JPH09199781A

JPH09199781A - レーザ増幅器

Info

Publication number: JPH09199781A
Application number: JP2313996A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kudokoro; 之夫久所; Kazuaki Hotta; 和明堀田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】主発振器からのレーザビームを容易に結合で
きるレーザ増幅器を提供する。【解決手段】Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１の側面からレーザ
ダイオード２によって励起光を入射する。励起面には二
波長コート６が施されている。入射ビーム３は、Ｎｄ：
ＹＶＯ₄結晶１の入射面に対して入射角θ_inがブルュー
スター角θ_bになるように入射させる。Ｎｄ：ＹＶＯ₄結
晶１の長さは、入射面の幅を２Ｗとするとき、2W/tan
｛sin^-1(sinθ_b/n)｝の整数倍となるように設定する。
したがって、入射ビーム３は、励起面で反射され、入射
面に対向する面で反射され、再び入射面に戻り、出射ビ
ーム４は入射面から出射角θ_out（＝入射角θ_in）で出
射される（入射角θ_in＝ブルュースター角θ_b＝出射角
θ_out）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＷ（連続発振）
あるいはパルス発振器の出力が小さく、レーザ加工する
際に、さらにパワーを求められる場合に用いられるレー
ザ増幅器の技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、主発振器のレーザパワーをさ
らに大きくするための手段として、レーザ増幅器（アン
プ）が用いられてきた。一般的なレーザアンプは、レー
ザロッドを用いたアンプであり、励起光はランプ励起方
式の場合、ロッド側面全体から入射される。即ち、励起
される体積はロッド全体である。主発振器からレーザア
ンプに結合されるビーム径は、ロッド径の６〜７割程度
であり、ロッドに蓄積されたエネルギーの内の約５０％
が増幅ビームとして取り出される。即ち、取り出し効率
が０．５程度である。通常は、楕円筒集光器が用いら
れ、ロッド中心部が強く励起されるため、主発振器から
のビームをロッドアンプの中心に結合させた場合には、
もう少し効率よくエネルギーが取り出され、実際には
０．６〜０．７程度の取り出し効果が得られる。

【０００３】アンプからエネルギーをできるだけ効率よ
く取り出すには、できるだけ主発振器からのビーム径を
拡げて、アンプに結合した方が良くなる。これはＬＤ励
起方式のアンプであっても、基本的に同様である。もち
ろん、主発振器からのビームを拡げてアンプに入射させ
ることは、アンプにおける利得の飽和密度への到達を遅
らせることになり、この点からも望ましいと言える。

【０００４】以上のようにして、アンプの取り出し効率
を向上させられるほか、別の手段としては、スラブ状の
結晶を用いたアンプが考えられる。スラブアンプは通
常、スラブ状の活性媒質において、入射された主発振器
からのレーザ光がスラブの側面において多重反射を繰り
返し、励起された領域をできるだけ多く通るように設計
され、入力された励起エネルギーを無駄なく利用しよう
とするものである。たとえば、IEEE J.Quantum Electro
n.27(1991)pp.2327に見られるように、励起領域にデッ
ドスペースができないように設計時工夫される。スラブ
増幅器は、スラブ冷却の容易さ、効率の良さ等を考慮す
ると、活性媒質の大きな励起領域に対して、より大きな
励起エネルギーを入力させることができ、前述したロッ
ド状のアンプより優れた方式と言える。

【０００５】スラブの形状に関しては、米国特許第5,29
9,220号やIEEE J.Quantum Electron28(1992)pp.986に示
されているように、従来より、端面を鋭角にカットさ
せ、スラブ側面にてジグザグ反射しながら、レーザビー
ムが伝搬される設計になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の第１の
問題点は、励起領域とスラブ結晶中のレーザビームとの
モード重なり効率を決定するスラブ端面への入射角の調
整が困難であるということである。入射角の調整がずれ
ていると、重なり効率が設計値よりも下がりパワーが取
り出されなくなる問題があった。また、入射面と向かい
合う面の出射面の中心から設計どおりに増幅光が取り出
せなくなることから、特にハイパワースラブアンプの場
合、調整が不十分のまま増幅させると、出射端面の鋭角
にカットされているエッジ付近、あるいは反対側のエッ
ジ付近に増幅ビームが照射されることがある。この場
合、反射光がスラブのホルダー部等に照射され、大きな
ダメージを与えることがあり問題であった。最悪の場
合、この熱でスラブ自身の端面が歪み、破壊されること
もあり、大変高価なスラブ破損につながるおそれもあっ
た。

