JPH02192191A - クリソベリル固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はクリソベリル固体レーザに関し、詳しくは、３
価のチタンイオンを発光イオンとして含有するクリソベ
リル（ＢｅＡＪ２０４　）単結晶からなるレーザホスト
、励起光発生手段およびレザキャビティを備え、そのレ
ーザホストを、クリソベリル単結晶のｂ軸方向とレーザ
キャビティ内で増幅されている光のレーザホスト内の経
路との位置関係を特定して配置せしめることによって、
偏光方向が特定の方向に集中している発振レーザ光が得
られるクリソベリル固体レーザに関する。

［従来技術および発明が解決しようとする課題］固体レ
ーザは小型で大出力であり、また装置の保守が容易であ
り、しかも安定性に優れているため、工業的にも応用分
野が拡がりつつある。

このうち、３価のチタンイオンを発光イオンとして使用
する固体レーザは、発振波長の同調範囲が連続的にかつ
極めて広い範囲で実現でき、様々な用途への応用が期待
される。その中でも極めて有望な固体レーザホストとし
て、３価のチタンイオンをドープしたクリソベリル単結
晶が本発明者等によって提案されている（特開昭８２−
２１［１２８ｆｉ号公報）。この単結晶は５００ｎｍを
中心とした広い吸収帯を有し、６００ｎｍから　９００
ｎｍを超える広い領域で発光し、この幅広い領域で同調
可能な波長可変固体レーザが期待される。

他方、レーザにおいて第２高調波を発生させる際に非線
型結晶に入射させる基本波長の励起光は特定方向に偏光
していた方が効率が良いこと等から、特定方向に偏光さ
れた発振レーザ光に対するニーズが高まってきた。そこ
で従来は、特定方向に偏光された発振レーザ光を得るた
めに発振レーザ光を偏光プリズム、偏光板等の偏光子を
通して、発振レーザ光から偏光方向が特定のもののみを
選択的に取り出していた。しかし、発振レーザ光を偏光
子に通すことによって著しい効率の低下を招いていた。

また、従来は、ある程度偏光方向が特定の方向に集中し
ている発振レーザ光が得られる手段として、レーザホス
トにブリュースター角を持たせる手段があった。しかし
、レーザホストにブリュースター角を持たせる加工には
高度な技術が要求され、さらには工程数が増加してレー
ザのコスト高を招いていた。

本発明はかかる現状に鑑みて行なわれたものであり、上
記の従来の手段を用いずとも偏光方向が特定の方向に集
中している発振レーザ光が簡便に得られ、さらには特定
方向に偏光された発振レーザ光を効率良く得ることが可
能となるクリソベリル固体レーザを提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の上記目的は、３価のチタンイオンを発光イオン
として含有するクリソベリル単結晶からなるレーザホス
ト、励起光発生手段およびレーザキャビティを備えるク
リソベリル固体レーザにおいて、そのレーザホストを、
クリソベリル単結晶のｂ軸方向とレーザキャビティ内で
増幅されている光のレーザホスト内の経路との位置関係
を特定して配置することによって達成される。

すなわち本発明は、 ａ）発光イオンとして３価のチタンイオンを０．０１〜
１．０重量％含有する少なくとも　１個のクリソベリル
単結晶からなるレーザホストと、 ｂ）該発光イオンを励起して光を発生させるための励起
光発生手段と、 Ｃ）前記発光イオンから発せられた光を増幅して発振レ
ーザ光を発生させるためのレーザキャビティ とを備えるレーザであって、該クリソベリル単結晶のｂ
軸方向が、前記レーザキャビティ内で増幅されている光
の該レーザホスト内の経路から３０゜以上離れるように
該レーザホストを配置したことを特徴とするクリソベリ
ル固体レーザにある。

本発明においてレーザホストとして用いられる８価のチ
タンイオンを含有するクリソベリル単結され、その格子
定数はａ＝０．５４７８ｒ＋ｍ５ｂ−０．９４０４ｎｍ
。

ｃ＝０．４４２５ｎｍである。また、かかるクリソベリ
ル単結晶においてａ軸、ｂ軸、ａ軸のそれぞれの軸方向
は直交している。

本発明に供せられるクリソベリル単結晶は、チョクラル
スキー法、浮遊帯域融解法等で育成されるが、大型で高
品質のクリソベリル単結晶を得るにはチョクラルスキー
法が好適に採用される。例えば、チョクラルスキー法に
おいては、下記の原料をイリジウム製のるつぼ内に入れ
、高周波誘導加熱型チョクラルスキー類等の中で溶融さ
せる。

