(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光によって励起された固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させ前記レーザ光を増幅して出力するレーザ発振装置であって、
前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向に延伸されるとともに前記レーザ光に対して利得を有する利得領域と、前記利得領域に接合されると共に前記利得領域の周囲を囲んで配置され、かつ前記励起光を吸収しない元素が添加されると共に前記レーザ光に対して利得を有さない非利得領域と、を含み、
前記利得領域の屈折率と前記非利得領域の屈折率とが略等しくなるように、前記利得領域及び前記非利得領域の少なくとも一方が、添加された元素を含み、
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間を往復する前記レーザ光は少なくとも前記利得領域に包含される
レーザ発振装置。
【請求項２】
前記利得領域は、前記励起光を吸収する１以上の第１の元素を含み、
前記非利得領域は、前記励起光を吸収せずかつ前記非利得領域の屈折率を変化させる１以上の第２の元素を含む
請求項１に記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、
前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、
前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄである
請求項２に記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
Ｙサイトを置換して添加された元素をＭ、Ａｌサイトを置換して添加された元素をＮとし、元素Ｍ、Ｎが添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネットをＭｘＹ（３−ｘ）ＮｙＡｌ（５−ｙ）Ｏ１２とした場合の、元素Ｍの添加率をＹサイト置換率＝ｘ／３で定義し、元素Ｎの添加率をＡｌサイト置換率＝ｙ／５で定義した場合、
前記利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＮｄのＹサイト置換率が１．０ａｔ％でありかつＣｒのＡｌサイト置換率が０．４ａｔ％であり、
前記非利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＧｄのＹサイト置換率が５ａｔ％である
請求項３に記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
前記利得領域は、前記利得領域の屈折率を変化させる１以上の第３の元素をさらに含む  請求項２に記載のレーザ発振装置。
【請求項６】
前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、
前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、
前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであり、
前記第３の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＡｌサイトを置換して添加されたＳｃである
請求項５に記載のレーザ発振装置。
【請求項７】
前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向において前記利得領域を含まない前記非利得領域のみの領域を有する
請求項６に記載のレーザ発振装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振装置、特に固体レーザ媒質を用いた外部共振器型のレーザ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザ媒質を用いた外部共振器型レーザ発振装置は、例えば、高反射率鏡と出力鏡とで構成された共振器の間に固体レーザ媒質を配置し、共振器の外部から高反射率鏡を介して励起光を入力し、増幅させ、出力鏡を介し出力光として外部に取り出す構成となっている。
【０００３】
外部共振器型レーザ発振装置の固体レーザ媒質においては、放熱性の向上等の観点から、レーザ発振に直接寄与する利得領域に隣接させて、レーザ発振に直接寄与しない非利得領域を設ける場合がある。以下、このような構成の固体レーザ媒質を「コンポジット型」の固体レーザ媒質という。
【０００４】
従来技術に係る透明セラミックスを用いたコンポジット型の固体レーザ媒質として、特許文献１に開示された複合レーザ素子（固体レーザ媒質）が知られている。特許文献１に開示された複合レーザ素子は、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）利得領域の周囲をレーザ発振に寄与しない領域であるＹＡＧ非利得領域で囲んだ構造を有している。このような構造を有する特許文献１に開示された複合レーザ素子では、利得領域と非利得領域との接合面が良好な接合状態となることから、本来の複合レーザ素子の機能を最大限に引き出すことができるとしている。
【０００５】
