JPH1146026A - レーザー励起固体レーザーの設計法 - Google Patents
レーザー励起固体レーザーの設計法Info
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- JPH1146026A JPH1146026A JP20036997A JP20036997A JPH1146026A JP H1146026 A JPH1146026 A JP H1146026A JP 20036997 A JP20036997 A JP 20036997A JP 20036997 A JP20036997 A JP 20036997A JP H1146026 A JPH1146026 A JP H1146026A
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- Japan
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- laser
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- laser medium
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低発振閾値と高モードマッチング効率とを同
時に満足する簡易なレーザー励起固体レーザーの設計法
を与える。 【解決手段】レーザー装置は、励起用の半導体レーザー
1と、半導体レーザー1からの励起レーザー光をレーザ
ー媒体に集光する集光光学系2と、サファイア板9と、
レーザー媒質としてのYb:YAG結晶10と、出力鏡
5とを有する。半導体レーザー光6を集光光学系2で所
定範囲の集光径に集光して、Yb:YAG結晶10を端
面励起した。励起レーザー光の集光径を、低閾値化と高
モードマッチング効率の両方を満たす適切な範囲内に設
定することにより、良好な発振特性を得る。
時に満足する簡易なレーザー励起固体レーザーの設計法
を与える。 【解決手段】レーザー装置は、励起用の半導体レーザー
1と、半導体レーザー1からの励起レーザー光をレーザ
ー媒体に集光する集光光学系2と、サファイア板9と、
レーザー媒質としてのYb:YAG結晶10と、出力鏡
5とを有する。半導体レーザー光6を集光光学系2で所
定範囲の集光径に集光して、Yb:YAG結晶10を端
面励起した。励起レーザー光の集光径を、低閾値化と高
モードマッチング効率の両方を満たす適切な範囲内に設
定することにより、良好な発振特性を得る。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザー励起固体レ
ーザーの設計法に係り、特にレーザー下準位が基底準位
群に属する準三準位又は三準位レーザーの出力の最適化
が簡便に図れるレーザー励起固体レーザーの設計法に関
するものである。
ーザーの設計法に係り、特にレーザー下準位が基底準位
群に属する準三準位又は三準位レーザーの出力の最適化
が簡便に図れるレーザー励起固体レーザーの設計法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】レーザー励起固体レーザーの一構成を図
4に示す。このレーザー共振器は、励起用レーザー1
と、集光光学系2と、後部鏡3と、固体レーザー媒質4
と、出力鏡5とから構成されている。励起用レーザー1
からのビームウエストw0 を持つビーム整形前のレーザ
ー光6は、集光光学系2により集光径(ビームウエス
ト)wp0のビーム整形後のレーザー光7に変換され、レ
ーザー媒質4を励起する。
4に示す。このレーザー共振器は、励起用レーザー1
と、集光光学系2と、後部鏡3と、固体レーザー媒質4
と、出力鏡5とから構成されている。励起用レーザー1
からのビームウエストw0 を持つビーム整形前のレーザ
ー光6は、集光光学系2により集光径(ビームウエス
ト)wp0のビーム整形後のレーザー光7に変換され、レ
ーザー媒質4を励起する。
【0003】このレーザーが発振に至るまでに必要な励
起(吸収)パワーPthは次式で与えられる。
起(吸収)パワーPthは次式で与えられる。
【0004】
【数2】 ここで、hはプランク定数、νp は励起光の振動数、S
eff は励起光の実効モード面積、f1 はレーザー媒質固
有のレーザー下準位の局所ボルツマン分布、f2はレー
ザー媒質固有のレーザー上準位の局所ボルツマン分布、
τは上準位寿命、N0 はレーザー媒質に添加された活性
イオン密度、σはレーザー波長における誘導放出断面
積、Lはレーザー媒質長、Tはレーザー共振器の出力鏡
損失、Li は共振器残留損失である。
eff は励起光の実効モード面積、f1 はレーザー媒質固
有のレーザー下準位の局所ボルツマン分布、f2はレー
ザー媒質固有のレーザー上準位の局所ボルツマン分布、
τは上準位寿命、N0 はレーザー媒質に添加された活性
イオン密度、σはレーザー波長における誘導放出断面
積、Lはレーザー媒質長、Tはレーザー共振器の出力鏡
損失、Li は共振器残留損失である。
【0005】また、レーザー出力P0 は、
【数3】 と表される。ここで、Pi は入射励起パワー、ηp は励
起量子効率、ηq は原子量子効率、ηc は出力結合効
