JPH0414518B2 - - Google Patents
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- JPH0414518B2 JPH0414518B2 JP10760483A JP10760483A JPH0414518B2 JP H0414518 B2 JPH0414518 B2 JP H0414518B2 JP 10760483 A JP10760483 A JP 10760483A JP 10760483 A JP10760483 A JP 10760483A JP H0414518 B2 JPH0414518 B2 JP H0414518B2
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１ 発明の技術分野
本発明はレーザに関し、更に詳しくはレーザ媒
体がエメラルド（Be3Al2（SiO3）6：Cr3+）の単結
晶である固体レーザに関する。 ２ 先行技術の説明 結晶、ガラスの双方を含めてレーザ作用に適し
た数多くの固体が1960年Maimanによつて示され
た最初の（固体）レーザ以来見出されている。一
般的には、レーザ活性材料は結晶質あるいはガラ
ス質の基質中に希土類、アクチナイド又は遷移金
属のドーパントを含むものである。その後知られ
る様になつた固体レーザについて広範に取り扱つ
たものとして1976年に発行されたSolid−State
Leser Engineering，W.Koechner，Springer−
Verlag，New Yorkがある。より最近において
は、Laser Crystals，A.A.Kaminskii，Springer
−Verlag，New York（1981年）中にレーザ結晶
集が示されている。レーザ作用はまた金緑玉構造
を有し自然界に見い出される鉱物であるアレクサ
ンドライト（BeAl2O4：Cr3+）においても明らか
にされている（米国特許第3997853号）。このアレ
クサンドライトレーザの顕著な特徴の１つとして
可同調性がある（米国特許第4272733号）。 エメラルドの螢光スペクトルはいくつかのグル
ープ（G.Burnsら、Phys.Rev.139，A1687
（1965）；P.Kisliuk，Phys.Rew.160，307（1967））
によつて研究されている。彼らは4T2→4A2遷移
に伴う輻射の波長、線幅、量子効率等の温度依存
性を測定した。 発明の概略 本発明に従えば、エメラルドBe3Al2（SiO3）6：
Cr3+単結晶を含むレーザ媒体と、コヒーレント輻
射線を放出すべくそのレーザ媒体を励起する為の
ポンプ手段とを含むレーザが提供される。一般に
は、このレーザはレーザ発振を維持するに適した
光学共振器を形成する複数のミラーを含んでい
る。このレーザの出力は広い範囲で同調可能であ
り、従つてレーザが同調手段を含んでいれば電磁
波スペクトルの中で深赤色から近赤外の間のいず
れの波長の出力を選択することも可能である。 可同調性に加えて、もう１つの長所としてエメ
ラルドレーザ媒体は４準位動作を行うということ
がある。４準位レーザはレーザ遷移の最終準位が
イオンの基底状態ではないという特徴を有するも
のとして分類されている。これらのレーザにおい
ては、レーザ基質中で未励起の基底状態によるレ
ーザ放射の再吸収が起つても極く僅かである。こ
れにより低しきい値、高効率のレーザ動作が可能
となる。他の音響量子終結レーザ（phonon−
terminated laser）と同様にエメラルドの場合、
１つの光子と１つの音響量子の同時放射が起り、
従つて放射の再吸収にはいかなる場合にも両量子
の同時吸収が要求される。この再吸収が起る確率
の低いことは容易に理解されることであり、それ
故エメラルド４準位レーザ作用のしきい値は低
い。 本発明の可同調レーザは可同調色素レーザとこ
れまでに知られているアレクサンドライトレーザ
以外の振動レーザの両方の短所を回避するもので
ある。そして補助装置を必要とすることなく高パ
ワー動作が可能であり；Ｑスイツチ動作を行うこ
とができ；レーザ媒体は安定であり毒性も腐触性
も持たない。この放射の一部にはスペクトルの可
視領域が入つている。アレクサンドライトの場合
と同様に、レーザ利得は温度と共に上昇する。 本発明の詳細にわたる説明 本発明において採用されるレーザ媒体は、エメ
