(57)【要約】【課題】励起準位群でなく発光上準位群に直接励起し、高い吸収効率を維持したまま量子効率の向上が図れる発光装置に適したレーザ装置を提供する。【解決手段】図３（Ｂ）の（ａ）は従来の励起方法によるエネルギー準位図の一部分の拡大状態を示し、非輻射遷移の領域が熱に変換され損失となると共に、熱の影響により波長が変動して動作が不安定になる原因となる。これに対して、図３（Ｂ）の（ｂ）、（ｃ）は、本発明の上準位直接励起によるエネルギー準位図であり、（ｂ）はコールドバンド励起によるもので、励起波長８６９ｎｍの励起光で基底準位より上位準位（Ｒ２）まで直接励起するケースである。（ｃ）はホットバンド励起によるもので、準位Ｚ２　，Ｚ３　より上位準位Ｒ１，　Ｒ２　まで夫々直接励起するものである。この結果、非輻射遷移の領域が殆ど存在せず、熱損失と熱による影響を回避することができる。【選択図】　　　　　　図３
2004119487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放出を促すための光共振器と、利得媒質を共振器内に配置し、該媒質を励起する光源を具備する発光装置において、発光に寄与しないエネルギー移送を抑制する目的で発光始準位、所謂、レーザ上準位またはその近傍に直接励起をできる光源を持つことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記利得媒質において、発光中心として用いる添加イオンをＮｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ等の希士類イオンのうちの１つまたは複数を選択導入することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記利得媒質において、母材として用いる結晶をＹＡＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＡＧ、ＧＳＧＧ、ＧＧＧ等のガーネット系、ＹＶＯ４　等のバナデート系、ＫＹＷ、ＫＧＷ等のタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系および硝子系、ＹＯＳなどのシリケート系、ＹＡＢなどのボレート系、更にこれらを組み合わせた系であることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記利得媒質にＮｄイオンを添加した材料において、これを励起する波長として、基底準位群よりレーザ上準位である４Ｆ３／２に遷移させる波長で励起することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧに関して、これを励起する波長として、基底準位群のうちでも４Ｉ９／２の基底準位（０ｃｍ−１）より発光上準位に遷移させる波長で励起することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧにおいて、これを励起する波長として、中心波長８８５ｎｍ前後を含む光源で励起することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項７】
誘導放出を促すための光共振器と、利得媒質を共振器内に配置し、該媒質を励起する光源を具備するレーザ装置において、発光に寄与しないエネルギー移送を抑制する目的で発光始準位、所謂、レーザ上準位またはその近傍に直接励起を行い、前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＶＯ４　をレーザ材質とし、これを励起する波長として、中心波長８８０　ｎｍ前後の光源で励起することを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
励起光源として、８７０ｎｍから８９５ｎｍの励起波長領域の半導体レーザまたは発光ダイオードを用いることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
【請求項９】
励起光源は、非線形波長変換手段との組み合せにより、高調波または和周波発生による可視域、紫外線領域などの短波長発生したもの、又は、光パラメトリック発振、発生、増幅や差周波発生による近・中赤外線領域などの長波長発振、発生、増幅させたものであることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記励起波長によるレーザー装置において、共振器内部に可飽和吸収体を用いることで受動短パルス動作させることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ装置に関し、特に、固体レーザ装置あるいは半導体レーザによる上準位直接励起型の発光装置に適した固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光装置のうち、固体レーザ装置、特に半導体レーザ励起の固体レーザとしては、その利得媒質としてＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４　などが代表的に用いられていた。一方、Ｎｄ添加濃度１原子％のＹＡＧの波長８００〜９００ｎｍでの吸収スペクトルは、図６に示すように、吸収係数は励起用半導体レーザーの波長域が８０８ｎｍの近辺傍が高く、従来はその励起波長域を８００〜８１０ｎｍとし、発振波長は主に１０６４ｎｍとしていた。
