JP4037244B2 - Laser oscillation method and laser apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー発振方法およびレーザー装置に関し、さらに詳細には、励起光により励起されてレーザー発振するレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、レーザー活性イオンとしてネオジウム(Nd)が添加(以下、「ドープ」と適宜に称する。)されたガドリニウムバナデイト(GdVO)結晶であるネオジウム添加ガドリニウムバナデイト(以下、「Nd:GdVO」と適宜称する。)結晶は、レーザー媒質としての有用性が期待されている。
【0003】
しかしながら、Nd:GdVO結晶は作成が困難であって、Nd:GdVO結晶の結晶成長は研究段階で行われているに過ぎないのが現状であり、製品化はほとんど行われていない。
【0004】
一方、製品化されて販売されているNd:GdVO結晶は、ネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして1%以下のものであって、ネオジウムの添加濃度が低いことが指摘されていた。また、十分な光学特性を保障しているものはなかった。
【0005】
このため、Nd:GdVO結晶と同じレーザー発振波長域を持ち、かつ、現時点において固体レーザー媒質として市場の中心を占めているネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット(以下、「Nd:YAG」と適宜称する。)結晶やネオジウム添加イットリウムバナデイト(以下、「Nd:YVO」と適宜称する。)結晶と比較すると、Nd:GdVO結晶の持つ優位性を生かし切れておらず、市場への普及には至っていないというのが現状である。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−223423
【0007】
【非特許文献1】
Tomohiro Shonai et al.
Materials Research Bulletin
35(2000)225−232
例えば、特許文献1には、TGT(Temperature Gradient Technique)法により、ネオジウムを高濃度で添加したNd:YAG結晶が開示されている。
【0008】
また、非特許文献1には、フローティングゾーン法によりネオジウムを添加したNd:YVO結晶が開示されている。
【0009】
また、従来においては、Nd:GdVO結晶を作成する際に、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加することが困難であったため、Nd:GdVO結晶の主吸収帯である波長808nm以外の波長帯の励起光の励起によるレーザー発振は、現在に至るまで実用化されていなかった。
【0010】
即ち、現在市販されているネオジウムの添加濃度の低いNd:GdVO結晶は励起光の吸収が全体的に低いため、波長808nmである主吸収帯以外での励起は困難であり、仮に励起によりレーザー発振が行われたとしても、吸収することのできるエネルギーが小さいため効率が悪く、有効に出力を得ることができなかった。
【0011】
このため、レーザー媒質としてネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶の作成方法や、ネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法や、ネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶をレーザー媒質としたレーザー装置の提案が強く望まれていた。
【0012】
なお、本明細書においては、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶を総称して、単に「高濃度Nd添加GdVO結晶」あるいは「高濃度Nd:GdVO結晶」と適宜に称することとする。
【0013】
また、上記と同様な背景から、レーザー媒質としてレーザー活性イオンたるTm,Ho,Er,Crイオンなどを高濃度で添加した単結晶である、例えば、Tm:YVOやTm:GdVOなどの作成方法や、当該単結晶をレーザー媒質とするレーザー発振方法や、当該単結晶をレーザー媒質としたレーザー装置の提案が強く望まれていた。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザー活性イオンを所定の濃度で添加した結晶よりなるレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置を提供しようとするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で1%を越える濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光の励起によりレーザー発振するようにしたものである。
【0016】
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で2%乃至15%の濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光の励起によりレーザー発振するようにしたものである。
【0017】
また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、本発明のうち請求項1または2のいずれか1項に記載の発明において、上記波長880nm帯の励起光は、波長879nmの励起光であるようにしたものである。
【0018】
また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項1、2または3のいずれか1項に記載の発明において、上記波長880nm帯の励起光が、Ndイオンを基底準位から 3/2 準位へ励起するようにしたものである。
【0019】
また、本発明のうち請求項5に記載の発明は、本発明のうち請求項1、2、3または4のいずれか1項に記載の発明において、上記Nd:GdVO 結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものであるようにしたものである。
【0020】
また、本発明のうち請求項6に記載の発明は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒質に励起光を入射することにより上記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、上記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で1%を越える濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶であり、上記励起光は、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光であるようにしたものである。
【0021】
また、本発明のうち請求項7に記載の発明は、共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レーザー媒質に励起光を入射することにより上記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、上記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、上記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で2%乃至15%の濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶であり、上記励起光は、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光であるようにしたものである。
【0022】
また、本発明のうち請求項8に記載の発明は、本発明のうち請求項6またはのいずれか1項に記載の発明において、上記波長880nm帯の励起光は、波長879nmの励起光であるようにしたものである。
【0023】
また、本発明のうち請求項9に記載の発明は、本発明のうち請求項6、7または8のいずれか1項に記載の発明において、上記Nd:GdVO 結晶を、フローティングゾーン法により作製したものである。
【0024】
また、本発明のうち請求項10に記載の発明は、本発明のうち請求項6、7、8またはのいずれか1項に記載の発明において、上記励起光は、半導体レーザー励起により入射されるようにしたものである。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるレーザー発振方法およびレーザー装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【0028】
まず、図1には、本発明の実施の形態の一例によるレーザー媒質を作成するための手法であるフローティングゾーン法(Floating Zone Method:なお、以下においては、「FZ法」と適宜に称する。)の模式図が示されている。
【0029】
即ち、本発明においては、FZ法と称される手法によって、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶や、レーザー活性イオンたるTm,Ho,Er,Crイオンなどを所定の濃度で添加した単結晶であるTm:YVOやTm:GdVOなどのレーザー媒質を作成するものである。
【0030】
ここで、FZ法とは、炉10内おいて、高温・高圧で焼結させた原料棒12に赤外光源(Infrared Source)としてのハロゲンランプ(Halogen Lamp)14からの赤外光を集光させて溶融させ、種結晶と原料棒12との間に溶融帯(フローティングゾーン:Floating zone)16を形成し、その溶融帯16を一方向に移動させることにより結晶を形成させていくという方法である。
【0031】
従って、FZ法により高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成する場合には、まず、原料棒12としてネオジウムとガドリニウムとバナデイトとを高温・高圧で焼結させたものを用意する。次に、この原料棒12にハロゲンランプ14からの赤外光を集光させて溶融させ、種結晶と原料棒12との間に溶融帯16を形成し、その溶融帯16を一方向に移動させることにより、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を形成させていくものである。
【0032】
このFZ法によれば、例えば、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で1%を越える濃度ととなるように添加された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を得ることができ、例えば、レーザー活性イオンとしてネオジウムが原子数の比率で2%乃至15%の濃度となるように添加された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を得ることができた。
【0033】
なお、上記した濃度は、例えば、原料棒12に所定の濃度のNdを焼結させることにより、任意の濃度に制御することができる。
【0034】
また、このFZ法によれば、例えば、直径3mm、長さ50mmの高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成することができた。
【0035】
なお、原料棒に赤外光を照射するハロゲンランプ14としては、例えば、出力が1.5kWのハロゲンランプを用いることができる。
【0036】
ところで、従来、ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を作成するに当たっては、チョコラルスキー法(以下、「Cz法」と適宜に称する。)などの引き上げ法が用いられてきた。
【0037】
