(57)【要約】  パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を提供すること。  共振器を形成する二つの反射要素と、二つの反射要素間に配置された固体利得媒質と、二つの反射要素間に配置された可飽和吸収体と固体利得媒質を励起する励起手段と、固体利得媒質の誘導放出断面積及び可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、断面積制御手段は、固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする。
2012160801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器を形成する複数の反射要素と、
前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、
前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、
前記固体利得媒質を励起する励起手段と、
前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、
を有し、
前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項２】
前記所定の温度は室温以上である請求項１に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含む請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項４】
前記発振波長制御手段は、体積ブラッグ格子である請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項５】
前記固体利得媒質は、Ｎｄ：希土類バナデート単結晶を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項６】
前記高熱伝導率媒質はＳｉＣである請求項３〜５のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項７】
前記Ｎｄ：希土類バナデートは、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項５に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項８】
前記可飽和吸収体は、４価のＣｒをドープした単結晶を含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項９】
前記４価のＣｒをドープした単結晶は、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶である請求項８に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高ピークパワーパルスレーザを出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
短パルスレーザを生成する技術にはモードロック技術とＱスイッチ技術がある。モードロック技術は、共振器の間隔で定まる縦モードを例えば電気光学変調素子で変調することでロックするものである。モードロック技術は、主にファイバレーザに適用され、モードロックファイバレーザ装置からはパルス時間幅が短い高繰り返し周波数のパルスレーザが得られやすい。しかし、得られるパルスレーザのパルスエネルギが小さいので、分光計測、材料処理、波長変換等に応用するためには、該パルスレーザを増幅する必要がある。【０００３】
一方、Ｑスイッチ技術は、利得媒質が励起されている間、共振器の損失を大きくしてＱ値を下げておいて発振を抑えておき、急に損失を小さくしてＱ値を上げて発振させるものである。Ｑスイッチ技術は、主に固体レーザに適用され、Ｑスイッチ型固体レーザ装置からはパルスエネルギが大きい低繰り返し周波数のパルスレーザが得られやすい。【０００４】
Ｑスイッチ型固体レーザ装置には電気光学変調素子のような能動素子でＱ値を変える能動型Ｑスイッチレーザ装置と、可飽和吸収体のような受動素子でＱ値を変える受動型Ｑスイッチレーザ装置とがある。【０００５】
能動型Ｑスイッチレーザ装置は能動素子が大きいために共振器間隔を短くできず、パルスの時間幅を短くできない。また、能動型Ｑスイッチレーザ装置は能動素子を駆動するために高電圧を必要とするという問題も有していた。【０００６】
受動型Ｑスイッチレーザ装置は上記能動型Ｑスイッチレーザ装置の問題を解消できることから、最近研究開発が盛んに行われている。【０００７】
John J. Zayhowski は、Ｃｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）にＮｄ３+：ＹＡＧ（利得媒質）を拡散接合し、それを共振器ミラーでサンドイッチした受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献１参照。）。【０００８】
このJohn J. Zayhowskiの装置では、共振器長を短くすることでピークパワーが高められており、最大繰り返し周波数７０ｋHｚで、パルス時間幅２１８ｐｓ、パルスエネルギ４μＪ（ピークパワー１８ｋＷ）が達成されている。【０００９】
Yingxin Bai 等は、Ｎｄ３+：ＹＶＯ４（利得媒質）とＣｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）を用いた受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献２参照。）。【００１０】
