(57)【要約】高出力アイセーフレーザ用にも使用可能なフッ化物単結晶を提供すること、その単結晶を用いた高出力のレーザ発振器を提供することを課題とする。  本発明によるＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶は、Ｌｎが、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせであり、ｘとｙとが、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たし、ｘが、関係０．０１≦ｘ≦０．１を満たすことを特徴とする。
2008054008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶であって、前記Ｌｎは、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせであり、前記ｘと前記ｙとは、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たし、前記ｘは、関係０．０１≦ｘ≦０．１を満たすことを特徴とする、単結晶。
【請求項２】
前記ｘは、関係０．０３≦ｘ≦０．０８５を満たすことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の単結晶。
【請求項３】
前記ｘと前記ｙとは、関係ｘ＝ｙを満たすことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の単結晶。
【請求項４】
ＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶をアイセーフレーザ発振用に使用したレーザ発振器であって、前記単結晶が請求の範囲第１項から第３項の何れかに記載の単結晶であることを特徴とするレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフッ化物単結晶に関し、より詳細には、高出力アイセーフレーザ用フッ化物単結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
２μｍレーザはアイセーフレーザとして知られ、気象観測、高速通信システム、測距、医療等の分野において注目されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなアイセーフレーザ用材料として、Ｔｍ、Ｈｏを添加したＬｉＬｕＦ４またはＬｉＹＦ４等のフッ化物単結晶が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。これらフッ化物単結晶は、ポンプ光（励起光）として波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍを有する光を、波長２μｍ帯を有する光に変換することができる。
しかしながら、特許文献２に記載されるフッ化物単結晶の発振出力は、入射のポンプ光のエネルギー２００ｍＪ、５Ｈｚに対して、せいぜい２０ｍＪであり、気象観測、高速通信等に用いるには十分ではない。
【特許文献１】特開平７−３０９２３８号公報
【特許文献２】特開２００２−２９９７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、高出力アイセーフレーザ用にも使用可能なフッ化物単結晶を提供すること、その単結晶を用いた高出力のレーザ発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明１によるＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶は、前記Ｌｎが、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせであり、前記ｘと前記ｙとが、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たし、前記ｘが、関係０．０１≦ｘ≦０．１を満たすことを特徴とし、これにより上記目的を達成する。
本発明２は、発明１の単結晶において、前記ｘは、関係０．０３≦ｘ≦０．０８５を満たすことを特徴とし、ｘの好ましい範囲を規定したものである。
本発明３は、発明１の単結晶において、前記ｘと前記ｙとは、関係ｘ＝ｙを満たすことを特徴とし、ｘとｙの好ましい関係を規定したものである。
