JP2908681B2 - Upconversion laser material - Google Patents

Upconversion laser material

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光とりわけ可視
レーザ光を利用する光メモリー、光計測、光情報処理分
野に於いて使用され、励起波長より短波長のレーザ光を
得ることが可能なアップコンバージョンレーザ材料に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used in the field of optical memory, optical measurement, and optical information processing using laser light, particularly visible laser light, and is capable of obtaining laser light having a wavelength shorter than the excitation wavelength. Related to up-conversion laser materials.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、アップコンバージョンレーザとし
ては、Er3+/Yb3+:BaY2 8結晶を用い、キセ
ノンランプ励起により77Kの温度にて緑色(550n
m)のレーザ発振が得られた例〔L.F.Johnso
n,et al.,Appl.Phys.Lett.1
9,44(1971)〕、Er3+:YAlO3 結晶を用
い、77Kの温度にて緑色(550nm)のレーザ発振
が得られた例〔A.J.Silversmith,et
al.,Appl.Phys.Lett.51,19
77(1987)〕、Er3+:LiYF4 結晶を用い、
半導体レーザ励起により40Kの温度で緑色(551n
m)のレーザ発振が得られた例〔F.Tong,et
al.,Electron.Lett.25,1389
(1989)〕、Nd3+:LaF3 結晶を用い、半導体
レーザを励起光源として90K以下の温度で、紫外(3
80nm)域のレーザ発振が得られた例〔R.M.Ma
cfarlane et al.,Appl.Phy
s.Lett.52,1300(1988)〕等が報告
されているが、これらバルク結晶のレーザ活性媒質を用
いた場合、いずれも室温よりはるかに低温でなければア
ップコンバージョンレーザ発振が得られないという問題
点がある。また、アップコンバージョンレーザ材料にお
いては希土類元素イオン同士の相互作用による濃度消光
の影響を避ける必要があり、高濃度で希土類元素イオン
を添加できないことから、励起光を効率良く吸収させる
ために、励起光照射領域が少なくとも数cm以上の均一
な結晶を必要とするという制約がある。
2. Description of the Related Art Heretofore, as an up-conversion laser, an Er 3+ / Yb 3+ : BaY 2 F 8 crystal has been used, and a green (550 n) at a temperature of 77 K is excited by a xenon lamp.
m) laser oscillation [L. F. Johnso
n, et al. , Appl. Phys. Lett. 1
9, 44 (1971)], an example in which green (550 nm) laser oscillation was obtained at a temperature of 77 K using Er 3+ : YAlO 3 crystal [A. J. Silversmith, et
al. , Appl. Phys. Lett. 51,19
77 (1987)], using Er 3+ : LiYF 4 crystal,
Green (551n) at a temperature of 40K by semiconductor laser excitation
m) laser oscillation example [F. Tong, et
al. , Electron. Lett. 25,1389
(1989)], using an Nd 3+ : LaF 3 crystal, and using a semiconductor laser as an excitation light source at a temperature of 90 K or less and an ultraviolet (3
80 nm) laser oscillation [R. M. Ma
cfarlane et al. , Appl. Phys
s. Lett. 52, 1300 (1988)]. However, when these bulk crystal laser active media are used, there is a problem that upconversion laser oscillation cannot be obtained unless the temperature is much lower than room temperature. . In addition, in the case of an up-conversion laser material, it is necessary to avoid the influence of concentration quenching due to the interaction between rare earth element ions. Since rare earth element ions cannot be added at a high concentration, the excitation light must be absorbed efficiently. There is a restriction that the irradiation region needs a uniform crystal of at least several cm.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アップコン
バージョンレーザ材料を微小球形状にすることで、小さ
い結晶において効率良く励起光を吸収し、且つアップコ
ンバージョン発光を効率よくレーザ材料に閉じ込めるこ
とにより、室温付近においてアップコンバージョンレー
ザが発振する微小なアップコンバージョンレーザ材料を
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to provide an up-conversion laser material having a fine spherical shape so that a small crystal can efficiently absorb excitation light and efficiently confine up-conversion emission in the laser material. It is another object of the present invention to provide a minute up-conversion laser material in which an up-conversion laser oscillates near room temperature.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、希土類元素イ
オンとして、エルビウム、ホロミウム、プラセオジウ
ム、ツリウム、ネオジウム及びセリウムの内、少なくと
も一つ以上を含むアップコンバージョンレーザ結晶を研
磨等により微小球形状にすることで達成される。
According to the present invention, an up-conversion laser crystal containing at least one of erbium, holmium, praseodymium, thulium, neodymium and cerium as rare earth element ions is formed into a fine spherical shape by polishing or the like. It is achieved by doing.

