(57)【要約】【課題】低コストで高出力の赤外線が得られる赤外固体レーザー発振装置を提供する。【解決手段】波長１．０６４２μｍでレーザー発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーとされた励起光源５が発生する励起光ｐをベンディング反射鏡１が水平方向に送り出す。この励起光ｐの光軸Ｌ上の位置にある入出力鏡２と隣り合った位置にＨｇＧａ2Ｓ4の結晶により形成された非線形光学素子３が配置される。光軸Ｌ上の非線形光学素子３が赤外線であるシグナル光ｓとアイドラー光ｉを出射する。非線形光学素子３と隣り合った位置にあるＭｇＦ2製でコートなしのＭｇＦ2直角プリズム４が、非線形光学素子３からの励起光ｐや赤外線を反射して入射光と平行な光として戻す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生する励起光源と、
該レーザー光が入射されて、該レーザー光を透過すると共に少なくとも予め定められたいずれかの波長の赤外線を透過する入出力鏡と、
入出力鏡を透過した該レーザー光が入射されて、該レーザー光より波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線を出力する非線形光学素子と、
非線形光学素子から射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線及びレーザー光を全反射して非線形光学素子に戻すＭｇＦ2直角プリズムと、
を含むことを特徴とする赤外固体レーザー発振装置。
【請求項２】
レーザー光を発生する励起光源と、
該レーザー光が入射されて、該レーザー光を透過すると共に少なくとも予め定められたいずれかの波長の赤外線を透過する入出力鏡と、
入出力鏡を透過した該レーザー光が入射されて、該レーザー光より波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線を出力する非線形光学素子と、
非線形光学素子から射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線及びレーザー光を全反射して非線形光学素子に戻すＣａＦ2直角プリズムと、
を含むことを特徴とする赤外固体レーザー発振装置。
【請求項３】
非線形光学素子として、ＨｇＧａ2Ｓ4結晶を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外固体レーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パラメトリック発振によりコヒーレントな赤外線を発振する赤外固体レーザー発振装置に関し、特に４〜7μｍの波長範囲の赤外線を発振するのに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非線形光学論系に基づいたものとして、非線形光学素子の結晶にコヒーレントな励起光を入力することにより、相互に異なる２つの波長のコヒーレント光を出力光として出力せしめる光パラメトリック発振器が知られている。一般に、この光パラメトリック発振器は、励起光源の他、非線形光学素子とその両側に配置された一対の反射鏡とにより概略構成されている。なお、これら出力光である２つのコヒーレント光は、シグナル光とアイドラー光と呼ばれていて、上記励起光とシグナル光とアイドラー光との間には、次の数１、数２に示す式の関係が成り立っている。
【０００３】
（数１）
1／λs＋1／λi＝１／λp
【０００４】
（数２）
ns／λs＋ｎi／λi＝np／λp
【０００５】
但し、λpは励起光の波長、λsはシグナル光の波長、λiはアイドラー光の波長、また、非線形光学素子に関し、ｎpは励起光の屈折率、ｎsはシグナル光の屈折率、ｎiはアイドラー光の屈折率である。
【０００６】
かかる光パラメトリック発振器を有した構成のレーザー発振装置においては、例えば励起光源として１．０６４２μｍの波長でレーザー発振するＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ3+：Ｙ3Ａｌ5Ｏ15）レーザーを用い、非線形光学素子としてＡｇＧａＳ2（ＡＧＳ）結晶を用いて構成されたものが知られている。
他方、特に波長４〜７μｍの範囲の赤外線内の例えば６．４５μｍの波長の赤外線は、近年、医療技術分野で用いられるようになったりして、この波長範囲の赤外線で高出力なものを得ることが、必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−９５２７１公報
