JP2003298164A - レーザー発振方法およびレーザー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ネオジウムを原子数の比率で１％を越える高濃
度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶などのような、レー
ザー活性イオンを所定の濃度で添加した結晶よりなるレ
ーザー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、フローティン
グゾーン法により、レーザー活性イオンとしてネオジウ
ムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度となるように
添加されたガドリニウムバナデイト結晶よりなるレーザ
ー媒質を利用するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー発振方法
およびレーザー装置に関し、さらに詳細には、励起光に
より励起されてレーザー発振するレーザー媒質を用いた
レーザー発振方法およびレーザー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザー活性イオンとしてネ
オジウム（Ｎｄ）が添加（以下、「ドープ」と適宜に称
する。）されたガドリニウムバナデイト（ＧｄＶＯ_４）
結晶であるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト（以
下、「Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４」と適宜称する。）結晶は、レ
ーザー媒質としての有用性が期待されている。

【０００３】しかしながら、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は作
成が困難であって、Ｎｄ：ＧｄＶＯ _４結晶の結晶成長は
研究段階で行われているに過ぎないのが現状であり、製
品化はほとんど行われていない。

【０００４】一方、製品化されて販売されているＮｄ：
ＧｄＶＯ_４結晶は、ネオジウムの添加濃度が原子数の比
率にして１％以下のものであって、ネオジウムの添加濃
度が低いことが指摘されていた。また、十分な光学特性
を保障しているものはなかった。

【０００５】このため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶と同じレ
ーザー発振波長域を持ち、かつ、現時点において固体レ
ーザー媒質として市場の中心を占めているネオジウム添
加イットリウムアルミニウムガーネット（以下、「Ｎ
ｄ：ＹＡＧ」と適宜称する。）結晶やネオジウム添加イ
ットリウムバナデイト（以下、「Ｎｄ：ＹＶＯ_４」と適
宜称する。）結晶と比較すると、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶
の持つ優位性を生かし切れておらず、市場への普及には
至っていないというのが現状である。

【０００６】

【特許文献１】特開２００１−２２３４２３

【０００７】

【非特許文献１】 Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｓｈｏｎａｉ ｅｔ ａｌ． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｕｌｌｅｔ
ｉｎ ３５（２０００）２２５−２３２ 例えば、特許文献１には、ＴＧＴ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法によ
り、ネオジウムを高濃度で添加したＮｄ：ＹＡＧ結晶が
開示されている。

【０００８】また、非特許文献１には、フローティング
ゾーン法によりネオジウムを添加したＮｄ：ＹＶＯ_４結
晶が開示されている。

【０００９】また、従来においては、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４
結晶を作成する際に、レーザー活性イオンとしてネオジ
ウムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加するこ
とが困難であったため、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶の主吸収
帯である波長８０８ｎｍ以外の波長帯の励起光の励起に
よるレーザー発振は、現在に至るまで実用化されていな
かった。

【００１０】即ち、現在市販されているネオジウムの添
加濃度の低いＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶は励起光の吸収が全
体的に低いため、波長８０８ｎｍである主吸収帯以外で
の励起は困難であり、仮に励起によりレーザー発振が行
われたとしても、吸収することのできるエネルギーが小
さいため効率が悪く、有効に出力を得ることができなか
った。

【００１１】このため、レーザー媒質としてネオジウム
を原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：
ＧｄＶＯ_４結晶の作成方法や、ネオジウムを原子数の比
率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結
晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法や、ネオジウ
ムを原子数の比率で１％を越える高濃度で添加したＮ
ｄ：ＧｄＶＯ_４結晶をレーザー媒質としたレーザー装置
の提案が強く望まれていた。

【００１２】なお、本明細書においては、レーザー活性
イオンとしてネオジウムを原子数の比率で１％を越える
高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を総称して、単
に「高濃度Ｎｄ添加ＧｄＶＯ_４結晶」あるいは「高濃度
Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶」と適宜に称することとする。

【００１３】また、上記と同様な背景から、レーザー媒
質としてレーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃ
ｒイオンなどを高濃度で添加した単結晶である、例え
ば、Ｔｍ：ＹＶＯ_４やＴｍ：ＧｄＶＯ_４などの作成方法
や、当該単結晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法
や、当該単結晶をレーザー媒質としたレーザー装置の提
案が強く望まれていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、レーザー活性イオンを所
定の濃度で添加した結晶よりなるレーザー媒質を用いた
レーザー発振方法およびレーザー装置を提供しようとす
るものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザー媒
質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発
振方法において、フローティングゾーン法により、レー
ザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で２％
乃至１５％の濃度となるように添加されたガドリニウム
バナデイト結晶よりなるレーザー媒質を利用するように
したものである。

