JPH07508139A - 同調可能な固体レーザ - 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】 同調可能な固体レーザ 扶亜盆野 本発明は、広くは固体レーザに関するものであり、より詳しくは、ある波長範囲 に亙って動作させることのできるレーザに関するものである。

発明の背景 同調可能な固体レーザの開発に対する関心が、近年著しく高まってきた。固体レ ーザは、反転分布状態の中にエネルギを蓄える能力が大きく、シかもメンテナン スフリーであって動作寿命が長いことから、現世代の、レーザ光ポンピング式な いしランプ光ポンピング式の遷移金属ドープ形絶縁性結晶体レーザは、レーザ分 光学や遠隔センシングをはじめとする様々な科学的用途及び工学的用途において 色素レーザをしのいでいる。しかしながら、この種の固体レーザが商業的な用途 に広く使用されるようになるためには、その構造を大幅に簡単化し、大きさを大 幅に小型化し、価格を大幅に低下させる必要がある。

この種のレーザの特徴としては、１つには利得スペクトルのスペクトル幅が広い ことがあり（数百能ものスペクトル幅を持つものもある）、また、もう１つには 、通常は空胴的同調素子を備えており、その空胴的同調素子を用いて出力波長を 利得スペクトル曲線の一部分において同調させることができるようにしであるこ とがある。初期のデバイス（例えば、Ｃｏ：ＭｇＦ、やＴｉ：Ａｌ２Ｏ２を使用 したデバイス）のうちには、機械式ライオツド・フィルタを備え、その機械式ラ イオツド・フィルタをレーザ空胴内に配設して、それを回転させることでレーザ の出力波長を偏移させるようにしたものがあった。これについてはｒｌ、ａｖｏ ｉｄ　ｅｔ　ａｌ、、　ＩＥＥＥＪ、Ｑ、Ｅ、、　ＱＥ−２１（３）　ｐａｇｅ 　２０２　（Ｍａｒｃｈ、　１９８５）　Ｊを参照されたい。同じ目的を達成す るために、電気光学的特性を有する結晶を組み込んだエタロンやライオツド・フ ィルタをガルバノメータで駆動制御するようにした構成も、用いられていた。

これ１こついてはｒｏｔｓｕｋａ　ｅｔ　ａｌ、、　０ｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕ ｎｉｃａｔｉｏｎｓ、　６３（１）、　ｐ、　３７　（ＪｕP７ １９８７）Ｊを参照されたい。回折格子を用いた方法には、電子制御式同調が不 可能であるという短所があった。

機械式同調を行なうライオツド・フィルタや、ガルバノメータで駆動するエタロ ンのように、光学素子を物理的に移動させるようにした同調素子は、動作速度が 比較的遅い上に、寸法的にも大きなものになってしまう。また、電気光学式ライ オツド・フィルタは、動作が高速であり寸法的にも小型であるが、同調させるた めには数百ボルトもの電圧を必要とする。これらの理由から、従来の技術文献に 記載されている同調方法はいずれも、例えばＣｒ：Ｌｉ５ＡＦのような小型のダ イオード・ポンピング式の同調可能なレーザ・システムに用いるのには適してい なかった。

液晶ライオツド・フィルタについて記載した文献にはｓ　ｒＳｈｉｎ−Ｔｓｏｎ 　ｆｕ、＾ｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　２８．４ｇ、　（１９８９）Ｊ、ｒ Ｊ、　Ｒ，＾ｎｄｒｅｗｓ、　ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏ撃 盾■凵@Ｌｅ ｔｔｅｒｓ、　２．３３４　（１９９０）Ｊ　、それに米国特許第４３９４０６ ９号（？、Ｉ、　Ｋａｙｅ　、発明の名称：　”Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ 　Ｔｕｎｅｄ　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ　Ｆｉｔｅｒ”）などがある。液晶ラ イオツド・フィルタを用いる場合には、従来の複屈折同調素子と同様に、偏光子 を通過した光が、可変波長板を通過し、ミラーで反射されて再びそれら波長板及 び偏光子を通過するようにしておく。ミラーで反射された戻りビームは、可変複 屈折板（可変波長板）のりターディジョン（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ）が半波長 の整数倍でなければ減衰される。この液晶波長板は、ある帯域の波長に対してだ け、半波長板ないし全波長板として作用する。その帯域の外にある波長は、戻り ビームとなって偏光子を通過するときに、偏光子によって減衰される。

しかしながら、偏光子と波長板との組合せの１回通過透過率は最大でも９０％〜 ９８％に過ぎず、そのため、低利得のダイオード・ポンピング式のレーザ・シス テムには、上述の構成を空胴的同調素子として用いることができない。ただし高 利得のレーザ・システムであれば、上述の構成を空胴的同調素子として用いるこ とができ、実際にこれまで、様々な複合液晶複屈折フィルタが外部空胴式レーザ ・ダイオードの空胴的同調素子として使用されている（これについては「”Ｅｌ ｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ　ｅｘｔ ｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ　ｄｉｏｄｅ　１ａｓｅｒ”、　ＪAＲ，Ａｎｄｒｅ ｗｓ、　０ｐｔｉｃｓ　１ｅｔｔｅｒｓ、　１６．７３２−７３４　（１９９１ ）Ｊを参照されたい）。更に、出力波長が６７０ｎｍの近傍にある＾１ＧａＩｎ Ｐ半導体レーザが開発されたことで、ダイオード・ポンピング式のＣＷレーザが 実際に可能であるということが証明された。その種のＣＷレーザのうちには、ア レキサンドライト即ち（Ｃｒ”：ＢｅＡ１１０４）を使用したもの（これについ てはｒＲ，５ｃｈｅｐｓ、　ｅｔ　ａｌ、、＾ｐｐ１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ 、　５６．２２８８　（１９９０）」を参照されたい）もあれば、Ｃｒ”　：Ｌ ｉＳｒ＾ＩＦ、即ち（Ｃｒ：Ｌｉ５ＡＦ）を使用したもの（これについてはｒＧ 、　Ｊ、　Ｄｉｘｏｎ、　ｅｔ　ａｌ、、　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　５ｉｘｔｈ　 ＩｎｔｅｒｄｉｓｉｐｌｉｎａｒｙＬａｓｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｃｏｎｆｅｒ ｅｎｃｅ、　（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ、　Ｎｅ ｗ　Ｙｏｒｋ、@１９９０）。

