(57)【要約】      （修正有）【課題】紫外光を連続発振させることができる高効率、高出力、低コストのレーザーダイオード励起固体レーザーを得る。【解決手段】希土類元素イオンのうち少なくともＰｒ３＋が添加されたＹＬＦ等の固体レーザー結晶１４を、ＧａＮ系レーザーダイオード１１から発せられたレーザービーム１０によって励起し、それにより得られた固体レーザービーム２０を周期ドメイン反転構造を有する光波長変換素子１６に通して紫外域の第２高調波２１に波長変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素イオンのうち少なくともＰｒ3+が添加された固体レーザー結晶と、
ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮＡｓあるいはＧａＮＡｓからなる活性層を有し、前記固体レーザー結晶を励起するレーザービームを発するレーザーダイオードと、
前記固体レーザー結晶を励起して得られた固体レーザービームを紫外光に波長変換する光波長変換素子とを有することを特徴とするレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項２】
前記固体レーザー結晶における 3Ｐ0 → 3Ｆ4 の遷移によって波長がほぼ720 ｎｍの固体レーザービームを発振させ、
この固体レーザービームを前記光波長変換素子により第２高調波に波長変換して波長がほぼ360 ｎｍの紫外光を得る構成とされたことを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項３】
前記光波長変換素子が、周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結晶からなることを特徴とする請求項１または２記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項４】
前記光波長変換素子が、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＧｄＹＣＯＢのいずれかからなることを特徴とする請求項１または２記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザー結晶をレーザーダイオード（半導体レーザー）によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーに関し、特に詳細には、紫外光を得るように構成されたレーザーダイオード励起固体レーザーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば紫外線リソグラフィーや、レーザー励起による生体細胞の蛍光分析等においては、紫外域で連続発振する高効率、高出力のレーザーが求められている。
【０００３】
そのような紫外レーザーの一つとして、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮＡｓあるいはＧａＮＡｓからなる活性層を有するＧａＮ系の半導体レーザーが知られている。このＧａＮ系の半導体レーザーとしては、近時、発振波長400 ｎｍ、出力数ｍＷで連続１０００時間発振するものも提供されている。
【０００４】
また、非線形光学結晶を用いたＳＨＧ（第２高調波発生）あるいはＴＨＧ（第３高調波発生）により発振光を短波長化して、波長400 ｎｍ以下の紫外域のレーザービームを得る波長変換固体レーザーも知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしＧａＮ系の半導体レーザーにおいては、現状、多くの用途で求められる単一横モード発振で100 ｍＷ以上の出力を得ることは困難となっている。また波長380 ｎｍ以下では、発振効率が低下し、かつ寿命も大幅に短くなるという問題が認められている。
【０００６】
一方、ＳＨＧによって発振光を短波長化する波長変換固体レーザーでは、700〜 800ｎｍの波長帯で効率良く発振する固体レーザー媒質が見出されていないため、高出力を得るのが難しくなっている。
【０００７】
またＴＨＧによって発振光を短波長化する波長変換固体レーザーは、本来効率が低く、実際にはパルスモード発振しか実現されていない。それを連続モードで発振させるためには、基本波のＳＨＧ光を共振させる必要があるが、そのためには共振器を誤差0.01℃以下で高精度に温度調節しなければならず、コストを考えると実用化は極めて困難となっている。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みて、概ね 360ｎｍ以下の波長帯の紫外光を連続発振させることができる高効率、高出力、低コストのレーザーダイオード励起固体レーザー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】
【０００９】
本発明によるレーザーダイオード励起固体レーザーは、
希土類元素イオンのうち少なくともＰｒ3+が添加された固体レーザー結晶と、
ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮＡｓあるいはＧａＮＡｓからなる活性層を有し、上記固体レーザー結晶を励起するレーザービームを発するＧａＮ系レーザーダイオードと、
上記固体レーザー結晶を励起して得られた固体レーザービームを紫外光に波長変換する光波長変換素子とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
