JPH11284257A - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高効率で高出力ＴＥＭooモードを得ることを
可能とし、高い冷却効率により固体レーザ媒質の熱歪み
を低減することで、高出力ＴＥＭooモードでのビーム品
質を劣化させない。また組立時や半導体レーザの交換時
に半導体レーザの位置調整を容易にする。 【解決手段】 透明で厚さが約１ｍｍ程度の側面がテー
パ状になったＬＤ光伝送板２と、これに接する厚みがＬ
Ｄ光伝送板２とほぼ同じで３×３ｍｍ以下又はφ３ｍｍ
以下の大きさの固体レーザ媒質３を用いることにより、
ＬＤ１から出射した励起光の垂直方向成分を全反射によ
り固体レーザ媒質中に効率良く伝搬させることができ、
水平方向にはある程度ＴＥＭooモード発振領域に近い幅
までかつ均一に集光されるため、固体レーザ媒質を高い
励起密度で均一に励起できる。また、固体レーザ媒質３
は薄い板状で冷却プレート４に面で接している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザ装置に
関し、特に半導体レーザを励起光源として用いる半導体
レーザ励起固体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の半導体レーザ励起固体レ
ーザ（以下ＬＤ励起固体レーザという）においては、半
導体レーザ（以下ＬＤという）から出射された励起光
を、ロッド状の固体レーザ媒質を端面に照射して励起す
る端面励起方式と、ＬＤからの励起光をロッド状の固体
レーザ媒質を側面から励起する側面励起方式とが一般的
によく用いられている。

【０００３】従来のＬＤ励起固体レーザにおいて、高出
力のＴＥＭｏｏモード出力を得る場合には、端面励起方
式では、多数個のＬＤからの励起光を固体レーザ媒質の
光軸上に集光するために複雑な光学系を用いたり、励起
光を光ファイバに結合させて束ねたりしていた。

【０００４】また、側面励起方式では、ＬＤからの励起
光を円柱レンズでロッドの軸に平行な方向に線状に集光
してロッド状固体レーザ媒質の側面外周から照射して励
起したり、あるいは、特開平９−１８０７２で示される
ように励起光を拡散伝搬光学系を用いて固体レーザ媒質
を均一励起する方式を取っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の端面励起方式での従来技術においては、第１に固
体レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード発振領域内に効率良く
複数のＬＤ光を集光させるために、特殊な光学系を用い
たり複数のファイバにＬＤ光を入射させて束ねたものを
用いなければならず、光学系が複雑、高価になる。

【０００６】また、第２に、端面励起方式では局所的に
熱が集中するので、励起入力の増加にともなって固体レ
ーザ媒質の熱レンズ効果や熱複屈折が大きくなるため
に、励起入力が大きくなると固体レーザ出力が飽和し、
ビーム品質が低下する。

【０００７】また、上述の特開平９−１８０７２に示さ
れるように励起光を拡散する形で固体レーザ媒質を均一
に励起する側面励起方式では、固体レーザのＴＥＭｏｏ
モード領域以外も広く励起するため、励起光と発振光の
空間的マッチングの割合が低下し、発振しきい値も上昇
するため、発振効率が低下する。

【０００８】本発明の目的は、簡易な光学系で高効率で
高出力ＴＥＭｏｏモードを得るとともに、冷却効率が高
く、固体レーザ媒質の熱歪みが少なく、したがって高出
力時のビーム品質が劣化しないＬＤ励起固体レーザ装置
を提供することである。

【０００９】また、装置組立時及び励起用ＬＤ交換時に
おけるＬＤの位置調整を容易にする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体レーザ媒
質を励起する励起光を出射するアレー型の半導体レーザ
と、前記半導体レーザのアレー方向の発光幅に対応する
幅をもつ入射端面と固体レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード
発振領域の幅に近い幅をもつ出射端面とを有し半導体レ
ーザのアレー方向と垂直方向の発光幅に対応する厚さの
光伝送板と、前記光伝送板の出射端面に接して設置され
前記光伝送板に対応する厚さを有する円板または正角柱
の固体レーザ媒質とを有している。