ｐａｐｅｒ　８３−ＩＪ、　「リ　Ｚｈａｎｇ　ｅｔ　ａｌ、　、Ｄｉｇｅｓｔ 　ｏｆ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎп@Ｅｌｅｃ ｔｒｏ　０ｐｔｉｃｓ　（Ｏｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｗｅｒｉ ｃａ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ、Ｄ、Ｃ，、１９９１）、ｐａ垂■秩@Ｃ ＴＨＲ６Ｊ　、並びにｒＲ，５ｃｈｅｐｓ、　ｅｔ　ａｌ、、　Ｏｐｔ、Ｌｅｔ ｔ、　１６．８２０　（１９９１）Ｊを参照されたい）もあり、更には、Ｃｒ” ：ＬｉＣａＡＩＦ＠即ち（Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ）を使用したもの（これについては ｒＲｌＳｃｈｅｐｓ、　ＩＥＥＥ　Ｊ、　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、 、　２７．１９６８　（１９９１）　Ｊを参照されたい）もある。１０％ドープ のＣｒ：Ｌｉ５ＡＦレーザをダイオード・ポンピングで動作させた場合には、６ ７０ｎａ＋の付近に幅広く強い吸収があることと、発光断面積と寿命との組合せ が好適であることとによって、そのしきい値パワーが僅か３ｍｌになることが判 明している。色素レーザ励起としたところ、８５０止の近傍の広帯域動作におい て４１％の傾斜効率（ｓｌｏｐｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が達成されたという 測定結果も得られている。ドープ濃度がこれよりも低いＣｒ：Ｌｉ５ＡＦを使用 したレーザによる、高出力の、疑似ＣＷの、ダイオード・ポンピングによる動作 にツイテも報告がなされティる（これについてはｒＲ，５ｃｈｅｐｓ、　ｅｔ　 ａｌ、、　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆｔｈｅ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　５ｏｌｉｄ　５ｔａ ｔｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　（Ｏｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ 　ｏｆ　Ａ高■窒奄モ＝B １１ａｓｈｉｎｇｔｏｎ、　Ｄ、Ｃ，、１９９１）、　１）、　２９１　Ｊを参 照されたい）。

Ｃｒ：Ｌｉ５ＡＦの断面積寿命積（即ち、誘導放出断面積と寿命とを乗じた積） は、その他のクロム・ドープ形の同調可能なレーザ媒質の断面積寿命積と比べれ ば大きいが、Ｎｄ：ＹＡＧの（並びにその他の多くの稀土類ドープ形ホストの） 断面積寿命積と比べれば約５０分の１程度でしかない。そのため、その種のダイ オード・ポンピング式のレーザに空胴的同調素子を付加すると、それによっても たらされるそのレーザの空胴内損失の増大によって、そのレーザのしきい値が著 しく上昇してしまう。

比較的構造が簡明で、安価で、コンパクトで、しかもＣｒ：Ｌｉ５ＡＦのような レ−ザ媒質を使用できる装置及び方法が利用可能になれば、大きな利点が得られ るに違いない。更に、そのようなレーザを、ある周波数範囲内において効率的に 同調させることができれば、特に大きな利点が得られるに違いない。

発明の概要 本発明の包括的な目的の１つは、低利得システムの空胴内損失を大幅に低減する ことのできる同調方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、低電圧で動作させることのできる結合空胴形同調素子を 提供することにある。

本発明の更なる目的は、低利得のダイオード・ポンピング式固体レーザを同調さ せるために使用することのできる、液晶ライオツド・フィルタを提供することに ある。

本発明の具体的な目的の１つは、ツリウム・ファイバ・レーザに用いるのに適し た、結合空胴形液晶同調器を開示することにある。

本発明の更なる目的は、比較的高速で、僅かな電力しか消費せず、可動部品を必 要とせず、しかも比較的コンパクトに実施することのできる、同調方法を提供す ることにある。

本発明によれば次のような同調可能なレーザが提供される。この同調可能なレー ザは、光ポンピング可能なレーザ媒質と、入力ミラーと、該入力ミラーと協働し て前記レーザ媒質のための光学空胴を形成する共振反射手段とを備えている。

前記共振反射手段は、出力結合素子と、該出力結合素子と前記レーザ媒質との間 に配設した該レーザ媒質から該出力結合素子へ光を通過させるミラー素子と、該 前記ミラー素子と前記出力結合素子との間の光路中に配設した偏光子と、該偏光 子を通過した光が入射するように配設した電子同調式で電圧制御式の可変液晶波 長板素子とを構成要素として備えており、更に、該共振反射手段の前記構成要素 を、前記光学空胴に対して反共振関係をなす縦モードが得られるように選択しで ある。

本発明は、比較的高速で（例えば、ｋＨｚ単位の反復速度で同調範囲の全域をス ィーブできるほどの高速で）、シかも極めて僅かな電力しか消費しない同調方法 を提供するものである。液晶可変リターダを使用することにより、低利得レーザ を、数ボルトの電位を印加するだけで、数千０園ものりターディジョンに相当す る範囲に亙って迅速に同調させることができる。この同調方法は、小型のダイオ ード・ポンピング式のレーザに用いるのに特に適しており、なぜならば、この方 法は可動部品を必要とせず、非常にコンパクトに実施することができ、極めて僅 かな電力しか消費しないからである。

