JP2008124371A - Laser oscillation method and laser apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、1.5μmよりも長い波長領域において発振可能なレーザー発振方法およびレーザー装置を提供する。
【解決手段】レーザー媒質として、ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAGセラミックにレーザー活性イオンとしてTmとHoとの少なくともいずれか一方を添加した材料たるTm,Ho:YAGセラミックを用いるようにしたものであり、Tm,Ho:YAGセラミックよりなるレーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振するようにした。
【選択図】 図2The present invention provides a laser oscillation method and a laser apparatus capable of high-energy pulse oscillation and capable of oscillation in a wavelength region longer than 1.5 μm.
As a laser medium, Tm is a material in which at least one of Tm and Ho is added as a laser active ion to a transparent YAG ceramic having a garnet structure and a chemical formula represented as Y 3 Al 5 O 12. Ho: YAG ceramic is used, and a laser medium made of Tm, Ho: YAG ceramic is excited by excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm to oscillate.
[Selection] Figure 2
Description
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。 The present invention relates to a laser oscillation method and a laser apparatus, and more particularly to a laser oscillation method and a laser apparatus using a laser medium that is excited by excitation light and oscillates.
近年、航空機の発展に伴いその利用者が増加するにつれて、航空安全に対する要求が急速に高まってきている。 In recent years, as the number of users increases with the development of aircraft, the demand for aviation safety has increased rapidly.
特に、最近しばしば晴天時の乱気流による航空機事故が報告されており、こうした航空機事故を未然に防止することは緊要な課題となっている。 In particular, aircraft accidents due to turbulent airflow in fine weather have been reported recently, and it is an urgent task to prevent such aircraft accidents.
ところが、晴天時の乱気流は、目視で捉えることができないものであることは勿論であるが、電波レーダーを用いても捉えることができないものであり、コンピュータ制御の航行システムが整った現在においても、その回避が困難であることが指摘されている。 However, turbulence in fine weather is not something that can not be detected visually, but it cannot be detected using radio wave radar, and even today with a computer-controlled navigation system in place, It is pointed out that it is difficult to avoid.
こうしたことから、晴天時の乱気流などの突発現象を事前に捉えて回避することを可能にする技術として、観測対象を遠隔地から電波や光を使って観測する技術たるリモートセンシング(遠隔探査)の技術開発が強く望まれてきている。 For this reason, remote sensing (remote exploration), which is a technology for observing an observation target from a remote location using radio waves or light, is a technology that makes it possible to detect and avoid sudden phenomena such as turbulence in fine weather in advance. Technology development is strongly desired.
ところで、リモートセンシングにおいて大気中にレーザー光を放出することを考慮すると、人間の目に対して安全性の高い、所謂、アイセイフ領域たる1.5μmよりも長い波長領域において発振するレーザー装置を用いることが望ましいものである。
By the way, in consideration of emitting laser light into the atmosphere in remote sensing, use a laser device that oscillates in a wavelength region longer than 1.5 μm, which is a so-called eye-safe region, which is highly safe for human eyes. Is desirable.
このため、航空安全を確保するためのリモートセンシングに利用可能な、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、1.5μmよりも長い波長領域において発振可能なレーザー発振方法およびレーザー装置の開発が強く望まれていた。 For this reason, development of a laser oscillation method and laser apparatus that can be used for remote sensing for ensuring aviation safety, can oscillate at high energy pulses, and can oscillate in a wavelength region longer than 1.5 μm is strongly desired. It was rare.
なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
Note that the prior art that the applicant of the present application knows at the time of filing a patent application is not an invention related to a known literature invention, so there is no prior art document information to be described.
本発明は、上記した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、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、1.5μmよりも長い波長領域において発振可能な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。 The present invention has been made in view of the above-described demands, and an object of the present invention is to provide a laser oscillation method and laser capable of high-energy pulse oscillation and capable of oscillation in a wavelength region longer than 1.5 μm. The device is to be provided.
上記目的を達成するために、本発明によるレーザー発振方法およびレーザー装置は、レーザー媒質として、ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAGセラミックにレーザー活性イオンとしてTmとHoとの少なくともいずれか一方を添加(以下、「ドープ」と適宜に称する。)した材料(本明細書においては、「Tm,Ho:YAGセラミック」と称する。)を用いるようにしたものである。 In order to achieve the above object, a laser oscillation method and a laser apparatus according to the present invention are used as laser active ions in a transparent YAG ceramic having a garnet structure and a chemical formula represented as Y 3 Al 5 O 12 as a laser medium. A material (hereinafter referred to as “Tm, Ho: YAG ceramic”) to which at least one of Tm and Ho is added (hereinafter appropriately referred to as “dope”) is used. It is.
また、本発明によるレーザー発振方法およびレーザー装置は、上記したTm,Ho:YAGセラミックよりなるレーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振するようにしたものである。 The laser oscillation method and laser apparatus according to the present invention are configured to excite a laser medium made of the above Tm, Ho: YAG ceramic with excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm to generate laser oscillation.
ここで、YAGセラミックは、サイズが1mm以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーである。 Here, the YAG ceramic is a solid-state laser made of a polycrystalline body that is formed by collecting single crystals having a size of 1 mm or less.
また、YAGセラミックに添加するTmイオンの添加濃度(ドープ率)については、
0≦Tm≦20% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
とすることが好ましく、また、YAGセラミックに添加するHoイオンの添加濃度(ドープ率)については、
0≦Ho≦10% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
とすることが好ましい。
Moreover, about the addition concentration (doping rate) of Tm ion added to YAG ceramic,
0 ≦ Tm ≦ 20% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is preferable that the addition concentration (doping rate) of Ho ions added to the YAG ceramic is
0 ≦ Ho ≦ 10% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is preferable that
ここで、TmとHoとの少なくともいずれか一方をドープしたYAGセラミックたるTm,Ho:YAGセラミック、即ち、TmとHoとの少なくともいずれか一方をドープするイオンとして用いた多結晶体からなる固体レーザーたるTm,Ho:YAGセラミックは、Hoイオンによって発振し、また、Tmイオンは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用し、波長750nm〜820nmの波長帯の励起光の励起により波長2μm帯、より詳細には、波長1.9μm〜2.2μm帯の高エネルギーのパルスレーザー光を発振する。
Here, Tm, Ho: YAG ceramic, which is a YAG ceramic doped with at least one of Tm and Ho, that is, a solid-state laser comprising a polycrystal used as an ion for doping at least one of Tm and Ho The Tm, Ho: YAG ceramic oscillates by Ho ions, and the Tm ions act as a sensitizer that effectively absorbs excitation light, and the wavelength of 2 μm is obtained by excitation of excitation light in the wavelength band of 750 nm to 820 nm. More specifically, a high-energy pulsed laser beam with a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm is oscillated.
但し、Ho=0%の場合は、Tmイオンにより発振する。Ho=0%の場合は、Tmが活性イオンとなる。この場合、図3で3H4がレーザー上準位となり、このレベルに蓄積された分布が下準位である3H6への遷移により、1.9μm〜2.1μm帯の発振を生じる。 However, when Ho = 0%, oscillation is caused by Tm ions. When Ho = 0%, Tm becomes an active ion. In this case, in FIG. 3, 3 H 4 becomes the upper level of the laser, and oscillation in the 1.9 μm to 2.1 μm band is generated by the transition to 3 H 6 where the distribution accumulated at this level is the lower level.
