JPH10242551A

JPH10242551A - 光学素子及びこれを用いたレーザ装置

Info

Publication number: JPH10242551A
Application number: JP9061832A
Authority: JP
Inventors: Masaki Harada; 昌樹原田; Soichi Yamato; 壮一大和; Tomoko Otsuki; 朋子大槻
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-11
Also published as: US6049558A

Abstract

(57)【要約】【課題】効率良く適切にレーザ媒質を励起することに
より、レーザ光の出力効率の向上とレーザ光の品質の劣
化の防止を図るとともに、構造の簡素化と調整の容易化
を図る。【解決手段】半導体レーザ１１から出た励起光は、前
記光学素子１３を経て出力レーザ光１５と同軸的に固体
レーザ結晶１４を照射し、該固体レーザ結晶１４を励起
する。光学素子１３は、透明材料からなる円錐台形状体
である。大きい方の底面１３ａが半導体レーザ１１と近
接して配置され、小さい方の底面１３ｂが固体レーザ結
晶１４と近接して配置される。光学素子１３に入射した
励起光の一部は側面１３ａで反射されることなく底面１
３ｂから出射され、残りは側面１３ａで反射された後に
底面１３ｂから出射される。底面１３ｂは、所望のレー
ザモード形状に応じた形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、励起光源からの励
起光がレーザ媒質からの出力レーザ光と同軸的に前記レ
ーザ媒質に入射するように前記励起光を前記レーザ媒質
へ導く励起光学系を備えたいわゆる端面励起方式のレー
ザ装置、及び前記励起光学系等に用いることができる光
学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】励起光をレーザ媒質からの出力レーザ光
と同軸的に前記レーザ媒質へ入射させる端面励起方式の
レーザ装置は、励起光をレーザ媒質の側面から入射させ
る側面励起方式のレーザ装置に比べて、高効率という点
で非常に優れている。

【０００３】このような端面励起方式のレーザ装置の従
来例として、半導体レーザを励起光源とするとともにレ
ーザ媒質を固体レーザ媒質（レーザ結晶）とする半導体
レーザ励起固体レーザ装置について、図６を参照して説
明する。なお、半導体レーザ励起固体レーザ装置は、ラ
ンプを励起光源とするランプ励起固体レーザ装置に比べ
て、小型、高効率、長寿命、優れた経済性などの長所が
ある。

【０００４】図６は、従来の端面励起方式の半導体レー
ザ励起固体レーザ装置を模式的に示す概略構成図であ
る。この半導体レーザ励起固体レーザ装置は、励起光２
を発生する励起光源としての半導体レーザ１と、レーザ
媒質としての固体レーザ結晶４と、半導体レーザ１から
の励起光２が固体レーザ結晶４からの出力レーザ光５と
同軸的に固体レーザ結晶４に入射するように、励起光２
を固体レーザ結晶４へ導く励起光学系３と、部分反射ミ
ラー６とを備えている。固体レーザ結晶４の励起光入射
端面（図６中の左側面）には、励起光２に対しては無反
射であるとともにレーザ光５に対しては全反射のコーテ
ィング７が形成されている。固体レーザ結晶４のレーザ
光５の射出端面（図６中の右側面）には、レーザ光５に
対して無反射のコーティング８が形成されている。前記
部分反射ミラー６と前記コーティング７との間で、レー
ザ共振器が形成される。

【０００５】この従来のレーザ装置では、励起光学系３
は、励起光２を固体レーザ結晶４に集光させる集光レン
ズ３ａ，３ｂから構成されており、いわゆる「レンズ方
式」によるものである。

【０００６】従来、励起光学系３の方式には、このよう
な「レンズ方式」以外にも、半導体レーザ１を固体レー
ザ結晶４に近接させて置く「近接方式」や、複数のファ
イバーにて励起光を導く「ファイバー方式」があった。
そして、「ファイバー方式」には、励起光２をファイバ
ーで導いた後に当該ファイバー端を固体レーザ結晶４に
近接させる方式と、励起光２をファイバーで導いた後に
レンズを通す方式とがあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図６に示す従来のレーザ装置や前述した種々の励起光
学系の方式を採用した従来のレーザ装置では、以下の問
題が生じていた。

【０００８】すなわち、前記近接方式と、通常の球面レ
ンズのみを用いたレンズ方式では、半導体レーザ１の発
光面が非常に長い形（例えば１μｍ×５００μｍ）を持
ち、かつ放射光の発散角の分布も非等方のものであるた
め、励起すべき固体レーザ結晶４中において、励起光の
断面形状が細長くなり、効率やレーザビームの品質が落
ちるという問題があった。詳しく述べると、例えばＴＥ
Ｍ₀₀モードの出力レーザ光５を得る場合、励起光２が固
体レーザ結晶４上の円形のレーザビーム５に対応する領
域の外にはみ出す場合には、はみ出した部分の励起光２
は励起に使われずに結果として励起効率が低下し、ま
た、レーザビーム５の横モードがＴＥＭ₀₀モード以外の
好ましくない非円形のモードになることもあった。一
方、励起光２が固体レーザ結晶４上のレーザビーム５に
対応する領域内に十分に含まれるように、励起光２を細
長い断面形状のままレンズ系によって十分に縮小する
と、励起光２の光密度が大きくなり過ぎて、励起密度の
大きな部分での吸収の飽和が起こることによって励起光
２がそれ以上吸収されなくなり、結果として効率を低下
させる現象が起きた。また、励起光２を細長い断面形状
のままレンズ系によって十分に縮小する場合には、固体
レーザ結晶４の熱分布が不均一になることから、非対称
の熱レンズ効果が発生し、レーザビーム５が歪むことが
あった。

【０００９】このため、レンズ方式においては、励起光
２の断面を例えば円形に近い形に整形するために、プリ
ズムを挿入したり、円柱レンズを挿入したりするなどの
手段を講じて改善を図ってきた。しかし、このために、
励起光学系が複雑になり、アライメントの調整の手間が
増えたり、増えたプリズムやレンズの表面での反射等に
より、励起光エネルギーの損失が増加したりした。