本発明のその他多くの利点及び特徴は、以下の本発明の詳細な説明、その中に説 明されている実施例、請求項、及び添付図面を参照することによって、容易にし かも明瞭に理解することができる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の主題をなす液晶ライオツド・フィルタの模式図、図２は、図１ の液晶ライオツド・フィルタを組み込んだ一実施例に係るレーザ・システムを示 した図、そして、 図３は、図１の液晶ライオツド・フィルタを組み込んだ別のレーザ・システムの 模式図である。

詳細な説明 本発明は様々に異なった形態で実施し得るものであるが、ここでは、本発明の具 体的な２つの実施例を図示してそれらについて詳細に説明して行く。ただし、本 開示はあくまでも、本発明の原理の具体例を示したものであり、本開示が、本発 明をここに説明する具体的な実施例に限定することを意図したものではないこと を理解されたい。

図面について説明すると、図１は本発明に使用する形式の液晶ライオツド・フィ ルタ１０の模式図である。この形式のフィルタの動作の概要はｒＳ、Ｔ、　Ｗｕ 、　Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　２８．４ｇ、　（１９８９）　Ｊ、ｒＪ 、Ｉ’１．　Ａｎｄｒｅｖｓ、　ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈ獅盾 撃盾■凵@Ｌｅ ｔｔｅｒｓ、　２．３３４　（１９９０）　Ｊ　、それに米国特許第４３９４０ ６９号（Ｗ、　Ｉ、　Ｋａｙｅ　１発明の名称：　”Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔ ａｌ　Ｔｕｎｅｄ　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ　Ｆｉｌｅｒ’）などに記載され ている。このライオツド・フィルタは、その構成要素として、偏光子Ｐ１液晶波 長板（可変波長板）１２、及びミラーＭを含んでいる。この図工の複屈折フィル タを定在波形レーザの同調に用いる場合には、そのレーザ共振器の一対のエンド ・ミラーのうちの一方をこの複屈折フィルタに交換する。液晶波長板１２の主軸 は偏光子Ｐを通過する偏光方向に対して４５°傾斜させておく。偏光子Ｐを通過 した光りは、可変波長板１２を通過し、ミラーＭで反射されて再びそれら波長板 及び偏光子を通過する。この戻りビームＲは、可変複屈折波長板１２のリターデ イションが半波長の整数倍でなければ減衰される。液晶波長板１２は、ある帯域 の波長に対してだけ、半波長板ないし全波長板と同様に作用する。この帯域の外 にある波長は、戻りビームとなって偏光子Ｐを通過するときに、偏光子Ｐによっ て減衰される。

この図１のフィルタ１０を、線形空胴形の定在波形レーザ（ｓｔａｎｄｉｎｇ− ｗａｖｅ、１ｉｎｅａｒ　ｃａｖｉｔｙ　１ａｓｅｒ）の一方のエンド争ミラー を取外したあとに取付けて用いると、利得媒質の側から見たその反射率は、波長 に応じて変化することになる。即ち、その反射率は、リターデイションが半波長 の整数倍に相当する夫々の波長で極大となり、リターデイションが４分の１波長 の奇数倍に相当する夫々の波長で「０」に近付く。波長板１２に印加する電圧Ｖ を変化させることによって、以上の偏光子、波長板、及びミラーの組合せによる 減衰が最小になる波長を変化させることができる。従って、図１に示したアセン ブリ１０は、電圧制御式同調素子に他ならない。

可変波長板１２を最大限の同調範囲に互って同調させるためには、可変波長板１ ２のリターデイションを同調範囲の中心波長の２分の１だけ変化させるだけで良 いが、ただし、このフィルタ１０の帯域幅を狭めるために、合計リターデイショ ンを大きな値にすることが必要とされることもしばしばある。それには、固定複 屈折板ＷＰを、その主軸が可変波長板１２の主軸と平行になるようにして、偏光 子ＰとミラーＭとの間に介挿すれば良い。図１には、そのように介挿した固定複 屈折ＩＷＰを破線の外形線で示しである。しかしながら、偏光子と波長板との組 合せの１回通過透過率は、最大でも９０％〜９８％に過ぎないため、このような 構成を、低利得のダイオード・ポンピング式レーザ・システムの空胴内同調素子 として使用することは実際上不可能である。

図１の液晶複屈折フィルタ１０を低利得のレーザ・システムにも使用できるよう にするには、図２に示したように、このフィルタ１０を共振反射器の中に配設す るようにすれば良い。損失の大きな素子を結合空胴の中に配設することによって 、利得媒質の側から見た損失を許容できないほどの高レベルに増大させることな くレーザを同調させることができるようになる。

次に図２について説明すると、同図には、２つのエンド・ミラー（ｅｎｄ　ｍｉ ｒｒｏｒ）Ｍｌ及びＭ２で形成されて、その中にレーザ媒質ＬＭが配設されたー 次レーザ空胴と、結合空胴を形成しているライオツド・フィルタ１０とが示され ている。ミラーＭ３の代わりに回折格子を用いた結合空胴方式の同調方法につい ては文献にも色々と記載されているが、しかしながら、結合空胴方式の同調方法 を、本発明のように、レーザ・システムにおいて電子式同調素子及び液晶波長板 に関連させて利用するということは、これまで全く示されていなかった。

図２のミラーＭ２及びＭ３で形成された空胴の等価反射率（可変波長板及び偏光 子を除いた等価反射率）について考察すると、当業者には周知の如（、この反射 率の値は波長に応じて変化する。（これについてはｒｓｉｅｇｍａｎ、　Ａ、Ｅ 、、　Ｌａ５ｅｒｓ。

