JP2007188980A - 寄生発振防止レーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寄生発振を防止しかつ側面からの励起光の導入も阻害しない寄生発振防止レーザー装置を提供する。
【解決手段】中央部にレーザー発振元素を含むコア４７を有し、そのコア４７に近接あるいは一体化された、励起光に対し透明な光ガイド４８を有し、その外側面より励起光を光ガイド４８に導入し、光ガイド４８内を伝搬させた励起光により前記コア４７を励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、励起光を導入する光ガイド４８の側面の励起光窓につながる前記光ガイド４８の上下面の少なくとも一方の面上に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体５０を配置した。
【選択図】図１０

Description

本発明は、寄生発振を防止したレーザー装置に関するものである。

図１１に示すように、固体レーザー媒質あるいはそれに隣接して設置された光ガイドなどの固体媒質１０１と外側の大気１０２の境界（表面）１０３では屈折率の違いにより反射や透過が起こる。特に固体レーザー媒質内部から発せられる光を考えた場合、表面１０３への入射角がθのとき反射の角度は同じくθで、入射角と変わらないが、反射率（＝１−透過率）が変化する。特に、媒質の屈折率をｎとするとθが、全反射角
θ_c ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）
より大きな入射角θの場合（θ＞θ_c ）、光はすべて内部で反射され外部には光エネルギーが漏れない。媒質が典型的な固体レーザー母材のＹＡＧの場合、屈折率ｎ＝１．８２であるため全反射角θ_c ＝３３．３°と計算される。このため例えば入射角４５°でＹＡＧ内を進む光はすべて反射されエネルギーを保ったまま媒質内部を進むことができる。また、全反射角３３．３°より小さな入射角で表面に入射する光は一部の光が外部（大気）に透過するため、反射した光はエネルギーを損失する。

さて、固体レーザー媒質の形状には様々な物が考えられるが、典型的な板状の直方体の固体レーザー媒質では、図１２に示すようにＢ−Ｂ′断面の長方形面内で全反射角３３．３°より大きな入射角で媒質内を周回するような光路１１２が存在できる。図１２では各面に対し入射角約４５°で進行する光路の例を示す。レーザー媒質１１１内にこのような光路１１２が存在する場合、レーザー媒質媒質１１１内部での励起エネルギー密度が高くなると本来レーザー光を取り出したい方向１１３とは違う方向に媒質内部でレーザー発振（寄生発振）あるいはＡＳＥ（増幅された誘導放出光）が発生し、媒質内部のエネルギーが媒質外部に取り出せない状態となる。この現象はレーザー装置の出力、効率の大幅な低下をもたらし、また、レーザー媒質１１１内の大幅な温度上昇をもたらすためにレーザー装置の信頼性の低下にもつながる問題である。

また、図１３に示すように、細長い固体レーザー媒質１２１に隣接して励起のための光ガイド１２２を設けた場合も同様で、周回光路１２３内に励起されたレーザー媒質１２１がある場合、周回光路１２３に沿ってレーザー発振（寄生発振）あるいはＡＳＥ（増幅された誘導放出光）が発生する可能性がある。なお、１２４はレーザー光取り出し方向を示している。

さらに、図１４に示すように、励起光ガイドの中央にレーザー媒質（コア）１３１が設置されている場合も同様である。なお、１３２は非固体レーザー媒質（励起光ガイド）、１３３は寄生発振の周回光路、１３４はレーザー光取り出し方向を示している。
なし

上記したような寄生発振の発生の問題を解決するために、従来は図１５に示すように固体レーザー媒質１４１の側面に発振光に対する吸収体（又は散乱体）１４２を密着させ側面に入射した光を吸収したり、側面表面を光が反射せず散乱するように砂面に加工する手法が取られていた。なお、１４３は寄生発振の周回回路を示している。

しかしながら、このようにレーザー媒質の側面に発振光に対する吸収体あるいは散乱体を設けた場合、同じ面から励起光を導入することが出来ない。特に、図１３や図１４に示したように励起光ガイドを有し、励起光ガイドの側面の励起光窓から励起光を導入して、狭いレーザー媒質領域に励起エネルギーを集中させるレーザー構造に置いては、吸収体や散乱加工を適用することが出来なかった。

そこで、本発明は、上記状況に鑑みて、寄生発振を防止しかつ側面からの励起光の導入も阻害しない寄生発振防止レーザー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕寄生発振防止レーザー装置において、矩形状の断面を有する固体レーザー媒質の外側面より励起光を導入し、前記固体レーザー媒質内を伝搬させた励起光により前記固体レーザー媒質を励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、励起光を導入する側面の励起光窓の上下面の少なくとも一方の面上に、側面に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体を配置したことを特徴とする。

