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JP5347127B2 - Diode-pumped laser device using anisotropic laser crystal - Google Patents
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Description

本発明は異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置に関する。
更に詳しくは、本発明は、異方性レーザー結晶が狭い縞模様の出力ビームを有する放射によりポンピングされる時、異方性レーザー結晶内で収束されるスポットの対称性を向上させることができ、特に縞模様を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーなどを使用して縦のポンピング形態で固体レーザーをポンピングする時、レーザーシステムの効率を向上させることができる異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置に関する。
The present invention relates to a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal.
More particularly, the present invention can improve the symmetry of the spot focused in the anisotropic laser crystal when the anisotropic laser crystal is pumped by radiation having a narrow striped output beam, Utilizing anisotropic laser crystals that can improve the efficiency of laser systems, especially when pumping solid state lasers in vertical pumping form using striped laser diodes, laser diode bars and laser diode arrays, etc. The present invention relates to a diode-pumped laser device.

最近、レーザーダイオード、レーザーダイオードバー、レーザーダイオードアレーなどにより光ポンピングされる固体レーザーシステム分野は大きく発展してきた。   Recently, the field of solid-state laser systems that are optically pumped by laser diodes, laser diode bars, laser diode arrays, etc. has been greatly developed.

レーザーダイオードはサイズが小さく、実際の使用に有用であり、閃光ランプのような光源と関連した加熱問題が発生しないため、ポンピング光源として適する。更に、レーザーダイオードは集積されるため、縦のポンピング構造において効率的に使用され得る。   Laser diodes are suitable as pumping light sources because they are small in size, useful for practical use, and do not cause heating problems associated with light sources such as flash lamps. Furthermore, since the laser diode is integrated, it can be used efficiently in a vertical pumping structure.

レーザーダイオードでポンピングされる既存のレーザー装置のように、高い効率を有するレーザー放射横方向モードTEM00を発生させるために、レーザーダイオードビームと共振器内で振動するレーザービームが互いによく重なり合えば、縦のポンピングシステムは横のポンピングシステムより更に効果的である。 In order to generate a laser radiation transverse mode TEM 00 with high efficiency, as in existing laser devices pumped with a laser diode, if the laser diode beam and the laser beam oscillating in the resonator overlap well, A vertical pumping system is more effective than a horizontal pumping system.

言い換えると、レーザー結晶内でレーザーダイオードのモード体積がレーザー共振器のTEM00モードと一致する時、ダイオードポンピングされたレーザーシステムで最大の効率が得られる。 In other words, maximum efficiency is obtained with a diode-pumped laser system when the mode volume of the laser diode in the laser crystal matches the TEM 00 mode of the laser resonator.

多くのレーザーダイオードがこのような条件を充足させることは難しい。
この問題はレーザーダイオード(そして、特別に高い出力のレーザーダイオード)が長い長方形態のビーム出力領域を有しており、出力ビームの幅が高さよりはるかに大きい非対称的な形態を有するという事実と関連がある。
It is difficult for many laser diodes to satisfy these conditions.
This problem is related to the fact that laser diodes (and especially high power laser diodes) have a long rectangular beam output region and an asymmetrical form in which the output beam width is much larger than the height. There is.

更に、ビーム品質係数M2で表現されるレーザーダイオードビームの2つの垂直(直交)方向での輝度分布は非常に非対称的である。 Furthermore, the brightness distribution in the two vertical (orthogonal) directions of the laser diode beam expressed by the beam quality factor M 2 is very asymmetric.

狭い縞模様のレーザーダイオードのような典型的な高出力レーザーダイオードの場合、狭い高さ方向(早い軸)での発散角は広い幅方向(遅い軸)での発散角より更に大きい。   For a typical high power laser diode, such as a narrow striped laser diode, the divergence angle in the narrow height direction (fast axis) is even greater than the divergence angle in the wide width direction (slow axis).

しかしながら、幅の大きさが高さの大きさよりはるかに大きいため、高さの大きさでの輝度は幅の大きさでの輝度より依然として10倍以上大きい。   However, because the width is much larger than the height, the brightness at the height is still more than 10 times greater than the brightness at the width.

従って、レーザー結晶内部で非常に非対称的な分布を有するレーザーダイオードの出力ビームを改善するために、そして対称的な分布を有する共振器ビームと一致させるために、相当な努力が要求される。   Therefore, considerable effort is required to improve the output beam of a laser diode having a very asymmetric distribution within the laser crystal and to match the resonator beam having a symmetric distribution.

前記レーザーダイオードの出力ビームを共振器ビームと一致させるために、レーザー結晶内部でレーザーダイオードポンピングビームの横縦比を変更するために、プリズム、レンズなどのような多様な光学素子が採用される。   In order to make the output beam of the laser diode coincide with the resonator beam, various optical elements such as a prism and a lens are employed to change the aspect ratio of the laser diode pumping beam inside the laser crystal.

このような接近(アプローチ)方法のうちの一つとして、レーザーダイオードビームを先ず非球面レンズに通過させて異なる2つの軸(早い軸と遅い軸)を平行にさせる。   As one such approach (approach) method, a laser diode beam is first passed through an aspherical lens so that two different axes (fast axis and slow axis) are parallel.

シリンダー形態の光学部品を使用しない標準のレーザー共振器において、共振器内部のレーザーモードは多少丸い。   In a standard laser resonator that does not use a cylinder-shaped optical component, the laser mode inside the resonator is somewhat round.

従って、レーザービームとポンプビームとの間にモード整合を成すために、ポンプビームは利得媒質(光が増幅される物質)の内部で円形のスポットとなるように収束されなければならない。   Therefore, in order to achieve mode matching between the laser beam and the pump beam, the pump beam must be converged to be a circular spot inside the gain medium (the material from which the light is amplified).