【0005】この微小球結晶に活性イオンである希土類
元素イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレ
ーザ光を照射すると、希土類元素イオンが第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、図1
(a)に示すような励起イオン間のエネルギー伝達もし
くは図1(b)に示すような励起状態吸収(多段階励
起)により、更に前記第2のエネルギー準位より高い第
4のエネルギー準位に励起され、該第4のエネルギー準
位又は該第4のエネルギー準位より低くて前記第2のエ
ネルギー準位より高い第5のエネルギー準位より前記第
1のエネルギー準位まで発光遷移することにより、入射
光の波長より短い波長の光を発光する、いわゆるアップ
コンバージョン発光が微小球内部で生じ、このアップコ
ンバージョン発光の内、微小球内部と外部との境界面に
臨界角より大きな角度で入射した光は、境界面で全反射
を繰り返す。そしてこの全反射を繰り返し微小球内を回
転する光が同じ位相を持つとき、この光は共振し、微小
球自体が共振器として働き、前記第4のエネルギー準位
又は前記第5のエネルギー準位と前記第1のエネルギー
準位との間に反転分布を起こすことによって、前記第4
のエネルギー準位又は第5のエネルギー準位と前記第1
のエネルギー準位とのエネルギー差に相当する波長のレ
ーザ光を発振する。
When the microsphere crystal is irradiated with laser light oscillated with light energy in the light absorption region of rare earth element ions as active ions, the rare earth element ions are changed from the first energy level to the first energy level. When excited to a higher second energy level and from the second energy level or from a third energy level lower than the second energy level and higher than the first energy level, FIG.
Due to the energy transfer between the excited ions as shown in (a) or the excited state absorption (multi-step excitation) as shown in FIG. 1B, the energy is further shifted to the fourth energy level higher than the second energy level. Being excited to emit light from the fourth energy level or a fifth energy level lower than the fourth energy level and higher than the second energy level to the first energy level, The so-called up-conversion emission, which emits light having a wavelength shorter than the wavelength of the incident light, occurs inside the microsphere, and the up-conversion emission enters the interface between the inside and the outside of the microsphere at an angle larger than the critical angle. Light repeats total reflection at the interface. When the light that repeats the total reflection and rotates in the microsphere has the same phase, the light resonates, and the microsphere itself functions as a resonator, and the fourth energy level or the fifth energy level is used. By causing an inversion distribution between the first energy level and the fourth energy level.
Energy level or the fifth energy level and the first energy level
Oscillates a laser beam having a wavelength corresponding to the energy difference from the energy level.

【0006】本発明において希土類元素イオン添加量は
50〜5000ppmの範囲が適しており、より好まし
くは300〜1500ppmである。希土類元素イオン
添加量が50ppmより少ない場合は、励起用レーザ光
の吸収効率が悪く、アップコンバージョンレーザ発振が
起こり難い。また、希土類元素イオン添加量が5000
ppm以上である場合は、希土類元素イオン間の相互作
用による濃度消光が生じアップコンバージョンレーザ発
振が起こり難くなる。また、前記希土類元素イオンとは
別に増感イオンとしてYb3+等を共添加することで、発
光効率を改善することも可能である。
[0006] In the present invention, the amount of rare earth element ion added is suitably in the range of 50 to 5000 ppm, and more preferably 300 to 1500 ppm. When the amount of the rare earth element ion added is less than 50 ppm, the absorption efficiency of the excitation laser light is poor, and upconversion laser oscillation is unlikely to occur. The rare earth element ion addition amount is 5000
When the concentration is not less than ppm, concentration quenching occurs due to the interaction between rare earth element ions, and upconversion laser oscillation is less likely to occur. In addition, luminous efficiency can be improved by co-adding Yb 3+ or the like as a sensitizing ion separately from the rare earth element ion.

【0007】微小球結晶の屈折率はレーザ発振波長域に
おいて1.3以上あることが好ましく、1.3より小さ
い場合は光閉じ込めが効果的に行えず、アップコンバー
ジョンレーザ発振が起こり難くなる。
[0007] The refractive index of the microsphere crystal is preferably 1.3 or more in the laser oscillation wavelength range, and when it is smaller than 1.3, light cannot be effectively confined, and up-conversion laser oscillation hardly occurs.

