JPH11346019A

JPH11346019A - レーザー装置

Info

Publication number: JPH11346019A
Application number: JP15258198A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Miyake; 和幸三宅; Koichi Taniguchi; 浩一谷口
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー装置において、光共振器の内部に、
光共振器外へ出力させるべきでない光がある場合、その
ような光を効果的に除去しながらも、レーザー装置全体
の小型化を行うこと。【解決手段】レーザー装置、特に半導体レーザー素子
を励起光源１としレーザー結晶２を有する固体レーザー
装置である。光共振器の１対のミラー３、４のうち、少
なくとも出力側ミラー４を独立したミラー部品として形
成する。出力側ミラー４は、透明部材を母体４ｂとす
る。該母体のうち、光共振器内側となる面には、光共振
器を構成すべくレーザー発振光を反射する誘電体多層膜
４ａを設ける。また、光共振器外側となる面には、当該
光共振器から出力させるべき波長の光Ｌｘを透過させ、
かつ出力させるべきでない波長の光Ｌｙを反射する誘電
体多層膜４ｃを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ装置の技術
分野に属するものであり、詳しくは、レーザー光を光共
振器内で波長変換し出力し得る装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザー素子を励起光源とする固
体レーザー装置は、数ｍＷ〜数１０ｍＷ程度の出力であ
れば、比較的容易に小型のものとして作製することが可
能である。このような固体レーザー装置の基本構成は、
励起光源である半導体レーザー素子からレーザー光を光
学レンズで光共振器内部のレーザー結晶に入射し、該結
晶から放出された特定の波長光を光共振器にてレーザー
発振させ、光共振器の出力側ミラーから出射する構成で
ある。

【０００３】上記における光共振器の構成は、通常小型
化のために、レーザー結晶の端面に適切なコーティング
を行って片側のミラーとする。そして、さらに小型化の
ためには、半導体レーザー素子からの励起光を、光共振
器の光軸に沿って該ミラー（入射側ミラー）を通してレ
ーザー結晶に入射する軸方向励起をとる。一方、レーザ
ー横モードの微調を行うために、他方の側のミラー（出
力側ミラー）には、レーザー発振光に対して適切な反射
率を有し、１個の部品として独立したミラーを用いる。

【０００４】このような固体レーザー装置の構成では、
レーザー活性媒体の励起に寄与しなかった余分な励起光
も出力光に混じって光共振器から出てしまい問題となる
場合がある。

【０００５】一方、光共振器内の光路上にＳＨＧ素子な
どの波長変換素子を配置し、光共振器で基本波をレーザ
ー発振させると共に、その基本波を波長変換して出力す
る装置が知られている。通常、このような装置では、波
長変換された結果の光が必要であるために、基本波は出
力されない方が好ましい。

【０００６】そのため、出力側のミラーの基本波に対す
る反射率をできるだけ高く、ほぼ１００％として共振器
を構成するが、その場合、共振器内部の電界が非常に強
くなるため、わずかな透過率（例えば、ミラーの反射率
が９９．９％としても、０．１％）のために、ある程度
の基本波が共振器外にもれ出てくる。

【０００７】以上のような場合において、余分な励起光
や基本波などを取り除くためには、通常、出力側ミラー
の後に、それらの光をカットするためのフィルターが独
立部品として別途設けられる。このフィルターとして
は、波長に応じて種々の特性を持ったカラーガラスフィ
ルターなどが用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、フィルターを
用いる構成では、その分だけレーザー装置の全長が長く
なってしまうため、全体として十分には小型化ができな
いことが問題となっていた。これに対する対策として、
特開平６−６９５７３号公報に述べられているように、
上記カラーガラスフィルターを出力ミラーの母材に用い
ることも試みられている。しかし、その場合、カラーガ
ラス内の屈折率分布が通常の合成石英母材などに比べて
大きいため、誘電体多層膜ミラーを蒸着した場合に、透
過率に面内分布が生じるなどの問題があった。

