JP2989454B2 - 希土類イオン添加短波長レーザ光源装置 - Google Patents
希土類イオン添加短波長レーザ光源装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理、光計測測
定、環境測定等の分野で利用される希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置に関する。
定、環境測定等の分野で利用される希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光学材料に添加される希土類イオンに関
する研究開発は１９６０年代に活発に行われ、様々な構
成や発振波長を有する、希土類イオン添加固体レーザ素
子が提案されてきた。これらの固体レーザ素子や該固体
レーザ素子に添加される希土類イオンの特性全般に関し
ては、例えばAlexander A. Kaminskii著のLaser Crysta
ls, (Springer-Verlag, 1981) 等に示されている。一般
的には、これらの希土類イオンは高出力であるフラッシ
ュランプよりなる励起光源により励起されるが、フラッ
シュランプからは、高帯域の波長の光が放出され、希土
類イオンに吸収されない波長の光も放出されるので、固
体レーザの出力の効率が低下すると共に熱による悪影響
も避けられないという問題があった。
する研究開発は１９６０年代に活発に行われ、様々な構
成や発振波長を有する、希土類イオン添加固体レーザ素
子が提案されてきた。これらの固体レーザ素子や該固体
レーザ素子に添加される希土類イオンの特性全般に関し
ては、例えばAlexander A. Kaminskii著のLaser Crysta
ls, (Springer-Verlag, 1981) 等に示されている。一般
的には、これらの希土類イオンは高出力であるフラッシ
ュランプよりなる励起光源により励起されるが、フラッ
シュランプからは、高帯域の波長の光が放出され、希土
類イオンに吸収されない波長の光も放出されるので、固
体レーザの出力の効率が低下すると共に熱による悪影響
も避けられないという問題があった。
【０００３】ところが、１９８０年代になると、希土類
イオン固有の吸収領域で発振する半導体レーザが励起光
源として用いられるようになってきた。そして、半導体
レーザの高出力化に伴なって、希土類イオンが添加され
た固体レーザの出力効率が向上すると共にそのサイズや
価格も低下してきた。
イオン固有の吸収領域で発振する半導体レーザが励起光
源として用いられるようになってきた。そして、半導体
レーザの高出力化に伴なって、希土類イオンが添加され
た固体レーザの出力効率が向上すると共にそのサイズや
価格も低下してきた。
【０００４】半導体レーザにより励起される希土類イオ
ン添加固体レーザは、１．０６４μｍの光を出力するＮ
ｄイオン添加のＹＡＧ（Yittrium-Aluminum-Garnet）レ
ーザに代表される。半導体レーザの光により励起される
（レーザ励起）希土類イオン添加固体レーザは基本的に
は励起光の波長よりも長い波長でしか発振しなかった。
すなわち、固体レーザに添加された希土類イオンは、励
起光のエネルギーを吸収して或る高エネルギー準位に励
起され、この高エネルギー準位よりも低いエネルギー準
位から発光遷移するのが通常であった。
ン添加固体レーザは、１．０６４μｍの光を出力するＮ
ｄイオン添加のＹＡＧ（Yittrium-Aluminum-Garnet）レ
ーザに代表される。半導体レーザの光により励起される
（レーザ励起）希土類イオン添加固体レーザは基本的に
は励起光の波長よりも長い波長でしか発振しなかった。
すなわち、固体レーザに添加された希土類イオンは、励
起光のエネルギーを吸収して或る高エネルギー準位に励
起され、この高エネルギー準位よりも低いエネルギー準
位から発光遷移するのが通常であった。
【０００５】しかしながら、希土類イオンの種類によっ
ては、上位のエネルギー準位における蛍光寿命時間が長
く、高出力で励起される場合には上位のエネルギー準位
からさらに高いエネルギー準位にまで再励起される、い
わゆる励起準位吸収（ＥＳＡ）が見られる。このさらに
高いエネルギー準位は各励起光よりもエネルギー準位が
高いため、励起光の波長よりも短い波長での発振が可能
となる。このような２光子吸収による高いエネルギー準
位への励起をアップコンバージョン励起と呼び、このよ
うにして得られた短波長レーザ素子はアップコンバージ
ョンレーザ素子と呼ばれる。
ては、上位のエネルギー準位における蛍光寿命時間が長
く、高出力で励起される場合には上位のエネルギー準位
からさらに高いエネルギー準位にまで再励起される、い
わゆる励起準位吸収（ＥＳＡ）が見られる。このさらに
高いエネルギー準位は各励起光よりもエネルギー準位が
高いため、励起光の波長よりも短い波長での発振が可能
となる。このような２光子吸収による高いエネルギー準
位への励起をアップコンバージョン励起と呼び、このよ
うにして得られた短波長レーザ素子はアップコンバージ
ョンレーザ素子と呼ばれる。
【０００６】アップコンバージョンレーザ素子として
は、現在ではＨｏイオン又はＥｒイオンが添加された固
体レーザ素子からなり５３０ｎｍ帯の緑色を発振するも
のや、Ｔｍイオン又はＰｒイオンが添加された固体レー
ザ素子からなり青色を発振するものなどの報告例があ
る。これらについては、例えば敷田亜樹他著の「アップ
コンバージョンによる可視光発生」（レーザー研究、第
２０巻第４号、１９９２年）等に示されている。
は、現在ではＨｏイオン又はＥｒイオンが添加された固
体レーザ素子からなり５３０ｎｍ帯の緑色を発振するも
のや、Ｔｍイオン又はＰｒイオンが添加された固体レー
ザ素子からなり青色を発振するものなどの報告例があ
る。これらについては、例えば敷田亜樹他著の「アップ
コンバージョンによる可視光発生」（レーザー研究、第
２０巻第４号、１９９２年）等に示されている。
【０００７】アップコンバージョンレーザ素子は、主と
して２つの吸収遷移を行なうので、２つの波長の光が励
起光として必要である。例えばＴｍイオンが添加された
固体レーザ素子は、Allain, et al 著の "Upconversion
Blue fiber laser, " Electronics Letters, vol26,
p. 261,1992, に報告されているように、Ｔｍイオンが
６８０ｎｍの光により基底準位吸収（ＧＳＡ）遷移を行
なった後、６５０ｎｍの光により励起準位吸収遷移を行
なうため、４５０ｎｍないし４８０ｎｍの波長を有する
青色の光を発振する。この場合、励起光源としてはＫｒ
レーザを用いている。
して２つの吸収遷移を行なうので、２つの波長の光が励
起光として必要である。例えばＴｍイオンが添加された
固体レーザ素子は、Allain, et al 著の "Upconversion
Blue fiber laser, " Electronics Letters, vol26,
p. 261,1992, に報告されているように、Ｔｍイオンが
６８０ｎｍの光により基底準位吸収（ＧＳＡ）遷移を行
なった後、６５０ｎｍの光により励起準位吸収遷移を行
なうため、４５０ｎｍないし４８０ｎｍの波長を有する
青色の光を発振する。この場合、励起光源としてはＫｒ
レーザを用いている。
【０００８】また、Ｔｍイオンを３つの波長の光で励起
させ、４８０ｎｍの光を発振させるアップコンバージョ
ン素子も提案されている。これについては、Grubb, et
al著の"Upconversion blue fiber laser," Electronics
Letters,vol28, p. 1243,1992 に報告されている。こ
の場合には、半導体レーザにより励起されるＮｄ：ＹＡ
Ｇ固体レーザを用い、該Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザが発振
する１．１１２μｍ，１．１１６μｍ，１．１２３μｍ
の３波長を利用し、Ｔｍイオンが基底準位吸収遷移と２
回の励起準位吸収遷移とを行なうことによりアップコン
バージョンを行なっている。
させ、４８０ｎｍの光を発振させるアップコンバージョ
ン素子も提案されている。これについては、Grubb, et
al著の"Upconversion blue fiber laser," Electronics
Letters,vol28, p. 1243,1992 に報告されている。こ
の場合には、半導体レーザにより励起されるＮｄ：ＹＡ
Ｇ固体レーザを用い、該Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザが発振
する１．１１２μｍ，１．１１６μｍ，１．１２３μｍ
の３波長を利用し、Ｔｍイオンが基底準位吸収遷移と２
回の励起準位吸収遷移とを行なうことによりアップコン
バージョンを行なっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
場合には、励起光源としてＫｒレーザを用いており、こ
のＫｒレーザが高価で且つ大きい装置であるために、Ｋ
ｒレーザを励起光源とする短波長レーザ光源装置は、産
業上の利用用途が大きく制限されるという問題がある。
場合には、励起光源としてＫｒレーザを用いており、こ
のＫｒレーザが高価で且つ大きい装置であるために、Ｋ
ｒレーザを励起光源とする短波長レーザ光源装置は、産
