JPH09107143A - 青色アップコンバージョン・レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 今日の技術的現状では、サイズ、エネルギ要
件、及び製造コストの点から製造可能なものはない。本
発明の目的は、青色光を発生する、小形で、低コスト
で、エネルギの消費が少ないレーザを提供することにあ
る。 【解決手段】ＹｂイオンとＰｒイオンとの相互緩和ポン
ピングによりエネルギー変換効率を向上させ、またファ
イバ回折格子を用い光を反射させ空洞共振器の一部を形
成し、さらに空洞共振器を対称にすることによって、空
洞共振器の両端にＦＢＧテクノロジを適用するのが容易
にし正確な狭帯域ミラーが可能にした。さらに、所望の
光を反射し、ポンプ波長を透過ようにコーティングした
ミラーを採用した。これらにより、小形、低コスト、エ
ネルギの消費が少なく、かつ製造が容易なレーザが提供
できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザに関するもので
ある。とりわけ、本発明は、青色光を発生するためのア
ップコンバージョン・レーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】青色の可視波長におけるレーザ光の発生
は、ディスク・メモリ、大形ディスプレイ、及び、生物
科学において重要である。これらの分野において継続し
て研究が実施されているが、緑及び青の波長領域は、半
導体レーザによって達成するのが困難であった。可視青
色レーザは、アルゴンイオン気体レーザによって得られ
てきた。これらのレーザは、大量の電力を消費し、比較
的高価であり、たとえば生物科学における応用計測に用
いるのを困難にする特殊な冷却要件を必要とする。二重
構造化及び直接遷移半導体レーザを利用した青色光の発
生に向けて、努力も払われている。

【０００３】グラス・ファイバによる赤外ポンピング・
アップコンバージョン・レーザは、コンパクトなＣＷ可
視放射線源となる可能性がある。青、緑、オレンジ、及
び、赤のアップコンバージョン・レーザ発振が、８３５
ｎｍと１０１０ｎｍで動作する２つのＴｉ：サファイア
・レーザによってポンピングされる、Ｐｒ³⁺をドープし
たフッ化物ファイバによって実演された(例えば、R．
G．Ｓｍａｒｔその他による、赤外ポンプによるＰｒ³⁺
をドープしたフッ化物ファイバにおいて、青、緑、赤波
長での室温連続アップコンバージョンレーザ発振、Ｅｌ
ｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７、ｐｐ.１３０
７−１３０９（１９９１）を参照）。

【０００４】ポンプ源として８５０ｎｍの近傍で動作す
るＴｉ：サファイア・レーザを利用することによって、
Ａｌｌａｉｎ他は（Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖ
ｏｌ．２７、ｐｐ.１１５６−１１５７（１９９
１））、Ｙｂ³⁺／Ｐｒ³⁺を混合ドープしたフッ化物ファ
イバから６３５ｎｍのレーザ光を発生することができ
た。その後、一方が９８５ｎｍまたは１０１６ｎｍで動
作し、もう一方が８３３ｎｍで動作する２つの半導体レ
ーザ・ダイオード・ポンプを利用することによって、Ｐ
ｉｅｈｌｅｒ他は（Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖ
ｏｌ．２９、Ｎｏ．２１ｐｐ.１８５７−１８５８（１
９９３））、５２１ｎｍ及び６３５ｎｍでアップコンバ
ージョン・レージングを生じさせることができた。三価
ツリウムをドープしたフッ化物ガラスにおけるアップコ
ンバージョン・レージングを利用した、４５０ｎｍの光
を発生するレーザの設計については、既に開示されてい
る （例えば、Ｅｍｍａｎｕｅｌ Ｗ．Ｊ．Ｌ． Ｏｏｍ
ｅｎｓによる青色レーザ光発振装置、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓ
ｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５、０６７、１３４、
１９９１年１１月 １９日）

【０００５】図１は、Ｐｒ³⁺フッ化物ファイバ・アップ
コンバージョン・レーザためのポンピング方法及び遷移
を示すエネルギ準位図である。こうしたレーザには、二
重波長ポンピングまたは単一波長ポンピングを利用する
ことが可能である。エネルギ状態の寿命は、フッ化物ガ
ラスの母体内では比較的長くなるので、所望の³Ｐ₀状態
（３９μｓ）と基底状態の間のさまざまな中間エネルギ
準位からポンプ光子を吸収することが可能になる（例え
ば、Ｄ. Ｐｉｅｈｌｅｒ その他による、レーザダイオ
ードポンプによる赤及び緑アップコンバージョンファイ
バレーザ、Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２
９、Ｎｏ．２１ ｐｐ.１８５７−１８５８（１９９３）
を参照）。従って、容易に想像がつくように、１つのポ
ンプ光子１２がＧＳＡ（基底状態吸収）を行って、¹Ｇ₄
（１００μｓ）準位にし、もう１つのポンプ光子１６
が、そのエネルギ準位または基底状態を超えるある中間
準位から所望の³Ｐ₀状態にイオンをブーストする。好適
には、この状態の励起イオン１４は、レージング遷移と
して基底状態への遷移を生じる。

