JPH077216A - 希土類イオン添加レーザ素子および希土類イオン添加光増幅素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 励起光よりも波長が短く且つ高出力なレーザ
光を出力することができるレーザ素子を提供する。 【構成】 光学材料としての光ファイバのコアにはＴｍ
イオンとＮｄイオンとが添加されている。Ｎｄイオン励
起用の波長８０９ｎｍの光を入射部から光ファイバに入
射すると、Ｎｄイオンは波長１．０１２μｍ付近の光を
放出する。Ｎｄイオンから放出された光の吸収又はＮｄ
イオンとＴｍイオンとの間のエネルギー伝達を３回行な
うことにより、Ｔｍイオンは３回の励起遷移２１２，２
１３，２１４を行ない、第３の高エネルギー準位２０６
に達する。その後、Ｔｍイオンは発光遷移２１５をして
波長４８０ｎｍの青色光を放出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光を応用し
た光通信、光情報処理及び光応用計測制御分野等で使用
される希土類イオン添加レーザ素子および希土類イオン
添加光増幅素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、希土類イオンが添加された従来
の固体レーザ素子が用いられた固体レーザーの構成を示
しており、図７において、５０１はＹＬｉＦ₄ よりなる
固体レーザ素子、５０２は固体レーザ素子５０１の入射
部、５０３は固体レーザ素子５０１の出射部、５０４は
入射レンズ、５０５は励起光、５０６は出力されるレー
ザ、５０７は励起光源、５０８は出射レンズである。

【０００３】図８は、固体レーザ素子５０１に添加され
たＴｍ（ツリウム）イオンのエネルギー準位及びエネル
ギー遷移を示しており、図８において、６０１は光吸収
による準位遷移、６０２はフォノン放出による非発光遷
移、６０３は光放出による発光遷移であり、６０４，６
０５，６０６，６０７は各々エネルギー準位である。
尚、縦軸６０８はエネルギーを単位ｃｍ^-1（カイザー）
で示している。

【０００４】図７に示すように、励起光源５０７から発
振された光波長７９５ｎｍの励起光５０５を入射レンズ
５０４により集光し、集光された励起光５０５を入射部
５０２から固体レーザ素子５０１に入射する。図８に示
すように、Ｔｍイオンのエネルギー状態は、励起光５０
５が放出するエネルギーをＴｍイオンが吸収することに
より基底準位６０４から高エネルギー準位６０６に遷移
し、非発光遷移６０２により高エネルギー準位６０６か
ら第１中間準位６０５に遷移する。第１中間準位６０５
のときにＴｍイオンは１．５０μｍの光を放出し、Ｔｍ
イオンのエネルギー状態は第１中間準位６０５から第２
中間準位６０７に遷移する。Ｔｍイオンが第１中間準位
６０５から第２中間準位６０７に発光遷移することによ
りＴｍイオンから放出された光は、入射部５０２及び出
射部５０３に設けられた反射膜によって共振された後、
出射部５０３から１．５μｍのレーザとして出射され
る。

【０００５】従来の固体レーザ素子は、その光学材料に
添加された希土類イオン例えばＴｍイオンが、励起光に
よりエネルギー準位が高くなるように励起された後、励
起光よりも低いエネルギー準位の光、すなわち励起光よ
りも長い波長のレーザを出射する３準位系又は４準位系
のものが主体であったが、近年、赤色又は赤外の励起光
を用い、２光子吸収によって励起光よりも短波長のレー
ザを発振するアップコンバージョンレーザ素子の開発が
盛んに行なわれている。アップコンバージョンレーザ素
子の従来の技術については、" CW Room-temperature bl
ue upconversion fibre laser", S.G. Grubb, K.W. Ben
nett, R.S. Cannon, and W.F. Humer Electronics Lett
ers, Vol 28, No. 13, pp 1243-1244.等において詳しく
述べられている。

【０００６】以下、Ｔｍイオンを用いた場合のアップコ
ンバージョンレーザ素子について図９のＴｍイオンのエ
ネルギー準位図を用いて説明する。

【０００７】図９において、７０１は励起光源から発振
する１．１２μｍの励起光の吸収遷移、７０２はフォノ
ン放出による遷移、７０３は発光遷移を示し、７０４，
７０５，７０６，７０７，７０８，７０９，７１０はエ
ネルギー準位を示している。尚、縦軸６０８はエネルギ
ーを単位ｃｍ^-1（カイザー）で示している。

【０００８】Ｔｍイオンはフッ化物系の光ファイバ（長
さ２ｍ）のコア部に１０００p.p.m.（１p.p.m.は重量当
たり１，０００，０００分の１である。）添加されてい
る。この光ファイバに１．１２μｍの励起光を入射する
と、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、励起光を吸収する
ことにより基底準位７０４から第１の高エネルギー準位
７０６に遷移した後、フォノン放出７０２により第１の
中間エネルギー準位７０５に遷移し、その後、同じ励起
光を吸収することにより第１の中間準位７０５から第２
の高エネルギー準位７０８に遷移した後、フォノン放出
７０２により第２の中間エネルギー準位７０７に遷移
し、その後、また同じ励起光を吸収することにより第２
の中間エネルギー準位７０７から第３のエネルギー準位
７０９に遷移する。そして、Ｔｍイオンは第３の高エネ
ルギー準位７０９から基底準位７０４に遷移する際に４
８０ｎｍの青色光を放出する。Ｔｍイオンから放出され
た光は、光ファイバの入射部及び出射部に設けられた反
射膜により共振された後、出射部からレーザとして発振
する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記従来の
希土類イオン添加レーザ素子にはいくつかの問題点があ
る。

