JPH0414279A - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ装置により発光された励起光に
よりＹＡＧ等の固体レーザ媒質中の活性物質を光励起す
る固体レーザ装置、とくに大出力の基本モードで発振さ
れたレーザ光を取り出すに適するものに関する。

［従来の技術〕 周知のように、Ｎｄ等の活性物質を含むＹＡＧ等の光学
結晶やガラスをロフトやスラブに形成したレーザ媒質を
用いる固体レーザは光励起するのが一般である。このた
めの励起光源にはタングステンハロゲンランプやクリプ
トン放電灯が用いられることが多いが、これらランプの
紫外から近赤外に亘る広い発光スペクトル中でレーザ媒
質により吸収されレーザ発振に寄与するのはごく狭い波
長範囲に限られるので、レーザの発振効率が低下するだ
けでなく、励起に貢献しない成分光がレーザ媒質内で熱
に変わるので、温度上昇による屈折率変化に基づく熱レ
ンズ効果によりレーザビームの質が低下したり、固体レ
ーザ媒質が熱破壊したりする問題が発生しやすい。

これに対し、半導体レーザは発光スペクトルが非常に狭
く、例えばＧａＡｌＡｓ系レーザダイオードはＮｄを含
むＹＡＧの励起に適する０、８１１！ｍ付近の発光波長
をもち、しかもＡＩの混晶比を変えてこの波長を微調整
できる利点がある。

このため半導体レーザは、発光量が小さいｒｊＩＭはあ
るが、固体レーザ媒質の光励起に有利で光源として注目
されている。以下、この半導体レーザを励起光源に用い
た固体レーザ装置を第２図以陵を参照して説明する。

第２図はレーザ媒質１１をその端面１１ａから励起する
例である。半導体レーザ１２からの励起光ＥＬはコリメ
ータレンズ１３ａと集光レンズ１３ｂからなる集光手段
１３によりレーザ媒質ｌｌ内に端面１１ａから投射され
て焦点Ｆに集光される。この端面１１ａには０．８１−
の励起光ＥＬには高透過性で１．０６−の発振レーザ光
りには高反射性の波長選択性をもつコーティングが施さ
れる。他方の端面１１ｂにはレーザ光りに対して高透過
性のコーティングが施され、これに反射率が例えば０．
９５程度の部分反射、１１１４が対向配置される。レー
ザ共振系はレーザ媒質１１の端面１１ａと部分反射鏡１
４との間に形成され、部分反射鏡１２の位置の微調整に
よりレーザ発振と同調される。レーザ光出力しＯはもち
ろん部分反射鏡１４を介して取り出される。

この第２図の従来例は励起光ＥＬをレーザ媒質１１の端
面１１ａ側から注入するいわば端面励起形で、ＴＥＭｏ
ｏモードと呼ばれる基本モードの発振にとくに適するに
対して、第３図に示された従来技術はレーザビームの出
力を上げるに通する側面励起形である。

すなわち、第３図（ａ）に示すようにレーザ媒質１１の
側面に置かれた半導体レーザアレイ２４からの励起光Ｅ
Ｌによってこれを側面から励起する。半導体レーザのチ
ップは１１立方程度の小さなもので、製作時にはウェハ
からそれが１列に並んだバーの状態を経てチップに分離
する。励起光源としての半導体レーザアレイ２４はかか
るバーの状態をそのまま利用するもので、同図（ｂ）の
ようにロッド状のレーザ媒質１１の側方にこれを置いて
、励起光εＬを周面１１ｃからレンズ効果を利用してレ
ーザ媒質１１の内部に注入する。なお、この第３図の従
来例におけるレーザ共振系は、同図（ａ）のように出力
鏡としての部分反射鏡１４とレーザ媒質１１の反対側に
置かれた全反射鏡１５の間に形成される。

二の側面励起形では、レーザ媒１ｒｌｌＯ軸方向に沿い
複数個の半導体レーザを配列することにより励起光量を
増して高出力化できるが、励起光ＥＬの注入密度があま
り高くな（基本モードだけの発振が困難なので、発振効
率やレーザビームの品質の点で端面励起形に及ばない。