【００１６】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振
するレーザー発振方法において、フローティングゾーン
法により作成されたレーザー活性イオンが所定の濃度に
添加された結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯であ
る波長帯とは異なる波長帯の励起光の励起によりレーザ
ー発振するようにしたものである。

【００１７】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振
するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンと
してネオジウムが原子数の比率で１％を越える濃度とな
るように添加されたガドリニウムバナデイト結晶よりな
るレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯と
は異なる波長帯の励起光の励起によりレーザー発振する
ようにしたものである。

【００１８】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振
するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンと
してネオジウムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度
となるように添加されたガドリニウムバナデイト結晶よ
りなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長８０８ｎｍ
帯とは異なる波長帯の励起光の励起によりレーザー発振
するようにしたものである。

【００１９】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、本発明のうち請求項３または請求項４のいずれか１
項に記載の発明において、上記主吸収帯である波長８０
８ｎｍ帯とは異なる波長帯の励起光として、波長８８０
ｎｍ帯の励起光を用いるようにしたものである。

【００２０】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒
質に励起光を入射することにより上記共振器内において
レーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光
を出射させるレーザー装置において、上記レーザー媒質
は、フローティングゾーン法により作成されたレーザー
活性イオンが所定の濃度に添加された結晶よりなるレー
ザー媒質としたものである。

【００２１】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒
質に励起光を入射することにより上記共振器内において
レーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光
を出射させるレーザー装置において、上記レーザー媒質
は、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比
率で１％を越える濃度となるように添加されたガドリニ
ウムバナデイト結晶としたものである。

【００２２】また、本発明のうち請求項８に記載の発明
は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、上記
レーザー媒質は、上記ネオジウムが原子数の比率で２％
乃至１５％の濃度となるように添加されたものとしたも
のである。

【００２３】また、本発明のうち請求項９に記載の発明
は、本発明のうち請求項７または請求項８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、主吸収
帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯の励起光の
励起によりレーザー発振するようにしたものである。

【００２４】また、本発明のうち請求項１０に記載の発
明は、本発明のうち請求項９に記載の発明において、上
記主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯の
励起光として、波長８８０ｎｍ帯の励起光を用いるよう
にしたものである。

【００２５】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６、請求項７、請求項８、請
求項９または請求項１０のいずれか１項に記載の発明に
おいて、上記励起光は半導体レーザー励起により入射さ
れるようにしたものである。

【００２６】また、本発明のうち請求項１２に記載の発
明は、波長８８０ｎｍ帯の励起光が、ネオジウムイオン
を基底準位から^４Ｆ_３／２準位へ励起するようにしたも
のである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明によるレーザー発振方法およびレーザー装置
の実施の形態の一例を詳細に説明する。

【００２８】まず、図１には、本発明の実施の形態の一
例によるレーザー媒質を作成するための手法であるフロ
ーティングゾーン法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ Ｍ
ｅｔｈｏｄ：なお、以下においては、「ＦＺ法」と適宜
に称する。）の模式図が示されている。

【００２９】即ち、本発明においては、ＦＺ法と称され
る手法によって、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバ
ナデイト結晶や、レーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，
Ｅｒ，Ｃｒイオンなどを所定の濃度で添加した単結晶で
あるＴｍ：ＹＶＯ_４やＴｍ：ＧｄＶＯ_４などのレーザー
媒質を作成するものである。

【００３０】ここで、ＦＺ法とは、炉１０内おいて、高
温・高圧で焼結させた原料棒１２に赤外光源（Ｉｎｆｒ
ａｒｅｄ Ｓｏｕｒｃｅ）としてのハロゲンランプ（Ｈ
ａｌｏｇｅｎ Ｌａｍｐ）１４からの赤外光を集光させ
て溶融させ、種結晶と原料棒１２との間に溶融帯（フロ
ーティングゾーン：Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ）１６
を形成し、その溶融帯１６を一方向に移動させることに
より結晶を形成させていくという方法である。

【００３１】従って、ＦＺ法により高濃度ネオジウム添
加ガドリニウムバナデイト結晶を作成する場合には、ま
ず、原料棒１２としてネオジウムとガドリニウムとバナ
デイトとを高温・高圧で焼結させたものを用意する。次
に、この原料棒１２にハロゲンランプ１４からの赤外光
を集光させて溶融させ、種結晶と原料棒１２との間に溶
融帯１６を形成し、その溶融帯１６を一方向に移動させ
ることにより、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナ
デイト結晶を形成させていくものである。

