JPWO2009028352A1 - レーザ発振器及びレーザ光の発振方法 - Google Patents

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Abstract

Nd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスなどのセラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数、直線偏波発振がTEM00モードで達成されるようにする。励起光を発振するレーザ光源と、発振された励起光が入射される、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスを有するレーザ媒質と、を有するレーザ発振器を提供する。レーザ媒質は、第1の誘電体多層膜を有する第1の面及び第2の誘電体多層膜を有する第2の面を有していてもよい。

Description

本発明は、レーザ発振器及びレーザ光の発振方法に関する。
固体レーザ媒質の材料として、従来、Nd:YAG等の単結晶が知られていた。しかし、製造上の制約から添加物濃度の高いものを得るのが困難であり、また、大きな単結晶を得るのが困難であるなどの問題があり、製造にコストと時間を要していた。これに対して、任意形状への合成が容易で、大型化が可能な安価なレーザ媒質の材料としてセラミックスを用いたレーザ媒質(セラミックスレーザ媒質)が知られるようになってきた。例えば、Nd:YAGやYb:YAGなどのセラミックスレーザ媒質が注目を集めている(例えば、非特許文献1−3参照。)。
セラミックスレーザ媒質を用いた場合、実用上重要な基本横モード(TEM00モード)での発振が阻害され、異なる周波数と偏光状態を持つ複数の局所横モードへ分裂しやすい。そして、このような分裂が発生すると、空間的に隣接した局所モードの発振電界結合により、局所モード間の差周波数での強度変調が発現し、発振が不安定になることが知られている(例えば、非特許文献4、5参照。)。
I. Shoji, S. Kurimura,Y. Sato, T. Taira. A. Ikesue,and K. Yoshida, Opt. Lett. 77, 939 (2000) J. Lu, M. Prabhu,J. Song, C. Li, J. Xu, K. Ueda, A. Kaminskii, H. Yagi, T. Yanagitani, Appl. Phys. B, 71,469 (2000) K. Takaichi, J. Lu,A. Shirakawa, H. Yagi, K.Ueda, T. Yanagitani, A. Kaminskii,Phys. Stat. Sol. (a) 200, R5 (2003) T. Narita, Y. Miyasaka, and K. Otsuka, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1168 (2005) K. Otsuka, T.Narita, Y. Miyasaka, C.-C. Ching,J.-Y. Ko, and S.-C. Chu, Appl. Phys. Lett. 89, 081117 (2006)
本発明は、Nd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスなどの材料のセラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数発振がTEM00モードで達成されるレーザ発振器及びレーザ光の発振方法を提供する。
本願では、励起光を発振するレーザ光源と、発振された励起光が入射される、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスを
有するレーザ媒質と、を有するレーザ発振器について開示を行う。
本発明により、セラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がTEM00モードで達成されるレーザ発振器及びレーザ光の発振方法が提供される。
本発明の実施形態1に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるNd:YAGセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の多重波長計の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器の入出力特性を示す図である。 