半導体レーザー励起固体レーザー装置
【課題】 マイクロチップ内での不要な寄生発振を抑制し、効率よくエネルギーを外部に取り出すことができるコンパクトな半導体レーザー励起固体レーザー装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザー励起固体レーザー装置において、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコア１と、この固体レーザーコア１の周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓３が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域２と、この固体レーザーコア１を含む光ガイド領域２の片方の面に配置されるヒートシンク４とを備え、前記光入射窓３より励起光１４を導入し、前記光ガイド領域２内を前記励起光１４が伝搬して前記固体レーザーコア１を励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンク４に接する面に対向する面より前記固体レーザーコア１の上方にレーザー発振光を取り出すようにした。
【解決手段】 半導体レーザー励起固体レーザー装置において、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコア１と、この固体レーザーコア１の周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓３が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域２と、この固体レーザーコア１を含む光ガイド領域２の片方の面に配置されるヒートシンク４とを備え、前記光入射窓３より励起光１４を導入し、前記光ガイド領域２内を前記励起光１４が伝搬して前記固体レーザーコア１を励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンク４に接する面に対向する面より前記固体レーザーコア１の上方にレーザー発振光を取り出すようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で高出力、高効率、高安定なマイクロチップ固体レーザー装置に係り、特に、その半導体レーザー励起固体レーザー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザー励起固体レーザー装置は、複数の半導体レーザーの光エネルギーを固体レーザー媒質内で一旦吸収した後、固体レーザー共振器内で電磁波波面の揃った非常に集光性の高い１つのレーザー光に変換できるため、そのレーザー光をレンズで集光することで非常に高い光密度を得ることができる。そのため、理化学用の計測光源を始め、産業用の各種材料の切断、溶接などの加工や、身近にある様々な装置やシステムに適用されている。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザーの励起波長と固体レーザーの発振波長の差のエネルギーが固体レーザー媒質内で熱に変わるため、その熱による温度上昇によって、固体レーザー媒質内で屈折率が変化したり、熱膨張による歪みや変形が起こり、高出力動作時には安定なレーザー発振の妨げになることが知られている。
そこで、固体レーザー媒質内で発生した熱をヒートシンクなどの外部に効率よく排熱する構成として、レーザー媒質を薄く平らに延ばして片面をヒートシンクに密着させた、ディスク型あるいはマイクロチップ型と呼ばれる固体レーザー装置が開発され、効果を上げている。特に、マイクロチップ型は、半導体レーザーからの励起光を固体レーザー媒質内に導入するための光学系が簡単でよいため、小型化、低価格化の点で有利である（下記特許文献１，２、非特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５５５３０８８号明細書
【特許文献２】米国特許第６６２５１９３号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａ．Ｇｉｅｓｅｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｆｏｒ Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，Ｖｏｌ．５８，ｐｐ．３６５−３７２（１９９４）
【非特許文献２】Ｔ．Ｄａｓｃａｌｕ ｅｔ ａｌ．，“９０Ｗ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｄｉｏｄｅ ｅｄｇｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｙｂ：Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12 ｌａｓｅｒ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２０，ｐｐ．４０８６−４０８８（２００３）
【非特許文献３】Ｈ．Ｙａｇｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12 ｃｅｒａｍｉｃ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｖｏｌ．１２１，ｐｐ．８８−９４（２００６）
【非特許文献４】Ｄｉｅｔｍａｒ Ｋｒａｃｈｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｒｅ−ｄｏｐｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｄ：ＹＡＧ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｍ：ＹＡＧ Ｃｌａｄｄｉｎｇ”，Ｌａｓｅｒ Ｚｅｎｔｒｕｍ Ｈａｎｎｏｖｅｒ，ｅ．Ｖ．，Ｈｏｌｌｅｒｉｔｈａｌｌｅｅ ８，Ｄ−３０４１９，ＣＴｈＴ５（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、マイクロチップレーザーにおいては、チップの中央に設けたレーザー媒質領域（コア）にチップの側面から励起光を導入するようにしている。コアの周囲には励起光に対して透明なガイド領域があり、励起光はガイド領域内を全反射で損失なくコアまで伝搬し、そこで吸収される。レーザー発振は、外部に出力ミラーを設けて、励起光の入射方向に対して垂直方向、すなわち、チップの厚み方向に行われる。
【０００７】
図１４は従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の光路の例を示す図である。
この図は、レーザー発振光軸方向から見た典型的なマイクロチップの形状を示す。中央のコア１０１として円形のレーザー発振媒質があり、その周囲に励起光１０４を導波する光ガイド領域１０２がある。光ガイド領域１０２の外周には励起光１０４を導入するための光入射窓１０３があるが、高出力を得るための半導体レーザーは通常、アレイで出射面が直線形状を有するために、その励起光を入射しやすいように光入射窓１０３も直線状に加工されている。光ガイド領域１０２の外形を正方形に近い形状にすることで、励起光１０４を最大四方向から導入することができる。さらに、光入射窓１０３の厚み方向の端面は、励起光１０４を散乱なくガイド領域１０２に導入するために鏡面に研磨されている。
【０００８】
しかしながら、図１４に示すように、マイクロチップ内部では光が内部でこれらの端面を含む面で反射して周回する光路（例えば、１０５，１０６）が無数に存在し、光路１０５，１０６のように光路の一部に利得を有するレーザー発振媒質であるコア１０１にかかると、マイクロチップ内でこの光路でレーザー発振光路が形成され、寄生発振と呼ばれるレーザー発振が起こる。マイクロチップ内部で寄生発振が起こると、コアに吸収された励起エネルギーが寄生発振光としてマイクロチップ内部で周回し、マイクロチップ内部で消費されて熱に変わるため、本来マイクロチップの外部に光として取り出されるべきレーザー出力が大幅に減少する。
【０００９】
また、産業用の加工用レーザーとしては、高出力でパルス幅が短く、安定性の高いコンパクトな半導体レーザー励起固体レーザー装置が求められている。
本発明は、上記状況に鑑みて、マイクロチップ内での不要な寄生発振を抑制し、効率よくエネルギーを外部に取り出すことができるコンパクトな半導体レーザー励起固体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】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体レーザー励起固体レーザー装置において、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、この固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、この固体レーザーコアを含む光ガイド領域の片方の面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンクに接する面に対向する面より前記固体レーザーコアの上方にレーザー発振光を取り出すようにしたことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光の波長は７５０〜９００ｎｍであることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の母材はＹＡＧであることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は励起用半導体レーザーから出射され、この励起用半導体レーザーからの光の進相軸方向をコリメートするマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の光入射窓に入射することを特徴とする。
