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WO2006028078A1 - 受動ｑスイッチレーザ装置 - Google Patents

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WO2006028078A1
WO2006028078A1 PCT/JP2005/016315 JP2005016315W WO2006028078A1 WO 2006028078 A1 WO2006028078 A1 WO 2006028078A1 JP 2005016315 W JP2005016315 W JP 2005016315W WO 2006028078 A1 WO2006028078 A1 WO 2006028078A1
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WO
WIPO (PCT)
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axis
crystal
light
laser
polarization direction
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2005/016315
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Sakai
Hirofumi Kan
Takunori Taira
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
National Institute of Natural Sciences
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
National Institute of Natural Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK, National Institute of Natural Sciences filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to US11/661,327 priority Critical patent/US7664148B2/en
Publication of WO2006028078A1 publication Critical patent/WO2006028078A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10061—Polarization control

Definitions

  • the present invention relates to a passive Q-switch laser apparatus.
  • a passive Q-switch laser device (hereinafter simply “laser device” t) is a laser device that generates pulsed light, and is used for spectroscopic measurement, shape measurement, nonlinear crystal excitation, and the like.
  • laser device there is one in which a saturable absorber is disposed together with a laser medium between a pair of mirrors (reflecting means) constituting an optical resonator. In this configuration, when the emitted light from the excited laser medium enters the saturable absorber, the emitted light is absorbed by the saturable absorber.
  • the electron density at the excitation level of the saturable absorber gradually increases, but when the excitation level is filled and the electron density at the excitation level is saturated at some point, the saturable absorber becomes transparent. Turn into. At this time, the Q value of the optical resonator suddenly increases, causing laser oscillation and generating pulsed light.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 Non-Patent Document 1: AV Kir yanov and V.
  • Non-Patent Document 3 AV Kir 'yanov, JJ Soto- Bernal, and VJ Pinto- Robledo, "SHG by a Nd3 +: YAG / Cr4 +: YAG laser pulse with changing—in-time polarization", Advance d Solid-State Lasers, 2002, Vol.68, pp88— 92.
  • the deflecting element is arranged in the optical resonator as in the conventional case, the optical resonator length becomes long. As a result, the Norse width is widened, the peak power is reduced, and miniaturization is difficult. There was a problem.
  • the present invention provides a passive Q-switch laser device that can output a pulsed laser beam that can be reduced in size and has a stable polarization direction while suppressing a decrease in peak intensity. With the goal.
  • a passive Q-switch laser apparatus is disposed between a pair of reflecting means constituting an optical resonator, and is excited and emits light.
  • a saturable absorber which is disposed between the pair of reflecting means and on the optical axis of the optical resonator, and whose transmittance increases with absorption of the emitted laser beam, and a laser medium.
  • the saturable absorber is a crystal body having first to third crystal axes orthogonal to each other, and orthogonal to each other to emit laser medium force 2. It is characterized in that it is arranged in an optical resonator so as to have different transmittances for emitted light in one polarization direction.
  • the laser medium when the laser medium is excited by the light output from the excitation light source unit, the laser medium emits light, and the saturable absorber is excited by absorbing the light emitted by the laser medium force. .
  • the saturable absorber increases in transmittance as the electron density of the excited level increases with the absorption of the emitted light, and becomes almost transparent when the excited level is satisfied. As a result, the emitted light resonates in the optical resonator and causes laser oscillation, so that pulsed laser light is output.
  • the saturable absorber as the crystal body having the first to third crystal axes has the optical resonance so that the transmittance differs with respect to the emitted light in the polarization directions orthogonal to each other. Since it is arranged in the chamber, laser oscillation occurs for the emitted light in the polarization direction having a higher transmittance. That is, as a result of the polarization direction being controlled by the saturable absorber, Laser light having a stable polarization direction is generated. In this case, it is not necessary to arrange other components for controlling the polarization direction (for example, a polarizing element) in the optical resonator, so that the optical resonator length can be shortened. As a result, it is possible to suppress a decrease in the peak intensity of the pulse due to an increase in the optical resonator length, and it is possible to reduce the size.
  • a polarizing element for example, a polarizing element
  • the first crystal axis of the saturable absorber and the optical axis of the optical resonator is ⁇
  • the second crystal axis When the second angle between the projection of the optical axis on the plane including the third crystal axis and the second crystal axis is ⁇ , the first angle ⁇ and the second angle ⁇ force It is preferable that (1) and formula (2) are satisfied.
  • the first angle 0 is ⁇ ⁇ 2 and the second angle ⁇ is ⁇ ⁇ 4.
  • the first crystal axis is included in a plane substantially orthogonal to the optical axis. Since the transmittance tends to increase with respect to the emitted light in the polarization direction parallel to the crystal axis, in this case, laser light in the polarization direction substantially parallel to the first crystal axis can be stably generated. .
  • the saturable absorber of the passive Q-switch laser device according to the present invention is a Cr 4+ : YAG crystal
  • the first crystal axis is the ⁇ 001> axis
  • the second crystal axis Is preferably the ⁇ 100> axis
  • the third crystal axis is preferably the 010> axis.
  • Cr 4+ YAG crystals have anisotropy and are orthogonal to each other by setting the first to third crystal axes as 001> axis, 100> axis, and 010> axis, respectively.
  • the incident direction of the emitted light to the saturable absorber is 110> direction.
  • the difference in transmittance with respect to the emitted light in the polarization directions orthogonal to each other tends to be maximized, and the polarization direction of the laser light output from the passive Q switch laser device can be reliably stabilized.
  • the saturable absorber of the passive Q-switch laser device according to the present invention is a V 3+ : YAG crystal, the first crystal axis is 001> axis, and the second crystal axis is The foil 100> axis is preferable, and the third crystal axis is preferably the foil 010> axis.
  • the V 3+ : YAG crystal has anisotropy, and the first to third crystal axes are orthogonal to each other by setting the 001> axis, the 100> axis, and the 010> axis, respectively.
  • the incident direction of the emitted light to the saturable absorber is 110> orientation.
  • the difference in transmittance with respect to the emitted light in the polarization directions orthogonal to each other tends to be maximized, and the polarization direction of the laser light output from the passive Q switch laser device can be reliably stabilized.
  • GaAs can be considered.
  • the passive Q-switch laser apparatus of the present invention it is possible to reduce the size, and it is possible to output pulsed laser light with a stable polarization direction while suppressing a decrease in peak intensity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of a passive Q-switch laser apparatus according to the present invention. It is.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the positional relationship between the crystal axis of the Cr 4+ : YAG crystal and the optical axis.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a measurement system for measuring the polarization characteristics of laser light from the laser apparatus shown in FIG.
  • Fig. 4 is a diagram showing the polarization characteristics of the laser beam from the laser device shown in Fig. 1.
  • (a) is the measurement result of the intensity of the S-polarized component of the laser beam, and the horizontal axis is the measurement start.
  • (B) is the measurement result of the intensity of the P-polarized component of the laser beam, and the horizontal axis is the measurement start.
  • the time of force is shown in minutes, and the vertical axis shows the intensity of P-polarized light component (pulse energy (mj)).
  • Fig. 5 is a graph showing the polarization characteristics of laser light with conventional passive Q-switch laser device power.
