JP3144508B2 - 固体レーザー - Google Patents
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- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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- H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
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- H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
- H01S3/1671—Solid materials characterised by a crystal matrix vanadate, niobate, tantalate
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体レーザーに関し、特
に詳細には、新規のレーザー媒質を使用した固体レーザ
ーに関するものである。
に詳細には、新規のレーザー媒質を使用した固体レーザ
ーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば特開昭62-189783 号公報に示され
るように、ネオジウム（Ｎｄ）等の希土類がドーピング
された固体レーザー媒質を、半導体レーザーによってポ
ンピングするレーザーダイオード励起固体レーザーが公
知となっている。なお上記の固体レーザー媒質として
は、例えばＹＶＯ4 、ＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）等の結
晶にＮｄをドーピングしたものが広く用いられている。
るように、ネオジウム（Ｎｄ）等の希土類がドーピング
された固体レーザー媒質を、半導体レーザーによってポ
ンピングするレーザーダイオード励起固体レーザーが公
知となっている。なお上記の固体レーザー媒質として
は、例えばＹＶＯ4 、ＹＡＧ（Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12）等の結
晶にＮｄをドーピングしたものが広く用いられている。
【０００３】一方この種のレーザーダイオード励起固体
レーザーにおいては、例えば特開平2-77181 号公報や
「レーザー研究」第１８巻、第８号（1990）ｐ．94〜
ｐ．99に示されるように、より短波長のレーザー光を得
るために、その共振器内に、固体レーザー発振ビームを
波長変換する非線形光学材料のバルク単結晶を配設し
て、固体レーザー発振ビームを第２高調波等に波長変換
することも行なわれている。
レーザーにおいては、例えば特開平2-77181 号公報や
「レーザー研究」第１８巻、第８号（1990）ｐ．94〜
ｐ．99に示されるように、より短波長のレーザー光を得
るために、その共振器内に、固体レーザー発振ビームを
波長変換する非線形光学材料のバルク単結晶を配設し
て、固体レーザー発振ビームを第２高調波等に波長変換
することも行なわれている。
【０００４】例えば「レーザー研究」第１８巻、第８号
（1990）ｐ．646 には、Ｎｄ：ＹＶＯ4 （Ｎｄイオン濃
度１．１ａｔ％）の発振ビームを共振器内に配設された
ＫＴＰ結晶により第２高調波に波長変換し、半導体レー
ザー入力パワー７６０ｍＷに対し１２．８ｍＷのほぼ単
一縦モードの第２高調波出力を得た例が報告されてい
る。さらに別の従来技術として「レーザー・原子発振器
と極限光量子工学」シンポジウム予稿集（主催：応用物
理学会・量子エレクトロニクス研究会）Ｅ−２（1990）
ｐ．56には、Ｎｄ：ＹＶＯ4 （Ｎｄイオン濃度２．０２
ａｔ％）と厚さ７．０ｍｍのＫＴＰ結晶とを使用し、半
導体レーザー入力パワーが７４０ｍＷのとき９．１ｍＷ
の単一縦モードの第２高調波出力を得た例が報告されて
いる。
（1990）ｐ．646 には、Ｎｄ：ＹＶＯ4 （Ｎｄイオン濃
度１．１ａｔ％）の発振ビームを共振器内に配設された
ＫＴＰ結晶により第２高調波に波長変換し、半導体レー
ザー入力パワー７６０ｍＷに対し１２．８ｍＷのほぼ単
一縦モードの第２高調波出力を得た例が報告されてい
る。さらに別の従来技術として「レーザー・原子発振器
と極限光量子工学」シンポジウム予稿集（主催：応用物
理学会・量子エレクトロニクス研究会）Ｅ−２（1990）
ｐ．56には、Ｎｄ：ＹＶＯ4 （Ｎｄイオン濃度２．０２
ａｔ％）と厚さ７．０ｍｍのＫＴＰ結晶とを使用し、半
導体レーザー入力パワーが７４０ｍＷのとき９．１ｍＷ
の単一縦モードの第２高調波出力を得た例が報告されて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の固
