(57)【要約】【課題】利得特性を自由に設計可能であり、広帯域で高利得の増幅または発振が可能なレーザー増幅器、レーザー発振器、レーザー増幅方法およびレーザー発振方法を提供する。【解決手段】バナデート結晶を利得媒質とするレーザー増幅器、レーザー発振器であって、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列され、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起する励起光源を有するレーザー増幅器、レーザー発振器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バナデート結晶を利得媒質とするレーザー増幅器であって、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列され、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起する励起光源を有することを特徴とするレーザー増幅器。
【請求項２】
バナデート結晶にNdがドープされていることを特徴とする請求項１記載のレーザー増幅器。
【請求項３】
Ndがドープされたバナデート結晶が、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4及びNd:LaVO4からなる群から選択されることを特徴とする請求項２記載のレーザー増幅器。
【請求項４】
バナデート結晶がスラブ形状を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のレーザー増幅器。
【請求項５】
各励起光源は、出力を調整可能であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のレーザー増幅器。
【請求項６】
励起光源がレーザーダイオードであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のレーザー増幅器。
【請求項７】
少なくとも２種類のバナデート結晶が、密接または接合されて光の進行方向に直列に配列されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のレーザー増幅器。
【請求項８】
接合が、溶融接合またはオプティカルコンタクトによる接合であることを特徴とする請求項７記載のレーザー増幅器。
【請求項９】
バナデート結晶を利得媒質とするレーザー発振器であって、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列され、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起する励起光源を有することを特徴とするレーザー発振器。
【請求項１０】
バナデート結晶にNdがドープされていることを特徴とする請求項９記載のレーザー発振器。
【請求項１１】
Ndがドープされたバナデート結晶が、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4及びNd:LaVO4からなる群から選択されることを特徴とする請求項１０記載のレーザー発振器。
【請求項１２】
バナデート結晶がスラブ形状を有することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１項記載のレーザー発振器。
【請求項１３】
各励起光源は、出力を調整可能であることを特徴とする請求項９〜請求項１２のいずれか１項記載のレーザー発振器。
【請求項１４】
励起光源がレーザーダイオードであることを特徴とする請求項９〜請求項１３のいずれか１項記載のレーザー発振器。
【請求項１５】
少なくとも２種類のバナデート結晶が、密接または接合されて光の進行方向に直列に配列されていることを特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれか１項記載のレーザー発振器。
【請求項１６】
接合が、溶融接合またはオプティカルコンタクトによる接合であることを特徴とする請求項１５記載のレーザー発振器。
【請求項１７】
被増幅光を利得媒質に入射させるとともに、該利得媒質を励起光によって光励起させ、該被増幅光を増幅するレーザー増幅方法において、利得媒質は、利得プロファイルが異なり、光の進行方向に直列に配列された少なくとも２種類のバナデート結晶であって、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起光によって光励起させ、該被増幅光を増幅することを特徴とするレーザー増幅方法。
【請求項１８】
利得媒質を全反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器内に配置し、利得媒質を励起光によって光励起させ、レーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、利得媒質は、利得プロファイルが異なり、光の進行方向に直列に配列された少なくとも２種類のバナデート結晶であって、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起光によって光励起させることを特徴とするレーザー発振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得特性を自由に設計可能なレーザー増幅器、レーザー発振器、レーザー増幅方法およびレーザー発振方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信、レーザー加工、光計測、医療において、超短パルスレーザービームが有用であることが知られている。
