JPWO2009028352A1 - レーザ発振器及びレーザ光の発振方法 - Google Patents

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Abstract

Ｎｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスなどのセラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数、直線偏波発振がＴＥＭ００モードで達成されるようにする。励起光を発振するレーザ光源と、発振された励起光が入射される、平均グレインサイズが5μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスを有するレーザ媒質と、を有するレーザ発振器を提供する。レーザ媒質は、第１の誘電体多層膜を有する第１の面及び第２の誘電体多層膜を有する第２の面を有していてもよい。

Description

本発明は、レーザ発振器及びレーザ光の発振方法に関する。
固体レーザ媒質の材料として、従来、Ｎｄ：ＹＡＧ等の単結晶が知られていた。しかし、製造上の制約から添加物濃度の高いものを得るのが困難であり、また、大きな単結晶を得るのが困難であるなどの問題があり、製造にコストと時間を要していた。これに対して、任意形状への合成が容易で、大型化が可能な安価なレーザ媒質の材料としてセラミックスを用いたレーザ媒質（セラミックスレーザ媒質）が知られるようになってきた。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧなどのセラミックスレーザ媒質が注目を集めている（例えば、非特許文献１−３参照。）。
セラミックスレーザ媒質を用いた場合、実用上重要な基本横モード（ＴＥＭ００モード）での発振が阻害され、異なる周波数と偏光状態を持つ複数の局所横モードへ分裂しやすい。そして、このような分裂が発生すると、空間的に隣接した局所モードの発振電界結合により、局所モード間の差周波数での強度変調が発現し、発振が不安定になることが知られている（例えば、非特許文献４、５参照。）。
I. Shoji, S. Kurimura,Y. Sato, T. Taira. A. Ikesue,and K. Yoshida, Opt. Lett. 77, 939 (2000) J. Lu, M. Prabhu,J. Song, C. Li, J. Xu, K. Ueda, A. Kaminskii, H. Yagi, T. Yanagitani, Appl. Phys. B, 71,469 (2000) K. Takaichi, J. Lu,A. Shirakawa, H. Yagi, K.Ueda, T. Yanagitani, A. Kaminskii,Phys. Stat. Sol. (a) 200, R5 (2003) T. Narita, Y. Miyasaka, and K. Otsuka, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1168 (2005) K. Otsuka, T.Narita, Y. Miyasaka, C.-C. Ching,J.-Y. Ko, and S.-C. Chu, Appl. Phys. Lett. 89, 081117 (2006)
本発明は、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスなどの材料のセラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数発振がＴＥＭ００モードで達成されるレーザ発振器及びレーザ光の発振方法を提供する。
本願では、励起光を発振するレーザ光源と、発振された励起光が入射される、平均グレインサイズが5μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスを
有するレーザ媒質と、を有するレーザ発振器について開示を行う。
本発明により、セラミックスレーザ媒質を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がＴＥＭ００モードで達成されるレーザ発振器及びレーザ光の発振方法が提供される。
