JP6562464B2 - 受動ｑスイッチレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｑスイッチング技術を用いて高パワー・短パルスのレーザ光を出力する受動Ｑスイッチレーザ装置に関するものである。

レーザ装置は、出力光の高パワー化，短パルス化および短波長化を指向して研究・開発が進められている。中でも、Ｑスイッチング技術を用いたＱスイッチレーザ装置は、高パワー・短パルスのパルスレーザ光を出力することができるものとして注目されている。Ｑスイッチング技術は、利得媒質だけでなくＱスイッチ素子をも共振器内に有する構成として、このＱスイッチ素子により共振器のＱ値を変化させることでレーザ発振を制御し、これにより、出力されるレーザ光を短パルスとするとともに高パワーとするものである。

Ｑスイッチング技術として種々のものが知られている。その中でも、Ｑスイッチ素子として可飽和吸収体を用いた受動Ｑスイッチング技術は、他のＱスイッチング技術と比較して、レーザ装置の構成が簡易かつ小型である点で好適である。可飽和吸収体は、入射する光のパワーが大きいほど吸収が小さいものであり、入射光パワーが吸収飽和閾値以下であるときには入射光を吸収するが、入射光パワーが吸収飽和閾値を超えているときには吸収が飽和して透明となる。可飽和吸収体は、このような性質が利用されて、Ｑスイッチ素子として用いられる。

すなわち、Ｑスイッチ素子として可飽和吸収体を用いた受動Ｑスイッチレーザ装置は、以下のように動作する。利得媒質が励起されると利得媒質のレーザ上準位に原子が励起される。励起された原子は、平均してレーザ上準位の寿命τの間上準位にとどまり、τ時間後にレーザ下準位に遷移して蛍光を放出する。利得媒質の励起が開始された当初は、利得媒質の反転分布が小さいので、利得媒質より放出されて可飽和吸収体に入射する蛍光のパワーは小さい。それ故、利得媒質の励起が開始された当初は、可飽和吸収体は吸収が大きく不透明であるので、共振器のＱ値は小さく、レーザ発振は起きない。共振器のＱ値が小さくレーザ発振していない期間も利得媒質は励起され続けて、利得媒質の反転分布は次第に大きくなっていき、利得媒質より放出されて可飽和吸収体に入射する蛍光のパワーも次第に大きくなっていく。やがて、利得媒質より放出されて可飽和吸収体に入射する蛍光のパワーが吸収飽和閾値を超えると、可飽和吸収体は吸収が急激に小さくなり（つまり透明になり）、共振器のＱ値が大きくなって、利得媒質において誘導放出が急激に進み、その結果、レーザ発振が起きる。しかし、利得が余りに高いため誘導放出が一気に進み蓄積された反転分布が短時間に消費され、発振が短時間で自動的に終了する。このようにして、高パワー・短パルスのパルスレーザ光が共振器より出力される。

また、利得媒質として種々のものが知られており、この利得媒質を励起する励起手段としても様々なものが知られている。例えば、利得媒質としてＮｄ：ＹＡＧ結晶が用いられ、この利得媒質を励起光照射により励起するための励起手段として半導体レーザ光源が用いられる。この場合、半導体レーザ光源から出力された励起光が利得媒質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶に照射されることで、この利得媒質に含まれるＮｄイオンが上準位へ励起されて、これにより反転分布が生じる（例えば、特許文献１、２参照）。

このような受動Ｑスイッチング技術を用いた半導体レーザ励起の受動Ｑスイッチレーザ装置は、構成が簡易かつ小型である点で好適である。また、この受動Ｑスイッチレーザ装置は、共振器長が短くてもよいので、全体として小型のものとすることができ、また、短パルスのパルスレーザ光を出力する上でも好適である。