なお、上記の固体レーザー結晶としては、Ｐｒ3+のみがドープされたものや、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓｍ3+、Ｐｍ3+およびＮｄ3+のうちの少なくとも１つとＰｒ3+とが共ドープされたものが好適に用いられ得る。
【００１１】
また本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーの好ましい実施形態は、固体レーザー結晶における 3Ｐ0 → 3Ｆ4 の遷移によって波長がほぼ720 ｎｍの固体レーザービームを発振させ、この固体レーザービームを前記光波長変換素子により第２高調波に波長変換して波長がほぼ 360ｎｍの紫外光を得るように構成される。
【００１２】
一方上述の光波長変換素子としては、周期ドメイン反転構造を有する非線形光学結晶からなるものを好適に用いることができる。
【００１３】
さらに上述の光波長変換素子としては、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＧｄＹＣＯＢのいずれかからなるものも好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
Ｐｒ3+がドープされたＹＬＦ結晶等の固体レーザー結晶は、ＧａＮ系レーザーダイオードにより励起されて、700 〜800 ｎｍの波長帯で効率良く発振する。つまり例えば 3Ｐ0 → 3Ｆ4 の遷移によって、Ｐｒ3+の発振ラインである波長720ｎｍの赤外域の固体レーザービームを効率良く発振させるので、この固体レーザービームを光波長変換素子により第２高調波に波長変換すれば、波長 360ｎｍの高強度の紫外光を得ることができる。
【００１５】
一方Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓｍ3+、Ｐｍ3+およびＮｄ3+は波長380 〜430 ｎｍに吸収帯があり、ＧａＮ系レーザーダイオードによって励起され得る。そして、励起された電子をＰｒ3+の励起準位（例えば 3Ｐ0 もしくは 3Ｐ1）にエネルギー移動し、3Ｐ0 → 3Ｆ4 等の遷移によって下準位に落とすことにより、この場合もＰｒ3+の発振ラインである波長 720ｎｍの赤外域の固体レーザービームを効率良く発振させることができる。そこで上記と同様に、この固体レーザービームを光波長変換素子により第２高調波に波長変換すれば、波長 360ｎｍの高強度の紫外光を得ることができる。
【００１６】
なお、特に上述のように固体レーザービームを第２高調波に波長変換する場合は、第３高調波を発生させる場合のように構成が複雑化することがなく、低コストのレーザーダイオード励起固体レーザーが実現される。
【００１７】
また、上記の波長 380〜 430ｎｍはＧａＮ系レーザーダイオードが比較的発振しやすい波長帯であり、そして特に波長 400〜 410ｎｍは、現在提供されているＧａＮ系レーザーダイオードの最大出力が得られる波長帯であるので、Ｅｒ3+、Ｈｏ3+、Ｄｙ3+、Ｅｕ3+、Ｓｍ3+、Ｐｍ3+およびＮｄ3+をＧａＮ系レーザーダイオードによって励起すれば、励起光の吸収量が大きくなり、高効率化および高出力化が達成される。
【００１８】
一方、ＧａＮ系レーザーダイオードは熱伝導係数が130 Ｗ／ｍ℃と、ＺｎＭｇＳＳｅ系レーザーダイオードの４Ｗ／ｍ℃等と比べて極めて大きい。またそれに加えて、転移の移動度もＺｎＭｇＳＳｅ系レーザーダイオードと比べて非常に小さいことから、ＣＯＤ（カタストロフィック・オプティカル・ダメージ）が非常に高く、高寿命、高出力が得やすいものである。このような特性のＧａＮ系レーザーダイオードを励起光源として用いたことにより、本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、高寿命で、高出力の紫外域のレーザービームを発生可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示すものである。このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光としてのレーザービーム10を発するレーザーダイオード11と、発散光である上記レーザービーム10を集光する例えば屈折率分布型レンズからなる集光レンズ13と、Ｐｒ3+がドープされた固体レーザー媒質であるＬｉＹＦ4 結晶（以下、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶と称する）14と、このＰｒ：ＹＬＦ結晶14の前方側（図中右方側）に配された共振器ミラー15と、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶14と共振器ミラー15との間に配された光波長変換素子16およびエタロン17とを有している。
【００２０】
以上述べた要素14〜17は、例えば銅からなる共通のマウント30に取り付けられ、このマウント30は温度調節手段を構成するペルチェ素子31の上に固定されている。またレーザーダイオード11と集光レンズ13もそれぞれ銅等からなるマウント32、33に取り付けられ、これらのマウント32、33もペルチェ素子31の上に固定されている。このペルチェ素子31は、光出射窓35を有する密閉型ケース36の中に収納されている。
【００２１】
