WO2014097370A1 - 導波路型レーザ装置 - Google Patents

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WO2014097370A1
WO2014097370A1 PCT/JP2012/082661 JP2012082661W WO2014097370A1 WO 2014097370 A1 WO2014097370 A1 WO 2014097370A1 JP 2012082661 W JP2012082661 W JP 2012082661W WO 2014097370 A1 WO2014097370 A1 WO 2014097370A1
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laser
optical axis
waveguide
light
birefringent material
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PCT/JP2012/082661
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French (fr)
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史生 正田
柳澤　隆行
恭介 蔵本
陽介 秋野
秀則 深堀
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三菱電機株式会社
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • 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
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

Definitions

  • the present invention relates to a waveguide type laser apparatus having a planar waveguide structure suitable for a light source such as a printer or a projection television.
  • a planar waveguide laser has a structure in which the upper and lower surfaces of a thin flat plate-shaped laser medium extending in the traveling direction of the laser light are sandwiched between clads having a refractive index lower than that of the laser medium, and the laser medium can be used as a waveguide. It has a functioning structure. Since this planar waveguide type laser has a thin waveguide thickness and a high excitation density, a large gain can be obtained even when a laser medium having a small stimulated emission cross section is used, and a highly efficient oscillation operation can be realized. Furthermore, by expanding the waveguide in the width direction, it is possible to scale the output while keeping the excitation density at a predetermined value. On the other hand, it is a problem to cause laser oscillation with linearly polarized light necessary for wavelength conversion. Another problem is to efficiently output laser light while suppressing unnecessary amplification (parasitic oscillation) of light in the polarization direction.
  • planar waveguide laser device that realizes linearly polarized laser oscillation as shown in Patent Document 1 has been proposed.
  • the planar waveguide laser device includes a birefringent laser medium and two polarized (TE (Transverse Electric) polarized light (vibrating plane is c-axis) traveling along the optical axis in the laser medium.
  • TE Transverse Electric
  • polarized light that is perpendicular to the plane formed by the optical axis, which is the direction of travel of the laser beam, and that exists in the plane that includes the optical axis, also called ordinary rays, and TM (Transverse Magnetic) polarized light (the vibration plane is c-axis and light Polarized light existing in a plane formed by an axis, which is also called extraordinary light)) and is made of a clad material having a refractive index in the range between the refractive indices.
  • TM Transverse Magnetic
  • the refractive index for the TE polarized light and the refractive index for the TM polarized light of the laser medium are equal. Two polarized lasers oscillate, and linearly polarized output cannot be obtained. Furthermore, since the polarized light other than the desired polarized light causes unnecessary light amplification (parasitic oscillation), there is a problem that the laser oscillation efficiency of the target laser light is lowered.
  • the refractive index between the refractive index for the TE polarized light and the refractive index for the TM polarized light of the laser medium must be applicable as the cladding material.
  • Nd: YVO 4 is used as the laser medium and the c-axis (optical axis) is arranged in the y-axis direction
  • ordinary light (polarized light in the x-axis direction) refractive index no to 1.96 ( nx)
  • extraordinary light polarized light in the y-axis direction
  • the clad material since the clad material must be a material having a refractive index between 1.96 and 2.17, there is a problem that applicable materials are largely restricted by the refractive index.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a waveguide type laser device that can easily oscillate linearly polarized laser light. Another object is to increase the types that can be selected as the cladding material.
  • the waveguide laser device is provided on the front side on the optical axis in the laser oscillation of the laser medium, the laser medium that amplifies the laser light by the gain generated by the absorption of the excitation light, and outputs the fundamental wave.
  • the birefringent material is arranged with the optical axis inclined with respect to the optical axis, and is an extraordinary ray of two polarized light separated by the beam walk-off generated in the birefringent material. On the other hand, it has a structure which gives a loss.
  • the birefringent material is arranged with the optical axis inclined with respect to the optical axis, and is separated by two beam walkoffs generated by the birefringent material.
  • the birefringent material since it has a structure that gives a loss to an extraordinary ray, it is possible to obtain a waveguide type laser device that facilitates laser oscillation of linearly polarized light.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide laser device of the first embodiment.
  • This waveguide laser device includes a semiconductor laser 11 as an excitation light source, a solid-state laser element 12 that oscillates with the amplification of laser light that becomes a fundamental wave using laser light output from the semiconductor laser 11 as excitation light, and a beam walk. And a birefringent material (an optically anisotropic material) 13 that controls the polarization of the output light of the solid-state laser element 12 by turning off.
  • the semiconductor laser 11 outputs excitation light for exciting the solid-state laser element 12.
  • the laser beam emission side surface of the semiconductor laser 11 is provided to face the end surface of the laser medium 121 of the solid-state laser element 12.
  • the semiconductor laser 11 is assumed to be composed of a compound semiconductor material that outputs laser light having a wavelength for exciting the laser medium 121.
  • the solid-state laser element 12 includes a flat plate-shaped laser medium 121 and clads 122 provided on both upper and lower surfaces of the laser medium 121.
  • the directions parallel to two orthogonal sides of the plane are defined as the x axis and the z axis, respectively.
  • a direction perpendicular to both the x-axis and the z-axis is taken as a y-axis.
  • the z-axis direction is an optical axis R that is the propagation direction (traveling direction) of laser light.
  • the shape of the laser medium 121 parallel to the xy plane is a rectangular shape whose x-axis direction is longer than the y-axis direction.
  • the laser medium 121 is made of, for example, a material that forms an inversion distribution state by excitation light and amplifies laser light generated by stimulated emission.
  • the laser medium 121 can be applied to the present invention regardless of whether or not it has birefringence.
  • the clad 122 is applicable to any medium having a refractive index smaller than that of the laser medium 121 because it can confine light in the laser medium 121.
  • the structure in which the upper and lower surfaces of the laser medium 121 are sandwiched by the clad 122 forms an optical waveguide for linearly polarized laser light whose refractive index in the laser medium 121 is larger than the refractive index of the clad 122. That is, for such laser light, the laser medium 121 functions as a laser medium and also functions as a core for guiding laser light generated by stimulated emission by irradiation with excitation light.
  • the clad 122 may be bonded to either one of the upper and lower surfaces of the laser medium 121 with a clad 122 having a refractive index smaller than that of the laser medium 121 or may be a structure in which air is used as the clad.
  • the oscillation direction of the laser light is the direction of the optical axis R, and the laser light has TM (Transvers Magnetic) polarization in the plane formed by the y axis and the z axis, and the vibration surface has the y axis and the z axis.
  • the process proceeds in a manner divided into TE (Transverse Electric) polarized light that exists in a plane that is perpendicular to the plane to be created and includes the z-axis.
  • Laser light output from the solid-state laser element 12 has polarization directions of TM polarization and TE polarization.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide laser device.
  • TM polarized light is selected from the laser light output from the solid-state laser element 12 to obtain linearly polarized light.
  • An optical uniaxial crystal is a crystal whose optical axis coincides with the c-axis direction of the optical axis.
  • beam walk-off occurs in which the direction of the wave wave vector and the direction of the pointing vector are different from each other.
  • the light that is not subjected to the angle shift is the light polarized perpendicular to the optical axis (referred to as an ordinary ray), and the light that is polarized perpendicular to the polarization direction (referred to as an extraordinary ray). ) Undergoes an angle shift.
  • the optical axis of the optical resonator is formed with only ordinary rays, and the extraordinary rays are not optically confined, whereby the laser light is linearly polarized.