第４図に基本モード発振と高出力発振に適する従来例を
示す。この従来技術ではレーザ媒質１６に偏平な方形断
面をもついわゆるスラブ形を用い、その１対の側面１６
ａに高反射性のコーティングを施して置いて、斜面１６
ｂからレーザ媒質１６に出入するレーザ光りを図示のよ
うに両側面１６ａで反射させながらその内部でジグザグ
状に進行させる。

斜面１６ｂにそれぞれ対向するように部分反射鏡１４お
よび全反射鏡１５を配置してレーザ共振系を形成させる
。励起光ＢＬは図示しない半導体レーザからそれぞれ光
ファイバ２５を介して導かれ、セルフォックスレンズ２
６により集光され、レーザ媒質１６に両側面１６ａのレ
ーザ光りの各反射点からそのごく浅い表面部に高密度で
注入される。

第５図の従来例は第４図の構造を簡単化してその実用性
を高めたものである。レーザ媒質１７に上と同様な方形
断面のものを用い、レーザ光りがその両側面で第４図の
場合より鋭角に反射しながら内部をジグザグ状に進行す
るよう、部分反射鏡１４と全反射鏡１５の位置を設定す
ることにより、その側面１７ａにおける反射点を互いに
近接させ、この反射点が並んだレーザ媒質１７の表面領
域に半導体レーザアレイ２４からの励起光ＥＬをシリン
ドリカルレンズ２７により集光して注入する。

〔発明が解決しようとする課題］ 以上説明したいずれの従来技術においても、半導体レー
ザ光で固体レーザ装置を励起することによる前述の利点
を生かしながら、レーザ発振効率を極力高め、レーザビ
ームをできるだけ高出力化し、かつ基本モードの発振に
よりレーザビームの品質を向上する努力が払われて来た
のであるが、残念ながらいずれにも一長一短があって、
これらの要求を充分にないしは同時に満たし得るものが
少ないのが現状である。

すなわち、第２図の端面励起形固体レーザ装置では、励
起光ＥＬをレーザ媒質ｌｌ内の焦点Ｆ付近の小領域に高
密度に集中できるので、発振しきい値が低くかつ発振効
率が高い利点をもつほか、基本モードだけの発振が容易
なので、レーザビームの品質に優れる特長がある。しか
し、レーザ媒［１１の狭い端面１１ａから注入できる励
起光ＥＬの総光量が制約されてしまうので、この端面励
起形の固体レーザ装置は本質的に高出力レーザビームの
発振には不向きな欠点がある。

この点、第３図の側面励起形固体レーザ装置では、前述
のようにレーザ媒質１１の軸方向に沿って多数個の半導
体レーザをアレイ２４の形に配列して励起光ＥＬの注入
総光量を増加し得るから、高出力レーザビームの発振に
適する本質的な利点はあるものの、レーザ媒質１１への
励起光ＥＬの注入密度が端面励起形と比べてかなり低く
、しかも実際には基本モードだけの発振が困難な場合が
多いので、レーザビームの発振効率と品質の点でまだ改
良すべき問題が残っている。

第４図の従来例は端面励起形や側面励起形がもつかかる
欠点を解消し得るもので、多数の半導体レーザから励起
光ＥＬをレーザ媒質１６に注入できるので高出力化が容
易であり、がっレーザ媒質１６の側面のレーザ光りの各
反射点に励起光ＥＬを高密度注入できるので、発振効率
が高く基本モードだけの発振に適する利点が得られる。

しかし、多数のセルフォックスレンズ２６を用いるので
構造が複雑になり、それらの位置や角度を各反射点に合
わせて一々調整する必要があり、運転中に狂いも生じや
すい。このため、原理的には優れていてもその実用性は
あまり高くない。

第５図の従来技術ではかかる構造や光学的調整が簡単に
なり、高出力化が可能で、励起光の注入密度もかなり高
くて発振効率が高く、基本モード発振も可能である。し
かし、レーザ媒質１７の図の右側面中のレーザ光りの反
射部１７ａに高反射性のコーティングを施し、その出入
部１７ｂに高透過性の別のコーティングを施さねばなら
ない点が実際面ではまだかなり厄介である。