このYingxin Bai 等の装置では、利得媒質のビーム径を可飽和吸収体の有効ビーム径より大きくすることでパルス時間幅２８ｎｓ、パルスエネルギ２０μＪ（ピークパワー０．７ｋＷ）が達成されている。なお、この場合は励起手段に擬似CW専用のレーザダイオード（LD）を用いていることから、繰り返し周波数は数１０Hzから最大でも１００Hz程度に制限される。【００１１】
H. Sakai等は、Ｎｄ３+：ＹＡＧ（利得媒質）とＣｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）を用いた受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献３参照。）。
H. Sakai等の装置では、利得媒質をマイクロチップ化することで共振器長を短くしてピークパワーが高められており、パルス時間幅５８０ｐｓ、パルスエネルギ０．６９ｍＪ（ピークパワー１．２ＭＷ）が達成されている。なお、この場合は、熱問題を低減するため最大でも繰り返し周波数が１００Hzに抑えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】John J. Zayhowski, “ Microchip Lasers “ Optical Materials, 11, 1999,PP256-267
【非特許文献２】Yingxin Bai, et al., “Passively Q-switched Nd:YVO4 laser with a Cr4+:YAGcrystal saturable absorber “ Applied Optics, Vol.36,No.12,20 April 1997,pp2468-2472
【非特許文献３】H. Sakai, et al., “>1MW peak power single-mode high-brightnessQ-switched Nd3+:YAG microchip laser “ Optics Express Vol.16,No.24,24November 2008, pp19891-19899
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
分光計測、材料処理、波長変換等に応用するためには、kHzを越えるような高繰り返し周波数でパルスエネルギが大きく、パルス時間幅が小さい高ピークパワーパルスレーザを発生する装置が望まれる。しかし、上記従来の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置では、高繰り返し特性を維持しながら高ピークパワーを達成することは困難であった。【００１４】
本発明は、上記従来の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の問題に鑑みてなされたものであり、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを高繰り返しで出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するためになされた本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、共振器を形成する複数の反射要素と、前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、  前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、前記固体利得媒質を励起する励起手段と、前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする。【００１６】
固体利得媒質の誘導放出断面積が可飽和吸収体の吸収断面積に近いので、誘導放出光による可飽和吸収体のブリーチが高速かつ効率よく行われる。その結果、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを発生することができる。【００１７】
また、前記所定の温度は室温以上であるとよい。【００１８】
固体利得媒質を室温以下の低温に保持する場合に比べ、結露の問題がなくなり且つ温度制御手段の冷却能が低くてよい。【００１９】
また、前記温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含むとよい。【００２０】
固体利得媒質を高熱伝導率媒質でサンドイッチすると固体熱伝導を利用して固体利得媒質の面内温度分布を均一にすることできる。その結果、高パワーのＣＷ励起光で励起することができ、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを高繰り返しで出力することができる。【００２１】
また、前記発振波長制御手段は、体積ブラッグ格子であるとよい。【００２２】
発振波長のバンド幅を狭くすることができる。【００２３】
また、前記固体利得媒質は、Ｎｄ：希土類バナデート単結晶を含むとよい。【００２４】
Ｎｄ：希土類バナデート単結晶は、吸収係数及び利得断面積が大きいので、大きなパルスエネルギを取り出すことができる。さらに希土類バナデートの励起波長が近赤外にあるので、励起光源にレーザ・ダイオード・バーを用いることができる。その結果、装置の小型化を図ることができる。【００２５】
また、前記高熱伝導率媒質はＳｉＣであるとよい。【００２６】
ＳｉＣは、希土類バナデートの励起波長に透明であるので、利得媒質をサンドイッチしてエンドポンピング（端面励起）することができる。【００２７】
また、前記Ｎｄ：希土類バナデートは、Ｎｄ：ＹＶＯ４であるとよい。【００２８】
Ｎｄ：ＹＶＯ４は他のＮｄ：希土類バナデートより吸収係数及び利得断面積が大きいので、一層大きなパルスエネルギを取り出すことができる。【００２９】
また、前記可飽和吸収体は、４価のＣｒをドープした単結晶を含むとよい。【００３０】
４価のＣｒをドープした単結晶は、色素やＬｉ：Ｆ２結晶に比べ化学的及び熱的に安定で、ドーピング密度が高い。【００３１】