  • FIG. 3 is a diagram for illustrating beam walk-off in the birefringent material.
  • the walk-off angle ⁇ is set to the inclination ⁇ of the c-axis with respect to the optical axis R, It is represented by FIG. 4 shows the inclination ⁇ characteristic of the optical axis of the walk-off angle of calcite.
  • ⁇ is not limited to 45 °, but when ⁇ is 0 ° or 90 °, the walk-off angle ⁇ is 0, and therefore cannot be applied to the present invention.
  • an optical film that transmits the excitation light and totally reflects the fundamental laser beam is formed on the end surface 123a of the solid-state laser element 12 on the semiconductor laser 11 side.
  • An end surface 123b is formed with an antireflection film that transmits the fundamental laser beam.
  • An optical film that transmits the fundamental laser beam is formed on the end surface 131a of the birefringent material 13 on the solid-state laser element 12 side, and an optical film that totally reflects the fundamental laser beam is formed on the end surface 131b of the birefringent material 13.
  • a film is formed.
  • polarized light that undergoes an angle shift propagates through the birefringent material, and the side surface that is in contact with air (in this embodiment, the front side in FIG. 1) is a rough surface 131c. To do. Thereby, there is an effect that the light irradiated on the side surface is scattered and the optical confinement is released.
  • the operation of the waveguide laser device according to the first embodiment will be described.
  • a material using glass having no birefringence as a parent material is used as the laser medium 121
  • calcite calcite, CaCO 3
  • excitation light having a wavelength of 803 nm is output from the end surface 111 of the semiconductor laser 11 and is incident on the end surface 123 a of the laser medium 121 of the solid-state laser element 12.
  • excitation light an inverted distribution state is formed in the laser medium 121, and a spontaneous emission light emitted in the direction of the optical axis R enters a resonance mode, and this light is amplified by stimulated emission.
  • This light reciprocates between the end face 123a of the laser medium 121 and the end face 131b of the birefringent material 13 (optical resonator).
  • the gain due to amplification when making one round in this optical resonator is the optical resonator. If the loss received during one round is balanced, a laser beam having a wavelength of 1062 nm is oscillated. Laser light traveling along the optical axis in the laser medium 121 travels separately into TM polarized light and TE polarized light.
  • Laser light output from the laser medium 121 enters the birefringent material 13.
  • both TM polarized light and TE polarized light are included.
  • the incident laser light is separated by beam walk-off, one propagates along the optical axis R, and the other propagates in a walk-off angle ⁇ .
  • the walk-off angle ⁇ is 5.9 °.
  • the TE-polarized light is divided into a walk-off angle ⁇ , propagates in the birefringent material 13 and is scattered by contacting the rough surface 131c of the birefringent material 13, and as a result, is not subjected to optical confinement.
  • the length 132 of the birefringent material 13 in the optical axis direction must be longer than the length necessary for TE polarized light separated by walk-off to reach the rough surface 131c.
  • the length 132 in the optical axis direction is not long enough for TE polarized light to reach the rough surface 131c, it reaches the end surface 131b before reaching the rough surface 131c, and a desired effect can be obtained. Absent.
  • TM polarized light propagates through the birefringent material 13 along the optical axis R, is totally reflected by the end face 131b, and returns to the end face 123a of the laser medium 121 through the same path. Therefore, in the waveguide type laser device in this example, only the TM mode laser light is selected and doubled between the end face 123a of the laser medium 121 and the end face 131b of the birefringent material 13.
  • the birefringent material 13 is arranged beside the solid-state laser element 12, and the desired polarization component is obtained by tilting the optical axis of the birefringent material 13 with respect to the optical axis. Is selected by the walk-off effect of the birefringent material, so that linearly polarized light can be obtained.
  • a general laser medium can be used as the laser medium 121 of the solid-state laser element 12.
  • Nd YAG, Nd: YLF, Nd: Glass
  • Nd: YVO 4 Nd: GdVO 4
  • Yb YAG, Yb: YLF, Yb: KGW
  • Er Glass
  • Tm YAG
  • Tm YLF
  • Ho: YAG Ho: YLF
  • Ti: Sapphire, Cr: LiSAF and the like.
  • the birefringent material 13 a general birefringent material can be used.
  • the configuration in which an optical uniaxial crystal is used as the birefringent material 13 is described.
  • the present invention is not limited to this, and a biaxial crystal can be applied.
  • the same effect as described above can be obtained by arranging the two principal axes having different refractive indexes on the plane formed by the z-axis and the x-axis so as not to coincide with the z-axis and x-axis directions. .
  • birefringent materials applicable to the present embodiment include, for example, rutile, YVO 4 , calcite, BBO, PbMoO 4 , LN, MgF 2 , quartz, sapphire, mica, and the like.
  • the configuration when selecting TM polarized light is shown, but it is also possible to select TE polarized light depending on the arrangement of the birefringent material 13.
  • the c axis is parallel to the plane formed by the optical axis R and a polarized light (TM polarized light) perpendicular to the desired polarized light (TM polarized light), and the c axis is inclined with respect to the optical axis R.
  • TM polarized light perpendicular to the desired polarized light
  • TM polarized light desired polarized light
  • the wavelength of the fundamental wave is 1062 nm, it is not limited to this, and it goes without saying that the effect of the present embodiment can be obtained at other wavelengths.
  • the birefringent material 13 functions as a bulk, but the upper and lower surfaces perpendicular to the y-axis are sandwiched between air or a clad having a smaller refractive index than the birefringent material 13, and the laser medium and Similarly, the y-axis direction may be operated as a waveguide.
  • the waveguide type the insertion loss of the birefringent material 13 can be reduced by confinement in the waveguide compared to the bulk.
  • a clad may be bonded to any one of the upper and lower surfaces of the birefringent material 13, or a structure using air as the clad may be employed.
  • the laser beam is amplified by the gain generated by the absorption of the excitation light and the fundamental wave is output, and the laser oscillation of the laser medium Birefringent material provided on the front side of the optical axis, the birefringent material is disposed with the optical axis inclined with respect to the optical axis, and is separated by a beam walk-off that occurs in the birefringent material Since it has a structure that gives a loss to an extraordinary ray of the two polarized lights, a waveguide type laser device that can easily oscillate linearly polarized light can be obtained. Moreover, the kind which can be selected as a cladding material can be increased.
  • the waveguide type laser apparatus of the first embodiment since the cladding is formed on at least one of the upper and lower surfaces of the laser medium, a large gain is generated by reducing the number of modes in the vertical direction. Due to the advantages of the waveguide type, such as, it is possible to perform laser oscillation efficiently.
  • the waveguide laser device of the first embodiment since the cladding is formed on at least one of the upper and lower surfaces of the birefringent material, the number of modes in the vertical direction is reduced and a large gain is obtained. Due to the advantages of the waveguide type such as generation, laser oscillation can be performed efficiently.
  • the structure that gives loss to extraordinary rays is such that at least one of the side surface, the upper surface, and the lower surface of the birefringent material is a rough surface. It is possible to obtain a waveguide laser device that can easily oscillate linearly polarized light.
  • FIG. FIG. 5 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide laser device of the second embodiment.
  • the laser medium 121 of the solid-state laser element 12 is limited (changed) to a birefringent material (an optically anisotropic material) with respect to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
  • the laser medium 121 having birefringence is disposed with the optical axis inclined with respect to the optical axis of the laser oscillation, the birefringent material 13 is removed, and the fundamental laser beam is totally reflected on the end surface 123b of the solid-state laser element 12.