【００１２】
〔５〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は縦方向に複数個積層して配置される励起用半導体レーザーから出射され、これらの励起用半導体レーザーからの出射光の進相軸方向をコリメートする縦方向に複数個積層して配置されるマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の前記光入射窓に入射することを特徴とする。
【００１３】
〔６〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は、励起用半導体レーザーを前記光入射窓に近接させて配置し、前記光ガイド領域に直接導入することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、光変調素子が前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面上に密着されて実装されることを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子が可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧからなる光変調素子であることを特徴とする。
〔９〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面上にレーザー光波長における全反射膜を形成し、前記光変調素子の表面にレーザー光波長における部分反射膜を形成することを特徴とする。
【００１５】
〔１０〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の前記固体レーザーコアに接する面と対向する面の表面が凹面形状を有することを特徴とする。
〔１１〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の面積を前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の面積と同一となるように拡張したことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【００１６】
〔１２〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面と前記光変調素子の前記固体レーザーコアあるいは前記光ガイド領域と対向する面との間にＳｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、マイクロチップ内における寄生発振を抑制し、レーザー光を効率よく安定して外部に出射することができる。さらに、高出力でパルス幅の短い光を安定して発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の吸収エネルギーに対するレーザー出力を測定した結果を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示すＳｍを添加したＹＡＧ媒質の光の波長に対する透過率を測定した結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図６】本発明の第４実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図７】本発明の第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の吸収エネルギーに対するレーザー出力を測定した結果を示す図である。
【図８】本発明における半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の防止の様子を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の斜視図である。
【図１０】本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１３】本発明の第８実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１４】従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の光路の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、この固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、この固体レーザーコア及び光ガイド領域の片面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記固体レーザーコアの前記ヒートシンクに接する面よりレーザー発振光を取り出すようにした。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この図において、マイクロチップの母材としてのＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）に、レーザー発振元素としてのＮｄ（ネオジム）を１ａｔ％含む固体レーザー媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）よりなる固体レーザーコア１は直径２ｍｍの円形で、ＣｕＷ（銅タングステン）製のヒートシンク４の上部高熱伝導部４Ａ上に密着して固定されている。その周囲にはＳｍ（サマリウム）を５ａｔ％含む同じ母材ＹＡＧよりなる光ガイド領域２が形成され、その外周面２Ａの４箇所に直線状の光励起窓（ウィンドウ）３が形成されている。ここでは、固体レーザーコア１内で発生した熱を効率よくヒートシンク４に排熱できるように、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２は厚さ１ｍｍ以下に薄くすることが望ましい。本実施例では厚さ０．３ｍｍとした。また、固体レーザーコア１と光ガイド領域２の境界には空気の層はなく十分に密着しており、双方が同じ母材ＹＡＧよりなるため、屈折率の違いによる境界での光の反射は起こらない。固体レーザーコア１がヒートシンク４と接する面に対向する面１Ａには、固体レーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射誘電体コーティング（反射率＜０．２％）が施されている。出力ミラー５はＢＫ７製の平面鏡であり、固体レーザー発振波長１０６４ｎｍに対して反射率９０％の部分反射誘電体コーティングが施されている。励起用半導体レーザー（ＬＤ）１０から出た波長８０８ｎｍの励起光１４は、マイクロレンズ１１により進相軸方向がコリメートされ、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズ１２を透過し、進相軸方向集光用の第２の集光レンズ１３で光ガイド領域２の外周面２Ａの光入射窓３に集光される。第１の集光レンズ１２は励起光１４の遅相軸方向を調整し、励起光１４が固体レーザーコア１に達した際、固体レーザーコア１の直径より大きく広がらないようにするために使用される。光入射窓３から光ガイド領域２内に入射した励起光１４は、光ガイド領域２内を上下の面で全反射を繰り返しながら伝搬し、固体レーザーコア１に到達してレーザー発振元素であるＮｄに吸収される。固体レーザーコア１のヒートシンク４に接した面上にに予め形成されたレーザー光波長に対する全反射膜２Ｂ（反射率＞９９．７％）と出力ミラー５との間で共振器が構成されて、出力ミラー５からレーザー出力６が外部に放出される。なお、７は固体レーザー共振器の光学軸である。
【００２１】
図２は本発明の第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置における、半導体レーザーからの励起光の固体レーザーコアに吸収された励起（吸収）エネルギー（ｍＪ）に対する、出力ミラーから取り出された固体レーザー出力（ｍＪ）を測定した結果を示す図である。
固体レーザー媒質内で寄生発振が生じると、励起に対する固体レーザー出力の効率が大きく低下したり、励起エネルギーを上げてもレーザー出力が上がらず飽和したりする現象が見られるが、本実施例の固体レーザー装置ではそのような現象は見られず、光ガイド領域に添加したＳｍにより寄生発振を抑制できたことが分かる。
【００２２】
