(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ多結晶体を含んでなり、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％であることを特徴とする波長変換部材。
【請求項２】
前記アルミナ多結晶体において、アルミナ結晶の平均結晶粒径が、０．６〜１０．０μｍであることを特徴とする請求項１記載の波長変換部材。
【請求項３】
光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含んでなり、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％であることを特徴とする波長変換部材。
【請求項４】
光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含んでなり、該アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、アルミナとジルコニアとの質量比率が２０：８０〜８０：２０であることを特徴とする波長変換部材。
【請求項５】
前記アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、アルミナ結晶の平均結晶粒径が０．３〜５．０μｍであり、ジルコニア結晶の平均結晶粒径が０．２〜２．０μｍであることを特徴とする請求項３または４に記載の波長変換部材。
【請求項６】
光源と、
請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換部材と、
該波長変換部材により変換された光により光励起される固体レーザ媒質と、
前記波長変換部材により変換された光を反射させて固体レーザ媒質に集光するリフレクタとを備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザ媒質を光で励起し、レーザ発振させる固体レーザ装置用の波長変換部材および固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、各種のレーザ装置が知られている。たとえば、固体レーザ装置の１つであるＹＡＧレーザは、３価のネオジムイオン（Ｎｄ３＋）をドープした固体レーザ媒質を含む光共振器と、この固体レーザ媒質を励起するための光源と、この光源および固体レーザ媒質に対向する反射面を有するリフレクタ（集光器）とから構成される。
【０００３】
ここで、光源として用いられるキセノンフラッシュランプの発光スペクトルは、２００ｎｍ〜１２００ｎｍの幅広い波長成分を含む。そのため、励起光に含まれる紫外線は、レーザ媒質の励起には寄与せず、かえってレーザ媒質に色中心（カラーセンター）などの欠陥を生じさせるおそれがある。
【０００４】
このようなレーザ媒質の欠陥を避けるために、リフレクタに、色ガラスフィルタなどの帯域フィルタを設け、励起光に含まれる紫外線を吸収するとともに、紫外線をレーザ媒質に適した波長に変換してレーザ媒質に照射することが提案されている。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、リフレクタ内に設置された励起光源とＮｄ３＋をドープした固体レーザ媒質との間に、３価のクロムイオン（Ｃｒ３＋）をドープした結晶またはガラスからなる波長変換フィルタを介在させることにより、励起光の波長分布をレーザ媒質の励起に適した分布に変換し、高効率で高ビーム品質の固体レーザ装置とすることが記載されている。この波長変換フィルタは、波長λが４００〜６５０ｎｍの励起光を吸収し、Ｎｄ３＋の励起に適した波長λが８１０ｎｍ付近の蛍光を発光し、波長変換が不要な波長λが８１０ｎｍ付近の光はそのまま透過するため、波長変換された蛍光を含む励起光によるレーザの発光効率の向上が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３７６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来の構成では、実際には波長変換によるレーザの発光効率の向上はごく僅かである。波長変換フィルタ中に分散されている３価のクロムイオンの濃度は、一般に約１％程度と低い。また、光源であるキセノンフラッシュランプからの照射光は、直線状の光路で波長変換フィルタを通過してしまう。そのため、キセノンフラッシュランプからの照射光が、波長変換フィルタを通過する間に、波長変換フィルタ中に分散されている３価のクロムイオンに衝突する確率は極めて低い。従って、光源からの照射光のうち、３価のネオジムイオンの励起に関与しない波長の光が３価のクロムイオンに衝突して吸収され、さらに、３価のクロムイオンが発する蛍光がレーザ媒質方向に放射される確率は低いものに止まる。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来の問題点を解決し、波長変換によって実用的に、レーザ媒質の励起を高効率で行うことができる固体レーザ装置用の波長変換部材および固体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ多結晶体を含んでなり、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％であることを特徴とする波長変換部材である。
