JPH09186381A - レーザ光発生装置 - Google Patents
レーザ光発生装置Info
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- JPH09186381A JPH09186381A JP7343735A JP34373595A JPH09186381A JP H09186381 A JPH09186381 A JP H09186381A JP 7343735 A JP7343735 A JP 7343735A JP 34373595 A JP34373595 A JP 34373595A JP H09186381 A JPH09186381 A JP H09186381A
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- laser medium
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 変調特性に優れ、小型で安定したレーザ光発
生装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光発生装置は、光共振器２５内に
配置され、基本波光を発振するレーザ媒質２０および該
基本波光とミキシング光とに基づいて和周波光を発生す
る非線形光学素子２１と、レーザ媒質２１を励起するた
めの励起光を発生する半導体レーザ１０と、光共振器２
５の外部に配置され、ミキシング光を発生するための半
導体レーザ３０などを備える。レーザ媒質として蛍光時
間の短い材料を用いたり、レーザ媒質のドーピング濃度
を調整したり、ポンピング比を調整することによって、
和周波光の緩和振動が大幅に抑制される。
生装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光発生装置は、光共振器２５内に
配置され、基本波光を発振するレーザ媒質２０および該
基本波光とミキシング光とに基づいて和周波光を発生す
る非線形光学素子２１と、レーザ媒質２１を励起するた
めの励起光を発生する半導体レーザ１０と、光共振器２
５の外部に配置され、ミキシング光を発生するための半
導体レーザ３０などを備える。レーザ媒質として蛍光時
間の短い材料を用いたり、レーザ媒質のドーピング濃度
を調整したり、ポンピング比を調整することによって、
和周波光の緩和振動が大幅に抑制される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ媒質および
非線形光学素子を共振器内に配置し、外部からミキシン
グ光を導入して和周波光または差周波光を発生するレー
ザ光発生装置に関する。
非線形光学素子を共振器内に配置し、外部からミキシン
グ光を導入して和周波光または差周波光を発生するレー
ザ光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ＧａＡｌＡｓなどから成る半
導体レーザを用いて、共振器内に配置されたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶などのレーザ媒質を励起してレーザ発振を行うよ
うにした固体レーザ装置が知られている。こうした固体
レーザ装置の発振波長は一般に励起光の波長よりも長く
なるため、短波長のレーザ光を必要とする用途、たとえ
ば高密度の光記録などには不向きである。
導体レーザを用いて、共振器内に配置されたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶などのレーザ媒質を励起してレーザ発振を行うよ
うにした固体レーザ装置が知られている。こうした固体
レーザ装置の発振波長は一般に励起光の波長よりも長く
なるため、短波長のレーザ光を必要とする用途、たとえ
ば高密度の光記録などには不向きである。
【０００３】より短波長のレーザ光を得るために、レー
ザ媒質および非線形光学結晶を同じ共振器内に配置し
て、レーザ媒質による発振光を第２高調波に変換するＳ
ＨＧ（Second Harmonic Generator） 光源が提案されて
いる。たとえば、レーザ媒質としてＹＡＧ結晶を使用
し、非線形光学結晶として燐酸チタニルカリウムＫＴｉ
ＯＰＯ4 （略称ＫＴＰ）を使用すると、波長１０６４ｎ
ｍの発振光を半分の５３４ｎｍのグリーン光に変換する
ことが可能である。
ザ媒質および非線形光学結晶を同じ共振器内に配置し
て、レーザ媒質による発振光を第２高調波に変換するＳ
ＨＧ（Second Harmonic Generator） 光源が提案されて
いる。たとえば、レーザ媒質としてＹＡＧ結晶を使用
し、非線形光学結晶として燐酸チタニルカリウムＫＴｉ
ＯＰＯ4 （略称ＫＴＰ）を使用すると、波長１０６４ｎ
ｍの発振光を半分の５３４ｎｍのグリーン光に変換する
ことが可能である。
【０００４】さらに短波長のブルーグリーン光を得るた
めに、非線形光学結晶としてＫＮｂＯ3 を使用すること
によって、ＹＡＧ結晶の発振波長９４６ｎｍを半分の４
７３ｎｍに変換する例も報告されている。
めに、非線形光学結晶としてＫＮｂＯ3 を使用すること
によって、ＹＡＧ結晶の発振波長９４６ｎｍを半分の４
７３ｎｍに変換する例も報告されている。
【０００５】しかしながら、第２高調波を発生する方式
では光の変調が難しく、たとえ励起用の半導体レーザを
直接変調してもレーザ媒質の緩和時間の遅れから高速変
調が困難であり、たとえば光ディスクの書込用光源とし
ては不向きである。したがって、こうしたＳＨＧ光源を
使用する場合には電気光学変調器等の外部変調器が不可
欠であり、そうすると装置の大型化やコスト増加を招い
てしまう。
では光の変調が難しく、たとえ励起用の半導体レーザを
直接変調してもレーザ媒質の緩和時間の遅れから高速変
調が困難であり、たとえば光ディスクの書込用光源とし
