JP6551898B1 - レーザー装置、光源および測定装置 - Google Patents

Abstract

励起光（１００）を吸収して光を発するイッテルビウムが添加されたレーザー媒質（２６）が発した光を増幅した出力光（２００）を、複数のパルス状に発振するレーザー装置（１）では、レーザー媒質（２６）が発した光の光路または光共振器（２０）から出射後の出力光（２００）の光路のいずれかの光路に、光軸周りの広がりを制限する空間フィルター（４０）が設けられる。

Description

本発明は、受動Ｑスイッチ方式でパルス状のレーザー光を発振するレーザー装置の構成、その駆動方法に関する。

レーザー光は、レーザー媒質が入射鏡と出射鏡との間の光路上に設置された構成を具備する光共振器に励起光を入射させることによって発振される。パルス状のレーザー光を発振する手法としてＱスイッチ法があり、Ｑスイッチ法は、光共振器内に設けられたＱスイッチによって発振が制御され、能動Ｑスイッチ法と受動Ｑスイッチ法に大別される。能動Ｑスイッチ法の場合には、Ｑスイッチとして機能するポッケルスセル等を外部から能動的に制御することによってレーザー光を発振させる必要がある。これに対して、受動Ｑスイッチ法の場合には、ポッケルスセル等の代わりに可飽和吸収体が使用され、可飽和吸収体中の光の吸収、透過が自動的に制御され可飽和吸収体がＱスイッチとして機能する。このため、受動Ｑスイッチ法においては能動的な制御が不要となり、装置構成を単純化し、小型化、安価とすることができるため、受動Ｑスイッチ法を用いたものが、小型のレーザー装置においては、特に好ましく用いられる。

受動Ｑスイッチ法が用いられた小型のレーザー発振器（レーザー装置）としては、Ｎｄ：ＹＡＧをレーザー媒質として用いたものが広く用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧを用いた場合には発振波長は１０６４ｎｍであり、励起光として、半導体レーザーから発せられたレーザー光を用いることができるため、レーザー装置全体を小型化することが容易である。この際、パルス状となって発振されるレーザー光の発振タイミングは、パルス状の励起光の発振タイミングで制御することができる。このような小型レーザー装置は主に自動車等のエンジン点火の目的に開発されてきた。エンジンにおける点火のためにレーザー光を用いる場合には、ピーク強度が高くパルス幅（発振パルス幅）が短いことが点火のエネルギー効率が良く、好ましい。Ｎｄ：ＹＡＧをレーザー媒質として用いた受動Ｑスイッチレーザーでは、容易にパルス幅１ｎｓ（ナノ秒：１０^−９秒）よりも短いピコ秒（１０^−１２秒）オーダーの短パルスが発生できるため、エンジン点火用レーザーとして特に好ましい特性が得られる。非特許文献１には、Ｙｂ：ＹＡＧをレーザー媒質として用い、半導体レーザーを励起光の光源に用いてこのような短いパルス幅（発振パルス幅）のレーザー光を発振する構成が記載されている。また、受動Ｑスイッチレーザー光の発振パルス幅と各種パラメータとの関係については、例えば非特許文献２に記載されている。このように、従来は、受動Ｑスイッチレーザーとして、高出力を得ることが容易なＮｄ：ＹＡＧがレーザー媒質として用いられる場合が多かった。

一方、エンジンの点火以外の目的でも、このような小型のレーザー装置を用いることにより、装置全体の小型化を図ることができる。例えば、特許文献１に記載されるような血糖計においては、測定に直接用いられる赤外光（レーザー光）は、光パラメトリック発振（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ：ＯＰＯ）で得られる。ＯＰＯにおいては、非線形結晶にポンプ光を入射させることによってポンプ光と異なる波長の光が発振され、発振された光が血糖値の測定に直接用いられる。ポンプ光としては、中赤外のレーザー光が用いられるため、前記のような受動Ｑスイッチ法を用いた小型のレーザー装置は、このような血糖計においてポンプ光を生成するためにも好ましい。

国際公開特許公報「ＷＯ２０１６／１１７５２０号公報」

平等拓範、常包正樹、金原賢治、森島信悟、田口信幸、杉浦明光、「ジャイアントパルスマイクロレーザーによるエンジン点火の可能性」、プラズマ・核融合学会誌、第８９巻、第４号、２３８頁（２０１３年） 「＞１ＭＷ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｈｉｇｈ−Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ３＋：ＹＡＧ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｌａｓｅｒ」、Ｈ．Ｓａｋａｉ、Ｈ．Ｋａｎ、 ａｎｄ Ｔ．Ｔａｉｒａ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１６巻、１９８９１頁（２００８年）

