JPS63503501A - 連続的レイジング動作を提供する方法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 “アップコンバージョンによってポンピングされたレーザ発明の背景 本発明は、概してレーザ技術に関し、より詳細には、室温での連続波固体レーザ 及びその動作方法に関する。

希土類イオンは、十分な濃度の不純物として適当な主格子の中に組込まれたとき 、赤外線をいくつかの短波長にアップコンバートすることが可能なことがよく知 られている。アップコンバージョン、すなわち、固体による補助放射なしの長波 から短波放射線への変換は、いくつかの多光子メカニズムによって達成される。

しかしながら、共働的励起メカニズムのみが効率が良く実用になるものと考えら れている。後者のメカニズムは、いくつかの原子（イオン）の基底状態状態の電 子がそれぞれ１つの赤外光子を吸収する方法に従ってなされる。エネルギは、続 いて非放射プロセスによって単一原子へ泳動してより高いエネルギ準位に励起し 、続いて蛍光発光が起こる。

様々な主固体材料内に組込まれた約１５の遷移元素の群のイオン、主に希土類は 連続波モード（ＣＷ）でレーザ発光することか知られているがこれらの多くは低 温でないとレーザ発光しない。室温でのＣＷ動作は、多くの科学、医学及び工業 への応用にとって重要である。例えば、ＣＷレーザは、分光学研究、外科手術及 び凝固、材料切断及び穴あけ、統合光学に関したコミュニケーション及び電気光 学的ハードウェアのアライメントに使用される。

ＥｒＢ＋イオンは、室温での固体レーザ内でレーザ発光するがパルスモードのみ においてである。約３μｍのパルスモードで４１１１／２と４１１３／２（第２ 図及び１１図を参照）との間のレイジングが、過去、１ダ一ス以上の異なる主材 料内で生成された。多くの主材料の中で、Ｅｒａ＋がイオン助材を奪活すること なしにレーザ発光した。

大抵の３μｍのエルビウムレーザは次の共通な特性を有する。（１）室温で動作 する。（２）低い励起エネルギに対して高いエルビウムイオン濃度を必要とする 。（３）１よりも大きな最終状態／初期状態の寿命比率ををし、いくつかの材料 においてはこの比率は１０を越える。驚くべきことに、これらのレーザは室温に おいてパルスモードで、かつ低いポンピングエネルギのしきい値で大変良く動作 する。３番目の特徴はこれらのレーザがＣＷモードでレイジングしないようにす る。

パルスレイジングを説明するために、４１１１／２と４１１３７２の励起状態の シュタルクスプリッチング（ＳｔａｒｋＳｐｌｉｔｔｉｎｇ）を考慮した仮説が 、以前、研究者によって提出された。

仮説によれば、前記４１１１／２から４１１３／２へのレイジングプロセスは次 のごとく行われる。まず、最終状態である上方の準位がまばらに分布される。そ れゆえ、反転分布が４１１１１２マニフオールドの準位に生成されレーザ放射す る。最終マニフォールドの低力準位はより速く飽和するので短波長の光線はレー ザスペクトルからすぐに消える。最終マニフォールドの上方準位で停止する長波 長の光線のみが生延び末期的レーザスペクトルにおいて観察される。これは、い わゆる、自己飽和レーザのスペクトル線の赤方偏移である。初期状態の寿命が最 終状態の寿命よりも短い状態間のレーザ遷移は自己飽和であると呼ばれる。

発明の摘要 本発明の原理の一部はＥｒＢ＋イオン（第２図及び１１図を参照）の４１１１／ ２から４１１３／２へのレーザ遷移特性の認識に関する。例えば、少なくともＣ ａＦ２の主材料において、上述の仮説は２つの重要な実験的事実を説明できない 。第１に、予言された赤方偏移が確かにレーザスペクトルにおいて観察されたが 、長（赤）波長の放射は短時間だけ持続する。

いくつかのメカニズムによって、最終マニフォールドの下方準位（例えば４１１ ３／２の状態）が再び空になり、“末期的″レーザスペクトルを支配する短波長 の放射を再度、蓄える。

初期状態分布を反転するのに驚くほど少ない光学的エネルギ盆を必要とするため 、例えばＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）レーザが半連続波モードで動作可能であると結 論された。

