JPH1084155A - 固体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
型・低価格化を実現すること。 【解決手段】 半導体レーザ1と、レーザ結晶3と、エ
タロン素子4と、非線形波長変換素子5と、出力ミラー
7とから固体レーザ装置100を構成する。エタロン素
子4を用いれば、レーザ基本波の縦モード本数を低減さ
せることができ、Qスイッチの効率をあげることができ
る。このため、レーザ出力を高出力化することができ
る。
Description
に関し、さらに詳しくは、光ピックアップや光プリンタ
ー装置に用いる固体レーザ装置に関するものである。
伴い半導体レーザ励起固体レーザ装置の研究開発・商品
化が盛んになってきている。この半導体レーザ励起固体
レーザ装置は従来のランプ励起と比較して、励起源のス
ペクトル幅が小さいため非常に高効率であり、励起源が
小さいために小型化に大変適している。また、高出力の
室温連続発振や、高品質ビームのレーザ発振などが可能
であるほか、エネルギーの蓄積性、周波数の安定性にも
優れている。
ッチ・SHG(Second Harmonics Genration)固体レー
ザ装置(固体レーザ装置)の構成を示す。この固体レー
ザ装置500は、励起用の半導体レーザ501と、集光
レンズ502と、後部鏡503と、レーザ結晶504
と、偏光板505と、Qスイッチ用電気光学結晶506
と、出力鏡507と、2倍波発生用の非線形光学結晶5
08とから構成されている。
イッチ動作を実現するため、結晶の進相軸と遅相軸とに
対し偏光板505方向から45°傾けて配置している。
また、Qスイッチ用電気光学結晶506の上下面には、
高電圧印加用の電極が設けられている。このQスイッチ
用電気光学結晶506に高圧パルス電圧を印加しない場
合は、当該Qスイッチ用電気光学結晶506は1/4波
長板(以下、λ/4板という)として動作する。かかる
場合には、共振器のQ値を小さく制限できるので、レー
ザ発振は行われない。
高圧パルス電圧を印加する場合は、当該Qスイッチ用電
気光学結晶506は0波長板として動作する。かかる場
合には、共振器のQ値が大きくなってレーザ発振が行わ
れ、高ピーク出力が達成される。さらに、出力鏡507
の反射率を、レーザ発振基本波に対しては略全反射に、
レーザ発振基本波の2倍周波数の2倍波に対しては略全
透過に、設定することで、非線形光学結晶508による
2倍波発生が効率よく行われるようになる。この結果、
2倍波による高ピーク出力510が達成される。
置500では、部品点数が多いこと、偏光板505によ
り偏光方向を制御することによりエネルギー損が発生す
るという問題点があった。また、部品点数が多いことか
ら装置が大型化し、高価になるという問題点もあった。
開平6−088879号公報においてQスイッチ・SH
G複合素子を用いた固体レーザ装置が提案されている。
図6に、その固体レーザ装置の構成を示す。
体レーザ501と、集光レンズ502と、レーザ結晶6
21と、Qスイッチ・SHG用非線形光学結晶622
と、出力鏡507とから構成される。レーザ結晶621
には、Nd:YVO4 結晶が使用される。また、Qスイ
ッチ・SHG用非線形光学結晶622には、KTP(K
TiOPO4 )結晶が使用される。
成は、上記固体レーザ装置500と略同様であるが、偏
光板505(図5)の効果をレーザ結晶621に持たせ
ていること、および、Qスイッチ用電気光学結晶506
の効果をQスイッチ・SHG用非線形光学結晶622に
持たせている点が異なる。これより、部品点数を減少さ
せ、小型化、低価格化を実現している。
d:YVO4 結晶のa軸方向とc軸方向との誘導放出断
面積差を利用して直線偏光出力を実現している。すなわ
ち、レーザ結晶621では、Nd:YVO4 結晶のc軸
方向の誘導放出断面積がa軸方向のそれと比較して約4
倍と大きく、その差により直線偏光のレーザ発振を行
う。これより、偏光板505(図5)が不要になる。
晶622であるKTP(KTiOPO4 )結晶は、SH
G結晶としてだけでなく電気光学効果も大きいため、S
HGとQスイッチの複合動作が実現できる。これより、
