JPH10178223A

JPH10178223A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH10178223A
Application number: JP33691796A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shimomura; 克彦下村; Kenji Suzuki; 健司鈴木
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1998-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】励起光の高出力化およびレーザ媒質における
吸収効率の向上によって、高効率かつ高出力な固体レー
ザ装置を提供する。【解決手段】固体レーザ装置は、レーザ媒質２６を含
む光共振器２３と、レーザ媒質２６を励起する励起光３
１を放射するブロードエリア型半導体レーザ２１と、半
導体レーザ２１から放射される放射光３２を反射して、
半導体レーザ２１に帰還するためのミラー３０と、半導
体レーザ２１とミラー３０との間に介在する波長選択素
子２９などで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分析、計測、医
療、ディスプレー、光記録などの分野で、光源として使
用される固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、従来の固体レーザ装置の一例
を示す構成図である。固体レーザ装置は、励起光１１を
放射する光源である半導体レーザ１と、励起光１１を集
束するレンズ系２および光共振器３が、光軸５上に配置
されて構成されている。光共振器３は、レーザ媒質６と
出力ミラー７とで構成される。

【０００３】レーザ媒質６の端面６ａには励起光１１の
波長に対して透過率が８０％以上で、かつレーザ媒質６
の発振波長に対して反射率が９９．９％のコーティング
が施される。また、レーザ媒質６の端面６ｂにはレーザ
媒質６の発振波長に対して反射率が０．１％以下のコー
ティングが施される。一方、出力ミラー７の端面７ａに
はレーザ媒質６の発振波長に対して反射率が９９．０％
のコーティングが施され、これら２つの端面６ａ、７ａ
によってレーザ媒質６の発振波長における光共振器構造
が形成される。

【０００４】半導体レーザ１から放射された励起光１１
がレンズ系２によって集束されて、レーザ媒質６に入射
すると、レーザ媒質６中に反転分布が形成されて光増幅
が可能になる。この結果、光共振器３においてレーザ発
振が起こり、その一部が出力ミラー７を透過して出力光
１３として出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】こうした固体レーザ装
置を高出力化するには、励起用の半導体レーザ１の高出
力化、励起光１１の伝搬損失の低減、レーザ媒質６にお
ける励起光１１の吸収効率の向上、光共振器３での発振
効率の向上、等が挙げられる。

【０００６】励起光１１の波長はレーザ媒質６の吸収効
率がピークとなる波長と一致するのが理想的であり、半
導体レーザ１として単一縦モードの半導体レーザを使用
することによって、安定した光励起を行うことができ
る。

【０００７】しかしながら、単一縦モードの半導体レー
ザの出力は現時点で２００ｍＷ程度が限界であり、この
ときの出力光１３は数ｍＷ程度しか得られない。

【０００８】本発明の目的は、励起光の高出力化および
レーザ媒質の吸収効率の向上を図ることによって、高効
率かつ高出力な固体レーザ装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ媒質を
含む光共振器と、該レーザ媒質を励起する励起光を放射
する半導体レーザとを備えた固体レーザ装置において、
前記半導体レーザは、縦多モード発振する半導体レーザ
であって、半導体レーザから放射される放射光を反射し
て、該半導体レーザに帰還するための光帰還手段と、半
導体レーザと光帰還手段との間に介在する波長選択素子
とを備えることを特徴とする固体レーザ装置である。本
発明に従えば、縦多モード発振する半導体レーザが高い
出力を有するため、励起光の高出力化を実現できる。一
方、縦多モード発振する半導体レーザから放射される励
起光のスペクトル半値幅は１．２ｎｍ程度であり、例え
ばレーザ媒質としてＮｄ³⁺イオンが１％程度ドープされ
たＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶を使用する場合、その吸収スペクト
ルの半値幅は１ｎｍ以下であるため、結晶長１ｍｍの場
合には励起光の１／２以下しかレーザ媒質に吸収されな
い。その対策として、半導体レーザから放射される放射
光を波長選択素子を介して再び半導体レーザに帰還する
ことによって、半導体レーザの発振スペクトルを波長選
択素子の選択帯域に制限することができる。そのため、
波長選択素子の選択帯域を狭帯域なものに設定すること
によって、半導体レーザの発振スペクトルを狭帯域化で
き、レーザ媒質の吸収効率を格段に向上させることがで
きる。こうして励起光の高出力化およびレーザ媒質の吸
収効率の向上によって、固体レーザ装置の高出力化・高
効率化を実現できる。なお、本発明に係る波長選択素子
として、グレーティング、複屈折フィルタ、誘電体多層
膜コーティング、等の波長フィルタが使用可能である。

