JPH0590670A - 半導体レーザ側面励起固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的簡単な構成により、ビーム品質を良好
に維持しつつ高い出力パワーを得ることが可能な半導体
レーザ側面励起固体レーザ装置を提供することを目的と
する。 【構成】 本発明にかかる半導体レーザ側面励起固体レ
ーザ装置は、レーザ共振器３，４間を進行するレーザ共
振光Ｌ₁ が固体レーザ媒体内１において通過するレーザ
共振光路を、励起光Ｌ₀ が入射する側面１ｅ，１ｆの近
傍に形成させるようにしたことにより、励起光モード体
積とレーザ発振モード体積との重なり度を高くすると同
時に、固体レーザ媒体の励起光に対する吸収効率を十分
高く維持することを可能にし、これによって励起光から
出力レーザ光への光ー光変換効率を高めて出力パワーを
高めることを可能にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ装置か
ら射出されたレーザ光を固体レーザ媒体の側面から入射
して該固体レーザ媒体を励起することにより出力レーザ
光を得るようにした半導体レーザ側面励起固体レーザ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ装置から射出されたレーザ
光を固体レーザ媒体に該固体レーザ媒体の共振レーザ光
の入・出射面を除く側面から入射して該固体レーザ媒体
を励起することにより出力レーザ光を得るようにした半
導体レーザ側面励起固体レーザ装置としては、例えば、
文献［M.Arvind,D.Martin and R.Osterhage,High Power
and Solid State Laser II,SPIE vol.1040,pp.123-128,
1989 ］に開示された例が知られている。

【０００３】図６は上記文献に開示された装置の構成を
示す図であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド（直径１．５
ｍｍ、長さ２０ｍｍ）からなる固体レーザ媒体１００の
中心軸（＝光軸）と交わる端面（＝共振レーザ光の入・
出射面）１００ａ，１００ｂを除く側面１００ｃから、
出力１２Ｗの励起用半導体レーザアレイ装置２００より
射出された励起用レーザ光Ｌ₀ （波長；０．８１μｍ）
を入射して該固体レーザ媒体１を励起し、出力レーザ光
Ｌ₁ （波長；１．０６μｍ）を得るようにしたものであ
る。ここで、固体レーザ媒体１００の左方外側には、波
長１．０６μｍの共振レーザ光Ｌ₁ を９９．９％以上反
射する全反射ミラー４００が、固体レーザ媒体１００の
右方外側には波長１．０６μｍの共振レーザ光Ｌ₁ に対
する反射率が９５％の出力ミラー３００がともに光軸を
共通にしてそれぞれ配置され、レーザ共振器を構成する
ようになっている。なお、全反射ミラ−４００及び出力
ミラーともに曲率半径１０ｍの凹面を反射面としたもの
である。この従来の装置では、単一横モードで１．１４
Ｗの出力が得られ、その場合の励起光から出力レーザ光
への光ー光変換効率は９．５％であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な従来の半導体レーザ側面励起固体レーザ装置において
も、出力パワーのより大きな装置が望まれる場合も少な
くない。出力パワーを上げるには、励起用半導体レーザ
装置の出力を上げて励起エネルギーを増大させるか、あ
るいは、励起光から出力レーザ光への光ー光変換効率を
増大させればよいが、これにはいずれも限界があり、上
述の従来例がその限界に近いものであった。

【０００５】この発明は、上述の背景のもとでなされた
ものであり、比較的簡単な構成により、光ー光変換効率
を高めて高い出力パワーを得ることを可能にした半導体
レーザ側面励起固体レーザ装置を提供することを目的と
したものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、 （１） 励起用半導体レーザ装置から射出された励起用
のレーザ光を、レーザ共振器内に配置された固体レーザ
媒体に該固体レーザ媒体の共振レーザ光の入・出射面を
除く側面から入射し、該固体レーザ媒体を励起して出力
レーザ光を得るようにした半導体レーザ側面励起固体レ
ーザ装置において、前記レーザ共振器間を進行するレー
ザ共振光が固体レーザ媒体内において通過するレーザ共
振光路を、励起光が入射する側面の近傍に形成させるよ
うにしたことを特徴とする構成とた。