図３は本発明の第１実施例を示すＳｍを添加したＹＡＧ媒質の光波長に対する透過率を測定した結果を示す図である。
この図では、高出力レーザー媒質の母材としても最も良く用いられるＹＡＧにＳｍを５ａｔ％添加したＳｍ：ＹＡＧの１ｍｍ厚の吸収特性を示す。ＹＡＧにレーザー発振元素としてのＮｄを添加したＮｄ：ＹＡＧの代表的な発振波長である１０６４ｎｍにおいて透過率約５０％で大きな吸収があるのに対し、Ｎｄ：ＹＡＧの代表的な励起波長である８０８ｎｍ近傍では透明で、全く吸収がないことがわかる。したがって、Ｓｍ：ＹＡＧを光ガイド領域に用いれば、励起光は吸収せず寄生発振のレーザー光のみ吸収し、効果的に内部の寄生発振を抑えることができる。
【００２３】
図４は本発明の第２実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、マイクロチップ部分の構成は上記した第１実施例と同じであるが、励起用半導体レーザー（ＬＤ）２０と進相軸コリメート用のロッドレンズ２１が縦方向に複数個、この例では６個積層されている。各励起用半導体レーザー２０から出射された励起光２４は、ロッドレンズ２１により進相軸方向がコリメートされ、１枚の遅相軸方向集光用の第１の集光レンズ２２を透過し、同じく１枚の進相軸方向集光用の第２の集光レンズ２３で光ガイド領域２の外周面２Ａの光入射窓３に集光される。第１の集光レンズ２２は励起光２４の遅相軸方向を調整し、励起光２４が固体レーザーコア１に達した際、固体レーザーコア１の直径より大きく広がらないようにするために使用される。励起用半導体レーザー２０の縦方向の積層間隔は２ｍｍ以下であり、出射する各ビームが密接しているため、１枚のシリンドリカルレンズ２２，２３でまとめてビームを整形、集光することが可能である。光入射窓３から光ガイド領域２内に入射した励起光２４は、第１実施例と同様に光ガイド領域２内を上下の面で全反射を繰り返しながら伝搬し、固体レーザーコア１に到達してレーザー発振元素であるＮｄに吸収される。励起用半導体レーザー２０を６個積層することで、１つの光入射窓３あたりの励起光２４の入射エネルギーが６倍になるため、マイクロチップ固体レーザーの出力を大幅に増加させることができる。
【００２４】
図５は本発明の第３実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、マイクロチップ部分の構成は上記第１実施例と同じであるが、励起用半導体レーザー３０を光入射窓３に近接させて励起光３１を直接光ガイド領域２に導入するようにしている。このように構成することで、第１実施例に比べ、コリメートレンズや集光レンズなどの部品点数を低減でき、装置のコストを低減することができる。
【００２５】
図６は本発明の第４実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、励起用半導体レーザー３０から励起光３１を導入する構成は上記第３実施例と同じであるが、固体レーザー共振器の光路７中に光変調素子４０を挿入している。この実施例においては、光変調素子４０として可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧを用いた。Ｃｒ：ＹＡＧの両端面４０Ａ，４０Ｂにはレーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施され、Ｃｒ：ＹＡＧのレーザー光波長に対するワンパスの初期透過率は８０％である。可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧを固体レーザー共振器内に挿入することにより、受動Ｑスイッチ動作によって高い光ピークエネルギーを有するパルスを発生させることができるので、金属の加工などに利用することができる。
【００２６】
図７は本発明の第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置における半導体レーザーからの励起光の固体レーザーコアに吸収された励起（吸収）エネルギーに対する、出力ミラーから取り出された固体レーザー出力を測定した結果を示す図であり、横軸に励起（吸収）エネルギー（ｍＪ）を、縦軸に固体レーザー出力（ｍＪ）を示している。
図７から明らかなように、受動Ｑスイッチ動作特有の一定間隔のパルス発生により、階段状の規則正しい出力特性が得られた。第１実施例と同様にこちらもレーザー媒質内の寄生発振による効率の低下、出力の飽和は見られず、安定した動作が確認できた。
【００２７】
図８は本発明における半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の防止の様子を示す図である。
本発明によれば、図８に破線で示すように、固体レーザーコア５１の領域を通り、光ガイド領域５２を通して周回する光路５５，５６があったとしても、固体レーザーコア５１からの寄生発振光５５，５６は光ガイド領域５２で吸収され途中で消えてしまうため、周回することがなく、内部で寄生発振が起こることがない。したがって、固体レーザーコア５１に吸収された励起エネルギーを効率よくレーザー出力として外部に取り出すことができる。なお、５３は光入射窓である。
【００２８】
図９は本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の斜視図、図１０はその半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
これらの図に示すように、ヒートシンク４上にはヒートシンク４よりは面積が狭くなった上部高熱伝導部４Ａが形成され、その上部高熱伝導部４Ａ上には高熱伝導接着層４Ｂが形成されている。Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザーコア１にはその周囲にＳｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域２が形成され、その底面に形成されるレーザー波長に対する全反射膜２Ｂに高熱伝導接着層４Ｂが密着するように構成されている。固体レーザーコア１及びその周辺に形成される光ガイド領域２のヒートシンク４に接する面に対向する上面には、光変調素子６０を密着して実装するようにしている。この光変調素子６０は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質６１と、さらにその受動光スイッチ媒質６１の固体レーザーコア１に密着した面に対向した面上に形成された、レーザー波長に対する５０％部分反射膜６２からなる。なお、６３はレーザー共振器長である。
【００２９】
第５実施例によれば、固体レーザーコア１に対して側面に配置された励起用半導体レーザー３０により固体レーザーコア１を励起して、垂直方向にレーザー出力光を得るようにしているので、固体レーザーコア１上に光変調素子６０をコンパクトに実装することができる。また、光変調素子６０の一面にレーザー発振波長に対する部分反射膜を形成することで出力ミラーを一体化することができ、さらにコンパクトにできる。
【００３０】
さらに、固体レーザーコア１、その周囲に形成される光ガイド領域２及び受動光スイッチ媒質６０が同じＹＡＧを母材としているので、接着剤を用いずにそれらを熱圧着などの手法で強固に密着させることができる。したがって、高出力のレーザー光を取り出しても、接着剤の劣化による固体レーザー装置の性能の低下の問題が少ない。
また、レーザー共振器長６３を５ｍｍ以下に非常に短くできるので、発生するレーザーのパルス幅を１ｎｓ以下に短くでき、各種材料への加工に最適な高いピーク強度のレーザー光出力６を発生させることができる。
【００３１】
図１１は本発明の第６実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
この実施例では、固体レーザーコア１とその周囲に形成される光ガイド領域２の上面に光変調素子７０を実装するようにしている。この光変調素子７０は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質７１の固体レーザーコア１に接する面に対向する面の表面を凹面７１Ａに加工し、その上に５０％部分反射膜７２を形成するようにしている。７３はレーザー共振器長である。
【００３２】
この実施例によれば、上記した第５実施例の作用効果に加えて、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質７１の厚さが薄い固体レーザーコア１の中心部分のレーザー光の吸収損失が最も少ないため、そこを中心に発振が起こり、得られるレーザーのモードが固体レーザーコア１を中心に円形になりやすい利点を有する。
図１２は本発明の第７実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【００３３】
この実施例では、光変調素子８０を、固体レーザーコア１とその周囲に形成される光ガイド領域２の上面を全て覆うように配置するようにしている。つまり、光変調素子８０は、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２の面積と同一になるように拡張されたＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１と、固体レーザーコア１に接する面に相対する面上に一様に形成された、レーザー光波長に対する５０％部分反射膜８２からなる。８３はレーザー共振器長である。