また、前記４価のＣｒをドープした単結晶は、Ｃｒ４+：ＹＡＧであるとよい。【００３２】
Ｃｒ４+：ＹＡＧは偏光依存吸収特性を示すので、偏光素子なしで偏光したレーザが出力される。
【発明の効果】
【００３３】
固体利得媒質の誘導放出断面積が可飽和吸収体の吸収断面積に近いので、誘導放出光による可飽和吸収体のブリーチが高速かつ効率よく行われる。その結果、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態１に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。
【図２】パルス時間幅とパルスエネルギの温度依存性を示すグラフである。
【図３】温度をパラメータとした蛍光スペクトルを示すグラフである。
【図４】図３から求めた蛍光のピークと温度との関係を示すグラフである。
【図５】図３から求めた蛍光ピーク波長と温度との関係を示すグラフである。
【図６】パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性の実測値と計算値との比較を示すグラフである。
【図７】発振波長を選定して大きすぎる誘導放出断面積σｅを吸収断面積σａに近づけることを説明する模式図である。
【図８】実施形態２に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。
【図９】実施形態３に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。
【図１０】ＳｉＣの近赤外域における透過スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（実施形態１）
実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、図１に示すように、共振器を形成する二つの反射要素１ａ、１ｂと、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された固体利得媒質２と、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された可飽和吸収体３と、固体利得媒質２を励起する励起手段４と、固体利得媒質２の誘導放出断面積及び可飽和吸収体３の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段５とを備えている。
【００３６】
固体利得媒質２は、希土類バナデートにＮｄをドープしたＮｄ：希土類バナデート単結晶が好ましい。なお、Ｎｄ：希土類バナデートとしては、Ｎｄ：ＳｃＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＬａＶＯ４、Ｎｄ：ＣｅＶＯ４、Ｎｄ：ＰｒＶＯ４、Ｎｄ：ＮｄＶＯ４、Ｎｄ：ＰｍＶＯ４、Ｎｄ：ＳｍＶＯ４、Ｎｄ：ＥｕＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＴｂＶＯ４、Ｎｄ：ＤｙＶＯ４、Ｎｄ：ＨｏＶＯ４、Ｎｄ：ＥｒＶＯ４、Ｎｄ：ＴｍＶＯ４、Ｎｄ：ＹｂＶＯ４、Ｎｄ：ＬｕＶＯ４が上げられる。このうち、現在までにレーザ作用が確認されているのはＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＰｒＶＯ４、Ｎｄ：ＮｄＶＯ４、Ｎｄ：ＨｏＶＯ４、Ｎｄ：ＥｒＶＯ４、Ｎｄ：ＴｍＶＯ４、Ｎｄ：ＹｂＶＯ４である。
【００３７】
Ｎｄ：希土類バナデート単結晶は、吸収係数及び利得断面積が大きいので、大きなパルスエネルギを取り出すことができる。さらに希土類バナデートの励起波長が近赤外にあるので、励起光源にレーザ・ダイオード・バーを用いることができる。その結果、装置の小型化を図ることができる。
【００３８】
本実施形態では固体利得媒質２としてＮｄ：ＹＶＯ４単結晶を用いた。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、他のＮｄ：希土類バナデートより吸収係数及び利得断面積が大きいので、一層大きなパルスエネルギを取り出すことができる。
【００３９】
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２は、Ｎｄを１原子％ドープしたａ−カットの結晶で、厚さ１ｍｍ、一辺７ｍｍの矩形板である。
【００４０】
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の一方の面には発振波長λｅｍ（〜１０６４ｎｍ）の光に対して高反射率（反射率；Ｒ＞９９％）の膜が形成されており、この膜が共振器を形成する反射要素１ａである。なお、反射要素１ａは、後述する励起光を透過しやすくするため、励起光波長の光に対して高透過率（透過率；Ｔ＞９７％）を有している。
【００４１】
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の他方の面には発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜１ｃ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。
【００４２】
出力取り出し用の反射要素１ｂは、基板に形成された膜で、その膜は発振波長λｅｍの光に対して８０％の反射率（透過率Ｔ＝２０％）を有している。
【００４３】
可飽和吸収体３としては、固体可飽和吸収体、半導体可飽和吸収体、色素可飽和吸収体等いずれも用いることができるが、４価のＣｒをドープした単結晶が好ましい。
【００４４】
４価のＣｒをドープした単結晶は、色素やＬｉ：Ｆ２結晶に比べ、化学的及び熱的に安定で、ドーピング密度を高くすることができる。
【００４５】
本実施形態では固体利得媒質２としてNd:YVO4を採用しているため、利得の異方性により偏光素子なしで直線偏光したレーザが出力される。
