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半導体レーザー励起固体レーザー - 富士写真フイルム株式会社
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発明の名称 半導体レーザー励起固体レーザー
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−102667(P2001−102667A)
公開日 平成13年4月13日(2001.4.13)
出願番号 特願平11−278631
出願日 平成11年9月30日(1999.9.30)
代理人 【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2K002
5F072
【Fターム(参考)】
2K002 AB12 AB27 AB40 CA03 DA01 GA10 HA20 
5F072 AB20 JJ20 KK08 KK12 KK30 MM08 PP07 QQ02 RR01 SS01
発明者 足立 貴志
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 少なくとも固体レーザー結晶を含んだ共振器と、前記固体レーザー結晶を励起する半導体レーザーとを備えた半導体レーザー励起固体レーザーにおいて、前記共振器内に配された光学部品の少なくとも1つの光通過面が、共振器光軸に直交する少なくとも1つの方向において、1/e2 径として規定される固体レーザービーム直径の1.5〜7倍のサイズとされていることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー。
【請求項2】 前記共振器内に、固体レーザービームを波長変換する非線形光学結晶が配されていることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
【請求項3】 前記光学部品が固体レーザー結晶であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
【請求項4】 前記光学部品が前記非線形光学結晶であることを特徴とする請求項2記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
【請求項5】 前記非線形光学結晶が周期ドメイン反転構造を有するものであることを特徴とする請求項3または4記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
【請求項6】 前記周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結晶が、MgOあるいはZnOがドープされたLiNbO3 結晶であることを特徴とする請求項5記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザー励起固体レーザーに関し、特に詳細には、横モードが高次化することを防止した半導体レーザー励起固体レーザーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば特開平7−302946号に示されるように、ネオジウム等の希土類が添加された固体レーザー結晶を半導体レーザー(レーザーダイオード)によってポンピングする半導体レーザー励起固体レーザーが公知となっている。この半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、上記特開平7−302946号にも示されている通り、共振器内に光波長変換素子を配して、発振した固体レーザービームを第2高調波等に波長変換(短波長化)することも広く行なわれている。
【0003】ところで、上述のような半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、共振器内に配された光学部品の欠陥や、その光通過面に付着した微小な異物等により、横モードが高次化してしまう現象が認められる。この現象を抑制するために、従来、例えば特開平11−103115号に示されるように、0次モード光の周囲部の光路を遮断する遮光部品を設けたり、あるいは特開平11−109426号に示されるように共振器内にアパーチャやスリットを挿入することが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の遮光部品、アパーチャあるいはスリットを設けると、当然ながらレーザーの部品点数が増えるので、それによってレーザーのコストが高くついたり、さらには調整が困難になるという問題が生じる。
【0005】本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、横モードが高次化することを防止可能で、しかも部品点数増加によるコスト増や調整困難化の問題も回避できる半導体レーザー励起固体レーザーを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体レーザー励起固体レーザーは、少なくとも固体レーザー結晶を含んだ共振器と、固体レーザー結晶を励起する半導体レーザーとを備えた半導体レーザー励起固体レーザーにおいて、共振器内に配される光学部品の少なくとも1つの光通過面が、共振器光軸に直交する少なくとも1つの方向において、1/e2 径として規定される固体レーザービーム直径(該光通過面における直径)の1.5〜7倍のサイズとされていることを特徴とするものである。
【0007】なお1/e2 径とは、ビーム強度が、ビーム中心強度の1/e2 以上となっている範囲のビーム直径である。
【0008】また上述の光学部品は、例えば固体レーザー結晶であることが望ましい。また、固体レーザービームを波長変換する非線形光学結晶が共振器内に配される場合は、その非線形光学結晶であってもよい。
【0009】
【発明の効果】固体レーザー結晶を含んだ共振器においては、共振器内をジグザグに複数回往復する高次の横モードが存在する。この高次モードは、励起体積が大きいほど発振しやすくなっている。また、0次横モード光よりも外側の光路を通る高次モードも存在する。したがって、この0次横モード光の外側の光路を遮断してやれば、この高次モードの発振を抑制することができる。
【0010】上述した通り本発明の半導体レーザー励起固体レーザーでは、共振器内に配された光学部品の少なくとも1つの光通過面が、共振器光軸に直交する少なくとも1つの方向において、固体レーザービーム直径の1.5〜7倍のサイズとされていることにより、0次横モード光の外側の光路を遮断したのと同様の効果が得られる。すなわち、光学部品の光通過面のサイズを上記のように設定しておくと、ジグザグに複数回往復する光がこの光学部品の外側を通ったり、あるいはこの光学部品のエッジ部分をかすめるようになって損失が大きくなり、発振不可能となる。それにより本発明の半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、高次モードの発振が確実に抑制される。