【０００６】多くの遷移が生じるので、³Ｐ₀（青）準位
の所望のポンピングを達成するために、多様なポンプの
組み合わせを構想することが可能になる。刊行された報
告には、８３５ｎｍ及び１０１７ｎｍでの同時ポンピン
グで、レージングを実現するための、フッ化物ガラスに
おける青準位への反転が十分可能であることが示されて
いる。（例えば、Ｙ. Ｚｈａｏその他による、 Ｐｒ³⁺
をドープしたフッ化物ファイバおける、効率的な青色ア
ップコンバージョンレーザ、Ｅｌｅｃｔｒｏn.Ｌｅｔ
ｔ．，ｖｏｌ．３０、ｐｐ.９６７−９６８（１９９
４）を参照）。この研究者は、１０１０ｎｍ及び８３５
ｎｍで動作するＴｉ−サファイア・レーザを利用して、
Ｐｒをドープしたフッ化物ファイバから４９１ｎｍの青
色レーザ光を発生した。

【０００７】Ｐｒ³⁺−＞¹Ｇ₄準位（図２参照）のポピュ
レーティングのための三価イッテルビウム増感剤イオン
の利用を１．３μｍの増幅（例えば、Ｊ．Ａｌｌａｉｎ
その他による、 Ｙｂ³⁺／Ｐｒ³⁺をドープしたフッ化ジ
ルコニウムファイバにおけるエネルギー変換、Ｅｌｅｃ
ｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７、ｐｐ.１０１２−
１０１４（１９９１）を参照）及びアップコンバージョ
ン・レーザ（例えば、Ｊ．Ｙ．Ａｌｌａｉｎその他によ
る、０．８μｍ領域でポンプしたＹｂで増感したＰｒフ
ッ化ファイバによる赤色アップコンバージョンレーザ、
Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７、ｐｐ.１
１５６−１１５７（１９９１）を参照）に適用すること
が提案されている。Ｙｂ³⁺との混合ドーピングの利点
は、３つある。すなわち（１）広い吸収帯域によって、
Ｙｂ³⁺イオンの活性化及び他のイオンとの相互緩和のた
めに広いポンプ波長範囲が許容される。（２）強力な吸
収によって、より短いフッ化物ファイバでも十分なポン
プ吸収を生じることが出来る。（３）Ｙｂ³⁺イオンの単
純なエネルギ構造によって、活性化剤イオンからＹｂ³⁺
増感剤イオンへの逆方向エネルギ移動の可能性が低下
し、この結果、³Ｐ₀の準安定状態の寿命の短縮が制限さ
れる。

【０００８】Ｙｂ³⁺のような増感剤の添加についても報
告がある（例えば、Ｊ．Ｙ．Ａｌｌａｉｎその他によ
る、０．８μｍ領域でポンプしたＹｂで増感したＰｒフ
ッ化ファイバによる赤色アップコンバージョンレーザ、
Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７、ｐｐ.１
１５６−１１５７（１９９１）；Ｙ．Ｏｈｉｓｈｉによ
る、１．３μｍ増幅に対するＹｂ³⁺−Ｐｒ³⁺混合ドープ
フッ化ファイバの利得特性、 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌ. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３、Ｎｏ．１
１、ｐｐ.９９０−９９２（１９９１）；及び Ｊ．Ａｌ
ｌａｉｎその他による、 Ｙｂ³⁺／Ｐｒ³⁺をドープした
フッ化ジルコニウムファイバにおけるエネルギー変換、
Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７、ｐｐ.１
０１２−１０１４（１９９１）を参照）

【０００９】増感剤を用いて、Ｐｒ³⁺イオンの活性化が
可能な波長は、エネルギが、²Ｆ_5/2状態にあるＹｂ³⁺か
ら¹Ｇ₄状態のＰｒ³⁺イオンへ移動する、相互緩和と呼ば
れるプロセスによって拡張することが可能である。これ
によって、レーザ・ポンプ波長を選択する上で大幅なフ
レキシビリティが得られる。８５０ｎｍで動作するＴｉ
−サファイアレーザを利用して、Ｙｂ³⁺で増感したＰｒ
³⁺をドープしたフッカ物ファイバ・レーザにポンピング
を施すことによって、青色光の発生が実演された。

【００１０】図２は、Ｐｒ³⁺フッ化物アップコンバージ
ョン・レーザに相互緩和ポンピングを利用した場合の、
ポンピング法及び遷移を示すエネルギ準位図である。こ
の図において、１つのポンプ光子２２がＧＳＡされて、
¹Ｇ₄（１００μｓ）準位になり、もう１つのポンプ光子
２６が、そのエネルギ準位または基底状態を超えるある
中間準位から所望の³Ｐ₀準位にＰｒ³⁺イオンをブースト
する。好適には、この状態における励起イオン２８は、
レージング遷移として利用される基底状態への遷移を生
じる。Ｙｂ³⁺のピーク吸収係数が、１０１７ｎｍにおけ
るＰｒ³⁺のピーク吸収よりもほぼ２桁ほど多くなるの
で、この方法は有利である。これによって、厳密にＰｒ
³⁺のみをドープしたレーザよりも短いファイバを有する
レーザの実現が可能になる。

