JP2004296671A

JP2004296671A - Solid state laser device

Info

Publication number: JP2004296671A
Application number: JP2003085604A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sueda; 敬一末田; Sakae Kawato; 栄川戸; Takao Kobayashi; 喬郎小林
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】良好なビーム品質を有するレーザ光を高効率で発生させることが可能な固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】厚さｔが１ｍｍ以下で薄型、幅広の薄スラブ型のＹｂ：ＹＡＧ結晶からなり、長手方向にある２つの端面１１、１２が、レーザ光Ｌ０が入射または出射する光学面となっている固体レーザ媒質１０と、レーザ媒質１０に対して励起光を供給する励起光源とから固体レーザ装置を構成する。励起光源は、レーザ媒質の端面１１、１２から励起光Ｌ１、Ｌ２が入射される端面励起の構成となるように配置される。また、固体レーザ媒質１０の厚さ方向にある上面、下面上に、レーザ媒質１０よりも低い屈折率を有するクラッド部材２１、２２を設け、レーザ光及び励起光を媒質１０内に閉じ込める。
【選択図】図１A solid-state laser device capable of generating a laser beam having good beam quality with high efficiency.
Kind Code: A1 A thin and wide thin slab type Yb: YAG crystal having a thickness t of 1 mm or less is formed, and two end faces 11 and 12 in a longitudinal direction are optical surfaces on which laser light L0 enters or exits. A solid-state laser device includes the solid-state laser medium 10 and an excitation light source that supplies excitation light to the laser medium 10. The pumping light source is disposed so as to have a configuration of end-face pumping in which pumping lights L1 and L2 are incident from end faces 11 and 12 of the laser medium. Further, cladding members 21 and 22 having a lower refractive index than the laser medium 10 are provided on the upper surface and the lower surface in the thickness direction of the solid-state laser medium 10, and the laser light and the excitation light are confined in the medium 10.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ媒質と、励起光を供給する励起光源とを備える固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザは様々な分野において光源として実用化されており、そのさらなる高効率化、小型化、長寿命化が重要な課題となっている。ここで、気体レーザや液体レーザは寿命が短く、メンテナンスが必要であるのに対して、固体レーザは長寿命であり、また、装置が小型、高出力動作が可能である。また、固体レーザ媒質に対する励起光源として、発振スペクトル幅が狭い半導体レーザを用いれば、半導体レーザの発振スペクトル幅とレーザ媒質の吸収スペクトル幅とを重ねることによって高い吸収効率を得るとともに、レーザ媒質の発熱による損失を低減することができる（例えば、非特許文献１、２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｓ．Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ，Ｗ．Ｍ．ＴｕｌｌｏｃｈａｎｄＲ．Ｌ．Ｂｙｅｒ， ”Ｙｂ：ＹＡＧａｎｄＮｄ：ＹＡＧｅｄｇｅ−ｐｕｍｐｅｄｓｌａｂｌａｓｅｒｓ”，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ．Ｖｏｌ．２６，ｐ．９８６（２００１）．
【非特許文献２】
Ｅ．Ｃ．Ｈｏｎｅａ，Ｒ．Ｊ．ＢｅａｃｈａｎｄＳ．Ａ．Ｐａｙｎｃ， ”Ｄｕａｌ−ｒｏｄＹｂ：ＹＡＧｌａｓｅｒｆｏｒｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒａｎｄｈｉｇｈ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃ．ＡＳＳＬ２０００，ＭＡ６，ｐｐ．１６−１８（２０００）．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、このような固体レーザ媒質の１つとして、準４準位系材料であるＹｂ：ＹＡＧ結晶が注目されている。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、原子量子効率が高く高効率動作が可能であり、その利得バンド幅も広い。また、そのホスト媒質であるＹＡＧ結晶の熱伝導率が高いため励起に伴う結晶内での発熱が小さく、熱効果の影響が抑制された高ビーム品質が期待できる。
【０００５】
図７は、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶を用いた従来の固体レーザ装置の一例を示す図である（非特許文献１参照）。この固体レーザ装置では、０．９×５．３４×２．８１ｍｍ^３、イオン濃度２原子％（ａｔ．％）でスラブ形状のＹｂ：ＹＡＧ結晶８０を用いている。また、結晶８０への励起光の供給については、光ファイバ付半導体レーザ光源８１、８２を用いて側面から励起光を入射している。
【０００６】
図８は、固体レーザ装置の他の例を示す図である（非特許文献２参照）。この固体レーザ装置では、それぞれφ２ｍｍ×５０ｍｍでロッド形状の２つのＹｂ：ＹＡＧ結晶９０ａ、９０ｂを用い、全反射ミラー９１及び出力ミラー９２とともにレーザ発振器を構成している。また、結晶９０ａ、９０ｂへの励起光の供給については、スタック型のＣＷ半導体レーザ９３、９４を用い、長手方向にある端面からレンズダクト９５、９６を介して励起光を入射している。
【０００７】
ここで、図７のレーザ装置においては、励起光を側面から入射する側面励起の構成となっているため、結晶８０内でのレーザ光と励起光との光路が直交する。このような構成では、充分に高効率な動作を実現することは難しい。一方、図８のレーザ装置においては、結晶９０ａ、９０ｂが円柱形状をしているため、ロッド内部に温度分布が生じやすく軸対称の応力が発生する。この応力は光学的な異方性を引き起こすため、励起強度が高くなるにつれて出力の上昇が小さくなる。また、レーザ光のビーム品質が低下して集光特性が劣化するという問題もある。
【０００８】