【００１０】一方、前記ファイバー方式では、複数のフ
ァイバーを用いて、それらの一端を半導体レーザ光の発
光面の形状に合わせて配列するとともにそれらの他端を
所望のレーザモード形状に対応する形状（例えば、円
形）に配列しているので、前述した近接方式やレンズ方
式において生じていた問題は発生しない。

【００１１】しかし、前記ファイバー方式のうちファイ
バー端を固体レーザ結晶に近接して配置する方式では、
１本１本のファイバーの太さによってファイバー端の集
合形状の大きさが決まってしまうので、当該集合形状の
大きさが、固体レーザ結晶４上の円形のレーザビーム５
に対応する領域の外にはみ出したり当該領域に比べて小
さすぎたりする場合も多く、そのような場合には、結
局、前記レンズ方式と同様の問題が生じてしまう。

【００１２】そこで、ファイバー方式の採用する場合に
は、通常、励起光をファイバーで導いた後にレンズを通
す方式を採用することとなる。この方式では、当該ファ
イバー端の集合形状が当該レンズにより縮小又は拡大さ
れ、励起光が固体レーザ結晶４上の円形のレーザビーム
５に対応する領域にちょうど照射される。しかし、この
方式では、そのような適切な照射が行われるように前記
レンズを厳密に調整しなければならず、その調整に手数
を要していた。

【００１３】また、前記従来のレーザ装置では、固体レ
ーザ結晶４は励起エネルギーの一部を熱として発生する
ので、効率の良い熱の除去のため、固体レーザ結晶４を
熱伝導の良い金属製等の部材に取り付けることが多く行
われている。しかし、この放熱用の部材は、励起光学系
とは全く別のものであり、したがって、部品点数が多く
なり、コストアップを免れなかった。

【００１４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、効率良く適切にレーザ媒質を励起することに
よりレーザ光の出力効率の向上とレーザ光の品質の劣化
の防止を図ることができ、しかも、構造が簡単でアライ
メント等の調整が簡単なレーザ装置、並びにこのレーザ
装置等に用いることができる光学素子を提供することを
目的とする。

【００１５】また、本発明は、レーザ媒質の放熱を簡単
な構造で行うことができ、安価なレーザ装置を提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様によるレーザ装置は、レーザ媒
質と、励起光源とを備えたレーザ装置であって、前記励
起光源からの励起光が前記レーザ媒質からの出力レーザ
光と同軸的に前記レーザ媒質に入射するように、前記励
起光を前記レーザ媒質へ導く励起光学系を備えたレーザ
装置において、前記励起光学系は、前記励起光に対して
透明な材料からなるとともに２つの底面及び側面を有す
る部材を有する光学素子であって、前記２つの底面のう
ちの一方の底面から前記励起光が入射され、当該入射さ
れた励起光の一部を前記側面で反射させることなく前記
２つの底面のうちの他方の底面から射出させ、前記入射
された励起光の残りを前記側面で反射させて前記他方の
底面から射出させ、前記他方の底面が所望のレーザモー
ド形状に応じた形状（大きさも含む）を有する光学素子
を、含むものである。

【００１７】前記光学素子の形状自体は、特に限定され
るものではないが、例えば、錘台状体又は柱状体とする
ことができる。励起光入射側の底面は、励起光の略全部
を入射し得る形状及び大きさであれば任意の形状（例え
ば、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状等）及び大き
さとすることができ、励起光射出側の底面は、所望のレ
ーザモード形状（例えば、ＴＥＭ₀₀モードの場合は円形
状）に応じた形状とすればよい。側面は、励起光射出側
の端面における光強度分布を均一に近づけ反射の際の損
失を防ぐ上で、滑らかであることが、好ましい。なお、
側面には、必要に応じて反射膜を形成しておいてもよ
い。また、底面には、必要に応じて反射防止膜を形成し
ておいてもよい。

【００１８】なお、前記光学素子は、入射された励起光
の一部を前記側面で反射させることなく前記２つの底面
のうちの他方の底面から射出させるものであり、反射さ
れずに伝送される光が実質的になく殆ど全ての光が全反
射を多数繰り返して伝送されるファイバーとは本質的に
異なるものである。また、前記光学素子では、ファイバ
ーにおいては要求される可撓性は、全く要求されない。

【００１９】前記第１の態様では、例えば、光学素子の
励起光入射側の底面（以下、「入射底面」という。）を
励起光源に近接して配置するとともに当該光学素子の励
起光射出側の底面（以下、「射出底面」という。）をレ
ーザ媒質に近接して配置してもよい。まず、この場合に
ついて述べる。

【００２０】励起光源からの励起光が光学素子の入射底
面から入射され、その一部が当該光学素子の側面で反射
されることなく当該光学素子の射出底面から射出され、
その残りが当該光学素子の側面で反射されて当該光学素
子の射出底面から射出される。したがって、励起光源の
発光面が細長くかつ放射光の発散角の分布が非等方であ
っても、励起光は、殆ど損失なく、光学素子の射出底面
から射出する際に、断面形状が当該射出底面の形状（す
なわち、所望のレーザモード形状に応じた形状）に整形
され、しかも、その光強度分布は略均一となる。そし
て、このように整形されるとともに強度が均一化された
励起光がレーザ媒質に照射されることとなる。このた
め、無効領域への励起光のはみ出しが抑制されるととも
にレーザ媒質での吸収の飽和や熱分布の不均一が緩和さ
れ、効率良く適切にレーザ媒質を励起することができ、
それにより、レーザ光の出力効率の向上とレーザ光の品
質の劣化の防止を図ることができる。そして、前記光学
素子の各底面をそれぞれ励起光源及びレーザ媒質に近接
して配置する場合には、励起光学系が当該光学素子のみ
によって構成されることになり、励起光学系の構成が極
めて簡単となり、コストの低減を図ることができる。の
みならず、前記光学素子は、レンズ等と異なり焦点等を
結ぶものではないので、そのアライメントの許容範囲は
大きく、アライメントの調整が極めて容易となる。

