JP7149618B2 - Saturable absorbers and laser oscillators - Google Patents

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本発明は、可飽和吸収体およびレーザ発振器に関する。 The present invention relates to saturable absorbers and laser oscillators.

可飽和吸収体は、強度の低い入射光に対して吸収体として働き、強度の高い入射光に対しては吸収体としての能力が飽和し透明体として働く物質である。可飽和吸収体をレーザ（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）共振器中に配置することで、受動Ｑスイッチまたは受動モードロッカーとして動作し、高いピーク出力を有する短パルスレーザを発振することが知られている。中赤外波長レーザに適用可能な可飽和吸収体として、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ系半導体、グラフェン、カーボンナノチューブ等が用いられている。波長３μｍ近傍で発振するエルビウム系固体レーザが盛んに研究されるようになり、高ピーク出力化のための可飽和吸収体に対する要求が高まっている。 A saturable absorber is a substance that acts as an absorber for low-intensity incident light, and acts as a transparent body for high-intensity incident light when its ability as an absorber is saturated. By placing a saturable absorber in a laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) cavity, it can operate as a passive Q-switch or passive modelocker to oscillate a short-pulse laser with high peak power. Are known. Fe:ZnSe, GaAs-based semiconductors, graphene, carbon nanotubes, etc. are used as saturable absorbers applicable to mid-infrared wavelength lasers. An erbium-based solid-state laser that oscillates at a wavelength of about 3 μm has been actively studied, and there is an increasing demand for a saturable absorber for achieving a high peak output.

特許文献１は、中赤外波長域で使用可能なＦｅ：ＺｎＳｅ及びＦｅ：ＺｎＳ可飽和吸収体を開示する。このＦｅ：ＺｎＳｅを用いた可飽和吸収体は、波長２．８μｍにおいて、Ｅｒ：Ｃｒ：ＹＳＧＧレーザの受動Ｑスイッチ発振を実証している。 US Pat. No. 6,200,009 discloses Fe:ZnSe and Fe:ZnS saturable absorbers usable in the mid-infrared wavelength region. This Fe:ZnSe-based saturable absorber demonstrates passive Q-switched oscillation of an Er:Cr:YSGG laser at a wavelength of 2.8 μm.

米国特許第８，８１７，８３０号明細書U.S. Pat. No. 8,817,830

Ｆｅ：ＺｎＳｅ及びＦｅ：ＺｎＳを用いた可飽和吸収体は、毒性が高いという欠点を有している。また、ホスト材料であるＺｎＳｅ及びＺｎＳは、可視から近赤外域における励起光を吸収するという問題がある。また、Ｆｅ２＋は吸収断面積が大きく、添加濃度による変調度の制御が難しく、優れた変調度を有する可飽和吸収体を得ることは容易でない。 Saturable absorbers using Fe:ZnSe and Fe:ZnS have the disadvantage of being highly toxic. Moreover, ZnSe and ZnS, which are host materials, have the problem of absorbing excitation light in the visible to near-infrared region. In addition, Fe 2+ has a large absorption cross-section, making it difficult to control the degree of modulation by adding concentration, and it is not easy to obtain a saturable absorber with excellent degree of modulation.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、容易に作成でき、優れた変調度を有する可飽和吸収体およびレーザ発振器を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems described above, and an object of the present invention is to provide a saturable absorber and a laser oscillator which can be easily produced and have excellent modulation.

本発明の目的を達成するため、本発明に係る可飽和吸収体の一様態は、
赤外波長用の可飽和吸収体であって、
酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物またはこれらの２以上の混合物を含む母材と、
前記母材に０．５ａｔ％～３ａｔ％の割合で含まれるＤｙ３＋ と、
を有することを特徴とする。 In order to achieve the object of the present invention, one aspect of the saturable absorber according to the present invention is
A saturable absorber for infrared wavelengths, comprising:
a base material comprising one compound selected from the group consisting of oxides, fluorides, chlorides, bromides, chalcogenides or a mixture of two or more thereof;
Dy 3+ contained in the base material at a rate of 0.5 at % to 3 at % ;
characterized by having

本発明の目的を達成するため、本発明に係るレーザ発振器の一様態は、
前記可飽和吸収体と、
誘導放出により光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を挟み込むように配置される共振器と、
を備えることを特徴とする。 In order to achieve the object of the present invention, one aspect of the laser oscillator according to the present invention is
the saturable absorber; and
a laser medium that amplifies light by stimulated emission;
a resonator arranged to sandwich the laser medium and the saturable absorber;
characterized by comprising

本発明によれば、容易に作成でき、優れた変調度を有する可飽和吸収体およびレーザ発振器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a saturable absorber and a laser oscillator that can be easily produced and have excellent modulation.

本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。1 is a diagram showing a laser oscillator according to a first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器が短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of oscillation of a short-pulse laser by the laser oscillator according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器が短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of oscillation of a short-pulse laser by the laser oscillator according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a laser oscillator according to a second embodiment of the invention; 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振器が超短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of oscillation of an ultrashort pulse laser by a laser oscillator according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振器が超短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of oscillation of an ultrashort pulse laser by a laser oscillator according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第３の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a laser oscillator according to a third embodiment of the invention; 本発明の第３の実施の形態の変形例に係るレーザ発振器を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a laser oscillator according to a modification of the third embodiment of the invention; 本発明の第４の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。It is a figure which shows the laser oscillator based on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施の形態の変形例に係るレーザ発振器を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a laser oscillator according to a modification of the third embodiment of the invention; 本発明の実施例に係る可飽和吸収体の透過率を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing transmittance of a saturable absorber according to an example of the present invention; 本発明の実施例に係る可飽和吸収体の散乱係数を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing scattering coefficients of saturable absorbers according to examples of the present invention; 本発明の実施例に係る可飽和吸収体の吸収係数を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing absorption coefficients of saturable absorbers according to examples of the present invention; 本発明の実施例に係る可飽和吸収体のＤｙ含有率と吸収係数を示す拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view showing the Dy content and absorption coefficient of the saturable absorber according to the example of the present invention; 本発明の実施例に係る可飽和吸収体の過飽和吸収特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing supersaturated absorption characteristics of a saturable absorber according to an example of the present invention; 本発明の実施例に係るレーザ発振器のレーザ出力を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing laser output of a laser oscillator according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施例に係るレーザ発振器のレーザ出力を示す拡大図である。3 is an enlarged view showing laser output of a laser oscillator according to an example of the present invention; FIG. 本発明の実施例に係るレーザ発振器のパルス幅および繰り返し周波数を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing pulse width and repetition frequency of a laser oscillator according to an example of the present invention; 本発明の実施例に係るレーザ発振器のパルスエネルギーおよびピークパワーを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing pulse energy and peak power of a laser oscillator according to an example of the present invention; 本発明の実施例に係るレーザ発振器の出力鏡の透過率に対する平均出力パワーを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing average output power versus transmittance of an output mirror of a laser oscillator according to an embodiment of the present invention;

以下、本発明を実施するための形態に係る可飽和吸収体およびレーザ（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）発振器について図面を参照しながら説明する。 A saturable absorber and a laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) oscillator according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るレーザ発振器１００は、図１に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置される共振器（cavity）３０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０と、を備える。レーザ発振器１００は、受動Ｑスイッチング（Passive Q-switching）により２．５μｍ～３．５μｍの波長の短パルスレーザを発振するものである。 (First embodiment)
As shown in FIG. 1, the laser oscillator 100 according to the first embodiment includes a laser medium 10, a saturable absorber 20, and a resonator arranged to sandwich the laser medium 10 and the saturable absorber 20. (cavity) 30 and an excitation light source 40 for supplying excitation light to the laser medium 10 . A laser oscillator 100 oscillates a short pulse laser with a wavelength of 2.5 μm to 3.5 μm by passive Q-switching.

