(57)【要約】【課題】側面励起型で板状の一軸性レーザー材料を用いた、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、レーザー材料での励起光の吸収分布を容易に均一化し、横モード特性を改善する。【解決手段】半導体レーザーにより固体レーザー材料１０２を励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記固体レーザー材料１０２は板状の一軸性結晶を用い、その励起方向はレーザー出力方向と直交する方向より励起する構成を有し、且つ、半導体レーザー(LD)光を、前記固体レーザー材料１０２のｃ軸方向と当該LDの偏光方向１０１が平行になるように入射させ、前記固体レーザー材料１０２の内部において複数回反射させ、吸収する。【選択図】図１
2007208002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザーにより固体レーザー材料を励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、
前記固体レーザー材料は板状の一軸性結晶を用い、その励起方向はレーザー出力方向と直交する方向より励起する構成を有し、且つ、半導体レーザー光を、前記固体レーザー材料のｃ軸方向と当該半導体レーザー光の偏光方向が平行になるように入射させ、前記固体レーザー材料の内部において複数回反射させ、吸収することを特徴とする半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項２】
前記固体レーザー材料のｃ軸方向と垂直な面方向から前記半導体レーザー光を入射させることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項３】
前記固体レーザー材料のｃ軸方向と平行な面方向から前記半導体レーザー光を入射させることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項４】
前記固体レーザー材料の構成が、希土類または遷移金属が添加された領域と添加されていない領域とで構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項５】
前記固体レーザー材料の構成が、希土類が添加された領域と添加されていない領域とがｃ軸方向に積層している構成であることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【請求項６】
前記半導体レーザー光が複数方向から入射している構成を有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザー装置に関する発明であり、詳細には、半導体レーザー励起固体レーザー装置、もしくは、半導体レーザー励起波長変換型固体レーザー装置に関し、異なる複数の波長の発振を可能にするものである。また、本装置は、レーザープリンター、レーザースキャンディスプレイ、レーザーを用いたプロジェクター等に使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー光を利用した装置として、光ディスク装置やレーザープリンター、レーザー計測器などの製品が実用化されている。また、将来的な実用化を目指し、レーザーディスプレイ等も開発、検討が進められている。上記の様な応用に対しては、レーザー光源の短波長化の要求や、色の三原色（赤、青、緑色）光源などの要求がある。これらの要求に対しては、半導体レーザー素子の開発や波長変換レーザーの開発が進められている。特に、高出力（~10W程度）のレーザー光源を必要とする応用に対しては、固体レーザーを用いた波長変換光源が適しており、様々な研究機関が開発に取り組んでいる。特に、レーザーディスプレイ等の応用を考えた場合には、レーザー光源の小型化は不可欠であり、高輝度な光源が理想である。また、その出力は高出力のものほど良く、広い応用が考えられる。よって、高輝度なレーザー光源としては固体レーザーが有効であり、下記のような従来例が出願されている。
【０００３】
第一従来例として、特許文献１を示す。第一従来例は固体レーザーの高出力化の為に、ディスク状のレーザー結晶内に希土類を添加した領域を設け、側面より半導体レーザーによる励起する構成とし、効率的なレーザー結晶の放熱を実施することにより、高出力化を実現している。この場合には、ＹＡＧ結晶を想定した発明であり、ＹＶＯ４結晶やＧｄＶＯ４結晶等の一軸性結晶を想定した場合には、励起分布を均一化する方策が取られていない。上記のように、レーザーディスプレイ等への応用を念頭においた場合には、波長変換による第二高調波を発生させ、可視領域の波長を出力する必要があるが、その場合には直線偏光が出力出来る、一軸性結晶がレーザー材料としては有効であり、その場合に横モードの制御が重要な課題となるが、第一従来例では一軸性結晶に対する励起分布の十分な均一化がなされておらず、レーザー材料の励起分布に起因する横モードの低下が起きてしまう。また、これによりモードマッチング効率も低下し、発振効率も低下する。