【００１１】本発明では、アレー型のＬＤの励起光が光
伝送板のＬＤのアレー方向の幅に対応するテーパの広い
側の入射端面より入射し、光伝送板の厚み方向では全反
射を繰り返し、水平方向にはテーパ状の側面で反射しな
がら固体レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード発振領域の幅に
近い幅をもつ出射端面の幅まで集束するよう伝搬し、Ｌ
Ｄ光伝送板の出射端面は固体レーザ媒質の側面に接し、
ＬＤから出射した励起光は固体レーザ媒質を励起する。
固体レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード領域の幅に近い幅の
範囲を均一に励起するため、励起効率が良く、ＴＥＭｏ
ｏモードが高効率で得られる。また、アレー型ＬＤから
の励起光を集束するのに半導体レーザのアレー方向と垂
直方向の発光幅に対応する厚さの光伝送板を用いるのみ
であり、特殊な光学系を用いたり複数のファイバにＬＤ
光を入射させて束ねたものを用いることなく簡易な光学
系でアレー型ＬＤからの励起光を集束することができる
また、固体レーザ媒質は薄い板状のために冷却効果が高
く、温度勾配も厚み方向に発生するため、熱レンズ効果
や熱歪みが軽減され、ビーム品質の劣化が防げる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明
の第１の実施の形態の構成を示す平面図である。また、
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＬＤ励起固体レーザ装置の
側面図である。

【００１３】固体レーザ媒質３を励起するための励起光
を出力するＬＤ１と、ＬＤ１から出力された励起光を、
固体レーザ媒質３まで伝送するＬＤ光伝送体２と、励起
光により励起される固体レーザ媒質３が、平板状の冷却
プレート４上に設置されている。

【００１４】ＬＤ１は、冷却プレート４に設置され、固
体レーザ媒質３の吸収が良い波長で発振するアレー型Ｌ
Ｄである。

【００１５】ＬＤ光伝送板２は、直線状の端面をＬＤ１
の線状の光出射部分に近接して冷却プレート４に設置さ
れ、アレー方向と垂直な方向の発光幅を入射できる程度
の薄さで、また、ほぼ均一な厚さの板状の光伝送体であ
る。また、ＬＤ光伝送板２の１対の側面がテーパ状にな
った台形状の形状を有しており、テーパの広がった底辺
側が入射端面としてＬＤ１側に対向し、反対側のテーパ
の狭くなった側が出射端面として固体レーザ媒質３に接
して設置されている。出射端面は、固体レーザ媒質のＴ
ＥＭｏｏモード発振領域の幅よりは大きいが、それに近
い幅、例えばＴＥＭｏｏモード発振領域の４倍程度以内
の幅をもっている。ＬＤ光伝送板２の材質は、ＬＤ１の
発振光に対して透過率の高い材質を用いる。

【００１６】また、熱伝導率が良く、熱膨張係数が固体
レーザ媒質３の熱膨張係数と近いものが望ましい。ま
た、ＬＤ光伝送板２は、温度により膨張収縮する固体レ
ーザ媒質３との接触を保つように冷却プレート4に取り
付けられている。ＬＤ光伝送板２のテーパ状の側面は、
励起光の波長に対して高反射率となる誘電体多層膜又は
金属膜を蒸着等の手段でコーティングする。

【００１７】固体レーザ媒質３は、厚さがＬＤ光伝送板
２と同程度の円板状のレーザ媒質であり、直径がＬＤ光
伝送板２の出射端面の幅とほぼ等しいか、やや大きい。
冷却プレート４のＬＤ光伝送板２の設置された面と同一
面上に設置されている。固体レーザ媒質３の冷却プレー
ト４側の面には、出力する発振波長に対して高反射とな
るミラーコーティングが施されレーザ共振器の一方を構
成する。

