JP4041782B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、軸励起方式あるいは端面励起方式と呼ばれる半導体レーザ励起固体レーザに関するものであって、特に強い励起光でもレーザ結晶が破壊しないようにして、レーザの出力を向上することを主たる目的とする。

希土類イオンを添加したレーザ結晶を半導体レーザで励起する半導体レーザ励起固体レーザのうち、軸励起あるいは端面励起と呼ばれる励起方式による半導体レーザ励起固体レーザは、励起光とレーザ発振光のモードマッチングがとり易いので、側面励起方式に比べて励起光から出力光への高い変換効率を実現できると共に、高い変換効率を維持しながら空間モードをＴＥＭ_００にすることも比較的容易に実現でき、また変換効率が高いので同じ出力を得る場合に、側面励起方式に比べて小さい出力の半導体レーザで良いので、製造コストを低く押さえられる方式である。

この端面励起方式による具体例としては、例えば励起用の半導体レーザとして発光領域の寸法が１０ｍｍ×１μｍ程度のものを使用し、出力が４０Ｗ程度のものが現存しており、この半導体レーザの出力光を例えば、特許文献１の「レーザビームの補正方法及び装置」によって６００μｍ×６００μｍ程度の正方形の形状に集光し、特許文献２の「Ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」と同様に集光した半導体レーザ光でレーザ結晶を励起することができる。

また、レーザ結晶としてＮｄ^３＋濃度が０．５原子％のネオジウム添加バナジン酸イットリウムＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を励起し、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発生させるが、レーザ結晶の大きさが通常は３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍであり、５ｍｍの方向にレーザ光が伝搬するように配置しているが、この半導体レーザ励起固体レーザでは、半導体レーザの出力が２０Ｗのときに、波長１０６４ｎｍ出力光のパワーは約９Ｗの出力が得られる。

さらに、レーザ共振器内に音響光学効果を利用したＱスイッチを配置し、半導体レーザを出力２０Ｗの連続動作のままＱスイッチを２０ｋＨｚの周波数で動作させて、繰り返しレーザパルスを発生させた場合には平均パワーとして８Ｗが得られ、また共振器内に第２高調波発生のための非線形光学結晶を配置すると共に、出力鏡をＮｄ：ＹＶＯ_４の発振波長に対して反射率を高くし、その第２高調波に対して反射率が小さくなるものに替えた内部共振器型第２高調波発生レーザの場合には、波長５３２ｎｍのレーザ光が最大６Ｗまで得られている。
特許第３０９８２００号公報 米国特許第５，８０５，７４８号公報

しかしながら、従来の軸励起あるいは端面励起と呼ばれる励起方式の半導体レーザ励起固体レーザの場合には、半導体レーザ励起固体レーザの出力を上げるために、励起に使用する半導体レーザの出力を上げていくと、励起光によってレーザ結晶の入射側が破壊されてしまう恐れがあると共に、レーザ結晶の励起光が照射されている部分と照射されていない部分とでは、温度上昇の量及び熱膨張の量が異なることに起因して構造的な歪が生じ、レーザ結晶を破壊させる。

すなわち、励起光がレーザ結晶に入射すると、レーザ結晶内を伝搬する励起光のパワーが指数関数的に減少していくという性質があるために、励起光はレーザ結晶の励起光の入射する側で大部分が吸収され、この吸収によってレーザ結晶は励起光の入射する側が最も破壊され易くなるので、半導体レーザ励起固体レーザを正常に動作させるためには、レーザ結晶が破壊されないように半導体レーザの出力を制限する必要があり、この制限によってレーザ出力の上限が決まっていた。

前記した従来技術の具体例で示したレーザでは、レーザ結晶の長さが５ｍｍもあるのに、励起光が入射する側の０．５ｍｍ程度の厚さの部分で励起光の約１／２が吸収されてしまうので、半導体レーザの出力を２５〜３０Ｗまで上げていくと、レーザ結晶の励起光入射側が破損し、この破損するしきい値は、ポンプ光の僅かなビーム径の違いや、半導体レーザの発振波長の違いあるいは、レーザ結晶自体の品質や研磨の仕上げ状態の違いなどによって異なるが、実用上では半導体レーザの出力を２０Ｗに制限して使用している。

