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明細書 :レーザー装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3953937号 (P3953937)
公開番号 特開2004-152817 (P2004-152817A)
登録日 平成19年5月11日(2007.5.11)
発行日 平成19年8月8日(2007.8.8)
公開日 平成16年5月27日(2004.5.27)
発明の名称または考案の名称 レーザー装置
国際特許分類 H01S   3/094       (2006.01)
H01S   3/06        (2006.01)
FI H01S 3/094 S
H01S 3/06 Z
請求項の数または発明の数 12
全頁数 10
出願番号 特願2002-313598 (P2002-313598)
出願日 平成14年10月29日(2002.10.29)
審査請求日 平成16年7月2日(2004.7.2)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】503360115
【氏名又は名称】独立行政法人科学技術振興機構
発明者または考案者 【氏名】平等 拓範
【氏名】トライアン ダスカル
【氏名】ニコライ パベル
個別代理人の代理人 【識別番号】100089635、【弁理士】、【氏名又は名称】清水 守
審査官 【審査官】岡田 吉美
参考文献・文献 特開2002-141585(JP,A)
特開平08-026768(JP,A)
特開2002-057388(JP,A)
調査した分野 H01S 3/00 - 3/30
特許請求の範囲 【請求項1】
(a)ヒートシンク部上に貼り付けられる薄い板状のマイクロチップレーザー媒質と、
(b)前記ヒートシンク部からは離間され、前記マイクロチップレーザー媒質上に同心状に配置される導波光学系を備え、
(c)外部から入射される励起光は前記導波光学系内を全反射しながら前記導波光学系と同心状に配置された前記レーザー媒質で吸収され、吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再び前記レーザー媒質で吸収されるように構成したことを特徴とするレーザー装置。
【請求項2】
請求項1記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の厚みと直径との比であるアスペクト比(直径/厚み)が2以上となることを特徴とするレーザー装置。
【請求項3】
請求項1記載のレーザー装置において、前記導波光学系はその周辺部に前記励起光の入口を有する円形状または多角形状などの任意形状の薄い導波板による集光系であることを特徴とするレーザー装置。
【請求項4】
請求項3記載のレーザー装置において、前記励起光をレーザー媒質まで効率良く伝搬するために、前記入口としてプリズムやこれに準じた光学部品、光学加工を前記導波光学系に施す、または一体化することを特徴とするレーザー装置。
【請求項5】
請求項1記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質として発光中心として用いる添加希土類イオンを導入することを特徴とするレーザー装置。
【請求項6】
請求項5記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはYbであることを特徴とするレーザー装置。
【請求項7】
請求項5記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはNd,Tm,Ho,Er又はPrであることを特徴とするレーザー装置。
【請求項8】
請求項1記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるように構成することを特徴とするレーザー装置。
【請求項9】
請求項1記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の母材として用いる結晶がYAG,YSGG,YSAG,GSGG,GGGなどのガーネット系、YVO4 などのバナデート系、KYW,KGWなどのタングステート系、YLFなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系であることを特徴とするレーザー装置。
【請求項10】
請求項6記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるYb3+イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群 27/3 よりレーザー上準位である、 25/2 に遷移させる波長で励起することを特徴とするレーザー装置。
【請求項11】
請求項6記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるYb3+イオンを添加したYAGに関して励起する波長として、中心波長940nm前後または970nm前後を含むスペクトル幅の光源で励起することを特徴とするレーザー装置。
