小型固体レーザ素子

【課題】レーザ結晶と波長変換結晶を光学接着剤にて接着してなる小型固体レーザ素子において、レーザのノイズを小さくする。
【解決手段】基本波光の波長をλとするとき、レーザ結晶（１）と光学接着剤（４）の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜（５）を形成し、光学接着剤（４）と波長変換結晶（２）の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜（６）およびＳｉＯ２のλ／４膜（７）を形成し、基本波光に対する接着部の界面反射率を２．５％以上とした。
【効果】基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型固体レーザ素子に関し、さらに詳しくは、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子において、レーザのノイズを小さくしうる小型固体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着すると共に、レーザ結晶の出射端面または波長変換結晶の入射端面に、２次高調波光を反射する反射膜を形成し、２次高調波光がレーザ結晶内を通過しないように構成したレーザ発振装置が知られている（特許文献１参照。）。
また、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤またはオプティカルコンタクトにて一体に接着した光学素子が知られている（特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１０７４３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２５７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のレーザ発振装置では、レーザ結晶の出射端面に形成した反射膜における基本波光の透過率が９９％以上であり、波長変換結晶の入射端面に形成した反射膜における基本波光の透過率が９９％以上であった。すなわち、レーザ結晶の出射端面に形成した反射膜や波長変換結晶の入射端面に形成した反射膜では、基本波光をほとんど反射しないようにしていた。
ところが、基本波光をほとんど反射しない場合、モード間の損失の差が小さくなり、複数のモードが同じように発振し、レーザのノイズが大きくなってしまう問題があった。
【０００５】
また、上記従来の光学素子では、レーザ結晶と波長変換結晶の屈折率が近接している場合、光学接着剤の光学的膜厚がλ／４の偶数倍の近傍になると接着部での界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる問題点があった。さらに、レーザ結晶の屈折率をｎ１とし波長変換結晶の屈折率をｎ２とし、光学接着剤の屈折率が√（ｎ１×ｎ２）に近い場合、光学接着剤の光学的膜厚がλ／４の奇数倍の近傍になると接着部での界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、レーザ結晶と波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子において、レーザのノイズを小さくしうる小型固体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点では、本発明は、基本波光を出射するレーザ結晶と波長変換光を出射する波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子において、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面および前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面の少なくとも一方に、基本波光に対する界面反射率を２．５％以上とする誘電体薄膜を形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子を提供する。
上記構成において、界面反射率とは、間に介在している誘電体薄膜と光学接着剤、及び、両光学結晶の端面を含んだ反射率をいう。
上記第１の観点による小型固体レーザ素子では、レーザ結晶と光学接着剤の界面および光学接着剤と波長変換結晶の界面の少なくとも一方に誘電体薄膜を形成し、基本波光に対する界面反射率を２．５％以上とした。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
【０００８】
第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による小型固体レーザ素子において、基本波光の波長をλとするとき、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜を形成し、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜およびＳｉＯ２のλ／４膜の対を１対形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子（１０）を提供する。
上記第２の観点による小型固体レーザ素子では、基本波光に対する界面反射率が１０％以上となる。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤の厚さに依存しなくなり、光学接着剤の厚さによる特性のばらつきをなくすことが出来る。
【０００９】
第３の観点では、本発明は、前記第１の観点による小型固体レーザ素子において、基本波光の波長をλとするとき、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜とＳｉＯ２のλ／４膜の対を２対形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子（２０）を提供する。
上記第３の観点による小型固体レーザ素子では、基本波光に対する界面反射率が２．５％以上となる。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の小型固体レーザ素子によれば、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係る小型固体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】実施例１に係るレーザ結晶と波長変換結晶の接着部における界面反射率を示すグラフである。
