JPH06350173A - 偏光および縦モード制御素子並びに固体レーザー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １つの特定方向に直線偏光した、単一縦モー
ドのレーザービームを発生させることができる固体レー
ザー装置を得る。 【構成】 固体レーザー装置の共振器内に、複屈折結晶
からなる偏光および縦モード制御素子15を配置する。こ
の素子15の２つの光通過端面15ａ、15ｂは光学軸に対し
て角度をなすようにカットし、一方の光通過端面15ａに
はレーザー共振器の一方のミラーを構成する高反射コー
ト17を施し、他方の光通過端面15ｂには、レーザー発振
波長に対して吸収を有する薄膜19を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザービームの直線
偏光の向きを１つの特定方向に制御するとともに縦モー
ドを単一化する、偏光および縦モード制御素子に関する
ものである。

【０００２】また本発明は、上述のような偏光および縦
モード制御素子、あるいは偏光制御素子を共振器内に有
して、直線偏光の向きが１つの特定方向に制御された単
一縦モードのレーザービームを発生する固体レーザー装
置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来より、固体レーザー装置等の種々の
レーザー装置が提供されているが、そのようなレーザー
装置から発せられたレーザービームを利用するに当たっ
ては、その直線偏光の向きをある特定方向に制御し、ま
た縦モードを所望のモードに制御したいことが多い。

【０００４】そのような要求は、１つの素子によって満
足させるのが望ましく、米国特許第4,797,893 号明細書
にはそのような偏光および縦モード制御素子の一例が示
されている。この偏光および縦モード制御素子は、レー
ザー共振器内に配される複屈折結晶からなり、その２つ
の光通過端面が該結晶の光学軸と平行にカットされ、そ
してこれらの端面の一方には共振器の一方のミラーを構
成する高反射コートが施され、他方にはレーザー発振波
長に対して吸収を有する薄膜が形成されたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の偏光および
縦モード制御素子によれば、直線偏光の向きが互いに直
交した２つの縦モードのレーザービームを発生させるこ
とができるが、近時多くの分野で要求されている、１つ
の特定方向に直線偏光した単一縦モードのレーザービー
ムを得ることはできない。

【０００６】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、１つの特定方向に直線偏光した単一縦モ
ードのレーザービームを得ることができる偏光および縦
モード制御素子を提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】また本発明は、１つの特定方向に直線偏光
した単一縦モードのレーザービームを得ることができる
固体レーザー装置を提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による偏光および
縦モード制御素子は、請求項１に記載の通り、レーザー
装置の共振器内に配される複屈折結晶からなり、この複
屈折結晶の２つの光通過端面がその光学軸に対して角度
をなすようにカット（いわゆるアングル・カット）さ
れ、これら２つの光通過端面の一方に、レーザー共振器
の一方のミラーを構成する高反射コートが施され、上記
２つの光通過端面の他方に、レーザー発振波長に対して
吸収を有する薄膜が形成されていることを特徴とするも
のである。

【０００９】また本発明による第１の固体レーザー装置
は、請求項２に記載の通り、上記構成の偏光および縦モ
ード制御素子を共振器内に有して（なおこの共振器の一
方のミラーは上記の通り該素子の１つの端面によって構
成される）、それにより１つの特定方向に直線偏光した
単一縦モードのレーザービームを発生させるものであ
る。

【００１０】また本発明による第２の固体レーザー装置
は、請求項３に記載の通り、２つの光通過端面が光学軸
に対して角度をなすようにカットされた複屈折結晶を共
振器内に有し、上記２つの光通過端面の一方に、レーザ
ー共振器の一方のミラーを構成する高反射コートが施さ
れ、この共振器内に配置された別の素子の光通過端面
に、レーザー発振波長に対して吸収を有する薄膜が形成
されていることを特徴とするものである。

【００１１】なお最近では、青色、緑色等の短波長域の
レーザービームに対する要求が高まりつつあるが、上述
した本発明の固体レーザー装置はこのような要求に応え
られる好ましい実施態様を構成し得るものである。すな
わちその場合の本発明の固体レーザー装置は、共振器内
に非線形結晶が配され、１つの特定方向に直線偏光した
単一縦モードの固体レーザービームを基本波としてこの
非線形結晶に入射させて、１つの特定方向に直線偏光し
た単一縦モードの波長変換波を出力するように構成され
る。

