(57)【要約】【課題】  固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】  固体レーザ装置１は、固体レーザ媒質２と、励起光供給部８と、再入射光学系１０とを備える。固体レーザ媒質２は、共振器４の第１反射面と第２反射面との間に配置される。励起光供給部８は、共振器４の第１反射面から共振器内に第１の励起光ｌ１を供給する。このとき、第１の励起光ｌ１は共振器４の光軸Ａｘに対して斜めに入射する。再入射光学系１０は、共振器４から出射された第１の励起光ｌ１を、その光軸と垂直な面内で偏光方向を変えて共振器４内に入射させる。【選択図】  図１
2006135262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器の第１反射面と第２反射面との間に配置された固体レーザ媒質と、
前記共振器の前記第１反射面から前記共振器内に第１の励起光を入射する励起光供給手段と、
前記共振器から出射された前記第１の励起光を、その光軸と垂直な面内で偏光方向を変えて第２の励起光とし、前記第２の励起光を前記共振器内に入射させる再入射光学系と、
を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１の励起光は、前記共振器の光軸に対して斜めに前記共振器内に入射することを特徴とする請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
前記再入射光学系が、反射手段と、前記反射手段と前記共振器との間に配置された１／４波長板とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
前記固体レーザ媒質に対する前記再入射光学系からの前記第２の励起光のスポット径が、前記第１の励起光のスポット径と略同一となるように調整するスポット径調整光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザ装置における構成として端面励起型がある。端面励起型の固体レーザ装置では、励起光源から発せられる励起光を固体レーザ媒質の端面より照射し、固体レーザ媒質を励起してレーザ光を発生させ、共振させた後に出射する。端面励起型による固体レーザ装置では、固体レーザ媒質内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので励起効率が良く、また得られるレーザ光の品質も良い（非特許文献１）。
【非特許文献１】小林喬郎編「固体レーザー」日本分光学会  測定法シリーズ、（株）学会出版センター、１９９７年、１２４−１２７ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
固体レーザ装置のレーザ媒質である結晶においては、励起光を入射した場合、結晶の軸方向との関係から光の偏光方向により一般に吸収係数が異なる。したがって、結晶の種類、及び励起光の波長等により、一方の偏光成分の励起光が結晶で吸収されにくく、結晶の励起に対する寄与が小さくなる場合がありうる。一方、例えばファイバカップリングＬＤを励起光源として用いた場合には励起光の偏光方向がランダムとなる。このため、上記のように一方の偏光成分について吸収係数が低い場合には、全体として励起光の吸収率が低くなり、励起効率の低下を招くおそれがある。また、励起光の吸収率が低いと、励起効率の低下を招く。
【０００４】
また、上記したファイバカップリングＬＤのように、偏光方向がランダム光を供給する励起光供給手段を用いた場合には、結晶で吸収されなかった励起光が戻り光となり、ファイバ等を傷つける可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ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】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明による固体レーザ装置は、共振器の第１反射面と第２反射面との間に配置された固体レーザ媒質と、共振器の前記第１反射面から共振器内に第１の励起光を入射する励起光供給手段と、共振器から出射された第１の励起光を、その光軸と垂直な面内で偏光方向を変えて第２の励起光とし、第２の励起光を共振器内に入射させる再入射光学系と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記の固体レーザ装置では、第１の励起光を共振器の第１反射面から固体レーザ媒質に入射させる端面励起の構成としている。