JP5614638B2

JP5614638B2 - 固体レーザー

Info

Publication number: JP5614638B2
Application number: JP2010191953A
Authority: JP
Inventors: 肇三宮; 三浦　啓二; 啓二三浦; 一郎庄司; 庄司　　一郎
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd; Chuo University
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd; Chuo University
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: JP2012049425A

Description

本発明は、励起光源から出力される励起光に基づいてポンプ光を発生させ共振器で増幅して励起光とは波長の異なるレーザー光を出力する固体レーザーに関し、詳しくは、単一縦モード化されたポンプ光を発生可能な固体レーザーに関するものである。

従来より、励起光源から出力される励起光を、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４(ネオジウム添加バナジン酸イットリウム)等からなるレーザー結晶に入力してポンプ光を発生させ、このポンプ光を共振器で増幅させて出力する固体レーザーが知られている。この種の固体レーザーは、一般的に、レーザー結晶と、このレーザー結晶を挟んで互いに対向して配置される反射鏡とで共振器を形成し、この共振器でポンプ光を増幅させて出力するように構成されている。そして、この種の共振器を有した固体レーザーにおいて、共振器によってポンプ光を共振させると、所定の周波数間隔で複数の縦モードが生じて（以下において、「縦マルチモード化」と言う。）、レーザー光の品質が低下してしまうので、この縦マルチモード化を抑える様々な改良が行われている。

この種の縦マルチモード化を抑える改良が行われた固体レーザーとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された固体レーザーは、レーザー結晶と、このレーザー結晶と対向して配置されレーザー結晶からのポンプ光を反射する共振器ミラーとを備え、この共振器ミラーとレーザー結晶とでポンプ光を共振させる共振器を形成し、この共振器内にエタロン板を設けることにより、ポンプ光を単一縦モード化する構成である。このように、特許文献１に記載された固体レーザーは、レーザー結晶と共振器ミラーとエタロン板とを設けて、単一縦モードのポンプ光を発生させている。

特開２００２−３１４１８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された固体レーザーは、レーザー結晶と共振器ミラーに加えて、エタロン板を設ける構成であるため構造が複雑となり、小型化に向かないという問題があり、また、一般的に、ポンプ光を単一縦モード化するために、レーザー結晶及び共振器ミラーに対するエタロン板の傾きを調整する必要があり調整作業に時間が掛かるという問題もある。

そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、構造が簡単で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができる固体レーザーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による固体レーザーは、励起光によりポンプ光を発生するレーザー結晶と、該レーザー結晶と離間して対向配置される共振器ミラーとで、前記ポンプ光を共振させる第１共振器と、前記第１共振器内にて、該第１共振器で共振させたポンプ光の一部を前記共振器ミラーの両端面間で共振させる第２共振器と、を備え、前記レーザー結晶と共振器ミラーの配置位置を調整して前記第１共振器のゲインピーク周波数を第２共振器のゲインピーク周波数と一致させる構成としたものである。
また、上記目的を達成するために、本発明の別の態様による固体レーザーは、励起光に基づいてポンプ光を発生させ共振器で増幅して前記励起光とは波長の異なるレーザー光を出力する固体レーザーにおいて、前記励起光の入力により前記ポンプ光を発生するレーザー結晶と、前記励起光の光源と前記レーザー結晶との間に配置され、前記レーザー結晶で発生したポンプ光を、前記レーザー結晶とは反対の端面で反射する共振器ミラーと、前記レーザー結晶を挟んで前記共振器ミラーと離間して対向配置され、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光を、該ポンプ光とは波長の異なるシグナル光とアイドラ光とに変換し、外部へ前記アイドラ光を出力する波長変換素子と、を備え、前記レーザー結晶から発生した前記ポンプ光を共振させる第１共振器を、前記波長変換素子の前記レーザー結晶とは反対側の端面と前記共振器ミラーの前記レーザー結晶とは反対の端面で形成し、前記第１共振器で共振させたポンプ光の一部を共振させる第２共振器を、前記共振器ミラーの前記レーザー結晶とは反対側の端面と前記共振器ミラーの前記レーザー結晶側の端面で形成し、前記波長変換素子と前記共振器ミラーの配置位置を調整して前記第１共振器のゲインピーク周波数を第２共振器のゲインピーク周波数と一致させる構成とし、前記第２共振器から出力され、前記出力強度が所定の閾値以上の単一縦モードのポンプ光に基づいて、前記波長変換素子から前記アイドラ光を外部へ出力する構成としたものである。