レーザ媒質１０は、励起用光源４０から照射された励起光を吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅する。レーザ媒質１０は、特定の波長の光を吸収し、当該特定の波長に基づいた他の波長で発光する蛍光体から形成されている。レーザ媒質１０が発振するレーザ光の波長の下限値は、好ましくは２．５μｍ、より好ましくは２．６μｍ、さらに好ましくは２．７μｍである。レーザ媒質１０が発振するレーザ光の波長の上限値は、好ましくは３．５μｍ、より好ましくは３．２μｍ、さらに好ましくは３．０μｍ、特に好ましくは２．９μｍである。例えば、レーザ媒質１０は、Ｅｒ：ＹＡｌＯ３等の結晶体である。Ｅｒ：ＹＡｌＯ３は、ＹＡｌＯ３にエルビウム（Ｅｒ）をドープしてイットリウム（Ｙ）の一部を置き換えたものであり、２．８μｍのレーザ光を発振する。Ｅｒ：ＹＡｌＯ３等の結晶体は、増幅特性や透明性が良好であるため、これらの結晶体を用いることでレーザ発振器の高出力化を実現できる。レーザ媒質１０の光軸方向の長さＬ１は、例えば５ｍｍ～１０ｍｍである。なお、レーザ媒質１０は、Ｅｒ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）、Ｅｒ：ＹＡＰ（Yttrium Aluminum Perovskite）、Ｅｒ：Ｙ２Ｏ３、Ｅｒ：Ｌｕ２Ｏ３、Ｅｒ：Ｓｃ２Ｏ３、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ（Yttrium Scandium Gallium Garnet）、Ｅｒ、Ｃｒ：ＹＳＧＧ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｄｙ：ＹＬＦ、Ｄｙ：ＰｂＧａ２Ｓ４、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３－ＡｌＦ３－ＮａＦ）、Ｅｒ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮまたはＨｏ：ＺＢＬＡＮを含んでもよい。Ｅｒ：ＹＡｌＯ３は、好ましくは単結晶体のものを用いる。上記に例示したＥｒ：ＹＡｌＯ３以外の物質は、単結晶体、多結晶体またはセラミックスのものを用いてもよい。 The laser medium 10 amplifies the light by absorbing the excitation light emitted from the excitation light source 40 and causing stimulated emission. The laser medium 10 is made of a phosphor that absorbs light of a specific wavelength and emits light of other wavelengths based on the specific wavelength. The lower limit of the wavelength of the laser light emitted by the laser medium 10 is preferably 2.5 μm, more preferably 2.6 μm, and still more preferably 2.7 μm. The upper limit of the wavelength of the laser light emitted by the laser medium 10 is preferably 3.5 μm, more preferably 3.2 μm, still more preferably 3.0 μm, and particularly preferably 2.9 μm. For example, the laser medium 10 is a crystal such as Er: YAlO3 . Er:YAlO 3 is obtained by doping YAlO 3 with erbium (Er) to partially replace yttrium (Y), and oscillates laser light of 2.8 μm. Since crystals such as Er:YAlO 3 have good amplification characteristics and transparency, the use of these crystals makes it possible to increase the output power of laser oscillators. The length L1 of the laser medium 10 in the optical axis direction is, for example, 5 mm to 10 mm. The laser medium 10 is Er: YAG (Yttrium Aluminum Garnet), Er: YAP (Yttrium Aluminum Perovskite), Er: Y 2 O 3 , Er: Lu 2 O 3 , Er: Sc 2 O 3 , Er: YLF, Er: YSGG (Yttrium Scandium Gallium Garnet), Er, Cr: YSGG, Cr: ZnS, Cr: ZnSe, Fe: ZnS, Fe: ZnSe, Dy: YLF, Dy: PbGa2S4 , Er: ZBLAN ( ZrF4- BaF 2 -LaF 3 -AlF 3 -NaF), Er, Pr:ZBLAN, Dy:ZBLAN or Ho:ZBLAN. Er:YAlO 3 is preferably a single crystal. Materials other than the Er:YAlO 3 exemplified above may be single crystals, polycrystals, or ceramics.

可飽和吸収体２０は、赤外波長用の可飽和吸収体であって、Ｄｙ３＋を含み、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用するものである。可飽和吸収体２０は、Ｄｙ３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度および優れた変調度を有する。また、Ｄｙ３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能である。これらの効果は、後述する実施例により示される。可飽和吸収体２０は、共振器３０内の光の強度が低いとき、光を吸収するため、共振器３０の光損失が大きく、レーザ発振せずエネルギーがレーザ媒質１０に蓄積される。また、レーザ媒質１０から照射される励起光は、可飽和吸収体２０に吸収されないため、可飽和吸収性能の低下が起こらない。共振器３０内の光の強度が高くなると、可飽和吸収体２０は、透明体として働き、共振器３０の閉じ込め効率が高くなり、発振蓄積されていたエネルギーが一気に放出される。これにより、レーザ発振器１００から短パルスレーザが照射される。パルス幅は、例えば、ナノ秒～マイクロ秒である。また、可飽和吸収体２０は、共振器３０の内部損失を抑えるため、表面に反射防止膜を備えることが好ましい。 The saturable absorber 20 is a saturable absorber for infrared wavelengths and contains Dy 3+ and acts as an absorber for low intensity incident light and as an absorber for high intensity incident light. When the ability of is saturated, it acts as a transparent body. Since the saturable absorber 20 contains Dy 3+ , it has high excitation light transmittance, low saturation intensity, and excellent modulation. In addition, the degree of modulation can be accurately controlled by adjusting the content of Dy 3+ . These effects are demonstrated by the examples described later. Since the saturable absorber 20 absorbs light when the intensity of light in the resonator 30 is low, the light loss in the resonator 30 is large, and energy is accumulated in the laser medium 10 without lasing. In addition, since the excitation light emitted from the laser medium 10 is not absorbed by the saturable absorber 20, the saturable absorption performance does not deteriorate. When the intensity of light in the resonator 30 increases, the saturable absorber 20 acts as a transparent body, the confinement efficiency of the resonator 30 increases, and the oscillation-accumulated energy is released at once. As a result, a short pulse laser is emitted from the laser oscillator 100 . The pulse width is, for example, nanoseconds to microseconds. Moreover, the saturable absorber 20 preferably has an antireflection film on its surface in order to suppress the internal loss of the resonator 30 .

可飽和吸収体２０は、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物または２以上の混合物を含む母材と、母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれるＤｙ３＋と、を有してもよい。可飽和吸収体２０の母材は、励起光およびレーザ媒質１０から誘導放出される波長の光を吸収しないものであることが好ましく、例えば、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ＹＡｌＯ３、ＹＶＯ４などの酸化物、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２、ＹＬｉＦ４、ＬｉＬｕＦ４、ＢａＹ２Ｆ８などのフッ化物、ＰｂＧａＳ４、ＣａＧａ２Ｓ４、ＺｎＳｅ、ＺｎＳなどのカルコゲン化物であってもよく、これらの混合物であってもよい。このうち、可飽和吸収体２０の母材は、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ＹＡｌＯ３の酸化物、ＣａＦ２、ＹＬｉＦ４のフッ化物、ＰｂＧａＳ４、ＣａＧａ２Ｓ４のカルコゲン化物が好ましい。この場合、母材は、単結晶、多結晶またはセラミックスであってもよい。可飽和吸収体２０として、Ｄｙを０．５ａｔ％の割合で含むＤｙ：ＣａＦ２を用いる場合、可飽和吸収体２０の光軸方向の長さＬ２は、例えば２ｍｍ～５ｍｍである。 The saturable absorber 20 includes a base material containing one compound or a mixture of two or more selected from the group consisting of oxides, fluorides, chlorides, bromides, and chalcogenides, and 0.1 at % to 50 at % of the base material. % of Dy 3+ and The base material of the saturable absorber 20 preferably does not absorb the excitation light and the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10. For example, Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Sc 2 O 3 . , oxides such as Al 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , YAlO 3 and YVO 4 ; fluorides such as CaF 2 , BaF 2 , MgF 2 , YLiF 4 , LiLuF 4 and BaY 2 F 8 ; Chalcogenides such as CaGa 2 S 4 , ZnSe and ZnS, or mixtures thereof may be used. Among them, the base material of the saturable absorber 20 is Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , YAlO 3 oxide, CaF 2 , YLiF 4 fluoride, PbGaS 4 , CaGa 2 Chalcogenides of S4 are preferred. In this case, the matrix may be monocrystalline, polycrystalline or ceramic. When Dy:CaF 2 containing 0.5 at % of Dy is used as the saturable absorber 20, the length L2 of the saturable absorber 20 in the optical axis direction is, for example, 2 mm to 5 mm.

また、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ２Ｏ３を含んでもよい。この場合、透明板またはレーザ媒質１０にＤｙ２Ｏ３を成膜してもよく、Ｄｙ２Ｏ３の粉末を樹脂やガラスに混入したものであってもよい。また、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ３＋を含む素材を透明板またはレーザ媒質１０に成膜したものであってもよく、Ｄｙ３＋を含む粉末を樹脂やガラスに混入したものであってもよい。 The saturable absorber 20 may also contain Dy 2 O 3 . In this case, a Dy 2 O 3 film may be formed on the transparent plate or the laser medium 10, or Dy 2 O 3 powder may be mixed with resin or glass. Also, the saturable absorber 20 may be formed by forming a film of a material containing Dy 3+ on the transparent plate or the laser medium 10, or by mixing a powder containing Dy 3+ into resin or glass. .

