JPH04242984A - 固体レーザー発振器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンを添加（異種元
素としてド−プ）したサファイア、いわゆるチタンサフ
ァイアをレーザー媒体として用いたレーザー発振器に関
する。更に詳しくは、チタンサファイアをレーザー媒体
として用いたレーザー発振器に於いて、単一パルスで、
ピークパワーが大きく安定性の高い、パルスレーザーを
波長可変で発振可能とした改良レーザー発振器に関する
。

【０００２】パルス幅の短いピークパワーの高いレーザ
ーは、精密計測、高速動作の評価などに用いられる。さ
らにチタンサファイアをレーザー媒体としたレーザーは
、波長が可変であり、分光計測などに用いられる。

【０００３】

【従来の技術】チタンサファイアは波長可変のレーザー
の媒体として従来から利用されている。　　液体の溶媒
に溶解した色素をレーザー媒体に用いた色素レーザーも
波長可変である。しかし、色素レーザーは、波長可変の
幅が５０ｎｍ程度で、チタンサファイアのそれ（５００
ｎｍ）よりも狭く、又高出力の発振は難しい。又、色素
レーザーは通常毒性を持つ液状物を使用することが多く
取扱いが容易でない上ランニングコストが高いなどの欠
点を持っている。

【０００４】従来、チタンサファイアをレーザー媒体と
して用いたパルス幅の短いレーザーは、連続発振のアル
ゴンイオンレーザーを励起源とし用い、電気光学（ＥＯ
）素子、音響光学（ＡＯ）素子等を共振器内に設置し、
強制モード同期を行う方法で主に使用されてきた。 モード同期とは、共振器内の唯一のレーザーモードを発
振（すなわち同期）させる手法である。すなわち、レー
ザー光は共振器内を多数回往復するため、時間幅の短い
一つのレーザー光（すなわちレーザーモード）がある光
学素子を通過する時のみその素子の光損失を小さく、そ
の他の時を大きくすることで、選択的に短いパルスのレ
ーザーを発生させる手法である。この光学素子は、例え
ば、ＥＯやＡＯ素子である。したがってこの方法により
短いパルスのレーザーを得ようとすると、高い周波数の
信号をレーザーが通過するタイミングで正確にこの光学
素子に印加しなければならない。この周波数は光が共振
器を半往復する時間の逆数になる。この周波数が正しい
周波数でなければ安定したパルスレーザー光を得られな
い。また、得られた場合でも、そのパルス形状が肩を有
する波形になるなどきれいな時間波形にならないことが
多い。

【０００５】また、強制モード同期を行う場合の励起光
源は連続発光光源であることが望ましいとされている。 非連続励起光源を用いた場合、一つには、上記に説明し
た周波数と同じ周波数で繰り返されるパルス光を用いる
。この際、入力される励起光源と上記光学素子に印加さ
れる信号とは、同一周波数だが互いに時間の遅延が発生
するため、印加信号のタイミングを得ることがさらに困
難になる。また、このような高い周波数の光源を得るこ
ともかなり困難である。もう一つの方法は、励起光源の
１パルスの時間幅を長くし疑似連続発光とし、そのパル
ス印加時間内に複数の短パルスレーザー光を得る方法で
ある。この際には励起光源のタイミングを一致させる必
要はないが、レーザーパルスの一つ一つの光強度が異な
る欠点を持つ。

【０００６】連続発光励起光源としては、チタンサファ
イアをレーザー媒体に用いるレーザーの場合、例えば、
アルゴンイオンレーザー、連続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
ーがある。しかしながらこれらのレーザーでは、そのエ
ネルギー変換効率は大きくても１％程度であり、励起レ
ーザーからチタンサファイアレーザーへのエネルギー変
換効率は１％以下である。従って、この方法では、電力
からのエネルギーの変換効率は、１×１０−４以下と小
さく、また、大きい強度のレーザー光が得られないとい
う欠点があった。さらに、この方法は共振器を二段に組
む必要があるので、装置の光学系が複雑となり装置の大
型化が避けられなかった。

【０００７】又、フラッシュランプなどの非連続発光光
源を励起光源に用いたチタンサファイアのレーザー発振
器においては、通常の発振で簡便にパルス光が得られる
ものの、これは一パルス上に複数の山が存在するスパイ
ク状の発振となり、ピークエネルギーの比較的小さいレ
ーザー光しか得られなかった。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明者らは、上記し
た問題点のないレーザー発振器につき種々検討した結果
、チタンサファイアをレーザー媒体として用い、非連続
発光光源を励起光源としたレーザー発振器に、ＥＯ素子
などのＱスイッチ素子を配置し、共振器内部の光の損失
を大きい状態から小さい状態へ瞬時に切り替えるだけの
、いわゆるＱスイッチをかけることにより、ピークエネ
ルギーの高い単一パルス発振の波長可変レーザーが得ら
れることを見出し、本発明を完成した。

