JPH07106684A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基本波を単一縦モードで発振させることによ
って、ノイズが抑制され、極めて安定な出力光を得るこ
とができる固体レーザ装置を提供する。 【構成】 固体レーザ装置１０は、レーザ媒質１４を励
起するポンピング光１９を放射するための半導体レーザ
１１と、ポンピング光１９を集光するためのレンズ系１
２、１３と、Ｎｄ³⁺イオンが所定濃度添加されたＮｄ：
Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、いわゆるＹＡＧから成るレーザ媒質１
４、ＫＮｂＯ₃ からなる非線形光学素子１５および凹面
ミラー１６から成る光共振器１７などで構成されてい
る。単一縦モードの基本波発振を得るため、レーザ媒質
１４の結晶長ｔは０．５ｍｍ未満が好ましく、さらにレ
ーザ媒質１４中のＮｄ³⁺濃度は１．２ａｔ％以上である
ことが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光記録、通信、計測な
どの分野で、光源として使用される固体レーザ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の固体レーザ装置の一例を
示す構成図である。この固体レーザ装置５０は、レーザ
媒質５４を励起するポンピング光５９を放射するための
半導体レーザ５１と、ポンピング光５９を集束するため
のレンズ系５２，５３と、レーザ媒質５４、非線形光学
素子５５および凹面ミラー５６から成る光共振器５７な
どが、光軸５８上に配置されて構成されている。レーザ
媒質５４は、Ｎｄ³⁺イオンが所定濃度添加されたＮｄ：
Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、いわゆるＹＡＧで構成される。以下、非
線形光学素子５５がＫＮｂＯ₃ で構成される例を用いて
説明する。

【０００３】レーザ媒質５４の表面５４ａには、ポンピ
ング光５９の波長８０９ｎｍに対して透過率が高く、か
つレーザ発振光の波長９４６ｎｍに対して反射率が高い
コーティングが施されている。一方、凹面ミラー５６の
表面５６ａには、レーザ発振光の第２高調波の波長４７
３ｎｍに対して透過率が高く、かつ波長９４６ｎｍに対
して反射率が高いコーティングが施されている。これら
２つの表面５４ａ，５６ａによって、Ｙ₃Ａ_l5Ｏ₁₂中の
Ｎｄ³⁺イオンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2 遷移による発光（波長
９４６ｎｍ）に対する光共振器５７が形成される。

【０００４】ここで、半導体レーザ５１から放射された
ポンピング光５９が、レンズ系５２，５３によって集束
されてレーザ媒質５４に入射すると、レーザ媒質５４中
に反転分布が形成され、波長９４６ｎｍの光増幅が可能
となる。この結果、光共振器５７の内部には、波長９４
６ｎｍのレーザ発振が起こり、高い光強度を有する基本
波６３が発生することになる。

【０００５】基本波６３は、非線形光学素子５５を通過
することによって波長４７３ｎｍの第２高調波に変換さ
れ、出力光６０として光共振器５７から外部に取り出さ
れる。なお、非線形光学素子５５は、ほぼ室温で基本波
６３と出力光６０との位相整合条件を満足するような角
度に切り出されているとともにに、ペルチェ素子等を用
いた温度調整装置６５の上に搭載され、温度チューニン
グによって最適な位相整合条件を満足するように高精度
に温度安定化されている。

【０００６】基本波６３の発振を妨げないように、非線
形光学素子５５の表面５５ａ、５５ｂおよび、レーザ媒
質５４の表面５４ｂには基本波６３の波長９４６ｎｍに
対して透過率が高いコーティングが施されている。ま
た、出力光６０を効率良く取り出すため、非線形光学素
子５５の表面５５ｂおよび凹面ミラー５６の表面５６
ａ、５６ｂには、第２高調波の波長４７３ｎｍに対して
透過率が高いコーティングが施されている。

