(57)【要約】【課題】緑色レーザの高出力化を図る。【解決手段】ＹＶＯ4結晶であるレーザ媒質３の励起光入射側端面に、該媒質３に接触する第１層と最も外側の最終層とが低屈折誘電体であるＳｉＯ2膜層４ａであり、その間がＳｉＯ2膜層４ａと高屈折誘電体であるＴａ2Ｏ5膜層４ｂとが交互に積層されて成る誘電体多層膜４を形成する。この各膜層４ａ、４ｂの膜厚を適宜に調整することで、励起光の波長８０９ｎｍを９９．９％以上透過し、基本波光の波長（１０６４ｎｍ）と出力光の波長（５３２ｎｍ）の波長を９９．９％以上反射する選択性反射層となる。また、光エネルギーの吸収により形成される電界がレーザ媒質３や空気中に逃げ易いので、多層膜４の損傷が起こりにくく、レーザ出力を上げるにも有利である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光により励起されて基本波光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質の励起光入射側端面に形成された選択性反射層と、該選択性反射層との間で前記基本波光及びその高調波光を共振させる共振器を形成する出力ミラーと、前記レーザ媒質と前記出力ミラーとの間に挿入された、基本波光から高調波光を生成する非線形光学素子と、を具備する固体レーザ装置において、
前記レーザ媒質はＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、
前記選択性反射層は、前記Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶に接触する初期層と最も外側に位置する最終層とが共に酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜層であって、その間が五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）膜層と酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜層とが交互に配置されて成る誘電体多層膜であることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】
前記誘電体多層膜は、基本波光の波長：１０６４ｎｍ及びその１／２の波長：５３２ｎｍを反射させ、励起光の波長：８０９ｎｍの波長光を透過させるものであることを特徴とする請求項１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、さらに詳しくは、高出力の緑色（グリーン）レーザ光を出力するために好適な固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、緑色、青色等の短波長レーザは、干渉計、光ディスク用ピックアップ、印刷装置など幅広い分野において注目されており、こうしたレーザ光を発生するレーザ装置の研究・開発が各所で積極的に進められている。このような短波長レーザ装置の一つとして、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）レーザ装置が従来より知られている。ＳＨＧレーザ装置は、励起光を放出する半導体レーザ（ＬＤ）と、その励起光で励起されることで基本波光を誘導放出するレーザ媒質と、基本波光から波長が１／２である第２高調波光を生成する波長変換素子と、レーザ媒質の励起光入射面に形成された選択性反射層との間で光を往復反射させつつ一部の光を透過させて出力する出力ミラーと、を基本的な構成要素として含む。
【０００３】
レーザ媒質としては一般的に、青色（４７３ｎｍ）レーザ用としてはＮｄ：ＹＡＧ結晶が、緑色（５３２ｎｍ）レーザ用としてはＮｄ：ＹＶＯ4結晶がよく使用される。一方、波長変換素子としては非線形光学結晶であるＫＮ（ＫＮｂＯ3）やＫＴＰ（ＫＴｉＯ4）、或いは擬似位相整合（ＱＰＭ）素子が使用される（例えば特許文献１など参照）。
【０００４】
こうした短波長レーザ装置の中で、青色レーザについては比較的高出力のものが得られているが、緑色レーザについては未だ高出力化が十分であるとは言えない。その理由の１つは、従来の緑色レーザ対応のＳＨＧレーザ装置ではレーザ媒質の一端面に形成される選択性反射層の性能が必ずしも十分でないためである。具体的には、緑色レーザ対応の選択性反射層として満たすべき性能の条件は、
