(57)【要約】【課題】小さな励起パワーで高効率の発振が可能な固体レーザ装置を提供すること。【解決手段】励起光を放出する半導体レーザと、前記半導体レーザから放出された前記励起光を集光するレンズと、前記励起光を受けて赤外光を放出する固体レーザ媒質と、を備え、前記固体レーザ媒質は、光軸に対して直交する方向の厚みがＴＥＭ００モードのビーム径の３倍以下であり、前記固体レーザ媒質の前記厚み方向における上下に放熱手段が設けられたことを特徴とする固体レーザ装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を放出する半導体レーザと、
前記半導体レーザから放出された前記励起光を集光するレンズと、
前記励起光を受けて赤外光を放出する固体レーザ媒質と、
を備え、
前記固体レーザ媒質は、光軸に対して直交する方向の厚みがＴＥＭ００モードのビーム径の３倍以下であり、
前記固体レーザ媒質の前記厚み方向における上下に放熱手段が設けられたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記固体レーザ媒質は、前記光軸に対して直交する方向の幅が前記厚みの５倍以上であ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】
前記放熱手段は、前記固体レーザ媒質に接触し金属からなるヒートシンクであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ装置。
【請求項４】
前記ヒートシンクは、前記固体レーザ媒質の前記光軸の回りを取り囲むように設けられたことを特徴とする請求項３記載の固体レーザ装置。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質から放出される前記赤外光を受けてその第２高調波を放出する非線形結晶をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項６】
熱伝導率が低い第１の部材の両側に熱伝導率が高い第２及び第３部材をそれぞれ接続した放熱板をさらに備え、
前記固体レーザ媒質は前記第２の部材の上に支持され、前記非線形結晶は前記第３の部材の上に支持されてなることを特徴とする請求項５記載の固体レーザ装置。
【請求項７】
前記固体レーザ媒質は、Ｎｄを添加したＹＡＧ結晶からなり、波長が９４６ナノメータの前記赤外光を放出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項８】
前記固体レーザ媒質は、Ｎｄを添加したＹＶＯ４結晶からなり、波長が９１４ナノメータの前記赤外光を放出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体レーザ装置。
【請求項９】
前記固体レーザ媒質は、Ｎｄを添加したＧｄＶＯ４結晶からなり、波長が９１２ナノメータの前記赤外光を放出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに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し、特に半導体レーザからのレーザ光により固体レーザ媒質を励起させる固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（ＬＤ）励起型の固体レーザ装置は、高効率、小型、堅牢であり、マーキングや薄膜加工などに利用されている。Ｎｄ（ネオジウム）を添加した固体結晶では、１μｍ帯の波長とともに、０．９μｍ帯や１．３μｍ帯が発振する。それらの波長の第２高調波（ＳＨＧ：second-harmonic generation）を発生することで、緑５３２ｎｍ、青４５０〜４７０ｎｍ、６７０ｎｍ前後の可視光が得られる。加工対象物の特性にあわせ、加工に利用できるとともに、計測、医療、エンターテインメント、プロジェクションディスプレイ装置等の分野で必要性が高い。
【０００３】
緑色光については、すでに効率が高く、薄膜加工やシリコン・ウェーハマーカなどで実用化されている。しかし、青色では、そこで青色光の基本波となる９００ｎｍ帯で高効率なレーザ光源がない。低効率のＡｒイオンレーザなどのガスレーザや、出力パワーが数十ｍＷにすぎない半導体レーザでは加工等ワットクラスの出力には適さなかったためである。
【０００４】
９００ｎｍ帯の光を発振する固体レーザ媒質の例としては、例えばＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ２Ａｌ５Ｏ１２）を挙げることができる。この媒質を用いると波長９４６ｎｍの基本波を発生し、この第２倍高調波が４７３ｎｍの青色光となる。
