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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022108941
(43)【公開日】2022-07-27
(54)【発明の名称】レーザ発振器
(51)【国際特許分類】
H01S 3/16 20060101AFI20220720BHJP
H01S 3/113 20060101ALI20220720BHJP
H01S 3/0941 20060101ALI20220720BHJP
H01S 3/081 20060101ALI20220720BHJP
G02F 1/37 20060101ALI20220720BHJP
【ＦＩ】
H01S3/16
H01S3/113
H01S3/0941
H01S3/081
G02F1/37
【審査請求】有
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021004189
(22)【出願日】2021-01-14
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｌ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｌ－４５－１９－５５５８＆ｏｒｉｇｉｎ＝ｓｅａｒｃｈ、ウェブサイトの掲載日：令和２年９月２日
(71)【出願人】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100181593
【弁理士】
【氏名又は名称】庄野 寿晃
(74)【代理人】
【識別番号】100165489
【弁理士】
【氏名又は名称】榊原 靖
(72)【発明者】
【氏名】安原 亮
(72)【発明者】
【氏名】チェン エンジュン
(72)【発明者】
【氏名】上原 日和
【テーマコード（参考）】
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2K102AA08
2K102AA32
2K102BA14
2K102BA18
2K102BB01
2K102BB02
2K102BC01
2K102BD10
2K102CA20
2K102DA01
2K102DB01
2K102DD06
2K102DD10
2K102EB02
2K102EB06
2K102EB20
5F172AE03
5F172AE08
5F172AF01
5F172AL08
5F172CC06
5F172EE13
5F172NN13
5F172NQ53
5F172NQ62
5F172NR14
5F172NR22
5F172ZA04
(57)【要約】
【課題】紫外線の波長領域のレーザ光を高い効率で発振するコンパクトなレーザ発振器を提供する。
【解決手段】レーザ発振器１００は、共振器４０と、レーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、を備える。レーザ媒質１０は、共振器４０中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により光を増幅する。非線形光学素子３０は、レーザ媒質１０により誘導放出された光を異なる波長の光に変換する。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ発振器１００は、共振器４０と、レーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、を備える。レーザ媒質１０は、共振器４０中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により光を増幅する。非線形光学素子３０は、レーザ媒質１０により誘導放出された光を異なる波長の光に変換する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
共振器と、
前記共振器中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により第１の波長領域の光を放出するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第１の波長領域より短い第２の波長領域の光に変換する非線形光学素子と、
を備えることを特徴とするレーザ発振器。
前記共振器中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により第１の波長領域の光を放出するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第１の波長領域より短い第２の波長領域の光に変換する非線形光学素子と、
を備えることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項2】
前記レーザ媒質は、Ｔｂを含む化合物からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項3】
前記レーザ媒質は、
酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物またはこれらの２以上の混合物を含む母材と、
前記母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれるＴｂ３＋と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物またはこれらの２以上の混合物を含む母材と、
前記母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれるＴｂ３＋と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項4】
