(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ酸ガリウムランタン（ＬＧＳ）単結晶と光反射エレメントとを含んでおり、前記光反射エレメントは、光線が該光反射エレメントにより反射されうると共に主光学軸に沿って再び前記ＬＧＳ単結晶を通る光伝播方向に沿って、前記ＬＧＳ単結晶の一側に置かれていて、旋光性により引き起こされる偏光面の回転の角度をゼロにする、単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【請求項２】
前記ＬＧＳ単結晶を通り伝播する光の波長をλとした場合、前記ＬＧＳ単結晶と前記光反射エレメントとの間にλ／４の波長板が置かれている、請求項１に記載の単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【請求項３】
前記ＬＧＳ単結晶は、La３Ga５SiO１４クリスタル、Ndイオンを入れたLa３Ga５SiO１４クリスタル、La３Ga５-xAlxSiO１４クリスタル(Xの範囲は０〜５）、Sr３Ga２Ge４O１４クリスタル、Na２CaGe６O１４クリスタル、Ca３Ga２Ge４O１４クリスタル、La３Ga５.５Nb０.５O１４クリスタル、またはLa３Ga５.５Ta０.５O１４クリスタルである、請求項１または２に記載の単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【請求項４】
前記ＬＧＳ単結晶の二つの端面は、研磨されていると共に１.０６４μmのレーザーが通せる増透膜でメッキされている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【請求項５】
Ｚ方向である光を通す方向に沿った前記ＬＧＳ単結晶の長さは８ｍｍ〜１５００mmであり、Ｘ方向あるいはＹの方向に沿った厚さは４ｍｍ〜２０ｍｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【請求項６】
前記光反射エレメントは全反射平面鏡である、請求項１に記載の単結晶電気光学式Ｑスイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はクリスタルが光電技術の分野で応用されることに及んでいるのである。具体的に言えば、それは一種の単結晶電光Qスイッチの器具ということである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶電光Qスイッチは、レーザー技術分野での重要的なエレクトロ・オプティック器具である。そして、電光器具を作るためには、使うクリスタルは次のような物理的なパラメータを持つべきである。（１）電光係数が大きくて、半波電圧が低い。（２）損傷閥値が比較的に高い。（３）光波の波長範囲が適当である。（４）電気抵抗率が高くて、クリスタルが高圧に耐えられる。（５）誘電率εが低い。（６）クリスタルの物理的及び化学的な性能が安定である。現在では、使われている電光Qスイッチは主に二種類がある。
【０００３】
その一つはDKDPクリスタルで作ったので、もう一つはLiNbO3クリスタルで作ったのである。DKDPクリスタルで作った電光Qスイッチは損傷閥値が高くて、オプティッカルの均一性が優れている。しかし、DKDPクリスタルの縦の方向の電光効果を利用したので、環状のエレキ・ポールを使わなければならない。そして、半波電圧が高く、調整もできなくて、温度によっての変化も激しい。
【０００４】
また、DKDPクリスタルは水に溶けやすいクリスタルなので、防湿装置をつけなければならないで、加工プロセスも複雑である。LiNbO3クリスタルで作った電光Qスイッチは、クリスタルの横の方向の電光効果を利用したので、半波電圧がクリスタルの縦横比の大きさによって調整できる。しかし、LiNbO3クリスタルの損傷閥値が低くて、オプティッカルの均一性がそれほどよくない。温度が低い時、半波電圧が温度によっての変化が激しい。それで、この二種類のクリスタルQスイッチが使用の面では、それほどよくないと思われている。こうして、新しい電光クリスタル及びその材料で作ったQスイッチ器具を発掘しなければならない。