  • A is the measurement result of the intensity of the S-polarized component
  • the horizontal axis is the time of the measurement starting force.
  • Min the vertical axis shows the intensity of the S-polarized component (pulse energy (mj))
  • b shows the measurement result of the intensity of the P-polarized component
  • the horizontal axis shows the time (minutes) from the start of measurement
  • the vertical axis indicates the intensity of the P-polarized component (pulse energy (mj)).
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a measurement system for measuring the polarization direction dependence of the transmittance of Cr 4+ : YAG crystal.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the positional relationship between the incident direction of laser light on a Cr 4+ : YAG crystal and the crystal axis.
  • FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the transmittance on the polarization direction when laser light is incident along the 100> axis.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the positional relationship between the incident direction of laser light on a Cr 4+ : YAG crystal and the crystal axis.
  • FIG. 10 is a diagram showing the polarization direction dependence of transmittance when laser light is incident along the 110> direction.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the positional relationship between the incident direction of laser light on a Cr 4+ : YAG crystal and the crystal axis.
  • FIG. 12 is a graph showing the polarization direction dependence of the transmittance on ⁇ when ⁇ is ⁇ ⁇ 2.
  • FIG. 13 is a diagram showing the polarization direction dependence of the transmittance on ⁇ when ⁇ is ⁇ ⁇ 4.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of another embodiment of the passive Q-switch laser apparatus of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic view showing the configuration of still another embodiment of the passive Q-switch laser apparatus according to the present invention.
  • a passive Q switch laser device (hereinafter simply referred to as “laser device”) 10 has an Nd: YAG crystal 11 as a laser medium.
  • the Nd 3+ : YAG crystal 11 is excited by light having a wavelength of around 808 nm, and emits light having a wavelength of about 1064 ⁇ m at the transition from the upper level to the lower level. Each wavelength may have an error of ⁇ 10 nm with respect to a specific wavelength.
  • emission light 21 light emitted from the Nd 3+ : YAG crystal 11 is referred to as emission light 21.
  • the Nd 3+ : YAG crystal 11 is disposed in the optical resonator 12, and the optical resonator 12 A pair of mirrors (reflection means) 12A and 12B facing each other is also provided.
  • the mirror 12A transmits light having a wavelength of about 808 nm and reflects a wavelength of about 1064 nm with a high reflectance, and the mirror 12B transmits a part of the light having a wavelength of about 1064 nm and reflects the rest.
  • the mirror 12A may be a dielectric multilayer film formed on the end face of the Nd 3+ : YAG crystal 11!
  • An excitation light source unit 13 that outputs light (excitation light) 22 having a wavelength of about 808 ⁇ m for exciting the Nd 3+ : YAG crystal 11 is provided outside the optical resonator 12.
  • the pumping light source unit 13 includes, for example, a semiconductor laser element that outputs pumping light 22 having a wavelength of about 808 nm, and a lens system and force for making the pumping light 22 enter the Nd 3+ : YAG crystal 11 through the mirror 12A.
  • the pumping light source unit 13 has a semiconductor laser element, but is not necessarily limited to a semiconductor laser element, and can output light having a wavelength capable of pumping the Nd 3+ : YAG crystal 11. As long as the excitation light 22 from the excitation light source unit 13 can be incident on the Nd 3+ : YAG crystal 11, the lens system may be omitted.
  • the laser device 10 further includes a Cr 4+ : YAG crystal 14 as a saturable absorber in order to realize a Q switch.
  • This Cr 4+ : YAG crystal 14 has the 001> axis (first crystal axis), the ⁇ 100> axis (second crystal axis), and the ⁇ 010> axis (third crystal axis) perpendicular to each other. It is a cubic crystal and has anisotropy.
  • the first angle between the optical axis L and the 001> axis is 0, and a plane including the ⁇ 1 00> axis and the ⁇ 010> axis ( ⁇ 100> ⁇ 010> Projection view of the optical axis L onto the plane)
  • the second angle between L 1 and 100> axis is ⁇
  • 0 is ⁇ ⁇ 2
  • ⁇ is ⁇ ⁇ 4.
  • the emission light 21 from the Nd 3+ : YAG crystal 11 mainly propagates along the optical axis L of the optical resonator 12, so the direction of the optical axis L is Nd 3+ : YAG This corresponds to the incident direction of the emitted light 21 from the crystal 11 to the Cr 4+ : YAG crystal 14 (in the direction of arrow A in the figure).
  • the Cr 4+ : YAG crystal 14 absorbs the emitted light 21 when the emitted light 21 output from the Nd 3+ : YAG crystal 11 is incident, but the transmittance increases with the absorption. And excited levels It becomes transparent when the electron density increases and the excited level is satisfied. As a result, the Q value of the optical resonator 12 increases and laser oscillation occurs.
  • the excitation light 22 having a wavelength of about 808 nm is output from the excitation light source unit 13
  • the excitation light 22 passes through the mirror 12A and enters the Nd 3+ : YAG crystal 11 and Nd 3+ : YAG Crystal 11 is excited to produce an inversion distribution.
  • the emitted light 21 with a wavelength of about 1064 nm is emitted by the transition from the upper level to the lower level in the excited Nd 3+ : YAG crystal 11
  • the emitted light 21 becomes Cr 4+ : YAG crystal 14 And is absorbed by the Cr 4+ : YAG crystal 14.
  • the laser device 10 it is important that the Cr 4+ : YAG crystal 14 is arranged in the optical resonator 12 in the arrangement relationship described above, and the emitted light 21 is incident along the direction 110>. is there. In other words, when the emitted light 21 is incident along the 110> direction of the Cr 4+ : YAG crystal 14, the laser light 23 with a stable polarization direction can be output.
  • the laser device 10 can be suitably used for aerosol shape measurement using linearly polarized light, wavelength conversion by nonlinear optical crystal excitation, and the like.
  • FIG. 3 the stability of the polarization direction of the laser beam 23 output from the laser device 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 the stability of the polarization direction of the laser beam 23 output from the laser device 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a measurement system 30 for examining the stability of the polarization direction of the laser beam 23 output from the laser apparatus 10.
  • the measurement system 30 includes a laser device 10, a polarization beam splitter 31, and power meters 32 and 33.
  • the polarization beam splitter 31 is disposed on the optical path of the laser beam 23 output from the laser device 10, and branches the laser beam 23 into a P-polarized component and an S-polarized component.
  • the power meter 32 receives the light of the P-polarized component branched by the polarization beam splitter 31 and measures its intensity
  • the power meter 33 receives the light of the S-polarized component and measures its intensity.
  • the temperature in the optical resonator 12 is changed from 25 ° C.
  • FIG. 4 is a diagram showing the polarization characteristics of the laser beam 23 measured by the measurement system 30.
  • FIG. Figure 4 (a) shows the measurement results of the intensity of the S-polarized component of the laser beam 23.
  • the horizontal axis shows the time (minutes) from the start of measurement, and the vertical axis shows the intensity of the S-polarized component (pulse energy
  • Figure 4 (b) shows the measurement results of the intensity of the P-polarized component of the laser beam 23, the horizontal axis indicates the time (minutes) from the start of measurement, and the vertical axis indicates the P-polarized component. This is the measurement result of intensity (pulse energy (mj)).
  • the laser device 10 emits S-polarized light. Only laser beam 23 is output and stable polarization characteristics can be realized.
