JPH11261136A

JPH11261136A - 光パルス発生素子

Info

Publication number: JPH11261136A
Application number: JP10059752A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Mogi; 哲哉茂木; Yuichi Tanaka; 佑一田中; Takao Kobayashi; 喬郎小林
Original assignee: OYO KODEN KENKYUUSHITSU KK; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: OYO KODEN KENKYUUSHITSU KK; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】固体レーザ媒質および過飽和吸収体を含む光
パルス発生素子で、１．５μｍ帯のレーザ光を直接得
る。【解決手段】固体レーザ媒質として、エルビウムおよ
びイッテルビウムを含むガラスレーザ媒質３３を用い
る。過飽和吸収体３７として、ウランをドープしたフッ
化カルシウム板を用いる。これらガラスレーザ媒質３３
と過飽和吸収体３７とを、励起光５０の一部はガラスレ
ーザ媒質３３側に反射し、残りは過飽和吸収体３７側に
透過する中間膜３５を介して接しさせる。ガラスレーザ
媒質３３側に入力ミラー３１を設け、過飽和吸収体３７
側に出力ミラー３９を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光通信分野、光
計測分野等で利用できる光パルス発生素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】例えば文献１（オプティクスレターズ
（OPICS LETTERS)，Sept.15.1994,Vol.19,No.18,pp.142
7-1429）には、図６に示したような、入力ミラー１１、
固体レーザ媒質１３、過飽和吸収体１５および出力ミラ
ー１７をこの順に具えた光パルス発生素子１９が、開示
されている。

【０００３】この光パルス発生素子１９では、固体レー
ザ媒質１３として、ネオジウム（Ｎｄ）をドープしたＹ
ＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）結晶が用いられ、過飽和吸収体
１５として、クロム（Ｃｒ）をドープしたＹＡＧ結晶が
用いられている。入力ミラー１１および出力ミラ−１７
は、周知の通り、レーザ共振器を構成している。

【０００４】この光パルス発生素子１９では、励起光に
よる励起と過飽和吸収体１５による過飽和吸収現象とを
利用した周知の原理により、光パルスが周期的に発生さ
れる。簡単に説明すれば、次の通りである。

【０００５】入力ミラー１１側から該素子１９に波長８
０８ｎｍの励起光２１が入射される。固体レーザ媒質１
３はこの励起光２１により励起されるため、固体レーザ
媒質１３で波長１０６４ｎｍのレーザ光が生じる。この
レーザ光は、過飽和吸収体１５でのレーザ光の吸収が飽
和すると、一部が、出力ミラー１７側から素子１９の外
部に出力される。レーザ光が素子外部に出力されると、
固体レーザ媒質のレーザゲインが低下するのでレーザ光
は消滅するが、励起光による励起が継続されていると固
体レーザ媒質１３でレーザ光が再び生じる。このレーザ
光は、過飽和吸収体１５でのレーザ光の吸収が飽和する
と、一部が、出力ミラー側から素子外部に出力される。
このような現象が繰り返されることにより、素子１９
は、波長１０６４ｎｍの光パルスを周期的に出力する。
すなわち、素子１９では、いわゆる、受動Ｑスイッチ発
振が起こる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｎｄド
ープＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶での活性イオンである
Ｎｄイオンは、石英光ファイバを用いる光伝送に最も有
利で、かつ、眼球への照射許容密度が高い１．５μｍ帯
に、適切な遷移をもたない。そのため、上述した従来の
光パルス発生素子１９では、それ単独で１．５μｍの波
長のレーザパルスを発生することができないという問題
点がある。

【０００７】したがって、従来の光パルス発生素子１９
では、レーザ光の応用上、極めて有用な、光ファイバを
用いた光通信への応用や、眼球への安全性の高いレーザ
光を必要とする応用に供するためには、発生されたレー
ザ光をさらに波長変換するための非線形結晶や外部非線
形結晶共振器などをさらに用いる必要が生じる。しか
し、そうした場合は、部品点数とコストの増大を招くな
どの新たな問題も生じる。

【０００８】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従ってこの発明の目的は、固体レーザ媒質お
よび過飽和吸収体を用いた光パルス発生素子であって、
波長１．５μｍ帯の光パルスを直接発振できる光パルス
発生素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこでこの発明の光パル
ス発生素子によれば、入力ミラー、固体レーザ媒質、過
飽和吸収体および出力ミラーをこの順に具え、前記入力
ミラー側から励起光が照射されて使用される光パルス発
生素子において、前記固体レーザ媒質として、Ｅｒイオ
ンをドープしたガラスレーザ媒質、又は、Ｙｂイオンお
よびＴｍイオンをドープしたＹＬＦ結晶を具える。そし
て、この固体レーザ媒質と前述の過飽和吸収体との間
に、前述の励起光の一部をこの固体レーザ媒質側に反射
し、残りを前述の過飽和吸収体側に透過させる中間膜を
具えたことを特徴とする。

