JP2005209679A

JP2005209679A - レーザー増幅装置

Info

Publication number: JP2005209679A
Application number: JP2004011482A
Authority: JP
Inventors: Junji Kawanaka; 準二河仲; Masayuki Fujita; 雅之藤田; Yasukazu Izawa; 靖和井澤
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Institute for Laser Technology
Current assignee: Institute for Laser Technology; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US20050232318A1

Abstract

【課題】
レーザー材料の増幅動作の指標であるレーザー発振動作時における励起エネルギー増加分に対する出力エネルギー増加分の割合を表すスロープ効率は、イッテルビウムヤグレーザーの場合、理論限界が約90%と極めて高くとれることが大きな利点の１つであるが、実際には約60% 程度にとどまっており、レーザー結晶内の光損失が大きく効率よいレーザー増幅ができていない。
【解決手段】
半導体レーザーで励起されたイッテルビウム添加ヤグ結晶を絶対温度8K~230K間の任意の温度に冷却することによる高効率のレーザー増幅方法及び装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザーで励起する固体レーザー装置において高効率でレーザー光を発生させるための技術に関する。

半導体レーザー励起固体レーザーには、半導体レーザーで励起された固体レーザー材料からなる増幅部が含まれており、レーザー装置の諸特性に大きな影響を与える。代表的な半導体レーザー励起固体レーザーであるイッテルビウムヤグレーザーは、光活性媒質であるイッテルビウムを添加したヤグ結晶を固体材料として使用している。レーザー材料の増幅動作の指標であるレーザー発振動作時における励起エネルギー増加分に対する出力エネルギー増加分の割合を表すスロープ効率は、イッテルビウムヤグレーザーの場合、理論限界が約９０％と極めて高くとれることが大きな利点の１つであるが、半導体レーザーを励起源とした場合、約６０％程度にとどまっている。これを解決する方法として、イッテルビウム添加ヤグ結晶(Ｙｂ³⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂)を低温に冷却する試みがなされてきたが、より高いスロープ効率は得られていない。

非特許文献１には、イッテルビウム添加ヤグ結晶を用いて、１００Ｋ〜３４０Ｋの結晶温度においてレーザー発振を行った。この過程で、１００Ｋ時のレーザー発振特性を示しスロープ効率８５％を得ているが、ここでは励起光源として高ビーム品質のチタンサファイアレーザーを用いて高強度励起しており、励起光源として半導体レーザーが使用されていない（半導体レーザーは低ビーム品質であり、集光が困難であるので、高い励起強度が実現できない）。

また、非特許文献２には、イッテルビウム添加ヤグ結晶を用いて半導体レーザーを励起光源（最大励起強度７ｋＷ/ｃｍ²）として８０Ｋ〜３１０Ｋの結晶温度においてレーザー発振を行った。最適な結晶温度を１６０Ｋとし、この時、約６０％のスロープ効率を得ているが室温時に得られるスロープ効率と変わらない。

更に又、非特許文献３には、イッテルビウム添加イルフ(Ｙｂ³⁺：ＬｉＹＦ₄)結晶を用いて低温時７７Ｋにおける発振特性が示されている。ここでは、半導体レーザーを励起光源として使用しているが、イッテルビウム添加ヤグ結晶が使用されていない。
A. Giesen, H. Hugel, A. Voss, K. Wittig, U. Brauch, H. Opower, "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers," Applied Pysics B (Springer-Verlag), Vol. 58, pp. 365-372 (1994). T. Kasamatsu, H. Sekita and Y. Kuwano, "Temperature dependence and optimization of 970 nm diode-pumped Yb:YAG and Yb:LuAG lasers," Applied Optics (Optical Society of America, OSA), Vol. 38, No. 24, pp. 5149-5153 (August 20, 1999) J. Kawanaka, K. Yamakawa, H. Nishioka and K. Ueda, "Improved high-field laser characteristics of a diode-pumped Yb:LiYF4 crystal at low temperature," Optics Express (Optical Society of America, OSA), Vol. 10, No. 10, pp. 445-460 (May 20, 2002).

