JP3333849B2

JP3333849B2 - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP3333849B2
Application number: JP27719993A
Authority: JP
Inventors: 喜幸米澤; 良平田沼
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-11-08
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 2002-10-15
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: JPH07131092A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを励起光
源としてロッド状固体レーザ媒質を励起してレーザ出力
を得る固体レーザ装置、特にその光励起方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザを励起光源として固体レー
ザ媒質を光励起する方式として、従来より端面励起方
式，および側面励起方式が知られている。ここで、従来
における端面励起方式の固体レーザ装置を図１４に示
す。図において、１はロッド状の固体レーザ媒質、２は
励起用の半導体レーザ、３は半導体レーザ２から出射し
た励起光（レーザ光）４をコリメート・集光する集光レ
ンズ、５は出力ミラー（部分透過ミラー）であり、これ
らを光軸上に並べてレーザ装置を構成している。また、
半導体レーザ２と対向する固体レーザ媒質１のレーザ光
入射端面１ａは励起光に対して高透過率，固体レーザ媒
質の発振光に対して高反射率を与えるようにダイクロイ
ックコーティングがなされており、前記した出力ミラー
５とともに光共振器を構成している。

【０００３】かかる構成で、半導体レーザ２より出射し
たレーザ光は、励起光４として集光レンズ３によりコリ
メート・集光してロッド端面１ａより注入して固体レー
ザ媒質１に吸収されるとともに、光共振器により吸収さ
れたエネルギーは誘導放出を生じてレーザ発振する。こ
のような端面励起方式は、固体レーザ媒質の発振モード
体積内に効率よく励起光を集中することができるので、
高効率，かつ高ビーム品質のレーザ光を得ることができ
る。

【０００４】次に、側面励起方式の固体レーザ装置の一
例を図１５に示す。このレーザ装置はロッド状固体レー
ザ媒質１と、そのロッド側面に対向配置した半導体レー
ザ２と、固体レーザ媒質１の両端面１ａ，１ｂに対向配
置した全反射ミラー６，出力ミラー５とから構成されて
おり、全反射ミラー６と出力ミラー５とで光共振器を構
成してレーザ光を発振する仕組みになっている。

【０００５】この側面励起方式では、固体レーザ媒質１
のロッド全長に沿って側面から励起光４を注入して光励
起するために、多くの励起光を注入することができる。
また、固体レーザ励起用の半導体レーザ２としては、多
数個の半導体レーザを一次元的に並べた高出力のレーザ
ダイオードアレーが採用される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来の固体レーザ装置では、出力，効率面で次記のような
問題点がある。（１）端面励起方式は、高い励起効率の得られる反面、
レーザダイオードアレーなどの多数の半導体レーザから
出射した励起光（レーザ光）を小さなスポットに集光し
て固体レーザ媒質の端面に注入させることが難しく、ま
た励起光が集中できても、高強度励起に伴いロッド端面
付近に集中的に熱が発生して端面温度が局部的に上昇
し、これが基で固体レーザ媒質には熱レンズ効果、熱的
ストレスによる複屈折効果を誘起して光波面の乱れが生
じるほか、熱的ストレスが大きくなると結晶の破壊限界
をこえるおそれがあって高出力レーザ装置には不向きで
ある。

【０００７】（２）また、側面励起方式では、励起光を
固体レーザ媒質に対して周面よりロッドの直径方向に注
入するようにしているので吸収長が長くとれず、このた
めに励起効率が低くなる。なお、この励起効率低下を改
善策として、励起光注入部を除く固体レーザ媒質の周面
を高反射材で覆う方法が提案されている。しかして、単
純に励起光を固体レーザ媒質に封じ込めるだけでは寄生
発振の生じるおそれがあって効率改善にも限界がある。

【０００８】このように固体レーザ装置に対する従来の
光励起方式では、励起効率を上げようとすると高出力が
得られず、逆に高出力を得ようとすると励起効率が低下
するといった問題がある。本発明は上記の点にかんがみ
なされたものであり、その目的は前記課題を解決し、端
面励起方式による高励起効率と、側面励起方式による高
強度励起を両立させ、励起光の注入に伴う熱的影響を抑
えつつ、かつ吸収係数の低い固体レーザ媒質でも高効率
に光励起して高レーザ出力が得られるようにした固体レ
ーザ装置、特にその光励起方式を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、参考手段ならびに本発明の固体レーザ装置は次記の
ように構成するものとする。参考手段１：固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面に
反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体レ
ーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の端面に直接
注入するよう構成する。