  • the optical film is changed to a rough surface 123c. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 6 is a diagram for illustrating beam walk-off in the laser medium 121.
  • Nd YVO 4 (tetragonal system) which is an optically uniaxial crystal is used
  • the a axis (crystal axis) is the y axis direction
  • the c axis (crystal axis is the optical axis) is the optical axis.
  • positions so that it may be set to (theta) 45 degrees with respect to R.
  • ⁇ is not limited to 45 °, but cannot be applied to the present embodiment when it becomes 0 ° or 90 °.
  • the excitation light incident from the side surface 123 a of the solid-state laser element 12 is absorbed by the laser medium 121 and generates a gain with respect to the fundamental laser light inside the laser medium 121. Due to the gain generated inside the laser medium 121, the fundamental laser beam oscillates between the end surface 123 a of the solid-state laser element 12 and the end surface 123 b of the solid-state laser element 12.
  • a beam walk-off occurs, and the light that is not subjected to the angle shift among the two polarizations separated by the beam walk-off is a light with a polarization perpendicular to the optical axis (TM polarization).
  • the length 124 of the laser medium 121 in the optical axis direction must be longer than the length necessary for TE polarized light separated by walk-off to reach the rough surface 123c.
  • the length 124 in the optical axis direction is not long enough for TE polarized light to reach the rough surface 123c, it reaches the end surface 123b before reaching the rough surface 123c, and a desired effect can be obtained. Absent.
  • TM polarized light propagates along the optical axis R in the solid-state laser element 12, is totally reflected by the end face 123 b, and returns to the end face 123 a of the laser medium 121 through the same path. Therefore, in the waveguide type laser apparatus in this example, only the TM mode laser light is selected and doubled between the end face 123a and the end face 123b of the laser medium 121.
  • a desired polarization component is obtained by using a birefringent laser medium for the solid-state laser element 12 and tilting the optical axis of the birefringent material with respect to the optical axis. Is selected by the walk-off effect of the laser medium, and as a result, linearly polarized light can be obtained. If the configuration as in Embodiment 2 is used, linear polarization can be formed using the beam walk-off effect of a birefringent laser medium, so that a new optical system for polarization control as in Embodiment 1 can be used. There is no need to arrange parts, and the number of parts can be reduced.
  • the laser medium 121 can be a general birefringent material.
  • a configuration in which an optical uniaxial crystal is used as the laser medium 121 is described.
  • the present invention is not limited to this, and a biaxial crystal can be applied.
  • the same effect as described above can be obtained by arranging the two principal axes having different refractive indexes on the plane formed by the z-axis and the x-axis so as not to coincide with the z-axis and x-axis directions. .
  • birefringent materials applicable to the present embodiment are, for example, Nd: YLF, Nd: YVO 4 , Nd: GdVO 4 , Yb: YLF, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: YVO 4 Er: YVO 4 , Er, Yb: YVO 4 , Tm: YLF, Ho: YLF, Tm, Ho: YLF, Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Ce: LiSAF, Ce: LiCAF, Pr: YLF, and the like.
  • a solid laser material in which an active medium not described above is added to a base material other than this may be used.
  • the laser medium is provided with the laser medium that amplifies the laser light by the gain generated by the absorption of the excitation light and outputs the fundamental wave. It is refracting and placed with its optical axis tilted with respect to the optical axis of laser oscillation, and it is a loss for extraordinary rays out of two polarizations separated by beam walk-off caused by birefringent materials Therefore, it is possible to obtain a waveguide type laser device that facilitates laser oscillation of linearly polarized light.
  • FIG. FIG. 7 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide laser device of the third embodiment.
  • the second harmonic is generated by using the laser beam output from the solid-state laser element 12 at the subsequent stage of the solid-state laser element 12 as the fundamental laser beam.
  • the wavelength conversion element 14 (SHG, Second Harmonic Generation) is changed to be installed.
  • the end face 131a of the birefringent material 13a is changed to transmit the second harmonic laser light in addition to totally reflecting the fundamental laser beam, and the end face 131b receives all the fundamental laser light.
  • an optical film that reflects the second harmonic laser beam is applied. Since the other configurations are the same, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the wavelength conversion element 14 has a flat plate shape, and the end faces 143a and 143b perpendicular to the optical axis R have a rectangular shape, for example, and a part of the fundamental wave output from the solid-state laser element 12 is reduced to a half wavelength. It has a function of converting the wavelength to the second harmonic.
  • a non-linear optical material having a periodic polarization inversion structure such as MgO: PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) or PPLT (Periodically Poled Lithium Tantalate) can be used.
  • the wavelength conversion element 14 also has an optical waveguide structure, and a clad 142 having a refractive index smaller than that of the nonlinear optical material 141 may be bonded to both the upper and lower surfaces of the nonlinear optical material 141 or one of them.
  • a structure in which air is clad may be used.
  • hexagonal MgO: PPLN is used as the nonlinear optical material 141.
  • the c-axis (the crystal axis and also the optical axis) of the nonlinear optical material 141 is set to the y-axis direction.
  • the a axis (crystal axis) is taken in the optical axis R direction.
  • the excitation light incident from the side surface 123 a of the solid-state laser element 12 is absorbed by the laser medium 121 and generates a gain with respect to the fundamental laser light inside the laser medium 121. Due to the gain generated inside the laser medium 121, the fundamental laser beam oscillates between the end surface 123a of the solid-state laser element 12 and the end surface 131b of the birefringent material 13a. Laser light output from the solid-state laser element 12 has polarization directions of TM polarization and TE polarization.
  • the temperature or the period of the periodically inverted polarization is optimized so that only the TM polarized light is converted into the second harmonic laser beam due to the nonlinear effect when the fundamental laser beam is incident. . Therefore, when the fundamental laser light oscillated between the end face 123a and the end face 131b is incident on the nonlinear optical material 141, a part of the fundamental laser light is converted into the second harmonic laser light, and the end face 131b of the birefringent material. More externally output.
  • TE polarized light that does not contribute to the second harmonic can cause unnecessary laser oscillation (parasitic oscillation) between the end face 123a and the end face 131b.
  • the beam walk is caused by the birefringent material 13a. Since the confinement is released by turning off, this problem can be avoided.
  • efficient second harmonic generation can be realized in the wavelength conversion element 14.
  • the nonlinear optical material 141 a general wavelength conversion material can be used.
  • KTP, KN, BBO, LBO, CLBO, LiNbO 3 , LiTaO 3 or the like is used.
  • MgO-added LiNbO 3 , MgO-added LiTaO 3 , specific ratio LiNbO 3 , and specific ratio LiTaO 3, which are highly resistant to optical damage, can increase the power density of the incident fundamental wave laser beam, and therefore highly efficient wavelength conversion. Is possible.
  • the laser medium 121 of the solid-state laser element 12 is limited (changed) to a birefringent material (an optically anisotropic material) with respect to the configuration of FIG.
  • a birefringent material an optically anisotropic material
  • the beam walk-off effect of the laser medium 121 is used.
  • linearly polarized light can be formed. At this time, it is not necessary to arrange the birefringent material 13a for polarization control, and the number of parts can be reduced.