業上の利用用途が大きく制限されるという問題がある。
【００１０】また、後者の場合には、励起光の波長が通
常のＮｄ：ＹＡＧ固体レーザの励起波長である１．０６
４μｍと異なっているために、前記３つの波長で発振さ
せるための工夫が必要であり、短波長レーザ光源装置と
しては複雑で且つ大掛かりなものになるという問題があ
る。さらに、後者の場合においては、基底準位吸収と２
つの励起準位吸収からなり吸収波長領域が重なる３つの
波長で励起する方法を用いているため、吸収波長が重な
る領域においてはそれぞれの吸収係数が低いため、吸収
効率が低下するという問題がある。
常のＮｄ：ＹＡＧ固体レーザの励起波長である１．０６
４μｍと異なっているために、前記３つの波長で発振さ
せるための工夫が必要であり、短波長レーザ光源装置と
しては複雑で且つ大掛かりなものになるという問題があ
る。さらに、後者の場合においては、基底準位吸収と２
つの励起準位吸収からなり吸収波長領域が重なる３つの
波長で励起する方法を用いているため、吸収波長が重な
る領域においてはそれぞれの吸収係数が低いため、吸収
効率が低下するという問題がある。
【００１１】このように、従来の方法によると、アップ
コンバージョンを行なうためには、１つの基底準位吸収
用の励起光と少なくとも１つの励起準位吸収用の励起光
とからなる少なくとも２つの励起光が必要であり、そし
て、通常、これら２つの励起光は２つの励起光源により
供給される。このように２つの励起光源を用いる短波長
レーザ光源装置は、装置自体が大掛かりになると共に高
価になるので、産業上の利用用途が限られるという問題
がある。
コンバージョンを行なうためには、１つの基底準位吸収
用の励起光と少なくとも１つの励起準位吸収用の励起光
とからなる少なくとも２つの励起光が必要であり、そし
て、通常、これら２つの励起光は２つの励起光源により
供給される。このように２つの励起光源を用いる短波長
レーザ光源装置は、装置自体が大掛かりになると共に高
価になるので、産業上の利用用途が限られるという問題
がある。
【００１２】また、少なくとも２つの波長の光を同時に
希土類イオン添加光学材料に入射するためには、共振器
に複数の波長で反射する多層反射膜ミラーを施したり、
励起光の波長が異なることに起因するレンズ系の色収差
を補正したり、複雑な光学系を施したりする必要がある
ので、短波長レーザ光源装置の部品点数が増えると共
に、該装置が高価なものになるという問題がある。
希土類イオン添加光学材料に入射するためには、共振器
に複数の波長で反射する多層反射膜ミラーを施したり、
励起光の波長が異なることに起因するレンズ系の色収差
を補正したり、複雑な光学系を施したりする必要がある
ので、短波長レーザ光源装置の部品点数が増えると共
に、該装置が高価なものになるという問題がある。
【００１３】前記に鑑み、本発明は、１つの励起光源か
ら出射された１つの励起光によりアップコンバージョン
励起をすることができる安価で且つ簡単な構造のレーザ
光源装置を提供することを目的とする。
ら出射された１つの励起光によりアップコンバージョン
励起をすることができる安価で且つ簡単な構造のレーザ
光源装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、第１の波長の励起光により吸収
遷移をして光を放出する第１の希土類イオンが添加され
た第１の光学材料と、前記励起光と第１の希土類イオン
が放出する光とによってアップコンバージョン励起され
る第２の希土類イオンが添加された第２の光学材料とを
用いるものである。
め、請求項１の発明は、第１の波長の励起光により吸収
遷移をして光を放出する第１の希土類イオンが添加され
た第１の光学材料と、前記励起光と第１の希土類イオン
が放出する光とによってアップコンバージョン励起され
る第２の希土類イオンが添加された第２の光学材料とを
用いるものである。
【００１５】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンが添加されており、前記励起光源から出
射される励起光が入射する第１の入射部と、該第１の入
射部から入射する励起光及び前記第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光をそれぞれ出射する第１の出射
部とを有する第１の光学材料と、第１の波長の励起光に
より基底準位吸収遷移をすると共に第２の波長の光によ
り励起準位吸収遷移を行ない、該励起準位吸収遷移の上
位遷移準位から発光遷移をして第３の波長の光を放出す
る第２の希土類イオンが添加されており、前記第１の光
学材料の第１の出射部から出射される励起光及び第２の
波長の光がそれぞれ入射する第２の入射部と、該第２の
入射部と共に前記第２の希土類イオンが放出する第３の
波長の光を共振する共振器を構成し該共振器により発振
されたレーザビームを出力する第２の出射部とを有する
第２の光学材料とを備えている構成とするものである。
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンが添加されており、前記励起光源から出
射される励起光が入射する第１の入射部と、該第１の入
射部から入射する励起光及び前記第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光をそれぞれ出射する第１の出射
部とを有する第１の光学材料と、第１の波長の励起光に
より基底準位吸収遷移をすると共に第２の波長の光によ
り励起準位吸収遷移を行ない、該励起準位吸収遷移の上
位遷移準位から発光遷移をして第３の波長の光を放出す
る第２の希土類イオンが添加されており、前記第１の光
学材料の第１の出射部から出射される励起光及び第２の
波長の光がそれぞれ入射する第２の入射部と、該第２の
入射部と共に前記第２の希土類イオンが放出する第３の
波長の光を共振する共振器を構成し該共振器により発振
されたレーザビームを出力する第２の出射部とを有する
第２の光学材料とを備えている構成とするものである。
【００１６】請求項２の発明は、請求項１の構成に前記
第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイオ
ンであり前記第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオンであ
るという構成を付加するものであり、請求項３の発明
は、請求項１の構成に前記第１の希土類イオンは３価Ｔ
ｍイオンであり前記第２の希土類イオンは３価Ｅｒイオ
ンであるという構成を付加するものであり、請求項４の
発明は、請求項１又は２の構成に前記第１の希土類イオ
ンは３価Ｙｂイオンであり前記第２の希土類イオンは３
価Ｐｒイオンであるという構成を付加するものである。
第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイオ
ンであり前記第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオンであ
るという構成を付加するものであり、請求項３の発明
は、請求項１の構成に前記第１の希土類イオンは３価Ｔ
ｍイオンであり前記第２の希土類イオンは３価Ｅｒイオ
ンであるという構成を付加するものであり、請求項４の
発明は、請求項１又は２の構成に前記第１の希土類イオ
ンは３価Ｙｂイオンであり前記第２の希土類イオンは３
価Ｐｒイオンであるという構成を付加するものである。
【００１７】また、前記の目的を達成するため、請求項
５又は６の発明は、励起光により吸収遷移をして光を放
出する第１の希土類イオンと、励起光と第１の希土類イ
オンが放出した放出光とによってアップコンバージョン
励起される第２の希土類イオンとが添加された光学材料
を用いると共に、第１の希土類イオン及び第２の希土類
イオンの種類をそれぞれ特定するものである。
５又は６の発明は、励起光により吸収遷移をして光を放
出する第１の希土類イオンと、励起光と第１の希土類イ
オンが放出した放出光とによってアップコンバージョン
励起される第２の希土類イオンとが添加された光学材料
を用いると共に、第１の希土類イオン及び第２の希土類
イオンの種類をそれぞれ特定するものである。
【００１８】具体的に請求項５の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンと、第１の波長の励起光により基底準位
吸収遷移をすると共に、前記第１の希土類イオンが放出
する第２の波長の光により励起準位吸収遷移を行なうか
又は吸収遷移した前記第１の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達をして励起準位吸収遷移を行ない、前記２つ
の励起準位吸収遷移のいずれか一方の上位遷移準位から
発光遷移をして第３の波長の光を放出する第２の希土類
イオンとが添加されており、前記励起光源から出射され
る励起光が入射する入射部と、該入射部と共に前記第２
の希土類イオンが放出する第３の波長の光を共振する共
振器を構成し該共振器により発振されたレーザビームを
出力する出射部とを有する光学材料とを備えており、前
記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイ
オンであり、前記第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオン
