WO2025220137A1 - レーザー装置、及びレーザー取り出し方法 - Google Patents

レーザー装置、及びレーザー取り出し方法

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優紀子 鈴木
陽平 鳥海
芳浩 吉田
徹 田中
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NTT Inc
NTT Inc USA
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/0915—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser technology.
  • Non-Patent Document 1 Solar-pumped laser technology is known, which produces a laser without using electricity by directly irradiating a laser medium with sunlight.
  • Laser media that use sunlight as excitation light have specific elements added as sensitizers that absorb light of specific wavelengths and increase the energy required for laser oscillation, ensuring efficient oscillation.
  • wavelengths that the laser medium can absorb vary depending on the elements added to the laser medium.
  • Sunlight contains light in a wide range of wavelengths, including wavelengths that do not contribute to laser oscillation.
  • wavelengths that do not contribute to oscillation When light with wavelengths that do not contribute to oscillation is introduced into a laser medium, it causes heat generation and deterioration of the laser medium, resulting in a decrease in oscillation efficiency.
  • conventional technology has the problem of being unable to efficiently extract laser light from laser media that use sunlight as excitation light. Note that this problem is not limited to sunlight, but can arise when using any light with a wide wavelength range as excitation light.
  • the present invention was made in consideration of the above points, and aims to provide technology for efficiently extracting laser light from a laser medium that uses light with a wide wavelength range, such as sunlight, as excitation light.
  • a light extraction unit that extracts light in a wavelength band that contributes to laser oscillation from incident light; a laser resonator having a medium on which light in the wavelength range extracted by the light extraction portion is incident.
  • the disclosed technology provides a technique for efficiently extracting laser light from a laser medium that uses light with a wide wavelength band, such as sunlight, as excitation light.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a laser device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of a laser device.
  • 10 is a flowchart illustrating the operation of the laser device.
  • the following describes a laser device that uses sunlight as excitation light to output a laser (e.g., a solid-state laser).
  • a laser e.g., a solid-state laser
  • the laser medium may be referred to as the "medium.”
  • using sunlight as excitation light is one example.
  • the configuration and operation described below can also be applied when light other than sunlight (e.g., lamp light with a wide wavelength band) is used as excitation light.
  • FIG. 1 An example of the configuration of a laser device according to this embodiment is shown in Fig. 1.
  • this laser device includes a light extraction unit 100 and a laser resonator unit 200.
  • the functions of each unit are as follows:
  • Sunlight is incident on the light extraction section 100.
  • the light extraction section 100 splits the incident sunlight and extracts light in a specific wavelength band that contributes to laser oscillation in the medium.
  • the light in the specific wavelength band is incident on the laser resonator section 200.
  • the laser resonator 200 comprises a medium.
  • the light of a specific wavelength band extracted by the light extraction unit 100 is light of a wavelength band suitable for the medium in question for laser oscillation. In other words, the light extraction unit 100 prevents light that does not contribute to laser oscillation from entering the medium in question.
  • the laser resonator 200 directs the light of a specific wavelength band extracted by the light extraction unit 100 into a medium as excitation light, and extracts an oscillated laser from the medium.
  • the laser resonator 200 outputs the laser.
  • the light extraction unit 100 may output light in multiple wavelength bands.
  • the laser resonator 200 may include multiple media. Light in a wavelength band that contributes to laser oscillation is incident on each of the multiple media, causing laser oscillation in each medium, and laser is output from each medium.
  • the medium used in the laser cavity 200 may be a solid, liquid, or gas. Any medium may be used as long as it is capable of producing laser oscillation using light.
  • FIG. 2 A detailed configuration example of the laser device according to this embodiment is shown in Fig. 2. In this example, two media are used.
  • the light extraction unit 100 has a spectroscope 110 and a condenser 120.
  • the spectroscope 110 can be, for example, a prism, a diffraction grating, an optical filter, etc.
  • the condenser 120 can be, for example, an optical element such as a lens or an optical fiber. A reflecting mirror may also be used as the condenser 120.
  • the laser cavity 200 has a half mirror 210, medium A (220A), medium B (220B), external resonator mirror 230A, and external resonator mirror 230B.
  • medium A is provided between the half mirror 210 and external resonator mirror 230A
  • medium B is provided between the half mirror 210 and external resonator mirror 230B.
  • a separate half mirror may be provided for each medium. In that case, the example in Figure 2 includes two half mirrors. The half mirrors do not need to be in contact with the medium.
  • light dispersed by the light extraction unit 100 passes through the half mirror 220 and enters the end face of each medium. Resonance occurs between the half mirror 220 and the external resonator mirrors 230A/B, and laser light is output from the external resonator mirrors 230A/B.
  • the light dispersed by the light extraction section 100 may be directed to the side face of each medium.
  • medium A is assumed to be a medium that oscillates when light of wavelength band a and light of wavelength band b are introduced therein
  • medium B is assumed to be a medium that oscillates when light of wavelength band a and light of wavelength band c are introduced therein.
  • step 101 sunlight is incident on the spectrometer 110.
  • the spectrometer 110 splits the sunlight into light in wavelength band a, light in wavelength band b, and light in wavelength band c.
  • the split light is incident on the light-collecting unit 120.
  • the split light output from the light-collecting unit 120 is incident on the laser resonator 200.
  • the spectroscope 110 and the light-collecting unit 120 are positioned so that light in wavelength band a and light in wavelength band b are incident on the end face of medium A, and light in wavelength band a and light in wavelength band c are incident on the end face of medium B. Therefore, light in wavelength band a and light in wavelength band b are incident on the end face of medium A, and light in wavelength band a and light in wavelength band c are incident on the end face of medium B.
  • the spectroscope 110 and the focusing unit 120 may be arranged so that light in wavelength band a and light in wavelength band b are incident on the side of medium A, and light in wavelength band a and light in wavelength band c are incident on the side of medium B.
  • lasers are output from each of medium A and medium B.
  • the laser device is configured to separate incident light into light of one or more wavelength bands, and introduce the light of each wavelength band into a medium specialized for the light of that wavelength band.
  • a laser device configured in this way allows only light in the wavelength band that contributes to laser oscillation to be introduced into the medium, which increases the laser light extraction efficiency and reduces the effects of heat and medium degradation compared to methods that do not involve spectral separation.
  • a light extraction unit that extracts light in a wavelength band that contributes to laser oscillation from the incident light; a laser resonator having a medium into which light in the wavelength band extracted by the light extraction portion is incident.
  • the light in the wavelength band is incident on an end face or a side face of the medium.
  • the light extraction unit includes a spectrometer that splits the incident light into light of a plurality of wavelength bands that each contribute to laser oscillation.
  • a laser extraction method performed by a laser device comprising: a light extraction step of extracting light in a wavelength band that contributes to laser oscillation from the incident light; a laser extraction step of making the light in the wavelength range extracted by the light extraction step enter a medium and extracting a laser from the medium.

