JPH1154820A - 半導体レーザ励起固体レーザ及びそれを用いた光学装置 - Google Patents
半導体レーザ励起固体レーザ及びそれを用いた光学装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 励起光の吸収効率を向上させ、効率的に安定
した赤外レーザ出力を得ることができる半導体レーザ励
起固体レーザ及びそれを用いた光学装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を励
起するための半導体レーザと、固体レーザ媒質で励起さ
れた光を共振させるための対向した一対のミラーとを備
えた半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レーザ
媒質の利得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの
関係が０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミ
ラー間の間隔が選択されていることを特徴とする。
した赤外レーザ出力を得ることができる半導体レーザ励
起固体レーザ及びそれを用いた光学装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を励
起するための半導体レーザと、固体レーザ媒質で励起さ
れた光を共振させるための対向した一対のミラーとを備
えた半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レーザ
媒質の利得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの
関係が０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミ
ラー間の間隔が選択されていることを特徴とする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザから
出射したレーザ光を励起光として用いる半導体レーザ励
起固体レーザ及びそれを用いた光学装置に関する。
出射したレーザ光を励起光として用いる半導体レーザ励
起固体レーザ及びそれを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、固体レーザ結晶を半導体レー
ザから出射されたレーザ光で軸方向に励起し、軸方向に
構成された共振器により赤外レーザ光を発振させる半導
体レーザ励起固体レーザが知られている。このような半
導体レーザ励起固体レーザは、超小型、長寿命で単一縦
モード発振が可能であり、高周波変調が可能であるとい
った利点を有する。
ザから出射されたレーザ光で軸方向に励起し、軸方向に
構成された共振器により赤外レーザ光を発振させる半導
体レーザ励起固体レーザが知られている。このような半
導体レーザ励起固体レーザは、超小型、長寿命で単一縦
モード発振が可能であり、高周波変調が可能であるとい
った利点を有する。
【０００３】この半導体レーザとしては、固体レーザ結
晶の吸収波長域である８０８〜８１０ｎｍの発振波長で
出力が１００ｍＷ以上のものが、また、固体レーザ結晶
としては、Ｎｄ（ネオジウム）等の希土類を添加したＹ
ＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）等が用い
られている。
晶の吸収波長域である８０８〜８１０ｎｍの発振波長で
出力が１００ｍＷ以上のものが、また、固体レーザ結晶
としては、Ｎｄ（ネオジウム）等の希土類を添加したＹ
ＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）等が用い
られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ励起固体
レーザでは、半導体レーザの出力が効率良く固体レーザ
結晶に吸収されなければならない。現在、最も高出力が
得られる半導体レーザの発振波長は８００ｎｍ帯である
が、Ｎｄ3+（ネオジウム）の吸収がこの近傍にあるた
め、Ｎｄを添加した酸化物結晶等が固体レーザ結晶とし
て広く用いられている。
レーザでは、半導体レーザの出力が効率良く固体レーザ
結晶に吸収されなければならない。現在、最も高出力が
得られる半導体レーザの発振波長は８００ｎｍ帯である
が、Ｎｄ3+（ネオジウム）の吸収がこの近傍にあるた
め、Ｎｄを添加した酸化物結晶等が固体レーザ結晶とし
て広く用いられている。
【０００５】ところで、半導体レーザ励起固体レーザに
おいて、単一縦モードで発振させ、非常に発振周波数の
安定した低ノイズのレーザ光を得るためには、共振器モ
ードの周波数間隔を広くすることが要求され、そのため
には固体レーザ結晶を薄くする必要が生じる。
おいて、単一縦モードで発振させ、非常に発振周波数の
安定した低ノイズのレーザ光を得るためには、共振器モ
ードの周波数間隔を広くすることが要求され、そのため
には固体レーザ結晶を薄くする必要が生じる。
【０００６】このように固体レーザ結晶を薄くすると、
半導体レーザから出射されたレーザ光の内、固体レーザ
結晶を透過する光量が増加する一方固体レーザ結晶に吸
収され固体レーザ結晶を励起する光量が減少し、半導体
レーザから出射されたレーザ光に対して効率的に赤外レ
ーザを得ることができないという問題があった。
半導体レーザから出射されたレーザ光の内、固体レーザ
結晶を透過する光量が増加する一方固体レーザ結晶に吸
収され固体レーザ結晶を励起する光量が減少し、半導体
レーザから出射されたレーザ光に対して効率的に赤外レ
ーザを得ることができないという問題があった。
【０００７】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたものであり、励起光の吸収効率を向上させ、効率