  • the pulse energy of the P-polarized component at this time is 5/100 or less of the pulse energy of the S-polarized component, preferably 1 / 1,000 or less.
  • FIG. 5 is a diagram showing the polarization characteristics of the laser light in this case.
  • Figure 5 (a) shows the measurement result of the intensity of the S-polarized component
  • Figure 5 (b) shows the measurement result of the intensity of the P-polarized component.
  • the horizontal and vertical axes in FIGS. 5 (a) and (b) are the same as those in FIGS. 4 (a) and (b), respectively.
  • S-polarized light and P-polarized laser light are alternately output, and the polarization state of the laser light is stable.
  • the 110> orientation of the Cr 4+ : Y AG crystal 14 is parallel to the optical axis L, and the 110> orientation
  • the laser beam 23 having a very stable polarization direction can be generated as described above.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a measurement system 40 for measuring the polarization direction dependence of the transmittance of the Cr 4+ : YAG crystal 14.
  • This measurement system 40 uses a continuous wave YAG laser light source 41 having a stable polarization direction. Then, the laser beam 24 output from the YAG laser light source 41 is incident on the Cr 4+ : YAG crystal 14 through the 1Z2 wavelength plate 42, and the intensity of the laser beam 24 transmitted through the Cr 4+ : YAG crystal 14 is measured by the power meter 43. Measure with Cr 4+ : The polarization direction of the incident light on the YAG crystal 14 is rotated by the 1Z2 wave plate 42.
  • the incident light intensity is measured in the absence of the Cr 4+ : YAG crystal 14 in advance, and the transmittance is obtained by dividing the laser light 24 transmitted through the Cr 4+ : YAG crystal 14 by the light intensity.
  • the 001> axis of the Cr 4+ : YAG crystal 14 is arranged so as to be substantially perpendicular to a surface plate (not shown) on which each component of the measurement system 40 is arranged.
  • Figure 7 shows the incident direction of laser light 24 from the YAG laser light source 41 to the Cr 4+ : YAG crystal (arrow B in the figure), the polarization direction of laser light 24 (arrow C in the figure), and the crystal axis It is the schematic which shows the relationship.
  • a plane (hereinafter referred to as a polarization plane) 50 including a polarization component of the laser beam 24 as incident light is indicated by a circle, and the polarization plane 50 is orthogonal to the incident direction B.
  • the third angle between the 001> axis and the polarization direction is
  • rotating the 1Z2 wavelength plate 42 corresponds to rotating the polarization direction C within the polarization plane 50 (changing ⁇ from 0 to 2 ⁇ ).
  • FIG. 8 is a measurement result of transmittance when the laser beam 24 is incident along the 100> axis of the Cr 4+ : YAG crystal 14.
  • the horizontal axis shows the third angle
  • J8 0 and ⁇ ⁇ 2 correspond to the case where the polarization direction C is parallel to the 001> axis and the 010> axis, respectively.
  • 8 deviates by ⁇ 2, that is, when the polarization direction C is almost parallel to the 001> axis and the 010> axis, almost the same transmittance peak occurs.
  • Cr 4+ : YAG crystal 14 is used as in a conventional laser device.
  • the axis and the optical axis L of the optical resonator 12 should be placed parallel to each other.
  • the polarization direction of the emitted light 21 is 001> and the axis 010> Laser oscillation is likely to occur when parallel. Since the transmittance for the emitted light 21 in the polarization direction parallel to both axes is substantially equal, laser oscillation occurs in the same way for the emitted light 21 in either polarization direction C.
  • the polarization direction of the laser beam to be output fluctuates according to the fluctuation of the polarization direction C of the emitted light 21 caused by misalignment, and the result shown in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the relationship between the incident direction B and polarization direction C of the laser light 24 from the YAG laser light source 41 to the Cr 4+ : YAG crystal 14 and the crystal axis.
  • the third angle j8 is an angle between the polarization direction C and the 001> axis, as in the case of FIG. Figure 10 shows the measurement results of transmittance in this case.
  • the laser oscillation is generated so as to cause the laser oscillation with respect to the light of the polarization direction C having a larger transmittance. It is possible to control.
  • the Cr 4+ : YAG crystal 14 is used as a Q switch element. And a function as an element for controlling the polarization direction. Therefore, for example, since it is not necessary to further arrange a polarizing element or the like in the optical resonator 12 in order to control the polarization direction, the distance between the mirrors 12A and 12B of the optical resonator 12 can be shortened. As a result, the pulse width is shortened. As a result, it is possible to generate pulsed light having a high peak intensity while stabilizing the polarization direction.
  • the emitted light 21 is incident in the direction of 110> direction of the Cr 4+ : YAG crystal 14, but the present invention is not limited to this case.
  • the polarization direction and laser oscillation can be controlled by the difference ⁇ ⁇ , Cr 4+ : YAG so that a transmittance difference ⁇ T is generated for the emitted light 21 in two polarization directions orthogonal to each other.
  • the crystal 14 is disposed with respect to the optical resonator 12.
  • the arrangement of the Cr 4+ : YAG crystal 14 with respect to the optical resonator 12 is such that the first angle ⁇ and the second angle ⁇ shown in FIG. 2 are expressed by the following equations (4) and (5): I prefer to meet and meet.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the incident direction B and polarization direction C of the laser beam 24 (see FIG. 6) as incident light on the Cr 4+ : YAG crystal 14 and the crystal axis.
  • 8 is an angle formed by the plane including the incident direction B and the ⁇ 001> axis and the polarization direction.
  • the range covering deviation due to alignment is set to half the maximum value ⁇ ⁇ of the difference ⁇ ⁇ .
  • the range of the second angle ⁇ for obtaining the transmittance difference ⁇ T that can be used to control the polarization direction is as follows.
  • the range covering the deviation due to alignment is set to the maximum value ⁇ of the difference ⁇ .
  • the range of the first angle ⁇ for obtaining the transmittance difference ⁇ T that can be used to control the polarization direction is as follows.
  • Equations (8) and (10) if the first angle ⁇ and the second angle ⁇ can be allowed to fluctuate up to ⁇ ⁇ 8, the range of the difference ⁇ that can control the polarization direction. Is when both Equation (4) and Equation (5) are satisfied.
  • the Cr 4+ : YAG crystal 14 is arranged so that its 110> direction is along the optical axis L of the optical resonator 12 because in Equations (4) and (5), 0 is ⁇ 2. Yes, corresponding to when ⁇ is ⁇ ⁇ 4. In this case, the resultant force in FIGS. 12 and 13 also has the maximum difference ⁇ , so that the polarization direction of the laser beam 23 can be controlled reliably.
  • the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. It is not limited.
  • Cr 4+ : YAG crystal 14 is used as the saturable absorber, but it is also possible to use V 3+ : YAG crystal having a similar crystal structure.
  • GaAs can be used as a saturable absorber.
  • the saturable absorber is arranged so that a difference ⁇ T is generated in the transmittance with respect to the polarization directions orthogonal to the incident light to the saturable absorber. The polarization direction can be controlled and stabilized. Also in this case, it is preferable to place the saturable absorber in the optical resonator 12 satisfying the equations (4) and (5), and it is more preferable that the incident light is incident in the direction of 110>. preferable.
