WO2005091447A1 - レーザー装置 - Google Patents

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Masaki Tsunekane
Takunori Taira
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Japan Science And Technology Agency
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/0632—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film
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    • H01S3/0632—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film
    • H01S3/0635—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film provided with a periodic structure, e.g. using distributed feed-back, grating couplers
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    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state laser medium and a solid-state laser device equipped with the same.
  • a core made of a solid-state laser crystal containing a lasing element is provided in the center of the laser medium, and a transparent material for guiding excitation light around the core is provided.
  • a thin crystal with a thickness of lmm or less having a light guide is arranged, and the surface of this crystal opposite to the surface from which laser light is emitted is fixed to a heat sink and has a structure that is cooled (see below).
  • Patent document 1 Non-patent document 1, 2).
  • the core is circular or square, and the same base material containing no laser oscillation element is used for the light guide.
  • Patent document 1 U.S. Pat.No. 6,625,193
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-258350
  • Non-Patent Document 1 Optake's Letters, Vol. 27 (published in 2002), p. 1791
  • Non-Patent Document 2 Applied 'Physics' Letters, Vol. 83 (issued in 2003), p. 4086 Disclosure of the Invention
  • the present invention uses a translucent ceramic material for a light guide that guides excitation light on the outer periphery of a core, and forms a boundary between a core having an arbitrary shape or a plurality of cores at a boundary surface. It is an object of the present invention to provide a solid-state laser medium that can easily and inexpensively produce a light guide with low light loss and high mechanical strength, and a compact high-performance solid-state laser device equipped with the medium.
  • the present invention provides:
  • a core containing a lasing element is provided at the center, and a transparent light guide for excitation light absorbed by the core is integrated around this core, and the core is exposed.
  • the light guide or the light guide and the core are made of translucent ceramic, and one or more cores are provided in the same light guide. It is characterized by.
  • the plurality of cores are arranged at equal intervals.
  • the plurality of cores are arranged on the same optical path of the laser light through a surface that is not fixed to the heat sink by a mirror provided on the heat sink.
  • a waveguide through which laser-oscillated light passes through is provided near the surface of the solid-state laser medium that is not fixed to the heat sink.
  • An optical block is arranged, a total reflection film for laser light is provided on an outer surface of the light guide block, and the plurality of cores are arranged in the same optical path of the laser light in this block via the total reflection film. It is characterized by.
  • an output mirror is provided independently for each of the plurality of cores.
  • the excitation lights emitted from the semiconductor laser bars arranged in a stacked manner are each in a fast axis direction by a microphone aperture lens.
  • the semiconductor laser and the lens are arranged so that the light is condensed on the incident window on the side surface of the light guide by a single condenser lens.
  • FIG. 1 is a plan view of a solid-state laser medium showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of a solid-state laser device (laser resonator) including the solid-state laser medium shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of a solid-state laser medium according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view of the solid-state laser medium shown in FIG. 3, taken along line BB.
  • FIG. 5 is a view showing a Yb concentration distribution of a core part shown in FIG. 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing an excitation light absorption energy density distribution of a core part shown in FIG. 3.
  • FIG. 7 is a plan view of a solid-state laser medium according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 A solid-state laser device (laser resonator) equipped with the solid-state laser medium shown in FIG. 7
  • FIG. 9 is a sectional view of a solid-state laser device (laser resonator) showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a sectional view of a solid-state laser device (laser resonator) showing a fifth embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 11 is a plan view of a solid-state laser medium according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view of a solid-state laser device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • a core containing a lasing element is provided at the center, a transparent light guide for excitation light absorbed by the core is integrated around the core, and one of the cores is exposed.
  • the surface is a solid-state laser medium fixed to a heat sink, and the light guide or the light guide and the core are made of translucent ceramic.
  • a light guide can be easily configured for a core having an arbitrary shape or a plurality of cores.
  • FIG. 1 is a plan view of a solid-state laser medium showing a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of a solid-state laser device (laser resonator) provided with the solid-state laser medium shown in FIG. It is.
  • 1 is a heat sink
  • 2 is a high heat conductive adhesive layer provided on the heat sink
  • 3 is a total reflection film provided on the high heat conductive adhesive layer
  • 4 is a laser oscillation element.
  • Excitation light that enters the core through the inside of the light guide 5, 8 is a total reflection mirror
  • 9 is a laser single oscillation light
  • 10 is an output mirror
  • 11 is an output beam (circular).
  • a light guide 5 made of a translucent ceramic material is formed around the elliptical cylindrical core 4 in close contact with the core by a sintering method.
