JP2021132127A - 半導体レーザ励起固体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ励起固体レーザを小型かつ光軸調整容易にする。【解決手段】半導体レーザ励起固体レーザ１は共振器部１０と励起部２０とを有する。励起部２０は、レーザ光を、互いに略平行に伝搬する第１励起光３１及び第２励起光３２に分岐させ、所定の離間距離を有する第１集光点３１ｆ及び第２集光点３２ｆにて集光させる。共振器部１０に設けられる固体レーザ結晶１１は、第１波長及び第２波長において誘導放出遷移を示し、かつ複屈折性を有するものであり、光学面の法線に対して４５°傾斜した光学軸（１１ｃ）と、第２波長を有する光が異常光線として伝搬したときのウォークオフによるビームシフト量が所定の離間距離に等しくなる結晶長１１Ｌとを有する。固体レーザ結晶１１の光学面１１ａには、第１波長でレーザ動作するための第１多層膜ミラー１４と、第２波長でレーザ動作するための第２多層膜ミラー１５とが設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ結晶の誘導放出遷移によって得られる波長を有するレーザ光を、非線形光学結晶を使用して別の波長に変換して出力する半導体レーザ励起固体レーザに関し、特に、波長が異なる連続波動作の２つの基本波を共振器内で和周波混合することにより可視光領域の波長を有するレーザ光を発生させる内部共振器型の和周波混合レーザに関する。

可視光領域の波長を有し、小出力、例えば１００ｍＷ以下の連続波動作で発生するレーザ光は、計測や分析の分野で使用されることが多い。６３０ｎｍ以上の可視光領域の波長を有するレーザ光を発生させるためには、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系の半導体レーザが使用されてきた。現在では３７５ｎｍ〜５１５ｎｍの波長領域のレーザ光を発生させるためにＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の半導体レーザが使われている。しかしながら、これらの間の波長を有するレーザ光を発生させるためには、半導体レーザとは別の発生方式に頼らざるを得なかった。

固体レーザ結晶の多くは赤外線波長域に誘導放出遷移を示す特性を持つものが多い。固体レーザ結晶を利用して発生させた赤外線の、レーザ共振器内部での非線形光学効果を利用した第二高調波発生によって可視光領域の連続波を発生させることができる。１０６４ｎｍや１１２３ｎｍの波長における誘導放出遷移を利用して５３２ｎｍや５６１ｎｍなどの波長を有するレーザ光を発生させる半導体レーザ励起固体レーザが現在広く利用されている。しかしながら１．２μｍ近傍の波長に誘導放出遷移を示す固体レーザは少なくとも広く普及しているものはなく、その第二高調波発生によって０．５９ｎｍ近傍の波長を有するレーザ光を発生させる固体レーザはなかった。

特許文献１には、内部共振器型和周波混合を行うことで波長５８９ｎｍのレーザ光を発生させるレーザシステムが開示されている。このレーザシステムは、２つのＮｄ：ＹＡＧ結晶を使用し、それぞれに１０６４ｎｍ及び１３１８ｎｍの波長でレーザ動作をさせ、和周波混合により５８９ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。このレーザシステムは２つのレーザ共振器を備え、両レーザ共振器の一部が共通の光路を形成している。この共通の光路部分に非線形結晶が配置され、両レーザ共振器の分岐した光路部分のそれぞれにＮｄ：ＹＡＧ結晶が配置される。このレーザシステムではフラッシュランプ又はパルス動作を行う半導体レーザによって固体レーザが励起され、出力として取り出される５８９ｎｍの波長を有するレーザ光はパルス光である。

連続波動作を行い、かつ内部共振器型和周波混合を行うレーザ装置として特許文献２が公知である。このレーザ装置も特許文献１と同じく２つのレーザ共振器を備え、２つの共振器の光路の共通部分に非線形結晶が配置され、両レーザ共振器の光路の非共通部分に各１個のレーザ結晶が配置されている。それぞれのレーザ結晶の一端面には、レーザ共振器を構成するための反射膜が設けられている。両レーザ共振器の光路の共通部分から非共通部分への分岐部には、両レーザ共振器の互いに異なる波長を有する２つの基本波（赤外線）の一方に対して高反射で他方に対して低反射であるダイクロイックミラーが、両基本波に対する入射角が４５°となるように配置されている。

米国特許第５３４５４５７号明細書 特開２００５−１２３２２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のレーザシステムでは、２つのレーザ共振器の光路を共通部分から非共通部分へ分岐させるために複数のプリズムが使用されている。また、共振器を構成する複数の反射鏡が、角度の微動調整を行うことを前提にした構造で配置されている。そのため装置が大型になる。

特許文献２には、０．５９μｍの波長を有するレーザ光の発生の例は示されていないものの、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶の１μｍ帯及び１．３μｍ帯の波長における誘導放出遷移を利用して発生させたレーザ光の和周波混合を行うことにより、０．５９μｍの波長を有する連続波レーザ光が発生するであろうことが想像される。

