JPH0758380A

JPH0758380A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0758380A
Application number: JP5226395A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Imai; 浩文今井; Masahiro Daimon; 正博大門
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザ励起固体レーザに於て、単一縦
モードレーザ発振かつ安定な波長変換を行い得る固体レ
ーザ装置を提供する。【構成】３０μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有
し、かつ光励起によって所定波長のレーザ光を発生する
同一種の固体レーザ結晶２個と、これら２個の固体レー
ザ結晶を光励起する励起光源としての半導体レーザ素子
と、２個の固体レーザ結晶の一方の端面にあって所定波
長のレーザ光を実質的に反射するミラーコーティング
と、２個の固体レーザ結晶の他方の端面にあって所定波
長のレーザ光を実質的に透過する無反射コーティングと
を備え、２個の固体レーザ結晶を、無反射コーティング
面を内側に配置し、ミラーコーティング面を外側に配置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ励起固体
レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一対のミラーで構成された共振器中にＮ
ｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒質を配置し、半導体レーザ
素子で励起する固体レーザは、希ガスランプなどを励起
光源とする固体レーザよりも手軽でかつ安定なレーザ光
源として知られている。そして安定なレーザ光源は、ホ
ログラフィー、光パラメトリック発振器、光通信や光計
測などの分野に於ける利用価値が高い。これらの用途で
は、レーザ光源が安定な単一縦モード（単一周波数であ
ることと同義）であることが重要である。

【０００３】結晶をレーザ媒質とする固体レーザは、理
論的な均一系に極めて近く、本来、発振は単一縦モード
となるものと考えられるが、実際は、特に通常の定在波
型共振器を持つ固体レーザでは、一般にマルチモード発
振が観測される。これは固体レーザ結晶内の利得が、最
初に発振するモードの定在波により空間変調を受けるた
めであるとされている。この現象は、空間ホールバーニ
ングと呼ばれている。

【０００４】図５（ａ）〜（ｄ）は、Siegman 及び Kin
tz 等による第１の共振器モードによる利得の空間ホー
ルバーニングの説明図である（文献： A. E. Siegman,
Lasers. Mill Valley, CA : University Science Book
s, (1986) 、及び文献： G. J. Kintz and T. Baer,IEE
E J. Quantum Electron., 26, 1457 (1990)参照）。な
お、簡略化のため、固体レーザ媒質の一つの端面を共振
器ミラーとしている。図５（ａ）は、第１のモードの固
体レーザ媒質内での電界強度で、図５（ｂ）は、第１の
モードによって消費された反転分布の残りである。第１
のモードの電界強度が大きいところでは反転分布が消費
される（反転分布に穴が掘られたように見えるところか
ら「空間ホールバーニング」と呼ばれる）。

【０００５】このように空間ホールバーニングは、定在
波型共振器に於て、レーザ光の定在波が生じることに起
因するので、空間的に特定の場所、即ち、第１のモード
の定在波の腹の位置にしか生じない。従って、残った反
転分布が別のモードに対しても十分な利得を与えること
が有り得る。それは、第２のモードを発振させるのに必
要な利得が、残りの反転分布のうち、第２のモードがア
クセスできる反転分布の光軸方向での足し合わせによっ
て達成される場合である（図５（ｄ）参照）。

【０００６】空間ホールバーニングを受けた利得をアク
セスして成長する第２のモードは、空間的位相が第１の
モードに対して十分ずれていなければならない。なぜな
らば、第１のモードと同じ所を通っていたのでは、全く
利得が得られないからである。もしも活性領域が十分に
短ければ、図５（ａ）及び図５（ｃ）の右端部分に示す
ような第１のモードの定在波に対し、位相がほぼ反転し
た第２の定在波が生じることが、媒質の持つ利得周波数
帯域内では有り得なくなるため、発振可能なモードは初
めの一つに制限される。このような状況は、１．固体レ
ーザ媒質が実際に十分薄いか、あるいは、２．活性領域
長が実効的に十分短い場合にのみ、実現できる。