【０００５】
ケイ酸ガリウムランタン（La3Ga5SiO14―略称LGS）は一種類の性能が優れている圧電気のクリスタルである。1982年、旧ソー連の有名なレーザー専門家A.A.Kaminskyは初めてNd:LGSクリスタルのレーザー性能について報道した（Kaminsky  A .A，Sarkisov  S E.[J].Reports of the UUSR Academy of Science，1982，264（l）：93）。その後、またNd:LGSとNdを入れたCa3Ga2Ge4O14及びSr3Ga2Ge4O14などのクリスタルの生長及びレーザーの性質を研究した（A.A.Kaminsky, B.V.Mill, G.G.Khodzhabagyan, Phys.Stat.Sol.(a), 1983,80:387; A.A.Kaminsky, I.M.Silvestroval, S.E.Sarkisov, Phys.Stat.Sol.(a),1983,80:607; A.A.Kaminsky, E.L.Belokoneva, B.V.Mill, Phys.Stat.Sol.(a),1984,86:345）。
【０００６】
それと同時に、これらのクリスタルのオプティッカル、圧電気、弾力性などのそれぞれの性能を測定した。1984年に、A.I.AndreevはLGS単結晶の弾性振動が零温度係数切型を持っていることを初めて報道した(A.I.Andreev, M.F.Doubvik, Letters to J. Theory Physics, 1984,10(8):487)。1986年に、E.G.Bronnikovaを始めの研究者はLGS単結晶を使って、高安定性を持っているRAW・シングルチップフィルターと諧振器を作り上げた(E.G.Gronnikova, I.M.Larionov, Electronic Engineering Series, "Radiodetails and Compounds",1986,2:63.)。そして、S.A.Sarkissovなどの人々によって、LGSクリスタル・シングルチップフィルターの特許が出願された(S.A.Sakharov, I.M.Larionov, Patent application 1986, No.4886181/22 of 28.11.90)。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
その時から、LGS単結晶の応用分野が開拓された。その後、同項目の研究がアメリカ、ドイツ、日本と韓国などの研究者に重視され、各国は相次いでこの一系列の材料に対して、広くて深く研究しつつある。現在、ロシアの科学者がこの項目に対して積極的に研究するほかに、日本の科学研究者もこれに対して大量の仕事を行っていた。近ごろ、たくさんの会社もこの項目の研究と開発に参加している。中国の科学研究者も同クリスタルについての研究と応用にとても注目している(Hu Shaoqin, Piezoelectricity and acoustic-optics, 1999,21(4):299)。今日までに、国内でも外国でもLGS及び同系列クリスタルに関しての報道は電光器具の面ではまだない。
【０００８】
電光性能は電場によってクリスタルの屈折率の変化を引き起こしたのである。電光効果を利用して、電光Qスイッチと電光変調器を作ることができる。LGS家族（対称性は３２点群とする）のクリスタルは電光効果もあれば、また旋光性もある。旋光性は単色の平面波が介体を通っている時、その偏光面の回転する角度はクリスタルの厚さと正比例するということである。電光効果とクリスタルの旋光性との交差作用についての研究がまだ少ない。クリスタルの旋光性によって、偏光面の回転が引き起こされることで、多年来、旋光クリスタルで電光器具を作るのは非常に複雑なことであるとずっと誤認されている。それで、今日までに旋光性を持つクリスタルで電光器具を作る報道はまだない。