前記共振器中に配置された可飽和吸収体を備える、
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項5】
前記可飽和吸収体は、前記第１の波長領域の光において、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用する、
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ発振器。
【請求項6】
前記可飽和吸収体は、Ｃｏ添加スピネル結晶を含む、
ことを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ発振器。
【請求項7】
前記非線形光学素子は、前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を、前記第１の波長領域の光の波長の２分の１の前記第２の波長領域の光に変換する、
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項8】
前記非線形光学素子は、ＢａＢ２Ｏ４非線形結晶を含む、
ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項9】
前記共振器は、前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を反射し、前記非線形光学素子により変換された前記第２の波長領域の光を透過する出力鏡を有する、
ことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項10】
前記共振器は、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、第３の反射鏡と、を備え、
前記レーザ媒質および可飽和吸収体は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置され、
前記非線形光学素子は、前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡との間に配置され、
前記第２の反射鏡は、前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第３の反射鏡に反射し、前記第３の反射鏡に反射された前記第１の波長領域の光を前記第１の反射鏡に反射し、前記非線形光学素子により変換された前記第２の波長領域の光を透過する、
ことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のレーザ発振器。
前記レーザ媒質および可飽和吸収体は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置され、
前記非線形光学素子は、前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡との間に配置され、
前記第２の反射鏡は、前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第３の反射鏡に反射し、前記第３の反射鏡に反射された前記第１の波長領域の光を前記第１の反射鏡に反射し、前記非線形光学素子により変換された前記第２の波長領域の光を透過する、
ことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項11】
前記レーザ媒質に励起光を照射する半導体レーザを有する励起用光源を備える、
ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のレーザ発振器。
ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザ（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）加工の微細化や高いフォトンエネルギーによる非熱加工への要求から紫外線の波長領域のレーザが着目されている。また、紫外線の波長領域のレーザの有用性には、材料処理、医療、分光法、レーザ冷却、および核融合プラズマ診断が含まれる。例えば、紫外線の波長領域のレーザとしては、２４８ｎｍの波長の光を放出するＫｒＦエキシマレーザが知られている。
【0003】
特許文献１は、リア側ミラーと出力側ミラーとからなる共振器と、該共振器中に配置されレーザガスが封入されたレーザチャンバーと、レーザチャンバー内のレーザガスを励起する励起手段とを備え、紫外線の波長領域のレーザ光を放出するガスレーザ装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１１－２３３９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に開示されたガスレーザ装置は、励起手段として放電電極を備える必要があり、また、レーザチャンバーにフッ素ガス、クリプトンガス等を導入するガス供給系を備える必要があり、構造が複雑であり、装置サイズが大きくなるという問題がある。また、このガスレーザ装置は、投入されるエネルギーに対して放出されるレーザのエネルギーが小さく低効率であるという問題がある。このため、コンパクトかつ高効率なレーザ発振器が求められている。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、紫外線の波長領域のレーザ光を高い効率で発振するコンパクトなレーザ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の目的を達成するため、本発明に係るレーザ発振器の一様態は、