このような構成では、固体レーザ媒質内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので、高い励起効率が実現される。また、この固体レーザ装置は、固体レーザ媒質で吸収されずに共振器から出射された第１の励起光を、その偏光方向を変えて第２の励起光とし共振器内に再度入射させる再入射光学系を備える。これにより、吸収係数が低く固体レーザ媒質から出射された励起光について吸収係数の高い方向に偏光させ、再度固体レーザ媒質内に入射させることが可能となる。その結果、この固体レーザ装置では、固体レーザ媒質において高い励起光吸収率が実現される。なお、再入射光学系は、共振器から出射された第１の励起光を、その光軸と垂直な面内で９０°偏光方向を変えて第２の励起光とすることが特に好ましい。偏光方向を９０°回転することにより、結晶の軸方向との関係から、励起光吸収率が効果的に向上される。
【０００８】
また、第１の励起光は、共振器の光軸に対して斜めに共振器内に入射することが好ましい。このように共振器の光軸に対して斜めに第１の励起光を入射させることで、第１の励起光が励起光供給手段に戻って損傷を与えることを防ぐことができる。さらに、このような構成によれば、再入射光学系等の設置が容易になる。
【０００９】
また、再入射光学系が、反射手段と、反射手段と共振器との間に配置された１／４波長板とを有することが好ましい。このような構成では、共振器から出射された第１の励起光について、その偏光方向を９０°回転させて第２の励起光とし、共振器内に入射させることが可能である。
【００１０】
また、固体レーザ媒質に対する再入射光学系からの第２の励起光のスポット径が、第１の励起光のスポット径と略同一となるように調整するスポット径調整光学系をさらに備えることが好ましい。これにより、第１の励起光を供給する際に達成されたモードマッチング効率を第２の励起光入射時にも達成することが可能となる。
【００１１】
また、固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶からなることが好ましい。本発明者による検討結果によると、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は光の偏光方向によって吸収係数が異なる。したがって、このような結晶に対して上記構成を適用することで固体レーザ媒質での励起光吸収率を向上させることが可能となる。さらに、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶を固体レーザ媒質として用いることにより、高出力で安定性があり、かつコスト面でも効率が良い固体レーザ装置が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
図１は本実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成を説明するために模式的に表された斜視図、図２は横断面図である。固体レーザ装置１は、共振器４と固体レーザ媒質２と、励起光供給部８と、再入射光学系１０と、集光光学系１６、１８とを備える。固体レーザ装置１は端面励起型であり、所定波長の励起光を固体レーザ媒質２の端面から照射し、励起する。励起された固体レーザ媒質２によって励起光とは異なる波長のレーザ光が発生し、共振器４によって共振された後出射する。
【００１５】
固体レーザ装置１が備える固体レーザ媒質２は、Ｎｄイオン（Ｎｄ３＋）が添加されたバナデート系材料であるＧｄＶＯ４（Ｎｄ：ＧｄＶＯ４）から構成される。固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、波長８０８ｎｍ及び８８０ｎｍの光を吸収し、波長１０６３ｎｍの光を発生する。本実施形態における固体レーザ装置１では、波長８８０ｎｍの光を励起光ｌ１、ｌ２として固体レーザ媒質２を励起し、波長１０６３ｎｍのレーザ光ｌ３を出力させる。図３にＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の性質を詳細に示す。
【００１６】
Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、互いに直交する３つの結晶軸ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸を有する異方性結晶であり、軸方向によって光の吸収係数が異なる。図４は、ａ軸及びｃ軸のそれぞれの方向に偏光した光、すなわち電場方向がａ軸及びｃ軸方向の光について、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の吸収係数を表したグラフである。グラフＡはａ軸方向に偏光した光のＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の吸収係数を表しており、グラフＢはｃ軸方向に偏光した光のＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の吸収係数を表している。また、これらのグラフは、Ｎｄイオン（Ｎｄ３＋）の濃度が０．５ａｔ％で、一辺の長さが３ｍｍの立方体形状のＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いて測定した結果である。これらのグラフからわかるように、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は８０８ｎｍ及び８７８．８ｎｍ（以下、８８０ｎｍとして論じる）を中心波長とする吸収波長帯域を有している。いずれの吸収波長帯域においても、ｃ軸方向に偏光している光の吸収係数に比べ、ａ軸方向に偏光している光の吸収係数は小さい。しかし、８０８ｎｍを中心波長とする吸収波長帯域では、ａ軸方向に偏光している光についても吸収係数はある程度の大きさを有するため、結晶で吸収されなかった光について問題となることは少ない。一方、８８０ｎｍを中心波長とする吸収波長帯域では、ａ軸方向に偏光している光の吸収係数は非常に小さく、その上スペクトル幅も狭い。そのため、ランダムな方向に偏光している波長８８０ｎｍの光を励起光として用いると、ａ軸方向に偏光している成分が吸収されず、波長８０８ｎｍの光では起こらなかった問題も生じてくる。なお、ａ軸方向に偏光している光のみでなく、ｃ軸に垂直な方向であればいずれの方向に偏光している光であってもグラフＡに表した吸収係数と同じ吸収係数を示す。
【００１７】
固体レーザ媒質２は、図１に示すように直方体形状に形成される。また、図１及び図２に示されるように、固体レーザ媒質２は互いに対向する第１面２ａ及び第２面２ｂを有している。固体レーザ装置１では、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶のｃ軸が、励起光ｌ１、ｌ２の光軸を含む平面に垂直となるように固体レーザ媒質２を配置する。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶のａ軸は、ｃ軸に垂直な平面と平行であればよく、例えば図２に示されるａ１〜ａ３軸のいずれの軸と平行となるように固体レーザ媒質２を配置してもよい。なお、固体レーザ媒質２の具体例としては、例えば１辺の長さが３ｍｍの立方体形状をした結晶を用いる構成が挙げられる。
【００１８】
固体レーザ媒質２の第１面２ａ上には、励起光ｌ１、ｌ２をより多く透過するため、励起波長（例えば８８０ｎｍ）を含む所定波長帯域（例えば８００ｎｍ〜９００ｎｍ）の光の反射を防止する反射防止コート（ＡＲコート）２２Ａが施されている。それに加え、第１面２ａ上には、レーザ光ｌ３をより多く反射するため、発振波長（例えば１０６３ｎｍ）を含む所定波長帯域の光に対して高反射率である高反射コート（ＨＲコート）２２Ｈが施されている。
【００１９】
また、固体レーザ媒質２の第２面２ｂ上には、固体レーザ媒質２において吸収されなかった第１の励起光ｌ１をより多く反射するため、励起波長（例えば８８０ｎｍ）を含む所定波長帯域（例えば８００ｎｍ〜９００ｎｍ）の光に対して高反射率である高反射コート（ＨＲコート）２４Ｈが施されている。それに加え、第２面２ｂ上には、レーザ光ｌ３を透過するため、発振波長（例えば１０６３ｎｍ）を含む所定波長帯域の光の反射を防止する反射防止コート（ＡＲコート）２４Ａが施されている。
【００２０】
さらに、固体レーザ装置１は、固体レーザ媒質２の第１面２ａ及び第２面２ｂの法線方向に沿って第２面２ｂから離れた位置に、第１面２ａ上の高反射コート（ＨＲコート）２２Ｈと共に共振器４を構成するように配置された出力ミラー６を備える。すなわち、固体レーザ媒質２の第１面２ａが共振器４の第１反射面として、出力ミラー６が共振器４の第２反射面としてそれぞれ機能する。したがって、図１及び図２から理解されるように、固体レーザ媒質２は共振器４の第１反射面と第２反射面との間に配置される。また、出力ミラー６は固体レーザ媒質２の第１面２ａ及び第２面２ｂと平行に配置される。そのため、共振器４の光軸Ａｘは、固体レーザ媒質２の第１面２ａ及び第２面２ｂと直交する。また、共振器４の光軸ＡｘとＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶のｃ軸とは直交する関係にある。出力ミラー６は、発生するレーザ光ｌ３の一部を透過し、残りを反射する一部透過ミラーである。
【００２１】