【０００３】
従来のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置のエネルギー準位図を図７に示すように、基底準位０ｃｍ−１から波長８０８ｎｍの励起光源により準位１２３６５ｃｍ−１まで励起（ａ）された後、非輻射遷移（ｂ）を経て準位１１５０９ｃｍ−１においてレーザ遷移し、夫々１．４μｍ，１．３４μｍ，１．０６４μｍ，９４６ｎｍのレーザ発振（ｃ）を行なっている。しかし、これでは励起エネルギーのうちの一部が、発光に寄与しない非輻射遷移（ｂ）に関与したエネルギーとして浪費されていため、１０６４ｎｍの発振に対して効率は７６％に制限されていた。
【０００４】
Ｎｄ添加材料のレーザ上準位を直接励起する手法は１９６０年代より検討されてきたが、Ｎｄ添加濃度１原子％のＹＡＧの波長８００〜９００ｎｍでの吸収スペクトルは、図６に示したように、１原子％Ｎｄ：ＹＡＧでは８８５ｎｍ近辺での吸収係数は、８０８ｎｍのそれに比べて約１／５まで低下して小さく、効率的なレーザ発振は望めず、その後、開発されたランプ励起方式が主流となった。
【０００５】
そして、１９８０年代半ばにおいて、８００ｎｍ近辺で強く発光するＧａＡｌＡｓ系の実用的な半導体レーザの開発により、これを励起源とする半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）の研究開発が活発になり現在に至っている。
【０００６】
また、先行例として希土類元素を添加した媒体を利得媒体とし、励起光源に２つの選択された波長を有する半導体レーザを用い、高効率、小型、長寿命及び高安定なレーザ装置を目標とする発明は公知であるが、２つの選択された波長を有する励起光源を必要とし構成が複雑であった（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３２０１１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記のような発光装置に適したレーザ装置においては、単に効率が低下するだけでなく非輻射遷移に付随して発生する熱の悪影響が大きい欠点を有していた。また、吸収幅も狭かったため励起光源としてスペクトル幅が広い半導体レーザを用いた場合の効率低下や、温度により波長が変動するため動作が不安定になり易い等の問題を有していた。そこで、本発明は、励起準位群でなく発光上準位群に直接励起することを基本とし、更に、吸収係数の高い材料や吸収長を長くすることで高い吸収効率を維持したまま量子効率の向上を図ることができる発光装置に適したレーザ装置を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るレーザ装置は、誘導放出を促すための光共振器と、利得媒質を共振器内に配置し、該媒質を励起する光源を具備する発光装置において、発光に寄与しないエネルギー移送を抑制する目的で発光始準位、所謂、レーザ上準位またはその近傍に直接励起をできる光源を持つように構成した。
【００１０】
本発明の請求項２に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質において、発光中心として用いる添加イオンをＮｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ等の希士類イオンのうちの１つまたは複数を選択導入するように構成した。
【００１１】
本発明の請求項３に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質において、母材として用いる結晶をＹＡＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＡＧ、ＧＳＧＧ、ＧＧＧ等のガーネット系、ＹＶＯ４　等のバナデート系、ＫＹＷ、ＫＧＷ等のタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系および硝子系、ＹＯＳなどのシリケート系、ＹＡＢなどのボレート系、更にこれらを組み合わせた混晶体やコンポジット構造などの系で構成した。
【００１２】