【００１０】また本発明は、波長選択素子の透過スペク
トルの半値全幅が０．８ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲にある
ことを特徴とする。本発明に従えば、波長選択素子の透
過スペクトルの半値全幅を０．８ｎｍ未満に狭くし過ぎ
ると、波長選択素子の透過損失が大きくなってしまい、
半導体レーザからの励起光強度が減少してしまう。ま
た、波長選択素子の透過スペクトルの半値全幅を３．０
ｎｍより大きくし過ぎると、励起光のスペクトルがレー
ザ媒質の吸収スペクトルよりブロードになって、レーザ
媒質での吸収効率が低下する。したがって、波長選択素
子の透過スペクトルを適切な範囲、すなわち半値全幅で
０．８ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲内に設定することが好ま
しい。

【００１１】また本発明は、波長選択素子は、誘電体多
層膜を用いたバンドパスフィルタであることを特徴とす
る。本発明に従えば、グレーティングや複屈折フィルタ
と比べて、配置角度の精度を緩和でき、しかも小型で軽
量なフィルタが得られるため、固体レーザ装置の組立が
容易になり、装置を小型化できる。

【００１２】また本発明は、レーザ媒質は、Ｎｄ³⁺イオ
ンを添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶であることを特徴とす
る。本発明に従えば、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶（ＹＡＧ）は波
長８０９ｎｍ付近に半値幅が約１ｎｍの吸収ピークを有
し、レーザ媒質としての発振効率も優れている。また、
波長８０９ｎｍ付近の近赤外領域の半導体レーザは一般
的なＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体で製造可能であり、
高出力で長寿命のものを使用できる。また、ブロードエ
リア型の半導体レーザを使用すると、発振スペクトルが
一般にブロードになるが、波長選択素子による励起光の
狭帯域化によってレーザ媒質の吸収効率を高く維持で
き、高効率のレーザ発振が可能になる。

【００１３】また本発明は、光共振器におけるレーザ発
振がＮｄ³⁺イオンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2遷移で行われること
を特徴とする。⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2遷移によるレーザ発振は
いわゆる擬３準位系であり、レーザ発振波長と一致する
光吸収が存在するため、レーザ媒質の結晶長を長くして
励起光の吸収効率を向上しようとすると、レーザ出力が
むしろ低下するという問題がある。本発明によれば、波
長選択素子による励起光の狭帯域化によってレーザ媒質
の結晶長を長くすることなく励起光の吸収効率を向上す
ることができ、高効率のレーザ発振が可能になる。

【００１４】また本発明は、光共振器内に光共振器の発
振波長を変換する波長変換素子を備え、波長変換された
光を出力光として光共振器外に取出すことを特徴とす
る。本発明に従えば、光共振器内に波長変換素子を配置
する構成において、励起光から基本波への波長変換、お
よび基本波から出力光への波長変換という２段階の波長
変換を経由することになって、一般に全体の変換効率が
低下する傾向にあるが、波長選択素子による励起光の狭
帯域化によってレーザ媒質による基本波発振の効率が向
上し、最終的に波長変換された出力光の出力も大幅に向
上できる。

【００１５】また本発明は、波長変換素子はＫＮｂＯ₃
単結晶であることを特徴とする。本発明に従えば、ＫＮ
ｂＯ₃ 単結晶の非線形光学定数は、実用的な無機結晶の
中で最大であるため、レーザ媒質による基本波を効率よ
く第２高調波や和周波等に変換することができる。

【００１６】以下、本発明の原理について詳説する。図
１に示すように、固体レーザ装置は、励起光３１を放射
する光源であるブロードエリア型半導体レーザ２１と、
励起光３１を集束するレンズ系２２および光共振器２３
が、光軸２５上に配置されて構成されている。半導体レ
ーザ２１の前側端面２１ａから放射された励起光３１が
レンズ系２２によって集束されて、レーザ媒質２６に入
射すると、レーザ媒質２６中に反転分布が形成され、光
共振器２３の内部でレーザ発振が起こり、その一部が出
力ミラー２７を通過して出力光３３として出力される。

