(57)【要約】【課題】高出力な励起装置を要することなく十分に高い発振効率が得られると共に、発振出力の周波数依存性が小さいレーザ用単結晶部品を提供すること。【解決手段】Ｔｍを原子５％，Ｈｏを０．５原子％を含んだＬｉＬｕＦ４をレーザ材料とし、そのＴｍ，Ｈｏを含むＬｉＬｕＦ４によるレーザ材料（Ｔｍ，Ｈｏ：ＬＬＦとして示す）の両端をＴｍ，Ｈｏを含まない母結晶（ＵｎｄｏｐｅｄＬＬＦとして示す）で挟んだ状態のレーザロッドの断面形状が正三角形（即ち、全体を三角柱型レーザロッドとする）であって、側面を研磨したもの（試料１）と研磨しないもの（試料２）とについて、作製したレーザ用単結晶部品では、試料１の方が試料２のものよりも出力レーザ発振エネルギーにおける周波数依存性が小さく、発振効率が向上する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母結晶組成がＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（但し、ｘ＝０〜１とする）のレーザ材料を用いて成ると共に、レーザロッドの断面形状を正三角形としたことを特徴とするレーザ用単結晶部品。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ用単結晶部品において、前記レーザ材料は、Ｔｍ又はＨｏの少なくとも一方を０．１〜１．０原子％含むことを特徴とするレーザ用単結晶部品。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ用単結晶部品において、前記レーザロッドの側面から励起すると共に、励起光入射面が鏡面状態であることを特徴とするレーザ用単結晶部品。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載のレーザ用単結晶部品を用いて成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、主として気象観測用の測定光源として適用される２μｍ帯域で使用されるレーザ用単結晶部品であって、詳しくはエネルギー変換効率の高いレーザ用単結晶部品及びそれを用いたレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般に２μｍ帯域で使用される２μｍレーザは、アイセーフレーザとも呼ばれる準三準位レーザとして知られており、レーザ材料にはＴｍ，Ｈｏを添加したフッ化物や酸化物が用いられている。準三準位レーザは、一般に実用化されているＮｄ添加ＹＡＧ１μｍレーザ（四準位レーザ）と比べて基本的に励起状態から発振し難いものであることにより、より強い励起を行って発振効率を上げるためにはレーザ結晶を強く冷却する必要がある。そこで、レーザ用単結晶部品を構成する場合にはレーザ材料をロッド状に加工してレーザロッドを成し、その側面から励起を行うようにしている。
【０００３】
通常、レーザロッドの両端面には励起元素となるＴｍ，Ｈｏを含まない母結晶組成のレーザ材料を熱溶着し、レーザロッドからの放熱を促進させるようにしているが、そのときに寄生発振が生じ易く、これが発生するとレーザ品質が低下してしまうため、入射光が大気との界面で反射してレーザ結晶内に戻ることを回避する対策が必要となっている。そこで、こうした場合に導入される技術として、一般にはレーザロッド内の励起を均一にして励起効率を上げるためにレーザロッドの側面の形状を鏡面でなくラフ面にして散乱状態とすることにより、界面での反射による寄生発振等の発生を防止するようにしている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５６５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した２μｍレーザ用単結晶部品の場合、入射光が大気との界面で反射してレーザ結晶内に戻ることを回避すべく、ラフ面にしたレーザロッドの側面を通して励起を行っているが、こうした構造であればレーザロッドの表面では入射光が散乱して実際に入射される光エネルギーが低くならざるを得なく、殊に強い励起エネルギーが必要な２μｍレーザの場合には高