JPH0690043A - 固体レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放射光の光分布が異方性を有する励起光源を
用いた場合の、固体レーザ媒質の光軸に対して垂直な面
の異方的な温度上昇を低減し、固体レーザ媒質の異方性
を有する熱レンズ効果、熱収差効果、熱復屈折効果を低
減する。 【構成】 固体レーザ媒質に励起光により発生する異方
的な熱の分布を補償して等方的な熱の分布となるよう
に、発熱量が大きな方向に対応して冷却効果の高い冷却
手段を設けることにより、固体レーザに於て異方性を有
する熱レンズ効果、熱収差効果及び熱複屈折効果を低減
することが可能となることから、レーザ光の収差を低減
でき、高品質の光ビームを得ることが期待できる。また
第二高調波を利用する光源では、偏光面制御が大きな励
起光強度まで可能となるので、高出力かつ低ノイズの緑
色光源を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザや他の光
源からの光を直接あるいは光ファイバ等で導光し、これ
を励起光として固体レーザ媒質を端面励起させる固体レ
ーザ発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、互いに対向する一対のミラー
間にＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザ媒質を設置してなる
共振器中に、その一方の端面から半導体レーザからの放
射光を励起光として入射して固体レーザ媒質を励起させ
る形式の固体レーザ発振器があり、これは電球やフラッ
シュランプ等を用いた形式の固体レーザ発振器よりも手
軽なレーザ光源と知られている。特にＮｄ：ＹＡＧレー
ザの第二高調波光は、高密度な光ディスク用や様々な計
測用の緑色光源としての利用価値が高いことも周知であ
る。

【０００３】上記した端面励起型固体レーザ発振器の構
成の一例を図７に示す。励起光源としての半導体レーザ
チップ１の出射光の光軸上に集光レンズ２と、共振器と
しての１対の共振器ミラー３、４と、両ミラー３、４間
に設けられた円柱状のＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質５とから
構成される。尚、図示されていないが、これら半導体レ
ーザチップ１、集光レンズ２、共振器ミラー３、４、レ
ーザ媒質５はその光学的位置を維持するべくホルダ等に
より支持されていることは云うまでもない。

【０００４】このような端面励起型固体レーザ発振器に
於て、その固体レーザ媒質を励起する励起光の強度出力
を大きくする場合、その励起光によってレーザ媒質が局
部的に加熱されて温度上昇し、そのレーザ媒質への入熱
と熱伝導と放熱方法で決まる温度分布が発生する。この
局部熱による温度分布は光軸に対して平行な面と光軸に
対して垂直な面とに分けて考えられる。光軸に対して平
行な面の温度上昇を低減するための方法として、例えば
特開平４ー８２２８１号公報には、固体レーザ媒質の励
起光側の表面に熱伝導率の高い透明なヒートシンクを設
ける方法が開示されている。

【０００５】一方、後者の光軸に対して垂直な面の温度
分布は光の強度分布が遍在する、換言すれば異方性を有
する励起光源を採用した場合に発生する。良く知られて
いるように半導体レーザの放射光分布は半導体レーザの
活性層に対して平行な方向と垂直な方向とで異方性を有
し、その形状は概ね楕円形をなす。そして、この半導体
レーザを励起光源として使用する場合には上記光軸に対
して垂直な面の温度分布が異方性を有することとなる。
これをレーザ媒質５の端面を模式的に示す図８をもって
説明すると、半導体レーザチップ１からの出射光で励起
する励起光の分布状態Ｌは楕円形をなす。また、固体レ
ーザ媒質５の光軸に対して垂直な面の温度分布はこの励
起光を吸収することによる発熱に基づくものであること
から、上記励起光分布を反映して励起光の分布状態Ｌと
同じ形、即ち楕円形のままレーザ媒質５の光軸に対して
垂直な面内で広がることとなる。

