JP2008124371A - レーザー発振方法およびレーザー装置 - Google Patents

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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。

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。

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。

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。

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。

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^３Ｈ_４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^３Ｈ_６への遷移により、１．９μｍ〜２．１μｍ帯の発振を生じる。

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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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^３Ｈ_４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^３Ｈ_６への遷移により、１．９μｍ〜２．１μｍ帯の発振を生じる。

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^３Ｈ_６−^３Ｆ_４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。^３Ｆ_４へ蓄積された分布が^３Ｈ_４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^３Ｈ_４へ励起され、^３Ｈ_４に分布が蓄積される。Ｔｍの^３Ｈ_４レベルからＨｏの^５Ｉ_７レベルへエネルギーの受け渡しがなされるが、この^５Ｉ_７レベルはレーザー上準位であり、下準位である^５Ｉ_８への遷移によって２．１μｍ近傍の発振を生じるものである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

この図５より、Ｈｏの^５Ｉ_７→^５Ｉ_８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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

図１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である。 図２は、図１に示すレーザー媒質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の概念構成説明図である。 図３は、Ｔｍ−Ｈｏ系レーザーのエネルギー準位図である。 図４は、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックおよびＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ単結晶の波長７８０ｎｍ近傍の吸収スペクトルである。 図５は、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックおよびＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ単結晶の波長２０００ｎｍ近傍の発光スペクトルトレースである。 図６は、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧセラミックおよびＴｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ単結晶の波長２０８８ｎｍにおける発光の緩和トレースである。 図７は、出力ミラーとして波長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レーザー装置により出力されたレーザー光のスペクトルである。 図８は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合のレーザー装置により出力されたレーザー光のスペクトルである。 図９は、出力ミラーとして波長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レーザー装置における励起エネルギーに対する出力エネルギーを示すグラフである。 図１０は、出力ミラーとして波長２１００ｎｍの光に対して反射率が９０％の部分反射鏡を用いた場合のレーザー装置における励起エネルギーに対する出力エネルギーを示すグラフである。 図１１は、冷却水温度を変化させた場合におけるそれぞれの冷却水温度に対して得られた最大出力エネルギーを示すグラフである。 図１２は、半導体レーザーの励起光の中心波長に対する相対的な吸収パワーの計算結果を示すグラフであり、半導体レーザーのスペクトルとしてスペクトル幅３．５ｎｍのローレンツ型を仮定したものである。

符号の説明

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）

Claims (18)

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、
   ガーネット構造を有して化学式がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。
2. 請求項１に記載のレーザー発振方法において、
   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。
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。
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。
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。
6. 請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載のレーザー発振方法において、
   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。
7. 請求項１、２、３、４、５または６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。
8. 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において、
   前記レーザー媒質は、ガーネット構造を有して化学式がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２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。
9. 請求項８に記載のレーザー装置において、
   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。
10. 請求項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。
11. 請求項８、９または１０のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
12. 請求項８、９、１０または１１のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
13. 請求項１２に記載のレーザー装置において、
    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。
14. 請求項８、９、１０、１１、１２または１３のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
15. 請求項８、９、１０、１１、１２、１３または１４のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
16. 請求項１２または１３のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
17. 請求項８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６のいずれか１項に記載のレーザー装置において、
    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。
18. 請求項８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６または１７のいずれか１項に記載のレーザー装置において、さらに、
    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。