(57)【要約】【課題】小型で高効率・高ビーム品質が得られる導波路一体型レーザ利得媒質を提供する。【解決手段】本導波路一体型レーザ利得媒質は、単結晶または低散乱多結晶セラミックスにレーザ活性イオンをドープしたコアと、このコアの外周に積層し、ノンドープの低散乱多結晶セラミックスからなる単層のクラッド、もしくは２層以上のマルチクラッドを具備する。【選択図】  図２
2008227030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶または低散乱多結晶セラミックスにレーザ活性イオンをドープしたコアと、このコアの外周に積層し、ノンドープの低散乱多結晶セラミックスからなる単層のクラッド、もしくは２層以上のマルチクラッドを具備することを特徴とする導波路一体型レーザ利得媒質。
【請求項２】
前記多結晶セラミックスは５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率材質からなることを特徴とする請求項１に記載の導波路一体型レーザ利得媒質。
【請求項３】
コアとなりレーザ活性イオンをドープした単結晶または低散乱多結晶のセラミックス成形体を、クラッドとなる低散乱多結晶セラミックス成形体および仮焼体の少なくとも一方で覆い、焼結することを特徴とする導波路一体型レーザ利得媒質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波路一体型レーザ利得媒質及びその製造方法に係り、特に構成材質を改良した導波路一体型レーザ利得媒質及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バルク固体レーザは半導体レーザ励起方式の出現により、特に低出力な物に関しては装置の小型化が大幅に進み、様々な波長の小型バルク固体レーザが製造されている。これらは顕微鏡、分光装置等の理科化学機器や計測機器等に広く利用される。
【０００３】
同様に半導体レーザも高出力化、低価格化が大きく進み、小型で取り扱いが容易なことから家電・民生機器にも様々な面で利用されている。光ディスクの読み取り光学系などはその代表例である。
【０００４】
半導体レーザは高い電気−光変換効率、出力（長期）安定性などの面で非常に優れたレーザであるが、バルク固体レーザは、偏光出力が可能、短パルス発振が可能、半導体レーザでは困難な緑色波長の出力が可能など半導体レーザにはない特長を持ち、バルク固体レーザは重要なレーザ装置の一つと位置づけられている。
【０００５】
新たな固体レーザの方式のひとつとして、近年ファイバレーザが注目されている。このファイバレーザはコアにレーザ活性イオンをドープした光ファイバを利得媒質とすることにより、励起光をファイバ内部に閉じ込めると同時にレーザの伝播モードを制御することができる。
【０００６】
そのため、従来のバルク固体レーザに比べて非常に高い発振効率とビーム品質の両立が可能である。ダブルクラッドファイバをはじめとした新たな高機能ファイバの登場も相俟って高出力化の進歩も目覚しく、ファイバレーザは加工用等の高出力レーザ装置の分野で広く実用化されつつある。
【０００７】
同様の光閉じ込め効果を利用した固体レーザとして、スラブ導波路、直線導波路等の形状からなる導波路レーザが存在する。これらは単結晶同士の拡散接合等によって導波路を形成している（非特許文献１）。
【０００８】
しかしながら、ファイバレーザは非常に優れた特性を持つ固体レーザであるものの、石英ベースであるためレーザイオンの高濃度ドープが難しく、低出力のものでも数十ｃｍ〜数十ｍ程度のファイバ長が必要になる。そのため、レーザヘッドの小型化の点においては半導体レーザ、バルク固体レーザに劣る。
【０００９】
一方、導波路レーザの場合、ＹＡＧ等をコア材料として用いれば、石英ベースに比べてレーザ活性イオンの高濃度ドープが可能であり、熱伝導率も高いことからコンパクトさと高効率・高ビーム品質を両立したレーザ装置が実現できる。
【００１０】
また、コア材料として低散乱多結晶セラミックスを用いると、単結晶よりもさらに高濃度のレーザ活性イオンドープが可能となる。
【００１１】
