JP3587969B2 - 固体レーザロッド励起モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザを用いて固体レーザロッドを励起しレーザ光を得る固体レーザロッド励起モジュールに関し、特にスタック型半導体レーザを用いて固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得る固体レーザロッド励起モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザから出射されたレーザ光(以下、半導体レーザ光という場合もある)を固体レーザロッドに吸収させて固体レーザロッドを励起しレーザ光を得るものである。このため、半導体レーザ光をいかに効率良く固体レーザロッドに吸収させるかが固体レーザロッドの励起の効率に影響を与える。
【0003】
一般に、半導体レーザのレーザ光の出射端を固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積することにより高出力化を図る側面励起方式の固体レーザロッド励起モジュールにおいては、半導体レーザ光が固体レーザロッドを単一通過する構成では、固体レーザロッドの断面積が小さいため、固体レーザロッドの高効率な励起ができない。このため、従来、半導体レーザ光を、固体レーザロッドを取り囲んで配置された反射筒の内部に導入して反射筒の内部に閉じ込めることで、固体レーザロッドを複数回通過させて固体レーザロッドの高効率な励起を行う方法が用いられている。
【0004】
この方法では、反射筒の内部での半導体レーザ光の閉じ込めが高いとき、固体レーザロッドの励起の効率が高くなるが、反射筒の内部での半導体レーザ光の閉じ込めを高くするためには、反射筒に設けられた半導体レーザ光導入口からの半導体レーザ光の逃げを小さくすること、すなわち半導体レーザ光導入口をできるだけ小さくすることが必要となる。
【0005】
また、一般に、さらに高出力化を図るために、半導体レーザとしてスタック型半導体レーザを用いる。スタック型半導体レーザは、レーザ光の出射端を固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されるものである。
【0006】
ただし、スタック型半導体レーザを用いる場合には、各バー状素子から出射されたレーザ光を、反射筒に設けられた半導体レーザ光導入口から反射筒の内部に導入することができるように集光することが困難である。このため、固体レーザロッドの高効率な励起はこれまで実現されていない。
また、固体レーザロッドを励起し高ビーム品質のレーザ光を得るためには、固体レーザロッドの励起時に固体レーザロッド内に発生する熱による固体レーザロッド自身の波面収差を低く抑える必要がある。このため、固体レーザロッドに半導体レーザ光をできるだけ均一に照射し、固体レーザロッド内での半導体レーザ光の強度分布を軸対称で均一なものとし、固体レーザロッド内での温度分布を2次の軸対称分布とすることで、固体レーザロッドを波面収差のない理想的なグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとすることが望ましい。
【0007】
しかし、従来の固体レーザロッド励起モジュールでは、半導体レーザ光導入口から導入された半導体レーザ光が最初に固体レーザロッドに入射する部分の半導体レーザ光の強度が高いため、固体レーザロッド内での温度分布が2次の軸対称分布となり難い。このため、従来の固体レーザロッド励起モジュールにおいて、低ビーム品質のレーザ光として平均パワーが1kW程度のものが実現されているが、高ビーム品質のレーザ光として平均パワーが100W程度のものしか実現されていない。
【0008】
従来例1.
図13は、例えば、文献1「S.Fujikawa et al., in technical digest of Advanced Solid−State Laser’97, p296, 1997」に示された従来例1の固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図13において、101は固体レーザロッド励起モジュール、102は固体レーザロッド、103は固体レーザロッド102と略同軸に固体レーザロッド102を取り囲んで配置された、固体レーザロッド102を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、104は固体レーザロッド102と略同軸に固体レーザロッド102およびクーリングスリーブ103を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して拡散性の筒状の拡散性反射筒、105はレーザ光の出射端を固体レーザロッド102の軸方向と平行な方向に複数集積して構成された半導体レーザ、107は拡散性反射筒104に設けられた、半導体レーザ105から出射されたレーザ光を拡散性反射筒104の内部に固体レーザロッド102に向けて導入する、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段である。
【0009】
次に動作について説明する。
半導体レーザ105から出射されたレーザ光は半導体レーザ光導入手段107としての薄板ガラスの上下面で全反射しながら拡散性反射筒104の内部に固体レーザロッド102に向けて導入される。拡散性反射筒104の内部に導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド102に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド102を透過した残りの半導体レーザ光は拡散性反射筒104により拡散反射され、拡散性反射筒104の内部で均一に分布される。図13には、この様子が破線で示す矢印により示されている。均一に分布された半導体レーザ光は固体レーザロッド102を均一に照射する。固体レーザロッド102内で発生した熱は、クーリングスリーブ103に閉じ込められた冷却液により固体レーザロッド102の外周から排除される。
【0010】
この従来例1の固体レーザロッド励起モジュール101では、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段107の、拡散性反射筒104の内面に位置する部分の面積が小さいため、半導体レーザ光導入手段107からの半導体レーザ光の逃げが小さく、固体レーザロッド102の高効率な励起が行われる。
【0011】
従来例2.