従来のレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるNd:YAGセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を測定する装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 本発明の実施形態1に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 従来のレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるYb:YAGセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性を測定する装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器における入出力特性を示す図である。 本発明の実施形態2に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の遠視野像と強度分布を示す図である。 横モード特性の励起ビーム径依存性を検討するための入出力特性を示す図である。 横モード特性の励起ビーム径依存性検討するための観測結果を示す図である。 平均グレイサイズが、59.05μm、51.85μm、37.35μm、29.03μmの試料のSEM写真を示す図である。 平均グレイサイズが、59.05μm、51.85μm、37.35μm、29.03μmの試料のグレインの大きさを示すヒストグラムである。 本発明の実施形態5に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態5に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性を示した図である。
符号の説明
101 レーザ光源
102 励起光
103 レーザ媒質
104 発振光
105 第1の面
106 第2の面
1101 レーザ光源
1102 励起光
1103 レーザ媒質
1104 発振光
1105 第1の面
1106 第2の面
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら実施形態として説明を行う。なお、本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、種々の態様で実施することが可能である。例えば、本発明に係るに係るレーザ発振器は、外部共振器の形態においても実施することができる。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器の機能ブロック図を示す。本発明の実施形態1に係るレーザ発振器は、レーザ光源101と、レーザ媒質103と、を有する。
レーザ光源101は、励起光102を発振する。本実施形態においては、レーザ光源101には半導体を用いたレーザ光源を用いているが、これに限定されるわけではなく、ガスレーザ(例えば、ArレーザやKrレーザ)あるいは固体レーザ(例えば、Tiサファイアレーザ)等を用いても良い。後に説明するレーザ媒質103の材料として、Nd:YAGセラミックスを用いる場合には、励起光102の波長は、例えば、808nmあるいは885nmとする。
レーザ媒質103は、励起光102が入射されるレーザ媒質である。本実施形態では、レーザ媒質としては、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスを用いる。本実施形態ではレーザ媒質103は端面共振器を構成するようになっている。すなわち、レーザ媒質103の励起光102が入射される面を第1の面105とし、それと反対の面であり、発振されるレーザ光104が放出される面を第2の面106とすると、レーザ媒質103の第1の面105と第2の面106とには、励起光102により励起を行うために、第1の面105と第2の面106とには鏡面加工がされ、また、コーティングが行われている。コーティングは、例えば、第1の面105と第2の面106とに多層膜を形成することによって行う。多層膜の一例としては誘電体多層膜を挙げることができる。なお、第1の面105と第2の面106とのコーティングは同一とは限らない。
図2に、レーザ媒質103として用いられるNd:YAGセラミックスの試料の一つについて、熱エッチングされた表面の走査型電子顕微鏡(SEM)による写真を示す。このような写真によりグレインの構造を知ることができる。本発明のレーザ発振器に用いるレーザ媒質103の平均グレインサイズは、5μm以下である。ここに、「平均グレインサイズ」とは、各グレインの最も長い方向の長さの平均(算術平均)をいう。図2の写真の右下に示される矢印線の長さが2μmに相当する。図2に写真が示される試料では、平均グレインサイズは1.16μmとなる。
