(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１共振ミラーと固体レーザー材料とＱスイッチと第２共振ミラーが、その順序で配置されており、
前記Ｑスイッチが、ファラデー回転角の飽和値を有する磁気光学効果を呈する膜と、磁束変化により特定の閾値を中心としてその前後にファラデー回転角を１度変化させる磁束発生器との組み合わせで構成されており、
前記固体レーザー材料に励起光を入射し、前記磁束発生器にパルスを加えると、パルスレーザーを発光するＱスイッチ固体レーザー装置。
【請求項２】
前記磁気光学効果を呈する膜が、希土類鉄ガーネットである請求項１のＱスイッチ固体レーザー装置。
【請求項３】
前記磁束発生器が、永久磁石と励磁コイルの組み合わせで構成されている請求項１に記載のＱスイッチ固体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、励起光で励起すると反転分布状態となって誘導放出現象が生じる固体レーザー材料を利用する固体レーザー装置に関する。特に、一対の共振ミラーの間に固体レーザー材料とＱスイッチを配置することによって、パルスレーザーを発光するＱスイッチ固体レーザー装置に関する。以下では簡単化のために、Ｑスイッチ固体レーザー装置をレーザー装置と略称することがある。
【背景技術】
【０００２】
第１共振ミラーと固体レーザー材料とＱスイッチと第２共振ミラーを、その順序で配置したレーザー装置が知られている。すなわち、第１共振ミラーと第２共振ミラーで構成される一対の共振ミラーの間に、固体レーザー材料とＱスイッチを配置したレーザー装置が知られている。
【０００３】
非特許文献１には、一対の共振ミラーの間に固体レーザー材料とＱスイッチを配置した小型のレーザー装置が開示されているが、そのＱスイッチは可飽和現象を利用する受動Ｑスイッチであり、Ｑスイッチを能動的に制御することができない。
【０００４】
非特許文献２に、電気光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、固体レーザー材料の厚みが０．５ｍｍであるのに対し、Ｑスイッチの厚みが５ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
【０００５】
非特許文献３に、音響光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、Ｑスイッチの厚みが３２ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
現在の技術では、Ｑスイッチを能動的に制御可能とすると、そのＱスイッチが大型化してしまってレーザー装置の小型化の障害となっている。現在の技術では、レーザー装置の小型化とＱスイッチの能動化を両立させることができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T.Taira, M.Tsunekane, K.Kanehara, S.Morishima, N.Taguchi and A. Sugiura: “7. Promise of Giant Pulse Micro-Laser for Engine Ignition”, Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 89, No.4, pp.238-241(2013)
【非特許文献２】T.Taira, and T.Kobayasdhi: “Q-Switching and Frequency Doubling of Solid-State Lasers by a Single Intracavity KTP Crystal”, IEEE Journal of Quantum Electronics of Vol. 30, No.3, pp.800-804(1994)
【非特許文献３】Gooch & Housego Co.Ltd., Product number 1-QS041-1, 8C10G-4-GH21http://www.optoscience.com/maker/gooch/pdf/ao-qswuitch-air.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書では、レーザー装置の小型化の障害とならないという制約の中でＱスイッチを能動化する技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示するレーザー装置では、第１共振ミラーと固体レーザー材料とＱスイッチと第２共振ミラーが、その順序で配置されている。すなわち、第１共振ミラーと第２共振ミラーで一対の共振ミラーが構成され、その一対の共振ミラー間に固体レーザー材料とＱスイッチが配置されている。Ｑスイッチは、磁気光学効果を呈する膜（以下では磁気光学膜と略称する）と磁束発生器の組み合わせで構成されている。固体レーザー材料に励起光を入射し、磁束発生器にパルスを加えると、Ｑスイッチ固体レーザー装置はパルスレーザーを発光する。