そして、原料が完全に溶融した後に種結晶をゆっくりと
回転させながら溶融物の表面と接触させ、続いてゆっく
りと引き上げてクリソベリル単結晶を育成させる方法が
一般的である。また、この際の育成条件の選択によって
、含有物や偏析物を含まない３価のチタンイオンを含有
するクリソベリル単結晶が良好に得られる。育成の際の
雰囲気は、水素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、または
これらの混合ガス等の雰囲気が一般的であり、育成系内
の酸素分圧を１０−９〜１０−１７とすることが好まし
い。

ここに用いられる原料としては、酸化ベリリウム（Ｂ　
ｅ　Ｏ）と酸化アルミニウム（Ａ）２０３）であり、こ
れに発光イオンとして酸化チタン（ｍ）（Ｔｉ２０３）
を加える。３価のチタンイオンは単結晶中に０．０１〜
１．０重量％含有されることが必要であり、チタンイオ
ンの含有量が０，０１重量％より小さいと発光が弱く実
用上使用できない。また、チタンイオンの含有量が１．
０重量％を超えると、クリソベリル単結晶からなる母材
の発振波長領域の残存吸収係数が増加するので好ましく
ない。

本発明にあっては、上記の３価のチタンイオンを含有す
るクリソベリル単結晶からレーザホストを得る。その際
、レーザを構成する時に、クリソベリル単結晶のｂ軸方
向とレーザキャビティ内で増幅されている光のレーザホ
スト内の経路との位置関係を後述する特定条件で良好に
配置せしめることができるようにレーザホストを調製す
る。その具体的な方法に関しては任意であるが、例えば
、クリソベリル単結晶をそのｂ軸方向を考慮してロッド
状、板状、角柱状等の型にカットし、レーザを構成した
時に励起光またはレーザキャビティ内で増幅されている
光が通過する面を光学研磨した後、必要に応じて誘電体
薄膜の蒸着等の処理を施す方法が好適である。上記のレ
ーザを構成した時に励起光等の光が通過する面のカット
に関しては特に制限されず、通常の垂直なカットまたは
ブリュースター角を持たせたカットであっても良い。

ブリュースター角を持たせる場合はｂ軸方向に偏光した
光の反射率が小さくなるようにすることが好ましい。ま
た、得られるレーザホストは、　１個のクリソベリル単
結晶からなるものであっても、複数のものを組み合わせ
てなるものであっても構わない。

本発明では、このレーザホストを、クリソベリル単結晶
のｂ軸方向か、レーザキャビティ内で増幅されている光
のレーザホスト内の経路から３０゜以上離れるように、
好ましくは６０°以上離れるように、特に好ましくは９
０°すなわち垂直となるように配置することが必要であ
る。換言すれば、本発明においてレーザホストは、クリ
ソベリル単結晶のｂ軸方向と、クリソベリル単結晶内の
発光イオンから発せられてレーザキャビティ内で増幅さ
れている光のレーザホスト内の経路とのなす角度（上記
のｂ軸方向と光の経路とのなす角度のうち小さい方の角
度）が３０〜９０°、好ましくは６０〜９０°、特に好
ましくは９０°となるように配置されることが必要であ
る。クリソベリル単結晶のｂ軸方向が前記の光の経路か
ら３０°より少ししか離れていないと、すなわちクリソ
ベリル単結晶のｂ軸方向と前記の光の経路とのなす角度
が０°以上８０°未満の場合は、得られる発振レーザ光
の偏光方向が特定の方向に良好に集中しない。

また、本発明にあっては、レーザホストを上記の条件を
満たして配置できるようにレーザキャビティを構成する
必要があるが、その具体的な構成は任意であり、通常使
用されるレーザキャビティと同様の構成であっても構わ
ない。

さらに、本発明の固体レーザにおいては、クリソベリル
単結晶内の発光イオンを励起するための励起光の発生手
段が必要である。この励起光としては、単結晶の吸収帯
である５００ｎｍ付近の波長を含む励起ランプ光または
５００ｎｍ付近の励起レーザ光が使用される。励起ラン
プ光の発生手段としてはキセノンフラッシュランプ等、
励起レーザ光の発生手段としてはＱスイッチＹＡＧレー
ザ（第２高調波）、アルゴンレーザ、銅蒸気レーザ等が
好適に使用される。上述の励起光とレーザホストとの位
置関係は任意であり、励起光によってレーザホスト内の
発光イオンが励起されて光が良好に発せられれば良い。