上記のような受動Ｑスイッチ法を用いた小型のレーザー装置を、前記のようなエンジンの点火用とする場合と、血糖計用（ＯＰＯのポンプ光）とする場合とでは、要求されるパルス幅が異なった。特にＯＰＯにおいて波長が３μｍ以上の中赤外光を発振させる場合には、ＯＰＯで使用される非線形結晶の光学定数が小さいために利得が小さく、かつ非線形結晶は１０ＭＷ／ｃｍ^２以上の照射エネルギーによって損傷する。このため、このような場合には、比較的低強度かつ４ｎｓ以上の長パルスのポンプ光が用いられ、例えば非線形結晶の出入射光の光軸方向長さは例えば２０ｍｍ程度、ポンプ光のパルス幅は１０ｎｓ程度が最適とされる。このパルス幅は非特許文献１に記載されたエンジン点火の場合のパルス幅よりも大幅に長い。すなわち、ＯＰＯのポンプ光としては、発振パルス幅を非特許文献１等に記載の場合よりも長くすることが求められた。

非特許文献２には、受動Ｑスイッチレーザー光の発振パルス幅ｔ_ｐと共振器長（入射鏡と出射鏡の間の、屈折率を考慮した光学長）ｌ_ｃは一次の関係にあることが示されている。具体的には、発振パルス幅ｔ_ｐは以下の（１）〜（４）式で表されることが示されている。
ここで、ｃは光速、Ｔ_０は可飽和吸収体の初期透過率、δ_f、δ_tはＱスイッチ動作におけるそれぞれ発振終了時、発振中の最大光子数時の反転分布密度の発振開始前反転分布密度に対する割合である。また、Ｒは共振器の出力鏡の反射率、Ｌ_ｇは共振器周回毎の光損失割合、σ_ＳＡ、σ_ｇはそれぞれ可飽和吸収体、レーザー媒質の誘導放出断面積、Ａ_ＳＡ、Ａ_ｇはそれぞれ可飽和吸収体、レーザー媒質のレーザー発振時の有効面積、σ_ＥＳＡは可飽和吸収体の励起状態吸収断面積、ａは１に近い定数である。（１）式より、発振パルス幅ｔ_ｐを長くするためには、共振器長ｌ_ｃを大きくとればよい。すなわち、共振器長ｌ_ｃを大きく設定した受動ＱスイッチレーザーをＯＰＯのポンプ光用の光源として用いることができる。

ただし、発振パルス幅ｔ_ｐは、共振器長ｌ_ｃ以外のパラメータにも依存する。ここで、レーザー媒質の誘導放出断面積σ_ｇは、レーザー媒質に応じて大きく異なる。レーザー媒質として前記のように広く用いられているＮｄ：ＹＡＧを用いた場合にはσ_ｇは大きいため、Ｑスイッチ動作によって大きなパルス出力を得るためには、可飽和吸収体による発振の制限を強くすることが要求され、可飽和吸収体の初期透過率Ｔ_０を小さく（〜０．３）する必要がある。これは、発振パルス幅ｔ_ｐを短くする方向に作用し、前記のようなエンジン点火用のピコ秒短パルスの発生にとって有利であるが、前記のようなＯＰＯのポンプ光として用いる場合には、不利である。

Ｎｄ：ＹＡＧと同様に受動Ｑスイッチレーザー装置におけるレーザー媒質として使用可能な材料として、Ｎｄの代わりにＹｂが添加されたＹｂ：ＹＡＧが知られている。Ｙｂ：ＹＡＧの場合には発振波長は１０３０ｎｍであり、励起光としては、Ｎｄ：ＹＡＧと同様に半導体レーザーから発せられたレーザー光を用いることができる。このため、これを用いて同様に小型のレーザー装置を得ることができる。また、レーザー媒質としてＹｂ：ＹＡＧを用いた場合には、σ_ｇが小さいため、Ｔ_０を大きく（〜０．７）することができる。このため、レーザー媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いた場合よりも、発振パルス幅ｔ_ｐを長くとりやすくなる。図１２は、このような設定における発振パルス幅ｔ_ｐの共振器長ｌ_ｃ依存性を（１）〜（４）式によって算出した結果である。

発明者らは、誠意検討の結果、レーザー媒質にＹｂを含む小型の受動Ｑスイッチレーザー装置において発振パルス幅を長く設定するためには、横発振モードを単一モードに近づけることが好ましいことを見出した。本発明は、この課題に鑑みてなされたものである。