ては不向きである。したがって、こうしたＳＨＧ光源を
使用する場合には電気光学変調器等の外部変調器が不可
欠であり、そうすると装置の大型化やコスト増加を招い
てしまう。
【０００６】一方、高速変調が可能な短波長光源とし
て、レーザ媒質および非線形光学結晶を配置した共振器
内に外部からミキシング光を導入して、レーザ発振光と
ミキシング光とを混合して和周波を発生させるようにし
た和周波光源が知られている。こうした和周波光源で
は、ミキシング光の変調に応じて和周波光の高速変調が
可能であるため、高密度の光記録などの用途に好適であ
る。
て、レーザ媒質および非線形光学結晶を配置した共振器
内に外部からミキシング光を導入して、レーザ発振光と
ミキシング光とを混合して和周波を発生させるようにし
た和周波光源が知られている。こうした和周波光源で
は、ミキシング光の変調に応じて和周波光の高速変調が
可能であるため、高密度の光記録などの用途に好適であ
る。
【０００７】以上のような第２高調波発生および和周波
発生の非線形光学プロセスにおいて、変換効率を上げる
には非線形光学結晶での位相整合条件が重要である。
発生の非線形光学プロセスにおいて、変換効率を上げる
には非線形光学結晶での位相整合条件が重要である。
【０００８】こうした先行技術として、非線形光学結晶
にｂ軸−ＫＴＰを使用した場合、レーザ媒質を励起する
半導体レーザからの励起光８０８ｎｍとレーザ媒質の発
振光１０６４ｎｍとを混合して波長４５９ｎｍの和周波
光を発生させる例が提案されている（特開昭６４−６２
６２１）。しかしながら、ＫＴＰ結晶は温度許容度およ
び波長許容度ともに高いが、変換定数が低いために和周
波光の出力も１ｍＷ程度が限界である。
にｂ軸−ＫＴＰを使用した場合、レーザ媒質を励起する
半導体レーザからの励起光８０８ｎｍとレーザ媒質の発
振光１０６４ｎｍとを混合して波長４５９ｎｍの和周波
光を発生させる例が提案されている（特開昭６４−６２
６２１）。しかしながら、ＫＴＰ結晶は温度許容度およ
び波長許容度ともに高いが、変換定数が低いために和周
波光の出力も１ｍＷ程度が限界である。
【０００９】他の先行技術（特願平５−２４７０８９）
において、１）レーザ媒質にＮｄ：ＹＡＧ結晶、非線形
光学結晶にａ軸−ＫＮｂＯ3 をそれぞれ使用した場合、
波長９４６ｎｍのレーザ発振光を基本波として、波長７
８０ｎｍのミキシング光を混合することによって、波長
４２９ｎｍの和周波光が非臨界型位相整合で発生でき
る。２）レーザ媒質にＮｄ：ＹＶＯ4 結晶、非線形光学
結晶にａ軸−ＫＮｂＯ3をそれぞれ使用した場合、波長
１０６４ｎｍのレーザ発振光を基本波として、波長６９
５ｎｍのミキシング光を混合することによって、波長４
２０ｎｍの和周波光が非臨界型位相整合で発生できる。
において、１）レーザ媒質にＮｄ：ＹＡＧ結晶、非線形
光学結晶にａ軸−ＫＮｂＯ3 をそれぞれ使用した場合、
波長９４６ｎｍのレーザ発振光を基本波として、波長７
８０ｎｍのミキシング光を混合することによって、波長
４２９ｎｍの和周波光が非臨界型位相整合で発生でき
る。２）レーザ媒質にＮｄ：ＹＶＯ4 結晶、非線形光学
結晶にａ軸−ＫＮｂＯ3をそれぞれ使用した場合、波長
１０６４ｎｍのレーザ発振光を基本波として、波長６９
５ｎｍのミキシング光を混合することによって、波長４
２０ｎｍの和周波光が非臨界型位相整合で発生できる。
【００１０】こうした和周波レーザ装置における変調特
性については未解明な部分が多いのが現状である。
性については未解明な部分が多いのが現状である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】図７は、従来の和周波
レーザ装置における光出力変動を示すグラフである。こ
こでは、レーザ媒質としてＮｄを１ａｔ％ドープしたＮ
ｄ：ＹＡＧ、非線形光学素子としてａ軸−ＫＮｂＯ3 を
光共振器内にそれぞれ配置して、レーザ媒質の励起用と
して波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用して光共振器
内で波長９４６ｎｍの基本波をレーザ発振させ、外部か
ら波長７８０ｎｍの変調ミキシング光を導入して、波長
４２８ｎｍの変調和周波光を出力する例を示している。
レーザ装置における光出力変動を示すグラフである。こ
こでは、レーザ媒質としてＮｄを１ａｔ％ドープしたＮ
ｄ：ＹＡＧ、非線形光学素子としてａ軸−ＫＮｂＯ3 を
光共振器内にそれぞれ配置して、レーザ媒質の励起用と
して波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用して光共振器
内で波長９４６ｎｍの基本波をレーザ発振させ、外部か
ら波長７８０ｎｍの変調ミキシング光を導入して、波長
４２８ｎｍの変調和周波光を出力する例を示している。
【００１２】グラフを見ると、ミキシング光はパルス幅
５０μｓでパルス変調され、ミキシング光がオンになる
と和周波光もパルス状に発生しており、詳細に見るとパ
ルス立上り時に緩和振動が発生していることが判る。こ
うした現象はミキシング光を変調しない定常発振状態で
は観測されていない。また、変調時の和周波光の周期的
変動に関する論文も今までに報告されていない。
５０μｓでパルス変調され、ミキシング光がオンになる
と和周波光もパルス状に発生しており、詳細に見るとパ
ルス立上り時に緩和振動が発生していることが判る。こ
うした現象はミキシング光を変調しない定常発振状態で
は観測されていない。また、変調時の和周波光の周期的
変動に関する論文も今までに報告されていない。
【００１３】このような緩和振動は、和周波光を表示、
印字などの用途で比較的低速で変調する場合、顕著に観
測される。一方、光記録用途などの高速で変調する場
合、変調パルスの周期が緩和振動の周期より短くなる
が、緩和振動により変調パルス毎のピーク値がばらつく