【００１０】第１の問題は、従来の希土類イオン添加レ
ーザ素子において用いられ１．１２μｍの励起光を出射
する励起光源としては高出力のものが得られないことで
ある。すなわち、通常のＮｄイオン添加の固体レーザか
らは１．０６４μｍのレーザが発振する。その理由は、
１．０６４μｍの光の遷移確率が１．１２μｍの光の遷
移確率よりも２倍ほど高いからである。１．０６４μｍ
のレーザを発振する固体レーザ素子にかなりの工夫、例
えば共振器の反射膜を１．１２μｍ近傍の波長の光を反
射するようにしたり、共振器内に波長選択性のあるエタ
ロンを挿入したりする等の手段を講じなければ、波長
１．１２μｍのレーザの発振は得られない。これらの手
段を講じると、１．１２μｍのレーザを発振することは
できるが、レーザの出力が低下し、励起に寄与するエネ
ルギーが不足してしまう。

【００１１】第２の問題は、光ファイバのカットオフ波
長による励起光と発振光とのモード重なりの問題であ
る。すなわち、赤外光である１．１２μｍの励起光を用
いる場合、この励起光を光ファイバ内でなるべく無損失
且つ単一モードで伝搬するためには、光ファイバのコア
部をその波長に見合う大きさにしなければならない。つ
まり光ファイバのカットオフ波長：λ_c を０．９〜１．
０μｍの間に設定する必要がある。ところが、光ファイ
バのコア部をこのように大きくすると、発振光である４
８０ｎｍの光は光ファイバ中においてマルチモードで伝
搬してしまう。このため、励起光の光ファイバ中の伝播
モードと発振光の光ファイバ中の伝播モードとの重なり
が非常に悪くなり、発振光出力の励起光出力に対する効
率が悪くなる。

【００１２】前記に鑑み、本発明は、通常用いられる半
導体レーザからの励起光を用いることにより高出力のレ
ーザが得られる固体レーザ素子、及び前記の励起光を用
いて高利得が得られる光増幅素子を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、光学材料に、通常用いられる励起光によ
り励起される希土類イオンと、該希土類イオンが発光遷
移する際に放出する光により複数回励起される希土類イ
オンとを添加するものである。

【００１４】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加レーザ素子を、Ｔｍイオンと該Ｔ
ｍイオンとは異なる他の希土類イオンとが添加された光
学材料により形成されており、共振器を構成する入射部
と出射部とを備えており、前記他の希土類イオンは、該
他の希土類イオンの吸収波長に相当する波長で発振し前
記入射部から入射するレーザを吸収することにより励起
され励起状態から発光遷移することにより波長１．０μ
ｍ〜１．２μｍの光を放出し、前記Ｔｍイオンは、前記
他の希土類イオンが放出する波長１．０μｍ〜１．２μ
ｍの光を吸収するか又は励起状態の前記他の希土類イオ
ンからエネルギー伝達されることにより基底準位から第
１の励起状態になり、該第１の励起状態のときに前記他
の希土類イオンが放出した波長１．０μｍ〜１．２μｍ
の光を吸収するか又は励起状態の前記他の希土類イオン
からエネルギー伝達されることにより第２の励起状態に
なり、該第２の励起状態のときのエネルギー準位と該エ
ネルギー準位よりも低いエネルギー準位との間で反転分
布を行ない、前記Ｔｍイオンが前記第２の励起状態から
発光遷移する際に放出する光を前記出射部からレーザと
して発振する構成である。

【００１５】請求項２の発明が講じた解決手段は、希土
類イオン添加レーザ素子を、Ｔｍイオンと該Ｔｍイオン
とは異なる他の希土類イオンとが添加された光学材料に
より形成されており、共振器を構成する入射部と出射部
とを備えており、前記他の希土類イオンは、該他の希土
類イオンの吸収波長に相当する波長で発振し前記入射部
から入射するレーザ光を吸収することにより励起され、
励起状態から発光遷移することにより波長１．０μｍ〜
１．２μｍの光を放出し、前記Ｔｍイオンは、前記他の
希土類イオンが放出する波長１．０μｍ〜１．２μｍの
光を吸収するか又は励起状態の前記他の希土類イオンか
らエネルギー伝達されることにより基底準位から第１の
励起状態になり、該第１の励起状態のときに前記他の希
土類イオンが放出する波長１．０μｍ〜１．２μｍの光
を吸収するか又は励起状態の前記他の希土類イオンから
エネルギー伝達されることにより第２の励起状態にな
り、該第２の励起状態のときに前記他の希土類イオンが
放出する波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか
又は励起状態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝
達されることにより第３の励起状態になり、該第３の励
起状態のときのエネルギー準位と該エネルギー準位より
も低いエネルギー準位との間で反転分布を行ない、前記
Ｔｍイオンが前記第３の励起状態から発光遷移する際に
放出した光を前記出射部からレーザとして発振する構成
である。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１又は２の構成
に、前記光学材料は光学的屈折率が高いコア部と該コア
部を囲繞し該コア部よりも光学的屈折率が低いクラッド
部とを有し且つ前記コア部に前記Ｔｍイオン及び前記他
の希土類イオンが添加された光ファイバであるという構
成を付加するものである。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１〜３の構成
に、前記他の希土類イオンはＮｄイオンであるという構
成を付加するものである。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１〜４の構成
に、前記光学材料はフッ化物系素材、ＳｉＯ₂ 系素材又
はハライド系素材により形成されているという構成を付
加するものである。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１〜５の構成
に、前記レーザの波長は６８０ｎｍ±２０ｎｍ又は８１
０±２０ｎｍであるという構成を付加するものである。