  • the nonlinear optical material 141 of the wavelength conversion element 14 is disposed with the optical axis inclined with respect to the optical axis of the laser oscillation, the birefringent material 13a is removed, and the wavelength conversion element 14
  • the linearly polarized light can be formed using the beam walk-off effect of the wavelength conversion element 14 by changing the side surface to a rough surface. At this time, it is not necessary to arrange the birefringent material 13a for polarization control, and the number of parts can be reduced.
  • the nonlinear optical material that converts a part of the fundamental wave output from the laser medium into the second harmonic wave Is provided on the optical axis between the laser medium and the birefringent material, so that a waveguide type laser device capable of easily oscillating linearly polarized light can be obtained.
  • the configuration of the second embodiment includes the nonlinear optical material that converts a part of the fundamental wave output from the laser medium into the second harmonic,
  • a waveguide laser device that can easily oscillate linearly polarized laser light can be obtained.
  • the laser beam is amplified by the gain generated by the absorption of the excitation light, and the fundamental wave output from the laser medium is output from the laser medium.
  • a nonlinear optical material that converts the portion into a second harmonic, and the nonlinear optical material is disposed with the optical axis inclined with respect to the optical axis of the laser oscillation, and by beam walk-off that occurs in the birefringent material Since it has a structure that gives a loss to an extraordinary ray out of two separated polarized light, a waveguide laser device that can easily perform laser oscillation of linearly polarized light can be obtained.
  • the cladding is formed on at least one of the upper and lower surfaces of at least one of the laser medium and the nonlinear optical material. Due to the advantages of the waveguide type, such as generating a large gain by reducing the number of modes, laser oscillation can be performed efficiently.
  • FIG. FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide type laser apparatus of the fourth embodiment.
  • the rough surface 131c on the side surface of the birefringent material 13 shown in FIG. 1 is eliminated, and an absorbing layer 133 is provided instead.
  • Other configurations are the same as those shown in FIG. 1, and the same portions are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the absorbing layer 133 may be any material that absorbs laser light, and for example, chromium (Cr) or titanium (Ti) can be used. Since these materials have a small wavelength dependency of the absorptance, it is possible to absorb laser light in a wide wavelength band.
  • FIG. 9 is a diagram for illustrating beam walk-off in the birefringent material according to the fourth embodiment.
  • the extraordinary light beam that undergoes an angle shift is absorbed by the absorption layer 133, so that only the normal light beam is oscillated, and as a result, linearly polarized light in only one direction is obtained. It is done. That is, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the same effect can be obtained by changing the roughened surface of the birefringent material causing beam walk-off to the same absorption layer as the absorption layer 133 of the fourth embodiment. Needless to say.
  • the structure that gives loss to extraordinary rays absorbs laser light on at least one of the side surface, upper surface, and lower surface of the birefringent material. Since the absorption layer is arranged, it is possible to obtain a waveguide type laser device that facilitates laser oscillation of linearly polarized light.
  • the absorption layer is made of either chromium or titanium, it is possible to realize a waveguide laser device that facilitates linearly polarized laser oscillation.
  • FIG. FIG. 10 is a perspective view schematically showing the configuration of the waveguide type laser apparatus of the fifth embodiment.
  • the rough surface 131c on the side surface of the birefringent material 13 shown in FIG. 1 is eliminated, and the optical film 134 that totally reflects the fundamental laser beam on the end surface 131b is separated by beam walk-off of the birefringent material 2.
  • the polarization is changed so that it is applied only to the ordinary ray that is not subjected to the angle shift, and the length 132 in the optical axis direction of the birefringent material 13 is changed so that the extraordinary ray that undergoes the angle shift reaches the end face 131b.
  • the other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 11 is a diagram for illustrating beam walk-off in the birefringent material according to the fifth embodiment.
  • an optical film 134 that totally reflects the fundamental wave laser beam is formed only on the optical axis of the ordinary ray, and the other end surface 131b is a rough surface or an optical film that transmits the fundamental wave laser beam. Is formed.
  • the optical film 134 needs to be formed larger than the ordinary light beam.
  • the optical film 134 should be kept in a range where it is not totally reflected.
  • an ordinary ray that is not subjected to an angle shift is totally reflected by the optical film 134 that totally reflects the fundamental laser beam formed on the end face 131b, and the laser medium 121 passes through the same path. Return to the end face 123a.
  • an extraordinary ray that undergoes an angle shift reaches the end surface 131b, but since an optical film that transmits the rough surface or the fundamental laser beam is formed, it is scattered or transmitted through the end surface 131b. Don't get trapped. That is, only ordinary light is laser-oscillated, and as a result, linearly polarized light in only one direction is obtained. That is, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • an optical film that eliminates the rough surface of the side surface as in the fifth embodiment and totally reflects the fundamental laser beam formed on the end surface is changed so as to be applied only to the ordinary ray not subjected to the angle shift, and the length in the optical axis direction so that the extraordinary ray subjected to the angle shift reaches the end face 131b. It goes without saying that the same effect can be obtained by changing the.
  • the structure that gives a loss to the extraordinary ray is the surface on the side opposite to the surface facing the solid-state laser element of the birefringent material.
  • An optical film that totally reflects the laser beam is formed on the optical axis of the ordinary light beam that oscillates the laser beam, and the rough surface or the laser beam is transmitted on the optical axis of the extraordinary ray that oscillates the laser beam on the opposite surface. Since the optical film is formed, it is possible to obtain a waveguide type laser device that facilitates linearly polarized laser oscillation.
  • the waveguide laser device has a structure in which the upper and lower surfaces of a thin flat plate-like laser medium extending in the laser beam traveling direction are sandwiched between clads having a refractive index lower than that of the laser medium. Yes, it is suitable for use in light sources such as printers and projection televisions.

