JP2006253406A - 固体レーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化可能で広い波長領域をカバーし、小型で高効率な複数波長を同時出力可能で、発光点が同一装置内に存在し、且つ、近接したレーザー光源を有する固体レーザー装置を提供する。
【解決手段】透明基板１１の表面にレーザー材料１２が接着されており、レーザー材料１２は、中心部分にＮｄを添加した領域１３を持つＧｄＶＯ_４単結晶で構成されている。共振器を構成すべく、一方のレーザー材料１２の透明基板１１との接着面１２ａには、１０６３ｎｍに対して高反射であり、８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面１２ｂには１０６３ｎｍに対して約５％の透過のコーティングを施してある。もう一方のレーザー材料１２の透明基板１１との接着面１２ａには、９１２ｎｍに対して高反射であり、１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面１２ｂには９１２ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティングを施してある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体レーザー装置に関し、詳しくは、半導体レーザー励起固体レーザー装置、もしくは、半導体レーザー励起波長変換型固体レーザー装置に関する。
本発明に係る固体レーザー装置は、レーザープリンタ、レーザースキャンディスプレイ、プロジェクターなどに使用される物である。

近年、レーザー光を利用した装置として、光ディスク装置やレーザープリンタ、レーザー計測器などの製品が実用化されている。また、将来的な実用化を目指し、レーザーディスプレイ等も開発、検討が進められている。
上記のような応用に対しては、レーザー光源の短波長化の要求や、色の三原色（赤、青、緑色）光源などの要求がある。これらの要求に対しては、半導体レーザー素子の開発や波長変換レーザーの開発が進められている。特に、高出力（〜１０Ｗ程度）のレーザー光源を必要とする応用に対しては、固体レーザーを用いた波長変換光源が適しており、様々な研究機関が開発に取り組んでいる。

レーザーディスプレイ等の応用を考えた場合には、レーザー光源の小型化は不可欠であり、さらに色の三原色波長のレーザー出力を持つ高輝度な光源が理想である。また、その出力は高出力のものほど良く、広い応用が考えられる。
また、プロジェクターなどの投影型光学系では、三原色の光源は光軸を極力合致させることが光学的に有効であるため、発光点は近接していることが良い。

複数の波長を出力できるレーザー光源の従来技術としては、例えば第１例として特開２０００−５８９５８号公報に記載のものを挙げることができる。
これは、発光型半導体レーザーアレイについての発明であり、アレイ光源の各素子の波長を変化させている例である。
第２例として、特開平８−３０７０１７号公報に記載のものを挙げることができる。これは、固体レーザーのアレイ化によって、高出力光源を得る発明である。
第３例として、特開平７−２２７０６号公報に記載のものを挙げることができる。これは、プロジェクター等に使用される、三原色光源についての発明であり、それぞれの色に対応する波長の面発光レーザーを基板上に実装し、光源を提供するものである。

特開２０００−５８９５８号公報 特開平８−３０７０１７号公報 特開平７−２２７０６号公報

特許文献１に記載のような構成では、各レーザー光源が面発光型レーザーであるため、出力に対して限界があるだけでなく、バンドギャップにより限定される波長域のみの多波長化となり、波長域がかなり狭い光源となってしまうという問題があった。
特許文献２に記載の構成は、マイクロチップレーザー構成をアレイ化したものであるが、単一波長の光源であり、且つ、Ｎｄを全面に添加した単一の単結晶を用い、サファイア板によって端面からのみ放熱を実施しているため、高出力化の際には放熱に限界があり、大きな出力を得ることが難しいという問題があった。
特許文献３に記載の構成では、三原色の波長を出力することは可能となっているが、一つの光源からの出力は半導体レーザーであるため、現状では出力に限界があり、実装する個数によってのみ出力増加の対応をするしかなく、光源構成が複雑になることや、発光点が多数存在し、光学系の設計が複雑なものになるなどの問題があった。

