JP2000077750A

JP2000077750A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2000077750A
Application number: JP24327798A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kawashima; 利幸川嶋; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で、励起効率の高い固体レーザ装置を提
供する。【解決手段】固体レーザ装置１０は、Ｙｂ：ＹＡＧ結
晶からなる平板状のレーザ媒質１２と、レーザ媒質１２
を挟むように接して設けられ、レーザ媒質１２よりも屈
折率の小さいＹＡＧ結晶からなる平板状の下側クラッド
１４及び上側クラッド１６と、下側クラッド１４の下部
に設けられた誘電体多層膜１８と、誘電体多層膜１８を
介して下側クラッド１４の下部に設けられたヒートシン
ク２０と、レーザ媒質１２を挟んで誘電体多層膜１８と
対向して配置された出力ミラー２２と、レーザ媒質１２
を励起する励起光を出力する半導体レーザ２４と、半導
体レーザ２４から出力された光を集光し、レーザ媒質１
２の側面に入射させる集光レンズ群２６を備えて構成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体レーザ装置は、小型の装置から比較
的大出力のレーザ光を得ることができるため、従来から
材料加工、医療等の分野において広く用いられている。
また昨今では、さらなる大出力化に向けて、種々の研
究、開発がなされている。

【０００３】固体レーザ装置は通常、レーザ発振を起こ
させるレーザ媒質と、レーザ媒質に励起光を照射する励
起光源と、レーザ媒質を挟んで共振器を構成する１対の
反射鏡を備えて構成される。レーザ媒質は、一般に円形
ビームを出力するため、ロッド状（円柱形状）に形成さ
れ、かかるロッドの軸方向にレーザ光が出力される。

【０００４】しかし、ロッド状のレーザ媒質において
は、ロッドの中芯部の温度が表面部の温度と比較して高
くなり、この温度分布によって熱レンズ効果が生じ、レ
ーザ光の発生効率が低下してしまう。

【０００５】このため、大出力の固体レーザ装置には、
例えば"Multiwatt diode-pumped Yb:YAG thin disk las
er continuously tunable between 1018 and 1053 nm",
OPTICS LETTERS Vol.20,No.7,pp.713-pp.715(April 1,1
995)に示されるように、平板状のレーザ媒質をヒートシ
ンク上に載せた構造が採用される。ここで、薄い平板状
のレーザ媒質に、その主面から励起光を入射させる場合
は、レーザ媒質内における励起光の光路長が小さくな
り、励起効率が低下する。そこで、上記文献に記載の半
導体レーザ１は、図５に示すような構成となっている。
すなわち、ファイバ結合型半導体レーザ２から出射され
た励起光を、複数の集光ミラー３及び反射ミラー４を介
して、ヒートシンク５上に載置された平板状のレーザ媒
質６に対して、その主面から複数回照射し、出力ミラー
７を介してレーザ光を出力するという構成である。固体
レーザ装置１をかかる構成とすることで、励起光は、レ
ーザ媒質５内を厚さ方向に計８回通過することになる。
その結果、レーザ媒質６内を通過する励起光の光路長が
長くなり、励起効率を高めることが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記固体レー
ザ装置１には、以下に示す問題点があった。すなわち、
上記固体レーザ装置１は、複数の集光ミラー３及び反射
ミラー４を必要とするため、装置が大型化してしまうと
ともに、各集光ミラー３及び反射ミラー４の光軸を調整
することが著しく困難になる。

【０００７】また、レーザ媒質６をヒートシンク５上に
載置する場合は、冷却効率を考慮して、Ｉｎ膜などの接
着物質を介してレーザ媒質６とヒートシンク５とを密着
させる必要がある。しかし、かかる接着物質を用いる
と、接着物質とレーザ媒質６との界面における励起光の
散乱により、励起効率が低下してしまう。

【０００８】ここで、レーザ媒質６とＩｎ膜との間に誘
電体多層膜ミラーを設けることも考えられるが、励起光
は、集光ミラー３及び反射ミラー４によって様々な方向
からレーザ媒質６に入射するため、最適な反射特性を有
する誘電体多層膜ミラーを設計することが不可能とな
る。

