(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ媒質と、
この固体レーザ媒質を励起する励起光を発する屈折率導波型の半導体レーザとを備えてなる半導体レーザ励起固体レーザにおいて、
前記半導体レーザの駆動電流に、前記固体レーザ媒質の応答周波数よりも高い２０ＭＨｚ以上の周波数で、該半導体レーザの光出力の変調度を５０％以上１００％未満にして、固体レーザの光出力のノイズを０．５％以下に抑える振幅の高周波を重畳する手段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。
【請求項２】
前記高周波が、前記半導体レーザの光出力の変調度を５０％以上８０％以下にする振幅のものであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ励起固体レーザ。
【請求項３】
前記半導体レーザがマルチ横モード・ブロードエリアレーザであ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励起固体レーザ。
【請求項４】
前記半導体レーザが、リッジ構造により屈折率段差を備えたものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザ励起固体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ媒質を半導体レーザ（レーザダイオード）によってポンピングする半導体レーザ励起固体レーザに関し、特に詳細には、励起源としての半導体レーザを高周波重畳駆動するようにした半導体レーザ励起固体レーザ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、固体レーザ媒質を半導体レーザによってポンピングする半導体レーザ励起固体レーザが公知となっている。
【０００３】
この種の半導体レーザ励起固体レーザにおいて、半導体レーザが温度変化や駆動電流変化を受けてモードホップを生じ、それにより該半導体レーザの光出力が変動すると、固体レーザの光出力にノイズが生じる場合がある。図２は、このノイズ発生の様子を概略的に説明するものである。すなわち、同図（１）に示すように半導体レーザの光出力が時間経過に伴って変動すると、それに追随して固体レーザの光出力が同図（２）に示すように変動し、ノイズを含むものとなってしまう。
【０００４】
このような半導体レーザの出力変動（ノイズ発生）を防止する方法として、従来、下記のようなものが知られている。
【０００５】
（ａ）特開平４−７６９７４号に示されるように、利得導波型あるいは屈折率導波型の半導体レーザの駆動電流に、固体レーザ媒質の応答周波数よりも高い周波数の高周波を重畳する方法。
【０００６】
（ｂ）特開平７−１５４０１４号に示されるように、励起源の半導体レーザとして、屈折率導波型のブロードエリアレーザを用いる方法。
【０００７】
ここで、利得導波型半導体レーザと屈折率導波型半導体レーザの基本構造を、それぞれ図１６、１７を参照して説明する。なおこれらの図において、斜線を付した楕円形をビーム断面形状とする。
【０００８】
図１６に示すように、通常１μｍ以下である縦方向のビーム径に比べて、活性層から低屈折率層までの距離ｄが十分大きいと、横方向のビームに対して屈折率構造を持たない利得導波型半導体レーザとなる。
【０００９】
それに対して図１７に示すように、通常１μｍ以下である縦方向のビーム径よりも、活性層から低屈折率層までの距離ｄが小さいと、横方向のビームに対して屈折率構造を持つ屈折率導波型半導体レーザとなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記（ａ）の方法においては、利得導波型の半導体レーザを用いた場合、そこから発せられる励起光のコヒーレンシーを低下させるために、半導体レーザに加える電流値は発振しきい値以下に保つ必要がある。このとき、半導体レーザの平均出力が変わらないための条件は、そのピークパワーが最低でも平均出力の２倍有ることである。このように半導体レーザを高出力で駆動した場合は、最高出力にピークパワーが近くなるため、半導体レーザが過剰に劣化したり、故障することもある。
【００１１】