【０００３】
レーザービームのパルス時間幅Δｔ（以下、パルス幅Δｔという）とスペクトル線幅Δλとの間には、パルス幅Δｔとスペクトル線幅Δλとの積が一定というフーリエ変換の関係があるため、スペクトル線幅Δλが広いほど、パルス幅Δｔが短くなる。したがって、超短パルスレーザービームを生成するには、まずスペクトル線幅が広いレーザービームを得ることが必要である。しかし、スペクトル幅が広いレーザービームを増幅させようにも、一般的な固体レーザー媒質（利得媒質）の利得帯域幅は、均一広がりであるため、特定の周波数に強い光エネルギーが入ると実効的な利得帯域幅は急速に狭くなる。そこで、利得帯域幅の広いレーザー増幅器またはレーザー発振器が必要となる。
【０００４】
しかし、一般的に利得媒質において、利得帯域幅と誘導放出断面積（利得係数）との積は一定であるため、利得帯域幅を広くすると利得は小さくなるという問題がある。また、利得帯域幅は、特定の利得媒体の中での光学遷移の幅によって定まり、自由に利得特性を設計することが難しいという問題がある。例えば、一般的な固体レーザー媒質（利得媒質）の利得帯域幅を示すデータとして、図３のNdがドープされたバナデート結晶（Nd：YVO4、Nd：GdVO4）の蛍光スペクトルがある。なお、図３の横軸は、波長(nm)であり、縦軸は、極大強度で規格化した蛍光強度(単位：a.u.)である。
【０００５】
また、近年レーザー発振器の小型化に向けてレーザー発振器にファイバーレーザーを用いる場合が多くなってきている。このようなファイバーレーザー発振器では、発振波長が設定波長に対して１ｎｍ近くずれるという中心波長のトレランスがあり、利得特性の設計自由度を高くする必要があるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題・課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、利得特性を自由に設計可能であり、広帯域で高利得の増幅または発振が可能なレーザー増幅器、レーザー発振器、レーザー増幅方法およびレーザー発振方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
「［１］バナデート結晶を利得媒質とするレーザー増幅器であって、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列され、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起する励起光源を有することを特徴とするレーザー増幅器。
［２］バナデート結晶にNdがドープされていることを特徴とする［１］記載のレーザー増幅器。
［３］Ndがドープされたバナデート結晶が、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4及びNd:LaVO4からなる群から選択されることを特徴とする［２］記載のレーザー増幅器。
［４］バナデート結晶がスラブ形状を有することを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載のレーザー増幅器。
［５］各励起光源は、出力を調整可能であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載のレーザー増幅器。
［６］励起光源がレーザーダイオードであることを特徴とする［１］〜［５］のいずれかに記載のレーザー増幅器。
［７］少なくとも２種類のバナデート結晶が、密接または接合されて光の進行方向に直列に配列されていることを特徴とする［１］〜［６］のいずれかに記載のレーザー増幅器。
［８］接合が、溶融接合またはオプティカルコンタクトによる接合であることを特徴とする［７］記載のレーザー増幅器。
［９］バナデート結晶を利得媒質とするレーザー発振器であって、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列され、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起する励起光源を有することを特徴とするレーザー発振器。
［１０］バナデート結晶にNdがドープされていることを特徴とする［９］記載のレーザー発振器。
［１１］Ndがドープされたバナデート結晶が、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4及びNd:LaVO4からなる群から選択されることを特徴とする［１０］記載のレーザー発振器。
［１２］バナデート結晶がスラブ形状を有することを特徴とする［９］〜［１１］のいずれかに記載のレーザー発振器。
［１３］各励起光源は、出力を調整可能であることを特徴とする［９］〜［１２］のいずれかに記載のレーザー発振器。