【００２１】また、前述したように、光学素子の入射底
面から入射した励起光の一部が当該光学素子の側面で反
射されることなく当該光学素子の射出底面から射出さ
れ、その残りが当該光学素子の側面で反射されて当該光
学素子の射出底面から射出されるので、当該光学素子に
励起光の各光線は反射を全く受けないかあるいは反射を
受けてもその回数は極めて少なくなる。このため、前記
光学素子の各底面をそれぞれ励起光源及びレーザ媒質に
近接して配置する場合において、励起光源として半導体
レーザのように励起光として偏光光を発するものを用い
た場合には、射出底面から射出された全体としての励起
光の偏光方向と偏光率は、励起光源から発した際の励起
光の偏光方向と偏光率からさほどずれず、元の状態がほ
ぼ保たれる。したがって、レーザ媒質として、光吸収率
に偏光依存性がある（一偏光方向の吸収率が大きく、そ
の偏光での励起効率が高い）Ｎｄ：ＹＶＯ₄のような固
体レーザ結晶を採用しても、偏光状態の変化に起因する
励起効率の低下が抑制され、励起効率の向上を図ること
ができる。なお、前述した従来のファイバ方式では、反
射回数が極めて多いので、１回ごとに光の偏光方向が元
の偏光方向からずれることから、ファイバーを伝搬する
うちに励起光の偏光が失われ、ほぼ無偏光状態になって
しまい、レーザ媒質として光吸収率に偏光依存性がある
もの（このようなレーザ媒質は一般的に光吸収率が高
い）を用いると、励起効率が著しく低下してしまう。

【００２２】ところで、前述した従来のファイバー方式
では、励起光源からの励起光のファイバーへの入力結合
時における損失を免れることができないとともに、最大
の光結合効率を得るためのファイバーと励起光源の位置
調整も精度を要求される。これに対し、前記第１の態様
において、前記光学素子の各底面をそれぞれ励起光源及
びレーザ媒質に近接して配置する場合には、前記光学素
子の入射底面を適当な大きさにしておくこと等によっ
て、励起光が当該入射底面へ入射する際の損失を防止す
ることができるとともに、当該光学素子と励起光源の位
置調整に精度は要求されない。

【００２３】以上は前記第１の態様において前記光学素
子の各底面をそれぞれ励起光源及びレーザ媒質に近接し
て配置する場合の説明であったが、前記第１の態様はこ
のような場合に限定されるものではない。

【００２４】例えば、前記第１の態様では、励起光源と
前記光学素子との間にファイバーを配置してもよい。こ
の場合、励起光学系が前記光学素子と当該ファイバーと
により構成されることになる。この場合には、前述した
励起光の偏光状態の保持や、ファイバーへの入力結合時
の損失の防止や、ファイバーと励起光源の位置調整の精
度の緩和という利点を得ることはできないものの、前述
した従来のファイバー方式と同様に、励起光源の配置の
自由度を高めることができるとともに、近接方式やレン
ズ方式で生じていた問題は発生しない。のみならず、励
起光をファイバーで導いた後にレンズを通す従来のファ
イバー方式と異なり、励起光をファイバーで導いた後に
前述したように前記光学素子にて整形するので、レンズ
と異なり当該光学素子の位置調整には精度が必要ないこ
とから、調整の手数が大幅に軽減される。勿論、ファイ
バーにて導かれた後の励起光が前記光学素子にて整形さ
れるので、ファイバーの太さ等にも制約がなくなる。

【００２５】本発明の第２の態様によるレーザ装置は、
前記第１の態様によるレーザ装置において、前記２つの
底面のうちの少なくとも一方の底面は曲面からなるもの
である。

【００２６】このように少なくとも一方の底面を曲面と
しておくと、当該光学素子自体がレンズと同様の作用を
行うことになるので、励起光の透過及び反射の状況を変
化させる自由度が増大し、その設計が容易となる。もっ
とも、前記第１の態様においては、光学素子の各底面を
平面にしておいてもよいことは勿論である。

【００２７】本発明の第３の態様によるレーザ装置は、
レーザ媒質と、励起光源とを備えたレーザ装置であっ
て、前記励起光源からの励起光が前記レーザ媒質からの
出力レーザ光と同軸的に前記レーザ媒質に入射するよう
に、前記励起光を前記レーザ媒質へ導く励起光学系を備
えたレーザ装置において、前記励起光学系は、内面が前
記励起光に対する反射面である貫通穴を有する光学素子
であって、前記貫通穴の２つの開口部のうちの一方の開
口部から前記励起光が入射され、当該入射された励起光
の一部を前記内面で反射させることなく前記２つの開口
部のうちの他方の開口部から射出させ、前記入射された
励起光の残りを前記内面で反射させて前記他方の開口部
から射出させ、前記他方の開口部が所望のレーザモード
形状に応じた形状を有する光学素子を、含むものであ
る。

【００２８】前記第１の態様では光学素子がいわば中実
に構成されていることになるに対し、この第３の態様で
は逆に中空に構成されていることになるが、両者は光学
的に実質的に等価である。したがって、第３の態様にお
いても、第１の態様と同様の利点が得られる。また、第
３の態様によれば、入射面と射出面での反射による損失
がないという利点が得られる。

【００２９】本発明の第４の態様によるレーザ装置は、
前記第３の態様によるレーザ装置において、前記光学素
子が金属材料からなるものである。

【００３０】本発明の第５の態様によるレーザ装置は、
前記第３又は第４の態様によるレーザ装置において、前
記光学素子が前記レーザ媒質で発生する熱を放熱させる
放熱器として兼用されたものである。

【００３１】このように、前記光学素子を放熱器として
兼用すると、従来のように励起光学系とは別にレーザ媒
質で発生する熱を放熱する放熱器を設ける場合に比べ
て、部品点数が減り、コストダウンを図ることができ
る。

【００３２】本発明の第６の態様によるレーザ装置は、
前記第３の態様によるレーザ装置において、前記光学素
子が、前記貫通穴に対応する穴を有する部材と、該部材
の当該穴の内面にコーティングされた反射膜と、を有す
るものである。

