(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、
レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で１％を越える濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光の励起によりレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項２】
レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、
レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光の励起によりレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載のレーザー発振方法において、
前記波長８８０ｎｍ帯の励起光は、波長８７９ｎｍの励起光である
ことを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項４】
請求項１、２または３のいずれか１項に記載のレーザー発振方法において、
前記波長８８０ｎｍ帯の励起光が、Ｎｄイオンを基底準位から４Ｆ３／２準位へ励起する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項５】
請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載のレーザー発振方法において、
前記Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものである
ことを特徴とするレーザー発振方法。
【請求項６】
共振器内にレーザー媒質を配置し、前記レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、
前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で１％を越える濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶であり、
前記励起光は、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光である
ことを特徴とするレーザー装置。
【請求項７】
共振器内にレーザー媒質を配置し、前記レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、
前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶であり、
前記励起光は、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光である
ことを特徴とするレーザー装置。
【請求項８】
請求項６または７のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
前記波長８８０ｎｍ帯の励起光は、波長８７９ｎｍの励起光である
ことを特徴とするレーザー装置。
【請求項９】
請求項６、７または８のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
前記Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものである
ことを特徴とするレーザー装置。
【請求項１０】
請求項６、７、８または９のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
前記励起光は、半導体レーザー励起により入射される
ことを特徴とするレーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー発振方法およびレーザー装置に関し、さらに詳細には、励起光により励起されてレーザー発振するレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザー活性イオンとしてネオジウム（Ｎｄ）が添加（以下、「ドープ」と適宜に称する。）されたガドリニウムバナデイト（ＧｄＶＯ４）結晶であるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（以下、「Ｎｄ：ＧｄＶＯ４」と適宜称する。）結晶は、レーザー媒質としての有用性が期待されている。
【０００３】
しかしながら、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は作成が困難であって、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の結晶成長は研究段階で行われているに過ぎないのが現状であり、製品化はほとんど行われていない。
【０００４】
一方、製品化されて販売されているＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、ネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして１％以下のものであって、ネオジウムの添加濃度が低いことが指摘されていた。また、十分な光学特性を保障しているものはなかった。
【０００５】
このため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶と同じレーザー発振波長域を持ち、かつ、現時点において固体レーザー媒質として市場の中心を占めているネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（以下、「Ｎｄ：ＹＡＧ」と適宜称する。）結晶やネオジウム添加イットリウムバナデイト（以下、「Ｎｄ：ＹＶＯ４」と適宜称する。）結晶と比較すると、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の持つ優位性を生かし切れておらず、市場への普及には至っていないというのが現状である。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２２３４２３
【０００７】
【非特許文献１】
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ  Ｓｈｏｎａｉ  ｅｔ  ａｌ．
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
３５（２０００）２２５−２３２
例えば、特許文献１には、ＴＧＴ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法により、ネオジウムを高濃度で添加したＮｄ：ＹＡＧ結晶が開示されている。
【０００８】
また、非特許文献１には、フローティングゾーン法によりネオジウムを添加したＮｄ：ＹＶＯ４結晶が開示されている。
【０００９】
また、従来においては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶を作成する際に、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加することが困難であったため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の主吸収帯である波長８０８ｎｍ以外の波長帯の励起光の励起によるレーザー発振は、現在に至るまで実用化されていなかった。
