JP5116354B2 - 固体レーザ媒質および固体レーザ発振器 - Google Patents

固体レーザ媒質および固体レーザ発振器 Download PDF

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Description

本発明は、品質のよいレーザ光を出力することができる固体レーザ媒質、および当該固体レーザ媒質を用いた固体レーザ発振器に関する。
一般的な固体レーザ発振器としてYAGレーザ発振器を例として用いて説明する。また、説明を簡単にするために、最も単純なCWレーザ発振器を例にとって説明する。さらに、図10(a)に示すように、YAGロッド(固体レーザ媒質)10の形状としては円柱形状からなるものを例として用いて説明する。なお、図10(a)は、YAGロッド10の横断面を示している。
一般的に、YAGレーザ発振器は、励起光を発生させる励起光源と、励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するYAGロッド10と、を備えている。そして、YAGレーザ発振器は、励起光源から出た励起光を、内面に金メッキを施した楕円筒にて反射し、YAGロッド10に導くことでYAGロッド10を励起して、YAGロッド10からレーザ光を出力させる。
このため、円柱形状のYAGロッド10の側面から励起光が入射し、ほとんどの場台、YAGロッド10の断面での励起光の強度分布は中心軸Cをピークとする強度分布となっている。このため、図10(b)に示すように、YAGロッド10の断面での励起強度分布は中心軸Cをピークとする分布となり、YAGロッド10から出力されるレーザ光も、レーザ光の外周部よりもレーザ光の中心部における強度が強くなる強度分布となっている。
また、YAGロッド10は、励起によって高温となるため、その外周より冷却されることが普通である。この損合も当然、YAGロッド10の外周部が冷却しやすく、内部に行くにつれて冷却しにくくなっている。
すなわち、励起強度分布と温度勾配の両方を考えると、最も励起強度が高く発熱の激しい部分が、最も冷却しにくい部分となり、YAGロッド10の内部において中心軸C近傍が最も高温となる温度勾配が生じている(図10(c)参照)。
このため、YAGレーザ発振器において熱レンズ効果が発生してしまい、YAGレーザ発振器から出力されるレーザ光の品質を悪化させる最大の原因となっている。また、レーザ光の出力を上げるために励起強度を上げれば上げるほど、レーザ光の品質の悪化を招く結果となる。さらに、励起強度を上げすぎると内部温度上昇によりYAGロッド10が破損する場合もある。
このような熱レンズ効果が発生することを防止するために、レーザ活性元素がドープされたレーザロッドを、このレーザロッドと同じ結晶構造をもつノンドープのセラミックパイプの中空部に密着挿入したもの(例えば、特許文献1)や、活性元素であるNdを所定の濃度で添加して形成したYAG結晶からなるレーザロッド本体の周縁に、このレーザロッド本体に添加されたNdの濃度よりも低い濃度のNdを含むNdドープ・YAG結晶膜を設けたもの(例えば、特許文献2)などが知られている。
特開2003−258350号 特開2000−101178号
このような従来技術は、レーザ活性元素のドープされた部分の周縁をレーザ活性元素を含有しないノンドープの部分で覆ったり、レーザ活性元素濃度の高い部分をレーザ活性元素濃度の低い部分で覆ったりすることによって、レーザロッド内に発生した熱を外部に逃がしやすくしたり、レーザロッド内を外部から冷却しやすくするものであるが、このような方法では、レーザロッドの内部にはどうしても温度勾配が生じてしまい、内部の温度を均一にすることが困難であり、熱レンズ効果を防止するには十分ではなかった。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、内部での温度を均一にすることによって、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる固体レーザ媒質、および当該固体レーザ媒質を用いた固体レーザ発振器を提供することを目的とする。
本発明は、励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質において、
励起光の吸収率が低い低吸収部と、
当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
を備えたことを特徴とする固体レーザ媒質である。
このような構成により、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有しない部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
このような構成により、中心部での温度を低くすることができ、熱レンズ効果を効率よく防止することができる。
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、所定量のレーザ活性元素を含有する部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素の量よりも多い量の前記レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
このような構成により、低吸収部に含有されるレーザ活性元素の量、および高吸収部に含有されるレーザ活性元素の量を調整することによっても、固体レーザ媒質内の温度分布を調整することができる。
本発明は、前記低吸収部が、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成され、
前記高吸収部が、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素よりも励起光に対する吸収率が高いレーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質である。
このような構成により、低吸収部に含有されるレーザ活性元素の種類、および高吸収部に含有されるレーザ活性元素の種類を適宜選択することによっても、固体レーザ媒質内の温度分布を調整することができる。
本発明は、少なくとも一部がセラミックからなることを特徴とする固体レーザ媒質である。
