(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折性を有する結晶が、その光学軸に対して光入、出射端面が０°あるいは９０°以外の所定の傾斜角をなすようにカットされ、かつファブリー・ペロー型のエタロンとして機能するようにその厚さおよび端面反射率が調整されてなり、レーザー共振器内に配置されてレーザーの偏光を直線偏光に制御するとともにその縦モードを単一化する偏光制御素子において、
前記結晶の厚さが、エタロンのＦＳＲ（Free Spectral Range ）がレーザー媒質の利得幅とほぼ同等となり、かつ、偏光の向きが相直交する２つのレーザー発振モードのそれぞれに対する選択波長が前記ＦＳＲの２５％以上の差を有して相異なるように設定されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
前記結晶が方解石の結晶であることを特徴とする請求項１記載の偏光制御素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光制御素子が共振器内に配置されていることを特徴とする固体レーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線偏光した単一縦モードのレーザービームを得るための偏光制御素子に関するものである。
【０００２】
また本発明は、偏光制御素子を共振器内に備えて、直線偏光した単一縦モードのレーザービームを発生させる固体レーザーに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
例えば特開昭６２−１８９７８３号に示されるように、ネオジウムなどの希土類が添加された固体レーザー結晶を半導体レーザー等によってポンピングする固体レーザーが公知となっている。またこの種の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の結晶を配置して、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】
ところで、上述のような固体レーザーに対しては、その他の種類のレーザー装置と同様、直線偏光のレーザービームや、直線偏光でかつ単一縦モードのレーザービームを発生させたいという要求がある。しかし、固体レーザー媒質としてＹＡＧのように光学的に等方な結晶を使用する場合は、そのままでは直線偏光したレーザービームを得ることはできない。そこでそのような場合、従来は、直線偏光したレーザービームを得るために共振器内に偏光制御用ブリュスター板を配置したり、また直線偏光でかつ単一縦モードのレーザービームを得るために共振器内にブリュスター板とエタロンを配置する等の手法が採用されていた。
【０００５】
ところが上記のブリュスター板は、光学研磨面の面精度の不完全性、光学研磨面のブリュスター角からの僅かなずれ、さらにはその表面および内部における散乱のために、大きな共振器挿入ロスを招くことが認められている。またエタロンもブリュスター板ほどではないが、その表面および内部における散乱のために共振器挿入ロスを招く。このようにして大きな共振器挿入ロスが生じると、固体レーザーの発振効率が低下してしまう。
【０００６】
また、特に共振器内にブリュスター板とエタロンとが配置される場合は、これら２つの光学素子の部品コスト、調整コストが高くつき、ひいては固体レーザーのコストアップにつながる。
【０００７】
このような問題を解決できる偏光制御素子として、特開平６−１３０３２８号に示されるものが知られている。この偏光制御素子は、複屈折性を有する結晶がいわゆるアングル・カット、すなわちその光学軸に対して光入、出射端面が０°あるいは９０°以外の所定の傾斜角をなすようにカットされ、かつ、ファブリー・ペロー型のエタロンとして機能するように該結晶の厚さおよび端面反射率が調整されてなるものである。
【０００８】
この偏光制御素子に光が入射すると、その常光線と異常光線とが分離される。そこでこの偏光制御素子をレーザー共振器内に配しておくと、共振器ミラーの位置に応じて、これら２つの光線のうちの一方のみが選択されて発振する。それにより、共振器から出射するレーザービームは直線偏光したものとなる。またその際、エタロンとしても機能するこの素子により発振波長が選択されて、レーザービームが単一縦モード化される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この複屈折性結晶からなる偏光制御素子は、先に述べたブリュスター板と比較すると共振器挿入ロスが小さいので、この偏光制御素子を備えた固体レーザーは発振効率が高いものとなり得る。
【００１０】
しかしその半面この偏光制御素子を備えた固体レーザーにおいては、共振器ミラーの位置を調整して、直線偏光で単一縦モード、単一横モード発振させたとき、その温度（共振器温度や、ポンピング源としての半導体レーザー等の温度）が変化すると、ある温度領域で、本来の偏光方向と直交する方向に偏光した高次横モードが発振することがある。
