JP3282221B2

JP3282221B2 - レーザ光発生装置

Info

Publication number: JP3282221B2
Application number: JP19457592A
Authority: JP
Inventors: 久増田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JPH0621548A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光発生装置に関
し、特に、レーザダイオード等の励起光源素子からの励
起光ビームをネオジミウム系固体レーザ共振器に入射し
てレーザ光を発生するレーザ光発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共振器内部の高いパワー密度を利用して
効率良く波長変換を行うことが従来より提案されてお
り、例えば、外部共振型のＳＨＧ（第２高調波発生）
や、レーザ共振器内部の非線形光学素子によるＳＨＧ等
が試みられている。

【０００３】レーザ共振器内第２高調波発生タイプの例
としては、共振器を構成する少なくとも１対の反射鏡の
間にレーザ媒質及び非線形光学結晶素子を配置したもの
が知られている。このタイプのレーザ光発生装置の場合
には、共振器内部の非線形光学結晶素子において、基本
波レーザ光に対して第２高調波レーザ光を位相整合させ
ることにより、効率良く第２高調波レーザ光を取り出す
ことができる。

【０００４】上記位相整合を実現する方法としては、基
本波レーザ光及び第２高調波レーザ光間にタイプＩ又は
タイプIIの位相整合条件を成り立たせるようにする。す
なわち、タイプＩの位相整合は、基本波レーザ光の常光
線を利用して、同一方向に偏光した２つの光子から周波
数が２倍の１つの光子を作るような現象を生じさせるこ
とを原理とするものである。これに対して、タイプIIの
位相整合は、互いに直交する２つの基本波固有偏光を非
線形光学結晶素子に入射することにより、２つの固有偏
光についてそれぞれ位相整合条件を成り立たせるように
するもので、基本波レーザ光は非線形光学結晶素子の内
部において常光線及び異常光線に分かれて第２高調波レ
ーザ光の異常光線に対して位相整合を生じる。

【０００５】ところが、タイプIIの位相整合条件を用い
て第２高調波レーザ光を発生させようとする場合、基本
波レーザ光が非線形光学結晶素子を繰り返し通る毎に基
本波レーザ光の固有偏光の位相が変化するため、第２高
調波レーザ光の発生を安定に継続し得なくなる虞れがあ
る。

【０００６】すなわち、レーザ媒質において発生された
基本波レーザ光が共振動作によって非線形光学結晶素子
を繰り返し通過する毎に、直交する固有振動（すなわち
ｐ波成分及びｓ波成分）の位相がそれぞれずれてゆく
と、共振器の各部において基本波レーザ光が効率良く互
いに強め合うような定常状態が得られなくなることによ
り、強い共振状態（強い定在波）を形成できなくなり、
結果として基本波レーザ光の第２高調波レーザ光への変
換効率が劣化すると共に、第２高調波レーザ光にノイズ
を生じさせる虞れがある。

【０００７】そこで、本件出願人は、特開平１−２２０
８７９号公報において、非線形光学結晶素子によって第
２高調波レーザ光を発生するようになされたレーザ光源
において、基本波レーザ光の共振光路中に、１／４波長
板等の複屈折性素子を挿入することにより、出力レーザ
光として出射する第２高調波レーザ光を安定させるよう
にしたレーザ光源を提案している。

【０００８】図５は、上記特開平１−２２０８７９号公
報に開示されたレーザ光源、すなわちレーザ光発生装置
の一例を示している。この図５に示すレーザ光発生装置
は、Ｎｄ：ＹＡＧを用いたレーザ媒質（レーザロッド）
１０２の入射面に形成された反射面（ダイクロイックミ
ラー）１０３と、出力用凹面鏡１０４の内側の反射面
（ダイクロイックミラー）とから成る共振器１０１を有
しており、この共振器１０１内に、Ｎｄ：ＹＡＧのレー
ザ媒質１０２と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）より成る非
線形光学結晶素子１０６と、例えば水晶板により構成さ
れた１／４波長板である複屈折素子１０７とが配置され
ている。

【０００９】この共振器１０１内のレーザ媒質１０２
は、その入射面１０３に、励起用半導体レーザ１１１か
ら射出された励起用レーザ光が、コリメータレンズ１１
２、対物レンズ１１３を通って入射されることにより、
基本波レーザ光ＬＡ（ω）を発生する。この基本波レー
ザ光ＬＡ（ω）は、非線形光学結晶素子１０６、複屈折
素子１０７を通って凹面鏡１０４の反射面で反射され、
再び複屈折素子１０７、非線形光学結晶素子１０６、レ
ーザ媒質１０２を順次通って上記入射面（反射面）１０
３で反射される。従って、基本波レーザ光ＬＡ（ω）
は、共振器１０１のレーザ媒質１０２の入射面の反射面
１０３と出力用凹面鏡１０４の内側の反射面との間を往
復するように共振動作することになる。