ラルドBe3Al2（SiO3）6：Cr3+の単結晶を含む。エ
メラルドはインコヒーレント又はコヒーレントな
輻射源によるポンプ作用によつて励起され深赤色
から近赤外のスペクトル領域の電磁波を放射す
る。出力波長の選択を可能にする為に同調手段を
組み込むことができる。 エメラルド即ちクロムをドープされた緑柱石
は、自然界に見出される六方晶系でありフラツク
ス成長法あるいは熱水成長法（米国特許第
3567642号、同3567643号、及び3723337号）によ
つて調製することが出来る。光学的により高品質
の結晶を成長させられることから、一般的には熱
水成長法が好ましい。結晶の唯一の軸はＣ軸であ
る。レーザ媒体として使用する為にエメラルド結
晶は好ましくはロツド形あるいは厚板（スラブ）
形が良い。厚板はその長さ方向に対して垂直な平
面内において実質的に矩形の断面を有し、幅／厚
さの比は２に等しいかこれより大きいものが好ま
しい。また高利得を得る為に長さ方向が結晶のＣ
軸に対して垂直であることが好ましい。しかし、
長さ方向がＣ軸と平行であつても良い。更に、レ
ーザ出力を最適化する為にレーザ媒体の長さ方向
に通り抜けるビームの分散を最小とするように結
晶を切るべきである。分散はわずかに異つた屈折
率を有する結晶面によつて引き起こされる。これ
ら各成長面は各々に沿つて屈折率が一定であり、
他の成長面と平行であり最速の成長方向とは垂直
をなしている。ビームの分散はプローブビームを
成長面と小さな角度をなすように結晶中に通して
やることによつて観測できる。プローブビームを
これら面に平行に向けると、分散は最小（あるい
は、皆無）となる。分散の最小化はまたビームと
これら面とを−15゜あるいはそれ以上の大きな角
度、好ましくは90゜をなすように結晶を配向させ
ることによつて行うことができる。 熱水成長法で成長させたエメラルドにおいて
は、成長条件に制約がありロツド構造の長さ方向
が成長面とほぼ平行であることが要求される。従
つてレーザロツドの軸は、これらの面と正確に平
行に整列させねばならない。スラブ構造の場合に
はレーザビームはジグザグに進むので、ビームを
面となす角は30゜のオーダーとなり分散は実質的
に除去される。 結晶中の成長面はプローブビームを用いて最つ
も良く決定される。熱水成長法においては成長方
向は正確にであるとは限らないがほぼ種子板と垂
直をなし、成長面は十分に成長した結晶の大きく
自然な面としばしば平行となる。 エメラルドレーザ媒体は光学的にポンピングさ
れる。一般にはレーザ媒体全体を通してポンピン
グ用輻射を吸収することが望ましい。吸収はクロ
ム濃度に依存するのでロツド径あるいは厚板の厚
みと最適なドーパント濃度との間には反比例関係
が存在する。典型的な径や厚みに対してのクロム
ドーパント濃度は好ましくはアルミニウムサイト
又は部分に対して0.002から20原子％の範囲にあ
り、更に好ましくは0.1から10原子％の範囲にあ
る。 好適なポンピング用ランプはエメラルドが吸収
する波長領域の放射を強く行う。例えば700nmよ
り短波長の強いインコヒーレント光を放射するパ
ルス、あるいは連続光源ランプが好適である。 このようなランプは当技術分野において良く知
られており、ガス放電ランプでキセノン及び／又
はクリプトンを充てんされており連続波（cw）
又はパルス動作するように設計されたもの、水
銀、ナトリウム、セシウム、ルビジウム及び／又
はカリウム等の金属性蒸気光源がこれに含まれ
る。連続波（cw）水銀アークランプはレーザの
連続波動作の為のポンプ源として特に適している
ことが判つている。またパルス動作するキセノン
アークランプはレーザのパルス動作の為のポンプ
源として特に適していることも判つている。 上述とは違つてエメラルドレーザ媒体はエメラ
ルドが吸収する波長領域の連続波あるいはパルス
放射を行うコヒーレント光源でポンピングするこ
ともできる。連続励起の為にはクリプトンイオン
レーザーやアルゴンイオンレーザーが代表的であ
る。パルス動作レーザ励起の為には十分なパワー
と695nm未満の放射波長を持つものであればいず
れのコヒーレント光源でも本発明のレーザーの効
率的ポンピングを行うことができるであろう。好
適な光源の例としては、二重Nd：YAGレーザ、
エクシマレーザ及び窒素レーザがある。 レーザの基本的構成要素、即ちレーザ媒体及び