また、第４図と第５図のいずれの従来例でも、レーザ媒
質内のレーザ光が側面で反射を繰り返すつど減衰して行
く問題があり、この反射損失を許容限度内に抑え得る良
質な高反射性コーティングをレーザ媒質の側面に施すの
が実際上はかなり困難であり、かつ運転中にかかるコー
ティングの反射特性の劣化が起こりやすい。

本発明は従来技術がもつかかる問題点を解決して、高出
力で高品質のレーザビームを安定に発振できる半導体レ
ーザ励起固体レーザ装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によればこの目的は、光共振系内に置かれた固体
レーザ媒質内の小領域に励起光を注入しこれと同方向に
レーザ光を発振させる発振部と、この発振レーザ光を別
の固体レーザ媒質に受けその内部を通過するレーザ光の
光路に対し側方から励起光を注入してレーザ光を非発振
条件で増幅する増幅部とを設け、増幅部からレーザビー
ム出力を取り出すことにより達成される。

なお、励起光源用の半導体レーザにはレーザダイオード
が最適であり、発振部にはその単体を増幅部にはそれが
アレイ状に並んだ前述のレーザダイオードバーをそれぞ
れ用いるのがよい。

発振部のレーザ媒質にはロッド形が適し、この発振部を
端面励起形のレーザ発振器として構成して基本モードで
発振させるのが望ましい。

これに対して、増幅部用の別のレーザ媒質にはスラブ形
が適し、この増幅部をスラブの大面積の側面から励起光
を注入する側面励起形のレーザ光増幅器として構成する
のが望ましい。さらにこの場合、スラブ形のレーザ媒質
内にレーザ光をその光路を順次ずらせながらスラブの軸
方向に複数回通過させ、この各光路に対し半導体レーザ
アレイから励起光をスラブの側面から注入するのが有利
である。なお、このようにレーザ媒質内にレーザ光を複
数回ｉ！１ｉｊ４させるには、例えば１対の反射鏡をレ
ーザ媒質と組み合わせればよく、またレーザ光の通路を
順次ずらせるには、両度射鏡の方向を互いにずらせるこ
とでよい。

〔作用］ 本発明では、上記構成中の発振部にはもっばら高品質の
レーザ光を発生する役目を、増幅部にはこのレーザ光を
もっばら高出力のレーザビームに増幅する役目を、いず
れの部分でも半導体レーザによる光励起を利用しながら
、それぞれ機能別に専門に分担させることにより、後者
から取り出すレーザビームに高品質と高出力を兼備させ
る。

すなわち、レーザビームの品質向上にはこれに基本モー
ドのみを含ませることが望ましく、そのためにはレーザ
光を基本モードで発振させる必要があるが、マルチモー
ドの発生原因であるレーザ共振系を備える発振部では発
振出力を上げない方が基本モード発振に有利である。つ
まり、小出力のレーザ発振ではレーザ媒質の小領域内に
励起光を集光して高密度で注入でき、温度上昇に基づく
熱レンズ効果も最小になるので基本モードのみを容易に
発振でき、励起光をレーザ媒質の複数個所に注入する場
合の構造の複雑化や基本モード発振からのずれも防止で
きる。

本発明では、このようにして発振させた高品質のレーザ
光を増幅部に与えて高出力レーザビームに増幅させるが
、この増幅部では別の固体レーザ媒質内で上記構成にい
うように非共振条件でこのレーザ光を増幅するので、そ
の基本モードが狂う余地がなく元の良好な性状をそのま
ま保ちながら増幅できる。さらにこの増幅部では、レー
ザ媒質を通過するレーザ光の光路に対し側方から励起光
を注入するので、この光路に沿って多数の半導体レーザ
ないしそのアレイを配列することができ、増幅率を高め
て高出力のレーザビームを得ることができる。

なお、発振部と増幅部とはこのように機能分担が異なる
だけで、両者間の光軸合わせ等の光学的な関係はとくに
厳密を要しない。

このように本発明は、発振部と増幅部にそれぞれ得意な
機能を分担して発揮させることにより、前述のレーザビ
ームの高品質化と高出力化の課題を解決し、同時に厳密
な光学的調整を不要にすることに成功したものである。