しかし、導波路レーザは、単結晶材料で導波路構造を形成する場合、材料同士の接合は拡散接合等になるため複雑形状の構造は実現が困難である。特に、シングルモード導波路を形成する場合、一般にコアの寸法は数μｍ〜数十μｍ程度となるため、接合が極めて難しい。
【００１２】
また、ダブルクラッドファイバレーザにおいては、円形のコア部に対し、第１クラッドは励起光の吸収効率を高めるために四角断面、Ｄ断面等の構造が用いられているが、拡散接合ではそのような曲面同士の接合、光ファイバのように円形断面コアをクラッドで包むような接合は不可能に近い。
【非特許文献１】U. Griebner,et.al.,App1、Phys.Lett.,77(2000)3505
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、小型で高効率・高ビーム品質が得られる導波路一体型レーザ利得媒質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】
上述した目的を達成するため、本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質は、単結晶または低散乱多結晶セラミックスにレーザ活性イオンをドープしたコアと、このコアの外周に積層し、ノンドープの低散乱多結晶セラミックスからなる単層のクラッド、もしくは２層以上のマルチクラッドを具備することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質の製造方法は、コアとなりレーザ活性イオンをドープした単結晶または低散乱多結晶のセラミックス成形体を、低散乱多結晶セラミックス成形体および仮焼体の少なくとも一方で覆い、焼結することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質によれば、小型で高効率・高ビーム品質が得られる導波路一体型レーザ利得媒質を提供することができる。
【００１７】
また、本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質の製造方法によれば、小型で高効率・高ビーム品質が得られる導波路一体型レーザ利得媒質を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態に係る導波路一体型レーザ利得媒質について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係る導波路一体型レーザ利得媒質を用いたレーザ装置の概念図であり、図２は本発明の導波路一体型レーザ利得媒質の概念図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質（以下、単に一体型媒質という）１は、レーザ装置２に組み込まれて使用され、このレーザ装置２は、半導体レーザなどの励起光源３と、励起光集光用のレンズ４と、一体型媒質１を主要部とする共振器５を光学的に配してなり、励起光源３の光をレンズ４で集光して、一体型媒質１に導入し、一体型媒質１で励起し、共振器５で発振、レーザを出力する。
【００２１】
共振器５は一体型媒質１の両面をレーザグレード研磨しミラー部５ａに誘電多層膜コーティングを施してなる。
【００２２】
図２及び図３に示すように、一体型媒質１は直線導波路構造からなり、レーザ利得媒質であり単結晶または低散乱多結晶セラミックスにレーザ活性イオンをドープした円柱形状のコア１１と、このコア１１の外周に積層し、ノンドープの低散乱多結晶セラミックスからなる断面円形状の第１クラッド１２と、この第１クラッド１２を覆い、ノンドープの低散乱多結晶セラミックスからなる断面四角形状の第２クラッド１３を備える。
【００２３】
例えば、レーザ媒質としてのコア１１は、光ポンピングにより反転分布を作り誘導放出を起こさせるもので、コア１１にはＹ２Ｏ３低散乱多結晶セラミックスを用い、レーザ活性イオンとなるネオジウム（Ｎｄ）を１ａｔ％ドープする。一般に、セラミックスは石英ガラスに比べて高濃度のレーザ活性イオンのドープが可能であり、石英ガラスより短く（小型）でも、高利得を得ることができる。
【００２４】