本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるＮｄ：ＹＡＧセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の多重波長計の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の入出力特性を示す図である。 従来のレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるＮｄ：ＹＡＧセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を測定する装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 本発明の実施形態１に係るレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 従来のレーザ発振器により得られるレーザ光の特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器のレーザ媒質として用いられるＹｂ：ＹＡＧセラミックスの写真図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性を測定する装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器における入出力特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の遠視野像と強度分布を示す図である。 横モード特性の励起ビーム径依存性を検討するための入出力特性を示す図である。 横モード特性の励起ビーム径依存性検討するための観測結果を示す図である。 平均グレイサイズが、５９．０５μｍ、５１．８５μｍ、３７．３５μｍ、２９．０３μｍの試料のＳＥＭ写真を示す図である。 平均グレイサイズが、５９．０５μｍ、５１．８５μｍ、３７．３５μｍ、２９．０３μｍの試料のグレインの大きさを示すヒストグラムである。 本発明の実施形態５に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。 本発明の実施形態５に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性を示した図である。
符号の説明
１０１ レーザ光源
１０２ 励起光
１０３ レーザ媒質
１０４ 発振光
１０５ 第１の面
１０６ 第２の面
１１０１ レーザ光源
１１０２ 励起光
１１０３ レーザ媒質
１１０４ 発振光
１１０５ 第１の面
１１０６ 第２の面
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら実施形態として説明を行う。なお、本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、種々の態様で実施することが可能である。例えば、本発明に係るに係るレーザ発振器は、外部共振器の形態においても実施することができる。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器の機能ブロック図を示す。本発明の実施形態１に係るレーザ発振器は、レーザ光源１０１と、レーザ媒質１０３と、を有する。
レーザ光源１０１は、励起光１０２を発振する。本実施形態においては、レーザ光源１０１には半導体を用いたレーザ光源を用いているが、これに限定されるわけではなく、ガスレーザ（例えば、ＡｒレーザやＫｒレーザ）あるいは固体レーザ（例えば、Ｔｉサファイアレーザ）等を用いても良い。後に説明するレーザ媒質１０３の材料として、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックスを用いる場合には、励起光１０２の波長は、例えば、８０８ｎｍあるいは８８５ｎｍとする。
レーザ媒質１０３は、励起光１０２が入射されるレーザ媒質である。本実施形態では、レーザ媒質としては、平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスを用いる。本実施形態ではレーザ媒質１０３は端面共振器を構成するようになっている。すなわち、レーザ媒質１０３の励起光１０２が入射される面を第１の面１０５とし、それと反対の面であり、発振されるレーザ光１０４が放出される面を第２の面１０６とすると、レーザ媒質１０３の第１の面１０５と第２の面１０６とには、励起光１０２により励起を行うために、第１の面１０５と第２の面１０６とには鏡面加工がされ、また、コーティングが行われている。コーティングは、例えば、第１の面１０５と第２の面１０６とに多層膜を形成することによって行う。多層膜の一例としては誘電体多層膜を挙げることができる。なお、第１の面１０５と第２の面１０６とのコーティングは同一とは限らない。