【００２０】請求項７の発明は、希土類イオン添加光増
幅素子を、Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他の希
土類イオンとが添加された光学材料により形成されてお
り、共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、
前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
ザを吸収することにより励起され、励起状態から発光遷
移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を放
出し、前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放出
する波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は
励起状態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達さ
れることにより基底準位から第１の励起状態になり、該
第１の励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出す
る波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励
起状態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達され
ることにより第２の励起状態になり、該第２の励起状態
のときのエネルギー準位と該エネルギー準位よりも低い
エネルギー準位との間で反転分布を行ない、前記入射部
から入射した光を増幅すると共に増幅した光を前記出射
部から出射する構成とするものである。

【００２１】請求項８の発明は、希土類イオン添加光増
幅素子を、Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他の希
土類イオンとが添加された光学材料により形成されてお
り、共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、
前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
ザ光を吸収することにより励起され、励起状態から発光
遷移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を
放出し、前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放
出する波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又
は励起状態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達
されることにより基底準位から第１の励起状態になり、
該第１の励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出
する波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は
励起状態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達さ
れることにより第２の励起状態になり、該第２の励起状
態のときに前記他の希土類イオンが放出する波長１．０
μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状態の前記
他の希土類イオンからエネルギー伝達されることにより
第３の励起状態になり、該第３の励起状態のときのエネ
ルギー準位と該エネルギー準位よりも低いエネルギー準
位との間で反転分布を行ない、前記入射部から入射した
光を増幅すると共に増幅した光を前記出射部から出射す
る構成とするものである。

【００２２】請求項９の発明は、請求項７又は８の構成
に、前記光学材料は、光学的屈折率が高いコア部と該コ
ア部を囲繞し該コア部よりも光学的屈折率が低いクラッ
ド部とを有し且つ前記コア部に前記Ｔｍイオン及び前記
他の希土類イオンが添加された光ファイバであるという
構成を付加するものである。

【００２３】請求項１０の発明は、請求項７〜９の構成
に、前記他の希土類イオンはＮｄイオンであるという構
成を付加するものである。

【００２４】請求項１１の発明は、請求項７〜１０の構
成に、前記光学材料はフッ化物系素材、ＳｉＯ₂ 系素材
又はハライド系素材により形成されているという構成を
付加するものである。

【００２５】請求項１２の発明は、請求項７〜１１の構
成に、前記レーザの波長は６８０ｎｍ±２０ｎｍ又は８
１０±２０ｎｍであるという構成を付加するものであ
る。

【００２６】

【作用】請求項１の構成により、他の希土類イオンは、
入射部から入射し該他の希土類イオンの吸収波長に相当
する波長で発振するレーザを吸収することにより励起さ
れる。Ｔｍイオンは、他の希土類イオンが放出する光の
吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギー伝達を２
回経ることにより、基底準位から第１の励起状態になっ
た後、第１の励起状態から第２の励起状態になり、第２
の励起状態から発光遷移することにより赤外光を放出す
る。この赤外光は共振器を構成する入射部と出射部とに
よって共振された後、出射部からレーザとして発振す
る。

【００２７】請求項２の構成により、他の希土類イオン
は、入射部から入射し該他の希土類イオンの吸収波長に
相当する波長で発振するレーザを吸収することにより励
起される。Ｔｍイオンは、他の希土類イオンが放出する
光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギー伝達
を３回経ることにより、基底準位から第１の励起状態に
なった後、第１の励起状態から第２の励起状態になり、
その後、第２の励起状態から第３の励起状態になり、第
３の励起状態から発光遷移することにより青色光を放出
する。この青色光は共振器を構成する入射部と出射部と
によって共振された後、出射部からレーザとして発振す
る。

【００２８】請求項７の構成により、他の希土類イオン
は、入射部から入射し該他の希土類イオンの吸収波長に
相当する波長で発振するレーザを吸収することにより励
起される。Ｔｍイオンは、他の希土類イオンが放出する
光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギー伝達
を２回経ることにより、基底準位から第１の励起状態に
なった後、第１の励起状態から第２の励起状態になり、
第２の励起状態から発光遷移する。入射部から入射した
光は、第２の励起状態から発光遷移するＴｍイオンによ
って増幅された後、出射部から出射する。