またレーザ結晶の破損を防ぐ方法として、レーザ結晶に添加する希土類イオンの濃度を低下させ、励起側端面の吸収光の量を低くすることも行われているが、希土類イオンの濃度を低くした場合には、所望のレーザ出力が得られるようにレーザ結晶の長さを伸ばす必要があるので、高出力の半導体レーザを励起源に使用する際には出力光をビーム整形しても、細いビーム径を維持したままレーザ結晶内を伝搬させることが難しく、結晶を通過する前にビーム径が大きくなってしまう。

そのために、固体レーザの発振がより高次の横モードで発振してビーム品質が低下したり、励起密度が下がってしまうので、期待するほど効率が上がらないという問題があると共に、特に吸収係数が大きい場合には、励起波長に対する許容度が広いＮｄ：ＹＶＯ_４などのレーザ結晶を用いても、希土類イオンの濃度を低下させることによって、レーザ出力が半導体レーザの波長に対して敏感に変化してしまうという問題もある。

なお、端面励起あるいは軸励起の励起方式とは異なるが、特許文献３のように強い励起でもレーザ結晶が破壊しないようにするために、薄い板状のレーザ結晶の一方の端面を金属製のヒートシンクに取り付けて冷却すると共に、冷却側の端面をレーザ発振光や励起光に対する反射面とし、レーザ結晶に添加する希土類イオンの濃度を冷却面となる端面に向かって連続的または段階的に増加させ、冷却側の端面の反対側から励起する提案もあり、この濃度分布によって冷却面に近い側での発熱を多くし冷却効率を上げているが、励起光とレーザ発振光の光軸を同軸にできないので調整が難しいこと、量産性に難点がある構造であることなどの問題点があった。
特許第３２６６０７１号公報

そこで本発明では、これら従来技術の課題を解決し得る半導体レーザ励起固体レーザを提供するものであって、端面励起あるいは軸励起と呼ばれる励起方式をとる半導体レーザ励起固体レーザにおいて、強い励起光でもレーザ結晶が破壊しないように励起による発熱を平均化すると共に、発熱を効果的に放熱してレーザ出力を増加させることを主たる目的とするものである。

本発明を具現化する際に、本件発明者らは次のような検討を行っており、高強度の励起によってレーザ結晶の破壊がおこる根本的な原因は、励起光がレーザ結晶に入射する側の面に近い部分で大部分が吸収されることであるが、レーザ結晶の反対側では励起光の吸収量が少ないので、破壊に至るまでにはまだ余裕があることから、レーザ結晶の励起光入射端での吸収量を減らすと共に、レーザ結晶の反対側では通常より多く励起光を吸収させ、単位長さあたりの吸収量をなるべく平均化して発熱する箇所を光軸方向に分散させ、またレーザ結晶を側面から外側に放熱して冷却することにより、短い結晶長でもレーザ結晶の破壊がおきない状態で励起光のパワーを上げられると考えた。

この励起光の吸収について、図６〜８に基づいて説明すると、図６（ａ）は伝搬方向ｚに対する単位長さあたりの吸収量ｄＰ（ｚ）／ｄｚを示すものであって、最も理想的な伝搬方向の位置によらず一定である状態を示しているが、この単位長さあたりの励起光吸収量は、レーザ結晶の破壊の起こらない値に設定する必要があり、励起光吸収量の分布を伝搬方向について一定にするためには、図６（ｂ）のようにｚが大きくなるにつれて一定の勾配で減少することが望ましく、図では１．２５ｍｍだけ通過したところでのパワーＰ_１が、入射したパワーＰ_０の１０分の１となるようにすると共に、１．２５ｍｍの伝搬で励起光の９０％を吸収させるようにしている。

図６（ｂ）のような吸収パターンにするためには、レーザ結晶内の吸収係数を図６（ｃ）のように設定すれば良く、この吸収係数曲線ではｚ＝０のところでの吸収係数を７．５ｃｍ^−１となるように設定したが、これはＮｄ^３＋濃度が０．２５原子％のＮｄ：ＹＶＯ_４の波長８０８ｎｍにおける吸収係数に相当する値であり、この望ましい吸収パターンを実現するためには、図６（ｃ）の曲線に比例して希土類イオン濃度Ｃ（ｚ）が位置ｚとともに変化すれば良い。