本発明の一面は、初期的及び最終的レイジング状態の間で、準連続レイジング動 作を行う方法を具備し、さらに、レーザ動作中、初期的レイジング状態と最終的 レイジング状態との間の反転分布を維持すべく前記最終的レイジング状態（マニ フォールド）で、十分な数の電子のエネルギ交換を提供するアップコンバート材 を含むレーザ媒体と空洞部外形（レイジング周波数）を選択する工程と、少なく とも準連続な期間の間、適当な量の励起エネルギを前記レーザ媒体に供給する工 程とを具備する。本発明の一実施例において、アップコンバート材は、交換電子 のいくつかを準安定の初期的レイジング状態か又はそれより上のエネルギ状態に アップコンバートすることが可能である。さらに特定された実施例において、前 記レーザ媒体は、フッ化カルシウム結晶を主とする５から１０のモルパーセント のエルビウムイオンを具備し、前記空洞部は約２．８ｐｍで前記状態４１１１／ ２と４１１３／２との間でレイジングすべく同調される（第１１図参照）。第１ １図において、一定の、例えば状態４１１１／２と４１１３／２との間でかつ２ ．８μｍでレイジングが起こることを例示したが、より正確には、レイジングは 例えば約４１１１／２の状態（初期マニフォールド）のエネルギ状態のバンド間 で起こり、放射されたレイジングエネルギが約２．８μｍの波長のバンドを取囲 むことが当該技術の熟練者に理解される。さらに、第１１図は１．５４μｍの供 給エネルギを示しているが、レイジング状態間の初期的反転分布は広い周波数範 囲に渡って供給されたエネルギ、例えば、前記４１１３／２の状態より上の数多 くのエネルギ状態に対する直接ポンピングによって起こることが分かる。本発明 の一側面によれば、前記反転分布を維持すべくＣＷ動作は前記下方レイジングマ ニフォールドから離れた電子のリサイクリングによって可能になる。相互作用す る２つのイオンの例として、このリサイクリングは前記マニフォールド準位（例 えば、４１１３／２から４１１５／２まで）より下方に落下する交換イオンの１ つと、例えば４１１３／２のエネルギ状態の初期的レイジングマニフォールドか 又はそれより上方（例えば、４１９／２のエネルギ状態）に上昇される他の交換 イオンとを必然的に伴う。アップコンバージョンは供給されたエネルギと放射さ れたエネルギの周波数の比較というよりも電子のエネルギ状態の上昇を意味する 。半連続とは例えば、２０　ｍ　ｓ以上の延長された期間であり、例えば最終状 態の寿命による反転分布の損失によって制限されず、前記期間は励起エネルギの 持続期間によって決まる。

それゆえ、本発明の目的は、室温での新規な連続波固体レーザおよびその動作方 法を提供することにある。

他の目的は、ＣＷの赤外エルビウムレーザ及びその動作方法を提供することにあ る。

さらなる目的は、約２．８μｍで準連続的レイジング動作を行う方法を提供する ことにある。

図面の簡単な説明 本発明の特性を示すと思われる新規な特徴は、添附の請求の範囲の中で詳細に述 べられる。付加的な目的及び利点さらに動作の構成及び方法に関して、本発明は 、同じ参照数字は同じ部分を意味する附随の図面に関して次の説明を読むことに よってより良く理解される。

第１図は、ＣａＦ２　（ＥｒＢ＋が１０％）の吸収及び放射バンドを示す。前記 放射はアップコンバートされた１、５μｍの放射線によって励起された。前記放 射バンドの相対的強度は縮尺通りではない。

第２図は、ＥｒＳ＋イオンのエネルギ準位の線図とアップコンバージョン励起の 方法を示す。

第３図は、１．６μｍと０．９μｍの励起放射線の相対的強度に対するアップコ ンバートされた主なバンドの相対的強度を示す。

第４図は、ＣａＦ２内のＥｒ３＋イオンの濃度に対するアップコンバートされた バンドの相対的強度の依存性を示す。

第５図は、１．５μｍの励起放射線の強度に対する可視バンドにおけるアップコ ンバージョン効率を示す。

第６図は、ＣａＦ２内のＥｒＢ＋イオンの濃度に対する室温での４１１１／２と ４１１３７２の寿命を示す。

第７図は、室温における真空でのＣａＦ２　（ＥｒＢ＋）の４１１１／２から４ １１３／２へのレーザ遷移のスペクトル出力を示す。第８図は、室温で、１００ ｍｍＨｇのＣＯ２におけるＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）の４１１１７２から４１１３ ／２へのスペクトル出力を示す。

