JPH08283096A - Laser material - Google Patents

Laser material

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JPH08283096A
JPH08283096A JP7083697A JP8369795A JPH08283096A JP H08283096 A JPH08283096 A JP H08283096A JP 7083697 A JP7083697 A JP 7083697A JP 8369795 A JP8369795 A JP 8369795A JP H08283096 A JPH08283096 A JP H08283096A
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JP
Japan
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single crystal
light
laser
laser material
emission
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Application number
JP7083697A
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Japanese (ja)
Inventor
Yujiro Kato
雄二郎 加藤
Akiyuki Tate
彰之 館
Naoto Sugimoto
直登 杉本
Masayuki Tanno
雅行 丹野
Satoru Fukuda
悟 福田
Toshihiko Riyuuou
俊彦 流王
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To obtain a small-sized, high efficiency and high output laser material which emits light having a 1.03μm wavelength band and is useful as a pumping source for exciting praseodymium fluoride fiber that is employed for amplifying the light having a 1.03μm wavelength band. CONSTITUTION: This laser material is comprised of a single crystal substrate consisting of a compound represented by the formula (Ga1-a Ya )3 Ga5 O12 (wherein (a) is a numerical value within the range of 0<=a<=0.3) and a garnet single crystal which is formed on the substrate by a liquid phase epitaxial method and consists of a compound represented by the formula (Gd1-x-y-z Ybx Ndy Nz )3 (Ga1-q Mq )5 O12 (wherein: N is at least one element selected from Y, La, Lu and Ca; M is at least one element selected from Zr, Mg and Ge; and (x), (y), (z) and (q) are numerical values within the ranges of 0<x<1, 0<y<1, 0<=z<0.3 and 0<=q<0.5 respectively and also, (x), (y) and (z) meet the relational expression 0<x+y+z<1).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】主に 1.3μm帯の光増幅器に用い
られるプラセオジムフッ化物ファイバ励起用の小型で安
価な1.02μm乃至1.03μm帯の固体レーザポンプ光源に
関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a small and inexpensive 1.02 μm to 1.03 μm band solid-state laser pump light source for pumping praseodymium fluoride fiber mainly used for 1.3 μm band optical amplifiers.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラセオジムフッ化物ファイバを用いた
1.3μm帯の光増幅器(PDFA)が提案されている。例え
ば、1994年のOPTICAL FIBER COMMUNICATION(OFC'94) Te
chnical Digest p.199のS.Sudo等の招待講演で、PDFAの
現状が紹介されている。また、OFC'94、Technical Dige
st p.200、M. Fake 等によるPDFAの報告では、ポンプ光
にNd3+:YLF(YLiF4)を用い、+18dBmの飽和出力、30dB以
上のゲイン、6dB以下のノイズフィギャが得られたこと
を報告している。同報告では、さらにPDFAを小型化しPD
FAの特性を向上するにはポンプ光の波長をプラセオジム
(Pr)の吸収波長(1.017 μm)に近づけ、よりハイパ
ワーにすることが必要としている。PDFA励起用のポンプ
光源としてNd3+:YLF は 800mWと高出力であるが、発光
波長が 1.047nmとPrの吸収中心波長からずれているとい
う問題がある。
2. Description of the Related Art Using praseodymium fluoride fiber
A 1.3 μm band optical amplifier (PDFA) has been proposed. For example, the 1994 OPTICAL FIBER COMMUNICATION (OFC'94) Te
The current status of PDFA was introduced in an invited talk by S. Sudo and others on chnical Digest p.199. Also, OFC'94, Technical Dige
In the PDFA report by st p.200, M. Fake, etc., Nd 3+ : YLF (YLiF 4 ) was used as the pump light, and a saturation output of +18 dBm, a gain of 30 dB or more, and a noise figure of 6 dB or less were obtained. Have reported that. In this report, PDFA was further downsized and PD
In order to improve FA characteristics, it is necessary to bring the wavelength of pump light closer to the absorption wavelength of praseodymium (Pr) (1.017 μm) and to make it higher power. As a pump light source for PDFA excitation, Nd 3+ : YLF has a high output of 800 mW, but there is a problem that the emission wavelength is 1.047 nm, which is deviated from the absorption center wavelength of Pr.

