(57)【要約】【課題】高出力ＬＤによる端面励起によってレーザ結晶を破壊することなく高出力が得られる端面励起型固体レーザ装置を提供すること。【解決手段】出力鏡と全反射鏡で構成される共振器内にＮｄイオンがドープされたレーザ結晶が配置され出力鏡側を通してレーザ結晶の端面からレーザダイオードの発する励起光を照射して励起する端面励起型固体レーザ装置において、レーザ結晶のＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることを特徴とする端面励起型固体レーザ装置。【選択図】図２
2008227132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射鏡と第2の反射鏡で構成される共振器内にＮｄイオンがドープされたレーザ結晶が配置され前記第2の反射鏡側を通してレーザ結晶の端面にレーザダイオードの発する励起光を照射して励起する端面励起型固体レーザ装置において、前記レーザ結晶のＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることを特徴とする端面励起型固体レーザ装置。
【請求項２】
前記レーザ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄイオン濃度が0.1〜0．5％であることを特徴とする請求項1記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項３】
前記レーザ結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶であり、Ｎｄイオン濃度が0.05〜0．2％であることを特徴とする請求項1記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ結晶の長さが10〜50ｍｍであることを特徴とする請求項1、2又は３記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ装置の光軸に沿ってＱ−スイッチ素子が配置されＱ−スイッチパルスを発生することを特徴とする請求項1記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項６】
第2のレーザ結晶と前記第2のレーザ結晶を励起する励起光を発生する第2のレーザダイオードと前記第2のレーザ結晶の一方の端面に励起光を反射して導入するとともに固体レーザの発するレーザ光に実質的に損失を与えることなく透過する光学素子とからなる光増幅ユニットを、前記第2のレーザ結晶が固体レーザの光軸に位置するように前記レーザ結晶の前記第2の反射鏡の位置と反対側に配置されていることを特徴とする請求項1記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項７】
前記光増幅ユニットがカスケード状に複数配置されていることを特徴とする請求項6記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項８】
前記光増幅ユニットの第２のレーザ結晶は、そのＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることを特徴とする請求項6記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項９】
第１の反射鏡と第2の反射鏡で構成される共振器内にＮｄイオンがドープされたレーザ結晶が配置され前記第2の反射鏡を通してレーザ結晶の端面からレーザダイオードの発する励起光を照射して励起する端面励起型固体レーザ装置において、Ｎｄイオンがドープされた前記レーザ結晶と同種の第2のレーザ結晶と前記第2のレーザ結晶を励起する励起光を発生する第2のレーザダイオードと前記第2のレーザ結晶の一方の端面に励起光を反射して導入するとともに固体レーザの発するレーザ光に実質的な損失を与えることなく透過する光学素子とからなる光増幅ユニットが、前記第2のレーザ結晶が固体レーザの光軸に位置するように前記レーザ結晶の前記第２の反射鏡の位置と反対側に配置されていることを特徴とする端面励起型固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記光増幅ユニットがカスケード状に複数配置されていることを特徴とする請求項９記載の端面励起型固体レーザ装置。
【請求項１１】