【００４６】
Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶３の両面には、発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜３ａ、３ｂ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されており、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶３の発振波長λｅｍの光に対する初期透過率は７０％である。
【００４７】
励起手段４としては、Ｋｒアークランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等、いずれも用いることができるが、ＬＤが好ましい。
【００４８】
ＬＤは、Ｋｒアークランプ、ＬＥＤに比べ、利得媒質２の吸収波長にマッチした波長のコヒーレントな光を出すことができる。励起光が利得媒質２の吸収波長にマッチすることで、レーザ発振効率（出力パワー／入力パワー）を高くすることができる。励起光がコヒーレントであると、簡単な光学系で効率よく励起光を利得媒質２に照射することができる。
【００４９】
本実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の吸収波長にマッチするように、８０８ｎｍ（約879nm、888nmなどのレーザ上準位直接励起を可能とする波長での励起も好ましい）の疑似ＣＷ動作可能なＣＷレーザ光（繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルス時間幅１５０μｓ、平均パワー２０Ｗ）を出力するファイバ結合型ＬＤ（ドイツ、Jenoptik JOLD-120-QPXF-2P）を用いた。
【００５０】
断面積制御手段５は、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。温度制御手段は、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５ａとジャケット５ａ内に一定の温度の溶媒を供給する冷熱源５ｂとを備えている。固体利得媒質２の周縁部がジャケット内を循環する溶媒に浸漬配置されている。
【００５１】
利得媒質の誘導放出断面積は、励起状態の原子数に比例する。励起状態の原子数は、温度が上昇すると減少するので、レーザ発振させるためには通常できるだけ利得媒質の温度を下げる。
【００５２】
ところで、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の誘導放出断面積σｅは、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶（可飽和吸収体）３の吸収断面積σaに比べ相対的に大きすぎる。そこで、本発明に係る実施形態１の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置においては、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度を上げてσｅを下げてσａに近づけている。
【００５３】
具体的には、温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を３０℃に保持した。なお、もっと強励起する場合は励起光とレーザ発振光間の量子欠損による発熱が大きく、レーザ媒質面内温度分布の均一性保持が困難になるため、熱伝導率の高い透明材料、例えばSiCをレーザ媒質断面に片方、または両方接合し、高出力動作での温度制御を図る必要がある（実施形態３参照。）。
【００５４】
上記構成の本発明に係る実施形態１の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置からピークパワー０．５ＭＷ（パルスエネルギ３３０μＪ、パルス時間幅８００ｐｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚのジャイアントパルスが得られた。
【００５５】
次に本発明を創出するに至った実験結果及び理論モデルを説明する。実験は図１に示す本実施形態の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置を使って行われた。実験では、温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を様々な温度に保持し、パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性が調べられた。
【００５６】
図２が得られたパルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性を示すグラフである。横軸がＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度、縦軸がパルスエネルギとパルス時間幅であり、曲線（イ）がパルスエネルギ、曲線（ロ）がパルス時間幅である。
【００５７】
図２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度を１６℃から３０℃に加熱すると、パルスエネルギが２μＪから１２μＪに、パルス時間幅が８０ｎｓから１０ｎｓに変化することを示している。図２から温度を１４℃高くすると、パルスエネルギが６倍高められ、パルス時間幅が８倍減少することがわかる。したがって、温度を１４℃高くすると、ピークパワーが４８倍高められることがわかる。
【００５８】
次に、上記図２の結果がもたらされるメカニズムを解明するために、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の蛍光スペクトルの温度依存性が調べられた。
【００５９】
