JP3998067B2

JP3998067B2 - 固体レーザ発振器

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Publication number: JP3998067B2
Application number: JP2004344629A
Authority: JP
Inventors: 浩之森田
Original assignee: オムロンレーザーフロント株式会社
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2007-10-24
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Description

本発明は、内部共振器周波数変換方式の固体レーザ発振器に関し、特に非線形光学結晶により周波数変換する固体レーザ発振器に関する。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器は、加工用レーザとして広く実用化されている。この固体レーザ発振器は、近時、数百Ｗ級から数ｋＷ級へと急速に高出力化されており、これに伴い、その適用分野も、これまで利用されていた微細加工分野から自動車産業における溶接及び切断用途にまで拡大している。しかしながら、固体レーザ発振器の多くは、発振波長領域が１μｍ付近の近赤外域に限られており、このため、近赤外域の波長に対する反射率が高く、吸収率が低い銅及びシリコン等の一部の材料においては、加工効率が悪いという問題点がある。

このため、従来、ＬｉＢ_３Ｏ_５（リチウム・トリボレート；ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）及びβ−ＢａＢ_２Ｏ_４（バリウムボーレート；ＢＢＯ）等の非線形光学結晶を使用して、発振波長を第２高調波に変換し、加工対象物の表面における反射率を低下させ、レーザ光の吸収を高めることにより、加工効率を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。このような非線形光学結晶を使用した周波数変換には、共振器外部周波数変換方式と、共振器内部周波数変換方式とがある。

共振器外部周波数変換方式は、基本周波数のレーザ光（以下、基本波レーザ光という）から第２高調波レーザ光への変換効率が低く、高出力のレーザ光を出力するためには、非線形光学結晶に高いパワー密度で基本波レーザ光を集光しなければならない。このため、信頼性を考慮すると、単一発振器から得られる出力の上限は１００Ｗ超級となり、これよりも大きくすることは困難である。

一方、共振器内部周波数変換方式は、共振器外部周波数変換方式に比べて第２高調波レーザ光への変換効率が高く、信頼性の面でも優位にあるとされているが、この方式では、固体レーザ媒質中に生じる熱レンズ効果により、安定した共振状態を維持しつつ高出力化を実現することができないという問題点がある。この熱レンズ効果とは、固体レーザ媒質が励起されることにより加熱され、これにより生じる固体レーザ媒質の内部の温度分布により屈折率分布が生じ、固体レーザ媒質がレンズのように作用する現象である。

一般的な固体レーザ媒質は、基本波レーザ光はほとんど吸収しないが、周波数変換されたレーザ光、特に周波数上昇変換されたレーザ光に対しては高い吸収特性をもつ場合が多い。そこで、従来、共振器内部周波数変換方式を採用している固体レーザ発振器においては、レーザ光の光路を１回以上折り返す構成とし、その光路を誘電多層膜ミラーによって基本波レーザ光と周波数変換されたレーザ光とを分離して、周波数変換されたレーザ光のみを共振器外に取り出すことにより、周波数変換されたレーザ光が固体レーザ媒質に吸収されることを防止し、効率よく周波数変換されたレーザ光を得ている。

図６は従来の共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。図６に示すように従来の固体レーザ発振器の共振器１００は、平面ミラー１０４、Ｑスイッチ１０３ａ、固体レーザ媒質１０１、Ｑスイッチ１０３ｂ及び平面ミラー１０７がこの順に１列に配置されている。平面ミラー１０７は、Ｑスイッチ１０３ａを通過したレーザ光が４５°の角度で入射するように配置されており、平面ミラー１０７で反射したレーザ光が向かう方向、即ち、レーザ光の入射方向に対して９０°の方向には、レーザ光の周波数を変換するＬＢＯ等の非線形光学結晶１０２及び凹面ミラー１１０がこの順に配置されている。

この共振器１００の平面ミラー１０４は、Ｑスイッチ１０３ａ側の面、即ち、レーザ光が入射する面に、垂直入射した基本波レーザ光１０９を反射する誘電多層高反射膜が設けられている。また、平面ミラー１０７は、変換されたレーザ光１０８を分離するためのミラーであり、レーザ光が入射する面に、４５°入射した基本波レーザ光１０９を高反射率で反射すると共に、４５°入射した第２高調波レーザ光１０８を透過する誘電多層膜が形成されている。更に、凹面ミラー１１０は、垂直入射した基本波レーザ光１０９及び第２高調波レーザ光１０８の両方を反射する誘電多層高反射膜が設けられている。