【０００７】Siegman が著した当時は、固体レーザの励
起光源としての半導体レーザがまだ有効な手段となって
いなかったが、彼は、空間ホールバーニングによるマル
チモード発振を回避し、単一縦モード発振を得る方法と
して、固体レーザ結晶の薄片を共振器ミラーの近傍に配
置することを示唆した。これは上述の第一の方法であ
る。しかしながら、結晶の種類や望ましい厚みについて
は明らかにされていず、第一の方法はこれまで実施され
ていない。

【０００８】第二の方法として、吸収係数の大きいレー
ザ結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ₄）を半導体レーザ励起すること
が、Kintz 等によって試みられたが、単一縦モード動作
が保たれる上限は、第１のモードのしきい値の数倍のレ
ベルであり、実用的に必ずしも満足のいくパワーレベル
ではない（文献： G. J. Kintz and T. Baer, IEEE J.
Quantum Electron., 26, 1457 (1990)参照）。

【０００９】また、固体レーザ本来の発振波長である赤
外光から可視光に波長変換を行う方法のうち、固体レー
ザ共振器内に波長変換素子を挿入する方法は、効率の良
い方法として知られているが、波長変換された光出力の
変動が問題となっている。これは固体レーザ発振がマル
チモードであることに起因しており、単一モード化する
有力な手段が求められている。

【００１０】

【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、半導体レーザ励起固体レーザに於て、単一
縦モードレーザ発振かつ安定な波長変換を行い得る固体
レーザ装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、３０μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有
し、かつ光励起によって所定波長のレーザ光を発生する
同一種の固体レーザ結晶２個と、これら２個の固体レー
ザ結晶を光励起する励起光源としての半導体レーザ素子
と、２個の固体レーザ結晶の一方の端面にあって所定波
長のレーザ光を実質的に反射するミラーコーティング
と、２個の固体レーザ結晶の他方の端面にあって所定波
長のレーザ光を実質的に透過する無反射コーティングと
を備え、２個の固体レーザ結晶を、無反射コーティング
面を内側に配置し、ミラーコーティング面を外側に配置
することにより、定在波型共振器を構成することを特徴
とする固体レーザ装置を提供することによって達成され
る。特に、共振器内に波長変換素子を備えるものとした
り、共振器内に発振レーザ光または波長変換後の高調波
レーザ光を取り出すためのミラーを備えるものとした
り、波長変換素子と固体レーザ媒質とを密着させて配置
するものとすると良い。

【００１２】

【作用】ここで、本発明の基礎となる理論計算を説明す
る。片面にミラーコーティングを施したレーザ結晶をレ
ーザ媒質として用い、半導体レーザで端面励起する場合
を考える。この場合、レーザ結晶内部の利得の空間分布
の様子は図５と同様な状況となる。発明者等は、まず単
一縦モード動作を得るのに望ましいレーザ結晶の厚さを
知りたい。そのためには、単一モード動作が保たれる励
起入力の上限をレーザ結晶の厚さの関数として求めなけ
ればならない。これはレーザ結晶の厚さの関数として第
２のモードの発振しきい値を求めることに他ならない。

【００１３】まず、第２のモードの利得は、第１のモー
ドの定在波によって空間変調された利得の残りと第２の
モードの定在波とが重なり合う部分の利得を、レーザ結
晶の厚さ方向で足し合わせていくことにより求められ
る。即ち、図５（ｄ）に示すような、第２のモードがア
クセスできる利得を光軸方向で積分することで求められ
る。実際にこの計算を行うには、２つの仮定が必要であ
るが、第一は、第１番目に発振するモードはレーザ結晶
の利得周波数帯域の中心周波数とすることである。第二
は、レーザ結晶内に於ける第２のモードの定在波の強度
分布である。そして第１のモードに対してどれだけ空間
的に位相がずれたモードが第２のモードとなるのかを決
める必要がある。

