(57)【要約】【課題】  本願発明の課題は、レーザー共振器内にアパーチャや吸収体等を挿入することなしに、高品質な横モードを有するレーザーを得ることである。【解決手段】  レーザー遷移に関係している２準位のうち下準位が常温で熱励起のためかなり占有されている準３準位系で且つ非変形性のレーザー媒質を用いて、レーザー遷移の上準位を直接励起し、レーザー媒質の濃度や長さを大きくしてレーザー媒質の吸光度を2.0以上にする事により、高品質な横モードを有するレーザーを得ることが出来る。【選択図】  図３
2007288166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高品質な横モードを有するレーザー発振器であって、準３準位系で且つ非変形性のレーザー媒質を用い、レーザー遷移の上準位を直接励起し、レーザー媒質の吸光度を2.0以上にしたことを特徴とする高品質な横モードを有するレーザー発振器。
【請求項２】
上記準３準位系のレーザー媒質は、ルビー（Cr:Al2O3）、Er添加レーザー媒質及びYb添加レーザー媒質であることを特徴とする請求項１に記載の高品質な横モードを有するレーザー発振器。
【請求項３】
上記Er添加レーザー媒質は、Er:glass又はEr:YAGであることを特徴とする請求項２に記載の高品質な横モードを有するレーザー発振器。
【請求項４】
上記Yb添加レーザー媒質は、Yb:YAG、Yb:glass、Yb:YLF、Yb:KYW、Yb:KGW、Yb:SYS、Yb:YVO4、Yb:LuVO4、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Yb:CaF2、Yb:CaGdAlO4であることを特徴とする請求項２に記載の高品質な横モードを有するレーザー発振器。
【請求項５】
高品質な横モードで増幅するレーザー増幅器であって、準３準位系で且つ非変形性のレーザー媒質を用い、レーザー遷移の上準位を直接励起し、レーザー媒質の吸光度を2.0以上にしたことを特徴とする高品質な横モードで増幅するレーザー増幅器。
【請求項６】
請求項５の準３準位系のレーザー媒質は、ルビー（Cr:Al2O3）、Er添加レーザー媒質及びYb添加レーザー媒質であることを特徴とする請求項５に記載の高品質な横モードで増幅するレーザー増幅器。
【請求項７】
請求項６のEr添加レーザー媒質は、Er:glass又はEr:YAGであることを特徴とする請求項６に記載の高品質な横モードで増幅するレーザー増幅器。
【請求項８】
請求項６のYb添加レーザー媒質は、Yb:YAG、Yb:glass、Yb:YLF、Yb:KYW、Yb:KGW、Yb:SYS、Yb:YVO4、Yb:LuVO4、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Yb:CaF2、Yb:CaGdAlO4であることを特徴とする請求項６に記載の高品質な横モードで増幅するレーザー増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、自動車エンジン等の摩擦低減化及び半導体基板の穴あけ・トリミング等のレーザー加工並びにレーザーメス等の医療分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
あるレーザー媒質による励起光の飽和していない時の吸収を考えたとき、励起光の入射強度I0と出射強度Iとの関係は、レーザー媒質の長さLと吸収係数αを用いて、I=I0exp(−αL)と表すことができる。
【０００３】
吸収係数αは、吸収に関与している不純物（例えば、Yb:YAGの場合Yb）の単位体積あたりの個数Nと励起光の波長における吸収体の吸収断面積σを用いれば、更にα=Nσと書き表せる。Nは、それぞれのレーザー媒質において不純物の濃度に比例している。
【０００４】
それ故、このレーザー媒質の吸光度（absorbance）Aは、これらのパラメータを使ってA=log10(I0／I) =NσL×log10(e)≒NσL×0.4343と表すことができる。
【０００５】
過去になされた実施例について、そこで用いられているレーザー媒質の吸光度について調査を行った。
【０００６】