【0003】一方、PDFAのポンプ光源として発光波長が
1.02〜1.03μmであるYb3+2F5/22F7/2 遷移を用い
た発光を用いることが考えられる。近年、ホスト結晶に
YAG(Y3Al5O12) を用いたYb3+:YAG を用い室温で動作す
るバルク型や光導波路型のレーザが報告されている。
(D.C. Hanna et. al, Optics Communications 99 (199
3),211-215、T.Y.FAN,Solid State Lasers ; New Devel
opments and Applications, (1993), pp.189-203) しかし、Yb3+:YAG では、Yb励起のための励起波長が
0.941μmまたは 0.968μmと発光波長の1.03μmに近
いため、レーザを構成する際の外部共振器が構成しにく
い(発光波長で高反射率、吸収波長で高透過率を実現す
るのが難しい)という問題を有している。また、Yb3+
励起にはTi3+:Al2O3 を用いた場合、このポンプ光源は
高価でサイズが大きいという問題を有しており、LDを
利用してもYb3+を励起できる高出力の0.94μm帯のもの
は容易に入手できないという問題がある。また、InGaAs
歪み超格子を用いた半導体レーザでは 1.017μmの高出
力化は難しいという問題を有している。従来、Y3Al5O12
や Gd3Ga5O12をホスト結晶としたNdYbコドープレーザ材
料は、A.A.Kaminskii 著のLaser Crystals(Springer-Ve
rlag、 Berlin Heidelberk NewYork 1981, pp.45-49)に
その発光機構が示されている。安価で高出力な半導体レ
ーザによる0.81μmの励起を用いる場合、この励起光を
Nd3+が吸収して 4F5/2または 2H9/2に遷移し、さらに非
発光遷移により 4F3/2準位に移る。Nd3+イオンとYb3+
オンの双極子相互作用により、Nd3+イオンからYb3+イオ
ンへとエネルギーが伝達され、Yb3+イオンは 2F5/2準位
へと遷移する確率が高くなる。そして、Yb3+イオンが基
底準位に遷移する際に1.03μmの光を誘導放出する。こ
の発光機構の確認は77Kにおいて実証されているが、Nd
Ybコドープガーネット結晶を用いた室温での発光は現在
まで確認されてない。
On the other hand, the emission wavelength of the PDFA pump light source is
It is conceivable to use the emission using the 2 F 5/22 F 7/2 transition of Yb 3+ , which is 1.02 to 1.03 μm. In recent years, for host crystals
It has been reported that Yb 3+ : YAG using YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) is used and a bulk type or optical waveguide type laser operating at room temperature is used.
(DC Hanna et. Al, Optics Communications 99 (199
3), 211-215, TYFAN, Solid State Lasers; New Devel
opments and Applications, (1993), pp.189-203) However, in Yb 3+ : YAG, the excitation wavelength for Yb excitation is
Since it is 0.941 μm or 0.968 μm, which is close to the emission wavelength of 1.03 μm, it is difficult to configure an external resonator when constructing a laser (it is difficult to achieve high reflectance at the emission wavelength and high transmittance at the absorption wavelength). I have a problem. Further, when Ti 3+ : Al 2 O 3 is used to excite Yb 3+ , this pump light source has a problem that it is expensive and has a large size. Therefore, even if LD is used, Yb 3+ is excited. There is a problem that the high output 0.94 μm band cannot be easily obtained. Also, InGaAs
A semiconductor laser using a strained superlattice has a problem that it is difficult to achieve a high output of 1.017 μm. Conventionally, Y 3 Al 5 O 12
NdYb co-doped laser materials using Gd 3 Ga 5 O 12 or Gd 3 Ga 5 O 12 as a host crystal are described in AA Kaminskii's Laser Crystals (Springer-Ve
rlag, Berlin Heidelberk NewYork 1981, pp.45-49) describes the emission mechanism. If 0.81 μm pumping with an inexpensive and high-power semiconductor laser is used, this pumping light
Nd 3+ absorbs and transits to 4 F 5/2 or 2 H 9/2 , and further shifts to the 4 F 3/2 level by non-radiative transition. The dipole interaction of Nd 3+ ions and Yb 3+ ions, the energy from the Nd 3+ ions to Yb 3+ ions are transmitted, Yb 3+ ions probability of transition to 2 F 5/2 level Get higher Then, when the Yb 3+ ion makes a transition to the ground level, it stimulates and emits light of 1.03 μm. Confirmation of this emission mechanism has been verified at 77K, but Nd
Emission at room temperature using Yb co-doped garnet crystal has not been confirmed to date.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明はNd3+、Yb3+
ドープガーネットよりなるレーザ材料としてかかる欠点
の無い、プラセオジムフッ化物ファイバの励起用の1.03
μm帯の固定レーザとして有用な、しかも小型で高効
率、高出力のレーザ材料の開発を目的としたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a laser material composed of Nd 3+ , Yb 3+ co-doped garnet, which is free from such drawbacks as 1.03 for pumping praseodymium fluoride fiber.
The purpose of the present invention is to develop a laser material that is useful as a fixed laser in the μm band and is small in size, high in efficiency, and high in output.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の点を解決
したレーザ材に関するものでこれは式(Gd1-aYa)3Ga5O12
(ここにaは0≦a≦0.3 の数で示される)よりなる単
結晶基板と、その上に液相エピタキシャル法により形成
された式(Gd1-x-y-zYbxNdyNz)3(Ga1-qMq)5O12(ここに
NはY、La、Lu、Caの少なくとも1つ以上の元素より選ば
れ、MはZr、Mg、Geの少なくとも1つ以上の元素より選ば
れ、x、y、z、qは、それぞれ0<x<1、0<y<
1、0≦z<0.3 、0≦q<0.5 、ただし0<x+y+
z<1の数で示される)よりなるガーネット単結晶より
なるレーザ材料を要旨とするもので、これが前述のNdYb
コドープ特有の発光が室温において効率よく実現できる
ことを見いだして本発明を完成させた。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a laser material which solves the above-mentioned problems, which is represented by the formula (Gd 1-a Y a ) 3 Ga 5 O 12
(Here, a is represented by the number 0 ≦ a ≦ 0.3) and a formula (Gd 1-xyz Yb x Nd y N z ) 3 (Ga 1-q M q ) 5 O 12 (wherein N is selected from at least one element of Y, La, Lu and Ca, M is selected from at least one element of Zr, Mg and Ge, x, y, z, and q are 0 <x <1 and 0 <y <, respectively.
1, 0 ≦ z <0.3, 0 ≦ q <0.5, where 0 <x + y +
The laser material consists of a garnet single crystal of z <1 (indicated by the number z <1).
The present invention has been completed by finding that light emission specific to codope can be efficiently realized at room temperature.

