WO2013051354A1 - 太陽光励起レーザー装置、太陽光励起増幅装置および光増幅ガラス - Google Patents

太陽光励起レーザー装置、太陽光励起増幅装置および光増幅ガラス Download PDF

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盛輝 大原
勇也 嶋田
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旭硝子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillation device, a sunlight excitation amplification device, and an optical amplification glass having a gain medium that is typically excited by sunlight.
  • YAG crystals or YAG ceramics to which Nd is added exhibit high-efficiency optical amplification characteristics when excited by a laser diode having an excitation wavelength of 808 nm (see Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 1 when light having a wide wavelength range such as sunlight is used as excitation light, as shown in Non-Patent Document 1, a continuous wavelength is used in a YAG crystal or YAG ceramic having a fine structure in absorption. There was a problem that light could not be absorbed efficiently.
  • An object of the present invention is to provide a solar light excitation laser oscillation device, a solar light excitation amplification device, and an optical amplification glass that can solve such problems.
  • the present invention provides a sunlight-excited laser oscillation device (hereinafter sometimes referred to as the laser oscillation device of the present invention) in which the gain medium is Nd-containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 glass. Furthermore, Nd-containing B 2 O 3 -Bi 2 O 3 glass, a B 2 O 3 20 ⁇ 65 mol%, is added Nd 2 O 3 and Bi 2 O 3 in the matrix glass containing from 10 to 48 mol% The solar-excited laser oscillation device is provided. Further, providing the solar light pumped laser oscillator device matrix glass contains more than 60 mol% of TeO 2. In addition, the solar light excitation laser oscillation device in which the matrix glass does not contain SiO 2 is provided.
  • the present invention provides the above solar-excited laser oscillation device, wherein the addition ratio of Nd 2 O 3 is 0.003 to 0.025 in terms of molar ratio with respect to the matrix glass.
  • the solar light excitation laser oscillation device in which the Nd-containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 glass contains Yb is provided.
  • the present invention provides the solar-pumped laser oscillation device in which the addition ratio of Yb 2 O 3 is 0.001 to 0.025 in molar ratio with respect to the matrix glass.
  • a solar light excitation amplifying device that amplifies light incident on the gain medium by exciting a gain medium made of Nd-containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 glass with sunlight (hereinafter referred to as the amplifying device of the present invention). There is.)
  • Nd-containing B 2 O 3 -Bi 2 O 3 glass a B 2 O 3 20 ⁇ 65 mol%, is added Nd 2 O 3 and Bi 2 O 3 in the matrix glass containing from 10 to 48 mol%
  • the solar light excitation amplifying device is provided. Further, providing the solar light pumped amplifying device matrix glass contains more than 60 mol% of TeO 2. Further, the matrix glass to provide the solar light pumped amplifier containing no SiO 2. Further, the present invention provides the solar light excitation amplification device, wherein the addition ratio of Nd 2 O 3 is 0.003 to 0.025 in molar ratio with respect to the matrix glass.
  • the solar light excitation amplification device is provided in which the Nd-containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 glass contains Yb.
  • the present invention provides the solar-excited amplification device, wherein the addition ratio of Yb 2 O 3 is 0.001 to 0.025 in terms of a molar ratio with respect to the matrix glass.
  • Nd 2 O 3 is added to a matrix glass containing 20 to 65 mol% of B 2 O 3 and 10 to 48 mol% of Bi 2 O 3 , and the addition ratio is set to a molar ratio of 0.
  • An optical amplifying glass (hereinafter, sometimes referred to as glass of the present invention) having a temperature of 003 to 0.025 is provided.
  • the optical amplification glass in which the matrix glass does not contain SiO 2 is provided.
  • the said optical amplification glass containing Yb is provided.
  • the present invention provides the light amplification glass in which the addition ratio of Yb 2 O 3 is 0.001 to 0.025 in terms of a molar ratio with respect to the matrix glass.
  • the gain medium or the light amplification glass is excited by continuous light, light can be efficiently absorbed. As a result, a large gain can be obtained and laser light can be obtained with high efficiency.
  • the size of the gain medium or the light amplification glass can be reduced, and the ratio of the surface area to the volume is increased, so that heat dissipation is facilitated.
  • glass can be formed by heating and melting raw materials and pouring out the molten glass, a gain medium or light amplification glass can be easily produced, and mass production is also possible.
  • a gain medium is provided between a resonator including a mirror (reflection mirror) having a reflectance of 90% or more and a mirror (output mirror) having a reflectance of 50% or less.
  • Nd-containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 glass is disposed, and light such as sunlight is introduced into a gain medium by a lens, a mirror, or the like.
  • the introduction of sunlight into the gain medium may be performed by two stages of light collection as required.
  • the excitation light is typically continuous light such as sunlight.
  • the gain medium is irradiated from its side surface using a lens, but is not limited thereto.
  • a lens in that case, for example, a Fresnel lens can be used.
  • “excited by sunlight” includes not only sunlight but also excitation by continuous light.