【００１０】Ｅｒイオンをドープしたガラスレーザ媒質
は、波長１．５μｍ帯のレーザ光を発生する。特に、こ
のガラスレーザ媒質を、例えば波長９８０ｎｍまたは１
４８０ｎｍの励起光により励起した場合、高強度の１．
５μｍ帯のレーザ光を発生する。また、Ｙｂイオンおよ
びＴｍイオンをドープしたＹＬＦ結晶も、９７０ｎｍの
レーザ光で励起すると波長１５００ｎｍおよび１５６９
ｎｍのレーザ光を発することが知られている（例えば文
献２：ＣＬＥＯ'97,1997,Technical Digest Series vo
l.11,Conference Edition CTuE3,p.75 ）。

【００１１】従って、この発明によれば、過飽和吸収現
象と相俟って、波長１．５μｍ帯の光パルスを発生する
光パルス発生素子を実現することができる。

【００１２】反面、Ｅｒイオンをドープしたガラスレー
ザ媒質のレーザ誘導放出断面積は、は、Ｎｄ：ＹＡＧの
それに比べて１桁以上小さいことが知られている（例え
ば文献３：Solid State Laser Engineering "Springe-V
erlag,4th Edition p.49(1996)および文献４：SPIE vo
l.1419 Eyesafe Lasers:Components,Systems,and Appli
cations(1991)）。

【００１３】また、強い励起密度において発生する熱に
よってレーザ媒体が破壊される限界を示す熱衝撃パラメ
ータも、レーザガラス媒質はＹＡＧに比べて８分の１程
度でしかないことが知られている（例えば文献５：Soli
d State Laser Engineering"Springe-Verlag,4th Editi
on p.398(1996) ）。

【００１４】また、ＹｂイオンおよびＴｍイオンをドー
プしたＹＬＦ結晶自体のモース硬度は４程度であり、同
硬度が８．５であるＹＡＧ結晶の半分程度でしかない。

【００１５】従って、Ｅｒをドープしたガラスレーザ媒
質や、ＹｂイオンおよびＴｍイオンをドープしたＹＬＦ
結晶（以下、固体レーザ媒質と総称することもある。）
では、光パルスを効率良く発生させるために励起光を無
制限に強めると、この固体レーザ媒質に発生する熱の作
用でこの固体レーザ媒質が破壊されてしまう。

【００１６】そこで、この固体レーザ媒質と過飽和吸収
体とを用いて、光パルスを効率良くかつ安定に発生する
光パルス発生素子を実現するためには、励起光を効率良
く利用してこの固体レーザ媒質の励起効率を向上させる
だけではなく、幅広い励起光強度で過飽和吸収による発
振が起きるように工夫する必要がある。すなわち、該固
体レーザ媒質の熱破壊限界に相当する励起密度と、過飽
和吸収が始まるレーザ発振の閾値相当の励起密度との差
を大きくすることが重要である。言い換えるならば、光
パルス発生素子は、熱破壊限界で上限が決まる励起密度
と、パルス光発生が開始される閾値励起密度との間で動
作できるので、実用的でかつ安定した光パルス素子を実
現するためには、上記の上限励起密度と閾値励起密度と
の差ができるだけ大きくなるように、すなわち動作領域
ができるだけ広くなるようにすることが必要になる。

【００１７】このようなとき、この発明の光パルス発生
素子は、固体レーザ媒質と過飽和吸収体との間に、励起
光を分岐して反射および透過する中間膜を具えているの
で、固体レーザ媒質で吸収しつくされなかった励起光の
一部を該中間膜が反射して固体レーザ媒質に吸収させる
ため、固体レーザ媒質で高い密度の励起光吸収を生じさ
せる。また、該中間膜を透過する励起光は、過飽和吸収
体に好適な強度で照射される。

【００１８】ここで、過飽和吸収体としてウランをドー
プしたフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ₂）結晶を用いた
場合、このフッ化カルシウム結晶は、励起光を、固体レ
ーザ媒質で発生される１．５μｍ光と同程度に吸収する
（詳細は後の実施例で説明される透過率特性（図５）参
照）。従って、ウランをドープしたフッ化カルシウムで
構成された過飽和吸収体は、該中間膜を透過する励起光
を吸収するので、過飽和吸収体の過飽和吸収が促進され
る。そのため、過飽和吸収体が飽和し易くなるので、レ
ーザ発振が起こる励起強度の最低要求値が引き下げられ
る。その結果、光パルスを効率良く然も安定に発生する
光パルス発生素子が実現される。

【００１９】なお、本願出願前に出願公開されている例
えば特開平８−３１６５５７号公報の特に図５や第７頁
左欄第５〜６行には、図６を用いて説明した従来の光パ
ルス発生素子と類似する素子において、固体レーザ媒質
としてのＹＡＧ１３と、過飽和吸収体１５との間に固着
層なる層を設けても良い旨が、記載されている。しかし
ながら、この固着層は、過飽和吸収体を活性レーザ媒質
に接続するための接着層と説明されており、本発明でい
う中間層とは異なる。

【００２０】ところで、ガラスレーザ媒質は、ＹＡＧに
比較して、熱伝導率が１０分の１程小さい（例えば文献
５：「光用語辞典」，日置隆一編、オーム社発行，昭
和５６年，ｐ．２６９の右欄第１行）。そのため、ガラ
スレーザ媒質および過飽和吸収媒質を用い光パルス発生
素子を実現した場合、何ら工夫をしないと、光パルス発
生素子は、自らのレーザ発振に伴い生じた熱によって破
壊するおそれがある。