【００３３】このように反射膜をコーティングすれば、
光学素子を構成する材料に制約がなくなり、設計の自由
度が増す。

【００３４】本発明の第７の態様によるレーザ装置は、
前記第１乃至第６のいずれかの態様によるレーザ装置に
おいて、前記励起光源が半導体レーザであるものであ
る。

【００３５】このように半導体レーザを励起光源とする
と、ランプを励起光源とする場合に比べて、小型、高効
率、長寿命、優れた経済性などの長所が得られ、好まし
い。もっとも、前記第１乃至第６の態様では、ランプを
励起光源としてもよい。

【００３６】本発明の第８の態様によるレーザ装置は、
前記第１乃至第７のいずれかの態様によるレーザ装置に
おいて、前記レーザ媒質が固体レーザ媒質であるもので
ある。

【００３７】もっとも、前記第１乃至第７の態様では、
レーザ媒質として、例えば液体レーザ媒質を用いてもよ
い。

【００３８】本発明の第９の態様による光学素子は、入
射光に対して透明な材料からなるとともに２つの底面及
び側面を有する部材を有する光学素子であって、前記２
つの底面のうちの一方の底面から前記入射光が入射さ
れ、当該入射された入射光の一部を前記側面で反射させ
ることなく前記２つの底面のうちの他方の底面から射出
させ、前記入射された入射光の残りを前記側面で反射さ
せて前記他方の底面から射出させるものである。

【００３９】本発明の第１０の態様による光学素子は、
内面が入射光に対する反射面である貫通穴を有する光学
素子であって、前記貫通穴の２つの開口部のうちの一方
の開口部から前記入射光が入射され、当該入射された入
射光の一部を前記内面で反射させることなく前記２つの
開口部のうちの他方の開口部から射出させ、前記入射さ
れた入射光の残りを前記内面で反射させて前記他方の開
口部から射出させるものである。

【００４０】前記第９及び第１０の態様による光学素子
は、前記第１乃至第８の態様によるレーザ装置において
用いることができる他、入射光を均一な光強度分布を有
する所望の断面形状に整形する種々の用途において用い
ることができる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるレーザ装置及
び光学素子について、図面を参照して説明する。

【００４２】まず、本発明の一実施の形態によるレーザ
装置について、図１及び図２を参照して説明する。

【００４３】図１（ａ）は本実施の形態によるレーザ装
置を模式的に示す概略構成図、図１（ｂ）は該レーザ装
置において用いられた光学素子１３を示す拡大斜視図で
ある。図２（ａ）は図１（ａ）中の要部拡大図、図２
（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ矢視図である。なお、説
明の便宜上、これらの各図において共通する互いに直交
するＸ、Ｙ、Ｚ軸を定義する。

【００４４】本実施の形態によるレーザ装置は、励起光
１２を発生する励起光源としての半導体レーザ１１と、
レーザ媒質としての固体レーザ結晶１４と、半導体レー
ザ１１からの励起光１２が固体レーザ結晶１４からの出
力レーザ光１５と同軸的に固体レーザ結晶１４に入射す
るように、励起光１２を固体レーザ結晶１４へ導く励起
光学系としての光学素子１３と、部分反射ミラー１６と
を備えている。固体レーザ結晶１４の励起光入射端面
（図１（ａ）中の左側面）には、励起光１２に対しては
無反射であるとともにレーザ光１５に対しては全反射の
コーティング１７が形成されている。固体レーザ結晶１
４のレーザ光１５の射出端面（図１（ａ）中の右側面）
には、レーザ光１５に対して無反射のコーティング１８
が形成されている。前記部分反射ミラー１６と前記コー
ティング１７との間で、レーザ共振器が形成される。

【００４５】なお、固体レーザ結晶１４と部分反射ミラ
ー１６との間には、必要に応じて、波長変換を行う非線
形結晶を配置してもよい。

【００４６】本実施の形態では、前記半導体レーザ１１
として、ガリウム砒素系の半導体レーザで８０９ｎｍの
レーザ光を励起光１２として発するものが用いられてい
る。この半導体レーザ１１の発光面（ＹＺ平面と平行）
は、１μｍ（Ｚ方向の長さ）×５００μｍ（Ｙ方向の長
さ）程度の、非常に細長い発光領域を持っている。ま
た、半導体レーザ１１が発生する光の発散角（半値全
幅）は、４０°（ＸＺ平面と平行な面内における角度）
×１０°（ＸＹ平面と平行な面内における角度）程度の
非等方の広がりを持っている。もっとも、本発明では、
半導体レーザ１１はこれに限定されるものではない。

【００４７】本実施の形態では、固体レーザ結晶１４と
して、Ｎｄを３％ドープしたＹＶＯ₄結晶（厚み０．６
ｍｍ）が用いられている。このＮｄ：ＹＶＯ₄は、光
吸収率に偏光依存性がある。もっとも、本発明では、固
体レーザ結晶１４としては、これに限定されるものでは
なく、例えば、Ｎｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧなどの他の
レーザ結晶や、液体レーザ媒質などを用いることができ
る。なお、Ｎｄ：ＹＬＦは光吸収率に偏光依存性がある
が、Ｎｄ：ＹＡＧは光吸収率に偏光依存性がない。

【００４８】本実施の形態では、前記光学素子１３は、
励起光１２に対して透明な材料であるガラス又はプラス
チック等からなる部材であって、２つの底面１３ａ，１
３ｂ及び側面１３ｃを有する部材から構成されている。
この部材の側面１３ｃには、必要に応じて、金属膜や誘
電体多層膜等の反射膜をコートしておいてもよい。ま
た、必要に応じて、この部材の入射面及び射出面となる
底面１３ａ，１３ｂには、反射防止膜をコーティングし
ておいてもよい。本実施の形態では、光学素子１３は円
錐台形状を有しており、底面１３ａが底面１３ｂより大
きくなっている。本実施の形態では、レーザ光１５とし
てＴＥＭ₀₀モードの光を得るので、励起光射出側とする
底面１３ｂの形状を、このレーザーモード形状に応じた
形状として円形状にしている。レーザ光１５として他の
モードの光を得る場合には、励起光射出側とする底面１
３ｂの形状を当該レーザモード形状に合わせて変更すれ
ばよい。励起光入射側とする底面１３ａの形状は、励起
光１２の略全部を入射し得る形状及び大きさであれば、
任意の形状及び大きさとすることができる。