【００１０】
本発明は、光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含んでなり、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％であることを特徴とする波長変換部材である。
本発明は、光の波長変換に用いられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含んでなり、該アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、アルミナとジルコニアとの質量比率が２０：８０〜８０：２０であることを特徴とする波長変換部材である。
【００１１】
また、本発明は、光源と、上記いずれかの波長変換部材と、該波長変換部材により変換された光により光励起される固体レーザ媒質と、前記波長変換部材により変換された光を反射させて固体レーザ媒質に集光するリフレクタとを備えることを特徴とする固体レーザ装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固体レーザ装置に用いる波長変換部材が、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ多結晶体を含み、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％である。
【００１３】
波長変換部材としてアルミナ多結晶体を含むことで、波長変換部材内を透過する光が散乱されるので、従来のガラスに比べて透過光の光路長が長くなる。光路長が長くなると上記各金属元素と透過光との接触機会が増加するので、蛍光発光による固体レーザ媒質の励起光の放射光量が増加する。
【００１４】
これにより、波長変換によって実用的に、レーザ媒質の励起を高効率で行うことができる。
【００１５】
また本発明によれば、固体レーザ装置に用いる波長変換部材が、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含み、前記クロムおよび前記チタンの少なくとも１種の含有量が、前記アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の総量に対して酸化物換算で０．０１〜１．０質量％である。また本発明によれば、固体レーザ装置に用いる波長変換部材が、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を含み、該アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、アルミナとジルコニアとの質量比率が２０：８０〜８０：２０である。
【００１６】
波長変換部材としてアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を用いることで、波長変換部材内を透過する光が散乱されるので、従来のガラスに比べて透過光の光路長が長くなる。光路長が長くなると上記各金属元素と透過光の接触機会が増加するので、蛍光発光による固体レーザ媒質の励起光の放射光量が増加する。
【００１７】
これにより、波長変換によって実用的に、レーザ媒質の励起を高効率で行うことができる。
【００１８】
また、本発明によれば、上記の波長変換部材を用いることで、レーザ媒質の励起を高効率で行うことができ、発振強度の高い固体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態である固体レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図２】リフレクタ４内部の構成を示す概略断面図である。
【図３】アルミナ−ジルコニア混合多結晶体においてアルミナの含有量を変化させたときの透過光の遅延時間の変化を示すグラフである。
【図４】クロムを含有するアルミナ多結晶体のＰＬ測定およびＰＬＥ測定の結果を示すグラフである。
【図５】Ｎｄ：ＹＡＧ媒質の発光強度を測定するための測定装置の構成を示す模式図である。
【図６】発光強度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下では、図面を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、第１の実施形態である固体レーザ装置の構成を示す概略図である。図２は、リフレクタ４内部の構成を示す概略断面図である。
【００２２】
固体レーザ装置１００は、光源であるフラッシュランプ１、フラッシュランプ１から出射される光によって励起されてレーザ光を出射する固体レーザ媒質２、フラッシュランプ１から出射される光のうち、特定波長域の光については波長を変換して出射し、特定波長域以外の波長域の光については波長を変換せずそのまま出射する発光管３、発光管３から出射される光を反射してレーザ媒質に集光するリフレクタ４および反射鏡５，６を備える。なお、図１において、発光管３が本発明の波長変換部材に相当する。
【００２３】