【０００９】即ち、本発明は、チタンサファイアをレー
ザー媒体として用い、非連続発光光源を励起光源とした
レーザー発振器において、レーザー共振器内でＱスイッ
チをかける機構を併置したことを特徴とする固体レーザ
ー発振器に関するものである。　　次に本発明の構成を
詳細に説明する。

【００１０】本発明に用いるレーザー媒体は、チタンを
添加したサファイア、いわゆるチタンサファイアである
。この媒体のチタン添加量は、通常用いられているチタ
ンサファイアと同様で、例えば０．０１〜０．５ｗｔ％
である。このチタン添加量が０．０１ｗｔ％より少ない
と増幅量が小さくなりレ−ザ−発振が困難となる。また
、０．５ｗｔ％より多いと、ＦＯＭと呼ばれるこの媒体
の性能を示す値が悪くなり、やはりレ−ザ−発振が困難
となる。

【００１１】本発明に用いるＥＯ素子などのＱスイッチ
素子は、チタンサファイアレーザー共振器内で、充分な
Ｑスイッチがかけられるものでなくてはならない。即ち
、これら素子により、この共振器内のＱ値と呼ばれる値
を、発振しない値と発振する値をとる両方の共振器の状
態を、電気信号などの信号によりそれぞれ区別してとら
せることができ、かつ、それぞれの状態を、発振パルス
幅よりも速く瞬時に切り替える（スイッチングする）こ
とができるものである。ここで言うＱスイッチングとは
、チタンサファイアを励起し、充分なエネルギーがチタ
ンサファイアに蓄積されるまでＥＯ素子などにより発振
を抑制し、瞬時に発振する状態にスイッチングを行うこ
とにより、単一パルスで大きなエネルギーを持つレーザ
ー光を得る方法を意味する。したがって、スイッチング
速度は５００ｎｓｅｃ以下が望ましく、さらに、応用さ
れるレーザーは５０ｎｓｅｃ以下であるため、スイッチ
ング速度も５０ｎｓｅｃ以下にすることが好ましい。 スイッチング速度が速いほど良好のＱスイッチが行われ
る。この際のスイッチングのタイミングが早いと単一パ
ルスが得られず、逆に遅いと充分なエネルギーのレーザ
ー光が得られない。

【００１２】モード同期の場合このスイッチングを高い
周波数で繰り返し行わなければならないが、Ｑスイッチ
ングの場合充分なエネルギー蓄積が行われた時の最低１
回でよい。また、スイッチングが行われるタイミングは
数μｓｅｃずれても発振するレーザー時間波形に大きな
変動はない。モード同期の場合には最悪でも１０ｐｓｅ
ｃの制御を行う必要がある。

【００１３】本発明に用いる励起光源は非連続に発光す
るものである。励起光源のパルス時間幅は発振レーザー
のパルス時間幅よりも長いことが望ましく、半値全幅で
５００ｎｓｅｃ以上が望ましい。これより短いと発振を
抑制しなくとも最も励起エネルギーが蓄積される状態ま
でレーザー発振が起こらないため、Ｑスイッチングを行
う必要がなくなる。また、５００ｎｓｅｃ以下の光強度
の大きいパルス光源を得ることは難しい、あるいは、そ
のために大型光源装置の使用が避けられなくなる。

【００１４】励起光源のパルス時間幅をいくら長くして
も、究極の場合で連続発光光源でも、Ｑスイッチングを
行うことはできる。しかしながら連続発光励起光源の場
合、エネルギー蓄積時間ｔが長いほど蓄積エネルギー量
の励起光吸収に対する効率が悪くなる。この効率ηはチ
タンサファイアの励起寿命をＴとすると次式で与えられ
る。

【００１５】η＝Ｔ／ｔ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝こ
のことから、例えば、１０％以上のエネルギー蓄積を行
うならば、３０μｓｅｃ以下のパルス光源であることが
望まれる。また、連続発光励起光源でも、レーザー発生
直後に再び発振を抑制して、３０μｓｅｃ以下に１回の
スイッチングの繰り返しでＱスイッチを行う方法もある
が、繰り返し動作を行う手間が掛かるだけでなく、同一
エネルギーの１レーザーパルスを発振させるために用い
る光源が、パルス光源よりも比較的大型のものになる。 なぜならば、光源は熱を発生しその耐久性を損なうため
に冷却が行われているが、パルス光源の場合発光が行わ
れない時間には熱は発生せず、その分冷却構造を大掛か
りにせずにすむためである。すなわち、比較的簡便な光
源である５０ｎｓｅｃ〜３０μｓｅｃのパルス光源が励
起光源として最適となり、全体として簡便なレーザー発
振装置となる。