【０００７】第２の問題点は、スラブレーザ端面に鋭角
なカットを形成しなければならないということである。
一般のスラブレーザは、スラブ側面で全反射しながら、
できるだけ励起領域に対してデッドスペースを作らない
ように設計されている。このため、スラブ端面は鋭角な
カットが施されており、スラブ製作上のコストがかかる
だけでなく、取り扱いにも細心の注意が必要となる箇所
である。また、この端面部は通常は冷却できないところ
であり、ハイパワースラブレーザを実用化する上で、熱
歪みによるスラブ結晶破壊の問題が最後まで残るネック
になっていた。

【０００８】第３の問題点は、スラブレーザアンプのス
ケラビリティ（scalability）の問題である。アンプゲ
インを上げていく場合、通常スラブの長手方向の長さを
増していく。ところが、レーザ結晶のブールの限界か
ら、長さはせいぜい２００mm程度である。これ以上、長
くすることは不可能であるので、どうしてもさらなるゲ
インを得たい場合には、スラブをタンデム（tandem）に
結合させていくことになる。ところが、ロッド状のアン
プをタンデムに結合させる場合と違って、スラブをタン
デムに結合させるのは、レーザ増幅光がスラブ端面から
真っ直ぐに出射されないため大変困難であった。

【０００９】以上のような、スラブアンプの原理的な問
題点が存在していた。

【００１０】そこで、本発明の目的は、主発振器からの
レーザビームを容易にスラブアンプに結合できる構成を
レーザ増幅器を提供することにある。また、このときの
調整は単純なままで、スラブ励起領域とのオーバーラッ
プ効率が高くなるようにすることである。さらには、従
来のように高価なスラブでなく、できるだけ安価に製作
できる構造・構成にすることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、励起光源を用いてレーザ媒質を
励起し、利得を発生させるレーザ増幅器において、レー
ザ媒質に、互いに平行な第１の面および第２の面を形成
し、第１の面と第２の面との間に、励起光源からの光を
入射する励起面を第１および第２の面に対して直角に形
成し、増幅されるレーザ光は第１の面に対してブリュー
スター角で入射され、励起面で反射されて第２の面に到
達するようにした。

【００１２】以上のようにすれば、レーザ媒質の入出射
面は、その長手方向に対して垂直に研磨すればよいの
で、入出射面が鋭角であった従来装置に比べて１／２〜
２／３のコストで制作が可能になる。

【００１３】また、入射ビームをブルュースター角で入
射させることにより、増幅された出射ビームも自動的に
同じブルュースター角で出射させることが可能となり、
構成が簡単になる。

【００１４】さらに、入出射面に無反射コートを付ける
ことが不要となる。通常のＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ₄な
どのレーザ媒質を用いれば、ジグザグ反射させるスラブ
の長手方向の側面への入射角も臨界角よりも大きくなる
ため、全反射コートも不要となる。以上のように、先述
した研磨コストが少なくなるばかりか、コーティング代
も不要となる構成を構築できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について、
図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実
施例の構成図である。図１（ａ）は正面図、（ｂ）は側
面図である。本実施例では、スラブとして、Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ₄結晶１を用いた例を挙げたが、レーザ媒質としては
他にＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ₄等を使用することもでき
る。

【００１６】励起はＬＤ励起方式である。Ｎｄ：ＹＶＯ
₄結晶１の入射面に直交する側面のうちの少なくとも一
方より、レーザダイオード（ＬＤ）２の励起光を入射さ
せる構成である。本実施例では、ＬＤ２は発光部１０ｍ
ｍ×１ｍｍのダイオードアレイ（スタック）を使用した
例を示した。励起光源としては他にアークランプやフラ
ッシュランプ等を用いてもよい。