【０００７】また、構成１の態様として、 （２） 構成１の半導体レーザ側面励起固体レーザ装置
において、前記固体レーザ媒体が、略長尺板状をなした
スラブレーザ媒体であって、その幅方向において互いに
対向する一対の第１側面と、厚さ方向において互いに対
向する一対の第２側面と、長手方向における両端部に形
成された端面とを有するものであり、このスラブレーザ
媒体の少なくとも一方の端部または端部側に共振レーザ
光を折り返す光反射部材を設けることにより、共振レー
ザ光が前記スラブレーザ媒体内を１往復以上するように
してその間に共振レーザ光が前記一対の第１側面の双方
の近傍を通過するような共振光路を形成させるととも
に、前記励起用レーザ光を前記第１側面から入射させる
ようにしたことを特徴とする構成とした。

【０００８】さらに、この構成２の態様として、 （３） 構成２の半導体レーザ側面励起固体レーザ装置
において、前記第２側面及びその近傍に光反射部材を設
けて励起用レーザ光が第２側面から外部に射出されない
ようにしたことを特徴とする構成とした。

【０００９】

【作用】上述の構成１によれば、レーザ共振器間を進行
するレーザ共振光が固体レーザ媒体内において通過する
レーザ共振光路を、励起光が入射する側面の近傍に形成
させるようにしたことにより、励起光から出力レーザ光
への光ー光変換効率を著しく高めることが可能になり、
これにともなって出力パワーを高めることが可能にな
る。以下、この作用を説明する。

【００１０】一般に、半導体レーザ励起固体レーザ装置
においては、励起光から出力レーザ光への光ー光変換効
率ηは、励起光が固体レーザ媒体内で有効に励起する領
域の体積である励起光モード体積と共振レーザ光が通過
する領域の体積であるレーザ発振モード体積との重なり
度η_M と、固体レーザ媒体の励起光に対する吸収効率η
_abs との積に比例する。

【００１１】ここで、図６に示される従来の装置は、図
７にその固体レーザ媒体１００の横断面図（ＶＩＩーＶ
ＩＩ線断面図）で示したように、共振レーザ光が進行す
る領域は固体レーザ媒体１００の中心部にある。すなわ
ち、レーザ発振モード体積を構成する領域は図の点線の
円形内になる。一方、側面１００ｃから入射した励起光
Ｌ₀ による励起強度分布は、側面１００ｃの近傍で最も
強く、中心に向かうにしたがって次第に弱くなる。すな
わち、励起光モード体積を構成する領域は図の斜線部分
となる。この図から明らかなように、励起光モード体積
とレーザ発振モード体積との重なり度η_M は極めて小さ
いことがわかる。この重なり度η_M を大きくするには、
ロッドタイプの固体レーザ媒体１００の代わりに、長尺
板状タイプのスラブレーザ媒体を用い、その厚さを薄く
形成して厚さ方向から励起光を入射させるという方法が
考えられるが、これによると、固体レーザ媒体に入射し
た励起光のうち吸収されずに反対側から透過してしまう
光量が多くなり、上記ロッドタイプに比較して吸収効率
η_abs が低下して結果的にηが低下することになる。

【００１２】これに対して、構成１によれば、レーザ共
振器間を進行するレーザ共振光が固体レーザ媒体内にお
いて通過するレーザ共振光路を、励起光が入射する側面
の近傍に形成させるようにしたことにより、励起光モー
ド体積とレーザ発振モード体積との重なり度η_M を高く
維持できる同時に、励起光がこの重なり部分を通過した
後も固体レーザ媒体の重なり部分以外の部分に吸収され
るから吸収効率η_abs も十分高く維持できる。したがっ
て、励起光から出力レーザ光への光ー光変換効率を著し
く高めることが可能になり、これにともなって出力パワ
ーを著しく高めることが可能になる。しかも、励起光モ
ード体積とレーザ発振モード体積との重なり度η_M が高
いので、ビーム品質を良好に維持することも可能であ
る。