このような構成により、上記一態様による固体レーザーは、励起光によりポンプ光を発生するレーザー結晶と、このレーザー結晶と離間して対向配置される共振器ミラーとで、レーザー結晶で発生したポンプ光を共振させる第１共振器を構成した上、これらレーザー結晶と共振器ミラーの配置位置を調整して、第１共振器のゲインピーク周波数と第１共振器内の第２共振器のゲインピーク周波数を一致させている。
また、上記別の態様による固体レーザーは、共振器ミラーと、この共振器ミラーと離間して対向配置される波長変換素子とで、レーザー結晶で発生したポンプ光を共振させる第１共振器を構成した上、これら波長変換素子と共振器ミラーの配置位置を調整して、第１共振器のゲインピーク周波数と第１共振器内の第２共振器のゲインピーク周波数を一致させている。

本願発明の固体レーザーによれば、レーザー結晶と共振器ミラーとにより、又は、波長変換素子と共振器ミラーとにより、第１、第２共振器を構成して、単一縦モードのポンプ光を出力することができるため、エタロン板が不要となり、従来の固体レーザーと比べて、構造を簡略化することができ、また、共振器の長さを短くして小型化することができる。また、共振器を構成する部品数が少なくなるため、各部品間の傾き等の調整作業を従来の固体レーザーと比べて減らすことができる。そして、第１共振器のゲインピーク周波数と第２共振器のゲインピーク周波数を一致させて単一縦モードのポンプ光を発生することができる。このようにして、構造が簡単で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができる固体レーザーを提供することができる。

本発明に係る固体レーザーの第１実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態におけるレーザー結晶から出力されるポンプ光の周波数分布特性を示す図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。上記実施形態においてポンプ光が単一縦モード化する状況を説明する図で、（ａ）は第１共振器での縦マルチモード化、（ｂ）は第２共振器での縦マルチモード化、（ｃ）はポンプ光の単一縦モード化を示す概念図である。上記実施形態の固体レーザーが単一縦モードのポンプ光を出力する動作について説明する動作フロー図である。本発明に係る固体レーザーの第２実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。本発明に係る固体レーザーの第３実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。本発明に係る固体レーザーの第４実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。本発明に係る固体レーザーの第５実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。本発明に係る固体レーザーの第６実施形態の説明図で、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施形態の固体レーザーにおける各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。上記実施形態の各端面における各波長のレーザー光に対する反射率を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第１実施形態を示す概略構成図である。図１（ｂ）は本実施形態における固体レーザー１の各区間でのレーザー光の主な波長の一例を示す説明図である。
図１（ａ）において、本実施形態の固体レーザー１は、励起光源２から出力される励起光により励起された後述するレーザー結晶４から発生するポンプ光を増幅して励起光とは波長の異なるレーザー光を出力するもので、励起光源２と、集光レンズ３と、レーザー結晶４と、共振器ミラー５とを備え、レーザー結晶４と共振器ミラー５とで第１共振器６を形成し、共振器ミラー５で第２共振器７を形成している。また、図１（ａ）において破線は励起光の光路を示し、点線は、ポンプ光の光路を示し、外部へポンプ光を出力している状況を示している。

上記励起光源２は、レーザー光を発生するものであり、例えば、市販のレーザー光源である。この励起光源２から出射されるレーザー光は、後述するレーザー結晶４を励起させる励起光となる。励起光源２から出射される励起光の波長（λ０）は、例えば、約８０８ｎｍである。この約８０８ｎｍの波長の励起光は、主に、図１（ｂ）に示す区間に存在する。

上記集光レンズ３は、図１（ａ）において破線で示すように、励起光源２から出射される励起光をレーザー結晶４のほぼ中心で集光するように構成されるレンズである。

上記レーザー結晶４は、励起光を入力するとポンプ光を発生するものである。本実施形態において、レーザー結晶４は、図１（ａ）に示すように、励起光源２と共振器ミラー５との間に配置されている。レーザー結晶４として使用する結晶は、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４(ネオジウム添加バナジン酸イットリウム)であり、この場合、レーザー結晶４において、波長（λ０）が約８０８ｎｍの励起光の入力により発生するポンプ光のゲインピークを示す波長（λｐ）は、例えば、約１０６４ｎｍである。また、このレーザー結晶４から発生するポンプ光は、図２に示すように、レーザー結晶４のゲインピーク周波数ｆｍ１（波長約１０６４ｎｍ）を中心として広い周数帯域においてゲイン（出力強度）が分布する特性を示す。また、このゲインピーク周波数ｆｍ１（波長約１０６４ｎｍ）のポンプ光は、主に、図１（ｂ）に示すように、後述する端面Ｓ１と端面Ｓ４間の区間と、端面Ｓ３と端面Ｓ４間の区間に存在する。

本実施形態において、レーザー結晶４は、共振器ミラー５とは反対側の端面Ｓ１を、励起光についてはほぼ透過（低反射）し、ポンプ光についてはほぼ反射（高反射）するように形成し、共振器ミラー側の端面Ｓ２を、ポンプ光についてはほぼ透過（低反射）するように形成している。例えば、端面Ｓ１及び端面Ｓ２における各波長のレーザー光に対する反射率を、各端面に適切なコーティングを施すことにより、後述する図３に示すように設定する。