しかしながら、図６（ｃ）に対応する希土類イオン濃度分布を持つレーザ結晶を製造するのことは、現在の技術レベルでは不可能であるから、現実的には伝搬方向に進むにつれて段階的に濃度を変えていことによってこれを簡易的に実現でき、この場合には個別に製作した希土類イオン濃度の異なるレーザ結晶素子を、濃度の順に並べて相互に張り合わせたり、密着又は近接して配置することによって達成することが可能である。

このレーザ結晶素子の配列を図７で説明すると、図７（ｃ）は３種類の希土類イオン濃度の結晶を一体に接合して複合結晶化した場合の濃度パターンの例であり、レーザ結晶の母体結晶は全てＮｄ：ＹＶＯ_４で、Ｎｄ^３＋濃度が励起光入射端から順に０．２５原子％、０．５原子％、１．０原子％であると共に、レーザ結晶素子の厚さは励起光入射端から順に、０．９ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍであり、３つの濃度に対応する吸収係数は励起光入射端から順に、７．５ｃｍ^−１、１５ｃｍ^−１、３０ｃｍ^−１で、励起光入射側のレーザ結晶のＮｄ^３＋濃度は、単一結晶を用いた場合でも励起で結晶が破壊しない値に設定した。

また、励起光パワーＰ（ｚ）の位置ｚによる励起光パワーの変化は図７（ｂ）のようになるが、Ｐ_１はｚ＝１．７ｍｍの位置で励起光が吸収されずに通過したパワーであって、この図では入射パワーＰ_０に対して１０分の１となるようにし、複合結晶化によって１．７ｍｍの結晶長があれば、９０％の励起光を吸収させられことになり、これらの吸収係数や励起光パワーのパターンに対応する単位長さあたりの吸収パワーは、図７（ａ）のように変化する。

なお、各レーザ結晶素子の厚さを決めるにあたり、第２及び第３の吸収パワーピークが、このｚ＝０の位置における吸収パワーの値を越えないように設定しており、また図７では複数のレーザ結晶素子を密着あるいは接合した場合について説明しているが、結晶の厚さに比べて小さい間隔をあけてレーザ結晶素子を配置しても、ほぼ同様に機能させることができると共に、レーザ結晶素子をより多く使用（４個以上）するとより理想的な濃度分布に近づけることが可能であり、またレーザ結晶素子２個の場合にも効果を発揮することができる。

また、図７ではＮｄ^３＋濃度が０．２５原子％のＮｄ：ＹＶＯ_４の単一結晶を用いた場合についても、吸収係数や励起パワーの変化及び単位長さあたりの吸収パワーをそれぞれ示しており、単一結晶の場合には９０％の励起光を吸収するために３．２ｍｍの結晶長が必要となるが、Ｎｄ^３＋濃度の異なるレーザ結晶素子を複合化した場合には、１．７ｍｍの結晶長で同じ量の励起光を励起することができる。

また、複数の各レーザ結晶素子の発熱はそれぞれの結晶に分散するので、レーザ光が通過する面を除いた側面を金属の金属製のヒートシンクなどによる放熱手段で保持すると、熱伝導によって発熱を放出処理することができるが、この場合における放熱は希土類イオン濃度が高くなっていく方向に対して、直交する外側にレーザ結晶の発熱を放出すると共に、放熱に適合させて励起光吸収分布を励起方向に対して平均化することができる。

つぎに、本発明を利用してさらにコストを低く押さえて大量生産をおこなう場合に有効な手段について説明すると、組み合わせるレーザ結晶素子の数は最小限の２個とし、２つのレーザ結晶素子は微少間隔を設けて近接させた状態で配置するが、これらのレーザ結晶素子には励起光に対する吸収係数が大きいので物理的に弱く破壊しやすいが、誘導放出断面積が大きく高効率が期待できるＮｄ：ＹＶＯ_４を用い、第１及び第２のレーザ結晶素子のＮｄ^３＋濃度は次のように設定する。

第１のレーザ結晶素子は、励起光が最初に入射するので励起で破壊しない濃度に設定する必要があり、出力が４０Ｗ程度の半導体レーザを使用して直径６００μｍ程度に集光して励起する場合には、０．２原子％〜０．３原子％であれば破壊せずにＮｄ：ＹＶＯ_４の励起が可能であると共に、吸収長が１．１ｍｍ〜１．７ｍｍで結晶長が問題になる長さではないが、さらに濃度を低くすると十分な励起光吸収を行うために必要な結晶長が長くなり、ビーム品質の良くない半導体レーザで励起すると単位面積あたりの密度が低下するので、Ｎｄ^３＋濃度は０．２原子％〜０．３原子％にするのが望ましい。