【００１０】参考手段２：固体レーザ媒質の励起光入射
側端面および側面を取り巻いて周面に反射面を形成した
冷却水路を設けるとともに、半導体レーザから出射した
励起光を前記冷却水路の入射窓を通じて固体レーザ媒質
の端面に注入するよう構成する。（１）固体レーザ媒質の励起光入射側端面および側面を
取り巻いて周面に反射面を形成した冷却水路を設けると
ともに、半導体レーザから出射した励起光を前記冷却水
路の入射窓を通じて固体レーザ媒質の端面，および冷却
水路断面で形成される領域に注入するよう構成する。

【００１１】（２）固体レーザ媒質の側面を取り巻いて
周面に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半
導体レーザから出射した励起光をリング状光束に変換し
た上で、冷却水路の入射窓を通じて冷却水路断面領域に
注入するよう構成する。また、半導体レーザから出射し
た励起光をリング状光束に変換する手段として、励起光
の入射光路上に円錐レンズを設ける。

【００１２】（３）固体レーザ媒質の側面を取り巻いて
周面に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半
導体レーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の光軸
と直角方向から冷却水路の一端側に入射し、かつ励起光
の入射部に形成した傾斜反射面で励起光の方向を変えて
固体レーザ媒質の周面に注入させるよう構成する。ま
た、前記各項の構成に対しては、次記のような要件を付
加して実施することができる。

【００１３】（４）冷却水路内の途中箇所に介装した固
体レーザ媒質保持部材の前部に励起光反射板を設ける。（５）冷却水路の反射面を、該冷却水路内に介装した透
明フローチューブの外周面に形成する。（６）固体レーザ媒質のレーザ出力側端面に対向して、
励起光に対し高反射，固体レーザ媒質の発振レーザ光に
対し高透過特性を示すダイクロイックミラーを固体レー
ザ媒質の光軸と４５゜の角度に配置するとともに、該ダ
イクロイックミラーに向けて前記光軸と直交する方向に
別な励起光源としての半導体レーザを追加設置し、励起
光を固体レーザ媒質の両端側から注入するようにする。

【００１４】（７）半導体レーザの励起光源と組合わせ
た前記の固体レーザ装置を初段モジュールとして、同じ
光軸上に固体レーザ媒質と反射面付き冷却水路を組合わ
せた複数基のモジュールを直列に配置し、かつ２段目以
降の各モジュールに対しては、その固体レーザ媒質の端
面に対向して励起光に高反射，固体レーザ媒質の発振レ
ーザ光に高透過特性を示すダイクロイックミラーを光軸
と４５゜の角度に配置した上で、該ダイクロイックミラ
ーに向けて前記光軸と直交する方向に励起光源しての半
導体レーザを設置するとともに、初段と最終段のモジュ
ールの間で光共振器を構成する。

【００１５】（８）前項（７）と同様に半導体レーザの
励起光源と組合わせた前記の固体レーザ装置を初段モジ
ュールとして、同じ光軸上に固体レーザ媒質と反射面付
き冷却水路を組合わせた複数基のモジュールを直列に配
置し、かつ２段目以降の各モジュールに対しては、その
固体レーザ媒質の端面に対向して励起光に高反射，固体
レーザ媒質の発振レーザ光に高透過特性を示すダイクロ
イックミラーを光軸と４５゜の角度に配置した上で、該
ダイクロイックミラーに向けて前記光軸と直交する方向
に励起光源しての半導体レーザを設置するとともに、初
段モジュールに光共振器を組み、２段目以降のモジュー
ルを増幅段として初段モジュールのレーザ出力を増幅す
るようにする。

【００１６】（９）固体レーザ媒質をＮｄ：ＹＡＧ結晶
とし、かつ半導体レーザの発振波長を、Ｎｄ：ＹＡＧ結
晶の有効吸収波長ピークの一つである８８５ｎｍ付近に
定める。尚、半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面
に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体
レーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の端面に直
接注入するようにした固体レーザ装置、ならびに、半導
体レーザを励起光源としてロッド状固体レーザ媒質を光
励起し、レーザ出力を得る固体レーザ装置において、固
体レーザ媒質の励起光入射側端面および側面を取り巻い
て周面に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、
半導体レーザから出射した励起光を前記冷却水路の入射
窓を通じて固体レーザ媒質の端面に注入するようにした
固体レーザ装置、において（４）項もしくは（５）項の
構成を採用したものも本発明である。