  • the amplifying apparatus of the present invention may introduce continuous light such as sunlight into a gain medium by using a lens or a mirror as excitation light, and may perform two-stage condensing as necessary. Normally, simultaneously with the introduction of the pumping light, light having a wavelength to be amplified (signal light) is introduced into the gain medium, but the present invention is not limited to this.
  • the shape of the gain medium is not limited, and may be, for example, a rod shape or a plate shape.
  • the rod-shaped gain medium has a diameter of 3 mm and a length of 80 mm, for example, and the plate-shaped gain medium has a size of 30 mm square and a thickness of 3 mm, for example.
  • FIG. 1 and 2 are schematic configurations of the laser oscillation apparatus of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an aspect of the laser oscillation device of the present invention.
  • the sunlight 10 excites the gain medium 40 by the condenser lens 20.
  • a laser beam 50 is obtained by a resonator constituted by the reflection mirror 30 and the output mirror 31.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of another aspect of the laser oscillation device of the present invention.
  • the sunlight collected by the condenser lens 20 is directly introduced into the gain medium 40 as well as being reflected by the reflecting surface 21 in addition to being directly introduced into the gain medium 40.
  • the reflecting surface 21 for example, a shape obtained by cutting a part of a cone or a polygonal pyramid can be used.
  • a laser beam 50 is obtained by a resonator constituted by the reflection mirror 32 and the output mirror 33.
  • FIG. 3 and 4 are schematic configurations of the amplifying apparatus of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of one aspect of the amplifying apparatus of the present invention.
  • the signal light 60 is amplified by the gain medium 40 excited by the sunlight 10 collected by the condenser lens 20, and the amplified light 70 is obtained.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of another aspect of the laser apparatus of the present invention.
  • the signal light 60 is amplified by the gain medium 41 excited by the sunlight 10 collected by the secondary condenser lens 22, and the amplified light 70 is obtained.
  • the 4 F 3/2 level to the 4 I 11/2 level of Nd 3+ Light amplification is performed using stimulated emission to the position.
  • This optical amplification is suitable for amplification of light having a wavelength of 1.0 to 1.2 ⁇ m.
  • This optical amplification is suitable for amplification of light having a wavelength of 0.9 to 1.2 ⁇ m.
  • the intensity of the laser light can be amplified by making continuous light such as sunlight and laser light incident on the laser oscillation device or amplification device of the present invention or the glass of the present invention.
  • Y and Y ′ are indicators of the ease of light emission, but Y is an indicator of the ease of light emission by Nd and is preferably 140 eV ⁇ ms or more, and Y ′ is easy to emit light by Nd and Yb. It is preferable that the index is 770 eV ⁇ ms or more.
  • the gain medium or the like of the present invention is stable as glass because it contains glass network former B 2 O 3 as a main component, and also contains Bi 2 O 3 as another main component. Quenching hardly occurs, and since both B 2 O 3 and Bi 2 O 3 are contained, it is thermally stable.
  • the gain medium or the glass constituting the gain medium is superior in terms of solubility at a high temperature when the glass is produced as compared with the case where the glass constituting the gain medium is SiO 2 glass.
  • the content of each component in the glass is in principle expressed in terms of mole percentage, but in the following, “mol%” is simply referred to as “%”.
  • the gain medium or the like of the present invention is a glass in which Nd is added to a matrix glass containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 , and the matrix glass is preferably one that can be easily vitrified. thereof include B 2 O 3 20 to 65% of Bi 2 O 3 to amount of 10 to 48 percent.
  • the gain medium or the like of the present invention contains Yb
  • the gain medium or the like of the present invention is a glass in which Nd and Yb are added to a matrix glass containing B 2 O 3 —Bi 2 O 3 .
  • Nd and Yb are moles of the matrix glass. It is displayed as a ratio.
  • B 2 O 3 is a network former and is an essential component that suppresses crystal precipitation during glass production and facilitates glass formation. If it is less than 20%, vitrification becomes difficult. Preferably it is 25% or more, more preferably 30% or more, and particularly preferably 33% or more. If it exceeds 65%, the emission intensity decreases. Preferably it is 60% or less, more preferably 50% or less, and particularly preferably 45% or less.
  • Bi 2 O 3 is an essential component. If the content is less than 10%, vitrification may be difficult, or when the amount of Nd added is increased, the emission intensity may be lowered by relaxation without radiation, that is, concentration quenching may occur. is there. It is preferably 15% or more, more preferably 20% or more, particularly preferably 25% or more, and most preferably 30% or more. If it exceeds 48%, vitrification becomes difficult. It is preferably 45% or less, more preferably 42% or less, and particularly preferably 40% or less.
  • TeO 2 may be contained.
  • the TeO 2 content is preferably 5 to 60 mol%. If it is less than 5%, it is difficult to achieve the above-mentioned purpose, more preferably 10% or more, and typically 15% or more. If it exceeds 60%, the glass tends to devitrify, more preferably 50% or less, and typically 35% or less.
  • the typical matrix glass of the gain medium of the present invention or the matrix glass of the glass of the present invention consists essentially of these three components, but may contain other components as long as the object of the present invention is not impaired. . Even in that case, the total content of the three components is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, particularly preferably 85% or more, and typically 90% or more.