【００４９】なお、本実施の形態では、光学素子１３の
励起光入射側の底面１３ａの直径を約６００μｍ、励起
光射出側の底面１３ｂの直径を約４００μｍ、軸方向の
高さ（光軸方向（Ｘ方向）の長さ）を約１ｍｍとしてい
る。

【００５０】本実施の形態では、光学素子１３の底面１
３ａが半導体レーザ１１の発光面に近接して配置され、
光学素子１３の底面１３ｂが固体レーザ結晶１４に近接
して配置されている。

【００５１】本実施の形態によれば、半導体レーザ１１
から出た励起光１２は、前記光学素子１３を経て固体レ
ーザ結晶１４を照射して、該固体レーザ結晶１４を励起
する。

【００５２】まず、光軸を含むＸＺ平面における励起光
１２の挙動について、図２（ａ）を参照して説明する。
半導体レーザ１１から出た励起光１２の光線のうち、光
軸に近いものは、光学素子１３の側面１３ｃで反射され
ることなく、そのまま光学素子１３を透過して固体レー
ザ結晶１４に到る。一方、光軸からはずれた光線は、光
学素子１３の側面１３ｃで１回又は数回反射された後、
固体レーザ結晶１４に到る。この際、反射角は、ガラス
の屈折率で決まる全反射角よりも大きな反射角であるの
で、全反射し、損失を生じない。ＸＺ平面内において
は、半導体レーザ１１から発する励起光１２は、半値全
幅の発散角が前述したように約４０°であるので、ほと
んどの光は光軸から±２０°の範囲に放出される。それ
ゆえ、ほとんどの光のエネルギーは側面１３ｃで反射さ
れることなく直接光学素子１３を透過するか、あるい
は、側面１３ｃで１回反射されただけで、光学素子１３
を通過して固体レーザ結晶１４に到る。しかし、励起光
１２のうちの一部の更に大きな発散角で半導体レーザ１
１から放射された光も、光学素子１３の側面１３ｃで２
回以上の反射をすることで、射出面１３ｂから出て固体
レーザ結晶１４に到る。

【００５３】次に、光軸を含むＸＹ平面における励起光
１２の挙動について、図２（ｂ）を参照して説明する。
半導体レーザ１１は前述したようにＹ方向に長さ５００
μｍに渡る発光面を有するが、図２（ｂ）では、励起光
１２の放出個所を４ヶ所に代表して描いている。ＸＹ平
面内における半導体レーザ１１からの励起光１２の放出
角度（半値全幅）は、前述したように約１０°である。
励起光１２のうち半導体レーザ１１の発光部のＹ方向の
中心付近から出た光線は、側面１３ｃで反射されること
なく光学素子１３をそのまま透過して固体レーザ結晶１
４に到るが、Ｙ方向の周辺部から出た光は、一部が光学
素子１３の側面１３ｃによって１回反射され、光路を内
側に変えられてから固体レーザ結晶１４に至る。ここで
も、全反射条件が満たされているので損失がない。

【００５４】以上のＸＺ平面及びＸＹ平面における励起
光１２の挙動の考察からわかるように、光学素子１３の
射出面１３ｂから出た励起光１２は、直接光（側面１３
ｃで反射されずに直接光学素子１３を透過した光）と、
反射光（側面１３ｃで反射された後に光学素子１３を通
過した光）との混じったものとなり、断面形状がほぼ円
形で特に光強度の集中する部分のないものとなる。その
直径は、射出面１３ｂから遠く離れないうちは、射出面
１３ｂの直径４００μｍ程度の直径を保っている。射出
面１３ｂと固体レーザ結晶１４との間の距離は１００μ
ｍ程度であるとともに、励起光は、固体レーザ結晶１４
内で数１００μｍ程度伝搬されるうちに、そのほとんど
が固体レーザ結晶１４に吸収されるので、励起光は、固
体レーザ結晶１４内で遠くまで伝搬されることはなく、
励起光の直径は固体レーザ結晶１４中でも４００μｍを
大きく上回ることはない。

【００５５】本実施の形態では、出力レーザビーム１５
の直径は６００μｍであるので、励起光はその直径の内
部にほぼすべてがおさまり、効率の良い励起が行える。
また、励起光の強度分布もほぼ均一であるので、過度の
励起密度による吸収の飽和や、不均一な熱レンズ効果の
発生がない。このように効率良く適切に固体レーザ結晶
１４を励起することができ、それにより、レーザ光の出
力効率の向上とレーザ光の品質の劣化の防止を図ること
ができる。

【００５６】そして、本実施の形態では、励起光学系が
前記光学素子１３のみによって構成されているので、励
起光学系の構成が極めて簡単となり、コストの低減を図
ることができる。のみならず、前記光学素子１３は、レ
ンズ等と異なり焦点等を結ぶものではないので、そのア
ライメントの許容範囲は大きく、アライメントの調整が
極めて容易となる。

【００５７】また、１回の反射ごとに光の偏光方向は元
の偏光方向からずれるが、その量は小さい。前述したよ
うに、励起光のうちの多くの光は直接透過するか又は１
回の反射しかしないため、結果として光学素子１３から
射出された全体としての光の偏光方向と偏光率は、元の
半導体レーザ１１から射出した際の偏光方向と偏光率か
ら大きくずれることがない。したがって、固体レーザ結
晶１４として、一偏光方向の吸収係数が大きいＮｄ：Ｙ
ＶＯ₄を採用しているにもかかわらず、効率の良い励起
が行える。

【００５８】さらに、本実施の形態では、前記光学素子
１３の入射面１３ａを適当な大きさにしておくこと等に
よって、励起光１２が当該入射面１３ａへ入射する際の
損失を防止することができるとともに、当該光学素子１
３と半導体レーザ１１の位置調整に精度は要求されな
い。

【００５９】なお、光学素子１３の入射面１３ａ及び射
出面１３ｂに反射防止コートを施すことによって、励起
光１２の損失を一層低下させることもできる。

【００６０】また、光学素子１３の側面１３ｃでの反射
において、全反射条件が満たされない場合には、前述し
たように側面１３ｃに反射膜（金属膜や、誘電体多層
膜）をコートすることで反射率を高く保つことができ、
ひいては励起光１２の損失を減らすことができる。