共振器と、
前記共振器中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により第１の波長領域の光を放出するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第１の波長領域より短い第２の波長領域の光に変換する非線形光学素子と、
を備えることを特徴とする。
共振器と、
前記共振器中に配置され、Ｔｂ３＋を含み、誘導放出により第１の波長領域の光を放出するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質により誘導放出された前記第１の波長領域の光を前記第１の波長領域より短い第２の波長領域の光に変換する非線形光学素子と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、紫外線の波長領域のレーザ光を高い効率で発振するコンパクトなレーザ発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器が短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。
【図3】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振器が短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。
【図4】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。
【図5】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。
【図6】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。
【図7】本発明の第５の実施の形態に係るレーザ発振器を示す図である。
【図8】本発明の実施例に係るレーザ光の強度の時間変化を示す図である。
【図9】本発明の実施例に係るレーザ光の強度の時間変化を示す図である。
【図10】本発明の実施例に係る単一パルスの波形を示す図である。
【図11】本発明の実施例に係る単一パルスの波形を示す図である。
【図12】本発明の実施例に係る繰り返し率およびパルス幅を示す図である。
【図13】本発明の実施例に係る繰り返し率およびパルス幅を示す図である。
【図14】本発明の実施例に係るパルスエネルギーおよびピーク電力を示す図である。
【図15】本発明の実施例に係るパルスエネルギーおよびピーク電力を示す図である。
【図16】本発明の実施例に係る平均紫外線出力パワーと吸収パワーとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態に係る可飽和吸収体およびレーザ（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）発振器について図面を参照しながら説明する。
【0011】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るレーザ発振器１００は、図１に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体（ＳＡ：Saturable Absorber）２０と、非線形光学素子３０と、共振器（cavity）４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。レーザ発振器１００は、受動Ｑスイッチング（Passive Q-switching）により２６５ｎｍ～２８０ｎｍの波長域の紫外線の短パルスレーザを発振するものである。
第１の実施の形態に係るレーザ発振器１００は、図１に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体（ＳＡ：Saturable Absorber）２０と、非線形光学素子３０と、共振器（cavity）４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。レーザ発振器１００は、受動Ｑスイッチング（Passive Q-switching）により２６５ｎｍ～２８０ｎｍの波長域の紫外線の短パルスレーザを発振するものである。
【0012】
レーザ媒質１０は、Ｔｂ３＋を含み、励起用光源５０から照射された励起光ＥＬを吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅し、第１の波長領域の光を放出する。レーザ媒質１０は、特定の波長の光を吸収し、当該特定の波長に基づいた他の波長で発光する蛍光体から形成されている。レーザ媒質１０は、Ｔｂ３＋を含む化合物であってもよく、例えば、ＬｉＴｂＦ４、ＴｂＦ３を含む。また、レーザ媒質１０は、母材と、母材に含まれるＴｂ３＋とを有してもよい。母材は、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、カルコゲン化物からなる群から選択される１つの化合物またはこれらの２以上の混合物を含む。Ｔｂ３＋は、好ましくは、母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれる。例えば、レーザ媒質１０は、Ｔｂ：ＬｉＹＦ４（ＹＬＦ）等の結晶体である。Ｔｂ：ＹＬＦは、ＬｉＹＦ４にテルビウム（Ｔｂ）をドープしてイットリウム（Ｙ）の一部を置き換えたものであり、５４４ｎｍの波長の光を発振する。Ｔｂ：ＬｉＹＦ４等の結晶体は、増幅特性や透明性が良好であるため、これらの結晶体を用いることでレーザ発振器の高出力化を実現できる。なお、レーザ媒質１０は、ＹＬＦの結晶体以外にであっても、励起光ＥＬおよび誘導放出される光の波長領域の光を透過する母材にＴｂをドープしたものであってもよい。レーザ媒質１０は、例えば、Ｔｂ：ＣａＦ２、Ｔｂ：ＬｉＦ３、Ｔｂ：ＬｉＬｕＦ４（ＬＬＦ）、Ｔｂ：ＫＹ３Ｆ１０等であってもよい。これらの場合、Ｔｂ３＋は、好ましくは、母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれる。以下、レーザ媒質１０として、Ｔｂ：ＹＬＦを用いる場合について説明する。