第１クラッド１２には、ノンドープＹ２Ｏ３セラミックスを用い、第２クラッド１３にはノンドープＹＡＧセラミックスを用いる。
【００２５】
多結晶セラミックスはレーザ発振波長、励起波長における吸収が無く、散乱係数が１０−３ｃｍ以下の低散乱材料を使用する。
【００２６】
多結晶セラミックスの材質としては、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導率材質が好ましい。この高熱伝導率材質としては、ＹＡＧ、Ｙ２Ｏ３、その他希土類酸化物等が挙げられる。これにより、石英ガラス、樹脂等を使用した導波路より高い排熱性能を持たせることができる。
【００２７】
一体型媒質１は、コア１１にＹ２Ｏ３、第１クラッド１２にＹ２Ｏ３、第２クラッド１３にＹＡＧなどいずれも、高熱伝導率の低散乱セラミックスを用いるので、温度上昇にも十分に耐えられる。
【００２８】
従って、導波路一体型レーザ利得媒質１の外形寸法を、コアがφ０．０１ｍｍ×１００ｍｍ、第１クラッドがφ０．４ｍｍ×１００ｍｍ、第２クラッドが□２ｍｍ×１００ｍｍと小さくすることが可能であり、小型な一体型媒質が実現する。
【００２９】
また、多結晶セラミックスは焼成収縮を考慮した組み合わせになっており、複雑形状の素材同士でも隙間無く一体化することが可能である。また、出力ビームパターンをきれいな円形にし易く、ビーム品質を、Ｍ２（集光性が理論限界の何倍であるかを示す指数）＜１．２にすることが可能である。
【００３０】
クラッドは本実施形態のように第１クラッドの断面を円形状、第２クラッドの断面を四角形状にするダブルクラッド構造に限らず、第１クラッドの断面は励起の均一性が向上するＤ断面等の任意形状がより好ましい。また、第１クラッドのみのシングルクラッドでもよく、さらに、トリプルクラッド等のマルチクラッド構造であってもよい。
【００３１】
本実施形態の一体型媒質によれば、従来のバルク固体レーザ、導波路レーザと比較して、小型であっても、高出力、高ビーム品質を得ることができる。また、マルチクラッド構造を用いることにより、励起光の高い吸収効率と容易な集光が可能となる。
【００３２】
本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質の製造方法としては、コアとなりレーザ活性イオンをドープした単結晶または低散乱多結晶の円柱状のセラミックス成形体を、低散乱多結晶セラミックス成形体および仮焼体の少なくとも一方で覆い、一体型媒質の未焼成体を製作し、この未焼成体を焼結し、所定寸法に調整する。
【００３３】
一体型媒質の未焼成体の作製方法としては、射出成形を用いて、コア、第１クラッドからなるシングルクラッド成形体を作製するか、あるいはコア、第１クラッド、第２クラッドからなるダブルクラッド成形体を作製する。
【００３４】
多結晶セラミックスは焼成収縮を考慮した成形体同士あるいは成形体と仮焼体を同時焼成により、焼嵌状態になって、複雑形状の素材同士でも隙間無く一体化することが可能である。これにより、従来、単結晶同士では困難であった複雑断面形状同士の拡散接合を可能にし、円形コア、Ｄ断面クラッド等を組み合わせることで、ビーム品質に優れた一体型媒質を実現できる。
【実施例】
【００３５】
（実施例）
ａ）射出成形を用いてコア、第１クラッド、第２クラッドからなるダブルクラッド型の一体型媒質のセラミック成形体を形成した。素材としては内側から、Ｎｄを１ａｔ％ドープしたＹ２Ｏ３（コア）、ノンドープＹ２Ｏ３（１クラッド）、ノンドープＹＡＧ（第２クラッド）を使用し、焼成後の寸法がそれぞれφ０．０１ｍｍ×１００ｍｍ（コア）、□０．４ｍｍ×１００ｍｍ（第１クラッド）、φ２ｍｍ×１００ｍｍ（第２クラッド）になるように原料、寸法を調整した。
【００３６】
ｂ）上記ａ）で作製した成形体を同時焼成し、導波路一体型レーザ利得媒質を得た。接合界面を超音波探傷機にて確認したところ、隙間は一切見られなかった。
【００３７】
ｃ）上記ｂ）で得た焼成体の両端面にレーザグレード研磨および誘電多層膜コーティング（Ｓ１：ＨＲ＠１０６４ｎｍ、ＡＲ＠８０８ｎｍ、Ｓ２：Ｔ＝３％＠１０６４ｎｍ）を施すことでレーザ共振器を構築した。また、側面に伝導冷却装置を装着した。
【００３８】