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Abstract

レーザー装置において、入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出し部と、前記光取り出し部により取り出された前記波長帯の光が入射する媒質を備えるレーザー共振部とを備える。

Description

レーザー装置、及びレーザー取り出し方法
　本発明は、レーザーの技術分野に関連するものである。
　太陽光を直接、レーザー媒質に照射して、電力を用いずにレーザーを得る太陽光励起レーザー技術が知られている（非特許文献１）。
　太陽光を励起光として使用するレーザー媒質には、効率の良い発振のために、特定の波長の光を吸収し、レーザー発振に必要なエネルギーを増加させる増感剤として、特定の元素が添加される。
Cai, Zitao, et al. "Efficient 38.8 W/m 2 solar pumped laser with a Ce: Nd: YAG crystal and a Fresnel lens." Optics Express 31.2 (2023): 1340-1353. https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-2-1340
　上記のように、太陽光を励起光として使用するレーザー媒質には、特定の元素が添加される。レーザー媒質に添加される元素によって、レーザー媒質が吸収できる波長が異なる。
　太陽光には幅広い波長帯の光が含まれており、レーザー発振に寄与しない波長も含まれている。発振に寄与しない波長の光がレーザー媒質に導入されると、発熱やレーザー媒質の変質を引き起こし、発振効率低下の原因となる。すなわち、従来技術では、太陽光を励起光として使用するレーザー媒質において、効率良くレーザーを取り出すことができないという課題がある。なお、このような課題は、太陽光に限らない、広い波長帯を持つ光全般において、それを励起光として使用する場合に生じ得る課題である。
　本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、太陽光などの広い波長帯を持つ光を励起光として使用するレーザー媒質において、効率良くレーザーを取り出すための技術を提供することを目的とする。
　開示の技術によれば、入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出し部と、
　前記光取り出し部により取り出された前記波長帯の光が入射する媒質を備えるレーザー共振部と
　を備えるレーザー装置が提供される。
　開示の技術によれば、太陽光などの広い波長帯を持つ光を励起光として使用するレーザー媒質において、効率良くレーザーを取り出すための技術が提供される。
レーザー装置の構成例を示す図である。 レーザー装置の詳細構成を示す図である。 レーザー装置の動作を説明するためのフローチャートである。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
　以下、太陽光を励起光として使用して、レーザー（例えば固体レーザー）を出力するレーザー装置について説明する。以下の説明において、レーザー媒質を「媒質」と呼ぶ場合がある。なお、以下の説明において、太陽光を励起光として使用することは一例である。以下で説明する構成及び動作は、太陽光以外の光（例：広い波長帯を持つランプの光）を励起光として使用する場合にも適用可能である。
　（装置構成例）
　図１に、本実施の形態におけるレーザー装置の構成例を示す。図１に示すように、本レーザー装置は、光取り出し部１００とレーザー共振部２００を備える。各部の機能は下記のとおりである。
　光取り出し部１００には太陽光が入射する。光取り出し部１００は、入射した太陽光を分光し、媒質におけるレーザー発振に寄与する特定の波長帯の光を取り出す。特定の波長帯の光は、レーザー共振部２００に入射する。
　レーザー共振部２００は、媒質を備える。光取り出し部１００により取り出された特定の波長帯の光は、レーザー発振のために、当該媒質に適した波長帯の光である。つまり、光取り出し部１００により、媒質にとってレーザー発振に寄与しない光を当該媒質に入射させないこととしている。
　レーザー共振部２００は、光取り出し部１００により取り出された特定の波長帯の光を、媒質に励起光として入射し、当該媒質から、発振したレーザーを取り出す。レーザー共振部２００は、当該レーザーを出力する。
　光取り出し部１００が、複数の波長帯の光を出力してもよい。また、レーザー共振部２００は複数の媒質を備えてもよい。レーザー発振に寄与する波長帯の光が、複数の媒質における各媒質に入射され、各媒質においてレーザー発振が起こり、各媒質からレーザーが出力される。
　レーザー共振部２００において使用される媒質は、固体、液体、及び気体のうちのいずれであってもよい。光によりレーザー発振を行うことができる媒質であれば、どのような媒質を使用してもよい。
　（詳細構成例）