  • a sintering method An example of a method for forming a translucent ceramic by a sintering method is described in Patent Document 2 described above.
  • the length of the major axis of the elliptical cylindrical core 4 is 8 mm, and the length of its minor axis is 3 mm.
  • the thickness of the light-transmitting ceramic 5 as the light guide and the thickness of the elliptical cylindrical core 4 are 0.3 mm.
  • the excitation light beams 6 and 7 are made to enter the elliptic cylindrical core 4 in the short axis direction, thereby narrowing the excitation light in the horizontal direction as compared with the case where the excitation light is incident from the long axis direction. Therefore, the light can be absorbed in the elliptical cylindrical core 4 with a simple condensing optical system.
  • the material of the elliptic cylindrical core 4 is, for example, YAG (yttrium aluminum garnet) containing Yb (ytterbium) as a laser oscillation element, and a light guide (translucent ceramic) 5 as a material of a laser.
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • Yb ytterbium
  • a light guide (translucent ceramic) 5 as a material of a laser.
  • a typical example is a YAG that does not contain an oscillating element, but other oscillating elements may be Nd (neodymium) or transition metals such as Tm (thulium) and Ho (holmium). Further, Cr (chromium) or Ti (titanium) may be used, or a plurality of them may be included.
  • YVO yttrium vanadate
  • GdVO gadolium vanadate
  • YLF yttrium 'lithium.fluoride
  • GGG gad
  • Excitation lights 6 and 7 have wavelengths that are absorbed by the laser oscillation element.
  • a core 4 using Yb: YAG is suitable for a 940 nm or 970 nm force.
  • the wavelengths of the excitation lights 6 and 7 are selected according to the material of the core 4 to be used.
  • the base materials of the core 4 and the light guide 5 may be different, but the same material has a closer refractive index, so that light loss at the boundary can be suppressed.
  • the handling is easier, and the power S can be reduced to suppress light loss at the boundary.
  • the light guide 5 may be made of a translucent ceramic
  • the power core 4 may be made of a crystal, and may be a translucent ceramic containing a laser-oscillating element.
  • the high thermal conductive adhesive layer 2 may be an organic or inorganic adhesive, or may be Au, Ag, Sn, Sb, In.
  • a metal solder material containing Pb, Zn, Cu, etc. may be used.
  • the heat sink 1 includes metal materials such as Cu and CuW, as well as diamond, SiC, A1N, and Be.
  • Nonmetals such as 0, CBN and DLC, and composite materials may be used.
  • the laser oscillation light 9 is emitted in the major axis direction of the core 4 with respect to the laser light incident surface of the core 4 to the Brewster angle (Brewster angle). Therefore, if the direction of polarization of light is in the plane of incidence, the mirror position is configured to be incident at a specific angle of incidence at which the reflectance of light at the material surface is zero), so that the laser of core 4 Even if an anti-reflection film is not formed on the surface through which the oscillating light passes, the reflectance becomes zero, and a laser resonator with low loss can be constructed.
  • FIG. 3 is a plan view of a solid-state laser medium according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a line BB of the solid-state laser device including the solid-state laser medium shown in FIG.
  • 21 is a first cylindrical core
  • 22 is a second cylindrical core formed around the first cylindrical core
  • 23 is a second cylindrical core.
  • the excitation light 24, 25, 26, 27 is the excitation light that enters the core through the inside of the light guide 23 from four directions around .
  • the cylindrical first core 21 has a Yb concentration of 10 at% and a diameter of 3 mm
  • the cylindrical second core 22 has a Yb concentration of 5 at% and a diameter of 3 at%.
  • the laser oscillation element concentration can be increased toward the center of the core as in the present invention, pseudo-uniform excitation distribution can be achieved, and laser emission within the core can be achieved by making the excitation distribution uniform. Dispersion and reduction of distortion due to heat generated by vibration can be achieved, and as a result, laser output and the quality of one laser beam can be improved.
  • both the first core and the second core may have a cylindrical outer shape.
  • the elliptical cylindrical shape shown in FIG. 1 or a polygonal column shape may be used.
  • Either or both of the first core and the second core may be made of a translucent ceramic.
  • the second core also a translucent ceramic, an integrated structure can be formed regardless of the outer shape of the first core.
  • the third and fourth cores may be provided outside the second core. Ko It is possible to obtain a more uniform absorption distribution in the core by making the concentration of laser elements smaller and making the concentration difference of the laser element smaller.
  • the core power is the center of laser oscillation.