【０００７】さらに、高い効率で出力光６０を得るため
に、レーザ媒質５４の結晶長ｔは発振しきい値が最低と
なるような値が選択される。具体的には、米国特許第
４，８０９，２９１号に開示されるように、レーザ媒質
５４のポンピング光５９に対する吸収係数αと一周分の
共振器内部ロスβとの関係から最適なレーザ媒質５４の
結晶長ｔが決定される。吸収係数αが大きければ、薄い
レーザ媒質５４でもポンピング光５９を効率良く吸収で
きるので、レーザ媒質５４の最適な結晶長ｔは小さくな
る。一方、共振器内部ロスβが大きければ、レーザ発振
が起きるためには大きなレーザ利得が必要となるため、
レーザ媒質５４の最適な結晶長ｔは大きくなる。上記米
国特許第４，８０９，２９１号によれば、Ｎｄ：Ｙ₃Ａ
ｌ₅Ｏ₁₂の吸収係数αは２〜８ｃｍ-1程度であって、現
実的な共振器における内部ロスβは２％以下であり、こ
のとき発振しきい値を最低とするレーザ媒質の結晶長ｔ
は０．５ｍｍ〜３ｍｍとなり、すなわち、レーザ媒質５
４の結晶長ｔをこの範囲内に設定することによって、高
い効率で波長４７３ｎｍのレーザ光を得ることができる
と記述されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
固体レーザ装置５０では、一般に、共振器５７において
基本波６３が複数の縦モードで発振するため、モード競
合による発振光強度変動が生じて、その結果、第２高調
波の出力光６０の強度が不安定になるという課題があ
る。

【０００９】この原因は、複数の縦モード同士が同じレ
ーザ媒質５４中のゲインを共用するため競合関係にある
とともに、各縦モード同士はその間で発生する和周波に
起因する非線形ロスによって結合されているためであ
る。その結果、出力光６０にモード競合ノイズが発生
し、その強度は著しく不安定になる（Ｔ．ＢＡＥＲ著：
J.Opt.Soc.Am.B,Vol3,No9,1175(1986)）。このように出
力が時間的に不安定であることは、光記録等への応用に
おいて大きな障害となる。

【００１０】本発明の目的は、前述した課題を解決する
ため、基本波を単一縦モードで発振させることによっ
て、ノイズが抑制され、極めて安定な出力光を得ること
ができる固体レーザ装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｎｄ³⁺イオン
が添加されたＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂から成り、かつ光軸方
向の結晶長が０．５ｍｍ未満であって、ポンピング光に
より励起されるレーザ媒質と、前記レーザ媒質における
Ｎｄ³⁺イオンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2遷移による発光を共振さ
せるための光共振器と、前記光共振器内に配置され、前
記レーザ媒質の発光を波長変換するための非線形光学素
子とを備えることを特徴とする固体レーザ装置である。

【００１２】本発明において、前記レーザ媒質を構成す
るＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂中のＮｄ³⁺イオンの濃度が、１．
２ａｔ％以上であることが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明に従えば、レーザ媒質であるＮｄ：Ｙ₃
Ａｌ₅Ｏ₁₂の光軸方向の結晶長を短くし、特に０．５ｍ
ｍ未満に設定することによって、単一縦モード発振が実
現され、ノイズの抑制された安定な出力光が得られる。

【００１４】以下詳説すると、図２は本発明に係る固体
レーザ装置におけるレーザ媒質中の共振器縦モードの様
子を示したグラフである。横軸は、レーザ媒質のＨＲ面
（高反射面）からの距離を任意単位で示しており、横軸
の原点（図２左端）すなわちレーザ媒質のＨＲ面は共振
器の固定端となるため、各縦モードの節はこの左端位置
に必ず一致する。縦軸は、縦モードが消費するゲインを
任意単位で示す。

【００１５】図２中の実線ａは、最初に発振する共振器
縦モード（以下、第１の縦モードと呼ぶ）が消費するゲ
インの、光軸方向に沿った分布を示している。第１の縦
モードの波長は、レーザ媒質のゲイン中心にほぼ一致し
ている。一方、図２中の破線ｂは、２番目に発振し得る
共振器縦モード（以下、第２の縦モードと呼ぶ）が消費
するゲインの分布を示している。ただし、レーザ媒質で
あるＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂におけるＮｄ³⁺イオンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ
_9/2遷移による発光線幅中の波長の差は高々０．１％程
度であり、実線ａと破線ｂとの波長の差は理解容易のた
めに実際より誇張して示されている。