【0008】微小球結晶のサイズは特に限定されない
が、取扱いを考慮した場合、50〜2000μmの範囲
が適しており、より好ましくは200〜1000μmで
ある。微小球サイズは大きくなる程回折効果による光の
漏れが相対的に小さくなることから、微小球共振器のQ
値が大きくなり、低い閾値でのアップコンバージョンレ
ーザ発振が起こるが、Q値が大きくなることにより多く
の共鳴モードが存在し、発振線のスペクトルは複雑にな
ることから、微小球サイズは使用目的に合わせて決定す
ることが好ましい。
[0008] The size of the microsphere crystal is not particularly limited, but in consideration of handling, the size is suitably in the range of 50 to 2000 µm, more preferably 200 to 1000 µm. Since the light leakage due to the diffraction effect becomes relatively smaller as the size of the microsphere increases, the Q of the microsphere resonator increases.
The value increases, and upconversion laser oscillation occurs at a low threshold. However, as the Q value increases, many resonance modes exist, and the spectrum of the oscillation line becomes complicated. It is preferable to determine them together.

【0009】微小球結晶材料はフッ化物単結晶、塩化物
単結晶、臭化物単結晶、ヨウ化物単結晶が好ましく、特
に化学的耐久性及び機械的強度を考慮した場合Ba
2 、CaF2 、LYF4 等のフッ化物単結晶がより好
ましい。発振効率を考慮した場合はフォノンエネルギー
が小さい結晶程好ましいが、励起光波長及びアップコン
バージョンレーザ発振波長に材料の固有吸収が有る結晶
は発振効率が下がることから好ましくない。
The microsphere crystal material is preferably a single crystal of fluoride, a single crystal of chloride, a single crystal of bromide, or a single crystal of iodide. In particular, in consideration of chemical durability and mechanical strength, Ba is preferable.
Fluoride single crystals such as F 2 , CaF 2 and LYF 4 are more preferred. In consideration of the oscillation efficiency, a crystal having a smaller phonon energy is preferable, but a crystal having a material intrinsic absorption at the excitation light wavelength and the up-conversion laser oscillation wavelength is not preferable because the oscillation efficiency is reduced.

【0010】[0010]

【作用】アップコンバージョンレーザ結晶を微小球形状
とし、光閉じ込めを図り、微小球自体を共振器とするこ
とにより、共振器のQ値を大きくすることが可能とな
り、バルク形状では得ることが困難なアップコンバージ
ョンレーザ光を容易に室温で得ることができる。
[Function] By making the up-conversion laser crystal into a micro-sphere shape, confining light, and using the micro-sphere itself as a resonator, it is possible to increase the Q value of the resonator, and it is difficult to obtain a bulk shape. Up-conversion laser light can be easily obtained at room temperature.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited to these examples.

【0012】実施例 図2は本発明のアップコンバージョン微小球レーザの一
実施例であり、1は励起光源で、2は励起光集光レン
ズ、3は希土類添加微小球、4は微小球より発せられる
アップコンバージョンレーザ光を1点に集める楕円リフ
レクター、5は集められたレーザ光を伝送するファイ
バ、6はファイバからのアップコンバージョンレーザ光
を集光するレンズである。励起光源はTi:サファイア
レーザで、希土類添加微小球の直径は500μmで、5
00ppmのEr3+が添加されたLiYF4 フッ化物単
結晶である。
Embodiment FIG. 2 shows an embodiment of an up-conversion microsphere laser according to the present invention, in which 1 is an excitation light source, 2 is an excitation light condensing lens, 3 is a rare earth-doped microsphere, and 4 is an emission from the microsphere. An elliptical reflector for collecting the up-conversion laser light to be collected at one point, a fiber 5 for transmitting the collected laser light, and a lens 6 for collecting the up-conversion laser light from the fiber. The excitation light source is a Ti: sapphire laser, and the rare earth-doped microspheres have a diameter of 500 μm and a diameter of 5 μm.
It is a LiYF 4 fluoride single crystal to which 00 ppm of Er 3+ is added.

【0013】励起光源1より800nmのレーザ光をレ
ンズ2により集光し、希土類添加微小球3の端に図3の
符号7で示すように照射することで、Er3+ 415/2
49/2 励起及び 411/2 47/2 励起による 4
3/2 415/2遷移に伴う550nmのレーザ光が得ら
れたことを発振スペクトル及び閾値(150mW)の存
在より確認した。
[0013] The laser beam of 800nm from the excitation light source 1 is condensed by a lens 2, by irradiating as shown at 7 in Figure 3 to the end of the rare earth-doped microspheres 3, 4 of the Er 3+ I 15/2
4 I 9/2 excitation and 4 I 11/24 F by 4 F 7/2 excitation
That 3/24 I 15/2 laser beam 550nm due to transition was obtained was confirmed from the existence of the oscillation spectrum and thresholds (150 mW).