図14は、例えば、文献2「H.Bruesselback et al.,in technical digest of Advanced Solid−State Laser’97, p285, 1997」に示された従来例2の固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図14において、111は固体レーザロッド励起モジュール、112は固体レーザロッド、113は固体レーザロッド112と略同軸に固体レーザロッド112を取り囲んで配置された、固体レーザロッド112を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、114は固体レーザロッド112と略同軸に固体レーザロッド112およびクーリングスリーブ113を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の鏡面反射性反射筒、115はレーザ光の出射端を固体レーザロッド112の軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッド112の軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザ、115−1〜115−5はスタック型半導体レーザ115を構成するバー状素子、116はスタック型半導体レーザ115から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段、116−1〜116−5はスタック型半導体レーザ115を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から略焦点距離だけ離れた位置に配置された、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化するシリンドリカルレンズ、116aは5個のシリンドリカルレンズ116−1〜116−5を5個のバー状素子115−1〜115−5の積層間隔と同じ間隔で5個のバー状素子115−1〜115−5の積層方向と平行な方向に集積して構成されたシルンドリカルレンズアレー、116bは各シリンドリカルレンズ116−1〜116−5により平行化された半導体レーザ光を5個のバー状素子115−1〜115−5の積層方向と平行な方向に集光する集光レンズレット、117は鏡面反射性反射筒114に設けられた、半導体レーザ光集光手段116により集光された半導体レーザ光を鏡面反射性反射筒114の内部に導入する半導体レーザ光導入手段である。鏡面反射性反射筒114はクーリングスリーブ113の外周面に施された高反射コーティング膜により構成され、半導体レーザ光導入手段117はクーリングスリーブ113の外周面にスリット状に施された減反射コーティング膜により構成されている。すなわち、クーリングスリーブ113の外周面は鏡面反射性反射筒114としての高反射コーティング膜と、半導体レーザ光導入手段117としてのスリット状の減反射コーティング膜とで覆われている。
【0012】
次に動作について説明する。
各バー状素子115−1〜115−5から出射されたレーザ光は対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。各バー状素子115−1〜115−5から出射されたレーザ光は固体レーザロッド112の軸方向と平行な方向に10°程度の広がり角度を持ち、固体レーザロッド112の軸方向と垂直な方向に30°程度の広がり角度を持っている。平行化された半導体レーザ光は集光レンズレット116bにより線上に集光される。集光された半導体レーザ光は集光位置近傍に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段117から鏡面反射性反射筒114の内部に導入される。鏡面反射性反射筒114の内部に導入された半導体レーザ光は、固体レーザロッド112に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド112に吸収されなかった半導体レーザ光は、高反射コーティング膜から成る鏡面反射性反射筒114により反射され、再び固体レーザロッド112に入射し、吸収される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
従来例1の固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、レーザ光の出射端を固体レーザロッド102の軸方向と平行な方向に複数集積して構成された半導体レーザ105では、固体レーザロッド102を高いパワーで励起できず、高出力化には不向きであるという課題があった。
【0014】
また、薄板ガラスから成る半導体レーザ光導入手段107により拡散性反射筒104の内部に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド102に入射する。このため、固体レーザロッド102の吸収率が高くなると、半導体レーザ光が固体レーザロッド102に最初に入射するときの半導体レーザ光の強度が、拡散性反射筒104により拡散反射された半導体レーザ光の強度より高くなり、固体レーザロッド102内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段107側で高く固体レーザロッド102内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものではなくなり、固体レーザロッド102内での温度分布が2次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド102は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。
【0015】
また、従来例2の固体レーザロッド励起モジュールは以上のように構成されているので、半導体レーザ光導入手段117から鏡面反射性反射筒114の内部に導入された半導体レーザ光のうち、図15に示すように、固体レーザロッド112に入射しない半導体レーザ光は、鏡面反射性反射筒114で複数回反射しても幾何学的に固体レーザロッド112に入射しない。図15には、この様子が実線で示す矢印により示されている。このため、固体レーザロッド112での半導体レーザ光の高効率な吸収を図るために、集光レンズレット116bでの集光角度が半導体レーザ光導入手段117から固体レーザロッド112を見込む角度に収まるように集光レンズレット116bの焦点距離を調整することが必要となる。その結果、集光レンズレット116bの焦点距離により一意に決定される、集光レンズレット116bにより線上に集光された半導体レーザ光の、5個のバー状素子115−1〜115−5の積層方向と平行な方向の大きさ(以下、半導体レーザ光の集光点の大きさという場合もある)は、集光レンズレット116bを用いて得られる最小の大きさとならず、半導体レーザ光導入手段117の大きさが大きくなり、鏡面反射性反射筒114の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下するという課題があった。なお、半導体レーザ光の集光点の大きさは、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをd1とし、各シリンドリカルレンズ116−1〜116−5の焦点距離をf1とし、集光レンズレット116bの焦点距離をf2としたとき、d1×f2/f1となるが、実際には、5個のバー状素子115−1〜115−5の積層間隔のばらつき、シリンドリカルレンズアレー116aを構成する5個のシリンドリカルレンズ116−1〜116−5のピッチ誤差、5個のバー状素子115−1〜115−5およびシリンドリカルレンズアレー116aの設置誤差などにより、さらに大きくなる。