また、固体レーザ装置１は、第１の励起光ｌ１を出力する励起光供給部８及び固体レーザ媒質２に対する第１の励起光ｌ１のスポット径を調整する第１集光光学系１６を備える。励起光供給部８は、第１の励起光ｌ１を、共振器４の第１反射面から共振器４内に入射する。このとき、第１の励起光ｌ１は、共振器４の光軸Ａｘに対して斜めに共振器４内に入射する。これにより、第１の励起光ｌ１の入射方向は共振器４の光軸Ａｘと角度θをなす。例えば一辺の長さが３ｍｍの固体レーザ媒質２を用いた場合には、角度θ＝２．７７°とすることができる。励起光供給部８は、励起光源である半導体レーザ素子８ａと光ファイバ８ｂとを有する。半導体レーザ素子８ａから出力された第１の励起光ｌ１は、光ファイバ８ｂを経て固体レーザ媒質２に入射する。
【００２２】
さらに、固体レーザ装置１は、固体レーザ媒質２で吸収されず第２面２ｂで反射され共振器４から出射された第１の励起光ｌ１に対し、偏光方向を変えて第２の励起光ｌ２とし共振器４内に入射させる再入射光学系１０を備える。再入射光学系１０は、第１の励起光ｌ１の偏光方向をその光軸と垂直な面内で変えさせるため、反射手段であるミラー１４と１／４波長板１２とを有する。ミラー１４には、励起波長（例えば８８０ｎｍ）を含む所定波長帯域（例えば８００ｎｍ〜９００ｎｍ）の光に対して高反射率である高反射コート（ＨＲコート）が施されている。
【００２３】
加えて、固体レーザ装置１は、再入射光学系１０から出射された第２の励起光ｌ２を共振器４内に入射させる像転送用レンズである第２集光光学系１８を備える。第２集光光学系１８は、固体レーザ媒質２に対する再入射光学系１０からの第２の励起光ｌ２のスポット径が第１の励起光ｌ１のスポット径と略同一となるように調整するスポット径調整光学系として機能し、例えば１枚又は複数枚のレンズによって構成される。また、第２集光光学系１８は、その光軸と再入射光学系１０の光軸とが一致するようにして、再入射光学系１０と共振器４との間に配置される。ここで、本明細書では以下、スポット径とは固体レーザ媒質２の第２面２ｂ入射時における励起光のスポット直径をいう。
【００２４】
次に、固体レーザ装置１のレーザ発振動作について説明する。
【００２５】
まず、半導体レーザ素子８ａから波長８８０ｎｍの第１の励起光ｌ１を出力し、これを光ファイバ８ｂに入射する。そして、光ファイバ８ｂから第１集光光学系１６を介して、第１の励起光ｌ１を固体レーザ媒質２に入射し、固体レーザ媒質２を励起する。このとき、モードマッチング効率を考慮し、第１集光光学系１６によって第１の励起光ｌ１は、所定のスポット径となるように集光される。例えば、１５℃（ただし、１２℃〜２０℃までであれば可変）の冷却温度の下、Ｎｄイオン（Ｎｄ３＋）の添加量が０．５ａｔ％で、１辺の長さが３ｍｍの立方体形状をしたＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を固体レーザ媒質２として用い、共振器長を１２０ｍｍとした場合には、第１の励起光ｌ１のスポット径は４００μｍとするのが好適であり、共振器長によっては８００μｍまで大きくすることが可能である。また、共振器４内に入射する際、第１の励起光ｌ１は共振器４の光軸Ａｘに対して角度θだけ斜めに入射する。
【００２６】
第１の励起光ｌ１は、光ファイバ８ｂを経由して供給されるため、ランダムな方向に偏光している。また、固体レーザ媒質２であるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶では、図４に示すように、偏光方向によって光の吸収係数が大きく異なる。すなわち、ｃ軸方向に偏光した光の吸収係数は大きいのに対し、ａ軸方向などｃ軸方向と垂直な方向に偏光した光の吸収係数は非常に小さい。そのため、第１の励起光ｌ１のうち、結晶のｃ軸方向に偏光した成分は結晶において吸収されるが、ｃ軸方向と垂直な方向（例えばａ軸方向）に偏光した成分は吸収されにくい。
【００２７】
また、第１の励起光ｌ１は、図５に示すように、共振器４の光軸Ａｘに対して角度θをなして共振器４内に入射する。そのため、固体レーザ媒質２で吸収されなかった第１の励起光ｌ１は、高反射コート（ＨＲコート）２４Ｈを施した固体レーザ媒質２の第２面２ｂにおいて、共振器４の光軸Ａｘと入射時とは反対の方向に角度θをなして反射され、共振器４から出射する。
【００２８】
共振器４から出射された第１の励起光ｌ１は、図１及び図２に示すように、再入射光学系１０に入射する。再入射光学系１０に入射した第１の励起光ｌ１は、ミラー１４で反射され１／４波長板１２を２回通過する。これにより、第１の励起光ｌ１はその光軸と垂直な面内でその偏光方向を９０°回転させた第２の励起光ｌ２となる。固体レーザ媒質２で吸収されなかった第１の励起光ｌ１は主にｃ軸と垂直な方向（例えばａ軸方向）に偏光しているため、第２の励起光ｌ２は主にｃ軸方向に偏光する。
