(57)【要約】同軸上に配置され励起により蛍光を発光する第１波長を発光する第１固体レーザ媒質１とこれにより発光した第１波長により励起され第２波長を発光する第２固体レーザ媒質２と、これらの固体レーザ媒質と同軸上でこれらの固体レーザ媒質の両外側に配置され蛍光のうち軸方向に発生した光成分を共振させる２つの反射手段３，４と、固体レーザ媒質の１つを励起する励起光源５と、を備え、一方の反射手段４が２波長に対してそれぞれ所定の反射率を有し、１つの共振器及び１つの励起光源で２種類の異なる波長のレーザ光を個別または同時に出力する。
2004102752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に配置され、励起により蛍光を発光する１つまたは複数の固体レーザ媒質と、
上記固体レーザ媒質と同軸上で、かつ上記固体レーザ媒質の両外側に配置され、上記蛍光のうち軸方向に発生した光成分を共振させる第１および第２の反射手段と、
上記固体レーザ媒質の１つを励起する励起光源と、
を備え、上記第２の反射手段は、少なくとも１つの波長に対してそれぞれ所定の反射率を有することを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
上記第２の反射手段は、第１の波長に対して発振条件を満たすとともに第２の波長に対しては発振条件を満たさない第１の反射特性と、上記第２の波長に対して発振条件を満たすとともに上記第１の波長に対しては発振条件を満たさない第２の反射特性とを有し、かつ上記第１の反射特性と上記第２の反射特性とを任意にスイッチングする反射特性変更手段を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項３】
上記固体レーザ媒質は、上記励起光源によって励起され、第１の波長を発光する第１の固体レーザ媒質と、上記第１の固体レーザ媒質により発光した上記第１の波長により励起され、第２の波長を発光する第２の固体レーザ媒質を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
上記固体レーザ媒質は、上記励起光源によって励起され、第１の波長および第２の波長を発光する１つの固体レーザ媒質を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
上記第２の反射手段は、
上記固体レーザ媒質と同軸に配置され、上記第１の波長および第２の波長に対してそれぞれ任意に偏光を回転させる偏光回転手段と、
上記偏光回転手段と上記固体レーザ媒質との間に同軸上に配置され、所定の偏光成分は通過させるとともに上記所定の偏光とは垂直に振動する偏光成分は反射させる偏光選択手段と、
上記偏光回転手段と上記偏光選択手段との外側に同軸上に配置され、上記第１の波長および第２の波長に対して全て反射する全反射手段と、
を有したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
上記偏光回転手段の軸方向の長さまたは屈折率を変更させる反射特性変更手段を有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体レーザ装置。
【請求項７】
上記偏光回転手段は上記固体レーザ媒質の軸と共振する光の偏光面とで形成される面と垂直な軸を中心として回転することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体レーザ装置。
【請求項８】
上記反射特性変更手段が上記偏光回転手段の温度を変化させて屈折率を変更させることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の固体レーザ装置。
【請求項９】
上記第２の反射手段は、
上記固体レーザ媒質と同軸上に配置され、第１の波長は透過するとともに第２の波長は反射する特性を有した波長分離手段と、
上記波長分離手段の外側に配置され、上記第１の波長に対して所定の反射率を有した第１の分離反射手段と、
上記波長分離手段から反射される上記第２の波長が通る光軸上に配置され、上記第２の波長に対して所定の反射率を有した第２の分離反射手段と、
を有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１０】
上記波長分離手段を回転させる反射特性変更手段を有することを特徴とする請求の範囲第９項記載の固体レーザ装置。
【請求項１１】
上記第２の反射手段は、電気光学効果を有する材料から形成されており、かつ上記固体レーザ媒質の軸に垂直な２面に光を反射する光反射面が施されたエタロン結晶から成り、さらに上記エタロン結晶に電界を印加して反射特性を変更する電界印加手段を有しすることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１２】