上記共振器ミラー５は、レーザー結晶４と対向して配置され、レーザー結晶４で発生したポンプ光を、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４で反射するものであり、例えば、一般的なガラス等で形成されており、後述する第１共振器６及び第２共振器７用の反射鏡となるものである。本実施形態において、共振器ミラー５は、図１（ａ）に示すように、レーザー結晶４を挟んで励起光源２と対向して配置されている。

本実施形態において、共振器ミラー５は、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４を、ポンプ光についてはほぼ反射（高反射）するように形成し、レーザー結晶４側の端面Ｓ３を、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４で反射されたポンプ光の一部が反射（部分反射）するように形成している。例えば、端面Ｓ３及び端面Ｓ４における各波長のレーザー光に対する反射率を、各端面に適切なコーティングを施すことにより、図３に示すように設定している。なお、図３において、ＡＲは、低反射率（例えば、１％未満）、すなわち、対応する波長のレーザー光についてはほぼ透過させて、反射をほぼ防止することを示し、ＨＲは、高反射率（例えば、９５％以上１００％未満）、すなわち、対応する波長のレーザー光についてはほぼ反射することを示し、ＰＲは、低反射率と高反射率との間の反射率（例えば、数％）、すなわち、対応する波長のレーザー光については一部（例えば、数％）を反射（部分反射）することを示し、また、いずれの記載もない部分は、その端面では対応する波長のレーザー光に対するコーティングについては施されていないことを示している。

なお、本実施形態において、共振器ミラー５は、レーザー結晶４側の端面Ｓ３が平面形状、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４が凸面形状となるように形成されている。これにより、端面Ｓ４で反射するポンプ光を端面Ｓ１に向かって反射させることができる。したがって、ポンプ光を外部に漏らすことなく反射させることができるため、ポンプ光の効率的な共振を容易に行わせることができる。なお、共振器ミラー５は、レーザー結晶４側の端面Ｓ３が平面形状であり、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４が凸面形状であるものとしたが、これに限らず、端面Ｓ３及び端面Ｓ４共に平面形状であってもよい。この場合であっても、例えば、共振器ミラー５とレーザー結晶４との傾き等を精度良く調整することによって、ポンプ光を外部へ漏らすことなく反射させることができる。

上記第１共振器６は、レーザー結晶４から発生したポンプ光を共振させるもので、レーザー結晶４の共振器ミラー５とは反対側の端面Ｓ１と共振器ミラー５のレーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４で形成されている。

一般的に、第１共振器６や第２共振器７のようなレーザー共振器における共振では、レーザー結晶のゲインピーク周波数ｆｍを中心として所定の周波数間隔で複数の縦モードが存在（縦マルチモード化）する。また、上記周波数間隔は縦モード間隔（ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲｅｎｇｅ）と呼ばれ、この縦モード間隔は、一般的に、光速をＣ、光路内の屈折率をｎ、共振器の共振器長をｄとすると、以下の（１）式によって定まるものである。
ＦＳＲ＝Ｃ／（２ｎｄ）・・・・・（１）

図４（ａ）は、レーザー結晶４から出力されたポンプ光が第１共振器６において共振された時に、レーザー結晶４のゲインピーク周波数ｆｍ１（波長約１０６４ｎｍ）を中心として所定の周波数間隔で複数の縦モードが発生した状況を示している。なお、図４（ａ）、後述する図４（ｂ）及び図４（ｃ）においては、各縦モードは、図の簡略化のため一本の線で表したが、実際は図４（ｃ）に破線で示すように線幅を有している。ここで、第１共振器６の、共振器長をｄ_１（図１（ａ）参照）、屈折率をｎ_１とすると、第１共振器６の縦モード間隔ＦＳＲ１は、下記の（２）式によって定まる。
ＦＳＲ１＝Ｃ／（２ｎ_１ｄ_１）・・・（２）
なお、ｄ_１は、端面Ｓ１と端面Ｓ４間の距離であり、ｎ_１は、端面Ｓ１〜端面Ｓ４内の材質によって複合的に定まる屈折率である。本実施形態においては、レーザー結晶４及び共振器ミラー５の厚みは、端面Ｓ２と端面Ｓ３間の距離に対して無視できるほど薄いため、第１共振器の屈折率ｎ_１は、空気の屈折率とほぼ等しいとみなす。

上記第２共振器７は、第１共振器６で共振させたポンプ光の一部を共振させるもので、共振器ミラー５のレーザー結晶４側の端面Ｓ３と共振器ミラー５のレーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４で形成されている。