ことが予想される。
印字などの用途で比較的低速で変調する場合、顕著に観
測される。一方、光記録用途などの高速で変調する場
合、変調パルスの周期が緩和振動の周期より短くなる
が、緩和振動により変調パルス毎のピーク値がばらつく
ことが予想される。
【００１４】したがって、和周波レーザ装置の応用分
野、たとえば計測や光記録などの分野において短波長光
の高速変調で一定のピークパワーが要求されているた
め、こうした緩和振動は不具合となる。この緩和振動
は、レーザ媒質が励起されて出る発振光がミキシング光
との非線形相互作用によりミキシング光のパルス立上り
時に生じるものである。
野、たとえば計測や光記録などの分野において短波長光
の高速変調で一定のピークパワーが要求されているた
め、こうした緩和振動は不具合となる。この緩和振動
は、レーザ媒質が励起されて出る発振光がミキシング光
との非線形相互作用によりミキシング光のパルス立上り
時に生じるものである。
【００１５】本発明の目的は、レーザ光変調特性に優
れ、小型で安定したレーザ光発生装置を提供することで
ある。
れ、小型で安定したレーザ光発生装置を提供することで
ある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、共振器内に配
置され、基本波光を発振するレーザ媒質および該基本波
光とミキシング光とに基づいてレーザ光を発生する非線
形光学素子と、前記レーザ媒質を励起するための励起光
を発生する第１半導体レーザと、共振器外部に配置さ
れ、前記ミキシング光を発生するための第２半導体レー
ザと、第２半導体レーザの駆動電流を変調する変調回路
とを備え、ミキシング光の変調時において生じるレーザ
光出力の緩和振動のダンピング時間が１０μ秒以下であ
ることを特徴とするレーザ光発生装置である。本発明に
従えば、ミキシング光の変調によって和周波光または差
周波光のレーザ光の変調を行う場合、レーザ光のパルス
波形が理想的な方形波になり、高速な変調が可能にな
る。特に、レーザ光出力の緩和振動のダンピング時間が
１０μ秒以下になると、前述したような低速および高速
で変調したときの緩和振動が抑制され、その結果、安定
なピークパワーが得られる。特に変調周波数が１００ｋ
Ｈｚ以上の場合、効果が大きい。
置され、基本波光を発振するレーザ媒質および該基本波
光とミキシング光とに基づいてレーザ光を発生する非線
形光学素子と、前記レーザ媒質を励起するための励起光
を発生する第１半導体レーザと、共振器外部に配置さ
れ、前記ミキシング光を発生するための第２半導体レー
ザと、第２半導体レーザの駆動電流を変調する変調回路
とを備え、ミキシング光の変調時において生じるレーザ
光出力の緩和振動のダンピング時間が１０μ秒以下であ
ることを特徴とするレーザ光発生装置である。本発明に
従えば、ミキシング光の変調によって和周波光または差
周波光のレーザ光の変調を行う場合、レーザ光のパルス
波形が理想的な方形波になり、高速な変調が可能にな
る。特に、レーザ光出力の緩和振動のダンピング時間が
１０μ秒以下になると、前述したような低速および高速
で変調したときの緩和振動が抑制され、その結果、安定
なピークパワーが得られる。特に変調周波数が１００ｋ
Ｈｚ以上の場合、効果が大きい。
【００１７】また本発明は、共振器内に配置され、基本
波光を発振するレーザ媒質および該基本波光とミキシン
グ光とに基づいてレーザ光を発生する非線形光学素子
と、前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生する
第１半導体レーザと、共振器外部に配置され、前記ミキ
シング光を発生するための第２半導体レーザと、第２半
導体レーザの駆動電流を変調する変調回路とを備え、ミ
キシング光の変調時において生じるレーザ光出力の緩和
振動のダンピング時間が、緩和振動の周期より短いこと
を特徴とするレーザ光発生装置である。本発明に従え
ば、レーザ光出力の緩和振動のダンピング時間が緩和振
動の周期より短いことによって、レーザ光のパルス波形
に緩和振動が発生しなくなって、より理想的な方形波に
近付く。そのため、より高速の変調が可能になる。
波光を発振するレーザ媒質および該基本波光とミキシン
グ光とに基づいてレーザ光を発生する非線形光学素子
と、前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生する
第１半導体レーザと、共振器外部に配置され、前記ミキ
シング光を発生するための第２半導体レーザと、第２半
導体レーザの駆動電流を変調する変調回路とを備え、ミ
キシング光の変調時において生じるレーザ光出力の緩和
振動のダンピング時間が、緩和振動の周期より短いこと
を特徴とするレーザ光発生装置である。本発明に従え
ば、レーザ光出力の緩和振動のダンピング時間が緩和振
動の周期より短いことによって、レーザ光のパルス波形
に緩和振動が発生しなくなって、より理想的な方形波に
近付く。そのため、より高速の変調が可能になる。
【００１８】また本発明は、レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ4 またはＮｄ：ＧｄＶＯ4 で形成されていることを特
徴とする。本発明に従えば、レーザ媒質としてＮｄ：Ｙ
ＶＯ4 またはＮｄ：ＧｄＶＯ4 などの蛍光寿命が短い材
料を用いることによって、レーザ光出力の緩和振動のダ
ンピング時間が短くなる。そのためレーザ光のパルス波
形が安定化される。
Ｏ4 またはＮｄ：ＧｄＶＯ4 で形成されていることを特
徴とする。本発明に従えば、レーザ媒質としてＮｄ：Ｙ
ＶＯ4 またはＮｄ：ＧｄＶＯ4 などの蛍光寿命が短い材
料を用いることによって、レーザ光出力の緩和振動のダ
ンピング時間が短くなる。そのためレーザ光のパルス波
形が安定化される。
【００１９】また本発明は、レーザ媒質のドーピング濃