本発明の請求項４に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質にＮｄイオンを添加した材料において、これを励起する波長として、基底準位群よりレーザ上準位である４Ｆ３／２にに遷移させる波長で励起するように構成した。
【００１３】
本発明の請求項５に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧに関して、これを励起する波長として、基底準位群のうちでも４Ｉ９／２の基底準位（０ｃｍ−１）より発光上準位に遷移させる波長で励起するように構成した。
【００１４】
本発明の請求項６に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧにおいて、これを励起する波長として、８８５ｎｍ前後を含むスペクトル幅の光源で励起するように構成した。
【００１５】
こうして、高濃度Ｎｄ添加したＮｄ：ＹＡＧあるいはＮｄ：ＹＶＯ４　　等の利得媒質を用い、その励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるような構成を採用するにより、レーザ上準位の直接励起が効率的に行われるようになるため、量子効率の高い発光装置を実現することができる。このため発光装置高効率化が図られ、冷却機構も簡単になり装置の小型化が進むと共に高出力化を実現できる。
【００１６】
本発明の請求項７に係るレーザ装置は、誘導放出を促すための光共振器と、利得媒質を共振器内に配置し、該媒質を励起する光源を具備するレーザ装置において、発光に寄与しないエネルギー移送を抑制する目的で発光始準位、所謂、レーザ上準位またはその近傍に直接励起を行い、前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＶＯ４　をレーザ材質とし、これを励起する波長として、中心波長８８０　ｎｍ前後の光源で励起するように構成した。
【００１７】
本発明の請求項８に係るレーザ装置は、請求項７記載のレーザ装置の励起光源として、８７０ｎｍから８９５ｎｍの励起波長領域の半導体レーザまたは発光ダイオードを用いる構成とした。
【００１８】
こうして、直接励起する励起波長によるレーザ装置において、Ｎｄ：ＹＶＯ４　のような比較的誘導放出断面積の大きな材料をレーザ増幅に用いることで容易に飽和を起こさせ、抽出効率を改善させるとともに、レーザ出力を安定化させることが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項９に係るレーザ装置は、請求項７記載のレーザ装置の励起光源を、非線形波長変換手段との組み合せにより、高調波または和周波発生による可視域、紫外線領域などの短波長発生したもの、又は、光パラメトリック発振、発生、増幅や差周波発生による近・中赤外線領域などの長波長発振、発生、増幅させたもので構成した。
【００２０】
こうして、特に、共振器内部で非線形波長変換を行う場合、高濃度Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＧｄＶＯ４　等と同程度の飽和強度の材料を用いる場合、必要とされる非線形波長変換素子長が短くなるため、結果として許容角度幅が広くなることを特長とした光源が可能となる。
【００２１】
本発明の請求項１０に係るレーザ装置は、請求項７記載の前記励起波長によるレーザー装置において、共振器内部に可飽和吸収体を用いることで受動短パルス動作させるように構成した。
【００２２】
こうして、特に、Ｃｒ：ＹＡＧと高濃度Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＧｄＶＯ４　等と同程度の誘導放出断面積の材料と組み合わせた場合、αパラメータが改善されるためより理想的な受動Ｑスイッチ動作が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る発光装置に適したレーザ装置の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は半導体レーザ直接励起の発光装置の一実施形態を示す。図中、１は半導体レーザ（ＬＤ）、チタンサァファイアレーザ等の固体レーザ装置で構成される励起光源、２は偏光子、Ｌ１　，Ｌ２　，Ｌ３　はレンズ、３は利得媒体である。この例では利得媒体として、Ｎｄイオンの添加したＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いている。
【００２４】
このＮｄ：ＹＡＧ結晶の両端面にはレーザ発振波長（１０６４ｎｍ）に対して無反射、励起波長（８８５）に高透過となるコーテイングを施す。レーザ発振波長に対して全反射（１０６４ｎｍ　）、励起波長に対して高透過の平面鏡Ｍ１と、発振波長に対して部分反射　（９８％）の曲率を有する鏡Ｍ２で光共振器を構成し、この中に光共振器に前記のＮｄ：ＹＡＧ結晶を配置して本発明のレーザ装置を構成する。