特開２００３−８６８７３号公報 特開２００３−１９８０１９号公報

上記従来の半導体レーザ（ＬＤ）励起受動Ｑスイッチレーザ装置では、その出力をメガワット（１０⁶ Ｗ）以上に高める場合、一般にはパワーの低いＬＤ光を、固体レーザにおけるＱスイッチ動作を介して時間的に圧縮して短い時間で蓄積されたエネルギーを一気に発振させることで高い尖頭値を得ている。そして、出力エネルギーを高めるにはレーザの発振面積を拡げなければならず、当然強励起が必要になる。ただ、強励起時には、励起に付随した熱問題が深刻となる。そこで、発振の繰り返し周波数を１００Ｈｚ程度まで下げ、その繰り返し周波数分だけパルス励起を実施することで深刻化する熱問題を抑えてきた。なお、この場合、発振モードが広い方が高出力化できることから励起光断面積を広げ、励起エネルギーを蓄積できる時間を、レーザ上準位寿命の半分程度以上とすることを実施していた。ただ、この場合、自然放出の問題で励起効率が低くなり、発振に至る遅延時間のジッターが大きくなるといった問題があった。

発振に至る遅延時間のジッターが大きいと、外部の制御装置、測定装置との同期が難しくなる。例えば、受動Ｑスイッチレーザ装置を質量分析装置に応用する場合、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を試料に照射して、スパッタされる粒子にＱスイッチレーザ光を照射することでイオン化し、効率良く質量分析にかける。ただ、この過程では粒子がスパッタされるタイミングに合わせてＱスイッチレーザ光を照射する必要がある。発振に至る遅延時間のジッターが大きいと、タイミングがずれてイオン化率が減少してしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、励起効率が高く且つ発振に至る遅延時間のジッターが小さい受動Ｑスイッチレーザ装置を提供することを課題とする。

課題を解決するためになされた本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置は、共振器を形成するエンドミラー要素と出力ミラー要素と、前記共振器内部に配置されたレーザ利得媒質と、前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、前記レーザ利得媒質を励起する励起光源と、前記励起光源からの励起光のパワー密度を、前記レーザ利得媒質の励起を開始してからＱスイッチ発振に至るまでの遅延時間が前記レーザ利得媒質のレーザ上準位寿命に等しくなるパワー密度以上にするパワー密度制御装置と、を有する。

励起光源からの励起光のパワー密度を、レーザ利得媒質の励起を開始してからＱスイッチ発振に至るまでの遅延時間がレーザ利得媒質のレーザ上準位寿命に等しくなるパワー密度以上にするパワー密度制御装置を有するので、励起効率が高く且つＱスイッチ発振に至る遅延時間のジッターが小さい。

上記の受動Ｑスイッチレーザ装置において、前記パワー密度制御装置は前記励起光源からの励起光パワーを調節する駆動電源及び或いは前記励起光源からの励起光の前記レーザ利得媒質における集光スポット径を調節する光学系（レンズ、導波路、反射素子）を備えるとよい。

本明細書では、上記「レーザ利得媒質の励起を開始してからＱスイッチ発振に至るまでの遅延時間」は「共振器寿命を考慮した実質的な励起時間」のことであり、「励起を開始してからＱスイッチ発振するまでの励起時間」のことでもある。

励起光源からの励起光のパワー密度を、レーザ利得媒質の励起を開始してからＱスイッチ発振に至るまでの遅延時間（共振器寿命を考慮した実質的な励起時間）がレーザ利得媒質のレーザ上準位寿命に等しくなるパワー密度以上にするパワー密度制御装置を有するので、励起効率が高く且つＱスイッチ発振に至る遅延時間のジッターが小さい。

本発明の実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の概略構成図である。 実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の動作を説明する図である。 比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作を説明する図である。 反転分布の時間変化を定性的に示すグラフである。 励起効率と励起時間の関係を示すグラフである。 検証実験装置の概略構成図である。 励起光パワー密度とジッター及び効率の関係を示すグラフである。