また、これらの構成以外にも、固体レーザ媒質をディスク型とする構成や、導波路型とする構成が提案されている。しかしながら、ディスク型では、非常に薄い結晶に対して励起光を多数回通すことで高い吸収効率を実現しているが、その構成が複雑であり、装置が高価格化する。また、導波路型では、結晶の断面積が小さいために回折限界に近いレーザ光のビームを比較的簡単に得ることができるが、一方で高出力化が難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、良好なビーム品質を有するレーザ光を高効率で発生させることが可能な固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による固体レーザ装置は、（１）厚さ１ｍｍ以下のスラブ形状を有し、厚さ方向にある２つの側面が放熱面として機能する固体レーザ媒質と、（２）固体レーザ媒質に対して励起光を供給するとともに、固体レーザ媒質の長手方向にある２つの端面の少なくとも一方から励起光を入射するように配置された励起光源とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記した固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質として厚さが１ｍｍ以下で薄型、幅広のスラブ型の結晶を用いている。このようにレーザ媒質の厚さを薄くすることにより、結晶内での温度分布の影響が低減されて、レーザ光のビーム品質が向上される。また、レーザ媒質での放熱面となる厚さ方向にある側面の面積が大きくなるので、結晶内で発生した熱を効率的に放出できる。また、この薄スラブ型のレーザ媒質に対して、励起光を端面から入射する端面励起の構成としている。これにより、結晶内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので、高い吸収効率を実現することができる。固体レーザ媒質の厚さについては、０．５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００１２】
ここで、固体レーザ媒質は、長手方向に直交する面内における幅／厚さのアスペクト比が２以上であることが好ましい。このように、レーザ媒質での結晶の幅を厚さに対して大きくとることにより、ビーム品質の向上及び放熱特性の改善等の効果を充分に得ることができる。
【００１３】
また、レーザ装置は、固体レーザ媒質の厚さ方向にある２つの側面の少なくとも一方の面上に設けられ、固体レーザ媒質よりも低い屈折率を有するクラッド部材を備えることを特徴とする。これにより、レーザ媒質内へのレーザ光及び励起光の閉じ込めを確実に実現することができる。このような光の閉じ込め構造については、例えば、レーザ媒質の厚さ方向にある側面上に反射コート膜等を設ける構成としても良い。
【００１４】
また、固体レーザ媒質内におけるレーザ光の光路が、厚さ方向にある２つの側面上で交互に反射されるジグザグ状に設定されていることを特徴とする。これにより、レーザ光のビーム品質に対する結晶内での温度分布の影響をさらに低減することができる。
【００１５】
固体レーザ媒質としては、準４準位レーザ結晶のＹｂ：ＹＡＧ結晶からなるレーザ媒質を用いることが好ましい。上記構成にＹｂ：ＹＡＧ結晶を適用することにより、特に良好な特性の固体レーザ装置を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による固体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
図１は、本発明による固体レーザ装置の一実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。本実施形態による固体レーザ装置は、好ましくはＹｂ：ＹＡＧ結晶からなる固体レーザ媒質１０を備えている。レーザ媒質１０は、長さがｌ、長手方向に直交する面内における厚さがｔ、幅がｗのスラブ形状に形成されている。
【００１８】
ここで、固体レーザ媒質１０は、その厚さｔが１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下に設定されており、薄型、幅広の薄スラブ型の結晶構成となっている。また、固体レーザ媒質１０の長手方向にある２つの端面１１、１２が、レーザ媒質１０内において発振または増幅されるレーザ光Ｌ０が入射または出射する光学面となっている。
【００１９】
固体レーザ媒質１０に対し、レーザ媒質１０内に所定波長の励起光を供給する励起光源（図示していない）が設けられている。励起光源は、好ましくは半導体レーザからなり、レーザ媒質１０の２つの端面１１、１２の少なくとも一方から励起光を入射するように配置される。図１においては、レーザ媒質１０に対して長手方向の一方側に設置された励起光源から端面１１を介して入射される励起光Ｌ１と、長手方向の他方側に設置された励起光源から端面１２を介して入射される励起光Ｌ２とを示している。このように、励起光源からの励起レーザ光Ｌ１、Ｌ２が供給されることにより、レーザ媒質１０が励起光を吸収して、レーザ動作可能な状態に励起される。
【００２０】
また、レーザ媒質１０の厚さ方向にある２つの側面（図１中における上面、下面）は、レーザ媒質１０内で発生した熱を外部へと放出するための放熱面として機能している。さらに、本実施形態においては、これらの２つの側面上に、固体レーザ媒質１０を挟むクラッド部材２１、２２が設けられている。これらのクラッド部材２１、２２は、レーザ媒質１０よりも低い屈折率を有し、レーザ媒質１０を通過するレーザ光Ｌ０、及びレーザ媒質１０に供給される励起光Ｌ１、Ｌ２を媒質１０内に閉じ込める機能を有する。また、レーザ媒質１０内で発生した熱は、これらのクラッド部材２１、２２を介して外部へと放出される。
【００２１】
本実施形態による固体レーザ装置の効果について説明する。
【００２２】
図１に示した固体レーザ装置においては、固体レーザ媒質１０として厚さｔが１ｍｍ以下の薄スラブ型の結晶を用いている。レーザ媒質１０内では、供給された励起光Ｌ１、Ｌ２の吸収に伴う発熱によって温度分布が発生する。このような温度分布が発生すると、媒質１０内での熱レンズ効果などにより、レーザ光Ｌ０のビーム品質が影響を受ける。これに対して、上記のようにレーザ媒質１０の厚さｔを薄くすることにより、媒質１０内における温度分布の発生が抑制され、得られるレーザ光Ｌ０のビーム品質が向上される。
【００２３】
また、レーザ媒質１０を薄型、幅広のスラブ形状とすることにより、媒質１０の体積に対して放熱面となる厚さ方向にある側面の面積が大きくなる。これにより、厚さ方向での１次元的な放熱及び冷却を実現して、媒質１０内で発生した熱を効率的に放出することができる。これは、上記した温度分布の影響を低減する上でも有効である。
【００２４】
また、このような薄スラブ型のレーザ媒質１０に対して、励起光源から供給される励起光Ｌ１、Ｌ２を長手方向の端面１１、１２から入射する端面励起の構成としている。これにより、媒質１０内でのレーザ光Ｌ０と励起光Ｌ１、Ｌ２との光路が略同一方向となるので、高い吸収効率を実現することができる。また、媒質１０内での発振領域と励起領域とが容易に一致することにより、高モードマッチング効率が得られる。
【００２５】
上記構成では、このような固体レーザ媒質１０の薄スラブ型の形状、及び端面励起の構成により、レーザ媒質１０の高密度励起を可能としている。本固体レーザ装置の構成を固体レーザ発振器に適用すれば、高出力、高効率のレーザ発振器が実現される。また、本構成を固体レーザ増幅器に適用すれば、高利得のレーザ増幅器が実現される。
【００２６】
ここで、固体レーザ媒質１０の厚さｔについては、さらに０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、上記した温度分布の影響の低減、及び高密度励起などの効果を向上することができる。また、レーザ媒質１０の幅／厚さのアスペクト比ｗ／ｔを２以上とすることが好ましい。このように、レーザ媒質１０での結晶の幅ｗを厚さｔに対して大きくとることにより、レーザ光Ｌ０のビーム品質の向上、及び側面からの放熱特性の改善等の効果を充分に得ることができる。また、アスペクト比を８以上とすれば、ビーム品質等をさらに向上することができる。
【００２７】
また、本固体レーザ装置を固体レーザ増幅器に適用する場合、上記のようにレーザ媒質１０の幅ｗを広くすることにより、マルチパス増幅器を好適に構成することができる。また、マルチパス増幅器や安定−不安定共振器などにより、幅方向でのビーム品質の改善が可能である。
【００２８】
また、上記実施形態では、レーザ媒質１０の厚さ方向にある側面上にクラッド部材２１、２２を設けている。このように、スラブ構造、及び導波路構造の両方の特徴を併せ持つ構成とすることにより、レーザ媒質１０内へのレーザ光及び励起光の閉じ込めを確実に実現して、さらに高効率なレーザ装置とすることができる。