【００２９】請求項８の構成により、他の希土類イオン
は、入射部から入射し該他の希土類イオンの吸収波長に
相当する波長で発振するレーザを吸収することにより励
起される。Ｔｍイオンは、他の希土類イオンが放出する
光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギー伝達
を３回経ることにより、基底準位から第１の励起状態に
なった後、第１の励起状態から第２の励起状態になり、
その後、第２の励起状態から第３の励起状態になり、第
３の励起状態から発光遷移する。入射部から入射した光
は、第３の励起状態から発光遷移するＴｍイオンによっ
て増幅された後、出射部から出射する。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の第１実施例に係る希土類イオ
ン添加レーザ素子について図面を参照しながら説明す
る。

【００３１】図１は、第１実施例に係る希土類イオン添
加レーザ素子が用いられた固体レーザの構成を示してお
り、該固体レーザは、光学材料としての光ファイバ１０
１、光ファイバ１０１の入射部１０２、光ファイバ１０
１の出射部１０３、入射レンズ系１０４ａ，１０４ｂ、
８０９ｎｍの励起光を出射する半導体レーザよりなる励
起光源１０７、出射レンズ系１０８、及び励起光源１０
７を駆動するための駆動電源１０９を備えている。駆動
電源１０９により駆動された励起光源１０７は波長８０
９ｎｍの励起光１０５を出射し、該励起光１０５は、入
射レンズ系１０４ａ，１０４ｂによって集光された後、
入射部１０２から光ファイバ１０１に入射し、光ファイ
バ１０１内で利得を得て出射部１０３からレーザよりな
る出射光１０６として発振し、その後、出射レンズ系１
０８により平行光とされる。

【００３２】本第１実施例に係る光ファイバ１０１を構
成する光学材料は、１０００p.p.m.のＴｍ³⁺イオンと１
０００p.p.m.の他の希土類イオンとしてのＮｄ³⁺イオン
とが添加されたフッ化物系の材料例えばＹＬｉＦ₄ であ
る。光ファイバ１０１は、コア径：３μｍ、クラッド
径：１２５μｍ、カットオフ波長：０．６μｍを有して
いる。

【００３３】以下、前記光学材料における励起光の作用
を図２のエネルギー図を用いて詳しく説明する。

【００３４】図２は、前記光学材料に添加されたＮｄイ
オン及びＴｍイオンのエネルギー準位を示しており、図
２において、２０１〜２０９はそれぞれエネルギー準位
を示し、２１０〜２１６はそれぞれエネルギー準位２０
１〜２０９間の遷移を示している。尚、縦軸２２０はエ
ネルギーを単位ｃｍ^-1（カイザー）で示している。

【００３５】図１に示す励起光源１０７から出射された
励起光１０５は、前記光学材料に添加されたＮｄイオン
に吸収され、Ｎｄイオンのエネルギー準位は基底準位２
０７から高エネルギー準位２０９に吸収遷移２１０をす
る。その後、Ｎｄイオンは、高エネルギー準位２０９か
ら中間準位２０８に発光遷移２１１をする。

【００３６】光学材料の内部において、発光遷移２１１
により放出される波長１．０μｍ〜１．２μｍの光がＴ
ｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオンとＴｍイオンと
の間のエネルギー伝達が行なわれ、これによりＴｍイオ
ンの第１の励起遷移２１２が起きる。すなわち、Ｔｍイ
オンのエネルギー準位は、第１の励起遷移２１２により
基底準位２０１から第１の高エネルギー準位２０３に遷
移した後、非発光遷移２１６により第１の中間準位２０
２に遷移する。なお、この場合、励起光源１０７から出
射された励起光１０５を直接に吸収することにより基底
準位２０７から第１の中間準位２０２に遷移するＴｍイ
オンも存在する。

【００３７】図５はＮｄイオンの発光特性を示してお
り、図５において、横軸は波長をμｍの単位で示し、縦
軸は光出力を任意単位で示している。図６はＴｍイオン
の吸収特性を示しており、図６において、横軸は波長を
μｍの単位で示し、縦軸は吸収係数をｄＢ／ｋｍ／ｐｐ
ｍ（デシベル毎ｋｍ毎濃度）の単位で示している。図５
及び図６から明らかなように、Ｎｄイオンが放出する光
の波長領域は１．０〜１．２μｍであり、基底準位のＴ
ｍイオンが吸収する光の波長領域も１．０〜１．２μｍ
であり、両方の波長領域が一致しているので、発光遷移
２１１によりＮｄイオンから放出される光のＴｍイオン
による吸収及びＮｄイオンとＴｍイオンとの間のエネル
ギー伝達は高い確率で行なわれる。

【００３８】その後、光学材料の内部において、発光遷
移２１１により放出される波長１．０μｍ〜１．２μｍ
の光がＴｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオンとＴｍ
イオンとの間のエネルギー伝達が行なわれ、これにより
Ｔｍイオンの第２の励起遷移２１３が起きる。すなわ
ち、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、第２の励起遷移２
１３により、第１の中間準位２０２から第２の高エネル
ギー準位２０５に遷移した後、非発光遷移２１６により
第２の中間準位２０４に遷移する。