【００１６】第１の縦モードが発振した後、第２の縦モ
ードが発振を開始する場合、第１の縦モードが図２中実
線ａに示す分布でゲインを消費してしまっているので、
第２の縦モードが利用できるゲインは、第１の縦モード
が消費せずに残ったゲインの分布と第２の縦モードが消
費するゲインの分布との重なりになる。その大きさは、
図２中斜線部分の面積に対応している。

【００１７】図３は、図２中の斜線で示した第２の縦モ
ードが利用可能な残留ゲインの光軸方向分布を示したグ
ラフである。横軸は、レーザ媒質のＨＲ面からの距離を
任意単位で示しており、縦軸は、縦モードが消費するゲ
インを任意単位で示す。

【００１８】横軸の原点（図３左端）では、第１の縦モ
ード（図２中実線ａ）と第２の縦モード（図２中破線
ｂ）の節が形成されるため、図３左端近傍において実線
ａと破線ｂとがほとんど重複している。従って図３に示
すように、第２の縦モードが利用可能なゲインは、左端
近傍では小さなものになっている。しかし、第１の縦モ
ードと第２の縦モードの波長がわずかに異なるため、左
端からの距離が増大するにつれて実線ａと破線ｂとの位
相差は増大し、両者の重なりは減少していく。この結
果、第２の縦モードが利用可能なゲインは、左端から遠
ざかるにつれて増加することになる。従って、レーザ媒
質の結晶長が小さいほど、第２の縦モードが利用できる
ゲインは小さくなり、第２の縦モードの発振は困難とな
る。すなわち、単一縦モード発振が容易になる。

【００１９】一方、第１および第２の縦モード間の波長
差が大きくなれば、実線ａと破線ｂとの位相差が大きく
なって、結晶長の短いレーザ媒質においても両者の重な
りが小さくなる可能性がある。しかし、一般に、発振波
長がレーザ媒質の利得分布の中心波長から離れるほど、
第２の縦モードが利用できるゲインは小さくなり、たと
えばＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の利得分布は、半値幅が約０．
８ｎｍという極めて急峻であるため、第１および第２の
縦モード間の波長差が大きくなるには限界がある。結
局、レーザ媒質の利得分布が急峻で、かつ結晶長が小さ
ければ、最初の縦モードが優位となり、単一縦モードで
の発振が容易になる。

【００２０】こうして、レーザ媒質であるＮｄ：Ｙ₃Ａ
ｌ₅Ｏ₁₂の光軸方向の結晶長を短くすれば、単一縦モー
ド発振が実現して、ノイズの抑制された安定な出力光が
得られることになる。結晶長が短くなれば出力が小さく
なるので、必要とする出力により下限が定まり、０．０
５ｍｍ以上が望ましい。

【００２１】さらに、レーザ媒質であるＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅
Ｏ₁₂中のＮｄ³⁺の濃度を高くし、特に１．２ａｔ％以上
に設定することによって、単一縦モード発振をより容易
に実現し、ノイズを低減することができる。すなわち、
レーザ媒質中のＮｄ³⁺の濃度が高くなるほど、レーザ媒
質のポンピング光に対する吸収係数は増大し、レーザ媒
質のＨＲ面近くで吸収されるポンピング光の割合は増大
する。この結果、レーザ媒質中のゲインはＨＲ面近くに
偏って分布し、第２の縦モードが利用し得るゲインは減
少する。従って、Ｎｄ³⁺の濃度が高ければ、より容易に
単一縦モードでの発振が実現できる。

【００２２】このとき吸収係数の増大によってポンピン
グの効率も上昇しているので、出力光も効率良く得るこ
とができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。

【００２４】図１（ａ）は、本発明の一実施例である固
体レーザ装置１０を示す構成図である。固体レーザ装置
１０は、レーザ媒質１４を励起するポンピング光１９を
放射するための半導体レーザ１１（ＳＯＮＹ社製ＳＬＤ
３２２Ｖ）と、ポンピング光１９を集光するためのレン
ズ系１２、１３（ニューポート社製Ｆ−ＬＡ４０）と、
Ｎｄ³⁺イオンが所定濃度添加されたＮｄ：Ｙ₃Ａｌ
₅Ｏ₁₂、いわゆるＹＡＧから成るレーザ媒質１４、ＫＮ
ｂＯ₃ からなる非線形光学素子１５および凹面ミラー１
６から成る光共振器１７などで構成されている。

