JPH0927648A - 和周波レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体レーザの単一縦モード化によって、和周
波変換効率を向上させ、モードホッピングによる出力変
動を抑制した和周波レーザ装置を提供する。 【構成】 光共振器２５は、複屈折性を有するレーザ媒
質２３と、ビームウォークオフを生じる非線形光学素子
２４と、反射面が凹面である出力ミラー４１とで構成さ
れおり、光共振器２５内でのレーザ発振光が第１基本波
となる。外部から第２基本波としてレーザ発振波長とは
異なる波長を有する第２のレーザ光３１を導入して、非
線形光学素子２４の中で第１基本波と第２基本波とが混
合すると和周波光が発生する。非線形光学素子２４はオ
フカットの結晶であり、この中を光ビームが通過すると
偏光方向に応じてビームウォークオフが生じ、これによ
って２つの偏光光軸１、１ａに分離され、シフトした方
の偏光光軸１ａのみで光共振器２５の光軸を構成するよ
うに出力ミラー４１を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光記録や通信、計測等
の光源として好適に用いられ、波長の異なる２つのレー
ザ光を混合させて和周波を発生することで、より短波長
で高速変調が可能な光源を実現できる和周波レーザ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｌＡｓレーザ等の半導体レーザを
用いて、Ｎｄ：ＹＡＧから成るレーザ媒質をポンピング
するように構成された固体レーザは従来から知られてい
る。ところが、このような半導体レーザ励起固体レーザ
の波長は、光記憶装置用の光源や短波長のコヒーレント
光源として使用するには未だ長すぎる。

【０００３】より短波長のレーザ光を得るために、共振
器内に固体レーザ媒質とレーザ発振光を波長変換する非
線形光学材料から成るバルク結晶とを配置して、固体レ
ーザ発振光を第２高調波に変換することによって、短波
長の出力光を得る方法も知られている。たとえば、Ｎ
ｄ：ＹＡＧから成るレーザ媒質と燐酸チタニルカリウム
ＫＴｉＯＰＯ₄ （略称ＫＴＰ）から成る非線形光学結晶
との組合せによって、波長１０６４ｎｍのレーザ発振光
を波長５３２ｎｍへ波長変換して出力することができ
る。

【０００４】また、こうしたグリーン光からより短波長
のブルーグリーン光を得るために、Ｎｄ：ＹＡＧから成
るレーザ媒質とＫＮｂＯ₃ から成る非線形光学結晶との
組合せによって、波長９４６ｎｍのレーザ発振光を波長
４７３ｎｍへ波長変換した例も報告されている。

【０００５】しかしながら、このような共振器内に固体
レーザ媒質と第２次高調波（ＳＨＧ）発生素子を配置し
た固体レーザ装置は、直接変調ができない。そのため光
ディスク記録等の光源として使用する場合には、外部に
光変調器を別途用意する必要がある。

【０００６】一方、直接変調可能な固体レーザ装置とし
て、第１基本波を発生するレーザ共振器内に波長の異な
るレーザ光を第２基本波として共振器外部から導入し
て、共振器内の非線形光学素子で混合させて和周波光を
発生させる和周波レーザ装置も従来から知られている。

【０００７】上述のような第２次高調波発生や和周波発
生のプロセスでは、変換効率向上のために、非線形光学
素子での位相整合条件を満足させる必要がある（特開昭
６４−６２６２１号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の和周波レーザ装
置では、２〜３本の縦モードから成るマルチモード（ス
ペクトル幅２〜５Å）のレーザ発振が発生する。そのた
め基本波のスペクトルを反映して、出力される和周波光
のスペクトルも多モードになって単色性が損なわれてし
まう。

【０００９】図１３は、和周波レーザ装置が出力する和
周波光のスペクトルの一例を示すグラフである。ここで
は、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ₄ 、非線形光学結晶
としてａ軸−ＫＮｂＯ₃ を使用し、半導体レーザを用い
て波長８０９ｎｍ、出力１Ｗのポンピング光でレーザ媒
質を励起して、波長１０６４ｎｍのレーザ発振スペクト
ルを測定している。グラフを見ると、縦モード間隔が約
２Åで、全部で４本の縦モードから成るマルチモード発
振であることが判る。したがって、こうしたマルチモー
ドのレーザ発振光を和周波発生の基本波として使用する
と、和周波光スペクトルも同様に４本の縦モードから成
るマルチモードになる。

【００１０】計測用や通信用などの用途では、短波長で
かつ単一縦モードが要求されることが多く、上述のよう
なマルチモードの和周波光では応用分野が限定されてし
まう。さらに、固体レーザのマルチモード発振は、光の
単色性の問題だけでなく、下記のような問題がある。

【００１１】１）和周波光の高出力化を図る目的で、レ
ーザ媒質を励起する光パワー密度を集中させた場合、レ
ーザ媒質中に温度分布が生じて、波長に対するレーザゲ
イン分布が広がってしまう。そのため発振縦モードの数
も増加して変換効率が低下するという現象が出てくる。
特に、和周波発生用の非線形光学結晶としてＫＮｂＯ₃
を使用した場合、波長許容度が狭い結晶であるため、発
振波長の帯域が広がるほど変換効率が急激に低下する。