上記第２の反射手段は、電界を印加しない場合は第１の波長に対して発振条件を満たすとともに第２の波長に対しては発振条件を満たさない第１の反射特性を有し、電界を印加した場合に上記第２の波長に対して発振条件を満たすとともに上記第１の波長に対しては発振条件を満たさない第２の反射特性を有することを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１３】
上記第２の反射手段は、電気光学効果を有する材料から形成されており、かつ上記固体レーザ媒質の軸に垂直な２面に光を反射する光反射面が施されたエタロン結晶から成り、さらに上記エタロン結晶に電界印加して反射特性を変更する電界印加手段を有し、
さらに上記第２の反射手段と上記固体レーザ媒質との間に同軸上に共振させる第１の波長および第２の波長を透過させる波長選択素子を配置したことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１４】
上記第２の反射手段は、電界を印加しない場合は第１の波長に対して発振条件を満たすとともに第２の波長に対しては発振条件を満たさない第１の反射特性を有し、電界を印加した場合に上記第２の波長に対して発振条件を満たすとともに上記第１の波長に対しては発振条件を満たさない第２の反射特性を有することを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１５】
上記波長選択素子は、上記固体レーザ媒質の軸に対してその入射面と出射面が傾いて設置されていることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１６】
上記第１の固体レーザ媒質がＮｄ（ネオジウム）原子添加のＹ（イットリウム）系素材であり、上記第２の固体レーザ媒質はＹｂ（イッテルビウム）原子添加のＹ（イットリウム）系素材であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１７】
上記第１の固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶であり、上記第２の固体レーザ媒質はＹｂ：ＹＡＧ結晶であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１８】
上記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の固体レーザ装置。
【請求項１９】
上記第２の反射手段の外側に同軸上に配置された、発振により上記第２の反射手段から取り出された第１および第２の波長のレーザ光の波長を高調波の波長に変換する波長変換手段を備え、青色および緑色レーザを発生することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固体レーザ装置。
【請求項２０】
上記波長変換手段は、複数の波長に対して同時に位相整合条件を満たす擬似位相整合材料であることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、例えばプロジェクタ用光源としてディスプレイ装置に適用する固体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】  一般にＬＤ（レーザダイオード）励起固体レーザでは、２枚の反射板で形成される共振器内にレーザ媒質を配置し、励起光をレーザ媒質に入力することによってレーザ媒質の利得特性と反射板の反射特性で決まる波長が共振する。そしてレーザ媒質の利得が共振器内の損失を上回ったときに光は増幅され、外部に出力として取り出すことができるが、この時のレーザ光波長は単一波長である（Ｗａｌｔｅｒ  Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著、「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ第４版」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ、Ｖｏｌ．１、ｐｐ．１３６、１９９５年ドイツＳｐｒｉｎｇｅｒ社発行参照）。
このように従来用いられてきた固体レーザ装置は一つの共振器と一つの励起光源で得られるレーザ波長は単一であり、複数の波長を得るためには装置を複数個用意する必要あった。そのため、装置の大型化、且つ高コスト化につながる問題があった。
この発明は一つの共振器および一つの励起光源という構成で、２種類の異なる波長を個別または同時に出力する固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【発明の開示】
上記の目的に鑑み、この発明は、同軸上に配置され、励起により蛍光を発光する１つまたは複数の固体レーザ媒質と、上記固体レーザ媒質と同軸上で、かつ上記固体レーザ媒質の両外側に配置され、上記蛍光のうち軸方向に発生した光成分を共振させる第１および第２の反射手段と、上記固体レーザ媒質の１つを励起する励起光源と、を備え、上記第２の反射手段は、少なくとも１つの波長に対してそれぞれ所定の反射率を有することを特徴とする固体レーザ装置からなる。