即ち、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、ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAGセラミックにレーザー活性イオンとしてTmとHoとの少なくともいずれか一方を添加した材料たるTm,Ho:YAGセラミックを有して構成されるレーザー媒質を用いて、波長が1.9μm〜2.2μm帯のレーザー光を生成するようにしたものである。
That is, the invention according to claim 1 of the present invention is a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light to generate laser oscillation, and has a garnet structure and a chemical formula is represented as Y 3 Al 5 O 12. Using a laser medium composed of Tm, Ho: YAG ceramic, which is a material obtained by adding at least one of Tm and Ho as laser active ions to transparent YAG ceramic, the wavelength is 1.9 μm to 2. A laser beam of 2 μm band is generated.
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記YAGセラミックは、サイズが1mm以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーであるようにしたものである。 Further, the invention described in claim 2 of the present invention is the invention described in claim 1 of the present invention, wherein the YAG ceramic is made of a polycrystal formed by assembling single crystals having a size of 1 mm or less. Is a solid-state laser.
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YAGセラミックに添加するTmの添加濃度は、
0≦Tm≦20% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
であるようにしたものである。
The invention according to claim 3 of the present invention is the invention according to claim 1 or 2 of the present invention, wherein the addition concentration of Tm added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Tm ≦ 20% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is intended to be.
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YAGセラミックに添加するHoの添加濃度は、
0≦Ho≦10% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
であるようにしたものである。
Further, the invention according to claim 4 of the present invention is the invention according to any one of claims 1, 2, or 3 of the present invention, wherein the additive concentration of Ho added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Ho ≦ 10% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is intended to be.
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、上記レーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振するようにしたものである。 The invention according to claim 5 of the present invention is the invention according to any one of claims 1, 2, 3 or 4 of the present invention, wherein the laser medium has a wavelength band of 750 nm to 820 nm. The laser oscillates by being excited by the excitation light.
また、本発明のうち請求項6に記載の発明は、本発明のうち請求項1、2、3、4または5のいずれか1項に記載の発明において、半導体レーザーにより上記レーザー媒質を励起する励起光を生成するようにしたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first, second, third, fourth, and fifth aspects of the present invention, the laser medium is excited by a semiconductor laser. Excitation light is generated.
また、本発明のうち請求項7に記載の発明は、本発明のうち請求項1、2、3、4、5または6のいずれか1項に記載の発明において、上記励起光は、所定の繰り返し周波数のパルス光であるようにしたものである。 Further, the invention according to claim 7 of the present invention is the invention according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6 of the present invention, wherein the excitation light is a predetermined value. The pulsed light has a repetition frequency.
また、本発明のうち請求項8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において、上記レーザー媒質は、ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAGセラミックにレーザー活性イオンとしてTmとHoとの少なくともいずれか一方を添加した材料たるTm,Ho:YAGセラミックを有してなる領域を少なくとも有するレーザー媒質であり、上記レーザー媒質を励起光により励起して、波長が1.9μm〜2.2μm帯のレーザー光を生成するようにしたものである。 According to an eighth aspect of the present invention, a laser medium is disposed in the resonator, and excitation light is incident on the laser medium to cause laser oscillation in the resonator, thereby causing the resonance. In the laser apparatus for emitting laser light from the vessel, the laser medium has at least one of Tm and Ho as laser active ions in a transparent YAG ceramic having a garnet structure and a chemical formula represented as Y 3 Al 5 O 12 A laser medium having at least a region having a Tm, Ho: YAG ceramic as a material to which one of these is added, and a laser having a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm by exciting the laser medium with excitation light It is designed to generate light.
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8に記載の発明において、上記YAGセラミックは、サイズが1mm以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーであるようにしたものである。 The invention according to claim 9 of the present invention is the invention according to claim 8 of the present invention, wherein the YAG ceramic is made of a polycrystal obtained by assembling single crystals having a size of 1 mm or less. Is a solid-state laser.
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8または9のいずれか1項に記載の発明において、上記YAGセラミックに添加するTmの添加濃度は、
0≦Tm≦20% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
であるようにしたものである。
Further, the invention according to claim 10 of the present invention is the invention according to any one of claims 8 or 9 of the present invention, wherein the concentration of Tm added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Tm ≦ 20% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is intended to be.
また、本発明のうち請求項11に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9または10のいずれか1項に記載の発明において、上記YAGセラミックに添加するHoの添加濃度は、
0≦Ho≦10% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
であるようにしたものである。
The invention according to claim 11 of the present invention is the invention according to any one of claims 8, 9 or 10 of the present invention, wherein the additive concentration of Ho added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Ho ≦ 10% (except Tm = 0 and Ho = 0)
It is intended to be.
また、本発明のうち請求項12に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9、10または11のいずれか1項に記載の発明において、上記レーザー媒質は、ロッド状体よりなるものであり、上記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域にTm,Ho:YAGセラミックの領域が配置され、上記ロッド状体の上記中央部の両側の領域にはレーザー活性イオンを添加していないYAGセラミックの領域が配置されるようにしたものである。 The invention according to claim 12 of the present invention is the invention according to any one of claims 8, 9, 10 or 11 of the present invention, wherein the laser medium comprises a rod-shaped body. A region of Tm, Ho: YAG ceramic is disposed in the central region along the axial direction of the rod-shaped body, and laser active ions are added to the regions on both sides of the central portion of the rod-shaped body. An area of YAG ceramic that is not present is arranged.
また、本発明のうち請求項13に記載の発明は、本発明のうち請求項12に記載の発明において、上記レーザー媒質は、上記ロッド状体の上記中央部の両側の配置されたレーザー活性イオンを添加していないYAGセラミックの領域において上記共振器内に支持されるようにしたものである。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the invention according to the twelfth aspect of the present invention, the laser medium includes laser active ions arranged on both sides of the central portion of the rod-shaped body. In the region of YAG ceramic to which no is added, it is supported in the resonator.
また、本発明のうち請求項14に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9、10、11、12または13のいずれか1項に記載の発明において、上記レーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振するようにしたものである。 The invention according to claim 14 of the present invention is the invention according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, or 13 of the present invention, wherein the laser medium has a wavelength of 750 nm to 750 nm. The laser oscillates by being excited by excitation light having a wavelength band of 820 nm.
また、本発明のうち請求項15に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9、10、11、12、13または14のいずれか1項に記載の発明において、半導体レーザーにより上記レーザー媒質を励起する励起光を生成するようにしたものである。 The invention according to claim 15 of the present invention is the laser according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13 or 14 of the present invention. Excitation light for exciting the medium is generated.
また、本発明のうち請求項16に記載の発明は、本発明のうち請求項12または13のいずれか1項に記載の発明において、半導体レーザーにより、上記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域に配置されたTm,Ho:YAGセラミックの領域のみに、該領域の外周面から波長750nm〜820nmの波長帯の励起光を入射するようにしたものである。 The invention described in claim 16 of the present invention is the center of the present invention according to any one of claims 12 or 13, wherein the center of the rod-shaped body along the axial direction is formed by the semiconductor laser. Excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm is incident only on the Tm, Ho: YAG ceramic region disposed in the region of the part from the outer peripheral surface of the region.
また、本発明のうち請求項17に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9、10、11、12、13、14、15または16のいずれか1項に記載の発明において、上記励起光は、所定の繰り返し周波数のパルス光であるようにしたものである。 Further, the invention described in claim 17 of the present invention is the invention described in any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 or 16 of the present invention. The excitation light is pulsed light having a predetermined repetition frequency.
また、本発明のうち請求項18に記載の発明は、本発明のうち請求項8、9、10、11、12、13、14、15、16または17のいずれか1項に記載の発明において、さらに、上記レーザー媒質を冷却する冷却手段を有するようにしたものである。 Further, the invention according to claim 18 of the present invention is the invention according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 or 17 of the present invention. Furthermore, a cooling means for cooling the laser medium is provided.