【００１１】Ｐｒ³⁺青色レーザに関する既知の空洞共振
器は、ファブリ・ペロー形から構成され、上述のポンピ
ング案によって、誘電体ミラーが、劈開された、すなわ
ち研磨された端部切り子面に突き合わせられる。ポンプ
の組み合わせは、偏光ビームの組み合わせを用いること
によって実現されてきた。最近、Ｆｒａｎｃｅ Ｔｅｌ
ｅｃｏｍは、ファイバの端面にＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂多層誘
電体ミラーを直接コーティングしたフッ化物ファイバ・
レーザを発表した（ Ｆｉｂｅｒ ＯｐｔｉｃｓＮｅｗｓ
ｗｉｒｅ、Ａｖｅｌｏｎ Ｃｏｒｐ（３ Ｊｕｌｙ １９
９５）を参照）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】残念なことに、今日の
技術的現状では、現在知られている設計には、サイズ、
エネルギ要件、及び／または、製造コストの点から製造
可能なものはない。従って、本発明の目的は、青色光を
発生する、小形で、低コストで、エネルギの消費が少な
いレーザを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、青色光
を発生することが可能なレーザが得られるが、このレー
ザは、希土類プラセオジムをドープしたフッ化物グラス
・ファイバを利用したアップコンバージョン技法に基づ
くものである。このアプローチによれば、モード特性に
優れ、ポンプ波長に対する感度が低く、空洞共振器のセ
ルフ・アライメントがとれ、４９２ｎｍで発光するファ
イバ誘導構造が得られる。³Ｐ₀−³Ｈ₄のプラセオジムの
遷移によって得られる４９２ｎｍの発光波長は、生物科
学用途のいくつかでは４５０ｎｍより望ましい。

【００１４】本発明の態様の１つによれば、現在の技術
を製造可能なレーザ設計に向けて進展させるいくつかの
設計上の新機軸が得られる。従って、本発明により、Ｐ
ｒ³⁺イオンの励起、ミラーの取り付け、ポンプの組み合
わせ、及び、ノイズの抑圧のための技法が得られること
になる。本書に開示のアップコンバージョン・レーザの
好適な実施例の１つでは、Ｐｒイオンの相互緩和ポンピ
ングとＧＳＡ−¹Ｇ₄遷移の直接ポンピングの組み合わせ
を利用することによって、Ｙｂ³⁺の励起状態遷移からレ
ーザ発光を生じさせる。

【００１５】好適なレーザ設計の場合、ファイバ回折格
子を用いて、１０１７ｎｍで光を反射させることによ
り、１０１７ｎｍの空洞共振器の一部が形成される。該
空洞共振器のもう一方の端部は、出力カップラに形成さ
れる。約８５０ｎｍでポンピングを行うと、ミラー及び
空洞共振器の損失を克服し、Ｙｂ³⁺のＧＳＡを増大させ
るレージングを可能にするのに十分なＹｂ³⁺の反転分布
が生じる。

【００１６】１０１７ｎｍにおける光の一部は、Ｐｒ³⁺
によるＧＳＡで吸収され、このため、Ｐｒ³⁺イオンの¹
Ｇ₄準位のポピュレーションが可能になる。後続する励
起状態での８５０ｎｍのポンプ光子の吸収が、Ｐｒ³⁺イ
オンにおける青色遷移をポピュレートする。青色空洞共
振器は、出力カップラの働きをする直接被着させたミラ
ーと、４９２ｎｍで１００％の反射を生じるファイバ・
ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）によって形成される。５２
１ｎｍ、６０５ｎｍ、及び、６３５ｎｍにおいて可能性
のある光の発振は、これらの波長におけるミラー損失を
大きく確保することによって抑制しなければならない。

【００１７】単一ストライプ半導体ポンプから出力され
る光のイメージが、フッ化物コアの拡張されたコアに形
成される。レンズまたはファイバ・切り子面からの反射
光は、レーザの偏光特性と、光出力を１／４板に通すこ
との両方によって有効に分離される。このフィードバッ
クの低減によって、青色レーザの安定性が向上する。フ
ィードバックの抑制が不十分な場合には、オプションに
より、１／４板と半導体ポンプの間の偏光子が利用され
る。

【００１８】ポンプ光は、１０１７ｎｍのＦＢＧを通過
し、さらにシリカ・ファイバに接続された断熱テーパに
達する。ここで、拡張コア・シリカ・ファイバとフッ化
物ファイバのモード整合がとられている。この断熱テー
パは、融着スプライシングのプロセスにおいて自然に形
成される。断熱ジョイントの通過後、ポンプ光は第２の
ＦＢＧまたはファイバ・クリーブにおける蒸着ミラーを
通過する。ＦＢＧまたは蒸着ミラーは、青色空洞共振器
の一部を形成する。

