JPH07277896A - ニオブ酸リチウム単結晶および該単結晶を用いたレーザー発振器 - Google Patents

ニオブ酸リチウム単結晶および該単結晶を用いたレーザー発振器

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JPH07277896A
JPH07277896A JP9383494A JP9383494A JPH07277896A JP H07277896 A JPH07277896 A JP H07277896A JP 9383494 A JP9383494 A JP 9383494A JP 9383494 A JP9383494 A JP 9383494A JP H07277896 A JPH07277896 A JP H07277896A
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晶子 杉岡
Kiyoshi Yamagishi
喜代志 山岸
Kenji Kitamura
健二 北村
Shigeyuki Kimura
茂行 木村
Nobuo Ii
伸夫 井伊
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
National Institute for Research in Inorganic Material
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で、構造の簡単な緑色レーザー発振し得
るレーザー発振器およびレーザー媒質として用いられる
単結晶を提供する。 【構成】 0.01〜1.2重量%のネオジムイオン、
0.5超〜2.0重量%のスカンジウムイオンを含有す
ることを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶および該単
結晶をレーザー媒質として用いたレーザー発振器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はニオブ酸リチウム単結晶
(LiNbO3)および該単結晶をレーザー媒質とする
レーザー発振器に関し、特にネオジム(Nd)イオンと
スカンジウム(Sc)イオンを同時に一定量含有するニ
オブ酸リチウム単結晶および該単結晶を用いて緑色レー
ザー光を発振するレーザー発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光メモリ技術の進歩に伴い、書き
込み密度向上のための光源波長の短波長化および装置全
体の小型化の要求が厳しくなってきている。現在、コン
パクトディスク等の読み取り光源は、近赤外域で発振す
る半導体レーザーを用いた第一世代から、ネオジム(N
d)レーザーを波長逓倍して得た緑色光を用いる第二世
代へと変わりつつある。
【0003】この第二世代の方式では、ネオジムの母材
にはY3Al512(YAG)、YLiF4(YLF)、
YVO4(YVO)等が、また波長逓倍のための非線形
結晶にはチタンリン酸カリウム(KTP:KTiOPO
4)、ニオブ酸リチウム等が主に用いられている。
【0004】しかし、チタンリン酸カリウムは波長逓倍
のためには角度位相整合が必要であり、高効率のために
は素子のアセンブリの際に特別な注意を必要とする。一
方、ニオブ酸リチウムでは90°位相整合が可能だが、
この結晶はもともと光による屈折率変化を起こしやすく
(光損傷)、これを軽減するために酸化マグネシウムを
添加することが行われている。その結果、位相整合温度
が150℃付近と高温になるため、半導体レーザー用と
併せて独立した二系統の温度制御系が必要とされ、小型
化のための障害となっている。
【0005】光源素子の小型化のための試みの一つとし
て、レーザー媒質自体に非線形性を持たせ、発振と逓倍
を同一結晶内で行わせる方法がある。この現象は196
9年にTm;LiNbO3でツリウム(Tm)の第二高
調波発生に成功したことで確認されていた(Johns
on et al.J.Appl.Phys.40,2
97(1969))。近年では酸化マグネシウム(Mg
O)とネオジム(Nd)イオンを同時添加したニオブ酸
リチウム結晶を用いて緑色光の連続発振に成功している
(Fan et al.J.Opt.Soc.Am.3
(1)140(1986))。しかし、この報告でもニ
オブ酸リチウムを152℃に加熱しており、小型で実用
的なレーザー媒質としてはまだ問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
で、構造の簡単な緑色レーザー発振し得るレーザー発振