である構成とするものである。
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンと、第１の波長の励起光により基底準位
吸収遷移をすると共に、前記第１の希土類イオンが放出
する第２の波長の光により励起準位吸収遷移を行なうか
又は吸収遷移した前記第１の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達をして励起準位吸収遷移を行ない、前記２つ
の励起準位吸収遷移のいずれか一方の上位遷移準位から
発光遷移をして第３の波長の光を放出する第２の希土類
イオンとが添加されており、前記励起光源から出射され
る励起光が入射する入射部と、該入射部と共に前記第２
の希土類イオンが放出する第３の波長の光を共振する共
振器を構成し該共振器により発振されたレーザビームを
出力する出射部とを有する光学材料とを備えており、前
記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイ
オンであり、前記第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオン
である構成とするものである。
【００１９】具体的に請求項６の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンと、第１の波長の励起光により基底準位
吸収遷移をすると共に、前記第１の希土類イオンが放出
する第２の波長の光により励起準位吸収遷移を行なうか
又は吸収遷移した前記第１の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達をして励起準位吸収遷移を行ない、前記２つ
の励起準位吸収遷移のいずれか一方の上位遷移準位から
発光遷移をして第３の波長の光を放出する第２の希土類
イオンとが添加されており、前記励起光源から出射され
る励起光が入射する入射部と、該入射部と共に前記第２
の希土類イオンが放出する第３の波長の光を共振する共
振器を構成し該共振器により発振されたレーザビームを
出力する出射部とを有する光学材料とを備えており、前
記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオンであり、前記第
２の希土類イオンは３価Ｐｒイオンである構成とするも
のである。
は、希土類イオン添加短波長レーザ光源装置を、第１の
波長の励起光を出射する励起光源と、第１の波長の励起
光により吸収遷移をして第２の波長の光を放出する第１
の希土類イオンと、第１の波長の励起光により基底準位
吸収遷移をすると共に、前記第１の希土類イオンが放出
する第２の波長の光により励起準位吸収遷移を行なうか
又は吸収遷移した前記第１の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達をして励起準位吸収遷移を行ない、前記２つ
の励起準位吸収遷移のいずれか一方の上位遷移準位から
発光遷移をして第３の波長の光を放出する第２の希土類
イオンとが添加されており、前記励起光源から出射され
る励起光が入射する入射部と、該入射部と共に前記第２
の希土類イオンが放出する第３の波長の光を共振する共
振器を構成し該共振器により発振されたレーザビームを
出力する出射部とを有する光学材料とを備えており、前
記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオンであり、前記第
２の希土類イオンは３価Ｐｒイオンである構成とするも
のである。
【００２０】
【作用】請求項１の構成により、第１の希土類イオン
は、励起光源から出射された第１の波長の励起光により
励起されて第２の波長の光を出射し、第２の希土類イオ
ンは、励起光源から出射された第１の波長の励起光と第
１の希土類イオンから出射された第２の波長の光とによ
りアップコンバージョン励起され、アップコンバージョ
ン励起された上位遷移準位から遷移発光することによっ
て短波長の第３の波長の光を放出する。そして、第２の
希土類イオンから放出された短波長の光は第２の光学材
料の入射部及び出射部からなる共振器によりレーザ発振
されて出射部から出力される。この場合、励起光源から
出射された第１の波長の励起光は第１の希土類イオンに
基底準位吸収の励起をさせるが、第１の希土類イオンの
基底準位吸収の度合いにもよるが、例えば励起光のうち
の約半分の光量は第１の希土類イオンに吸収されずに第
１の光学材料から第２の光学材料に入射される。すなわ
ち、第１の光学材料からは第１の希土類イオンに吸収さ
れなかった第１の波長の励起光と第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光とからなる２種類の波長の光が
放出され、該２種類の波長の光が第２の光学材料に入射
される。これにより、第２の希土類イオンは、第１の波
長の励起光による基底準位吸収と第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光による励起準位吸収とをするこ
とができるのである。
は、励起光源から出射された第１の波長の励起光により
励起されて第２の波長の光を出射し、第２の希土類イオ
ンは、励起光源から出射された第１の波長の励起光と第
１の希土類イオンから出射された第２の波長の光とによ
りアップコンバージョン励起され、アップコンバージョ
ン励起された上位遷移準位から遷移発光することによっ
て短波長の第３の波長の光を放出する。そして、第２の
希土類イオンから放出された短波長の光は第２の光学材
料の入射部及び出射部からなる共振器によりレーザ発振
されて出射部から出力される。この場合、励起光源から
出射された第１の波長の励起光は第１の希土類イオンに
基底準位吸収の励起をさせるが、第１の希土類イオンの
基底準位吸収の度合いにもよるが、例えば励起光のうち
の約半分の光量は第１の希土類イオンに吸収されずに第
１の光学材料から第２の光学材料に入射される。すなわ
ち、第１の光学材料からは第１の希土類イオンに吸収さ
れなかった第１の波長の励起光と第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光とからなる２種類の波長の光が
放出され、該２種類の波長の光が第２の光学材料に入射
される。これにより、第２の希土類イオンは、第１の波
長の励起光による基底準位吸収と第１の希土類イオンが
放出する第２の波長の光による励起準位吸収とをするこ
とができるのである。
【００２１】請求項５又は６の構成により、第１の希土
類イオンは、励起光源から出射された第１の波長の励起
光により励起されて第２の波長の光を出射する。第２の
希土類イオンは、励起光源から出射された第１の波長の
励起光と第１の希土類イオンから出射された第２の波長
の光とによりアップコンバージョン励起をされるか、又
は励起光源から出射された励起光の吸収と基底準位吸収
遷移の上位遷移準位に達した第１の希土類イオンとの間
のエネルギー伝達とによってアップコンバージョン励起
をされる。そして、第２の希土類イオンから放出された
短波長の第３の波長の光は光学材料の入射部及び出射部
からなる共振器によりレーザ発振されて出射部から出力
される。この場合、励起光源から出射された第１の波長
の励起光は第１の希土類イオンに基底準位吸収の励起を
させると共に第２の希土類イオンに基底準位吸収の励起
をさせる。そして、第２の希土類イオンは、第１の希土
類イオンから出射された第１の波長の光により励起準位
吸収遷移をするか、又は基底準位吸収により上位遷移準
位に達した第１の希土類イオンとの間でイオンとイオン
との相互作用によるエネルギー伝達を行ない励起準位吸
収遷移をする。
類イオンは、励起光源から出射された第１の波長の励起
光により励起されて第２の波長の光を出射する。第２の
希土類イオンは、励起光源から出射された第１の波長の
励起光と第１の希土類イオンから出射された第２の波長
の光とによりアップコンバージョン励起をされるか、又
は励起光源から出射された励起光の吸収と基底準位吸収
遷移の上位遷移準位に達した第１の希土類イオンとの間
のエネルギー伝達とによってアップコンバージョン励起
をされる。そして、第２の希土類イオンから放出された
短波長の第３の波長の光は光学材料の入射部及び出射部
からなる共振器によりレーザ発振されて出射部から出力
される。この場合、励起光源から出射された第１の波長
の励起光は第１の希土類イオンに基底準位吸収の励起を
させると共に第２の希土類イオンに基底準位吸収の励起
をさせる。そして、第２の希土類イオンは、第１の希土
類イオンから出射された第１の波長の光により励起準位
吸収遷移をするか、又は基底準位吸収により上位遷移準
位に達した第１の希土類イオンとの間でイオンとイオン
との相互作用によるエネルギー伝達を行ない励起準位吸
収遷移をする。
【００２２】ところで、請求項５の構成においては、第
１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイオン
であり、第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオンであると
特定しており、請求項６の構成においては、第１の希土
類イオンは３価Ｙｂイオンであり、第２の希土類イオン
は３価Ｐｒイオンであると特定しているので、第２の希
土類イオンは、第１の希土類イオンから出射された第２