【００６１】なお、光学素子１３の底面１３ａ，１３ｂ
のいずれか一方又は両方を、平面ではなく、凸又は凹の
曲面とし、光学素子１３にレンズ効果を持たせてもよ
い。このレンズ効果によって、励起光１２の透過及び反
射の状況を変化させる自由度を持つことができる。

【００６２】次に、本発明の他の実施の形態によるレー
ザ装置について、図３及び図４を参照して説明する。

【００６３】図３（ａ）は、本実施の形態によるレーザ
装置の要部拡大図であり、図２（ａ）と対応している。
図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＢ−Ｂ矢視図である。図
４は、本実施の形態によるレーザ装置において用いられ
た光学素子２３を示す拡大斜視図である。

【００６４】本実施の形態によるレーザ装置が前述した
図１及び図２に示すレーザ装置と異なる所は、前記光学
素子３に代えて光学素子２３が用いられている点のみで
あるので、図３において図１及び図２中の要素と同一要
素には同一符号を付し、その重複した説明は省略する。

【００６５】本実施の形態では、光学素子２３は、図４
に示すように、貫通穴２４を有する金属材料からなる板
状部材で構成されている。なお、この部材は板状に限定
されるものではない。本実施の形態では、貫通穴２４の
内面２４ｃが、光学研磨されるかあるいは反射の際に損
失が大きくならない程度に滑らかに形成されて、励起光
１２に対する反射面とされている。この内面は研磨され
ているだけでもよいが、反射率を向上させるために、別
の物質により、反射膜をコートしてもよい。本実施の形
態では、貫通穴２４は、その一方の開口部２４ａ及び他
方の開口部２４ｂを底面とするとともに内面２４ｃを側
面とする円錐台形状を有しており、開口部２４ａが開口
部２４ｂより大きくなっている。本実施の形態では、レ
ーザ光１５としてＴＥＭ₀₀モードの光を得るので、励起
光射出側とする開口部２４ｂの形状を、このレーザーモ
ード形状に応じた形状として円形状にしている。励起光
入射側とする開口部２４ａの形状は、励起光１２の略全
部を入射し得る形状及び大きさであれば、任意の形状
（例えば、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状等）及
び大きさとすることができる。なお、貫通穴２４の形状
は、例えば、開口部２４ａ，２４ｂを底面とする錘台状
又は柱状にすることができる。貫通穴２４の内面２４ｃ
は、励起光射出側の開口部２４ｂにおける光強度分布を
均一に近づけ反射の際の損失を防ぐ上で、滑らかである
ことが、好ましい。

【００６６】なお、本実施の形態では、光学素子２３の
貫通穴２４の励起光入射側の開口部２４ａの直径を約６
００μｍ、励起光射出側の開口部２４ｂの直径を約４０
０μｍ、貫通穴２４の軸方向の高さ（光軸方向（Ｘ方
向）の長さ）、すなわち、板状部材の厚みを約１ｍｍと
している。なお、半導体レーザ１１及び固体レーザ結晶
１４については、前述した実施の形態と同一である。

【００６７】本実施の形態では、光学素子２４の開口部
２４ａが半導体レーザ１１の発光面に近接して配置さ
れ、光学素子２４の射出側の面が固体レーザ結晶１４と
接触させている。

【００６８】本実施の形態によれば、半導体レーザ１１
から出た励起光１２は、前記光学素子２３の貫通穴２４
を経て固体レーザ結晶１４を照射して、該固体レーザ結
晶１４を励起する。

【００６９】まず、光軸を含むＸＺ平面における励起光
１２の挙動について、図３（ａ）を参照して説明する。
半導体レーザ１１から出た励起光１２の光線のうち、光
軸に近いものは、光学素子２３の貫通穴２４の内面２４
ｃで反射されることなく、そのまま貫通穴２４を透過し
て固体レーザ結晶１４に到る。一方、光軸からはずれた
光線は、光学素子２３の貫通穴２４の内面２４ｃで１回
又は数回反射された後、固体レーザ結晶１４に到る。Ｘ
Ｚ平面内においては、半導体レーザ１１から発する励起
光１２は、半値全幅の発散角が前述したように約４０°
であるので、ほとんどの光は光軸から±２０°の範囲に
放出される。それゆえ、ほとんどの光のエネルギーは内
面２４ｃで反射されることなく直接光学素子２３の貫通
穴２４を透過するか、あるいは、貫通穴２４の内面２４
ｃで１回反射されただけで、光学素子２３の貫通穴２４
を通過して固体レーザ結晶１４に到る。しかし、励起光
１２のうちの一部の更に大きな発散角で半導体レーザ１
１から放射された光も、光学素子２３の貫通穴２４の側
面２４ｃで２回以上の反射をすることで、開口部２４ｂ
から出て固体レーザ結晶１４に到る。なお、金属表面で
の１回の反射での反射率は９０％から９５％程度であ
り、反射回数が多いと損失が大きくなるが、ほとんどの
光は１回以内の反射で固体レーザ結晶１４に到達するの
で、この損失は問題とならない。また、入射面と射出面
での反射による損失がないという利点が得られる。

【００７０】次に、光軸を含むＸＹ平面における励起光
１２の挙動について、図３（ｂ）を参照して説明する。
半導体レーザ１１は前述したようにＹ方向に長さ５００
μｍに渡る発光面を有するが、図３（ｂ）では、励起光
１２の放出個所を４ヶ所に代表して描いている。ＸＹ平
面内における半導体レーザ１１からの励起光１２の放出
角度（半値全幅）は、前述したように約１０°である。
励起光１２のうち半導体レーザ１１の発光部のＹ方向の
中心付近から出た光線は、貫通穴２４の内面２４ｃで反
射されることなく貫通穴２４をそのまま透過して固体レ
ーザ結晶１４に到るが、Ｙ方向の周辺部から出た光は、
一部が光学素子２４の内面２４ｃによって１回反射さ
れ、光路を内側に変えられてから固体レーザ結晶１４に
至る。