フラッシュランプ１は、円柱状の直管型ランプであり、出射する光の波長域に、固体レーザ媒質２を光励起させる波長が含まれるものが適宜選ばれる。たとえば、固体レーザ媒質２として、３価のネオジムイオン（Ｎｄ３＋）をドープしたものを用いる場合、３価のネオジムイオンを励起させるために８１０ｎｍの波長を含む波長域の光を出射するキセノンフラッシュランプを用いればよい。
【００２４】
固体レーザ媒質２は、フラッシュランプ１と同様に、円柱状に形成され特定の結晶中に光を吸収して励起する活性種がドーピングされたものである。たとえば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶中に活性種としてネオジムをドープさせたＮｄ：ＹＡＧ媒質、ＹＡＧ結晶中に活性種としてエルビウムをドープさせたＥｒ：ＹＡＧ媒質、ＹＶＯ４（イットリウム・バナジウム・オキサイド）結晶中に活性種としてネオジムをドープさせたＮｄ：ＹＶＯ４媒質およびＧｄＶＯ４（ガドリニウム・バナジウム・オキサイド）結晶中にネオジムをドープさせたＮｄ：ＧｄＶＯ４媒質などを用いることができる。
【００２５】
波長変換部材である発光管３は、フラッシュランプ１の外周を取り囲むように、円筒状に設けられ、クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ多結晶体からなる。なお、アルミナ多結晶体において、クロムを含有するときは、クロムはアルミナ中に固溶し、チタンを含有するときは、チタンはアルミナ中に固溶またはアルミナ多結晶体の粒界に分散して存在する。
【００２６】
フラッシュランプ１から出射された光は、発光管３のアルミナ多結晶体内を透過して、発光管３の外部に出射される。このとき、一部の光は、クロムまたはチタンによって吸収され、蛍光発光によって波長の異なる光として出射されることになる。
【００２７】
ここで、アルミナ多結晶体は、アルミナ相の存在量が、アルミナ相以外の相を合計した存在量より大きいものを用いると、透過光の変換効率がより高くなる傾向があるので好ましい。これらの存在量の比較は、たとえば以下のようにして行う。
【００２８】
まず、アルミナ多結晶体を構成する相をＸ線回折法またはＴＥＭによる電子回折法等により同定する。次にアルミナ多結晶体を、ＩＣＰ発光分析装置（島津製作所製：ＩＣＰＳ−８１００）を用いて含有成分の各含有量を測定する。そして、同定したアルミナ多結晶体を構成する相に基づき、アルミナ相の存在量と、アルミナ相以外の相を合計した存在量とをそれぞれ算出して、算出した存在量同士を比較すればよい。
【００２９】
また、簡易的な比較方法としては、Ｘ線回折により同定したアルミナ多結晶体を構成する各相のうち、アルミナ相の最大ピーク強度の値と、アルミナ多結晶体を構成する各相の最大ピーク強度の値の合計とを比較してもよく、アルミナ相の最大ピーク強度の値が、アルミナ多結晶体を構成する各相の最大ピーク強度の値の合計に対して５０％より大きければ、アルミナ相の存在量が大きいとみなせる。なお、最大ピーク強度とは、各相を示すピーク強度のうち、各相における最も大きいピーク強度を示す。
【００３０】
フラッシュランプ１の一例であるキセノンフラッシュランプから出射された光は、２００ｎｍ〜１２００ｎｍの幅広い波長域の光を含む。この出射光に含まれる紫外光は、固体レーザ媒質２の励起には寄与せず、かえって固体レーザ媒質２に色中心（カラーセンター）などの欠陥を生じさせる。しかし、本実施形態の発光管３を用いた場合、キセノンフラッシュランプから出射される光は、発光管３を通過する際、固体レーザ媒質２の励起に寄与しない紫外光をクロムまたはチタンが吸収し、たとえば、クロムは６９６ｎｍ付近の波長、チタンは６００〜１０００ｎｍ付近の波長の蛍光を発光する。この波長６９６ｎｍ、６００〜１０００ｎｍの光は、固体レーザ媒質２を励起させる励起光となる。このようにして、キセノンフラッシュランプから出射された光の内、固体レーザ媒質２の励起に寄与しない紫外光は、発光管３で吸収され、かつ、クロム、チタンの蛍光発光によって固体レーザ媒質２の励起に寄与する長波長の光に変換されるため、全体として光源から出射される光を、固体レーザ媒質２の励起に有効に使うことができる。なお、発光管３に含有させる金属元素は、固体レーザ媒質２の励起波長に併せて適宜選択すればよい。
【００３１】
フラッシュランプ１は、上記のように円柱状に形成され、発光管３は、フラッシュランプ１と中心軸が同軸の円筒状に形成され、フラッシュランプ１の外周を取り巻くように設けられる。固体レーザ媒質２は、フラッシュランプ１と同様に円柱状に形成され、フラッシュランプ１の中心軸と、固体レーザ媒質２の中心軸とが平行となるように、リフレクタ４内部に設けられる。リフレクタ４は、フラッシュランプ１、固体レーザ媒質２および発光管３を内包し、断面が楕円形状となる楕円管状に形成される。フラッシュランプ１および固体レーザ媒質２は、フラッシュランプ１の中心軸と、固体レーザ媒質２の中心軸とが、楕円形状の２つの焦点のそれぞれに位置するように、リフレクタ４の内部空間に設けられる。
【００３２】