  • SiO 2 may be contained as a network former to stabilize the glass.
  • the effect is small at less than 1%.
  • it is 2% or more, more preferably 5% or more. If it exceeds 15%, the melting temperature rises.
  • it is 10% or less, More preferably, it is 8% or less.
  • it is preferable not to contain SiO 2 .
  • La 2 O 3 has the effect of making concentration quenching less likely to occur or the effect of increasing the emission intensity, and may be contained up to 4%. If it exceeds 4%, devitrification tends to occur. More preferably, it is 3% or less. When La 2 O 3 is contained, the content is preferably 0.5% or more. More preferably, it is 1% or more, and particularly preferably 2% or more. If you want to absorb the energy of the excitation light and cause energy transfer to Nd, add Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Ho 2 O 3 , CrO, etc. Also good. In particular, when Yb 2 O 3 is added together with Nd 2 O 3 , energy transfer from excited Nd to Yb occurs, and strong Yb emission is obtained.
  • Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO 2 , ZnO, GeO 2 , TiO 2 , In 2 O 3 , P 2 O 5, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 and the like may be contained.
  • Nd the content of Nd. Note that the content of Nd is displayed using a molar ratio of Nd 2 O 3 to the matrix glass, assuming that Nd is added to the matrix glass as Nd 2 O 3 .
  • Nd 2 O 3 is less than 0.003, sufficient amplification cannot be obtained, or there is a possibility.
  • it is 0.005 or more, More preferably, it is 0.01 or more.
  • the addition ratio of Nd 2 O 3 is preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more.
  • it is 0.02 or less.
  • the addition ratio of Nd 2 O 3 is preferably 0.02 or less, more preferably 0.01 or less.
  • the Yb content when Yb is added will be described.
  • the content of Yb is displayed using a molar ratio matrix glass of Yb 2 O 3 in terms of Yb as was added to the matrix glass as Yb 2 O 3.
  • the addition ratio is preferably 0.001 to 0.025. If it is less than 0.001, sufficient amplification cannot be obtained, or there is a possibility. Preferably it is 0.005 or more, More preferably, it is 0.008 or more.
  • the addition ratio of Yb 2 O 3 is preferably 0.005 or more, more preferably 0.008 or more.
  • the addition ratio of Yb 2 O 3 is preferably 0.02 or less, more preferably 0.01 or less.
  • the method for producing the glass of the present invention and the glass of the gain medium of the present invention is not particularly limited.
  • the raw materials are prepared and mixed, and placed in a gold crucible, alumina crucible, quartz crucible or iridium crucible, and 800-1300 It can be produced by a melting method in which it is dissolved in air at 0 ° C. and the resulting melt is cast into a predetermined mold.
  • the addition ratios of Nd 2 O 3 and Yb 2 O 3 are those obtained by multiplying their molar ratio to the matrix glass by 100 times.
  • the glasses of Examples 1 to 13 and Examples 15 to 22 each having a composition in which the content of other components is expressed in terms of mol% were prepared by a melting method.
  • Examples 1 to 10 and 15 to 21 are examples.
  • Examples 11 and 12 are comparative examples in which glass cannot be obtained by devitrification.
  • Examples 13 and 22 are also comparative examples.
  • an emission intensity area E in a range from a wavelength of 990 nm (1.25 eV) to a wavelength of 1180 nm (1.05 eV), a wavelength of 977 nm.
  • emission lifetime ⁇ (977) at a wavelength of 977 nm, and emission lifetime ⁇ (1064) at a wavelength of 1064 nm (unit) : Ms) are shown in Tables 1 to 3.
  • the area E of the emission intensity is a relative value when E of Nd-containing YAG ceramics (trade name: transparent YAG ceramics) manufactured by Kamishima Chemical Co., Ltd. in Example 14 is 1, and E (977) and E (1064). ) Is a relative value when E (1064) in Example 2 is 1.
  • Example 1 to 4 the matrix glass is the same, but the addition ratio of Nd 2 O 3 is different. It can be seen that the absorbance increases as the ratio of Nd 2 O 3 added increases.
  • Y which is an indicator of easiness of light emission, is 140 eV ⁇ ms or more, but in Example 13 which is a comparative example, the value is as small as 15 eV ⁇ ms. .
  • Example 1 Example 2, Example 15, Example 3 that does not contain Yb 2 O 3 and Example 19, Examples 16 to 18, Example 20, and Example 21 to which Yb 2 O 3 is added are compared, Yb 2 It can be seen that the addition of O 3 increases Y ′, which is an index of the ease of light emission, to 778 eV ⁇ ms or more.
  • FIG. 5 shows the absorption spectrum of Example 2.
  • the vertical axis is absorbance: Absorption coefficient (unit: / cm), and the horizontal axis represents photon energy (unit: eV).
  • FIG. 6 shows an absorption spectrum of the Nd-containing YAG ceramic of Example 14 in which the Nd 2 O 3 addition ratio is 0.01 in terms of a molar ratio to the YAG ceramic.