的に安定した赤外レーザ出力を得ることができる半導体
レーザ励起固体レーザ及びそれを用いた光学装置を提供
することを目的とする。
されたものであり、励起光の吸収効率を向上させ、効率
的に安定した赤外レーザ出力を得ることができる半導体
レーザ励起固体レーザ及びそれを用いた光学装置を提供
することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を励起するため
の半導体レーザと、固体レーザ媒質で励起された光を共
振させるための対向した一対のミラーとを備えた半導体
レーザ励起固体レーザであって、固体レーザ媒質の利得
幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．
１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミラー間の間
隔が選択されていることを特徴とする。
は、固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質を励起するため
の半導体レーザと、固体レーザ媒質で励起された光を共
振させるための対向した一対のミラーとを備えた半導体
レーザ励起固体レーザであって、固体レーザ媒質の利得
幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．
１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミラー間の間
隔が選択されていることを特徴とする。
【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、一対のミ
ラーは、固体レーザ媒質の対向する２つの面に直接コー
テイングされた反射膜で構成されていることを特徴とす
る。
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、一対のミ
ラーは、固体レーザ媒質の対向する２つの面に直接コー
テイングされた反射膜で構成されていることを特徴とす
る。
【００１０】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質は、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結晶からなること
を特徴とする。
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質は、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結晶からなること
を特徴とする。
【００１１】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質は、Ｎｄが添加されたＹＡＧ結晶からなることを
特徴とする。
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質は、Ｎｄが添加されたＹＡＧ結晶からなることを
特徴とする。
【００１２】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーを同一の熱伝導
性支持体の上に取り付け、熱伝導性支持体の温度制御を
行う温度制御装置を設けたことを特徴とする。
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーを同一の熱伝導
性支持体の上に取り付け、熱伝導性支持体の温度制御を
行う温度制御装置を設けたことを特徴とする。
【００１３】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーは、固体レーザ
媒質で励起された光の出射面に窓を有するケース内に内
蔵されると共にケースの窓に波長板または偏光子を備え
たことを特徴とする。
記載の半導体レーザ励起固体レーザであって、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーは、固体レーザ
媒質で励起された光の出射面に窓を有するケース内に内
蔵されると共にケースの窓に波長板または偏光子を備え
たことを特徴とする。
【００１４】また、請求項７に記載の発明は、互いに直
交する偏光面を有するレーザ光を発する第１及び第２の
レーザ光源と、第１及び第２のレーザ光源からのレーザ
光を合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプ
リッタから合成されたレーザ光を集光し光ファイバーの
端面に導く結合光学系とを備えた光学装置であって、第
１及び第２のレーザ光源は、固体レーザ媒質と、固体レ
ーザ媒質を励起するための半導体レーザと、固体レーザ
媒質で励起された光を共振させるための対向した一対の
ミラーとを備え、固体レーザ媒質の利得幅ＧＷと共振器
モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．１≦ＦＳ／ＧＷ
＜１となる範囲内で一対のミラー間の間隔が選択されて
いる半導体レーザ励起固体レーザからなり、結合光学系
に入射する前の第１のレーザ光源からのレーザ光のビー
ムウェストと偏光ビームスプリッタ間の距離と、結合光
学系に入射する前の第２のレーザ光源からのレーザ光の
ビームウェストと偏光ビームスプリッタ間の距離とを等
しくしたことを特徴とする。
交する偏光面を有するレーザ光を発する第１及び第２の
レーザ光源と、第１及び第２のレーザ光源からのレーザ
光を合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプ
リッタから合成されたレーザ光を集光し光ファイバーの
端面に導く結合光学系とを備えた光学装置であって、第
１及び第２のレーザ光源は、固体レーザ媒質と、固体レ
ーザ媒質を励起するための半導体レーザと、固体レーザ