度は、１〜３ａｔ％の範囲であることを特徴とする。レ
ーザ媒質のドーピング濃度が１ａｔ％より小さいと、蛍
光寿命が長くなり、３ａｔ％より大きいと蛍光寿命が短
くなるがレーザ発振波長での吸収損失も増加して発振閾
値の上昇を招く。したがって、レーザ媒質のドーピング
濃度は、１〜３ａｔ％の範囲が好ましい。
度は、１〜３ａｔ％の範囲であることを特徴とする。レ
ーザ媒質のドーピング濃度が１ａｔ％より小さいと、蛍
光寿命が長くなり、３ａｔ％より大きいと蛍光寿命が短
くなるがレーザ発振波長での吸収損失も増加して発振閾
値の上昇を招く。したがって、レーザ媒質のドーピング
濃度は、１〜３ａｔ％の範囲が好ましい。
【００２０】以下、本発明の原理について詳説する。以
下、和周波発生を例にとって説明するが、差周波発生に
ついても同様である。和周波レーザの挙動を記述するレ
ート方程式は、次のように表せる。
下、和周波発生を例にとって説明するが、差周波発生に
ついても同様である。和周波レーザの挙動を記述するレ
ート方程式は、次のように表せる。
【００２１】
【数１】
【００２２】ここで、τc は光共振器往復時間、τf は
レーザ媒質の蛍光寿命、Ｉm はミキシング光の強度、α
は光共振器ロス、Ｉはレーザ発振光強度、Ｇはレーザ媒
質のゲイン、Ｇo は励起光によるゲイン、βは自己飽和
係数、εは和周波変換効率である。
レーザ媒質の蛍光寿命、Ｉm はミキシング光の強度、α
は光共振器ロス、Ｉはレーザ発振光強度、Ｇはレーザ媒
質のゲイン、Ｇo は励起光によるゲイン、βは自己飽和
係数、εは和周波変換効率である。
【００２３】そこで、定常状態では時間依存項は０とな
るので、式（１）（２）の左辺＝０とおく。 Ｇss−α−ε・Ｉm ＝ ０ …（３） （β・Ｉss＋１）・Ｇss ＝ Ｇo …（４） これらの式（３）（４）に基づいてゲインと光強度の定
常解Ｇss、Ｉssを決定する。次に小信号解析による解の
安定性を解析する。
るので、式（１）（２）の左辺＝０とおく。 Ｇss−α−ε・Ｉm ＝ ０ …（３） （β・Ｉss＋１）・Ｇss ＝ Ｇo …（４） これらの式（３）（４）に基づいてゲインと光強度の定
常解Ｇss、Ｉssを決定する。次に小信号解析による解の
安定性を解析する。
【００２４】Ｉ ＝ Ｉss＋ｉ（ｔ） Ｇ ＝ Ｇss＋ｇ（ｔ） ｉ（ｔ）＝ｉo・ＥＸＰ〔λ・ｔ〕 ｇ（ｔ）＝ｇo・ＥＸＰ〔λ・ｔ〕 となる解を仮定し、式（１）（２）にそれぞれ代入して
展開する。
展開する。
【００２５】 τc ・λ・ｉo−Ｉss・ｇo ＝ ０ …（５） β・Ｇss・ｉo ＋（τf・λ＋（β・Ｉss＋１））・ｇo ＝ ０ …（６） これらの式（５）（６）が０以外のｇo、ｉoを解として
有するためには、下記式（７）で示す係数の行列式が０
となる必要がある。
有するためには、下記式（７）で示す係数の行列式が０
となる必要がある。
【００２６】
【数２】
【００２７】これはλについての２次方程式となり、そ
の解λを求めると、 τc・τf・λ2＋（β・Ｉss＋１）・τc・λ＋β・Ｇss・Ｉss ＝ ０ …（８）
の解λを求めると、 τc・τf・λ2＋（β・Ｉss＋１）・τc・λ＋β・Ｇss・Ｉss ＝ ０ …（８）
【００２８】
【数３】
【００２９】という解λが得られるが、簡略化のために
発振閾値ではＩss＝０とするとＧss＝Ｇoとなり、
発振閾値ではＩss＝０とするとＧss＝Ｇoとなり、
【００３０】
【数４】
【００３１】ここで、ｒはレーザ媒質を励起する励起光
の出力Ｐp とレーザ媒質による基本波発振の発振閾値Ｐ
t との比Ｐp／Ｐtであり、発振閾値の何倍の光出力で励
起するかを表したポンプレートである。ｉは虚数単位で
ある。解λの実部はダンピングファクタであり、正であ
れば不安定解、負であれば安定解である。また、解λの
虚部は振動周波数に相当する。したがって、ミキシング
光変調時の和周波出力の緩和振動のダンピング時間ｔ
d、緩和振動周波数ｆrは次のようになる。これらｔd，
ｆrの意味は図３に示す。
の出力Ｐp とレーザ媒質による基本波発振の発振閾値Ｐ
t との比Ｐp／Ｐtであり、発振閾値の何倍の光出力で励
起するかを表したポンプレートである。ｉは虚数単位で
ある。解λの実部はダンピングファクタであり、正であ
れば不安定解、負であれば安定解である。また、解λの
虚部は振動周波数に相当する。したがって、ミキシング
光変調時の和周波出力の緩和振動のダンピング時間ｔ
d、緩和振動周波数ｆrは次のようになる。これらｔd，
ｆrの意味は図３に示す。
【００３２】
【数５】
【００３３】ミキシング光がオンになった時の和周波出
力の緩和振動は、このダンピング時間ｔd、緩和振動周
波数ｆrによって特徴づけられ、ｔdを短く、ｆrを大き
くすることが望ましい。
力の緩和振動は、このダンピング時間ｔd、緩和振動周
波数ｆrによって特徴づけられ、ｔdを短く、ｆrを大き
くすることが望ましい。
【００３４】和周波光の緩和振動が全く生じないように
するには、緩和振動が減衰するダンピング時間ｔｄを緩
和振動周期より短くなるように設計すればよい。この条
件は次のように表される。
するには、緩和振動が減衰するダンピング時間ｔｄを緩
和振動周期より短くなるように設計すればよい。この条
件は次のように表される。
【００３５】
【数６】
【００３６】という式（１３）が成立すれば緩和振動が
生じない。ここで、τp は光共振器内でのフォトンライ
フタイムである。こうした条件を実際の和周波レーザ装
置で実現する手法を下記（１）〜（３）に説明する。
生じない。ここで、τp は光共振器内でのフォトンライ
フタイムである。こうした条件を実際の和周波レーザ装
置で実現する手法を下記（１）〜（３）に説明する。
【００３７】（１）レーザ結晶の選択 レーザ媒質は材料によって固有の蛍光寿命τfを有して
いる。
いる。
【００３８】
【表１】
【００３９】なお、ＳＦＡＰは Strontium Vanadium Ap