また、可飽和吸収体２０は、酸化物ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラス、カルコゲナイドガラスからなる群から選択される１つのガラスまたは２以上のガラスの混合物を含む母材と、母材に０．１ｍｏｌ％～５０ｍｏｌ％の割合で含まれるＤｙ３＋と、を有してもよい。可飽和吸収体２０の母材は、励起光およびレーザ媒質１０から誘導放出される波長の光を吸収しないものであることが好ましく、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどの酸化物ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、ＺＢＹＡ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＹＦ３－ＡｌＦ３）ガラスＡｌＦ３系ガラス、ＩｎＦ３系ガラスなどのフッ化物ガラス、テルライトガラス、Ｇｅ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓ系、Ｇｅ－Ａｓ系などのカルコゲナイドガラスであってもよく、これらの混合物であってもよい。このうち、可飽和吸収体２０の母材は、ＺＢＬＡＮガラスが好ましい。 The saturable absorber 20 includes a base material containing one glass or a mixture of two or more glasses selected from the group consisting of oxide glass, fluoride glass, tellurite glass, and chalcogenide glass, and and Dy 3+ in a proportion of .1 mol % to 50 mol %. The base material of the saturable absorber 20 preferably does not absorb the excitation light and the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10. For example, quartz glass, soda lime glass, borosilicate glass, and other oxides. Fluoride glass such as glass, ZBLAN glass, ZBYA (ZrF 4 -BaF 2 -YF 3 -AlF 3 ) glass, AlF 3 system glass, InF 3 system glass, tellurite glass, Ge-Se system, As-Se system, As A chalcogenide glass such as a —S system or a Ge—As system, or a mixture thereof may be used. Among these, the base material of the saturable absorber 20 is preferably ZBLAN glass.

共振器３０は、誘導放出された光を反射する反射鏡３１と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡３２と、を備える。反射鏡３１と出力鏡３２とは、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡３１から出力鏡３２の光軸方向の長さＬ３は、例えば１０ｍｍ～２０ｍｍである。反射鏡３１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。出力鏡３２は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。例えば、出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の９５％を反射し、５％を透過する。レーザ発振器１００は、反射鏡３１と出力鏡３２との間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させ、出力鏡３２を通じてレーザ光の一部を放出する。 The resonator 30 includes a reflecting mirror 31 that reflects stimulated emission light, and an output mirror 32 that can extract part of the laser light to the outside. The reflecting mirror 31 and the output mirror 32 are arranged to face each other with the laser medium 10 and the saturable absorber 20 interposed therebetween. A length L3 in the optical axis direction from the reflecting mirror 31 to the output mirror 32 is, for example, 10 mm to 20 mm. The reflecting mirror 31 has a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, transmits the light of the wavelength emitted from the excitation light source 40, and reflects the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10. It is something to do. The output mirror 32 has a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, transmits part of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10, and reflects the rest. For example, the output mirror 32 reflects 95% of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10 and transmits 5%. The laser oscillator 100 repeatedly reflects the laser light between the reflecting mirror 31 and the output mirror 32, thereby amplifying the laser light by stimulated emission each time the laser light passes through the laser medium 10 and the saturable absorber 20. , emits a portion of the laser light through the output mirror 32 .

励起用光源４０は、半導体レーザを備え、反射鏡３１に対向するように配置されている。励起用光源４０は、レーザ光を励起光として共振器３０内に配置されたレーザ媒質１０に照射する。励起用光源４０から照射された励起光は、レンズ４１により集光され、反射鏡３１を透過してレーザ媒質１０に供給される。例えば、レーザ媒質１０にＥｒ：ＹＡｌＯ３を用いた場合、９７６ｎｍのレーザ光を照射する励起用光源４０を用いる。 The excitation light source 40 includes a semiconductor laser and is arranged to face the reflecting mirror 31 . The excitation light source 40 irradiates the laser medium 10 arranged in the resonator 30 with laser light as excitation light. The excitation light emitted from the excitation light source 40 is condensed by the lens 41 , transmitted through the reflecting mirror 31 and supplied to the laser medium 10 . For example, when Er:YAlO 3 is used for the laser medium 10, an excitation light source 40 that emits a laser beam of 976 nm is used.

つぎに、以上の構成を有するレーザ発振器１００が受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振する原理につて説明する。 Next, the principle that the laser oscillator 100 having the above configuration oscillates a short-pulse laser by passive Q-switching will be described.

レーザ発振器１００の可飽和吸収体２０は、上述したように、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用する。ここでは、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ３、可飽和吸収体２０として、Ｄｙ：ＣａＦ２を用い、励起用光源４０は、９７６ｎｍのレーザ光を照射するものを用いる例について説明する。レーザ媒質１０のＥｒ：ＹＡｌＯ３は、９７６ｎｍの励起光を吸収して誘導放出を起こすことで２．８μｍのレーザ光を発振する。可飽和吸収体２０のＤｙ：ＣａＦ２は、９７６ｎｍの光を吸収せず、光の強度が低い場合２．５～３．５μｍの光を吸収する。 As described above, the saturable absorber 20 of the laser oscillator 100 acts as an absorber for low-intensity incident light. acts as Here, an example will be described in which Er:YAlO 3 is used as the laser medium 10, Dy:CaF 2 is used as the saturable absorber 20, and the excitation light source 40 that emits a laser beam of 976 nm is used. The Er:YAlO 3 of the laser medium 10 absorbs the excitation light of 976 nm and causes stimulated emission to oscillate laser light of 2.8 μm. The Dy:CaF 2 of the saturable absorber 20 does not absorb light at 976 nm and absorbs light at 2.5-3.5 μm when the light intensity is low.

励起用光源４０からレーザ媒質１０に励起光が照射されると、図２に示すように、共振器３０内の光の強度が低いとき、可飽和吸収体２０に光が吸収されるため、共振器３０の光損失が大きく、レーザ発振せずエネルギーがレーザ媒質１０に蓄積される。なお、レーザ媒質１０から照射される励起光は、吸収されないため、可飽和吸収の誤作動を防ぐことができる。 When the laser medium 10 is irradiated with excitation light from the excitation light source 40, as shown in FIG. The light loss of the device 30 is large, and energy is accumulated in the laser medium 10 without lasing. Since the excitation light emitted from the laser medium 10 is not absorbed, malfunction of saturable absorption can be prevented.

共振器３０内の光の強度が高くなると、図３に示すように、可飽和吸収体２０が透明体として働き、共振器３０の閉じ込め効率が高くなり、発振蓄積されていたエネルギーが一気に放出される。これにより、レーザ発振器１００から短パルスレーザが照射される。短パルスレーザが照射されると、共振器３０内の光の強度が低くなり、再度エネルギーがレーザ媒質１０に蓄積される。 When the intensity of light in the resonator 30 increases, the saturable absorber 20 acts as a transparent body as shown in FIG. be. As a result, a short pulse laser is emitted from the laser oscillator 100 . When the short-pulse laser is irradiated, the intensity of the light within the resonator 30 decreases, and energy is accumulated in the laser medium 10 again.

以上のように、レーザ発振器１００は、エネルギーの蓄積と放出が繰り返され短パルスレーザを照射する。例えば、パルス幅は、ナノ秒～マイクロ秒、繰り返しは、数１０～数１００ｋＨｚ、パルスエネルギーは、マイクロジュール～ミリジュール級、ピーク出力は、ワット～キロワット級である。 As described above, the laser oscillator 100 irradiates a short-pulse laser by repeating accumulation and emission of energy. For example, the pulse width is nanoseconds to microseconds, the repetition is several tens to several hundred kHz, the pulse energy is microjoules to millijoules, and the peak power is watts to kilowatts.

