説明

レーザー装置

【課題】 励起光源から出射する励起光を効率よくレーザー結晶のコア部分に入射させることが可能なレーザー装置を提供する。
【解決手段】 レーザー光を出射する励起光源と、励起光源から出射されたレーザー光が入射するレーザー結晶を備えた共振器と、励起光源と共振器との間に配置され、レーザー光が透過する励起光学系と、を有するレーザー装置であって、励起光源から出射されたレーザー光をスーパープリズム効果によって分光するフォトニック結晶を分光手段として設ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体レーザー結晶を使用し、波長変換デバイスを用いて様々な波長を発振できるレーザー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、レーザー媒質となる元素を添加したコアとレーザー媒質となる元素を含まないクラッドからなるレーザー結晶と、このレーザー結晶に励起光を側面から照射する励起光源と、上記レーザー媒質を冷却する冷却手段とを備えた固体レーザー発振装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この固体レーザー発振装置は、レーザー結晶を平板状に形成し、かつ、その裏面全面を冷却手段の平坦な冷却面に接触させることによって、ロッド型(円柱型)のレーザー結晶に比較してコア部の冷却効果の向上を図って温度勾配によるコアの熱歪みを軽減し、ビーム品質の劣化を防ぐようにしている。例えば特許文献1では、裏面だけでなくコア部を含むレーザー結晶表面の冷却も行っている。この種の固体レーザー発振装置は、レーザー結晶の厚みが1mm以下という非常に薄く小さい形態からマイクロチップレーザーと称されている。
【0003】
図8は、レーザー結晶に対して側面から光を入射する、側面励起固体レーザー装置の従来技術の構成を示したものである。このレーザー装置は、図8に示すように、励起光源としての半導体レーザー1、半導体レーザーの光をレーザー結晶へ効率よく入射させるための光学系2、コア3とクラッド4を有するレーザー結晶5、レーザー結晶を冷却するためのヒートシンク6から構成されている。
【0004】
一方、近年注目されているフォトニック結晶の特性の1つとして、「スーパープリズム」という現象がある。これは、ガラスなどで作られるプリズムのように分光する現象(色分散)が、波長差1%につき分散角が0.1度なのに対して、フォトニック結晶では波長差1%に対して50度と通常プリズムの約500倍となっている。また、中間の波長をもつ光はほぼ波長に比例した角度で折れ曲がる(例えば、非特許文献1参照)。
【特許文献1】特許第3503588号公報
【非特許文献1】小坂 英男、“スーパープリズムにはじまるフォトニック結晶光学”、O plus E 1999年12月号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記側面励起固体レーザー装置においては、励起光の出力強度に対するレーザー結晶からのレーザー発振光出力強度の比、いわゆる発振効率が問題となる。特に、レーザー媒質は特定の波長領域に対して吸収する特性をもっており、この波長域とほぼ同じ波長域をカバーするように励起光源の波長域が設定されるべきであるが、実際には励起光源の波長域が広くなってしまい、その分がレーザー発振に寄与しないため、結果として効率を落とすことになる。
【0006】
そこで、本発明は、光源から出射する励起光(レーザー光)を効率よくレーザー結晶のコア部分に入射させることが可能なレーザー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かかる目的を達成するために、請求項1記載の発明は、レーザー光を出射する励起光源と、励起光源から出射されたレーザー光が入射するレーザー結晶を備えた共振器と、励起光源と共振器との間に配置され、レーザー光が透過する励起光学系と、を有するレーザー装置であって、励起光源から出射されたレーザー光を分光する分光手段を設けたことを特徴とする。
【0008】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、分光手段で分光したレーザー光のうち、所定の波長のレーザー光を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とする。
【0009】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、分光手段で分光したレーザー光のうち、所定の波長のレーザー光を集光する集光手段を設けたことを特徴とする。
【0010】
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の発明において、分光手段の入出力面に、屈折率を徐々に変化させる構造を設けたことを特徴とする。
【0011】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の発明において、共振器の反射ミラーの波長がそれぞれ異なる複数のレーザー結晶をアレイ状に配置したことを特徴とする。