しかしながら、特許文献２に記載のレーザ装置は、ダイクロイックミラーを用いて２つの共振器の光路を共通部分から非共通部分へ分岐させているため、ダイクロイックミラーによるエネルギーの損失が大きい。具体的には、それぞれの共振器の内部でレーザ光が往復する際にこの分岐部分だけで１％を超えるエネルギーの損失が発生する。したがって、連続波動作の場合は大きな効率が見込めなかった。また、２つのレーザ結晶やダイクロイックミラーが小さく、微動調整のための機構を設けることが困難であるため、光軸調整、特に２つの共振器の光路の共通部分において発振する２つのレーザ光の光軸を一致させる光軸調整が難しいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、内部共振器型の和周波混合を行ってレーザ光を発生させる連続波動作の半導体レーザ励起固体レーザを、小型かつ光軸調整が容易なものにすることである。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、半導体レーザ励起固体レーザ（１）であって、所定の励起波長（例えば、８０８ｎｍ）を有する前記レーザ光によって励起される固体レーザ結晶（１１）を内部に備えた共振器部（１０）と、前記励起波長を有する連続波の前記レーザ光を出力する励起用半導体レーザ（２１）を備え、前記共振器部に前記レーザ光を供給して前記固体レーザ結晶を励起する励起部（２０、５０）とを有する。

前記励起部は、前記レーザ光を、互いに略平行に伝搬する第１励起光（３１）及び第２励起光（３２）に分岐させ、かつ前記第１励起光及び前記第２励起光を所定の離間距離（Ｄ、例えば、１．０ｍｍ）を有する第１集光点（３１ｆ）及び第２集光点（３２ｆ）にて集光するように出力する。

前記固体レーザ結晶は、少なくとも第１波長（例えば、１０６４ｎｍ）及び前記第１波長と異なる第２波長（例えば、１３４２ｎｍ）における誘導放出遷移を示し、かつ複屈折性を有するものであり、前記レーザ光の光路に直交する互いに対向する入射側の第１光学面（１１ａ）及び出射側の第２光学面（１１ｂ）と、前記第１光学面の法線に対して前記第１励起光と前記第２励起光との離間方向へ４５°傾斜した光学軸（１１ｃ）と、前記第２波長を有する光が異常光線として前記第１光学面から前記第２光学面へ伝搬したときのウォークオフによるビームシフト量が所定の前記離間距離に等しくなる結晶長（１１Ｌ）とを有する。前記固体レーザ結晶は、前記誘導放出遷移を利用して発生させた前記第１波長を有する光を正常光線である第１成分（４１）と前記異常光線である第２成分（４２）とに分離し、前記誘導放出遷移を利用して発生させた前記第２波長を有する光を前記異常光線である第３成分（４３）と前記正常光線である第４成分（４４）とに分離する。

前記共振器部（１０）は、前記固体レーザ結晶の前記第１光学面（１１ａ）における前記第１励起光の入射領域に設けられ、前記第１波長について高反射かつ前記励起波長について低反射の特性を有する第１多層膜ミラー（１４）と、前記固体レーザ結晶の前記第１光学面における前記第２励起光の入射領域に設けられ、前記第２波長について高反射かつ前記励起波長について低反射の特性を有する第２多層膜ミラー（１５）と、前記固体レーザ結晶の出射側に前記固体レーザ結晶から離間して配置され、前記固体レーザ結晶を向く凹面（１３ａ）及び、前記凹面に設けられ、前記第１波長及び前記第２波長について高反射かつ前記第１波長及び前記第２波長の和周波混合光（３３）が有する第３波長（例えば、５９４ｎｍ）について低反射の特性を有する第３多層膜ミラー（１６）を有する出力ミラー（１３）と、前記固体レーザ結晶と前記出力ミラーとの間に配置され、互いに直交する方向に偏光する前記第１成分及び前記第３成分を入力として、和周波混合によって前記第３波長を有する前記レーザ光（３３）を発生させる非線形光学結晶（１２）とを更に備える。

上記構成により、前記半導体レーザ励起固体レーザは、前記第１多層膜ミラーと前記出力ミラーとの間において、前記第１励起光による励起により前記固体レーザ結晶にとって正常光線となる偏光及び前記第１波長でレーザ動作し、前記第２多層膜ミラーと前記出力ミラーとの間において、前記第２励起光による励起により前記固体レーザ結晶にとって異常光線となる偏光及び前記第２波長でレーザ動作し、前記非線形光学結晶による和周波混合によって前記第３波長を有する前記連続波の前記レーザ光を出力する。

また、前記第１波長を有する前記第１励起光及び前記第２波長を有する前記第２励起光のそれぞれの前記レーザ共振器部における光路は、概ね前記固体レーザ結晶と前記出力ミラーの相対的な位置関係で決まり、前記レーザ共振器部の共通部分ではこれらの光路は一致する。このように前記レーザ共振器部内の光路が予め決定されるため、前記励起部を構成する部品の位置を調整して、前記第１集光点及び前記第２集光点の位置を調整するだけで容易に光軸調整を行うことができ、前記第１波長のレーザ動作及び前記第２波長のレーザ動作を最適に行わせることできる。

好ましくは、前記励起部（２０）は、前記励起用半導体レーザから出力された前記レーザ光の速軸方向の広がりを小さくするシリンドリカルレンズ（２２）と、直方体をなし、前記シリンドリカルレンズの出射側に１つの稜線（２３ａ）を前記シリンドリカルレンズに向けて配置され、前記シリンドリカルレンズを通過した遅軸方向に広がる励起光を前記稜線によって中央で分割して分岐させ、前記稜線を形成する２つの光学入射面に対向する２つの光学出射面から前記第１励起光及び前記第２励起光として出射するガラスブロック（２３）と、前記ガラスブロックから出射された前記第１励起光及び前記第２励起光を前記第１集光点及び前記第２集光点に集光する、１つ又は複数のレンズから構成されるレンズ群（２４）とを更に備える。