【００３９】その後、再び、光学材料の内部において、
発光遷移２１１により放出される波長１．０μｍ〜１．
２μｍの光がＴｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオン
とＴｍイオンとの間のエネルギー伝達が行なわれ、これ
によりＴｍイオンの第３の励起遷移２１４が起きる。す
なわち、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、第３の励起遷
移２１４により、第２の中間準位２０４から第３の高エ
ネルギー準位２０６に遷移する。

【００４０】その後、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、
発光遷移２１５により第３の高エネルギー準位２０６か
ら基底準位２０１に遷移する。この発光遷移２１５によ
り放出された光は波長４８０ｎｍの青色の光である。

【００４１】Ｔｍイオンは第３の高エネルギー準位２０
６と基底準位２０１との間で反転分布を行ない、発光遷
移２１５に伴ってＴｍイオンから放出された４８０ｎｍ
の光は、光ファイバ１０１の入射部１０２の端面及び出
射部１０３の端面にそれぞれ設けられた反射型ミラーに
より共振されることによって利得を得た後、出射部１０
３から青色レーザとして発振する。光ファイバ１０１の
出射部１０３から発振したレーザは出射レンズ系１０８
によって平行光とされる。なお、第１実施例における反
射型ミラーの波長４８０ｎｍの光に対する反射率は、入
射部１０２においては９９％、出射部１０３においては
９５％にそれぞれ設定されている。

【００４２】以上のように、希土類イオン添加レーザ素
子は、励起光エネルギーによるアップコンバージョン過
程を３回経て、励起光よりもエネルギーが高い光つまり
励起光よりも波長が短いレーザを発振することができ
る。

【００４３】励起光によるアップコンバージョンを行な
う従来の青色レーザ素子においては、１．１２μｍ付近
の励起光を外部から入力しなければならないところ、
１．１２μｍ付近の波長で発振するレーザがないため
１．１２μｍ付近の励起光を得ることは困難である。と
ころが、第１実施例によると、市販品であり波長８０９
ｎｍの強力なレーザを発振する半導体レーザを励起光源
として用いることができるので、低価格且つ小型の青色
固体レーザを実現できる。

【００４４】第１実施例のレーザ素子の特性は、光出
力：１００ｍＷの励起光源に対して光出力：５０ｍＷの
出力光が得られる、つまり５０％の変換効率が得られる
高効率なものである。

【００４５】以下、本発明の第２実施例に係る希土類イ
オン添加レーザ素子について図面を参照しながら説明す
る。

【００４６】本第２実施例に係る希土類イオン添加レー
ザが用いられた固体レーザの構成については前記第１実
施例と同様であるので図面は省略する。

【００４７】図３は、第２実施例の光ファイバ１０１を
構成する光学材料に添加されたＮｄイオン及びＴｍイオ
ンのエネルギー準位を示しており、図３において、３０
１〜３０９はそれぞれエネルギー準位を示し、３１０〜
３１６はそれぞれエネルギー準位３０１〜３０９間の遷
移を示している。尚、縦軸３２０は、エネルギーを単位
ｃｍ^-1（カイザー）で示している。

【００４８】図１に示す励起光源１０７から出射された
励起光１０５は、前記光学材料に添加されたＮｄイオン
に吸収され、Ｎｄイオンのエネルギー準位は基底準位３
０７から高エネルギー準位３０９に吸収遷移３１０をす
る。その後、Ｎｄイオンは、高エネルギー準位３０９か
ら中間準位３０８まで発光遷移３１１をする。

【００４９】光学材料の内部において、発光遷移３１１
により放出される波長１．０μｍ〜１．２μｍの光がＴ
ｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオンとＴｍイオンと
の間のエネルギー伝達が行なわれ、これによりＴｍイオ
ンの第１の励起遷移３１２が起きる。すなわち、Ｔｍイ
オンのエネルギー準位は、第１の励起遷移３１２により
基底準位３０１から第１の高エネルギー準位３０３に遷
移した後、非発光遷移３１６により第１の中間準位３０
２に遷移する。

【００５０】その後、光学材料の内部において、発光遷
移３１１により放出される波長１．０μｍ〜１．２μｍ
の光がＴｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオンとＴｍ
イオンとの間のエネルギー伝達が行なわれ、これにより
Ｔｍイオンの第２の励起遷移３１３が起きる。すなわ
ち、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、第２の励起遷移３
１３により、第１の中間準位３０２から第２の高エネル
ギー準位３０５に遷移した後、非発光遷移３１６により
第２の中間準位３０４に遷移する。

【００５１】その後、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、
発光遷移３１５により第２の中間準位３０４から基底準
位３０１に遷移する。この発光遷移３１５により放出さ
れた光は波長１．４８μｍの赤外光である。

【００５２】Ｔｍイオンは第２の中間準位３０４と基底
準位３０１との間で反転分布を行なう。発光遷移３１５
に伴ってＴｍイオンから放出された波長１．４８μｍの
光は、光ファイバ１０１の入射部１０２の端面及び出射
部１０３の端面にそれぞれ設けられた反射型ミラーによ
り共振されることによって利得を得た後、出射部１０３
から赤外レーザとして発振する。光ファイバ１０１の出
射部１０３から発振されたレーザは出射レンズ系１０８
によって平行光とされる。なお、第２実施例における反
射型ミラーの波長１．４８μｍの光に対する反射率は、
入射部１０２においては９９％、出射部１０３において
は９５％にそれぞれ設定されている。

