JPH1093165A - 半導体レーザー励起固体レーザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体レーザー結晶を半導体レーザーによって
ポンピングし、得られたレーザービームの一部を部分反
射ミラーで分岐させ、その分岐されたレーザービームの
光量を検出してＡＰＣをかけ、出力を安定化させる半導
体レーザー励起固体レーザーにおいて、温度変化によっ
て出力が変動することを防止する。 【解決手段】 レーザー共振器からＡＰＣ用光検出器25
に至る光路に配されるフィルター23等の光学部品を、光
検出器25の受光面25ａに対して光軸上で非平行に配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー励
起固体レーザーに関し、特に詳細には、出力安定化制御
の精度向上を図った半導体レーザー励起固体レーザーに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開昭62-189783 号に示されるよ
うに、ネオジウム（Ｎｄ）が添加されたレーザー結晶を
半導体レーザーから発せられた光によって励起する固体
レーザーが公知となっている。

【０００３】この半導体レーザー励起固体レーザーにお
いては、より短波長のレーザービームを得るために、そ
の共振器内に非線形光学材料からなる光波長変換素子を
配置して、固体レーザービームを第２高調波等に波長変
換することも広く行なわれている。

【０００４】一方、上述の半導体レーザー励起固体レー
ザーに対しては、多くの場合、波長変換波の出力を一定
に保ちたいという要求がある。そこで従来より、例えば
特開平7-154014号に示されるように、レーザービームの
一部を透過させ残余を反射させる部分反射ミラー等の光
分岐手段と、分岐されたレーザービームの光量を検出す
る光検出器と、この光検出器の出力を受けて該出力を一
定化するように半導体レーザーの駆動電流を制御するＡ
ＰＣ（Automatic Power Control ）回路とを設けて、出
力を安定化するようにした半導体レーザー励起固体レー
ザーが提案されている。

【０００５】なお、固体レーザービームが前述のように
波長変換される場合は、上記光分岐手段に波長変換後の
レーザービームが入射するように構成され、この波長変
換後のレーザービームの出力が安定化される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の半
導体レーザー励起固体レーザーにおいては、出力安定化
制御をかけていても、温度変化があると、出力が変動し
やすいという問題が認められている。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、温度変化があっても、出力を精度良く安定化す
ることができる半導体レーザー励起固体レーザーを提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザー励起固体レーザーは、半導体レーザーから発せられ
た励起光によりレーザー結晶を励起する基本構成に加え
て、前述したレーザービームの一部を分岐させる手段
と、レーザービームの光量を検出する光検出器と、ＡＰ
Ｃ回路とを設けてレーザービームの出力を安定化する半
導体レーザー励起固体レーザーにおいて、固体レーザー
共振器から上記光検出器に至る光路に配された光学部品
が、光検出器の受光面に対して光軸上で非平行に配置さ
れていることを特徴とするものである。

【０００９】なお上記光学部品としては、具体的に、所
望の波長域の光のみを選択的に通過させるフィルター等
が挙げられる。

【００１０】また上記光検出器の受光面は、レーザービ
ームの進行方向に対して傾けて配置されるのが好まし
い。

【００１１】さらにこの光検出器は、その受光面に直接
入射する光と、該受光面で反射後に検出器の窓ガラスで
反射して受光面に再入射する光とを、受光面上でビーム
径（１／ｅ² 径）の２倍以上互いにずらすように配設さ
れるのが望ましい。

【００１２】

【発明の効果】本発明者の研究によると、先に述べた従
来装置における問題は、光学部品間の光の干渉のために
光検出器の受光量が不安定になって生じていることが分
かった。特に、反射率の高い光検出器の受光面（光電
面）が他の光学面（つまりフィルターの光入出射面や光
検出器の窓ガラス）と平行になっていると、干渉の影響
で光検出器の受光量が極めて不安定になる。