以上のように、本実施の形態の可飽和吸収体２０は、Ｄｙ３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度、優れた変調度を得ることができる。また、Ｄｙ３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能である。また、吸収極大波長がエルビウム系固体レーザの発振波長と同じ又は近いという利点もある。また、レーザ発振器１００は、Ｄｙ３＋を含む可飽和吸収体２０を用いることで、受動Ｑスイッチングにより２．５～３．５μｍの短パルスレーザを発振することができる。一般的に、パルスレーザ発振器において、可飽和吸収体の励起光吸収は性能低下の要因となる。可飽和吸収体２０によれば、グラフェンに代表される波長無依存な可飽和吸収体やＦｅ：ＺｎＳｅ等と異なり、励起光（エルビウム系中赤外レーザの場合は０．９７μｍ）を吸収しないことも大きな利点である。これにより、直線型で長さの短いレーザ共振器の構成が可能になり、レーザ発振器１００は、コンパクトに設計でき、かつ高ピーク出力なパルスレーザを出力することが可能である。このため、レーザ発振器１００は、核融合研究における同位体計測またはプラズマ診断などに用いるレーザ装置として適している。特に、後述する実施例において示すＤｙ：ＣａＦ２は、波長２．５～３．５μｍに渡って連続的に大きな吸収断面積を有しており、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮレーザに代表される全てのエルビウム系レーザ、並びにＣｒ：ＺｎＳｅレーザ等の様々な３μｍ帯レーザ発振器に適用可能である。また、Ｄｙ：ＣａＦ２は比較的に高い熱伝導度を有しており、可飽和吸収体でしばしば問題となる熱負荷も抑制可能である。また、Ｄｙ３＋などの希土類金属イオンは、内殻軌道の電子遷移によって光吸収することから、吸収波長帯の母材（ホスト材）依存が少ない。そのため、後述する実施例で用いたＣａＦ２に限らず、母材の選択性に富んでいることも利点のひとつである。 As described above, since the saturable absorber 20 of the present embodiment contains Dy 3+ , it has high excitation light transmittance, low saturation intensity, and excellent modulation. In addition, the degree of modulation can be accurately controlled by adjusting the content of Dy 3+ . There is also the advantage that the maximum absorption wavelength is the same as or close to the oscillation wavelength of the erbium-based solid-state laser. Moreover, the laser oscillator 100 can oscillate a short pulse laser of 2.5 to 3.5 μm by passive Q-switching by using the saturable absorber 20 containing Dy 3+ . Generally, in a pulsed laser oscillator, absorption of excitation light by a saturable absorber is a factor in performance degradation. The saturable absorber 20 does not absorb excitation light (0.97 μm in the case of an erbium-based mid-infrared laser), unlike wavelength-independent saturable absorbers such as graphene and Fe:ZnSe. is also a big advantage. As a result, a linear and short laser resonator can be constructed, and the laser oscillator 100 can be designed compactly and can output a pulsed laser with a high peak output. Therefore, the laser oscillator 100 is suitable as a laser device used for isotope measurement or plasma diagnosis in nuclear fusion research. In particular, Dy:CaF 2 shown in the examples described later has a continuously large absorption cross-section over a wavelength of 2.5 to 3.5 μm, and is typified by Er:YAG laser and Er:ZBLAN laser. It is applicable to all erbium-based lasers and various 3 μm band laser oscillators such as Cr:ZnSe lasers. Also, Dy:CaF 2 has a relatively high thermal conductivity, and can suppress the heat load, which is often a problem with saturable absorbers. In addition, since rare earth metal ions such as Dy 3+ absorb light by electronic transition of inner-shell orbitals, the absorption wavelength band is less dependent on the base material (host material). Therefore, one of the advantages is that it is rich in selectivity not only for CaF 2 used in the examples described later, but also for the base material.

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るレーザ発振器２００は、図４に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置される共振器３０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０と、を備える。レーザ発振器２００は、受動モード同期（passive mode-locking）により２．５μｍ～３．５μｍの波長の超短パルスレーザを発振するものである。第２の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。 (Second embodiment)
As shown in FIG. 4, a laser oscillator 200 according to the second embodiment includes a laser medium 10, a saturable absorber 20, and a resonator arranged so as to sandwich the laser medium 10 and the saturable absorber 20. 30 and an excitation light source 40 for supplying excitation light to the laser medium 10 . The laser oscillator 200 oscillates an ultrashort pulse laser with a wavelength of 2.5 μm to 3.5 μm by passive mode-locking. The laser medium 10, saturable absorber 20 and excitation light source 40 of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.

共振器３０は、誘導放出された光を反射する反射鏡３１、３３～３５と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡３２と、を備える。反射鏡３１と反射鏡３３とは、レーザ媒質１０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡３４と反射鏡３５とは、可飽和吸収体２０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡３１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。反射鏡３３、３４は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。反射鏡３５は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する平面鏡であり、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。出力鏡３２は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。例えば、出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の９５％を反射し、５％を透過する。共振器３０の全長は、反射鏡３５から出力鏡３２までの光が通る経路の長さであり、可飽和吸収体２０の回復時間（変調の応答速度）に光の速度を掛けた長さの２分の１より長く、例えば１ｍ～２ｍである。これにより、可飽和吸収体２０の回復時間（変調の応答速度）は、共振器３０内での光の往復時間より短くなる。レーザ発振器２００は、反射鏡３５と出力鏡３２との間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させ、出力鏡３２を通じてレーザ光の一部を放出する。 The resonator 30 includes reflecting mirrors 31, 33 to 35 that reflect stimulated emission light, and an output mirror 32 that can extract part of the laser light to the outside. The reflecting mirrors 31 and 33 are arranged to face each other with the laser medium 10 interposed therebetween. The reflecting mirrors 34 and 35 are arranged to face each other with the saturable absorber 20 interposed therebetween. The reflecting mirror 31 is a concave mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate. It is something to do. The reflecting mirrors 33 and 34 are concave mirrors having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, and reflect the light stimulatedly emitted from the laser medium 10 . The reflecting mirror 35 is a plane mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, and reflects the light stimulatedly emitted from the laser medium 10 . The output mirror 32 has a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, transmits part of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10, and reflects the rest. For example, the output mirror 32 reflects 95% of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10 and transmits 5%. The total length of the resonator 30 is the length of the path through which light travels from the reflector 35 to the output mirror 32, and is the length obtained by multiplying the recovery time (modulation response speed) of the saturable absorber 20 by the speed of light. It is longer than half, for example 1 m to 2 m. As a result, the recovery time (modulation response speed) of the saturable absorber 20 becomes shorter than the round-trip time of light within the resonator 30 . The laser oscillator 200 repeatedly reflects the laser light between the reflecting mirror 35 and the output mirror 32, thereby amplifying the laser light by stimulated emission each time the laser light passes through the laser medium 10 and the saturable absorber 20. , emits a portion of the laser light through the output mirror 32 .

つぎに、以上の構成を有するレーザ発振器２００が受動モード同期により超短パルスレーザを発振する原理につて説明する。 Next, the principle that the laser oscillator 200 having the above configuration oscillates an ultrashort pulse laser by passive mode locking will be described.

レーザ発振器２００の可飽和吸収体２０は、上述したように、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用する。ここでは、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ３、可飽和吸収体２０として、Ｄｙ：ＣａＦ２を用い、励起用光源４０は、９７６ｎｍのレーザ光を照射するものを用いる例について説明する。レーザ媒質１０のＥｒ：ＹＡｌＯ３は、９７６ｎｍの励起光を吸収して誘導放出を起こすことで２．８μｍのレーザ光を発振する。可飽和吸収体２０のＤｙ：ＣａＦ２は、９７６ｎｍの光を吸収せず、光の強度が低い場合２．５～３．５μｍの光を吸収する。 As described above, the saturable absorber 20 of the laser oscillator 200 acts as an absorber for low-intensity incident light. acts as Here, an example will be described in which Er:YAlO 3 is used as the laser medium 10, Dy:CaF 2 is used as the saturable absorber 20, and the excitation light source 40 that emits a laser beam of 976 nm is used. The Er:YAlO 3 of the laser medium 10 absorbs the excitation light of 976 nm and causes stimulated emission to oscillate laser light of 2.8 μm. The Dy:CaF 2 of the saturable absorber 20 does not absorb light at 976 nm and absorbs light at 2.5-3.5 μm when the light intensity is low.

励起用光源４０から反射鏡３１を透過してレーザ媒質１０に励起光が照射されると、レーザ媒質１０は、誘導放出を起こしレーザ光を発振する。反射鏡３３、３４に反射された励起光およびレーザ光は、可飽和吸収体２０を通過し、反射鏡３５で反射される。反射鏡３５で反射された励起光およびレーザ光は、再度、可飽和吸収体２０を通過し、反射鏡３４、３３で反射され、レーザ媒質１０に導かれる。レーザ媒質１０を通過した励起光およびレーザ光は、反射鏡３１で反射され出力鏡３２に導かれ、出力鏡３２で反射される。以上のように、励起光およびレーザ光は、反射鏡３５と出力鏡３２との間を往復する。 When the laser medium 10 is irradiated with excitation light from the excitation light source 40 through the reflecting mirror 31, the laser medium 10 causes stimulated emission to oscillate laser light. The excitation light and laser light reflected by reflecting mirrors 33 and 34 pass through saturable absorber 20 and are reflected by reflecting mirror 35 . The excitation light and laser light reflected by the reflecting mirror 35 pass through the saturable absorber 20 again, are reflected by the reflecting mirrors 34 and 33 , and are guided to the laser medium 10 . The excitation light and laser light that have passed through the laser medium 10 are reflected by the reflecting mirror 31 , guided to the output mirror 32 , and reflected by the output mirror 32 . As described above, the excitation light and laser light reciprocate between the reflecting mirror 35 and the output mirror 32 .

可飽和吸収体２０に光パルスを照射した場合、初期段階において、上述した受動Ｑスイッチングと同様の原理で短パルスレーザが発生する。次の段階において、図５に示すように、強度の強いパルスの中心部分は、可飽和吸収体２０を通過するのに対し、強度の弱いパルスの裾野部分は、可飽和吸収体２０で吸収されてパルス幅が短くなる。可飽和吸収体２０を用いて往復周期で強度変調すると、図６に示すように、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスが発生する。これにより、レーザ発振器２００では、レーザ光のパルスの幅が短くなり、例えば、フェムト秒～ピコ秒幅の光パルスが放出される。 When the saturable absorber 20 is irradiated with a light pulse, a short pulse laser is generated in the initial stage based on the same principle as passive Q-switching described above. In the next step, as shown in FIG. 5, the central portion of the high intensity pulse passes through the saturable absorber 20, while the tail portion of the low intensity pulse is absorbed by the saturable absorber 20. pulse width becomes shorter. When the saturable absorber 20 is used to modulate the intensity in a reciprocating cycle, as shown in FIG. 6, the phases of the longitudinal modes are synchronized and an ultrashort pulse is generated. As a result, in the laser oscillator 200, the pulse width of the laser light is shortened and, for example, a light pulse with a femtosecond to picosecond width is emitted.