【００２９】
再入射光学系１０から出射された第２の励起光ｌ２は、第２集光光学系１８によって、共振器４の第１反射面（固体レーザ媒質２の第１面２ａ）に集光され、共振器４内に入射する。こうして入射した第１及び第２の励起光ｌ１、ｌ２により、固体レーザ媒質２はレーザ発振可能な状態に励起され、レーザ光ｌ３を発生する。発生したレーザ光ｌ３は、共振器４の第１反射面２ａ及び第２反射面６の間でレーザ共振された後、出力ミラー６から出力される。
【００３０】
次に本実施形態による固体レーザ装置１の効果について説明する。
【００３１】
固体レーザ装置１は、共振器４の第１反射面（固体レーザ媒質２の第１面２ａ）から固体レーザ媒質２に励起光ｌ１、ｌ２を供給する端面励起の構成である。このような構成では、固体レーザ媒質２内でのレーザ光ｌ３と励起光ｌ１、ｌ２との光路が略同一方向となるので、高い励起効率が実現される。また、固体レーザ媒質２内での発振領域と励起領域とが容易に一致することにより、高いモードマッチング効率が得られる。
【００３２】
また、固体レーザ装置１は、共振器４に出射される第１の励起光ｌ１を、その偏光方向を変えて第２の励起光ｌ２とし共振器４内に入射させる再入射光学系１０を備える。これにより、第１の励起光ｌ１のうち吸収係数が低く共振器４から出射された励起光成分についても、吸収係数の高い方向に偏光方向を回転させて、再度固体レーザ媒質２内に入射させることができる。その結果、固体レーザ媒質２において、高い励起光吸収率が実現される。
【００３３】
また、再入射光学系１０によって励起光の偏光方向を９０°回転させることが好ましい。偏光方向による吸収係数の違いは結晶の軸方向との関係によるものであり、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の結晶軸は互いに直交しているため、９０°回転させることで効率的に吸収率の向上を図ることができるからである。
【００３４】
上記の励起光吸収率向上の効果をＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶で具体的に説明する。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、図４に示すように、励起光の偏光方向によって吸収係数が大きく異なる。すなわち、ｃ軸方向偏光成分の吸収係数は大きいのに対し、ａ軸方向などｃ軸と垂直な方向に偏光する成分の吸収係数は非常に小さい。したがって、第１の励起光ｌ１のうちｃ軸方向偏光成分は吸収されるが、ｃ軸と垂直な方向（例えばａ軸方向）に偏光する成分はほとんど吸収されずに、共振器４から出射される。こうして出射された第１の励起光ｌ１は、再入射光学系１０によって９０°偏光方向を回転され、ｃ軸方向に偏光した第２の励起光ｌ２となる。また、このようにして得られた第２の励起光ｌ２は、吸収係数の大きいｃ軸方向に主に偏光するため、これを共振器４内に再入射させることで、励起光の吸収率向上が図られる。このように、固体レーザ装置１は、単一偏光ダブルパス励起光学機構として機能することができる。
【００３５】
また、本実施形態のように光ファイバによって励起光を供給した場合、特に吸収率の向上度は大きくなる。光ファイバを介して供給される励起光はランダムに偏光するため、吸収係数の低い偏光成分を含有するからである。
【００３６】
上述の効果が得られることを計算によって示す。励起光源である半導体レーザのスペクトル分布をガウシアン分布とすると、その分布は以下の（１）式で表すことができる。
【００３７】
【数１】
2006135262.tif 000003
【００３８】
ここで、λは励起光の波長（ｎｍ）を、λ０は半導体レーザスペクトルの中心波長（８７８．８ｎｍ）を、λｘは中心波長λ０（８７８．８ｎｍ）からずれたときの変位量（ｎｍ）を、Δλは半値全幅のスペクトル幅（ｎｍ）をそれぞれ表す。（１）式で得られたスペクトル分布Ｉ（λｘ、λ）を用いてＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の励起光吸収率Ａ（λｘ、λ）を以下の（２）式で表すことができる。
【００３９】
【数２】
2006135262.tif 000004
【００４０】
