JPWO2012160801A1 - 受動ｑスイッチ型固体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を提供すること。共振器を形成する二つの反射要素と、二つの反射要素間に配置された固体利得媒質と、二つの反射要素間に配置された可飽和吸収体と固体利得媒質を励起する励起手段と、固体利得媒質の誘導放出断面積及び可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、断面積制御手段は、固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、高ピークパワーパルスレーザを出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置に関する。
短パルスレーザを生成する技術にはモードロック技術とＱスイッチ技術がある。モードロック技術は、共振器の間隔で定まる縦モードを例えば電気光学変調素子で変調することでロックするものである。モードロック技術は、主にファイバレーザに適用され、モードロックファイバレーザ装置からはパルス時間幅が短い高繰り返し周波数のパルスレーザが得られやすい。しかし、得られるパルスレーザのパルスエネルギが小さいので、分光計測、材料処理、波長変換等に応用するためには、該パルスレーザを増幅する必要がある。
一方、Ｑスイッチ技術は、利得媒質が励起されている間、共振器の損失を大きくしてＱ値を下げておいて発振を抑えておき、急に損失を小さくしてＱ値を上げて発振させるものである。Ｑスイッチ技術は、主に固体レーザに適用され、Ｑスイッチ型固体レーザ装置からはパルスエネルギが大きい低繰り返し周波数のパルスレーザが得られやすい。
Ｑスイッチ型固体レーザ装置には電気光学変調素子のような能動素子でＱ値を変える能動型Ｑスイッチレーザ装置と、可飽和吸収体のような受動素子でＱ値を変える受動型Ｑスイッチレーザ装置とがある。
能動型Ｑスイッチレーザ装置は能動素子が大きいために共振器間隔を短くできず、パルスの時間幅を短くできない。また、能動型Ｑスイッチレーザ装置は能動素子を駆動するために高電圧を必要とするという問題も有していた。
受動型Ｑスイッチレーザ装置は上記能動型Ｑスイッチレーザ装置の問題を解消できることから、最近研究開発が盛んに行われている。
John J. Zayhowski は、Ｃｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）にＮｄ３+：ＹＡＧ（利得媒質）を拡散接合し、それを共振器ミラーでサンドイッチした受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献１参照。）。
このJohn J. Zayhowskiの装置では、共振器長を短くすることでピークパワーが高められており、最大繰り返し周波数７０ｋHｚで、パルス時間幅２１８ｐｓ、パルスエネルギ４μＪ（ピークパワー１８ｋＷ）が達成されている。
Yingxin Bai 等は、Ｎｄ３+：ＹＶＯ４（利得媒質）とＣｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）を用いた受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献２参照。）。
このYingxin Bai 等の装置では、利得媒質のビーム径を可飽和吸収体の有効ビーム径より大きくすることでパルス時間幅２８ｎｓ、パルスエネルギ２０μＪ（ピークパワー０．７ｋＷ）が達成されている。なお、この場合は励起手段に擬似CW専用のレーザダイオード（LD）を用いていることから、繰り返し周波数は数１０Hzから最大でも１００Hz程度に制限される。
H. Sakai等は、Ｎｄ３+：ＹＡＧ（利得媒質）とＣｒ４+：ＹＡＧ（可飽和吸収体）を用いた受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を開発した（例えば、非特許文献３参照。）。
H. Sakai等の装置では、利得媒質をマイクロチップ化することで共振器長を短くしてピークパワーが高められており、パルス時間幅５８０ｐｓ、パルスエネルギ０．６９ｍＪ（ピークパワー１．２ＭＷ）が達成されている。なお、この場合は、熱問題を低減するため最大でも繰り返し周波数が１００Hzに抑えられている。
John J. Zayhowski, " Microchip Lasers " Optical Materials, 11, 1999,PP256-267 Yingxin Bai, et al., "Passively Q-switched Nd:YVO4 laser with a Cr4+:YAGcrystal saturable absorber " Applied Optics, Vol.36,No.12,20 April 1997,pp2468-2472 H. Sakai, et al., ">1MW peak power single-mode high-brightnessQ-switched Nd3+:YAG microchip laser " Optics Express Vol.16,No.24,24November 2008, pp19891-19899
分光計測、材料処理、波長変換等に応用するためには、kHzを越えるような高繰り返し周波数でパルスエネルギが大きく、パルス時間幅が小さい高ピークパワーパルスレーザを発生する装置が望まれる。しかし、上記従来の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置では、高繰り返し特性を維持しながら高ピークパワーを達成することは困難であった。