前記レンズ群は、前記第１集光点及び前記第２集光点が対応する前記第１多層膜ミラー又は前記第２多層膜ミラーから前記固体レーザ結晶の内部に進入した位置となるように配置される。

上記構成により、前記第１励起光及び前記第２励起光は、所定の前記離間距離を有する前記第１集光点及び前記第２集光点にて集光するように前記励起部から出力される。

好ましくは、前記励起部（５０）は、前記励起用半導体レーザから出力された前記レーザ光の速軸方向の広がりを小さくするシリンドリカルレンズ（２２）と、前記シリンドリカルレンズを透過した前記レーザ光を前記第１集光点及び前記第２集光点に集光するための１つ又は複数のレンズから構成されるレンズ群（２４）と、互いに貼り合わされる２つの直角プリズム（５２）及び、前記直角プリズムの間に設けられた部分反射膜（５３）を有し、一面から励起光が概ね４５°の入射角をもってｐ偏光として入射するよう配置され、入射した前記励起光を前記部分反射膜によって概ね１対１に分岐させ、前記部分反射膜で反射した前記励起光の成分を前記第１励起光として、前記部分反射膜を透過した前記励起光の成分を前記第２励起光として出射させるビームスプリッタ（５１）とを更に備える。

前記ビームスプリッタは、前記第１集光点及び前記第２集光点が対応する前記第１多層膜ミラー又は前記第２多層膜ミラーから前記固体レーザ結晶の内部に進入した位置となるように配置される。

上記構成により、前記第１励起光及び前記第２励起光は、所定の前記離間距離を有する前記第１集光点及び前記第２集光点にて集光するように前記励起部から出力される。

本発明によれば、半導体レーザ励起固体レーザを、小型かつ光軸調整が容易なものにすることができる。

第１実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザのレーザ共振器部の構成図 第１実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザの励起部の構成図 第２実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザの励起部の構成図

≪第１実施形態≫
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ１について説明する。

第１実施形態に係る半導体レーザ励起固体レーザ１は、レーザ共振器部１０と、レーザ共振器部１０に励起光（第１励起光３１及び第２励起光３２）を供給する励起部２０とを有している。以下、レーザ共振器部１０と励起部２０とを別々に説明する。

まず、レーザ共振器部１０について説明する。図１はレーザ共振器部１０の構成を示す図である。レーザ共振器部１０は、励起部２０から供給される励起光の入射側から順に光路に沿って並べられたＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１、ＫＴＰ結晶１２及び出力ミラー１３を備えている。レーザ共振器部１０は、第１励起光３１及び第２励起光３２をエネルギー源としてＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に入射させ、第１波長及び第２波長でレーザ発振し、ＫＴＰ結晶１２内で和周波混合を行うことにより第３波長を有する和周波混合光３３を出力する。第１励起光３１及び第２励起光３２は、それぞれ８０８ｎｍの中心波長及び紙面に平行な偏光方向を有し、１．０ｍｍの間隔（離間距離Ｄ）をもって互いに平行又は略平行にＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に入射する。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１は、ネオジム添加バナジン酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）からなる固体レーザ結晶であり、そのネオジムイオンの添加濃度は１原子パーセントである。Ｎｄ：ＹＶＯ_４は１０６４ｎｍ（第１波長）や１３４２ｎｍ（第２波長）などの複数の波長で発振が可能なレーザ結晶である。またＮｄ：ＹＶＯ_４は複屈折性を有する結晶であり、大きな複屈折を持つ。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の光軸方向の長さ（結晶長１１Ｌ）は１０ｍｍである。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１のカット角はθ＝４５°であり、結晶の光学軸であるｃ軸方向１１ｃは互いに平行な入射側の第１光学面１１ａ及び出射側の第２光学面１１ｂの法線から４５°だけ傾いている。またＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１はｃ軸方向１１ｃが図１の紙面に平行になるように、すなわちｃ軸方向１１ｃが第１励起光３１と第２励起光３２との離間方向へ傾斜する向きに配置されている。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の吸収係数は、２ｎｍのスペクトル幅及び８０８ｎｍの中心波長を有する励起光に対して、励起光の偏光方向とｃ軸方向１１ｃとが互いに平行なとき、すなわちπ偏光の励起光に対して約３０ｃｍ^−１である。また励起光の偏光方向とｃ軸方向１１ｃとが互いに直交しているとき、すなわちσ偏光の励起光に対して、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の吸収係数は約１０ｃｍ^−１である。第１励起光３１の偏光方向及び第２励起光３２の偏光方向は紙面に平行であり、これらの偏光方向はＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１のｃ軸に対して約４５°の角度をなす。このような励起ではπ偏光及びσ偏光の両方で光が励起される。このような励起であっても吸収係数は少なくとも１０ｃｍ^−１であり、吸収係数の逆数で表される吸収長は１ｍｍ以下といえる。励起光がＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の中をこの長さだけ伝搬すると励起光の大部分が吸収される。