atite の略称である。式（１３）を満足するには、こう
したレーザ媒質の中からできるだけ蛍光寿命の短いもの
を使用することが好ましく、たとえばＮｄ：ＹＶＯ4ま
たはＮｄ：ＧｄＶＯ4が特に好ましい。
atite の略称である。式（１３）を満足するには、こう
したレーザ媒質の中からできるだけ蛍光寿命の短いもの
を使用することが好ましく、たとえばＮｄ：ＹＶＯ4ま
たはＮｄ：ＧｄＶＯ4が特に好ましい。
【００４０】（２）Ｎｄイオン濃度の選択 一般に、レーザ媒質の蛍光寿命τf はドーパントの濃度
の関数となっており、たとえばＮｄ濃度の調整によって
蛍光寿命τf を制御できる。たとえば、Ｎｄ：ＹＶＯ4
において、蛍光寿命τf のＮｄ濃度依存性は次の式で表
せる。
の関数となっており、たとえばＮｄ濃度の調整によって
蛍光寿命τf を制御できる。たとえば、Ｎｄ：ＹＶＯ4
において、蛍光寿命τf のＮｄ濃度依存性は次の式で表
せる。
【００４１】
【数７】
【００４２】ここで、τｏは極限低濃度での蛍光寿命、
Ｃoはτoが半分になるときのＮｄ濃度、Ｃはレーザ媒質
のＮｄ濃度である。この式（１４）は、たとえばτo ＝
９０μｓ、Ｃo ＝２．２ａｔ％のときの実験値と良く一
致する。
Ｃoはτoが半分になるときのＮｄ濃度、Ｃはレーザ媒質
のＮｄ濃度である。この式（１４）は、たとえばτo ＝
９０μｓ、Ｃo ＝２．２ａｔ％のときの実験値と良く一
致する。
【００４３】図１は、レーザ媒質の上準位の蛍光寿命の
Ｎｄ濃度依存性を示すグラフである。グラフを見ると、
Ｎｄ濃度が増加するにつれて蛍光寿命が短くなることが
判る。
Ｎｄ濃度依存性を示すグラフである。グラフを見ると、
Ｎｄ濃度が増加するにつれて蛍光寿命が短くなることが
判る。
【００４４】図２は、ｒ＝１５のときの和周波光出力の
ダンピング時間のＮｄ濃度依存性を示すグラフである。
グラフを見ると、Ｎｄ濃度が増加するにつれてダンピン
グ時間が短くなることが判る。
ダンピング時間のＮｄ濃度依存性を示すグラフである。
グラフを見ると、Ｎｄ濃度が増加するにつれてダンピン
グ時間が短くなることが判る。
【００４５】（３）ポンピング比ｒの向上 式（１３）を満足するには、ポンピング比ｒを大きくし
てもよい。ポンピング比ｒを大きくするには、励起光の
出力を大きくしてもよいが、通常、励起用の半導体レー
ザは最大出力で動作させているため、レーザ媒質の発振
閾値を下げる必要がある。たとえば、同一のＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶であっても、波長１０６４ｎｍのレーザ発振と波
長９４６ｎｍのレーザ発振とで大きく異なる。
てもよい。ポンピング比ｒを大きくするには、励起光の
出力を大きくしてもよいが、通常、励起用の半導体レー
ザは最大出力で動作させているため、レーザ媒質の発振
閾値を下げる必要がある。たとえば、同一のＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶であっても、波長１０６４ｎｍのレーザ発振と波
長９４６ｎｍのレーザ発振とで大きく異なる。
【００４６】擬３準位系である波長９４６ｎｍのレーザ
発振において、９４６ｎｍの再吸収によるロスが大きい
ため、発振閾値が高くなり、ポンピング比ｒは６程度の
値にしかならない。一方、４準位系である波長１０６４
ｎｍのレーザ発振において、ポンピング比ｒは１００以
上も可能である。
発振において、９４６ｎｍの再吸収によるロスが大きい
ため、発振閾値が高くなり、ポンピング比ｒは６程度の
値にしかならない。一方、４準位系である波長１０６４
ｎｍのレーザ発振において、ポンピング比ｒは１００以
上も可能である。
【００４７】したがって、同一のレーザ媒質において
も、擬３準位系の発振線よりも４準位系の発振線を使用
するほうが、ロスを大幅に低減化できるため、発振閾値
が下がってポンピング比ｒを大きくできる。また、ロス
低減だけでなく、励起光強度を上げることによってもポ
ンピング比ｒを大きくすることができる。
も、擬３準位系の発振線よりも４準位系の発振線を使用
するほうが、ロスを大幅に低減化できるため、発振閾値
が下がってポンピング比ｒを大きくできる。また、ロス
低減だけでなく、励起光強度を上げることによってもポ
ンピング比ｒを大きくすることができる。
【００４８】たとえば、ａ）レーザ媒質としてＮｄを１
％ドープしたＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いて、擬３準位系の
波長９４６ｎｍのレーザ発振を発生し、さらに波長７８
０ｎｍのミキシング光と混合させて波長４２８ｎｍの和
周波光を発生させた場合と、ｂ）１％ドープしたＮｄ：
ＹＡＧ結晶を用いて、４準位系の波長１０６４ｎｍのレ
ーザ発振を発生し、さらに波長６９０ｎｍのミキシング
光と混合させて波長４１８ｎｍの和周波光を発生させた
場合と、ｃ）レーザ媒質としてＮｄを２％ドープしたＮ
ｄ：ＹＶＯ4 結晶を用いて、４準位系の波長１０６４ｎ
ｍのレーザ発振を発生し、さらに波長６９０ｎｍのミキ
シング光と混合させて波長４１８ｎｍの和周波光を発生
させた場合とを比較検討する。
％ドープしたＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いて、擬３準位系の
波長９４６ｎｍのレーザ発振を発生し、さらに波長７８
０ｎｍのミキシング光と混合させて波長４２８ｎｍの和
周波光を発生させた場合と、ｂ）１％ドープしたＮｄ：
ＹＡＧ結晶を用いて、４準位系の波長１０６４ｎｍのレ
ーザ発振を発生し、さらに波長６９０ｎｍのミキシング
光と混合させて波長４１８ｎｍの和周波光を発生させた
場合と、ｃ）レーザ媒質としてＮｄを２％ドープしたＮ
ｄ：ＹＶＯ4 結晶を用いて、４準位系の波長１０６４ｎ
ｍのレーザ発振を発生し、さらに波長６９０ｎｍのミキ
