JPH06310798A - 固体レーザ装置 - Google Patents

固体レーザ装置

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JPH06310798A
JPH06310798A JP11912993A JP11912993A JPH06310798A JP H06310798 A JPH06310798 A JP H06310798A JP 11912993 A JP11912993 A JP 11912993A JP 11912993 A JP11912993 A JP 11912993A JP H06310798 A JPH06310798 A JP H06310798A
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JP
Japan
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state laser
light
solid
laser medium
resonator
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Withdrawn
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JP11912993A
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English (en)
Inventor
Shohei Hashiguchi
昇平 橋口
Hirofumi Imai
浩文 今井
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 異方性固体レーザ媒質を用いても、高出力、
かつ単一スペクトルの第二高調波光が安定に得られる固
体レーザ装置を提供する。 【構成】 励起光源と、異方性固体レーザ媒質を用いた
共振器と、前記異方性固体レーザ媒質が発振する基本レ
ーザ光の波長を変換するための素子とを備える固体レー
ザ装置に於いて、前記異方性固体レーザ媒質のリタデー
ションが前記基本レーザ光の波長の4分の1波長となる
ように、前記異方性固体レーザ媒質の温度を調節する手
段を備え、前記波長変換素子の異常光方向の方位に対す
る前記異方性固体レーザ媒質の異常光方向の方位が45
度であり、前記基本レーザ光の偏光方向を選択するため
の偏光選択素子を前記共振器内に有することを特徴とす
る固体レーザ装置を提供することにより、高出力、かつ
単一スペクトルの第二高調波光が安定に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体レーザ装置に関
し、特に半導体レーザからの光を励起光として固体レー
ザ媒質の端面に集光し、それによって発生した基本波光
を共振器内部に配置した波長変換素子によって第二高調
波光を発生させる型の固体レーザ装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、固体レーザ媒質としてNd:
YAG等の結晶を用い、これを共振器ミラーの間に配置
し、半導体レーザの光を固体レーザ媒質の端面に集光し
て励起する形式の固体レーザがあり、これは、希ガスラ
ンプなどを励起光源に用いた固体レーザよりも手軽なレ
ーザ光源として知られている。特に、上記の共振器内に
KTP結晶などの非線形光学結晶(ここでは第二高調波
光を発生させる波長変換素子として働く)を挿入して得
られる第二高調波光は、光ディスクの短波長光源として
有用である。しかし、第二高調波光発生の際の和周波結
合による出力不安定性の問題があり、この問題を解決す
るための様々な試みがなされている(特開平1−220
879号公報参照)。
【0003】固体レーザ媒質としてNd:YVO4など
の異方性結晶を用いた場合にはNd:YAGなどの等方
性媒質を用いた場合に比べ、出力不安定性の問題は軽減
されるが、半導体レーザの励起を高くして高出力の第二
高調波光を得たい場合には、Nd:YAG結晶の場合と
同様に和周波結合を取り除くことが重要となる(特開平
4−283977号公報参照)。
【0004】Nd:YVO4結晶の温度調節により、結
晶のリタデーション(異方性結晶中の常光・異常光間の
