(57)【要約】      （修正有）【課題】高いエネルギー変換効率の発振光パルスが出力されるパルスレーザーを提供する。【解決手段】キャビティ・ダンプ・レーザー装置であって、励起パルス光５７の入力側から順に、励起パルス光源５６と、第一の高反射鏡５２と、レーザーゲイン媒体５１と、光スイッチ５４と、第二の高反射鏡５３とから構成され、励起パルス５７がレーザーゲイン媒体５１へ入射し始める時点では共振器が構成されるよう光スイッチ５４の光路が設定されており、励起パルス５７の終端がレーザーゲイン媒体５１へ入射し終わった直後に光スイッチ５４が高速に切りかえられ、共振器内の発振光を共振器外へ放出するよう光路が設定される。【選択図】図５
2014212205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ・ダンプ・レーザー装置であって、励起パルス光の入力側から順に、励起パルス光源と、第一の高反射鏡と、レーザーゲイン媒体と、光スイッチと、第二の高反射鏡とから構成され、前記レーザーゲイン媒体の励起光波長における基底状態吸収遷移断面積をσａ、誘導放出断面積をσｅｍ、発振光波長における上準位吸収遷移断面積をσｌＥＳＡ、発振に関与する発光イオン密度をＮｔ、共振器1周回についての発振エネルギー透過率をＴｒｔとしたときに、励起パルス時間幅τｐ、共振器周回時間τｒｔ、共振器1周回あたりのゲイン媒体光路長（真空換算）Ｌｇについて、以下の3不等式が同時に成立し、励起パルスが前記レーザーゲイン媒体へ入射し始める時点では共振器が構成されるよう光スイッチの光路が設定されており、励起パルスの終端がレーザーゲイン媒体へ入射し終わった直後に光スイッチが高速に切りかえられ、共振器内の発振光を共振器外へ放出するよう光路が設定されることを特徴とするレーザー装置。
【数１】
2014212205.tif 000021
【数２】
2014212205.tif 000022
【数３】
2014212205.tif 000023
【請求項２】
前記共振器内に波長選択素子をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記光スイッチが電気光学偏向器であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記レーザーゲイン媒体がＣｒ４＋：ＹＡＧ単結晶であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記レーザーゲイン媒体がＣｒ４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記レーザーゲイン媒体がＣｒフォレステライト単結晶であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記レーザーゲイン媒体がＣｒフォレステライト単結晶ファイバーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はテラヘルツ波分光装置、大気中水蒸気分布測定などに用いられる、パルスレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波を発生させる有力な方法として有機結晶ＤＡＳＴを用いた差周波発生法がある。この手法には波長１．４μｍ付近、時間幅１０ｎｓ程度、１ｍＪ以上の強いパルス光を放出するレーザー光源が好適である。また大気中の水蒸気の空間分布を測定するライダーに使用する光源としても、波長１．４μｍ付近の高強度パルス光源が望まれている。
【０００３】
従来例として非特許文献１のＣｒ４＋：ＹＡＧゲイン・スイッチ・レーザーを説明する。図２に示したようにこのレーザーは、Ｃｒ４＋：ＹＡＧバルク単結晶２１、励起光波長透過、発振光波長高反射ミラー２２、発振光８０％反射の出力結合ミラー２３、複屈折フィルター２４、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー２５により構成される。ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー２５から時間幅８ｎｓの励起パルス光２６がゲイン媒体のＣｒ４＋：ＹＡＧ単結晶に照射されると，励起後１５０ｎｓに時間幅３０ｎｓ、波長１．４３μｍのパルス光が出力される。発振出力は複屈折フィルターの調整により選択される。エネルギー効率は励起光吸収５３ｍＪに対して２．６ｍＪの出力であり、わずか５％に過ぎない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Anna Petrova-Mayor, Volker Wulfmeyer, and Petter Weibring, "Development of an eye-safe solid-state tunable laser transmitter in the 1.4-1.5 μm wavelength region based on Cr4+:YAG crystal for lidar applications," Applied Optics 47, 1522-1534 (2008).
【非特許文献２】N. I. Borodin, V. A. Zhitnyuk, A. G. Okhrimchuk, and A. V. Shestakov, “Oscillation of a Y3Al5O12:Cr4+ laser in wavelength region 1.34-1.6 μm,” Bulletin of the Academy of Sciences of the U.S.S.R. Physical series (Engl. Transl. from “Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Fizicheskaya”) 54, 54-60 (1990).