本発明は、上記従来の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の問題に鑑みてなされたものであり、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを高繰り返しで出力する受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置を提供することを課題としている。
上記の課題を解決するためになされた本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、共振器を形成する複数の反射要素と、前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、 前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、前記固体利得媒質を励起する励起手段と、前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする。
固体利得媒質の誘導放出断面積が可飽和吸収体の吸収断面積に近いので、誘導放出光による可飽和吸収体のブリーチが高速かつ効率よく行われる。その結果、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを発生することができる。
また、前記所定の温度は室温以上であるとよい。
固体利得媒質を室温以下の低温に保持する場合に比べ、結露の問題がなくなり且つ温度制御手段の冷却能が低くてよい。
また、前記温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含むとよい。
固体利得媒質を高熱伝導率媒質でサンドイッチすると固体熱伝導を利用して固体利得媒質の面内温度分布を均一にすることできる。その結果、高パワーのＣＷ励起光で励起することができ、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを高繰り返しで出力することができる。
また、前記発振波長制御手段は、体積ブラッグ格子であるとよい。
発振波長のバンド幅を狭くすることができる。
また、前記固体利得媒質は、Ｎｄ：希土類バナデート単結晶を含むとよい。
Ｎｄ：希土類バナデート単結晶は、吸収係数及び利得断面積が大きいので、大きなパルスエネルギを取り出すことができる。さらに希土類バナデートの励起波長が近赤外にあるので、励起光源にレーザ・ダイオード・バーを用いることができる。その結果、装置の小型化を図ることができる。
また、前記高熱伝導率媒質はＳｉＣであるとよい。
ＳｉＣは、希土類バナデートの励起波長に透明であるので、利得媒質をサンドイッチしてエンドポンピング（端面励起）することができる。
また、前記Ｎｄ：希土類バナデートは、Ｎｄ：ＹＶＯ４であるとよい。
Ｎｄ：ＹＶＯ４は他のＮｄ：希土類バナデートより吸収係数及び利得断面積が大きいので、一層大きなパルスエネルギを取り出すことができる。
また、前記可飽和吸収体は、４価のＣｒをドープした単結晶を含むとよい。
４価のＣｒをドープした単結晶は、色素やＬｉ：Ｆ２結晶に比べ化学的及び熱的に安定で、ドーピング密度が高い。
また、前記４価のＣｒをドープした単結晶は、Ｃｒ４+：ＹＡＧであるとよい。
Ｃｒ４+：ＹＡＧは偏光依存吸収特性を示すので、偏光素子なしで偏光したレーザが出力される。
固体利得媒質の誘導放出断面積が可飽和吸収体の吸収断面積に近いので、誘導放出光による可飽和吸収体のブリーチが高速かつ効率よく行われる。その結果、パルスエネルギが大でパルス時間幅が小の高ピークパワーパルスレーザを発生することができる。
実施形態１に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。 パルス時間幅とパルスエネルギの温度依存性を示すグラフである。 温度をパラメータとした蛍光スペクトルを示すグラフである。 図３から求めた蛍光のピークと温度との関係を示すグラフである。 図３から求めた蛍光ピーク波長と温度との関係を示すグラフである。 パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性の実測値と計算値との比較を示すグラフである。 発振波長を選定して大きすぎる誘導放出断面積σｅを吸収断面積σａに近づけることを説明する模式図である。 実施形態２に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。 実施形態３に係る本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置の概略構成図である。 ＳｉＣの近赤外域における透過スペクトルである。
（実施形態１）
実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、図１に示すように、共振器を形成する二つの反射要素１ａ、１ｂと、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された固体利得媒質２と、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された可飽和吸収体３と、固体利得媒質２を励起する励起手段４と、固体利得媒質２の誘導放出断面積及び可飽和吸収体３の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段５とを備えている。
