JPS6114093B2 - - Google Patents
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- JPS6114093B2 JPS6114093B2 JP12080279A JP12080279A JPS6114093B2 JP S6114093 B2 JPS6114093 B2 JP S6114093B2 JP 12080279 A JP12080279 A JP 12080279A JP 12080279 A JP12080279 A JP 12080279A JP S6114093 B2 JPS6114093 B2 JP S6114093B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/12—Silica-free oxide glass compositions
- C03C3/23—Silica-free oxide glass compositions containing halogen and at least one oxide, e.g. oxide of boron
- C03C3/247—Silica-free oxide glass compositions containing halogen and at least one oxide, e.g. oxide of boron containing fluorine and phosphorus
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/17—Solid materials amorphous, e.g. glass
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Description
本発明はエネルギー集中度が高く、取り扱い容
易な弗燐酸塩系可視レーザーガラスに関するもの
で、励起効率を高くし、熱蓄積が少なく変換効率
の良好な可視レーザーガラスを提供するものであ
る。 現在、慣性とじこめ核融合を行わせるレーザー
のひとつとしてネオジム（Nd）を添加したガラ
スレーザーが使われている。このレーザーの励起
には広いスペクトル分布をもつキセノンフラツシ
ユランプが使用されているが、Ndの吸収バンド
は離散的であるため、キセノンフラツシユランプ
からのエネルギーを効率よく吸収できない。キセ
ノンフラツシユランプの分光強度とNdの吸収強
度の関係でNdは第１図ａに示されているエネル
ギー準位図のレベルＡとレベルＳに主に励起され
る。これらのレベルからレーザー発振のイニシア
ルレベルＲ（4F3/2）への緩和は非輻射的に行な
われ、それらのレベル間の差に相当するエネルギ
ーは熱となつてガラス中に蓄えられる。更にレー
ザーのターミナルレベル（4I11/2）から基底状態
への緩和も主に非輻射的に行なわれるので、この
両レベル間のエネルギーも熱としてガラス中に蓄
えられる。これらの熱の発生はレーザーの効率を
悪くするだけでなく、屈折率、レーザー長等を変
化させ安定な動作の障害になる。これをさけるた
めには長い時間間隔を置いたパルス動作をしなく
てはならない。本発明は、上に述べたNdを添加
したガラスレーザーの欠点を補い、かつ可視光で
あるためエネルギー集中度が高く、取り扱いが容
易なツリウム（Tm）を添加したガラスレーザー
に関するものである。 Tm+3のエネルギー準位図は第１図ｂに示され
ている。 このレーザーは、1D2→3F4の発光遷移
（452nm）を利用する４準位レーザーである。 Tmが低濃度のときの1D2の初期寿命は約20μ
secである。Tm濃度が５％の場合には、初期寿
命は約１μsecと短かくなるが、これはTm+3相互
間のエネルギー伝達のためである。このエネルギ
ー伝達は当然1D2→3F4発光の量子効率を悪くする
ため、長いパルス又は連続的な励起光源を使つて
レーザー発振を行なう場合には、Tmの濃度を低
くおさえておかねばならない。しかしTmの初期
寿命よりも十分短いパルスで励起する場合には、
エネルギー伝達の効果を無視できるのでTm濃度
を高くでき、５％でも十分レーザー発振が可能で
ある。高濃度にTmを添加できることは励起効率