【０００９】本発明の課題は、レーザー装置において、
光共振器の内部に、光共振器外へ出力させるべきでない
光がある場合、そのような光を効果的に除去しながら
も、レーザー装置全体の小型化を行うことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光強度変調レー
ザー装置は、以下の特徴を有するものである。（１）光共振器の１対のミラーのうち、少なくとも出力
側ミラーが独立したミラー部品として形成され、出力側
ミラーは透明部材を母体とし、該母体のうち、光共振器
内側となる面には、光共振器を構成すべく、レーザー活
性媒体からのレーザー発振光を反射する誘電体多層膜が
設けられ、光共振器外側となる面には、当該光共振器か
ら出力させるべき波長の光を透過させ、かつ出力させる
べきでない波長の光を反射する誘電体多層膜が設けられ
ていることを特徴とするレーザー装置。

【００１１】（２）光共振器から出力させるべき波長の
光が、レーザー発振光であり、出力させるべきでない波
長の光が励起光である上記（１）記載のレーザー装置。

【００１２】（３）光共振器の１対のミラー間に、レー
ザー発振光を波長変換する波長変換素子が設けられ、光
共振器から出力させるべき波長の光が、前記波長変換素
子によって波長変換された光であり、出力させるべきで
ない波長の光がレーザー発振光および励起光である上記
（１）記載のレーザー装置。

【００１３】（４）上記母体の光共振器外側となる面
が、１対のミラーの中心軸に垂直な面に対して、０度よ
り大きく４５度以下の角度で交わる面である上記（１）
記載のレーザー装置。

【００１４】以下、出力させるべき波長の光を「出力
光」、出力させるべきでない波長の光を「非出力光」と
も呼んで説明する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に、本発明のレーザー装置の
構成例を挙げる。同図の例では、半導体レーザー装置１
を励起光源とし、１対のミラー３、４からなる光共振器
によってレーザー活性媒体（レーザー結晶）２を挟んだ
固体レーザー装置の構成となっている。光学系は説明を
省略する。励起光源１からは励起光Ｌ１が、光共振器の
光軸上の一方の側から入射側のミラー３を通してレーザ
ー結晶２に入射し、光共振器で発振したレーザー発振光
Ｌ２が、出力光Ｌｘとして出力側ミラー４から出射され
る構成である。図１の例で問題としているのは、励起光
Ｌ１が完全には使用されずにレーザー結晶２を通過し、
非出力光Ｌｙとして、出力側ミラー４から出ようとする
ことである。同図はそれを防止するための態様例であ
る。

【００１６】本発明では、図１に示すように、光共振器
の１対のミラー３、４のうち、少なくとも出力側ミラー
４を独立したミラー部品として形成する。該出力側ミラ
ー４は、透明部材を母体４ｂとし、これに反射機能を付
与するための誘電体多層膜４ａ、４ｃが付与された構造
とする。該母体４ｂのうち、光共振器内側となる面に
は、光共振器を構成すべく所定の波長光を反射しレーザ
ー発振させるための誘電体多層膜４ａを設ける。誘電体
多層膜４ａの反射率は、レーザー発振光Ｌ２が出力され
るよう、適当な値に設定されている。一方、光共振器外
側となる面には、出力光Ｌｘ（＝Ｌ２）を透過させ、か
つ非出力光Ｌｙ（＝Ｌ１）を反射する誘電体多層膜４ｃ
を設ける。

【００１７】上記構成とすることによって、非出力光Ｌ
ｙが光共振器外に出ていくのを光共振器の外側の面で阻
止することができる。この構成は、フィルターなどの別
部品を必要としないので、レーザー装置全体がよりコン
パクトにまとまる。さらに、出力ミラーの母材として
は、従来通り合成石英やＢＫ７等の市販されている高品
質な基材をそのまま用いることができ、それらは屈折率
分布もなく、値も正確にわかっているためにミラーの設
計、作製も容易である。

【００１８】レーザー装置の基本構成は、図１に示すよ
うに、半導体レーザー素子を励起光源とする固体レーザ
ー装置の態様が好ましい。レーザー活性媒体としては、
ＮｄやＴｍをドープしたＹＡＧ結晶、あるいはＮｄやＥ
ｒをドープしたＹＶＯ₄結晶など、一般的な固体レーザ
ー装置用のレーザー活性媒体を用いることが出来る。

【００１９】半導体レーザー素子からの励起光の波長
は、希望の発振波長を得るために用いられるレーザー活
性媒体との組み合わせで決まる。例えば、希土類元素を
ドープ（あるいは直接化合物としたもの）したレーザー
活性媒体を用いる場合、その希土類元素の種類に対して
適切な波長の励起光を選択すべきである。特にレーザー
活性媒体としてＮｄドープＹＶＯ₄結晶を用い、その励
起光源として波長８１０ｎｍ近傍のレーザー光を出射す
る半導体レーザー素子を用いる組み合わせは、安価で小
型の固体レーザー装置を構成することができるので好ま
しい。