本発明４は、ＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶をアイセーフレーザ発振用に使用したレーザ発振器であって、前記単結晶が発明１から３の何れかの単結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によるＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶は、Ｌｎが、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせであり、ｘとｙとが、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たし、ｘが、関係０．０１≦ｘ≦０．１を満たす。ＴｍとＨｏとが少なくとも１：０．７（最大でも１：２）の比率で存在するため、Ｈｏ３＋のアップコンバージョン発光を抑制しつつ、Ｔｍ３＋の励起エネルギーを効率的にＨｏ３＋のレーザ始準位に遷移させることができる。
この結果、この結晶をアイセーフレーザ用に用いると、従来の少なくとも７倍の励起エネルギーがレーザ始準位へと遷移され、従来の少なくとも７倍の出力、すなわち高出力を可能にし得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、本発明によるレーザ発振におけるエネルギー準位図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、ＴｍとＨｏとを添加したＬｉＹＦ４単結晶、ＬｉＬｕＦ４単結晶およびＬｉ（Ｙ，Ｌｕ）Ｆ４単結晶において、Ｈｏ３＋のアップコンバージョン発光が抑制されるという発見に基づく。
本発明では、アイセーフレーザ用の単結晶としてＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶（以降では、単に、ＬＬｎＦ単結晶と称する）を用いる。ここで、Ｌｎは、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせである。ｘとｙとは、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たす。これは、従来知られているＴｍとＨｏとの比率（１０：１）に比べると、著しくＨｏリッチな状態である。
具体的には、ＬＬｎＦ単結晶は、ＴｍとＨｏとを１：０．７〜１：２の比率で含む。ＨｏがＴｍよりも著しく少ない（すなわち０．７ｘ＞ｙ）場合には、従来技術と同様な、または、不十分な出力しか期待されないため、実用上望ましくない。また、ＨｏがＴｍの２倍よりも著しく多い場合には、後述するアップコンバージョン発光が顕著になり望ましくない。好ましくは、ＬＬｎＦ単結晶は、ＴｍとＨｏとを１：１（ｘ＝ｙ）の比率で含む。この組成であれば、公知の製造方法を用いて容易に単結晶が製造されるだけでなく、確実に従来の１０倍のレーザ出力が期待される。
ｘは、関係０．０１≦ｘ≦０．１を満たす。この範囲であれば、ＴｍとＨｏとのモル分率を変更するだけでよいので、この単結晶の製造に、従来の同種の製造装置を利用でき、新規な製造装置を必要とせず、公知の製造方法を用いて、本発明によるＬＬｎＦ単結晶が得られ得る。ｘは、好ましくは、関係０．０３≦ｘ≦０．０８５を満たす。この範囲であれば、得られるＬＬｎＦ単結晶は全体にわたってより均質なものとし得るので、そのサイズも大口径（例えば、３インチ以上）なものにすることが可能となる。この結果、さらに、レーザの大きな発光効率・出力が得られ得る。
以下に本発明によるＬＬｎＦのレーザ高出力発振の原理を説明する。
図１は、本発明によるレーザ発振におけるエネルギー準位図を示す。
波長７５０ｎｍ〜８５０ｎｍを有する励起光（ポンプ光）をＬＬｎＦ単結晶に照射する。これによりＴｍ３＋は、励起光を吸収し、基底状態３Ｈ６から励起状態３Ｈ４に励起される（１１０）。次いで、Ｔｍ３＋は、励起状態３Ｈ４から３Ｆ４へとエネルギー緩和する（１２０）。その際、非放射遷移（１３０）が生じ、これによりさらなるＴｍ３＋が基底状態３Ｈ６から３Ｆ４へと励起される（１４０）。このように励起光の照射によって、２個のＴｍ３＋が３Ｆ４準位に励起されることになる。これら３Ｆ４準位にあるＴｍ３＋の励起エネルギーが、レーザ発振および発振出力に寄与するので、これら励起エネルギーすべてがレーザ発振に利用され得ることが望ましい。