Abstract

　励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質１２１と、レーザ媒質１２１のレーザ発振における光軸Ｒ上の前方側に設けられた複屈折材料１３とを備える。複屈折材料１３は、光軸Ｒに対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、複屈折材料１３で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造として、その側面を、照射する光を散乱させる荒し面１３１ｃとしている。

Description

導波路型レーザ装置
　この発明は、例えば、プリンタやプロジェクションテレビなどの光源に好適な平面導波路構造を有する導波路型レーザ装置に関するものである。
　平面導波路型レーザは、レーザ光の進行方向に伸長した薄い平板状のレーザ媒質の上下両面を、レーザ媒質よりも屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有し、レーザ媒質を導波路としても機能させる構造を有する。この平面導波路型レーザは、導波路厚さが薄く励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いた場合でも大きな利得が得られ、高効率な発振動作が実現可能である。さらに、導波路を幅方向に広げることによって、励起密度を所定の値に保ったままでの出力のスケーリングが可能である。一方で、波長変換の際に必要な直線偏光でレーザ発振させることが課題となる。また、不要な偏光方向の光の増幅（寄生発振）を抑制して、効率よくレーザ光を出力することが課題となる。
　そこで、従来では、例えば特許文献１に示すような直線偏光のレーザ発振を実現する平面導波路型レーザ装置が提案されている。この平面導波路型レーザ装置は、複屈折を有するレーザ媒質と、レーザ媒質中を光軸に沿って進む、振動面が互いに直交する２つの偏光（ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光（振動面がｃ軸とレーザ光の進行方向である光軸の作る平面に垂直でかつ光軸を含む平面内に存在する偏光で、常光線ともいう）と、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光（振動面がｃ軸と光軸の作る平面内に存在する偏光で、異常光線ともいう））に対する屈折率の間の範囲の屈折率を有するクラッド材料から構成されている。レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率との間の屈折率を有する材料をクラッドとして用いているので、ＴＥ偏光かＴＭ偏光のいずれかが全反射条件を満たさなくなり、全反射条件を満たすいずれか一方の偏光のレーザ発振が可能となる。
国際公開第２００９／０１６７０３号
　しかしながら、上記特許文献１による平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質として複屈折性のない材料を使用した場合、レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率が等しいため、これらの二つの偏光のレーザが発振してしまい、直線偏光の出力が得られない。さらに、所望の偏光以外の偏光は不要な光の増幅（寄生発振）を起こすため、目的とするレーザ光のレーザ発振効率を低下させてしまうという問題点があった。
　また、クラッド材料として適用可能なのは、レーザ媒質のＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率の間の屈折率でなければならない。例えば、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４を使用し、ｃ軸（光学軸）がｙ軸方向となるように配置した場合、常光（ｘ軸方向の偏光）屈折率ｎｏ～１．９６（＝ｎｘ）、異常光（ｙ軸方向の偏光）屈折率ｎｅ～２．１７（＝ｎｙ）を有する。このとき、クラッド材料は１．９６と２．１７の間の屈折率を有する材料でなければならないため、適用できる材料が屈折率によって大きく制約されるという問題点もあった。
　この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことも目的とする。
　この発明に係る導波路型レーザ装置は、励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質と、レーザ媒質のレーザ発振における光軸上の前方側に設けられた複屈折材料とを備え、複屈折材料は、光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有するものである。
　この発明に係る導波路型レーザ装置によれば、複屈折材料は、光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有するようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
この発明の実施の形態１に係る導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る導波路型レーザ装置の構成と光軸との関係を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る導波路型レーザ装置の複屈折率材料中のビームウォークオフを示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る導波路型レーザ装置の方解石のウォークオフ角の光軸Ｒに対する光学軸の傾きθ特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る導波路型レーザ装置の複屈折率材料中のビームウォークオフを示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係る導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る導波路型レーザ装置の複屈折率材料中のビームウォークオフを示す説明図である。 この発明の実施の形態５に係る導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る導波路型レーザ装置の複屈折率材料中のビームウォークオフを示す説明図である。
　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１の導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。この導波路型レーザ装置は、励起光源としての半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から出力されるレーザ光を励起光として基本波となるレーザ光の増幅とともに発振を行う固体レーザ素子１２と、ビームウォークオフにより固体レーザ素子１２の出力光の偏光制御を行う複屈折材料（光学的異方体の材料）１３とを備える。
　半導体レーザ１１は、固体レーザ素子１２を励起するための励起光を出力する。この半導体レーザ１１のレーザ光の出射側側面は、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１の端面と対向するように設けられる。ここで、半導体レーザ１１は、レーザ媒質１２１を励起する波長のレーザ光を出力する化合物半導体材料によって構成されるものとする。
　固体レーザ素子１２は、平板状を有するレーザ媒質１２１と、このレーザ媒質１２１の上下両面に設けられるクラッド１２２とを備える。なお、図１において、レーザ媒質１２１の最も面積の広い上下の矩形状の面に平行な面内で、この面の直交する２つの辺に平行な方向をそれぞれｘ軸とｚ軸とし、これらのｘ軸とｚ軸の両方に垂直な方向をｙ軸とする。ここでは、ｚ軸方向をレーザ光の伝播方向（進行方向）である光軸Ｒとする。また、レーザ媒質１２１のｘｙ平面に平行な形状は、ｘ軸方向がｙ軸方向に比して長い矩形形状となっている。
　レーザ媒質１２１は、例えば励起光によって反転分布状態を形成し、誘導放出によって生成されるレーザ光を増幅する材料によって構成される。そしてこのレーザ媒質１２１は、複屈折性を持つか否かに関わらず本発明に対して適用可能である。
　クラッド１２２はレーザ媒質１２１の屈折率に対して小さい屈折率を有する媒質であれば、レーザ媒質１２１中に光を閉じ込めることが出来るため、適用可能である。このレーザ媒質１２１の上下両面をクラッド１２２で挟んだ構造は、レーザ媒質１２１内の屈折率がクラッド１２２の屈折率よりも大きくなる直線偏光のレーザ光に対して、光導波路を形成している。つまり、このようなレーザ光に対して、レーザ媒質１２１は、レーザ媒質として機能するとともに、励起光の照射による誘導放出で生じたレーザ光を導波するコアとしても機能する。なお、クラッド１２２は、レーザ媒質１２１における上下面のいずれか一面に、レーザ媒質１２１よりも屈折率の小さなクラッド１２２を接合してもよいし、空気をクラッドとする構造でもよい。
　レーザ光の発振方向は、光軸Ｒの方向であり、レーザ光は振動面がｙ軸とｚ軸の作る平面内に存在するＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光と、振動面がｙ軸とｚ軸の作る平面に垂直でかつｚ軸を含む平面内に存在するＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光と、に分かれて進む。固体レーザ素子１２から出力されるレーザ光はＴＭ偏光とＴＥ偏光の偏光方向を有している。
　図２は、導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。ここでは、固体レーザ素子１２から出力されるレーザ光のうち、ＴＭ偏光のみを選択して、直線偏光を得る場合を説明する。複屈折材料１３として、例えば、光学的一軸性結晶を使用する場合を考える。光学的一軸性結晶は、光学軸が光学軸のｃ軸方向と一致する結晶である。ｃ軸が光軸Ｒと選択したい偏光に垂直な偏光（ＴＥ偏光）の作る平面に平行であり、光軸Ｒに対して例えばθ＝４５°となるように配置される。
