JP5293613B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、第3高調波発生用結晶としてタイプIの非線形光学結晶(=複屈折を利用したタイプI角度位相整合素子)や擬似位相整合素子(=QPM素子)を用いることが出来る半導体レーザ励起固体レーザ装置に関する。
従来、図6に示すように、基本波ωから第2高調波2ωを出力する第2高調波発生用結晶(=SHG素子)56と、基本波ωおよび第2高調波2ωから第3高調波3ωを出力する第3高調波発生用結晶(=THG素子)55とを基本波の光共振器内に具備した半導体レーザ励起固体レーザ装置が知られている(特許文献1参照。)。
米国特許第7016389号公報
上記従来の半導体レーザ励起固体レーザ装置では、SHG素子56としてタイプIの非線形光学結晶を用い、THG素子55としてタイプIIの非線形光学結晶を用いている。光共振器内に上記以外の組合せの結晶、たとえばタイプI−タイプIのような組合せを用いると、結晶の軸を互いに45度傾ける必要性が生じて結晶の複屈折性によって共振器内の偏光が回転し、不安定発振を誘発する原因となるため、事実上この構成に限定されてしまう問題点がある。
そこで、本発明の目的は、第3高調波発生用結晶としてタイプIの非線形光学結晶や擬似位相整合素子を用いることが出来る半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。
第1の観点では、本発明は、励起レーザ光を発振する半導体レーザ(1)と、前記励起レーザ光により励起されて基本波を出力する固体レーザ媒質(3)と、前記基本波から第2高調波を出力する第2高調波発生用結晶(6)と、前記基本波および前記第2高調波から第3高調波を出力する第3高調波発生用結晶(5)とを基本波の光共振器内に具備し、前記第2高調波発生用結晶(6)が擬似位相整合素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、第2高調波発生用結晶(6)として擬似位相整合素子を用いることにより、基本波と第2高調波の偏光方向が一致するため、第3高調波発生用結晶(5)としてタイプIの非線形光学結晶や擬似位相整合素子を特殊な偏光操作無しで用いることが出来るようになり、結晶の選択幅が広がる。
第2の観点では、本発明は、前記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記第3高調波発生用結晶(5)がタイプIの非線形光学結晶であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第2の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、タイプIの非線形光学結晶を用いることで変換効率を向上しうる。図7の表1に第3高調波発生用の代表的な結晶における有効非線形定数を示す。各結晶ともタイプIの方が有効非線形定数が大きいことが分る。
第3の観点では、本発明は、前記第1の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記第3高調波発生用結晶(5)が擬似位相整合素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第3の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、擬似位相整合素子の非線形定数が大きいために、必要な変換効率を得るために必要な結晶長を短く出来、共振器長を短く出来る。共振器長を短くすることは、パルス発振の場合にパルス幅を短く出来ることにつながる。パルス幅の短い紫外レーザ光はMALDI/TOF−MSや精密加工に有用である。
また、結晶長を短く出来ると、一般的に小さい擬似位相整合素子の温度許容幅が改善される効果も期待される。
第4の観点では、本発明は、前記第3の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記第2高調波発生用結晶(6)と第3高調波発生用結晶(5)とが一つの素子であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第4の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、異なる周期の反転分極をモノリシックに作り込んで第2高調波発生用結晶(6)と第3高調波発生用結晶(5)とを一つの素子とすることで、第2高調波−第3高調波の連続した波長変換が可能となり、小型化のみならず、信頼性の向上も見込まれる。
第5の観点では、本発明は、前記第1から第4のいずれかの観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置において、前記擬似位相整合素子が、マグネシウムをドープしたストイキオメトリックLTに分極反転構造を作製して擬似位相整合素子としたPPMgSLTであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供する。
上記第5の観点による半導体レーザ励起固体レーザ装置では、MgをドープしたストイキオメトリックLTに分極反転構造を作製して擬似位相整合M素子としたPPMgSLTを用いるため、MgSLTが有する光損傷閾値が高く、紫外光の透過性があるという特徴を有効に利用できる。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置によれば、第3高調波発生用結晶としてタイプIの非線形光学結晶や擬似位相整合素子を用いることが出来る。また、安定、小型、高効率なレーザ装置が得られる。
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図1は、実施例1に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置100を示す説明図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置100は、励起レーザ光を発振する半導体レーザ1と、励起レーザ光を集光する集光レンズ系2と、励起レーザ光により励起されて基本波を出力する固体レーザ媒質3と、Qスイッチ素子12と、基本波および第2高調波を透過し第3高調波を反射するダイクロイック・ビームスプリッタ4と、基本波から第2高調波を出力する第2高調波発生用結晶(=SHG素子)6と、基本波および第2高調波を反射するミラー7と、第2高調波発生用結晶6側から来た基本波および第2高調波の和周波を発生させることにより第3高調波を出力する第3高調波発生用結晶(=THG素子)5と、ビームスプリッタ4で反射された第3高調波の一部を反射し第3高調波出力Loとし他の一部を透過するビームスプリッタ9と、ビームスプリッタ9を透過した第3高調波を受光するホトダイオード10と、ホトダイオード10で受光する第3高調波のエネルギーまたは平均出力が一定になるように半導体レーザ1を駆動するAPC回路11とを具備している。