【0006】すなわち上述のレーザ材料はプラセオジム
フッ化物の1.02μm乃至1.03μm帯のポンプ光源として
すぐれており、これらは又安価で高出力の0.81μm帯用
励起用光源を用いることが出来るので経済的で、又1.03
μm帯の発光を安定して行うことができる。そしてN
d3+:YLF のように発光光の波長がPrの吸収中心波長か
ら外れるという問題もなく、またYb3+:YAG のように励
起波長帯が 0.941μmまたは 0.968μmの高価で、1.03
μmに近い励起用光源を使う必要もなく、しかも小型で
高効率、高出力のもので得られるというメリットがあ
る。
That is, the above-mentioned laser materials are excellent as praseodymium fluoride pump light sources in the 1.02 μm to 1.03 μm band, and they are economical because they can be used as inexpensive and high-power pumping light sources for the 0.81 μm band. Then again 1.03
It is possible to stably emit light in the μm band. And N
There is no problem that the wavelength of the emitted light deviates from the absorption center wavelength of Pr as in d 3+ : YLF, and the excitation wavelength band is 0.941 μm or 0.968 μm as in Yb 3+ : YAG, which is 1.03 μm.
There is an advantage that it is not necessary to use a light source for excitation having a size close to μm, and it can be obtained with a small size, high efficiency, and high output.

【0007】本発明は式(Gd1-aYa)3Ga5O12(ここにaは
0≦a≦0.3 の数で示される)よりなる単結晶基板と、
その上に液相エピタキシャル法により形成された式(Gd
1-x-y-zYbxNdyNz)3(Ga1-qMq)5O12 (ここにNはY、La、L
u、Caの少なくとも1つ以上の元素より選ばれ、MはZr、M
g、Geの少なくとも1つ以上の元素より選ばれ、x、y、
z、qは、それぞれ0<x<1、0<y<1、0≦z<
0.3 、0≦q<0.5 、ただし0<x+y+z<1の数で
示される)よりなるガーネット単結晶よりなることを特
徴とするレーザ材料を要旨とするものである。その発光
機構は0.81μmの励起光を用いる場合、この励起光をNd
3+が吸収し、Nd3+イオンとYb3+イオンの双極子相互作用
により、Nd3+イオンからYb3+イオンへとエネルギーが伝
達され、Yb3+イオンは 2F5/2準位へと遷移する確率が高
くなる。そして、Yb3+イオンが基底準位に遷移する際に
室温において効率よく1.03μm帯の光を誘導放出するも
のと考えられる。
The present invention relates to a single crystal substrate of the formula (Gd 1-a Y a ) 3 Ga 5 O 12 (where a is a number 0 ≦ a ≦ 0.3),
On top of that, the formula (Gd
1-xyz Yb x Nd y N z ) 3 (Ga 1-q M q ) 5 O 12 (where N is Y, La, L
selected from at least one element of u and Ca, M is Zr and M
selected from at least one element of g and Ge, x, y,
z and q are 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 ≦ z <, respectively.
The present invention is directed to a laser material characterized by comprising a garnet single crystal of 0.3, 0 ≦ q <0.5, where 0 <x + y + z <1. If the emission mechanism uses 0.81 μm excitation light, this excitation light is
3+ absorbed by dipolar interactions of Nd 3+ ions and Yb 3+ ions, the energy from the Nd 3+ ions to Yb 3+ ions are transmitted, Yb 3+ ions 2 F 5/2 level The probability of transitioning to becomes higher. It is considered that when the Yb 3+ ion makes a transition to the ground level, it efficiently stimulates and emits light in the 1.03 μm band at room temperature.

【0008】これは、液相エピタキシャル法によりNdYb
ドープガーネット結晶を作製すると、Nd3+とYb3+のイオ
ン半径が、それぞれ 1.109Å、 0.985Åと大きく異なる
ため、膜成長方向にNd3+、Yb3+イオンの配列に規則性が
生じる。このため、Nd3+とYb3+を高濃度にコドープして
も互いの元素が局在することなく規則的に配列するため
レーザ材料で最も問題となる濃度消光が生じにくく、円
滑にNd3+−Yb3+イオン間のエネルギ遷移がおこるものと
みられる。このことは参考例1、2に示した様に、レー
ザ材料をアニールして結晶格子を振動させて、ガーネッ
ト結晶の12面体位置に存在するNd3+、Yb3+イオンの配列
をランダムにすることにより、Nd3+、Yb3+コドープ発光
の効率が著しく低下することより確認された。
[0008] This is NdYb by the liquid phase epitaxial method.
When a doped garnet crystal is produced, the ionic radii of Nd 3+ and Yb 3+ differ greatly from 1.109Å and 0.985Å, respectively, so that regularity occurs in the arrangement of Nd 3+ and Yb 3+ ions in the film growth direction. Therefore, most problems become concentration quenching by the laser material hardly occurs to regularly arranged without also codoped with Nd 3+ and Yb 3+ in high concentration to each other of the elements is localized, smoothly Nd 3 Energy transfer between + − Yb 3+ ions is considered to occur. This means that, as shown in Reference Examples 1 and 2, the laser material is annealed to vibrate the crystal lattice to randomize the arrangement of Nd 3+ and Yb 3+ ions existing in the dodecahedral position of the garnet crystal. Therefore, it was confirmed that the efficiency of Nd 3+ , Yb 3+ co-doped emission was significantly reduced.

【0009】単結晶基板は式(Gd1-aYa)3Ga5O12で示さ
れ、ここでYは基板の屈折率を低くする目的で添加さ
れ、aはこれが 0.3を超えると転位が発生する問題があ
るので0≦a≦0.3 の数とすることが必要である。
The single crystal substrate is represented by the formula (Gd 1-a Y a ) 3 Ga 5 O 12 , wherein Y is added for the purpose of lowering the refractive index of the substrate, and a is dislocation when it exceeds 0.3. Since there is a problem that occurs, it is necessary to set the number to 0 ≦ a ≦ 0.3.