一般的に、ビーム品質係数M2を有するレーザービームの光経路にレンズが置かれると、通過したビームは下記数学式1のような半径サイズw0で収束される。 Generally, when a lens is placed in the optical path of a laser beam having a beam quality factor M 2 , the passed beam is converged with a radius size w 0 as shown in Equation 1 below.

ここで、λはポンプビームの波長を表し、fはレンズの焦点の長さ、そしてwlensはレンズを通過したビームの半径サイズを表す。そして、レンズを通過したビームの曲率半径は焦点の長さよりはるかに大きいと仮定した。
式1は、固定された波長から与えられた焦点の長さfを有するレンズを通過した後のビーム半径はM2/wlensに比例することを示す。
Where λ represents the wavelength of the pump beam, f is the length of the focal point of the lens , and w lens is the radial size of the beam that has passed through the lens. It was assumed that the radius of curvature of the beam that passed through the lens was much larger than the focal length.
Equation 1 shows that the beam radius after passing through a lens with a given focal length f from a fixed wavelength is proportional to M 2 / w lens .

従って、球面収束レンズを通過した後で丸い形態のスポットを得るために、ポンプビームは遅い方向でビーム品質係数の比、M2 slow/M2 fastによって拡大されなければならない。 Therefore, in order to obtain a round shaped spot after passing through the spherical converging lens, the pump beam must be expanded in the slow direction by the ratio of beam quality factors, M 2 slow / M 2 fast .

このような拡大は、通常、カプランまたはガリレオ式のシリンダー拡大鏡を使用して得られる。M2 slow/M2 fast≒15程度の広い面積を有する狭い縞模様のレーザーダイオードの場合、レンズを通過したレンズビームは遅い方向に強く拡張される。ポンプビームのサイズが増加するため、このことが、直径が大きいレンズを使用する。 Such magnification is usually obtained using a Kaplan or Galileo type cylinder magnifier. In the case of a laser diode with a narrow stripe pattern having a large area of about M 2 slow / M 2 fast ≈15, the lens beam that has passed through the lens is strongly expanded in the slow direction. This uses a large diameter lens because the size of the pump beam increases.

ポンプビームを狭い面積に収束する時、ダイオードの高い輝度のため、利得媒質で非常に高いポンプ強度を得ることができる。三準位と類似した器具では透明強度をより容易に克服するために、このような高いポンプ強度が特に要求される。   When converging the pump beam to a small area, a very high pump intensity can be obtained with a gain medium due to the high brightness of the diode. Such high pump strength is particularly required in devices similar to the three levels in order to more easily overcome the transparent strength.

Yb:KGW、Yb:KYW結晶のように、三準位と類似した器具で動作する数種の異方性レーザー結晶は偏光に依存する様々な波長吸収バンドを有している。電場のベクター方向がレーザー結晶のa軸に平行である時、吸収が最大となる。   Several types of anisotropic laser crystals operating in a device similar to the three levels, such as Yb: KGW and Yb: KYW crystals, have various wavelength absorption bands depending on the polarization. Absorption is maximized when the vector direction of the electric field is parallel to the a-axis of the laser crystal.

結晶の端面で反射による損失を減らすために、レーザー媒質をブルースター角度(偏光角度)で切断する。この場合、ポンプビームがレーザー結晶に入射する時、レーザー結晶の屈折率のためレーザー結晶の内部でポンプビームのサイズは入射平面で増加する。   In order to reduce the loss due to reflection at the end face of the crystal, the laser medium is cut at a Brewster angle (polarization angle). In this case, when the pump beam is incident on the laser crystal, the size of the pump beam increases in the incident plane inside the laser crystal due to the refractive index of the laser crystal.

屈折率が大きいレーザー結晶の場合、レーザービームのサイズとビームの非対称が深刻に増加する。広い面積のレーザーダイオードは大部分、遅い軸方向の偏光ベクターを有するTE(TransverseElectric)モードで偏光された出力を有する。   In the case of a laser crystal having a large refractive index, the size of the laser beam and the asymmetry of the beam are seriously increased. Large area laser diodes mostly have an output polarized in TE (Transverse Electric) mode with a slow axial polarization vector.

従って、異方性レーザー結晶の効果的なポンピングのために、レーザーダイオードの偏光方向をレーザー結晶の吸収が最大となる方向と一致させ、ブルースター角の入射平面に置かれるようにしなければならない。   Therefore, for effective pumping of the anisotropic laser crystal, the polarization direction of the laser diode must be aligned with the direction in which the absorption of the laser crystal is maximized and placed in the Brewster angle incident plane.

遅い軸方向でレーザーダイオードビームの輝度は、基本的に早い軸方向の輝度より小さい。これはレーザー結晶内部でビームが収束される時、レーザーダイオードビームの深刻な非対称性を引き起こし、レーザー共振器とモードの非整合を引き起こす。   The brightness of the laser diode beam in the slow axis direction is basically smaller than the brightness in the fast axis direction. This causes severe asymmetries in the laser diode beam when the beam is focused inside the laser crystal, causing a mode mismatch with the laser resonator.

例えば、非特許文献1によると、レーザーダイオードのポンプビームが空気中で31μm×165μmで非対称的に収束されるが、これがレーザー結晶内では1.5倍増加し、レーザー共振器とのモード非整合が増加する。   For example, according to Non-Patent Document 1, the pump beam of a laser diode is asymmetrically converged in air at 31 μm × 165 μm, but this increases 1.5 times in the laser crystal and mode mismatch with the laser resonator Will increase.

このような点にも関わらず、異方性レーザー結晶を利用することができ、回折がほぼ制限されるTEM00モードで高い効率及び高い出力で作動するダイオードポンピングされたレーザーを開発することが有益である。 Despite this, it is beneficial to develop diode-pumped lasers that can utilize anisotropic laser crystals and operate with high efficiency and high power in the TEM 00 mode where diffraction is nearly limited. It is.