媒質で励起された光を共振させるための対向した一対の
ミラーとを備え、固体レーザ媒質の利得幅ＧＷと共振器
モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．１≦ＦＳ／ＧＷ
＜１となる範囲内で一対のミラー間の間隔が選択されて
いる半導体レーザ励起固体レーザからなり、結合光学系
に入射する前の第１のレーザ光源からのレーザ光のビー
ムウェストと偏光ビームスプリッタ間の距離と、結合光
学系に入射する前の第２のレーザ光源からのレーザ光の
ビームウェストと偏光ビームスプリッタ間の距離とを等
しくしたことを特徴とする。
【００１５】
【作用】請求項１に記載の発明は、固体レーザ媒質の利
得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が
０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミラー間
の間隔が選択されるように構成したので、通信用の実用
周波数範囲である２ＧＨｚ以下で低ノイズであり、かつ
励起効率の低下を起こさずに容易に製造可能な固体レー
ザ媒質の厚さを有する半導体レーザ励起固体レーザを得
ることができる。
得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が
０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で一対のミラー間
の間隔が選択されるように構成したので、通信用の実用
周波数範囲である２ＧＨｚ以下で低ノイズであり、かつ
励起効率の低下を起こさずに容易に製造可能な固体レー
ザ媒質の厚さを有する半導体レーザ励起固体レーザを得
ることができる。
【００１６】また、請求項２に記載の発明は、一対のミ
ラーを、固体レーザ媒質の対向する２つの面に直接コー
テイングされた反射膜で構成したので容易に製造可能な
半導体レーザ励起固体レーザを得ることができる。
ラーを、固体レーザ媒質の対向する２つの面に直接コー
テイングされた反射膜で構成したので容易に製造可能な
半導体レーザ励起固体レーザを得ることができる。
【００１７】また、請求項３に記載の発明は、固体レー
ザ媒質を、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結晶からなるよう
に構成したので励起効率の高い半導体レーザ励起固体レ
ーザを得ることができる。
ザ媒質を、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結晶からなるよう
に構成したので励起効率の高い半導体レーザ励起固体レ
ーザを得ることができる。
【００１８】また、請求項４に記載の発明は、固体レー
ザ媒質を、Ｎｄが添加されたＹＡＧ結晶からなるように
構成したので励起効率の高い半導体レーザ励起固体レー
ザを得ることができる。
ザ媒質を、Ｎｄが添加されたＹＡＧ結晶からなるように
構成したので励起効率の高い半導体レーザ励起固体レー
ザを得ることができる。
【００１９】また、請求項５に記載の発明は、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーを同一の熱伝導
性支持体の上に取り付け、熱伝導性支持体の温度制御を
行う温度制御装置を設けた構成としたので、温度制御性
能を向上でき、半導体レーザ励起固体レーザの発振出力
の安定度を向上することができる。
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーを同一の熱伝導
性支持体の上に取り付け、熱伝導性支持体の温度制御を
行う温度制御装置を設けた構成としたので、温度制御性
能を向上でき、半導体レーザ励起固体レーザの発振出力
の安定度を向上することができる。
【００２０】また、請求項６に記載の発明は、固体レー
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーが、固体レーザ
媒質で励起された光の出射面に窓を有するケース内に内
蔵されると共にケースの窓に波長板または偏光子を備え
るように構成したので、部品点数を少なくすることがで
き、その結果光学収差を低減することができる。
ザ媒質、半導体レーザ及び一対のミラーが、固体レーザ
媒質で励起された光の出射面に窓を有するケース内に内
蔵されると共にケースの窓に波長板または偏光子を備え
るように構成したので、部品点数を少なくすることがで
き、その結果光学収差を低減することができる。
【００２１】また、請求項７に記載の発明は、第１及び
第２のレーザ光源からの偏光面が互いに直交するレーザ
光を偏光ビームスプリッタにより合成し、合成されたレ
ーザ光を集光し光ファイバーの端面に導く結合光学系と
を備えた光学装置において、結合光学系に入射する前の
第１のレーザ光源からのレーザ光のビームウェストと偏
光ビームスプリッタ間の距離と、結合光学系に入射する
前の第２のレーザ光源からのレーザ光のビームウェスト
と偏光ビームスプリッタ間の距離とが等しくなるように
構成したので、レーザ光の結合効率の良い光学装置を得
ることができる。
第２のレーザ光源からの偏光面が互いに直交するレーザ
光を偏光ビームスプリッタにより合成し、合成されたレ
ーザ光を集光し光ファイバーの端面に導く結合光学系と
を備えた光学装置において、結合光学系に入射する前の
第１のレーザ光源からのレーザ光のビームウェストと偏
光ビームスプリッタ間の距離と、結合光学系に入射する
前の第２のレーザ光源からのレーザ光のビームウェスト
と偏光ビームスプリッタ間の距離とが等しくなるように
構成したので、レーザ光の結合効率の良い光学装置を得
ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態によ
る半導体レーザ励起固体レーザを示す。１は、最大出力
１Ｗ、発振波長８０８ｎｍの励起用半導体レーザ、２
