專利名稱：固體激光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固體激光裝置，尤其涉及一種利用半導體激光器(以下稱為“LD”)作為激發(fā)光源的LD激發(fā)固體激光裝置，該固體激光裝置的激發(fā)效率和激發(fā)分布都良好，并且，即使在各向異性的激光介質中也可以容易地進行晶軸的定位。
背景技術：
以LD作為激發(fā)光光源的LD激發(fā)固體激光裝置，由于與電燈激發(fā)的固體激光裝置相比體積小、效率高而且壽命長，所以很引人注目。尤其是近年來，LD的性能和質量都有大幅度提高，由LD激發(fā)的完全固體激光器的實用化正在快速發(fā)展。由此，與現(xiàn)有的電燈激發(fā)的固體激光裝置相比較，固體激光器的壽命從1000小時上升到了10000小時。另外，在LD激發(fā)固體激光裝置中，因為固體激光介質的吸收波長和LD的振蕩波長一致，所以可以高效地激發(fā)激光晶體，因為量子效率較高，所以可以降低熱透鏡效果而大幅度提高光束的質量。再有，已經提出并制作了大量的以所謂的側面激發(fā)方式為激發(fā)方式的固體激光裝置，該側面激發(fā)方式是在從細長的固體激光介質振蕩出的激光的光軸的側面排列LD進行激發(fā)。
大家知道在工業(yè)用固體激光裝置中利用的激光介質是Nd:YAG晶體、Nd:YVO4晶體。雖然Nd:YAG晶體具有良好的機械強度、熱傳導性，但是由于其熒光壽命較長，所以不適于30kHz以上的高頻脈沖振蕩。另外，由于沒有晶體的軸特性，激發(fā)效率與激發(fā)光的偏振特性無關，所以比較容易處理。另一方面，Nd:YVO4晶體雖然在機械強度、熱傳導性方面比Nd:YAG差，但是因為與Nd:YAG比較，其熒光壽命短，受激發(fā)射剖面積大，所以是最適合高頻脈沖振蕩的材料。但是因為它是單軸性的晶體，所以在用于激光振蕩時，不僅向特定的方向偏振振蕩，而且其吸收特性也是各向異性。特開平4-137775號公報中公開了這樣的情況一般LD為了向特定的方向偏振振蕩，通過選擇相對晶體的偏振方向，可以實現(xiàn)高效率的振蕩。
特開平2-54588號公報中記載了側面激發(fā)方式的LD激發(fā)固體激光裝置的一個例子。
如圖6所示，該激光裝置具備反射層64，其包圍了沿著圓筒狀激光介質61的光軸的外周；開口63，其設置在反射層64的一部分上，該反射層用于使來自LD60的激發(fā)光62入射到激光介質61。而且，用反射層64覆蓋沿著激光介質61的外面的大部分，其微小部分作為來自LD60的激發(fā)光62的入射部分。由此，因為來自LD60的激發(fā)光62被圈閉在激光介質61內，可以被激光介質61高效地吸收，所以可以提高振蕩的能量效率。
作為將激光介質以可以定位激光介質的晶軸的方式固定，并使反射光不會集中在一點的LD激發(fā)固體激光裝置，有利用方形棒狀的激光介質的LD激發(fā)固體激光裝置。如圖7所示，該LD激發(fā)固體激光裝置具備反射層74，其包圍沿著四棱柱狀的激光介質71的光軸的外周；開口73，其設置在反射層74的一部分上，用于把來自LD的激發(fā)光72入射到激光介質71。用反射層74覆蓋沿著激光介質71的外面的大部分，其微小部分作為來自LD70的激發(fā)光72的入射部分。由此，因為來自LD70的激發(fā)光72被圈閉在激光介質71內，可以被激光介質高效地吸收，所以可以提高振蕩的能量效率。通過利用作為激光介質71的方形Nd:YVO4晶體，可以使激發(fā)光72的光電場方向與a軸切斷的Nd:YVO4晶體的c軸平行。
例如，特開平7-307510號公報中公開了一種不使用聚光光學系統(tǒng)，也可以均勻激發(fā)激光介質的固體激光裝置。
如圖8所示，在該固體激光裝置中，利用激光介質81對激發(fā)光82具有規(guī)定的折射率的特性，通過將激光介質81配置在激發(fā)光82附近，并在激光介質81的激發(fā)光源側的一面形成凸面部86，就可以不利用聚光光學系統(tǒng)而縮小激發(fā)光82的擴散角。
另外，特開2001-244526號公報中公開了一種用于使沒有被固體激光棒(激光介質)吸收的激發(fā)光有效地返回到固體激光棒的方法。
但是，特開2001-244526號公報所示的固體激光裝置如圖9所示，因為多重配置了與固體激光棒1為同心圓狀的冷卻介質用的間隙2、冷卻管3、還有用于形成反射面的圓筒狀部件4，所以沒有被固體激光棒1吸收的激發(fā)光至少兩次通過冷卻媒體用的縫隙2、冷卻管3，在此期間激發(fā)光被衰減，不能最有效地利用反射光。
但是，以上例子所示的現(xiàn)有的LD激發(fā)固體激光裝置都存在用LD激發(fā)任何一種激光介質時，其分布不均勻的問題。