以下、発明を実施するための形態を図面に基づき詳細に説明する。

（実施形態）
本発明の実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１は図１に示すように、共振器１１を形成するエンドミラー要素１１ａ及び出力ミラー要素１１ｂと、共振器１１内部に配置されたレーザ利得媒質１２と、共振器１１内部に配置された可飽和吸収体１３と、レーザ利得媒質１２を励起する励起光源１４と、励起光源１４からの励起光のパワー密度を、レーザ利得媒質１２の励起を開始してから発振に至るまでの遅延時間、すなわち発振開始時間ｔｓがレーザ利得媒質１２のレーザ上準位寿命に等しくなるパワー密度以上にするパワー密度制御装置１５と、を備えている。

エンドミラー要素１１ａは、例えば、石英ガラス板に誘電体多層膜を蒸着して成り、励起光源１４からの励起光Ｌ１を高透過率で透過させ、レーザ利得媒質１２から放出される光Ｌ２を高反射率で反射させる。出力ミラー要素１１ｂも、例えば、石英ガラス板に多層膜を蒸着して成り、誘導放出光Ｌ２の一部を透過させ、残部を反射させる。この出力ミラー要素１１ｂを透過して外部へ出力される光Ｌ３がレーザ発振光となる。

レーザ利得媒質１２及び可飽和吸収体１３は、共振器１１の共振光路上に設けられている。本実施形態では、可飽和吸収体１３がレーザ利得媒質１２と出力ミラー要素１１ｂとの間に介挿されているが、エンドミラー要素１１ａとレーザ利得媒質１２との間に介挿されてもよい。さらに、エンドミラー要素１１ａはレーザ利得媒質の励起側に、出力ミラー要素１１ｂは可飽和吸収体１３の出力側に直接蒸着されても良い。また、レーザ利得媒質１２と可飽和吸収体１３は直接接合されて一体型となっていても良い。

レーザ利得媒質１２は、励起光源１４から出力された励起光Ｌ１が入射されることでレーザ上準位へ原子が励起されておおよそ上準位の寿命の間上準位に留まり、反転分布（上準位の原子数が下準位の原子数より多い）状態になり、利得（増幅）媒質になる。レーザ上準位の原子が下準位に遷移することで蛍光Ｌ２が放出される。

可飽和吸収体１３は、Ｑスイッチ素子の役割を果たすものであり、励起に伴いレーザ利得媒質１２より放出される光Ｌ２を吸収し誘導放出を抑制するが、蓄積された反転分布が多くなり光Ｌ２の強度が吸収飽和状態に高速に移ることで光Ｌ２に対し高透過になる。

励起光源１４は、駆動電源１５より供給される駆動電力により駆動されて、レーザ利得媒質１２を励起し得る波長の励起光Ｌ１を出力する。この励起光源１４から出力された励起光Ｌ１は、レンズ系１６及びエンドミラー１１ａを経てレーザ利得媒質１２に照射される。

駆動電源１５は制御部１５ａと駆動回路１５ｂとを備え、制御部１５ａは駆動回路１５ｂを制御することで励起光源１４から出力される励起光Ｌ１の照射に因るレーザ利得媒質１２の励起光パワー密度を制御する。駆動電源１５の制御部１５ａによる制御により、レーザ利得媒質１２に照射される励起光Ｌ１のパワー密度を、レーザ利得媒質１２の励起を開始してから発振に至るまでの遅延時間ｔsがレーザ利得媒質１２のレーザ上準位寿命τに等しくなるパワー密度以上にする。

上記のように、本実施形態では、励起光Ｌ１のパワー密度を駆動電源１５で制御しているが、励起光Ｌ１のパワー密度は励起光Ｌ１の照射スポット径でも変わるので、駆動電源１５の制御部１５ａを無くすこともできる。すなわち、励起光源１４は駆動回路１５ｂで駆動されて所定のパワーの励起光Ｌ１を出力する。レンズ系１６で照射スポット径を制御して励起光Ｌ１のパワー密度を、レーザ利得媒質１２の励起を開始してから発振に至るまでの励起時間ｔ_ｓがレーザ利得媒質１２のレーザ上準位寿命τに等しくなるパワー密度以上にしてもよい。