【００１９】ポンプ光は、次に、接着ジョイントを通過
し、Ｐｒ³⁺／Ｙｂ³⁺をドープしたフッ化物ファイバに吸
収される。２つのポンプ・レーザが用いられる二重ポン
ピングの場合、偏光ビームの組み合わせの代わりに、波
長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）が利用される。

【００２０】本書に開示の設計の重要な利点は、アップ
コンバージョン・レーザのモード整合がとれ、ＦＢＧに
書き込んで、青色空洞共振器を規定する機会が得られる
ということである。空洞共振器を対称にすることによっ
て、空洞共振器の両端にＦＢＧテクノロジを適用するの
が容易になり、正確な狭帯域ミラーが可能になる。Ｐｒ
³⁺イオンによる吸収率は、光の強度に左右されるので、
１０１７ｎｍにおける発振によるＹｂ³⁺遷移によって、
前記吸収率が増大する。さらに、標準的な相互緩和も生
じることになり、これによってポンプ吸収がさらに増大
する。該空洞共振器を、青において反射し、ポンプ波長
を透過するλ／４ ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂層のような直接コ
ーティングしたミラーにすることによって、本書に解説
の技法を利用した単純な空洞共振器構成が得られる。さ
らに、これはＹｂ³⁺の自己発振遷移を伴わない。

【００２１】

【実施例】周期律表のランタノイド列の元素、すなわ
ち、希土類は、これらの元素をガラスにドープすること
が可能であり、元素の外側電子殻が内側電子殻を保護し
ているという点で、独特のものである。従って、これら
の元素に生じる遷移は、それらをドープするガラスの摂
動環境からかなり十分に保護される。従って、これらの
希土類をガラスにドープすることが可能であり、その基
本エネルギ遷移は、原子の局部電界に作用する母体内に
ある場合でもそのままである。本発明に関して、こうし
た遷移は、本書において酸化物ガラスと称するシリカ母
体の中のイオンに生じる。こうした元素を所定のフッ化
物ファイバにドープすると、蛍光を発する。すなわち、
光子が図１に示す³Ｐ₁準位の最高準位で活性化する（上
述）。イオンは、所定の時間量にわたってその状態のま
まである。該状態におけるイオンの寿命は、十分に長い
ので、基底状態へ遷移すると蛍光を発する。光子の光の
色またはエネルギは、光子が生じさせるエネルギ・ギャ
ップによってほぼ決まる。³Ｐ₁ 〜³Ｐ₀への遷移は非放
射遷移であり光の発生を伴わない。図１の場合、³Ｐ₀〜
³Ｈ₄準位は、対応する波長のかなり大きいエネルギに対
応する。この場合は４９２ｎｍ（青）である。

【００２２】アップコンバージョンの問題の１つは、コ
ンパクトな形で可視光を発生するのが困難ということで
ある。例えば、図１に関して、１０１７ｎｍで動作する
波長の長いレーザ・ダイオードを用いることによって、
³Ｈ₄エネルギ準位から¹Ｇ₄エネルギ準位にイオンを昇位
させることが可能である。イオンがいったんその状態に
とどまり、良好なフッ化物ファイバ・母体内にあるた
め、長時間にわたってその状態のままでいる場合、８３
５ｎｍで動作する第２のレーザを利用して、さらに、そ
のイオンをより高いエネルギ状態に昇位させることが可
能である。該イオンは、こうして、一定の時間間隔にわ
たって、そのより高い準位にとどまることになる。該準
位は、準安定状態と呼ばれ、一般に、持続時間が約４０
マイクロ秒である。この準位の持続時間が長い場合、こ
のイオンに誘導放出が生じる可能性がある。該エネルギ
状態にあるのが、４０マイクロ秒の持続時間ではなく、
１ナノ秒だけの場合には、誘導放出の可能性はかなり低
くなる。

【００２３】アップコンバージョン・プロセスは、２つ
のクリティカルな要素に依存している： ● グラス・ファイバにおける希土類イオンに関する吸
収エネルギに対応するより長い波長のレーザ・ダイオー
ドを備えていること。この場合、図１及び２のレーザ・
ダイオード。 ● 蛍光発光によるより低いエネルギ準位への移行を可
能にする、引用のエネルギ準位における長寿命のイオン
があること。

【００２４】従って、アップコンバージョンは、多重ポ
ンプ光子吸収によって、エネルギをより短い波長に変換
することを表している。アップコンバージョンは、異な
る長い波長、すなわち、８３５ｎｍまたは１０１７ｎｍ
で動作する２つの異なるポンプ・レーザによって、ある
いは、単一レーザ・ポンプによって、ただし、例えば、
８５０ｎｍの半導体ポンプを利用した相互緩和ポンピン
グといった、該ポンプの多重吸収によって実施可能であ
る。