【０００６】しかしながら、固体レーザ媒質５の端面５
ａは円形をなすことから、上記励起光分布を反映する異
方性の温度分布により、固体レーザ媒質５が異方性を有
する熱レンズ効果、熱収差効果と熱複屈折効果を発生
し、固体レーザ発振器としての出力限界を低下させ、固
体レーザ発振器を高出力化することができなかった。ま
た、出力可能範囲であっても、低出力発振器として使用
する場合には問題ないが、高出力発振器として使用する
場合に光出力ビームに収差が含まれることから、例えば
光ディスク装置の光源のように収差に厳しい要求がある
ものに用途には不向きであった。更に、この光ディスク
装置の緑色光源では、光ノイズを可及的に小さくするこ
とが望まれており、この実現のために、例えば特開平１
ー２２０８７９号公報にはレーザ共振内の基本波の偏光
面を制御する方法が開示されているが、レーザ出力を増
大させるために励起光を大きくすれば、上記したように
固体レーザ媒質の熱複屈折効果が大きくなるために偏光
面制御が困難になり、光源の光ノイズが小さくならない
という短所もあった。

【０００７】上記したような半導体レーザ放射光の光強
度分布の異方性を補正するために、シリンドリカルレン
ズやプリズムをもってビーム整形する方法が知られてい
るが、完全に補正することは困難であり、実際には補正
後も上記異方性が残ることとなる。また、云うまでもな
く特開平４ー８２２８１号公報に開示された方法では光
軸に対して垂直な面の異方的な温度分布は解決されな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その
主な目的は、放射光の光分布が異方性を有する励起光源
を用いた場合の、固体レーザ媒質の光軸に対して垂直な
面の異方的な温度上昇を低減し、固体レーザ媒質の異方
性を有する熱レンズ効果、熱収差効果、熱複屈折効果を
低減することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的は本発明に
よれば、１対のミラーからなる共振器と、前記共振器中
に配置された固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を
端面励起するための励起光を発生する励起光源と、前記
固体レーザ媒質に発生した熱を放熱させる手段とを備え
る固体レーザ発振器に於て、前記放熱手段が、前記固体
レーザ媒質に入射する励起光の光軸に対して垂直な面に
ついて分割された複数の部分を有し、かつ前記面の熱分
布に応じて前記固体レーザ媒質を積極的に冷却する手段
が前記各部分に設けられ、前記固体レーザ媒質の前記面
について前記励起光の光分布に応じて発生する異方的な
熱分布を補償して等方的な熱分布となるように冷却する
ことを特徴とする固体レーザ発振器を提供することによ
り達成される。

【００１０】

【作用】このように、固体レーザ媒質に励起光により発
生する異方的な熱の分布を補償して等方的な熱の分布と
なるように固体レーザ媒質を部分的、かつ積極的に冷却
可能な放熱手段を設けることにより、励起光源からの励
起光により発生する熱が異方的に放熱され、放熱効率が
大きな方向と発熱が大きな方向とが一致し、熱の蓄積の
異方性が小さくなる。

【００１１】

【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。

【００１２】図１は、本発明が適用された第１の実施例
に於ける固体レーザ発振器の構成を示す模式的斜視図で
ある。本実施例の固体レーザ発振器の基本構成は図７に
示す従来の固体レーザ発振器と同様であり、同じ部分に
は同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実
施例では、固体レーザ媒質５の周面が、その軸線方向に
延在する互いに熱的に絶縁された放熱手段を構成する４
つの熱伝導器７〜１０と接触している。

【００１３】図２に併せて示すように、これら熱伝導器
７〜１０のうち熱伝導器７、８は、固体レーザ媒質５の
中心Ｏを通り、かつ半導体レーザチップ１からの半導体
レーザの活性層に対して垂直な方向に沿って対称に設け
られている。また、熱伝導器９、１０は、固体レーザ媒
質５の中心Ｏを通り、かつ半導体レーザの活性層に対し
て平行な方向に沿って対称に設けられている。