励起によって生じる誘導放出光はＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の中をｃ軸方向１１ｃに対して４５°の角度をなして伝搬するとき、その偏光方向によってはウォークオフと呼ばれる効果を受ける。図１の紙面に垂直な偏光を持つ光は波面の垂線方向に伝搬する。このような光は正常光線と呼ばれる。これに対して、図１の紙面に平行な偏光を持つ光は波面の垂線方向からずれた方向に伝搬する。このような光は異常光線と呼ばれる。波面垂線方向すなわち波数ベクトル方向と、光の伝搬方向すなわちポインティングベクトルの方向とがなす角度がウォークオフ角である。

１０６４ｎｍの波長を有する異常光線に対してウォークオフ角は約５．７４°であり、１０ｍｍの伝搬によってビームは１．０１ｍｍだけシフトする。１３４２ｎｍの波長を有する異常光線に対してウォークオフ角は約５．６９°であり、１０ｍｍの伝搬によってビームは１．００ｍｍだけシフトする。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の１端面には、領域を分けて近接した位置に、第１多層膜ミラー１４及び第２多層膜ミラー１５が誘電体多層膜コーティングによって設けられている。これらの多層膜ミラーは工程を分けて設けられるために、一方の製作工程においては他方の領域にマスキングを行うことになる。製造誤差を考慮すると、境界の幅０．３ｍｍ程度の直線状の領域は使用できないことがある。

第１多層膜ミラー１４は第１光学面１１ａにおける第１励起光３１の入射領域に設けられる。第１多層膜ミラー１４は波長ごとに異なる特性を持ち、その特性は、波長８０８ｎｍについて（波長８０８ｎｍの光に対して）９５％以上の透過率、波長１０６４ｎｍについて９９．８％以上の反射率、波長１３４２ｎｍについて５０％以下の反射率となっている。この特性により波長１３４２ｎｍのレーザ発振を抑制し、第１波長とする波長１０６４ｎｍだけを選択してレーザ動作させることが可能となる。第１励起光３１は第１多層膜ミラー１４を通過してＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１を励起する。

第２多層膜ミラー１５は第１光学面１１ａにおける第２励起光３２の入射領域に設けられる。第２多層膜ミラー１５も波長ごとに異なる特性を持ち、その特性は、波長８０８ｎｍについて９５％以上の透過率、波長１０６４ｎｍについて５０％以下の反射率、波長１３４２ｎｍについて９９．８％以上の反射率となっている。この特性により波長１０６４ｎｍのレーザ発振を抑制し、第２波長とする波長１３４２ｎｍだけを選択してレーザ動作させることが可能となる。第２励起光３２は第２多層膜ミラー１５を通過してＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の別の箇所を励起する。

Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の第１多層膜ミラー１４が設けられた部分に第１励起光３１が略垂直に入射し、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の第２多層膜ミラー１５が設けられた部分に第２励起光３２が略垂直に入射する。第１励起光３１の偏光方向及び第２励起光３２の偏光方向は紙面に平行である。またこれらの集光スポットの直径は約２００μｍ、２つの集光スポットの離間距離Ｄは１ｍｍである。またそれぞれの集光点は対応する第１多層膜ミラー１４又は第２多層膜ミラー１５からＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の内部に約０．５ｍｍだけ侵入した位置となるように調整される。

出力ミラー１３は、石英ガラス基板の片側を凹面加工したものであり、凹面１３ａの曲率半径は−１００ｍｍである。出力ミラー１３の凹面１３ａには第３多層膜ミラー１６が設けられている。第３多層膜ミラー１６は波長ごとに異なる特性を持ち、その特性は、波長５９４ｎｍについて９５％以上の透過率、波長１０６４ｎｍについて９９．８％以上の反射率、波長１３４２ｎｍについて９９．８％以上の反射率となっている。出力ミラー１３は第１多層膜ミラー１４及び第２多層膜ミラー１５から２５ｍｍの位置に配置される。また、出力ミラー１３はその凹面１３ａの曲率中心が、第１励起光３１の集光点を通る第１多層膜ミラー１４の面の垂線上に位置するようにその向きが調整される。

第１励起光３１による励起によって第１多層膜ミラー１４の近傍で発生する誘導放出光のうち、紙面に垂直な第１偏光方向４１ｐを有する第１成分４１はＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に対して正常光線である。そのため、第１成分４１は第１多層膜ミラー１４の法線方向に伝搬し、第３多層膜ミラー１６まで到達し、反射して元の光路を逆にたどりながら元の位置に到達するため、共振可能である。

これに対し、第１励起光３１による励起によって第１多層膜ミラー１４の近傍で発生する誘導放出光のうち、紙面に平行な第２偏光方向４２ｐを持つ第２成分４２は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に対して異常光線である。そのため、第２成分４２は第１多層膜ミラー１４の法線方向からそれて伝搬し、第３多層膜ミラー１６まで到達しても、斜めに反射することで元の位置に到達しないため、共振することはない。

レーザ共振器部１０は、第１多層膜ミラー１４と第３多層膜ミラー１６との間にこのような偏光選択特性を持ち、また前述した第１多層膜ミラー１４による発振波長の選択特性を持つ。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１には、１０６４ｎｍ近傍の複数の波長で誘導放出遷移を示す特性があるが、１０６４ｎｍの波長での誘導放出遷移が最も強い。したがって、レーザ共振器部１０は、第１多層膜ミラー１４と第３多層膜ミラー１６との間では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１内で正常光線となる偏光及び、第１波長となる１０６４ｎｍの波長でレーザ動作をする。