率、ηm は励起光7とレーザー発振光8とのモードマッ
チング効率、ηa は励起光吸収効率である。従って、レ
ーザー発振閾値が、励起用レーザーから伝送可能なパワ
ーレベル以下になるように出力鏡損失Tや励起光の集光
スポット径wp0 が決定されていた。(2)式より分か
るように、集光スポット径が小さいほど実効モード面積
Seff も小さくなるため、レーザー発振閾値は下がり、
それだけ多くのレーザー出力が取り出される。
起量子効率、ηq は原子量子効率、ηc は出力結合効
率、ηm は励起光7とレーザー発振光8とのモードマッ
チング効率、ηa は励起光吸収効率である。従って、レ
ーザー発振閾値が、励起用レーザーから伝送可能なパワ
ーレベル以下になるように出力鏡損失Tや励起光の集光
スポット径wp0 が決定されていた。(2)式より分か
るように、集光スポット径が小さいほど実効モード面積
Seff も小さくなるため、レーザー発振閾値は下がり、
それだけ多くのレーザー出力が取り出される。
【0006】ところで、レーザー発振の効率を高めるた
めには、励起光7を吸収するレーザー媒質4内でレーザ
ー発振光8とのビーム重なり、すなわちモードマッチン
グ効率を高めなければならない。励起光7の集光スポッ
ト径wp0を小さく絞ることはレーザー発振閾値を低下さ
せるが、一方で励起光7の焦点深度を短くするため、レ
ーザー媒質4中での励起光7とレーザー発振光8とのモ
ードマッチング効率が悪化し、全体効率の低下を招く場
合がある。
めには、励起光7を吸収するレーザー媒質4内でレーザ
ー発振光8とのビーム重なり、すなわちモードマッチン
グ効率を高めなければならない。励起光7の集光スポッ
ト径wp0を小さく絞ることはレーザー発振閾値を低下さ
せるが、一方で励起光7の焦点深度を短くするため、レ
ーザー媒質4中での励起光7とレーザー発振光8とのモ
ードマッチング効率が悪化し、全体効率の低下を招く場
合がある。
【0007】このような不明確さを解消し、全体的な効
率を考慮したレーザー励起固体レーザー設計手法とし
て、四準位レーザーの場合においては既に報告例がある
(平等、鈴木、小林:レーザー研究、第24巻、360
―366頁、1996年)。
率を考慮したレーザー励起固体レーザー設計手法とし
て、四準位レーザーの場合においては既に報告例がある
(平等、鈴木、小林:レーザー研究、第24巻、360
―366頁、1996年)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、四準
位レーザーの場合においては設計手法があるものの、レ
ーザー下準位が基底準位群に属する準三準位又は三準位
レーザーの場合には適応できず、励起レーザー光をどの
程度に集光すればよいかが不明確であり、個々のレーザ
ー装置について、実験検討を行い試行錯誤で最適なもの
を探すという手法が採られていた。しかし、このような
手法は非効率的である。
位レーザーの場合においては設計手法があるものの、レ
ーザー下準位が基底準位群に属する準三準位又は三準位
レーザーの場合には適応できず、励起レーザー光をどの
程度に集光すればよいかが不明確であり、個々のレーザ
ー装置について、実験検討を行い試行錯誤で最適なもの
を探すという手法が採られていた。しかし、このような
手法は非効率的である。
【0009】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解消し、低発振閾値と高モードマッチング効率とを同時
に満足する簡易なレーザー励起固体レーザーの設計法を
提供することにある。
解消し、低発振閾値と高モードマッチング効率とを同時
に満足する簡易なレーザー励起固体レーザーの設計法を
提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、レーザー下準位が基底準位群に属する準
三準位又は三準位レーザー媒質を用いたレーザー励起固
体レーザーの設計法であって、レーザー励起光の最小ス
ポット半径wp0 を、式(1)
に、本発明は、レーザー下準位が基底準位群に属する準
三準位又は三準位レーザー媒質を用いたレーザー励起固
体レーザーの設計法であって、レーザー励起光の最小ス
ポット半径wp0 を、式(1)
【数4】 (ここで、M2 は励起光源のM2 因子、λpは励起光源
波長、Lはレーザー媒質長,nはレーザー媒質の屈折
率、ηa は励起光の吸収効率、Pi は入射励起パワー、
xは1より大きい任意の数、Ithはレーザー発振閾値励
起光強度である。)を満たすように設計したものであ
る。
波長、Lはレーザー媒質長,nはレーザー媒質の屈折
率、ηa は励起光の吸収効率、Pi は入射励起パワー、
xは1より大きい任意の数、Ithはレーザー発振閾値励
起光強度である。)を満たすように設計したものであ
る。
【0011】上記発明において、式(1)を満たすよう
に、集光ビーム形状,レーザー媒質形状,共振器形状お
よび出力鏡透過率のうちいずれか一つ以上を調整するこ
とにより、最適出力のレーザーを簡易に設計できる。ま
た、レーザー媒質として、Ybが添加された結晶,ガラ
ス等の透明媒質(Yb:YAG結晶等)を用いることに
より、高出力、高効率レーザーを実現できる。
に、集光ビーム形状,レーザー媒質形状,共振器形状お