位相差あるいは位相遅延)を四分の一波長に保ち、さら
にNd:YVO4結晶の方位をKTP結晶に対し45度
傾けることにより、和周波結合による出力不安定性の問
題を解決することができることを本願発明者は示した。
しかしこの方法では、高出力で安定ではあるが発振スペ
クトルが単一でないという問題点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる状況
に鑑みてなされたものであり、Nd:YVO4等の異方
性結晶を固体レーザ媒質として用いる場合にも、高出力
でかつ、単一スペクトルの第二高調波光が安定に得られ
るようにするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述した目的は本発明に
よれば、励起光源と、前記励起光源により端面励起され
る異方性固体レーザ媒質を用いた共振器と、前記異方性
固体レーザ媒質が発振する基本レーザ光の波長を変換す
るための素子とを備える固体レーザ装置に於いて、前記
異方性固体レーザ媒質のリタデーションが前記基本レー
ザ光の波長の4分の1波長となるように、前記異方性固
体レーザ媒質の温度を調節する手段を備え、前記波長変
換素子の異常光方向の方位に対する前記異方性固体レー
ザ媒質の異常光方向の方位が45度であり、前記基本レ
ーザ光の偏光方向を選択するための偏光選択素子を前記
共振器内に有することを特徴とする固体レーザ装置を提
供することにより達成される。なお、前記異方性固体レ
ーザ媒質がNd:YVO4レーザ結晶であり、前記波長
変換素子がKTP(KTiOPO4)結晶であると、さ
らによい。また、前記異方性固体レーザ媒質の励起光源
側端面に共振器ミラーコーティングを施すとさらによ
い。
【0007】
【作用】ここで、本発明の基礎となる理論計算を説明す
る。図2は、異方性結晶をレーザ媒質として備える、第
二高調波光を発生させるための半導体レーザ励起固体レ
ーザ装置の構成の模式図である。
【0008】出射側ミラー4で反射しKTP結晶6へ入
射する基本波光の偏光状態を調べるために公知のジョー
ンズ行列を用いる。
【0009】共振器内のレーザ光の偏光状態を解析する
ために必要なジョーンズ行列は基本的にリタデーション
を表す行列C(ξ)と回転変換の行列R(α)のみであ
る。これらはそれぞれ次のような行列要素をもってい
る。
【0010】
【数1】
【0011】
【数2】
【0012】第1式は、ある異方性物質を通過すること
によって常光と異常光の間に相対的にξだけのリタデー
ション(位相遅延)が生じることを表す行列であり、第
2式は角度αの回転による座標変換を表す行列であり、
固体レーザ媒質5のリターデーションをξ、その方位を
αとしている。座標軸はタイプIIのKTP結晶6の常光
・異常光方向にとる。また、KTP結晶6のリタデーシ
ョンをδとする。図2中の固体レーザ媒質5とKTP結
晶6の間の位置における基本レーザ光の偏光状態は、1
ラウンドトリップのジョーンズ行列
【0013】
【数3】
【0014】の固有ベクトルによって表される。
【0015】今、問題にしているのはα=π/4、ξ=
π/2の場合であり、ジョーンズ行列は以下のようにな
る。
【0016】
【数4】
【0017】従って、基本波光の偏光状態は以下の固有
電界ベクトルによって表される。
【0018】
【数5】
【0019】ここでω1、ω2は各固有偏光状態の発振角
周波数であり、一般にω1≠ω2である。実効非線形光学
定数をdeffとすると分極Pは、
【0020】
【数6】
【0021】となる。よって、第二高調波光強度ISHG
は分極Pの絶対値の2乗の時間平均に比例するから、
【0022】
【数7】
【0023】で与えられる。すなわち、第二高調波光強
度ISHGは発振角周波数ω1、ω2の固有偏光強度の2乗
の和として表され、出力不安定の原因である固有偏光同
士の結合の項は現れない。
【0024】上記の固有偏光は、KTP結晶6と出射側
ミラー4の間において次のように二つの直交したベクト
ルで表される直線偏光となる。
【0025】
【数8】
【0026】一般に異方性結晶のリタデーションは、温
度T、結晶の長さL、波長λの関数である。異方性結晶
のリタデーションをΓとすると、Γは次式のように表さ
れる。
【0027】
【数9】