【００１２】

【作用および発明の効果】上記のようにアングル・カッ
トされた偏光および縦モード制御素子にレーザービーム
が入射すると、それが常光線と異常光線とに分離され
る。そこでこの偏光および縦モード制御素子を共振器内
に有するレーザー装置においては、共振器ミラーの位置
に応じて、これら２つの光線のうちの一方のみが選択さ
れて発振するようになる。それにより、共振器から出射
するレーザービームは、１つの特定方向に直線偏光した
ものとなる。

【００１３】また、２つの光通過端面に上述の通りの薄
膜と高反射コートが形成されている本発明の偏光および
縦モード制御素子にレーザービームが入射すると、高反
射コートが施されている方の端面、つまり共振器の一方
を構成する端面に節が位置する状態で定在波が生じ得
る。この状態を図３に示す。図中、15が偏光および縦モ
ード制御素子、15ａがその一方の光通過端面、15ｂがそ
の他方の光通過端面、17が高反射コート、19が吸収薄膜
である。

【００１４】この場合、図中実線で示すように、吸収薄
膜19が形成されている方の素子端面15ｂにおいても節が
位置するような波長の光のみがこの定在波を生じるもの
てあり、図中破線で示すようなその他の波長の光は薄膜
に吸収され、発振が抑制される。以上のようにして本発
明の偏光および縦モード制御素子によれば、発振波長が
選択され、共振器から出射するレーザービームが単一縦
モード化される。

【００１５】本発明による第１の固体レーザー装置は、
上記構成の偏光および縦モード制御素子を共振器内に備
えるものであるから、上述の通りにして１つの特定方向
に直線偏光し、そして単一縦モード化されたレーザービ
ームを発生するものとなる。

【００１６】一方、本発明による第２の固体レーザー装
置においても、第１の固体レーザー装置に用いられる偏
光および縦モード制御素子と同様にアングル・カットさ
れた複屈折結晶が共振器内に配置されているから、それ
によりレーザービームが常光線と異常光線とに分離され
る。したがってこの第２の固体レーザー装置において
も、共振器ミラーの位置（両光線の分離方向位置）に応
じて上記２つの光線のうちの一方のみが選択的に発振
し、１つの特定方向に直線偏光したレーザービームが出
射するようになる。

【００１７】そしてこの第２の固体レーザー装置におい
ては、上記複屈折結晶の高反射コートが施されてない方
の端面に吸収薄膜が形成されてはいないが、その代わり
に、共振器内に配置された別の素子（これは例えばレー
ザー媒質や非線形結晶が利用できる）の光通過端面に吸
収薄膜が形成されているので、該端面においても節が位
置するような波長の光のみが定在波を生じ、その他の波
長の光は薄膜に吸収され、発振が抑制される。以上のよ
うにしてこの第２の固体レーザー装置においても、共振
器から出射するレーザービームが単一縦モード化され
る。

【００１８】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１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10を発する半
導体レーザー（フェーズドアレイレーザー）11と、発散
光である上記レーザービーム10を集束させる集光レンズ
12と、ネオジウム（Ｎｄ）がドーピングされた固体レー
ザー媒質であるＹＡＧ結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と
称する）13と、このＮｄ：ＹＡＧ結晶13の前方側（図中
右方側）に配された共振器ミラー14と、Ｎｄ：ＹＡＧ結
晶13の半導体レーザー11側の光通過端面13ａに密着固定
された偏光および縦モード制御素子15とからなる。

【００１９】以上の各要素は、図示しない共通の筐体に
マウントされて一体化されている。またフェーズドアレ
イレーザー11は、図示しないペルチェ素子と温調回路と
により所定温度に保たれる。

【００２０】フェーズドアレイレーザー11としては、波
長809 ｎｍのレーザービーム10を発する出力400 ｍＷの
ものが用いられている。またＮｄ：ＹＡＧ結晶13はＮｄ
濃度が１atm ％で、厚さが0.5 ｍｍのものである。この
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13は入射したレーザービーム10によっ
てネオジウム原子が励起されて、波長が946 ｎｍのレー
ザービーム16を発する。共振器ミラー14は、ミラー面14
ａの曲率半径が10ｍｍのものである。

【００２１】一方偏光および縦モード制御素子15は複屈
折性を有するＭｇＯ：ＬＮ（ＭｇＯがドープされたＬｉ
ＮｂＯ₃ ）の結晶からなり、図２に詳しく示す通りその
両端面15ａ、15ｂが光学軸に対して45°の角度をなす状
態にして、厚さ0.5 ｍｍにカットされている。なおこの
カットは、いわゆる＜101 ＞のアングル・カットであ
る。またこの偏光および縦モード制御素子15の後方端面
15ａには、高反射コート17が施されている。この高反射
コート17と、共振器ミラー17のミラー面14に施されたコ
ート18の以上挙げた波長、並びにＮｄ：ＹＡＧ結晶13の
別の発振線1064ｎｍ、1300ｎｍに対する反射率あるいは
透過率は、下表の通りに調整されている。なおこの表
中、Ｒは反射率を、Ｔは透過率を示しており、それらの
数値の単位は％である。