図４（ｂ）は、第１共振器６で共振されたポンプ光の一部が第２共振器７において共振された時に、ゲインピーク周波数ｆｍ２を中心として所定の周波数間隔で複数の縦モードが発生した状況を示している。この場合、第２共振器７の、共振器長をｄ_２（図１（ａ）参照）、屈折率をｎ_２とすると、第２共振器７の縦モード間隔ＦＳＲ２は、以下の（３）式によって定まる。
ＦＳＲ２＝Ｃ／（２ｎ_２ｄ_２）・・・（３）
なお、ｄ_２は、共振器ミラー５の端面Ｓ３と端面Ｓ４間の厚みであり、ｄ_１と比べて極めて小さな値であり、例えば、数百μｍである。また、ｎ_２は、共振器ミラー５の材質によって定まる値である。

また、第２共振器７は、図４（ａ）及び図４（ｂ）から分かるように、第２共振器７の縦モード間隔ＦＳＲ２が、第１共振器６内で共振可能な周波数帯幅ｆｗのほぼ半分の値（ｆｗ/２）より大きくなるように、屈折率ｎ_２及び共振器長ｄ_２を設定して製作されている。そして、このように製作された第２共振器７におけるゲインの一番高い縦モードの周波数（すなわち、ゲインピーク周波数ｆｍ２）と、第１共振器６におけるゲインの一番高い縦モードの周波数（ゲインピーク周波数ｆｍ１）とが一致するように、例えば、レーザー結晶４と共振器ミラー５の配置位置を調整して第１共振器６の共振器長ｄ_１を修正することで、第１共振器６におけるゲインの一番高い縦モードの周波数ｆｍ１は微調整されている。

次に、このように構成された第１実施形態の固体レーザー１が外部へ単一縦モードのポンプ光を出力する動作について、図５に示す動作フロー図に沿って説明する。なお、図４（ｃ）下方の模式図に示すように、第２共振器７の縦モード間隔ＦＳＲ１は、第１共振器６内で共振可能な周波数帯幅ｆｗのほぼ半分より大きくなるように予め製作され、第１共振器６おけるゲインの一番高い縦モードの周波数と、第２共振器７におけるゲインの一番高い縦モードの周波数とが一致するように第１共振器６の共振器長ｄ_１が予め微調整されているものとして以下説明する。また、レーザー結晶４から出力されるポンプ光は、端面Ｓ３に向かって伝播し、その一部（数％）は、端面Ｓ３で反射し、端面Ｓ１に向かって伝播して増幅されるため、正確には第１共振器６及び第２共振器７以外に、端面Ｓ１と端面Ｓ３とで形成される共振器も存在するが、ポンプ光の単一縦モード化には直接寄与しない共振器であるため、以下の説明では、端面Ｓ１と端面Ｓ３間でのポンプ光の共振動作については説明を省略する。

まず、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、励起光源２から波長λ０が約８０８ｎｍの励起光を出力する（ＳＴＥＰ１）。そして、集光レンズ３によりレーザー結晶４の中心に励起光を集光する（ＳＴＥＰ２）。励起光は端面Ｓ１を透過してレーザー結晶４内に入力され、レーザー結晶４から、図２に示すように、ゲインピークを示す波長λｐが約１０６４ｎｍのポンプ光が出力される（ＳＴＥＰ３）。そして、出力されたポンプ光は、端面Ｓ３に向かって伝播し、端面Ｓ３を透過したポンプ光は、端面Ｓ４に向かって共振器ミラー５内を伝播して、端面Ｓ４で反射される。そして、反射されたポンプ光は、端面Ｓ３に向かって伝播して増幅され、さらに、その増幅されたポンプ光のうち端面Ｓ３を透過したポンプ光は、端面Ｓ１に向かって伝播して増幅されて、端面Ｓ２を透過して、端面Ｓ１で反射される。このようにして、端面Ｓ１と端面Ｓ４で形成される第１共振器６でポンプ光を共振させると、図４（ａ）に示すように、複数の縦モードが発生する（ＳＴＥＰ４）。また、上記ＳＴＥＰ４において端面Ｓ４で反射され端面Ｓ１に向かって伝播するポンプ光（すなわち、第１共振器６で共振されたポンプ光）の一部（数％）は、端面Ｓ３で反射され、端面Ｓ４に向かって伝播して、端面Ｓ４で反射して、端面Ｓ３に向かって伝播して増幅される。このようにして、端面Ｓ３と端面Ｓ４で形成される第２共振器７により第１共振器６で共振されたポンプ光の一部を共振させると、図４（ｂ）に示すように、複数の縦モードが発生する（ＳＴＥＰ５）。上記ＳＴＥＰ４及びＳＴＥＰ５のように、ポンプ光を共振させた状態で、第１共振器６おけるゲインの一番高い縦モードの周波数と、第２共振器７におけるゲインの一番高い縦モードの周波数とが一致し、第２共振器７から、図４（ｃ）に示すような、単一縦モードのポンプ光が、外部へ出力される。