【００７１】以上のＸＺ平面及びＸＹ平面における励起
光１２の挙動の考察からわかるように、光学素子２３の
開口２３ｂから出た励起光１２は、直接光（貫通穴２４
の内面２４ｃで反射されずに直接光学素子２３を透過し
た光）と、反射光（貫通穴２４の内面２４ｃで反射され
た後に光学素子２３を通過した光）との混じったものと
なり、断面形状がほぼ円形で特に光強度の集中する部分
のないものとなる。その直径は、貫通穴２４の開口部２
４ｂから遠く離れないうちは、開口部２４ｂの直径４０
０μｍ程度の直径を保っている。励起光は、固体レーザ
結晶１４内で数１００μｍ程度伝搬されるうちに、その
ほとんどが固体レーザ結晶１４に吸収されるので、励起
光は、固体レーザ結晶１４内で遠くまで伝搬されること
はなく、励起光の直径は固体レーザ結晶１４中でも４０
０μｍを大きく上回ることはない。

【００７２】本実施の形態では、出力レーザビーム１５
の直径は６００μｍであるので、励起光はその直径の内
部にほぼすべてがおさまり、効率の良い励起が行える。
また、励起光の強度分布もほぼ均一であるので、過度の
励起密度による吸収の飽和や、不均一な熱レンズ効果の
発生がない。このように効率良く適切に固体レーザ結晶
１４を励起することができ、それにより、レーザ光の出
力効率の向上とレーザ光の品質の劣化の防止を図ること
ができる。

【００７３】そして、本実施の形態では、励起光学系が
前記光学素子２３のみによって構成されているので、励
起光学系の構成が極めて簡単となり、コストの低減を図
ることができる。のみならず、前記光学素子２３は、レ
ンズ等と異なり焦点等を結ぶものではないので、そのア
ライメントの許容範囲は大きく、アライメントの調整が
極めて容易となる。

【００７４】また、１回の反射ごとに光の偏光方向は元
の偏光方向からずれるが、その量は小さい。前述したよ
うに、励起光のうちの多くの光は直接透過するか又は１
回の反射しかしないため、結果として光学素子２３から
射出された全体としての光の偏光方向と偏光率は、元の
半導体レーザ１１から射出した際の偏光方向と偏光率か
ら大きくずれることがない。したがって、固体レーザ結
晶１４として、一偏光方向の吸収係数が大きいＮｄ：Ｙ
ＶＯ₄を採用しているにもかかわらず、効率の良い励起
が行える。

【００７５】さらに、本実施の形態では、前記光学素子
２３の貫通穴２４の入射側開口部２４ａを適当な大きさ
にしておくこと等によって、励起光１２が当該開口部２
４ａへ入射する際の損失を防止することができるととも
に、当該光学素子２３と半導体レーザ１１の位置調整に
精度は要求されない。

【００７６】さらにまた、本実施の形態では、金属材料
からなる光学素子２３が固体レーザ結晶１４に接触して
いることにより、当該光学素子２３が、固体レーザ結晶
１４で発生した熱が当該光学素子２３の熱伝導によって
効率良く放熱されることになる。すなわち、光学素子２
３が放熱器を兼用することとなる。したがって、従来の
ように、励起光学系とは別に固体レーザ結晶１４で発生
する熱を放熱する放熱器を設ける場合に比べて、部品点
数が減り、コストダウンを図ることができる。

【００７７】次に、本発明の更に他の各実施の形態によ
るレーザ装置について、図５を参照して説明する。

【００７８】図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の各
実施の形態によるレーザ装置を模式的に示す概略構成図
であり、それぞれ図１（ａ）に対応している。これらの
図において、図１（ａ）中の要素と同一又は対応する要
素には同一符号を付し、その重複した説明は省略する。

【００７９】図５（ａ）に示すレーザ装置は、前述した
図１（ａ）に示すレーザ装置において、固体レーザ結晶
１４の励起光入射端面には前記コーティング１７が形成
されておらず、これに代えて、光学素子１３と固体レー
ザ結晶１４との間に、励起光１２に対しては無反射であ
るとともにレーザ光１５に対しては全反射のレーザ共振
用ミラー１９が配置されたものである。

【００８０】図５（ｂ）に示すレーザ装置は、前述した
図１（ａ）に示すレーザ装置において、周知のＱスイッ
チ法により出力レーザ光１５としてパルスレーザー光を
出力するように、固体レーザ結晶１４と部分反射ミラー
１６との間に、音響光学効果による変調器２０が配置さ
れたものである。なお、前述した図１（ａ）に示すレー
ザ装置及び図５（ａ）に示すレーザ装置では、出力レー
ザ光１５として連続光を出力することになる。

【００８１】図５（ｃ）に示すレーザ装置は、前述した
図１（ａ）に示すレーザ装置において、固体レーザ結晶
１４の励起光入射端面には前記コーティング１７が形成
されておらず、これに代えて、光学素子１３と固体レー
ザ結晶１４との間に、励起光１２に対しては無反射であ
るとともにレーザ光１５に対しては全反射のレーザ共振
用ミラー１９が配置され、また、周知のＱスイッチ法に
より出力レーザ光１５としてパルスレーザー光を出力す
るように、固体レーザ結晶１４と部分反射ミラー１６と
の間に、音響光学効果による変調器２０が配置されたも
のである。

【００８２】以上の点以外については図５（ａ）〜
（ｃ）に示す各レーザ装置も前述した図１（ａ）に示す
レーザ装置と同様であり、図５（ａ）〜（ｃ）に示す各
レーザ装置によっても図１（ａ）に示すレーザ装置と同
様の利点が得られる。

【００８３】なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示すレーザ装
置においても、前述した図１（ｂ）光学素子１３に代え
て、前述した図４に示す光学素子を用いてもよいことは
言うまでもない。また、図５（ａ）〜（ｃ）に示すレー
ザ装置においても、固体レーザ結晶１４と部分反射ミラ
ー１６との間には、必要に応じて、波長変換を行う非線
形結晶を配置してもよい。