【００３２】このＦＺ法によれば、例えば、高濃度ネオ
ジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として、レーザ
ー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で１％を
越える濃度ととなるように添加された高濃度ネオジウム
添加ガドリニウムバナデイト結晶を得ることができ、例
えば、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の
比率で２％乃至１５％の濃度となるように添加された高
濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を得る
ことができた。

【００３３】なお、上記した濃度は、例えば、原料棒１
２に所定の濃度のＮｄを焼結させることにより、任意の
濃度に制御することができる。

【００３４】また、このＦＺ法によれば、例えば、直径
３ｍｍ、長さ５０ｍｍの高濃度ネオジウム添加ガドリニ
ウムバナデイト結晶を作成することができた。

【００３５】なお、原料棒に赤外光を照射するハロゲン
ランプ１４としては、例えば、出力が１．５ｋＷのハロ
ゲンランプを用いることができる。

【００３６】ところで、従来、ネオジウム添加ガドリニ
ウムバナデイト結晶を作成するに当たっては、チョコラ
ルスキー法（以下、「Ｃｚ法」と適宜に称する。）など
の引き上げ法が用いられてきた。

【００３７】しかしながら、ネオジウム添加ガドリニウ
ムバナデイト結晶の特徴として、原料であるバナデイト
の融点が約１７００℃と高いため、坩堝や育成雰囲気に
制限があり、良質な結晶を作成することが困難であっ
た。

【００３８】このため、従来のネオジウムの添加濃度が
原子数の比率にして１％以下の低濃度のネオジウム添加
ガドリニウムバナデイト結晶においては、波長８０８ｎ
ｍ帯の主吸収帯にしかレーザー発振可能な吸収係数のピ
ークが存在しなかった。従って、従来のネオジウムの添
加濃度が原子数の比率にして１％以下の低濃度のネオジ
ウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質と
して用いてレーザー発振させるためには、主吸収帯であ
る波長８０８ｎｍ帯にあわせた発振波長８０８ｎｍのレ
ーザーダイオードによる励起光によって励起する必要が
あった。

【００３９】一方、本発明によるＦＺ法では、坩堝を使
用しないとともに育成雰囲気に制限がないので、従来の
問題点であった坩堝や育成雰囲気の制限が解消され、高
濃度かつ良質な結晶の育成が可能になった。

【００４０】このため、本発明により作成された高濃度
ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、波長８
０８ｎｍ帯に吸収係数のピークが最大の主吸収帯を持つ
が、その周囲にもレーザー発振可能な吸収係数のピーク
を持つ吸収帯が存在する。従って、本発明により作成さ
れた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶
においては、主吸収帯以外の吸収帯にあわせた発振波長
の励起光を用いても、レーザー発振を起こさせることが
可能となった。

【００４１】ところで、レーザーにおいては、入射光の
波長と出射光の波長との比（量子変換効率）以上に大き
な出力を得ることができない。

【００４２】本発明により作成された高濃度ネオジウム
添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として
用いた場合には、同じ波長の光を発振させる場合でも、
複数の吸収帯のなかから量子変化効率を最も大きくでき
る励起光の波長を選択することが可能となり、高効率な
発振を行うことができるようになる。

【００４３】ここで、上記したＦＺ法を用いて作成され
た高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶の
うちで、ネオジウムの濃度が２％、５％、１０％、即
ち、ネオジウムの原子数の比率が２％、５％、１０％の
三種類の結晶について、その吸収スペクトルの測定結果
を図２に示す。なお、図２においては、横軸に［ｎｍ］
単位で波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）をとり、縦軸に
［ｃｍ^−１］単位で吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）をとっている。

【００４４】図２から明らかなように、添加されるネオ
ジウムの濃度が高くなるに従い、励起光の吸収は大幅に
増加する。例えば、添加されるネオジウムの濃度が５％
の高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶で
は、吸収係数は８０８ｎｍにおいて１００［ｃｍ^−１］
以上である。

【００４５】また、図２に示すように、高濃度ネオジウ
ム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、レーザー発振可
能な吸収帯として、一般にレーザーダイオードによる励
起に用いられている波長８０８ｎｍの主吸収帯のほか
に、波長７５０ｎｍ周辺にピークを持つ吸収帯と波長８
８０ｎｍ周辺にピークを持つ吸収帯とが存在する。