よび出力鏡透過率のうちいずれか一つ以上を調整するこ
とにより、最適出力のレーザーを簡易に設計できる。ま
た、レーザー媒質として、Ybが添加された結晶,ガラ
ス等の透明媒質(Yb:YAG結晶等)を用いることに
より、高出力、高効率レーザーを実現できる。
【0012】この発明にかかるレーザー励起固体レーザ
ーでは、励起光源の横モード特性を、M2 因子を用いて
評価し、モードマッチング効率の低下を招かない最小集
光径を規定する。励起光とレーザー光のモードマッチン
グを最適にするために、励起光のコンフォーカル長(2
nπw2 p0/(M2 λp ))を、固体レーザー媒質の励
起光吸収長Lより長くしなければいけない。すなわち、
ーでは、励起光源の横モード特性を、M2 因子を用いて
評価し、モードマッチング効率の低下を招かない最小集
光径を規定する。励起光とレーザー光のモードマッチン
グを最適にするために、励起光のコンフォーカル長(2
nπw2 p0/(M2 λp ))を、固体レーザー媒質の励
起光吸収長Lより長くしなければいけない。すなわち、
【数5】 となる。式(4)は、励起される領域とTEM00共振器
モード間のマッチング効率を悪化させない最小集光径を
示す。
モード間のマッチング効率を悪化させない最小集光径を
示す。
【0013】準三準位レーザーの場合、高効率動作させ
るにはレーザー下準位吸収を飽和させるだけの高密度励
起が必要となってくる。すなわち、非励起領域をレーザ
ー光が通過する際は損失となる。従って、図2に示すよ
うに、励起光の集光半径wp0は、レーザ共振器のスポッ
ト径w10より大きい必要がある(wp0≧w10)。
るにはレーザー下準位吸収を飽和させるだけの高密度励
起が必要となってくる。すなわち、非励起領域をレーザ
ー光が通過する際は損失となる。従って、図2に示すよ
うに、励起光の集光半径wp0は、レーザ共振器のスポッ
ト径w10より大きい必要がある(wp0≧w10)。
【0014】さらに、準三準位レーザーでは、下準位吸
収を飽和させ、高効率動作させため高密度励起状態を実
現しなければならない。一般に、準三準位レーザーでは
共振器損失よりも下準位吸収による損失が大きく、従っ
て上記の条件を満足させるには、
収を飽和させ、高効率動作させため高密度励起状態を実
現しなければならない。一般に、準三準位レーザーでは
共振器損失よりも下準位吸収による損失が大きく、従っ
て上記の条件を満足させるには、
【数6】 である必要がある。ここで、Ip は吸収励起密度、Ith
は閾値励起密度であり、Ip =ηa Pi /Sp 、 Ith=
Pth/Sp で与えられる。ここで、Sp は励起面積πw
2 p0 である。従って、式(4)、式(5)より上記の
式(1)が得られる。
は閾値励起密度であり、Ip =ηa Pi /Sp 、 Ith=
Pth/Sp で与えられる。ここで、Sp は励起面積πw
2 p0 である。従って、式(4)、式(5)より上記の
式(1)が得られる。
【0015】(1)式は、目的とする準三準位レーザー
と、与えられた励起光源の特性より許容される励起光お
よびレーザ発振光のスポット径を決定する。まず、閾値
を下げるためには励起光の集光径wp0を小さくすれば良
いのだが、小さく絞り過ぎた場合、励起光はすぐに発散
し、レーザ発振光との重なりが少なくなる。すなわち、
モードマッチング効率が悪化する。式(1)の左辺より
励起光のM2因子と媒質長Lで規定される最小の集光径
wpoが決定される。ところで、モードマッチング効率を
高めるためには集光径wpoを大きくすれば良いのだが、
その場合、閾値は上昇し、励起パワーが限られていた場
合、下準位吸収を飽和させるだけの高密度励起を維持す
ることは困難となる。(1)式の右辺の局所閾値Ithと
励起パワーPi より、集光径wp0の最大値が決定され
る。(なお、三準位レーザーの場合も、上記の準三準位
レーザーと同一条件となる。)
と、与えられた励起光源の特性より許容される励起光お
よびレーザ発振光のスポット径を決定する。まず、閾値
を下げるためには励起光の集光径wp0を小さくすれば良
いのだが、小さく絞り過ぎた場合、励起光はすぐに発散
し、レーザ発振光との重なりが少なくなる。すなわち、
モードマッチング効率が悪化する。式(1)の左辺より
励起光のM2因子と媒質長Lで規定される最小の集光径
wpoが決定される。ところで、モードマッチング効率を
高めるためには集光径wpoを大きくすれば良いのだが、
その場合、閾値は上昇し、励起パワーが限られていた場
合、下準位吸収を飽和させるだけの高密度励起を維持す
ることは困難となる。(1)式の右辺の局所閾値Ithと
励起パワーPi より、集光径wp0の最大値が決定され
る。(なお、三準位レーザーの場合も、上記の準三準位
レーザーと同一条件となる。)
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザー励起
固体レーザーの実施の形態を図面を用いて説明する。図
1には、半導体レーザー励起のYb:YAGレーザーの
一実施形態を示す。
固体レーザーの実施の形態を図面を用いて説明する。図
1には、半導体レーザー励起のYb:YAGレーザーの
一実施形態を示す。
【0017】この実施形態のレーザーは、図1に示すよ