前記レーザ結晶及び前記第2のレーザ結晶におけるＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることを特徴とする請求項9記載の端面励起型固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザに関し、特に、ＬＤ（レーザダイオード）によりレーザ結晶の端面より励起する端面励起固体レーザの高出力化に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランプ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザは、その発明以来広く利用さている。一方、レーザダイオード（ＬＤ）の改善、高出力化に伴って、これらのＬＤを励起に利用した固体レーザが用いられるようになった。ＬＤ励起固体レーザには大きく分けて２種類ある。その一つは、ＬＤを縦、横に多数配置したスタック型のＬＤをレーザ結晶の側面に多数配置して励起を行う高出力のサイド励起型固体レーザである。その他方は、ＬＤを直線状に配置した一つのバー状のＬＤアレイをレーザ結晶の端面より励起する端面励起固体レーザである。この端面励起固体レーザは、一般的には、高効率であるが、出力はサイド励起型固体レーザに比べて小さい。
【０００３】
通常、端面励起固体レーザの出力は１０Ｗ前後であり、レーザマーカー用およびレーザトリマー用などの光源として広く利用されている。しかし、セラミック基板およびシリコン基板をスクライビングまたは切断するためには、５０〜１００Ｗの出力が必要で、高効率が実現できる端面励起型で高出力の端面励起固体レーザが期待されている。
【０００４】
Ｎｄ：ＹＡＧのエネルギー準位図は典型的な４準位で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは代表的な４準位レーザである。特に８０８ｎｍで発振するＬＤを励起源とする端面励起Ｎｄ：ＹＡＧの場合には、光共振器に置かれたＮｄ：ＹＡＧ結晶の片端面にＬＤの８０８ｎｍ光が集光され、Ｎｄの基底準位４Ｉ9/2から吸収帯4Ｆ5/2へ励起され、この吸収帯から無輻射遷移によりレーザ遷移の上位準位4Ｆ3/2遷移し、下位準位4Ｉ11/2に向けて波長１０６４ｎｍのレーザ発振が生じる。
【０００５】
このように、レーザ遷移の上位準位に占有数の多くを分布させる際には、熱緩和による無輻射遷移を経るため、無輻射遷移に相当するエネルギーが熱となって発生し、この熱のためにＮｄ：ＹＡＧ結晶はレンズ作用を生ずるようになる。結晶の熱レンズ作用が強くなるとレーザ共振器の不安定化、レーザビームの品質の劣化を招く。これらの様子はＮｄ：ＹＡＧ結晶の代わりにＮｄ：ＹＶＯ結晶を用いた場合もほぼ同様である。
【０００６】
通常のＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＶＯ結晶をファイバー端で３０Ｗ程度の出力を示すファイバー結合型のＬＤを用いて端面から励起すると１０Ｗ強のレーザ出力が得られる。この場合、Ｎｄ：ＹＡＧ内のＮｄイオン濃度は０．９〜１．１％のものが使用され、Ｎｄ：ＹＶＯの場合にはＮｄイオン濃度が０．３〜０．５％のものが使用されている。しかしながら、高出力を得るため、ファイバー端で７５Ｗ程度の出力を示すＬＤを用いてこの種Ｎｄイオン濃度のレーザ結晶を励起すると、両種結晶ともレーザ出力３０Ｗ前後で結晶内に発生する局部的な熱発生により、結晶内にクラックが発生し、レーザ発振は極度に低下または停止する。
【０００７】
一方、高出力を達成するため、複数のレーザ結晶を用い、しかも各々の結晶のそれぞれ両端面からＬＤ光を照射できるように工夫したＺ型と呼ばれる固体レーザが開発されている（非特許文献１）。しかし、両端面からの励起により現れる強度の熱レンズにより、多くの高出力、良好なビーム品質は望めない。また、ＬＤから強い励起を行えば局所的な発熱が発生し、結晶の熱破損を生ずる。
【０００８】
【非特許文献１】Walter Koechner著、 「Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition」, Springer-Verlag, 2005, page 56, 221-222, 477-479
【特許文献１】特表平１０−５０２４９６号公報（Ｆｉｇ．９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、高出力ＬＤの端面励起によって高出力が得られる端面励起型固体レーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、第１の反射鏡と第2の反射鏡で構成される共振器内にＮｄイオンがドープされたレーザ結晶が配置され前記第2の反射鏡側を通してレーザ結晶の端面からレーザダイオードの発する励起光を照射して励起する端面励起型固体レーザ装置において、前記レーザ結晶のＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることを特徴とする端面励起型固体レーザ装置が得られる。
【００１１】
レーザ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を使用すると、Ｎｄイオン濃度が0.1〜0．5％であることが望ましい。
【００１２】