【００１７】一方、半導体レーザ２１から後方には、レ
ンズ２８、波長選択素子２９およびミラー３０が光軸２
５に沿って配置されている。半導体レーザ２１の後側端
面２１ｂから放射された放射光３２は、レンズ２８によ
りコリメートされ、波長選択素子２９を通過した後、ミ
ラー３０により反射され、再び波長選択素子２９を通過
してレンズ２８により集光されて、半導体レーザ２１に
帰還する。

【００１８】こうした配置において、半導体レーザ２１
の前側端面２１ａとミラー３０との間で外部共振器３６
を構成している。外部共振器３６の発振波長は、半導体
レーザ２１自体のゲイン分布と、外部共振器３６内の全
光学素子のロスの分布により決定される。しかし、半導
体レーザ２１のゲイン分布は半値幅３０ｎｍと広く、ま
た波長選択素子２９以外の光学素子のロスの波長依存性
は極めて小さいため、外部共振器３６の発振波長は波長
選択素子２９の特性によって実質上決定される。すなわ
ち、波長選択素子２９の透過波長において光学ロスが極
小となるため、この周辺の波長が外部共振器３６の発振
波長となる。

【００１９】ここで、波長選択素子２９の透過スペクト
ルを狭帯域のバンドパス特性に設定することによって、
透過波長からの微小な波長差でロスが急激に増大するた
め、放射光３２のスペクトルは狭帯域化する。前側端面
２１ａの透過率は波長依存性が殆ど無いため、励起光３
１のスペクトルは放射光３２のスペクトルと等しくな
る。こうして放射光３２の狭帯域化とともに励起光３１
も狭帯域化し、その中心波長をレーザ媒質２６の吸収ピ
ークに一致させることによって、レーザ媒質２６におけ
る励起光３１の吸収効率が格段に向上する。これによっ
て出力光３３の出力も増大し、固体レーザ装置の高効率
化・高出力化を実現できる。

【００２０】以上の説明では、外部共振器３６を半導体
レーザ２１の前側端面２１ａとミラー３０との間で構成
する例を示したが、外部共振器構造は半導体レーザ２１
の後側端面２１ｂとレーザ媒質２６の入射側端面２６ａ
との間で構成することも可能である。この場合、半導体
レーザの前側端面２１ａを出射した励起光３１はレンズ
系２２を通過した後、レーザ媒質２６の端面２６ａで部
分的に反射され、再びレンズ系２２を通過して半導体レ
ーザ２１に帰還する。この配置では、波長選択素子をレ
ンズ２２ａとレンズ２２ｂの間に挿入することが望まし
い。レンズ２２ａとレンズ２２ｂの間では励起光３１が
平行光となっていて、波長選択素子が最も有効に機能す
るからである。

【００２１】なお、波長選択素子を挿入した外部共振器
構造を単一モード型半導体レーザに適用することは既に
公知である（特開平６−７５２６１）。しかし、単一モ
ード型半導体レーザは発振スペクトル全体のシフトおよ
び安定化が可能であるが、上述のようなスペクトルが狭
帯域化するという効果はなく、出力光の出力には殆ど変
化がない。すなわち、励起光スペクトルの狭帯域化によ
る高効率化・高出力化という効果は、波長選択素子を挿
入した外部共振器構造を縦多モード発振する半導体レー
ザに適用することにより実現できるものである。

【００２２】本発明においては、波長選択素子２９の透
過スペクトル幅が狭いほど励起光３１のスペクトルも狭
帯域化する傾向があり、この観点からは波長選択素子２
９の透過スペクトル幅は狭いほど好ましい。しかし、励
起光３１の狭帯域化には一定の限界があり、波長選択素
子２９の透過スペクトル幅を狭くし過ぎると、放射光３
２が波長選択素子２９において大きなロスを受けること
になる。すなわち、波長選択素子２９の透過スペクトル
幅は、一定の最適範囲が存在することになる。本発明に
おいては、実験によって（実施例２参照）この最適な透
過スペクトルの半値全幅が０．８〜３．０ｎｍであるこ
とが好ましいことを見出している。

【００２３】本発明における波長選択素子２９として
は、グレーティング、複屈折フィルター、誘電体多層膜
コーティングによるバンドパスフィルタ等を用いること
ができるが、精密な角度調整を必要としない点、少ない
素子数で構成できる点から、誘電体多層膜コーティング
によるバンドパスフィルタを用いることが好ましい。