図２に、レーザ媒質１０３として用いられるＮｄ：ＹＡＧセラミックスの試料の一つについて、熱エッチングされた表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真を示す。このような写真によりグレインの構造を知ることができる。本発明のレーザ発振器に用いるレーザ媒質１０３の平均グレインサイズは、５μｍ以下である。ここに、「平均グレインサイズ」とは、各グレインの最も長い方向の長さの平均（算術平均）をいう。図２の写真の右下に示される矢印線の長さが２μｍに相当する。図２に写真が示される試料では、平均グレインサイズは１．１６μｍとなる。
図３は、図２に示したように平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスをレーザ媒質の材料として用いてレーザ光を発生させるレーザ発振器の一例の詳細な機能ブロック図を示す。励起光１０２として、波長８０８ｎｍのコリメートしたレーザ光を得るために、半導体レーザ発振器１０７を有している。半導体レーザ発振器１０７で得られたレーザ光は、楕円形状であるので、円形に変換するために、アナモルフィックプリズム装置１０８を有している。アナモルフィックプリズム装置１０８は、二つのプリズム１０９と１１０とを有し、入射した楕円形状のレーザ光を円形に補正する。補正されたレーザ光は、レーザ媒質１０３での励起のために、対物レンズ１１１により集光される。対物レンズ１１１の開口数は０．２５である。これにより、平均して８０ミクロンのビーム径となるレーザ光がレーザ媒質１０３に入射される。
レーザ媒質１０３の材料としては、Ｎｄを１原子％ドープしたＮｄ：ＹＡＧセラミックスを用いた。厚さは１ｍｍの板状の形状をしている。対物レンズ１１１で集光された励起光に対する吸収係数は、３．５５ｍ−１であった。図２に示したＳＥＭの写真は、このレ
ーザ媒質を用いて撮影された。
レーザ媒質１０３の第１の面１０５と第２の面１０６とには、誘電体多層膜などによるコーティングが施されている。第１の面１０５には、異なる２波長に対するそれぞれの反射防止膜と高反射膜とのコーティングがされる。ここに、「反射防止膜」とは、ある波長の光を透過する性質を有する膜をいう。例えば、励起光の波長である８０８ｎｍにおいて、９５％以上が透過する。「高反射膜」とは、ある波長の光を反射する性質を有する膜をいう。例えば、発振されるレーザ光の波長である１０６４ｎｍにおいて９９．８％以上を反射する。
また、第２の面１０６にも、誘電体多層膜などによる高反射膜のコーティングが施されている。例えば、発振されるレーザ光の波長である１０６４ｎｍにおいて９０％以上を反射し、より好ましくは９７％以上を反射する。特に、１０６４ｎｍにおいて９９％を反射するようになっていてもよい。
図４は、図３に示したレーザ発振器により発振されたレーザ光の多重波長計を用いた測定結果を示す。用いた多重波長計の分解能は０．１ｎｍである。図４に示されるように、波長が１０６４ｎｍでの単一遷移線での発振が確認された。
図５は、図３に示したレーザ発振器の入出力特性を示す。すなわち、横軸として、レーザ媒質１０３に入射される励起光のパワー（Absorbed pump power (ｍＷ)）を振り、縦軸として発振されるレーザ光のパワー（Output power (ｍＷ)）を振ったグラフを示す。図２のＳＥＭ写真で示した平均グレインサイズが５μｍ以下である１．１６μｍのＮｄ：ＹＡＧセラミックスを用いた場合の入出力特性は、符号Ａで示されカーブとなっている。なお、符号Ｂは、比較のために、従来から用いられている材料、すなわち、平均グレインサイズが１９．２３μｍで、他の条件は同一とした材料、を上述のレーザ媒質１０３の材料である平均グレインサイズが１．１６μｍのＮｄ：ＹＡＧセラミックスの代わりに用いた場合の入出力特性を示している。図５により、本発明で用いる材料と、従来から用いられている材料とでは、入出力特性に大きな違いは見いだせないことがわかる。
図６は、上述した従来から用いられている材料のＳＥＭ写真を示す。図６の写真の右下に示される矢印線の長さが２０μｍに相当する。平均グレインサイズは、１９．２３μｍであることがわかる。