【００２１】これを回避するため、この光パルス発生素
子の発明を実施するに当たり、好ましくは、少なくとも
前記入力ミラー側に当該光パルス発生素子で生じる熱を
放熱するための放熱部を設けるのが良い。

【００２２】光パルス発生素子で生じた熱はこの放熱部
により放熱されるので、この光パルス発生素子が熱によ
り破壊されるおそれを低減することができる。

【００２３】また、この光パルス発生素子の発明を実施
するに当たり、過飽和吸収体は任意好適なものとでき
る。その中でも、ウランをドープしたフッ化カルシウム
を用いるのが好適である。具体的には、ウランをドープ
したフッ化カルシウムを所定厚みに研磨した板を用いる
のが好適である。なぜなら、ウランをドープしたフッ化
カルシウムは、上述したように、励起光を、レーザ媒質
が発するレーザ光と同程度に吸収するという性質を持つ
ため、および、ウランをドープしたフッ化カルシウムを
過飽和吸収体として用いた場合、後述する実験結果から
明らかなように、高出力かつ安定な光パルスが得られる
ためである。

【００２４】一方、過飽和吸収体の厚さは、ガラスレー
ザ媒質で生じる熱を外部に放熱する観点から薄い方が好
ましい。然も、過飽和吸収体の厚さは、光パルスのパル
ス幅を決める要素の１つであるため、パルス幅の短い光
パルスを得る意味からも（一般にはこれが要望される）
薄い方が好ましい。

【００２５】しかし、過飽和吸収体を例えば過飽和吸収
現象を示す結晶（これに限られないが例えばウランドー
プのフッ化カルシウム）で構成する場合、一般には、該
結晶を研磨して、過飽和吸収体を作製する。そのため、
加工技術の問題やハンドリングの問題から、該結晶を薄
くするにも限界がある。

【００２６】これらを総合すると、過飽和吸収体として
過飽和現象を示す結晶を用いる場合は、後述する実施例
の結果からみても、その厚さは最大でも１ｍｍとするの
が良く、より好ましくは最大でも２００μｍとするのが
良い。一方、薄さの下限は３０μｍ、より好ましくは５
０μｍとするのが良い。

【００２７】また、ウランをドープしたフッ化カルシウ
ムでのウランのドープ率は、高すぎるとウランをドープ
したフッ化カルシウムで構成した過飽和吸収体でのレー
ザ光の吸収が増えすぎてしまう。するとそれを回避する
ためには過飽和吸収体をより薄くする必要が生じる。し
かし、過飽和吸収体をより薄くするには、上述した加工
技術およびハンドリングの点で問題がある。したがっ
て、ウランのドープ率は、後述する実施例の結果からみ
ても、最大でも０．０３原子％が良く、より好ましくは
最大でも０．０１原子％が良い。

【００２８】一方、ウランのドープ率が低過ぎると、レ
ーザ光の所望の吸収を確保する必要から、過飽和吸収体
の厚さを厚くする必要が生じる。すると、過飽和吸収体
の厚さを厚くすることによる上記の問題（放熱性が低下
したりパルス幅を小さくできない等の問題）が生じる。
したがって、これらを考慮して、ウランのドープ率の下
限を決めるのが良い。

【００２９】また、中間膜の励起光に対する反射率は、
高ければ固体レーザ媒質の励起に寄与するが、固体レー
ザ媒質中の熱発生も増加し、然も、過飽和吸収体の飽和
が開始される励起光強度も下がらない。また、反射率が
低すぎると固体レーザ媒質の励起促進の効果が得られな
くなる。従って、該反射率はこれらを考慮してきめる。
少なくとも、後述の実験結果では、該反射率を最大でも
略５０％とするのが良いといえる。ここで、略とは５０
±５％程度であろうと考える。また、この反射率の下限
は例えば２０％より好ましくは３０％程度と考える。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
光パルス発生素子の実施の形態について説明する。な
お、説明に用いる各図はこの発明が理解できる程度に各
構成成分の寸法、形状および配置関係を概略的に示して
あるにすぎない。また、各図において同様の構成成分に
ついては同一の番号を付して示し、その重複する説明を
省略することもある。

【００３１】１．第１の実施の形態図１（Ａ）は、第１の実施の形態の光パルス発生素子３
０の構造を説明するための図である。この図１（Ａ）
は、この素子３０を光軸と直交する方向からみた側面図
である。

【００３２】この第１の実施の形態の光パルス発生素子
３０は、入力ミラー３１、ガラスレーザ媒質３３、中間
膜３５、過飽和吸収体３７および出力ミラー３９を、こ
の順に具える。さらに、この素子３０は、入力ミラー３
１に接する放熱部４１と、この放熱部４１の、入力ミラ
ー３１とは反対面に設けられた反射防止膜４３とを具え
る。以下、各構成成分３１〜４３についてそれぞれ説明
する。

【００３３】入力ミラー３１は、該素子３０に入力され
る励起光５０が励起光源（図示せず）側に反射されるこ
となくガラスレーザ媒質３３側に効率良く入力されるよ
うにする反射防止膜の機能と、ガラスレーザ媒質３３内
で生じたレーザ光をガラスレーザ媒質３３側に反射する
高反射膜の機能とを有する。この入力ミラー３１は、例
えば公知の誘電体多層膜で構成することができる。