は、励起用半導体レーザから放射される励起用レーザ光
を集光する集光レンズ、３は、Ｎｄが添加されたＹＶＯ
4 （イットリウムバナジウム酸化物）結晶又はＮｄが添
加されたＹＡＧ結晶からなる固体レーザ媒質（固体レー
ザ結晶）である。
る半導体レーザ励起固体レーザを示す。１は、最大出力
１Ｗ、発振波長８０８ｎｍの励起用半導体レーザ、２
は、励起用半導体レーザから放射される励起用レーザ光
を集光する集光レンズ、３は、Ｎｄが添加されたＹＶＯ
4 （イットリウムバナジウム酸化物）結晶又はＮｄが添
加されたＹＡＧ結晶からなる固体レーザ媒質（固体レー
ザ結晶）である。
【００２３】固体レーザ媒質３の励起用レーザ光の入射
面には、励起用レーザ光（８０８ｎｍ）に対し無反射
で、発振光（１３４０ｎｍ）を全反射するダイクロイッ
クミラーからなるミラーＲ１がコーテイングされてい
る。また、固体レーザ媒質３の発振光の出力面には、発
振光（１３４０ｎｍ）を数％透過し、残りを反射するミ
ラーＲ２がコーテイングされている。この一対のミラー
Ｒ１、Ｒ２により共振器が構成される。
面には、励起用レーザ光（８０８ｎｍ）に対し無反射
で、発振光（１３４０ｎｍ）を全反射するダイクロイッ
クミラーからなるミラーＲ１がコーテイングされてい
る。また、固体レーザ媒質３の発振光の出力面には、発
振光（１３４０ｎｍ）を数％透過し、残りを反射するミ
ラーＲ２がコーテイングされている。この一対のミラー
Ｒ１、Ｒ２により共振器が構成される。
【００２４】図２は、周波数対固体レーザ媒質の利得
幅、共振器モードとの関係を示す。図２において、ｆ２
０は、固体レーザ媒質の利得対周波数の関係を、ＧＷ
は、固体レーザ媒質の利得幅を、ｆ２４〜ｆ２８は、共
振器モードをそれぞれ示している。隣接する共振器モー
ドｆ２４〜ｆ２８の周波数間隔ＦＳは、ＦＳ＝ｃ／２ｎ
ｌで与えられる。ここで、ｃは光速、ｎは固体レーザ媒
質の屈折率、ｌは共振器長である。
幅、共振器モードとの関係を示す。図２において、ｆ２
０は、固体レーザ媒質の利得対周波数の関係を、ＧＷ
は、固体レーザ媒質の利得幅を、ｆ２４〜ｆ２８は、共
振器モードをそれぞれ示している。隣接する共振器モー
ドｆ２４〜ｆ２８の周波数間隔ＦＳは、ＦＳ＝ｃ／２ｎ
ｌで与えられる。ここで、ｃは光速、ｎは固体レーザ媒
質の屈折率、ｌは共振器長である。
【００２５】共振器モードの周波数間隔ＦＳが固体レー
ザ媒質の利得幅ＧＷより大きい場合には単一縦モードで
発振することになるが、本発明では固体レーザ媒質の利
得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が
０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で前記一対のミラ
ー間の間隔（共振器長、すなわち固体レーザ媒質の厚
さ）ｌが選択されている。この場合、縦モード数は、後
述するように２〜１１となる。このように、共振器長ｌ
を設定することにより、レーザノイズのレベルを実用
上、最低限に抑えられ、半導体レーザから出射されたレ
ーザ光に対して効率的に赤外レーザ光を得ることができ
る。
ザ媒質の利得幅ＧＷより大きい場合には単一縦モードで
発振することになるが、本発明では固体レーザ媒質の利
得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が
０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で前記一対のミラ
ー間の間隔（共振器長、すなわち固体レーザ媒質の厚
さ）ｌが選択されている。この場合、縦モード数は、後
述するように２〜１１となる。このように、共振器長ｌ
を設定することにより、レーザノイズのレベルを実用
上、最低限に抑えられ、半導体レーザから出射されたレ
ーザ光に対して効率的に赤外レーザ光を得ることができ
る。
【００２６】以下に、固体レーザ媒質の利得幅ＧＷと共
振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係を上述のように設
定した理由について説明する。波長１３４０ｎｍの発振
光を得られる固体レーザ媒質であるＮｄ：ＹＶＯ4は、
半導体レーザから出射された励起用レーザ光の吸収率が
他の結晶に比して高い（例えばＹＡＧの吸収率の約３倍
である）。しかしながら、縦モードを単一にするために
は、固体レーザ媒質の厚さを０．２ｍｍ程度にする必要
があるが、この場合、結晶の加工、取り扱いが難しくな
り、また、Ｎｄのドープ量が１ａｔｍ％として吸収され
る半導体レーザからの励起用レーザ光は、約３０％程度
にとどまり、赤外レーザの発振の効率が悪い。
振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係を上述のように設
定した理由について説明する。波長１３４０ｎｍの発振
光を得られる固体レーザ媒質であるＮｄ：ＹＶＯ4は、
半導体レーザから出射された励起用レーザ光の吸収率が
他の結晶に比して高い（例えばＹＡＧの吸収率の約３倍
である）。しかしながら、縦モードを単一にするために
は、固体レーザ媒質の厚さを０．２ｍｍ程度にする必要
があるが、この場合、結晶の加工、取り扱いが難しくな
り、また、Ｎｄのドープ量が１ａｔｍ％として吸収され
る半導体レーザからの励起用レーザ光は、約３０％程度
にとどまり、赤外レーザの発振の効率が悪い。
【００２７】励起用レーザ光の吸収率は、Ｎｄのドープ
量と固体レーザ媒質の厚さに関係し、９９％の吸収率を
得るためにはＮｄのドープ量と固体レーザ媒質の厚さの
積を３ａｔｍ％・ｍｍ以上、８５％の吸収率を得るため
には１．２ａｔｍ％・ｍｍ程度にする必要がある。
量と固体レーザ媒質の厚さに関係し、９９％の吸収率を
得るためにはＮｄのドープ量と固体レーザ媒質の厚さの
積を３ａｔｍ％・ｍｍ以上、８５％の吸収率を得るため
には１．２ａｔｍ％・ｍｍ程度にする必要がある。