【０００９】また、レーザ媒質６へ入射する励起光の吸
収効率を高めるべく、活性イオンである希土類（例えば
Ｙｂイオン）を高濃度にドープすることも考えられる
が、この場合は、励起されない活性イオンによるＹＡＧ
レーザ光の吸収が起こり、レーザ発振のしきい値が高く
なるため、半導体レーザから固体レーザへの光変換効率
が低下する。また、この光変換効率の低下を回避すべ
く、レーザ媒質６を厚くして吸収長を長くする場合は、
レーザ媒質６自体の体積が大きくなり、冷却効率が低下
する。

【００１０】そこで本発明は、上記問題点を解決し、小
型に構成できるとともに、励起効率の高い固体レーザ装
置を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体レーザ装置は、平板状のレーザ媒質
と、レーザ媒質よりも小さい屈折率を有する材料によっ
て平板状に形成され、その一方の主面をレーザ媒質の一
方の主面と接して設けられたクラッド部材と、クラッド
部材の他方の主面に接して設けられた反射膜と、反射膜
を介して、クラッド部材の他方の主面側に設けられたヒ
ートシンクと、レーザ媒質を挟んで、反射膜と対向して
配置された半透明鏡と、レーザ媒質を励起する励起光を
出力する光源と、光源から出力された励起光を集光し、
レーザ媒質の側面に入射させる集光手段とを備えたこと
を特徴としている。

【００１２】集光手段によって光源から出力された光を
集光し、レーザ媒質の側面に励起光入射させることで、
レーザ媒質内に入射した励起光は、レーザ媒質内を主面
に平行に近い方向に通過することになる。その結果、集
光レンズ、反射ミラー等の光学手段を用いることなく、
レーザ媒質内を通過する励起光の光路長を長くすること
ができる。

【００１３】また、レーザ媒質に接して屈折率の小さい
クラッド部材を設けることで、レーザ媒質の側面から入
射した励起光の多くはレーザ媒質とクラッド部材との界
面で全反射し、励起光はレーザ媒質内に閉じ込められ
る。また、レーザ媒質とクラッド部材との界面には接着
物質が設けられていないため、かかる界面における励起
光の散乱が防止される。

【００１４】本発明の固体レーザ装置は、クラッド部材
と略等しい屈折率を有する材料によって平板状に形成さ
れ、その一方の主面をレーザ媒質の他方の主面と接して
設けられた第２のクラッド部材をさらに備えたことを特
徴としても良い。

【００１５】レーザ媒質の他方の主面に接して上記クラ
ッド部材と屈折率の等しい第２のクラッド部材を設ける
ことで、レーザ媒質の一方の主面における臨界角と他方
の周面における臨界角とを略一致させることが可能とな
る。

【００１６】本発明の固体レーザ装置は、集光手段が、
光源から出力された光を、レーザ媒質の側面の厚さ方向
に集光させる第１の光束変換手段と、前記光源から出力
された光を、レーザ媒質の側面の幅方向に集光若しくは
拡散させる第２の光束変換手段とを備えたことを特徴と
してもよい。

【００１７】光源から出力された光を、レーザ媒質の側
面の厚さ方向に集光させる第１の光束変換手段と、レー
ザ媒質の側面の幅方向に集光若しくは拡散させる第２の
光束変換手段とを有することで、レーザ媒質の側面の幅
方向にのみ広がりを持った線状、楕円状あるいは長方形
状のビームスポットを有する光束を、レーザ媒質の側面
に入射させることができる。

【００１８】本発明の固体レーザ装置は、上記反射膜が
誘電体多層膜であることを特徴としてもよい。

【００１９】上記反射膜を誘電体多層膜とすることで、
レーザ媒質内で誘導放出される誘導放出光の当該反射膜
における反射率を高めることが可能となる。

【００２０】本発明の固体レーザ装置は、クラッド部材
がＹＡＧ結晶から形成されており、レーザ媒質がＹＡＧ
結晶にＹｂをドープしたＹｂ：ＹＡＧ結晶から形成され
ていることを特徴としてもよい。