【００２９】
また、固体レーザ媒質１０内でのレーザ光Ｌ０の光路については、図２（ａ）及び（ｂ）の側面図に示すように、様々に設定して良い。図２（ａ）は、レーザ光Ｌ０がレーザ媒質１０の長手方向に沿って直線的な光路を通るストレートパス型の構成例を示している。このような構成では、レーザ光Ｌ０に対してレーザ媒質１０の外部に設けられる光学系の構成やアライメントが簡単となる。
【００３０】
また、図２（ｂ）は、レーザ光Ｌ０がレーザ媒質１０の長手方向に対して所定角度で厚さ方向に傾いており、厚さ方向にある２つの側面上で交互に反射される光路を通るジグザグパス型の構成例を示している。このような構成では、レーザ光Ｌ０が媒質１０の厚さ方向の全体を通ることにより、レーザ媒質１０内での温度分布の影響が平均化され、レーザ光Ｌ０のビーム品質に対する温度分布の影響がさらに低減される。また、熱レンズ効果、偏光解消の効果等を除去することができる。
【００３１】
なお、固体レーザ媒質１０に用いられる具体的なレーザ媒質としては、準４準位レーザ結晶であるＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いることが好ましい。Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、原子量子効率が高く高効率動作が可能な結晶として近年注目されており、上記構成に対してこのＹｂ：ＹＡＧ結晶を適用することにより、特に良好な特性の固体レーザ装置を実現することができる。
【００３２】
この場合、結晶でのＹｂイオン濃度を１原子％（ａｔ．％）以下とすることが好ましい。このように、低イオン濃度の結晶を用いることにより、媒質１０内での励起光吸収による単位体積あたりの熱の発生が抑制される。また、励起光の吸収効率に関しては、Ｙｂイオン濃度とともにレーザ媒質１０の長さｌを適切に設定すれば良い。また、イオン濃度を０．５原子％以下とすれば、熱の発生をさらに抑制することができる。また、固体レーザ媒質１０としては、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶以外にも、例えばＮｄ：ＹＡＧ結晶など、様々な固体レーザ媒質を用いて良い。
【００３３】
上記実施形態による固体レーザ装置の構成、及びその特性等について、具体的な実施例とともに説明する。
【００３４】
図３は、固体レーザ装置の具体例として、第１実施例の構成を示す側面図である。また、図４は、図３に示した固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒質の構成を示す（ａ）側面からみた斜視図、及び（ｂ）正面図である。
【００３５】
本実施例では、固体レーザ媒質１０としてＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａを用いている。具体的には、厚さｔ＝０．３ｍｍ、幅ｗ＝４ｍｍ、長さｌ＝５０ｍｍの薄スラブ型に形成されたＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａを用いている。このとき、この結晶１０ａの厚さｔは、上記した０．５ｍｍ以下の条件を満たしている。
【００３６】
また、結晶１０ａの長手方向に直交する端面１１、１２の面積は１．２ｍｍ^２と小さくなっており、励起光による高密度励起が可能となっている。例えば、３００Ｗの励起光が供給されれば、励起光密度は２５ｋＷ／ｃｍ^２である。また、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶１０ａにおいて発振または増幅されるレーザ光Ｌ０の波長は、１０３０ｎｍである。
【００３７】
また、幅／厚さのアスペクト比ｗ／ｔは、８以上の条件を満たす４／０．３〜１３．３となっており、厚さ方向での１次元的、効率的な放熱及び冷却を可能にしている。また、結晶１０ａにおけるＹｂイオン濃度は、０．５％以下の条件を満たす０．５ａｔ．％に設定されており、結晶１０ａ内での単位体積あたりの発熱が抑制されている。結晶１０ａの長さｌは、このイオン濃度等を考慮して設定されている。
【００３８】
Ｙｂ：ＹＡＧ結晶１０ａの厚さ方向にある上面及び下面は、それぞれ４ｍｍ×５０ｍｍと面積が大きくなっており、これらの面上には、結晶１０ａよりも低い屈折率を有するサファイア部材２１ａ、２２ａがそれぞれ拡散接合（ディフュージョンボンディング）されている。これらのサファイア部材２１ａ、２２ａは、励起光を全反射して結晶１０ａ内に閉じ込めるクラッド部材２１、２２である。また、サファイア部材２１ａ、２２ａの厚さはｔ_１＝ｔ_２＝３ｍｍであり、薄スラブ型の結晶１０ａの機械的強度を補う構成となっている。
【００３９】
サファイア部材２１ａ、２２ａの結晶１０ａとは反対側の面上には、それぞれヒートシンク２３、２４が設けられている。結晶１０ａ内において励起に伴って発生した熱は、その厚さ方向にあって面積が大きい上面、下面、及びサファイア部材２１ａ、２２ａを介して、ヒートシンク２３、２４へと放出される。ヒートシンク２３、２４としては、例えば水冷式の銅製ヒートシンクが用いられる。
【００４０】
本実施例では、結晶１０ａに対する励起光源として、１個の半導体レーザ３０が設置されている。半導体レーザ３０は、結晶１０ａの左側の端面１２に対向する光軸上の所定位置に配置されたスタック型レーザ光源であり、波長９４０ｎｍの励起光を供給する。また、結晶１０ａの端面１１、１２には、波長９４０ｎｍ及び１０３０ｎｍの光に対する反射防止コート（ＡＲコート）が施されている。半導体レーザ３０から供給された励起レーザ光Ｌ２は、レンズ３１を介して集光されつつ、端面１２から結晶１０ａ内に入射される。
【００４１】
結晶１０ａの右側の端面１１に対向する位置には、波長１０３０ｎｍのレーザ光Ｌ０を所定の割合で反射または透過する出力ミラー１６が設置されている。また、左側の端面１２に対向する位置には、波長１０３０ｎｍのレーザ光Ｌ０を全反射するとともに半導体レーザ３０からの波長９４０ｎｍの励起光Ｌ２を全透過するダイクロイックミラー１７が設置されている。以上により、本実施例のレーザ装置は、薄スラブ型のＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａを用いた片端面励起の固体レーザ発振器として構成されている。また、出力ミラー１６、及びダイクロイックミラー１７はともに平面ミラーであり、共振器長は６０ｍｍである。
【００４２】
図５は、固体レーザ装置の第２実施例の構成を示す側面図である。なお、本実施例においては、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶１０ａ、サファイア部材２１ａ、２２ａ、ヒートシンク２３、２４、及び出力ミラー１６の構成については、図３に示した第１実施例と同様である。
【００４３】
本実施例においては、結晶１０ａに対する励起光源として、２個の半導体レーザ３２、３４が設置されている。これらのうち、半導体レーザ３２は、結晶１０ａの右側の端面１１からみて斜めの方向となる所定位置に配置されたスタック型レーザ光源であり、波長９４０ｎｍの励起光を供給する。半導体レーザ３４は、結晶１０ａの左側の端面１２からみて斜めの方向となる所定位置に配置されたスタック型レーザ光源であり、波長９４０ｎｍの励起光を供給する。また、結晶１０ａの端面１１、１２には、波長９４０ｎｍ及び１０３０ｎｍの光に対する反射防止コートが施されている。半導体レーザ３２、３４から供給された励起レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれレンズ３３、３５を介して集光されつつ、端面１１、１２から結晶１０ａ内に入射される。
【００４４】
結晶１０ａの右側の端面１１に対向する位置には、励起光Ｌ１の光路を外れた位置に出力ミラー１６が設置されている。また、左側の端面１２に対向する位置には、励起光Ｌ２の光路を外れた位置に波長１０３０ｎｍのレーザ光Ｌ０を全反射する全反射ミラー１８が設置されている。以上により、本実施例のレーザ装置は、薄スラブ型のＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａを用いた両端面励起の固体レーザ発振器として構成されている。
【００４５】