第２励起光３２による励起によって第２多層膜ミラー１５の近傍で発生する誘導放出光のうち、紙面に平行な第２偏光方向４３ｐを持つ第３成分４３はＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に対して異常光線である。そのため、第３成分４３は第２多層膜ミラー１５の法線方向からそれて伝搬し、約１ｍｍだけシフトした位置からＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１を抜け出す。出力ミラー１３はその曲率中心が第１励起光３１に合わせて配置されているため、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１を抜け出た紙面に平行な第２偏光方向４３ｐを持つ第３成分４３は、第３多層膜ミラー１６まで到達し反射して、元の光路を逆にたどりながら伝搬して元の位置に到達するため、共振可能である。

これに対し、第２励起光３２による励起によって第２多層膜ミラー１５の近傍で発生する誘導放出光のうち、紙面に垂直な第１偏光方向４４ｐを持つ第４成分４４は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に対して正常光線である。そのため、第４成分４４は第１多層膜ミラー１４の法線方向に伝搬し、第３多層膜ミラー１６まで到達するが、斜めに反射して元の位置に到達しないため、共振することはない。

レーザ共振器部１０は、第２多層膜ミラー１５と第３多層膜ミラー１６との間にこのような偏光選択特性を持ち、また前述した第２多層膜ミラー１５による発振波長の選択特性を持つ。Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１には、波長１３４２ｎｍ近傍の複数の波長で誘導放出遷移を示す特性があるが、波長１３４２ｎｍの誘導放出遷移が最も強い。したがって、レーザ共振器部１０は、第２多層膜ミラー１５と第３多層膜ミラー１６との間では、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１内で異常光線となる偏光及び、第２波長となる１３４２ｎｍの波長でレーザ動作をする。

和周波混合を行うための非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶１２（チタン酸リン酸バリウム、ＫＴｉＯＰＯ_４）は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１と出力ミラー１３との間に配置される。

ＫＴＰ結晶１２の切り出し角はφ＝０°、θ＝８０°である。ＫＴＰ結晶１２のレーザ光が伝搬する方向の長さは５ｍｍである。ＫＴＰ結晶１２のＹ軸方向１２ｙは紙面に垂直である。ＫＴＰ結晶１２の位相整合角はθ＝７８．９°であるため、ＫＴＰ結晶１２を実際に動作させるときは、１°〜２°だけ回転調整することで、和周波混合のための２つの基本波の伝搬方向を位相整合角に一致させる。この配置では、電界方向（偏光方向）が紙面に垂直な波長１０６４ｎｍのレーザ光（第１成分４１）及び、電界方向が紙面に平行な波長１３４２ｎｍのレーザ光（第３成分４３）からなる２つの基本波が入力となる。これらの基本波が、紙面に垂直な第１偏光方向３３ｐ及び第３波長となる５９４ｎｍの波長を有するレーザ光である和周波混合光３３に変換される。

ここまで説明してきた各部品の配置では、ＫＴＰ結晶１２内を伝搬する波長１３４２ｎｍのレーザ光はＫＴＰ結晶１２にとっては異常光線であるためウォークオフの効果を受ける。しかしながらウォークオフ角が約１．１°で、またＫＴＰ結晶１２の長さが５ｍｍであるためビームシフト量は約１０μｍと非常に小さい。図１ではＫＴＰ結晶１２によるウォークオフによるビームシフトは強調して描かれているが、実際にはＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１によるビームシフトと比べて十分小さいため、光学調整を行うときには無視できる。

第１実施形態の励起部２０について図２を参照しながら説明する。励起部２０は、１つの励起用半導体レーザ２１の出力光３０を第１励起光３１と第２励起光３２とに概ね１対１に分岐させて、レーザ共振器部１０に供給する。第１励起光３１及び第２励起光３２のそれぞれは、レーザ共振器部１０において第１波長のレーザ励起と第２波長のレーザ励起とに使用される。励起部２０は、励起用半導体レーザ２１に加え、出力光３０の光路上に順に並べられたシリンドリカルレンズ２２、ガラスブロック２３及びレンズ群２４を備えている。

励起用半導体レーザ２１は、励起波長としての８０８ｎｍの波長、４Ｗの最大出力、そして１００μｍの活性領域の幅をもって動作する。また、励起用半導体レーザ２１はその出力光３０の偏光方向が接合面に平行となるＴＥモードで発振するものである。図２では、符号３０ｐで示す出力光３０の偏光方向が紙面に平行となるように描かれている。出力光３０の広がり角の大きい速軸と呼ばれる方向は図２の紙面に垂直であり、広がり角の小さい遅軸と呼ばれる方向は図２の紙面に平行である。

励起用半導体レーザ２１の出力光３０の速軸方向の広がり角を小さくするために、出力光３０の光路上にシリンドリカルレンズ２２が配置される。シリンドリカルレンズ２２は、速軸方向のビームの広がりを完全にコリメート状態にするのではなく、ビームに小さめの広がり角を持たせ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１に照射したところで速軸方向のビーム径が約２００μｍになるように、励起用半導体レーザ２１との間隔を調整される。