【特許文献２】特開２００３−２８００５５公報
【特許文献３】特開２００８−４０２９３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーで励起し、波長４〜７μｍの赤外線をアイドラー光として発生せしめる従来のレーザー発振装置には、単一パス（シングルパス）光パラメトリック発振器や二重パス（ダブルパス）光パラメトリック発振器を用いたものが考えられるが、仮に高出力が可能な非線形光学素子が得られたとしても、以下に述べる問題を有していた。
【０００９】
即ち、単一パス光パラメトリック発振器においては、励起光が非線形光学素子を一度励起するだけのため、アイドラー光とされる４〜７μｍの赤外線への変換効率が低い欠点があった。
【００１０】
また、二重パス光パラメトリック発振器においては、一方の反射鏡である入力鏡を励起光の波長（１．０６４２μｍ）において９０〜９９％の高い透過率を有するだけでなく、４〜７μｍのシグナル光での反射率を高くしたものでなければ、アイドラー光での高出力を得ることができない。つまり、アイドラー光での高出力を得るためには、シグナル光（１．２５〜１．４５μｍ）で高い反射率をアイドラー光で高い透過率を有すると共に、１００ＭＷ/ｃｍ2を超える高出力に耐えうるようなダメージ閾値の高い入力鏡を採用する必要がある。
【００１１】
この一方、従来から用いられていた反射鏡としては、アイドラー光及びシグナル光でほぼ１００％の反射率を有するものとして金や銀等の金属製のものが存在するものの、使用により劣化する欠点があり、実質的に採用することができなかった。このため、上記のようにダメージ閾値の高い反射鏡を製造することも極めて困難であり、製造コストが増大する欠点があった。
【００１２】
これに対して、パラメトリック発振器を用いたものとして、上記特許文献１〜３があげられる。例えば、特許文献１には、シグナル光とアイドラー光の波長が等しい縮退発振における励起光からシグナル光とアイドラー光に変換されるエネルギーの比率を１／４波長板により向上させる構造のものが開示されている。また、特許文献２には、光パラメトリック発振器を用いてコヒーレントな安定した出力の真空紫外線を発生せしめるものが開示されている。同じく、特許文献３には、波長変換素子本体に入射する被変換光の入射角を変え、波長変換素子本体に入射した光を波長変換素子本体の側面で反射させて、波長変換素子本体内をジグザグに進行させるものが開示されている。
【００１３】
しかしながら、これら特許文献１〜３においても、低コストで高出力の赤外線を得られるものは存在していなかった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、低コストで高出力の赤外線が得られる赤外固体レーザー発振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決した請求項１記載の発明は、レーザー光を発生する励起光源と、
該レーザー光が入射されて、該レーザー光を透過すると共に少なくとも予め定められたいずれかの波長の赤外線を透過する入出力鏡と、
入出力鏡を透過した該レーザー光が入射されて、該レーザー光より波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線を出力する非線形光学素子と、
非線形光学素子から射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線及びレーザー光を全反射して非線形光学素子に戻すＭｇＦ2直角プリズムと、
を含むことを特徴とする赤外固体レーザー発振装置である。
【００１５】
請求項１に係る赤外固体レーザー発振装置によれば、励起光源より発生されたレーザー光である励起光が入出力鏡を透過し、さらに非線形光学素子に入射され、このレーザー光より波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線であるシグナル光とアイドラー光をこの非線形光学素子が出力する。そして、非線形光学素子から射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線及びこのレーザー光をＭｇＦ2直角プリズムが全反射して、この非線形光学素子に入射して戻すこととする。
【００１６】