【図３】実施例２に係る小型固体レーザ素子を示す斜視図である。
【図４】実施例２に係るレーザ結晶と波長変換結晶の接着部における界面反射率を示すグラフである。
【図５】公知の小型固体レーザ素子を示す斜視図である。
【図６】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝０）の界面反射率を示すグラフである。
【図７】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／８）の界面反射率を示すグラフである。
【図８】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の界面反射率を示すグラフである。
【図９】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝３λ／８）の界面反射率を示すグラフである。
【図１０】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／２）の界面反射率を示すグラフである。
【図１１】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の１つのモードに着目し、温度を変化させて、透過率を計算したグラフである。
【図１２】公知の小型固体レーザ素子（光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４）の１つのモードに着目し、温度を変化させて、波長を計算したグラフである。
【図１３】公知の小型固体レーザ素子における光学接着剤の光学的膜厚に対する透過率を示すグラフである。
【図１４】公知の小型固体レーザ素子における光学接着剤の光学的膜厚に対する界面反射率を示すグラフである。
【図１５】実施例１や実施例２で光学接着剤の光学的膜厚をλ／２としたものに対して界面反射率を計算し、その結果と図１３，図１４を統合して得られたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１３】
−実施例１−
図１は、実施例１に係る小型固体レーザ素子１０を示す断面図である。
この小型固体レーザ素子１０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されて基本波光を出射するレーザ結晶１と、基本波光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出射する波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。
【００１４】
Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜５が形成されたレーザ結晶１の出射端面と、Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜６およびＳｉＯ２のλ／４膜７の対が形成された波長変換結晶２の入射端面とは、任意の厚さの光学接着剤４により接着されている。なお、λ＝１．０６４４μｍとする。
【００１５】
小型固体レーザ素子１０の両端面には、ＨＲ薄膜１ａ，２ａをコーティングしている。これらＨＲ薄膜１ａ，２ａは、それぞれ屈折率１．５／２．５のλ／４膜の対を１０対積層したものである。
【００１６】
レーザ結晶１は、ＮｄドープＹＶＯ４である。長さは５００μｍである。
波長変換結晶２は、ＬＴを周期的に分極反転したＱＰＭである。長さは１０００μｍである。
【００１７】
図２に示す実線は、レーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率（波長λでの反射率）を示すグラフである。なお、Ａｌ２Ｏ３の屈折率を１．８とし、ＳｉＯ２の屈折率を１．５とし、光学接着剤の屈折率を１．５とした。
光学接着剤４の光学的膜厚に対して、界面反射率は約１２％で一定である。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤４の厚さに依存しなくなり、光学接着剤４の厚さによる特性のばらつきをなくすことが出来る。
【００１８】
一方、図２に示す破線は、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に誘電体薄膜が無い場合のレーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率を示すグラフである。
レーザ結晶１と波長変換結晶２の屈折率が近接している場合、光学接着剤４の光学的膜厚がλ／４の偶数倍の近傍になると界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる。
また、基本波光に対する界面反射率が光学接着剤４の厚さに依存し、光学接着剤４の厚さによる特性のばらつきを生じる。
【００１９】
−実施例２−
図３は、実施例２に係る小型固体レーザ素子２０を示す断面図である。
この小型固体レーザ素子２０は、半導体レーザからの励起レーザ光Ｌｉにより励起されて基本波光を出射するレーザ結晶１と、基本波光の高調波である波長変換レーザ光Ｌｏを出射する波長変換結晶２と、波長変換結晶２をサンドイッチ状に挟むダミー材３とを具備している。
【００２０】
レーザ結晶１の出射端面と、Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜５およびＳｉＯ２のλ／４膜６の対並びにＡｌ２Ｏ３のλ／４膜７およびＳｉＯ２のλ／４膜８の対が形成された波長変換結晶２の入射端面とは、任意の厚さの光学接着剤４により接着されている。なお、λ＝１．０６４４μｍとする。
【００２１】
小型固体レーザ素子２０の両端面には、ＨＲ薄膜１ａ，２ａをコーティングしている。これらＨＲ薄膜１ａ，２ａは、それぞれ屈折率１．５／２．５のλ／４膜の対を１０対積層したものである。
【００２２】
レーザ結晶１は、ＮｄドープＹＶＯ４である。長さは５００μｍである。
波長変換結晶２は、ＬＴを周期的に分極反転したＱＰＭである。長さは１０００μｍである。
【００２３】
図４に示す実線は、レーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率（波長λでの反射率）を示すグラフである。なお、Ａｌ２Ｏ３の屈折率を１．８とし、ＳｉＯ２の屈折率を１．５とし、光学接着剤の屈折率を１．５とした。