体レーザーにおいては、Ｎｄイオン濃度はせいぜい２ａ
ｔ％程度までしか上げられず、そのため励起レーザービ
ームの吸収が低いという不具合が認められている。励起
レーザービームの吸収が低いと、空間ホールバーニング
効果により複数の縦モードが立つようになり、固体レー
ザーの出力が不安定になる。
体レーザーにおいては、Ｎｄイオン濃度はせいぜい２ａ
ｔ％程度までしか上げられず、そのため励起レーザービ
ームの吸収が低いという不具合が認められている。励起
レーザービームの吸収が低いと、空間ホールバーニング
効果により複数の縦モードが立つようになり、固体レー
ザーの出力が不安定になる。
【０００６】また従来の固体レーザーにおいては、励起
レーザービームに対する吸収スペクトル幅が小さいた
め、レーザーダイオード等の励起光源の波長変動によ
り、出力が容易に変動してしまうという問題も認められ
ている。
レーザービームに対する吸収スペクトル幅が小さいた
め、レーザーダイオード等の励起光源の波長変動によ
り、出力が容易に変動してしまうという問題も認められ
ている。
【０００７】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、励起レーザービームの吸収が高く、また
その吸収スペクトル幅も大きくて、出力安定性の高い固
体レーザーを提供することを目的とするものである。
たものであり、励起レーザービームの吸収が高く、また
その吸収スペクトル幅も大きくて、出力安定性の高い固
体レーザーを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による固体レーザ
ーは、固体レーザー媒質として全く新規のものを使用し
たものであり、すなわち本発明による１つの固体レーザ
ーは、この固体レーザー媒質として、Ｎｄが添加された
Ｙx Ｇｄ1-x ＶＯ4 （０≦ｘ≦０．５）が用いられてい
ることを特徴とするものである。
ーは、固体レーザー媒質として全く新規のものを使用し
たものであり、すなわち本発明による１つの固体レーザ
ーは、この固体レーザー媒質として、Ｎｄが添加された
Ｙx Ｇｄ1-x ＶＯ4 （０≦ｘ≦０．５）が用いられてい
ることを特徴とするものである。
【０００９】また本発明による別の固体レーザーは、固
体レーザー媒質として、Ｎｄが添加されたＬａx Ｇｄ
1-x ＶＯ4 （０≦ｘ≦０．１）が用いられていることを
特徴とするものである。
体レーザー媒質として、Ｎｄが添加されたＬａx Ｇｄ
1-x ＶＯ4 （０≦ｘ≦０．１）が用いられていることを
特徴とするものである。
【００１０】
【作用および発明の効果】従来の固体レーザーにおい
て、Ｎｄイオン濃度を高くすることができない理由は、
Ｎｄに置き換えられる原子（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ
ーではＹ）のイオン半径とＮｄのイオン半径との差が大
きいことにある。具体的には、Ｎｄのイオン半径が１．
１５Åであるのに対し、Ｙのイオン半径は１．０６Åで
ある。一方本発明に用いられるＧｄのイオン半径は１．
１１Åであり、上記Ｎｄのイオン半径にかなり近いもの
となっている。そこでこのＧｄを含むレーザー媒質Ｎ
ｄ：ＹxＧｄ1-x ＶＯ4 あるいはＮｄ：Ｌａx Ｇｄ1-x
ＶＯ4 においては、Ｎｄイオン濃度を十分に高くするこ
とができる。
て、Ｎｄイオン濃度を高くすることができない理由は、
Ｎｄに置き換えられる原子（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ
ーではＹ）のイオン半径とＮｄのイオン半径との差が大
きいことにある。具体的には、Ｎｄのイオン半径が１．
１５Åであるのに対し、Ｙのイオン半径は１．０６Åで
ある。一方本発明に用いられるＧｄのイオン半径は１．
１１Åであり、上記Ｎｄのイオン半径にかなり近いもの
となっている。そこでこのＧｄを含むレーザー媒質Ｎ
ｄ：ＹxＧｄ1-x ＶＯ4 あるいはＮｄ：Ｌａx Ｇｄ1-x
ＶＯ4 においては、Ｎｄイオン濃度を十分に高くするこ
とができる。
【００１１】Ｎｄ：Ｙx Ｇｄ1-x ＶＯ4 において特にｘ
＝０としたもの、すなわちＮｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶を作
成し、結晶の状態を調べた。この際、Ｎｄイオン濃度を
0.2〜10ａｔ％の範囲で変えた種々の結晶を作成し、各
結晶の状態を調べたが、いずれも良質な単結晶となって
いることが確認された。
＝０としたもの、すなわちＮｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶を作
成し、結晶の状態を調べた。この際、Ｎｄイオン濃度を
0.2〜10ａｔ％の範囲で変えた種々の結晶を作成し、各
結晶の状態を調べたが、いずれも良質な単結晶となって
いることが確認された。
【００１２】このように固体レーザー媒質のＮｄイオン