レーザ利得媒質１２は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶であり、レーザ上準位の寿命τは約２３０μｓ（Ｎｄ添加濃度が１ａｔ.％の場合）である。この場合、励起光源１４としては、レーザ利得媒質１２にドープされるＮｄ原子を^４Ｆ_5/2準位に励起し得る波長８０８ｎｍ付近またはＮｄ原子を^４Ｆ_3/2準位に励起し得る波長８５５ｎｍ付近の励起光Ｌ１を効率よく出力する光源が望ましい。このような光源としては、レーザダイオードが好適である。

レーザ利得媒質１２がＮｄ：ＹＡＧ結晶の場合、レーザ利得媒質１２より放出される光Ｌ２の波長が１．０６μｍ付近であるので、可飽和吸収体１３としては、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ結晶が好ましい。

本実施形態では、エンドミラー１１ａに石英ガラス板を用い、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１２の間に間隙を設けたが、この場合、共振器１１内の光Ｌ２の入射界面が多くなり損失が増加する。損失を減らすためには、入射界面を減らせばよいので、エンドミラーとしてのコーティングを直接Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１２に積層するとよい。これにより、界面が６から４に減少する。

さらに、界面を減らすために、出力ミラーとしてのコーティングを直接Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ結晶１３に積層するとよい。これにより、界面が２に減少する。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１２とＣｒ^４＋：ＹＡＧ結晶１３を接合することで、界面を０にすることができる。なお、接合界面は直接接合する場合と、コーティングを施してから接合する場合と両方が考えられる。

レーザ利得媒質１２から放出される光Ｌ２が可飽和吸収体１３に入射する。光Ｌ２の強度が、可飽和吸収体１３の吸収飽和に打ち勝てない場合、可飽和吸収体１３は光Ｌ２を強く吸収するので、共振器１１の損失が大でＱ値が小さい。その結果、Ｑスイッチ発振ができない。光Ｌ２の強度が、可飽和吸収体１３の吸収飽和に打ち勝つほど強くなると、可飽和吸収体１３の吸収が飽和し、可飽和吸収体１３は透明になり、共振器１１の損失が小さくなりＱ値が増大する。その結果、Ｑスイッチ発振が開始される。このＱスイッチ発振により、出力ミラー要素１１ｂから外部にＱスイッチレーザ光Ｌ３が出力される。

次に、本実施形態の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作について説明する。図２は本実施形態の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作を説明する図である。同図（ａ）は、制御部１５ａで制御されて励起光源１４から出力されてレーザ利得媒質１２に照射される励起光Ｌ１のパワー密度の時間変化を示す。同図（ｂ）は、レーザ利得媒質１１のレーザ上準位の原子数の時間変化を示す。同図（ｃ）は、可飽和吸収体１３の吸収係数の時間変化を示す。同図（ｄ）は、出力ミラー要素１１を透過して共振器１１の外部に出力されるレーザ光Ｌ３の強度の時間変化を示す。

図２（ａ）のＤ１は、レーザ利得媒質１２の励起をｔ１で開始してから励起が終了するｔ２（励起時間ｔｐ，１＝ｔ２−ｔ１）までに発振に至るとして、それまでの遅延時間δts,1（＝ｔｓ,1−ｔ１）がレーザ利得媒質１２のレーザ上準位寿命τに等しくなるパワー密度を示している。なお、このパワー密度Ｄ１での励起条件でQスイッチが開始されるまでの時間をｔｓ，１としている。

