(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザダイオードアレイによりポンピング光を固体レーザの発振媒体の集光部位に集光させて発振媒体を励起する固体レーザの励起装置において、前記半導体レーザダイオードアレイから出射されるポンピング光の光路上に前記半導体レーザダイオードアレイ側から順に第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズを配設し、前記第１のレンズの焦点距離をＦ１、第２のレンズの焦点距離をＦ２、第３のレンズの焦点距離をＦ３、前記半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズとの距離をＤ01、第１のレンズと第２のレンズとの距離をＤ12、第２のレンズと第３のレンズとの距離をＤ23、第３のレンズと発振媒体の集光部位との距離をＤ02とした場合に、第２のレンズの焦点距離Ｆ２と第３のレンズの焦点距離Ｆ３とを同一とするとともに、前記半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズと発振媒体の集光部位との位置関係を、Ｄ01＝Ｆ１、Ｄ12＝Ｆ１＋Ｆ２、Ｄ23＝Ｆ２＋Ｆ３、Ｄ02＝Ｆ３の関係に位置させたことを特徴とする固体レーザの励起装置。
【請求項２】
前記半導体レーザダイオードアレイ、第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズの組み合わせを複数組設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザの励起装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体レーザの発振媒体の端面に半導体レーザダイオードアレイによりポンピング光を照射して固体レーザを励起させるのに好適な固体レーザの励起装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザとして発振媒体にルビー、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４  等のような固体を用いた固体レーザが知られている。このような固体レーザにおいては、発振媒体からレーザ光を発生させるために、発振媒体にポンピング光と称せられる光を照射して発振媒体に光エネルギを与えて発振媒体を励起するようにされている。
【０００３】
従来の一般的な固体レーザの励起は、例えば、ＹＡＧレーザの場合には、キセノン放電管またはクリプトンアーク放電管を用いて発振媒体としてのＹＡＧロッドの周面にポンピング光を照射することにより行われている。
【０００４】
ところで、近年の各種装置においては、高性能化、高効率化、小型化、低価格化が常に図られており、レーザ装置においても同様である。このために、固体レーザの発振媒体をより効率的に励起させる固体レーザの励起装置が求められている。
【０００５】
このような問題点に対処するために、固体レーザの発振媒体の端面側にポンピング光を照射して、発振媒体の集光部位（発振媒体の端面、あるいは、発振媒体の内部の端面近傍）にポンピング光を小さなスポットとして集光するエンドポンピングと称される固体レーザの励起方法が提案されている。
【０００６】
そして、エンドポンピングを行うためのポンピング光源としては、固体レーザの発振媒体の励起波長に対応する波長のポンピング光を照射する半導体レーザダイオードアレイ（ＬＤＡ）が用いられている。このＬＤＡは、一次元または二次元方向に数個あるいは数十個程度の複数半導体レーザダイオードチップ（ＬＤチップ）を有している。また、固体レーザの発振媒体の励起をより効率的に行うために、複数のＬＤＡを用いて複数のポンピング光を固体レーザの発振媒体の集光部位に集光するものが提案されている。
【０００７】
ところで、このような固体レーザの発振媒体を励起するポンピング光は、ＬＤＡを構成する各ＬＤチップから固体レーザの発振媒体の励起波長に対応する波長のビームが発振媒体の端面に向かって出射されるが、この各ビームは、ＬＤ活性層に対し、垂直な成分と、平行な成分とのビーム品質が異なり、特に平行な成分のビーム品質が悪い。このような特性上、固体レーザの発振媒体の集光部位にポンピング光を小さなスポットとして集光するには、短焦点レンズが必要となる。固体レーザの出力をスケールアップする場合、当然複数のＬＤＡを用いることになるが、数枚（１〜２枚）のレンズ構成では、物理的な配置等の制限により、その数が限られてしまう。