図６は、固体レーザ装置の発振特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａに供給される励起レーザ光の励起パワー（Ｗ）を示し、縦軸は得られる発振レーザ光の出力パワー（Ｗ）を示している。
【００４６】
この図６は、図３に示した片端面励起の固体レーザ発振器におけるＣＷ発振特性を示している。この例では、発振閾値は８９Ｗであり、３４４ＷのＣＷ励起で最大出力１３８Ｗ、光−光変換効率４０％、スロープ効率５４％の発振効率が得られている。また、ビーム品質を示すＭ^２因子は、厚さ方向でＭ^２＝３．４、幅方向でＭ^２＝３４であった。このように、薄スラブ型のＹｂ：ＹＡＧ結晶１０ａを固体レーザ媒質として用いることにより、高効率、高ビーム品質でのレーザ発振が可能となっている。
【００４７】
本発明による固体レーザ装置は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、固体レーザ媒質への光の閉じ込め構造については、上記実施例では、クラッド部材としてサファイアを拡散接合する構成としたが、サファイア以外にも、例えば、イオン添加されていないＹＡＧ結晶を拡散接合する構成を用いても良い。また、レーザ媒質の厚さ方向にある２つの側面の一方の面上にクラッド部材を設ける構成としても良い。あるいは、クラッド部材を設けず、側面上にＳｉＯ_２膜などの反射コート膜を設ける構成としても良い。
【００４８】
【発明の効果】
本発明による固体レーザ装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、固体レーザ媒質を厚さが１ｍｍ以下で薄型、幅広のスラブ型とするとともに、励起光源からの励起光を端面から入射する構成によれば、結晶内での温度分布の影響が低減され、レーザ光のビーム品質が向上される。また、レーザ媒質での放熱面となる厚さ方向にある側面の面積が大きくなるので、結晶内で発生した熱を効率的に放出できる。また、結晶内でのレーザ光と励起光との光路が同一方向となるので、高い吸収効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体レーザ装置の一実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】固体レーザ媒質内での（ａ）ストレートパス型、及び（ｂ）ジグザグパス型のレーザ光の光路を示す側面図である。
【図３】固体レーザ装置の第１実施例の構成を示す側面図である。
【図４】図３に示した固体レーザ装置に用いられる固体レーザ媒質の構成を示す（ａ）側面からみた斜視図、及び（ｂ）正面図である。
【図５】固体レーザ装置の第２実施例の構成を示す側面図である。
【図６】図３に示した固体レーザ装置の発振特性を示すグラフである。
【図７】従来の固体レーザ装置の一例を示す図である。
【図８】従来の固体レーザ装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１０…固体レーザ媒質、１０ａ…Ｙｂ：ＹＡＧ結晶、１１、１２…端面、１６…出力ミラー、１７…ダイクロイックミラー、１８…全反射ミラー、２１、２２…クラッド部材、２１ａ、２２ａ…サファイア部材、２３、２４…ヒートシンク、３０、３２、３４…半導体レーザ、３１、３３、３５…レンズ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state laser device including a solid-state laser medium and an excitation light source that supplies excitation light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Lasers have been put into practical use in various fields as light sources, and their higher efficiency, smaller size, and longer life have become important issues. Here, a gas laser or a liquid laser has a short life and requires maintenance, whereas a solid laser has a long life, and the device can be small and can perform high-power operation. If a semiconductor laser having a narrow oscillation spectrum width is used as an excitation light source for the solid-state laser medium, a high absorption efficiency is obtained by overlapping the oscillation spectrum width of the semiconductor laser with the absorption spectrum width of the laser medium, and heat generation of the laser medium is achieved. (See, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Non-patent document 1]
T. S. Rutherford, W.C. M. Tulloch and R.S. L. Byer, "Yb: YAG and Nd: YAG edge-pumped slab lasers", Optics Lett. Vol. 26, p. 986 (2001).
[Non-patent document 2]
E. FIG. C. Honea, R .; J. Beach and S.M. A. Paync, "Dual-rod Yb: YAG laser for high-power and high-brightness applications", Proc. ASSL2000, MA6, pp. 16-18 (2000).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, as one of such solid-state laser media, a Yb: YAG crystal, which is a quasi-four-level material, has attracted attention. A Yb: YAG crystal has high atomic quantum efficiency, can operate with high efficiency, and has a wide gain bandwidth. Further, heat generation is small in the crystal due to excitation for the high thermal conductivity of the YAG crystal as a host medium, high beam quality influence of thermal effects is suppressed can be expected.
[0005]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a conventional solid-state laser device using a Yb: YAG crystal (see Non-Patent Document 1). This solid laser ^{device, 0.9 × 5.34 × 2.81mm 3,} Yb slab shape ion concentration of 2 atomic% (at%.): Is used YAG crystal 80. As for the supply of the excitation light to the crystal 80, the excitation light is incident from the side using the semiconductor laser light sources 81 and 82 with optical fibers.