このため、固体レーザ媒質１０１で発生した基本波レーザ光１０９は、平面ミラー１０４で反射された後、再度固体レーザ媒質１０１を通過し、平面ミラー１０７で反射されて非線形光学結晶１０２に入射する。そして、非線形光学結晶１０２により、基本波レーザ光１０９の一部が第２高調波レーザ光１０８に変換される。非線形光学結晶１０２を通過した基本波レーザ光１０９及び第２高調波レーザ光１０８は、凹面ミラー１１０で反射され、再度非線形光学結晶１０２を通過し、周波数変換された後、基本波レーザ光１０９は平面ミラー１０７で反射してＱスイッチ１０３ｂに入射し、第２高調波レーザ光１０８は平面ミラー１０７を透過して外部に取り出される。これにより、第２高調波レーザ光１０８のみが外部へ取り出され、基本波レーザ光９は内部に閉じ込められる。この従来の固体レーザ発振器においては、非線形光学結晶１０２及び平面ミラー１０７を配置するスペースの分だけ、固体レーザ媒質１０１に対して非対称となるため、その内部に配置する全てのミラーを平面ミラーとせず、少なくとも１つのミラーは凹面ミラー１１０にしている。

特開平６−５９６２号公報特開平６−２１５５３号公報特許第３１９７８２０号公報

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。前述のように、共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器は、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への変換効率は高いが、固体レーザ媒質中に熱レンズ効果を生じるため、高出力のレーザ光を得るために、固体レーザ媒質に対して照射する励起光の強度を高めると、固体レーザ媒質の熱レンズ焦点距離が短くなるという問題点がある。

また、従来の共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器において、安定した共振状態を得るためには、例えば、固体レーザ媒質の両側に共振用ミラーとして２枚の平面ミラーを配置する場合、２枚の平面ミラー間の距離、即ち、共振器長を固体レーザ媒質の焦点距離の４倍以下にする必要がある。そして、この共振器長が短い程安定して高いレーザ出力が得られるが、図６に示す共振器１００のようにレーザ光の光路が折り返すような構成にすると、非線形光学結晶１０２を配置するスペースだけでなく、基本レーザ光１０９を反射してその光路を折り返すと共に、第２高調波レーザ光１０８を透過して基本レーザ光１０９と分離する平面ミラー１０７を配置するスペースも必要になる。このように、光路を折り返した構成の従来の共振器構成の固体レーザ発振器は、共振器長を短くすることができず、高出力化が困難であるという問題点がある。

更に、従来の共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器には、共振器内部に配置される固体レーザ媒質の数を増やすことが難しいという問題点もある。図７（ａ）乃至（ｃ）は、図６に示す共振器１００を光路が直線状になるように各部材を配置し直したときの基本波レーザ光の伝播状態を示す図であり、図７（ａ）は固体レーザ媒質へ入力される励起光の強度が低い場合、図７（ｂ）は励起光の強度が中程度の場合、図７（ｃ）は励起光の強度が強い場合を示す。なお、図７（ａ）乃至（ｃ）に示す基本波レーザ光１０９の伝播状態は、夫々計算により求めたものであり、共振器１００内に閉じこめられた基本波レーザ光１０９の伝播横モードを示している。図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、共振器内には対向して配置された平面ミラー１１４及び凹面ミラー１２０間に、２個の固体レーザ媒質１１１ａ及び１１１ｂが配置され、一方、固体レーザ媒質１１１ｂと凹面ミラー１２０との間隔は、非線形光学結晶１１２が配置される分だけ距離が延長されている。この様に、固体レーザ媒質に対する共振器構成が非対称となるとき、ここで形成される伝播モードもまた非対称な伝播横モードを形成する。このため、従来の共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器においては、容易に共振器内部の固体レーザ媒質の数を増やすことはできない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、安定した共振状態を維持しつつ、第２高調波レーザ光分離用ミラー及び非線形光学結晶を配置するスペースを確保することができ、高出力化することができる固体レーザ発振器を提供することを目的とする。