シング光と混合させて波長４１８ｎｍの和周波光を発生
させた場合とを比較検討する。
【００４９】たとえば、共振器長を３ｃｍ（τｃ＝０．
２ｎｓ）、α＝０．００５、ε＝０．００３、Ｉｍ＝
０．１（Ｗ）として式（１３）をもとに計算すると、
ａ）の場合にはポンピング比ｒはおよそ６１０以上、
ｂ）の場合にはポンピング比ｒはおよそ１３０以上、と
いう条件が緩和振動を生じないために必要となる。
２ｎｓ）、α＝０．００５、ε＝０．００３、Ｉｍ＝
０．１（Ｗ）として式（１３）をもとに計算すると、
ａ）の場合にはポンピング比ｒはおよそ６１０以上、
ｂ）の場合にはポンピング比ｒはおよそ１３０以上、と
いう条件が緩和振動を生じないために必要となる。
【００５０】しかしながら、ａ）の場合、現実にはｒ＝
５〜６程度しか実現できないため、式（１３）を満足す
ることが困難である。
５〜６程度しか実現できないため、式（１３）を満足す
ることが困難である。
【００５１】図３は、波長９４６ｎｍの基本波光の強度
変化を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は基
本波光の出力である。これは、上記ａ）の場合において
ミキシング光をパルス変調し、さらにポンピング比ｒ＝
５を仮定して、式（１）（２）の数値積分によって見積
もった結果をグラフ化している。グラフを見ると、大き
な緩和振動が現われており、緩和振動周波数は約４００
ｋＨｚ、ダンピング時間は約５０μｓと計測される。つ
まり、ゆっくりした緩和振動が長く持続することを意味
する。これは、図７に示した実験結果と良く一致してい
る。
変化を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は基
本波光の出力である。これは、上記ａ）の場合において
ミキシング光をパルス変調し、さらにポンピング比ｒ＝
５を仮定して、式（１）（２）の数値積分によって見積
もった結果をグラフ化している。グラフを見ると、大き
な緩和振動が現われており、緩和振動周波数は約４００
ｋＨｚ、ダンピング時間は約５０μｓと計測される。つ
まり、ゆっくりした緩和振動が長く持続することを意味
する。これは、図７に示した実験結果と良く一致してい
る。
【００５２】一方、上記ｂ）の場合、ポンピング比ｒを
５００以上で動作可能になり、式（１３）を満足すると
ともに、緩和振動も解消され、安定した変調波形を持つ
和周波光が得られる。
５００以上で動作可能になり、式（１３）を満足すると
ともに、緩和振動も解消され、安定した変調波形を持つ
和周波光が得られる。
【００５３】他方、上記ｃ）の場合、すなわちレーザ媒
質としてＮｄを２％ドープしたＮｄ：ＹＶＯ4 結晶を用
い、ポンピング比ｒ＝５００と仮定した場合の変調特性
を図４に示す。横軸は時間で、縦軸は基本波光の出力で
ある。グラフを見ると、緩和振動が時間軸で２桁以上小
さくなっており、実用上全く問題ないレベルを達成して
いる。
質としてＮｄを２％ドープしたＮｄ：ＹＶＯ4 結晶を用
い、ポンピング比ｒ＝５００と仮定した場合の変調特性
を図４に示す。横軸は時間で、縦軸は基本波光の出力で
ある。グラフを見ると、緩和振動が時間軸で２桁以上小
さくなっており、実用上全く問題ないレベルを達成して
いる。
【００５４】このように数値解析によって、変調ミキシ
ング光を光共振器内に導入する際に、光共振器内の基本
波の緩和振動が大幅に低減化できることが判る。
ング光を光共振器内に導入する際に、光共振器内の基本
波の緩和振動が大幅に低減化できることが判る。
【００５５】
【発明の実施の形態】図５は、本発明の実施の一形態を
示す構成図である。ここでは、基本波１０６４ｎｍとミ
キシング光６９０ｎｍとの混合によって和周波光４１８
ｎｍのブルー光を発生させる例を示している。
示す構成図である。ここでは、基本波１０６４ｎｍとミ
キシング光６９０ｎｍとの混合によって和周波光４１８
ｎｍのブルー光を発生させる例を示している。
【００５６】和周波レーザ装置は、レーザ媒質２０を励
起するための励起光を発生する半導体レーザ１０と、Ｎ
ｄが２％ドープされたＮｄ：ＹＶＯ4 から成るレーザ媒
質２０と、ＫＮｂＯ3 結晶から成る非線形光学素子２１
と、出力ミラー２２と、ミキシング光を発生する半導体
レーザ３０などで構成される。基本波を発振する光共振
器２５は、レーザ媒質２０の光入射面２０ａと出力ミラ
ー２２との間で形成され、光共振器２５の内部にはレー
ザ媒質２０、非線形光学素子２１が配置されている。励
起用の半導体レーザ１０は、図示しないペルチェ温度調
整回路によって温度制御されている。
起するための励起光を発生する半導体レーザ１０と、Ｎ
ｄが２％ドープされたＮｄ：ＹＶＯ4 から成るレーザ媒
質２０と、ＫＮｂＯ3 結晶から成る非線形光学素子２１
と、出力ミラー２２と、ミキシング光を発生する半導体
レーザ３０などで構成される。基本波を発振する光共振
器２５は、レーザ媒質２０の光入射面２０ａと出力ミラ
ー２２との間で形成され、光共振器２５の内部にはレー
ザ媒質２０、非線形光学素子２１が配置されている。励
起用の半導体レーザ１０は、図示しないペルチェ温度調
整回路によって温度制御されている。
【００５７】レーザ媒質２０の光入射側の表面２０ａに
は、レーザ媒質２０の発振波長である波長１０６４ｎｍ
に対して反射率が９９．９％であって、かつ励起光の波
長８０９ｎｍに対して透過率が９５％以上となるコーテ
ィングが施されている。レーザ媒質２０の非線形光学素
子２１側の表面２０ｂには、波長１０６４ｎｍに対して
透過率が９９．９％以上となるコーティングが施されて
いる。
は、レーザ媒質２０の発振波長である波長１０６４ｎｍ
に対して反射率が９９．９％であって、かつ励起光の波
長８０９ｎｍに対して透過率が９５％以上となるコーテ
ィングが施されている。レーザ媒質２０の非線形光学素
