JP2634525B2 - 希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添加光ファイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希土類イオン添加光増幅素子 - Google Patents

希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添加光ファイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希土類イオン添加光増幅素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光を応用
した光通信、光情報処理及び光応用計測制御分野等で使
用される希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添
加光ファイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希
土類イオン添加光増幅素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】希土類イオンが添加されたレーザ素子の
第１の従来技術としては、例えばＲ．Ｃ．Ｓｔｏｎｅｍ
ａｎ，ａｎｄ Ｌ．Ｅｓｔｅｒｏｗｉｔｚ 著の”Ｃｏ
ｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ １．５μｍ ｔｈｕｌｉ
ｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ” （Ｏｐｔｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１６ ｐ．２３２、１９９
１年）が知られている。
【０００３】図１８は前記のように希土類イオンが添加
されたレーザ素子の構成図であって、同図において、１
１はＹＬｉＦ4 よりなるレーザ結晶、１２はレーザ結晶
１１の入射部、１３はレーザ結晶１１の出射部、１４は
入射レンズ、１５は励起光、１６は出力レーザ光、１７
は励起光源、１８は出射レンズである。
【０００４】図１９は、前記レーザ結晶であるＹＬｉＦ
4 に添加されているＴｍ（ツリウム）イオンのエネルギ
ー準位の遷移を示し、同図において、２１は光吸収によ
る準位遷移、２５はフォノン放出による準位遷移、２４
は光放射による準位遷移、２７，２８，２９，３０は各
々エネルギー準位を示したものである。尚、縦軸２６は
エネルギーを単位ｃｍ-1（カイザー）で示している。
【０００５】図１８に示すように、励起光源１７から発
振された光波長７９５ｎｍの励起光１５を入射レンズ１
４により集光し、集光した励起光１５を入射部１２から
レーザ結晶１１に照射する。この場合のイオンの電子状
態は、Ｔｍイオンの吸収によって準位遷移２１に示すよ
うに基底準位２７から高エネルギー準位である準位２８
に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移２５に示
すように準位２８から準位２９へ遷移し、その後、準位
遷移２４に示すように準位２９から３０に遷移して光波
長１．５０μｍの光を放射する。このようにして放射さ
れた光は、入射部１２及び出射部１３に施された反射膜
によって共振された後、出射部１３から１．５μｍのレ
ーザ光として出射される。
【０００６】また、希土類イオンが添加されたレーザ素
子の第２の従来の技術としては、例えばＹ．Ｄｕｒｔｅ
ｓｔｅ，Ｍ．Ｍｏｎｅｒｉｅ，Ｊ．Ｙ．Ａｌｌａｉｎ，
Ｈ．Ｐｏｉｇｎａｎｔ 著の”Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉ
ｏｎ ａｎｄ Ｌａｓｉｎｇａｔ １．３μｍ ｉｎ
Ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ Ｆｌｕｏｒｏ
ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｆｉｂｒｅｓ” （Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２７ ｐ．６２
６、１９９１年）が知られている。
【０００７】図２０は希土類イオンが添加されたレーザ
素子の構成を示し、同図において、５１は光ファイバ、
５２は光ファイバ５１の入射部、５３は光ファイバ５１
の出射部、５４は入射レンズ、５８は出射レンズ、５５
は励起光、５６は出力レーザ光、５７は励起光源であ
る。
【０００８】図２１は、前記光ファイバ５１に添加され
たＰｒ（プラセオジム）イオンのエネルギー準位遷移を
示し、同図において、６１は光吸収による準位遷移、６
４は光放射による準位遷移、６７，６８，７０は各々エ
ネルギー準位を示したものである。尚、縦軸６６はエネ
ルギーを単位ｃｍ-1で示している。
【０００９】励起光源５７から光波長１．０１７μｍの
励起光５５を入射部５２を経て光ファイバ５１に照射さ
せる。この励起光はＰｒイオンによって吸収され、Ｐｒ
イオンのエネルギー状態は、準位遷移６１に示すよう
に、基底準位６７から高エネルギー準位である準位６８
に遷移した後、準位遷移６４に示すように、準位６４か
ら中間準位である準位７０に遷移することにより光波長
１．３１μｍの光を放射する。この放射光は、入射部５
２と出射部５３とに施された反射膜によって共振される
ことにより、準位６８と準位７０との間で反転分布し、
出射部５３より１．３１μｍのレーザ光として出射され
る。
【００１０】一方、光増幅器の場合には、準位６８と準
位７０との間で反転分布せず、信号光として光ファイバ
に入射された１．３１μｍの光は、準位６８から準位７
０に遷移する際に放射される光によって増幅される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、前者の第１
の従来技術におけるＴｍイオンにおいては、光放射され
た後、エネルギー準位は準位３０に滞在する。これは準
位３０における蛍光寿命が１０ｍｓと極めて長いため
と、中間準位である準位３０と基底準位２７との間に５
０００ｃｍ-1以上のエネルギー差があるために、フォノ
ン放射による準位３０から基底準位２７への準位遷移の
確率が極めて小さいからである。このように基底準位２
７に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への準位
遷移の確率が減少し、励起光のパワーを上げても励起光
の吸収効率が悪くなり、出力レーザ光が低減してしま
う。このため、従来の４準位系のレーザ素子では入力光
に対する出力光の効率が１３％程の低い値に留まってい
る。
【００１２】また、後者の第２の従来技術におけるＰｒ
イオンにおいては、光放射された後、エネルギー準位は
準位７０に滞在する。これは準位７０における蛍光寿命
が長いためと、中間準位である準位７０と基底準位６７
との間に２０００ｃｍ-1ほどのエネルギー差があるため
に、フォノン放射による準位７０から基底準位６７への
準位遷移の確率が小さいためである。このように基底準
位６７に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への
準位遷移の確率が減少してしまう。このため、励起光の
パワーを上げても励起光の吸収効率が悪くなり、出力レ
ーザ光が低減してしまい、従来のレーザ素子では、入射
光に対する出射光の効率が３０％程に留まっている。
【００１３】従って、前記のような希土類イオン添加レ
ーザ素子では、中間準位から基底準位への遷移を効率良
く行うことが重要である。希土類イオンの数が有限であ
るため、基底準位まで戻らず中間準位で留まっている希
土類イオンが多いと、高エネルギー準位への準位遷移が
少なくなり、励起光の吸収効率が悪いと共に高出力が望
めないことになる。
【００１４】そこで、通常、レーザ素子を７７Ｋまで冷
やす方法等が試みられているが、このような方法は、産
業界における実用性の点からは非常に困難である。
【００１５】前記に鑑み、本発明は、希土類イオンの中
間準位から基底準位へ準位遷移を促進することによって
励起光の吸収効率を向上させ、これにより高出力が得ら
れるようにすることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、光学材料に第１の希土類イオンと第２の
希土類イオンとを添加し、第１の希土類イオンをレーザ
光によって高エネルギー準位に励起した後、高エネルギ
ー準位から中間準位に発光遷移させることによりエネル
ギーを放出させ、その後、中間準位に準位遷移した第１
の希土類イオンと第２の希土類イオンとの間でエネルギ
ー伝達させた後、第２の希土類イオンのエネルギー準位
を基底準位に非発光遷移させるものである。
【００１７】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加固体光素子を、第１の希土類イオ
ンと第２の希土類イオンとが添加された光学材料により
形成されており、前記第１の希土類イオンは、該第１の
希土類イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振される
レーザ光によって第１のエネルギー準位から該第１のエ
ネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準位に励起さ
れ、該第２のエネルギー準位又は該第２のエネルギー準
位よりも低くて前記第１のエネルギー準位よりも高い第
３のエネルギー準位から前記第１のエネルギー準位まで
発光遷移する特性を有し、前記第１の希土類イオンと第
２の希土類イオンとは、第１の希土類イオンの前記第１
のエネルギー準位が第２の希土類イオンのエネルギー準
位とほぼ等しく、且つ前記第１のエネルギー準位に発光
遷移した第１の希土類イオンと前記エネルギー準位の第
２の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
【００１８】具体的に請求項２の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第１の希土類イオンと第２の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光に
よって第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準
位よりも高い第２のエネルギー準位に励起され、該第２
のエネルギー準位又は該第２のエネルギー準位よりも低
くて前記第１のエネルギー準位よりも高い第３のエネル
ギー準位から前記第１のエネルギー準位まで発光遷移す
る特性を有し、前記第１の希土類イオンと第２の希土類
イオンとは、第１の希土類イオンの前記第１のエネルギ
ー準位が第２の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等
しく、且つ前記第１のエネルギー準位に発光遷移した第
１の希土類イオンと前記エネルギー準位の第２の希土類
イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第
２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位
