JPH06232486A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、小型で量産時の品質安定性
を確保できる変調可能な光源を提供することにある。 【構成】図１は本発明の一実施例を説明するための図で
あり、固体レーザ装置を示している。半導体レーザは発
振波長809nmでシングルモ−ド発振のものを用いた。共
振器はレーザ結晶の端面に形成されたミラーと凹面ミラ
ーとの間に形成した。レーザ結晶としてNd:YAGを用い
た。出力ミラーの後方には半導体レーザ出力を分離する
ための波長フィルタを設けた。半導体レーザの駆動電源
は周波数発生器が内蔵されており、電流を変調する機能
を具備した。例えば半導体レーザの駆動電流を1MHzで変
調したときに、固体レーザ出力も同様に1MHzで変調する
ことが可能であった。なお、固体レーザの発振波長は10
64nmであった。また、固体レーザ装置の変調度および変
調パルス幅は任意である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光エレクトロニクス分
野、特に光記録やレーザビームプリンタの光源に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光通信及び光記録などに代表される光エ
レクトロニクス分野において、信号の発生方法として光
源出力を時間的にON/OFFさせる方法（以下単に変調と記
す）が古くから用いられている。しかし、高度情報化社
会の進展に伴い、変調速度の高速化が加速し、従来の固
体レーザ装置で可能な変調周波数では対応が不可能とな
った。これはレーザ結晶の蛍光寿命が100μsのオーダ
で、この周期より短い変調が原理的に不可能であること
によった。これに対して半導体レーザではキャリアの寿
命が短いことを利用して注入電流のON/OFFによる変調が
可能であり、例えば現在光記録に必要な変調周波数であ
る数十MHzの変調を十分に実現できる。しかし、半導体
レーザは構成材料の組み合わせによる発振波長の限界
や、高出力化によるレーザ光出射端面の破壊のため、固
体レーザ装置に比較して波長領域や高出力化に制限条件
が厳しいことが問題であった。

【０００３】これに対して固体レーザ装置において出力
を時間的に変化させる方法としてQスイッチレーザが提
案された（例えばAMNON YARIV,「光エレクトロニクスの
基礎」,丸善,P.196(1990)）。動作原理は次に示す通り
である。レーザ結晶が励起されている間、共振器のQ値
（共振器内に蓄えられるエネルギ−／共振器から散逸す
るパワー）が低くなるようにし、励起による反転分布が
最大となったときに急激にQ値を通常の値に戻す。この
とき発振が急峻に立ち上がり、誘導放出の過剰な進展に
よって反転分布の著しい減少が進行し、そのためパルス
はある時定数で減衰するというものである。なお、前記
時定数は蛍光寿命との相関はなく、共振器長と反転分布
の減少率によって決まり、代表的な時定数は20nsであ
る。また、この他に固体レーザ出力の後段に電気光学効
果および音響光学効果（A/O）を応用した変調素子を配
置することにより、固体レーザ装置の変調を行う方法が
存在した。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のQスイ
ッチレーザでは動作原理の初段で述べた共振器のQ値を
低から高に切り替えるときに、前述の変調素子を必要と
した。このため、Qスイッチレーザを用いる場合および
後段に変調素子を用いる場合とも変調素子を必要とし
た。変調素子は素子そのものの容積を固体レーザ装置内
部に必要とする、構成部品である結晶の光吸収などによ
る透過率の劣化による寿命がある、回折効率を最大とす
るための位置調整が微妙である等の問題点を有し、小型
化や量産時の品質安定性が不可欠な光源を必要とする、
例えば光記録装置などへの応用には不適当であった。本
発明の目的は、小型で量産時の品質安定性を確保できる
変調可能な光源を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では固体レーザ装
置の変調を前述のスイッチングを変調素子などを用いた
損失の調節で行うのではなく、励起光の変調で行うこと
とした。すなわち、共振器内部に蓄えられるエネルギ−
を急激に増大することにより、共振器のQ値は著しく増
大し、Qスイッチと同様に急峻な変調が得られる。本発
明の目的は、固体レーザ装置の変調を変調素子を用いる
ことなく、励起光源である半導体レーザの簡便な変調に
よって間接的に行う手法を提案することにある。半導体
レーザの変調は前述のように動作電流の変調で行うこと
ができる。すなわち実質的に電流制御用のIC回路を付加
するのみで実現でき、実効的に光源体積を変化させるこ
とがない。また、光学的調整を必要としないことから量
産時の品質安定性を確保できる。 図６は本発明の変調
機能を確認するための実験装置を示した図である。本実
験において、励起光の変調により固体レーザの変調が可
能であることを示す。図６においてTi-Sap.（Ti-Sapphi
re;チタンーサファイア）レーザ401は後述の実施例１に
記載の半導体レーザと同一の波長において発振する。Ti
-Sap.レーザ401を変調する手段としてA/O変調素子410お
よびドライバ411を用いた。ドライバは電圧源412と正弦
波発振器413によって制御した。レーザ結晶121としてN
d:YAG（ネオディウム添加イットリウム・アルミニュウ
ム・ガーネット）を使用した。レーザ結晶121と出力ミ
ラー122は共振器120を形成し、出力ミラー122より固体
レーザ出力を出射する。励起光を分離するため波長フィ
ルタ130を用いた。励起光の一部はハーフミラー402によ
ってはねて、ディテクタ501に取込まれ固体レーザ出力
と比較するようにした。なお、観察にはオッシロスコー
プ503を用いた。変調周波数はNd:YAGの蛍光寿命（230μ
s）で追従可能な周波数約4.4kHzより3桁高い1MHzで、正
弦波変調を行った。図７は固体レーザ出力の変調結果を
説明するための図である。図７は、図６においてディテ
クタ501と502に取込まれた励起光の出力と固体レーザ出
力の時間変化を示している。図７において横軸は時間を
縦軸は相対強度を示している。変調は同期しており、波
形のなまりもなく良好な変調が行えたことが分かった。