【０００９】
磁気光学膜は、磁気光学膜を透過するレーザーの偏向面を回転させる。その回転角（ファラデー回転角）は、磁束発生器が発生する磁束の大きさに合わせて変化する。ファラデー回転角の大きさによって、Ｑ値が低い状態に調整することもできれば、Ｑ値が高い状態に調整することもできる。磁気光学膜と磁束発生器によって能動型Ｑスイッチを構成することができる。磁気光学膜を利用すると、Ｑスイッチに必要なファラデー回転角の変化を薄い磁気光学膜と小型の磁束発生器で確保することができる。レーザー装置の小型化を妨げることなくＱスイッチを能動化することができる。
【００１０】
研究の結果、ファラデー回転角とＱ値の間には閾値ともいえる敏感性が存在することが判明した。すなわち、その閾値にあたるファラデー回転角をＣ°したとき、Ｃ−ΔＣ°ではＱ値が低くてパルスレーザーが発光せず、Ｃ＋ΔＣ°ではＱ値が高くてパルスレーザーが発光する関係にあり、そのΔＣ°は小さく、ΔＣ°が０．５°程度で、パルスレーザーが発光することが分かった。すなわち、Ｃ−ΔＣ°とＣ＋ΔＣ°の差が１°以上あれば、Ｑスイッチとなることが分かった。磁束発生器による磁束変化によってファラデー回転角が１°以上変化する膜を磁気光学膜とすることが好ましい。
【００１１】
特に、希土類鉄ガーネットが磁気光学膜に適している。
【００１２】
磁気光学膜のファラデー回転角は、Ｃ−ΔＣ°以下の回転角とＣ＋ΔＣ°以上の回転角の間で変化させる必要がある。励磁コイルへの通電流がゼロのときのファラデー回転角がゼロであり、励磁コイルへ通電したときのファラデー回転角がＣ＋ΔＣ°以上となる値の電流をオンオフすることによって上記関係を実現してもよいが、永久磁石とコイルの組み合わせを利用してもよい。永久磁石によってファラデー回転角がＣ°付近になる関係に調整しておき、それに付加して加えるコイルに由来する磁場によって、Ｃ−ΔＣ°とＣ＋ΔＣ°の間でファラデー回転角を変化させるようにしてもよい。励磁電流を低く抑えることができ、励磁コイルを小型化することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本明細書で開示するＱスイッチ固体レーザー装置によると、能動型Ｑスイッチによってパルスレーザーの発光タイミングを制御することが可能となり、しかも小型化することができる。この技術によって、Ｑスイッチ固体レーザー装置を、光通信デバイスやレーザー加工装置に搭載することが可能となり、あるいはディスプレイ装置を小型化して高出力化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施例のＱスイッチ固体レーザー装置の構成を模式的に説明する。
【図２】ファラデー回転角とパルスレーザーのピーク出力の関係を示す。
【図３】第２実施例のＱスイッチ固体レーザー装置の構成を模式的に説明する。
【図４】ファラデー回転角とパルスレーザーのピーク出力の関係を示す。
【図５】励磁コイルに通電するパルス電流とパルスレーザーの関係を示す。
【図６】通電電流とファラデー回転角の関係を示す。
【図７】第３実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図８】第４実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図９】第５実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図１０】第６実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図１１】第７実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図１２】第８実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図１３】第９実施例のレーザー装置の主要部の構成を模式的に示す。