を上げるのに特に好ましい。 すなわちエネルギーがどれだけ多く取り出せる
かを示す、利得係数goは次の式で表わせる。 ｇO＝△Ｎ×σ 但し △Ｎ：蓄積エネルギー σ：誘導放出断面積 ここで蓄積エネルギー△Ｎは発振イオンの濃度
によつて定まるため、濃度が高くなれば、利得係
数goは増加する。 励起光源の一例としてXeFガスを使つたエキシ
マレーザー（約15nsecのパルス）を考えると、
XeFガスの発光スペクトルはTmを1D2レベルへ直
接励起する。したがつて励起レベルとレーザーイ
ニシアルレベル間（1D2→3F4）の緩和によるエネ
ルギー損失は生じない。また励起光源は単色光の
レーザーであるため、キセノンフラツシユランプ
とNdで見られたスペクトルの不一致のために生
ずる効率の低下もない。レーザー遷移（1D2→
3F4）の誘導輻射断面積δは4.1×10-20cm2で同じ母
体ガラス中のNdの値2.7×10-20cm2よりも大きい。 またターミナルレベル（3F4）から基底状態
（3H6）への緩和は、主に輻射的に行われる。その
エネルギーは勿論損失になるが、Ndの場合のよ
うにガラス中に熱として蓄えられず、ガラス外に
放出される。このようにTmを添加したガラスレ
ーザーは可視光であるためNdレーザーに較べて
波長が短いため単一光子当りのエネルギーが高い
ほかに、熱蓄積が少く変換効率もよい特徴があ
る。 上記のようにTmを使用することの利点をまと
めると、 １ 充分短かいパルスで励起すると、Tmが高い
濃度でも、発振が可能であるため、高いエネル
ギーが得られる。 ２ Tmは非輻射遷移がなく、結果として熱蓄積
がないため、温度分布によるモードの乱れがな
い。 ３ 誘導放出断面積が大きく、その結果高いエネ
ルギーが取り出せる。 ４ 可視光が得られる。このためNdに比べ、単
一光子当りのエネルギーが高い。 ５ Tmの吸収バンドが集中しているため、エキ
シマレーザーのような吸収スペクトルの一致し
た光源を用いると非常に高い効率が得れる。 本発明の母体ガラスとして弗燐酸塩ガラスが選
ばれた。弗燐酸塩ガラスは非線型屈折率が小さい
特徴を持つだけでなく、紫外領域での透過率が他
のガラスに較べて高い。これらの性質は可視領域
で大出力レーザーとして使う場合非常に重要であ
る。レーザー出力が大きくなると母体ガラスによ
る２光子吸収（225nm）が増え、損失が増大する
ためである。このレーザーガラスは大型のガラス
塊（レーザーロツド）が要求されるため、下記に
示す組成が採用される。 即ち、カチオニツク％で、1/2P2O55〜25、
AlF320〜35、YF30〜５、BaF2＋SrF2＋CaF2＋
MgF222〜55、NaF＋KF＋LiF0〜25、1/2
Tm2O30.01〜６からなるガラスである。 ここで1/2P2O5は５％以下では、ガラス化しな
いし、25％以上ではn2が高くなる。AlF3は液相
温度を低下させるためには20〜35％の範囲が最も
良い。YF3はガラスを安定にするために有効な成
分であるが、５％を越えるとその効果はなくな
る。BaF2、SrF2、CaF2、MgF2の合量は充分安
定なガラスを得るためには22〜55％が望ましい。
NaF、KF、LiFは、ガラスを安定にするため、
及びn2を低下させるために望ましい成分である
が、合量で25％を越えると化学的耐久性が悪くな
る。1/2Tm2O3は0.01％以下ではレーザー発振し
ないし、６％以上では濃度消光が大きくなる。 次に本発明の実施例を表１に示す。組成はカチ
オニツク％であり、ＬTは液相温度、n2は非線型
屈折率を示す。母体ガラスの組成が本発明の範囲
であれば、組成の変化によつてTmの光学的性質
は変らない。Tmを添加しない母体ガラス（実施
例８）の吸収カーブを第２図に示す。同図から明
らかなごとく他のガラスに較べて紫外領域での吸
収が少い。 実施例７の組成で（1/2Tm2O3＋YF3）の濃度を
一定に保ちつつ1/2Tm2O3の濃度を変化させたと
きのTmの光学的性質を示すと次の通りである。 (1) 振動子強度ｆ、誘導輻射断面積σ、自然放出
確率ＡのTm濃度依存性を表２に示すが、これ
より、これらの値はTm濃度によらないこと、
したがつて高濃度状態においてもレーザー発振
させ得ることが明らかである。 ここで振動子強度ｆは蓄積エネルギー△Ｎに
関連し、これが高ければ高いほど取り出せるエ