【００２５】凹面ミラー１６の曲面１６ａの曲率半径は
７．８ｍｍであり、この曲面１６ａとレーザ媒質１４の
表面１４ａとを両反射面とする光共振器１７が形成され
る。レーザ媒質１４の結晶長ｔは、後述する理由により
０．５ｍｍ未満が好ましい。非線形光学素子１５の結晶
長は２．５ｍｍである。レーザ媒質１４の表面１４ｂと
非線形光学素子１５の表面１５ａとはほぼ密着してお
り、非線形光学素子１５の表面１５ｂと凹面ミラー１６
の表面１６ａとの間には光軸１８上で約４ｍｍの空隙が
ある。

【００２６】レーザ媒質１４の表面１４ａには、ポンピ
ング光１９の波長８０９ｎｍに対して透過率が８０％以
上であり、かつレーザ媒質１４の発振波長９４６ｎｍに
対して反射率が９９.９ ％以上となるコーティングが施
されている。一方、レーザ媒質１４の表面１４ｂには、
波長９４６ｎｍに対して透過率が９９．９％以上となる
コーティングが施されている。非線形光学素子１５の各
表面１５ａ，１５ｂには、波長９４６ｎｍに対して透過
率が９９.９ ％以上となるコーティングが施されてい
る。

【００２７】凹面ミラー１６の曲面１６ａには、波長９
４６ｎｍに対して反射率が９９. ９％以上となり、かつ
第２高調波である波長４７３ｎｍに対して透過率が９５
％以上となるコーティングが施されている。凹面ミラー
１６の平面１６ｂには、波長４７３ｎｍに対して透過率
が９５％以上になるコーティングが施されている。従っ
て、レーザ媒質１４の表面１４ａおよび凹面ミラー１６
の曲面１６ａによって、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂中のＮｄ³⁺イオン
の⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2遷移による発光（波長９４６ｎｍ）に
対する光共振器１７が形成される。

【００２８】半導体レーザ１１から放射されるポンピン
グ光１９が、レンズ系１２、１３によって集束されてレ
ーザ媒質１４に入射すると、レーザ媒質１４中に反転分
布が形成され、波長９４６ｎｍのレーザ発振が起こり、
高い光強度を有する基本波２３が光共振器１７の内部に
発生する。

【００２９】非線形光学素子１５であるＫＮｂＯ₃ 結晶
は、図１（ｂ）に示すように、ｃ軸とｃ’軸のなす角度
φ＝２９．９°、かつｂ軸とｃ’のなす角度θ＝９０°
となるようｃ’軸を定めると、ｂ−ｃ’平面に対して表
面１５ａ，１５ｂが平行になるように切出されている。
このとき、ａ’軸と光軸１８とが平行になるとともに、
非線形光学素子１５の偏光軸はｂ軸とｃ’軸になり、波
長９４６ｎｍのｂ軸偏光に対する屈折率と、波長４７３
ｎｍのｃ’軸偏光に対する屈折率は一致する。従って、
切り出し面に対して垂直に伝搬方向を取ると、波長９４
６ｎｍの基本波２３のｂ軸偏光成分は、ｃ’軸偏光の第
２高調波に対して室温でタイプ１の位相整合をとること
ができる。この結果、基本波２３が非線形光学素子１５
を通過することによって、波長４７３ｎｍの第２高調波
に変換され、出力光２０として光共振器１７の外部に取
り出される。なお、レーザ媒質１４および非線形光学素
子１５は、ペルチェ素子等を用いた温度調整装置２５の
上に搭載され、温度チューニングによって最適な位相整
合条件を満足して、最大の変換効率で出力光２０が得ら
れるように一括して高精度に温度安定化されている。

【００３０】以下、具体的な実測例について説明する。
レーザ媒質１４として、次のａ群、ｂ群およびｃ群から
なる合計１０個のＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶を用意し
た。なお、Ｎｄ濃度はいずれもＩＣＰ分析で得られた値
である。また、これら１０個の単結晶表面には、上述し
たような光学コーティングが同一のバッチで施されてい
る。