しかしながら、ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶の特徴として、原料であるバナデイトの融点が約1700℃と高いため、坩堝や育成雰囲気に制限があり、良質な結晶を作成することが困難であった。
【0038】
このため、従来のネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして1%以下の低濃度のネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶においては、波長808nm帯の主吸収帯にしかレーザー発振可能な吸収係数のピークが存在しなかった。従って、従来のネオジウムの添加濃度が原子数の比率にして1%以下の低濃度のネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いてレーザー発振させるためには、主吸収帯である波長808nm帯にあわせた発振波長808nmのレーザーダイオードによる励起光によって励起する必要があった。
【0039】
一方、本発明によるFZ法では、坩堝を使用しないとともに育成雰囲気に制限がないので、従来の問題点であった坩堝や育成雰囲気の制限が解消され、高濃度かつ良質な結晶の育成が可能になった。
【0040】
このため、本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、波長808nm帯に吸収係数のピークが最大の主吸収帯を持つが、その周囲にもレーザー発振可能な吸収係数のピークを持つ吸収帯が存在する。従って、本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶においては、主吸収帯以外の吸収帯にあわせた発振波長の励起光を用いても、レーザー発振を起こさせることが可能となった。
【0041】
ところで、レーザーにおいては、入射光の波長と出射光の波長との比(量子変換効率)以上に大きな出力を得ることができない。
【0042】
本発明により作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いた場合には、同じ波長の光を発振させる場合でも、複数の吸収帯のなかから量子変化効率を最も大きくできる励起光の波長を選択することが可能となり、高効率な発振を行うことができるようになる。
【0043】
ここで、上記したFZ法を用いて作成された高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶のうちで、ネオジウムの濃度が2%、5%、10%、即ち、ネオジウムの原子数の比率が2%、5%、10%の三種類の結晶について、その吸収スペクトルの測定結果を図2に示す。なお、図2においては、横軸に[nm]単位で波長(Wavelength)をとり、縦軸に[cm−1]単位で吸収係数(Absorption coefficient)をとっている。
【0044】
図2から明らかなように、添加されるネオジウムの濃度が高くなるに従い、励起光の吸収は大幅に増加する。例えば、添加されるネオジウムの濃度が5%の高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶では、吸収係数は808nmにおいて100[cm−1]以上である。
【0045】
また、図2に示すように、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶は、レーザー発振可能な吸収帯として、一般にレーザーダイオードによる励起に用いられている波長808nmの主吸収帯のほかに、波長750nm周辺にピークを持つ吸収帯と波長880nm周辺にピークを持つ吸収帯とが存在する。
【0046】
これらのなかで波長880nm周辺にピークを持つ吸収帯に着目すると、波長880nmの吸収帯における励起時の量子変換効率は「0.83(880/1060=0.83)」となり、波長808nmの吸収帯における励起時の量子変換効率である「0.75(808/1060=0.75)に比べて約10%増加し、その分の損失が熱に変わることによる出力の低下を防ぐことができる。
【0047】
図3には、図4を参照しながら後述する本発明によるレーザー装置を用いて、波長880nm帯である波長879nmの励起光で、ネオジウムの濃度、即ち、ネオジウムの原子数の比率が5%の高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶(Nd5%添加Gd:VO結晶)を励起した実験結果の入出力特性が示されている。
【0048】
なお、図3においては、横軸に[W]単位で吸収されたパワー(Absorbed Power)、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に[W]単位で出力パワー(Output Power)、即ち、Nd5%添加Gd:VO結晶から発振されるレーザー光の出力パワーをとっている。
【0049】
次に、原子数の比率で2%、5%、10%のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶などのように、レーザー活性イオンとしてネオジウムを原子数の比率で1%越える濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置について説明する。
【0050】
まず、図4には、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置が示されている。
【0051】
この図4に示すレーザー装置100は、レーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102と、励起光を生成するためのチタンサファイアレーザー104と、全反射鏡106、108と、集光レンズ110と、出射ミラー112とを有して構成されている。
【0052】
ここで、チタンサファイアレーザー104は、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起光源としての励起レーザーであって、波長が880nmであり、最大出力パワーが平均して40mWであり、パルス幅が80nsの1kHz繰り返しのチタンサファイアレーザーである。
【0053】
また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102は、「縦5mm×横5mm×厚さ1mm」の大きさにカットされており、チタンサファイアレーザー104と対向する第1表面102aは、波長が1063nmの光を全反射するとともに波長が880nmの光に対して無反射となるようにコーティングを施され、出射ミラー112と対向する第2表面102bは、波長が1063nmの光に対して無反射となるようにコーティングを施されている。
【0054】
さらに、出射ミラー112は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102と対向する面が曲率半径50mmの凹面112aとして形成されるとともに、他方の面が平坦面112bとして形成されている。また、凹面112aは、波長が1064nmの光の反射率が90%となるようなコーティングを施されていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面112bには、コーディングは施されていない。
【0055】
なお、集光レンズ110は、溶融石英硝子により形成されており、100mmの焦点距離を備えるようになされている。
【0056】
従って、このレーザー装置100においては、第1表面102aと凹面112aとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は3cmに設定している。
【0057】
以上の構成において、チタンサファイアレーザー104から出射された励起光を、全反射鏡106、108を介して集光レンズ110に入射すると、集光レンズ110は励起光を高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102に集光して入射する。
【0058】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー112の平坦面112bからレーザー光が出射されることになる。
【0059】
上記したように、図3は本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図4に示すレーザー装置100において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102として原子数の比率で5%のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフが示されている。図3に示されているように、スロープ効率は50%である。
【0060】
次に、図5には、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、CW(連続波)発振動作させるレーザー装置が示されている。この図5に示すレーザー装置は、半導体レーザー励起固体レーザー装置として構成されている。
【0061】
なお、図5に示すレーザー装置の構成において、図4に示すレーザー装置100の構成と同一あるいは相当する構成に関しては、図4において用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【0062】
この図5に示すレーザー装置200は、レーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102と、励起光としてのビームを生成するための励起光源としてのレーザーダイオード202と、レーザーダイオード202を加熱するためのヒートシンク204と、レーザーダイオード202から出射された励起光としてのビームを高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102に集光して入射するグラディエントインデックスレンズ206と、出射ミラー208とを有して構成されている。
【0063】
ここで、レーザーダイオード202は、GaAs/GaAlAsの200μmのシングルストライプレーザーダイオードであり、波長が25℃で880nmであり、最大出力パワーが2Wである。
【0064】
また、ヒートシンク204は、銅製のブロックよりなるものであるが、水冷により冷却されている。
【0065】
さらに、出射ミラー208は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102と対向する面が曲率半径750mmの凹面208aとして形成されるとともに、他方の面が平坦面208bとして形成されている。また、凹面208aは、波長が1064nmの光の反射率が95%となるようなコーティングを施されていて、凹面鏡として構成されている。なお、平坦面208bには、コーディングは施されていない。
【0066】
なお、グラディエントインデックスレンズ206は、1.8mmの直径を備えている。
従って、このレーザー装置200においては、第1表面102aと凹面208aとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は3cmに設定している。
【0067】
また、このレーザー装置200における半導体レーザー励起は、レーザー発振により共振器を往復する光の光軸と略一致する方向からレーザー媒質たる高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102に励起光を入射する縦励起である。
【0068】
以上の構成において、レーザーダイオード202から出射された励起光としてのビームを、グラディエントインデックスレンズ206に入射すると、グラディエントインデックスレンズ206はビームを高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶102に集光して入射する。
【0069】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー208の平坦面208bからレーザー光が出射されることになる。
【0070】