【００５３】第２実施例によると、市販品であり波長８
０９ｎｍの強力なレーザを発振する半導体レーザを励起
光源として用いることができるので、低価格且つ小型の
赤外光レーザ素子を実現できる。また、第２実施例のレ
ーザ素子の特性は、光出力：１Ｗの励起光源に対して光
出力：５００ｍＷの出力光が得られる。従来の波長１．
４８μｍの固体レーザ素子によると１２０ｍＷの出力光
しか得られなかったが、第２実施例によると５００ｍＷ
という高出力を得ることができる。

【００５４】以下、本発明の第３実施例に係る希土類イ
オン添加光増幅素子について図面を参照しながら説明す
る。

【００５５】図４は、第３実施例に係る希土類イオン添
加光増幅素子が用いられた光増幅器の構成を示してお
り、該光増幅器は、光学材料としての第１の光ファイバ
１０１、入射レンズ系１０４ａ，１０４ｂ、８０９ｎｍ
の励起光を出射する半導体レーザよりなる励起光源１０
７、及び励起光源１０７を駆動するための駆動電源１０
９、Ｅｒイオンが添加された光学材料からなる第２の光
ファイバ４０１、１．５５μｍの信号光を出射する信号
光源４０２、第２の光ファイバ４０１を励起する１．４
８μｍの半導体レーザモジュール４０３、信号光源４０
２から出射された光と半導体レーザモジュール４０３か
ら出射された光とを合波する第１の合波器４０４、第１
の合波器４０４から出射された光と励起光源１０７から
出射された励起光とを合波する第２の合波器４０５、４
本の接続用光ファイバ４０６、第１の光ファイバ１０１
と第２の光ファイバ４０１との接続部４０７、光アイソ
レータ４０８、及び出射部４０９を備えている。

【００５６】信号光源４０２から出射された１．５５μ
ｍの信号光と半導体レーザモジュール４０３から出射さ
れた１．４８μｍの光とは第１の合波器４０４で合波さ
れた後、第２の合波器４０５に入力される。励起光源１
０７から出射された８０９ｎｍの励起光１０５は入射レ
ンズ系１０４ａ，１０４ｂにより集光された後、接続用
光ファイバ４０６を介して第２の合波器４０５に入力さ
れる。第２の合波器４０５において合波された１．５５
μｍの信号光、１．４８μｍの光及び８０９ｎｍの励起
光は第１の光ファイバ１０１に入力され、１．４８μｍ
の光は前記第２実施例と同様に第１の光ファイバ１０１
内において８０９ｎｍの励起光により増幅される。１．
５５μｍの信号光、増幅された１．４８μｍの光及び８
０９ｎｍの励起光は接続部４０７を経て第２の光ファイ
バ４０１に入力される。１．５５μｍの信号光は第２の
光ファイバ４０１において１．４８μｍの光により増幅
され、増幅された信号光は出射部４０９から出射され
る。尚、アイソレータ４０８は第２の光ファイバ４０１
内における１．５５μｍのレーザ発振を防止している。

【００５７】以上のように構成された希土類イオン添加
光増幅器を用いて、１．５５μｍの信号光を−１０ｄＢ
ｍ、１．４８μｍの光を１００ｍＷ、８０９ｎｍの励起
光を３００ｍＷの出力でそれぞれ出力した。接続部４０
７において検出した結果は、１．５５μｍの信号光が−
１０ｄＢｍ、１．４８μｍの光が１Ｗ、８０９ｎｍの光
が１０ｍＷであり、出射部４０９において検出した結果
は１．５５μｍの信号光が４０ｄＢｍであった。これに
より、１．５５μｍの信号光に対して５０ｄＢの利得が
得られることが確認できた。すなわち、従来の光増幅器
によると、最高出力１２０ｍＷの１．４８μｍの半導体
レーザを用いても、１．５５μｍの信号光の増幅の利得
は４０ｄＢしか得られなかったのが、第３実施例に係る
光増幅素子を用いた光増幅器によると５０ｄＢの利得が
得られる。

【００５８】尚、前記第１、第２及び第３の実施例にお
いては、フッ化物系の光学材料を用いたが、これに代え
て、ＳｉＯ₂ 系素材又はＩｎＦ₃ 等のハライド系素材に
より形成された光学材料を用いてもよい。

【００５９】また、前記第１、第２及び第３の実施例に
おいては、Ｎｄイオンを８０９ｎｍの光で励起したが、
Ｎｄイオンが吸収可能であれば、他の波長の光により励
起してもよい。

【００６０】さらに、前記第１、第２及び第３の実施例
においては、Ｔｍイオンの励起光としては、Ｎｄイオン
が放出する１．１２μｍの光を用いたが、これに代えて
１．０μｍ付近の波長の光を放出する希土類イオンつま
りＴｍイオンが吸収可能な光を放出するＹｂ³⁺イオン、
Ｐｒ³⁺イオン、Ｓｍ³⁺イオン、Ｈｏ³⁺イオン等の他の希
土類イオンを用いてもよい。