【００１４】第１のモードに対して空間的位相ずれが最
大となるモードが、残った利得に最もアクセスし易いは
ずであるから、これを第２のモードと仮定する。即ち、
レーザ結晶が薄い場合には、レーザ結晶の他方の端面に
於て、第１のモードに対して空間的位相ずれが最大とな
るモードを第２のモードとして計算する。これら２つの
仮定は、物理的直感に反するものではなく、一般性もあ
ると考えられる。このようにして第２のモードの利得を
計算し、第１のモードの利得との比を取ることにより、
第１のモードの発振しきい値の何倍の励起入力まで単一
モード動作が保たれるのかが、レーザ結晶の厚さの関数
として知ることができる。別の計算からこの比の関数と
して第１のモードの強度を求めることができるので、結
局固体レーザ共振器内に形成される単一モードパワーの
上限を、レーザ結晶の厚さの関数として知ることができ
る。

【００１５】図６は、レーザ結晶の厚さの関数として、
固体レーザ共振器内の単一モードパワーを計算した結果
を示すグラフである。計算では共振器長は１５ｍｍとし
た。この長さは、共振器内に波長変換素子が挿入できる
ような長さを任意に選んだだけであり、他に特別な意味
はない。他の長さでも同様な結果が得られる。またレー
ザ結晶は、Ｎｄ濃度１％及び３％のＮｄ：ＹＶＯ₄を例
として計算した。

【００１６】これらの結晶の半導体レーザ波長８０９ｎ
ｍに於ける吸収長は、それぞれ約５００μｍ及び２００
μｍである。図６から、レーザ結晶の厚さが自身の吸収
長よりも厚い場合には、個々の結晶特性によって単一モ
ードパワーの上限が決るが、結晶厚が自身の吸収長より
薄くなると、ほとんど個々の結晶特性に依存しなくな
り、主に結晶の厚さで上限が決ることが分かる。特に結
晶厚さが２００μｍ以下では、単一縦モード動作の上限
は著しく上昇する。そこで本発明に於ては、活性領域長
を２００μｍ以下とする。一方、レーザ結晶の厚さの下
限は、加工上の問題から制限され、３０μｍとする。

【００１７】さて、単一縦モード発振を保証するには、
レーザ結晶厚を２００μｍ以下にすれば良いことを示し
たが、実際この厚みでは、レーザ結晶種類などの条件に
よっては、第１のモードの発振すら起きない可能性もあ
る。これでは元も子もないが、だからといってレーザ結
晶の厚みを増すことはできない。そこで、本発明に於て
は、３０μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有する同一種
のレーザ結晶を２個用意し、それぞれの結晶の一方の端
面に共振器ミラー用のコーティングを施し、これらを定
在波型レーザ共振器のレーザ媒質かつミラーとして用い
ることとした。即ち、薄いレーザ結晶が共振器の両端に
配置された構成となる。これにより、単一縦モード発振
の特性を保ちながら利得を倍増することができる。

【００１８】次に励起光入力の与え方及び出力光の取り
出し方について説明する。半導体レーザで端面励起する
ものとすれば、例えば、２枚の薄い固体レーザ結晶から
構成される定在波型共振器の両側から、それぞれの結晶
を励起するために励起光を与えてやらなければならな
い。この場合、もし共振器内に波長変換素子を配置して
第２高調波を発生させることを考えると、励起光の入力
光学系が発生した第２高調波を取り出す際の障害になる
可能性もあるので、第２高調波を発振光軸とは別の方向
へ取り出す工夫も必要になる。これは基本発振光につい
ても同じことが言える。そこで本発明に於ては、共振器
内に発振光または波長変換後の光を取り出すためのミラ
ーを備えるものとした。