このような構成により、第１共振器６、第２共振器７を構成するレーザー結晶４と共振器ミラー５とにより、単一縦モードのポンプ光を出力することができるため、エタロン板が必要であった従来の固体レーザーと比べて、構造を簡略化することができ、また、共振器の長さを短くして小型化することができる。また、共振器を構成する部品数が少なくなるため、各部品間の傾き等の調整作業を従来の固体レーザーと比べて減らすことができる。このようにして、構造が簡単で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができる固体レーザーを提供することができる。

図６（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第２実施形態を示す概略構成図で、破線は励起光の光路を示し、点線はポンプ光の光路を示し、外部へポンプ光を出力している状況を示している。また、図６（ｂ）は、各区間で伝播するレーザー光の主な波長の一例を示す図である。なお、図１の第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態において、レーザー結晶４は、図６（ａ）に示すように、共振器ミラー５を挟んで励起光源２と対向して配置されている。また、レーザー結晶４から出力されるゲインピーク周波数ｆｍ１（波長約１０６４ｎｍ）のポンプ光は、主に、図６（ｂ）に示すように、端面Ｓ１と端面Ｓ４間の区間と、端面Ｓ３と端面Ｓ４間の区間に存在する。

本実施形態において、レーザー結晶４は、共振器ミラー５側の端面Ｓ２を、励起光及びポンプ光についてはほぼ透過（低反射）するように形成し、共振器ミラー５とは反対側の端面Ｓ１を、ポンプ光についてはほぼ反射（高反射）するように形成している。また、共振器ミラー５は、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４を、励起光についてはほぼ透過（低反射）し、ポンプ光についてはほぼ反射（高反射）するように形成し、レーザー結晶４側の端面Ｓ３を、励起光についてはほぼ透過（低反射）し、レーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４で反射されたポンプ光の一部が反射（部分反射）するように形成している。例えば、各端面（Ｓ１〜Ｓ４）における各波長のレーザー光に対する反射率を、各端面に適切なコーティングを施すことにより、図７に示すように設定している。なお、図７に示すＡＲ、ＨＲ、ＰＲは、図３において説明した反射率と同じ内容を示している。

なお、このように構成された第２実施形態の固体レーザー１が外部へ単一縦モードのポンプ光を出力する動作は、励起光がレーザー結晶４の端面Ｓ２側から入力されること以外については、第１実施形態と同じであるため説明を省略する。

このような構成によって、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、レーザー結晶４と共振器ミラー５とにより、単一縦モードのポンプ光を出力することができるため、従来の固体レーザーと比べて構造を簡略化することができ、また、共振器の長さを短くして小型化することができる。さらに、各部品間の傾き等の調整作業を簡素化することもできる。

以下に、波長変換素子を設けて、例えば中赤外線領域の波長のアイドラ光を外部へ出力する構成例を説明する。
図８（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第３実施形態を示す概略構成図であり、破線は励起光の光路を示し、点線は、励起光とは波長の異なるレーザー光の光路を示し、外部へアイドラ光を出力している状況を示している。また、図８（ｂ）は、各区間で伝播するレーザー光の主な波長の一例を示す図である。なお、図１の第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態における固体レーザー１は、図８（ａ）に示すように、波長変換素子８をレーザー結晶４と共振器ミラー５との間に配置している。

上記波長変換素子８は、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光（波長λｐ）を入射するとそのポンプ光の一部を、ポンプ光とは波長の異なるシグナル光（波長λｓ）とアイドラ光（波長λｉ）とに変換する一般的なものであり、分極反転構造を有する強誘電体の結晶からなるものである。また、各波長の大小関係は、λｐ＜λｓ＜λｉであり、下記の（４）式を満たしている。
１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉ・・・・・（４）

本実施形態において、波長変換素子８は、例えば、分極反転構造を持つニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ＰｏｌｅｄＬＮ）を用いる。この場合、波長変換素子８において、波長（λｐ）約１０６４ｎｍのポンプ光から波長変換されるシグナル光の波長（λｓ）は、例えば、それぞれ約１３８４ｎｍである。この約１３８４ｎｍの波長のシグナルは、図８（ｂ）に示すように、主に端面Ｓ５と端面Ｓ６間の区間に存在する。また、同様に、ポンプ光から波長変換されるアイドラ光の波長（λｉ）は、例えば、約４６１０ｎｍである。この約４６１０ｎｍの波長のアイドラ光は、図８（ｂ）に示すように、波長変換素子８から発生し、端面Ｓ４に向かって伝播し、端面Ｓ４を透過して外部へ出力される。このように、波長変換素子８は、例えば、中赤外線領域の波長（３〜５μｍ）のレーザー光を出力する。