一方、特許文献２には、透明セラミックスを用いた他の形態のコンポジット型固体レーザ媒質が開示されている。特許文献２の固体レーザ媒質は、励起用の半導体レーザからのレーザ光によって励起される、Ｎｄ（ネオジウム）が添加されかつレーザ発振方向に垂直な方向に関するＮｄの濃度プロファイルが、濃度０近傍からの立ち上がり形状がゆるやかに増加するスロープ状であるガドリニウムバナデイト（ＧｄＶＯ４）の一軸性単結晶を含むレーザ媒質としての固体レーザ結晶を備えている。これにより、固体レーザ結晶の中央にピークをもつ所望の吸収量分布を容易に得ることができるので、レーザ発振装置において、大型化を招くことなく、良好なビーム品質のレーザ光を出射することができるとしている。
【０００６】
また、非特許文献１には、ドーピングによって利得領域を形成したコンポジット型の固体レーザ媒質、及びそれを用いたレーザ発振装置が開示されている。図５（ａ）は、非特許文献１に開示されたレーザ発振装置３００の構成を、図５（ｂ）は、固体レーザ媒質３０２の構成を各々示している。図５（ａ）に示すように、非特許文献１に係るレーザ発振装置３００は、固体レーザ媒質３０２、励起光源３０４、高反射率平面鏡３０６、出力平面鏡３０８、及びレンズ系３１０を備えている。
【０００７】
レーザ発振装置３００では、１本あたり３０Ｗの光が出力されるファイバを１０本束ねたバンドルファイバからの励起光を、レンズ系３１０、高反射率平面鏡３０６を介して固体レーザ媒質３０２に入射させる。高反射率平面鏡３０６から入射された励起光は高反射率平面鏡３０６と出力平面鏡３０８とで構成される共振器で増幅され、出力平面鏡３０８から出力される。
【０００８】
一方、図５（ｂ）に示すように、レーザ発振装置３００の固体レーザ媒質３０２は、Ｎｄを添加した利得領域３１２（Ｎｄ：ＹＡＧ）が、Ｎｄを添加していない非利得領域３１４（ＹＡＧ）に内包された形態を有している。固体レーザ媒質３０２では、利得領域３１２において発生した熱が非利得領域３１４に拡散され、非利得領域３１４を通して外部に放散される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３２７９９７号公報
【特許文献２】特開２００８−０１０６０３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Dietmar, Kracht, Denis Freiburg, Ralf Wilhelm, Maik Frede, "Core-doped Ceramic Nd:YAG Laser", Optics Express 14(7), 2690(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、コンポジット型の固体レーザ媒質を用いた外部共振器型のレーザ発振装置では、高反射率鏡、出力鏡の位置や励起光の光軸の変化に対して鋭敏に反応し、発振モードの制御が困難となり、また発振自体が不安定になる場合がある。これは、固体レーザ媒質の利得領域及び非利得領域は、一般に接合あるいは所定の元素のドーピングによって形成するため異なる物性の領域同士が隣接することになり、両者の間に屈折率の差が発生することが原因のひとつとなっている。つまり、利得領域を伝播する励起光、あるいはレーザ光は、屈折率が異なる利得領域と非利得領域との界面で全反射、又は、一部反射して伝播するため、発振モードにおいて高次モード等の本来目的とするモードとは異なる寄生モードが発生することに起因している。
【００１２】
この点に関し、上記各文献に開示されたレーザ発振装置の固体レーザ媒質でも、非利得領域の屈折率は、利得領域の屈折率よりも低くなっているが、いずれの文献においても、この利得領域と非利得領域との間の屈折率の差、及びこの屈折率差によって派生する問題については何も議論されていない。従って、上記各文献に開示された固体レーザ媒質を外部共振器型のレーザ発振装置に適用した場合には、上術の問題が発生する可能性がある。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、外部共振器型レーザ発振装置において、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ発振装置は、励起光によって励起された固体レーザ媒質を介して第１の反射鏡と第２の反射鏡との間でレーザ光を往復させ前記レーザ光を増幅して出力するレーザ発振装置であって、前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向に延伸されるとともに前記レーザ光に対して利得を有する利得領域と、前記利得領域に接合されると共に前記利得領域の周囲を囲んで配置され、かつ前記励起光を吸収しない元素が添加されると共に前記レーザ光に対して利得を有さない非利得領域と、を含み、前記利得領域の屈折率と前記非利得領域の屈折率とが略等しくなるように、前記利得領域及び前記非利得領域の少なくとも一方が、添加された元素を含み、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間を往復する前記レーザ光は少なくとも前記利得領域に包含されるものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記利得領域は、前記励起光を吸収する１以上の第１の元素を含み、前記非利得領域は、前記励起光を吸収せずかつ前記非利得領域の屈折率を変化させる１以上の第２の元素を含むものである。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであるものである。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、Ｙサイトを置換して添加された元素をＭ、Ａｌサイトを置換して添加された元素をＮとし、元素Ｍ、Ｎが添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネットをＭｘＹ（３−ｘ）ＮｙＡｌ（５−ｙ）Ｏ１２とした場合の、元素Ｍの添加率をＹサイト置換率＝ｘ／３で定義し、元素Ｎの添加率をＡｌサイト置換率＝ｙ／５で定義した場合、前記利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＮｄのＹサイト置換率が１．０ａｔ％でありかつＣｒのＡｌサイト置換率が０．４ａｔ％であり、前記非利得領域を形成する前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット中のＧｄのＹサイト置換率が５ａｔ％であるものである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記利得領域は、前記利得領域の屈折率を変化させる１以上の第３の元素をさらに含むものである。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記利得領域及び前記非利得領域の各々は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットで形成されており、前記第１の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＮｄ、及び、Ａｌサイトを置換して添加されたＣｒであり、前記第２の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＹサイトを置換して添加されたＧｄであり、前記第３の元素は、前記イットリウム・アルミニウム・ガーネットのＡｌサイトを置換して添加されたＳｃであるものである。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記固体レーザ媒質は、前記レーザ光の光軸方向において前記利得領域を含まない前記非利得領域のみの領域を有するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、外部共振器型レーザ発振装置において、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態に係るレーザ発振装置の構成の一例を示す断面図、及び固体レーザ媒質の構成の一例を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係る固体レーザ媒質の非利得領域へのＧｄ添加率と屈折率との関係を示すグラフである。
【図３】実施の形態に係る固体レーザ媒質の構成のバリエーションを示す斜視図である。
【図４】従来技術に係るレーザ発振装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来技術に係るレーザ発振装置、及びレーザ媒質の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１ないし図４を参照して本実施の形態に係るレーザ発振装置１０について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０は、固体レーザ媒質１２、励起光源１８、高反射率鏡２０、及び出力鏡２２を備えて構成されている。
図１（ａ）と図１（ｂ）とは、後述するように、利得領域と出力光との重なり方に違いを有する。
【００２６】
レーザ発振装置１０では、高反射率鏡２０及び出力鏡２２によって共振器ＲＥＳが構成されている。励起光源１８から高反射率鏡２０を介して励起光Ｌｉが共振器ＲＥＳに入射され、共振器ＲＥＳによって増幅されたレーザ光が出力光Ｌｏとして共振器ＲＥＳから出力される。ここで、共振器ＲＥＳ内の光束を「出力光束１３０」と呼ぶことにすると、図１（ａ）は、出力光束１３０が利得領域１４内に包含される形態を示しており、図１（ｂ）は、利得領域１４が出力光束１３０に包含される形態を示している。
【００２７】
図１（ｃ）示すように、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、利得（活性）領域１４及び非利得領域１６を含んで形成されている。利得領域１４は、一例として、Ｎｄ、Ｃｒ（クロム）が共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスで形成されている。利得領域１４に添加されるＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧは、特定の波長の光を吸収し、当該特定の波長に基づいた波長で発光する蛍光体である。非利得領域１６は、一例として、Ｇｄ（ガドリニウム）が添加されたＹＡＧ（Ｇｄ：ＹＡＧ）セラミックスで形成されている。詳細については後述するが、この利得領域１４及び非利得領域１６の構成により、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率の差が抑制されている。
【００２８】
本実施の形態に係る励起光源１８は、利得領域１４に添加された上記蛍光体で吸収される波長の光を発生する光源であり、その種類は特に限定されず、半導体レーザやキセノンランプ等のランプ光源を用いることができる。また、太陽光を集光して光源としてもよい。なお、図１（ａ）、（ｂ）は、レーザ発振の光軸に沿って励起光Ｌｉを入射させる端面励起を例示しているが、光軸に直交（交差）する方向から固体レーザ媒質１２に励起光Ｌｉを入射させる側面励起の形態を採用してもよい。