【００３４】
この実施例によれば、上記した第５実施例の作用効果に加えて、密着された光変調素子８０と、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２のマイクロチップ上下面が完全な平面で凹凸がないため、材料の形成や加工、誘電体膜のコーティング、素子の組み立てを一括して行いやすく、大量生産に向いていること、固体レーザー共振器を構成する面の平行度の加工精度を上げることができ、レーザーの性能を向上させることもできるという利点を有する。
【００３５】
図１３は本発明の第８実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
この実施例では、上記した第７実施例における固体レーザーコア１及び光ガイド領域２のヒートシンク４に接する面に対向する上面とＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１の固体レーザーコア１に面した下面との間にＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層９０を配置する。この誘電体層９０は、励起用半導体レーザー３０からの励起光３１が光ガイド領域２Ａを伝搬する際、励起光３１を界面で全反射して励起光３１が受動光スイッチ媒質８１へ漏れることを防ぐために配置している。９１はレーザー共振器長である。
【００３６】
この実施例によれば、励起用半導体レーザー３０からの励起光３１がＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１へ全く漏れることがなくなるので、励起光を３１を吸収して受動光スイッチ媒質８１が発熱したり透過率が変化したりすることが起こらず、効率良くレーザー出力光を得ることができる。
以上の実施例において、固体レーザーコア１や光ガイド領域２の母材として、ＹＡＧ以外にＹＶＯ4 （イットリウム・バナデート）、ＧｄＶＯ4 （ガドリウム・バナデート）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）、ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などを用いてもよい。また、材料としては結晶構造であってもよく透光性セラミックであってもよい。励起光波長はレーザー発振元素Ｎｄが吸収する波長であって、かつ光ガイド領域のＳｍに吸収されない波長であればよく、７５０〜９００ｎｍの間が適している。
【００３７】
また、円筒状の固体レーザーコア１及び光ガイド領域２の母材は異なるものでもよいが、同じものの方が屈折率が近いために境界での光の損失を抑えることができる。また、固体レーザーコア１と光ガイド領域２は製造の過程で一体化されている方が取り扱いが容易で、かつ境界での光の損失を抑えることができる。
固体レーザーコア１とヒートシンク４を密着させる方法としては、間に有機系あるいは無機系の接着剤を挟んでもよいし、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｃｕなどを含む金属はんだ材料を挟んでも構わない。
【００３８】
ヒートシンク４及び上部高熱伝導部４Ａは、Ｃｕ，ＣｕＷなどの金属材料をはじめ、ダイアモンド、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＣＢＮ，ＤＬＣなどの非金属、複合材料でもよい。
光変調素子４０は、第４実施例のようにＣｒ：ＹＡＧでもよいし、他の可飽和吸収材料、例えばＶ：ＹＡＧや、半導体、あるいは半導体の積層構造体でもよい。吸収体の透過率は、半導体レーザーの励起エネルギーや必要とするパルスエネルギーなどに応じて最適化される。また光変調素子４０としては他に、非線形波長変換素子としてのＫＴＰやＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ3 なども利用できる。この場合には、固体レーザー装置の光変調素子内でレーザー光の波長が変換されて出力される。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、小型で高出力が必要とされる、各種材料の熱・光加工や、ディスプレイ、分析用光源、レーザー点火装置などに要求される、小型で高出力、高効率、高安定なレーザー装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，５１ 固体レーザーコア（固体レーザー媒質：Ｎｄ：ＹＡＧ）
１Ａ 固体レーザーコア表面
２，５２ 光ガイド領域（Ｓｍ：ＹＡＧ）
２Ａ 光ガイド領域の外周面
２Ｂ 全反射膜
３，５３ 光入射窓
４ ヒートシンク
４Ａ 上部高熱伝導部
４Ｂ 高熱伝導接着層
５ 出力ミラー
６ レーザー出力
７ 固体レーザー共振器の光学軸
１０，２０，３０ 励起用半導体レーザー（ＬＤ）
１１ マイクロレンズ
１２，２２ 第１の集光レンズ（シリンドリカルレンズ：遅相軸方向集光用）
１３，２３ 第２の集光レンズ（シリンドリカルレンズ：進相軸方向集光用）
１４，２４，３１，５４ 励起光
２１ ロッドレンズ
４０，６０，７０，８０ 光変調素子
４０Ａ，４０Ｂ 光変調素子の端面
５５，５６ 光路
６１，７１，８１ 受動光スイッチ媒質（Ｃｒ：ＹＡＧ）
６２，７２，８２ ５０％部分反射膜
６３，７３，８３，９１ レーザー共振器長
７１Ａ 凹面
９０ 誘電体層（ＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で高出力、高効率、高安定なマイクロチップ固体レーザー装置に係り、特に、その半導体レーザー励起固体レーザー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザー励起固体レーザー装置は、複数の半導体レーザーの光エネルギーを固体レーザー媒質内で一旦吸収した後、固体レーザー共振器内で電磁波波面の揃った非常に集光性の高い１つのレーザー光に変換できるため、そのレーザー光をレンズで集光することで非常に高い光密度を得ることができる。そのため、理化学用の計測光源を始め、産業用の各種材料の切断、溶接などの加工や、身近にある様々な装置やシステムに適用されている。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザーの励起波長と固体レーザーの発振波長の差のエネルギーが固体レーザー媒質内で熱に変わるため、その熱による温度上昇によって、固体レーザー媒質内で屈折率が変化したり、熱膨張による歪みや変形が起こり、高出力動作時には安定なレーザー発振の妨げになることが知られている。
そこで、固体レーザー媒質内で発生した熱をヒートシンクなどの外部に効率よく排熱する構成として、レーザー媒質を薄く平らに延ばして片面をヒートシンクに密着させた、ディスク型あるいはマイクロチップ型と呼ばれる固体レーザー装置が開発され、効果を上げている。特に、マイクロチップ型は、半導体レーザーからの励起光を固体レーザー媒質内に導入するための光学系が簡単でよいため、小型化、低価格化の点で有利である（下記特許文献１，２、非特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５５５３０８８号明細書
【特許文献２】米国特許第６６２５１９３号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａ．Ｇｉｅｓｅｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｆｏｒ Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，Ｖｏｌ．５８，ｐｐ．３６５−３７２（１９９４）
【非特許文献２】Ｔ．Ｄａｓｃａｌｕ ｅｔ ａｌ．，“９０Ｗ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｄｉｏｄｅ ｅｄｇｅ−ｐｕｍｐｅｄ ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｙｂ：Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12 ｌａｓｅｒ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．２０，ｐｐ．４０８６−４０８８（２００３）
【非特許文献３】Ｈ．Ｙａｇｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12 ｃｅｒａｍｉｃ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｖｏｌ．１２１，ｐｐ．８８−９４（２００６）