【００８４】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【００８５】前述した各実施の形態においては、励起光
学系が光学素子１３又は光学素子２３のみで構成されて
いたが、例えば、半導体レーザ１１と光学素子１３又は
光学素子２３との間にファイバーを配置してもよい。こ
の場合、励起光学系が光学素子１３又は光学素子２３と
当該ファイバーとにより構成されることになる。この場
合には、前述した励起光の偏光状態の保持や、ファイバ
ーへの入力結合時の損失の防止や、ファイバーと励起光
源の位置調整の精度の緩和という利点を得ることはでき
ないものの、前述した従来のファイバー方式と同様に、
半導体レーザ１１の配置の自由度を高めることができる
とともに、近接方式やレンズ方式で生じていた問題は発
生しない。のみならず、励起光をファイバーで導いた後
にレンズを通す従来のファイバー方式と異なり、励起光
をファイバーで導いた後に前述したように前記光学素子
にて整形するので、レンズと異なり当該光学素子の位置
調整には精度が必要ないことから、調整の手数が大幅に
軽減される。勿論、ファイバーにて導かれた後の励起光
が前記光学素子にて整形されるので、ファイバーの太さ
等にも制約がなくなる。

【００８６】また、前述した光学素子１３，２３は、レ
ーザ装置のみならず、入射光を均一な光強度分布を有す
る所望の断面形状に整形する種々の用途において用いる
ことができる。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
効率良く適切にレーザ媒質を励起することによりレーザ
光の出力効率の向上とレーザ光の品質の劣化の防止を図
ることができ、しかも、構造が簡単でアライメント等の
調整が簡単なレーザ装置を提供することができる。

【００８８】また、本発明によれば、レーザ媒質の放熱
を簡単な構造で行うことができ、安価なレーザ装置を提
供することができる。

【００８９】さらに、本発明によれば、入射光を均一な
光強度分布を有する所望の断面形状に整形することがで
き、しかも、構造が簡単でアライメント等の調整が可能
な光学素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるレーザ装置を示す
図であり、図１（ａ）は当該レーザを模式的に示す概略
構成図、図１（ｂ）は当該レーザ装置に用いられた光学
素子を示す拡大斜視図である。

【図２】図１に示すレーザ装置の要部を示す図であり、
図２（ａ）は図１（ａ）中の要部拡大図、図２（ｂ）は
図２（ａ）中のＡ−Ａ矢視図である。

【図３】本発明の他の実施の形態によるレーザ装置を示
す図であり、図２（ａ）は当該レーザ装置の要部拡大
図、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＢ−Ｂ矢視図であ
る。

【図４】図３に示すレーザ装置において用いられた光学
素子を示す拡大斜視図である。

【図５】本発明の更に他の各実施の形態によるレーザ装
置を模式的に示す概略構成図である。

【図６】従来のレーザ装置を模式的に示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１１半導体レーザ１２励起光１３，２３光学素子１３ａ，１３ｂ底面１３ｃ側面１４固体レーザ結晶１５レーザ光１６部分反射ミラー１７，１８コーティング１９レーザ共振用ミラー２０変調器２４貫通穴２４ａ，２４ｂ開口部２４ｃ内面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質と、励起光源とを備えたレー
ザ装置であって、前記励起光源からの励起光が前記レー
ザ媒質からの出力レーザ光と同軸的に前記レーザ媒質に
入射するように、前記励起光を前記レーザ媒質へ導く励
起光学系を備えたレーザ装置において、前記励起光学系は、前記励起光に対して透明な材料から
なるとともに２つの底面及び側面を有する部材を有する
光学素子であって、前記２つの底面のうちの一方の底面
から前記励起光が入射され、当該入射された励起光の一
部を前記側面で反射させることなく前記２つの底面のう
ちの他方の底面から射出させ、前記入射された励起光の
残りを前記側面で反射させて前記他方の底面から射出さ
せ、前記他方の底面が所望のレーザモード形状に応じた
形状を有する光学素子を、含むことを特徴とするレーザ
装置。
【請求項２】前記２つの底面のうちの少なくとも一方
の底面は曲面からなることを特徴とする請求項１記載の
レーザ装置。
【請求項３】レーザ媒質と、励起光源とを備えたレー
ザ装置であって、前記励起光源からの励起光が前記レー
ザ媒質からの出力レーザ光と同軸的に前記レーザ媒質に
入射するように、前記励起光を前記レーザ媒質へ導く励
起光学系を備えたレーザ装置において、前記励起光学系は、内面が前記励起光に対する反射面で
ある貫通穴を有する光学素子であって、前記貫通穴の２
つの開口部のうちの一方の開口部から前記励起光が入射
され、当該入射された励起光の一部を前記内面で反射さ
せることなく前記２つの開口部のうちの他方の開口部か
ら射出させ、前記入射された励起光の残りを前記内面で
反射させて前記他方の開口部から射出させ、前記他方の
開口部が所望のレーザモード形状に応じた形状を有する
光学素子を、含むことを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】前記光学素子が金属材料からなることを
特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
【請求項５】前記光学素子が前記レーザ媒質で発生す
る熱を放熱させる放熱器として兼用されたことを特徴と
する請求項３又は４記載のレーザ装置。
【請求項６】前記光学素子が、前記貫通穴に対応する
穴を有する部材と、該部材の当該穴の内面にコーティン
グされた反射膜と、を有することを特徴とする請求項３
記載のレーザ装置。
【請求項７】前記励起光源が半導体レーザであること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ
装置。
【請求項８】前記レーザ媒質が固体レーザ媒質である
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のレ
ーザ装置。
【請求項９】入射光に対して透明な材料からなるとと
もに２つの底面及び側面を有する部材を有する光学素子
であって、前記２つの底面のうちの一方の底面から前記
入射光が入射され、当該入射された入射光の一部を前記
側面で反射させることなく前記２つの底面のうちの他方
の底面から射出させ、前記入射された入射光の残りを前
記側面で反射させて前記他方の底面から射出させること
を特徴とする光学素子。
【請求項１０】内面が入射光に対する反射面である貫
通穴を有する光学素子であって、前記貫通穴の２つの開
口部のうちの一方の開口部から前記入射光が入射され、
当該入射された入射光の一部を前記内面で反射させるこ
となく前記２つの開口部のうちの他方の開口部から射出
させ、前記入射された入射光の残りを前記内面で反射さ
せて前記他方の開口部から射出させることを特徴とする
光学素子。