〔実施例］ 以下、第１図を参照して本発明の半導体レーザ励起固体
レーザ装置の実施例を説明する。同図はその構成例を斜
視図で示すものである。

図の上部に示されたこの実施例の発振部１０は、前に説
明した第２図と同様な端面励起形のレーザ発振装置であ
って、その固体レーザ媒質１１にはＮｄをレーザ活性物
質として含むＹＡＧ等の光学結晶の例えば数〜十数−−
径程度のロンドが用いられ、その一方の端面１１ａには
０．８−の波長の励起光ＥＬに対し高透過性で１．０６
−の波長の発振レーザ光りに対し高反射性の波長選択性
コーティングが施され、他方の端面１１ｂには発振レー
ザ光りに対して高透過性のコーティングが施される。

この他方の端面１１ｂに対向して、出力鏡としてレーザ
光りに対し例えば０．９５の反射率をもつ部分反射＃Ｌ
１４が配設され、例えばその位置を微調整することによ
り、この部分反射鏡１４とレーザ媒質１１の一方の端面
１１ａの間に発振レーザ光りの波長に対するレーザ共振
系が形成される。

図の半導体レーザ１２は単一のレーザダイオード等であ
って、これから発光される励起光ＥＬは集光手段１３を
介してレーザ媒質１１の端面１１ａに投射され、その内
部の集光手段１３の焦点付近の小領域内に高密度で注入
される。なお、集光手段１３は前の第２図の場合と同様
に例えばコリメータレンズと集光レンズからなる組み合
わせレンズである。

この発振部１０では固体レーザ媒質１１内の小領域に励
起光ＥＬが上述のように高密度注入され、かつその注入
方向がレーザ共振の方向と同しなので、励起光ＥＬの注
入量がごく僅かでも低しきい値かつ高効率でレーザ発振
を開始できる。また、小励起光量なので固体レーザ媒Ｉ
ＩＩの温度上昇、従ってそれに基づく熱レンズ効果がほ
とんどないので、マルチモードの発生が抑えられて、出
力レベルは低いが純粋に基本モードのみの良質なレーザ
光りを容易に発振できる。この発振レーザ光りは通例の
ように部分反射鏡１４を介して発振部１０から取り出さ
れ、この例では図の全反射鏡３１と３２を介してその下
側の増幅部２０に与えられる。

この実施例における増幅部２０は、図示のようにＹＡＧ
の光学結晶等からなるスラブ形固体レーザ媒質２１と、
その端面２１ａ、　２１ｂにそれぞれ対向配置された反
射鏡２２．２３と、その大面積の側面の下側に配置され
た半導体レーザアレイ２４で構成され、レーザ媒質２１
の両端面２１ａ、　２１ｂには反射９２２．２３との間
の寄生発振防止と反射損失の最低化のためにレーザ光り
に対して高透過性のコーティングが施され、半導体レー
ザアレイ２４との対向面を除く３個の側面に寄生発振防
止のためいわゆる砂ずり処理が施される。さらにこの実
施例では、１対の反射鏡２２．２３はレーザ媒質２１の
両端面２１ａ、２１ｂに対して角度θずつ傾き、従って
両者が互いにその２倍の角度をなすように配置される。

これにより、発振部１０から増幅部２０に与えられるレ
ーザ光りは図示のように両度射鏡２２．２３間で反射さ
れ、反射のつどずらされる光路に沿い固体レーザ媒質２
１内を複数回１　この例では３回通過しながら、この通
過のつど増幅された後にレーザ光出力しＯとして取り出
される。

半導体レーザアレイ２４はこのようにレーザ光りが通過
する範囲のレーザ媒質２１にその増幅のための励起光を
与えるもので、例えば冷却用のベルティエ素子の上に前
述のレーザダイオードが並んだバーを取り付けてなり、
これに対しレーザ媒質２１がその下側側面を密着させて
配設される。なお、反射鏡２２．２３の上述の角度θは
充分小さく設定され、従ってレーザ媒質２１内のレーザ
光りの複数個の光路はご（少しずつしかずれないので、
半導体レーザアレイ２４を単一のレーザダイオードバー
で済ませても、複数個の光路範囲のレーザ媒質２１を光
励起することができる。

