JP3412712B2 - 固体レーザ用結晶材料 - Google Patents

固体レーザ用結晶材料

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JP3412712B2 JP13503494A JP13503494A JP3412712B2 JP 3412712 B2 JP3412712 B2 JP 3412712B2 JP 13503494 A JP13503494 A JP 13503494A JP 13503494 A JP13503494 A JP 13503494A JP 3412712 B2 JP3412712 B2 JP 3412712B2
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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、光通信分野で使用され
る光増幅器の励起光源に用いられる固体レーザ用結晶材
料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信分野では光通信用の信号光とし
て、波長1.3μm帯の光と波長1.55μm帯の光が
用いられている。信号光は、光ファイバを用いて伝送さ
れるが、50km程度以上も信号光が伝搬すると、その
あいだの損失が無視できずに徐々に強度が減少していく
ことが避けられない。従って、伝送の途中で、光信号を
増幅する必要があるが、超高速での情報伝達を行なうに
は、光信号を直接増幅することが望ましい。その際に必
要とされるのが光増幅器である。
【0003】光増幅器の中でも、加入者向けの波長領域
である1.3μm帯で必要とされているのが1.3μm
帯用光増幅器であり、フッ化物光ファイバ中に希土類元
素である3価のプラセオジムイオンを分散させて、その
誘導放出を利用して光の増幅を行なうものが有望であ
り、開発が進められている。
【0004】図11はプラセオジムのエネルギーダイア
グラムを示したものである。図中aは励起光、bはレー
ザ光、cは準位34、dは準位35、eは準位36、f
は準位32、gは準位33、hは準位34、iは準位1
4を示す。
【0005】該1.3μm帯用光増幅器では、中心波長
がおよそ1.02μmである3414の遷移を利用し
て光を吸収し、中心波長がおよそ1.30μmである1
435の誘導放出を利用して1.3μm帯の信号光
の増幅を行なうことを特徴としている。
【0006】該1.3μm帯光増幅器においては、プラ
セオジムイオンを励起するための1.02μm波長の外
部光源が不可欠である。外部励起光源としては、高出力
で発振波長が安定でなおかつ長寿命で低価格・小型の素
子が望ましい。また、1.55μm帯光増幅器において
は、石英光ファイバ中に分散したエルビウムイオンの誘
導放出による光増幅を行なっているが、エルビウムイオ
ンの光吸収のための0.98μm波長の外部励起光源を
用いている。外部励起光源として、高出力で発振波長が
安定でなおかつ長寿命で低価格・小型の素子が望ましい
ことは全く同様である。
【0007】それらを満足するよう開発が進められてい
るのがInGaAs半導体歪み超格子レーザダイオード
である。しかしながら、InGaAs半導体レーザダイ
オードは、1.02μmおよび0.98μmの波長に関
して発振波長の安定性になお課題があり、しかも量産体
制の整備が進んでおらず、単価が高くなっている。ま
た、光出力も高々100mW程度で動作寿命も短いなど
実用に供するには問題が残っている。もう一つの問題点
を挙げると、発振波長を安定させるのに、光アイソレー
タを必要とすることである。
【0008】光アイソレータは、半導体レーザから出射
した光の反射戻り光を遮断するために用いられる。これ
は、反射戻り光が半導体レーザの共振器内で再び増幅さ
れることにより、位相の異なった光の影響で発振波長が
不安定になること等を防止するためである。しかしなが
ら、1μm近辺の光に対するアイソレータは、通信波長
(1.3μmあるいは1.55μm)用のアイソレータ
に用いられている磁性ガーネット材料を用いようとする
と、鉄イオンによる吸収損失が大きくなることから、低
挿入損失のアイソレータを作製できないため、HgCd
MnTeのような特殊な半導体材料を用いて作製されて