  • a plurality of cores serving as the center of laser oscillation are formed in the same light guide. It ’s been good, it ’s okay.
  • FIG. 7 is a plan view of a solid-state laser medium showing a third embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line C-C of the solid-state laser device (laser resonator) provided with the solid-state laser medium shown in FIG. It is.
  • 31 is a first cylindrical core
  • 32 is a second cylindrical core
  • 33 is a third cylindrical core
  • 34 is a fourth cylindrical core
  • 35 Is a light guide (translucent ceramic) formed outside the cylindrical cores 31-34
  • 36 is an anti-reflection film
  • 37 and 38 are excitation lights
  • 41 is a first total reflection mirror
  • 42 is a 2 is a total reflection mirror
  • 43 is an output mirror
  • 44 is one laser output.
  • Other configurations in FIG. 8 are the same as those in FIG.
  • a plurality of cylindrical cores 31 to 34 are formed in the same light guide 35 at equal intervals.
  • the reflection mirror 42 provided on the outside for reflection reflects the laser light three times with one sheet by utilizing the fact that the cores are at equal intervals. You can use a mirror and reflect it with three mirrors.
  • FIG. 9 is a sectional view of a solid-state laser device (laser resonator) showing a fourth embodiment of the present invention.
  • 51 is a light guide block
  • 52 and 54 are antireflection films
  • 53 is a total reflection film
  • 55 is a total reflection mirror
  • 56 is an output mirror
  • 57 is a laser output.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • This embodiment also has a configuration having a plurality of cores as shown in the third embodiment.
  • a light guide block 51 through which laser oscillation light passes is provided with a laser medium.
  • the total reflection film 53 is provided outside the light guide block 51 so that the laser oscillation light is turned back.
  • FIG. 10 is a sectional view of a solid-state laser device (laser resonator) showing a fifth embodiment of the present invention.
  • 61 is a first output mirror
  • 62 is a second output mirror
  • 63 is a third output mirror
  • 64 is a fourth output mirror
  • 65 is a first laser output
  • 66 is a first output mirror
  • 67 is the third laser output
  • 68 is the fourth laser output.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • output mirrors 61-64 are provided independently for a plurality of cores 31-34 so that laser oscillation operation is performed.
  • FIG. 11 is a plan view of a solid-state laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 71 is a cylindrical first core
  • 72 is a cylindrical second core
  • 73 is a cylindrical third core
  • 74 is a cylindrical fourth core
  • 75 is a cylindrical core
  • 76 is a cylindrical sixth core
  • 77 is a seventh cylindrical core.
  • the number of cores is further increased from the plurality of cores shown in FIG. 7, and the arrangement thereof is made two-dimensional, so that the excitation on the opposite side is possible even for uniform excitation.
  • Light absorption leakage It is configured so that excitation can be efficiently performed without any omission.
  • Numeral 78 is a light guide (translucent ceramic), and 79 and 80 are excitation lights.
  • FIG. 12 is a sectional view of a solid-state laser device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • 81 is a heat sink
  • 82 is a semiconductor laser bar
  • 83 is a micro lens
  • 84 and 85 are condenser lenses
  • 86 is excitation light
  • 91 is a heat sink
  • 92 is a high thermal conductive adhesive layer
  • 93 is A total reflection film
  • 94 is a cylindrical core
  • 95 is a light guide
  • 96 is an antireflection film
  • 97 is an output mirror
  • 98 is laser oscillation light.
  • the excitation light 86 emitted from the stacked semiconductor laser bars 82 is collimated in the fast axis direction by the microlenses 83, and after passing through the condenser lens 84, The light is condensed by a single condenser lens 85 into the entrance window 95A on the side of the light guide 95.
  • the condenser lens 84 is used to collect the excitation light 86 in the slow axis direction.
  • the excitation light 86 that has entered the light guide 95 propagates through the light guide 95 while repeating total reflection on the upper and lower surfaces of the light guide 95, and reaches the cylindrical core 94.
  • a laser element that absorbs excitation light and stimulates and emits laser light is added to the cylindrical core 94, and a laser resonator is formed between the output mirror 97 and the total reflection film 93, and laser oscillation occurs.
  • the cylindrical core 94 and the light guide 95 are fixed to the heat sink 91 via the total reflection film 93 and the high thermal conductive adhesive layer 92, and the heat generated when the excitation light is absorbed in the cylindrical core 94. Has the effect of effectively dissipating heat.
  • a solid-state laser medium having an arbitrary shape that is optimal for excitation or oscillation is produced by a technology for forming a translucent ceramic, so that a core having an arbitrary shape or a plurality of cores can be irradiated with light.