  • Cr 4+ as saturable absorber: While placed away from the YAG crystal 14 and the mirror 12B, as the laser device 60 shown in FIG. 14, Cr 4+
  • the mirror 12B may be arranged on the end face of the: YAG crystal 14.
  • the length of the optical resonator 12 in the optical axis L direction can be further shortened, and the size can be reduced.
  • the mirror 12B can be further reduced in size by using a dielectric multilayer film formed on the end face of the Cr 4+ YAG crystal 14.
  • Nd: YAG crystal 11 and Cr 4+ : YAG crystal 14 as a laser medium are composited while controlling the polarization direction
  • Nd 3+ : YAG crystal 11 and Cr 4+ : Mirrors 12A and 12B as dielectric multilayer films may be formed on the end face of YAG crystal 14, respectively.
  • the laser device 61 is a high-performance microchip laser that can output laser light having a stable polarization direction.
  • the laser medium is not limited to Nd 3+ : YAG, and any laser medium can be used as long as it can emit light having a wavelength absorbed by the saturable absorber.
  • the present invention can be used in a passive Q switch laser device.

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Abstract

　レーザ装置１０は、光共振器１２の一対の反射手段１２Ａ，１２Ｂ間に配置されると共に励起されて光を放出するレーザ媒質１１と、一対の反射手段間であって光共振器１２の光軸Ｌ上に配置されると共にレーザ媒質からの放出光２１の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体１４と、レーザ媒質を励起する波長の光２２を出力する励起光源部１３とを備える。上記可飽和吸収体１４は、互いに直交する第１～第３の結晶軸を有する結晶体であり、互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器１２内に配置されている。この場合、より透過率の大きい偏光方向の放出光に対してレーザ発振が生じる結果、偏光方向の安定したレーザ光が得られる。

Description

明 細 書
受動 Qスィッチレーザ装置
技術分野
[0001] 本発明は、受動 Qスィッチレーザ装置に関するものある。
背景技術
[0002] 受動 Qスィッチレーザ装置（以下、単に、「レーザ装置」 t 、う）は、パルス光を生成 するレーザ装置であって、分光計測、形状計測、非線形結晶励起等に利用される。 このレーザ装置として、光共振器を構成する一対のミラー (反射手段)間にレーザ媒 質と共に可飽和吸収体が配置されたものがある。この構成では、励起されたレーザ媒 質からの放出光が可飽和吸収体に入射すると、放出光は可飽和吸収体によって吸 収される。この放出光の吸収に伴い可飽和吸収体の励起準位の電子密度が次第に 増加するが、ある時点で励起準位が満たされて励起準位の電子密度が飽和すると、 可飽和吸収体は透明化する。この時、光共振器の Q値が急激に高まりレーザ発振が 生じてパルス光が発生する。
[0003] ところで、非線形光学結晶を利用した波長変換や、直線偏光を利用した形状計測 などのために、レーザ装置からのレーザ光の偏光方向は制御されて安定していること が望まれている。このレーザ光の偏光方向を制御する方法として、偏光素子をレーザ 媒質と可飽和吸収体との間に配置する技術がある (例えば、非特許文献 1〜3参照） 非特干文献 1： A. V. Kir yanov and V. Aboites, Enhancing type- II optical second- h armonic generation by the use of a laser beam with a rotating azimuth of polarization " APPLIED PHYSICS LETTERS, 12 FEBURUARY 2001, Vol.78, No.7 pp874— 876. 非特許文献 2 : Alexander V. Kir' yanov and Vicente Aboites, "Second-harmonic gen eration by Nd3+:YAG/Cr4+:YA — laser pulses with changing state of polarization , J. Opt. Soc. Am. B, October 2000, Vol.17, No.10, ppl657- 1664
非特許文献 3 : A. V. Kir' yanov, J. J. Soto- Bernal, and V.J. Pinto- Robledo, "SHG by a Nd3+:YAG /Cr4+:YAG laser pulse with changing— in— time polarization", Advance d Solid-State Lasers, 2002, Vol.68, pp88— 92.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、従来のように、光共振器内に偏向素子を配置すると、光共振器長が 長くなる結果、ノルス幅が広がりピークパワーが低下したり、小型化が困難であるとい う問題点があった。
[0005] そこで、本発明は、小型化が可能であって、ピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方 向が安定したパルス状のレーザ光を出力可能な受動 Qスィッチレーザ装置を提供す ることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 上記課題を解決するために、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置は、光共振 器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出するレー ザ媒質と、上記一対の反射手段間であって光共振器の光軸上に配置されると共に、 レーザ媒質力 放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体 と、レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、を備え、可飽和吸収 体は、互いに直交する第 1〜第 3の結晶軸を有する結晶体であり、レーザ媒質力 放 出される互いに直交する 2つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を 有するように光共振器内に配置されて 、ることを特徴とする。
[0007] この場合、励起光源部力 出力された光によってレーザ媒質が励起されると、レー ザ媒質は光を放出し、可飽和吸収体はレーザ媒質力 の放出光を吸収して励起され る。この可飽和吸収体は、放出光の吸収に伴い励起準位の電子密度が増加すること で透過率が増加していき、励起準位が満たされたときにほぼ透明化する。その結果、 放出光は、光共振器で共振してレーザ発振を生じるので、パルス状のレーザ光が出 力される。