【００１２】２）固体レーザが縦マルチモードで発振す
ると、何らかの擾乱によって縦モード間のモードホッピ
ングが生じて、和周波光の出力が変動してしまう。

【００１３】本発明の目的は、固体レーザのレーザ発振
を単一縦モードにして、和周波発生の変換効率を向上さ
せ、モードホッピングによる出力変動を抑制することが
できる和周波レーザ装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の光学素
子が介在し、当該光学素子のうち１つがレーザ媒質であ
って、当該光学素子のうち少なくとも２つが複屈折光学
素子である光共振器と、前記レーザ媒質を励起するため
のポンピング光を放射する第１光源と、前記光共振器の
発振波長とは異なる波長のレーザ光を前記光共振器内に
供給する第２光源と、前記複屈折光学素子のうちの第１
複屈折光学素子で生じるビームウォークオフによって分
離される２つの偏光光軸のうち一方の光軸をもって前記
光共振器の光軸を形成したことを特徴とする和周波レー
ザ装置である。 また本発明は、前記光共振器は直線型であって、当該光
共振器を構成する反射鏡のうち少なくとも１つは曲面鏡
であり、第１複屈折光学素子以外の第２複屈折光学素子
と当該曲面鏡と間に、第１複屈折光学素子が配置されて
いることを特徴とする。 また本発明は、複数の光学素子が介在し、当該光学素子
のうち１つがレーザ媒質であって、当該光学素子のうち
少なくとも２つが複屈折光学素子であって、当該光学素
子のうち少なくとも１つが偏光素子である光共振器と、
前記レーザ媒質を励起するためのポンピング光を放射す
る第１光源と、前記光共振器の発振波長とは異なる波長
のレーザ光を前記光共振器内に供給する第２光源と、前
記複屈折光学素子の何れか一方は和周波発生用の非線形
光学素子であって、前記複屈折光学素子および前記偏光
素子が波長弁別機能を有することを特徴とする和周波レ
ーザ装置である。 また本発明は、前記光共振器は屈曲型であって、前記偏
光素子は反射率が偏光依存性を有する反射ミラーであ
り、前記レーザ媒質と前記非線形光学素子との間に当該
反射ミラーが介在していることを特徴とする。 また本発明は、前記偏光素子は偏光ビームスプリッタで
あることを特徴とする。 また本発明は、前記偏光素子はブリュースタ板であっ
て、前記レーザ媒質と前記非線形光学素子との間にブリ
ュースタ板が介在していることを特徴とする。 また本発明は、前記偏光素子は、ブリュースタ角にカッ
トされた非線形光学素子の端面に形成されていることを
特徴とする。 また本発明は、前記レーザ媒質は、複屈折性を有するこ
とを特徴とする。 また本発明は、前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ で形
成されていることを特徴とする。 また本発明は、前記非線形光学素子は、ＫＮｂＯ₃ で形
成されていることを特徴とする。 また本発明は、前記第１および第２光源は、半導体レー
ザであることを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明に従えば、非線形光学素子として機能す
る第１複屈折光学素子において、光の波数ベクトルの方
向とポインティングベクトルの方向が互いに異なるビー
ムウォークオフが生じている。このビームウォークオフ
によって分離される２つの偏光光軸のうち一方の光軸の
みをもって光共振器の光軸を形成することによって、残
りの偏光光軸に関する共振損失が大きくる。したがっ
て、偏光モードによる発振モードの差別化が可能にな
り、共振器内の単一縦モード発振が実現し、しかも縦モ
ードホッピングに起因する出力変動を抑制することがで
きる。

【００１６】以下詳細に説明する。図１は本発明の原理
を示すものであり、図１（ａ）は光共振器２５の構成
図、図１（ｂ）は各素子の配置を示す斜視図である。光
共振器２５は、複屈折性を有するレーザ媒質２３と、ビ
ームウォークオフを生じる非線形光学素子２４と、反射
面が凹面である出力ミラー４１とで構成されおり、光共
振器２５内でのレーザ発振光が第１基本波となる。

【００１７】さらに、外部から第２基本波として光共振
器２５のレーザ発振波長とは異なる波長を有する第２の
レーザ光３１を導入して、非線形光学素子２４の中で第
１基本波と第２基本波とが混合すると和周波光が発生す
る。

【００１８】非線形光学素子２４はオフカットの結晶で
あり、この中を光ビームが通過すると偏光方向に応じて
ビームウォークオフが生じ、これによって２つの偏光光
軸１、１ａに分離される。図１では、シフトした方の偏
光光軸１ａのみで光共振器２５の光軸を構成するように
出力ミラー４１を配置している。

【００１９】レーザ媒質２３および非線形光学素子２４
の各配置は、図１（ｂ）に示すように、非線形光学素子
２４のレーザ媒質側の表面２４ａにおいて光軸に垂直な
ｘ軸およびｙ軸をとると、レーザ媒質２３は複屈折性を
有し、その偏光軸であるａ軸およびｃ軸は光軸に垂直な
平面内にあって、ｘ軸に対してそれぞれα＝４５°で交
差する角度に配置される。

【００２０】こうした配置におけるレーザ発振について
考察する。まず非線形光学素子２４の表面２４ａを起点
としてｙ軸に平行な直線偏光の光がレーザ媒質２３に向
かって進行したと仮定すると、レーザ媒質２３を通過し
て、たとえば表面２３ａで反射して再び非線形光学素子
２４の表面２４ａに戻ったとき、光共振器内の縦モード
の偏光状態はレーザ媒質２３のリターデーションによる
位相差δがｍπ（但しｍは整数、πは円周率）となる縦
モードについてはｙ軸と平行な直線偏光になる。一方、
δ≠ｍπとなる縦モードの偏光については、楕円の長軸
がｘ軸またはｙ軸に一致する楕円偏光となる。

【００２１】このような偏光状態を持つ光が引き続き伝
搬して非線形光学素子２４を通過するとき、ビームウォ
ークオフが生じて２つの偏光光軸に分離され、一方の光
軸１については光共振器２５の光軸が形成されていない
ために、ｘ軸成分が存在する縦モードの共振損失は大き
くなる。しかし、ｙ軸に平行な偏光モードを持つ縦モー
ドは光共振器２５の光軸１ａに沿って伝搬するため、共
振損失の影響を受けない。したがって、ｙ軸に平行な偏
光モード以外の縦モードは、共振損失によって発振が抑
制されるため、単一縦モードのレーザ発振が可能にな
る。

【００２２】この状態で外部からレーザ発振波長とは異
なる波長を持つ第２のレーザ光を非線形光学素子２４に
導入することによって、和周波光を発生させることがで
きる。その際、第２のレーザ光も単一縦モード発振であ
れば、出力安定性および単色性に優れた単一縦モードの
和周波光を得ることができる。