これは異方性特性を有する物質が特定の応用に適合する特性を有しているためである。ネオジム(Nd)がドーピングされた媒質に比べ、Yb:KGWとYb:KYWのようなイッテルビウム(Yb)を含む異方性レーザー結晶はバンド幅が大きく、長い上位状態の寿命時間を示す。   This is because a substance having anisotropic characteristics has characteristics suitable for a specific application. Compared to a medium doped with neodymium (Nd), anisotropic laser crystals containing ytterbium (Yb) such as Yb: KGW and Yb: KYW have a large bandwidth and a long lifetime in the upper state.

このような特性はフェムト秒パルス幅と高い平均出力を有するモードロックレーザー(mode−lockedlaser)をデザインする時に重要であり、調整可能な変数を提供する。
更に、異方性を有するイッテルビウムがドーピングされた結晶の数種の特性は、ダイオードポンピングにとって魅力的である。
Such characteristics are important when designing a mode-locked laser with femtosecond pulse width and high average power, providing an adjustable variable.
In addition, several properties of anisotropic ytterbium doped crystals are attractive for diode pumping.

即ち、波長940nmから980nmのダイオードポンプ波長で、吸収係数が非常に高く、ポンプビームの波長と発振ビームの波長との間の量子欠損が低いため、高い出力のダイオードポンプの光をレーザー結晶に効率的に結合させることができる。
A.Shirakawa, K.Takaichi, H.Jagi et al.,Optics express, 11,2911(2003)
In other words, the diode pump wavelength from 940 nm to 980 nm has a very high absorption coefficient, and the quantum defect between the pump beam wavelength and the oscillation beam wavelength is low. Can be combined.
A. Shirakawa, K. Takaichi, H. Jagi et al., Optics express, 11,2911 (2003)

Yb:KGWとYb:KYWのような異方性レーザー結晶はより高いポンプ出力を使用する特定のレーザーで使用されている。しかし、ポンプビームの強い非対称性により縦のポンピング構造での出力と効率が制限される。   Anisotropic laser crystals such as Yb: KGW and Yb: KYW are used in certain lasers that use higher pump power. However, the strong asymmetry of the pump beam limits the power and efficiency of the vertical pumping structure.

一方、高い効率を有するレーザーに対する要求がある。レーザーの効率が低い場合、所望するレーザー出力を得るために、より高いポンピング出力のレーザーダイオードが要求される。   On the other hand, there is a need for a laser with high efficiency. If the efficiency of the laser is low, a laser diode with a higher pumping power is required to obtain the desired laser power.

特に、狭い縞模様のレーザーダイオード光源で出力を高めると、ダイオード接合温度が増加し、レーザーダイオード光源の寿命が低下する。これは長い寿命時間を要求する応用に受容されにくい。   In particular, when the output is increased with a narrow striped laser diode light source, the diode junction temperature increases and the life of the laser diode light source decreases. This is unacceptable for applications requiring a long lifetime.

更に、低い効率のレーザーは、所望するレーザー出力を得るためにポンプ光源を追加的に使用しなければならない。これは費用に制約がある用途や複雑性に敏感である応用では受容されにくい。   In addition, low efficiency lasers must additionally use a pump light source to obtain the desired laser power. This is unacceptable for cost-sensitive applications and applications that are sensitive to complexity.

異方性レーザー結晶を使用するが、広範囲のポンプ出力で高い品質のビームを提供する高効率及び高出力のレーザーに対する要求がある。そして、減少された熱的複屈折を有するダイオードポンピングされた固体レーザーに対する要求がある。   Although anisotropic laser crystals are used, there is a need for high efficiency and high power lasers that provide high quality beams with a wide range of pump power. There is then a need for a diode-pumped solid state laser with reduced thermal birefringence.

本発明の目的は、レーザーダイオード、ダイオードバー及びダイオードアレーのような非常に非対称的な回折性を有するポンピング光源を使用する場合、レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを持つことで、TEM00モードで作動し、偏光された出力を発生させながらも効率が非常に高く、レーザーダイオードから放出されるポンピング光を高密度でレーザー媒質の中に収束することができる異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置を提供することにある。 The object of the present invention is to reconstruct the intensity distribution in the abscissa direction inside the laser crystal when using pumping light sources with very asymmetrical diffractive properties such as laser diodes, diode bars and diode arrays. The beam focused on has a nearly circular spot with an absorption length, so that it operates in TEM 00 mode, generating polarized output but very efficient, and pumping light emitted from the laser diode. An object of the present invention is to provide a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal that can be focused in a laser medium at high density.