第２レーザ結晶素子は、第１のレーザ結晶素子で吸収しきれなかった励起光を吸収させるために、Ｎｄ^３＋濃度ができるだけ大きな値で且つ、発振効率を下げないような値に設定する必要があり、Ｎｄ：ＹＶＯ_４ではＮｄ^３＋濃度が２〜３原子％のものまで入手することが可能であるが、Ｎｄ：ＹＶＯ_４の上準位寿命はＮｄ^３＋濃度が低い値から１．０〜１．１原子％では約９０μｓでほぼ一定で、１．１原子％を越えると上準位寿命が徐々に短くなり、２原子％では５０μｓにまで低下して発振効率が低下するので、Ｎｄ^３＋濃度を発振効率の低下がおきない１原子％〜１．１原子％以下とするのが望ましい。

これらのＮｄ^３＋濃度の場合におけるＮｄ：ＹＶＯ_４結晶の最適な長さについて図８で説明すると、図８（ａ）は２つの結晶素子を並べて配置した場合の単位長さ当たりの吸収パワーを、図８（ｂ）はＮｄ：ＹＶＯ_４を伝搬中の励起光パワーの位置変化を表し、図８の実線で表した曲線では、第１の結晶素子はＮｄ^３＋濃度が０．３原子％で厚さを１．５ｍｍとし、第２の結晶素子はＮｄ^３＋濃度が１．１原子％の場合を示すが、第２の結晶素子の厚さは、励起光が入射した直後の単位長さ当たりの吸収パワーが第１の結晶素子とほぼ等しくなるように設定しており、第１の結晶素子の長さを１．５ｍｍに設定することによって、第２の結晶素子の励起光吸収による結晶破壊を防ぐことが可能であり、この濃度の組合せにおいて励起光の大部分が吸収されるので必要な結晶長を最も短くできる。

図８の破線で表した曲線では、第１の結晶素子はＮｄ３＋濃度が０．２原子％で厚さを２．９ｍｍとし、第２の結晶素子はＮｄ３＋濃度が１．１原子％の場合を示すが、第２の結晶素子の厚さは実線で表した曲線による０．３原子％の場合と同様の条件で設定しており、このように第１のレーザ結晶素子はＮｄ^３＋濃度が０．２〜０．３原子％で厚さは１．５ｍｍ〜２．９ｍｍとするが、第１のレーザ結晶素子の濃度が０．２〜０．３原子％であれば、第２のレーザ結晶素子の結晶厚を１ｍｍ以上にしたときに励起光のほぼ１００％を吸収できることが図８（ｂ）で明らかであり、第２のレーザ結晶素子の濃度が１．０％の場合でも同様であるから、第２のレーザ結晶素子の厚さは１ｍｍ以上とする。

なお、波長１．０６μｍや１．３４μｍの発振においては励起光が到達しない部分は、発振に寄与しないだけで発振の妨げにはならず、第２結晶素子の厚さについてはレーザ特性上の上限はなく、組立てが容易で且つコストに大きな影響を与えない長さに設定すればよく、このようにレーザ結晶が２個の場合でも、レーザ結晶の材質を選定して希土類イオン濃度とレーザ結晶の厚さを適切に設定すれば、レーザ結晶が３個以上の場合と同様に本発明の効果が得られ、特にレーザ装置のコストを低減することが可能となる。

これらの考察に基づいて本発明では、出力鏡と少なくとも１枚の反射鏡の間でレーザ共振器を構成し、前記レーザ共振器に少なくとも希土類イオンを添加したレーザ結晶を配置し、さらに前記レーザ共振器の外部に配置された半導体レーザと、この半導体レーザの出力光を集光するための励光学系を配置し、前記レーザ共振器の光軸と同軸上に沿って出てくる前記半導体レーザの出力光で前記レーザ結晶を励起する端面励起方式の半導体レーザ励起固体レーザについて改善を行った。

本発明の要旨は、前記レーザ結晶として、それぞれ希土類イオンを含み、希土類イオン濃度が異なるだけで同じ組成式をした複数のレーザ結晶素子を、励起光が入射する側から希土類イオン濃度の低い順に並べて配置すると共に、前記レーザ結晶のレーザが通過する面を除く側面に放熱手段を設け、レーザが通過する面と直交する外側へ放熱させたことである。（請求項１）