例如，在圖6所示的現(xiàn)有的例子中，因為反射層64是圓形，所以反射光集中在一點，激光介質61無法均勻地被LD激發(fā)(參照圖10)。另外，在圖7的例子中，雖然通過把反射面作成方形可以使反射光不集中在一個點而擴散到整個區(qū)域，但是因為來自LD70的激發(fā)光72具有擴散角，所以在激光介質71的外側會產生較弱的激發(fā)分布的擴散，產生高次空間模式。結果導致特開平5-335662號公報中所記載的光束質量變差。希望激光介質內可以由激發(fā)光平行地激發(fā)。
另外，作為現(xiàn)有例中存在的問題，還有無法定位激光介質的晶軸、無法高效率地均勻激發(fā)激光介質的問題。
例如圖6的固體激光裝置中，因為激光介質61是圓筒狀，所以存在晶軸的定位比較困難的缺點。在圖7的固體激光裝置中，因為激光介質71是方形，所以雖然可以對晶軸進行定位，但是存在以下缺點因為來自LD70的激發(fā)光72在激光介質71中被大幅度地擴散，所以不能均勻地激發(fā)。在圖8的固體激光裝置中，激光介質81的一端的面為凸面，另一端的面為平面，與鏡子鄰接。因此，激發(fā)光82的一部分透過輸出鏡84，而不能高效地激發(fā)激光介質81。另外，也沒有考慮激光介質81的晶軸和激發(fā)光82的關系。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為解決上述問題而作出的，目的在于提供一種固體激光裝置，其激發(fā)效率和激發(fā)分布都良好，并且，即使在各向異性的激光介質中也可以容易地進行晶軸的定位。
本發(fā)明的固體激光裝置具有以下特征，其具備固體激光介質；激發(fā)光源，其配置在該固體激光介質側面，激發(fā)上述固體激光介質；反射部，其將沒有被上述固體激光介質吸收的來自上述激發(fā)光源的激發(fā)光返回到上述固體激光介質，該固體激光裝置的特征在于將上述固體激光介質與上述激發(fā)光源相對的面作成使上述激發(fā)光在上述固體激光介質內平行的光入射面，并將與上述反射部相對的面作成平面，使來自上述反射部的反射光以平行狀態(tài)返回到上述固體激光介質。通過采用這樣的結構，通過使來自激發(fā)光源的擴散的激發(fā)光在激光介質中為平行光，用反射部反射在一次通過中沒有被激光介質吸收的激發(fā)光，使其返回到固體激光介質，可以使激發(fā)效率和激發(fā)分布都良好，并通過使固體激光介質的平面與反射部接觸，容易地進行晶軸的定位。


圖1是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷本實施方式的固體激光裝置的剖面圖。
圖2是在本實施方式的固體激光裝置中使用的激光介質的立體圖。
圖3是在本實施方式的固體激光裝置中激發(fā)激光介質時的光線跟蹤圖。
圖4表示本實施方式的固體激光裝置的變形例。
圖5表示本實施方式的固體激光裝置的其他變形例。
圖6是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷現(xiàn)有的固體激光裝置的剖面圖。
圖7是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷激光介質是棱柱狀的現(xiàn)有的固體激光裝置的剖面圖。
圖8是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷現(xiàn)有的固體激光裝置的剖面圖，該固體激光裝置可以不利用聚光光學系統(tǒng)而縮小激發(fā)光的擴散角。
圖9是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷現(xiàn)有的固體激光裝置的剖面圖，該固體激光裝置使沒有被固體激光棒吸收的激發(fā)光有效地返回固體激光棒。
圖10是用與激光振蕩軸方向垂直的面切斷現(xiàn)有固體激光裝置中的激光介質的激發(fā)狀態(tài)的剖面圖。
具體實施例方式
以下利用附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細的說明。
圖1是與本發(fā)明的實施方式的LD激發(fā)固體激光裝置(以下稱為“本實施方式的固體激光裝置”)的激光振蕩軸方向垂直的方向的剖面圖，圖2是本實施方式的固體激光裝置中的激光介質的立體圖。圖3是激發(fā)本實施方式的固體激光裝置時的光線跟蹤圖。
本實施方式的固體激光裝置具備LD10；激光介質11；由第一塊15a、第二塊15b和第三塊15c組成的散熱片(heat sink)。
這里，使用具有以下結構的LD10激發(fā)光12的輸出是40W；各個擴散角是40°(半幅值)、波長是800nm。在激光振蕩的端面上涂敷1064nm的氬(Ar)涂層并進行光學研磨，減少激光振蕩的損失。