また、波長変換素子８は、レーザー結晶４側の端面Ｓ５を、ポンプ光についてはほぼ透過（低反射）し、シグナル光についてはほぼ反射（高反射）するように形成し、レーザー結晶４側とは反対側の端面Ｓ６を、ポンプ光についてはほぼ透過（低反射）し、シグナル光についてはほぼ反射（高反射）し、アイドラ光についてはほぼ透過（低反射）するように形成している。また、本実施形態において、共振器ミラー５は、レーザー結晶４側の端面Ｓ３及びレーザー結晶４とは反対側の端面Ｓ４を、アイドラ光についてはほぼ透過するように形成している。上記以外の各端面における各波長のレーザー光に対する反射及び透過の特性は、第１実施形態と同じであり、例えば、各端面（Ｓ１〜Ｓ６）における各波長のレーザー光に対する反射率を、各端面に適切なコーティングを施すことにより、図９に示すように設定している。なお、図９に示すＡＲ、ＨＲ、ＰＲは、図３において説明した反射率と同じ内容を示している。

次に、このように構成された第３実施形態の固体レーザー１が外部へアイドラ光を出力する動作について、例えば、波長変換素子８がニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ＰｏｌｅｄＬＮ）であり、目標とするアイドラ光の波長が４６１０ｎｍである場合を例として説明する。なお、第２共振器７から単一縦モードのポンプ光を発生させる動作については、第１実施形態と同じであるため説明を簡略化する。

まず、図８（ａ），（ｂ）に示すように、励起光源２からの励起光が、レーザー結晶４に入力され、レーザー結晶４からポンプ光が出力される。このレーザー結晶４から出力されるポンプ光の出力強度は、例えば、消費電力を抑制するため、波長変換素子８の発振閾値以下になるように励起光の出力値は抑制されている。そして、発振閾値以下の出力のポンプ光は、波長変換素子８を通過し、共振器ミラー５の端面Ｓ４に向かって伝播する。そして、ポンプ光は、端面Ｓ４で反射し、第１実施形態と同様にして、第１共振器６及び第２共振器７によって増幅されると共に、単一縦モード化される。例えば、レーザー結晶４から発生したポンプ光が端面Ｓ４で反射され、そのポンプ光のうち端面Ｓ３を透過したポンプ光が、端面Ｓ１に向かって伝播し、波長変換素子８を透過して、端面Ｓ１に到達して第１共振器内を一往復した時に、ポンプ光の出力強度が波長変換素子８の発振閾値以上に増幅される。次に、発振閾値以上の出力強度に増幅され、かつ、単一縦モード化されたポンプ光は、端面Ｓ１で反射され、波長変換素子８に入力され、波長変換素子８に基づいて決まる前記（４）式を満たす波長のシグナル光とアイドラ光とに変換される。そして、アイドラ光は端面Ｓ４を透過して外部へ出力される。さらに、シグナル光は端面Ｓ５と端面Ｓ６間で共振する。なお、上記においては、第１共振器４内をポンプ光が一往復した時にポンプ光の出力強度が波長変換素子８の発振閾値以上に増幅される場合について説明したが、これに限らず、発振閾値に達するまで複数回往復してもよい。

このような構成により、一般的な波長変換素子８に単一縦モードのポンプ光を入力して、波長変換させることができるため、品質の高いアイドラ光を出力することができる。このようにして、第１実施形態と同様に構造が簡単で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができると共に、品質の高い、例えば、中赤外線領域の波長のレーザー光を出力することが可能な固体レーザーを提供することができる。また、第１共振器６によって、レーザー結晶４から出力されたポンプ光の強度を、波長変換素子８の発振閾値以上の出力に高めることができるため、励起光の出力を抑えて励起光源２を駆動させて消費電力を抑制することができる。さらに、本実施形態においては、波長変換素子８の端面Ｓ５と端面Ｓ６間でシグナル光を共振させることができるため、波長変換素子８の発振閾値を、従来から知られているように、シグナル光を共振させない場合と比べて小さくすることができるため、消費電力をさらに抑制することができる。

図１０（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第４実施形態を示す概略構成図であり、破線は励起光の光路を示し、点線は、励起光とは波長の異なるレーザー光の光路を示し、外部へアイドラ光を出力している状況を示している。また、図１０（ｂ）は、各区間で伝播するレーザー光の主な波長の一例を示す図である。なお、図８の第３実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態において、波長変換素子８は、図１０（ａ）に示すように、共振器ミラー５を挟んでレーザー結晶４と対向して配置されている。なお、本実施形態の場合、第３実施形態における共振器ミラー５のように、端面Ｓ５及び端面Ｓ６にアイドラ光に対して低反射のコーティングを施す必要はなく、各端面（Ｓ１〜Ｓ６）における各波長のレーザー光に対する反射率は、図１１に示すように設定されている。