いる。この材料は大型の結晶育成が困難であり、なおか
つ組成が少しでもずれるとファラデー回転角等の特性が
極端に変化するため作製が難しく、非常に高価なものと
なっている。高い順逆比と低い損失とを同時に満足する
光アイソレータは、非常に高価なものであるため、外部
励起用の半導体レーザモジュールの価格は、レーザその
ものよりもさらに高価となり、ますます実用的でなくな
る。また、1.3μm帯光増幅器においては、励起光の
単位入力当たりの増幅率が比較的小さいため、通常1W
級の励起光入力を必要とするが、増幅媒体であるファイ
バに双方向から励起光を入れる場合でも最大4個のレー
ザダイオードを用いることしかできない。ところが、歪
み超格子レーザダイオードにおいては、1個当たりの最
大出力は高々100mW程度であり、4個でも400m
Wである。このため、必要にして十分な増幅を得るのは
困難な状況にある。
【0009】一方、波長安定性に優れ、長寿命でかつ高
出力な励起用光源の候補として固体レーザがある。例え
ば、チタンサファイアレーザは、0.7〜1.1μmの
領域で波長を可変できる固体レーザとして知られてお
り、実験室レベルでは盛んに用いられている。実験段階
において、光増幅起用の光ファイバの特性を調べるのに
チタンサファイアレーザを用いることはあるが、実用的
な増幅器に用いるには以下のように課題がある。
【0010】まず、チタンサファイアレーザを励起する
のに、通常アルゴンガスレーザを用いることである。こ
のため、レーザ全体が極めて大型になる。そして非常に
高価なものになることも挙げられる。これらの問題点を
解決しうる候補として、既存の安価で安定・高出力・長
寿命の半導体レーザで励起できる固体レーザが考えられ
る。現在のところ、その候補の一つと目されているの
が、Yb:YAGレーザである。Yb:Y3Al5
12(Yb:YAG)レーザは、最近1.03μmでの室
温連続発振が確認された有望なレーザであるが、発振さ
せるには、イッテルビウムイオンの光吸収を満足する
0.941μmあるいは0.968μmの外部励起光が
必要である。このような外部励起光は、前述の波長可変
固体レーザを用いるか、InGaAs歪み超格子半導体
レーザを用いるかの2者択一である。波長可変固体レー
ザには、前述の問題があり、小型・安価の要求に耐えな
い。また、励起に特殊な波長の半導体レーザを用いるの
であれば、最初から所望の波長域の半導体レーザを用い
る方が利点が多く、問題にならない。また、Yb:YA
Gレーザは、今のところ発振しきい値が80mWと大き
く、実用に供するところまで到達していない。
【0011】Yb:YAGレーザにおける問題点は、発
振しきい値の高さにとどまらない。それは、母体材料で
あるYAGの性質による。YAGは、モース硬度8.2
5と極めて硬い材料であり、融点も1970℃と高い。
このため、それらのパラメータと密接に関係する結晶場
は非常に強いものとなり、強い濃度消光の効果が大きい
ということは、活性イオンをわずかしかドープできない
ということであり、励起光の強度に対して、光出力が飽
和しやすいことを意味する。すなわち、光出力のレーザ
を実現することが困難であることになる。
【0012】このように、従来型のレーザにおいては、
光増幅起用の外部励起光源として実用的に用いるには、
なお課題が多かった。
【0013】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明による固体レーザ用結晶材料は、一般式L
nAF4(Lnはイットリウム、ランタン、セリウム、
プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、
ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウ
ム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウ
ム、ビスマスの中から選ばれた1種以上の元素を任意に
組み合わせたものを表わし、Aはリチウム、ナトリウ
ム、カリウムのうち1種以上の元素を任意に組み合わせ
たものを表わす。Fはフッ素を表わす。)で示される置
換型フッ化物結晶において、必ずネオジム、イッテルビ
ウムをその構成元素として含有し、0.98μmから