【００１１】
この高次横モードが発振すると、直線偏光特性が劣化し、また特にレーザービームを光波長変換素子によって波長変換する場合は、波長変換波の出力が低下してしまう。
【００１２】
そこで本発明は、レーザービームを直線偏光させ、かつ単一縦モード、単一横モード化するために使用されたとき、温度変化によって高次横モードが発振することを防止できる偏光制御素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
また本発明は、直線偏光でかつ単一縦モードのレーザービームを発生させることができ、また共振器挿入ロスが極力抑えられて発振効率が高く、その上、広い温度範囲において直線偏光特性、出力安定性の高い固体レーザーを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による偏光制御素子は、前述したように複屈折性を有する結晶がアングル・カットされ、かつファブリー・ペロー型のエタロンとして機能するようにその厚さおよび端面反射率が調整されてなり、レーザー共振器内に配置されてレーザーの偏光を直線偏光に制御するとともにその縦モードを単一化する偏光制御素子において、
複屈折性を有する結晶の厚さが、エタロンのＦＳＲ（Free Spectral Range ）がレーザー媒質の利得幅とほぼ同等となり、かつ、偏光の向きが相直交する２つのレーザー発振モードのそれぞれに対する選択波長が上記ＦＳＲの２５％以上の差を有して相異なるように設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明による固体レーザーは、上記構成の偏光制御素子が共振器内に配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の効果】
上記の複屈折性結晶からなる偏光制御素子を固体レーザーの共振器内に配したとき、レーザービームの偏光状態および縦モードが制御される仕組みは、先に述べた通りである。
【００１７】
そして、上記結晶の厚さが、偏光の向きが相直交する２つのレーザー発振モードのそれぞれに対する選択波長が相異なるように設定されていると、つまり例えば、常光に対してはレーザーの利得ピークに合致するように結晶厚さが設定されていると、その場合は異常光に対するエタロン・ロスが大きくなる。これにより異常光の発振が抑制されるので、温度変化によって高次横モードが発振することがなくなり、広い温度範囲において直線偏光特性、出力安定性の高いレーザーが得られるようになる。
【００１８】
【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つの実施形態によるレーザーダイオードポンピング固体レーザーを示すものである。このレーザーダイオードポンピング固体レーザーは、ポンピング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、発散光である上記レーザービーム10を集束させる集光レンズ12と、ネオジウム（Ｎｄ）がドーピングされた固体レーザー媒質であるＹＡＧ結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と称する）13と、このＮｄ：ＹＡＧ結晶13の前方側（図中右方側）に配された共振器ミラー14と、この共振器ミラー14とＮｄ：ＹＡＧ結晶13との間に配された偏光制御素子15と、この偏光制御素子15とＮｄ：ＹＡＧ結晶13との間に配された光波長変換素子20とからなる。
【００１９】
以上の各要素は、図示しない共通の筐体にマウントされて一体化されている。また後述のようにＮｄ：ＹＡＧ結晶13と共振器ミラー14とで固体レーザーの共振器が構成されるが、この共振器部分と半導体レーザー11は、図示しないペルチェ素子と温調回路とにより所定温度に保たれる。
【００２０】
半導体レーザー11としては、波長809 ｎｍのレーザービーム10を発する出力400 ｍＷのものが用いられている。またＮｄ：ＹＡＧ結晶13はＮｄ濃度が１atm ％で、厚さが１ｍｍのものである。このＮｄ：ＹＡＧ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・イオンが励起されて、波長946 ｎｍの光を発する。共振器ミラー14は、ミラー面14ａの曲率半径が20ｍｍのものである。光波長変換素子20は一例として、周期ドメイン反転構造を有するＬｉＮｂＯ3 のバルク結晶（結晶長３ｍｍ）からなる。
【００２１】
一方偏光制御素子15は複屈折性を有する方解石の結晶からなり、図２に詳しく示す通りその両端面15ａ、15ｂが光学軸に対して46.7°の角度をなす状態にして、厚さ0.8 ｍｍにカットされている。
【００２２】