第９図は、２．７５μｍ（下方掃引）と２．８０μｍ（上方掃引）の時間分解さ れたＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）のレーザ放射を示す。

第１０図は、ＣａＦ２内のＥ’　ｒ　３＋イオン濃度の関数であるしきい値ポン ピングエネルギ（底部曲線１５２）とアップコンバートされた放射線（上部曲線 １５ｏ）の強度を示す。第１１図は、ＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）の４１１１／２が ら４Ｉ１３／２への遷移に対するアップコンバージョン及びレーザポンピング方 法に関連したエネルギ準位を示す。

第１２図は、室温において１ｍ５ｅｃのキセノンフラッシュランプのパルスによ って励起されたＣａＦ２　（ＥｒＢ＋）の２．８μｍのレーザ放射を示す。

第１３図は、動作に適した本発明にょるＣａＦ２のアップコンバージョンレーザ 装置の路線図である。

第１４図は、室温でのエルビウムガラスレーザ（下方掃引）の１．５４μｍの放 射線によって励起された約２．８μｍ（上方掃引）のＣａＦ２　（５％のＥｒＢ ＋）レーザの放射を示す。

第１５図は、本発明の方法を実施するのに使用されるＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）レ ーザ装置の路線図である。

好ましい実施例の説明 多くの主格子内に不純物として含まれたエルビウムは、増感剤の助けによりある いは、その助けなしに１．５μｍ及び９８０ｎｍの放射線をアップコンバートす ることが可能である。いくつかの純粋なエルビウム、例えばＥｒＦ３もまたこの 特性を表わす。放射線は吸収されるが又はＥｒＢ＋イオンの４１１１／２及び／ 又は４１１３／２の状態に移動され、いくつかの可視及び赤外バンドに変換され る。２．３モルパーセントのエルビウムでドーピングしたアルカリ土類フッ化物 の結晶は大変効率のよりアップコンバージョンの特性を持つ。

第１図に示すように、ＣａＦ２　（ＥｒＢ＋が１０％）の１．５μｍの放射線の 吸収は９８５がら３８２ｎｍの波長にわたる赤から紫の７つのバンドを放射し放 射バンドと吸収バンドは隣接する。第２図は、ＥｒＢ＋イオンのエネルギ準位線 図とアップコンバートされた主なバンドに対する励起方法を示す。第１図に示す バンドに加えて、約２．７及び２．　０及び１．１５μｍの赤外領域の３つのバ ンドが示されている。

これらのバンドはＥｒＢ＋の励起状態間の遷移、すなわち、それぞれ４１１１／ ２から４１１３／２．４１９／２から４１１１／２、及び４１９／２から４１１ ３／２によって生じる。

検出器、及びモノクロメータ感度に対して補正され、１．６５μｍの共振バンド の強度に対して規格化された２、０及び１．１５μｍの弱いバンドを除く相対バ ンドの強度は表■によって与えられる。アップコンバートされた一番強い放射は 前記４１１１／２の状態から起こることがゎがる。

Ｙｂ３＋の増感剤を使用しない場合、Ｃａ　Ｆ２　（Ｅ　ｒＬ十）の９８０ｎｍ のアップコンバージョンは弱い。６７１及び５５１ｎｍのただ２つの放射バンド が検出可能である。しがしながら、それらの強度は１．５μｍの放射線のアップ コンバージョンによって励起されたものよりも２オーダだけ弱い。

第２図に示された励起方法は、第３図に示された減衰励起放射に対するアップコ ンバージョンされたバンドの相対的強度の測定結果から得られる。プロットされ た曲線の勾配がら励起放射線の強度が１．５μｍの時、６７１と５５１ｎｍのバ ンドの強度は３次の依存性を有し、９８５及び８０５ｎｍのバンドの強度は、２ 次の依存性を有することが分がる。言替えれば、最初かつ最後の２つのバンドは それぞれ３つ及び２つの光子アップコンバージョンプロセスの結果である。