上記したように、ネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶を用いることにより、主吸収帯である波長808nm帯以外の波長帯(例えば、波長880nm帯である。)の吸収帯での励起を行ってレーザー発振させることが可能となる。
【0071】
即ち、ネオジウムを高濃度に添加することによって、Nd:GdVO結晶の持つ吸収係数が飛躍的に増加するため、従来の技術により作成されたネオジウムが低濃度に添加されたNd:GdVO結晶では困難であった吸収係数の小さな波長域での励起が可能となったものである。
【0072】
また、ネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶を用いて、主吸収帯である波長808nm帯以外の波長帯(例えば、波長880nm帯である。)の吸収帯を選択して励起することにより、主吸収帯である波長808nm帯を選択して励起するよりも量子変換効率を向上させることが可能となり、高効率なレーザー発振を得ることができるようになる。
【0073】
さらに、ネオジウムを原子数の比率で1%を越える高濃度で添加したNd:GdVO結晶を用いると、主吸収帯である波長808nm帯以外の波長帯(例えば、波長880nm帯である。)の吸収帯を選択して励起することが可能であるので、従来においては励起光源は主吸収帯である808nmに発振波長を持つレーザーダイオードに限定されていたが、励起光源の選択の裕度を広げることができる。
【0074】
次に、図6には、図7を参照しながら後述する本発明によるレーザー装置を用いて、ネオジウムを原子数の比率で2%の濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶(Nd2%添加Gd:VO結晶)を、波長808nmの励起光と波長880nm帯である波長879nmの励起光とで励起した場合の比較実験結果の入出力特性が示されている。
【0075】
なお、図6においては、横軸に[mW]単位で吸収されたパワー(Absorbed Power)、即ち、励起光の入力パワーをとり、縦軸に[mW]単位で出力パワー(Output Power)、即ち、Nd2%添加Gd:VO結晶から発振されるレーザー光の出力パワーをとっている。
【0076】
図6から理解されるように、Nd2%添加Gd:VO結晶は高濃度にネオジウムを添加しているため、非常に高いレーザー発振効率が得られた。具体的には、レーザー発振のスロープ効率は波長808nmの励起光の場合で67%であり、波長880nm帯である波長879nmの励起光の場合で78%であった。
【0077】
即ち、波長880nm帯である波長879nmで励起した場合には、波長808nmの励起と比較すると、エネルギー変換効率の違いとほぼ同じく、約10%ほどスロープ効率が向上している。
【0078】
次に、図7に示すレーザー装置について説明すると、この図7に示すレーザー装置は、レーザー媒質たるネオジウムを原子数の比率で2%の濃度で添加した高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302と、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起光源としての励起レーザーたるチタンサファイアレーザー304と、全反射鏡306、308と、励起光の強度ならびに偏光を調整するためのλ/2波長板320ならびにグランレーザープリズム(Gran laser prism)322と、集光レンズ310と、出射ミラー312とを有して構成されている。
【0079】
ここで、チタンサファイアレーザー304は、コンピューター制御により波長を700nmから950nmまでの範囲で任意に選択することができ、最大出力パワーが平均して200mWであり、パルス幅が100nsの繰り返し1kHzのレーザーである。
【0080】
なお、図6に示す実験結果を得た実験においては、コンピューター制御により波長808nmまたは波長879nmの光を選択して励起光として用いた。
【0081】
また、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302は、「直径8mm×厚さ1mm」の大きさにカットされており、チタンサファイアレーザー304と対向する第1表面302aは、波長が1063nmの光を全反射するとともに波長が879nmの光に対して無反射となるようにコーティングを施され、出射ミラー312と対向する第2表面302bは、波長が1063nmの光に対して無反射となるようにコーティングを施されている。
【0082】
さらに、出射ミラー312は、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302と対向する面が、曲率半径200mmの凹面312aとして形成されるとともに、他方の面が平坦面312bとして形成されている。また、凹面312aは、波長が1064nmの光の反射率が80%となるようなコーティングを施されていて、部分反射凹面鏡として構成されている。なお、平坦面312bには、コーディングは施されていない。
【0083】
なお、集光レンズ310は、溶融石英硝子で形成されており、120mmの焦点距離を備えている。
【0084】
従って、このレーザー装置300においては、第1表面302aと凹面312aとにより共振器が構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質として高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302が配置されていることになる。なお、共振器のキャビティ長は3mmに設定している。
【0085】
以上の構成において、チタンサファイアレーザー304から出射された励起光を、全反射鏡306、308、λ/2波長板320、グランレーザープリズム322を介して集光レンズ110に入射すると、集光レンズ310は励起光を集光して高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302に集光して入射する。
【0086】
このようにすると、共振器内においてレーザー発振を生じ、出射ミラー312の平坦面312bからレーザー光が出射されることになる。
【0087】
なお、グランレーザープリズム322はある一定の方向に偏光した光だけを透過させるため、λ/2波長板320を回転させることによってグランレーザープリズム322を透過する励起光の量を変化させることができる。これにより、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶302に入射する励起光のパワーを調整した。
【0088】
また、上記したように高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶に波長880nm帯の励起光を入射することによりレーザー発振が生じるということは、波長880nm帯の励起光がネオジウムイオンを基底準位から3/2準位へ励起することを意味している。
【0089】
なお、上記した実施の形態は、以下に説明する(1)乃至(4)に示すように変形してもよい。
【0090】
(1)上記した実施の形態においては、ネオジウムを原子数の比率で2%、5%または10%の濃度でガドリニウムバナデイト結晶に添加した場合について詳細に説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ネオジウムをガドリニウムバナデイト結晶に添加する濃度は、原子数の比率で1%を越える濃度のような高濃度であればよいものであり、好ましくは2%以上の濃度であり、より好ましくは2%乃至15%の濃度である。
【0091】
(2)上記した実施の形態においては、半導体レーザー励起は端面励起によるものとしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー発振により共振器を往復する光の光軸の軸方向と略直交する方向からレーザー媒質に励起光を入射する側面励起により、半導体レーザー励起を行うようにしてもよい。
【0092】
(3)上記した実施の形態においては、レーザー媒質として高濃度でネオジウムを添加したガドリニウムバナデイト結晶について説明したが、本発明を適用することができるレーザー媒質はこれに限定されるものではないことは勿論である。例えば、レーザー媒質としてレーザー活性イオンたるTm,Ho,Er,Crイオンなどを高濃度で添加した単結晶である、例えば、Tm:YVOやTm:GdVOなどにも本発明を適用することが可能である。なお、その際には、焼結体の濃度を制御などを行うことが好ましい。
【0093】
(4)上記した実施の形態ならびに上記した(1)乃至(3)に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【0094】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、レーザー活性イオンを所定の濃度で添加した結晶よりなるレーザー媒質を用いたレーザー発振方法およびレーザー装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例によるレーザー媒質を作成するための手法であるフローティングゾーン法(Floating Zone Method:なお、以下においては、「FZ法」と適宜に称する。)の模式図である。
【図2】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、本発明による高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶のうちで、ネオジウムの濃度が2%、5%、10%、即ち、ネオジウムの原子数の比率が2%、5%、10%の三種類の結晶について、その吸収スペクトルの測定結果を示すグラフである。なお、横軸は[nm]単位で波長(Wavelength)を示し、縦軸は[cm−1]単位で吸収係数(Absorption coefficient)を示している。
【図3】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図4に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率で5%のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフである。なお、横軸は[W]単位で吸収されたパワー(Absorbed Power)を示し、縦軸は[W]単位で出力パワー(Output Power)を示している。
【図4】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【図5】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、CW(連続波)発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【図6】本願発明者による実験結果を示すグラフであり、図7に示すレーザー装置において、高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶として原子数の比率で2%のネオジウムがドープされた高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶を用いた場合における入出力特性のグラフである。なお、横軸は[W]単位で吸収されたパワー(Absorbed Power)を示し、縦軸は[W]単位で出力パワー(Output Power)を示している。
【図7】高濃度ネオジウム添加ガドリニウムバナデイト結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図である。
【符号の説明】
10 炉
12 原料棒
14 ハロゲンランプ(Halogen Lamp)
16 溶融帯(フローティングゾーン:Floating zone)
100、200、300 レーザー装置
102、302 高濃度Nd添加YAG単結晶
102a、302a 第1表面
102b、302b 第2表面
104、304 チタンサファイアレーザー
106、108、306、308 全反射鏡
110、310 集光レンズ
112、208、312 出射ミラー
112a、208a、312a 凹面
112b、208b、312b 平坦面
202 レーザーダイオード