【０００４】
第二従来例として、特許文献２を示す。第二従来例も固体レーザーの高出力化の為に、ディスク状のレーザー結晶を用い、効率的なレーザー結晶の放熱を実施することにより、高出力化を実現している。これに関しても、第一従来例と同様に、ＹＡＧ結晶を前提とした発明であり、一軸性結晶に対応できるものではない。
【０００５】
一軸性結晶に対しては、そのｃ軸方向と励起半導体レーザーの偏光方向を合わせることで効率的な励起が出来、且つ、ｃ軸方向の利得が大きい為、ｃ軸方向での直線偏光発振が実現できる。しかしながら、ａ軸方向に関しては吸収がｃ軸に対して小さく、励起効率が良くない。このため、励起の方向を均一化しないと、均一な励起を行うことは出来ない。端面励起型の半導体レーザー励起固体レーザーにおいては、この問題は大きな問題ではなかったが、レーザー材料の側面より励起する構成を採用した場合には、均一な励起状態を作る為には注意が必要である。
【０００６】
この様に、一軸性結晶を用いた、側面励起型の半導体レーザー励起固体レーザーにおいて、励起分布を容易に均一化できる構成は、発明されていないのが現状である。
【特許文献１】特許第３５０３５８８号公報
【特許文献２】米国特許第５５５３０８８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、側面励起型で板状の一軸性レーザー材料を用いた、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、レーザー材料での励起光の吸収分布を容易に均一化し、横モード特性を改善することを目的としている。
【０００８】
特に、板状の一軸性結晶に対し、励起方向をレーザー出力方向と直交する方向より励起する構成に対して、レーザー材料のｃ軸方向と半導体レーザー光の偏光方向を平行にして入射し、固体レーザー材料の内部において複数回反射を行い、吸収させることで、レーザー結晶内の吸収分布を容易に均一化し、レーザー発振時の横モードに対する改善を行うことを目的としている。
【０００９】
また、板状の固体レーザー材料のｃ軸と垂直な面方向から半導体レーザー光を入射させることにより、半導体レーザー光のレーザー材料内の反射面をｃ軸と平行な面の全面とすることが出来る。これにより、より多くの反射回数を得ることが可能となり、より均一な励起状態を作り出し、横モードを改善することを目的としている。
【００１０】
また、板状の固体レーザー材料のｃ軸と平行な面方向から半導体レーザー光を入射させることにより、よりｃ軸と半導体レーザーの偏光方向を一致させる構造が取りやすくなる。これによって、吸収の効率が向上し、全体システムの高効率化を図ることを目的としている。
【００１１】
また、板状の固体レーザー材料の構成が、希土類、もしくは遷移金属が添加された領域と添加されていない領域とで構成することによって、無添加領域を半導体レーザー光の光ガイドの機能として使用することが出来るため、励起効率が向上するだけでなく、全体システムのレイアウトの自由度が向上する。また、半導体レーザー光を吸収する添加領域での発熱を無添加領域から取り除くことが可能になる為、熱レンズ効果がさらに低減出来るため、横モードがさらに向上することを目的としている。
【００１２】
また、板状の固体レーザー材料の構成が、希土類が添加された領域と添加されていない領域とがｃ軸方向に積層している構成とすることで、レーザー材料がより製造しやすい構成としより簡便に装置を提供することを目的としている。
【００１３】
また、励起を行う半導体レーザー光は複数方向から入射している構成とすることで、励起光の半導体レーザーの出力を増加させることと、複数光路からの励起が可能となり、より出力が向上するだけでなく、励起分布も大きく改善し、横モードも向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明の態様は、半導体レーザーにより固体レーザー材料を励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、
前記固体レーザー材料は板状の一軸性結晶を用い、その励起方向はレーザー出力方向と直交する方向より励起する構成を有し、且つ、半導体レーザー光を、前記固体レーザー材料のｃ軸方向と当該半導体レーザー光の偏光方向が平行になるように入射させ、前記固体レーザー材料の内部において複数回反射させ、吸収することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記固体レーザー材料のｃ軸方向と垂直な面方向から前記半導体レーザー光を入射させることを特徴とする。また、前記固体レーザー材料のｃ軸方向と平行な面方向から前記半導体レーザー光を入射させることを特徴とする。