【請求項12】
請求項10又は11記載のレーザー装置において、前記励起光源として、930nmから990nmの波長領域の半導体レーザー(ダイオードレーザー)または発光ダイオードを用いることを特徴とするレーザー装置。
発明の詳細な説明 【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
Yb:YAGやNd:YAG(946nmレーザー遷移)などの準四準位レーザーは、高効率動作のためには発振閾値の数倍以上の強励起が求められる。これは強励起によりレーザー下準位での発光再吸収を飽和できるためである。
【0003】
従来のレーザー装置では、軸方向励起では吸収長が短くなり、効率が低下するため、折り返し複数回励起する必要があった。
【0004】
または、レーザー媒質を、そのコア部にのみに活性イオンを添加する構成としていた。
【0005】
【非特許文献1】
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.L606-L608 Part2.No.6A.1June2002
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のレーザー装置では、軸方向励起では吸収長が短くなり、効率が低下するため、折り返し複数回励起する必要があった。
【0007】
しかしながら、かかる折返し型複数励起構成は、励起光学系が複雑で不安定であるという欠点を有していた。また、レーザー媒質としてコア部に活性イオンを添加するという構成を実現するには複雑な製造工程が必要であり、機械的にも脆くなるという欠点を有していた。
【0008】
本発明は、上記状況に鑑み、簡素な構造で、かつ機械的にも強固なレーザー装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕レーザー装置において、ヒートシンク部上に貼り付けられる薄い板状のマイクロチップレーザー媒質と、前記ヒートシンク部からは離間され、前記マイクロチップレーザー媒質上に同心状に配置される導波光学系を備え、外部から入射される励起光は前記導波光学系内を全反射しながら前記導波光学系と同心状に配置された前記レーザー媒質で吸収され、吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再び前記レーザー媒質で吸収されるように構成したことを特徴とする。
【0010】
〔2〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の厚みと直径との比であるアスペクト比(直径/厚み)が2以上となることを特徴とする。
【0011】
〔3〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記導波光学系はその周辺部に前記励起光の入口を有する円形状または多角形状などの任意形状の薄い導波板による集光系であることを特徴とする。
【0012】
〔4〕上記〔3〕記載のレーザー装置において、前記励起光をレーザー媒質まで効率良く伝搬するために、前記入口としてプリズムやこれに準じた光学部品、光学加工を前記導波光学系に施す、または一体化することを特徴とする。
【0013】
〔5〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質として発光中心として用いる添加希土類イオンを導入することを特徴とする。
【0014】
〔6〕上記〔5〕記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはYbであることを特徴とする。
【0015】
〔7〕上記〔5〕記載のレーザー装置において、前記添加希土類イオンはNd,Tm,Ho,Er又はPrであることを特徴とする。
【0016】
〔8〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるように構成することを特徴とする。
【0017】
〔9〕上記〔1〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質の母材として用いる結晶がYAG,YSGG,YSAG,GSGG,GGGなどのガーネット系、YVO4 などのバナデート系、KYW,KGWなどのタングステート系、YLFなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系であることを特徴とする。
【0018】
〔10〕上記〔6〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるYb3+イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群 27/3 よりレーザー上準位である、 25/2 に遷移させる波長で励起することを特徴とする。
【0019】
〔11〕上記〔6〕記載のレーザー装置において、前記レーザー媒質であるYb3+イオンを添加したYAGに関して励起する波長として、中心波長940nm前後または970nm前後を含むスペクトル幅の光源で励起することを特徴とする。
【0020】