【０００９】
本発明の目的は一種類の単結晶電光Qスイッチの器具を提供するのである。本発明は旋光性がある電光クリツタルを使って作るのである。いまの電光Qスイッチの半波電圧が高くて、調整不可能、温度によっての安定性が弱い、光損傷閥値の低下と潮解しやすいなどの欠点を克服した。一種の新型の電光Qスイッチを増加した。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
本発明の目的は次のような技術計画を用いて実現されたのである。本発明は主にケイ酸ガリウムランタン（LGS）単結晶と反射光線エレメントが含まれている。一種の単結晶電光Qスイッチで、LGSクリスタルと反射光線エレメントが含まれている。同反射光線エレメントはLGS単結晶の光を通す方向に沿って、LGSクリスタルの一側に置き、主光学軸に沿ってLGSクリスタルを透き通ったリニア偏光が反射光線エレメントによって反射されて、もどることができる。そして、もう一回LGSクリスタルを透き通って、旋光性により引き起こされた偏光面の回転する角度はゼロになる。
【００１１】
本発明の中のLGSクリスタルと反射光線エレメントの間にまたλ/４の波長板を置き、その中のλがLGSクリスタルを通している光の波長である。
【００１２】
本発明の中のLGSクリスタルは、La3Ga5SiO14クリスタルあるいはNdイオンを入れたLa3Ga5SiO14クリスタルである。またはLa3Ga5-xAlxSiO14クリスタルで、その中のXの範囲は0―5である。そのはかに、またSr3Ga2Ge4O14クリスタル、Na2CaGe6O14クリスタル、Ca3Ga2Ge4O14 クリスタル、La3Ga5.5Nb0.5O14クリスタル、またLa3Ga5.5Ta0.5O14クリスタルなども結構である。
【００１３】
本発明の中のLGSクリスタルの光を通す方向の二つの端面をもっと研磨して、そして1.064μmのレーザーが通せる増透膜をメッキすることができる。
もっと具体的に言えば、LGSクリスタルのZ方向、すなわち光を通す方向に沿って、クリスタルの長さは8 mm―1500mmである。厚さは、X方向あるいはYの方向に沿うのであり、寸法は4 mm−20 mmである。幅は長さと厚さとの方向に垂直になって、寸法は4 mm−20 mmである。
【００１４】
さらにLGSクリスタルの光を通す方向の二つの端面をプルスター角に加工し、もっと研磨する。1.064μmのレーザーのプルスター角は62°である。LGSクリスタルがZ方向に沿って、長さの値の範囲は8 mm―1500mmである。X方向に沿う幅の値の範囲は4 mm−15 mmで、Y方向に沿う厚さの値の範囲は4 mm−15 mmである。厚さの方向に電場を加える。
【００１５】
前述の反射光線エレメントを全反射平面鏡にすることができる。
【００１６】
本発明で設計された電光Qスイッチは、いま広く応用されている中等パワーレーザーにもっと適応する。本発明は主にLGS単結晶の旋光性の影響を避け、LGS単結晶の電光係数と光損傷閥値を測った上、その横の方向の電光効果を利用し、新しいタイプの電光Qスイッチを作り上げた。それは半波電圧が低く、調節可能、よい温度安定性を持ち、体積小さく、光損傷閥値やや高く、潮解しないなどの利点を持つ。
【００１７】
LGSは三方晶に属し、32点群であり、電光・旋光性など多くの機能効果を持つ。LGS単結晶の電光係数はγ11=-γ12=-γ62=2.3×10-12m/Vであり、光損傷閥値はLiNbO3クリスタルの9.5倍に達し、電光Qスイッチにすることができる。LGSクリスタルの横の方向の電光効果を利用し、
【数１】
0003961448.tif 000002
という関係に基づき、その中にλは使うレーザーの波長で、noはLGS単結晶のO光の屈折率で、l/dはLGS単結晶の光を通す方向の長さと電場方向の厚さとの比例で、縦横比といわれるが、その縦横比を変えることによって器具の半波電圧Vπを調節する。
【００１８】
