JP2004281595A

JP2004281595A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004281595A
Application number: JP2003069172A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Ito; 隆喜伊東; Hironori Hirato; 平等　　拓範; Ichiro Shoji; 庄司　　一郎
Original assignee: Wakayama Prefecture
Current assignee: Wakayama Prefecture
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】実用的な性能を有する端面励起方式の構成でありながら、共振器長が短い小型の固体レーザ装置が求められている。
【解決手段】励起用レーザ光供給手段５からの励起用レーザ光７を吸収して光励起させる、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶１を備えた固体レーザ装置Ａであって、前記タングステン酸カリウム系結晶１の励起レーザ光入射側の端面９に、発振波長における光の反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長における光の透過率が９０％以上である第１誘電体多層膜３が蒸着されている。タングステン酸カリウム系結晶のレーザ光出射側の端面１０には、発振波長の光を透過し、かつ、励起波長における光の反射率が９９．９％以上である第２誘電体多層膜４が蒸着されている。タングステン酸カリウム系結晶１の励起レーザ光入射側に、光透過性の放熱手段２が固定されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、加工用レーザ装置、学術研究用レーザ装置などの固体レーザ発生装置や、高密度記録媒体である光ディスク等の記録並びに再生を目的としたレーザ装置などに利用される固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに知られている、Ｎｄ（ネオジム）を添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶を半導体レーザ光で励起する場合、励起波長８０８ｎｍに対してレーザ発振波長は１０６４ｎｍである。従って、フォトンエネルギーの比である量子効率は７６％となり、当然にレーザの光−光変換効率は７６％までにとどまる。これに伴って、吸収された励起パワーの２４％（熱発生率）は不可逆的に熱に変換される。
【０００３】
一方で、Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた波長１ミクロン帯の固体レーザの研究開発が活性化している。その中で、Ｙｂ（イッテルビウム）系の固体レーザ装置、特にＹｂを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２結晶（Ｙｂ：ＹＡＧ）を用いたものは、９４０ｎｍないし９７０ｎｍの半導体レーザ光で励起して１０３０ｎｍの発振レーザ光を出射し、前述の量子効率が９０％を超えるため本質的に効率が良いことで知られている。
【０００４】
しかしながら、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶はレーザ下準位に全Ｙｂイオン数の５％ものイオンが熱励起された状態にあるため、レーザ発振に必要な反転分布を形成しにくいという不具合がある。更に、レーザ下準位が温度依存性を持つので、当然にレーザ発振閾値や出力特性も温度依存性を持つ。そのため、下記の特許文献１に示されたように、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶を−１００℃で動作させる温度制御・冷却装置を備える必要がある。従って、装置が大型になり生産現場などに設置することが困難なため実用的でない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２９４５２０号公報
【０００６】
他方で、Ｙｂを添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２）は量子効率が極めて高く蛍光幅が広いため、準四準位系の高効率レーザ媒質として期待されている。但し、励起波長９８１ｎｍが発振波長１０２２ｎｍと極めて近いため、レーザ光軸方向の端面間が短い結晶でのレーザ発振が困難である。
そこで、Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶の励起レーザ光入側端面に蒸着膜を蒸着し、この蒸着膜を共振器の後部鏡として利用する試みがなされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の蒸着膜は、図７に示した分光スペクトルのように、発振波長で高反射となっているのに対し、励起波長においては損失が２０％以上あるために発振閾値が上がり、マイクロチップ化に必要な、いわゆる端面励起ができない。この問題を回避するために、従来はブリュースタ角に加工した結晶を共振器内に設置して励起を行っていたが、装置が大掛かりになるという欠点があった。
【０００８】