出力な励起装置が必要となってしまうため、実際には実用化が困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、高出力な励起装置を要することなく十分に高い発振効率が得られると共に、発振出力の周波数依存性が小さいレーザ用単結晶部品及びそれを用いた小型のレーザ発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、母結晶組成がＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（但し、ｘ＝０〜１とする）のレーザ材料を用いて成ると共に、レーザロッドの断面形状を正三角形としたレーザ用単結晶部品が得られる。
【０００８】
又、本発明によれば、上記レーザ用単結晶部品において、レーザ材料は、Ｔｍ又はＨｏの少なくとも一方を０．１〜１．０原子％含む単結晶であるレーザ用単結晶部品が得られる。
【０００９】
更に、本発明によれば、上記何れかのレーザ用単結晶部品において、レーザロッドの側面から励起すると共に、励起光入射面が鏡面状態であるレーザ用単結晶部品が得られる。
【００１０】
加えて、本発明によれば、上記何れか一つレーザ用単結晶部品を用いて成るレーザ発振器が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のレーザ用単結晶部品を備えた２μｍレーザ発振器の場合、周知のＮｄ添加ＹＡＧ１μｍレーザ結晶部品を用いたレーザ発振器と比べて発振効率が約４倍以上となり、しかも発振出力の周波数依存性が小さく、高い耐久性及び安定性を有して励起光源の出力エネルギー（励起レーザエネルギー）が低くて済み、周知のものよりも容易に小型化を図ることできるため、特に環境計測用レーザの用途での実用化が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の最良の形態を含むレーザロッドの断面形状が異なる幾つかのレーザ用単結晶部品の概略構造を示した断面図であり、（ａ）は円形レーザロッドに関するもの，（ｂ）は本発明の最良の形態に係る正三角形レーザロッドに関するもの，（ｃ）は正方形レーザロッドに関するものである。
【図２】図１（ｂ）に示す正三角形レーザロッドにおける代表的な励起レーザの光路をレーザ材料として周知のＹＡＧを用いた場合と本発明の最良の形態に係るＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（ｘ＝０〜１）系の単結晶を用いた場合とについて説明するために示した模式図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーザ用単結晶部品であって、側面の研磨の有無による試料についての正三角形レーザロッドをスケールと対比して示した模式図である。
【図４】図３に示すレーザ用単結晶部品の試料について、レーザ発振パルス特性の測定結果を側面から入射する励起レーザエネルギーに対する出力レーザ発振エネルギーの関係で示したもので、（ａ）は側面を研磨した試料に関するもの，同図（ｂ）は側面を研磨しない試料に関するものである。
【図５】図４（ａ）に示す試料１について、レーザ発振パルス特性の測定よりも更に高い励起密度で励起した場合の蛍光波形を時間に対する強さの関係でレーザダイオードと対比して示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の最良の形態に係る２μｍレーザ用単結晶部品は、入射光が大気との界面で反射してレーザ結晶内に戻ることを回避するための対策として、入射光がレーザ結晶内で広角に広がることを踏まえ、最近研究されているレーザロッドの断面形状を奇数辺の正多角形にすることにより対面からの光の戻りを回避する技術を検討した結果、簡単な構造で作製が容易なものとして、母結晶組成がＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（但し、ｘ＝０〜１とする）のレーザ材料を用いて成ると共に、レーザロッドの断面形状を正三角形としたものである。
【００１４】