本発明は、高出力化可能で広い波長領域をカバーし、小型で高効率な複数波長を同時出力可能で、発光点が同一装置内に存在し、且つ、近接したレーザー光源を有する固体レーザー装置の提供を、その主な目的とする
換言すれば、高輝度な光源である固体レーザーの高機能化であり、レーザー出力波長の多波長化とそれに伴う発光点ずれの解消を目的としている。また、高輝度化に伴う発熱の問題も解消し、安定な動作を行うことも目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、半導体レーザーによりレーザー材料を端面励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記レーザー材料は希土類が添加された領域と、希土類が添加されていない領域を持ち、同一透明基板上に前記レーザー材料が複数個配置され、それぞれのレーザー材料に対応した共振器を形成することで、複数波長を出力することを特徴とする。
その動作は、同一透明基板上に配置された、複数レーザー材料の希土類が添加された領域を半導体レーザーにより励起し、それぞれに波長特性の異なる共振器でレーザー発振が行われ、各共振器から異なった波長の光出力を取り出す動作を行う。
ここでは、特に、レーザー材料を希土類添加領域と無添加領域とを持つ材料とし、量子効率による希土類添加領域の発熱を透明基板と接触している端面方向だけでなく、希土類の無添加領域である横方向からも可能にすることで、放熱特性を改善し、安定な動作を得ることを目的としている。
また、同一透明基板上にレーザー材料を複数配置し、それぞれに応じた共振器を形成することにより複数波長を出力可能とすることで、レーザー出力波長の多波長化と発光点が近接した高機能な固体レーザー光源を実現することを目的としている。

請求項２に記載の発明では、半導体レーザーによりレーザー材料を端面励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、前記レーザー材料は希土類が添加された領域と、希土類が添加されていない領域を持ち、同一透明基板上に前記レーザー材料を一つ配置し、複数の共振器を形成することで、複数波長を出力することを特徴とする。
その動作は、同一透明基板上に配置された、一つのレーザー材料の希土類が添加された領域を半導体レーザーにより励起し、それぞれに波長特性の異なる共振器でレーザー発振が行われ、各共振器から異なった波長の光出力を取り出す動作を行う。
ここでは、特に、レーザー材料を希土類添加領域と無添加領域とを持つ材料とし、量子効率による希土類添加領域の発熱を透明基板と接触している端面方向だけでなく、希土類の無添加領域である横方向からも可能にすることで、放熱特性を改善し、安定な動作を得ることを目的としている。
また、同一透明基板上にレーザー材料を一つ配置し、それぞれに応じた共振器を形成することにより複数波長を出力可能とすることで、レーザー出力波長の多波長化と発光点が近接した高機能な固体レーザー光源を実現することを目的としている。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置において、個々のレーザー出力光に対応して、前記共振器の外部に波長変換素子を配置することでレーザー光の波長変換光を得ることを特徴とする。
その動作は、基本的には請求項１又は２に記載の固体レーザー装置と同様であり、出力光波長が波長変換光となって出力される動作を行う。
ここでは、特に、請求項１、２に記載の個々のレーザー出力光に対して、共振器外部に波長変換素子を配置することにより、個々のレーザー出力の波長変換光を得て、固体レーザー装置の波長領域の拡大を可能にすることを目的としている。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の固体レーザー装置において、前記波長変換素子は、周期的に分極方向を反転させた擬似位相整合型の波長変換素子であることを特徴とする。
その動作は、請求項３に記載の固体レーザー装置と同様である。
ここでは、特に、請求項３に記載の固体レーザー装置において、擬似位相整合型の素子を使用することによって、波長変換素子の個体差が無い素子を利用できるようにし、作製装置個体間の波長変換光の安定動作や出力安定性を向上することを目的としている。

請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、前記レーザー材料は単結晶で、且つ、希土類が添加されたコア部分とその周辺に希土類が添加されていない部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする。
その動作は、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置と同様である。
ここでは、特に、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料を単結晶で希土類を添加したコア領域と無添加のクラッド領域とし、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成し、これにより、レーザー材料自体の単結晶品質を確保することで高効率な固体レーザーを実現し、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化を目的としている。