（１）基本波の波長（１０６４ｎｍ）と取り出したい基本波の１／２の波長（５３２ｎｍ）に対する反射率ができるだけ１００％に近いこと、
（２）励起光の波長（８０９〜８１２ｎｍ、半値幅４ｎｍ）に対する透過率ができるだけ１００％に近いこと、
（３）損傷値を向上させるために基本波の波長（１０６４ｎｍ）における膜層中での吸収・散乱ができるだけ０％に近いこと、
である。特に、上記（１）、（２）の条件は発振効率を高めて出力を高くするのに重要であり、（３）の条件は出力を高めたときに反射層が発熱により損傷することを防止するために重要である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０５９９６４号公報（段落０００２−０００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、レーザ媒質の一端面に形成する選択性反射層の性能を向上させることにより、高出力で信頼性の高い固体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明は、励起光により励起されて基本波光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質の励起光入射側端面に形成された選択性反射層と、該選択性反射層との間で前記基本波光及びその高調波光を共振させる共振器を形成する出力ミラーと、前記レーザ媒質と前記出力ミラーとの間に挿入された、基本波光から高調波光を生成する非線形光学素子と、を具備する固体レーザ装置において、
前記レーザ媒質はＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、
前記選択性反射層は、前記Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶に接触する初期層と最も外側に位置する最終層とが共にＳｉＯ2膜層であって、その間がＴａ2Ｏ5膜層とＳｉＯ2膜層とが交互に配置されて成る誘電体多層膜であることを特徴としている。
【０００８】
一般的には励起光を発生するためには半導体レーザ（レーザダイオード）が使用される。また、上記非線形光学素子はＫＮやＫＴＰなどの非線形光学結晶又は擬似位相整合素子のいずれでもよい。また、出力ミラーは単独の光学素子でもよいが、非線形光学素子の一方の（レーザ媒質が存在する側とは反対側の）端面に形成された反射層とすることもできる。また、レーザ媒質と非線形光学素子とは所定間隔離れていてもよいが、密着した状態であってもよい。
【０００９】
本発明に係る固定レーザ装置を緑色レーザに適用する場合には、上記誘電体多層膜は、出力光の波長（基本波光の１／２）である５３２ｎｍ及びその２倍の１０６４ｎｍの波長光（基本波光）を反射させ、例えば半導体レーザから出射される励起光の波長である８０９ｎｍの波長光を透過させるものとする。
【００１０】
ＳｉＯ2は低屈折率物質（屈折率：１．４６１、但し設計波長７１１ｎｍにおいて）であり、Ｔａ2Ｏ5は高屈折率物質（屈折率：２．１８３２、但し設計波長７１１ｎｍにおいて）であり、この２種類の材料による膜層を交互にそれぞれ適宜の膜厚で多数積層させることにより、選択性反射の機能を持つ多層膜を形成する。反射率を全体に高くするには、高屈折膜層と低屈折膜層との屈折率の差が大きいことが好ましいが、ＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5との組み合わせはこうした点で好適である。
【００１１】
また、膜層の総数は特に限定されないが、一般的には２０以上とする必要があり、典型的には２５〜３１程度である。その中で、結晶側からの数層と外側からの数層とを除いた中間の膜層は、第１膜厚であるＳｉＯ2と第２膜厚であるＴａ2Ｏ5との２層を１組としたものの繰り返しとされる。このときの第１膜厚及び第２膜厚は、基本的には、光学的膜厚が目的とする光の波長の１／２の整数倍になるように定められる。主として、上記１組の膜層に繰り返しによって、反射率や透過率、波長特性などの誘電体多層膜としての基本的な性質が決まる。
【００１２】