【００１９】また、固体レーザ結晶と波長変換素子とを
密着させることにより、装置の小型化を図ることがで
き、製造コストを低減できる。

【００２０】このようにすれば、半導体レーザ励起固体
レーザに於て単一縦モードレーザ発振かつ安定な波長変
換を行うことができる。

【００２１】

【実施例】本発明の特徴及び利点をより一層明らかにす
るため、以下に添付の図面を参照しながら本発明の好適
実施例について詳細に説明する。

【００２２】図１に本発明が適用された第１の実施例を
示す。本実施例では、固体レーザ媒質として、レーザ遷
移を起こす活性原子Ｎｄを１．５％含むＹＡＧ（Ｎｄ：
ＹＡＧ）結晶を、厚さ１００μｍ、面精度λ／１０、平
行度１秒に研磨したものを２個用いている。以下、図１
に於ける左側の結晶を３ａ、右側の結晶を３ｂとする。

【００２３】両レーザ結晶３ａ・３ｂを、それぞれ定在
波型共振器の両端に配置する。これらレーザ結晶３ａ・
３ｂの共振器の外側端面には、発振波長１０６４ｎｍで
の高反射膜かつ半導体レーザ波長８０９ｎｍでの無反射
膜（ＨＲ１０６４ｎｍ／ＡＲ８０９ｎｍ）が施されてお
り、内側端面には、発振波長での無反射膜（ＡＲ１０６
４ｎｍ）が施されている。これにより、両レーザ結晶３
ａ・３ｂは、レーザ媒質であると同時に共振器ミラーの
役割をも果たす。なお、共振器の光学的長さを１５ｍｍ
とした。

【００２４】両端に設けられた２個の半導体レーザ素子
１ａ・１ｂから放射されたレーザ光は、それぞれが対応
する集光レンズ２ａ・２ｂで集光され、レーザ結晶３ａ
・３ｂに照射される。これにより、単一縦モード発振の
特性を保ちながら利得を倍増することができ、単一縦モ
ードのＮｄ：ＹＡＧレーザ発振が起きる。

【００２５】発振した単一縦モードのＮｄ：ＹＡＧレー
ザ光（１０６４ｎｍ：赤外光）は、共振器内に配置され
た部分反射ミラー４により、共振器外に取り出される。

【００２６】図２に本発明が適用された第２の実施例を
示す。本実施例では、一方のレーザ結晶３ｂのコーティ
ングを以下のように変更する。

【００２７】レーザ結晶３ｂの外側端面には、発振波長
での部分透過膜かつ半導体レーザ波長での高反射膜（Ｒ
＝９７．５％＠１０６４ｎｍ／ＨＲ８０９ｎｍ）を施
し、内側端面には、発振波長及び半導体レーザ波長での
無反射膜（ＡＲ１０６４ｎｍ／ＡＲ８０９ｎｍ）を施
す。

【００２８】一方の半導体レーザ素子１ｂからの励起光
は、集光レンズ２ｂで集光され、共振器の内側から一方
のレーザ結晶３ｂに照射される。この場合、発振した単
一縦モードのＮｄ：ＹＡＧレーザ光（１０６４ｎｍ：赤
外光）は、レーザ結晶３ｂの外側端面に施された部分透
過ミラーから共振器外に取り出される。

【００２９】本実施例によれば、励起光の取り回しがや
や複雑となるが、出力光が発振光軸方向から取り出せる
点が便利である。

【００３０】図３に本発明が適用された第３の実施例を
示す。本実施例では、両レーザ結晶３ａ・３ｂのコーテ
ィングは、第１の実施例と同じとする。本実施例は、共
振器内第２高調波発生を目的としたものであり、共振器
内に波長変換素子ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）５を配置す
る。発振した単一縦モードのＮｄ：ＹＡＧレーザ光（１
０６４ｎｍ：赤外光）は、波長変換素子５によって第２
高調波（５３２ｎｍ：緑色光）に変換され、共振器内に
配置されたダイクロイックミラー（ＡＲ１０６４ｎｍ／
ＨＲ５３２ｎｍ）６によって共振器外に取り出される。