の波長の光により励起準位吸収遷移をするか又は上位遷
移準位の第１の希土類イオンとの間でエネルギー伝達を
行なう。
１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄイオン
であり、第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオンであると
特定しており、請求項６の構成においては、第１の希土
類イオンは３価Ｙｂイオンであり、第２の希土類イオン
は３価Ｐｒイオンであると特定しているので、第２の希
土類イオンは、第１の希土類イオンから出射された第２
の波長の光により励起準位吸収遷移をするか又は上位遷
移準位の第１の希土類イオンとの間でエネルギー伝達を
行なう。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の第１実施例に係る希土類イオ
ン添加短波長レーザ光源装置の構成について説明する。
ン添加短波長レーザ光源装置の構成について説明する。
【００２４】図１は第１実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図１におい
て、１０１は励起光源、１０２は励起光源１０１から出
射された励起光、１０３は入射レンズ、１０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる第１の光ファイバ、１０５
は第１の光ファイバ１０４の入射部、１０６は第１の光
ファイバ１０４の出射部、１０７は第１の光ファイバ１
０４の入射端面ミラー、１０８は第１の光ファイバ１０
４の出射端面ミラー、１０９は希土類イオン添加フッ化
物からなる第２の光ファイバ、１１０は第２の光ファイ
バ１０９の入射部、１１１は第２の光ファイバ１０９の
出射部、１１２は第２の光ファイバ１０９の入射端面ミ
ラー、１１３は第２の光ファイバ１０９の出射端面ミラ
ー、１１４は出射レンズ、１１５は出射レンズ１１４か
ら出射された出力光である。
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図１におい
て、１０１は励起光源、１０２は励起光源１０１から出
射された励起光、１０３は入射レンズ、１０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる第１の光ファイバ、１０５
は第１の光ファイバ１０４の入射部、１０６は第１の光
ファイバ１０４の出射部、１０７は第１の光ファイバ１
０４の入射端面ミラー、１０８は第１の光ファイバ１０
４の出射端面ミラー、１０９は希土類イオン添加フッ化
物からなる第２の光ファイバ、１１０は第２の光ファイ
バ１０９の入射部、１１１は第２の光ファイバ１０９の
出射部、１１２は第２の光ファイバ１０９の入射端面ミ
ラー、１１３は第２の光ファイバ１０９の出射端面ミラ
ー、１１４は出射レンズ、１１５は出射レンズ１１４か
ら出射された出力光である。
【００２５】第１実施例においては、励起光源１０１は
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光１０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。第
１の光ファイバ１０４は、Ｎｄイオンが濃度１００〜１
００００p.p.m.（１p.p.m.は重量あたり１００００００
分の１）で添加されたフッ化物ファイバであり、コア径
が３μｍ、クラッド径が１２５μｍ、長さが２ｍであ
る。入射端面ミラー１０７は波長８００ｎｍ帯の光に対
して非反射で且つ波長１．１μｍの光に対しては６０％
から９０％の反射率の膜からなり、出射端面ミラー１０
８は波長８００ｎｍ帯の光に対して非反射で且つ波長
１．１μｍの光に対しては６０％から９０％の反射率の
膜からなる。第２の光ファイバ１０９は、Ｔｍイオンが
濃度１００〜１００００p.p.m.で添加されたフッ化物フ
ァイバであり、コア径が３μｍ、クラッド径が１２５μ
ｍ、長さが２ｍである。入射端面ミラー１１２は波長８
００ｎｍ帯の光に対して非反射で、波長１．１μｍの光
に対しても非反射で且つ波長４８０ｎｍの光に対しては
高反射の膜からなり、出射端面ミラー１１３は波長４８
０ｎｍの光に対して９０％の反射率の膜からなる。
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光１０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。第
１の光ファイバ１０４は、Ｎｄイオンが濃度１００〜１
００００p.p.m.（１p.p.m.は重量あたり１００００００
分の１）で添加されたフッ化物ファイバであり、コア径
が３μｍ、クラッド径が１２５μｍ、長さが２ｍであ
る。入射端面ミラー１０７は波長８００ｎｍ帯の光に対
して非反射で且つ波長１．１μｍの光に対しては６０％
から９０％の反射率の膜からなり、出射端面ミラー１０
８は波長８００ｎｍ帯の光に対して非反射で且つ波長
１．１μｍの光に対しては６０％から９０％の反射率の
膜からなる。第２の光ファイバ１０９は、Ｔｍイオンが
濃度１００〜１００００p.p.m.で添加されたフッ化物フ
ァイバであり、コア径が３μｍ、クラッド径が１２５μ
ｍ、長さが２ｍである。入射端面ミラー１１２は波長８
００ｎｍ帯の光に対して非反射で、波長１．１μｍの光
に対しても非反射で且つ波長４８０ｎｍの光に対しては
高反射の膜からなり、出射端面ミラー１１３は波長４８
０ｎｍの光に対して９０％の反射率の膜からなる。
【００２６】以下、第１実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。励起光
源１０１から出射された励起光１０２は、入射レンズ１
０３によって集光された後、第１の光ファイバ１０４の
入射部１０５から第１の光ファイバ１０４に入射され
る。励起光１０２の一部は第１の光ファイバ１０４の内
部においてＮｄイオンに吸収される。Ｎｄイオンは励起
光１０２によって基底準位の 4Ｉ9/2 準位から 4Ｆ3/2
準位に励起される。Ｎｄイオンが発光遷移により4Ｆ
3/2 準位から 4Ｉ11/2準位に遷移する際に波長１．０６
μｍから１．１２μｍの光が放出される。この放出光は
第１の光ファイバ１０４内を伝搬し、入射端面ミラー１
０７と出射端面ミラー１０８との間で共振することによ
りレーザ光となり、第１の光ファイバ１０４の出射部１
０６から取り出される。第１の光ファイバ１０４の出射
部１０６からは励起光１０２の残部も同時に取り出され
る。第１の光ファイバ１０４の出射部１０６から出射さ
れた２つの波長の光は第２の光ファイバ１０９に入射さ
れる。第２の光ファイバ１０９の内部において、両方の
光がＴｍイオンに吸収され、波長８００ｎｍ帯の励起光
１０２を基底準位吸収することによりＴｍイオンは基底
準位の 3Ｈ6 準位から 3Ｆ4 準位に励起され、波長１．
１μｍの放出光を励起準位吸収することによりＴｍイオ
ンは 3Ｆ4 準位から 1Ｇ4 準位に励起される。そして、
Ｔｍイオンの 1Ｇ4 準位から基底準位の 3Ｈ6 準位への
発光遷移により波長４８０ｎｍの光が放出される。この
放出光は、入射端面ミラー１１２と出射端面ミラー１１
３との間で共振することによりレーザ光となり、第２の
光ファイバ１０９の出射部１１１から出力光１１５とし
て出射された後、出射レンズ１１４により平行光とさ
れ、取り出される。
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。励起光
源１０１から出射された励起光１０２は、入射レンズ１
０３によって集光された後、第１の光ファイバ１０４の
入射部１０５から第１の光ファイバ１０４に入射され
る。励起光１０２の一部は第１の光ファイバ１０４の内
部においてＮｄイオンに吸収される。Ｎｄイオンは励起
光１０２によって基底準位の 4Ｉ9/2 準位から 4Ｆ3/2
準位に励起される。Ｎｄイオンが発光遷移により4Ｆ
3/2 準位から 4Ｉ11/2準位に遷移する際に波長１．０６
μｍから１．１２μｍの光が放出される。この放出光は
第１の光ファイバ１０４内を伝搬し、入射端面ミラー１
０７と出射端面ミラー１０８との間で共振することによ
りレーザ光となり、第１の光ファイバ１０４の出射部１
０６から取り出される。第１の光ファイバ１０４の出射
部１０６からは励起光１０２の残部も同時に取り出され
る。第１の光ファイバ１０４の出射部１０６から出射さ
れた２つの波長の光は第２の光ファイバ１０９に入射さ
れる。第２の光ファイバ１０９の内部において、両方の
光がＴｍイオンに吸収され、波長８００ｎｍ帯の励起光
１０２を基底準位吸収することによりＴｍイオンは基底
準位の 3Ｈ6 準位から 3Ｆ4 準位に励起され、波長１．
１μｍの放出光を励起準位吸収することによりＴｍイオ
ンは 3Ｆ4 準位から 1Ｇ4 準位に励起される。そして、
Ｔｍイオンの 1Ｇ4 準位から基底準位の 3Ｈ6 準位への
発光遷移により波長４８０ｎｍの光が放出される。この
放出光は、入射端面ミラー１１２と出射端面ミラー１１
３との間で共振することによりレーザ光となり、第２の
光ファイバ１０９の出射部１１１から出力光１１５とし
て出射された後、出射レンズ１１４により平行光とさ
れ、取り出される。
【００２７】図２は前記各希土類イオンのエネルギー準
位図を示す。図２において、縦軸は希土類イオンの各準
