特許 7149618 可飽和吸収体およびレーザ発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-29

(45)【発行日】2022-10-07

(54)【発明の名称】可飽和吸収体およびレーザ発振器

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/11 20060101AFI20220930BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20220930BHJP

【ＦＩ】

H01S3/11

H01S3/067

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020058899

(22)【出願日】2020-03-27

(65)【公開番号】P2021158281

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2021-10-29

(73)【特許権者】

【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】上原 日和

(72)【発明者】

【氏名】安原 亮

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０４９３４８４３（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１８３９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００６２５１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５０２２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５６４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６５１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１９２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１６７５８１７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外波長用の可飽和吸収体であって、
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０．５ａｔ％～３ａｔ％の割合で含まれるＤｙ^３＋ と、
を有することを特徴とする可飽和吸収体。

【請求項2】

前記母材は、フッ化物を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収体。

【請求項3】

２．８μｍの波長を含む光において、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１または２に記載の可飽和吸収体。

【請求項4】

表面に反射防止膜を備える、
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の可飽和吸収体。

【請求項5】

請求項１から４の何れか１項に記載の可飽和吸収体と、
誘導放出により光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を挟み込むように配置される共振器と、
を備えることを特徴とするレーザ発振器。

【請求項6】

前記共振器の全長は、前記可飽和吸収体の回復時間に光の速度を掛けた長さの２分の１より長い、
ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ発振器。

【請求項7】

前記レーザ媒質は、ファイバー形状を有し、励起光を吸収して光を誘導放出するコアと、コアより屈折率の低いクラッドと、を備え、
前記可飽和吸収体は、前記レーザ媒質の一端部に配置される、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ発振器。

【請求項8】

前記可飽和吸収体は、前記レーザ媒質の前記一端部を保護する機能をさらに有する、
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ発振器。

【請求項9】

前記共振器は、誘導放出された光を反射する反射鏡と、光の一部を外部に取り出すことができる出力鏡と、を有し、
前記可飽和吸収体は前記反射鏡の表面に配置され、
前記可飽和吸収体および前記反射鏡は、可飽和吸収ミラーを構成する、
ことを特徴とする請求項５から８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、可飽和吸収体およびレーザ発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

可飽和吸収体は、強度の低い入射光に対して吸収体として働き、強度の高い入射光に対しては吸収体としての能力が飽和し透明体として働く物質である。可飽和吸収体をレーザ（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）共振器中に配置することで、受動Ｑスイッチまたは受動モードロッカーとして動作し、高いピーク出力を有する短パルスレーザを発振することが知られている。中赤外波長レーザに適用可能な可飽和吸収体として、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ系半導体、グラフェン、カーボンナノチューブ等が用いられている。波長３μｍ近傍で発振するエルビウム系固体レーザが盛んに研究されるようになり、高ピーク出力化のための可飽和吸収体に対する要求が高まっている。

【0003】

特許文献１は、中赤外波長域で使用可能なＦｅ：ＺｎＳｅ及びＦｅ：ＺｎＳ可飽和吸収体を開示する。このＦｅ：ＺｎＳｅを用いた可飽和吸収体は、波長２．８μｍにおいて、Ｅｒ：Ｃｒ：ＹＳＧＧレーザの受動Ｑスイッチ発振を実証している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】米国特許第８，８１７，８３０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

Ｆｅ：ＺｎＳｅ及びＦｅ：ＺｎＳを用いた可飽和吸収体は、毒性が高いという欠点を有している。また、ホスト材料であるＺｎＳｅ及びＺｎＳは、可視から近赤外域における励起光を吸収するという問題がある。また、Ｆｅ^２＋は吸収断面積が大きく、添加濃度による変調度の制御が難しく、優れた変調度を有する可飽和吸収体を得ることは容易でない。

【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、容易に作成でき、優れた変調度を有する可飽和吸収体および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、本発明に係る可飽和吸収体の一様態は、
赤外波長用の可飽和吸収体であって、
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０．５ａｔ％～３ａｔ％の割合で含まれるＤｙ^３＋ と、
を有することを特徴とする。