【0016】
一方、鏡面反射性反射筒114の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能を上げるため、半導体レーザ光導入手段117の大きさを小さくすると、半導体レーザ光の集光点の大きさが、半導体レーザ光導入手段117の大きさより大きくなる。このため、鏡面反射性反射筒114の内部に導入される半導体レーザ光の割合が小さくなり、固体レーザロッド112での半導体レーザ光の高効率な吸収を図ることができないという課題があった。従来例2の場合、シリンドリカルレンズアレー116aを透過した半導体レーザ光のうち、固体レーザロッド112に吸収される半導体レーザ光は26%と非常に低い値であった。
【0017】
また、半導体レーザ光導入手段117から鏡面反射性反射筒114の内部に導入された半導体レーザ光は、最初に固体レーザロッド112に入射する。このため、固体レーザロッド112の吸収率が高くなると、半導体レーザ光が固体レーザロッド112に最初に入射するときの半導体レーザ光の強度が、鏡面反射性反射筒114により反射された半導体レーザ光の強度より高くなり、固体レーザロッド112内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段117側で高く固体レーザロッド112内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものではなくなり、固体レーザロッド112内での温度分布が2次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド112は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなるという課題があった。
【0018】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光が得られる固体レーザロッド励起モジュールを得ることを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるものである。
【0020】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるものである。
【0021】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第2の端面から構成されるものである。
【0022】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるものである。
【0023】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるものである。
【0024】
この発明に係る固体レーザロッド励起モジュールは、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第2の端面から構成されるものである。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図1(B)は図1(A)中のI−I線に沿った断面図、図1(C)は図1(A)中のB部分の拡大図、図1(D)は図1(A)中のA部分の拡大図である。図1(A)〜(D)において、1は固体レーザロッド励起モジュール、2は固体レーザロッド、3は固体レーザロッド2と略同軸に固体レーザロッド2を取り囲んで配置された、固体レーザロッド2を冷却するための冷却液を閉じ込める、半導体レーザ光に対して透明な筒状のクーリングスリーブ、4は固体レーザロッド2と略同軸に固体レーザロッド2およびクーリングスリーブ3を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して拡散性の筒状の拡散性反射筒、5はレーザ光の出射端を固体レーザロッド2の軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、固体レーザロッド2の軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザ、5−1〜5−5はスタック型半導体レーザ5を構成するバー状素子、6はスタック型半導体レーザ5から出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段、6−1〜6−5はスタック型半導体レーザ5を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から略焦点距離だけ離れた位置に配置された、対向するバー状素子から出射されたレーザ光を平行化するシリンドリカルレンズ、6aは5個のシリンドリカルレンズ6−1〜6−5を5個のバー状素子5−1〜5−5の積層間隔と同じ間隔で5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に集積して構成されたシリンドリカルレンズアレー、6bはシリンドリカルレンズアレー6aと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から焦点距離だけ離れた位置に配置された、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に屈折率を有する、各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5により平行化された半導体レーザ光を5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に集光する非球面レンズ、7は拡散性反射筒4に設けられた、半導体レーザ光集光手段6により集光された半導体レーザ光を、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさを略保持して拡散性反射筒4の内部に固体レーザロッド2に向けて導入する半導体レーザ光導入手段、8は半導体レーザ光導入手段7と固体レーザロッド2との間に設けられた、半導体レーザ光導入手段7により導入された半導体レーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段、9は半導体レーザ光導入手段7により導入された半導体レーザ光の進行方向を固体レーザロッド2の方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段である。図1(A)において、矢印Xは固体レーザロッド2の軸方向と垂直な方向を示し、図1(B)において、矢印Yは固体レーザロッド2の軸方向と平行な方向を示している。図1(B)には、冷却液が流れる様子が示されている。