  • the absorption peak of the glass of the present invention is 13.5 / cm
  • the absorption peak of FIG. 6 for comparison is 5.6 / cm
  • the Nd 2 O 3 addition ratio is the same despite the same addition ratio. It can be seen that the absorption of glass is large.
  • FIG. 7 shows the emission intensity spectra of Example 2 and Example 17.
  • the vertical axis represents emission intensity in arbitrary units: Emission intensity
  • the horizontal axis represents wavelength: Wavelength (unit: nm).
  • the Nd 2 O 3 addition ratio is the same in both Example 2 and Example 17. However, in Example 17, 0.01 is added in a molar ratio of Yb 2 O 3 , and thus the emission intensity is increased.
  • It can be used to amplify light using solar energy as an excitation light source. Moreover, it can utilize for the laser apparatus which converts sunlight into a laser beam. Also, it can be used for an optical amplifier having a wavelength of 1.0 to 1.2 ⁇ m.

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Abstract

　太陽光を効率よく吸収してレーザー発振できるレーザー発振装置の提供。　利得媒体がＮｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスである太陽光励起レーザー発振装置。利得媒体がＹｂを含有する前記太陽光励起レーザー発振装置。Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスのマトリクスガラスがＢ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するものである前記太陽光励起レーザー発振装置。

Description

太陽光励起レーザー装置、太陽光励起増幅装置および光増幅ガラス
　本発明は、典型的には太陽光により励起される利得媒体を有するレーザー発振装置および太陽光励起増幅装置ならびに光増幅ガラスに関する。
　近年、エネルギー問題解決のために、自然エネルギーの有効活用について活発に研究開発が行われている。特に太陽のエネルギーを利用した太陽光発電や太陽熱発電などは実用化に至っている。一方で、新たな太陽エネルギーの活用方法として、太陽光のエネルギーをレーザー光に変換し、そのレーザー光を用いて金属を精錬することが提案されている（特許文献１、２参照）。レーザー媒体としては、Ｎｄを添加したＹＡＧなどの結晶もしくはセラミックが使用されている。
　また、Ｎｄを添加したＹＡＧ結晶もしくはＹＡＧセラミックスは、励起波長８０８ｎｍのレーザーダイオードで励起することにより、高効率な光増幅特性を示している（非特許文献１参照）。
国際公開第２００９／１２８５１０号パンフレット 国際公開第２０１０／０５０４５０号パンフレット
Ｊ．Ｌｕ、外８名，「Ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｌｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｌａｓｅｒ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｄ：ＹＡＧ　ｃｅｒａｍｉｃｓ」，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ ，第７１巻，２０００年，ｐ．４６９－４７３
　レーザーダイオードなどでは吸収係数の大きい特定の波長で励起することにより、高効率な増幅特性が得られる。
  しかし、太陽光などの広い波長範囲を持った光を励起光とする場合、非特許文献１で示されているように吸収に微細構造をもったＹＡＧ結晶もしくはＹＡＧセラミックスなどでは連続的な波長の光を効率よく吸収できない問題があった。
　また、利得を大きくするためにはサイズを大きくしなければならないが、そのためにはＹＡＧ結晶もしくはＹＡＧセラミックスが熱割れしないための対策が必要であった。
  また、ＹＡＧ結晶では、製造に時間がかかり大量生産できない問題があった。
  本発明はこのような問題を解決できる太陽光励起レーザー発振装置、太陽光励起増幅装置および光増幅ガラスの提供を目的とする。
　本発明は、利得媒体がＮｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスである太陽光励起レーザー発振装置（以下、本発明のレーザー発振装置ということがある。）を提供する。
  また、Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスが、Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されているガラスである前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
  また、マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