【0010】ガーネット単結晶は式(Gd1-x-y-zYbxNd
yNz)3(Ga1-qMq)5O12 で示され、ここでNは格子定数の
微調節の目的でY、 La、 Lu、 Ca の少なくとも1つ以上の
元素より選ばれたもので、Nd3+とYb3+の発光を実現する
為には、xは0<x<1とすることが必要で、好ましく
は0<x<0.3 であり、yは0<y<1とすることが必
要で、好ましくは0<y<0.3 で、x、yが1以上であ
ると結晶にピットが発生する。zは 0.3以上であるとピ
ットが発生する問題があるため0≦z<0.3 であること
が必要で、好ましくは0≦z<0.2 とすればよい。ただ
しx、y、zは0<x+y+z<1の数とする。
The garnet single crystal has the formula (Gd 1-xyz Yb x Nd
y N z ) 3 (Ga 1-q M q ) 5 O 12 , where N is selected from at least one element of Y, La, Lu, and Ca for the purpose of finely adjusting the lattice constant. In order to realize the emission of Nd 3+ and Yb 3+ , it is necessary that x be 0 <x <1, preferably 0 <x <0.3 and y is 0 <y <1. However, if 0 <y <0.3 and x and y are 1 or more, pits are generated in the crystal. If z is 0.3 or more, there is a problem that pits are generated, so 0 ≦ z <0.3 is necessary, and preferably 0 ≦ z <0.2. However, x, y, and z are numbers of 0 <x + y + z <1.

【0011】Mについては、結晶の屈折率を変えずに基
板の格子定数を大きくすることと、結晶着色を少なくす
る理由で、MはZr、Mg、Geの少なくとも1つ以上の元素
から選ばれたもので、qが 0.5以上であるとピットが発
生する問題があるので0≦q<0.5 、好ましくは0≦q
<0.3 の数とすればよい。
Regarding M, M is selected from at least one element of Zr, Mg and Ge for the reason of increasing the lattice constant of the substrate without changing the refractive index of the crystal and reducing the coloring of the crystal. However, if q is 0.5 or more, pits may occur, so 0 ≦ q <0.5, preferably 0 ≦ q
The number should be <0.3.

【0012】液相エピタキシャル法については、原料と
してガーネット成分を構成する金属の酸化物をPbO2をフ
ラックスとして用いた融液中に単結晶基板を浸漬して、
これを回転しながら引上げ、基板上にガーネット単結晶
を成長させるという公知の方法で行うことが出来る。こ
の厚さは1 μm 未満だとレーザ発振の出力が小さいとい
う問題があるので、1 μm 以上がよい。
In the liquid phase epitaxial method, a single crystal substrate is dipped in a melt using PbO 2 as a flux, which is a metal oxide constituting a garnet component as a raw material.
This can be performed by a known method of pulling while rotating and growing a garnet single crystal on the substrate. If this thickness is less than 1 μm, the output of laser oscillation is small, so 1 μm or more is preferable.

【0013】単結晶基板とガーネット単結晶の格子定数
値の差の絶対値|△a|が0.01Åを超えるとガーネット
単結晶にクラックが発生し易いため、|△a|≦0.01Å
とすることが必要であり、これは又、ガーネット単結晶
の屈折率が単結晶基板の Gd3Ga5O12の屈折率(波長 633
nmで 1.965)に近くなるというメリットがある。
If the absolute value of the lattice constant values | Δa | between the single crystal substrate and the garnet single crystal exceeds 0.01Å, cracks are likely to occur in the garnet single crystal, so | Δa | ≦ 0.01Å
It is also necessary that the refractive index of the garnet single crystal is Gd 3 Ga 5 O 12 (wavelength 633).
It has the advantage of becoming closer to 1.965) in nm.

【0014】単結晶基板の屈折率をns 、ガーネット単
結晶の屈折率をnf としたときnsとnf の関係がns
<nf であるとガーネット単結晶層に入射した光は単結
晶基板とガーネット単結晶層の界面で反射してガーネッ
ト単結晶層のみを通過する為に発光効率が上る。又、基
板をアンダークラッド層としてガーネット単結晶層を加
工してコア層とし、コア層より屈折率の小さいオーバー
クラッド層を形成すれば光導波路として用いることが出
来る。
[0014] The refractive index of the single crystal substrate n s, and the refractive index of the garnet single crystal was n f n s and n relationship f is n s
When <n f , the light incident on the garnet single crystal layer is reflected at the interface between the single crystal substrate and the garnet single crystal layer and passes through only the garnet single crystal layer, so that the luminous efficiency is improved. If the substrate is used as an under-cladding layer, a garnet single crystal layer is processed into a core layer, and an over-cladding layer having a smaller refractive index than the core layer is formed, it can be used as an optical waveguide.

【0015】またns =nf とすると単結晶基板とガー
ネット単結晶層との界面で光の反射が起らず光が通過す
るために面に垂直の方向から光を入射して面に垂直の方
向に通過させることが出来るので、ガーネット単結晶層
を重ねれば多数層通過させることが出来るため小型で高
効率、高出力のポンプ光を発光出来るレーザ材料とする
ことが出来る。
Further, when n s = n f , light is not reflected at the interface between the single crystal substrate and the garnet single crystal layer, and the light passes therethrough. Therefore, light is incident from a direction perpendicular to the surface and perpendicular to the surface. Since a large number of garnet single crystal layers can be passed through because they can be passed in the direction of, the laser material can be small and highly efficient, and can emit high-power pump light.