【００１３】例えば環境温度が変化すると、共振器部分
をある程度温度調節していても、温度検出センサから離
れたＡＰＣユニットでは０．数℃温度が変化する。この
ような温度変化があると、干渉の位相が変化して、たと
えレーザーの出力は一定であっても、ＡＰＣ用光検出器
の受光量が変動することになる。すると、それに応じて
半導体レーザーの駆動電流が増減されて、半導体レーザ
ー励起固体レーザーの出力が変動してしまうのである。

【００１４】また、長期的な共振器の変化に応じて温度
調節の設定温度を変更した場合は、ＡＰＣユニットの温
度が直接的に変わるから、干渉の位相が変化して、同様
に半導体レーザー励起固体レーザーの出力が変動してし
まう。

【００１５】それに対して本発明の半導体レーザー励起
固体レーザーにおいては、固体レーザー共振器からＡＰ
Ｃ用光検出器に至る光路に配された光学部品が、光検出
器の受光面に対して光軸上で非平行に配置されているの
で、光検出器の受光面と上記光学部品の光通過面との間
での光の干渉を防止できる。

【００１６】そうであれば、温度変化による干渉の位相
変化がなくなるので、この干渉の位相変化によるＡＰＣ
用光検出器の受光量変動を防止でき、半導体レーザー励
起固体レーザーの出力を高精度で安定化させることがで
きる。

【００１７】またＡＰＣ用光検出器の受光面が、レーザ
ービームの進行方向に対して傾けて配置されていると、
通常受光面の前に配される光通過用窓ガラスとの間での
光の干渉も防止でき、それにより、半導体レーザー励起
固体レーザーの出力をさらに精度良く安定化させること
ができる。

【００１８】なおＡＰＣ用光検出器が、その受光面に直
接入射する光と、該受光面で反射後に検出器の窓ガラス
で反射して受光面に再入射する光とを、受光面上でビー
ム径（１／ｅ² 径）の２倍以上互いにずらすように配設
されていれば、上述のようにＡＰＣ用光検出器の受光面
と光通過用窓ガラスとの間での光の干渉を防止する効果
が確実に得られる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の１つの実
施形態である半導体レーザー励起固体レーザーの側面形
状を示すものである。

【００２０】この半導体レーザー励起固体レーザーは、
励起光としてのレーザービーム10を発する半導体レーザ
ー11と、発散光であるレーザービーム10を集光する集光
レンズ12と、ネオジウム（Ｎｄ）がドープされた固体レ
ーザー媒質であるＹＶＯ₄ 結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶）
13と、このＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の前方側つまり半導体
レーザー11と反対側に配された共振器ミラー14とを有し
ている。

【００２１】またＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13と共振器ミラー
14との間には、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13側から順に、周期
ドメイン反転構造を有する非線形光学材料であるＭｇ
Ｏ：ＬｉＮｂＯ₃ 結晶（以下、反転ドメインＬＮ結晶と
称する）15、カルサイト結晶17、光軸に対して45′傾け
たエタロン16が配設されている。

【００２２】半導体レーザー11は、活性層幅が約50μｍ
のブロードエリアレーザーであり、中心波長809 ｎｍの
レーザービーム10を発するものが用いられている。また
レーザービーム10の直線偏光方向は図中のβ方向に設定
されている。

【００２３】集光レンズ12は、一例として屈折率分布形
レンズ（商品名：セルフォックレンズ）からなり、球面
加工が施された片面側をＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13に向けて
保持部材20に固定されている。Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13は
厚さ１ｍｍに形成されたものであり、集光レンズ12は該
結晶13の入射端面から厚さ方向0.3 ±0.1 ｍｍの位置
に、拡大率0.8 〜1.0 倍でレーザービーム10を収束させ
るように位置調整されている。

【００２４】この集光レンズ12と半導体レーザー11は、
図中のα、β方向の所定位置に集光点が位置するように
調整された後、保持部材20に固定される。なお、半導体
レーザー11および集光レンズ12が取り付けられた保持部
材20の部分を以下、励起部と称する。