　複屈折材料１３において、光の波数ベクトルの方向とポインティングベクトルの方向が互いに異なるビームウォークオフが生じる。このビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受けない光は光学軸に垂直な偏光の光（常光線という）であり、その偏光方向に垂直な偏光の光（異常光線という）は角度シフトを受ける。この発明では、常光線のみをもって光共振器の光軸を形成し、異常光線を光学的に閉じ込めないことにより、レーザ光を直線偏光にする。
　図３は、複屈折率材料中のビームウォークオフを示すための図である。ウォークオフ角ρは、光軸Ｒに対するｃ軸の傾きθをおくときに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001

で表される。図４に、方解石のウォークオフ角の光学軸の傾きθ特性を示す。θは４５°に限定されるものではないが、θが０°または９０°となるときに、ウォークオフ角ρが０となるために、本発明には適用出来ない。
　以上の構成で、固体レーザ素子１２の半導体レーザ１１側の端面１２３ａには、励起光を透過し、基本波レーザ光を全反射する光学膜が形成され、固体レーザ素子１２の複屈折材料１３側の端面１２３ｂには、基本波レーザ光を透過する反射防止膜が形成される。また、複屈折材料１３の固体レーザ素子１２側の端面１３１ａには、基本波レーザ光を透過する光学膜が形成され、複屈折材料１３の端面１３１ｂには、基本波レーザ光を全反射する光学膜が形成される。これらの全反射膜や光学膜は、例えば誘電体薄膜を積層して構成される。また、複屈折材料を伝播するレーザ光のうち、角度シフトを受ける偏光が複屈折材料中を伝播し、空気と接する側面（本実施の形態では、図１で紙面手前側）は荒し面１３１ｃとする。これにより、側面に照射する光を散乱させ、光学的な閉じ込めを解除する効果がある。
　次に、実施の形態１の導波路型レーザ装置の動作について説明する。ここでは、例えば、複屈折性を持たないガラスを母財とした材料をレーザ媒質１２１として、複屈折材料１３として方解石（カルサイト、ＣａＣＯ３）を使用した構成とする。
　まず、半導体レーザ１１の端面１１１から波長８０３ｎｍの励起光が出力され、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１の端面１２３ａに入射する。この励起光によって、レーザ媒質１２１では、反転分布状態が形成され、光軸Ｒの方向に放出される自然放出光が共振するモードに入り、この光は誘導放出による増幅を受ける。この光は、レーザ媒質１２１の端面１２３ａと、複屈折材料１３の端面１３１ｂとの間（光共振器）で往復するが、この光共振器で１周する際の増幅による利得が、光共振器で１周する際に受ける損失が釣り合うと、波長１０６２ｎｍのレーザ光がレーザ発振する。レーザ媒質１２１中を光軸に沿って進むレーザ光はＴＭ偏光と、ＴＥ偏光とに分かれて進む。
　レーザ媒質１２１から出力されたレーザ光は、複屈折材料１３に入射する。その際、ＴＭ偏光とＴＥ偏光の両方を含む。入射したレーザ光はビームウォークオフによって、分離され、一方は光軸Ｒに沿って伝播し、もう一方はウォークオフ角ρに分かれて伝播する。このときθ＝４５°とすると、ウォークオフ角ρは５．９°となる。ＴＥ偏光はウォークオフ角ρに分かれて複屈折材料１３中を伝播し、複屈折材料１３の荒し面１３１ｃに接することで散乱し、その結果として光学的な閉じ込めを受けないこととなる。このため、複屈折材料１３の光軸方向の長さ１３２は、ウォークオフで分離したＴＥ偏光が荒し面１３１ｃに到達することが出来るために必要な長さ以上にしなければならない。光軸方向の長さ１３２が、ＴＥ偏光が荒し面１３１ｃに到達するのに十分な長さでないときには、荒し面１３１ｃに到達する前に、端面１３１ｂに到達し、所望の効果を得ることが出来ない。一方、ＴＭ偏光は、複屈折材料１３中を光軸Ｒに沿って伝播し、端面１３１ｂで全反射され、同じ経路をレーザ媒質１２１の端面１２３ａまで戻る。従って、この例における導波路型レーザ装置では、レーザ媒質１２１の端面１２３ａと複屈折材料１３の端面１３１ｂの間でＴＭモードのレーザ光のみが選択されて倍増することになる。
　以上のように、本実施の形態によれば、固体レーザ素子１２の横に複屈折材料１３を配置し、その複屈折材料１３の光学軸を光軸に対して傾けることにより、所望の偏光成分のみを複屈折材料のウォークオフ効果により選択し、その結果直線偏光を得ることが可能となる。
　ここで、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１としては、一般的なレーザ媒質を用いることができる。これは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどがある。
　また、複屈折材料１３としては一般的な複屈折材料を用いることが出来る。本実施の形態では、複屈折材料１３として光学的一軸性結晶を使用する構成を述べたが、これに限定されるものではなく、二軸性結晶であっても適用することが可能である。このとき、ｚ軸とｘ軸の作る平面に、二つの異なる屈折率の主軸をｚ軸とｘ軸方向に一致しないように、傾けて配置することで、上述の効果と同様の効果を得られる。以上を踏まえて、本実施の形態に適用可能な複屈折材料は、例えば、ルチル、ＹＶＯ４、方解石、ＢＢＯ、ＰｂＭｏＯ４、ＬＮ，ＭｇＦ２、水晶、サファイア、雲母などがある。
　また、本実施の形態では、ＴＭ偏光を選択するときの構成を示したが、複屈折材料１３の配置により、ＴＥ偏光を選択することも可能である。このとき、ｃ軸が光軸Ｒと選択したい偏光に垂直な偏光（ＴＭ偏光）の作る平面に平行であり、光軸Ｒに対して傾けて配置する。このとき、複屈折材料１３を伝播するレーザ光のうち、角度シフトを受ける偏光が複屈折材料１３中を伝播し、空気と接する下面１３１ｄは荒し面にしなければならない。
　また、基本波の波長は１０６２ｎｍとしたが、これに限るものではなく、他の波長でも本実施の形態の効果を得られることは言うまでもない。
　また、上述した説明では複屈折材料１３はバルクとして機能しているが、ｙ軸に垂直な上下面を、空気または、複屈折材料１３に比べて小さな屈折率を有するクラッドではさみ、レーザ媒質と同様にｙ軸方向を導波路として動作するようにしてもよい。導波路型にすることで、バルクに比べて導波路内閉じこめにより、複屈折材料１３の挿入損失を減らす効果がある。さらに、複屈折材料１３における上下面のいずれか一面にクラッドを接合してもよいし、空気をクラッドとする構造でもよい。
　以上説明したように、実施の形態１の導波路型レーザ装置によれば、励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質と、レーザ媒質のレーザ発振における光軸上の前方側に設けられた複屈折材料とを備え、複屈折材料は、光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有するようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。また、クラッド材料として選択可能な種類を増やすことができる。
　また、実施の形態１の導波路型レーザ装置によれば、レーザ媒質の上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドを形成するようにしたので、垂直方向のモード数を減らして大きな利得を発生するなどの導波路型の利点により、効率よくレーザ発振を行うことができる。
　また、実施の形態１の導波路型レーザ装置によれば、複屈折材料の上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドを形成するようにしたので、垂直方向のモード数を減らして大きな利得を発生するなどの導波路型の利点により、効率よくレーザ発振を行うことができる。
　また、実施の形態１の導波路型レーザ装置によれば、異常光線に対して損失を与える構造は、複屈折材料の側面、上面および下面のうち少なくとも一面が荒し面であるようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
実施の形態２．
　図５は、実施の形態２の導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態２では、図１に示す実施の形態１の構成に対して、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１を複屈折性のある材料（光学的異方体の材料）に限定（変更）し、複屈折性を有するレーザ媒質１２１はレーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、複屈折材料１３を取り除き、固体レーザ素子１２の端面１２３ｂを基本波レーザ光を全反射する光学膜に変更し、側面を荒し面１２３ｃに変更したものである。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、同一部分には同一の符号を付してその説明は省略する。
　図６は、レーザ媒質１２１中のビームウォークオフを示すための図である。レーザ媒質１２１として、光学的一軸性結晶であるＮｄ：ＹＶＯ４（正方晶系）を、ａ軸（結晶軸）がｙ軸方向、ｃ軸（結晶軸であり、光学軸である）を光軸Ｒに対してθ＝４５°となるように配置する。ただし、θは４５°に限定されるものではないが、０°または９０°となるときには本実施の形態には適用できない。
　以下、実施の形態２の導波路型レーザ装置の動作について説明する。
　固体レーザ素子１２の側面１２３ａから入射した励起光は、レーザ媒質１２１で吸収されて、レーザ媒質１２１内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。レーザ媒質１２１内部で発生した利得により、基本波レーザ光は、固体レーザ素子１２の端面１２３ａおよび固体レーザ素子１２の端面１２３ｂの間でレーザ発振する。