そこで、前記のブリュースタ角に加工した結晶の使用を省くために、結晶のレーザ光出射側端面に無反射コートが蒸着される。この無反射コートは、図８の分光スペクトル中の矢印Ｋで示すように、励起波長（９８０ｎｍ）においてほとんど反射しない。そのため、レーザ光出射側に外部鏡を設けなければならず、かえって共振器の小型化を妨げる一因になっていた。
【０００９】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、実用的な性能を有する端面励起方式の構成でありながら、共振器長が短い小型の固体レーザ装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ装置は、励起用レーザ光供給手段からの励起用レーザ光を吸収して光励起させる、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶を備えた固体レーザ装置であって、前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側の端面に、発振波長における光の反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長における光の透過率が９０％以上である第１誘電体多層膜が蒸着された構成にしてある。
【００１１】
また、前記構成に加えて、前記タングステン酸カリウム系結晶のレーザ光出射側の端面に、発振波長の光を部分透過し、かつ、励起波長における光の反射率が９９．９％以上である第２誘電体多層膜が蒸着されたものである。
【００１２】
そして、前記した各構成において、前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側に、光透過性の放熱手段を設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一形態に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。ここに、図１は本発明の一実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
図において、この実施形態に係る固体レーザ装置Ａは、結晶全体で原子数比５％のイッテルビウム（Ｙｂ）を添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（５ａｔ．％Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、結晶１）を有して成る共振器Ｂと、この結晶１の後方に配置された励起用レーザ光出射手段５と、結晶１と励起用レーザ光供給手段５の間に配置されて励起用レーザ光供給手段５からの励起用レーザ光７を集光して共振器Ｂに供給するレンズ６とを備えている。この固体レーザ装置Ａは励起レーザ光軸と出射レーザ光軸が平行（この例では同軸）な端面励起方式に構成されている。結晶１の偏光方向はＥ／／ａである。Ｅ／／ａは光の電場Ｅと結晶１のａ軸が平行であることを示している。また、この結晶１は立方晶系で２回対称軸を有する結晶（Ｃ２／ｃ）である。
【００１４】
結晶１の励起レーザ光入射側の端面９には第１誘電体多層膜３が蒸着されている。この第１誘電体多層膜３は公知の真空蒸着法により高屈折率膜と低屈折率膜を交互に蒸着して積層したものである。この場合、第１誘電体多層膜３は、発振波長（１０２０ｎｍから１１４０ｎｍ）における反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長（９８０ｎｍ）における透過率が９０％以上となるように、前記の高屈折率膜および低屈折率膜の膜材料、膜厚、および積層数がそれぞれ設定されている。
ここでは、例えば、高屈折率膜と低屈折率膜の積層数を合計で約８０層とした。高屈折率膜は五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を膜材料として成膜し、低屈折率膜は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を膜材料として成膜した。そして、高屈折率膜の膜厚はλ（設計波長）／４を目標値とし、このλ／４から微小に変えてある。また、低屈折率膜も、高屈折率膜と同様に各層の膜厚を調整してある。これらにより、前記した特徴的な反射率範囲および透過率範囲を有する第１誘電体多層膜３を得ることができた。
【００１５】
前記の第１誘電体多層膜３と対向する、結晶１のレーザ光出射側の端面１０には第２誘電体多層膜４が蒸着されている。この第２誘電体多層膜４も第１誘電体多層膜３と同じ成膜法（真空蒸着法）により高屈折率膜と低屈折率膜が交互に蒸着して形成されていて、発振波長（中心波長１０２０ｎｍ）の光を部分透過し、かつ、励起波長（９８０ｎｍ）における光の反射率が９９．９％以上となるように、高屈折率膜および低屈折率膜の膜材料（Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２）、膜厚（λ／４を目標値として各層ごとに微小に変化させた）、および積層数（約８０層）がそれぞれ設定されている。
【００１６】
上記の結晶１は前後方向の長さＬ（すなわち、第１誘電体多層膜３と第２誘電体多層膜４間の寸法）が例えば１ｍｍとなるように形成されている。また、励起用レーザ光供給手段５は例えば波長９８０．８ｎｍのＴｉ：サファイアレーザ光（励起用レーザ光７）を出射するようになっている。そして、誘電体多層膜３の後面には光透過性の放熱手段２が取り付けられている。この放熱手段２は例えばサファイアから成り、光学接着剤により誘電体多層膜３の後面に固定されている。