本発明のレーザー装置は、励起光を吸収して光を発するレーザー媒質と可飽和吸収体とが内部に設けられた光共振器が用いられ、パルス状の前記励起光が前記光共振器内に入射することによって前記レーザー媒質が発した光を前記光共振器内で増幅したレーザー光を出力光として前記光共振器から出力するレーザー装置であって、前記レーザー媒質にはイッテルビウム（Ｙｂ）が添加され、前記励起光のパルス幅、前記光共振器の共振器長、及び前記可飽和吸収体は、単一パルスとなる前記励起光に対して、複数のパルスからなる前記出力光が発せられるように設定され、前記光共振器の内部における前記光の光路、前記光共振器の外部における前記出力光の光路、のいずれかにおいて、光軸周りの広がりを制限する空間フィルターが設けられたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、小型の受動Ｑスイッチレーザーにおいて高エネルギーナノ秒パルスを発生させる時、発振パルス幅を長く設定することが可能で、横発振モードを単一モードに近づけることができる。

本発明の実施の形態に係るレーザー装置の構成を示す図である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係るレーザー媒質冷却部の正面図であり、（ｂ）はその側面断面図である。 本発明の実施の形態に係るレーザー装置において、共振器長ｌ_ｃと、出力光のパルス幅ｔ_ｐ、パルスエネルギーの関係を実測した結果である。 本発明の実施の形態に係るレーザー装置において、１回の励起光の入射に際して複数回出力される出力光のパルスエネルギーと効率を実測した結果である。 本発明の実施の形態に係るレーザー装置において、１回の励起光の入射に際して出力光が繰り返しパルス状に出力される状況を実測した結果である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係る絞りの断面図であり、（ｂ）はその正面図である。 空間フィルターを用いない場合（ａ）と、用いた場合（ｂ）における出力光のビームプロファイルである。 空間フィルターを用いない場合（ａ）と、用いた場合（ｂ）における出力光パルスの時間波形である。 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の第１の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るレーザー装置の第２の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 レーザー媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いた場合とＹｂ：ＹＡＧを用いた場合における共振器長と発振パルス幅の関係を計算した結果を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー装置について説明する。このレーザー装置によって発振されるレーザー光は、特に中赤外のレーザー光を発するＯＰＯのポンプ光として好ましく用いられる。図１は、このレーザー装置１の構成を示す図である。ここでは、このレーザー装置１において発振のために使用されるレーザー光である励起光１００、最終的に出力されるレーザー光である出力光２００の光軸は共通（図１における左右方向）とされ、図１においては、この光軸に沿った断面が示されている。

このレーザー装置１においては、半導体レーザー（励起光源）１１０から発振された励起光１００の波長はＹｂ：ＹＡＧの吸収波長帯である９４０ｎｍ±１．５ｎｍとされる。光共振器２０においては共振器長がｌ_ｃとされた入射鏡２１と出射鏡２２が設けられ、励起光１００は入射鏡２１からこの光共振器２０内に入射する。入射鏡２１は励起光１００を透過させ出力光２００を反射させ、出射鏡２２は反透鏡とされるため、最終的に出力光２００となるレーザー光を入射鏡２１と出射鏡２２の間に閉じ込めて増幅すると共に、励起光１００を入射鏡２１に対して図中左側から入射させ、出力光２００を出射鏡２２から図中右側に出力させることができる 光共振器２０内には、励起光１００を吸収することによって最終的に出力光２００となる光を発振するレーザー媒質３１、Ｑスイッチとして機能する可飽和吸収体３２が光軸に沿って設けられる。半導体レーザー１１０が発するレーザー光のパルス幅、光共振器２０の共振器長ｌ_ｃ、及び可飽和吸収体３２は、単一パルスとなるレーザー光に対して、複数のパルスからなる出力光２００が発せられるように設定されている。レーザー媒質３１を構成する材料としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）にイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されたＹｂ：ＹＡＧが用いられ、レーザー媒質３１中の誘導放出によって発振されるレーザー光（出力光２００）の波長は１０３０ｎｍ程度となる。可飽和吸収体３２を構成する材料としては、母体材料がレーザー媒質３１と同様のＹＡＧとされクロム（Ｃｒ）がこれに添加されたＣｒ：ＹＡＧが用いられる。この材料は、上記のレーザー光に対して可飽和特性（低強度の光を吸収し高強度の光は透過させる特性）をもつ。

前述のレーザー装置１を特許文献１に記載されたような血糖計において用いる場合には、ポンプ光の光源となるレーザー装置を含めた全体を小型化することが特に要求される。図１２に示した発明者らによる検討結果が示すように、Ｙｂ：ＹＡＧを用いた方が、共振器長ｌ_ｃを小さく保ちつつ発振パルス幅ｔ_ｐを長くすることができる、すなわち、ＯＰＯのポンプ光の光源を小型化することができる。