〔２〕中央部にレーザー発振元素を含むコアを有し、そのコアに近接あるいは一体化された、励起光に対し透明な光ガイドを有し、その外側面より励起光を光ガイドに導入し、光ガイド内を伝搬させた励起光により前記コアを励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、励起光を導入する光ガイドの側面の励起光窓につながる前記光ガイドの上下面の少なくとも一方の面上に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体を配置したことを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記コアは細長い形状を有し、このコアの両側に光ガイドが形成され、この光ガイドの外側面に励起光窓が形成され、この励起光窓より励起光が導入されて前記コアを励起し、レーザー発振光は前記細長い形状のコアの長手方向に取り出されるようにしたことを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記コアは中央に円筒状に形成され、このコアの周辺に光ガイドが形成され、この光ガイドの外周面に励起光窓が形成され、この励起光窓より励起光が導入されて前記コアを励起し、レーザー発振光は前記円筒状のコアから垂直方向に取り出されるようにしたことを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓上下面の一方の面のみに配置され、前記散乱体あるいは吸収体の領域幅ｗが、下記の条件
ｗ≧ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
を満足することを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が、前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓上下面の両方の面に同じ領域幅ｗ′で配置され、その領域幅ｗ′が、下記の条件
ｗ′≧ｄ／｛２ｔａｎ（θ_c ）｝
ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
を満足することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓上下面の両方の面に配置され、前記散乱体あるいは吸収体の領域幅の総和が、下記の条件
ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、光ガイドの厚み方向に周回する寄生発振によるエネルギーロスを防止することができ、薄型レーザー媒質を搭載したレーザー装置のレーザー出力、効率、安定性を大幅に改善することができる。しかも、励起光に対しては損失が生じないため励起効率が低下しない。

本発明の寄生発振防止レーザー装置は、中央部にレーザー発振元素を含むコアを有し、そのコアに近接あるいは一体化された、励起光に対し透明な光ガイドを有し、その外側面より励起光を光ガイドに導入し、光ガイド内を伝搬させた励起光により前記コアを励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、励起光を導入する光ガイドの側面の励起光窓につながる前記光ガイドの上下面の少なくとも一方の面上に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体を配置した。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図、図２は比較例としてのレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図である。

まず、図２に示すように、レーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドにおいては、上述したように内部での光路の内、媒質表面（上下面および側面）での入射角が３３．３°以上の光は全反射する。これには様々な角度と光路が存在できるが、図１に示すように、固体レーザー媒質（又は光ガイド）１の側面２の近傍の上面３に沿い側面２に接した領域幅ｗに、発振光の散乱体／吸収体５、例えばカーボンやセラミック、色素や接着樹脂などを塗布・接着したり、機械的に表面を砂面に加工したり、薬剤でエッチングしたりレーザー光を用いて表面に凹凸を付けたり、表面層を変質、変色させると、領域幅ｗが下記の条件を満足する場合、
ｗ≧ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
媒体表面（上下面および側面）での入射角が全反射角θ_c 以上の光は領域幅ｗに必ず入射し、領域幅ｗに形成される散乱体／吸収体５により散乱／吸収される。ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角である。

なお、４は固体レーザー媒質（又は光ガイド）１の下面である。

これは、図３より幾何学的に明らかであるが、領域幅ｗ側の上面３から側面２に直接入射する光（Ａ）は、その入射角が全反射角θ_c より小さくなるため全反射できず、一部の光が側面２から外部に出るために光路に損失が発生し、寄生発振が起こりにくくなる。また、光（Ｂ）のように一旦下面４で反射した後、側面２に入射する光は、側面２では全反射可能であるが、側面２で全反射した光は必ず上面３の領域幅ｗ内に向かうために散乱体／吸収体５により光路に損失が発生し、同じく寄生発振が起こりにくくなる。

図４は本発明の第２実施例を示すレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図である。

この実施例では、レーザー媒質（又は光ガイド）１１の側面１２の近傍の上下面１３，１４に同じ幅で上下面１３，１４に沿って領域幅ｗ′を有する発振光の散乱体／吸収体１５，１６を設けた例である。この場合には
ｗ′≧ｄ／｛２ｔａｎ（θ_c ）｝
を満足すれば、側面１２での全反射を防止し、入射角が全反射角θ_c より大きい光は散乱体／吸収体１５，１６により散乱／吸収することができる。

さらに、図４では上下面１３，１４に同じ幅で散乱体／吸収体１５，１６を設けたが、これらは同じ幅でなくてもその幅の和が
ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
より大きければよいことは幾何学的に明らかである。