前記目的を達成するために、本発明によれば、
光軸に沿って、
第1方向(早い方向)でより小さく、前記第1方向に対して直交する第2方向(遅い方向)でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させるポンプ放射源と、 前記ポンプ放射源から出力された前記ポンプビームを前記第1方向で平行にする非球面レンズと、
偏光方向をTEモードからTMモードに変更するため、前記非球面レンズを通過した前記ポンプビームの偏光の向きを90°回転させる偏光回転装置と、
前記偏光回転装置を通過したポンプビームのサイズを前記第2方向で拡大させる第1シリンダーレンズと、
前記第1シリンダーレンズを通過した前記ポンプビームを前記第2方向で平行にする第2シリンダーレンズと、
収束レンズと、
当該異方性レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを持つことで、TEM00モードで作動し、分光学的特性とレーザーの特性を有する、Yb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質により形成され、結晶学的に互いに直交する第1軸及び第2軸を有し、これらの軸がポンプビームの偏光によって互いに異なる吸収度を有する、異方性レーザー結晶と
が配設されており、
前記非球面レンズと、前記第1のシリンダーレンズと、前記第2のシリンダレンズとで前記ポンプ放射源から出力された非対称ポンプビームを平行光に作り、
前記収束レンズは、前記非球面レンズと前記第1のシリンダーレンズと前記第2のシリンダーレンズとによって平行光にされたポンプビームを前記異方性レーザー結晶のビーム入口の表面に収束させ、
前記収束レンズと前記異方性レーザー結晶のビーム入口との間に第1の二色性共振器ミラーが配設されており、
前記異方性レーザー結晶のビーム出口に第2の二色性共振器ミラーが配設されており、 前記第1の二色性共振器ミラーにレーザー光を出力し、その反射光を前記収束レンズからのポンプビームとともに前記異方性レーザー結晶のビーム入口に入射させる、第1のレーザー共振器ミラーが配設されており、
前記第2の二色性共振器ミラーにレーザー光を出力し、その反射光を前記異方性レーザー結晶のビーム出口に入射させる、第2のレーザー共振器ミラーが配設されており、
前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを利用して前記異方性レーザー結晶をポンピングする、
レーザー装置が提供される。
In order to achieve the object, according to the present invention,
Along the optical axis,
A pump radiation source for generating a pump beam having a smaller asymmetric cross section and brightness in a second direction (slow direction) that is smaller in a first direction (early direction) and perpendicular to the first direction; An aspheric lens that collimates the pump beam output from the first direction;
A polarization rotation device that rotates the polarization direction of the pump beam that has passed through the aspheric lens by 90 ° in order to change the polarization direction from the TE mode to the TM mode;
A first cylinder lens that enlarges the size of the pump beam that has passed through the polarization rotator in the second direction;
A second cylinder lens that collimates the pump beam that has passed through the first cylinder lens in the second direction;
A converging lens;
By reconstructing the intensity distribution in the direction of the horizontal axis inside the anisotropic laser crystal, the finally focused beam has an almost circular spot with an absorption length, so that it operates in the TEM 00 mode. Formed by a tungstate medium doped with Yb 3+ ions, having characteristics and laser characteristics, having first and second axes crystallographically orthogonal to each other, these axes being the polarization of the pump beam And anisotropic laser crystals having different absorptions depending on each other, and
Making the asymmetric pump beam output from the pump radiation source into parallel light by the aspheric lens, the first cylinder lens, and the second cylinder lens;
The converging lens converges a pump beam collimated by the aspheric lens, the first cylinder lens, and the second cylinder lens on a surface of a beam entrance of the anisotropic laser crystal,
A first dichroic resonator mirror is disposed between the converging lens and a beam entrance of the anisotropic laser crystal;
A second dichroic resonator mirror is disposed at the beam exit of the anisotropic laser crystal, laser light is output to the first dichroic resonator mirror, and the reflected light is output to the converging lens. A first laser resonator mirror that is incident on the beam entrance of the anisotropic laser crystal together with a pump beam from
It said second outputs laser light to dichroic resonator mirror, is incident on the reflected light beam outlet of the anisotropic laser crystal, and a second laser resonator mirror is arranged,
Pumping the anisotropic laser crystal using a pump beam output from the pump radiation source;
A laser device is provided.

好ましい態様として、本発明において、前記異方性レーザ−結晶はブルースター角度で切断されている。 As a preferred embodiment, in the present invention, the anisotropic laser crystal is cut at a Brewster angle.

更に好ましい態様として、本発明において、前記異方性レーザー結晶が前記ポンプビームを最大に吸収することができるように、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームの偏光の向きが前記異方性レーザー結晶のa軸に沿って置かれる。 As a more preferred embodiment, in the present invention, the direction of polarization of the pump beam output from the pump radiation source is set to be anisotropic laser so that the anisotropic laser crystal can absorb the pump beam to the maximum extent. Located along the a-axis of the crystal.

更に、本発明において、前記異方性レーザー結晶はビーム入口とビーム出口でブルースター角で切断され、空気屈折率に対するレーザー結晶の屈折率の比によって前記ブルースター角が増加する。   Furthermore, in the present invention, the anisotropic laser crystal is cut at a beam entrance and exit at a Brewster angle, and the Brewster angle increases according to the ratio of the refractive index of the laser crystal to the air refractive index.

また、好ましくは、本発明において、前記異方性レーザー結晶は、Yb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質であるYb:KYWまたはYb:KGW結晶である。 Preferably, in the present invention, the anisotropic laser crystal is a Yb: KYW or Yb: KGW crystal that is a tungstate medium to which Yb 3+ ions are added.

更に、好ましくは、本発明において、前記偏光回転装置は半波長板である。 Further preferably, in the present invention, the polarization rotation device is a half-wave plate.

更に、好ましくは、本発明において、前記ポンプ放射源はポンプビームを発する各々のエミッターが線形態を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーの中から選択されるいずれか一つである。 Further preferably, in the present invention, the pump radiation source is any one selected from a laser diode, a laser diode bar, and a laser diode array in which each emitter emitting a pump beam has a linear form.

本発明に係る異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置によると、レーザーダイオード、ダイオードバー及びダイオードアレーのような非常に非対称的な回折性を有するポンピング光源を使用する場合、レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを有することで、TEM00モードで作動し、偏光された出力を発生させながらも効率が非常に高く、レーザーダイオードから放出されるポンピングビームを高密度でレーザー媒質の中に収束することができる。 According to the diode-pumped laser apparatus using the anisotropic laser crystal according to the present invention, when using a pump light source having a highly asymmetrical diffractive property such as a laser diode, a diode bar and a diode array, the laser crystal Reconstructs the intensity distribution in the horizontal direction inside, and the finally focused beam has a nearly circular spot with absorption length, so that it can operate in TEM 00 mode and generate polarized output The efficiency is very high and the pumping beam emitted from the laser diode can be focused into the laser medium at high density.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置について説明する。   Hereinafter, a diode-pumped laser device using an anisotropic laser crystal according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、レーザーダイオードから発生する狭い縞模様10の非対称ビームの断面模様及び軸方向を表す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional pattern and an axial direction of an asymmetric beam having a narrow stripe pattern 10 generated from a laser diode.

商用のワット級レーザーダイオードにおいて、高さ(H)に対する幅(W)の比は100〜1である。幅(W)方向の遅い軸での発散角は約10°であり、ビーム品質係数M2は約15である。 In a commercial watt class laser diode, the ratio of width (W) to height (H) is 100-1. The divergence angle on the slow axis in the width (W) direction is about 10 °, and the beam quality factor M 2 is about 15.