【0016】屈折率ns 、nf を上記の様に設定するに
は、例えば単結晶基板及びガーネット単結晶の組成を変
化させればよい。
To set the refractive indexes n s and n f as described above, for example, the compositions of the single crystal substrate and the garnet single crystal may be changed.

【0017】本発明のレーザ材料を用いた固体レーザを
ポンプ光源として用い、プラセオジムフッ化物ファイバ
の増幅機構の1例を図4について説明すると、本発明の
レーザ材料11の表面を反射膜15により表面処理したの
ち、これに0.81μm帯半導体レーザ光源10を接続してこ
のレーザ材料11に0.81μmの励起光を導入させて1.03μ
mのポンプ光を発生せしめ、次いで1.03μm帯用光アイ
ソレータ12とコリメータ13を通してカプラ17を介して、
プラセオジムフッ化物ファイバ14に導入して、 1.3μm
帯の信号光16を増幅させる。
An example of the amplification mechanism of a praseodymium fluoride fiber using a solid-state laser using the laser material of the present invention as a pump light source will be described with reference to FIG. 4. The surface of the laser material 11 of the present invention is coated with a reflective film 15. After processing, 0.81 μm band semiconductor laser light source 10 is connected to this, and 0.81 μm excitation light is introduced into this laser material 11 to 1.03 μm.
m pump light is generated, and then through the coupler 17 through the optical isolator 12 for 1.03 μm band and the collimator 13.
Introduced into praseodymium fluoride fiber 14, 1.3 μm
The signal light 16 of the band is amplified.

【0018】[0018]

【作用】本発明は、式(Gd1-aYa)3Ga5O12(ここにaは0
≦a≦0.3 の数で示される)よりなる単結晶基板と、そ
の上に液相エピタキシャル法により形成された式(Gd
1-x-y-zYbxNdyNz)3(Ga1-qMq)5O12 (ここにNはY、La、L
u、Caの少なくとも1つ以上の元素より選ばれ、MはZr、M
g、Geの少なくとも1つ以上の元素より選ばれ、x、y、
z、qは、それぞれ0<x<1、0<y<1、0≦z<
0.3 、0≦q<0.5 、ただし0<x+y+z<1の数で
示される)よりなるガーネット単結晶よりなるレーザ材
料で、これは主に 1.3μm帯の光増幅器に用いられるプ
ラセオジムフッ化物ファイバ励起用の小型で安価な1.02
μm乃至1.03μm帯の固体レーザポンプ光源として有用
なものである。
According to the present invention, the formula (Gd 1-a Y a ) 3 Ga 5 O 12 (where a is 0
≦ a ≦ 0.3) and a formula (Gd formed by the liquid phase epitaxial method on the single crystal substrate
1-xyz Yb x Nd y N z ) 3 (Ga 1-q M q ) 5 O 12 (where N is Y, La, L
selected from at least one element of u and Ca, M is Zr and M
selected from at least one element of g and Ge, x, y,
z and q are 0 <x <1, 0 <y <1, and 0 ≦ z <, respectively.
0.3, 0 ≦ q <0.5, where 0 <x + y + z <1), which is a laser material consisting of a garnet single crystal, which is mainly used for the praseodymium fluoride fiber pump used in the 1.3 μm band optical amplifier. Small and inexpensive 1.02
It is useful as a solid-state laser pump light source in the μm to 1.03 μm band.

【0019】[0019]

【実施例】以下に実施例をあげて本発明の詳細を述べ
る。 実施例1 チョクラルスキー法により Gd2.4Y0.6Ga5O12(格子定数
12.367Å)(以下 YOGと記す)を作製したところ転位の
ない結晶が得られた。このものの屈折率をプリズム結合
法により測定したところ波長1.52μmにおいて 1.9407
(ns)であった。この YOG結晶を直径2インチ、厚さ400
μmのウエハに加工し、この YOG基板の片面上に液相
エピタキシャル法により膜組成Nd0.11Yb0.19Gd2.70Ga5O
12のガーネット単結晶薄膜を膜厚4μm成長させた。こ
のものの格子定数は12.366Åで、屈折率は波長1.52μm
において 1.9455(nf)であった。室温において、この液
相エピタキシャルウエハに波長 0.81 μmの光を照射
し、発生した蛍光を観測したところ図1のような結果が
得られた。図1にしめしたように、Nd3+の波長 1.064μ
mの発光は生ぜず、波長1.03μm付近のYb3+イオンによ
る発光が室温において観測された。これは、室温におい
てNd3+からYb3+へのエネルギー変換が生じていることを
示している。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples. Example 1 Gd 2.4 Y 0.6 Ga 5 O 12 (lattice constant by the Czochralski method
12.367Å) (hereinafter referred to as YOG) was produced, and crystals without dislocations were obtained. The refractive index of this product was measured by the prism coupling method and found to be 1.9407 at a wavelength of 1.52 μm.
(n s ). This YOG crystal has a diameter of 2 inches and a thickness of 400
After processing to a wafer of μm, the film composition Nd 0.11 Yb 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O was formed on one surface of this YOG substrate by liquid phase epitaxial method.
Twelve garnet single crystal thin films were grown to a thickness of 4 μm. This has a lattice constant of 12.366Å and a refractive index of 1.52 μm.
Was 1.9455 (n f ). When the liquid phase epitaxial wafer was irradiated with light having a wavelength of 0.81 μm at room temperature and the generated fluorescence was observed, the results shown in FIG. 1 were obtained. As shown in Fig. 1, the wavelength of Nd 3+ is 1.064μ.
m emission did not occur, and emission by Yb 3+ ions near the wavelength of 1.03 μm was observed at room temperature. This indicates that the energy conversion from Nd 3+ to Yb 3+ occurs at room temperature.