[0008] そして、上記構成では、第 1〜第 3の結晶軸を有する結晶体としての可飽和吸収体 は、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率がそれぞれ異なるように光共 振器内に配置されていることから、透過率のより大きい偏光方向の放出光に対してレ 一ザ発振が生じる。すなわち、可飽和吸収体によって偏光方向が制御される結果、 偏光方向の安定したレーザ光が生成される。この場合、偏光方向制御用の他の部品 (例えば、偏光素子)などを光共振器内に配置しなくてもよいので、光共振器長を短く することが可能である。その結果、光共振器長が長くなることよるパルスのピーク強度 の低下を抑制でき、かつ、小型化も可能である。
[0009] また、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置においては、可飽和吸収体の第 1の 結晶軸と光共振器の光軸とのなす第 1の角度を Θとし、第 2の結晶軸と第 3の結晶軸 を含む平面への光軸の投射影と第 2の結晶軸とのなす第 2の角度を φとしたとき、第 1の角度 Θ及び第 2の角度 φ力 それぞれ下記式（1)及び式（2)を満たしていること が好ましい。
[数 1]
Figure imgf000006_0001
[数 2]
Figure imgf000006_0002
ただし、 m=0, 1, 2, 3であり、 ζは下記式を満たす。
[数 3]
0 < ξ < - ' ( 3 )
4
[0010] この場合、第 1の角度 Θ及び第 2の角度 φが式（1)及び式 (2)を満たすことで、互 いに直交する 2つの偏光方向の放出光に対して可飽和吸収体が有する透過率の差 がより大きくなる傾向にある。その結果、偏光方向の制御が更に確実になり、偏光方 向がより安定したレーザ光を出力することができる。
[0011] また、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置においては、第 1の角度 0が π Ζ2 であって、第 2の角度 φが π Ζ4であることが好ましい。この場合、第 1の結晶軸のみ が光軸に略直交する平面内に含まれる。結晶軸に平行な偏光方向の放出光に対し て透過率は大きくなる傾向にあるので、この場合、第 1の結晶軸に略平行な偏光方 向のレーザ光を安定して生成することができる。 [0012] 更に、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置の可飽和吸収体が、 Cr4+： YAG結 晶であって、第 1の結晶軸は < 001 >軸であり、第 2の結晶軸は < 100>軸であり、 第 3の結晶軸はく 010>軸であることが好ましい。
[0013] Cr4+ :YAG結晶は異方性を有しており、第 1〜第 3の結晶軸をそれぞれく 001 > 軸、く 100>軸、く 010>軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対 して透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能であ る。特に、 φが π Ζ4であって、 Θが π Ζ2であるときには、放出光の可飽和吸収体 への入射方向はく 110 >方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出 光に対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動 Qスィッチレーザ装置から出 力されるレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
[0014] 更にまた、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置の可飽和吸収体が、 V3+： YAG 結晶であって、第 1の結晶軸はく 001 >軸であり、第 2の結晶軸はく 100>軸であり 、第 3の結晶軸はく 010>軸であることが好ましい。
[0015] V3+ :YAG結晶は異方性を有しており、第 1〜第 3の結晶軸をそれぞれく 001 >軸 、く 100>軸、く 010>軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対して 透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能である。 特に、 φが π Ζ4であって、 0が π Ζ2であるときには、放出光の可飽和吸収体への 入射方向はく 110>方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出光に 対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動 Qスィッチレーザ装置から出力され るレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
[0016] また、本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置の可飽和吸収体としては、 GaAsも 考えらえる。
発明の効果
[0017] 本発明の受動 Qスィッチレーザ装置によれば、小型化が可能であって、ピーク強度 の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力することができ る。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は本発明の受動 Qスィッチレーザ装置の一実施形態の構成を示す概略図 である。
[図 2]図 2は Cr4+ :YAG結晶の結晶軸と光軸との配置関係を示す概略図である。
[図 3]図 3は図 1に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を測定する測定シス テムの構成を示す概略図である。
[図 4]図 4は図 1に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を示す図であり、 (a) はレーザ光の S偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始からの時間（分 )を示し、縦軸は S偏光成分の強度 (パルスエネルギー (niJ) )を示し、 (b)はレーザ光 の P偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始力 の時間 (分)を示し、縦 軸は P偏光成分の強度 (パルスエネルギー (mj) )を示す。
[図 5]図 5は従来の受動 Qスィッチレーザ装置力 のレーザ光の偏光特性を示す図で あり、（a)は S偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始力 の時間 (分)を 示し、縦軸は S偏光成分の強度 (パルスエネルギー (mj) )を示し、 (b)は P偏光成分 の強度の測定結果であり、横軸は測定開始からの時間（分)を示し、縦軸は P偏光成 分の強度 (パルスエネルギー（mj) )を示す。
[図 6]図 6は Cr4+ :YAG結晶の透過率の偏光方向依存性を測定する測定システムの 構成を示す概略図である。
[図 7]図 7は Cr4+ :YAG結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す 概略図である。
[図 8]図 8はく 100>軸に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方向依 存性を示す図である。
[図 9]図 9は Cr4+ :YAG結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す 概略図である。
[図 10]図 10はく 110>方位に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方 向依存性を示す図である。
[図 11]図 11は Cr4+ :YAG結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示 す概略図である。
[図 12]図 12は Θが π Ζ2での透過率の φに対する偏光方向依存性を示す図である [図 13]図 13は φが π Ζ4での透過率の Θに対する偏光方向依存性を示す図である
[図 14]図 14は本発明の受動 Qスィッチレーザ装置の他の実施形態の構成を示す概 略図である。
[図 15]図 15は本発明に係る受動 Qスィッチレーザ装置の更に他の実施形態の構成 を示す概略図である。
符号の説明
[0019] 10 レーザ装置（受動 Qスィッチレーザ装置）
11 Nd3+ :YAG結晶（レーザ媒質）