８２８　４１９／２２，８ｘ　１０−２８７０　４　ｐ　９／２　０．１７ ５５０　４　Ｓ　３／２　９．３Ｘ　１０−２４５２　４　Ｆ　５１２１．８Ｘ 　１０−４４１０　２Ｈ９／２　ｔ、７ｘ　ｔｏ−３３８２２ａ　ｌｌ／２　１ ．２ｘｌｏう第４図は、ＣａＦ２内のＥｒ３＋濃度に対するアップコンバートさ れたバンドの相対的強度の依存性を示し、第５図は入力パワー密度の関数である 可視バンドの変換効率である。

第４図は、ＥｒＳ＋イオンの濃度が約１０モルパーセントのとき一番強いアップ コンバージョンが起こることを示している。

ＣａＦ２内のＥｒＢ＋イオンの適当な濃度を選択するために、この遷移に関する 様々な重要なパラメータが濃度の関数として測定された。第６図は、濃度の関数 であり、初期状態４１１１／２及び４１１３／２の室温にて測定された寿命を示 す。

測定はキセノンフラッシュランプによる短時間（２０μ５ｅｃ）パルスのろ過さ れた短波放射線によってサンプルを励起することによって行われた。一般に、従 来のフラッシュランプ励起方法によって生成された蛍光バンドの崩壊曲線は、ア ップコンバートされたＩＲ短時間パルスによって励起された同様の放射バンドの 崩壊曲線とは異なる。前者においては、崩壊曲線の時定数は蛍光が起こる励起状 態の寿命を表わし、後者においては、時定数は４１１３７２などのような中間状 態の寿命に関している。

第６図から、Ｅｒ３＋イオン濃度が約２０モルパーセントまでは上方の状態τ２ の寿命は下方の状態τｌの寿命よりも短いことが分かる。不等式τ２くτｌを満 たす状態間のレーザ遷移は一般に自己飽和である。自己飽和レーザを励起すると き遭遇する主な困難は動作準位間に十分な反転分布を生成しなければ成らないこ とである。過剰濃度はレーザロッドの光学的品質即ちレーザ発光能力に影響を及 ぼすのでＣａＦ２内に２０モルパーセント濃度のＥｒＳ＋を使用することはでき ない。

Ｅｒａ＋及びＴｍａ＋イオンでドーピングしたＣａＦ２の前記４１１１／２から ４１１３７２への遷移時のレーザ放射が、“ＣａＦ２とＥｒＦ３とＴｍＦ３との 混合結晶におけるＴｍａ＋の１．８μとＥｒａ＋の２．６９μのレーザ放射の熱 的スイッチング”　、Ｍ、ＲｏｂｉｎｓｓｏｎＳＤ、Ｐ。

Ｄｅｖｏｒ、Ａｐｐ　１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅ　ｔ　ｔ、　、Ｖｏ　１゜１０、Ｎ０ １５、ｐｇ、１６７．１９６７に以前報告された。

Ｔｍａ＋イオンが添加されたのはＥｒ３＋からＴｍ３＋イオンへの非放射エネル ギ移動によって４１１３７２の状態の“結晶内でのＥｒ３＋からＴｍ３＋および Ｈｏ３＋イオンへのエネルギ移動”　、ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ９、Ｖｏｌ、１３Ｂ、 Ｎｕｍｂｅｒ　２Ａ、　ｐｇ、Ａ４９４．１９６４にＪ　ｏｈｎ　ｓ　ｏｎなど によって報告された。レイジングは室温にて生成され、しきい値はただの１０ジ ユールと報告された。

その後、約３μｍにおいて起こる４１１１／２と４１１３／２の状態間のＥｒ３ ＋のレーザ放射が１ダ一ス以上の異なる母材において生成された。（Ａ、Ａ、Ｋ ａｍｉｎｓｋｉ　１ｓＬａｓｅｒ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ、ＳｐｒｉｎｇｅｒＳｅｒ ｉｅｓ　ｉｎ　０ｐｔｉｃａｌ　５ｃｉｅｎｃｅｓ。