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｂｏｏｋｓ、　１９８６．　ｐａｇｅ ｓ　４１３−４２６Ｊを参照されたい）。共振状る場合であり、この式において ｒｃＪは光速、ｒｎ＋　Ｊは第「ｉ」番目の光学素子の屈折率、そしてΣＬ＋１ 才合計空胴長である）には、この反射率の値が極小値を取る。反射率が極小値を 取る幾つもの点の間には反射率が極大値を取る幾つもの幅広い領域が存在してい る。更に重要なことは、このことから、２枚のミラーで形成された共振反射器の 「実効反射率」　（即ち、実反射率に共振器の内部のラウンド・トリップ損失を 加味したもの）が、その共振反射器を形成している２枚のミラーのいずれの反射 率よりも著しく大きくなり得るという結論が得られることである。具体的な例と して、入力反射率が９８％で出力反射率が９６％の空胴に対する、空胴内損失の 影響を考察することにする。この場合、その空胴内に損失が付加されると、出力 ミラーの実効反射率は９６％であったものがそれ以下に減少することになる。そ の結合空胴のラウンド・トリップ損失が２０％であるものとすれば（この数字は 、液晶波長板と偏光子の組合せの損失を表わす良好な近似値の一例である）、反 射率が９８％の人力ミラーから入射したビームの反共振反射率（ａｎｔｉ−ｒｅ ｓｏｎａｎｔ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）の値（上湯のＳｉｅｇｍａｎの文献 の第４２４頁に掲載されている解析に従って計算した値）は、優に９９％を超え る大きな値になる。実際に計算して出た結果によれば、ミラーＭ３の実効反射率 が２０％以上でありさえすれば、その共振反射器の実効反射率は９９％以上にな ることが判明している。従って、共振反射器を用いることによって、反共振反射 率を著しく低下させることなく、非常に大きな空胴内損失を許容し得るようにな る。

それゆえ、その空胴内に（即ち、ミラーＭ２とＭ３との間に）可変波長板である 同調素子１２と、偏光子Ｐとを挿入すれば、それら２つの素子とミラーＭ３とで 図１に示した形式の複屈折同調器が形成される。そして、その結合空胴の反射率 が波長に応じて変調されるようになり、換言すれば、その結合空胴の反射率の値 が波長の関数になる（より詳しくは、出力ミラーＭ３の実効反射率の値が、この ミラーＭ３の実反射率から偏光子と波長板との組合せによるラウンド・トリップ 損失を減じた値になる）。この複屈折同調器を通過する波長では、実効反射率の 値が、実反射率からこの複屈折フィルタ（複屈折同調器）の固有の損失を減じた 値になる。例えば典型的な液晶波長板を用いた複屈折同調器では、その実効反射 率の値が２０％〜４０％の範囲内の値になる。一方、この複屈折フィルタ（複屈 折同調器）によって減衰される波長では、実効反射率の値が「０」になる（ただ し偏光子が良好なものである場合）。

従って、２枚のミラーＭ２及びＭ３で形成された結合空胴の最大反射率の値は波 長の関数になる。複屈折フィルタを通過する波長では、既述の如（、この実効反 射率の値は非常に大きな値になり得る。一方、複屈折フィルタを通過しない波長 では、この実効反射率の値は１枚のミラーＭ２の反射率のみによって定まる。

このように２枚のミラーの組合せの反共振反射率の値が波長によって変化するこ とを利用して、レーザ出力を同調させることができる。

この結合空胴形複屈折同調器は、上述の特性を有するため、例えばＣｒ：Ｌｉ５ ＡＦ等の低利得のダイオード・レーザ・ポンピング式固体レーザの同調に用いる のに殊の外適している。Ｃｒ：Ｌｉ５ＡＦは、その分光特性と物性との組合せが 非常に優れている（これについてはｒＱｉ　Ｚｈａｎｇ　ａｎｄ　Ｇ、Ｊ、　Ｄ ｉｘｏｎ、　ｅｔ　ａｌ、、　”ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＴｕｎｅｄ　Ｄ ｉｏｄｅ−Ｌａｓｅｒ−Ｐｕｍｐｅｄ　Ｃｒ：Ｌｉ５ｒＡＩＦ６　Ｌａ５ｅｒ” 、　９．１７（１）、　４３−４５　Ｕａｎ、　１．１９９２）　Ｊを参照され たい）。Ｃｒ：Ｌｉ５ＡＦは、その断面積寿命積がその他のクロム・ドープ形の 同調可能レーザ媒質のものより大きいことに加えて、それと分かる程のライフタ イム・クエンチングや結晶品質の劣化を伴うことなく１０％以上の濃度にまでド ープすることができる。１０％ドープした材料では、６７０ｎ−における吸収係 数の値が約５０ｃｍ−’になり、そのため、ポンピング吸収率を犠牲にすること なく、サブミリメートルの厚さの板状の利得媒質を使用することが可能である。

更に、このように吸収深さが浅いため、高度に合焦させたポンピング・ビームを 、そのビームがそれと分かる程に広がってしまう前に吸収することができる。し きい値パワーは、ポンピング及びレーザ・モードの個々の面積の総和の、利得媒 体の有効長に亙る平均値に比例するため、高濃度にドープしたＣｒ：Ｌｉ５ＡＦ 結晶の内部の小さなモード・ボリュームの中にポンピング・ビームを高度に合焦 させることによって、レーザのしきい値パワーを大幅に低下させることができる 。そのようにする場合には、結合空胴の入力ミラーＭ２の透過率の値を、このミ ラーＭ２だけでもかろうじてレーザの動作停止を回避することができるぎりぎり の値である数％程度にしておく。ミラーＭ２は図１に示した形式の液晶複屈折フ ィルタ１０に結合している。この結合共振器１０は、レーザ利得媒質を収容して いる一次共振器の基本横モードとモード・マツチするように設計しである。その 出力透過率の値は、２％〜２５％の範囲内でレーザの出力結合を最適化する値に 選択するようにしている。これによって、液晶波長板１２の複屈折率を変化させ ることで、レーザの出力を広いスペクトル範囲に亙って同調させることが可能に なっている。本発明者らは、初期実験において、６０ｎ■の範囲に亙って出力を 同調させることに成功しており、そのとき印加した電位差は２ボルト以下であっ た。