【００１８】図１（ｂ）に示されるように、固体レーザ
媒質３の冷却プレート４に接する側と反対側に出力鏡５
が配置され、上述の固体レーザ媒質３のミラーコーティ
ングと出力鏡５とでレーザ共振器を構成する。

【００１９】冷却プレート４は、レーザ媒質３、ＬＤ
１、ＬＤ光伝送板２を固定し、また、レーザ発振及びレ
ーザ光の吸収等により発熱する各要素を冷却する。

【００２０】ＬＤ１から出射した励起光は、ＬＤ光伝送
板２に入射し、垂直方向はＬＤ光伝送板２の厚み方向に
おいては全反射し、水平方向はテーパ部に施された高反
射コーティングにより反射しながら出射端において収束
する。ＬＤ光伝送板２内を収束しつつ伝搬してきた励起
光は、出射端で接触している固体レーザ媒質３に伝搬し
て均一に励起する。この励起により固体レーザ媒質３に
エネルギーの反転分布が形成される。固体レーザ媒質３
の冷却プレート４側の面は、発振波長に対して高反射と
なるミラーコーティングが施され、出力鏡５とでレーザ
共振器を構成しており、ＴＥＭｏｏモードレーザ光が発
振する。

【００２１】レーザ媒質３は、上記のように非常に薄い
円板状の形状であり、また、冷却プレート４上に底面全
体で密着して固定されているので冷却されやすく、熱レ
ンズ効果や熱複屈折の効果が小さくビーム品質の低下は
小さい。

【００２２】次に、本発明の実施例について詳細に説明
する。固体レーザ媒質３は、φ３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ
のＮｄ：ＹＡＧ結晶である。固体レーザ媒質３をこれ以
上太くしても出力光の径はＴＥＭｏｏモードではφ１ｍ
ｍ程度であり、太くならないため効率の点からφ３ｍｍ
が好ましい。ＬＤ１は発振出力が２０Ｗ、発光部の幅が
１０ｍｍで発振中心波長はＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収がよ
い８０９ｎｍである。ＬＤ光伝送板２はＮｄ：ＹＡＧと
ほぼ同じ屈折率を有した、活性イオンをドープしていな
いＹＡＧ結晶を用いる。ＬＤ光伝送板２の入射面はＬＤ
１の発光幅よりわずかに広く、出射面は固体レーザ媒質
３の側面にオプティカルコンタクトで接している。ＬＤ
光伝送板２のテーパ状側面は、励起光の波長８０９ｎｍ
に対して高反射率となる誘電体多層膜を蒸着している。
また、固体レーザ媒質３の冷却プレート４側の面にはＮ
ｄ：ＹＡＧの発振波長１．０６μｍに対して高反射とな
るミラーコーティングを施し、出力鏡５とでレーザ共振
器を構成する。

【００２３】この構成により固体レーザの出力は、５〜
６Ｗの出力を実現でき、端面励起方法では、固体レーザ
媒質内の温度差が通常３０℃程度になるが、この実施例
では１０℃程度に抑えられる。

【００２４】次に、本発明の第２の実施の形態について
図２、図３を参照して説明する。

【００２５】図２は、第２の実施の形態の平面図であ
り、図３は、図２のＬＤ励起固体レーザの断面図であ
る。

【００２６】本実施の形態は、上述の第１の実施の形態
におけるＬＤ１とＬＤ光伝送板２の組みを、固体レーザ
媒質３の周りに放射状に４個配置する。

【００２７】各ＬＤ１は冷却プレート４の同一高さの面
上に平行に設置されている。

【００２８】また、各ＬＤ１に対応するＬＤ光伝送体２
も、冷却プレート４の同一面上に設置されている。各Ｌ
Ｄ光伝送板２の出射端は、固体レーザ媒質の直径よりわ
ずかに狭い幅を有しており、各ＬＤ光伝送板２の出射端
は固体レーザ媒質３の側面に、それぞれ隣のＬＤ光伝送
体２と９０度異なる方向からオプティカルコンタクトで
接している。