なお、実施形態における実際の光共振器２０内にはレーザー媒質３１と可飽和吸収体３２とが焼結体として一体化されて形成された光学素子焼結体３０を採用している。また、入射鏡２１は、この光学素子焼結体３０の図中左側（レーザー媒質３１側）の表面に薄膜状に形成されている。具体的には、入射鏡２１は、波長９４０ｎｍの光（励起光１００）は透過させ波長１０３０ｎｍの光（出力光２００）は反射させるような多層膜コーティングとされる。このため、実際には入射鏡２１、レーザー媒質３１、可飽和吸収体３２は一体化されて構成されている。この際、入射鏡２１、レーザー媒質３１、可飽和吸収体３２が一体化された光学素子焼結体３０全体を図２に示すペルチェ素子等から構成されるレーザー媒質冷却部８０により冷却し、光学素子焼結体３０全体の温度が制御される構成とすることもできる。レーザー媒質冷却部８０は、主に銅、アルミ合金、またはインジウム等の熱伝導度の高い金属で構成されている。このレーザー媒質冷却部８０は、熱源となる光学素子焼結体３０等のレーザー媒質を伝熱保持する保持部８１、保持部８１と密着した上板８２、伝熱薄板８３、ペルチェ素子８４（非金属）、伝熱薄板８５、ベースプレート８６、および放熱部８７から構成されている。上板８２および伝熱薄板８３は、広い面積を有し、光学素子焼結体３０の熱を効率良くペルチェ素子８４の上面に伝熱する。伝熱薄板８５は、ペルチェ素子８４下面に密着してベースプレート８６への廃熱を効率良く行う。このような構成により、レーザー媒質冷却部８０は、レーザー光に変換されなかった、レーザー媒質のポンプ光励起エネルギーによる温度上昇を抑制し、レーザー装置１の安定な発振に寄与する。

放熱部８７は、空冷の場合図２に示すフィン形状が好ましく、冷却ファン等による空気の強制循環で放熱を行う。この冷却構成により、可飽和吸収体３２およびレーザー媒質３１の温度を調整して、発振される出力光２００の縦モードを調整することができる。また、レーザー媒質３１の温度上昇に伴う熱レンズ効果によるモードサイズの縮小を補償するために、光共振器２０内で、出射鏡２２で反射された光を広げるように、出射鏡２２は凸面鏡とされている。

この構成における共振器長ｌ_ｃと、発振された出力光２００の発振パルス幅ｔ_ｐ、パルスエネルギー（１パルスあたり）の関係を実測した結果を図３に示す。ｌ_ｃを大きくすることによって、発振パルス幅、パルスエネルギー共に増大する。前記の通り、ＯＰＯにおけるポンプ光として用いる場合には、出力光２００のパルス幅を長くすることが好ましい。例えば、４ｎｓ以上１μｓ以下、好適には１０ｎｓ以上とすることが好ましい。例えば、ｌ_ｃを１６０ｍｍとすることにより、パルス幅を１２ｎｓ程度まで長くすることができる。この場合のパルスエネルギーは６．５ｍＪとなり、出力光２００の発振周波数は最大６０Ｈｚ程度であった。

また、励起光１００のパルス幅が長く、励起光１００の入射時間が長い場合は、励起光１００の１回の入射中にパルス状の出力光２００は複数回発振される。この場合における可飽和吸収体３２のＱスイッチ動作に際しては、光の吸収に関与する励起準位が十分に電子で埋められた場合に光が透過するためにＱスイッチがオンとなり、出力光２００が発振する。その直後に同様に光吸収、光透過が行われる際には、可飽和吸収体３２においては励起準位もある程度埋まっているために、再度Ｑスイッチがオンとなるまでに要するエネルギーは１回目の発振の際に必要となるエネルギーよりも小さくなる。図４は、共振器長ｌ_ｃを５２．２ｍｍとし、先発のパルス光が発振された直後に可飽和吸収体に対して光吸収、光透過を行うことで複数回出力光２００を発振させた場合における、励起光である半導体レーザー（ＬＤ）のパルス幅（励起光エネルギー変化に相当）増加に対する励起光入力当たりのレーザー発振全体のパルスエネルギーと効率を示す。この効率は、励起光エネルギーに対する出力光のエネルギー効率である。図中１〜４は、励起光入力に対する発振回数を示し、１回から４回の発振に対応している。