本発明によれば、高エネルギーパルス発振可能であり、かつ、1.5μmよりも長い波長領域において発振可能な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が奏される。 According to the present invention, it is possible to provide a laser oscillation method and a laser apparatus that can oscillate at high energy pulses and can oscillate in a wavelength region longer than 1.5 μm.
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。 Hereinafter, an example of an embodiment of a laser oscillation method and a laser apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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装置に用いるレーザー媒質の斜視構成説明図が示されている。
First, FIG. 1 shows a perspective configuration explanatory diagram of a laser medium used in a laser apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.
このレーザー媒質10は、全体が円柱形状を備えたYAGセラミックのロッド状体よりなるものである。 The laser medium 10 is made of a rod-shaped body of YAG ceramic having a cylindrical shape as a whole.
このレーザー媒質10を構成するYAGセラミックのロッドは、その組成が、円柱形状の中心軸方向(長手方向)に沿って中央部に位置する第1領域10aと、第1領域10aの両側にそれぞれ位置する第2領域10bおよび第3領域10cとで異なっている。 The YAG ceramic rod constituting the laser medium 10 has a composition in which the composition is located on the first region 10a located at the center along the central axis direction (longitudinal direction) of the cylindrical shape and on both sides of the first region 10a. The second region 10b and the third region 10c are different.
即ち、第1領域10aは、YAGセラミックにTmとHoとの少なくともいずれか一方がドープされてTm,Ho:YAGセラミックとなされているが、一方、第2領域10bおよび第3領域10cは、イオンが何もドープされていない無ドープのYAG(Non−doped YAG)セラミックとなされている。 That is, in the first region 10a, at least one of Tm and Ho is doped into a YAG ceramic to form a Tm, Ho: YAG ceramic, while the second region 10b and the third region 10c are ion ions. Is an undoped YAG (Non-doped YAG) ceramic that is not doped with anything.
第1領域10aとしてTm,Ho:YAGセラミックを作製する際のイオンの添加濃度は、Tmについては、
0≦Tm≦20%
好ましくは、
3≦Tm≦6
とし、Hoについては、
0≦Ho≦10%
好ましくは、
0.3≦Ho≦0.4
とする。但し、Tm=0,Ho=0は除くものとする。
As for the Tm, Ho: YAG ceramic as the first region 10a, the concentration of ions added when Tm is
0 ≦ Tm ≦ 20%
Preferably,
3 ≦ Tm ≦ 6
And about Ho,
0 ≦ Ho ≦ 10%
Preferably,
0.3 ≦ Ho ≦ 0.4
And However, Tm = 0 and Ho = 0 are excluded.
なお、レーザー媒質10は、単体のYAGセラミックよりなるものであり、第1領域10aと第2領域10bと第3領域10cとを接着剤などにより連結したものではない。 The laser medium 10 is made of a single YAG ceramic and is not formed by connecting the first region 10a, the second region 10b, and the third region 10c with an adhesive or the like.
セラミックでは、接着を用いずに、レーザー媒質10のような複数種類の材料が接合された物質を容易に作製することができる。 In ceramic, a substance in which a plurality of types of materials such as the laser medium 10 are bonded can be easily manufactured without using bonding.
また、図2には、上記したレーザー媒質10を備えた本発明の実施の形態の一例によるレーザー装置100の概念構成説明図が示されている。
FIG. 2 is a conceptual structural explanatory diagram of a laser apparatus 100 according to an example of an embodiment of the present invention that includes the laser medium 10 described above.
このレーザー装置100は、レーザー媒質10を内部に配置した励起チャンバー102と、励起チャンバー102を挟んで対向するようにそれぞれ配置されたリアミラー104および出力ミラー106とを有して構成されている。 The laser apparatus 100 includes an excitation chamber 102 in which a laser medium 10 is disposed, and a rear mirror 104 and an output mirror 106 that are disposed so as to face each other with the excitation chamber 102 interposed therebetween.
即ち、このレーザー装置100においては、リアミラー104と出力ミラー106とにより直線型のレーザー共振器が構成されている。 That is, in this laser apparatus 100, the rear mirror 104 and the output mirror 106 constitute a linear laser resonator.
なお、リアミラー104としては、波長1.9μm〜2.2μmの光に対する高反射鏡を用いた。また、出力ミラー106としては、波長1.9μm〜2.2μmの光の一部を透過して、レーザー装置100の外部へ波長1.9μm〜2.2μmのレーザー光を出力する部分反射鏡を用いた。 As the rear mirror 104, a high reflection mirror for light having a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm was used. Further, as the output mirror 106, a partial reflection mirror that transmits a part of light with a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm and outputs laser light with a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm to the outside of the laser device 100. Using.
ここで、励起チャンバー102についてより詳細に説明すると、励起チャンバー102内には、レーザー媒質10の一方の端面10d(図1を参照する。)をリアミラー104に対向させるとともに、レーザー媒質10の他方の端面10e(図1を参照する。)を出力ミラー106に対向させるようにして、レーザー媒質10が配置されている。
Here, the excitation chamber 102 will be described in more detail. In the excitation chamber 102, one end surface 10d (see FIG. 1) of the laser medium 10 is opposed to the rear mirror 104, and the other end of the laser medium 10 is disposed. The laser medium 10 is disposed so that the end face 10 e (see FIG. 1) faces the output mirror 106.
ここで、レーザー媒質10は、第2領域10bと第3領域10cとを励起チャンバー102に係合することにより励起チャンバー102内に支持され、直線型のレーザー共振器内に支持されることになる。 Here, the laser medium 10 is supported in the excitation chamber 102 by engaging the second region 10b and the third region 10c with the excitation chamber 102, and is supported in the linear laser resonator. .
そして、このレーザー媒質10の周囲はフローチューブ(図示せず。)で囲まれていて、これによりレーザー媒質10を水冷してレーザー媒質10の冷却を図っている。 The periphery of the laser medium 10 is surrounded by a flow tube (not shown), whereby the laser medium 10 is cooled with water to cool the laser medium 10.
また、励起チャンバー102には、レーザー媒質10の外周に位置するようにして、レーザー媒質10の径方向、即ち、レーザー媒質10の側面からの第1領域10aに向けて励起光としてレーザー光を照射する半導体レーザー(レーザーダイオード)108が配設されている。なお、この半導体レーザー108は、第1領域10aに対してのみレーザー光を照射するように配置されており、第2領域10bならびに第3領域10cに対しては、半導体レーザー108からレーザー光が照射されることはない。 Further, the excitation chamber 102 is irradiated with laser light as excitation light toward the first region 10 a from the radial direction of the laser medium 10, that is, from the side surface of the laser medium 10 so as to be positioned on the outer periphery of the laser medium 10. A semiconductor laser (laser diode) 108 is disposed. The semiconductor laser 108 is arranged to irradiate laser light only to the first region 10a, and the second region 10b and the third region 10c are irradiated with laser light from the semiconductor laser 108. It will never be done.
こうした半導体レーザー108としては、波長750nm〜820nmの波長帯のレーザー光を出射できるものを用いることとする。 As such a semiconductor laser 108, a laser capable of emitting laser light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm is used.
なお、レーザー媒質10と半導体レーザー108とは、同一系統のチラー(図示せず。)で冷却されている。 The laser medium 10 and the semiconductor laser 108 are cooled by a chiller (not shown) of the same system.