この結果として、非線形光学素子から入出力鏡側に射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線の内、入出力鏡が、例えば予め定められた波長の赤外線とされる１つのコヒーレントな赤外線を反射し、残りのコヒーレントな赤外線のみを透過することもできる。これに伴い、本請求項では、シグナル光とアイドラー光が二重に非線形光学素子から発生する二重パス光パラメトリック発振となって、少なくともアイドラー光での高出力を得ることが可能となる。
【００１７】
また、本請求項では、低コストで製造できるだけでなく、１００ＭＷ/ｃｍ2を超える高出力に耐えうるようなダメージ閾値の高いＭｇＦ2直角プリズムを反射鏡の替わりとして採用している。このことから、本請求項に係る赤外固体レーザー発振装置によれば、低コストで高出力のシグナル光とアイドラー光を得ることができる。つまり、非線形光学素子を備える他、入出力鏡を一体化し、これにＭｇＦ2直角プリズムを組み合わせ、二重パス形の光パラメトリック発振器とすることにより、変形効率や出力特性の向上のほか、反射鏡のダメージ問題のも解決することになる。
【００１８】
これに伴い、本請求項の赤外固体レーザー装置は、例えば励起光源として１．０６４２μｍの波長の励起光を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、二重パス光パラメトッリク発振器の位置関係に配置した非線形光学素子を特殊で高価な反射鏡の替りにＭｇＦ2直角プリズムで再度励起することにより、単一パス光パラメトッリ発振器の約２倍の出力を具体的に得ることができる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１とほぼ同一の構成を有するものの、ＭｇＦ2直角プリズムの替わりに、前記と同様に低コストで製造でき、１００ＭＷ/ｃｍ2を超える高出力に耐えうるようなダメージ閾値の高いＣａＦ2直角プリズムが採用されている。従って、本請求項に係る赤外固体レーザー発振装置によれば、請求項１と同様に低コストで高出力のシグナル光とアイドラー光を得ることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、非線形光学素子として、ＨｇＧａ2Ｓ4（ＨＧＳ）結晶を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外固体レーザー発振装置である。つまり高出力でも使用可能なこの素子材料を用いることで、請求項１、２の発明の効果をより確実に発揮可能となる。
尚、このＨｇＧａ2Ｓ4結晶は、０．４〜１３μｍの範囲で透明な非線形光学結晶であり、非線形光学定数がＡｇＧａＳ2の約２．２倍であって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーでのダメージ閾値がＡｇＧａＳ2の約２〜３倍とされている。また、他の非線形光学結晶であるＡｇＧａＳｅ2やＺｎＧｅＰ2と異なり、このＨｇＧａ2Ｓ4結晶は、励起光源として最も一般的なＮｄ：ＹＡＧレーザーが使えるという大きなメリットがある。なお、ＡｇＧａＳｅ2やＺｎＧｅＰ2は、吸収バンドの関係で主に２μｍの波長のレーザーが使われるが、２μｍの波長のレーザーは７７Ｋに冷却しなければならない大きな欠点を有している。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低コストで高出力の赤外線が得られる赤外固体レーザー発振装置が提供されるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の赤外固体レーザー発振装置の実施の形態を示す図である。
【図２】図１の２−２矢視線断面図である。
【図３】本発明の赤外固体レーザー発振装置の実施の形態に適用される入出力鏡の透過率の波長に沿った変化を示すグラフを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る赤外固体レーザー発振装置の第１の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る赤外固体レーザー発振装置１０は、波長１．０６４２μｍでレーザー発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーとされた励起光源５を有している。この基本光源である励起光源５の図１における上部には、励起光源５が発生するレーザー光である励起光ｐを図における水平方向に送り出すためのＣａＦ2製のベンディング反射鏡１が４５°の角度で傾いて配置されている。なお、このベンディング反射鏡１の反射率Ｒは、１．０６４２μｍの波長において、９０〜９９％程度とされている。また、１．２５〜１．４５μｍの波長において透過率Ｔ≒９０％、４〜７μｍの波長において透過率Ｔ≒９０％と、このベンディング反射鏡１はされている。