個別にQスイッチ素子が不要になり、小型化を促進して
いる。
体レーザ装置600では、app.opt.,35,4
298−4301(1995)に示されているように、
最大出力が230W程度しか確認されておらず、Qスイ
ッチレーザ光源としては出力が不足しているという問題
点があった。
マルチモードになることでQスイッチ効果が低下するた
めである。上記Qスイッチ・SHG用非線形光学結晶6
22では、KTP結晶の電気光学効果を利用している
が、縦マルチモードであるため、高電圧パルス印加の立
ち上がり時間にレーザ基本波の波長がホッピングを起
す。この波長のホッピングは、KTP結晶の波長分散効
果によるものであり、縦マルチモード、すなわち強励起
時に顕著になる。この結果、出力のピークが低下してし
まうのである。
源のパルス立ち上がり時間を〜1nsにすることでも回
避できるが、このような電源は作製に高い技術力が必要
であり、かつ、コストがかかるため困難である。
力なレーザ2倍波が入射することによるアップコンバー
ジョンの影響がある。レーザ結晶にはレーザ基本波を励
起するために半導体レーザ光(波長809nm)が入射
されているが、2倍波のレーザ光(波長532nm)に
よっても少なからずレーザ基本波の励起が行われてしま
う。
あって、高出力であり、小型・低価格な固体レーザ装置
を提供することを目的とする。
めに、請求項1に係る固体レーザ装置では、レーザ結晶
と、当該レーザ結晶を励起する半導体レーザと、レーザ
基本波を発振させる共振器と、当該共振器内のレーザ基
本波偏光を変化させる偏光制御素子と、を具備してな
り、前記偏光制御素子が、前記共振器内で発振している
レーザ基本波の周波数を2倍に変換する非線形光学結晶
である固体レーザ装置において、前記共振器に周波数選
択素子を配設したことを構成上の特徴とした。
は、上記固体レーザ装置において、前記周波数選択素子
が、エタロン素子であることを構成上の特徴とした。
は、レーザ結晶と、当該レーザ結晶を励起する半導体レ
ーザと、レーザ基本波を発振させる共振器と、当該共振
器内のレーザ基本波偏光を変化させる偏光制御素子と、
を具備してなり、前記偏光制御素子が、前記共振器内で
発振しているレーザ基本波の周波数を2倍に変換する非
線形光学結晶である固体レーザ装置において、前記レー
ザ結晶の一方の端面が、前記レーザ基本波に対して所定
の部分反射率を有することを構成上の特徴とした。
は、上記固体レーザ装置において、さらに、前記レーザ
結晶の一方の端面が、前記レーザ基本波の2倍波に対し
て高い反射率を有することを構成上の特徴とした。
は、上記固体レーザ装置において、前記レーザ基本波に
対する部分反射率は100%未満であることを構成上の
特徴とした。
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が何ら限定されるものではない。
係る固体レーザ装置は、励起用の半導体レーザと、集光
用光学素子系、共振器用後部ミラー、レーザ結晶、周波
数選択素子、ポッケルスセル/波長変換複合動作素子、
共振器用出力ミラーの順で配置構成されている。
吸収波長に合わせた発振波長を持つものを採用する。ま
た、当該半導体レーザは、外気温度や電流注入により半
導体レーザ温度が変動し、波長がずれることを防止する
ために温度調節機構を設ける。
レーザ結晶の励起側端面に誘電体コーティングにより施
す。この共振器用後部ミラーの反射率は、励起用の半導
体レーザの発振波長に対して透過率が高く、レーザ基本
波長およびレーザ2倍波長に対して反射率を高くするよ
うにする。また、レーザ結晶の他端面にも誘電体コーテ
ィングが施し、その反射率はレーザ基本波長およびレー
ザ2倍波長に対して透過率が高くなるようにする。
素子を用いる。
合動作素子には、その両端にレーザ基本波長およびレー
ザ2倍波長に対して透過率が高くなるように誘電体コー
ティングを施す。さらに、電気光学効果の大きい結晶軸
方向に高電圧パルスが印加できるように、金属膜による
電極コーティングを施す。
わせた曲率半径を持つ凹面ミラーであり、その材料には
光学ガラス材料を用いる。また、当該レーザ出力ミラー
の反射率は、レーザ基本波長に対して反射率が高く、レ