204 ヒートシンク
206 グラディエントインデックスレンズ
320 λ/2波長板
322 グランレーザープリズム(Gran laser prism)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser oscillation method and a laser apparatus, and more particularly to a laser oscillation method and a laser apparatus using a laser medium that is excited by excitation light and oscillates.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, gadolinium vanadate (GdVO) to which neodymium (Nd) is added as a laser active ion (hereinafter appropriately referred to as “dope”).4) Neodymium-doped gadolinium vanadate (hereinafter referred to as “Nd: GdVO”)4As appropriate. ) The crystal is expected to be useful as a laser medium.
[0003]
However, Nd: GdVO4Crystals are difficult to make and Nd: GdVO4At present, crystal growth of crystals is only performed in the research stage, and commercialization has hardly been performed.
[0004]
On the other hand, Nd: GdVO sold as a product4It has been pointed out that crystals have a neodymium addition concentration of 1% or less in terms of the number of atoms, and the neodymium addition concentration is low. In addition, none of them ensured sufficient optical characteristics.
[0005]
For this reason, Nd: GdVO4A neodymium-doped yttrium aluminum garnet (hereinafter referred to as “Nd: YAG” as appropriate) crystal or neodymium-doped yttrium vanadate, which has the same lasing wavelength region as that of a crystal and currently occupies the center of the market as a solid-state laser medium. (Hereafter, “Nd: YVO4As appropriate. ) Nd: GdVO compared to crystals4The current situation is that the superiority of crystals has not been fully utilized and has not yet spread to the market.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-223423
[0007]
[Non-Patent Document 1]
Tomohiro Shonai et al.
Materials Research Bulletin
35 (2000) 225-232
For example, Patent Document 1 discloses an Nd: YAG crystal to which neodymium is added at a high concentration by a TGT (Temperature Gradient Technique) method.
[0008]
Non-Patent Document 1 discloses Nd: YVO to which neodymium is added by a floating zone method.4Crystals are disclosed.
[0009]
Conventionally, Nd: GdVO4When making crystals, it was difficult to add neodymium as a laser active ion at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms, so Nd: GdVO4Laser oscillation by excitation of excitation light in a wavelength band other than the wavelength of 808 nm, which is the main absorption band of the crystal, has not been put into practical use until now.
[0010]
That is, Nd: GdVO with a low addition concentration of neodymium currently on the market4Since the absorption of excitation light is generally low in crystals, excitation outside the main absorption band having a wavelength of 808 nm is difficult, and even if laser oscillation is performed by excitation, the energy that can be absorbed is small. The efficiency was poor and the output could not be obtained effectively.
[0011]
Therefore, Nd: GdVO in which neodymium is added as a laser medium at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4Crystal production method and Nd: GdVO with neodymium added at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms4A laser oscillation method using a crystal as a laser medium, or Nd: GdVO in which neodymium is added at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4A proposal of a laser device using a crystal as a laser medium has been strongly desired.
[0012]
In this specification, Nd: GdVO in which neodymium is added as a laser active ion at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4Collectively, crystals are simply “high-concentration Nd-added GdVO.4Crystal "or" High concentration Nd: GdVO4It will be referred to as “crystal” as appropriate.
[0013]
Also, from the same background as described above, it is a single crystal to which Tm, Ho, Er, Cr ions or the like which are laser active ions are added as a laser medium at a high concentration, for example, Tm: YVO4And Tm: GdVO4There has been a strong demand for a production method such as the above, a laser oscillation method using the single crystal as a laser medium, and a laser device using the single crystal as a laser medium.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described demand for the prior art, and an object of the present invention is to provide a laser oscillation method using a laser medium made of a crystal to which laser active ions are added at a predetermined concentration. And to provide a laser device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention is a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light and laser oscillation is performed.GdVO added so that the concentration of Nd as a laser active ion exceeds 1% in terms of the number of atoms 4 Crystal Nd: GdVO 4 A laser medium made of crystal oscillates by exciting excitation light having a wavelength band of 880 nm, which is different from the main absorption band of wavelength 808 nm.It is what I did.
[0016]
  The invention according to claim 2 of the present invention is a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light and laser oscillation is performed.GdVO added so that the concentration of Nd as a laser active ion is 2% to 15% in terms of the number of atoms. 4 Crystal Nd: GdVO 4 A laser medium made of crystal oscillates by exciting excitation light having a wavelength band of 880 nm, which is different from the main absorption band of wavelength 808 nm.It is what I did.