以上の構成において、レーザー装置100によれば、TmとHoとの少なくともいずれか一方をドープしたYAGセラミックたるTm,Ho:YAGセラミック、即ち、TmとHoとの少なくともいずれか一方をドープするイオンとして用いた多結晶体からなる固体レーザーたるTm,Ho:YAGセラミックよりなる第1領域10aは、Hoイオンによって発振し、また、Tmイオンは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用し、半導体レーザー108により照射される波長750nm〜820nmの波長帯の励起光の励起により、波長1.9μm〜2.2μmの波長2μm帯の高エネルギーのパルスレーザー光を発振する。
In the above configuration, according to the laser device 100, Tm, Ho: YAG ceramic, which is a YAG ceramic doped with at least one of Tm and Ho, that is, ions doped with at least one of Tm and Ho. The first region 10a made of Tm, Ho: YAG ceramic, which is a solid laser made of the polycrystalline material used, oscillates with Ho ions, and the Tm ions act as a sensitizer that effectively absorbs excitation light, High-energy pulsed laser light with a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm and a wavelength of 2 μm is oscillated by excitation of excitation light with a wavelength of 750 nm to 820 nm irradiated by the semiconductor laser 108.
ここで、3価のTmとHoとは波長2μmの波長帯におけるレーザー発振のための活性イオンとなり、Hoイオンによって発振し、Tmは励起光を効果的に吸収させる増感剤として作用する。
Here, trivalent Tm and Ho become active ions for laser oscillation in the wavelength band of 2 μm, and are oscillated by Ho ions, and Tm acts as a sensitizer that effectively absorbs excitation light.
但し、Ho=0%の場合は、Tmイオンにより発振する。Ho=0%の場合は、Tmが活性イオンとなる。この場合、図3で3H4がレーザー上準位となり、このレベルに蓄積された分布が下準位である3H6への遷移により、1.9μm〜2.1μm帯の発振を生じる。
However, when Ho = 0%, oscillation is caused by Tm ions. When Ho = 0%, Tm becomes an active ion. In this case, in FIG. 3, 3 H 4 becomes the upper level of the laser, and oscillation in the 1.9 μm to 2.1 μm band is generated by the transition to 3 H 6 where the distribution accumulated at this level is the lower level.
図3にはTm−Ho系レーザーのエネルギー準位図が示されているが、レーザー装置100においては、上記したように、Tmの780nm近傍の3H6−3F4遷移の吸収に合わせたレーザーダイオード108を用いてTmを励起している。3F4へ蓄積された分布が3H4へ遷移するが、ある確率で交差緩和が生じ、同時に隣接Tmイオンが基底準位から3H4へ励起され、3H4に分布が蓄積される。Tmの3H4レベルからHoの5I7レベルへエネルギーの受け渡しがなされるが、この5I7レベルはレーザー上準位であり、下準位である5I8への遷移によって2.1μm近傍の発振を生じるものである。
Although FIG. 3 energy level diagram of the Tm-Ho-based laser is shown, in the laser apparatus 100, as described above, 3 H 6 of 780nm near the Tm - tailored to the absorption of 3 F 4 transition The laser diode 108 is used to excite Tm. The distribution accumulated in 3 F 4 transitions to 3 H 4 , but cross relaxation occurs with a certain probability, and at the same time, adjacent Tm ions are excited from the ground level to 3 H 4 , and the distribution is accumulated in 3 H 4. . Energy is transferred from the 3 H 4 level of Tm to the 5 I 7 level of Ho. This 5 I 7 level is the upper level of the laser and is 2.1 μm due to the transition to the lower level of 5 I 8 . This causes oscillation in the vicinity.
なお、Hoは1.9μmの光で直接励起できるが、レーザー装置100においては、低コストで高出力の半導体レーザーが入手可能なTmの780nm近傍を励起波長として用いることとして、波長750nm〜820nmの波長帯のレーザー光を出射する半導体レーザー108を用いた。 Ho can be directly pumped with light of 1.9 μm. However, in the laser device 100, the wavelength near 780 nm to 820 nm is used as the pump wavelength near Tm of 780 nm, where a low-cost and high-power semiconductor laser is available. A semiconductor laser 108 that emits laser light in a wavelength band was used.
次に、本願発明者が上記したレーザー装置100を用いて行った実験について説明する。
Next, an experiment conducted by the inventor of the present application using the laser device 100 described above will be described.
なお、本願発明者は、レーザー装置100を用いた実験の予備実験として、
(1)Tmを6%、Hoを0.4%ドープしたドープ率のTm,Ho:YA Gセラミック(以下、「サンプル1」と称する。)
(2)Tmを3%、Hoを0.3%ドープしたドープ率のTm,Ho:YA Gセラミック(以下、「サンプル2」と称する。)
(3)Tmを6%、Hoを0.4%ドープしたドープ率のYAG単結晶(T m,Ho:YAG単結晶)(以下、「サンプル3」と称する。)
との3種類のサンプルについて、それらの光学特性を取得する実験を行った。
In addition, the inventor of the present application as a preliminary experiment of the experiment using the laser device 100,
(1) Tm, Ho: YA G ceramic (hereinafter referred to as “Sample 1”) having a doping ratio of 6% Tm and 0.4% Ho.
(2) Tm, Ho: YAG ceramic (hereinafter referred to as “sample 2”) having a doping ratio of 3% Tm and 0.3% Ho.
(3) YAG single crystal (Tm, Ho: YAG single crystal) doped with 6% Tm and 0.4% Ho (hereinafter referred to as “sample 3”)
The three types of samples were subjected to an experiment to acquire their optical characteristics.
まず、分光的な特性を取得するために、2mm厚の表面を研磨したサンプル1,サンプル2およびサンプル3を用意し、その吸収スペクトルを分光光度計(島津製作所UVPC−3100)を使用して測定した。 First, in order to obtain spectral characteristics, Sample 1, Sample 2 and Sample 3 whose surfaces are 2 mm thick are prepared, and their absorption spectra are measured using a spectrophotometer (Shimadzu Corporation UVPC-3100). did.
また、蛍光のスペクトルと寿命とについてのデータは、CW−Ti:sapphireレーザーをTmの吸収ピークである785nm近傍で発振させたものをチョッピングして励起し、蛍光を分光してその強度をフォトダイオードで観察した。 In addition, the data on the fluorescence spectrum and lifetime are obtained by chopping and exciting a CW-Ti: sapphire laser that oscillates in the vicinity of the Tm absorption peak of 785 nm, and the intensity of the fluorescence is measured by a photodiode. Observed at.
図4は上記した実験による780nm近傍の吸収スペクトルを示しているが、ほぼ同じドープ濃度を持つサンプル1とサンプル3とでは、吸収スペクトルのピーク位置および吸収係数がほぼ一致した。 FIG. 4 shows an absorption spectrum near 780 nm according to the above-described experiment. In sample 1 and sample 3 having substantially the same doping concentration, the peak position and absorption coefficient of the absorption spectrum are almost the same.
こうしたサンプル1およびサンプル3に比べて、Tmイオンのドープ濃度が半分であるサンプル2は、吸収係数は半分となったが、スペクトル形状はサンプル1およびサンプル3と相似であった。 Compared to Sample 1 and Sample 3, Sample 2 in which the doping concentration of Tm ions was halved had a half absorption coefficient, but the spectrum shape was similar to Sample 1 and Sample 3.