子２１側の表面２０ｂには、波長１０６４ｎｍに対して
透過率が９９．９％以上となるコーティングが施されて
いる。
【００５８】出力ミラー２２の表面には、波長１０６４
ｎｍに対して反射率が９９．９％で、かつ和周波光の波
長４１８ｎｍに対して透過率９５％となるコーティング
が施されている。
ｎｍに対して反射率が９９．９％で、かつ和周波光の波
長４１８ｎｍに対して透過率９５％となるコーティング
が施されている。
【００５９】半導体レーザ１０から放射される励起光
は、紙面に平行な方向に直線偏光しており、レンズ２ａ
によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１１を通
過して、レンズ２ｂによって集束され、さらにレーザ媒
質２０に入射して反転分布を形成する。すると、レーザ
媒質２０がＮｄ：ＹＶＯ4 結晶である場合、波長１０６
４ｎｍのレーザ発振が光共振器２５の内部で起こり、こ
れが基本波光として機能する。
は、紙面に平行な方向に直線偏光しており、レンズ２ａ
によって平行光となり、偏光ビームスプリッタ１１を通
過して、レンズ２ｂによって集束され、さらにレーザ媒
質２０に入射して反転分布を形成する。すると、レーザ
媒質２０がＮｄ：ＹＶＯ4 結晶である場合、波長１０６
４ｎｍのレーザ発振が光共振器２５の内部で起こり、こ
れが基本波光として機能する。
【００６０】一方、ミキシング用の半導体レーザ３０と
して、波長６９０ｎｍ、出力３０ｍＷのもの（東芝製、
ＴＯＬＤ−９１５１ＭＤ）を使用し、ここから放射され
るミキシング光はレンズ３５によって平行光となり、さ
らに光アイソレータ１５を通過して、紙面に垂直な直線
偏光となり、さらに偏光ビームスプリッタ１１で反射さ
れて、非線形光学素子２１の表面２１ａの上にビームウ
エストを形成するように入射する。なお、光アイソレー
タ１５は、各光学部品からの戻り光が半導体レーザ３０
に戻って縦モードジャンプによる発振の不安定化を防止
するために、戻り光カット用として使用している。ま
た、半導体レーザ３０の駆動電流は変調回路３１によっ
て変調され、これによってミキシング光も高速変調され
る。
して、波長６９０ｎｍ、出力３０ｍＷのもの（東芝製、
ＴＯＬＤ−９１５１ＭＤ）を使用し、ここから放射され
るミキシング光はレンズ３５によって平行光となり、さ
らに光アイソレータ１５を通過して、紙面に垂直な直線
偏光となり、さらに偏光ビームスプリッタ１１で反射さ
れて、非線形光学素子２１の表面２１ａの上にビームウ
エストを形成するように入射する。なお、光アイソレー
タ１５は、各光学部品からの戻り光が半導体レーザ３０
に戻って縦モードジャンプによる発振の不安定化を防止
するために、戻り光カット用として使用している。ま
た、半導体レーザ３０の駆動電流は変調回路３１によっ
て変調され、これによってミキシング光も高速変調され
る。
【００６１】こうして基本波光およびミキシング光は非
線形光学素子２１において混合され、和周波光が出力ミ
ラー２２から外部に放射される。なお、基本波１０６４
ｎｍおよびミキシング光６９０ｎｍの各偏光方向は、Ｋ
ＮｂＯ3 結晶のｂ軸方向になるように配置しており、和
周波光４１８ｎｍの偏光方向はＫＮｂＯ3 結晶のｃ軸方
向と一致する。
線形光学素子２１において混合され、和周波光が出力ミ
ラー２２から外部に放射される。なお、基本波１０６４
ｎｍおよびミキシング光６９０ｎｍの各偏光方向は、Ｋ
ＮｂＯ3 結晶のｂ軸方向になるように配置しており、和
周波光４１８ｎｍの偏光方向はＫＮｂＯ3 結晶のｃ軸方
向と一致する。
【００６２】図６は、変調されたミキシング光と和周波
光の各出力波形を示すグラフである。横軸は時間であ
り、縦軸は光出力である。ここでは、ポンピング比ｒ＝
５００でレーザ媒質を励起し、レーザ媒質としてＮｄド
ープ濃度２％のＹＶＯ4 結晶を使用している。グラフを
見ると、和周波光のパルス波形の先頭付近に１周期程度
の緩和振動が観測されるが、これはミキシングＬＤの出
力変動を反影したもので、和周波光発生での緩和振動で
はない。
光の各出力波形を示すグラフである。横軸は時間であ
り、縦軸は光出力である。ここでは、ポンピング比ｒ＝
５００でレーザ媒質を励起し、レーザ媒質としてＮｄド
ープ濃度２％のＹＶＯ4 結晶を使用している。グラフを
見ると、和周波光のパルス波形の先頭付近に１周期程度
の緩和振動が観測されるが、これはミキシングＬＤの出
力変動を反影したもので、和周波光発生での緩和振動で
はない。
【００６３】このように本発明の構成によって、緩和振
動が大幅に抑制された和周波パルス光が得られるため、
安定したパルス波形を維持しつつ高速の光変調を実現す
ることができる。ここでは和周波光発生装置で説明した
が、これに限定されるものでなく、差周波光発生装置な
どを含むことはもちろんである。
動が大幅に抑制された和周波パルス光が得られるため、
安定したパルス波形を維持しつつ高速の光変調を実現す
ることができる。ここでは和周波光発生装置で説明した
が、これに限定されるものでなく、差周波光発生装置な
どを含むことはもちろんである。
【００６４】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ミ
キシング光の変調によって和周波光の変調を行う場合、
和周波光のパルス波形が理想的な方形波になり、高速な
変調を実現できる。その結果、短波長光の高速変調が可
能になることによって、たとえば光記録の高密度化およ
び高速化が図られる。
キシング光の変調によって和周波光の変調を行う場合、
和周波光のパルス波形が理想的な方形波になり、高速な
変調を実現できる。その結果、短波長光の高速変調が可
能になることによって、たとえば光記録の高密度化およ
び高速化が図られる。
【００６５】こうしてレーザ光の変調特性に優れ、小型
で安定したレーザ光発生装置を実現できる。