[0017]
  Moreover, invention of Claim 3 among this invention is the following.In the invention according to any one of claims 1 and 2, the excitation light having a wavelength of 880 nm is excitation light having a wavelength of 879 nm.It is what I did.
[0018]
  Moreover, invention of Claim 4 among this invention is the following.In the invention according to any one of claims 1, 2, and 3, the excitation light having a wavelength of 880 nm band may cause Nd ions from a ground level. 4 F 3/2 Excited to levelIt is what I did.
[0019]
  Moreover, invention of Claim 5 among this invention is the following.The invention according to any one of claims 1, 2, 3 and 4, wherein the Nd: GdVO 4 The crystal is made by the floating zone methodIt is what I did.
[0020]
  According to a sixth aspect of the present invention, a laser medium is disposed in the resonator, and excitation light is incident on the laser medium to cause laser oscillation in the resonator, thereby causing the resonance. Equipment that emits laser light from a vesselIn the laser medium, GdVO added so that Nd as a laser active ion has a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms. 4 Crystal Nd: GdVO 4 It is a crystal, and the excitation light is excitation light in a wavelength band of 880 nm which is a wavelength band different from the wavelength band of 808 nm which is a main absorption band.It is a thing.
[0021]
  According to a seventh aspect of the present invention, a laser medium is disposed in the resonator, and excitation light is incident on the laser medium to cause laser oscillation in the resonator, thereby causing the resonance. Equipment that emits laser light from a vesselIn the laser medium, GdVO added so that Nd as a laser active ion has a concentration of 2% to 15% in the ratio of the number of atoms. 4 Crystal Nd: GdVO 4 It is a crystal, and the excitation light is excitation light in a wavelength band of 880 nm which is a wavelength band different from the wavelength band of 808 nm which is a main absorption band.It is a thing.
[0022]
  In addition, the invention according to claim 8 is the invention.Claim6 or7Any one ofIn the invention described in item 3, the excitation light having the wavelength of 880 nm is such that the excitation light having the wavelength of 879 nm.It is a thing.
[0023]
  In addition, the invention according to claim 9 of the present invention is claimed in the invention.6,In the invention according to any one of 7 and 8,Nd: GdVO 4 Crystal produced by floating zone methodIt is a thing.
[0024]
  Further, the invention described in claim 10 among the present invention is claimed in the present invention.6, 7, 8 or9Any one ofIn the invention described inThe excitation light is incident by semiconductor laser excitation.It is what I did.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of a laser oscillation method and a laser apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0028]
First, in FIG. 1, a floating zone method (Floating Zone Method: hereinafter referred to as “FZ method” as appropriate) is a method for producing a laser medium according to an example of the embodiment of the present invention. The schematic diagram of is shown.
[0029]
That is, in the present invention, a high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal or a single crystal added with Tm, Ho, Er, Cr ions, which are laser active ions, at a predetermined concentration by a technique called FZ method. Tm: YVO4And Tm: GdVO4The laser medium is created.
[0030]
Here, the FZ method condenses infrared light from a halogen lamp 14 as an infrared light source (Infrared Source) on a raw material rod 12 sintered in a furnace 10 at high temperature and high pressure. In this method, a melting zone (floating zone) 16 is formed between the seed crystal and the raw material rod 12, and a crystal is formed by moving the melting zone 16 in one direction. is there.
[0031]
Therefore, when a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal is prepared by the FZ method, first, a raw material rod 12 obtained by sintering neodymium, gadolinium, and vanadate at high temperature and high pressure is prepared. Next, infrared light from the halogen lamp 14 is condensed and melted on the raw material rod 12 to form a melting zone 16 between the seed crystal and the raw material rod 12, and the melting zone 16 is moved in one direction. As a result, a high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal is formed.
[0032]
According to this FZ method, for example, high concentration neodymium-added gadolinium vanadate, in which neodymium is added as a laser active ion so as to have a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms, as a high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal. A crystal can be obtained. For example, a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal in which neodymium is added as a laser active ion so as to have a concentration of 2% to 15% in terms of the number of atoms can be obtained.
[0033]
The above-described concentration can be controlled to an arbitrary concentration by, for example, sintering the raw material rod 12 with a predetermined concentration of Nd.
[0034]
Further, according to this FZ method, for example, a high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal having a diameter of 3 mm and a length of 50 mm could be prepared.
[0035]
As the halogen lamp 14 for irradiating the raw material rod with infrared light, for example, a halogen lamp with an output of 1.5 kW can be used.
[0036]
By the way, conventionally, in producing a neodymium-added gadolinium vanadate crystal, a pulling method such as a chocolate lasky method (hereinafter referred to as “Cz method” as appropriate) has been used.
[0037]
However, as a feature of neodymium-added gadolinium vanadate crystals, the melting point of vanadate, which is a raw material, is as high as about 1700 ° C., so there are limitations on the crucible and the growing atmosphere, and it has been difficult to produce high-quality crystals.
[0038]
For this reason, in the conventional neodymium-doped gadolinium vanadate crystal in which the concentration of neodymium added is 1% or less in terms of the number of atoms, the peak of the absorption coefficient capable of laser oscillation only in the main absorption band of the wavelength of 808 nm band. Did not exist. Therefore, in order to cause laser oscillation using a conventional neodymium-doped gadolinium vanadate crystal having a concentration of neodymium as low as 1% or less in terms of the number of atoms as a laser medium, a wavelength of 808 nm is the main absorption band. It was necessary to excite with excitation light by a laser diode having a combined oscillation wavelength of 808 nm.
[0039]
On the other hand, in the FZ method according to the present invention, the crucible is not used and the growth atmosphere is not limited, so the limitations of the crucible and the growth atmosphere, which were the conventional problems, are eliminated, and it is possible to grow high-concentration and high-quality crystals. became.
[0040]
Therefore, the high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal prepared according to the present invention has a main absorption band with the maximum absorption coefficient in the wavelength of 808 nm band, but also has a peak of absorption coefficient capable of laser oscillation around it. There is an absorption band. Therefore, in the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal prepared according to the present invention, it becomes possible to cause laser oscillation even when using excitation light having an oscillation wavelength matched to an absorption band other than the main absorption band. .
[0041]
By the way, in a laser, an output larger than the ratio (quantum conversion efficiency) between the wavelength of incident light and the wavelength of outgoing light cannot be obtained.
[0042]
When the high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal prepared according to the present invention is used as a laser medium, even when light of the same wavelength is oscillated, excitation light that can maximize the quantum change efficiency from a plurality of absorption bands. This makes it possible to select a wavelength of 1 and to perform highly efficient oscillation.
[0043]
Here, among the high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystals prepared by using the FZ method described above, the concentration of neodymium is 2%, 5%, 10%, that is, the ratio of the number of neodymium atoms is 2%, FIG. 2 shows the measurement results of the absorption spectra of three types of crystals of 5% and 10%. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the wavelength (Wavelength) in [nm] units, and the vertical axis indicates [cm.-1] Absorption coefficient (absorption coefficient) is taken in units.