前記の理由により、後発のパルスほど発振しやすくなり、パルスエネルギーが高く、かつ効率が高くなっており、４回の発振に際しては１０％の効率が得られている。図５は、このように出力光２００が４回発振される際の時間経過を実測した結果であり、パルス間隔は６０〜８０μｓ程度である。特許文献１に記載の血糖計においてプローブ用に用いられるレーザー光をＯＰＯで生成する際のポンプ光としてこの出力光２００を用いる場合には、パルスの繰り返しに応じて測定が行われるため一度の励起半導体レーザー光入力に対して複数回の測定が可能である。上記パルス間隔は励起半導体レーザーの間隔（最短１０ｍｓ（ミリ秒））に対して十分短いが演算において時間的に分離処理が可能な間隔である。よってこの程度の時間間隔のパルス光を用いた場合には、各パルス光毎に血糖計の出力が得られ、この出力を統計処理することによって、高精度の測定が可能である。すなわち、このように出力光２００が複数回のパルス出力として得られる特性は、特許文献１に記載されたような測定のためには好ましい。

しかし、実際に発振されたレーザー出力光２００をＯＰＯのポンプ光として用いた場合、低強度でＯＰＯにおける非線形結晶の損傷が発生した。この原因は、発振パルス幅ｔ_ｐを長くするために光共振器内でのモードサイズが大きくなるに従って、横発振モードにおける基本モードとなるＴＥＭ_００以外の成分が大きくなったことに起因する。すなわち、横発振モードがマルチモード化しやすくなり、このようにマルチモード化した光が可飽和吸収体に入射した場合には、可飽和吸収体におけるスイッチング動作のタイミングが一様でなくなり、ＯＰＯのポンプ光としては機能しない成分が発生した。このようなポンプ光における無駄な成分は、ＯＰＯにおける発振には寄与しない一方で、非線形結晶中で吸収されて発熱の原因となり、非線形結晶の損傷の原因となる。

また前述の出力光２００の発振パルス幅ｔ_ｐを長くし、励起光１００が１回入射する間に出力光２００が複数回パルス状に発振される設定とした場合にも、光共振器２０におけるモードサイズが大きくなり、横発振モードがマルチモード化する（基本モードとなるＴＥＭ_００以外のモードの寄与が大きくなる）。前述の横発振モードがマルチモード化する状況は、ＯＰＯのポンプ光として適したパルス幅である、例えば１０ｎｓ以上となる出力光２００を得る場合に、特に顕著であった。こうした問題点を解消するために、発振パルス幅を長く設定した場合において、横発振モードを単一モードに近くすることが求められた。

このため、このレーザー装置１においては、図１に示すように、光共振器２０から出射後の出力光２００の光路に空間フィルター４０を設置する。空間フィルター４０は、出力光２００の光軸周りの広がりを制限する機構であり、第１レンズ４１、第２レンズ４２、絞り４３で構成される。第１レンズ４１は、光を収束させる光学系であり、絞り４３の位置する箇所で出力光２００が焦点（ビームウエスト）をとり、出力光２００を集光させるように設定され、第２レンズ４２は、その後に出力光２００を再び平行光とするように設定される。絞り４３は、ビームウエストにおける光軸付近の光のみを通過させるように設定される。これによって、出力光２００におけるＴＥＭ_００以外の成分の大部分を除去することができる。

図６の（ａ）は、本実施形態に係る絞り４３の断面図であり、図６の（ｂ）は、絞り４３の正面図である。図６に示すように、絞り４３は、セラミックス等からなる板状の部材であり、開口部４３１Ａを有する通路４３１、およびテーパー部４３２を備えている。絞り４３の通路４３１は、その中心軸が出力光２００の光軸と同一または略同一にとなるように配置されている。

通路４３１は、出力光２００のビームウエストにおける光軸付近の光のみを通過させる細孔である。開口部４３１Ａは、真円ないし真円に近い形状であることが好ましい。また、開口部４３１Ａの径ｄ_ａは、出力光２００のビームウエストにおける回折限界を基準として設定されている。具体的には、開口部４３１Ａの径ｄ_ａをビームウエストにおける回折限界となる大きさよりもわずかに大きくすることにより、ＴＥＭ_００の成分のみが開口部４３１Ａを通過しやすくなる。

通路４３１の長さｌ_ａは、ＴＥＭ_００の成分のみを透過させることを目的とする場合では、ビームウエスト部の長さ（レイリー長）より短いことが好ましい。しかし、加工技術および開口部４３１Ａの耐久性を考慮すると、通路４３１の長さｌ_ａは、１．２ｍｍ以下であればよい。