うに、励起用の半導体レーザー1と、半導体レーザー1
からの励起レーザー光をレーザー媒体に集光する集光光
学系2と、サファイア板9と、レーザー媒体としてのY
b:YAG結晶10と、出力鏡5とを備えている。Y
b:YAG結晶10には、Ybの添加濃度25at%の
YAG結晶(Scientific material
s製)を厚み200μmにカットしたものを用いた。こ
のYAG結晶を、放熱と取り扱いの容易化のために、サ
ファイア板9に光学接着した。サファイア板9とYb:
YAGレーザー結晶10間は励起光に高透過(>95
%)、レーザ光に高反射(>99.9%)となるよう
に、また、反対側は励起光に対して高反射(約90
%)、レーザ光に対して数%の部分反射となるように、
それぞれコーティングを施した。曲率30mmの出力鏡
(外部鏡)5を、共振器間隔25mmに配置した。ファ
イバー出力の半導体レーザー光6を焦点距離12.5m
mのレンズ21でコリメートした後,焦点距離2.6m
mのレンズ22で直径68μmに集光して、Yb:YA
G結晶10を端面励起した。また、レーザー結晶10の
ホルダー温度はTEクーラーにより20℃に維持した。
なお,これらの条件は(1)式で定められた範囲内に収
まっている。
うに、励起用の半導体レーザー1と、半導体レーザー1
からの励起レーザー光をレーザー媒体に集光する集光光
学系2と、サファイア板9と、レーザー媒体としてのY
b:YAG結晶10と、出力鏡5とを備えている。Y
b:YAG結晶10には、Ybの添加濃度25at%の
YAG結晶(Scientific material
s製)を厚み200μmにカットしたものを用いた。こ
のYAG結晶を、放熱と取り扱いの容易化のために、サ
ファイア板9に光学接着した。サファイア板9とYb:
YAGレーザー結晶10間は励起光に高透過(>95
%)、レーザ光に高反射(>99.9%)となるよう
に、また、反対側は励起光に対して高反射(約90
%)、レーザ光に対して数%の部分反射となるように、
それぞれコーティングを施した。曲率30mmの出力鏡
(外部鏡)5を、共振器間隔25mmに配置した。ファ
イバー出力の半導体レーザー光6を焦点距離12.5m
mのレンズ21でコリメートした後,焦点距離2.6m
mのレンズ22で直径68μmに集光して、Yb:YA
G結晶10を端面励起した。また、レーザー結晶10の
ホルダー温度はTEクーラーにより20℃に維持した。
なお,これらの条件は(1)式で定められた範囲内に収
まっている。
【0018】図3には、上記構成のレーザーの入出力特
性を示す。図示のように、励起吸収パワーPthに対する
スロープ効率ηs は約70%と非常に高い効率が得られ
た。
性を示す。図示のように、励起吸収パワーPthに対する
スロープ効率ηs は約70%と非常に高い効率が得られ
た。
【0019】なお、上記実施形態では、励起用レーザー
として、ファイバ出力の半導体レーザーを用いたが、フ
ァイバ出力以外の半導体レーザー、あるいは、半導体レ
ーザー以外の他のレーザー光源も(出力光の横モード特
性をM2 因子で表現できるため)使用することができ
る。また、上記実施形態では、レーザー媒質として、Y
b:YAG結晶を用いたが、他のYb添加レーザー、T
m添加レーザー、Ho添加レーザー、Er添加レーザ
ー、Nd添加レーザーにも適用可能である。
として、ファイバ出力の半導体レーザーを用いたが、フ
ァイバ出力以外の半導体レーザー、あるいは、半導体レ
ーザー以外の他のレーザー光源も(出力光の横モード特
性をM2 因子で表現できるため)使用することができ
る。また、上記実施形態では、レーザー媒質として、Y
b:YAG結晶を用いたが、他のYb添加レーザー、T
m添加レーザー、Ho添加レーザー、Er添加レーザ
ー、Nd添加レーザーにも適用可能である。
【0020】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、励起レーザー光の横モード品質を表すM2 因子を用
いて、レーザー励起光の最小スポット半径が所定範囲内
に収まるように設計するという手法を案出したため、発
振閾値が低くしかもモードマッチング効率が高い良好な
レーザー発振状態を容易且つ確実に実現できる。
ば、励起レーザー光の横モード品質を表すM2 因子を用
いて、レーザー励起光の最小スポット半径が所定範囲内
に収まるように設計するという手法を案出したため、発
振閾値が低くしかもモードマッチング効率が高い良好な
レーザー発振状態を容易且つ確実に実現できる。
【図1】本発明の設計法で用いたレーザー励起固体レー
ザーの一実施形態を示す概略構成図である。
ザーの一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】図1の固体レーザー媒質の端面から励起レーザ
ー光により励起する様子を示す断面図である。
ー光により励起する様子を示す断面図である。
【図3】図1のレーザー励起固体レーザーの入出力特性
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図4】レーザー励起固体レーザーの一例を示す概略構
成図である。
成図である。
