JPH04163979A - コンポジットスラブレーザ媒体及びレーザ装置 - 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、ドープ層の厚さを最適にして良質のレーザ光
を高効率で得ることを可能にしたコンポジットスラブレ
ーザ媒体及び該レーザ媒体を用いたレーザ装置に関する
。

［従来の技術］ 従来より、レーザ活性イオンドープ層の間に、非ドープ
層を挾み込んだ構造をなすコンポジットスラブレーザ媒
体は知られている（例えば、Ｊ。

Ｌ、Ｅｍｍｅｔｔ、Ｗ、Ｆ、Ｋｒｕｐｋｅ　　ａｎｄ　
　Ｗ、　Ｒ，５ｏｏｙ、　　”Ｔｈｅ　Ｐｏｔｅｎｔｉ
ａｌ　ｏｆ　ｈｉｇｈ−Ａｖｅｒａｇｅ−Ｐｏｗｅｒ　
５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｌａ５ｅｒｓ”、ＬＬＮＬ、
　ＵＣＲＬ　−５３５７１、ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
　ｃａｔｅｇｏｒｙ　ＵＣ−２１，２２参照）。

この、コンポジットスラブレーザ媒体は、厚みを極めて
薄くしたドープ層のみからなるモノリシックスラブレー
ザ媒体と同等の低い熱蓄積性と、厚いモノリシックスラ
ブレーザ媒体と同等の高い機械的剛性とを合せ持つこと
から、種々の分野での応用が期待されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このコンポジットスラブレーザ媒体の特徴を
十分生かすためには、例えば、ドープ層の組成を適切な
ものにするとともに、レーザ媒体の幅（Ｗ＞や全体の厚
さ（Ｔ）に対するドープ層の厚さ（１）等の関係を最適
なものに設定する必要がある。モノリシックスラブレー
ザ媒体の場合には比較的研究が進んでおり、また、構成
も単純であることから、このような点についての最適条
件も比較的解明されている。

ところが、コンポジットスラブレーザ媒体の場合には、
モノリシックスラブレーザ媒体の場合と条件が大きく異
なるため、モノリシックスラブレーザ媒体の手法をその
まま適用できず、最適条件はもとより、最適条件を見つ
けるための手法すら解明されていない。すなわち、例え
ば、実質的なドープ層の長さ（ビーム方向の長さ；Ｌ）
、幅（Ｗ＞厚さ（１）及びイオンドープ量等をモノリシ
ックスラブレーザ媒体と同じにしても、モノリシックス
ラブレーザ媒体に比べ、ビームの光路のうちドープ層（
利得の得られる部分）の中を通る長さであるゲイン長が
短くなり、利得が減少する。

また、熱蓄積または機械的剛性と利得とは、定量的比較
または関係材ばか困難である。

本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、ド
ープ層の厚さを最適にすることによって良質のレーザ光
を高効率で得ることを可能にしたコンポジットスラブレ
ーザ媒体及び該レーザ媒体を用いたレーザ装置を提供す
ることを目的としたものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、以下の各構成とすることにより、上述の課題
を解決している。

（１）実質的にレーザ活性物質を含まない非ドープ層の
両側に、該非ドープ層を挟むようにしてレーザ活性物質
を含むドープ層を形成し、これらドープ層が外部と接す
る２つの面を互いに平行な面にし、これら２つの面を反
射面としてこれら反射面で交互に反射を繰り返し、内部
でジグザグ状の光路を形成して進行するレーザ光を外部
に取り出すことにより、レーザ発振または光増幅を行う
コンポジットスラブレーザ媒体において、 前記ドープ層（片側）の厚さをｔ、 このレーザ媒体の利得をｇとそれぞれし、前記ドープ層
の厚さｔを横軸に取り、レーザ媒体の利得ｇを縦軸にと
ったときに得られる両者の関係を示す曲線Ｆ（ｔ）上で
、 利得ｇ及び厚さｔが実質的にゼロを示す点からｔが増大
するつれてｇが急激に増大する領域の一部を直線近似し
たときに得られる直線Ｓ１が前記曲線Ｆ（ｔ）からずれ
始めるずれ開始点ｐ１におけるｔの座標をｔｌとし、 また、前記曲線Ｆ（ｔ）上においてｔをｔｌより増大し
ていったときにｔの増大に対して利得ｇの増大度合が次
第に減少して略一定になるが、この略一定となった領域
の一部を直線近似したときに得られる直線Ｓ２が前記曲
線Ｆ（ｔ）と略一致し始める一致開始点ｐ２におけるｔ
の座標をｔ２としたとき、 前記ドープ層の厚さｔの値を、ほぼ、 ｔ１≦ｔ≦ｔ２ の範囲になるように、選定することを特徴とした構成。