図７は、（１）本発明の実施形態１でのレーザ媒質、すなわち、平均グレインサイズが５μｍ以下で、１原子％Ｎｄをドープした１ｍｍの厚さのＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料を用い、１０６４ｎｍにおいて９９．８％以上を反射し８０８ｎｍにおいて９５％以上を透過するコーティングを第１の面に施し、１０６４ｎｍにおいて９９％以上反射するコーティングを第２の面に施したレーザ媒質と、（２）従来から用いられているレーザ媒質、すなわち、平均グレインサイズが３０μｍ程度で、１原子％Ｎｄをドープした１ｍｍの厚さのＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料を用い、１０６４ｎｍにおいて９９．８％以上を反射し８０８ｎｍにおいて９５％以上を透過するコーティングを第１の面に施し、１０６４ｎｍにおいて９９％以上反射するコーティングを第２の面に施したレーザ媒質とを用いた場合に得られるレーザ光の特性の詳細な特性を測定し、比較するための装置の機能ブロック図を示す。
図７に示すように、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器による発振されるレーザ光１０４は偏光子２０１を透過し、スプリッタ２０２を透過した後は、一方は、レンズに２０３により集光されて、掃引型ファブリ・ペロー干渉計２０４へ入射され、他方は、ＰｂＳ赤外線撮像装置２０５に入射される。
発明者は、平均グレインサイズの異なる複数のＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料について得られるレーザ光の特性の詳細な特性を測定した結果、平均グレインサイズが５μｍ以下の微粒セラミックスを用いた場合、以下のように、局所横モードが形成されることなく、安定なＴＥＭ００モード発振が得られた。
図８、図９は、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器のように、平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料を用いた場合に得られるレーザ光の特性を示す。
図８は、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の遠視野像（上部）と、光スペクトル（下部）を示す。光スペクトルにおいて、横軸は Optical frequency が用いられ、左右のピークの間隔を示す矢印線の長さは２ＧＨｚに相当する。これらにより示されるように本発明の実施形態１に係るレーザ発振器によれば、全ての励起パワーの領域において、単一周波数の発振がＴＥＭ００モードで達成されている。
また、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器で得られるレーザ光についての、遠視野強度分布を図９（Ａ）に示し、Ｘ方向のガウス型フィッティング曲線を図９（Ｂ）に示し、Ｙ方向ガウス型フィッティング曲線を図９（Ｃ）に示す。なお、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）に示すグラフの縦軸は、Relative Intensity をパーセントを単位に表示する。これらから示されるように、理論的ＴＥＭ００モードに実測値が含まれる割合であるモード純度は、全励起領域において、９９％以上となる。
一方、図１０は、比較のために、従来から用いられているレーザ発振器であり、平均グレインサイズが３０μｍ程度で、１原子％Ｎｄをドープした１ｍｍの厚さのＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料を、レーザ媒質１０３の材料である平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスの代わりに用いた場合に得られるレーザ光の遠視野像（上部）と光スペクトル（下部）を示す。図８と同様に、図１０でも横軸は Optical frequency が用いられ、一番左と一番右とに位置するピークの間隔を示す矢印線の長さは２ＧＨｚに相当する。これらにより、従来から用いられているレーザ発振器により得られるレーザ光では、特定の縦モードに属し、発振周波数がわずかに異なり且つ偏向状態が異なる４つの局所モードに分裂していることがわかる。この実験例では、４つの局所モードは、図１０の下部の矢印により示されるように、振動方向が異なる直線偏波を呈している。