一方、高さ(H)方向の早い軸での発散角は約30°であるが、ビーム品質係数M2は約1である。従って、レーザービームの出力は大部分遅い軸方向に沿って偏光される。 On the other hand, the divergence angle at the fast axis in the height (H) direction is about 30 °, but the beam quality factor M 2 is about 1. Thus, the output of the laser beam is mostly polarized along the slow axis direction.

図2は、入射平面でYb:KYWのような異方性レーザー結晶11で作られたレーザー活性物質の軸とブルースター角(θ)の方向を表す図である。   FIG. 2 is a diagram showing the axis of the laser active material made of the anisotropic laser crystal 11 such as Yb: KYW and the direction of the Brewster angle (θ) on the incident plane.

レーザーダイオード14の出力開口は、異方性レーザー結晶11での吸収を最大化するために、遅い軸方向、即ち偏光方向12が異方性レーザー結晶11のa軸13に沿って置かれる。遅い軸方向でレーザーダイオード14の輝度が低いため、遅い軸方向でポンプビームのサイズは、その大部分が、早い軸方向でのビームサイズを超過する。   The output aperture of the laser diode 14 is placed along the a-axis 13 of the anisotropic laser crystal 11 so that the slow axis direction, ie the polarization direction 12, is maximized in order to maximize absorption in the anisotropic laser crystal 11. Due to the low brightness of the laser diode 14 in the slow axis direction, the pump beam size in the slow axis direction mostly exceeds the beam size in the fast axis direction.

前記異方性レーザー結晶11は、ポンプ放射源14としての、たとえば、レーザーダイオードから、射出されるポンプビームと、レーザー共振器ミラー19のレーザービームがTM偏光である時、反射損失をなくすためにブルースター角度(θ)で切断される。 The anisotropic laser crystal 11 serves as a pump radiation source 14, for example, to eliminate reflection loss when the pump beam emitted from a laser diode and the laser beam of the laser resonator mirror 19 are TM polarized light. Cut at Brewster angle (θ).

そして、ブルースター角(θ)で切断された異方性レーザー結晶11で損失を最小化するために、レーザーダイオード14の偏光ベクターは入射平面に置かれる。それ故に、遅い軸方向でビームのサイズはブルースター表面での屈折のため追加的に更に増加する。   Then, in order to minimize the loss with the anisotropic laser crystal 11 cut at the Brewster angle (θ), the polarization vector of the laser diode 14 is placed on the incident plane. Therefore, in the slow axis direction, the size of the beam is additionally increased due to refraction at the Brewster surface.

これはレーザー結晶11の内部で長方形の横断面形態を有するポンプビームで表す。   This is represented by a pump beam having a rectangular cross section inside the laser crystal 11.

前記異方性レーザー結晶11はYb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質であるYb:KYWまたはYb:KGW結晶である。 The anisotropic laser crystal 11 is a Yb: KYW or Yb: KGW crystal which is a tungstate medium to which Yb 3+ ions are added.

前記Yb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質はダイオードポンピングされた固体レーザーに利用される分光学的特性とレーザーの特性を有しているため、最近数年間多くの注目を受けている(例えば、非特許文献2:[N.V.Kuleshov,A.A.Lagatsky,A.V.Podlipensky,and V.P.Mikhailov,and G.Huber,“Pulsed laser operation of Yb-doped KY(WO4)2 and KGd(Wo4)2,Optics Letters Vol.22, No.17, pp.1317-13(1997)]を参照)。 The tungstate medium doped with Yb 3+ ions has received much attention in recent years because it has spectroscopic characteristics and laser characteristics used in diode-pumped solid-state lasers ( For example, Non-Patent Document 2: [NVKuleshov, AALagatsky, AVPodlipensky, and VPMikhailov, and G. Huber, “Pulsed laser operation of Yb-doped KY (WO4) 2 and KGd (Wo4) 2, Optics Letters Vol.22, No. 17, pp. 1317-13 (1997)].

前記異方性レーザー結晶11は単斜晶系C2/c構造を有する。単位セルのパラメーターはYb:KGWの場合、a=0.8095nm、b=1.043nm、c=0.7588であり、Yb:KYWの場合、a=0.805nm、b=1.035nm、c=0.754nmである。   The anisotropic laser crystal 11 has a monoclinic C2 / c structure. The unit cell parameters for Yb: KGW are a = 0.08095 nm, b = 1.043 nm, c = 0.7588, and for Yb: KYW, a = 0.805 nm, b = 1.35 nm, c = 0.754 nm.

原子単位として5%のYbイオンがドーピングされた異方性レーザー結晶11であるYb:KYWの室温での偏光による吸収と放出スペクトルは、図5に図示した通りである(非特許文献2)。   The absorption and emission spectra of Yb: KYW, which is an anisotropic laser crystal 11 doped with 5% Yb ions as atomic units, at room temperature are as shown in FIG. 5 (Non-Patent Document 2).

図示した通り、偏光方向がa軸13と平行である時、即ち、E‖aである時、波長981.2nmで吸収が最も強いことを確認することができ、レーザー発振に最も適合した波長1025nm放出線の幅は約16nmである。   As shown in the figure, when the polarization direction is parallel to the a-axis 13, that is, E‖a, it can be confirmed that absorption is strongest at a wavelength of 981.2 nm, and the wavelength most suitable for laser oscillation is 1025 nm. The width of the emission line is about 16 nm.

前記の異方性レーザー結晶は、改良されたチョクラルスキー法により作られる。図6の写真はその一例であり、Ybイオンが5%の原子単位比率でドーピングされた厚さ3mmのYb:KYWレーザー結晶を示している。   The anisotropic laser crystal is made by an improved Czochralski method. The photograph of FIG. 6 is an example thereof, and shows a Yb: KYW laser crystal having a thickness of 3 mm doped with Yb ions at an atomic unit ratio of 5%.