まで非発光遷移する特性を有している構成とするもので
ある。
【００１９】具体的に請求項３の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第１の希土類イオンと第２の
希土類イオンと第３の希土類イオンとが添加された光学
材料により形成されており、前記第３の希土類イオン
は、該第３の希土類イオンの光吸収領域の光エネルギー
で発振されるレーザ光によって第１のエネルギー準位か
ら該第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー
準位に励起される特性を有し、前記第１の希土類イオン
と第３の希土類イオンとは、第１の希土類イオンの第１
のエネルギー準位が第３の希土類イオンの前記第２エネ
ルギー準位とほぼ等しく、且つ該第２のエネルギー準位
に励起された第３の希土類イオンと前記第１のエネルギ
ー準位の第１の希土類イオンとの間でエネルギー伝達す
る関係を有し、前記第１の希土類イオンは、前記第３の
希土類イオンからエネルギー伝達された第１のエネルギ
ー準位又は該第１のエネルギー準位よりも低い第２のエ
ネルギー準位から該第２のエネルギー準位よりも低い第
３のエネルギー準位まで発光遷移する特性を有し、前記
第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第１の
希土類イオンの前記第３のエネルギー準位が第２の希土
類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第３
のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオンと
前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達する関係を有し、前記第２の希土類イオン
は、前記エネルギー準位から基底準位まで非発光遷移す
る特性を有している構成とするものである。
【００２０】具体的に請求項４の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第１の希土類イオンと第２の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射するレーザ光によって第１のエネルギー準位から
該第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準
位に励起され、該第２のエネルギー準位又は該第２のエ
ネルギー準位よりも低くて前記第１のエネルギー準位よ
りも高い第３のエネルギー準位と前記第１のエネルギー
準位との間の反転分布をすることによって前記第２のエ
ネルギー準位又は第３のエネルギー準位と前記第１のエ
ネルギー準位との間のエネルギー差に相当する光波長を
前記出射部より発振させる特性を有し、前記第１の希土
類イオンと第２の希土類イオンとは、第１の希土類イオ
ンの前記第１のエネルギー準位が第２の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第１のエネルギ
ー準位に発光遷移した第１の希土類イオンと前記エネル
ギー準位の第２の希土類イオンとの間でエネルギー伝達
する関係を有し、前記第２の希土類イオンは、前記エネ
ルギー準位から基底準位まで非発光遷移する特性を有し
ている構成とするものである。
【００２１】具体的に請求項５の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第１の希土類イオンと第２の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射する第１のレーザ光によって第１のエネルギー準
位から該第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネル
ギー準位に励起されると共に、該第１の希土類イオンの
光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入
射する第２のレーザ光によって前記第２のエネルギー準
位よりも高い第３のエネルギー準位に励起され、該第３
のエネルギー準位又は該第３のエネルギー準位よりも低
くて前記第２のエネルギー準位よりも高い第４のエネル
ギー準位と前記第１のエネルギー準位との間の反転分布
をすることによって前記第３のエネルギー準位又は第４
のエネルギー準位と前記第１のエネルギー準位との間の
エネルギー差に相当する光波長を前記出射部より発振さ
せる特性を有し、前記第１の希土類イオンと第２の希土
類イオンとは、第１の希土類イオンの前記第１のエネル
ギー準位が第２の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ
等しく、且つ前記第１のエネルギー準位に発光遷移した
第１の希土類イオンと前記エネルギー準位の第２の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準
位まで非発光遷移する特性を有している構成とするもの
である。
【００２２】具体的に請求項６の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとが
添加された光学材料により形成され、前記第１の希土類
イオンは、該第１の希土類イオンの光吸収領域の光エネ
ルギーで発振され前記入射部から入射するレーザ光によ
って第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準位
よりも高い第２のエネルギー準位に励起され、該第２の
エネルギー準位又は該第２のエネルギー準位よりも低く
て前記第１のエネルギー準位よりも高い第３のエネルギ
ー準位と前記第１のエネルギー準位との間のエネルギー
差に相当する光波長で発振され前記入射部から入射され
る信号光を増幅して前記出射部から発振させる特性を有
し、前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンと
は、第１の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位が
第２の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且
つ前記第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土
類イオンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンと
の間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第２の希土
類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位まで非発
光遷移する特性を有している構成とするものである。
【００２３】具体的に請求項７の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第１の希土類イオンと第２の希土類イオンと第
３の希土類イオンとが添加された光学材料により形成さ
れており、前記第３の希土類イオンは、該第３の希土類
イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ
光によって第１のエネルギー準位から該第１のエネルギ
ー準位よりも高い第２のエネルギー準位に励起される特
性を有し、前記第１の希土類イオンと第３の希土類イオ
ンとは、第１の希土類イオンの第１のエネルギー準位が
第３の希土類イオンの前記第２エネルギー準位とほぼ等
しく、且つ該第２のエネルギー準位に励起された第３の
希土類イオンと前記第１のエネルギー準位の第１の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第１の希土類イオンは、前記第３の希土類イオンからエ
ネルギー伝達された第１のエネルギー準位又は該第１の
エネルギー準位よりも低い第２のエネルギー準位から該
第２のエネルギー準位よりも低い第３のエネルギー準位
との間のエネルギー差に相当する光波長で発振され前記
入射部から入射される信号光を増幅して前記出射部から
発振させる特性を有し、前記第１の希土類イオンと第２
の希土類イオンとは、第１の希土類イオンの前記第３の
エネルギー準位が第２の希土類イオンのエネルギー準位
とほぼ等しく、且つ前記第３のエネルギー準位に発光遷
移した第１の希土類イオンと前記エネルギー準位の第２
の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
【００２４】請求項８〜１１の発明は、請求項１〜７の
構成に、前記第１の希土類イオンはＴｍイオン又はＰｒ
イオン又はＮｄイオン又はＥｒイオンである構成を付加
するものである。
【００２５】請求項１２〜１５の発明は、請求項１〜７
の構成に、前記第２の希土類イオンはＥｕイオン又はＳ
ｍイオン又はＴｂイオンである構成を付加するものであ
る。請求項１６及び１７の発明は、請求項３又は７の構
成に、前記第３の希土類イオンはＹｂイオンである構成
を付加するものである。
【００２６】請求項１８〜２１の発明は、請求項１〜７
の構成に、前記光学材料はフッ化物系材料又はＳｉＯ2
系材料である構成を付加するものである。
【００２７】請求項２２〜２４及び２７の発明は、請求
項１〜４の構成に、前記レーザ光の波長は６５０ｎｍ±
５０ｎｍ又は７８０ｎｍ±２０ｎｍ又は１．０１７μｍ
±２０ｎｍである構成を付加するものである。
【００２８】請求項２５の発明は、請求項５の構成に、
前記第１のレーザ光の波長は６５０ｎｍ±５０ｎｍであ
り、前記第２のレーザ光の波長は７８０ｎｍ±２０ｎｍ
である構成を付加するものである。
【００２９】請求項２６の発明は、請求項６の構成に、
前記第２のレーザ光の波長は６５０ｎｍ±５０ｎｍであ
る構成を付加するものである。
【００３０】
【作用】本発明の構成により次のような作用が得られ
る。
【００３１】光学材料に希土類イオンが添加された光学
素子としては、レーザ素子等のように光を共振させるも
のと、光増幅素子等のように光を進伝波として増幅する
ものとがある。このような光学素子では、希土類イオン
が励起光を吸収して高エネルギー準位に準位遷移し、そ
の後、高エネルギー準位から低エネルギー準位まで遷移
するときに放射される光を利用するものである。
【００３２】ところで、励起される希土類イオンは原則
として基底準位から高エネルギー準位まで準位遷移する
のに対して、放射される希土類イオンは、高エネルギー
準位から基底準位まで準位遷移するのではなく、基底準
位よりもエネルギー準位が高い中間準位で準位遷移が停
止する。そしてこの中間準位の蛍光寿命が長ければ、相
対的に基底準位の分布が低下し、励起光による高エネル
ギー準位への遷移の効率が悪くなるので、中間準位の蛍
光寿命が長い希土類イオンの適用は困難であった。
【００３３】ところが、本発明では、光学材料に、第１
の希土類イオンと、該第１の希土類イオンの中間準位で
ある第１のエネルギー準位とほぼ等しいエネルギー準位
を有する第２の希土類イオンとを光学材料に添加してい
るために、共添加された第２の希土類イオンが中間準位
から基底準位へのフォノン放出による準位遷移に寄与す