【0020】次に、上記 YOG基板上に作製したNd0.11Yb
0.19Gd2.70Ga5O12ガーネット単結晶薄膜にルチルプリズ
ムを介して 0.81 μmの光を図2の様に入射させたとこ
ろ、この薄膜の屈折率が基板よりも約0.24%大きいこと
より薄膜中を光が伝搬した。この伝搬した光が試料の出
射端部から出射する出射光をコリメータを介して光ファ
イバに結合させて、この光を光スペクトラムアナライザ
にて観測したところ図1に示す1.02〜1.03μmの発光ス
ペクトルが観測された。
Next, Nd 0.11 Yb formed on the YOG substrate
When 0.81 μm light was incident on the 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O 12 garnet single crystal thin film through the rutile prism as shown in Fig. 2, the refractive index of this thin film was about 0.24% larger than that of the substrate. Light propagated. The emitted light emitted from the emission end of the sample is coupled to an optical fiber through a collimator, and the light is observed by an optical spectrum analyzer. The emission spectrum of 1.02 to 1.03 μm shown in FIG. Was observed.

【0021】次に上記において、 YOG基板上に作製した
Nd0.11Yb0.19Gd2.70Ga5O12ガーネット単結晶薄膜をドラ
イエッチングを用いて4μm角のコアリッジを形成し
た。さらに、前記コアリッジ上部に液相エピタキシャル
法により基板組成と同一組成のGd2.4Y0.6Ga5O12[屈折
率1.9407(波長1.52μm)]を6μmの厚さにオーバー
クラッドとしてエピタキシャル成長させ埋め込み型光導
波路を作製した。この埋め込み型光導波路を長さ1cmに
切断して端面を光学研磨した。次いで光ファイバから
0.81 μmの光を上記光導波路に入射し出射光を光ファ
イバと結合させて出射光を光スペクトラムアナライザで
観測したところ図1に示す1.02〜1.03μmの発光スペク
トルが観測された。
Next, in the above, it was produced on a YOG substrate.
A Nd 0.11 Yb 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O 12 garnet single crystal thin film was dry-etched to form a 4 μm square core ridge. Furthermore, a buried optical waveguide was formed by epitaxially growing a 6 μm thick Gd 2.4 Y 0.6 Ga 5 O 12 [refractive index 1.9407 (wavelength 1.52 μm)] on the top of the core ridge by liquid phase epitaxial method as an overclad. Was produced. This embedded optical waveguide was cut into a length of 1 cm and the end face was optically polished. Then from the optical fiber
When 0.81 μm of light was made incident on the above optical waveguide and the emitted light was coupled with an optical fiber and the emitted light was observed by an optical spectrum analyzer, the emission spectrum of 1.02 to 1.03 μm shown in FIG. 1 was observed.

【0022】実施例2 1インチ径、厚さ400 μmの Gd3Ga5O12(以下GGGと
記す)(格子定数12.383Å、屈折率1.9454(ns )(波
長1.52μm))結晶基板上の両面に液相エピタキシャル
法により膜組成 Nd0.11Yb0.19Gd2.70Ga5O12 のガーネッ
ト単結晶膜を膜厚 1.5mm成長させた。このものはクラッ
クが無く、格子定数は12.383Åで、波長1.52μmにおけ
る屈折率は1.9454(nf )であった。次に、これのエピ
タキシャル厚膜表面を光学研磨した後、50mW出力の 0.8
1 μmレーザを空間伝搬させ、コリメータで集光して光
ファイバと結合させた光学系に、このガーネット単結晶
膜を挿入した場合(図3(b))と、しない場合(図3
(a))の光スペクトラムを光スペクトラムアナライザ
にて観測したところ,図3(b)ではYb3+の1.02〜1.03
μmでの発光が室温において観測された。
[0022] Example 2 1-inch diameter, (hereinafter referred to as GGG) Gd 3 Ga 5 O 12 having a thickness of 400 [mu] m (lattice constant 12.383A, refractive index 1.9454 (n s) (wavelength 1.52 .mu.m)) on the crystal substrate A garnet single crystal film having a film composition of Nd 0.11 Yb 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O 12 was grown to a thickness of 1.5 mm on both surfaces by a liquid phase epitaxial method. This product had no cracks, the lattice constant was 12.383Å, and the refractive index at a wavelength of 1.52 μm was 1.9454 (n f ). Next, after the surface of the epitaxial thick film was optically polished, 0.8 m of output power of 50 mW was obtained.
The garnet single crystal film is inserted into an optical system in which a 1 μm laser is spatially propagated, condensed by a collimator and coupled with an optical fiber (FIG. 3 (b)) and not (FIG. 3).
The optical spectrum of (a)) was observed with an optical spectrum analyzer. As a result, in FIG. 3 (b), Yb 3+ 1.02 to 1.03
Emission at μm was observed at room temperature.