このように、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器で得られるレーザ光と、従来のレーザ発振器で得られるレーザ光とに特性の違いが生ずる理由は、以下のように推定される。まず、従来のレーザ発振器では、一つの単結晶のグレインサイズが数１０μｍの多結晶セラミックスである。また、それらの結晶方位はランダムに分布している。平均グレインサイズを３０μｍと仮定すると、熱レンズ効果によって、励起光により形成される試料の動径方向の温度分布に基づく屈折率変化で決まるＴＥＭ００モードのビーム径は１６０μｍとなる。したがって、波長に比べて充分大きな、結晶方位の異なる単結晶グレインが、ＴＥＭ００モードのビーム断面内に平均して数個含まれることとなる。このことと、熱複屈折効果の場所依存性により、発振周波数と固有偏光状態が一義的に決定されない。その結果、発振横モードは複数の偏光状態・周波数の異なる局所モードへ分裂することになる。局所モードは、励起（即ち、発振）位置に依存したグレイン構造を反映して形成され、局所モード間の相互作用により、カオスを含む多様な動的不安定性が発現することになる。
一方、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器においては、グレインサイズが数μｍと極めて小さく発振波長と同等なために、局所的に横モードが形成されることはなく、局所モードへの分裂が阻止され、付随した動的不安定性も発現しないと考えられる。
以上のように、本発明の実施形態１に係るレーザ発振器においては、Ｎｄ：ＹＡＧセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の
発振がＴＥＭ００モードで達成される。
（実施形態２）
次に、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がＴＥＭ００モードで達成されるレーザ発振器を説明する。本発明の実施形態１に係るレーザ発振器で得られるレーザ光の特性の測定結果を検討した本願発明者は、５μｍ以下の平均グレインサイズである微粒セラミックスを用いた他の材料のレーザ発振器でも、局所モードへの分裂がなく、安定な動作が可能であることを予想し、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器に想到した。
図１１は、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器の機能ブロック図を示す。本発明の実施形態２に係るレーザ発振器は、レーザ光源１１０１と、レーザ媒質１１０３と、を有する。
レーザ光源１１０１は、励起光１１０２を発振する。例えば、半導体を用いたレーザ光源が用いる。後に説明するレーザ媒質１１０３として、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスを用いる場合には、励起光１１０２の波長は、例えば、９４０ｎｍあるいは９７０ｎｍとする。
レーザ媒質１１０３は、励起光１１０２が入射されるレーザ媒質である。本実施形態では、レーザ媒質としては、平均グレインサイズが５μｍ以下のＹｂ：ＹＡＧセラミックスを用いる。レーザ媒質１１０３の励起光１１０２が入射される面を第１の面とし、それと反対の面であり、発振されるレーザ光１１０４が放出される面を第２の面とすると、レーザ媒質１１０３の第１の面１１０５と第２の面１１０６とには、励起光１１０２により励起を行うために、コーティングが行われている。コーティングは、例えば、第１の面１１０５と第２の面１１０６とに誘電体多層膜を形成することによって行う。なお、第１の面１１０５と第２の面１１０６とのコーティングは同一とは限らない。
図１２に、レーザ媒質１１０３として用いられるＹｂ：ＹＡＧセラミックスの熱エッチングされた表面のＳＥＭによる写真を示す。この写真によりグレイン構造が示されている。図１２の写真の左下に示される矢印線の長さが５μｍに相当する。図１２に示されるようにグレインサイズは、３．２０μｍであり、５μｍ以下である。
図１３は、図１２に示したように平均グレインサイズが５μｍ以下のＹｂ：ＹＡＧセラミックスをレーザ媒質として用いてレーザ光を発生させる発振器の一例についての詳細な機能ブロック図を示す。励起光１１０２として、波長９７０ｎｍの、コア径１００μｍのファイバ１３０２付の半導体レーザ１３０１を用いている。本実施形態においては、レーザ光源１１０２には、半導体レーザ１３０１を用いているが、これに限定されるわけではない。
レーザ媒質１１０３としては、Ｙｂを５原子％ドープしたＹｂ：ＹＡＧセラミックスを用いている。厚さは２ｍｍの板状の形状をしている。図１２に示したＳＥＭの写真は、このレーザ媒質を用いて撮影された。