【００１７】

【作用】参考手段１の構成によれば、固体レーザ媒質の
ロッド端面から注入された励起光の一部はそのままレー
ザ媒質に吸収される。一方、固体レーザ媒質に吸収され
ずにロッド側面から周りに散逸する励起光は冷却水路内
に拡散し、冷却水路の内部を満たしている冷却水を通過
して周面の反射面に反射，方向転換した後、再び固体レ
ーザ媒質に戻ってその側面より注入，吸収される。した
がって、半導体レーザから出射した励起光を特に小さな
スポットに集光せずに、ある程度分散させたまま固体レ
ーザ媒質のロッド端面に注入することが可能であり、こ
れにより固体レーザ媒質に対する集中的な熱発生，熱応
力、したがって熱レンズ効果，複屈折効果の影響が小さ
くなり、かつ励起光の外部漏れも少なくなって励起効率
を高めることができる。また、この構成により、吸収係
数の低いレーザ媒質でも高効率で光励起が行えるほか、
冷却水路に循環通流させる冷却媒体として例えば純水の
ように励起光に対して高透過率，レーザ発振光に対して
低透過率を示すものを用いることで、固体レーザ媒質で
の寄生発振を良好に抑制できる。

【００１８】また、参考手段２の構成では、固体レーザ
媒質の励起光入射側端面が冷却水中に浸漬されているの
で、励起光の入射に伴う集中的な温度上昇，過大な熱的
ストレスの発生が抑えられるほか、冷却水路のシールも
容易となり、さらにレーザ媒質の表面焼けなどの端面損
傷が起きる可能性も低くなる。そして本発明（１）項の
構成においては、励起光は固体レーザ媒質のロッド端
面，およびその周りの冷却水路断面領域に分散して注入
され、このうち冷却水路の断面領域に入射した励起光は
冷却水通路内を進む過程で反射面に反射して方向を転じ
た後に固体レーザ媒質のロッド側面に注入される。した
がって、固体レーザ媒質に対し冷却光密度を高めること
なく大量の励起光を注入することができる。これにより
集中的な熱発生が避けられ、かつロッド側面からの励起
強度を増すことができるので、熱レンズ効果，複屈折な
ど抑えつつ固体レーザ媒質全体での均一な励起が可能と
なる。

【００１９】また、（２）項の構成によれば、半導体レ
ーザから出射した励起光は円錐レンズによりリング状光
束に変換される。したがって、固体レーザ媒質のロッド
端面に励起光を直接入射させずに、冷却水通路を通じて
側面励起方式と同様にロッド側面から励起光を分散注入
して励起する可能となり、これにより（１）項の構成で
述べた効果がより一層高められる。

【００２０】また、（３）項の構成においては、固体レ
ーザ媒質に対して、その光軸と直角方向に開口した励起
光入射専用の小径な光学孔を通じて励起光を側方から冷
却水路内に注入するようにしたので、励起光の外部漏れ
が少なくなって励起効率の向上化が図れるほか、固体レ
ーザ媒質のロッド端面には励起光が直接注入されないの
で（２）項と同様な効果が得られる。

【００２１】そして、（４）項の構成を採用することに
より、反射，固体レーザ媒質への注入を繰り返しながら
冷却水路の中を進む励起光が、進行途上で固体レーザ媒
質のロッド保持部材（ゴム製Ｏリングなど）に当たって
吸収されることがなく、その前方に配した反射板に反射
して方向転換し、再び元の冷却水路に戻って固体レーザ
媒質に吸収されるようになるので、これにより励起光の
吸収効率がより一層向上する。

【００２２】また、（５）項の構成によれば、冷却水路
内に介装したフローチューブによって冷却水路の断面，
流路抵抗，冷却水流量などを自由に調節することかでき
るとともに、透明なフローチューブの外周面に金属膜を
蒸着などにより被着することで冷却水路の反射面を簡単
な手段で形成できる。また、（６）項の構成を採用すれ
ば、固体レーザ媒質に対してその両端面側から同時に多
量の励起光を注入することかできるので、励起効率がよ
り一層高まる。

【００２３】さらに、（７）項の構成により、複数基の
モジュール全体で高出力のレーザ出力が得られるように
なるし、また、（８）項の構成では、初段モジュールで
得た高ビーム品質の出力レーザ光をそのまま増幅して出
力することができる。なお、半導体レーザから出射する
励起光の発振波長を固体レーザ媒質の有効吸収波長のピ
ークから多少ずれた波長（好ましくは１０ｎｍ程度）に
定めることにより、吸収係数が低まるものの、励起光の
吸収に伴って生じる固体レーザ媒質のロッド端面付近に
集中的な熱発生，温度上昇が抑えられ、これにより熱レ
ンズ効果，熱ストレスに起因する複屈折などの影響が少
なくなる。