半導体レーザ1は、ペルチェ素子にて励起レーザ光の波長が例えば808.5nmになるように温度チューニングされている。
固体レーザ媒質3は、例えばNd:YAGやNd:YVO4である。Nd:YAGは、単結晶または微細結晶を焼結したセラミックである。固体レーザ媒質3の半導体レーザ側端面には励起レーザ光では高透過率、例えば波長1064nmの基本波では高反射率のコーティングが施されている。反対側の端面は基本波に対するARコートである。固体レーザ媒質3は、放熱のために金属ホルダに取り付けられる。
固体レーザ媒質3の端面とミラー7との間で光共振器8が構成され、例えば波長1064nmの基本波が発振する。
Qスイッチ素子12の動作は、音響光学素子(AOM)を外部信号にてON/OFFすることにより能動的に行われる。
第2高調波発生用結晶6は、擬似位相整合(QPM)素子であり、LiNbO3,LiTaO3,MgO:LiNbO3,MgO:LiTaO3,KNbO3,KTiOPO4などに分極反転処理を施すことにより得られる。第2高調波発生用結晶6はペルチェ素子またはヒータにより適正な温度にチューニングされる。
第3高調波発生用結晶5は、タイプIの非線形光学結晶であり、LBO,BBO,BIBO,YCOB,GdYCOBなどである。
図2に示すように、ミラー7で反射された基本波ωは、第2高調波発生用結晶6を通過し例えば波長532nmの第2高調波2ωに変換される。第2高調波発生用結晶6から来た基本波ωおよび第2高調波2ωは、第3高調波発生用結晶5を通過し和周波である例えば波長355nmの第3高調波3ωに変換される。
実施例1に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置100によれば、第3高調波発生用結晶5としてタイプIの非線形光学結晶を用いるので、変換効率を向上することが出来る。
図3は、実施例2に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置200を示す説明図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置200は、実施例1に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置100と基本的に同じ構成であるが、第3高調波発生用結晶5が第2高調波発生用結晶6と同様の擬似位相整合素子(=QPM素子)であり、例えばマグネシウムをドープしたストイキオメトリックLTに分極反転構造を作製して擬似位相整合素子としたPPMgSLTである。
図4に示すように、ミラー7で反射された基本波ωは、第2高調波発生用結晶6を通過し例えば波長532nmの第2高調波2ωに変換される。第2高調波発生用結晶6から来た基本波ωおよび第2高調波2ωは、第3高調波発生用結晶5を通過し和周波である例えば波長355nmの第3高調波3ωに変換される。
実施例2に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置200によれば、第3高調波発生用結晶5として擬似位相整合素子を用いるので、結晶の選択範囲および適用可能な波長範囲が広がり、コストも低減することが出来る。また、短共振器長化にも寄与し、短パルスの発生が可能になる。
図5は、実施例3に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置300を示す説明図である。
この半導体レーザ励起固体レーザ装置300は、実施例2に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置200と基本的に同じ構成であるが、異なる周期の反転分極をモノリシックに作り込んで第2高調波発生用結晶6と第3高調波発生用結晶5とを一つの素子としたものである。
実施例3に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置300によれば、第2高調波−第3高調波の連続した波長変換が可能となり、小型化のみならず、信頼性の向上も見込まれる。
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。
実施例1に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成説明図である。 実施例1に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置における基本波,第2高調波,第3高調波の偏光方向を示す説明図である。 実施例2に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成説明図である。 実施例2に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置における基本波,第2高調波,第3高調波の偏光方向を示す説明図である。 実施例3に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成説明図である。 比較例における基本波,第2高調波,第3高調波の偏光方向を示す説明図である。 第3高調波発生用の代表的な結晶における有効非線形定数を示す図表である。
符号の説明
1 半導体レーザ
2 集光レンズ
3 固体レーザ媒質
4 ダイクロイック・ビームスプリッタ
5 第3高調波発生用結晶
6 第2高調波発生用結晶
7 ミラー
8 光共振器
9 ビームスプリッタ
10 ホトダイオード
11 APC回路
12 Qスイッチ素子
100 半導体レーザ励起固体レーザ装置

Claims (1)

  1. 励起レーザ光を発振する半導体レーザ(1)と、前記励起レーザ光により励起されて基本波を出力する固体レーザ媒質(3)と、Qスイッチ(12)と、前記基本波から第2高調波を出力する第2高調波発生用結晶(6)と、前記基本波および前記第2高調波から第3高調波を出力する第3高調波発生用結晶(5)とを具備し、前記第2高調波発生用結晶(6)が、マグネシウムをドープしたストイキオメトリックLTに分極反転構造を作製して擬似位相整合素子としたPPMgSLTであり、前記第3高調波発生用結晶(5)がタイプIの非線形光学結晶であることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
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