光学的ポンプに加えて本発明のレーザはＱ−スイ
ツチングの為の手段を任意選択的に含んでいても
良い。Ｑ−スイツチはエネルギーが蓄積される時
間間隔についての空洞の性能因子Ｑに“悪影響”
を与える。適当な時点でＱ−スイツチは高利得条
件に付勢され媒体内に蓄えられたエネルギーは極
めて短かい持続時間の“巨大パルス”で解放され
る。Ｑ−スイツチ手段は飽和可能な色素吸収体
（dye absorber）、音響光学的Ｑ−スイツチ、あ
るいはビーム通路中に置かれた偏光子及びポツケ
ルセルを含むものとすることができる。偏光子は
省いても良く、特に励起パワーが低い場合にはそ
うである。レーザはまた帯域幅と反比例関係にあ
るパルス幅を生み出す為にモードロツクしても良
い。 エメラルドがレーザ作用を行う波長領域は第２
図に描かれており、24mm長のエメラルドロツドの
場合の異なる偏光方向について単路利得が示され
ている。単路利得ΔGはΔG＝ln（Ip／Iu）で定義
される。ここでIpはポンピングされたロツドを通
過後のプローブビームの強度であり、Iuはポンピ
ングされていないロツドを通過後のプローブビー
ムの強度である。利得、従つてレーザ放射は
700nmを下まわつた波長から830nmに至る波長範
囲で観測される。735nmより長波長では基底吸収
が無いのでその領域ではΔGは全部レーザ利得に
帰せられる。735nm未満の波長ではΔGの一部は
基底状態吸収に帰せられる。 第２図に示された測定に使用されたロツドは２
つの偏光方向で異なる結果が与えられるように、
即ち１方の方向はＥ⊥Ｃ他方の方向はＥＣとな
るようにその(C)軸がロツド軸に対し245゜をなすも
のである。700nmでの大きな吸収に対応する偏光
方向をEmaxと呼び、これと垂直な偏光方向を
Eminと呼ぶ。 同調を達成する為にいかなる従来の同調手段を
も用いても良い。好適な同調手段の例にはプリズ
ム、光学格子、複屈折フイルタ、多層誘電体被覆
フイルタ、あるいは縦方向に色収差を有するレン
ズが含まれる。特に好適なのはG.Holtom及びO.
Teschke，“Design of ａ Birefringent Filter
for High−Power Dye Lasers”，IEEE J.
Quantum Electron.QE−10，177（1974年）に記
されている複屈折フイルタである。この型のフイ
ルタはしばしば“ライオツト（Lyot）フイルタ”
（B.Lyot，Comt.Rend，197，1593（1933））と呼
ばれる。 高パワーエメラルドレーザはまた先に述べたよ
うに基本的レーザをレーザ増幅器の“発振段”と
して含むことができる。この増幅器はこのような
発振段を１つ又はそれ以上の“増幅段”の為の入
力を提供する為に用い、この増幅段は典型的には
光学的空洞内に取り付けられた１つのエメラルド
結晶及びフラツシユランプあるいは他の光源ラン
プを含んでいる。 他のいくつかの可同調固体レーザ材料と比較し
てエメラルドの利点はそれが低温に加えて、室温
又はそれより高温のもとで動作可能であることで
ある。パワーレベルに応じてレーザロツド温度を
制御する為の手段をレーザが含むことが望まし
い。温度制御法は当技術分野で周知なもののいず
れを用いても良く；例えばレーザ媒体から熱を吸
収するかあるいはこれに伝達するに適した流体を
循環させる。循環流体は空気、水、低温液体など
であつて良い。ヒータは必要な場合に流体温度を
制御する為に使用される。 温度が上昇すると共にレーザ動作に対する制限
が励起されたクロムイオンの寿命のそれに対応し
た短縮によつて生ずる。励起は寿命の時間オーダ
ーあるいはそれ以下の時間の間に最つも良く実現
される。もし寿命が60μsを下まわると有用な動作
寿命を持つた閃光ランプが要求される短時間の間
に十分な励起を与えるものとして容易に利用でき
なくなる。 第３図は本発明のレーザ装置を描いたものであ
る。エメラルド結晶を含むレーザ媒体１１及びポ
ンピング源１２は容器１０内に収容されており、
この容器は楕円空洞を定める高反射性内面１３を
有している。面１３における反射は拡散性あるい
は鏡面性であつて良い。レーザ媒体１１の軸及び
ポンピング源１２の軸は各々容器１０によつて形
成された楕円の焦点線に沿つて位置している。レ
ーザ媒体１１は通常は周知の誘電体非反射性被覆