　固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１において、ビームウォークオフが生じ、ビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受けない光は光学軸に垂直な偏光の光（ＴＭ偏光）であり、その偏光方向に垂直な偏光の光（ＴＥ偏光）は角度シフトを受け、ウォークオフ角ρに分かれてレーザ媒質１２１を伝播し、レーザ媒質１２１の荒し面１２２ｃに接することで散乱し、その結果として光学的な閉じこめを受けないこととなる。このため、レーザ媒質１２１の光軸方向の長さ１２４は、ウォークオフで分離したＴＥ偏光が荒し面１２３ｃに到達することが出来るために必要な長さ以上にしなければならない。光軸方向の長さ１２４が、ＴＥ偏光が荒し面１２３ｃに到達するのに十分な長さでないときには、荒し面１２３ｃに到達する前に、端面１２３ｂに到達し、所望の効果を得ることが出来ない。一方、ＴＭ偏光は、固体レーザ素子１２中を光軸Ｒに沿って伝播し、端面１２３ｂで全反射され、同じ経路をレーザ媒質１２１の端面１２３ａまで戻る。従って、この例における導波路型レーザ装置では、レーザ媒質１２１の端面１２３ａと端面１２３ｂの間でＴＭモードのレーザ光のみが選択されて倍増することになる。
　以上のように、本実施の形態によれば、固体レーザ素子１２に複屈折性のあるレーザ媒質を使用し、その複屈折材料の光学軸を光軸に対して傾けることにより、所望の偏光成分のみをレーザ媒質のウォークオフ効果により選択し、その結果直線偏光を得ることが可能となる。実施の形態２のような構成とすれば、複屈折性のあるレーザ媒質のビームウォークオフ効果を利用し、直線偏光を形成できるため、実施の形態１のように偏光制御のために新たな光学部品を配置する必要がなく、部品点数を減らすことが可能となる。
　また、レーザ媒質１２１としては一般的な複屈折材料を用いることが出来る。本実施の形態では、レーザ媒質１２１として光学的一軸性結晶を使用する構成を述べたが、これに限定されるものではなく、二軸性結晶であっても適用することが可能である。このとき、ｚ軸とｘ軸の作る平面に、二つの異なる屈折率の主軸をｚ軸とｘ軸方向に一致しないように、傾けて配置することで、上述の効果と同様の効果を得られる。以上を踏まえて、本実施の形態に適用可能な複屈折材料は、例えば、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｅｒ：ＹＶＯ４、Ｅｒ、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ、Ｐｒ：ＹＬＦ等である。また、これ以外の母材に上述しない活性媒質が添加された固体レーザ材料であってもよい。
　以上説明したように、実施の形態２の導波路型レーザ装置によれば、励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質を備え、レーザ媒質は、複屈折性を有し、かつ、レーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置すると共に、複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有するようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
実施の形態３．
　図７は、実施の形態３の導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態３では、図１に示す実施の形態１の構成に対して、固体レーザ素子１２の後段に固体レーザ素子１２から出力されたレーザ光を基本波レーザ光として、第二高調波を発生（ＳＨＧ，Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）する波長変換素子１４を設置するように変更したものである。また、複屈折材料１３ａの端面１３１ａには、基本波レーザ光を全反射することに加えて、第二高調波レーザ光を透過するように変更し、端面１３１ｂには、基本波レーザ光を全反射することに加えて、第二高調波レーザ光を反射する光学膜を施すように変更したものである。その他の構成は同様であるため、対応する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
　波長変換素子１４は、平板状を有し、光軸Ｒに垂直な端面１４３ａ，１４３ｂの形状が例えば矩形状からなり、固体レーザ素子１２から出力された基本波の一部を１／２の波長の第２高調波に波長変換する機能を有する。このような波長変換素子１４として、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｎｉｏｂａｔｅ）やＰＰＬＴ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｔａｎｔａｌａｔｅ）などの周期分極反転構造を有する非線形光学材料を用いることができる。なお、この波長変換素子１４も光導波路構造を有し、非線形光学材料１４１の上下両面またはいずれか一方の面上に、非線形光学材料１４１よりも屈折率の小さなクラッド１４２を接合してもよいし、空気をクラッドとする構造でもよい。
　ここでは、非線形光学材料１４１として、六方晶系のＭｇＯ：ＰＰＬＮを使用するものとする。非線形光学材料１４１のｃ軸（結晶軸であり、光学軸でもある）をｙ軸方向にする。また、ａ軸（結晶軸）を光軸Ｒ方向に取る。
　次に、実施の形態３の導波路型レーザ装置の動作について説明する。
　固体レーザ素子１２の側面１２３ａから入射した励起光は、レーザ媒質１２１で吸収されて、レーザ媒質１２１内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。レーザ媒質１２１内部で発生した利得により、基本波レーザ光は、固体レーザ素子１２の端面１２３ａおよび複屈折材料１３ａの端面１３１ｂの間でレーザ発振する。固体レーザ素子１２から出力されるレーザ光はＴＭ偏光とＴＥ偏光の偏光方向を有している。
　非線形光学材料１４１は、基本波レーザ光が入射すると、非線形効果によりＴＭ偏光のみが、第２高調波レーザ光に変換されるように、温度、または、周期反転分極の周期が最適化されている。したがって、端面１２３ａと端面１３１ｂの間で発振した基本波レーザ光が非線形光学材料１４１に入射すると、基本波レーザ光の一部が第二高調波レーザ光に変換されて、複屈折材料の端面１３１ｂより外部に出力される。
　第二高調波に寄与しないＴＥ偏光は、端面１２３ａと端面１３１ｂの間で不要なレーザ発振（寄生発振）の原因となりうるが、実施の形態１で述べたように、複屈折材料１３ａでビームウォークオフにより閉じこめを解除されるため、この問題は回避できる。また、ＴＭ偏光のみが選択されて倍増されるため、結果として波長変換素子１４においては、効率のよい第二高調波発生の実現が可能となる。
　また、非線形光学材料１４１としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いる。また、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるため、高効率な波長変換が可能である。さらに、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいため、さらに高効率な波長変換が可能である。
　また、本実施の形態では第二高調波を発生する波長変換素子（ＳＨＧ）を用いた場合の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、波長変換素子１４の代わりに、和周波発生（ＳＦＧ，Ｓｕｍ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、パラメトリック発振（ＯＰＯ，Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などに用いられる光学素子を用いても、本発明の効果を得られることは明らかである。
　また、図７の構成に対して、固体レーザ素子１２のレーザ媒質１２１を複屈折性のある材料（光学的異方体の材料）に限定（変更）し、複屈折性を有するレーザ媒質１２１はレーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、複屈折材料１３ａを取り除き、固体レーザ素子１２の側面を荒し面に変更することで、レーザ媒質１２１のビームウォークオフ効果を利用し、直線偏光を形成できることは、実施の形態２より明らかである。このとき、偏光制御のための複屈折材料１３ａを配置する必要がなく、部品点数を減らすことが可能となる。
　また、図７の構成に対して、波長変換素子１４の非線形光学材料１４１をレーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、複屈折材料１３ａを取り除き、波長変換素子１４の側面を荒し面に変更することで、波長変換素子１４のビームウォークオフ効果を利用し、直線偏光を形成できることは、実施の形態２より明らかである。このとき、偏光制御のための複屈折材料１３ａを配置する必要がなく、部品点数を減らすことが可能となる。
　以上説明したように、実施の形態３の導波路型レーザ装置によれば、実施の形態１の構成において、レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料をレーザ媒質と複屈折材料との間の光軸上に設けたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
　また、実施の形態３の導波路型レーザ装置によれば、実施の形態２の構成において、レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料を備えたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
　また、実施の形態３の導波路型レーザ装置によれば、励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質と、レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料とを備え、非線形光学材料は、レーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有するようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
　また、実施の形態３の導波路型レーザ装置によれば、レーザ媒質および非線形光学材料のうちの少なくとも一方における上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドを形成するようにしたので、垂直方向のモード数を減らして大きな利得を発生するなどの導波路型の利点により、効率よくレーザ発振を行うことができる。