【図面の簡単な説明】  図１はこの発明の実施の形態１による固体レーザ装置を示す構成図、
図２はこの発明の実施の形態１によるλ１モードにおける第２の反射手段の反射特性を示す図、
図３はこの発明の実施の形態１によるλ２モードにおける第２の反射手段の反射特性を示す図、
図４はこの発明の実施の形態１による固体レーザ装置の応用例を示す構成図、
図５はこの発明の実施の形態２による固体レーザ装置を示す構成図、
図６はこの発明の実施の形態２による波長選択手段の波長特性を示す図、
図７はこの発明の実施の形態３による固体レーザ装置を示す構成図、
図８はこの発明の実施の形態４による固体レーザ装置を示す構成図、
図９はこの発明の実施の形態４による反射手段の反射特性を示す図、
図１０はこの発明の実施の形態４による固体レーザ装置の応用例を示す構成図、
図１１は図１０の反射手段の反射特性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照して本発明の各実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による固体レーザ装置を示す構成図である。本実施の形態による固体レーザ装置は基本的には一つの共振器および一つの励起光源という構成で、２種類の異なる波長（λ１およびλ２）を個別または同時に出力する。
同図において、第１のレーザ媒質１、第２のレーザ媒質２は互いにレーザ媒質軸方向が平行で同一軸上に配置されている。第１の反射手段３、第２の反射手段４は第１および第２のレーザ媒質１、２の両端に軸上に配置され、第１および第２のレーザ媒質軸方向に対して入射面は垂直に形成されている。第１の反射手段３と第２の反射手段４で共振器が構成されている。以後、上記の部材で構成される軸を共振器軸と呼ぶ。なお、この共振器軸方向を空間座標におけるｚ軸方向（紙面に向かって左方向が正）と定め、空間における上方向（紙面に垂直で、手前に向かう方向）をｙ軸方向と定め、ｚ軸およびｙ軸に直行し、紙面の下に向かう方向をｘ軸と定め、それに基づいて以下、説明を行う。
励起光源５は第１の反射手段３側の共振器外部に設置され第１のレーザ媒質１を発振波長λｐで励起する。共振光６は共振器内を周回する。出力光７は共振器からの出力光である。第１のレーザ媒質１はλｐ付近で吸収ピークを、λ１付近に利得ピークを持つ。また第２の反射手段４に対向する面１Ａには励起光波長λｐに対して全反射する膜が施されている。また第２のレーザ媒質２はλ１付近で吸収ピークを、λ２付近に利得ピークを持ち、かつλｐ付近では透明である。第１の反射手段３は波長λｐに対して全て透過し（反射率０％）、λ１およびλ２に対して１００％反射する。なお、第１の反射手段３は第２のレーザ媒質２との隣接する面に膜として施されていてもよい。この場合でも同様の効果を示し、別途第１の反射手段３を独立して配置する必要がなくなる。
第２の反射手段４は外部制御により反射特性が変化する２段階のスイッチング機構（反射特性変更手段４ａ）を有している。図２および図３に各状態での反射特性と各レーザ媒質の利得ピークとの関係を示す。図２は後述するλ１モードに関するもので、ＧＰ１が第１のレーザ媒質１の利得ピーク、ＲＥ１が第２の反射手段２での反射特性、図３は後述するλ２モードに関するもので、ＧＰ２が第２のレーザ媒質２の利得ピーク、ＲＥ２が第２の反射手段２での反射特性を示す。図２に示す１つ目の状態では波長λ１付近で反射率Ｒ１１の反射ピークをもち、λ２付近では比較的低い反射率Ｒ２１を形成する（以下、この状態はλ１モードと呼ぶ）。図３に示す他方の状態では波長λ２付近で反射率Ｒ２２反射ピークをもち、λ１付近では比較的低い反射率Ｒ１２を形成する（以下、この状態はλ２モードと呼ぶ）。スイッチング機構の詳細な説明は後述の実施の形態にて説明するが、例えば反射手段をエタロンとしこれを傾ける、電圧を与える、温度を変える等により波長特性を切り換える手段からなる。これらの機能を含むものとして反射特性変更手段４ａを備える。
次に動作について説明する。まずλ１モードの動作から説明する。このモードは波長λ１のみ発振して、λ２の発振は抑制されている。第１の反射手段３から共振器内に励起光が入力され、第２のレーザ媒質２を通過した後に第１のレーザ媒質１に入射される。第１のレーザ媒質１内を伝播中、励起光は吸収されていき、面１Ａで反射された後、再度逆方向に伝播しながら全て第１のレーザ媒質１に吸収される。一方、利得波長であるλ１は励起光強度に比例する利得係数ｇ１［１／ｍ］で第１のレーザ媒質１で増幅されるが、第２の反射手段４での反射率Ｒ１１およびこれを除く共振器内でのロス（吸収）α２（第２のレーザ媒質２による吸収や、他の光学部品の吸収）により周回中にロスが発生し、発振条件は以下の（１）式で表される。