【００１０】
即ち、現在市販されているネオジウムの添加濃度の低いＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶は励起光の吸収が全体的に低いため、波長８０８ｎｍである主吸収帯以外での励起は困難であり、仮に励起によりレーザー発振が行われたとしても、吸収することのできるエネルギーが小さいため効率が悪く、有効に出力を得ることができなかった。
【００１１】
このため、レーザー媒質としてネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶の作成方法や、ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法や、ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶をレーザー媒質としたレーザー装置の提案が強く望まれていた。
【００１２】
なお、本明細書においては、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を総称して、単に「高濃度Ｎｄ添加ＧｄＶＯ４結晶」あるいは「高濃度Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶」と適宜に称することとする。
【００１３】
また、上記と同様な背景から、レーザー媒質としてレーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃｒイオンなどを高濃度で添加した単結晶である、例えば、Ｔｍ：ＹＶＯ４やＴｍ：ＧｄＶＯ４などの作成方法や、当該単結晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法や、当該単結晶をレーザー媒質としたレーザー装置の提案が強く望まれていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザー活性イオンを所定の濃度で添加した結晶よりなるレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で１％を越える濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光の励起によりレーザー発振するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光の励起によりレーザー発振するようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記波長８８０ｎｍ帯の励起光は、波長８７９ｎｍの励起光であるようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記波長８８０ｎｍ帯の励起光が、Ｎｄイオンを基底準位から４Ｆ３／２準位へ励起するようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものであるようにしたものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒質に励起光を入射することにより上記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、上記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で１％を越える濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶であり、上記励起光は、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光であるようにしたものである。
【００２１】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒質に励起光を入射することにより上記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、上記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてＮｄが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加されたＧｄＶＯ４結晶たるＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶であり、上記励起光は、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯である波長８８０ｎｍ帯の励起光であるようにしたものである。
【００２２】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記波長８８０ｎｍ帯の励起光は、波長８７９ｎｍの励起光であるようにしたものである。
【００２３】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項６、７または８のいずれか１項に記載の発明において、上記Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶を、フローティングゾーン法により作製したものである。
【００２４】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項６、７、８または９のいずれか１項に記載の発明において、上記励起光は、半導体レーザー励起により入射されるようにしたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるレーザー発振方法およびレーザー装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２８】
まず、図１には、本発明の実施の形態の一例によるレーザー媒質を作成するための手法であるフローティングゾーン法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ  Ｍｅｔｈｏｄ：なお、以下においては、「ＦＺ法」と適宜に称する。）の模式図が示されている。
【００２９】
即ち、本発明においては、ＦＺ法と称される手法によって、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶や、レーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃｒイオンなどを所定の濃度で添加した単結晶であるＴｍ：ＹＶＯ４やＴｍ：ＧｄＶＯ４などのレーザー媒質を作成するものである。
【００３０】
ここで、ＦＺ法とは、炉１０内おいて、高温・高圧で焼結させた原料棒１２に赤外光源（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｏｕｒｃｅ）としてのハロゲンランプ（Ｈａｌｏｇｅｎ  Ｌａｍｐ）１４からの赤外光を集光させて溶融させ、種結晶と原料棒１２との間に溶融帯（フローティングゾーン：Ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｚｏｎｅ）１６を形成し、その溶融帯１６を一方向に移動させることにより結晶を形成させていくという方法である。
【００３１】