【００１４】上記各熱伝導器７〜１０には、上記同様放
熱手段を構成する公知のペルチェ素子１１〜１４が付設
されている。これらペルチェ素子１１〜１４のうち熱伝
導器７、８に付設されたペルチェ素子１１、１２には電
源１５が供給され、熱伝導器９、１０に付設されたペル
チェ素子１３、１４には電源１６が供給されている。こ
の電源１５と電源１６とは供給電圧が互いに異なってお
り、ペルチェ素子１１、１２よりもペルチェ素子１３、
１４の方が冷却能力が高くなっている。従って、熱伝導
器７、８と熱伝導器９、１０との放熱性が異なり、即ち
半導体レーザの活性層に対して平行な方向（熱伝導器
９、１０）の方が活性層に対して垂直な方向（熱伝導器
７、８）よりも放熱性が高くなる。従って、励起光によ
り発生する異方的な熱の分布を補償して固体レーザ媒質
５に現れる蓄熱の異方性が小さくなる。

【００１５】実際に、固体レーザ媒質５の端面５ａは励
起光源としての半導体レーザチップ１からの励起光の照
射を受けて、その励起光分布に応じた入熱分布となる。
この熱は熱伝導により、熱伝導器７〜１０を通して放熱
される。その際、放熱性が異方性を有することから入熱
の異方性を補償でき、蓄熱の異方性が小さくなる。即
ち、発熱の大なる方向と放熱の大なる方向とを一致させ
ている。従って、本実施例では、従来と比較して固体レ
ーザ媒質５の励起光による温度上昇が等方的になり、半
導体レーザのように異方的な放射分布を持った励起光光
源を用いた固体レーザ発振器に於ても、固体レーザ媒質
の異方性を有する熱レンズ効果、熱収差効果及び熱複屈
折効果を低減できる。

【００１６】ここで、本実施例ではペルチェ素子１１、
１２とペルチェ素子１３、１４とを異なる電源に接続す
ることにより、その冷却能力を変えたが、電源を１つに
して電源と各ペルチェ素子１１〜１４との間に異なる抵
抗を介在させても良い。

【００１７】尚、第二高調波発生（ＳＨＧ）を目的とし
た固体レーザ発振器に於ても、図１の共振器中にＳＨＧ
素子と複屈折物質とを挿入するだけであることから上記
放熱機構を設けることで同様な効果を得ることができ
る。

【００１８】図３は本発明が適用された第２の実施例を
示す図２と同様の図である。本実施例では固体レーザ媒
質２５が角柱状をなし、その半導体レーザの活性層に対
して垂直な方向と平行な側面２５ｂにのみ熱伝導器２
７、２８が密着している。この熱伝導器２７、２８には
第１の実施例と同様なペルチェ素子３１、３２が付設さ
れ、側面２５ｂを積極的に冷却するようになっている。
また、比較的発熱量の小さい半導体レーザの活性層に対
して平行な方向と平行な側面２５ｃには熱伝導器は設け
られておらず、空冷されるようになっている。従って、
本実施例によればペルチェ素子の数が上記第１の実施例
よりも少ないばかりでなく放熱手段の構造が上記第１の
実施例に比較して単純化され、製造コストが低減してい
る。

【００１９】図４は本発明が適用された第３の実施例を
示す図２と同様な図である。本実施例では、第２の実施
例と同様に固体レーザ媒質３５が角柱状をなしている。
また、断面がＵ字状をなす放熱部材３７の両側壁部３７
ａ、３７ｂの内面が、固体レーザ媒質３５の半導体レー
ザの活性層に対して垂直な方向と平行な側面３５ｂに熱
的に接触している。更に、放熱部材３７の底壁部３７ｃ
にはペルチェ素子４０が付設されている。また、比較的
発熱量の小さい半導体レーザの活性層に対して平行な方
向と平行な側面３５ｃには熱伝導器は設けられておら
ず、空冷されるようになっている。従って、本実施例に
よればペルチェ素子の数が上記第２の実施例よりも少な
く、製造コストが低減している。

【００２０】図５は本発明が適用された第４の実施例に
於ける固体レーザ発振器の構成を示す模式的側面図であ
る。本実施例では、励起光源４１が、複数の半導体レー
ザチップ４２と、各半導体レーザチップ４２毎に設けら
れた集光レンズ４３及び光ファイバ４４とから構成され
ている。そして、この各光ファイバ４４により導かれた
光を励起光として図６（ａ）に示すようなパターンの励
起光分布で固体レーザ媒質５の端面５ａに照射するよう
になっている。従って、本発明に基づく放熱手段を設け
なければ、励起光分布に応じた図６（ｂ）に示すような
パターンの温度分布となる。