そして、マウント30に取り付けられたサーミスタ34が出力する温度検出信号に基づいて図示外の温度制御回路によりペルチェ素子31の駆動が制御されて、レーザーダイオード11および固体レーザー共振器（後述のようにＰｒ：ＹＬＦ結晶14および共振器ミラー15によって構成される）内の要素が全て共通の所定温度に制御される。
【００２２】
光波長変換素子16は、非線形光学材料である、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ3 結晶に周期ドメイン反転構造が設けられてなるものである。本例の場合、周期ドメイン反転構造の周期は、後述の基本波波長 720ｎｍおよび第２高調波波長360ｎｍに対して１次の周期となるように1.65μｍとされている。また波長選択素子としてのエタロン17は、固体レーザーを単一縦モード発振させて低ノイズ化を実現する。
【００２３】
レーザーダイオード11としては、ＩｎＧａＮ活性層を有し、波長 450ｎｍで発振するブロードエリア型のものが用いられている。またＰｒ：ＹＬＦ結晶14の光入射面である後方端面14ａには、波長 450ｎｍの光は80％以上の透過率で良好に透過させる一方、Ｐｒ3+の１つの発振線である波長 720ｎｍに対して高反射率（反射率99％以上さらに好ましくは99.9％以上）で、720ｎｍ以外のＰｒ3+の発振線 490〜650ｎｍおよび800ｎｍ以上に対しては低反射率（反射率60％以下さらに好ましくは30％以下）のコーティングが施されている。またＰｒ：ＹＬＦ結晶14の前方端面14ｂには、波長 720ｎｍに対して低反射率（反射率0.2％以下）で、その第２高調波波長 360ｎｍに対しては高反射率（反射率95％以上）のコーティングが施されている。一方共振器ミラー15のミラー面15ａには、波長 720ｎｍの光に対して高反射率（99％以上さらに好ましくは99.9％以上）で、波長 360ｎｍの光を95％以上透過させ、上記 490〜650ｎｍおよび800ｎｍ以上の光に対しては低反射率（60％以下さらに好ましくは30％以下）のコーティングが施されている。
【００２４】
レーザーダイオード11から発せられた波長 450ｎｍのレーザービーム10は、上記端面14ａを透過してＰｒ：ＹＬＦ結晶14に入射する。Ｐｒ：ＹＬＦ結晶14はこのレーザービーム10によってＰｒ3+が励起されることにより、波長 720ｎｍの光を発する。このときの遷移は、3Ｐ0 → 3Ｆ4 と考えられる。そしてＰｒ：ＹＬＦ結晶14の後方端面14ａと共振器ミラー15のミラー面15ａとで構成される共振器によりレーザー発振が引き起こされて、波長 720ｎｍの固体レーザービーム20が得られる。このレーザービーム20は光波長変換素子16に入射して、波長が１／２すなわち 360ｎｍの第２高調波21に変換される。
【００２５】
共振器ミラー15のミラー面15ａには前述の通りのコーティングが施されているので、この共振器ミラー15からはほぼ第２高調波21のみが出射する。この第２高調波21は、光出射窓35を透過して密閉型ケース36の外に出射する。
【００２６】
本実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、上記の通りＰｒ：ＹＬＦ結晶14をＩｎＧａＮレーザーダイオード11によって励起する構成を有するので、先に詳しく説明した理由により、高効率化、高出力化が実現される。具体的には、レーザーダイオード11の出力が２Ｗの場合で、第２高調波21の出力は 100ｍＷであった。
【００２７】
以上、ＣＷ動作について説明したが、Ｑスイッチ素子を共振器内に挿入することで、パルス動作にはなるが、波長変換効率を高め、２Ｗ励起で 500ｍＷの出力を得ることも可能である。あるいは、ＧａＮ系レーザーダイオードは高いＣＯＤを有することから、励起用レーザーダイオードをパルス駆動することで、同様に高効率、高出力の紫外パルス光を得ることも可能である。
【００２８】
次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての重複した説明は省略する。
【００２９】
この第２実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、図１の構成と比べると基本的に、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶14に代えてＰｒ3+およびＥｒ3+が共ドープされたＬｉＹＦ4 結晶（以下、Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶と称する）44が用いられ、またレーザーダイオード11に代えて、波長 400ｎｍのレーザービーム40を発するブロードエリア型ＩｎＧａＮレーザーダイオード41が用いられている点が異なるものである。
【００３０】
Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44の光入射面である後方端面44ａには、波長 400ｎｍの光は80％以上の透過率で良好に透過させる一方、Ｐｒ3+の１つの発振線である波長 720ｎｍに対して高反射率（99％以上さらに好ましくは99.9％以上）で、720ｎｍ以外のＰｒ3+の発振線 490〜650ｎｍおよび800ｎｍ以上に対しては低反射率（60％以下さらに好ましくは30％以下）のコーティングが施されている。またＰｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44の前方端面44ｂには、波長 720ｎｍに対して低反射率（反射率0.2％以下）で、その第２高調波波長 360ｎｍに対しては高反射率（反射率95％以上）のコーティングが施されている。一方共振器ミラー15のミラー面15ａには、波長 720ｎｍの光に対して高反射率（99％以上さらに好ましくは99.9％以上）で、波長 360ｎｍの光を95％以上透過させ、上記 490〜650ｎｍおよび800ｎｍ以上の光に対しては低反射率（60％以下さらに好ましくは30％以下）のコーティングが施されている。