2004102752.tif 000003
右辺は利得分、左辺はロス分を示す。Ｌ１は第１のレーザ媒質１の長さ［ｍ］、係数２は往復分を求めている。この条件を満たすとき（共振条件）、共振器内の波長λ１をもつ光は増幅されて発振に至る。この時、波長λ２に対しても同様に利得とロスの関係を導くことができ、λ１モードではλ２の発振を抑制したいので、以下の条件式である（２）式が成り立つ。
2004102752.tif 000004
ここで、ｇ２は第２のレーザ媒質２で生じる利得係数、Ｌ２は第２のレーザ媒質２の長さ［ｍ］、α１はＲ２１以外の第１のレーザ媒質１および他の光学部品で生じるλ２に対する共振器内でのロス（吸収）である。上記の（１）および（２）式の条件を満たすＲ１１およびＲ２１を選ぶことにより（図１参照）、λ２の発振は抑えつつλ１を発振させることができる。発振したλ１波長をもつ発振光は第２の反射手段４から取り出される。
次にλ２モードの動作について説明する。このモードは波長λ２のみ発振して、λ１の発振は抑制されている動作となる。励起光が第１のレーザ媒質１に吸収されるまではλ１モードと全く等しい動作をする。励起された第１のレーザ媒質１はλ１の利得を増加させて共振器内部のパワーを増加させていく。一方、第２のレーザ媒質２では波長λ１の共振光を吸収することによって波長λ２を発光する。波長λ２の光は第２のレーザ媒質２で誘導放出を繰り返し、共振器内で増幅されていく。従ってλ２の発振条件は以下の（３）式で表される。
2004102752.tif 000005
λ１に対しては、発振条件は満たさないので以下の（４）式の条件式があげられる。
2004102752.tif 000006
ただし第２のレーザ媒質２を励起するためにλ１の共振器内部パワーは高くする必要がある。上記の２つの式を満たすようなＲ２２およびＲ１２を選ぶことによりλ１の発振を抑え、且つλ２を発振させることができる。発振光λ２は前述のλ１モード時の発振光λ１と同じく第２の反射手段４から出力される。
なお、（４）式の代わりに以下の（５）式と上記の（３）式の条件式をともに満たすようなＲ２２およびＲ１２を選択することにより、λ１とλ２は同時に発振する。従って、λ１とλ２を同時に取り出したい場合は、この条件により達成される。
2004102752.tif 000007
以上のように、この実施の形態１によれば、上記第１のレーザ媒質１、第２のレーザ媒質２、第１の反射手段３、第２の反射手段４を同一軸上に配置し、第１のレーザ媒質を励起してその利得波長を第２のレーザ媒質によって吸収させれば第２の波長も増幅させることができ、且つ第２の反射手段４を上記のような２段階の反射特性にスイッチングすることで、一つの共振器および一つの励起光源にて２種類の波長を発振可能な構成となる。
また、第１のレーザ媒質１ではλ１モードおよびλ２モードともに波長λ１の光に関して発振状態もしくは発振状態に近い条件で維持されているため、第１のレーザ媒質１の発熱量がほぼ一定に保たれる。従って第１のレーザ媒質１の熱レンズ値が一定に保たれ、共振器安定領域も２波長スイッチング時に変化しない。
また、上記の（３）および（５）式を同時に満たす第２の反射手段の反射率を有することで、２種類の波長を同時に出力することができる。
なお、第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の材料として、例えばそれぞれＮｄ：ＹＡＧ結晶（Ｎｄ（ネオジウム）原子添加のＹ（イットリウム）系素材）、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶（Ｙｂ（イッテルビウム）原子添加のＹ（イットリウム）系素材）があげられる（第１の固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）結晶、第２の固体レーザ媒質がＹｂ：ＹＡＧ結晶等でもよい）。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は波長８００ｎｍ付近で吸収ピークを、また９４６ｎｍに利得ピークを持つ。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は９４０ｎｍ付近で吸収ピークを、１０３０ｎｍに利得ピークを持つ。従って、８００ｎｍ付近の励起光源を用いることで、λ１が９４６ｎｍ、λ２が１０３０ｎｍに相当する２波長発振が可能となる。更に、８８０ｎｍの励起光として用いると、８００ｎｍ付近の励起光よりλｐ／λ１で示される量子効率が高くなるため、第１のレーザ媒質１の発熱が少なくなり、より安定になる。
また、共振器内部に共振光の偏光を規定するための後述する実施の形態と同様な偏光子８（図５参照）を新たに配置してもよい。配置場所は任意に決めることができ、効果は変わらない。偏光子を配置することによって出力する発振光の偏光を直線偏光に形成することができる。更にこの偏光子を共振軸に対して入射面が垂直から傾けて設置してもよい。その場合は偏光子からの反射光が共振器軸に再び進入しないため、より安定な発振が得られる。