図3は、図2に示したように平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスをレーザ媒質の材料として用いてレーザ光を発生させるレーザ発振器の一例の詳細な機能ブロック図を示す。励起光102として、波長808nmのコリメートしたレーザ光を得るために、半導体レーザ発振器107を有している。半導体レーザ発振器107で得られたレーザ光は、楕円形状であるので、円形に変換するために、アナモルフィックプリズム装置108を有している。アナモルフィックプリズム装置108は、二つのプリズム109と110とを有し、入射した楕円形状のレーザ光を円形に補正する。補正されたレーザ光は、レーザ媒質103での励起のために、対物レンズ111により集光される。対物レンズ111の開口数は0.25である。これにより、平均して80ミクロンのビーム径となるレーザ光がレーザ媒質103に入射される。
レーザ媒質103の材料としては、Ndを1原子%ドープしたNd:YAGセラミックスを用いた。厚さは1mmの板状の形状をしている。対物レンズ111で集光された励起光に対する吸収係数は、3.55m−1であった。図2に示したSEMの写真は、このレ
ーザ媒質を用いて撮影された。
レーザ媒質103の第1の面105と第2の面106とには、誘電体多層膜などによるコーティングが施されている。第1の面105には、異なる2波長に対するそれぞれの反射防止膜と高反射膜とのコーティングがされる。ここに、「反射防止膜」とは、ある波長の光を透過する性質を有する膜をいう。例えば、励起光の波長である808nmにおいて、95%以上が透過する。「高反射膜」とは、ある波長の光を反射する性質を有する膜をいう。例えば、発振されるレーザ光の波長である1064nmにおいて99.8%以上を反射する。
また、第2の面106にも、誘電体多層膜などによる高反射膜のコーティングが施されている。例えば、発振されるレーザ光の波長である1064nmにおいて90%以上を反射し、より好ましくは97%以上を反射する。特に、1064nmにおいて99%を反射するようになっていてもよい。
図4は、図3に示したレーザ発振器により発振されたレーザ光の多重波長計を用いた測定結果を示す。用いた多重波長計の分解能は0.1nmである。図4に示されるように、波長が1064nmでの単一遷移線での発振が確認された。
図5は、図3に示したレーザ発振器の入出力特性を示す。すなわち、横軸として、レーザ媒質103に入射される励起光のパワー(Absorbed pump power (mW))を振り、縦軸として発振されるレーザ光のパワー(Output power (mW))を振ったグラフを示す。図2のSEM写真で示した平均グレインサイズが5μm以下である1.16μmのNd:YAGセラミックスを用いた場合の入出力特性は、符号Aで示されカーブとなっている。なお、符号Bは、比較のために、従来から用いられている材料、すなわち、平均グレインサイズが19.23μmで、他の条件は同一とした材料、を上述のレーザ媒質103の材料である平均グレインサイズが1.16μmのNd:YAGセラミックスの代わりに用いた場合の入出力特性を示している。図5により、本発明で用いる材料と、従来から用いられている材料とでは、入出力特性に大きな違いは見いだせないことがわかる。
図6は、上述した従来から用いられている材料のSEM写真を示す。図6の写真の右下に示される矢印線の長さが20μmに相当する。平均グレインサイズは、19.23μmであることがわかる。
図7は、(1)本発明の実施形態1でのレーザ媒質、すなわち、平均グレインサイズが5μm以下で、1原子%Ndをドープした1mmの厚さのNd:YAGセラミックス材料を用い、1064nmにおいて99.8%以上を反射し808nmにおいて95%以上を透過するコーティングを第1の面に施し、1064nmにおいて99%以上反射するコーティングを第2の面に施したレーザ媒質と、(2)従来から用いられているレーザ媒質、すなわち、平均グレインサイズが30μm程度で、1原子%Ndをドープした1mmの厚さのNd:YAGセラミックス材料を用い、1064nmにおいて99.8%以上を反射し808nmにおいて95%以上を透過するコーティングを第1の面に施し、1064nmにおいて99%以上反射するコーティングを第2の面に施したレーザ媒質とを用いた場合に得られるレーザ光の特性の詳細な特性を測定し、比較するための装置の機能ブロック図を示す。
図7に示すように、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器による発振されるレーザ光104は偏光子201を透過し、スプリッタ202を透過した後は、一方は、レンズに203により集光されて、掃引型ファブリ・ペロー干渉計204へ入射され、他方は、PbS赤外線撮像装置205に入射される。
発明者は、平均グレインサイズの異なる複数のNd:YAGセラミックス材料について得られるレーザ光の特性の詳細な特性を測定した結果、平均グレインサイズが5μm以下の微粒セラミックスを用いた場合、以下のように、局所横モードが形成されることなく、安定なTEM00モード発振が得られた。
図8、図9は、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器のように、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックス材料を用いた場合に得られるレーザ光の特性を示す。