【００２３】この場合、非線形光学素子２４においてビ
ームウォークオフを発生させる必要があるため、位相整
合を満足する結晶方位は結晶軸方向からずれた方向であ
る、いわゆる臨界型位相整合（非９０°位相整合）が成
立する必要がある。

【００２４】一方、非線形光学素子２４がその結晶軸方
向と一致する、いわゆる非臨界型位相整合を行う場合に
は、非線形光学素子２４ではビームウォークオフが生じ
ない。そのため、図２に示すように、非線形光学素子２
４と出力ミラー４１との間に別の複屈折光学素子ＢＲを
介在させ、この複屈折光学素子ＢＲでビームウォークオ
フを発生させて２つの偏光光軸１、１ａに分離してい
る。

【００２５】このように光共振器２５内に介在する複数
の光学素子のうち、何れか１つがビームウォークオフを
発生させる複屈折性を備えていればよく、そうした複屈
折光学素子がたとえばレーザ媒質２３または非線形光学
素子２４と兼用していてもよく、その他の複屈折光学素
子ＢＲであっても構わない。

【００２６】図３は、本発明の他の原理を示す説明図で
ある。光共振器２５は、レーザ媒質２３と、非線形光学
素子２４と、反射面が凹面である出力ミラー４１と、レ
ーザ媒質２３と非線形光学素子２４との間に介在する反
射ミラー４０で構成されている。ここでレーザ媒質は複
屈折を有するもので、たとえばＮｄ：ＹＶＯ₄ などであ
る。反射ミラー４０は、偏光方向によって反射率が異な
る偏光依存性を有し、光共振器２５をたとえば９０°に
折り曲げた屈曲型の共振器構造を形成している。

【００２７】図４は、反射ミラー４０の透過率の偏光依
存性および波長依存性の一例を示すグラフである。横軸
は波長、縦軸は透過率で示し、入射光と反射光が９０°
の角度を成す場合である。この例では、光共振器２５の
発振波長が１０６４ｎｍである場合、Ｓ偏光（入射光と
反射光を含む平面に垂直）の反射率は９９．９％（透過
率０．０１％）、Ｐ偏光（該平面に平行）の透過率は９
０％以上に設計できることが判る。

【００２８】図３に戻って、レーザ媒質２３を半導体レ
ーザ（不図示）で励起することによって、光共振器２５
内に波長λａのレーザ光を発振させ、これが第１基本波
となる。さらに、共振器外部から別の波長λｂ（≠λ
ａ）のレーザ光３１を反射ミラー４０を通過するように
共振器内部に導入し、これが第２基本波となる。非線形
光学結晶２４では、波長λａおよび波長λｂのレーザ光
が混合すると、１／λｃ＝１／λａ＋１／λｂの関係式
を満足するように、波長λｃの和周波光を発生する。

【００２９】次に、図３での単一縦モード化の原理につ
いて説明する。光共振器２５は、反射ミラー４０を介在
させるように配置した出力ミラー４１およびレーザ媒質
２３の表面２３ａの間で発振光が往復するように構成さ
れている。ここで、反射ミラー４０からレーザ媒質２３
側の光軸２の上に原点４０ａをとり、原点４０ａにおい
て光軸２に垂直なｙ軸（紙面上方）およびｘ軸（紙面右
方）をとると、レーザ媒質２３は複屈折性を有し、その
偏光軸であるａ軸およびｃ軸は光軸２に垂直な平面内に
あって、ｘ軸に対してそれぞれ４５°で交差する角度に
配置される。

【００３０】こうした配置におけるレーザ発振について
考察する。まず光軸２上の原点４０ａを起点としてｙ軸
に平行な直線偏光の光がレーザ媒質２３に向かって進行
したと仮定すると、レーザ媒質２３を通過して、たとえ
ば表面２３ａで反射して再び原点４０ａに戻ったとき、
光共振器内の縦モードの偏光状態はレーザ媒質２３のリ
ターデーションによる位相差δがｍπ（ｍは整数）とな
る縦モードについてはｙ軸と平行な直線偏光になる。一
方、δ≠ｍπとなる縦モードの偏光については、楕円の
長軸がｘ軸またはｙ軸に一致する楕円偏光となる。

【００３１】このような偏光状態を持つ光が引き続き伝
搬して反射ミラー４０で直角に反射するとき、Ｓ偏光で
あるｙ軸偏光成分について反射ミラー４０は高い反射率
を示し、一方、Ｐ偏光であるｘ軸偏光成分について反射
ミラー４０は低い反射率を示す。こうして反射ミラー４
０はＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を通過させる偏光素子とし
て機能する。

【００３２】そのため原点４０ａにおいてδ＝ｍπとな
る縦モード、すなわちｙ軸と平行な偏光となった縦モー
ドの光は、反射ミラー４０で損失無く９０°方向に反射
して、非線形光学素子２４に入射する。一方、δ≠ｍπ
となる縦モード、すなわちｘ軸成分が存在する縦モード
の光は反射ミラー４０で大きな損失を受けることにな
り、全体として共振器損失が大きくなる。

【００３３】非線形光学素子２４の偏光軸であるｂ軸お
よびｃ軸は、図３に示すように、原点４０上のｙ軸およ
びｘ軸と一致するように配置される。この場合、ｙ軸と
平行な偏光となった縦モードの光は、非線形光学素子２
４の偏光軸（ｂ軸）と一致するため、偏光面の回転を受
けずに偏光方向を保存した状態で光軸１に沿って非線形
光学素子２４の中を通過して、出力ミラー４１によって
反射される。出力ミラー４１で反射した光はｙ軸と平行
な偏光を有するため、再び非線形光学素子２４の中を偏
光状態を保ちながら通過して、再び反射ミラー４０で９
０°方向に損失無しで反射して光軸２に沿って伝搬す
る。