【００４６】これらのなかで波長８８０ｎｍ周辺にピー
クを持つ吸収帯に着目すると、波長８８０ｎｍの吸収帯
における励起時の量子変換効率は「０．８３（８８０／
１０６０＝０．８３）」となり、波長８０８ｎｍの吸収
帯における励起時の量子変換効率である「０．７５（８
０８／１０６０＝０．７５）に比べて約１０％増加し、
その分の損失が熱に変わることによる出力の低下を防ぐ
ことができる。

【００４７】図３には、図４を参照しながら後述する本
発明によるレーザー装置を用いて、波長８８０ｎｍ帯で
ある波長８７９ｎｍの励起光で、ネオジウムの濃度、即
ち、ネオジウムの原子数の比率が５％の高濃度ネオジウ
ム添加ガドリニウムバナデイト結晶（Ｎｄ５％添加Ｇ
ｄ：ＶＯ_４結晶）を励起した実験結果の入出力特性が示
されている。

【００４８】なお、図３においては、横軸に［Ｗ］単位
で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ Ｐｏｗｅ
ｒ）、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に［Ｗ］
単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ）、即
ち、Ｎｄ５％添加Ｇｄ：ＶＯ_４結晶から発振されるレー
ザー光の出力パワーをとっている。

【００４９】次に、原子数の比率で２％、５％、１０％
のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガド
リニウムバナデイト結晶などのように、レーザー活性イ
オンとしてネオジウムを原子数の比率で１％越える濃度
で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイ
ト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー
装置について説明する。

【００５０】まず、図４には、高濃度ネオジウム添加ガ
ドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて
構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させ
るレーザー装置が示されている。

【００５１】この図４に示すレーザー装置１００は、レ
ーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナ
デイト結晶１０２と、励起光を生成するためのチタンサ
ファイアレーザー１０４と、全反射鏡１０６、１０８
と、集光レンズ１１０と、出射ミラー１１２とを有して
構成されている。

【００５２】ここで、チタンサファイアレーザー１０４
は、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起
光源としての励起レーザーであって、波長が８８０ｎｍ
であり、最大出力パワーが平均して４０ｍＷであり、パ
ルス幅が８０ｎｓの１ｋＨｚ繰り返しのチタンサファイ
アレーザーである。

【００５３】また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウム
バナデイト結晶１０２は、「縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ
１ｍｍ」の大きさにカットされており、チタンサファイ
アレーザー１０４と対向する第１表面１０２ａは、波長
が１０６３ｎｍの光を全反射するとともに波長が８８０
ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティングを施
され、出射ミラー１１２と対向する第２表面１０２ｂ
は、波長が１０６３ｎｍの光に対して無反射となるよう
にコーティングを施されている。

【００５４】さらに、出射ミラー１１２は、高濃度ネオ
ジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と対向す
る面が曲率半径５０ｍｍの凹面１１２ａとして形成され
るとともに、他方の面が平坦面１１２ｂとして形成され
ている。また、凹面１１２ａは、波長が１０６４ｎｍの
光の反射率が９０％となるようなコーティングを施され
ていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面１
１２ｂには、コーディングは施されていない。

【００５５】なお、集光レンズ１１０は、溶融石英硝子
により形成されており、１００ｍｍの焦点距離を備える
ようになされている。

【００５６】従って、このレーザー装置１００において
は、第１表面１０２ａと凹面１１２ａとにより共振器が
構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質と
して高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶
１０２が配置されていることになる。なお、共振器のキ
ャビティ長は３ｃｍに設定している。

【００５７】以上の構成において、チタンサファイアレ
ーザー１０４から出射された励起光を、全反射鏡１０
６、１０８を介して集光レンズ１１０に入射すると、集
光レンズ１１０は励起光を高濃度ネオジウム添加ガドリ
ニウムバナデイト結晶１０２に集光して入射する。

【００５８】このようにすると、共振器内においてレー
ザー発振を生じ、出射ミラー１１２の平坦面１１２ｂか
らレーザー光が出射されることになる。

【００５９】上記したように、図３は本願発明者による
実験結果を示すグラフであり、図４に示すレーザー装置
１００において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバ
ナデイト結晶１０２として原子数の比率で５％のネオジ
ウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウム
バナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラ
フが示されている。図３に示されているように、スロー
プ効率は５０％である。

【００６０】次に、図５には、高濃度ネオジウム添加ガ
ドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて
構成されたレーザー装置のなかで、ＣＷ（連続波）発振
動作させるレーザー装置が示されている。この図５に示
すレーザー装置は、半導体レーザー励起固体レーザー装
置として構成されている。