Nd添加レーザー媒質であるNd:YAG（下記非特許文献１参照）及びNd:YVO4（下記非特許文献２参照）においては、レーザー上準位を直接励起した例があるが、これらのレーザー媒質は、準３準位系ではないので除外する。また、Er添加とYb添加のファイバーレーザーは、変形性のレーザー媒質なので、本件からは除外する。準３準位系で且つ非変形性のレーザー媒質においてレーザー上準位を直接励起した例は、現時点においてはYb添加レーザー媒質のみに限定される。
【０００７】
まず、Yb:YAGレーザーにおいて、レーザー遷移の上準位を直接励起する実験が行われた（下記非特許文献３参照）。しかし、この時の励起光は、半導体レーザー（LD）ではなく、集光性の良いTi:sapphireレーザーであり、高出力化・高効率化等による実用化には向かないものであった。この時のレーザー媒質の吸光度は0.56であった。
【０００８】
最近、970〜980 nm付近において発振するLDの高出力化が進んできたので、Yb:KYW（下記非特許文献４参照）、Yb:SYS（下記非特許文献５参照）、Yb:YVO4（下記非特許文献６参照）、Yb:LuVO4（下記非特許文献７参照）、Yb:Sc2O3（下記非特許文献８参照）、Yb:Lu2O3（下記非特許文献９参照）、Yb:CaF2（下記非特許文献１０参照）、Yb:CaGdAlO4（下記非特許文献１１参照）等のYb添加レーザー媒質において、レーザー上準位をLDで直接励起してレーザー発振を行っている実験例が報告されている。これらの吸光度は、それぞれ1.09、1.53、0.98、1.49、1.10、1.21、1.16、0.73であった。
【０００９】
高濃度の準３準位系のレーザー媒質は、レーザー下準位からの吸収があって発振しにくいこともあり、吸光度は、設計上2.0未満の値に抑えられてきた。
【００１０】
準３準位系レーザー媒質においてレーザー上準位を直接励起し、さらに不純物（Yb添加レーザー媒質の例においてはYb）の濃度またはレーザー媒質の長さを大きくして吸光度を2.0以上に上げ、そこでレーザー発振させようとした例は今までにない。更にそのレーザーから高品質な横モードを持ったビームを得ようとする提案も今までになされていない。高品質な横モードを持ったレーザーは集光性が良く、より小さいスポットに絞る事ができる。
【非特許文献１】R.Ravi, S.Jackel,A.Tal, E.Lebiush, Y.Tzuk, and S.Goldring, Opt. Comm. 195 (2001) 427.
【非特許文献２】Y.Sato, N.Pavel,T.Taira, and V.Lupei, Appl. Phys. Lett. 82(2003) 844.
【非特許文献３】A.Giesen, H.Huegel,A.Voss, K.Wittig, U.Brauch, and H.Opower, Appl. Phys. B58 (1994) 365.
【非特許文献４】A. A. Lagatsky, E.U. Rafailov, A. R. Sarmani, C. T. A. Brown, W. Sibbett, L. Ming, and P. G. R.Smith, Opt. Lett. 30 (2005) 1144.
【非特許文献５】F. Druon, S.Chenais, F. Balembois, P. Georges, R. Gaume, and B. Viana, Opt. Lett. 30 (2005) 857.
【非特許文献６】V. E. Kisel, A.E. Troshin, V. G. Shcherbitsky, N. V. Kuleshov, V. N. Matrosov, T. A. Matrosova,M. I. Kupchenko, F. Brunner, R. Paschotta, F. Morier-Genoud, and U. Keller,Opt. Lett. 30 (2005) 1150.
【非特許文献７】J. Liu, X.Mateos, H. Zhang, J. Wang, M. Jiang, U. Griebner, and V. Petrov, Opt. Lett. 30 (2005) 3162.
【非特許文献８】P. Klopp, V.Petrov, U. Griebner, K. Petermann, V. Peters, and G. Erbert, Opt. Lett. 29 (2004) 391.
【非特許文献９】U. Griebner, V.Petrov, K. Petermann, and V. Peters, Opt. Express 12 (2004) 3125.