従って、ＦＺ法により高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成する場合には、まず、原料棒１２としてネオジウムとガドリニウムとバナデイトとを高温・高圧で焼結させたものを用意する。次に、この原料棒１２にハロゲンランプ１４からの赤外光を集光させて溶融させ、種結晶と原料棒１２との間に溶融帯１６を形成し、その溶融帯１６を一方向に移動させることにより、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を形成させていくものである。
【００３２】
このＦＺ法によれば、例えば、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で１％を越える濃度ととなるように添加された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を得ることができ、例えば、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を得ることができた。
【００３３】
なお、上記した濃度は、例えば、原料棒１２に所定の濃度のＮｄを焼結させることにより、任意の濃度に制御することができる。
【００３４】
また、このＦＺ法によれば、例えば、直径３ｍｍ、長さ５０ｍｍの高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成することができた。
【００３５】
なお、原料棒に赤外光を照射するハロゲンランプ１４としては、例えば、出力が１．５ｋＷのハロゲンランプを用いることができる。
【００３６】
ところで、従来、ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成するに当たっては、チョコラルスキー法（以下、「Ｃｚ法」と適宜に称する。）などの引き上げ法が用いられてきた。
【００３７】
しかしながら、ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶の特徴として、原料であるバナデイトの融点が約１７００℃と高いため、坩堝や育成雰囲気に制限があり、良質な結晶を作成することが困難であった。
【００３８】
このため、従来のネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして１％以下の低濃度のネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶においては、波長８０８ｎｍ帯の主吸収帯にしかレーザー発振可能な吸収係数のピークが存在しなかった。従って、従来のネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして１％以下の低濃度のネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いてレーザー発振させるためには、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯にあわせた発振波長８０８ｎｍのレーザーダイオードによる励起光によって励起する必要があった。
【００３９】
一方、本発明によるＦＺ法では、坩堝を使用しないとともに育成雰囲気に制限がないので、従来の問題点であった坩堝や育成雰囲気の制限が解消され、高濃度かつ良質な結晶の育成が可能になった。
【００４０】
このため、本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、波長８０８ｎｍ帯に吸収係数のピークが最大の主吸収帯を持つが、その周囲にもレーザー発振可能な吸収係数のピークを持つ吸収帯が存在する。従って、本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶においては、主吸収帯以外の吸収帯にあわせた発振波長の励起光を用いても、レーザー発振を起こさせることが可能となった。
【００４１】
ところで、レーザーにおいては、入射光の波長と出射光の波長との比（量子変換効率）以上に大きな出力を得ることができない。
【００４２】
本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いた場合には、同じ波長の光を発振させる場合でも、複数の吸収帯のなかから量子変化効率を最も大きくできる励起光の波長を選択することが可能となり、高効率な発振を行うことができるようになる。
【００４３】
ここで、上記したＦＺ法を用いて作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶のうちで、ネオジウムの濃度が２％、５％、１０％、即ち、ネオジウムの原子数の比率が２％、５％、１０％の三種類の結晶について、その吸収スペクトルの測定結果を図２に示す。なお、図２においては、横軸に［ｎｍ］単位で波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）をとり、縦軸に［ｃｍ−１］単位で吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）をとっている。
【００４４】
図２から明らかなように、添加されるネオジウムの濃度が高くなるに従い、励起光の吸収は大幅に増加する。例えば、添加されるネオジウムの濃度が５％の高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶では、吸収係数は８０８ｎｍにおいて１００［ｃｍ−１］以上である。
【００４５】
また、図２に示すように、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、レーザー発振可能な吸収帯として、一般にレーザーダイオードによる励起に用いられている波長８０８ｎｍの主吸収帯のほかに、波長７５０ｎｍ周辺にピークを持つ吸収帯と波長８８０ｎｍ周辺にピークを持つ吸収帯とが存在する。
【００４６】
これらのなかで波長８８０ｎｍ周辺にピークを持つ吸収帯に着目すると、波長８８０ｎｍの吸収帯における励起時の量子変換効率は「０．８３（８８０／１０６０＝０．８３）」となり、波長８０８ｎｍの吸収帯における励起時の量子変換効率である「０．７５（８０８／１０６０＝０．７５）に比べて約１０％増加し、その分の損失が熱に変わることによる出力の低下を防ぐことができる。
【００４７】
図３には、図４を参照しながら後述する本発明によるレーザー装置を用いて、波長８８０ｎｍ帯である波長８７９ｎｍの励起光で、ネオジウムの濃度、即ち、ネオジウムの原子数の比率が５％の高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶（Ｎｄ５％添加Ｇｄ：ＶＯ４結晶）を励起した実験結果の入出力特性が示されている。
【００４８】
なお、図３においては、横軸に［Ｗ］単位で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ  Ｐｏｗｅｒ）、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に［Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒ）、即ち、Ｎｄ５％添加Ｇｄ：ＶＯ４結晶から発振されるレーザー光の出力パワーをとっている。
【００４９】