請求項６に記載の発明では、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、前記レーザー材料は単結晶と多結晶の複合型材料で、且つ、希土類が添加されたコア単結晶部分とその周辺に希土類が添加されていない多結晶部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする。
その動作は、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置と同様である。
ここでは、特に、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料は希土類を添加したコア単結晶領域と無添加のクラッド多結晶領域とし、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成し、これにより、レーザー材料作製工程の一部を、セラミックス作製手法などを利用することができるようにし、容易化されることによる材料作製コストの低減と、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化を目的としている。

請求項７に記載の発明では、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、前記レーザー材料は多結晶材料で、且つ、希土類が添加されたコア部分とその周辺に希土類が添加されていない部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする。
その動作は、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置と同様である。
ここでは、特に、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料は希土類を添加したコア多結晶領域と無添加のクラッド多結晶領域とし、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成し、これにより、レーザー材料作製工程を全て、セラミックス作製手法などを利用することができるようにし、容易化されることによる材料作製コストの低減と、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化を目的としている。

請求項８に記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、出力光波長領域が赤色、緑色、青色の領域の複数光を出射することを特徴とする。
その動作は、請求項１乃至７の何れかに記載の固体レーザー装置と同様であるが、出力波長領域が赤色、緑色、青色領域の複数光を出射する動作を行う。
ここでは、特に、請求項１乃至４の何れかに記載の固体レーザー装置において、出力波長領域を、赤色、緑色、青色の領域の複数光とすることで、固体レーザー装置の画像表示機器への応用を目的としている。

請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の固体レーザー装置において、赤色領域波長は６７３ｎｍ付近、緑色波長は５３１．５ｎｍ付近、青色波長は４５６ｎｍ付近であることを特徴とする。
その動作は、請求項８に記載の固体レーザー装置と同様であるが、出力波長領域が赤色領域波長は６７３ｎｍ付近、緑色波長は５３１．５ｎｍ付近、青色波長は４５６ｎｍ付近の波長である動作を行う。
ここでは、特に、請求項８に記載の固体レーザー装置で、赤色領域波長が６７３ｎｍ付近、緑色領域波長が５３１．５ｎｍ付近、青色領域波長は４５６ｎｍ付近とすることで、色の表現範囲を広げ、固体レーザー装置の色表現力が高い画像表示機器への応用を目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、レーザー材料を希土類添加領域と無添加領域とを持つ材料とし、量子効率による希土類添加領域の発熱を透明基板と接触している端面方向だけでなく、希土類の無添加領域である横方向からも可能にすることで、放熱特性を改善し、安定な動作が可能となる。
また、同一透明基板上にレーザー材料を複数配置し、それぞれに応じた共振器を形成することによって複数波長を出力可能とすることで、レーザー出力波長の多波長化と発光点が近接した、高機能な固体レーザー光源が実現可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、レーザー材料を希土類添加領域と無添加領域とを持つ材料とし、量子効率による希土類添加領域の発熱を透明基板と接触している端面方向だけでなく、希土類の無添加領域である横方向からも可能にすることで、放熱特性を改善し、安定な動作が可能となる。
また、同一透明基板上にレーザー材料を一つ配置し、それぞれに応じた共振器を形成することによって複数波長を出力可能とすることで、レーザー出力波長の多波長化と発光点が近接した、高機能な固体レーザー光源が実現可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の個々のレーザー出力光に対して、共振器外部に波長変換素子を配置することにより、個々のレーザー出力の波長変換光を得ることが可能となり、固体レーザー装置の波長領域の拡大が可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の固体レーザー装置において、擬似位相整合型の素子を使用することによって、波長変換素子の個体差が無い素子を利用でき、作製装置個体間の波長変換光の安定動作や出力安定性を向上することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料を単結晶で希土類を添加したコア領域と無添加のクラッド領域としており、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成している。これにより、レーザー材料自体の単結晶品質を確保することで高効率な固体レーザーを実現でき、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化が可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料は希土類を添加したコア単結晶領域と無添加のクラッド多結晶領域としており、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成している。これにより、レーザー材料作製工程の一部に、セラミックス作製手法などを利用することができ、容易化されることによる材料作製コストの低減と、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化が可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、固体レーザー材料は希土類を添加したコア多結晶領域と無添加のクラッド多結晶領域としており、且つレーザー材料の端面でレーザー共振器を形成している。これにより、レーザー材料作製工程の全てにセラミックス作製手法などを利用することができ、容易化されることによる材料作製コストの低減と、共振器の単純化を図ることでの部品点数減少などの低コスト化が可能となる。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の固体レーザー装置の出力波長領域を、赤色、緑色、青色の領域の複数光とすることで、固体レーザー装置の画像表示機器への応用が可能となる。