【0023】次に、このGGG基板の両面上に作製した
Nd0.11Yb0.19Gd2.70Ga5O12 ガーネット単結晶膜の両面
にイオンアシスト蒸着法を用い、 0.81 μmと1.03μm
で透過率が大きくその他の波長で反射率が高いTiO2−Si
O2多層膜より成る反射膜を形成してレーザ材料を作製し
た。次に、図4に示すような 0.81 μm半導体レーザ光
源1とレーザ材料11及び1.03μm帯の光アイソレータ12
ならびにコリメータ13を、信号光16とカプラ17を介して
プラセオジムフッ化物ファイバ14と結合させた固体レー
ザユニットを形成した。このレーザ材料の 0.81 μmの
レーザ光のポンピング光によるレーザ光の発光強度を測
定したところ中心波長1.03μmにおいて1.2Wのレーザ
出力が得られた。
Next, it was prepared on both sides of this GGG substrate.
Nd 0.11 Yb 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O 12 Garnet single crystal film on both sides of which 0.81 μm and 1.03 μm were formed by using ion assisted deposition method.
In the high reflectance in the transmittance is larger other wavelengths TiO 2 -Si
A laser material was prepared by forming a reflective film composed of an O 2 multilayer film. Next, as shown in FIG. 4, the 0.81 μm semiconductor laser light source 1, the laser material 11 and the 1.03 μm band optical isolator 12 are used.
Further, the collimator 13 was coupled with the praseodymium fluoride fiber 14 via the signal light 16 and the coupler 17 to form a solid-state laser unit. When the emission intensity of the laser light by the pumping light of the 0.81 μm laser light of this laser material was measured, a laser output of 1.2 W was obtained at the center wavelength of 1.03 μm.

【0024】実施例3 液相エピタキシャル法により、実施例2と同じ1インチ
径、厚さ400 μmのGGG結晶基板の両面上に、膜厚1.
5mm の Nd0.2Yb0.4Gd2.4Ga5O12ガーネット単結晶膜を成
長させた。このガーネット単結晶膜の格子定数は12.383
Åで、波長1.52μmにおける屈折率は1.9454(nf )を
示した。次いでこの基板を3mm角に切断し、該チップの
両表面に実施例2と同じ反射膜を形成したレーザ材料の
チップを作製した。次に、図4に示すような波長 0.81
μmの半導体レーザ光源1と上記レーザ材料のチップ及
び1.03μm帯の光アイソレータ12、ならびにコリメータ
13を、カプラ17を介して信号光16とプラセオジムフッ化
物ファイバ14と結合させた固体レーザユニットを形成し
た。このレーザ材料に依るレーザ光の発光強度を測定し
たところ中心波長1.03μmにおいて 1.4Wのレーザ出力
が得られた。また、この固体レーザユニットを図4に示
す 1.3μm帯の信号光の増幅器に用いたところ良好な結
果が得られた。
Example 3 By the liquid phase epitaxial method, a film thickness of 1. was formed on both sides of a GGG crystal substrate having the same 1-inch diameter and 400 μm thickness as in Example 2.
A 5 mm Nd 0.2 Yb 0.4 Gd 2.4 Ga 5 O 12 garnet single crystal film was grown. The lattice constant of this garnet single crystal film is 12.383.
Å, the refractive index at a wavelength of 1.52 μm was 1.9454 (n f ). Next, this substrate was cut into a 3 mm square, and chips of a laser material were produced in which the same reflective films as in Example 2 were formed on both surfaces of the chips. Next, a wavelength of 0.81 as shown in Fig. 4
μm semiconductor laser light source 1, chip of the above laser material, 1.03 μm band optical isolator 12, and collimator
The solid-state laser unit was formed by coupling 13 with the signal light 16 and the praseodymium fluoride fiber 14 via the coupler 17. When the emission intensity of laser light due to this laser material was measured, a laser output of 1.4 W was obtained at a center wavelength of 1.03 μm. Further, when this solid-state laser unit was used in the amplifier for signal light in the 1.3 μm band shown in FIG. 4, good results were obtained.

【0025】参考例1 実施例1の YOG基板上に作製したNd0.11Yb0.19Gd2.70Ga
5O12ガーネット単結晶薄膜を大気中 1,500℃で48時間ア
ニールして、これに0.81μmの光を照射し、発生した発
光を観測したところ図1で見られた1.02〜1.03μmの発
光が消滅し 1.064μmの弱い発光が観測された。
Reference Example 1 Nd 0.11 Yb 0.19 Gd 2.70 Ga produced on the YOG substrate of Example 1
The 5 O 12 garnet single crystal thin film was annealed in the air at 1,500 ° C. for 48 hours, irradiated with 0.81 μm of light, and the emitted light was observed. The emission of 1.02 to 1.03 μm seen in FIG. 1 disappeared. However, a weak emission of 1.064 μm was observed.

【0026】参考例2 実施例2、及び実施例3の GGG基板上に作製したNd0.11
Yb0.19Gd2.70Ga5O12ガーネット単結晶膜、及びNd0.2Yb
0.4Gd2.40Ga5O12ガーネット単結晶膜を大気中 1,500℃
で48時間アニールして、これに0.81μmの光を照射し、
発生した発光を観測したところ、それぞれ図3(b)で
見られた1.02〜1.03μmの発光が消滅し 1.064μmの弱
い発光が観測された。また、このアニールしたレーザ材
料を用い実施例2と同様の固体レーザユニットを構成し
たが1.03μmのレーザ発振は起こらなかった。
Reference Example 2 Nd 0.11 prepared on the GGG substrates of Example 2 and Example 3
Yb 0.19 Gd 2.70 Ga 5 O 12 Garnet single crystal film, and Nd 0.2 Yb
0.4 Gd 2.40 Ga 5 O 12 Garnet single crystal film in air at 1,500 ℃
Anneal for 48 hours, irradiate this with 0.81 μm light,
When the generated light emission was observed, the light emission of 1.02 to 1.03 μm observed in FIG. 3B disappeared and the weak light emission of 1.064 μm was observed. A solid-state laser unit similar to that of Example 2 was constructed using this annealed laser material, but no laser oscillation of 1.03 μm occurred.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明のレーザ材料はプラセオジムフッ
化物ファイバの1.03μm帯のポンプ光源として、小型で
高効率、高出力のものであり、又励起光源として安価な
0.81μm帯の半導体レーザを用いることが出来るので経
済的である。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The laser material of the present invention is a compact, high-efficiency, high-output pump light source for the praseodymium fluoride fiber in the 1.03 μm band, and is inexpensive as an excitation light source.
It is economical because a semiconductor laser of 0.81 μm band can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明レーザ材料を用いた場合の1.03μm付近
の発光特性を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing emission characteristics near 1.03 μm when a laser material of the present invention is used.