【非特許文献３】Alphan Sennaroglu, Clifford R. Pollock, and Howard Nathel, "Efficient continuous-wave chromium-doped YAG laser," Journal of the Optical Society of America B 12, 930-937 (1995).
【非特許文献４】Suda, A.; Kadoi, A.; Nagasaka, K.; Tashiro, H.; Midorikawa, K.; , "Absorption and oscillation characteristics of a pulsed Cr4+ :YAG laser investigated by a double-pulse pumping technique," Quantum Electronics, IEEE Journal of , vol.35, no.10, pp.1548-1553, Oct 1999.
【非特許文献５】Alphan Sennaroglu, Umit Demirbas, Sarper Ozharar, and Fatih Yaman, "Accurate determination of saturation parameters for Cr4+-doped solid-state saturable absorbers," J. Opt. Soc. Am. B 23, 241-249 (2006).
【非特許文献６】G.J. Friel, R.S. Conroy, A.J. Kemp, B.D. Sinclair, J.M. Ley, “Q-switching of a diode-pumped Nd:YVO4 laser using a quadrupole electro-optic deflector,” Applied Physics B , Volume 67, Issue 2, pp 267-270, August 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＣｒ４＋：ＹＡＧナノ秒パルス光源に於いてはエネルギー効率が高々５％であった。時間幅１００μｓの励起パルスを用いたＣｒ４＋：ＹＡＧゲイン・スイッチ・レーザーの場合は１１０ｍＪの励起光入力に対して２５ｍＪ程度のパルス出力（時間幅１００μｓ程度）が報告されており（非特許文献２）、エネルギー効率は２３%以上である。ナノ秒パルス光源に於いても効率の向上が期待されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発振波長で高反射（Ｒ＞９９．９％）のミラー２枚で構成された共振器を持つキャビティ・ダンプ・レーザーを構成する。共振器周回時間を所望の出力パルスの時間幅（１０ｎｓ）に設定し、レーザー結晶（Ｃｒ４＋：ＹＡＧ）とスイッチ素子（ＥＯ偏向素子）と波長選択素子（複屈折フィルター）を配置する。発振光が共振器を周回するよう前記スイッチの光路を設定し、出力パルスの時間幅より充分に長いパルス時間幅（１μｓ、パルスエネルギー１０ｍＪ）の励起パルスを入力する。励起パルスの終了とタイミングを合わせ、スイッチの光路を変更し、共振器内を周回する発振光を共振器外へ出力する。共振器周回時間と同程度の時間幅（１０ｎｓ）を持ち、高いエネルギー変換効率の発振光パルスが出力される（エネルギー２．６ｍＪ）。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】レーザー発振に関与する発光イオンのエネルギー準位を示す図である。
【図２】従来例のＣｒ４＋：ＹＡＧゲイン・スイッチ・レーザーの概念図である。
【図３】従来例のゲイン・スイッチ・レーザーについての共振器内での各物理量の時間変化を示すグラフの模式図であり、（ａ）励起光光子束Ｆｐの時間変化、（ｂ）発振に関与する上準位にあるイオン密度ｎの時間変化、（ｃ）ゲイン・スイッチ・レーザーの発振出力光子束Ｆｌｏｕｔの時間変化を示す図である。
【図４】本発明に係る実施例のキャビティ・ダンプ・レーザーについての共振器内での各物理量の時間変化を示すグラフであり、（ａ）励起光光子束Ｆｐの時間変化、（ｂ）発振に関与する上準位にあるイオン密度nの時間変化、（ｃ）共振器内の発振光光子束Ｆｌの時間変化を示す図である。