以上のように、レーザ発振器２００は、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスが発生する。パルス幅は、フェムト秒～ピコ秒、繰り返しは、数１０～数１００ＭＨｚ、パルスエネルギーは、ナノジュール級、ピーク出力は、数１０～数１００キロワットである。 As described above, the laser oscillator 200 synchronizes the phases of the longitudinal modes and generates ultrashort pulses. The pulse width is femtoseconds to picoseconds, the repetition rate is several tens to several hundred MHz, the pulse energy is nanojoule class, and the peak output is several tens to several hundred kilowatts.

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器２００によれば、強度の強いパルスの中心部分は、可飽和吸収体２０を通過するのに対し、強度の弱いパルスの裾野部分は、可飽和吸収体２０で吸収される。可飽和吸収体２０の回復時間は、共振器３０内での光の往復時間より短く設定されている。これにより、可飽和吸収体２０を用いて往復周期で強度変調することで、受動モード同期により、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスを発生させることができる。 As described above, according to the laser oscillator 200 of the present embodiment, the central portion of the high-intensity pulse passes through the saturable absorber 20, whereas the tail portion of the low-intensity pulse passes through the saturable absorber 20. Absorbed by body 20 . The recovery time of the saturable absorber 20 is set shorter than the round trip time of light within the resonator 30 . By using the saturable absorber 20 to modulate the intensity in a reciprocating cycle, the phases of the longitudinal modes are synchronized by passive mode locking, and an ultrashort pulse can be generated.

（第２の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態では、可飽和吸収体２０と反射鏡３５が、別体として用いられる例について説明したが、可飽和吸収体２０は反射鏡３５の表面に配置され、可飽和吸収ミラーを構成してもよい。この場合、反射鏡３５の表面に可飽和吸収体２０の膜を配置してもよく、可飽和吸収体２０に誘電体膜を形成し、反射鏡３５の表面に可飽和吸収体２０を配置してもよい。 (Modification of Second Embodiment)
In the above-described embodiment, the saturable absorber 20 and the reflector 35 are used separately, but the saturable absorber 20 is arranged on the surface of the reflector 35 to form a saturable absorber mirror. You may In this case, a film of the saturable absorber 20 may be arranged on the surface of the reflecting mirror 35. A dielectric film is formed on the saturable absorber 20, and the saturable absorber 20 is arranged on the surface of the reflecting mirror 35. may

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係るレーザ発振器３００は、図７に示すように、ファイバー形状を有するレーザ媒質１１と、レーザ媒質１１の一端部に配置された可飽和吸収体２１と、レーザ媒質１１および可飽和吸収体２１を挟み込むように配置される共振器５０と、レーザ媒質１１に励起光を供給する励起用光源４０と、を備える中赤外ファイバーレーザである。レーザ発振器３００は、受動Ｑスイッチング（Passive Q-switching）により２．５μｍ～３．５μｍの波長の短パルスレーザを発振するものである。第３の実施の形態の励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。 (Third Embodiment)
As shown in FIG. 7, a laser oscillator 300 according to the third embodiment includes a fiber-shaped laser medium 11, a saturable absorber 21 arranged at one end of the laser medium 11, the laser medium 11 and It is a mid-infrared fiber laser provided with a resonator 50 arranged to sandwich a saturable absorber 21 and an excitation light source 40 for supplying excitation light to a laser medium 11 . The laser oscillator 300 oscillates a short pulse laser with a wavelength of 2.5 μm to 3.5 μm by passive Q-switching. The excitation light source 40 of the third embodiment is the same as that of the first embodiment.

レーザ媒質１１は、励起用光源４０から照射された励起光を吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅する。レーザ媒質１１は、例えば、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮから構成され励起光を吸収して光を誘導放出するコアと、コアより屈折率の低いクラッドと、を備えるＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーである。Ｅｒ：ＺＢＬＡＮは、ＺＢＬＡＮにエルビウム（Ｅｒ）をドープしたものであり、２．７～２．９μｍのレーザ光を発振する。レーザ媒質１１は、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮファイバー、Ｅｒ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮファイバー、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮファイバーまたはＨｏ：ＺＢＬＡＮファイバーなどファイバーレーザに用いられるものであればよい。 The laser medium 11 amplifies the light by absorbing the excitation light emitted from the excitation light source 40 and causing stimulated emission. The laser medium 11 is, for example, an Er:ZBLAN fiber comprising a core made of Er:ZBLAN and absorbing excitation light to stimulate light emission, and a clad having a lower refractive index than the core. Er: ZBLAN is ZBLAN doped with erbium (Er) and oscillates a laser beam of 2.7 to 2.9 μm. The laser medium 11 may be Er:ZBLAN fiber, Er, Pr:ZBLAN fiber, Dy:ZBLAN fiber, or Ho:ZBLAN fiber, as long as it is used for fiber lasers.

可飽和吸収体２１は、可飽和吸収体２０と同様に、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用するものであり、レーザ媒質１１の一端部を保護するエンドキャップ呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有する。可飽和吸収体２１がレーザ媒質１１の一端部に配置されることで、ファイバーレーザの長期安定化や高出力化を可能にする。なお、可飽和吸収体２１は、上述した可飽和吸収体２０と同様の材質であってもよい。例えば、レーザ媒質１１としてＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーを用いる場合、可飽和吸収体２１として、Ｄｙ：ＣａＦ２を用いることが好ましい。可飽和吸収体２１は、レーザ媒質１１の一端に融着されて取り付けられる。ＺＢＬＡＮガラスとＣａＦ２結晶の熱融着における親和性は極めて高いうえ、ＣａＦ２は熱伝導度が高く熱負荷を大幅に軽減可能である。Ｄｙ：ＣａＦ２をファイバー端に融着することで、保護部材としての優れた性能とＱスイッチ素子としての機能を両立することが可能である。 Like the saturable absorber 20, the saturable absorber 21 acts as an absorber for incident light with low intensity, and when the ability as an absorber for incident light with high intensity is saturated, the saturable absorber 21 becomes a transparent body. It also functions as a deliquescence suppression part called an end cap that protects one end of the laser medium 11 . Arranging the saturable absorber 21 at one end of the laser medium 11 enables long-term stabilization and high output of the fiber laser. The saturable absorber 21 may be made of the same material as the saturable absorber 20 described above. For example, when an Er:ZBLAN fiber is used as the laser medium 11, it is preferable to use Dy: CaF2 as the saturable absorber 21. FIG. The saturable absorber 21 is fused and attached to one end of the laser medium 11 . ZBLAN glass and CaF 2 crystal have extremely high affinity in thermal fusion bonding, and CaF 2 has high thermal conductivity and can greatly reduce the heat load. By fusing Dy:CaF 2 to the end of the fiber, it is possible to achieve both excellent performance as a protective member and a function as a Q switch element.

共振器５０は、誘導放出された光を反射する反射鏡５１と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡５２と、を備える。反射鏡５１と出力鏡５２とは、レーザ媒質１１および可飽和吸収体２１を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡５１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、レーザ媒質１１から誘導放出された光および励起光を反射するものである。出力鏡５２は、レーザ媒質１１の他端部に配置され、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。出力鏡５２は、可飽和吸収体２１と同様に、レーザ媒質１１の他端部を保護するエンドキャップと呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有する。出力鏡５２がレーザ媒質１１の他端部に配置されることで、ファイバーレーザの長期安定化を可能にする。 The resonator 50 includes a reflecting mirror 51 that reflects stimulated emission light, and an output mirror 52 that can extract part of the laser light to the outside. The reflecting mirror 51 and the output mirror 52 are arranged so as to face each other with the laser medium 11 and the saturable absorber 21 interposed therebetween. The reflecting mirror 51 is a concave mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, and reflects the light induced emission from the laser medium 11 and the excitation light. The output mirror 52 is arranged at the other end of the laser medium 11, transmits part of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 11, and reflects the rest. The output mirror 52 also has a function as a deliquescence suppressing part called an end cap that protects the other end of the laser medium 11 in the same way as the saturable absorber 21 . An output mirror 52 is placed at the other end of the laser medium 11 to enable long-term stabilization of the fiber laser.