【００１３】また、構成２によれば、構成１で得られる
作用を最良に近い状態で行なわせることができる。

【００１４】さらに構成３によれば、第２側面からの励
起光の逃げを防止できるからさらに効率のよい発振が可
能となる。

【００１５】

【実施例】第１実施例 図１はこの発明の第１実施例にかかる半導体レーザ側面
励起固体レーザ装置の構成を示す図、図２は図１におけ
るＩＩーＩＩ線断面図である。以下、これらの図面を参
照にしながら第１実施例を詳細に説明する。なお、この
実施例は、固体レーザ媒体としてスラブレーザ媒体を用
いた例である。

【００１６】図１において、符号１は固体レーザ媒体、
符号２ａ，２ｂは励起用半導体レーザ装置、符号３は出
力ミラー、符号４は全反射ミラーである。なお、出力ミ
ラー３と全反射ミラー４でレーザ共振器を構成してい
る。

【００１７】固体レーザ媒体１は、最大長２０ｍｍ、幅
３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの長尺板状をなしたＮｄ：ＹＡ
Ｇスラブレーザ媒体であり、その発振波長は１．０６μ
ｍである。

【００１８】この固体レーザ媒体１は長手方向における
両端部に、それぞれ長手方向に直交する入・出射面１
ａ，１ｂと、この入・出射面１ａ，１ｂに対してそれぞ
れ所定の角度α（α＝４５°）をなす折返反射面１ｃ，
１ｄとを有している。

【００１９】また、長手方向に平行な４つの側面、すな
わち、幅方向において互いに対向しかつ平行な２つの側
面である励起光入射面１ｅ，１ｆ（第１側面）と、厚さ
方向において互いに対向しかつ平行な他の２つの側面で
ある冷却面１ｇ，１ｈ（図２参照；第２側面）とを有し
ている。

【００２０】入・出射面１ａ，１ｂには波長１．０６μ
ｍの共振レーザ光Ｌ₁ に対して反射率が０．５％以下に
なる無反射コート５ａ，５ｂが形成され、折返反射面１
ｃ，１ｄには共振レーザ光Ｌ₁ に対して反射率が９９．
９％以上になる誘電体多層膜の全反射コート５ｃ，５ｄ
が形成されている。さらに、厚さ方向において互いに対
向する冷却面１ｇ，１ｈ（図２参照）には波長０．８１
μｍの励起光Ｌ₀ を９５％以上反射する金コート５ｇ，
５ｈが形成され、この金コート５ｇ，５ｈを介して冷却
装置６ａ，６ｂが取り付けられている。なお、この冷却
装置６ａ，６ｂはペルチェ素子や循環水冷却器等で構成
され、固体レーザ媒体１を２５°Ｃに保持するものであ
る。なお、金コート５ｇ，５ｈの代わりに、銀コート、
アルミコートあるいは誘電体多層膜を用いてもよく、さ
らには、独立した反射鏡を用いてもよい。

【００２１】固体レーザ媒体１の長手方向の両側にはレ
ーザ共振器を構成する出力ミラー３と全反射ミラー４と
が配置されている。出力ミラー３は、曲率半径１０ｍの
凹面を反射面とし、波長１．０６μｍの共振レーザ光Ｌ
₁ に対する反射率が９５％であり、入・出射面１ａに対
向する位置に配置されている。全反射ミラー４は、曲率
半径１０ｍの凹面を反射面とし、波長１．０６μｍの共
振レーザ光Ｌ₁ に対する反射率が９９．９％以上であ
り、入・出射面１ｂに対向する位置に配置されている。

【００２２】励起光入射面１ｅ，１ｆにそれぞれ対向す
る位置には、波長０．８１μｍの励起用レーザ光を出力
１５Ｗで発生する半導体レーザアレイ２ａ，２ｂが配置
されている。