本発明に係る固体レーザ発振器は、共振器内部で周波数変換を行う固体レーザ発振器であって、共振用の第１及び第２の平面ミラーと、前記第１及び第２の平面ミラー間に配置されレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間に配置され前記レーザ光の周波数を変換する１又は複数個の非線形光学結晶と、前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間に配置されたｎ（ｎは自然数）組のレンズ対と、前記レンズ対を構成する２枚のレンズの間に配置された非線形光学結晶と、を有し、前記レンズ対を構成する２枚のレンズは夫々共焦点の位置に配置され、前記非線形光学結晶は前記２枚のレンズの共焦点位置に配置され、前記第２の平面ミラー側のレンズと前記第２の平面ミラーとの間の間隔は、前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする。

本発明においては、第１及び第２の平面ミラー間に形成される共振器の内部に、第２の平面ミラーとの間隔がレンズの焦点距離ｆと等しくなるようにレンズを配置することにより、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができると共に、レーザ光の周波数を変換するための非線形光学結晶及び周波数分離用ミラー等を配置するためのスペースを確保することができるため、容易に高出力化することができる。また、前記レンズ対を構成する２枚のレンズが夫々共焦点の位置に配置されているので、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができる。更に、レンズ対を構成する２枚のレンズの間の共焦点の位置に非線形光学結晶が配置されており、即ち、前記２枚のレンズと前記非線形光学結晶との間の間隔が前記レンズの焦点距離ｆと等しいので、非線形光学結晶内におけるパワー密度の変化を少なくし、高変換効率と同時に高信頼性が得られる。

前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、複数個のレンズが夫々共焦点の位置に配置されていてもよい。これにより、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができる。

また、前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間には、ｎ（ｎは自然数）組のレンズ対が配置され、前記レンズ対を構成する２枚のレンズの間には前記非線形光学結晶が配置されている場合、前記レンズと前記非線形光学結晶との間の間隔を前記レンズの焦点距離ｆと等しくしてもよい。これにより、非線形光学結晶内におけるパワー密度の変化を少なくし、高変換効率と同時に高信頼性が得られる。

前記第１及び第２の平面ミラー間には、レーザ光入射面に誘電多層膜が形成された１又は複数個の誘電多層膜ミラーが配置されていてもよく、その場合、前記誘電多層膜ミラーのうち少なくとも１つの誘電多層膜ミラーは、基本周波数のレーザ光を反射すると共に前記非線形光学結晶により周波数変換されたレーザ光を透過するか、又は、基本周波数のレーザ光を透過すると共に前記非線形光学結晶により周波数変換されたレーザ光を反射することが好ましい。これにより、周波数変換されたレーザ光のみを分離することができるため、固体レーザ媒質に周波数変換されたレーザ光が吸収されることなく、効率よく周波数変換されたレーザ光を得ることができる。

前記第１及び第２の平面ミラー間には、複数個の固体レーザ媒質を等間隔に配置することができる。これにより、容易に高出力化することができる。

２個以上の非線形光学結晶が配置されていてもよい。これにより、変換効率を向上させることができると共に、第３高調波又は第４高調波を発生させることができる。

本発明によれば、共振用の２枚の平面ミラー間に、一方の平面ミラーとの間隔がレンズの焦点距離ｆと等しくなるようにレンズ配置することにより、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させつつ、レーザ光の周波数を変換するための非線形光学結晶及び周波数分離用ミラー等を配置するためのスペースを確保することができ、その結果、高出力化することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。図１は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。本実施形態の固体レーザ発振器は、共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器であり、第２高調波変換を行う共振器を備えている。

図１に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器１０は、共振用ミラーである平面ミラー４とレーザ光分離用ミラーである平面ミラー７との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄがこの順に１列に配置されている。これらは、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さＬ_１と、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さＬ_２とが等しくなるように配置されている。

また、平面ミラー７は、Ｑスイッチ３ｄを通過した基本波レーザ光９が４５°の角度で入射するように配置されており、平面ミラー７で反射した基本波レーザ光９が向かう方向、即ち、基本波レーザ光９の入射方向に対して９０°の方向には、共振用ミラーである平面ミラー５が配置されている。更に、平面ミラー７と平面ミラー５との間には、レンズ６ａ、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光８に変換する非線形光学結晶２及びレンズ６ｂがこの順に１列に配置されている。

この共振器１０における固体レーザ媒質１ａ及び１ｂは、例えばＮｄ：ＹＡＧロッドであり、そのレーザ光入射面には垂直入射した基本波レーザ光９を透過する誘電多層反射防止膜が形成されている。また、非線形光学結晶２は、例えばレーザ光入射面に垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８の両方を透過する誘電多層反射防止膜が形成されているＬＢＯ結晶である。更に、Ｑスイッチ３ａ乃至３ｄのレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を透過する誘電多層反射防止膜が形成されている。