Ｅｄｉ　ｔｏｒ　Ｄ、Ｌ、ＭａｃＡｄａｍ、Ｖｏｌ、１４、Ｓｐｒｏｎｇｅｒ− Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ。

Ｈｅｉｄｅｌｂｅｇ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、１９８１）。

ＣａＦ２を含む多くの母材においてＥｒＳ＋イオンはイオン助剤を奪活すること なしにレーザ発光する。

大抵の３μｍのエルビウムレーザは次の共通な特性を有する。（１）室温にて動 作する。（２）低いポンプエネルギに対して高いエルビウムイオン濃度を必要と する。（３）１より大きな最終状態／初期状態の寿命比率を有する。いくつかの 母材においてはこの一つつは１０を越える。驚くべきことに、これらのレーザは 室温にて低いポンピングエネルギでパルスモードで大変良く動作する。パルスレ イジングを説明するために、４１１１／２と４１１３／２の励起状態のシュタル クスプリッチング（Ｓｔａｒｋ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）を考慮する仮説が提出さ れた。（Ａ、　Ａ、Ｋａｍｉ　ｎ　ｓ　ｋ　ｉ　ｉ。

Ｌａ５ｅｒ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ、ＳｐｒｉｎｇｅｒＳｅｒｉｅｓ　ｉｎ　０ｐｔ ｉｃａｌ　５ｃｉｅｎｃｅｓ。

Ｅｄｉｔｏｒ　Ｄ、Ｌ、ＭａｃＡｄａｍ、Ｖｏｌ、１４、Ｓｐｒｏｎｇｅｒ−Ｖ ｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ。

ＨｅｉｄｅｌｂｅｇＳＮｅｗ　Ｙｏｒｋ、１９８１）ｏそれらは低い結晶対称の 結晶内電場においてそれぞれ、６つ及び７つのクラマースのダブレット要素に分 離される。この仮説によれば、４１１１／２から４１１３／２へのレイジングプ ロセスは次のごとく行われる。キセノンフラッシュランプの光学的ポンピング用 短パルスは、（増感材の助けにより又はその助けなしに）」三方の４１１１７２ の状態を優先的に分布し、最終的な４１１３／２マニフオールドの準位を空か又 はまばらに分布する。

前記４１１１／２マニフオールドの準位で生成された反転分布は、様々な準位の 最終状態マニフォールドに対する自己飽和レーザ遷移となる。下方準位の最終マ ニフォールドはより速く飽和するので短波長のレーザ線はスペクトルからすぐに 消える。

上方準位で終わる遷移から起こる最も長い波長のレーザ光線だけがより長く持続 し末期的レーザスペクトルにおいて観察される。これは、自己飽和レーザのスペ クトル線の、いわゆる赤外偏移である。２．７から２．８μｍのスペクトル領域 において起こるＣａＦ２内のＥｒａ＋の前記４１１１／２から４１１３／２のレ ーザ遷移は、ＣＯ２及びＨ２０分子の強い吸収領域に一致する。それゆえ、レー ザ空洞内のこれらの分子の存在はレーザスペクトルの観察バンドの位置と数に影 響を及ぼす。この効果を例示するために第７図は、真空で生成された低解像度の スペクトルを示し、第８図はレーザ空洞部が１００ｍｍ　ＨＨのＣＯ２で満たさ れたとき得られるスペクトルを示す。パルスレーザが使用されるのでスペクトル は、モノクロメータダイヤルを一度にモノクロメータの解像限界である５ｎｍだ け進めることによって点ごとに記録される。

中位から高位の定数のレーザ励起準位において、出カスベクトルすなわち記録さ れるバンドの外形は大体一定であり１つの記録ランから次のランまで再生可能で あり、低い励起準位においては、記録バンドの外部と内部にかなりの量の“１ｉ ｎｅ　ｈｏｐｐｉｎｇ”が観察され、パルスごとに異なるスペクトル出力および バンド外形となる。この観察によってバンド内にち密な構造が存在することが示 される。