濃度を十分に上げることができれば、励起レーザービー
ムの吸収が良好になるから、固体レーザーの単一縦モー
ド化が実現され、その出力が安定するようになる。
濃度を十分に上げることができれば、励起レーザービー
ムの吸収が良好になるから、固体レーザーの単一縦モー
ド化が実現され、その出力が安定するようになる。
【００１３】Ｎｄイオン濃度を１ａｔ％とした上記Ｎ
ｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶について、実際に吸収特性を調べ
たところ、波長808 ｎｍの励起レーザービームに対する
吸収係数α＝9.2 ｃｍ-1であり、同じくＮｄイオン濃度
を１ａｔ％としたＮｄ：ＹＡＧの吸収係数α＝6.0 ｃｍ
-1と比較して十分高いことが確認された。また、Ｎｄイ
オン濃度を５ａｔ％としたＮｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶にあ
っては、吸収係数α＝46ｃｍ-1と著しく高いことが確認
された。
ｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶について、実際に吸収特性を調べ
たところ、波長808 ｎｍの励起レーザービームに対する
吸収係数α＝9.2 ｃｍ-1であり、同じくＮｄイオン濃度
を１ａｔ％としたＮｄ：ＹＡＧの吸収係数α＝6.0 ｃｍ
-1と比較して十分高いことが確認された。また、Ｎｄイ
オン濃度を５ａｔ％としたＮｄ：ＧｄＶＯ4 の結晶にあ
っては、吸収係数α＝46ｃｍ-1と著しく高いことが確認
された。
【００１４】他方、励起レーザービームの吸収スペクト
ル幅をみると、従来のレーザー媒質に用いられる例えば
Ｎｄ：ＹＡＧのそれは、波長800 ｎｍ付近の吸収ピーク
の半値幅が約２ｎｍであるのに対し、Ｎｄイオン濃度を
５ａｔ％としたＮｄ：ＧｄＶＯ4 では約５ｎｍと、上記
に対して十分に広くなっている。なおこの吸収スペクト
ルの測定結果を図３に示す。このように励起レーザービ
ームに対する吸収スペクトル幅が大きければ、励起レー
ザービームの波長が多少変動しても、安定した出力が得
られるようになる。
ル幅をみると、従来のレーザー媒質に用いられる例えば
Ｎｄ：ＹＡＧのそれは、波長800 ｎｍ付近の吸収ピーク
の半値幅が約２ｎｍであるのに対し、Ｎｄイオン濃度を
５ａｔ％としたＮｄ：ＧｄＶＯ4 では約５ｎｍと、上記
に対して十分に広くなっている。なおこの吸収スペクト
ルの測定結果を図３に示す。このように励起レーザービ
ームに対する吸収スペクトル幅が大きければ、励起レー
ザービームの波長が多少変動しても、安定した出力が得
られるようになる。
【００１５】なお、Ｎｄイオン濃度を３ａｔ％としたＮ
ｄ：ＧｄＶＯ4 の蛍光特性を測定した結果を図４に示
す。同図中、ａで示すのが 4Ｆ3/2 → 4Ｉ9/2 の遷移に
よるもの、ｂで示すのが 4Ｆ3/2 → 4Ｉ11/2の遷移によ
るもの、ｃで示すのが 4Ｆ3/2→ 4Ｉ13/2の遷移による
ものである。
ｄ：ＧｄＶＯ4 の蛍光特性を測定した結果を図４に示
す。同図中、ａで示すのが 4Ｆ3/2 → 4Ｉ9/2 の遷移に
よるもの、ｂで示すのが 4Ｆ3/2 → 4Ｉ11/2の遷移によ
るもの、ｃで示すのが 4Ｆ3/2→ 4Ｉ13/2の遷移による
ものである。
【００１６】また、レーザー発振しきい値に反比例する
στ積を調べるため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 の誘導放出断面
積σを測定したところ、約２×10-18 ｃｍ2 であった。
そしてＮｄイオン濃度毎の蛍光寿命τは、図５に示す通
りであった。これらの測定結果より、Ｎｄイオン濃度が
３ａｔ％以下の場合はＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄイオン濃度は
約１ａｔ％）よりも大きなστ積が得られ、したがって
レーザー発振しきい値はＮｄ：ＹＡＧよりも低くなるこ
とが確認された。
στ積を調べるため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 の誘導放出断面
積σを測定したところ、約２×10-18 ｃｍ2 であった。
そしてＮｄイオン濃度毎の蛍光寿命τは、図５に示す通
りであった。これらの測定結果より、Ｎｄイオン濃度が
３ａｔ％以下の場合はＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄイオン濃度は
約１ａｔ％）よりも大きなστ積が得られ、したがって
レーザー発振しきい値はＮｄ：ＹＡＧよりも低くなるこ
とが確認された。
【００１７】
【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例によるレ
ーザーダイオード励起固体レーザーを示すものである。
このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光