ガラスブロック２３は石英ガラスを材料とした直方体形状のブロックである。このガラスブロック２３の断面は正方形であり、その一辺の長さが１．５ｍｍである。この断面の４辺を含む面は光学研磨された面である。ガラスブロック２３は１つの稜線２３ａがシリンドリカルレンズ２２の方に向かい、シリンドリカルレンズ２２を通過してきた遅軸方向に広がる励起光を稜線２３ａによって中央で分割するように配置されている。ガラスブロック２３のシリンドリカルレンズ２２に近い光学入射面となる２面の一方からガラスブロック２３に入射した励起光は対向する面（光学出射面）を透過する。この一方の励起光はガラスブロック２３を透過することによって約０．５ｍｍのビームシフトを生じる。ガラスブロック２３のシリンドリカルレンズ２２に近い２面のもう一方からガラスブロック２３に入射したもう一方の励起光も同様の経路をたどり、対向する面を透過したときには先とは反対方向へ約０．５ｍｍのビームシフトを生じる。このようにして分岐してガラスブロック２３を通過した２つの励起光は、発光点が１．０ｍｍだけ離れた２つの光源から出てきた光と略等価とみなせる。なお、励起光の大部分は４５°から５０°の範囲の入射角をもってｐ偏光としてガラスブロック２３に入射するため、ガラスブロック２３の１面当たりの反射率は０．７％未満となる。そのため、励起光が入射又は透過する面に反射防止膜が設けられなくてもよい。

ガラスブロック２３で分岐しガラスブロック２３を通過した２つの励起光はレンズ群２４によって集光される。図２ではレンズ群２４を１つのレンズとして描いてあるが、レンズ群２４は焦点距離が１０ｍｍの２つのレンズを近接配置したものである。このレンズ群２４によって集光される２つの励起光のうち、一方が第１励起光３１、もう一方が第２励起光３２となる。励起用半導体レーザ２１からレンズ群２４の第１レンズまでの距離を約１０ｍｍとすることで、第１励起光３１及び第２励起光３２はレンズ群２４の第２レンズから約１０ｍｍの位置に遅軸方向の焦点を結ぶ。以下、この第１励起光３１の焦点を第１集光点３１ｆと呼び、第２励起光３２の焦点を第２集光点３２ｆと呼ぶ。これらの第１集光点３１ｆ及び第２集光点３２ｆがＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の入射面から約０．５ｍｍだけ内部に侵入するように、レーザ共振器部１０と励起部２０との相対位置や、励起部２０内のレンズ群２４の位置が調整される。

上記のように２つの励起光は発光点が１．０ｍｍだけ離れた２つの光源から出てきた光と略等価とみなせ、レンズ群２４で集光することで得られる、第１励起光３１の第１集光点３１ｆと第２励起光３２の第２集光点３２ｆとの間隔である離間距離Ｄは約１ｍｍである。これらの集光点における遅軸方向のビーム径は活性層の幅と等しい約１００μｍであるが、集光点の前後ではビーム径は広がっており、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１を約１ｍｍだけ伝搬する間のビーム径は約２００μｍとみなせる。

第１励起光３１及び第２励起光３２のビーム断面はその縦横比が１に近いのが理想である。第１集光点３１ｆ及び第２集光点３２ｆにおける速軸方向のビーム径を調整するために、シリンドリカルレンズ２２の励起用半導体レーザ２１との間隔が調整される。この調整により、速軸方向のビーム径も約２００μｍになる。実際には、この値を直接モニターすることは困難なため、最終的に得られる和周波混合光３３のビームプロファイルがガウシアンビームプロファイルを維持しつつレーザパワーが最大になるように上記間隔を調整すればよい。

以上、説明してきたように、第１波長を有する第１励起光３１及び第２波長を有する第２励起光３２のそれぞれのレーザ共振器部１０における光路は、概ねＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１と出力ミラー１３の相対的な位置関係で決まり、レーザ共振器部１０の共通部分ではこれらの光路は一致する。このようにレーザ共振器部１０内の光路が予め決定されるため、励起部２０を構成する部品の位置を調整して、第１集光点３１ｆ及び第２集光点３２ｆの位置を調整するだけで、第１波長のレーザ動作及び第２波長のレーザ動作を最適に行わせることが容易である。

このように構成された内部共振器型の和周波混合を行う半導体レーザ励起固体レーザ１では、励起用半導体レーザ２１の出力パワーが２Ｗ〜３Ｗのときに、第３波長である５９４ｎｍの波長及び数１０ｍＷの出力パワーを有する連続波出力が得られる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、レーザ共振器部１０が第１実施形態のものと全く同じであり、励起部５０だけが第１実施形態の励起部２０と異なる。そのため、重複する説明や省略し、励起部５０についてのみ図３を参照しながら説明する。

励起部２０は、励起用半導体レーザ２１に加え、出力光３０の光路上に順に並べられたシリンドリカルレンズ２２、レンズ群２４及びビームスプリッタ５１を備えている。励起用半導体レーザ２１及びシリンドリカルレンズ２２は第１実施形態の励起部２０に使用されたものと全く同じであり、その配置や調整方法も同じである。レンズ群２４も第１実施形態の励起部２０に使用されたものと全く同じであり、図３では１つのレンズとして描かれているが、２つの球面レンズを組み合わせて使用される。励起用半導体レーザ２１からレンズ群２４の第１レンズまでの距離は約１０ｍｍである。シリンドリカルレンズ２２を通過し、速軸方向の広がり角が小さくなった励起光はレンズ群２４により集光される。