【００１７】
下記の表１に、本実施形態に用いた、Ｙｂを添加したタングステン酸イットリウムカリウム結晶（Ｙｂ：ＫＹ（ＷＯ_４）_２、結晶１）の分光特性に係るパラメータを示す。従来汎用の、Ｙｂを添加したＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（Ｙｂ：ＹＡＧ）結晶の分光特性も比較して示す。
結晶１の最小励起率βｍｉｎはＹｂ：ＹＡＧと比べて高いため反転分布形成が困難になるが、高い吸収断面積を反映して励起光飽和強度が低くなる。そのため、反転分布形成に必要な最小励起強度ＩｍｉｎはＹｂ：ＹＡＧの数分の１となり、発振閾値を低く抑えることが可能になる。また、波長９８１ｎｍでの吸収が強く、この波長における励起が実用的に可能なため、スロープ効率が高くなる。さらに、蛍光幅△λｅがＹｂ：ＹＡＧの約１．７倍と広く、超短パルス発生にも適している。
【００１８】
【表１】

【００１９】
続いて、上記のように構成された固体レーザ装置Ａの動作を説明する。まず、励起用レーザ光供給手段５から出射された励起用レーザ光７はレンズ６により集光されたのち放熱手段２および第１誘電体多層膜３を透過しスポット径６３μｍで結晶１に照射される。結晶１に照射された励起用レーザ光７は第１誘電体多層膜３および第２誘電体多層膜４で反射しながら結晶１でレーザ励起されることにより、波長１０２０ｎｍの出射レーザ光８として第２誘電体多層膜４から放射される。
【００２０】
この実施形態の固体レーザ装置Ａにおける入出力特性を図２に示す。図２によれば、発振波長１０２２ｎｍのレーザ光出力が発振閾値３８６ｍＷ（吸収励起パワー）で得られ、最大出力が５６ｍＷであり、スロープ効率（吸収励起パワーに対する出力の比）は４５％であった。
【００２１】
第１誘電体多層膜３の透過率特性を図３に示す。この第１誘電体多層膜３の透過率特性および後述する第２誘電体多層膜４の透過率特性は汎用の光スペクトラムアナライザ（分光器）を用いて測定した。
図３のグラフによると、第１誘電体多層膜３は波長９８０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｆで示す）での光の透過率が９０％であり、波長１０２０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｇで示す）での光の反射率が９９．５％であった。
【００２２】
第２誘電体多層膜４の透過率特性を図４に示す。図４のグラフによれば、波長９８０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｈで示す）での光の透過率がほぼ０（反射率≒１００％）であった。これにより、励起用レーザ光７は１００％近くが結晶１に吸収されて励起されることがわかる。一方、波長１０２０ｎｍ（グラフ中の曲線上の矢印Ｊで示す）での光の反射率は９８％であるため、中心波長１０２０ｎｍのレーザ光８が出射される。
【００２３】
上記したように、本実施形態に係る固体レーザ装置Ａにおいて、結晶１の励起レーザ光入射側の結晶端面に形成された第１誘電体多層膜３は、励起光に対して高透過で損失が小さく、１０２０ｎｍの光に対して高反射の特性を有しているため、質の良い端面励起に適した後部鏡となる。これと対向するレーザ光出射側の結晶端面に形成された第２誘電体多層膜４は、励起光に対して高反射であり、出射レーザ光に対して部分透過性を有しているために効率の良い出力鏡となる。
【００２４】
従って、第１誘電体多層膜３と第２誘電体多層膜４の存在により結晶１での吸収効率が一定以上に確保されるから、第１誘電体多層膜３〜第２誘電体多層膜４間の結晶１の長さＬが短くて済む。これにより、結晶１の長さＬ（共振器長）を１ｍｍ以下とした、いわゆるマイクロチップレーザを実現できたのである。
また、本実施形態に用いた結晶１は量子効率ひいては光−光変換効率が高いために、元来、レーザ動作時の発熱が少ないが、加えてサファイア製の放熱手段２を備えているので、結晶１の熱障害を確実に抑止することができる。
【００２５】
尚、上記の実施形態では放熱手段としてサファイアを例示したが、本発明の放熱手段はサファイアに限らず、熱伝導性が良く、励起波長の光に対し透過率の良い結晶を用いることができる。
【００２６】
あるいは、図５に示すように、放熱手段を備えていない共振器Ｂ１を有する固体レーザ装置Ａ１も本発明に含まれる。かかる構成の場合でも、本発明で用いた、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶は、Ｙｂ：ＹＡＧなどと比べ吸収効率がよくエネルギ損失が少ないから、放熱手段を用いなくても実用化が可能である。
【００２７】
更には、図６に示すように、結晶１のレーザ光出射側端面に第２誘電体多層膜４のない共振器Ｂ２を有する固体レーザ装置Ａ２も、本発明に含まれる。かかる構成の場合には、結晶１のレーザ光出射側に光部分透過性の外部鏡１１が配備される。
【００２８】
そして、本発明に用いるタングステン酸カリウム系結晶としては、Ｙｂを添加したＫＹ（ＷＯ_４）_２結晶に限らない。例えば、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウムガドリニウム結晶（Ｙｂ：ＫＧｄ（ＷＯ_４）_２）を用いることもできる。尚、タングステン酸カリウム系結晶の切断方向は、結晶軸のａ軸，ｂ軸，ｃ軸のいずれであっても良い。