楕円形状の一方の焦点位置において、フラッシュランプ１から出射され発光管３を透過した光は、リフレクタ４の内面で反射され、他方の焦点位置にある固体レーザ媒質２に集光される。固体レーザ媒質２は、集光された光により励起されレーザ光を出射する。固体レーザ媒質２から出射されたレーザ光は、反射鏡５と反射鏡６との間でレーザ発振する。反射鏡５，６のうち一方（本実施形態では反射鏡６）が、半透過鏡であり、発振したレーザ光は、この半透過鏡側、すなわち反射鏡６側からレーザ出力光となって出射される。
【００３３】
ここで、従来技術における波長変換フィルタと、第１の実施形態の発光管３との違いについて説明する。
【００３４】
従来技術の波長変換フィルタは、透明な材質（たとえばガラス）などにクロムまたはチタンなどの金属元素を分散させた材料からなるものである。フラッシュランプ１から出射された光は、波長変換フィルタを透過する際に、クロムまたはチタンにより紫外線などの短波長の光が吸収され、励起されたクロムまたはチタンの蛍光発光によって波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの光が全方位に放射される。ここで、クロムまたはチタンをドープしたガラスにおけるクロムまたはチタンの濃度は、０．０１〜１．０質量％程度であるため、波長変換フィルタにより吸収され、固体レーザ媒質に向かって放射される波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの光は、最大でもフラッシュランプ１から出射された光の１％以下になる。
【００３５】
第１の実施形態の発光管３は、平均結晶粒径が０．６〜１０．０μｍのアルミナ多結晶体に、クロムおよびチタンの少なくとも１種を、アルミナ多結晶体の総量に対して０．０１〜１．０質量％含むものである。それにより、アルミナ多結晶体の透光性および透過光の変換効率をより高く維持できる傾向がある。
【００３６】
発光管３を構成するアルミナ多結晶体の個々のアルミナ単結晶粒子は透明であり、光を透過する。しかし、アルミナ多結晶体に含まれるアルミナ単結晶粒子の結晶方位はランダムである。そして、個々のアルミナ単結晶粒子の結晶粒径は、透過する光の波長と同程度またはそれ以上の大きさであるため、アルミナ多結晶体内を透過する光は、アルミナ単結晶粒子によってミー散乱され、前方散乱が支配的となる。前方に散乱された光は、隣接するアルミナ単結晶粒子によって次々に前方に散乱されるため、全体としては、発光管３の内側から外側に向かって散乱され、発光管３内で複雑な経路を辿った後、発光管３の外周面からリフレクタ４に向かって放射される。このように、全体としては、透過光は発光管３内で乱反射されることになるが、単純な乱反射ではなく、ミー散乱によって、発光管３内の複雑な経路を辿り、その間にアルミナ多結晶体に含有されたクロムまたはチタンを励起しながら透過していくことになる。
【００３７】
発光管３を透過する際の経路の長さが長いほどクロムまたはチタンとの接触機会が増えるので、アルミナ多結晶体を用いることで、従来のガラスよりも多くのクロムまたはチタンを励起し、励起されたクロムまたはチタンから波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光が放射される。この波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光は、固体レーザ媒質２に含まれるネオジムを励起させることが可能な励起光となる。より多くのクロムまたはチタンを励起させることで、クロムまたはチタンから放射される波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光の放射量は増加する。
【００３８】
ここで、アルミナ多結晶体において、アルミナ多結晶体を構成する各相の最大ピーク強度の値の合計に対して、アルミナ相の最大ピーク強度の値の比率が０．９５以上であると、アルミナ多結晶体の機械的強度および透過光の変換効率がより高くなる傾向があるので好ましい。
【００３９】
また、フラッシュランプ１から出射された光のうち、クロムまたはチタンによって吸収されない光は、発光管３内の複雑な経路を辿り、波長が変換されずにそのまま発光管３の外部に放射される。したがって、フラッシュランプ１から出射された光のうち、波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの固体レーザ媒質２の励起光は、そのまま発光管３の外部に放射される。
【００４０】
このように、本実施形態の発光管３は、アルミナ多結晶体からなることにより、フラッシュランプ１から出射され、発光管３を透過する光がアルミナ単結晶粒子により乱反射され、分散されたクロムまたはチタンとの接触機会が増加するので、クロムまたはチタンによる固体レーザ媒質２の励起光への波長変換効率が従来の波長変換フィルタに比べて大きく向上する。
【００４１】
クロムおよびチタンの少なくとも１種の金属元素を含有するアルミナ多結晶体からなる発光管３は、従来公知のセラミックスの製造方法によって作製することができる。
【００４２】