即ち、Tm,Ho:YAGセラミックであるサンプル1のスペクトルは、Tm,Ho:YAG単結晶であるサンプル3と大差のないスペクトルであり、吸収の面でセラミックは単結晶と同等であるものといえる。 That is, the spectrum of sample 1 which is Tm, Ho: YAG ceramic is a spectrum which is not much different from that of sample 3 which is Tm, Ho: YAG single crystal, and it can be said that the ceramic is equivalent to single crystal in terms of absorption. .
また、図5は2000nm近傍の発光スペクトルを示しており、これは分光器を通過した蛍光をInGaAsフォトダイオードで取得したトレースであり、絶対的な蛍光強度を示すものではないが、サンプル間の比較を行なうことは可能である。 FIG. 5 shows an emission spectrum in the vicinity of 2000 nm, which is a trace obtained by using an InGaAs photodiode to acquire fluorescence that has passed through a spectrometer, and does not indicate absolute fluorescence intensity. Is possible.
この図5より、Hoの5I7→5I8遷移に相当するピークは2088nmを中心に存在していることがわかる。 From FIG. 5, it can be seen that the peak corresponding to the transition of 5 I 7 → 5 I 8 of Ho exists around 2088 nm.
上記の図5に関する実験では、絶対的な強度を評価することはできない、サンプル1とサンプル2とサンプル3との間に、スペクトルトレース形状の上での有意な違いは見出せなかった。 In the experiment relating to FIG. 5 above, no significant difference in spectral trace shape could be found between Sample 1, Sample 2 and Sample 3, for which absolute intensity could not be evaluated.
ここで、図6には、2088nmにおける発光の緩和トレースが示されている。これは、発光ピークの一つである2088nmにおける蛍光の時間的な緩和を示すものである。 Here, FIG. 6 shows a relaxation trace of emission at 2088 nm. This shows temporal relaxation of fluorescence at 2088 nm, which is one of the emission peaks.
チョッピングした光で励起しているため緩和の初期はスロープが寝ているが、こちらもイオンの添加濃度がほぼ等しいサンプル1とサンプル3とは同様の9.8ms、イオンの添加濃度が薄いサンプル2は10msであった。 The slope is sluggish at the beginning of relaxation because it is excited by the chopped light, but here again, Sample 1 and Sample 3 having the same ion concentration are 9.8 ms, and Sample 2 has a low ion concentration. Was 10 ms.
この発光はHoイオンのレーザー遷移に相当するが、いずれのサンプルもHoイオン濃度が低いため、発光寿命に大きな差は現れていない。 This light emission corresponds to a laser transition of Ho ions, but since any sample has a low Ho ion concentration, there is no significant difference in the light emission lifetime.
次に、実験において用いたレーザー装置100の寸法を説明すると、以下の通りである。
Next, the dimensions of the laser device 100 used in the experiment will be described as follows.
レーザー共振器長L1:200mm
レーザー媒質10の直径D:3mm
レーザー媒質10の全長L2:70mm
第1領域10aの長さL3:10mm
第2領域10bの長さL4:30mm
第3領域10cの長さL5:30mm
また、第1領域10aにおけるTm,Ho:YAGセラミックのTmとHoとの添加濃度(ドープ率)は、サンプル1と同じくTmが6%、Hoが0.4%とした。
Laser cavity length L1: 200mm
Diameter D of laser medium 10: 3 mm
Total length L2 of the laser medium 10: 70 mm
Length L3 of the first region 10a: 10mm
Length L4 of second region 10b: 30mm
Length L5 of the third region 10c: 30 mm
In addition, the Tm, Ho: YAG ceramic Tm and Ho addition concentrations (doping rate) in the first region 10a were set to 6% for Tm and 0.4% for Ho as in the case of Sample 1.
なお、レーザー媒質10の両方の端面10d、10eはレーザーグレードの光学研磨と2100nmにおける無反射コートを施し、レーザー媒質10における第1領域10aの外周面、即ち、側面はサンドブラストを施こした。 Both end faces 10d and 10e of the laser medium 10 were subjected to laser grade optical polishing and non-reflective coating at 2100 nm, and the outer peripheral surface of the first region 10a in the laser medium 10, that is, the side face was subjected to sand blasting.
また、半導体レーザー108は、中心波長783nm、線幅3.5nmであり、最大ピーク電流80A、パルス幅0.5msのQCW動作を行なう電源で駆動した。このときの半導体レーザー108の最大出力エネルギーは、900mJ/パルスであった。 Further, the semiconductor laser 108 was driven by a power source that performs a QCW operation with a center wavelength of 783 nm, a line width of 3.5 nm, a maximum peak current of 80 A, and a pulse width of 0.5 ms. The maximum output energy of the semiconductor laser 108 at this time was 900 mJ / pulse.
リアミラー104としては、波長2100nmの光に対して反射率が99.9%以上の高反射鏡を用いた。 As the rear mirror 104, a highly reflective mirror having a reflectance of 99.9% or more with respect to light having a wavelength of 2100 nm was used.
一方、出力ミラー106としては、波長2100nmの光に対して反射率が95%の部分反射鏡と、波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡とを準備して、実験毎にそれぞれを用いた。 On the other hand, as the output mirror 106, a partial reflection mirror having a reflectance of 95% with respect to light having a wavelength of 2100 nm and a partial reflection mirror having a reflectance of 90% with respect to light having a wavelength of 2100 nm are prepared. Each was used.
そして、レーザー媒質10の出力ミラー106から出力されたレーザー光のパルスエネルギーはジュールメーターを用いて測定し、また、その発振波長はファイバー結合型の小型分光光度計(Ocean Optics、NIR256−2.5)を用いて測定した。 The pulse energy of the laser beam output from the output mirror 106 of the laser medium 10 is measured using a joule meter, and the oscillation wavelength is a fiber-coupled compact spectrophotometer (Ocean Optics, NIR256-2.5). ).
実験は、いかなる制御も行なわない条件で、レーザー発振をフローチューブの水温20℃において実行したところ、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が95%の部分反射鏡を用いた場合には、メインの発振波長2120nmで容易にレーザー発振し(図7を参照する。)、また、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡を用いた場合には、メインの発振波長2088nmで容易にレーザー発振した(図8を参照する。)
図9は、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が95%の部分反射鏡を用いた場合における励起エネルギー(Pump energy)に対する出力エネルギー(Output energy)を示している。
In the experiment, laser oscillation was performed at a flow tube water temperature of 20 ° C. under the condition that no control was performed, and when a partially reflecting mirror having a reflectance of 95% with respect to light having a wavelength of 2100 nm was used as the output mirror 106. Is easily oscillated at a main oscillation wavelength of 2120 nm (see FIG. 7), and when a partial reflection mirror having a reflectance of 90% with respect to light having a wavelength of 2100 nm is used as the output mirror 106 The laser easily oscillated at the main oscillation wavelength of 2088 nm (see FIG. 8).
FIG. 9 shows the output energy (Output energy) with respect to the excitation energy (Pump energy) when a partial reflection mirror having a reflectance of 95% with respect to light having a wavelength of 2100 nm is used as the output mirror 106.
また、図10は、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡を用いた場合における励起エネルギーに対する出力エネルギーを示している。 FIG. 10 shows the output energy with respect to the excitation energy when a partial reflection mirror having a reflectance of 90% with respect to light having a wavelength of 2100 nm is used as the output mirror 106.
なお、図9ならびに図10において、□は繰り返し周波数1Hzにおける結果を示し、○は繰り返し周波数5Hzにおける結果を示し、■は繰り返し周波数10Hzにおける結果を示し、●は繰り返し周波数20Hzにおける結果を示している。 9 and 10, □ indicates the result at a repetition frequency of 1 Hz, ○ indicates the result at a repetition frequency of 5 Hz, ■ indicates the result at a repetition frequency of 10 Hz, and ● indicates the result at a repetition frequency of 20 Hz. .