を有する端部１４，１５を備えている。完全反射
性のミラー１７、任意選択的に設けられる同調要
素２０、及び部分反射性ミラー１８がレーザ媒体
１１の円筒軸に沿つて置かれている。レーザ作用
は同調要素２０の配向方向によつて決定される波
長の高度にコリメートされたコヒーレント輻射線
の放射によつて明らかとなる。この輻射線は矢印
１６で示すように部分反射ミラー１８から放出さ
れる。ミラー１７，１８の両方が部分反射性であ
つても良い。望ましい動作温度を維持することが
必要であればレーザ媒体１１とポンピング源１２
は容器１０を通つて循環する流体によつて冷却さ
れる。光学的Ｑ−スイツチは偏光子２１とポツケ
ルセル２２とを含むものとして示されている。 第４図に示されているように増幅段は本発明の
高パワーレーザシステムの場合には第３図に示さ
れた装置と共に使用されても良い。その場合、第
３図の装置は増幅器の“発振段”と考えられる。
増幅段は発振段の出力ビーム中に置かれる。それ
は基本的には楕円空洞を定める高反射性内面３３
を有する１つの容器で構成される。増幅器ロツド
３１はフラシユランプ３２により励起されるもの
であり、通常は周知の非反射性誘電体被覆を有す
る端部３４，３５を備えている。この増幅器ロツ
ドは発振器ロツド１１よりも大径でも良く、その
場合にはビーム拡張テレスコープ３６が両段の間
にビーム寸法をロツド寸法と一致させる為に配置
される。発振段とは違つて増幅段は通常その端部
に空洞を形成する為のミラーを持たない。そして
発振器出力の増幅は増幅器ロツドをビームが通過
する間にのみ行われる。しかしながらいくつかの
応用においては増幅媒体中へ増幅器出力を帰還す
る為に部分的反射ミラーと整合して用いても良
い。この再発振的発振器のスペクトル及び個々の
ケースにおける特性は単路増幅器の場合に用いた
のと同様の態様で適当な整形された（tailored）
信号を初段発振器から入れることによつて決定す
ることができる。１つより多くの増幅段を用いて
も良い。増幅された出力は矢印３７で示されたよ
うに増幅器ロツド３１から放出される。 本発明の理解をより完全なものとする為に次に
実例を示す。本発明の原理と実施法を示す為のこ
れら特定の技術、条件、材料及び報告データ等は
例示的なものであつて本発明の範囲を制限するも
のと解釈してはならない。 実 例 19mm長×４mm径のエメラルドロツドをロツド軸
に対してその六方軸が45゜をなすように熱水成長
法により成長させた結晶から切り出した。このロ
ツドを水冷セラミツクハウジング中に取り付け
た。光学的空洞の一端は反射性ミラーを、他端は
95％出力ミラーを有するものとした。両ミラーと
も凹面の、焦点距離4μmのものとした。ロツドは
平行に配置された２つの80μs持続のキセノン閃光
ランプでポンピングされた。レーザは757.4nm、
5.8mJの放射を示した。異なる分光反射率を有す
る複数出力ミラーを用いた場合にはレーザ放射は
751.1、753.8、758.8及び759.2nmの波長を各々示
した。
体がエメラルド（Be3Al2（SiO3）6：Cr3+）の単結
晶である固体レーザに関する。 ２ 先行技術の説明 結晶、ガラスの双方を含めてレーザ作用に適し
た数多くの固体が1960年Maimanによつて示され
た最初の（固体）レーザ以来見出されている。一
般的には、レーザ活性材料は結晶質あるいはガラ
ス質の基質中に希土類、アクチナイド又は遷移金
属のドーパントを含むものである。その後知られ
る様になつた固体レーザについて広範に取り扱つ
たものとして1976年に発行されたSolid−State
Leser Engineering，W.Koechner，Springer−
Verlag，New Yorkがある。より最近において
は、Laser Crystals，A.A.Kaminskii，Springer
−Verlag，New York（1981年）中にレーザ結晶
集が示されている。レーザ作用はまた金緑玉構造
を有し自然界に見い出される鉱物であるアレクサ
ンドライト（BeAl2O4：Cr3+）においても明らか
にされている（米国特許第3997853号）。このアレ
クサンドライトレーザの顕著な特徴の１つとして
可同調性がある（米国特許第4272733号）。 エメラルドの螢光スペクトルはいくつかのグル
ープ（G.Burnsら、Phys.Rev.139，A1687