【0033】
なお、本発明の実施の形態には、バー状素子およびシリンドリカルレンズをそれぞれ5個備えている場合が示されているが、それぞれn個(n≧2)備えている場合もある。また、スタック型半導体レーザ5、半導体レーザ光集光手段6、半導体レーザ光導入手段7をそれぞれ1個備えている場合が示されているが、固体レーザロットの軸方向に同一の構成要素を複数個備えている場合もある。
【0034】
以下、半導体レーザ光集光手段6、半導体レーザ光導入手段7、半導体レーザ光拡散手段8および半導体レーザ光方向変換手段9について詳細に説明した後、固体レーザロッド励起モジュール1の動作について説明する。
【0035】
1.半導体レーザ光集光手段
半導体レーザ光集光手段6は、高出力化を図るために、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するものである。また、半導体レーザ光導入手段7の大きさを小さくすることにより半導体レーザ光導入手段7からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド2の高効率な励起を図るために、半導体レーザ光の集光点の大きさを小さくするものである。
【0036】
このため、実施の形態1では、半導体レーザ光集光手段6を、シリンドリカルレンズアレー6aと非球面レンズ6bとから構成している。シリンドリカルレンズアレー6aは、5個のシリンドリカルレンズ6−1〜6−5を5個のバー状素子5−1〜5−5の積層間隔と同じ間隔で5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に集積して構成している。各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5を、スタック型半導体レーザ5を構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向させ、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5の略焦点距離だけ離れた位置に配置している。非球面レンズ6bを、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に屈折力を有し、シリンドリカルレンズアレー6aと半導体レーザ光導入手段7との間であって、半導体レーザ光導入手段7から非球面レンズ6bの焦点距離だけ離れた位置に配置している。
【0037】
このように半導体レーザ光集光手段6を構成した場合、各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5により、対向するバー状素子から出射されたレーザ光は平行化される。各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ6bにより線上に集光される。非球面レンズ6bにより線上に集光された半導体レーザ光の、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさ(すなわち、集光点の大きさ)は、理想的には各レーザ光の出射端の大きさをd2とし、各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5の焦点距離をf3とし、非球面レンズ6bの焦点距離をfとしたとき、d2×f/f3となり、例えば数μmと非常に小さい。
【0038】
この場合、シリンドリカルレンズアレー6aを通過した半導体レーザ光の5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の幅は、例えば10〜20mmと大きく、集光レンズでの集光角度が大きくなるため、球面収差が生じ集光点の大きさが大きくなるが、集光レンズとして非球面レンズ6bを用いることにより球面収差が低く抑えられ、集光点の大きさが小さく抑えられている。
【0039】
また、この場合、5個のバー状素子5−1〜5−5のいずれかが所定の設置位置からずれると、所定の設置位置からずれたバー状素子から出射されたレーザ光が対向するシリンドリカルレンズにより平行化されたとき、平行化された半導体レーザ光に所定の方向からの角度ずれが生じる。例えば、図2には、バー状素子5−1が所定の設置位置からΔpだけずれ(5個のバー状素子5−1〜5−5の所定の積層間隔がpであるのに、バー状素子5−1と隣接するバー状素子5−2との間隔がp+Δpであるとき)、対向するシリンドリカルレンズ6−1により平行化された半導体レーザ光が所定の方向から角度ずれθ(単位:ラジアン)が生じている場合を示している。このとき、角度ずれθ1が生じている平行化された半導体レーザ光の非球面レンズ6bによる集光位置は、所定の集光位置01から5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向にf×θ1(fは非球面レンズ6bの焦点距離)だけずれる。
【0040】
所定の集光位置01からのずれを小さくし集光点の大きさを小さくするためには、非球面レンズ6bの焦点距離fを小さくすればよいが、焦点距離fを小さくするに従い、非球面レンズ6bの中心位置から離れた位置を通過する半導体レーザ光にコマ収差が生じ集光点の大きさが大きくなる。図3はシリンドリカルレンズアレー6aを通過した半導体レーザ光の5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の幅Lで規格化した非球面レンズ6bの焦点距離fを横軸とし、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に±θ1の広がり角度を持つシリンドリカルレンズアレー6aを通過した半導体レーザ光が非球面レンズ6bにより線上に集光されたときの集光点の大きさを縦軸として示したグラフ図である。図3は非球面レンズ6bの非球面形状を各焦点距離における集光点の大きさが最小になるように計算した結果である。図3において、曲線aはコマ収差が生じる場合であり、曲線bはコマ収差が生じない場合である。図3に示すように、コマ収差が生じない場合には、焦点距離が小さくなるに従い、集光点の大きさは小さくなる。一方、コマ収差が生じる場合には幅Lで規格化した非球面レンズ6bの焦点距離fが0.7のとき最小となり、0.5より小さくなると極端に大きくなる。従って、幅Lで規格化した非球面レンズ6bの焦点距離fが0.5以上であるとき、すなわち、非球面レンズの焦点距離fは0.5×L以上であるとき、集光点の大きさが小さくなるために望ましい。
【0041】
なお、シリンドリカルレンズアレー6aと非球面レンズ6bとの間に、図1(A)に示したI−I線を回転軸とした、所定の設置位置からの角度ずれが生じた場合、固体レーザロッド2の軸方向と平行な方向に所定の間隔だけ離れた2点において、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に、半導体レーザ光の非球面レンズ6bによる集光位置のずれが生じ、集光点の大きさが大きくなる。例えば、1°の角度ずれが生じた場合、10mm離れた2点において、集光位置のずれが170μmとなる。従って、図4に示すように、シリンドリカルレンズアレーと非球面レンズとを一体的に形成した非球面合成レンズ6cを用いた場合、角度ずれを0.1°以下に抑えることができ、集光位置のずれが小さくなり集光点の大きさが小さくなるために望ましい。