【００２２】 そして偏光および縦モード制御素子１５の前方端面15ａ
には、上述した固体レーザーの発振線（中心波長） 946
ｎｍに対して吸収を有するニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）薄膜
19が形成されている。このニクロム薄膜19は、例えば蒸
着により、厚さ10ｎｍに形成されている。

【００２３】上記の構成においては、1064ｎｍ及び1300
ｎｍの発振線のゲインが抑制され、偏光および縦モード
制御素子15の端面15ａとミラー面14ａ間に波長946 ｎｍ
の定在波が生じ、この波長946 ｎｍのレーザービーム16
のみがこれらの面15ａ、14ａの間で強く共振し、その一
部が共振器ミラー14から出射する。なお本実施例では、
偏光および縦モード制御素子15の端面15ａとミラー面14
ａとの間の距離、すなわち共振器長は10ｍｍである。

【００２４】偏光および縦モード制御素子15の近傍にお
ける上記定在波の状態を、図３に示す。図示のように偏
光および縦モード制御素子15の端面15ｂには前述の通り
のニクロム薄膜19が形成されているため、中心波長を 9
46ｎｍとする複数の縦モードのうち、破線で示すように
定在波の節の部分がニクロム薄膜19の位置に来ないもの
はこのニクロム薄膜19に吸収され、発振が抑制される。
つまり上記複数の縦モードのうち、図中実線で示すよう
に定在波の節の部分がニクロム薄膜19の位置に来るもの
のみが発振するようになり、単一縦モード化が実現され
る。

【００２５】また、光学的に等方なＮｄ：ＹＡＧ結晶13
から出射した波長946 ｎｍのレーザービーム16は、図２
に示すように、複屈折性を有する偏光および縦モード制
御素子15において常光線16Ａと異常光線16Ｂとに分離さ
れる。そこで共振器ミラー14を、これら常光線16Ａと異
常光線16Ｂの分離方向に適当に位置調整することによ
り、常光線16Ａと異常光線16Ｂの一方のみを発振させる
ことができる。このようにして共振器ミラー14から出射
したレーザービーム16は、１つの特定方向に直線偏光し
たものとなる。なお本実施例において、常光線16Ａと異
常光線16Ｂの分離幅ｄは18μｍである。

【００２６】ここで一般的に、複屈折性を有する結晶の
光学軸と入射光のなす角度をθ、常光線と異常光線との
なす角度をρ、結晶の常光線、異常光線に対する屈折率
をそれぞれｎ_o 、ｎ_e とすると、

【００２７】

【数１】

【００２８】であり、したがって結晶の厚さがｔのとき
の常光線と異常光線の分離幅ｄは、

【００２９】

【数２】

【００３０】となる。この分離幅ｄは大きい方が好まし
く、tan θ＝ｎ_e ／ｎ_o のときに最大値を取り、その値
は

【００３１】

【数３】

【００３２】である。そこで、θ＝tan ^-1（ｎ_e ／
ｎ_o ）とすれば最も好ましいが、これに限定されるもの
ではない。また、固体レーザー発振ビームの半径（１／
ｅ² ）をｗとすると、ｄ≧0.5 ｗであるときに良好な偏
光制御結果が得られる。本実施例では前述の通りｄ＝18
μｍであり、またｗ＝25μｍであるので、この条件が満
足されている。

【００３３】次に図４を参照して、本発明の第２実施例
について説明する。なおこの図４において、図１中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する（以下、同様）。

【００３４】この第２実施例装置もレーザーダイオード
ポンピング固体レーザーであり、本装置においては、第
１実施例装置で設けられた共振器ミラー14が省かれ、そ
れに代えて、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13の前方端面13ｂが共振
器ミラー面とされている。すなわちこの結晶端面13ｂは
ほぼ球面の一部をなす凸面形状に研磨され、そこには上
記共振器ミラー14のミラー面14ｂに施されたものと同じ
コート18が形成されている。そこでこの場合は、偏光お
よび縦モード制御素子15の端面15ａと上記端面13ｂとの
間でレーザービーム16が共振する。