【００２５】Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13は、入射したレーザ
ービーム10によってネオジウムイオンが励起されること
により、波長1064ｎｍの光を発する。Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結
晶13の入射端面13ａには、波長1064ｎｍの光は良好に反
射させる（反射率99.9％以上）一方、波長809 ｎｍの励
起用レーザービーム10は良好に透過させる（透過率93％
以上）コートが施されている。一方共振器ミラー14のミ
ラー面14ａには、波長1064ｎｍの光は良好に反射させ
（反射率99.9％以上）、下記の波長532 ｎｍの光は透過
させる（透過率90％以上）コートが施されている。

【００２６】したがって、上記波長1064ｎｍの光はそれ
に対する高反射面となっているＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶端面
13ａとミラー面14ａとの間に閉じ込められてレーザー発
振を引き起こし、波長1064ｎｍのレーザービーム18が発
生する。基本波としてのこのレーザービーム18は反転ド
メインＬＮ結晶15により、波長が１／２すなわち５３２
ｎｍの第２高調波１９に変換され、共振器ミラー14から
は主にこの第２高調波19が出射する。

【００２７】なお本例において、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13
としてはａ軸カットのものが用いられ、その厚さは１ｍ
ｍである。また反転ドメインＬＮ結晶15の長さは２ｍ
ｍ、共振器ミラー14の曲率半径は50ｍｍ、共振器を構成
するＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶端面13ａとミラー面14ａとの間
の距離は約11ｍｍである。一方Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13の
共振器ミラー14側の端面13ｂには、波長532 ｎｍの第２
高調波19は良好に反射させて（反射率95％以上）、波長
1064ｎｍのレーザービーム18は良好に透過させる（透過
率99.8％以上）コートが施されており、それにより、反
転ドメインＬＮ結晶15で発生してＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13
側に進行した第２高調波19を共振器ミラー14側に反射さ
せて、高い第２高調波出力が得られるようになってい
る。

【００２８】またＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13および反転ドメ
インＬＮ結晶15の結晶軸は、図２に示すように、ｃ軸が
β方向となるように配されている。そして反転ドメイン
ＬＮ結晶15のドメイン反転部の周期は約7.0 μｍであ
り、半導体レーザー11が発するレーザービーム10の中心
波長が809 ｎｍとなる温度で位相整合するように構成さ
れている。

【００２９】カルサイト結晶17は厚さ約0.8 ｍｍの平行
平板で、ｃ軸からａ軸方向に46.7°の方向にカットされ
ている。そこで、平行平面を形成する光入出射面にはａ
軸と、ｃとａを含む軸が出ている。このカルサイト結晶
17の複屈折性のため、該結晶17中では波長1064ｎｍのレ
ーザービーム18の偏光によって光路が異なるので、共振
器ミラー14の位置調整によって所望の偏光のみを発振さ
せることができる。

【００３０】本例では、図２に示すように、カルサイト
結晶17のａ軸をほぼβ方向に揃え、このβ方向に偏光し
た波長1064ｎｍの光を発振させている。そしてカルサイ
ト結晶17の光入出射面には、波長1064ｎｍおよび532 ｎ
ｍの光に対して反射率14.5％となるコートが施されてい
る。なお図２には、各光の偏光方向も併せて示してあ
る。

【００３１】一方、上述した通り反転ドメインＬＮ結晶
15はｃ軸がβ方向となるように配されているので、非線
形光学定数ｄ₃₃を用いて、β方向に偏光した波長532 ｎ
ｍの第２高調波19が発生する。

【００３２】単一縦モード発振を実現させるエタロン16
は厚さ0.3 ｍｍの合成石英板からなり、その光入出射面
には、波長1064ｎｍの光に対して反射率28％、波長532
ｎｍの光に対して反射率0.5 ％以下となるＡＲコーティ
ングが施されている。