【００１６】
また、前記固体レーザー材料の構成が、希土類または遷移金属が添加された領域と添加されていない領域とで構成されていることを特徴とし、さらに、前記固体レーザー材料の構成が、希土類が添加された領域と添加されていない領域とがｃ軸方向に積層している構成であることを特徴とする。
【００１７】
前記半導体レーザー光が複数方向から入射している構成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、側面励起型で板状の一軸性レーザー材料を用いた、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、レーザー材料での励起光の吸収分布を容易に均一化し、横モード特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置の最良の形態を実施例として説明する。説明する際には、本明細書と同時に提出する図面を適宜参照することにする。
【００２０】
第一実施例を図１に示す。第一実施例は、励起用半導体レーザー（図示せず）、板状レーザー材料１０２から構成されている。板状レーザー材料は、サイズが1.0mm×1.0mm×0.5mm（ｃ軸×ａ軸×ａ軸）で単結晶Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶で形成している。その面にはコーティングが施してあり、Ｃ１面は1064nmに対して透過率3%、対向するＣ２面には1064nmに対して全反射としている。これにより、1064nmに対する光共振器を形成し、レーザー発振を実施する。また、LD光の入射面である、Ｂ面は励起光波長である808nmに対して、無反射コーティングを実施している。また、励起光の反射面である、Ａ面に対しては808nmに対して全反射コートを施している。レーザー材料の結晶軸方向は図１に示してある方向に配置し、励起光である半導体レーザー光の偏光方向１０１を図１の様に、レーザー材料c軸と平行としている。
【００２１】
その動作は、励起光であるLD光がレーザー材料のｃ軸と直交する面から入射する。この場合には、両面から２方向のLD光で励起するため、２方向からLD光が入射する。入射したLD光は結晶のＡ面で反射を繰り返し、レーザー材料全体を励起する。ここで、励起光が２方向から励起しているので、さらに均一性が増す。また、LD光の偏光方向１０１とレーザー材料のｃ軸方向を平行としているため、励起もｃ軸に対して効率的に実施できる。励起されたレーザー材料は、先に示した光共振器によって、レーザー発振に至る。その場合には図１の方向にレーザー出力が出射され、偏光方向が直線偏光として出力される。
【００２２】
ここで、第一実施例では、励起光を結晶内で複数回反射させる構成であるため、励起光の偏光状態を保持しながら、励起密度を均一化できる。また、励起光をｃ軸と垂直面から入射させるため、ｃ軸と平行な面を反射面として全面使用出来るため、反射の効率や回数を向上でき、より均一な励起が出来る。また、複数方向から、励起を実施しているため、出力の向上だけでなく、さらに励起を均一化でき、横モードの改善に繋がった。
【００２３】
第二実施例を図２に示す。第二実施例は、励起用半導体レーザー（図示せず）、板状レーザー材料１０２から構成されている。板状レーザー材料は、サイズが1.0mm×1.0mm×0.5mm（ｃ軸×ａ軸×ａ軸）で単結晶Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶で形成している。その面にはコーティングが施してあり、Ｃ１面は1064nmに対して透過率3%、対向するＣ２面には1064nmに対して全反射としている。これにより、1064nmに対する光共振器を形成し、レーザー発振を実施する。また、LD光の入射面であるＡ面は、励起光入射部分は励起光波長である808nmに対して、無反射コーティングを実施している。また、励起光の反射面では808nmに対して全反射コートを施している。レーザー材料の結晶軸方向は図２に示してある方向に配置し、励起光である半導体レーザー光の偏光方向２０１を図１と同様に、レーザー材料c軸と平行としている。
【００２４】
その動作は、励起光であるLD光がレーザー材料のｃ軸と直交する面から入射する。この場合には、両面から２方向のLD光で励起するため、２方向からLD光が入射する。入射したLD光は結晶のＡ面で反射を繰り返し、レーザー材料全体を励起する。ここで、励起光が2方向から励起しているので、さらに均一性が増す。また、LD光の偏光方向２０１とレーザー材料のｃ軸方向を平行としているため、励起もｃ軸に対して効率的に実施できる。励起されたレーザー材料は、先に示した光共振器によって、レーザー発振に至る。その場合には図２の方向にレーザー出力が出射され、偏光方向が直線偏光として出力される。