たとえば、アルミナ粒子をアルミナ原料とし、アルミナ原料に対して、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を０．０１〜１．０質量％添加して混合粉末を作製する。混合粉末と公知のバインダおよび溶媒とを混合して泥漿を作製し、泥漿を押出成形法や射出成形法等の公知の成形手段により管状に成形した後、酸素含有雰囲気中にて５〜１０時間程度焼成することでクロムを含有するアルミナ多結晶体からなる発光管３を得られる。ここで、原料となるアルミナ粒子の粒径、焼成温度および焼成時間が、アルミナ多結晶体の結晶粒径に反映される。アルミナ原料の粒径が大きいほど、焼成温度が高いほど、焼成時間が長いほどアルミナ多結晶体の平均結晶粒径が大きくなる傾向がある。したがって、アルミナ多結晶体の平均結晶粒径と、アルミナ原料の粒径、焼成温度および焼成時間との関係を予め測定しておくことで、上記のような、０．６〜１０．０μｍの平均結晶粒径に制御することができる。また、チタンを添加するときは酸化クロムの代わりに酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いればよい。
【００４３】
なお、アルミナ多結晶体の平均結晶粒径は、多結晶体表面のＳＥＭ写真を撮影し、２３０個のアルミナ粒子を対象として、ソフトウエア  Ｗｉｎ  Ｒｏｏｆ（商品名、三谷商事株式会社製）を用いて画像処理を行い、粒径毎の個数分布を得て、平均結晶粒径を算出する。具体的には、対象となる各アルミナ粒子の輪郭内の面積をそれぞれ求め、各アルミナ結晶粒子の円相当径をそれぞれ算出し、算出された円相当径の算術平均を平均結晶粒径とした。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４５】
第２の実施形態が上記の第１の実施形態と異なる点は、発光管３の材質のみであり、他の構成については同様であるので、以下では、発光管３についてのみ説明し、他の構成についての説明は省略する。
【００４６】
第１の実施形態の発光管３は、アルミナ多結晶体にクロムおよびチタンの少なくとも１種を含有させたものであったが、第２の実施形態の発光管３は、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体にクロムおよびチタンの少なくとも１種を含有させたものである。なお、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、クロムを含有するときは、クロムはアルミナ中に固溶し、チタンを含有するときは、チタンはアルミナ中に固溶またはアルミナ相の粒界に分散して存在する。
【００４７】
ここで、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体は、アルミナ相とジルコニア相とを合計した存在量が、アルミナ相およびジルコニア相のこれら２つの相以外の相を合計した存在量より大きいものを用いると、透過光の変換効率がより高くなる傾向があるので好ましい。これらの存在量の比較は、上記のアルミナ多結晶体の場合と同様の方法で、アルミナ相とジルコニア相とを合計した存在量を算出し、アルミナ相およびジルコニア相の２つの相以外の相を合計した存在量を算出して、これらを比較すればよい。
【００４８】
第２実施形態の発光管３においては、アルミナの平均結晶粒径が０．３〜５．０μｍであり、ジルコニアの平均結晶粒径が０．２〜２．０μｍである。また、混合多結晶体において、アルミナとジルコニアとの質量比率（アルミナ：ジルコニア）が２０：８０〜８０：２０である。言い換えると、アルミナの含有量が２０〜８０質量％で、ジルコニアの含有量８０〜２０質量％である。
【００４９】
第２実施形態の発光管３のアルミナ−ジルコニア混合多結晶体は、クロムおよびチタンの少なくとも１種を、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の総量に対して０．０１〜１．０質量％含むものである。それにより、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の透過光の変換効率より高く維持できる。
【００５０】
発光管３を構成するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体に含まれるアルミナおよびジルコニアの個々のアルミナ単結晶粒子およびジルコニア単結晶粒子は透明であり、光を透過する。しかし、アルミナに含まれるアルミナ単結晶粒子およびジルコニアに含まれるジルコニア単結晶粒子の結晶方位はいずれもランダムである。そして、個々のアルミナ単結晶粒子の結晶粒径およびジルコニア単結晶粒子の結晶粒径は、透過する光の波長と同程度またはそれ以上の大きさであるため、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体内を透過する光は、アルミナ単結晶粒子およびジルコニア単結晶粒子によってミー散乱され、前方散乱が支配的となる。前方に散乱された光は、隣接するアルミナ単結晶粒子またはジルコニア単結晶粒子によって次々に前方に散乱されるため、全体としては、発光管３の内側から外側に向かって散乱され、発光管３内で複雑な経路を辿った後、発光管３の外周面からリフレクタ４に向かって放射される。このように、全体としては、透過光は発光管３内で乱反射されることになるが、単純な乱反射ではなく、ミー散乱によって、発光管３内の複雑な経路を辿り、その間にアルミナ−ジルコニア混合多結晶体に分散されたクロムまたはチタンを励起しながら透過していくことになる。
【００５１】
