JPH02123776A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は遷移金属イオンや希土類元素イオンをドープし
たＹＡＧやガラス等を固体レーザ媒質として用い、光励
起によりレーザ発光させる固体レーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

よく知られているように、固体レーザ装置ではＹ　Ａ　
Ｇ　　（ＹＪｆｓＯ＋ｘ）、Ｇ　Ｇ　Ｇ　（ＧｄｓＧａ
ｓＯｔｔ）＋　Ｇ　Ｓ　Ｇ　Ｇ（ＧｄｓＧａｓＯｔｔ）
等の光学結晶やガラスの母材にＣＳ’等の遷移金属イオ
ンやＮｄ　”等の希土類元素イオンをレーザ活性物質と
して含ませたものがレーザ媒質として用いられ、それ用
の励起光としては従来からタングステンハロゲンランプ
やクリプトン放電灯等の励起光源からの光、場合によっ
ては太陽光が用いられる。レーザ媒質の形状はふつうロ
ッド状であるが、最近では大出力用にいわゆるスラブ形
のものも用いられるようになって来た。第５図は、よく
知られていることであるが、ロッド状のＹＡＧをレーザ
媒質を用いた従来の固体レーザ装置の原理構成を示すも
のである。

第５図（ａ）に示すように、ロッド状のレーザ媒質１の
各端面に対問して部分反射鏡２および全反射鏡３が配置
され、レーザ媒質ｌとともにレーザ共振系が構成され、
部分反射鏡２側からレーザ光ＬＬの出力が取り出される
。励起光ＥＬ用の光源４は例えばクリプトン放電灯であ
って、閉鎖容器５内にレーザ媒質ｌと対向して配置され
、出入口５ａを介して閉鎖容器５内に通流される冷却媒
体ＣＭによってレーザ媒質１および励起光源４が強力に
冷却される。同図（ｂ）に示すように、閉鎖容器５は両
端が閉鎖された楕円筒状でその内面は鏡面仕上げされて
おり、楕円の一方の焦点に配置された励起光源４からの
励起光ＥＬが他方の焦点に配置されたレーザ媒ｔ１に集
められる。

〔発明が解決しようとする＆１ＩＢ） ところが一般に光励起の固体レーザでは、レーザ媒質に
与えられた励起光ＥＬ中のほんの一部がレーザ活性物質
ないしはイオンの励起に寄与するだけで、その大部分が
熱になって失われてしまうのでエネルギ効率が非常に低
い問題がある。これを第４図を参照して説明する。

第４図（ａｌは、Ｎｄ　”をレーザ活性イオンとするＹ
ＡＧレーザ媒質において、励起光がＮｄ”の励起に寄与
する効率ηの相対値と励起光の波長λの相関を示すもの
で、これかられかるように図でＡで示された７２０〜８
２０ｎ−の波長範囲で高い励起効率を有する。同図（ｂ
）は励起光源としてのクリプトン放電灯の発光強度Ｉの
波長特性を示すもので、図かられかるように上述の波長
範囲Ａで高い発光強度を有する点は非常に都合がよい、
しかし、励起光源がこれ以外の範囲とくに短波長範囲Ｂ
でもかなりの発光強度をもっているのに対し、レーザ媒
質の方はこの波長範囲Ｂで非常に励起効率が低いので、
全波長範囲で見ると励起光のもつエネルギの僅かに５％
程度しかレーザ活性イオンの励起に貢献しない。

このように光励起の効率が５％程度で、残りの９５９６
はレーザ媒質内ですべて熱に変換されてしまうので、固
体レーザはそのレーザ媒質の密度従っ”ＣレーｌＪ′活
性・イオンの密度が高くて、元来はずっと大レーザ出力
を取り出せるはずのものが、実際には熱的に制約されて
充分に高出力運転ができない問題がある。