また、請求項１におけるレーザ結晶は各レーザ結晶素子を密着状態で配置した形態（請求項２）、請求項１におけるレーザ結晶は各レーザ結晶素子を一体に接合して複合化結晶にした形態（請求項３）、請求項１におけるレーザ結晶は各レーザ結晶素子を間隔をあけた近接状態で配置すると共に、この間隔は最も厚さの小さいレーザ結晶素子に比べて十分に小さく設定した形態（請求項４）、請求項１〜４における各レーザ結晶素子における前記光軸方向の単位長さ当り励起光吸収量の最大値を概ね等しく構成した形態（請求項５）を採ることができる。

請求項１の発明による半導体レーザ励起固体レーザでは、個別に製作した希土類イオン濃度の異なる複数の各レーザ結晶素子を、濃度の低い順に並べて配置することによって、レーザ結晶に対する単位長当りのレーザ吸収量を平均化することができると共に、レーザ結晶側面の側面に設けた放熱手段によってレーザが通過する面と直交する外側へ均一に放熱させて冷却できるので、強い励起光に対してもレーザ結晶の破壊が起きず、レーザ出力を増加させることができる。

また、各レーザ結晶素子自体は希土類イオン濃度が一定の状態で個別に製作するので、レーザ結晶全体に対して濃度分布を変化させた状態で製作するものに比べて、製作が容易で且つ安価に生産することが可能であり、端面励起の特徴であるアライメント調整が容易である点と相俟って、大量生産に適合する簡便にレーザ出力を増加させる手段として有効である。

また、各レーザ結晶素子は請求項２〜４の発明のように各種の配置形態を採ることができるが、特に請求項３のように熱融着その他の接合手段で一体に接合して複合化結晶にした場合には、アライメント調整を含む生産及び部品管理など各種の取り扱いが容易になり、請求項２のように密着状態で配置したり、請求項４のように間隔をあけた近接状態で配置した場合には、熱融着その他の接合手段による接合工程がないので安価に製作することが可能になり、請求項５のように前記各レーザ結晶素子における前記光軸方向の単位長さ当り励起光吸収量の最大値を概ね等しくした場合には、レーザ結晶の長さを短くすることができる。

本発明の半導体レーザ励起固体レーザについて、本発明を適用した好適な実施形態を示す添付図面に基づいて詳細に説明するが、図１は実施例１による半導体レーザ励起固体レーザであって、励起光源の半導体レーザ１は、波長８０９ｎｍ、連続動作で出力４０Ｗ、発光領域の寸法が１０ｍｍ×１μｍであり、これを特許文献１と同様の構成をした励起光学系２によって、半導体レーザの出力光を６００μｍ×６００μｍ程度の正方形の形状に集光している。

レーザ結晶は、第１のレーザ結晶素子５にはＮｄ^３＋濃度が０．２５原子％のＮｄ：ＹＶＯ_４で、光軸方向の厚さ０．９ｍｍを用い、第１のレーザ結晶素子５の励起光学系２に近い側の面には、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が９９％以上で且つ、半導体レーザの波長８０９ｎｍに対しては反射率が３％以下となる誘電体多層膜反射鏡を設け、第２のレーザ結晶素子６にはＮｄ^３＋濃度が０．５原子％のＮｄ：ＹＶＯ_４で、光軸方向の厚さ０．５ｍｍを用い、第３のレーザ結晶素子７にはＮｄ^３＋濃度が１．０原子％のＮｄ：ＹＶＯ_４で、光軸方向の厚さ３ｍｍを用いている。

第３のレーザ結晶素子7の出力鏡４側の面には、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が０．２５％以下となるコーティングが施されており、また第３のレーザ結晶素子７は結晶長が少なくとも０．３ｍｍあれば励起光の９０％を吸収させられるが、この必要最小限の結晶長より長くすることによって、結晶を複合するための加工時の取扱いを容易にすると共に、半導体レーザの温度変化に起因する波長のずれや、個々の半導体レーザの波長のばらつきなどにも対応できるようにしいている。