【0013】
可飽和吸収体２０は、第１の波長領域の光において、強度が低い入射光に対して吸収体として作用し、強度が高い入射光に対して吸収体としての能力が飽和することで透明体として作用するものである。例えば、可飽和吸収体２０は、Ｃｏ添加スピネル（Ｓｐｉｎｅｌ）結晶を含む。スピネル結晶は、ＭｇＡｌ２Ｏ４を含む。可飽和吸収体２０は、Ｃｏ添加スピネル結晶を含む場合、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長の光において、可飽和吸収特性および６６０ｎｓの回復時間を有する。可飽和吸収体２０は、Ｃｏ添加スピネル結晶を含む場合、レーザ媒質１０にできるだけ近くに配置するとよい。例えば、可飽和吸収体２０とレーザ媒質１０との距離はたとえば２ｍｍ以下であるとよい。また、可飽和吸収体２０は、Ｔｉ添加サファイア、グラフェン、硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、硫化タングステン（ＷＳ２）を用いてもよい。
【0014】
非線形光学素子３０は、第１の波長領域の光を、第１の波長領域より短い第２の波長領域の光に変換するものであり、好ましくは、第１の波長領域の光を第１の波長領域の光の波長の２分の１である第２の波長領域の光に変換するものである。例えば、非線形光学素子３０は、ＢａＢ２Ｏ４非線形結晶を含む。非線形光学素子３０が、ＢａＢ２Ｏ４非線形結晶である場合、例えば、５４４ｎｍの波長の光を２７２ｎｍの波長の光に変換する。また、非線形光学素子３０は、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３（ＹＣＯＢ）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、リン酸二重水素カリウム（ＤＫＤＰ）を用いてもよい。
【0015】
共振器４０は、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置され、第１の反射鏡４１と、第２の反射鏡４２と、第３の反射鏡４３と、を備え、第２の反射鏡４２を頂点とするＶ字型共振器である。第１の反射鏡４１と第２の反射鏡４２を結ぶ線と、第２の反射鏡４２と第３の反射鏡４３を結ぶ線の為す角度θは、好ましくは、１０°以上３０°以下である。第１の反射鏡４１、第２の反射鏡４２および第３の反射鏡４３は、それぞれ平面鏡であってもよく、凹面鏡であってもよい。たとえば、第１の反射鏡４１、第２の反射鏡４２および第３の反射鏡４３は、順に、平面鏡、凹面鏡および平面鏡であってもよく、平面鏡、凹面鏡および凹面鏡であってもよく、凹面鏡、凹面鏡および平面鏡であってもよく、凹面鏡、凹面鏡および凹面鏡であってもよい。図１では、第１の反射鏡４１、第２の反射鏡４２および第３の反射鏡４３が、凹面鏡、凹面鏡および凹面鏡である例について示している。
【0016】
第１の反射鏡４１は、レーザ媒質１０と励起用光源５０との間に配置され、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、励起用光源５０から照射された励起光ＥＬを透過し第１および第２の波長領域の光を反射するものである。
【0017】
第２の反射鏡４２は、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟んで第１の反射鏡４１と対向する位置に配置される出力鏡である。この配置により、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０は、第１の反射鏡４１と第２の反射鏡４２との間に配置される。また、第２の反射鏡４２は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、レーザ媒質１０により誘導放出された第１の波長領域の光を第３の反射鏡４３に反射し、第３の反射鏡４３に反射された第１の波長領域の光を第１の反射鏡４１に反射し、非線形光学素子３０により変換された第２の波長領域の光を透過する。第２の反射鏡４２を透過した第２の波長領域の光は、フィルタ６０を透過し、外部に放出される。
【0018】
第３の反射鏡４３は、非線形光学素子３０を挟んで第２の反射鏡４２と対向する位置に配置され、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、第１および第２の波長領域の光を反射する。この配置により、非線形光学素子３０は、第２の反射鏡４２と第３の反射鏡４３との間に配置される。
【0019】
共振器４０が上記構造を有することで、レーザ発振器１００は、第１の反射鏡４１と、第２の反射鏡４２と、第３の反射鏡４３と、の間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させ、第２の反射鏡４２を通じて非線形光学素子３０により変換された第２の波長領域のレーザ光を放出することができる。また、上記構成により、第２の波長領域のレーザ光は、第２の反射鏡４２から透過されるため、可飽和吸収体２０に照射されにくくなり、可飽和吸収体２０の誤動作を防ぐことができる。
【0020】