レーザ結晶が、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶の場合、Ｎｄイオン濃度が0.05〜0．2％であることが望ましい。
【００１３】
望ましくは、レーザ結晶の長さが10〜50ｍｍである。
【００１４】
さらに出力を高めるために、端面励起型固体レーザ装置は、第2のレーザ結晶と前記第2のレーザ結晶を励起する励起光を発生する第2のレーザダイオードと前記第2のレーザ結晶の一方の端面に励起光を反射して導入するとともに固体レーザの発するレーザ光に実質的に損失を与えることなく透過する光学素子とからなる光増幅ユニットを、前記第2のレーザ結晶が固体レーザの光軸に位置するように前記レーザ結晶の前記第2の反射鏡の位置と反対側に配置してもよい。
【００１５】
光増幅ユニットは、カスケード状に複数配置してもよい。
【００１６】
光増幅ユニットの第２のレーザ結晶は、そのＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％であることが望ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、第１の反射鏡と第2の反射鏡で構成される共振器内にＮｄイオンがドープされたレーザ結晶が配置され前記第2の反射鏡を通してレーザ結晶の端面からレーザダイオードの発する励起光を照射して励起する端面励起型固体レーザ装置において、Ｎｄイオンがドープされた前記レーザ結晶と同種の第2のレーザ結晶と前記第2のレーザ結晶を励起する励起光を発生する第2のレーザダイオードと前記第2のレーザ結晶の一方の端面に励起光を反射して導入するとともに固体レーザの発するレーザ光に実質的な損失を与えることなく透過する光学素子とからなる光増幅ユニットが、前記第2のレーザ結晶が固体レーザの光軸に位置するように前記レーザ結晶の前記第２の反射鏡の位置と反対側に配置されていることを特徴とする端面励起型固体レーザ装置が得られる。
【００１８】
光増幅ユニットをカスケード状に複数配置してもよい。
【００１９】
望ましくは、レーザ結晶及び前記第2のレーザ結晶におけるＮｄイオン濃度が0.05〜0.5％である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、Ｎｄイオンの低濃度化とそれに見合ったレーザ結晶の長尺化を計り、高出力ＬＤからの励起光をレーザ結晶端面から受け入れ、結晶の長さを用いて励起光を長い長さで吸収し、結晶の熱破壊を避け、同時に熱レンズ化を軽減するので、1064ｎｍのレーザ発振の高出力化を容易にし、レーザビーム品質の改善に寄与する。
【００２１】
また、本発明の実施形態によれば、複数の高出力ＬＤと同じ複数のレーサ結晶を用い、レーザ結晶とレーザ結晶の間に置かれたダイクロイック・ビームスプリッタを介して各レーザ結晶に結晶端面から波長808ｎｍのＬＤ光を照射して波長1064ｎｍの固体レーザを発振でき、多くの高出力ＬＤおよびレーザ結晶を容易に用いることができ、レーザ結晶は一直線上にカスケード状に配置できるので、大出力発生を容易にし、レーザビーム品質も改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。発明の理解を容易にするために、結晶中のＮｄイオンのエネルギー準位に関して本発明に関係した個所の模式図である図１を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明と関係のある結晶中のＮｄイオンエネルギー準位を模式的に示したもので、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、冒頭述べたように典型的な４準位レーザである。Ｎｄイオンは、波長808ｎｍのＬＤ励起光を吸収して基底準位4Ｉ9/2から吸収帯4Ｆ5/2へ遷移し、この吸収帯4Ｆ5/2からレーザ発振の上位準位4Ｆ3/2へ無輻射遷移により遷移し、レーザ発振を経て下位準位4Ｉ11/2に遷移する。この過程でレーザ遷移と無輻射遷移は1対1に対応しており、無輻射遷移に伴う発熱は必要悪である。したがって、この熱を如何に処理するかが、エンジニアリングである。この発熱は、レーザ遷移と無輻射遷移が1対1に対応していることからレーザ出力の大きさとともに大きくなる。
【００２４】
本発明では、レーザ出力の増大に伴って結晶内で局部的に発生する発熱による結晶破壊を避けるために、従来の結晶に含まれるＮｄイオンの濃度を下げ、結晶の長さを大きくし、熱発生を分散化して、結晶破壊を回避すると伴に、熱レンズ作用をも小さくすることで、発生するレーザビーム品質を向上させる。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施例を模式的に表現した図である。
【００２６】