【００２５】
上記したように、Ｎｄ添加濃度１原子％のＹＡＧの波長８００〜９００ｎｍでの吸収スペクトルは、図６に示したが、１原子％Ｎｄ：ＹＡＧでは８８５ｎｍ近辺での吸収係数は、８０８ｎｍのそれに比べて約１／５まで低下して小さく、効率的なレーザ発振は望めなかった。しかし、８８５ｎｍ近辺帯では２つの遷移が重なり、３ｎｍ程度まで線幅が広がるために半導体レーザを用いた励起に適している。
【００２６】
本発明者等の研究により、Ｎｄ３＋の高濃度添加によりＮｄ：ＹＡＧでは吸収係数の大幅な改善がなされ、２．４原子％Ｎｄ：ＹＡＧでは吸収係数が倍以上になることが判明した。図２に示す、Ｎｄの濃度と性能指数（蛍光量子効率×濃度）の関係図から明らかなように、２．４〜３．０原子％Ｎｄ：ＹＡＧでは１原子％のものに比して、性能指数が格段と改善されることが理解できる。従って、利得媒質（レーザ媒質）として２．４原子％付近Ｎｄ：ＹＡＧを用いることにより効率的なレーザ発振が確保でき、その分だけ装置の小型化、高効率化が可能となる。本発明はこの現象の発見に基づくものである。
【００２７】
本発明の実施形態での利得媒質、即ちレーザ媒質は、吸収効率を高めるためＮｄイオンの添加濃度を２．４原子％と高めたＹＡＧを用い、このＮｄ：ＹＡＧ結晶を光共振器中に配置する。励起光源１用の半導体レーザ（ＬＤ）の発振波長は８８５ｎｍを中心に数ｎｍのスペクトル幅を有している。ここで、光共振器は共振器内部に可飽和吸収体を用いることで受動短パルス動作させることにより、αパラメータが改善されるため簡便な方法で、より理想的なＱスイッチ動作が可能となる。
【００２８】
この励起光はレンズＬ１　，Ｌ２　、偏光子２，レンズＬ３　からなるレンズ集光光学系を介して、光共振器中に配置された利得媒質（レーザ煤質）３であるＮｄ：ＹＡＧ結晶に、数１００μｍ程度に整形された励起光となり照射される。しかし、この整形された励起光の形状やサイズはレーザ装置構成に依存するものであるので、レーザ出力を十分取り出せる適度なサイズ、形状に変換されるものである。
【００２９】
図３において、図３（Ｂ）に本発明の上準位直接励起型の固体レーザ装置のエネルギー準位図を示し、図３（Ａ）の従来の装置のエネルギー準位図とを比較して示している。図３（Ｂ）の（ａ）は従来の励起方法によるエネルギー準位図の一部分の拡大状態を示し、図７を参照して既に説明したように、非輻射遷移の領域が熱に変換され損失となると共に、熱の影響により波面が変動して動作が不安定になる原因となる。
【００３０】
これに対して、図３（Ｂ）の（ｂ）、（ｃ）は、本発明の上準位直接励起によるエネルギー準位図であり、（ｂ）はコールドバンド励起によるもので、励起波長８６９ｎｍの励起光で基底準位より１１５０９ｃｍ−１の上位準位（Ｒ２）まで直接励起するケースである。この場合は、非輻射遷移の領域が殆ど存在せず、熱損失と熱による影響を回避することができる。
【００３１】
また、図３（Ｂ）の（ｃ）はホットバンド励起によるもので、基底準位群のうちでもＺ２　，Ｚ３　より励起波長８８４．４ｎｍの励起光で１１４２３．５ｃｍ−１の上位準位（Ｒ１）まで、励起波長８８５．７ｎｍの励起光で１１５０９ｃｍ−１の上位準位（Ｒ２）まで夫々直接励起するものである。この結果、非輻射遷移の領域が殆ど存在せず、熱損失と熱による影響を回避することができる。このように、（ｂ）、（ｃ）は、１０６４ｎｍの発振に対して効率は８１．６％と８３．２％まで改善できた。更に、９４６ｎｍの発振に対して効率は９４％にまで達することができた。
【００３２】
図４には、本発明の上準位直接励起型の固体レーザ装置の特性を、吸収力と出力との関係で、共振器間隔は５０ｍｍとし、平面の鏡Ｍ１と曲率０．２５の鏡Ｍ２の間に、２．４原子％Ｎｄ：ＹＡＧ（３ｍｍ長）を利得媒質（レーザ媒質）３として配置し、励起波長を８８５ｎｍ、レーザ発振波長を１０６４ｎｍとした時の発振特性として示している。
【００３３】
図４から明らかなように、鏡Ｍ２の反射率Ｒ＝９０％の時に最大出力２．７５Ｗをスロープ効率ηＳ　＝６２％を得ることができた。反射率Ｒ＝９５％の時にスロープ効率ηＳ　＝６４％に達することが確認された。また、この実施形態例では４Ｆ３／２　→４Ｉ１１／２遷移を想定したが、終状態が４Ｉ１５／２，４Ｉ１３／２，４Ｉ９／２でも同様に発振特性の改善が期待できる。
【００３４】
また、上記実施形態では、レーザー媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いたが、図５の吸収スペクトルに示すように、Ｎｄ３＋の添加濃度を１％付近とするＮｄ：ＹＶＯ４　を用いても励起波長を８８５ｎｍ付近で吸収係数を同様に高めることができ、効率の良い発振が得られ、発光装置あるいはレーザ装置の小型化、高効率化が実現可能となる。
【００３５】