【００３４】なお、この入力ミラー３１は、ガラスレー
ザ媒質３３の表面に直接形成しても良い。または、他の
好適な部材にこの入力ミラー３１を形成し、そしてこの
他の部材を、その入力ミラー３１形成面がガラスレーザ
媒質３３側になるようにガラスレーザ媒質３３に、例え
ば透明接着剤（使用する光に対し透明な接着剤。以下、
同様。）により接着しても良い。この第１の実施の形態
では、後者の例、すなわち、他の部材としての放熱部４
１（詳細は後述する）の一面に、この入力ミラー３１を
例えば真空成膜技術により形成し、そして、この放熱部
４１を、入力ミラー３１形成面がガラスレーザ媒質３３
側になるようにして、ガラスレーザ媒質３３に接着して
いる。

【００３５】なお、透明接着剤としては、例えばＬＥＮ
ＳＢＯＮＤ（商品名。米国SUMMERS LABORATORIES DIV
ISION ENS AQUISITION CORPORATION製）を挙げることが
できる。

【００３６】また、ガラスレーザ媒質３３は、典型的に
は、ガラスに希土類元素をドープした公知の媒質とす
る。ここでは、波長１．５μ帯の光を得たいことから、
Ｅｒ（エルビウム）イオンをドープしたガラスレーザ媒
質を用いる。特に、この実施の形態では、Ｅｒイオンお
よびＹｂ（イッテルビウム）イオンをドープしたガラス
レーザ媒質を用いる。このガラスレーザ媒質３３は、四
角板状、円板状など、任意の形状とすることができる。

【００３７】また、中間膜３５は、励起光５０の一部を
ガラスレーザ媒質３３側に反射し、残りを過飽和吸収体
３７側に透過させる膜である。この中間膜３５は例えば
公知の誘電体多層膜で構成することができる。

【００３８】なお、この中間膜３５は、ガラスレーザ媒
質３３上に、公知の成膜技術により形成するのが好まし
い。なぜなら、過飽和吸収体３７は薄いものとされるこ
とが多く、また、例えばフッ化カルシウムで過飽和吸収
体を構成した場合は、それ自体が比較的脆い。そのた
め、過飽和吸収体３７にこの中間膜３５を形成するよ
り、ガラスレーザ媒質３３に中間膜３５を形成する方
が、中間膜３５の形成は容易と考えられるからである。

【００３９】また、過飽和吸収体３７は、過飽和吸収現
象を示す任意好適な材料により構成することができる。
例えば、ウランをドープしたフッ化カルシウム、或は、
フタロシアニン類等の有機色素は、過飽和吸収体の構成
材料の好適例として挙げることができる。

【００４０】なお、この過飽和吸収体３７を例えばウラ
ンドープのフッ化カルシウムで構成する場合は、ウラン
ドープのフッ化カルシウム結晶を所定形状及び厚さに加
工し、該加工の済んだ試料をガラスレーザ媒質３３の中
間膜３５を設けた面に、透明接着剤を用いて接着する。
また、過飽和吸収体３７を例えば有機色素で構成する場
合は、中間膜３５上に蒸着法等の任意好適な成膜方法で
有機色素を成膜して、これを過飽和吸収体３７とするこ
とも出来る。

【００４１】また、出力ミラー３９は、ガラスレーザ媒
質３３で生じるレーザ光の一部を外部に出力でき、残り
をガラスレーザ媒質３３側に反射するミラーである。こ
の出力ミラー３９は、例えば公知の誘電体多層膜で構成
することができる。

【００４２】なお、この出力ミラー３９は、過飽和吸収
体３７の表面に形成しても良い。または、他の好適な部
材に出力ミラー３９を形成し、そしてこの部材を、その
出力ミラー３９形成面が過飽和吸収体３７に接するよう
にして、過飽和吸収体３７に接着するようにしても良
い。

【００４３】ただし、過飽和吸収体３７として例えばウ
ランをドープしたフッ化カルシウムを用いる場合、これ
自体が脆く、また、これ自体が薄くされるので、過飽和
吸収体３７自体に出力ミラー３９を形成しない方が好ま
しい。

【００４４】そのような場合は、他の部材に出力ミラー
３９を形成し、この他の部材を、その出力ミラー３９形
成面が過飽和吸収体３７に接するようにして、透明接着
剤等で過飽和吸収体３７に接着するのが良い。

【００４５】後に図１（Ｂ）を参照して説明する実施の
形態の場合は、他の部材として第２の放熱部４５を用意
し、この部材に出力ミラー３９を形成する。そして、こ
の第２の放熱部４５を、その出力ミラー３９形成面が過
飽和吸収体３７に接するようにして、過飽和吸収体３７
に透明接着剤で接着した例を示している。

【００４６】また、放熱部４１は、当該光パルス発生素
子３０で生じる熱を放熱する。この放熱部４１は、使用
する光に透明でかつ熱伝導率が高い任意好適な材料で構
成する。例えばサファイア基板は放熱部４１の構成材料
の１例として挙げられる。