一方、平面ミラー４のレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を反射する誘電多層高反射膜が形成されており、平面ミラー５のレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８の両方を反射する誘電多層高反射膜が形成されている。また、平面ミラー７は周波数変換されたレーザ光を分離するための４５°入射の平面ミラーであり、そのレーザ光入射面には、基本波レーザ光９を反射すると共に第２高調波レーザ光８を透過する誘電多層膜が形成されている。

レンズ６ａ及び６ｂは、レーザ光入射面に垂直入射した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８の両方を透過する誘電多層反射防止膜が施されているレンズである。レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー７が配置されており、非線形光学結晶２はレンズ６ａ及び６ｂの中間の位置に配置されている。本実施形態の固体レーザ発振器においては、このように、共振器１０内に等価な１対のレンズを対向して配置することにより、１倍の望遠鏡を構成している。

一般にロッド型の固体レーザ発振器は、固体レーザ媒質であるロッドに励起光が入力されると発熱して熱レンズ効果を生じる。このため、安定して共振を得るためには、下記数式１を満たさなくてはならない。なお、下記数式１におけるｆ_Ｒは固体レーザ媒質であるロッドの熱レンズ焦点距離であり、Ｒ_１及びＲ_２は夫々共振器ミラーの曲率半径であり、Ｌ_１及びＬ_２は各共振器ミラーと熱レンズ主平面との距離である。

上記数式１から、例えば、共振器ミラーの曲率半径Ｒ_１及びＲ_２を無限大、即ち、共振器ミラーとして平面ミラーを使用した場合、各共振器ミラーと熱レンズ主平面との距離Ｌ_１及びＬ_２が相互に等しい対称型共振器構成になっているときに、熱レンズの焦点距離ｆ_Ｒは、４ｆ_Ｒ＜Ｌ_１＋Ｌ_２の領域で上記数式１の安定条件を満たす。この熱レンズ焦点距離ｆ_Ｒは、励起光の入力に反比例して小さくなるため、発振レーザ光を高出力化する場合には、共振器長Ｌを可能な限り短くすることが必要である。

また、２つの共振ミラーの両方を平面ミラーとし、且つ、熱レンズ主平面位置を中心にして対象にこれらのミラーを配置した場合、共振器内で共振する横モードも中心対称となり、ミラー面上にビームウェストができる。このため、等間隔に２つの固体レーザ媒質を配置し、夫々に等価な熱レンズを発生させて、平面ミラーにてその両端を終端するような共振器構成とすることにより、共振器の安定状態を維持したまま容易に高出力化することができる。

しかしながら、共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器においては、非線形光学結晶、レーザ光分離用の平面ミラー及びＱスイッチ等を設けなくてはならず、これらの配置スペースが必要となる。このため、共振器長を短くすることは困難であると共に、片側に配置されるこれら光学部品により、各共振器ミラーと熱レンズ主平面との距離Ｌ_１及びＬ_２を等しくすることができないため、共振器の構成が非対称となり、高出力化することが難しい。

そこで、本実施形態の固体レーザ発振器においては、１又は複数個のレンズを共振器内の適切な位置に配置することにより、高入力時まで安定条件を維持すると共に共振器長を延長し、この部分に周波数変換用の非線形光学素子及びレーザ光分離用のミラーを配置するためのスペースを確保している。具体的には、焦点距離がｆ_Ｌであるレンズの手前におけるビームウエスト半径をω_１、拡がり角をθ_１、ビームウェストからレンズまでの距離をｄ_１とし、焦点距離がｆ_Ｌであるレンズの後ろ側におけるビームウエスト半径をω_２、拡がり角をθ_２、レンズからビームウェストまでの距離をｄ_２としたとき、このレンズを介したときのレーザ光の伝播式及びビーム積保存の法則から、下記数式２乃至４が求められる。

ここで、ビームウェストからレンズまでの距離ｄ_１とレンズの焦点距離ｆ_Ｌを一致させて、即ち、ｄ_１＝ｆ_Ｌになるように配置すると、上記数式２から下記数式５が、上記数式３から下記数式６が、上記数式４から下記数式７が夫々求められる。