請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載の固体レーザー装置で、赤色領域波長が６７３ｎｍ付近、緑色領域波長が５３１．５ｎｍ付近、青色領域波長は４５６ｎｍ付近とすることで、色の表現範囲が広がり、固体レーザー装置の色表現力が高い画像表示機器への応用が可能となる。

以下、本発明の第１の実施形態（請求項１、３、４、５、８、９に対応）を図１及び図２に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における固体レーザー装置の基本構成（要部）を示し、図２は、装置全体を示している。
固体レーザー装置１は、透明基板１１と、レーザー材料１２と、波長変換素子１４、１５と、半導体レーザーアレイ２１と、励起用光学系２５を有している。
透明基板１１は９ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍのサファイア板を用いており、その表面にレーザー材料１２が接着されている。
レーザー材料１２は、中心部分にＮｄ（ネオジウム）を添加した領域（コア部分又はコア領域）１３（１ｍｍ×１ｍｍ領域）を持つＧｄＶＯ_４単結晶で構成され、全体として３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍのサイズを有している。

本実施形態では同一のレーザー材料１２を２個配置している。レーザー材料１２の端面には、共振器構成を得るべく、誘電体コーティングが施してある。すなわち、一方のレーザー材料１２の透明基板１１との接着面１２ａには、１０６３ｎｍに対して高反射であり、８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面１２ｂには１０６３ｎｍに対して約５％の透過のコーティングを施してある。
もう一方のレーザー材料１２の透明基板１１との接着面１２ａには、９１２ｎｍに対して高反射であり、１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面１２ｂには９１２ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティングを施してある。これにより、レーザー材料１２の端面には共振器が構成される。
波長変換素子１４、１５は、分極反転構造を形成したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶であり、２ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍのサイズとしている。
分極反転構造の周期は、１０６３ｎｍ用素子で６．９μｍ、９１２ｎｍ用素子で４．２μｍとしており、それぞれの波長に対する第２高調波を発生することができる素子としている。また、波長変換素子１４、１５の両端面にはそれぞれ波長変換前の波長と波長変換後の波長に対して高透過となるコーティングが施してある。

半導体レーザーアレイ（半導体レーザーアレイ素子）２１は波長８０８ｎｍ、出力２０Ｗの素子を使用しており、励起用光学系２５は半導体レーザーアレイ２１からの出力光を２つのスポットに集光できるように構成している。
半導体レーザーアレイ２１はペルチェ素子２２上に実装され、ペルチェ素子２２は実装基板２４に接触され、波長制御のための温度制御を実施している。また、図２に示すように、透明基板１１は、レーザー材料１２の接合面からペルチェ素子２３で放熱され、ペルチェ素子２３で構成される放熱板自体が波長変換素子１４、１５のホルダーを兼ねている。これにより、レーザー材料１２と波長変換素子１４、１５の温度制御を実施している。

次に、本実施形態おける固体レーザー装置１の動作を説明する。半導体レーザーアレイ２１から出射されたレーザー光は、励起用光学系２５で分岐されて２つのスポットに分けられ、２つのレーザー材料１２のＮｄが添加された領域１３を照射する。
その結果、レーザー材料１２が励起され、前述の共振器構成によってそれぞれの波長（１０６３ｎｍ、９１２ｎｍ）のレーザーがそれぞれ発振し、レーザー材料１２より出力される。
それぞれ出射されたレーザー光は、それぞれに対応した周期分極反転構造を作製した、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶である波長変換素子１４、１５へ入射する。波長変換素子１４、１５では、レーザー光の第２高調波への変換が行われ、５３１．５ｎｍと４５６ｎｍの第２高調波出力（１６、１７）が得られる。