さて、このように側面の近傍の上面及び又は下面に沿って散乱体／吸収体を設けることで周回状の寄生発振を阻害することができるが、その側面から励起光を導入する場合を考えると、図５ないしは図６に示すように励起光窓６，１７近傍において励起光の幅を励起光窓の高さｄよりも絞ることで上下面１３，１４に設けた散乱体／吸収体１５，１６に励起光が接触、当たることなく高効率で媒質内に導入することが可能である。特に、図６に示すように散乱体／吸収体１５，１６を上下に分けて設けることで散乱体／吸収体の領域幅が短くなり、励起には有利である。

より具体的な実施例を図７〜図１０に示す。

図７は、細長いレーザー媒質に沿って励起光ガイドが設けられている寄生発振防止レーザー装置の模式図、図８は図７のＡ−Ａ′線断面図である。

これらの図において、２１は励起用半導体レーザー、２２はＦＡコリメートレンズ、２３はＦＡ集光レンズ、２３Ａは励起光、２４はヒートシンク、２５はそのヒートシンク２４上に配置される寄生発振防止レーザー装置である。この寄生発振防止レーザー装置２５は、中央に位置する細長い固体レーザー媒質２６と、この固体レーザー媒質２６の両側に配置される励起光ガイド２７を有し、その励起光ガイド２７の側面に励起光２３Ａが照射される励起光窓２８が設けられ、その励起光窓２８に連接した励起光ガイド２７の上面に寄生発振光散乱体／吸収体２９が設けられている。また、ヒートシンク２４上には高熱伝導層２４Ａと誘電体膜２４Ｂが、レーザー媒質２６と励起光ガイド２７の上面の端部を除く部分には誘電体膜３０が形成されている。

そこで、励起光窓２８から励起光２３Ａを励起光ガイド２７に導入し、レーザー媒質２６を励起する。レーザー発振光はレーザー媒質２６の長手方向３１に取り出される。

図９は励起光ガイドの中央にレーザー媒質が設置されている寄生発振防止レーザー装置の模式図、図１０は図９のＢ−Ｂ′線断面図である。

これらの図において、４１は励起用半導体レーザー、４２はＦＡコリメートレンズ、４３はＳＡ集光レンズ、４４はＦＡ集光レンズ、４５はヒートシンク、４６はそのヒートシンク４５上に配置される寄生発振防止レーザー装置である。この寄生発振防止レーザー装置４６は、中央に位置する円筒状のレーザー媒質４７と、このレーザー媒質４７の周囲に配置される励起光ガイド４８を有し、その励起光ガイド４８の側面に励起光４４Ａが照射される励起光窓４９が設けられ、その励起光窓４９に連接した励起光ガイド４８の上面に寄生発振光散乱体／吸収体５０が設けられている。また、ヒートシンク４５上には高熱伝導層４５Ａと全反射膜４５Ｂが、レーザー媒質４７と励起光ガイド４８の上面の端部を除く部分には反射防止膜５１が形成されている。

そこで、励起光窓４９から励起光４４Ａを励起光ガイド４８に導入し、レーザー媒質４７を励起する。レーザー発振光はレーザー媒質４７のレーザー光出力５２として取り出される。５３は出力ミラーである。

ここでレーザー媒質は、母材としてガーネット結晶（ＹＡＧ，ＹＡＯ，ＹＳＯ，ＧＳＧＧ、ＧＧＧ）でもよいし、フッ化物結晶（ＹＬＦ，ＬｉＳＡＦ，ＬｉＣＡＦ）でも、タングステート結晶（ＫＧＷ、ＫＹＷ）、バナデート結晶（ＹＶＯ₄ ，ＧｄＶＯ₄ など）でも良い。また、レーザー発振元素はＮｄでもＹｂでもＴｍ、Ｈｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄでもよい。励起用の半導体レーザは使用するレーザー媒質の吸収体に応じて適切に選択される。

本発明により寄生発振を防止でき、高効率で高出力で安定したレーザー装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の寄生発振防止レーザー装置は、理化学用レーザー装置はもちろん、加工用レーザー装置などの産業分野においても必要とされている高出力で高品位、高信頼なレーザー装置として利用可能である。