〔12〕上記〔10〕又は〔11〕記載のレーザー装置において、前記励起光源として、930nmから990nmの波長領域の半導体レーザー(ダイオードレーザー)または発光ダイオードを用いることを特徴とする。
【0021】
上記したように、本発明によれば、放熱のためヒートシンク部上に貼り付けた薄い板状のマイクロチップレーザー媒質を効率よく光励起するため、レーザー媒質上に導波光学系を配置する。励起光は、導波光学系内を全反射しながら中心位置に配置されたマイクロチップレーザー媒質で吸収される。この時に吸収されなかった励起光は前記導波光学系の周辺で反射され、再びレーザー媒質で吸収するため効率よい励起が可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0023】
図1は本発明の実施例を示すレーザー装置の模式図、図2はそのレーザー装置の内部ビーム放射状態を示す平面図、図3はそのレーザー装置の薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の構成図であり、図3(a)はその薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の側面図、図3(b)はその薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の平面図である。図4はその導波光学系(円形状の集光導波光学系)の構成図であり、図4(a)はその平面図、図4(b)はその図4(a)のA-A線断面図である。
【0024】
これらの図において、1はヒートシンク部材、2は薄い板状のマイクロチップレーザー媒質(以下、単にレーザー媒質という)、3は集光導波光学系、4はその集光導波光学系3に設けられる励起光としてのダイオードレーザーの入口、5は外部のダイオードレーザーからの励起光である。
【0025】
図3に示すように、レーザー媒質2は活性イオンを添加した結晶(活性媒体)からなる、厚みL2 が数百μmの薄い円板状であり、その円板の表面は40~20の光学研摩溝に研磨され、これらの表面は平行度10秒以内であり、その片面(下面)はレーザー波長での反射性の高い誘電体層で覆われ、この面がレーザー発振に付随して発生する熱を除去するために、ヒートシンク部材1にろう付けされる。
【0026】
なお、レーザー媒質2の厚みL2 と直径L1 との比であるアスペクト比(直径/厚み)の値が2以上となるようにする。
【0027】
図3に示した、レーザー媒質2の直径L1 は、1.5mm、厚みL2 は0.2mm(これに限定するものではなく、上記したように数百μmあればよい)である。
【0028】
一方、集光導波光学系3は、レーザー媒質2(活性媒体)と同じ物質でイオンが添加されていないものからなり、活性媒体と同じ光学的性質を持ち、図2に示すように、レーザー媒質2と同心状に配置され、拡散結合により、集光導波光学系3とレーザー媒質2間のコンタクトをとる。
【0029】
集光導波光学系3には、励起光としてのダイオードレーザーの入口4が形成される、本実施例では、3つの入口4が示されている(なお、入口は3つに限定されるものではない)。
【0030】
なお、図4に示した、集光導波光学系3の直径L3 は、10mm、厚みL4 は0.8mm、励起光としてのダイオードレーザーの入口4の幅L5 は0.8mmであり、励起光としてのダイオードレーザーの入口4は集光導波光学系3の下側面に対して45度の傾斜面を有している。
【0031】
図1および図2に示すように、励起光としてのダイオードレーザーの入口4から集光導波光学系3内に入った励起光5はTIR(全反射)により伝搬する。この励起光5がレーザー媒質2に入射し、ここで部分的に吸収される。その後引き続き、吸収されなかった励起光5が集光導波光学系3内の円筒状表面に伝搬し、再びレーザー媒質2に戻ってくる。このシステムの効率は高く、吸収される励起光5の均等性も高い。
【0032】
図5は本発明の実施例を示す励起光入口としてのプリズムを一体化した集光導波光学系の構成図であり、図5(a)はその集光導波光学系の側面図,図5(b)はその平面図である。図6はその一体化されるプリズムの斜視図である。
【0033】
図5に示すように、集光導波光学系11は、図6に示すようなプリズム12と一体化することができる。すなわち、プリズム12を励起光としてのダイオードレーザーの入口となる集光導波光学系11の3個所に一体化する。
【0034】
なお、図5に示すように、集光導波光学系11の直径L6 は6mm、厚みL7 は0.8mm、励起のためのそれぞれのプリズム12の厚みL7 は0.8mm、3つのダイオードレーザーの入口の幅(プリズム12の高さ)L8 は1mm、斜面の幅L9 は1.41mmである。
【0035】
図7はプリズムを3個所に一体化した集光導波光学系の励起光のビーム放射による励起の模式図、図8はそのプリズムを一体化した導波光学系とレーザー媒質組み合わせ体の励起ビーム放射の模式図である。
【0036】
図7に示すように、プリズム12は集光導波光学系11に一体化され、励起光は集光導波光学系11の内部を図7、図8に示すように伝搬する。
【0037】