ビームの入口と出口がブルースター角度で切断され、精密に光沢練磨(研磨)がされたものである。Yb:KYWは空気中でθ=tan-1(n)で定義されるブルースター角度63.7°である。ここでnは屈折率を表す。 The entrance and exit of the beam are cut at a Brewster angle and polished and polished precisely. Yb: KYW is a Brewster angle of 63.7 ° defined by θ = tan −1 (n) in air. Here, n represents a refractive index.

図3−aは本発明の一実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図であり、図3−bは本発明の一実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。   3A is a block diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to an embodiment of the present invention as viewed from a direction perpendicular to an incident plane, and FIG. 3-B is a diode-pumped solid-state laser device according to an embodiment of the present invention. It is the block diagram which looked at the solid laser device seen from the incident plane.

前記のような非対称的な回折性は図3−a及び図3−bの光ポンピング構造により改善され得る。   Such asymmetrical diffractive properties can be improved by the optical pumping structure of FIGS.

異方性レーザー結晶11を縦のポンピング構造でポンピングする場合、本実施の形態の光ポンピング構造は、狭い縞模様を有するレーザーダイオード14、レーザーダイオードバーまたはレーザーダイオードアレーのポンプ放射源14を含み、非球面レンズ15と2個の第1及び第2シリンダーレンズ16,17を使用してこのポンプビームを平行光に作り、収束レンズ18を使用してレーザー結晶11の入口の表面にビームを収束する。   When the anisotropic laser crystal 11 is pumped by a vertical pumping structure, the optical pumping structure of the present embodiment includes a laser diode 14 having a narrow stripe pattern, a pump radiation source 14 of a laser diode bar or a laser diode array, An aspheric lens 15 and two first and second cylinder lenses 16 and 17 are used to make this pump beam into parallel light, and a converging lens 18 is used to focus the beam on the entrance surface of the laser crystal 11. .

この時、前記ポンプ放射源14は第1方向(早い方向)でより小さく、第1方向に対して垂直である(直交する)第2方向(遅い方向)でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させる。   At this time, the pump radiation source 14 is smaller in the first direction (early direction) and has a larger asymmetric cross section and brightness in the second direction (slower direction) perpendicular (orthogonal) to the first direction. Generate a beam.

前記非球面レンズ15はポンプ放射源14から照射されたポンプビームを第1方向で平行に作り、第1シリンダーレンズ16は非球面レンズ15を通過したポンプビームのサイズを拡大させる役割をし、第1シリンダーレンズ16の隣(右側)に位置した第2シリンダーレンズ17は前記ポンプビームを第2方向で平行にする役割をする。   The aspherical lens 15 makes the pump beam emitted from the pump radiation source 14 parallel in the first direction, and the first cylinder lens 16 serves to enlarge the size of the pump beam that has passed through the aspherical lens 15. The second cylinder lens 17 located next to the one cylinder lens 16 (on the right side) serves to make the pump beam parallel in the second direction.

第1、第2のレーザー共振器ミラー19a、19bで発振されるレーザービームを反射させてレーザー結晶11に収束させ、レーザーダイオード14から出力されるポンプビームを通過させるために、第1、第2の二色性共振器ミラー20a、20bを配列する。ダイオードポンピングされた固体レーザーで、このような光ポンピング構造を異方性レーザー結晶の一先端または両先端に配列することができる。 In order to reflect the laser beam oscillated by the first and second laser resonator mirrors 19a and 19b to be focused on the laser crystal 11 and to pass the pump beam output from the laser diode 14, the first and second The dichroic resonator mirrors 20a and 20b are arranged. With a diode-pumped solid state laser, such an optical pumping structure can be arranged at one or both ends of an anisotropic laser crystal.

レーザーダイオード14の遅い軸を入射平面に対して垂直方向(直交する方向)に向けると、レーザーダイオード14の初期偏光は異方性レーザー結晶11の入射平面に対して垂直面(直交する面)に置かれ、これはTE偏光モードとなる。   When the slow axis of the laser diode 14 is oriented in the direction perpendicular (orthogonal) to the incident plane, the initial polarization of the laser diode 14 is in a plane perpendicular to the incident plane of the anisotropic laser crystal 11 (orthogonal plane). This will be the TE polarization mode.

一方、ブルースター角(θ)という特別な入射角があるが、TM(TransverseMagnetic)偏光モードである場合、境界での反射がゼロとなる。即ち、ポンピングパワーの損失を最小化し、ポンピング効率を高めるために、偏光方向をTEモードからTMモードに変換させなければならない。   On the other hand, although there is a special incident angle called Brewster angle (θ), in the TM (Transverse Magnetic) polarization mode, reflection at the boundary becomes zero. That is, in order to minimize pumping power loss and increase pumping efficiency, the polarization direction must be converted from TE mode to TM mode.

従って、偏光方向(偏光の向き)を90°回転させるために、偏光回転装置21としての半波長板を光ポンピング構造に配列する。半波長板(21)はポンプビームが平行光となる位置に配列される。   Therefore, in order to rotate the polarization direction (polarization direction) by 90 °, the half-wave plate as the polarization rotation device 21 is arranged in the optical pumping structure. The half-wave plate (21) is arranged at a position where the pump beam becomes parallel light.

高いポンプビーム密度を得るために、非球面レンズ15を使用して早い軸と遅い軸方向のビームを平行に作り、レーザーダイオード14のビーム特性を改善すれば良いことが証明されてきた。   In order to obtain a high pump beam density, it has been proved that the beam characteristics of the laser diode 14 may be improved by using the aspherical lens 15 to make the beams of the fast axis and the slow axis in parallel.

レーザーダイオード14で出力されたビームは発散角の差のため、非球面レンズ15の位置で早い軸方向でのビームサイズが遅い軸方向でのビームサイズより大きい。   Due to the difference in divergence angle, the beam output from the laser diode 14 has a larger beam size in the fast axis direction than the beam size in the slow axis direction at the position of the aspheric lens 15.