[0044]
As apparent from FIG. 2, the absorption of the excitation light greatly increases as the concentration of added neodymium increases. For example, in a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal in which the concentration of neodymium added is 5%, the absorption coefficient is 100 [cm at 808 nm.-1That's it.
[0045]
As shown in FIG. 2, the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal has a wavelength around 750 nm as an absorption band capable of laser oscillation, in addition to a main absorption band at a wavelength of 808 nm generally used for excitation by a laser diode. There is an absorption band having a peak in the region and an absorption band having a peak around the wavelength of 880 nm.
[0046]
Focusing on the absorption band having a peak around the wavelength of 880 nm among these, the quantum conversion efficiency at the time of excitation in the absorption band of the wavelength of 880 nm is “0.83 (880/1060 = 0.83)”, and the absorption at the wavelength of 808 nm. Compared with “0.75 (808/1060 = 0.75), which is the quantum conversion efficiency at the time of excitation in the band, it is possible to prevent a decrease in output due to the loss corresponding to heat being changed to heat. .
[0047]
In FIG. 3, the concentration of neodymium, that is, the ratio of the number of atoms of neodymium is 5% with excitation light having a wavelength of 879 nm in a wavelength of 880 nm band, using a laser apparatus according to the present invention described later with reference to FIG. 4. High concentration neodymium added gadolinium vanadate crystal (Nd 5% added Gd: VO4The input / output characteristics of the experimental results of exciting the crystal) are shown.
[0048]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the power absorbed in [W] units (Absorbed Power), that is, the input power of the pumping light, and the vertical axis represents output power (Output Power) in units of [W]. Nd 5% added Gd: VO4The output power of the laser beam oscillated from the crystal is taken.
[0049]
Next, a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms of neodymium as a laser active ion, such as a high concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal doped with 2%, 5%, or 10% of neodymium in terms of the number of atoms. A laser apparatus constructed using the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal added in step 1 as a laser medium will be described.
[0050]
First, FIG. 4 shows a laser device that performs a pulse oscillation operation among laser devices configured using a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal as a laser medium.
[0051]
The laser apparatus 100 shown in FIG. 4 includes a high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal 102 as a laser medium, a titanium sapphire laser 104 for generating excitation light, total reflection mirrors 106 and 108, and a condensing lens 110. And an output mirror 112.
[0052]
Here, the titanium sapphire laser 104 is an excitation laser as an excitation light source for generating excitation light for pulse oscillation operation, has a wavelength of 880 nm, an average maximum output power of 40 mW, and a pulse width. This is a titanium sapphire laser of 1 ns repetition of 80 ns.
[0053]
The high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 is cut to a size of “vertical 5 mm × horizontal 5 mm × thickness 1 mm”, and the first surface 102 a facing the titanium sapphire laser 104 has a wavelength of 1063 nm. The coating is applied so that the light is totally reflected and the light having a wavelength of 880 nm is not reflected, and the second surface 102 b facing the output mirror 112 is not reflected by the light having a wavelength of 1063 nm. Has been coated.
[0054]
Furthermore, the exit mirror 112 has a surface facing the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 formed as a concave surface 112a having a curvature radius of 50 mm, and the other surface formed as a flat surface 112b. Further, the concave surface 112a is coated so that the reflectance of light having a wavelength of 1064 nm is 90%, and is configured as a concave mirror. The flat surface 112b is not coded.
[0055]
The condenser lens 110 is made of fused silica glass and has a focal length of 100 mm.
[0056]
Therefore, in the laser device 100, a resonator is constituted by the first surface 102a and the concave surface 112a, and a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 is disposed as a laser medium in the resonator. It will be. The cavity length of the resonator is set to 3 cm.
[0057]
In the above configuration, when the excitation light emitted from the titanium sapphire laser 104 enters the condenser lens 110 through the total reflection mirrors 106 and 108, the condenser lens 110 converts the excitation light into a high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal. The light is condensed and incident on 102.
[0058]
In this way, laser oscillation is generated in the resonator, and laser light is emitted from the flat surface 112b of the emission mirror 112.
[0059]
As described above, FIG. 3 is a graph showing experimental results by the inventors of the present application. In the laser device 100 shown in FIG. 4, 5% neodymium is doped as a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 in terms of the number of atoms. A graph of input / output characteristics when the high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal is used is shown. As shown in FIG. 3, the slope efficiency is 50%.
[0060]
Next, FIG. 5 shows a laser device that performs a CW (continuous wave) oscillation operation in a laser device that uses a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal as a laser medium. The laser apparatus shown in FIG. 5 is configured as a semiconductor laser excitation solid-state laser apparatus.
[0061]
In the configuration of the laser apparatus shown in FIG. 5, the same or corresponding configuration as the configuration of the laser apparatus 100 shown in FIG. 4 is indicated using the same reference numerals as those used in FIG. A description of the configuration and operation is omitted.
[0062]
A laser device 200 shown in FIG. 5 heats the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 as a laser medium, a laser diode 202 as an excitation light source for generating a beam as excitation light, and the laser diode 202. Heat sink 204, a gradient index lens 206 for converging and entering a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 as an excitation light beam emitted from the laser diode 202, and an output mirror 208. ing.
[0063]
Here, the laser diode 202 is a GaAs / GaAlAs 200 μm single stripe laser diode having a wavelength of 880 nm at 25 ° C. and a maximum output power of 2 W.
[0064]
The heat sink 204 is made of a copper block, but is cooled by water cooling.
[0065]
Further, the exit mirror 208 has a surface facing the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 formed as a concave surface 208a having a curvature radius of 750 mm, and the other surface formed as a flat surface 208b. The concave surface 208a is coated so that the reflectance of light having a wavelength of 1064 nm is 95%, and is configured as a concave mirror. The flat surface 208b is not coded.
[0066]
The gradient index lens 206 has a diameter of 1.8 mm.
Therefore, in this laser apparatus 200, a resonator is constituted by the first surface 102a and the concave surface 208a, and the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102 is disposed as a laser medium in the resonator. It will be. The cavity length of the resonator is set to 3 cm.
[0067]
Further, semiconductor laser excitation in this laser device 200 is longitudinal excitation in which excitation light is incident on the high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal 102 as a laser medium from a direction substantially coincident with the optical axis of light reciprocating through the resonator by laser oscillation. It is.
[0068]
In the above configuration, when the beam as the excitation light emitted from the laser diode 202 is incident on the gradient index lens 206, the gradient index lens 206 condenses and enters the beam on the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 102. .
[0069]
In this way, laser oscillation occurs in the resonator, and laser light is emitted from the flat surface 208b of the emission mirror 208.
[0070]
As described above, Nd: GdVO in which neodymium is added at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4By using a crystal, laser oscillation can be performed by performing excitation in an absorption band of a wavelength band other than the main wavelength band of 808 nm (for example, a wavelength of 880 nm band).