本実施形態においては、Ｎｄを添加している領域１３（コア部分又はコア領域）と添加していない領域（クラッド領域）を持つレーザー材料１２を透明基板１１上に２個配置し、それぞれに共振器を構成することで（請求項１）、波長が異なるレーザーの発光点がより近接し、且つレーザー材料１２の放熱も良好になることで安定したレーザー動作を実現できる。
また、レーザー出射光を波長変換素子１４、１５で波長変換することにより（請求項３）、固体レーザー装置１の波長域の拡大を実現できる。また、波長変換素子１４、１５に擬似位相整合型素子を使用することにより（請求項４）、個体差の無い安定した波長変換光を実現することができる。

また、レーザー材料１２を単結晶構成とすることにより、レーザー材料１２の品質を保つことができ、高効率な固体レーザーを実現できる。また、レーザー材料１２の端面１２ａ、１２ｂで共振器を構成することにより（請求項５）、共振器の単純化を図ることができ、部品点数減少などの低コスト化を実現できる。
また、レーザー出力を緑色（５３１．５ｎｍ）と青色（４５６ｎｍ）とすることにより（請求項８、９）、高品質な画像機器（レーザーディスプレイ装置など）への応用が可能になる。
但し、画像機器へ応用する場合には、赤色光は別途用意する必要がある。

次に、図３及び図４に基づいて第２の実施形態（請求項２、３、４、６、８、９に対応）を説明する。
図３は、本実施形態における固体レーザー装置の基本構成（要部）を示し、図４は、装置全体を示している。
固体レーザー装置２は、透明基板３１と、レーザー材料３２と、波長変換素子３４、３５、３６と、半導体レーザーアレイ４１と、励起用光学系４５を有している。
透明基板３１は、９ｍｍ×４ｍｍ×１ｍｍのサファイア板を用いており、その表面にレーザー材料３２が接着されている。レーザー材料３２は、中心部分にＮｄを添加したＧｄＶＯ_４単結晶領域３３（１ｍｍ×１ｍｍ領域）を３箇所（１．５ｍｍピッチで配列）持ち、周辺をＹＡＧセラミックス材料で構成され、５ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍのサイズを有している。

また、レーザー材料３２の端面には、共振器構成を得るべく、誘電体コーティングが施してある。それぞれのＮｄ添加領域に対応してコーティングが施してあり、内容は下記のとおりである。
（１）レーザー材料３２の透明基板３１との１箇所目の接着面３２ａ−１には、１０６３ｎｍに対して高反射であり、８０８ｎｍに対して高透過のコーティング、その対向する面３２ｂ−１には１０６３ｎｍに対して約５％の透過のコーティング
（２）レーザー材料３２の透明基板３１との２箇所目の接着面３２ａ−２には、９１２ｎｍに対して高反射であり、１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面３２ｂ−２には９１２ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティング
（３）レーザー材料３２の透明基板３１との３箇所目の接着面３２ａ−３には、１３４６ｎｍに対して高反射であり、１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面３２ｂ−３には、１３４６ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティング

これにより、レーザー材料３２の端面には共振器が構成される。波長変換素子３４、３５、３６は、分極反転構造を形成したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶であり、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×１０ｍｍのサイズとしている。分極反転構造の周期は、１０６３ｎｍ用素子で６．９μｍ、９１２ｎｍ用素子で４．２μｍ、１３４６ｎｍ用素子で１２．９μｍとしており、それぞれの波長に対する第２高調波を発生することができる素子としている。
波長変換素子３４、３５、３６の両端面にはそれぞれ波長変換前の波長と波長変換後の波長に対して高透過となるコーティングが施してある。半導体レーザーアレイ４１は波長８０８ｎｍ、出力２０Ｗの素子を使用しており、励起用光学系４５は半導体レーザーアレイ４１からの出力光を３つのスポットに集光できるように構成している。
半導体レーザーアレイ４１はペルチェ素子４２上に実装され、ペルチェ素子４２は実装基板４４に接触されて波長制御のための温度制御を実施している。また、図４に示すように、透明基板３１は、レーザー材料３２の接合面からペルチェ素子４３で放熱され、ペルチェ素子４３で構成される放熱板自体が波長変換素子３４、３５、３６のホルダーを兼ねている。これにより、レーザー材料３２と波長変換素子３４、３５、３６の温度制御を実施している。

次に、本実施形態おける固体レーザー装置２の動作を説明する。半導体レーザーアレイ４１から出射されたレーザー光は励起用光学系４５で分岐されて３つのスポットに分けられ、レーザー材料３２のＮｄが添加された単結晶領域を照射する。
その結果、レーザー材料３２が励起され、図３に示すように、前述の共振器構成によってそれぞれの波長（１０６３ｎｍ、９１２ｎｍ、１３４６ｎｍ）のレーザーがそれぞれ発振し、レーザー材料３２より出力される。それぞれ出射されたレーザー光は、それぞれに対応した周期分極反転構造を作製した、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶である波長変換素子３４、３５、３６へ入射する。波長変換素子３４、３５、３６では、レーザー光の第２高調波への変換が行われ、５３１．５ｎｍと４５６ｎｍ、６７３ｎｍの第２高調波出力（３７、３８、３９）が得られる。

本実施形態においては、Ｎｄを添加している領域３３（コア単結晶部分又はコア単結晶領域）と添加していない領域（クラッド多結晶領域）を持つレーザー材料３２を１つ透明基板３１上に配置し、それぞれに共振器を構成することで（請求項２）、波長が異なるレーザーの発光点がより近接し、且つレーザー材料３２の放熱も良好になることで安定したレーザー動作を実現できる。
また、レーザー出射光を波長変換素子３４、３５、３６で波長変換することにより（請求項３）、固体レーザー装置２の波長域の拡大を実現できる。
また、波長変換素子３４、３５、３６に擬似位相整合型素子を使用することにより（請求項４）、個体差の無い安定した波長変換光を実現することができる。
また、レーザー材料３２をＮｄが添加された単結晶領域と無添加の多結晶（セラミックス）領域で構成することにより、複合型のレーザー材料３２に安定なセラミックス育成手法を一部利用でき、安定に供給できることで固体レーザー装置２の安定供給が可能になる。
また、レーザー材料３２の端面で共振器を構成することにより（請求項６）、共振器の単純化を図ることができ、部品点数減少などの低コスト化を実現できる。
また、レーザー出力を緑色（５３１．５ｍｍ）と青色（４５６ｎｍ）とすることにより（請求項８、９）、高品質な画像機器（レーザーディスプレイ装置など）への応用が可能になる。但し、画像機器へ応用する場合には、赤色光は別途用意する必要がある。

次に、図５及び図４に基づいて第３の実施形態（請求項２、３、４、７、８、９に対応）を説明する。
図５に、本実施形態における固体レーザー装置の基本構成（要部）を示す。装置全体図は図４と同様であるので図４を参照する。
固体レーザー装置３は、透明基板５１と、レーザー材料５２と、波長変換素子５４、５５、５６と、半導体レーザーアレイ４１と、励起用光学系４５を有している。
透明基板５１は、９ｍｍ×４ｍｍ×１ｍｍのサファイア板を用いており、その表面にレーザー材料５２が接着されている。レーザー材料５２はセラミックスであり、中心部分にＮｄを添加したＧｄＶＯ_４領域５３（１ｍｍ×１ｍｍ領域）を３箇所（１．５ｍｍピッチで配列）持ち、周辺をＹＡＧセラミックス材料で構成され、５ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍのサイズを有している。