イッテルビウムヤグレーザーの大きな利点の１つは、前記スロープ効率の理論限界が約９０％と極めて高くとれることであるが、半導体レーザーを励起光源とした場合、実際には約６０％にとどまっており、レーザー結晶内の光損失が大きく効率よいレーザー増幅ができていない。本発明の目的は、半導体レーザーのような比較的低強度の励起においても効率よいレーザー動作が可能な増幅装置を提供することである。

本願発明者は、この目的達成のための鋭意研究の結果、イッテルビウム添加ヤグ結晶の光損失は低温時に減少し、同時にレーザー利得は増加することからこれらの相乗効果によってレーザー増幅性能を飛躍的に高めることが可能であると考え、イッテルビウム添加された固体レーザー材料を８〜２３０Ｋ、好ましくは８〜１００Kの低温に冷却することを特徴とするレーザー増幅装置を発明するに至った。

低温時に光損失が減少するのは、光損失に寄与するイッテルビウムの光吸収波長がレーザー増幅光の波長からずれることによってレーザー光を吸収しなくなるためである。また、レーザー利得が増加するのは、適切な波長の半導体レーザーを用いることで低温時に励起光である半導体レーザー光の吸収率が増加し光活性媒質でもあるイッテルビウムの光活性度が増加するためである。

本発明により半導体レーザーのような比較的低強度の励起においても効率よいレーザー動作が得られるので、半導体レーザー励起による小型で高安定動作が可能なレーザーが実現できる。また、高効率動作によりエネルギー損失であるレーザー材料からの熱発生が抑えられるので、レーザーの高い平均出力動作においても安定なレーザー動作が実現できる。

本発明においては、スロープ効率（例えば、９０％）及びエネルギー変換効率（例えば、７５％）が共に高いことが特徴である。
レーザー発振器や増幅器は、共振器の光損失や結晶表面の反射による光損失、結晶そのものの吸収による損失など、多種にわたる光損失をレーザー媒質による光利得が上回ったときに初めてレーザー発振又は増幅が行われることになる。レーザー媒質による光利得は、励起エネルギーと共に増加するので、図３に示されるように、励起エネルギーをゼロから増加させていくとある励起エネルギー（あるしきい値エネルギー）でレーザー発振又は増幅が起こる。

そこで、エネルギー変換効率は、入力した励起光（励起エネルギー）とレーザーとして新たに出てきたレーザー光（出力エネルギー）のエネルギー比であるので、光損失も含めて、レーザーシステム全体の変換効率を表している。したがって、レーザー増幅部（レーザー材料）以外の要因（光損失）も大きく影響する。増幅器の場合は、特殊な場合を除き、レーザーシステムの光損失が少ないためしきい値は低く、（エネルギー変換効率）＝（スロープ効率）がほぼ成立する。一方、発振器の場合は、共振器などの光損失が増幅器より遙かに大きいため、一般に上記の等式は成立しない。

一方、スロープ効率は、レーザー発振後若しくは増幅後の、入力エネルギー増加分に対する出力エネルギー増加分の比なので、光利得が光損失をすでに上回っている領域で、その各々の増加分について評価するため、光損失に関係なくレーザー材料そのものの特性を評価している。

したがって、効率よい増幅法とする場合には、スロープ効率が高いことがより重要で、効率よい発振器とする場合には、エネルギー変換効率が高いことがより重要になる。

図１及び図２は、本発明のレーザー増幅装置７の一具体例である。レーザー材料はイッテルビウム添加量20 at.%のイッテルビウム添加ヤグ結晶１を使用しており、大きさ5 mm x 5 mm x 2 mmの薄板形状である。２つの5 mm x 5 mmの面はレーザーグレードで研磨されている。この結晶を厚さ2 mmの２枚の銅板２でサンドイッチし、結晶の研磨面の中心をレーザー光が通るように２つの銅板とも直径3 mmの穴を開けている。

この銅板はレーザー材料ホルダーとして低温冷却装置の真空槽９内にある冷却部３に取り付けられ、銅板の温度は10 K〜300 Kの間の任意の温度に制御することが可能である。こうして、レーザー増幅装置７は、イッテルビウム添加ヤグ結晶１、結晶をサンドイッチにしている２枚の銅板２及び銅板冷却用の冷却部３により構成されるが、もちろんこの発明は、以上の例によって限定されるものではない。レーザー材料およびレーザー材料ホルダーの構造、構成、形状および大きさ等の細部については様々な態様が可能である。