光学接着剤４の光学的膜厚に対して、界面反射率は２．５％以上である。このため、基本波光をほとんど反射しない場合に比べてモード間の損失の差が大きくなり、複数のモードの発振に差ができて、レーザのノイズを小さくすることが出来る。
【００２４】
一方、図４に示す破線は、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に誘電体薄膜が無い場合のレーザ結晶１と波長変換結晶２の接着部における界面反射率を示すグラフである。
レーザ結晶１と波長変換結晶２の屈折率が近接している場合、光学接着剤４の光学的膜厚がλ／４の偶数倍の近傍になると界面反射率が小さくなり、基本波光をほとんど反射せず、モード間の損失の差がなくなり、複数のモードで同じように発振し、レーザのノイズが大きくなる。
【００２５】
−光学接着剤の光学的膜厚と界面反射率の関係−
図５に示すように、レーザ結晶１の出射端面および波長変換結晶２の入射端面に誘電体薄膜が無い以外は実施例１と同様の小型固体レーザ素子５０について、波長に対する接着部の透過率を調べた。
【００２６】
図６は、光学接着剤の光学的膜厚＝０の場合である。
モード間の損失の差がない。
【００２７】
図７は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／８の場合である。
モード間にやや損失の差がある。
【００２８】
図８は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／４の場合である。
モード間の損失の差がある。
【００２９】
図９は、光学接着剤の光学的膜厚＝３λ／８の場合である。
モード間にやや損失の差がある。
【００３０】
図１０は、光学接着剤の光学的膜厚＝λ／２の場合である。
モード間の損失の差がない。
【００３１】
図６〜図１０において、共振器の縦モードが立つ波長に透過率のピークがあり、透過率の高いもの程、増幅の度合いが大きいと考えられる。
光学接着剤４の光学的膜厚が０およびλ／２のときは各モード間の透過率に差が無いが、これはレーザ結晶１のＹＶＯ４と波長変換結晶２のＬＴ4の屈折率がほぼ等しいためである。
一方、光学接着剤４の光学的膜厚がλ／４のときは各モード間の透過率の差は最大になり、ほぼモード３つごとに透過率がピークになっている。これはレーザ結晶１がエタロンとして機能しており、かつ、全共振器の光学的長さ：レーザ結晶１の光学的長さが３：１となっているためである。
【００３２】
図１１は、１つのモードに着目し、温度を変化させて、透過率を計算したグラフである。また、図１２は、１つのモードに着目し、温度を変化させて、波長を計算したグラフである。
光学接着剤４の光学的膜厚はλ／４とした。なお、レーザ結晶１の線膨張係数α＝４．４３Ｅ−６，屈折率温度係数ｄｎ／ｄｔ＝２．９Ｅ−６とし、波長変換結晶２の線膨張係数α＝１．６２Ｅ−５，屈折率温度係数ｄｎ／ｄｔ＝５．０Ｅ−６とし、これらに対する温度の影響は無視した。また、ＨＲ薄膜１ａ，２ａおよび光学接着剤４は、膜厚が薄いため、温度の影響は無視した。
透過率は、「１」と「浅い方のボトム（矢印ａ）」の間および「１」と「深い方のボトム（矢印ｂ）」の間を往復する。
波長は、直線的に変化する。
【００３３】
図１３は、光学接着剤４の光学的膜厚を横軸に取り、「浅い方のボトム」の透過率を計算したグラフである。また、図１４は、光学接着剤４の光学的膜厚を横軸に取り、界面反射率を計算したグラフである。
【００３４】
実施例１や実施例２で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２としたものに対しても、図１１，図１２と類似の結果が得られる。
【００３５】
図１５は、実施例１や実施例２で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２としたものに対して界面反射率を計算し、その結果と図１３，図１４を統合して得られたグラフである。
黒四角は、図５に示す小型固体レーザ素子５０の場合である。
ｃは、実施例１で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２とした場合である。
ｄは、実施例２で光学接着剤４の光学的膜厚をλ／２とした場合である。
図１５から判るように、界面反射率と透過率には一貫した関係がある。換言すれば、界面反射率によりモード間の透過率差の大小（モード選択性）が決まることが判る。これは、レーザ結晶１がエタロンとして機能し、接着部での界面反射率が決まればエタロンのフィネスが決まるため、各モードの透過率が決定されるからと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の小型固体レーザ素子は、レーザ光源に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１レーザ結晶
１ａＨＲ薄膜
２波長変換結晶
２ａＨＲ薄膜
３ダミー材
４光学接着剤
５，７Ａｌ２Ｏ３のλ／４膜
６，８ＳｉＯ２のλ／４膜
１０，２０，５０小型固体レーザ素子

【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波光を出射するレーザ結晶と波長変換光を出射する波長変換結晶とを光学接着剤にて一体に接着してなる小型固体レーザ素子において、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面および前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面の少なくとも一方に、基本波光に対する界面反射率を２．５％以上とする誘電体薄膜を形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の小型固体レーザ素子において、基本波光の波長をλとするとき、前記レーザ結晶と前記光学接着剤の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜を形成し、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜およびＳｉＯ２のλ／４膜の対を１対形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子（１０）。
【請求項３】
請求項１に記載の小型固体レーザ素子において、基本波光の波長をλとするとき、前記光学接着剤と前記波長変換結晶の界面にＡｌ２Ｏ３のλ／４膜とＳｉＯ２のλ／４膜の対を２対形成したことを特徴とする小型固体レーザ素子（２０）。

【図１】