光励起効率の向上の観点から、最近に至り励起光源とし
て半導体レーザを用いる固体レーザ装置が注目されてい
るａＡｆｌＧａＡｓ系の半導体し・−１Ｊ′ではよく知
られているようにＡＩとＧａの組成比を変えることによ
りその発振波長を調整できるので、これを例えばＮｄ”
°の励起効率のピークがある８１０ｎ−付近に合わせる
ことにより、光励起効率を大幅に向上し、かつレーザ媒
質の発熱の問題もほぼ完全になくすことができる。しか
し、周知のように半導体レーザ１個あたりの出力は最大
でもＩＷ程度と低いので、これを多数個差べて励起光源
を構成しても数Ｗから数十Ｗ程度の固体レーザ出力しか
得られず、半導体レーザ励起の固体レーザ装置は小出力
用には適しても、現在ランプ励起で得られている数百Ｗ
ないし数に―の高出力レベルまでは届きそうもない。

本発明はかかる問題点を解決して、光励起効率が高くか
つ高出力用に適する固体レーザ装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的は本発明によれば、固体のレーザ媒質中のレー
ザ活性物質を光励起してレーザ発光させる固体レーザ装
置において、照射光を吸収してレーザ活性＠ｈ質の光励
起に適する波長の蛍光を発する半導体からなる光変換手
段を設け、光変換手段に照射光を与えてそれから発せら
れる蛍光を励起光としてレーザ媒質中のレーザ活性物質
を光励起するように構成することによって達成される。

上記構成にいう光変換手段はそれが受ける照射光を蛍光
に変換するもので、これに用いる半導体は蛍光の波長な
いし波長ζ囲をレーザ活性物質の光励起効率が高い波長
範囲に容易に合わせ得るものが望ましく、この意味でこ
れに４１．　Ｇａ、□Ａｓを用い、そのＡｌの含を率Ｘ
によって蛍光の波長を調整できるようにするのが好適で
ある。また、蛍光の波長範囲をレーザ活性物質の光励起
効率のピークに正確に合わせ得るようにできるだけ狭く
する上では、半導体には直接遷移形のエネルギバンド構
造をもつものとするのが望ましく　、ＡｌＧａＡｓはこ
の点でも本発明における光変換手段用の半導体として適
する。このＡｌＧａＡｓを用いた場合、光変換手段はも
ちろんその単層構成とすることでよいが、場合によりい
わゆるダブルへテロ接合構造をもつ複合層構成するるこ
とができる。

光変換手段の実際の形態としては半導体を薄い層ないし
は膜状に形成するのがよく、これを透明な１対の保持板
例えばガラス板間に挟持させた板状体の形で光変換手段
を構成して、固体レーザ装置内に組み込むのが適切であ
る。

〔作用］ よく知られているように半導体はエネルギ準位の低い価
電帯とその上の伝導帯とからなるエネルギバンド構造を
もっており、照射光を受けたとき価電帯内の電子が伝導
帯に励起され、この励起電子が再び価電帯に遷移ないし
は落ち込むときに伝導帯と価電帯との間のエネルギギャ
ップＥｇで決まる波長λの蛍光を発する。この蛍光の波
長はλ−Ｅｇ／　ｈ　ｃ　　　　　　　（１）で表され
る。ただしｈはブランク定数、Ｃは光速度とする。また
、この半導体はそれが受ける照射光中の上式の波長λよ
り長い波長成分はほとんど吸収しないが、それ以下の波
長成分は非常によく吸収する。

本発明はこの原理を利用したもので、例えば前記した第
４図（ｂ）の光源の発光強度分布について説明すると、
上述の半導体を用いた光変換手段が発する蛍光の波長λ
をレーザ活性物質の光励起効率のよい波長範囲Ａ内に合
わせて置くことにより、この光源から光変換手段が受け
る照射光中のこの範囲Ａ内の波長成分はもちろんそれよ
り波長の短い範囲Ｂ内の波長成分も吸収させ、波長範囲
Ａ内の蛍光に変換してレーザ媒質に励起光として与える
ことにより、いままで利用されていなかった波長範囲Ｂ
内の波長成分をレーザ活性物質の光励起に有効利用する
ものである。