1.05μmの波長領域に発振波長を持つことを特徴と
する。
【0014】また、本発明による第二の固体レーザ用結
晶材料は、一般式LnDO3(Lnはイットリウム、ラ
ンタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウ
ム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプ
ロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテ
ルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた1種
以上の元素を任意に組み合わせたものを表わし、Dはア
ルミニウム、ガリウム、インジウムのうち1種以上の元
素を任意に組み合わせたものを表わす。Oは酸素を表わ
す。)で示される置換型酸化物結晶において、必ずネオ
ジム、イッテルビウムをその構成元素として含有し、
0.98μmから1.05μmの波長領域に発振波長を
持つことを特徴とする。
【0015】さらに本発明による第三の固体レーザ用結
晶材料は、一般式LnEO4(Lnはイットリウム、ラ
ンタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウ
ム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプ
ロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテ
ルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた1種
以上の元素を任意に組み合わせたものを表わし、Eはバ
ナジウム、ニオブ、タンタルのうち1種以上の元素を任
意に組み合わせたものを表わす。Oは酸素を表わす。)
で示される置換型酸化物結晶において、必ずネオジム、
イッテルビウムをその構成元素として含有し、0.98
μmから1.05μmの波長領域に発振波長を持つこと
を特徴とする。
【0016】本発明では、固体レーザ用結晶を構成する
希土類元素の一部をネオジムおよびイッテルビウムに置
換することにより得られる置換型結晶材料により固体レ
ーザを作製することにより、0.98μmから1.05
μmにかけての波長領域での実用的な励起用光源を実現
する。
【0017】
【作用】本発明に関する固体レーザ用結晶は、一般式L
nAF4、LnDO3あるいはLnEO4で表わされ、L
nの部分をほとんどの希土類元素、イットリウムあるい
はビスマスで、Aの部分をリチウム、ナトリウム、カリ
ウムで、Dの部分をアルミニウム、ガリウム、インジウ
ムで、Eの部分をバナジウム、ニオブ、タンタルでそれ
ぞれ置換することが可能である。本発明ではそのような
置換を行なった様々な置換型結晶の組成のうち特にLn
の部分にネオジムとイッテルビウムを必須の条件として
含む置換型結晶材料を用いる。
【0018】置換元素のエネルギー準位は、近隣の原子
または原子団がつくりだす場を感じることによって、分
裂を起こす。該場のことを配位子場というが、ホストの
結晶系を変えることによって配位子場が変化し、置換元
素のエネルギー準位が該エネルギー準位が持つ性質に応
じた分だけシフトする。従って、ホストの結晶系を適当
に選ぶことにより、発振波長をある程度の範囲でシフト
させることができる。例えば、LnAF4結晶において
は、Aの大分がリチウムである場合とカリウムである場
合で配位子場が大幅に変化するため、1μm近辺の光に
ついては、十分に0.98μm〜1.05μmの範囲内
で発振波長を選択することが可能である。同様に、Ln
DO3あるいはLnEO4結晶においてもDあるいはEの
部分を占有する元素により波長選択性を持たせることが
できる。
【0019】またさらに、複数の置換元素に基づく吸収
によって、励起の波長をある程度自由に設定でき、さら
に吸収したエネルギーを同原子間で起こる内部転換や、
異原子間で起こる項間交差などの量子力学的相互作用を
利用することによって、うまく発光原子の発振上準位に
分布させることができ、発振準位間の反転分布を作るこ
とができる。
【0020】本発明による固体レーザ用結晶材料におい
ては、希土類元素としてネオジムを含有することから、