【００２１】クラッド部材をＹＡＧ結晶から形成し、レ
ーザ媒質をＹＡＧ結晶にＹｂをドープしたＹｂ：ＹＡＧ
結晶から形成することで、レーザ媒質と、レーザ媒質よ
り屈折率の小さいクラッド部材とを比較的簡単に形成す
ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る固体レー
ザ装置について、図面を参照して説明する。まず、本実
施形態に係る固体レーザ装置の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る固体レーザ装置の構成図であ
る。

【００２３】固体レーザ装置１０は、平板状のレーザ媒
質１２と、レーザ媒質１２を挟むように接して設けられ
た下側クラッド１４（クラッド部材）及び上側クラッド
１６（第２のクラッド部材）と、下側クラッド１４の下
部に設けられた誘電体多層膜１８と、誘電体多層膜１８
を介して下側クラッド１４の下部に設けられたヒートシ
ンク２０と、レーザ媒質１２を挟んで誘電体多層膜１８
と対向して配置された出力ミラー２２（半透明鏡）と、
レーザ媒質１２を励起する励起光を出力する半導体レー
ザ２４（光源）と、半導体レーザ２４から出力された励
起光を集光し、レーザ媒質１２の側面に入射させる集光
レンズ群２６を備えて構成される。以下、各構成要素に
ついて詳細に説明する。

【００２４】レーザ媒質１２は、ＹＡＧ結晶にＹｂをド
ープしたＹｂ：ＹＡＧ結晶から形成されており、その形
状は約５ｍｍ角の主面を有し、厚さが約０．３ｍｍの平
板状になっている。

【００２５】下側クラッド１４及び上側クラッド１６
は、ＹＡＧ結晶から形成されており、その形状は約５ｍ
ｍ角の主面を有し、厚みが約０．２ｍｍの平板状になっ
ている。

【００２６】レーザ媒質１２の下面（一方の主面）と下
側クラッド１４の上面（一方の主面）、及び、レーザ媒
質１２の上面（他方の主面）と上側クラッド１６の下面
（一方の主面）は、高温度下で圧力をかける方法（拡散
結合法）によって互いに接合されている。

【００２７】下側クラッド１４の下面（他方の主面）に
は、当該下面全体にわたって誘電体多層膜１８が形成さ
れている。誘電体多層膜１８は、下側クラッド１４の下
面側から、屈折率が１．４６のＳｉＯ₂層と屈折率が
２．３のＴｉＯ₂層とを交互に１０ずつ積層して構成さ
れており、各層は、出力光となる誘導放出光の反射率を
高めるべく、層厚と材料の屈折率との積が誘導放出光の
波長（１０３０ｎｍ）の４分の１となるような厚さを有
している。また、上側クラッド１６の上面には、レーザ
媒質１２内で発生した誘導放出光の反射を防止するため
に、ＭｇＦ₂からなる反射防止膜１９が形成されてい
る。

【００２８】下側クラッド１４の下部には、誘電体多層
膜１８を介して下側クラッド１４を覆うように、銅製の
ヒートシンク２０が設けられている。ここで、誘電体多
層膜１８が設けられた下側クラッド１４の下面とヒート
シンク２０とは、厚さが５０μｍ程度のＩｎ膜２８を介
して密着されている。

【００２９】レーザ媒質１２を挟んで上記誘電体多層膜
１８と対向する位置、より具体的には、上側クラッド１
６の上面側であって上記誘電体多層膜１８と対向する位
置には、入射した光の一部を透過させるとともに一部を
反射させる出力ミラー２２が設けられており、当該出力
ミラー２２と上記誘電体多層膜１８とによってレーザ共
振器が構成される。