【００１０】上記１／４波長板のような複屈折素子１０
７は、光の伝播方向に垂直な面内において、図６に示す
ように、異常光方向屈折率ｎ_e(7)の方向が、非線形光学
結晶素子１０６の異常光方向屈折率ｎ_e(6)の方向に対し
て所定の方位角θだけ、例えばθ＝４５°だけ傾くよう
な光軸位置に設定される。

【００１１】以上の構成において、基本波レーザ光ＬＡ
（ω）は共振光路を通って非線形光学結晶素子１０６を
通過する際に第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）を発生さ
せ、この第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）が凹面鏡１０
４を透過して、出力レーザ光として送出される。

【００１２】この状態において、基本波レーザ光ＬＡ
（ω）を形成する各光線は、非線形光学結晶素子１０６
に対して方位角θ＝４５°だけ傾いた方位に設定された
複屈折素子（基本波の１／４波長板）１０７を通ること
により、共振器１０１の各部におけるレーザ光のパワー
は所定のレベルに安定化される。これは、レーザ媒質１
０２で発生した基本波レーザ光ＬＡ（ω）を非線形光学
結晶素子１０６を通過するように共振動作させてタイプ
IIの第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）を発生させる際
に、基本波レーザ光ＬＡ（ω）の互いに直交する２つの
固有偏光モード間の和周波発生によるカップリングを複
屈折素子１０７により抑制することにより、発振を安定
化させるものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、等方的固体
レーザ媒質を用いる場合、上記１／４波長板を励起光側
におき、共振器の反対側に、位相遅延量π／２の素子
を、互いに４５度光軸の回りに回転して配置することに
より、固体レーザ媒質中の空間的ホールバーニングを低
減し、縦モード数を減少させて、共振器内ＳＨＧレーザ
を安定化する方法が有望視されている。

【００１４】このとき、励起光源は直線偏光であるた
め、固体レーザ媒質に励起光が入射する際、１／４波長
板の表面、裏面、及び固体レーザ媒質表面で一部が反射
する。この反射光が光源に戻ると、光源が不安定にな
り、固体レーザ媒質の低周波数でのノイズレベルも上昇
する。このとき、戻り光の偏光が出射光と直交している
と影響が小さいことが知られているが、従来用いられて
きた１／４波長板の場合には、表面反射は入射光と同偏
光で、裏面反射及び固体レーザ媒質からの反射光は１／
４波長板内を往復して楕円偏光となっているため、ＰＢ
Ｓ（偏光ビームスプリッタ）、偏光プリズム等により同
時に除去すること、又は必要ならば他の偏光素子と組み
合わせて直交偏光とすることは不可能であった。また、
全ての戻り光の偏光状態を同一に制御することは、貼り
合わせ波長板で原理的に可能であるが、接着剤の耐久
性、光学ロスの点から不利であった。

【００１５】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、レーザ共振器からの戻り光の除去または
影響低減が可能で、光学ロスが小さく、耐久力も高いよ
うなレーザ光発生装置の提供を目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ光発
生装置は、安定化のために用いられる共振器内１／４波
長板として、ネオジミウム系固体レーザ共振器からの励
起戻り光の偏光状態を一定にし、戻り光除去又は励起光
源への影響を低減するために、固体レーザ発振波長で正
確に１／４波長板、励起波長で概略０、１又は１／２波
長板として動作する水晶の単板を用いることにより、上
述の課題を解決する。

【００１７】ここで、上記ネオジミウム系固体レーザ共
振器のレーザ媒質としては、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ₄、ＬＮＰ、Ｎｄ：ＢＥＬ等が用いられる。第２高調
波発生のためには、レーザ共振器内に非線形光学結晶素
子、例えば、ＫＴＰ、ＬＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ等を配置す
ればよい。この第２高調波発生（ＳＨＧ）レーザ光源と
なるレーザ共振器としては、励起光によって励起される
レーザ媒質において発生した基本波レーザ光を共振器内
部に設けられた非線形光学結晶素子を通過するように共
振動作させることにより、タイプIIの第２高調波レーザ
光を発生させると共に、上記基本波レーザ光の２つの偏
光モード間の和周波発生によるカップリングを抑制して
２モードで安定な発振を行わせるために、上記共振器内
１／４波長板が用いられる。