位のエネルギーを波数（カイザー，単位：ｃｍ-1）で示
し、１５１はＮｄイオンの各準位であり、１５２はＴｍ
イオンの各準位である。また、図２において、１５３は
Ｎｄイオンにおいて励起波長８００ｎｍ帯によって起き
る基底準位吸収遷移を示し、１５４はＮｄイオンにおい
て起きる１．１μｍの発光遷移を示し、１５５はＴｍイ
オンにおいて励起波長８００ｎｍ帯によって起きる基底
準位吸収遷移を示し、１５６はＴｍイオンにおいて波長
１．１μｍによって起きる励起準位吸収遷移を示し、１
５７はＴｍイオンにおいて起きる 1Ｇ4準位から基底準
位の 3Ｈ6 準位への４８０ｎｍの発光遷移を示す。図２
の準位遷移１５３及び１５５に示されるように、８００
ｎｍ帯の波長の光はＮｄイオンとＴｍイオンの両方の基
底準位吸収に適している。また、図２から明らかなよう
に、Ｎｄイオンの１．１μｍの発光遷移１５４とＴｍイ
オンの励起準位吸収遷移１５６とはエネルギー的に非常
に近い。
位図を示す。図２において、縦軸は希土類イオンの各準
位のエネルギーを波数（カイザー，単位：ｃｍ-1）で示
し、１５１はＮｄイオンの各準位であり、１５２はＴｍ
イオンの各準位である。また、図２において、１５３は
Ｎｄイオンにおいて励起波長８００ｎｍ帯によって起き
る基底準位吸収遷移を示し、１５４はＮｄイオンにおい
て起きる１．１μｍの発光遷移を示し、１５５はＴｍイ
オンにおいて励起波長８００ｎｍ帯によって起きる基底
準位吸収遷移を示し、１５６はＴｍイオンにおいて波長
１．１μｍによって起きる励起準位吸収遷移を示し、１
５７はＴｍイオンにおいて起きる 1Ｇ4準位から基底準
位の 3Ｈ6 準位への４８０ｎｍの発光遷移を示す。図２
の準位遷移１５３及び１５５に示されるように、８００
ｎｍ帯の波長の光はＮｄイオンとＴｍイオンの両方の基
底準位吸収に適している。また、図２から明らかなよう
に、Ｎｄイオンの１．１μｍの発光遷移１５４とＴｍイ
オンの励起準位吸収遷移１５６とはエネルギー的に非常
に近い。
【００２８】図３は、第１実施例の希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置における励起光１０２のパワーと波
長４８０ｎｍの青色の出力光１１５のパワーとの関係を
示しており、図３において、横軸は励起光１０２のパワ
ーを示し、縦軸は出力光１１５のパワーを示している。
図３に示されるように、５０ｍＷの励起光１０２が第１
の光ファイバ１０４に入射するときに、第２の光ファイ
バ１０９から出力される青色の出力光１１５はレーザ発
振のしきい値に達する。また、励起光１０２のパワーに
対する出力光１１５のパワーの割合である出力光効率は
３５％に達しており、最高パワー１００ｍＷの出力光１
１５が得られた。この出力は以前Grubbらから報告され
ている６０ｍＷに比べて６０％以上も向上している。出
力光１１５のパワーが１００ｍＷのときの励起光１０２
のパワーが４００ｍＷであり、第１の光ファイバ１０４
への入力結合効率が３０％であることを考慮すると、励
起光源１０１からは１．２Ｗの光が出力されている。こ
の値はＡｌＧａＡｓの半導体レーザにより容易に達成で
きるので、励起光源１０１として大型の固体レーザを用
いる必要がなく、短波長レーザ光源装置としてのサイズ
は極めて小型のものになる。
波長レーザ光源装置における励起光１０２のパワーと波
長４８０ｎｍの青色の出力光１１５のパワーとの関係を
示しており、図３において、横軸は励起光１０２のパワ
ーを示し、縦軸は出力光１１５のパワーを示している。
図３に示されるように、５０ｍＷの励起光１０２が第１
の光ファイバ１０４に入射するときに、第２の光ファイ
バ１０９から出力される青色の出力光１１５はレーザ発
振のしきい値に達する。また、励起光１０２のパワーに
対する出力光１１５のパワーの割合である出力光効率は
３５％に達しており、最高パワー１００ｍＷの出力光１
１５が得られた。この出力は以前Grubbらから報告され
ている６０ｍＷに比べて６０％以上も向上している。出
力光１１５のパワーが１００ｍＷのときの励起光１０２
のパワーが４００ｍＷであり、第１の光ファイバ１０４
への入力結合効率が３０％であることを考慮すると、励
起光源１０１からは１．２Ｗの光が出力されている。こ
の値はＡｌＧａＡｓの半導体レーザにより容易に達成で
きるので、励起光源１０１として大型の固体レーザを用
いる必要がなく、短波長レーザ光源装置としてのサイズ
は極めて小型のものになる。
【００２９】なお、前記第１実施例においては、Ｔｍイ
オンのアップコンバージョン励起を行なうために、Ｎｄ
イオン添加の第１の光ファイバ１０４を用いたが、Ｙｂ
イオン添加の光ファイバも波長８００ｎｍ帯の光により
励起され波長１．１μｍ帯の光を発振するので、Ｎｄイ
オン添加の第１の光ファイバ１０４に代えてＹｂイオン
添加の第１の光ファイバを用いてもよい。
オンのアップコンバージョン励起を行なうために、Ｎｄ
イオン添加の第１の光ファイバ１０４を用いたが、Ｙｂ
イオン添加の光ファイバも波長８００ｎｍ帯の光により
励起され波長１．１μｍ帯の光を発振するので、Ｎｄイ
オン添加の第１の光ファイバ１０４に代えてＹｂイオン
添加の第１の光ファイバを用いてもよい。
【００３０】以下、本発明の第２実施例に係る希土類イ
オン添加短波長レーザ光源装置について説明する。
オン添加短波長レーザ光源装置について説明する。
【００３１】図４は第２実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図４におい
て、２０１は励起光源、２０２は励起光源２０１から出
射された励起光、２０３は入射レンズ、２０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる第１の光ファイバ、２０５
は第１の光ファイバ２０４の入射部、２０６は第１の光
ファイバ２０４の出射部、２０７は第１の光ファイバ２
０４の入射端面ミラー、２０８は第１の光ファイバ２０
４の出射端面ミラー、２０９は希土類イオン添加フッ化
物からなる第２の光ファイバ、２１０は第２の光ファイ
バ２０９の入射部、２１１は第２の光ファイバ２０９の
出射部、２１２は第２の光ファイバ２０９の入射端面ミ
ラー、２１３は第２の光ファイバ２０９の出射端面ミラ
ー、２１４は出射レンズ、２１５は出射レンズ２１４か
ら出射された出力光である。
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図４におい
て、２０１は励起光源、２０２は励起光源２０１から出
射された励起光、２０３は入射レンズ、２０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる第１の光ファイバ、２０５
は第１の光ファイバ２０４の入射部、２０６は第１の光
ファイバ２０４の出射部、２０７は第１の光ファイバ２
０４の入射端面ミラー、２０８は第１の光ファイバ２０
４の出射端面ミラー、２０９は希土類イオン添加フッ化
物からなる第２の光ファイバ、２１０は第２の光ファイ
バ２０９の入射部、２１１は第２の光ファイバ２０９の
出射部、２１２は第２の光ファイバ２０９の入射端面ミ
ラー、２１３は第２の光ファイバ２０９の出射端面ミラ
ー、２１４は出射レンズ、２１５は出射レンズ２１４か
ら出射された出力光である。
【００３２】第２実施例においては、励起光源２０１は
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光２０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。第
１の光ファイバ２０４は、Ｔｍイオンが濃度１００〜１
００００p.p.m.（１p.p.m.は重量あたり１００００００
分の１）で添加されたフッ化物ファイバであり、コア径
が３μｍ、クラッド径が１２５μｍ、長さが２ｍであ
る。入射端面ミラー２０７は波長８００ｎｍ帯の光に対
して非反射で且つ波長１．４７μｍの光に対しては６０
％から９０％の反射率の膜からなり、出射端面ミラー２
０８は波長８００ｎｍ帯の光に対して非反射で且つ波長
１．４７μｍの光に対しては６０％から９０％の反射率
の膜からなる。第２の光ファイバ２０９はＥｒイオンが
濃度１００〜１００００p.p.m.で添加されたフッ化物フ
ァイバであり、コア径が３μｍ、クラッド径が１２５μ
ｍ、長さが２ｍである。入射端面ミラー２１２は波長８
００ｎｍ帯に対して非反射で、波長１．４７μｍに対し
ても非反射で且つ波長５５０ｎｍの光に対しては高反射
の膜からなり、出射端面ミラー２１３は波長５５０ｎｍ
の光に対して９０％の反射率の膜からなる。
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光２０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。第
１の光ファイバ２０４は、Ｔｍイオンが濃度１００〜１
００００p.p.m.（１p.p.m.は重量あたり１００００００
分の１）で添加されたフッ化物ファイバであり、コア径
が３μｍ、クラッド径が１２５μｍ、長さが２ｍであ
る。入射端面ミラー２０７は波長８００ｎｍ帯の光に対
して非反射で且つ波長１．４７μｍの光に対しては６０
％から９０％の反射率の膜からなり、出射端面ミラー２
０８は波長８００ｎｍ帯の光に対して非反射で且つ波長
１．４７μｍの光に対しては６０％から９０％の反射率