【非特許文献１０】A. Lucca, M.Jacquemet, F. Druon, F. Balembois, P. Georges, P. Camy, J. L. Doualan, and R.Moncorge, Opt. Lett. 29 (2004) 1879.
【非特許文献１１】Y. Zaouter, J.Didierjean, F. Balembois, G. L. Leclin, F. Druon, P. Georges, J. Petit, P.Goldner, and B. Viana, Opt. Lett. 31(2006) 119.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明の課題は、レーザー共振器内にアパーチャや吸収体等を挿入することなしに、高品質な横モードを有するレーザーを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
レーザー遷移に関係している２準位のうち下準位が常温で熱励起のためかなり占有されている準３準位系で且つ非変形性のレーザー媒質を用いて、レーザー遷移の上準位を直接励起し、レーザー媒質の濃度を高くしたり、レーザー媒質の長さをある程度長く調整することにより、レーザー媒質の吸光度を2.0以上にすることにより高品質な横モードを持ったレーザーを得ることが出来る。
【００１３】
上記準３準位系のレーザー媒質としては、ルビー（Cr:Al2O3）、Er添加レーザー媒質（Er:glass, Er:YAG等）及びYb添加レーザー媒質（Yb:YAGをはじめ，Yb:glass、Yb:YLF、Yb:KYW、Yb:SYS、Yb:YVO4、Yb:LuVO4、Yb:Y2O3、Yb:Sc2O3、Yb:Lu2O3、Yb:CaF2、Yb:CaGdAlO4等）が一般的に良く知られている。
【発明の効果】
【００１４】
従来技術では、高品質な横モードを持ったレーザーを得るには、レーザー共振器内にアパーチャや吸収体等を挿入して横モードを制御してやる必要があった。しかし、本願発明においては、レーザー共振器内に何も入れることなく、励起光でレーザー媒質を励起するだけで簡単に高品質な横モードを有するレーザーを製作することができる。一般的に高品質な横モードが得にくい高出力レーザーにおいても適用が可能なので、集光性が要求されるレーザー加工等への応用も期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
レーザー遷移に関係している２準位のうち上準位を直接励起すると、レーザー発振をしていない状態では、上準位の占有数が増えるので吸収率が減少する。レーザー共振器内モードに沿った励起を行った場合、直接励起でない場合より励起光が中まで入る様になるので、高濃度のレーザー媒質でも発振しやすくなる。
【００１６】
実際、直接励起でない場合には、長さ3 mmのレーザー媒質Yb:YAGを用い、図１の様な実験配置図でレーザー発振の実験をした場合、濃度は5 %程度が適当であり10 %以上では発振が困難であった。しかし、直接励起の場合には濃度25 %でも容易に発振する。
【００１７】
レーザー発振が始まると、上準位の占有数が減少するので吸収率がかなり回復する。共振器内モードのレーザー光強度が強い時には回復度も高くなり、そのことは安定な高ビーム品質レーザー発振に大きく寄与している。
【００１８】
励起光は、レーザー媒質の濃度が低い時には長い距離減衰せずに残るが、濃度が高い時には短距離で減衰してしまう。励起光強度は、進行方向に対して横方向に一様でなく、一般的に中央が強くなっている。そのため、図２に示した様に、利得（Gain）領域は低濃度では平均的に太いのに対して高濃度では細くなっている。ここでは、励起光の径がレーザー媒質内で一定だと仮定した。
【００１９】
準３準位系のレーザー媒質では、レーザー遷移の下準位にある程度占有数があるために、励起されていない部分では吸収があり、共振器内モード内の光は損失（Loss）を受け減衰してしまう。共振器内モード径は、高ビーム品質においてはレーザー媒質内でほぼ一定と近似できるが、利得と損失が釣り合う様なモード径でレーザー発振が維持される。
【００２０】