【００２４】また、Ｎｄ³⁺イオンを添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ
₁₂結晶は、８０９ｎｍ付近の吸収ピークの半値幅が約１
ｎｍと狭いため、通常の縦多モード発振する半導体レー
ザの光吸収効率が低くなる。このため、Ｎｄ³⁺イオンを
添加したＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶をレーザ媒質２６として用い
る場合、本発明により励起光３１のスペクトルを狭帯域
化して励起することが固体レーザの出力・効率の向上に
資する。

【００２５】本発明における縦多モード発振する半導体
レーザとしては活性層に平行な方向の光閉じ込めを行っ
ていないいわゆるブロードエリア型や、同方向に光閉じ
込めを行ういわゆる実屈折率導波型や、複素屈折率導波
型があげられる。なかでもブロードエリア型がより高い
励起出力を出すので好ましい。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態を示す
構成図である。固体レーザ装置は、励起光源であるブロ
ードエリア型の半導体レーザ２１と、励起光３１を集束
するレンズ系２２と、光共振器２３と、外部共振器用光
学系２４とが光軸２５上に配置されて構成されている。
レンズ系２２は、コリメートレンズ２２ａと集光レンズ
２２ｂとで構成される。光共振器２３は、レーザ媒質２
６と出力ミラー２７とで構成される。外部共振器用光学
系２４は、レンズ２８と、波長選択素子２９と、光帰還
用のミラー３０とで構成される。

【００２７】半導体レーザ２１は、ブロードエリア型の
縦多モード発振するので、発光領域の厚さ１μｍ、スト
ライプ幅５０μｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザであ
り、その最大出力は１Ｗ、発振波長は８０９ｎｍ、スペ
クトルの半値全幅は１．２ｎｍである。レンズ２２ａ、
２２ｂおよび２８は、何れも焦点距離４．１ｍｍ、開口
数（ＮＡ）０．４５のプラスチックレンズで構成され
る。レーザ媒質２６は、Ｎｄ³⁺イオンが１．４ａｔ％添
加されたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶であり、その結晶長は１ｍ
ｍである。出力ミラー２７は材質がＢＫ７で形成され、
一方の端面２７ａの曲率半径は７．８ｍｍであり、他方
の端面２７ｂは平面である。レーザ媒質２６の端面２６
ｂと出力ミラー２７の端面２７ａとの距離は光軸１０５
上で５ｍｍに設定される。

【００２８】レーザ媒質２６の端面２６ａには励起光３
１の波長８０９ｎｍおいて透過率が８３％で、かつ発振
光の波長９４６ｎｍにおいて反射率が９９．９％である
コーティングが施され、もう一方の端面２６ｂには波長
９４６ｎｍにおいて反射率が０．１％であるコーティン
グが施されている。一方、出力ミラー２７の曲面状の端
面２７ａには波長９４６ｎｍにおいて反射率が９９．０
％のコーティングが施されている。ここで、２つの端面
２６ａ、２７ａの間で波長９４６ｎｍの発振光に対する
光共振器２３が構成される。

【００２９】半導体レーザ２１の前側端面２１ａから放
射された励起光３１がレンズ系２２によって集束され
て、レーザ媒質２６に入射すると、レーザ媒質２６中に
反転分布が形成され、光共振器２３において波長９４６
ｎｍのレーザ発振がおこり、その一部が出力ミラー２７
を透過して出力光３３として出力される。

【００３０】一方、半導体レーザ２１の後側端面２１ｂ
から放射された放射光３２は、レンズ２８によって平行
光となり、波長選択素子２９を通過した後、ミラー３０
により反射され、再び波長選択素子２９を通過した後、
レンズ２８により集光されて、半導体レーザ２１に帰還
する。この結果、半導体レーザ２１の前側端面２１ａと
ミラー３０との間で外部共振器３６が形成されることに
なる。外部共振器３６の発振波長は波長選択素子２９の
透過波長で決定される。

【００３１】波長選択素子２９は、厚さ０．５ｍｍのＢ
Ｋ７製の基板上に誘電体多層膜コーティングを施したバ
ンドパスフィルタであり、その透過率は波長８０８．５
ｎｍにおいて８５％の最大値を示し、透過スペクトルの
半値全幅（ＦＷＨＭ）は０．８ｎｍである（図２参
照）。こうした選択特性を有する波長選択素子２９を用
いることによって、放射光３２の中心波長は８０８．５
ｎｍとなり、そのスペクトルの半値全幅は０．５ｎｍに
なった。