（1965）；P.Kisliuk，Phys.Rew.160，307（1967））
によつて研究されている。彼らは4T2→4A2遷移
に伴う輻射の波長、線幅、量子効率等の温度依存
性を測定した。 発明の概略 本発明に従えば、エメラルドBe3Al2（SiO3）6：
Cr3+単結晶を含むレーザ媒体と、コヒーレント輻
射線を放出すべくそのレーザ媒体を励起する為の
ポンプ手段とを含むレーザが提供される。一般に
は、このレーザはレーザ発振を維持するに適した
光学共振器を形成する複数のミラーを含んでい
る。このレーザの出力は広い範囲で同調可能であ
り、従つてレーザが同調手段を含んでいれば電磁
波スペクトルの中で深赤色から近赤外の間のいず
れの波長の出力を選択することも可能である。 可同調性に加えて、もう１つの長所としてエメ
ラルドレーザ媒体は４準位動作を行うということ
がある。４準位レーザはレーザ遷移の最終準位が
イオンの基底状態ではないという特徴を有するも
のとして分類されている。これらのレーザにおい
ては、レーザ基質中で未励起の基底状態によるレ
ーザ放射の再吸収が起つても極く僅かである。こ
れにより低しきい値、高効率のレーザ動作が可能
となる。他の音響量子終結レーザ（phonon−
terminated laser）と同様にエメラルドの場合、
１つの光子と１つの音響量子の同時放射が起り、
従つて放射の再吸収にはいかなる場合にも両量子
の同時吸収が要求される。この再吸収が起る確率
の低いことは容易に理解されることであり、それ
故エメラルド４準位レーザ作用のしきい値は低
い。 本発明の可同調レーザは可同調色素レーザとこ
れまでに知られているアレクサンドライトレーザ
以外の振動レーザの両方の短所を回避するもので
ある。そして補助装置を必要とすることなく高パ
ワー動作が可能であり；Ｑスイツチ動作を行うこ
とができ；レーザ媒体は安定であり毒性も腐触性
も持たない。この放射の一部にはスペクトルの可
視領域が入つている。アレクサンドライトの場合
と同様に、レーザ利得は温度と共に上昇する。 本発明の詳細にわたる説明 本発明において採用されるレーザ媒体は、エメ
ラルドBe3Al2（SiO3）6：Cr3+の単結晶を含む。エ
メラルドはインコヒーレント又はコヒーレントな
輻射源によるポンプ作用によつて励起され深赤色
から近赤外のスペクトル領域の電磁波を放射す
る。出力波長の選択を可能にする為に同調手段を
組み込むことができる。 エメラルド即ちクロムをドープされた緑柱石
は、自然界に見出される六方晶系でありフラツク
ス成長法あるいは熱水成長法（米国特許第
3567642号、同3567643号、及び3723337号）によ
つて調製することが出来る。光学的により高品質
の結晶を成長させられることから、一般的には熱
水成長法が好ましい。結晶の唯一の軸はＣ軸であ
る。レーザ媒体として使用する為にエメラルド結
晶は好ましくはロツド形あるいは厚板（スラブ）
形が良い。厚板はその長さ方向に対して垂直な平
面内において実質的に矩形の断面を有し、幅／厚
さの比は２に等しいかこれより大きいものが好ま
しい。また高利得を得る為に長さ方向が結晶のＣ
軸に対して垂直であることが好ましい。しかし、
長さ方向がＣ軸と平行であつても良い。更に、レ
ーザ出力を最適化する為にレーザ媒体の長さ方向
に通り抜けるビームの分散を最小とするように結
晶を切るべきである。分散はわずかに異つた屈折
率を有する結晶面によつて引き起こされる。これ
ら各成長面は各々に沿つて屈折率が一定であり、
他の成長面と平行であり最速の成長方向とは垂直
をなしている。ビームの分散はプローブビームを
成長面と小さな角度をなすように結晶中に通して
やることによつて観測できる。プローブビームを
これら面に平行に向けると、分散は最小（あるい
は、皆無）となる。分散の最小化はまたビームと
これら面とを−15゜あるいはそれ以上の大きな角
度、好ましくは90゜をなすように結晶を配向させ
ることによつて行うことができる。 熱水成長法で成長させたエメラルドにおいて
は、成長条件に制約がありロツド構造の長さ方向
が成長面とほぼ平行であることが要求される。従
つてレーザロツドの軸は、これらの面と正確に平
行に整列させねばならない。スラブ構造の場合に
はレーザビームはジグザグに進むので、ビームを
面となす角は30゜のオーダーとなり分散は実質的