更に、レンズからｄ_２＝ｆ_Ｌの位置に平面ミラーを配置してレーザ光を正反射させると、上記数式２から下記数式８が、上記数式３から下記数式９が、上記数式４から下記数式１０が夫々成立し、往復で元のビームウェスト位置にビームウェスト半径と拡がり角が再現される。

この特徴を利用し、共振ミラーとして平面ミラーを使用し、レンズをこの焦点距離と同じ距離だけ離して配置することにより、共振器長を延長してもなお高出力領域に至るまで共振器の安定条件を維持することができる。

なお、共振器１０を複数個のレンズを共焦点で配置した望遠鏡の構成としても、この関係は成り立つ。例えば、本実施形態の固体レーザ発振器のように、共振器１０を共振ミラーとして平面ミラー４及び５を使用した対称型共振器とし、その内部に２個のレンズ６ａ及び６ｂを共焦点で配置した１倍の望遠鏡を設け、これを平面ミラー４及び５から焦点距離と等価な距離だけ離して配置し、この望遠鏡の共焦点位置に非線形光学結晶２を配置させた場合、レンズ６ａ及び６ｂの手前でのビームウェスト半径ω_０は励起光の入力（∝レーザ光の出力）の増加に伴って小さくなるが、その一方で、ビーム拡がり角θ_０は逆に大きくなっていく。このため、レンズ６ａ及び６ｂを介して非線形光学結晶２内に集光されるレーザ光のビームウェスト半径は、上記数式２からω_１＝ｆ_Ｌ×θ_０となり、低励起入力時には非線形光学結晶２内に集光されるビーム径が小さくなるが、高励起入力時には逆に大きくなる。

一般に、非線形光学結晶による周波数変換においては、パワー密度が低すぎれば変換効率も低くなり、高すぎると非線形光学結晶が損傷してしまう恐れがあるため、損傷しきい値以下で十分な変換効率が得られる程度のパワー密度とすることが望ましい。本実施形態の固体レーザ発振器においては、共振器１０の内部に配置するレンズ６ａ及び６ｂの焦点距離ｆを適切に選定することにより、非線形光学結晶２内に集光されるレーザ光のパワー密度の変化を広いレンジで小さくする様な制御が可能となる。更に、レンズ６ａ及び６ｂにより形成される望遠鏡によって延長された部分を除く部分に構成される対称型の共振器は、安定条件を満足させたまま複数個の固体レーザ媒質を多段に並べることができるため、更に高出力化することができる。

次に、本実施形態の固体レーザ発振器の動作について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器においては、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂにおいて、例えば１０６４ｎｍの基本波レーザ光９が発生する。そして、この基本波レーザ光９は、平面ミラー４で反射された後、再度、Ｑスイッチ３ａ、固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄを通過する間に増幅され、更に、平面ミラー７で反射されてレンズ６ａを介して非線形光学結晶２に入射する。そして、非線形光学結晶２により、基本波レーザ光９の一部が例えば５３２ｎｍの第２高調波レーザ光８に変換される。非線形光学結晶２を通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８は、レンズ６ｂを介して平面レンズ５で反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２及びレンズ６ａをこの順に通過し、周波数変換された後、基本波レーザ光９は平面ミラー７で反射してＱスイッチ３ｄに入射し、第２高調波レーザ光８は平面ミラー７を透過して外部に取り出される。これにより、第２高調波レーザ光８のみが外部へ取り出され、基本波レーザ光９は内部に閉じ込められる。

このように、本実施形態の固体レーザ発振器においては、レーザ光分離用の平面ミラー７と共振用の平面ミラー５との間に、相互に等価な２枚のレンズ６ａ及び６ｂを配置し、この１対のレンズの間に非線形光学結晶２を配置しているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができると共に、周波数変換用の非線形光学部品及び周波数分離用ミラー等を配置するスペースを確保することができる。