次に、原子数の比率で２％、５％、１０％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶などのように、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で１％越える濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置について説明する。
【００５０】
まず、図４には、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置が示されている。
【００５１】
この図４に示すレーザー装置１００は、レーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と、励起光を生成するためのチタンサファイアレーザー１０４と、全反射鏡１０６、１０８と、集光レンズ１１０と、出射ミラー１１２とを有して構成されている。
【００５２】
ここで、チタンサファイアレーザー１０４は、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起光源としての励起レーザーであって、波長が８８０ｎｍであり、最大出力パワーが平均して４０ｍＷであり、パルス幅が８０ｎｓの１ｋＨｚ繰り返しのチタンサファイアレーザーである。
【００５３】
また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２は、「縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍ」の大きさにカットされており、チタンサファイアレーザー１０４と対向する第１表面１０２ａは、波長が１０６３ｎｍの光を全反射するとともに波長が８８０ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティングを施され、出射ミラー１１２と対向する第２表面１０２ｂは、波長が１０６３ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティングを施されている。
【００５４】
さらに、出射ミラー１１２は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と対向する面が曲率半径５０ｍｍの凹面１１２ａとして形成されるとともに、他方の面が平坦面１１２ｂとして形成されている。また、凹面１１２ａは、波長が１０６４ｎｍの光の反射率が９０％となるようなコーティングを施されていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面１１２ｂには、コーディングは施されていない。
【００５５】
なお、集光レンズ１１０は、溶融石英硝子により形成されており、１００ｍｍの焦点距離を備えるようになされている。
【００５６】
従って、このレーザー装置１００においては、第１表面１０２ａと凹面１１２ａとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は３ｃｍに設定している。
【００５７】
以上の構成において、チタンサファイアレーザー１０４から出射された励起光を、全反射鏡１０６、１０８を介して集光レンズ１１０に入射すると、集光レンズ１１０は励起光を高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２に集光して入射する。
【００５８】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー１１２の平坦面１１２ｂからレーザー光が出射されることになる。
【００５９】
上記したように、図３は本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図４に示すレーザー装置１００において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２として原子数の比率で５％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフが示されている。図３に示されているように、スロープ効率は５０％である。
【００６０】
次に、図５には、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、ＣＷ（連続波）発振動作させるレーザー装置が示されている。この図５に示すレーザー装置は、半導体レーザー励起固体レーザー装置として構成されている。
【００６１】
なお、図５に示すレーザー装置の構成において、図４に示すレーザー装置１００の構成と同一あるいは相当する構成に関しては、図４において用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００６２】
この図５に示すレーザー装置２００は、レーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と、励起光としてのビームを生成するための励起光源としてのレーザーダイオード２０２と、レーザーダイオード２０２を加熱するためのヒートシンク２０４と、レーザーダイオード２０２から出射された励起光としてのビームを高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２に集光して入射するグラディエントインデックスレンズ２０６と、出射ミラー２０８とを有して構成されている。
【００６３】
ここで、レーザーダイオード２０２は、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの２００μｍのシングルストライプレーザーダイオードであり、波長が２５℃で８８０ｎｍであり、最大出力パワーが２Ｗである。
【００６４】
また、ヒートシンク２０４は、銅製のブロックよりなるものであるが、水冷により冷却されている。
【００６５】
さらに、出射ミラー２０８は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と対向する面が曲率半径７５０ｍｍの凹面２０８ａとして形成されるとともに、他方の面が平坦面２０８ｂとして形成されている。また、凹面２０８ａは、波長が１０６４ｎｍの光の反射率が９５％となるようなコーティングを施されていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面２０８ｂには、コーディングは施されていない。
【００６６】
なお、グラディエントインデックスレンズ２０６は、１．８ｍｍの直径を備えている。
従って、このレーザー装置２００においては、第１表面１０２ａと凹面２０８ａとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は３ｃｍに設定している。
【００６７】
また、このレーザー装置２００における半導体レーザー励起は、レーザー発振により共振器を往復する光の光軸と略一致する方向からレーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２に励起光を入射する縦励起である。
【００６８】
以上の構成において、レーザーダイオード２０２から出射された励起光としてのビームを、グラディエントインデックスレンズ２０６に入射すると、グラディエントインデックスレンズ２０６はビームを高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２に集光して入射する。
【００６９】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー２０８の平坦面２０８ｂからレーザー光が出射されることになる。