発光管３を透過する際の経路の長さが長いほどクロムまたはチタンとの接触機会が増えるので、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体を用いることで、従来のガラスよりも多くのクロムまたはチタンを励起し、励起されたクロムまたはチタンから波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光が放射される。この波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光は、固体レーザ媒質２に含まれるネオジムを励起させることが可能な励起光となる。より多くのクロムまたはチタンを励起させることで、クロムまたはチタンから放射される波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光の放射量は増加する。なお、発光管３に含有させる金属元素は、固体レーザ媒質２の励起波長に併せて適宜選択すればよい。
【００５２】
ここで、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体において、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体を構成する各相の最大ピーク強度の値の合計に対して、アルミナ相とジルコニア相の最大ピーク強度の値の合計の比率が０．９５以上であると、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の機械的強度および透過光の変換効率がより高くなる傾向があるので好ましい。
【００５３】
また、フラッシュランプ１から出射された光のうち、クロムまたはチタンによって吸収されない光は、発光管３内の複雑な経路を辿り、波長が変換されずにそのまま発光管３の外部に放射される。したがって、フラッシュランプ１から出射された光のうち、波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの固体レーザ媒質２の励起光は、そのまま発光管３の外部に放射される。
【００５４】
このように、第２の実施形態の発光管３は、アルミナおよびジルコニアを含むことにより、フラッシュランプ１から出射され、発光管３を透過する光がアルミナ単結晶粒子により乱反射され、含有されたクロムまたはチタンとの接触機会が増加するので、クロムまたはチタンによる固体レーザ媒質２の励起光への波長変換効率が従来の波長変換フィルタに比べて大きく向上する。
【００５５】
さらに、第２の実施形態で用いるアルミナ−ジルコニア混合多結晶体は、第１の実施形態で用いるアルミナ多結晶体よりも透過する光の光路長が長くなる、すなわち、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体を用いるほうが、アルミナ多結晶体を用いるよりもクロムまたはチタンとの接触機会が増加する。接触機会が増加すると、固体レーザ媒質２を光励起させるための波長６９６ｎｍまたは６００〜１０００ｎｍの蛍光の放射量が増加するので、波長変換効率がさらに向上する。
【００５６】
またさらに、本願発明者らの鋭意研究の結果により、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体を透過する光の光路長は、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体におけるアルミナの含有量によって変化することがわかった。
【００５７】
図３は、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体においてアルミナの含有量を変化させたときの透過光の遅延時間の変化を示すグラフである。
【００５８】
縦軸は、アルミナ−ジルコニア多結晶体を透過する透過光の遅延時間（ｐｓｅｃ：ｐｉｃｏ  ｓｅｃｏｎｄ）を示す。アルミナ−ジルコニア混合多結晶体にチタンサファイアレーザ光の２倍波を照射し、透過光をストリークカメラで撮影する。レーザ光をアルミナ−ジルコニア混合多結晶体に照射してから透過光が撮影されるまでの時間を遅延時間とした。
【００５９】
グラフからわかるように、アルミナの含有量を２０質量％〜８０質量％としたときに透過光の遅延時間が、アルミナのみ（グラフでは１００％Ａｌ２Ｏ３としてプロット）の遅延時間に比べて長くなっている。さらにアルミナの含有量が３５質量％〜５０質量％としたときに遅延時間が最も長くなることがわかった。
【００６０】
透過光の遅延時間が長いほど、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体内を透過する光の光路長が長いものと考えられる。光路長が長いほどアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を透過する光が、クロムまたはチタンなどのアルミナ−ジルコニア混合多結晶体に含有された金属元素と接触する機会が増加するので、クロムまたはチタンなどの金属元素の蛍光発光によって放射される固体レーザ媒質２の励起光の放射量が増加する。
【００６１】