【００４７】また、反射防止膜４３は、励起光５０が放
熱部４１の表面で反射されるのを防止して、該励起光５
０が効率良く素子３０に入力されるようにする。この反
射防止膜４３は、例えば公知の誘電体多層膜により構成
することができる。

【００４８】この第１の実施の形態の光パルス発生素子
３０の動作原理は、従来の光パルス発生素子と同様であ
る。しかし、固体レーザ媒質として所定のガラスレーザ
媒質またはＹＬＦ結晶を用い、かつ、この固体レーザ媒
質と過飽和吸収体との間に所定の中間膜を具えたので、
この光パルス発生素子３０は、１．５μｍ帯の光パルス
を直接、かつ、従来にない高強度で発生する素子になる
（詳細は後の実施例参照）。

【００４９】２．第２の実施の形態上述の第１の実施の形態では光パルス発生素子３０の入
力ミラー３１側のみに放熱部４１を設ける例を説明し
た。しかし、より高い放熱効果を得るために、光パルス
発生素子の両側に放熱部を設けても良い。この第２の実
施の形態はその例である。

【００５０】この第２の実施の形態の光パルス発生素子
３０ａは、第２の放熱部４５を、出力ミラー３９に接す
るように具えている。この第２の放熱部４５は、使用す
る光に透明でかつ熱伝導率の高い材料で構成する。例え
ばサファイア基板は、この第２の放熱部４５を構成する
材料の１例として挙げられる。

【００５１】この第２の実施の形態の光パルス発生素子
３０ａも、第１の実施の形態の光パルス発生素子３０と
同様に、１．５μｍ帯の光パルスを直接、かつ、従来に
ない高強度で発生する素子になる（詳細は後の実施例参
照）。

【００５２】３．第３の実施の形態第３の実施の形態として、この発明に係る光パルス発生
素子の利用例を説明する。

【００５３】この発明の光パルス発生素子は、後述する
実施例の結果からも明らかなように、波長１．５μｍ帯
の光パルスで然も高出力かつタイムジッタの小さい光パ
ルスを発生する。すなわち、石英光ファイバに入力して
も損失が小さく然も高出力かつタイムジッタの小さい光
パルスを発生する。

【００５４】従って、この発明の光パルス発生素子は、
例えば、光ファイバの途中に欠陥があるか否かを検査す
るいわゆるＯＴＤＲ（オプティカルタイムドメイン
リフレクトメトリ）を実施する光源として用いること
ができる。簡単に説明すれば次の通りである。

【００５５】この発明の光パルス発生素子から発生され
る光パルスを、検査対象の光ファイバに入力する。この
光ファイバの途中に欠陥がある場合、前記入力された光
パルスは該欠陥にて反射されて戻ってくる。光パルスが
戻ってくるか否かを監視しておき、光パルスが戻ってき
た場合はこの検査対象の光ファイバに欠陥が存在すると
判断出来る。然も、光パルスが戻ってきた場合は、その
光パルスが入力された時から戻ってきた時までの時間か
ら、欠陥の存在する位置を推定することができる。

【００５６】もちろん、この発明の光パルス発生素子の
用途は上記例に限られず、光通信分野や光計測分野等の
種々の分野で利用することができる。

【００５７】

【実施例】以下、この発明の光パルス発生素子の理解を
深めるために、いくつかの実施例および比較例を説明す
る。

【００５８】先ず、実験に用いた系（実験系）について
説明する。図２は、この実験系の構成を示した図であ
る。

【００５９】この実験系は、励起光光源６１、集光光学
系６３、第２の実施の形態に係る光パルス発生素子３０
ａおよび光パルス測定装置６５を、励起光の光軸に沿っ
て、この順に具える。

【００６０】ただし、光パルス発生素子３０ａの放熱部
４５の外部側の面に、波長１．５４μｍ光を外部に効率
良く出力するために、反射防止膜６７を設けている。

【００６１】また、この実施例では、励起光を波長９８
０ｎｍの光とする。また、ガラスレーザ媒質３３として
エルビウムおよびイッテルビウムを含むガラスレーザ媒
質を用いる。

【００６２】また、励起光を得るための励起光光源６１
として、オプトパワー社製のＯＰＣ−Ａ００１−９８０
−ＦＣ／１００を用いる。この光源６１は、波長９８０
ｎｍでかつ約１００μｍのビーム径の光を発生する。

【００６３】また、集光光学系６３は、励起光光源６１
から発生された励起光を、光パルス発生素子３０ａのガ
ラスレーザ媒質３３の一部分に選択的に入力するため設
ける。この集光光学系６３の構成は、特に限定されな
い。

【００６４】また、用いる光パルス発生素子３０ａは次
の様な構成のものとする。

【００６５】放熱部４１をサファイア基板で構成する。
そしてこのサファイア基板４１の一方の面に入力ミラー
３１を形成し、他方の面に反射防止膜４３を形成する。

【００６６】ただし、入力ミラー３１は、波長９８０ｎ
ｍ光に対し反射防止膜として機能し、波長１．５４μｍ
光に対し高反射膜として機能する誘電体多層膜とする。

【００６７】また、ガラスレーザ媒質３３として、エル
ビウムおよびイッテルビウムを含むカイガー社（米国、
ＫＩＧＲＥＩｎｃ）製のＱＸ／ＥＲ（商品名）と称さ
れるガラスレーザ媒質を用いる。ただし、厚さを１ｍｍ
とする。なお、ＱＸ／ＥＲは、エルビウムを酸化物換算
で０．４８重量％含むガラスレーザ媒質である。