12A, 12B ミラー（一対の反射手段）
12 光共振器
13 励起光源部
14 Cr4+ :YAG結晶
21 放出光
22 励起光 (レーザ媒質を励起する波長の光）
23 レーザ装置から出力されるレーザ光
L 光軸
L1 光軸 Lの投射影
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、図面を参照して本発明の受動 Qスィッチレーザ装置の好適な実施形態につ いて説明する。
[0021] 図 1に示すように、受動 Qスィッチレーザ装置（以下、単に「レーザ装置」と称す） 10 は、レーザ媒質としての Nd:YAG結晶 11を有している。 Nd3+ :YAG結晶 11は、波 長 808nm付近の光で励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長約 1064η mの光を放出する。各波長は特定波長に対して ± 10nmの誤差を有していてもよい。 なお、以下の説明では、 Nd3+ :YAG結晶 11から放出される光を放出光 21と称する
[0022] この Nd3+ :YAG結晶 11は、光共振器 12内に配置されており、この光共振器 12は 互いに対向する一対のミラー (反射手段） 12A, 12B力もなつている。そして、ミラー 1 2Aは波長約 808nmの光を透過すると共に波長約 1064nmを高反射率で反射し、ミ ラー 12Bは波長約 1064nmの光の一部を透過すると共に残りを反射させる。なお、ミ ラー 12Aは、 Nd3+： YAG結晶 11の端面に形成された誘電体多層膜としてもよ!、。
[0023] この光共振器 12の外側には、 Nd3+ :YAG結晶 11を励起するための波長約 808η mの光 (励起光） 22を出力する励起光源部 13が設けられている。励起光源部 13は、 例えば、波長約 808nmの励起光 22を出力する半導体レーザ素子と、その励起光 2 2をミラー 12Aを介して Nd3+： YAG結晶 11に入射するためのレンズ系と力もなる。な お、励起光源部 13としては、半導体レーザ素子を有するものとしたが、必ずしも半導 体レーザ素子に限定されず、 Nd3+ :YAG結晶 11を励起可能な波長の光を出力でき れば良ぐまた、励起光源部 13からの励起光 22を Nd3+ :YAG結晶 11に入射できれ ばレンズ系はなくてもよい。
[0024] また、レーザ装置 10は、 Qスィッチを実現するために可飽和吸収体としての Cr4+： YAG結晶 14を更に有する。この Cr4+ :YAG結晶 14は、互いに直交するく 001 > 軸 (第 1の結晶軸）、 < 100>軸 (第 2の結晶軸)及び < 010>軸 (第 3の結晶軸）を有 する立方晶系の結晶体であり異方性を有する。
[0025] Cr4+ :YAG結晶 14は、 < 001 >軸が光共振器 12の光軸 Lに略直交すると共に、 く 110 >方位と光軸 Lとが略平行になるように、 Nd3+： YAG結晶 11とミラー 12Bとの 間の光軸 L上に配置されている。なお、「略」とは角度差が ± 10度以下のことを意味 するものとする。
[0026] すなわち、図 2に示すように、光軸 Lとく 001 >軸とのなす第 1の角度を 0とし、 < 1 00 >軸及び < 010 >軸を含む平面（< 100> < 010>平面）への光軸 Lの投射景 L 1とく 100 >軸とのなす第 2の角度を φとしたときに、 0が π Ζ2で φが π Ζ4となつ ている。光共振器 12内では、 Nd3+ :YAG結晶 11からの放出光 21は、光共振器 12 の光軸 Lに沿って主に伝播するため、光軸 Lの方向は、 Nd3+ :YAG結晶 11からの 放出光 21の Cr4+ :YAG結晶 14への入射方向（図中、矢印 Aの方向）に相当する。
[0027] この Cr4+ :YAG結晶 14は、 Nd3+： YAG結晶 11から出力された放出光 21が入射 されると、その放出光 21を吸収するが、その吸収に伴い透過率が増加し、励起準位 の電子密度が増大して励起準位が満たされたときに透明化する。これによつて、光共 振器 12の Q値が高まりレーザ発振が生じる。
[0028] 次に、このレーザ装置 10の動作について説明する。図 1に示すように、励起光源部 13から波長約 808nmの励起光 22が出力されると、励起光 22はミラー 12Aを通って Nd3+： YAG結晶 11に入射して Nd3+： YAG結晶 11を励起し反転分布を生じせしめ る。そして、励起された Nd3+ :YAG結晶 11での上準位から下準位への遷移によって 波長約 1064nmの放出光 21が放出されると、その放出光 21は Cr4+： YAG結晶 14 に入射して Cr4+ :YAG結晶 14によって吸収される。この吸収に伴い Cr4+： YAG結 晶 14の励起準位の電子密度が増大し飽和すると、 Cr4+ :YAG結晶 14が透明化す る結果、光共振器 12の Q値が高まりレーザ発振が生じる。そして、ミラー 12Bから波 長約 1064nmのレーザ光 23が出力される。
[0029] このレーザ装置 10では、 Cr4+ :YAG結晶 14を前述した配置関係で光共振器 12内 に配置し、放出光 21をく 110>方位に沿って入射させていることが重要である。す なわち、放出光 21を Cr4+ :YAG結晶 14のく 110>方位に沿って入射することで、 偏光方向が安定したレーザ光 23を出力できる。これにより、レーザ装置 10は、直線 偏光を利用したエアロゾルの形状計測や、非線形光学結晶励起による波長変換など に好適に利用可能となっている。
[0030] ここで、レーザ装置 10から出力されるレーザ光 23の偏光方向の安定性について、 図 3及び図 4を利用して説明する。
[0031] 図 3は、レーザ装置 10から出力されるレーザ光 23の偏光方向の安定性を調べるた めの測定システム 30の概略図である。測定システム 30は、レーザ装置 10と、偏光ビ 一ムスプリッタ 31と、パワーメータ 32, 33とを有する。偏光ビームスプリッタ 31は、レ 一ザ装置 10から出力されたレーザ光 23の光路上に配置され、レーザ光 23を P偏光 成分と、 S偏光成分とに分岐する。そして、パワーメータ 32は、偏光ビームスプリッタ 3 1で分岐された P偏光成分の光を受けてその強度を測定し、パワーメータ 33は、 S偏 光成分の光を受けてその強度を測定する。なお、測定では、ァライメントをずらして放 出光 21の偏光方向が変わりやすくするために光共振器 12内の温度を 25°C〜40°C まで変化させる。 [0032] 図 4は、測定システム 30で測定されたレーザ光 23の偏光特性を示す図である。図 4 (a)は、レーザ光 23の S偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は、測定開始から の時間（分)を示し、縦軸は S偏光成分の強度 (パルスエネルギー (mj)を示して 、る 。図 4 (b)はレーザ光 23の P偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始か らの時間（分)を示し、縦軸は P偏光成分の強度 (パルスエネルギー (mj) )の測定結 果である。
[0033] 図 4 (a) , (b)に示すように、光共振器 12の温度変化によって放出光 21の偏光方向 が変わりやすくなつているにも拘わらず、レーザ装置 10からは、 S偏光のレーザ光 23 のみ出力されており、安定した偏光特性を実現できている。このときの P偏光成分の パルスエネルギーは、 S偏光成分のパルスエネルギーの 100分の 5以下、好適には 1 000分の 1以下である。
[0034] ここで、比較のために、従来の受動 Qスィッチレーザ装置で採用されているように、 Cr4+ :YAG結晶 14のく 100>軸に沿って放出光 21を入射した場合に出力されるレ 一ザ光の偏光特性について説明する。この場合、偏光特性を得るための測定システ ム 30は、図 3と同様である。ただし、 Cr4+ :YAG結晶 14を、そのく 100>軸と光軸 L とが平行になるように光共振器 12内に配置し、 Nd3+： YAG結晶 11からの放出光 21 の Cr4+： YAG結晶 14への入射方向がく 100 >軸と平行になるようにした。
[0035] 図 5は、この場合のレーザ光の偏光特性を示す図である。図 5 (a)は S偏光成分の 強度の測定結果であり、図 5 (b)は P偏光成分の強度の測定結果である。なお、図 5 ( a) , (b)の横軸及び縦軸は、それぞれ図 4 (a) , (b)と同様である。図 5 (a)、（b)に示 すように、この場合には、 S偏光及び P偏光のレーザ光が交互に出力されておりレー ザ光の偏光状態が安定して 、な 、。