【００１６】本発明の装置の構成を図面に示した一実施
態様により説明する。

【００１７】図１は、ＥＯ素子であるポッケルスセルと
波長選択用のフィルタを発振器内に配置した装置の一実
施態様の概略図である。図中６は、両端面を無反射（Ａ
Ｒ）コートしたポッケルスセル、４はチタンサファイア
のロッド、８はチタンサファイアを励起するフラッシュ
ランプ、１、２は共振器を構成するミラー、５は波長選
択素子である複屈折フィルタである。

【００１８】本発明の構成は、上記したものに限定され
るものではなく、例えば、本発明で用いるＱスイッチ素
子は圧電材料を用いたＡＯ素子でもよい。Ｑスイッチ素
子としてポッケルスセルを用いる場合、例えば、電圧を
かけた状態で発振しない状態、同じく、かけない状態で
発振する状態にする。スイッチング速度は、その共振器
構成によって異なるが、たとえば、図１の実施態様の場
合、５００ｎｓｅｃ以下であればよい。この場合、スイ
ッチング速度が速いほど発振パルス幅は短くなる。本発
明でこれらを配置する位置は、共振器内で、発振するレ
ーザー光が少なくとも一度通過する位置、例えば、レー
ザー媒体とミラーとの間などである。励起光源の発光波
長は特に４００〜６００ｎｍであることがチタンサファ
イアレーザー媒体には望ましい。

【００１９】本発明では、励起光源として非連続発光光
源を用いるが、非連続発光光源としては例えばフラッシ
ュランプ、発光ダイオード、半導体レーザーがある。こ
れらの励起光源はその照射方向を光軸に合わせる必要が
なく、さらに簡便になる。ただし、光軸方向より照射す
る方がいくらか効率は良い。励起光源の入力エネルギー
は、最低Ｑスイッチをかけない場合のレーザー発振しき
い値でよいが、効率の良いＱスイッチのためにはそのし
きい値の１０倍以上が好ましい。又、その他の構成は通
常の発振器の構成と同じで良い。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、電力からのエネルギーの変換
効率が高く、強度の強いレーザー光が得られ、得られる
レーザー光の尖頭出力（ピークパワー）の高い、安定し
た短い単一パルスの発振が可能な、波長可変のレーザー
発振器である。また、発振器構成が簡素で、従来より小
型で調整が簡便である。さらに安全性が高い。

【００２１】

【実施例】次に実施例で本発明を更に説明する。

【００２２】

【実施例１】図１に示した構成のレーザー発振器を製作
した。チタンサファイアのチタン添加量は０．１ｗｔ％
、そのロッド長は５０ｍｍ、出力側のミラーの透過率は
２〜２０％、フラッシュランプへの投入エネルギーは２
００Ｊ、そのパルス幅は８μｓｅｃとした。ポッケルス
セル電圧３〜４ｋＶで発振は停止した。スイッチング時
間５０ｎｓｅｃ以下、スイッチングのタイミングをフラ
ッシュランプの電流立上がりから１〜５μｓｅｃ後にし
た結果、最適なタイミングで、比較例１と比較してピー
クパワーで約５〜２０倍の単一パルス光が得られた。 この時のパルス時間幅は２０〜１００ｎｓｅｃ、パルス
レーザー光出力強度は１０〜１５０ｍＪであった。電力
からのエネルギー変換効率は１．５×１０−４〜６．０
×１０−４である。又、この時の可変波長域は７３０〜
９２０ｎｍでレーザー発振器に用いたミラーの有効な波
長域に限定されたものであった。

【００２３】

【実施例２】図１に示した構成のレーザー発振器を用い
て、パルス幅を４μｓｅｃとした以外は実施例１と同様
に行った。ポッケルスセル電圧３〜４ｋＶで発振は停止
した。スイッチング時間５０ｎｓｅｃ以下、スイッチン
グのタイミングをフラッシュランプの電流立上がりから
１〜５μｓｅｃ後にした結果、最適なタイミングで、比
較例１と比較してピークパワーで約１０〜３０倍の単一
パルス光が得られた。この時のパルス時間幅は２０〜１
００ｎｓｅｃ、レーザー光出力強度は１０〜１５０ｍＪ
であった。又、この時の可変波長域は７３０〜９２０ｎ
ｍでレーザー発振器に用いたミラーの有効な波長域に限
定されたものであった。

【００２４】

【実施例３】図２に示した構成のレーザー発振器を製作
した。チタンサファイアのチタン添加量は０．１ｗｔ％
、そのロッド長は５０ｍｍ、出力側のミラーの透過率は
２〜２０％、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレーへの全投
入電力はパルスあたり３Ｊ、そのパルス幅は５μｓｅｃ
、発光波長は５７０ｎｍとした。ポッケルスセル電圧３
〜４ｋＶで発振は停止した。スイッチング時間１０ｎｓ
ｅｃ以下、スイッチングのタイミングをフラッシュラン
プの電流立上がりから１〜１０μｓｅｃ後にした結果、
最適なタイミングで、ピークパワーで約５〜１０倍の単
一パルス光が得られた。この時のパルス時間幅は３０〜
２００ｎｓｅｃであった。又、この時の可変波長域は、
７５０〜８６０ｎｍであった。