なお、上述の半導体のエネルギバンド構造をより詳細に
電子の連動量ないしは波数ベクトルについて見ると、価
電帯は上方に凸な、伝導帯は下方に凸なバンド形状をそ
れぞれもつが、いわゆる直接遷移形の半導体では価電帯
の頂上と伝導帯の底とがほぼ一致するバンド構造をもっ
ている。この場合、照射光によって価電帯から伝導播に
励起された電子は、ごく短い緩和時間内でその運動量を
緩和して伝導帯の底に落ち込み、そこから価電帯の頂上
に遷移して蛍光を発生させる。直接遷移形の半導体では
、この遷移時に電子の連動量変化がほとんどないから、
間接ｉ！！移形に比べて蛍光発生の量子効率が高くほぼ
１００％であり、かつ蛍光の波長範囲も狭いので、本発
明にとって非常に有利な利点を有することになる。

前述のＡＩＧαＡｓはそのＡｔとＧｏとの成分比を選択
することにより、レーザ活性物質の光励起効率が高い波
長範囲の蛍光を発生させることができ、かつこの成分範
囲内で直接遷移形のエネルギバンド構造をもっている。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の詳細な説明する。第１
図は前の第５図に対応して本発明による固体レーザ装置
の概要構成を例示するもので、対応部分には同じ符号が
付けられている。以下において、前と重複する部分の説
明は一切省略するものとする。

第１図に示された実施例では、レーザ媒質１は大出力の
固体レーザ装置に適するいわゆるスラブ形であって、同
図（ｂ）の断面かられかるようにやや偏平な方形断面を
もつ板状体に形成され、その材質としては例えばＮｄ　
”ドープのＹＡＧが用いられる。前述のように、このレ
ーザ媒質は第４図（ａ）に示す波長特性の光励起効率η
を有する。

かかるスラブ形のレーザ媒質１を用いる固体レーザ装置
では、同図（ａ）に示されたようにレーザ媒ｔ１の１対
の斜端面Ｌａから出入するレーザ光ＬＬはその内部で図
の上下の１対の板面により全反射されながらジグザグ状
に進行し、これによって、レーザ媒ｆｔ１のもついわゆ
る熱レンズ効果が減少される。さらに、同図（ロ）に示
すように、レーザ媒質１の図の左右の側面には熱絶縁１
ｂが施され、その断面の左右方向の温度勾配をなくして
熱レンズ効果を−Ｎ減少させるようになっている。

このスラブ形のレーザ媒質１にその１対の板面側から励
起光ＥＬを与えるため、この実施例ではその上下に本発
明による光変換手段ｌＯがそれぞれ図示のように設けら
れ、この例では光変換手段１０はＡｔＧａＡＳの薄い層
ないしは膜を１対のガラス板間に挟持した板状体に形成
され、適宜な手段で閉鎖容器５の第１図（ａ）の左右の
側壁に固定される。この１対の光変換手段１０に照射光
ＩＲをそれぞれ与えるため、それらに対応してこの例で
は照射光源６が閉鎖容器５の上下部分にそれぞれ配置さ
れ、閉鎖容器５内に通流される冷却媒体ＣＭによって冷
却される。この照射光源６としては、種々の高出力の放
電灯や白熱灯のほか前述のように太陽光を利用すること
もできるが、この実施例では第４図０））の波長特性の
発光強度Ｉの分布をもつクリプトン放電灯が用いられる
ものとする。

さて、第４図（ａ）の光励起効率ηをもつレーザ媒質１
に対しては、図の範囲Ａ内の波長とくに光励起効率ｌの
最大ピークがある８１０ｎ園の波長をもつ蛍光を発する
光変換手段１０が有利であるから、光変換手段１０用の
半導体としてのＡｌＧａＡｓ中のＡＩとＧａの組成比を
これに適合させるように選択する。いまＡＩの成分比を
Ｘとすると、ＡらＧａ、ｌ１Ａｓ半導体のエネルギギャ
ップＩ！、は次式で表される。