【００２０】レーザーを小型化するために、レーザー結
晶の端面にコーティングを施して反射機能を付与し、こ
れを光共振器の１対のミラーのうちの片側のミラーとし
て用いる態様が好ましい。ミラーを通して励起光をレー
ザー結晶に入射させる場合、このミラーが入射側のミラ
ーとなる。

【００２１】出力側ミラーは、上記したように、独立し
たミラー部品として形成し、透明部材を母体とし、それ
に反射機能を付与するための誘電体多層膜を付与した構
造とする。この母体のうち、光共振器内側となる面を、
光共振器のための反射面とし、光共振器外側となる面
を、非出力光を阻止するための反射面とする。以下、母
体の光共振器内側となる面の誘電体多層膜を「内側膜」
とも呼び、母体の光共振器外側となる面の誘電体多層膜
を「外側膜」とも呼んで説明する。

【００２２】母体となる透明部材の形状は、レーザー発
振を安定化させるために、光共振器内側となる面（光共
振器のための反射面）を、適度な曲率の湾曲面とするこ
とができる。透明部材の材料は、レーザー発振光の波長
を含む広い波長域の光に対して透明な材料であってよ
く、カラーガラスのように特定の波長だけに特別な量の
透過特性を求める必要はない。非出力光の出射を阻止す
る反射機能が誘電体多層膜によって別途付与されるから
である。ここでいう透明とは、ある特定の波長に対する
吸収を意図したものではないということである。具体的
な透明部材の材料としては、例えば、合成石英、ＢＫ７
などが挙げられる。

【００２３】内側膜には、出力光を外部に取り出すため
に、出力光に対してある程度の透過率を持たせる。この
透過率は通常の光共振器の場合と同様、９０〜９９％程
度であればよい。

【００２４】外側膜は、本発明の目的が達成される範囲
で、出力光に対してできる限り大きな透過率を持たせ、
非出力光に対してできる限り大きな反射率を持たせる。
出力光の透過率は９０％〜１００％程度、非出力光の反
射率は、０．０１％〜０．５％程度とするのが好まし
い。

【００２５】次に、本発明の有効な実施形態として、可
視光を出射し得る小型の固体レーザー装置の態様を説明
する。図２はその具体的な態様の一例であって、赤外光
を発する半導体レーザー素子１を励起光源とする固体レ
ーザー装置である。その光共振器の１対のミラー３と４
との間（実際には、レーザー結晶２と出力側ミラー４と
の間）には、レーザー発振光Ｌ２を基本波としてこれを
可視光に波長変換する波長変換素子５がさらに設けられ
ており、波長変換された可視光が出力光Ｌｘとして出力
側ミラー４を通して出力される構成となっている。この
例では、波長変換された可視光だけが出力光Ｌｘであ
り、基本波（レーザー発振光）および励起光が非出力光
Ｌｙである。

【００２６】波長変換素子としては、第二高調波発生に
よって波長変換する素子（ＳＨＧ素子）、光パラメトリ
ック発振によって波長変換する素子（ＯＰＯ素子）など
が挙げられる。これら素子による波長変換は、図２の例
のような可視光への変換だけに限定されるものではな
い。ＳＨＧ素子あるいはＯＰＯ素子としては、ＫＴｉＯ
ＰＯ₄結晶、ＢａＢ₂Ｏ₄結晶や、周期的分極反転を形
成したＬｉＮｂＯ₃結晶（ＰＰＬＮ）、同様に分極反転
したＬｉＴａＯ₃結晶（ＰＰＬＴ）などを用いることが
できる。周期的分極反転を形成したＺカットＬｉＮｂＯ
₃結晶を用いた素子は、擬似位相整合による高い変換効
率を有し好ましい。