【００６８】また、中間膜３５は、波長１．５４μｍ光
に対し反射防止膜として機能し、波長９８０ｎｍ光に対
し部分反射膜として機能する誘電体多層膜とする。ここ
では、波長１．５４μｍ光に対し５０％の反射率を持つ
反射膜としている。この中間膜３５を、ガラスレーザ媒
質３３上に形成する。

【００６９】また、過飽和吸収体３７は、厚さが２００
μｍで、かつ、ウランを０．０１原子％含むフッ化カル
シウム板とする。この過飽和吸収体３７は、スペクトラ
ゲン社（米国、ＳＰＥＣＴＲＡＧＥＮＩｎｃ）から入
手したウランドープのフッ化カルシウム結晶を研磨加工
することで用意する。

【００７０】また、出力ミラー３９は、波長１．５４μ
ｍ光を９７％反射する誘電体多層膜とする。ただし、こ
の出力ミラー３９を、放熱部４５の一方の面上に形成す
る。また、放熱部４５の他方の面に、波長１．５４μｍ
光を外部に効率良く出力する反射防止膜６７を形成す
る。

【００７１】そして、入力ミラー３１および反射防止膜
４３を具えた放熱部４１と、ガラスレーザ媒質３３と、
過飽和吸収体３７と、出力ミラー３９および反射防止膜
６７を具えた放熱部４５とを、透明接着剤により図２の
ごとく接着する。

【００７２】このような光パルス発生素子３０ａに、波
長９８０ｎｍの励起光を入力する。ただし、励起光の照
射条件等は、以下の通りとする。

【００７３】励起光中心波長は９８０ｎｍとする。励起
光波長幅は約２ｎｍとする。励起光照射直径は約１２０
μｍとする。励起光照射開口数（照射ＮＡ）は約０．１
〜０．１２とする。励起光照射トータルパワーは約３５
０ｍＷとする。

【００７４】その結果、この光パルス発生素子３０ａ
は、繰り返し周波数が約１０ＫＨｚで、パルス幅（半値
幅（FWHM））が２０ｎｓｅｃ以下で、かつ、ピークパワ
ーが１００Ｗを越える光パルスを発した。光パルス測定
装置の表示部に出力された光パルスを模写した図を、図
３に示した。なお、図３は、縦軸に光強度をとり、横軸
に時間をとって示してある。

【００７５】また、上記発生された光パルスの繰り返し
周波数は、１０ＫＨｚ±５０Ｈｚ以下と安定であった。
従って、タイムジッタが０．５％以下と少ない光パルス
発生素子を実現できることが分かる。

【００７６】また、ピークパワーが１００Ｗ以上、か
つ、横モード縦モード共に単一な光を発することから、
ブライトネスの点で従来にない高出力な光パルス発生素
子を実現できることが分かる。

【００７７】また、上記実験とは別に、ウランのドープ
率が、０．０１原子％、０．０３原子％および０．０５
原子％のフッ化カルシウム結晶（スペクトラゲン社製）
をそれぞれ用意する。そして、これら結晶それぞれを、
厚さ１００μｍ、２００μｍ、４００μｍおよび１００
０μｍ（＝１ｍｍ）にそれぞれ研磨する。すなわち、ド
ープ率が３種類、かつ、厚さが４種類の、合計１２種類
の過飽和吸収体を用意する。

【００７８】次に、これら１２種類の過飽和吸収体を用
いてそれぞれ光パルス発生素子を図１（Ｂ）を用いて説
明したと同様に作製する。そして、上述の実施例と同様
に光パルス発生実験を行なう。

【００７９】この結果、厚さが１００μｍで、かつ、ウ
ランのドープ率が０．０１原子％のフッ化カルシウムで
過飽和吸収体を構成した光パルス発生素子が、上記の実
施例の素子（厚さが２００μｍかつウランドープ率が
０．０１原子％の場合の素子）と同様な光パルスを発
し、それ以外の場合は光パルスを発しないことが分かっ
た。

【００８０】この結果からして、過飽和吸収体をウラン
ドープのフッ化カルシウムで構成する場合は、その厚さ
は３０μｍ〜１ｍｍが良く、さらに好ましくは５０〜２
００μｍが良いと考えられる。、また、ウランのドープ
率は最大０．０３原子％が良き、さらに好ましくは０．
０１原子％が良いと考えられる。

【００８１】次に、光パルスを発生した実施例の素子、
すなわち、中間膜の励起光に対する反射率を５０％と
し、過飽和吸収体を、厚さが１００μｍかつウランドー
プ率が０．０１原子％のフッ化カルシウム結晶で構成し
た光パルス発生素子（以下、実施例１の素子）と、過飽
和吸収体の厚さを２００μｍとしたこと以外は実施例１
の素子と同様な構成の光パルス発生素子（以下、実施例
２の素子）とについて、励起光入力パワーと素子から出
力される光パルスのピークパワーとの関係を調べる。す
なわち、図２の測定系で、励起光パワーを種々の強度に
して、そのときの出力パルスピークパワーをそれぞれ測
定する。