  • the guide can be easily configured, and high oscillation efficiency and beam quality of the laser can be obtained.
  • the same light guide for transmitting the excitation light to a core having an arbitrary shape or a plurality of cores can be easily formed at a low cost for a short period of time.
  • Laser medium that can be manufactured with A high-performance type laser device can be used as a laser device capable of obtaining high laser output and beam quality.

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Abstract

　コアの外周の励起光を導波する光ガイドに透光性セラミック材料を用いて、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して光ガイドを容易に構成することができるレーザー装置を提供する。 　中央にレーザー発振元素を含むコア４を有し、このコア４の周囲に一体化された励起光に対し透明な光ガイド５を有し、一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー結晶の光ガイド５の外側より励起光を導入し、前記コア４の領域を励起することでレーザー発振を行わせるレーザー装置であって、前記光ガイド５または光ガイド５とコア４の材質を透光性セラミックとするようにした。

Description

明 細 書
レーザー装置
技術分野
[0001] 本発明は、固体レーザー媒質およびそれを搭載した固体レーザー装置に関するも のである。
背景技術
[0002] 従来の固体レーザー媒質および固体レーザー装置として、レーザー媒質の中央部 にレーザー発振元素を含む固体レーザー結晶よりなるコアを有し、このコアの周囲に 励起光を導波するための透明な光ガイドを有する厚さ lmm以下の薄い結晶を配置 し、この結晶のレーザー光を出射する面と反対側の面がヒートシンクに固着され、冷 却される構造を有するものが示されている（下記特許文献 1、非特許文献 1、 2)。
[0003] これらの従来例では、コアは円形か四角形であり、光ガイドにもレーザー発振元素 を含まない同じ母材を用いていた。
特許文献 1 :米国特許第 6625193号公報
特許文献 2：特開 2003 - 258350号公報
非特許文献 1 :ォプテイクス'レターズ、 27卷（2002年発行）、 1791頁
非特許文献 2 :アプライド 'フィジックス 'レターズ、 83卷（2003年発行）、 4086頁 発明の開示
[0004] 上記の従来技術ではコアの固体レーザー結晶と周囲の光ガイドを光が漏れないよ うに接合し一体化する方法として、透明な接着剤を用いる手法や、接着剤を用いな い場合には互いの接合面を高精度に平面研磨し、面を合わせた後接合面に圧力と 熱をかけることで一体化する、いわゆるオプティカルコンタクトや拡散接合と呼ばれる 手法を用いていた。しかし接着剤を用いる場合には接着剤の機械的強度が低いこと や経年変化、光の吸収によるエネルギー損失や発熱など信頼性上問題があった。さ らにオプティカルコンタ外や拡散接合により結晶同士を一体化する場合、曲面と曲 面を完全に合わせて一体化することは加工精度上技術的に難しいため、通常は直 線の平面同士を合わせるようにしていた。このため、本来は円形形状が望ましいコア であっても擬似的に多角形形状で代用するようにしていた。
[0005] また、結晶同士を一体化する場合、合わせる面を高精度に研磨する必要があり、さ らに、一体化には非常に高い温度と時間を必要とするために製作に日数が必要であ り、コストが非常に高くなつてしまうという欠点があった。さらにレーザー装置の高機能 化のためにレーザー媒質中に複数のコアを一体で形成しょうとする場合、上記の方 法では製作の工程がさらに複雑になり、より長い製作日数やコストの上昇と共に、技 術的にも製作が困難になる場合もあった。
[0006] 本発明は、上記状況に鑑み、コアの外周の励起光を導波する光ガイドに透光性セ ラミック材料を用いて、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して、境界面での光 の損失が少なく機械強度も高い光ガイドを容易に短期間で安価に製作することがで きる固体レーザー媒質およびそれを搭載した小型の高機能固体レーザー装置を提 供することを目的とする。
[0007] 本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、この コアの周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコ ァが露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記 光ガイド又は前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックにするとともに、同一 光ガイド内に 1つないし複数のコアを有することを特徴とする。