【００７０】
上記したように、ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いることにより、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯以外の波長帯（例えば、波長８８０ｎｍ帯である。）の吸収帯での励起を行ってレーザー発振させることが可能となる。
【００７１】
即ち、ネオジウムを高濃度に添加することによって、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の持つ吸収係数が飛躍的に増加するため、従来の技術により作成されたネオジウムが低濃度に添加されたＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶では困難であった吸収係数の小さな波長域での励起が可能となったものである。
【００７２】
また、ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いて、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯以外の波長帯（例えば、波長８８０ｎｍ帯である。）の吸収帯を選択して励起することにより、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯を選択して励起するよりも量子変換効率を向上させることが可能となり、高効率なレーザー発振を得ることができるようになる。
【００７３】
さらに、ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ４結晶を用いると、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯以外の波長帯（例えば、波長８８０ｎｍ帯である。）の吸収帯を選択して励起することが可能であるので、従来においては励起光源は主吸収帯である８０８ｎｍに発振波長を持つレーザーダイオードに限定されていたが、励起光源の選択の裕度を広げることができる。
【００７４】
次に、図６には、図７を参照しながら後述する本発明によるレーザー装置を用いて、ネオジウムを原子数の比率で２％の濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶（Ｎｄ２％添加Ｇｄ：ＶＯ４結晶）を、波長８０８ｎｍの励起光と波長８８０ｎｍ帯である波長８７９ｎｍの励起光とで励起した場合の比較実験結果の入出力特性が示されている。
【００７５】
なお、図６においては、横軸に［ｍＷ］単位で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ  Ｐｏｗｅｒ）、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に［ｍＷ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒ）、即ち、Ｎｄ２％添加Ｇｄ：ＶＯ４結晶から発振されるレーザー光の出力パワーをとっている。
【００７６】
図６から理解されるように、Ｎｄ２％添加Ｇｄ：ＶＯ４結晶は高濃度にネオジウムを添加しているため、非常に高いレーザー発振効率が得られた。具体的には、レーザー発振のスロープ効率は波長８０８ｎｍの励起光の場合で６７％であり、波長８８０ｎｍ帯である波長８７９ｎｍの励起光の場合で７８％であった。
【００７７】
即ち、波長８８０ｎｍ帯である波長８７９ｎｍで励起した場合には、波長８０８ｎｍの励起と比較すると、エネルギー変換効率の違いとほぼ同じく、約１０％ほどスロープ効率が向上している。
【００７８】
次に、図７に示すレーザー装置について説明すると、この図７に示すレーザー装置は、レーザー媒質たるネオジウムを原子数の比率で２％の濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２と、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起光源としての励起レーザーたるチタンサファイアレーザー３０４と、全反射鏡３０６、３０８と、励起光の強度ならびに偏光を調整するためのλ／２波長板３２０ならびにグランレーザープリズム（Ｇｒａｎ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｉｓｍ）３２２と、集光レンズ３１０と、出射ミラー３１２とを有して構成されている。
【００７９】
ここで、チタンサファイアレーザー３０４は、コンピューター制御により波長を７００ｎｍから９５０ｎｍまでの範囲で任意に選択することができ、最大出力パワーが平均して２００ｍＷであり、パルス幅が１００ｎｓの繰り返し１ｋＨｚのレーザーである。
【００８０】
なお、図６に示す実験結果を得た実験においては、コンピューター制御により波長８０８ｎｍまたは波長８７９ｎｍの光を選択して励起光として用いた。
【００８１】
また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２は、「直径８ｍｍ×厚さ１ｍｍ」の大きさにカットされており、チタンサファイアレーザー３０４と対向する第１表面３０２ａは、波長が１０６３ｎｍの光を全反射するとともに波長が８７９ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティングを施され、出射ミラー３１２と対向する第２表面３０２ｂは、波長が１０６３ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティングを施されている。
【００８２】
さらに、出射ミラー３１２は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２と対向する面が、曲率半径２００ｍｍの凹面３１２ａとして形成されるとともに、他方の面が平坦面３１２ｂとして形成されている。また、凹面３１２ａは、波長が１０６４ｎｍの光の反射率が８０％となるようなコーティングを施されていて、部分反射凹面鏡として構成されている。なお、平坦面３１２ｂには、コーディングは施されていない。
【００８３】
なお、集光レンズ３１０は、溶融石英硝子で形成されており、１２０ｍｍの焦点距離を備えている。
【００８４】
従って、このレーザー装置３００においては、第１表面３０２ａと凹面３１２ａとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は３ｍｍに設定している。
【００８５】
以上の構成において、チタンサファイアレーザー３０４から出射された励起光を、全反射鏡３０６、３０８、λ／２波長板３２０、グランレーザープリズム３２２を介して集光レンズ１１０に入射すると、集光レンズ３１０は励起光を集光して高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２に集光して入射する。
【００８６】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー３１２の平坦面３１２ｂからレーザー光が出射されることになる。
【００８７】
なお、グランレーザープリズム３２２はある一定の方向に偏光した光だけを透過させるため、λ／２波長板３２０を回転させることによってグランレーザープリズム３２２を透過する励起光の量を変化させることができる。これにより、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２に入射する励起光のパワーを調整した。