【０００８】
そこで、従来の固体レーザの励起装置としては、次に説明する２種類のものが用いられている。
【０００９】
第１の従来の固体レーザの励起装置は、ＬＤＡを構成する各ＬＤチップから出射されるポンピング光を構成する各ビームをマイクロレンズを用いて独立にコリメートし、このコリメートした各ビームを集光レンズを用いて固体レーザの発振媒体の集光部位に直径３００μｍ程度のスポットとして集光するように形成されている。
【００１０】
第２の従来の固体レーザの励起装置は、ＬＤＡを構成する各ＬＤチップから出射されるポンピング光を構成する各ビームを５枚以上の複数のレンズを用いて固体レーザの発振媒体の集光部位に直径２〜３ｍｍ程度のスポットとして集光するように形成されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述した第１の従来の固体レーザの励起装置においては、１個のＬＤＡを構成する複数のＬＤチップから出射される複数のビームをそれぞれ独立してコリメートするために、ＬＤチップの数と同一の数のマイクロレンズを必要とし、高い機構精度が必要となり装置の構造が複雑になるとともに、経済的負担が増加するという問題点があった。
【００１２】
また、第２の従来の固体レーザの励起装置においては、１個のＬＤＡに対して５枚以上の複数の高価な特別なレンズを必要とし、構造が複雑になるとともに、経済的負担が増加するという問題点があった。さらに、１個のＬＤＡに対して５枚以上の複数のレンズを用いているので、複数のＬＤＡを配設すると、ＬＤＡの数によって異なる光路上に配設したレンズ同士が相互に干渉する場合があるという問題点があった。
【００１３】
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、できるだけ少ない数の安価なレンズにより固体レーザの発振媒体の集光部位に複数のポンピング光を小さなスポットとして集光することができる固体レーザの励起装置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】
前述した目的を達成するため本発明の固体レーザの励起装置は、半導体レーザダイオードアレイによりポンピング光を固体レーザの発振媒体の集光部位に集光させて発振媒体を励起する固体レーザの励起装置において、前記半導体レーザダイオードアレイから出射されるポンピング光の光路上に前記半導体レーザダイオードアレイ側から順に第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズを配設し、前記第１のレンズの焦点距離をＦ１、第２のレンズの焦点距離をＦ２、第３のレンズの焦点距離をＦ３、前記半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズとの距離をＤ01、第１のレンズと第２のレンズとの距離をＤ12、第２のレンズと第３のレンズとの距離をＤ23、第３のレンズと発振媒体の集光部位との距離をＤ02とした場合に、第２のレンズの焦点距離Ｆ２と第３のレンズの焦点距離Ｆ３とを同一とするとともに、前記半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズと発振媒体の集光部位との位置関係を、Ｄ01＝Ｆ１、Ｄ12＝Ｆ１＋Ｆ２、Ｄ23＝Ｆ２＋Ｆ３、Ｄ02＝Ｆ３の関係に位置させたことを特徴としている。また、前記半導体レーザダイオードアレイ、第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズの組み合わせを複数組設けるとよい。特許法第１７条の２第４号の規定による補正
【００１５】
【作用】