【図５】本発明に係る実施例のＣｒ４＋：ＹＡＧキャビティ・ダンプ・レーザーの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜作用＞
１．効率向上を阻む要素
（１）励起状態が短寿命
Ｃｒ４＋：ＹＡＧレーザーで発振に関与する発光イオン、四面体サイトＣｒ４＋イオンの励起寿命は４μｓ程度であり、寿命がミリ秒程度の発振媒体で通常用いられる、ＣＷ励起＋Ｑスイッチ発振という構成では高強度パルス発振は望めない。したがってパルス光励起が必要である。
（２）発振上準位吸収（ＥＳＡ）の存在
Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶のＥＳＡの遷移断面積は基底状態吸収の遷移断面積の最大０．４程度とされている（報告により異なる[非特許文献５]）。そのため発振上準位にある発光イオンが増加すると、励起の効率が低下してしまう。
【０００９】
２．原理
本発明のレーザーと物理モデルとして等価であり、かつ、光路内で進行方向、垂直方向とも空間的に一様な共振器におけるレート方程式を記述する。レーザー発振に関与する発光イオンのエネルギー準位については図１を参照のこと。図１において、上向き矢印は吸収遷移、下向き実線矢印は発光遷移、破線矢印は無輻射緩和過程、矢印横の記号は遷移確率、準位の横の記号はその準位にあるイオン密度を示す。
【００１０】
【数１】
2014212205.tif 000003
【００１１】
【数２】
2014212205.tif 000004
【００１２】
ここで、ｎは上準位密度（発振準位）、Ｎｔは発振に関与する発光イオン密度、Ｆｐ、Ｆｌは励起光及び発振光の光子束（ｐｈｏｔｏｎ  ｆｌｕｘ）、σａは基底状態吸収遷移断面積（励起光波長）、σｅｍは誘導放出断面積、σｌＥＳＡは発振上準位吸収遷移断面積（発振光波長）、τは上準位緩和寿命、ｃは光速、τｃは共振器光子寿命（ｃａｖｉｔｙ  ｐｈｏｔｏｎ  ｌｉｆｅｔｉｍｅ）、Ｌｇは共振器1周回あたりのゲイン媒体光路長（真空換算）、Ｌｒｔは共振器周回光路長（真空換算）である。また、発振の起点となる発光準位よりさらに上準位から発光準位への緩和確率は、吸収や誘導放出の遷移確率より充分に大きいとした。
【００１３】
非特許文献３より、σａは１．３×１０−１８ｃｍ２、σｅｍは０．９５×１０−１９ｃｍ２、σｌＥＳＡは０．２９×１０−１９ｃｍ２、τは３．４×１０−６ｓである。
【００１４】
装置の設計指針として、ＥＳＡを抑制するため、励起パルスがレーザー結晶に入力されている間、なるべく上準位密度を低く保ちながら発振光を増幅することを目指す。これによって発振効率が高められる。
【００１５】
式（１）に含まれる遷移確率について実施例の具体的な数値を計算し、上準位密度の時間発展を考察する。
【００１６】
ＥＳＡを抑制するための第一の方針として、励起パルスの時間幅を拡大することにより、励起エネルギーを変えずに励起光の光子束を下げる。
【００１７】
励起パルスの時間幅を従来のゲイン・スイッチ・レーザーより１００倍程度拡大し、時間幅１μｓとする。ここでゲイン媒体に単結晶ファイバーを用いることにする。励起光、発振光ともにビーム断面は直径１２０μｍの円形と考える。波長１．０６４μｍ、パルスエネルギー１０ｍＪの矩形波であれば，励起光吸収による遷移確率は、
【００１８】
【数３】
2014212205.tif 000005
【００１９】
発振光出力が最終的に、波長１．４μｍ、パルス幅１０ns，パルスエネルギー2.6 mJの矩形波になるとする．最終出力時の光子束をＦｌｏｕｔと表せば，誘導放出の遷移確率は、
【００２０】
【数４】
2014212205.tif 000006
【００２１】
Ｆｐσａ＝１／４・Ｆｌｏｕｔσｅｍであるから、励起が進み、上準位密度が基底準位と等しくなった状況で発振光出力が最終出力の１／４に到達していれば、上準位密度が減り始めることになる。この場合、上準位からの緩和時定数は１／τ＝２．９×１０５（１／ｓ）に過ぎないので、考慮しなくてよい。
【００２２】
ＥＳＡを抑制するための第二の方針は、上準位密度が高まり、ＥＳＡによる励起効率の低下が顕著にならないようにレーザー結晶の状態を制御することである。非特許文献４のＦｉｇ．３から読み取れるようにＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶に保持された励起エネルギーが最大可能保持エネルギーの１／２程度までであればＥＳＡによる励起光エネルギーの損失は充分小さい。したがって上準位密度がｎ≦Ｎｔ／２の条件から大きくはずれない設計が発振効率の向上のため望まれる。ファイバー長さ７８ｃｍの場合、体積は８．６×１０−３ｃｍ３となる。発振に関わる発光イオン濃度が非特許文献３と等しく、１．２×１０１８ｃｍ−３であるとして、発振光となりうるエネルギーを１．４ｍＪ保持することが可能である。ｎ＝Ｎｔ／２は０．７ｍＪにあたる。