に除去される。 結晶中の成長面はプローブビームを用いて最つ
も良く決定される。熱水成長法においては成長方
向は正確にであるとは限らないがほぼ種子板と垂
直をなし、成長面は十分に成長した結晶の大きく
自然な面としばしば平行となる。 エメラルドレーザ媒体は光学的にポンピングさ
れる。一般にはレーザ媒体全体を通してポンピン
グ用輻射を吸収することが望ましい。吸収はクロ
ム濃度に依存するのでロツド径あるいは厚板の厚
みと最適なドーパント濃度との間には反比例関係
が存在する。典型的な径や厚みに対してのクロム
ドーパント濃度は好ましくはアルミニウムサイト
又は部分に対して0.002から20原子％の範囲にあ
り、更に好ましくは0.1から10原子％の範囲にあ
る。 好適なポンピング用ランプはエメラルドが吸収
する波長領域の放射を強く行う。例えば700nmよ
り短波長の強いインコヒーレント光を放射するパ
ルス、あるいは連続光源ランプが好適である。 このようなランプは当技術分野において良く知
られており、ガス放電ランプでキセノン及び／又
はクリプトンを充てんされており連続波（cw）
又はパルス動作するように設計されたもの、水
銀、ナトリウム、セシウム、ルビジウム及び／又
はカリウム等の金属性蒸気光源がこれに含まれ
る。連続波（cw）水銀アークランプはレーザの
連続波動作の為のポンプ源として特に適している
ことが判つている。またパルス動作するキセノン
アークランプはレーザのパルス動作の為のポンプ
源として特に適していることも判つている。 上述とは違つてエメラルドレーザ媒体はエメラ
ルドが吸収する波長領域の連続波あるいはパルス
放射を行うコヒーレント光源でポンピングするこ
ともできる。連続励起の為にはクリプトンイオン
レーザーやアルゴンイオンレーザーが代表的であ
る。パルス動作レーザ励起の為には十分なパワー
と695nm未満の放射波長を持つものであればいず
れのコヒーレント光源でも本発明のレーザーの効
率的ポンピングを行うことができるであろう。好
適な光源の例としては、二重Nd：YAGレーザ、
エクシマレーザ及び窒素レーザがある。 レーザの基本的構成要素、即ちレーザ媒体及び
光学的ポンプに加えて本発明のレーザはＱ−スイ
ツチングの為の手段を任意選択的に含んでいても
良い。Ｑ−スイツチはエネルギーが蓄積される時
間間隔についての空洞の性能因子Ｑに“悪影響”
を与える。適当な時点でＱ−スイツチは高利得条
件に付勢され媒体内に蓄えられたエネルギーは極
めて短かい持続時間の“巨大パルス”で解放され
る。Ｑ−スイツチ手段は飽和可能な色素吸収体
（dye absorber）、音響光学的Ｑ−スイツチ、あ
るいはビーム通路中に置かれた偏光子及びポツケ
ルセルを含むものとすることができる。偏光子は
省いても良く、特に励起パワーが低い場合にはそ
うである。レーザはまた帯域幅と反比例関係にあ
るパルス幅を生み出す為にモードロツクしても良
い。 エメラルドがレーザ作用を行う波長領域は第２
図に描かれており、24mm長のエメラルドロツドの
場合の異なる偏光方向について単路利得が示され
ている。単路利得ΔGはΔG＝ln（Ip／Iu）で定義
される。ここでIpはポンピングされたロツドを通
過後のプローブビームの強度であり、Iuはポンピ
ングされていないロツドを通過後のプローブビー
ムの強度である。利得、従つてレーザ放射は
700nmを下まわつた波長から830nmに至る波長範
囲で観測される。735nmより長波長では基底吸収
が無いのでその領域ではΔGは全部レーザ利得に
帰せられる。735nm未満の波長ではΔGの一部は
基底状態吸収に帰せられる。 第２図に示された測定に使用されたロツドは２
つの偏光方向で異なる結果が与えられるように、
即ち１方の方向はＥ⊥Ｃ他方の方向はＥＣとな
るようにその(C)軸がロツド軸に対し245゜をなすも
のである。700nmでの大きな吸収に対応する偏光
方向をEmaxと呼び、これと垂直な偏光方向を
Eminと呼ぶ。 同調を達成する為にいかなる従来の同調手段を
も用いても良い。好適な同調手段の例にはプリズ
ム、光学格子、複屈折フイルタ、多層誘電体被覆
フイルタ、あるいは縦方向に色収差を有するレン
ズが含まれる。特に好適なのはG.Holtom及びO.
Teschke，“Design of ａ Birefringent Filter
for High−Power Dye Lasers”，IEEE J.