ネルギーが大きくなる。誘導放出断面積σはす
でに述べたように大きければ大きいほど取り出
せるエネルギーは大きくなる。自然放出確率Ａ
は、刺激を与えなくても光を放出してしまう確
率であり、この値が大きくなると、増幅される
べきレーザー光に対して雑音となり蓄積された
エネルギーを減少させることになる。つまり、
これらの値が濃度により、変化しないというこ
とは、すでに述べたように蓄積エネルギー△Ｎ
がTmの濃度に比例することから、Tmの濃度
が大きくすれば、それだけ取り出せるエネルギ
ーが大きいということになる。 (2) 1D2の初期寿命の濃度依存性を第３図に示
す。濃度4.8％における初期寿命は１μsecであ
る。前に述べたように、例えばXeFのエキシマ
レーザーを使用してこの時間よりも十分短い時
間内にTmを励起すれば、濃度消光による影響
を受けずレーザー発振に必要な反転分布を作り
レーザー発振する。
易な弗燐酸塩系可視レーザーガラスに関するもの
で、励起効率を高くし、熱蓄積が少なく変換効率
の良好な可視レーザーガラスを提供するものであ
る。 現在、慣性とじこめ核融合を行わせるレーザー
のひとつとしてネオジム（Nd）を添加したガラ
スレーザーが使われている。このレーザーの励起
には広いスペクトル分布をもつキセノンフラツシ
ユランプが使用されているが、Ndの吸収バンド
は離散的であるため、キセノンフラツシユランプ
からのエネルギーを効率よく吸収できない。キセ
ノンフラツシユランプの分光強度とNdの吸収強
度の関係でNdは第１図ａに示されているエネル
ギー準位図のレベルＡとレベルＳに主に励起され
る。これらのレベルからレーザー発振のイニシア
ルレベルＲ（4F3/2）への緩和は非輻射的に行な
われ、それらのレベル間の差に相当するエネルギ
ーは熱となつてガラス中に蓄えられる。更にレー
ザーのターミナルレベル（4I11/2）から基底状態
への緩和も主に非輻射的に行なわれるので、この
両レベル間のエネルギーも熱としてガラス中に蓄
えられる。これらの熱の発生はレーザーの効率を
悪くするだけでなく、屈折率、レーザー長等を変
化させ安定な動作の障害になる。これをさけるた
めには長い時間間隔を置いたパルス動作をしなく
てはならない。本発明は、上に述べたNdを添加
したガラスレーザーの欠点を補い、かつ可視光で
あるためエネルギー集中度が高く、取り扱いが容
易なツリウム（Tm）を添加したガラスレーザー
に関するものである。 Tm+3のエネルギー準位図は第１図ｂに示され
ている。 このレーザーは、1D2→3F4の発光遷移
（452nm）を利用する４準位レーザーである。 Tmが低濃度のときの1D2の初期寿命は約20μ
secである。Tm濃度が５％の場合には、初期寿
命は約１μsecと短かくなるが、これはTm+3相互
間のエネルギー伝達のためである。このエネルギ
ー伝達は当然1D2→3F4発光の量子効率を悪くする
ため、長いパルス又は連続的な励起光源を使つて
レーザー発振を行なう場合には、Tmの濃度を低
くおさえておかねばならない。しかしTmの初期
寿命よりも十分短いパルスで励起する場合には、
エネルギー伝達の効果を無視できるのでTm濃度
を高くでき、５％でも十分レーザー発振が可能で
ある。高濃度にTmを添加できることは励起効率
を上げるのに特に好ましい。 すなわちエネルギーがどれだけ多く取り出せる
かを示す、利得係数goは次の式で表わせる。 ｇO＝△Ｎ×σ 但し △Ｎ：蓄積エネルギー σ：誘導放出断面積 ここで蓄積エネルギー△Ｎは発振イオンの濃度
によつて定まるため、濃度が高くなれば、利得係
数goは増加する。 励起光源の一例としてXeFガスを使つたエキシ
マレーザー（約15nsecのパルス）を考えると、
XeFガスの発光スペクトルはTmを1D2レベルへ直
接励起する。したがつて励起レベルとレーザーイ
ニシアルレベル間（1D2→3F4）の緩和によるエネ
ルギー損失は生じない。また励起光源は単色光の
レーザーであるため、キセノンフラツシユランプ
とNdで見られたスペクトルの不一致のために生
ずる効率の低下もない。レーザー遷移（1D2→
3F4）の誘導輻射断面積δは4.1×10-20cm2で同じ母
体ガラス中のNdの値2.7×10-20cm2よりも大きい。 またターミナルレベル（3F4）から基底状態