【００２４】さらに、（９）項のように、励起光源であ
る半導体レーザの発振波長を、固体レーザ媒質として採
用したＮｄ：ＹＡＧ結晶の有効吸収波長ピークの一つで
ある８８５ｎｍ付近（通常は励起光の波長が８０８ｎｍ
である）に定めることにより、励起光とレーザ出力との
比を表す量子ディフェクトが向上し、無駄となる熱発生
を大幅に低減（波長８０８ｎｍの励起光と比べて熱発生
が約３０％ダウンする）させることができ、励起効率が
より一層向上する。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の参考例と実施例を図面に基づ
いて説明する。なお、参考例と各実施例の図中で図１
４，図１５に対応する同一部材には同じ符号が付してあ
る。参考例１：図１（ａ）,（ｂ）は本発明の参考例１を示すものであ
る。図において、ロッド状の固体レーザ媒質１は、例え
ばＮｄ：ＹＡＧ結晶で作られたのものであり、その一方
のロッド端面１ａを励起光の入射側端面として励起光源
としての半導体レーザ２が集光レンズ３，全反射ミラー
６を介して対向し、反対側の端面１ｂには出力ミラー５
が対向している。なお、固体レーザ媒質１の両端面１
ａ，１ｂにはレーザ発振光に対して高透過率となるダイ
クロイックコーティングが施されている。また、全反射
ミラー６は励起光に対しては高透過率，レーザ発振光に
対しては高反射率となるようにダイクロイックコーティ
ングがなされており、出力ミラー５とともに光共振器を
構成している。さらに、励起光源としての半導体レーザ
２は、ＧａＡｌＡｓなどを用いたレーザダイオードアレ
イである。

【００２６】また、前記構成に加え、固体レーザ媒質１
のロッド側面を取り巻いてその外周側には筒形のキャビ
ティ７が設置されており、該キャビティ７の内周面と固
体レーザ媒質１との間に冷却水（純水）が循環通流する
冷却水路８が画成されている。そして、冷却水路８の周
面（キャビティ７の内周面）には、金属膜の蒸着，ある
いはキャビティ自身を高反射率の金属材料で構築して、
励起光に対して高反射率となる反射面９が形成されてい
る。なお、１０はキャビティ７の両端と固体レーザ媒質
１の側面との間に介装して冷却水路８の両端を液密シー
ルするゴム製Ｏリングなどの保持部材、１１はリング状
の押え金具である。

【００２７】かかる構成において、半導体レーザ２から
出射した励起光４は集光レンズ３，全反射ミラー６を通
過して固体レーザ媒質１の端面１ａに集光，入射され
る。そして、固体レーザ媒質１に注入された励起光４の
一部はレーザ媒質に直ちに吸収され、残りはロッド側面
より冷却水路８に拡散した後、反射面９に反射して方向
を転じて再び固体レーザ媒質１に戻り、そのロッドの側
面より入射して吸収される。

【００２８】これにより、吸収係数の小さな固体レーザ
媒質１でも光励起を高効率で行うことができる。また、
光励起の際に量子ディフェクトなどから発生する熱は冷
却水路８を流れる冷却水で系外に除熱される。この場合
に冷却水として純水を用いれば、励起光（例えば波長８
０８ｎｍ）に対する吸収率とレーザ発振光に対する吸収
率が１桁以上違うので、固体レーザ媒質１の寄生発振を
良好に回避できる。

【００２９】実施例１：図２は本発明の請求項３に対応する実施例を示すもので
あり、この実施例においては、固体レーザ媒質１の励起
光入射側の端面１ａがキャビティ７の外に露呈せずに、
冷却水路８の中に浸漬されており、かつ冷却水路８の端
面が光透過性のよい入射窓１２でシールされている。ま
た、固体レーザ媒質１は冷却水路８の途中箇所に介装し
た保持部材（ゴム製Ｏリング）１０によりキャビティ７
内の定位置に光軸を合わせて支持されており、かつ該保
持部材１０に並べてその直前（励起光の入射側）には励
起光に対するリング状の反射板１３が設けてある。

【００３０】かかる構成で、半導体レーザ２から出射し
た励起光４は集光レンズ３，全反射ミラー６を経由し、
前記の入射窓１２を通じて固体レーザ媒質１の端面１ａ
に集光，注入される。なお、励起光４は参考例１で述べ
たと同様な過程を辿って固体レーザ媒質１に効率よく吸
収される。しかも、参考例１と異なり、少なくとも固体
レーザ媒質１の励起光入射側の端面１ａが冷却水路８の
水中に浸漬されているので、最も熱的影響を受け易い端
面１ａが冷却水で冷却される。また、端面１ａが空気中
に露出してないので、レーザ光の照射による端面焼けが
生じ難くなる。加えて、冷却水路８の中で反射面９に反
射しながら進行する励起光４は、その経路途上で保持部
材１０に当たって吸収される以前に、冷却水路に介装し
た反射板１３に反射して方向を反転し、再び元の経路に
戻って固体レーザ媒質１に注入，吸収されるようになる
ので、これにより励起効率が向上する。なお、この反射
板１３は後記の各実施例にも同様に採用することができ
る。