【０００６】

【作用】本発明により、装置を大型化することなく品質
安定性の高い変調機能付きの固体レーザ装置を提供でき
る。

【０００７】（実施例１）図１は本発明の一実施例を説
明するための図であり、固体レーザ装置を示している。
半導体レーザ111は発振波長809nmで単一モ−ド発振のも
のを用いた。共振器120はレーザ結晶121の端面に形成さ
れたミラーと出力ミラーとの間に形成した。この時出力
ミラーはレーザ結晶の出力側端面に形成し、レーザ結晶
両端面を共振器としても良い。レーザ結晶121としてNd:
YAGを用いた。出力ミラー122の後方には半導体レーザ出
力113を分離するための波長フィルタ130を設けた。半導
体レーザ111の駆動電源112は周波数発生器が内蔵されて
おり、電流を変調する機能を具備した。例えば半導体レ
ーザの駆動電流を1MHzで変調したときに、固体レーザ出
力も同様に1MHzで変調した。なお、固体レーザの発振波
長は1064nmであった。また、固体レーザ装置の変調度お
よび変調パルス幅は任意である。

【０００８】（実施例２）図２は本発明の一実施例を説
明するための図である。実施例１に示した図１と異なる
のは、共振器中120に非線形光学結晶123であるKTP(KTiO
PO₄)を挿入したことである。共振器の出力ミラー122は
固体レーザの発振波長において高反射率であり、同波長
の光は共振器内部に閉じこめられる。固体レーザ発振波
長を基本波として、KTPを介して基本波の光第２高調波
(SHG;Second Harmonic Generation)を取り出す構造とな
っている。出力ミラー122の後方には半導体レーザ出力1
13及び基本波を分離するための波長フィルタ130を設け
た。例えば半導体レーザの駆動電流を1MHzで変調したと
きに、SHG固体レーザ出力も同様に1MHzで変調すること
が可能であった。SHG固体レーザ出力の波長は532nmであ
った。

【０００９】（実施例３）図３は本発明の一実施例を説
明するための図である。本発明では、レーザ結晶121を
含む共振器120の後段に非線形光学結晶123を配置した。
非線形光学結晶123の基本波入射端面と出射端面には基
本波波長に対して反射コーティングが施されており、基
本波を閉じこめる構造となっている。励起光源111およ
び波長フィルタ130については実施例２と同様である。
なお、SHG固体レーザの変調機能については実施例２と
同様の結果が得られた。また、出力ミラーは実施例１と
同様に、レーザ結晶両端面に形成しても良い。