る。これはエネルギー伝達のメカニズムによるものであ
って、このエネルギー伝達とは、第１の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布が第２の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布とオーバーラップするこ
とにより、エネルギーが第１の希土類イオンから第２の
希土類イオンに伝達される現象のことをいう。
【００３４】エネルギーの伝達が生じる２つの希土類イ
オンのエネルギーの関係は、伝達する第１の希土類イオ
ンのエネルギー準位が伝達される第２の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しい場合に伝達効率が最も高い
が、そのエネルギー差の絶対値が１０００cm-1以内であ
れば伝達は生じる。
【００３５】前述のように、本発明では第２の希土類イ
オンのエネルギー準位が第１の希土類イオンの中間準位
である第１のエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるので、エネルギーが第１の希土類イオンから第２の
希土類イオンにスムーズに伝達する。また、フォノン放
出は光放射に比べて極めて早い現象であるため、電子状
態が中間準位に留まる割合が少ないので、エネルギー準
位は極めて短時間のうちに中間準位から基底準位に遷移
するのである。
【００３６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
【００３７】まず、図１に基づき本発明の第１実施例で
ある希土類イオン添加固体光素子について説明する。図
１は希土類イオン添加固体光素子に添加された第１及び
第２の希土類イオンのエネルギー準位図であって、同図
において、１０１はＹＬｉＦ4 よりなる光学材料に添加
された第１の希土類イオンとしてのＴｍ（ツリウム）イ
オンのエネルギー準位の遷移を示し、１０２は前記光学
材料に添加された第２の希土類イオンとしてのＥｕ（ユ
ーロピウム）イオンのエネルギー準位の遷移を示し、１
０３は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準位
遷移を示し、１０４は光放射による準位遷移を示し、１
０５ａ，１０５ｂは各々フォノン放出による準位遷移を
示し、１０６はエネルギー伝達を示している。尚、縦軸
１１２はエネルギーをｃｍ-1（カイザー）の単位で示し
たものである。
【００３８】第１実施例に係る希土類イオン添加固体光
素子は、光学材料に３０〜５０００ｐｐｍ（重さ当たり
１００００００分の３０〜５０００）のＴｍイオンを添
加すると共に３０〜５０００ｐｐｍのＥｕイオンを添加
し、該光学材料よりなるレーザ結晶の両端面を光学研磨
したものであって、その大きさは幅１０×高さ１０×長
さ５０ｍｍである。
【００３９】色素レーザより発せられた光波長６５０ｎ
ｍ〜６８０ｎｍの光を固体光素子の一方の端面より励起
光として入射すると、Ｔｍイオンのエネルギー準位は、
準位遷移１０３に示すように基底準位１０７である 3Ｈ
6 の準位から高エネルギー準位である準位１０８の 3Ｆ
3 又は 3Ｆ2 の準位に励起された後、フォノン放出によ
って準位遷移１０５ａに示すように準位１０８から準位
１０９の 3Ｆ4 の準位まで遷移し、その後、光放射によ
って準位遷移１０４に示すように準位１０９から準位１
１０の 3Ｈ4 の準位まで遷移する。ここで、Ｔｍイオン
とＥｕイオンとの間でエネルギー伝達１０６が起こり、
Ｅｕイオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって
準位遷移１０５ｂに示すように準位１１１の 7Ｆ6 の準
位から基底準位１０７の 7Ｆ0 の準位に準位遷移する。
【００４０】Ｅｕイオンが添加されておらずＴｍイオン
のみが添加された固体光素子の場合には、エネルギー準
位が中間準位である準位１１０の 3Ｈ4 準位まではたど
り着くが、この準位１１０の蛍光寿命の時間が１０ｍｓ
と長いため基底準位１０７の分布が減少するので、準位
１０９の 3Ｆ4 準位から準位１１０の 3Ｈ4 準位への遷
移が減少し、これにより、光放射が減少する。これに対
して、第１実施例に係る固体光素子は、ＴｍイオンとＥ
ｕイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、エネルギー
準位が準位１１１から基底準位１０７に遷移するため、
基底準位１０７の分布が増加するので、光放射が増大す
る。
【００４１】以下、図２に基づき本発明の第２実施例で
ある希土類イオン添加光ファイバ素子について説明す
る。同図において、２０１は光ファイバ、２０２は光フ
ァイバ２０１の入射部、２０３は光ファイバ２０１の出
射部、２０４は入射レンズ、２０５は出射レンズ、２０
６は励起光、２０７は出射光、２０８は励起光源であ
る。
【００４２】光ファイバにおいては光学的に屈折率が高
い部分をコア、低い部分をクラッドと呼び、このコアと
クラッドとの屈折率の差を０．００１から０．０１にす
ることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コアでの
光の閉じ込めが良い。そこで第２実施例では、コア径：
１０μｍ、クラッド径：１２５μｍ、長さ：１０ｍのフ
ッ化物系の光ファイバ２０１のコアを構成する光学材料
に、第１の希土類イオンとしてのＴｍイオンを５００〜
５０００ｐｐｍ添加し、第２の希土類イオンとしてのＥ
ｕイオンを５００〜１００００ｐｐｍ添加したものを使
用している。
【００４３】励起光源２０８から繰り出された励起光２
０６は入射レンズ２０４を経て入射部２０２から光ファ
イバ２０１に入射される。光ファイバ２０１を通過した
光は出射部２０３から出射された後、出射レンズ２０５
で平行光にされ、出射光２０７となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が長距離に亘って保たれるので、希
土類イオンの吸収が効率良く行われる。また、光ファイ
バは、その外形寸法が１ｍｍ以下と非常に小さいため、
小型で軽量で且つ曲がり易いので、さまざまな細かい場
所への応用に適している。
【００４４】第２実施例の光ファイバ素子は、前記第１
実施例の固体光素子と同様に、ＴｍイオンとＥｕイオン
との間でエネルギー伝達が起こった後、エネルギー準位
が中間準位から基底準位に遷移するため、基底準位の分
布が増加して励起光源の九州が増大し、その結果として
光放射が増大するので、励起光の強度に応じた放射光が
得られる。
【００４５】以下、図３〜図５に基づき本発明の第３実
施例である希土類添加レーザ素子について説明する。図
３は第３実施例の構成を示し、同図において、３０１は
フッ化物系の光学材料に第１の希土類イオンとしてのＴ
ｍイオン及び第２の希土類としてのＥｕイオンが各々添
加された光ファイバ、３０２は光ファイバ３０１の入射
部、３０３は光ファイバ３０１の出射部、３０４ａは入
射レンズ、３０４ｂは出射レンズ、３０５は励起光、３
０６はレーザ光、３０７は励起光源である。
【００４６】本第３実施例では、光学材料にＴｍイオン
が１００〜５０００ｐｐｍ、Ｅｕイオンが１０００〜１
００００ｐｐｍ各々添加された光ファイバ３０１の一方
の端面である入射部３０２に、光波長７８０ｎｍに対し
て高透過であり光波長１５００ｎｍに対して高反射であ
る多層膜を施し、光ファイバ３０１の他方の端面である
出射部３０３に、光波長７８０ｎｍに対して高反射であ
り光波長１５００ｎｍに対しては１〜１０％の透過であ
る多層膜を施す。このようにすると、７８０ｎｍで発振
する励起光源３０７からの励起光３０５を入射レンズ３
０４ａで集光して光ファイバ３０１に入射すると、光フ
ァイバ３０１内でＴｍイオンによってエネルギー吸収が
行われる。
【００４７】図４は、第３実施例であるレーザ素子に添
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、３１６はＴｍイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、３１７はＥｕイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、３１１は励起光源３０７からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、３１２ａ，３１
２ｂは各々フォノン放出による準位遷移を示し、３１３
は光放射による準位遷移を示し、３１４はエネルギー伝
達を示している。尚、縦軸３１５はエネルギーをｃｍ-1
の単位で示したものであり、３１８，３１９，３２０，
３２１，３２２は各々エネルギー準位を示したものであ
る。
【００４８】光波長７８０ｎｍの光を入射部３０２より
励起光として入射すると、Ｔｍイオンのエネルギー準位
は、準位推移３１１に示すように基底準位３１８から高
エネルギーである準位３１９に上昇した後、フォノン放
出によって３１２ａに示すように準位３１９から準位３
２０に遷移し、その後、準位推移３１３に示すように準
位３２０から準位３２１に遷移することによって光波長
１５００ｎｍの光を放射する。ここで、ＴｍイオンとＥ
ｕイオンとの間でエネルギー伝達３１４が起こり、Ｅｕ
イオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって準位
推移３１２ｂに示すように準位３２２から基底準位３１
８に準位遷移する。
【００４９】尚、準位３２０から準位３２１への準位遷
移により放射された光は、光ファイバ３０１の入射部３
０２及び出射部３０３に施された反射膜により共振さ
れ、増幅された後、出射部３０３よりレーザ光として発
振する。光ファイバ３０１の出射部３０３から発振され
たレーザ光は出射レンズ３０４ｂによって平行光にされ
て出力される。
【００５０】Ｅｕイオンが添加されておらずＴｍイオン
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位３２１に
おける螢光寿命が１０ｍｓと極めて長い上に準位３２１
から基底準位３１８まではエネルギーにして６０００ｃ
ｍ-1以上あるために、フォノン放出の確率が極めて低い
ので、基底準位３１８の分布が減少する。これに対し
て、第３実施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイ
バ３０１を構成する光学材料にＴｍイオン及びＥｕイオ
ンを添加しているため、ＴｍイオンとＥｕイオンとの間
でエネルギー伝達が起こり、その後、基底準位３１８と
該基底準位３１８に対して６０００ｃｍ-1のエネルギー
差がある準位３２２との間に多数の準位を持つＥｕイオ
ンから、準位遷移が極めて速いフォノン放出が行われる
ので、エネルギー準位は準位３２２から基底準位３１８
に速やかに遷移する。このため、高エネルギー準位であ
る準位３２０と中間準位３２１との間で効率良く反転分
布が行われるため、従来のレーザ素子においては入射光
に対する出射光の効率が１３％であるのに対して、第３
実施例に係るレーザ素子においては入射光に対する出射
光の効率は３０％となり、高効率のレーザ素子を得るこ
とができる。
【００５１】図５は第３実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、３