【００２９】
高反射率鏡２０は、励起光Ｌｉの波長に対し１００％又は１００％に近い透過率を有すると共に、レーザ光の波長に対して１００％又は１００％に近い反射率を有する鏡である。高反射率鏡２０のレーザ光の波長に対する反射率は、一例として９０％以上である。一方、出力鏡２２の反射率は、出力光Ｌｏの波長に対し、励起光の最大値に対して、レーザ出力が最大になるように設定する。一例として高反射率鏡２０の反射率より数％低い反射率とする。上述したように、高反射率鏡２０が共振器ＲＥＳの一方の端面を形成し、出力鏡２２が共振器ＲＥＳの他方の端面を形成しており、出力鏡２２の曲率半径Ｒ及びＹ軸方向の位置によって出力光束１３０の形状、あるいはレーザ発振装置１０の発振モードが制御される。
【００３０】
一例として、出力鏡２２の光路長（媒質の屈折率を考慮した長さ）はＲ／２程度とする。出力鏡２２の光路長がＲ／２より小さくなるにつれレーザ発振モードにおいて高次の横モードが発生し、横モードが多モード化しやすいので、単一横モードを目標とする場合には、出力鏡２２の光路長を適切に調整する。
【００３１】
なお、出力鏡２２の励起光Ｌｉに対する反射率に特に制約はないが、固体レーザ媒質１２の端面Ｓには、広帯域な波長特性を有する低反射率膜（あるいは、無反射膜）を形成する場合がある。これに対し、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、さらに、レーザ発振波長に対して低反射率膜（あるいは、無反射膜）であり、かつ、レーザ発振波長以外の波長に対して高反射率膜として機能する膜を形成することにより、固体レーザ媒質１２で吸収されつつ＋Ｙ方向に伝播する励起光Ｌｉのうち、１回の伝播で吸収されなかった励起光Ｌｉを端面Ｓで反射し、固体レーザ媒質１２で励起光Ｌｉを吸収させることによって、励起光Ｌｉの有効利用を図るものである。
【００３２】
次に、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０の作用について説明するが、その前に、図４を参照して、従来技術に係るレーザ発振装置について説明する。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、従来技術に係るレーザ発振装置１００ａは、固体レーザ媒質１２０ａ、高反射率鏡２００、出力鏡２２０、及びレンズ１０２を備えており、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって共振器が構成されている。固体レーザ媒質１２０ａは媒質全体が利得領域となっている、つまり、固体レーザ媒質１２０ａの全体で励起光Ｌｉを吸収することが可能な構成となっている。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、レンズ１０２により集光され固体レーザ媒質１２０ａに結合された励起光Ｌｉは、共振器によって形成された出力光束１３０と重複する部分だけでなく、出力光束１３０の外側の媒質領域１２２にも広がっている。つまり、励起光Ｌｉの一部は、出力光束１３０とは無関係な固体レーザ媒質１２０ａの媒質領域１２２に吸収され、媒質領域１２２に吸収された励起光Ｌｉはレーザ発振に寄与しない。
【００３５】
このような構成のレーザ発振装置１００ａでは、固体レーザ媒質１２０ａの励起された領域と、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって構成される共振器と、によって発振特性が決まる。そのため、レーザ発振装置１００ａの発振特性（発振の可否等）が、励起光Ｌｉの光束の固体レーザ媒質１２０ａに対する位置と、出力鏡２２０の位置によって鋭敏に影響を受ける。つまり、励起光Ｌｉの位置及び出力鏡２２０の位置に対する発振特性の許容範囲が狭い。
【００３６】
さらに、固体レーザ媒質１２０ａの励起光Ｌｉが吸収された領域は発熱するので、固体レーザ媒質１２０ａ全体の温度が上昇する。一方、固体レーザ媒質は、一般に、動作温度が高くなると利得が低下するので、レーザ発振装置の発振効率の低下を招く。つまり、上記の固体レーザ媒質１２０ａでは、レーザ発振に寄与しない媒質領域１２２が存在するため、熱的に不利であり、効率的な発振が妨げられている。
【００３７】
図４（ｂ）に示す、従来技術に係るレーザ発振装置１００ｂは、固体レーザ媒質１２０ｂ、高反射率鏡２００、及び出力鏡２２０を備えており、高反射率鏡２００及び出力鏡２２０によって共振器が構成されている。固体レーザ媒質１２０ｂは、利得領域１４０と非利得領域１６０とを有している。
【００３８】
従来技術に係る固体レーザ媒質１２０ｂでは、利得領域１４０の屈折率と非利得領域１６０の屈折率とが異なる。この屈折率差により、高反射率鏡２００を介して固体レーザ媒質１２０ｂに入射された励起光Ｌｉが有効に利得領域１４０に到達せず、一部が反射されてしまう。レーザ発振光が利得領域１４０と非利得領域１６０との界面で反射されることにより、発振モード（横モード）に高次モードが発生し、発振が不安定になりやすい。
【００３９】
上記のような従来技術に対し、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、ＹＡＧをホスト材料とし、一例として、Ｎｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスで形成された利得領域１４と、一例として、Ｇｄが添加されたＹＡＧ（Ｇｄ：ＹＡＧ）セラミックスで形成された非利得領域１６と、を備えている。