[0008] 〔2〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質において、前記各コアのレーザー発振元素 の含有量、又は元素の種類が異なることを特徴とする。
[0009] 〔3〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質において、前記コアが楕円筒状であることを 特徴とする。
[0010] 〔4〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質において、前記コアが複数の領域からなる 同心円筒状であり、前記各コアでのレーザー発振元素の含有量が異なることを特徴 とする。
[0011] 〔5〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質において、前記複数のコアを等間隔に配置 することを特徴とする。
[0012] 〔6〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、外部 に設けたミラーにより前記複数のコアが前記ヒートシンクに固着されていない面を通つ て同一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする。
[0013] 〔7〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記 固体レーザー媒質の前記ヒートシンクに固着されていない面に近接してレーザー発 振光が内部を透過する導光ブロックを配置し、この導光ブロックの外側面にレーザー 光に対する全反射膜を設け、この全反射膜を介して前記複数のコアがこのブロック内 で同一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする。
[0014] 〔8〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記 複数のコアに対してそれぞれ独立に出力ミラーを設けることを特徴とする。
[0015] 〔9〕上記〔1〕記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、積層 して配置された半導体レーザーバーから照射された前記励起光は、それぞれマイク 口レンズにより進相軸方向がコリメートされた後、単一の集光レンズで前記光ガイドの 側面の入射窓に集光されるように、半導体レーザーおよびレンズが配置されたことを 特徴とする。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の第 1実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。
[図 2]図 1に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置 (レーザー共振器)の A— A線断面図である。
[図 3]本発明の第 2実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。
[図 4]図 3に示す固体レーザー媒質の B— B線断面図である。
[図 5]図 3に示すコア部の Yb濃度分布を示す図である。
[図 6]図 3に示すコア部の励起光吸収エネルギー密度分布を示す図である。
[図 7]本発明の第 3実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。
[図 8]図 7に示す固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置 (レーザー共振器)の
C一 C線断面図である。
[図 9]本発明の第 4実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図であ る。
[図 10]本発明の第 5実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図で ある。
[図 11]本発明の第 6実施例を示す固体レーザー媒質の平面図である。
[図 12]本発明の第 7実施例を示す固体レーザー装置の断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、このコア の周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコアが 露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記光ガ イドまたは前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックとした。
[0018] よって、任意形状のコアあるいは複数のコアに対して光ガイドを容易に構成すること ができる。
[0019] 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
実施例
[0020] 図 1は本発明の第 1実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図 2は図 1に示す 固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置 (レーザー共振器)の A— A線断面図 である。