【００２５】波長の長いポンプは、それほど高価ではな
い。本発明は、希土類のイッテルビウムをそのエネルギ
準位にまでポンピングする。従って、イッテルビウムが
プラセオジム・イオンと近接しているので、エネルギ移
動が生じることになり、エネルギは、イッテルビウム・
イオンの²Ｆ_5/2バイパス準位からプラセオジムの¹Ｇ₄準
位に移行する。次に、約８３５ｎｍのポンプの第２の吸
収によって、該イオンをより高い準位にすることが可能
である。従って、アップコンバージョン・プロセスが生
じ、８５０ｎｍで安価に発生したレーザ光が、４９２ｎ
ｍの高価な光に変換される。

【００２６】動作時、フッ化物ファイバには、８５０ｎ
ｍのポンプによって、アップコンバージョン・プロセス
の一部として、ポンピングが施される。次に、光が該フ
ァイバのコアに入って、ドーパントのイオンを活性化す
る（例えば、図２に示すように）。ファイバにおけるド
ーピング準位は、ほぼ１０００〜１０，０００ピー・ピ
ー・エム、すなわち、ガラスの１００万の分子毎に、２
０００のイオンがガラス中に存在することになる。イオ
ンは、ポンプ光を吸収し、結果として、より高いエネル
ギ準位に昇位する。こうしたより高いエネルギ準位にお
いて、自然発光による放射が生じるが、空洞共振器はフ
ァイバの各端部のミラーによって形成されているので、
閉じ込められる。すなわち、光が前後ではね返り、誘導
放出を生じる。

【００２７】図３は、本発明に基づいて、好適な４９２
ｎｍの放出波長で青色光を発生するためのアップコンバ
ージョン・レーザ３０の略図である。該レーザは、Ｐｒ
イオンの相互緩和ポンピングと、基底状態の吸収による
ＧＳＡ−¹Ｇ₄の遷移の直接ポンピングとの組み合わせを
利用し、結果として、Ｙｂ³⁺の励起状態の遷移によるレ
ーザ発光が生じる。好適な設計の場合、ファイバ・ブラ
ッグ回折格子（ＦＢＧ）３４を用いて、１０１７ｎｍで
光を反射することにより、１０１７ｎｍ空洞共振器の第
１の端部が形成される。空洞共振器の第２の端部は、出
力カップラ４０に形成される。

【００２８】約８５０ｎｍにおけるポンピングによっ
て、ミラー及び空洞内損失を克服し、Ｙｂ³⁺のＧＳＡが
増大するレージングを可能にするのに十分なＹｂ³⁺の反
転分布が生じる。１０１７ｎｍにおける光の一部は、Ｐ
ｒ³⁺イオンのＧＳＡにより、Ｐｒ³⁺イオンの¹Ｇ₄準位の
ポピュレーションが許容される。後続する８５０ｎｍの
ポンプ光子の励起状態における吸収によって、Ｐｒ³⁺イ
オンにおける青色の遷移がポピュレートされる。

【００２９】青色空洞共振器は、出力カップラの働きを
する直接被着ミラー４０と、４９２ｎｍにおいて１００
％の反射を生じさせるＦＢＧ３７によって形成される。
５２１ｎｍ、６０５ｎｍ、及び、６３５ｎｍにおいて可
能性のある光の発振は、これらの波長においてミラー損
失を大きく確保することによって抑制しなければならな
い。

【００３０】レーザポンプ（単一ストライプ赤外半導体
ポンプ）３２から出力される光のイメージが、４Ｘ イ
メージング・システム３３（１／４λ板を含む）によっ
てフッ化物コア・ファイバ３９に対する拡張シリカ・コ
ア・ファイバ（ＦＢＧ３４）に形成される。赤外半導体
ポンプは、例えば、Ｓｐｅｃｔｒａ Ｄｉｏｄｅ Ｌａ
ｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．で製造されるような、
単一空間モードのファイバに対するイメージングを可能
にする、単一空間モードでほぼ５００ミリワットの光を
放出する半導体レーザ・ダイオードとすることが可能で
ある。該イメージング・システムは、好適には、例えば
カリファルニア州サン・ノゼのＢｌｕｅＳｋｙ Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙで製造されるような、１組の円柱レンズ
であり、これは赤外半導体レーザ・ダイオードの次に取
り付けられる。この特定のレンズ構成によって、半導体
レーザによって生じるビームのある程度の量の循環化が
可能になる。非循環ビームは、一般に、シリカ・ファイ
バにうまく集束しない。

【００３１】レンズまたはファイバ・切り子面からの反
射光は、レーザ偏光特性を組み合わせることによって、
及び、出力光を１／４λ板に通すことによって有効に分
離される。本発明者が、実験により、Ｔｍ³⁺及びＥｒ³⁺
の青色及び緑色のアップコンバージョン・レーザについ
て立証したように、こうしたフィードバックの低減によ
って、青色レーザの安定性が向上する。

【００３２】ポンプ光は、１０１７ｎｍのＦＢＧ３４を
通り、さらに、フッ化物ファイバと空間的にモード整合
がとれる、拡張コアを備えたシリカ・ファイバに接続さ
れた断熱テーパ３５に達する。１．３μｍの光学増幅器
とモード整合のとれるファイバを用いることが知られて
いる。断熱テーパは、融着スプライシングのプロセスに
おいて自然に形成される。断熱ジョイントを通った後、
第２のＦＢＧ３７またはファイバ・クリーブにおける蒸
着ミラーを通る。ＦＢＧまたは蒸着ミラーは、青色空洞
共振器の一部を形成する。