【００４０】
図１（ｃ）を参照して、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２の構造についてより詳細に説明する。図１（ｃ）に示すように、固体レーザ媒質１２の利得領域１４は、一例として、円筒状の形状を有している。非利得領域１６は、円筒状の外形形状を有すると共に、該外形と同心円状に形成された円筒状の貫通孔を有し、該貫通孔の内周面は利得領域１４の外周に沿った形状とされている。そして、非利得領域１６の貫通孔内に利得領域１４が配置され、光学的なつなぎ目がない状態で接合されている（以下、このような固体レーザ媒質１２の構造を「コア・クラッド構造」という場合がある）。本実施の形態において「光学的なつなぎ目がない」とは、利得領域１４と非利得領域１６との界面が平坦であり、散乱が抑制され、かつ両者の屈折率差が抑制されていることをいう。利得領域１４と非利得領域１６との間に光学的なつなぎ目がない状態とすることにより、上記のような高次モードの発生を抑制することができる。
【００４１】
本実施の形態に係る利得領域１４は、一例として、Ｎｄ及びＣｒが所定の添加率で添加されたＹＡＧパウダーを焼結して形成する。ＮｄはＹＡＧのＹサイトに置換して添加され、ＣｒはＹＡＧのＡｌサイトに置換して添加される。非利得領域１６は、一例として、Ｇｄが所定の添加率で添加されたＹＡＧパウダーを焼結して形成する。Ｇｄは、ＹＡＧのＹサイトに置換して添加される。
【００４２】
Ｎｄ、Ｃｒは、固体レーザ媒質１２において利得領域１４を形成する目的で添加されるが、Ｎｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧ（Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ）セラミックスは、屈折率が上昇する。そのため、非利得領域１６として、例えば元素を何も添加しないＹＡＧセラミックスを用いると、利得領域１４と非利得領域１６との間に屈折率差Δｎが発生する。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、非利得領域１６としてＧｄが添加されたＹＡＧセラミックスを用いている。ＹＡＧセラミックスにＧｄを添加すると屈折率が上昇するので、屈折率差Δｎを調整することができる。Ｇｄの添加率を調整することによって、共振器ＲＥＳ内のレーザ光が利得領域１４と非利得領域１６との界面を実質的に感じない（レーザ光の界面での反射がほとんど発生しない）レベルまで小さくすることができる（利得領域１４の屈折率と非利得領域１６の屈折率とを略等しくすることができる）。後述するように、本実施の形態において、利得領域１４の屈折率と非利得領域１６の屈折率とを略等しくするとは、屈折率差Δｎを、一例として０．００１のオーダーにすることをいう。
【００４４】
次に、図２を参照して、本実施の形態に係る利得領域１４と非利得領域１６との間の屈折率差Δｎの低減方法について、より詳細に説明する。まず、本実施の形態に係る、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）のＹサイト、Ａｌサイトに対する元素の添加率について定義する。Ｙサイトを置換して添加された元素をＭ、Ａｌサイトを置換して添加された元素をＮとし、各元素が添加されたＹＡＧをＭｘＹ（３−ｘ）ＮｙＡｌ（５−ｙ）Ｏ１２と定義した場合、元素Ｍの添加率（Ｙサイト置換率）ｍをｍ＝ｘ／３、元素Ｎの添加率ｎ（Ａｌサイト置換率）をｎ＝ｙ／５で定義する。また、添加率はａｔ％（原子百分率、以下、単に「％」と表記する）で表す。以上の定義の下、図２は、ＹＡＧにＮｄを１．０％（Ｙサイト置換率）、Ｃｒを０．４％（Ａｌサイト置換率）添加したＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ（以下、「Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧ」と表記する）セラミックスに対して、屈折率が整合する（屈折率を略等しくさせる）Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスのＧｄ添加率（Ｙサイト置換率）を検討した結果を示すグラフである。
【００４５】
図２では、波長をパラーメータとして、Ｇｄ添加率に対するＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率を測定した結果をシンボル◆で示している。波長は、６３３ｎｍ、８３０ｎｍ、１３００ｎｍとした。図２に示すように、Ｇｄ添加率を０〜１０％の範囲で変化させた場合、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率は、各波長に対して、１．８１〜１．８３程度の範囲で漸増する傾向を示す。
【００４６】