[0021] これらの図において、 1はヒートシンク、 2はそのヒートシンク 1上に設けられる高熱伝 導性接着層、 3はその高熱伝導性接着層 2上に設けられる全反射膜、 4はレーザー 発振元素を含む固体レーザー材料よりなる円筒状のコア、 5はコアを励起する光に対 して透明な透光性セラミックよりなる光ガイド、 6， 7は楕円筒状のコア 4の短軸方向か ら光ガイド 5の内部を通ってコアに入射される励起光、 8は全反射ミラー、 9はレーザ 一発振光、 10は出力ミラー、 11は出力ビーム（円形）である。
[0022] 楕円筒状のコア 4の周囲には、コアに密着して透光性セラミック材料よりなる光ガイ ド 5が焼結法により形成される。焼結法による透光性セラミックの形成方法の実施例と しては上記特許文献 2に記載されている。励起光 6, 7は光ガイド 5の外周より光ガイド 5内に入射され、光ガイド 5を通ってコア 4に到達し、その内部で吸収されレーザー発 振光に変換される。またコア 4内でレーザー発振と同時に発生する熱は高熱伝導性 の接着層 2を介して直ちにヒートシンク 1に拡散、吸収され、コア 4の効果的な冷却が なされ、安定したレーザー発振が可能になる。 [0023] 例えば、楕円筒状のコア 4の長軸の長さを 8mm、その短軸の長さを 3mmとする。ま た、光ガイドとしての透光性セラミック 5および楕円筒状のコア 4の厚さは 0. 3mmとす る。この図に示すように、励起光 6, 7を短軸方向力 楕円筒状のコア 4に入射するこ とで、長軸方向から励起光を入射される場合に比べ励起光を横方向に絞らなくてもよ レ、ため、簡単な集光光学系で十分楕円筒状のコア 4内に吸収させることができる。
[0024] 楕円筒状のコア 4の材質としては、例えば、 Yb (イッテルビウム）をレーザー発振元 素として含む YAG (イットリウム.アルミニウム 'ガーネット）、光ガイド（透光性セラミック ) 5の材料としてはレーザー発振元素を含まない YAGが代表例であるが、発振元素 としては、他に Nd (ネオジゥム）でもよいし、 Tm (ツリウム）、 Ho (ホロミゥム）などの遷 移金属でもよレ、。また Cr (クロム）や Ti (チタン）でもよいし、それを複数含んでもよい。 また、コア 4や光ガイド 5の母材としては YAG以外に YVO (イットリウム'バナデート）
4
、 GdVO (ガドリウムバナデート）、 YLF (イットリウム 'リチウム.フロライド）、 GGG (ガド
4
リウム 'ガリウム 'ガーネット）などでもよい。励起光 6, 7はレーザー発振元素が吸収す る波長であり、例えば、 Yb :YAGを用いたコア 4であれば、 940nmまたは 970nm力 S 適している。このように、使用するコア 4の材料に応じて励起光 6, 7の波長が選択さ れる。
[0025] また、コア 4および光ガイド 5の母材は異なるものでもよいが、同じものの方が屈折率 が近いために境界での光の損失を抑えることができる。また、コア 4と光ガイド 5は製 造の過程で一体化されている方が取り扱いが容易で、かつ境界での光の損失を抑え ること力 Sできる。
[0026] さらに、光ガイド 5は透光性セラミックである力 コア 4は結晶で構わないし、同じくレ 一ザ一発振元素を含む透光性セラミックであってもよい。
[0027] 高熱伝導性接着層 2は有機系、無機系の接着剤でもよいし、 Au, Ag, Sn， Sb， In
, Pb， Zn， Cuなどを含む金属はんだ材料でも構わない。
[0028] ヒートシンク 1は Cu, CuWなどの金属材料をはじめ、ダイァモンド、 SiC, A1N, Be
0， CBN, DLCなどの非金属、複合材料でもよい。
[0029] 図 2に示すように、レーザー発振光 9がコア 4の長軸方向にコア 4のレーザー光入射 表面に対してブリュースター角（Brewster angle：物質表面で入射、反射する光に ついて、入射面内に光の偏光方向がある場合、物質表面での光の反射率がゼロに なる特定の入射角）で入射するようにミラーの位置を構成することで、コア 4のレーザ 一発振光が透過する表面に反射防止膜を形成しなくても反射率がゼロになり、損失 の少なレ、レーザー共振器が構成できる。
[0030] 図 3は本発明の第 2実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図 4は図 3に示す 固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置の B— B線断面図である。
[0031] これらの図において、 21は円筒状の第 1のコア、 22はその円筒状の第 1のコア 21 の周りに形成される円筒状の第 2のコア、 23はその円筒状の第 2のコア 22の外側に 形成される光ガイド (透光性セラミック）、 24, 25, 26, 27は周囲の四方向から光ガイ ド 23の内部を通ってコアに入射される励起光である。
[0032] このような二重構造において、円筒状の第 1のコア 21と円筒状の第 2のコア 22のレ 一ザ一発振元素の濃度を変えることで、コア 21 , 22内部での励起分布 (励起光吸収 分布）を制御することが可能になる。
[0033] 例えば、図 5に示すように、円筒状の第 1のコア 21の Yb濃度を 10at%、直径を 3m mとし、円筒状の第 2のコア 22の Yb濃度を 5at%、直径を 5mmとし、対向する光ガイ ド 23の四方向力 励起を行うと励起光の吸収エネルギー密度分布は、図 6のようにな り、励起分布が比較的平坦になっていることがわかる。従来のように、コア内でのレー ザ一発振元素濃度が一様であると吸収エネルギー密度がコアの周辺から内部に向 力 て指数関数的に減少するために、一様な分布を得ることが難しいが、本発明のよ うにコアの中央に行くほどレーザー発振元素濃度を上げることができれば、擬似的に 均一な励起分布が可能になり、励起分布を均一化することでコア内部でレーザー発 振に伴い発生する熱による歪みを分散、低下させ、その結果レーザー出力やレーザ 一ビームの品質の向上を図ることができる。