レーザー材料５２の端面には、共振器構成を得るべく、誘電体コーティングが施してあり、それぞれのＮｄ添加領域に対応して、コーティングが施してある。内容は下記の通りである。
（４）レーザー材料５２の透明基板５１との１箇所目の接着面には、１０６３ｎｍに対して高反射であり、８０８ｎｍに対して高透過のコーティング、その対向する面には１０６３ｎｍに対して約５％の透過のコーティング
（５）レーザー材料５２の透明基板５１との２箇所目の接着面には、９１２ｎｍに対して高反射であり１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面には９１２ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティング
（６）レーザー材料５２の透明基板５１との３箇所目の接着面には、１３４６ｎｍに対して高反射であり１０６３ｎｍと８０８ｎｍに対して高透過のコーティングを、その対向する面には１３４６ｎｍに対して約５％の透過、且つ１０６３ｎｍに対して高透過のコーティング

これにより、レーザー材料５２の端面には共振器が構成される。波長変換素子は分極反転構造を形成したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶であり、１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×１０ｍｍとしている。分極反転構造の周期は１０６３ｎｍ用素子で６．９μｍ、９１２ｎｍ用素子で４．２μｍ、１３４６ｎｍ用素子で１２．９μｍとしており、それぞれの波長に対する第２高調波を発生することができる素子としている。
また、波長変換素子５４、５５、５６の両端面にはそれぞれ波長変換前の波長と波長変換後の波長に対して高透過となるコーティングが施してある。

半導体レーザーアレイ４１は波長８０８ｎｍ、出力２０Ｗの素子を使用しており、励起用光学系４５は半導体レーザーアレイ４１からの出力光を３つのスポットに集光できるように構成している。半導体レーザーアレイ４１はペルチェ素子４２上に実装され、ペルチェ素子４２は実装基板４４に接触され、波長制御のための温度制御を実施している。
図４に示すように、透明基板５１は、レーザー材料５２の接合面からペルチェ素子４３で放熱され、ペルチェ素子４３で構成される放熱板自体が波長変換素子５４、５５、５６のホルダーを兼ねている。これにより、レーザー材料５２と波長変換素子５４、５５、５６の温度制御を実施している。

次に、本実施形態についての動作を説明する。半導体レーザーアレイ４１から出射されたレーザー光は励起用光学系４５で分岐されて３つのスポットに分けられ、レーザー材料５２のＮｄが添加された領域を照射する。その結果、レーザー材料５２が励起され、前述の共振器構成によってそれぞれの波長（１０６３ｎｍ、９１２ｎｍ、１３４６ｎｍ）のレーザーがそれぞれ発振し、レーザー材料５２より出力される。それぞれ出射されたレーザー光は、それぞれに対応した周期分極反転構造を作製した、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶である波長変換素子５４、５５、５６へ入射する。
波長変換素子５４、５５、５６ではレーザー光の第２高調波への変換が行われ、５３１．５ｎｍ、４５６ｎｍ、６７３ｎｍの第２高調波出力（５７、５８、５９）が得られる。

本実施形態においては、Ｎｄを添加している領域５３（コア多結晶領域）と添加していない領域（クラッド多結晶領域）を持つレーザー材料５２を一つ透明基板５１上に配置し、それぞれに共振器を構成することで（請求項２）、波長が異なるレーザーの発光点がより近接し、且つレーザー材料５２の放熱も良好になることで安定したレーザー動作を実現できる。
また、レーザー出射光を波長変換素子５４、５５、５６で波長変換することにより（請求項３）、固体レーザー装置３の波長域の拡大を実現できる。
また、波長変換素子５４、５５、５６に擬似位相整合型素子を使用することにより（請求項４）、個体差の無い安定した波長変換光を実現することができる。

また、レーザー材料５２を多結晶（セラミックス）構成とし、Ｎｄが添加された領域と無添加の領域とすることにより、複合型のレーザー材料５２が全て安定なセラミックス育成手法で作製可能となるため、安定に供給できることで装置の安定供給が可能となる。
また、レーザー材料５２の端面で共振器を構成することにより（請求項７）、共振器の単純化を図ることができ、部品点数減少などの低コスト化を実現できる。
また、レーザー出力を緑色（５３１．５ｎｍ）と青色（４５６ｎｍ）とすることにより（請求項８、９）、高品質な画像機器（レーザーディスプレイ装置など）への応用が可能になる。
但し、画像機器へ応用する場合には、赤色光は別途用意する必要がある。