[0006]
FIG. 8 is a diagram illustrating another example of the solid-state laser device (see Non-Patent Document 2). In this solid-state laser device, a laser oscillator is formed together with the total reflection mirror 91 and the output mirror 92 by using two rod-shaped Yb: YAG crystals 90a and 90b each having a diameter of 2 mm x 50 mm. In addition, excitation light is supplied to the crystals 90a and 90b by using stacked CW semiconductor lasers 93 and 94, and the excitation light is incident from end faces in the longitudinal direction through lens ducts 95 and 96.
[0007]
Here, in the laser device of FIG. 7, since the excitation light is incident on the side surface, the optical path between the laser light and the excitation light in the crystal 80 is orthogonal. With such a configuration, it is difficult to achieve a sufficiently efficient operation. On the other hand, in the laser apparatus of FIG. 8, the crystal 90a, because 90b is a cylindrical shape, the temperature distribution stress tends axisymmetric occur generated inside the rod. Since this stress causes optical anisotropy, the increase in output decreases as the excitation intensity increases. In addition, there is a problem that the beam quality of the laser light is deteriorated and the light collecting characteristics are deteriorated.
[0008]
In addition to these configurations, a configuration in which the solid-state laser medium is a disk type or a configuration in which the solid-state laser medium is a waveguide type has been proposed. However, the disc type achieves high absorption efficiency by passing through multiple excitation light for very thin crystals, but the structure is complicated, apparatus is high cost. Further, in the waveguide type, a laser beam close to the diffraction limit can be obtained relatively easily because the cross-sectional area of the crystal is small, but there is a problem that it is difficult to increase the output.
[0009]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state laser device capable of generating a laser beam having good beam quality with high efficiency.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the solid-state laser device according to the present invention includes (1) a solid-state laser medium having a slab shape having a thickness of 1 mm or less, and having two side surfaces in the thickness direction functioning as a heat dissipation surface. (2) an excitation light source that supplies excitation light to the solid-state laser medium and is arranged so that the excitation light is incident from at least one of two end faces in the longitudinal direction of the solid-state laser medium. And
[0011]
In the above-described solid-state laser device, a thin and wide slab-type crystal having a thickness of 1 mm or less is used as a solid-state laser medium. By thus reducing the thickness of the laser medium, the influence of the temperature distribution in the crystal is reduced, and the beam quality of the laser light is improved. Further, since the area of the side surface in the thickness direction, which becomes the heat radiation surface in the laser medium, increases, the heat generated in the crystal can be efficiently released. Further, the thin slab type laser medium is configured so that the excitation light is incident on the end face from the end face. Thereby, since the optical path of the laser light and the excitation light in the crystal is in the same direction, high absorption efficiency can be realized. More preferably, the thickness of the solid state laser medium is 0.5 mm or less.