【００６１】なお、図５に示すレーザー装置の構成にお
いて、図４に示すレーザー装置１００の構成と同一ある
いは相当する構成に関しては、図４において用いた符号
と同一の符号を用いて示すこととし、その詳細な構成な
らびに作用の説明は省略する。

【００６２】この図５に示すレーザー装置２００は、レ
ーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナ
デイト結晶１０２と、励起光としてのビームを生成する
ための励起光源としてのレーザーダイオード２０２と、
レーザーダイオード２０２を加熱するためのヒートシン
ク２０４と、レーザーダイオード２０２から出射された
励起光としてのビームを高濃度ネオジウム添加ガドリニ
ウムバナデイト結晶１０２に集光して入射するグラディ
エントインデックスレンズ２０６と、出射ミラー２０８
とを有して構成されている。

【００６３】ここで、レーザーダイオード２０２は、Ｇ
ａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの２００μｍのシングルストライ
プレーザーダイオードであり、波長が２５℃で８８０ｎ
ｍであり、最大出力パワーが２Ｗである。

【００６４】また、ヒートシンク２０４は、銅製のブロ
ックよりなるものであるが、水冷により冷却されてい
る。

【００６５】さらに、出射ミラー２０８は、高濃度ネオ
ジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２と対向す
る面が曲率半径７５０ｍｍの凹面２０８ａとして形成さ
れるとともに、他方の面が平坦面２０８ｂとして形成さ
れている。また、凹面２０８ａは、波長が１０６４ｎｍ
の光の反射率が９５％となるようなコーティングを施さ
れていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面
２０８ｂには、コーディングは施されていない。

【００６６】なお、グラディエントインデックスレンズ
２０６は、１．８ｍｍの直径を備えている。

従って、このレーザー装置２００においては、第１表面
１０２ａと凹面２０８ａとにより共振器が構成されるこ
とになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネ
オジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２が配置
されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は
３ｃｍに設定している。

【００６７】また、このレーザー装置２００における半
導体レーザー励起は、レーザー発振により共振器を往復
する光の光軸と略一致する方向からレーザー媒質たる高
濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２
に励起光を入射する縦励起である。

【００６８】以上の構成において、レーザーダイオード
２０２から出射された励起光としてのビームを、グラデ
ィエントインデックスレンズ２０６に入射すると、グラ
ディエントインデックスレンズ２０６はビームを高濃度
ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶１０２に集
光して入射する。

【００６９】このようにすると、共振器内においてレー
ザー発振を生じ、出射ミラー２０８の平坦面２０８ｂか
らレーザー光が出射されることになる。

【００７０】上記したように、ネオジウムを原子数の比
率で１％を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結
晶を用いることにより、主吸収帯である波長８０８ｎｍ
帯以外の波長帯（例えば、波長８８０ｎｍ帯である。）
の吸収帯での励起を行ってレーザー発振させることが可
能となる。

【００７１】即ち、ネオジウムを高濃度に添加すること
によって、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶の持つ吸収係数が飛躍
的に増加するため、従来の技術により作成されたネオジ
ウムが低濃度に添加されたＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶では困
難であった吸収係数の小さな波長域での励起が可能とな
ったものである。

【００７２】また、ネオジウムを原子数の比率で１％を
越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を用い
て、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯以外の波長帯（例
えば、波長８８０ｎｍ帯である。）の吸収帯を選択して
励起することにより、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯
を選択して励起するよりも量子変換効率を向上させるこ
とが可能となり、高効率なレーザー発振を得ることがで
きるようになる。

【００７３】さらに、ネオジウムを原子数の比率で１％
を越える高濃度で添加したＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶を用い
ると、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯以外の波長帯
（例えば、波長８８０ｎｍ帯である。）の吸収帯を選択
して励起することが可能であるので、従来においては励
起光源は主吸収帯である８０８ｎｍに発振波長を持つレ
ーザーダイオードに限定されていたが、励起光源の選択
の裕度を広げることができる。

【００７４】次に、図６には、図７を参照しながら後述
する本発明によるレーザー装置を用いて、ネオジウムを
原子数の比率で２％の濃度で添加した高濃度ネオジウム
添加ガドリニウムバナデイト結晶（Ｎｄ２％添加Ｇｄ：
ＶＯ_４結晶）を、波長８０８ｎｍの励起光と波長８８０
ｎｍ帯である波長８７９ｎｍの励起光とで励起した場合
の比較実験結果の入出力特性が示されている。