ここで、α（λ）はＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の吸収係数スペクトルを数値化したものを、ｔはＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の厚さ（ｍｍ）をそれぞれ表す。したがって、２ｔは、励起光が結晶内を往復した際の光路の長さを表す。こうして計算されたＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の励起光吸収率Ａ（λｘ、λ）を、ｃ軸成分及びｃ軸に垂直であるａ軸成分それぞれについて、図６及び図７でグラフに表す。図６が励起光のｃ軸成分の吸収率Ａ（λｘ、λ）を表し、図７がａ軸成分の吸収率Ａ（λｘ、λ）を表す。また、図６及び図７では、スペクトル幅の異なる半導体レーザを励起光源とした場合ごとにグラフに表し、グラフＣａ及びＣｃがスペクトル幅Δλ＝１ｎｍの励起光源による場合を、グラフＤａ及びＤｃがスペクトル幅Δλ＝１．５ｎｍの励起光源による場合を、グラフＥａ及びＥｃがスペクトル幅Δλ＝２．０ｎｍの励起光源による場合を、グラフＦａ及びＦｃがスペクトル幅Δλ＝２．５ｎｍの励起光源による場合を表している。図６及び図７から、ａ軸方向に偏光している成分はｃ軸方向に偏光している成分に比べて吸収率が１／２近く小さくなることがわかる。
【００４１】
さらに、すべての偏光成分を含む励起光全体での吸収率Ａ（λｘ、λ）を計算した結果を図８及び図９に示す。図８はランダムに偏光している励起光を再入射光学系のない固体レーザ装置に供給した場合を、図９は図１に示した構成を有する固体レーザ装置１にランダムに偏光した励起光を供給した場合をそれぞれ示す。また、図８及び図９では、グラフＣ１及びＣ２がスペクトル幅Δλ＝１ｎｍの励起光源による場合を、グラフＤ１及びＤ２がスペクトル幅Δλ＝１．５ｎｍの励起光源による場合を、グラフＥ１及びＥ２がスペクトル幅Δλ＝２．０ｎｍの励起光源による場合を、グラフＦ１及びＦ２がスペクトル幅Δλ＝２．５ｎｍの励起光源による場合を表している。本実施形態による固体レーザ装置１と対応させると、図８は第１の励起光ｌ１のみを供給したときの固体レーザ媒質２の励起光吸収率Ａ（λｘ、λ）に、図９は第１の励起光ｌ１及び第２の励起光ｌ２を供給したときの固体レーザ媒質２の励起光吸収率Ａ（λｘ、λ）に相当する。スペクトル幅Δλ＝２．０ｎｍの場合で、図８と図９とを中心波長合致（λｘ＝０．０ｎｍ）箇所において比較すると、ランダム偏光による場合（図８）の吸収率は６７．８％であるのに対し、図１に示した構成を有する場合（図９）では９７％と、吸収率は３０％近く向上することがわかる。また、こうした吸収率の向上に伴い、励起波長スペクトル幅が広帯域化する。具体的には、図９から、±１ｎｍの波長シフトが発生しても９０％以上の吸収率を維持できることがわかる。このため、多少の励起波長変化が発生しても、図１に示した構成を有する固体レーザ装置であれば、９０％以上の吸収率を有することが推測される。以上述べたように、吸収されなかった励起光を偏光方向を変えて再入射させることによって励起光吸収率が大幅に向上することが図８及び図９により示される。
【００４２】
さらに、固体レーザ媒質２における励起光の吸収率の向上に伴い、励起可能な波長帯域が広帯域化される。即ち、広い波長範囲で高い吸収率を維持するため、図９に示すように中心波長からの波長シフトが発生しても高い吸収率を実現することが可能となる。そのため、スペクトル幅に広がりのある光源を用いることもできるようになり、励起光源にかけるコストを抑えることが可能となる。
【００４３】
また、こうして固体レーザ媒質での励起光吸収率が向上することによって、固体レーザ装置の励起効率も向上する。
【００４４】
また、励起光供給部８は、共振器４の光軸Ａｘに対して斜めに第１の励起光ｌ１を入射するように配置されている。そのため、固体レーザ媒質２で吸収されなかった第１の励起光ｌ１が励起光供給部８に戻り、励起光源８ａ及び光ファイバ８ｂを傷つけることがない。特に、励起光として波長８８０ｎｍの光を入射した場合、図４に示すようにａ軸方向などｃ軸に垂直な方向に偏光した成分の吸収係数は極端に小さいので、ｃ軸に垂直な方向（例えばａ軸方向）に偏光した成分のほとんどが共振器４から出射される。そのため、光ファイバ８ｂ等が戻り光によって損傷を受けるおそれがある。しかし、固体レーザ装置１のように第１の励起光ｌ１を共振器４の光軸Ａｘに対して斜めに入射した場合には、吸収されなかった励起光が励起光供給部とは異なる方向に出射されるので、励起光供給部が損傷を受けることはない。
【００４５】
さらに、第１の励起光ｌ１は共振器４の光軸Ａｘに対して斜めに入射するため、共振器４に入射する第１の励起光ｌ１と、吸収されず共振器から出射する第１の励起光とでは、その光路が異なる。したがって、この配置により、再入射光学系１０を容易に設置することができる。
【００４６】