図8は、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の遠視野像(上部)と、光スペクトル(下部)を示す。光スペクトルにおいて、横軸は Optical frequency が用いられ、左右のピークの間隔を示す矢印線の長さは2GHzに相当する。これらにより示されるように本発明の実施形態1に係るレーザ発振器によれば、全ての励起パワーの領域において、単一周波数の発振がTEM00モードで達成されている。
また、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器で得られるレーザ光についての、遠視野強度分布を図9(A)に示し、X方向のガウス型フィッティング曲線を図9(B)に示し、Y方向ガウス型フィッティング曲線を図9(C)に示す。なお、図9(B)、図9(C)に示すグラフの縦軸は、Relative Intensity をパーセントを単位に表示する。これらから示されるように、理論的TEM00モードに実測値が含まれる割合であるモード純度は、全励起領域において、99%以上となる。
一方、図10は、比較のために、従来から用いられているレーザ発振器であり、平均グレインサイズが30μm程度で、1原子%Ndをドープした1mmの厚さのNd:YAGセラミックス材料を、レーザ媒質103の材料である平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスの代わりに用いた場合に得られるレーザ光の遠視野像(上部)と光スペクトル(下部)を示す。図8と同様に、図10でも横軸は Optical frequency が用いられ、一番左と一番右とに位置するピークの間隔を示す矢印線の長さは2GHzに相当する。これらにより、従来から用いられているレーザ発振器により得られるレーザ光では、特定の縦モードに属し、発振周波数がわずかに異なり且つ偏向状態が異なる4つの局所モードに分裂していることがわかる。この実験例では、4つの局所モードは、図10の下部の矢印により示されるように、振動方向が異なる直線偏波を呈している。
このように、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器で得られるレーザ光と、従来のレーザ発振器で得られるレーザ光とに特性の違いが生ずる理由は、以下のように推定される。まず、従来のレーザ発振器では、一つの単結晶のグレインサイズが数10μmの多結晶セラミックスである。また、それらの結晶方位はランダムに分布している。平均グレインサイズを30μmと仮定すると、熱レンズ効果によって、励起光により形成される試料の動径方向の温度分布に基づく屈折率変化で決まるTEM00モードのビーム径は160μmとなる。したがって、波長に比べて充分大きな、結晶方位の異なる単結晶グレインが、TEM00モードのビーム断面内に平均して数個含まれることとなる。このことと、熱複屈折効果の場所依存性により、発振周波数と固有偏光状態が一義的に決定されない。その結果、発振横モードは複数の偏光状態・周波数の異なる局所モードへ分裂することになる。局所モードは、励起(即ち、発振)位置に依存したグレイン構造を反映して形成され、局所モード間の相互作用により、カオスを含む多様な動的不安定性が発現することになる。
一方、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器においては、グレインサイズが数μmと極めて小さく発振波長と同等なために、局所的に横モードが形成されることはなく、局所モードへの分裂が阻止され、付随した動的不安定性も発現しないと考えられる。
以上のように、本発明の実施形態1に係るレーザ発振器においては、Nd:YAGセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の
発振がTEM00モードで達成される。
(実施形態2)
次に、Yb:YAGセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がTEM00モードで達成されるレーザ発振器を説明する。本発明の実施形態1に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性の測定結果を検討した本願発明者は、5μm以下の平均グレインサイズである微粒セラミックスを用いた他の材料のレーザ発振器でも、局所モードへの分裂がなく、安定な動作が可能であることを予想し、本発明の実施形態2に係るレーザ発振器に想到した。
図11は、本発明の実施形態2に係るレーザ発振器の機能ブロック図を示す。本発明の実施形態2に係るレーザ発振器は、レーザ光源1101と、レーザ媒質1103と、を有する。
レーザ光源1101は、励起光1102を発振する。例えば、半導体を用いたレーザ光源が用いる。後に説明するレーザ媒質1103として、Yb:YAGセラミックスを用いる場合には、励起光1102の波長は、例えば、940nmあるいは970nmとする。