ーザ2倍波長に対して透過率が高くなるように誘電体コ
ーティングを施す。
ザ装置の動作について説明する。まず、前記半導体レー
ザより出射された励起光は集光用光学素子系を通過後、
前記レーザ結晶に入射される。このレーザ結晶内では、
励起光を吸収し、レーザ基本波長の蛍光を発生する。そ
して、この蛍光がレーザ共振器内で繰り返し往復して誘
電放出を起こし、レーザ発振に至る。
圧パルスを印加していないと、当該ポッケルスセルがλ
/4板として動作し、レーザ基本波の偏光方向が90°
回転する。この結果、共振器パラメータの一つであるQ
値が低くなり、レーザ発振には至らない。
パルスを印加すると、当該ポッケルスセルが0波長板と
して動作し、レーザ発振が開始する。この際、電圧印加
前のレーザ結晶はレーザ発振が止められて強励起状態に
なっているため、レーザ発振の開始と共に蓄えられてい
たエネルギーを放出する。このため、高ピーク出力のレ
ーザ出力が得られる。
ーザ基本波からレーザ2倍波への変換を効率よくするた
め、前記ポッケルスセルに非線形光学効果の大きい材料
を用い、発振するレーザ基本波を共振器内に閉じこめる
ことで、変換効率を大きくできる。また、波長変換の変
換効率は非線形結晶に入射するレーザ基本波のパワーの
2乗に比例する。そこで、共振器内部におけるレーザ基
本波の大きいパワーを利用し、レーザ2倍波の出力を大
きく取ることができる。
ーザ基本波の周波数を選択する。
レーザ装置は、実施の形態1の構成と略同様であるが、
前記周波数選択素子を取り除いた点が異なる。その代わ
りに、レーザ結晶の誘電体コーティングを、励起側端面
に、励起用の半導体レーザの発振波長に対して透過率が
高く、レーザ基本波長およびレーザ2倍波長に対して反
射率が高くなるように、誘電体コーティングを施す。ま
た、他端面には、レーザ基本波長に対して部分反射率を
持たせ、レーザ2倍波長に対して透過率を大きくなるよ
うに誘電体コーティングを施す。
おける周波数選択素子の効果を前記レーザ結晶に持たせ
ている。このため、固体レーザ装置の動作は、実施の形
態1の動作と略同様となる。
ザ装置は、実施の形態2の構成と略同様であるが、レー
ザ結晶の誘電体コーティングを、共振器側端面に、レー
ザ基本波長に対して部分反射率を持たせ、レーザ2倍波
長に対して反射率が高くなるように誘電体コーティング
を施した点が異なる。このようにすることで、レーザ2
倍波がレーザ結晶中に入射しなくなる。
詳細に説明する。
体レーザ装置100の構成図である。この固体レーザ装
置100は、実施の形態1の実施例であり、半導体レー
ザ1と、レーザ結晶3と、エタロン素子4と、非線形波
長変換素子5と、出力ミラー7とから構成される。
体レーザであり、波長は809nm、出力は最大1Wで
ある。ストライプ幅は100μmであるから、発光サイ
ズは100×1μm程度となる。また、発光波長をレー
ザ結晶3の吸収特性に合わせるため、サーモモジュール
(T-E Cooler)と放熱用銅ブロック2を用いて半導体レ
ーザ1を冷却している。
し、そのNd濃度は1.0at%となる。また、Nd:
YVO4 結晶の大きさは、光軸方向の厚みが1mmとな
っており、光軸に対して垂直な面は縦3mm、横3mm
となっている。
YVO4 結晶のc軸が半導体レーザ1の偏光方向に一致
するように配置される。さらに、半導体レーザ1側の端
面には、レーザ基本波である波長1064nmの光に対
して反射率が99.9%、レーザ2倍波である波長53
2nmの光に対して反射率が99.9%、半導体レーザ
1からの励起光である波長809nmの光に対して透過
率が95%となるように、誘電体多層膜によるコーティ
ングが施される。
ーザ基本波である波長1064nmの光に対して透過率
が99.9%、レーザ2倍波である波長532nmの光
に対して透過率が99.9%となるように、誘電体多層
膜によるコーティングが施される。
硝子(BK−7)を使用しており、表面は光学素子用の
研磨のみを施し、反射防止や光反射膜などの誘電体コー
ティングは施さない。
形波長変換素子(ポッケルスセル)5には、KTP結晶
を使用する。このKTP結晶の両端面には、レーザ基本
波である波長1064nmの光に対して透過率が99.