【0011】この効果が顕著に得られるのは、上記光学部品の光通過面のサイズが固体レーザービーム直径の7倍以下になっている場合である。具体的に、本発明者の実験によると、この光通過面のサイズが固体レーザービーム直径の7倍を超えて7.5倍となっている場合、半導体レーザー励起固体レーザー個体間のレーザービームのビーム拡がり角のばらつきは15%p-p(ピーク・トゥ・ピーク)であったのに対し、その光通過面のサイズを固体レーザービーム直径の7倍にした場合、上記ばらつきは3%p-pに抑えられた。このばらつきが低いのは、横モードが高次化していないからと考えられる。
【0012】なお、上記光学部品の光通過面のサイズを、固体レーザービーム直径の1.5倍よりも小さくすると、0次横モード光自身の裾部のケラレにより、出力が大きく低下してしまう。具体的に、上記光学部品の光通過面のサイズが、固体レーザービーム直径の1.5倍以上であれば、上記ケラレによる損失は事実上無視できる1%程度に抑えることができる。上記光学部品の光通過面のサイズが固体レーザービーム直径の1.5倍未満であると、共振器内に貯えられる固体レーザービームのパワーが、該サイズが固体レーザービーム直径の3倍以上の場合と比べて1/2未満になってしまい、また特に波長変換を行なう場合は波長変換波の出力が1/4未満になってしまうので、実用には不適となる。
【0013】そして本発明の半導体レーザー励起固体レーザーは、横モードが高次化することを抑制するために新たな部品を必要とするものではないから、部品点数増加によるコスト増や調整困難化の問題も回避できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態による半導体レーザー励起固体レーザーの側面形状を示すものである。この半導体レーザー励起固体レーザーは、励起光としてのレーザービーム10を発する半導体レーザー11と、発散光である上記レーザービーム10を集光する集光レンズ13と、ネオジウム(Nd)がドープされた固体レーザー結晶であるYVO4 結晶(以下、Nd:YVO4 結晶と称する)14と、このNd:YVO4 結晶14の前方側(図中右方側)に配された共振器ミラー15と、Nd:YVO4 結晶14と共振器ミラー15との間に配された光波長変換素子16、ブリュースター板17およびエタロン18とを有している。
【0015】光波長変換素子16は、非線形光学材料である、MgOがドープされたLiNbO3 結晶に周期ドメイン反転構造が設けられてなるものである。ブリュースター板17は偏光制御素子として作用し、またエタロン18は発振波長を単一化させる波長選択素子として作用する。
【0016】半導体レーザー11は、波長 809nmのレーザービーム10を発するものが用いられている。Nd:YVO4 結晶14は、上記レーザービーム10によってネオジウムイオンが励起されることにより、波長1064nmの光を発する。そしてNd:YVO4 結晶14の後方端面14aと共振器ミラー15のミラー面15aとで構成される共振器によりレーザー発振が引き起こされて、波長1064nmの固体レーザービーム20が得られる。このレーザービーム20は光波長変換素子16に入射して、波長が1/2すなわち 532nmの第2高調波21に変換される。
【0017】共振器ミラー15のミラー面15aには、励起光であるレーザービーム10および固体レーザービーム20は高反射率で反射し、第2高調波21は透過させるコートが施されており、したがってこの共振器ミラー15からはほぼ第2高調波21のみが出射する。
【0018】なお本例において、共振器ミラー15は曲率半径が50mmの凹面鏡であり、そのミラー面15aとNd:YVO4 結晶14の後方端面14aとの間の距離つまり共振器長(図1中のL寸法)は、約10mmとされている。
【0019】ここで図2に示すように、Nd:YVO4 結晶14は直方体状に加工されたものであり、その1つの光通過面である後方端面14aのサイズは0.5mm×0.5mmである。またNd:YVO4 結晶14は、後方端面14aが共振器光軸に対して垂直となる向きに配されている。
【0020】そしてこの後方端面14aの位置において、固体レーザービーム20の直径(1/e2 径)は160μmである。したがって本実施形態の場合、共振器光軸に直交するx方向およびy方向において、Nd:YVO4 結晶14の後方端面14aのサイズは、それぞれ固体レーザービーム20の直径の1.5〜7倍の範囲に含まれる約3.1倍となっている。そこで、この半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、横モードが高次化することが確実に防止される。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
【0021】具体的に、上記Nd:YVO4 結晶14に代えて光通過面のサイズが3mm×3mmであるNd:YVO4 結晶を用い、その他の構成は上記実施形態と同様とした比較例においては、0次横モードと高次横モードとが混じって発振していたのが確認された。それに対して上記実施形態の半導体レーザー励起固体レーザーでは、安定した0次横モード発振状態が得られた。
【0022】以上、固体レーザー結晶であるNd:YVO4 結晶の光通過面を、共振器光軸に直交する少なくとも1つの方向において、固体レーザービーム直径の1.5〜7倍のサイズとした実施形態について説明したが、本発明においてこのように光通過面のサイズを規定する光学部品は固体レーザー結晶に限られるものではなく、図1の構成においては光波長変換素子16の光通過面のサイズを上述のように規定しても、固体レーザービームの横モードが高次化することを防止できる。そのような例として、次に本発明の第2実施形態を説明する。
【0023】この第2実施形態の半導体レーザー励起固体レーザーは、図1に示した第1実施形態と比べると、光波長変換素子16に代えて図3に示す光波長変換素子30が用いられた点が異なり、その他の点は基本的に第1実施形態と同様に形成されたものである。光波長変換素子30は、非線形光学材料である、MgOがドープされたLiNbO3 結晶に周期ドメイン反転構造が設けられてなるものである。
【0024】図3に示される通り光波長変換素子30は、その1つの光通過面である後方端面30aのサイズが1.8mm×0.5mmのものである。そしてこの場合も、後方端面30aの位置において、固体レーザービーム20の直径(1/e2 径)は160μmである。
【0025】したがって本実施形態の場合、共振器光軸に直交するy方向つまり結晶厚み方向において、光波長変換素子30の後方端面30aのサイズは、固体レーザービーム20の直径の1.5〜7倍の範囲に含まれる約3.1倍となっている。そこで、この半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、光波長変換素子30の厚み方向において、横モードが高次化することが防止される。
【0026】なお、上記光波長変換素子30を切断して、その後方端面30aの幅方向つまりx方向のサイズを、固体レーザービーム20の直径の1.5〜7倍の範囲に含まれる値(最大で約1.1mm)にすれば、光波長変換素子30の幅方向において横モードが高次化することも防止できる。さらに光波長変換素子30を、非線形光学材料である、ZnOがドープされたLiNbO3 結晶に周期ドメイン反転構造が設けられてなるものとしても、同様の効果を得ることができる。




 

 


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