また、再入射光学系１０は、１／４波長板１２とミラー１４とを有し、１／４波長板１２は共振器４の第１反射面（固体レーザ媒質２の第１面２ａ）とミラー１４との間に配置される。したがって、共振器４から出射された第１の励起光ｌ１は、ミラー１４で反射され、１／４波長板１２を２回通過する。その結果、第１の励起光ｌ１の偏光方向を、９０°回転させることができる。これにより、上述したように、効率的に固体レーザ媒質での励起光吸収率の向上が図られる。
【００４７】
また、固体レーザ装置１では第２集光光学系１８によって、第２の励起光ｌ２のスポット径を、第１の励起光ｌ１のスポット径と略同一にする。そのため、第１の励起光ｌ１を供給する際に達成されたモードマッチング効率を、第２の励起光ｌ２入射時にも達成することが可能となる。
【００４８】
また、固体レーザ媒質２は、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶からなる。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、光の偏光方向によって吸収係数が異なるため、固体レーザ装置１に用いることで、吸収係数の低い方向に偏光している励起光成分も利用でき、励起効率の向上を図ることが可能となる。
【００４９】
さらに、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、レーザ発振波長における広い誘導放出断面積、広い励起波長帯域における高い吸収係数、励起波長における広い吸収帯域、高い熱伝導率、高いスロープ効率、及び高いレーザ誘導ダメージ閾値を持つといった特性を有する。そのため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いることにより、高出力で安定性があり、さらにはコストを抑えた固体レーザ装置の実現が可能となる。また、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は光学的に一軸で大きい複屈折を示し、強力な偏光レーザ発振を可能とする。さらには、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、励起波長に対する依存性が低く、シングルモード出力に最適である。加えて、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、高い熱伝導率を持ち、かつ高出力を得ることができるため、熱レンズ特性に優れている。また、高いスロープ効率により、装置の小型化が可能である。このように、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、高出力ＤＰＳＳ（Ｄｉｏｄｅ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ）レーザ用媒質として優れた特性を持つ。また、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶に対して、波長８８０ｎｍの光を励起光として用いた場合、熱複屈折や熱レンズ効果などの熱的問題が少ないレーザ上準位への直接励起が可能となる。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、固体レーザ媒質はＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶に限られず、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶、あるいはＮｄ：ＹＬＦ結晶などであってもよい。例えばＮｄ：ＹＶＯ４結晶はＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶同様、結晶の軸方向によって光の偏光成分の吸収係数が異なる。そのため、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に対して本発明による固体レーザ装置を適用し、吸収率を向上させることが可能となる。さらに、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶においても、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶同様、波長８８０ｎｍの光を励起光として用いた場合、熱複屈折や熱レンズ効果などの熱的問題が少ないレーザ上準位への直接励起が可能となる。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を用いた場合、固体レーザ装置の励起光学系の寸法や励起方法などは、同じバナデート系媒質であるため、結晶の大きさ等も含め、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶を固体レーザ媒質として用いた場合と同様である。なお、固体レーザ媒質として異なる結晶を用いる場合には、その結晶の吸収波長帯域の中心波長を用いることが好ましい。