9%、レーザ2倍波である波長532nmの光に対して
透過率が99.9%になるように誘電体多層膜によるコ
ーティングを施す。
位相整合を実現するために当該KTP結晶のc軸方向が
Nd:YVO4 結晶のc軸と45°をなすようにする。
なお、KTP結晶の大きさは、光軸方向の厚みが5m
m、c軸方向の厚みが1mm、他方向の厚みが3mmで
ある。また、KPT結晶はθ=90°、φ=23.4°
でカットされている。電極は、Qスイッチ用高圧パルス
を印加するため、c軸方向に電界がかかるように配置さ
れる。
(BK−7)が使用され、その形状は、曲率半径50m
mの凹面鏡となっている。そのため、共振器長は約25
mmとなる。この出力ミラー7の表面には、レーザ基本
波である波長1064nmの光に対して反射率が99.
9%、レーザ2倍波である波長532nmの光に対して
透過率が95%になるように、誘電体多層膜によるコー
ティングが施される。
いて説明する。まず、半導体レーザ1によりレーザ結晶
3(Nd:YVO4 結晶)を励起しレーザ基本波である
波長1064nmのレーザ光を発生させる。
されていない場合、当該KPT結晶がレーザ共振器内で
レーザ基本波に対するλ/4板として動作するため、レ
ーザ基本波の偏光方向がレーザ共振器を往復する際に9
0°回転され、レーザ発振が抑制される。しかし、半導
体レーザ1によるNd:YVO4 結晶への励起は継続し
て行われるため、強励起状態になっている。
し周波数100Hz、パルス幅500nsの高電圧パル
スを印加すると、KTP結晶がレーザ共振器内で0波長
板として動作するため、レーザ発振が実現されQスイッ
チレーザとして動作する。
である波長1064nmに対して高い反射率を持たせ、
かつ、レーザ2倍波である波長532nmに対しては高
い透過率を持たせているから、レーザ基本波がレーザ共
振器内に閉じこめられて当該レーザ共振器内の光強度が
上昇し、KTP結晶による2倍波への変換を効率良く行
える。
波に効率よく変換でき、レーザ2倍波の高ピーク出力が
得られる。
ることで、出力ピーク低下の原因となるレーザ基本波の
縦モード数を減少させ、高出力化することができる。
出力特性を示す。また、図3に、最大出力の出力光パル
ス波形を示す。このように、780mW励起時におい
て、最大出力が1500Wとなった。従来例による最大
出力は230W(図示せず)であるから、エタロン素子
4の配置により著しい高出力化が実現できたことが判
る。また、780mW励起時のパルス幅は5.6nsで
あり、エネルギーとしては8.4μJの高エネルギー出
力が得られた。
体レーザ装置100の構成図である。
2の実施例であり、半導体レーザ1と、半導体レーザ集
光用の光学系20と、レーザ結晶24と、非線形波長変
換素子5と、出力ミラー7とで構成されている。なお、
半導体レーザ1と、非線形波長変換素子5と、出力ミラ
ー7とは実施例1と同様のものである。
体レーザの半導体積層膜面と垂直方向に出射される方向
の光成分をコリメートするφ0.3mmのロッドレンズ
21と、半導体レーザの半導体積層膜面と並行方向に出
射される方向の光成分をコリメートするφ1.6mmの
ロッドレンズと、焦点距離3.3mmの非球面レンズで
ある集光レンズ23とを順次配置した構成である。励起
光は、この光学系20を通過して、レーザ結晶24に入
射する。
し、そのNd濃度は1.0at%となる。また、Nd:
YVO4 結晶の大きさは、光軸方向の厚みが0.5mm
となっており、光軸に対して垂直な面は縦3mm、横3
mmとなっている。
YVO4 結晶のc軸が半導体レーザ1の偏光方向に一致
するように配置される。さらに、半導体レーザ1側の端
面には、レーザ基本波である波長1064nmの光に対
して反射率が99.9%、半導体レーザ1からの励起光
である波長809nmの光に対して透過率が95%とな
るように、誘電体多層膜によるコーティングが施され
る。
レーザ基本波である波長1064nmの光に対して部分
反射率を持たせ、その反射率は10%とする。また、レ
ーザ2倍波である波長532nmの光に対して反射率が
99.9%となるように、半導体レーザ1からの励起光
である波長809nmの光に対して反射率が95%とな
るように、誘電体多層膜によるコーティングが施され
