JPH04346484A

JPH04346484A - パルスレーザー発振器

Info

Publication number: JPH04346484A
Application number: JP3148210A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Oda; 小田清志
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1991-05-24
Publication date: 1992-12-02

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンを添加（異種元
素としてド−プ）したサファイア、いわゆるチタンサフ
ァイアをレーザー媒体として用いたレーザー発振器に関
する。更に詳しくは、チタンサファイアをレーザー媒体
として用いたレーザー発振器に於いて、単一パルスで、
ピークパワーが大きく安定性の高い、パルスレーザーを
波長可変で発振可能とした改良レーザー発振器に関する
。

【０００２】パルス幅の短いピークパワーの高いレーザ
ーは、精密計測、高速動作の評価などに用いられる。さ
らにチタンサファイアをレーザー媒体としたレーザーは
、波長が可変であり、分光計測などに用いられる。

【０００３】

【従来の技術】チタンサファイアは波長可変のレーザー
の媒体として従来から利用されている。　　液体の溶媒
に溶解した色素をレーザー媒体に用いた色素レーザーも
波長可変である。しかし、色素レーザーは、波長可変の
幅が５０ｎｍ程度でチタンサファイアのそれ（５００ｎ
ｍ）よりも狭く、又高出力の発振は難しい。又、色素レ
ーザーは通常毒性を持つ液状物を使用することが多く取
扱いが容易でない上ランニングコストが高いなどの欠点
を持っている。

【０００４】従来、チタンサファイアをレーザー媒体と
して用いたパルス幅の短いレーザーは、連続発振のアル
ゴンイオンレーザーを発生するレーザー光の光軸方向よ
り照射し励起源として用い、電気光学（ＥＯ）素子、音
響光学（ＡＯ）素子等を共振器内に設置し、強制モード
同期を行う方法で主に使用されてきた。モード同期とは
、共振器内の唯一のレーザーモードを発振（すなわち同
期）させる手法である。すなわち、レーザー光は共振器
内を多数回往復するため、時間幅の短い一つのレーザー
光（すなわちレーザーモード）がある光学素子を通過す
る時のみその素子の光損失を小さく、その他の時を大き
くすることで、選択的に短いパルスのレーザーを発生さ
せる手法である。この光学素子は、例えば、ＥＯやＡＯ
素子である。したがってこの方法により短いパルスのレ
ーザーを得ようとすると、高い周波数の信号をレーザー
が通過するタイミングで正確にこの光学素子に印加しな
ければならない。この周波数は光が共振器を半往復する
時間の逆数になる。この周波数が正しい周波数でなけれ
ば安定したパルスレーザー光を得られない。また、得ら
れた場合でも、そのパルス形状が肩を有する波形になる
などきれいな時間波形にならないことが多い。さらに、
精密素子を要することになるため装置の構成が複雑にな
っていた。

【０００５】モード同期を行う際に非連続励起光源を用
いた場合、一つには、上記に説明した周波数と同じ周波
数で繰り返されるパルス光を用いる。この際、入力され
る励起光源と上記光学素子に印加される信号とは、同一
周波数だが互いに時間の遅延が発生するため、印加信号
のタイミングを得ることがさらに困難になる。また、こ
のような光源の高い周波数を制御することも困難である
。もう一つの方法は、励起光源の１パルスの時間幅を長
くし疑似連続発光とし、そのパルス印加時間内に複数の
短パルスレーザー光を得る方法である。この際には励起
光源のタイミングを一致させる必要はないが、レーザー
パルスの一つ一つの光強度が異なる欠点を持つ。

【０００６】一方、フラッシュランプなどの励起光源に
よるレーザー媒体の側面より励起する方法、すなわち横
励起では、励起光エネルギーの大部分はレーザー発振に
使われず、光エネルギー変換効率の低いレーザーしか得
られない。又、この横励起型のチタンサファイアレーザ
ー共振器では、通常の発振で簡便にパルス光が得られる
ものの、これは一パルス上に複数の山が存在するスパイ
ク状の発振となり、ピークエネルギーの比較的小さいレ
ーザー光しか得られない。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明者らは、上記し
た問題点のないレーザー発振器につき種々検討した結果
、チタンサファイアをレーザー媒体として用い、発生す
るレーザー光の光軸方向よりレーザー媒体に光を照射し
励起光源とするいわゆる縦励起型のレーザー発振器に、
ＥＯ素子又はＡＯ素子などのＱスイッチ素子を配置し、
共振器内部の光の損失を大きい状態から小さい状態へ瞬
時に切り替えるだけの、いわゆるＱスイッチをかけるこ
とにより、ピークエネルギーの高い単一パルス発振の波
長可変レーザーが得られることを見出し本発明を完成し
た。