本発明のクリソベリル固体レーザは、上記のレーザホス
ト、励起光発生手段およびレーザキャビティを備え、そ
の際、前述のごとく、クリソベリル単結晶のｂ軸方向が
、レーザキャビティ内で増幅されている光のレーザホス
ト内の経路から３０゜以上離れるようにレーザホストを
配置することが必要である。その他の具体的な構成に関
しては特に制限はなく、通常の固体レーザの構成と同様
であっても構わない。

［実施例］ 以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する
。

実施例１ 原料として、純度９９．９９％の酸化ベリリウム、純度
９９．９９９％の酸化アルミニウム、純度９９．９％の
酸化チタン（ｍ）をそれぞれ１９．５重量％、７９．４
重量％、１．１重量％となるようにイリジウム製のるつ
ぼ内に入れ、育成系内の酸素分圧が１０−１１となるよ
うに調製された窒素および水素からなるガスを導入した
高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉内で溶融した。原
料が完全に溶融した後、種結晶をゆっくりと回転させな
がら溶融物の表面と接触させ、続いて０．５ｍｍ／ｈｒ
の速度で引き上げることによって８価のチタンイオンを
含有するクリソベリル単結晶を得た。なお、本単結晶の
融点は１８７０℃近傍なので、単結晶の育成はこの温度
近傍で行なわれた。

このようにして得られたクリソベリル単結晶をカットし
て４ｍφＸ４０ｍ、ｆ’のロッドを製作した。

その際、クリソベリル単結晶のａ軸方向とｂ軸方向がロ
ッドの長手方向と垂直となるように調製し、両端面は垂
直にカットした。さらに、得られたロッドの両端面を光
学研磨した後、８３０±５０ｎｍと５００ｎｍ付近にお
いて高透過率となるように誘電体薄膜を蒸着してレーザ
ホストを得た。このレーザホストを、レーザホストの両
端面の中心を結んだ線を軸として３６０°回転させるこ
とが可能なホルダーにとりつけ、励起光源等と共に固体
レーザを構成し、得られる発振レーザ光を評価するため
の実験装置を構成した。第１図にその実験装置の構成図
を示す。

第１図において、１は固体レーザ、２は励起光源、３は
グラントムソンプリズム、４は集光レンズ、５はレーザ
キャビティ、６はレーザホスト、７は励起光の経路、８
はレーザキャビティ５内で増幅されている光の経路、９
は発振レーザ光の経路、１０〜１２はキャビティミラー
、１３は偏光板、１４はパワーメーターをそれぞれ示す
。

固体レーザ１は、励起光源２、グラントムソンプリズム
３、集光レンズ４、レーザキャビティ５、レーザホスト
６から構成されている。その詳細を下記に示す。

すなわち、励起レーザ光７としてはＱスイッチＹＡＧレ
ーザの第２高調波（５３２ｎｍ　）を用いた。励起光源
２から発せられた励起レーザ光７は、グラントムソンプ
リズム３を通過することによって一定の偏光方向Ｅ（水
平方向）に揃えられた後、焦点距離８０ｃｍの集光レン
ズ４で、レーザキャビティ５内に配置されたレーザホス
ト６に集光される。

そして、励起レーザ光７によってレーザホスト６内の３
価のチタンイオンが励起されて光が発せられ、その光は
レーザキャビティ５内を往復して増幅された後に（レー
ザキャビティ５内で増幅されている光の経路を８で示す
）、レーザキャビティ５から発振レーザ光９　（８００
〜８８５ｎｍ　）として出力される。

ここで、レーザホスト６は、第１図に示すように、レー
ザキャビティ５内で増幅されている光の経路８上に長手
方向に真っすぐに配置して、クリソベリル単結晶のａ軸
方向とｂ軸方向が、レーザキャビティ５内で増幅されて
いる光のレーザホスト６内の経路８に対して垂直となる
ようにした。

また、レーザキャビティ５は、８３０±５０ｎｍの波長
の光を１００％００％反射−ト付の曲率半径２００　ｃ
ｍのキャビティミラー１０、ＨＯ±５０ｎｍの波長の光
を１００％００％反射−ト付の曲率半径１００　ａｍの
キャビティミラー１１、および８８０±５０ｎｍの波長
の光を９９％反射するコート付の曲率半径無限大（平面
）のキャビティミラー１２（出力ミラー）の３枚のミラ
ーから構成されている。