【００２４】
このベンディング反射鏡１の右隣の位置であって、ベンディング反射鏡１により曲げられた励起光ｐの光路である光軸Ｌ上の位置には、ＣａＦ2製の入出力鏡２が配置されている。図３のグラフに示すように、この入出力鏡２の透過率Ｔは１．０６４２μｍの波長において、９０〜９９％程度とされ、また、１．２５〜１．４５μｍの波長において反射率Ｒは９０％又は８５％程度（透過率Ｔは１０％又は１５％程度）、４〜７μｍの波長において透過率Ｔは９０〜９９％程度とされている。これにより、この入出力鏡２が予め定められた１．２５〜１．４５μｍの波長の赤外線を反射し、１．０６４２μｍの波長および４〜７μｍの波長の赤外線を透過できることになる。
【００２５】
光軸Ｌ上におけるこの入出力鏡２と隣り合った位置には、ＨｇＧａＳ4（ＨＧＳ）の結晶により形成された例えば長さ８ｍｍの非線形光学素子３が配置されている。但し、この非線形光学素子３は、光軸Ｌに対する傾き角度（位相整合角度）を調整可能になるように図示しない支持治具等により支持されている。そして、この非線形光学素子３の両端面には、１．０６４２μｍの波長および１．２５〜１．４５μｍの波長の赤外線の反射を防止するための反射防止膜３Ａが着いていて、これらの波長の反射率Ｒが１〜２％とされている。これに伴い、１．０６４２μｍの励起光ｐが入射されると、この非線形光学素子３がシグナル光ｓとアイドラー光ｉを出射することになる。
【００２６】
光軸Ｌ上におけるこの非線形光学素子３の隣り合った位置には、非線形光学素子３からの励起光ｐや赤外線を反射して入射光と平行な光として戻すためのＭｇＦ2製でコートなしのＭｇＦ2直角プリズム４が配置されている。なお、このＭｇＦ2直角プリズム４の反射率Ｒは、１．０６４２μｍ、１．２５〜１．４５μｍ、４〜７μｍのいずれの波長においても９０〜９９％程度とされている。
【００２７】
以上より、これらベンディング反射鏡１、入出力鏡２、非線形光学素子３、ＭｇＦ2直角プリズム４により、二重パス形の光パラメトリック発振器９が構成されることになる。これに伴い、図１及び図２に示す本実施の形態の赤外固体レーザー発振装置１０は、波長１．０６４２μｍでレーザー発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーとされる励起光源５とこの励起光源５上に配置された光パラメトリック発振器９から構成されている。
【００２８】
なお、このベンディング反射鏡１の左隣の位置には、シグナル光ｓおよび位相整合しなかった励起反射光ｐ´（２〜５％）を除去するためのフィルタ６を介してエネルギーメータまたはＩＲスペクトルメータ７が配置されていて、ベンディング反射鏡１を透過した赤外線の波長や強度をこのＩＲスペクトルメータ７が検出可能となっている。ただし、これらフィルタ６やＩＲスペクトルメータ７は単に赤外線の波長や強度の計測のためのものであり、なくとも良い。
【００２９】
次に、本実施の形態の赤外固体レーザー発振装置１０の作用を説明する。
本実施の形態に係る赤外固体レーザー発振装置１０によれば、励起光源５から出射されたレーザー光である励起光ｐがベンディング鏡１で折り返されて光軸Ｌに沿って入出力鏡２を透過し、さらにＨｇＧａ2Ｓ4結晶の非線形光学素子３を励起しつつ透過する。これに伴い、この励起光ｐより波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線である１．２５〜１．４５μｍの波長のシグナル光ｓと４〜７μｍの波長のアイドラー光ｉを、この非線形光学素子３が出射する。
【００３０】
この後、非線形光学素子３から射出されたこれら２つのコヒーレントな赤外線と励起光ｐは、ＭｇＦ2直角プリズム４で入射光と平行に反射し、再度、非線形光学素子３に入射して励起した後、励起光ｐは、入出力鏡２を透過しベンディング鏡１で反射され、光パラメトリック発振器９から下方に出射されることになる。このため、本実施の形態では、非線形光学素子３を再度励起する結果、これら２度の励起に合わせて非線形光学素子３はシグナル光ｓとアイドラー光ｉをシングルパスよりも多く発生する二重パス光パラメトリック発振となるものの、入出力鏡２がシグナル光ｓを反射し、残りのアイドラー光ｉのみを透過することで、アイドラー光ｉでの高出力を得ることが可能となる。