ここでのレーザ材料の母結晶組成であるＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（ｘ＝０〜１）は、換言すればＬｉＬｕＦ４，ＬｉＹＦ４，及びＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（但し、ｘは０＜ｘ＜１とする）として表記できるもので、更にレーザ材料はＴｍ又はＨｏの少なくとも一方を０．１〜１．０原子％含む単結晶とすることが好ましい。又、これらのレーザ用単結晶部品の場合、レーザロッドの側面から励起すると共に、励起光入射面を鏡面状態とすることが有効である。
【００１５】
このようなレーザ材料を用いたレーザ用単結晶部品は、寄生発振を防止できて放熱効率が約１．６倍となり、励起光の入射面での損失を無くせて光エネルギー効率を向上させることができ、高い発振効率が得られて発振出力の周波数依存性が小さくなるため、小型の２μｍレーザ発振器に適用することが有効となる。
【００１６】
以下は、レーザロッドの断面形状を正三角形にした場合の有利性について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の最良の形態を含むレーザロッドの断面形状が異なる幾つかのレーザ用単結晶部品の概略構造を示した断面図であり、同図（ａ）は円形レーザロッドに関するもの，同図（ｂ）は本発明の最良の形態に係る正三角形レーザロッドに関するもの，同図（ｃ）は正方形レーザロッドに関するものである。
【００１８】
図１（ａ）〜（ｃ）には、各レーザロッドにおけるレーザ断面積と放熱効率との関係が示されている。概略的にはレーザロッド内のレーザ発振部分は、均一な励起が実現されることにより、図１（ａ）に示されるヒートシンク１内の円形レーザロッドの場合のような円形状であると仮定することができる。この場合、円形レーザロッドにおける外周の円形励起ロッド断面における周の長さが放熱効率に比例するものである。図１（ｂ）に示されるヒートシンク２内の正三角形レーザロッドの場合のような三角形励起ロッド断面では、図１（ｃ）に示されるヒートシンク３内の正方形レーザロッドの場合のような正方形励起ロッド断面と比べてもその放熱効率が最も大きくなり、円形励起ロッド断面のよりも約１．６倍となる。
【００１９】
以下は、正三角形レーザロッドの三角形励起ロッド断面について、寄生発振の発生を周知のレーザ材料であるＹＡＧを用いた場合とＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４  （ｘ＝０〜１）系の単結晶を用いた場合とについて比較検討する。
【００２０】
図２は、上述した正三角形レーザロッドにおける代表的な励起レーザ（寄生発振）の光路（道程）をレーザ材料として周知のＹＡＧを用いた場合と本発明の最良の形態に係るＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（ｘ＝０〜１）系の単結晶を用いた場合とについて説明するために示した模式図である。
【００２１】
図２を参照すれば、正三角形レーザロッドでは、励起時にレーザ結晶内部（例えば所定箇所Ｐ１，Ｐ２）で自然放出光が発生し、発生した２μｍ帯の蛍光が全ての方向に出射される。
【００２２】
このうち、光路Ｌ１に示されるような或る特別な角度θでレーザ結晶内部の側面に入射した自然放出光は、反射を繰り返して増幅されながら元の位置に戻り、それが繰り返されて光路Ｌ２からの透過光として寄生発振（レーザ発振）が起こる。これは一種のリング型共振器を成すもので、増幅を繰り返すうちに寄生発振に至る。従って、共振器として光路が存在するような内部反射角での反射率が高いレーザ結晶程、寄生発振が起こり易いことになる。正三角形レーザロッド（全体は三角柱型レーザロッド）では、この角度θはθ＝３０度であるが、ＹＡＧを用いた場合には全反射臨界角３３度に近いためにそのロッド表面をラフ面の状態に加工して反射を防止する必要がある。
【００２３】