【００２３】
ＥＳＡを抑制するための第三の方針として、励起光が入射しはじめてから発振光が顕著な出力に達するまでのビルドアップ時間の短縮を目指す。図３に従来例のゲイン・スイッチ・レーザーについての共振器内での各物理量の時間変化の概念図を示す。図３（ａ）は励起光光子束Ｆｐの時間変化、図３（ｂ）は発振に関与する上準位にあるイオン密度ｎの時間変化、Ｎｔは結晶に含まれる発光イオン密度、図３（ｃ）はゲイン・スイッチ・レーザーの発振出力光子束Ｆｌｏｕｔの時間変化を示す。非特許文献１のゲイン・スイッチ・レーザーでは、６−８ｎｓ程度の時間幅を持つ励起光が入射してから出力光が発生するまでのビルドアップ時間は１５０ｎｓ程度であるが（図３）、本発明のキャビティ・ダンプ・レーザーでは励起パルス幅が長いため、同じ励起エネルギーであればビルドアップ時間が長くなってしまう恐れがある。その間、発振出力は弱く、誘導放出による上準位減少はわずかであるため上準位密度は増加し続ける。
【００２４】
ビルドアップ時間ｔｂを、励起開始より発振光の光子束が最終出力時の光子束Ｆｌｏｕｔの１／４に増大するまでの時間と定義する。式（２）より、
【００２５】
【数５】
2014212205.tif 000007
【００２６】
励起前の光子束Ｆｌ０を発振モード内に光子が１個の状態に対応した値とする。共振器周回ロスを０．０２として、τｃ＝５×１０−７となり、
【００２７】
【数６】
2014212205.tif 000008
【００２８】
Ｌｇ／Ｌｒｔもしくはｎの増大がビルドアップ時間短縮に必要である。Ｌｇ／Ｌｒｔ＝０．９５、ｎ＝Ｎｔ／２の場合、ｔｂ＝３２ｎｓとなり、励起パルス時間幅１μｓより充分小さい。
【００２９】
ここで励起光がＥＳＡの影響なく吸収される場合を考える。ゲイン媒体の上準位に保持されるエネルギーの割合（ｒｑ）は，発振周波数（νｌ）と励起周波数（νｐ）の比で、ｒｑ＝νｌ／νｐ＝０．７６となり、ｎ＝Ｎｔ／２、つまり０．７ｍＪが保持されるのは、（０．７（ｍＪ）×１０００（ｎｓ））／（１０（ｍＪ）×０．７６）＝９２（ｎｓ）経過後である。ここで発振準位からの緩和は十分小さいので無視した。この時点からｔｂ（３２ｎｓ）経過した時点では、まだ必要なエネルギーが励起光より供給されていないので、上準位密度の減少は起こらない。励起エネルギーは
【００３０】
【数７】
2014212205.tif 000009
【００３１】
の割合で発振光に変換されるので，最終発振出力の１／４に変換される励起光は
【００３２】
【数８】
2014212205.tif 000010
【００３３】
の時間分である．したがって励起開始より９２（ｎｓ）＋１１２（ｎｓ）＝２０４（ｎｓ）経過した時間（もしくはその少し前）から上準位密度が減少に向かうことが推定できる。
【００３４】
減少し始めた上準位密度は、式（１）より、
【００３５】
【数９】
2014212205.tif 000011
【００３６】
に漸近してゆく。従来のナノ秒パルス励起ゲイン・スイッチ・レーザーでは、上準位密度は励起開始より増加し続け、Ｎｔに漸近する（図３）。図４は本発明に係る実施例のキャビティ・ダンプ・レーザーについて、その共振器内での各物理量の時間変化を表した概念図である。図４（ａ）は励起光光子束Ｆｐの時間変化、（ｂ）は発振に関与する上準位にあるイオン密度nの時間変化、Ｎｔは結晶に含まれる発光イオン密度、（ｃ）は共振器内の発振光光子束Ｆｌの時間変化、Ｆｌｏｕｔは出力時の発振光光子束を示している。ポンプ光がゲイン媒体に入射している間の上準位密度の平均は、従来例より大幅に減少していることがわかる。
【００３７】
以上、説明のとおり、本発明により従来技術に比べ上準位密度が下がり、ＥＳＡを減少させられることは明らかである。しかし励起パルスの時間幅が共振器周回時間より長すぎると、共振器内損失により発振エネルギーが失われ、出力効率が向上しない恐れがある。
【００３８】