【００３１】
以上の結果として、光パラメトリック発振器９中の非線形光学素子３を励起するのに伴って発生したシグナル光ｓとアイドラー光ｉは、入出力鏡２とＭｇＦ2直角プリズム４との間で増幅され、この内のアイドラー光ｉのみが入出力鏡２とベンディング鏡１を透過して、励起光ｐと分離される。そして、フィルタ６を透過してＩＲスペクトルメータ７に入射することで、赤外線とされるアイドラー光ｉの波長や強度のデータが得られる。
【００３２】
以上より、励起光源５とされるＮｄ：ＹＡＧレーザーからの励起光ｐにより本実施の形態の光パラメトリック発振器９の非線形光学素子３を励起するものの、この際、非線形光学素子３の傾き角度を矢印Ｒ方向に調整することにより、４〜７μｍの波長の中で必要な例えば６．４５μｍの波長の赤外線を最大効率で安定的に得ることもできる。
【００３３】
また、本実施の形態では、低コストで製造できるだけでなく、１００ＭＷ/ｃｍ2を超える高出力に耐えうるようなダメージ閾値の高いＭｇＦ2直角プリズム４を反射鏡の替わりとして採用している。このことから、本実施の形態に係る赤外固体レーザー発振装置１０によれば、低コストで高出力のシグナル光ｓとアイドラー光ｉを安定的に得ることができる。つまり、非線形光学素子３を備える他、入出力鏡２を一体化し、これにＭｇＦ2直角プリズム４を組み合わせ、二重パス形の光パラメトリック発振器９とすることによって、変形効率や出力特性の向上のほか、反射鏡のダメージ問題のも解決することになる。
【００３４】
以上に伴い、本実施の形態の赤外固体レーザー発振装置１０は、例えば励起光源５として１．０６４２μｍの波長の励起光ｐを発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、非線形光学素子３を特殊で高価な反射鏡の替りにＭｇＦ2直角プリズム４で再度励起することにより、単一パス光パラメトッリ発振器９の約２倍の出力を具体的に得ることができた。
【００３５】
具体的に図１及び図２に示すような赤外線固体レーザー発振装置１０において、励起光源５として平均出力２．４Ｗ（１パルス当たり出力８０ｍJ、パルス幅５ｎｓ）のＮｄ：ＹＡＧレーザーを採用し、このＮｄ：ＹＡＧレーザーで、非線形光学素子３として長さ８ｍｍのＨｇＧａ2Ｓ4結晶を採用した光パラメトリック発振器９を励起した場合、ＨｇＧａ2Ｓ4結晶（カット角θ＝５６°、φ＝０°；θおよびφはｚ（＝ｃ）およびｘ（＝ａ）軸からの角度）の角度を点線のように±９°程度傾けて、同調することにより、４．５〜７．５μｍの波長範囲の中でも例えば６．４５μｍの波長で最大平均出力２１０ｍＷ（１パルス当たりの出力７ｍJ、パルス幅３．５ｎｓ）が得られた。
【００３６】
次に、本発明に係る赤外線固体レーザー発振装置の第２の実施の形態を説明する。
本実施の形態の装置は、第１の実施の形態と同一の構造を有している。ただし、直角プリズムをＭｇＦ2直角プリズム４の替わりに、本実施の形態ではＣａＦ2製のＣａＦ2直角プリズムとしている。
このことで、本実施の形態に係る赤外固体レーザー発振装置１０によれば、第１の実施の形態と同様に低コストで高出力のシグナル光ｓとアイドラー光ｉを得ることができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態では、高出力のアイドラー光ｉのみを赤外線固体レーザー発振装置外に導出するようにしたが、高出力のシグナル光ｓとアイドラー光ｉを赤外線固体レーザー発振装置外に導出しても良い。また、上記実施の形態では、ベンディング反射鏡や入出力鏡をＣａＦ2製としたが、他の公知な材質を用いても良い。
【００３８】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、高出力の赤外線が必要なさまざまな技術分野に適用でき、医療用だけでなく産業用等の他の技術分野にも適用可能なものである。
【符号の説明】
【００４０】
１    ベンディング反射鏡
２    入出力鏡
３    非線形光学素子
４    ＭｇＦ2直角プリズム
５    励起光源
６    フィルタ
７    ＩＲスペクトルメータ
９    光パラメトリック発振器
１０    赤外線固体レーザー発振装置
ｐ    励起光
ｓ    シグナル光
ｉ    アイドラー光
【図１】
2014126567.tif 000003
【図２】
2014126567.tif 000004
【図３】
2014126567.tif 000005