また誘電体多層膜内での電界強度の分布は、各膜層の境界面での繰り返し反射の重ね合わせにより形成される。従って、膜層の光学的膜厚を変えると電界強度のピークは光学的膜厚の厚さ方向にシフトする。そこで、上述した結晶側からの数層と外側からの数層において、各膜層の膜厚を波長帯域などの基本的な光学特性に影響のない範囲で調整することにより、電界強度のピークがＴａ2Ｏ5膜層内ではなくＳｉＯ2膜層内に来るようにシフトさせる。このように電界強度のピークが低屈折膜層内に存在すると、そのピークが高屈折膜層内に存在する場合に比べて吸収によるエネルギーの損失を抑えることができる。それにより、反射率を従来よりも一段と改善して１００％に近付けることができる。
【００１３】
また、結晶に低屈折膜層のＳｉＯ2膜層が密着しており、さらに一番外側で空気に広い面積で接触する最終層もＳｉＯ2膜層であるため、上記のように集中した電界が誘電体多層膜の外側、つまり結晶や空気中に逃げ易い。そのために、誘電体多層膜自体が光のエネルギー吸収により高温になることを抑制することができ、熱損傷を起こしにくくすることができる。それによって、レーザ出力を上げることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る固体レーザ装置によれば、レーザ媒質の一端面に形成する誘電体多層膜の性能に関し、目的とする出力光の波長（５３２ｎｍ）及び波長がその２倍である基本波光の波長（１０６４ｎｍ）に対する反射率を９９．９％以上にし、励起光の波長（８０９ｎｍ）に対する透過率を９９．９％以上にすることができる。また、高出力のレーザ光に対しても熱損傷を生じないようにすることができる。これによって、従来は難しかった高出力の緑色レーザを容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る固体レーザ装置の一実施例について図面を参照して説明する。図１は本実施例のＬＤ励起固体レーザ装置の概略構成図である。また、図２は図１に示したレーザ媒質３の一端面上に形成された誘電体多層膜４の構成を示す概略図である。
【００１６】
本実施例のＬＤ励起固体レーザ装置は、波長８０９ｎｍの励起光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）１と、ＬＤ１からの励起光を集光するレンズ２と、励起光で励起されることにより波長が１０６４ｎｍである基本波光を誘導放出するレーザ媒質３と、誘導放出された基本波光から波長が１／２（つまり波長：５３２ｎｍ）である第２高調波光を生成するＫＴＰ結晶である波長変換素子７と、光を反射させつつその一部を透過させる出力ミラー５とを含む。レーザ媒質３はＮｄ：ＹＶＯ4結晶であり、その結晶の励起光入射側端面には選択性反射層としての誘電体多層膜４が形成されている。
【００１７】
ＬＤ１から出射された励起光はレンズ２により集光されてレーザ媒質３に照射される。誘電体多層膜４は、上述した励起光波長を効率よく透過させるとともに基本波光及び高調波光を高反射率で以て反射させるものであり、この誘電体多層膜４と出力ミラー５とで共振器６が構成される。励起光によりレーザ媒質３から誘導放出された基本波光はこの共振器６内で発振して増幅される。基本波光が波長変換素子７を通過する際に第２高調波光が発生するため、共振器６内部では基本波光と高調波光とが混在している。基本波光は出力ミラー５で反射されるが、高調波光は出力ミラー５を透過する。そのため、図中に示すように、出力ミラー５から右方にはレーザ光出力として高調波光のみ、つまり波長が５３２ｎｍである緑色のレーザ光が出射される。
【００１８】
なお、必要に応じて、例えば波長変換素子７と出力ミラー５との間に、特定の波長を高い効率で透過させるエタロンを挿入してもよい。
【００１９】
図２に示すように、誘電体多層膜４は、レーザ媒質３のＮｂ：ＹＶＯ4結晶の上に、低屈折膜層としてのＳｉＯ2膜層４ａと高屈折膜層であるＴａ2Ｏ5膜層４ｂとが交互に積層されたものである。一般にこのような多層膜は屈折率の差が大きいほど反射率を高め易く、ＳｉＯ2の屈折率は１．４６１、Ｔａ2Ｏ5の屈折率は２．１８３２とその差が大きいので、ここではこれら２つの材料を選択している。これら２つの膜層はそれぞれ、低温成膜が可能な蒸発物薄膜形成装置（イオンプレーティング）により、図３に示した成膜条件の下で成膜される。
【００２０】
本実施例の構成では、誘電体多層膜４の膜層数は２９であり、その順序と物理的膜厚は図４に示すようになっている。図４ではレーザ媒質（基板）３に接した層を第１層とし、外側に向かって第２層、第３層、…と称している。従って、最も外側の、つまり一方の面全体が空気に接触する最終層は第２９層である。膜層数は奇数であるから、レーザ媒質３に接触する第１層と最も外側の第２９層とはいずれもＳｉＯ2膜層４ａである。また、全２９層の中で、第６層〜第２３層の１８層は第１膜厚（約８１ｎｍ）のＴａ2Ｏ5と第２膜厚（２４３ｎｍ）のＳｉＯ2とを１組としてこれを９組積層したものである。第１膜厚、第２膜厚はいずれも目的とする波長λに対しλ／２の整数倍に定められている。