８ｇ−１，４２４＋　１．２４７ｘ　（ｅＶ）　　　　
　（２１前述の（１）式の波長λを８１ｏｎ−とするエ
ネルギギャップＥｇは１．５３ｅＶであるから、これを
上の（２）式に入れるとｘ−０，０８６となり、この組
成をＡｌＧａＡｓ半導体に持たせることにより、Ｎｄ”
°ドープのＹＡＧを用いたレーザ媒１１の最大光励起効
率に適合した波長の蛍光をレーザ媒質１０に発生させる
ことができ、かつＡ１の成分比が低い組成領域のＡｌＧ
ａＡｓは前述の直接遷移形半導体である。もっとも、こ
れから発生される蛍光の波長λには実際には若干の温度
依存性があるが、その程度はふつう０．３ｎｍ／’（：
であるから、第４図（ａｌの波長範囲の幅の１１００ｎ
と比べて蛍光の波長の変化幅は充分小さく実用上あまり
問題はない。

以上のように構成された本発明による固体レーザ装置で
は、照射光源６からの照射光ＩＲ中の第４図（ｂ）の範
囲ＡおよびＢ内の波長成分を光変換手段１０の半導体が
吸収して、第４図（ａ）の光励起効率ηの最高ピークに
対応する波長の蛍光に変換してレーザ媒ｆｆｌに与える
ことができる。光変換手段ＩＯは従来利用できなかった
範囲Ｂの波長成分をも有効利用し、かつそれをレーザ活
性物質の最高光励起効率に対応する波長の蛍光に変換す
るので、固体レーザ装置の光励起効率を従来よりも格段
に向上することができる０、また、光変換手段１０は従
来の半導体レーザと異なり、その全面が照射光ＩＲを励
起光ＥＬとしての蛍光に変換する役目を果たすので、大
きなエネルギの励起光をレーザ媒質ｌに与えることがで
き、従うで本発明により大出力の固体レーザ装置を提供
することができる。

第２図は単層の半導体を用いた光変換手段１０の構成例
を示すもので、同図（ａ）に製作中の状態が同図（ロ）
に完成時の状態がそれぞれ一部拡大断面で示されている
。同図（ａ）に示すように、まずＧａＡｓ基板１１上に
上述の組成のＡｌＧａＡｓ層１４を例えば液相エピタキ
シャル法により例えば０．３閣の厚みに成長させ、Ｇａ
Ａｓ基板１１の部分を研磨またはエツチング法により除
去した上で所定寸法に形状を整え、同図（ｂ）のように
ガラス等の透明！１ｌＯａＯ間に並べて挟持させて光変
換手段１０を構成する。

第３図はダブルへテロ接合構造をもつ複合層の半導体を
用いた光変換手段１０を第２図と同じ要領で示すもので
ある。同図（ａｌに示すように、ＧａＡｓ基Ｆｉｌｌ上
にまずｘ−０，２の組成をもつＡｌＧａＡｓ層１２を液
相エピタキシャル法により厚目に成長させた後に、気相
エピタキシャル法によりｘ＝０．４５の組成のＡＩＧａ
ＡｓＦｆＪ　１３．　　ｘ　−０，０８の組成のＡｌＧ
ａＡｓ層１４およびＸ率０．４５の組成のＡｌＧａＡｓ
層１５を順次成長させ、ＡｌＧａＡｓ層１２〜１５の全
体の厚みを前と同じ０．３ｍｍ程度とした上でＧａＡｓ
基板１２を前と同様に除去する。