このような構成により、低吸収部や高吸収部に含有されるレーザ活性元素の量を調整したり、低吸収部や高吸収部に含有されるレーザ活性元素の種類を適宜選択したりすることができる。
本発明は、励起光を発生させる励起光源と、
励起光源から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力する固体レーザ媒質と、を備え、
固体レーザ媒質が、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆って、または当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
励起光源からの励起光が、高吸収部から固体レーザ媒質内に入射することを特徴とする固体レーザ発振器である。
このような構成により、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
本発明によれば、低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆ってまたは当該低吸収部を挟んで配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持つ固体レーザ媒質を構成する高吸収部とを備えることによって、内部での温度を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光を出力することができる。
発明を実施するための形態
第1の実施の形態
以下、本発明に係る固体レーザ発振器の第1の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図1乃至図7は本発明の第1の実施の形態を示す図である。
図1に示すように、固体レーザ発振器50は、励起光を発生させる励起光源30と、励起光源30から入射された励起光に対して光増幅効果をもたらしてレーザ光Lを出力する固体レーザ媒質10と、固体レーザ媒質10の光軸方向に配置された一対の共振ミラー21,22と、を備えている。
このうち、固体レーザ媒質10は、図2に示すように、円柱形状からなるとともに、励起光の吸収率が低い低吸収部11と、当該低吸収部11の周縁外方を覆って配置され、励起光に対して低吸収部11の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部11と一体となって固体レーザ媒質10を構成する高吸収部12と、を有している。
本実施の形態においては、固体レーザ媒質10の低吸収部11は、レーザ媒質材料(例えば、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)など)からなりレーザ活性元素を含有しない部分から構成され、固体レーザ媒質10の高吸収部12は、レーザ媒質材料からなりレーザ活性元素を含有する部分から構成されている。
また、図2において、固体レーザ媒質10の高吸収部12は、セラミックからなっている。他方、固体レーザ媒質10の低吸収部11は、セラミックからなってもよいし単結晶からなってもよい。
なお、励起光源30および固体レーザ媒質10は、図1に示すように、内面に金メッキ等の反射膜を施した楕円筒40内に配置されており、励起光源30から照射される励起光は、楕円筒40の内面で反射され、固体レーザ媒質10の全側面から入射する(高吸収部12から固体レーザ媒質10内に入射する)。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
まず、固体レーザ媒質10内における励起光の一般的な強度分布について説明する。ここでは簡単に説明するために、ブロック形状からなる固体レーザ媒質10を例にとって考える。
吸収係数αの固体レーザ媒質10に強度Iの励起光が入射した場合における、固体レーザ媒質10内部の各位置における励起光強度は、簡単な減衰式、
I(x)=I×exp(−αx)
で示される(x=0で励起光が固体レーザ媒質10に入射する)。そして、当然、励起光が減衰した分だけ、固体レーザ媒質10に励起光が吸収されたことになる。
なお、吸収係数αは固体レーザ媒質10に含有されたレーザ活性元素の濃度によって変化する。すなわち、固体レーザ媒質10のうちレーザ活性元素を含有しない部分においては、吸収係数αは固体レーザ媒質(例えば、YAGロッド)10の吸収係数となり、非常に小さくなる(α≒0となる)。これに対して、固体レーザ媒質10のうちレーザ活性元素を含有する部分においては、吸収係数αは大きくなる。
ここで、本実施の形態によれば、図2に示すように、レーザ活性元素を含有せず励起光の吸収率が非常に小さい低吸収部11の周縁外方を覆って、レーザ活性元素を含有し励起光の吸収率が高い高吸収部12が配置されている。
このため、励起光強度Iは、図3(a)−(c)に示すように、高吸収部12において減衰する(励起光が吸収される)が、低吸収部11においては減衰しない(励起光が吸収されない)。なお、図3(a)は固体レーザ媒質10の横断面を示し、図3(b)は固体レーザ媒質10の縦断面を示し、図3(c)は固体レーザ媒質10内における励起光強度Iを示している。
このように、励起光が高吸収部12において吸収されるが、低吸収部11においては吸収されないので、固体レーザ媒質10の内部における励起強度分布は図4(b)に示すようになり、レーザ活性元素を含有しない部分から構成されている低吸収部11における励起強度は0となる。
この結果、図4(c)に示すように、中心軸C近傍の領域において、固体レーザ媒質10が発熱することを効率よく抑えることができ、冷却液などによって冷却しにくい固体レーザ媒質10の中心軸C近傍の領域の温度が上昇することを防止することができる。
ところで、本実施の形態による固体レーザ媒質10において、レーザ活性元素を含む高吸収部12の大きさや形状を調整したり、レーザ活性元素を含まない低吸収部11の大きさや形状を調整したり、高吸収部12に含有されるレーザ活性元素の濃度を調整したりすることによって、固体レーザ媒質10内で吸収される励起光の量を調整することができる。