【００３２】半導体レーザ２１の前側端面２１ａの透過
率は８０９ｎｍ付近での波長依存性が殆ど無いため、励
起光３１のスペクトルは放射光３２のスペクトルと等し
く、その中心波長は８０８．５ｎｍ、スペクトル半値全
幅は０．５ｎｍとなった。

【００３３】図３（ａ）は励起光３１のスペクトル、図
３（ｂ）はブロードエリア型半導体レーザ単体のスペク
トルをそれぞれ示すグラフである。これらのグラフを見
ると、波長選択素子２９を用いた光帰還によって励起光
３１のスペクトルが半値全幅１．２ｎｍから半値全幅
０．５ｎｍに狭帯域化したことが判る。レーザ媒質２６
であるＮｄ：ＹＡＧの吸収スペクトルの半値全幅は約１
ｎｍであるため、励起光３１はレーザ媒質２６において
高効率で吸収される。

【００３４】第１実施形態の固体レーザ装置の出力特性
を図４（ａ）に示す。縦軸は出力光３３の出力であり、
横軸は励起光３１の出力（前側端面２１ａの直近で測
定）である。グラフを見ると、励起光３１の出力が９０
０ｍＷのとき、出力光３３の出力は５６ｍＷであること
が判る。

【００３５】（第１比較例）次に第１比較例について説
明する。第１比較例は図１２の構成と同様であり、固体
レーザ装置は、ブロードエリア型の半導体レーザ１と、
レンズ系２と、光共振器３とが光軸５上に配置されて構
成され、第１実施形態と比べて外部共振器用光学系２４
が存在しない点で相違する。

【００３６】第１比較例において、半導体レーザ１は、
ストライプ幅５０μｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザで
あり、その最大出力は１Ｗ、発振波長は８０９ｎｍ、ス
ペクトルの半値全幅は１．２ｎｍである。レンズ２ａ、
２ｂは、焦点距離４．１ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．４５
のプラスチックレンズである。レーザ媒質６は、Ｎｄ³⁺
イオンが１．４ａｔ％添加されたＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶で
あり、結晶長は１ｍｍである。出力ミラー７はＢＫ７製
であり、端面７ａの曲率半径は７．８ｍｍ、端面７ｂは
平面である。レーザ媒質６の端面６ｂと出力ミラー７の
端面７ａとの間の距離は、光軸５上で５ｍｍである。

【００３７】レーザ媒質６の端面６ａには、励起光１１
の波長８０９ｎｍおいて透過率が８３％で、発振光の波
長９４６ｎｍにおいて反射率が９９．９％であるコーテ
ィングが施され、もう一方の端面６ｂには波長９４６ｎ
ｍにおいて反射率が０．１％以下であるコーティングが
施されている。一方、出力ミラー７の端面７ａには波長
９４６ｎｍにおいて反射率が９９．０％のコーティング
が施されている。ここで、２つの端面６ａ、７ａによっ
て波長９４６ｎｍの光に対する光共振器３が形成され
る。

【００３８】第１比較例においては、半導体レーザ１の
スペクトルを何ら制御していないため、励起光１１のス
ペクトル半値全幅は半導体レーザ１単体のものと同じ
１．２ｎｍであった。レーザ媒質６であるＮｄ：ＹＡＧ
の吸収スペクトルの半値全幅は約１ｎｍなので、レーザ
媒質６における励起光１１の吸収効率は第１実施形態と
比較して低くなる。

【００３９】第１比較例の出力特性を図４（ｂ）に示
す。励起光１１の出力が９００ｍＷ（端面１ａの直近で
測定）のとき、出力光１３の出力は３３ｍＷだった。図
４（ａ）と（ｂ）のグラフを比較すると、本発明によっ
てレーザ媒質の励起効率が向上し、同一出力の励起光か
ら約２倍の出力が得られることが判る。

【００４０】（第２比較例）次に第２比較例について説
明する。第２比較例は図１の構成と同様であるが、半導
体レーザ２１として単一モード型のものを使用した点が
相違する。

【００４１】半導体レーザ２１は、発光領域の厚さ１μ
ｍで、ストライプ幅３μｍの単一モード型のＡｌＧａＡ
ｓ系半導体レーザであり、その最大出力は２００ｍＷ、
発振波長は８０８．５ｎｍ、スペクトルの半値全幅は１
０^-5ｎｍである。

