
波発生素子の位相整合がなされており、基本波レーザ光
４と高調波レーザ光４２の位相が一致し、かつ高調波発
生素子の端面６２は共振器端であるため、反射後の基本
波レーザ光４、高調波レーザ光４２の位相が一致し、従
って高調波レーザ光４１との位相も一致する。これよ
り、２つの高調波レーザ光４１、４２が合成されたビー
ムは温度等の変化により高調波発生素子６の屈折率等の
特性が変化しても安定な出力を保つ。また、図１に示す
ように全体を非常に小形に構成することができる。

【００１７】実施例２．図２は高調波発生素子の端面６
２に基本波レーザ光４および高調波レーザ光４１、４２
の波長に対して無反射の膜を形成し、その外側に全反射
ミラー９を設けた例である。全反射ミラー９は基本波レ
ーザ光４および高調波レーザ光４１、４２の波長に対し
て全反射の膜が形成されている。本構成では、高調波発
生素子６に入射した基本波レーザ光４は高調波発生素子
の端面６２を透過し、全反射ミラー９でもとの光軸上に
全反射される。これにより、基本波レーザ光４は固体レ
ーザ媒質の励起光入射端面３２と全反射ミラー９の間に
閉じ込められ発振する。一方、高調波発生素子６中を右
から左へ進む基本波レーザ光４から変換されて発生した
高調波レーザ光４２は全反射ミラー９で全反射されて高
調波レーザ光４１と同じ光軸上を進み、出力ミラー５か
ら外部へ出力される。本構成では高調波発生素子６の作
成精度の制限が緩和される効果がある。

【００１８】実施例３．図３は固体レーザ媒質３の励起
光入射の反対側の端面３３を、基本波レーザ光４に対し
厚み方向にブリュースター角をなすよう切断、研磨した
例である。本構成では、装置全体の固体レーザ媒質の幅
方向の大きさがほとんど素子１つ１つの大きさにまで小
さくすることができるので、小形化をさらに促進できる
利点がある。

【００１９】実施例４．図４は高調波発生素子の端面６
２に基本波レーザ光４の波長に対して全反射、高調波レ
ーザ光４１、４２の波長に対して無反射の選択性反射膜
を形成し、その外側に高調波レーザ光の検出器１０を設
けた例である。本構成では、高調波発生素子６に入射し
た基本波レーザ光４は高調波発生素子の端面６２でもと
の光軸上に全反射され、これにより基本波レーザ光４は
固体レーザ媒質の励起光入射端面３２と高調波発生素子
の端面６２の間に閉じ込められ発振する。一方、高調波
発生素子６中を右から左へ進む基本波レーザ光４から変
換されて発生した高調波レーザ光４２は高調波発生素子
の端面６２を透過して高調波レーザ光の検出器１０に達
する。高調波レーザ光の検出器１０の検出面は、検出面
からの反射光が高調波レーザ光４１に影響を及ぼさない
よう光軸に対し少し傾けて設置されている。本構成によ
り、高調波レーザ光のモニタが可能となり、さらに光源
の各種制御を行う際のデータを収集できる。

【００２０】なお、上記実施例では高調波発生素子の端
面６２に選択性反射膜を施したが、端面６２に基本波レ
ーザ光４および高調波レーザ光４１、４２の波長に対し
て無反射の膜を形成し、その外側に選択性反射ミラーを
設けてもよい。

【００２１】また、上記実施例では高調波レーザ光に対
して無反射の膜を施したが、部分反射の膜を施して高調
波レーザ光４２の一部のみを高調波レーザ光の検出器１
０に検出させてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、励起光
入射端面と対向する固体レーザ媒質の端面が、発振する
レ−ザ光軸に対しブリュースター角をなすように生成さ
れるとともに、全反射ミラーまたは高調波発生素子に施
された全反射膜と、上記励起光入射端面に施された全反
射膜と、基本波を折り返し、かつ高調波を外部に出力す
る出力ミラーによりレーザ共振器を構成し、レーザ媒質
の端面で屈折したビームを出力ミラーで折り返して高調
波発生素子に導入するようにしたので、光軸方向の小形
化を図ることができる。また、基本波レーザ光の反射面
と高調波レーザ光の反射面を一致させる構成にしたの
で、２つの方向の高調波レーザ光の位相と光軸が合致
し、出力変動およびビームずれが起こらなくなる効果が
ある。