励起用光源４０は、出力鏡５２からレーザ媒質１１に励起光を導入することができる位置に配置されている。励起用光源４０と出力鏡５２との間に、反射鏡４２が光軸に対して４５°傾けて配置されている。反射鏡４２は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する平面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光を反射するものである。 The excitation light source 40 is arranged at a position where the excitation light can be introduced from the output mirror 52 into the laser medium 11 . Between the excitation light source 40 and the output mirror 52, a reflecting mirror 42 is arranged at an angle of 45° with respect to the optical axis. The reflecting mirror 42 is a plane mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate. is reflected.

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器３００によれば、可飽和吸収体２１が、レーザ媒質１１の一端部を保護するエンドキャップと呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有することで、ファイバーレーザの長期安定化や高出力化を可能にする。レーザ媒質１１としてＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーを用いる場合、可飽和吸収体２１として、Ｄｙ：ＣａＦ２を用いると、ＺＢＬＡＮガラスとＣａＦ２結晶の熱融着における親和性は極めて高いため、ＣａＦ２は熱伝導度が高く熱負荷を大幅に軽減可能である。従って、Ｄｙ：ＣａＦ２をファイバー端に融着することで、保護部材としての優れた性能とＱスイッチ素子としての機能を両立することが可能である。 As described above, according to the laser oscillator 300 of the present embodiment, the saturable absorber 21 further functions as a deliquescence suppressing part called an end cap that protects one end of the laser medium 11, so that the fiber It enables long-term stabilization and higher output of lasers. When an Er:ZBLAN fiber is used as the laser medium 11, and Dy: CaF2 is used as the saturable absorber 21, the ZBLAN glass and CaF2 crystal have an extremely high affinity in thermal fusion bonding. It has a high temperature and can greatly reduce the heat load. Therefore, by fusing Dy:CaF 2 to the end of the fiber, it is possible to achieve both excellent performance as a protective member and a function as a Q switch element.

（第３の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態では、励起用光源４０が、レーザ媒質１１の他端部から励起光を導入する例について説明した。レーザ発振器３００は、レーザ媒質１１に励起光を導入することができればよく、レーザ媒質１１の一端部および他端部から励起光を導入してもよい。例えば、図８に示すように、レーザ発振器３００は、励起用光源４０に加えて励起用光源４３を備え、レーザ媒質１１の一端部および他端部から励起光を導入する。励起用光源４３と可飽和吸収体２１との間に、反射鏡４４が光軸に対して４５°傾けて配置されている。反射鏡４４は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する平面鏡であり、励起用光源４３から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光を反射するものである。反射鏡４４で反射された光は、反射鏡５１’で反射され、レーザ媒質１１に戻される。反射鏡４４と可飽和吸収体２１との間には、レンズ４５が配置されている。また、レーザ媒質１１にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１２を設けてもよい。このように、励起用光源４０、４３を用いることで、さらに高い強度のレーザを発振することができる。 (Modification of the third embodiment)
In the above embodiment, an example in which the excitation light source 40 introduces the excitation light from the other end of the laser medium 11 has been described. The laser oscillator 300 only needs to be able to introduce excitation light into the laser medium 11 , and may introduce excitation light from one end and the other end of the laser medium 11 . For example, as shown in FIG. 8, the laser oscillator 300 includes an excitation light source 43 in addition to the excitation light source 40 and introduces excitation light from one end and the other end of the laser medium 11 . Between the excitation light source 43 and the saturable absorber 21, a reflecting mirror 44 is arranged at an angle of 45° with respect to the optical axis. The reflecting mirror 44 is a plane mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate. is reflected. The light reflected by the reflector 44 is reflected by the reflector 51 ′ and returned to the laser medium 11 . A lens 45 is arranged between the reflector 44 and the saturable absorber 21 . Also, an FBG (Fiber Bragg Grating) 12 may be provided in the laser medium 11 . Thus, by using the excitation light sources 40 and 43, it is possible to oscillate a laser with a higher intensity.

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るレーザ発振器４００は、図９に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置される共振器６０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０と、を備えるマイクロチップレーザである。第４の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。 (Fourth embodiment)
As shown in FIG. 9, a laser oscillator 400 according to the fourth embodiment includes a laser medium 10, a saturable absorber 20, and a resonator arranged so as to sandwich the laser medium 10 and the saturable absorber 20. 60 and an excitation light source 40 for supplying excitation light to the laser medium 10. FIG. The laser medium 10, saturable absorber 20 and excitation light source 40 of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.

レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０は、例えば、いずれも円盤形状であり、同一の外径で形成され接合されている。レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０の外径は、例えば、約０．５ｍｍ～約３００ｍｍであり、好ましくは約１０ｍｍ～約１００ｍｍである。レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０は、例えば、パルス通電加圧焼結法（ＰＥＣＳ：Pulse Electric Current Sintering）を用いて接合されるとよい。ＰＥＣＳは、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を機械的に加圧しつつ、直流のＯＮ／ＯＦＦで生成したパルス電流を供給して材料を加熱することで、材料同士を接合する方法である。 The laser medium 10 and the saturable absorber 20 are, for example, both disk-shaped, and are formed with the same outer diameter and joined together. The outer diameters of the laser medium 10 and the saturable absorber 20 are, for example, approximately 0.5 mm to approximately 300 mm, preferably approximately 10 mm to approximately 100 mm. The laser medium 10 and the saturable absorber 20 may be bonded using, for example, pulse electric current sintering (PECS). PECS is a method of joining materials by mechanically pressurizing the laser medium 10 and the saturable absorber 20 and supplying a pulse current generated by ON/OFF of direct current to heat the materials.

共振器６０は、誘導放出された光を反射する反射鏡６１と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡６２と、を備える。反射鏡６１と出力鏡６２とは、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡６１から出力鏡６２の光軸方向の長さは、例えば１ｍｍ～１０ｍｍである。反射鏡６１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。反射鏡６１は、レーザ媒質１０に直接成膜された誘電体膜であってもよい。出力鏡６２は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。出力鏡６２は、可飽和吸収体２０に直接成膜された誘電体膜であってもよい。 The resonator 60 includes a reflecting mirror 61 that reflects stimulated emission light, and an output mirror 62 that can extract part of the laser light to the outside. The reflecting mirror 61 and the output mirror 62 are arranged to face each other with the laser medium 10 and the saturable absorber 20 interposed therebetween. The length in the optical axis direction from the reflecting mirror 61 to the output mirror 62 is, for example, 1 mm to 10 mm. The reflecting mirror 61 has a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, transmits the light of the wavelength emitted from the excitation light source 40, and reflects the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10. It is something to do. The reflector 61 may be a dielectric film deposited directly on the laser medium 10 . The output mirror 62 has a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate, transmits part of the light of the wavelength stimulated emission from the laser medium 10, and reflects the rest. Output mirror 62 may be a dielectric film deposited directly on saturable absorber 20 .

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器４００によれば、第１の実施の形態のレーザ発振器１００と同様に、可飽和吸収体２０を用いることで、受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振することができる。また、レーザ媒質１０と可飽和吸収体２０とを接合していることで、装置のサイズを小さくできるという利点がある。また、受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振する場合、パルス幅は共振器６０の長さに比例するため、パルス幅を短くすることが可能になる。 As described above, according to the laser oscillator 400 of the present embodiment, like the laser oscillator 100 of the first embodiment, by using the saturable absorber 20, a short pulse laser can be oscillated by passive Q-switching. can do. Also, by joining the laser medium 10 and the saturable absorber 20, there is an advantage that the size of the device can be reduced. Moreover, when a short pulse laser is oscillated by passive Q-switching, the pulse width can be shortened because the pulse width is proportional to the length of the resonator 60 .

（第４の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態に係るレーザ発振器４００では、励起光が照射される向きとレーザ光が放出される向きとが同じである例について説明した。レーザ発振器４００は、レーザ光を放出することができればよく、図１０に示すように、励起光が照射される向きとレーザ光が放出される向きとが逆向きであってもよい。この場合、例えば、励起用光源４０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０と、の間に、反射鏡４６が光軸に対して４５°傾けて配置されている。反射鏡４６は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する平面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。このようにすることで、装置のレイアウトに合わせた設計が容易になる。 (Modification of the fourth embodiment)
In the laser oscillator 400 according to the above-described embodiment, an example has been described in which the direction in which the excitation light is emitted is the same as the direction in which the laser light is emitted. The laser oscillator 400 only needs to emit laser light, and as shown in FIG. 10, the direction in which the excitation light is emitted may be opposite to the direction in which the laser light is emitted. In this case, for example, a reflecting mirror 46 is arranged between the excitation light source 40 and the laser medium 10 and saturable absorber 20 at an angle of 45° with respect to the optical axis. The reflecting mirror 46 is a plane mirror having a transparent plate and a dielectric film formed on the transparent plate. is reflected. By doing so, it becomes easy to design according to the layout of the device.