複屈折同調器を結合空胴の中に配設したために、複屈折同調器による損失が大幅 に低減された一方で、結合空胴と一次共振器との相対的空胴長を制御することが 必要になっている。

結合空胴方式の同調構造は、入力の周波数が結合空胴に対して反共振関係をなし ていなければ適切に動作しない。第１近似として、図２のミラーＭ１及びＭ２で 形成された一次空胴の共振周波数によって、結合空胴への入力の周波数が決まる ものと考えて良い。反共振動作が確実に行なわれるようにするためには、−次空 胴の光路長を調節して、この−次空胴の縦モードの夫々の周波数が結合空胴にお ける反共振周波数になるようにする必要がある。このことは、実際上それら双方 の空胴のいずれの空胴長をも、波長の数分の−のオーダーで安定化しなければな らないことを意味している。結合空胴の空胴長の制御のための制御信号としては 、レーザの出力パワーを利用することができる。

図３には、液晶波長板１２と誘電体偏光子Ｐとを電子制御式同調素子として使用 した、好適実施例に係る同調可能な結合空胴形のＣｒ：Ｌｉ５ＡＦレーザ３０を 示した。薄い（好ましくはＱ、５ａ＋以下の）結晶板１４は、１０％（好ましく は５％以上）の濃度にクロム・ドープしたＣｒ＋Ｌｉ５ＡＦ結晶板であって（こ れは例えば、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｆｌｏｒｉｄａの ＣＲＥＯＬ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙで行■■ れているようにクロム・ドープした溶融金属から成長させた結晶である）、この 薄い結晶板１４の両面を、平行にしかも平らに磨き上げ、その磨き上げた両面に 誘電体反射膜Ｍ１及びＭ２をコートしてキューブ状レーザ共振器Ｒ０を形成しで ある。ポンピング面Ｍ１は、８６５ｎ＋＊（好ましくは８２０ｎ吐８８０ｎ＋ｅ との間）において高反射性（ＨＲ）を有し、ポンピング波長の６７０止において 高透過性（ＨＴ）を有するようにしたものである。反対側の面Ｍ２は、８６５ｒ ｕｓ（好ましくは８２０止と８８０ｎ１１との間）における反射率が９０％〜９ ８％となるようにコートしである。このＣｒ　：　Ｌｉ５ＡＦ結晶板１４を、Ｉ ｎＧａ＾ＩＰレーザ・ダイオードＤでポンピングしており、このレーザ・ダイオ ードＤは、一般的な技法（例えば、米国特許第５１０５４３４号（Ｋｒｕｐｋｅ 　ａｎｄ　Ｐａｙｎｅ）を参照されたい）を用いてレンズＦを介して合焦させる ようにしている。

適当な光ポンピング手段は、レーザ・ダイオード、発光ダイオード（類ルミネセ ンス発光ダイオード及び類ルミネセンス発光ダイオード・アレイを含む）、ない しはレーザ・ダイオード・アレイであって、適当な付属のパッケージないし構造 を備えたものであるが、熱論、これらのみに限られるものではない。説明を簡明 にするために、ここで使用する「光ポンピング手段」という用語は、上に挙げた レーザ・ダイオード、発光ダイオード、ないしレーザ・ダイオード・アレイに付 属する、あらゆる種類のヒート・シンク、熱電式冷却器、ないしはノく・ソケー ジを含めた全体を指すものとする。例えばこれらのデバイスは一般的に、耐熱性 及び熱伝導性を有するヒート・シンクに取付けられ、金属製ハウジングの中にツ ク・ソケージされている。効率的な動作を行なわせるためには、ポンピング・ダ イオードＤの波長がレーザ媒質の適当な吸収帯に一致するようにしておくことが 望ましい。ヒート・シンクは受動的に動作するものであっても良いが、レーザ・ ダイオードの温度をできるだけ一定に維持して、そのレーザ・ダイオードが一定 の波長で最適に動作できるようにするために、熱電式冷却器等をはじめとする様 々な温度抑制手段を備えたヒート・シンクを用いるようにしても良い。光ポンピ ング手段りが、その動作中に適当な電源に接続されていることはいうまでもない 。レーザ・ダイオードＤから延出しているリード線は適当な電源に配線されてい るが、図を簡明にするためにそれらについては不図示とした。

一般的に入手可能な発光ダイオードやレーザ・ダイオード等のデバイスは、その デバイスの組成に応じて約６８０止〜約１６０Ｏｎ＋ｉの範囲内の波長の出力光 を発生するものであるが、本発明を実施するためには、その種のデバイスのうち から、レーザ媒質を効果的にポンピングし得る波長のポンピング光を発生する任 意のデバイスを選択して使用すれば良い。例えばＩｎＧａＡｓＰデバイスを使用 すれば、約１０００〜約１６００止の波長範囲内の出力光が得られる。

光学素子Ｆを使用することなく、レーザ媒質の入力面に対する半導体光源りの出 力面の結合関係を、接触結合または近接結合とすることが望まれる場合には、そ のようにすることもでき、それによって装置を小型化し、装置の構造も簡明化す ることができる（これについては米国特許第４８４７８５１号（Ｄｉｘｏｎ　） に記載されている高濃度レーザ媒質の近接結合ポンピングの説明を参照されたい ）。