ここでＮｄ：ＹＡＧ結晶13の両端面13ａおよび13ｂと、共振器ミラー14のミラー面14ａおよび光出射端面14ｂと、偏光制御素子15の両端面15ａおよび15ｂの、以上挙げた波長、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶13の別の発振線1064ｎｍ、1300ｎｍ、並びに後述の第２高調波波長473 ｎｍに対する反射率あるいは透過率は、適宜のコーティングを施すことにより下表の通りに調整されている。なおこの表中、Ｒは反射率を、Ｔは透過率を示しており、それらの数値の単位は％である。
【００２３】
0003683360.tif 000002
また、光波長変換素子20の両端面20ａ、20ｂの反射率は、以下の通りである。
0003683360.tif 000003
上記の構成においては、偏光制御素子15の両端面15ａ、15ｂ間に波長946 ｎｍの定在波が生じ、この波長946 ｎｍの光のみがＮｄ：ＹＡＧ結晶端面13ａとミラー面14ａとの間で強く共振してレーザービーム16が得られる。このようにして単一縦モード化されたレーザービーム16は、光波長変換素子20により波長が１／２、すなわち473 ｎｍの第２高調波21に変換される。波長946 ｎｍのレーザービーム16は共振器ミラー14のミラー面14ａをほとんど透過せず、その一方波長473 ｎｍの第２高調波21の一部がこのミラー面14ａを透過して、光出射端面14ｂから出射する。
【００２４】
このように本実施形態では、偏光制御素子15の両端面15ａおよび15ｂに適宜のコーティングを施して該素子15をファブリー・ペロー型のエタロンとしても機能させているが、このようなコーティングによらず、偏光制御素子15を構成する結晶自身のフレネル反射を利用して同様の機能を得ることも可能である。なお本実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶端面13ａとミラー面14ａとの間の距離、すなわち共振器長は10ｍｍである。
【００２５】
また、光学的に等方なＮｄ：ＹＡＧ結晶13から出射した波長946 ｎｍのレーザービーム16は、図２に示すように、複屈折性を有する偏光制御素子15において常光線16Ａと異常光線16Ｂとに分離される。そこで共振器ミラー14を、これら常光線16Ａと異常光線16Ｂの分離方向に適当に位置調整することにより、常光線16Ａと異常光線16Ｂの一方のみを発振させることができる。このようにしてレーザービーム16は、直線偏光したものとなる。
【００２６】
上記レーザービーム16を波長変換して得られた第２高調波21も直線偏光で、かつ単一縦モードであることが確認され、その出力は６ｍＷである。この第２高調波出力は、偏光制御素子15に代えて従来のようにブリュスター板とエタロンとを配置した場合の出力に比べて、約２倍と高いものである。
【００２７】
なお上記の構成において、周期ドメイン反転構造を有するＬｉＮｂＯ3 結晶からなる光波長変換素子20の非線形光学定数ｄ33を利用する場合は、基本波としての波長946 ｎｍのレーザービーム16の直線偏光方向をＬｉＮｂＯ3 結晶のｚ軸方向と一致させる必要がある。そこで、図１に示すように光波長変換素子20および偏光制御素子15が配置される場合は、常光線のみが発振するように共振器ミラー14を位置調節すればよい。
【００２８】
ここで一般的に、複屈折性を有する結晶の光学軸と入射光のなす角度をθ、常光線と異常光線とのなす角度をρ、結晶の常光線、異常光線に対する屈折率をそれぞれｎo 、ｎe とすると、
【００２９】
【数１】
0003683360.tif 000004
【００３０】
であり、したがって結晶の厚さがｔのときの常光線と異常光線の分離幅ｄは、
【００３１】
【数２】
0003683360.tif 000005
【００３２】
となる。この分離幅ｄは大きい方が好ましい。
【００３３】
偏光制御素子15を構成する方解石は、他の複屈折性結晶と比較して屈折率そのものが低い上に、複屈折性（屈折率ｎo とｎe との差）も大きい。そのため、上記分離幅ｄが大きく取れるので、本発明の偏光制御素子を構成する上で極めて好適な材料であると言える。
【００３４】
一般に、複屈折性を有する結晶の屈折率楕円体は下記の式で与えられる。なおこの式においてｎeoは、ｚ軸とｘ（ｙ）軸との中間的な方向についての屈折率である。
【００３５】
【数３】
0003683360.tif 000006
【００３６】
偏光制御性を得るために本例では、方解石をその劈開面を利用して、図２に示すようにθ＝46.7°でアングル・カットして偏光制御素子15とする。方解石の波長946 ｎｍに対する屈折率はｎo ＝1.6448、ｎe ＝1.4806であるから、この場合の屈折率ｎeoは（数３）式よりｎeo＝1.5514となる。
【００３７】
一方、エタロンの厚さｔと選択波長の関係は、屈折率ｎo を感じる方向（以下これをｎo 方向という）の偏光と、屈折率ｎeoを感じる方向（以下これをｎeo方向という）の偏光に関してそれぞれ、
ｎo 方向偏光：  ２ｎo ｔ＝ｍo λo   ……（４）
ｎeo方向偏光：  ２ｎeoｔ＝ｍeoλeo  ……（５）
ただしｍo とｍeoは整数、λo とλeoは選択波長
となる。
【００３８】