固体利得媒質２は、希土類バナデートにＮｄをドープしたＮｄ：希土類バナデート単結晶が好ましい。なお、Ｎｄ：希土類バナデートとしては、Ｎｄ：ＳｃＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＬａＶＯ４、Ｎｄ：ＣｅＶＯ４、Ｎｄ：ＰｒＶＯ４、Ｎｄ：ＮｄＶＯ４、Ｎｄ：ＰｍＶＯ４、Ｎｄ：ＳｍＶＯ４、Ｎｄ：ＥｕＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｎｄ：ＴｂＶＯ４、Ｎｄ：ＤｙＶＯ４、Ｎｄ：ＨｏＶＯ４、Ｎｄ：ＥｒＶＯ４、Ｎｄ：ＴｍＶＯ４、Ｎｄ：ＹｂＶＯ４、Ｎｄ：ＬｕＶＯ４が上げられる。このうち、現在までにレーザ作用が確認されているのはＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＰｒＶＯ４、Ｎｄ：ＮｄＶＯ４、Ｎｄ：ＨｏＶＯ４、Ｎｄ：ＥｒＶＯ４、Ｎｄ：ＴｍＶＯ４、Ｎｄ：ＹｂＶＯ４である。
Ｎｄ：希土類バナデート単結晶は、吸収係数及び利得断面積が大きいので、大きなパルスエネルギを取り出すことができる。さらに希土類バナデートの励起波長が近赤外にあるので、励起光源にレーザ・ダイオード・バーを用いることができる。その結果、装置の小型化を図ることができる。
本実施形態では固体利得媒質２としてＮｄ：ＹＶＯ４単結晶を用いた。Ｎｄ：ＹＶＯ４は、他のＮｄ：希土類バナデートより吸収係数及び利得断面積が大きいので、一層大きなパルスエネルギを取り出すことができる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２は、Ｎｄを１原子％ドープしたａ−カットの結晶で、厚さ１ｍｍ、一辺７ｍｍの矩形板である。
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の一方の面には発振波長λｅｍ（〜１０６４ｎｍ）の光に対して高反射率（反射率；Ｒ＞９９％）の膜が形成されており、この膜が共振器を形成する反射要素１ａである。なお、反射要素１ａは、後述する励起光を透過しやすくするため、励起光波長の光に対して高透過率（透過率；Ｔ＞９７％）を有している。
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の他方の面には発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜１ｃ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。
出力取り出し用の反射要素１ｂは、基板に形成された膜で、その膜は発振波長λｅｍの光に対して８０％の反射率（透過率Ｔ＝２０％）を有している。
可飽和吸収体３としては、固体可飽和吸収体、半導体可飽和吸収体、色素可飽和吸収体等いずれも用いることができるが、４価のＣｒをドープした単結晶が好ましい。
４価のＣｒをドープした単結晶は、色素やＬｉ：Ｆ２結晶に比べ、化学的及び熱的に安定で、ドーピング密度を高くすることができる。
本実施形態では固体利得媒質２としてNd:YVO4を採用しているため、利得の異方性により偏光素子なしで直線偏光したレーザが出力される。
Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶３の両面には、発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜３ａ、３ｂ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されており、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶３の発振波長λｅｍの光に対する初期透過率は７０％である。
励起手段４としては、Ｋｒアークランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等、いずれも用いることができるが、ＬＤが好ましい。
ＬＤは、Ｋｒアークランプ、ＬＥＤに比べ、利得媒質２の吸収波長にマッチした波長のコヒーレントな光を出すことができる。励起光が利得媒質２の吸収波長にマッチすることで、レーザ発振効率（出力パワー／入力パワー）を高くすることができる。励起光がコヒーレントであると、簡単な光学系で効率よく励起光を利得媒質２に照射することができる。
本実施形態では、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の吸収波長にマッチするように、８０８ｎｍ（約879nm、888nmなどのレーザ上準位直接励起を可能とする波長での励起も好ましい）の疑似ＣＷ動作可能なＣＷレーザ光（繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルス時間幅１５０μｓ、平均パワー２０Ｗ）を出力するファイバ結合型ＬＤ（ドイツ、Jenoptik JOLD-120-QPXF-2P）を用いた。
断面積制御手段５は、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。温度制御手段は、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５ａとジャケット５ａ内に一定の温度の溶媒を供給する冷熱源５ｂとを備えている。固体利得媒質２の周縁部がジャケット内を循環する溶媒に浸漬配置されている。
利得媒質の誘導放出断面積は、励起状態の原子数に比例する。励起状態の原子数は、温度が上昇すると減少するので、レーザ発振させるためには通常できるだけ利得媒質の温度を下げる。