【００３１】
レーザーダイオード11から発せられた波長 400ｎｍのレーザービーム40は、上記端面44ａを透過してＰｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44に入射する。Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44はこのレーザービーム40によってＥｒ3+が励起され、励起された電子がＰｒ3+の励起準位にエネルギー移動し、下準位に落ちることにより、Ｐｒ3+の１つの発振線である波長 720ｎｍの光を発する。なお、この場合の遷移は 3Ｐ0 →3Ｆ4 と考えられる。
【００３２】
そしてＰｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44の後方端面44ａと共振器ミラー15のミラー面15ａとで構成される共振器によりレーザー発振が引き起こされて、波長 720ｎｍの固体レーザービーム20が得られる。このレーザービーム20は光波長変換素子16に入射して、波長が１／２すなわち 360ｎｍの第２高調波21に変換される。
【００３３】
共振器ミラー15のミラー面15ａには前述の通りのコーティングが施されているので、この共振器ミラー15からはほぼ第２高調波21のみが出射する。この第２高調波21は、光出射窓35を透過して密閉型ケース36の外に出射する。
【００３４】
本実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーは、上記の通りＰｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶44をＩｎＧａＮレーザーダイオード41によって励起する構成を有するので、先に詳しく説明した理由により、高効率化、高出力化が実現される。具体的には、レーザーダイオード41の出力が２Ｗの場合で、第２高調波21の出力は100ｍＷであった。
【００３５】
以上、ＩｎＧａＮから活性層を構成したレーザーダイオードについて説明したが、ＩｎＧａＮＡｓ系材料あるいはＧａＮＡｓ系材料から活性層を構成したレーザーダイオードを励起用光源として用いることも可能である。特に、固体レーザー結晶の吸収帯が長波長側にずれている場合は、ＩｎＧａＮ系レーザーダイオードと比べてより長波長化が実現しやすいＩｎＧａＮＡｓ系あるいはＧａＮＡｓ系レーザーダイオードを用いるのが望ましく、それにより吸収効率を向上させることができる。
【００３６】
またレーザー母材結晶としては、上の実施形態で説明したＹＬＦに限らず、ＢａＹ2 Ｆ8 、Ｂａ（Ｙ，Ｙｂ）2 Ｆ8 、ＬａＦ3 、Ｃａ（ＮｂＯ3 ）2 、ＣａＷＯ4 、ＳｒＭｏＯ4 、ＹＡｌＯ3 （ＹＡＰ）、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12（ＹＡＧ）、Ｙ2ＳｉＯ5 、ＹＰ5 Ｏ14 、ＬａＰ5 Ｏ14 、ＬｕＡｌＯ3 、ＬａＣｌ3 、ＬａＢｒ3 、ＰｒＢｒ3 等を用いることもできる。
【００３７】
一方光波長変換素子の周期ドメイン反転構造には、１次の周期に限らず、３次の周期を適用してもよい。720ｎｍ発振の時の３次周期は、4.95μｍとなる。また光波長変換素子としては、周期ドメイン反転構造を有するものに限らず、Ｂ−ＢａＢＯ3 、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＧｄＹＣＯＢ、ＹＣＯＢ等からなるものを用いることもできる。さらに励起用レーザーダイオードとしては、ブロードエリア型のものだけでなく、ＭＯＰＡ、α−ＤＦＢ構造を有するもの等も同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す概略側面図
【図２】本発明の第２実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示す概略側面図
【符号の説明】
【００３９】
10，40    レーザービーム（励起光）
11，41    ＩｎＧａＮ系レーザーダイオード
13    集光レンズ
14    Ｐｒ：ＹＬＦ結晶
14ａ    Ｐｒ：ＹＬＦ結晶の後方端面
14ｂ    Ｐｒ：ＹＬＦ結晶の前方端面
15    共振器ミラー
15ａ    共振器ミラーのミラー面
16    光波長変換素子
17    エタロン
30、32、33    マウント
31    ペルチェ素子
44    Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶
44ａ    Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶の後方端面
44ｂ    Ｐｒ，Ｅｒ：ＹＬＦ結晶の前方端面
【図１】
2007281499.tif 000003
【図２】
2007281499.tif 000004