このような構成によっても、単一縦モードのポンプ光を波長変換素子８に入力して波長変換させることができるため、第３実施形態と同様に、構造が簡単で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができると共に、品質の高いアイドラ光を出力することが可能な固体レーザーを提供することができる。また、第３実施形態と同様に、第１共振器６によってポンプ光を増幅し、端面Ｓ５と端面Ｓ６とでシグナル光を増幅することにより、励起光の出力を抑えて励起光源２を駆動させて消費電力を抑制することができる。

図１２（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第５実施形態を示す概略構成図であり、破線は励起光の光路を示し、点線は、励起光とは波長の異なるレーザー光の光路を示し、外部へアイドラ光を出力している状況を示している。また、図１２（ｂ）は、各区間で伝播するレーザー光の主な波長の一例を示す図である。なお、図６の第２実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態において、波長変換素子８は、図１２（ａ）に示すように、レーザー結晶４を挟んで共振器ミラー５と対向して配置されている。また、各端面（Ｓ１〜Ｓ６）における各波長のレーザー光に対する反射率は、図１３に示すように設定されている。

このような構成によっても、構造が簡素で小型化に好適で、かつ、調整作業が簡素な構造で、単一縦モードのポンプ光を発生することができると共に、品質の高いアイドラ光を出力することが可能な固体レーザーを提供することができる。また、第３実施形態と同様に、励起光の出力を抑えて励起光源２を駆動させて消費電力を抑制することができる。

図１４（ａ）は、本発明に係る固体レーザー１の第６実施形態を示す概略構成図であり、破線は励起光の光路を示し、点線は、励起光とは波長の異なるレーザー光の光路を示し、外部へアイドラ光を出力している状況を示している。また、図１４（ｂ）は、各区間で伝播するレーザー光の主な波長の一例を示す図である。なお、図１２の第５実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態において、波長変換素子８は、図１４（ａ）に示すように、レーザー結晶４を挟んで共振器ミラー５と対向して配置されている。

本実施形態において、第１共振器６は、波長変換素子８のレーザー結晶とは反対側の端面Ｓ６と共振器ミラー５のレーザー結晶４とは反対の端面Ｓ４で形成している。

また、本実施形態の場合、レーザー結晶４は、共振器ミラー５とは反対側の端面Ｓ１を、ポンプ光についてはほぼ透過（低反射）するように形成している。また、波長変換素子８は、レーザー結晶４側とは反対側の端面Ｓ６を、ポンプ光についてはほぼ反射（高反射）するように形成している。上記以外の各端面における各波長のレーザー光に対する反射及び透過の特性は、第５実施形態と同じであり、例えば、各端面（Ｓ１〜Ｓ６）における各波長のレーザー光に対する反射率を、各端面に適切なコーティングを施すことにより、図１５に示すように設定している。

なお、以上全ての実施形態において、レーザー結晶４は、励起光の入力側とは反対側の端面、すなわち、第１，第３，第４実施形態においては端面Ｓ２を、第２，第５，第６実施形態においては端面Ｓ１を、励起光についてはほぼ反射（高反射）するように、適切なコーティング（反射率ＨＲ）を施してもよい。励起光が、レーザー結晶４の励起光の入力側とは反対側の端面をほぼ透過する場合は、レーザー結晶４の厚みが、ポンプ光を発生させるのに必要十分な光路長と等しくなるようにしなければならないが、上記のように端面Ｓ１又は端面Ｓ２に励起光に対して高反射のコーティングを施して励起光を反射させる場合は、例えば、励起光がレーザー結晶の端面Ｓ１と端面Ｓ２間を一往復する距離が、ポンプ光を発生させるのに必要十分な光路長と等しくなるようにすればよい。したがって、上記のようにコーティングすることにより、レーザー結晶４の厚みを薄くすることができるため、第１共振器６の共振器長ｄ_１を短くして、さらに、固体レーザー１を小型化することができる。

また、上記第３〜第６実施形態においては、シグナル光は、端面Ｓ６で反射し、波長変換素子８の端面Ｓ５と端面Ｓ６間で共振する場合で説明したが、これに限らず、シグナル光は、端面Ｓ６を透過するようにしてもよい。この場合であっても、単一縦モードのポンプ光に基づき、品質の高いアイドラ光を外部へ出力することは可能である。