このため、固体レーザ媒質10の一の面から入射した励起光のうち高吸収部12内で吸収される量と、当該一の面と中心軸Cを挟んで対向する他の面から入射した励起光のうち高吸収部12内で吸収される量とを適宜調整することができ、図5(a)(b)に示すように、固体レーザ媒質10の高吸収部12内の各箇所で吸収される励起光の量(減衰する励起光の量)をほぼ均一にすることができる。この結果、図5(c)に示すように、固体レーザ媒質10から出力されるレーザ光Lへの寄与率を高吸収部12内でほぼ均一にすることができる。
そして、このように、固体レーザ媒質10から出力されるレーザ光Lへの寄与率を高吸収部12内で均一にすることによって、固体レーザ媒質10内の温度分布を均一にすることができ、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Lを出力することができる(図1参照)。
なお、上記では、図5(c)のように、固体レーザ媒質10の高吸収部12の内部におけるレーザ光Lへの寄与率がほぼ均一となっているが、これには限らない。
つまり、レーザ活性元素を含む高吸収部12の大きさや形状を調整したり、レーザ活性元素を含まない低吸収部11の大きさや形状を調整したりすることによって、固体レーザ媒質10の一の面から入射した励起光のうち高吸収部12内で吸収される量と、当該一の面と中心軸Cを挟んで対向する他の面から入射した励起光のうち高吸収部12内で吸収される量とを適宜調整し、図6(b)に示すように、高吸収部12でのレーザ光Lへの寄与率を内部に行くに従って小さくしたり、図6(c)に示すように、高吸収部12でのレーザ光Lへの寄与率を内部に行くに従って大きくしたりすることもできる。
なお、上記では、円柱形状からなる固体レーザ媒質10を用いて説明したが、これに限らず、円盤、角柱などの様々な形状からなる固体レーザ媒質10を用いることができる。このように、固体レーザ媒質10の形状を様々変化させることによって、固体レーザ媒質10の内部における温度分布を適宜調整し、小さな広がり角を持つレーザ光Lを出力するよう調整することができる。
また、上記では、円柱形状からなる低吸収部11を用いて説明したが、これに限らず、多角形状、楕円形状などの様々な形状からなる低吸収部11を用いることができる。このように、低吸収部11の形状を様々変化させることによっても、固体レーザ媒質10の内部の温度分布を適宜調整することができ、小さな広がり角を持つレーザ光Lを出力するよう調整することができる。
さらに、上記では、高吸収部12が、低吸収部11の周縁(側面)外方を覆って配置される態様を用いて説明したが、これに限ることなく、図7に示すように、高吸収部12は、低吸収部11を挟むように配置されてもよい。なお、このときには、励起光源30(図1参照)からの励起光は、高吸収部12側から入射され、高吸収部12を介して低吸収部11に達する。
ところで、固体レーザ発振器50には様々な形式の発振器形態があるが、本発明による固体レーザ媒質10は、固体レーザ媒質10を用いた全ての固体レーザ発振器50に応用することができる。
第2の実施の形態
次に、図8により、本発明の第2の実施の形態について説明する。図8に示す第2の実施の形態は、レーザ活性元素を含有しない部分から低吸収部11が構成され、レーザ活性元素を含有する部分から高吸収部12が構成されている代わりに、所定量のレーザ活性元素を含有する部分から低吸収部11’が構成され、低吸収部11’に含有されたレーザ活性元素の量よりも多い量のレーザ活性元素を含有する部分から高吸収部12’が構成されているものであり、その他の構成は図1乃至図7に示す第1の実施の形態と略同一である。
図8に示す第2の実施の形態において、図1乃至図7に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図8に示すように、固体レーザ媒質10は、所定量のレーザ活性元素(例えば、NdやYbなど)を含有する低吸収部11’と、当該低吸収部11’の周縁外方を覆って配置され、低吸収部11’に含有されたレーザ活性元素の量よりも多い量のレーザ活性元素を含有し、励起光に対して低吸収部11’の吸収率よりも高い吸収率を持つ高吸収部12’と、を備えている。
そして、本実施の形態においては、低吸収部11’に含有されるレーザ活性元素の量、および高吸収部12’に含有されるレーザ活性元素の量を調整することによっても、固体レーザ媒質10内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Lを出力する固体レーザ媒質10を容易に得ることができる。
第3の実施の形態
次に、図9により、本発明の第3の実施の形態について説明する。図9に示す第3の実施の形態は、レーザ活性元素を含有しない部分から低吸収部11が構成され、レーザ活性元素を含有する部分から高吸収部12が構成されている代わりに、レーザ活性元素を含有する部分から低吸収部11”が構成され、低吸収部11”に含有されたレーザ活性元素よりも励起光に対する吸収率が高いレーザ活性元素を含有する部分から高吸収部12”が構成されているものであり、その他の構成は図1乃至図7に示す第1の実施の形態と略同一である。
図9に示す第3の実施の形態において、図1乃至図7に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図9に示すように、固体レーザ媒質10は、レーザ活性元素(例えば、Nd)を含有する低吸収部11”と、当該低吸収部11”の周縁外方を覆って配置され、低吸収部11”に含有されたレーザ活性元素よりも励起光に対する吸収率が高いレーザ活性元素(例えば、Yb)を含有することによって励起光に対して低吸収部11”の吸収率よりも高い吸収率を持つ高吸収部12”と、を備えている。
なお、本実施の形態においては、低吸収部11”に含有されるレーザ活性元素の種類、および高吸収部12”に含有されるレーザ活性元素の種類を適宜選択することによっても、固体レーザ媒質10内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Lを出力する固体レーザ媒質10を容易に得ることができる。
また、低吸収部11”に含有されるレーザ活性元素の種類、および高吸収部12”に含有されるレーザ活性元素の種類を適宜選択するだけでなく、低吸収部11”に含有されるレーザ活性元素の量、および高吸収部12”に含有されるレーザ活性元素の量を調整することによっても、固体レーザ媒質10内の温度分布を調整することができる。この結果、熱レンズ効果が発生せず、小さな広がり角を持つ品質のよいレーザ光Lを出力する固体レーザ媒質10をさらに容易に得ることができる。