[0071]
That is, by adding neodymium at a high concentration, Nd: GdVO4Since the absorption coefficient of crystals dramatically increases, Nd: GdVO in which neodymium prepared by conventional techniques is added at a low concentration4Excitation in a wavelength region having a small absorption coefficient, which was difficult with crystals, has become possible.
[0072]
Also, Nd: GdVO added with neodymium at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4By selecting and exciting an absorption band having a wavelength other than the main absorption band of wavelength 808 nm (for example, the wavelength of 880 nm band) using a crystal, the main absorption band of wavelength 808 nm is selected. As a result, it is possible to improve the quantum conversion efficiency as compared with the excitation, and to obtain highly efficient laser oscillation.
[0073]
Furthermore, Nd: GdVO in which neodymium is added at a high concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.4When crystals are used, it is possible to select and excite an absorption band in a wavelength band other than the main absorption band of the wavelength 808 nm band (for example, the wavelength of 880 nm band). Although limited to laser diodes having an oscillation wavelength of 808 nm, which is the absorption band, the latitude of selection of the excitation light source can be expanded.
[0074]
Next, FIG. 6 shows a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal (Nd 2%) in which neodymium is added at a concentration of 2% in terms of the number of atoms using a laser apparatus according to the present invention described later with reference to FIG. Addition Gd: VO4The input / output characteristics of the comparative experiment results when the crystal is excited with excitation light with a wavelength of 808 nm and excitation light with a wavelength of 879 nm in the wavelength 880 nm band are shown.
[0075]
In FIG. 6, the horizontal axis represents the power absorbed in [mW] units (Absorbed Power), that is, the input power of the excitation light, and the vertical axis represents the output power (Output Power) in units of [mW]. Nd: 2% added Gd: VO4The output power of the laser beam oscillated from the crystal is taken.
[0076]
As understood from FIG. 6, Nd 2% added Gd: VO4Since neodymium was added to the crystal at a high concentration, very high laser oscillation efficiency was obtained. Specifically, the slope efficiency of laser oscillation was 67% in the case of excitation light having a wavelength of 808 nm, and 78% in the case of excitation light having a wavelength of 879 nm in the wavelength 880 nm band.
[0077]
That is, when excited at a wavelength of 879 nm, which is a wavelength of 880 nm, the slope efficiency is improved by about 10% as compared to the excitation at a wavelength of 808 nm, almost the same as the difference in energy conversion efficiency.
[0078]
Next, the laser device shown in FIG. 7 will be described. The laser device shown in FIG. 7 includes a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302 in which neodymium as a laser medium is added at a concentration of 2% in terms of the number of atoms. Titanium sapphire laser 304 as an excitation laser as an excitation light source for generating excitation light for pulse oscillation operation, total reflection mirrors 306 and 308, a λ / 2 wavelength plate 320 for adjusting the intensity and polarization of excitation light, and It has a Grand laser prism 322, a condenser lens 310, and an exit mirror 312.
[0079]
Here, the titanium sapphire laser 304 can be arbitrarily selected in a wavelength range from 700 nm to 950 nm by computer control, the maximum output power is 200 mW on average, and the pulse width is 100 ns and a repetition 1 kHz laser. is there.
[0080]
In the experiment that obtained the experimental results shown in FIG. 6, light having a wavelength of 808 nm or 879 nm was selected and used as excitation light by computer control.
[0081]
The high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302 is cut to a size of “diameter 8 mm × thickness 1 mm”, and the first surface 302 a facing the titanium sapphire laser 304 all emits light having a wavelength of 1063 nm. The second surface 302b facing the exit mirror 312 is coated so as to be non-reflective with respect to the light having a wavelength of 1063 nm. It has been subjected.
[0082]
Further, the exit mirror 312 has a surface facing the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302 as a concave surface 312a having a curvature radius of 200 mm, and the other surface is formed as a flat surface 312b. The concave surface 312a is coated so that the reflectance of light having a wavelength of 1064 nm is 80%, and is configured as a partially reflecting concave mirror. The flat surface 312b is not coded.
[0083]
The condenser lens 310 is made of fused silica glass and has a focal length of 120 mm.
[0084]
Accordingly, in the laser device 300, a resonator is constituted by the first surface 302a and the concave surface 312a, and a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302 is disposed as a laser medium in the resonator. It will be. The cavity length of the resonator is set to 3 mm.
[0085]
In the above configuration, when the excitation light emitted from the titanium sapphire laser 304 enters the condenser lens 110 via the total reflection mirrors 306 and 308, the λ / 2 wavelength plate 320, and the Glan laser prism 322, the condenser lens 310 is obtained. Condenses the excitation light and condenses it on the high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302.
[0086]
In this way, laser oscillation is generated in the resonator, and laser light is emitted from the flat surface 312 b of the emission mirror 312.
[0087]
Since the Glan laser prism 322 transmits only light polarized in a certain direction, the amount of excitation light transmitted through the Glan laser prism 322 can be changed by rotating the λ / 2 wavelength plate 320. Thereby, the power of the excitation light incident on the high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal 302 was adjusted.
[0088]
In addition, as described above, laser oscillation occurs when excitation light having a wavelength of 880 nm is incident on a high-concentration neodymium-doped gadolinium vanadate crystal.4F3/2It means to be excited to the level.
[0089]
The embodiment described above may be modified as shown in (1) to (4) described below.
[0090]
(1) In the above-described embodiment, the case where neodymium is added to the gadolinium vanadate crystal at a concentration of 2%, 5%, or 10% in terms of the number of atoms has been described in detail. However, the present invention is not limited to this. Needless to say, the concentration of neodymium added to the gadolinium vanadate crystal may be a high concentration such as a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms, preferably a concentration of 2% or more. More preferably, the concentration is 2% to 15%.
[0091]
(2) In the above-described embodiment, the semiconductor laser excitation is based on end face excitation. However, the present invention is not limited to this, and the axis of the optical axis of light that reciprocates through the resonator by laser oscillation. Semiconductor laser excitation may be performed by side excitation in which excitation light is incident on the laser medium from a direction substantially orthogonal to the direction.
[0092]
(3) In the above-described embodiment, the gadolinium vanadate crystal added with neodymium at a high concentration has been described as the laser medium. However, the laser medium to which the present invention can be applied is not limited to this. Of course. For example, it is a single crystal to which Tm, Ho, Er, Cr ions, etc., which are laser active ions, are added at a high concentration as a laser medium, for example, Tm: YVO4And Tm: GdVO4The present invention can also be applied to such as. In this case, it is preferable to control the concentration of the sintered body.
[0093]
(4) The above-described embodiment and the modifications shown in (1) to (3) above may be used in appropriate combination.
[0094]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it has an excellent effect that it can provide a laser oscillation method and a laser apparatus using a laser medium made of a crystal added with laser active ions at a predetermined concentration. Play.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a floating zone method (Floating Zone Method: hereinafter appropriately referred to as “FZ method”), which is a method for producing a laser medium according to an example of an embodiment of the present invention. It is.