【００２８】図３は、本発明に係る励起用レーザ光の吸
収率、Ｎｄのドープ量、固体レーザ媒質の厚さ及びＦＳ
／ＧＷの相互関係を示す図である。例えば、Ｎｄのドー
プ量が３ａｔｍ％の場合、固体レーザ媒質の厚さ（結晶
厚さ）が０．４ｍｍのときに８５％以上の励起用レーザ
の吸収率を示し、固体レーザ媒質の厚さが１．０ｍｍの
ときに９９％以上の励起用レーザの吸収率を示す。ま
た、固体レーザ媒質の厚さが０．４ｍｍのときにＦＳ／
ＧＷは１．０、固体レーザ媒質の厚さが３．７５ｍｍの
ときにＦＳ／ＧＷは１／１０となる。Ｎｄのドープ量が
一定の場合、励起用レーザ光の吸収率を９９％とするた
めの固体レーザ媒質の厚さは、励起用レーザ光の吸収率
を８５％とするための固体レーザ媒質の厚さの約２．５
倍となる。
収率、Ｎｄのドープ量、固体レーザ媒質の厚さ及びＦＳ
／ＧＷの相互関係を示す図である。例えば、Ｎｄのドー
プ量が３ａｔｍ％の場合、固体レーザ媒質の厚さ（結晶
厚さ）が０．４ｍｍのときに８５％以上の励起用レーザ
の吸収率を示し、固体レーザ媒質の厚さが１．０ｍｍの
ときに９９％以上の励起用レーザの吸収率を示す。ま
た、固体レーザ媒質の厚さが０．４ｍｍのときにＦＳ／
ＧＷは１．０、固体レーザ媒質の厚さが３．７５ｍｍの
ときにＦＳ／ＧＷは１／１０となる。Ｎｄのドープ量が
一定の場合、励起用レーザ光の吸収率を９９％とするた
めの固体レーザ媒質の厚さは、励起用レーザ光の吸収率
を８５％とするための固体レーザ媒質の厚さの約２．５
倍となる。
【００２９】図４は、励起用レーザ光の吸収率を変えた
場合の励起用レーザ光の出力と赤外レーザ出力との関係
を示す図である。実測値を実線、理論値を破線で示して
いる。
場合の励起用レーザ光の出力と赤外レーザ出力との関係
を示す図である。実測値を実線、理論値を破線で示して
いる。
【００３０】固体レーザ媒質の両面の平行度、平坦度を
高め、固体レーザ媒質の両面に上述のように一対のミラ
ーＲ１、Ｒ２を形成して共振器を構成した場合、励起用
のレーザ光の固体レーザ媒質内部でのプロファイル、固
体レーザ媒質内でのレーザ利得と損失の関係から固体レ
ーザ媒質の厚さは薄いほうが１３４０ｎｍの赤外レーザ
出力が高く効率的になる場合がある。
高め、固体レーザ媒質の両面に上述のように一対のミラ
ーＲ１、Ｒ２を形成して共振器を構成した場合、励起用
のレーザ光の固体レーザ媒質内部でのプロファイル、固
体レーザ媒質内でのレーザ利得と損失の関係から固体レ
ーザ媒質の厚さは薄いほうが１３４０ｎｍの赤外レーザ
出力が高く効率的になる場合がある。
【００３１】上述の０．１≦ＦＳ／ＧＷの条件は、通信
用の実用周波数範囲である２ＧＨｚ以下で低ノイズとす
る条件から決定される。レーザノイズで２ＧＨｚ付近に
発生する可能性のあるものは、共振器モードの周波数間
隔ＦＳから生じるビートノイズである。さらに、横モー
ドが低次ではあるがマルチモードになった場合には縦横
共鳴モードによるノイズが発生し、このノイズの周波数
帯はビートノイズの１／１０付近となる可能性がある。
用の実用周波数範囲である２ＧＨｚ以下で低ノイズとす
る条件から決定される。レーザノイズで２ＧＨｚ付近に
発生する可能性のあるものは、共振器モードの周波数間
隔ＦＳから生じるビートノイズである。さらに、横モー
ドが低次ではあるがマルチモードになった場合には縦横
共鳴モードによるノイズが発生し、このノイズの周波数
帯はビートノイズの１／１０付近となる可能性がある。
【００３２】従って、ビートノイズの周波数帯は２０Ｇ
Ｈｚ以上にする必要があり、このことから共振器モード
の周波数間隔ＦＳは２０ＧＨｚ以上にする必要がある。
ここで、Ｎｄのドープ量が１ａｔｍ％のＮｄ：ＹＶＯ4
結晶の利得幅ＧＷは、実験的に２００ＧＨｚ程度である
ことが判明している。
Ｈｚ以上にする必要があり、このことから共振器モード
の周波数間隔ＦＳは２０ＧＨｚ以上にする必要がある。
ここで、Ｎｄのドープ量が１ａｔｍ％のＮｄ：ＹＶＯ4
結晶の利得幅ＧＷは、実験的に２００ＧＨｚ程度である
ことが判明している。
【００３３】以上のことから、２ＧＨｚ以下で低ノイズ
とするためには、０．１≦ＦＳ／ＧＷとする必要が生じ
る。なお、０．１＝ＦＳ／ＧＷの時、縦モード数は、最
大１１本となる。
とするためには、０．１≦ＦＳ／ＧＷとする必要が生じ
る。なお、０．１＝ＦＳ／ＧＷの時、縦モード数は、最
大１１本となる。
【００３４】一般に入手可能なＮｄ：ＹＶＯ4 結晶のＮ
ｄのドープ量は、０．５〜３ａｔｍ％であり、Ｎｄのド
ープ量が少ないほど８０８ｎｍの励起用レーザ光の吸収
率が低くなる。Ｎｄのドープ量が少ない場合には結晶の
厚さを増加させることにより励起用レーザ光の吸収率を
増加させるが、結果として共振器長ｌが広がり共振器モ
ードの周波数間隔ＦＳが狭くなる。
ｄのドープ量は、０．５〜３ａｔｍ％であり、Ｎｄのド
ープ量が少ないほど８０８ｎｍの励起用レーザ光の吸収
率が低くなる。Ｎｄのドープ量が少ない場合には結晶の
厚さを増加させることにより励起用レーザ光の吸収率を
増加させるが、結果として共振器長ｌが広がり共振器モ
ードの周波数間隔ＦＳが狭くなる。
【００３５】上述の励起用レーザ光の吸収率と、Ｎｄの
ドープ量と固体レーザ媒質の厚さの積の関係から、励起
用レーザ光の吸収率を９９％とするためには、例えばＮ
ｄのドープ量を１ａｔｍ％とした場合固体レーザ媒質の
厚さｌを最低でも３ｍｍ以上とする必要がある。０．１
≦ＦＳ／ＧＷという条件から導かれる共振器長は、３．
７５ｍｍ以下であるのでＮｄのドープ量を１ａｔｍ％と
した場合でも励起用レーザ光の吸収率を９９％とするこ
とができる。また、Ｎｄのドープ量を０．５ａｔｍ％と
した場合でも励起用レーザ光の吸収率を９５％とするこ
とができる。
ドープ量と固体レーザ媒質の厚さの積の関係から、励起
用レーザ光の吸収率を９９％とするためには、例えばＮ
ｄのドープ量を１ａｔｍ％とした場合固体レーザ媒質の