【００４２】半導体レーザ２１の発振波長は波長選択素
子２９の透過波長によって決定され、波長選択素子２９
の透過率は波長８０８．５ｎｍにおいて８５％の最大値
を示し、透過スペクトルの半値全幅は、０．８ｎｍであ
る。

【００４３】図５は第２比較例での励起光のスペクトル
を示し、図５（ａ）は波長選択素子２９が存在する場
合、図５（ｂ）は波長選択素子２９が無い場合を示す。
図５（ａ）での発振波長は８０８．５ｎｍであり、波長
選択素子２９の最大透過波長に一致する。一方、図５
（ｂ）での発振波長も８０８．５ｎｍであり、両者とも
レーザ媒質２６であるＹＡＧの吸収スペクトルのピーク
にほぼ一致している。スペクトル半値全幅は極めて狭小
なため通常の分光器では測定不能だったが、両者とも
０．０１ｎｍ以下であり、この数値はレーザ媒質２６で
あるＮｄ：ＹＡＧの吸収スペクトルの半値全幅１ｎｍよ
り充分に小さい。

【００４４】図６は第２比較例での出力特性を示し、図
６（ａ）は波長選択素子２９が存在する場合、図６
（ｂ）は波長選択素子２９が無い場合を示す。縦軸は出
力光３３の出力で、横軸は励起光３１の出力である。グ
ラフを見ると、両者には殆ど差がなく、励起光３１の出
力が２００ｍＷのとき、出力光３３の出力はそれぞれ１
１．５ｍＷおよび１０．５ｍＷであった。

【００４５】この原因として、外部共振器構造によるス
ペクトル制御を行う前から、単一モード型の半導体レー
ザ２１のスペクトル幅が、レーザ媒質２６の吸収スペク
トル幅より充分に小さいため、波長選択素子を含む外部
共振器構造を適用しても、吸収効率はこれ以上向上しな
いためと考えられる。すなわち、単一モード型の半導体
レーザに波長選択素子を含む外部共振器を適用しても、
第１実施形態のような効果は生じないことが判る。

【００４６】また、単一モード型半導体レーザによる光
励起を用いると、最大出力がブロードエリア型の約１／
５であるため、得られる出力光は最大１１．５ｍＷに留
まり、第１比較例の１／３、第１実施形態の１／５しか
得られないことが判る。

【００４７】（第２実施形態）図７は、本発明の第２実
施形態を示す構成図である。第２実施形態は、第１実施
形態と同様な構成であるが、波長選択素子２９が他の波
長選択素子２９ａ、２９ｂ等と交換可能な構造になって
いる点が相違する。

【００４８】以下、波長選択素子２９の透過スペクトル
の半値全幅が、半導体レーザ２１から放射される励起光
３１のスペクトルに与える影響について検討した結果を
説明する。

【００４９】波長選択素子２９として、透過スペクトル
の半値全幅が０．３ｎｍ、０．８ｎｍ、１．８ｎｍ、
３．０ｎｍ、４．０ｎｍ、および５．０ｎｍの誘電体多
層膜コーティングを用いた合計６種類のバンドパスフィ
ルタを用意し、順番に差し替えながら励起光３１のスペ
クトルを各バンドパスフィルタについて測定し、これら
の半値全幅をそれぞれ計測した。測定条件は、ブロード
エリア型の半導体レーザ２１の温度が２５℃、励起光３
１の出力が９００ｍＷ、単体の励起光３１のスペクトル
の半値全幅は約１．１ｎｍである。

【００５０】図８は、励起光３１のスペクトルの半値全
幅の測定結果を示すグラフである。横軸は波長選択素子
２９の透過スペクトルの半値全幅である。グラフを見る
と、波長選択素子２９の透過スペクトル半値全幅が減少
するにともない、励起光３１のスペクトルも狭帯域化し
ていることが判る。たとえば波長選択素子２９の半値全
幅が４．０ｎｍおよび５．０ｎｍの場合には、励起光３
１のスペクトルの半値全幅は波長選択素子２９が無い場
合とほとんど変わらない。したがって、励起光３１を狭
帯域化するには、波長選択素子２９の透過スペクトルの
半値全幅を３．０ｎｍ以下に設定することが好ましい。