【００１７】ＬＤ２は結合光学系を用いないでＮｄ：Ｙ
ＶＯ₄結晶１に近接させて励起している。Ｎｄ：ＹＶＯ₄
結晶１の異常光線（ｐ偏光）に対する屈折率はｎ=２.１
６５２（λ＝１０６４ｎｍ）であるから、ブルュースタ
ー角θ_bは６５．２１°である（θ_b＝tan^-1ｎ）。入射
ビーム３を入射角θ_in＝ブリュースター角θ_bで入射面
（第１の面）に入射させると、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１内
へ２４．７９°で出射される。したがって、ＬＤ２の励
起光が入射される励起面には、６５．２１°で入射され
る。

【００１８】Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１のｐ偏光成分の臨界
角はθ_c＝２７．５°であるから、励起面に入射された
ビームは、たとえこの励起面にθ＝６５．２１°入射の
全反射コーティングがなされていなくても全反射され
る。励起面で全反射された増幅光は、入射面と向かい合
った面（第２の面）から、出射ビーム４として、入射角
θi_nと等しい出射角θ_out＝６５．２１°で出射される
（すなわち、出射角θ_out＝入射角θ_in＝ブリュースタ
ー角θ_b）。

【００１９】Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１の場合、ＬＤ励起光
に対する吸収係数は大きく、励起光のスペクトル幅が狭
く、Ｎｄの吸収波長８０９ｎｍに正確に合っている場合
は、Ｎｄ濃度が１ａｔ．％でも３１ｃｍ^-1と大きく、１
ｍｍ厚で約９５％の吸収があることになる。発明者ら実
験によれば、実際には市販されているＬＤのスペクトル
幅は４〜５ｎｍ程度の拡がりを有しているため、実際に
は約２．０〜２．５ｍｍでほぼ１００％の吸収があるこ
とが判っている。したがって、本実施例においても、励
起光は励起入射表面から２ｍｍの深さでほぼ完全な励起
エネルギーの吸収がある。そこで、φ４ｍｍの入射ビー
ム３をＬＤ励起入射面より２．３ｍｍのところから入れ
ることによって、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１の励起領域との
モードマッチングを、１００％近くにできる。

【００２０】次に、本発明の第２実施例について図２を
用いて説明する。本実施例では、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１
の入射面の幅を２Ｗとするとき、結晶の長さを２Ｗ／ｔ
ａｎ｛ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ_b／ｎ）｝に設定し、入射面
と向かい合う面（第２の面）に、増幅させようとする入
射光レーザの波長に対する全反射膜を付けた。入射ビー
ム３は、入射面の中心（幅２Ｗの端からＷの位置）より
入射させる。また、ＬＤ励起光は、入射面と隣り合う両
側面（結晶の長手方向）より、第１実施例と同様な方法
にて入射させている。第２実施例においても、ＬＤ２は
１０ｍｍ幅のＬＤアレイを使用している。このため、結
晶の長さを１０ｍｍとしており、Ｗ＝２．３ｍｍとして
いる。入射ビーム３をブルュースター角（θb）６５．
２１°で入射面の幅４．６ｍｍのちょうど中心より入射
させることにより、増幅されたレーザ光が入射した点と
同じ点から、出射ビーム４として、出射角（θ_out）６
５．２１°で結晶長手方向の軸に対して入射ビーム３と
完全に対称な方向に取り出される。

【００２１】第１実施例で説明したとおり、入射ビーム
径を２Ｗの９０％近くに選び、そしてＬＤ２と励起光入
射面との間隔を調整して入射端面でビーム直径と一致さ
せることによって、励起光に対してほぼ１００％のモー
ドマッチングを得ることが可能であり、ＹＶＯ₄のスラ
ブ結晶に蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すこと
ができる。

【００２２】なお、本実施例において、励起光入射面に
は、レーザ光（１０６４ｎｍ）に対して全反射し、励起
光（８０９ｎｍ）に対して無反射となる二波長性コート
６（ダイクロイックコート）を施した例を示した。増幅
されるレーザ光はスラブ結晶内で全反射するにもかかわ
らずコートを施した理由は、二波長性コート６を施すこ
とにより、励起光の損失分（約１３．６％）を減ずるこ
とができるからである。Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１は屈折率
が大きいために端面の反射率が大きくなるので、コーテ
ィングした方が良いと判断される。たとえば屈折率の小
さなＹＬＦ結晶では反射率が４％程度であり、この場合
はコーティング無しでも問題ない。このように励起光の
損失に関しては、使用されるスラブアンプ結晶の種類に
よって大きく異なる。したがって、コーティングを付け
るかどうかの判断は、結晶の種類によって判断されるべ
きである。