この図9ならびに図10に示されているように、繰り返し周波数が高い方がパルスあたりの出力エネルギーが低かった。 As shown in FIGS. 9 and 10, the output energy per pulse was lower when the repetition frequency was higher.
なお、同一の繰り返し周波数では、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が95%の部分反射鏡を用いた場合の方が、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡を用いた場合よりも高い出力エネルギーを示している。 Note that at the same repetition frequency, when the output mirror 106 is a partially reflecting mirror having a reflectivity of 95% with respect to light having a wavelength of 2100 nm, the output mirror 106 has reflectivity with respect to light having a wavelength of 2100 nm. The output energy is higher than that in the case of using the 90% partial reflection mirror.
しかしながら、出力ミラー106として波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡を用いた場合でも、出力エネルギーとして、最大励起エネルギー860mJにおいて1Hzで41mJ、10Hzでも30mJが得られた。 However, even when a partial reflection mirror having a reflectance of 90% with respect to light having a wavelength of 2100 nm was used as the output mirror 106, the output energy was 41 mJ at 1 Hz at the maximum excitation energy of 860 mJ, and 30 mJ at 10 Hz.
また、水温を変化させて実験を行ったところ、水温を低下させることにより、出力エネルギーは増加した。
Moreover, when the experiment was conducted while changing the water temperature, the output energy increased by lowering the water temperature.
図11には、水温(冷却水温度)を変化させた実験の実験結果が示されているが、この実験においては、波長2100nmの光に対して反射率が90%の部分反射鏡のみを出力ミラー106として用いた。 FIG. 11 shows an experimental result of an experiment in which the water temperature (cooling water temperature) is changed. In this experiment, only a partial reflector having a reflectance of 90% with respect to light having a wavelength of 2100 nm is output. Used as a mirror 106.
なお、図11において、■は繰り返し周波数1Hzにおける結果を示し、□は繰り返し周波数10Hzにおける結果を示している。なお、励起エネルギーは、860mJ/pulseとした。 In FIG. 11, ■ indicates the result at a repetition frequency of 1 Hz, and □ indicates the result at a repetition frequency of 10 Hz. The excitation energy was 860 mJ / pulse.
水温を16℃にまで低下させた条件では、繰り返し周波数1Hzで48mJの出力エネルギーが得られ、10Hzでも43mJの出力エネルギーが得られた。 Under the condition that the water temperature was lowered to 16 ° C., an output energy of 48 mJ was obtained at a repetition frequency of 1 Hz, and an output energy of 43 mJ was obtained even at 10 Hz.
なお、半導体レーザーで励起する場合には、レーザー媒質の励起効率はランプ励起に比べはるかに高く、局所的な発熱をいかに除去するかが問題となっている。 このレーザー装置100におけるレーザー媒質10は、YAGセラミックよりなるものであるので、接着を用いることなしに、第1領域10aのTm,Ho:YAGセラミックと、第2領域10bおよび第3領域10cのTmとHoとを添加していない無添加のYAGセラミックとが接合されており、第2領域10bおよび第3領域10cをヒートシンクとしての機能させて放熱することができる。
In the case of excitation with a semiconductor laser, the excitation efficiency of the laser medium is much higher than that of lamp excitation, and the problem is how to remove local heat generation. Since the laser medium 10 in the laser device 100 is made of YAG ceramic, Tm of the first region 10a, Ho: YAG ceramic, Tm of the second region 10b, and the third region 10c are used without using bonding. And an additive-free YAG ceramic to which no Ho is added are joined, and the second region 10b and the third region 10c can function as heat sinks to dissipate heat.
また、Tm、Ho系における2μm帯発振のような準3準位系レーザーの場合には、第2領域10bおよび第3領域10cは上記したヒートシンクとしての機能することに加え、励起光を入射して利得を発生する部分(第1領域10a)にのみイオン添加領域を配置して、励起チャンバー102に取り付けるために半導体レーザー108を配置できずに励起光を入射できない部位たる第2領域10bおよび第3領域10cにはイオンをドープしないことにより、3準位系で問題になる再吸収損失を回避し、より効率的な発振に寄与するという機能がある。 In addition, in the case of a quasi-three level laser such as a 2 μm band oscillation in the Tm and Ho systems, the second region 10b and the third region 10c function as a heat sink as described above and receive excitation light. Therefore, the second region 10b and the second region 10b, which are portions where the pumping light cannot be incident without arranging the semiconductor laser 108 to be attached to the excitation chamber 102, are arranged only in the portion where the gain is generated (first region 10a). By not doping ions in the three regions 10c, there is a function of avoiding reabsorption loss that becomes a problem in the three-level system and contributing to more efficient oscillation.
ここで、一般に準3準位系の固体レーザーは媒質の温度に対する性能変化が敏感である。これは、4準位系のNdレーザーにおける1.06ミクロン帯の発振などに比べレーザー下準位と基底準位とのエネルギー差が小さいため、室温程度の温度においても下準位が分布を持ちやすく、かつ、わずかな温度変化に対して大きく分布数が変化するためである。
Here, in general, a quasi-three-level solid-state laser is sensitive to changes in performance with respect to the temperature of the medium. This is because the energy difference between the laser lower level and the ground level is small compared to the 1.06 micron band oscillation in a four-level Nd laser, so the lower level has a distribution even at temperatures around room temperature. This is because the number of distributions is easily changed with a slight change in temperature.
これにより反転分布の形成は強い温度依存を示し、結果として媒質が高温になるほど利得が低下することになる。 As a result, the formation of the inversion distribution shows a strong temperature dependence, and as a result, the gain decreases as the temperature of the medium increases.
従って上記した実験で得られた結果、即ち、パルスの繰り返し周波数の増加に伴いパルスあたりの出力エネルギーが低下することは、繰り返しを増加させることによりレーザー媒質10に投入される平均パワーが増加し、レーザー媒質10の温度の上昇により利得が低下したためである。 Therefore, the result obtained in the above-described experiment, that is, the output energy per pulse decreases as the repetition frequency of the pulse increases, the average power input to the laser medium 10 increases by increasing the repetition, This is because the gain has decreased due to an increase in the temperature of the laser medium 10.
一方、水温を低下させたときに効率が増加した要因としては、上記したレーザー媒質10の冷却の効果に加え、半導体レーザー108の温度が変化したためであると認められる。 On the other hand, it is recognized that the reason why the efficiency increased when the water temperature was lowered was that the temperature of the semiconductor laser 108 changed in addition to the effect of cooling the laser medium 10 described above.
半導体レーザー108の冷却水温度に対する波長依存性を取得したところ、実働状態で0.17nm/℃であり、温度が高くなるほど長波長で発振した。 When the wavelength dependency of the semiconductor laser 108 on the cooling water temperature was obtained, it was 0.17 nm / ° C. in the actual working state, and the longer the wavelength, the longer the oscillation.
半導体レーザー108は水温20℃において中心波長783nmで発振していたため、中心波長のみで捉えると吸収スペクトルのギャップにあり、温度の上下の両方に対して吸収効率が改善されることが予想された。温度変化に対する吸収効率の変化を見積もるために、半導体レーザー108のスペクトルと吸収スペクトルのオーバーラップを計算し、半導体レーザー108の中心波長に対して吸収パワーの相対変化を調べた。なお、半導体レーザー108の吸収スペクトルは実験値を用いた。 Since the semiconductor laser 108 oscillated at a central wavelength of 783 nm at a water temperature of 20 ° C., it was expected that the absorption efficiency would be improved for both the upper and lower temperatures because it was in the gap of the absorption spectrum when viewed only at the central wavelength. In order to estimate the change in absorption efficiency with respect to temperature change, the overlap between the spectrum of the semiconductor laser 108 and the absorption spectrum was calculated, and the relative change in absorption power with respect to the center wavelength of the semiconductor laser 108 was examined. Note that experimental values were used for the absorption spectrum of the semiconductor laser 108.