【００３３】以上説明したＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶13、共振
器ミラー14、反転ドメインＬＮ結晶15、エタロン16およ
びカルサイト結晶17は、保持部材21に取り付けられてい
る。なお以下では、この保持部材21の部分を共振器部と
称する。

【００３４】この共振器部から出射した第２高調波19
は、保持部材22に取り付けられた部品からなるＡＰＣ部
に入射する。保持部材22は図３、図４にそれぞれ平面形
状、立面形状を示すように、共振器軸に対して５°傾け
られた端面22ａと、共振器軸に平行な端面22ｂと、共振
器軸に対して45°の角度をなす端面22ｃとを有し、その
内部には直角に折れて３つの端面22ａ、22ｂおよび22ｃ
に開口する光通過孔22ｄが穿設されている。

【００３５】共振器部の方を向く上記端面22ａには、励
起用レーザービーム10および固体レーザービーム18を吸
収する一方、第２高調波19は通過させるフィルター23が
取り付けられている。また斜めの端面22ｃには、第２高
調波19の一部を通過させ、残余を端面22ｂ側に反射させ
る部分反射ミラー24が取り付けられている。そして端面
22ｂには、上記の反射した第２高調波19を検出するＡＰ
Ｃ用光検出器25が取り付けられている。

【００３６】上記フィルター23としては、光量の大きな
励起用レーザービーム10に対する透過率が0.01〜 0.001
％のものが用いられている。またその光入出射面には、
波長532 ｎｍの光に対する反射率が0.5 ％以下となるＡ
Ｒコートが施されている。そしてこのフィルター23は、
上記端面22ａに取り付けられたことにより、レーザービ
ーム18および第２高調波19の進行方向に対して５°傾い
ており、それにより、フィルター裏面で反射したこれら
の光18、19が共振器に戻って共振器動作が不安定になる
ことが防止されている。

【００３７】なお、この効果を顕著に得る上ためにフィ
ルター23は、そこで反射して共振器に戻ったレーザービ
ーム18および第２高調波19が、該共振器内の全ての位置
において共振器軸とビーム径（１／ｅ² 径）の２倍以上
離れるように配設されるのが望ましい。

【００３８】一方、光分岐手段としての部分反射ミラー
24は、光入出射面がほぼ平行な合成石英の平板からな
り、上記端面22ｃに固定されたことにより、光軸（γ
軸）に対して45°傾いた状態となっている。β方向に偏
光した第２高調波19は、この部分反射ミラー24の表面24
ａにｓ偏光として入射する。部分反射ミラー24の表面
（Ａ面）24ａ、裏面（Ｂ面）24ｂには、ｓ偏光として入
射する第２高調波19に対して反射率がそれぞれ12.5％、
0.5 ％以下となるＡＲコートが施されている。ＡＰＣ用
光検出器25には上記のミラー表面24ａで反射した第２高
調波19が入射する。

【００３９】ＡＰＣ用光検出器25としては、Ｓｉフォト
ダイオードやＳｉＰＩＮフォトダイオード等、可視光に
感度を有するものを適宜選択使用することができるが、
励起用レーザービーム10や固体レーザービーム18に対し
て相対的に感度が低いものを用いるのが望ましい。光検
出器25の光検出信号Ｓは、先に述べたＡＰＣつまり第２
高調波19の出力を安定化させる制御に用いられるが、そ
の点については後述する。

【００４０】部分反射ミラー24を透過した第２高調波19
は、図１に示される通り、開口板33の開口33ａを通過し
た後、パッケージキャップ34の出射窓34ａからパッケー
ジ外に出射する。なお上記開口33ａの径は、第２高調波
19のビーム径（１／ｅ² 径）の例えば1.5 〜2.5 倍程度
とされ、ここに第２高調波19を通すことにより、前記共
振器部やＡＰＣ部で発生した迷光がカットされる。