【００２７】図２に示すように、光共振器内にＳＨＧ素
子５を挿入することで、高効率、高出力の可視光レーザ
ー装置が容易に作製できる。このとき、出力側ミラーの
誘電体多層膜４ａを、基本波Ｌ２となる発振波長に対し
てほぼ１００％の反射率となるように作製することで、
基本波の閉じ込めを大きくして基本波の発振強度を稼ぐ
と共に、ＳＨＧの強度を高め、かつ余分な基本波が外部
に出てこないようにすることができる。しかしながら、
実際には１００％の反射率を持つミラーは作製できない
ため、９９．９％程度の反射率を持つミラーを使うこと
になる。一方、光共振器内に閉じ込められる基本波のエ
ネルギーは相当高くなり、たとえ０．１％以下であって
も、出力ミラーを透過してくる基本波は無視できないぐ
らいのエネルギーとなる。そこで、この漏れ出てくる基
本波を非出力光Ｌｙとしてこれを専用に除去するための
誘電体多層膜４ｃを母体４ｂの外側に設ける。

【００２８】この構成によって、基本波の漏れは非出力
光Ｌｙとして外側膜で反射され、ＳＨＧ光だけが出力光
Ｌｘとしてそのまま出力され、なおかつ独立したフィル
ター部材の無いコンパクトな可視光レーザー装置とな
る。外側膜における基本波の反射率を内面と同様９９．
９％程度とすれば、最終的に外部に漏れ出る基本波出力
は、内部電界強度の０．０００１％程度となり、実使用
上、問題のない低いレベルとなる。

【００２９】波長変換素子としてＯＰＯ素子を用いる場
合、シグナル波とアイドラー波が発生するが、そのどち
らかの光だけを出力光として用いたい場合がある。例え
ば、シグナル波だけを出力光とし、アイドラー波を非出
力光とする場合である。また、ＯＰＯ素子で変換されず
に残った基本波や励起光も非出力となる。図２の場合と
同様に、これら非出力光を専用に除去するための誘電体
多層膜を母体の外側に設けることによって、独立したフ
ィルター部材の無いコンパクトなＯＰＯレーザー装置と
なる。

【００３０】出力側ミラーの外側膜の透過・反射の特性
は、出力光が透過でき、非出力光を反射し得るのであれ
ばよい。また、誘電体多層膜の層数や構造に制限はな
い。例えば、図２の構成において、励起光８１０ｎｍ、
基本波１０６４ｎｍ、第二高調波５３２ｎｍとして、第
二高調波だけを出力するためには、５３２ｎｍのバンド
パスフィルター型の透過特性とすることができる。

【００３１】出力側ミラーの外側膜で反射させた非出力
光が光共振器内の方向に戻る結果、固体レーザー装置自
らの特性に問題が生じる場合がある。例えば、外側膜で
反射した励起光が、励起光源である半導体レーザー装置
まで戻ってレーザー発振の特性を不安定化させる場合
や、基本波に対する光共振器構造が２重になって干渉を
起こす場合などが挙げられる。

【００３２】本発明では、本発明の装置によって生じる
このような現象を、さらに解決すべき問題とし、これを
解決するための構成を提案する。即ち、図１に示すよう
に、母体４ｂの光共振器外側となる面Ｆａを、光共振器
の１対のミラーの中心軸ｍに垂直な面Ｆｂと適当な角度
θをなして交わるように形成する構成である。この構成
によって、非出力光が１８０度反転して元の方向に戻る
ことがなくなり、レーザー発振の特性を不安定化させる
等の問題が解消される。前記角度θは、限定されるもの
ではないが、０度より大きく、４５度以下の角度が好ま
しい。

【００３３】

【実施例】図２に示す構成の固体レーザー装置を実際に
製作した例を示す。励起光源１には、波長８１０ｎｍ、
連続（ＣＷ）発振で最大出力１５０ｍＷの半導体レーザ
ー素子を用い、レーザー活性媒体２には、ＮｄドープＹ
ＶＯ₄結晶を用いて基本波の波長を１０６４ｎｍとし、
ＳＨＧ素子５には、中心軸ｍ方向の厚さ５ｍｍのＫＴｉ
ＯＰＯ₄結晶を用い、第二高調波（５３２ｎｍグリーン
光）を出力光Ｌｘとし、基本波１０６４ｎｍ光の漏れを
非出力光Ｌｙとした。

【００３４】半導体レーザー素子は、ペルチェ素子を用
いて２５．０℃に温調した。また、半導体レーザー素子
からの励起光Ｌ１を、光学レンズ（図示せず）を用いて
レーザー結晶２に入射する構成とした。