【非特許文献４】Ｄｉｅｔｍａｒ Ｋｒａｃｈｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｒｅ−ｄｏｐｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｄ：ＹＡＧ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｍ：ＹＡＧ Ｃｌａｄｄｉｎｇ”，Ｌａｓｅｒ Ｚｅｎｔｒｕｍ Ｈａｎｎｏｖｅｒ，ｅ．Ｖ．，Ｈｏｌｌｅｒｉｔｈａｌｌｅｅ ８，Ｄ−３０４１９，ＣＴｈＴ５（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、マイクロチップレーザーにおいては、チップの中央に設けたレーザー媒質領域（コア）にチップの側面から励起光を導入するようにしている。コアの周囲には励起光に対して透明なガイド領域があり、励起光はガイド領域内を全反射で損失なくコアまで伝搬し、そこで吸収される。レーザー発振は、外部に出力ミラーを設けて、励起光の入射方向に対して垂直方向、すなわち、チップの厚み方向に行われる。
【０００７】
図１４は従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の光路の例を示す図である。
この図は、レーザー発振光軸方向から見た典型的なマイクロチップの形状を示す。中央のコア１０１として円形のレーザー発振媒質があり、その周囲に励起光１０４を導波する光ガイド領域１０２がある。光ガイド領域１０２の外周には励起光１０４を導入するための光入射窓１０３があるが、高出力を得るための半導体レーザーは通常、アレイで出射面が直線形状を有するために、その励起光を入射しやすいように光入射窓１０３も直線状に加工されている。光ガイド領域１０２の外形を正方形に近い形状にすることで、励起光１０４を最大四方向から導入することができる。さらに、光入射窓１０３の厚み方向の端面は、励起光１０４を散乱なくガイド領域１０２に導入するために鏡面に研磨されている。
【０００８】
しかしながら、図１４に示すように、マイクロチップ内部では光が内部でこれらの端面を含む面で反射して周回する光路（例えば、１０５，１０６）が無数に存在し、光路１０５，１０６のように光路の一部に利得を有するレーザー発振媒質であるコア１０１にかかると、マイクロチップ内でこの光路でレーザー発振光路が形成され、寄生発振と呼ばれるレーザー発振が起こる。マイクロチップ内部で寄生発振が起こると、コアに吸収された励起エネルギーが寄生発振光としてマイクロチップ内部で周回し、マイクロチップ内部で消費されて熱に変わるため、本来マイクロチップの外部に光として取り出されるべきレーザー出力が大幅に減少する。
【０００９】
また、産業用の加工用レーザーとしては、高出力でパルス幅が短く、安定性の高いコンパクトな半導体レーザー励起固体レーザー装置が求められている。
本発明は、上記状況に鑑みて、マイクロチップ内での不要な寄生発振を抑制し、効率よくエネルギーを外部に取り出すことができるコンパクトな半導体レーザー励起固体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】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体レーザー励起固体レーザー装置において、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、この固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、この固体レーザーコアを含む光ガイド領域の片方の面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンクに接する面に対向する面より前記固体レーザーコアの上方にレーザー発振光を取り出すようにしたことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光の波長は７５０〜９００ｎｍであることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の母材はＹＡＧであることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は励起用半導体レーザーから出射され、この励起用半導体レーザーからの光の進相軸方向をコリメートするマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の光入射窓に入射することを特徴とする。
【００１２】
〔５〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は縦方向に複数個積層して配置される励起用半導体レーザーから出射され、これらの励起用半導体レーザーからの出射光の進相軸方向をコリメートする縦方向に複数個積層して配置されるマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の前記光入射窓に入射することを特徴とする。
【００１３】
〔６〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は、励起用半導体レーザーを前記光入射窓に近接させて配置し、前記光ガイド領域に直接導入することを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、光変調素子が前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面上に密着されて実装されることを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子が可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧからなる光変調素子であることを特徴とする。
〔９〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面上にレーザー光波長における全反射膜を形成し、前記光変調素子の表面にレーザー光波長における部分反射膜を形成することを特徴とする。
【００１５】
〔１０〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の前記固体レーザーコアに接する面と対向する面の表面が凹面形状を有することを特徴とする。
〔１１〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の面積を前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の面積と同一となるように拡張したことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【００１６】
〔１２〕上記〔８〕記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面と前記光変調素子の前記固体レーザーコアあるいは前記光ガイド領域と対向する面との間にＳｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、マイクロチップ内における寄生発振を抑制し、レーザー光を効率よく安定して外部に出射することができる。さらに、高出力でパルス幅の短い光を安定して発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の吸収エネルギーに対するレーザー出力を測定した結果を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示すＳｍを添加したＹＡＧ媒質の光の波長に対する透過率を測定した結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図６】本発明の第４実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
【図７】本発明の第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の吸収エネルギーに対するレーザー出力を測定した結果を示す図である。
【図８】本発明における半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の防止の様子を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の斜視図である。