  また、マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
  また、Ｎｄ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
　また、Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスがＹｂを含有する前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
  また、Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である前記太陽光励起レーザー発振装置を提供する。
　また、Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスからなる利得媒体を太陽光によって励起して当該利得媒体に入射した光の増幅を行う太陽光励起増幅装置（以下、本発明の増幅装置ということがある。）を提供する。
　また、Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスが、Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されているガラスである前記太陽光励起増幅装置を提供する。
  また、マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する前記太陽光励起増幅装置を提供する。
  また、マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない前記太陽光励起増幅装置を提供する。
  また、Ｎｄ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である前記太陽光励起増幅装置を提供する。
　また、Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスがＹｂを含有する前記太陽光励起増幅装置を提供する。
  また、Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である前記太陽光励起増幅装置を提供する。
　また、Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されており、その添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である光増幅ガラス（以下、本発明のガラスということがある。）を提供する。
  また、マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する前記光増幅ガラスを提供する。
  また、マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない前記光増幅ガラスを提供する。
　また、Ｙｂを含有する前記光増幅ガラスを提供する。
  また、Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である前記光増幅ガラスを提供する。
　本発明によれば、連続光により利得媒体または光増幅ガラスを励起しても、効率よく光を吸収することが可能となる。その結果、大きな利得が得られ、高い効率でレーザー光を得ることができる。
  また、利得媒体または光増幅ガラスのサイズを小さくすることが可能となり、体積に対する表面積の割合が大きくなって放熱しやすくなる。
  また、ガラスは原料を加熱溶融して、溶融ガラスを流し出すなどして成形することが可能なので、容易に利得媒体または光増幅ガラスを作製でき、大量生産もできる。
本発明の太陽光励起レーザー発振装置の概念図である。 本発明の太陽光励起レーザー発振装置の別の概念図である。 本発明の太陽光励起増幅装置の概念図である。 本発明の太陽光励起増幅装置の別の概念図である。 本発明の光増幅ガラスの吸収スペクトルを示す図である。 Ｎｄ添加ＹＡＧセラミックスの吸収スペクトルを示す図である。 Ｎｄが添加されている本発明の光増幅ガラス（例２）とＮｄの他にＹｂが添加されている本発明の光増幅ガラス（例１７）の発光強度スペクトルを示す図である。
　本発明のレーザー発振装置においては典型的には、反射率が９０％以上であるミラー（反射ミラー）と反射率が５０％以下のミラー（出力ミラー）とからなる共振器の間に利得媒体たるＮｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスが配置され、太陽光などの光の利得媒体への導入はレンズやミラーなどによって行われる。太陽光の利得媒体への導入は必要に応じて２段階の集光によって行ってもよい。また、励起光は太陽光などの連続光であることが典型であり、通常はレンズを用いて利得媒体にその側面から照射されるが、これに限定されない。その場合のレンズとしては、たとえばフレネルレンズを用いることができる。なお、本明細書においてたとえば「太陽光により励起される」とは、太陽光に限らず連続光などにより励起される場合を含む。
  本発明の増幅装置は典型的には、太陽光などの連続光を励起光としてレンズやミラーなどによって利得媒体に導入し、その際必要に応じて２段階の集光を行ってもよい。また、通常は励起光導入と同時に、増幅されるべき波長の光（信号光）が利得媒体に導入されるが、これに限定されない。
  利得媒体の形状は限定されず、たとえばロッド状でもよいし板状でもよい。ロッド状利得媒体のサイズはたとえば直径３ｍｍ、長さ８０ｍｍであり、板状利得媒体のサイズはたとえば３０ｍｍ角で厚みが３ｍｍである。また、本発明のガラスをコアとし、そのまわりをコアより屈折率の低いクラッド材料で覆った構造としてもよい。
　図１および図２は、本発明のレーザー発振装置の概要構成である。
  図１は、本発明のレーザー発振装置の一態様の概要構成を示す概念図である。太陽光１０は集光レンズ２０によって利得媒体４０を励起する。反射ミラー３０と出力ミラー３１により構成された共振器によって、レーザー光５０が得られる。