基底準位から45/2への吸収遷移により、安価な0.8
1μm波長のAlGaAs半導体レーザによる励起が可
能であり、43/2準位へ非発光で遷移したネオジムイオ
ンから双極子間相互作用により自動的に3価のイッテル
ビウムイオンへの非発光でのエネルギー伝達があり、イ
ッテルビウムの25/2準位における1μm近辺の誘導放
出を行なうべく反転分布の形成が可能であり、A、Dあ
るいはEの部分を占有する構成元素の構成比に従って
0.98μm〜1.05μmの範囲内で所望の波長で選
択的に発振させることが可能である。
【0021】ネオジムを活性イオンとして用いる固体レ
ーザ用ガーネット結晶においては、吸収・発光の効率を
考慮して、ネオジムイオンの含有量を増大することによ
り生ずる濃度消光を回避すべくネオジムの含有量を希土
類全体のおよそ1%前後に選択している。しかし、本発
明に関する結晶材料系においては、モース硬度および融
点等から導出しうる結晶場パラメータによると濃度消光
の影響は小さく、置換量を多く選択できる。最もネオジ
ムイオンの果たす役割は、それ自体が発光することでは
なく、0.81μmの励起光を効率良く吸収し、近傍の
イッテルビウムイオンにエネルギーを伝達することであ
る。すなわち、含有量としては、むしろそれ自体の発光
が生じにくい程度以上が望ましく、希土類元素全体の5
%以上に選ぶべきであろう。一方、結晶成長がしにくく
なることから、15%以下であることが望ましい。
【0022】本発明は、以上のことにより、0.98μ
mから1.05μmの波長領域に発振波長を持つことを
特徴とする固体レーザ用結晶材料を提供することが可能
である。
【0023】なお、それぞれの置換する元素の占有率と
しては、ネオジムは、希土類元素全体の5%以上が望ま
しい。一方、結晶成長がしにくくなることから、15%
以下であることが望ましい。また、イッテルビウムイオ
ンはもともと濃度消光の影響を受けにくい活性イオンで
はあるが、本発明に関する結晶材料系においては、ネオ
ジム以外の希土類元素をすべて占有しても濃度消光の影
響は小さい。このため、励起光の強度を増大していけ
ば、十分に1W以上の出力は得られる。
【0024】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
本発明はこれらの実施例に限定されない。
【0025】
【実施例1】以下に示す実施例1−1〜5ではチョコラ
ススキー(Czochralski)法により一般式L
nAF4で示される本発明固体レーザ用置換型フッ化物
結晶材料のバルク単結晶を作製した。さらに前記バルク
単結晶は、レーザ材料としての特性を評価するために、
片面が平坦面、片面が半径5cmの球面、厚さ1.5m
mの円盤に加工し、波長0.98〜1.05μmにおい
て平坦面には約99%、球面には約97%の反射率のコ
ーティングを施した。図1に本発明による実施例1−1
〜実施例3−5の固体レーザ用結晶材料のレーザ材料と
しての特性を評価した測定系を示す。図中、1はAlG
aAs半導体レーザ、2、2’、2”はレンズ、3は励
起光、4は固体レーザ用結晶円盤、5は出射光、6は光
スペクトラムアナライザを示す。
【0026】励起用光源には波長0.808μmのAl
GaAs半導体レーザ1を用いた。半導体レーザ1から
出射した励起光3をレンズ2、2’、2”を通して集光
しながら実施例1−1〜3−5の固体レーザ用結晶材料
の円盤4に入射し、円盤4からの出射光5を光スペクト
ラムアナライザ6で観測することにより、レーザ発振特
性を評価した。
【0027】
【実施例1−1】本実施例は、組成式Ln0.55Nd0.05
Yb0.4LiF4およびLn0.55Nd0.05Yb0.4Li0.5
Na0.20.34(LnはLa、Ce、Pr、Bi、S
m、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、
Luのいずれか一つの元素)で表わされる本発明固体レ
ーザ用結晶材料を作製し、図1に示す測定系を用いてレ
ーザの発振特性を調査したものである。表1にLnを適
宜選択した本実施例の固体レーザ用結晶材料のレーザ発
振波長とレーザ発振に最低必要な励起用光源の光強度で
表わされるしきい値を選択した元素について示す。いず
れの本実施例の固体レーザ用結晶材料も0.98〜1.