尚、ここで使用している「接触結合」という用語が意味する結合態様について説 明すると、これは、半導体光源りないしレーザ・ダイオードから発したポンピン グ光の発散ビームが十分小さな横断面積でレーザ媒質１４内のモード・ボリュー ムを光ポンピングするために、そのレーザ媒質の中で実質的に、単−横モードの レーザ動作（即ちＴＥＭ、。モードの動作）だけが発生するような、十分に近接 した結合のことである。

再び図３について説明すると、レーザ・ダイオード光源りの側である左側に配設 されているレンズＦは、ポンピング光をレーザ媒質１４の内部で合焦させるため のレンズである。この合焦によってポンピング強度を高めることができ、ひいて はレーザ媒質内におけるフォトン−フォトン変換効率を高めることができる。

この合焦手段Ｆとしては、例えば屈折率分布形レンズや、球レンズ（ボール・レ ンズ）、非球面レンズ、或いは組合せレンズ等の、光を合焦させるための一般的 な任意の手段を用いることができる。−次共振器Ｒからの出力は別のレンズ１６ を介して波長同調素子へ向けて射出される。

波長同調素子は、誘電体偏光子Ｐと可変波長板１２とで構成されており、レンズ １６と出力ミラーＭ３との間に配設されている。固定波長板ＷＰの主軸及び可変 複屈折波長板１２の主軸は、偏光子Ｐの最大透過方向に対して４５″傾けておく ことが好ましい。出力ミラーＭ３は平面境であり、空胴の内側を向いた方の側面 は、８２０ｎ−〜８８０ｎ−の波長領域において９０％〜９８％の反射率を有す る反射面にしてあり、空胴の外側を向いた方の側面には、同じ波長領域を十分に 包含する波長領域において反射防止性を有するＡＲ（反射防止）コーティングを 施しである。出力ミラーＭ３は、圧電式平行移動機構ＰＺＴに取付けてあり、こ れによって有効空胴長の制御を可能にしている。また、利得媒体は、温度制御が 可能な封入体の中に収容しておくことが好ましい。この構成によればＣｒ：Ｌｉ ５ＡＦキユーブ１４の出力面Ｍ２と、出力ミラーＭ３とで形成された共振空胴の 反射率によって、レーザのしきい値が決定される。

反共振光学空胴の反射率を表わす公知の式によって、以上に説明した同調空胴の 実効反射率は、ラウンド・トリップ損失（即ち、出力結合に吸収及び散乱の影響 を加味したもの）が８８％以下でありさえすれば常に９９％以上になることが判 明している。従って、レーザのしきい値を許容できないほど大きな値にするこ点 ハふ、結合空胴の中に比較的損失の大きな同調素子を配設することができる。

また空胴Ｒはモノリシック構造であるため、振動に対しては安定しており、それ ゆえ簡単な温度制御を施すだけで、この空胴Ｒの空胴長を安定化することができ る。

電子式同調を可能にするために、固定波長板ＷＰと、液晶可変リターダ（液晶可 変波長板）１２とを使用している（液晶リターダ１２は、米国、コロラド州、Ｌ ｏｎｇｍｅｎｔに所在のＭｅａｄｏｖｌａｒｋ　０ｐｔｉｃｓ社から入手したも のである）。液晶リターダ１２を電子制御式同調素子として選択したのは、その 動作電圧が、可変リターダを用いた電気光学的絶縁性結晶体の動作電圧と比べて 約２桁はど低いからである。固定波長板ＷＰのリターディションは８６５正にお いて７波長分であり、一方、液晶リターダ１２のリターディションは、２ｋＨｚ のＡＣ制御電電圧を０ボルトから２０ボルトまで変化させることで２０００止か ら２９００止まで変化させることができる。この液晶同調素子のラウンド・トリ ップ損失は５％以上であったが、９２０止における反射率が９６％のコーティン グを施したミラーＭ３を出力ミラーとして使用した場合に入射パワーしきい値が ２２■Ｗになることが観測された。入力パワーを４２■Ｗにしたとき、レーザ出 力は、キューブ共振器Ｒ０のフリー・スペクトル範囲によって互いに分離された 幾つかの縦モードを含んだものとなり、それら縦モードどうしの間の間隔は約５ 止であった。電圧制御式液晶可変波長板を使用したため、印加電圧Ｖを僅か３ボ ルト加減するだけで６５ｎ−の範囲に亙ってレーザ出力を同調させることができ た。印加する電位差を３ボルトとしたときの、それに対応した出力パワー同調曲 線は非対称形であったが、その原因は、誘電体偏光子の透過率が８６０止以下に おいて急激に減少することにあるものと思われた。最大出力パワーは光傾斜効率 （ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｌｏ〆ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が２２％のときに得られ、 その値は４．　３ｍ？であった。コーティングの反射率を最適化し、また同調素 子の損失を低減すれば、出力効率が更に向上し、同調範囲が更に広がることが期 待される。また、適切に設計したレーザを用いれば、光効率が４０％に近付き、 同調範囲が８０ないし１０００■に近付くことが十分に期待される。多層液晶フ ィルタと温度制御を施した利得素子とを組み込んだレーザを用いれば、連続した 出力波長範囲に亙って単一周波数動作を行なわせることが可能なはずである。

空胴長の制御を行なわなかったため、結合空胴からのレーザ出力には、著しい振 幅の不安定が観測されたが、その原因は、キューブ共振器Ｒと出力ミラーＭ３と の間の光路長が一定せずゆらぎが存在したことにある。実用的なデバイスとする ためには、キューブ共振器Ｒの空胴長と、同調要素ｐ、ｗｐ、及び１２を収容し ている結合空胴の空胴長との両方を制御する必要があることは明らかである。

これら空胴長の制御は、温度制御を施して安定化した共振器を設計すること、及 び／または、出力結合ミラーＭ３を圧電式平行移動機構ＰＺＴに取付け、制御機 構１８を用いてこの出力結合ミラーＭ３の位置を調節して、一定の出力パワーを 維持するようにすること、によって達成することができる。