厚さｌを最低でも３ｍｍ以上とする必要がある。０．１
≦ＦＳ／ＧＷという条件から導かれる共振器長は、３．
７５ｍｍ以下であるのでＮｄのドープ量を１ａｔｍ％と
した場合でも励起用レーザ光の吸収率を９９％とするこ
とができる。また、Ｎｄのドープ量を０．５ａｔｍ％と
した場合でも励起用レーザ光の吸収率を９５％とするこ
とができる。
【００３６】一方、ＦＳ／ＧＷ＜１の条件は、Ｎｄのド
ープ量を３％とした場合励起用レーザ光の吸収率を８５
％以上とし、固体レーザ媒質の厚さを極力薄くできる条
件から決定される。励起用半導体レーザの出力が１Ｗの
場合、固体レーザ媒質の励起用レーザ光の吸収率が８５
％以上であれば、２３０ｍＷ以上の赤外レーザ出力が得
られる。この場合、レーザ装置として定格出力２００ｍ
Ｗに設定でき、例えば通信用として十分な性能となる。
ープ量を３％とした場合励起用レーザ光の吸収率を８５
％以上とし、固体レーザ媒質の厚さを極力薄くできる条
件から決定される。励起用半導体レーザの出力が１Ｗの
場合、固体レーザ媒質の励起用レーザ光の吸収率が８５
％以上であれば、２３０ｍＷ以上の赤外レーザ出力が得
られる。この場合、レーザ装置として定格出力２００ｍ
Ｗに設定でき、例えば通信用として十分な性能となる。
【００３７】上述の励起用レーザ光の吸収率と、Ｎｄの
ドープ量と固体レーザ媒質の厚さの積の関係から、例え
ばＮｄのドープ量を３ａｔｍ％とした場合固体レーザ媒
質の厚さｌを０．４ｍｍ以上とすれば、励起用レーザ光
の吸収率が８５％以上となる。この程度の厚さであれば
固体レーザ媒質の加工、取り扱いは難しくない。この場
合の共振器モードの周波数間隔ＦＳは、約１９０ＧＨｚ
で、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶の利得幅ＧＷにほぼ一致し、Ｆ
Ｓ／ＧＷ＜１が得られる。
ドープ量と固体レーザ媒質の厚さの積の関係から、例え
ばＮｄのドープ量を３ａｔｍ％とした場合固体レーザ媒
質の厚さｌを０．４ｍｍ以上とすれば、励起用レーザ光
の吸収率が８５％以上となる。この程度の厚さであれば
固体レーザ媒質の加工、取り扱いは難しくない。この場
合の共振器モードの周波数間隔ＦＳは、約１９０ＧＨｚ
で、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶の利得幅ＧＷにほぼ一致し、Ｆ
Ｓ／ＧＷ＜１が得られる。
【００３８】以上のように、固体レーザ媒質の利得幅Ｇ
Ｗと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．１≦
ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で前記一対のミラー間の間
隔ｌを選択した場合、励起用レーザ光の吸収率が８５％
以上となり赤外レーザ出力（１３４０ｎｍ）が２３％以
上の効率で得られることになる。この時、横モードはＴ
ＥＭ01以下の低次のモードとなっている。なお、実用周
波数範囲である２ＧＨｚ以下では、図５にａで示すよう
に−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下のノイズレベルとなってい
る。図５のｂで示すカーブはバックグラウンドノイズの
レベルを示している。
Ｗと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が０．１≦
ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で前記一対のミラー間の間
隔ｌを選択した場合、励起用レーザ光の吸収率が８５％
以上となり赤外レーザ出力（１３４０ｎｍ）が２３％以
上の効率で得られることになる。この時、横モードはＴ
ＥＭ01以下の低次のモードとなっている。なお、実用周
波数範囲である２ＧＨｚ以下では、図５にａで示すよう
に−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下のノイズレベルとなってい
る。図５のｂで示すカーブはバックグラウンドノイズの
レベルを示している。
【００３９】上述の実施形態では、固体レーザ媒質とし
てＮｄ：ＹＶＯ4 結晶を用いた例を示したがこれに替え
てＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いても同様の作用、効果が得ら
れる。但し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶では、励起用レーザ光の
吸収率がＮｄ：ＹＶＯ4 結晶の１／３程度なので結晶の
厚さを約３倍にする必要がある。
てＮｄ：ＹＶＯ4 結晶を用いた例を示したがこれに替え
てＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いても同様の作用、効果が得ら
れる。但し、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶では、励起用レーザ光の
吸収率がＮｄ：ＹＶＯ4 結晶の１／３程度なので結晶の
厚さを約３倍にする必要がある。
【００４０】図６（ａ）、（ｂ）は、上述の半導体レー
ザ励起固体レーザをレーザ光源として用いた光学装置の
一例を示す。図６（ａ）は、レーザ光源２０ａの側面か
ら見た断面図であり、図６（ｂ）は、全体の光学系の構
成を示す平面図である。レーザ光源２０ａ、２０ｂは、
上述のように発振波長８０８ｎｍの励起用半導体レーザ
１、励起用半導体レーザから放射される励起用レーザ光
を集光する集光レンズ２、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結
晶又はＮｄが添加されたＹＡＧ結晶からなる固体レーザ
媒質３、固体レーザ媒質３で励起された光を共振させる
ための対向した一対のミラーＲ１、Ｒ２及び偏光子４、
６、ファラデー素子５で構成される光アイソレータ７で