一方（ｂ）の方法では、利得導波型のブロードエリアレーザを用いる場合と比べて、半導体レーザ自身が発生するノイズは低減するが、それでも未だノイズの発生が認められる。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、半導体レーザの光出力変動によるノイズ発生を十分に抑制することができる半導体レーザ励起固体レーザを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザ励起固体レーザは、
前述したような固体レーザ媒質と、
この固体レーザ媒質を励起する励起光を発する屈折率導波型の半導体レーザとを備えてなる半導体レーザ励起固体レーザにおいて、
半導体レーザの駆動電流に、固体レーザ媒質の応答周波数よりも高い２０ＭＨｚ以上の周波数で、該半導体レーザの光出力の変調度を５０％以上１００％未満、さらに望ましくは５０％以上８０％以下にして、固体レーザの光出力のノイズを０．５％以下に抑える振幅の高周波を重畳する手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
なおこの半導体レーザ励起固体レーザにおいて、上記高周波の周波数は２０ＭＨｚ以上とするのが望ましい。
【００１５】
また半導体レーザとしては、マルチ横モード・ブロードエリアレーザを用いるのが望ましい。
【００１６】
さらにこの半導体レーザは、リッジ構造により屈折率段差を備えたものであるのが望ましい。
【００１７】
ここで半導体レーザの光出力の変調度は、光出力の平均光出力（直流成分）をＰＤＣ、光出力の幅（ピーク・トゥ・ピーク値）をＰＰ−Ｐとして、ＰＰ−Ｐ／２ＰＤＣ×１００（％）で定義する。図３および４は、この点を説明するものである。半導体レーザの駆動電流が高周波重畳により例えば図３の（１）に示すように変化したとき、その光出力が同図（２）のように変化したとすると、ＰＰ−Ｐ＝２ＰＤＣであるから、変調度は１００％である。また、半導体レーザの駆動電流が高周波重畳により図４の（１）に示すように変化したとき、その光出力が同図（２）のように変化したとすると、ＰＰ−Ｐ＝ＰＤＣであるから、変調度は５０％である。一方固体レーザ出力のノイズは、その出力検出信号の電流波形における最大ＡＣレベル／ＤＣレベルで定義する。
【００１８】
【発明の効果】
高周波重畳しないで駆動した際の駆動電流対ノイズ量の関係を、２つの屈折率導波型半導体レーザおよび１つの利得導波型半導体レーザについて測定した。それらの半導体レーザはいずれも、発光幅が約５０μｍのマルチ横モード半導体レーザである。測定結果を図５に示す。同図において、（１）および（２）が屈折率導波型半導体レーザの測定結果、（３）が利得導波型半導体レーザの測定結果である。
【００１９】
これらから分かるように、利得導波型半導体レーザでは駆動電流の値の広い範囲に亘ってノイズが発生している。それに対して屈折率導波型半導体レーザでは、ノイズの発生する電流領域は極めて狭い。このことから、屈折率導波型半導体レーザを高周波重畳駆動する場合は、高周波振幅が比較的小さくてもノイズ低減の効果が大きいのではないかと考えられる。本発明はこの新しい知見に基づいてなされたものである。
【００２０】
図６のグラフは、屈折率導波型半導体レーザを周波数１００ＭＨｚで高周波重畳駆動したときの変調度とノイズ量との関係を２例示すものである。ここに示される通り、変調度を５０％以上に設定すれば、ノイズ量は、実用上問題を招くことのない目安とされている０．５％以下に抑えられる。このことから、本発明においては、５０％を変調度の下限値とする。なおノイズ量の定義については後述する。
【００２１】
一方図７に示すグラフは、リッジ構造を有する８００ｎｍ帯の屈折率導波型半導体レーザを高周波重畳駆動したときの平均光出力対最高光出力比と、その寿命との関係を示すものである。なおこの半導体レーザは、ストライプ幅が１０〜３００μｍのもので、図示の関係は、光出力を５〜１５ｍＷ／μｍ×ストライプ幅（μｍ）として駆動した場合（例えばストライプ幅が５０μｍで、光出力は２５０〜７５０ｍＷ）についてのものである。
【００２２】
この図７に示される通り、平均光出力対最高光出力比を１．８以下、つまり変調度を８０％以下にすれば、実用的に問題の無い５０００ｈｒ以上の寿命が確保される。
【００２３】