【００３１】（ａ群） Ｎｄ濃度１．４ａｔ％のブール
から切り出された、結晶長０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、
０．５ｍｍおよび０．７ｍｍのＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結
晶、合計４個。

【００３２】（ｂ群） Ｎｄ濃度１．２ａｔ％のブール
から切り出された、結晶長０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、
０．５ｍｍおよび０．７ｍｍのＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結
晶、合計４個。

【００３３】（ｃ群） Ｎｄ濃度１．１ａｔ％のブール
から切り出された、結晶長０．３ｍｍおよび０．４ｍｍ
のＮｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶、合計２個。

【００３４】次に、各結晶を図１に示すレーザ媒質１４
として配置し、ポンピング光１９のパワーを３８０ｍＷ
に設定して、出力光２０の縦モードおよびノイズを観測
した結果について説明する。縦モードの観測方法は、出
力光２０を光ファイバを介して分光器（SPEX Industrie
s Inc.社製、１２６９型）で分光し、フォトダイオード
アレイ（Princeton Instruments Inc.社製、ＲＹ−１０
２４型）で検出した。ノイズの観測方法は、出力光２０
のパワーをフォトディテクタ（浜松ホトニクス社製、Ｓ
２２８１型）で検出し、オシロスコープでその時間変化
を観測した。

【００３５】図４は、縦モード観測の結果を示すグラフ
である。横軸はレーザ媒質の結晶長ｔ（ｍｍ）であり、
縦軸はＮｄ濃度（ａｔ％）である。図４中の○印は、単
一縦モードでの発振が安定して得られたことを示してい
る。図４中の△印は、単一縦モードでの発振が得られた
が、断続的に多モード発振も認められたことを示してい
る。図４中の×印は、単一縦モードでの発振が得られな
かったことを示している。同時に行なったノイズ観測で
は、多モード発振時にはスパイク状のノイズが認められ
たが、単一縦モード発振時にはスパイク状のノイズは認
められなかった。

【００３６】このように、レーザ媒質１４であるＮｄ：
Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の結晶長が０．５ｍｍ未満である場合、単
一縦モードでのレーザ発振が実現される。さらに、Ｎ
ｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の結晶長が０．５ｍｍ未満で、かつＮ
ｄ濃度が１．２ａｔ％以上である場合には、より安定に
単一縦モードでのレーザ発振が得られる。したがって、
低ノイズで極めて安定した出力光２０を得ることができ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、光
共振器内において単一縦モード発振を実現することがで
きるため、低ノイズで極めて安定した出力光を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施例である固体レ
ーザ装置１０を示す構成図であり、図１（ｂ）は、非線
形光学素子１５であるＫＮｂＯ₃ 結晶の切り出し方向を
示す座標系である。

【図２】本発明に係る固体レーザ装置におけるレーザ媒
質中の共振器縦モードの様子を示したグラフである。

【図３】図２中の斜線で示した第２の縦モードが利用可
能な残留ゲインの光軸方向分布を示したグラフである。

【図４】縦モード観測の結果を示すグラフである。

【図５】従来の固体レーザ装置の一例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１０ 固体レーザ装置 １１ 半導体レーザ １２，１３ レンズ系 １４ レーザ媒質 １４ａ，１４ｂ 表面 １５ 非線形光学素子 １５ａ，１５ｂ 表面 １６ 凹面ミラー １６ａ 曲面 １６ｂ 平面 １７ 光共振器 １８ 光軸 １９ ポンピング光 ２０ 出力光 ２３ 基本波 ２５ 温度調整装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｄ³⁺イオンが添加されたＮｄ：Ｙ₃Ａ
   ｌ₅Ｏ₁₂から成り、かつ光軸方向の結晶長が０．５ｍｍ
   未満であって、ポンピング光により励起されるレーザ媒
   質と、 前記レーザ媒質におけるＮｄ³⁺イオンの⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2
   遷移による発光を共振させるための光共振器と、 前記光共振器内に配置され、前記レーザ媒質の発光を波
   長変換するための非線形光学素子とを備えることを特徴
   とする固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記レーザ媒質を構成するＮｄ：Ｙ₃Ａ
   ｌ₅Ｏ₁₂中のＮｄ³⁺イオンの濃度が、１．２ａｔ％以上
   であることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装
   置。