構成され、１３４０ｎｍの赤外レーザ光を出力する。
ザ励起固体レーザをレーザ光源として用いた光学装置の
一例を示す。図６（ａ）は、レーザ光源２０ａの側面か
ら見た断面図であり、図６（ｂ）は、全体の光学系の構
成を示す平面図である。レーザ光源２０ａ、２０ｂは、
上述のように発振波長８０８ｎｍの励起用半導体レーザ
１、励起用半導体レーザから放射される励起用レーザ光
を集光する集光レンズ２、Ｎｄが添加されたＹＶＯ4 結
晶又はＮｄが添加されたＹＡＧ結晶からなる固体レーザ
媒質３、固体レーザ媒質３で励起された光を共振させる
ための対向した一対のミラーＲ１、Ｒ２及び偏光子４、
６、ファラデー素子５で構成される光アイソレータ７で
構成され、１３４０ｎｍの赤外レーザ光を出力する。
【００４１】レーザ光源２０ａ、２０ｂから出射される
互いに直交する偏光面を有するレーザ光は、光アイソレ
ータ７を介して偏光ビームスプリッタ１０に導かれ合成
され、集光レンズ８（一つの結合光学系）により光ファ
イバーコネクタ１２を介して光ファイバー９に結合され
る。
互いに直交する偏光面を有するレーザ光は、光アイソレ
ータ７を介して偏光ビームスプリッタ１０に導かれ合成
され、集光レンズ８（一つの結合光学系）により光ファ
イバーコネクタ１２を介して光ファイバー９に結合され
る。
【００４２】このように、互いに直交する偏光面を有す
るレーザ光を合成して光ファイバー９に結合することに
より、光ファイバー９に結合するパワーが増大すると共
に光ファイバー９の出口で所定の偏光面の光を取り出す
場合、偏光面の角度に依存しないで一定のパワーが得ら
れる。
るレーザ光を合成して光ファイバー９に結合することに
より、光ファイバー９に結合するパワーが増大すると共
に光ファイバー９の出口で所定の偏光面の光を取り出す
場合、偏光面の角度に依存しないで一定のパワーが得ら
れる。
【００４３】また、二つのレーザ光源２０ａ、２０ｂが
同じ場合、各々のレーザ光の集光レンズ８に入射前のビ
ームウェストと偏光ビームスプリッタ１０間のそれぞれ
の距離を等しく（Ｌ１＝Ｌ２）することにより、光ファ
イバーへの結合効率を向上させることができる。
同じ場合、各々のレーザ光の集光レンズ８に入射前のビ
ームウェストと偏光ビームスプリッタ１０間のそれぞれ
の距離を等しく（Ｌ１＝Ｌ２）することにより、光ファ
イバーへの結合効率を向上させることができる。
【００４４】半導体レーザ１、集光レンズ２、固体レー
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２及び光アイソレータ
７は、固体レーザ媒質で励起された光の出射面に窓を有
し、熱伝導性を有する材料で形成されているケース１１
内に内蔵され、光アイソレータ７の偏光子６をケースの
窓（光学ウィンドウ）として使用している。
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２及び光アイソレータ
７は、固体レーザ媒質で励起された光の出射面に窓を有
し、熱伝導性を有する材料で形成されているケース１１
内に内蔵され、光アイソレータ７の偏光子６をケースの
窓（光学ウィンドウ）として使用している。
【００４５】このように、レーザ光源２０ａ、２０ｂを
モジュール化することにより、交換作業等が容易とな
り、また偏光子等の複屈折性を有する光学薄膜をケース
の窓として用いることにより部品点数が１つ削減でき結
果として収差を低減することができる。なお、ケース内
部に波長板が用いられる場合にも同様に波長板をケース
の窓として用いても良い。
モジュール化することにより、交換作業等が容易とな
り、また偏光子等の複屈折性を有する光学薄膜をケース
の窓として用いることにより部品点数が１つ削減でき結
果として収差を低減することができる。なお、ケース内
部に波長板が用いられる場合にも同様に波長板をケース
の窓として用いても良い。
【００４６】レーザ光源２０ａ、２０ｂ、偏光ビームス
プリッタ１０、集光レンズ８及び光ファイバーコネクタ
１２は、同一の熱伝導性支持体１３の上に取り付けられ
ている。そして、この熱伝導性支持体１３はヒートシン
ク１４に接合されたペルチェ素子１５の上に固定されて
いる。
プリッタ１０、集光レンズ８及び光ファイバーコネクタ
１２は、同一の熱伝導性支持体１３の上に取り付けられ
ている。そして、この熱伝導性支持体１３はヒートシン
ク１４に接合されたペルチェ素子１５の上に固定されて
いる。
【００４７】半導体レーザ１、集光レンズ２、固体レー
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２、光アイソレータ
７、偏光ビームスプリッタ１０、集光レンズ８及び光フ
ァイバーコネクタ１２は、半導体レーザ１の近傍に配置
された図示しない温度センサからの温度検出信号に応答
して、図示しない温度調節回路がペルチェ素子１５を駆
動制御することにより所定温度に保たれる。
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２、光アイソレータ
７、偏光ビームスプリッタ１０、集光レンズ８及び光フ
ァイバーコネクタ１２は、半導体レーザ１の近傍に配置
された図示しない温度センサからの温度検出信号に応答
して、図示しない温度調節回路がペルチェ素子１５を駆
動制御することにより所定温度に保たれる。
【００４８】半導体レーザ１、集光レンズ２、固体レー
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２、光アイソレータ
７、偏光ビームスプリッタ１０、集光レンズ８及び光フ
ァイバーコネクタ１２は、筐体１６内に収納され、シー
ルされている。また、筐体１６内には、吸湿剤１７が配
されている。これにより、筐体１６内の内部空間が低湿
度に保たれて結露を防止することができる。
ザ媒質３、一対のミラーＲ１、Ｒ２、光アイソレータ