る。
09nmの光については光路長が1.0mmとなり十分
吸収が行われ、かつ、厚さを0.5mmにできるため、
レーザ結晶によるエタロン効果を大きくできることにな
る。
例1の固体レーザ装置100と略同様である。この固体
レーザ装置200の動作の特徴は、レーザ結晶24のレ
ーザ共振器側の端面に、レーザ基本波に対して約10%
程度の部分反射率を持たせ、かつ、レーザ2倍波に対し
て高い反射率を持たせ、レーザ結晶24にエタロン効果
を持たせたことである。これにより、レーザ基本波の縦
モード数を減少させ、さらに、レーザ結晶24へのレー
ザ2倍波の入射を抑えてアップコンバージョンを防止す
ることができる。この結果、さらにレーザ2倍波の高出
力化が行われる。
体レーザとして出力1Wのシングルストライプ半導体レ
ーザを用いたが、これに限られず、例えば、出力10W
クラスのファイバー出力半導体レーザを用いるようにし
てもよい。また、レーザ結晶としてNd:YVO4 結晶
を用いたが、例えば、Nd:LSB(LaSc3 (BO
3 )4 )などとしてもよい。また、ポッケルスセル/非
線形光学素子としてKTP結晶を用いたが、電気光学効
果が大きく且つ有効非線形定数が大きい材料ならばこれ
に限られない。
ーザ装置によれば、レーザ共振器内部に周波数選択素子
を配置し(請求項1)、さらに、その周波数選択素子と
して好ましいエタロン素子を用いた(請求項2)。この
ため、レーザ基本波の縦モード数を低減させてQスイッ
チの効率を向上させることができ、レーザ出力を高出力
化できる。
3)によれば、レーザ結晶の共振器側の一方の端面に上
記レーザ基本波に対して部分反射率を持たせることで、
上記周波数選択素子(請求項1、2)の機能をレーザ結
晶に持たせた。このため、部品点数を低減でき、低コス
ト化が図れる。
4)によれば、レーザ結晶の共振器側の一方の端面に上
記レーザ基本波に対して部分反射率を持たせ、かつ、レ
ーザ2倍波に対して高い反射率を持たせた。このため、
レーザ2倍波がレーザ結晶へ入射するのを抑えられるた
め、レーザ結晶のアップコンバージョンを防止できる。
この結果、レーザ基本波の偏光特性を低下させることが
なくなり、さらに高出力化が図れる。
5)によれば、請求項3、4における部分反射率を10
0%未満に設定することで、さらに高出力化が実現でき
る。
成を示す説明図である。
を示すグラフである。
光パルス波形を示すグラフである。
成を示す説明図である。
図である。
図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 レーザ結晶と、当該レーザ結晶を励起す
る半導体レーザと、レーザ基本波を発振させる共振器
と、当該共振器内のレーザ基本波偏光を変化させる偏光
制御素子と、を具備してなり、前記偏光制御素子が、前
記共振器内で発振しているレーザ基本波の周波数を2倍
に変換する非線形光学結晶である固体レーザ装置におい
て、 前記共振器に周波数選択素子を配設したことを特徴とす
る固体レーザ装置。 - 【請求項2】 前記周波数選択素子が、エタロン素子で
あることを特徴とする請求項1に記載の固定レーザ装
置。 - 【請求項3】 レーザ結晶と、当該レーザ結晶を励起す
る半導体レーザと、レーザ基本波を発振させる共振器
と、当該共振器内のレーザ基本波偏光を変化させる偏光
制御素子と、を具備してなり、前記偏光制御素子が、前
記共振器内で発振しているレーザ基本波の周波数を2倍
に変換する非線形光学結晶である固体レーザ装置におい
て、 前記レーザ結晶の一方の端面が、前記レーザ基本波に対
して所定の部分反射率を有することを特徴とする固体レ
ーザ装置。 - 【請求項4】 さらに、前記レーザ結晶の一方の端面
が、前記レーザ基本波の2倍波に対して高い反射率を有
することを特徴とする請求項3に記載の固定レーザ装
置。 - 【請求項5】 前記レーザ基本波に対する部分反射率は
100%未満であることを特徴とする請求項3または4
に記載の固定レーザ装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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