励起用光源５０は、窒化ガリウムを含む半導体レーザを備え、第１の反射鏡４１に対向するように配置されている。励起用光源５０は、レーザ光を励起光ＥＬとして共振器４０内に配置されたレーザ媒質１０に照射する。励起用光源５０から照射された励起光ＥＬは、第１の反射鏡４１を透過してレーザ媒質１０に供給される。例えば、レーザ媒質１０にＴｂ：ＹＬＦを用いる場合、４８８ｎｍの励起光ＥＬを照射する励起用光源５０を用いる。
【0021】
つぎに、以上の構成を有するレーザ発振器１００が受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振する原理につて、レーザ媒質１０としてＴｂ：ＹＬＦ、可飽和吸収体２０として、Ｃｏ添加スピネル結晶、非線形光学素子３０として、ＢａＢ２Ｏ４非線形結晶を用い、励起用光源５０は、４８８ｎｍのレーザ光を照射する例について説明する。
【0022】
可飽和吸収体２０のＣｏ添加スピネル結晶は、上述したように、４８８ｎｍの光の吸収は小さく、光の強度が低い場合５４４ｎｍの光を吸収し、光の強度が高い場合透明体として作用するものである。レーザ媒質１０のＴｂ：ＹＬＦは、４８８ｎｍの励起光ＥＬを吸収して誘導放出を起こすことで５４４ｎｍのレーザ光を発振する。
【0023】
励起用光源５０からレーザ媒質１０に励起光が照射されると、図２に示すように、共振器４０内の光の強度が低いとき、可飽和吸収体２０に光が吸収されるため、共振器４０の光損失が大きく、レーザ発振せずエネルギーがレーザ媒質１０に蓄積される。なお、可飽和吸収体２０は、励起光ＥＬの吸収は小さいため、可飽和吸収の誤作動を防ぐことができる。
【0024】
共振器４０内の光の強度が高くなると、図３に示すように、可飽和吸収体２０が透明体として働き、共振器４０の閉じ込め効率が高くなり、発振蓄積されていたエネルギーが一気に放出される。これにより、共振器４０内で５４４ｎｍの短パルスレーザが生じる。この５４４ｎｍの短パルスレーザは、第２の反射鏡４２に反射され、非線形光学素子３０に導かれる。５４４ｎｍの短パルスレーザが非線形光学素子３０を通過すると、５４４ｎｍの短パルスレーザを２７２ｎｍの短パルスレーザに変換する。２７２ｎｍの短パルスレーザは、第３の反射鏡４３に反射され、第２の反射鏡４２およびフィルタ６０を透過し、外部に放出される。レーザが放出されると、共振器４０内の光の強度が低くなり、再度エネルギーがレーザ媒質１０に蓄積される。
【0025】
以上のように、レーザ発振器１００は、エネルギーの蓄積と放出が繰り返され５４４ｎｍの短パルスレーザが発振し、５４４ｎｍの短パルスレーザは非線形光学素子３０を通過すると２７２ｎｍの短パルスレーザに変換される。また、パルス幅は、例えば、ナノ秒～マイクロ秒、繰り返しは、数１０～数１００ｋＨｚ、パルスエネルギーは、マイクロ～ミリジュール級、ピーク出力は、ワット～キロワット級である。
【0026】
以上のように、本実施の形態のレーザ発振器１００は、Ｔｂ３＋を含むレーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、を備えることで、紫外線の波長域のレーザを発振することができる。詳細には、Ｔｂ３＋を含むレーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、を備えることで、励起用光源５０から４８８ｎｍのレーザ光がレーザ媒質１０に照射されると、共振器４０内で５４４ｎｍのレーザ光が生じ、この５４４ｎｍのレーザ光は、非線形光学素子３０により紫外線の２７２ｎｍのレーザ光に変換される。また、レーザ媒質１０としてＴｂ：ＹＬＦの結晶体以外のＴｂを含む物質に変更することで、２６５ｎｍ～２８０ｎｍの紫外線の波長域のレーザを発振することが可能であると考えられる。また、可飽和吸収体２０としてＣｏ添加スピネル結晶を用いることで、受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振することができる。また、レーザ発振器１００は、励起用光源５０に窒化ガリウムを用いた青色半導体レーザを用いることで、１００マイクロジュールもの大パルスエネルギーを出力することができる。従って、レーザ発振器１００は、紫外線の波長領域のレーザ光を高い効率で発振することができる。このため、レーザ発振器１００は、核融合研究における同位体計測またはプラズマ診断などに用いるレーザ装置として適している。また、レーザ発振器１００は、固体のレーザ媒質１０を用いることができるため、エキシマレーザなどのガスレーザ装置に比べて、コンパクトかつ低コスト化が可能である。また、Ｔｂ３＋などの希土類金属イオンは、内殻軌道の電子遷移によって光吸収することから、吸収波長帯の母材（ホスト材）依存が少ない。そのため、後述する実施例で用いたＹＬＦに限らず、母材の選択性に富んでいることも利点のひとつである。
【0027】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るレーザ発振器２００は、図４に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置される共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、ヒートシンク７０と、を備える。レーザ発振器２００は、一般にディスクレーザに分類されるものである。第２の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
第２の実施の形態に係るレーザ発振器２００は、図４に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟み込むように配置される共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、ヒートシンク７０と、を備える。レーザ発振器２００は、一般にディスクレーザに分類されるものである。第２の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