また、第２のレーザ媒質２を用いずに２波長発振する構成も可能である。この場合、図１において第２のレーザ媒質２を取り外した構成になる。第１のレーザ媒質１が複数の利得ピークをもつか、広い利得帯域をもつ場合、λ１またはλ２をその利得内で任意に選び、その際に上記の式を満たす反射率を有する第２の反射手段４で構成する。この時、λｐで励起することによってλ１およびλ２ともに利得を持ち始めるので、上記の反射特性のスイッチングにより２波長発振が可能となる。例えば第１のレーザ媒質１の材料としてＮｄ：ＹＡＧ結晶（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２結晶）を選択し、励起波長λｐが８００ｎｍ、λ１を９４６ｎｍ、λ２を１０６４ｎｍに設定することで、上記の２波長発振が可能となる。ただし、λ１もしくはλ２のどちらかが先に発振を始めるともう一方の波長における利得は減少するために２波長同時発振は起こらない。
また、上記のレーザ媒質の例として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＹｂ：ＹＡＧ結晶の組み合わせをあげたが、他のＮｄやＹｂを添加したレーザ媒質等において上記の条件式を満たす媒質であれば同様の効果を示す。
また、この実施の形態１に係わる第２高調波２波長発振固体レーザ装置について説明する。図２はその第２高調波２波長発振固体レーザ装置を示す構成図である。この実施の形態１の固体レーザ装置の出力光を用い、これを波長変換素子（波長変換手段）７０で波長変換することによって第２高調波を得る構成となっている。共振器からの出力光λ１またはλ２を波長変換素子７０に通過させることにより、（λ１）／２または（λ２）／２の波長が得られる。波長変換素子７０は、例えば２種類の波長に対して同時に位相整合条件を満たす擬似位相整合材料を用いる。この材料を用いることにより２種類の波長（λ１およびλ２）に対して同時に第２高調波を出力することができる。具体的な上記の材料としてＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＫＴｉＯＰＯ４）、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３）、ＭｇＯ添加ＰＰＬＮがあげられる。通常の非線形材料では高出力の入力光に対して損傷を受けることがあるが、ＰＰＬＮは温度を上げることにより高出力の入力光に適用できる。更にＭｇＯ添加ＰＰＬＮでは温度を上げずとも室温の状態でも高出力の入力光に適用できる。上記のように第１のレーザ媒質１にＮｄ：ＹＡＧ結晶、第２のレーザ媒質２にＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いた場合、共振器から得られる波長は９４６ｎｍと１０３０ｎｍである。従って、波長変換素子７０によって得られる波長はそれぞれ４７３ｎｍと５１５ｎｍとなり、青色と緑色のレーザ光が得られることになる。以上のように、第１のレーザ媒質１にＮｄ：ＹＡＧ結晶、第２のレーザ媒質２にＹｂ：ＹＡＧ結晶を用い、共振器の出力光に波長変換素子７０を適用することによって、単一の共振器と単一の励起光源を用いても青色と緑色の２種類のレーザ光を任意に得ることができる。
なお、第１のレーザ媒質１にＮｄ：ＹＡＧ結晶、第２のレーザ媒質２にＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いたが、他のレーザ媒質でも第２高調波が青色および緑色となる組み合わせであれば適用可能であり、同様の効果が得られる。
実施の形態２．
本実施の形態による固体レーザ装置は、一つの共振器および一つの励起光源という構成で２種類の異なる波長（λ１およびλ２）を個別に出力する。その２波長をスイッチングする手段として波長フィルタ（波長選択手段）を用い、各波長に対する出力結合量を制御している。
図５はこの発明の実施の形態２による固体レーザ装置を示す構成図である。なお、この実施の形態２の構成要素のうち実施の形態１の固体レーザ装置の構成要素と共通するものについては同一符号を付し、その部分の説明を省略する。