【００３１】実施例２：図３は本発明の請求項５に対応する実施例を示すもので
あり、その構成は基本的に先記実施例１と同様である
が、特に半導体レーザ２から出射した励起光４に対する
集光レンズ３の集光度合を低め、励起光４を固体レーザ
媒質１の端面１ａと冷却水路８の断面で形成される領域
に広げて注入するようにしている。

【００３２】これにより、半導体レーザ２から出射した
励起光４を小さなビームスポットに集光することなく、
つまり励起光密度を高めずに多量の励起光を固体レーザ
媒質１に注入することができる。したがって、固体レー
ザ媒質１に対する熱の集中発生が避けられ、さらに側面
励起方式と同様にロッド側面側からの励起強度を増すこ
とができるので均一励起が可能となるほか、固体レーザ
媒質でのレーザ発振に障害となる熱レンズ効果，複屈折
効果の影響も低減できる。

【００３３】実施例３：図４は先記実施例２をさらに発展させた本発明の請求項
６，７に対応する実施例を示すものである。この実施例
においては、実施例２に示した励起光の光学系に加えて
集光レンズ（コリメートレンズ）３と全反射ミラー６と
の間に円錐レンズ１４が新たに追加装備されている。こ
の円錐レンズ１４は、図５で表すように、集光レンズ３
でコリメートされた励起光４の平行光束４ａをリング状
光束４ｂに変える波面変換手段としの役目を果たすもの
であり、全反射ミラー６を透過したリング状光束４ｂは
図４で示すように固体レーザ媒質１の端面１ａに入射せ
ず、入射窓１２を通じて固体レーザ媒質１の周りの冷却
水路断面領域に注入され、ここから反射面９との反射を
繰り返しながら冷却水路８の中を進む過程でロッド側面
より固体レーザ媒質１に注入して吸収される。これによ
り、固体レーザ媒質１の端面１ａに対する励起光の集中
に起因する熱的影響を完全に排除できる。

【００３４】実施例４：図６は本発明の請求項１０に対応する実施例を示すもの
であり、先記参考例１を基本構成として、固体レーザ媒
質１とキャビティ７との間に画成された冷却水路８の中
には透明材質で作られたフローチューブ１５が新た追加
して介装されている。また、該フローチューブ１５はそ
の外周両端部に嵌め込んだシール兼用の保持部材１０
（ゴム製Ｏリング）を介してキャビティ７に保持されて
おり、この状態で冷却水路８の流路が固体レーザ媒質１
の外周面とフローチューブ１５の内周面との間に規制さ
れる。また、フローチューブ１５の外周面には励起光に
対して高反射率を示す反射面（例えば金蒸着膜）１５ａ
が形成されている。

【００３５】かかる構成により、フローチューブ１５の
径寸法を変えることにより、冷却水路８の管抵抗などを
広範囲に調整して適性化が図れるほか、キャビティ７の
内周面に反射面９を形成するよりも簡単に、冷却水路８
の周面反射面を形成することができる。なお、この実施
例では全反射ミラーを省略し、その代わりに固体レーザ
媒質１の励起光入射側の端面１ａには、励起光（例えば
８０８ｎｍ）に対して高透過率，レーザ発振光に対して
高反射率を示すダイクロイックコーティングが施されて
おり、出力端面１ｂ側に配した出力ミラー５とともに光
共振器を構成している。

【００３６】実施例５：図７は本発明の請求項８に対応する実施例を示すもので
ある。この実施例においては、固体レーザ媒質１を取り
巻いたキャビティ７に対し、その一端側の側面には励起
光を入射する径小な光学孔７ａが固体レーザ媒質１の光
軸と直角方向に開口しており、かつ該光学孔７ａに対向
してその延長線上には励起光源となる半導体レーザ２が
集光レンズ３を介して配置されている。また、光学孔７
ａ内周端側には傾斜した反射面７ｂが形成されている。

【００３７】かかる構成により、光学孔７ａを通じて固
体レーザ媒質１の光軸と直角方向から入射した半導体レ
ーザ２からの励起光４は前記反射面７ｂに反射して方向
を変えた後、冷却水路８の中を進行する過程で反射面９
による反射、および固体レーザ媒質１のロッド側面への
反射，透過を繰り返しながら固体レーザ媒質１に吸収さ
れて光励起を行う。しかも、励起光４は集光レンズ３に
より小径なビームに絞って光学孔７ａに入射するように
したので、励起光４はこの光学孔７ａから外方に殆ど散
逸することがなく、この面からも励起効率の向上化が図
れる。また、この実施例では固体レーザ媒質１の端面に
励起光４が直接照射されることがないので集中的な熱の
発生もなく、先記の各実施例と同様に固体レーザ媒質を
均一に励起することができる。