レンズ群２４を通過してきた励起光は収束しながらビームスプリッタ５１の１つの面に約４５°の入射角をもってｐ偏光として入射する。ビームスプリッタ５１は石英ガラスを材料とする２個の直角プリズム５２を貼り合わせた構造であり、その断面は正方形であり、その一辺の長さが５ｍｍである。そしてビームスプリッタ５１は、貼り合わせた部分に形成される稜線５１ａの１つがレンズ群２４に向かうように配置される。直角プリズム５２を貼り合わせた境界面には、予め誘電体多層膜の部分反射膜５３が設けられている。励起光の部分反射膜５３への入射角は約８０°であり、このときｐ偏光に対して約５０％の反射率を持つように部分反射膜５３は設計されている。部分反射膜５３を反射した励起光は入射したときと同じ直角プリズム５２のもう１つの面から透過する。これが第２励起光３２になる。部分反射膜５３を透過した励起光は侵入した直角プリズム５２の一面から透過する。これが第１励起光３１となる。

第１励起光３１及び第２励起光３２はビームスプリッタ５１を通過後に集光する。これらの集光点が第１励起光３１の第１集光点３１ｆと第２励起光３２の第２集光点３２ｆである。両集光点の離間距離ＤがＮｄ：ＹＶＯ_４結晶１１のウォークオフによるビームシフト量に等しくなるように、ビームスプリッタ５１の位置が調整される。第１励起光３１はビームスプリッタ５１の平行な２面を透過して得られるため、ビームスプリッタ５１の位置が励起光を横切る方向、すなわち図３の紙面の上下方向に調整されても第１集光点３１ｆの位置は変わらない。これに対して第２励起光３２は、ビームスプリッタ５１の位置が紙面の上下方向に調整されると、部分反射膜５３によって反射する位置が変わり、第２集光点３２ｆの位置も紙面の上下方向に移動する。そのため、第２集光点３２ｆの第１集光点３１ｆとの離間距離Ｄが調整される。

なお、図３に示した第２実施形態の励起部５０では、ビームスプリッタ５１の位置を調整したときに第１集光点３１ｆの位置は変わらず、第２集光点３２ｆが変化する。他の例では、励起光がもう一方の面に最初に入射するようにビームスプリッタ５１が配置され、ビームスプリッタ５１の位置を上下に調整したときに、第２集光点３２ｆの位置は変化せず、第１集光点３１ｆの位置だけが調整されてもよい。

このように構成された内部共振器型の和周波混合を行う半導体レーザ励起固体レーザ１では、励起用半導体レーザ２１の出力パワーが２Ｗ〜３Ｗのときに、第３波長である５９４ｎｍの波長及び数１０ｍＷの出力パワーを有する連続波出力が得られる。第２実施形態では、ビームスプリッタ５１の位置調整により２つの励起光のうち、集光点の位置が変わらない方の励起光により励起される第１波長あるいは第２波長のどちらかのレーザ発振を先に調整することができる。つまり、一方の励起光によるレーザ発振の調整後、もう一方の励起光の集光点位置を調整することで、もう一方の波長の励起光によるレーザ発振の調整がなされる。そのため、第１実施形態に比べてレーザ発振の調整が容易になる。

第１実施形態及び第２実施形態では、レーザ結晶としてＮｄ：ＹＶＯ_４が使用されているが、複屈折性が大きく、少なくとも２つの離れた波長において誘導放出遷移を示すものであれば他のレーザ結晶が使用されてもよい。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶１１の代わりにＮｄ：ＧｄＶＯ_４をレーザ結晶として利用した場合でも、励起用半導体レーザ２１の波長が８０８ｎｍのまま、第１波長が１０６３ｎｍであり、第２波長が１３４２ｎｍであるレーザ動作をさせることができる。これにより、５９３ｎｍの第３波長を有する和周波混合光３３が出力レーザ光として得られる。なお、Ｎｄ：ＹＡｌＯ_３（Ｎｄ：ＹＡＬＯ、Ｎｄ：ＹＡＰ）やＮｄ：ＬｉＹＦ_４（Ｎｄ：ＹＬＦ）では複屈折性が小さいため、本発明を利用した和周波混合レーザを実用的なレーザ結晶の寸法で実現するのは困難である。

第１実施形態及び第２実施形態では、非線形光学結晶としてＫＴＰ結晶１２を使用しているが、互いに直交する偏光を持つ第１波長を有するレーザ光と第２波長を有するレーザ光から第２種位相整合の和周波混合が可能なものであればよい。第１波長と第２波長が第１実施形態や第２実施形態と同じであるならば、ＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）やβ−ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）が使用できる。ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３などの結晶に周期的分極反転構造を持たせた波長変換素子でも、互いに直交する偏光を持つ第１波長を有するレーザ光と第２波長を有するレーザ光とを入力として和周波混合の疑似位相整合が可能となるような設計を行えば、本発明の和周波混合レーザの非線形光学結晶として使用できる可能性がある。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

連続波動作の励起光を共振器内で和周波混合することにより０．５９μｍの波長を有するレーザ光を発生させる内部共振器型の和周波混合レーザを、小型かつ光軸調整が容易なものにすることができる。