図２において、１０はＮｄ：ＹＡＧ結晶、２０は波長1064ｎｍの光を90％反射する出力鏡、３０は波長1064ｎｍの光を100％反射する全反射鏡である。全反射鏡30は、波長1064ｎｍの光は100％反射するが、波長808ｎｍ領域の光はほぼ100％透過するようにその凸曲面がコーテイングされている。レーザ結晶を媒質として全反射鏡と出力鏡はレーザ共振器を構成されている。４０は集光レンズ系、５０は光ファイバー結合高出力ＬＤである。光ファイバー付高出力ＬＤは、レーザダイオードの１次元アレイ５２（単にレーザダイオード又はＬＤとも称することにする）と光ファイバー５１を含む。光ファイバー結合高出力ＬＤと集光レンズ系４０は、端面励起用光学系付ＬＤ光源６０を構成している。ＬＤ５２の発光により波長808ｎｍの半導体レーザ光はファイバー５１（コワー径600μｍ）を介して集光レンズ系４０、全反射鏡３０を通りレーザ結晶１０の端面から結晶内に集光される。
【００２７】
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は、Ｎｄイオン濃度が0.5％の結晶で、その長さは10ｍｍにした。本実施例に使用するＮｄ：ＹＡＧ結晶は、従来のＮｄイオン濃度0.9％に比べ約半分の濃度にしている。また、結晶の長さが従来5ｍｍであったのに比べその長さを2倍にしている。
【００２８】
波長808ｎｍの励起光には、そのパワーがファイバー出力端で75Ｗ得られるＬＤを使用する。その結果、波長1064ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置１００から30Ｗ以上のレーザ出力が得られた。この場合、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶のクラックは生じなかった。
【００２９】
本実施例では、ＬＤの出力に対応してレーザ結晶のＮｄイオン濃度を下げ、その分レーザ結晶の長さを長くして、レーザ発振に伴い不可避的に発生する無輻射遷移に伴う発熱を分散し、熱レンズ化を軽減させているのでビーム品質の良い安定した出力のレーザ光が得られる。
【００３０】
さらに、高出力のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振を実現するには、より高出力の得られる励起用ＬＤを用いポンピング光のパワーを高めるとともに、Ｎｄイオン濃度をさらに下げ、結晶の長さをそれにあわせて長くするとよい。結晶のＮｄイオン濃度を0.1〜0.5％の範囲とし、レーザ結晶の長さを10〜50ｍｍとするのが望ましい。
【００３１】
上記実施例では、レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を使用する場合を示したが、この代わりにＮｄ：ＹＶＯ結晶を用いることができる。Ｎｄ：ＹＶＯ結晶ではＮｄイオン濃度は0.05〜0.2％の範囲とし、レーザ結晶の長さに関しては、Ｎｄ：ＹＡＧの場合と同様、10〜50ｍｍが必要である。
【００３２】
図３は、本発明の第２の実施例で、Ｑ-スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ装置１００Ａを示す。この実施例で、第１の実施例で用いたのと同じ素子については、同じ参照番号を付しその詳細な説明を省略するが、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶におけるＮｄイオン濃度およびその長さは第1の実施例に関して説明したものが使用される。第２の実施例ではレーザ結晶の一方の端面と出力鏡２０との間にＱ-スイッチ素子８０が挿入されている。Ｑ-スイッチ素子としては音響光学（ＡＯ）素子が使用される。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶におけるＮｄイオン濃度を下げ、結晶の長さを長くしているので、ＬＤ光の高出力化に伴って、ＡＯＱ−スイッチ素子を含むレーザ共振器から発生するＱ−スイッチパルスの尖頭値の大幅な上昇が期待できる。
【００３３】
図４は、第３の実施例のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置である。１つの高出力のＬＤと１つのレーザ結晶を含む固体レーザではレーザ出力に限界があるため、第3の実施例では、さらなる高出力の実現を目指す構成を採用している。
【００３４】
図４において、第３の実施例のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置１００Ｂでは、出力鏡２０と全反射鏡３０との間に一直線上（レーザ共振器の光軸上）に、３個のＮｄ：ＹＡＧ結晶１０−１，１０−２及び１０−３が配列されている。そして、結晶１０−１と１０−２との間及び結晶１０−２と１０−３との間にそれぞれダイクロイック・ビームスプリッタ７０−１及び７０−２が配置されている。ダイクロックビームスプリッタは、それぞれ光軸に対して４５度及び１３５度傾けてある。これらダイクロイック・ビームスプリッタ７０−１及７０−２は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０−２及び１０−３の一方の端面から励起光を導入するためのものである。ダイクロイック・ビームスプリッタは、波長８０８ｎｍの光を全反射するとともに波長1064ｎｍの光をほぼ100％透過するコーテイングが施してある。したがって、発振させたいレーザ光に対しては透過し、ポンピング光に対しては実質的に全反射するように作ってある。