（２）請求項（１）に記載のコンポジットスラブレーザ
媒体において、 ドープ層としてＮｄイオンを６ｗｔ％ドープしたレーザ
ガラスを用い、 ドープ層の厚さｔを、 ０．８ｍｍ≦ｔ≦２．　１ｍｍ としたことを特徴とする構成。

（３）レーザ媒体と、 このレーザ媒体を励起する励起光源と、前記レーザ媒体
と光軸を共通にして該レーザ媒体の両側に配置されるレ
ーザ共振用ミラーとを有するレーザ装置であって、 前記レーザ媒体として、請求項（１）または（２）のい
ずれかに記載のコンポジットスラブレーザ媒体を用いた
ことを特徴とする構成。

［作用］ 前記構成（１）によれば、ドープ層の厚さｔを、ｔ１≦
ｔ≦ｔ２とすることにより、歪みの少ない良質のレーザ
光を効率良く取り出すことができるコンポジットスラブ
レーザ媒体を得ることができる。また、構成（２）によ
れば、波長１．０６μｍで特性のすぐれたレーザ光を極
めて効率良く取り出すことができるコンポジットスラブ
レーザ媒体が得られる。さらに、構成（３）によれば、
歪みの少ない良質なレーザ光を高効率で発振できるレー
ザ装置が得られる。

以下に、第２図ないし第４図を参照にしながらその作用
を詳細に説明する。

まず、ロッドタイプのレーザ媒体に対して、ジグザグパ
ススラブレーザ媒体が提案された最も大きな理由は、ジ
グザグパスによる熱レンズ効果、熱複屈折の相殺であっ
た。すなわち、原理的には、幅及び長さが無限大のジグ
ザグパススラブレーザ媒体は、厚み方向のビーム歪み（
ｄｉｓｔｏｒｔｉ　ｏｎ）を持たない。しかし、実際の
スラブでは、幅も長さも有限であるから、それらによる
ビーム歪みが現れる。入・出力面近傍の励起部と非励起
部の境界面及び幅方向のカット面（以下スラブサイドと
呼ぶ）の近傍の熱源のあるところでは、厚み方向に応力
（張力）が発生している。

ビーム歪みを、ｐ偏光の入力波をレーザ媒体に通したと
きに出てくるＳ偏光の出力波のエネルギに対する割合で
あるディポーラリゼイションで観測すると、幅Ｗ、厚さ
Ｔ、のモノリシックスラブレーザ媒体の横断面における
その発生領域は、おおよそ第２図斜線部のようになる。

一方、ドープ層（片側）の厚さｔのコンポジットスラブ
の場合、ノンドープ層には熱源はなく、温度が一定で、
厚さ方向に自由境界なので、厚さ方向の応力は発生しな
い。従って、ノンドープ層のサイドからディボラリゼイ
ションの発生している領域は、幅Ｗ、厚さＴのスラブ横
断面において、第３図斜線部のようになる。

第３図かられかるように、コンポジットスラブはそのド
ープ厚さが薄いほどよりビームクォリティーが向上する
が、同じ外形寸法、同じドープ量では、モノリシックス
ラブよりもドープイオン数が少なく、また、ゲイン長も
短くなるために、シングルパスゲインが減少する。しか
し、（小信号）利得は、ドープ層厚さｔが減少しても単
純に指数−αを 関数１−ｅ　　　（αは正の定数）に従って減少するの
ではなく、ｔが小さくなると励起光がコンポジットスラ
ブを透過する割合が増え、その透過光がリフレクタによ
り反射され、再びコンポジットスラブを励起する現象が
起こる。