【0028】ただし、no(λ、T)、ne(λ、T)は
それぞれ常光、異常光の屈折率であり、波長λと温度T
の関数である。kは整数である。レーザ光源の場合、単
色光であるので波長λは定数と考えてよい。さらに、結
晶の長さLが決まっている場合には、Γは温度Tのみの
関数となる。
【0029】図3は、固体レーザ媒質としての結晶の長
さ1mmのNd:YVO4結晶について、リタデーショ
ンの温度依存性をグラフ化したものである。図3よりN
d:YVO4結晶の温度Tに対してそのリタデーション
は単調な関数になっていることがわかる。すなわち、温
度を変えることで任意のリタデーションを作り出すこと
ができる。
【0030】以上のことから、任意の励起条件におい
て、温度によるリタデーション変化を利用してNd:Y
VO4リタデーションξを制御し、これが四分の一波
長となるようにし、かつ、Nd:YVO4結晶の方位α
をKTP結晶に対して45度となるように配置すれば、
KTP結晶のリタデーションδと無関係に低ノイズの第
二高調波光が安定に得られることがわかる。そこで本発
明においては、固体レーザ媒質のリタデーションξを制
御するための温度調節機構を備えるものである。なお、
KTP結晶のリタデーションδは調整する必要はないの
で、温度制御が簡単化できる。
【0031】一方、固有偏光モードはKTP結晶6と出
射側ミラー4の間において固体レーザ媒質5の方位αに
対し、平行または垂直な直線偏光となるが、上記の配置
のみでは図6に示すように、この両者が同時に発振して
しまい、発振スペクトルが単一でなくなることがある。
従って、発振スペクトルを単一にするには共振器内部に
一方の偏光モードのみを選択するための偏光選択素子を
挿入すればよい。この方法によれば、偏光モードの選択
と発振スペクトルの単一化を同時に図ることができる。
【0032】さらに、固体レーザ媒質の励起光側の端面
に共振器ミラーコーティングを施すことにより、構造を
単純化できる。
【0033】
【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。
【0034】図1は、本発明が適用された実施例の構成
を示す模式的斜視図である。
【0035】本実施例での固体レーザ媒質5は長さ1m
mでa−c面でカットされたNd:YVO4とする。励
起光源としてのAlGaAs系半導体レーザ1から放射
された励起光(809nm)は集光レンズ2で集めら
れ、固体レーザ媒質5に照射される。これにより、固体
レーザ媒質5が励起され、自然放出光(1064nm)
が生じる。固体レーザ媒質5から放射された自然放出光
は、KTP結晶6及び偏光選択素子8を通ってKTP結
晶6の出力側端面に配置された共振器ミラー4で反射さ
れ、もと来た行路を逆に通って固体レーザ媒質5に戻
り、ここで誘導放出により増幅されつつ、固体レーザ媒
質5の励起側端面に施されたコーティングミラーである
共振器ミラー3により反射され、共振器内を循環する。
このようにして共振器ミラー3、4がレーザ発振の条件
を満足すればレーザ発振を生じる。発振した基本波レー
ザ光はKTP結晶6内で波長変換され、第二高調波光
(532nm)となり、出力ミラーとしての共振器ミラ
ー4から出力される。
【0036】固体レーザ媒質5のリタデーションξが四
分の一波長になる温度を求めるために、図4に示す測定
系によりリタデーション測定を行った。図4においてプ
ローブ光(1064nm)は第一のポーラライザ9を通
過後直線偏光となり固体レーザ媒質5へ入射する。固体
レーザ媒質5中に入射したプローブ光は、共振器ミラー
3である励起側の端面で反射され、反射ミラー11を経
て第二のポーラライザ10へ入射する。第二のポーララ
イザ通過後のプローブ光の強度はパワーメータ12によ
って観測される。二つのポーラライザは直交ニコルの状
態であり、固体レーザ媒質のリタデーションξが0のと
きにはプローブ光は第二のポーラライザ10を通過した
後に消光する。第二のポーラライザ10を通過後のプロ
ーブ光の強度は、図5に示すように固体レーザ媒質5の
リタデーションξによって周期的に変化し、特に固体レ
ーザ媒質5のリタデーションが四分の一波長になるとこ
ろで最大になる。
【0037】本実施例に用いた固体レーザ媒質としての
Nd:YVO4結晶5のリタデーションξが四分の一波