レーザ媒質１１０３の第１の面１１０５と第２の面１１０６とには、誘電体多層膜によるコーティングが施されている。第１の面１０５は、異なる２波長に対するそれぞれの反射防止膜と高反射膜とのコーティングがされる。例えば、反射防止膜は、励起光の波長である９７０ｎｍにおいて、９５％以上を透過する。また、例えば、高反射膜は、発振されるレーザ光の波長である１０４９ｎｍにおいて９９．８％以上を反射する。
また、第２の面１１０６にも、誘電体多層膜による高反射膜のコーティングが施されている。例えば、発振されるレーザ光の波長である１０４９ｎｍにおいて９７％以上を反射
する。特に、１０４９ｎｍにおいて９９％を反射するようになっていてもよい。
図１４は、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器で得られるレーザ光１１０４の特性を測定したときに用いた装置の構成の機能ブロック図である。本発明の実施形態２に係るレーザ発振器で得られるレーザ光１１０４は、ビームスプリッタ１４０１に入射され、一方は、ビーム形状測定器（Ｂｅａｍ Ｍａｓｔｅｒ）１４０２へ入射する光と、Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｅｔｅｒ１４０３へ入射する光とに分かれる。
図１５は、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器における入出力特性を示し、図１６は、得られるレーザ光１１０４の遠視野像と強度分布を示す。波長１０４９ｎｍ遷移線での直線偏光発振が得られることがわかる。
したがって、平均グレインサイズが５μｍ以下である微粒セラミックスを用いたＮｄ：ＹＡＧ以外の材料のレーザ発振器でも、局所モードへの分裂がなく、安定な動作が可能であることを実証することができた。
また、本発明の実施形態２に係るレーザ発振器においては、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックス材料を用いて、横モードパターンの局所モードへの分裂を抑圧し、単一周波数の発振がＴＥＭ００モードで達成される。
（実施形態３）
これまで説明をした実施形態１または２においては、Ｎｄ：ＹＡＧを用いる点とＹｂ：ＹＡＧを用いる点が異なっているが、もう一点、励起レーザ光のビーム径が異なっている。そこで、横モード特性の励起ビーム径依存性が存在しないことを確認するために本発明の実施形態３を説明する。励起ビーム径を増加させると動径方向に利得領域が広がり、発振ビーム径が増加する。この場合、発振モード体積が増加するため、発振閾値励起パワーが増加するが、平均グレインサイズに比べて、発振ビーム径を大きくできることから、
（１）局在モード形成が、平均グレインサイズと発振ビーム径の比（相対値）によって決まるのか？
あるいは、
（２）平均グレインサイズそのものが数μｍと波長と同程度であることが局在モード形成の抑圧に効果的であるのか？
を見極めるために、以下の条件でレーザ光を発振させる。
すなわち、対物レンズの代わりに、レーザ半導体で励起された光の集光レンズとして焦点距離５ｃｍ及び９ｃｍの非球面レンズを用いて励起径を増加させる。これにより、励起ビーム径は５３０μｍ、発振ビーム径は４００μｍとなる。
レーザ媒質としては、平均グレインサイズが１９．２３μｍ、すなわち、ＴＥＭ写真を図６に示した材料を用いて、レーザ光を発振させ、そのレーザ光の入出力特性、発振パターンおよび偏光特性を測定する。
本実施形態での入出力特性のグラフを、符号Ｃを付して、実施形態１における入出力特性Ａ、Ｂと共に、図１７として示す。図１７では、横軸が Absorbed pump power (mW) に対応し、縦軸が Output power (mW) に対応する。また、図１８に、レーザ発振光を、偏光子を通した後の異なる偏光子回転角での、発振パターンとスペクトルの偏光依存性を観測した結果の例を示す。すなわち、図１８（Ａ）は、Without polarizer の場合の Far-field pattern とスペクトルを示し、図１８（Ｂ）は Polarizer angle が６°の場合の Far-field pattern とスペクトルを示し、図１８（Ｃ）は９４°の場合の Far-field pattern とスペクトルを示す。図８と同様に、図１８（Ａ）にのスペクトルの左右のピークの間隔を示す矢印線の長さは２ＧＨｚに相当する。
実施形態１で説明した、対物レンズでの狭い励起ビーム径での実験結果(発振ビーム径：１６０μｍ)と同様に、周波数、偏光状態の異なる複数の局所モードへの分裂が生じていることがわかる。すなわち、局所モードの形成は励起ビーム径に関係なく起こることが判り、発振波長程度の微粒セラミックが局在モードを抑圧し、安定なＴＥＭ００モードでの発振に有効であることが検証される。