７、偏光ビームスプリッタ１０、集光レンズ８及び光フ
ァイバーコネクタ１２は、筐体１６内に収納され、シー
ルされている。また、筐体１６内には、吸湿剤１７が配
されている。これにより、筐体１６内の内部空間が低湿
度に保たれて結露を防止することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、励
起光の吸収効率を向上させ、効率的に安定した赤外レー
ザ出力を得ることができる半導体レーザ励起固体レーザ
及びそれを用いた光学装置を提供することができる。
起光の吸収効率を向上させ、効率的に安定した赤外レー
ザ出力を得ることができる半導体レーザ励起固体レーザ
及びそれを用いた光学装置を提供することができる。
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザ励起固
体レーザを示す図である。
体レーザを示す図である。
【図２】半導体レーザ励起固体レーザの周波数対固体レ
ーザ媒質の利得幅、共振器モードとの関係を示す図であ
る。
ーザ媒質の利得幅、共振器モードとの関係を示す図であ
る。
【図３】本発明に係る励起用レーザ光の吸収率、Ｎｄの
ドープ量、固体レーザ媒質の厚さ及びＦＳ／ＧＷの相互
関係を示す図である。
ドープ量、固体レーザ媒質の厚さ及びＦＳ／ＧＷの相互
関係を示す図である。
【図４】本発明に係る励起用レーザ光の吸収率を変えた
場合の励起用レーザ光の出力と赤外レーザ出力との関係
を示す図である。
場合の励起用レーザ光の出力と赤外レーザ出力との関係
を示す図である。
【図５】本発明に係る励起用レーザ光のノイズ特性を示
す図である。
す図である。
【図６】本発明による半導体レーザ励起固体レーザをレ
ーザ光源として用いた光学装置の一例を示す図である。
ーザ光源として用いた光学装置の一例を示す図である。
【符号の説明】 １・・・・・半導体レーザ ２・・・・・集光レンズ ３・・・・・固体レーザ媒質 ４・・・・・偏光子 ５・・・・・ファラデー素子 ６・・・・・偏光子 ７・・・・・光アイソレータ ８・・・・・集光レンズ ９・・・・・光ファイバー １０・・・・・偏光ビームスプリッタ １１・・・・・ケース １２・・・・・光ファイバーコネクタ １３・・・・・熱伝導性支持体 １４・・・・・ヒートシンク １５・・・・・ペルチェ素子 １６・・・・・筐体 １７・・・・・吸湿剤 ２０ａ・・・・・レーザ光源 ２０ｂ・・・・・レーザ光源 Ｒ１・・・・・ミラー Ｒ２・・・・・ミラー
Claims (7)
- 【請求項１】 固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質
を励起するための半導体レーザと、前記固体レーザ媒質
で励起された光を共振させるための対向した一対のミラ
ーとを備えた半導体レーザ励起固体レーザであって、 前記固体レーザ媒質の利得幅ＧＷと共振器モードの周波
数間隔ＦＳとの関係が、 ０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１ となる範囲内で前記一対のミラー間の間隔が選択されて
いることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ。 - 【請求項２】 前記一対のミラーは、前記固体レーザ媒
質の対向する２つの面に直接コーテイングされた反射膜
で構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導
体レーザ励起固体レーザ。 - 【請求項３】 前記固体レーザ媒質は、Ｎｄが添加され
たＹＶＯ4 結晶からなることを特徴とする請求項１記載
の半導体レーザ励起固体レーザ。 - 【請求項４】 前記固体レーザ媒質は、Ｎｄが添加され
たＹＡＧ結晶からなることを特徴とする請求項１記載の
半導体レーザ励起固体レーザ。 - 【請求項５】 前記固体レーザ媒質、半導体レーザ及び
一対のミラーを同一の熱伝導性支持体の上に取り付け、
前記熱伝導性支持体の温度制御を行う温度制御装置を設
けたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起
固体レーザ。 - 【請求項６】 前記固体レーザ媒質、半導体レーザ及び
一対のミラーは、前記固体レーザ媒質で励起された光の
出射面に窓を有するケース内に内蔵されると共に前記ケ
ースの窓に波長板または偏光子を備えたことを特徴とす
る請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ。 - 【請求項７】 互いに直交する偏光面を有するレーザ光
を発する第１及び第２のレーザ光源と、第１及び第２の
レーザ光源からのレーザ光を合成する偏光ビームスプリ
ッタと、偏光ビームスプリッタから合成されたレーザ光
を集光し光ファイバーの端面に導く結合光学系とを備え
た光学装置であって、 前記第１及び第２のレーザ光源は、固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質を励起するための半導体レーザと、
前記固体レーザ媒質で励起された光を共振させるための
対向した一対のミラーとを備え、前記固体レーザ媒質の
利得幅ＧＷと共振器モードの周波数間隔ＦＳとの関係が
０．１≦ＦＳ／ＧＷ＜１となる範囲内で前記一対のミラ
ー間の間隔が選択されている半導体レーザ励起固体レー
ザからなり、前記結合光学系に入射する前の前記第１の
レーザ光源からのレーザ光のビームウェストと前記偏光
ビームスプリッタ間の距離と、前記結合光学系に入射す
る前の前記第２のレーザ光源からのレーザ光のビームウ
ェストと前記偏光ビームスプリッタ間の距離とを等しく
したことを特徴とする光学装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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