そのために（小信号）利得のドープ層厚さｔに対する変
化は、第４図の実線で示される曲線Ｆ（１）で表される
。第４図において、縦軸は小信号利得ｇ、横軸はドープ
層の厚さｔである。第４図から明らかなように、曲線Ｆ
（ｔ）は、利得ｇ及び厚さｔが実質的にゼロを示す点か
らｔが増大するつれてｇが急激に増大した後、ｇの増加
度合いが次第に減少し、ある地点からｇの増加度合いが
ほぼ一定になる。この場合、利得ｇ及び厚さｔが実質的
にゼロを示す点からｔが増大するつれてｇが急激に増大
する領域と、ｇの増加度合いがほぼ一定になる領域とは
略直線近似できる。この直線近似した直線をそれぞれＳ
ｌ及びＳ２とし、直線Ｓ１が前記曲線Ｆ（ｔ）からずれ
始めるずれ開始点をｐｔ−直線Ｓ２が前記曲線Ｆ（ｔ）
と略−致し始める一致開始点をｐ２とする。また、これ
ら点ｐ１．　ｐ２のｔの座標値をそれぞれｔｌ、ｔ２と
する。そうすると、ｔをｔｌより小に設定すると、急激
に利得ｇが減少し、一方、ｔをｔ２より大に設定した場
合には、利得の増大が極めて緩やかである。すなわち、
ｔをｔ≦ｔ１の領域に設定すると、ドープ層の厚さを薄
くできるプラスの効果（歪みを小さくできる効果）に比
較して、利得ｇが減少するマイナスの効果の方が著しく
大きくなり、一方、ｔをｔ≧ｔ２の領域に設定すると、
利得ｇを増大できるプラスの効果に比較して、ドープ層
の厚さが厚くなるマイナスの効果（歪みが大きくなる効
果）が著しく大きくなり、いずれも、良質でより大きい
出力のレーザ光を得る目的から好ましくないことがわか
る。以上の結果から明らかなように、ドープ層の厚さｔ
の値を、ほぼ、ｔ１≦ｔ≦ｔ２ の範囲になるように選定すれば、線質及びレーザパワー
共にすぐれたレーザ光が得られることがわかる。

また、構成（１）を、ドープ層としてＮｄイオンをドー
プしたレーザガラスを用いる場合に適用した場合には、
Ｎｄイオンのドープ址を６ｗｔ％とし、ドープ層の厚さ
ｔを、 ０．８ｍｍ≦ｔ≦２．１ｒｒｔｍ とすることにより波長１，０６μｍで歪みのない良質の
レーザ光を高効率得られることが実験的に確認できた。

［実施例］ 第土犬施剖 第１図は本発明の第１実施例にかかるコンポジットスラ
ブレーザ媒体の斜視図、第５図は第１図に示されるコン
ポジットスラブレーザ媒体の側面図、第６図は第１図に
示されるコンポジットスラブレーザ媒体を用いたレーザ
装置の部分斜視図である。以下これらの図面を参照しな
から一実施例を詳述する。なお、この実施例はドープ層
としてＮｄイオンをドープしなレーザガラスを用いて波
長１．０６μｍのレーザ光を発振できるコンポジットス
ラブレーザ媒体及びそのレーザ媒体を用いたレーザ装置
を得る例である。

これらの図面において、符号３０はコンポジットスラブ
レーザ媒体、符号３１Ａ及び３１Ｂはドープ層、符号３
２は非ドープ層、符号３３Ａ及び３３Ｂは全反射面（励
起冷却面）、符号３４Ａ及び３４Ｂは入出射端面、符号
５２Ａ及び５２Ｂはスラブサイド、符号５３Ａ及び５３
Ｂはスラブエンド、符号５４Ａ及び５４Ｂは励起光源、
符号５５はリフレクタである。

このコンポジットスラブレーザ媒体３０は、レーザ活性
物質を含まない非ドープ層３２の両側に、該非ドープ層
３２を挟むようにしてレーザ活性物質を含むドープ層３
１Ａ、３１Ｂを形成し、これらドープ層３１Ａ、３１Ｂ
が外部と接する２つの面を互いに平行な面にし、これら
２つの面を全反射面３３Ａ、３３Ｂとするとともに、長
手方向（ビームの進行方向）の両端面が互いに平行にな
り、かつ、全反射面３３Ａ、３３Ｂと所定の角度をなす
ようにして入出射端面３４Ａ、３４Ｂとしたものである
。端面３４Ａから入射したレーザ光は、全反射面３３Ａ
、３３Ｂの間で複数回反射を繰り返した後、他端面３４
Ｂから出射される。なお、ビーム（内部光学路）の全反
射面３３Ａ、３３Ｂに対する角度をθとすると、 θ＝２３．８°±２− である。