【００４１】またパッケージキャップ34の出射窓34ａに
取り付けられた窓ガラス35は、表裏の多重反射による干
渉で第２高調波出力が低下するのを防ぐため、表裏面の
平行度を５〜30′程度としてある。そしてこれら表裏面
には、第２高調波19に対する反射率が0.5 ％以下となる
コートが施されている。

【００４２】以上説明した励起部、共振器部およびＡＰ
Ｃ部を保持した各保持部材20、21および22は、板状のベ
ースプレート30上に接着され、該ベースプレート30およ
びペルチェ素子31を介してパッケージベース32に接着固
定されている。

【００４３】そして、共振器部に取り付けられたサーミ
スタ36により共振器内の温度が検出され、図示しない温
度制御回路によりこの検出温度が所定の温度となるよう
にペルチェ素子31の電流が調節されて、共振器内の温度
が所定温度に維持される。

【００４４】ここで、ベースプレート30上の各要素の温
度は均一であるのが望ましく、そこで保持部材20、21、
22およびベースプレート30はアルミニウム、銅またはこ
れらの合金のように熱伝導率の高い材料から形成される
のが望ましい。また、各部の接着固定も熱伝導率性接着
剤、半田等熱伝導率の高いものによってなされるのが望
ましいが、エポキシ接着剤等の一般的な接着剤でも、接
着層を10μｍ以下程度に薄くすれば、熱抵抗が小さくな
るので使用可能である。

【００４５】また本実施形態においては、全ての部品の
取り付けが終了した後、電気部品の配線を済ませたパッ
ケージベース32とパッケージキャップ34とが、乾燥窒素
雰囲気中でシーム溶接される。

【００４６】次に、前述したＡＰＣについて詳しく説明
する。図３に示されるように光検出器25の光検出信号Ｓ
は、ＡＰＣ回路26に入力される。ＡＰＣ回路26は例えば
この光検出信号Ｓと所定の基準信号とを比較し、前者が
後者を上回るときは半導体レーザ11の駆動電流Ｉを低下
させ、その反対のときは駆動電流Ｉを増大させる。それ
により、第２高調波19の出力が所定の一定値に保たれ
る。

【００４７】ここで本装置においては、図４に誇張して
示してあるように、光検出器25は光軸に対して５°傾け
て配設され、光軸に対するこの傾きの方向は、フィルタ
ー23の光軸に対する傾きの方向と異なっている。そこ
で、光検出器25の光電面25ａとフィルター23とは、光軸
上で互いに非平行となっている。なおこの「光軸上で互
いに非平行」とは、両者の光軸に対する向きが一致して
いないことを意味する。つまり、光軸が折れている場合
は、光軸が一直線となるように展開した状態で両者が機
械的に非平行であることを意味する。

【００４８】このように光電面25ａとフィルター23とが
光軸上で非平行となっていれば、この光電面25ａとフィ
ルター23間、あるいは光検出器25の窓ガラス25ｂとフィ
ルター23間で第２高調波19が干渉することを防止でき
る。そうであれば、温度変化による干渉の位相変化がな
くなるので、この干渉の位相変化による光検出器25の受
光量変動を防止でき、半導体レーザー励起固体レーザー
の出力を高精度で安定化させることができる。

【００４９】また光検出器25の光電面25ａが、第２高調
波19の進行方向に対して傾けて配置されているので、図
４に示される通り、該光電面25ａに直接入射する第２高
調波19の光路と、この光電面25ａで反射した後の第２高
調波19の光路とが互いに離れるようになる。そこで、光
電面25ａと窓ガラス25ｂとの間での第２高調波19の干渉
も防止でき、それにより、半導体レーザー励起固体レー
ザーの出力をさらに精度良く安定化させることができ
る。

【００５０】このように光電面25ａと窓ガラス25ｂとの
間での第２高調波19の干渉を防止するためには、その光
電面25ａに直接入射する第２高調波19と、該光電面25ａ
で反射後に窓ガラス25ｂで反射して光電面25ａに再入射
する第２高調波19とを、光電面25ａ上でビーム径（１／
ｅ² 径）の２倍以上互いにずらすように光検出器25を配
設しておくのが望ましい。