第７図から、真空において放射は約２．７５と２．８０μｍを中心とする２つの バンドで起こることが分かる。解像上の限界によりこれらのバンドの細部を記録 することが出来なかった。しかしながら、これらは前記仮説された赤方偏移の存 在について検討する機会を与えてくれた。このため、レーザビームはビームスプ リッタにより２つの要素に分割された。前記要素それぞれは、１ｎＡｓ検出器を をするモノクロメータに供給された。１つのモノクロメータは２．７５μｍに設 定され他は２．８０μｍに設定された。第９図に示されるように、予言された赤 方偏移が確かに観察されたが、長波長の放射は最後まで続かなかった。いくつか のメカニズムにこのメカニズムはエネルギ状態のアップコンバージョンであると 仮定された。この仮説は他の観察によって支持された。

ＣａＦ２のサンプルにおけるアップコンバートされた放射線の相対的強度に対し てプロットされかつレーザのしきい値エネルギが濃度に対して同じサンプルから つくられるとき、第１０図に示すように２つの隣接する曲線が得られる。両者は 類似しているが反転したＥｒＳ＋に関する機能依存性を表わすことがわかる。濃 度の増加と共に低下するレーザロッドの光学的品質のため、５から１０モルパー セント濃度を越えて比較することができなかった。

いくつかの実験的測定及び観察によりアップコンバージョンが光学的ポンピング プロセスにおいて重要な要因であることがわかった。第１に、ＣａＦ２　（Ｅｒ Ｓ＋）の４１１１／２と４１１３／２の状態間のレイジングの測定は（第２図お よび１１図を参照）　、４１１１／２の上方状態の寿命が４１１３／２の下方状 態の寿命（２０ｍｓｅｃ）のただの半分（１０ｍｓｅｃ）であるけれどもレイジ ングのセルフケンランプが起こらないことを示している。第２に、通常のセルフ ケンランプレーザ動作と対照的に、長波長の光線が短波光線の消滅に先だってレ ーザパルスの間レーザスペクトルから消える。第３に、短期間（１ｍｓ　ｅ　ｃ ）のキセノンフラッシュランプによって励起されたレイジング動作の持続期間は ほとんど２のファクタだけ前記４１１１／２のレイジング状態の寿命を越える。

さらに、レーザポンプエネルギのしきい値とアップコンバージョンによって励起 された蛍光の強度はＥｒ３＋イオンの濃度に関して反対の依存性を有する。

単純な理論的モデルが発展され、４１１１／２と４１１３／２の準位間のレーザ 動作は、１，５μｍの放射線の吸収によって生成された励起した４１１３／２の 状態でのイオンのアップコンバージョンのみによってポンピングされることを示 した。この予言の実験的確認として、ＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）の２．８μｍでの レイジング動作はガラスレーザ内のエルビウムにによって放射された１、５４μ ｍのレーザ光線を使用するアップコンバージョンポンピングによって生成された 。第４図は、８００ジユールの人力エネルギで１．５４μｍのエルビウムレーザ 光線（下方掃引）によるポンピングによって生成された２、８μｍのレイジング （上方掃引）を示している。

前記理論はさらに、（１）１．５４μｍの最小ポンピングエネルギを必要とする 。（２）レイジングはポンピングエネルギに反比例する遅延と共に起こる。（３ ）レイジングは、下方状態の４１１３／２の寿命、すなわち、２０ｍ５ｅｃだけ 持続する。これらの全ての予言は実験的に検証された。

ＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）レーザがキセノンフラッシュランプによって放射線吸収 を通してレイジング状態より上方のエネルギ状態に従来の方法でポンピングされ る時でさえも、アップコンバージョンが反転分布プロセスに関与することを強調 したい。次に記載される２つのパルスの実験が光学的ポンピングメカニズムとし てのアップコンバージョンの役割を示す。

制御可能な遅延時間によって個々に発光する２つのフラッシュランプがレーザ空 洞部に組込まれた。各フラッシュランプのコンデンサバンク内のエネルギはしき い値より下方の等しい値に調整され、個々に発光した時、フラッシュランプがレ イジング放射を励起しないようにした。２つのランプが同時４こ発光した時、レ イジングが起こった。さらに、第２のフラッシュランプの発光が少しづつ遅延さ れ前記遅延が２５ｍ５ｅｃより長くなった時、レイジングが起こった。