図３が温度をパラメータとする蛍光スペクトルで、横軸が波長、縦軸が蛍光強度である。図４は、図３におけるピーク値と温度との関係を示すグラフであり、図５は、図３における中心波長と温度との関係を示すグラフである。
【００６０】
図３〜図５から、蛍光のピークと中心波長のシフト量が温度と線形関係にあることがわかる。このことは、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の誘導放出断面積σｅが蛍光のピークに比例すると仮定すると、温度が１４℃高くなると蛍光のピークが１２％低下し、σｅが１２％減少することを意味する。
【００６１】
そこで、レーザ・レート・方程式（Laser Rate Equations）を導入して、モデル計算と測定値の比較を行った。
【００６２】
レーザ・レート・方程式から求まるパルスエネルギＥｐ、ピークパワーＰｐ及びパルス時間幅ｔｐは、次式のように表される（N. Pavel et al, “High Average Power Diode End-Pumped Composite
Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber”
Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40(2001)pp.1253-1259参照。）。
【００６３】
Ｅｐ＝（ｈνＡｇ／２σｅγｇ）ｌｎ（１／Ｒ）ｌｎ（ｎｇｉ／ｎｇｆ）  （１）
Ｐｐ＝（ｈνＡｇｌｇ／γｇｔｒ）ｌｎ（１／Ｒ）ｎｇｉ［（１−ｎｇｔ／ｎｇｉ）
+｛ｐ（１−δ）（１−ｎαｇｔ／ｎαｇｉ）／α｝
+｛１−ｐ（１−δ）｝ｌｎ（ｎｇｔ／ｎｇｉ）］            （２）
ｔｐ＝Ｅｐ／Ｐｐ                                                （３）
ここで、
α＝（γＳＡ／γｇ）（σａ／σｅ）（Ａｇ／ＡＳＡ）                （４）
δ＝σＥＳＡ／σａ                                            （５）
ｐ＝−ｌｎＴ０２／（−ｌｎＲ+Ｌ−ｌｎＴ０２）                  （６）
ここで、ｎｇｆは最終の分布反転密度、ｎｔｉは最大フォトン数での分布反転密度、ｎｇｉは初期の分布反転密度、σｅは利得媒質の誘導放出断面積、σａは可飽和吸収体の吸収断面積、σＥＳＡはＥＳＡ断面積、ｌｇは利得媒質の長さ、γｇは利得媒質の熱的な分布減少ファクタ、γＳＡは可飽和吸収体の熱的な分布減少ファクタ、Ｒは出力ミラーの反射率、Ｔ０は可飽和吸収体の初期透過率、Ｌは２方向残余の光損失、ｈはプランクの定数、νは振動数、Ａｇは利得媒質中の共振器モードの有効面積、ＡＳＡは可飽和吸収体中の共振器モードの有効面積である。
【００６４】
（１）〜（６）式を使って計算した計算値と測定値を図６に示す。図６の測定値は図２の測定値と同じである。
【００６５】
図６から計算値と測定値が良く合うことがわかる。このことは、１２％の誘導放出断面積の変更がパルス時間幅とパルスエネルギの強い温度依存性を十分説明できることを意味する。また、このことから上記のモデル式（１）〜（６）が妥当であることがわかる。
【００６６】
ところで、（４）式のαは、大きくすることで（非特許文献２参照）、パルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。しかし大きすぎると光損傷が発生するので適正な範囲に制御することが望ましい。
【００６７】
（４）式で（γＳＡ／γｇ）〜１、（Ａｇ／ＡＳＡ）〜１であるので、（σａ／σｅ）〜１でなければならない。したがって、（σａ／σｅ）〜１のときパルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。
【００６８】
上記のように、実験と理論モデルから利得媒質の温度を高くすると、利得媒質の誘導放出断面積σｅが可飽和吸収体の吸収断面積σａに近づいてパルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできることがわかったので、本発明が創出された。
【００６９】
本実施形態ではσａに比べてσｅが相対的に大きすぎるので、温度制御手段５で利得媒質２の温度を高く保持してσｅを小さくすることでσａに適正な値にまで近づけた。σａに比べてσｅが相対的に小さすぎる場合は、温度制御手段５で利得媒質２の温度を低く保持してσｅをσａに近づければよい。
【００７０】
一般に、温度が高くなると下の準位にある原子が減り、上の準位にある原子が増えるため、可飽和吸収体の吸収断面積は温度が高くなると小さくなる。逆に温度が低くなると吸収断面積は大きくなる。温度制御手段５を可飽和吸収体３に装着して可飽和吸収体３の温度を低温に保持するようにして、可飽和吸収体３の吸収断面積σｅを利得媒質２の誘導放出断面積σｅに近づけても良い。
【００７１】
上記のように、誘導放出断面積σｅが蛍光のピークに比例すると仮定した理論モデルの式を使って計算した値と、測定値が一致したので、図３の蛍光スペクトルは図７の（ハ）のように模式的に表される。一方、可飽和吸収体の吸収断面積σａは波長依存性が弱いので、図７の（ニ）のように模式的に表される。
【００７２】
通常、レーザ発振は蛍光のピーク（誘導放出断面積σｅのピーク）波長であるλｐで起こる。この場合、σｅ（λｐ）がσａ（λｐ）よりも相対的に大きすぎる場合、パルスエネルギを大きくし、パルス時間幅を小さくできない。
【００７３】
発振波長をλＲに固定することで、σｅ（λＲ）をσａ（λＲ）に適正な範囲に制御することが可能となり、パルスエネルギを大きくし、パルス時間幅を小さくすることができる。したがって、温度制御手段５で利得媒質２の温度を制御する代わりに、発振波長制御手段で発振波長をλＲに近づけることで、σｅをσａに近づけることができる。また、発振波長制御手段で発振波長をλＲに近づけることで、σｅをσａに適正な値に近づけることができる。
