JPH05270857A - レーザガラス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｅｒを発光中心に、ＹｂおよびＮｄを増感剤
として共付活したレーザガラスに関し、Ｅｒの１．５μ
m 帯ガラスレーザの出力を向上させることの出来るレー
ザガラスの提供を目的とする。 【構成】 発光中心のＥｒ³⁺濃度を０．３〜０．５ cat
％（陽イオンパーセント）、増感剤のＹｂ³⁺濃度を３．
５〜６ cat％およびＮｄ³⁺濃度を０．３〜０．５cat％
含有したフツリン酸塩ガラス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザガラスに関し、特
にＥｒを発光中心、ＹｂおよびＮｄを増感剤として含有
するレーザガラスに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体レーザ媒質中に付活されたＥｒ
³⁺は、０．４〜１μm の波長範囲で光ポンピングされる
と、 ⁴Ｉ_13/2（始準位）から ⁴Ｉ_15/2（基底準位）への
内殻遷移によって、１．５３〜１．５５μm （室温）の
輻射を生ずる。この発光波長は、希土類イオンの４ｆ電
子がその外側にある５ｓ² 、５ｐ⁶ 電子によって外部
（母体）の影響から遮断されているため、環境にあまり
依存せず、イオン固有の値をとる。したがって、母体材
料として結晶ではなくガラスを用いても、幅の狭い蛍光
スペクトルが得られ、レーザ発振させることが出来る。

【０００３】ガラスは、光学的均一性を有する質的にす
ぐれたものが容易に得られ、大型化が可能であり、加工
性もよく、又、低価格であるため、固体レーザ媒質とし
て実用性が高い。これ迄に、その特徴を生かして、大出
力のＮｄ³⁺ドープ核融合用ガラスレーザが製造されてい
る他、測距用、レーザメス用、光増幅ファイバー用など
に利用されはじめている。

【０００４】１．５μm 帯Ｅｒ³⁺ガラスレーザは１μm
帯Ｎｄ³⁺レーザと比較して眼の組織に吸収される割合が
低く、安全性が高いという理由で測距用光源に用いられ
ている。１．５μm 帯Ｅｒ³⁺ガラスレーザの発光強度を
高めるために、従来、母体材料のガラス成分を検討する
と共に増感剤の検討も行なわれきた。蛍光増感は、発光
中心に近接して存在するイオンから励起エネルギーを発
光中心に伝達せしめ、もって発光中心の発光効率を高め
る現象である。Ｅｒ³⁺発光中心に対しては、同じ希土類
イオンであるＹｂ³⁺とＮｄ³⁺を増感剤として共付活する
ことが、もっとも有効である。この場合、Ｎｄ³⁺からＹ
ｂ³⁺へ、Ｙｂ³⁺からＥｒ³⁺へエネルギーの共鳴伝達が生
ずると考えられる。

【０００５】Ｙｂ、Ｎｄを共付活したＥｒ付活ガラスレ
ーザ材料として、リン酸塩を母体材料とするものが既に
市販されている。代表的なものには、ＨＯＹＡ社のＬＥ
Ｇ３０やＫｅｉｚｅｒ社のＱＥ−７（いずれも商品名）
などがある。これらガラスレーザ材料においては、共付
活されたＮｄ³⁺濃度、［Ｎｄ³⁺］は０．０５ cat％と低
い水準にとどまる。また、これに伴って付活されるＥｒ
³⁺濃度、［Ｅｒ³⁺］もほぼ同じ水準にとどまっていた。
これは、Ｅｒ³⁺からＮｄ³⁺への共鳴伝達効率がＮｄ³⁺か
らＥｒ³⁺への伝達効率より高く、したがって［Ｎｄ³⁺］
を高くすると、Ｅｒ³⁺の発光効率が低下する危険が生ず
るためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記したように、［Ｎ
ｄ³⁺］および［Ｅｒ³⁺］を低い水準に抑制すると、０．
８μm 又は０．９８μm の光では外部からポンピングし
た場合、増感が低く、また発光中心濃度が低いため発光
強度は低下する。Ｅｒ³⁺の１．５μm 帯レーザ光を戸外
での測距に利用する場合、外光の影響を排除して充分遠
距離まで計測を行なうには、出来るだけ大きな出力が要
求される。その意味で、従来市販のＹｂ、Ｎｄ共付活Ｅ
ｒガラスレーザの性能は、充分と云えなかった。

【０００７】本発明の目的は、Ｙｂ、Ｎｄ共付活１．５
μm 帯発光のＥｒガラスレーザの出力を向上させること
の出来るレーザガラスを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、発光中心のＥ
ｒ³⁺を０．３〜０．５ cat％、増感剤のＹｂ³⁺を３．５
〜６ cat％およびＮｄ³⁺を０．３〜０．５ cat％含有し
たフツリン酸塩ガラスを要旨とする。