【００３４】一方、ｘ軸方向の偏光成分は、非線形光学
素子２４の偏光軸（ｃ軸）と一致するため、同様に偏光
状態を保ちながら非線形光学素子２４を通過し出力ミラ
ー４１で反射され、反射ミラー４０に対してＰ偏光で入
射することになり、同様に大きな損失を受けてしまう。
こうして原点４０上でｘ軸成分を有する縦モードは、共
振器内の往復で２回の損失を受けることになる。

【００３５】このようにｘ軸方向に偏光成分を有する縦
モードは共振損失が大きくなるため、レーザ発振が抑制
されるとともに、ｙ軸方向にのみ偏光成分を有する縦モ
ードだけは共振損失の影響を受けずにレーザ発振が可能
になる。こうして縦モードホッピングによるレベル変動
が少ない単一縦モードのレーザ発振を実現することがで
きる。

【００３６】この状態で、レーザ発振波長λａとは異な
る波長λｂ（≠λａ）を持つ第２のレーザ光３１を反射
ミラー４０を通過するように光共振器２５の内部に導入
して、レーザ光３１の偏光方向をｘ軸またはｙ軸に一致
させると、非線形光学素子２４において波長λｃの和周
波光が効率よく発生し、出力ミラー４１から放射され
る。その際、第２のレーザ光も単一縦モード発振であれ
ば、出力安定性および単色性に優れた単一縦モードの和
周波光を得ることができる。

【００３７】なお、図３の構成では、縦モード弁別を反
射ミラー４０が担っているため、非線形光学素子２４に
おいてビームウォークオフを発生させる必要がない。し
たがって、非線形光学素子２４は位相整合可能な方位と
結晶軸が一致する非臨界型位相整合（９０°位相整合）
をとることも可能であり、その際ビームウォークオフは
生じない。また、非線形光学素子２４を臨界型位相整合
に設定して、ビームウォークオフによる縦モード弁別と
併用しても構わない。

【００３８】図５は偏光素子を用いたモード弁別の他の
構成例を示し、図５（ａ）は光共振器２５の構成図、図
５（ｂ）は各素子の配置を示す斜視図である。光共振器
２５は、レーザ媒質２３と、非線形光学素子２４と、反
射面が凹面である出力ミラー４１および反射ミラー４２
と、レーザ媒質２３と非線形光学素子２４との間に介在
するブリュースタ板５で構成されている。ブリュースタ
板５は、図５（ａ）の紙面に対して垂直方向の直線偏光
であるＳ偏光に対して一定の反射率を有し、紙面に平行
かつ光共振器２５の光軸に垂直方向の直線偏光であるＰ
偏光に対して全透過となる偏光素子として機能する。す
なわち、縦モード弁別のために、図３に示した反射ミラ
ー４０の代わりにブリュースタ板５を使用している。

【００３９】次に、図５での単一縦モード化の原理につ
いて説明する。ここで、レーザ媒質２３のブリュースタ
板５側の表面２３ｂにおいて、光軸に垂直なｙ軸（紙面
上方）およびｘ軸（紙面垂直手前）をとる。表面２３ｂ
を起点として、ｙ軸に平行な直線偏光の光がレーザ媒質
２３の中を進行したと仮定すると、レーザ媒質２３を通
過して、反射ミラー４で反射して再び表面２３ｂに戻っ
たとき、光共振器内の縦モードの偏光状態はレーザ媒質
２３のリターデーションによる位相差δがｍπ（ｍは整
数）となる縦モードについてはｙ軸と平行な直線偏光に
なる。一方、δ≠ｍπとなる縦モードの偏光について
は、楕円の長軸がｘ軸またはｙ軸に一致する楕円偏光と
なる。

【００４０】このような偏光状態を持つ光が引き続き伝
搬してブリュースタ板５を通過すると、Ｐ偏光であるｙ
軸偏光成分について損失なく通過し、Ｓ偏光であるｘ軸
偏光成分について一定の損失を受ける。

【００４１】そのため表面２３ｂにおいてδ＝ｍπとな
る縦モード、すなわちｙ軸と平行な偏光となった縦モー
ドの光は、ブリュースタ板５による損失を受けずに非線
形光学素子２４に入射する。一方、δ≠ｍπとなる縦モ
ード、すなわちｘ軸成分が存在する縦モードの光はブリ
ュースタ板５による損失を受けることになる。

【００４２】非線形光学素子２４の偏光軸であるｂ軸お
よびｃ軸は、図５（ｂ）に示すように、ｘ軸およびｙ軸
と一致するように配置される。この場合、ｙ軸と平行な
偏光となった縦モードの光は、非線形光学素子２４の偏
光軸（ｃ軸）と一致するため、偏光方向を保存しながら
非線形光学素子２４の中を通過して、出力ミラー４１に
よって反射され、再び非線形光学素子２４の中を偏光状
態を保ちながら通過して、再びブリュースタ板５を損失
無しで通過する。

【００４３】一方、ｘ軸方向の偏光成分は、非線形光学
素子２４の偏光軸（ｂ軸）と一致するため、同様に偏光
状態を保ちながら非線形光学素子２４を通過し出力ミラ
ー４１で反射され、ブリュースタ板５に対してＳ偏光で
入射し、一定の損失を受ける。こうして表面２３ｂでｘ
軸成分を有する縦モードは、共振器内の往復で２回の損
失を受けることになる。

【００４４】このようにｘ軸方向に偏光成分を有する縦
モードは共振損失が大きくなるため、レーザ発振が抑制
されるとともに、ｙ軸方向にのみ偏光成分を有する縦モ
ードだけは共振損失の影響を受けずにレーザ発振が可能
になる。こうして縦モードホッピングによるレベル変動
が少ない単一縦モードのレーザ発振を実現することがで
きる。