05μmの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれ
の本実施例の材料も従来材料では実現が困難であった3
0mW以下の低いしきい値で発振し、出力1W以上にお
いても飽和は見られなかった。
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【実施例1−2】本実施例は、実施例1−1と同様にし
て、組成式Y0.7-XNdXYb0.3LiF4で表わされる本
発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測定
系を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表2
にXの値を適宜選択した本実施例の固体レーザ用結晶材
料のレーザ発振波長としきい値を選択した元素について
示す。実施例1−1と同様にしていずれの本実施例の固
体レーザ用結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の
波長でレーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料
も従来材料では実現が困難であった30mW以下の低い
しきい値で発振した。また、励起光に対する出力の飽和
現象は、少なくとも1Wの出力においては見られなかっ
た。
【0032】
【0033】
【0034】
【実施例1−3】本実施例は、実施例1−1と同様にし
て、組成式Y0.95-XNd0.05YbXLiF4で表わされる
本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測
定系を用いてレーザ発振特性とYb濃度Xの関係を調査
したものである。図2に本実施例の固体レーザ用結晶材
料のレーザ発振波長および発振しきい値とYb濃度Xの
関係を示す。いずれの本実施例の固体レーザ用結晶材料
も0.98〜1.05μmの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現
が困難であった30mW以下の低いしきい値で発振し
た。また、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくと
も1Wの出力においては見られなかった。
【0035】
【実施例1−4】本実施例は、実施例1−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Li1 -X4で表わさ
れる本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示し
た測定系を用いてレーザ発振特性とNa濃度Xの関係を
調査したものである。図3に本実施例の固体レーザ用結
晶材料のレーザ発振波長としきい値とNa濃度Xの関係
を示す。レーザ発振波長は、Na濃度Xが大きくなるほ
ど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施例のレーザ用
結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の波長でレー
ザ発振した。また、いずれの本実施例の材料もNa濃度
Xによりばらつきはあるものの従来材料では実現が困難
であった30mW以下の低いしきい値で発振した。ま
た、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくとも1W
の出力においては見られなかった。
【0036】
【実施例1−5】本実施例は、実施例1−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Li1 -X4で表わさ
れる本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示し
た測定系を用いてレーザ発振特性とK濃度Xの関係を調
査したものである。図4に本実施例の固体レーザ用結晶
材料のレーザ発振波長としきい値とK濃度Xの関係を示
す。レーザ発振波長は、K濃度Xが大きくなるほど短く
なる傾向にあるが、いずれの本実施例の固体レーザ用結
晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の波長でレーザ
発振した。また、いずれの本実施例の材料もK濃度Xに
よりばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であ
った30mW以下の低いしきい値で発振した。また、励
起光に対する出力の飽和現象は、少なくとも1Wの出力
においては見られなかった。
【0037】なお、LnがLa、Ce、Pr、Bi、S
m、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、
Luのいずれか一種類以上の元素であっても、本実施例
の材料と同様に0.8μm帯半導体レーザの励起により
30mW以下の低いしきい値で0.98〜1.05μm
の範囲の波長でレーザ発振することは言うまでもない。
【0038】
【実施例2】以下に示す実施例2−1〜実施例2−5で
は実施例1と同様の手法を用いて一般式LnDO3で示
される本発明固体レーザ用置換型酸化物結晶材料のバル
ク単結晶を作製し、レーザ発振特性を評価した。
【0039】
【実施例2−1】本実施例は、組成式Ln0.55Nd0.05
Yb0.4AlO3およびLn0.55Nd0.05Yb0.4Al0.5
Ga0.2In0.33(LnはLa、Ce、Pr、Bi、
Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、T
m、Luのいずれか一つの元素)で表わされる本発明レ
ーザ用結晶材料を作製し、図1に示す測定系を用いてレ
ーザの発振特性を調査したものである。表3にLnを適
宜選択した本実施例の固体レーザ用結晶材料のレーザ発
振波長とレーザ発振に最低必要な励起用光源の光強度で
表わされるしきい値を選択した元素について示す。いず
れの本実施例の固体レーザ用結晶材料も0.98〜1.