【００３０】半導体レーザ２４は、約１ｃｍ長の線状の
ビームスポットを有するレーザ光（波長９４０ｎｍ）を
出射する半導体レーザバー３０を、ＣｕＷ製のスペーサ
３２を介して当該線状の方向（図１の紙面垂直方向。以
下ｚ軸方向という）と垂直方向（ｙ軸方向）に６層積層
し、銅製のヒートシンク３３で挟み込んだ構成となって
いる。ここで、スペーサ３２の厚さが約０．４ｍｍであ
ることから、半導体レーザバー３０の積層ピッチも約
０．４ｍｍとなる。半導体レーザ２４から出力された励
起光、すなわち各半導体レーザバー３０から出射された
励起光は、ｚ軸方向およびｙ軸方向に拡がりながらｘ軸
方向に進行する。

【００３１】半導体レーザ２４の前方、すなわち半導体
レーザ２４の出射面に対向する位置には、半導体レーザ
２４から出力された励起光を集光し、上記レーザ媒質１
２の側面に入射させる集光レンズ群２６が設けられてい
る。集光レンズ群２６は、半導体レーザ２４側からマイ
クロレンズアレイ３４、第１のシリンドリカルレンズ３
６、第２のシリンドリカルレンズ３８（第１の光束変換
手段）及び第３のシリンドリカルレンズ４０（第２の光
束変換手段）を順次配置した構成となっている。また、
図２は、集光レンズ群２６を図１のｙ軸方向からみた場
合の模式的な平面図である。

【００３２】マイクロレンズアレイ３４は、各半導体レ
ーザバー３０の出射面の近傍に、その軸がｚ軸と平行と
なるように配置された直径が約０．４ｍｍの円柱状レン
ズから構成される。ここで、半導体レーザ２４は、半導
体レーザバー３０を６層積層した構成となっているた
め、マイクロレンズアレイ３４も、上記円柱状レンズを
６本並べて配置した構成となっている。かかるマイクロ
レンズアレイ３４によって、各半導体レーザバー３０か
ら出射され、ｙ軸方向に対して約４０゜の拡がり角を有
する励起光は、ｙ軸方向に集光され、ｙ軸方向に対して
は拡がらずに進行する平行光となる。

【００３３】第１のシリンドリカルレンズ３６は、一方
の主面が平面、他方の主面が凸形状の円柱面であるシリ
ンドリカルレンズであり、円柱の底面がｘｚ平面と平行
になるように配置されている。第１のシリンドリカルレ
ンズ３６によって、半導体レーザ２４から出射され、ｚ
軸方向に対して約１０゜の拡がり角を有する励起光は、
ｚ軸方向に集光され、ｚ軸方向に対しても拡がらずに進
行する平行光となる。

【００３４】第２のシリンドリカルレンズ３８は、一方
の主面が平面、他方の主面が凸形状の円柱面であるシリ
ンドリカルレンズであり、円柱の底面がｘｙ平面と平行
になるように配置されている。第２のシリンドリカルレ
ンズ３８によって、半導体レーザ２４から出射され、マ
イクロレンズアレイ３４、第１のシリンドリカルレンズ
３６によって平行化された励起光は、レーザ媒質１２の
側面の厚さ方向、すなわちｙ軸方向に集光される。

【００３５】第３のシリンドリカルレンズ４０は、一方
の主面が平面、他方の主面が凸形状の円柱面であるシリ
ンドリカルレンズであり、円柱の底面がｘｚ平面と平行
になるように配置されている。第３のシリンドリカルレ
ンズ４０によって、半導体レーザ２４から出射され、マ
イクロレンズアレイ３４、第１のシリンドリカルレンズ
３６によって平行化された励起光は、レーザ媒質１２の
側面の幅方向、すなわちｚ軸方向に集光される。