【0008】

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、
前記可飽和吸収体と、
誘導放出により光を増幅するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を挟み込むように配置される共振器と、
を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、容易に作成でき、優れた変調度を有する可飽和吸収体および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】

【0010】

【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２の実施の形態に係るレーザ発振器が超短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。

【図6】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振器が超短パルスレーザを発振する原理を説明する図である。

【図7】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8】本発明の第３の実施の形態の変形例に係るレーザ発振器を示す図である。

【図9】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10】本発明の第３の実施の形態の変形例に係るレーザ発振器を示す図である。

【図11】本発明の実施例に係る可飽和吸収体の透過率を示す図である。

【図12】本発明の実施例に係る可飽和吸収体の散乱係数を示す図である。

【図13】本発明の実施例に係る可飽和吸収体の吸収係数を示す図である。

【図14】本発明の実施例に係る可飽和吸収体のＤｙ含有率と吸収係数を示す拡大図である。

【図15】本発明の実施例に係る可飽和吸収体の過飽和吸収特性を示す図である。

【図16】本発明の実施例に係るレーザ発振器のレーザ出力を示す図である。

【図17】本発明の実施例に係るレーザ発振器のレーザ出力を示す拡大図である。

【図18】本発明の実施例に係るレーザ発振器のパルス幅および繰り返し周波数を示す図である。

【図19】本発明の実施例に係るレーザ発振器のパルスエネルギーおよびピークパワーを示す図である。

【図20】本発明の実施例に係るレーザ発振器の出力鏡の透過率に対する平均出力パワーを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

（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２０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（cavity）３０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０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２．５μｍ～３．５μｍの波長の短パルスレーザを発振するものである。

【0013】

レーザ媒質１０は、励起用光源４０から照射された励起光を吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅する。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が発振するレーザ光の波長の下限値は、好ましくは２．５μｍ、より好ましくは２．６μｍ、さらに好ましくは２．７μｍである。レーザ媒質１０が発振するレーザ光の波長の上限値は、好ましくは３．５μｍ、より好ましくは３．２μｍ、さらに好ましくは３．０μｍ、特に好ましくは２．９μｍである。例えば、レーザ媒質１０は、Ｅｒ：ＹＡｌＯ_３等の結晶体である。Ｅｒ：ＹＡｌＯ_３は、ＹＡｌＯ_３にエルビウム（Ｅｒ）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、２．８μｍのレーザ光を発振する。Ｅｒ：ＹＡｌＯ_３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。レーザ媒質１０の光軸方向の長さＬ１は、例えば５ｍｍ～１０ｍｍである。なお、レーザ媒質１０は、Ｅｒ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）、Ｅｒ：ＹＡＰ（Yttrium Aluminum Perovskite）、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｅｒ：Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ（Yttrium Scandium Gallium Garnet）、Ｅｒ、Ｃｒ：ＹＳＧＧ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｄｙ：ＹＬＦ、Ｄｙ：ＰｂＧａ_２Ｓ_４、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ_４－ＢａＦ_２－ＬａＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ）、Ｅｒ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮまたはＨｏ：ＺＢＬＡＮを含んでもよい。Ｅｒ：ＹＡｌＯ_３は、好ましくは単結晶体のものを用いる。上記に例示したＥｒ：ＹＡｌＯ_３以外の物質は、単結晶体、多結晶体またはセラミックスのものを用いてもよい。

【0014】

可飽和吸収体２０は、赤外波長用の可飽和吸収体であって、Ｄｙ^３＋を含み、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。可飽和吸収体２０は、Ｄｙ^３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度および優れた変調度を有する。また、Ｄｙ^３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能である。これらの効果は、後述する実施例により示される。可飽和吸収体２０は、共振器３０内の光の強度が低いとき、光を吸収するため、共振器３０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。また、レーザ媒質１０から照射される励起光は、可飽和吸収体２０に吸収されないため、可飽和吸収性能の低下が起こらない。共振器３０内の光の強度が高くなると、可飽和吸収体２０は、透明体として働き、共振器３０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、レーザ発振器１００から短パルスレーザが照射される。パルス幅は、例えば、ナノ秒～マイクロ秒である。また、可飽和吸収体２０は、共振器３０の内部損失を抑えるため、表面に反射防止膜を備えることが好ましい。