また、この延長部を除く範囲における共振器構成を、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂに対して対称にしているため、複数の固体レーザ媒質を多段に接続することができるため、容易に高出力化することができる。図２（ａ）乃至（ｃ）は、図１に示す共振器を光路が直線状になるように各部材を配置し直したときの基本波レーザ光の伝播状態を示す図であり、図２（ａ）は固体レーザ媒質へ入力される励起光の強度が低い場合、図２（ｂ）は励起光の強度が中程度の場合、図２（ｃ）は励起光の強度が強い場合を示す。図２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器においては、励起光の強度にかかわらず、共振器内に配置される固体レーザ媒質１ａ及び１ｂは夫々対称形の伝播横モードを示しており、これらを等間隔に配置することにより、その数を容易に増やすことができることがわかる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様に、共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器であり、第２高調波変換を行う共振器を備えている。図３は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。なお、図３においては、図１に示す共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図３に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器２０は、共振用ミラーである平面ミラー４と平面ミラー５との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ、Ｑスイッチ３ｄ、レーザ光分離用ミラーである平面ミラー１７、レンズ６ａ、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光８に変換する非線形光学結晶２及びレンズ６ｂがこの順に１列に配置されている。

この共振器２０は、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さＬ_１と、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さＬ_２とが等しくなっている。また、レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー１７が配置されており、非線形光学結晶２はレンズ６ａ及び６ｂの中間の位置に配置されている。本実施形態の固体レーザ発振器においては、このように、共振器２０内に等価な１対のレンズを対向して配置することにより、１倍の望遠鏡を構成している。

更に、本実施形態の固体レーザ発振器においては、レーザ光分離用ミラーとして、レーザ光入射面に基本波レーザ光９を透過すると共に第２高調波レーザ光８を反射する誘電多層膜が形成されている平面ミラー１７を使用している。この平面ミラー１７は、４５°入射の平面ミラーであり、Ｑスイッチ３ｄを通過した基本波レーザ光９、並びに、レンズ６ａを通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８が４５°の角度で入射するように配置されている。

次に、本実施形態の固体レーザ発振器の動作について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器においては、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂにおいて、例えば１０６４ｎｍの基本波レーザ光９が発生する。そして、この基本波レーザ光９は、平面ミラー４で反射された後、再度、Ｑスイッチ３ａ、固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄを通過する間に増幅され、更に、平面ミラー１７を透過し、レンズ６ａを介して非線形光学結晶２に入射する。そして、非線形光学結晶２により、基本波レーザ光９の一部が例えば５３２ｎｍの第２高調波レーザ光８に変換される。非線形光学結晶２を通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８は、レンズ６ｂを介して平面レンズ５で反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２及びレンズ６ａを通過し、周波数変換された後、基本波レーザ光９は平面ミラー１７を透過してＱスイッチ３ｄに入射し、第２高調波レーザ光８は平面ミラー１７で反射して外部に取り出される。これにより、第２高調波レーザ光８のみが外部へ取り出され、基本波レーザ光９は内部に閉じ込められる。

本実施形態の固体レーザ発振器においては、レーザ光分離用の平面ミラー１７と共振用の平面ミラー５との間に、相互に等価な２枚のレンズ６ａ及び６ｂを配置し、この１対のレンズの間に非線形光学結晶２を配置しているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができると共に、周波数変換用の非線形光学部品及び周波数分離用ミラー等を配置するスペースを確保することができる。なお、本実施形態の固体レーザ発振器における上記以外の構成及び効果は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様である。

次に、本発明の第３の実施形態に係る固体レーザ発振器について説明する。前述の第１及び第２の実施形態の固体レーザ発振器においては、Ｑスイッチ３ｄとレンズ６ａとの間に、レーザ光分離用の４５°入射の平面ミラーを配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、共振用ミラーにより基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光８とを分離してもよい。図４は本実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。なお、図４においては、図１に示す共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図４に示すように、本実施形態の固体レーザ発振器における共振器３０は、共振用ミラーである平面ミラー４と平面ミラー２５との間に、Ｑスイッチ３ａ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、基本波レーザ光９を増幅する固体レーザ媒質１ｂ、Ｑスイッチ３ｄ、平面ミラー２７、レンズ６ａ、基本波レーザ光９を第２高調波レーザ光８に変換する非線形光学結晶２及びレンズ６ｂがこの順に１列に配置されている。

この共振器３０は、Ｑスイッチ３ａ及び３ｂ並びに固体レーザ媒質１ａにより構成される共振部の長さＬ_１と、Ｑスイッチ３ｃ及び３ｄ並びに固体レーザ媒質１ｂにより構成される共振部の長さＬ_２とが等しくなっている。また、レンズ６ｂは、その焦点距離と等しい距離ｆだけ平面ミラー２５から離れた位置に配置されており、このレンズ６ｂから更に焦点距離の２倍の距離２ｆだけ離れた位置にレンズ６ａが配置されている。そして、レンズ６ａから距離ｆだけ離れた位置に平面ミラー２７が配置されており、非線形光学結晶２はレンズ６ａ及び６ｂの中間の位置に配置されている。本実施形態の固体レーザ発振器においては、このように、共振器３０内に等価な１対のレンズを対向して配置することにより、１倍の望遠鏡を構成している。