の膜からなる。第２の光ファイバ２０９はＥｒイオンが
濃度１００〜１００００p.p.m.で添加されたフッ化物フ
ァイバであり、コア径が３μｍ、クラッド径が１２５μ
ｍ、長さが２ｍである。入射端面ミラー２１２は波長８
００ｎｍ帯に対して非反射で、波長１．４７μｍに対し
ても非反射で且つ波長５５０ｎｍの光に対しては高反射
の膜からなり、出射端面ミラー２１３は波長５５０ｎｍ
の光に対して９０％の反射率の膜からなる。
【００３３】以下、第２実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。
【００３４】励起光源２０１から出射された励起光２０
２は、入射レンズ２０３によって集光された後、第１の
光ファイバ２０４の入射部２０５から第１の光ファイバ
２０４に入射される。励起光２０２の一部は第１の光フ
ァイバ２０４の内部においてＴｍイオンに吸収される。
Ｔｍイオンは励起光２０２によって基底準位の 3Ｈ6準
位から 3Ｈ4 準位に励起される。Ｔｍイオンが発光遷移
により 3Ｈ4 準位から3Ｆ4 準位に遷移する際に波長
１．４５μｍから１．４８μｍの光が放出される。この
放出光は第１の光ファイバ２０４内を伝搬し、入射端面
ミラー２０７と出射部端面ミラー２０８との間で共振す
ることによりレーザ光となり、第１の光ファイバ２０４
の出射部２０６から取り出される。第１の光ファイバ２
０４の出射部２０６からは励起光２０２の残部も取り出
される。第１の光ファイバ２０４の出射部２０６から出
射された２つの波長の光は第２の光ファイバ２０９に入
射される。第２の光ファイバ２０９の内部において、両
方の光がＥｒイオンに吸収され、波長８００ｎｍ帯の励
起光２０２を基底準位吸収することによりＥｒイオンは
基底準位の 4Ｉ15/2準位から 4Ｉ13/2準位に励起され、
波長１．４７μｍの放出光を励起準位吸収することによ
りＥｒイオンは 4Ｉ13/2準位から 4Ｓ3/2 準位に励起さ
れる。Ｅｒイオンの 4Ｓ3/2 準位から基底準位の 4Ｉ
15/2準位への発光遷移により波長５５０ｎｍの光が放出
される。この放出光は、入射端面ミラー２１２と出射端
面ミラー２１３との間で共振することによりレーザ光と
なり、第２の光ファイバ２０９の出射部２１１から出力
光２１５として出射された後、出射レンズ２１４により
平行光とされ、取り出される。
２は、入射レンズ２０３によって集光された後、第１の
光ファイバ２０４の入射部２０５から第１の光ファイバ
２０４に入射される。励起光２０２の一部は第１の光フ
ァイバ２０４の内部においてＴｍイオンに吸収される。
Ｔｍイオンは励起光２０２によって基底準位の 3Ｈ6準
位から 3Ｈ4 準位に励起される。Ｔｍイオンが発光遷移
により 3Ｈ4 準位から3Ｆ4 準位に遷移する際に波長
１．４５μｍから１．４８μｍの光が放出される。この
放出光は第１の光ファイバ２０４内を伝搬し、入射端面
ミラー２０７と出射部端面ミラー２０８との間で共振す
ることによりレーザ光となり、第１の光ファイバ２０４
の出射部２０６から取り出される。第１の光ファイバ２
０４の出射部２０６からは励起光２０２の残部も取り出
される。第１の光ファイバ２０４の出射部２０６から出
射された２つの波長の光は第２の光ファイバ２０９に入
射される。第２の光ファイバ２０９の内部において、両
方の光がＥｒイオンに吸収され、波長８００ｎｍ帯の励
起光２０２を基底準位吸収することによりＥｒイオンは
基底準位の 4Ｉ15/2準位から 4Ｉ13/2準位に励起され、
波長１．４７μｍの放出光を励起準位吸収することによ
りＥｒイオンは 4Ｉ13/2準位から 4Ｓ3/2 準位に励起さ
れる。Ｅｒイオンの 4Ｓ3/2 準位から基底準位の 4Ｉ
15/2準位への発光遷移により波長５５０ｎｍの光が放出
される。この放出光は、入射端面ミラー２１２と出射端
面ミラー２１３との間で共振することによりレーザ光と
なり、第２の光ファイバ２０９の出射部２１１から出力
光２１５として出射された後、出射レンズ２１４により
平行光とされ、取り出される。
【００３５】図５は前記各希土類イオンのエネルギー準
位図を示す。図５において、縦軸は希土類イオンの各準
位のエネルギーを波数（ｃｍ-1）で示し、２５１はＴｍ
イオンの各準位であり、２５２はＥｒイオンの各準位で
ある。また、図５において、２５３はＴｍイオンにおい
て励起波長８００ｎｍ帯によって起きる基底準位吸収遷
移を示し、２５４はＴｍイオンにおいて起きる１．４７
μｍの発光遷移を示し、２５５はＥｒイオンにおいて起
きる基底準位吸収遷移を示し、２５６はＥｒイオンにお
いて起きる励起準位吸収遷移を示し、２５７はＥｒイオ
ンにおいて起きる 4Ｓ3/2 から基底準位への５２５ｎｍ
の発光遷移を示す。図５から明らかなように、Ｔｍイオ
ンの発光遷移２５４とＥｒイオンの基底準位吸収２５５
とはエネルギー的に非常に近い。また、図５から明らか
なように、Ｔｍイオンの基底準位吸収遷移２５３とＥｒ
イオンの励起準位吸収遷移２５６とはエネルギー的に非
常に近い。
位図を示す。図５において、縦軸は希土類イオンの各準
位のエネルギーを波数（ｃｍ-1）で示し、２５１はＴｍ
イオンの各準位であり、２５２はＥｒイオンの各準位で
ある。また、図５において、２５３はＴｍイオンにおい
て励起波長８００ｎｍ帯によって起きる基底準位吸収遷
移を示し、２５４はＴｍイオンにおいて起きる１．４７
μｍの発光遷移を示し、２５５はＥｒイオンにおいて起
きる基底準位吸収遷移を示し、２５６はＥｒイオンにお
いて起きる励起準位吸収遷移を示し、２５７はＥｒイオ
ンにおいて起きる 4Ｓ3/2 から基底準位への５２５ｎｍ
の発光遷移を示す。図５から明らかなように、Ｔｍイオ
ンの発光遷移２５４とＥｒイオンの基底準位吸収２５５
とはエネルギー的に非常に近い。また、図５から明らか
なように、Ｔｍイオンの基底準位吸収遷移２５３とＥｒ
イオンの励起準位吸収遷移２５６とはエネルギー的に非
常に近い。
【００３６】図６は、第２実施例の希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置における励起光２０２のパワーと波
長５５０ｎｍの緑色の出力光２１５のパワーとの関係を
示しており、図６において、横軸は励起光２０２のパワ
ーを示し、縦軸は出力光２１５のパワーを示している。
波長レーザ光源装置における励起光２０２のパワーと波
長５５０ｎｍの緑色の出力光２１５のパワーとの関係を
示しており、図６において、横軸は励起光２０２のパワ
ーを示し、縦軸は出力光２１５のパワーを示している。
【００３７】図６に示されるように、５０ｍＷの励起光
２０２が第１の光ファイバ２０４に入射するときに、第
２の光ファイバ２０９から出力される緑色の出力光２１
５はレーザ発振のしきい値に達する。また、励起光２０
２のパワーに対する出力光２１５のパワーの割合である
出力光効率は３５％にまで達しており、最高パワー１０
０ｍＷの出力光２１５が得られた。出力光２１５のパワ
ーが１００ｍＷのときの励起光２０２のパワーが４００
ｍＷであり、第１の光ファイバ２０４への入力結合効率
が３０％であることを考慮すると、励起光源２０１から
は１．２Ｗの光が出力されている。この値はＡｌＧａＡ
ｓの半導体レーザにより容易に達成できるので、励起光
源２０１として大型固体レーザを用いる必要がなく、短
波長レーザ光源装置としてのサイズは極めて小型のもの
になる。
２０２が第１の光ファイバ２０４に入射するときに、第
２の光ファイバ２０９から出力される緑色の出力光２１
５はレーザ発振のしきい値に達する。また、励起光２０
２のパワーに対する出力光２１５のパワーの割合である
出力光効率は３５％にまで達しており、最高パワー１０
０ｍＷの出力光２１５が得られた。出力光２１５のパワ
ーが１００ｍＷのときの励起光２０２のパワーが４００
ｍＷであり、第１の光ファイバ２０４への入力結合効率
が３０％であることを考慮すると、励起光源２０１から
は１．２Ｗの光が出力されている。この値はＡｌＧａＡ
ｓの半導体レーザにより容易に達成できるので、励起光
源２０１として大型固体レーザを用いる必要がなく、短
波長レーザ光源装置としてのサイズは極めて小型のもの
になる。
【００３８】なお、第１実施例ではＴｍイオンのアップ
コンバージョンについて、第２実施例ではＥｒイオンの
アップコンバージョンについてそれぞれ説明したが、Ｐ
ｒイオンのアップコンバージョンによる波長４９０ｎｍ
の青色光の発生も可能である。すなわち、励起光源とし
て８００ｎｍ帯から９８０ｎｍの半導体レーザを用いて
Ｙｂイオンを励起し、その励起光とＹｂイオンの１μｍ
帯の放出光とを利用し、Ｐｒイオンのアップコンバージ
ョン励起も可能である。
コンバージョンについて、第２実施例ではＥｒイオンの
アップコンバージョンについてそれぞれ説明したが、Ｐ
ｒイオンのアップコンバージョンによる波長４９０ｎｍ
の青色光の発生も可能である。すなわち、励起光源とし
て８００ｎｍ帯から９８０ｎｍの半導体レーザを用いて
Ｙｂイオンを励起し、その励起光とＹｂイオンの１μｍ
帯の放出光とを利用し、Ｐｒイオンのアップコンバージ
ョン励起も可能である。
【００３９】また、前記第１及び第２の実施例において
は、フッ化物系の光ファイバを用いたが、アップコンバ
ージョンが可能な光ファイバ材料であればよく、バルク
材料、例えば単結晶とかガラス材料でもよい。
は、フッ化物系の光ファイバを用いたが、アップコンバ
ージョンが可能な光ファイバ材料であればよく、バルク