この複合半導体層を１対の透明板１０ａおよび１０ｂ間
に挟持して光変換手段ＩＯを構成するのも第２図の場合
と同様である。

以上のように構成された複合半導体層は、図でハツチラ
グを施されたＡＩＧａＡｓｑ　１４とその上下のＡＩ成
分比の異なるＡｌＧａＡｓ層１３および１５の間にそれ
ぞれへテロ接合が形成されたダブルへテロ接合構造をも
ち、照射光を例えば透明板１０ａの側から受けたときそ
の吸収によって複合半導体層内に発生する励起電子ない
しキャリアがエネルギギャップの小なＡＲＧａＡｓＮ　
１４に集められ、その価電帯への遷移の際に発せられる
蛍光が例えば透明板ｔａｂ側から励起光としてレーザ媒
質１に与えられる。この励起電子のＡｌＧａＡｓ層１４
への集中は複合半導体層内の各層間に電位差を適宜に与
えることによって促進することも可能である。

この第３図の実施例における複合半導体層は、蛍光発生
上の量子効率は第２図の場合はど必ずしも良好ではない
が、実際面ではそれよりもＡｌ１ＧａＡｓ眉１４のＡ１
成分の管理が容品なので、光変換手段用半導体の製作上
有利な利点を有する。

以上説明した実施例からも推察されるように、本発明は
かかる例に限らず種々の態様で実施をすることができる
。

（発明の効果） 以上説明したとおり本発明によれば、固体のレーザ媒質
中のレーザ活性物質を光励起してレーザ発光させる固体
レーザ装置において、照射光を吸収してレーザ活性物質
の光励起に適する波長の蛍光を発する半導体からなる光
変換手段を設け、この光変換手段に照射光を与えてそれ
から発せられる蛍光を励起光としてレーザ媒質中のレー
ザ活性物質を光励起するようにしたので、照射光中の従
来レーザ媒質のレーザ活性物質の光励起効率が低くてほ
とんど吸収できなかった範囲の波長成分をも光変換手段
の半導体に吸収させ、この半導体を種類や組成をレーザ
活性物質に適合させることにより、この吸収した照射光
を光励起効率が良好な波長の蛍光に変換して励起光とし
てレーザ媒質に与えることができ、この照射光の波長成
分の有効利用とレーザ活性物質の光励起効率の改善とに
よって、固体レーザ装置の光励起効率を従来よりも格段
に向上することができる。

また、本発明における光変換手段はその全面が照射光を
光励起用の蛍光に変換する役目を果たすので、光変換手
段から大きなエネルギをもつ励起光をレーザ媒質に与え
ることができ、かつこの励起光が効率よくレーザ活性物
質の光励起に使われるので、レーザ媒質内の励起光によ
る発熱を従来より格段に減少させることができ、これら
の複合効果により大出力の固体レーザ装置を提供するこ
とが本発明の実施により可能になる。

さらに、光変換手段用に直接遷移形の半導体を用いるこ
とにより、上述の効果を一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までが本発明に関し、第１図は本発明
による固体レーザ装置の実施例の縦および横断面図、第
２図および第３図は光変換手段のそれぞれ異なる実施例
の一部拡大断面図、第４図はレーザ活性物質の光励起効
率および照射光の光強度分布の波長特性を例示する線図
である。第５図は従来の代表的な固体レーザ装置の縦お
よび横断面図である０図において、 ｌ：レーザ媒質、２：部分反射鏡、３：全反射鏡、５：
固体レーザ装置の閉鎖容器、６：照射光源、１０：光変
換手段、１０ａ、　１０ｂ　：光変換手段用透明板、１
１　：　ＧａＡｓ基板、１２．１３．１５　：　ＡｌＧ
ａＡｓ層、１４】光変換手段用半導体としてのＡｌＧａ
Ａｓ層、ＢＬ：励起光、■：照射光の光強度、■Ｒ：照
射光、ＬＬｊレーザ光、λ：波長、η：レーザ活性物質
の光励起効零１図 第２図 ′＄３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体のレーザ媒質中のレーザ活性物質を光励起してレー
   ザ発光させる固体レーザ装置において、照射光を吸収し
   てレーザ活性物質の光励起に適する波長の蛍光を発する
   半導体からなる光変換手段を設け、光変換手段に照射光
   を与えてそれから発せられる蛍光を励起光としてレーザ
   媒質中のレーザ活性物質を光励起するようにしたことを
   特徴とする固体レーザ装置。