05μmの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれ
の本実施例の材料も従来材料では実現が困難であった3
0mW以下の低いしきい値で発振し、出力1W以上にお
いても飽和は見られなかった。
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【実施例2−2】本実施例は、実施例2−1と同様にし
て、組成式Y0.7-XNdXYb0.3AlO3で表わされる本
発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測定
系を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表4
にXの値を適宜選択した本実施例の固体レーザ用結晶材
料のレーザ発振波長としきい値を選択した元素について
示す。実施例2−1と同様にしていずれの本実施例の固
体レーザ用結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の
波長でレーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料
も従来材料では実現が困難であった30mW以下の低い
しきい値で発振した。また、励起光に対する出力の飽和
現象は、少なくとも1Wの出力においては見られなかっ
た。
【0044】
【0045】
【0046】
【実施例2−3】本実施例は、実施例2−1と同様にし
て、組成式Y0.95-XNd0.05YbXAlO3で表わされる
本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測
定系を用いてレーザ発振特性とYb濃度Xの関係を調査
したものである。図5に本実施例の固体レーザ用結晶材
料のレーザ発振波長および発振しきい値とYb濃度Xの
関係を示す。いずれの本実施例の固体レーザ用結晶材料
も0.98〜1.05μmの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現
が困難であった30mW以下の低いしきい値で発振し
た。また、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくと
も1Wの出力においては見られなかった。
【0047】
【実施例2−4】本実施例は、実施例2−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Al1 -XGaX3で表
わされる本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に
示した測定系を用いてレーザ発振特性とGa濃度Xの関
係を調査したものである。図6に本実施例の固体レーザ
用結晶材料のレーザ発振波長としきい値とNa濃度Xの
関係を示す。レーザ発振波長は、Ga濃度Xが大きくな
るほど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施例のレー
ザ用結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の波長で
レーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料もGa
濃度Xによりばらつきはあるものの従来材料では実現が
困難であった30mW以下の低いしきい値で発振した。
また、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくとも1
Wの出力においては見られなかった。
【0048】
【実施例2−5】本実施例は、実施例2−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Al1 -XInX3で表
わされる本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に
示した測定系を用いてレーザ発振特性とIn濃度Xの関
係を調査したものである。図7に本実施例の固体レーザ
用結晶材料のレーザ発振波長としきい値とIn濃度Xの
関係を示す。レーザ発振波長は、In濃度Xが大きくな
るほど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施例の固体
レーザ用結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の波
長でレーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料も
In濃度Xによりばらつきはあるものの従来材料では実
現が困難であった30mW以下の低いしきい値で発振し
た。また、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくと
も1Wの出力においては見られなかった。
【0049】なお、LnがLa、Ce、Pr、Bi、S
m、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、
Luのいずれか一種類以上の元素であっても、本実施例
の材料と同様に0.8μm帯半導体レーザの励起により
30mW以下の低いしきい値で0.98〜1.05μm
の範囲の波長でレーザ発振することは言うまでもない。
【0050】
【実施例3】以下に示す実施例3−1〜5では実施例1
および実施例2と同様の手法を用いて一般式LnEO4
で示される本発明固体レーザ用置換型酸化物結晶材料の
バルク単結晶を作製し、レーザ発振特性を評価した。
【0051】
【実施例3−1】本実施例は、組成式Ln0.55Nd0.05
Yb0.4VO4およびLn0.55Nd0.05Yb0.40.5Nd
0.2Ta0.34(LnはLa、Ce、Pr、Bi、S
m、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、
Luのいずれか一つの元素)で表わされる本発明レーザ
用結晶材料を作製し、図1に示す測定系を用いてレーザ
の発振特性を調査したものである。表5にLnを適宜選
択した本実施例の固体レーザ用結晶材料のレーザ発振波
長とレーザ発振に最低必要な励起用光源の光強度で表わ