【００３５】ＹＶＯ₄結晶は、Ｎｄ濃度１．０at％、中
心軸ｍ方向の厚さを１ｍｍとする平行平面状の物を用
い、励起光が入射する側の端面には、８１０ｎｍに対し
て無反射、１０６４ｎｍに対して高反射のコーティング
を施し入射側ミラー３とした。また、反対側の端面には
１０６４ｎｍに対して無反射コーティングを施した。

【００３６】出力側ミラー４は、母体４ｂとなる透明部
材の材料を合成石英とした。該母体には、光共振器内側
となる面の曲率半径が５０ｍｍで、外面平面の平凹基板
を用い、図１に示すように、光共振器外側となる面Ｆａ
を、中心軸ｍに垂直な面Ｆｂと角度３度をなして交わる
ように研磨したものを用いた。

【００３７】出力側ミラーの内側膜４ａは、基本波１０
６４ｎｍに対して約９９．９％の反射率、第二高調波５
３２ｎｍに対して約９５％の透過率となる誘電体多層膜
をコーティングで形成した。

【００３８】出力側ミラーの外側膜４ｃにも、内側と同
じく、内側膜４ａを透過して漏れてくる基本波１０６４
ｎｍに対して９９．９％の反射率、第二高調波５３２ｎ
ｍに対して約９５％の透過率となる誘電体多層膜をコー
ティングで形成した。

【００３９】以上の構成として固体レーザー装置を稼働
させたところ、出力光Ｌｘである第二高調波５３２ｎｍ
光は出力１０ｍＷとなり、非出力光Ｌｙである１０６４
ｎｍ光は光パワーメータの検出限界以下であった。

【００４０】半導体レーザー素子から出力側ミラーの最
外端までの装置の全長は２５ｍｍとなり、フィルターを
用いて非出力光をカットする従来の構成よりも、１０ｍ
ｍ程度短く、コンパクトな装置となった。

【００４１】比較例出力側ミラーの外側膜４ｃを形成しないこと以外は、実
施例１の固体レーザー装置と全く同様に装置を構成し、
稼働させたところ、出力光である第二高調波５３２ｎｍ
光は出力１２ｍＷであったが、同時に非出力光である１
０６４ｎｍ光も５ｍＷ程度出力されていた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザー
装置によって、非出力光を効果的に排除しながらも、レ
ーザー装置全体をよりコンパクトにすることができるよ
うになった。さらに、出力側ミラーの外側面を適度に傾
けることによって、出力側ミラーの外側膜で反射した非
出力光が光共振器内の方向に戻って発生する種々の問題
を回避できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザー装置の主要部分の構成を
概略的に示す図である。

【図２】本発明によるレーザー装置の他の態様を概略的
に示す図である。

【符号の説明】

１励起光源２レーザー活性媒体３光共振器の一方のミラー４光共振器の出力側ミラー４ａ内側膜４ｂ母体４ｃ外側膜Ｌ１励起光Ｌ２基本波Ｌｘ出力光Ｌｙ非出力光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光共振器の１対のミラーのうち、少なく
とも出力側ミラーが独立したミラー部品として形成さ
れ、出力側ミラーは透明部材を母体とし、該母体のうち、光
共振器内側となる面には、光共振器を構成すべく、レー
ザー活性媒体からのレーザー発振光を反射する誘電体多
層膜が設けられ、光共振器外側となる面には、当該光共振器から出力させ
るべき波長の光を透過させ、かつ出力させるべきでない
波長の光を反射する誘電体多層膜が設けられていること
を特徴とするレーザー装置。
【請求項２】光共振器から出力させるべき波長の光
が、レーザー発振光であり、出力させるべきでない波長
の光が励起光である請求項１記載のレーザー装置。
【請求項３】光共振器の１対のミラー間に、レーザー
発振光を波長変換する波長変換素子が設けられ、光共振器から出力させるべき波長の光が、前記波長変換
素子によって波長変換された光であり、出力させるべき
でない波長の光がレーザー発振光および励起光である請
求項１記載のレーザー装置。
【請求項４】上記母体の光共振器外側となる面が、１
対のミラーの中心軸に垂直な面に対して、０度より大き
く４５度以下の角度で交わる面である請求項１記載のレ
ーザー装置。