このような非対称性を補正するために、遅い軸方向でのみビームのサイズを増加させる必要がある。   In order to correct such asymmetry, it is necessary to increase the beam size only in the slow axis direction.

即ち、遅い軸方向でのビームサイズを増加させるために、シリンダーレンズ16,17を光ポンピング構造に配列する。第1シリンダーレンズ16は第2方向でポンプビームのサイズを拡大させる役割をし、第2シリンダーレンズ17は前記ポンプビームを第2方向で平行にする役割をする。   That is, in order to increase the beam size in the slow axis direction, the cylinder lenses 16 and 17 are arranged in an optical pumping structure. The first cylinder lens 16 serves to enlarge the size of the pump beam in the second direction, and the second cylinder lens 17 serves to make the pump beam parallel in the second direction.

ここで、拡大鏡の比率は早い軸方向と遅い軸方向に対するレーザーダイオード14のビーム品質係数M2の比に該当する。 Here, the ratio of the magnifying glass corresponds to the ratio of the beam quality factor M 2 of the laser diode 14 to the fast axis direction and the slow axis direction.

異方性レーザー結晶11の内部で収束されるビームをほぼ円形スポット形態で得るために、異方性レーザー結晶11の屈折率を考慮して収束レンズ18の位置で早い軸方向のビームサイズが遅い軸方向のビームサイズより少し小さくなる。   In order to obtain a beam converged inside the anisotropic laser crystal 11 in a substantially circular spot form, the beam size in the early axial direction is slow at the position of the converging lens 18 in consideration of the refractive index of the anisotropic laser crystal 11. A little smaller than the axial beam size.

図4−aは本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図であり、図4−bは本発明の別の実施例によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。   FIG. 4-a is a block diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention viewed from a direction perpendicular to the incident plane, and FIG. 4-b is a diagram of another embodiment of the present invention. It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus from the incident plane.

前記光ポンピング構造で採用されたシリンダーレンズ16,17の代案として、図4−a及び図4−bに図示した通り、先ず非球面レンズ25を使用してレーザーダイオードビームを早い軸方向で平行に作った後、シリンダーレンズ27を使用して遅い方向で平行に作ることが可能である。   As an alternative to the cylinder lenses 16 and 17 employed in the optical pumping structure, as shown in FIGS. 4A and 4B, first, an aspheric lens 25 is used to parallelize the laser diode beam in the fast axis direction. After making, it can be made parallel in the slow direction using the cylinder lens 27.

その次に、遅い軸に沿って大きくなった楕円形の断面を有する平行になったビームは、収束レンズ18により異方性レーザー結晶11に収束させて、ほぼ円形のスポットを得る。   Next, the collimated beam having an elliptical cross section that is enlarged along the slow axis is converged to the anisotropic laser crystal 11 by the converging lens 18 to obtain a substantially circular spot.

レーザーダイオードで発生される狭い縞模様の非対称ビームの断面形態及び軸方向を表す図面である。2 is a cross-sectional view and an axial direction of a narrow striped asymmetric beam generated by a laser diode. 入射平面でレーザー媒質の軸とブルースター角の方向を表す図面である。It is a drawing showing the axis of the laser medium and the direction of the Brewster angle in the incident plane. 本発明の一実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図である。It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus by one embodiment of this invention from the orthogonal | vertical direction with respect to the incident plane. 本発明の一実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。It is the block diagram which looked at the diode pumped solid-state laser apparatus by one embodiment of this invention from the incident plane. 本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面に対して垂直方向から見た構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention viewed from a direction perpendicular to an incident plane. 本発明の別の実施の形態によるダイオードポンピングされた固体レーザー装置を入射平面から見た構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a diode-pumped solid-state laser device according to another embodiment of the present invention as seen from an incident plane. 室温での異方性レーザー結晶Yb:KYWの偏光による吸収(Absorption:solidline)と放出(Emission:dottedline)のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of absorption (Absorption: solidline) and emission (Emission: dottedline) by the polarization | polarized-light of anisotropic laser crystal Yb: KYW at room temperature. 本発明の一実施の形態による異方性レーザー結晶Yb:KYWのイメージを写真により示す図である。It is a figure which shows the image of anisotropic laser crystal Yb: KYW by one embodiment of this invention with a photograph.

10…狭い縞模様
11…異方性レーザー結晶
12…偏光方向
13…a軸
14…レーザーダイオード
15,25…非球面レンズ
16…第1シリンダーレンズ
17,25…第2シリンダーレンズ
18…収束レンズ
19a…第1のレーザー共振器ミラー、19b…第2のレーザー共振器ミラー
20a…第1の二色性共振器ミラー、20b…第2の二色性共振器ミラー
21…偏光回転装置
H…高さ、W…幅、θ…ブルースター角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Narrow striped pattern 11 ... Anisotropic laser crystal 12 ... Polarization direction 13 ... A axis 14 ... Laser diode 15, 25 ... Aspherical lens 16 ... First cylinder lens 17, 25 ... Second cylinder lens 18 ... Converging lens 19a ... first laser resonator mirror, 19b ... second laser resonator mirror ,
20a ... first dichroic resonator mirror, 20b ... second dichroic resonator mirror 21 ... polarization rotation device H ... height, W ... width, θ ... Brewster angle

Claims (7)