【0042】
また、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも屈折力を有する非球面レンズを用いた場合には、各シリンドリカルレンズ6−1〜6−5により平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ6bにより5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に線上に集光されるとともに、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも集光される。従って、レーザ光の出射端の集積方向と平行な方向にも屈折力を有する非球面レンズを用いた場合には、半導体レーザ光導入手段7の大きさを小さくすることにより半導体レーザ光導入手段7からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド2の高効率な励起をより図ることができるために望ましい。
【0043】
2.半導体レーザ光導入手段
半導体レーザ光導入手段7は、固体レーザロッド2の高効率な励起を図るために、半導体レーザ光集光手段6により集光された半導体レーザ光を、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさを略保持して拡散性反射筒4の内部に固体レーザロッド2に向けて導入するものである。
【0044】
このため、図5に示すように、実施の形態1では、半導体レーザ光導入手段7を、拡散性反射筒4に形成されたスリット11と、スリット11内に配置された六面体形のスラブ導波路12と、スラブ導波路12の6端面のうち半導体レーザ光が入射する第1の端面12aおよび半導体レーザ光が出射する第2の端面12b以外の4端面とスリット11との空隙に設けられた、スラブ導波路12より屈折率の小さい、光学接着材から成る接着材層13とから構成することにより構成を簡略化している。図5(B)は図5(A)中のI−I線に沿った断面図である。
【0045】
このように半導体レーザ光導入手段7を構成した場合、集光位置02において線上に集光された半導体レーザ光は、第1の端面12aからスラブ導波路12に入射する。スラブ導波路12に入射した半導体レーザ光は、スラブ導波路12より屈折率の小さい接着材層13と接触している、スラブ導波路12の端面で全反射を繰り返し、第2の端面12bから出射し、拡散性反射筒4の内部に導入される。図5には、この様子が矢印により示されている。
【0046】
また、この場合、図6に示すように、スラブ導波路12の第1の端面12aの面積より第2の端面12bの面積が小さければ、半導体レーザ光導入手段7からの半導体レーザ光の逃げを小さくして固体レーザロッド2の高効率な励起を図ることができるため望ましい。ただし、第1の端面12aの面積より第2の端面12bの面積を小さくし過ぎると、スラブ導波路12の端面への半導体レーザ光の入射角度が小さくなり、全反射条件を満たさなくなる恐れがあるため、これを考慮して第1,第2の端面12a,12bの大きさを設定する必要がある。また、スラブ導波路12の屈折率をできるだけ大きくして、全反射条件の臨界角をできるだけ小さくすることが望ましい。図6(B)は図6(A)中のI−I線に沿った断面図である。
【0047】
なお、非球面レンズ6bにより線上に集光される半導体レーザ光の、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさは、非球面レンズ6bによる集光位置で最小となるが、その前後で大きくなる。また、拡散性反射筒4を形成する材料として一般的に用いられるセラミックス材料やポリマー材料により拡散性反射筒4を形成する場合には、反射率が拡散性反射筒4の厚さに大きく依存し、例えば、セラミックス材料により、反射率98%以上の拡散性反射筒4を形成する場合には、拡散性反射筒4の厚さを10mm程度にする必要がある。このため、図7に示すように、半導体レーザ光導入手段7を、拡散性反射筒4に形成されたスリット11のみで構成する場合には、スリット11の5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさを大きくしなければならない。例えば、拡散性反射筒4の厚さが10mm、シリンドリカルレンズアレー6aを通過した半導体レーザ光の5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な幅Lが10mm、非球面レンズ6bの焦点距離が7mmのとき、非球面レンズ6bによる集光位置の前後での半導体レーザ光の広がり角度が70°程度となり、スリット11両端での半導体レーザ光の、5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向の大きさは7mmとなる。従って、拡散反射性反射筒4の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下する。
【0048】
3.半導体レーザ光拡散手段および半導体レーザ光方向変換手段
半導体レーザ光拡散手段8は、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布を均一にすることにより固体レーザロッド2内での温度分布を2次の軸対称にして高ビーム品質のレーザ光を得るために、半導体レーザ光導入手段7と固体レーザロッド2との間で、半導体レーザ光導入手段7により導入された半導体レーザ光を拡散するものである。
【0049】
このため、実施の形態1では、半導体レーザ光拡散手段8を、スリガラス状に荒らされたクーリングスリーブ3の内面から構成していている。半導体レーザ光拡散手段8は、スリガラス状の透明材料を固体レーザロッド2を囲んで配置することにより構成することができるが、クーリングスリーブ3の内面をグランドラフとしスリガラス状に荒らすことにより構成を簡略化している。グランドラフの表面粗度は、クーリングスリーブ3の屈折率にもよるが、半導体レーザ光の波長の数倍から10倍程度、すなわち数μmから10μm程度とするのが良い。グランドラフとする方法には、機械的研磨、化学処理などの方法があるが、クラックなどの発生を抑止できることから化学処理を用いることが望ましい。同じ表面祖度でも、境界の屈折率差が大きい程、拡散性が高くなるため、クーリングスリーブ3を屈折率の高い材料により形成することが望ましい。クーリングスリーブ3として薄くて機械強度が高いことが望まれるため、クーリングスリーブ3をサファイヤにより形成することが適している。
【0050】