【0028】
レーザ媒質１０は、薄い板状の形状を有し、反射鏡４４を介してヒートシンク７０に取り付けられている。レーザ媒質１０が薄い板状の形状を有し、ヒートシンク７０に取り付けられることで、レーザ発振時に生じた熱を容易に放出することができる。なお、レーザ媒質１０の形状は、板状であれば限定されず、円板形状、楕円板形状または角板形状などであってもよい。好ましくは、Ｔｂ：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ：Yttrium Aluminum Garnet）等の結晶体である。なお、レーザ媒質１０は、第１の実施の形態で示したものであってもよい。
【0029】
可飽和吸収体２０は、レーザ媒質１０と同様の薄い板状の形状を有し、レーザ媒質１０に隣接して取り付けられている。
【0030】
非線形光学素子３０は、レーザ媒質１０と同様の薄い板状の形状を有し、可飽和吸収体２０に隣接して取り付けられている。
【0031】
共振器４０は、誘導放出された光を反射する反射鏡４４と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡４５と、を備える。反射鏡４４と出力鏡４５とは、レーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および非線形光学素子３０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡４４は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する鏡であり、励起用光源５０から放出された励起光ＥＬ、レーザ媒質１０から誘導放出された第１の波長領域の光、および非線形光学素子３０に変換された第２の波長領域の光を反射するものである。出力鏡４５は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する鏡であり、第１の波長領域の光を反射し、励起用光源５０から放出された励起光ＥＬおよび第２の波長領域の光を透過するものである。レーザ発振器２００は、出力鏡４５を透過して照射された励起光ＥＬにより、反射鏡４４と出力鏡４５との間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させる。増幅されたレーザ光は、非線形光学素子３０により第２の波長領域の光に変換され、出力鏡４５からレーザ光としての一部を放出する。
【0032】
励起用光源５０は、出力鏡４５を介して、励起光ＥＬをレーザ媒質１０に照射する位置に配置される。
【0033】
ヒートシンク７０は、熱伝導率の高い金属またはセラミック等により作製され、空冷または水冷により冷却されるものである。ヒートシンク７０によりレーザ媒質１０を冷却することで、大出力のレーザを長時間放出した場合に発生する熱を放出することが可能となる。
【0034】
以上のように、本実施の形態のレーザ発振器２００によれば、レーザ媒質１０が薄い板状の形状を有することで、誘導放出されたレーザ光が分散することで、大出力のレーザを放出することが可能である。また、レーザ媒質１０はヒートシンク７０により冷却されることで、長時間使用したとしても、発熱を抑えることが可能となる。その他の利点は、第１の実施の形態と同様である。
【0035】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係るレーザ発振器３００は、図５に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０と、共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。第３の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
第３の実施の形態に係るレーザ発振器３００は、図５に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０と、共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。第３の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
【0036】
共振器４０は、誘導放出された光を反射する反射鏡４６と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡４７と、を備える。反射鏡４６と出力鏡４７とは、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を挟んで互いに対向するように配置されている。非線形光学素子３０は、出力鏡４７から放出されたレーザ光が通過する経路に配置されている。反射鏡４６は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する鏡であり、励起用光源５０から放出された励起光ＥＬを透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された第１の波長領域の光を反射するものである。出力鏡４７は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有し、第１の波長領域の光の一部を透過し、残りを反射するものである。この構成により、反射鏡４６と出力鏡４７との間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させる。出力鏡４７から透過した第１の波長領域のレーザ光は、非線形光学素子３０を透過することにより、第２の波長領域のレーザ光に変換される。