勿論、短時間の寿命でも問題のない用途のためには、変調度は８０％と１００％との間の値に設定されても構わない。しかし、素子のバラツキなどのマージンを考えると、寿命の観点から、変調度は５０％に近い値とするのがより好ましい。
【００２４】
なお、半導体レーザの光出力の変調度を特に８０％以下にする場合は、従来なされていたように１００％にする場合と比べると、平均光出力が同じならば最高光出力は低くなるので、半導体レーザを最高光出力が低い状態で駆動できるようになる。
【００２５】
【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。
【００２６】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体レーザ励起固体レーザを示すものである。この半導体レーザ励起固体レーザは、励起光としてのレーザビーム１０を発する半導体レーザ１２と、発散光である上記レーザビーム１０を集光し、収束させる集光レンズ１３と、ネオジウム（Ｎｄ）がドーピングされた固体レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧ結晶１４と、このＮｄ：ＹＡＧ結晶１４の前方側（図中右方側）および後方側にそれぞれ配された共振器ミラー１５および１６とを有する。
【００２７】
また、半導体レーザ１２に直流の駆動電流を供給する直流電流源１７が設けられるとともに、この駆動電流にｓｉｎ波の高周波を重畳する発振器１８が設けられている。
【００２８】
半導体レーザ１２としては、波長８０９  ｎｍのレーザビーム１０を発する、リッジ構造を有する屈折率導波型のマルチ横モード・ブロードエリアレーザが用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１４は、上記レーザビーム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。
【００２９】
共振器ミラー１６のミラー面１６ａには、波長８０９  ｎｍの励起用レーザビーム１０は良好に透過させ（透過率９９％以上）、波長１０６４ｎｍの光は良好に反射させる（反射率９９．９％以上）コーティングが施されている。一方共振器ミラー１５のミラー面１５ａには、励起用レーザビーム１０は良好に反射させ、波長１０６４ｎｍの光は一部透過させるコーティングが施されている。
【００３０】
したがって、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１４から発せられた波長１０６４ｎｍの光は上記の各面１６ａ、１５ａ間に閉じ込められて、レーザ発振を引き起こす。このようにして生じた波長１０６４ｎｍのレーザビーム１１は、共振器ミラー１５側から取り出される。
【００３１】
ここで半導体レーザ１２の駆動電流には、発振器１８から一例として２０ＭＨｚの高周波が重畳される。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１４により１０６４ｎｍの発振線を得る場合、該結晶１４の応答周波数は約１００ｋＨｚであり、上記高周波の周波数２０ＭＨｚはこの応答周波数よりも十分に高いものとされている。一方上記高周波の振幅は、半導体レーザ１２の光出力の変調度が５０〜１００％になる値とされている。この変調度の定義は、先に述べた通りである。
【００３２】
半導体レーザ１２の駆動電流に以上のような高周波が重畳されることにより、固体レーザビーム１１におけるノイズの発生が抑制される。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
【００３３】
この実施形態の半導体レーザ励起固体レーザにおいて、半導体レーザ駆動電流に重畳する高周波の周波数を５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚおよび１００ＭＨｚの４通りに変え、それぞれの場合の半導体レーザ光出力の変調度とノイズ量との関係を調べた。その結果を図１５に示す。ここに示されている通り、半導体レーザ１２の光出力の変調度を５０％以上とするためには、高周波の周波数を概ね２０ＭＨｚ以上に設定すればよい。
【００３４】
＜比較例＞