このように半導体レーザ光拡散手段8を構成した場合、図8に示すように、拡散性反射筒4の内部に導入された指向性のある高強度の半導体レーザ光は、クーリングスリーブ3の内面で拡散される。図8には、この様子が矢印により示されている。ただし、図8には後述する半導体レーザ光方向変換手段9は示されていない。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒4の内部で均一に分布され、固体レーザロッド2に入射し吸収される。このため、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものとなり固体レーザロッド2内での温度分布が2次の軸対称分布となり固体レーザロッド2は波面収差を持たないグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【0051】
なお、クーリングスリーブ3を半導体レーザ光の波長の数倍から10倍程度、すなわち数μmから10μm程度の直径の気泡を内包する発砲性ガラスにより構成し、これを半導体レーザ光拡散手段8として用いることもできる。この場合、拡散性はクーリングスリーブ3の内面をグランドラフとする場合より高い。
【0052】
一方、半導体レーザ光方向変換手段9は、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布を均一にすることにより固体レーザロッド2内での温度分布を2次の軸対称にして高ビーム品質のレーザ光を得るために、半導体レーザ光導入手段7と固体レーザロッド2との間で、半導体レーザ光導入手段7により導入された半導体レーザ光の進行方向を固体レーザロッド2の方向から逸らすものである。
【0053】
このため、実施の形態1では、半導体レーザ光方向変換手段9を、スラブ導波路12の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路12の第2の端面12bから構成している。半導体レーザ光方向変換手段9は、くさび形の透明材料を半導体レーザ光導入手段7と固体レーザロッド2との間に配置することにより構成することができるが、スラブ導波路12の第2の端面12bをスラブ導波路12の長手方向に対して非垂直にすることにより構成を簡略化している。
【0054】
このように半導体レーザ光方向変換手段9を構成した場合、図9に示すように、スラブ導波路12に入射した半導体レーザ光の進行方向は、第2の端面12bから出射する際に、固体レーザロッド2の方向から逸らされる。そして、拡散性反射筒4で拡散される。図9には、この様子が矢印により示されている。ただし、図9には後述する半導体レーザ光方向変換手段9は示されていない。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒4の内部で均一に分布され、固体レーザロッド2に入射し吸収される。このため、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布が軸対称で均一なものとなり固体レーザロッド2内での温度分布が2次の軸対称分布となり固体レーザロッド2は波面収差を持たないグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【0055】
上述した説明から理解できるように、高ビーム品質のレーザ光を得るためには、半導体レーザ光拡散手段8および半導体レーザ光方向変換手段9の少なくとも一方を備えていればよい。
【0056】
なお、半導体レーザ光拡散手段8および半導体レーザ光方向変換手段9を設けなかった場合には、図10に示すように、拡散性反射筒4の内部に導入された指向性のある高強度の半導体レーザ光は、クーリングスリーブ3を透過して、固体レーザロッド2に入射し、一部吸収される。固体レーザロッド2に吸収されなかった残りの半導体レーザ光は、拡散性反射筒4により拡散反射されて指向性を失い強度が低くなり、拡散性反射筒4の内部で均一に分布され、再び固体レーザロッド2に入射し吸収される。図10には、この様子が矢印により示されている。ただし、図10には前述した半導体レーザ光拡散変換手段8は示されていない。このため、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布が半導体レーザ光導入手段7側で高く固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度分布が均一ではなくなり、固体レーザロッド2内での温度分布が2次の軸対称分布からずれ、固体レーザロッド2は波面収差を持ったグレーディッド・リフラクティブインデックス・レンズとなり、高ビーム品質のレーザ光を得ることができない。
【0057】
次に動作について説明する。
各バー状素子5−1〜5−5から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。各バー状素子5−1〜5−5から出射されたレーザ光は固体レーザロッド2の軸方向と平行な方向に10°程度の広がり角度を持ち、固体レーザロッド2の軸方向と垂直な方向に30°程度の広がり角度を持っている。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ6bにより5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、第1の端面12aからスラブ導波路12に入射する。スラブ導波路に入射した半導体レーザ光は、スラブ導波路12の端面で全反射を繰り返し、第2の端面12bから出射し、拡散性反射筒4の内部に導入される。このとき、半導体レーザ光の進行方向はスラブ導波路12の第2の端面12bにより固体レーザロッド2の方向から逸らされる。図1(D)には、半導体レーザ光の進行方向がθ2だけ屈折する様子が示されている。その後、半導体レーザ光は、クーリングスリーブ3の内面および拡散性反射筒4で拡散される。図1(C)には、半導体レーザ光がクーリングスリーブ3の内面で拡散される様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒4の内部で均一に分布され、固体レーザロッド2に入射し吸収される。
【0058】
以上のように、この実施の形態1によれば、固体レーザロッド励起モジュール1を、上述した固体レーザロッド2と、クーリングスリーブ3と、拡散性反射筒4と、スタック型半導体レーザ5と、半導体レーザ光集光手段6と、半導体レーザ光導入手段7と、半導体レーザ光拡散手段8と、半導体レーザ光方向変換手段9とで構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果が得られる。
【0059】
ここまで、スタック型半導体レーザ5、半導体レーザ光集光手段6、半導体レーザ光導入手段7、半導体レーザ光拡散手段8および半導体レーザ光方向変換手段9から構成される半導体レーザ光照射手段を1個備えた系について説明したが、図11に示すように、半導体レーザ光照射手段22を固体レーザロッド2の周囲に、例えば4個配置して固体レーザロッド励起モジュール21を構成した場合には、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度が高くなり、強度分布もより軸対称で均一なものとなり、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【0060】
実施の形態2.