【００８８】
また、上記したように高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶に波長８８０ｎｍ帯の励起光を入射することによりレーザー発振が生じるということは、波長８８０ｎｍ帯の励起光がネオジウムイオンを基底準位から４Ｆ３／２準位へ励起することを意味している。
【００８９】
なお、上記した実施の形態は、以下に説明する（１）乃至（４）に示すように変形してもよい。
【００９０】
（１）上記した実施の形態においては、ネオジウムを原子数の比率で２％、５％または１０％の濃度でガドリニウムバナデイト結晶に添加した場合について詳細に説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ネオジウムをガドリニウムバナデイト結晶に添加する濃度は、原子数の比率で１％を越える濃度のような高濃度であればよいものであり、好ましくは２％以上の濃度であり、より好ましくは２％乃至１５％の濃度である。
【００９１】
（２）上記した実施の形態においては、半導体レーザー励起は端面励起によるものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー発振により共振器を往復する光の光軸の軸方向と略直交する方向からレーザー媒質に励起光を入射する側面励起により、半導体レーザー励起を行うようにしてもよい。
【００９２】
（３）上記した実施の形態においては、レーザー媒質として高濃度でネオジウムを添加したガドリニウムバナデイト結晶について説明したが、本発明を適用することができるレーザー媒質はこれに限定されるものではないことは勿論である。例えば、レーザー媒質としてレーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃｒイオンなどを高濃度で添加した単結晶である、例えば、Ｔｍ：ＹＶＯ４やＴｍ：ＧｄＶＯ４などにも本発明を適用することが可能である。なお、その際には、焼結体の濃度を制御などを行うことが好ましい。
【００９３】
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００９４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、レーザー活性イオンを所定の濃度で添加した結晶よりなるレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例によるレーザー媒質を作成するための手法であるフローティングゾーン法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ  Ｍｅｔｈｏｄ：なお、以下においては、「ＦＺ法」と適宜に称する。）の模式図である。
【図２】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、本発明による高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶のうちで、ネオジウムの濃度が２％、５％、１０％、即ち、ネオジウムの原子数の比率が２％、５％、１０％の三種類の結晶について、その吸収スペクトルの測定結果を示すグラフである。なお、横軸は［ｎｍ］単位で波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を示し、縦軸は［ｃｍ−１］単位で吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示している。
【図３】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図４に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率で５％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフである。なお、横軸は［Ｗ］単位で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ  Ｐｏｗｅｒ）を示し、縦軸は［Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒ）を示している。
【図４】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【図５】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、ＣＷ（連続波）発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【図６】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図７に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率で２％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフである。なお、横軸は［Ｗ］単位で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ  Ｐｏｗｅｒ）を示し、縦軸は［Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒ）を示している。
【図７】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０                炉
１２                原料棒
１４                ハロゲンランプ（Ｈａｌｏｇｅｎ  Ｌａｍｐ）
１６                溶融帯（フローティングゾーン：Ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｚｏｎｅ）
１００、２００、３００          レーザー装置
１０２、３０２                  高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶
１０２ａ、３０２ａ              第１表面
１０２ｂ、３０２ｂ              第２表面
１０４、３０４                  チタンサファイアレーザー
１０６、１０８、３０６、３０８        全反射鏡
１１０、３１０                  集光レンズ
１１２、２０８、３１２          出射ミラー
１１２ａ、２０８ａ、３１２ａ    凹面
１１２ｂ、２０８ｂ、３１２ｂ    平坦面
２０２                レーザーダイオード
２０４                ヒートシンク
２０６                グラディエントインデックスレンズ
３２０                λ／２波長板
３２２                グランレーザープリズム（Ｇｒａｎ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｉｓｍ）
【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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