また、第１のレーザ結晶素子５と第２のレーザ結晶素子６のそれぞれ向かいあう面と、第２のレーザ結晶素子６と第３のレーザ結晶素子７のそれぞれ向かいあう面は、オプティカルコンタクトをした後に、熱処理を施こして融着によって張り合わせ状態で接合し、この接合によって添加するＮｄ^３＋濃度の異なる３つのＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を長さ４．４ｍｍの複合化結晶として一体化させている。

この複合化結晶は、レーザ光や励起光が通過する面以外の面、すなわち側面は銅を主成分とする合金からなるヒートシンク１０で保持し、ヒートシンク１０と複合化した結晶の間には、密着性を高め熱伝導が良くなるよう厚さ０.１ｍｍのインジウム板を挟んでおり、Ｎｄ^３＋濃度の異なる３つのレーザ結晶素子の発熱を熱伝導によって放出して冷却処理しているが、この場合における放熱は希土類イオン濃度が高くなっていく方向に対して直交する垂直な向きに放出する向きを垂直にすると共に、この放熱に適合させて励起光吸収分布を励起方向で一様に近づけるようにしている。

出力鏡４は、ガラス基板の凹面に誘電体多層膜を施し、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍにおいて反射率が９０％となるようにすると共に、この出力鏡４と誘電体多層膜反射鏡３の間でレーザ共振器が構成されており、この半導体レーザ励起固体レーザでは、半導体レーザの出力を４０Ｗとしたときに、レーザ結晶を破壊することなく、出力１８Ｗの波長１０６４ｎｍレーザ出力を得ている。

なお、各レーザ結晶素子を一体に接合する接合手段としては、熱融着による方法（特に高パワー用）、オプティカルコンタクトによる方法（特に中パワー用）、光学用接着剤によって張り合わせる方法（特に低パワー用）などがあり、必要に応じて所望の接合手段を採ることが可能であり、また一体の複合化結晶にしないで各レーザ結晶素子を単に密着状態で並べる形態を採ることもできる。

図２は実施例２による半導体レーザ励起固体レーザであって、励起光源の半導体レーザ１と励起光学系２及び出力鏡４は、実施例１の場合と同様の構成であって、また第１のレーザ結晶素子５の寸法と励起光学系の側に設けた誘電体多層膜反射鏡３は、実施例１と同じであるが、反対側の面にはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍに対して低反射となる誘電体膜が施されている。

第２のレーザ結晶素子６は、寸法とＮｄ^３＋濃度が実施例１で使用した第２のレーザ結晶素子６と同じであるが、励起光が入出力する両面側には、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶の発振波長１０６４ｎｍと半導体レーザの波長８０９ｎｍの両方に対して、低反射となる誘電体膜がそれぞれ施されており、第１のレーザ結晶素子５から約２００μｍの間隔１３をあけて配置してある。

第３のレーザ結晶素子７は、寸法とＮｄ^３＋濃度および出力鏡４に近い側の面に施す誘電体膜は実施例１で使用した第３のレーザ結晶素子７と同じであるが、第２のレーザ結晶素子６に近い側の面には、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶の発振波長１０６４ｎｍと半導体レーザの波長８０９ｎｍの両方に対して、低反射となる誘電体膜がそれぞれ施されており、第２のレーザ結晶素子６から約２００μｍの間隔１３をあけて配置してある。

これら３つのレーザ結晶素子は、実施例１の場合と同様にレーザ光や励起光が通過する面以外の面、すなわち側面を銅を主成分とする合金からなるヒートシンク１０で保持すると共に、ヒートシンク１０と各レーザ結晶素子の間に厚さ０.１ｍｍのインジウム板を挟み、各レーザ結晶素子を側面から冷却している。

実施例２の半導体レーザ励起固体レーザの場合には、実施例１のように３つの各レーザ結晶素子を密着させたり、熱融着などの接合手段で一体化して複合化結晶としてはいないが、レーザ結晶素子の長さに比べて短い間隔１３をあけてで配置することによって、実施例１の場合と同様に半導体レーザの出力を４０Ｗにしてもレーザ結晶を破壊することがなく、波長１０６４ｎｍレーザ出力光が１８Ｗのパワーで得られている。

図３は実施例３による半導体レーザ励起固体レーザであるが、この実施例ではＮｄ：ＹＶＯ_４結晶による第１及び第２の２つのレーザ結晶素子１１，１２を用い、第１のレーザ結晶素子１１の励起光学系２に近い側の面に誘電体多層膜反射鏡３を設けると共に、間隔１３をあけて第１のレーザ結晶素子１１と第２のレーザ結晶素子１２を配置した。