更に、平面ミラー２７は、Ｑスイッチ３ｄを通過した基本波レーザ光９、並びに、レンズ６ａを通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８が垂直に入射するように配置されており、そのレーザ光入射面には、基本波レーザ光９を透過すると共に第２高調波レーザ光８を反射する誘電多層膜が形成されている。更にまた、平面ミラー２５は、共振用ミラーであると共にレーザ光分離用ミラーであり、そのレーザ光入射面には、垂直入射した基本波レーザ光９を反射すると共に第２高調波レーザ光８を透過する誘電多層膜が形成されている。

次に、本実施形態の固体レーザ発振器の動作について説明する。本実施形態の固体レーザ発振器においては、固体レーザ媒質１ａ及び１ｂにおいて、例えば１０６４ｎｍの基本波レーザ光９が発生する。そして、この基本波レーザ光９は、平面ミラー４で反射された後、再度、Ｑスイッチ３ａ、固体レーザ媒質１ａ、Ｑスイッチ３ｂ、Ｑスイッチ３ｃ、固体レーザ媒質１ｂ及びＱスイッチ３ｄを通過する間に増幅され、更に、平面ミラー２７を透過し、レンズ６ａを介して非線形光学結晶２に入射する。そして、非線形光学結晶２により、基本波レーザ光９の一部が例えば５３２ｎｍの第２高調波レーザ光８に変換される。非線形光学結晶２を通過した基本波レーザ光９及び第２高調波レーザ光８は、レンズ６ｂを介して平面ミラー２５に入射する。このとき、基本波レーザ光９は平面ミラー２５で反射され、再度、レンズ６ｂ、非線形光学結晶２及びレンズ６ａを通過し、周波数変換された後、平面ミラー２７を透過してＱスイッチ３ｄに入射する。一方、第２高調波レーザ光８は、平面ミラー２５を透過して外部に取り出される。これにより、第２高調波レーザ光８のみが外部へ取り出され、基本波レーザ光９は内部に閉じ込められる。このように、本実施形態の固体レーザ発振器においては、共振用ミラーである平面ミラー２５により、基本波レーザ光９と第２高調波レーザ光８とを分離する。

本実施形態の固体レーザ発振器においては、平面ミラー２７と平面ミラー５との間に、相互に等価な２枚のレンズ６ａ及び６ｂを配置し、この１対のレンズの間に非線形光学結晶２を配置しているため、共振器長を延長しても高出力領域に至るまで共振の安定条件を満足させることができると共に、周波数変換用の非線形光学部品及び周波数分離用ミラー等を配置するスペースを確保することができる。なお、本実施形態の固体レーザ発振器における上記以外の構成及び効果は、前述の第１の実施形態の固体レーザ発振器と同様である。

なお、前述の第１乃至第３の実施形態の固体レーザ発振器においては、共振器内に２個の固体レーザ媒質１ａ及び１ｂを配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、共振器を対称型共振器構成にして共焦点配置のレンズ対（レンズ６ａ及び６ｂ）により共振器を延長しているため、光学部品の損傷限界の許す限り等間隔に何個でも固体レーザ媒質を配置することができる。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド以外にも、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ及びＮｄ：ＹＶＯ_４等の固体レーザ媒質を使用することもできる。

更に、前述の第１乃至第３の実施形態の固体レーザ発振器においては、第２高調波を発生させるために、共振器内に非線形光学結晶を１個配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、変換効率の向上、第３高調波の発生、又は第４高調波の発生のために、非線形光学結晶を複数個配置してもよい。この非線形光学結晶２としては、前述のＬＢＯ以外に、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ＫＴＰ及びＢＢＯ等を使用することができる。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本発明の実施例として、図１に示す共振器を備えた固体レーザ発振器（実施例）と、図６に示す従来の構成の共振器を備えた固体レーザ発振器（比較例）について、Ｑスイッチのパルス幅が励起強度によらず一定として、非線形光学結晶２中に集光される基本波レーザ光のビーム径及びパワー密度を計算により求めた。その際、固体レーザ媒質はＮｄ：ＹＡＧロッドとし、非線形光学結晶はＬＢＯとした。