【００３５】以上述べた以外の構成は、基本的に第１実
施例装置のものと同様であり、それによりこの場合も、
特定の１つの方向に直線偏光した単一縦モードのレーザ
ービーム（波長： 946ｎｍ）16が得られる。

【００３６】次に、図５を参照して本発明の第３実施例
について説明する。この第３実施例のレーザーダイオー
ドポンピング固体レーザーは第２実施例の装置と比べる
と、共振器内に光波長変換素子20が配置されている点が
基本的に異なる。また第２実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧ結
晶13の端面13ｂが共振器ミラー面とされていたが、本実
施例ではそれに代えて、曲率半径10ｍｍの凸面に研磨さ
れたミラー面21ａを有する石英ミラー21が用いられてい
る。

【００３７】上記光波長変換素子20は、一例として周期
ドメイン反転構造を有するＭｇＯ：ＬＮのバルク結晶
（結晶長１ｍｍ）からなるものである。なお上記周期ド
メイン反転構造は、波長946 ｎｍおよび非線形光学定数
ｄ₃₃に対して１次の周期となるようにされている。この
光波長変換素子20はＮｄ：ＹＡＧ結晶13に密着固定さ
れ、そしてこの光波長変換素子20に石英ミラー21が密着
固定されている。偏光および縦モード制御素子15、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ結晶13、光波長変換素子20の光通過方向の長
さは、それぞれ一例として 0.5ｍｍ、１ｍｍ、１ｍｍで
ある。

【００３８】本実施例においても、偏光および縦モード
制御素子15の端面15ａ、15ｂにはそれぞれ、先に述べた
ものと同様の高反射コート17、ニクロム薄膜19が形成さ
れている。そこでこの偏光および縦モード制御素子15の
作用により、特定の１つの方向に直線偏光した波長946
ｎｍの単一縦モードレーザービーム16が得られる。そし
てこのレーザービーム16は光波長変換素子20により、波
長が１／２すなわち473 ｎｍの第２高調波22に変換され
る。

【００３９】なお上記光波長変換素子20の後方端面20ａ
と、石英ミラー21のミラー面21ｂには、それぞれコート
23、24が施されている。これらのコート23、24の特性
を、上記高反射コート17の特性と併せて下表に示す。こ
の表中でも、Ｒは反射率を、Ｔは透過率を示しており、
それらの数値の単位は％である。

【００４０】 コート17 コート23 コート24 809ｎｍ Ｔ≧85 − − 946ｎｍ Ｒ≧99.9 Ｔ≧99 Ｒ≧99.9 1064ｎｍ Ｔ≧30 Ｔ≧30 Ｔ≧90 1300ｎｍ Ｔ≧70 Ｔ≧70 Ｔ≧70 473ｎｍ − Ｒ≧90 Ｔ≧90 上記の構成において、波長946 ｎｍのレーザービーム16
は石英ミラー21のミラー面21ｂをほとんど透過せず、そ
の一方波長473 ｎｍの第２高調波22の一部がこのミラー
面21ｂを透過して、石英ミラー21から出射する。この場
合、基本波としてのレーザービーム16の偏光方向および
縦モードが上記の通りに制御されているので、第２高調
波22も１つの特定方向に直線偏光し、そして単一縦モー
ドのものとなる。

【００４１】本実施例では、偏光および縦モード制御素
子15の使用と併せて、半導体レーザー11の励起位置を調
整することにより、波長946 ｎｍのレーザービーム16の
常光線が発振するようにし、かつ、その直線偏光方向と
光波長変換素子20のＺ軸とを一致させてある。このよう
に、基本波であるレーザービーム16の直線偏光方向と光
波長変換素子20のＺ軸とが一致し、そしてレーザービー
ム16が単一縦モード化されているため、波長変換におけ
るモード競合ノイズも発生せず、高い波長変換効率の下
に、出力の安定した第２高調波22が得られるようにな
る。本実施例では、半導体レーザー11による励起パワー
が 500ｍＷのとき、10ｍＷの第２高調波22が得られた。

【００４２】次に、図６を参照して本発明の第４実施例
について説明する。この第４実施例装置は、図１に示し
た第１実施例のレーザーダイオードポンピング固体レー
ザーと比べると、偏光および縦モード制御素子15に代え
て偏光制御素子30が設けられ、そしてニクロム薄膜19が
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13の後方端面13ａに形成されている点
が異なる。上記偏光制御素子30は、ニクロム薄膜19が形
成されていない点以外は第１実施例の偏光および縦モー
ド制御素子15と同じ構成のものである。すなわちこの場
合も、偏光制御素子30の高反射コート17が形成された後
方端面30ａと、共振器ミラー14とによりレーザー共振器
が構成されている。