レーザ媒質1103は、励起光1102が入射されるレーザ媒質である。本実施形態では、レーザ媒質としては、平均グレインサイズが5μm以下のYb:YAGセラミックスを用いる。レーザ媒質1103の励起光1102が入射される面を第1の面とし、それと反対の面であり、発振されるレーザ光1104が放出される面を第2の面とすると、レーザ媒質1103の第1の面1105と第2の面1106とには、励起光1102により励起を行うために、コーティングが行われている。コーティングは、例えば、第1の面1105と第2の面1106とに誘電体多層膜を形成することによって行う。なお、第1の面1105と第2の面1106とのコーティングは同一とは限らない。
図12に、レーザ媒質1103として用いられるYb:YAGセラミックスの熱エッチングされた表面のSEMによる写真を示す。この写真によりグレイン構造が示されている。図12の写真の左下に示される矢印線の長さが5μmに相当する。図12に示されるようにグレインサイズは、3.20μmであり、5μm以下である。
図13は、図12に示したように平均グレインサイズが5μm以下のYb:YAGセラミックスをレーザ媒質として用いてレーザ光を発生させる発振器の一例についての詳細な機能ブロック図を示す。励起光1102として、波長970nmの、コア径100μmのファイバ1302付の半導体レーザ1301を用いている。本実施形態においては、レーザ光源1102には、半導体レーザ1301を用いているが、これに限定されるわけではない。
レーザ媒質1103としては、Ybを5原子%ドープしたYb:YAGセラミックスを用いている。厚さは2mmの板状の形状をしている。図12に示したSEMの写真は、このレーザ媒質を用いて撮影された。
レーザ媒質1103の第1の面1105と第2の面1106とには、誘電体多層膜によるコーティングが施されている。第1の面105は、異なる2波長に対するそれぞれの反射防止膜と高反射膜とのコーティングがされる。例えば、反射防止膜は、励起光の波長である970nmにおいて、95%以上を透過する。また、例えば、高反射膜は、発振されるレーザ光の波長である1049nmにおいて99.8%以上を反射する。
また、第2の面1106にも、誘電体多層膜による高反射膜のコーティングが施されている。例えば、発振されるレーザ光の波長である1049nmにおいて97%以上を反射
する。特に、1049nmにおいて99%を反射するようになっていてもよい。
図14は、本発明の実施形態2に係るレーザ発振器で得られるレーザ光1104の特性を測定したときに用いた装置の構成の機能ブロック図である。本発明の実施形態2に係るレーザ発振器で得られるレーザ光1104は、ビームスプリッタ1401に入射され、一方は、ビーム形状測定器(Beam Master)1402へ入射する光と、Wavelength meter1403へ入射する光とに分かれる。
図15は、本発明の実施形態2に係るレーザ発振器における入出力特性を示し、図16は、得られるレーザ光1104の遠視野像と強度分布を示す。波長1049nm遷移線での直線偏光発振が得られることがわかる。
したがって、平均グレインサイズが5μm以下である微粒セラミックスを用いたNd:YAG以外の材料のレーザ発振器でも、局所モードへの分裂がなく、安定な動作が可能であることを実証することができた。
また、本発明の実施形態2に係るレーザ発振器においては、Yb:YAGセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がTEM00モードで達成される。
(実施形態3)
これまで説明をした実施形態1または2においては、Nd:YAGを用いる点とYb:YAGを用いる点が異なっているが、もう一点、励起レーザ光のビーム径が異なっている。そこで、横モード特性の励起ビーム径依存性が存在しないことを確認するために本発明の実施形態3を説明する。励起ビーム径を増加させると動径方向に利得領域が広がり、発振ビーム径が増加する。この場合、発振モード体積が増加するため、発振閾値励起パワーが増加するが、平均グレインサイズに比べて、発振ビーム径を大きくできることから、
(1)局在モード形成が、平均グレインサイズと発振ビーム径の比(相対値)によって決まるのか?
あるいは、
(2)平均グレインサイズそのものが数μmと波長と同程度であることが局在モード形成の抑圧に効果的であるのか?
を見極めるために、以下の条件でレーザ光を発振させる。
すなわち、対物レンズの代わりに、レーザ半導体で励起された光の集光レンズとして焦点距離5cm及び9cmの非球面レンズを用いて励起径を増加させる。これにより、励起ビーム径は530μm、発振ビーム径は400μmとなる。
レーザ媒質としては、平均グレインサイズが19.23μm、すなわち、TEM写真を図6に示した材料を用いて、レーザ光を発振させ、そのレーザ光の入出力特性、発振パターンおよび偏光特性を測定する。