（3H6）への緩和は、主に輻射的に行われる。その
エネルギーは勿論損失になるが、Ndの場合のよ
うにガラス中に熱として蓄えられず、ガラス外に
放出される。このようにTmを添加したガラスレ
ーザーは可視光であるためNdレーザーに較べて
波長が短いため単一光子当りのエネルギーが高い
ほかに、熱蓄積が少く変換効率もよい特徴があ
る。 上記のようにTmを使用することの利点をまと
めると、 １ 充分短かいパルスで励起すると、Tmが高い
濃度でも、発振が可能であるため、高いエネル
ギーが得られる。 ２ Tmは非輻射遷移がなく、結果として熱蓄積
がないため、温度分布によるモードの乱れがな
い。 ３ 誘導放出断面積が大きく、その結果高いエネ
ルギーが取り出せる。 ４ 可視光が得られる。このためNdに比べ、単
一光子当りのエネルギーが高い。 ５ Tmの吸収バンドが集中しているため、エキ
シマレーザーのような吸収スペクトルの一致し
た光源を用いると非常に高い効率が得れる。 本発明の母体ガラスとして弗燐酸塩ガラスが選
ばれた。弗燐酸塩ガラスは非線型屈折率が小さい
特徴を持つだけでなく、紫外領域での透過率が他
のガラスに較べて高い。これらの性質は可視領域
で大出力レーザーとして使う場合非常に重要であ
る。レーザー出力が大きくなると母体ガラスによ
る２光子吸収（225nm）が増え、損失が増大する
ためである。このレーザーガラスは大型のガラス
塊（レーザーロツド）が要求されるため、下記に
示す組成が採用される。 即ち、カチオニツク％で、1/2P2O55〜25、
AlF320〜35、YF30〜５、BaF2＋SrF2＋CaF2＋
MgF222〜55、NaF＋KF＋LiF0〜25、1/2
Tm2O30.01〜６からなるガラスである。 ここで1/2P2O5は５％以下では、ガラス化しな
いし、25％以上ではn2が高くなる。AlF3は液相
温度を低下させるためには20〜35％の範囲が最も
良い。YF3はガラスを安定にするために有効な成
分であるが、５％を越えるとその効果はなくな
る。BaF2、SrF2、CaF2、MgF2の合量は充分安
定なガラスを得るためには22〜55％が望ましい。
NaF、KF、LiFは、ガラスを安定にするため、
及びn2を低下させるために望ましい成分である
が、合量で25％を越えると化学的耐久性が悪くな
る。1/2Tm2O3は0.01％以下ではレーザー発振し
ないし、６％以上では濃度消光が大きくなる。 次に本発明の実施例を表１に示す。組成はカチ
オニツク％であり、ＬTは液相温度、n2は非線型
屈折率を示す。母体ガラスの組成が本発明の範囲
であれば、組成の変化によつてTmの光学的性質
は変らない。Tmを添加しない母体ガラス（実施
例８）の吸収カーブを第２図に示す。同図から明
らかなごとく他のガラスに較べて紫外領域での吸
収が少い。 実施例７の組成で（1/2Tm2O3＋YF3）の濃度を
一定に保ちつつ1/2Tm2O3の濃度を変化させたと
きのTmの光学的性質を示すと次の通りである。 (1) 振動子強度ｆ、誘導輻射断面積σ、自然放出
確率ＡのTm濃度依存性を表２に示すが、これ
より、これらの値はTm濃度によらないこと、
したがつて高濃度状態においてもレーザー発振
させ得ることが明らかである。 ここで振動子強度ｆは蓄積エネルギー△Ｎに
関連し、これが高ければ高いほど取り出せるエ
ネルギーが大きくなる。誘導放出断面積σはす
でに述べたように大きければ大きいほど取り出
せるエネルギーは大きくなる。自然放出確率Ａ
は、刺激を与えなくても光を放出してしまう確
率であり、この値が大きくなると、増幅される
べきレーザー光に対して雑音となり蓄積された
エネルギーを減少させることになる。つまり、
これらの値が濃度により、変化しないというこ
とは、すでに述べたように蓄積エネルギー△Ｎ
がTmの濃度に比例することから、Tmの濃度
が大きくすれば、それだけ取り出せるエネルギ
ーが大きいということになる。 (2) 1D2の初期寿命の濃度依存性を第３図に示
す。濃度4.8％における初期寿命は１μsecであ
る。前に述べたように、例えばXeFのエキシマ
レーザーを使用してこの時間よりも十分短い時
間内にTmを励起すれば、濃度消光による影響
を受けずレーザー発振に必要な反転分布を作り
レーザー発振する。
【表】
【表】