図２は、本発明を利用したレーザー発振器の一具体例である。図１のレーザー増幅装置７のイッテルビウム添加ヤグ結晶１を100Kに冷却している。増幅装置７を間に挟むように配置した２つの共振器鏡６，８でレーザー共振器を構成している。共振器鏡の一方は、半導体レーザー４による励起波長（９１０〜９４４ｎｍ）に対して透過を、また、レーザー発振波長（１０３０ｎｍ）に対して高反射を示す。他方の共振器鏡はレーザー発振波長に対してその一部を透過させる結合鏡として使用する。

イッテルビウム添加ヤグ結晶および共振器鏡は低温冷却装置内の真空槽９内に置かれている。ファイバー出力を備えた半導体レーザー４からの励起レーザー光をイッテルビウム添加ヤグ結晶上に集光するように低温冷却装置外から集光光学系５を使って照射する。上記ファイバー出力を備えた半導体レーザーとは、半導体レーザーからの出力を集光光学系等により光ファイバーの一端に導き、ファイバーの他端からレーザー出力として取り出せるように１パッケージ化し、これによりレーザー取り出し口を任意の場所に容易に配置できるようにしたものであり、既に商品化されている。半導体レーザーの波長は、９１０〜９４４ｎｍであればよいが、９４０ｎｍが好ましい。

以上により、レーザー発振が可能になり、図３に示すようにイッテルビウム添加ヤグ結晶を１００Ｋ以下に冷却時に前記スロープ効率９０％、エネルギー変換効率７５％（励起強度３．２ＫＷ／ｃｍ²において）を得ている。

即ち、図３には、本発明により、半導体レーザーのような比較的低強度の励起（半導体レーザー励起出力）においても、効率よいレーザー動作（レーザー出力）が得られることを示している。

本発明のレーザー増幅装置の一実施例を示した構成図である。本発明のレーザー増幅装置を使用した発振器の一実施例を示した構成図である。図２の発振器における半導体レーザーの励起エネルギーに対するレーザー発振器のレーザー出力エネルギーを示す図である。

符号の説明

１イッテルビウム添加ヤグ結晶
２銅板
３冷却部
４半導体レーザー
５集光光学系
６共振器鏡
７レーザー増幅装置
８共振器鏡
９真空槽
１０ファイバー出力を有する半導体レーザーの光ファイバー部

Claims

半導体レーザーで励起されたイッテルビウム添加ヤグ結晶（Ｙｂ³⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）を低温に冷却することにより高効率のレーザー増幅動作を可能にするレーザー増幅装置。
半導体レーザーで励起されたイッテルビウム添加ヤグ結晶を絶対温度８〜２３０Ｋ、好ましくは８〜１００Kの任意の温度に冷却することによる高効率のレーザー増幅方法。
請求項１のレーザー増幅装置とそのレーザー増幅装置を挟んで配置された共振器鏡からなるレーザー共振器とを用いたレーザー発振器。
ファイバー出力を有する半導体レーザーで励起されたイッテルビウム添加ヤグ結晶を低温に冷却することにより高効率のレーザー増幅動作を可能にするレーザー増幅装置。
ファイバー出力を有する半導体レーザーで励起されたイッテルビウム添加ヤグ結晶を絶対温度８〜２３０Ｋ、好ましくは８〜１００Kの任意の温度に冷却することによる高効率のレーザー増幅方法。
請求項４のレーザー増幅装置とそのレーザー増幅装置を挟んで配置された共振器鏡からなるレーザー共振器とを用いたレーザー発振器。
半導体レーザー、半導体レーザー通過用光ファイバー、光ファイバーを通過した半導体レーザーを集光する光学系、及び集光された半導体レーザーで励起される固体レーザー発振器から構成されるレーザー発生装置において、
前記レーザー発振器が、イッテルビウム添加ヤグ結晶から成るレーザー増幅器とそのレーザー増幅器を挟んで配置された共振器鏡とから構成され、前記結晶を８〜２３０Ｋ、好ましくは８〜１００K以下に冷却して結晶の光損失を減少させるとともにそのレーザー利得を増加させることにより、これらの相乗効果で結晶のレーザー増幅性能を高めることを特徴とする、前記装置。