されるしきい値を選択した元素について示す。いずれの
本実施例の固体レーザ用結晶材料も0.98〜1.05
μmの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの本
実施例の材料も従来材料では実現が困難であった30m
W以下の低いしきい値で発振し、出力1W以上において
も飽和は見られなかった。
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【実施例3−2】本実施例は、実施例3−1と同様にし
て、組成式Y0.7-XNdXYb0.3VO4で表わされる本発
明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測定系
を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表6に
Xの値を適宜選択した本実施例の固体レーザ用結晶材料
のレーザ発振波長としきい値を選択した元素について示
す。実施例3−1と同様にしていずれの本実施例の固体
レーザ用置換型ガーネット結晶材料も0.98〜1.0
5μmの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの
本実施例の材料も従来材料では実現が困難であった30
mW以下の低いしきい値で発振した。また、励起光に対
する出力の飽和現象は、少なくとも1Wの出力において
は見られなかった。
【0056】
【0057】
【0058】
【実施例3−3】本実施例は、実施例3−1と同様にし
て、組成式Y0.95-XNd0.05YbXVO4で表わされる本
発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示した測定
系を用いてレーザ発振特性とYb濃度Xの関係を調査し
たものである。図8に本実施例の固体レーザ用結晶材料
のレーザ発振波長および発振しきい値とYb濃度Xの関
係を示す。いずれの本実施例の固体レーザ用結晶材料も
0.98〜1.05μmの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現
が困難であった30mW以下の低いしきい値で発振し
た。また、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくと
も1Wの出力においては見られなかった。
【0059】
【実施例3−4】本実施例は、実施例3−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.31-XNdX4で表わ
される本発明固体レーザ用結晶材料を作製し、図1に示
した測定系を用いてレーザ発振特性とNd濃度Xの関係
を調査したものである。図9に本実施例の固体レーザ用
結晶材料のレーザ発振波長としきい値とNd濃度Xの関
係を示す。レーザ発振波長は、Nd濃度Xが大きくなる
ほど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施例のレーザ
用結晶材料も0.98〜1.05μmの範囲の波長でレ
ーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料もNd濃
度Xによりばらつきはあるものの従来材料では実現が困
難であった30mW以下の低いしきい値で発振した。ま
た、励起光に対する出力の飽和現象は、少なくとも1W
の出力においては見られなかった。
【0060】
【実施例3−5】本実施例は、実施例3−1と同様にし
て、組成式Y0.65Nd0.05Yb0.31-XTaX4で表わ
される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を
作製し、図1に示した測定系を用いてレーザ発振特性と
Ta濃度Xの関係を調査したものである。図10に本実
施例の固体レーザ用結晶材料のレーザ発振波長としきい
値とTa濃度Xの関係を示す。レーザ発振波長は、Ta
濃度Xが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いずれ
の本実施例の固体レーザ用結晶材料も0.98〜1.0
5μmの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの
本実施例の材料もTa濃度Xによりばらつきはあるもの
の従来材料では実現が困難であった30mW以下の低い
しきい値で発振した。また、励起光に対する出力の飽和
現象は、少なくとも1Wの出力においては見られなかっ
た。
【0061】なお、LnがLa、Ce、Pr、Bi、S
m、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er、Tm、
Luのいずれか一種類以上の元素であっても、本実施例
の材料と同様に0.8μm帯半導体レーザの励起により
30mW以下の低いしきい値で0.98〜1.05μm
の範囲の波長でレーザ発振することは言うまでもない。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による固体
レーザ用結晶材料は、0.98〜1.05μm波長帯に
おいて30mW以下の低いしきい値で発振し、出力が1
W以上得られるため、実用に供することができるという
利点がある。また、従来材料と異なり励起光源に安価で
高出力な0.8μm帯で発振する半導体レーザを使用で
きるため、経済的および性能的に利点が大きい。
【0063】なお、本発明の具体的実施例においては、
実験上のまた時間的制約から、材料の組成に関して大幅
な制約を設けたが、これらの組成から大幅に変化するこ
とがなく、かつ結晶成長に問題が生じないものであれ
ば、本発明による効果を生ずる材料については、当然に
それらは本発明の領域に含まれる。
【0064】また、結晶成長を行なう場合、坩堝材料で
ある白金をはじめとして、積極的には意図しない元素の
混入は、ある程度避けられないため、それら混入元素が
本質的に本発明の効果に作用しないかぎり、それら混入
元素を含む材料に関しても、同様に本発明の領域に含ま
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】すべての実施例の固体レーザ用結晶材料として