５１は第３実施例のレーザ素子における入射パワーに対
する出力特性、３５２は従来の単一イオン添加のレーザ
素子における入射パワーに対する出力特性を各々示して
いる。尚、同図において、縦軸３５３は出力パワー（Ｏ
ＵＴＰＵＴ ＬＡＳＥＲ ＰＯＷＥＲ）をｍＷ単位で示
し、横軸３５４は入射パワー（ＩＮＰＵＴ ＰＵＭＰ
ＰＯＷＥＲ）をｍＷ単位で示したものである。この図５
から明らかなように、第３実施例の希土類イオン添加レ
ーザ素子は、前述したような作用効果によって入射パワ
ーが増加しても出力パワーが飽和しないので、高出力が
得られる。
【００５２】以下、図６及び図７に基づき本発明の第４
実施例である希土類イオン添加レーザ素子について説明
する。図６は第４実施例の構成を示しており、同図にお
いて、４０１は、第１の希土類イオンとしてのＴｍイオ
ン及び第２の希土類イオンとしてのＥｕイオンが各々添
加されたフッ化物系の光学材料よりなる光ファイバ、４
０２は光ファイバ４０１の入射部、４０３は光ファイバ
４０１の出射部、４０４は入射レンズ、４０５は励起
光、４０６はレーザ光、４０７は励起光源、４０８は出
射レンズである。
【００５３】本第４実施例では、Ｔｍイオンが１００〜
５０００ｐｐｍ、Ｅｕイオンが１０００〜１００００ｐ
ｐｍ各々添加された光ファイバ４０１の一方の端面であ
る入射部４０２に、光波長６５０ｎｍに対して高透過で
４５０ｎｍに対して高反射な多層膜を施し、光ファイバ
４０１の他方の端面である出射部４０３に、光波長６５
０ｎｍに対して高反射で光波長４５０に対しては１〜１
０％の透過率である多層膜を施す。６５０ｎｍで発振す
る励起光源４０７からの励起光４０５を入射レンズ４０
４で集光して光ファイバ４０１に入射すると、Ｔｍイオ
ンによって光ファイバ４０１内でエネルギーが吸収され
る。
【００５４】図７は、第４実施例のレーザ素子に添加さ
れたＴｍイオンとＥｕイオンのエネルギー準位の遷移を
示しており、同図において、４１６はＴｍイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、４１７はＥｕイオンのエネル
ギー準位の遷移を示し、４１１ａ，４１１ｂは励起光の
吸収による高準位への準位遷移を示し、４１２ａ，４１
２ｂはフォノン放出による準位遷移を示し、４１３は光
放射による準位遷移を示し、４１４はエネルギー伝達に
よる準位遷移を示している。尚、縦軸４１５はエネルギ
ーをｃｍ-1の単位で示したものであって、４１８，４１
９，４２０，４２１，４２２，４２３は各々エネルギー
準位を示している。
【００５５】Ｔｍイオンのエネルギー状態は、光波長６
５０ｎｍの励起光によって準位遷移４１１ａに示すよう
に基底準位４１８から準位４１９に上昇し、フォノン放
出によって準位遷移４１２ａに示すように準位４２０に
遷移する。さらに同じ励起光によって準位遷移４１１ｂ
に示すように準位４２０から高エネルギー準位である準
位４２１に遷移する。このように、２つのエネルギー吸
収によって励起光のエネルギー準位よりも高いエネルギ
ー準位へ励起することを２光子吸収と呼ぶ。２光子吸収
によってエネルギー状態が基底準位４１８から準位４２
１に遷移した後、光放射によって準位遷移４０３に示す
ように準位４２１から準位４２２に遷移し、光波長４５
０ｎｍの光を放射する。放射された光は入射部４０２及
び出射部４０３に施された反射膜により共振されること
によって増幅された後、出射部４１３からレーザ光とし
て発振する。
【００５６】前述したように、Ｅｕイオンが添加されて
おらずＴｍイオンのみが添加されたレーザ素子の場合に
は基底準位４１８の分布が減少するのに対して、第４実
施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイバ４０１に
ＴｍイオンとＥｕイオンとを添加しているため、Ｔｍイ
オンとＥｕイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、そ
の後、基底準位４１８と該基底準位４１８に対して６０
００ｃｍ-1のエネルギー差がある準位４１３との間に多
数の準位を持つＥｕイオンから、準位遷移が極めて速い
フォノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位４
２３から基底準位４１８に速やかに遷移する。このた
め、高エネルギー準位である準位４２１と中間準位４２
２との間で効率良く反転分布が行われる。
【００５７】以下、図８に基づき本発明の第５実施例で
ある希土類イオン添加レーザ素子について説明する。第
４実施例では同一の励起光を用いる２光子吸収で準位４
２１まで遷移させたが、第５実施例においては異なる波
長の励起光を用いている。同図において、５０１は希土
類イオン添加レーザ素子を構成する光ファイバ、５０２
は光ファイバ５０１の入射部、５０３は光ファイバ５０
１の出射部、５０４は出射レンズ、５０６は第１の励起
光が単一モードで伝播される第１の励起光用ファイバ、
５０７は第２の励起光が単一モードで伝播される第２の
励起光用ファイバ、５０８は出射光、５０９は第１の励
起光の励起光源、５１０は第２の励起光の励起光源、５
１１は光ファイバカプラーである。エネルギー準位図は
図７と同じであるが、第５実施例では、７８０ｎｍの励
起光を用いて準位４２０を直接励起するものであって、
準位４２０から準位４２１への準位遷移がより効率良く
行われる。
【００５８】以下、図９及び図１０に基づき本発明の第
６実施例である希土類イオン添加光増幅素子について説
明する。
【００５９】図９は第６実施例の光増幅素子に添加され
た希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示し、図１０
は第６実施例の構成を示している。
【００６０】図９において、６０１はフッ化物系の光学
材料よりなる光増幅素子に添加された第１の希土類イオ
ンとしてのＰｒ（プラセオジム）イオンのエネルギー準
位の遷移を示し、６０２は前記光増幅素子に添加された
第２の希土類イオンとしてのＥｕイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、６０３は基底準位、６０４，６０５，
６０６は各々エネルギー準位を示し、６０７は励起光に
よる準位遷移を示し、６０８は光放射による準位遷移を
示し、６０９はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
６１０はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸６１１はエネルギーをｃｍ-1の単位で表したも
のである。
【００６１】また、図１０において、６５１は前記希土
類イオン添加光増幅素子を構成する光ファイバ、６５２
は光ファイバ６５１の入射部、６５３は光ファイバ６５
１の出射部、６５４は出力信号光を単一モードで伝搬さ
せる光ファイバ、６５６は入力信号光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、６５７は励起光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、６５９は信号光の光源、６６０は
励起光の光源、６６１は信号光と励起光とを合波させる
光ファイバカプラー、６６２はマッチングオイルであ
る。
【００６２】励起光の光源６６０から光波長１．０１７
μｍで発振される励起光を、Ｐｒイオンが１０００〜５
０００ｐｐｍ、Ｅｕイオンが１０００〜１００００ｐｐ
ｍ各々添加された光ファイバ６５１の入射部６５２から
入射させる。同時に信号光の光源６５９から発振される
光波長１．３１μｍの信号光を光ファイバカプラー６６
１を経て入射させる。このようにすると、Ｐｒイオンの
エネルギー準位は、励起光のエネルギー吸収によって準
位遷移６０７に示すように基底準位６０３から高エネル
ギー準位である準位６０４に遷移した後、光放射によっ
て準位６０４から中間準位である準位６０５に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移６０９に
示すようにＰｒイオンの準位６０５からＥｕイオンの準
位６０６に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
６１０に示すように準位６０６から基底準位６０３に遷
移する。
【００６３】従来の光増幅素子では、励起光が９２５ｍ
Ｗの場合、信号光の増幅のゲインが３０ｄＢであった
が、信号光の出力パワーが５ｄＢｍ（＝３．１６ｍＷ）
を越えるとゲインが低下した。これに対して、第６実施
例では３０ｄＢの高利得で２０ｄＢｍ（＝１００ｍＷ）
の信号出力パワーを得ることができる。
【００６４】以下、図１１及び図１２に基づき本発明の
第７実施例に係る希土類イオン添加光ファイバ素子につ
いて説明する。同図において、７０１は光ファイバ、７
０２は光ファイバ７０１の入射部、７０３は光ファイバ
７０１の出射部、７０４は入射レンズ、７０５は出射レ
ンズ、７０６は励起光、７０７は出射光、７０８は励起
光源である。
【００６５】光ファイバにおいては、前述のように、コ
アとクラッドとの屈折率の差を０．００１から０．０１
にすることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コア
の光の閉じ込めが良い。そこで、第７実施例では、コア
径：１０μｍ、クラッド径：１２５μｍ、長さ：１０ｍ
のフッ化物系（ＺｒＦ4 −ＢａＦ2 −ＬａＦ3 −ＡｌＦ
3 −ＮａＦ）の光ファイバ７０１のコアを構成する光学
材料に、第１の希土類イオンとしてのＰｒイオンを添加
したものを使用している。
【００６６】励起光源７０８から繰り出された励起光７
０６は入射レンズ７０４を経て入射部７０２から光ファ
イバ７０１に入射される。光ファイバ７０１を通過した
光は出射部７０３から出射された後、出射レンズ７０５
で平行光にされ、出射光７０７となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が高いので、希土類イオンの吸収が
効率良く行われる。また、光ファイバ７０１は、その外
形寸法が１ｍｍ以下と非常に小さいため、小型で軽量で
且つ曲がりやすいので、さまざまな細かいところへの応
用に適している。
【００６７】図１２は第７実施例に係る希土類イオン添
加光ファイバ素子に添加された第１及び第２の希土類イ
オンのエネルギー準位であって、同図において、７１１
は前記光学材料に添加された第１の希土類イオンとして
のＰｒイオンのエネルギー準位の遷移を示し、７１２は
前記光学材料に添加された第２の希土類イオンとしての
Ｅｕ（ユーロピウム）イオンのエネルギー準位を示し、
７１３は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準
位遷移を示し、７１４は光放射による準位遷移を示し、
７１５はフォノン放出による準位遷移を示し、７１６は
エネルギー伝達を示している。尚、縦軸１１２はエネル
ギーをｃｍ-1（カイザー）の単位で示し、７１７，７１
８，７２０，７２１は各々エネルギー準位を示してい
る。
【００６８】第７実施例に係る希土類イオン添加光ファ
イバ素子は、光学材料に３０〜５０００ｐｐｍ（重さあ