【００３８】実施例６：図８は本発明の請求項１１に対応する実施例の基礎とな
る構成を示すものである。図８は、図示の簡略化のた
め、装置の基本構成を、参考例１の構成で記載してい
る。そして次記のような構造が追加装備されている。す
なわち、固体レーザ媒質１のレーザ出力側端面１ｂに対
向して出力ミラー５との間の光路には、励起光に対し高
反射，固体レーザ媒質の発振レーザ光に対し高透過特性
を示すダイクロイックミラー１６が固体レーザ媒質１の
光軸と４５゜の角度に配置されており、さらにダイクロ
イックミラー１６に向けて前記光軸と直交する方向に第
２の励起光源となる半導体レーザ２０が集光レンズ３０
と組合わせ追加設置されている。

【００３９】かかる構成おいて、固体レーザ媒質１に対
して、半導体レーザ２から出射した励起光４がロッド端
面１ａに注入され、同時に半導体レーザ２０から出射し
た励起光４はダイクロイックミラー１６に反射して他方
のロッド端面１ｂに注入される。すなわち、固体レーザ
媒質１は両端面からの励起光注入により励起されること
になり、これにより高い励起効率で高出力のレーザ光を
得ることができる。

【００４０】実施例７：図９は本発明の請求項１２に対応する実施例の基礎とな
る構成を示すものである。図９は、図示の簡略化のた
め、装置の基本構成を、参考例１の構成で記載してお
り、初段モジュールＩとして、同じ光軸上に固体レーザ
媒質１，キャビティ７，冷却水路８，反射面９を組合わ
せた複数基のモジュールII，III を直列に配置し、かつ
２段目以降の各モジュールII，III に対しては、その固
体レーザ媒質１の端面に対向して励起光に高反射，固体
レーザ媒質の発振レーザ光に高透過特性を示すダイクロ
イックミラー１６を光軸と４５゜の角度に配置した上
で、該ダイクロイックミラー１６に向けて前記光軸と直
交する方向には励起光源しての半導体レーザ２０を集光
レンズ３０とを設置するとともに、初段モジュールＩに
付設した全反射ミラー６と最終段モジュールIII に付設
した出力ミラー５とで光共振器を構成している。

【００４１】かかる構成により、各モジュールＩ〜III
を通じて高出力のレーザ光を得ることができる。実施例８：図１０は本発明の請求項１３に対応する実施例の基礎と
なる構成を示すものである。図１０は、図示の簡略化の
ため、装置の基本構成を、参考例１の構成で記載してい
る。この実施例では、前記実施例７と同様にモジュール
Ｉ，II，III を同じ光軸上に並べて配置した上で、各モ
ジュールに励起光源としての半導体レーザ２，２０を付
設するとともに、初段モジュールＩの両側に配した全反
射ミラー６と出力ミラー５とで光共振器を組み、後段の
モジュールII，III を増幅段として用いる。

【００４２】かかる構成により、初段モジュールＩで発
振したビーム品質のよいレーザ光をそのまま後続モジュ
ールII，III の増幅段で増幅して出力することができ
る。なお、前記各実施例における固体レーザ媒質１は、
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶以外に、Ｎｄ：ＹＬＦ，Ｎｄ：ＹＶＯ
4 ，Ｎｄ：Ｇｌａｓｓなども採用できる。参考例２：次に、別の参考例２を説明する。図１１は固体レーザ媒
質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶に対する吸収曲線を示す図
であり、通常は８１０ｎｍ付近の強い吸収線に半導体レ
ーザ（励起光源）の発振波長を合わせて固体レーザ媒質
の励起を行うようにしている。

【００４３】しかしながら、吸収係数があまり高過ぎる
と、通常の端面励起では次のような不都合が生じる。す
なわち、励起光の吸光度が高いと発生熱も多くなってレ
ーザ媒質の温度が上昇し、熱的ストレスによりレーザ媒
質の結晶が破壊限界を超えて熱破壊を引き起こすおそれ
があり、このことが端面励起方式での入力限界を低めに
規制する大きな原因となっている。

【００４４】そこで、この参考例２では、半導体レーザ
（レーザダイオード）の温度制御，若しくは組成を変え
ることにより、励起光の発振波長を固体レーザ媒質の有
効吸収波長のピークから多少ずれた波長（好ましくは１
０ｎｍ程度）に定めるものとする。これにより、吸収係
数は半分以下となるので、固体レーザ媒質に対する入力
限界を高めることができる。