【００３３】ポンプ光は、次に、第２のＦＢＧとフッ化
物ファイバが接合する接着ジョイント３８を通過し、Ｐ
ｒ³⁺／Ｙｂ³⁺をドープしたフッ化物ファイバに吸収され
る。例えば、マサチューセット州ＭｅｄｆｏｒｄのＴｒ
ａ−Ｃｏｎ，Ｉｎｃ．によって製造されているような、
標準的な光学接着剤または光学エポキシといった光学セ
メントを用いて、接着ジョイントを形成することも可能
である。

【００３４】２つのポンプ・レーザが用いられる二重ポ
ンピングの場合（図５に関連した下記参照）、文献（例
えば、Ｙ. Ｚｈａｏその他による、 Ｐｒ³⁺をドープし
たフッ化物ファイバおける、効率的な青色アップコンバ
ージョンレーザ、Ｅｌｅｃｔｒｏn. Ｌｅｔｔ．，ｖｏ
ｌ．３０、ｐｐ.９６７−９６８（１９９４）を参照）
に教示されている偏光ビームの組み合わせの代わりに、
波長分割マルチプレクサが用いられる。遠隔通信用途に
用いられることが多い、このアプローチの利点は、色消
しレンズのセット・アップが不要であり、２つのポンプ
・レーザの場合、ファイバ・アライメントの問題が切り
離されるということである。

【００３５】本書に開示の本発明の利点の１つは、アッ
プコンバージョン・レーザに関するモード整合がとれ、
ＦＢＧに書き込みを行って、青色空洞共振器を規定する
機会が得られるということである。空洞共振器を対称に
することによって、空洞共振器の両端にＦＢＧテクノロ
ジを適用するのが容易になり、正確な狭帯域ミラーが可
能になる。Ｐｒ³⁺イオンによる吸収率は、光の強度に左
右されるので、１０１７ｎｍにおける発振によるＹｂ³⁺
遷移によって、前記吸収率が増大する。さらに、標準的
な相互緩和も生じることになり、これによって、ポンプ
吸収がさらに増大する。本書に解説の技法を利用し、該
空洞共振器を、青を反射し、ポンプ波長を透過するλ／
４ ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂層のような直接コーティングした
ミラーにすることによって、単純な空洞共振器構成が得
られる。ただし、Ｙｂ³⁺の自己発振遷移を伴うことも、
あるいは、伴わないことも可能である。好適には、該ミ
ラーは二酸化チタン及び二酸化珪素によるコーティング
を施して、一種のトランスフォーマを形成する、誘電率
の異なる２つの誘電体が設けられる。このコーティング
は、好適には既知の技法を利用し、１００゜Ｃの低温蒸
着を利用して、真空下において蒸発器によって施され
る。

【００３６】従って、ＦＢＧ、モード整合ファイバ、ポ
ンプ・ノイズ低減、ポンプ組み合わせ、及び、自己発振
ポンピング案を組み込んだ、青色光を発生するためのア
ップコンバージョン・レーザが開示される。これによっ
て、単一波長ポンプ・レーザを利用して、標準的なＹｂ
³⁺とＰｒ³⁺との相互緩和法、並びに、自己発振ポンピン
グ法によるポンピングが可能になる。アップコンバージ
ョン・レーザにＦＢＧのような狭帯域ミラーを利用し
て、寄生共振を抑制することも可能である。

【００３７】本書で用いられるフッ化物ファイバは、好
適には、直径が約２５０ミクロンで、長さが約０．７５
メートルである。ファイバは、まっすぐにすることもで
きるし、あるいは、例えば、直径が１インチのコイルを
なすように巻くことも可能である。ファイバ自体は、か
なり小さく巻くことが可能である。ファイバは、防水の
ため、ポリイミドのコーティングが施される。コーティ
ングの直径は、約２５０ミクロンである。ファイバのフ
ッ化物部分を構成するクラッディングの直径は、約１２
５ミクロンである。ドーパントが位置するコア領域は、
直径が約２ミクロンである。

【００３８】本発明の実施に用いられるフッ化物ファイ
バは、好適には、フランスのＬｅＶｅｒｒｅ Ｆｌｕｏ
ｒｅ ｏｆ Ｂｒｉｔｔａｎｙから入手可能なタイプ
（低バックグラウンド損失単一モードフッ化物ガラス・
レーザ・ファイバ）とマサチューセット州Ｓｔｕｒｂｒ
ｉｄｇｅのＧａｌｉｌｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉ
ｃｓ Ｃｏｒｐ．から入手可能なタイプ（Ｆｌｕｏｒｏ
ｌａｓｅ^TMをドープしたフッ化物ファイバ）がある。該
ファイバの開口数は、０．１〜０．５のオーダである。
ファイバのドーピング準位は、約１０，０００ピー・ピ
ー・エムのイッテルビウム及び約１，０００ピー・ピー
・エムのプラセオジムが望ましい。各希土類のエネルギ
・ダイヤグラムが異なるので、その作用は異なる。従っ
て、所望の光波長内に納まるエネルギ遷移プロフィール
が得られる、任意のドーパントを用いることが可能であ
る。