946 ｎｍ発振のＹＡＧレーザーにおいて、第２エタロンモードが発振しないようにするには、エタロンのＦＳＲ（Free Spectral Range ）を基本的にＹＡＧの利得幅0.8 ｎｍと同等の0.8 ｎｍとする必要がある。偏光制御素子15をこのようにＦＳＲ＝0.8 ｎｍのエタロンとし、それを方解石から作成する場合、エタロン厚さ（偏光制御素子15の厚さ）は350 μｍ付近の値となる。
【００３９】
このとき、上記（４）、（５）式から定まるエタロン選択波長λo 、λeoが図３のように互いに一致するエタロン厚さは、約５μｍ周期で344 μｍ、349 μｍ、354 μｍとなる。
【００４０】
これに対して、５μｍ周期の半周期の2.5 μｍずれた346.5 μｍ、351.5 μｍ、356.5 μｍのエタロン厚さであれば、図４に示すようにエタロン選択波長λo 、λeoがＦＳＲ＝0.8 ｎｍの１／２の0.4 ｎｍだけ互いにずれる状態となる。この状態を得るために本実施形態においては、偏光制御素子15の厚さを一例として351.5 μｍに設定してあるが、それに限らず356.5 μｍあるいは346.5 μｍとしてもよい。
【００４１】
ここで、従来装置のようにエタロン選択波長λo 、λeoが互いに一致する場合（図３の状態）には、ある温調温度下で光波長変換素子20の周期ドメイン反転構造と位相整合する偏光方向（ｎo 方向）と直交する偏光方向（ｎeo方向）の高次横モードが発振し、前者の偏光方向を有する発振光つまり常光線16Ａのパワーが低下する。このため、温調温度に対する第２高調波出力特性は、図５に概略を示すように不安定な状態となる。
【００４２】
それに対して本発明の場合、すなわちエタロン選択波長λo 、λeoが相異なる場合（図４の状態）は、ｎo 方向の偏光についての選択波長λo がＹＡＧの利得ピークに合致するようにエタロンを選択して単一縦モード化を図ると、λeo方向の偏光に対するエタロン選択波長ではＹＡＧの利得が外れて、この偏光の発振が抑圧され、常にｎo 方向の偏光つまり常光線16Ａのみが発振するようになる。そこでこの場合は図６に概略を示すように、温調温度が変化しても第２高調波の出力は安定する。
【００４３】
上述したように、946 ｎｍ発振のＹＡＧレーザーにおいて、第２エタロンモードが発振しないようにするには、エタロンのＦＳＲを、基本的にＹＡＧの利得幅0.8 ｎｍと同等の0.8 ｎｍとする必要がある。このときｎeo方向とｎo 方向のエタロン選択波長の差は、最大でＦＳＲ0.8 ｎｍの50％つまり0.4 ｎｍまでとることができる（図４の場合に相当）。ただし、ｎeo方向とｎo 方向のエタロン選択波長の差が少なくとも0.2 ｎｍ（ＦＳＲ0.8 ｎｍの25％）とれれば、ｎeo方向に対するＹＡＧの利得が半分以下となり、ｎeo方向の発振を十分に抑圧することができる。
【００４４】
なお本発明の偏光制御素子を形成する材料としては、以上挙げた方解石の他、ＬｉＮｂＯ3 、ルチル、水晶、ＹＶＯ4 等も使用可能であり、特に波長変換も可能な非線形光学効果を示す材料としてはＫＴｉＯＰＯ4 （ＫＴＰ）、ＫＮｂＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 さらにはＬｉＴａＯ3 等が使用可能である。
【００４５】
また以上、レーザー結晶としてＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いた946 ｎｍ発振の波長変換レーザーについて述べたが、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いた別の発振線、例えば1064ｎｍ、1300ｎｍの発振線についても、同様にして単一縦モード化および偏光制御を行ない、その上で温度変化に対する出力安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態である固体レーザーを示す側面図
【図２】図１の固体レーザーに用いられた偏光制御素子を詳しく示す側面図
【図３】従来装置における固体レーザーの利得とエタロン選択波長との関係を示すグラフ
【図４】図１の装置における固体レーザーの利得とエタロン選択波長との関係を示すグラフ
【図５】従来装置におけるレーザー出力と温度との概略関係を示すグラフ
【図６】図１の装置におけるレーザー出力と温度との概略関係を示すグラフ
【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：ＹＡＧ結晶
14    共振器ミラー
15    偏光制御素子
16    固体レーザービーム
16Ａ    常光線
16Ｂ    異常光線
20    光波長変換素子
21    第２高調波
【図１】
0003683360.tif 000007
【図２】
0003683360.tif 000008
【図３】
0003683360.tif 000009
【図４】
0003683360.tif 000010
【図５】
0003683360.tif 000011
【図６】
0003683360.tif 000012