【００４５】実施例９：次に、本発明の請求項１４に対応する実施例を説明す
る。図１２はＮｄ：ＹＡＧ結晶のエネルギー準位図であ
り、レーザ遷移は⁴Ｆ_3/2 → ⁴Ｉ_11/2で起こる。この場
合に、固体レーザ媒質を波長８０８ｎｍの励起光で励起
すると、図１３（励起光エネルギーと発振光エネルギー
との比較図）の点線で表すようにになり、この場合の量
子ディフェクトは７６％となり、固体レーザ媒質に注入
した励起光の２４％が熱となって様々な熱的障害（熱レ
ンズ効果，複屈折効果）を引き起こす。

【００４６】これに対して、波長８８５ｎｍの励起光で
励起すると、励起光エネルギーと発振光エネルギーの比
率は図１３の実線で表すようになり、この場合には量子
ディフェクトは８3.５％となる。つまり、波長８０８ｎ
ｍの励起光で励起した場合と比べて量子ディフェクトの
向上に相応して熱発生が約３０％ダウンする。したがっ
て、この熱発生の減少により障害となる熱レンズ効果，
複屈折効果を大幅に抑制できる。なお、波長８８５ｎｍ
の励起光で励起した場合には、吸収効率が波長８０８ｎ
ｍの場合よりも多少低下するが、先記した各実施例の固
体レーザ装置を用いれば実用上問題ない。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による固体レ
ーザ装置の構成によれば、従来の端面励起方式で問題と
なっていた励起光の集中による発熱問題の解決が図れる
とともに、吸収係数の低い固体レーザ媒質でも高効率で
光励起でき、さらに寄生発振を抑制する効果が得られ
る。

【００４８】また、固体レーザ媒質を取り巻く冷却水路
に冷却水を循環通流してレーザ媒質を冷却することによ
り高い光強度での光励起が実現でき、加えて励起光入射
側のロッド端面を冷却水路内に浸漬して冷却することに
より、より一層高い光強度での励起が可能となる。さら
に、半導体レーザの発振波長をＮｄ：ＹＡＧ結晶の有効
吸収波長ピークの一つである８８５ｎｍ付近に定めるこ
とにより、量子ディフェクトの向上によって熱発生が大
幅に低減し、これにより固体レーザ媒質でのレーザ発振
の障害となる熱レンズ効果，複屈折を効果的に抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例１による固体レーザ装置の構成配置図で
あり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ｘ−Ｘ
断面図