（変形例）
上述の実施の形態のレーザ発振器１００から４００では、レーザ媒質１０、１１が、固体であり、励起用光源４０がレーザ媒質１０、１１に励起光を供給する例について説明した。レーザ媒質１０、１１は、誘導放出により光を放出できればよく、ガス等を媒質にしてもよい。また、レーザ媒質１０、１１は、誘導放出により光を放出できればよく、励起用光源４０から励起光を供給する代わりに、放電、電子衝突、電流の注入などにより励起されてもよい。 (Modification)
In the laser oscillators 100 to 400 of the above-described embodiments, the laser media 10 and 11 are solid, and the excitation light source 40 supplies the laser media 10 and 11 with excitation light. The laser media 10 and 11 may be gas or the like as long as they can emit light by stimulated emission. Moreover, the laser media 10 and 11 may emit light by stimulated emission, and instead of supplying excitation light from the excitation light source 40, they may be excited by discharge, electron collision, current injection, or the like.

以下、Ｄｙ３＋を含む可飽和吸収体２０を代表して、Ｄｙを添加したＣａＦ２のセラミックス試料の効果を実証した。また、Ｄｙを添加したＣａＦ２のセラミックス試料を用いたレーザ発振器１００の効果を実証した。この実施例は、本開示の一実施態様を示すものであり、本開示は何らこれらに限定されるものではない。 The effect of the Dy-added CaF 2 ceramic sample was demonstrated below as a representative of the saturable absorber 20 containing Dy 3+ . Also, the effect of the laser oscillator 100 using a ceramic sample of CaF 2 doped with Dy was demonstrated. This example shows one embodiment of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto.

可飽和吸収体２０として、Ｄｙを添加したＣａＦ２の実施例のセラミックス試料を作成した。実施例１のＤｙの含有率は、０．５ａｔ％であり、実施例２のＤｙの含有率は、１ａｔ％であり、実施例３のＤｙの含有率は、２ａｔ％であり、実施例４のＤｙの含有率は、３ａｔ％であった。 As the saturable absorber 20, a Dy-added CaF 2 ceramic sample was prepared. The Dy content in Example 1 was 0.5 at%, the Dy content in Example 2 was 1 at%, the Dy content in Example 3 was 2 at%, and Example 4 was 3 at %.

実施例１のセラミックス試料は、粉末のＣａＦ２に０．５ａｔ％含有率でＤｙを添加したものを混合し、混合したものを成型および加圧焼成して作成した。詳細には、ＣａＦ２に０．５ａｔ％含有率でＤｙを含む粉末を冷間静水圧プレスにより加圧して成型した。つぎに、成型した試料を窒素中で仮焼成を実施した。つぎに、仮焼成した試料を熱間静水圧プレスにより大気中で加圧焼成した。実施例２～３のセラミックス試料についても、実施例１と同様に、粉末のＣａＦ２にそれぞれの含有率のＤｙを添加して作成した。実施例１～４の形状は、厚さ３ｍｍの円盤状であった。 The ceramic sample of Example 1 was prepared by mixing powdered CaF 2 with Dy added at a content of 0.5 at %, molding the mixture, and firing under pressure. Specifically, a powder containing Dy at a content of 0.5 at % in CaF 2 was pressed and molded by cold isostatic pressing. Next, the molded sample was calcined in nitrogen. Next, the calcined sample was pressure-fired in the air by hot isostatic pressing. The ceramic samples of Examples 2 and 3 were prepared in the same manner as in Example 1 by adding Dy of each content to CaF 2 powder. The shape of Examples 1 to 4 was disc-shaped with a thickness of 3 mm.

実施例１～４のセラミックス試料の透過率、散乱係数および吸収係数（定常状態）を測定した。測定した透過率を図１１、散乱係数を図１２、吸収係数を図１３、吸収係数とＤｙの含有率の関係を図１４に示す。Ｄｙの含有率が大きくなるに従い、透過率は小さくなっており、実施例１～４のセラミックス試料は、Ｄｙの含有率により透過率を制御可能であることを示した。また、散乱係数については、２９００ｎｍにおいて０．０１～０．０５ｃｍ－１であり、Ｄｙの含有率との相関は見られなかった。また、吸収係数において、吸収極大波長は２８３０ｎｍであり、実施例１～３において波長２．５μｍ～３．２μｍ、実施例４において波長２．５μｍ～３．５μｍに渡って連続的かつ広帯域な吸収特性を有していた。このことは、Ｄｙ：ＣａＦ２可飽和吸収体が、波長２．５μｍ～３．５μｍで発振するレーザに適用可能であることを意味している。また、２８３０ｎｍ、２９００ｎｍ、２７００ｎｍ、３０００ｎｍおよび２６００ｎｍにおいて、吸収係数は、Ｄｙの含有率に比例していることがわかった。このことから、吸収率や変調度は、Ｄｙの含有率やセラミックス試料の厚さを調節することで精度よく制御可能であることがわかった。また、実施例１～４のセラミックス試料の何れも、９５０ｎｍ～１０２０ｎｍで吸収が観測されず、励起光を吸収しないことがわかった。 The transmittance, scattering coefficient and absorption coefficient (steady state) of the ceramic samples of Examples 1-4 were measured. The measured transmittance is shown in FIG. 11, the scattering coefficient is shown in FIG. 12, the absorption coefficient is shown in FIG. 13, and the relationship between the absorption coefficient and the Dy content is shown in FIG. As the Dy content increased, the transmittance decreased, indicating that the transmittance of the ceramic samples of Examples 1 to 4 could be controlled by the Dy content. Moreover, the scattering coefficient was 0.01 to 0.05 cm −1 at 2900 nm, and no correlation with the Dy content was observed. In addition, in the absorption coefficient, the maximum absorption wavelength is 2830 nm, the wavelength of 2.5 μm to 3.2 μm in Examples 1 to 3, and the continuous and broadband absorption over the wavelength of 2.5 μm to 3.5 μm in Example 4 had characteristics. This means that the Dy:CaF 2 saturable absorber is applicable to lasers oscillating at wavelengths between 2.5 μm and 3.5 μm. It was also found that the absorption coefficient is proportional to the Dy content at 2830 nm, 2900 nm, 2700 nm, 3000 nm and 2600 nm. From this, it was found that the absorptance and the degree of modulation can be accurately controlled by adjusting the Dy content and the thickness of the ceramic sample. In addition, none of the ceramic samples of Examples 1 to 4 showed absorption at 950 nm to 1020 nm, indicating that they do not absorb the excitation light.

つぎに、波長２９２０ｎｍの連続波レーザ光を用いて、実施例１のセラミックス試料の透過率の入射強度依存性を測定した。測定した過飽和吸収特性を図１５に示す。顕著な非線形吸収が観測され、フィッティングにより飽和強度０．３２ＭＷ／ｃｍ２、変調度４．７％、非飽和損失３．０％が導出された。グラフェンの飽和強度は０．７ＭＷ／ｃｍ２、変調度は１．５％未満であることが知られている。実施例１のセラミックス試料の変調度は、グラフェンの変調度より大きく、実施例１のセラミックス試料の飽和強度は、グラフェンの飽和強度より小さいことがわかった。従って、実施例１のセラミックス試料の飽和吸収特性は、グラフェンの飽和吸収特性より優れていることがわかった。 Next, using a continuous wave laser beam with a wavelength of 2920 nm, the incident intensity dependency of the transmittance of the ceramic sample of Example 1 was measured. FIG. 15 shows the measured supersaturated absorption characteristics. Significant nonlinear absorption was observed, and a saturation intensity of 0.32 MW/cm 2 , a modulation index of 4.7%, and a non-saturation loss of 3.0% were derived by fitting. It is known that graphene has a saturation intensity of 0.7 MW/cm 2 and a modulation depth of less than 1.5%. It was found that the modulation of the ceramic sample of Example 1 was larger than that of graphene, and the saturation intensity of the ceramic sample of Example 1 was smaller than that of graphene. Therefore, it was found that the saturated absorption characteristics of the ceramic sample of Example 1 were superior to those of graphene.