器およびレーザー媒質として用いられる単結晶を提供す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、ネ
オジムおよびスカンジウムを一定量含有したニオブ酸リ
チウム単結晶を固体レーザー発振器のレーザー媒質とし
て用いることによって達成される。
【0008】すなわち、本発明は、0.01〜1.2重
量%のネオジムイオン、0.5超〜2.0重量%のスカ
ンジウムイオンを含有することを特徴とするニオブ酸リ
チウム単結晶にある。
【0009】本発明のニオブ酸リチウム単結晶では、ネ
オジムイオンとスカンジウムイオンを同時に含有する。
この際のネオジムイオン濃度は0.01〜1.2重量
%、スカンジウムイオン濃度は0.5超〜2.0重量%
であることが必要である。ネオジムイオン濃度がこの範
囲よりも多いと濃度消光が顕著になり好ましくない。ま
た、スカンジウムイオンがこの範囲より多いと結晶性が
低下する。
【0010】このようにネオジムイオンとスカンジウム
イオンを含有したニオブ酸リチウム単結晶を得るには、
コングルエント組成となるような炭酸リチウム、五酸化
二ニオブといったニオブ酸リチウム単結晶原料と酸化ネ
オジム、酸化スカンジウムの所定量を混合し、圧粉体に
成形し、チョクラルスキー法等の引き上げ法、フローテ
ィングゾーン法、ブリッジマン法あるいは液相エピタキ
シー法等を用いてネオジムイオンおよびスカンジウムイ
オンを含有したニオブ酸リチウム単結晶を得る。これら
の方法の中でチョクラルスキー法が最も好適に利用でき
る。
【0011】また、ネオジムイオンやスカンジウムイオ
ンを含有していないニオブ酸リチウム単結晶の表面に、
酸化ネオジムと酸化スカンジウムをイオンプランテーシ
ョンもしくはスパッタリング法等により添加し、熱処理
等の拡散プロセスによりスカンジウムイオンをドープし
てもよい。この方法は、スカンジウム等が著しく高価な
元素であること、光素子を製造する際に局所的にドープ
することを考慮すると好ましい方法である。
【0012】次に、本発明のレーザ発振器は、上記ニオ
ブ酸リチウム単結晶をレーザー媒質として用いるもので
ある。
【0013】以下、本発明のレーザー発振器を図面に基
づいて説明する。図1は、本発明のレーザー発振器の一
例を示す概略図であり、同図において、1はチョッパ
ー、2はレンズ、3はミラー、4はレーザー媒質(ニオ
ブ酸リチウム単結晶)をそれぞれ示す。
【0014】図1において、チタンイオンをドープした
サファイアレザーや半導体レーザーが813nmの励起
光源として使用される。このような励起光源としては、
ネオジムの吸収する波長であれば特に制限はないが、本
発明の目的とする小型素子の実現という見地からすれ
ば、半導体レーザーが最も好適に使用される。
【0015】このレーザー光はレンズ2で集光され、ミ
ラー3を通って、レーザー媒質(ニオブ酸リチウム単結
晶)に導入される。このミラー3は813nmのレーザ
ー光を殆ど透過し、546nm緑色光および1092n
mのレーザー光を殆ど反射するものである。
【0016】レーザー媒質4は、上述のように、ネオジ
ムイオンとスカンジウムイオンを一定量含有するニオブ
酸リチウム単結晶からなるもので、ネオジムイオンで8
13nmのレーザー光を吸収し、1092nmのレーザ
ー光を発振すると同時に、単結晶のもつ非線形効果によ
り1092nmのレーザー光の第2高調波である546
nmの緑色でも発振する。
【0017】このレーザー媒質に供するニオブ酸リチウ
ム単結晶の形状はどのようなものでもよく、端面が長手
軸に垂直な平面であっても、プリュースターカットであ
っても構わない。端面がブリュースターカットされてい
ない場合は、励起光、基本発振波長および第二高調波波
長での反射ができるだけ低くなるような蒸着膜が施され
ていたほうが、閾値の低減、高効率発振のためには望ま
しい。
【0018】また、この単結晶は温度制御を行ったほう
が望ましく、本発明者等の知見によれば、スカンジウム
イオン濃度が1.2重量%の場合には位相整合温度は2
0℃である。
【0019】このようにして、発振された1092nm
のレーザ光と546nmの緑色光はミラー3を透過し、
さらに別のミラー(図示せず)によって選択的に分光さ
れる。
【0020】このようなレーザー発振器の各部に細かい
制約はなく、上述のように平面ミラーや曲面ミラーを適
宜組み合わせて構成すればよい。またコーティングによ
り、結晶の一方あるいは両方の端面に反射ミラーとして
の機能を直接持たせることも可能である。
【0021】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明
する。
【0022】実施例1 ネオジムイオンおよびスカンジウムイオンを含有したニ