[0012]
Here, the solid-state laser medium preferably has an aspect ratio of width / thickness of 2 or more in a plane perpendicular to the longitudinal direction. As described above, by increasing the width of the crystal in the laser medium with respect to the thickness, it is possible to sufficiently obtain effects such as an improvement in beam quality and an improvement in heat radiation characteristics.
[0013]
Further, the laser device includes a cladding member provided on at least one of the two side surfaces in the thickness direction of the solid-state laser medium and having a lower refractive index than the solid-state laser medium. This makes it possible to reliably confine the laser light and the excitation light in the laser medium. For such a light confinement structure, for example, a configuration in which a reflective coating film or the like is provided on a side surface in the thickness direction of the laser medium may be used.
[0014]
Further, the optical path of the laser light in the solid-state laser medium is set in a zigzag shape that is alternately reflected on two side surfaces in the thickness direction. Thereby, the influence of the temperature distribution in the crystal on the beam quality of the laser light can be further reduced.
[0015]
As the solid-state laser medium, it is preferable to use a laser medium made of a quaternary laser crystal Yb: YAG crystal. By applying a Yb: YAG crystal to the above configuration, a solid-state laser device having particularly good characteristics can be realized.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a solid-state laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.
[0017]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an embodiment of a solid-state laser device according to the present invention. The solid-state laser device according to the present embodiment includes a solid-state laser medium 10 preferably made of a Yb: YAG crystal. The laser medium 10 is formed in a slab shape having a length l, a thickness t in a plane orthogonal to the longitudinal direction, and a width w.
[0018]
Here, the solid laser medium 10 has a thickness t of 1 mm or less, preferably 0.5 mm or less, and has a thin and wide thin slab type crystal structure. The two end surfaces 11 and 12 in the longitudinal direction of the solid-state laser medium 10 are optical surfaces on which the laser light L0 oscillated or amplified in the laser medium 10 enters or exits.
[0019]
For the solid-state laser medium 10, an excitation light source (not shown) for supplying excitation light of a predetermined wavelength into the laser medium 10 is provided. The excitation light source is preferably composed of a semiconductor laser, and is arranged so that the excitation light is incident from at least one of the two end faces 11 and 12 of the laser medium 10. In FIG. 1, an excitation light L1 which is incident on an end face 11 from an excitation light source provided on one side in a longitudinal direction with respect to a laser medium 10 and an excitation light L1 which is incident on an end face 12 on the other side in a longitudinal direction. And the excitation light L2 that is incident through the optical path. Thus, by exciting laser light L1, L2 from the excitation light source is supplied, the laser medium 10 absorbs the excitation light, is excited to a laser operable state.
[0020]
Further, two side surfaces (upper surface and lower surface in FIG. 1) in the thickness direction of the laser medium 10 function as heat radiation surfaces for releasing heat generated in the laser medium 10 to the outside. Further, in the present embodiment, cladding members 21 and 22 sandwiching the solid-state laser medium 10 are provided on these two side surfaces. The cladding members 21 and 22 have a lower refractive index than the laser medium 10 and confine the laser light L0 passing through the laser medium 10 and the excitation lights L1 and L2 supplied to the laser medium 10 in the medium 10. Has functions. The heat generated in the laser medium 10 is released to the outside via the clad members 21 and 22.
[0021]
The effects of the solid-state laser device according to the present embodiment will be described.
[0022]
In the solid-state laser device shown in FIG. 1, a thin slab type crystal having a thickness t of 1 mm or less is used as the solid-state laser medium 10. In the laser medium 10, a temperature distribution occurs due to heat generated by absorption of the supplied excitation lights L1 and L2. When such a temperature distribution occurs, the beam quality of the laser light L0 is affected by a thermal lens effect or the like in the medium 10. On the other hand, by reducing the thickness t of the laser medium 10 as described above, the occurrence of a temperature distribution in the medium 10 is suppressed, and the beam quality of the obtained laser light L0 is improved.
[0023]
Further, by the laser medium 10 thin, and wide slab, the area of the side surface becomes large in the thickness direction to be the heat radiating surface relative to the volume of the medium 10. Thereby, one-dimensional heat radiation and cooling in the thickness direction can be realized, and the heat generated in the medium 10 can be efficiently released. This is also effective in reducing the influence of the above-mentioned temperature distribution.
[0024]
Further, the excitation light L1 and L2 supplied from the excitation light source are incident on the thin slab type laser medium 10 from the end faces 11 and 12 in the longitudinal direction. Thereby, the optical paths of the laser light L0 and the excitation lights L1 and L2 in the medium 10 are substantially in the same direction, so that high absorption efficiency can be realized. Further, since the oscillation region and the excitation region in the medium 10 easily match, high mode matching efficiency can be obtained.
[0025]
In the above-described configuration, high-density excitation of the laser medium 10 is enabled by such a thin slab type shape of the solid-state laser medium 10 and the configuration of the end face excitation. When the configuration of the solid-state laser device is applied to a solid-state laser oscillator, a high-output, high-efficiency laser oscillator is realized. Also, if this configuration is applied to a solid-state laser amplifier, a high-gain laser amplifier is realized.
[0026]
Here, the thickness t of the solid-state laser medium 10 is preferably set to 0.5 mm or less. Thereby, it is possible to reduce the above-described effects of the temperature distribution and to improve effects such as high-density excitation. Further, it is preferable that the width / thickness aspect ratio w / t of the laser medium 10 is 2 or more. As described above, by increasing the width w of the crystal in the laser medium 10 with respect to the thickness t, it is possible to sufficiently obtain the effects of improving the beam quality of the laser light L0 and improving the heat radiation characteristics from the side surfaces. Can be. When the aspect ratio is 8 or more, the beam quality and the like can be further improved.
[0027]
Further, the present solid-state laser device when applied to solid-state laser amplifier, by widening the width w of the laser medium 10, as described above, it is possible to suitably configure the multipass amplifier. Further, the beam quality in the width direction can be improved by a multi-pass amplifier, a stable-unstable resonator, or the like.