【図１０】本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１３】本発明の第８実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【図１４】従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の光路の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、この固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、この固体レーザーコア及び光ガイド領域の片面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記固体レーザーコアの前記ヒートシンクに接する面よりレーザー発振光を取り出すようにした。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この図において、マイクロチップの母材としてのＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）に、レーザー発振元素としてのＮｄ（ネオジム）を１ａｔ％含む固体レーザー媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）よりなる固体レーザーコア１は直径２ｍｍの円形で、ＣｕＷ（銅タングステン）製のヒートシンク４の上部高熱伝導部４Ａ上に密着して固定されている。その周囲にはＳｍ（サマリウム）を５ａｔ％含む同じ母材ＹＡＧよりなる光ガイド領域２が形成され、その外周面２Ａの４箇所に直線状の光励起窓（ウィンドウ）３が形成されている。ここでは、固体レーザーコア１内で発生した熱を効率よくヒートシンク４に排熱できるように、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２は厚さ１ｍｍ以下に薄くすることが望ましい。本実施例では厚さ０．３ｍｍとした。また、固体レーザーコア１と光ガイド領域２の境界には空気の層はなく十分に密着しており、双方が同じ母材ＹＡＧよりなるため、屈折率の違いによる境界での光の反射は起こらない。固体レーザーコア１がヒートシンク４と接する面に対向する面１Ａには、固体レーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射誘電体コーティング（反射率＜０．２％）が施されている。出力ミラー５はＢＫ７製の平面鏡であり、固体レーザー発振波長１０６４ｎｍに対して反射率９０％の部分反射誘電体コーティングが施されている。励起用半導体レーザー（ＬＤ）１０から出た波長８０８ｎｍの励起光１４は、マイクロレンズ１１により進相軸方向がコリメートされ、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズ１２を透過し、進相軸方向集光用の第２の集光レンズ１３で光ガイド領域２の外周面２Ａの光入射窓３に集光される。第１の集光レンズ１２は励起光１４の遅相軸方向を調整し、励起光１４が固体レーザーコア１に達した際、固体レーザーコア１の直径より大きく広がらないようにするために使用される。光入射窓３から光ガイド領域２内に入射した励起光１４は、光ガイド領域２内を上下の面で全反射を繰り返しながら伝搬し、固体レーザーコア１に到達してレーザー発振元素であるＮｄに吸収される。固体レーザーコア１のヒートシンク４に接した面上にに予め形成されたレーザー光波長に対する全反射膜２Ｂ（反射率＞９９．７％）と出力ミラー５との間で共振器が構成されて、出力ミラー５からレーザー出力６が外部に放出される。なお、７は固体レーザー共振器の光学軸である。
【００２１】
図２は本発明の第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置における、半導体レーザーからの励起光の固体レーザーコアに吸収された励起（吸収）エネルギー（ｍＪ）に対する、出力ミラーから取り出された固体レーザー出力（ｍＪ）を測定した結果を示す図である。
固体レーザー媒質内で寄生発振が生じると、励起に対する固体レーザー出力の効率が大きく低下したり、励起エネルギーを上げてもレーザー出力が上がらず飽和したりする現象が見られるが、本実施例の固体レーザー装置ではそのような現象は見られず、光ガイド領域に添加したＳｍにより寄生発振を抑制できたことが分かる。
【００２２】
図３は本発明の第１実施例を示すＳｍを添加したＹＡＧ媒質の光波長に対する透過率を測定した結果を示す図である。
この図では、高出力レーザー媒質の母材としても最も良く用いられるＹＡＧにＳｍを５ａｔ％添加したＳｍ：ＹＡＧの１ｍｍ厚の吸収特性を示す。ＹＡＧにレーザー発振元素としてのＮｄを添加したＮｄ：ＹＡＧの代表的な発振波長である１０６４ｎｍにおいて透過率約５０％で大きな吸収があるのに対し、Ｎｄ：ＹＡＧの代表的な励起波長である８０８ｎｍ近傍では透明で、全く吸収がないことがわかる。したがって、Ｓｍ：ＹＡＧを光ガイド領域に用いれば、励起光は吸収せず寄生発振のレーザー光のみ吸収し、効果的に内部の寄生発振を抑えることができる。
【００２３】
図４は本発明の第２実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、マイクロチップ部分の構成は上記した第１実施例と同じであるが、励起用半導体レーザー（ＬＤ）２０と進相軸コリメート用のロッドレンズ２１が縦方向に複数個、この例では６個積層されている。各励起用半導体レーザー２０から出射された励起光２４は、ロッドレンズ２１により進相軸方向がコリメートされ、１枚の遅相軸方向集光用の第１の集光レンズ２２を透過し、同じく１枚の進相軸方向集光用の第２の集光レンズ２３で光ガイド領域２の外周面２Ａの光入射窓３に集光される。第１の集光レンズ２２は励起光２４の遅相軸方向を調整し、励起光２４が固体レーザーコア１に達した際、固体レーザーコア１の直径より大きく広がらないようにするために使用される。励起用半導体レーザー２０の縦方向の積層間隔は２ｍｍ以下であり、出射する各ビームが密接しているため、１枚のシリンドリカルレンズ２２，２３でまとめてビームを整形、集光することが可能である。光入射窓３から光ガイド領域２内に入射した励起光２４は、第１実施例と同様に光ガイド領域２内を上下の面で全反射を繰り返しながら伝搬し、固体レーザーコア１に到達してレーザー発振元素であるＮｄに吸収される。励起用半導体レーザー２０を６個積層することで、１つの光入射窓３あたりの励起光２４の入射エネルギーが６倍になるため、マイクロチップ固体レーザーの出力を大幅に増加させることができる。
【００２４】
図５は本発明の第３実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、マイクロチップ部分の構成は上記第１実施例と同じであるが、励起用半導体レーザー３０を光入射窓３に近接させて励起光３１を直接光ガイド領域２に導入するようにしている。このように構成することで、第１実施例に比べ、コリメートレンズや集光レンズなどの部品点数を低減でき、装置のコストを低減することができる。
【００２５】
図６は本発明の第４実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、励起用半導体レーザー３０から励起光３１を導入する構成は上記第３実施例と同じであるが、固体レーザー共振器の光路７中に光変調素子４０を挿入している。この実施例においては、光変調素子４０として可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧを用いた。Ｃｒ：ＹＡＧの両端面４０Ａ，４０Ｂにはレーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施され、Ｃｒ：ＹＡＧのレーザー光波長に対するワンパスの初期透過率は８０％である。可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧを固体レーザー共振器内に挿入することにより、受動Ｑスイッチ動作によって高い光ピークエネルギーを有するパルスを発生させることができるので、金属の加工などに利用することができる。
【００２６】
図７は本発明の第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置における半導体レーザーからの励起光の固体レーザーコアに吸収された励起（吸収）エネルギーに対する、出力ミラーから取り出された固体レーザー出力を測定した結果を示す図であり、横軸に励起（吸収）エネルギー（ｍＪ）を、縦軸に固体レーザー出力（ｍＪ）を示している。
図７から明らかなように、受動Ｑスイッチ動作特有の一定間隔のパルス発生により、階段状の規則正しい出力特性が得られた。第１実施例と同様にこちらもレーザー媒質内の寄生発振による効率の低下、出力の飽和は見られず、安定した動作が確認できた。
【００２７】
図８は本発明における半導体レーザー励起固体レーザー装置内の寄生発振の防止の様子を示す図である。
本発明によれば、図８に破線で示すように、固体レーザーコア５１の領域を通り、光ガイド領域５２を通して周回する光路５５，５６があったとしても、固体レーザーコア５１からの寄生発振光５５，５６は光ガイド領域５２で吸収され途中で消えてしまうため、周回することがなく、内部で寄生発振が起こることがない。したがって、固体レーザーコア５１に吸収された励起エネルギーを効率よくレーザー出力として外部に取り出すことができる。なお、５３は光入射窓である。
【００２８】
図９は本発明の第５実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の斜視図、図１０はその半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