【００１８】上記共振器内１／４波長板は、上記励起光
波長と上記固体レーザ媒質の発振波長とに応じて、切り
出し方向と厚みの関係式を個別に指定された水晶の単板
を用いることが好ましい。また、上記レーザ共振器内に
上記固体レーザ媒質の発振レーザ光の高調波レーザ光を
発生する非線形光学結晶素子を設けることが好ましい。
さらに、上記励起光源素子と上記レーザ共振器との間
に、偏光ビームスプリッタと、上記励起光に対する１／
４波長板とから成る戻り光制御手段を配置することが好
ましい。

【００１９】

【作用】レーザ共振器から励起光源素子に戻る励起光
（戻り光）の大部分を同一偏光にすることができ、他の
偏光素子等を用いた戻り光制御手段を設けること等によ
り、戻り光の除去、又は影響低減が可能となる。また、
共振器内１／４波長板を水晶の単板で作成することによ
り、光学ロスが小さく、共振器内レーザパワーに対する
耐久力に優れている。

【００２０】

【実施例】図１は、本発明に係るレーザ光発生装置の一
実施例の概略構成を示す構成図である。この図１におい
て、励起光源素子としての半導体レーザ素子であるレー
ザダイオード１１から、励起光としてのレーザ光が出射
される。この励起レーザ光は、コリメータレンズ１２Ｃ
で平行光とされ、後述する戻り光制御部２０を介し、集
光（フォーカシング）レンズ１２Ｆで集光された後、ネ
オジミウム系固体レーザ共振器１３の凹面鏡１４及び１
／４波長板１５を介して、例えばＮｄ：ＹＡＧを用いた
ネオジミウム系固体レーザ媒質１６に入射される。レー
ザ共振器１３の励起光入射側の凹面鏡１４は、内側の凹
面が反射面１４Ｒとなっている。

【００２１】１／４波長板１５は、後述するようにレー
ザ共振器内で発振する基本波レーザ光波長に対して正確
に１／４波長板となっているが、レーザダイオード１１
からの励起光の波長に対しては、概略０、１又は１／２
波長板として動作する波長板素子であり、水晶の単板で
形成されている。レーザ媒質１６は、上記励起光に入射
に応じて基本波レーザ光ＬＡ（ω）を発生し、この基本
波レーザ光ＬＡ（ω）が、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ
₄）を用いた非線形光学結晶素子１７を通って平面鏡１
８に達し、反射面１８Ｒで反射される。

【００２２】ＫＴＰのような非線形光学結晶素子１７
は、タイプIIの位相整合により、上記基本波レーザ光Ｌ
Ａ（ω）の２倍の周波数の第２高調波レーザ光ＬＡ（２
ω）を発生する。例えば基本波レーザ光ＬＡ（ω）の波
長λを１０６４ｎｍとすると、第２高調波レーザ光ＬＡ
（２ω）の波長はλ／２の５３２ｎｍとなる。凹面鏡１
４の反射面１４Ｒは、上記励起光（例えば波長８１０ｎ
ｍ）を透過し、レーザ媒質１６で発生した基本波レーザ
光ＬＡ（ω）を反射するような特性を有し、平面鏡１８
の反射面１８Ｒは、基本波レーザ光ＬＡ（ω）を反射
し、第２高調波レーザ光ＬＡ（２ω）を透過するような
特性を有している。これらの反射面１４Ｒ、１８Ｒは、
いわゆるダイクロイックミラーにより形成できる。従っ
て、レーザ媒質１６で発生した基本波レーザ光ＬＡ
（ω）は、レーザ共振器１３の反射面１４Ｒと反射面１
８Ｒとの間を往復進行し、レーザ光の発振が行われる。
なお、上記１／４波長板１５は、非線形光学結晶素子１
７に対して方位角θ＝４５°だけ傾いた方位に設定され
ており、後述するように、共振器１３の各部におけるレ
ーザ光のパワーを安定化するためのものである。

【００２３】ここで、上記１／４波長板１５は、本件出
願人が、先に特開平１−２２０８７９号公報や、特願平
２−１２５８５４号の明細書及び図面、特願平３−１７
０６８号の明細書及び図面等において開示した技術に基
づき用いられる複屈折性素子であり、非線形光学結晶素
子１７に対して方位角θ＝４５°だけ傾いた方位に設定
された１／４波長板１５を通ることにより、共振器１３
の各部におけるレーザ光のパワーを安定化するためのも
のである。