【００６１】

【発明の効果】請求項１の発明に係る希土類イオン添加
レーザ素子によると、他の希土類イオンは入射部から入
射し該他の希土類イオンの吸収波長に相当する波長で発
振するレーザを吸収することにより励起され、Ｔｍイオ
ンは他の希土類イオンが放出する光の吸収又は他の希土
類イオンとの間のエネルギー伝達を２回行なうことによ
り基底準位から第１の励起状態を経て第２の励起状態に
なり、該第２の励起状態から発光遷移することにより赤
外光を放出するため、通常用いられている高出力な半導
体レーザを励起光源として用いることができるので、高
出力で且つ高い変換効率のレーザを発振することが可能
になる。

【００６２】請求項２の発明に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子によると、Ｔｍイオンは他の希土類イオンが放
出する光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギ
ー伝達を３回行なうことにより基底準位から第１の励起
状態及び第２の励起状態を経て第３の励起状態になり、
該第３の励起状態から発光遷移することにより青色光を
放出するため、通常用いられている高出力な半導体レー
ザを励起光源として用いることができると共に高出力で
且つ励起光よりもエネルギーが高いつまり励起光よりも
波長が短いレーザを発振することが可能になる。

【００６３】請求項７の発明に係る希土類イオン添加光
増幅素子によると、Ｔｍイオンは他の希土類イオンが放
出する光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギ
ー伝達を２回行なうことにより基底準位から第１の励起
状態を経て第２の励起状態になり、第２の励起状態から
発光遷移する際に入射部から入射した光を増幅するの
で、通常用いられている半導体レーザを用いて高い増幅
利得を得ることができる。

【００６４】請求項８の発明に係る希土類イオン添加光
増幅素子によると、Ｔｍイオンは他の希土類イオンが放
出する光の吸収又は他の希土類イオンとの間のエネルギ
ー伝達を３回行なうことにより基底準位から第１の励起
状態及び第２の励起状態を経て第３の励起状態になり、
第３の励起状態から発光遷移する際に入射部から入射し
た光を増幅するので、通常用いられている半導体レーザ
を用いて高い増幅利得を得ることができる。

【００６５】さらに、前記の希土類イオン添加レーザ素
子又は光増幅素子は、通常の３準位又は４準位系の固体
レーザ又は光増幅器はもちろん、アップコンバージョン
系の固体レーザ又は光増幅器にも容易に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例又は第２実施例に係る希土
類イオン添加レーザ素子を用いた固体レーザの構成図で
ある。

【図２】本発明の第１実施例における希土類イオンのエ
ネルギー準位の遷移を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例における希土類イオンのエ
ネルギー準位の遷移を示す図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る希土類イオン添加光
増幅素子を用いた光増幅器の構成図である。