これに対し、Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率は、波長６３３ｎｍで約１．８３０、波長８３０ｎｍで約１．８２０、波長１３００ｎｍで約１．８１２であった。この結果を上記Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率のグラフに重ね合わせて考察すると、Ｇｄの添加率を５．０％とすることにより、各波長で、Ｎｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率とＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とが、０．００１程度の精度で一致することがわかった。図２では、この際のＮｄ（１．０）／Ｃｒ（０．４）：ＹＡＧセラミックスの屈折率をシンボル●で示している。すなわち、本発明者らは、ＹＡＧにＮｄを１．０％、Ｃｒを０．４％添加したＮｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスに対して、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスのＧｄ添加率を５％とすることにより、全ての波長で、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とＧｄ：ＹＡＧセラミックスの屈折率とを整合させることが可能であることを見出した。
【００４７】
本実施の形態では、上記の検討結果に基づき、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスにおけるＮｄ、Ｃｒの添加率と、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスにおけるＧｄの添加率とを調整することにより、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを低減している。このことにより、共振器ＲＥＳ中の励起光Ｌｉ、あるいは出力光Ｌｏが、利得領域１４と非利得領域１６との界面において屈折率差Δｎを感じることが抑制されるので、レーザ発振装置１０の発振モードが、出力鏡２２の条件（曲率半径、及びＹ軸上の位置）のみによって制御することができる。
【００４８】
むろん、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎは小さければ小さいほどよいが、本実施の形態では、屈折率差Δｎの具体的な値としてΔｎ＝０．００１程度としている。例えば、Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧセラミックスによる利得領域１４の屈折率を１．８２０程度とし、Ｇｄ：ＹＡＧセラミックスによる非利得領域１６の屈折率を１．８１９程度とし、屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．００１程度とした場合の励起光Ｌｉに対する影響を考える。この場合、非利得領域１６から利得領域１４への励起光Ｌｉの入射角度（図１中のＺ軸から測った角度）が８９°の場合の反射率は約１０％となるが、それより小さな入射角度（８９°未満）では、励起光Ｌｉは界面で反射されることなく利得領域１４に到達することができる。つまり、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、励起光Ｌｉの光軸が若干ずれたとしても固体レーザ媒質１２を伝播する間に利得領域１４に吸収されるので、出力光Ｌｏの変動（光量、モード等）も少なく、安定なレーザ発振を維持することができる。その結果、固体レーザ媒質１２と出力鏡２２の位置を固定した場合の、励起光Ｌｉの位置に対する許容範囲が拡大される。
【００４９】
上記点については、図１（ａ）と（ｂ）との違い、すなわち、出力光束１３０と、利得領域１４との位置関係についてあまり影響されない。励起光Ｌｉの位置に対する許容範囲の観点からは、図１（ｂ）に示すように、利得領域１４が出力光束１３０に包含されていた方が望ましいといえる。しかしながら、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率が整合している本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、図１（ａ）に示すように利得領域１４が出力光束１３０からはみ出しているような場合でも、レーザ発振特性が大きく劣化することが抑制される。なお、本実施の形態では、屈折率差ΔｎをΔｎ＝０．００１程度とする場合を例示して説明したが、これに限られず、屈折率差Δｎの値は、レーザ発振装置１０における目標発振モード等に応じて適宜設定してよい。
【００５０】
一方、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２は、放熱の観点からも有利な構成となっている。すなわち、利得領域１４に添加される元素Ｎｄ、及びＣｒは励起光Ｌｉを吸収する一方、非利得領域１６に添加される元素Ｇｄは励起光Ｌｉを吸収しない。従って、出力鏡２２のみによってレーザ発振の状態（発振モード）を制御できる本実施の形態に係るレーザ発振装置１０では、利得領域１４に対する出力光束１３０の配置関係を簡易に調整できる（容易に、利得領域１４と出力光束１３０との重なりを大きくすることができる）ので、不要な励起エネルギーの吸収を容易に抑制することができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２では、発熱体としての利得領域１４を励起エネルギーを吸収しない（発熱しない）非利得領域１６で囲む構成となっており、しかも利得領域１４と非利得領域１６との界面が密着して接合されている。そのため、利得領域１４で発生した熱が非利得領域１６によって効率よく拡散され、外部に放熱されるので、レーザ発振における利得飽和を効果的に抑制することができる。
【００５２】