この結合空胴形液晶波長板同調器は、低損失の光共振器を用いなければ動作が不 可能な積項のレーザの同調にも用いることができる。例えば、Ｃｒ：Ｌｉ５ＡＦ や、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、それにＣｒ：Ｌｉ５ＣＡＦ等の、低利得のダイオード・ ボンピング式の同調可能な固体レーザは、明らかにその種のレーザである。更に この結合空胴形液晶波長板同調器は、チタン・サファイア・レーザの同調にも用 いることができる。更にその他の用途として、ツリウム（Ｔｅ＋）ファイバ・レ ーザ（例えば２μのＴ■ファイバ・レーザ）の同調にも用いることができる。ツ リウム・ドープしたシリカ・ファイバは非常に幅広い利得スペクトルを持ち、そ のスペクトル幅は１．８μから２．０μ以上の波長範囲に亙るものである。Ｔル −ザはその他の多くのファイバ・レーザとは異なり、高フィネス共振器内で最良 の動作をするが、高フィネス共振器では、レーザ動作に必要な励起状態の分布密 度が非常に小さくなる。これは、アッパー・レーザ・レベルからのアップ・コン バージョンによるものであり、そのために幾つかの分布密度においてレーザの効 率が著しく低下する。以上に説明した結合空胴形液晶同調器は、このようなデバ イスにも適しており、なぜならば、空胴内損失を著しく増大させることなく、広 いスペクトル範囲に亙ってファイバ・レーザを同調させることができるからであ る。

当業者であれば、以上の説明から、様々な別実施施態様、変更実施態様、及び改 変実施態様にも想到するはずである。従って、以上の説明は、あくまでも具体例 を提示したものであると解釈されるべきであり、また、以上の説明の目的は、本 発明をいかにして実施するのかを当業者に教示することにある。ここに開示した 実施例に対しては様々な変更を加えることができ、構成材料を別のものに変更す ることも可能であり、本発明の種々の特徴を様々に利用することができる。ボン ピングに関しては、ＧａＡｌＡｓデバイスを用いて７６０止でボンピングすると いうのも１つの方法である。例えばレーザ媒質の具体的な形状や寸法等も様々な ものとすることができる。更にはレーザ媒質にドープする物質も様々なものとす ることができ、種々の稀土類元素を用いることができる。レーザ媒質をロッド形 状や斜方六面体形状にすることが望ましい場合には、そのようにすれば良く、ま た、レーザ媒質の端部をレンズ形状の端部とすることが望ましい場合にも、その ようにすれば良い。端面ボンピング式ファイバの形状としたレーザ媒質を用いる ことも可能である。具体的には、ツリウム・ドープした光ファイバを用いるのも １つの方法である。このような光ファイバは長さの調節が容易であり、長さを調 節するだけで略々いかなるボンピング光でも吸収するようにすることができる。

非常に長いファイバが必要な場合には、そのファイバをスプール等の周囲にコイ ル状に巻回すれば良く、それによってレーザ装置の全長を大幅に短縮することが できる。以上から明らかなように、様々な変更、改変、改造、等々を、添付の請 求の範囲の請求項に明示した本発明の概念並びに範囲から逸脱することな（施す ことができる。添付の請求の範囲の請求項が、それら請求項の範囲に関わるその 種の変更等の全てを包含することを意図したものであることは言うまでもない。