本発明のガラスは、上記の組成範囲で正燐酸、
燐酸塩、弗化物、酸化物の各原料を混合し、耐火
金属性のるつぼ中で約1000℃で溶融、撹拌、清澄
し、型内に鋳込み成形して作られる。
燐酸塩、弗化物、酸化物の各原料を混合し、耐火
金属性のるつぼ中で約1000℃で溶融、撹拌、清澄
し、型内に鋳込み成形して作られる。
第１図ａはネオジム（Nd+3）のエネルギー準位
図、第１図ｂはツリウム（Tm+3）のエネルギー準
位図、第２図はツリウムを添加しない母体ガラス
の紫外領域での吸収曲線、第３図はレーザーイニ
シアルレベル、1D2における初期寿命のTm濃度
依頼性を示すグラフである。
図、第１図ｂはツリウム（Tm+3）のエネルギー準
位図、第２図はツリウムを添加しない母体ガラス
の紫外領域での吸収曲線、第３図はレーザーイニ
シアルレベル、1D2における初期寿命のTm濃度
依頼性を示すグラフである。
Claims (1)
- １ カチオニツク％で１／2P2O55〜25、AlF320
〜35（AlF3のうち０〜8.3％はAl2O3で置換可
能）、YF30〜５％、BaF2＋SrF2＋CaF2＋
MgF222〜55、NaF＋KF＋LiF0〜25％からなる
ガラスに１／2Tm2O3を0.01〜６％導入したこと
を特徴とする弗燐酸塩系可視レーザーガラス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12080279A JPS5645849A (en) | 1979-09-21 | 1979-09-21 | Fluorophosphate visible laser glass |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12080279A JPS5645849A (en) | 1979-09-21 | 1979-09-21 | Fluorophosphate visible laser glass |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5645849A JPS5645849A (en) | 1981-04-25 |
| JPS6114093B2 true JPS6114093B2 (ja) | 1986-04-17 |
Family
ID=14795345
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12080279A Granted JPS5645849A (en) | 1979-09-21 | 1979-09-21 | Fluorophosphate visible laser glass |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5645849A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63184386A (ja) * | 1986-09-18 | 1988-07-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光ファイバと光ファイバ型発光体 |
| US6797657B2 (en) * | 2002-07-31 | 2004-09-28 | Corning Incorporated | Tm-doped fluorophosphate glasses for 14xx amplifiers and lasers |
| CN103043904B (zh) * | 2013-01-08 | 2015-02-11 | 南京邮电大学 | 一种长荧光寿命掺镱氟磷酸盐玻璃及其制备方法 |
| TWI601363B (zh) | 2015-02-04 | 2017-10-01 | 林高合 | 具有八極定子的電機及該定子之繞線結構 |
-
1979
- 1979-09-21 JP JP12080279A patent/JPS5645849A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5645849A (en) | 1981-04-25 |
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