　本実施の形態におけるレーザー装置の詳細構成例を図２に示す。本例では、２つの媒質を使用している。
　図２に示すように、光取り出し部１００は、分光器１１０と集光部１２０を有する。分光器１１０として、例えば、プリズム、回折格子、光学フィルター等を使用することができる。集光部１２０として、例えば、レンズ、光ファイバー等の光学素子を使用することができる。また、集光部１２０として、反射鏡を使用してもよい。
　レーザー共振部２００は、ハーフミラー２１０、媒質Ａ（２２０Ａ）、媒質Ｂ（２２０Ｂ）、外部共振器ミラー２３０Ａ、及び外部共振器ミラー２３０Ｂを有する。図２に示す例では、媒質Ａはハーフミラー２１０と外部共振器ミラー２３０Ａとの間に備えられ、媒質Ｂはハーフミラー２１０と外部共振器ミラー２３０Ｂとの間に備えられる。なお、ハーフミラーは媒質ごとに独立していてもよい。その場合、図２の例では、２枚のハーフミラーが備えられる。また、ハーフミラーと媒質とは接していなくてもよい。
　図２に示す例では、光取り出し部１００により分光された光が、ハーフミラー２２０を経由して各媒質の端面に入射する。ハーフミラー２２０と外部共振器ミラー２３０Ａ／Ｂとの間で共振が発生し、外部共振器ミラー２３０Ａ／Ｂからレーザーが出力される。
　上記のように各媒質の端面に光を入射させる方法に代えて、光取り出し部１００により分光された光を、各媒質の側面に入射させることとしてもよい。
　（動作例）
　図２に示したレーザー装置の動作例を図３のフローチャートの手順に沿って説明する。ここでは、媒質Ａは、波長帯ａの光と波長帯ｂの光を導入すると発振する媒質であるとし、媒質Ｂは、波長帯ａの光と波長帯ｃの光を導入すると発振する媒質であるとする。
　Ｓ１０１（ステップ１０１）において、太陽光が分光器１１０に入射する。Ｓ１０２において、分光器１１０が、太陽光を波長帯ａの光と波長帯ｂの光と波長帯ｃの光に分光する。分光した光は集光部１２０に入射される。集光部１２０から出力された、分光された光は、レーザー共振部２００に入射する。
　図２に示した例では、分光器１１０及び集光部１２０は、波長帯ａの光と波長帯ｂの光が、媒質Ａの端面に入射し、かつ、波長帯ａの光と波長帯ｃの光が、媒質Ｂの端面に入射するように配置されている。そのため、波長帯ａの光と波長帯ｂの光は、媒質Ａの端面に入射し、波長帯ａの光と波長帯ｃの光は、媒質Ｂの端面に入射する。
　前述したように、分光器１１０及び集光部１２０は、波長帯ａの光と波長帯ｂの光が、媒質Ａの側面に入射し、かつ、波長帯ａの光と波長帯ｃの光が、媒質Ｂの側面に入射するように配置されていてもよい。Ｓ１０３において、媒質Ａと媒質Ｂのそれぞれからレーザーが出力される。
　（実施の形態に係る技術の効果）
　以上説明したとおり、本実施の形態に係るレーザー装置は、入射光を分光して１以上の波長帯の光を取り出し、各波長帯の光を、当該波長帯の光に特化した媒質に導入するように構成されている。
　このように構成されたレーザー装置により、レーザー発振に寄与する波長帯の光のみを媒質に導入することができ、分光を行わない方法と比較して、レーザー光の取り出し効率を増加させることができるとともに、熱や媒質劣化の影響を低減できる。
　以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
　＜付記＞
（付記項１）
　入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出し部と、
　前記光取り出し部により取り出された前記波長帯の光が入射する媒質を備えるレーザー共振部と
　を備えるレーザー装置。
（付記項２）
　前記波長帯の光は、前記媒質の端面又は前記媒質の側面に入射する
　付記項１に記載のレーザー装置。
（付記項３）
　前記光取り出し部は、前記入射光を、それぞれがレーザー発振に寄与する複数の波長帯の光に分光する分光器を備える
　付記項１に記載のレーザー装置。
（付記項４）
　前記レーザー共振部は、複数の媒質を備え、各媒質が、レーザー発振について、前記複数の波長帯のうちの少なくとも１つの波長帯に適した媒質である
　付記項３に記載のレーザー装置。
（付記項５）
　レーザー装置が実行するレーザー取り出し方法であって、
　入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出しステップと、
　前記光取り出しステップにより取り出された前記波長帯の光を媒質に入射し、媒質からレーザーを取り出すレーザー取り出しステップと
　を備えるレーザー取り出し方法。
　以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１００　光取り出し部
１１０　分光器
１２０　集光部
２００　レーザー共振部
２１０　ハーフミラー
２２０Ａ　媒質Ａ
２２０Ｂ　媒質Ｂ
２３０Ａ、２３０Ｂ　外部共振器ミラー
１０００　ドライブ装置
１００１　記録媒体
１００２　補助記憶装置
１００３　メモリ装置
１００４　ＣＰＵ
１００５　インタフェース装置
１００６　表示装置
１００７　入力装置
１００８　出力装置