【００３９】本書に開示のレーザ設計にシリカ・ファイ
バを含む利点の１つは、ファイバに対するポンプ光のイ
メージング結果のテストが容易になるということであ
る。従って、レーザを製造する際、より作業が困難なフ
ッ化物ファイバとは対照的に、シリカ・ファイバは、作
業が容易なので、テストによって欠陥を迅速に突き止
め、補正することが可能になる。中間シリカ・ファイバ
を設けることは、製造を助成することになる。

【００４０】中間ファイバがシリカであるため、融着ス
プライシングの利用が可能になる。問題の１つは、ポン
プ光に関して、適合するフィールドまたは空間範囲を備
えることができないということである。光の性質が、こ
の光ファイバに適合しない可能性がある。従って、フッ
化物ファイバとモード整合のとれる中間シリカ・ファイ
バが利用される。従って、本発明の好適な実施例は、そ
れぞれ、モード特性の異なる、２つのシリカ・ファイバ
を備えていることになる。本発明の代替実施例では、単
一シリカ・ファイバだけしか設けないことも可能であ
る。本発明の他の実施例では、全くシリカ・ファイバな
しで済ますことも可能である。

【００４１】図４は、本発明の同等に好適な代替実施例
に基づいて青色光を発生する、二重発振アップコンバー
ジョン・レーザの略図である。本発明のこの実施例で
は、８３５ｎｍの波長で動作する単一ポンプ５５が利用
される。代替案として、マルチストライプ・レーザ５５
の光学パワーが、イッテルビウムをドープしたレーザ空
洞共振器のコア及びクラッディングに結合される、クラ
ッディング・ポンピング案を利用することも可能であ
る。該レーザ空洞共振器には、それぞれ、イッテルビウ
ム及びプラセオジムをドープした、シリカ・ファイバ５
０及びＺＢＬＡＮフッ化ジルコニウム・ファイバ５１が
含まれる。１対のＦＢＧ５３、５４は、１０１７ｎｍで
動作する。イッテルビウム・ファイバによって、１０１
７ｎｍでレーザ発光を生じるイオンが得られるので、プ
ラセオジム・ファイバに対する補助ポンプが得られるこ
とになる。

【００４２】図５は、本発明の同等に好適なもう１つの
代替実施例に基づいて青色光を発生する、二重ポンプ・
アップコンバージョン・レーザの略図である。本発明の
この実施例によれば、８３５ｎｍの光のエネルギの大部
分を光路６６に結合することが可能な波長分割マルチプ
レクサ（ＷＤＭ）６３において接合される、独立した８
３５ｎｍレーザ・ポンプ６５と１０１７ｎｍレーザ・ポ
ンプ６４が得られる。同様に、ＷＤＭは、１０１７ｎｍ
の光の大部分を光路６６に結合することも可能である。
従って、ＷＤＭは、２つのレーザを組み合わせる効率の
良い手段である。これによって、２つのポンプ・レーザ
の結合が可能になるので、プラセオジムをドープしたフ
ァイバ６０に光を結合することが可能になる。該空洞共
振器には、１対のコーティングを施したミラー６１、６
２も含まれている。

【００４３】本発明のこの実施例の場合、両方のポンプ
が常に存在しており、一方のポンプが、常にイオンをそ
の第１の準位までブーストし、もう一方のポンプが、常
にイオンをその準位から次の準位までブーストするよう
になっている。従って、１０１７ｎｍのポンプが、イオ
ンを¹Ｇ₄の準位にブーストし、８３５ｎｍのポンプが、
イオンを³Ｐ₀の準位までブーストする。

【００４４】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。

【００４５】〔実施態様１〕 （ａ）第１のレーザ空洞共振器を形成する手段（３４＆
４０、５２＆５６、６１＆６２）と、（ｂ）プラセオジ
ムをドープして、前記第１のレーザ空洞共振器内に配置
された第１の光ファイバと（３９、５１、６０）と、
（ｃ）前記第１の光ファイバと光学的につながったエネ
ルギ源（３２、５５、６４＆６５）を含む青色光を発生
するためのレーザ。

【００４６】〔実施態様２〕前記第１の光ファイバ（３
９）がイッテルビウムをドープしたフッ化物ファイバを
含むことを特徴とする実施態様１に記載のレーザ。

【００４７】〔実施態様３〕前記第１のレーザ空洞共振
器内に第２のレーザ空洞共振器を形成する手段（３７、
４０）を含むことを特徴とする実施態様１及び実施態様
２に記載のレーザ。

【００４８】〔実施態様４〕前記第１のレーザ空洞共振
器に隣接し、それと光学的につながるように前記第２の
レーザ空洞共振器を形成する手段（５３、５４）を含む
ことを特徴とする実施態様１に記載のレーザ。