前述した構成からなる本発明の固体レーザの励起装置によれば、半導体レーザダイオードアレイから出射されるポンピング光の光路上に、半導体レーザダイオードアレイ側から順に第１のレンズ、第２のレンズおよび第３のレンズを配設し、前記第１のレンズの焦点距離をＦ１、第２のレンズの焦点距離をＦ２、第３のレンズの焦点距離をＦ３、前記半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズとの距離をＤ０１、第１のレンズと第２のレンズとの距離をＤ１２、第２のレンズと第３のレンズとの距離をＤ２３、第３のレンズと発振媒体の集光部位との距離をＤ０２とした場合に、第２のレンズの焦点距離Ｆ２と第３のレンズの焦点距離Ｆ３とを同一とするとともに、半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズと第２のレンズと第３のレンズと発振媒体の集光部位との位置関係を、Ｄ０１＝Ｆ１、Ｄ１２＝Ｆ１＋Ｆ２、Ｄ２３＝Ｆ２＋Ｆ３、Ｄ０２＝Ｆ３の関係に位置させることにより、発振媒体の集光部位でのポンピング光のスポット半径が変化せず、第１のレンズの焦点距離Ｆ１を任意に選択することで発振媒体の集光部位でのポンピング光のスポット半径を小さくすることができるとともに、第１のレンズと第２のレンズとの距離Ｄ１２、第２のレンズと第３のレンズとの距離Ｄ２３、第３のレンズと発振媒体の集光部位との距離Ｄ０２を可変とすることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を図面に示す実施例により説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る固体レーザの励起装置の一実施例を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施例の固体レーザの励起装置１は、固体レーザの発振媒体２の端面に対してポンピング光３を照射する半導体レーザダイオードアレイ（ＬＤＡ）４を有している。このＬＤＡ４は、数ワット以上の高出力のものが用いられている。そして、ＬＤＡ４から出射されるポンピング光３の光路上には、ＬＤＡ４側から順に、第１のレンズ５ａ、第２のレンズ５ｂおよび第３のレンズ５ｃの総計３枚のレンズ５が配設されている。
【００１９】
前記発振媒体２は、所望の固体レーザを発生させるルビーまたはＹＡＧ等によりロッド状に形成されており、ポンピング光３の照射を受ける発振媒体２の端面側の発振媒体２の端面、あるいは、発振媒体２の内部の端面近傍（端面から最大３ｍｍ程度）が集光部位６とされている。
【００２０】
そして、前記ＬＤＡ４、第１のレンズ５ａ、第２のレンズ５ｂ、第３のレンズ５ｃおよび発振媒体２の集光部位６とは、第１のレンズ５ａの焦点距離をＦ１、第２のレンズ５ｂの焦点距離をＦ２、第３のレンズ５ｃの焦点距離をＦ３とした場合に、Ｆ２＝Ｆ３とするとともに、前記ＬＤＡ４と第１のレンズ５ａとの距離をＤ０１、第１のレンズ５ａと第２のレンズ５ｂとの距離をＤ１２、第２のレンズ５ｂと第３のレンズ５ｃとの距離をＤ２３、第３のレンズ５ｃと発振媒体２の集光部位６との距離をＤ０２とした場合に、Ｄ０１＝Ｆ１、Ｄ１２＝Ｆ１＋Ｆ２、Ｄ２３＝Ｆ２＋Ｆ３、Ｄ０２＝Ｆ３の関係となるように配設されている。
【００２１】
つぎに、前述した構成からなる本実施例の作用について説明する。
【００２２】
まず、本実施例の固体レーザの励起装置１の半導体レーザダイオードアレイ４から出射されるポンピング光３について図２により説明する。
【００２３】
図２は半導体レーザダイオードアレイから出射されるポンピング光３を説明する模式図である。
【００２４】
図２に示すように、本実施例のＬＤＡ４は、一次元方向に数個あるいは数十個程度の複数の半導体レーザダイオードチップ（ＬＤチップ）７を有しており、各ＬＤチップ７から固体レーザの発振媒体２の励起波長に対応する波長のビーム８が発振媒体２の端面に向かって出射可能にされている。そして、ＬＤチップ７から出射される各ビーム８は、図示しないＬＤ活性層に対して垂直な成分と平行な成分とを有しており、ビーム８のモード軸（光軸）９に対して拡がりを有して伝播するようになっている。この各ビーム８のモード軸９の伝播は、幾何光学の伝播で取り扱うことができる。そして、各ビーム８の伝播は、レーザ光の線形伝播１０として取り扱うことができる。また、各ビーム８の伝播状態は、近軸とし、光線行列式により算出することができる。
【００２５】