半導体レーザー108の発振スペクトルとしてローレンツ型を仮定し、中心波長をλc、スペクトル幅をΔλとしたときに以下の式で表される。スペクトル幅は、実測値の3.5nmとする。
このスペクトルと実験から得られた吸収係数α(λ)とのオーバーラップは、
である。ここに、Iは実効的な媒質厚みである。 It is. Here, I is an effective medium thickness.
図12には、その計算結果が示されている。なお、図12において、縦軸は781nmのピークで規格化して表した。 FIG. 12 shows the calculation result. In FIG. 12, the vertical axis is normalized by a peak at 781 nm.
この図12に示す結果の曲線から、比較的広いスペクトル幅を持つ半導体レーザーを励起光源として用いた場合に、実効的な吸収係数は782nm近傍でほとんど変化しないことがわかった。 From the result curve shown in FIG. 12, it was found that when a semiconductor laser having a relatively wide spectrum width is used as an excitation light source, the effective absorption coefficient hardly changes in the vicinity of 782 nm.
最大吸収が得られる781nmの90%以上の吸収パワーが得られる中心波長の許容幅は、779nmから786nmの7nmにわたり、半導体レーザーの温度としては0℃〜35℃にも相当する。従って半導体レーザーの温度変化がレーザーの性能に対して及ぼす影響は緩やかである。 The permissible width of the center wavelength at which absorption power of 90% or more of 781 nm at which the maximum absorption can be obtained is obtained ranges from 779 nm to 786 nm, and the temperature of the semiconductor laser corresponds to 0 ° C. to 35 ° C. Therefore, the influence of the temperature change of the semiconductor laser on the laser performance is moderate.
この結果はまた、冷却水温度の低下に伴うレーザー性能の向上は吸収ピークのマッチングによるものではなく、上記した熱分布の改善によるものであることを結論付けるものである。 This result also concludes that the improvement in laser performance with decreasing cooling water temperature is not due to absorption peak matching, but due to the improvement in heat distribution described above.
Tm,Ho:YAGセラミックは吸収スペクトルが急峻に立っており、狭いスペクトル幅を持つが、半導体レーザーのスペクトル幅が広い実際的なレーザーにおいては、温度の精密な制御は必要でないことがいえる。 Tm, Ho: YAG ceramic has a steep absorption spectrum and a narrow spectrum width, but it can be said that precise control of temperature is not necessary in a practical laser having a wide spectrum width of a semiconductor laser.
これはTm,Ho:YAGセラミックをレーザー媒質として使用したレーザーでも品質が大きくばらつかないことを意味しており、Tm,Ho:YAGセラミックを用いたレーザー媒質10を備えたレーザー装置100は、極めて実用的である。 This means that even a laser using Tm, Ho: YAG ceramic as a laser medium does not vary greatly in quality, and the laser device 100 including the laser medium 10 using Tm, Ho: YAG ceramic is extremely different. It is practical.
以上において説明したように、レーザー装置100において、QCW発振する半導体レーザー108でレーザー媒質10の第1領域たるTm,Ho:YAGセラミックを励起したところ、波長2μmの波長帯でレーザー発振が得られた。
As described above, in the laser apparatus 100, when the Tm, Ho: YAG ceramic, which is the first region of the laser medium 10, is excited by the semiconductor laser 108 that performs QCW oscillation, laser oscillation is obtained in the wavelength band of 2 μm. .
即ち、半導体レーザー108による860mJ励起、16℃の冷却水温度において、最大48mJ以上の出力エネルギーを得ることができた。 That is, a maximum output energy of 48 mJ or more was obtained at 860 mJ excitation by the semiconductor laser 108 and a cooling water temperature of 16 ° C.
このときの光−光変換効率は5%以上を達成したものであり、783nm付近では半導体レーザー108の実効的な吸収パワーは、半導体レーザー108の中心波長のシフトに強く依存しないことを示している。 The light-to-light conversion efficiency at this time achieved 5% or more, indicating that the effective absorption power of the semiconductor laser 108 does not strongly depend on the shift of the center wavelength of the semiconductor laser 108 in the vicinity of 783 nm. .
また、実験結果の添付は省略するが、第1領域10のイオンの濃度がサンプル2と同一のレーザー媒質10を用いて上記と同様な実験を行ったところ、ドープされたイオンの濃度が高いサンプル1と同一のレーザー媒質10を用いた方が、より高いレーザー性能を示すものであった。
Although the attachment of the experimental results is omitted, an experiment similar to the above was performed using the laser medium 10 in which the concentration of ions in the first region 10 was the same as that of the sample 2. As a result, a sample with a high concentration of doped ions was obtained. Using the same laser medium 10 as 1 showed higher laser performance.
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。
The embodiment described above may be modified as shown in (1) to (4) described below.
(1)上記した実施の形態においては、レーザー媒質10の励起するにあたって中心波長783nmの半導体レーザー108を用いて実験した結果を示したが、レーザー媒質10の励起波長はこれに限られるものではないことが勿論であり、750nm〜820nmの波長帯、好ましくは780nm〜790nmの波長帯でもよい。 (1) In the above-described embodiment, the result of the experiment using the semiconductor laser 108 having the center wavelength of 783 nm when exciting the laser medium 10 is shown. However, the excitation wavelength of the laser medium 10 is not limited to this. Of course, a wavelength band of 750 nm to 820 nm, preferably a wavelength band of 780 nm to 790 nm may be used.
(2)上記した実施の形態においては、第1領域10aにおけるTm,Ho:YAGセラミックのTmとHoとの添加濃度をTmが6%、Hoが0.4%として実験した結果を示したが、TmとHoとの添加濃度はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、サンプル2と同一のTmが3%、Hoが0.3%でもよい。即ち、TmとHoとの添加濃度は、
0≦Tm≦20%
0≦Ho≦10%
の範囲で適宜に設定すればよい。
(2) In the above-described embodiment, the results of the experiment in which the addition concentration of Tm and Ho of the Tm, Ho: YAG ceramic in the first region 10a is 6% and Ho is 0.4% are shown. Of course, the addition concentration of Tm and Ho is not limited to this. For example, the same Tm as Sample 2 may be 3% and Ho may be 0.3%. That is, the addition concentration of Tm and Ho is
0 ≦ Tm ≦ 20%
0 ≦ Ho ≦ 10%
It may be set as appropriate within the range of
(3)上記した実施の形態においては、レーザー装置100やレーザー媒質10の寸法を具体的な数値により示したが、これらの数値は一例に過ぎないものであってレーザー装置100やレーザー媒質10の寸法はこれに限られるものではなく、設計条件に応じて適宜の寸法とすればよい。 (3) In the above-described embodiment, the dimensions of the laser device 100 and the laser medium 10 are shown by specific numerical values, but these numerical values are only examples, and the laser device 100 and the laser medium 10 The dimension is not limited to this, and may be an appropriate dimension according to design conditions.