本発明の第1の実施の形態による固体レーザ発振器を示す概略断面図。 本発明の第1の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。 本発明の第1の実施の形態による固体レーザ媒質の断面と、励起光強度との関係を示す図。 本発明の第1の実施の形態による固体レーザ媒質の横断面と、励起強度分布と、温度分布との関係を示す図。 本発明の第1の実施の形態による固体レーザ媒質の横断面と、励起光強度と、レーザ光への寄与率との関係を示す図。 本発明の第1の実施の形態による別の態様における固体レーザ媒質の横断面とレーザ光への寄与率との関係を示す図。 本発明の第1の実施の形態による別の態様における固体レーザ媒質を示す斜視図。 本発明の第2の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。 本発明の第3の実施の形態による固体レーザ媒質を示す概略斜視図。 従来技術による固体レーザ媒質の横断面と、励起強度分布と、温度分布との関係を示す図。
符号の説明
10 固体レーザ媒質
11,11’,11” 低吸収部
12,12’,12” 高吸収部
12a レーザ活性元素を含有する粉末
30 励起光源
40 楕円筒
50 固体レーザ発振器
61 炉
L レーザ光

Claims (7)

  1. 励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質において、
    励起光の吸収率が低い低吸収部と、
    当該低吸収部の周縁外方を覆っ配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
    を備え
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有しない部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質。
  2. 励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質において、
    励起光の吸収率が低い低吸収部と、
    当該低吸収部の周縁外方を覆っ配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
    を備え
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、所定量のレーザ活性元素を含有する部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素の量よりも多い量の前記レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質。
  3. 励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質において、
    励起光の吸収率が低い低吸収部と、
    当該低吸収部の周縁外方を覆っ配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、
    を備え
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素よりも励起光に対する吸収率が高いレーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ媒質。
  4. 少なくとも一部がセラミックからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体レーザ媒質。
  5. 励起光を発生させる励起光源と、
    励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質と、を備え、
    固体レーザ媒質は、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆っ配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
    励起光源からの励起光は、高吸収部から固体レーザ媒質内に入射し、
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有しない部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ発振器。
  6. 励起光を発生させる励起光源と、
    励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質と、を備え、
    固体レーザ媒質は、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆って配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、所定量のレーザ活性元素を含有する部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素の量よりも多い量の前記レーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ発振器。
  7. 励起光を発生させる励起光源と、
    励起光源から入射された励起光を受けることで光増幅効果をもたらしてレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ媒質と、を備え、
    固体レーザ媒質は、励起光の吸収率が低い低吸収部と、当該低吸収部の周縁外方を覆って配置され、励起光に対して低吸収部の吸収率よりも高い吸収率を持ち、低吸収部と一体となって固体レーザ媒質を構成する高吸収部と、を有し、
    前記低吸収部は、レーザ媒質材料からなり、レーザ活性元素を含有する部分から構成され、
    前記高吸収部は、レーザ媒質材料からなり、前記低吸収部に含有されたレーザ活性元素よりも励起光に対する吸収率が高いレーザ活性元素を含有する部分から構成されていることを特徴とする固体レーザ発振器。
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