図２（ａ）の励起光パワー密度Ｄ１で励起されると、図２（ｂ）に示すように、レーザ上準位の原子数は、ｔ１から励起している間は増大して、やがて可飽和吸収体に急激な飽和を引き起こす反転分布数Ｎ_ｉに達し、この蓄積された反転分布数Ｎ_ｉを用いて急激な誘導放出の増大が引き起こされレーザ光が急成長する。一方でこの急激なパルス成長に伴う誘導放出は励起に依る反転分布の増大よりもはるかに大きく、従って反転分布は例え励起が継続されていたとしても早く減少する。そして発振するレーザ光は、反転分布数が発振閾値レベルまで低下するまでは増大を続けるが、閾値をもってレーザ光は減少に転じる。それでも蓄積された反転分布を用いてレーザ光は継続されるがやがて終了する。すなわち、上記のプロセスによるパルス発振が行われるもので、このパルス終了時の反転分布数を通常Ｎｆとする。

この場合、図２（ｃ）にその様子を示す。なお、このQスイッチが開始されるまでの時間をｔｓ，１としている。

本実施形態の受動Ｑスイッチレーザ装置１では、励起光のパワー密度を、レーザ利得媒質１２の励起をｔ１に開始してから発振に至るまでの励起（遅延）時間ｔ（＝ｔs−ｔ１）がレーザ利得媒質１２のレーザ上準位寿命τにほぼ等しくなるパワー密度にしているので、反転分布の増加速度も早く蛍光強度はｔ２に可飽和吸収体１３の吸収飽和する値に高速で達する。したがって、受動Ｑスイッチレーザ装置１を構成する構成要素１１、１２、１３、１４、１５が揺らいでも（Ｎｓの変動δＮｓに繋がる現象が起きても）Ｑスイッチ発振に至る遅延時間のジッターが小さい。また、励起する時間が蛍光寿命またはそれ以下と短いことから上準位の原子数の減少が少ない内にＱスイッチ発振するので、励起に関する損失が減少できて発振効率が高くなる。

次に、実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１の上記動作を比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作と対比する。図３は比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置の動作を説明する図である。比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置の構成は、実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１の構成と略同様である。しかし、比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置は、励起光源から出力されレーザ利得媒質に照射される励起光のパワー密度の時間変化が実施形態の受動Ｑスイッチレーザ装置１と相違している。

図３（ａ）は、励起光源から出力されてレーザ利得媒質に照射される励起光のパワー密度の時間変化を示す。同図（ｂ）は、レーザ利得媒質のレーザ上準位の原子数の時間変化と、蛍光強度の時間変化を示す。同図（ｃ）は、可飽和吸収体の吸収係数の時間変化と蛍光強度の時間変化を示す。同図（ｄ）は、共振器の外部に出力されるレーザ光の強度の時間変化を示す。

比較例では、図３（ａ）に示されるように、励起光パワー密度がＤ２（＜Ｄ１）である。したがって、図３（ｂ）に示されるように、蛍光強度はｔｓ，２に可飽和吸収体の吸収飽和が始まりＱスイッチが開始される。その結果、図３（ｃ）、（ｄ）に示されように、Ｑスイッチレーザ光が放出される。

受動Ｑスイッチ動作の場合、レート方程式から反転分布密度は励起される時間tに関し近似的に以下の解が得られる。

ここでＷ_Pは励起により反転分布が増加する割合、Ｎ_totは単位体積あたりに添加された希土類イオン数である。そして、Ｑスイッチ発振開始に必要な反転分布密度をＮｓ、開始時間をｔｓとする。さて、反転分布は式（１）に従いこれを表記するなら

となることから

を得る。ここで、Ｗｐは励起密度Ｄに比例することからＱスイッチ開始時間のばらつきをδｔｓの励起密度依存性が次式で定義できる。

なお、ａ＝Ｗ_ｐτＮ_ｔｏｔ／Ｎ_ｓである。これを定性的に図示すると図２（ｂ）、図３（ｂ）などの変化をまとめて図４のようになる。

図４の縦軸は反転分布密度Ｎであり、横軸は時間ｔである。励起密度が高いＤ１の場合、ｔ１で励起が開始されると、急速に反転分布が増大する。一方、励起密度が低いＤ２の場合、ｔ１で励起が開始されると、ゆっくりと反転分布が増大する。その結果、Qスイッチ発振開始に必要な反転分布密度Nsの揺らぎがδＮｓの場合、Qスイッチが開始される時間ｔsの揺らぎδｔｓは、励起密度がＤ１の場合δｔｓ,１、Ｄ２の場合δｔｓ,２（＞＞δｔｓ,１）となる。その結果、比較例の受動Ｑスイッチレーザ装置を構成する構成要素が揺らぐと、Ｑスイッチ発振に至る遅延時間のジッターが大きい。