テーパー部４３２は、出力光２００の光路において通路４３１の上流（半導体レーザー１１０が位置する側）に配置されてよいし、通路４３１の下流（出力光２００の出射側）に配置されてもよい。

テーパー部４３２を通路４３１の上流に配置する場合、下流側からの戻り光をフィルタリングまたは遮断する効果が高い。これに対して、テーパー部４３２を通路４３１の下流に配置する場合、上流側からの光を空間フィルタリングする効果が高い。テーパー部４３２は、絞り４３の機械的強度を維持しつつ通路４３１をレイリー長より短く設置するために必要な構造であるが、テーパー面での光反射がゼロではないため、通常、テーパー部４３２を、フィルタリングする光の光源と逆方向（下流側）に配置することが多い。

また、テーパー部４３２のレーザー光軸となす角度θ_ａは、２０°以上９０°未満が好ましい。角度θ_ａが小さすぎると空間フィルタリングに伴うレーザー光の集光に長距離の光伝搬が必要になり装置が大型化するため、非実用的である。そのため、角度θ_ａを、２０°以上とすることが好ましい。

図７は、ｌ_ｃを１３７．２ｍｍとした場合における空間フィルター４０を用いない場合（ａ）と用いた場合（ｂ）における出力光２００のビームプロファイル（光軸に垂直な面で検出された強度分布）をＣＣＤカメラで２次元撮像した結果を示す。ビーム中心で最も高い強度が得られ、その周りで広がりをもった強度分布が得られており、各画像中において左側、下側に示された波形は、光軸（ビームの中心）を通る図中のそれぞれ縦線、横線に沿った、１次元ビームプロファイル（光軸上の強度で規格化）である。この場合における絞り４３の開口の大きさは回折限界サイズの１．２倍とした。空間フィルター４０を用いない場合（ａ）には、ＴＥＭ_００以外の成分の寄与が無視できないために光軸周りの非対称性が顕著であるが、空間フィルター４０を用いた場合には、光軸周りの対称性が向上している。

前記の通り、出力光２００はパルス状に発せられるが、ＴＥＭ_００以外の成分を除去することによって、このパルス形状も変化する。図８は、図７に対応した出力光のパルス形状を実測した結果を示す。ここで、図中の縦軸は各パルスの最大値で全体の強度を除して規格化した規格化強度を示し、各パルスの最大値が１となるように規格化されている。パルスのＦＷＨＭ値は、空間フィルター４０を用いない場合で１１．４ｎｓであるのに対して、空間フィルター４０を用いた場合には１０．８ｎｓと短くなった。すなわち、ＴＥＭ_００以外の成分はＴＥＭ_００の成分よりもパルス幅が広く、ＴＥＭ_００以外の成分を除去することによって、パルス幅は僅かに短くなる。図８において、空間フィルター４０を設けた場合はこれによってエネルギーの一部は損失するが、損失するエネルギーは、空間フィルター４０がない場合の２３．７％であり、このように損失された成分によるパルスのＦＷＨＭは１３．６ｎｓとなる。

ＯＰＯによって中赤外のレーザー光を安定して発振させる場合には、ポンプ光の強度には閾値が存在し、この閾値以上の強度のポンプ光が必要となる。上記図７と同様の条件で発振した出力光２００を実際にＯＰＯのポンプ光として用いた場合には、空間フィルター４０を設けない場合にこの閾値は３．７ＭＷ／ｃｍ^２程度であったのに対し、空間フィルター４０を設けた場合にはこの閾値は２．３Ｗ／ｃｍ^２程度に低下した。すなわち、ＯＰＯで中赤外のレーザー光を安定して発振させる際に、空間フィルター４０によってポンプ光における無駄な成分が除去されたことによって、この閾値を空間フィルターでの損失効果を上回る約４割低下させることができる。これによって、ＯＰＯの非線形結晶の損傷が低減される。

絞り４３の開口サイズが小さいほど空間フィルターとしての効果は大きくなる一方、ＴＥＭ_００成分もこの開口で遮断される割合が高くなり、出力光２００の強度が低下する。このため、開口のサイズはビームウエストにおける回折限界サイズよりも僅かに大きく設定することが好ましく、回折限界サイズの１．０〜１．４倍程度とすることが特に好ましい。また、空間フィルター４０としては、光路中においてビームウエストを形成するような光学系（第１レンズ４１、第２レンズ４２）が設けられ、このビームウエストに絞り４３が設けられたが、同様の効果を奏する限りにおいて、その構成は任意である。なお、本明細書において、回折限界サイズとは、空間フィルターにより形成されたビームウエストにおけるレーザー光の直径を意味し、絞り４３の開口サイズは当該絞り４３の開口直径ｄ_aを意味することとする。