【００４３】この構成においてもレーザービーム16は、
偏光制御素子30の作用で１つの特定方向に直線偏光した
ものとなり、他方、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶端面13ａに形成さ
れたニクロム薄膜19の作用で単一縦モード化される。

【００４４】なおこの第４実施例においては、固体レー
ザー媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶13の端面13ａにニクロ
ム薄膜19が形成されているが、このニクロム薄膜19はレ
ーザー共振器内に配されるその他の素子、例えば波長変
換用非線形結晶の端面等に形成されてもよい。

【００４５】また、本発明において偏光および縦モード
制御素子あるいは偏光制御素子を構成する複屈折結晶と
しては、以上の各実施例で用いられたＭｇＯ：ＬＮに限
らず、その他方解石、ルチル、ＫＴｉＯＰＯ₄ （ＫＴ
Ｐ）、ＹＶＯ₄ 、ＫＮｂＯ₃ （ＫＮ）、ＬｉＴａＯ
₃ （ＬＴ）等も使用可能である。

【００４６】さらに、偏光および縦モード制御素子の端
面、あるいはレーザー共振器内に配されるその他の素子
の端面に形成される吸収薄膜もニクロムに限らず、その
他金や銀等から形成されてもよい。

【００４７】また、本発明の固体レーザー装置に適用さ
れ得る非線形結晶としては、先に述べた周期ドメイン反
転構造を有するＭｇＯ：ＬＮの他、例えばＫＮ、ＫＴ
Ｐ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＤＭＮＰ、ＫＬＮ、周期ドメイン
反転構造を有するＬＴ等が挙げられる。

【００４８】なお、本発明の固体レーザー装置をレーザ
ーダイオードでポンピングする場合は、レーザーダイオ
ードから発せられるポンピング光としてのレーザービー
ムの直線偏光の向きを、固体レーザー発振ビームの直線
偏光の向きと一致させるが好ましい。すなわち、そのよ
うにすると、固体レーザーの発振効率は、それら両直線
偏光の向きが直交している場合と比べて1.2 〜1.5 倍程
度高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による固体レーザー装置を
示す側面図

【図２】図１の装置における偏光および縦モード制御素
子を詳しく示す側面図

【図３】上記偏光および縦モード制御素子による単一縦
モード化作用を説明する説明図

【図４】本発明の第２実施例による固体レーザー装置を
示す側面図

【図５】本発明の第３実施例による固体レーザー装置を
示す側面図

【図６】本発明の第４実施例による固体レーザー装置を
示す側面図

【符号の説明】

10 レーザービーム（ポンピング光） 11 半導体レーザー 12 集光レンズ 13 Ｎｄ：ＹＡＧ結晶 13ａ、13ｂ Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の端面 14 共振器ミラー 14ａ 共振器ミラーのミラー面 15 偏光および縦モード制御素子 15a 、15ｂ 偏光および縦モード制御素子の端面 16 固体レーザービーム 16Ａ 常光線 16Ｂ 異常光線 17 高反射コート 19 ニクロム薄膜 20 光波長変換素子 21 石英ミラー 22 第２高調波 30 偏光制御素子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー装置の共振器内に配される複屈
   折結晶からなり、 この複屈折結晶の２つの光通過端面がその光学軸に対し
   て角度をなすようにカットされ、 これら２つの光通過端面の一方に、レーザー共振器の一
   方のミラーを構成する高反射コートが施され、 前記２つの光通過端面の他方に、レーザー発振波長に対
   して吸収を有する薄膜が形成されていることを特徴とす
   る偏光および縦モード制御素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の偏光および縦モード制
   御素子を共振器内に有し、１つの特定方向に直線偏光し
   た単一縦モードのレーザービームを発生させることを特
   徴とする固体レーザー装置。
3. 【請求項３】 ２つの光通過端面が光学軸に対して角度
   をなすようにカットされた複屈折結晶を共振器内に有
   し、 前記２つの光通過端面の一方に、レーザー共振器の一方
   のミラーを構成する高反射コートが施され、 この共振器内に配置された別の素子の光通過端面に、レ
   ーザー発振波長に対して吸収を有する薄膜が形成されて
   いることを特徴とする固体レーザー装置。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の固体レーザー
   装置において、共振器内に非線形結晶が配され、固体レ
   ーザービームを基本波としてこの非線形結晶に入射させ
   て、１つの特定方向に直線偏光した単一縦モードの波長
   変換波を出力することを特徴とする固体レーザー装置。