【００４５】この状態で、レーザ発振波長λａとは異な
る波長λｂ（≠λａ）を持つ第２のレーザ光を光共振器
２５の内部に導入すると、非線形光学素子２４において
波長λｃの和周波光が効率よく発生し、出力ミラー４１
から放射される。その際、第２のレーザ光も単一縦モー
ド発振であれば、出力安定性および単色性に優れた単一
縦モードの和周波光を得ることができる。

【００４６】なお、図５の構成では、縦モード弁別をブ
リュースタ板５が担っているため、非線形光学素子２４
は、非臨界型位相整合または臨界型位相整合の何れでも
構わない。

【００４７】図６は、偏光素子を用いたモード弁別の他
の構成例を示し、図６（ａ）は光共振器２５の構成図、
図６（ｂ）は各素子の配置を示す斜視図である。光共振
器２５は、レーザ媒質２３と、非線形光学素子２４と、
反射面が凹面である出力ミラー４１および反射ミラー４
２とで構成され、非線形光学素子２４の光入出力端面で
ある表面２４ａ、２４ｂが光軸に対してブリュースタ角
度になるように傾斜している。光の入射角度がブリュー
スタ角度になると、図６（ａ）の紙面に対して垂直方向
の直線偏光であるＳ偏光に対して一定の反射率を有し、
紙面に平行かつ光共振器２５の光軸に垂直方向の直線偏
光であるＰ偏光に対して全透過となるため、非線形光学
素子２４の表面２４ａ、２４ｂは偏光素子として機能す
ることになる。こうして縦モード弁別のために、図５の
ブリュースタ板５の代替手段として使用することができ
る。また、図６の単一縦モード化の原理は図５と同様で
あるため、重複説明を省く。

【００４８】図７は、偏光素子を用いたモード弁別の他
の構成例を示す図である。光共振器２５は、レーザ媒質
２３と、非線形光学素子２４と、反射面が凹面である反
射ミラー４２とで構成され、非線形光学素子２４の光入
出力端面である表面２４ａが光軸に対してブリュースタ
角度になるように傾斜しており、表面２４ｂは出力ミラ
ーとして機能するように高反射率に形成されている。こ
こでも同様に、光の入射角度がブリュースタ角度になる
と、図７（ａ）の紙面に対して垂直方向の直線偏光であ
るＳ偏光に対して一定の反射率を有し、紙面に平行かつ
光共振器２５の光軸に垂直方向の直線偏光であるＰ偏光
に対して全透過となるため、非線形光学素子２４の表面
２４ａが偏光素子として機能することになる。また、単
一縦モード化の原理は図５と同様であるため、重複説明
を省く。

【００４９】以上のような構成によってモード弁別を実
現できるため、固体レーザ発振の縦モードを単一化で
き、あわせて単一モードの和周波光を得ることができ
る。

【００５０】本発明において利用可能な複屈折性の光学
素子として、下記（１）（２）に分類される材料を例示
できる。なお、どの分類に該当する材料を第１の複屈折
光学素子とし、第２以降の複屈折光学素子とするかは、
固体レーザ装置の使用目的に応じて適宜組合わせること
ができる。

【００５１】（１）レーザ媒質であるもの Ｍ：ＹＶＯ₄、Ｍ：ＬｉＹＦ₄、Ｍ：ＬａＦ₃ 、Ｍ：Ｃａ
ＧｄＡｌＯ₄ 、Ｍ：Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ、Ｍ：ＬａＭｇＡｌ₁₁Ｏ
₁₉、Ｍ：Ｌａ₂Ｂｅ₂Ｏ₅、Ｍ：ＹＡｌＯ₃ 、Ｍ_xＬａ_1-x
Ｐ₅Ｏ₁₄、ＬｉＭ_xＧｄ_1-xＰ₄Ｏ₁₂、ＫＭ_xＧｄ_1-xＰ₄Ｏ
₁₂、Ｍ_xＧｄ_1-xＡｌ₃（ＢＯ₃）₄、Ｍ_xＹ_1-xＡ_l3（Ｂ
Ｏ₃）₄、Ｋ₅Ｂｉ_1-xＭ_x（ＭｏＯ₄）₄、等で代表される
材料を列挙できる。ここで、Ｍは、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、
Ｔｍ、Ｙｂ等の希土類元素で、それら元素の２つ以上の
混合であってもよい。また、これに加えてＣｒ等を含ん
でもよい。この他にＣｒ：ＢｅＡｌ₂Ｏ₄、Ｔｉ：Ａｌ₂
Ｏ₃等、全ての複屈折性レーザ媒質を使用できる。

【００５２】（２）非線形光学媒質であるもの ＫＴｉＯＰＯ₄、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃ 、β−ＢａＢ
₂Ｏ₄ 、ＬｉＢ₃Ｏ₅ 、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅ 、ＬｉＩ
Ｏ₃、ＫＤＰ、ＡＤＰ等、第２高調波や第３高調波、さ
らにより高次の高調波変換作用を有する全ての複屈折性
非線形光学材料を使用できる。

【００５３】なお、本発明は基本的にモードホッピング
を抑制し出力変動を低減する手段を与えるものであり、
共振器内和周波発生固体レーザ装置に限定されるもので
なく、たとえば差周波発生等にも有効であることはいう
までもない。

【００５４】

【実施例】

（実施例１）図８は、本発明の一実施例を示す構成図で
ある。ここでは固体レーザで波長１０６４ｎｍのレーザ
光を発振させて、共振器外部の半導体レーザから波長８
６０ｎｍのレーザ光を導入して、波長４７５ｎｍの和周
波光を発生させた例を説明する。

【００５５】和周波レーザ装置は、固体レーザを構成す
る光共振器２５と、固体レーザを励起するポンピング光
２６を出力する半導体レーザ２０と、第２基本波のレー
ザ光２７を出力する半導体レーザ３１などで構成され
る。