これに対し、ＬｉＹｘＬｕ１−ｘＦ４（ｘ＝０〜１）系としてＬｉＬｕＦ４単結晶を用いた場合には、レーザ材料の屈折率が１．４５と小さいため、全反射臨界角が４４度となり、Ｓ偏光に対する入射角３０度での反射率もＹＡＧの約４分の１であるために寄生発振の前段階である自然放出光の増幅も起こり難く、界面での反射は殆ど無いといえる。従って、励起光の入射面をラフ面状態にする必要は無く、結果として、励起光の入射面での散乱が無いばかりでなく、自然放出光の増幅や寄生発振による利得の減少も抑えられるため、光エネルギー効率が向上することになる。
【００２４】
尚、本発明の２μｍレーザ用単結晶部品は、Ｔｍ，Ｈｏを添加したアイセーフレーザの用途に限定されるものでなく、他の発振波長の場合でも母結晶が同等であれば、同様の形状とすることでその効果を得ることができる。又、本発明の２μｍレーザ用単結晶部品は、レーザ材料としてフッ化物を母結晶として用い、レーザロッドの断面形状を正三角形とし、その励起光入射面を鏡面とすることを基本としているが、レーザ材料はフッ化物に限定されること無く、屈折率として１．４５近傍を持つ材料であれば他のものを用いても良い。
【００２５】
以下は、本発明のレーザ用単結晶部品及びそれを用いたレーザ発振器について、具体的な実施例を挙げて説明する。
【実施例１】
【００２６】
実施例１では、Ｔｍを原子５％，Ｈｏを０．５原子％を含んだＬｉＬｕＦ４をレーザ材料とし、図３に示される如く、そのＴｍ，Ｈｏを含むＬｉＬｕＦ４によるレーザ材料（Ｔｍ，Ｈｏ：ＬＬＦとして示す）の両端をＴｍ，Ｈｏを含まない母結晶（ＵｎｄｏｐｅｄＬＬＦとして示す）で挟んだ状態のレーザロッドの断面形状が正三角形（即ち、全体を三角柱型レーザロッドとする）であって、側面を研磨したもの（試料１とする）と研磨しないもの（試料２とする）とについて、レーザ用単結晶部品を作製し、これらの発振効率を比較した。但し、試料１に係る研磨面の平滑度はλ／２（但し、λ＝６３２ｎｍ）とした。
【００２７】
図４は、実施例１に係るレーザ用単結晶部品の試料１，試料２について、レーザ発振パルス特性の測定結果を正三角形レーザロッドの側面から入射する励起レーザエネルギー（ｍＪ）に対する出力レーザ発振エネルギー（ｍＪ）の関係で示したもので、同図（ａ）は側面を研磨した試料１に関するもの，同図（ｂ）は側面を研磨しない試料２に関するものである。但し、ここでの測定は、励起レーザの入射を側面から行い、温度１８℃でパルス入射に際してのパルス幅を１．５ｍｓとし、正三角形ロッドレーザの両端面の出力鏡反射率Ｒを８０％とした条件下で行った。
【００２８】
測定結果からは、図４（ａ）に示される側面を鏡面研磨した試料１のものの方が、図４（ｂ）に示される側面を鏡面研磨しない試料２のものよりも出力レーザ発振エネルギーにおける周波数（１Ｈｚ，２Ｈｚ，３Ｈｚ，４Ｈｚ，５Ｈｚ）の依存性が小さく、例えば周波数５Ｈｚの場合を比較すると、発振効率が約１．７倍となっていることが判る。
【００２９】
図５は、上述した図４（ａ）に示す試料１について、そのレーザ発振パルス特性の測定よりも更に高い励起密度で励起した場合の蛍光波形を時間（ｍｓ）に対する強さ（ａ．ｕ．）の関係で周知のＮｄ添加ＹＡＧ１μｍレーザ結晶部品としてのレーザダイオード（ＬＤ）と対比して示したものである。即ち、ここでの試料１の強励起時における蛍光波形からは、レーザロッドの断面形状を正三角形以外の奇数辺の正多角形の構造とした場合に寄生発振が起きるとその寄生発振時に励起レーザエネルギー９３２ｍＪ，９９４ｍＪ，１０５６ｍＪ，１１１８ｍＪ，１１８０ｍＪ，１２４２ｍＪ毎に所定の領域Ｅに発現するスパイク状波形が一切発生していないことが判る。
【００３０】
更に、この実施例１に係るレーザ用単結晶部品を用いて２μｍレーザ発振器を構成した場合、周知のＮｄ添加ＹＡＧ１μｍレーザ結晶部品を用いて構成したレーザ発振器と比べて発振効率が約４倍以上となり、しかも発振出力の周波数依存性が小さく、高い耐久性及び安定性を有して励起光源の出力エネルギー（励起レーザエネルギー）が低くて済むため、周知のものよりも小型化を図ることが容易となる。
【符号の説明】
【００３１】
１，２，３  ヒートシンク
Ｌ１，Ｌ２  光路
【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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