【００２３】次に、本発明の第３実施例について図３を
用いて説明する。本実施例では、第２実施例で示した入
射面と向かい合う面（第２の面）からも励起光を入射さ
せる構成である。この面は増幅されるレーザ光の波長
（１０６４ｎｍ）に対して全反射し、励起光波長（８０
９ｎｍ）に対して無反射となる二波長コート８を施して
ある。また、本実施例ではＬＤの発光幅１０ｍｍに対し
て、４．６ｍｍまでビーム幅を縮小させるためのレンズ
ダクト（レデューサー７）を用いて、励起光をＮｄ：Ｙ
ＶＯ₄結晶１まで導入させている。本実施例において
も、励起光入射面には二波長性コート６を施してある。
本実施例によれば、励起光を追加することにより、レー
ザ増幅器の増幅率をアップさせることができる。

【００２４】次に、本発明の第４実施例を図４に示す。
本実施例は、第２実施例で示したＮｄ：ＹＶＯ₄結晶１
の長手方向の長さを２倍にして、励起体積を２倍に増や
した例である。これにより、レーザ増幅器の増幅率をア
ップさせることができる。

【００２５】次に、本発明の第５実施例について図５を
用いて説明する。本実施例では、第１実施例で示した励
起光入射面で１回反射させ出射していた光を、結晶長手
方向の軸に対して対称に配置された２段目のアンプに入
射させる構成にしている。同様にして、タンデムにアン
プを並べることによって、スケラビリティのあるアンプ
を構成できる。第４実施例では、入手可能な結晶長に限
界があり、スラブ励起体積増加には限界がある。これに
対して、本実施例によればアンプの段数を増やすことに
より所望する増幅度を得られるという効果がある。

【００２６】次に、本発明の第６実施例を図６に示す。
本実施例では、第４実施例の構成を一枚ないしは二枚の
結合ミラー（図において全反射ミラー９）を用いてタン
デムに結合した場合の例である。これにより、図４に示
すダブルパスアンプ構成（第１の面から入射したビーム
を第２の面で反射させて再び第１の面から出射させる構
成）を簡単に結合することができる。

【００２７】次に、本発明の第７実施例について図７を
用いて説明する。本実施例は、第６実施例の構成をさら
に段数を重ねられるようにした構成例である。Ｎｄ：Ｙ
ＶＯ₄結晶１を２個、図７に示すように、横に配置し、
そのペアを縦方向に４つ連続させて配置した。図７の左
列のＮｄ：ＹＶＯ₄結晶１の各々には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結
晶１の左端面からレデューサー８を介してＬＤ２によっ
て励起光が照射され、図７の右列のＮｄ：ＹＶＯ₄結晶
１の各々には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１の右端面からレデ
ューサー８を介してＬＤ２によって励起光が照射され
る。励起光が入射するＮｄ：ＹＶＯ₄結晶１の端面のそ
れぞれには二波長コート８が施されている。すなわち、
本実施例では励起光をスラブ結晶１の長手方向の側面か
ら入射させるのではなく、スラブアンプへの入出力端面
と向かい合う面（折り返しのための全反射膜８が付いて
いる面）より入射させている。

【００２８】向かい合うスラブアンプユニットの両端面
の間隔をｄとすれば、ｄｔａｎθ_bで与えられる間隔で
Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１の長手方向と直交する方向に順々
に積み重ねていくことにより、スケーラブルな構成とす
ることが可能である。入射ビーム３は図７の右列最上段
のＮｄ：ＹＶＯ₄結晶１へ入射角θ_in（ブリュースター
角θ_b）で入射され、図に示すようにジグザグに各Ｎ
ｄ：ＹＶＯ₄結晶１を通過し、全反射ミラー９で反射さ
れ、再びジグザグに各Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶１を通過し、
出射ビーム４として出射角θ_out（＝入射角θ_in）で出
力される。

【００２９】第５実施例では一方向のみに長く伸びてい
くのに対し、本実施例の方法を用いればよりコンパクト
に構成できる。本構成を採れば、非常に小型に大出力ア
ンプを構成させることが可能である。