１ 半導体レーザ励起固体レーザ
１０ レーザ共振器部
１１ Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶
１１ａ 第１光学面
１１ｂ 第２光学面
１１ｃ ｃ軸方向（光学軸）
１１Ｌ 結晶長
１２ ＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）
１４ 第１多層膜ミラー
１５ 第２多層膜ミラー
１２ ＫＴＰ結晶
１３ 出力ミラー
１３ａ 凹面
１６ 第３多層膜ミラー
２０ 励起部
２１ 励起用半導体レーザ
２２ シリンドリカルレンズ
２３ ガラスブロック
２３ａ 稜線
２４ レンズ群
３１ 第１励起光
３１ｆ 第１集光点
３２ 第２励起光
３２ｆ 第２集光点
３３ 和周波混合光
４１ 第１励起光の第１成分
４３ 第２励起光の第３成分
５１ ビームスプリッタ
５２ 直角プリズム
５３ 部分反射膜
５０ 励起部
Ｄ 離間距離

Claims (3)

1. 半導体レーザ励起固体レーザであって、
   所定の励起波長を有するレーザ光によって励起される固体レーザ結晶を内部に備えた共振器部と、
   前記励起波長を有する連続波の前記レーザ光を出力する励起用半導体レーザを備え、前記共振器部に前記レーザ光を供給して前記固体レーザ結晶を励起する励起部とを有し、
   前記励起部は、前記レーザ光を、互いに略平行に伝搬する第１励起光及び第２励起光に分岐させ、かつ前記第１励起光及び前記第２励起光を所定の離間距離を有する第１集光点及び第２集光点にて集光するように出力し、
   前記固体レーザ結晶は、少なくとも第１波長及び前記第１波長と異なる第２波長において誘導放出遷移を示し、かつ複屈折性を有するものであり、前記レーザ光の光路に直交する互いに対向する入射側の第１光学面及び出射側の第２光学面と、前記第１光学面の法線に対して前記第１励起光と前記第２励起光との離間方向へ４５°傾斜した光学軸と、前記第２波長を有する光が異常光線として前記第１光学面から前記第２光学面へ伝搬したときのウォークオフによるビームシフト量が所定の前記離間距離に等しくなる結晶長とを有し、前記誘導放出遷移を利用して発生させた前記第１波長を有する光を正常光線である第１成分と前記異常光線である第２成分とに分離し、前記誘導放出遷移を利用して発生させた前記第２波長を有する光を前記異常光線である第３成分と前記正常光線である第４成分とに分離し、
   前記共振器部は、
   前記固体レーザ結晶の前記第１光学面における前記第１励起光の入射領域に設けられ、前記第１波長について高反射かつ前記励起波長について低反射の特性を有する第１多層膜ミラーと、
   前記固体レーザ結晶の前記第１光学面における前記第２励起光の入射領域に設けられ、前記第２波長について高反射かつ前記励起波長について低反射の特性を有する第２多層膜ミラーと、
   前記固体レーザ結晶の出射側に前記固体レーザ結晶から離間して配置され、前記固体レーザ結晶を向く凹面及び、前記凹面に設けられ、前記第１波長及び前記第２波長について高反射かつ前記第１波長及び前記第２波長の和周波混合光が有する第３波長について低反射の特性を有する第３多層膜ミラーを有する出力ミラーと、
   前記固体レーザ結晶と前記出力ミラーとの間に配置され、互いに直交する方向に偏光する前記第１成分及び前記第３成分を入力として、和周波混合によって前記第３波長を有する前記レーザ光を発生させる非線形光学結晶とを更に備えることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ。
2. 前記励起部は、
   前記励起用半導体レーザから出力された前記レーザ光の速軸方向の広がりを小さくするシリンドリカルレンズと、
   直方体をなし、前記シリンドリカルレンズの出射側に１つの稜線を前記シリンドリカルレンズに向けて配置され、前記シリンドリカルレンズを通過した遅軸方向に広がる励起光を前記稜線によって中央で分割して分岐させ、前記稜線を形成する２つの光学入射面に対向する２つの光学出射面から前記第１励起光及び前記第２励起光として出射するガラスブロックと、
   前記ガラスブロックから出射された前記第１励起光及び前記第２励起光を前記第１集光点及び前記第２集光点に集光する、１つ又は複数のレンズから構成されるレンズ群とを更に備え、
   前記レンズ群は、前記第１集光点及び前記第２集光点が対応する前記第１多層膜ミラー又は前記第２多層膜ミラーから前記固体レーザ結晶の内部に進入した位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ。
3. 前記励起部は、
   前記励起用半導体レーザから出力された前記レーザ光の速軸方向の広がりを小さくするシリンドリカルレンズと、
   前記シリンドリカルレンズを透過した前記レーザ光を前記第１集光点及び前記第２集光点に集光するための１つ又は複数のレンズから構成されるレンズ群と、
   互いに貼り合わされる２つの直角プリズム及び、前記直角プリズムの間に設けられた部分反射膜を有し、一面から励起光が概ね４５°の入射角をもってｐ偏光として入射するよう配置され、入射した前記励起光を前記部分反射膜によって概ね１対１に分岐させ、前記部分反射膜で反射した前記励起光の成分を前記第１励起光として、前記部分反射膜を透過した前記励起光の成分を前記第２励起光として出射させるビームスプリッタとを更に備え、
   前記ビームスプリッタは、前記第１集光点及び前記第２集光点が対応する前記第１多層膜ミラー又は前記第２多層膜ミラーから前記固体レーザ結晶の内部に進入した位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ。

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