たりに１００００００分の３０〜５０００）のＰｒイオ
ンを添加すると共に、３０〜５０００ｐｐｍのＥｕイオ
ンを添加し、該光学材料よりなる光ファイバ７０１の両
端面を光学研磨したものである。
【００６９】Ｔｉ：Ａｌ2 Ｏ3 レーザより発せられた光
波長１．０１７μｍの光を光ファイバ７０１の入射部７
０２より励起光として入射すると、Ｐｒイオンのエネル
ギー準位は、準位遷移７１３に示すように基底準位７１
７である 3Ｈ4 の準位から高エネルギー準位である準位
７１８の 1Ｇ4 の準位に励起された後、光放射によって
準位７２０の 3Ｈ5 の準位まで遷移する。ここで、Ｐｒ
イオンとＥｕイオンとの間でエネルギー伝達７１６が起
こり、Ｅｕイオンのエネルギー準位は、フォノン放出に
よって準位遷移７１５に示すように準位７２１の 7Ｆ3
の準位から基底準位７１７の 7Ｆ0 の準位に準位遷移す
る。
【００７０】Ｅｕイオンが添加されていない同様の光フ
ァイバ素子と比べると本発明の効果が明らかである。す
なわち、Ｐｒイオンのみが添加されている場合には、同
じようにエネルギー準位が中間準位である準位７２０の
3Ｈ5 準位までたどり着くが、この準位の蛍光寿命の時
間が長いため、基底準位７１７の分布が減少するので、
準位７１８の 1Ｇ4 の準位から準位７２０の 3Ｈ5 への
準位遷移が減少し、これにより、光放射が減少する。こ
れに対して、第７実施例に係る光ファイバ素子は、Ｐｒ
イオンとＥｕイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、
エネルギー準位が準位７２０から基底準位７１７に準位
遷移するため、基底準位７１７の分布が増加するので、
光放射が増大する。
【００７１】以下、図１３〜図１５に基づいて本発明の
第８実施例である希土類イオン添加レーザ素子について
説明する。図１３は第８実施例の構成を示し、同図にお
いて、８０１はフッ化物系の光学材料に第１の希土類イ
オンとしてのＰｒイオン及び第２の希土類イオンとして
のＥｕイオンが各々添加された光ファイバ、８０２は光
ファイバ８０１の入射部、８０３は光ファイバ８０１の
出射部、８０４ａは入射レンズ、８０４ｂは出射レン
ズ、８０５は励起光、８０６はレーザ光、８０７は励起
光源である。
【００７２】第８実施例では、光学材料にＰｒイオンが
１００〜５０００ｐｐｍ、Ｅｕイオンが１０００〜１０
０００ｐｐｍ各々添加された光ファイバ８０１の一方の
端面である入射部８０２に、光波長１．０１７μｍに対
して高透過であり光波長１．３１μｍに対して高反射で
ある多層膜を施し、他方の端面である出射部８０３に、
光波長１．０１７μｍに対して高反射であり光波長１．
３１μｍに対して１〜１０％の透過である多層膜を施
す。このようにすると、１．０１７μｍで発振する励起
光源８０７からの励起光８０５を入射レンズ８０４ａで
集光して光ファイバ８０１に入射すると、光ファイバ８
０１内でＰｒイオンによってエネルギー吸収が行われ
る。
【００７３】図１４は第８実施例であるレーザ素子に添
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、８１６はＰｒイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、８１７はＥｕイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、８１１は励起光源８０７からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、８１２はフォノ
ン放出による準位遷移を示し、８１３は光放射による準
位遷移を示し、８１４はエネルギー伝達による準位遷移
を示している。尚、縦軸８１５はエネルギーをｃｍ-1の
単位で示したものであり、８１８、８１９、８２１、８
２２は各々エネルギー準位を示したものである。
【００７４】光波長１．０１７μｍの励起光を入射部８
０２により入射すると、Ｐｒイオンのエネルギー準位
は、準位遷移８１１に示すように基底準位８１８から高
エネルギー準位である準位８１９に上昇した後、準位遷
移８１３に示すように準位８１９から準位８２１に準位
遷移することによって光波長１．３１μｍの光を放射す
る。ここで、ＰｒイオンとＥｕイオンとの間でエネルギ
ー伝達８１４が起こり、Ｅｕイオンのエネルギー準位
は、フォノン放出によって準位遷移８１２に示すように
準位８２２から基底準位８１８に準位遷移する。
【００７５】尚、準位８１９から準位８２１への準位遷
移により放射された光は、光ファイバ８０１の両端面に
施された反射膜により共振され、増幅された後、出射部
８０３よりレーザ光として発振する。出射部８０３より
出射されたレーザ光は出射レンズ８０４ｂによって平行
光にされて出力される。
【００７６】Ｅｕイオンが添加されておらずＰｒイオン
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位８２１に
おける螢光寿命が長い上に準位８２１から基底準位８１
８まではエネルギーにして２０００ｃｍ-1以上あるため
に、フォノン放出の確率が低いので、基底準位８１８の
分布が減少する。これに対して、第８実施例に係るレー
ザ素子の場合には、光ファイバ８０１を構成する光学材
料にＰｒイオン及びＥｕイオンを添加しているため、Ｐ
ｒイオンとＥｕイオンとの間でエネルギー伝達が起こ
り、その後、Ｅｕイオンから準位遷移が極めて速いフォ
ノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位８２２
から基底準位８１８に速やかに遷移する。このため、高
エネルギー準位である準位８１９と中間準位８２１との
間で効率良く反転分布が行われるため、従来のレーザ素
子においては入射光に対する出射光の効率が１３％であ
るのに対して、第８実施例に係るレーザ素子においては
入射光に対する出射光の効率が３０％となり、高効率の
レーザ素子を得ることができる。
【００７７】図１５は第８実施例に係る希土類イオン添
加レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、
８５１は第８実施例のレーザ素子における入射パワーに
対する出力特性、８５２は従来の単一イオン添加のレー
ザ素子における入射パワーに対する出力特性を各々示し
ている。尚、同図において、縦軸８５３は出力パワーを
ｍＷで示し、横軸８５４は入射パワーをｍＷ単位で示し
たものである。この図５から明らかなように、第８実施
例の希土類イオン添加レーザ素子は、前述したような作
用効果によって入射パワーが増加しても出力パワーが増
加しないので、高出力が得られる。
【００７８】以下、図１６及び図１７に基づき本発明の
第９実施例である希土類イオン添加光増幅素子について
説明する。
【００７９】図１６において、９０１は希土類イオン添
加光増幅素子の光ファイバであって、該光ファイバ９０
１を構成するフッ化物系の光学材料に、第１の希土類イ
オンとしてＰｒイオンが１０００〜５０００ｐｐｍ添加
され、第２の希土類イオンとしてのＥｕイオンが１００
０〜１００００ｐｐｍ添加されている。また、同図にお
いて、９０２は光ファイバ９０１の入射部、９０３は光
ファイバ９０１の出射部、９０４は出力信号光を単一モ
ードで伝播させる出射用光ファイバ、９０６は入力信号
光を単一モードで伝播させる信号光用ファイバ、９０７
は励起光を単一モードで伝播させる励起光用ファイバ、
９０９は信号光の光源、９１０は励起光の光源、９１１
は信号光と励起光とを合成させる光ファイバカプラー、
９１２はマッチングオイルである。
【００８０】図１７において、９２１はＰｒイオンのエ
ネルギー準位の遷移を示し、９２２はＥｕイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、９２３は基底準位、９２４，
９２５は各々エネルギー準位を示し、９２７は励起光に
よる準位遷移を示し、９２８は光放射による準位遷移を
示し、９２９はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
９３０はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸９３１はエネルギー準位をｃｍ-1の単位で表し
たものである。
【００８１】励起光の光源９１０から光波長１．０１７
μｍで発振される励起光を第１の光ファイバ９０１の入
射部９０２から入射させると同時に、信号光の光源９０
９から発振される光波長１．３１μｍの信号光を光ファ
イバカプラー９１１を経て入射させる。このようにする
と、Ｐｒイオンのエネルギー準位は、励起光のエネルギ
ー吸収によって準位遷移９２７に示すように基底準位９
２３から光エネルギー準位である準位９２４に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移９２９に
示すようにＰｒイオンの準位９２５からＥｕイオンの準
位９２６に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
９３０に示すように準位９２６から基底準位９２３に遷
移する。
【００８２】従来の光増幅素子では、励起光が９２５ｍ
Ｗの場合、信号光の増幅のゲインが３０ｄＢであった
が、信号光の出力パワーが５ｄＢｍを超えるとゲインが
低下した。これに対して、第９実施例では３０ｄＢの高
利得で２０ｄＢｍの信号出力パワーを得ることができ
る。
【００８３】以下、本発明の第１０実施例に係る希土類
イオン添加光ファイバ素子及び第１１実施例に係る希土
類イオン添加光増幅素子について述べる。尚、これら光
ファイバ素子及び光増幅素子の構成については図１１に
示す光ファイバ素子と同様であるので、図示は省略して
いる。
【００８４】前記両実施例に係る光ファイバ素子及び光
増幅素子においては、光ファイバを構成するフッ化物系
の光学材料に、第１の希土類イオンとしてのＰｒイオ
ン、第２の希土類イオンとしてのＥｕイオン及び第３の
希土類イオンとしてのＹｂイオンが各々添加されてい
る。Ｙｂイオンの 2Ｆ5/2のエネルギー準位は、Ｐｒイ
オンの 1Ｇ4 のエネルギー準位にほぼ等しく、且つＹｂ
イオンのエネルギーの吸収計数はＰｒイオンに比べると
数倍である。
【００８５】前記のように希土類イオンが添加されてな
る光ファイバの入射部から光波長０．９〜１．０μｍの
励起光を入射すると、励起光のエネルギーはＹｂイオン
の 2Ｆ5/2 に吸収された後、Ｐｒイオンの 1Ｇ4 にエネ
ルギー伝達される。
【００８６】その後、第１０実施例に係る希土類イオン
添加光ファイバ素子においては、第７実施例と同様、図
１２に示すように、エネルギー準位の遷移７１４、エネ
ルギー伝達７１６及びエネルギー準位の遷移７１５が行
われ、第１１実施例に係る希土類イオン添加光増幅素子
においては、第９実施例と同様、図１７に示すように、
エネルギー準位の遷移９２８、エネルギー伝達９２９及
びエネルギー準位の遷移９３０が行われる。
【００８７】尚、前記各実施例においては、Ｔｍイオン
とＥｕイオンとの共添加、及びＰｒイオンとＥｕイオン
との共添加について述べたが、４準位系及び３準位系の
光素子には様々な希土類イオンが用いられており、これ
らの各希土類イオンを本発明の第１の希土類イオンとし
て用いることができる。また、第２の希土類イオンとし