[0036] したがって、図 4と図 5とを比較すれば明らかなように、レーザ装置 10では、 Cr4+ :Y AG結晶 14のく 110 >方位を光軸 Lと平行とし、く 110>方位に放出光 21を入射さ せることによって、前述したように偏光方向が極めて安定したレーザ光 23を生成でき ている。
[0037] 次に、く 110>方位に放出光 21を入射することでレーザ光 23の偏光方向を安定 化できる理由について説明する。レーザ光 23の偏光方向を安定ィ匕させるために、本 発明者らは、 Cr4+： YAG結晶 14の透過率の偏光方向依存性に着目した。
[0038] 図 6は、 Cr4+ :YAG結晶 14の透過率の偏光方向依存性の測定システム 40の構成 を示す概略図である。
[0039] この測定システム 40では、偏光方向の安定した連続発振の YAGレーザ光源 41を 利用している。そして、 YAGレーザ光源 41から出力されるレーザ光 24を、 1Z2波長 板 42を通して Cr4+： YAG結晶 14に入射し、 Cr4+： YAG結晶 14を透過したレーザ 光 24の強度をパワーメータ 43で測定する。 Cr4+： YAG結晶 14への入射光の偏光 方向は 1Z2波長板 42にて回転させる。そして、予め Cr4+ :YAG結晶 14のない状態 で入射光強度を測定しておき、 Cr4+： YAG結晶 14を透過したレーザ光 24をその光 強度で割って透過率を求める。なお、 Cr4+ :YAG結晶 14のく 001 >軸は、測定シス テム 40の各構成要素を配置する定盤 (不図示）に対して略垂直になるように配置して いる。
[0040] 先ず、従来のレーザ装置に対応させるように、 Cr4+ :YAG結晶 14のく 100>軸に 沿ってレーザ光 24を入射させた場合について説明する。図 7は、 Cr4+ :YAG結晶へ の YAGレーザ光源 41からのレーザ光 24の入射方向（図中、矢印 B)及びレーザ光 2 4の偏光方向（図中、矢印 C)と、結晶軸との関係を示す概略図である。図 7において 、入射光であるレーザ光 24の偏光成分を含む面（以下、偏光面という） 50を円で示し ており、偏光面 50は入射方向 Bに直交している。また、く 001 >軸と偏光方向じとの なす第 3の角度を |8としている。この測定において、 1Z2波長板 42 (図 6参照）を回 転させることは、偏光面 50内で偏光方向 Cを回転させる（ βを 0〜2 πまで変化させる )ことに相当する。
[0041] 図 8は、 Cr4+ :YAG結晶 14のく 100>軸に沿ってレーザ光 24を入射させた場合 の透過率の測定結果である。横軸は第 3の角度 |8 (ラジアン)を示しており、縦軸は透 過率（％)を示している。なお、 j8 =0、 π Ζ2は、偏光方向 Cがそれぞれく 001 >軸 、く 010>軸に平行な場合に相当する。図 8に示すように、 |8が π Ζ2ずれる毎に、 すなわち、偏光方向 Cがく 001 >軸及びく 010>軸にほぼ平行になるときにほぼ同 じ透過率のピークが生じて 、る。
[0042] したがって、従来のレーザ装置で採用されているように、 Cr4+ :YAG結晶 14をく 1 00 >軸と光共振器 12の光軸 Lとを平行に配置してく 100 >軸に沿って放出光 21を 入射させた場合、放出光 21の偏光方向がく 001 >軸およびく 010 >軸に平行であ るときにレーザ発振が生じやすい。そして、両軸にそれぞれ平行な偏光方向の放出 光 21に対する透過率がほぼ等 、ことから、どちらの偏光方向 Cの放出光 21に対し ても同じようにレーザ発振が生じる。その結果、ァライメントのずれなどによって生じる 放出光 21の偏光方向 Cの変動に応じて、出力されるレーザ光の偏光方向も変動し、 図 5に示した結果となる。
[0043] これに対して、レーザ装置 10で採用しているように、 Cr4+ : YAG結晶 14のく 110
>方位にレーザ光 24を入射させる場合について説明する。図 9は、 Cr4+ : YAG結晶 14への YAGレーザ光源 41からのレーザ光 24の入射方向 B及び偏光方向 Cと、結 晶軸との関係を示す概略図である。なお、第 3の角度 j8は、図 7の場合と同様に偏光 方向 Cとく 001 >軸との間の角度である。図 10は、この場合の透過率の測定結果で ある。
[0044] 図 10に示すように、第 3の角度 |8が π Ζ2ずれる毎に透過率のピークがある力 図 9に示すように、偏光面 50には 1つの結晶軸（すなわち、 < 001 >軸）しかないため、 偏光方向 Cが < 001 >軸に平行な場合（ = 0の場合)の透過率と、偏光方向じが < 001 >軸に平行なときから π Ζ2回転した場合 ( β = π Ζ2の場合）の透過率とに Δ Τだけ差が生じている。そのため、この差 Δ Τが生じるように Cr4+ : YAG結晶 14を レーザ装置 10に組み込むことで、より大きな透過率を有する偏光方向 Cの光に対し てレーザ発振を生じせしめるようにレーザ発振を制御することが可能である。
[0045] そして、前述したように、レーザ装置 10では、 Cr4+ : YAG結晶 14のく 110 >方位 に放出光 21 (図 1参照）を入射させているので、互いに直交する偏光方向の放出光 2 1に対する Cr4+ : YAG結晶 14の透過率に図 10に示す差 Δ Τが生じる。なお、ここで は、 Δ Τは約 10%である。この差 Δ Τが生じることによって、レーザ装置 10では、放 出光 21の偏光方向 Cが変動した場合でもより透過率の高い偏光方向 Cの場合に対 してのみレーザ発振が起こる。そのため、図 4に示したような偏光方向の安定したレ 一ザ光 23を得ることができて!/、る。
[0046] このように、レーザ装置 10において、 Cr4+： YAG結晶 14は、 Qスィッチ素子として の機能を有すると共に、偏光方向を制御する素子としての機能も有する。そのため、 例えば、偏光方向を制御するために偏光素子などを光共振器 12内に更に配置する 必要がないので、光共振器 12のミラー 12A, 12B間の距離を短くすることが可能で ある。これにより、パルス幅が短くなる結果、偏光方向の安定ィ匕を図りつつピーク強度 の大き 、パルス光を生成できる。
[0047] そして、 Cr4+： YAG結晶 14で偏光方向を制御できることから、偏光方向を制御した まま、 Nd3+： YAG結晶 11と Cr4+： YAG結晶 14とをコンポジットィ匕することも可能であ る。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力できる高性能なマイクロチップレ 一ザとすることも可能である。また、前述したように、偏光方向の制御のために、偏光 素子などを別に配置する必要がないことからコストの低減も図ることもできる。
[0048] ところで、図 1に示したレーザ装置 10では、 Cr4+ : YAG結晶 14のく 110 >方位に 放出光 21を入射しているが、この場合に限定されない。前述したように、偏光方向及 びレーザ発振は差 Δ Τによって制御できるので、互いに直交する 2つの偏光方向の 放出光 21に対して透過率の差 Δ Tが生じるように、 Cr4+： YAG結晶 14が光共振器 1 2に対して配置されていればよい。この場合の Cr4+ : YAG結晶 14の光共振器 12に 対する配置としては、図 2に示した第 1の角度 Θ及び第 2の角度 φが以下の式 (4)及 び式（5)を満たして 、ることが好まし 、。
[数 4]
[m― ξ) < θ < -(ηι + ξ) ( 4 )
[数 5]
Figure imgf000015_0001
ただし、 m=0, 1, 2, 3であり、 ζは下記式を満たす。
[数 6]
1
0 < £ < ( 6 )
4
[0049] 二の式 (4)及び式（5)を満たすことが好ましいのは、以下の理由による。ここでも、 C r4+ :YAG結晶 14の透過率の偏光方向依存性に基づいて説明する。透過率の偏光 方向依存性を測定するための測定システムは、図 6に示した測定システム 40と同様 である。図 11は、 Cr4+ :YAG結晶 14への入射光としてのレーザ光 24 (図 6参照）の 入射方向 B及び偏光方向 Cと、結晶軸との関係を示す概略図である。なお、図 11に おいて、第 3の角度 |8は、入射方向 B及び < 001 >軸を含む平面と、偏光方向じとの なす角度である。