【００２５】
ここで、第二実施例では、励起光を結晶内で複数回反射させる構成であるため、励起光の偏光状態を保持しながら、励起密度を均一化できる。また、励起光をｃ軸と平行から入射させるため、励起光の偏光方向とレーザー材料のｃ軸方向をより合わせることが可能になる為、効率よく励起光をレーザー発振に寄与できる様に出来た。また、複数方向から、励起を実施しているため、出力の向上だけでなく、さらに励起を均一化でき、横モードの改善に繋がった。
【００２６】
第三実施例を図３に示す。第三実施例は、励起用半導体レーザー（図示せず）、板状レーザー材料２０２から構成されている。板状レーザー材料は、サイズが5.0mm×5.0mm×0.5mm（ｃ軸×ａ軸×ａ軸）で、Ｎｄが添加された単結晶Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶をコア部分（φ0.5ｍｍ）とし、その周辺を、Ｎｄを添加していないセラミックスＹＡＧで形成している。その面にはコーティングが施してあり、Ｃ１面は1064nmに対して透過率3%、対向するＣ２面には1064nmに対して全反射としている。これにより、1064nmに対する光共振器を形成し、レーザー発振を実施する。また、LD光の入射面であるＡ面は、励起光入射部分は励起光波長である808nmに対して、無反射コーティングを実施している。また、励起光の反射面では808nmに対して全反射コートを施している。レーザー材料の結晶軸方向は図３に示してある方向に配置し、励起光である半導体レーザー光の偏光方向３０１を図１と同様に、レーザー材料c軸と平行としている。
【００２７】
その動作は、励起光であるLD光がレーザー材料のｃ軸と直交する面から入射する。この場合には、両面から２方向のLD光で励起するため、２方向からLD光が入射する。入射したLD光は結晶のＡ面で反射を繰り返し、レーザー材料全体を励起する。ここで、励起光が２方向から励起しているので、さらに均一性が増す。また、LD光の偏光方向３０１とレーザー材料のｃ軸方向を平行としているため、励起もｃ軸に対して効率的に実施できる。励起されたレーザー材料は、先に示した光共振器によって、レーザー発振に至る。その場合には図３の方向にレーザー出力が出射され、偏光方向が直線偏光として出力される。
【００２８】
ここで、第三実施例では、励起光を結晶内で複数回反射させる構成であるため、励起光の偏光状態を保持しながら、励起密度を均一化できる。また、励起光をｃ軸と平行から入射させるため、励起光の偏光方向とレーザー材料のｃ軸方向をより合わせることが可能になる為、効率よく励起光をレーザー発振に寄与できる様に出来た。また、レーザー材料を複合材料とすることで、励起によって発熱することによる、熱レンズ効果等の悪影響を抑制することが出来、より出力安定化や、高出力化が可能になった。また、複数方向から、励起を実施しているため、出力の向上だけでなく、さらに励起を均一化でき、横モードの改善に繋がった。
【００２９】
第四実施例を図４に示す。第四実施例は、励起用半導体レーザー（図示せず）、板状レーザー材料２０２から構成されている。板状レーザー材料は、サイズが5.0mm×5.0mm×0.5mm（ｃ軸×ａ軸×ａ軸）で、Ｎｄが添加された単結晶Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶をコア部分（0.5ｍｍ□）とし、その周辺を、Ｎｄを添加していないＧｄＶＯ４結晶で形成している。その面にはコーティングが施してあり、Ｃ１面は1064nmに対して透過率3%、対向するＣ２面には1064nmに対して全反射としている。これにより、1064nmに対する光共振器を形成し、レーザー発振を実施する。また、LD光の入射面であるＡ面は、励起光入射部分は励起光波長である808nmに対して、無反射コーティングを実施している。また、励起光の反射面では808nmに対して全反射コートを施している。レーザー材料の結晶軸方向は図４に示してある方向に配置し、励起光である半導体レーザー光の偏光方向４０１を図１と同様に、レーザー材料c軸と平行としている。
【００３０】
その動作は、励起光であるLD光がレーザー材料のｃ軸と直交する面から入射する。この場合には、両面から２方向のLD光で励起するため、２方向からLD光が入射する。入射したLD光は結晶のＡ面で反射を繰り返し、レーザー材料全体を励起する。ここで、励起光が２方向から励起しているので、さらに均一性が増す。また、LD光の偏光方向４０１とレーザー材料のｃ軸方向を平行としているため、励起もｃ軸に対して効率的に実施できる。励起されたレーザー材料は、先に示した光共振器によって、レーザー発振に至る。その場合には図４の方向にレーザー出力が出射され、偏光方向が直線偏光として出力される。