これらの図に示すように、ヒートシンク４上にはヒートシンク４よりは面積が狭くなった上部高熱伝導部４Ａが形成され、その上部高熱伝導部４Ａ上には高熱伝導接着層４Ｂが形成されている。Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザーコア１にはその周囲にＳｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域２が形成され、その底面に形成されるレーザー波長に対する全反射膜２Ｂに高熱伝導接着層４Ｂが密着するように構成されている。固体レーザーコア１及びその周辺に形成される光ガイド領域２のヒートシンク４に接する面に対向する上面には、光変調素子６０を密着して実装するようにしている。この光変調素子６０は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質６１と、さらにその受動光スイッチ媒質６１の固体レーザーコア１に密着した面に対向した面上に形成された、レーザー波長に対する５０％部分反射膜６２からなる。なお、６３はレーザー共振器長である。
【００２９】
第５実施例によれば、固体レーザーコア１に対して側面に配置された励起用半導体レーザー３０により固体レーザーコア１を励起して、垂直方向にレーザー出力光を得るようにしているので、固体レーザーコア１上に光変調素子６０をコンパクトに実装することができる。また、光変調素子６０の一面にレーザー発振波長に対する部分反射膜を形成することで出力ミラーを一体化することができ、さらにコンパクトにできる。
【００３０】
さらに、固体レーザーコア１、その周囲に形成される光ガイド領域２及び受動光スイッチ媒質６０が同じＹＡＧを母材としているので、接着剤を用いずにそれらを熱圧着などの手法で強固に密着させることができる。したがって、高出力のレーザー光を取り出しても、接着剤の劣化による固体レーザー装置の性能の低下の問題が少ない。
また、レーザー共振器長６３を５ｍｍ以下に非常に短くできるので、発生するレーザーのパルス幅を１ｎｓ以下に短くでき、各種材料への加工に最適な高いピーク強度のレーザー光出力６を発生させることができる。
【００３１】
図１１は本発明の第６実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
この実施例では、固体レーザーコア１とその周囲に形成される光ガイド領域２の上面に光変調素子７０を実装するようにしている。この光変調素子７０は、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質７１の固体レーザーコア１に接する面に対向する面の表面を凹面７１Ａに加工し、その上に５０％部分反射膜７２を形成するようにしている。７３はレーザー共振器長である。
【００３２】
この実施例によれば、上記した第５実施例の作用効果に加えて、Ｃｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質７１の厚さが薄い固体レーザーコア１の中心部分のレーザー光の吸収損失が最も少ないため、そこを中心に発振が起こり、得られるレーザーのモードが固体レーザーコア１を中心に円形になりやすい利点を有する。
図１２は本発明の第７実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
【００３３】
この実施例では、光変調素子８０を、固体レーザーコア１とその周囲に形成される光ガイド領域２の上面を全て覆うように配置するようにしている。つまり、光変調素子８０は、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２の面積と同一になるように拡張されたＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１と、固体レーザーコア１に接する面に相対する面上に一様に形成された、レーザー光波長に対する５０％部分反射膜８２からなる。８３はレーザー共振器長である。
【００３４】
この実施例によれば、上記した第５実施例の作用効果に加えて、密着された光変調素子８０と、固体レーザーコア１及び光ガイド領域２のマイクロチップ上下面が完全な平面で凹凸がないため、材料の形成や加工、誘電体膜のコーティング、素子の組み立てを一括して行いやすく、大量生産に向いていること、固体レーザー共振器を構成する面の平行度の加工精度を上げることができ、レーザーの性能を向上させることもできるという利点を有する。
【００３５】
図１３は本発明の第８実施例を示す半導体レーザー励起固体レーザー装置の断面図である。
この実施例では、上記した第７実施例における固体レーザーコア１及び光ガイド領域２のヒートシンク４に接する面に対向する上面とＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１の固体レーザーコア１に面した下面との間にＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層９０を配置する。この誘電体層９０は、励起用半導体レーザー３０からの励起光３１が光ガイド領域２Ａを伝搬する際、励起光３１を界面で全反射して励起光３１が受動光スイッチ媒質８１へ漏れることを防ぐために配置している。９１はレーザー共振器長である。
【００３６】
この実施例によれば、励起用半導体レーザー３０からの励起光３１がＣｒ：ＹＡＧからなる受動光スイッチ媒質８１へ全く漏れることがなくなるので、励起光を３１を吸収して受動光スイッチ媒質８１が発熱したり透過率が変化したりすることが起こらず、効率良くレーザー出力光を得ることができる。
以上の実施例において、固体レーザーコア１や光ガイド領域２の母材として、ＹＡＧ以外にＹＶＯ4 （イットリウム・バナデート）、ＧｄＶＯ4 （ガドリウム・バナデート）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）、ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などを用いてもよい。また、材料としては結晶構造であってもよく透光性セラミックであってもよい。励起光波長はレーザー発振元素Ｎｄが吸収する波長であって、かつ光ガイド領域のＳｍに吸収されない波長であればよく、７５０〜９００ｎｍの間が適している。
【００３７】
また、円筒状の固体レーザーコア１及び光ガイド領域２の母材は異なるものでもよいが、同じものの方が屈折率が近いために境界での光の損失を抑えることができる。また、固体レーザーコア１と光ガイド領域２は製造の過程で一体化されている方が取り扱いが容易で、かつ境界での光の損失を抑えることができる。
固体レーザーコア１とヒートシンク４を密着させる方法としては、間に有機系あるいは無機系の接着剤を挟んでもよいし、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｃｕなどを含む金属はんだ材料を挟んでも構わない。
【００３８】
ヒートシンク４及び上部高熱伝導部４Ａは、Ｃｕ，ＣｕＷなどの金属材料をはじめ、ダイアモンド、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＣＢＮ，ＤＬＣなどの非金属、複合材料でもよい。
光変調素子４０は、第４実施例のようにＣｒ：ＹＡＧでもよいし、他の可飽和吸収材料、例えばＶ：ＹＡＧや、半導体、あるいは半導体の積層構造体でもよい。吸収体の透過率は、半導体レーザーの励起エネルギーや必要とするパルスエネルギーなどに応じて最適化される。また光変調素子４０としては他に、非線形波長変換素子としてのＫＴＰやＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ3 なども利用できる。この場合には、固体レーザー装置の光変調素子内でレーザー光の波長が変換されて出力される。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、小型で高出力が必要とされる、各種材料の熱・光加工や、ディスプレイ、分析用光源、レーザー点火装置などに要求される、小型で高出力、高効率、高安定なレーザー装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，５１ 固体レーザーコア（固体レーザー媒質：Ｎｄ：ＹＡＧ）
１Ａ 固体レーザーコア表面
２，５２ 光ガイド領域（Ｓｍ：ＹＡＧ）
２Ａ 光ガイド領域の外周面
２Ｂ 全反射膜
３，５３ 光入射窓
４ ヒートシンク
４Ａ 上部高熱伝導部
４Ｂ 高熱伝導接着層
５ 出力ミラー
６ レーザー出力
７ 固体レーザー共振器の光学軸
１０，２０，３０ 励起用半導体レーザー（ＬＤ）
１１ マイクロレンズ
１２，２２ 第１の集光レンズ（シリンドリカルレンズ：遅相軸方向集光用）
１３，２３ 第２の集光レンズ（シリンドリカルレンズ：進相軸方向集光用）
１４，２４，３１，５４ 励起光
２１ ロッドレンズ
４０，６０，７０，８０ 光変調素子
４０Ａ，４０Ｂ 光変調素子の端面
５５，５６ 光路
６１，７１，８１ 受動光スイッチ媒質（Ｃｒ：ＹＡＧ）
６２，７２，８２ ５０％部分反射膜
６３，７３，８３，９１ レーザー共振器長
７１Ａ 凹面