【0037】
以上のように、本実施の形態のレーザ発振器３００によれば、反射鏡４６と出力鏡４７とを有する共振器４０を備えることで、第１の実施の形態で示したＶ字型共振器に比べてさらにコンパクトかつ低コスト化が可能である。その他の利点は、第１の実施の形態と同様である。
【0038】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るレーザ発振器４００は、図６に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０、共振器４０と、励起用光源５０と、を備えるマイクロチップレーザである。第４の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
第４の実施の形態に係るレーザ発振器４００は、図６に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０と、非線形光学素子３０、共振器４０と、励起用光源５０と、を備えるマイクロチップレーザである。第４の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
【0039】
レーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および非線形光学素子３０は、例えば、いずれも円盤形状であり、同一の外径で形成され接合されている。レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０の外径は、例えば、約０．５ｍｍ～約３００ｍｍであり、好ましくは約１０ｍｍ～約１００ｍｍである。
【0040】
共振器４０は、誘導放出された光を反射する反射鏡４８と、レーザ光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡４９と、を備える。反射鏡４８と出力鏡４９とは、レーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および非線形光学素子３０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡４８から出力鏡４９の光軸方向の長さは、例えば１ｍｍ～１０ｍｍである。反射鏡４８は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する鏡であり、励起用光源５０から放出された励起光ＥＬを透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された第１の波長領域の光、および非線形光学素子３０に変換された第２の波長領域の光を反射するものである。出力鏡４９は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する鏡であり、励起用光源５０から放出された励起光ＥＬおよび第１の波長領域の光を反射し、第２の波長領域の光を透過するものである。レーザ発振器２００は、反射鏡４８を透過して照射された励起光ＥＬにより、反射鏡４８と出力鏡４９との間でレーザ光を繰り返し反射させることで、レーザ光がレーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を通過するたびに誘導放出によりレーザ光を増幅させる。増幅されたレーザ光は、非線形光学素子３０により第２の波長領域の光に変換され、出力鏡４９からレーザ光として一部を放出する。
【0041】
以上のように、本実施の形態のレーザ発振器４００によれば、レーザ媒質１０と可飽和吸収体２０とを接合していることで、装置のサイズを小さくできるという利点がある。また、受動Ｑスイッチングにより短パルスレーザを発振する場合、パルス幅は共振器４０の長さに比例するため、パルス幅を短くすることが可能になる。
【0042】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、図７に示すように、レーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。第５の実施の形態のレーザ媒質１０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、第１～第４の実施形態のレーザ発信器１００～４００と比較して、可飽和吸収体２０を有さない点で異なる。このため、第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、パルスレーザではなく通常のレーザを発振することができる。また、第１～第４の実施形態のレーザ発信器１００～４００において、可飽和吸収体２０を取り除いた場合、同様に、パルスレーザではなく通常のレーザを発振することができる。
第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、図７に示すように、レーザ媒質１０と、非線形光学素子３０と、共振器４０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源５０と、を備える。第５の実施の形態のレーザ媒質１０、非線形光学素子３０および励起用光源５０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、第１～第４の実施形態のレーザ発信器１００～４００と比較して、可飽和吸収体２０を有さない点で異なる。このため、第５の実施の形態に係るレーザ発振器５００は、パルスレーザではなく通常のレーザを発振することができる。また、第１～第４の実施形態のレーザ発信器１００～４００において、可飽和吸収体２０を取り除いた場合、同様に、パルスレーザではなく通常のレーザを発振することができる。