[0034] この実施例において、第 1のコア、第 2のコアはともに外形が円筒状とした力 図 1に 示した楕円筒形状でも良いし、多角柱形状でも構わない。また、第 1のコア、第 2のコ ァのいずれか或いは両方が透光性セラミックでも良い。特に第 2のコアも透光性セラミ ックにすることで第 1のコアの外形形状にかかわらず一体化構造を形成することがで きる。さらに必要に応じて第 3、第 4のコアを第 2のコアの外側に設けても構わなレ、。コ ァを多段にしレーザー元素の濃度差を細力べ付けることでコア内でより均一な吸収分 布を得ること力 Sできる。
[0035] 以上の固体レーザー媒質の実施例では、いずれもレーザー発振の中心となるコア 力^つの場合の例を挙げたが、レーザー発振の中心となるコアが同一光ガイド内で複 数個形成されてレ、ても構わなレ、。
[0036] 図 7は本発明の第 3実施例を示す固体レーザー媒質の平面図、図 8は図 7に示す 固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置 (レーザー共振器)の C一 C線断面図 である。
[0037] これらの図において、 31は円筒状の第 1のコア、 32は円筒状の第 2のコア、 33は円 筒状の第 3のコア、 34は円筒状の第 4のコア、 35はそれらの円筒状のコア 31— 34の 外側に形成される光ガイド (透光性セラミック）、 36は反射防止膜、 37， 38は励起光 、 41は第 1の全反射ミラー、 42は第 2の全反射ミラー、 43は出力ミラー、 44はレーザ 一出力である。図 8におけるその他の構成は、図 2と同様である。
[0038] この実施例では、同一の光ガイド 35内に円筒状のコア 31— 34を等間隔に複数形 成するようにしてレ、る。このような構成により、 1つのコアの面積を広げることなぐ細い レーザービームのままレーザー出力を 4倍に向上させることができ、レーザービーム の輝度を容易に上げることができる。また同一の光ガイド 35内に複数のコアを設ける ことで、光ガイド 35内を伝搬する励起光により複数のコアを同時に励起することがで き、各コアに個々に光ガイドを設ける場合に比べて構成が簡単になり、レーザー媒質 を小型化、低価格化できる。またこの実施例では、外部に設けた折り返しのための全 反射ミラー 42は、コアが等間隔であることを利用して 1枚で 3回のレーザー光の反射 を行っているが、それぞれ個別のミラーを使用し 3枚のミラーで反射させても構わない
[0039] 図 9は本発明の第 4実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図 である。
[0040] これらの図において、 51は導光ブロック、 52， 54は反射防止膜、 53は全反射膜、 5 5は全反射ミラー、 56は出力ミラー、 57はレーザー出力である。その他の構成は、図 8と同様である。 [0041] この実施例も、第 3実施例に示すように、コアを複数有する構成であるが、全反射ミ ラー 42の代わりにレーザー発振光が内部を透過する導光ブロック 51をレーザー媒 質に近接して設け、導光ブロック 51の外部に全反射膜 53を設けて、レーザー発振光 を折り返すようにしている。
[0042] このように構成することにより、全反射膜 53がレーザー結晶に固定されるので、レー ザ一共振器の安定性が向上すると同時に小型化できる。
[0043] 図 10は本発明の第 5実施例を示す固体レーザー装置（レーザー共振器）の断面図 である。
[0044] この図において、 61は第 1の出力ミラー、 62は第 2の出力ミラー、 63は第 3の出力ミ ラー、 64は第 4の出力ミラー、 65は第 1のレーザー出力、 66は第 2のレーザー出力、 67は第 3のレーザー出力、 68は第 4のレーザー出力である。その他の構成は、図 9と 同様である。
[0045] この実施例では、複数のコア 31— 34に対してそれぞれ独立に出力ミラー 61— 64 を設けてレーザー発振動作させるように構成している。
[0046] このように構成したので、例えば、各円筒状のコア 31— 34のレーザー媒質の種類 や各出力ミラー 61— 64の種類を変えることで、それぞれ別の波長の光の出力、ここ ではレーザー出力 65— 68を得ることができる。なお、円筒状のコア 31— 34のレーザ 一元素や母材を変えた場合、それぞれの円筒状のコア 31— 34への励起光の波長も 最適なものに変えることが望ましい。また同じ励起波長、同じコア媒質であっても出力 ミラー 61— 64の透過波長を変えてやることで、例えば同じ Nd : YAGのコアであって も、 946nm、 1064nm、 1130nmなどの波長の発振が各コア力 独立に同時に可能 である。このような構成により集積化された多波長光機能素子が構成できる。
[0047] 図 11は本発明の第 6実施例を示す固体レーザー装置の平面図である。
[0048] この図において、 71は円筒状の第 1のコア、 72は円筒状の第 2のコア、 73は円筒 状の第 3のコア、 74は円筒状の第 4のコア、 75は円筒状の第 5のコア、 76は円筒状 の第 6のコア、 77は円筒状の第 7のコアである。