【００５６】光共振器２５は、Ｎｄが１％ドープされた
Ｎｄ：ＹＶＯ₄ から成るレーザ媒質２３と、ＫＮｂＯ₃
から成る非線形光学素子２４と、凹面形状の反射面を有
する出力ミラー４１で構成され、レーザ媒質２３の表面
２３ｂと非線形光学素子２４の表面２４ａは互いに接し
ている。また、レーザ媒質２３の表面２３ａには、曲面
鏡を形作る微小球面（不図示）が形成されている。

【００５７】レーザ媒質２３の表面２３ａには、レーザ
媒質２３の発振波長である波長１０６４ｎｍに対して反
射率が９９．９％であって、かつポンピング光２６の波
長８０９ｎｍに対して透過率が９５％以上となるコーテ
ィングが施されている。また、レーザ媒質２３の非線形
光学素子２４側の表面２３ｂには、波長１０６４ｎｍに
対して透過率が９９．９％以上となるコーティングが施
されている。出力ミラー４１の反射面には、波長１０６
４ｎｍに対して反射率が９９．９％となるコーティング
が施されている。また、非線形光学素子２４の各表面２
４ａ、２４ｂには、波長１０６４ｎｍに対して透過率９
９．９％のコーティングが施されている。

【００５８】ポンピング光２６を出力する半導体レーザ
２０は、ペルチェ温度調整回路（不図示）によって所定
温度に制御されている。半導体レーザ２０と光共振器２
５との間には、コリメータ用のレンズ２１ａと、第２基
本波のレーザ光２７を導入するための偏光ビームスプリ
ッタ３７と、集光用のレンズ２１ｂとが配置されてい
る。また、レーザ光２７を出力する半導体レーザ３１と
偏光ビームスプリッタ３７との間には、コリメータ用の
レンズ３３が配置されている。

【００５９】半導体レーザ２０から放射されるポンピン
グ光２６がレンズ２１ａ、偏光ビームスプリッタ３７、
レンズ２１ｂを通過して、レーザ媒質２３に集光される
と、レーザ媒質２３中に反転分布が形成され、Ｎｄ：Ｙ
ＶＯ₄ 結晶の場合には波長１０６４ｎｍのレーザ発振が
起こる。このレーザ発振光は、レーザ媒質２３の表面２
３ａ上の微小球面と出力ミラー４１との間を往復する。

【００６０】一方、半導体レーザ３１から放射された波
長８６０ｎｍ、出力１００ｍＷのレーザ光２７は、レン
ズ３３を通り、偏光ビームスプリッタ３７で反射され、
レンズ２１ｂによって非線形光学素子２４の表面２４ａ
上にビームウエストを形成するように集光され、光共振
器２５内のレーザ発振光と共軸になる。

【００６１】図９は、非線形光学素子２４であるＫＮｂ
Ｏ₃ 結晶の切出し方向を示す図である。ＫＮｂＯ₃ 結晶
は２軸性結晶であり、屈折率の最も大きい偏光軸をｂ
軸、最も小さい偏光軸をｃ軸、残りをａ軸とすると（各
軸の屈折率はｎｂ＞ｎａ＞ｎｃ）、ｃ軸に対して頂角θ
＝９０°かつａ−ｂ平面内でａ軸からφ＝６２°の方向
に切り出した、いわゆるａ−ｂ軸結晶が使用される。ま
た、ａ−ｂ平面内にあってｂ軸からφ＝６２°の方向に
向いたｂ’軸が偏光軸になる。非線形光学素子２４の向
きは、これらのｂ’軸およびｃ軸が光軸１に対して垂直
になるように配置されている。また、ＫＮｂＯ₃ 結晶の
厚みは５ｍｍである。

【００６２】こうしたＫＮｂＯ₃ 結晶において、ｂ’軸
方向に直線偏光した波長１０６４ｎｍの第１基本波と、
同じくｂ’軸方向に直線偏光した波長８６０ｎｍの第２
基本波とが混合することによって、波長４７５ｎｍの和
周波光がｃ軸方向に直線偏光して発生する。

【００６３】図８の光共振器２５において、レーザ発振
光のうちｃ軸偏光成分は光軸１に沿って伝搬するが、
ｂ’軸偏光成分は非線形光学素子２４の複屈折性によっ
てビームウォークオフが生じ、ビームウォークオフ角度
ρに対応してシフトした光軸１ａに沿って伝搬する。Ｋ
ＮｂＯ₃ を使用した場合、ρ＝０．９°のビームウォー
クオフが生じるので、結晶長を５ｍｍとすると結晶端面
で約８０μｍのビームずれが生じる。そこで、出力ミラ
ー４１は、ビームウォークオフによって分離された２つ
の光軸１、１ａのうち光軸１ａに対してのみ共振器光軸
を形成し、光軸１に対して共振器を構成しないように配
置されている。したがって、出力ミラー４１の反射面は
凹面形状であるため、その対称軸から約８０μｍ外れた
位置に入射した光は軸外に反射してしまう。さらに、２
つの光軸１、１ａの分離が不十分な場合は、光軸１ａに
沿ったビームだけを通過させるアパーチャを非線形光学
素子２４と出力ミラー４１との間に介在させてもよい。

【００６４】図１０は、レーザ媒質２３と非線形光学素
子２４の偏光軸の配置図である。レーザ媒質２３のＮ
ｄ：ＹＶＯ₄ 結晶は、負の一軸性結晶であり、１つのａ
軸が光軸１と平行に切り出されており、残りのａ軸およ
びｃ軸は光軸１に対して垂直となるように配置されてい
る。また、レーザ媒質２３の偏光軸であるｃ軸は、非線
形光学素子２４の偏光軸であるｃ軸に対して４５°で交
差するように配置される。こうしたレーザ媒質２３は第
２の複屈折光学素子に相当する。