オブ酸リチウム単結晶はチョクラルスキー法により育成
された。すなわち、コングルエント組成の炭酸リチウム
(Li2CO3)と五酸化ニオブ(Nb25)の混合物に
1.0重量%の酸化ネオジム(Nd23)と1.3重量
%の酸化スカンジウム(Sc23)を添加したものを原
料とした。育成速度は0.8mm/hr、回転数は20
rpm、育成雰囲気は空気であった。得られた結晶は淡
紫色を呈し、透明で包含物は認められなかった。結晶は
育成炉から取り出した後、速やかに単一分域化処理を行
った。
【0023】発振試験のレーザー媒質として用いた試料
は上記結晶から切り出された。サイズは結晶のX、Y、
Z軸方向にそれぞれ10×5×4mmでX面には109
2nm、813nmおよび546nm付近で可能なかぎ
り高透過率となるようなコーティングを施した。試料
(ニオブ酸リチウム単結晶)の温度は20℃に保たれ
た。
【0024】このニオブ酸リチウム単結晶を用いて図1
のようなレーザー発振器を作製した。励起光源にはチタ
ンイオン含有サファイア(Ti;Al23)レーザーを
813nmで発振させて使用した。共振器は曲率半径1
00mmの2枚の反射鏡で構成されている。反射鏡の表
面には1092nm付近と546nm付近で高反射、8
13nm付近では低反射となるようなコーティングを施
した。
【0025】励起光は、焦点距離120mmの凸レンズ
を用いて結晶中に絞り込まれた。
【0026】546nmでの発振は連続(CW)モード
でも、断続光を用いて励起した非連続(quasi−C
W)モードでも容易に観察された。連続(CW)モード
ではスロープ効率は0.3%、閾値は80mW程度、非
連続(quasi−CW)モードでは閾値は80mW程
度であった。
【0027】この連続発振における励起光(813n
m)強度に対する出力光(546nm)の強度特性を示
すグラフを図2に示す。
【0028】本実施例では非連続(quasi−CW)
発振と連続(CW)発振のみを試みたが、既に広く知ら
れているニオブ酸リチウム単結晶の電気光学効果を用い
て、結晶のZ軸方向に電場をかけることによりQスイッ
チのかかった緑色光を取り出すことも可能であろう。
【0029】
【発明の効果】本発明のレーザー発振器を構成すること
により、1個の結晶で直接緑色光が得られる。これは、
現在主流になりつつあるネオジムレーザーを非線形結晶
を用いて波長変換する方式に比べ、結晶の数が少なくて
すむという利点を持つ。またネオジムイオンとマグネシ
ウムイオンを同時に含有したニオブ酸リチウム単結晶を
使用した場合に比べて結晶の温度を低く保てる。特にス
カンジウムイオン濃度が1.2重量%の結晶では位相整
合温度はほぼ室温付近であり、かつ励起光源である半導
体レーザーの動作温度にも近いため素子の小型化には有
利である。
【0030】さらに、ネオジムイオンおよびマグネシウ
ムイオンを含有したニオブ酸リチウム単結晶を用いた場
合には、緑色光で発振させるには基本波の発振方向がσ
偏向(Z軸に垂直)である必要があり、その制御のため
に共振器内に偏向選択素子を挿入する必要があった。し
かし、本発明のネオジムイオンとスカンジウムイオンを
含有したニオブ酸リチウム単結晶を使用した場合には自
らσ偏向で発振するためその必要がない。この点も素子
全体の小型化、簡略化のためには大きな利点となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザー発振器の一例を示す概略
図。
【図2】 連続(CW)発振における励起光(813n
m)強度に対する出力光(546nm)の強度特性を示
すグラフ。
【符号の説明】
1:チョッパー、2:レンズ、3:ミラー、4:レーザ
ー媒質(ニオブ酸リチウム単結晶)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 健二 茨城県つくば市並木1丁目1番地科学技術 庁無機材質研究所内 (72)発明者 木村 茂行 茨城県つくば市並木1丁目1番地科学技術 庁無機材質研究所内 (72)発明者 井伊 伸夫 茨城県つくば市並木1丁目1番地科学技術 庁無機材質研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 0.01〜1.2重量%のネオジムイオ
    ン、0.5超〜2.0重量%のスカンジウムイオンを含
    有することを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の単結晶をレーザー媒質
    として用いたレーザー発振器。
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