【００７５】なお、図６においては、横軸に［ｍＷ］単
位で吸収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ Ｐｏｗｅ
ｒ）、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に［ｍ
Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ）、
即ち、Ｎｄ２％添加Ｇｄ：ＶＯ_４結晶から発振されるレ
ーザー光の出力パワーをとっている。

【００７６】図６から理解されるように、Ｎｄ２％添加
Ｇｄ：ＶＯ_４結晶は高濃度にネオジウムを添加している
ため、非常に高いレーザー発振効率が得られた。具体的
には、レーザー発振のスロープ効率は波長８０８ｎｍの
励起光の場合で６７％であり、波長８８０ｎｍ帯である
波長８７９ｎｍの励起光の場合で７８％であった。

【００７７】即ち、波長８８０ｎｍ帯である波長８７９
ｎｍで励起した場合には、波長８０８ｎｍの励起と比較
すると、エネルギー変換効率の違いとほぼ同じく、約１
０％ほどスロープ効率が向上している。

【００７８】次に、図７に示すレーザー装置について説
明すると、この図７に示すレーザー装置は、レーザー媒
質たるネオジウムを原子数の比率で２％の濃度で添加し
た高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３
０２と、パルス発振動作させる励起光を生成するための
励起光源としての励起レーザーたるチタンサファイアレ
ーザー３０４と、全反射鏡３０６、３０８と、励起光の
強度ならびに偏光を調整するためのλ／２波長板３２０
ならびにグランレーザープリズム（Ｇｒａｎｌａｓｅｒ
ｐｒｉｓｍ）３２２と、集光レンズ３１０と、出射ミ
ラー３１２とを有して構成されている。

【００７９】ここで、チタンサファイアレーザー３０４
は、コンピューター制御により波長を７００ｎｍから９
５０ｎｍまでの範囲で任意に選択することができ、最大
出力パワーが平均して２００ｍＷであり、パルス幅が１
００ｎｓの繰り返し１ｋＨｚのレーザーである。

【００８０】なお、図６に示す実験結果を得た実験にお
いては、コンピューター制御により波長８０８ｎｍまた
は波長８７９ｎｍの光を選択して励起光として用いた。

【００８１】また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウム
バナデイト結晶３０２は、「直径８ｍｍ×厚さ１ｍｍ」
の大きさにカットされており、チタンサファイアレーザ
ー３０４と対向する第１表面３０２ａは、波長が１０６
３ｎｍの光を全反射するとともに波長が８７９ｎｍの光
に対して無反射となるようにコーティングを施され、出
射ミラー３１２と対向する第２表面３０２ｂは、波長が
１０６３ｎｍの光に対して無反射となるようにコーティ
ングを施されている。

【００８２】さらに、出射ミラー３１２は、高濃度ネオ
ジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶３０２と対向す
る面が、曲率半径２００ｍｍの凹面３１２ａとして形成
されるとともに、他方の面が平坦面３１２ｂとして形成
されている。また、凹面３１２ａは、波長が１０６４ｎ
ｍの光の反射率が８０％となるようなコーティングを施
されていて、部分反射凹面鏡として構成されている。な
お、平坦面３１２ｂには、コーディングは施されていな
い。

【００８３】なお、集光レンズ３１０は、溶融石英硝子
で形成されており、１２０ｍｍの焦点距離を備えてい
る。

【００８４】従って、このレーザー装置３００において
は、第１表面３０２ａと凹面３１２ａとにより共振器が
構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質と
して高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶
３０２が配置されていることになる。なお、共振器のキ
ャビティ長は３ｍｍに設定している。

【００８５】以上の構成において、チタンサファイアレ
ーザー３０４から出射された励起光を、全反射鏡３０
６、３０８、λ／２波長板３２０、グランレーザープリ
ズム３２２を介して集光レンズ１１０に入射すると、集
光レンズ３１０は励起光を集光して高濃度ネオジウム添
加ガドリニウムバナデイト結晶３０２に集光して入射す
る。

【００８６】このようにすると、共振器内においてレー
ザー発振を生じ、出射ミラー３１２の平坦面３１２ｂか
らレーザー光が出射されることになる。

【００８７】なお、グランレーザープリズム３２２はあ
る一定の方向に偏光した光だけを透過させるため、λ／
２波長板３２０を回転させることによってグランレーザ
ープリズム３２２を透過する励起光の量を変化させるこ
とができる。これにより、高濃度ネオジウム添加ガドリ
ニウムバナデイト結晶３０２に入射する励起光のパワー
を調整した。