【００７４】
また、発振波長をλＱに固定することで、誘導放出断面積をσｅ（λＰ）からσｅ（λＱ）適正な値へと小さくして吸収断面積に近づけても良い。この場合、吸収断面積に見られる波長依存性から吸収断面積をσａ（λＲ）からσａ（λＱ）へと大きくして誘導放出断面積近づけたことにもなる。
【００７５】
（実施形態２）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は図８に示すように、図１に示す実施形態１の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置において、断面積制御手段である温度制御手段５の代わりに、発振波長制御手段５Ａを用いた以外は同じである。同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７６】
発振波長制御手段５Ａは、共振器を構成する反射手段１ｂの役目も果たす光学要素であり、例えば、前記λＲの波長の光に対して高反射率で、それ以外の波長の光に対して低反射率である光学要素であればよい。例えば、発振波長制御手段５Ａとして回折格子、干渉ミラー、エタロン板などを用いることができる。
【００７７】
本実施形態では、発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いた。体積ブラッグ格子５Ａは、例えば、OptiGrate Corp.（米国）から購入することができる。発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いることで、発振波長をλＲに固定してσｅをσａに近づけることができる。また、発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いることで発振波長のバンド幅を狭く（〜０．７ｎｍ）することができる。
【００７８】
（実施形態３）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、図９に示すように、共振器を形成する二つの反射要素１ａ、１ｂと、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された固体利得媒質２と、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された可飽和吸収体３と、固体利得媒質２を励起する励起手段４と、固体利得媒質２の誘導放出断面積及び可飽和吸収体３の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段５Ｂとを備えている。
【００７９】
本実施形態の固体利得媒質２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶であり、Ｎｄを１原子％ドープしたａ−カットの結晶で、厚さ１ｍｍ、一辺７ｍｍの矩形板である。
【００８０】
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の一方の面には発振波長λｅｍ（〜１０６４ｎｍ）の光に対して高反射率（反射率；Ｒ＝９９．９９％）の膜が形成されており、この膜が共振器を形成する反射要素１ａである。なお、反射要素１ａは、後述する励起光を透過しやすくするため、励起光波長の光に対して高透過率（透過率；Ｔ＞９７％）を有している。
【００８１】
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の他方の面には発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜１ｃ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。この反射防止膜１ｃは、励起光に対しては高反射率を有している。
【００８２】
出力取り出し用の反射要素１ｂは、可飽和吸収体３に形成された膜で、その膜は発振波長λｅｍ（＝１０６４ｎｍ）の光に対して８０％の反射率（透過率Ｔ＝２０％）を有している。
【００８３】
可飽和吸収体３は、１１０カットＣｒ４+：ＹＡＧ単結晶で、反射要素１ｂの反対側には発振波長λｅｍの光に対する反射防止膜３ａ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。
【００８４】
本実施形態の励起手段４には、発振波長８０８ｎｍ、出力１００ＷのＣＷ／ＱＣＷレーザダイオード或いは発振波長８８０ｎｍ、出力１８０ＷのＣＷ／ＱＣＷレーザダイオードが用いられる。
【００８５】
本実施形態の断面積制御手段５Ｂは、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。温度制御手段５Ｂは、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５Ｂａと固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃを備えている。
【００８６】
固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃは、励起光及び発振光に対して透明である必要があり、図１０に示すような透過スペクトルを有するＳｉＣ単結晶を用いた。すなわち、ＳｉＣ単結晶は、金属並みの高い熱伝導率を有し、８００ｎｍ〜１１００ｎｍに渡って高い透過率を有しているので、固体利得媒質２をサンドイッチする媒質として優れている。
【００８７】
一対のＳｉＣ単結晶５Ｂｃのうち、励起光がエンドポンプされる面には励起光波長に対して高透過率を有する膜５Ｂｄが形成されている。また、可飽和吸収体３に対向する面には発振波長に対する反射防止膜５Ｂｅが形成されており、キャビテー内の損失を低くしている。
【００８８】