[0028]
In the above embodiment, the cladding members 21 and 22 are provided on the side surface of the laser medium 10 in the thickness direction. As described above, by adopting a configuration having both features of the slab structure and the waveguide structure, confinement of the laser light and the excitation light in the laser medium 10 is reliably realized, and a more efficient laser device is provided. can do.
[0029]
Further, the optical path of the laser light L0 in the solid-state laser medium 10 may be variously set as shown in the side views of FIGS. FIG. 2A illustrates a configuration example of a straight path type in which the laser light L0 passes through a linear optical path along the longitudinal direction of the laser medium 10. With such a configuration, the configuration and alignment of an optical system provided outside the laser medium 10 with respect to the laser light L0 are simplified.
[0030]
FIG. 2B illustrates an optical path in which the laser light L0 is inclined at a predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the laser medium 10 in the thickness direction, and is alternately reflected on two side surfaces in the thickness direction. 2 shows a configuration example of a zigzag path type that passes. In such a configuration, the influence of the temperature distribution in the laser medium 10 is averaged because the laser light L0 passes through the entire thickness direction of the medium 10, and the influence of the temperature distribution on the beam quality of the laser light L0 is reduced. It is further reduced. Further, the thermal lens effect, the effect of depolarization, and the like can be eliminated.
[0031]
In addition, as a specific laser medium used for the solid-state laser medium 10, it is preferable to use a Yb: YAG crystal, which is a quasi-four-level laser crystal. A Yb: YAG crystal has recently attracted attention as a crystal having a high atomic quantum efficiency and capable of high-efficiency operation. By applying the Yb: YAG crystal to the above configuration, a solid-state laser device having particularly good characteristics can be obtained. Can be realized.
[0032]
In this case, the Yb ion concentration in the crystal is preferably set to 1 atomic% (at.%) Or less. As described above, by using a crystal having a low ion concentration, generation of heat per unit volume due to absorption of excitation light in the medium 10 is suppressed. As for the absorption efficiency of the excitation light, the length l of the laser medium 10 may be appropriately set together with the Yb ion concentration. Further, when the ion concentration is set to 0.5 atomic% or less, generation of heat can be further suppressed. Further, as the solid-state laser medium 10, various solid-state laser media such as an Nd: YAG crystal may be used in addition to the Yb: YAG crystal.
[0033]
The configuration, characteristics, and the like of the solid-state laser device according to the above embodiment will be described with specific examples.
[0034]
FIG. 3 is a side view showing the configuration of the first embodiment as a specific example of the solid-state laser device. 4 is a perspective view, and (b) a front view as seen from the (a) side showing the configuration of a solid-state laser medium used in the solid-state laser apparatus shown in FIG.
[0035]
In this embodiment, a Yb: YAG crystal 10a is used as the solid-state laser medium 10. Specifically, the thickness t = 0.3 mm, width w = 4 mm, which is formed in a thin slab of length l = 50 mm Yb: is used YAG crystal 10a. At this time, the thickness t of the crystal 10a satisfies the above condition of 0.5 mm or less.
[0036]
The area of the end surfaces 11 and 12 perpendicular to the longitudinal direction of the crystal 10a is as small as 1.2 mm ^2, which enables high-density excited by the excitation light. For example, if 300 W excitation light is supplied, the excitation light density is 25 kW / cm ² . The wavelength of the laser light L0 oscillated or amplified in the Yb: YAG crystal 10a is 1030 nm.
[0037]
Further, the width / thickness aspect ratio w / t is 4 / 0.3 to 13.3 which satisfies the condition of 8 or more, so that one-dimensional and efficient heat radiation and cooling in the thickness direction can be achieved. Making it possible. The Yb ion concentration in the crystal 10a is 0.5 at. %, And heat generation per unit volume in the crystal 10a is suppressed. The length l of the crystal 10a is set in consideration of the ion concentration and the like.
[0038]
The upper surface and the lower surface in the thickness direction of the Yb: YAG crystal 10a have a large area of 4 mm × 50 mm, respectively, and sapphire members 21a and 22a having a lower refractive index than the crystal 10a are provided on these surfaces. Each of them is diffusion bonded (diffusion bonded). These sapphire members 21a and 22a are clad members 21 and 22 that totally reflect the excitation light and confine it within the crystal 10a. Further, the thickness of the sapphire members 21a and 22a is t ₁ = t ₂ = 3 mm, and is configured to supplement the mechanical strength of the thin slab type crystal 10a.
[0039]
Heat sinks 23 and 24 are provided on the surfaces of the sapphire members 21a and 22a on the side opposite to the crystal 10a, respectively. Heat generated by the excitation in the crystal 10a is released to the heat sinks 23 and 24 via the upper and lower surfaces and the sapphire members 21a and 22a in the thickness direction and having a large area. As the heat sinks 23 and 24, for example, a water-cooled copper heat sink is used.
[0040]
In this embodiment, one semiconductor laser 30 is provided as an excitation light source for the crystal 10a. The semiconductor laser 30 is a stacked laser light sources arranged in a predetermined position on the optical axis opposite to the left side of the end face 12 of the crystal 10a, for supplying pumping light of wavelength 940 nm. The end faces 11, 12 of the crystal 10a are provided with an antireflection coat (AR coat) for light having wavelengths of 940 nm and 1030 nm. The excitation laser beam L2 supplied from the semiconductor laser 30 is incident on the crystal 10a from the end face 12 while being condensed via the lens 31.
[0041]
A position opposed to the right side of the end face 11 of the crystal 10a, the output mirror 16 which reflects or transmits the laser beam L0 having a wavelength of 1030nm at a predetermined rate is provided. A dichroic mirror 17 that totally reflects the laser light L0 having a wavelength of 1030 nm and transmits all the excitation light L2 having a wavelength of 940 nm from the semiconductor laser 30 is provided at a position facing the left end surface 12. Thus, the laser device of this embodiment, the thin-slab type Yb: is configured as a solid-state laser of one end surface excitation with a YAG crystal 10a. The output mirror 16 and the dichroic mirror 17 are both plane mirrors, and have a resonator length of 60 mm.