【０００５】
特許文献１には、半導体レーザ（ＬＤ）励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザで基本波９４６ｎｍを発生させ、非線形波長変換で波長４７３ｎｍの青色光が１．１Ｗ（ワット）で得られると記載されている。また、ＹＡＧ結晶の厚さ（光軸方向）は、２〜５ｍｍとあるが、光軸に対して垂直な方向のサイズについては記載がない。しかも、励起用のＬＤパワーは２０Ｗと大きい。
【特許文献１】特開２０００−１０１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、小さな励起パワーで高効率の発振が可能な固体レーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、励起光を放出する半導体レーザと、前記半導体レーザから放出された前記励起光を集光するレンズと、前記励起光を受けて赤外光を放出する固体レーザ媒質と、を備え、前記固体レーザ媒質は、光軸に対して直交する方向の厚みがＴＥＭ００モードのビーム径の３倍以下であり、前記固体レーザ媒質の前記厚み方向における上下に放熱手段が設けられたことを特徴とする固体レーザ装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小さな励起パワーで高効率の発振が可能な固体レーザ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施の形態に係る固体レーザ装置の要部構成を例示する模式図である。  
なお、ここでは固体レーザ媒質の一例として、波長９４６ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた具体例について説明するが、本発明はこれには限定されず、他の固体レーザ媒質として例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４などを用いてもよい。
【００１０】
本具体例においては、励起光源は、数ワット程度の出力を有する単一ストライプのブロードエリア型の半導体レーザ１である。このようなＷ（ワット）クラスの半導体レーザでは、ｐｎ接合に対して垂直な方向（図１（ｂ）に表したｘ方向であり、「速軸」ともいう）と、ｐｎ接合に対して平行な水平方向（図１（ａ）でｙ方向であり、「遅軸」ともいう）と、ではビーム特性が異なる。すなわち、半導体レーザ１の端面での光源の大きさは、例えば、垂直方向（Ｘ方向）が１．５μｍ程度であり、水平方向（Ｙ方向）が２００μｍ程度である。また、ビームの広がり全角は、例えば、垂直方向（Ｘ方向）が４０°程度であり、水平方向（Ｙ方向）が９°程度である。
【００１１】
このような半導体レーザ１から出射されるレーザ光は、円柱レンズ２によって速軸方向がコリメートされ、その後、別の円柱レンズ３により、遅軸方向がコリメートされる。その後、集光レンズ４により、共振器の高反射側ミラー５を通して、固体レーザ媒質６内に集光照射される。高反射側ミラー５には、発振波長９４６ｎｍにおいてのみ高反射となるように光学膜がコーティングしてある。また、円柱レンズ２、３及び集光レンズ４の焦点距離は、半導体レーザ１からのレーザ光が、水平方向にみて発振モードのビームウエストと同程度（直径〜０．１ｍｍ）に集光されるように選択される。また、半導体レーザ１の発振波長は、動作点でＮｄ：ＹＡＧの吸収波長８０８ｎｍ付近に一致させることにより、吸収効率をあげることができる。
【００１２】
固体レーザ媒質６は、その上下面と左右側面を金属製のヒートシンク７に密着して配置されている。また、固体レーザ媒質６のレーザ光の入出射面は光学研磨され、励起波長８０８ｎｍと、発振波長９４６ｎｍ及び１０６４ｎｍで無反射コーティングが形成されている。レーザ共振器は、高反射側ミラー５と出力ミラー８とで構成され、その間隔は固体レーザ媒質６の長さに２〜３ｍｍを加えた長さに設定してある。
【００１３】
出力ミラー８は、発振しやすい１０６４ｎｍの波長で無反射となり、発振波長９４６ｎｍで４〜５％の透過率に設定されている。これらの共振器ミラーの特性を所望する波長にあわせて形成することで、同様にそれぞれの発振波長が得られる。  
なお、この具体例では共振器ミラーを固体レーザ媒質６の外側に別体として設置しているが、固体レーザ媒質６の端面に反射膜を直接形成して共振器を形成することも可能である。