【００５１】しかし、狭帯域化には一定の限界があり、
透過スペクトルの半値全幅が０．８ｎｍから０．３ｎｍ
に減少しても、励起光３１のスペクトルの半値全幅はほ
とんど変化していない。この場合、放射光３２は波長選
択素子２９において大きなロスを受けることになる。し
たがって、波長選択素子２９の透過スペクトルの半値全
幅を０．８ｎｍ以上に設定することが好ましい。

【００５２】（第３実施形態）図９は、本発明の第３実
施形態を示す構成図である。第３実施形態は、第１実施
形態と同様な構成であるが、光共振器２３に波長変換素
子３４が配置されている点が相違する。

【００５３】波長変換素子３４は結晶長３ｍｍのＫＮｂ
Ｏ₃ 単結晶で形成され、レーザ媒質２６と出力ミラー２
７との間に位置する。レーザ媒質２６の端面２６ｂと波
長変換素子３４の端面３４ａとの距離は光軸２５上で
０．５ｍｍであり、波長変換素子３４の端面３４ｂと出
力ミラー２７の端面２７ａとの距離は光軸２５上で３ｍ
ｍである。波長変換素子３４の端面３４ａ、３４ｂに
は、波長９４６ｎｍにおいて反射率が０．１％以下であ
るコーティングが施され、レーザ媒質２６の端面２６ａ
および出力ミラー２７の端面２７ａによって、レーザ媒
質２６の発振波長９４６ｎｍの光に対する光共振器２３
が形成されている。

【００５４】動作に関して、第１実施形態と同様に、半
導体レーザ２１の前側端面２１ａから放射された励起光
３１がレンズ系２２によって集束されて、レーザ媒質２
６に入射すると、レーザ媒質２６中に反転分布が形成さ
れ、光共振器２３において波長９４６ｎｍのレーザ発振
がおこり、基本波３５として光共振器２３内に蓄積され
る。基本波３５は、波長変換素子３４を通過することに
より波長４７３ｎｍの第２高調波に変換され、出力光３
３として光共振器外に取り出される。

【００５５】一方、半導体レーザ２１の後側端面２１ｂ
から放射された放射光３２は、レンズ２８によって平行
光となり、波長選択素子２９を通過した後、ミラー３０
により反射され、再び波長選択素子２９を通過した後、
レンズ２８により集光されて、半導体レーザ２１に帰還
する。この結果、半導体レーザ２１の前側端面２１ａと
ミラー３０との間で外部共振器３６が形成されることに
なる。外部共振器３６の発振波長は波長選択素子２９の
透過波長で決定される。

【００５６】波長選択素子２９は、第１実施形態と同様
に、波長８０８．５ｎｍにおいて８５％の最大値を示
し、透過スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）は０．８ｎ
ｍであるバンドパスフィルタである。こうした波長選択
素子２９を用いることによって、放射光３２および励起
光３１の中心波長は８０８．５ｎｍとなり、そのスペク
トルの半値全幅は１．２ｎｍから０．５ｎｍに狭帯域化
された。レーザ媒質２６であるＮｄ：ＹＡＧの吸収スペ
クトルの半値全幅は約１ｎｍであるため、励起光３１は
レーザ媒質２６において高効率で吸収されることにな
る。

【００５７】第３実施形態の固体レーザ装置の出力特性
を図１１（ａ）に示す。縦軸は第２高調波である出力光
３３の出力であり、横軸は励起光３１の出力（前側端面
２１ａの直近で測定）である。グラフを見ると、励起光
３１の出力が９００ｍＷのとき、出力光３３の出力は３
９ｍＷであることが判る。

【００５８】（第３比較例）図１０は、第３比較例を示
す構成図である。第３比較例は波長変換素子を含むこと
を除いては図１２の構成と同様であり、固体レーザ装置
は、ブロードエリア型の半導体レーザ１と、レンズ系２
と、波長変換素子４を含む光共振器３とが光軸５上に配
置されて構成され、第３実施形態と比べて外部共振器用
光学系２４が存在しない点で相違する。

【００５９】波長変換素子４は結晶長３ｍｍのＫＮｂＯ
₃ 単結晶で形成され、レーザ媒質６と出力ミラー７との
間に位置する。レーザ媒質６の端面６ｂと波長変換素子
４の端面４ａとの距離は光軸５上で０．５ｍｍであり、
波長変換素子４の端面４ｂと出力ミラー７の端面７ａと
の距離は光軸５上で３ｍｍである。波長変換素子４の端
面４ａ、４ｂには、波長９４６ｎｍにおいて反射率が
０．１％以下であるコーティングが施され、レーザ媒質
６の端面６ａおよび出力ミラー７の端面７によって、レ
ーザ媒質６の発振波長９４６ｎｍの光に対する光共振器
３が形成されている。