で安定したレーザ光発生装置を実現できる。
【図１】レーザ媒質の上準位の蛍光寿命のＮｄ濃度依存
性を示すグラフである。
性を示すグラフである。
【図２】和周波光出力のダンピング時間のＮｄ濃度依存
性を示すグラフである。
性を示すグラフである。
【図３】波長９４６ｎｍの基本波光の強度変化を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図４】波長９４６ｎｍの基本波光の強度変化を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図５】本発明の実施の一形態を示す構成図である。
【図６】変調されたミキシング光と和周波光の各出力波
形を示すグラフである。
形を示すグラフである。
【図７】従来の和周波レーザ装置における光出力変動を
示すグラフである。
示すグラフである。
１０、３０ 半導体レーザ １１ 偏光ビームスプリッタ １５ 光アイソレータ ２０ レーザ媒質 ２１ 非線形光学素子 ２２ 出力ミラー ２５ 光共振器 ３１ 変調回路
Claims (4)
- 【請求項１】 共振器内に配置され、基本波光を発振す
るレーザ媒質および該基本波光とミキシング光とに基づ
いてレーザ光を発生する非線形光学素子と、 前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生する第１
半導体レーザと、 共振器外部に配置され、前記ミキシング光を発生するた
めの第２半導体レーザと、 第２半導体レーザの駆動電流を変調する変調回路とを備
え、 ミキシング光の変調時において生じるレーザ光出力の緩
和振動のダンピング時間が１０μ秒以下であることを特
徴とするレーザ光発生装置。 - 【請求項２】 共振器内に配置され、基本波光を発振す
るレーザ媒質および該基本波光とミキシング光とに基づ
いてレーザ光を発生する非線形光学素子と、 前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生する第１
半導体レーザと、 共振器外部に配置され、前記ミキシング光を発生するた
めの第２半導体レーザと、 第２半導体レーザの駆動電流を変調する変調回路とを備
え、 ミキシング光の変調時において生じるレーザ光出力の緩
和振動のダンピング時間が、緩和振動の周期より短いこ
とを特徴とするレーザ光発生装置。 - 【請求項３】 レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ4 またはＮ
ｄ：ＧｄＶＯ4 で形成されていることを特徴とする請求
項１または２記載のレーザ光発生装置。 - 【請求項４】 レーザ媒質のドーピング濃度は、１〜３
ａｔ％の範囲であることを特徴とする請求項１または２
記載のレーザ光発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7343735A JPH09186381A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | レーザ光発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7343735A JPH09186381A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | レーザ光発生装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09186381A true JPH09186381A (ja) | 1997-07-15 |
Family
ID=18363850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7343735A Pending JPH09186381A (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | レーザ光発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09186381A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001352118A (ja) * | 2000-06-08 | 2001-12-21 | Cyber Laser Kk | 光源装置および同光源装置を使用したレーザ装置 |
| JP2003332657A (ja) * | 2002-05-17 | 2003-11-21 | Megaopto Co Ltd | レーザーシステム |
| JP2008193066A (ja) * | 2007-01-09 | 2008-08-21 | Chiba Univ | 光渦レーザービーム発振方法および光渦レーザービーム発振装置 |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP7343735A patent/JPH09186381A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001352118A (ja) * | 2000-06-08 | 2001-12-21 | Cyber Laser Kk | 光源装置および同光源装置を使用したレーザ装置 |
| JP2003332657A (ja) * | 2002-05-17 | 2003-11-21 | Megaopto Co Ltd | レーザーシステム |
| JP2008193066A (ja) * | 2007-01-09 | 2008-08-21 | Chiba Univ | 光渦レーザービーム発振方法および光渦レーザービーム発振装置 |
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