【００１４】
一方、固体レーザ媒質６の材料としては、Ｎｄ：ＹＡＧの他にも、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４などを用いることができる。これらの場合も、Ｎｄ：ＹＡＧと同様な形状にすることにより、それぞれ９１４ｎｍ，９１２ｎｍで発振可能である。共振器ミラーの反射率等はそれぞれの波長に対応して、たとえば、高反射側は１００％反射、出力側は９７％反射とすればよい。これらの結晶には複屈折性があり、結晶のＣ軸を水平方向にすると、励起用の半導体レーザ１の偏光面と一致するのでよい。
【００１５】
図２は、本実施形態における固体レーザ媒質６の形態を例示する斜視模式図である。  
固体レーザ媒質６は、光軸Ｌに対して垂直な方向に厚みが薄く形成されている。すなわち、図２に表した具体例の場合、固体レーザ媒質６の上下方向の厚みｔが薄くされている。固体レーザ媒質６の厚みｔは、励起されるＴＥＭ００モードのビーム径よりもわずかに大きい程度がよい。より具体的には、固体レーザ媒質６の厚みｔは、ＴＥＭ００モードのビーム径以上であり、かつビーム径の３倍以下とすることが望ましい。固体レーザ媒質６の厚みｔをＴＥＭ００モードのビーム径よりも小さくすると励起が不十分となり、一方、その厚みをＴＥＭ００モードのビーム径の３倍以上にすると、次のモードであるＴＥＭ０１モードが出やすくなり、かつ放熱も不十分となるからである。
【００１６】
そして、固体レーザ媒質６の幅広の上下面と左右側面は、金属のヒートシンク７に密着して配置されている。ヒートシンク７の材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属を用いることが望ましい。またさらに、図示しない熱電素子や水冷などによる熱伝導により、固体レーザ媒質６において発生した熱をヒートシンク７を介して速やかに取り去ることができる。その結果として、固体レーザ媒質６のほぼ全体を、室温程度に保持することができる。
【００１７】
一例を挙げると、固体レーザ媒質６の光軸方向（図２の矢印Ｌの方向）の長さは５ｍｍ程度であり、幅ｗは５ｍｍ程度、厚さｔは０．３ｍｍ程度とすることができる。ここで、厚さｔを０．３ｍｍ程度にすると、ＴＥＭ００モードでは回折損失が少なく、次モードであるＴＥＭ１０モードに対しては損失が増加するので安定したＴＥＭ００モード発振が得られる。
【００１８】
このように厚さｔを薄くすることで、固体レーザ媒質６内の発振領域から結晶の上下面方向に向かって一様（１次元的）に熱を取り去ることが可能となる。さらに、厚さｔを薄くすることにより、励起光による発熱領域を冷却用ヒートシンク７に接近させ、熱抵抗を従来の１／１０程度にまで下げることができる。その結果として、固体レーザ媒質の温度を、従来（厚さｔ及び幅Ｗがそれぞれ３〜４ｍｍ）より３０〜５０度低くすることができ、準３準位エネルギー系での発振が従来よりも容易になった。
【００１９】
図３は、本具体例の固体レーザ媒質６における温度分布を例示する模式図である。すなわち、図３（ａ）は固体レーザ媒質６およびヒートシンク７をレーザ光の出射面からみた模式図であり、図３（ｂ）は、固体レーザ媒質６の幅Ｗの方向の温度分布を表すグラフ図である。
【００２０】
本具体例の固体レーザ媒質６の場合、図３（ａ）に矢印で表したように、その上下方向に熱拡散する。このため、結晶内温度は、励起スポット６Ｅの中心で最大温度となり、そこから離れると急激に低下して、幅方向では近似的に一様の温度分布になる。このような温度分布により生じるストレスによる屈折率の軸方向は、固体レーザ媒質６の幅Ｗ方向になるため、幅Ｗ方向すなわち水平方向で効率よく偏光発振するように制御しやすくなる（ "Solid-State Laser Engineering"  Springer 1999,p449  参照）。
【００２１】
ＹＡＧ結晶は、光学的には等方的である。すなわち、ＹＡＧ結晶の屈折率は偏光方向によらず一定である。しかし、応力が負荷されると歪みを生ずるので、光学的に等方的ではなくなる。すなわち、偏光方向により屈折率が異なる複屈折が生ずる。この場合、１次近似では、ストレスの方向で最大の屈折率変化が生ずる。本実施形態の固体レーザ媒質６においては、板状の形状を有する固体レーザ媒質において図３（ｂ）に表したような温度分布が形成されることにより幅Ｗの方向にストレスが生じ、それが複屈折の主軸方向となる。その結果として、幅Ｗの方向にＴＥＭ００モードが生じやすくなり、安定したＴＥＭ００モードの発振が促進される。この効果は、固体レーザ媒質６の幅Ｗが厚さｔに対して大きいほど顕著になる傾向があり、幅Ｗを厚さｔの５倍以上とすると特に顕著となる。