非特許文献１、２より、ナノ秒パルス励起に比べ、１００μｓパルス励起は効率がおおよそ４倍である。したがって本発明の全誘導放出エネルギーに対する最終発振出力の比をＴａｌｌとおけば、Ｔａｌｌ＞０．２５でなければ従来例より改善が望めない。近似モデルとして、共振器内の発振エネルギーが時間に対し直線的に増加する場合を考える。ここでスイッチ時間内の損失を考慮しないこととすれば、Ｔａｌｌは以下のように計算できる。
【００３９】
【数１０】
2014212205.tif 000012
【００４０】
ここで、Ｔｒｔは共振器1周回についての発振エネルギー透過率、τｐは励起パルス時間幅、τｒｔは共振器周回時間、Ｍはτｐ／τｒｔ以下の最大整数である。
【００４１】
共振器周回時間が１０ｎｓ、励起パルス時間幅１μｓ、Ｔｒｔ＝０．９８の場合、Ｔａｌｌ＝０．４４である。実際のレーザーではビルドアップ時間を考慮に入れる必要があり、さらにＴａｌｌは大きくなる。Ｔａｌｌ＝０．５と見込めば、本発明の全体のエネルギー効率として、ｒｏ＝０．５８にＴａｌｌを乗じた、０．２９程度が期待できる。
【００４２】
出力を取り出すスイッチ素子は光路切り替え時の損失を抑えるため、スイッチ時間１ｎｓ以下が必要である。また透過損失が少ないことも重要である。電気光学偏向器はスイッチ時間1 ns以下が可能であり、また透過損失が１％以下であるので、これを使用することで本発明のレーザーが実現できる[非特許文献６]。高速のスイッチとしては通常ポッケルスセルが使用されるが透過損失が１．５−２％と大きい。そこで損失の小さい電気光学偏向器を使用する。材質はタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムが使用されるが、ＫＴＮの使用により駆動電圧の低減が図れる。
【００４３】
３．本発明が成立する条件
以上説明した、本発明のＥＳＡ抑制キャビティ・ダンプ・レーザーが成立する条件を数式により表す。簡単のためＭ＝τｐ／τｒｔの場合に限定する。
【００４４】
励起パルスの時間幅の中間より早い時期に誘導放出遷移確率が励起光による吸収遷移確率を上回る条件は、発振エネルギーの単純増加モデルで考えると、
【００４５】
【数１１】
2014212205.tif 000013
【００４６】
励起光，最終発振出力光の１パルスあたりのエネルギーを、Ｅｐ、Ｅｌとおけば、励起光のＥＳＡを無視して、
【００４７】
【数１２】
2014212205.tif 000014
【００４８】
励起光，発振光ともにゲイン媒体中でビームの断面積がＡであるとして、プランク定数をｈとすれば、
【００４９】
【数１３】
2014212205.tif 000015
【００５０】
であるから、式（５）、（６）より、条件は以下になる。
【００５１】
【数１４】
2014212205.tif 000016
【００５２】
式（４）を代入して，以下の条件式を得る。
【００５３】
【数１５】
2014212205.tif 000017
【００５４】
つぎにｎ＜Ｎｔ／２の場合にビルドアップ時間が充分早くなる条件を数式で表す。ｔｂ＜τｐ／１０を条件とすれば、式（３）を変形して、以下の条件式が得られる。
【００５５】
【数１６】
2014212205.tif 000018
【００５６】
ｌｎ（Ｆｌｏｕｔ／４Ｆｌ０）は最終出力が変化しても、大きく変化しないことに注意して、実施例の場合の値３６をいれる。Ｌｒｔ＝ｃτｒｔなので、τｃ＝−τｒｔ／ｌｎＴｒｔだから、
【００５７】
【数１７】
2014212205.tif 000019
【００５８】
最後に、誘導放出エネルギーのうち共振器内で損失を受けずに最終的に出力される割合が０．２５より大きいとの条件を表す。式（４）より、Tall＞０．２５は以下の条件式になる。
【００５９】
【数１８】
2014212205.tif 000020
【００６０】
左辺はＭの増加に対して単調に減少するので、τｒｔを与えればτｐの上限が決まる。式（８）、（１１）より所望のτｒｔに対するτｐの範囲が定まる。
【００６１】
スイッチの立ち上がり時間より、τｒｔの下限はほぼ決まる。またスイッチの透過損失によりＴｒｔもほぼ決まる。その結果、スイッチを決めれば、τｒｔとτｐの範囲が定まる。またτｒｔとτｐを与えれば、式（９）よりゲイン長さＬｇの下限が求まる。
【００６２】
非特許文献３の値を用いて、Ｔｒｔ＝０．９８とすれば、式（８）よりτｐ／τｒｔ＞６１．０となり、式（１１）よりτｐ／τｒｔ＜１９７となる。式（１０）よりＬｇ＞９１となり、屈折率１．８２のＹＡＧ結晶については往復で使用するとして、２５ｃｍ以上の結晶長が必要になる。