[0049] この実施例では、図 7に示した複数のコアより更にコアの数を増加させるとともに、そ の配置を 2次元的にすることで一様な励起に対しても反対側への励起光の吸収漏れ や抜けがなく効率的に励起が可能になるように構成している。なお、この図において
、 78は光ガイド (透光性セラミック）、 79, 80は励起光である。
[0050] 図 12は本発明の第 7実施例を示す固体レーザー装置の断面図である。
[0051] この図において、 81はヒートシンク、 82は半導体レーザーバー、 83はマイクロレン ズ、 84， 85は集光レンズ、 86は励起光、 91はヒートシンク、 92は高熱伝導性接着層 、 93は全反射膜、 94は円筒状のコア、 95は光ガイド、 96は反射防止膜、 97は出力 ミラー、 98はレーザー発振光である。
[0052] この実施例では、積層されて配置された半導体レーザーバー 82から照射された励 起光 86は、それぞれマイクロレンズ 83により進相軸方向がコリメートされ、集光レンズ 84を透過した後、単一の集光レンズ 85で光ガイド 95の側面の入射窓 95Aに集光さ れる。集光レンズ 84は励起光 86の遅相軸方向を集光する場合に使用される。光ガイ ド 95内に入射した励起光 86は光ガイド 95の上下面で全反射を繰り返しながら光ガイ ド 95内を伝搬し、円筒状のコア 94に到達する。その円筒状のコア 94内には励起光 を吸収しレーザー光を誘導放出するレーザー元素が添加されており出力ミラー 97と 全反射膜 93との間でレーザー共振器が構成され、レーザー発振が起こる。円筒状の コア 94及び光ガイド 95は全反射膜 93および高熱伝導性接着層 92を介してヒートシ ンク 91に固定されており、円筒状のコア 94内で励起光を吸収した際に発生する熱を 効果的に放熱する効果を有してレ、る。
[0053] なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなぐ本発明の趣旨に基づき種 々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
[0054] 本発明によれば、透光性セラミックの形成技術により、励起あるいは発振に最適な 任意の形状の固体レーザー媒質を作製することにより、任意形状のコアあるいは複 数のコアに対して光ガイドを容易に構成するとともに、レーザーの高い発振効率とビ ーム品質を得ることができる。
産業上の利用可能性
[0055] 本発明の固体レーザー媒質およびそれを備えた固体レーザー装置により、任意形 状のコアあるいは複数のコアに対して励起光を伝搬するための同一の光ガイドを容 易に安価に短い期間で製作できるレーザー媒質を構成することができ、同時に、小 型で高機能なレーザー装置を、高いレーザー出力とビーム品質で得ることができるレ 一ザ一装置として利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 固体レーザー媒質において、中央にレーザー発振元素を含むコアを有し、該コア の周囲にコアで吸収される励起光に対し透明な光ガイドが一体化され、さらにコアが 露出した一方の面がヒートシンクに固着された固体レーザー媒質であって、前記光ガ イド又は前記光ガイドと前記コアの材質を透光性セラミックにするとともに、同一光ガ イド内に 1つないし複数のコアを有することを特徴とする固体レーザー媒質。
[2] 請求項 1記載の固体レーザー媒質において、前記各コアのレーザー発振元素の含 有量、又は元素の種類が異なることを特徴とする固体レーザー媒質。
[3] 請求項 1記載の固体レーザー媒質において、前記コアが楕円筒状であることを特 徴とする固体レーザー媒質。
[4] 請求項 1記載の固体レーザー媒質において、前記コアが複数の領域力 なる同心 円筒状であり、前記各コアでのレーザー発振元素の含有量が異なることを特徴とする 固体レーザー媒質。
[5] 請求項 1記載の固体レーザー媒質において、前記複数のコアを等間隔に配置する ことを特徴とする固体レーザー媒質。
[6] 請求項 1記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、外部に設 けたミラーにより前記複数のコアが前記ヒートシンクに固着されていない面を通って同 一のレーザー光の光路に配置されることを特徴とする固体レーザー装置。
[7] 請求項 1記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記固体 レーザー媒質の前記ヒートシンクに固着されていない面に近接してレーザー発振光 が内部を透過する導光ブロックを配置し、該導光ブロックの外側面にレーザー光に対 する全反射膜を設け、該全反射膜を介して前記複数のコアが該ブロック内で同一の レーザー光の光路内に配置されることを特徴とする固体レーザー装置。
[8] 請求項 1記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、前記複数 のコアに対してそれぞれ独立に出力ミラーを設けることを特徴とする固体レーザー装 置。
[9] 請求項 1記載の固体レーザー媒質を備えた固体レーザー装置において、積層して 配置された半導体レーザーバーから照射された前記励起光は、それぞれのマイクロ レンズにより進相軸方向がコリメートされた後、単一の集光レンズで前記光ガイドの側 面の入射窓に集光されるように、半導体レーザーおよびレンズが配置されたことを特 徴とする固体レーザー装置。
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