本発明の第１実施例を示すレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図である。 比較例としてのレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図である。 本発明の第１実施例を示す寄生発振防止レーザー装置の側面近傍での寄生発振防止の説明図である。 本発明の第２実施例を示すレーザー媒質あるいはそれに隣接した光ガイドの側面近傍の断面を示す図である。 本発明の第１実施例を示す寄生発振防止レーザー装置の励起光の導入状態を示す図である。 本発明の第２実施例を示す寄生発振防止レーザー装置の励起光の導入状態を示す図である。 本発明の第１具体例を示す寄生発振防止レーザー装置の全体構成を示す模式図である。 図７のＡ−Ａ′線断面図である。 本発明の第２具体例を示す寄生発振防止レーザー装置の全体構成を示す模式図である。 図９のＢ−Ｂ′線断面図である。 従来の固体レーザー媒質又は光ガイドと大気との境界面（側面）での反射と透過の説明図である。 固体レーザー媒質での寄生発振の説明図である。 従来の固体レーザー媒質と非固体レーザー媒質（励起光ガイド）での寄生発振の説明図である。 従来の円筒形状の固体レーザー媒質とその外周辺の非固体レーザー媒質（励起光ガイド）の寄生発振の説明図である。 従来のレーザー装置での寄生発振防止の説明図である。

符号の説明

１，１１ 固体レーザー媒質（又は光ガイド）
２，１２ 固体レーザー媒質（又は光ガイド）の側面
３，１３ 固体レーザー媒質（又は光ガイド）の上面
４，１４ 固体レーザー媒質（又は光ガイド）の下面
５，１５，１６ 側面に接した領域幅ｗに形成される散乱体／吸収体
６，１７，２８，４９ 励起光窓
２１，４１ 励起用半導体レーザー
２２，４２ ＦＡコリメートレンズ
２３，４４ ＦＡ集光レンズ
２３Ａ，４４Ａ 励起光
２４，４５ ヒートシンク
２４Ａ，４５Ａ 高熱伝導層
２４Ｂ，３０ 誘電体膜
２５，４６ 寄生発振防止レーザー装置
２６ 中央に位置する細長い固定レーザー媒質
２７ 固定レーザー媒質の両側に配置される励起光ガイド
２９，５０ 寄生発振光散乱体／吸収体
３１ レーザー媒質の長手方向
４３ ＳＡ集光レンズ
４５Ｂ 全反射膜
４７ 円筒状のレーザー媒質
４８ レーザー媒質の周囲に配置される励起光ガイド
５１ 反射防止膜
５２ レーザー光出力
５３ 出力ミラー

Claims (7)

1. 矩形状の断面を有する固体レーザー媒質の外側面より励起光を導入し、前記固体レーザー媒質内を伝搬させた励起光により前記固体レーザー媒質を励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、
   励起光を導入する側面の励起光窓の上下面の少なくとも一方の面上に、側面に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体を配置したことを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
2. 中央部にレーザー発振元素を含むコアを有し、そのコアに近接あるいは一体化された、励起光に対し透明な光ガイドを有し、その外側面より励起光を光ガイドに導入し、光ガイド内を伝搬させた励起光により前記コアを励起する構成の薄型固体レーザー媒質を搭載したレーザー装置において、
   励起光を導入する光ガイドの側面の励起光窓につながる前記光ガイドの上下面の少なくとも一方の面上に沿って発振光を散乱する散乱体あるいは発振光を吸収する吸収体を配置したことを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
3. 請求項２記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記コアは細長い形状を有し、該コアの両側に光ガイドが形成され、該光ガイドの外側面に励起光窓が形成され、該励起光窓より励起光が導入されて前記コアを励起し、レーザー発振光は前記細長い形状のコアの長手方向に取り出されるようにしたことを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
4. 請求項２記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記コアは中央に円筒状に形成され、該コアの周辺に光ガイドが形成され、該光ガイドの外周面に励起光窓が形成され、該励起光窓より励起光が導入されて前記コアを励起し、レーザー発振光は前記円筒状のコアから垂直方向に取り出されるようにしたことを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
5. 請求項１、２、３又は４記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓上下面の一方の面のみに配置され、前記散乱体あるいは吸収体の領域幅ｗが、下記の条件
   ｗ≧ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
   ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
   を満足することを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
6. 請求項１、２、３又は４記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が、前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓の上下面の両方の面に同じ領域幅ｗ′で配置され、その領域幅ｗ′が、下記の条件
   ｗ′≧ｄ／｛２ｔａｎ（θ_c ）｝
   ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
   を満足することを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。
7. 請求項１、２、３又は４記載の寄生発振防止レーザー装置において、前記散乱体あるいは吸収体が前記固体レーザー媒質または光ガイドの励起光窓の上下面の両方の面に配置され、前記散乱体あるいは吸収体の領域幅の総和が、下記の条件
   ｄ／｛ｔａｎ（θ_c ）｝
   ただし、ｄはレーザー媒質または光ガイドの厚み（励起光窓の高さ）、θ_c は全反射角
   より大きいことを特徴とする寄生発振防止レーザー装置。

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