【図2】本発明のレーザ材料の発光特性を評価するため
の測定系を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a measurement system for evaluating the emission characteristics of the laser material of the present invention.

【図3】(a)本発明のレーザ材料を光路に挿入しなか
った時の透過光の光スペクトラムを示す図。 (b)本発明のレーザ材料を光路に挿入した時の透過光
の光スペクトラムを示す図。
FIG. 3A is a diagram showing an optical spectrum of transmitted light when the laser material of the present invention is not inserted in an optical path. (B) The figure which shows the optical spectrum of the transmitted light when the laser material of this invention is inserted in an optical path.

【図4】本発明のレーザ材料を組込んだ0.81μm帯半導
体レーザ励起1.03μm帯固体レーザの構成を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a 0.81 μm band semiconductor laser pumped 1.03 μm band solid state laser incorporating the laser material of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…波長0.81μmのレーザ光 2…ルチルプリズム 3、11…レーザ材料 4…研磨端面 5…導波光 6…出射光 7…コリメータ 8…光ファイバ 9、14…光スペクトラムアナライザ 10…0.81μm帯発光用半導体レーザ光源 12…1.03μm帯光アイソレータ 13…コリメータ 14…プラセオジムフッ化物ファイバ 15…反射膜 16…信号光 17…カプラ1 ... Laser light having a wavelength of 0.81 μm 2 ... Rutile prism 3, 11 ... Laser material 4 ... Polished end face 5 ... Guided light 6 ... Emitted light 7 ... Collimator 8 ... Optical fiber 9, 14 ... Optical spectrum analyzer 10 ... 0.81 μm band light emission For semiconductor laser light source 12 ... 1.03μm band optical isolator 13 ... Collimator 14 ... Praseodymium fluoride fiber 15 ... Reflective film 16 ... Signal light 17 ... Coupler

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 直登 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 丹野 雅行 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越化 学工業株式会社精密機能材料研究所内 (72)発明者 福田 悟 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越化 学工業株式会社精密機能材料研究所内 (72)発明者 流王 俊彦 群馬県安中市磯部2丁目13番1号 信越化 学工業株式会社精密機能材料研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Naoto Sugimoto 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Masayuki Tanno 2-13-1 Isobe, Annaka-shi, Gunma Issue Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Precision Materials Research Laboratory (72) Inventor Satoru Fukuda 2-13-1, Isobe, Annaka-shi, Gunma Shin-Etsu Chemical Industry Co., Ltd. Precision Materials Research Laboratory (72) Inventor Toshihiko Nagao 2-13-1 Isobe, Annaka-shi, Gunma Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Precision Materials Research Laboratory

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 式(Gd1-aYa)3Ga5O12(ここにaは0≦a
≦0.3 の数で示される)よりなる単結晶基板と、その上
に液相エピタキシャル法により形成された式(Gd1-x-y-z
YbxNdyNz)3(Ga1-qMq)5O12 (ここにNはY、La、Lu、Caの少
なくとも1つ以上の元素より選ばれ、MはZr、Mg、Geの少
なくとも1つ以上の元素より選ばれ、x、y、z、q
は、それぞれ0<x<1、0<y<1、0≦z<0.3 、
0≦q<0.5 、ただし0<x+y+z<1の数で示され
る)よりなるガーネット単結晶よりなることを特徴とす
るレーザ材料。
1. The formula (Gd 1-a Y a ) 3 Ga 5 O 12 (where a is 0 ≦ a
≤ 0.3) and a formula (Gd 1-xyz) formed on it by the liquid phase epitaxial method.
Yb x Nd y N z ) 3 (Ga 1-q M q ) 5 O 12 (where N is selected from at least one element of Y, La, Lu, and Ca, and M is Zr, Mg, or Ge). X, y, z, q selected from at least one or more elements
Are respectively 0 <x <1, 0 <y <1, 0 ≦ z <0.3,
0 ≦ q <0.5, where 0 <x + y + z <1).
【請求項2】 該基板と該ガーネット単結晶の格子定数
の差の絶対値|△a|が|△a|≦0.01Åである請求項
1に記載のレーザ材料。
2. The laser material according to claim 1, wherein an absolute value | Δa | of a lattice constant difference between the substrate and the garnet single crystal is | Δa | ≦ 0.01Å.
【請求項3】 該基板の屈折率をns 、該ガーネット単
結晶の屈折率をnfとしたときns ≦nf である請求項
1に記載のレーザ材料。
The laser material according to claim 1 wherein is the refractive index of the substrate is n s, and the refractive index of the garnet single crystal was n f n s ≦ n f.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかのレーザ材料
を用いてなることを特徴とする固体レーザ。
4. A solid-state laser comprising the laser material according to any one of claims 1 to 3.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102891426A (en) * 2011-12-30 2013-01-23 清华大学 Ytterbium-doped fiber laser

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