ところで、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の誘導放出断面積σｅは、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶（可飽和吸収体）３の吸収断面積σaに比べ相対的に大きすぎる。そこで、本発明に係る実施形態１の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置においては、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度を上げてσｅを下げてσａに近づけている。
具体的には、温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を３０℃に保持した。なお、もっと強励起する場合は励起光とレーザ発振光間の量子欠損による発熱が大きく、レーザ媒質面内温度分布の均一性保持が困難になるため、熱伝導率の高い透明材料、例えばSiCをレーザ媒質断面に片方、または両方接合し、高出力動作での温度制御を図る必要がある（実施形態３参照。）。
上記構成の本発明に係る実施形態１の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置からピークパワー０．５ＭＷ（パルスエネルギ３３０μＪ、パルス時間幅８００ｐｓ）、繰り返し周波数１ｋＨｚのジャイアントパルスが得られた。
次に本発明を創出するに至った実験結果及び理論モデルを説明する。実験は図１に示す本実施形態の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置を使って行われた。実験では、温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を様々な温度に保持し、パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性が調べられた。
図２が得られたパルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性を示すグラフである。横軸がＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度、縦軸がパルスエネルギとパルス時間幅であり、曲線（イ）がパルスエネルギ、曲線（ロ）がパルス時間幅である。
図２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の温度を１６℃から３０℃に加熱すると、パルスエネルギが２μＪから１２μＪに、パルス時間幅が８０ｎｓから１０ｎｓに変化することを示している。図２から温度を１４℃高くすると、パルスエネルギが６倍高められ、パルス時間幅が８倍減少することがわかる。したがって、温度を１４℃高くすると、ピークパワーが４８倍高められることがわかる。
次に、上記図２の結果がもたらされるメカニズムを解明するために、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の蛍光スペクトルの温度依存性が調べられた。
図３が温度をパラメータとする蛍光スペクトルで、横軸が波長、縦軸が蛍光強度である。図４は、図３におけるピーク値と温度との関係を示すグラフであり、図５は、図３における中心波長と温度との関係を示すグラフである。
図３〜図５から、蛍光のピークと中心波長のシフト量が温度と線形関係にあることがわかる。このことは、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２の誘導放出断面積σｅが蛍光のピークに比例すると仮定すると、温度が１４℃高くなると蛍光のピークが１２％低下し、σｅが１２％減少することを意味する。
そこで、レーザ・レート・方程式（Laser Rate Equations）を導入して、モデル計算と測定値の比較を行った。
レーザ・レート・方程式から求まるパルスエネルギＥｐ、ピークパワーＰｐ及びパルス時間幅ｔｐは、次式のように表される（N. Pavel et al, “High Average Power Diode End-Pumped Composite
Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber”
Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40(2001)pp.1253-1259参照。）。
Ｅｐ＝（ｈνＡｇ／２σｅγｇ）ｌｎ（１／Ｒ）ｌｎ（ｎｇｉ／ｎｇｆ） （１）
Ｐｐ＝（ｈνＡｇｌｇ／γｇｔｒ）ｌｎ（１／Ｒ）ｎｇｉ［（１−ｎｇｔ／ｎｇｉ）
+｛ｐ（１−δ）（１−ｎα ｇｔ／ｎα ｇｉ）／α｝
+｛１−ｐ（１−δ）｝ｌｎ（ｎｇｔ／ｎｇｉ）］ （２）
ｔｐ＝Ｅｐ／Ｐｐ （３）
ここで、
α＝（γＳＡ／γｇ）（σａ／σｅ）（Ａｇ／ＡＳＡ） （４）
δ＝σＥＳＡ／σａ （５）
ｐ＝−ｌｎＴ０ ２／（−ｌｎＲ+Ｌ−ｌｎＴ０ ２） （６）
ここで、ｎｇｆは最終の分布反転密度、ｎｔｉは最大フォトン数での分布反転密度、ｎｇｉは初期の分布反転密度、σｅは利得媒質の誘導放出断面積、σａは可飽和吸収体の吸収断面積、σＥＳＡはＥＳＡ断面積、ｌｇは利得媒質の長さ、γｇは利得媒質の熱的な分布減少ファクタ、γＳＡは可飽和吸収体の熱的な分布減少ファクタ、Ｒは出力ミラーの反射率、Ｔ０は可飽和吸収体の初期透過率、Ｌは２方向残余の光損失、ｈはプランクの定数、νは振動数、Ａｇは利得媒質中の共振器モードの有効面積、ＡＳＡは可飽和吸収体中の共振器モードの有効面積である。