４１１１／２の初期状態の寿命が約１０ｍ５ｅｃなので第２の発光遅延が１０ｍ ５ｅｃを越える時はこの状態において、ポンピングエネルギの加算は起こらなか った。前記加算は４１１３／２の最終状態のみで起こった。それゆえ、第２ノく ルスが、１０ｍ５ｅｃ以上でかつ２０から２５ｍ５ｅｃ（４１１３／２の状態の 寿命）以下の時間だけ遅延された時、アツブコンバージョンによってポンピング が起こった。

残る問題は、アップコンバートされた１、５μｍの放射線のソースを突止め、前 記放射線が外部（すなわち直接キセノンランプによって）から供給されたのかあ るいは緩和、すなわち高いエネルギ状態から前記４１１３／２の状態への様々な 電子的遷移によって内部的に発生したのかを決定することであった。模範的なキ セノンフラッシュランプの放射スペクトルを観察した結果、前記キセノンランプ は１．５μｍで僅かの放射しかしないのでアップコンバージョン用の十分な光子 束を供給することができないことがわかった。この結論を検証すべく、空気中で キセノンフラッシュランプを使用してレーザポンピングエネルギのしきい値を決 定してそれをレーザ空洞部が水（水は１．５μｍの放射線を大変効率良く吸収す る）で満たされたときのしきい値と比較した。水における測定しきい値は空気に おけるそれよりも約２５パーセント低く、アップコンバージョンに対する１、５ μｍの放射線の源が内的であるという上記の推測が確認できた。水のエネルギし きい値が低いのは前記ランプと前記レーザロッド間のより良い屈折率マツチング によるより良い光学的結合によるものである。

２．８μｍでのレーザ動作は、異なる濃度で増感イオン及び奪活イオンを含まな いＥｒＳ＋イオンでドープした純粋のＣａＦ２から成るレーザロッドを使用して つくり出された。

１及び１０モルパーセントのＥｒａ＋イオン濃度に対するポンプエネルギのしき い値はそれぞれ約５０から２０ジユールである。前記レーザロッドの光学的品質 が良いため５モルパーセントを含む前記ロッドに対して最低のしきい値が得られ た。前記結合ミラーの反射力によって前記しきい値は５から１０ジユールの間で 変化した。高反射力のミラーと前記レーザ空洞部内の真空を使用した場合の最低 しきい値は２．８ジユールであった。前記キセノンフラッシュランプのパルス持 続時間が約１ｍ５ｅｃなのでこの値は２．８ＫＷのピークしきい値になる。

第１３図のレーザ装置２０はＣａＦ２　（５％Ｅｒ３＋）のロッド２２を使用す る。

出力エネルギ効率及び他のレーザ特性をめるべく選択されたＣ　ａ　Ｆ２　（５ ％Ｅ　ｒ３　＋）のレーザロッド２２は、空気中で室温にてテストされた。励起 すべく前記空洞内でキセノンフラッシュランプと、（テスト装置において）９０ 及び９９．５パーセントの反射率を持つＺｎ５ｅの凹状（１ｍ半径）誘電性ミラ ー９０とが使用された。ポンプエネルギのしきい値は約１５ジユールだった。パ ルス当り０．５ジユールを越える出力エネルギと３０ワット以上のピークパワー 及び０．３パーセントを越える勾配効率が１５０から２００ジユールのフラッシ ュランプへの入力エネルギにおいて得られた。

第１２図に１７ｍ５ｅｃの持続期間を持つスパイク状レーザパルスが示される。

上述のエネルギ及びパワー出力値は前記結合ミラーの反射率を変化させることに よって最適化されなかった。ただ１ｍ５ｅｃだけ持続する前記キセノンフラッシ ュランプのパルスによって励起された以上に長い持続期間は、励起エネルギが前 記レーザロッド内でアップコンバージョンによってリサイクルされた可能性を提 示している。この結果は、最終状態の寿命すなわち２０ｍ５　ｅ　ｃに等しいア ップコンバージョンによって励起されたレイジング持続期間に対する上限を設定 する理論的解析と一致する。