【0012】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の発明において、分光手段は、スーパープリズム効果を有するフォトニック結晶であることを特徴とする。
【0013】
請求項7記載の発明は、請求項1から6のいずれか1項に記載の発明において、レーザー結晶は、レーザー媒質となる元素を添加したコア部と、レーザー媒質となる元素を含まないクラッド部と、を有し、レーザー光は、コア部へ入射することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、励起光を効率よくレーザー結晶のコア部分に入射させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例1】
【0016】
本発明の実施例1であるレーザー装置の構成を図1に示す。また、図2は本実施例の上面図であり、図3は本実施例の側面図である。
【0017】
図1〜図3に示すように、本実施例のレーザー装置は、半導体レーザーが線状に配置された半導体レーザーアレイ7と、半導体レーザーアレイ7からの光をビーム整形し、さらにコリメートするためのコリメートレンズ8と、コリメートされたビームを縮小するための縮小光学系9と、縮小光学系9からの光を分光するためのフォトニック結晶11と、特定の波長域を選択するための遮光手段であるピンホール10と、ピンホール10からの光を集光するための集光レンズ12と、レーザー媒質となる元素を添加したコア部13及びレーザー媒質となる元素を含まないクラッド部14を備えるレーザー結晶15と、を有して構成される。
【0018】
半導体レーザーアレイ7は、サブマウント上に配置され、温度制御のための素子(例えばペルチェ素子や空冷ユニットなど)で温度制御される。半導体レーザーアレイ7の中心波長として808nm、波長のFWHMが2.5nm、19アレイの半導体レーザーアレイを用いる。
【0019】
縮小光学系9は、通常用いられているようなレンズ2枚で構成される。本実施例では凸レンズ2枚で構成しているが、凸レンズと凹レンズの2枚で構成しても構わない。
【0020】
フォトニック結晶11は、半導体レーザーアレイ7の波長に対して透明な材料を用いた2次元周期構造を持つものである。具体的には、TiO2基板に対して円柱状あるいは中空状に2次元周期的に微細加工したものである。このフォトニック結晶11は、波長808nmの光が入射した場合はそのまま直進し、波長差1%に対して50度分光する作用がある。
【0021】
ピンホール10は、金属板に微小な円形の穴が開いたもので、穴の径は上記フォトニック結晶11の分光と、半導体レーザーの波長帯域として選択したい領域の関係で決まる。本実施例で使用する半導体レーザーアレイ7のFWHMは2.5nmで、選択したい波長帯域が1nm幅とすると、上記波長差1%に対して50度分光するフォトニック結晶11では角度が6.25度以内の光が選択したい波長帯域の光となる。フォトニック結晶10の厚さが100μmとすると、ピンホール10の直径は10.9μmとなる。
【0022】
レーザー結晶15は、クラッド部13がセラミックスYAG、コア部14がNdをドープしたYAGを用いている。レーザー結晶15の吸収波長は808nmである。このレーザー結晶15は、レーザー発振する波長である1064nmに対して、基板に設置する面では反射率100%、レーザー光が出射する面では反射率が97%のコーティングを施している。また、コア部14の大きさは、0.5mm角で高さが1mm、レーザー結晶15全体の大きさは1mm立方である。さらに、レーザー結晶15は、自ら発生する熱を廃熱するための温度制御ユニット(例えばペルチェ素子や空冷ユニット等)上に配置される。なお、本実施例のレーザー結晶は、図示しない共振器内に備えられる。
【0023】
そして、本実施例のレーザー装置では、図1に示すように、温度制御ユニットを含む半導体レーザーアレイ7、コリメートレンズ8、縮小光学系9、フォトニック結晶11、ピンホール10、集光レンズ12、温度制御ユニットを含むレーザー結晶15、の光学素子が1つの基板上に配置される。
【0024】
本実施例の動作について説明する。
半導体レーザーアレイ7は19素子が一括で点灯する。この半導体レーザーアレイ7は放射角が水平方向と垂直方向では大きく異なるため、2つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズ8としている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。この際に、ほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。この後、フォトニック結晶11に垂直入射した光はフォトニック結晶11内で分光される。そして、上述のように、波長808nmは直進し、808nmからの波長差1%に対して50度分光する。フォトニック結晶11の先に配置されたピンホール10ではちょうど波長幅1nmの光が透過し、それ以外の波長の光はピンホール10で遮光され、その後の集光レンズ12には入射しない。この後、集光レンズ12により、レーザー結晶15へ入射し、コア部14で集光する。
【0025】