実施の形態４．
　図８は、実施の形態４の導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態４では、図１に示す複屈折材料１３の側面の荒し面１３１ｃを無くし、代わりに吸収層１３３を設けたものである。その他の構成は図１に示す構成と同様であり、同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　吸収層１３３はレーザ光を吸収する材料であればよく、例えばクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）などを使用することが出来る。これらの材料は、吸収率の波長依存性が小さいために、広い波長帯域のレーザ光を吸収させることが可能である。
　図９は、実施の形態４に係る複屈折率材料中のビームウォークオフを示すための図である。ビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受ける異常光線は、吸収層１３３により吸収されてしまうため、正常光線のみがレーザ発振し、その結果、一方向のみの直線偏光が得られる。すなわち、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
　また、実施の形態２および３においてもビームウォークオフが生じる複屈折材料のうち、荒し面としていた箇所を実施の形態４の吸収層１３３と同様の吸収層に変更することで同様の効果が得られることは言うまでもない。
　以上説明したように、実施の形態４の導波路型レーザ装置によれば、異常光線に対して損失を与える構造は、複屈折材料の側面、上面および下面のうち少なくとも一面にレーザ光を吸収する吸収層を配置するようにしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
　また、実施の形態４の導波路型レーザ装置によれば、吸収層は、クロム、チタンのいずれかとしたので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を実現することができる。
実施の形態５．
　図１０は、実施の形態５の導波路型レーザ装置の構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態５では、図１に示す複屈折材料１３の側面の荒し面１３１ｃを無くし、端面１３１ｂの基本波レーザ光を全反射する光学膜１３４を複屈折材料のビームウォークオフにより分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受けない常光線上のみに施すように変更し、さらに角度シフトを受ける異常光線が端面１３１ｂに到達するように複屈折材料１３の光軸方向の長さ１３２を変更したものである。その他の構成は図１に示す構成と同様であるため、対応する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　図１１は、実施の形態５に係る複屈折率材料中のビームウォークオフを示すための図である。複屈折材料１３の端面１３１ｂでは、常光線の光軸上のみに基本波レーザ光を全反射する光学膜１３４が形成され、それ以外の端面１３１ｂは荒し面あるいは基本波レーザ光を透過する光学膜が形成される。ここで、光学膜１３４は常光線のビーム光に対して大きく形成する必要があるが、異常光線が端面１３１ｂに到達する際、全反射されない範囲に留めなければならない。
　ビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受けない常光線は端面１３１ｂに形成された基本波レーザ光を全反射する光学膜１３４により、全反射され、同じ経路をレーザ媒質１２１の端面１２３ａまで戻る。一方、角度シフトを受ける異常光線は、端面１３１ｂに到達するが、荒し面あるいは基本波レーザ光を透過する光学膜が形成されているために、散乱あるいは端面１３１ｂを透過し、結果として光学的に閉じこめを受けない。つまり、常光線のみがレーザ発振し、その結果、一方向のみの直線偏光が得られる。すなわち、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
　また、実施の形態２および３においてもビームウォークオフが生じる複屈折材料のうち、実施の形態５と同様に側面の荒し面をなくし、端面に形成された基本波レーザ光を全反射する光学膜をビームウォークオフにより分離される２つの偏光のうち、角度シフトを受けない常光線上のみに施すように変更し、さらに角度シフトを受ける異常光線が端面１３１ｂに到達するように光軸方向の長さを変更する事で、同様の効果が得られることは言うまでもない。
　以上説明したように、実施の形態５の導波路型レーザ装置によれば、異常光線に対して損失を与える構造は、複屈折材料の固体レーザ素子への対向面とは反対側の面のうち、レーザ発振する常光線の光軸上にレーザ光を全反射する光学膜を形成し、かつ、反対側の面のうち、レーザ発振する異常光線の光軸上は荒し面またはレーザ光を透過する光学膜を形成したので、直線偏光のレーザ発振が容易な導波路型レーザ装置を得ることができる。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　以上のように、この発明に係る導波路型レーザ装置は、レーザ光の進行方向に伸長した薄い平板状のレーザ媒質の上下両面をレーザ媒質より屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有するものであり、プリンタやプロジェクションテレビなどの光源に用いるのに適している。
　１１　半導体レーザ、１２　固体レーザ素子、１３，１３ａ　複屈折材料、１４　波長変換素子、１１１　端面、１２１　レーザ媒質、１２２　クラッド、１２３ａ，１２３ｂ　端面、１２４　光軸方向の長さ、１３１ａ，１３１ｂ　端面、１３１ｃ　荒し面、１３１ｄ　下面、１３２　光軸方向の長さ、１３３　吸収層、１３４　光学膜、１４１　非線形光学材料、１４２　クラッド、１４３ａ，１４３ｂ　端面、Ｒ　光軸。

Claims (12)

  1. 　励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質と、当該レーザ媒質のレーザ発振における光軸上の前方側に設けられた複屈折材料とを備え、
    　前記複屈折材料は、前記光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、前記複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有することを特徴とする導波路型レーザ装置。
  2. 　レーザ媒質の上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドが形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  3. 　複屈折材料の上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドが形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  4. 　異常光線に対して損失を与える構造は、
    　複屈折材料の側面、上面および下面のうち少なくとも一面が荒し面であることを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  5. 　励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質を備え、
    　前記レーザ媒質は、複屈折性を有し、かつ、レーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置すると共に、前記レーザ媒質で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有することを特徴とする導波路型レーザ装置。
  6. 　レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料をレーザ媒質と複屈折材料との間の光軸上に設けたことを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  7. 　レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料を備えたことを特徴とする請求項５記載の導波路型レーザ装置。
  8. 　励起光の吸収により発生した利得によりレーザ光を増幅し、基本波を出力するレーザ媒質と、前記レーザ媒質から出力される基本波の一部を第二高調波に変換する非線形光学材料とを備え、
    　前記非線形光学材料は、レーザ発振の光軸に対して光学軸を傾けた状態で配置し、かつ、前記複屈折材料で生じるビームウォークオフによって分離される２つの偏光のうち異常光線に対して損失を与える構造を有することを特徴とする導波路型レーザ装置。
  9. 　レーザ媒質および非線形光学材料のうちの少なくとも一方における上下面のうち少なくとも一方の面上にクラッドが形成されていることを特徴とする請求項６記載の導波路型レーザ装置。
  10. 　異常光線に対して損失を与える構造は、
    　複屈折材料の側面、上面および下面のうち少なくとも一面にレーザ光を吸収する吸収層を配置することを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
  11. 　吸収層は、クロム、チタンのいずれかであることを特徴とする請求項１０記載の導波路型レーザ装置。
  12. 　異常光線に対して損失を与える構造は、
    　複屈折材料の固体レーザ素子への対向面とは反対側の面のうち、レーザ発振する常光線の光軸上にレーザ光を全反射する光学膜を形成し、かつ、前記反対側の面のうち、レーザ発振する異常光線の光軸上は荒し面または前記レーザ光を透過する光学膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の導波路型レーザ装置。
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