以上詳述したように、本実施の形態に係るレーザ発振装置１０によれば、寄生発振や、レーザ発振に寄与しない励起エネルギーの吸収を抑制し、安定かつ高効率の発振を可能にするとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度を大きくすることができる。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る固体レーザ媒質１２の製造に際し、ＹＡＧセラミックスに添加すべき元素についてより詳細に説明する。上記実施の形態では、利得領域１４を構成するＹＡＧセラミックスにＮｄ、Ｃｒを添加し、非利得領域１６を構成するＹＡＧセラミックスにＧｄを添加する形態を例示して説明したが、これに限られない。
【００５４】
例えば、利得領域１４のＹＡＧセラミックスに添加する元素としては、励起光を吸収して、レーザ発振に寄与する元素であればよいので、Ｎｄ、Ｃｒに限られず、吸収−蛍光特性を有する希土類元素や遷移金属を用いることができる。また、上記実施の形態では、利得領域１４としてＮｄ、Ｃｒが共添加されたＹＡＧセラミックスを用いた形態を例示して説明したが、これに限られず、Ｎｄのみが添加されたＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）セラミックスを用いた形態としてもよい。
【００５５】
一方、非利得領域１６のＹＡＧセラミックスに添加する元素としては、利得領域１４との屈折率の調整が可能であり、励起光波長に対しても、レーザ発振波長に対しても吸収特性を示さない材料であればよいので、Ｇｄに限られず、Ｌａ（ランタン）やＣｅ（セリウム）等が広い波長範囲で用いることができる。また、励起光波長、あるいはレーザ発振波長によっては、Ｔｂ（テルビウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）等のランタニド元素を用いることもできる。
【００５６】
さらに、上記Ｇｄ等の元素はＹＡＧのＹサイトと置換される元素であるが、Ａｌサイトを置換可能な元素、例えばＧａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｃ（スカンジウム）等の元素をＹＡＧに添加して、非利得領域１６を構成するＹＡＧセラミックスの屈折率を大きくし、利得領域１４の屈折率と整合させることも可能である。
【００５７】
また、上記実施の形態では、所定の元素の添加により大きくなった利得領域１４の屈折率に対し、非利得領域１６に所定の元素を添加して屈折率を上げることによって両者の屈折率を整合させているが、これに限られない。本発明では、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを、励起光あるいは出力光束１３０が感じない程度に小さくすることが重要であるので、所定の元素の添加により小さくなった利得領域１４の屈折率に対し、非利得領域１６に所定の元素を添加して屈折率を下げることによって両者の屈折率を整合させもよい。
【００５８】
さらには、利得領域１４に、レーザ発振に寄与しかつ屈折率を大きくする元素を添加すると共に、レーザ発振に寄与せずかつ屈折率を小さくする元素を添加して、利得領域１４自体の屈折率がＹＡＧセラミックスの屈折率に対して変動しないようにしてもよい。例えば、ＹＡＧのＡｌサイトを置換すると屈折率が低下する元素のうちの、いずれかの元素でＡｌサイトを置換して屈折率を調整してもよい。
【００５９】
また、ＹＡＧセラミックスによる利得領域１４へＮｄ／Ｃｒ、Ｓｃを添加する一方、非利得領域１６には、屈折率を上昇させる元素、例えばＧｄを添加することで、屈折率の調整をしてもよい。つまり、利得領域１４におけるＳｃの効果と、非利得領域のＧｄの効果の両方で屈折率整合させてもよい。このような方法によれば、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎをより精度よく調整することができる。
【００６０】
次に、図３を参照して、固体レーザ媒質１２の構造、及び該固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４、非利得領域１６の形状について述べる。
【００６１】
上記実施の形態においては、図１（ｃ）に示すように、円筒状の利得領域１４を円筒状の非利得領域１６で囲んだコア・クラッド構造の固体レーザ媒質１２を例示して説明したがこれに限られない。利得領域１４と出力光束１３０の重なりを大きくすることができ、利得領域１４と非利得領域１６との屈折率差Δｎを出力光束１３０が感じない程度に小さくすることができるという本発明に係る固体レーザ媒質１２の特徴を具現化する限りにおいて、特に構造、形状は限定されない。図３は、固体レーザ媒質１２の構造、及び該固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４、非利得領域１６の形状の他の例を示している。なお、図３においては、＋Ｙ方向に出力光が出射するものとしている。
【００６２】
図３（ａ）は、板状の利得領域１４を、上下から板状の非利得領域１６で挟持した構造を有する固体レーザ媒質１２ａの例を示している。固体レーザ媒質１２ａは、いわゆるスラブ導波路構造を有しており、Ｚ軸方向に対してはレーザ光の不要な吸収を効果的に抑制可能な構造であるが、Ｘ軸方向に対しては必ずしも十分に抑制されない可能性がある構造といえる。しかしながら、製造が容易であるという利点がある。
【００６３】