【００２９】
他方、第１誘電体多層膜と第２誘電体多層膜における高屈折率膜と低屈折率膜を成膜する方法としては、前記した真空蒸着法に限るものでなく、他に例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、溶融法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、電子ビーム法、イオンビーム法など、公知の方法を用いることができる。
また、第１誘電体多層膜と第２誘電体多層膜における高屈折率膜と低屈折率膜を構成する膜材料としては、既述したＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２に限らない。すなわち、他の膜材料として、高屈折率膜用では例えばＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_３，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＣｅＯ_２などが挙げられ、低屈折率膜用では例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＧｅＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＭｇＦ_２，ＡｌＦ_３などが挙げられる。また、第１誘電体多層膜の膜材料と第２誘電体多層膜の膜材料は、異なる種類の材料を用いても構わない。
高屈折率膜と低屈折率膜の積層数は特に限定されないが、例えば二十数層から二百数十層とすることが好ましい。積層数が二十数層を下回ると、本発明の特徴的な所定反射率と所定透過率が得られなくなるおそれがある。逆に、積層数が多すぎて二百数十層を超えると、製造コストが高騰して現実的でなくなる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶のように励起波長と発振波長が極めて近いレーザ媒質（量子損失は４％未満）をマイクロチップレーザ化するにあたり、少なくとも励起レーザ光入射側端面での損失を抑えて吸収効率の良い共振器を構成したため、効率の良い小型の固体レーザ装置を実現できた。かかる本発明の固体レーザ装置を用いることにより、小型化された半導体レーザ励起の超短パルスレーザ、インジェクションシーディング、モードロックレーザへの応用が期待できる。更には、加工レーザ装置、学術研究用レーザ装置として利用される固体レーザ発生装置、高密度記録媒体である光ディスクの記録並びに再生を目的とするレーザ装置といった産業分野での応用が期待できる。
【００３１】
また、前記した第１誘電体多層膜のみならず、レーザ光出射側の端面にも第２誘電体多層膜を設けた場合は、よりいっそうの小型化を図ることができる。
【００３２】
そして、共振器の励起レーザ光入射側に光透過性の放熱手段を設けた場合は、高熱による結晶歪増大や結晶格子損傷などを確実に防いでレーザ性能の低下を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態による固体レーザ装置の入出力特性を示すグラフである。
【図３】本実施形態による第１誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図４】本実施形態による第２誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の別の実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る固体レーザ装置の概略構成図である。
【図７】従来技術による励起レーザ光側の誘電体多層膜における分光スペクトルを示すグラフである。
【図８】従来技術によるレーザ光出射側の無反射コートにおける分光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ａ１，Ａ２固体レーザ装置
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２共振器
１結晶
２放熱手段
３第１誘電体多層膜
４第２誘電体多層膜
５励起用レーザ光供給手段
７励起用レーザ光
８出射レーザ光
９端面
１０端面

Claims

励起用レーザ光供給手段からの励起用レーザ光を吸収して光励起させる、Ｙｂを添加したタングステン酸カリウム系結晶を備えた固体レーザ装置であって、前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側の端面に、発振波長における光の反射率が９９．４％以上で、かつ、励起波長における光の透過率が９０％以上である第１誘電体多層膜が蒸着されていることを特徴とする固体レーザ装置。
前記タングステン酸カリウム系結晶のレーザ光出射側の端面に、発振波長の光を部分透過し、かつ、励起波長における光の反射率が９９．９％以上である第２誘電体多層膜が蒸着されていることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ装置。
前記タングステン酸カリウム系結晶の励起レーザ光入射側に、光透過性の放熱手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体レーザ装置。