【0015】

可飽和吸収体２０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２以上の混合物を含む母材と、母材に０．１ａｔ％～５０ａｔ％の割合で含まれるＤｙ^３＋と、を有してもよい。可飽和吸収体２０の母材は、励起光およびレーザ媒質１０から誘導放出される波長の光を吸収しないものであることが好ましく、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＹＡｌＯ_３、ＹＶＯ_４などの酸化物、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＹＬｉＦ_４、ＬｉＬｕＦ_４、ＢａＹ_２Ｆ_８などのフッ化物、ＰｂＧａＳ_４、ＣａＧａ_２Ｓ_４、ＺｎＳｅ、ＺｎＳなどのカルコゲン化物であってもよく、これらの混合物であってもよい。このうち、可飽和吸収体２０の母材は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＹＡｌＯ_３の酸化物、ＣａＦ_２、ＹＬｉＦ_４のフッ化物、ＰｂＧａＳ_４、ＣａＧａ_２Ｓ_４のカルコゲン化物が好ましい。この場合、母材は、単結晶、多結晶またはセラミックスであってもよい。可飽和吸収体２０として、Ｄｙを０．５ａｔ％の割合で含むＤｙ：ＣａＦ_２を用いる場合、可飽和吸収体２０の光軸方向の長さＬ２は、例えば２ｍｍ～５ｍｍである。

【0016】

また、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ_２Ｏ_３を含んでもよい。この場合、透明板またはレーザ媒質１０にＤｙ_２Ｏ_３を成膜してもよく、Ｄｙ_２Ｏ_３の粉末を樹脂やガラスに混入したものであってもよい。また、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ^３＋を含む素材を透明板またはレーザ媒質１０に成膜したものであってもよく、Ｄｙ^３＋を含む粉末を樹脂やガラスに混入したものであってもよい。

【0017】

また、可飽和吸収体２０は、酸化物ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラス、カルコゲナイドガラスからなる群から選択される１つのガラスまたは２以上のガラスの混合物を含む母材と、母材に０．１ｍｏｌ％～５０ｍｏｌ％の割合で含まれるＤｙ^３＋と、を有してもよい。可飽和吸収体２０の母材は、励起光およびレーザ媒質１０から誘導放出される波長の光を吸収しないものであることが好ましく、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどの酸化物ガラス、ＺＢＬＡＮガラス、ＺＢＹＡ（ＺｒＦ_４－ＢａＦ_２－ＹＦ_３－ＡｌＦ_３）ガラスＡｌＦ_３系ガラス、ＩｎＦ_３系ガラスなどのフッ化物ガラス、テルライトガラス、Ｇｅ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓ系、Ｇｅ－Ａｓ系などのカルコゲナイドガラスであってもよく、これらの混合物であってもよい。このうち、可飽和吸収体２０の母材は、ＺＢＬＡＮガラスが好ましい。

【0018】

共振器３０は、誘導放出された光を反射する反射鏡３１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３２と、を備える。反射鏡３１と出力鏡３２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。反射鏡３１から出力鏡３２の光軸方向の長さＬ３は、例えば１０ｍｍ～２０ｍｍである。反射鏡３１は、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４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。出力鏡３２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から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。例えば、出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の９５％を反射し、５％を透過する。レーザ発振器１００は、反射鏡３１と出力鏡３２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、出力鏡３２を通じてレーザ光の一部を放出する。

【0019】

励起用光源４０は、半導体レーザを備え、反射鏡３１に対向するように配置されている。励起用光源４０は、レーザ光を励起光として共振器３０内に配置されたレーザ媒質１０に照射する。励起用光源４０から照射された励起光は、レンズ４１により集光され、反射鏡３１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Ｅｒ：ＹＡｌＯ_３を用いた場合、９７６ｎｍのレーザ光を照射する励起用光源４０を用いる。