【００６５】このような配置において、ビームウォーク
オフを生じるｂ’軸の偏光成分のみに対して共振器光軸
を構成するように出力ミラー４１の位置を調整すると、
ｂ’軸偏光成分が優勢にレーザ発振する。ｂ’軸偏光成
分がレーザ媒質２３を通過すると、その偏光方向はレー
ザ媒質２３の偏光軸に対して４５°傾斜しており、レー
ザ媒質２３は位相板として機能する。レーザ媒質２３を
往復したときの位相差δがδ＝ｍπとなる縦モードにつ
いては、レーザ媒質２３の往復後に非線形光学素子２４
の表面２４ａに戻ったとき直線偏光となる。そのため再
び非線形光学素子２４に入射する際、共振損失を付与さ
れたｃ軸に平行な成分が存在しないため、δ＝ｍπとな
る縦モードが優勢に発振する。

【００６６】一方、非線形光学素子２４の表面２４ａに
おいてｂ’軸偏光成分を有する縦モードは、レーザ媒質
２３を往復したときの位相差δがδ≠ｍπとなるため、
レーザ媒質２３の往復後に表面２４ａに戻ったとき楕円
偏光となる。そのため再び非線形光学素子２４に入射す
る際、共振損失を付与されたｃ軸に平行な成分が存在す
るため、レーザ発振が抑制される。

【００６７】図１１は、図８でのレーザ発振スペクトル
の一例を示すグラフである。上述のような配置におい
て、光共振器２５の縦モード間隔は０．５１Åである
が、発振スペクトルの全幅はそれよりも小さく、単一縦
モード発振が確認され、ポンピング光２６の出力が１Ｗ
であっても単一縦モードが保たれた。

【００６８】次に半導体レーザ３１から波長８６０ｎ
ｍ、出力１００ｍＷのレーザ光２７を光共振器２５内に
導入したところ、光軸１ａに沿って出力ミラー４１から
出力１５ｍＷの和周波光が出力され、従来のマルチモー
ド発振の場合と比べて約１．５倍の高出力化を実現でき
た。さらに、単一縦モード化によってモードホッピング
が抑制され、和周波光の出力変動は大幅に低減した。

【００６９】（実施例２）図１２は、本発明の他の実施
例を示す構成図である。ここでは固体レーザで波長１０
６４ｎｍのレーザ光を発振させて、共振器外部の半導体
レーザから波長６９０ｎｍのレーザ光を導入して、波長
４１８ｎｍの和周波光を発生させた例を説明する。

【００７０】和周波レーザ装置は、固体レーザを構成す
る光共振器２５と、固体レーザを励起するポンピング光
２６を出力する半導体レーザ２０と、第２基本波のレー
ザ光２７を出力する半導体レーザ３１などで構成され
る。

【００７１】光共振器２５は、Ｎｄが１％ドープされた
Ｎｄ：ＹＶＯ₄ から成るレーザ媒質２３と、偏光依存性
および波長依存性を有する反射ミラー４０と、ＫＮｂＯ
₃ から成る非線形光学素子２４と、凹面形状の反射面を
有する出力ミラー４１で構成され、レーザ媒質２３の表
面２３ｂと非線形光学素子２４の表面２４ａは互いに接
している。

【００７２】レーザ媒質２３の表面２３ａには、レーザ
媒質２３の発振波長である波長１０６４ｎｍに対して反
射率が９９．９％であって、かつポンピング光２６の波
長８０９ｎｍに対して透過率が９５％以上となるコーテ
ィングが施されている。また、レーザ媒質２３の反射ミ
ラー４０側の表面２３ｂには、波長１０６４ｎｍに対し
て透過率が９９．９％以上となるコーティングが施され
ている。出力ミラー４１の反射面には、波長１０６４ｎ
ｍに対して反射率が９９．９％となるコーティングが施
されている。また、非線形光学素子２４の各表面２４
ａ、２４ｂには、波長１０６４ｎｍに対して透過率９
９．９％のコーティングが施されている。

【００７３】反射ミラー４０には、波長１０６４ｎｍに
対してＳ偏光の反射率９９．９％、Ｐ偏光の透過率９０
％であって、かつ第２基本波の波長６９０ｎｍに対して
Ｓ偏光の透過率が９０％となるように多層膜コートが施
されている。

【００７４】ポンピング光２６を出力する半導体レーザ
２０は、ペルチェ温度調整回路（不図示）によって所定
温度に制御されている。半導体レーザ２０と光共振器２
５との間には、コリメータ用のレンズ２１ａと、集光用
のレンズ２１ｂとが配置されている。また、レーザ光２
７を出力する半導体レーザ３１と反射ミラー４０との間
には、コリメータ用のレンズ２８が配置されている。

【００７５】半導体レーザ２０から放射されるポンピン
グ光２６は、紙面垂直方向に直線偏光しており、レンズ
２１ａ、レンズ２１ｂを通過して、レーザ媒質２３に集
光されると、レーザ媒質２３中に反転分布が形成され、
Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶の場合には波長１０６４ｎｍのレー
ザ発振が起こる。このレーザ発振光は、レーザ媒質２３
の表面２３ａと出力ミラー４１との間を往復する。

【００７６】一方、半導体レーザ（東芝製ＴＯＬＤ−９
１５１ＭＤ）３１から放射された波長６９０ｎｍ、出力
３０ｍＷのレーザ光２７は、レンズ２８および反射ミラ
ー４０を通過して、非線形光学素子２４の表面２４ａ上
にビームウエストを形成するように集光され、光共振器
２５内のレーザ発振光と共軸になる。

【００７７】図３に示したように、レーザ媒質２３のＮ
ｄ：ＹＶＯ₄ 結晶は、負の一軸性結晶であり、１つのａ
軸が光軸１と平行に切り出されており、残りのａ軸およ
びｃ軸は光軸１に対して垂直となるように配置されてい
る。また、レーザ媒質２３の偏光軸であるｃ軸は、非線
形光学素子２４の偏光軸であるｂ軸に対して４５°で交
差するように配置される。こうしたレーザ媒質２３は第
２の複屈折光学素子に相当する。非線形光学素子２４で
あるＫＮｂＯ₃ 結晶は、ｂ軸が光軸１および光軸２を含
む平面に対して垂直方向になるよう切り出されたａ軸結
晶である。