本実施形態での入出力特性のグラフを、符号Cを付して、実施形態1における入出力特性A、Bと共に、図17として示す。図17では、横軸が Absorbed pump power (mW) に対応し、縦軸が Output power (mW) に対応する。また、図18に、レーザ発振光を、偏光子を通した後の異なる偏光子回転角での、発振パターンとスペクトルの偏光依存性を観測した結果の例を示す。すなわち、図18(A)は、Without polarizer の場合の Far-field pattern とスペクトルを示し、図18(B)は Polarizer angle が6°の場合の Far-field pattern とスペクトルを示し、図18(C)は94°の場合の Far-field pattern とスペクトルを示す。図8と同様に、図18(A)にのスペクトルの左右のピークの間隔を示す矢印線の長さは2GHzに相当する。
実施形態1で説明した、対物レンズでの狭い励起ビーム径での実験結果(発振ビーム径:160μm)と同様に、周波数、偏光状態の異なる複数の局所モードへの分裂が生じていることがわかる。すなわち、局所モードの形成は励起ビーム径に関係なく起こることが判り、発振波長程度の微粒セラミックが局在モードを抑圧し、安定なTEM00モードでの発振に有効であることが検証される。
(実施形態4)
発明者は、局所モードへの分裂の発生の有無は、平均グレインサイズに依存しており、その境界となる平均グレインサイズは5μmであることの確認を行った。すなわち、平均グレインサイズの異なるNd:YAGセラミックス、Yb:YAGセラミックスのいくつかの試料をレーザ媒質として用いてレーザの発振実験を追加して行った。その結果、平均グレインサイズが5μmより大となる試料において、局所モードへの分裂と付随する不安定性が発生する一方、平均グレインサイズが5μm以下であれば、局所モードへの分裂がなく安定な発振が得られることの確認ができた。その結果を表1に示す。表1に示されるように、平均グレインサイズがそれぞれ、59.05μm、51.85μm、37.35μm、29.03μm、19.22μm、5.61μm、4.82μm、3.20μm、1.16μmのNd:YAGセラミックス材料、Yb:YAGセラミックス材料をレーザ媒質として用いたところ、平均グレインサイズが5μmより大なる場合においては、局所モードへの分裂と付随する不安定性が確認された。一方、平均グレインサイズが5μm以下の場合においては、局所モードへの分裂は見られなかった。
なお、参考のために、表1に示した平均グレインサイズが、59.05μm、51.85μm、37.35μm、29.03μm、19.22μm、5.61μm、4.82μm、3.20μm、1.16のレーザ媒質それぞれのNd、Ybのドープ量を測定したところ、表1に示されるように、0.3%、1.1%、2.4%、4.8%、1.2%、4.8%、2.0%、5.0%、1.0%であった。
また、平均グレイサイズが、59.05μm、51.85μm、37.35μm、29.03μm、すなわち、Ndのドープ量が、0.3%、1.1%、2.4%、4.8%のNd:YAGセラミックスの試料のSEM写真のそれぞれを、図19に示す。このSEM写真それぞれにおいて、各グレインの最も長い方向の長さを測定して、その長さに対する頻度(Frequency)を示すヒストグラムを図20に示す。図20の各ヒストグラムにおいて、横軸が Grain size (μm)に対応し、縦軸が頻度に対応する。また、図20の左上のヒストグラムから反時計回りに、Ndのドープ量がそれぞれ、0.3%、1.1%、4.8%、2.4%のヒストグラムを表している。表1、図20から、5μmより小さなグレインが存在せず、平均グレインサイズが5μm以上となるNd:YAGセラミックス材料をレーザ媒質に用いると、局所モードへの分裂が生じることがわかる。
(実施形態5)
上述の実施形態においては、共振器として端面鏡共振器が用いられている。端面鏡共振器を用いることに限定されることなく、本発明においては共振器として外部共振器を用いることもできる。図21は本発明の実施形態5に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。外部共振器の内部に、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミクスもしくはYb:YAGセラミックスが、レーザ媒質材料として配置されている。
すなわち、本実施形態5に係るレーザ発振器は、レーザ光源101と、外部共振器2101を形成する平面鏡2102及び凹面鏡2105と、を有する。なお、実施形態1にお
ける構成と同様の構成については、同じ符号を用いて説明する。また、本実施形態5においては、外部共振器の平面鏡のレーザ媒質材料としてNd:YAGセラミクスを用いて説明するが、上記の端面鏡共振器で説明したように、外部共振器においてもYb:YAGセラミクスをレーザ媒質材料として用いることができる。