電光効果のほかに、LGSクリスタルはまた旋光性を持ち、器具の設計に困難をもたらした。本発明は主光学軸に沿って光を通させ、リニア偏光をレーザーの共振空胴で往復し、二回LGSクリスタルを通させ、その偏光面の回転する角度をゼロにさせる。こうして、リニア偏光が旋光性を持つLGSクリスタルを通す時、その偏光面が回転するという影響を避け、垂直偏光干渉を利用し、Qを調節する目的に達する。
【００１９】
そのほか、LGSクリスタルのモーズ硬度は5.5で、劈開性もなく、また潮解しない。1470(Cになっても、LGSクリスタルは相転移点がなしだから、防湿装置を必要としない。
【００２０】
また、本発明の中にLGSクリスタルと反射光線エレメントの間にλ/４の波長板を入れることができる。入射するリニア偏光がLGSクリスタルを経て、その偏光方向が一つの角度を回転してから、λ/４の波長板を通る。そして、光は反射光線エレメントに反射され、もう一回λ/４の波長板を通す。光はLGSクリスタルにもどる時、LGS単結晶Qスイッチがオフ状態だから、クリスタルに電圧が加わっていない、左旋性と右旋性の偏光の回転方向はそれぞれLGS電光Qスイッチに入射する偏光の回転方向と逆である。それで、LGSクリスタルからアウトプット合成された偏光の偏光方向は入射する偏光と同じで、ただ位相がπ/2変わっただけである。
【００２１】
こうして、平行偏光干渉を垂直偏光干渉に置き換えた。平行偏光干渉と比較して、垂直偏光干渉はQスイッチのオフ状態でクリスタルに電圧が加わっていなく、電光効果によるLGS単結晶の旋光性の影響を避けた。それで、旋光性を持つクリスタルの光学軸に沿って、二回往復した偏光がまだ一ビームのリニア偏光であることを保障する。また、旋光性を持つLGSクリスタルの自然複屈折率がやや小さいという利点をも充分に利用し、その配向不整とオプティカル不均一性が器具への影響を最低限にさせた。
【００２２】
また、本発明では、LGSクリスタルの光を通す方向の二つの端面をもっと研磨して、そして1.064μmのレーザーが通せる増透膜をメッキすることができるので、1.064μmのレーザーの透過率を99%に高めた。
【００２３】
総じて言えば、LGSクリスタルで作った電光Qスイッチを使って、その横の方向の電光効果を利用し、半波電圧がクリスタル縦横比によって調節できる。この電光Qスイッチは防湿装置を要せず、その損傷閾値は約LiNbO3クリスタルの9.5倍である。また、半波電圧は温度による変化が小さく、よい安定性を持つ。だから、LGSクリスタルで作った電光QスイッチはDKDPクリスタルとLiNbO3クリスタル器具のそれぞれの利点を持ち、とくに中等パワーレーザーに適応する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
第１図と第２図に示すように、本発明の単結晶電光Qスイッチの器具はLGS単結晶1と反射光線エレメント2が含まれている。第１図に示すように、同反射光線エレメント2はLGS単結晶の光を通す方向に沿って、LGSクリスタル1の一側に置き、主光学軸に沿ってLGSクリスタルを透き通った光が反射光線エレメント2に反射されてからもどることができる。そして、もう一回LGSクリスタル1を透き通って、旋光性により引き起こされた光の偏光面の回転する角度はゼロになる。いわゆる旋光性は単色リニア偏光が主光学軸に沿って旋光性を持つクリスタルを通った後、その偏光面が回転することを指す。
【００２５】
光ビームは波矢Kの方向に沿って、旋光性を持つクリスタルを一定の距離を通った後、その偏光面の回転角度はΦである。反射光線エレメント2に反射され、また-Kの方向に沿って、クリスタルの中に同じ距離を通れば、偏光面は再び-Φという角度を回転する。それで、偏光面の回転角度はΦ+(-Φ)で、総じてゼロになる。こうして、LGSクリスタル1の旋光性が光への影響を除去させ、旋光性を持つクリスタルでQスイッチの器具が作れない偏見を克服した。
【００２６】