【図１４】永久磁石とコイルを併用する場合の電流とファラデー回転角の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）固体レーザー材料の端面に磁気光学膜を製膜する。
（特徴２）固体レーザー材料と独立して存在する磁気光学膜を固体レーザー材料と組み合わせて用いる。
（特徴３）磁気光学膜の表面に励磁コイルをパターニングする。
（特徴４）磁気光学膜の近傍に励磁コイルを配置する。
（特徴５）２個の励磁コイルの間に磁気光学膜を配置する。
【実施例】
【００１６】
（第１実施例）
図１は、半導体レーザー装置２で励起するとパルスレーザーを発光するＱスイッチ固体レーザー装置２２の構成を模式的に示している。参照番号４と６は、半導体レーザー装置２が発光するレーザーの集光用レンズである。参照番号８は、固体レーザー材料を示しており、半導体レーザー装置２が放出するレーザーに励起されると反転分布状態に変化して誘導放出してレーザーを発光する。本実施例では、Nd３+イオンを含むGdVO４を用いる。固体レーザー材料８の組成は特に限定されず、反転分布状態となって誘導放出する材料であればよい。例えば、Nd:YVO４,Nd:LuVO４などのバナデート材料、あるいは、Nd:YAG, Nd:LuAG, Nd:GSGGなどのガーネット材料であってもよい。添加する希土類は、Ndに限られず、Yb, Er,Tm,Hoなどであってもよい。
【００１７】
参照番号８ａは、固体レーザー材料８の端面にコーティングされている膜であり、半導体レーザー装置２が放出するレーザーに対しては高い透過率を持ち、固体レーザー材料８が誘導放出するレーザーには高い反射率を持つ膜である。請求項でいう第１共振ミラーに相当する。
本実施例では、半導体レーザー装置２が８０８ｎｍのレーザーを出力し、Ｑスイッチ固体レーザー装置２２が１０６４ｎｍのレーザーを出力する。コーティング膜８ａは、８０８ｎｍに対しては９９．８％以上の透過率を持ち、１０６４ｎｍに対しては９８％以上の反射率をもっている。
参照番号８ｂもまた、固体レーザー材料８の端面にコーティングされている膜であり、８０８ｎｍに対しては９９．８％以上の反射率を持ち、１０６４ｎｍに対しては９８％以上の透過率をもっている。１０６４ｎｍに対しては、ミラー効果を備えていない。
【００１８】
参照番号１６は反射膜であり、８０８ｎｍに対しては９９．８％以上の反射率を持ち、１０６４ｎｍに対しては９５％以上の反射率をもっている。反射膜１６は、請求項でいう第２共振ミラーに相当する。
【００１９】
第１共振ミラー８ａと第２共振ミラー１６の反射面は平行であり、両者の間に固体レーザー材料８が誘導放出するレーザーを閉じ込める。第１共振ミラー８ａと第２共振ミラー１６は共振装置を構成する。第２共振ミラー１６は、固体レーザー材料８が誘導放出するレーザーに対して適当な反射率を持ち、後記する磁気光学膜１０のＱ値が増大した場合には、共振したレーザーの一部が第２共振ミラー１６を通過する。第２共振ミラー１６からパルスレーザーが得られる。
第１共振ミラー８ａと第２共振ミラー１６は、既存技術によって得られるものであり、詳しい説明を省略する。第２共振ミラー１６の反射面を凹面としてもよい。第１共振ミラー８ａの反射面の光軸と第２共振ミラー１６の反射面の光軸を揃えれば、両者の間に固体レーザー材料８が誘導放出するレーザーを閉じ込めことができる。
参照番号１８は、第２共振ミラー１６から射出するレーザー光のパワーを計測する測定器である。
【００２０】
参照番号１０は磁気光学現象を呈する膜であり、本実施例では、希土類鉄ガーネット（[BiTb]3[FeGa]5O12）を用いた。磁気光学膜１０は、高いＱ値を実現するファラデー角と低いＱ値を実現するファラデー角との間で変化する磁気光学現象を呈する膜であればよく、希土類鉄ガーネットに限定されるものでない。磁気光学膜１０の膜厚は１９０μｍであり極めて薄い。磁気光学膜１０は、レーザー装置２２の小型化の障害にならない。
【００２１】
参照番号１２は、励磁コイルを示し、磁気光学膜１０の外周に沿って一巡しており、磁気光学膜１０の中央部（レーザーが通過する部分）に磁場をかけることでファラデー回転現象が得られるようにする。本実施例では、パルスレーザーを発光させない期間では励磁コイル１２に通電せず、磁気光学膜１０のファラデー回転角をゼロする。ファラデー回転角がゼロの間はＱ値が低く、パルスレーザーは得られない。パルスレーザーを発光させる期間では励磁コイル１２に通電し、磁気光学膜１０のファラデー回転角を増大させる。ファラデー回転角が増大するとＱ値が上昇し、パルスレーザーが得られる。
図では磁気光学膜１０と励磁コイル１２が離れて図示されているが、実際には近接して配置されている。