【実施例0043】
以下、Ｔｂ３＋を含むレーザ媒質１０を代表して、レーザ媒質１０としてＴｂ：ＹＬＦを用いたレーザ発振器１００の効果を実証した。Ｔｂ：ＹＬＦは、ＬｉＹＦ４にテルビウム（Ｔｂ）をドープしてイットリウム（Ｙ）の一部を置き換えたものである。この実施例は、本開示の一実施態様を示すものであり、本開示は何らこれらに限定されるものではない。
【0044】
レーザ媒質１０としてＴｂ：ＹＬＦ、可飽和吸収体２０としてＣｏ添加スピネル結晶、非線形光学素子３０としてＢａＢ２Ｏ４非線形結晶および４８８ｎｍのレーザ光を照射する励起用光源５０を用いて、図１に示すレーザ発振器１００を作製した。
【0045】
実施例１のレーザ発振器１００には、可飽和吸収体２０として、１．０％ΔＴのＣｏ添加スピネル結晶を用い、実施例２のレーザ発振器１００には、可飽和吸収体２０として、５．３％ΔＴＣｏ添加スピネル結晶を用いた。なお、１．０％ΔＴおよび５．３％ΔＴはそれぞれの可飽和吸収体２０の吸収損失である。
【0046】
図８に実施例１、図９に実施例２のレーザ発振器１００から放出されたレーザ光の強度の時間変化を示す。実施例１のレーザ発振器１００では、比較的安定したＱスイッチングによるパルスレーザ（変動が３０％未満）を得ることができた。一方、実施例２のレーザ発振器１００では、しきい値をわずかに超える電力レベルでもパルスレーザが生成された。
【0047】
また、図１０に実施例１、図１１に実施例２のレーザ発振器１００から放出された単一パルスの波形を示す。実施例２のレーザ発振器１００から生成されたパルス形状は、実施例１のレーザ発振器１００から生成されたパルス形状と比較して、顕著な非対称性を示した。これは、実施例２のレーザ発振器１００の場合、２次高調波変換効率が高い状況での非線形結晶のオーバーカップリングに起因する可能性が考えられる。したがって、より短いＢａＢ２Ｏ４非線形結晶を将来のＱスイッチ動作に使用して、比較的長いＢａＢ２Ｏ４非線形結晶に起因するパルスの非対称性および空間的ウォークオフを低減することができることが予測される。
【0048】
【0049】
【0050】
また、図１６に実施例３および４の平均紫外線出力パワーと吸収パワーとの関係を示す。なお、実施例３のレーザ発振器１００には、可飽和吸収体２０として、０．８４％ΔＴのＣｏ添加スピネル結晶を用い、実施例４のレーザ発振器１００には、可飽和吸収体２０として、４．６％ΔＴＣｏ添加スピネル結晶を用いた。
【0051】
以上の測定結果により、実施例１のレーザ発振器１００よりも実施例２のレーザ発振器１００によって得られた大幅に短いパルス持続時間（２２０ｎｓ対１．０５μｓ）および長い繰り返し率（２．７ｋＨｚ対１１ｋＨｚ）は、実施例２のレーザ発振器１００の変調深度が大きいことを示す。パルスピークパワーは、非対称のパルス形状のため、実際のパルス関数の積分とパルスエネルギーへの正規化によって計算された。実施例１のレーザ発振器１００による比較的安定したＱスイッチングによるパルスレーザは、７．６μＪの最大パルスエネルギーと６．１Ｗのピークパワーを発生した。さらに、実施例２のレーザ発振器１００を使用した場合の統計的に平均化されたデータは、１００μＪを超える高いパルスエネルギーを達成する可能性を示す。
【0052】
結論として、約５４４ｎｍで発光するＴｂ３＋を含むレーザ媒質１０と、非線形光学素子３０として、ＢａＢ２Ｏ４非線形結晶と、を用いることで、２７２ｎｍの紫外線コヒーレント放射が生成できることがわかった。実施例１および２のレーザ発振器１００は、１μｍレーザから従来の第４高調波発生する装置よりもコンパクトでシンプルな共振器設計を有することができる。さらに重要なことは、この主題の動機の１つであるＴｂ：ＹＬＦの優れたエネルギー貯蔵能力が、効率的なＱスイッチングとそれに続く周波数変換操作につながることも示した。Ｑスイッチング動作は、基本高調波と２次高調波の両方のＣｏ：スピネル過飽和吸収体で実現される。最大パルスエネルギー７．６Ｊおよびピーク電力６．１Ｗは、５４４ｎｍで１．０％ΔＴの過飽和吸収体を使用した安定したＱスイッチングにより生成できることがわかった。５．３％ΔＴの過飽和吸収体を採用することにより、２７２ｎｍで平均出力２７７ｍＷが得られた。これは、吸収されたポンプパワーに関して１９％の光から光への効率に相当する。これにより、レーザ発振器１００は、紫外線の波長領域のレーザ光を高い効率で発振することができることがわかった。５．３％ΔＴの過飽和吸収体を使用したＱスイッチングの統計的に平均化されたデータは、このようなレーザーシステムからの数百ワットレベルのピークパワーの見通しを提供できた。また、Ｔｂ３＋などの希土類金属イオンは、内殻軌道の電子遷移によって光吸収することから、吸収波長帯の母材依存が少ない。そのため、実施例１および２で用いたＴｂ：ＹＬＦに限らず、他の母材を選択することやＴｂを含む化合物を選択することも可能であると考えられる。
【0053】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【0054】
１０…レーザ媒質、２０…可飽和吸収体、３０…非線形光学素子、４０…共振器、４１…第１の反射鏡、４２…第２の反射鏡、４３…第３の反射鏡、４４、４６、４８…反射鏡、４５、４７、４９…出力鏡、５０…励起用光源、６０…フィルタ、７０…ヒートシンク、１００、２００、３００、４００、５００…レーザ発振器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】