激光介質11與激光振蕩軸方向垂直的方向的剖面為D字形。即，將與LD10相對的面作成圓弧狀的入射面A，將與入射面A相反的面作成平面部。入射面A也可以形成與凸透鏡相同的凸面。還有，除了與激發(fā)光源LD10相對的部分之外，在激光介質11上形成反射層14。由該反射層14在上述平面部形成反射面B。激光介質11是晶體，具體地說是Nd劑量為0.5at％的a軸切斷的Nd:YVO4。如圖2所示，激光介質11的晶體的c軸方向與平面部平行。激光介質11是直徑為1.5mm、長度為12mm的棒，是從側面開始朝向中心0.5mm的位置上平面地切斷棒的側面的一部分而成的。激光介質11吸收來自LD10的激發(fā)光12，產生或者放大規(guī)定波長的光。再有，可以利用Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:GdVO4、Yb:YVO4、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:GdVO4、Er:YVO4、Er:YAG、Er:YLF、Er:GdVO4、Ho:YVO4、Ho:YAG、Ho:YLF、Ho:GdVO4、Ti:ALO3等作為激光介質11。
例如配置由銅制成的第一塊15a、第二塊15b和第三塊15c以覆蓋激光介質11，并在第一塊15a和第二塊15b之間設置縫隙13，以使來自LD10的激發(fā)光12輸入到激光介質11中。另外，在第三塊15c中形成有與激光介質11的平面部接觸，用于定位晶軸的平面形狀部16。再有，雖然未圖示，但是因為在各塊的內部循環(huán)冷卻水，所以可以間接地冷卻激光介質11和LD10。另外，因為要提高冷卻效果，所以要充分研磨與激光介質11的接觸部，使其沒有凹凸，提高激光介質11和散熱片的緊貼性。另外，最好把第一塊15a、第二塊15b和第三塊15c的內面研磨成鏡面，或涂敷Au涂層為代表的高反射膜涂層。
在如上構成的本實施方式的固體激光裝置中，激發(fā)光12入射到由距離LD10的射出口0.5mm的D字形棒構成的激光介質11的入射面A上時，激發(fā)光12的整個擴散角減少到不超過5°。激發(fā)光12實際上變?yōu)槠叫?，激發(fā)光12的光軸通過介質11的中心部。雖然激光介質內11的激發(fā)光12一邊基本平行地前進一邊被吸收，但在一次通過(這里是1.0mm)中大約30％沒有被吸收的激發(fā)光被平面部即反射面B反射成基本與入射光平行，這樣基本與入射光相互重合地激發(fā)激光介質11，所以可以大幅度提高激發(fā)效率。
因為激發(fā)光12的偏振面使用與圖1的Y軸方向平行的面，所以如果把激光介質11的平面部按壓在第三塊15c上，則激發(fā)光12的偏振面與激光介質11的c軸平行。因此，激光介質11的激發(fā)光12的吸收率和激光振蕩的受激發(fā)射剖面積為最大，激光介質11即使是各向異性的Nd:YVO4，也能高效地進行激光振蕩。這里用具體例子來說明Nd:YVO4晶體的各向異性。如果從可以最高效地激發(fā)由Nd:YVO4晶體構成的激光介質的軸方向把晶軸旋轉90°，那么激發(fā)光(大概808nm)的吸收率就驟減到1/4～1/5左右，另外受激發(fā)射剖面積也驟減到1/4～1/5左右。在本實施方式中，因為激光媒體11的側面的一部分是平面，所以通過使該平面與第三塊15c的平面形狀部16接觸，可以容易地將晶軸定位在能最高效地激發(fā)的軸方向上。
這樣，根據(jù)本實施方式的固體激光裝置，因為激光介質11的入射面A具有把來自LD10的擴散的激發(fā)光12變成平行光的形狀，所以可以通過不使用那些用于把激發(fā)光12變成平行光的光學部件的簡單結構，均勻而且高密度地激發(fā)激光介質11。另外，因為激光介質11的外面的大部分被反射層14所覆蓋，可以把激發(fā)光12圈閉在激光介質11內，所以可以進行高效的激發(fā)。還有，因為激光介質11的側面的一部分為平面，所以可以容易地定位晶軸。因此，即使在例如Nd:YVO4這樣的各向異性的晶體中，也可以高效地進行激發(fā)。即，通過本實施方式的固體激光裝置，無論在各向異性還是各向同性的激光介質中，都可以高效地進行高光束質量的激光振蕩。