【００４９】〔実施態様５〕イッテリビウムをドープ
し、前記第２のレーザ空洞共振器内に、前記第１の光フ
ァイバ（５１）と光学的につながるように配置された第
２の光ファイバ（５０）を含むことを特徴とする実施態
様４に記載のレーザ。

【００５０】〔実施態様６〕前記第１のレーザ空洞共振
器を形成する手段が、ファイバ・ブラッグ回折格子を含
むことを特徴とする実施態様１乃至実施態様５に記載の
レーザ。

【００５１】〔実施態様７〕前記第２のレーザ空洞共振
器を形成する手段が、ファイバ・ブラッグ回折格子を含
むことを特徴とする実施態様３乃至６記載のレーザ。

【００５２】〔実施態様８〕前記エネルギ源は、波長が
約８５０ｎｍの光エネルギを供給することを特徴とする
実施態様１乃至７に記載のレーザ。

【００５３】〔実施態様９〕前記エネルギ源は、波長が
約８３５ｎｍの光エネルギを供給することを特徴とする
実施態様１乃至７に記載のレーザ。

【００５４】〔実施態様１０〕前記エネルギ源が、波長
が約１０１７ｎｍの光エネルギを供給する第１のエネル
ギ源（６４）と、波長が約８３５ｎｍの光エネルギを供
給する第２のエネルギ源（６５）を含むことを特徴とす
る実施態様１に記載のレーザ。

【００５５】〔実施態様１１〕前記第１のエネルギ源と
前記第２のエネルギ源とが光学的につながった波長分割
マルチプレクサ（６３）を含むことを特徴とする実施態
様１０に記載のレーザ。

【００５６】〔実施態様１２〕イッテルビウム及びプラ
セオジムをドープした光ファイバ・レーザにおいて青色
光を発生する方法において、以下の（ａ）乃至（ｃ）の
ステップを含む： （ａ）前記ファイバ内の複数のイッテルビウム・イオン
を基底状態から高エネルギ状態に励起するステップと、
（ｂ）励起された前記イッテルビウム・イオンから前記
ファイバ内の複数のプラセオジム・イオンにエネルギを
移動することによって、前記プラセオジム・イオンを基
底状態から第１の高エネルギ状態に励起するステップ
と、（ｃ）前記励起したプラセオジム・イオンを第２の
高エネルギ状態に励起し、これによって、前記プラセオ
ジム・イオンが前記第２の高エネルギ状態から基底状態
に戻る際、青色光が放出されるようにするステップとを
含む青色光発生方法。

【００５７】〔実施態様１３〕前記ステップ（ａ）が、
波長が約８５０ｎｍのエネルギで光ファイバのポンピン
グを行うことを含み、前記ステップ（ｂ）が、約１０１
７ｎｍの波長で光ファイバにレージングを生じさせるこ
とを含むことを特徴とする実施態様１２に記載の青色光
発生方法。

【００５８】

【発明の効果】本発明の解説は、好適な実施例に関連し
て実施してきたが、当該技術の当業者にはすぐ分かるよ
うに、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本書
に記載の応用例の代わりに、他の応用例を用いることも
可能である。従って、本発明は、付属の請求項によって
のみ制限を受けるものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｐｒ³⁺フッ化物ファイバ・アップコンバージ
ョン・レーザに関するポンピング法及び遷移を示すエネ
ルギ準位ダイヤグラムである。

【図２】 Ｐｒ³⁺フッカ物アップコンバージョン・レー
ザに関して相互緩和ポンピングを利用する場合の、ポン
ピング法及び遷移を示すエネルギ準位ダイヤグラムであ
る。

【図３】 本発明の第１の実施例に基づいて、好適には
４９２ｎｍの発光波長で青色光を発生するためのアップ
コンバージョン・レーザの略図である。

【図４】 本発明の同等に好適な代替実施例に基づい
て、青色光を発生するための二重発振アップコンバージ
ョン・レーザの略図である。

【図５】 本発明の同等にもう１つの好適な代替実施例
に基づいて、青色光を発生するための二重ポンピングア
ップコンバージョン・レーザの略図である。

【符号の説明】

３０ アップコンバージョン・レーザ ３２ レーザポンプ（単一ストライプ赤外半導体ポン
プ） ３３ イメージング・システム ３４、３７ ファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ） ３５ 断熱テーパ ３８ 接着ジョイント ３９ フッ化物コア・ファイバ ４０ 出力カップラ ５０ シリカ・ファイバ ５１ ジルコニウム・ファイバ ５３、５４ ファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ） ５５ 単一レーザポンプ ６０ ファイバ ６１、６２ ミラー ６３ 波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ） ６４、６５ レーザ・ポンプ ６６ 光路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のレーザ空洞共振器を形成する手段
   と、プラセオジムをドープして、前記第１のレーザ空洞
   共振器内に配置された第１の光ファイバと、 前記第１の光ファイバと光学的につながったエネルギ源
   を含む青色光を発生するためのレーザ。