図５（ａ）は横軸に励起強度をとり、縦軸にＬＢＯ結晶内に集光される基本波レーザ光のビーム径及びパワー密度をとって、本発明の実施例の固体レーザ発振器の特性を示すグラフ図であり、図５（ｂ）は横軸に励起強度をとり、縦軸にＬＢＯ結晶内に集光される基本波レーザ光のビーム径及びパワー密度をとって、本発明の比較例の固体レーザ発振器の特性を示すグラフ図である。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例の固体レーザ発振器は、比較例の固体レーザ発振器に比べて、低入力時から高入力時に至るまで、集光される基本波レーザ光のパワー密度の変化が少なかった。

本発明の第１の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。（ａ）乃至（ｃ）は図１に示す共振器を光路が直線状になるように各部材を配置し直したときの基本波レーザ光の伝播状態を示す図であり、（ａ）は固体レーザ媒質へ入力される励起光の強度が低い場合、（ｂ）は励起光の強度が中程度の場合、（ｃ）は励起光の強度が強い場合を示す。本発明の第２の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。本発明の第３の実施形態の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。（ａ）は横軸に励起強度をとり、縦軸にＬＢＯ結晶内に集光される基本波レーザ光のビーム径及びパワー密度をとって、本発明の実施例の固体レーザ発振器の特性を示すグラフ図であり、（ｂ）は横軸に励起強度をとり、縦軸にＬＢＯ結晶内に集光される基本波レーザ光のビーム径及びパワー密度をとって、本発明の比較例の固体レーザ発振器の特性を示すグラフ図である。従来の共振器内部周波数変換方式の固体レーザ発振器における共振器の構成を示す図である。（ａ）乃至（ｃ）は図６に示す共振器を光路が直線状になるように各部材を配置し直したときの基本波レーザ光の伝播状態を示す図であり、（ａ）は固体レーザ媒質へ入力される励起光の強度が低い場合、（ｂ）は励起光の強度が中程度の場合、（ｃ）は励起光の強度が強い場合を示す。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１０１、１１１ａ、１１１ｂ；固体レーザ媒質
２、１０２、１１２；非線形光学結晶
３ａ〜３ｄ、１０３ａ、１０３ｂ；Ｑスイッチ
４、５、７、１７、２５、２７、１０４、１１４、１０７；平面ミラー
６ａ、６ｂ；レンズ
８、１０８；第２高調波レーザ光
９、１０９、１１９；基本波レーザ光
１０、２０、３０、１００；共振器
１１０、１２０；凹面ミラー

Claims

共振器内部で周波数変換を行う固体レーザ発振器であって、共振用の第１及び第２の平面ミラーと、前記第１及び第２の平面ミラー間に配置されレーザ光を増幅するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間に配置され前記レーザ光の周波数を変換する１又は複数個の非線形光学結晶と、前記レーザ媒質と前記第２の平面ミラーとの間に配置されたｎ（ｎは自然数）組のレンズ対と、前記レンズ対を構成する２枚のレンズの間に配置された非線形光学結晶と、を有し、前記レンズ対を構成する２枚のレンズは夫々共焦点の位置に配置され、前記非線形光学結晶は前記２枚のレンズの共焦点位置に配置され、前記第２の平面ミラー側のレンズと前記第２の平面ミラーとの間の間隔は、前記レンズの焦点距離ｆと等しいことを特徴とする固体レーザ発振器。
前記第１及び第２の平面ミラー間には、レーザ光入射面に誘電多層膜が形成された１又は複数個の誘電多層膜ミラーが配置されており、前記誘電多層膜ミラーのうち少なくとも１つの誘電多層膜ミラーは、基本周波数のレーザ光を反射すると共に前記非線形光学結晶により周波数変換されたレーザ光を透過することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
前記第１及び第２の平面ミラー間には、レーザ光入射面に誘電多層膜が形成された１又は複数個の誘電多層膜ミラーが配置されており、前記誘電多層膜ミラーのうち少なくとも１つの誘電多層膜ミラーは、基本周波数のレーザ光を透過すると共に前記非線形光学結晶により周波数変換されたレーザ光を反射することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ発振器。
前記第１及び第２の平面ミラー間には、複数個の固体レーザ媒質が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。
２個以上の非線形光学結晶が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器。