【００８８】また、上記したように高濃度ネオジウム添
加ガドリニウムバナデイト結晶に波長８８０ｎｍ帯の励
起光を入射することによりレーザー発振が生じるという
ことは、波長８８０ｎｍ帯の励起光がネオジウムイオン
を基底準位から^４Ｆ_３／２準位へ励起することを意味し
ている。

【００８９】なお、上記した実施の形態は、以下に説明
する（１）乃至（４）に示すように変形してもよい。

【００９０】（１）上記した実施の形態においては、ネ
オジウムを原子数の比率で２％、５％または１０％の濃
度でガドリニウムバナデイト結晶に添加した場合につい
て詳細に説明したが、これに限られるものではないこと
は勿論であり、ネオジウムをガドリニウムバナデイト結
晶に添加する濃度は、原子数の比率で１％を越える濃度
のような高濃度であればよいものであり、好ましくは２
％以上の濃度であり、より好ましくは２％乃至１５％の
濃度である。

【００９１】（２）上記した実施の形態においては、半
導体レーザー励起は端面励起によるものとしたが、これ
に限られるものではないことは勿論であり、レーザー発
振により共振器を往復する光の光軸の軸方向と略直交す
る方向からレーザー媒質に励起光を入射する側面励起に
より、半導体レーザー励起を行うようにしてもよい。

【００９２】（３）上記した実施の形態においては、レ
ーザー媒質として高濃度でネオジウムを添加したガドリ
ニウムバナデイト結晶について説明したが、本発明を適
用することができるレーザー媒質はこれに限定されるも
のではないことは勿論である。例えば、レーザー媒質と
してレーザー活性イオンたるＴｍ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｃｒイ
オンなどを高濃度で添加した単結晶である、例えば、Ｔ
ｍ：ＹＶＯ_４やＴｍ：ＧｄＶＯ_４などにも本発明を適用
することが可能である。なお、その際には、焼結体の濃
度を制御などを行うことが好ましい。

【００９３】（４）上記した実施の形態ならびに上記し
た（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせ
て用いるようにしてもよい。

【００９４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、レーザー活性イオンを所定の濃度で添加し
た結晶よりなるレーザー媒質を用いたレーザー発振方法
およびレーザー装置を提供することができるという優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例によるレーザー媒質
を作成するための手法であるフローティングゾーン法
（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ：なお、
以下においては、「ＦＺ法」と適宜に称する。）の模式
図である。

【図２】本願発明者による実験結果を示すグラフであ
り、本発明による高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバ
ナデイト結晶のうちで、ネオジウムの濃度が２％、５
％、１０％、即ち、ネオジウムの原子数の比率が２％、
５％、１０％の三種類の結晶について、その吸収スペク
トルの測定結果を示すグラフである。なお、横軸は［ｎ
ｍ］単位で波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を示し、縦軸
は［ｃｍ^−１］単位で吸収係数（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示している。

【図３】本願発明者による実験結果を示すグラフであ
り、図４に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウ
ム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率
で５％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添
加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入
出力特性のグラフである。なお、横軸は［Ｗ］単位で吸
収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ Ｐｏｗｅｒ）を示
し、縦軸は［Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐ
ｏｗｅｒ）を示している。

【図４】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト
結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装
置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す
概略構成説明図である。

【図５】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト
結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装
置のなかで、ＣＷ（連続波）発振動作させるレーザー装
置を示す概略構成説明図である。

【図６】本願発明者による実験結果を示すグラフであ
り、図７に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウ
ム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率
で２％のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添
加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入
出力特性のグラフである。なお、横軸は［Ｗ］単位で吸
収されたパワー（Ａｂｓｏｒｂｅｄ Ｐｏｗｅｒ）を示
し、縦軸は［Ｗ］単位で出力パワー（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐ
ｏｗｅｒ）を示している。

【図７】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト
結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装
置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す
概略構成説明図である。