長になる温度(四分の一波長温度)は62℃であった。
【0038】KTP結晶6に対するNd:YVO4結晶
5の方位αを45度とし、ペルチェ素子7を用いてN
d:YVO4結晶の温度を四分の一波長温度付近に保つ
ことで、低ノイズで高出力のビーム品質のよい緑色光が
得られた。
【0039】このとき、偏光選択素子8がなければ、図
6に示すように固体レーザ媒質5の方位に対し、平行ま
たは垂直の直線偏光が同時に発振し、安定ではあるが、
発振スペクトルが単一にならない。従って、発振スペク
トルを単一にするためには一方の偏光モードのみを選択
する必要がある。そこで、偏光選択素子8としてブリュ
ースタ板を用い、出力ミラー4とKTP結晶6との間に
挿入することによって、一方の偏光モードだけを発振さ
せることができる。すなわち、図7に示すように偏光の
選択だけでなくスペクトルを単一にすることができる。
【0040】なお、本実施例においては、固体レーザ媒
質としてNd:YVO4結晶5を用いたが、これに限る
ものではなく異方性媒質であれば他の媒質でもよい。ま
た、偏光選択素子8としてブリュースタ板を用いたが、
グラン−トムソンプリズムのようなポーラライザを用い
てもよい。また、固体レーザ媒質5の温度調節装置とし
てペルチェ素子7を用いたが、ヒータなどを用いて固体
レーザ媒質5の温度を調節してもよい。
【0041】
【発明の効果】本発明による固体レーザ装置によれば、
ペルチェ素子によりレーザ媒質のリターデーションを制
御し、さらに、偏光選択素子により偏光モードを選択す
ることにより、異方性結晶をレーザ媒質として用いる場
合でも単一スペクトルで安定な第二高調波光を得ること
ができるため、光ディスク等の短波長光源として有用で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示す模式的斜視図で
ある。
【図2】異方性結晶をレーザ媒質として備え、第二高調
波光を発生させるための半導体レーザ励起固体レーザ装
置の構成を示す模式的斜視図である。
【図3】異方性結晶の温度とリタデーションの関係を示
すグラフである。
【図4】本実施例における異方性結晶のリタデーション
を測定するための測定系の構成を示す図である。
【図5】本実施例における異方性結晶のリタデーション
測定での、異方性結晶の温度とレーザ出力の関係を示す
グラフである。
【図6】図2に示すレーザ装置における基本波レーザ光
のスペクトルを示す図である。
【図7】本実施例における基本波レーザ光のスペクトル
を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 集光レンズ 3、4 共振器ミラー 5 異方性固体レーザ媒質 6 KTP結晶 7 ペルチェ素子 8 偏光選択素子 9、10 ポーラライザ 11 反射ミラー 12 パワーメータ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 励起光源と、前記励起光源により端面
    励起される異方性固体レーザ媒質を用いた共振器と、前
    記異方性固体レーザ媒質が発振する基本レーザ光の波長
    を変換するための素子とを備える固体レーザ装置に於い
    て、 前記異方性固体レーザ媒質のリタデーションが前記基本
    レーザ光の波長の4分の1波長となるように、前記異方
    性固体レーザ媒質の温度を調節する手段を備え、 前記波長変換素子の異常光方向の方位に対する前記異方
    性固体レーザ媒質の異常光方向の方位が45度であり、 前記基本レーザ光の偏光方向を選択するための偏光選択
    素子を前記共振器内に有することを特徴とする固体レー
    ザ装置。
  2. 【請求項2】 前記異方性固体レーザ媒質がNd:Y
    VO4レーザ結晶であり、前記波長変換素子がKTP
    (KTiOPO4)結晶であることを特徴とする請求項
    1に記載の固体レーザ装置。
  3. 【請求項3】 前記異方性固体レーザ媒質の励起光源
    側端面に共振器ミラーコーティングを施したことを特徴
    とする請求項1若しくは請求項2に記載の固体レーザ装
    置。
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Effective date: 20000704