[0042]
FIG. 5 is a side view showing the configuration of the second embodiment of the solid-state laser device. In this embodiment, the configurations of the Yb: YAG crystal 10a, the sapphire members 21a and 22a, the heat sinks 23 and 24, and the output mirror 16 are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0043]
In this embodiment, two semiconductor lasers 32 and 34 are provided as excitation light sources for the crystal 10a. Among these, the semiconductor laser 32 is a stacked laser light source arranged at a predetermined position that is obliquely viewed from the right end face 11 of the crystal 10a, and supplies excitation light having a wavelength of 940 nm. The semiconductor laser 34 is a stack-type laser light source arranged at a predetermined position that is oblique to the left end face 12 of the crystal 10a, and supplies excitation light having a wavelength of 940 nm. The end faces 11 and 12 of the crystal 10a are provided with an antireflection coat for light having wavelengths of 940 nm and 1030 nm. The semiconductor laser 32 excitation laser light L1, L2 supplied from while being condensed through respective lenses 33, 35, is incident from the end face 11, 12 in the crystal 10a.
[0044]
At a position facing the right end face 11 of the crystal 10a, an output mirror 16 is provided at a position off the optical path of the excitation light L1. A total reflection mirror 18 that totally reflects the laser beam L0 having a wavelength of 1030 nm is provided at a position facing the left end surface 12 at a position outside the optical path of the excitation light L2. As described above, the laser device of the present embodiment is configured as a solid-state laser oscillator with both end faces pumped using the thin slab type Yb: YAG crystal 10a.
[0045]
FIG. 6 is a graph showing the oscillation characteristics of the solid-state laser device. In this graph, the horizontal axis indicates the excitation power (W) of the excitation laser light supplied to the Yb: YAG crystal 10a, and the vertical axis indicates the output power (W) of the obtained oscillation laser light.
[0046]
FIG. 6 shows the CW oscillation characteristics of the solid-state laser oscillator pumped at one end shown in FIG. In this example, the oscillation threshold value is 89 W, and the oscillation efficiency of 138 W maximum output, 40% light-light conversion efficiency, and 54% slope efficiency is obtained by 344 W CW excitation. Further, ^{M 2} factor indicating the beam quality, ^M 2 = 3.4 in the thickness direction was ^M 2 = 34 in the width direction. Thus, Yb thin slab: By using the YAG crystal 10a as a solid-state laser medium, high efficiency, and enables laser oscillation at a high beam quality.
[0047]
The solid-state laser device according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible. For example, in the structure of confining light in a solid-state laser medium, in the above-described embodiment, a structure in which sapphire is diffusion-bonded as a cladding member is used. However, other than sapphire, for example, a YAG crystal to which no ion is added is diffusion-bonded. A configuration may be used. Further, a configuration may be adopted in which a clad member is provided on one of two side surfaces in the thickness direction of the laser medium. Alternatively, a configuration in which a reflective coat film such as a SiO ₂ film is provided on the side surface without providing the clad member may be adopted.
[0048]
【The invention's effect】
As described in detail above, the solid-state laser device according to the present invention has the following effects. That is, according to the configuration in which the solid-state laser medium has a thickness of 1 mm or less and is thin and has a wide slab type and the excitation light from the excitation light source is incident from the end face, the influence of the temperature distribution in the crystal is reduced, The beam quality of the laser light is improved. Further, since the area of the side surface in the thickness direction, which becomes the heat radiation surface in the laser medium, increases, the heat generated in the crystal can be efficiently released. Also, since the optical path of the laser light and the excitation light in the crystal is in the same direction, high absorption efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an embodiment of a solid-state laser device.
FIG. 2 is a side view showing an optical path of (a) a straight path type laser beam and (b) a zigzag path type laser beam in a solid-state laser medium.
FIG. 3 is a side view showing the configuration of the first embodiment of the solid-state laser device.
4A is a perspective view showing the configuration of a solid-state laser medium used in the solid-state laser device shown in FIG. 3, and FIG.
FIG. 5 is a side view showing a configuration of a second embodiment of the solid-state laser device.
FIG. 6 is a graph showing oscillation characteristics of the solid-state laser device shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a conventional solid-state laser device.
FIG. 8 is a diagram showing another example of a conventional solid-state laser device.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10: solid laser medium, 10a: Yb: YAG crystal, 11, 12: end face, 16: output mirror, 17: dichroic mirror, 18: total reflection mirror, 21, 22: clad member, 21a, 22a: sapphire member, 23 , 24 ... heat sink, 30, 32, 34 ... semiconductor laser, 31, 33, 35 ... lens.

Claims

A solid-state laser medium having a slab shape with a thickness of 1 mm or less, and two side surfaces in the thickness direction functioning as a heat dissipation surface;
And supplying excitation light to the solid-state laser medium, and an excitation light source arranged to receive the excitation light from at least one of two end faces in a longitudinal direction of the solid-state laser medium. Solid-state laser device.

The solid-state laser device according to claim 1, wherein the solid-state laser medium has an aspect ratio of width / thickness of 2 or more in a plane orthogonal to the longitudinal direction.

3. A cladding member provided on at least one of the two side surfaces in the thickness direction of the solid-state laser medium and having a lower refractive index than the solid-state laser medium. solid-state laser device.

The optical path of laser light in the solid-state laser medium is set in a zigzag shape that is alternately reflected on two side surfaces in the thickness direction. solid-state laser apparatus according.

The solid-state laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the solid-state laser medium is made of a Yb: YAG crystal of a quasi-four-level laser crystal.