また、第６図に示されるレーザ装置は、コンポジットス
ラブレーザ媒体３０の全反射面３３Ａ。

３３Ｂにそれぞれ対向するように励起光源５４Ａ。

５４Ｂを配置し、これらをリフレクタ５５で囲むように
して、励起光源５４Ａ、５４Ｂから放射された光を集光
してコンポジットスラブレーザ媒体３０を励起するよう
にしたものである。なお、このコンポジットスラブレー
ザ媒体３０の入出射端面３４Ａ、３４Ｂの近傍にはレー
ザ共振用ミラーが配置されているが第６図では省略しで
ある。

さて、本実施例では、コンポジットスラブレーザ媒体３
０の外形寸法を、 幅Ｗ＝２０±０．５ｍｍ、 厚みＴ＝８±０．１ｍｍ、 全長Ｌ＝８４．６±０．１ｍｍ としたので、ドープ層（３１Ａ、３１Ｂ）の厚みとして
、 ｔ＝１．０±０．１ｍｍ を選定した。なお、この場合、Ｎｄドープガラスとして
はレーザガラスＬＨＧ５　（ＨＯＹＡ株式会社の商品名
）を用いた。また、非ドープ層３２として、熱膨張率が
ドープ層３１Ａ、３１Ｂと同じガラスを用い、非ドープ
層をドープ層で挾み込み、熱融着させた。

以下、本実施例の設計法を詳述する。

第６図に示されるレーザ装置の励起光源５４Ａ。

５４Ｂ及びリフレクタ５５を用いたとき、Ｎｄドープ量
をパラメータとして、全厚みＴ、ドープ層（片側）の厚
みがｔのコンポジットスラブレーザ媒体の（小信号）利
得ｇの厚みｔに対する変化を示したのが第７図である。

なお、第７図において縦軸が小信号利得ｇ、横軸がドー
プ層厚さｔ（単位；ｍｍ）である。

第７図から、６ｗｔ％が最適ドープ量であることがわか
る。そこで、ドープ層３１Ａ、３１Ｂのドープ量を６ｗ
ｔ％とする。

次に、上述の外形寸法で、ドープ層３１Ａ、３１Ｂのド
ープ量を６ｗｔ％とし、ドープ層厚さｔ−〇から該厚さ
ｔを増大させていった場合の小信号利得ｇを求める。第
８図は、こうして求めたｇとｔの関係を示す図である。

第８図において、縦軸が小信号利得ｇ、横軸がドープ層
厚さｔ（単位；ｍｍ）である。この実施例では直線Ｓ１
と８２との交点ｐＯのｔの座標値ｔＯ＝０．９５の極近
傍のｔの値ｔ＝１．０を採用した。

この実施例によれば、上述の外形寸法を有するコンポジ
ットスラブレーザ媒体から歪みの少ないレーザ光を最も
効率よく取り出すことができる。

なお、上述の一実施例においては、実用的には、ｇの値
が、直線Ｓ１と８２との交点ｐＯにおけるｇの値ｇｏを
中心にして±１０％の範囲内にある値をとるようにｔの
値を設定すればよいことが確認されている。この場合の
ｔの値は、０．８ｍｍ〜２．１ｍｍであり、全体の厚さ
Ｔの１０％〜２７％である。