材料、例えば単結晶とかガラス材料でもよい。
【００４０】以下、本発明の第３実施例に係る希土類イ
オン添加短波長レーザ光源装置の構成について説明す
る。
オン添加短波長レーザ光源装置の構成について説明す
る。
【００４１】図７は第３実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図７におい
て、３０１は励起光源、３０２は励起光源３０１から出
射された励起光、３０３は入射レンズ、３０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる光ファイバ、３０５は光フ
ァイバ３０４の入射部、３０６は光ファイバ３０４の出
射部、３０７は光ファイバ３０４の入射端面ミラー、３
０８は光ファイバ３０４の出射端面ミラー、３０９は出
射レンズ、３１０は出射レンズ３０９から出射された出
力光である。
短波長レーザ光源装置の全体構成図である。図７におい
て、３０１は励起光源、３０２は励起光源３０１から出
射された励起光、３０３は入射レンズ、３０４は希土類
イオン添加フッ化物からなる光ファイバ、３０５は光フ
ァイバ３０４の入射部、３０６は光ファイバ３０４の出
射部、３０７は光ファイバ３０４の入射端面ミラー、３
０８は光ファイバ３０４の出射端面ミラー、３０９は出
射レンズ、３１０は出射レンズ３０９から出射された出
力光である。
【００４２】第３実施例においては、励起光源３０１は
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光３０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。
波長８００ｎｍ帯で発振する半導体レーザ装置であり、
励起光３０２は波長８００ｎｍ帯のレーザ光である。
【００４３】前記の第１及び第２の実施例においては、
第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは２つの異
なる光ファイバにそれぞれ添加されており、第１の光フ
ァイバの出力光を第２の光ファイバに入力する構成であ
ったが、第３の実施例においては、光ファイバは１つで
あり、第１の希土類イオンであるＮｄイオンと第２の希
土類オンであるＴｍイオンとが共に１つの光ファイバ３
０４に添加されている。
第１の希土類イオンと第２の希土類イオンとは２つの異
なる光ファイバにそれぞれ添加されており、第１の光フ
ァイバの出力光を第２の光ファイバに入力する構成であ
ったが、第３の実施例においては、光ファイバは１つで
あり、第１の希土類イオンであるＮｄイオンと第２の希
土類オンであるＴｍイオンとが共に１つの光ファイバ３
０４に添加されている。
【００４４】以下、第３実施例に係る希土類イオン添加
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。
短波長レーザ光源装置の動作について説明する。
【００４５】８００ｎｍ帯の励起光は光ファイバ３０４
に添加されたＮｄイオン及びＴｍイオンに同時に吸収さ
れる。また、Ｎｄイオンから放出された１．１μｍ帯の
光はそのままＴｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオン
とＴｍイオンとの間のイオン−イオン間のエネルギー伝
達により１．１μｍに相当するエネルギーがＮｄイオン
からＴｍイオンに伝達される。
に添加されたＮｄイオン及びＴｍイオンに同時に吸収さ
れる。また、Ｎｄイオンから放出された１．１μｍ帯の
光はそのままＴｍイオンに吸収されるか又はＮｄイオン
とＴｍイオンとの間のイオン−イオン間のエネルギー伝
達により１．１μｍに相当するエネルギーがＮｄイオン
からＴｍイオンに伝達される。
【００４６】この第３の実施例においては、Ｔｍイオン
からＮｄイオンへバックトランスファー現象、すなわ
ち、ＴｍイオンからＮｄイオンへエネルギー伝達するイ
オンもあるので、ＮｄイオンからＴｍイオンへの波長
１．１μｍの光の全体的な吸収効率は第１の実施例に比
べると多少低下する。しかしながら、本発明の目的の１
つである励起光の単一波長化に対する効果は発揮され
る。また、この構造の利点としては、１つの光ファイバ
３０４により短波長発振が可能であるため、短波長レー
ザ光源装置の構造が簡単であり、短波長レーザ光源装置
を低価格で提供できるメリットがある。
からＮｄイオンへバックトランスファー現象、すなわ
ち、ＴｍイオンからＮｄイオンへエネルギー伝達するイ
オンもあるので、ＮｄイオンからＴｍイオンへの波長
１．１μｍの光の全体的な吸収効率は第１の実施例に比
べると多少低下する。しかしながら、本発明の目的の１
つである励起光の単一波長化に対する効果は発揮され
る。また、この構造の利点としては、１つの光ファイバ
３０４により短波長発振が可能であるため、短波長レー
ザ光源装置の構造が簡単であり、短波長レーザ光源装置
を低価格で提供できるメリットがある。
【００４７】なお、第３の実施例におけるＮｄイオン及
びＴｍイオンに代えて、１つの光ファイバに第２の実施
例に示したＴｍイオン及びＥｒイオンを添加してもよい
のは当然である。
びＴｍイオンに代えて、１つの光ファイバに第２の実施
例に示したＴｍイオン及びＥｒイオンを添加してもよい
のは当然である。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
係る希土類イオン添加短波長レーザ光源装置によると、
第１の希土類イオンは励起光源から出射された第１の波
長の励起光により励起されて第２の波長の光を出射し、
第２の希土類イオンは励起光源から出射された第１の励
起光と第１の希土類イオンから出射された第２の波長の
光とによりアップコンバージョン励起をされアップコン
バージョン励起された上位遷移準位から遷移発光するこ
とにより短波長の第３の波長の光を放出するため、すな
わち第２の希土類イオンは１つの励起光源から出射され
た励起光によりアップコンバージョン励起されて短波長
の光を放出するので、請求項１の発明によると、安価で
且つ簡単な構造の１つの励起光源から出射された１つの
励起光によりアップコンバージョン励起をすることが可
能になる。
係る希土類イオン添加短波長レーザ光源装置によると、
第１の希土類イオンは励起光源から出射された第１の波
長の励起光により励起されて第２の波長の光を出射し、
第２の希土類イオンは励起光源から出射された第１の励
起光と第１の希土類イオンから出射された第２の波長の
光とによりアップコンバージョン励起をされアップコン
バージョン励起された上位遷移準位から遷移発光するこ
とにより短波長の第３の波長の光を放出するため、すな
わち第２の希土類イオンは１つの励起光源から出射され
た励起光によりアップコンバージョン励起されて短波長
の光を放出するので、請求項１の発明によると、安価で
且つ簡単な構造の１つの励起光源から出射された１つの
励起光によりアップコンバージョン励起をすることが可
能になる。
【００４９】また、請求項５又は６の発明に係る希土類
イオン添加短波長レーザ光源装置によると、第１の希土
類イオンは励起光源から出射された第１の波長の励起光
により励起されて第２の波長の光を出射し、第２の希土
類イオンは励起光源から出射された第１の波長の励起光
と第１の希土類イオンから出射された第２の波長の光と
によりアップコンバージョン励起をされるか又は励起光
源から出射された励起光と基底準位吸収遷移の上位遷移
準位に達した第１の希土類イオンとの間のエネルギー伝
達とによりアップコンバージョン励起をされるため、す
なわち、第２の希土類イオンは１つの励起光源から出射
された励起光によりアップコンバージョン励起されて短
波長の第３の波長の光を放出するので、請求項５又は６
の発明によると、安価で且つ簡単な構造の１つの励起光
源から出射された１つの励起光によりアップコンバージ
ョン励起をすることが可能になる。特に、請求項５又は
６の発明によると、第１及び第２の希土類イオンは１つ
の光学材料に添加されているため、第２の希土類イオン
から第１の希土類イオンへのバックトランスファー現象
により若干効率は低下するが１つの光学材料で済むとい
う利点がある。
イオン添加短波長レーザ光源装置によると、第１の希土
類イオンは励起光源から出射された第１の波長の励起光
により励起されて第２の波長の光を出射し、第２の希土
類イオンは励起光源から出射された第１の波長の励起光
と第１の希土類イオンから出射された第２の波長の光と
によりアップコンバージョン励起をされるか又は励起光
源から出射された励起光と基底準位吸収遷移の上位遷移
準位に達した第１の希土類イオンとの間のエネルギー伝
達とによりアップコンバージョン励起をされるため、す
なわち、第２の希土類イオンは１つの励起光源から出射
された励起光によりアップコンバージョン励起されて短
波長の第３の波長の光を放出するので、請求項５又は６
の発明によると、安価で且つ簡単な構造の１つの励起光
源から出射された１つの励起光によりアップコンバージ
ョン励起をすることが可能になる。特に、請求項５又は
６の発明によると、第１及び第２の希土類イオンは１つ
の光学材料に添加されているため、第２の希土類イオン
から第１の希土類イオンへのバックトランスファー現象
により若干効率は低下するが１つの光学材料で済むとい
う利点がある。
【図１】本発明の第１実施例に係る希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