【００２３】また、励起光入射端面と対向する固体レー
ザ媒質の端面が、発振するレ−ザ光軸に対しブリュース
ター角をなすように生成されるとともに、基本波を全反
射し、高調波を全透過または部分透過する選択性反射ミ
ラーまたは上記高調波発生素子に施された選択性反射膜
と、上記励起光入射端面に施された全反射膜と、基本波
を折り返し、かつ高調波を外部に出力する出力ミラーに
よりレーザ共振器を構成し、さらに上記選択性反射ミラ
ーまたは高調波発生素子に施された選択性反射膜の外側
に配置した高調波レーザ光の検出器により、高調波レー
ザ光が容易にモニタできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による半導体励起固体レーザ
を示す平面構成図および側面構成図である。

【図２】本発明の実施例２による半導体励起固体レーザ
を示す平面構成図である。

【図３】本発明の実施例３による半導体励起固体レーザ
を示す平面構成図である。

【図４】本発明の実施例４による半導体励起固体レーザ
を示す平面構成図である。

【図５】従来の半導体励起固体レーザを示す構成図であ
る。

【図６】従来の半導体励起固体レーザを示す平面構成図
および側面構成図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 励起光 ３ 固体レーザ媒質 ４ レーザ光 ５ 出力ミラー ６ 高調波発生素子 ９ 全反射ミラー １０ 検出器 ３２ 励起光入射端面 ３３ レーザ媒質の端面 ４１ 高調波レーザ光 ４２ 高調波レーザ光 ６２ 高調波発生素子の端面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光を発生する半導体レーザ、上記励
   起光により励起される固体レ−ザ媒質、この固体レーザ
   媒質からレーザ光を出射させるためのレーザ共振器、及
   び上記レーザ共振器内に設置された高調波発生素子を備
   え、レーザ光軸と励起光軸がほぼ同軸であり、高調波レ
   ーザ光を発振する半導体励起固体レーザにおいて、上記
   固体レーザ媒質の励起光入射端面がレーザ光に対し垂直
   を成し、かつ全反射膜を施し、上記励起光入射端面と対
   向する上記固体レーザ媒質の他端面が、発振するレ−ザ
   光軸に対しブリュースター角をなすように生成されてお
   り、全反射ミラーまたは上記高調波発生素子に施された
   全反射膜と、上記固体レーザ媒質に施された上記全反射
   膜と、基本波を折り返し、かつ高調波を外部に出力する
   出力ミラーにより上記レーザ共振器が構成されているこ
   とを特徴とする半導体励起固体レ−ザ。
2. 【請求項２】 励起光を発生する半導体レーザ、上記励
   起光により励起される固体レ−ザ媒質、この固体レーザ
   媒質からレーザ光を出射させるためのレーザ共振器、及
   び上記レーザ共振器内に設置された高調波発生素子を備
   え、レーザ光軸と励起光軸がほぼ同軸であり、高調波レ
   ーザ光を発振する半導体励起固体レーザにおいて、上記
   固体レーザ媒質の励起光入射端面がレーザ光に対し垂直
   を成し、かつ全反射膜を施し、上記励起光入射端面と対
   向する上記固体レーザ媒質の他端面が、発振するレ−ザ
   光軸に対しブリュースター角をなすように生成されてお
   り、基本波を全反射し、高調波を全透過または部分透過
   する選択性反射ミラーまたは上記高調波発生素子に施さ
   れた選択性反射膜と、上記固体レーザ媒質に施された上
   記全反射膜と、基本波を折り返し、かつ高調波を外部に
   出力する出力ミラーにより上記レーザ共振器が構成され
   ており、上記レーザ共振器の外側で、上記選択性反射ミ
   ラーまたは上記選択性反射膜の外側に、透過する高調波
   ビームを検出する検出器を備えたことを特徴とする半導
   体励起固体レ−ザ。