【００２１】ここで、本実施例では固体レーザ媒質５の
端面５ａ近傍の周面に熱的に接触するように、発熱量の
大きな部分に対応して６つの放熱部材４５〜５０が設け
られている。また、各放熱部材４５〜５０には上記同様
のペルチェ素子５１〜５６が付設されていると共に各放
熱部材４５〜５０同士間は断熱部材５７により互いに断
熱されている。従って、固体レーザ媒質５の放熱を異方
的に行うことができ、励起光源からの励起光の照射され
る部分の熱が異方的に放熱される。即ち、冷却効果が高
く放熱性の高い方向と発熱量が大きな方向とを一致させ
ていることにより熱の蓄積の異方性が小さくなり、即ち
温度分布が等方的になる。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明による固体レーザ発振器によれば、固体レーザ媒質に
励起光により発生する異方的な熱の分布を補償して等方
的な熱の分布となるように、発熱量が大きな方向に対応
して冷却効果の高い冷却手段を設けることにより、固体
レーザに於て異方性を有する熱レンズ効果、熱収差効果
及び熱複屈折効果を低減することが可能となることか
ら、レーザ光の収差を低減でき、高品質の光ビームを得
ることが期待できる。また第二高調波を利用する光源で
は、偏光面制御が大きな励起光強度まで可能となるの
で、高出力かつ低ノイズの緑色光源を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された第１の実施例に於ける固体
レーザ発振器の構成を示す模式的斜視図である。

【図２】励起光の強度分布と固体レーザ媒質の温度分布
とを併せて示す図１の要部拡大正面図である。

【図３】本発明が適用された第２の実施例を示す図２と
同様な図である。

【図４】本発明が適用された第３の実施例を示す図２と
同様な図である。

【図５】本発明が適用された第６の実施例に於ける固体
レーザ発振器の構成を示す模式的側面図である。

【図６】（ａ）部は、固体レーザ発振器の端面に於ける
励起光の強度分布を示す正面図であり、（ｂ）部は、本
発明に基づく放熱手段を設けていない場合の励起光の強
度分布と固体レーザ媒質の温度分布とを併せて示す図で
あり、（ｃ）部は励起光の強度分布と固体レーザ媒質の
温度分布とを併せて示す図５の要部拡大正面図である。

【図７】従来の固体レーザ発振器の構成を示す模式的斜
視図である。

【図８】励起光の強度分布と固体レーザ媒質の温度分布
とを併せて示す図７の要部拡大正面図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザチップ ２ 集光レンズ ３、４ 共振器ミラー ５ レーザ媒質 ５ａ 端面 ７〜１０ 熱伝導器 １１〜１４ ペルチェ素子 １５、１６ 電源 ２５ レーザ媒質 ２５ａ 端面 ２５ｂ、２５ｃ 側面 ２７、２８ 熱伝導器 ３１、３２ ペルチェ素子 ３５ レーザ媒質 ３５ａ 端面 ３５ｂ、２５ｃ 側面 ３７ 熱伝導器 ３７ａ、３７ｂ 側壁部 ３７ｃ 底壁部 ４０ ペルチェ素子 ４５〜５０ 熱伝導器 ５１〜５６ ペルチェ素子 ５７ 断熱部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １対のミラーからなる共振器と、前記
   共振器中に配置された固体レーザ媒質と、前記固体レー
   ザ媒質を端面励起するための励起光を発生する励起光源
   と、前記固体レーザ媒質に発生した熱を放熱させる手段
   とを備える固体レーザ発振器に於て、 前記放熱手段が、前記固体レーザ媒質に入射する励起光
   の光軸に対して垂直な面について分割された複数の部分
   を有し、かつ前記面の熱分布に応じて前記固体レーザ媒
   質を積極的に冷却する手段が前記各部分に設けられ、 前記固体レーザ媒質の前記面について前記励起光の光分
   布に応じて発生する異方的な熱分布を補償して等方的な
   熱分布となるように冷却することを特徴とする固体レー
   ザ発振器。