Quantum Electron.QE−10，177（1974年）に記
されている複屈折フイルタである。この型のフイ
ルタはしばしば“ライオツト（Lyot）フイルタ”
（B.Lyot，Comt.Rend，197，1593（1933））と呼
ばれる。 高パワーエメラルドレーザはまた先に述べたよ
うに基本的レーザをレーザ増幅器の“発振段”と
して含むことができる。この増幅器はこのような
発振段を１つ又はそれ以上の“増幅段”の為の入
力を提供する為に用い、この増幅段は典型的には
光学的空洞内に取り付けられた１つのエメラルド
結晶及びフラツシユランプあるいは他の光源ラン
プを含んでいる。 他のいくつかの可同調固体レーザ材料と比較し
てエメラルドの利点はそれが低温に加えて、室温
又はそれより高温のもとで動作可能であることで
ある。パワーレベルに応じてレーザロツド温度を
制御する為の手段をレーザが含むことが望まし
い。温度制御法は当技術分野で周知なもののいず
れを用いても良く；例えばレーザ媒体から熱を吸
収するかあるいはこれに伝達するに適した流体を
循環させる。循環流体は空気、水、低温液体など
であつて良い。ヒータは必要な場合に流体温度を
制御する為に使用される。 温度が上昇すると共にレーザ動作に対する制限
が励起されたクロムイオンの寿命のそれに対応し
た短縮によつて生ずる。励起は寿命の時間オーダ
ーあるいはそれ以下の時間の間に最つも良く実現
される。もし寿命が60μsを下まわると有用な動作
寿命を持つた閃光ランプが要求される短時間の間
に十分な励起を与えるものとして容易に利用でき
なくなる。 第３図は本発明のレーザ装置を描いたものであ
る。エメラルド結晶を含むレーザ媒体１１及びポ
ンピング源１２は容器１０内に収容されており、
この容器は楕円空洞を定める高反射性内面１３を
有している。面１３における反射は拡散性あるい
は鏡面性であつて良い。レーザ媒体１１の軸及び
ポンピング源１２の軸は各々容器１０によつて形
成された楕円の焦点線に沿つて位置している。レ
ーザ媒体１１は通常は周知の誘電体非反射性被覆
を有する端部１４，１５を備えている。完全反射
性のミラー１７、任意選択的に設けられる同調要
素２０、及び部分反射性ミラー１８がレーザ媒体
１１の円筒軸に沿つて置かれている。レーザ作用
は同調要素２０の配向方向によつて決定される波
長の高度にコリメートされたコヒーレント輻射線
の放射によつて明らかとなる。この輻射線は矢印
１６で示すように部分反射ミラー１８から放出さ
れる。ミラー１７，１８の両方が部分反射性であ
つても良い。望ましい動作温度を維持することが
必要であればレーザ媒体１１とポンピング源１２
は容器１０を通つて循環する流体によつて冷却さ
れる。光学的Ｑ−スイツチは偏光子２１とポツケ
ルセル２２とを含むものとして示されている。 第４図に示されているように増幅段は本発明の
高パワーレーザシステムの場合には第３図に示さ
れた装置と共に使用されても良い。その場合、第
３図の装置は増幅器の“発振段”と考えられる。
増幅段は発振段の出力ビーム中に置かれる。それ
は基本的には楕円空洞を定める高反射性内面３３
を有する１つの容器で構成される。増幅器ロツド
３１はフラシユランプ３２により励起されるもの
であり、通常は周知の非反射性誘電体被覆を有す
る端部３４，３５を備えている。この増幅器ロツ
ドは発振器ロツド１１よりも大径でも良く、その
場合にはビーム拡張テレスコープ３６が両段の間
にビーム寸法をロツド寸法と一致させる為に配置
される。発振段とは違つて増幅段は通常その端部
に空洞を形成する為のミラーを持たない。そして
発振器出力の増幅は増幅器ロツドをビームが通過
する間にのみ行われる。しかしながらいくつかの
応用においては増幅媒体中へ増幅器出力を帰還す
る為に部分的反射ミラーと整合して用いても良
い。この再発振的発振器のスペクトル及び個々の
ケースにおける特性は単路増幅器の場合に用いた
のと同様の態様で適当な整形された（tailored）
信号を初段発振器から入れることによつて決定す
ることができる。１つより多くの増幅段を用いて
も良い。増幅された出力は矢印３７で示されたよ
うに増幅器ロツド３１から放出される。 本発明の理解をより完全なものとする為に次に
実例を示す。本発明の原理と実施法を示す為のこ
れら特定の技術、条件、材料及び報告データ等は
例示的なものであつて本発明の範囲を制限するも
のと解釈してはならない。 実 例 19mm長×４mm径のエメラルドロツドをロツド軸
に対してその六方軸が45゜をなすように熱水成長
法により成長させた結晶から切り出した。このロ
ツドを水冷セラミツクハウジング中に取り付け
た。光学的空洞の一端は反射性ミラーを、他端は
95％出力ミラーを有するものとした。両ミラーと
も凹面の、焦点距離4μmのものとした。ロツドは
平行に配置された２つの80μs持続のキセノン閃光
ランプでポンピングされた。レーザは757.4nm、
5.8mJの放射を示した。異なる分光反射率を有す
る複数出力ミラーを用いた場合にはレーザ放射は
751.1、753.8、758.8及び759.2nmの波長を各々示
した。
第１図はエメラルドの吸収スペクトルを示す。
第２図はエメラルドロツド内における単路利得を
示すグラフである。第３図は光学的同調手段と共
にレーザロツドを使用した典型的なレーザ装置の
部分断面模式図である。第４図は発振器−増幅器
レーザシステムを示す図である。 １０…容器、１１…レーザ媒体、１２…ポンピ
ング源、１３…高反射性内面、１４…端部、１５
…端部、１６…矢印、１７…反射ミラー、１８…
部分的反射ミラー、１９…円筒軸、２０…光学的
同調手段、２１…偏光子、２２…ポツケルセル、
３０…容器、３１…増幅器ロツド、３２…閃光ラ
ンプ、３３…高反射性内面、３４…端部、３５…
端部、３６…ビーム拡張テレスコープ、３７…矢
印。
第２図はエメラルドロツド内における単路利得を
示すグラフである。第３図は光学的同調手段と共
にレーザロツドを使用した典型的なレーザ装置の
部分断面模式図である。第４図は発振器−増幅器
レーザシステムを示す図である。 １０…容器、１１…レーザ媒体、１２…ポンピ
ング源、１３…高反射性内面、１４…端部、１５
…端部、１６…矢印、１７…反射ミラー、１８…
部分的反射ミラー、１９…円筒軸、２０…光学的
同調手段、２１…偏光子、２２…ポツケルセル、
３０…容器、３１…増幅器ロツド、３２…閃光ラ