【符号の説明】

１０ 炉 １２ 原料棒 １４ ハロゲンランプ（Ｈａｌｏｇｅｎ
Ｌａｍｐ） １６ 溶融帯（フローティングゾーン：
Ｆｌｏａｔｉｎｇｚｏｎｅ） １００、２００、３００ レーザー装置 １０２、３０２ 高濃度Ｎｄ添加ＹＡ
Ｇ単結晶 １０２ａ、３０２ａ 第１表面 １０２ｂ、３０２ｂ 第２表面 １０４、３０４ チタンサファイアレ
ーザー １０６、１０８、３０６、３０８ 全反射鏡 １１０、３１０ 集光レンズ １１２、２０８、３１２ 出射ミラー １１２ａ、２０８ａ、３１２ａ 凹面 １１２ｂ、２０８ｂ、３１２ｂ 平坦面 ２０２ レーザーダイオード ２０４ ヒートシンク ２０６ グラディエントインデックスレ
ンズ ３２０ λ／２波長板 ３２２ グランレーザープリズム（Ｇｒ
ａｎ ｌａｓｅｒ ｐｒｉｓｍ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 智之 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内 (72)発明者 小川 貴代 埼玉県和光市本町11−58−307 株式会社 メガオプト内 (72)発明者 田代 英夫 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内 (72)発明者 町田 博 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 エヌイーシートーキン株式会社内 (72)発明者 樋口 幹雄 北海道北広島市北進町２−１−９−403 (72)発明者 小平 紘平 北海道札幌市北区あいの里３−９−４−１ (72)発明者 庄内 智博 北海道札幌市中央区南９条西９丁目１−23 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BC40 CE03 EB01 HA02 NA05 5F072 AB20 AK01 JJ02 JJ20 KK03 KK18 KK30 PP07 PP10 RR01 SS06 SS10

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー媒質を励起光により励起してレ
   ーザー発振するレーザー発振方法において、 フローティングゾーン法により、レーザー活性イオンと
   してネオジウムが原子数の比率で２％乃至１５％の濃度
   となるように添加されたガドリニウムバナデイト結晶よ
   りなるレーザー媒質を利用するレーザー発振方法。
2. 【請求項２】 レーザー媒質を励起光により励起してレ
   ーザー発振するレーザー発振方法において、 フローティングゾーン法により作成されたレーザー活性
   イオンが所定の濃度に添加された結晶よりなるレーザー
   媒質を、主吸収帯である波長帯とは異なる波長帯の励起
   光の励起によりレーザー発振するレーザー発振方法。
3. 【請求項３】 レーザー媒質を励起光により励起してレ
   ーザー発振するレーザー発振方法において、 レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で
   １％を越える濃度となるように添加されたガドリニウム
   バナデイト結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯であ
   る波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯の励起光の励起に
   よりレーザー発振するレーザー発振方法。
4. 【請求項４】 レーザー媒質を励起光により励起してレ
   ーザー発振するレーザー発振方法において、 レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で
   ２％乃至１５％の濃度となるように添加されたガドリニ
   ウムバナデイト結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯
   である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯の励起光の励
   起によりレーザー発振するレーザー発振方法。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４のいずれか１項
   に記載のレーザー発振方法において、 前記主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯
   の励起光は、波長８８０ｎｍ帯の励起光であるレーザー
   発振方法。
6. 【請求項６】 共振器内にレーザー媒質を配置し、前記
   レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器
   内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器から
   レーザー光を出射させるレーザー装置において、 前記レーザー媒質は、フローティングゾーン法により作
   成されたレーザー活性イオンが所定の濃度に添加された
   結晶よりなるレーザー媒質であるレーザー装置。
7. 【請求項７】 共振器内にレーザー媒質を配置し、前記
   レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器
   内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器から
   レーザー光を出射させるレーザー装置において、 前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてネオジ
   ウムが原子数の比率で１％を越える濃度となるように添
   加されたガドリニウムバナデイト結晶であるレーザー装
   置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のレーザー装置におい
   て、 前記レーザー媒質は、前記ネオジウムが原子数の比率で
   ２％乃至１５％の濃度となるように添加されたものであ
   るレーザー装置。
9. 【請求項９】 請求項７または請求項８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、主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯
   とは異なる波長帯の励起光の励起によりレーザー発振す
   るものであるレーザー装置。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載のレーザー装置におい
    て、 前記主吸収帯である波長８０８ｎｍ帯とは異なる波長帯
    の励起光は、波長８８０ｎｍ帯の励起光であるレーザー
    装置。
11. 【請求項１１】 請求項６、請求項７、請求項８、請求
    項９または請求項１０のいずれか１項に記載のレーザー
    装置において、 前記励起光は半導体レーザー励起により入射されるもの
    であるレーザー装置。
12. 【請求項１２】 波長８８０ｎｍ帯の励起光が、ネオジ
    ウムイオンを基底準位から^４Ｆ_３／２準位へ励起するレ
    ーザー発振方法。