【００３１】本実施例によれば、基本発振光である赤外
光が単一縦モードであることにより、波長変換に伴う第
２高調波光（緑色光）の出力変動の問題は解消されてい
る。

【００３２】図４に本発明が適用された第４の実施例を
示す。本実施例では、レーザ結晶３ｂのコーティングを
以下のように変更する。

【００３３】レーザ結晶３ｂの外側端面には、発振波長
での高反射膜かつ第２高調波波長及び半導体レーザ波長
での無反射膜（ＨＲ１０６４ｎｍ／ＡＲ５３２ｎｍ／Ａ
Ｒ８０９ｎｍ）を施し、内側端面には、発振波長及び第
２高調波波長での無反射膜かつ半導体レーザ波長での高
反射膜（ＡＲ１０６４ｎｍ／ＡＲ５３２ｎｍ／ＨＲ８０
９ｎｍ）を施す。また両レーザ結晶３ａ・３ｂ及び波長
変換素子５は、オプティカルコンタクトにより密着させ
る。

【００３４】半導体レーザ素子１ａは、第１乃至第３の
実施例と同様にしてレーザ結晶３ａを励起する。半導体
レーザ素子１ｂからの励起光は、集光レンズ２ｂで集光
され、共振器の外側から斜め入射でレーザ結晶３ｂに照
射される。発振した単一縦モードのＮｄ：ＹＡＧレーザ
光（１０６４ｎｍ：赤外光）は、波長変換素子５によっ
て第２高調波（５３２ｎｍ：緑色光）に変換され、レー
ザ結晶３ｂの外側端面に施されたミラーコーティングか
ら共振器外に取り出される。

【００３５】本実施例によれば、共振器構造が上記第３
の実施例に比較して単純化され、小型化し、製造コスト
が低減している。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
による固体レーザ装置によれば、半導体レーザ励起固体
レーザに於て単一縦モードレーザ発振かつ安定な波長変
換を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す模式的斜視図。

【図２】本発明の第２実施例を示す模式的斜視図。

【図３】本発明の第３実施例を示す模式的斜視図。

【図４】本発明の第４実施例を示す模式的斜視図。

【図５】空間ホールバーニングの説明図。

【図６】共振器内単一縦モードパワーの上限を説明する
ためのグラフ。

【符号の説明】

１ａ・１ｂ半導体レーザ素子２ａ・２ｂ集光レンズ３ａ・３ｂ固体レーザ媒質４部分反射ミラー５波長変換素子ＫＴＰ６ダイクロイックミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/08 3/109 8934−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３０μｍ以上２００μｍ以下の厚みを有
し、かつ光励起によって所定波長のレーザ光を発生する
同一種の固体レーザ結晶２個と、前記２個の固体レーザ結晶を光励起する励起光源として
の半導体レーザ素子と、前記２個の固体レーザ結晶の一方の端面にあって前記所
定波長のレーザ光を実質的に反射するミラーコーティン
グと、前記２個の固体レーザ結晶の他方の端面にあって前記所
定波長のレーザ光を実質的に透過する無反射コーティン
グとを備え、前記２個の固体レーザ結晶を、前記無反射コーティング
面を内側に配置し、前記ミラーコーティング面を外側に
配置することにより、定在波型共振器を構成することを
特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】共振器内に波長変換素子を備えることを
特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
【請求項３】共振器内に発振レーザ光または波長変換
後の高調波レーザ光を取り出すためのミラーを備えるこ
とを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載の固体
レーザ装置。
【請求項４】波長変換素子と固体レーザ媒質とを密着
させて配置することを特徴とする請求項１乃至３のいず
れかに記載の固体レーザ装置。