したがって、第２の実施形態において、発光管３を構成するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体は、アルミナとジルコニアとの質量比率が２０：８０〜８０：２０であることが好ましく、３５：６５〜５０：５０であることが特に好ましい。
【００６２】
第１の実施形態のアルミナ多結晶体のみを用いる場合よりも、第２の実施形態のアルミナ−ジルコニア混合多結晶体を用いる場合のほうが、透過光の光路長が長くなる作用については、アルミナ単結晶よりもジルコニア単結晶のほうが、屈折率が高いため、第２の実施形態のアルミナ−ジルコニア混合多結晶体は、異なる屈折率を有する２種類の単結晶を有することから、透過光はより複雑に乱反射され、光路長が長くなるためと考えられる。
【００６３】
クロムなどの金属元素を含有する混合多結晶体からなる発光管３は、第１の実施形態と同様に従来公知のセラミックスの製造方法によって作製することができる。
【００６４】
たとえば、アルミナ原料および公知の安定化剤を含むジルコニア原料を混合し、それに対して酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を０．０１〜１．０質量％添加して混合粉末を作製する。この混合粉末と公知のバインダおよび溶媒とを混合して泥漿を作製し、泥漿を押出成形法や射出成形法等の公知の成形手段により管状に成形した後、酸素含有雰囲気中にて５〜１０時間程度焼成することでクロムを含有するアルミナ−ジルコニア混合多結晶体からなる発光管３を得られる。ここで、原料となるアルミナ粒子およびジルコニア粒子の粒径、焼成温度および焼成時間が、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体の結晶粒径に反映される。したがって、平均結晶粒径と、各原料の粒径、焼成温度および焼成時間との関係を予め測定しておくことで、上記のような、アルミナを０．３〜５．０μｍの平均結晶粒径に、ジルコニアを０．２〜２．０μｍの平均結晶粒径に制御することができる。またチタンを添加するときは、酸化クロムの代わりに酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いればよい。
【００６５】
また、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体におけるアルミナの含有量は、原料となるアルミナ粒子とジルコニア粒子の投入量に依存するので、原料の投入量は、アルミナが２０〜８０質量％となるように、好ましくは３５〜５０質量％となるようにすればよい。
【００６６】
なお、アルミナの平均結晶粒径およびジルコニアの平均結晶粒径は、第１の実施形態と同様の方法で測定、算出することができる。
【実施例１】
【００６７】
実施例１では、第１の実施形態と同様に、発光管３の材料として、総量に対してクロムを０．４質量％含有するアルミナ質焼結体からなるアルミナ多結晶体（試料１）を作製して用いた。なお、アルミナ単結晶の平均結晶粒径は、０．５５μｍであった。
【００６８】
蛍光光度計ＦＰ６６００（日本分光株式会社製）を用いて試料１のＰｈｏｔｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＰＬ）と、Ｐｈｏｔｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ（ＰＬＥ）の測定を行った。ＰＬについては、波長５６６ｎｍの光を照射してクロムを励起させて、波長５９０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲でクロムの蛍光発光を測定した。ＰＬＥについては、波長６９６ｎｍの蛍光発光を測定し、励起波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲で蛍光が強くなる励起波長を測定した。
【００６９】
図４は、クロムを含有するアルミナ多結晶体のＰＬ測定およびＰＬＥ測定の結果を示すグラフである。縦軸が、光の強度（任意単位  ａｒｂ．  ｕｎｉｔ）を示し、横軸が波長（ｎｍ）を示す。また、グラフＡは、ＰＬ測定の結果を示し、グラフＢはＰＬＥ測定の結果を示す。グラフＡからわかるように、ＰＬ測定によって試料１は、波長６９６ｎｍをピークとする蛍光発光特性を有することがわかった。また、グラフＢからわかるように、ＰＬＥ測定によって、波長５６６ｎｍ付近で励起吸収を有することがわかった。また波長４２０ｎｍ付近でも励起吸収を有することがわかった。
【００７０】
また、発光管３の材料として、総量に対してチタンを０．４質量％含有するアルミナ多結晶体（試料２）を作製し、ＰＬ測定およびＰＬＥ測定を行なったところ、ＰＬ測定によって試料２は、波長８３０ｎｍをピークとする蛍光発光特性を有することがわかった。また、ＰＬＥ測定によって波長３６０ｎｍ付近で励起吸収を有することがわかった。
【００７１】
これらの結果から、試料１または２を発光管材料として用いると、光源から出射される光のうち、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質に欠陥を生じさせるような紫外光を含む短波長の光は試料１または２に吸収され、その他ネオジムの励起に必要な波長の光は発光管を透過する。そして試料１または２で吸収された光は波長６９６ｎｍまたは８３０ｎｍにピークを有する蛍光として放射される。この波長の光は、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質のネオジムの励起に寄与するので、この蛍光によりさらに効率よくＮｄ：ＹＡＧ媒質を励起させることができる。