上述したように本実施例の構成では、コリメートした後の励起光はアレイ状になっているが、アレイインテグレータ(フライアイレンズ)を用いて重ね合わせて1つの光源のようにしても構わない。また、上述したコリメートレンズ8や集光レンズ12以外にも、特開平7-98402号公報で開示されているレンズを使用しても構わない。
【実施例2】
【0026】
本発明の実施例2であるレーザー装置の構成を図4に示す。また、図5は本実施例の上面図であり、図6は本実施例の側面図である。
【0027】
図4〜図6に示すように、本実施例のレーザー装置は、半導体レーザーが線状に配置された半導体レーザーアレイ17と、半導体レーザーアレイ17からの光をビーム整形し、さらにコリメートするためのコリメートレンズ18と、コリメートされたビームを縮小するための縮小光学系19と、縮小光学系19からの光を分光するためのフォトニック結晶21と、特定の波長域を選択し集光するための集光レンズ22と、レーザー媒質となる元素を添加したコア部23及びレーザー媒質となる元素を含まないクラッド部24を備えるレーザー結晶25と、を有して構成される。
【0028】
半導体レーザーアレイ17は、サブマウント上に配置され、温度制御のための素子(例えばペルチェ素子や空冷ユニットなど)で温度制御される。半導体レーザーアレイ17の中心波長として808nm、波長のFWHMが2.5nm、19アレイの半導体レーザーアレイを用いる。
【0029】
縮小光学系19は、通常用いられているようなレンズ2枚で構成される。本実施例では凸レンズ2枚で構成しているが、凸レンズと凹レンズの2枚で構成しても構わない。
【0030】
フォトニック結晶21は、半導体レーザーアレイ17の波長に対して透明な材料を用いた2次元周期構造を持つものである。具体的には、TiO2基板に対して円柱状あるいは中空状に2次元周期的に微細加工したものである。このフォトニック結晶21は、波長808nmの光が入射した場合はそのまま直進し、波長差1%に対して50度分光する作用がある。さらに、本実施例では、フォトニック結晶21の入射面出射面に対して屈折率が徐々に変化する構造を設けている。具体的には光の波面に対して徐々に屈折率が変化するような山型の構造を設けている。
【0031】
集光レンズ22は、通常のレンズではあるが、上記フォトニック結晶21の分光と半導体レーザーの波長帯域として選択したい領域の関係でNAを選択したものである。本実施例で使用する半導体レーザーアレイ17のFWHMは2.5nmで選択したい波長帯域が1nm幅とすると、上記波長差1%に対して50度分光するフォトニック結晶では角度が6.25度以内の光が選択したい波長帯域の光となる。したがって、NAが0.05程度のレンズを選択している。
【0032】
レーザー結晶25は、クラッド部23がセラミックスYAG、コア部24がNdをドープしたYAGを用いている。レーザー結晶25の吸収波長は808nmである。このレーザー結晶25は、レーザー発振する波長である1064nmに対して、基板に設置する面では反射率100%、レーザー光が出射する面では反射率が97%のコーティングを施している。また、コア部24の大きさは、0.5mm角で高さが1mm、レーザー結晶25全体の大きさは1mm立方である。さらに、レーザー結晶25は、自ら発生する熱を廃熱するための温度制御ユニット(例えばペルチェ素子や空冷ユニット等)上に配置される。
【0033】
そして、本実施例のレーザー装置では、図4に示すように、温度制御ユニットを含む半導体レーザーアレイ17、コリメートレンズ18、縮小光学系19、フォトニック結晶21、集光レンズ22、温度制御ユニットを含むレーザー結晶25、の光学素子が1つの基板上に配置される。
【0034】
本実施例の動作について説明する。
半導体レーザーアレイ17は19素子が一括で点灯する。この半導体レーザーアレイ17は放射角が水平方向と垂直方向では大きく異なるため、2つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズ18としている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。この際に、ほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。この後、フォトニック結晶21に垂直入射した光はフォトニック結晶21内で分光される。そして、上述のように、波長808nmは直進し、808nmからの波長差1%に対して50度分光する。フォトニック結晶21で分光された光は、集光レンズ22でちょうど波長幅1nmの光が集光に寄与し、それ以外の波長の光は集光されない。集光レンズ22の焦点位置をレーザー結晶25のコア部24とすることにより、レーザー結晶25へ入射し、コア部24で集光する。
【0035】
上述したように本実施例の構成では、コリメートした後の励起光はアレイ状になっているが、アレイインテグレータ(フライアイレンズ)を用いて重ね合わせて1つの光源のようにしても構わない。また、上述したコリメートレンズ18や集光レンズ22以外にも、特開平7-98402号公報で開示されているレンズを使用しても構わないが、集光レンズのNAは波長帯域に合わせて選択する。
【実施例3】
【0036】