【００６０】第３比較例においては、半導体レーザ１の
発振スペクトルを何ら制御していないため、励起光１１
のスペクトル半値全幅は半導体レーザ１単体のものと同
じ１．２ｎｍであった。レーザ媒質６であるＮｄ：ＹＡ
Ｇの吸収スペクトルの半値全幅は約１ｎｍなので、レー
ザ媒質６における励起光１１の吸収効率は第３実施形態
と比較して低くなる。

【００６１】第３比較例の出力特性を図１１（ｂ）に示
す。励起光１１の出力が９００ｍＷ（端面１ａの直近で
測定）のとき、第２高調波である出力光１３の出力は１
７ｍＷだった。図１１（ａ）と（ｂ）のグラフを比較す
ると、本発明によってレーザ媒質の励起効率が向上し、
同一出力の励起光から約２倍の高調波出力が得られるこ
とが判る。

【００６２】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、高
出力の励起光が得られるブロードエリア型の半導体レー
ザを用いて、かつ波長選択素子を含む帰還光学系を採用
することによって、半導体レーザの発振スペクトルを狭
帯域化できるため、レーザ媒質の吸収効率を格段に向上
できる。

【００６３】こうして励起光の高出力化およびレーザ媒
質の吸収効率の向上によって、固体レーザ装置の高出力
化・高効率化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。

【図２】波長選択素子２９の透過スペクトルを示すグラ
フである。

【図３】図３（ａ）は励起光３１のスペクトル、図３
（ｂ）はブロードエリア型半導体レーザ単体のスペクト
ルをそれぞれ示すグラフである。

【図４】図４（ａ）は第１実施形態の出力特性、図４
（ｂ）は第１比較例の出力特性をそれぞれ示すグラフで
ある。

【図５】第２比較例での励起光スペクトルを示すグラフ
であり、図５（ａ）は波長選択素子２９が存在する場
合、図５（ｂ）は選択波長素子２９が無い場合を示す。

【図６】第２比較例での出力特性を示すグラフであり、
図６（ａ）は波長選択素子２９が存在する場合、図６
（ｂ）は選択波長素子２９が無い場合を示す。

【図７】本発明の第２実施形態を示す構成図である。

【図８】第２実施形態での励起光３１のスペクトルの半
値全幅の測定結果を示すグラフである。

【図９】本発明の第３実施形態を示す構成図である。

【図１０】第３比較例を示す構成図である。

【図１１】図１１（ａ）は第３実施形態の出力特性、図
１１（ｂ）は第３比較例の出力特性をそれぞれ示すグラ
フである。

【図１２】従来の固体レーザ装置の一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

２２レンズ系２３光共振器２４外部共振器用光学系２５光軸２６レーザ媒質２７出力ミラー２８レンズ２９波長選択素子３０ミラー３１励起光３２放射光３３出力光３４波長変換素子３６外部共振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質を含む光共振器と、該レーザ媒質を励起する励起光を放射する半導体レーザ
とを備えた固体レーザ装置において、前記半導体レーザは、縦多モード発振する半導体レーザ
であって、半導体レーザから放射される放射光を反射して、該半導
体レーザに帰還するための光帰還手段と、半導体レーザと光帰還手段との間に介在する波長選択素
子とを備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】波長選択素子の透過スペクトルの半値全
幅が０．８ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲にあることを特徴と
する請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】波長選択素子は、誘電体多層膜を用いた
バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】レーザ媒質は、Ｎｄ³⁺イオンを添加した
Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶であることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項５】光共振器におけるレーザ発振がＮｄ³⁺イ
オンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2遷移で行われることを特徴とする
請求項１〜４記載の固体レーザ装置。
【請求項６】光共振器内に光共振器の発振波長を変換
する波長変換素子を備え、波長変換された光を出力光と
して光共振器外に取出すことを特徴とする請求項１〜５
のいずれかに記載の固体レーザ装置。
【請求項７】波長変換素子はＫＮｂＯ₃ 単結晶である
ことを特徴とする請求項６記載の固体レーザ装置。