上記各実施形態では特定の材料や構成を例示したが、これに限定される趣旨ではなく、上述した機能、特性が得られる範囲で適宜、他の材料や構成を採用することができる。
例えば、励起用半導体レーザーはレーザー結晶の吸収波長によって変更される。また、Ｎｄ添加の場合でも、８８０ｎｍ付近の半導体レーザーを用いても励起できる。
また、レーザー結晶に関しても、ＧｄＶＯ_４を主に用いているが、ＹＶＯ_４やＹＡＧ、ＬＳＢなどの結晶でも良い。また、非線形光学結晶に関しても、他のバルク結晶（ＫＴＰやＬＢＯ）やＬｉＴａＯ_４などの分極反転構造デバイスなども使用できる。

本発明の第１の実施形態における固体レーザー装置の要部を示す斜視図である。 全体構成を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 第２の実施形態における固体レーザー装置の要部を示す斜視図である。 第２の実施形態における全体構成を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 第２の実施形態における固体レーザー装置の要部を示す斜視図である。

符号の説明

１１、３１、５１ 透明基板
１２、３２、５２ レーザー材料
１３ コア部分又はコア領域
１４、１５、３４、３５、３６、５４、５５、５６ 波長変換素子
２１、４１ 半導体レーザーとしての半導体レーザーアレイ
３３ コア単結晶部分又はコア単結晶領域
５３ コア多結晶領域

Claims (9)

1. 半導体レーザーによりレーザー材料を端面励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、
   前記レーザー材料は希土類が添加された領域と、希土類が添加されていない領域を持ち、同一透明基板上に前記レーザー材料が複数個配置され、それぞれのレーザー材料に対応した共振器を形成することで、複数波長を出力することを特徴とする固体レーザー装置。
2. 半導体レーザーによりレーザー材料を端面励起し、光共振器によりレーザー出力を得る半導体レーザー励起固体レーザー装置において、
   前記レーザー材料は希土類が添加された領域と、希土類が添加されていない領域を持ち、同一透明基板上に前記レーザー材料を一つ配置し、複数の共振器を形成することで、複数波長を出力することを特徴とする固体レーザー装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体レーザー装置において、
   個々のレーザー出力光に対応して、前記共振器の外部に波長変換素子を配置することでレーザー光の波長変換光を得ることを特徴とする固体レーザー装置。
4. 請求項３に記載の固体レーザー装置において、
   前記波長変換素子は、周期的に分極方向を反転させた擬似位相整合型の波長変換素子であることを特徴とする固体レーザー装置。
5. 請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、
   前記レーザー材料は単結晶で、且つ、希土類が添加されたコア部分とその周辺に希土類が添加されていない部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする固体レーザー装置。
6. 請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、
   前記レーザー材料は単結晶と多結晶の複合型材料で、且つ、希土類が添加されたコア単結晶部分とその周辺に希土類が添加されていない多結晶部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする固体レーザー装置。
7. 請求項１乃至４のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、
   前記レーザー材料は多結晶材料で、且つ、希土類が添加されたコア部分とその周辺に希土類が添加されていない部分を配置した構成を有し、前記共振器は前記レーザー材料の端面によって形成されていることを特徴とする固体レーザー装置。
8. 請求項１乃至７のうちの何れかに記載の固体レーザー装置において、
   出力光波長領域が赤色、緑色、青色の領域の複数光を出射することを特徴とする固体レーザー装置。
9. 請求項８に記載の固体レーザー装置において、
   赤色領域波長は６７３ｎｍ付近、緑色波長は５３１．５ｎｍ付近、青色波長は４５６ｎｍ付近であることを特徴とする固体レーザー装置。
   

Images