再有，激光介質的形狀不局限于如圖2所示的與振蕩軸方向垂直的方向的剖面形狀為D字形，只要入射面是把擴散的激發(fā)光變成平行光的形狀、反射部是平面就可以得到相同的效果。圖4和圖5是利用與圖1、2形狀不同的激光介質的變形例。在圖4中，激光介質41具有將如圖2所示的D字形棒的上面和下面平行切斷的形狀。在圖5中，激光介質51具有用上下對稱的直線置換圖4的入射面的形狀，整體剖面是五角形。在圖4和圖5中，除了激光介質41和激光介質51之外的構成元件與圖1的同名構成元件構成相同。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的固體激光裝置具備固體激光介質；激發(fā)光源，其配置在該固體激光介質側面，激發(fā)上述固體激光介質；反射部，其將沒有被上述固體激光介質吸收的來自上述激發(fā)光源的激發(fā)光返回到上述固體激光介質，在固體激光裝置中，因為將上述固體激光介質與上述激發(fā)光源相對的面作成使上述激發(fā)光在上述固體激光介質內平行的光入射面，并將與上述反射部相對的面作成平面，使來自上述反射部的反射光以平行狀態(tài)返回到上述固體激光介質，因此可以通過完全不使用光學部件的簡單結構，均勻而且高密度地激發(fā)激光介質，能以高效率進行高光束質量的激光振蕩。另外，即使在使用軸方向不同特性不同的各向異性的激光介質的情況下，因為可以利用與反射部相對的平面而容易地進行定位，因此可以高效地激發(fā)激光介質。
權利要求
1.一種固體激光裝置，具備固體激光介質；激發(fā)光源，其配置在該固體激光介質側面，激發(fā)上述固體激光介質；反射部，其將沒有被上述固體激光介質吸收的來自上述激發(fā)光源的激發(fā)光返回到上述固體激光介質，該固體激光裝置的特征在于將上述固體激光介質與上述激發(fā)光源相對的面作成使上述激發(fā)光在上述固體激光介質內平行的光入射面，并將與上述反射部相對的面作成平面，使來自上述反射部的反射光以平行狀態(tài)返回到上述固體激光介質。
2.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于與上述固體激光介質的側面正交的剖面中上述光入射面部分的形狀是圓弧狀。
3.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于與上述固體激光介質的側面正交的剖面中上述光入射面部分的形狀是多邊形。
4.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于在上述固體激光介質的除了與上述激發(fā)光源相對的部分之外的部分上形成反射層，將該反射層作為上述的反射部。
5.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于用散熱片覆蓋上述固體激光介質的除了與上述激發(fā)光源相對的部分之外的外周，將該散熱片與上述固體激光介質的平面相對的面作成鏡面，將該鏡面作為上述反射部。
6.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于上述固體激光介質由各向異性的晶體構成，并配置成使來自上述激發(fā)光源的激發(fā)光實質上與上述晶體的c軸平行。
7.如權利要求1所述的固體激光裝置，其特征在于上述固體激光介質由各向同性的晶體構成，并配置成使來自上述激發(fā)光源的激發(fā)光實質上與上述晶體平行。
8.如權利要求6所述的固體激光裝置，其特征在于上述晶體由以下任何一種晶體構成Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:GdVO4、Yb:YVO4、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:GdVO4、Er:YVO4、Er:YAG、Er:YLF、Er:GdVO4、Ho:YVO4、Ho:YAG、Ho:YLF、Ho:GdVO4、Ti:ALO3，上述激發(fā)光源由半導體激光器構成。
9.如權利要求6所述的固體激光裝置，其特征在于上述固體激光介質由與側面正交的剖面的形狀是D字形的棒組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體激光裝置，其激發(fā)效率和激發(fā)分布良好，而且即使在各向異性的激光介質中也可以容易地進行晶軸定位。該固體激光裝置具備激光介質11，其吸收來自LD10的激發(fā)光12，產生或者放大規(guī)定波長的光；散熱片，其由第一～第三塊15a、15b、15c構成，定位激光介質11，冷卻激光介質11，并反射激發(fā)光12。激光介質11的入射面A是圓弧狀，反射部是平面。因為具有擴散角的激發(fā)光12通過入射面A變成平行光，所以激光介質11被均勻地激發(fā)。另外，因為反射部是平面，所以不僅可以容易地對軸方向不同特性不同的激光介質11進行定位，而且也因為反射光與入射光基本平行地反射，所以可以高效地激發(fā)激光介質11。
文檔編號H01S3/0915GK1490907SQ0315017
公開日2004年4月21日 申請日期2003年7月18日 優(yōu)先權日2002年10月18日
發(fā)明者布川洋, 天野覚 申請人:株式會社Orc制作所