【0020】

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説明する。

【0021】

レーザ発振器１００の可飽和吸収体２０は、上述したように、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。ここでは、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ_３、可飽和吸収体２０として、Ｄｙ：ＣａＦ_２を用い、励起用光源４０は、９７６ｎｍのレーザ光を照射するものを用いる例について説明する。レーザ媒質１０のＥｒ：ＹＡｌＯ_３は、９７６ｎｍの励起光を吸収して誘導放出を起こすことで２．８μｍのレーザ光を発振する。可飽和吸収体２０のＤｙ：ＣａＦ_２は、９７６ｎｍの光を吸収せず、光の強度が低い場合２．５～３．５μｍの光を吸収する。

【0022】

励起用光源４０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３０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３０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、レーザ媒質１０から照射される励起光は、吸収されないため、可飽和吸収の誤作動を防ぐことができる。

【0023】

共振器３０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３０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、レーザ発振器１００から短パルスレーザが照射される。短パルスレーザが照射されると、共振器３０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。

【0024】

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短パルスレーザを照射する。例えば、パルス幅は、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、マイクロジュール～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。

【0025】

以上のように、本実施の形態の可飽和吸収体２０は、Ｄｙ^３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度、優れた変調度を得ることができる。また、Ｄｙ^３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能である。また、吸収極大波長がエルビウム系固体レーザの発振波長と同じ又は近いという利点もある。また、レーザ発振器１００は、Ｄｙ^３＋を含む可飽和吸収体２０を用いることで、受動Ｑスイッチングにより２．５～３．５μｍの短パルスレーザを発振することができる。一般的に、パルスレーザ発振器において、可飽和吸収体の励起光吸収は性能低下の要因となる。可飽和吸収体２０によれば、グラフェンに代表される波長無依存な可飽和吸収体やＦｅ：ＺｎＳｅ等と異なり、励起光（エルビウム系中赤外レーザの場合は０．９７μｍ）を吸収しないことも大きな利点である。これにより、直線型で長さの短いレーザ共振器の構成が可能になり、レーザ発振器１００は、コンパクトに設計でき、かつ高ピーク出力なパルスレーザを出力することが可能である。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。特に、後述する実施例において示すＤｙ：ＣａＦ_２は、波長２．５～３．５μｍに渡って連続的に大きな吸収断面積を有しており、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮレーザに代表される全てのエルビウム系レーザ、並びにＣｒ：ＺｎＳｅレーザ等の様々な３μｍ帯レーザ発振器に適用可能である。また、Ｄｙ：ＣａＦ_２は比較的に高い熱伝導度を有しており、可飽和吸収体でしばしば問題となる熱負荷も抑制可能である。また、Ｄｙ^３＋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ＣａＦ_２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。

【0026】

（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、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３０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０と、を備える。レーザ発振器２００は、受動モード同期（passive mode-locking）により２．５μｍ～３．５μｍの波長の超短パルスレーザを発振するものである。第２の実施の形態のレーザ媒質１０、可飽和吸収体２０および励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。

【0027】

共振器３０は、誘導放出された光を反射する反射鏡３１、３３～３５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３２と、を備える。反射鏡３１と反射鏡３３とは、レーザ媒質１０を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡３４と反射鏡３５とは、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。反射鏡３１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。反射鏡３３、３４は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。反射鏡３５は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する平面鏡であり、レーザ媒質１０から誘導放出された光を反射するものである。出力鏡３２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から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。例えば、出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光の９５％を反射し、５％を透過する。共振器３０の全長は、反射鏡３５から出力鏡３２までの光が通る経路の長さであり、可飽和吸収体２０の回復時間（変調の応答速度）に光の速度を掛けた長さの２分の１より長く、例えば１ｍ～２ｍである。これにより、可飽和吸収体２０の回復時間（変調の応答速度）は、共振器３０内での光の往復時間より短くなる。レーザ発振器２００は、反射鏡３５と出力鏡３２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、出力鏡３２を通じてレーザ光の一部を放出する。

【0028】

つぎに、以上の構成を有するレーザ発振器２００が受動モード同期により超短パルスレーザを発振する原理につて説明する。

【0029】

レーザ発振器２００の可飽和吸収体２０は、上述したように、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。ここでは、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ_３、可飽和吸収体２０として、Ｄｙ：ＣａＦ_２を用い、励起用光源４０は、９７６ｎｍのレーザ光を照射するものを用いる例について説明する。レーザ媒質１０のＥｒ：ＹＡｌＯ_３は、９７６ｎｍの励起光を吸収して誘導放出を起こすことで２．８μｍのレーザ光を発振する。可飽和吸収体２０のＤｙ：ＣａＦ_２は、９７６ｎｍの光を吸収せず、光の強度が低い場合２．５～３．５μｍの光を吸収する。