（実施形態４）
発明者は、局所モードへの分裂の発生の有無は、平均グレインサイズに依存しており、その境界となる平均グレインサイズは５μｍであることの確認を行った。すなわち、平均グレインサイズの異なるＮｄ：ＹＡＧセラミックス、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックスのいくつかの試料をレーザ媒質として用いてレーザの発振実験を追加して行った。その結果、平均グレインサイズが５μｍより大となる試料において、局所モードへの分裂と付随する不安定性が発生する一方、平均グレインサイズが５μｍ以下であれば、局所モードへの分裂がなく安定な発振が得られることの確認ができた。その結果を表１に示す。表１に示されるように、平均グレインサイズがそれぞれ、５９．０５μｍ、５１．８５μｍ、３７．３５μｍ、２９．０３μｍ、１９．２２μｍ、５．６１μｍ、４．８２μｍ、３．２０μｍ、１．１６μｍのＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックス材料をレーザ媒質として用いたところ、平均グレインサイズが５μｍより大なる場合においては、局所モードへの分裂と付随する不安定性が確認された。一方、平均グレインサイズが５μｍ以下の場合においては、局所モードへの分裂は見られなかった。
なお、参考のために、表１に示した平均グレインサイズが、５９．０５μｍ、５１．８５μｍ、３７．３５μｍ、２９．０３μｍ、１９．２２μｍ、５．６１μｍ、４．８２μｍ、３．２０μｍ、１．１６のレーザ媒質それぞれのＮｄ、Ｙｂのドープ量を測定したところ、表１に示されるように、０．３％、１．１％、２．４％、４．８％、１．２％、４．８％、２．０％、５．０％、１．０％であった。
また、平均グレイサイズが、５９．０５μｍ、５１．８５μｍ、３７．３５μｍ、２９．０３μｍ、すなわち、Ｎｄのドープ量が、０．３％、１．１％、２．４％、４．８％のＮｄ：ＹＡＧセラミックスの試料のＳＥＭ写真のそれぞれを、図１９に示す。このＳＥＭ写真それぞれにおいて、各グレインの最も長い方向の長さを測定して、その長さに対する頻度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を示すヒストグラムを図２０に示す。図２０の各ヒストグラムにおいて、横軸が Grain size （μｍ）に対応し、縦軸が頻度に対応する。また、図２０の左上のヒストグラムから反時計回りに、Ｎｄのドープ量がそれぞれ、０．３％、１．１％、４．８％、２．４％のヒストグラムを表している。表１、図２０から、５μｍより小さなグレインが存在せず、平均グレインサイズが５μｍ以上となるＮｄ：ＹＡＧセラミックス材料をレーザ媒質に用いると、局所モードへの分裂が生じることがわかる。
（実施形態５）
上述の実施形態においては、共振器として端面鏡共振器が用いられている。端面鏡共振器を用いることに限定されることなく、本発明においては共振器として外部共振器を用いることもできる。図２１は本発明の実施形態５に係るレーザ発振器の機能ブロック図である。外部共振器の内部に、平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミクスもしくはＹｂ：ＹＡＧセラミックスが、レーザ媒質材料として配置されている。
すなわち、本実施形態５に係るレーザ発振器は、レーザ光源１０１と、外部共振器２１０１を形成する平面鏡２１０２及び凹面鏡２１０５と、を有する。なお、実施形態1にお
ける構成と同様の構成については、同じ符号を用いて説明する。また、本実施形態５においては、外部共振器の平面鏡のレーザ媒質材料としてＮｄ：ＹＡＧセラミクスを用いて説明するが、上記の端面鏡共振器で説明したように、外部共振器においてもＹｂ：ＹＡＧセラミクスをレーザ媒質材料として用いることができる。
レーザ光源１０１は上記の実施形態１に係る本発明のレーザ光源１０１と同様であるため、ここでは説明は省略する。
外部共振器を形成する平面鏡２１０２は、レーザ媒質２１０３と、誘電多層膜による反射防止膜と高反射膜のコーティングが施された第１の面２１０４と、を有する。レーザ媒質２１０３には、Ｎｄのドープ量が１原子％で平均グレインサイズが１．１〜１．２μｍのＮｄ：ＹＡＧセラミクスを、１ｍｍの厚さの板状の形状にして用いた。平面鏡２１０２は、励起光の波長である８０８ｎｍにおいて、９５％以上が透過し、発振されるレーザ光の波長である１０６４ｎｍにおいて９９．８％以上を反射する。