【図２】本発明の実施例１による固体レーザ装置の構成
配置図

【図３】本発明の実施例２による固体レーザ装置の構成
配置図

【図４】本発明の実施例３による固体レーザ装置の構成
配置図

【図５】図４における励起光源の光学系の動作説明図

【図６】本発明の実施例４による固体レーザ装置の構成
配置図

【図７】本発明の実施例５による固体レーザ装置の構成
配置図

【図８】本発明の実施例６の基礎となる固体レーザ装置
の構成配置図

【図９】本発明の実施例７の基礎となる固体レーザ装置
の構成配置図

【図１０】本発明の実施例８の基礎となる固体レーザ装
置の構成配置図

【図１１】参考例２を説明するためのＮｄ：ＹＡＧ結晶
の吸収曲線図

【図１２】本発明の実施例９を説明するためのＮｄ：Ｙ
ＡＧ結晶のエネルギー準位図

【図１３】本発明の実施例９を説明するためのＮｄ：Ｙ
ＡＧ結晶に対する異なる波長の励起光エネルギーとこれ
に対応する発振光のエネルギーとの比較図

【図１４】従来における端面励起方式の固体レーザ装置
の構成配置図

【図１５】従来における側面励起方式の固体レーザ装置
の構成配置図

【符号の説明】

１ロッド状固体レーザ媒質２，２０半導体レーザ（励起光源）３，３０集光レンズ４励起光４ｂリング状光束５出力ミラー６全反射ミラー７キャビティ７ａ光学孔７ｂ反射面８冷却水路９反射面１０保持部材１２入射窓１３反射板１４円錐レンズ１５フローチューブ１５ａ反射面１６ダイクロイックミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭52−8790（ＪＰ，Ａ) 実開平１−165670（ＪＰ，Ｕ) 実開昭52−130683（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−8160（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面
に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体
レーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の端面に直
接注入するようにした固体レーザ装置において、冷却水路内の途中箇所に介装した固体レーザ媒質保持部
材の前部に励起光反射板を設けたことを特徴とする固体
レーザ装置。
【請求項２】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面
に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体
レーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の端面に直
接注入するようにした固体レーザ装置において、冷却水路の反射面を、該冷却水路内に介装した透明フロ
ーチューブの外周面に形成したことを特徴とする固体レ
ーザ装置。
【請求項３】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の励起光入射側端面およ
び側面を取り巻いて周面に反射面を形成した冷却水路を
設けるとともに、半導体レーザから出射した励起光を前
記冷却水路の入射窓を通じて固体レーザ媒質の端面に注
入するようにした固体レーザ装置において、冷却水路内の途中箇所に介装した固体レーザ媒質保持部
材の前部に励起光反射板を設けたことを特徴とする固体
レーザ装置。
【請求項４】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の励起光入射側端面およ
び側面を取り巻いて周面に反射面を形成した冷却水路を
設けるとともに、半導体レーザから出射した励起光を前
記冷却水路の入射窓を通じて固体レーザ媒質の端面に注
入するようにした固体レーザ装置において、冷却水路の反射面を、該冷却水路内に介装した透明フロ
ーチューブの外周面に形成したことを特徴とする固体レ
ーザ装置。
【請求項５】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の励起光入射側端面およ
び側面を取り巻いて周面に反射面を形成した冷却水路を
設けるとともに、半導体レーザから出射した励起光を前
記冷却水路の入射窓を通じて固体レーザ媒質の端面，お
よび冷却水路断面で形成される領域に注入するようにし
たことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項６】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面
に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体
レーザから出射した励起光をリング状光束に変換した上
で、前記冷却水路の入射窓を通じて冷却水路断面領域に
注入するようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項７】請求項６記載の固体レーザ装置において、
半導体レーザから出射した励起光をリング状光束に変換
する手段として、励起光の入射光路上に円錐レンズを設
けたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項８】半導体レーザを励起光源としてロッド状固
体レーザ媒質を光励起し、レーザ出力を得る固体レーザ
装置において、固体レーザ媒質の側面を取り巻いて周面
に反射面を形成した冷却水路を設けるとともに、半導体
レーザから出射した励起光を固体レーザ媒質の光軸と直
角方向から冷却水路の一端側に入射し、かつ該励起光の
入射部に形成した傾斜反射面で励起光の方向を変えて固
体レーザ媒質の周面に注入させるようにしたことを特徴
とする固体レーザ装置。
【請求項９】請求項５，６，８のいずれかに記載の固体
レーザ装置において、冷却水路内の途中箇所に介装した
固体レーザ媒質保持部材の前部に励起光反射板を設けた
ことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項１０】請求項５，６，８のいずれかに記載の固
体レーザ装置において、冷却水路の反射面を、該冷却水
路内に介装した透明フローチューブの外周面に形成した
ことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項１１】請求項５，６，８のいずれかに記載の固
体レーザ装置において、固体レーザ媒質のレーザ出力側
端面に対向して、励起光に対し高反射，固体レーザ媒質
の発振レーザ光に対し高透過特性を示すダイクロイック
ミラーを固体レーザ媒質の光軸と４５゜の角度に配置す
るとともに、該ダイクロイックミラーに向けて前記光軸
と直交する方向に別な励起光源としての半導体レーザを
追加設置し、励起光を固体レーザ媒質の両端側から注入
するようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項１２】請求項５，６，８のいずれかに記載の固
体レーザ装置を初段モジュールとして、同じ光軸上に固
体レーザ媒質と反射面付き冷却水路を組合わせた複数基
のモジュールを直列に配置し、かつ２段目以降の各モジ
ュールに対しては、その固体レーザ媒質の端面に対向し
て励起光に高反射，固体レーザ媒質の発振レーザ光に高
透過特性を示すダイクロイックミラーを光軸と４５゜の
角度に配置した上で、該ダイクロイックミラーに向けて
前記光軸と直交する方向に励起光源しての半導体レーザ
を設置するとともに、初段と最終段のモジュールの間で
光共振器を構成したことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項１３】請求項５，６，８のいずれかに記載の固
体レーザ装置を初段モジュールとして、同じ光軸上に固
体レーザ媒質と反射面付き冷却水路を組合わせた複数基
のモジュールを直列に配置し、かつ２段目以降の各モジ
ュールに対しては、固体レーザ媒質の端面に対向して励
起光に高反射，固体レーザ媒質の発振レーザ光に高透過
特性を示すダイクロイックミラーを光軸と４５゜の角度
に配置した上で、該ダイクロイックミラーに向けて前記
光軸と直交する方向に励起光源しての半導体レーザを設
置するとともに、初段モジュールに光共振器を組み、２
段目以降のモジュールを増幅段として初段モジュールの
レーザ出力を増幅するようにしたことを特徴とする固体
レーザ装置。
【請求項１４】請求項５，６，８，１１、１２，１３の
いずれかに記載の固体レーザ装置において、固体レーザ
媒質をＮｄ：ＹＡＧ結晶とし、かつ半導体レーザの発振
波長を、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の有効吸収波長ピークの一つ
である８８５ｎｍ付近に定めたことを特徴とする固体レ
ーザ装置。