【0030】

励起用光源４０から反射鏡３１を透過してレーザ媒質１０に励起光が照射されると、レーザ媒質１０は、誘導放出を起こしレーザ光を発振する。反射鏡３３、３４に反射された励起光およびレーザ光は、可飽和吸収体２０を通過し、反射鏡３５で反射される。反射鏡３５で反射された励起光およびレーザ光は、再度、可飽和吸収体２０を通過し、反射鏡３４、３３で反射され、レーザ媒質１０に導かれる。レーザ媒質１０を通過した励起光およびレーザ光は、反射鏡３１で反射され出力鏡３２に導かれ、出力鏡３２で反射される。以上のように、励起光およびレーザ光は、反射鏡３５と出力鏡３２との間を往復する。

【0031】

可飽和吸収体２０に光パルスを照射した場合、初期段階において、上述した受動Ｑスイッチングと同様の原理で短パルスレーザが発生する。次の段階において、図５に示すように、強度の強いパルスの中心部分は、可飽和吸収体２０を通過するのに対し、強度の弱いパルスの裾野部分は、可飽和吸収体２０で吸収されてパルス幅が短くなる。可飽和吸収体２０を用いて往復周期で強度変調すると、図６に示すように、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスが発生する。これにより、レーザ発振器２００では、レーザ光のパルスの幅が短くなり、例えば、フェムト秒～ピコ秒幅の光パルスが放出される。

【0032】

以上のように、レーザ発振器２００は、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスが発生する。パルス幅は、フェムト秒～ピコ秒、繰り返しは、数１０～数１００ＭＨｚ、パルスエネルギーは、ナノジュール級、ピーク出力は、数１０～数１００キロワットである。

【0033】

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器２００によれば、強度の強いパルスの中心部分は、可飽和吸収体２０を通過するのに対し、強度の弱いパルスの裾野部分は、可飽和吸収体２０で吸収される。可飽和吸収体２０の回復時間は、共振器３０内での光の往復時間より短く設定されている。これにより、可飽和吸収体２０を用いて往復周期で強度変調することで、受動モード同期により、縦モード同士の位相が同期し、超短パルスを発生させることができる。

【0034】

（第２の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態では、可飽和吸収体２０と反射鏡３５が、別体として用いられる例について説明したが、可飽和吸収体２０は反射鏡３５の表面に配置され、可飽和吸収ミラーを構成してもよい。この場合、反射鏡３５の表面に可飽和吸収体２０の膜を配置してもよく、可飽和吸収体２０に誘電体膜を形成し、反射鏡３５の表面に可飽和吸収体２０を配置してもよい。

【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７に示すように、ファイバー形状を有するレーザ媒質１１と、レーザ媒質１１の一端部に配置された可飽和吸収体２１と、レーザ媒質１１および可飽和吸収体２１を挟み込むように配置される共振器５０と、レーザ媒質１１に励起光を供給する励起用光源４０と、を備える中赤外ファイバーレーザである。レーザ発振器３００は、受動Ｑスイッチング（Passive Q-switching）により２．５μｍ～３．５μｍの波長の短パルスレーザを発振するものである。第３の実施の形態の励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。

【0036】

レーザ媒質１１は、励起用光源４０から照射された励起光を吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅する。レーザ媒質１１は、例えば、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮから構成され励起光を吸収して光を誘導放出するコアと、コアより屈折率の低いクラッドと、を備えるＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーである。Ｅｒ：ＺＢＬＡＮは、ＺＢＬＡＮにエルビウム（Ｅｒ）をドープしたものであり、２．７～２．９μｍのレーザ光を発振する。レーザ媒質１１は、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮファイバー、Ｅｒ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮファイバー、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮファイバーまたはＨｏ：ＺＢＬＡＮファイバーなどファイバーレーザに用いられるものであればよい。