（ポンピング光）としてのレーザービーム10を発するレ
ーザーダイオード11と、発散光状態で発せられた上記レ
ーザービーム10を平行光化するコリメーターレンズ12
と、平行光状態のレーザービーム10を集束させる集光レ
ンズ13と、Ｎｄイオン濃度が３ａｔ％であるＮｄ：Ｇｄ
ＶＯ4 の結晶14と、このＮｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14の前方
（図中右方側）に配された共振器ミラー15とから構成さ
れている。
詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例によるレ
ーザーダイオード励起固体レーザーを示すものである。
このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光
（ポンピング光）としてのレーザービーム10を発するレ
ーザーダイオード11と、発散光状態で発せられた上記レ
ーザービーム10を平行光化するコリメーターレンズ12
と、平行光状態のレーザービーム10を集束させる集光レ
ンズ13と、Ｎｄイオン濃度が３ａｔ％であるＮｄ：Ｇｄ
ＶＯ4 の結晶14と、このＮｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14の前方
（図中右方側）に配された共振器ミラー15とから構成さ
れている。
【００１８】Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14は波長808 ｎｍの
レーザービーム10によってＮｄ原子が励起されることに
より、 4Ｆ3/2 → 4Ｉ11/2の遷移による波長1063ｎｍの
蛍光を発し、そのレーザー発振も確認された。このよう
にして発振した波長1063ｎｍのレーザービーム16は、共
振器ミラー15から出射する。
レーザービーム10によってＮｄ原子が励起されることに
より、 4Ｆ3/2 → 4Ｉ11/2の遷移による波長1063ｎｍの
蛍光を発し、そのレーザー発振も確認された。このよう
にして発振した波長1063ｎｍのレーザービーム16は、共
振器ミラー15から出射する。
【００１９】本実施例では、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14の
光入射側端面14ａと共振器ミラー15とによって固体レー
ザーの共振器が構成されており、この端面14ａ、もう１
つの結晶端面14ｂおよび共振器ミラー15のミラー面15ａ
の、波長808 ｎｍおよび1063ｎｍに対する反射特性は適
宜のコーティングにより下表の通りに調整されている。
なおこの表中で、ＡＲは無反射、ＨＲは高反射を示す。
光入射側端面14ａと共振器ミラー15とによって固体レー
ザーの共振器が構成されており、この端面14ａ、もう１
つの結晶端面14ｂおよび共振器ミラー15のミラー面15ａ
の、波長808 ｎｍおよび1063ｎｍに対する反射特性は適
宜のコーティングにより下表の通りに調整されている。
なおこの表中で、ＡＲは無反射、ＨＲは高反射を示す。
【００２０】 上記の構成においては、共振器ミラー15から出射する固
体レーザービーム16の出力が極めて安定していることが
確認された。その理由は、先に述べた通りである。
体レーザービーム16の出力が極めて安定していることが
確認された。その理由は、先に述べた通りである。
【００２１】次に、図２を参照して本発明の第２実施例
について説明する。なおこの図２において、図１中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する。
について説明する。なおこの図２において、図１中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する。
【００２２】この第２実施例装置もレーザーダイオード
励起固体レーザーであり、本装置は第１実施例装置と比
べると、共振器内に光波長変換素子20が配置されている
点が異なるものである。本実施例においてはこの光波長
変換素子20として、非線形光学効果を有するＫＮｂＯ3
の結晶が用いられている。
励起固体レーザーであり、本装置は第１実施例装置と比
べると、共振器内に光波長変換素子20が配置されている
点が異なるものである。本実施例においてはこの光波長
変換素子20として、非線形光学効果を有するＫＮｂＯ3
の結晶が用いられている。
【００２３】上記の構成において、波長1063ｎｍのレー
ザービーム16は光波長変換素子20に入射し、波長が１／
２すなわち532 ｎｍの第２高調波21に変換される。本装
置において、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14の端面14ａ、14
ｂ、光波長変換素子20の端面20ａ、20ｂおよびミラー面
15ａの、波長808 ｎｍ、1063ｎｍおよび532 ｎｍに対す