３ｏノ 国際調査報告　ＤｒＴ、ｌｌＣ０１／ｎ□□１゜国際調査報告 ＵＳ　９３０４４１３

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．同調可能なレーザにおいて、 光ポンピング可能なレーザ媒質と、入力ミラーと、該入力ミラーと協働して前記 レーザ媒質のための光学空胴を形成する共振反射手段とを備え、前記共振反射手 段が、 ａ）出力結合素子と、 ｂ）前記出力結合素子と前記レーザ媒質との間に配設した該レーザ媒質から該出 力結合素子へ光を通過させるミラー素子と、ｃ）前記ミラー素子と前記出力結合 素子との間の光路中に配設した偏光子と、ｄ）前記偏光子を通過した光が入射す るように配設した電子同調式で電圧制御式の可変液晶波長板素子と、を構成要素 として備えており、前記共振反射手段の前記構成要素を、前記光学空胴に対して 反共振関係をなす縦モードが得られるように選択してある、ことを特徴とする同 調可能なレーザ。
2. ２．ｅ）前記偏光子と前記液晶素子との間に配設した固定波長板素子を更に含ん でいることを特徴とする請求項２記載の同調可能なレーザ。
3. ３．ｈ）前記出力結合素子を前記ミラー素子に対して接近及び離隔する方向に移 動させて前記反共振空胴の空胴長を安定化する手段を更に含んでいることを特徴 とする請求項１記載のレーザ。
4. ４．ｈ）前記光学空胴の空胴長を安定化するための温度制御手段を更に含んでい ることを特徴とする請求項１記載のレーザ。
5. ５．前記レーザ媒質が、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＳＣ ＡＦ及びＴｉ：サファイアから成る部類中から選択したレーザ媒質であることを 特徴とする請求項１記載のレーザ。
6. ６．前記レーザ媒質が、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、ツリウム、 エルビウム、ホルミウム、チタン、ネオジム及びプラセオジムから成る部類中か ら選択した物質をドープしたレーザ媒質であることを特徴とする請求項１記載の レーザ。
7. ７．前記レーザ媒質が、光ファイバの形状のレーザ媒質であることを特徴とする 請求項１記載のレーザ。
8. ８．前記レーザ媒質がドーパントを含有しており、該レーザ媒質が、該ドーパン トの濃度が比較的高いときに、吸収ピークが幅広く強く、コンセントレーション ・クェンチングが低いという特性を有するレーザ媒質であることを特徴とする請 求項１記載のレーザ。
9. ９．向かい合った２枚のエンド・ミラーの間に形成されその中にレーザ媒質が配 設された共振空胴を有する固体レーザのための、結合空胴形液晶同調器において 、 ａ）前記２枚のエンド・ミラーのうちの一方のエンド・ミラーからの光が入射す るように配設した偏光子と、 ｂ）前記偏光子を通過した光が入射するように配設した電圧制御式の液晶波長板 と、 ｃ）前記液晶波長板を通過した光が入射するように、そしてその光を反射して前 記一方のエンド・ミラーへ戻すように配設した、前記レーザからの光を包含する 波長領域に亙って反射性を有するようにコートした第３ミラーと、ｄ）前記第３ ミラーと前記一方のエンド・ミラーとの間に形成された光学空胴の空胴長を安定 化すると共に、該光学空胴を共振空胴に対して反共振関係をなす状態に維持する ための手段と、 を備えたことを特徴とする結合空胴形液晶同調器。
10. １０．前記偏光子を通過した光が入射し前記第３ミラーへ向かって出射するよう に配設した固定波長板を更に含んでいることを特徴とする請求項９記載の同調器 。
11. １１．前記レーザが低利得レーザ媒質を用いて構成されていることを特徴とする 請求項９記載のレーザ。
12. １２．レーザにおいて、 ａ）光ポンピング手段と、 ｂ）互いに平行なキューブ形状のレーザ媒質であって、入力面とその反対側の出 力面とを有し、前記入力面は、該レーザ媒質が前記光ポンピング光源に応答して レーザ動作をする波長の少なくとも一部分において高い反射率を有すると共に前 記光ポンピング光源の動作波長の少なくとも一部分において高い透過率を有する ようにコートされており、前記出力面は、該レーザ媒質がレーザ動作をする波長 の少なくとも一部分において幾らかの透過性を有する、キューブ形状のレーザ媒 質と、 ｃ）偏光子と、 ｄ）前記出力面から前記偏光子へ光を導く光学手段と、ｅ）前記偏光子を通過し た光が入射するように配設した固定複屈折波長板と、ｆ）前記固定波長板を通過 した光が入射するように配設した電子同調式で電圧制御式の可変液晶波長板であ って、前記固定波長板と該可変液晶波長板とで主軸の方向を略々揃えると共にそ れら波長板の主軸が前記偏光子の最大透過方向に対してある角度をなすようにし た、可変液晶波長板と、ｇ）前記液晶波長板を通過した光が入射するように、ま た、前記レーザ媒質の前記出力面と協働して光学反共振空胴を形成するように記 設した、前記レーザ媒質がレーザ動作を行なう前記波長部分を包含している波長 範囲において反射性を有する出力ミラーと、 を備えたことを特徴とするレーザ。
13. １３．ダイオード・ポンピング式固体レーザの一次共振器のための反共振同調素 子において、 ａ）前記一次共振器からの光が入射するように配設した偏光子と、ｂ）前記偏光 子を通過した光が入射するように配設した電子同調式で電圧制御式の可変液晶波 長板と、 ｃ）前記液晶波長板を通過した光が入射するように配設した、前記ダイオード・ ポンピング式固体レーザが動作する複数の波長のうちの少なくとも１つの波長を 包含している波長範囲において反射性を有する出力ミラーと、を備え、前記偏光 子、前記液晶波長板、及び前記出力ミラーを、前記一次共振器に対して反共振関 係をなす縦モードが得られるように選択してある、ことを特徴とする同調素子。
14. １４．ｄ）前記偏光子を通過した光が入射し前記液晶波長板へ向かって出射する ように配設した固定波長板を更に含んでいることを特徴とする請求項１３記載の 同調素子。
15. １５．ｅ）前記出力ミラーを前記一次共振器に対して接近及び離隔する方向へ移 動させ、それによって反共振関係を維持する手段を更に含んでいることを特徴と する請求項１４記載の同調素子。
16. １６．ｆ）前記同調素子の温度を維持する手段を更に含んでいることを特徴とす る請求項１５記載の同調素子。
17. １７．前記レーザが、ツリウム・ドープした光ファイバを用いて構成したもので あることを特徴とする請求項１３記載の同調素子。
18. １８．少なくとも１枚の空胴エンド・ミラーを備えた固体レーザの出力を同調さ せる方法において、 ａ）前記１枚の空胴エンド・ミラーを使用して反共振空胴を前記レーザの出力に 結合するステップと、 ｂ）液晶複屈折素子をその中に配設したライオット・フィルタを、前記反共振空 胴の中に配設するステップと、 ｃ）前記液晶素子の両端子間に印加する電圧を調節して前記１枚の空胴エンド・ ミラーの実効反射率を変化させるステップと、を含んでいることを特徴とする方 法。
19. １９．ｄ）前記反共振空胴の空胴長を安定化するステップを更に含んでいること を特徴とする請求項１８記載の方法。
20. ２０．ｅ）前記反共振光学空胴の温度を安定化するステップを更に含んでいるこ とを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. ２１．同調可能なダイオード・ポンピング式レーザにおいて、ａ）レーザ・ダイ オードによるポンピングに応答してレーザ光を発生する、固体レーザ媒質をその 中に配設してある一次光学空胴であって、前記レーザ媒質はドーパントを含有し ており、該レーザ媒質は、該ドーパントの濃度が比較的高いときに、吸収ピーク が幅広く強く、コンセントレーション・ケンチングが低いという特性を有するも のである、一次光学空胴と、ｂ）前記一次光学空胴に結合された、液晶ライオッ ト・フィルタをその中に配設してある反射率調節可能な反共振光学空胴と、を備 えたことを特徴とするレーザ。