【００７８】こうしたＫＮｂＯ₃ 結晶において、ｂ軸方
向に直線偏光した波長１０６４ｎｍの第１基本波と、同
じくｂ軸方向に直線偏光した波長６９０ｎｍの第２基本
波とが混合することによって、波長４１８ｎｍの和周波
光がｃ軸方向に直線偏光して発生する。

【００７９】このような構成によって、反射ミラー４０
による共振損失で縦モードが差別化され、単一縦モード
発振が実現し、モードホッピングによる出力変動が抑制
され、出力１０ｍＷ、波長４１８ｎｍの和周波光を得る
ことができる。

【００８０】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ビ
ームウォークオフや偏光依存性を有する光学素子を利用
して、所定の縦モード以外のモードに共振損失を付与す
ることによって、偏光モードの差別化が可能になり、固
体レーザにおいて単一縦モードのレーザ発振を実現する
ことができる。したがって、別の縦モードへのモードホ
ッピングが抑制され、和周波光の出力レベル変動を格段
に低減化でき、しかも和周波発生の変換効率も向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の原理を示すものであり、図１
（ａ）は光共振器２５の構成図、図１（ｂ）は各素子の
配置を示す斜視図である。

【図２】光共振器２５の他の例を示す構成図である。

【図３】本発明の他の原理を示す説明図である。

【図４】反射ミラー４０の偏光依存性および波長依存性
の一例を示すグラフである。

【図５】偏光素子を用いたモード弁別の他の構成例を示
し、図５（ａ）は光共振器２５の構成図、図５（ｂ）は
各素子の配置を示す斜視図である。

【図６】偏光素子を用いたモード弁別の他の構成例を示
し、図６（ａ）は光共振器２５の構成図、図６（ｂ）は
各素子の配置を示す斜視図である。

【図７】偏光素子を用いたモード弁別の他の構成例を示
す図である。

【図８】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図９】非線形光学素子２４であるＫＮｂＯ₃ 結晶の切
出し方向を示す図である。

【図１０】レーザ媒質２３と非線形光学素子２４の偏光
軸の配置図である。

【図１１】図８でのレーザ発振スペクトルの一例を示す
グラフである。

【図１２】本発明の他の実施例を示す構成図である。

【図１３】和周波レーザ装置が出力する和周波光のスペ
クトルの一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１、１ａ、２ 光軸 ５ ブリュースタ板 ２０、３１ 半導体レーザ ２１ａ、２１ｂ、２８、３３ レンズ ２３ レーザ媒質 ２４ 非線形光学素子 ２５ 光共振器 ２６ ポンピング光 ２７ レーザ光 ３１ レーザ光 ３７ 偏光ビームスプリッタ ４０、４２ 反射ミラー ４１ 出力ミラー ＢＲ 複屈折光学素子

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光学素子が介在し、当該光学素子
   のうち１つがレーザ媒質であって、当該光学素子のうち
   少なくとも２つが複屈折光学素子である光共振器と、 前記レーザ媒質を励起するためのポンピング光を放射す
   る第１光源と、 前記光共振器の発振波長とは異なる波長のレーザ光を前
   記光共振器内に供給する第２光源と、 前記複屈折光学素子のうちの第１複屈折光学素子で生じ
   るビームウォークオフによって分離される２つの偏光光
   軸のうち一方の光軸をもって前記光共振器の光軸を形成
   したことを特徴とする和周波レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記光共振器は直線型であって、当該光
   共振器を構成する反射鏡のうち少なくとも１つは曲面鏡
   であり、第１複屈折光学素子以外の第２複屈折光学素子
   と当該曲面鏡と間に、第１複屈折光学素子が配置されて
   いることを特徴とする請求項１記載の和周波レーザ装
   置。
3. 【請求項３】 複数の光学素子が介在し、当該光学素子
   のうち１つがレーザ媒質であって、当該光学素子のうち
   少なくとも２つが複屈折光学素子であって、当該光学素
   子のうち少なくとも１つが偏光素子である光共振器と、 前記レーザ媒質を励起するためのポンピング光を放射す
   る第１光源と、 前記光共振器の発振波長とは異なる波長のレーザ光を前
   記光共振器内に供給する第２光源と、 前記複屈折光学素子の何れか一方は和周波発生用の非線
   形光学素子であって、 前記複屈折光学素子および前記偏光素子が波長弁別機能
   を有することを特徴とする和周波レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記光共振器は屈曲型であって、前記偏
   光素子は反射率が偏光依存性を有する反射ミラーであ
   り、前記レーザ媒質と前記非線形光学素子との間に当該
   反射ミラーが介在していることを特徴とする請求項３記
   載の和周波レーザ装置。
5. 【請求項５】 前記偏光素子は偏光ビームスプリッタで
   あることを特徴とする請求項３記載の和周波レーザ装
   置。
6. 【請求項６】 前記偏光素子はブリュースタ板であっ
   て、前記レーザ媒質と前記非線形光学素子との間にブリ
   ュースタ板が介在していることを特徴とする請求項３記
   載の和周波レーザ装置。
7. 【請求項７】 前記偏光素子は、ブリュースタ角にカッ
   トされた非線形光学素子の端面に形成されていることを
   特徴とする請求項３記載の和周波レーザ装置。
8. 【請求項８】 前記レーザ媒質は、複屈折性を有するこ
   とを特徴とする請求項１〜７何れかに記載の和周波レー
   ザ装置。
9. 【請求項９】 前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ で形
   成されていることを特徴とする請求項１〜７何れかに記
   載の和周波レーザ装置。
10. 【請求項１０】 前記非線形光学素子は、ＫＮｂＯ₃ で
    形成されていることを特徴とする請求項１〜７何れかに
    記載の和周波レーザ装置。
11. 【請求項１１】 前記第１および第２光源は、半導体レ
    ーザであることを特徴とする請求項１〜１０何れかに記
    載の和周波レーザ装置。