９０ 誘電体層（ＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、該固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、該固体レーザーコアを含む光ガイド領域の片方の面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンクに接する面に対向する面より前記固体レーザーコアの上方にレーザー発振光を取り出すようにしたことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光の波長は７５０〜９００ｎｍであることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の母材はＹＡＧであることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は励起用半導体レーザーから出射され、該励起用半導体レーザーからの光の進相軸方向をコリメートするマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の光入射窓に入射することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項５】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は縦方向に複数個積層して配置される励起用半導体レーザーから出射され、これらの励起用半導体レーザーからの出射光の進相軸方向をコリメートする縦方向に複数個積層して配置されるマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の前記光入射窓に入射することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項６】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は、励起用半導体レーザーを前記光入射窓に近接させて配置し、前記光ガイド領域に直接導入することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、光変調素子が前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面上に密着されて実装されることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子が可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧからなる光変調素子であることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項９】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面上にレーザー光波長における全反射膜を形成し、前記光変調素子の表面にレーザー光波長における部分反射膜を形成することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１０】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の前記固体レーザーコアに接する面と対向する面の表面が凹面形状を有することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１１】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の面積を前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の面積と同一となるように拡張したことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１２】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面と前記光変調素子の前記固体レーザーコアあるいは前記光ガイド領域と対向する面との間にＳｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層を有することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１】
中央に配置されるレーザー発振元素としてネオジム（Ｎｄ）を含むレーザー媒質からなる固体レーザーコアと、該固体レーザーコアの周囲に一体化され、略四角形状の外周に直線状の四つの光入射窓が形成されたレーザー発振元素としてサマリウム（Ｓｍ）を含む光ガイド領域と、該固体レーザーコアを含む光ガイド領域の片方の面に配置されるヒートシンクとを備え、前記光入射窓より励起光を導入し、前記光ガイド領域内を前記励起光が伝搬して前記固体レーザーコアを励起することでレーザー発振を行わせ、前記ヒートシンクに接する面に対向する面より前記固体レーザーコアの上方にレーザー発振光を取り出すようにしたことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光の波長は７５０〜９００ｎｍであることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の母材はＹＡＧであることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は励起用半導体レーザーから出射され、該励起用半導体レーザーからの光の進相軸方向をコリメートするマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の光入射窓に入射することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項５】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は縦方向に複数個積層して配置される励起用半導体レーザーから出射され、これらの励起用半導体レーザーからの出射光の進相軸方向をコリメートする縦方向に複数個積層して配置されるマイクロレンズと、遅相軸方向集光用の第１の集光レンズと、進相軸方向集光用の第２の集光レンズとを経て、前記光ガイド領域の前記光入射窓に入射することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項６】
請求項１から３の何れか一項記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記励起光は、励起用半導体レーザーを前記光入射窓に近接させて配置し、前記光ガイド領域に直接導入することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項７】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、光変調素子が前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面上に密着されて実装されることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子が可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧからなる光変調素子であることを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項９】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面上にレーザー光波長における全反射膜を形成し、前記光変調素子の表面にレーザー光波長における部分反射膜を形成することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１０】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の前記固体レーザーコアに接する面と対向する面の表面が凹面形状を有することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１１】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記光変調素子の面積を前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の面積と同一となるように拡張したことを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項１２】
請求項８記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザーコア及び前記光ガイド領域の前記ヒートシンクに接する面に対向する表面と前記光変調素子の前記固体レーザーコアあるいは前記光ガイド領域と対向する面との間にＳｉＯ2 又はＡｌ2 Ｏ3 からなる誘電体層を有することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１４６５５６（Ｐ２０１１−１４６５５６Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６５６２（Ｐ２０１０−６５６２）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
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