【実施例２】
【００７２】
実施例２では、第２実施形態と同様に、発光管３の材料として、総量に対してクロムを０．４質量％含有するアルミナ−ジルコニア質焼結体からなるアルミナ−ジルコニア混合多結晶体（試料３）を作製して用いた。
【００７３】
試料３におけるアルミナ多結晶体の含有量を変化させたときのＮｄ：ＹＡＧ媒質の発光強度の変化について測定した。アルミナ単結晶の平均結晶粒径は、０．５５μｍであり、ジルコニア単結晶の平均結晶粒径は、０．２７μｍであった。
【００７４】
図５は、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質の発光強度を測定するための測定装置の構成を示す模式図である。発光強度を測定するために、ＹＡＧレーザの第２高調波（５３２ｎｍ）を、試料３（図５、番号１１）に照射し、その散乱光をレンズ１２で集光し、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質１３に照射した。Ｎｄ：ＹＡＧ媒質１３からの発光をＰＩＮフォトダイオード１５で測定した。なお、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質１３とＰＩＮフォトダイオード１５との間にＩＲ８５フィルタ１４を配置し、さらにＰＩＮフォトダイオード１５の近傍に遮光ブロック１６を配置してノイズの影響を減らすようにした。
【００７５】
図６は、発光強度の測定結果を示すグラフである。横軸は、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体におけるアルミナの含有量（質量％）を示し、縦軸は、１．０６ｎｍ発光強度（−）を示す。グラフからわかるように、アルミナの含有量が３５〜６５質量％の範囲で発光強度が高く、特に３５〜５０質量％でより発光強度が高いことがわかった。
【００７６】
この結果は、図３に示した透過光の遅延時間の結果と対応する結果であった。すなわち、遅延時間が長いほど、アルミナ−ジルコニア混合多結晶体に含有するクロムとの接触機会が増加し、Ｎｄ：ＹＡＧ媒質を励起させる励起光の放射光量が増加し、その結果図６に示すような発光強度の増加に至ったものと考えられる。
【００７７】
第１の実施形態の発光管として、アルミナ多結晶体のみからなり、クロムを０．４質量％含有する発光管を作製し、固体レーザ装置に用いてレーザ発振を起こして発振強度を測定した。さらに、第２の実施形態の発光管として、アルミナの含有量が５０質量％であるアルミナ−ジルコニア混合多結晶体からなり、クロムを０．４質量％含有する発光管を作製した。さらにまた、比較例として、ガラスにクロムを０．４％含有する発光管を作製し、固体レーザ装置に用いてレーザ発振を起こして発振強度を測定した。なお、比較例のクロムを含有するガラスは、Ａｌ２Ｏ３を２０．５モル％、ＣａＯを６０モル％、ＭｇＯを７モル％、ＢｅＯを１モル％、ＳｉＯ２を９．５％モル、ＴｉＯ２を２％モルとなるようにガラス原料を混合し、ガラス原料に対してＣｒ２Ｏ３を０．４質量％添加して公知の方法で作製した。
【００７８】
比較例の固体レーザ装置の発振強度を１００％とすると、第１の実施形態の固体レーザ装置の発振強度は約１０５％に向上した。さらに、第１の実施形態の固体レーザ装置の発振強度を１００％とすると、第２の実施形態の固体レーザ装置の発振強度は約１１０％に向上した。
【００７９】
また、第１の実施形態の発光管として、チタンを０．４質量％含有する発光管をそれぞれ上記の実験と同様に作製し、固体レーザ装置に用いてレーザ発振を起こして発振強度を測定した。さらに、第２の実施形態の発光管として、アルミナの含有量が５０質量％であるアルミナ−ジルコニア混合多結晶体からなり、チタンを０．４質量％含有する発光管をそれぞれ上記の実験と同様に作製した。さらにまた、比較例として、上記のクロムを用いた比較例と同様のガラスにチタンを０．４質量％含有する発光管をそれぞれ上記の実験と同様に作製し、固体レーザ装置に用いてレーザ発振を起こして発振強度を測定した。
【００８０】
このチタンを含有する発光管においては、比較例の固体レーザ装置の発振強度を１００％とすると、第１の実施形態の固体レーザ装置の発振強度は約１０７％に向上した。さらに、第１の実施形態の固体レーザ装置の発振強度を１００％とすると、第２の実施形態の固体レーザ装置の発振強度は約１１４％に向上した。
【符号の説明】
【００８１】
１  フラッシュランプ
２  固体レーザ媒質
３  発光管
４  リフレクタ
５，６  反射鏡
１００  固体レーザ装置
【図１】
0005844197.tif 000002
【図２】
0005844197.tif 000003
【図３】
0005844197.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005844197.tif 000006
【図６】
0005844197.tif 000007