【０００８】即ち、本発明は、チタンサファイアをレー
ザー媒体とし、発生するレーザー光の光軸方向よりレー
ザー媒体に光を照射し励起するレーザー発振器において
、レーザー共振器内でＱスイッチをかける機構を併置し
たことを特徴とする波長可変のパルスレーザー発振器に
関するものである。

【０００９】次に本発明の構成を詳細に説明する。

【００１０】本発明に用いるレーザー媒体は、チタンを
添加したサファイア、いわゆるチタンサファイアである
。この媒体のチタン添加量は、通常用いられているチタ
ンサファイアと同様で、例えば０．０１〜０．５ｗｔ％
である。このチタン添加量が０．０１ｗｔ％より少ない
と増幅量が小さくなりレ−ザ−発振が困難となる。また
、０．５ｗｔ％より多いと、ＦＯＭと呼ばれるこの媒体
の性能を示す値が悪くなり、やはりレ−ザ−発振が困難
となる。

【００１１】本発明に用いるＥＯ素子などのＱスイッチ
素子は、チタンサファイアレーザー共振器内で、充分な
Ｑスイッチがかけられるものでなくてはならない。即ち
、これら素子により、この共振器内のＱ値と呼ばれる値
を、発振しない値と発振する値をとる両方の共振器の状
態を、電気信号などの信号によりそれぞれ区別してとら
せることができ、かつ、それぞれの状態を、発振パルス
幅よりも速く瞬時に切り替える（スイッチングする）こ
とができるものである。ここで言うＱスイッチングとは
、チタンサファイアを励起し、充分なエネルギーがチタ
ンサファイアに蓄積されるまでＥＯ素子などにより発振
を抑制し、瞬時に発振する状態にスイッチングを行うこ
とにより、単一パルスで大きなエネルギーを持つレーザ
ー光を得る方法を意味する。したがって、スイッチング
速度は５００ｎｓｅｃ以下が望ましく、さらに、応用さ
れるレーザーは５０ｎｓｅｃ以下であるため、スイッチ
ング速度も５０ｎｓｅｃ以下にすることが好ましい。スイッチング速度が速いほど良好のＱスイッチが行われ
る。この際のスイッチングのタイミングが早いと単一パ
ルスが得られず、遅いと充分なエネルギーのレーザー光
が得られない。

【００１２】モード同期の場合このスイッチングを高い
周波数で繰り返し行わなければならないが、Ｑスイッチ
ングの場合充分なエネルギー蓄積が行われた時の最低１
回でよい。また、スイッチングが行われるタイミングは
数μｓｅｃずれても発振するレーザー時間波形に大きな
変動はない。モード同期の場合には最悪でも１０ｐｓｅ
ｃの制御を行う必要がある。

【００１３】本発明の装置の構成を図面に示した一実施
態様により説明する。

【００１４】図１は、ＥＯ素子であるポッケルスセルと
波長選択用のフィルタを発振器内に配置した装置の一実
施態様の概略図である。図中６は、両端面を無反射（Ａ
Ｒ）コートしたポッケルスセル、４はチタンサファイア
のロッド、８はチタンサファイアを励起するネオジムＹ
ＡＧレーザー（第２高調波出力）あるいはアルゴンイオ
ンレーザーなどの励起光源、１、２は共振器を構成する
ミラー、５は波長選択素子である複屈折フィルタである
。

【００１５】本発明の構成は、上記したものに限定され
るものではなく、例えば、本発明で用いるＱスイッチ素
子は圧電材料を用いたＡＯ素子でもよい。Ｑスイッチ素
子としてポッケルスセルを用いる場合、例えば、電圧を
かけた状態で発振しない状態、同じくかけない状態で発
振する状態にする。スイッチング速度は、その共振器構
成によって異なるが、例えば、図１の実施態様の場合、
５００ｎｓｅｃ以下であればよい。この場合、スイッチ
ング速度が速いほど発振パルス幅は短くなる。

【００１６】本発明でこれらを配置する位置は、共振器
内で、発振するレーザー光が少なくとも一度通過する位
置、例えば、レーザー媒体とミラーとの間などである。Ｑスイッチ素子は励起光の通過する位置に置かないほう
が望ましい。