【００３６】従って、集光レンズ群２６によって、半導
体レーザ２４から出力された励起光は、ｙ軸方向、ｚ軸
方向のそれぞれに対して独立に集光される。その結果、
ｚ軸方向に延びる略線状、楕円状あるいは長方形状のビ
ームスポットを有する励起光を形成することができ、か
かる励起光はレーザ媒質１２の側面のうち、一の側面に
入射される。ここで、集光レンズ群２６を構成する第１
のシリンドリカルレンズ３６、第２のシリンドリカルレ
ンズ３８及び第３のシリンドリカルレンズ４０の位置ま
たは焦点距離は、半導体レーザ２４から出力された励起
光をレーザ媒質１２の側面に効率よく入射させるよう
に、適宜調節することが好ましく、特に、レーザ媒質１
２に対する開口数（Ｎ．Ａ．）を０．１以下とすること
が好適である。さらに、上記マイクロレンズアレイ３
４、第１のシリンドリカルレンズ３６、第２のシリンド
リカルレンズ３８及び第３のシリンドリカルレンズ４０
の表面には、励起光の表面反射を防止するために、誘電
体多層膜による反射防止膜がコーティングされている。

【００３７】レーザ媒質１２の側面のうち励起光が入射
する上記一の側面（以下、入射面という）には、入射す
る励起光の反射を防止するために、ＭｇＦ₂からなる反
射防止膜４２が設けられており、入射面以外の側面に
は、入射した励起光をレーザ媒質１２内に閉じ込めるた
めに、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とからなる反射膜４４が設けら
れている。

【００３８】続いて、本実施形態に係る固体レーザ装置
の作用について説明する。本実施形態に係る固体レーザ
装置１０を使用する場合は、まず半導体レーザ２４によ
って励起光を発生させる。半導体レーザ２４から出力さ
れた励起光は、集光レンズ群２６によって集光され、レ
ーザ媒質１２の側面に入射される。ここで、集光レンズ
群２６は、励起光をｙ軸方向に集光する第２のシリンド
リカルレンズ３８と、励起光をｚ軸方向に集光する第３
のシリンドリカルレンズ４０とを備えることで、励起光
束の断面を略線状（あるいは長方形状、楕円状）とする
ことができ、レーザ媒質１２の入射面に効率よく励起光
を入射させることが可能となる。

【００３９】レーザ媒質１２に励起光が入射し、励起光
がレーザ媒質１２内にドープされたＹｂイオンに吸収さ
れると、Ｙｂイオンのエネルギー状態が遷移し、誘導放
出光が発生する。ここで、レーザ媒質１２の入射面に入
射された励起光は、図３に示すように振る舞う。

【００４０】レーザ媒質１２の入射面には反射防止膜４
２が設けられているため、励起光は当該入射面において
反射損失なくレーザ媒質１２内に入射する。ここで、下
部クラッド１４及び上部クラッド１６はＹＡＧ結晶によ
って形成されているため、その屈折率は１．８２とな
る。これに対して、レーザ媒質１２は、ＹＡＧ結晶にＹ
ｂをドープしたＹｂ：ＹＡＧ結晶から形成されているた
め、下部クラッド１４及び上部クラッド１６に対して、
屈折率が０．１〜０．２％程度高くなっている。従っ
て、レーザ媒質１２と下側クラッド１４との界面、また
は、レーザ媒質１２と上側クラッド１６との界面に臨界
角より大きい角度で入射する光は、当該界面で全反射
し、レーザ媒質１２内に閉じ込められることになる。レ
ーザ媒質１２の側面から入射した励起光は、レーザ媒質
１２内を主面に平行に近い方向に進行するため、レーザ
媒質１２と下側クラッド１４との界面、または、レーザ
媒質１２と上側クラッド１６との界面への入射角は大き
く、大部分の励起光は当該界面で全反射する。ここで、
特に、レーザ媒質１２に対する開口数（Ｎ．Ａ．）が
０．１以下となるように集光レンズ群２６を設計した場
合は、レーザ媒質１２に入射した励起光のほぼ１００％
が全反射条件を満たすことになり、励起光が効率よくレ
ーザ媒質１２内に閉じ込められる。また、レーザ媒質１
２の入射面以外の側面に反射膜４４が設けられているこ
とで、入射面に対向する面に到達した励起光は反射膜４
４によって反射され、再度入射面の方向に進行する。そ
の結果、レーザ媒質１２内を進行する励起光の光路長を
極めて大きくすることが可能となる。また、レーザ媒質
１２と下側クラッド１４との界面、または、レーザ媒質
１２と上側クラッド１６との界面にＩｎ膜等の層を設け
ず、屈折率の変化によって励起光をレーザ媒質１２内に
閉じ込めることにより、かかる界面で励起光が散乱する
ことが防止される。また本構成は、下側クラッド１４と
上側クラッド１６とをＹＡＧ結晶で形成し、レーザ媒質
１２をＹＡＧ結晶にＹｂをドープしたＹｂ：ＹＡＧ結晶
で形成することから、特殊な製造プロセス等が不要であ
り、比較的簡単に形成することができる。

