JPH0556035B2

JPH0556035B2 -

Info

Publication number: JPH0556035B2
Application number: JP2694284A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Saito
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1993-08-18
Also published as: JPS60171779A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、固体レーザ媒体およびこれを利用し
た固体レーザ発振装置に関し、特に高出力の波長
可変レーザを放出可能な固体レーザ媒体およびこ
の固体レーザ媒体を利用した固体レーザ装置に関
する。

現在、固体レーザ発振装置に使用される大出力
固体レーザ媒体としては、三価のネオジムイオン
をドーピングしたイツトリウム・アルミニウム・
ガーネツトが広く工業的に使われており、また同
じく三価のネオジムイオンをドーピングしたガド
リウム・ガリウム・ガーネツトを有望視されてい
る。しかし、この両者は、三価のネオジムイオン
を活性イオンとしており、その発振波長はいずれ
も1μｍを超える赤外光領域で、かつ発振波長は
有為の選択性を有しないという欠点がある。

一方、固体レーザにおいて、活性イオンとして
三価のクロムイオンを利用するものが注目されて
いる。このうちホストクリスタルにクリソベリル
型（D¹⁶ _2o−Pmnb）構造のベリリウム・アルミネ
ート（BeAl₂O₄）を用いる通商アレキサンドライ
トレーザは、可視光領域の比較的高出力のレーザ
を放出させ得ることと発振波長の選択幅が比較的
広いことで期待されている。

しかし、このような三価のクロムイオンをドー
ピングしたベリリウムアルミネート（BeAl₂O₄：
Cr³⁺）は、固体レーザ媒体として使用する場合、
三価のネオジムイオンをドーピングしたイツトリ
ウム・アルミニウム・ガーネツトと比較して工業
的に以下の２つの問題点がある。

第１の問題点は、キセノンランプを励起光源と
した場合、レーザの発振効率すなわちエネルギー
の変換効率が著しく劣ることである。

すなわち、第１図に示すような固体レーザ発振
装置におけるレーザロツド１として、光学的な均
質性がほぼ同等（Δn10^-6）な、三価のクロム
イオンをドーピングした合成ベリリウムアルミネ
ート（0.23原子％のクロムイオンを含有）と、三
価のネオジムイオンをドーピングしたイツトリウ
ム・アルミニウム・ガーネツト（1.1原子％のネ
オジムイオンを含有）とを用い、各レーザロツド
１（サイズは、いずれの場合も直径６mm、長さ
100mm）をキセノン・フラツシユランプ２によつ
て光励起し、共振器ミラー３，４から、出力５を
とり出して比較すると、第２図の曲線ｂおよびａ
に示すように、発振の効率すなわちエネルギー変
換効率は、三価のクロムイオンをドーピングした
ベリリウムアルミネートの方が著しく劣つてい
る。

これは、励起光源であるキセノンランプの光エ
ネルギー分布が三価のクロムイオンをドーピング
したベリリウムアルミネートの光吸収帯と有効に
適合しない点が主な原因ではあるが、工業的には
安価なキセノンランプを利用できることが好まし
い。また、より効果的な励起光源用ランプが開発
された時点においてもさらに変換効率の良い結晶
が望まれることは言うまでもない。

さらに、このベリリウムアルミネートを利用す
るレーザにおける変換効率を向上させるために
は、レーザロツド１中の活性イオンであるクロム
イオンの濃度を高くする必要がある。しかしなが
ら後述の比較例１〜２に示すごとくクロムイオン
濃度の高い光学的に均質な結晶の製造は著しく困
難であり、また製造の歩留や再現性は極めて悪
い。

第２の問題点は、三価のネオジムイオンをドー
ピングしたイツトリウム・アルミニウム・ガーネ
ツトにおいては、第２図の曲線ａで示すように、
かなり高出力側まで出力（Po）が入力（Pi）に
対し単調に増大するが、三価のクロムイオンをド
ーピングしたベリリウムアルミネートにおいて
は、第２図の曲線ｂで示すように、出力（Po）
の飽和現象が現われ入力（Pi）を増大しても十分
な高出力が得られることである。

この原因は、結晶品質が同程度だとすると未だ
十分な説明はできないが、ベリリウムアルミネー
ト媒体における三価のクロムイオンとアルミニウ
ムイオンの半径比が影響しているものと考えられ
る。すなわち、三価のネオジムイオンをドーピン
グしたイツトリウム・アルミニウム・ガーネツト
において三価のネオジムイオンとイツトリウムイ
オンの半径比は1.09である（三価のネオジムイオ
ンのさらに高濃度の置換が可能といわれルガドリ
ウム・ガリウム・ガーネツトにおいてネオジムイ
オンとガドリウムイオンの半径比は1.03である）
のに対し、ベリリウムアルミネートにおいて三価
のクロムイオンとアルミニウムイオンのそれは
1.16と大きい。この結果、ベリリウムアルミネー
トにおける三価のクロムイオンの高濃度置換は、
前述したように製造上極めて困難となることに加
え、結晶内に大きな局部的歪を与え、この単結晶
を用いたレーザ共振器は強い励起条件下で安定性
を満足できず、第２図に示すような飽和特性を示
すのではないかと考えられる。