なお、図１の構造においては、光共振器２０内で、入射鏡２１、レーザー媒質３１、可飽和吸収体３２が一体化された光学素子焼結体３０が用いられた。しかしながら、図９に示されるレーザー装置２（第１の変形例）のように、互いに別体とされた入射鏡２５、レーザー媒質２６、可飽和吸収体２７を光共振器５０内に設けてもよい。この場合には、入射鏡２５や可飽和吸収体２７の形状、材料を、レーザー媒質２６とは無関係に設定することができるため、光共振器５０の最適化が特に容易となる。

また、発振される波長はレーザー媒質で定まり、可飽和吸収体を構成する材料は、レーザー媒質と、発振されるレーザー光の特性を考慮した上で定められる。前記のレーザー装置１では、可飽和吸収体３２としては、Ｃｒ：ＹＡＧが用いられたが、他の材料を可飽和吸収体として用いることもできる。一般的に、Ｃｒが添加された光学材料（例えばＣｒ：ＺｎＳｅ等）を、こうした可飽和吸収体の材料として用いることができる。図７のように可飽和吸収体２７とレーザー媒質２６を別体とした場合には、こうした材料選定の自由度が高くなる。

また、図１の構成においては、空間フィルター４０は光共振器２０の外部（下流側）に設けられた。しかしながら、空間フィルターを光共振器内に設けることもできる。図１０は、こうした構成を具備するレーザー装置３（第２の変形例）の構成を示す。この光共振器７０中においては、入射鏡２１と出射鏡２２の曲率半径及びレーザー媒質３１での熱発生によるレンズ効果により、光共振器７０内におけるレーザー媒質３１、可飽和吸収体３２以外の箇所でビームウエストが形成されるように設定され、このビームウエストの箇所に、空間フィルター６０となる絞り６１が設けられる。絞り６１は前述の絞り４３と同じ機能を有する。

前記の通り、中赤外光を発振するＯＰＯのポンプ光として用いるためには共振器長ｌ_ｃを長くとることが必要となり、図１の構成においては、長い光共振器２０の外部に更に空間フィルター４０を設置することが必要となる。これに対して、図１０の構成においては、長い光共振器７０の内部においてのみ空間フィルター６０を設け外部には空間フィルターは不要となるため、全体の構成を短く、小型化することができる。特に、上記のような入射鏡２１、レーザー媒質３１、可飽和吸収体３２が一体化された光学素子焼結体３０を用いた場合には、これらが一体化されたことによって、これら全体が含まれる構造を小型化することができる。一方で、共振器長ｌ_ｃは長く設定するため、光共振器７０内に空間フィルター６０を設けるスペースを広くとることができる。このため、レーザー媒質や可飽和吸収体が一体化されたものが用いられる場合には、空間フィルターを光共振器内に設けることが特に好ましい。

なお、上記の例では、レーザー媒質としてＹｂ：ＹＡＧ、可飽和吸収体としてＣｒ：ＹＡＧやＣｒ：ＺｎＳｅが用いられるものとした。しかしながら、上記と同様に、共振器長が長く設定された場合においては、他のレーザー媒質、可飽和吸収体が用いられた場合であっても、上記のような空間フィルターを設けることは有効である。また、上記の例ではこのレーザー装置の出力光がＯＰＯに用いられるものとしたが、他の用途に用いる場合であっても、出力光のパルス幅が広く、横発振モードの単一モード化が好ましい場合においては、同様に上記の構成が有効である。

〔実施形態２〕
図１１は、本実施形態の測定装置３００の構成を示す図である。測定装置３００は、測定対象３２０に波長変換光２０１を照射し、測定対象３２０に反射した反射光３０１Ａの吸光度を測定することにより測定対象３２０に含まれる物質の測定を行う。測定対象３２０は、例えば生体（特に、人体）であるが、測定対象３２０の種類は、特に限定されない。前記物質は、例えば、血液中の糖であるが、特に限定はされない。測定装置３００は、血糖計であってもよいし、非侵襲で生体内の物質量を測定する他の装置（例えば、パルスオキシメータ）であってもよい。

図１１に示すように、測定装置３００は、光源３１０および光検出器３３０を備えている。光源３１０は、レーザー装置１、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）３１１、および光学系３１５を備える。レーザー装置１は、実施形態１におけるレーザー装置１と同じものである。