図12はこの発明の実施の形態2による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。図12(B)は図12(A)中のI−I線に沿った断面図、図12(C)は図12(A)中のC部分の拡大図である。図12(A)〜(C)において、31は固体レーザロッド励起モジュール、34は固体レーザロッド2と略同軸に固体レーザロッド2およびクーリングスリーブ3を取り囲んで配置された、半導体レーザ光を反射し閉じ込める、半導体レーザ光に対して鏡面反射性の筒状の鏡面反射性反射筒、37は鏡面反射性反射筒34に設けられた、半導体レーザ光集光手段6により集光された半導体レーザ光を、鏡面反射性反射筒34の内部に導入する半導体レーザ光導入手段である。その他の構成要素は図1において同一の符号を付して示したものと同一あるいは同等であるため、その詳細な説明は省略する。図12(A)において、矢印Xは固体レーザロッド2の軸方向と垂直な方向を示し、図12(B)において、矢印Yは固体レーザロッド2の軸方向と平行な方向を示している。図12(B)には、冷却液が流れる様子が示されている。
【0061】
実施の形態2では、鏡面反射性反射筒34をクーリングスリーブ3の外周面に施した高反射コーティング膜により構成し、半導体レーザ光導入手段37をクーリングスリーブ3の外周面にスリット状に施した減反射コーティング膜により構成している。この場合、スリット状に施した減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段37の大きさを、非球面レンズ6bにより線上に集光される半導体レーザ光の大きさと同じ程度とし、鏡面反射性反射筒34の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能を高くしている。また、半導体レーザ拡散手段8を、スリガラス状に荒らされたクーリングスリーブ3の内面により構成している。
【0062】
このように固体レーザロッド励起モジュール31を構成した場合、各バー状素子5−1〜5−5から出射されたレーザ光は、対向するシリンドリカルレンズにより平行化される。平行化された半導体レーザ光は非球面レンズ6bにより5個のバー状素子5−1〜5−5の積層方向と平行な方向に線上に集光される。線上に集光された半導体レーザ光は、集光位置に位置する減反射コーティング膜により構成される半導体レーザ光導入手段37から鏡面反射性反射筒34の内部に導入される。鏡面反射性反射筒34の内部に導入された半導体レーザ光は、クーリングスリーブ3の内面で拡散される。図12(B),(C)には、半導体レーザ光がクーリングスリーブ3の内面で拡散される様子が矢印により示されている。拡散された半導体レーザ光は、拡散性反射筒4の内部で均一に分布され、固体レーザロッド2に入射し吸収される。
【0063】
以上のように、この実施の形態2によれば、固体レーザロッド励起モジュール31を、上述した固体レーザロッド2と、クーリングスリーブ3と、鏡面反射性反射筒34と、スタック型半導体レーザ5と、半導体レーザ光集光手段6と、半導体レーザ光導入手段37と、半導体レーザ光拡散手段8とで構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【0064】
なお、半導体レーザ光拡散手段8を設けなかった場合には、非球面レンズ6bでの集光角度が半導体レーザ光導入手段37から固体レーザロッド2を見込む角度に収まるように非球面レンズ6bの焦点距離を調整することが必要となり、その結果、半導体レーザ光導入手段37の大きさが大きくなり、鏡面反射性反射筒34の内部での半導体レーザ光の閉じ込め性能が低下する。
【0065】
ここまで、スタック型半導体レーザ5、半導体レーザ光集光手段6、半導体レーザ光導入手段37および半導体レーザ光拡散手段8から構成される半導体レーザ光照射手段を1個用いる系について説明したが、実施の形態1の場合と同様に、半導体レーザ光照射手段を固体レーザロッド2の周囲に複数配置して固体レーザロッド励起モジュールを構成した場合には、固体レーザロッド2内での半導体レーザ光の強度が高くなり、強度分布もより軸対称で均一なものとなり、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる。
【0066】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【0067】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備え、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【0068】
この発明によれば、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第2の端面から構成されるように構成したので、固体レーザロッドを高パワーで高効率に励起し高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。
【0069】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【0070】
この発明によれば、スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔でバー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、シリンドリカルレンズアレーを構成する各シリンドリカルレンズが、スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なるバー状素子と対向し、対向するバー状素子から各シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、非球面レンズが、シリンドリカルレンズアレーと半導体レーザ光導入手段との間であって、半導体レーザ光導入手段から非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光のバー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上であるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。さらに、集光点の大きさが小さくなる効果がある。
【0071】
この発明によれば、半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を拡散性反射筒の内部に固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備えた半導体レーザ光照射手段が、固体レーザロッドの周囲に複数配置され、半導体レーザ光導入手段が、拡散性反射筒に形成されたスリットと、スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面とスリットとの空隙に設けられた、スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、半導体レーザ光方向変換手段が、スラブ導波路の長手方向に対して非垂直なスラブ導波路の第2の端面から構成されるように構成したので、より高パワーで高ビーム品質のレーザ光を得ることができる効果がある。また、構成を簡略化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図2】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段の説明に供する断面図である。
【図3】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面レンズの説明に供するグラフ図である。
【図4】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光集光手段を構成する非球面合成レンズの構成を示す断面図である。
【図5】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。
【図6】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる別の半導体レーザ光導入手段の構成を示す断面図である。