［１４］励起光源がレーザーダイオードであることを特徴とする［９］〜［１３］のいずれかに記載のレーザー発振器。
［１５］少なくとも２種類のバナデート結晶が、密接または接合されて光の進行方向に直列に配列されていることを特徴とする［９］〜［１４］のいずれかに記載のレーザー発振器。
［１６］接合が、溶融接合またはオプティカルコンタクトによる接合であることを特徴とする［１５］記載のレーザー発振器。
［１７］被増幅光を利得媒質に入射させるとともに、該利得媒質を励起光によって光励起させ、該被増幅光を増幅するレーザー増幅方法において、利得媒質は、利得プロファイルが異なり、光の進行方向に直列に配列された少なくとも２種類のバナデート結晶であって、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起光によって光励起させ、該被増幅光を増幅することを特徴とするレーザー増幅方法。
［１８］利得媒質を全反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器内に配置し、利得媒質を励起光によって光励起させ、レーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、利得媒質は、利得プロファイルが異なり、光の進行方向に直列に配列された少なくとも２種類のバナデート結晶であって、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起光によって光励起させることを特徴とするレーザー発振方法。」
に関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶を光学的に直列に配列させ、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起するので、広帯域で高利得の増幅が可能なレーザー増幅器およびレーザー増幅方法、ならびに、広帯域で高利得の発振が可能なレーザー発振器およびレーザー発振方法を構築できる。また、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶を組合せ、各バナデート結晶をそれぞれ独立して励起するので、利得特性を自由に設計可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のレーザー増幅器またはレーザー発振器は、バナデート結晶を利得媒質とし、利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光学的に直列に配列されており、各バナデート結晶をそれぞれ励起する励起光源を有する。
【００１０】
一般的にレーザー増幅器またはレーザー発振器における利得媒質の単位長さ当たりの利得プロファイルｇ（λ）は、次式のように書ける。
ｇ（λ）＝σem（λ）ＮU−σabs（λ）ＮL ・・・（１）
（但し、四準位系では第二項は不要である）
ここで、λ：波長、σem（λ）：上準位から下準位への誘導放出断面積（利得媒質材料固有）、σabs（λ）：下準位から上準位への吸収断面積（利得媒質材料固有）、ＮU，ＮL：それぞれ上準位数密度，下準位数密度（長さ辺りの平均値）である。つまり、誘導放出断面積、吸収断面積が異なる（利得プロファイルが異なる）複数の利得媒質（利得プロファイルｇ１（λ）、利得プロファイルｇ２（λ）を有する利得媒質）を光学的に直列に配列することによって、複数の利得媒質全体の利得プロファイルｇm（λ）を、利得プロファイルｇ１（λ）と利得プロファイルｇ２（λ）の重ね合わせとし、複数の利得媒質全体の利得プロファイルｇm（λ）を自由に調整させることができる。また、独立して各励起光源の出力を調整することによって、さらに複数の利得媒質全体の利得プロファイルｇm（λ）を自由に変化させることができる。したがって、均一広がりによる利得帯域幅の狭窄化や利得係数の低下を回避でき、広帯域で高利得の増幅または発振が可能となる。
【００１１】
本発明のレーザー増幅器およびレーザー発振器におけるバナデート結晶として、希土類、希土類イオンがドープされているYVO4、GdVO4、LuVO4、LaVO4等の希土類バナデートが例示される。ドープされる希土類としてNd、Tm、Ho、Er、YbおよびPrが例示される。Nd、Tm、Ho、Er、YbおよびPrのうちの１つまたは複数を選択的に導入することが好ましい。特には、Ndイオンがドープされていることが好ましい。したがって、これらのバナデート結晶から選択して組み合わされる少なくとも２種類のバナデート結晶とは、例えば、Nd:YVO4とNd:GdVO4の組合せ，Nd:YVO4とNd:LuVO4の組合せ，Nd:YVO4とNd:LaVO4の組合せ，Nd:GdVO4とNd:LuVO4の組合せ，Nd:GdVO4とNd:LaVO4の組合せ，Nd:LuVO4とNd:LaVO4の組合せが挙げられる。
バナデート結晶の形状はスラブ型、ロッド型、ディスク型などがあるが、接合の容易性の点でスラブ型であることが好ましい。利得プロファイルが異なる少なくとも２種類のバナデート結晶が光の進行方向に直列に配列されることによって、所望の利得特性のレーザー増幅器またはレーザー発振器を構築できる。なお、利得プロファイルが異なるとは、利得帯域幅および／または中心波長が異なることを含む。ここで、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4およびNd:LaVO4の利得帯域幅、中心波長を表１に示す。