つぎに、実施例１のセラミックス試料を用いて、受動Ｑスイッチパルスレーザの実証を、図１に示す構造のレーザ発振器１００を用いて行った。可飽和吸収体２０として、実施例１のセラミックス試料を用いた。レーザ媒質１０の光軸方向の長さＬ１は、８ｍｍ、可飽和吸収体２０の光軸方向の長さＬ２は、３ｍｍ、共振器３０の反射鏡３１から出力鏡３２の光軸方向の長さＬ３は、１５ｍｍであった。また、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ３の結晶を用い、励起用光源４０から９７６ｎｍのレーザ光を励起光として照射した。出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された光の９５％を反射し、５％を透過するものを用いた。実施例１のセラミックス試料は励起光を吸収しないため、直線形状で比較的長さの短い共振器を構成できた。受動Ｑスイッチの場合、発振パルス幅は共振器の長さに反比例するため、高いピーク出力を得るためには共振器の短縮化は重要である。 Next, using the ceramic sample of Example 1, demonstration of a passive Q-switched pulsed laser was performed using a laser oscillator 100 having the structure shown in FIG. As the saturable absorber 20, the ceramic sample of Example 1 was used. The length L1 of the laser medium 10 in the optical axis direction is 8 mm, the length L2 of the saturable absorber 20 in the optical axis direction is 3 mm, and the length of the resonator 30 from the reflector 31 to the output mirror 32 in the optical axis direction. L3 was 15 mm. Also, a crystal of Er:YAlO 3 was used as the laser medium 10, and a laser beam of 976 nm was irradiated from the excitation light source 40 as excitation light. The output mirror 32 used reflects 95% of the light stimulated emission from the laser medium 10 and transmits 5% of the light. Since the ceramic sample of Example 1 does not absorb the excitation light, a linear resonator having a relatively short length could be constructed. In passive Q-switching, the oscillation pulse width is inversely proportional to the length of the resonator, so shortening the resonator is important for obtaining high peak output power.

励起用光源４０から励起光を照射すると、レーザ発振器１００は、２．８μｍのパルスレーザを発振した。Ｑスイッチ実証実験で得られた中赤外レーザパルスの時間波形を図１６および図１７に示す。繰り返し周波数は、２０８ｋＨｚであった。励起用光源４０から５．６Ｗの励起光を照射した場合、パルス幅は７４０ｎｓであり、励起用光源４０から１１．７Ｗの励起光を照射した場合、パルス幅は２２０ｎｓであった。Ｑスイッチングに起因した安定なパルス列が得られ、パルス幅は最短で２２０ｎｓであった。また、図１８に示すように、励起光のゲインの増加に伴って、パルス幅が短くなり、繰り返し周波数が増加した。これは、一般的な受動Ｑスイッチレーザの挙動であり、Ｄｙ：ＣａＦ２の可飽和吸収体利用による中赤外パルス動作が実証された。また、図１９に示すように、ゲインの増加に伴って、パルスエネルギーおよびピークパワーも増加した。また、２．５％、５％および１０％の光を透過する出力鏡３２を用いて、ゲインに対する平均出力パワーをそれぞれ測定した。この結果を図２０に示す。ゲインに対する平均出力パワーは、５％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、最も大きく、１０％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、次に大きく、２．５％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、最も小さかった。 When the excitation light was applied from the excitation light source 40, the laser oscillator 100 oscillated a pulse laser of 2.8 μm. Time waveforms of mid-infrared laser pulses obtained in Q-switch demonstration experiments are shown in FIGS. 16 and 17. FIG. The repetition frequency was 208 kHz. When the excitation light of 5.6 W was emitted from the excitation light source 40, the pulse width was 740 ns, and when the excitation light of 11.7 W was emitted from the excitation light source 40, the pulse width was 220 ns. A stable pulse train due to Q-switching was obtained, and the shortest pulse width was 220 ns. Moreover, as shown in FIG. 18, the pulse width became shorter and the repetition frequency increased as the gain of the excitation light increased. This is the behavior of a typical passive Q-switched laser, and mid-infrared pulsed operation was demonstrated using a Dy: CaF2 saturable absorber. Moreover, as shown in FIG. 19, the pulse energy and the peak power increased as the gain increased. Also, using output mirrors 32 transmitting 2.5%, 5% and 10% of light, the average output power versus gain was measured respectively. This result is shown in FIG. The average output power to gain is highest with the output mirror 32 transmitting 5% of the light, and next highest with the output mirror 32 transmitting 10% of the light, at 2.5% of the light. was the smallest with the output mirror 32 that transmits .

以上のように、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度、優れた変調度を得ることができることがわかった。また、Ｄｙ３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能であることがわかった。また、レーザ発振器１００は、Ｄｙ３＋を含む可飽和吸収体２０を用いることで、受動Ｑスイッチングにより２．８μｍの短パルスレーザを発振することができることがわかった。また、Ｄｙ３＋などの希土類金属イオンは、内殻軌道の電子遷移によって光吸収することから、吸収波長帯の母材依存が少ない。そのため、実施例１～４で用いたＣａＦ２に限らず、他の母材を選択することも可能であると考えられる。 As described above, it was found that the saturable absorber 20 containing Dy 3+ has high excitation light transmittance, low saturation intensity, and excellent modulation. It was also found that the degree of modulation can be accurately controlled by adjusting the content of Dy 3+ . It was also found that the laser oscillator 100 can oscillate a 2.8 μm short-pulse laser by passive Q-switching by using the saturable absorber 20 containing Dy 3+ . In addition, since rare earth metal ions such as Dy 3+ absorb light by electron transition of core orbitals, the absorption wavelength band is less dependent on the base material. Therefore, it is considered possible to select not only CaF 2 used in Examples 1 to 4 but also other base materials.

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broader spirit and scope of the invention. Moreover, the embodiment described above is for explaining the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and within the meaning of equivalent inventions are considered to be within the scope of the present invention.

１０、１１…レーザ媒質、１２…ＦＢＧ、２０、２１…可飽和吸収体、３０、５０、６０…共振器、３１、３３～３５、４２、４４、４６、５１、５１’、６１…反射鏡、３２、５２、６２…出力鏡、４０、４３…励起用光源、４１、４５…レンズ、１００、２００、３００、４００…レーザ発振器 10, 11... Laser medium 12... FBG 20, 21... Saturable absorber 30, 50, 60... Resonator 31, 33 to 35, 42, 44, 46, 51, 51', 61... Reflector , 32, 52, 62... Output mirror 40, 43... Excitation light source 41, 45... Lens 100, 200, 300, 400... Laser oscillator

Claims (9)

赤外波長用の可飽和吸収体であって、
酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物またはこれらの２以上の混合物を含む母材と、
前記母材に０．５ａｔ％～３ａｔ％の割合で含まれるＤｙ３＋ と、
を有することを特徴とする可飽和吸収体。 A saturable absorber for infrared wavelengths, comprising:
a base material comprising one compound selected from the group consisting of oxides, fluorides, chlorides, bromides, chalcogenides or a mixture of two or more thereof;
Dy 3+ contained in the base material at a rate of 0.5 at % to 3 at % ;
A saturable absorber characterized by having 前記母材は、フッ化物を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収体。 The base material contains a fluoride ,
The saturable absorber according to claim 1, characterized by: ２．８μｍの波長を含む光において、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の可飽和吸収体。 In light containing a wavelength of 2.8 μm, it acts as an absorber for low-intensity incident light, and acts as a transparent body by saturating the ability as an absorber for high-intensity incident light.
3. The saturable absorber according to claim 1 or 2 , characterized in that: 表面に反射防止膜を備える、
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の可飽和吸収体。 Equipped with an anti-reflection film on the surface,
The saturable absorber according to any one of claims 1 to 3 , characterized by: 請求項１から４の何れか１項に記載の可飽和吸収体と、
誘導放出により光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を挟み込むように配置される共振器と、
を備えることを特徴とするレーザ発振器。 A saturable absorber according to any one of claims 1 to 4 ;
a laser medium that amplifies light by stimulated emission;
a resonator arranged to sandwich the laser medium and the saturable absorber;
A laser oscillator comprising: 前記共振器の全長は、前記可飽和吸収体の回復時間に光の速度を掛けた長さの２分の１より長い、
ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ発振器。 the total length of the resonator is greater than half the recovery time of the saturable absorber multiplied by the speed of light;
6. The laser oscillator according to claim 5 , characterized in that: 前記レーザ媒質は、ファイバー形状を有し、励起光を吸収して光を誘導放出するコアと、コアより屈折率の低いクラッドと、を備え、
前記可飽和吸収体は、前記レーザ媒質の一端部に配置される、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ発振器。 The laser medium has a fiber shape and includes a core that absorbs excitation light and induces light emission, and a clad that has a lower refractive index than the core,
the saturable absorber is disposed at one end of the laser medium;
7. The laser oscillator according to claim 5 or 6 , characterized in that: 前記可飽和吸収体は、前記レーザ媒質の前記一端部を保護する機能をさらに有する、
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ発振器。 The saturable absorber further has a function of protecting the one end of the laser medium,
8. The laser oscillator according to claim 7 , characterized by: 前記共振器は、誘導放出された光を反射する反射鏡と、光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡と、を有し、
前記可飽和吸収体は前記反射鏡の表面に配置され、
前記可飽和吸収体および前記反射鏡は、可飽和吸収ミラーを構成する、
ことを特徴とする請求項５から８の何れか１項に記載のレーザ発振器。 The resonator has a reflecting mirror that reflects stimulated emission light and an output mirror that can extract part of the light to the outside,
the saturable absorber is disposed on the surface of the reflector;
The saturable absorber and the reflector constitute a saturable absorber mirror,
9. The laser oscillator according to any one of claims 5 to 8 , characterized in that:
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