【００２５】

【比較例１】図１に示した構成のレーザー発振器を用い
て、実施例１および２と同じ条件で、Ｑスイッチをかけ
ずにレーザー発振を行った。その結果ピークパワーは、
実施例１の条件で５００Ｗ〜２ｋＷ、実施例２の条件で
１ｋＷ〜４ｋＷが得られた。パルス時間波形はどちらも
スパイク状をなしており、１００〜４００ｎｓｅｃの単
一パルスが３〜１０本重なった形状になっていた。その
他の出力レーザー特性は実施例１、２と同程度であった
。

【００２６】

【比較例２】図３に示した構成のレーザー発振器を製作
した。これは連続発振のレーザーにより励起されたチタ
ンサファイアレーザーでモード同期を行う構成である。 図中１１は連続発振のアルゴンイオンレーザー、４はチ
タンサファイア（チタン０．１％添加）のロッド、１０
はＡＯモードロッカー、１〜３は発振器を構成するミラ
ー、５は複屈折フィルタである。このレーザー発振器に
おいて、１０Ｗのアルゴンイオンレーザーを発振させ、
チタンサファイアを励起し、ＡＯモードロッカーを駆動
させて試験した。ＡＯモードロッカーの駆動周波数は５
０〜２００ＭＨｚであったが、モードロックが作動する
周波数は、共振器の微調整によって変化し、また、１％
以下の精度で周波数制御を行わなければならなかった。 試験の結果、波長７３０〜９２０ｎｍ、平均出力１００
〜２００ｍＷ、１パルス出力１ｎＪ程度、ピークパワー
５ｋＷ程度のレーザー光を得た。１０Ｗアルゴンイオン
レーザーへの投入電力量は２ｋＷであった。電力からの
エネルギー変換効率は５×１０−５であった。パルス幅
は実施例よりも短く、１〜２ｐｓｅｃであった。

【００２７】

【比較例３】図４に示した構成のレーザー発振器を製作
した。これは、実施例１で用いたフラッシュランプを励
起光源に用いるチタンサファイアレーザーに対してモー
ド同期を行う構成である。過飽和吸収体は、ジメチルス
ルホキサイド（ＤＭＳＯ）に溶解したＩＲ−１２５色素
（６×１０−６ｍｏｌ／ｌ）を用いた。この色素溶液を
、２０℃に冷却しながら、図中１２に示した厚さ０．５
ｍｍのセルに循環させた。使用した色素溶液は毒性を持
つので、取扱いは吸引防止用マスクを使用するなど安全
に注意しなければなかった。又、この色素溶液の耐久寿
命は比較的短いのでこまめに交換する必要があった。 さらに又、色素の濃度が変化するとこのレーザー発振器
において過飽和吸収体にならなかった。このレーザー発
振器において、フラッシュランプに２５０Ｊの電力を１
パルスで投入し試験した結果、波長７７０ｎｍ、出力２
０ｍＪ、パルス幅１００ｐｓｅｃのレーザー光を得た。 ピークパワーをモード同期を行わない場合よりも大きく
することはできなかった。波長の可変を行うには、色素
の濃度を変更するか、あるいは、他の色素に変更する必
要があった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様のチタンサファイアレーザ
ー発振器の概略図。

【図２】本発明の他の一実施態様のチタンサファイアレ
ーザー発振器の概略図。

【図３】連続発振のアルゴンイオンレーザーを励起源と
したチタンサファイアレーザー発振器の概略図。

【図４】過飽和吸収体を配置したチタンサファイアレー
ザー発振器の概略図。

【符号の説明】

１：発振器を構成するミラー ２：発振器を構成するミラー ３：発振器を構成するミラー ４：チタンサファイアのロッド ５：複屈折フィルタ発振器を構成するミラー６：ポッケ
ルスセル ７：偏光子 ８：チタンサファイアを励起するフラッシュランプ９：
チタンサファイアを励起する発光ダイオードアレイ１０
：ＡＯモードロッカー １１：チタンサファイアを励起するレーザー光源１２：
過飽和吸収体セル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チタンを添加したサファイアをレーザー媒
   体とするレーザー発振器において、非連続発光光源を励
   起光源とし、共振器内にＱスイッチをかける機構を併置
   したことを特徴とする波長可変の固体レーザー発振器。
2. 【請求項２】スイッチング速度が５００ｎｓｅｃ以下の
   Ｑスイッチである請求項１記載の固体レーザー発振器。