（１）〜（６）式を使って計算した計算値と測定値を図６に示す。図６の測定値は図２の測定値と同じである。
図６から計算値と測定値が良く合うことがわかる。このことは、１２％の誘導放出断面積の変更がパルス時間幅とパルスエネルギの強い温度依存性を十分説明できることを意味する。また、このことから上記のモデル式（１）〜（６）が妥当であることがわかる。
ところで、（４）式のαは、大きくすることで（非特許文献２参照）、パルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。しかし大きすぎると光損傷が発生するので適正な範囲に制御することが望ましい。
（４）式で（γＳＡ／γｇ）〜１、（Ａｇ／ＡＳＡ）〜１であるので、（σａ／σｅ）〜１でなければならない。したがって、（σａ／σｅ）〜１のときパルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。
上記のように、実験と理論モデルから利得媒質の温度を高くすると、利得媒質の誘導放出断面積σｅが可飽和吸収体の吸収断面積σａに近づいてパルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできることがわかったので、本発明が創出された。
本実施形態ではσａに比べてσｅが相対的に大きすぎるので、温度制御手段５で利得媒質２の温度を高く保持してσｅを小さくすることでσａに適正な値にまで近づけた。σａに比べてσｅが相対的に小さすぎる場合は、温度制御手段５で利得媒質２の温度を低く保持してσｅをσａに近づければよい。
一般に、温度が高くなると下の準位にある原子が減り、上の準位にある原子が増えるため、可飽和吸収体の吸収断面積は温度が高くなると小さくなる。逆に温度が低くなると吸収断面積は大きくなる。温度制御手段５を可飽和吸収体３に装着して可飽和吸収体３の温度を低温に保持するようにして、可飽和吸収体３の吸収断面積σｅを利得媒質２の誘導放出断面積σｅに近づけても良い。
上記のように、誘導放出断面積σｅが蛍光のピークに比例すると仮定した理論モデルの式を使って計算した値と、測定値が一致したので、図３の蛍光スペクトルは図７の（ハ）のように模式的に表される。一方、可飽和吸収体の吸収断面積σａは波長依存性が弱いので、図７の（ニ）のように模式的に表される。
通常、レーザ発振は蛍光のピーク（誘導放出断面積σｅのピーク）波長であるλｐで起こる。この場合、σｅ（λｐ）がσａ（λｐ）よりも相対的に大きすぎる場合、パルスエネルギを大きくし、パルス時間幅を小さくできない。
発振波長をλＲに固定することで、σｅ（λＲ）をσａ（λＲ）に適正な範囲に制御することが可能となり、パルスエネルギを大きくし、パルス時間幅を小さくすることができる。したがって、温度制御手段５で利得媒質２の温度を制御する代わりに、発振波長制御手段で発振波長をλＲに近づけることで、σｅをσａに近づけることができる。また、発振波長制御手段で発振波長をλＲに近づけることで、σｅをσａに適正な値に近づけることができる。
また、発振波長をλＱに固定することで、誘導放出断面積をσｅ（λＰ）からσｅ（λＱ）適正な値へと小さくして吸収断面積に近づけても良い。この場合、吸収断面積に見られる波長依存性から吸収断面積をσａ（λＲ）からσａ（λＱ）へと大きくして誘導放出断面積近づけたことにもなる。
（実施形態２）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は図８に示すように、図１に示す実施形態１の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置において、断面積制御手段である温度制御手段５の代わりに、発振波長制御手段５Ａを用いた以外は同じである。同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
発振波長制御手段５Ａは、共振器を構成する反射手段１ｂの役目も果たす光学要素であり、例えば、前記λＲの波長の光に対して高反射率で、それ以外の波長の光に対して低反射率である光学要素であればよい。例えば、発振波長制御手段５Ａとして回折格子、干渉ミラー、エタロン板などを用いることができる。
本実施形態では、発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いた。体積ブラッグ格子５Ａは、例えば、OptiGrate Corp.（米国）から購入することができる。発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いることで、発振波長をλＲに固定してσｅをσａに近づけることができる。また、発振波長制御手段５Ａに体積ブラッグ格子を用いることで発振波長のバンド幅を狭く（〜０．７ｎｍ）することができる。
（実施形態３）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、図９に示すように、共振器を形成する二つの反射要素１ａ、１ｂと、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された固体利得媒質２と、二つの反射要素１ａ、１ｂ間に配置された可飽和吸収体３と、固体利得媒質２を励起する励起手段４と、固体利得媒質２の誘導放出断面積及び可飽和吸収体３の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段５Ｂとを備えている。