［効果］ 以上説明したように、本発明は、 コンポジットスラブレーザ媒体において、ドープ層（片
側）の厚さｔを横軸にレーザ媒体の利得をｇを縦軸にそ
れぞれとったときに得られる両者の関係を示す曲線Ｆ（
ｔ）上において、利得ｇ及び厚さｔが実質的にゼロを示
す点からｔが増大するつれてｇが急激に増大する領域の
一部を直線近似したときに得られる直線が前記曲線Ｆ（
ｔ）からずれ始めるずれ開始点におけるｔの座標をｔｌ
とし、 また、前記曲線Ｆ（ｔ）上においてｔをｔｌより増大し
ていったときにｔの増大に対して利得ｇの増大度合が略
一定となった領域の一部を直線近似したときに得られる
直線が前記曲線Ｆ（ｔ）と略一致し始める一致開始点に
おけるｔの座標をｔ２としたとき、 前記ドープ層の厚さｔの値を、ほぼ、 ｔ１≦ｔ≦ｔ２ となるように選定したもので、これにより、歪みの少な
い良質のレーザ光を高効率で得ることを可能にしたコン
ポジットスラブレーザ媒体を得ていると共に、このスラ
ブレーザ媒体を用いることにより、歪みの少ない良質の
レーザ光を高効率で発振できるレーザ装置を得ているも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかるコンポジットスラブ
レーザ媒体の斜視図、第２図はモノリシックスラブの横
断面におけるデイポーラリゼーション発生領域〈斜線部
）を示す図、第３図はコンポジットスラブの横断面にお
けるデイボーラリゼーション発生の領域（斜線部）を示
す図、第４図は小信号利得とドープ層の厚さとの関係を
示す図、第５図は第１図に示されるコンポジットスラブ
レーザ媒体の側面図、第６図は第１図に示されるコンポ
ジットスラブレーザ媒体を用いたレーザ装置の部分斜視
図、第７図は第６図のレーザ装置によって得られた小信
号利得のドープ層厚みに対する変化をドー１１をパラメ
ータにして示す図、第８図は第６図のレーザ装置におい
てドープ量を６ｗｔ％とした場合の小信号利得のドープ
層厚みに対する変化を示す図である。 ３０・・・コンポジットスラブレーザ媒体、３１Ａ。 ３１Ｂ・・・ドープ層、３２・・・非ドープ層、３３Ａ
。 ３３Ｂ・・・全反射面、３４Ａ、３４Ｂ・・・入出射端
面、５２Ａ、５２Ｂ・・・スラブサイド、５３Ａ、５３
Ｂ・・・スラブエンド、５４Ａ、５４Ｂ・・・励起光源
、５５・・・リフレクタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）実質的にレーザ活性物質を含まない非ドープ層の
   両側に、該非ドープ層を挟むようにしてレーザ活性物質
   を含むドープ層を形成し、これらドープ層が外部と接す
   る２つの面を互いに平行な面にし、これら２つの面を反
   射面としてこれら反射面で交互に反射を繰り返し、内部
   でジグザグ状の光路を形成して進行するレーザ光を外部
   に取り出すことにより、レーザ発振または光増幅を行う
   コンポジットスラブレーザ媒体において、 前記ドープ層（片側）の厚さをｔ、 このレーザ媒体の利得をｇとそれぞれし、 前記ドープ層の厚さｔを横軸に取り、レーザ媒体の利得
   ｇを縦軸にとったときに得られる両者の関係を示す曲線
   Ｆ（ｔ）上で、 利得ｇ及び厚さｔが実質的にゼロを示す点からｔが増大
   するつれてｇが急激に増大する領域の一部を直線近似し
   たときに得られる直線Ｓ１が前記曲線Ｆ（ｔ）からずれ
   始めるずれ開始点ｐ１におけるｔの座標をｔ１とし、 また、前記曲線Ｆ（ｔ）上においてｔをｔ１より増大し
   ていったときにｔの増大に対して利得ｇの増大度合が次
   第に減少して略一定になるが、この略一定となった領域
   の一部を直線近似したときに得られる直線Ｓ２が前記曲
   線Ｆ（ｔ）と略一致し始める一致開始点ｐ２におけるｔ
   の座標をｔ２としたとき、 前記ドープ層の厚さｔの値を、ほぼ、 ｔ１≦ｔ≦ｔ２ の範囲になるように、選定することを特徴としたコンポ
   ジットスラブレーザ媒体。 （２）請求項（１）に記載のコンポジットスラブレーザ
   媒体において、 ドープ層としてＮｄイオンを６ｗｔ％ドープしたレーザ
   ガラスを用い、 ドープ層の厚さｔを、 ０．８ｍｍ≦ｔ≦２．１ｍｍ としたことを特徴とするコンポジットスラブレーザ媒体
   。 （３）レーザ媒体と、 このレーザ媒体を励起する励起光源と、 前記レーザ媒体と光軸を共通にして該レーザ媒体の両側
   に配置されるレーザ共振用ミラーとを有するレーザ装置
   であって、 前記レーザ媒体として、請求項（１）または（２）のい
   ずれかに記載のコンポジットスラブレーザ媒体を用いた
   ことを特徴とするレーザ装置。