Claims (5)

  1. 　入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出し部と、
    　前記光取り出し部により取り出された前記波長帯の光が入射する媒質を備えるレーザー共振部と
    　を備えるレーザー装置。
  2. 　前記波長帯の光は、前記媒質の端面又は前記媒質の側面に入射する
    　請求項１に記載のレーザー装置。
  3. 　前記光取り出し部は、前記入射光を、それぞれがレーザー発振に寄与する複数の波長帯の光に分光する分光器を備える
    　請求項１に記載のレーザー装置。
  4. 　前記レーザー共振部は、複数の媒質を備え、各媒質が、レーザー発振について、前記複数の波長帯のうちの少なくとも１つの波長帯に適した媒質である
    　請求項３に記載のレーザー装置。
  5. 　レーザー装置が実行するレーザー取り出し方法であって、
    　入射光から、レーザー発振に寄与する波長帯の光を取り出す光取り出しステップと、
    　前記光取り出しステップにより取り出された前記波長帯の光を媒質に入射し、媒質からレーザーを取り出すレーザー取り出しステップと
    　を備えるレーザー取り出し方法。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008066368A (ja) * 2006-09-05 2008-03-21 Okamoto Kogaku Kakosho:Kk 太陽光励起レーザー装置
JP2013089680A (ja) * 2011-10-14 2013-05-13 Canon Inc レーザー装置およびその制御方法

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