　図２は、本発明のレーザー発振装置の別の態様の概要構成を示す概念図である。集光レンズ２０によって集光された太陽光は、直接利得媒体４０に導入される他、反射面２１によって反射することによっても利得媒体４０に導入される。反射面２１として、たとえば、円錐や多角錐の一部を切り取った形状を用いることができる。反射ミラー３２と出力ミラー３３により構成された共振器によって、レーザー光５０が得られる。
　図３および図４は、本発明の増幅装置の概要構成である。
  図３は、本発明の増幅装置の一態様の概要構成を示す概念図である。信号光６０は、集光レンズ２０によって集光された太陽光１０により励起された利得媒体４０によって増幅され、増幅光７０が得られる。
  図４は、本発明のレーザー装置の別の態様の概要構成を示す概念図である。信号光６０は、２次集光レンズ２２によって集光された太陽光１０により励起された利得媒体４１によって増幅され、増幅光７０が得られる。
　本発明のレーザー発振装置および増幅装置の利得媒体（以下、本発明の利得媒体ということがある。）ならびに本発明のガラスにおいてはＮｄ３＋の４Ｆ３／２準位から４Ｉ１１／２準位への誘導放出を利用して光増幅が行われる。
  この光増幅は１．０～１．２μｍの波長の光の増幅に好適である。
　さらにＮｄ２Ｏ３とともにＹｂ２Ｏ３を添加することにより、Ｎｄ３＋の４Ｆ3／２準位からＹｂ３＋の２Ｆ５／２へのエネルギーシフトが起き、より大きな光増幅が行われる。
  この光増幅は０．９～１．２μｍの波長の光の増幅に好適である。
また、太陽光などの連続光とレーザー光とを、本発明のレーザー発振装置もしくは増幅装置または本発明のガラスに入射することにより、レーザー光の強度を増幅することができる。
　本発明の利得媒体およびガラス（以下、本発明の利得媒体等ということがある。）は１．２ｅＶ（波長１０３３ｎｍ）から３ｅＶ（波長４１３ｎｍ）までの光を効率よく吸収できることが好ましい。そのようなものであると太陽光などの連続光でも効率よく励起できる。
  この観点からは、本発明の利得媒体等における２．３３ｅＶ（波長５３２ｎｍ）の光で励起した時の、波長１０６４ｎｍ（光子エネルギー＝１．１６５ｅＶ）での発光強度と発光寿命の積は大きいことが好ましく、具体的には後述する発光しやすさの指標Ｙは好ましくは１４０ｅＶ・ｍｓ以上、より好ましくは１８０ｅＶ・ｍｓ以上である。
　また、本発明の利得媒体等における２．３３ｅＶの光で励起した時の、波長９７７ｎｍ（光子エネルギー＝１．２６９ｅＶ）での発光強度と発光寿命の積と波長１０６４ｎｍ（光子エネルギー＝１．１６５ｅＶ）での発光強度と発光寿命の積の和は大きいことが好ましく、具体的には後述する発光しやすさの指標Ｙ’は好ましくは３８０ｅＶ・ｍｓ以上、より好ましくは７７０ｅＶ・ｍｓ以上、さらに好ましくは１１００ｅＶ・ｍｓ以上である。
　ＹおよびＹ’は発光しやすさの指標であるが、ＹはＮｄによる発光のしやすさの指標であって１４０ｅＶ・ｍｓ以上であることが好ましく、Ｙ’はＮｄとＹｂによる発光のしやすさの指標であって７７０ｅＶ・ｍｓ以上であることが好ましい。
　本発明の利得媒体等はガラスネットワークフォーマであるＢ２Ｏ３を主成分として含有するガラスであるのでガラスとして安定しており、またＢｉ２Ｏ３を他の主成分として含有するので後述する濃度消光が起こりにくく、またＢ２Ｏ３およびＢｉ２Ｏ３をともに含有しているので熱的に安定している。
  さらに、利得媒体または利得媒体を構成するガラスがＳｉＯ２系ガラスである場合に比べてガラスを作製する時の高温の溶解性の点で優れている。
  本明細書におけるガラス中の各成分の含有量は、原則としてモル百分率表示のものであるが、以下では、「モル％」を単に「％」と記す。
　本発明の利得媒体等はＢ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３を含有するマトリクスガラスにＮｄが添加されたガラスであるが、そのマトリクスガラスはガラス化が容易であるものであることが好ましく、典型的にはＢ２Ｏ３を２０～６５％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８％含有する。なお、本発明の利得媒体等がＹｂを含有する場合、本発明の利得媒体等はＢ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３を含有するマトリクスガラスにＮｄおよびＹｂが添加されたガラスである。また、ＮｄおよびＹｂの添加割合は、それぞれ、Ｎｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３として添加されているとして、Ｎｄ２Ｏ３としての換算値およびＹｂ２Ｏ３としての換算値のマトリクスガラスに対するモル比で表示される。
　次に、この典型的なマトリクスガラスおよび本発明のガラスの組成について説明する。
  Ｂ２Ｏ３はネットワークフォーマであり、またガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分であり、必須である。２０％未満では、ガラス化が困難になる。好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上、特に好ましくは３３％以上である。６５％超では発光強度が低下する。好ましくは６０％以下、より好ましくは５０％以下、特に好ましくは４５％以下である。
　Ｂｉ２Ｏ３は必須成分である。その含有量が１０％未満ではガラス化が困難になるおそれがある、またはＮｄの添加量を増加させたときに無輻射で緩和することにより発光強度が低下する、すなわち濃度消光が生じる可能性がある。好ましくは１５％以上、より好ましくは２０％以上、特に好ましくは２５％以上で、最も好ましくは３０％以上である。４８％超ではガラス化が困難になる。好ましくは４５％以下、より好ましくは４２％以下、特に好ましくは４０％以下である。
　濃度消光を起こりにくくしたい、発光強度をより増大させたい等の場合は、必須ではないがＴｅＯ２を含有してもよい。その場合のＴｅＯ２の含有量は５～６０モル％であることが好ましい。５％未満では先に述べた目的を達成しにくく、より好ましくは１０％以上、典型的には１５％以上である。６０％超ではガラスが失透しやすくなり、より好ましくは５０％以下、典型的には３５％以下である。