【００３０】なお、上記実施例のスラブアンプは、入射
端面とその向かい合う面が平行であるため、１段に大き
な励起エネルギーを強くすると寄生発振することがあ
る。このような場合、１段あたりの励起エネルギーを抑
えタンデムに重ねることにより、所望するゲインを得る
ことが可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明の第１の効果は、本発明によるレ
ーザ増幅器を用いることによって、製造コストが少なく
て済むことである。その理由は、従来のようにスラブ端
面が鋭角でないため、研磨が簡単となるからである。ま
た、研磨するための母材の体積も最小限で済む。さら
に、少なくとも入射面には無反射コーティング付けなく
て済むことからもコストが下がる。

【００３２】第２の効果は、アンプに蓄積されたエネル
ギーの取り出し効率が高いことである。その理由は、形
状が単純であるが故に、研磨精度も出しやすく、スラブ
アンプの設計値を高い精度で実現できるからである。こ
の結果、励起領域と入射レーザビームとのオーバーラッ
プ効率は設計どおりの高い値を実現できる。さらに、入
射面への入射レーザビームの入射角をブリュースター角
に、且つ、入射位置を入射面の中心に正確に導入するだ
けの調整で、後は自動的に設計どおりのパスを通り、そ
して設計どおりの出射位置・出射角度で増幅ビームを出
射させることが可能である。

【００３３】第３の効果は、タンデムに結合することが
容易であり、段数を増やして大きなトータルゲインを得
ることができることである。その理由は、スラブアンプ
に入射するレーザビームの入射角と増幅されたビームの
出射角が同じになる特徴を有しているからである。この
ため、連結させて結合させる際、構成が容易になる。特
にダブルパスアンプ構成をとるとき、１枚ないしは２枚
の折り返し反射鏡を用いて本発明のスラブを結合するだ
けで、このペアになったアンプを何重にも積み重ね、簡
単に大出力アンプを構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図であり、
（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

【図２】本発明の第２実施例を示す構成図。

【図３】本発明の第３実施例を示す構成図。

【図４】本発明の第４実施例を示す構成図。

【図５】本発明の第５実施例を示す構成図。

【図６】本発明の第６実施例を示す構成図。

【図７】本発明の第７実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１Ｎｄ：ＹＶＯ₄結晶２ＬＤ（レーザダイオード）３入射ビーム４出射ビーム（増幅光）５全反射コート（1064nm HR θ=24.79°）６二波長コート（1064nm HR θ=65.21°，809nm AR
θ=0°）７レデューサ（結合光学系）８二波長コート（1064nm HR θ=24.79°，809nm AR
θ=0°）９全反射ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光源を用いてレーザ媒質を励起し、
利得を発生させるレーザ増幅器において、前記レーザ媒
質に、互いに平行な第１の面および第２の面を形成し、
前記第１の面と第２の面との間に、前記励起光源からの
励起光を入射する励起面を前記第１および第２の面に対
して直角に形成し、増幅されるレーザ光は前記第１の面
に対してブリュースター角で入射され、前記励起面で反
射されて前記第２の面に到達することを特徴とするレー
ザ増幅器。
【請求項２】前記レーザ媒質のｐ偏光に対する屈折率
をｎ、前記第１の面の幅を２Ｗ、前記ブリュースター角
をθ_bとするとき、前記１の面と第２の面との間の長さ
が、２Ｗ／ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ_b／ｎ）｝の整
数倍である請求項１に記載のレーザ増幅器。
【請求項３】前記レーザ媒質に、前記励起面に対して
平行な反射面を形成し、前記第２の面に、入射角がｓｉ
ｎ^-1（ｓｉｎθ_b／ｎ）で全反射する薄膜コーティング
を施し、増幅されるレーザ光を前記第１の面の中心に入
射させる請求項２に記載のレーザ増幅器。
【請求項４】前記励起光を前記励起面のみから入射す
るのではなく、前記励起面、前記反射面、前記第２の面
のいずれか１つまたは２つまたはすべてから入射する請
求項３に記載のレーザ増幅器。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項に記載
のレーザ増幅器を複数配置し、１つのレーザ増幅器から
の出射ビームを他のレーザ増幅器の入射ビームとするこ
とを特徴とするレーザ増幅器。