前記利得媒質において、母材として用いる結晶をＹＡＧ、ＹＳＧＧ、ＹＳＡＧ、ＧＳＧＧ、ＧＧＧ等のガーネット系、ＹＶＯ４　等のバナデート系、ＫＹＷ、ＫＧＷ等のタングステート系、ＹＬＦなどのリチウムフロライド系および硝子系、ＹＯＳなどのシリケート系、ＹＡＢなどのボレート系、更にこれらを組み合わせた混晶体やコンポジット構造などの系とすることができる。
【００３６】
更に本発明は、他の添加希土類イオンをＮｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ等の希士類イオンのうちの１つを選択して添加する利得媒質（レーザ媒質）を用いる場合にも適用可能である。
【００３７】
また、励起光源は、非線形波長変換手段との組み合せにより、高調波または和周波発生による可視域、紫外線領域などの短波長発生したもの、又は、光パラメトリック発振、発生、増幅や差周波発生による近・中赤外線領域などの長波長発振、発生、増幅させたものであってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高濃度Ｎｄ添加したＮｄ：ＹＡＧあるいはＮｄ：ＹＶＯ４　　等の利得媒質（レーザ媒質）を用い、その励起効率を高めるため高吸収特性を得られるように吸収係数を高めたり、実効的吸収長が長くなるような構成を採用するにより、従来は困難であったレーザ上準位の直接励起が効率的に行われるようになるため、量子効率は８０％を上回る発光装置に適したレーザ装置を実現することができる。このため発光装置あるいはレーザ装置の高効率化が図られ、冷却機構も簡単になり装置の小型化が進むと共に高出力化を実現できる。
【００３９】
また、本発明のマイクロチップレーザは高精度干渉計などの光計測計、高出力レーザによる溶接や機械加工、非線形波長変換も容易となるため紫外光を用いたナノサイズの微細加工、高精度制御、短パルスによる高精度物質加工など、他の産業用とに広く応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ直接励起の発光装置の一実施形態図。
【図２】Ｎｄの濃度と性能指数（蛍光量子効率×Ｎｄ濃度）の関係図。
【図３】本発明の発光装置と従来の装置のエネルギー準位図との比較図。
【図４】本発明の上準位直接励起型の固体レーザ装置の特性図。
【図５】Ｎｄ添加濃度１原子％のＹＶＯ４　の吸収スペクトル図。
【図６】Ｎｄ添加濃度１原子％のＹＡＧの吸収スペクトル図。
【図７】従来の発光装置のエネルギー準位図。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　　　　励起光源（チタンサファイア、半導体レーザ）
２　　　　　　　　　　　　　　　　偏光子
３　　　　　　　　　　　　　　　　利得媒体（レーザ媒体）
Ｌ１　，Ｌ２　，Ｌ３　　　レンズ
Ｍ１　　　　　　　　　　　　　　平面鏡
Ｍ２　　　　　　　　　　　　　　曲率を有する鏡
【図１】
2004119487.tif 000003
【図２】
2004119487.tif 000004
【図３】
2004119487.tif 000005
【図４】
2004119487.tif 000006
【図５】
2004119487.tif 000007
【図６】
2004119487.tif 000008
【図７】
2004119487.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月13日(2002.11.13)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧに関して、これを励起する波長として、基底準位群のうちでも４Ｉ９／２の基底準位（０ｃｍ−１）以外より発光上準位に遷移させる波長で励起することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】従来のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置のエネルギー準位図を図７に示すように、基底準位０ｃｍ−１から波長８０８ｎｍの励起光源により準位１２３６５ｃｍ−１まで励起（ａ）された後、非輻射遷移（ｂ）を経て準位１１５０９ｃｍ−１においてレーザ遷移し、夫々１．４μｍ，１．３４μｍ，１．０６４μｍ，９４６ｎｍのレーザ発振（ｃ）を行なっている。しかし、これでは励起エネルギーのうちの一部が、発光に寄与しない非輻射遷移（ｂ）に関与したエネルギーとして浪費されていため、１０６４ｎｍの発振に対して効率は７６％に制限されていた。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】本発明の請求項５に係るレーザ装置は、請求項１記載の発光装置の前記利得媒質にＮｄイオンを添加したＹＡＧに関して、これを励起する波長として、基底準位群のうちでも４Ｉ９／２の基底準位（０ｃｍ−１）以外より発光上準位に遷移させる波長で励起するように構成した。