【０００９】

【作用】本発明のレーザガラスにおいてＥｒ³⁺濃度、
［Ｅｒ³⁺］は、従来用いられてきた前記レーザガラスの
場合の５〜１０倍に相当する。また、Ｎｄ³⁺濃度、［Ｎ
ｄ³⁺］も同様の倍率で増加している。この結果、強い励
起光に対しても発光強度を高めることができる。また、
フツリン酸塩ガラス母体は、リン酸塩ガラス母体より、
Ｙｂ³⁺からＥｒ³⁺へのエネルギー伝達効率が高い（図
２）。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき、より詳しく
述べる。図１は、本発明を実施するための基礎データで
ある。すなわち、母体ガラスに発光中心であるＥｒ³⁺を
単独付活した場合（白丸）と、Ｅｒ³⁺に加えて増感剤で
あるＹｂ³⁺を共付活した場合（黒丸）のＥｒ³⁺１．５４
μm 発光帯強度の濃度依存性を示す。励起光源はＸｅラ
ンプである。図１から［Ｅｒ³⁺］が約３．５ cat％付近
で濃度消光の生ずることがわかる。図１のデータは、全
て同じ励起強度下で得られたもので、Ｙｂ³⁺の顕著な増
感効果が示されている。

【００１１】特に、Ｙｂ³⁺の増感は、［Ｅｒ³⁺］が約
０．５ cat％以下の領域で著しい。この領域では、Ｅｒ
³⁺の増大に伴なってＹｂ³⁺からＥｒ³⁺へエネルギー遷移
が増大するためと考えられる。逆に、［Ｅｒ³⁺］が０．
５ cat％を越える領域では、Ｅｒ³⁺からＹｂ³⁺への逆エ
ネルギー伝達が顕著になり、増感効果が減少する。

【００１２】図１において、［Ｅｒ³⁺］＞２ cat％の領
域で一旦発光強度が増大するのは［Ｙｂ³⁺］が減少する
ためである（［Ｙｂ³⁺］＜２ cat％）。本実験では、デ
ータ蒐集の都合上［Ｅｒ³⁺］＋［Ｙｂ³⁺］＝４ cat％と
した。この領域においても、Ｅｒ³⁺からＹｂ³⁺への逆エ
ネルギー伝達は顕著である。

【００１３】このように、［Ｅｒ³⁺］が０．５ cat％を
越えるとＹｂ³⁺への逆エネルギー伝達が顕著になるの
は、Ｅｒ³⁺による励起光の吸収が増大し、それに伴って
増大するＥｒ³⁺の発光スペクトルとＹｂ³⁺の吸収スペク
トルの重なりが増大し、Ｅｒ³⁺からＹｂ³⁺への逆遷移が
増すためである。

【００１４】図１では、簡単のためにＮｄ³⁺増感剤は、
共付活しなかった。次に、ガラス母体に、発光中心であ
るＥｒ³⁺と増感剤のＹｂ³⁺、Ｎｄ³⁺を共付活して０．８
μmのレーザダイオードおよび０．９８μm のレーザダ
イオードにより、光励起を行なった。［Ｅｒ³⁺］を０．
４５ cat％、［Ｙｂ³⁺］を６．０ cat％とし、［Ｎ
ｄ³⁺］を０〜０．５ cat％の領域で変化させ、一定の励
起条件下でＥｒ³⁺の１．５３μm 帯発光強度を調べた。
その結果、［Ｎｄ³⁺］が０．５ cat％以下の領域で［Ｎ
ｄ³⁺］の増加と共に発光強度が増加することがわかっ
た。特に、［Ｎｄ³⁺］が０．３〜０．５ cat％の領域で
再現性の高い増感効果が得られた。

【００１５】Ｎｄ³⁺、Ｙｂ³⁺およびＥｒ³⁺のガラス母体
内での輻射遷移の確率は、Ｎｄ³⁺＞Ｙｂ³⁺＞Ｅｒ³⁺の順
に減少し、また蛍光寿命はＮｄ³⁺＜Ｙｂ³⁺＜Ｅｒ³⁺の順
に増大する。それ故、Ｎｄ³⁺からＥｒ³⁺への遷移確率に
比べて、Ｅｒ³⁺からＮｄ³⁺への遷移確率がはるかに高
い。このため、従来は［Ｎｄ³⁺］を０．０５ cat％程度
に抑制していた。

【００１６】しかし、Ｙｂ³⁺をＥｒ³⁺に対して１０倍程
度の濃度で同時に共付活することによって、Ｙｂ³⁺から
Ｅｒ³⁺へのエネルギー遷移が高い確率で生ずる。逆に、
Ｅｒ³⁺からＹｂ³⁺へのエネルギー遷移は、前記したよう
に［Ｅｒ³⁺］が０．５ cat％以下の領域では非常に小さ
い。またＥｒ³⁺を０．５％以下とすることによってＥｒ
³⁺からＮｄ³⁺へのエネルギー逆遷移を抑制しうると考え
られる。実験の結果、Ｙｂ³⁺の適当な濃度範囲は３．５
〜６ cat％であることがわかった。