光軸に沿って、
第1方向(早い方向)でより小さく、前記第1方向に対して直交する第2方向(遅い方向)でより大きい非対称断面と輝度を有するポンプビームを発生させるポンプ放射源と、 前記ポンプ放射源から出力された前記ポンプビームを前記第1方向で平行にする非球面レンズと、
偏光方向をTEモードからTMモードに変更するため、前記非球面レンズを通過した前記ポンプビームの偏光の向きを90°回転させる偏光回転装置と、
前記偏光回転装置を通過したポンプビームのサイズを前記第2方向で拡大させる第1シリンダーレンズと、
前記第1シリンダーレンズを通過した前記ポンプビームを前記第2方向で平行にする第2シリンダーレンズと、
収束レンズと、
当該異方性レーザー結晶内部で横軸方向の強度分布を再構成して究極的に収束されたビームが吸収長さでほぼ円形のスポットを持つことで、TEM00モードで作動し、分光学的特性とレーザーの特性を有する、Yb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質により形成され、結晶学的に互いに直交する第1軸及び第2軸を有し、これらの軸がポンプビームの偏光によって互いに異なる吸収度を有する、異方性レーザー結晶と
が配設されており、
前記非球面レンズと、前記第1のシリンダーレンズと、前記第2のシリンダレンズとで前記ポンプ放射源から出力された非対称ポンプビームを平行光に作り、
前記収束レンズは、前記非球面レンズと前記第1のシリンダーレンズと前記第2のシリンダーレンズとによって平行光にされたポンプビームを前記異方性レーザー結晶のビーム入口の表面に収束させ、
前記収束レンズと前記異方性レーザー結晶のビーム入口との間に第1の二色性共振器ミラーが配設されており、
前記異方性レーザー結晶のビーム出口に第2の二色性共振器ミラーが配設されており、 前記第1の二色性共振器ミラーにレーザー光を出力し、その反射光を前記収束レンズからのポンプビームとともに前記異方性レーザー結晶のビーム入口に入射させる、第1のレーザー共振器ミラーが配設されており、
前記第2の二色性共振器ミラーにレーザー光を出力し、その反射光を前記異方性レーザー結晶のビーム出口に入射させる、第2のレーザー共振器ミラーが配設されており、
前記ポンプ放射源から出力されたポンプビームを利用して前記異方性レーザー結晶をポンピングする、
レーザー装置。
Along the optical axis,
A pump radiation source for generating a pump beam having a smaller asymmetric cross section and brightness in a second direction (slow direction) that is smaller in a first direction (early direction) and perpendicular to the first direction; An aspheric lens that collimates the pump beam output from the first direction;
A polarization rotation device that rotates the polarization direction of the pump beam that has passed through the aspheric lens by 90 ° in order to change the polarization direction from the TE mode to the TM mode;
A first cylinder lens that enlarges the size of the pump beam that has passed through the polarization rotator in the second direction;
A second cylinder lens that collimates the pump beam that has passed through the first cylinder lens in the second direction;
A converging lens;
By reconstructing the intensity distribution in the direction of the horizontal axis inside the anisotropic laser crystal, the finally focused beam has an almost circular spot with an absorption length, so that it operates in the TEM 00 mode. Formed by a tungstate medium doped with Yb 3+ ions, having characteristics and laser characteristics, having first and second axes crystallographically orthogonal to each other, these axes being the polarization of the pump beam And anisotropic laser crystals having different absorptions depending on each other, and
Making the asymmetric pump beam output from the pump radiation source into parallel light by the aspheric lens, the first cylinder lens, and the second cylinder lens;
The converging lens converges a pump beam collimated by the aspheric lens, the first cylinder lens, and the second cylinder lens on a surface of a beam entrance of the anisotropic laser crystal,
A first dichroic resonator mirror is disposed between the converging lens and a beam entrance of the anisotropic laser crystal;
A second dichroic resonator mirror is disposed at the beam exit of the anisotropic laser crystal, laser light is output to the first dichroic resonator mirror, and the reflected light is output to the converging lens. A first laser resonator mirror that is incident on the beam entrance of the anisotropic laser crystal together with a pump beam from
It said second outputs laser light to dichroic resonator mirror, is incident on the reflected light beam outlet of the anisotropic laser crystal, and a second laser resonator mirror is arranged,
Pumping the anisotropic laser crystal using a pump beam output from the pump radiation source;
Laser device.
前記異方性レーザー結晶が前記ポンプビームを最大に吸収することができるように、前記ポンプ放射源から出力されるポンプビームの偏光の向きが前記異方性レーザー結晶のa軸に沿って置かれる、
請求項1に記載のレーザー装置。
The direction of polarization of the pump beam output from the pump radiation source is placed along the a-axis of the anisotropic laser crystal so that the anisotropic laser crystal can absorb the pump beam to the maximum extent. ,
The laser device according to claim 1.
前記異方性レーザー結晶はビーム入口とビーム出口でブルースター角で切断され、空気屈折率に対するレーザー結晶の屈折率の比によって前記ブルースター角が増加する、
請求項1または2に記載のレーザー装置。
The anisotropic laser crystal is cut at a Brewster angle at a beam entrance and a beam exit, and the Brewster angle increases according to a ratio of a refractive index of the laser crystal to an air refractive index.
The laser device according to claim 1.
前記異方性レーザー結晶は、前記Yb3+イオンが添加されたタングステン酸塩媒質である、Yb:KYWまたはYb:KGW結晶である、
請求項3に記載のレーザー装置。
The anisotropic laser crystal is a Yb: KYW or Yb: KGW crystal, which is a tungstate medium to which the Yb 3+ ions are added.
The laser device according to claim 3.
前記偏光回転装置は半波長板である、
請求項1に記載のレーザー装置。
The polarization rotation device is a half-wave plate;
The laser device according to claim 1.
前記ポンプ放射源は、ポンプビームを発する各々のエミッターが線形態を有するレーザーダイオード、レーザーダイオードバー及びレーザーダイオードアレーの中から選択されるいずれか一つである、
請求項1に記載のレーザー装置。
The pump radiation source is any one selected from a laser diode, a laser diode bar, and a laser diode array in which each emitter emitting a pump beam has a linear shape.
The laser device according to claim 1.
前記異方性レーザー結晶は、ブルースター角度で切断されている、
請求項1に記載のレーザー装置。
The anisotropic laser crystal is cut at a Brewster angle,
The laser device according to claim 1.
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