ｄ）波長８０８ｎｍの半導体レーザを準備し、５Ｗの出力光をｆ＝５０ｍｍのレンズにて第１クラッド端面部に照射してレーザ発振を行ったところ、２．７ＷのＣＷ（連続波）レーザ出力（波長１０６４ｎｍ）を得た。また、出力ビームパターンはきれいな円形であり、ビーム品質の測定を行ったところＭ２＜１．２であった。
【００３９】
（比較例１）
拡散接合を用いて四角断面コア、クラッドからなるシングルクラッド型の単結晶直線導波路を形成した。
【００４０】
ａ）コア材料としてＮｄを１ａｔ％ドープしたＹＡＧ単結晶を準備し、外径寸法□０．０１ｍｍ、長さ１００ｍｍの四角柱形状になるように形状加工した。また、ロッド側面の対向する１組の面に対し研磨を施した。
【００４１】
ｂ）クラッド材料の一部としてノンドープＹＡＧ単結晶を準備し、寸法が、０．０１ｍｍ×１００ｍｍの四角柱形状になるように形状加工した。これを２個作製し、寸法が０．０１ｍｍ×１００ｍｍとなる側面の内、片面に対して研磨を施した。
【００４２】
ｃ）ａ）のコア材側面の研磨面２面それぞれに対し、ｂ）のクラッド材２個の研磨面が接するように配置し、加圧しながら１８００℃で加熱することで拡散接合した。
【００４３】
ｄ）上記ｂ）クラッド材料の一部としてノンドープＹＡＧ単結晶を準備し、寸法が２．０１ｍｍ×１ｍｍ×１００ｍｍの四角柱形状になるように形状加工した。これを２個準備し、寸法が２．０１ｍｍ×１００ｍｍとなる側面の内、片面に対し光学研磨を施した。
【００４４】
ｅ）上記ｃ）で得た接合体の上下面（接合面と垂直な長手方向の面）に対し光学研磨を施し、上記ｄ）のコア材側面の光学研磨面２面それぞれに対し、上記ｄ）で得た接合体の光学研磨面が接するように配置し、加圧しながら１８００℃で加熱することで拡散接合した。
【００４５】
ｆ）以上の工程にてバルク導波路一体型レーザ利得媒質を得た。接合界面を超音波探傷機にて確認したところ、コア材エッジ部に隙間が確認された。
【００４６】
ｇ）上記ｃ）の接合体の両端面にレーザグレード研磨および誘電多層膜コーティング（Ｓ１：ＨＲ＠１０６４ｎｍ、ＡＲ＠８０８ｎｍ、Ｓ２：Ｔ＝３％＠１０６４ｎｍ）を施すことでレーザ共振器を構築した。また、側面に伝導冷却装置を装着した。
【００４７】
ｈ）波長８０８ｎｍの半導体レーザを準備し、５Ｗの出力光をｆ＝５０ｍｍのレンズにてコア端面部に照射してレーザ発振を行ったところ、１．５ＷのＣＷレーザ出力（１０６４ｎｍ）を得た。実施例と比較して出力の低下が生じているが、これは接合不良部分の隙間における散乱ロスのためである。出力光のビーム品質測定を行ったところＭ２＜１．５となった。
【００４８】
（比較例２）
ａ）Ｎｄが１ａｔ％ドープされているＮｄ：ＹＡＧ単結晶を準備し、寸法が外径φ３ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱形状になるように形状加工し、両端面にレーザグレード研磨および誘電多層膜コーティング（Ｓ１：ＨＲ＠１０６４ｎｍ、ＡＲ＠８０８ｎｍ、Ｓ２：Ｔ＝３％＠１０６４ｎｍ）を施すことでレーザ共振器を構築した。また、側面に伝導冷却装置を装着した。
【００４９】
ｂ）波長８０８ｎｍの半導体レーザを準備し、５Ｗの出力光をｆ＝１５０ｍｍレンズにてコア端面部に照射してレーザ発振を行ったところ、１．０ＷのＣＷレーザ出力（１０６４）を得た。出力ビームパターンはマルチモードに近い乱れた円形であり、ビーム品質の測定を行ったところＭ２＜１．５であった。ビーム品質の劣化は熱レンズ効果による。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る導波路一体型レーザ利得媒質を用いたレーザ装置の概念図。
【図２】本発明の一実施形態に係る導波路一体型レーザ利得媒質の概念図。
【図３】本発明の一実施形態に係る導波路一体型レーザ利得媒質の断面を示す概念図。
【符号の説明】
【００５１】
１  導波路一体型レーザ利得媒質
１１  コア
１２  第１クラッド
１３  第２クラッド
【図１】
2008227030.tif 000003
【図２】
2008227030.tif 000004
【図３】
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