【００２９】また、図３に示すように、固体レーザ媒質
３の冷却プレート４に接する側と反対側に出力鏡５が配
置され、冷却プレート４側の面に施されたミラーコーテ
ィングと出力鏡５とでレーザ共振器を構成する。

【００３０】これにより、励起入力を増加し、ＬＤ１の
個数の増加に比例して簡便にＴＥＭｏｏモード出力の増
加が可能になる。また、周方向にほぼ等間隔に複数の励
起光を照射するので、側面の一部のみではなく側面全体
が均一に温度上昇し、温度勾配は主に厚み方向に発生す
るため、熱レンズ効果や熱複屈折の効果が第１の実施の
形態よりさらに小さい。また、励起光を照射する数は4
以上の出力手段を固体レーザ媒質３の周囲に設置するこ
とによりさらに高出力のレーザ出力を得ることができ
る。この場合、固体レーザ媒質３の直径は、ＬＤ光伝送
板２同士が干渉しないように出射端面より十分大きな径
とする必要がある。または、固体レーザ媒質３の直径
を、ＬＤ光伝送板２の出射端面と同等にする場合は、固
体レーザ媒質３の出力光の方向の長さを２倍にし、上段
部分を照射するＬＤ光伝送板２及びＬＤ１の組と下段部
分を照射する組とを交互に異なる高さに冷却プレート４
上に配置するようにしてもよい。

【００３１】また、固体レーザ媒質３の側面を、ＬＤ光
伝送板２の出射端の形状にあわせてＬＤ１の数の正多角
形としてもよい。逆に、ＬＤ光伝送板２の出射端の形状
を固体レーザ媒質3の側面形状にあわせてシリンドリカ
ル面としてもよい。これにより、固体レーザ媒質３とＬ
Ｄ光伝送板２との接触性が良くなり、励起光の伝達効率
がよくなり、高出力化が可能となる。また、一つのＬＤ
により励起する場合でも、固体レーザ媒質３を正多角柱
としてもかまわない。

【００３２】また、ＬＤ光伝送体２のテーパの角度を、
所定の角度以下にすると、ＬＤ１から入射した光はすべ
て、側面で高反射率で全反射されるので、誘電体多層膜
等のコーティングが不要となり、低コスト化が可能とな
る。

【００３３】また、この場合、屈折率が大きい材質のも
のがテーパの角度をそれほど小さくしなくてもよく、Ｌ
Ｄ光伝送板の長さを短くでき、望ましいまた、入射面、
出射面ともに無反射コーティングを施してもよい。

【００３４】また、他の波長でレーザ発振するような固
体レーザ媒質、ミラーコーティング、ＬＤのあらゆる組
み合わせにおいて、ＬＤ光伝送体の材質をその波長を高
透過率で透過する材質とし、また、側面にその波長を高
反射率で反射するコーティングを施したものも本発明に
含まれる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
厚さ１ｍｍ程度以下の、側面がテーパ状になったＬＤ光
伝送板と、ＬＤ光伝送板と同程度の厚みの固体レーザ媒
質とを接触させ、アレー型高出力ＬＤをＬＤ光伝送板の
入射端に近接させるという簡易な光学系で固体レーザ媒
質の高効率な励起が可能となり、簡易な光学系でＴＥＭ
ｏｏモードでの高出力化を高効率で実現できる。

【００３６】また、ＬＤ光伝送板により、固体レーザ媒
質に照射される励起光が水平方向に均一となるため、端
面励起方式のような局所的な温度上昇が起こらない。

【００３７】さらに、薄い板状の固体レーザ媒質を用い
ているため、冷却効果が高く、熱レンズ効果や熱複屈折
による共振器内部の光学的損失が小さく、固体レーザの
ビーム品質が向上する。