このように三価のクロムイオンをドーピングし
たベリリウムアルミネートにおいては、製造歩留
の低いこと、再現性の悪いことおよびレーザ特性
がばらつくこと等が固体レーザ媒体としての実用
化を妨げる要因となつている。

従つて、活性イオンとして三価のクロムイオン
を使用するレーザは、ホストクリスタルとして適
当なものが見い出され、高出力化が果たされれ
ば、工業的に十分広い範囲にわたつて利用される
ものとなり得る。

本発明の目的は、上述の従来技術の問題点に鑑
み、発振効率が良好かつ高出力で、レーザ出力波
長の有為の選択幅が比較的広い固体レーザ媒体お
よびこれを利用した固体レーザ発振装置を提供す
ることを目的とする。

本発明者らは、上記目的に沿つて鋭意研究した
結果、ホストクリスタルとしてベリリウム・アル
ミニウム・ボレイトを使用しこれに三価のクロム
イオンをドーピングした単結晶がレーザ媒体とし
て従来にない新たな高性能を有することを見出し
本発明に到達した。

すなわち、本発明は、三価のクロムイオンを活
性イオンとしてドーピングした、化学式がBe
（Al1−xBx）₂O₄：Cr³⁺（但し０＜ｘ＜１）であら
わされるベリリウム・アルミニウム・ボレイト単
結晶よりなることを特徴とする固体レーザ媒体、
およびこの固体レーザ媒体を少なくとも１つと、
コヒーレント放射線を出すためにドーピング剤の
原子を励起するための手段とを有することを特徴
とする固体レーザ発振装置である。

本発明の固体レーザ媒体として用いる単結晶の
製造方法としては、チヨクラルスキー法、浮遊帯
域溶解（FZ）法、フラツクス法またはベルヌー
イ法等種々の方法が知られているが、均質で大型
の結晶を得るには中でもチヨクラルスキー法が適
している。このチヨクラルスキー法においては、
酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、三酸化二ホ
ウ素および酸化第二クロムを配合してなる原料を
イリジウム製のるつぼ内に入れ、誘導加熱炉を使
用する方法等の公知の加熱方法を用いて所望の温
度に加熱して溶融し、次に、原料が完全に溶融し
た後、種晶を溶融物の表面と接触させ、次に、こ
の種晶をゆつくりと回転させながら引き上げるこ
とにより、三価のクロムイオンをドーピングし、
化学式がBe（Al1−xBx）₂O₄：Cr³⁺（Ｘ；０＜ｘ＜
１）であらわされるベリリウム・アルミニウム・
ボレイト単結晶が得られる。この溶融および結晶
育成は、三酸化二ホウ素の高温での蒸発を抑える
ため、好ましくは加圧型（１〜100気圧）の炉で
行つたほうが良いが、常圧型の炉でも可能であ
る。

さらに、この単結晶を、所望に応じて、平滑か
つ平行に研摩し、固定レーザ媒体としてのレーザ
ロツドに加工する。

上記化学式中の変数ｘは、単結晶中のクリソベ
リル構造におけるアルミニウムイオンのサイトを
ホウ素イオンが置換している量を示しており、こ
の範囲は0.0001≦ｘ≦0.05（単結晶中のホウ素イ
オン含有量に換算して0.0017〜0.86重量％）であ
ることが好ましい。ｘが値が、0.0001未満では３
価クロムイオンの高濃度置換単結晶の製造が困難
であり、かつ高濃度置換単結晶が得られたとして
も固体レーザ媒体として充分な高出力特性を有す
るものとならない。また、0.05を超えると工業的
に有利な時間的及び製法的範囲内での単結晶の製
造が困難である。

また、前記三価のクロムイオンの結晶中の含有
量は0.001〜10.0原子％であることが好ましい。
この含有量が、0.001原子％より少ないと固体レ
ーザ媒体として用いたときに、充分な出力が得ら
れず、10.0原子％を越えると均質な単結晶の育成
が極めて困難になる。

本発明の固体レーザ発振装置は、固体レーザ媒
体として三価のクロムイオンをドーピングしたベ
リリウム・アルミニウム・ボレイトを使用するこ
とを特徴とし、その他は公知のレーザ発振装置の
構成を利用することができる。例えば、第１図の
如く、三価のクロムイオンをドーピングしたベリ
リウム・アルミニウム・ボレイトを用いたレーザ
ロツド１、励起光源であるキセノン・フラツシユ
ランプ２、共振器ミラー３，４から構成される。