本実施形態の固体利得媒質２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶であり、Ｎｄを１原子％ドープしたａ−カットの結晶で、厚さ１ｍｍ、一辺７ｍｍの矩形板である。
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の一方の面には発振波長λｅｍ（〜１０６４ｎｍ）の光に対して高反射率（反射率；Ｒ＝９９．９９％）の膜が形成されており、この膜が共振器を形成する反射要素１ａである。なお、反射要素１ａは、後述する励起光を透過しやすくするため、励起光波長の光に対して高透過率（透過率；Ｔ＞９７％）を有している。
Ｎｄ：ＹＶＯ４単結晶２の他方の面には発振波長λｅｍの光に対して反射防止膜１ｃ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。この反射防止膜１ｃは、励起光に対しては高反射率を有している。
出力取り出し用の反射要素１ｂは、可飽和吸収体３に形成された膜で、その膜は発振波長λｅｍ（＝１０６４ｎｍ）の光に対して８０％の反射率（透過率Ｔ＝２０％）を有している。
可飽和吸収体３は、１１０カットＣｒ４+：ＹＡＧ単結晶で、反射要素１ｂの反対側には発振波長λｅｍの光に対する反射防止膜３ａ（反射率；Ｒ＜０．１％）が形成されている。
本実施形態の励起手段４には、発振波長８０８ｎｍ、出力１００ＷのＣＷ／ＱＣＷレーザダイオード或いは発振波長８８０ｎｍ、出力１８０ＷのＣＷ／ＱＣＷレーザダイオードが用いられる。
本実施形態の断面積制御手段５Ｂは、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。温度制御手段５Ｂは、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５Ｂａと固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃを備えている。
固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃは、励起光及び発振光に対して透明である必要があり、図１０に示すような透過スペクトルを有するＳｉＣ単結晶を用いた。すなわち、ＳｉＣ単結晶は、金属並みの高い熱伝導率を有し、８００ｎｍ〜１１００ｎｍに渡って高い透過率を有しているので、固体利得媒質２をサンドイッチする媒質として優れている。
一対のＳｉＣ単結晶５Ｂｃのうち、励起光がエンドポンプされる面には励起光波長に対して高透過率を有する膜５Ｂｄが形成されている。また、可飽和吸収体３に対向する面には発振波長に対する反射防止膜５Ｂｅが形成されており、キャビテー内の損失を低くしている。
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、厚さ１ｍｍの利得媒質２を一対のＳｉＣ単結晶５Ｂｅでサンドイッチして固体熱伝導を利用して温度制御するので、利得媒質２の面内温度分布の均一性が保持される。その結果、励起光パワーを上げて高ピークパワー高繰り返し周波数のジャイアントパルスレーザを得ることができる。
１ａ、１ｂ・・・・・・・共振器を形成する二つの反射要素
２・・・・・・・・・・・固体利得媒質（Ｎｄ：希土類バナデート単結晶）
３・・・・・・・・・・・可飽和吸収体（Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶）
４・・・・・・・・・・・励起手段
５、５Ａ、５Ｂ・・・・・断面積制御手段（温度制御手段、発振波長制御手段）
５Ｂｃ・・・・・・・・高熱伝導率媒質（ＳｉＣ）
上記の課題を解決するためになされた本発明の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は、共振器を形成する複数の反射要素と、前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、前記固体利得媒質を励起する励起手段と、前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、を有し、前記断面積制御手段は、前記可飽和吸収体を所定の温度に保持する吸収体温度制御手段を備えることを特徴とする。前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する利得媒質温度制御手段及び或いは発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段を備えるとよい。
また、前記利得媒質温度制御手段で保持する所定の温度は室温以上であるとよい。
また、前記利得媒質温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含むとよい。
断面積制御手段５は、固体利得媒質２を所定の温度に保持する利得媒質温度制御手段である。利得媒質温度制御手段は、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５ａとジャケット５ａ内に一定の温度の溶媒を供給する冷熱源５ｂとを備えている。固体利得媒質２の周縁部がジャケット内を循環する溶媒に浸漬配置されている。
具体的には、利得媒質温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を３０℃に保持した。なお、もっと強励起する場合は励起光とレーザ発振光間の量子欠損による発熱が大きく、レーザ媒質面内温度分布の均一性保持が困難になるため、熱伝導率の高い透明材料、例えばSiCをレーザ媒質断面に片方、または両方接合し、高出力動作での温度制御を図る必要がある（実施形態３参照。）。