【００１７】Ｙｂ、Ｎｄ共付活１．５４μm 発光のＥｒ
ガラスレーザ発光強度は、主として前記Ｙｂ³⁺→Ｅｒ³⁺
遷移確率によって決まる。ガラス母体の種類を変えて、
Ｅｒ³⁺の１．５４μm 発光強度がどのように変化するか
を示したのが、図２である。図２では、各母体でＹ
ｂ³⁺、Ｎｄ³⁺およびＥｒ³⁺のドープ量をそれぞれ２、
０．３、１ cat％と一定にし、また、励起条件を同一に
している。図２から、従来用いられてきたリン酸塩ガラ
スより、フツリン酸塩ガラスの方が、高い発光強度を示
すことがわかる。図２では、珪酸塩ガラスを母体とした
場合、フツリン酸塩ガラスより高い発光強度が示されて
いる。しかし、珪酸塩ガラスは［Ｅｒ³⁺］／［Ｙｂ³⁺］
のより小さい組成領域（０．２５以下）ではフツリン酸
塩ガラスより低い発光強度を示す。

【００１８】フツリン酸塩ガラス母体としてＡｌ（ＰＯ
₂ ）₃ ，Ｂａ（ＰＯ₃ ）₂ 、ＡｌＦ₃ 、ＹＦ₃ ，ＭｇＦ
₂ 、ＣａＦ₂ 、ＳｒＦ₂ およびＢａＦ₂ から成る組成の
ガラスを選択し、これにＮｄ³⁺、Ｅｒ³⁺をそれぞれ０．
３、０．５ cat％、Ｙｂ³⁺を６ cat％付活して本発明の
レーザガラスを作成した。

【００１９】次に得られた上記レーザガラスを共振器内
に設置し、０．８μm のレーザダイオードで光ポンピン
グしてＥｒ³⁺の１．５μm 帯レーザを発振させ、レーザ
光強度を測定した。比較のために、同一励起条件下でＨ
ＯＹＡ社のＬＥＧ３０レーザガラスの光ポンピングも行
なった。ＬＥＧ３０では［Ｎｄ³⁺］は０．０４５ cat
％、［Ｅｒ³⁺］は０．０５ cat％、［Ｙｂ³⁺］は５ cat
％である。

【００２０】この結果、ＬＥＧ３０の発振波長は１．５
０８μm で出力６．０９mV（電圧で測定）であったが、
本発明のレーザガラスは発振波長１．５０５μm 、出力
８．８３〜８．９６mVであった。すなわち、本発明のレ
ーザガラスでは、発光強度で約４５％の改善がみられ
た。フツリン酸母体組成および［Ｅｒ³⁺］と［Ｎ
ｄ³⁺］、［Ｙｂ³⁺］を最適化することによって、更に高
出力の１．５μm 帯Ｅｒガラスレーザが得られる。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば従来
以上に高い光出力を有する１．５μm帯Ｅｒガラスレー
ザを構成することが出来、戸外での測距などに広く利用
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発光中心Ｅｒ³⁺濃度最適化のためのデータであ
る。

【図２】Ｙｂ、Ｎｄ共付活Ｅｒ１．５３μm 帯発光強度
のガラス母体依存性を示す図である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年６月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】この結果、ＬＥＧ３０の発振波長は１．５
０８μm で出力６．０９mV（電圧で測定）であったが、
本発明のレーザガラスは発振波長１．５０５μm 、出力
８．８３〜８．９６mVであった。すなわち、本発明のレ
ーザガラスでは、発光強度で約４５％の改善がみられ
た。ガラス母体として実施例で用いたガラス以外のフツ
リン酸塩ガラスを用いることもできる。このようなフツ
リン酸塩ガラスとして、例えば特公昭５４−６０４７号
公報に記載された、Ｐ₂ Ｏ₅ −ＡｌＦ₃ −ＬｉＦ、Ｎａ
Ｆ、ＫＦ−ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂ 系ガラスや、特公昭５８
−１４３７９号公報に記載された、Ｐ₂ Ｏ₅−ＡｌＦ₃
（−ＹＦ₃ ）−ＢａＦ₂ 、ＳｒＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＭｇＦ
₂ （−ＮａＦ、ＬｉＦ、ＫＦ）系ガラスや、特公昭６１
−１４０９３号公報に記載された、Ｐ ₂ Ｏ₅ −ＡｌＦ₃
（−ＹＦ₃ ）−ＢａＦ₂ 、ＳｒＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＭｇＦ
₂ （−ＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ）系ガラスなどが挙げられ
る。フツリン酸母体組成および［Ｅｒ³⁺］と［Ｎ
ｄ³⁺］、［Ｙｂ³⁺］を最適化することによって、更に高
出力の１．５μm 帯Ｅｒガラスレーザが得られる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光中心としてエルビウムイオン（Ｅｒ
   ³⁺）を０．３〜０．５ cat％、増感剤としてイッテルビ
   ウムイオン（Ｙｂ³⁺）を３．５〜６ cat％およびネオジ
   ウムイオン（Ｎｄ³⁺）を０．３〜０．５ cat％含有する
   フツリン酸塩ガラスから成るレーザガラス。