ンプ、３３…高反射性内面、３４…端部、３５…
端部、３６…ビーム拡張テレスコープ、３７…矢
印。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Be3Al2（SiO3）6：Cr3+単結晶を含むレーザ媒
体と、コヒーレント輻射線を放出すべく前記レー
ザ媒体を励起する為のポンプ手段とを具備したこ
とを特徴とするレーザ。 ２ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において、レーザ媒体がその円筒の軸に沿つた長
さ方向を有する円筒形ロツドの形状を実質的に有
している前記レーザ。 ３ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において、レーザ媒体がその長さ方向と垂直な平
面内で実質的に矩形断面を有する実質上厚板体の
形状を有している前記レーザ。 ４ 特許請求の範囲の第２項又は３項に記載され
たレーザにおいて、結晶の長さ方向が該結晶のＣ
軸に対して実質的に垂直である前記レーザ。 ５ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において、Cr3+濃度がアルミニウム部分に対して
0.001から10原子％の範囲にある前記レーザ。 ６ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において、ポンプ手段が700nmより短波長のコヒ
ーレントあるいはインコヒーレントなパルス光源
を含む前記レーザ。 ７ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において、ポンプ手段が700nmより短波長のコヒ
ーレントあるいはインコヒーレントな連続光源を
含む前記レーザ。 ８ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において更に、レーザ媒体の温度を制御する為の
手段を含む前記レーザ。 ９ 特許請求の範囲の第１項に記載されたレーザ
において更に、赤色から赤外のスペクトル領域に
わたつてコヒーレント輻射線を同調する為の手段
を含む前記レーザ。 １０ Be3Al2（SiO3）6：Cr3+単結晶からなる第１
のレーザ媒体；第１のコヒーレント輻射ビームを
放出せしめる為に前記第１のレーザ媒体を励起す
るポンプ手段；Be3Al2（SiO3）6：Cr3+単結晶から
なり、前記第１のコヒーレント輻射ビーム中に配
置せしめる第２のレーザ媒体；第２のコヒーレン
ト輻射ビームを放出せしめる為に前記第２のレー
ザ媒体を励起するポンプ手段を具備したことを特
徴とするレーザ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US38931782A | 1982-06-17 | 1982-06-17 | |
| US389317 | 1982-06-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS594091A JPS594091A (ja) | 1984-01-10 |
| JPH0414518B2 true JPH0414518B2 (ja) | 1992-03-13 |
Family
ID=23537755
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10760483A Granted JPS594091A (ja) | 1982-06-17 | 1983-06-15 | エメラルドレ−ザ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0097242B1 (ja) |
| JP (1) | JPS594091A (ja) |
| CA (1) | CA1206243A (ja) |
| DE (1) | DE3369439D1 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4599727A (en) * | 1984-10-26 | 1986-07-08 | Massachusetts Institute Of Technology | Strontium aluminum fluoride laser |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4272733A (en) * | 1978-10-20 | 1981-06-09 | Allied Chemical Corporation | Broadly tunable chromium-doped beryllium aluminate lasers and operation thereof |
| US4464761A (en) * | 1981-12-18 | 1984-08-07 | Alfano Robert R | Chromium-doped beryllium aluminum silicate laser systems |
-
1983
- 1983-05-14 DE DE8383104765T patent/DE3369439D1/de not_active Expired
- 1983-05-14 EP EP19830104765 patent/EP0097242B1/en not_active Expired
- 1983-05-27 CA CA000429036A patent/CA1206243A/en not_active Expired
- 1983-06-15 JP JP10760483A patent/JPS594091A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS594091A (ja) | 1984-01-10 |
| EP0097242A3 (en) | 1985-07-24 |
| EP0097242A2 (en) | 1984-01-04 |
| CA1206243A (en) | 1986-06-17 |
| EP0097242B1 (en) | 1987-01-21 |
| DE3369439D1 (en) | 1987-02-26 |
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