図9は本発明の実施例を示す他の集光導波光学系(導波板)を示す図であり、図9(a)はその斜視図、図9(b)はその側面図である。
【0038】
これらの図に示すように、集光導波光学(導波板)としては、全体として3角形状の導波板21とし、その頂点部に励起光の入口22を形成するようにしてもよい。なお、20は3角形状の導波板21の下部に配置されるレーザー媒質である。
【0039】
図10は本発明の実施例を示す更なる他の集光導波光学系(導波板)を示す図であり、図10(a)はその斜視図、図10(b)はその側面図である。
【0040】
これらの図に示すように、集光導波光学系(導波板)としては、全体として円板状の導波板31とし、その円板状の導波板31の3箇所の上半部傾斜部に入口32を形成するようにしてもよい。なお、30は円板状の導波板31の下部に配置されるレーザー媒質である。
【0041】
本発明におけるレーザー媒質としては、発光中心として用いる添加希土類イオンをYbとするのが望ましいが、これ以外にも、Nd,Tm,Ho,Er,Prなどの希土類イオンを導入するようにしてもよい。
【0042】
また、レーザー媒質の励起効率を高めるために、高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるような構成を採用する。
【0043】
更に、レーザー媒質の母材として用いる結晶としてYAG,YSGG,YSAG,GSGG,GGGなどのガーネット系、YVO4 などのバナデート系、KYW,KGWなどのタングステート系、YLFなどのリチウムフロライド系、及び硝子系、さらにこれらを組み合わせた系を用いるのが望ましい。
【0044】
また、レーザー媒質、特にYb3+イオンを添加した材料を励起する波長として、基底準位群 27/3 よりレーザー上準位である、 25/2 に遷移させる波長で励起するのが望ましい。
【0045】
更に、レーザー媒質、Yb3+イオンを添加したYAGに関してこれを励起する波長として、中心波長940nm前後または970nm前後を含むスペクトル幅の光源で励起するのが望ましい。
【0046】
また、励起光源として、930nmから990の波長領域の半導体レーザー(ダイオードレーザー)または発光ダイオードを用いるのが望ましい。
【0047】
このように構成したので、本発明によれば、以下のような利点を有する。
【0048】
(1)レーザー媒質を薄く、直径も小さく構成することができる。これは、エッジ励起を行い、レーザー媒質へ吸収された励起ビームにトップハット拡散を行わせることができるためである。つまり、複雑な光学的焦点系が必要でないので、高い信頼性と低コスト化を実現することができる。
【0049】
(2)集光導波光学系に覆われたレーザー媒質を用いることにより、励起中の結晶の歪みを防止することができ、レーザー媒質の冷却効果が高い。
【0050】
(3)レーザー媒質の直径を大きくすることで、レーザー光の出力を増大させることができる。
【0051】
これにより、本発明は、複数のダイオードレーザーにより励起されたハイパワーマイクロチップ固体レーザー装置に適用することができる。
【0052】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0053】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【0054】
(A)励起光学系が簡素で安定である。
【0055】
(B)コア部に活性イオンを添加する構成を実現するのに簡単な製造工程で済み、かつ機械的にも強固である。
【0056】
(C)励起に伴う熱歪みによるレーザー媒質の湾曲、破壊を防止することができる。
【0057】
(D)簡単で、小型の高性能・高機種のレーザー装置を低価格で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すレーザー装置の模式図である。
【図2】本発明の実施例を示すレーザー装置の内部ビーム放射状態を示す平面図である。
【図3】本発明の実施例を示すレーザー装置の薄い板状のマイクロチップレーザー媒質の構成図である。
【図4】本発明の実施例を示すレーザー装置の集光導波光学系の構成図である。
【図5】本発明の実施例を示す励起光入口としてのプリズムを一体化した集光導波光学系の構成図である。
【図6】図5に示す励起光入口に一体化されるプリズムの斜視図である。
【図7】 本発明の実施例を示すプリズムを3個所に一体化した集光導波光学系の励起光のビーム放射による励起の模式図である。
【図8】 本発明の実施例を示すプリズムを3個所に一体化した導波光学系とレーザー媒質組み合わせ体の励起ビーム放射の模式図である。
【図9】 本発明の実施例を示す他の集光導波光学系(導波板)を示す図である。
【図10】 本発明の実施例を示す更なる他の集光導波光学系(導波板)を示す図である。
【符号の簡単な説明】
1 ヒートシンク部材
2,20,30 薄い板状のマイクロチップレーザー媒質
3,11,21,31 集光導波光学系
4,22,32 励起光としてのダイオードレーザーの入口
5 外部のダイオードレーザーからの励起光
12 プリズム
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9