の特性を評価した測定系を示す説明図。
【図2】組成式Y0.95-XNd0.05YbXLiF4で表わさ
れる実施例1−3の固体レーザ用結晶材料のレーザ発振
波長としきい値とYb濃度Xの関係を示す図。
【図3】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Li1-XNaX4
で表わされる実施例1−4の固体レーザ用結晶材料のレ
ーザ発振波長としきい値とNa濃度Xの関係を示す図。
【図4】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Li1-XX4
表わされる実施例1−5の固体レーザ用結晶材料のレー
ザ発振波長としきい値とK濃度Xの関係を示す図。
【図5】組成式Y0.95-XNd0.05YbXAlO3で示され
る実施例2−3のレーザ用結晶材料のレーザ発振波長と
しきい値とYb濃度Xの関係を示す図。
【図6】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Al1-XGaX3
で示される実施例2−4のレーザ用結晶材料のレーザ発
振波長としきい値とGa濃度Xの関係を示す図。
【図7】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.3Al1-XInX3
で示される実施例2−5のレーザ用結晶材料のレーザ発
振波長としきい値とIn濃度Xの関係を示す図。
【図8】組成式Y0.95-XNd0.05YbXVO4で示される
実施例3−3のレーザ用結晶材料のレーザ発振波長とし
きい値とYb濃度Xの関係を示す図。
【図9】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.31-XNdX4
示される実施例3−4のレーザ用結晶材料のレーザ発振
波長としきい値とNd濃度Xの関係を示す図。
【図10】組成式Y0.65Nd0.05Yb0.31-XTaX4
で示される実施例5−4のレーザ用結晶材料のレーザ発
振波長としきい値とTa濃度Xの関係を示す図。
【図11】プラセオジムのエネルギーダイアグラムを示
した図。
【符号の説明】
1 AlGaAs半導体レーザ 2 レンズ 2’ レンズ 2” レンズ 3 励起光 4 固体レーザ用結晶円盤 5 出射光 6 光スペクトラムアナライザ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−37371(JP,A) 特開 平6−120606(JP,A) 特開 平6−209135(JP,A) 特開 平6−326394(JP,A) 特開 平6−350171(JP,A) 特開 平7−183608(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01S 3/00 - 3/30 CA(STN)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式LnAF4(Lnはイットリウム、
    ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリ
    ウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
    プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
    テルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた1
    種以上の元素を任意に組み合わせたものを表わし、Aは
    リチウム、ナトリウム、カリウムのうち1種以上の元素
    を任意に組み合わせたものを表わす。Fはフッ素を表わ
    す。)で示される置換型フッ化物結晶において、必ずネ
    オジム、イッテルビウムをその構成元素として含有し、
    0.98μmから1.05μmの波長領域に発振波長を
    持つことを特徴とする固体レーザ用結晶材料。
  2. 【請求項2】一般式LnDO3(Lnはイットリウム、
    ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリ
    ウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
    プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
    テルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた1
    種以上の元素を任意に組み合わせたものを表わし、Dは
    アルミニウム、ガリウム、インジウムのうち1種以上の
    元素を任意に組み合わせたものを表わす。Oは酸素を表
    わす。)で示される置換型酸化物結晶において、必ずネ
    オジム、イッテルビウムをその構成元素として含有し、
    0.98μmから1.05μmの波長領域に発振波長を
    持つことを特徴とする固体レーザ用結晶材料。
  3. 【請求項3】一般式LnEO4(Lnはイットリウム、
    ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリ
    ウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
    プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
    テルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた1
    種以上の元素を任意に組み合わせたものを表わし、Eは
    バナジウム、ニオブ、タンタルのうち1種以上の元素を
    任意に組み合わせたものを表わす。Oは酸素を表わ
    す。)で示される置換型酸化物結晶において、必ずネオ
    ジム、イッテルビウムをその構成元素として含有し、
    0.98μmから1.05μmの波長領域に発振波長を
    持つことを特徴とする固体レーザ用結晶材料。
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