【００２４】すなわち、この１／４波長板１５を挿入す
ることにより、（ｉ）和周波発生に起因する偏光モード間の非線形結合
がなくなり、偏光モード間のモード競合を防止できる。（ii）２つの偏光モード間で空間位相差が９０°となる
ので、２つの偏光モードが発振することにより空間的ホ
ールバーニング効果を抑止でき、縦２モード（偏光２モ
ード）の安定発振が得られる。という作用効果が得られるものである。

【００２５】次に、コリメータレンズ１２Ｃとフォーカ
シングレンズ１２Ｆとの間に配置される戻り光制御部２
０は、レーザダイオード１１からの励起光に対する１／
４波長板２１と偏光ビームスプリッタ２２とを有して成
り、コリメータレンズ１２Ｃ側に偏光ビームスプリッタ
２２が、フォーカシングレンズ１２Ｆ側に１／４波長板
２１がそれぞれ配置されている。偏光ビームスプリッタ
２２は、レーザダイオード１１からレーザ共振器１３に
向かって進む励起光の偏光方向に対して透過率が高く、
直交する偏光に対して反射率が高くなるように置かれて
いる。

【００２６】また図２は、上記図１の構成のレーザダイ
オード１１からの励起光が上記レーザ共振器１３に入射
されるときの励起光の光路を取り出して示しており、凹
面鏡１４、１／４波長板１５、レーザ媒質１６の各光学
部品の表面ａ〜ｆでの反射や透過を説明するためのもの
である。

【００２７】ところで上述したように、固体レーザ媒質
１６に入射した励起光は効率良く吸収され、発生した基
本波レーザ光が図１のレーザ共振器１３の反射面１４
Ｒ、１８Ｒの間で発振し、必要な場合は同じ共振器内で
非線形光学結晶素子１７によってＳＨＧ光に変換され
る。特に、共振器内でＳＨＧ光を発生させるとき、レー
ザの安定化のために、反射面１４Ｒと固体レーザ媒質１
６との間に基本波に対する共振器内１／４波長板１５を
挿入配置している。この場合、（１）励起レーザダイオード１１の偏光方向と１／４波
長板１５の主軸の内の一方が一致していれば、図１に示
すような戻り光制御部２０により、図２の各面ａ〜ｆか
らの戻り光を防止できる。（２）励起レーザダイオード１１の偏光方向と１／４波
長板１５の主軸の内の一方が一致していなくとも、図２
の面ａ〜ｃの反射光の偏光は同一で、面ｄ〜ｆの反射光
の偏光は同一であるから、面ｄ〜ｆの１／４波長板１５
が励起光に対して、０波長板、１波長板、１／２波長板
になっていれば、全ての面ａ〜ｆからの反射光の偏光状
態は一致し、図１の戻り光制御部２０により、図２の各
面ａ〜ｆからの戻り光を防止できる。

【００２８】上記（１）の場合、基本波で１／４波長板
であること以外に１／４波長板１５の方位に特定すべき
条件はない。上記（２）の場合、１／４波長板１５に必
要とされる具体的条件を考慮するために、単板で例えば
厚さが０．５ｍｍ程度（０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ）のも
のを想定する。上述したように固体レーザ媒質１６をＮ
ｄ：ＹＡＧとするとき、特に水晶を材料に選ぶときに
は、図３に示すような厚み（板厚）と切り出し角（切り
出し面法線が結晶ｃ軸となす角度）の関係を満たしてい
るとき、発振（基本波）レーザ光波長１．０６４μｍに
対して１／４波長板、励起光波長０．８１０μｍに対し
て０波長板となる。また、図４は、厚さを０．５ｍｍと
したときの水晶の切り出し角に対する位相遅延量を示し
ている。この図４の矢印には、厚さ０．５ｍｍのとき、
切り出し角を約２５．４度とすることにより、励起光の
位相遅延量が２π、基本波の位相遅延量が１．５πとな
ることが示されている。厚みが変わると、特定される切
り出し角も変わるが、角度マージンは最大±２度程度、
厚さマージンは±５μｍ程度である。