一方、式（１）よりも励起効率が時間ｔｐに関して次式で得られる。

式（５）を規格化して図示すると、図５のようになる。図５で縦軸は効率ηであり、横軸は規格化励起時間ｔ_ｐ／τである（なお、ここでは簡単のためｔｐ＝ｔｓ−ｔ１とした）。図５より、ｔ_ｐ＝τを境にして効率改善のカーブがなまってくることがわかる。すなわち、励起パルス幅は少なくとも蛍光寿命より短くするべきであることがわかる。

すなわち、本実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１では、励起光源１４からの励起光Ｌ１のパワー密度を、レーザ利得媒質１２の励起時間幅を上準位寿命（τ）とした場合に設計したある出力を得るために必要な励起密度Ｄ_τよりも大きな励起密度で励起することを特長とすることで、受動Ｑスイッチレーザ装置１を構成する構成要素１１、１２、１３、１４、１５が揺らいでもＱスイッチ発振に至る遅延時間のジッターを小さくできる。また、特にＤ＞２Ｄ_τでその効果はより顕著となる。

さらには、上準位の原子数の減少が少ない内にＱスイッチ発振するので、自然放出による損失が減少して発振効率が高くなる。

つぎに、検証実験について説明する。

（検証実験）
実施形態に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１の動作説明によって、励起光源からの励起光のパワー密度を、レーザ利得媒質の励起を開始してからＱスイッチ発振に至るまでの遅延時間がレーザ利得媒質のレーザ上準位寿命に等しくなるパワー密度以上にすると、励起効率が高く且つＱスイッチ発振に至る遅延時間のジッターが小さくなるメカニズムが示された。したがって、検証実験は必要でないが、敢えて行ったものである。

図６に検証実験装置の概要を示す。図６中の点線で囲った構成要素が本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置１である。２はホトダイオード、３はオッシロスコープである。

エンドミラー１１ａは３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍの[１００]カットＹＡＧ結晶であり、外面に波長１０６４ｎｍの光を高反射率で反射し、波長８０８ｎｍの光を高透過率で透過する誘電体多層膜が形成されている。出力ミラー１１ｂは石英ガラス板で、内面に波長１０６４ｎｍの光を５０％反射し、５０％透過する誘電体多層膜が形成されている。

ＹＡＧ結晶１１ａの内面に積層されたレーザ利得媒質１２はＮｄ^３＋を１．１ａｔ％添加した３ｍｍ×３ｍｍ×４ｍｍの[１００]カットＹＡＧ結晶である。ＹＡＧ１１ａにＮｄ：ＹＡＧ１２を積層した３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍの複合ＹＡＧ／Ｎｄ：ＹＡＧは、HG Optronics Inc.製である。

レーザ利得媒質１２と出力ミラー１１ｂの間に配置される可飽和吸収体１３は、３ｍｍφ×４ｍｍの[１１０]カットＣｒ^４＋：ＹＡＧ結晶で、両面に波長１０６４ｎｍの光を反射しない反射防止膜が形成されている。Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ結晶は、Scientific Materials Co.製である。

励起光源１４は、ファイバー結合４００ＷＬＤである。ファイバーはコア径６００μｍで、ＮＡは０．２２である。ＬＤ１４は中心波長８０８ｎｍ、１ｋＨｚのレーザ光を発生る。