【００２３】上述の構成において、冷却装置６ａ，６ｂ
によって固体レーザ媒体１を２５°Ｃに保持し、半導体
レーザ装置２ａ，２ｂによって固体レーザ媒体１に励起
用レーザ光Ｌ₀ を照射すると、レーザ共振器を構成する
出力ミラー３と全反射ミラー４との間にレーザ共振光路
が形成され、レーザ共振が起こる。すなわち、共振レー
ザ光Ｌ₁ は、入・出射面１ａ，１ｂから入・出射し、折
返反射面１ｃ，１ｄで全反射されて折り返され、固体レ
ーザ媒体１内を１．５往復する。その場合、入・出射面
１ａと折り返し反射面１ｄとの間、及び入・出射面１ｂ
と折り返し反射面１ｃとの間では共振レーザ光は励起光
入射面１ｅ，１ｆの近傍を該励起光入射面１ｅ，１ｆと
平行に進行する。これにより、図２に斜線で示したよう
に、共振レーザ光Ｌ₁ のモード体積と励起用レーザ光Ｌ
₀ とのモード体積との重なり度が極めて高くなる。

【００２４】また、固体レーザ媒体１に入射した励起光
Ｌ₀ は該固体レーザ媒体１内を幅方向に比較的長い距離
進行する間に十分に吸収される。さらに、固体レーザ媒
体１に入射した励起光Ｌ₀ のうちの一部は冷却面１ｇ，
１ｈの方向に進行して該面から外部に出射しようとする
が、金コート５ｇ，５ｈによって反射されて固体レーザ
媒体１内に戻され、該固体レーザ媒体１によって吸収さ
れる。したがって、固体レーザ媒体１に入射した励起用
レーザ光Ｌ₀ は無駄なく吸収されることになる。

【００２５】以上の作用によって、上述の実施例では、
レーザ発振効率η＝２５％が得られ、励起用レーザ光の
パワーが３０Ｗのとき、７．５Ｗの発振レーザ光Ｌ₁ が
得られた。また、発振レーザ光Ｌ₁ のモードも極めて良
質なものであった。

【００２６】第２実施例 図３は本発明の第２実施例の構成を示す図である。この
実施例も基本的構成は上述の第１実施例と同じであり、
固体レーザ媒体２１として、寸法が上述の第１実施例の
固体レーザ媒体１と略同じＮｄ：ＹＡＧスラブレーザ媒
体を用いたものであるが、この実施例では、固体レーザ
媒体２１中に共振レーザ光Ｌ₁ が１往復するレーザ共振
光路を形成させるようにし、１往復する間に共振レーザ
光Ｌ₁ が励起光入射面２１ｅ，２１ｆの近傍を該励起光
入射面２１ｅ，２１ｆと平行に進行するようにしたもの
である。このため、長手方向の一方の端部に長手方向と
直交する入・出射面２１ａを形成し、他方の端部に長手
方向に対して４５°なし、かつ、互いに直交する２つの
折り返し反射面２１ｃ，２１ｄを形成したものである。
そして、レーザ共振器を構成する出力ミラー２３と全反
射ミラー２４とを入・出射面２１ａに対向するように外
部に配置し、かつ、出力ミラー２３が折り返し反射面２
１ｃと対向し、全反射ミラー２４が折り返し反射面２１
ｄと対向するように配置したものである。なお、入・出
射面２１ａには無反射コート２５ａが形成され、また、
折り返し反射面２１ｃ，２１ｄにはそれぞれ全反射コー
ト２５ｃ，２５ｄが形成されている。また、励起光入射
面２１ｅ，２１ｆにそれぞれ対向する位置には、波長
０．８１μｍの励起用レーザ光を出力１５Ｗで発生する
半導体レーザ装置２２ａ，２２ｂが配置されているとと
もに、図示しないが、厚さ方向において互いに対向する
１対の面には全反射膜が形成されているとともに、冷却
装置が設けられている点は上述の第１実施例と同じであ
る。