　本発明の利得媒体の前記典型的なマトリクスガラスまたは本発明のガラスのマトリクスガラスは、これら３成分から本質的になるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。その場合であっても上記３成分の含有量の合計は好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上、特に好ましくは８５％以上、典型的には９０％以上である。
　以下にそのような成分を例示する。
  ＳｉＯ２はネットワークフォーマとしてガラスを安定化するために含有してもよい。ＳｉＯ２を含有させる場合、１％未満ではその効果が小さい。好ましくは２％以上、より好ましくは５％以上である。１５％超では溶解温度が上昇する。好ましくは１０％以下、より好ましくは８％以下である。溶解性を向上させたい場合などはＳｉＯ２は含有しないことが好ましい。
　Ｌａ２Ｏ３は濃度消光を起こりにくくする効果または発光強度を増大させる効果を有し、４％まで含有してもよい。４％超では失透しやすくなる。より好ましくは３％以下である。Ｌａ２Ｏ３を含有する場合、その含有量は０．５％以上であることが好ましい。より好ましくは１％以上、特に好ましくは２％以上である。
　励起光のエネルギーを吸収しＮｄへのエネルギー移動を起こさせたい場合、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、ＣｒＯ、などを添加してもよい。  特にＹｂ２Ｏ３をＮｄ２Ｏ３とともに添加すると励起されたＮｄからＹｂへのエネルギー移動が起こり、Ｙｂの強い発光が得られる。
  さらに、ガラス化を容易にするために、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５等を含有してもよい。
　次に、Ｎｄの含有量について説明する。なお、Ｎｄの含有量は、ＮｄをＮｄ２Ｏ３としてマトリクスガラスに添加したとしてＮｄ２Ｏ３換算のマトリクスガラスに対するモル比を用いて表示する。
  Ｎｄ２Ｏ３が０．００３未満では十分な増幅が得られない、またはそのおそれがある。好ましくは０．００５以上、より好ましくは０．０１以上である。本発明の利得媒体またはガラスとして小さいものを用いる場合はＮｄ２Ｏ３の添加割合は好ましくは０．００５以上、より好ましくは０．０１以上である。また、０．０２５超ではガラス化が困難になる、またはそのおそれがある。好ましくは０．０２以下である。濃度消光の影響を抑制したい場合はＮｄ２Ｏ３の添加割合は好ましくは０．０２以下、より好ましくは０．０１以下である。
　次に、Ｙｂを添加する場合のＹｂの含有量について説明する。なお、Ｙｂの含有量は、ＹｂをＹｂ２Ｏ３としてマトリクスガラスに添加したとしてＹｂ２Ｏ３換算のマトリクスガラスに対するモル比を用いて表示する。
  Ｙｂ２Ｏ３を添加する場合その添加割合は０．００１～０．０２５であることが好ましい。０．００１未満では十分な増幅が得られない、またはそのおそれがある。好ましくは０．００５以上、より好ましくは０．００８以上である。本発明の利得媒体等として小さいものを用いる場合はＹｂ２Ｏ３の添加割合は好ましくは０．００５以上、より好ましくは０．００８以上である。また、０．０２５超ではガラス化が困難になる、またはそのおそれがある。好ましくは０．０２以下である。濃度消光の影響を抑制したい場合はＹｂ２Ｏ３の添加割合は好ましくは０．０２以下、より好ましくは０．０１以下である。
　本発明のガラスおよび本発明の利得媒体のガラスの製造方法については特に制限はなく、たとえば、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００～１３００℃の空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストする溶融法によって製造できる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶融法以外の方法で製造してもよい。
　表１～表３のＢ２Ｏ３からＮｄ２Ｏ３またはＹｂ２Ｏ３までの欄に、Ｎｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３の添加割合はそれらのマトリクスガラスに対するモル比を１００倍したもので、その他の成分の含有量はモル％表示でそれぞれ示す組成を有する例１～１３、例１５～２２のガラスを溶融法により作製した。例１～１０、１５～２１は実施例であり、例１１、１２は失透してガラスが得られず比較例であり、例１３、２２も比較例である。
  また、波長５３２ｎｍ（光子エネルギー２．３３ｅＶ。以下同じ。）の光で励起した時の、波長９９０ｎｍ（１．２５ｅＶ）から波長１１８０ｎｍ（１．０５ｅＶ）までの範囲における発光強度の面積Ｅ、波長９７７ｎｍ（１．２６９ｅＶ）における発光強度Ｅ(９７７)、波長１０６４ｎｍ（１．１６５ｅＶ）における発光強度Ｅ(１０６４)、波長９７７ｎｍにおける発光寿命τ(９７７)、および波長１０６４ｎｍにおける発光寿命τ（１０６４）（単位：ｍｓ）を表１～表３に示す。
　なお、発光強度の面積Ｅは、例１４の神島化学工業社製Ｎｄ含有ＹＡＧセラミックス（商品名：透明ＹＡＧセラミックス）のＥを１としたときの相対値で示し、Ｅ(９７７)およびＥ(１０６４)は例２のＥ(１０６４)を１としたときの相対値で示す。
  また、波長５３２ｎｍ（２．３３ｅＶ）のピークにおける吸光度Ａ（５３２）（単位：／ｃｍ）および１．２ｅＶ（波長１０３３ｎｍ）から３ｅＶ（波長４１１ｎｍ）までの範囲における吸光度のピーク値Ａ（単位：／ｃｍ）、１．２ｅＶから３ｅＶまでの範囲における吸収面積Ａ’（単位：ｅＶ／ｃｍ）、ならびに発光強度と発光寿命の積の指標であるＹ＝Ｅ×τ（１０６４）×Ａ’／Ａ（５３２）およびＹ’＝｛Ｅ（１０６４）×τ（１０６４）＋Ｅ（９７７）×τ（９７７）｝×Ａ’／Ａ（５３２）を表１～表３に示す。
　例１～４はマトリクスガラスは同じであるがＮｄ２Ｏ３の添加割合が異なっている。Ｎｄ２Ｏ３の添加割合が増加すると吸光が増大することがわかる。
  また、実施例である例１～１０においては、発光のしやすさの指標となるＹが１４０ｅＶ・ｍｓ以上であるが、比較例である例１３では１５ｅＶ・ｍｓという小さい値であることがわかる。
　また、Ｙｂ２Ｏ３を含有しない例１、例２、例１５、例３と、Ｙｂ２Ｏ３が添加されている例１９、例１６～１８、例２０、例２１とを対比するとＹｂ２Ｏ３添加によって発光のしやすさの指標となるＹ’が７７８ｅＶ・ｍｓ以上に増大していることがわかる。