このように１０個程度以上の半導体レーザを並べたアレ
イ２４を用いた場合、レーザ媒質２１内を通るレーザ光
りを通過のつど数倍に増幅でき、従ってこの例のように
３回程度通過させれば、発振部１０から与えられる例え
ば０．１Ｗ程度のレーザ光りを数十倍に増幅してレーザ
光出力Ｌｏを数Ｗにすることができ、もちろん通過回数
を増せば出力レベルをさらに上げることができる。

またこの増幅部２０では、上述のように寄生発振を防止
し、かつレーザ媒質２１内のレーザ光光路を通過のつど
にずらせることにより、レーザ光りに対する上述の増幅
作用が非共振条件で行なわれるので、発振部１０によっ
て基本モードで発振されたレーザ光に別のモードが加わ
る余地がなく、元の良好な性状をそのまま保ちながら上
述の高出力のレーザ光出力しＯに増幅することができる
。

以上説明した実施例に限らず、本発明は種々の態様で実
施をすることができる０例えば、発振部は端面励起形と
したが、基本モード発振等の良好な性状のレーザ光を発
振できるものであれば適宜にそれで置き換えることがで
きる。増幅部についても、それ用の固体レーザ媒質をス
ラブ形にする必要は必ずしもなく、方形断面をもつレー
ザ媒質等を用いることができる。かかるレーザ媒質内の
レーザ光の光路も実施例よりも単純なジグザグ状等の光
路として通過回数を調節できるようにしてもよく、かか
る光路の指定手段も実施例のような反射鏡に限らないこ
とももちろんである。

〔発明の効果〕

以上のように本発明では、半導体レーザで励起される固
体レーザ装置を高品質のレーザ光の発生に専用の発振部
と、レーザ光の高出力化に専用の増幅部により構成し、
発振部では光共振系内に置かれたレーザ媒質の小間域内
に励起光を注入して注入と同方向にレーザ光を発振させ
、増幅部ではこのレーザ光を別のレーザ媒質に通過させ
てその光路に側方から励起光を注入して非発振条件下で
増幅した上でレーザ光出力として取り出すことにより、
次の効果を得ることができる。

（ａ）レーザビームの品質改善と出力向上との機能を分
離して、それぞれ発振部と増幅部とムこ専門別に受は持
たせ、それらの得意な機能をそれぞれ充分発揮させるこ
とにより、高品質と高出力を兼備したレーザビームを取
り出すことができる。

（ｂ）発振部でのレーザ発振と増幅部でのレーザ光の増
幅のいずれについても励起光の利用効率を従来より高め
て、固体レーザ装置の発振効率を大幅に向上することが
できる。

（Ｃ）発振部と増幅部間の光軸合わせにとくに＠密性を
要せず、光学的調整が容易である。

このように、本発明は固体レーザ装置の半導体レーザ励
起に関する従来の問題を解決する実用性の高い手段を提
供するもので、その効率と性能の一層の向上に貢献する
ことが期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置の実
施例の構成を示す斜視図である。第２図以降は従来技術
に関し、第２図は端面励起形固体レーザ装置の構成図、
第３図（ａ）は側面励起形固体レーザ装置の構成図、同
図（ｂ）はその一部断面図、第４図は励起光をレーザ媒
質の表面の複数個所に注入する固体レーザ装置の構成図
、第５図はそれを改良した固体レーザ装置の構成図であ
る。 １０：発振部、１１：固体レーザ媒質（ロンド）、１２
：半導体レーザ、２０：増幅部、２１：固体レーザ媒質
（スラブ）、２４：半導体レーザアレイ、εＬ：励起光
、Ｌ：発振部により発生されるレーザ光、第２１！］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザを光励起用光源とする固体レーザ装置であ
   って、光共振系内に置かれた固体レーザ媒質に対しその
   小領域内に励起光を注入してこの注入と同方向にレーザ
   光を発振させる発振部と、この発振部からレーザ光を別
   の固体レーザ媒質に受けその内部を通過するレーザ光の
   光路に側方から励起光を注入してレーザ光を非発振条件
   で増幅する増幅部とを備え、レーザ光出力を増幅部から
   取り出すようにした半導体レーザ励起固体レーザ装置。