【００４１】誘導放出によって発生した波長１０３０ｎ
ｍの光は、誘電体多層膜１８と出力ミラー２２とを介す
る共振作用によって増幅され、レーザ媒質１２の主面の
法線方向、すなわち図１のｙ軸方向にレーザ光として出
射される。この際、共振器を構成する反射鏡として誘電
体多層膜１８を設けることで上記１０３０ｎｍ波長光の
みを効率よく反射させることができるとともに、上側ク
ラッド１６の上面に反射防止膜１９が形成されているこ
とで、上側クラッド１６の上面でレーザ光が反射される
ことが防止される。

【００４２】レーザ発振が生じている間、レーザ媒質１
２はヒートシンク２０によって冷却される。ここで、レ
ーザ媒質１２は平板状となっていることで、ロッド状の
レーザ媒質と比較して、レーザ媒質１２全体が極めて効
率よく冷却される。ここで、レーザ媒質１２の厚さ、ヒ
ートシンク２０の冷却能等によって、レーザ媒質１２内
にわずかな温度勾配が生じる場合も考えられるが、かか
る温度勾配は、レーザ媒質１２の厚さ方向、すなわち図
１のｙ軸方向への１次元的な温度勾配であり、ｙ軸方向
に出射されるレーザ光に対しては、熱レンズ効果、レー
ザ媒質１２の熱変形等による影響を何ら及ぼすものでは
ない。

【００４３】続いて、本実施形態に係る固体レーザ装置
の効果について説明する。本実施形態に係る固体レーザ
装置１０は、半導体レーザ２４から出射された励起光を
第２のシリンドリカルレンズ３８によってｙ軸方向に集
光させ、第３のシリンドリカルレンズ４０によってｚ軸
方向に集光させる。従って、励起光のビームスポットを
略線状、楕円状あるいは長方形状とすることができ、レ
ーザ媒質１２の一の側面である入射面に均一かつ効率よ
く励起光を入射させることが可能となる。その結果、固
体レーザ装置１０の励起効率が向上する。

【００４４】また、本実施形態にかかる固体レーザ装置
１０は反射光を側面から入射させるとともに、レーザ媒
質１２を、該レーザ媒質１２よりも屈折率の低い下部ク
ラッド１４及び上部クラッド１６で挟む構造を有し、ま
た、レーザ媒質１２に対する開口数（Ｎ．Ａ．）が０．
１以下となるように集光レンズ群２６を設計している。
従って、励起光は、レーザ媒質１２と下側クラッド１４
との界面、または、レーザ媒質１２と上側クラッド１６
との界面でほぼ１００％全反射して進行する。また、レ
ーザ媒質１２の入射面以外の側面に反射膜４４が設けら
れていることで、入射面に対向する面に到達した励起光
は反射膜４４によって反射され、再度入射面の方向に進
行する。その結果、レーザ媒質１２内を進行する励起光
の光路長を極めて大きくすることが可能となり、励起効
率が向上する。さらに、集光ミラー、反射ミラー等の特
別な光学手段を設けることなくレーザ媒質１２内を進行
する励起光の光路長を極めて大きくすることができるこ
とから、装置の小型化も実現する。

【００４５】さらに、本実施形態に係る固体レーザ装置
１０は、レーザ媒質１２と下側クラッド１４及び上側ク
ラッド１６とを密着させる際に接着物質等を用いていな
いため、当該界面で励起光が散乱することが防止され
る。その結果、散乱による光の損失が押さえられ、励起
効率が向上する。