第１のレーザ結晶素子１１は、Ｎｄ^３＋濃度が０．２原子％で厚さは１．５ｍｍとして、励起光学系の側には誘電体多層膜反射鏡３を施すと共に、反対側の面にはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍおよび励起光の波長８０８ｎｍに対して低反射となる誘電体膜が施し、第２のレーザ結晶素子１２は、Ｎｄ^３＋濃度が１．１原子％で厚さは３．５ｍｍとし、励起光と発振光が入出力する２面にはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの発振波長１０６４ｎｍおよび励起光の波長８０８ｎｍに対して低反射となる誘電体膜を施す。

第１のレーザ結晶素子１１と第２のレーザ結晶素子１２は、長さが約２００μｍの間隔１３を設けて配置し、各レーザ結晶素子１１，１２はレーザ光や励起光が通過する面以外の面すなわち側面を、銅を主成分とする合金からなるヒートシンク１０で保持することによって冷却しているが、ヒートシンク１０との密着性を高めて熱伝導が良くなるように、厚さ０．１ｍｍのインジウム板を挟んでいる。

この実施例３の半導体レーザ励起固体レーザは、実施例１又は２の場合と同様に半導体レーザの出力を４０Ｗにしてもレーザ結晶を破壊することなく、また波長１０６４ｎｍレーザ出力光は、レーザ結晶を３個使用している実施例１又は２のレーザ装置にほぼ匹敵する１７Ｗのパワーで得られており、安価で且つ量産性の点で優れている。

図４は実施例４による半導体レーザ励起固体レーザであるが、この実施例では出力鏡４と非線形光学結晶８を除く構成要素は実施例１と全く同じものを使用しており、非線形光学結晶８の材質はチタン酸燐酸カリウムＫＴｉＯＰＯ_４で、そのカット方位は発振波長１０６４ｎｍのレーザ光の第２高調波を発生させるために、θ＝９０°、φ＝２４°となっている。

出力鏡４は、この実施例ではＮｄ：ＹＶＯ_４の発振波長に対して９９％以上の反射率を持ち、また第２高調波の波長５３２ｎｍに対しては反射率が３％以下となる誘電体多層膜がガラス基板の凹面に施されており、この実施例４による半導体レーザ励起固体レーザででは、半導体レーザの出力を４０Ｗとしたときに、最大１１Ｗの波長５３２ｎｍレーザ光が得られている。

なお、この実施例では非線形光学結晶としてＫＴＰを使用しているが、ニオブ酸カリウムＫＮｂＯ_３、β−ホウ酸カリウムＢａＢ_２Ｏ_４（β−ＢＢＯ）、三ホウ酸リチウムＬｉＢ_３Ｏ_５などのレーザ発振波長の第２高調波を発生させることのできる非線形光学結晶を使用したり、ＫＴＰやニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３或いはタンタル酸リチウムＬｉＴａＯ_３などを分極反転構造にした素子を利用してもよい。

図５は実施例５による半導体レーザ励起固体レーザであるが、この実施例では音響光学効果を利用したＱスイッチ９がレーザ共振器に内に配置されており、それ以外の構成要素は実施例１と全く同じものを使用しており、Ｑスイッチ９には外部からオン−オフ変調する高周波電力が供給されている。

この実施例４による半導体レーザ励起固体レーザででは、高周波電力がオフのときにレーザパルスが発生し、高周波レーザのオン／オフを２０ｋＨｚの周波数でおこない、これに対応して繰り返しレーザパルスが発生するが、半導体レーザ出力が４０Ｗのとき、１６Ｗの時間平均パワーが得られた。

なお、この実施例は音響光学効果を利用したＱスイッチによってパルス発振を行うレーザであるが、Ｑスイッチ素子として電気光学効果を利用するものなど、他の能動素子を用いることも可能であり、またＣｒ^４＋：ＹＡＧなどの過飽和吸収体や半導体材料で製造した半導体可飽和吸収反射鏡（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｉｒｒｏｒ）などの受動Ｑスイッチ素子を使用したものでもよい。