【図２】前記第１実施例に係る希土類イオン添加短波長
レーザ光源装置における希土類イオンのエネルギー準位
図である。
レーザ光源装置における希土類イオンのエネルギー準位
図である。
【図３】前記第１実施例に係る希土類イオン添加短波長
レーザ光源装置における励起光のパワーと出力光のパワ
ーとの関係を示す図である。
レーザ光源装置における励起光のパワーと出力光のパワ
ーとの関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
【図５】前記第２実施例に係る希土類イオン添加短波長
レーザ光源装置における希土類イオンのエネルギー準位
図である。
レーザ光源装置における希土類イオンのエネルギー準位
図である。
【図６】前記第２実施例に係る希土類イオン添加短波長
レーザ光源装置における励起光のパワーと出力光のパワ
ーとの関係を示す図である。
レーザ光源装置における励起光のパワーと出力光のパワ
ーとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第３実施例に係る希土類イオン添加短
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
波長レーザ光源装置の全体構成図である。
１０１ 励起光源 １０２ 励起光 １０３ 入射レンズ １０４ 第１の光ファイバ １０５ 第１の光ファイバの入射部 １０６ 第１の光ファイバの出射部 １０７ 第１の光ファイバの入射端面ミラー １０８ 第１の光ファイバの出射端面ミラー １０９ 第２の光ファイバ １１０ 第２の光ファイバの入射部 １１１ 第２の光ファイバの出射部 １１２ 第２の光ファイバの入射端面ミラー １１３ 第２の光ファイバの出射端面ミラー １１４ 出射レンズ １１５ 出力光 １５１ Ｎｄイオンの各準位 １５２ Ｔｍイオンの各準位 １５３ 基底準位吸収遷移 １５４ 発光遷移 １５５ 基底準位吸収遷移 １５６ 励起準位吸収遷移 １５７ 発光遷移 ２０１ 励起光源 ２０２ 励起光 ２０３ 入射レンズ ２０４ 第１の光ファイバ ２０５ 第１の光ファイバの入射部 ２０６ 第１の光ファイバの出射部 ２０７ 第１の光ファイバの入射端面ミラー ２０８ 第１の光ファイバの出射端面ミラー ２０９ 第２の光ファイバ ２１０ 第２の光ファイバの入射部 ２１１ 第２の光ファイバの出射部 ２１２ 第２の光ファイバの入射端面ミラー ２１３ 第２の光ファイバの出射端面ミラー ２１４ 出射レンズ ２１５ 出力光 ２５１ Ｔｍイオンの各準位 ２５２ Ｅｒイオンの各準位 ２５３ 基底準位吸収遷移 ２５４ 発光遷移 ２５５ 基底準位吸収遷移 ２５６ 励起準位吸収遷移 ２５７ 発光遷移 ２０１ 励起光源 ３０２ 励起光 ３０３ 入射レンズ ３０４ 光ファイバ ３０５ 光ファイバの入射部 ３０６ 光ファイバの出射部 ３０７ 光ファイバの入射端面ミラー ３０８ 光ファイバの出射端面ミラー ３０９ 出射レンズ ３１０ 出力光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−251807（ＪＰ，Ａ) 米国特許5245623（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/16 - 3/17 H01S 3/0941
Claims (6)
- 【請求項１】 第１の波長の励起光を出射する励起光源
と、 第１の波長の励起光により吸収遷移をして第２の波長の
光を放出する第１の希土類イオンが添加されており、前
記励起光源から出射される励起光が入射する第１の入射
部と、該第１の入射部から入射する励起光及び前記第１
の希土類イオンが放出する第２の波長の光をそれぞれ出
射する第１の出射部とを有する第１の光学材料と、 第１の波長の励起光により基底準位吸収遷移をすると共
に第２の波長の光により励起準位吸収遷移を行ない、該
励起準位吸収遷移の上位遷移準位から発光遷移をして第
３の波長の光を放出する第２の希土類イオンが添加され
ており、前記第１の光学材料の第１の出射部から出射さ
れる励起光及び第２の波長の光がそれぞれ入射する第２
の入射部と、該第２の入射部と共に前記第２の希土類イ
オンが放出する第３の波長の光を共振する共振器を構成
し該共振器により発振されたレーザビームを出力する第
２の出射部とを有する第２の光学材料とを備えているこ
とを特徴とする希土類イオン添加短波長レーザ光源装
置。 - 【請求項２】 前記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオ
ン又は３価Ｎｄイオンであり、前記第２の希土類イオン
は３価Ｔｍイオンであることを特徴とする請求項１に記
載の希土類イオン添加短波長レーザ光源装置。 - 【請求項３】 前記第１の希土類イオンは３価Ｔｍイオ
ンであり、前記第２の希土類イオンは３価Ｅｒイオンで
あることを特徴とする請求項１に記載の希土類イオン添
加短波長レーザ光源装置。 - 【請求項４】 前記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオ
ンであり、前記第２の希土類イオンは３価Ｐｒイオンで
あることを特徴とする請求項１に記載の希土類イオン添
加短波長レーザ光源装置。 - 【請求項５】 第１の波長の励起光を出射する励起光源
と、 第１の波長の励起光により吸収遷移をして第２の波長の
光を放出する第１の希土類イオンと、第１の波長の励起
光により基底準位吸収遷移をすると共に、前記第１の希
土類イオンが放出する第２の波長の光により励起準位吸
収遷移を行なうか又は吸収遷移した前記第１の希土類イ
オンとの間でエネルギー伝達をして励起準位吸収遷移を
行ない、前記２つの励起準位吸収遷移のいずれか一方の
上位遷移準位から発光遷移をして第３の波長の光を放出
する第２の希土類イオンとが添加されており、前記励起
光源から出射される励起光が入射する入射部と、該入射
部と共に前記第２の希土類イオンが放出する第３の波長
の光を共振する共振器を構成し該共振器により発振され
たレーザビームを出力する出射部とを有する光学材料と
を備えており、 前記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオン又は３価Ｎｄ
イオンであり、 前記第２の希土類イオンは３価Ｔｍイオンであることを
特徴とする 希土類イオン添加短波長レーザ光源装置。 - 【請求項６】 第１の波長の励起光を出射する励起光源
と、 第１の波長の励起光により吸収遷移をして第２の波長の
光を放出する第１の希土類イオンと、第１の波長の励起
光により基底準位吸収遷移をすると共に、前記第１の希
土類イオンが放出する第２の波長の光により励起準位吸
収遷移を行なうか又は吸収遷移した前記第１の希土類イ
オンとの間でエネルギー伝達をして励起準位吸収遷移を
行ない、前記２つの励起準位吸収遷移のいずれか一方の
上位遷移準位から発光遷移をして第３の波長の光を放出
する第２の希土類イオンとが添加されており、前記励起
光源から出射される励起光が入射する入射部と、該入射
部と共に前記第２の希土類イオンが放出する第３の波長
の光を共振する共振器を構成し該共振器により発振され
たレーザビームを出力する出射部とを有する光学材料と
を備えており、 前記第１の希土類イオンは３価Ｙｂイオンであり、 前記第２の希土類イオンは３価Ｐｒイオンであることを
特徴とする希土類イオン添加短波長レーザ光源装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31182593A JP2989454B2 (ja) | 1993-09-20 | 1993-12-13 | 希土類イオン添加短波長レーザ光源装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-232968 | 1993-09-20 | ||
| JP23296893 | 1993-09-20 | ||
| JP31182593A JP2989454B2 (ja) | 1993-09-20 | 1993-12-13 | 希土類イオン添加短波長レーザ光源装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07142806A JPH07142806A (ja) | 1995-06-02 |
| JP2989454B2 true JP2989454B2 (ja) | 1999-12-13 |
Family
ID=26530769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31182593A Expired - Fee Related JP2989454B2 (ja) | 1993-09-20 | 1993-12-13 | 希土類イオン添加短波長レーザ光源装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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1993
- 1993-12-13 JP JP31182593A patent/JP2989454B2/ja not_active Expired - Fee Related
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