前記レーザ２０（第１３図）はＣａＦ２　（Ｅｒ３＋）のロッド２２とＺｎ５ｅ の凹状端部ミラー２４及び２６を含む。

前記ロッド２２は０ｐｔｏｖａｃｓ　Ｉｎｃ、によッテ発展され研削され艶出し された平行で平らな２つの端部を有し反射防止用の塗布は施されなかった。前記 ロッド２２は金めっきされた楕円状反射器２８内に１５から２０ｍ５　ｅ　ｃの フラッシュ持続期間を有する５つの写真用３ＭＢフラッシュランプ３０と共に組 込まれる。前記ミラー２４及び２６は２，８μｍのエネルギに対して９９．５％ 反射する。前記レーザ２０の前記要素は（ａＦ２の窓４２を持つチャンバ４０内 に密閉された。

制御ユニット５０は前記キセノンフラッシュランプ３０を連続して発光させ発光 間の遅延は約１５ｍ５ｅｃである。結果としての半ＣＷレイジング動作は２．８ μｍの出力をつくり出し、約８０ｍ５　ｅ　ｃ持続した。

第１５図の実施例は、前記フラッシュランプ３０が、前記制御ユニット５０゛に よって連続的に作動される標準形タングステンヨードの白熱ランプなどのＣＷ水 ポンプンプ３０′によって取替えられた以外は第１３図に記載された内容に類似 する。動作を長くするには前記レーザロッドを液体冷却（図に示さず）する必要 がある。

すなわち、連続的レイジング動作を提供する新規な方法、より詳細には室温での 固体レーザの連続的又は準連続的動作を提供する方法が開示された。ここには特 定されたレイジング動作の方法が開示されたが本発明はそれに限定されない。

よって、当該技術の熟練者に可能などんな及び全ての変更、変化又はそれに相当 する構成は、次の請求の範囲で規定された本発明の範囲内に含まれる。

−口 Ｆｉｇ、２、 Ｆｉｇ、３゜ Ｆｉｇ、４゜ パーＣント１゛に？ルｒ＝裏尋ミφ庁 Ｆｉｇ、６゜ Ｆｉｇ、　１２゜ Ｆｉｇ、　１４゜ 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．初期及び最終的レイジング状態間で準連続的レイジング動作を起こすべく 前記レイジング動作中、前記初期及び最終的レイジング状態間で反転分布を維持 すべく前記最終レイジング状態で十分な数の電子間のエネルギ交換を提供するア ップコンバート材を含むレーザ媒体と空洞構成を選択し、準連続的期間の間、前 記レーザ媒体に励起エネルギを供給する工程を具備する方法。
2. ２．前記アップコンバート材が、前記交換電子のいくつかが前記準安定な初期レ イジング状態か又はそれより上のエネルギ状態にアップコンバートされるような 材料である請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．前記アップコンバート材がエルビウムイオンを具備する請求の範囲第１項に 記載の方法。
4. ４．前記レーザ媒体がフッ化カルシウム結晶を主とするエルビウムイオンを具備 する請求の範囲第１項に記載の方法。
5. ５．前記フッ化カルシウム結晶が５から１０モルパーセントのエルビウムイオン を含む請求の範囲第４項に記載の方法。
6. ６．初期及び最終的レイジング状態間で連続的レイジング動作を起こすべく 前記レイジング動作中、前記初期及び最終的レイジング状態間で反転分布を維持 すべく前記最終レイジング状態で十分な数の電子間のエネルギ交換を提供するア ップコンバート材を含むレーザ媒体と空洞構成を選択し、連続的期間の間、前記 レーザ媒体に励起エネルギを供給する工程を具備する方法。
7. ７．前記アップコンバート材が、前記交換電子のいくつかが前記準安定な初期レ イジング状態か又はそれより上のエネルギ状態にアップコンバートするような材 料である請求の範囲第６項に記載の方法。
8. ８．前記レーザ媒体がフッ化カルシウム結晶を主とするエルビウムイオンを具備 する請求の範囲第６項に記載の方法。
9. ９．前記レーザ媒体がフッ化カルシウム結晶を主とするエルビウムイオンを具備 する請求の範囲第６項に記載の方法。
10. １０．前記フッ化カルシウム結晶が５から１０モルパーセントのエルビウムイオ ンを含む請求の範囲第９項に記載の方法。