検証実験はＬＤ１４からのレーザ光Ｌ１をレンズ系１６で直径１．１ｍｍのスポットに集光し、パワー密度制御装置１５でＬＤ１４の駆動電流を制御することで励起光Ｌ１のパワー密度を制御して行われた。

励起パルス幅を上準位寿命（τ）とした場合に求めている出力Ｅ_０（ここでは３ｍＪ）を得るために必要だった励起パワー密度Ｄ_τ＝１２．９ｋＷ／ｃｍ^２で規格化した励起密度比に対する受動Ｑスイッチの規格化効率とＬＤ１４に与える電気信号に対するＱスイッチレーザ出力の規格化タイミングジッターの測定結果を表１と図７に示す。

表１中のτは、用いたレーザ利得媒質１２の上準位寿命２３０μｓに等しい。また、表１中のＤτはパルス幅がτ（＝２３０μｓ）のときの励起パワー密度、１２．９２ｋＷ／ｃｍ^２に等しい。また、η_τはパルス幅がτ（＝２３０μｓ）のときの効率１４．２３１３９に等しい。図７の縦軸は規格化効率（η／η_τ）及び規格化タイミングジッター（ｔ／τ）であり、横軸は規格化励起密度比（Ｄ／Ｄ_τ）である。

図７から、まず、励起密度をＤ_τよりも高くした場合、励起開始からＱスイッチ発振までの遅延時間が順次短くなるため、効率が改善していく（１２．９％から２３％まで改善）ことがわかる。また、ジッターも急激に短くなることがわかる（励起密度がＤ_τより低い場合に半値で約０．５μｓ、励起密度がＤ_τになると１９５ｎｓ、それより上げるに従い３５ｎｓに漸近する）。すなわち、Ｄ_τよりも高い励起密度で受動Ｑスイッチを動作させることで、受動Ｑスイッチレーザ装置の高効率、低ジッター化を達成することができる。

なお、このことは他のレーザ材料、Ｎｄ：ＹＶＯ_４(上準位寿命τ＝８４μｓ)でも確認されており、Ｙｂ：ＹＡＧ以外の材料でも同様の効果を期待することができる。なお、Ｎｄ：ＹＶＯ₄においてＮｄ原子を^４Ｆ_5/2準位に励起し得る８０８ｎｍ付近、または^４Ｆ_3/2準位に励起し得る８７９ｎｍや９００ｎｍ付近の励起光を効率よく出力する光源が励起光源として用いられる。Ｙｂ：ＹＡＧであれば^２Ｆ_5/2準位に励起できる９４０ｎｍ付近、９６９ｎｍ付近、またＹｂ：ＦＡＰ系であれば、９０５ｎｍ付近、または９８０ｎｍ付近の励起光を効率よく出力する光源が用いられる。このような光源としてはレーザダイオードが適している。

１・・・・・・・・受動Ｑスイッチレーザ装置
１１・・・・・・共振器
１１ａ・・・・エンドミラー要素
１１ｂ・・・・出力ミラー要素
１２・・・・・・レーザ利得媒質
１３・・・・・・可飽和吸収体
１４・・・・・・励起光源
１５・・・・・・パワー密度制御装置
１５ｂ・・・・駆動電源
１６・・・・・・光学系

Claims (1)

1. 共振器を形成するエンドミラー要素と出力ミラー要素と、
   前記共振器内部に配置されたレーザ利得媒質と、
   前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、
   前記レーザ利得媒質を励起する励起光源と、
   前記励起光源からの励起光のパワー密度Ｄを制御する駆動電源と光学系により構成されるパワー密度制御装置と、を有し、
   前記レーザ利得媒質の励起時間幅を前記レーザ利得媒質のレーザ上準位寿命τに等しくしたときに出力が得られるのに必要な励起密度をＤ_τとしたとき、
   前記パワー密度制御装置は、前記パワー密度Ｄが次式
   Ｄ／Ｄ_τ≧１．３６
   を満たすように制御することを特徴とする受動Ｑスイッチレーザ装置。

Images