以下、本発明を実施例および比較例を用いて詳
細に説明する。

比較例１原料として純度99.997％の酸化アルミニウム、
純度99.99％の酸化ベリリウムおよび純度99.99％
の酸化第二クロムを用い、下記の比率で配合し
て、ベリリウムアルミネートの単結晶を製造し
た。

α−Al₂O₃ 80.1wt.％ BeO 19.7wt.％ Cr₂O₃ 0.2wt.％結晶育成は、高周波誘導加熱型チヨクラルスキ
ー炉で直径50φのイリジウムるつぼを用いて行な
つた。種結晶方位は、＜001＞方位であり、結晶引
上速度は１mm／Hr、結晶回転数は30rpmである。

この結果、直径19mm、長さ65mmのクリソベリル
単結晶が得られた。この単結晶の側面を光学研摩
し、内部を透過暗視野顕微鏡およびHe−Neレー
ザ光透過によるレーザトポグラフ法により観察し
たが、包含物は見あたらなかつた。

比較例２比較例１と同じ原料を用い、配合比率を下記の
通り変えた他は、比較例１と全く同様にしてクリ
ソベリル単結晶を製造した。

α−Al₂O₃ 79.6wt.％ BeO 19.7wt.％ Cr₂O₃ 0.7wt.％得られた単結晶は、直径20mm、長さ59mmであつ
た。これを比較例１と同様な方法で観察したとこ
ろ、長さ0.005〜３mm、太さ0.002〜0.1mmの大きさ
の管状（あるいは針状）の包含物が結晶のほぼ全
領域にわたつて観察された。

これらの比較例１および２の結果より、ホスト
クリスタルとしてベリリウムアルミネートを用い
る場合は、ドーピングさせるクロムイオン濃度を
高くすると、光学的に均質な単結晶の製造は困難
であることがわかる。

実施例高純度（99.99％以上）の酸化ベリリウム、α
−アルミナ、三酸化二ホウ素および酸化第二クロ
ムを配合し、高周波誘導加熱型チヨクラルスキー
炉内でイリジウムるつぼ中で溶融し、比較例１と
同様の条件で＜001＞方位の単結晶を育成した。
この際、三酸化二ホウ素および酸化第二クロムの
配合量を変えることにより各種の三価のホウ素イ
オンおよびクロムイオン濃度の単結晶を得た。下
記に原料配合比率の１例を示す。

α−Al₂O₃ 80.1wt.％ BeO 19.7wt.％ Cr₂O₃ 0.2wt.％ B₂O₃ 2.00wt.％ここで、B₂O₃以外の原料は、比較例１と同様
のものを使用した。

得られた結晶をレーザロツド（直径６mm、長さ
100mm）に加工し、第１図の様な構成でキセノ
ン・フラツシユランプを用いてレーザ発振テスト
を試みた。

その結果の一例として、0.21原子％のクロムイ
オンを含有するベリリウム・アルミニウム・ボレ
イトロツドを用いたレーザ発振装置の入出力特性
を第２図の曲線ｃで示す。

この結果より、本実施例のベリリウム・アルミ
ニウム・ボレイトロツドを用いた場合、前述した
三価のクロムイオンをドーピングしたベリリウム
アルミネートロツド（本実施例のベリリウム・ア
ルミニウム・ボレイトロツドと上記0.23％のクロ
ムイオンを含有するベリリウムアルミネートロツ
ドは、相方とも＜001＞方位であり、活性イオン
濃度もほぼ同じである）を用いる場合と比較する
と、入力エネルギー（Pi）に対する出力エネルギ
ー（Po）への変換効率の優れたレーザ出力特
性が得られる。

入出力特性において出力飽和現象がなく、実
用的に十分に役立つと評価し得る低次モードで
の高出力のレーザビームの発振が実現する。

ことが分る。

これらの原因は未だ確かではないが、以下の様
に考えられる。

ベリリウム・アルミネート（クリソベリル型
構造）では、他の同型結晶たとえばフオルステ
ライト（Mg₂SiO₄）と同じように、酸素がゆ
がんだ充填構造を持ちアルミニウムイオン（フ
オルステライトではマグネシウムイオン）の結
晶中でのサイトが２種類ある。一方は反転対称
を持つもので（Alサイト）、他方は鏡面対称
を持つ（Alサイト）が、サイトの大きさす
なわちアルミニウムイオンと酸素イオンの平均
距離はAlサイトのほうが大きい。活性イオ
ンである三価のクロムイオンをドーピングした
時クロムイオンは、２つのアルミニウムサイト
と置換し結晶中にとりこまれる。この結晶での
４準位レーザ発振には、Alサイトのクロム
イオンのみが有効とされているが、クロムイオ
ンはAlサイトとも置換しておりAlサイト
のクロムイオンは約半分であるといわれてい
る。すなわち結晶中ひいては、レーザロツド中
のクロムイオンの約半分はレーザ発振には有効
に寄与しないのである。