レーザ光源101は上記の実施形態1に係る本発明のレーザ光源101と同様であるため、ここでは説明は省略する。
外部共振器を形成する平面鏡2102は、レーザ媒質2103と、誘電多層膜による反射防止膜と高反射膜のコーティングが施された第1の面2104と、を有する。レーザ媒質2103には、Ndのドープ量が1原子%で平均グレインサイズが1.1〜1.2μmのNd:YAGセラミクスを、1mmの厚さの板状の形状にして用いた。平面鏡2102は、励起光の波長である808nmにおいて、95%以上が透過し、発振されるレーザ光の波長である1064nmにおいて99.8%以上を反射する。
外部共振器を形成する凹面鏡2105は、曲率半径が10mmの凹面である第2の面2106を有し、誘電多層膜による高反射膜のコーティングが施され、発振されるレーザ光の波長である1064nmにおいて99%を反射する。
外部共振器を形成する平面鏡2102がNd:YAGセラミクスをレーザ媒質の材料として用いる場合には、励起光102の波長は、例えば、808nmとする。
平面鏡2102と凹面鏡2105とは、5mmの距離をおいて、第1の面2104と第2の面2106とが互いに向かい合うように設置される。レーザ光源101から平均ビーム径が80μmの励起光102が平面鏡2102を通してレーザ媒質であるセラミクスに入射すると、平面鏡2102と凹面鏡2105とにより反射された特定の波長のセラミクスの放射光のみが共振し、本実施形態5においては、1064nmのレーザ光2103が発振される。
発振されたレーザ光2103の特性を測定し、比較するための装置は、実施形態1と同様であるため、ここでは説明は省略する。
図22は、本実施形態5で発振されたレーザ光2103の特性の測定結果を示した図である。図22のグラフは、横軸として、レーザ媒質に入射される励起光のパワー(Absorbed pump power (mW))を振り、縦軸として発振されるレーザ光のパワー(Output power (mW))を振ったグラフである。レーザ光の遠視野像(右下部)と、光スペクトル(左上部)により示されるように、本発明の実施形態5に係るレーザ発振器によれば、全ての励起パワーの領域において、局所モードへの分裂は生じることなく、単一周波数の発振がTEM00モードで達成されていることがわかる。
なお、上記では、平面鏡と凹面鏡とを用いる外部共振器を用いる場合について説明したが、外部共振器は平面鏡と凹面鏡とを用いるものに限定されることはない。例えば、凹面鏡−凹面鏡、凹面鏡−凸面鏡、平面鏡−平面鏡、など通常の各種の共振器を用いても同様
の特性が得られる。

Claims (13)

  1. 励起光を発振するレーザ光源と、
    前記励起光が入射される、平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスを有するレーザ媒質と、
    を有するレーザ発振器。
  2. 前記レーザ媒質の平均グレインサイズが4.82μm以下である請求項1に記載のレーザ発振器。
  3. 前記レーザ媒質は、第1の誘電体多層膜を有する第1の面及び第2の誘電体多層膜を有する第2の面を有する請求項1または2に記載のレーザ発振器。
  4. 前記第1の誘電体多層膜は、反射防止膜及び高反射膜からなる多層膜であり、前記第2の誘電体多層膜は、高反射膜からなる多層膜である請求項3に記載のレーザ発振器。
  5. 前記第1の誘電体多層膜の透過率及び反射率は、それぞれ、95%以上、99.8%以上であり、且つ、前記第2の誘電体多層膜の反射率は、97%以上である請求項4に記載のレーザ発振器。
  6. 前記レーザ媒質は、板状である請求項1乃至5の何れか一に記載のレーザ発振器。
  7. 前記レーザ媒質は、外部共振器に配置されることを特徴とする請求項1に記載のレーザ発振器。
  8. 励起光を発振させ、
    平均グレインサイズが5μm以下のNd:YAGセラミックスまたはYb:YAGセラミックスを有するレーザ媒質に前記励起光を入射させるレーザ光の発振方法。
  9. 前記レーザ媒質の平均グレインサイズが4.82μm以下である請求項8に記載のレーザ光の発振方法。
  10. 前記レーザ媒質は、第1の誘電体多層膜を有する第1の面及び第2の誘電体多層膜を有する第2の面を有する請求項8または9に記載のレーザ光の発振方法。
  11. 前記第1の誘電体多層膜は、反射防止膜及び高反射膜からなる多層膜であり、前記第2の誘電体多層膜は、高反射膜からなる多層膜である請求項10に記載のレーザ光の発振方法。
  12. 前記第1の誘電体多層膜の透過率及び反射率は、それぞれ、95%以上、99.8%以上であり、且つ、前記第2の誘電体多層膜の反射率は、97%以上である請求項11に記載のレーザ光の発振方法。
  13. 前記レーザ媒質は、外部共振器に配置されることを特徴とする請求項8に記載のレーザ光の発振方法。
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