【００２９】図１のような構成の場合には、上記（１）
のようにレーザダイオード１１の偏光方向と１／４波長
板１５の軸の相対方位を一致させることは比較的容易と
いえる。しかし、レーザダイオードや１／４波長板の取
り付けが固定される場合、特に光軸の回りの回転が固定
されて設けられる場合には、必要に応じて１／２波長板
を用いて上記（１）の条件を満たすようにさせることも
できるが、上記（２）のようにした方が有利な場合もあ
る。上記（２）の条件と、図１に示す戻り光制御部２０
のような構成により、レーザダイオード１１への戻り光
の影響は軽減される。

【００３０】従って、共振器からの戻り光の大部分を同
一偏光にすることができるため、他のいくつかの偏光素
子と組み合わせることにより、戻り光の除去又は影響低
減が可能となる。また、水晶の単板で作成するため光学
ロスが小さく共振器内レーザパワーにも耐久力が高い。
さらに、３波長で対策されたものはＳＨＧ出力の安定性
も向上させる。この場合、安定化半導体レーザ励起共振
器内ＳＨＧレーザ等の偏光を持つ励起光源屁の戻り光の
影響を低減でき、レーザ出力、ＳＨＧ出力中の低周波に
おけるノイズレベルをさらに大幅に減少させることが可
能となる。

【００３１】なお、図１の戻り光制御部２０の構成にお
いて、偏光ビームスプリッタ２２は、ロションプリズ
ム、ウォラストンプリズム、グランテーラープリズム等
の偏光素子により代用することも可能である。また、偏
光ビームスプリッタも含めたこうした素子は、レーザダ
イオードと固体レーザ共振器１３との間に唯一個の有限
倍率レンズを使用する場合には適用し難い。この場合、
偏光ビームスプリッタ等を使用せずに戻り光の偏光をレ
ーザダイオード出射光に対して直交に近い状態にすれ
ば、戻り光によるレーザダイオードの動作不安定状態は
軽減される。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明に係るレーザ光発生装置によれば、レーザ共振器内に
配され、共振器内の固体レーザ媒質の発振波長で１／４
波長板となりかつ励起光源素子からの励起光波長で概略
０、１又は１／２波長板として動作する共振器内１／４
波長板を設けているため、共振器からの大部分の戻り光
を同一偏光にすることができ、他の偏光素子やビームス
プリッタと組み合わせることにより、戻り光の除去又は
影響低減が可能となる。また、共振器内１／４波長板を
単板の水晶で作成しているため、光学ロスが小さくな
り、共振器内レーザパワーに対する耐久力を高くするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ光発生装置の基本的な実施
例の概略構成を示す構成図である。

【図２】該実施例の説明に用いられる要部拡大図であ
る。

【図３】本発明の実施例に用いられる水晶単板の切り出
し角と厚みとの関係を示すグラフである。

【図４】水晶単板の厚みを特定したときの切り出し角と
位相遅延量との関係を示すグラフである。

【図５】レーザ光発生装置の従来例の概略構成を示す構
成図である。

【図６】図６の従来例に用いられる複屈折性素子の方位
角の説明図である。

【符号の説明】

１１・・・・・レーザダイオード１３・・・・・レーザ共振器１４・・・・・凹面鏡１５・・・・・（発振基本波レーザ光に対する）１／４
波長板１６・・・・・レーザ媒質１７・・・・・非線形光学結晶素子１８・・・・・平面鏡２０・・・・・戻り光制御部２１・・・・・（励起光に対する）１／４波長板２２・・・・・偏光ビームスプリッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光源素子と、この励起光源素子からの光ビームによって励起されるネ
オジミウム系固体レーザ媒質と、この固体レーザ媒質の前後に位置してレーザ共振器を構
成する反射手段と、このレーザ共振器内に配され、上記固体レーザ媒質の発
振波長で１／４波長板となりかつ上記励起光源素子から
の励起光波長で概略０、１又は１／２波長板として動作
する共振器内１／４波長板とを有して成ることを特徴と
するレーザ光発生装置。
【請求項２】上記共振器内１／４波長板は、上記励起
光波長と上記固体レーザ媒質の発振波長とに応じて、切
り出し方向と厚みの関係式を個別に指定された水晶の単
板を用いて成ることを特徴とする請求項１記載のレーザ
光発生装置。
【請求項３】上記レーザ共振器内に上記固体レーザ媒
質の発振レーザ光の高調波レーザ光を発生する非線形光
学結晶素子を設けることを特徴とする請求項１記載のレ
ーザ光発生装置。
【請求項４】上記励起光源素子と上記レーザ共振器と
の間に、偏光ビームスプリッタと、上記励起光に対する
１／４波長板とから成る戻り光制御手段を配置して成る
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。