【００２２】
一方、固体レーザ媒質６の材料としてＹＶＯ４やＧｄＶＯ４を用いる場合、これらの結晶はもともと複屈折性を有するので、その主軸方向を幅Ｗに一致させることが望ましい。
【００２３】
以上の構成により、利用価値の高いＴＥＭ００モードが低い閾値で効率よく得られるようになる。後に詳述するように、ＬｉＢ２Ｏ３，ＬｉＮｂＯ３などの非線形結晶により第２高調波の可視光を得るには、ＴＥＭ００モードの赤外光が必要である。これに対して、本実施形態によれば、固体レーザ媒質６の熱放散を一次元状にするため、その断面アスペクト比を大きくした薄板状の形状にすることによって、高効率なＴＥＭ００モード光源を実現できる。
【００２４】
なお、本願明細書において「赤外光」とは、可視光線の長波長端の８００ｎｍを下限とし、上限が１μｍの波長帯の光をいうものとする。
【００２５】
図４は、本実施形態の固体レーザ装置の発振特性を例示するグラフ図である。横軸はＬＤ励起パワー、縦軸は波長９４６ｎｍの出力パワーをそれぞれ表す。  
本実施形態によれば、閾値入力パワーは、従来（厚さｔ及び幅Ｗがそれぞれ３〜４ｍｍ）の半分の２〜３Ｗに下がり、入力４〜５Ｗにて約１ＷのＴＥＭ００モード出力が得られた。また、固体レーザ媒質６からの放熱を促進することにより、スロープ効率も向上する傾向がみられた。
【００２６】
従来は、固体レーザ媒質となるＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４など結晶は、光軸方向にみた縦横（すなわち、図２における厚さｔ及び幅Ｗ）が３〜４ｍｍ程度の断面形状を有していた。そのうちで、励起して発振に寄与するスポット径は０．１〜０．３ｍｍ程度である。ここで生じた発熱は固体結晶内を伝わり、外部の冷却媒体に伝導していく。固体レーザ媒体をなす結晶の熱伝導率は０．１〜０．０１Ｗ／ｃｍＫであり、銅などの金属に比べて１／１０〜１／１００であるために熱が伝わりにくい。特に３準位系では、温度上昇により下準位の熱分布が増大し、発振閾値がさらに高く、過大な励起パワーが必要であるという欠点が顕著となる。
【００２７】
Ｎｄ：ＹＡＧなどの９００ｎｍ帯の発振では、発振に寄与するレーザ活性イオンのエネルギー下準位レベルが、基底状態より上のエネルギー準位となるため、熱による分布がある。そのため再吸収があり、これを飽和させるための励起パワーが必要である。そのため、発振閾値が高くなり、励起パワーを余分に必要としている。いわゆる、準３準位系の発振スキームである。なお、１０６４ｎｍ帯の発振では、４準位系であるので下準位分布は室温でほとんど０であり、閾値は低い。
【００２８】
これに対して、本実施形態によれば、固体レーザ媒質を薄く形成しその断面アスペクト比を大きくした薄板状の形状にすることによって、Ｎｄ添加のＹＡＧやＹＶＯ４などの赤外光、特に３準位系の発振である９００ｎｍ帯で高効率に発振させることができる。
【００２９】
一方、固体レーザ媒質６として用いる結晶は、低温において熱伝導率が向上する傾向がある。例えば、温度７０ＫにおけるＹＡＧ結晶の熱伝導率は、室温の１０倍近くにまで上昇する。つまり、本実施形態によれば、固体レーザ媒質６の厚みｔを薄くし放熱を促進することにより、その熱伝導率も同時に上昇させ、冷却効果が重畳的に得られる。
【００３０】
図５は、本実施形態の第２の具体例の固体レーザ装置を表す模式図である。  
本具体例においては、固体レーザ媒質１２から放出されたレーザ光を非線形結晶１３に入射し、第２高調波のみを取り出すことができる。  
本具体例においても、励起光源としては、半導体レーザ９が設けられている。半導体レーザ９は、冷却系２２により適宜温度制御され、その発振特性が制御される。半導体レーザ９から放出されたレーザ光は、励起光学系１０においてコリメート・集光され、高反射ミラー１４を介して固体レーザ媒質１２に入射する。励起光学系１０の構成は、図１に関して前述したものと同様とすることができ、例えば、円柱レンズ２及び３、集光レンズ４などを適宜設けることができる。
【００３１】
固体レーザ媒質１２及びヒートシンク１１Ａも、図１及び図２に関して前述したものと同様とすることができる。そして、固体レーザ媒質１２の後段には、非線形結晶１３が配置されている。非線形結晶１３としては、例えば、β−ＢａＢ２Ｏ４、ＫＮｂＯ３、ＬｉＢ３Ｏ５、ＢｉＢＯなど可視光領域まで透過性が高く、室温付近で位相整合がとれる結晶を使うことができる。この非線形結晶１３の温度制御は、固体レーザ媒質１２よりも正確にする必要がある。