【図7】半導体レーザ光導入手段を、スリットのみで構成した場合の問題点の説明に供する断面図である。
【図8】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光拡散手段の動作の説明に供する断面図である。
【図9】この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールに用いる半導体レーザ光方向変換手段の動作の説明に供する断面図である。
【図10】半導体レーザ光拡散手段および半導体レーザ光方向変換手段を設けなかった場合の問題点の説明に供する断面図である。
【図11】半導体レーザ光照射手段が固体レーザロッドの周囲に複数配置されている、この発明の実施の形態1による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図12】この発明の実施の形態2による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図13】従来例1による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図14】従来例2による固体レーザロッド励起モジュールの構成を示す断面図である。
【図15】従来例2による固体レーザロッド励起モジュールの問題点の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
1,21,31 固体レーザロッド励起モジュール、2 固体レーザロッド、3 クーリングスリーブ、4 拡散性反射筒、5 スタック型半導体レーザ、5−1〜5−5 バー状素子、6 半導体レーザ光集光手段、6a シリンドリカルレンズアレー、6b 非球面レンズ、6c 非球面合成レンズ、6−1〜6−5 シリンドリカルレンズ、7,37 半導体レーザ光導入手段、8 半導体レーザ光拡散手段、9 半導体レーザ光方向変換手段、11 スリット、12 スラブ導波路、12a 第1の端面、12b 第2の端面、13 接着材層、22半導体レーザ光照射手段、34 鏡面反射性反射筒。
Claims (6)
- 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段および上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段の少なくとも一方とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。 - 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記鏡面反射性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。 - 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、
上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、
上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、
上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、
上記半導体レーザ光導入手段が、上記拡散性反射筒に形成されたスリットと、上記スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、上記スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面と上記スリットとの空隙に設けられた、上記スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、
上記半導体レーザ光方向変換手段が、上記スラブ導波路の長手方向に対して非垂直な該スラブ導波路の上記第2の端面から構成される
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。 - 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段および上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を折り曲げて上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段の少なくとも一方とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。 - 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の鏡面反射性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記鏡面反射性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記鏡面反射性反射筒の内部に導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光を拡散する半導体レーザ光拡散手段とを備え、
上記半導体レーザ光集光手段が、シリンドリカルレンズをバー状素子の積層間隔と同じ間隔で上記バー状素子の積層方向と平行な方向に複数集積して構成されたシリンドリカルレンズアレーと、上記バー状素子の積層方向と平行な方向に屈折力を有する非球面レンズとを備え、
上記シリンドリカルレンズアレーを構成する各上記シリンドリカルレンズが、上記スタック型半導体レーザを構成するそれぞれ異なる上記バー状素子と対向し、対向する上記バー状素子から各該シリンドリカルレンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記非球面レンズが、上記シリンドリカルレンズアレーと上記半導体レーザ光導入手段との間であって、上記半導体レーザ光導入手段から該非球面レンズの略焦点距離だけ離れた位置に配置され、
上記シリンドリカルレンズアレーを通過したレーザ光の上記バー状素子の積層方向と平行な方向の幅をLとしたとき、上記非球面レンズの焦点距離が0.5×L以上である
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。 - 固体レーザロッドと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドを取り囲んで配置された筒状のクーリングスリーブと、
上記固体レーザロッドと略同軸に上記固体レーザロッドおよび上記クーリングスリーブを取り囲んで配置された筒状の拡散性反射筒と、
上記固体レーザロッドの周囲に複数配置された半導体レーザ光照射手段とを備え、
上記半導体レーザ光照射手段が、レーザ光の出射端を上記固体レーザロッドの軸方向と平行な方向に複数集積して構成されたバー状素子を、上記固体レーザロッドの軸方向と垂直な方向に複数積層して構成されたスタック型半導体レーザと、上記スタック型半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザ光集光手段と、上記拡散性反射筒に設けられた、上記半導体レーザ光集光手段により集光されたレーザ光を上記拡散性反射筒の内部に上記固体レーザロッドに向けて導入する半導体レーザ光導入手段と、上記半導体レーザ光導入手段により導入されたレーザ光の進行方向を折り曲げて上記固体レーザロッドの方向から逸らす半導体レーザ光方向変換手段とを備え、
上記半導体レーザ光導入手段が、上記拡散性反射筒に形成されたスリットと、上記スリット内に配置された六面体形のスラブ導波路と、上記スラブ導波路の6端面のうちレーザ光が入射する第1の端面およびレーザ光が出射する第2の端面以外の4端面と上記スリットとの空隙に設けられた、上記スラブ導波路より屈折率の小さい接着材層とを備え、
上記半導体レーザ光方向変換手段が、上記スラブ導波路の長手方向に対して非垂直な該スラブ導波路の上記第2の端面から構成される
ことを特徴とする固体レーザロッド励起モジュール。
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