次に、３Ｆ４準位にあるＴｍ３＋の励起エネルギーは、エネルギー的に近接するＨｏ３＋のレーザ始準位５Ｉ７にエネルギー遷移する（１５０）。このため、Ｈｏ３＋は、エネルギーの反転分布が得られやすい。なお、Ｔｍ３＋の励起エネルギーが、レーザ始準位５Ｉ７に遷移する（１５０）とは、Ｈｏ３＋のレーザ終準位５Ｉ８のエネルギーが、レーザ始準位５Ｉ７に励起されることである（１６０）。ここで、本発明によるＬＬｎＦ単結晶は、ＴｍとＨｏとを少なくとも１：０．７の比率で、最大でも１：２の比率で有するので、従来の単結晶（Ｔｍ：Ｈｏ＝１０：１）に比べて、Ｈｏの３＋のレーザ始準位５Ｉ７およびレーザ終準位５Ｉ８を少なくとも７倍、最大でも２０倍有する。すなわち、Ｈｏ３＋は、Ｔｍ３＋の励起エネルギーを従来に比べて少なくとも７倍（最大２０倍）許容可能である。その結果、Ｔｍ３＋励起エネルギーは、効率的にＨｏ３＋のレーザ始準位５Ｉ７に遷移され得る。
一方、「Ｈｏ３＋は、レーザ始準位５Ｉ７に遷移されたエネルギーを再吸収し、アップコンバージョン発光（１７０）する（２μｍ帯の発光ではなく、緑色発光する）」ことが知られている。これにより、従来技術では、ＴｍとＨｏとの比率（モル分率）は、せいぜい１０：１とし、Ｔｍに対するＨｏの添加量を極力少なくすることが、アップコンバージョン発光（１７０）の発生を最小にし、レーザ発振の効率を向上させるものとされていた。しかしながら、発明者らは、上記のアップコンバージョン発光に関する知見は、ＬＬｎＦ単結晶には適用されないことを発見した。この詳細なメカニズムは、解明されていないがＬＬｎＦ単結晶のフォノンエネルギーが小さいことが寄与していると考えられる。したがって、本発明によるＬＬｎＦ単結晶のＴｍとＨｏとの比率が、１：０．７〜１：２の範囲であれば、アップコンバージョン発光（１７０）の影響を抑制しつつ、ＴｍからＨｏへの効率的なエネルギー遷移量を少なくとも７倍程度増加させ、その結果、レーザ出力を従来の少なくとも７倍程度向上させることができる。なお、ＴｍとＨｏとの比率が１：１において論理的には最大（すなわち、従来の１０倍）のレーザ出力となり得るが、Ｔｍ３＋の励起寿命とＨｏ３＋の励起寿命との差異を考慮すれば、Ｔｍに対して２倍のＨｏ（すなわち、ＴｍとＨｏとの比率が１：２）が許容され、論理的に最大なレーザ出力を上回り得る。
この結果、レーザ始準位５Ｉ７に遷移した励起エネルギーは、アップコンバージョン発光（１７０）することなく、ほとんどすべて、レーザ終準位５Ｉ８に遷移され得る（１８０）。この際、２μｍ帯を有する光（アイセーフな光）を発する。すなわち、レーザ始準位５Ｉ７に遷移した従来の少なくとも７倍の励起エネルギーが、レーザ始準位５Ｉ７からレーザ終準位５Ｉ８へ遷移するので、従来の少なくとも７倍の発振出力が達成され得る。これにより、高出力アイセーフレーザが得られ得る。
本発明の具体的な実施形態は以下のようになる。
ＴｍｘＨｏｙＬｉＹ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４においてｘ＝０．０５、ｙ＝０．０３５の単結晶を、原料として、ＬｉＦ、ＹＦ３、ＴｍＦ３およびＨｏＦ３を所定のモル比となるように用い、雰囲気制御引き上げ法により、従来と同様の装置を用いて製造する。得られた単結晶を、４ｍｍ×２．７ｍｍ×３ｍｍ（ａ軸×ａ軸×ｃ軸）に切断し、鏡面研磨して、公知のレーザ発振装置に組み込んで、レーザ発振を行う。入射のポンプ光のエネルギー３５０ｍＪ、１Ｈｚに対して、３２ｍＪの出力が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０００８】
以上説明してきたように、本発明によるＴｍｘＨｏｙＬｉＬｎ（１−ｘ−ｙ）Ｆ４単結晶（ここで、Ｌｎは、ＹまたはＬｕのいずれか、または、これらの組み合わせ）は、ｘとｙとが、関係０．７ｘ≦ｙ≦２ｘを満たす、すなわち、ＴｍとＨｏとが少なくとも１：０．７の比率で、最大でも１：２の比率で存在する。これにより、Ｔｍ３＋の励起エネルギーを効率的にＨｏ３＋のレーザ始準位へエネルギー遷移させるとともに、Ｈｏ３＋のアップコンバージョン発光が抑制されるので、従来よりも高出力を可能とする。
このようなＬＬｎＦ単結晶は、特に、２μｍ帯のアイセーフレーザ用に好ましい。また、ＬＬｎＦ単結晶は、アイセーフレーザを利用した気象観測システム、高速通信システム、測距、医療システム等に搭載され得る。
【図１】
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【国際調査報告】
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2008054008.tif 000005
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