励起光のレーザー媒質における径が、そこにおけるレーザー共振器内モード径よりも数倍程度大きくても、レーザー媒質の濃度または長さを調節することにより、利得領域をレーザー共振器内モード径と平均して同じ大きさに出来る。高ビーム品質を持つレーザーでは、レーザー媒質における共振器内モード径は一般的に小さいが、レーザー媒質の濃度または長さを大きくして行けば、モード径に対応した狭い利得領域を設定することができ、高ビーム品質を持つレーザー発振も可能となる。
【実施例１】
【００２１】
図１は、レーザー発振器の配置図である。レーザー媒質として、代表的な準３準位系であるYb:YAG結晶を用いた。低損失にするためにブリュースター角に入射している。X型の共振器を用いており、出力鏡の反射率は、97 %である。励起光としてファイバーに結合された半導体レーザー（LD）を用いた。ファイバーコアの直径は50μm、ファイバー後のLD出力は4.7 W、その中心波長は969 nmであった。焦点距離f = 40 mmの集光レンズで励起光をレーザー媒質に集光した。出力鏡（OC）と反対側の全反射鏡（HR）からの漏れ光でレーザービームの横モードを観測した。
【００２２】
集光された光のその後の広がり具合を調べることにより、ビーム品質を示すM2の値を得ることが出来る。集光された光の節の部分の径を同じにした時、ビームの広がり角をΘとすると、M2 = Θ/Θ0で表される。ここで、Θ0は、最良ビーム品質を持つガウシアンモードTEM00の時の広がり角である。
【００２３】
レーザー媒質の長さを3 mmと一定とし、その濃度を、5 %、 10 %、 15 %、20 %、 そして25 %と変えてレーザーを発振させ、それぞれのM2の値を測定した。それぞれの濃度における吸光度は0.63, 1.26, 1.89, 2.52, 3.15となっている。図３がその実験結果である。吸光度を上げて行くとM2の値が１に近づいて行くのが分かる。
【００２４】
図４は、濃度25 %（吸光度3.15）かつレーザー媒質長3 mmの時の横モードの強度分布を表した等高線プロットである。この時のM2の値は1.36であり、ほぼTEM00の横モードを持つレーザービームを得ることができた。
【００２５】
また、比較例としてYb:YAGの濃度が25 %の時、レーザー媒質の長さを1 mm（長さ2 mmのYAG結晶に融着）と4 mmと5 mmに変えて、M2の値を測定した。ビーム品質は、レーザー媒質3 mmの時よりも短い1 mmの時には劣化し、長い4 mmと5 mmの時には向上した（図３参照）。よって、レーザー媒質の長さの調節も重要である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本願発明に係るレーザー発振器は、以下のようなものに応用することができる。
（１）連続発振の高ビーム品質レーザー発振器
（２）AO変調器等をレーザー共振器内に置いて製作した能動モード同期レーザー発振器
（３）過飽和吸収体等をレーザー共振器内に置いて製作した受動モード同期レーザー発振器
（４）レーザー媒質等のカーレンズ効果を利用して製作したカーレンズモード同期レーザー発振器
（５）種光の出し入れを切り替えるためのポッケルスセルや偏光板等をレーザー共振器内に置いて製作したレーザー再生増幅器
（６）種光が本件の利得媒質を数回通過して増幅させる様に製作したマルチパス・レーザー増幅器
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】レーザー発振器の実験配置図
【図２】低濃度と高濃度のレーザー媒質を用いた場合の励起光の減衰の様子を示した概念図
【図３】レーザー媒質の濃度を変えた場合のビーム品質を示すM2の値の変化  レーザー媒質の長さは、黒丸が3 mm、黒四角が1 mm、白丸が4 mm、白四角が5 mmである。
【図４】濃度25 %（吸光度3.15）、レーザー媒質長3 mmの時の横モードの強度分布を表した等高線プロット。この時M2 =1.36。
【図１】
2007288166.tif 000003
【図２】
2007288166.tif 000004
【図３】
2007288166.tif 000005
【図４】
2007288166.tif 000006