ＯＰＯ３１１は、レーザー装置１から出射されたレーザー光を波長変換する非線形結晶を含む装置であり、入射側半透鏡３１２、出射側半透鏡３１４およびこれらの間に配置された非線形結晶３１３を備えている。入射側半透鏡３１２を透過した出力光２００は、非線形結晶３１３に入射し、出力光２００よりも長波長の光に変換され、かつ入射側半透鏡３１２と出射側半透鏡３１４との間で反射されて閉じ込められる際に光パラメトリック増幅される。増幅された光は出射側半透鏡３１４を透過して波長変換光２０１となって出力される。

非線形結晶３１３としては、こうした波長変換に適したＡｇＧａＳが位相整合の条件で使用される。非線形結晶３１３の種類やその整合条件を調整することによって、発振される波長変換光２０１の波長（発振波長）を調整することができる。非線形結晶としては、他にＧａＳｅ、ＺｎＧｅＰ_２、ＣｄＳｉＰ_２、ＬｉＩｎＳ_２、ＬｉＧａＳｅ_２、ＬｉＩｎＳｅ_２、ＬｉＧａＴｅ_２等も用いられる。ＯＰＯ３１１から発せられる波長変換光２０１は、出力光２００に対応した繰り返し周波数およびパルス幅を有するものとなる。

光学系３１５は、ＯＰＯ３１１によって波長変換された光を外部に出射する部材であり、集光レンズおよび／またはビームスプリッターなどを含んでもよい。例えば、光学系３１５として集光レンズを備えることにより、ビームスポットのサイズを小さくできる。

光検出器３３０は、測定対象３２０に反射した反射光３０１Ａを受光し、その強度を電気信号として出力する。

なお、本実施形態において、測定対象３２０に反射した光を光検出器３３０が検出する例について示したが、測定対象３２０を透過した光を光検出器３３０が検出する測定装置を実現してもよい。

１、２、３ レーザー装置
２０、５０、７０ 光共振器
２１、２５ 入射鏡
２２ 出射鏡
２６、３１ レーザー媒質
２７、３２ 可飽和吸収体
３０ 光学素子焼結体
４０、６０ 空間フィルター
４１ 第１レンズ
４２ 第２レンズ
４３、６１ 絞り
４３１ 通路
４３１Ａ 開口部
４３２ テーパー部
８０ レーザー媒質冷却部
８１ 保持部
８２ 上板
８３、８５ 伝熱薄板
８４ ペルチェ素子
８６ ベースプレート
８７ 放熱部
１００ 励起光
１１０ 半導体レーザー（励起光源）
２００ 出力光
３００ 測定装置
３１０ 光源
３１１ 光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）
３１３ 非線形結晶
３１５ 光学系
３３０ 検出器

Claims (11)

1. 励起光を吸収して光を発するレーザー媒質と可飽和吸収体とが内部に設けられた光共振器が用いられ、パルス状の前記励起光が前記光共振器内に入射することによって前記レーザー媒質が発した光を前記光共振器内で増幅したレーザー光を出力光として前記光共振器から出力するレーザー装置であって、
   前記レーザー媒質にはイッテルビウム（Ｙｂ）が添加され、
   前記励起光のパルス幅、前記光共振器の共振器長、及び前記可飽和吸収体は、単一パルスとなる前記励起光に対して、複数のパルスからなる前記出力光が発せられるように設定され、
   前記光共振器の内部における前記光の光路、前記光共振器の外部における前記出力光の光路、のいずれかにおいて、横発振モードを単一モードに近付けるように、光軸周りの広がりを制限する空間フィルターが設けられたことを特徴とするレーザー装置。
2. 前記共振器の共振器長が５０ｍｍ以上である、請求項１に記載のレーザー装置。
3. 前記レーザー媒質はイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）にイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー装置。
4. 前記出力光の発振パルス幅が４ｎｓ以上とされたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
5. 前記空間フィルターは、光を収束させる光学系と、当該光のビームウエストにおいて光軸周りの広がりを制限する絞りと、を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
6. 前記可飽和吸収体はクロム（Ｃｒ）が添加されて構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
7. 前記可飽和吸収体はイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）にクロム（Ｃｒ）が添加されて構成されたことを特徴とする請求項６に記載のレーザー装置。
8. 前記レーザー媒質と前記可飽和吸収体とは一体化されたことを特徴とする請求項７に記載のレーザー装置。
9. 光パラメトリック発振（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）のポンプ光の光源として用いられることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のレーザー装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のレーザー装置と、
    前記レーザー装置から出射されたレーザー光を波長変換する非線形結晶を含む光パラメトリック発振器と、
    前記光パラメトリック発振器によって波長変換された光を外部に出射する光学系とを備えることを特徴とする光源。
11. 請求項１０に記載の光源と、
    前記光源から出射された光が、測定対象に反射した光または測定対象を透過した光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする測定装置。