図５において、共振器内には波長選択手段７が配置されている。波長選択手段７は偏光子（偏光選択手段）８と偏光回転手段９とで構成されており、偏光子８はｙ軸を回転中心としてｚ軸に対して入射面が垂直より傾いて配置されており、且つｘｚ平面に平行な方向に振動する偏光成分（ｐ偏光）は透過し、直交する成分（ｓ偏光）は反射する特性をもつ。偏光回転手段９は、入射したレーザ光の偏光状態を変換する手段である。例えば材料に一軸性の複屈折結晶が用いられ、光学軸方向がｘｚ平面に対して４５°傾いて形成されている。１軸性の複屈折結晶（変更回転手段９）は軸方位によって屈折率が異なるため、入射レーザ光の偏光成分は軸に沿って２種類のそれぞれ異なる位相速度で結晶内を伝播する。結晶を通過した後のレーザ光は軸方向の屈折率差とレーザ光伝播方向の結晶厚みと波長λに応じて偏光が変化する。例えば、結晶通過後に各偏光成分の位相が波長長さの１／４だけ変化した場合は円偏光になり、波長長さの１／２だけ変化した場合は偏光角度が９０°回転する。一般にそれぞれの場合の上記の複屈折結晶は１／４波長板、１／２波長板と呼ばれる。この出力光を偏光子８に通すことにより一方向の偏光成分のみ通過させて、それに垂直な偏光成分は反射させるが、上記の通り偏光状態は波長に依存するため、偏光子８の透過成分は波長に依存する。この波長依存性は図６に相当する。第３の反射手段１０（全反射手段）は第２の反射手段４と同じ配置をとり、第１の反射手段３と同じ特性をもつ。
次に動作について説明する。励起光が第１のレーザ媒質１に吸収されるまでは実施の形態１と等しい動作を行う。第３の反射手段１０は第１の反射手段３と同じ反射特性を有しているので、もし波長選択手段７がなかった場合は波長λ１およびλ２は第１および第３の反射手段で全反射となり、共振器外部には出力されない。本実施の形態では波長選択手段７により共振器内で増幅されたレーザ光の一部を外部に取り出す。つぎに波長選択手段７の動作について詳しく説明する。
共振器内を周回する共振光６は偏光子８で透過するためにｐ偏光に規定される。ただし偏光回転手段９で一部偏光が回転し、ｓ偏光成分が発生して偏光子８で共振器外部に取り出される。偏光子８にｚ軸負方向から入射する光強度を１とすると、波長選択手段７によって取り出される光強度は以下の（６）式で表される。
2004102752.tif 000008
2004102752.tif 000009
ここで、Δｎは複屈折量、Ｌ９は偏光回転手段９のｚ軸方向の厚み、λは波長である。この取り出される光強度の割合は出力結合量と呼ばれる。図６に（６）式を計算した典型的な波長に対する出力結合量を示す。図６のように出力結合量は波長によって周期的に変動する。その周期（ＦＳＲ：自由スペクトル領域）は（ハット）λ２／（Δｎ・Ｌ）で表される。（６）式より、ΔｎまたはＬ（ここではＬ９）を変化させることで波長に対する出力結合量を調節することができる。そこで、λ１モードでのλ１およびλ２での出力結合量をそれぞれＴ１１、Ｔ２１とし、λ２モードでのλ１およびλ２での出力結合量をそれぞれＴ１２、Ｔ２２とすると、λ１のみを発振させるλ１モード時に発振に必要な出力結合条件は以下の（７）および（８）式で表される。
2004102752.tif 000010
また、λ２モード時の発振条件は以下の（９）および（１０）式で表される。
2004102752.tif 000011
λ１モードとλ２モードとのスイッチングにはΔｎかもしくはＬを変更すればよく、例えば偏光回転手段９をｚ軸（共振器軸）に対して傾けていくことによって、実効的にＬを長くすることができる。また、ＬｉＮｂＯ３結晶やＬｉＴａＯ３結晶等の電気光学効果を用いてΔｎを電気的に変化させてもよい。さらに、温度によって屈折率が変化することを利用し、Δｎを変化させてもよい。これらの手法によりスイッチングを行う機能として反射特性変更手段９ａを備えている。
なお、第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の材料については上記実施の形態と同様である。
また、第２のレーザ媒質２を用いずに２波長発振する構成も可能である。第１のレーザ媒質１が複数の利得ピークをもつか、広い利得帯域をもつ場合、λ１またはλ２をその利得内で任意に選び、その際で上記の式を満たす出力結合特性を有する波長選択手段７で構成する。この時、λｐで励起することによってλ１およびλ２ともに利得を持ち始めるので、上記の出力結合特性のスイッチングにより２波長発振が可能となる。例えば第１のレーザ媒質１の材料としてＮｄ：ＹＡＧ結晶を選択し、励起波長λｐが８００ｎｍ、λ１を９４６ｎｍ、λ２を１０６４ｎｍに設定することで、上記の２波長発振が可能となる。ただし、λ１もしくはλ２のどちらかが先に発振を始めるともう一方の波長における利得は減少するために２波長同時発振は起こらない。
また、上記のレーザ媒質の例として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＹｂ：ＹＡＧ結晶以外の組み合わせをあげたが、他のＮｄやＹｂを添加したレーザ媒質等において上記の条件式を満たす媒質であれば同様の効果を示す。
また、前記実施の形態１での記述と同様に、本実施の形態の構成により得られるレーザ出力（図５の偏光子８の外部への出力）に図４に示すのと同様な波長変換素子７０（図５には図示省略）を備えることにより、第２高調波２波長出力が得られる。詳細については前記実施の形態と基本的に同様であり、これにより青色と緑色のレーザ光が得られることになる。
実施の形態３．