次に本発明を創出するに至った実験結果及び理論モデルを説明する。実験は図１に示す本実施形態の受動型固体Ｑスイッチレーザ装置を使って行われた。実験では、利得媒質温度制御手段５でＮｄ：ＹＶＯ４単結晶（利得媒質）２を様々な温度に保持し、パルスエネルギとパルス時間幅の温度依存性が調べられた。
レーザ・レート・方程式から求まるパルスエネルギＥｐ、ピークパワーＰｐ及びパルス時間幅ｔｐは、次式のように表される（N. Pavel et al, “High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber” Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40(2001)pp.1253-1259（非特許文献４）参照。）。
ところで、（４）式のαは、大きくすることで（非特許文献４参照）、パルスエネルギを大きく、パルス時間幅を小さくできる。しかし大きすぎると光損傷が発生するので適正な範囲に制御することが望ましい。
本実施形態ではσaに比べσｅが相対的に大きすぎるので、利得媒質温度制御手段５で利得媒質２の温度を高く保持してσｅを小さくすることでσａに適正な値にまで近づけた。σａに比べてσeが相対的に小さすぎる場合は、利得媒質温度制御手段５で利得媒質２の温度を低く保持してσｅをσａに近づければよい。
一般に、温度が高くなると下の準位にある原子が減り、上の準位にある原子が増えるため、可飽和吸収体の吸収断面積は温度が高くなると小さくなる。逆に温度が低くなると吸収断面積は大きくなる。利得媒質温度制御手段５を可飽和吸収体３に装着して可飽和吸収体３の温度を低温に保持するようにして、可飽和吸収体３の吸収断面積σａを利得媒質２の誘導放出断面積σｅに近づけても良い。
（実施形態２）
本実施形態の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置は図８に示すように、図１に示す実施形態１の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置において、断面積制御手段である利得媒質温度制御手段５の代わりに、発振波長制御手段５Ａを用いた以外は同じである。同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の断面積制御手段５Ｂは、固体利得媒質２を所定の温度に保持する温度制御手段である。利得媒質温度制御手段５Ｂは、溶媒が循環するドーナツ状のジャケット５Ｂａと固体利得媒質２をサンドイッチする一対の高熱伝導率媒質５Ｂｃを備えている。
１ａ、１ｂ・・・・・・・共振器を形成する二つの反射要素
２・・・・・・・・・・・固体利得媒質（Ｎｄ：希土類バナデート単結晶）
３・・・・・・・・・・・可飽和吸収体（Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶）
４・・・・・・・・・・・励起手段
５、５Ａ、５Ｂ・・・・・断面積制御手段（利得媒質温度制御手段、発振波長制御手段）
５Ｂｃ・・・・・・・・高熱伝導率媒質（ＳｉＣ）

Claims (9)

  1. 共振器を形成する複数の反射要素と、
    前記共振器内部に配置された固体利得媒質と、
    前記共振器内部に配置された可飽和吸収体と、
    前記固体利得媒質を励起する励起手段と、
    前記固体利得媒質の誘導放出断面積及び前記可飽和吸収体の吸収断面積の少なくとも一方を他方に近づける断面積制御手段と、
    を有し、
    前記断面積制御手段は、前記固体利得媒質を所定の温度に保持する温度制御手段と発振波長を所定の波長に固定する発振波長制御手段の少なくとも一方或いは両方を備えることを特徴とする受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  2. 前記所定の温度は室温以上である請求項１に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  3. 前記温度制御手段は、前記固体利得媒質をサンドイッチする高熱伝導率媒質を含む請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  4. 前記発振波長制御手段は、体積ブラッグ格子である請求項１〜３のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  5. 前記固体利得媒質は、Ｎｄ：希土類バナデート単結晶を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  6. 前記高熱伝導率媒質はＳｉＣである請求項３〜５のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  7. 前記Ｎｄ：希土類バナデートは、Ｎｄ：ＹＶＯ４である請求項５に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  8. 前記可飽和吸収体は、４価のＣｒをドープした単結晶を含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
  9. 前記４価のＣｒをドープした単結晶は、Ｃｒ４+：ＹＡＧ単結晶である請求項８に記載の受動Ｑスイッチ型固体レーザ装置。
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