そして、本発明のLGSクリスタル1の横の方向の電光効果で、半波電圧がクリスタルの縦横比の大きさにより調節することができる。防湿装置を要せず、その損傷閾値は約LiNbO3クリスタルの9.5倍である。また、半波電圧は温度による変化が小さく、よい安定性をもつ。だから、LGSで作った電光QスイッチはDKDPクリスタルとLiNbO3クリスタル器具のそれぞれの利点を持ち、とくに中等パワーレーザーに適応する。
【００２７】
さらに、第１図に示すように、本発明の中、前述LGSクリスタル1と反射光線エレメント2の間にλ/４の波長板4を入れることができる。λはLGSクリスタルを通している光の波長である。第１図は本発明のQスイッチ器具がパルスレーザーに応用する時の基本光線ルートの概略図である。アウトプット鏡5を出す光はNd:YAG単結晶6を経て、誘発した波長1.064μmのレーザービームがプルスター窓7を経て、リニア偏光になる。
【００２８】
その偏光方向はクリスタルのX軸の方向と一致している。それがLGS電光Qスイッチを通った後、偏光面の回転角度はΦで、λ/４の波長板4を通って、反射光線エレメントに反射され、もう一回λ/４の波長板を通す。その光はLGSクリスタルにもどる時、LGS単結晶Qスイッチがオフ状態だから、クリスタルに電圧が加わっていない。左旋性と右旋性の偏光の回転方向はそれぞれLGS電光Qスイッチに入射する偏光の回転方向と逆である。それがLGSクリスタル1からアウトプット偏光の回転方向は入射する偏光と同じで、ただ位相がπ/2変わっただけである。
【００２９】
こうして、平行偏光干渉を垂直偏光干渉に置き換えた。平行偏光干渉と違い、垂直偏光干渉はQスイッチのオフ状態でクリスタルに電圧が加わっていなく、電光効果によるLGS単結晶の旋光性の影響を避けた。また、旋光性を持つLGSクリスタルの自然複屈折率がやや小さいという利点をも充分に利用し、その配向不整とオプティカルの不均一性が器具への影響を最低限にさせた。クリスタルのダイナミックな消光比を静止状態の消光比より低くさせた。
【００３０】
さらに、前述の反射光線エレメントを全反射平面鏡にすることもできる。本発明の中のLGSクリスタルは、La3Ga5SiO14クリスタルあるいはNdイオンを入れたLa3Ga5SiO14クリスタルである。またはLa3Ga5-xAlxSiO14クリスタルで、その中のXの範囲は0―5である。そのはかに、またSr3Ga2Ge4O14クリスタル、Na2CaGe6O14クリスタル、Ca3Ga2Ge4O14クリスタル、La3Ga5.5Nb0.5O14クリスタル、またLa3Ga5.5Ta0.5O14クリスタルなどのケイ酸ガリウムランタンクリスタルの同構異質体も結構である。
【００３１】
前述のLGSクリスタル1が1.064μmのレーザーの透過率を高めるために、例のLGSクリスタルの光を通す方向の二つの端面をもっと研磨して、そして1.064μmのレーザーが通せる増透膜をメッキする。増透膜をメッキした後、1.064μmのレーザーの透過率が99%に達する。
【００３２】
第２図に示すように、LGSクリスタルのZ方向、すなわち光を通す方向に沿って、クリスタルの長さは8 mm―1500mmである。厚さは、X方向あるいはYの方向に沿うのであり、寸法は4 mm−20 mmである。幅は長さと厚さとの方向に垂直になって、寸法は4 mm−20 mmである。第二図に示すのは、もっと具体的な例である。Qスイッチ器具にしたLGSクリスタル1はZ方向の長さl=40.3mm、Y方向の厚さd=6.12mm、X方向の幅w=6.12mmである。Y方向に電場を加え、Z方向に光を通させる。Nbイオンを入れたYAGレーザーの中に、半波電圧は2250Vで、繰り返し速度はそれぞれ1回/秒と10回/秒である時、Qを調節する目的が実現される。その時、レーザーのパルス出力は350mJである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかる電光Qスイッチの基本原理図である。
【図２】図２は、本発明にかかるLGS単結晶の電光Qスイッチの基本構造図である。
【図１】
0003961448.tif 000003
【図２】
0003961448.tif 000004