  なお、Ｙｂ２Ｏ３を含有するがＮｄ２Ｏ３を含有しない例２２のガラスについて発光強度を測定したところまったく発光しなかった。このことから例１６～２１においてＹ’が増大した原因は、Ｎｄ２Ｏ３とともにＹｂ２Ｏ３を添加することにより、Ｎｄ３＋の４Ｆ3／２準位からＹｂ３＋の２Ｆ５／２へのエネルギーシフトが起きたことにあると考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  また、図５に例２の吸収スペクトルを示す。縦軸は吸光度：Absorption
coefficient（単位：／ｃｍ）、横軸は光子エネルギー：Photon　energy（単位：ｅＶ）である。また、図６は、比較のためにＮｄ２Ｏ３添加割合がＹＡＧセラミックスに対するモル比で０．０１である例１４のＮｄ含有ＹＡＧセラミックスの吸収スペクトルを示す。
　本発明のガラスの吸収ピークは１３．５／ｃｍであり、比較のための図６の吸収ピークは５．６／ｃｍであり、Ｎｄ２Ｏ３添加割合が同じであるにも関わらず本発明のガラスの吸収が大きいことがわかる。
　また、図６の吸収スペクトルには、それぞれの吸収帯に微細構造がみられるが、本発明のガラスでは微細構造がなく、広い波長範囲にわたって光を吸収できることがわかる。
　また、図７は、例２と例１７の発光強度スペクトルを示す。縦軸は任意単位の発光強度：Emission　intensity、横軸は波長: Wavelength（単位：ｎｍ）である。Ｎｄ２Ｏ３添加割合は、例２と例１７の両者において同じであるが、例１７はＹｂ２Ｏ３がモル比で０．０１添加されており、そのために発光強度が増大している。
　太陽光エネルギーを励起光源とした光の増幅に利用できる。また、太陽光をレーザー光に変換するレーザー装置に利用できる。また、波長１．０～１．２μｍの波長の光の増幅器に利用できる。
　なお、２０１１年１０月７日に出願された日本特許出願２０１１－２２３０７３号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
１０：太陽光
２０：集光レンズ
２１：反射面
２２：２次集光レンズ
３０、３２：反射ミラー
３１、３３：出力ミラー
４０、４１：利得媒体
５０：レーザー光
６０：信号光
７０：増幅光

Claims (19)

  1. 　利得媒体がＮｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスである太陽光励起レーザー発振装置。
  2. 　Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスが、Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されているガラスである請求項１の太陽光励起レーザー発振装置。
  3. 　マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する請求項２の太陽光励起レーザー発振装置。
  4. 　マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない請求項２または３の太陽光励起レーザー発振装置。
  5. 　Ｎｄの含有割合が、Ｎｄ２Ｏ３として添加されているとしてマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である請求項２～４のいずれかの太陽光励起レーザー発振装置。
  6. 　Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスがＹｂを含有する請求項１～５のいずれかの太陽光励起レーザー発振装置。
  7. 　Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である請求項６の太陽光励起レーザー発振装置。
  8. 　Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスからなる利得媒体を太陽光によって励起して当該利得媒体に入射した光の増幅を行う太陽光励起増幅装置。
  9. 　Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスが、Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されているガラスである請求項８の太陽光励起増幅装置。
  10. 　マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する請求項９の太陽光励起増幅装置。
  11. 　マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない請求項９または１０の太陽光励起増幅装置。
  12. 　Ｎｄ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である請求項９～１１のいずれかの太陽光励起増幅装置。
  13. 　Ｎｄ含有Ｂ２Ｏ３－Ｂｉ２Ｏ３ガラスがＹｂを含有する請求項８～１２のいずれかの太陽光励起増幅装置。
  14. 　Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である請求項１３の太陽光励起増幅装置。
  15. 　Ｂ２Ｏ３を２０～６５モル％、Ｂｉ２Ｏ３を１０～４８モル％含有するマトリクスガラスにＮｄ２Ｏ３が添加されており、その添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００３～０．０２５である光増幅ガラス。
  16. 　マトリクスガラスがＴｅＯ２を６０モル％以下含有する請求項１５の光増幅ガラス。
  17. 　マトリクスガラスがＳｉＯ２を含有しない請求項１５または１６の光増幅ガラス。
  18. 　Ｙｂを含有する請求項１５、１６または１７の光増幅ガラス。
  19. 　Ｙｂ２Ｏ３の添加割合がマトリクスガラスに対するモル比で０．００１～０．０２５である請求項１８の光増幅ガラス。
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