図３（ｂ）〜（ｄ）は、いずれもコア・クラッド構造を有する固体レーザ媒質の例である。レーザ発振装置１０の発振特性の観点からは、これらのコア・クラッド構造がより好ましい。図３（ｂ）に示す固体レーザ媒質１２ｂは、四角柱状の利得領域１４を四角柱状の非利得媒質１６で囲んだ構造を有する例である。図３（ｃ）に示す固体レーザ媒質１２ｃは、円柱状の利得領域１４を四角柱状の非利得媒質１６で囲んだ構造を有する例である。このように、本発明においては、固体レーザ媒質１２を構成する利得領域１４の形状及び非利得領域１６の形状の組み合わせは特に限定されない。なお、図３（ｂ）及び（ｃ）では、利得領域１４の端面と非利得領域１６の端面とが一致した形態を例示しているが、これに限られず、少なくとも一方の利得領域１４の端面が非利得領域１６の端面より後退していてもよい、すなわち、利得領域１４の端面が非利得領域１６で覆われていてもよい。
【００６４】
図３（ｄ）に示す固体レーザ媒質１２ｄは、コア・クラッド構造の一形態であるが、コア・クラッド部３０とエンドキャップ３２とを有しており、コア・クラッド部３０には利得領域１４が配置されているが、エンドキャップ３２は利得領域１４を欠いている。固体レーザ媒質１２ｄでは、＋Ｙ方向に向かって励起光Ｌｉが入射され、＋Ｙ方向に向かって徐々に出力光束１３０が拡大されるが、出力光束１３０が一定程度拡大された領域に利得領域１４を配置することができるので、利得領域１４と出力光束１３０の重なりをより大きくすることができるという効果を奏する。なお、図３（ｄ）では、利得領域１４の一方の端面と、非利得領域１６の一方の端面とが一致している形態を例示しているが、これに限られず、利得領域１４の端面が非利得領域１６に包含（埋設）される形態としてもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態では、レーザ発振装置の発振波長については特に言及しなかったが、発振波長を選択する構成を付加してもよい。この場合は、例えば、励起光源に広帯域光源を用い、高反射率鏡の透過特性に発振波長を透過するような波長依存性をもたせればよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、固体レーザ媒質１２のホスト材料としてＹＡＧを用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば、ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）等を用いてもよい。ＧＧＧ系では、ＧａサイトをＡｌ（アルミニウム）で置換することにより屈折率が低下するので、この効果を用いて屈折率の調整を行ってもよい。
【００６７】
［第２の実施の形態］
以下、上記レーザ発振装置１０の応用形態について説明する。レーザ発振装置１０は、レーザ加工、レーザ溶接、あるいはレーザマーキング等、特に限定されることなく用いることができるが、上記のレーザ発振装置１０の特徴を生かした用途として、太陽光エネルギーを電気エネルギー等の他のエネルギー形態に変換するエネルギー変換システムが挙げられる。
【００６８】
一例として、太陽電池を用いた太陽電池システムについて説明する。太陽電池システムは、太陽光の集光部、レーザ発振装置１０、及び太陽電池を含んで構成される。集光部はすなわち励起光源であり、例えばパラボラ反射鏡で集光した光を、直接、もしくはバンドルファイバ等の導光体を介してレーザ発振装置１０に入射させる。
【００６９】
レーザ発振装置１０はこの太陽光で励起され、当該単色光の波長のレーザ光が太陽電池に出力される。太陽電池が、このレーザ光を電気エネルギーに変換することにより、本実施の形態に係る太陽電池システムが実現される。上述したように、レーザ発振装置１０は、安定かつ高効率に発振するとともに、励起光の位置ずれや角度ずれに対する許容度が大きいので、効率のよい太陽電池システムを構築することができる。あるいは、レーサ発振装置１０のこのような特徴を生かすことにより、他のエネルギー変換システム一般、例えば、太陽光を光源とし、レーザを発振させ、レーザ波長を直接、もしくは、非線形光学素子を用いて波長変換して、光触媒により水素などの化学物質を生成してエネルギー源とする光触媒システム等に用いることもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１０      レーザ発振装置
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  固体レーザ媒質
１４      利得領域
１６      非利得領域
１６ａ    非利得領域
１８      励起光源
２０      高反射率鏡
２２      出力鏡
３０      コア・クラッド部
３２      エンドキャップ
１００ａ、１００ｂ  レーザ発振装置
１０２    レンズ
１２０ａ、１２０ｂ  固体レーザ媒質
１２２    媒質領域
１３０    出力光束
１４０    利得領域
１６０    非利得領域
２００    高反射率鏡
２２０    出力鏡
３００    レーザ発振装置
３０２    固体レーザ媒質
３０４    励起光源
３０６    高反射率平面鏡
３０８    出力平面鏡
３１０    レンズ系
３１２    利得領域
３１４    非利得領域
Ｌｉ      励起光
Ｌｏ      出力光
ＲＥＳ    共振器
Ｓ        端面
【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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