特開平４−７６９７４号に示されている従来の半導体レーザ励起固体レーザを比較例として、それにおけるノイズ発生状況を調べた。この比較例の構成を図８に示す。なおこの図８において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複した説明は省略する（以下、同様）。
【００３５】
本例では半導体レーザ２２として、発光幅が３０〜３００μｍの屈折率導波型半導体レーザおよび利得導波型半導体レーザを用いた。またこの場合、縦方向のビーム径は屈折率導波型半導体レーザ、利得導波型半導体レーザとも０．８μｍであり、活性層から低屈折率層までの距離ｄ（図１６、１７参照）は屈折率導波型半導体レーザが０．２μｍ、利得導波型半導体レーザが２μｍである。
【００３６】
まず、コヒーレンシーを低下させるための高周波重畳の条件（周波数、振幅）を調べた。具体的には、図９に示すように、集光レンズ１３により集光されたレーザビーム１０を光ファイバー２５を介して光スペクトラムアナライザー２６に導き、このレーザビーム１０のスペクトルが広がるとき、つまりコヒーレンシーが低下するときの条件を調べた。それにより、重畳する高周波の周波数が１００ＭＨｚ以上でかつ変調度が１００％以上のときのみ、スペクトルが広がることが分かった。
【００３７】
また、半導体レーザ２２から実際にノイズが発生したときに、固体レーザにおけるノイズ量と高周波振幅（変調度）との関係を調べた。その結果を、以下説明する。
【００３８】
なおノイズ測定は、図８の固体レーザを一定温度下で定電流駆動し、固体レーザビーム１１をフォトダイオードで受光し、その出力電流波形をオシロスコープで観測することにより行なった。測定に当たっては、半導体レーザ駆動電流をしきい値から定格最大までスイープし、そのときの最大ＡＣレベル／ＤＣレベル（図１０参照）をノイズ量として定義した。より具体的には、１０ｍｓｅｃ（ミリ・秒）間に１μｓｅｃ（マイクロ・秒）間隔で１００００個のデータを測定して、その間のピーク・トゥ・ピーク値をノイズ振幅とし、このような測定を１００回繰り返したときの最大のノイズ振幅をノイズ量として定義した。
【００３９】
オシロスコープの観測波形を図１１および１２に示す。図１１の（１）が利得導波型半導体レーザを高周波重畳しないで駆動したときの波形であり、このときのノイズ量は２．２％である。それに対して同図の（２）が、この利得導波型半導体レーザの光出力の変調度が１００％となるように高周波重畳駆動したときの波形で、ノイズ量は０．５％に低減している。
【００４０】
また、図１２の（１）が屈折率導波型半導体レーザを高周波重畳しないで駆動したときの波形であり、このときのノイズ量は１．４％である。それに対して同図の（２）が、この屈折率導波型半導体レーザの光出力の変調度が５５％となるように高周波重畳駆動したときの波形で、この場合ノイズ量は０．２％に低減している。
【００４１】
一方、上記利得導波型半導体レーザの駆動電流に印加する高周波の周波数を１００ＭＨｚに固定して振幅を変化させ、そのときの変調度対ノイズ量の関係を調べた。その結果を図１３に示す。この図１３から分かる通り、ノイズ量を、実用上問題を招くことのない目安とされている０．５％以下に抑えるためには、１００％の変調度が必要となる。
【００４２】
＜第２実施形態＞
図１４は、本発明の第２の実施形態による半導体レーザ励起固体レーザを示すものである。この半導体レーザ励起固体レーザは、図１に示したものと比べると、共振器内に非線形光学結晶２０が配されている点が基本的に異なるものである。この非線形光学結晶２０は、波長１０６４ｎｍのレーザビーム１１を、波長が１／２つまり５３２ｎｍの第２高調波２１に変換する。
【００４３】
共振器ミラー１５のミラー面１５ａには、上記第２高調波２１を透過させる一方、波長１０６４ｎｍのレーザビーム１１および波長８０９  ｎｍの励起用レーザビーム１０は良好に反射させるコーティングが施されている。それにより、共振器ミラー１５からは主に第２高調波２１が出射する。
【００４４】
この第２の実施形態においても、半導体レーザ１２の駆動電流に、第１の実施形態におけるのと同様の高周波が重畳され、それにより、第２高調波２１におけるノイズの発生が抑制される。
【００４５】