【表１】
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【００１２】
各バナデート結晶は光学的に直列に配列されることを要するが、増幅されるレーザービームが各バナデート結晶を順に通過できるように配列されていればよい。したがって、増幅させるレーザービームの光路に第１のバナデート結晶、第２のバナデート結晶といったように配されていればよく、各バナデート結晶の間が空気でもよく、光ファイバで接続されていても良い。小型化、安定化の観点で各バナデート結晶同士が密接または接合されていることが好ましい。特には、溶融接合またはオプティカルコンタクトであることが好ましい。オプティカルコンタクトとは、光学研磨することにより極めて活性な鏡面状となった結晶表面同士が密接して接合することをいう。高温下で加圧すると結晶格子の再配列が起こり強く接合する。
【００１３】
本発明のレーザー増幅器またはレーザー発振器は、各バナデート結晶をそれぞれ励起する励起光源を有し、各バナデート結晶が光学的に直列に配列されているため、励起光源は少なくとも２つ存在する。各励起光源は、独立して出力を調整することを可能とし、利得媒質の側面から励起するように配されている。また、各励起光源としては、利得媒質で反転分布を形成するための波長や強度を持つものであればよい。このような励起光源としては、レーザーダイオード（半導体レーザー）が好ましい。独立して各励起光源の出力を調整することによって、所望の利得特性のレーザー増幅器またはレーザー発振器を構築できる。
【００１４】
本発明のレーザー増幅器およびレーザー増幅方法における利得媒質内での被増幅レーザーの増幅について、図１、図２に基づいて説明する。
図１、図２は、本第１発明のレーザー増幅器の平面図である。
【００１５】
本発明のレーザー増幅器およびレーザー増幅方法では、直列にオプティカルコンタクトにより接合された２つのスラブ型のバナデート結晶１ａ（例えば、Nd:YVO4）、１ｂ（例えば、Nd:GdVO4）の側面１ａｘ、１ｂｘに励起光２ａ、２ｂを照射して、バナデート結晶１ａ、１ｂを励起する。そして、所定波長（例えば、波長1063〜1064nmである）の被増幅光３をバナデート結晶１ａの端面１ａｙに入射し、その入射した被増幅光を側面１ａｘまたは１ｂｘで全反射させ、バナデート結晶１ａ、１ｂ内を伝播させる間に光増幅して、その光増幅した光４をバナデート結晶１ｂの端面１ｂｙから出射する（図１）。
また、別の態様として、直列にオプティカルコンタクトにより接合されたスラブ型のバナデート結晶１ａ（例えば、Nd:YVO4）、１ｂ（例えば、Nd:GdVO4）の側面１ａｘ、１ｂｘに励起光２ａ、２ｂを照射して、バナデート結晶１ａ、１ｂを励起する。そして、所定波長（例えば、波長1063〜1064nmである）の被増幅光３をバナデート結晶１ａの端面１ａｙに入射し、その入射した被増幅光３をバナデート結晶１ａ、１ｂ内において側面１ａｘ、１ｂｘで繰り返し反射させながらジグザグ伝播させる間に光増幅して、その光増幅したレーザー光をバナデート結晶１ｂの端面１ｂｙから出射する（図２）。なお、図１、図２に示す５は、バナデート結晶のｃ軸の方向を示す。なお、本発明のレーザー増幅器およびレーザー増幅方法において、バナデート結晶のｃ軸方向はこの方向に限られるものではない。
これらスラブ型のバナデート結晶を、共振器を構成する出力ミラーと全反射ミラーとの間に配置することにより、本発明のレーザー発振器およびレーザー発振方法とすることができる。
また、本発明のレーザー増幅器およびレーザー増幅方法、ならびにレーザー発振器およびレーザー発振方法において、被増幅光のバナデート結晶内での伝播方法は、上記の全反射による伝播方法やジグザグ伝播に限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明のレーザー増幅器、レーザー発振器、レーザー増幅方法およびレーザー発振方法は、利得特性を自由に設計可能であり、広帯域で高利得の増幅または発振が可能であり、情報通信、レーザー加工、光計測、医療に利用可能な超短パルスレーザー装置やファイバーレーザー装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明のレーザー増幅器の平面図である。
【図２】図２は、本発明のレーザー増幅器の平面図である。
【図３】図３は、Nd：YVO4及びNd：GdVO4の蛍光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
１ａ、１ｂ      バナデート結晶
１ａｘ、１ｂｘ  バナデート結晶の側面
１ａｙ          バナデート結晶の第１端面
１ｂｙ          バナデート結晶の他の第２端面
２ａ、２ｂ      励起光
３              所定波長の被増幅光
４              光増幅した光
５              バナデート結晶のｃ軸の方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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