1 半導体レーザー(励起用レーザー) 2 集光光学系 3 後部鏡(励起側のレーザー共振器鏡) 4 固体レーザー媒質 5 出力鏡(出力側のレーザー共振器鏡) 6 ビーム整形前の励起光 7 ビーム整形後の励起光 8 レーザー出力光 9 サファイア板 10 Yb:YAG結晶
Claims (3)
- 【請求項1】レーザー下準位が基底準位群に属する準三
準位又は三準位レーザー媒質を用いたレーザー励起固体
レーザーの設計において、 レーザー励起光の最小スポット半径wp0を、式(1) 【数1】 (ここで、M2 は励起光源のM2 因子、λp は励起光源
波長、Lはレーザー媒質長、nはレーザー媒質の屈折
率、ηa は励起光の吸収効率、Pi は入射励起パワー、
xは1より大きい任意の数、Ithはレーザー発振閾値励
起光強度である。)を満たすように設計したことを特徴
とするレーザー励起固体レーザーの設計法。 - 【請求項2】前記式(1)を満たすように、集光ビーム
形状,レーザー媒質形状、共振器形状および出力鏡透過
率のうちいずれか一つ以上を調整するようにしたことを
特徴とする請求項1記載のレーザー励起固体レーザーの
設計法。 - 【請求項3】前記レーザー媒質として、Ybが添加され
た結晶,ガラス等の透明媒質を用いたことを特徴とする
請求項1又は2記載のレーザー励起固体レーザーの設計
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20036997A JPH1146026A (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | レーザー励起固体レーザーの設計法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20036997A JPH1146026A (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | レーザー励起固体レーザーの設計法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1146026A true JPH1146026A (ja) | 1999-02-16 |
Family
ID=16423170
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20036997A Pending JPH1146026A (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | レーザー励起固体レーザーの設計法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1146026A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005350322A (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Ohara Inc | Yb含有ガラス |
JP2005350325A (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Ohara Inc | Yb含有ガラス |
WO2005121039A1 (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Kabushiki Kaisha Ohara | ガラス組成物及びレーザーガラス |
JP2009076800A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | レーザー装置 |
JP2018074105A (ja) * | 2016-11-04 | 2018-05-10 | 株式会社リコー | レーザ装置、点火装置及び内燃機関 |
-
1997
- 1997-07-25 JP JP20036997A patent/JPH1146026A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005350322A (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Ohara Inc | Yb含有ガラス |
JP2005350325A (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Ohara Inc | Yb含有ガラス |
WO2005121039A1 (ja) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Kabushiki Kaisha Ohara | ガラス組成物及びレーザーガラス |
JP2009076800A (ja) * | 2007-09-25 | 2009-04-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | レーザー装置 |
JP2018074105A (ja) * | 2016-11-04 | 2018-05-10 | 株式会社リコー | レーザ装置、点火装置及び内燃機関 |
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