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、厚さ１ｍｍの利得媒質２を一対のＳｉＣ単結晶５Ｂｅでサンドイッチして固体熱伝導を利用して温度制御するので、利得媒質２の面内温度分布の均一性が保持される。その結果、励起光パワーを上げて高ピークパワー高繰り返し周波数のジャイアントパルスレーザを得ることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１ａ、１ｂ・・・・・・・共振器を形成する二つの反射要素
２・・・・・・・・・・・固体利得媒質（Ｎｄ：希土類バナデート単結晶）
３・・・・・・・・・・・可飽和吸収体（Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶）
４・・・・・・・・・・・励起手段
５、５Ａ、５Ｂ・・・・・断面積制御手段（温度制御手段、発振波長制御手段）
５Ｂｃ・・・・・・・・高熱伝導率媒質（ＳｉＣ）
【図１】
2012160801.tif 000003
【図２】
2012160801.tif 000004
【図３】
2012160801.tif 000005
【図４】
2012160801.tif 000006
【図５】
2012160801.tif 000007
【図６】
2012160801.tif 000008
【図７】
2012160801.tif 000009
【図８】
2012160801.tif 000010
【図９】
2012160801.tif 000011
【図１０】
2012160801.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月27日(2013.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器を形成する複数の反射要素と、
前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、
前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、
前記固体利得媒質を励起する励起手段と、
前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、
前記断面積制御手段は、前記可飽和吸収体を所定の温度に保持する吸収体温度制御手段を備えることを特徴とする受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項２】
前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する利得媒質温度制御手段及び或いは発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段を備える請求項１に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項３】
前記利得媒質温度制御手段で保持する所定の温度は室温以上である請求項２に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項４】
前記利得媒質温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含む請求項２に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項５】
前記発振波長制御手段は、体積ブラッグ格子である請求項２又は３に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項６】
前記固体利得媒質は、Ｎｄ：希土類バナデート単結晶を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項７】
前記高熱伝導率媒質はＳｉＣである請求項４に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項８】
前記Ｎｄ：希土類バナデートは、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項６に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項９】
前記可飽和吸収体は、４価のＣｒをドープした単結晶を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【請求項１０】
前記４価のＣｒをドープした単結晶は、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶である請求項９に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
上記の課題を解決するためになされた本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、共振器を形成する複数の反射要素と、前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、前記固体利得媒質を励起する励起手段と、前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、前記断面積制御手段は、前記可飽和吸収体を所定の温度に保持する吸収体温度制御手段を備えることを特徴とする。前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する利得媒質温度制御手段及び或いは発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段を備えるとよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、前記利得媒質温度制御手段で保持する所定の温度は室温以上であるとよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、前記利得媒質温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含むとよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