本実施の形態による固体レーザ装置は一つの共振器および一つの励起光源という構成で、２種類の異なる波長（λ１およびλ２）を個別または同時に出力する。波長分離手段を用いて、λ１のみを発振させる反射手段とλ２のみを発振させる反射手段を個別に用いることにより、一つの励起光源で２波長をそれぞれ出力する構成を成す。
図７はこの発明の実施の形態３による固体レーザ装置を示す構成図である。なお、この実施の形態３の構成要素のうち実施の形態１および実施の形態２の固体レーザ装置の構成要素と共通するものについては同一符号を付し、その部分の説明を省略する。
図７において、第４の反射手段１１は第２の反射手段４および第３の反射手段１０と同じ配置をとる。第４の反射特性１１の反射特性は波長λ１のみを発振させる条件を満たしており、上記の実施の形態１記載の（１）式の条件式をみたす反射率Ｒ１１を有している。波長分離手段１２は波長λ１の光に対しては透過し、波長λ２の光に対しては反射する特性を有し、共振器軸上にｙ軸を回転中心として傾いて配置されている。第５の反射手段１３は波長分離手段１２の反射光軸に対して入射面が垂直に配置されている。第５の反射特性１３の反射特性はλ２のみを発振させる条件を満たしており、上記の実施の形態１記載の（３）式の条件式をみたす反射率Ｒ２２を有している。なお、第４の反射特性１１および第５の反射手段１３が第１および第２の分離反射手段を構成する。また、反射特性を切り換えるために波長分離手段１２を回転させる反射特性変更手段１２ａが設けられている。
次に動作について説明する。励起光が第１のレーザ媒質１に吸収されるまでは実施の形態１と等しい動作を行う。波長λ１の光は波長分離手段１２を透過するために光路１１Ａを通る光路が選択される。従って第４の反射手段１１と第１の反射手段３との間で共振し、第１のレーザ媒質１によって増幅される。第４の反射手段１１では先に示すようにλ１の発振条件をみたす反射特性を有しているので、λ１のレーザ光が外部に出力される。波長λ２の光は波長分離手段１２を反射するために光路１３Ａを通る光路が選択される。従って第５の反射手段１３と第１の反射手段３との間で共振し、波長λ１の光を吸収した第２のレーザ媒質２で増幅される。第５の反射手段１３では先に示すようにλ２の発振条件をみたす反射特性を有しているので、λ２のレーザ光が外部に出力される。
なお、第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の材料につては上記実施の形態と同様であり、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＹｂ：ＹＡＧ結晶の組み合わせだけでなく、他のＮｄやＹｂを添加したレーザ媒質等において上記の条件式を満たす媒質であれば同様の効果を示す。また共振器内部に共振光の偏光を規定するための偏光子８（図５参照）を新たに配置することにつても上記実施の形態と同様に可能である。
また、前記実施の形態１での記述と同様に、本実施の形態の構成により得られるレーザ出力（図７の第４の反射特性１１および第５の反射手段１３の外部への出力）に図４に示すのと同様な波長変換素子７０（図７には図示省略）をそれぞれ備えることにより、第２高調波２波長出力が得られる。詳細については前記実施の形態と基本的に同様であり、これにより青色と緑色のレーザ光が得られることになる。
実施の形態４．
本実施の形態による固体レーザ装置は、一つの共振器および一つの励起光源という構成で２種類の異なる波長（λ１およびλ２）を個別または同時に出力する。共振器を成す反射手段の一つの反射特性を電気的に切り替えることによって、λ１とλ２の波長スイッチングを行う。
図８はこの発明の実施の形態４による固体レーザ装置を示す構成図である。なお、この実施の形態４の構成要素のうち実施の形態１から実施の形態３の固体レーザ装置の構成要素と共通するものについては同一符号を付し、その部分の説明を省略する。
第６の反射手段１４は第１の反射手段３とで共振器を構成するようにｚ軸上に配置されており、入射面および出射面にはλ１およびλ２を反射する反射コーティングが施されている。従って、第６の反射手段１４はエタロン効果により透過・反射特性に波長依存性をもち、両面の反射率をＲとすると反射率は以下の（１０）式で表される。
2004102752.tif 000012
ここでｎは屈折率、Ｌは光伝播方向の反射コーティング間の厚みである。この式から分かるように波長λに対して反射・透過特性は周期的な変化をする。その周期ＦＳＲは以下の（１２）式で表される。
2004102752.tif 000013
従って、屈折率ｎもしくは厚みＬを変化させることにより反射特性を自由に設定することができる。材質は電気光学効果を有する結晶が用いられており、例えばＬＮ結晶（ＬｉＮｂＯ３結晶）やＬＴ結晶（ＬｉＴａＯ３結晶）などが適用できる。電気光学効果は図８に示すような例えば交流電源からなる電界印加手段１７により外部から電場（電界）を印加することにより屈折率が変化する効果である。本実施の形態では電界を図８で示すようなｘ軸方向に印加し、共振光もｘ軸方向に振動する偏光をもつように設定する。その時、第６の反射手段１４を通過する共振光が受ける屈折率変化Δｎは（１３）式で表される。