以上のように、レーザ結晶として実施例１，２，４，５では３個の実施例３では２個のＮｄ^３＋濃度の異なるＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用し、濃度と結晶長を適切に設定することによって、励起光の単位長さあたりの吸収量を平均化しているが、４個以上のレーザ結晶素子を使用して吸収量をより平均化することによって、励起光の総量をさらに上げたり、あるいは励起光の集光径をより小さくすることができ、半導体レーザ励起固体レーザの出力をさらに増加させることが可能となる。

また、以上の実施例では誘電体多層膜反射鏡３や出力鏡４で高反射とする波長や、レーザレーザ結晶に施した低反射膜の低反射となる波長を、１０６４ｎｍとすることによって半導体レーザ励起固体レーザを１０６４ｎｍで発振させているが、この反射や透過の波長特性を他の波長に対して適切に設定することによって、例えば１３４０ｎｍなど他の波長で発振させることも可能である。

また、以上の実施例では希土類イオンを添加する媒質としてＹＶＯ_４をレーザ結晶に使用しているが、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）、ＬｉＹＦ_４（ＹＬＦ）、ＧｄＶＯ_４など、半導体レーザによる励起が可能で、添加する希土類イオンの異なるものを製造できるレーザ結晶であれば使用が可能であると共に、結晶性の媒質に限らず、ガラスや多結晶などの半導体レーザによる励起が可能で、添加する希土類イオン濃度が異なるものを製造できる媒質であればよい。

また、以上の実施例ではレーザ共振器を構成する反射鏡として、第１のレーザ結晶素子に付けた誘電体多層膜反射鏡３を使用しているが、これと同様の反射・透過特性をもつ独立の反射鏡を、第１のレーザ結晶素子５と励起光学系２の間に配置した構造のレーザでも同様の効果が得られる。

本発明の実施例１による半導体レーザ励起固体レーザの構成図である。 本発明の実施例２による半導体レーザ励起固体レーザの構成図である。 本発明の実施例３による半導体レーザ励起固体レーザの構成図である。 本発明の実施例４による半導体レーザ励起固体レーザの構成図である。 本発明の実施例５による半導体レーザ励起固体レーザの構成図である。 本発明による半導体レーザ励起固体レーザの作用説明図である。 本発明による半導体レーザ励起固体レーザの作用説明図である。 本発明による半導体レーザ励起固体レーザの作用説明図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ 励起光学系
３ 誘電体多層膜反射鏡
４ 出力鏡
５，１１ 第１のレーザ結晶素子
６，１２ 第２のレーザ結晶素子
７ 第３のレーザ結晶素子
８ 非線形光学結晶
９ Ｑスイッチ
１０ ヒートシンク
１３ 間隔

Claims (5)

1. 出力鏡と少なくとも１枚の反射鏡の間でレーザ共振器を構成し、前記レーザ共振器に少なくとも希土類イオンを添加したレーザ結晶を配置し、さらに前記レーザ共振器の外部に配置された半導体レーザと、この半導体レーザの出力光を集光するための励光学系を配置し、前記レーザ共振器の光軸と同軸上に沿って出てくる前記半導体レーザの出力光で前記レーザ結晶を励起する半導体レーザ励起固体レーザにおいて、
   前記レーザ結晶として、それぞれ希土類イオンを含み、希土類イオン濃度が異なるだけで同じ組成式をした複数のレーザ結晶素子を、励起光が入射する側から希土類イオン濃度の低い順に並べて配置すると共に、前記レーザ結晶のレーザが通過する面を除く側面に放熱手段を設け、レーザが通過する面と直交する外側へ放熱させることを特徴とした半導体レーザ励起固体レーザ。
2. 前記レーザ結晶は、各レーザ結晶素子を密着状態で配置した請求項１に記載した半導体レーザ励起固体レーザ。
3. 前記レーザ結晶は、各レーザ結晶素子を一体に接合して複合化結晶にした請求項１に記載した半導体レーザ励起固体レーザ。
4. 前記レーザ結晶は、各レーザ結晶素子を間隔をあけた近接状態で配置すると共に、この間隔は最も厚さの小さいレーザ結晶素子に比べて十分に小さく設定した請求項１に記載した半導体レーザ励起固体レーザ。
5. 前記各レーザ結晶素子における前記光軸方向の単位長さ当り励起光吸収量の最大値を概ね等しくした請求項１〜４のいずれかに記載した半導体レーザ励起固体レーザ。

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