【実施例】
【００６３】
本発明の実施例を説明する。
【００６４】
図５に本実施例のキャビティ・ダンプ・レーザーの模式図を示す。
【００６５】
本実施例のキャビティ・ダンプ・レーザーは、レーザーのゲイン媒体のＣｒ４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー５１、高反射（反射率９９．９％以上）のミラー５２、５３、電気光学偏向器５４、波長選択の機能を持つ水晶製複屈折フィルター５５、励起用パルス光源５６を部品として持つ。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー５１は直径１２０μｍ、長さ７８ｃｍで、励起波長に対する吸収係数は１．５ｃｍ−１、 発光イオン濃度が１．２×１０１８ｃｍ−３である。発振波長１．３−１．６μｍにおいて高反射（反射率９９．９％以上）のミラー５２、５３はレーザー共振器を構成する。励起光が入射する側のミラー５２は励起光の波長（１．０６μｍ）において、充分な透過率（＞９９％）を有している。タンタル酸リチウム製の電気光学偏向器５４は高電圧を印可することで光路を共振器外に向ける。このスイッチの立ち上がり時間は１ｎｓ以下であり、素子の透過率は９９％以上である。励起用パルス光源５６は波長１．０６μｍ、時間幅１μｓ、パルスエネルギー１０ｍＪを出力する。励起光５７はレーザーのゲイン媒体のＣｒ４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー５１に入力される。励起中の共振器内の励起光光子束Ｆｐ、上準位密度（発振準位）ｎ、発振光光子束Ｆｌの時間変化（概念図）を図４に示す。発振光５８はスイッチが開くまで共振器内を周回する。発振光出力５９は励起パルスの終端と同時に電気光学偏向器により光路がスイッチされ共振器外に出力される。
【００６６】
図４を用いて、動作を説明する。励起開始より上準位密度ｎは時間とともに上昇する。しかし図４（ｃ）に示すように１００ｎｓ付近から発振光の強度が顕著となり、誘導放出が増大するため上準位密度の増加率が鈍る。そして２００ｎｓの手前で上準位密度ｎは発光イオン濃度の１／２を少し超えた値でピークを迎える。その後上準位密度ｎは徐々に低下し、発光イオン濃度の０．２倍に漸近する。発振光強度はｎの下降時に上昇率を上げ、そののち徐々に上昇率を下げ、最終的に一定上昇率に近づく。励起開始後１０００ｎｓに励起が終わり、その直後に電気光学偏光器がスイッチされ、共振器内の発振光は時間幅１０ｎｓ弱の矩形波として放出される。
【００６７】
上記＜作用＞において記述した通り、本発明のエネルギー効率として０．２９が見込めるので、発振閾値が励起光入力１ｍＪであれば、発振光出力２．６ｍＪが見込める。
【００６８】
本実施例では単結晶ファイバーをゲイン媒体に用いたが、バルク結晶やスラブ導波路でも光学長の基準を満たせば当然使用できる。またＣｒ４＋：ＹＡＧレーザーについて説明したが、Ｃｒフォルステライトレーザーなどの励起波長にＥＳＡが存在する他のレーザー結晶についても、本発明が有効であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００６９】
１１  基底準位
１２  励起準位
１３  発振に関与する上準位
１４  ESA励起準位
１５  発振終準位
２１  Ｃｒ４＋：ＹＡＧバルク単結晶
２２  励起光波長透過、発振光波長高反射ミラー
２３  発振光８０％反射の出力結合ミラー
２４  複屈折フィルター
２５  ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー
２６  励起パルス光
２７  発振パルス光
５１  Ｃｒ４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー
５２  励起光波長透過、発振光波長高反射ミラー
５３  発振光波長高反射ミラー
５４  タンタル酸リチウム電気光学偏向器
５５  複屈折フィルター
５６  励起用パルス光源
５７  励起パルス光
５８  発振光
５９  電気光学偏向器により放出された発振パルス光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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