【００２７】この実施例においても、上述の第１実施例
とほぼ同様のレーザ発振効率が得られ、同様に発振レー
ザ光Ｌ₁ のモードも極めて良質なものであった。

【００２８】第３実施例 図４は本発明の第３実施例の構成を示す図である。この
実施例は、上述の第２実施例における固体レーザ媒体２
１の他方の端部に２つの折り返し反射面２１ｃ，２１ｄ
を形成する代わりに、この端部に長手方向と直交する入
・出射面２１ｂを形成し、折り返し反射面２１ｃ，２１
ｄと同じ機能を担う直角プリズム３５をこの入・出射面
２１ｂに対向する位置に配置することにより、第２実施
例と同じ機能をおこなわせるようにしたものである。そ
の外の構成は上述の第２実施例と同じである。なお、図
において、符号２５ａ，２５ｂは無反射コートであり、
符号３５ｃ，３５ｄは全反射面である。

【００２９】この実施例は、機能及び性能的には第２実
施例と同じであるが、固体レーザ媒体の形状を単純化で
きるので、装置を製作する上で有利となる。

【００３０】第４実施例 図５は本発明の第５実施例の構成を示す図である。この
実施例は、この実施例も基本的構成は上述の第１実施例
と同じであるが、固体レーザ媒体４１として、幅寸法が
上述の第１実施例の固体レーザ媒体１より広い（幅；５
ｍｍ、長さ及び厚さは第１実施例とほぼ同じ）Ｎｄ：Ｙ
ＡＧスラブレーザ媒体を用い、固体レーザ媒体４１中に
共振レーザ光Ｌ₁ が２往復するレーザ共振光路を形成さ
せるようにし、２往復する間に共振レーザ光Ｌ₁ が励起
光入射面４１ｅ，４１ｆの近傍を該励起光入射面４１
ｅ，４１ｆと平行に進行するようにしたものである。

【００３１】すなわち、図５に示されるように、固体レ
ーザ媒体４１の一方の入・出射面４１ａの側の外部に
は、レーザ共振器を構成する出力ミラー４３及び全反射
ミラー４４、並びに、折り返し反射ミラー４６が配置さ
れ、他方入・出射面４１ｂの側の外部には、折り返し反
射ミラー４５，４７が配置されている。この場合、出力
ミラー４３と折り返し反射ミラー４５、並びに、全反射
ミラー４４と折り返し反射ミラー４７とはそれぞれ固体
レーザ媒体４１を挾んで互いに対向するように配置さ
れ、かつ、互いの中心を結ぶ線が励起光入射面４１ｅ，
４１ｆの近傍に位置するように配置されている。そし
て、出力ミラー４３と全反射ミラー４４との間に折り返
し反射ミラー４６が配置されている。ここで、折り返し
反射ミラー４５，４６は、凹面鏡であるその反射面を、
平面鏡である折り返し反射ミラー４６の反射面に向くよ
うに、入・出射面４１ｂに対して所定の角度傾けて配置
されている。 したがって、レーザ共振光路は、出力ミ
ラー４３、折り返し反射ミラー４５，４６，４７及び全
反射ミラーをそれぞれ結ぶ線上に形成され、結局、固体
レーザ媒体４１中を共振レーザ光Ｌ₁ が２往復する光路
となる。そして、２往復する間に共振レーザ光Ｌ₁ が励
起光入射面４１ｅ，４１ｆの近傍を該励起光入射面４１
ｅ，４１ｆと平行に進行することになる。なお、図５に
おいて、符号４２ａ，４２ｂは励起用レーザ光Ｌ₀ を発
生する半導体レーザ装置である。その外の構成は上述の
各実施例とほぼ同じであるのでその説明は省略する。

【００３２】この実施例によれば、上述の各実施例に比
較して固体レーザ媒体内において励起光を吸収させる距
離をより長くとることができるから励起効率をより向上
させることが可能となる。