【００１０】（実施例４）図４は本発明の一実施例を説
明するための図であり、レーザビームプリンタを示して
いる。レーザビームプリンタの分解能は短波長化ととも
に向上する。しかし、現状で変調素子を用いずに変調可
能な光源は半導体レーザ以外存在せず、半導体レーザの
短波長化限界が大きな障害となっていた。そこで、光源
として実施例２で説明した緑色波長のSHG固体レーザを
用いた。記録すべき情報で変調されたSHG固体レーザ100
からの出射光は、回転多面鏡201によって紙面水平方向
に走査し、さらにf-θレンズ202で定速回転する感光ド
ラム204に結像させる。走査の最左端でミラーにより反
射された出射光はディテクタ203に取込まれ、駆動電源
の制御を可能とした。印刷は電子写真と同様に紙に転写
するものである。上記装置を用いて、良好な印刷が可能
となった。

【００１１】（実施例５）図５は本発明の一実施例を説
明するための図であり、光ディスク装置を示している。
光ディスク装置の記録密度は光源の短波長化とともに向
上する。そこで光源には実施例２で説明した緑色波長の
SHG固体レーザを用いた。光ディスク装置は光磁気記録
方式を採用した。光源より出射されたSHG固体レーザ出
力はビームエキスパンダ311で拡大された後ビームコリ
メ−タ312で平行光となる。ビームスプリッタ313で一部
はねられた光は前方モニタ314に取り込まれる。ビーム
スプリッタ313を通過したビームは集光光学系316で媒体
320に集光され、反射された光はビームスプリッタ313で
一部反射された後２つのビームに分離され２つのディテ
クタ317に各々取り込まれる。前方モニタ314ではSHG固
体レーザ310の出力をモニタしており、出力強度変化を
半導体レーザの出力に帰還し、SHG固体レーザ出力の制
御を行う。また、ビームスプリッタ後の２つのディテク
タは各々オートフォーカスと信号検出を行う。媒体には
一定の磁界が印加されており、SHG固体レーザ出力を変
調させて媒体のキュリー温度まで焦点の温度を上げて磁
化を反転することにより記録を行った。出力ON時には媒
体の磁界が反転し、出力OFF時には磁界反転が行われず
信号記録が可能となる。なお、記録周波数は10MHzとし
た。信号再生時には記録時と同様のSHG固体レーザを光
源とし、良好な再生信号を得た。

【００１２】

【発明の効果】本発明により変調素子を用いることな
く、小型で品質安定性の高い変調機能付き固体レーザ装
置を提供できた。また、本固体レーザ装置を用いたレー
ザビームプリンタおよび光記録装置において現状で半導
体レーザでは実現できない波長領域の開発を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明するための図である。

【図２】本発明の一実施例を説明するための図である。

【図３】本発明の一実施例を説明するための図である。

【図４】本発明の一実施例を説明するための図である。

【図５】本発明の一実施例を説明するための図である。

【図６】本発明の変調機能を確認するための実験装置を
示した図である。

【図７】固体レーザ出力の変調結果を説明するための図
である。

【符号の説明】

100 固体レーザ装置，111 半導体レーザ，112 変調
機能付き半導体レーザ駆動電源，113 半導体レーザ出
力，120 共振器，121 レーザ結晶，122 出力ミラ
ー，123 非線形光学結晶，130 波長フィルタ，201
回転多面鏡，202 f-θレンズ，203 ディテクタ，204
感光ドラム，310 光磁気ヘッド，311 ビームエキス
パンダ，312 ビームコリメータ，313 ビームスプリッ
タ，314 前方モニタ，315 ハーフミラー，316 集光
光学系，317 ディテクタ，320 媒体，401 Ti-Sap.レ
ーザ，402 ハーフミラー，410 A/O変調素子，411 変
調素子ドライバ，412 電圧源，413 正弦波発振器，50
1 ディテクタ， 502 ディテクタ，503 オッシロス
コープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立野 公男 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ結晶と、前記レーザ結晶を含む共
   振器構造と、レーザ結晶を励起するための半導体レーザ
   からなる固体レーザ装置において、前記半導体レーザ出
   力を変調する手段を有する事を特徴とする固体レーザ装
   置。
2. 【請求項２】 前記共振器中に非線形光学結晶を有する
   事を特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
3. 【請求項３】 非線形光学結晶を前記共振器の後段に配
   置することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装
   置。
4. 【請求項４】 前記半導体レーザの出力を変調する手段
   として、半導体レーザの動作電流を変調することを特徴
   とする請求項１ないし３のいずれかの項に記載の固体レ
   ーザ装置。
5. 【請求項５】 前記変調周波数が100KHz以上であること
   を特徴とする請求項４に記載の固体レーザ装置。