なお上記の非線形光学結晶２０としては公知のあらゆるものが適用可能であるが、特にＫＴＰ、ＫＮや、さらには周期分極反転構造を有するＭｇＯ−ＬＮ（ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ３）、ＬＮ、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）等を好適に用いることができる。
【００４６】
また、上の例ではＮｄ：ＹＡＧ結晶１４の１０６４ｎｍの発振線を用いたが、別の発振線、例えば９４６ｎｍの発振線を用いる場合でも同様の効果が得られる。
【００４７】
以上、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１４の１０６４ｎｍの発振波長を用いた実施形態について説明したが、本発明における固体レーザ媒質はこれに限られるものではなく、その他の固体レーザ媒質、例えばＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ等を用いる場合に本発明を適用しても、同様の効果を得ることができた。
【００４８】
また屈折率導波型レーザとして、本出願人による特願平９−２３４４０３号に示されるマルチ横モードレーザ等を用いることも可能である。
【００４９】
さらに、半導体レーザ駆動電流に重畳する高周波は、前述したｓｉｎ波のものに限らず、その他例えば矩形波の高周波等を採用することもできる。
【００５０】
他方、本発明は例えば特開平１０−９８２２２号に示されるＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路を持つ半導体レーザ励起固体レーザに適用することも可能であり、その場合も勿論以上説明したノイズ抑制効果が得られ、さらにはそれと相まって、ＡＰＣ回路の暴走を防止する効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体レーザ励起固体レーザを示す側面図
【図２】半導体レーザ励起固体レーザにおけるノイズ発生の様子を説明する概略図
【図３】半導体レーザにおける駆動電流への高周波重畳と、光出力の変調度との関係を説明する概略図
【図４】半導体レーザにおける駆動電流への高周波重畳と、光出力の変調度との関係を説明する概略図
【図５】半導体レーザにおける駆動電流毎のノイズ発生状況を示すグラフ
【図６】屈折率導波型半導体レーザを高周波重畳駆動したときの変調度とノイズ量との関係を示すグラフ
【図７】屈折率導波型半導体レーザにおける高周波重畳駆動時の変調度と寿命との関係を示すグラフ
【図８】従来の高周波重畳駆動される半導体レーザ励起固体レーザの一例を示す側面図
【図９】図８の固体レーザにおける半導体レーザの出力光スペクトルを測定する系を示す側面図
【図１０】固体レーザにおけるノイズの定義を説明する概略図
【図１１】利得導波型半導体レーザにおける、高周波重畳をしない場合とした場合のノイズのオシロ波形を示す写真
【図１２】屈折率導波型半導体レーザにおける、高周波重畳をしない場合とした場合のノイズのオシロ波形を示す写真
【図１３】従来の半導体レーザ励起固体レーザを高周波重畳駆動したときの変調度とノイズ量との関係を示すグラフ
【図１４】本発明の第２実施形態による半導体レーザ励起固体レーザを示す側面図
【図１５】図１の半導体レーザ励起固体レーザを高周波重畳駆動したときの変調度とノイズ量との関係を、高周波の周波数毎に示すグラフ
【図１６】利得導波型半導体レーザの基本構造を示す概略図
【図１７】屈折率導波型半導体レーザの基本構造を示す概略図
【符号の説明】
１０    レーザビーム（励起光）
１１    レーザビーム（固体レーザ発振光）
１２    半導体レーザ
１３    集光レンズ
１４    Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
１５、１６    共振器ミラー
１７    直流電流源
１８    発振器
２０    非線形光学結晶
２１    第２高調波
２２    半導体レーザ
２５    光ファイバー
２６    光スペクトラムアナライザー
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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