【００４６】また、本実施形態に係る固体レーザ装置１
０は、共振器を構成する反射鏡として誘電体多層膜１８
を用いることで誘導放出光のみを効率よく反射させ、レ
ーザ発光効率を向上させることが可能となる。

【００４７】本実施形態に係る固体レーザ装置１０と上
記従来技術に係る固体レーザ装置１との効率を比較して
みると以下のようになる。上記従来技術に係る固体レー
ザ装置１は、半導体レーザから発せられた励起光を光フ
ァイバに導光する際の光結合効率が約８０％、光ファイ
バの出力端から出力された励起光を集光ミラー３、反射
ミラー４を介してレーザ媒質６に入射させる際の入射効
率が約７０％、レーザ媒質６における励起光の吸収効率
が約９０％であることから、これらの各効率を掛け合わ
せることにより、励起効率は約５０％となる。

【００４８】これに対して、本実施形態に係る固体レー
ザ装置１０は、半導体レーザ２４から出力された励起光
を集光レンズ群２６を介してレーザ媒質１２に入射させ
る際の入射効率が約９５％、レーザ媒質１２における励
起光の吸収効率が約９９％であることから、これらの各
効率を掛け合わせることにより、励起効率は約９４％と
なり、上記従来技術に係る固体レーザ装置１と比較し
て、励起効率が極めて高くなる。

【００４９】上記実施形態に係る固体レーザ装置１０に
おいては、レーザ媒質１２を下側クラッド１４と上側ク
ラッド１６とで挟んだ構成をとっていたが、図４に示す
ように、上側クラッド１６を設けない固体レーザ装置５
０のような構成をとっても良い。上側クラッド１６を設
けない場合であっても、レーザ媒質１２の屈折率が空気
の屈折率（１．００）よりも大きいことから、臨界角以
上の入射角を持ってレーザ媒質１２と空気との界面に入
射する励起光は、かかる界面で全反射し、レーザ媒質１
２内に閉じ込められる。

【００５０】また、上記実施形態に係る固体レーザ装置
１０においては、第３のシリンドリカルレンズ４０は、
凸形状の主面を有するレンズであったが、これは凹形状
の主面を有し、半導体レーザ２４から出力された励起光
をレーザ媒質１２の側面の幅方向に拡散させるものであ
っても良い。半導体レーザバー３０が出射する励起光の
ｚ軸方向への拡がりがレーザ媒質１２の側面の幅よりも
小さい場合は、かかる凹形状の主面を有するシリンドリ
カルレンズを用いてビームスポットをレーザ媒質１２の
側面の幅方向に拡散させることで、レーザ媒質１２の側
面に均一かつ効率よく励起光を入射させることができ
る。

【００５１】さらに、上記実施形態に係る固体レーザ装
置１０においては、レーザ媒質１２の母結晶としてＹＡ
Ｇ結晶を用いていたが、これはＹＬＦ、ＹＶＯ₄、Ｓ−
ＦＡＰ、サファイア、ガラス、アレキサンドライト、フ
ォルステライト、ガーネットなど、固体レーザ装置のレ
ーザ媒質として通常用いられる様々な材料を用いても実
現可能である。特に、クラッド材として、ＹＡＧ結晶よ
りも屈折率が小さく、熱伝導度の高い単結晶サファイア
等を用いる場合は、極めて励起効率が高くなり、高出力
な固体レーザ装置が実現する。

【００５２】また、ドープする元素についてもＹｂに限
らず、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍなどの他の希土類元素
や、Ｃｒ、Ｔｉなどの遷移元素を用いることも可能であ
る。

【００５３】

【発明の効果】本発明の固体レーザ装置は、励起光を平
板状のレーザ媒質の側面に入射させ、レーザ媒質に接し
て屈折率の小さいクラッド部材を設けることで、励起光
をレーザ媒質内に閉じ込め、レーザ媒質内を通過する励
起光の光路長を長くすることができる。その結果、励起
効率の高い固体レーザ装置が実現する。また、励起光の
光路長を長くするために、反射ミラー等の特別な光学手
段を設けることが不要であり、固体レーザ装置を小型に
構成することが可能となる。