【００２２】
図２は、ファラデー回転角（励磁コイル１２への通電電流値にほぼ比例する）とパルスレーザーのピーク出力（Ｗ）の関係を示している。パルスレーザーのピーク出力は、ファラデー回転角が４４．５°の前後で急峻に変化する。ファラデー回転角が４４°である場合はＱ値が低く、パルスレーザーは得られない。ファラデー回転角が４５°になるとＱ値が上昇し、パルスレーザーが得られる。すなわち、磁気光学膜１０のファラデー回転角が４４°と４５°の間で１度変化するだけで、パルスレーザーが発光しない状態と発光する状態の間で変化する。実験によって、ファラデー回転角が閾値を挟んで１°以上変化すれば、磁気光学膜１０がＱスイッチとなることが判明している。
【００２３】
（第２実施例）
図３は、第２実施例のレーザー装置の構成を模式的に示している。以下では説明済みの事象に対しては同じ参照番号を用いて重複説明を省略する。相違点のみを説明する。第２実施例のレーザー装置２２ａでは、磁気光学膜１０に近接する位置にリング状の永久磁石１４が追加されている。永久磁石１４の中央開孔をレーザーが通過する。
図４は、永久磁石とコイルを併用して磁束を発生する場合のファラデー回転角とピーク出力の関係を示す。永久磁石１４によって磁気光学膜１０のファラデー回転角が閾値の直下にある４４°に調整されている。この実施例では、励磁コイル１２への通電によって、ファラデー回転角が４４°から変化する。本実施例によっても、励磁コイル１２への通電値を変化させるとＱ値が変化し、ピーク出力が変化する。理由は不明であるが、図２と図４を比較すると、図２ではファラデー角の変化に対してピーク出力が敏感に変化するのに対し、図４では敏感性が緩和できる。第２実施例によると、永久磁石１４を併用することからＱ値を変化させるのに要する励磁電流の変化が小さくてすみ、励磁コイル１２を小型化することができる。
【００２４】
図５は、コイル１２に電電するパルス電流と、Ｑスイッチ固体レーザー装置から得られるレーザー出力の関係を示している。（ａ）は、パルス電流の立ち上がり速度が急峻な場合を示し、（ｃ）は立ち上がり速度が緩やかな場合を示す。パルスレーザー出力の変化速度は、パルス電流の立ち上がり速度の影響を受け、パルス電流の立ち上がり速度が速いほどパルスレーザー出力は急激に上昇する(（ｂ）参照)。
【００２５】
磁気光学膜１０をＱスイッチに利用すると、ファラデー角の変化速度を高速化でき、パルスレーザー出力の変化速度を高速化でき、パルスレーザーの時間幅を短くすることでき、パルスレーザーのピーク出力を増大することができる。実験によってパルスレーザーの半値幅を４５ｎｓまで短くできることが確認された。また、磁気光学膜１０をＱスイッチに利用すると、パルスレーザーの繰り返し周波数を増大することもできる。
【００２６】
図６は、磁気光学膜１０に加える磁場とファラデー回転角の関係を示し、わずかなヒステリシスがあるもののファラデー回転角は通電電流値にほぼ比例する関係にあることがわかる。またファラデー回転角には飽和値が存在し、その飽和値は前記した閾値（Ｃ°）よりも高い関係にある。さらに、飽和値となってもＱ値は低下せず、飽和値となってもパルスレーザーは発振する。
【００２７】
図７は、第３実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。本実施例では、励磁コイル１２が磁気光学膜１０の表面にパターニングされている。励磁コイル１２は１回巻きで足りることから、プリント基板の技術によって励磁コイル１２を磁気光学膜１０の表面に簡単にパターニングすることができる。
【００２８】
図８は、第４実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。磁気光学膜１０に加える磁束を発生する電流の経路は、コイル状でなく、直線であってもよい。直線上の金属パターン１２ｂの一端にパルス電圧を加えると、立ち上がり時と立下り時に逆方向の電流が流れる。この電流を利用して磁気光学膜１０のファラデー回転角を変化させてもよい。
【００２９】
図９は、第５実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。励磁コイル１２ｃは、磁気光学膜の１０の外周を取り囲んでいてもよい。
図１０は、第６実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。２個の励磁コイル１２ｃ，１２ｄを平行に配置し、その間に磁気光学膜１０を配置してもよい。励磁コイル１２ｃ，１２ｄ等は、磁気光学膜１０の外周を一巡していてもよいし、磁気光学膜１０の端面の外周に沿う領域にパターニングしてもよい。