【００３３】なお、上述の一実施例では、固体レーザ媒
体としてＮｄ：ＹＡＧスラブを用いた例を掲げたが、こ
の固体レーザ媒体としては、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌ
ａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 、Ｎｄ：ＧＧＧ、Ｎｄ：ＹＳＧ
Ｇ、ＮＹＡＢ、ＮＡＢ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、
Ｅｒ：ｇｌａｓｓ等を用いてもよい。その場合には、各
レーザ媒体に応じてレーザ共振器等の条件を選定すべき
は勿論である。

【００３４】また、励起用半導体レーザ装置も、半導体
レーザアレイのほかに、一般的なシングルストライブ半
導体レーザ装置のほかにも、ブロードエリア半導体レー
ザ、もしくは２次元スタックされた半導体レーザアレイ
等を用いることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる半
導体レーザ側面励起固体レーザ装置は、レーザ共振器間
を進行するレーザ共振光が固体レーザ媒体内において通
過するレーザ共振光路を、励起光が入射する側面の近傍
に形成させるようにしたことにより、励起光モード体積
とレーザ発振モード体積との重なり度を高くすると同時
に、固体レーザ媒体の励起光に対する吸収効率を十分高
く維持することを可能にし、これによって励起光から出
力レーザ光への光ー光変換効率を高めて出力パワーを高
めることを可能にしたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例にかかる半導体レーザ側
面励起固体レーザ装置の構成を示す図である。

【図２】図１のＩＩーＩＩ線断面図である。

【図３】この発明の第２実施例の構成を示す図である。

【図４】この発明の第３実施例の構成を示す図である。

【図５】この発明の第３実施例の構成を示す図である。

【図６】従来例の構成を示す図である。

【図７】図６のＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。

【符号の説明】

１，２１，４１…固体レーザ媒体、２ａ，２ｂ，２２
ａ，２２ｂ，４２ａ，４２ｂ…励起用半導体レーザ装
置、１ａ，１ｂ，２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ…入
・出射面、１ｃ，１ｄ，２１ｃ，２１ｄ，３５ｃ，３５
ｄ…全反射面、１ｅ，１ｆ，２１ｅ，２１ｆ，４１ｅ４
１ｆ…第１側面を構成する励起光入射面、１ｇ，１ｈ…
第２側面を構成する冷却面、５ｈ，５ｇ…反射部材を構
成する金コート。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起用半導体レーザ装置から射出された
   励起用のレーザ光を、レーザ共振器内に配置された固体
   レーザ媒体に該固体レーザ媒体の共振レーザ光の入・出
   射端面を除く側面から入射し、該固体レーザ媒体を励起
   して出力レーザ光を得るようにした半導体レーザ側面励
   起固体レーザ装置において、 前記レーザ共振器間を進行するレーザ共振光が固体レー
   ザ媒体内において通過するレーザ共振光路を、励起光が
   入射する側面の近傍に形成させるようにしたことを特徴
   とする半導体レーザ側面励起固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体レーザ側面励起
   固体レーザ装置において、 前記固体レーザ媒体が、略長尺板状をなしたスラブレー
   ザ媒体であって、その幅方向において互いに対向する一
   対の第１側面と、厚さ方向において互いに対向する一対
   の第２側面と、長手方向における両端部に形成された端
   面とを有するものであり、 このスラブレーザ媒体の少なくとも一方の端部または端
   部側に共振レーザ光を折り返す光反射部材を設けること
   により、共振レーザ光が前記スラブレーザ媒体内を１往
   復以上するようにしてその間に共振レーザ光が前記一対
   の第１側面の双方の近傍を通過するような共振光路を形
   成させるとともに、前記励起用レーザ光を前記第１側面
   から入射させるようにしたことを特徴とする半導体レー
   ザ側面励起固体レーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の半導体レーザ側面励起
   固体レーザ装置において、 前記第２側面及びその近傍に光反射部材を設けて励起用
   レーザ光が第２側面から外部に射出されないようにした
   ことを特徴とする半導体レーザ側面励起固体レーザ装
   置。