【００５４】また、本発明の固体レーザ装置は、レーザ
媒質の他方の主面に接して上記クラッド部材と屈折率の
等しい第２のクラッド部材を設けることで、レーザ媒質
の一方の主面における臨界角と他方の周面における臨界
角とを略一致させることが可能となる。その結果、レー
ザ媒質内に励起光を均一に通過させることが可能とな
り、励起効率が向上する。

【００５５】また、本発明の固体レーザ装置は、光源か
ら出力された励起光を、第１の光束変換手段によってレ
ーザ媒質の側面の厚さ方向に集光させ、第２の光束変換
手段によってレーザ媒質の側面の幅方向に集光若しくは
拡散させることで、レーザ媒質の側面の幅方向にのみ拡
がりを持った略線状、楕円状あるいは長方形状のビーム
スポットを有する光束を形成し、レーザ媒質の側面に均
一かつ効率よく入射させることができ、励起効率が向上
する。

【００５６】さらに、本発明の固体レーザ装置は、上記
反射膜として誘電体多層膜を用いることで、レーザ媒質
内で放出される光の反射率を選択的に高めることが可能
となり、レーザ発生効率が向上する。

【００５７】さらに、本発明の固体レーザ装置は、クラ
ッド部材をＹＡＧ結晶、レーザ媒質がＹＡＧ結晶にＹｂ
をドープしたＹｂ：ＹＡＧ結晶から形成することで、固
体レーザ装置を比較的簡単に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体レーザ装置の構成図である。

【図２】集光レンズ群の模式的な平面図である。

【図３】レーザ媒質内の光の経路を示す説明図である。

【図４】固体レーザ装置の構成図である。

【図５】従来の固体レーザ装置の構成図である。

【符号の説明】

１０、５０…固体レーザ装置、１２…レーザ媒質、１４
…下側クラッド、１６…上側クラッド、１８…誘電体多
層膜、１９…反射防止膜、２０…ヒートシンク、２２…
出力ミラー、２４…半導体レーザ、２６…集光レンズ
群、２８…Ｉｎ膜、３０…半導体レーザバー、３２…ス
ペーサ、３３…ヒートシンク、３４…マイクロレンズア
レイ、３６…第１のシリンドリカルレンズ、３８…第２
のシリンドリカルレンズ、４０…第３のシリンドリカル
レンズ、４２…反射防止膜、４４…反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状のレーザ媒質と、前記レーザ媒質よりも小さい屈折率を有する材料によっ
て平板状に形成され、その一方の主面を前記レーザ媒質
の一方の主面と接して設けられたクラッド部材と、前記クラッド部材の他方の主面に接して設けられた反射
膜と、前記反射膜を介して、前記クラッド部材の前記他方の主
面側に設けられたヒートシンクと、前記レーザ媒質を挟んで、前記反射膜と対向して配置さ
れた半透明鏡と、前記レーザ媒質を励起する励起光を出力する光源と、前記光源から出力された励起光を集光し、前記レーザ媒
質の側面に入射させる集光手段とを備えたことを特徴と
する固体レーザ装置。
【請求項２】前記クラッド部材と略等しい屈折率を有
する材料によって平板状に形成され、その一方の主面を
前記レーザ媒質の他方の主面と接して設けられた第２の
クラッド部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１
に記載の固体レーザ装置。
【請求項３】前記集光手段は、前記光源から出力された光を、前記レーザ媒質の側面の
厚さ方向に集光させる第１の光束変換手段と、前記光源から出力された光を、前記レーザ媒質の側面の
幅方向に集光若しくは拡散させる第２の光束変換手段と
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の固
体レーザ装置。
【請求項４】前記反射膜は誘電体多層膜であることを特
徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体レー
ザ装置。
【請求項５】前記クラッド部材は、ＹＡＧ結晶から形成
されており、前記レーザ媒質は、ＹＡＧ結晶にＹｂをドープしたＹ
ｂ：ＹＡＧ結晶から形成されていることを特徴とする請
求項１〜４のいずれか１項に記載の固体レーザ装置。