ては、Ｅｕイオンのみならず、Ｔｂイオン、Ｓｍイオン
或いは高いエネルギー準位を持たない金属イオンを用い
ることができる。
【００８８】また、前記各実施例では、光ファイバを構
成する光学材料としてフッ化物系のものを用いたが、Ｓ
ｉ０2 系の光ファイバに対しても本発明は適用され、ま
た、レーザ結晶を構成する光学材料としてはＹＬｉＦ4
のみならずＹＡＧや他のものでもよい。
【００８９】また、前記各実施例では６５０ｎｍ、７８
０ｎｍ或いは１．０１７μｍの励起光源を用いたが、用
途と希土類イオンのエネルギー準位に応じて、あらゆる
波長を用いることができる。
【００９０】さらに、前記実施例では、Ｐｒイオンによ
る発光遷移について述べたが、Ｅｒイオンを用いると
２．７μｍで発光することが公知である。Ｅｒイオンと
Ｅｕイオンが共添加された光ファイバは、本発明のエネ
ルギー伝達の原理にもとづき、２．７μｍのレーザ発光
に大きく寄与することができる。
【００９１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る希土
類イオン添加固体光素子によると、光学材料に添加され
る第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第１
の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第２の希土類
イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有している
ため、中間準位である第１のエネルギー準位に準位遷移
した第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達が生じ、その後光放射に比べて極めて早
い現象であるフォノン放出によって第２の希土類イオン
のエネルギー準位が中間準位に留まることなく基底準位
に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これによっ
て光放射が増大する。
【００９２】また、本発明に係る希土類イオン添加光フ
ァイバ素子によると、光学材料の高光屈折率領域に添加
される第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、
第１の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第２の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第１のエネルギー準位に準位遷移した第１の
希土類イオンと第２の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第２の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって光の伝送性が向上する。
【００９３】また、請求項４の発明に係る希土類イオン
添加光ファイバ素子によると、光学材料に励起光の吸収
に優れた第３の希土類イオンを添加し、該第３の希土類
イオンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第３の希土類イオンと第１の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、光の伝送性がいっそう向上
する。
【００９４】また、本発明に係る希土類イオン添加レー
ザ素子によると、レーザ素子を構成する光学材料に添加
される第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、
第１の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第２の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第１のエネルギー準位に準位遷移した第１の
希土類イオンと第２の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第２の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって、高エネルギー準位と中間準位との間で効率良く
反転分布が形成されるので、希土類イオン添加レーザ素
子の効率が向上する。
【００９５】また、本発明に係る希土類イオン添加光増
幅素子によると、光増幅素子を構成する光学材料に添加
される第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、
第１の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第２の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第１のエネルギー準位に準位遷移した第１の
希土類イオンと第２の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第２の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって高出力を得ることができる。
【００９６】さらに、請求項７の発明に係る希土類イオ
ン添加光増幅素子によると、光学材料に励起光の吸収に
優れた第３の希土類イオンを添加し、該第３の希土類イ
オンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第３の希土類イオンと第１の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、いっそう高出力を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る希土類イオン添加固
体光素子に添加された希土類イオンのエネルギー準位の
遷移を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る希土類イオン添加光
ファイバ素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光出力特性を示す図である。
【図６】本発明の第４実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図８】本発明の第５実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
【図９】本発明の第６実施例に係る希土類イオン添加光
増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第７実施例に係る希土類イオン添加
光ファイバ素子の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第７実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図１３】本発明の第８実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の構成を示す図である。
【図１４】本発明の第８実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図１５】本発明の第８実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光出力特性を示す図である。
【図１６】本発明の第９実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の構成を示す図である。
【図１７】本発明の第９実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図１８】従来の希土類イオン添加レーザ素子の構成を
示す図である。
【図１９】従来の希土類イオン添加レーザ素子の光学材
料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示す図
である。
【図２０】従来の希土類イオン添加光ファイバ素子の構
成を示す図である。
【図２１】従来の希土類イオン添加光ファイバ素子の光
学材料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示
す図である。
【符号の説明】
１０１ Ｔｍイオンの準位遷移 １０２ Ｅｕイオンの準位遷移 １０３ 光吸収による準位遷移 １０４ 光放射による準位遷移 １０５ａ，１０５ｂ フォノン放出による準位遷移 １０６ エネルギー伝達による準位遷移 １０７ 基底準位 １０８ Ｔｍイオンの 3Ｆ3 及び 3Ｆ2 の準位 １０９ Ｔｍイオンの 3Ｆ4 の準位 １１０ Ｔｍイオンの 3Ｈ4 の準位 １１１ Ｅｕイオンの 7Ｆ6 の準位 ２０１ 光ファイバ ２０２ 入射部 ２０３ 出射部 ２０４ 入射レンズ ２０６ 励起光 ２０７ 出射光 ２０８ 励起光源 ３０１ 光ファイバ ３０２ 入射部 ３０３ 出射部 ３０４ａ 入射レンズ ３０４ｂ 出射レンズ ３０５ 励起光 ３０６ 出射光 ３０７ 励起光源 ３１１ 光吸収による準位遷移 ３１２ａ，３１２ｂ フォノン放出による準位遷移 ３１３ 光放射による準位遷移 ３１４ エネルギー伝達による準位遷移 ３１６ Ｔｍイオンの準位遷移 ３１７ Ｅｕイオンの準位遷移 ３１８ 基底準位 ３１９ Ｔｍイオンの 3Ｆ3 と 3Ｆ2の準位 ３２０ Ｔｍイオンの 3Ｈ4 の準位 ３２１ Ｔｍイオンの 3Ｆ4 の準位 ３２２ Ｅｕイオンの 7Ｆ6 の準位 ３５１ 第３実施例に係るレーザ素子の光出力特性 ３５２ 従来のレーザ素子の光出力特性 ４０１ 光ファイバ ４０２ 入射部 ４０３ 出射部 ４０４ 入射レンズ ４０５ 励起光 ４０６ 出射光 ４０７ 励起光源 ４１１ａ，４１１ｂ 光吸収による準位遷移 ４１２ａ，４１２ｂ フォノン放出による準位遷移 ４１３ 光放射による準位遷移 ４１４ エネルギー伝達による準位遷移 ４１６ Ｔｍイオンの準位遷移 ４１７ Ｅｕイオンの準位遷移 ４１８ 基底準位 ４１９ Ｔｍイオンの 3Ｆ3 と 3Ｆ2の準位 ４２０ Ｔｍイオンの 3Ｈ4 の準位 ４２１ Ｔｍイオンの 1Ｄ2 の準位 ４２２ Ｔｍイオンの 3Ｆ4 の準位 ４２３ Ｅｕイオンの 7Ｆ6 の準位 ５０１ 光ファイバ ５０２ 入射部 ５０３ 出射部 ５０４ 出射レンズ ５０６ 第１の励起光用光ファイバ ５０７ 第２の励起光用光ファイバ ５０８ 出射光 ５０９ 励起光源 ５１０ 励起光源 ５１１ 光ファイバカプラー ６０１ Ｐｒイオンの準位遷移 ６０２ Ｅｕイオンの準位遷移 ６０３ 基底準位 ６０４ Ｐｒイオンの 1Ｇ4 の準位 ６０５ Ｐｒイオンの 3Ｈ5 の準位 ６０６ Ｅｕイオンの 7Ｆ3 の準位 ６０７ 光吸収による準位遷移 ６０８ 光放射による準位遷移 ６０９ エネルギー伝達による準位遷移 ６１０ フォノン放出による準位遷移 ６５１ 光ファイバ ６５２ 入射部 ６５３ 出射部 ６５４ 出射用光ファイバ ６５６ 信号光用光ファイバ ６５７ 励起光用光ファイバ ６５９ 信号光源 ６６０ 励起光源 ６６１ 光ファイバカプラー ６６２ マッチングオイル ７０１ 光ファイバ ７０２ 入射部 ７０３ 出射部 ７０４ 入射レンズ ７０５ 出射レンズ ７０６ 励起光 ７０７ 出射光 ７０８ 励起光源 ７１１ Ｐｒイオンの準位遷移 ７１２ Ｅｕイオンの準位遷移 ７１３ 光吸収による準位遷移 ７１４ 発光による準位遷移 ７１５ 非発光による準位遷移 ７１６ エネルギー伝達による準位遷移 ７１７ 基底準位 ７１８ Ｐｒイオンの 1Ｇ4 の準位 ７２０ Ｐｒイオンの 3Ｈ5 の準位 ７２１ Ｅｕイオンの 7Ｆ3 の準位 ８０１ 光ファイバ ８０２ 入射部 ８０３ 出射部 ８０４ａ 入射レンズ ８０４ｂ 出射レンズ ８０５ 励起光 ８０６ 出射光 ８０７ 励起光源 ８１１ 光吸収による準位遷移 ８１２ 非発光による準位遷移 ８１３ 発光による準位遷移 ８１４ エネルギー伝達による準位遷移 ８１６ Ｐｒイオンの準位遷移 ８１７ Ｅｕイオンの準位遷移 ８１８ 基底準位 ８１９ Ｐｒイオンの 1Ｇ4 の準位 ８２１ Ｐｒイオンの 3Ｈ5 の準位 ８２２ Ｅｕイオンの 7Ｆ3 の準位 ８５１ 第８実施例のレーザ素子の光出力特性 ８５２ 従来のレーザ素子の光出力特性 ９０１ 光ファイバ ９０２ 入射部 ９０３ 出射部 ９０４ 出射用光ファイバ ９０６ 信号光用光ファイバ ９０７ 励起光用光ファイバ ９０９ 信号光源 ９１０ 励起光源 ９１１ 光ファイバカプラー ９１２ マッチングオイル ９２１ Ｐｒイオンの準位遷移 ９２２ Ｅｕイオンの準位遷移 ９２３ 基底準位 ９２４ Ｐｒイオンの 1Ｇ4 の準位 ９２５ Ｐｒイオンの 3Ｈ5 の準位 ９２６ Ｅｕイオンの 7Ｆ3 の準位 ９２７ 光吸収による準位遷移 ９２８ 発光による準位遷移 ９２９ エネルギー伝達による準位遷移 ９３０ 非発光による準位遷移