FIG. 2 is a graph showing experimental results by the inventors of the present invention, and among the high concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystals according to the present invention, the concentration of neodymium is 2%, 5%, 10%, that is, the number of neodymium atoms. Is a graph showing the measurement results of absorption spectra of three types of crystals having a ratio of 2%, 5%, and 10%. The horizontal axis indicates the wavelength (Wavelength) in [nm] units, and the vertical axis indicates [cm.-1] Absorption coefficient (Absorption coefficient) in units.
FIG. 3 is a graph showing experimental results by the inventors of the present application. In the laser device shown in FIG. It is a graph of the input-output characteristic at the time of using a gadolinium vanadate crystal. The horizontal axis indicates the power absorbed in [W] units (Absorbed Power), and the vertical axis indicates the output power (Output Power) in [W] units.
FIG. 4 is a schematic configuration explanatory diagram showing a laser device that performs a pulse oscillation operation among laser devices configured using a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal as a laser medium.
FIG. 5 is a schematic configuration explanatory diagram showing a laser device that performs a CW (continuous wave) oscillation operation in a laser device configured using a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal as a laser medium.
6 is a graph showing experimental results by the inventors of the present application. In the laser apparatus shown in FIG. 7, high-concentration neodymium addition doped with 2% neodymium in a ratio of the number of atoms as a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal. It is a graph of the input-output characteristic at the time of using a gadolinium vanadate crystal. The horizontal axis indicates the power absorbed in [W] units (Absorbed Power), and the vertical axis indicates the output power (Output Power) in [W] units.
FIG. 7 is a schematic configuration explanatory diagram showing a laser device that performs a pulse oscillation operation among laser devices configured using a high-concentration neodymium-added gadolinium vanadate crystal as a laser medium.
[Explanation of symbols]
10 furnaces
12 Raw material stick
14 Halogen lamp
16 Melting zone (floating zone)
100, 200, 300 Laser equipment
102,302 High concentration Nd-doped YAG single crystal
102a, 302a first surface
102b, 302b second surface
104, 304 Titanium sapphire laser
106, 108, 306, 308 Total reflector
110, 310 condenser lens
112, 208, 312 Output mirror
112a, 208a, 312a Concave surface
112b, 208b, 312b Flat surface
202 laser diode
204 heat sink
206 Gradient index lens
320 λ / 2 wave plate
322 Gran laser prism

Claims (10)

レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、
レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で1%を越える濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光の励起によりレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
In a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light and oscillated,
A laser medium composed of a Nd: GdVO 4 crystal, which is a GdVO 4 crystal added so that Nd as a laser active ion has a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms, is different from a wavelength of 808 nm which is a main absorption band. Oscillates by excitation of excitation light with a wavelength of 880 nm.
A laser oscillation method characterized by the above .
レーザー媒質を励起光により励起してレーザー発振するレーザー発振方法において、
レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で2%乃至15%の濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶よりなるレーザー媒質を、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光の励起によりレーザー発振する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
In a laser oscillation method in which a laser medium is excited by excitation light and oscillated,
A laser medium composed of a Nd: GdVO 4 crystal, which is a GdVO 4 crystal added so that Nd as a laser active ion has a concentration of 2% to 15% in terms of the number of atoms, is a wavelength of 808 nm which is a main absorption band. Laser oscillation by excitation of excitation light in a wavelength band of 880 nm which is a different wavelength band
A laser oscillation method characterized by the above .
請求項1または2のいずれか1項に記載のレーザー発振方法において、In the laser oscillation method of any one of Claim 1 or 2,
前記波長880nm帯の励起光は、波長879nmの励起光であるThe excitation light of the wavelength 880 nm band is excitation light of wavelength 879 nm.
ことを特徴とするレーザー発振方法。A laser oscillation method characterized by the above.
請求項1、2または3のいずれか1項に記載のレーザー発振方法において、
前記波長880nm帯の励起光が、Ndイオンを基底準位から3/2準位へ励起する
ことを特徴とするレーザー発振方法。
In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, and 3,
Excitation light of the wavelength 880nm band, to excite Nd ions from the ground state to the 4 F 3/2 level
A laser oscillation method characterized by the above .
請求項1、2、3または4のいずれか1項に記載のレーザー発振方法において、In the laser oscillation method according to any one of claims 1, 2, 3, or 4,
前記Nd:GdVONd: GdVO 4 結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものであるThe crystal is made by the floating zone method
ことを特徴とするレーザー発振方法。A laser oscillation method characterized by the above.
共振器内にレーザー媒質を配置し、前記レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって
前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で1%を越える濃度となるように添加されたGdVO 結晶たるNd:GdVO 結晶であり、
前記励起光は、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光である
ことを特徴とするレーザー装置。
The laser medium disposed in the resonator to bring about lasing within the cavity by incident excitation light to the laser medium, a laser device which emits laser light from the resonator,
The laser medium is a Nd: GdVO 4 crystal which is a GdVO 4 crystal added so that Nd as a laser active ion has a concentration exceeding 1% in terms of the number of atoms.
The excitation light is excitation light in a wavelength band of 880 nm that is different from the wavelength band of 808 nm that is the main absorption band.
A laser device characterized by that .
共振器内にレーザー媒質を配置し、前記レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器からレーザー光を出射させるレーザー装置であって、A laser device in which a laser medium is disposed in a resonator, and excitation light is incident on the laser medium to cause laser oscillation in the resonator and emit laser light from the resonator;
前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてNdが原子数の比率で2%乃至15%の濃度となるように添加されたGdVOThe laser medium includes GdVO added so that Nd as a laser active ion has a concentration of 2% to 15% in terms of the number of atoms. 4 結晶たるNd:GdVOCrystal Nd: GdVO 4 結晶であり、Crystal
前記励起光は、主吸収帯である波長808nm帯とは異なる波長帯である波長880nm帯の励起光であるThe excitation light is excitation light having a wavelength band of 880 nm that is different from the wavelength band of 808 nm that is the main absorption band.
ことを特徴とするレーザー装置。A laser device characterized by that.
請求項6または7のいずれか1項に記載のレーザー装置において、In the laser apparatus of any one of Claim 6 or 7,
前記波長880nm帯の励起光は、波長879nmの励起光であるThe excitation light of the wavelength 880 nm band is excitation light of wavelength 879 nm.
ことを特徴とするレーザー装置。A laser device characterized by that.
請求項6、7または8のいずれか1項に記載のレーザー装置において、The laser apparatus according to any one of claims 6, 7 and 8,
前記Nd:GdVONd: GdVO 4 結晶は、フローティングゾーン法により作製されたものであるThe crystal is made by the floating zone method
ことを特徴とするレーザー装置。A laser device characterized by that.
請求項6、7、8または9のいずれか1項に記載のレーザー装置において、
前記励起光は半導体レーザー励起により入射される
ことを特徴とするレーザー装置。
The laser apparatus according to any one of claims 6 , 7, 8 or 9 ,
The excitation light is incident by a semiconductor laser excitation
A laser device characterized by that .
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