【００３８】また、ＬＤ１とＬＤ光伝送板２の組みを、
固体レーザ媒質３の周りに放射状に複数配置することに
より、励起入力を増加し高出力とすることが可能となる
とともに側面全体が均一に温度上昇するので熱レンズ効
果や熱複屈折の効果が小さくビーム品質がよくなる。

【００３９】また、ＬＤ光伝送板２とＬＤ１の間隔、上
下左右の位置合わせは、高い精度で位置決めしなくても
ＬＤ伝送板２の出射端から出射される励起光に及ぼす影
響がレンズ光学系にくらべて少なく、組み立て時及びＬ
Ｄ交換時の取り付け位置調整が容易である。

【００４０】また、固体レーザ媒質が薄くレーザ発振器
を構成するミラー間の距離が短くできるのでＱスイッチ
レーザに利用すると、スイッチパルスを短くすることが
可能となり高出力のパルスレーザを出力することが出き
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構造を示す図であ
り、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の構造を示す平面図
である。

【図３】図３のＬＤ励起固体レーザ装置の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ＬＤ ２ ＬＤ光伝送板 ３ 固体レーザ媒質 ４ 冷却プレート

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体レーザ媒質を励起する励起光を出射す
   るアレー型の半導体レーザと、 前記半導体レーザのアレー方向の発光幅に対応する幅を
   もつ入射端面と固体レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード発振
   領域の幅に近い幅をもつ出射端面とを有し半導体レーザ
   のアレー方向と垂直方向の発光幅に対応する厚さの光伝
   送板と、 前記光伝送板の出射端面に接して設置され前記光伝送板
   に対応する厚さを有する円板または正多角柱の固体レー
   ザ媒質とを有することを特徴とする半導体レーザ励起固
   体レーザ装置。
2. 【請求項２】固体レーザ媒質を励起する励起光を出射す
   る複数のアレー型の半導体レーザと、前記半導体レーザ
   とそれぞれ対応して設置され、前記半導体レーザのアレ
   ー方向の発光幅に対応する幅をもつ入射端面と固体レー
   ザ媒質のＴＥＭｏｏモード発振領域の幅に近い幅をもつ
   出射端面とを有し半導体レーザのアレー方向と垂直方向
   の発光幅に対応する厚さの前記半導体レーザのアレー方
   向の発光幅に対応する幅をもつ平面状の入射端面と固体
   レーザ媒質のＴＥＭｏｏモード発振領域の幅に近い幅を
   もつ出射端面とを有し半導体レーザのアレー方向と垂直
   方向の発光幅に対応する厚さの光伝複数の光伝送板と、
   前記複数の前記光伝送板及び複数の前記半導体レーザを
   前記固体レーザ媒質を中心に放射状にほぼ等間隔にかつ
   前記複数の光伝送板の出射端面に接して設置され、前記
   光伝送板に対応する厚さを有する円板または正多角柱の
   固体レーザ媒質とを有することを特徴とする半導体レー
   ザ励起固体レーザ装置。
3. 【請求項３】前記半導体レーザ励起固体レーザ装置を構
   成するすべての前記固体レーザ媒質、前記光伝送板及び
   前記半導体レーザを固定し冷却する単一の冷却プレート
   を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載
   の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
4. 【請求項４】前記光伝送板の前記側面は、前記励起光の
   波長に対して高反射率となる誘電体多層膜又は金属膜を
   蒸着等の手段でコーティングを有することを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体レーザ励起
   固体レーザ装置。
5. 【請求項５】前記光伝送板は、前記入射端面からの入射
   光を全反射する角度で出射端面に向かって間隔が狭まる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   半導体レーザ励起固体レーザ装置。
6. 【請求項６】前記光伝送板は、厚さが１ｍｍ以下であ
   り、前記固体レーザ媒質は、直径が約３ｍｍである請求
   項１ないし５のいずれかに記載の半導体レーザ励起固体
   レーザ装置。