前記ＬＤチップ７から出射される各ビーム８は、図１に示す３枚のレンズ５により集光されてポンピング光３となり、発振媒体２の集光部位６に小さなスポットになって集光されることになる。
【００２６】
つぎに、ＬＤチップから出射される各ビームの集光について図３により説明する。
【００２７】
図３は本発明に係る固体レーザの励起装置の半導体レーザダイオードチップから出射される各ビームの集光を説明するためのシンボル図である。
【００２８】
本実施例の固体レーザの励起装置１のＬＤチップ７から出射される各ビーム８の集光状態を図３に示すシンボルを用て算出すると、
幾何光学集光条件は、
0003574481.tif 000002
で示される。
【００２９】
また、各ビーム８を各レンズ５により集光してポンピング光３とし発振媒体２の集光部位６に小さなスポットとして照射するためのビームスポット条件は、
0003574481.tif 000003
で示される。
【００３０】
前記幾何光学集光条件およびビームスポット条件より、
Ａ＝Ｄ＝０、Ｂ＝−１／Ｃ
となり、以下に示す式（１）および式（２）が算出される。
【００３１】
0003574481.tif 000004
前記式（１）に示すように、集光部位６でのポンピング光３のスポット半径ωｆ（スポットサイズ）は、１／Ｃの絶対値に依存する。つまり、｜１／Ｃ｜の値が小さければ小さいほどスポットサイズが小さくなる。
【００３２】
すなわち、単一レンズ（図示せず）を用いた場合には、１／Ｃの絶対値が単一レンズの焦点距離の絶対値と等しくなり、焦点距離が小さければ小さいほどスポットサイズが小さくすることができる。
【００３３】
しかしながら、単一レンズを固体レーザの励起装置１として用いるには、物理的制約（レンズの大きさ、焦点距離Ｆ等）が大きく、特に、複数のＬＤＡ４を用いる場合には、各ＬＤＡ４のポンピング光３の光路上に配設したレンズ同士が相互に干渉して当接し実用上の配置が不可能となり、好ましくない。
【００３４】
そこで、本発明者が物理的制約を解消し得る光学系について様々な観点により検討をした結果、３枚のレンズ５を組み合わせると、特定の条件の基で、１／Ｃの絶対値を小さくすることができ、この物理的制約を回避し得ることがわかった。
【００３５】
すなわち、ＬＤＡ４から出射されるポンピング光３の光路上に、ＬＤＡ４側から順に第１のレンズ５ａ、第２のレンズ５ｂおよび第３のレンズ５ｃを配設し、前記第１のレンズ５ａの焦点距離をＦ１、第２のレンズ５ｂの焦点距離をＦ２、第３のレンズ５ｃの焦点距離をＦ３、ＬＤＡ４と第１のレンズ５ａとの距離をＤ０１、第１のレンズ５ａと第２のレンズ５ｂとの距離をＤ１２、第２のレンズ５ｂと第３のレンズ５ｃとの距離をＤ２３、第３のレンズ５ｃと発振媒体２の集光部位６との距離をＤ０２とした場合に、第２のレンズ５ｂの焦点距離Ｆ２と第３のレンズ５ｃの焦点距離Ｆ３とを同一とするとともに、前記ＬＤＡ４と第１のレンズ５ａと第２のレンズ５ｂと第３のレンズ５ｃと発振媒体２の端面との位置関係を、Ｄ０１＝Ｆ１、Ｄ１２＝Ｆ１＋Ｆ２、Ｄ２３＝Ｆ２＋Ｆ３、Ｄ０２＝Ｆ３の関係に位置させることにより、前記１／Ｃの絶対値を小さくすることができるとともに、物理的制約を回避することができる固体レーザの励起装置１を得るものである。
【００３６】
つぎに、本実施例の固体レーザの励起装置の作用について図１および図４により詳しく説明する。
【００３７】
図４は本発明に係る固体レーザの励起装置の集光系の光線行列を示すシンボル図である。
【００３８】
図４に示すように、本実施例の固体レーザの励起装置１の集光系の光線行列は、以下に示す式（３）から式（５）により示すことができる。
【００３９】
0003574481.tif 000005
前記式（３）に示す集光系の光線行列において、Ｃ１＝Ｂ１＝０、Ａ１＝１／Ｄ１となる光学系とすることにより、
｜１／Ｃ｜＝｜Ｆ１・Ｆ３／Ｆ２｜
となり、
ωｆ＝｜Ｆ１・Ｆ３／Ｆ２｜θ01
とすることができる。
【００４０】
したがって、第１のレンズ５ａの焦点距離Ｆ１を任意に選択することにより、発振媒体２の集光部位６でのポンピング光３のスポット半径ωｆ（スポットサイズ）を小さくすることができる。つまり、高価な特別なレンズを用いずに市販のレンズを用いることができ、経済的負担を低減することができる。
【００４１】