外部共振器を形成する凹面鏡２１０５は、曲率半径が１０ｍｍの凹面である第２の面２１０６を有し、誘電多層膜による高反射膜のコーティングが施され、発振されるレーザ光の波長である１０６４ｎｍにおいて９９％を反射する。
外部共振器を形成する平面鏡２１０２がＮｄ：ＹＡＧセラミクスをレーザ媒質の材料として用いる場合には、励起光１０２の波長は、例えば、８０８ｎｍとする。
平面鏡２１０２と凹面鏡２１０５とは、５ｍｍの距離をおいて、第１の面２１０４と第２の面２１０６とが互いに向かい合うように設置される。レーザ光源１０１から平均ビーム径が８０μｍの励起光１０２が平面鏡２１０２を通してレーザ媒質であるセラミクスに入射すると、平面鏡２１０２と凹面鏡２１０５とにより反射された特定の波長のセラミクスの放射光のみが共振し、本実施形態５においては、１０６４ｎｍのレーザ光２１０３が発振される。
発振されたレーザ光２１０３の特性を測定し、比較するための装置は、実施形態１と同様であるため、ここでは説明は省略する。
図２２は、本実施形態５で発振されたレーザ光２１０３の特性の測定結果を示した図である。図２２のグラフは、横軸として、レーザ媒質に入射される励起光のパワー（Absorbed pump power (ｍＷ)）を振り、縦軸として発振されるレーザ光のパワー（Output power (ｍＷ)）を振ったグラフである。レーザ光の遠視野像（右下部）と、光スペクトル（左上部）により示されるように、本発明の実施形態５に係るレーザ発振器によれば、全ての励起パワーの領域において、局所モードへの分裂は生じることなく、単一周波数の発振がＴＥＭ００モードで達成されていることがわかる。
なお、上記では、平面鏡と凹面鏡とを用いる外部共振器を用いる場合について説明したが、外部共振器は平面鏡と凹面鏡とを用いるものに限定されることはない。例えば、凹面鏡−凹面鏡、凹面鏡−凸面鏡、平面鏡−平面鏡、など通常の各種の共振器を用いても同様
の特性が得られる。

Claims (13)

  1. 励起光を発振するレーザ光源と、
    前記励起光が入射される、平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスを有するレーザ媒質と、
    を有するレーザ発振器。
  2. 前記レーザ媒質の平均グレインサイズが４．８２μｍ以下である請求項１に記載のレーザ発振器。
  3. 前記レーザ媒質は、第１の誘電体多層膜を有する第１の面及び第２の誘電体多層膜を有する第２の面を有する請求項１または２に記載のレーザ発振器。
  4. 前記第１の誘電体多層膜は、反射防止膜及び高反射膜からなる多層膜であり、前記第２の誘電体多層膜は、高反射膜からなる多層膜である請求項３に記載のレーザ発振器。
  5. 前記第１の誘電体多層膜の透過率及び反射率は、それぞれ、９５％以上、９９．８％以上であり、且つ、前記第２の誘電体多層膜の反射率は、９７％以上である請求項４に記載のレーザ発振器。
  6. 前記レーザ媒質は、板状である請求項１乃至５の何れか一に記載のレーザ発振器。
  7. 前記レーザ媒質は、外部共振器に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
  8. 励起光を発振させ、
    平均グレインサイズが５μｍ以下のＮｄ：ＹＡＧセラミックスまたはＹｂ：ＹＡＧセラミックスを有するレーザ媒質に前記励起光を入射させるレーザ光の発振方法。
  9. 前記レーザ媒質の平均グレインサイズが４．８２μｍ以下である請求項８に記載のレーザ光の発振方法。
  10. 前記レーザ媒質は、第１の誘電体多層膜を有する第１の面及び第２の誘電体多層膜を有する第２の面を有する請求項８または９に記載のレーザ光の発振方法。
  11. 前記第１の誘電体多層膜は、反射防止膜及び高反射膜からなる多層膜であり、前記第２の誘電体多層膜は、高反射膜からなる多層膜である請求項１０に記載のレーザ光の発振方法。
  12. 前記第１の誘電体多層膜の透過率及び反射率は、それぞれ、９５％以上、９９．８％以上であり、且つ、前記第２の誘電体多層膜の反射率は、９７％以上である請求項１１に記載のレーザ光の発振方法。
  13. 前記レーザ媒質は、外部共振器に配置されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ光の発振方法。
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