【0037】

可飽和吸収体２１は、可飽和吸収体２０と同様に、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り、レーザ媒質１１の一端部を保護するエンドキャップ呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有する。可飽和吸収体２１がレーザ媒質１１の一端部に配置されることで、ファイバーレーザの長期安定化や高出力化を可能にする。なお、可飽和吸収体２１は、上述した可飽和吸収体２０と同様の材質であってもよい。例えば、レーザ媒質１１としてＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーを用いる場合、可飽和吸収体２１として、Ｄｙ：ＣａＦ_２を用いることが好ましい。可飽和吸収体２１は、レーザ媒質１１の一端に融着されて取り付けられる。ＺＢＬＡＮガラスとＣａＦ_２結晶の熱融着における親和性は極めて高いうえ、ＣａＦ_２は熱伝導度が高く熱負荷を大幅に軽減可能である。Ｄｙ：ＣａＦ_２をファイバー端に融着することで、保護部材としての優れた性能とＱスイッチ素子としての機能を両立することが可能である。

【0038】

共振器５０は、誘導放出された光を反射する反射鏡５１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５２と、を備える。反射鏡５１と出力鏡５２とは、レーザ媒質１１および可飽和吸収体２１を挟んで互いに対向するように配置されている。反射鏡５１は、透明板と透明板に形成された誘電体膜とを有する凹面鏡であり、レーザ媒質１１から誘導放出された光および励起光を反射するものである。出力鏡５２は、レーザ媒質１１の他端部に配置され、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。出力鏡５２は、可飽和吸収体２１と同様に、レーザ媒質１１の他端部を保護するエンドキャップと呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有する。出力鏡５２がレーザ媒質１１の他端部に配置されることで、ファイバーレーザの長期安定化を可能にする。

【0039】

励起用光源４０は、出力鏡５２からレーザ媒質１１に励起光を導入することができる位置に配置されている。励起用光源４０と出力鏡５２との間に、反射鏡４２が光軸に対して４５°傾けて配置されている。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する平面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光を反射するものである。

【0040】

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器３００によれば、可飽和吸収体２１が、レーザ媒質１１の一端部を保護するエンドキャップと呼ばれる潮解抑制パーツとしての機能をさらに有することで、ファイバーレーザの長期安定化や高出力化を可能にする。レーザ媒質１１としてＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバーを用いる場合、可飽和吸収体２１として、Ｄｙ：ＣａＦ_２を用いると、ＺＢＬＡＮガラスとＣａＦ_２結晶の熱融着における親和性は極めて高いため、ＣａＦ_２は熱伝導度が高く熱負荷を大幅に軽減可能である。従って、Ｄｙ：ＣａＦ_２をファイバー端に融着することで、保護部材としての優れた性能とＱスイッチ素子としての機能を両立することが可能である。

【0041】

（第３の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態では、励起用光源４０が、レーザ媒質１１の他端部から励起光を導入する例について説明した。レーザ発振器３００は、レーザ媒質１１に励起光を導入することができればよく、レーザ媒質１１の一端部および他端部から励起光を導入してもよい。例えば、図８に示すように、レーザ発振器３００は、励起用光源４０に加えて励起用光源４３を備え、レーザ媒質１１の一端部および他端部から励起光を導入する。励起用光源４３と可飽和吸収体２１との間に、反射鏡４４が光軸に対して４５°傾けて配置されている。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平面鏡であり、励起用光源４３から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１１から誘導放出された波長の光を反射するものである。反射鏡４４で反射された光は、反射鏡５１’で反射され、レーザ媒質１１に戻される。反射鏡４４と可飽和吸収体２１との間には、レンズ４５が配置されている。また、レーザ媒質１１にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１２を設けてもよい。このように、励起用光源４０、４３を用いることで、さらに高い強度のレーザを発振することができる。

【0042】

（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９に示すように、レーザ媒質１０と、可飽和吸収体２０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６０と、レーザ媒質１０に励起光を供給する励起用光源４０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および励起用光源４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。

【0043】

レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０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。レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０は、例えば、パルス通電加圧焼結法（ＰＥＣＳ：Pulse Electric Current Sintering）を用いて接合されるとよい。ＰＥＣＳは、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０を機械的に加圧しつつ、直流のＯＮ／ＯＦＦで生成したパルス電流を供給して材料を加熱することで、材料同士を接合する方法である。