１・・・固体レーザー
２・・・励起光源
４・・・レーザー結晶
５・・・共振器ミラー
６・・・第１共振器
７・・・第２共振器
８・・・波長変換素子

Claims

励起光によりポンプ光を発生するレーザー結晶と、該レーザー結晶と離間して対向配置される共振器ミラーとで、前記ポンプ光を共振させる第１共振器と、
前記第１共振器内にて、該第１共振器で共振させたポンプ光の一部を前記共振器ミラーの両端面間で共振させる第２共振器と、を備え、
前記レーザー結晶と共振器ミラーの配置位置を調整して前記第１共振器のゲインピーク周波数を第２共振器のゲインピーク周波数と一致させた、固体レーザー。
前記レーザー結晶は、前記励起光の光源と前記共振器ミラーとの間に配置され、前記共振器ミラーとは反対側の端面を、前記励起光についてはほぼ透過し、前記ポンプ光についてはほぼ反射するように形成し、前記共振器ミラー側の端面を、前記ポンプ光についてはほぼ透過するように形成し、
前記共振器ミラーは、前記レーザー結晶とは反対側の端面を、前記ポンプ光についてはほぼ反射するように形成し、前記レーザー結晶側の端面を、前記レーザー結晶とは反対側の端面で反射されたポンプ光の一部が反射するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザー。
前記レーザー結晶は、前記共振器ミラーを挟んで前記励起光の光源と対向して配置され、前記共振器ミラー側の端面を、前記励起光及び前記ポンプ光についてはほぼ透過するように形成し、前記共振器ミラーとは反対側の端面を、前記ポンプ光についてはほぼ反射するように形成し、
前記共振器ミラーは、前記レーザー結晶とは反対側の端面を、前記励起光についてはほぼ透過し、前記ポンプ光についてはほぼ反射するように形成し、前記レーザー結晶側の端面を、前記励起光についてはほぼ透過し、前記レーザー結晶とは反対側の端面で反射されたポンプ光の一部は反射するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体レーザー。
前記レーザー結晶と前記共振器ミラーとの間に配置され、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光を、該ポンプ光とは波長の異なるシグナル光とアイドラ光とに変換する波長変換素子を有し、前記共振器ミラーのレーザー結晶側の端面及び前記共振器ミラーのレーザー結晶とは反対側の端面を前記アイドラ光についてはほぼ透過するように形成し、外部へ前記アイドラ光を出力することを特徴とする請求項２に記載の固体レーザー。
前記共振器ミラーを挟んで前記レーザー結晶と対向して配置され、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光を、該ポンプ光とは波長の異なるシグナル光とアイドラ光とに変換する波長変換素子を有し、外部へ前記アイドラ光を出力することを特徴とする請求項２に記載の固体レーザー。
前記レーザー結晶を挟んで前記共振器ミラーと対向して配置され、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光を、該ポンプ光とは波長の異なるシグナル光とアイドラ光とに変換する波長変換素子を有し、外部へ前記アイドラ光を出力することを特徴とする請求項３に記載の固体レーザー。
励起光に基づいてポンプ光を発生させ共振器で増幅して前記励起光とは波長の異なるレーザー光を出力する固体レーザーにおいて、
前記励起光の入力により前記ポンプ光を発生するレーザー結晶と、
前記励起光の光源と前記レーザー結晶との間に配置され、前記レーザー結晶で発生したポンプ光を、前記レーザー結晶とは反対の端面で反射する共振器ミラーと、
前記レーザー結晶を挟んで前記共振器ミラーと離間して対向配置され、出力強度が所定の閾値以上のポンプ光を、該ポンプ光とは波長の異なるシグナル光とアイドラ光とに変換し、外部へ前記アイドラ光を出力する波長変換素子と、
を備え、
前記レーザー結晶から発生した前記ポンプ光を共振させる第１共振器を、前記波長変換素子の前記レーザー結晶とは反対側の端面と前記共振器ミラーの前記レーザー結晶とは反対の端面で形成し、
前記第１共振器で共振させたポンプ光の一部を共振させる第２共振器を、前記共振器ミラーの前記レーザー結晶とは反対側の端面と前記共振器ミラーの前記レーザー結晶側の端面で形成し、
前記波長変換素子と前記共振器ミラーの配置位置を調整して前記第１共振器のゲインピーク周波数を第２共振器のゲインピーク周波数と一致させる構成とし、前記第２共振器から出力され、前記出力強度が所定の閾値以上の単一縦モードのポンプ光に基づいて、前記波長変換素子から前記アイドラ光を外部へ出力することを特徴とする固体レーザー。
前記波長変換素子は、前記レーザー結晶側の端面とレーザー結晶側とは反対側の端面とで前記シグナル光を共振させることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載の固体レーザー。
前記レーザー結晶は、前記励起光の入力側とは反対側の端面を、前記励起光についてはほぼ反射するように形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体レーザー。
前記共振器ミラーは、前記レーザー結晶側の端面が平面形状であり、前記レーザー結晶とは反対側の端面が凸面形状であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の固体レーザー。