【００３５】
６０−１は、図１の端面励起用光学系付ＬＤ光源６０と同じもので、全反射鏡３０の手前に配置されている。６０−２及び６０−３は、６０−１と同じ端面励起用光学系付ＬＤ光源である。レーザ結晶１０−１は、端面励起用光学系付ＬＤ光源６０−１からの波長808ｎｍの励起光が集光される。レーザ結晶１０−２は端面励起用光学系付ＬＤ光源６０−２からの励起光がダイクロイック・ビームスプリッタ７０−１を介して集光される。同様に、レーザ結晶１０−３は端面励起用光学系付ＬＤ光源６０−３からの励起光がダイクロイック・ビームスプリッタ７０−２を介して集光される。
【００３６】
このレーザ装置１００Ｂは、図１に示した第１の実施例のレーザ装置１００において、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１０と出力鏡２０との間隔を広げ、端面励起用光学系付ＬＤ光源とダイクロイック・ビームスプリッタとＮｄ：ＹＡＧ結晶からなる光増幅ユニットを２組カスケードに配列したものとなっている。
【００３７】
この実施例では、各々のレーザ結晶がそれぞれの１端面からポンピング光が集光されて、各結晶内のＮｄイオンが励起される。そして各結晶内のＮｄイオン濃度は、通常よりも小さな値のものが使用されているから。各結晶における非輻射遷移による単位体積当たりの発熱は小さく、発熱による結晶の破壊などのダメージを発生させないで、カスケードする光増幅ユニットの数だけレーザ出力を増大させることができる。
【００３８】
また、ＬＤの出力に対応してレーザ結晶のＮｄイオン濃度を下げ、その分レーザ結晶の長さを長くして、レーザ発振に伴い不可避的に発生する無輻射遷移に伴う発熱を分散し、熱レンズ化を軽減させているのでビーム品質の良い安定で高出力のレーザ光を得ることができる。
【００３９】
図４は、第３の実施例をさらに一般化した第４の実施例を示すレーザ装置である。
【００４０】
図４を参照すると、レーザ装置１００Ｃは、ＬＤ光源、ダイクロイック・ビームスプリッタおよびレーザ結晶を１つの光増幅ユニットとして、図２に示した構成のレーザ装置の出力鏡を取り除いた構成に、必要な個数だけのユニットを追加し、最終段に出力鏡を配置した構成になっている。このようにすれば、一般にレーザは足し算ができると言われているように、必要な出力に応じて必要な数のユニットのカスケード型の端面励起の固体レーザを構築できる。
【００４１】
上記の実施形態ではファイバー付きＬＤを用いて説明したが、ＬＤをレンズ系に直結することを妨げるものではない。また、レンズ系は２枚のレンズで構成されたものを用いて説明したが、レンズ１枚だけでレンズ系を構成することを妨げるものでない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】Ｎｄ：ＹＡＧ結晶中のＮｄイオンのエネルギー準位図である。
【図２】本発明の第１の実施例で、ＬＤによる端面励起固体レーザ装置の概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例で、Ｑスイッチ付き端面励起固体レーザ装置の概略図である。
【図４】本発明の第３の実施例で端面励起カスケード型固体レーザ装置の概略図である。
【図５】本発明の第４の実施例の端面励起カスケード型固体レーザ装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，１０−１，１０−２，１０−３，１０−ｎ  Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
２０  出力鏡
３０  全反射鏡
４０  集光レンズ系
５０  光ファイバー付高出力ＬＤ
５１  ファイバー
５２  ＬＤ
６０，６０−１，６０−２，６０−３，６０−ｎ  端面励起用光学系付ＬＤ光源
７０−１，７０−２，７０−ｎ  ダイクロイック・ビームスプリッター
８０  Ｑ−スイッチ素子
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  レーザ装置
【図１】
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【図２】
2008227132.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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