(4)上記した実施の形態においては、レーザー媒質10は全体が円柱形状を備えたロッド状体よりなるものとしたが、レーザー媒質10の形状はこれに限られるものではなく、設計条件に応じて適宜の形状に構成すればよい。 (4) In the above-described embodiment, the laser medium 10 is composed of a rod-like body having a cylindrical shape as a whole. However, the shape of the laser medium 10 is not limited to this, and depends on the design conditions. And may be configured in an appropriate shape.
(5)上記した実施の形態ならびに上記した(1)乃至(4)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。 (5) The above-described embodiment and the modifications shown in (1) to (4) may be used in appropriate combination.
本発明は、リモートセンシングの領域などで広く用いられるものであり、今後の航空安全のために必要な要素技術となるものである。 The present invention is widely used in the field of remote sensing and the like, and is an elemental technology necessary for future aviation safety.
10 レーザー媒質
10a 第1領域
10b 第2領域
10c 第3領域
10d 端面
10e 端面
100 レーザー装置
102 励起チャンバー
104 リアミラー
106 出力ミラー
108 半導体レーザー(レーザーダイオード)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser medium 10a 1st area | region 10b 2nd area | region 10c 3rd area | region 10d End surface 10e End surface 100 Laser apparatus 102 Excitation chamber 104 Rear mirror 106 Output mirror 108 Semiconductor laser (laser diode)
Claims (18)
ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAG(Yttrium Aluminum Garnet:イットリウム・アルミニウム・ガーネット)セラミックにレーザー活性イオンとしてTm(Thulium:ツリウム)とHo(Holmium:ホルミウム)との少なくともいずれか一方を添加した材料たるTm,Ho:YAGセラミックを有して構成されるレーザー媒質を用いて、波長が1.9μm〜2.2μm帯のレーザー光を生成する
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light and oscillated,
Transparent YAG (Yttrium Aluminum Garnet) ceramics having a garnet structure and represented by the chemical formula Y 3 Al 5 O 12 are laser-active ions such as Tm (Thulium) and Ho (Holmium). ) And a laser medium composed of Tm, Ho: YAG ceramic, which is a material to which at least one of them is added, generates laser light having a wavelength of 1.9 μm to 2.2 μm. Laser oscillation method.
前記YAGセラミックは、サイズが1mm以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーである
ことを特徴とするレーザー発振方法。 The laser oscillation method according to claim 1,
The laser oscillation method, wherein the YAG ceramic is a solid-state laser made of a polycrystal formed by assembling single crystals having a size of 1 mm or less.
前記YAGセラミックに添加するTmの添加濃度は、
0≦Tm≦20% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
である
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In the laser oscillation method of any one of Claim 1 or 2,
The additive concentration of Tm added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Tm ≦ 20% (except Tm = 0 and Ho = 0)
A laser oscillation method characterized by that.
前記YAGセラミックに添加するHoの添加濃度は、
0≦Ho≦10% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
である
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, and 3,
The additive concentration of Ho added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Ho ≦ 10% (except Tm = 0 and Ho = 0)
A laser oscillation method characterized by that.
前記レーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, 3, or 4,
A laser oscillation method, wherein the laser medium is excited by excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm to oscillate.
半導体レーザーにより前記レーザー媒質を励起する励起光を生成する
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5,
A laser oscillation method, characterized in that excitation light for exciting the laser medium is generated by a semiconductor laser.
前記励起光は、所定の繰り返し周波数のパルス光である
ことを特徴とするレーザー発振方法。 In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6,
The laser oscillation method, wherein the excitation light is pulsed light having a predetermined repetition frequency.
前記レーザー媒質は、ガーネット構造を有して化学式がY3Al5O12として表される透明なYAGセラミックにレーザー活性イオンとしてTmとHoとの少なくともいずれか一方を添加した材料たるTm,Ho:YAGセラミックを有してなる領域を少なくとも有するレーザー媒質であり、
前記レーザー媒質を励起光により励起して、波長が1.9μm〜2.2μm帯のレーザー光を生成する
ことを特徴とするレーザー装置。 In a laser apparatus in which a laser medium is disposed in a resonator, laser oscillation is generated in the resonator by making excitation light incident on the laser medium, and laser light is emitted from the resonator.
The laser medium has a garnet structure and is a material obtained by adding at least one of Tm and Ho as a laser active ion to a transparent YAG ceramic having a chemical formula represented as Y 3 Al 5 O 12 : Tm, Ho: A laser medium having at least a region having a YAG ceramic;
A laser apparatus, wherein the laser medium is excited by excitation light to generate laser light having a wavelength band of 1.9 μm to 2.2 μm.
前記YAGセラミックは、サイズが1mm以下の単結晶を集合することによってできる多結晶体からなる固体レーザーである
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to claim 8, wherein
The YAG ceramic is a solid-state laser made of a polycrystal formed by assembling single crystals having a size of 1 mm or less.
前記YAGセラミックに添加するTmの添加濃度は、
0≦Tm≦20% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
である
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to any one of claims 8 and 9,
The additive concentration of Tm added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Tm ≦ 20% (except Tm = 0 and Ho = 0)
A laser device characterized by
前記YAGセラミックに添加するHoの添加濃度は、
0≦Ho≦10% (但し、Tm=0,Ho=0を除く。)
である
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser device according to any one of claims 8, 9 or 10,
The additive concentration of Ho added to the YAG ceramic is:
0 ≦ Ho ≦ 10% (except Tm = 0 and Ho = 0)
A laser device characterized by
前記レーザー媒質は、ロッド状体よりなるものであり、前記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域にTm,Ho:YAGセラミックの領域が配置され、前記ロッド状体の前記中央部の両側の領域にはレーザー活性イオンを添加していないYAGセラミックの領域が配置される
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser device according to any one of claims 8, 9, 10 or 11,
The laser medium is composed of a rod-shaped body, and a region of Tm, Ho: YAG ceramic is disposed in a central region along the axial direction of the rod-shaped body, and the central portion of the rod-shaped body is arranged. A laser device characterized in that a region of YAG ceramic to which no laser active ions are added is arranged in the regions on both sides.
前記レーザー媒質は、前記ロッド状体の前記中央部の両側の配置されたレーザー活性イオンを添加していないYAGセラミックの領域において前記共振器内に支持された
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser device according to claim 12, wherein
The laser apparatus is characterized in that the laser medium is supported in the resonator in a region of YAG ceramic which is arranged on both sides of the central portion of the rod-like body and to which no laser active ions are added.
前記レーザー媒質を波長750nm〜820nmの波長帯の励起光により励起してレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, or 13.
A laser apparatus, wherein the laser medium is excited by excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm to oscillate.
半導体レーザーにより前記レーザー媒質を励起する励起光を生成する
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13, or 14.
A laser apparatus that generates excitation light for exciting the laser medium with a semiconductor laser.
半導体レーザーにより、前記ロッド状体の軸方向に沿った中央部の領域に配置されたTm,Ho:YAGセラミックの領域のみに、該領域の外周面から波長750nm〜820nmの波長帯の励起光を入射する
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to any one of claims 12 and 13,
With a semiconductor laser, excitation light having a wavelength band of 750 nm to 820 nm from the outer peripheral surface of the Tm, Ho: YAG ceramic region disposed only in the central region along the axial direction of the rod-shaped body. A laser device characterized by being incident.
前記励起光は、所定の繰り返し周波数のパルス光である
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser apparatus according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, or 16.
The laser device, wherein the excitation light is pulsed light having a predetermined repetition frequency.
前記レーザー媒質を冷却する冷却手段を有する
ことを特徴とするレーザー装置。 The laser device according to any one of claims 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 or 17,
A laser device comprising cooling means for cooling the laser medium.
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