【００３２】
このため、本具体例においては、図２に表した具体例と同様に、非線形結晶１３の光軸の周囲を取り囲むように、銅などからなるヒートシンク１１Ｂが設けられている。そして、これらヒートシンク１１Ａ、１１Ｂは、放熱板２０に接合されている。放熱板２０は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性のよい材料の中間付近に、プラスチック材などの熱伝導性の低い熱絶縁体２１を接着し、一体に形成したものである。この絶縁体２１により、固体レーザ媒質１２と非線形結晶１３とを熱的に分離する。
【００３３】
そして、これらそれぞれの下方にペルチエ素子１７Ａ、１７Ｂを設けて、それぞれ温度制御可能とされている。このようすれば、固体レーザ媒質１２と非線形結晶１３とを独立にペルチエ素子１７Ａ、１７Ｂで温度調節することができ、最大効率を得ることができる。また、ペルチエ素子１７Ａ、１７Ｂが温度変化により収縮しても、固体レーザ媒質１２と非線形結晶１３の光軸は一定に保たれ、安定した波長変換を維持できる。
【００３４】
共振器を構成するミラーは基本波に対して１００％反射とし、基本波を共振器内に閉じ込める。そして、出力側のミラー１５のみ、第２高調波である青色光に対して透過となるようにミラーを形成する。これにより、固体レーザ媒質１２の材料であるＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４に対して、それぞれ、４７３ｎｍ、４５７ｎｍ、４５６ｎｍの青色光を効率よく発生させることができ、０．５〜１Ｗの出力パワーが得られる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、発振しにくい９００ｎｍ帯の半導体レーザ励起型固体レーザ装置の閾値を下げ、高い効率で発振させることができる。また、従来にくらべて使用する材料の体積も１／１０程度になり、軽量化やコンパクト化が実現され、材料の有効利用もできる。
【００３６】
また、このような半導体レーザ励起型固体レーザ装置を基本波光の光源として用い、β−ＢａＢ２Ｏ４，ＫＮｂＯ３，ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＢ３Ｏ５などの非線形結晶をレーザ共振器内に設置すことで、第２高調波である可視領域の光を効率よく発生できる。また、非線形結晶は共振器の外側に設置して、レンズによる集光照射することによっても第２高調波を発生させることができる。
【００３７】
本実施形態によれば、小型で効率の良い固体レーザ装置を提供することができる。その応用先としては、微細加工、医療、計測、エンターテインメント、プロジェクションディスプレイ装置などが挙げられる。同様な構成で、波長１０６４ｎｍや１３４０ｎｍ帯の発振も可能であり、その第２高調波である緑色光や赤色光の光源にも容易に適用できる。
【００３８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例には限定されない。例えば、固体レーザ装置を構成する各要素の構造、材料、サイズ、形成方法や、配置関係などについては、当業者が適宜選択したものも、本発明の要旨を含む限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体レーザ装置の要部構成を例示する模式図である。
【図２】本実施形態における固体レーザ媒質６の形態を例示する斜視模式図である。
【図３】本発明の具体例の固体レーザ媒質６における温度分布を例示する模式図である。
【図４】本実施形態の固体レーザ装置の発振特性を例示するグラフ図である。
【図５】本実施形態の第２の具体例の固体レーザ装置を表す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 半導体レーザ、  ２，３ 円柱レンズ、  ４ 集光レンズ、  ５ 高反射側ミラー、  ６ 固体レーザ媒質、  ６Ｅ 励起スポット、  ７ ヒートシンク、  ８ 出力ミラー、  ９ 半導体レーザ、 １０ 励起光学系、 １１Ａ、１１Ｂ ヒートシンク、 １２ 固体レーザ媒質、 １３ 非線形結晶、 １４ 高反射ミラー、 １５ 出力ミラー、 １７Ａ、１７Ｂ ペルチエ素子、 １８ ケース、 ２０ 放熱板、 ２１ 熱絶縁体、 ２２ 半導体レーザ冷却系
【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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