【００３０】
図１１は、第７実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。永久磁石１４は、磁気光学膜１０の外周を一巡していてもよい。
図１２は、第８実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。磁気光学膜１０と第２共振ミラー１６の間にポラライザ―２０を挿入してもよい。
図１３は、第９実施例のレーザー装置の構成を模式的に示す。半導体レーザー装置２と第１共振ミラー８ａと固体レーザー材料８と磁気光学膜１０と励磁コイル１２ａを集積化して一体化している。小型化に有利である。磁気光学膜１０の端面にコーティングすることによって第２共振ミラー１６まで一体化することもできる。
【００３１】
図１４の（ａ）は、永久磁石１４によるファラデー回転角を示し、（ｂ）はパルス状の励磁電流を示し、（ｃ）は永久磁石１４と励磁コイル１２によるファラデー回転角を示す。第１実施例の励磁電流に比して、図１４（ｂ）の励磁電流は非常に小さい。
【００３２】
永久磁石１４と励磁コイル１２の組み合わせによって、図１４（ｄ）〜（ｆ）の現象を得てもよい。図１４（ｄ）は永久磁石によってＣ＋ΔＣのファラデー回転角に調整することを示す。図１４（ｅ）は、パルスレーザーの発光タイミング以外では、励磁コイルによって−２×ΔＣのファラデー回転角となる電流を加える。パルスレーザーの発光タイミングでは励磁電流をゼロとする。
【００３３】
図１４（ｇ）〜（ｉ）の現象を利用してもよい。図１４（ｇ）は永久磁石によってファラデー回転角をＣに調整することを示す。図１４（ｈ）は、パルスレーザーの発光タイミング以外では、励磁コイルによって−ΔＣのファラデー回転角となる電流を加え、パルスレーザーの発光タイミングでは、励磁コイルによって＋ΔＣのファラデー回転角となる電流を加える。
いずれによっても、（ｃ）（ｆ）（ｉ）に示すように、小さな励磁電流で、ファラデー回転角をＣ―ΔＣのＣ＋ΔＣの間で変化させることができ、小さな励磁電流でパルスレーザーの発光タイミングを制御することができる。
【００３４】
半導体レーザー装置２が発光するレーザー光は、連続レーザーであってもよいし、パルスレーザーであってもよい。後者の場合、半導体レーザー装置２からのパルスレーザーの半値幅よりも固定レーザー装置２２からのパルスレーザーの半値幅が短い関係を得ることができる。
【００３５】
上記実施例では、第１共振ミラー８ａが固体レーザー材料８の端面に製膜されているが、固体レーザー材料８とは別に存在するミラーを第１共振ミラーとしてもよい。上記実施例では、磁気光学膜１０と、第２共振ミラー１６が別に存在するが、磁気光学膜１０の端面に第２共振ミラー１６を製膜してもよい。励磁コイルと永久磁石についても同様であり、磁気光学膜と一体化してもよいし、磁気光学膜と組み合わせてもよい。
また励起光の光源は半導体レーザー装置に限られず、他の光源であってもよいが、半導体レーザー装置は小型であることから、半導体レーザー装置とＱスイッチ固体レーザー装置を組み合わせた装置の全体が小型化できる。
【００３６】
本明細書でいう膜は、基板に付着している膜であってもよいし、基板から独立して存在する板であってもよい。レーザー材料とは別に製造されたガーネット結晶も、本明細書では膜という。また、ミラーについても同様であり、基板に付着した膜がミラーとなることもあれば、基板から独立に存在する板がミラーとなることもある。
ミラーも磁気光学膜も、多層膜（いわゆる１次元フォトニック結晶）で実現することができる。ミラーと磁気光学膜は、金属ミラー、多層膜ミラーあるいはフォトニック結晶などであって、反射率，透過率を制御した膜あるいは板で構成することができる。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
２：半導体レーザー装置
４：励起光の第１集光レンズ
６：励起光の第２集光レンズ
８ａ：第１共振ミラー
８：固体レーザー材料
８ｂ：コーティング膜
１０：磁気光学膜
１２：励磁コイル
１４：永久磁石
１６：第２共振ミラー
１８：検出器 
２０：ポラライザ
２２：固体Ｑスイッチレーザー装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0006667824.tif 000013
【図１３】
0006667824.tif 000014
【図１４】
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