【００８２】また、この測定を以下のような比較例１〜
比較例３の各素子に対してもそれぞれ行う。

【００８３】（比較例１の素子）励起光に対する反射率
が実効的に無い状態（ここでは反射率が５％以下）の膜
を中間膜３５として具えたこと以外は実施例１の素子と
同様な構成の光パルス発生素子（比較例１の素子）を用
意する。

【００８４】（比較例２の素子）励起光に対する反射率
が実効的に無い状態（ここでは反射率が５％以下）の膜
を中間膜３５として具えたこと以外は実施例２の素子と
同様な構成の光パルス発生素子（比較例２の素子）を用
意する。

【００８５】（比較例３の素子）励起光に対する反射率
がなるべく高い状態（ここでは反射率が９５％）の膜を
中間膜３５として具えたこと以外は実施例１の素子と同
様な構成の光パルス発生素子（比較例３の素子）を用意
する。

【００８６】（比較例４の素子）励起光に対する反射率
がなるべく高い状態（ここでは反射率が９５％）の膜を
中間膜３５として具えたこと以外は実施例２の素子と同
様な構成の光パルス発生素子（比較例４の素子）を用意
する。

【００８７】これら実施例１〜比較例４の各素子の、励
起光入力パワーと素子からの出力パルスピークパワーと
の関係を図４に示した。ただし、比較例４の素子はＱス
イッチ発振しなかったので図４には特性は掲載していな
い。また、図４では、横軸に励起光の入力パワー（ｍ
Ｗ）をとり、縦軸に出力パルスピークパワー（Ｗ）をと
ってある。

【００８８】実施例１、実施例２の各素子の、発振を開
始させる励起光強度（発振のスレッショルド）は、２３
０ｍＷ程度である。また、実施例１、実施例２の各素子
は、励起光強度の増加に伴い出力光強度も急激に増加
し、そしてピーク値をすぎた後に発振が停止する。発振
が停止する理由は、熱破壊の前兆として素子で生じるレ
ンズ効果による。出力光のピーク値は、実施例１の素子
では８４Ｗ程度、実施例２の素子では１０４Ｗ程度であ
る。また、発振が停止する励起光強度は、実施例１の素
子では３８０ｍＷ程度、実施例２の素子では３７０ｍＷ
程度である。また、発振可能な励起光強度範囲は、実施
例１の素子では約２３０〜３８０ｍＷであり、実施例２
の素子では約２４０〜３７０ｍＷである。

【００８９】一方、比較例１の素子は、発振のスレッシ
ョルドが約２６０ｍＷであり、実施例に比べて若干高
い。また、比較例１の素子では励起光強度を増加して
も、出力光強度の増加は実施例に対し１／５程度でしか
ない。また、出力光強度のピーク値も１８Ｗ程度であ
り、実施例に比べて１／５程度である。発振が可能な範
囲は、約２６０〜３９０ｍＷである。

【００９０】また、比較例２の素子は、発振のスレッシ
ョルドが約３００ｍＷであり、実施例に比べてかなり高
い。また、比較例２の素子では励起光強度を増加して
も、出力光強度の増加は実施例に対し１／５程度でしか
ない。また、出力光強度のピーク値も１９Ｗ程度であ
り、実施例に比べて１／５程度である。発振が可能な範
囲は、約３００〜３８０ｍＷである。

【００９１】また、比較例３の素子は、発振のスレッシ
ョルドが約２５０ｍＷであり、実施例に比べて若干高
い。また、比較例３の素子では励起光強度を増加して
も、出力光強度の増加は実施例に対し４０％程度でしか
ない。出力光強度のピーク値は約１３０Ｗと実施例に比
べて高いが、発振が可能な範囲は、約２５０〜２９０ｍ
Ｗであり実施例の１／３程度しかない。

【００９２】また、比較例４の素子は、Ｑスイッチ発振
が起きなかった。これは、過飽和吸収体が飽和すること
ができないためである。

【００９３】これら実施例１〜比較例４の説明から明ら
かなように、中間膜の反射率が非常に低い場合と、非常
に高い場合は、安定かつ高いピークパワーでＱスイッチ
発振を行える光パルス発生素子を実現できないことが分
かる。換言すれば、中間膜の励起光に対する反射率Ｒの
好適値は５％＜Ｒ＜９５％の範囲にあるといえる。この
ように好適化を図ることにより、ピークパワーが高く、
安定性に優れた光パルス発生素子が得られることが分か
る。発明者の考察では、中間膜３５として、励起光を２
０〜７０％程度、より好ましくは３０〜６０％程度、さ
らに好ましくは４５〜５５％程度反射し、残りを透過す
るような膜を用いるのが良いと考える。

【００９４】次に、ウランドープのフッ化カルシウム結
晶の、透過率特性について説明する。

【００９５】図５は、ウラン濃度が０．０１原子％、
０．０３原子％、０．０５原子％のフッ化カルシウム結
晶それぞれの、分光透過率特性の測定結果を示した図で
ある。横軸に波長（ｎｍ）をとり縦軸に透過率（％）を
とって示してある。なお、いずれのフッ化カルシウム
も、スペクトラゲン社製のものを用いた。