【図５】Ｎｄイオンの発光特性を示す図である。

【図６】Ｔｍイオンの吸収特性を示す図である。

【図７】従来の希土類イオン添加レーザ素子を用いた固
体レーザの構成図である。

【図８】従来の希土類イオン添加レーザ素子における希
土類イオンのエネルギー準位の一の遷移例を示す図であ
る。

【図９】従来の希土類イオン添加レーザ素子における希
土類イオンのエネルギー準位の他の遷移例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０１ 光ファイバ（光学材料）、第１の光ファイバ
（光学材料） １０２ 入射部 １０３ 出射部 １０４ａ，１０４ｂ 入射レンズ系 １０５ 励起光 １０６ 出射光 １０７ 励起光源 １０８ 出射レンズ系 １０９ 駆動電源 ２０１ エネルギー準位 ２０２ エネルギー準位 ２０３ エネルギー準位 ２０４ エネルギー準位 ２０５ エネルギー準位 ２０６ エネルギー準位 ２０７ エネルギー準位 ２０８ エネルギー準位 ２０９ エネルギー準位 ２１０ 吸収遷移 ２１１ 発光遷移 ２１２ 第１の励起遷移 ２１３ 第２の励起遷移 ２１４ 第３の励起遷移 ２１５ 発光遷移 ２１６ 非発光遷移 ３０１ エネルギー準位 ３０２ エネルギー準位 ３０３ エネルギー準位 ３０４ エネルギー準位 ３０５ エネルギー準位 ３０６ エネルギー準位 ３０７ エネルギー準位 ３０８ エネルギー準位 ３０９ エネルギー準位 ３１０ 吸収遷移 ３１１ 発光遷移 ３１２ 第１の励起遷移 ３１３ 第２の励起遷移 ３１５ 発光遷移 ３１６ 非発光遷移 ４０１ 第２の光ファイバ ４０２ 信号光源 ４０３ 半導体レーザモジュール ４０４ 第１の合波器 ４０５ 第２の合波器 ４０６ 接続用光ファイバ ４０７ 接続部 ４０８ 光アイソレータ ４０９ 出射部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他
   の希土類イオンとが添加された光学材料により形成され
   ており、 共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、 前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
   長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
   ザを吸収することにより励起され、励起状態から発光遷
   移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を放
   出し、 前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放出する波
   長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状
   態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されるこ
   とにより基底準位から第１の励起状態になり、該第１の
   励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出した波長
   １．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状態
   の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されること
   により第２の励起状態になり、該第２の励起状態のとき
   のエネルギー準位と該エネルギー準位よりも低いエネル
   ギー準位との間で反転分布を行ない、 前記Ｔｍイオンが前記第２の励起状態から発光遷移する
   際に放出する光を前記出射部からレーザとして発振する
   ことを特徴とする希土類イオン添加レーザ素子。
2. 【請求項２】 Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他
   の希土類イオンとが添加された光学材料により形成され
   ており、 共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、 前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
   長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
   ザ光を吸収することにより励起され、励起状態から発光
   遷移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を
   放出し、 前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放出する波
   長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状
   態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されるこ
   とにより基底準位から第１の励起状態になり、該第１の
   励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出する波長
   １．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状態
   の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されること
   により第２の励起状態になり、該第２の励起状態のとき
   に前記他の希土類イオンが放出する波長１．０μｍ〜
   １．２μｍの光を吸収するか又は励起状態の前記他の希
   土類イオンからエネルギー伝達されることにより第３の
   励起状態になり、該第３の励起状態のときのエネルギー
   準位と該エネルギー準位よりも低いエネルギー準位との
   間で反転分布を行ない、 前記Ｔｍイオンが前記第３の励起状態から発光遷移する
   際に放出した光を前記出射部からレーザとして発振する
   ことを特徴とする希土類イオン添加レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記光学材料は、光学的屈折率が高いコ
   ア部と該コア部を囲繞し該コア部よりも光学的屈折率が
   低いクラッド部とを有し且つ前記コア部に前記Ｔｍイオ
   ン及び前記他の希土類イオンが添加された光ファイバで
   あることを特徴とする請求項１又は２に記載の希土類イ
   オン添加レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記他の希土類イオンはＮｄイオンであ
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載
   の希土類イオン添加レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記光学材料はフッ化物系素材、ＳｉＯ
   ₂ 系素材又はハライド系素材により形成されていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の希土
   類イオン添加レーザ素子。
6. 【請求項６】 前記レーザの波長は６８０ｎｍ±２０ｎ
   ｍ又は８１０±２０ｎｍであることを特徴とする請求項
   １〜５のいずれか１項に記載の希土類イオン添加レーザ
   素子。
7. 【請求項７】 Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他
   の希土類イオンとが添加された光学材料により形成され
   ており、 共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、 前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
   長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
   ザを吸収することにより励起され、励起状態から発光遷
   移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を放
   出し、 前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放出する波
   長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状
   態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されるこ
   とにより基底準位から第１の励起状態になり、該第１の
   励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出する波長
   １．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は前記他の
   希土類イオンからエネルギー伝達されることにより第２
   の励起状態になり、該第２の励起状態のときのエネルギ
   ー準位と該エネルギー準位よりも低いエネルギー準位と
   の間で反転分布を行ない、 前記入射部から入射した光を増幅すると共に増幅した光
   を前記出射部から出射することを特徴とする希土類イオ
   ン添加光増幅素子。
8. 【請求項８】 Ｔｍイオンと該Ｔｍイオンとは異なる他
   の希土類イオンとが添加された光学材料により形成され
   ており、 共振器を構成する入射部と出射部とを備えており、 前記他の希土類イオンは、該他の希土類イオンの吸収波
   長に相当する波長で発振し前記入射部から入射するレー
   ザ光を吸収することにより励起され、励起状態から発光
   遷移することにより波長１．０μｍ〜１．２μｍの光を
   放出し、 前記Ｔｍイオンは、前記他の希土類イオンが放出する波
   長１．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状
   態の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されるこ
   とにより基底準位から第１の励起状態になり、該第１の
   励起状態のときに前記他の希土類イオンが放出する波長
   １．０μｍ〜１．２μｍの光を吸収するか又は励起状態
   の前記他の希土類イオンからエネルギー伝達されること
   により第２の励起状態になり、該第２の励起状態のとき
   に前記他の希土類イオンが放出する波長１．０μｍ〜
   １．２μｍの光を吸収するか又は励起状態の前記他の希
   土類イオンからエネルギー伝達されることにより第３の
   励起状態になり、該第３の励起状態のときのエネルギー
   準位と該エネルギー準位よりも低いエネルギー準位との
   間で反転分布を行ない、 前記入射部から入射した光を増幅すると共に増幅した光
   を前記出射部から出射することを特徴とする希土類イオ
   ン添加光増幅素子。
9. 【請求項９】 前記光学材料は、光学的屈折率が高いコ
   ア部と該コア部を囲繞し該コア部よりも光学的屈折率が
   低いクラッド部とを有し且つ前記コア部に前記Ｔｍイオ
   ン及び前記他の希土類イオンが添加された光ファイバで
   あることを特徴とする請求項７又は８に記載の希土類イ
   オン添加光増幅素子。
10. 【請求項１０】 前記他の希土類イオンはＮｄイオンで
    あることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記
    載の希土類イオン添加光増幅素子。
11. 【請求項１１】 前記光学材料はフッ化物系素材、Ｓｉ
    Ｏ₂ 系素材又はハライド系素材により形成されているこ
    とを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の
    希土類イオン添加光増幅素子。
12. 【請求項１２】 前記レーザの波長は６８０ｎｍ±２０
    ｎｍ又は８１０±２０ｎｍであることを特徴とする請求
    項７〜１１のいずれか１項に記載の希土類イオン添加光
    増幅素子。