本発明の実施例3であるレーザー装置の構成を図7に示す。
【0037】
図7に示すように、本実施例のレーザー装置は、半導体レーザーが線状に配置された半導体レーザーアレイ27と、半導体レーザーアレイ27からの光をビーム整形し、さらにコリメートするためのコリメートレンズ28と、コリメートされたビームを縮小するための縮小光学系29と、縮小光学系29からの光を分光するためのフォトニック結晶31と、特定の波長域を選択するための遮光手段であるピンホール30と、ピンホール30からの光を集光するための集光レンズ32と、レーザー媒質となる元素を添加したコア部33及びレーザー媒質となる元素を含まないクラッド部34を備えるレーザー結晶35と、を有して構成されたものが、3つアレイ状に配置された構造となっている。
【0038】
縮小光学系29は、通常用いられているようなレンズ2枚で構成される。本実施例では凸レンズ2枚で構成しているが、凸レンズと凹レンズの2枚で構成しても構わない。
【0039】
半導体レーザーアレイ27は、サブマウント上に配置され、温度制御のための素子(例えばペルチェ素子や空冷ユニットなど)で温度制御される。半導体レーザーアレイ27の中心波長として808nm、波長のFWHMが2.5nm、19アレイの半導体レーザーアレイを用いる。
【0040】
フォトニック結晶31は、半導体レーザーアレイ27の波長に対して透明な材料を用いた2次元周期構造を持つものである。具体的には、TiO2基板に対して円柱状あるいは中空状に2次元周期的に微細加工したものである。このフォトニック結晶10は、波長808nmの光が入射した場合はそのまま直進し、波長差1%に対して50度分光する作用がある。
【0041】
ピンホール30は、金属板に微小な円形の穴が開いたもので、穴の径は上記フォトニック結晶31の分光と、半導体レーザーの波長帯域として選択したい領域の関係で決まる。本実施例で使用する半導体レーザーアレイ27のFWHMは2.5nmで、選択したい波長帯域が1nm幅とすると、上記波長差1%に対して50度分光するフォトニック結晶31では角度が6.25度以内の光が選択したい波長帯域の光となる。フォトニック結晶31の厚さが100μmとすると、ピンホール31の直径は10.9μmとなる。
【0042】
レーザー結晶35は、クラッド部13がGdVO4、コア部14がNdをドープしたGdVO4を用いている。このレーザー結晶35は、912nm、1063nm、1346nmと1つのレーザー結晶から3つの基本波が出力できる。基本波の選択は、レーザー発振する波長に対してそれぞれレーザー結晶面にコーティングする反射膜のスペクトルが異なるレーザー結晶を準備することで行う。波長は上述のように3種類あり、図7では912nmをレーザー結晶35(λ1)と、1063nmをレーザー結晶35(λ2)と、1346nmをレーザー結晶35(λ3)と表示している。それぞれのレーザー結晶の基板に設置する面では、それぞれの波長に対し反射率100%、レーザー光が出射する面では反射率が97%のコーティングを施している。また、コア部の直径は0.5mm角で高さが1mm、レーザー結晶全体の大きさは1mm立方である。
【0043】
そして、本実施例のレーザー装置では、図7に示すように、温度制御ユニットを含む半導体レーザーアレイ27、コリメートレンズ28、縮小光学系29、フォトニック結晶31、ピンホール30、集光レンズ32、温度制御ユニットを含むレーザー結晶35、の光学素子が1つの基板上に配置される。
【0044】
本実施例の動作について説明する。なお、3つのアレイとも波長は異なるが動作はまったく同じである。
半導体レーザーアレイ27は19素子が一括で点灯する。この半導体レーザーアレイ27は放射角が水平方向と垂直方向では大きく異なるため、2つの焦点距離が異なり曲面のある方向が互いに直行するシリンドリカルレンズを組み合わせてコリメートレンズ28としている。特に垂直方向は放射角が大きいので、焦点距離の短いシリンドリカルレンズとし、水平方向は垂直方向に比べて放射角が小さいので、焦点距離の長いシリンドリカルレンズとし、コリメートしている。この際に、ほぼ円形となるように各シリンドリカルレンズの焦点距離を選んでいる。この後、フォトニック結晶31に垂直入射した光はフォトニック結晶31内で分光される。そして、上述のように、波長808nmは直進し、808nmからの波長差1%に対して50度分光する。フォトニック結晶31の先に配置されたピンホール30ではちょうど波長幅1nmの光が透過し、それ以外の波長の光はピンホール30で遮光され、その後の集光レンズ32には入射しない。この後、集光レンズ32により、レーザー結晶35へ入射し、コア部34で集光する。
【0045】
上述したように本実施例の構成では、コリメートした後の励起光はアレイ状になっているが、アレイインテグレータ(フライアイレンズ)を用いて重ね合わせて1つの光源のようにしても構わない。また、上述したコリメートレンズ28や集光レンズ32以外にも、特開平7-98402号公報で開示されているレンズを使用しても構わない。
【0046】
以上説明したように、上記実施例のレーザー装置においては、レーザー結晶に対して効率よく発振できる波長の光を集めるために所定の波長域の光を分光する分光手段を設けることにより、発振に寄与しない波長の光がレーザー結晶内で吸収されて熱に変わり、結果的に効率を落とすことを抑えることが可能となる。