一方、アルミニウムのサイトの一部を三価の
ホウ素イオンで置換したベリリウム・アルミニ
ウムボレイトにおいて三価のクロムをドーピン
グ剤として育成する本発明の場合には、イオン
半径のより小さな三価のホウ素イオンが優先的
にAlサイトに入り、Alサイトにはより大
きなクロムイオンが入ることが、十分期待し得
る。この結果、レーザ発振に有用なAlサイ
トのクロムイオン濃度が増加しより多くのクロ
ムイオンがレーザ活性イオンとして有効に寄与
するものとなると考えられる。

また、三価のクロムイオンとアルミニウムイ
オンのイオン半径の差が極めて大きいことは、
前述した如く三価のネオジムイオンをドーピン
グしたイツトリウムアルミニウムガーネツトの
場合に比べると極めて不利である。しかし、本
発明のホウ素イオン含有するベリリウム・アル
ミニウム・ボレイトの場合においては、クロム
イオンの作る大きな局所的な歪を小さなホウ素
イオンが補償するものと考えられ、1.0原子％
を超えるような高濃度のクロムイオンを含有す
る、すなわちエネルギーの変換効率にすぐれた
単結晶の製造が十分に期待できる。事実、結晶
性に優れ高出力時に熱的安定性にすぐれた飽和
現象のないレーザ発振が実現できるのである。

このように、本発明の三価のクロムイオンを
ドーピングしたベリリウム・アルミニウム・ボ
レイトからなるレーザ発振用単結晶は、同様に
三価のクロムイオンをドーピングしたベリリウ
ムアルミネートと比べ、大型で均一性がありか
つ固体レーザ媒体として用いた場合高効率であ
る点で格段に優れている。また、製造上の極め
て優れた再現性を有することを併せると、クロ
ムイオンを活性イオンとしてドーピングした固
体レーザ媒体として工業的に始めて有用なもの
である。さらに、このような特長を有する固体
レーザ媒体を利用した本発明の固体レーザ発振
装置は、発振効率が良好かつ高出力で、波長の
有為な選択幅が比較的広いレーザを放出し得る
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の固体レーザ発振装置の一実
施例に係る構成図である。第２図は、下記の媒体
を用いた場合の１パルスあたりの入力エネルギー
（Pi）と１パルスあたりのレーザ出力（Po）との
関係を示すグラフである。１……レーザロツド、２……キセノン・フラツ
シユランプ、３，４……共振器ミラー、５……出
力、ａ……1.1原子％のネオジムイオンを含有す
るイツトリウム・アルミニウム・ガーネツト（＜
111＞方位）の入出力特性曲線、ｂ……0.23原子
％のクロムイオンを含有するベリリウムアルミネ
ート（＜001＞方位）の入出力特性曲線、ｃ……
0.21原子％のクロムイオンを含有するベリリウ
ム・アルミニウム・ボレイト（＜001＞方位）の
入出力特性曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１ Be（Al1−xBx）₂O₄：Cr³⁺（但し、０＜ｘ＜
１）なる化学式であらわされる、三価のクロムイ
オンを活性イオンとしてドーピングしたベリリウ
ム・アルミニウム・ボレイト単結晶からなること
を特徴とする固体レーザ媒体。２前記変数ｘの範囲が0.0001≦ｘ≦0.05である
特許請求の範囲第１項記載の固体レーザ媒体。３前記単結晶中の三価クロムイオン含有率が
0.001〜10.0原子％である特許請求の範囲第１ま
たは第２項記載の固体レーザ媒体。４三価のクロムイオンを活性イオンとしてドー
ピングした少なくとも１個の単結晶よりなる固体
レーザ媒体と、コヒーレント放射線を出すために
ドーピング剤の原子を励起するための手段とを有
する固体レーザ発振装置であつて、前記単結晶が
Be（Al1−xBx）₂O₄：Cr³⁺（但し、０＜ｘ＜１）な
る化学式であらわされるベリリウム・アルミニウ
ム・ボレイト単結晶であることを特徴とする固体
レーザ発振装置。５前記変数ｘの範囲が0.0001≦ｘ≦0.05である
特許請求の範囲第４項記載の固体レーザ発振装
置。６前記単結晶中の三価クロムイオン含有率が
0.001〜10.0原子％である特許請求の範囲第４ま
たは第５項記載の固体レーザ発振装置。