【００５１】さらに、窓ガラス25ｂの平行度が比較的低
い光検出器25を用いれば、この窓ガラス25ｂの表裏間で
第２高調波19が干渉することも防止できる。なお、窓ガ
ラス25ｂの厚さが通常の0.3 ｍｍ以下程度であれば、そ
の平行度が比較的高くても、干渉状態を変化させるには
例えば20〜35℃程度の温度差が必要であるから、前述の
ように温度調節がなされていれば特に問題は生じない。
また経時変化に対応させて温度調節の設定温度を変更す
る場合も、温度変更幅は０．数℃から１℃程度なので、
問題にはならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施形態である半導体レーザー
励起固体レーザーを示す一部破断側面図

【図２】上記半導体レーザー励起固体レーザーにおける
レーザービームの偏光方向等を説明する概略図

【図３】上記半導体レーザー励起固体レーザーのＡＰＣ
用光検出器の部分を示す一部破断平面図

【図４】上記光検出器の部分を示す一部破断立面図

【符号の説明】 10 レーザービーム（ポンピング光） 11 半導体レーザー 12 集光レンズ 13 Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶 14 共振器ミラー 15 反転ドメインＬＮ結晶 16 エタロン 17 カルサイト結晶 18 固体レーザービーム（基本波） 19 第２高調波 23 フィルター 24 部分反射ミラー 24ａ 部分反射ミラーの表面 24ｂ 部分反射ミラーの裏面 25 ＡＰＣ用光検出器 25ａ 光検出器の光電面（受光面） 25ｂ 光検出器の窓ガラス 26 ＡＰＣ回路 30 ベースプレート 31 ペルチェ素子 32 パッケージベース 33 開口板 34 パッケージキャップ 36 サーミスタ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー結晶と、 このレーザー結晶を励起する励起光を発する半導体レー
   ザーと、 この励起により得られたレーザービームの一部を分岐さ
   せる手段と、 分岐されたレーザービームの光量を検出する光検出器
   と、 この光検出器の出力を受け、該出力を一定化するように
   前記半導体レーザーの駆動電流を制御するＡＰＣ回路と
   を有する半導体レーザー励起固体レーザーにおいて、 固体レーザー共振器から前記光検出器に至る光路に配さ
   れた光学部品が、光検出器の受光面に対して光軸上で非
   平行に配置されていることを特徴とする半導体レーザー
   励起固体レーザー。
2. 【請求項２】 前記光学部品が、所望の波長域の光のみ
   を選択的に通過させるフィルターであることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー。
3. 【請求項３】 前記光検出器の受光面が、前記レーザー
   ビームの進行方向に対して傾けて配置されていることを
   特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザー励起
   固体レーザー。
4. 【請求項４】 前記光検出器が、その受光面に直接入射
   する光と、該受光面で反射後に検出器の窓ガラスで反射
   して受光面に再入射する光とを、受光面上でビーム径
   （１／ｅ² 径）の２倍以上互いにずらすように配設され
   ていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザー
   励起固体レーザー。
5. 【請求項５】 前記光検出器が温度調節されていること
   を特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体
   レーザー励起固体レーザー。
6. 【請求項６】 前記光検出器に受光されるレーザービー
   ムが、光波長変換素子により波長変換されたものである
   ことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の半
   導体レーザー励起固体レーザー。
7. 【請求項７】 前記フィルターが、そこで反射して固体
   レーザー共振器に戻ったレーザービームが、該共振器内
   の全ての位置において共振器軸とビーム径（１／ｅ
   ² 径）の２倍以上離れるように配設されていることを特
   徴とする請求項２から６いずれか１項記載の半導体レー
   ザー励起固体レーザー。