Claims (27)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の希土類イオンと第２の希土類イオ
    ンとが添加された光学材料により形成されており、 前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
    第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準位より
    も高い第２のエネルギー準位に励起され、該第２のエネ
    ルギー準位又は該第２のエネルギー準位よりも低くて前
    記第１のエネルギー準位よりも高い第３のエネルギー準
    位から前記第１のエネルギー準位まで発光遷移する特性
    を有し、前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオン
    とは、第１の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位
    が第２の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、
    且つ前記第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希
    土類イオンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオン
    との間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加固体光素子。
  2. 【請求項２】 高光屈折率領域と該高光屈折率領域を囲
    繞する低光屈折率領域とを有し、前記高光屈折率領域に
    第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとが添加され
    た光学材料により形成されており、 前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
    第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準位より
    も高い第２のエネルギー準位に励起され、該第２のエネ
    ルギー準位又は該第２のエネルギー準位よりも低くて前
    記第１のエネルギー準位よりも高い第３のエネルギー準
    位から前記第１のエネルギー準位まで発光遷移する特性
    を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、前記第２の希土類イオ
    ンは、前記エネルギー準位から基底準位まで非発光遷移
    する特性を有していることを特徴とする希土類イオン添
    加光ファイバ素子。
  3. 【請求項３】 高光屈折率領域と該高光屈折率領域を囲
    繞する低光屈折率領域とを有し、前記高光屈折率領域に
    第１の希土類イオンと第２の希土類イオンと第３の希土
    類イオンとが添加された光学材料により形成されてお
    り、 前記第３の希土類イオンは、該第３の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
    第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準位より
    も高い第２のエネルギー準位に励起される特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第３の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第３の希土
    類イオンの前記第２エネルギー準位とほぼ等しく、且つ
    該第２のエネルギー準位に励起された第３の希土類イオ
    ンと前記第１のエネルギー準位の第１の希土類イオンと
    の間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第１の希土類イオンは、前記第３の希土類イオンか
    らエネルギー伝達された第１のエネルギー準位又は該第
    １のエネルギー準位よりも低い第２のエネルギー準位か
    ら該第２のエネルギー準位よりも低い第３のエネルギー
    準位まで発光遷移する特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第３のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第３のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加光ファイバ素子。
  4. 【請求項４】 共振器を構成する入射部と出射部とを有
    し、第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとが添加
    された光学材料により形成されており、 前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射
    するレーザ光によって第１のエネルギー準位から該第１
    のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準位に励
    起され、該第２のエネルギー準位又は該第２のエネルギ
    ー準位よりも低くて前記第１のエネルギー準位よりも高
    い第３のエネルギー準位と前記第１のエネルギー準位と
    の間の反転分布をすることによって前記第２のエネルギ
    ー準位又は第３のエネルギー準位と前記第１のエネルギ
    ー準位との間のエネルギー差に相当する光波長を前記出
    射部より発振させる特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加レーザ素子。
  5. 【請求項５】 共振器を構成する入射部と出射部とを有
    し、第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとが添加
    された光学材料により形成されており、 前記第１の希土類イオンは、該第１の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射
    する第１のレーザ光によって第１のエネルギー準位から
    該第１のエネルギー準位よりも高い第２のエネルギー準
    位に励起されると共に、該第１の希土類イオンの光吸収
    領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射する
    第２のレーザ光によって前記第２のエネルギー準位より
    も高い第３のエネルギー準位に励起され、該第３のエネ
    ルギー準位又は該第３のエネルギー準位よりも低くて前
    記第２のエネルギー準位よりも高い第４のエネルギー準
    位と前記第１のエネルギー準位との間の反転分布をする
    ことによって前記第３のエネルギー準位又は第４のエネ
    ルギー準位と前記第１のエネルギー準位との間のエネル
    ギー差に相当する光波長を前記出射部より発振させる特
    性を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加レーザ素子。
  6. 【請求項６】 入射部と出射部とを有し、第１の希土類
    イオンと第２の希土類イオンとが添加された光学材料に
    より形成されており、前記第１の希土類イオンは、該第
    １の希土類イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振さ
    れ前記入射部から入射するレーザ光によって第１のエネ
    ルギー準位から該第１のエネルギー準位よりも高い第２
    のエネルギー準位に励起され、該第２のエネルギー準位
    又は該第２のエネルギー準位よりも低くて前記第１のエ
    ネルギー準位よりも高い第３のエネルギー準位と前記第
    １のエネルギー準位との間のエネルギー差に相当する光
    波長で発振され前記入射部から入射される信号光を増幅
    して前記出射部から発振させる特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第１のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第１のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加光増幅素子。
  7. 【請求項７】 入射部と出射部とを有し、第１の希土類
    イオンと第２の希土類イオンと第３の希土類イオンとが
    添加された光学材料により形成されており、 前記第３の希土類イオンは、該第３の希土類イオンの光
    吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
    第１のエネルギー準位から該第１のエネルギー準位より
    も高い第２のエネルギー準位に励起される特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第３の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの第１のエネルギー準位が第３の希土
    類イオンの前記第２エネルギー準位とほぼ等しく、且つ
    該第２のエネルギー準位に励起された第３の希土類イオ
    ンと前記第１のエネルギー準位の第１の希土類イオンと