また、本実施例の固体レーザの励起装置１は、第２のレンズ５ｂの焦点距離Ｆ２と第３のレンズ５ｃの焦点距離Ｆ３とが同一とされており、ωｆの値が変化しないようにされている。つまり、第１のレンズ５ａと第２のレンズ５ｂとの距離Ｄ１２、第２のレンズ５ｂと第３のレンズ５ｃとの距離Ｄ２３、第３のレンズ５ｃと発振媒体２の集光部位６との距離Ｄ０２は、第２のレンズ５ｂの焦点距離Ｆ２と第３のレンズ５ｃの焦点距離Ｆ３とを任意に選択することにより可変とすることができる。これにより、複数のＬＤＡ４を用いる場合に、各ＬＤＡ４と発振媒体２との距離をそれぞれ任意の値とすることができるので、複数のＬＤＡ４を二次元的な平面もしくは三次元的な空間において任意の位置に配設することが可能となり、従来の各ＬＤＡ４のポンピング光３の光路上に配設したレンズ同士が相互に干渉して当接するという不都合を確実に防止することができる。この複数のＬＤＡ４を用いた配置の一例を図５に示す。
【００４２】
図５に示すように、本実施例の固体レーザの励起装置１ａは、焦点距離の短い１枚の単一レンズ５Ａと１個のＬＤＡ４を組み合わせた従来の励起装置と、３枚のレンズ５ａ、５ｂ、５ｃと１個のＬＤＡ４を組み合わせた本発明の励起装置１とを１平面内にそれぞれ２組を配設し、４個のＬＤＡ４から出射された４本のポンピング光３を発振媒体２の集光部位３の同一位置に集光するように構成した例を示している。焦点距離の短い１枚の単一レンズ５Ａを用いる従来の励起装置においては、１平面内には最大２組しか配置することができなかったが、本発明の励起装置１は第３のレンズ５ｃの焦点距離Ｆ３を従来の単一レンズ５Ａより容易に長く設定することができるために、従来の焦点距離の短い１枚の単一レンズ５Ａに干渉されることなく、更に当該同一平面に無理なく配設することができる。図５の配置を、例えば図５の平面と直交する平面に適用すれば、更に発振媒体２に対するポンピング光３の数を倍増することができる。これにより発振媒体２へ供給されるポンピング光３の量が増大され、より強力なレーザ光が発振媒体２より出射されるようになる。
【００４３】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体レーザの励起装置によれば、３枚のレンズを特定の条件で配設することにより、市販の安価なレンズを用いて発振媒体の集光部位でのポンピング光のスポット半径を小さくすることができるとともに、複数の半導体レーザダイオードを用いる場合に、各半導体レーザダイオードと発振媒体との距離をそれぞれ任意の値とし各半導体レーザダイオードのポンピング光の光路上に配設したレンズ同士が相互に干渉して当接するのを確実に防止することができるという極めて優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体レーザの励起装置の一実施例を示す模式図
【図２】本発明に係る固体レーザの励起装置の半導体レーザダイオードアレイから出射されるポンピング光を説明する模式図
【図３】本発明に係る固体レーザの励起装置の半導体レーザダイオードチップから出射される各ビームの集光を説明するためのシンボル図
【図４】本発明に係る固体レーザの励起装置の集光系の光線行列を示すシンボル図
【図５】本発明に係る固体レーザの励起装置に複数の半導体レーザダイオードチップを用いた場合の配置の一例を示す模式図
【符号の説明】
１  固体レーザの励起装置
２  （固体レーザの）発振媒体
３  ポンピング光
４  半導体レーザダイオードアレイ（ＬＤＡ）
５  レンズ
５ａ  第１のレンズ
５ｂ  第２のレンズ
５ｃ  第３のレンズ
６  集光部位
７  半導体レーザダイオードチップ（ＬＤチップ）
Ｆ１  （第１のレンズの）焦点距離
Ｆ２  （第２のレンズの）焦点距離
Ｆ３  （第３のレンズの）焦点距離
Ｄ０１  半導体レーザダイオードアレイと第１のレンズとの距離
Ｄ１２  第１のレンズと第２のレンズとの距離
Ｄ２３  第２のレンズと第３のレンズとの距離
Ｄ０２  第３のレンズと発振媒体の集光部位との距離
【図１】
0003574481.tif 000006
【図２】
0003574481.tif 000007
【図３】
0003574481.tif 000008
【図４】
0003574481.tif 000009
【図５】
0003574481.tif 000010