【0047】
また、上記実施例のレーザー装置においては、分光手段として、フォトニック結晶のスーパープリズム効果を用いることにより、小型でレーザー装置を構成することができる。
【0048】
また、上記実施例のレーザー装置においては、不要な光をレーザー結晶へ入射しないようにする遮光手段(ピンホール)を設けることにより、さらにレーザー結晶内で発生する熱を抑えることができる。
【0049】
また、上記実施例のレーザー装置においては、必要な波長の光だけ集光してレーザー結晶へ入射するようにする光学系(集光レンズ)を設けることにより、さらにレーザー結晶内で発生する熱を抑えることができる。
【0050】
また、上記実施例のレーザー装置においては、フォトニック結晶の入出力面に屈折率が徐々に変化する構造を設けることにより、フォトニック結晶の入出力時に損失となる光を抑えることが可能となり、励起光からレーザー発振への効率を高めることができる。
【0051】
また、上記実施例のレーザー装置においては、アレイ状に配置することにより、複数の波長のレーザー光を小型に配置することができる。
【0052】
以上、本発明の各実施例について説明したが、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【0053】
本発明は、プリンタ用光書込み用光源、ディスプレイ用光源などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の実施例1に係る構成を示す概観図である。
【図2】本発明の実施例1に係る構成を示す上面図である。
【図3】本発明の実施例1に係る構成を示す側面図である。
【図4】本発明の実施例2に係る構成を示す概観図である。
【図5】本発明の実施例2に係る構成を示す上面図である。
【図6】本発明の実施例2に係る構成を示す測面図である。
【図7】本発明の実施例3に係る構成を示す概観図である。
【図8】従来技術に係る構成を示す概観図である。
【符号の説明】
【0055】
1 半導体レーザー
2 光学系
3 コア
4 クラッド
5 レーザー結晶
6 ヒートシンク
7、17、27 半導体レーザーアレイ(励起光源の一例)
8、18、28 コリメートレンズ(励起光学系の一例)
9、19、29 縮小光学系(励起光学系の一例)
10、30 ピンホール(遮光手段の一例)
11、21、31 フォトニック結晶(分光手段の一例)
12、22、32 集光レンズ(集光手段の一例)
13、23、33 クラッド部
14、24、34 コア部
15、25、35 レーザー結晶

【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー光を出射する励起光源と、
前記励起光源から出射されたレーザー光が入射するレーザー結晶を備えた共振器と、
前記励起光源と前記共振器との間に配置され、前記レーザー光が透過する励起光学系と、を有するレーザー装置であって、
前記励起光源から出射されたレーザー光を分光する分光手段を設けたことを特徴とするレーザー装置。
【請求項2】
前記分光手段で分光したレーザー光のうち、所定の波長のレーザー光を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とする請求項1記載のレーザー装置。
【請求項3】
前記分光手段で分光したレーザー光のうち、所定の波長のレーザー光を集光する集光手段を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載のレーザー装置。
【請求項4】
前記分光手段の入出力面に、屈折率を徐々に変化させる構造を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のレーザー装置。
【請求項5】
前記共振器の反射ミラーの波長がそれぞれ異なる複数の前記レーザー結晶をアレイ状に配置したことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のレーザー装置。
【請求項6】
前記分光手段は、スーパープリズム効果を有するフォトニック結晶であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザー装置。
【請求項7】
前記レーザー結晶は、レーザー媒質となる元素を添加したコア部と、レーザー媒質となる元素を含まないクラッド部と、を有し、
前記レーザー光は、前記コア部へ入射することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のレーザー装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2007−27251(P2007−27251A)
【公開日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−204229(P2005−204229)
【出願日】平成17年7月13日(2005.7.13)
【出願人】(000006747)株式会社リコー (37,907)
【Fターム(参考)】