    の間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第１の希土類イオンは、前記第３の希土類イオンか
    らエネルギー伝達された第１のエネルギー準位又は該第
    １のエネルギー準位よりも低い第２のエネルギー準位か
    ら該第２のエネルギー準位よりも低い第３のエネルギー
    準位との間のエネルギー差に相当する光波長で発振され
    前記入射部から入射される信号光を増幅して前記出射部
    から発振させる特性を有し、 前記第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは、第
    １の希土類イオンの前記第３のエネルギー準位が第２の
    希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
    第３のエネルギー準位に発光遷移した第１の希土類イオ
    ンと前記エネルギー準位の第２の希土類イオンとの間で
    エネルギー伝達する関係を有し、 前記第２の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
    底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
    とする希土類イオン添加光増幅素子。
  8. 【請求項８】 前記第１の希土類イオンはＴｍイオン又
    はＰｒイオン又はＮｄイオン又はＥｒイオンである請求
    項１に記載の希土類イオン添加固体光素子。
  9. 【請求項９】 前記第１の希土類イオンはＴｍイオン又
    はＰｒイオン又はＮｄイオン又はＥｒイオンである請求
    項２又は３に記載の希土類イオン添加光ファイバ素子。
  10. 【請求項１０】 前記第１の希土類イオンはＴｍイオン
    又はＰｒイオン又はＮｄイオン又はＥｒイオンである請
    求項４又は５に記載の希土類イオン添加レーザ素子。
  11. 【請求項１１】 前記第１の希土類イオンはＴｍイオン
    又はＰｒイオン又はＮｄイオン又はＥｒイオンである請
    求項６又は７に記載の希土類イオン添加光増幅素子。
  12. 【請求項１２】 前記第２の希土類イオンはＥｕイオン
    又はＳｍイオン又はＴｂイオンである請求項１に記載の
    希土類イオン添加固体光素子。
  13. 【請求項１３】 前記第２の希土類イオンはＥｕイオン
    又はＳｍイオン又はＴｂイオンである請求項２又は３に
    記載の希土類イオン添加光ファイバ素子。
  14. 【請求項１４】 前記第２の希土類イオンはＥｕイオン
    又はＳｍイオン又はＴｂイオンである請求項４又は５に
    記載の希土類イオン添加光ファイバ。
  15. 【請求項１５】 前記第２の希土類イオンはＥｕイオン
    又はＳｍイオン又はＴｂイオンである請求項６又は７に
    記載の希土類イオン添加光増幅素子。
  16. 【請求項１６】 前記第３の希土類イオンはＹｂイオン
    である請求項３に記載の希土類イオン添加光ファイバ素
    子。
  17. 【請求項１７】 前記第３の希土類イオンはＹｂイオン
    である請求項７に記載の希土類イオン添加光増幅素子。
  18. 【請求項１８】 前記光学材料はフッ化物系材料又はＳ
    ｉＯ2 系材料である請求項１に記載の希土類イオン添加
    固体光素子。
  19. 【請求項１９】 前記光学材料はフッ化物系材料又はＳ
    ｉＯ2 系材料である請求項２又は３に記載の希土類イオ
    ン添加光ファイバ素子。
  20. 【請求項２０】 前記光学材料はフッ化物系材料又はＳ
    ｉＯ2 系材料である請求項４又は５に記載の希土類イオ
    ン添加レーザ素子。
  21. 【請求項２１】 前記光学材料はフッ化物系材料又はＳ
    ｉＯ2 系材料である請求項６又は７に記載の希土類イオ
    ン添加光増幅素子。
  22. 【請求項２２】 前記レーザ光の波長は６５０ｎｍ±５
    ０ｎｍ又は７８０ｎｍ±２０ｎｍ又は１．０１７μｍ±
    ２０ｎｍである請求項１に記載の希土類イオン添加固体
    光素子。
  23. 【請求項２３】 前記レーザ光の波長は６５０ｎｍ±５
    ０ｎｍ又は７８０ｎｍ±２０ｎｍ又は１．０１７μｍ±
    ２０ｎｍであるである請求項２又は３に記載の希土類イ
    オン添加光ファイバ素子。
  24. 【請求項２４】 前記レーザ光の波長は６５０ｎｍ±５
    ０ｎｍ又は７８０ｎｍ±２０ｎｍ又は１．０１７μｍ±
    ２０ｎｍである請求項４に記載の希土類イオン添加レー
    ザ素子。
  25. 【請求項２５】 前記第１のレーザ光の波長は６５０ｎ
    ｍ±５０ｎｍであり、前記第２のレーザ光の波長は７８
    ０ｎｍ±２０ｎｍである請求項５に記載の希土類イオン
    添加レーザ素子。
  26. 【請求項２６】 前記第２のレーザ光の波長は６５０ｎ
    ｍ±５０ｎｍである請求項５に記載の希土類イオン添加
    レーザ素子。
  27. 【請求項２７】 前記レーザ光の波長は６５０ｎｍ±５
    ０ｎｍ又は７８０ｎｍ±２０ｎｍ又は１．０１７μｍ±
    ２０ｎｍである請求項６又は７に記載の希土類イオン添
    加光増幅素子。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2937285B2 (ja) * 1992-09-24 1999-08-23 日本電信電話株式会社 光増幅器
GB9305604D0 (en) * 1993-03-18 1993-05-05 British Telecomm Optical amplifier and laser
JP3228462B2 (ja) 1996-11-19 2001-11-12 セントラル硝子株式会社 光導波路及びそれを用いた１．５μｍ帯光増幅器
US6132643A (en) * 1998-01-06 2000-10-17 Pavel; Eugen Fluorescent photosensitive vitroceramics and process for the production thereof
US6228787B1 (en) 1998-07-27 2001-05-08 Eugen Pavel Fluorescent photosensitive glasses and process for the production thereof
US6603598B1 (en) * 1999-09-29 2003-08-05 Corning O.T.I. Inc. Optical amplifying unit and optical transmission system
US6697393B2 (en) * 2000-02-29 2004-02-24 Nec Corporation Laser amplifier, method and apparatus for laser amplification, and laser oscillator
EP1293018B1 (de) * 2000-06-20 2004-10-13 Evotec OAI AG Faser-laser
US6476960B1 (en) * 2001-05-21 2002-11-05 Corning Incorporated Thulium doped fiber amplifier pumping scheme
US6650400B2 (en) * 2001-06-13 2003-11-18 Nortel Networks Limited Optical fibre amplifiers
US6501596B1 (en) 2001-11-15 2002-12-31 Central Glass Company, Limited 1.4-1.52 μm-band optical amplifier
US7042634B2 (en) * 2002-03-14 2006-05-09 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical amplifier
KR100472054B1 (ko) * 2002-09-24 2005-03-10 한국전자통신연구원 광증폭기
JP2007165762A (ja) * 2005-12-16 2007-06-28 Central Glass Co Ltd 可視光発光材料および可視光発光装置
CN103236628A (zh) * 2013-04-18 2013-08-07 江苏天元激光科技有限公司 一种发热抑制的光纤激光器及其制作方法
CN112928586A (zh) * 2021-01-22 2021-06-08 暨南大学 一种铒离子自激活激光晶体及其制备方法与应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3591517A (en) * 1969-02-12 1971-07-06 Bell Telephone Labor Inc Rare earth terminated transition metal lasers
US3599109A (en) * 1969-04-16 1971-08-10 Bell Telephone Labor Inc Second photon visible emitting phosphor and device utilizing same
US4347485A (en) * 1978-01-10 1982-08-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Excimer-pumped blue-green laser
US4809293A (en) * 1985-09-03 1989-02-28 Spectra-Physics, Inc. Optical component of a laser
US4701928A (en) * 1985-10-02 1987-10-20 Board Of Trustees, Leland J. Stanford University Diode laser pumped co-doped laser
NL9000532A (nl) * 1990-03-08 1991-10-01 Philips Nv Inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht.
DE4007495C2 (de) * 1990-03-09 1993-12-02 Deutsche Aerospace Laseraktive Kodotierung für Glas
US5088103A (en) * 1990-04-30 1992-02-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Room-temperature, flashpumped, 2.09 micron solid state laser
DE4014034A1 (de) * 1990-05-02 1991-11-07 Standard Elektrik Lorenz Ag Optischer verstaerker

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