さらに、固体レーザ１から得られる発振レーザ光９を評
価するために、固体レーザ１は偏光板１３、パワーメー
ター１４と共に第１図に示す実験装置を構成する。すな
わち、固体レーザ１から得られた発振レーザ光９は偏光
板１３を通過した後、パワーメーター１４によってその
強度を測定される。ここで、偏光板１３はその中心を通
る発振レーザ光９を軸として３６０°回転可能なように
ホルダーにマウントされており、発振レーザ光９のうち
任意の偏光方向のもののみの強度を測定できるように構
成されている。

この実験装置を用いて、レーザホスト６を回転させるこ
とによって励起レーザ光７の偏光方向Ｅとクリソベリル
単結晶のｂ軸方向とを一致させ（ｂ軸方向：水平方向）
、得られる発振レーザ光９の偏光方向ごとの強度（任意
単位）を測定した。

得られた結果を第２図に示す。第２図においては、励起
レーザ光７の偏光方向Ｅと同一の偏光方向（水平方向）
を０９として、発振レーザ光９の進行方向を向いて反時
計回りに０〜３６０°とし、横軸に励起レーザ光７の偏
光方向Ｅ（水平方向）と測定している発振レーザ光９の
偏光方向とのなす角度［０］、縦軸に強度（任意単位）
をそれぞれ示した。

実施例２ 励起レーザ光７の偏光方向Ｅとクリソベリル単結晶のｂ
軸方向とを直交させた（ｂ軸方向：鉛直方向）以外は実
施例１と同様にして、得られる発振レーザ光９の偏光方
向ごとの強度を測定し、得られた結果を第３図に示す。

実施例３ 励起レーザ光７の偏光方向Ｅとクリソベリル単結晶のｂ
軸方向とのなす角度を４５°とした以外は実施例１と同
様にして、得られる発振レーザ光９の偏光方向ごとの強
度を測定し、得られた結果を第４図に示す。

実施例１〜３の結果から明らかなように、励起レーザ光
の偏光方向Ｅとクリソベリル単結晶のｂ軸方向とのなす
角度に関係なく、得られる発振レーザ光は常にクリソベ
リル単結晶のｂ軸方向に集中して偏光していることがわ
かる。

［発明の効果］ 以上説明したように、３価のチタンイオンを発光イオン
として含有するクリソベリル単結晶からなるレーザホス
ト、励起光発生手段およびレーザキャビティを備え、そ
のレーザホストを、クリソベリル単結晶のｂ軸方向とレ
ーザキャビティ内で増幅されている光のレーザホスト内
の経路との位置関係を特定して配置した本発明のクリソ
ベリル固体レーザによって、偏光方向が特定の方向（ク
リソベリル単結晶のｂ軸方向）に集中している発振レー
ザ光を簡便に得ることが可能である。

また、本発明のクリソベリル固体レーザで得られる発振
レーザ光は、偏光方向が特定の方向に集中しているので
偏光子を通しても効率の低下が小さく、従って、本発明
のクリソベリル固体レーザを使用すると特定方向に偏光
された発振レーザ光を極めて効率良く得ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例において使用された実験装
置の構成図であり、 第２〜４図は、それぞれ実施例１〜３において、励起レ
ーザ光の偏光方向と測定している発振レーザ光の偏光方
向とのなす角度に対する発振レーザ光の強度の関係を示
すグラフである。 １：固体レーザ、２：励起光源、 ３ニゲラントムソンプリズム、４：集光レンズ、５：レ
ーザキャビティ、６：レーザホスト、７：励起光（励起
レーザ光）の経路、 ８：レーザキャビティ５内で増幅されている光の経路、 ９：発振レーザ光の経路、 １０〜１２：キャビティミラー １３：偏光板、１４：パワーメーター

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ａ）発光イオンとして３価のチタンイオンを０．０
   １〜１．０重量％含有する少なくとも１個のクリソベリ
   ル単結晶からなるレーザホストと、 ｂ）該発光イオンを励起して光を発生させるための励起
   光発生手段と、 ｃ）前記発光イオンから発せられた光を増幅して発振レ
   ーザ光を発生させるためのレーザキャビティ とを備えるレーザであって、該クリソベリル単結晶のｂ
   軸方向が、前記レーザキャビティ内で増幅されている光
   の該レーザホスト内の経路から３０°以上離れるように
   該レーザホストを配置したことを特徴とするクリソベリ
   ル固体レーザ。