【００３１】
ここで、第四実施例では、励起光を結晶内で複数回反射させる構成であるため、励起光の偏光状態を保持しながら、励起密度を均一化できる。また、励起光をｃ軸と平行から入射させるため、励起光の偏光方向とレーザー材料のｃ軸方向をより合わせることが可能になる為、効率よく励起光をレーザー発振に寄与できる様に出来た。また、レーザー材料をｃ軸方向に積層した複合材料とすることで、結晶の作製がより簡便で、励起によって発熱することによる、熱レンズ効果等の悪影響を抑制することが出来、より出力安定化や、高出力化が可能になった。また、複数方向から、励起を実施しているため、出力の向上だけでなく、さらに励起を均一化でき、横モードの改善に繋がった。
【００３２】
本実施例では、レーザー結晶としてＧｄＶＯ４結晶を示したが、一軸性結晶であれば使用できる。また、結晶によっては２軸性の結晶に関しても適応出来る。また、半導体レーザーの励起方向を２方向で示しているが、３方向、４方向でも問題なく、それ以上でも適応できる。また、レーザー材料中の反射回数に関しては、励起光の偏光方向が保持可能であれば回数に制限は無く、反射角度や回数は、レーザー材料の希土類添加量によって、設計される事項である。
【００３３】
本形態を実施することにより、側面励起型で板状の一軸性レーザー材料を用いた、半導体レーザー励起固体レーザー装置において、レーザー材料での励起光の吸収分布を容易に均一化し、横モード特性を改善するという効果を奏する。
【００３４】
特に、板状の一軸性結晶に対し、励起方向をレーザー出力方向と直交する方向より励起する構成に対して、レーザー材料のｃ軸方向と半導体レーザー光の偏光方向を平行にして入射し、固体レーザー材料の内部において複数回反射を行い、吸収させることで、レーザー結晶内の吸収分布を容易に均一化し、レーザー発振時の横モードに対する改善に効果があった。
【００３５】
また、板状の固体レーザー材料のｃ軸と垂直な面方向から半導体レーザー光を入射させることにより、半導体レーザー光のレーザー材料内の反射面をｃ軸と平行な面の全面とすることが出来る。これにより、より多くの反射回数を得ることが可能となり、より均一な励起状態を作り出し、横モードを改善に効果があった。
【００３６】
また、板状の固体レーザー材料のｃ軸と平行な面方向から半導体レーザー光を入射させることにより、よりｃ軸と半導体レーザーの偏光方向を一致させる構造が取りやすくなる。これによって、吸収の効率が向上し、全体システムの高効率化に効果を示した。
【００３７】
また、板状の固体レーザー材料の構成が、希土類、もしくは遷移金属が添加された領域と添加されていない領域とで構成することによって、無添加領域を半導体レーザー光の光ガイドの機能として使用することが出来るため、励起効率が向上するだけでなく、全体システムのレイアウトの自由度が向上する。また、半導体レーザー光を吸収する添加領域での発熱を無添加領域から取り除くことが可能になる為、熱レンズ効果がさらに低減出来るため、横モードがさらに向上効果があった。
【００３８】
また、板状の固体レーザー材料の構成が、希土類が添加された領域と添加されていない領域とがｃ軸方向に積層している構成とすることで、レーザー材料がより製造しやすい構成としより簡便に装置を提供出来る効果があった。
【００３９】
また、励起を行う半導体レーザー光は複数方向から入射している構成とすることで、励起光の半導体レーザーの出力を増加させることと、複数光路からの励起が可能となり、より出力が向上するだけでなく、励起分布も大きく改善し、横モードも向上した。
【００４０】
なお、上述した形態は本発明の半導体レーザー励起固体レーザー装置を実施するための最良のものであるがこれに限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲においてその実施形式を種々変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第一実施例について図示したものである。
【図２】第二実施例について図示したものである。
【図３】第三実施例について図示したものである。
【図４】第四実施例について図示したものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０１、２０１、３０１、４０１    LD偏光方向
１０２、２０２、３０２、４０２    板状レーザー材料
【図１】
2007208002.tif 000003
【図２】
2007208002.tif 000004
【図３】
2007208002.tif 000005
【図４】
2007208002.tif 000006