【００１７】本発明の構成は、縦励起型共振器、すなわ
ち、発生するレーザー光の光軸方向よりレーザー媒体に
光を照射し励起光源とする構成である。縦励起は横励起
に比べ、照射された光の大部分のエネルギーを増幅する
励起原子を誘発させるために使うことができる。このた
め縦励起型レーザー発振器は、横励起型より光エネルギ
ーの変換効率が高くなる。

【００１８】励起光源の発光波長は特に４００〜６００
ｎｍであることがチタンサファイアレーザー媒体には望
ましい。用いられる光源は例えば、アルゴンイオンレー
ザー、ネオジム添加の固体レーザーの第２高調波（特に
、ネオジムＹＡＧレーザーの第２高調波）、金属蒸気レ
ーザー（特に、銅蒸気レーザー）、半導体レーザー、半
導体レーザーの第２高調波、その他のレーザーのパラメ
トリック発振光、がある。励起光源の入力エネルギーは
、最低Ｑスイッチをかけない場合のレーザー発振しきい
値でよいが、効率の良いＱスイッチのためにはそのしき
い値の１０倍以上が好ましい。

【００１９】本発明に非連続発光の励起光源を用いる場
合、そのパルス時間幅は発振レーザーのパルス時間幅よ
りも長いことが望ましく、半値全幅で５００ｎｓｅｃ以
上が望ましい。これより短いと発振を抑制しなくとも最
も励起エネルギーが蓄積される状態までレーザー発振が
起こらないため、Ｑスイッチングを行う必要がない。又、パルス時間幅をいくら長くしても、Ｑスイッチング
を行うことはできる。しかしながら、エネルギー蓄積時
間ｔが長いほど蓄積エネルギー量の励起光吸収に対する
効率が悪くなる。この効率ηはチタンサファイアの励起
寿命をＴとすると次式で与えられる。

【００２０】η＝Ｔ／ｔ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）｝こ
のことから、例えば、１０％以上のエネルギー蓄積を行
うならば、３０μｓｅｃ以下のパルス光源であることが
望まれる。

【００２１】連続発光励起光源の場合、効率を上げるた
めに、レーザー発生直後に、再び発振を抑制して３０μ
ｓｅｃ以下に１回のスイッチングの繰り返しでＱスイッ
チを行うと良い。この場合、繰り返し周波数を３．３Ｍ
Ｈｚ以上にとると、再現性の良い、安定性の高い、きれ
いな形状の、単一パルスレーザー光、を得ることができ
る。この時、光損失が小さいときの時間を１０ｎｓｅｃ
以上１μｓｅｃ以下に、大きいときの時間を５００ｎｓ
ｅｃ以上３０μｓｅｃ以下に、することが望ましい。こ
の繰り返しＱスイッチ信号を正確に入力するほど、より
安定性の高いパルスレーザーが得られる。

【００２２】本発明で、その他の構成は通常の発振器の
構成と同じで良い。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、安定した短い単一パルスの発
振が可能で、光エネルギーの変換効率が高い、得られる
レーザー光の尖頭出力（ピークパワー）の大きい、波長
可変のレーザー発振器である。また、発振器構成が簡素
で、従来より調整が簡便である。さらに安全性が高い。

【００２４】

【実施例】次に実施例で本発明を更に説明する。

【００２５】

【実施例１】図１に示した構成のレーザー発振器を製作
した。チタンサファイアのチタン添加量は０．１ｗｔ％
、そのロッド長は５０ｍｍ、出力側のミラーの透過率は
２〜２０％、励起用のレーザーはネオジムＹＡＧレーザ
ーの第２高調波で、その１パルスあたりの光エネルギー
は３ｍＪ、そのパルス幅は１μｓｅｃであった。ポッケ
ルスセル電圧３〜４ｋＶで発振は停止した。スイッチン
グ時間５０ｎｓｅｃ以下、スイッチングのタイミングを
励起レーザーの照射から０．１〜５μｓｅｃ後にした結
果、最適なタイミングで、比較例１と比べ、ピークパワ
ーが約５〜２０倍の単一パルス光が得られた。この時の
パルス時間幅は２０〜１００ｎｓｅｃ、１パルスレーザ
ー光エネルギーは５〜２０μＪであった。又、この時の
可変波長域は７３０〜８９０ｎｍで、レーザー発振器に
用いたミラーの有効な波長域に限定されたものであった
。光エネルギー変換効率は０．２〜０．７％であった。