2004102752.tif 000014
ここで、ｒは電気光学定数、ｎは屈折率、Ｅは電界である。従って、第６の反射手段１４に電気光学効果をもつ結晶を用いることで、電気的（電界を印加することで）に屈折率、つまり反射特性を変化させることができる。図９に本実施の形態における第６の反射手段１４の反射特性を示す。図９においてＲＥ３（実線）がλ１モードでの第６の反射手段１４の反射特性であり、ＲＥ４（破線）がλ２モードでの反射特性である。λ１モードにおいて波長λ１およびλ２の反射率は（１）および（２）式の条件式を満たす。またλ２モードにおいて波長λ１およびλ２の反射率は（３）および（４）式の条件式を満たす。第６の反射手段１４への電界をオン−オフすることにより、ＲＥ３とＲＥ４のスイッチングを行う。またＧＢ１、ＧＢ２がそれぞれ第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の利得帯域である。
次に動作について説明する。励起光が第１のレーザ媒質１に吸収されるまでは実施の形態１と等しい動作を行う。λ１モードでは、第６の反射手段１４が図９のＲＥ３のような上記の反射特性をもつために、波長λ１の共振器内部パワーは増大し発振に至る。λ２は（４）式の条件を満たすために発振は抑えられる。λ２モードでは、第６の反射手段１４が図９のＲＥ４のような上記の反射特性をもつために、波長λ２の共振器内部パワーは増大し発振に至る。λ１も共振器内部パワーは増大するが、発振条件までには至らずに抑えられる。
なお、発振波長をより選択するために共振器内部に波長選択素子を新たに配置してもよい。図１０に波長選択素子１５を配置した構成図を示す。波長選択素子１５は波長λ１とλ２の光のみ１００％透過し、第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の利得帯域付近にあるその他の波長は全て反射する波長特性を有している。また共振器軸（ｚ軸）に対してｙ軸を回転中心として入射面と出射面が垂直より傾いて設置されているため、λ１とλ２以外の反射された光が再び共振器軸上に進入して発振しないような構成となっている。また図１１に図１０のような構成をとった時の第６の反射手段１４の反射特性ＲＥ５、ＲＥ６、各レーザ媒質の利得帯域ＧＢ１、ＧＢ２および波長選択素子１５の透過特性Ｓを示す。λ１モードにおいて、波長選択素子１５がない場合は第１のレーザ媒質１の利得帯域内で最もロスが少ない波長で発振するが、波長選択素子１５があるために波長λ１以外の波長は共振器内を周回せずに発振波長λ１規定される。同様にλ２モードにおいても発振波長λ２に規定される。
以上のように、本実施の形態４によれば電気光学効果を有するエタロン材料を共振器の反射手段に用いたため、発振波長を２タイプ（λ１とλ２）にスイッチングすることができる。また、本構成によるスイッチングは電気的に反射特性を変更する構成なので共振器の光軸ずれ等の問題は全く起きず、且つ高速のスイッチングが可能である。
また共振器内部に波長選択素子を配置したので、波長選択素子の透過特性に沿って発振波長を任意に、且つ厳密に設定することができる。
また、第２のレーザ媒質２を用いずに２波長発振する構成も可能である。第１のレーザ媒質１が複数の利得ピークをもつか、広い利得帯域をもつ場合、λ１またはλ２をその利得内で任意に選び、その際で上記の式を満たす反射率を有する第６の反射手段１４で構成する。詳細については前記実施の形態の場合と基本的に同様である。
また、第１のレーザ媒質１および第２のレーザ媒質２の材料につても上記実施の形態と同様である。また共振器内部に共振光の偏光を規定するための偏光子８（図５参照）を新たに配置することにつても前記実施の形態と同様に可能である。
また、前記実施の形態１での記述と同様に、本実施の形態の構成により得られるレーザ出力（図８、１０の第６の反射手段１４の外部への出力）に図４に示すのと同様な波長変換素子７０（図８、１０には図示省略）をそれぞれ備えることにより、第２高調波２波長出力が得られる。詳細については前記実施の形態と基本的に同様であり、これにより青色と緑色のレーザ光が得られることになる。
【産業上の利用の可能性】
この発明では一つの共振器および一つの励起光源という構成で２種類の異なる波長のレーザ光を個別または同時に出力する固体レーザ装置を提供することで、小型、低コスト化が図られ、さらにこれを波長変換することで青色、緑色のレーザが得られる。
【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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【国際調査報告】
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