【００５１】
また、結晶の大きさ、形状は、本実施形態でのＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶のように一辺が３ｍｍの立方体でなくてもよい。例えば、Ｎｄイオン（Ｎｄ３＋）の添加量が１．０ａｔ％で、大きさが３×３×１（ｍｍ）の直方体である固体レーザ媒質２Ａを用い、第１の励起光ｌ１が供給した状態を図１０に示す。この場合、例えば角度θを２６°とすることができる。なお、励起光とレーザ光ｌ３とのモードマッチング効率のため、励起光の光軸と結晶内のレーザ光の光軸とが隙間なく合致する方がよいので、角度θは小さい方が好ましい。また、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、発振効率の観点から、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶のｃ軸と励起光の光軸を含む平面とが直交するように配置することが好ましいが、この配置に限られない。
【００５２】
なお、共振器の光軸方向での固体レーザ媒質の長さが変化した場合における励起光のスポット径ωは、以下の（３）式によって算出される。
【００５３】
【数３】
2006135262.tif 000005
【００５４】
ここで、Ｍ２はビーム品質、λｐは励起光中心波長、Ｌは固体レーザ媒質長、ｎは固体レーザ媒質の屈折率を表す。
【００５５】
また、固体レーザ装置１では、再入射光学系１０によって励起光の偏光方向を９０°回転させているが、回転させる角度は９０°に限定されない。ただし、７２°〜１０８°の間が好ましい。
【００５６】
また、励起光供給部において光ファイバを用いた場合、固体レーザ装置内における励起光源の位置の自由度が大きくなり、固体レーザ装置１内におけるスペースの有効利用が可能となる。そのため、固体レーザ装置の小型化が可能となる。ただし、光ファイバを用いずに励起光を励起光源から固体レーザ媒質に直接供給してもよい。また、励起光の波長は８８０ｎｍに限られず、例えば８０８ｎｍであってもよい。また、本発明による固体レーザ装置は、ＣＷグリーンレーザ、遠赤外ＣＷレーザ、及びブルーＣＷレーザなどのＣＷ発振器、近赤外及びグリーンなどのパルス発振器のほか、例えばモードロック発振器などにも応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、固体レーザ媒質における励起光吸収率の高い固体レーザ装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施形態に係る固体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】実施形態に係る固体レーザ装置の構成を模式的に示す横断面図である。
【図３】Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の特性を示す表である。
【図４】Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の波長に対する吸収係数を表したグラフである。
【図５】第１の励起光が結晶に供給される様子を表す図である。
【図６】励起光のｃ軸方向偏光成分の吸収率特性を表したグラフである。
【図７】励起光のａ軸方向偏光成分の吸収率特性を表したグラフである。
【図８】ランダムな方向に偏光している励起光全体での吸収率特性を計算した結果を表す。
【図９】吸収されなかった励起光を再入射させた場合における励起光全体での吸収率特性を計算した結果を表す。
【図１０】第１の励起光が結晶に供給される様子を表す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…固体レーザ装置、２、２Ａ…固体レーザ媒質、２ａ…第１面、２ｂ…第２面、４…共振器、６…出力ミラー、８…励起光供給部、８ａ…半導体レーザ素子、８ｂ…光ファイバ、１０…再入射光学系、１２…１／４波長板、１４…ミラー、１６…第１集光光学系、１８…第２集光光学系、２２Ａ、２４Ａ…反射防止コート、２２Ｈ、２４Ｈ…高反射コート、Ａｘ…共振器の光軸、ｌ１…第１の励起光、ｌ２…第１の励起光、ｌ３…レーザ光
【図１】
2006135262.tif 000006
【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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