る反射特性は下表の通りに調整されており、共振器ミラ
ー15から第２高調波21が出射する。
ザービーム16は光波長変換素子20に入射し、波長が１／
２すなわち532 ｎｍの第２高調波21に変換される。本装
置において、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 結晶14の端面14ａ、14
ｂ、光波長変換素子20の端面20ａ、20ｂおよびミラー面
15ａの、波長808 ｎｍ、1063ｎｍおよび532 ｎｍに対す
る反射特性は下表の通りに調整されており、共振器ミラ
ー15から第２高調波21が出射する。
【００２４】 808 ｎｍ 1063ｎｍ 532 ｎｍ 端 面14ａ ＡＲ ＨＲ − 端 面14ｂ − ＡＲ ＨＲ 端 面20ａ − ＡＲ ＡＲ 端 面20ｂ − ＡＲ ＡＲ ミラー面15ａ − ＨＲ ＡＲ この構成においても、共振器ミラー15から出射する第２
高調波21の出力が極めて安定していることが確認され
た。
高調波21の出力が極めて安定していることが確認され
た。
【００２５】なお本発明の固体レーザーの共振器内に光
波長変換素子を配置する場合、その光波長変換素子は上
記ＫＮｂＯ3 からなるものに限らず、例えばＫＴ：ＯＰ
Ｏ4やβ−ＢａＢ2 Ｏ4 等、その他の公知のものが用い
られてもよい。
波長変換素子を配置する場合、その光波長変換素子は上
記ＫＮｂＯ3 からなるものに限らず、例えばＫＴ：ＯＰ
Ｏ4やβ−ＢａＢ2 Ｏ4 等、その他の公知のものが用い
られてもよい。
【００２６】また以上説明した各実施例は、レーザー媒
質としてＮｄ：ＧｄＶＯ4 結晶を用いるものであるが、
それに限らず、ｘ≠０としたＮｄ：Ｙx Ｇｄ1-x ＶＯ4
（０≦ｘ≦０．５）や、Ｎｄ：Ｌａx Ｇｄ1-x ＶＯ
4 （０≦ｘ≦０．１）を用いることも勿論可能である。
質としてＮｄ：ＧｄＶＯ4 結晶を用いるものであるが、
それに限らず、ｘ≠０としたＮｄ：Ｙx Ｇｄ1-x ＶＯ4
（０≦ｘ≦０．５）や、Ｎｄ：Ｌａx Ｇｄ1-x ＶＯ
4 （０≦ｘ≦０．１）を用いることも勿論可能である。
【図１】本発明の第１実施例装置を示す概略側面図
【図２】本発明の第２実施例装置を示す概略側面図
【図３】Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 の励起光吸収スペクトル特性
を示すグラフ
を示すグラフ
【図４】Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 の蛍光特性を示すグラフ
【図５】Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 のＮｄイオン濃度毎の蛍光寿
命を示すグラフ
命を示すグラフ
10 レーザービーム（ポンピング光） 11 レーザーダイオード 12 コリメーターレンズ 13 集光レンズ 14 Ｎｄ：ＧｄＶＯ4 結晶 15 共振器ミラー 16 固体レーザービーム 20 光波長変換素子 21 第２高調波
フロントページの続き (72)発明者 中村 隆 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富士写真フイルム株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−283977（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−29039（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許3667901（ＵＳ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】 固体レーザー媒質として、Ｎｄが添加さ
れたＹxＧｄ1-xＶＯ4（０≦ｘ≦０．５）が用いられて
いることを特徴とする固体レーザー。 - 【請求項２】 固体レーザー媒質として、Ｎｄが添加さ
れたＬａxＧｄ1-xＶＯ4（０≦ｘ≦０．１）が用いられ
ていることを特徴とする固体レーザー。 - 【請求項３】 Ｎｄイオン濃度が0.2 〜10ａｔ％である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体レーザ
ー。 - 【請求項４】 Ｎｄイオン濃度が１〜５ａｔ％であるこ
とを特徴とする請求項３に記載の固体レーザー。 - 【請求項５】 固体レーザー媒質を発振波長730 〜850
ｎｍのレーザーダイオードによって励起することを特徴
とする請求項１から４いずれか１項に記載のレーザーダ
イオード励起固体レーザー。 - 【請求項６】 共振器内に固体レーザービームを波長変
換する光波長変換素子が配設されていることを特徴とす
る請求項５に記載のレーザーダイオード励起固体レーザ
ー。
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