【0014】この実施例ではEr3+を添加したLiYF
4 フッ化物単結晶微小球を用いたが、Tm3+を添加した
LiYF4 単結晶微小球を用い、色素レーザ励起(65
0nm)により480nmのレーザ光が得られることも
確認した。
In this embodiment, LiYF doped with Er 3+ is used.
Although using four fluoride single crystal microspheres, using LiYF 4 single crystal microspheres added with Tm 3+, dye laser excitation (65
(0 nm), it was confirmed that a 480 nm laser beam could be obtained.

【0015】更に、レーザ媒質とし、LaF3 単結晶、
BaF2 単結晶、NaClあるいはKBr単結晶を用
い、希土類元素イオンとしてHo3+、Pr3+、Ce3+
るいはNd3+を添加した微小球についても各々励起波長
を変えることによりアップコンバージョンレーザ光を得
ることが可能である。
Further, as a laser medium, a LaF 3 single crystal,
Up-conversion laser light using BaF 2 single crystal, NaCl or KBr single crystal and changing the excitation wavelength of each microsphere to which Ho 3+ , Pr 3+ , Ce 3+ or Nd 3+ is added as a rare earth element ion. It is possible to obtain

【0016】[0016]

【発明の効果】以上説明したように、アップコンバージ
ョンレーザ結晶材料を微小球形状とすることにより、光
閉じ込め効果が実現できると同時に、微小球自体を共振
器とすることで、バルク結晶を使用するアップコンバー
ジョンレーザに比べ、共振器のQ値を大きくすることが
可能となり、バルク結晶では困難な室温でのアップコン
バージョンレーザ発振が可能になる。
As described above, the light confinement effect can be realized by forming the up-conversion laser crystal material into a microsphere shape, and at the same time, the bulk crystal is used by using the microsphere itself as a resonator. Compared with an up-conversion laser, the Q value of the resonator can be increased, and up-conversion laser oscillation at room temperature, which is difficult with a bulk crystal, can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】アップコンバージョン励起機構を示す。 (a)励起イオン間のエネルギー伝達 (b)励起状態吸収(多段階励起)FIG. 1 shows an up-conversion excitation mechanism. (A) Energy transfer between excited ions (b) Excited state absorption (multi-step excitation)

【図2】アップコンバージョンレーザ材料として希土類
添加微小球結晶を用いたアップコンバージョンレーザの
一実施例を示す構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of an up-conversion laser using a rare-earth-doped microsphere crystal as an up-conversion laser material.

【図3】希土類添加微小球結晶への励起光照射例を示
す。
FIG. 3 shows an example of excitation light irradiation on a rare earth-doped microsphere crystal.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.励起光源 2.集光レンズ 3.希土類添加微小球結晶 4.楕円リフレクター 5.光ファイバ 6.集光レンズ 7.集光された励起用レーザ 1. Excitation light source 2. 2. Condensing lens 3. Rare earth-doped microsphere crystal Elliptical reflector 5. Optical fiber 6. Condensing lens 7. Focused excitation laser

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 夏哉 山口県宇部市大字沖宇部5253番地 セン トラル硝子株式会社宇部研究所内 (72)発明者 喜田 康 山口県宇部市大字沖宇部5253番地 セン トラル硝子株式会社宇部研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−177483(JP,A) 特表 昭63−503495(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/06 H01S 3/16 - 3/17 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Natsumura Nishimura 5253 Oki Ube, Oji, Ube City, Yamaguchi Prefecture Central Glass Co., Ltd.Ube Research Laboratories (72) Inventor Yasushi Yasuda 5253 Oki Ube, Oji Ube City, Yamaguchi Prefecture, Central Ube Laboratory, Glass Co., Ltd. (56) References JP-A-63-177483 (JP, A) JP-A-63-503495 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/06 H01S 3/16-3/17

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 希土類元素イオンとしてエルビウム、ホ
ロミウム、プラセオジウム、ツリウム、ネオジウム及び
セリウムの内、少なくとも一つを含み、その含有量を5
0〜5000ppmの範囲とした、粒径が50〜200
0μmである微小球結晶であり、その結晶がフッ化物単
結晶、塩化物単結晶、臭化物単結晶、またはヨウ化物単
結晶であることを特徴とするアップコンバージョンレー
ザ材料。
1. A rare earth element ion containing at least one of erbium, holmium, praseodymium, thulium, neodymium and cerium, and having a content of 5
The particle size is in the range of 0 to 5000 ppm, and the particle size is 50 to 200 ppm.
An up-conversion laser material, which is a microsphere crystal having a diameter of 0 μm, and the crystal is a single crystal of fluoride, a single crystal of chloride, a single crystal of bromide, or a single crystal of iodide.
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