断面積制御手段５は、固体利得媒質２を所定の温度に保持する利得媒質温度制御手段である。利得媒質温度制御手段は、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５ａとジャケット５ａ内に一定の温度の溶媒を供給する冷熱源５ｂとを備えている。固体利得媒質２の周縁部がジャケット内を循環する溶媒に浸漬配置されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
具体的には、利得媒質温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を３０℃に保持した。なお、もっと強励起する場合は励起光とレーザ発振光間の量子欠損による発熱が大きく、レーザ媒質面内温度分布の均一性保持が困難になるため、熱伝導率の高い透明材料、例えばSiCをレーザ媒質断面に片方、または両方接合し、高出力動作での温度制御を図る必要がある（実施形態３参照。）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
次に本発明を創出するに至った実験結果及び理論モデルを説明する。実験は図１に示す本実施形態の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置を使って行われた。実験では、利得媒質温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を様々な温度に保持し、パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性が調べられた。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
レーザ・レート・方程式から求まるパルスエネルギＥｐ、ピークパワーＰｐ及びパルス時間幅ｔｐは、次式のように表される（N. Pavel et al, “High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber” Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40(2001)pp.1253-1259（非特許文献４）参照。）。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
ところで、（４）式のαは、大きくすることで（非特許文献４参照）、パルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。しかし大きすぎると光損傷が発生するので適正な範囲に制御することが望ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
本実施形態ではσaに比べσｅが相対的に大きすぎるので、利得媒質温度制御手段５で利得媒質２の温度を高く保持してσｅを小さくすることでσａに適正な値にまで近づけた。σａに比べてσeが相対的に小さすぎる場合は、利得媒質温度制御手段５で利得媒質２の温度を低く保持してσｅをσａに近づければよい。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
一般に、温度が高くなると下の準位にある原子が減り、上の準位にある原子が増えるため、可飽和吸収体の吸収断面積は温度が高くなると小さくなる。逆に温度が低くなると吸収断面積は大きくなる。利得媒質温度制御手段５を可飽和吸収体３に装着して可飽和吸収体３の温度を低温に保持するようにして、可飽和吸収体３の吸収断面積σａを利得媒質２の誘導放出断面積σｅに近づけても良い。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
（実施形態２）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は図８に示すように、図１に示す実施形態１の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置において、断面積制御手段である利得媒質温度制御手段５の代わりに、発振波長制御手段５Ａを用いた以外は同じである。同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
本実施形態の断面積制御手段５Ｂは、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。利得媒質温度制御手段５Ｂは、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５Ｂａと固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃを備えている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
１ａ、１ｂ・・・・・・・共振器を形成する二つの反射要素
２・・・・・・・・・・・固体利得媒質（Ｎｄ：希土類バナデート単結晶）
３・・・・・・・・・・・可飽和吸収体（Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶）
４・・・・・・・・・・・励起手段
５、５Ａ、５Ｂ・・・・・断面積制御手段（利得媒質温度制御手段、発振波長制御手段）
５Ｂｃ・・・・・・・・高熱伝導率媒質（ＳｉＣ）
【国際調査報告】
2012160801.tif 000013
2012160801.tif 000014
2012160801.tif 000015
2012160801.tif 000016