[0050] 先ず、 θ = π /2、すなわち、 Cr4+ :YAG結晶 14へのレーザ光 24の入射方向 Βが く 100 >く 010 >面内にある場合を考える。ここで、レーザ光 24の偏光方向 Cが j8 =0および |8 = π Ζ2のときの透過率は、第 2の角度 φに対して図 12 (a)のように変 化する。図 12 (a)において、横軸は第 2の角度 φ (ラジアン)を示し、縦軸は透過率（ %)を示している。また、直線 Iは β =0の場合を示し、曲線 IIは β = π /2の場合を 示している。この時の両者の透過率の差 Δ Τは図 12 (b)のようになる。図 12 (b)にお いて、横軸は第 2の角度 φ (ラジアン)を示し、縦軸は差 Δ Τ (%)を示している。
[0051] 図 12 (b)より、差 Δ Τが最も大きくなるのは、以下の場合である。
[数 7]
Figure imgf000016_0001
[0052] ただし、 m=0、 1、 2、 3であり、以下同様とする。
[0053] ここで、ァライメントによるずれをカバーする範囲を差 Δ Τの最大値 Δ Τ の半分の
MAX
値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差 Δ Tを得るための 第 2の角度 φの範囲は、以下の通りである。
[数 8]
Figure imgf000016_0002
[0054] 次に、 φ = π Ζ4に固定、すなわち入射方向 B力 <001 >軸及び < 110 >方位 を含む面、すなわち、く 001 X 110 >面内にある場合を考える。この場合、レーザ 光 24の偏光方向じが β =0および β = π Ζ2のときの透過率は、第 1の角度 Θに対 して図 13 (a)のように変化する。図 13 (a)の横軸は、第 1の角度 0 (ラジアン)を示し、 縦軸は透過率（％)を示している。また、図 12 (a)の場合と同様に、直線 Iは、 B =0の 場合を示し、曲線 IIは、 β = π /2の場合を示している。この両者の透過率の差 Δ Τ は図 132(b)のようになる。図 13 (b)において、横軸は第 1の角度 0 (ラジアン)を示し 、縦軸は差 ΔΤ(%)を示している。
[0055] 図 13 (b)より、差 Δ Τが最も大きくなるのは、以下の式のときである。
[数 9]
Θ = - · - - ( 9 )
2
[0056] この場合も、ァライメントによるずれをカバーする範囲を、差 Δ Τの最大値 ΔΤ の
MAX
半分の値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差 Δ Tを得る ための第 1の角度 Θの範囲は、以下の通りである。
[数 10]
1 1
m m Λ "― ( 1 0 )
4 4
[0057] 上記式（8)は 0を π Ζ2に固定したときの式であり、式（10)は φを π Ζ4に固定し たときの式である力 図 12及び図 13に示すように、差 ΔΤの最大値（ΔΤ )のとき
MAX
の角度とその半分の値（（1Z2) ΔΤ )のときの角度との差は π Ζ8である。そこで
MAX
、式 (8)及び式（10)において、この第 1の角度 Θと第 2の角度 φとが互いに π Ζ8ま で変動することを許容できるとすると、偏光方向を制御可能な差 ΔΤの範囲は、式 (4 )及び式 (5)を共に満たすときである。
[0058] したがって、式 (4)及び式 (5)を満たす範囲で、 Cr4+ :YAG結晶 14を光共振器 12 に対して配置することで、放出光 21の偏光方向 Cが変動しても、差 ΔΤによって偏光 方向を制御できる。その結果、レーザ光 23 (図 1参照）の偏光方向が安定する。なお 、 Cr4+ :YAG結晶 14を、そのく 110 >方位が光共振器 12の光軸 Lに沿うように配置 することは、式 (4)及び式（5)において、 0が π Ζ2であり、 φが π Ζ4のときに相当 する。この場合、図 12及び図 13の結果力も差 ΔΤが最大になるため、レーザ光 23の 偏光方向を確実に制御できる。
[0059] 以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に 限定されない。例えば、可飽和吸収体として Cr4+ :YAG結晶 14を利用しているが、 同様の結晶構造を有する V3+ :YAG結晶を利用することも可能である。更に、可飽和 吸収体として、 GaAsを利用することも可能である。これらの場合も、可飽和吸収体へ の入射光の互 、に直交する偏光方向に対して透過率に差 Δ Tが生じるように可飽和 吸収体を配置することで、出力されるレーザ光の偏光方向を制御できると共に安定 化することが可能である。この場合も、式 (4)及び式（5)を満たして可飽和吸収体を 光共振器 12内に配置することが好ましぐ可飽和吸収体のく 110 >方位に入射させ ることが更に好ましい。
[0060] 更に、レーザ装置 10では、可飽和吸収体としての Cr4+ :YAG結晶 14とミラー 12B とは離して配置しているが、図 14に示すレーザ装置 60のように、 Cr4+ :YAG結晶 14 の端面上にミラー 12Bを配置してもよい。これにより、光共振器 12の光軸 L方向の長 さを更に短くでき、小型化が図れる。そして、ミラー 12Bを Cr4+YAG結晶 14の端面 に形成した誘電体多層膜とすることで更に小型化が図れる。
[0061] また、図 15に示したレーザ装置 61のように、偏光方向を制御したままレーザ媒質と しての Nd： YAG結晶 11と Cr4+： YAG結晶 14とをコンポジット化し、 Nd3+： YAG結 晶 11及び Cr4+： YAG結晶 14の端面にそれぞれ誘電体多層膜としてのミラー 12A, 12Bを形成してもよい。この場合、レーザ装置 61は、偏光方向の安定したレーザ光を 出力できる高性能なマイクロチップレーザである。
[0062] 更に、レーザ媒質は、 Nd3+： YAGに限定されず、可飽和吸収体に吸収される波長 の光を放出できるものであれば良 、。
産業上の利用可能性
[0063] 本発明は、受動 Qスィッチレーザ装置に利用することができる。

Claims

請求の範囲 [1] 光共振器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出 するレーザ媒質と、 前記一対の反射手段間であって前記光共振器の光軸上に配置されると共に、前記 レーザ媒質力 放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体 と、 前記レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、 を備え、 前記可飽和吸収体は、互いに直交す 4 3る第 1〜第 3の結晶軸を有する結晶体であり、 前記レーザ媒質力 放出される互いに直交する 2つの偏光方向の放出光に対してそ れぞれ異なる透過率を有するように光共振器内に配置されて ヽることを特徴とする受 動 Qスィッチレーザ装置。 [2] 前記可飽和吸収体の前記第 1の結晶軸と前記光共振器の前記光軸とのなす第 1の 角度を Θとし、前記第 2の結晶軸と前記第 3の結晶軸を含む平面への前記光軸の投 射影と前記第 2の結晶軸とのなす第 2の角度を φとしたとき、 第 1の角度 Θ及び第 2の角度 φが、それぞれ下記式（1)及び式 (2)を満たしており
[数 1]
-{πι-ξ)≤ θ<-{πι + ξ)' · · (1)
[数 2]
1 π
m + ζ +— \≤φ≤—\ m- + (2)
4 2 ただし、 m=0, 2, 3であり、
ζは、
[数 3]
1
0≤ξ≤ (3)
4 を満たして ヽることを特徴とする請求項 1に記載の受動 Qスィッチレーザ装置。
[3] 前記第 1の角度 Θが π Ζ2であって、前記第 2の角度 φが π Ζ4であることを特徴と する請求項 1に記載の受動 Qスィッチレーザ装置。
[4] 前記可飽和吸収体が、 Cr4+ :YAG結晶であって、
前記第 1の結晶軸はく 001 >軸であり、前記第 2の結晶軸はく 100>軸であり、前 記第 3の結晶軸はく 010 >軸であることを特徴とする請求項 1に記載の受動 Qスイツ チレーザ装置。
[5] 前記可飽和吸収体が、 V3+ :YAG結晶であって、
前記第 1の結晶軸はく 001 >軸であり、前記第 2の結晶軸はく 100>軸であり、前 記第 3の結晶軸はく 010 >軸であることを特徴とする請求項 1に記載の受動 Qスイツ チレーザ装置。
[6] 前記可飽和吸収体が、 GaAsであることを特徴とする請求項 1に記載の受動 Qスィ ツチレーザ装置。
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