【００９６】この分光透過率特性において留意すべき特
性は、ウラン濃度にかかわらず、励起光波長である９８
０ｎｍ付近での透過率と、発振波長である１５４０ｎｍ
付近での透過率とが、同程度である点である。これは、
ウランドープのフッ化カルシウム結晶では、励起光によ
っても、過飽和吸収が促進されることを意味する。従っ
て、過飽和吸収体が飽和し易くなるので、レーザ発振が
起こる励起強度の最低要求値が引き下げられる。その結
果、光パルスを効率良く然も安定に発生する光パルス発
生素子が実現されると考えられる。

【００９７】上述においては、この発明の光パルス発生
素子の実施の形態および実施例について説明したが、こ
の発明は上述の各実施の形態および実施例に何ら限定さ
れるものではなく、多くの変形又は変更を行うことがで
きる。

【００９８】例えば、上述においては固体レーザ媒質と
してエルビウムおよびイッテルビウムを含むレーザ媒質
を用いる例を説明した。しかし、固体レーザ媒質とし
て、Ｙｂ（イッテルビウム）イオンおよびＴｍ（ツリウ
ム）イオンをドープしたＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄）結晶を用
いた場合にも、中間膜の作用・効果が得られる。

【００９９】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光パルス発生素子によれば、入力ミラー、固体レ
ーザ媒質、過飽和吸収体および出力ミラーをこの順に具
え、前記入力ミラー側から励起光が照射されて使用され
る光パルス発生素子において、前記固体レーザ媒質とし
て所定のガラスレーザ媒質又は所定のＹＬＦ結晶を具
え、然も、該固体レーザ媒質と前記過飽和吸収体との間
に、前記励起光の一部を該固体レーザ媒質側に反射し残
りを過飽和吸収体側に透過させる中間膜を具える。

【０１００】そのため、固体レーザ媒質および過飽和吸
収体を用いた光パルス発生素子であって、波長１．５μ
ｍ帯の光パルスを直接発振できる光パルス発生素子を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）図は第１の実施の形態の光パルス発生素
子を説明する側面図、（Ｂ）図は第２の実施の形態の光
パルス発生素子を説明する側面図である。

【図２】実施例で用いた実験系の説明図である。

【図３】実施例で観測された光パルスの一例を模写した
図である。

【図４】中間膜の反射率を違えた場合の素子毎の励起光
強度と出力パルスピークパワーとの関係を示した図であ
る。

【図５】ウランドープのフッ化カルシウム結晶の分光透
過率特性を示した図である。

【図６】従来の光パルス発生素子を説明する図である。

【符号の説明】

３０：第１の実施の形態の光パルス発生素子３０ａ：第２の実施の形態の光パルス発生素子３１：入力ミラー３３：ガラスレーザ媒質３５：中間膜３７：過飽和吸収体３９：出力ミラー４１：放熱部４３：反射防止膜４５：放熱部（第２の放熱部）５０：励起光６１：励起光光源６３：集光光学系６５：光パルス測定装置６７：反射防止膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中佑一東京都杉並区和田１丁目13番23号株式会社応用光電研究室内 (72)発明者小林喬郎福井県福井市文京７丁目６番13号608

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力ミラー、固体レーザ媒質、過飽和吸
収体および出力ミラーをこの順に具え、前記入力ミラー
側から励起光が照射されて使用される光パルス発生素子
において、前記固体レーザ媒質として、Ｅｒ（エルビウム）イオン
をドープしたガラスレーザ媒質、又は、Ｙｂ（イッテル
ビウム）イオンおよびＴｍ（ツリウム）イオンをドープ
したＹＬＦ（ＹＬｉＦ₄）結晶を具え、該固体レーザ媒質と前記過飽和吸収体との間に、前記励
起光の一部を該固体レーザ媒質側に反射し、残りを前記
過飽和吸収体側に透過させる中間膜を具えたことを特徴
とする光パルス発生素子。
【請求項２】請求項１に記載の光パルス発生素子にお
いて、前記過飽和吸収体を、ウランをドープしたフッ化カルシ
ウム結晶としたことを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項３】請求項１に記載の光パルス発生素子にお
いて、前記中間膜の前記励起光に対する反射率Ｒを、５％＜Ｒ
＜９５％の範囲としたことを特徴とする光パルス発生素
子。
【請求項４】請求項１に記載の光パルス発生素子にお
いて、前記中間膜の前記励起光に対する反射率を、略５０％と
したことを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項５】請求項１に記載の光パルス発生素子にお
いて、前記過飽和吸収体の光軸方向の厚さを、３０μｍ〜１ｍ
ｍとしたことを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項６】請求項２に記載の光パルス発生素子にお
いて、前記ウランのドープ率を、最大でも０．０３原子％とし
たことを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項７】請求項１に記載の光パルス発生素子にお
いて、少なくとも前記入力ミラー側に当該光パルス発生素子で
生じる熱を放熱するための放熱部を具えたことを特徴と
する光パルス発生素子。