【００２１】
一方、第１層〜第５層の５層、及び第２４層〜第２９層の６層は、主として、誘電体多層膜４の内部に生じる電界強度のピークがＴａ2Ｏ5膜層４ｂ内に来るのを避けＳｉＯ2膜層４ａ内に来るようにするために、その膜厚が適宜に調整されている。即ち、誘電体多層膜４の内部では、隣接する膜層の境界面での反射が生じ、その繰り返し反射の過程でＰ偏向成分及びＳ偏向成分について＋側の進行波と−側の反射波とによる４つの電界の重ね合わせにより、厚さ方向に山と谷とが交互に現れるような電界強度分布が形成される。従って、一部の膜層の膜厚を上記基本となる値（第１膜厚及び第２膜厚）からずらすことで、電界の重ね合わせ状態が変化して、ピークの位置が膜厚方向にずれる。
【００２２】
図４に示すようにレーザ媒質３に近い側と外側との幾つかの膜層の膜厚を調整することにより、この誘電体多層膜４では電界強度のピークがＳｉＯ2膜層４ａ内に位置しており、これにより、光エネルギーの吸収を相対的に抑えることができる。また、低屈折誘電体であるＳｉＯ2膜層４ａが第１層であってレーザ媒質３に広い面積で接触しているので、上述のように集中された電界のエネルギーはレーザ媒質３に容易に逃げることができる。また、最も外側の膜層もＳｉＯ2膜層４ａであって空気に広い面積で接しているので、電界のエネルギーは空気中にも逃げ易い。これにより、誘電体多層膜４の内部での電界の集中による熱の発生を抑えることができる。それにより、光のエネルギーの損失を抑制することができるとともに、高出力レーザの場合でも膜層の損傷を軽減することができる。
【００２３】
図５は本実施例における誘電体多層膜の透過率特性を示す図である。上記のような本実施例の構成の誘電体多層膜によれば、波長５３２ｎｍ、１０６４ｎｍにおいて９９．９％以上の反射率を、波長８０９ｎｍにおいては９９．９％以上の透過率を達成することができる。
【００２４】
また、ＬＤに供給する入力電流に対する基本波光（波長：１０６４ｎｍ）の出力としては、入力電流６００、７００、８００ｍＡに対しそれぞれ１４．５、１９、２３．５ｍＷの出力パワーを得ることができることが確認できた。これは高出力レーザを得るために十分な値である。また、同じ基本波光の波長において１００Ｊ／ｃｍ2のレーザパワー以下では誘電体多層膜に損傷が起こらないことも確認できた。こうしたことから、本実施例のＬＤ励起固体レーザ装置では、高出力の緑色レーザを安定的に取り出すことが可能となる。
【００２５】
なお、上記実施例では、レーザ媒質３と出力ミラー５との間の空間に波長変換素子７を設けたが、図６に示す変形例のように、レーザ媒質３と波長変換素子７とを接触させ、その波長変換素子７のレーザ媒質３との接触面とは反対側の端面に、上記出力ミラーに相当する反射層５０を設ける構成としてもよい。このように各光学素子の配置は適宜に変更可能であり、またレーザ媒質３及び誘電体多層膜４以外の要素の材料も適宜に変更できる。即ち、例えば波長変換素子７として非線形光学結晶ではなく擬似位相整合素子を利用することもできる。
【００２６】
また、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例であるＬＤ励起固体レーザ装置の概略構成図。
【図２】図１に示したレーザ媒質の一端面上に形成された誘電体多層膜の構成を示す概略図。
【図３】本実施例における誘電体多層膜の成膜条件を示す図。
【図４】本実施例における誘電体多層膜の各膜層の膜厚を示す図。
【図５】本実施例における誘電体多層膜の透過率特性を示す図。
【図６】他の実施例によるＬＤ励起固体レーザ装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００２８】
１…半導体レーザ（ＬＤ））
２…レンズ
３…レーザ媒質（ＹＶＯ4結晶）
４…誘電体多層膜
４ａ…ＳｉＯ2膜層
４ｂ…Ｔａ2Ｏ5膜層
５…出力ミラー
５０…反射層
６…共振器
７…波長変換素子
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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