【００２６】

【実施例２】図１に示した構成のレーザー発振器で、励
起用のレーザーを出力１０Ｗの連続発振のアルゴンイオ
ンレーザーに変え、その他の条件は実施例１と同様にし
て試験した。Ｑスイッチ素子の光損失が小さい時間を３
μｓｅｃで、スイッチングの繰返し周波数を４〜５０Ｍ
Ｈｚにした結果、どの周波数でも、比較例１と比べ、ほ
ぼピークパワーが約２〜１０倍の単一パルス光が得られ
た。この時、パルス時間幅は３０〜２００ｎｓｅｃ、１
パルスレーザー光強度の変動は０．５％以下であった。又、この時の可変波長域は７５０〜８７０ｎｍであった
。光エネルギー変換効率は０．０５〜０．６％であった
。

【００２７】

【比較例１】図１に示した構成のレーザー発振器で、Ｑ
スイッチをかけない以外は実施例１および２と同様の条
件で試験した。

【００２８】実施例１の条件では、チタンサファイアレ
ーザーパルスは、２〜５本のパルス列を有するパルス時
間波形となっており、ピークパワー５０〜３００Ｗ、パ
ルス時間幅１００〜３００ｎｓｅｃ（１本）、１パルス
エネルギー５〜５０μＪ、可変波長域７３０〜８９０ｎ
ｍであった。

【００２９】実施例２の条件では、チタンサファイアレ
ーザーは連続発振となり、出力１００〜３００ｍＷ、波
長可変域７３０〜８９０ｎｍであった。

【００３０】

【比較例２】図２に示した構成のレーザー発振器を製作
した。これは連続発振のレーザーにより励起されたチタ
ンサファイアレーザーでモード同期を行う構成である。図中９は連続発振のアルゴンイオンレーザー、４はチタ
ンサファイア（チタン０．１％添加）のロッド、１０は
ＡＯモードロッカー、１〜３は発振器を構成するミラー
、５は複屈折フィルタである。このレーザー発振器にお
いて、１０Ｗのアルゴンイオンレーザーを発振させ、チ
タンサファイアを励起し、ＡＯモードロッカーを駆動さ
せて試験した。ＡＯモードロッカーの駆動周波数は５０
〜２００ＭＨｚであったが、モードロックが作動する周
波数は、共振器の微調整によって変化し、又、１％以下
の精度で周波数制御を行わなければならなかった。試験
の結果、波長可変域７３０〜９２０ｎｍ、平均出力１０
０〜２００ｍＷ、１パルス出力１ｎＪ程度、のレーザー
光を得た。パルス幅、ピークパワーはそれぞれ１〜２ｐ
ｓｅｃ、３〜５ｋＷであった。

【００３１】

【比較例３】図３に示した構成のレーザー発振器を製作
した。これは横励起共振器にＱスイッチをかけた例であ
る。チタンサファイアのチタン添加量は０．１ｗｔ％、
そのロッド長は５０ｍｍ、出力側のミラーの透過率は２
〜２０％、フラッシュランプへの投入エネルギーは２０
０Ｊ、そのパルス幅は８μｓｅｃとした。ポッケルスセ
ル電圧３〜４ｋＶで発振は停止した。スイッチング時間
５０ｎｓｅｃ以下、スイッチングのタイミングをフラッ
シュランプの電流立上がりから１〜５μｓｅｃ後にした
結果、最適なタイミングで、Ｑスイッチをかけない場合
と比較してピークパワーが約５〜２０倍（３〜２０ｋＷ
）の単一パルス光が得られた。この時のパルス時間幅は
２０〜１００ｎｓｅｃ、レーザー光出力強度は１０〜１
５０ｍＪであった。光エネルギー変換効率は推量で良く
見積もって０．２％である。又、この時の可変波長域は
７３０〜９２０ｎｍであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様のチタンサファイアレーザ
ー発振器の概略図。

【図２】強制モード同期の機構を併置したチタンサファ
イアレーザー発振器の概略図。

【図３】フラッシュランプを励起源としたチタンサファ
イアレーザー発振器の概略図。

【符号の説明】

１：発振器を構成するミラー２：発振器を構成するミラー３：発振器を構成するミラー４：チタンサファイアのロッド５：複屈折フィルタ６：ポッケルスセル７：偏光子８：チタンサファイアを励起するレーザー源９：チタン
サファイアを励起する連続発振レーザー源１０：ＡＯモ
ードロッカー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタンを添加したサファイアをレーザー媒
体とし、発生するレーザー光の光軸方向より該レーザー
媒体に光を照射し励起するレーザー発振器において、共
振器内でＱスイッチをかける機構を併置したことを特徴
とする波長可変のパルスレーザー発振器。
【請求項２】スイッチング速度が５００ｎｓｅｃ以下の
Ｑスイッチである請求項１記載のパルスレーザー発振器
。