【0044】

共振器６０は、誘導放出された光を反射する反射鏡６１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６２と、を備える。反射鏡６１と出力鏡６２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。反射鏡６１から出力鏡６２の光軸方向の長さは、例えば１ｍｍ～１０ｍｍである。反射鏡６１は、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４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。反射鏡６１は、レーザ媒質１０に直接成膜された誘電体膜であってもよい。出力鏡６２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から誘導放出された波長の光の一部を透過し、残りを反射するものである。出力鏡６２は、可飽和吸収体２０に直接成膜された誘電体膜であってもよい。

【0045】

以上のように、本実施の形態のレーザ発振器４００によれば、第１の実施の形態のレーザ発振器１００と同様に、可飽和吸収体２０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６０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。

【0046】

（第４の実施の形態の変形例）
上述の実施の形態に係るレーザ発振器４００では、励起光が照射される向きとレーザ光が放出される向きとが同じである例について説明した。レーザ発振器４００は、レーザ光を放出することができればよく、図１０に示すように、励起光が照射される向きとレーザ光が放出される向きとが逆向きであってもよい。この場合、例えば、励起用光源４０と、レーザ媒質１０および可飽和吸収体２０と、の間に、反射鏡４６が光軸に対して４５°傾けて配置されている。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平面鏡であり、励起用光源４０から放出された波長の光を透過し、レーザ媒質１０から誘導放出された波長の光を反射するものである。このようにすることで、装置のレイアウトに合わせた設計が容易になる。

【0047】

（変形例）
上述の実施の形態のレーザ発振器１００から４００では、レーザ媒質１０、１１が、固体であり、励起用光源４０がレーザ媒質１０、１１に励起光を供給する例について説明した。レーザ媒質１０、１１は、誘導放出により光を放出できればよく、ガス等を媒質にしてもよい。また、レーザ媒質１０、１１は、誘導放出により光を放出できればよく、励起用光源４０から励起光を供給する代わりに、放電、電子衝突、電流の注入などにより励起されてもよい。

【実施例】

【0048】

以下、Ｄｙ^３＋を含む可飽和吸収体２０を代表して、Ｄｙを添加したＣａＦ_２のセラミックス試料の効果を実証した。また、Ｄｙを添加したＣａＦ_２のセラミックス試料を用いたレーザ発振器１００の効果を実証した。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。

【0049】

可飽和吸収体２０として、Ｄｙを添加したＣａＦ_２の実施例のセラミックス試料を作成した。実施例１のＤｙの含有率は、０．５ａｔ％であり、実施例２のＤｙの含有率は、１ａｔ％であり、実施例３のＤｙの含有率は、２ａｔ％であり、実施例４のＤｙの含有率は、３ａｔ％であった。

【0050】

実施例１のセラミックス試料は、粉末のＣａＦ_２に０．５ａｔ％含有率でＤｙを添加したものを混合し、混合したものを成型および加圧焼成して作成した。詳細には、ＣａＦ_２に０．５ａｔ％含有率でＤｙを含む粉末を冷間静水圧プレスにより加圧して成型した。つぎに、成型した試料を窒素中で仮焼成を実施した。つぎに、仮焼成した試料を熱間静水圧プレスにより大気中で加圧焼成した。実施例２～３のセラミックス試料についても、実施例１と同様に、粉末のＣａＦ_２にそれぞれの含有率のＤｙを添加して作成した。実施例１～４の形状は、厚さ３ｍｍの円盤状であった。

【0051】

実施例１～４のセラミックス試料の透過率、散乱係数および吸収係数（定常状態）を測定した。測定した透過率を図１１、散乱係数を図１２、吸収係数を図１３、吸収係数とＤｙの含有率の関係を図１４に示す。Ｄｙの含有率が大きくなるに従い、透過率は小さくなっており、実施例１～４のセラミックス試料は、Ｄｙの含有率により透過率を制御可能であることを示した。また、散乱係数については、２９００ｎｍにおいて０．０１～０．０５ｃｍ^－１であり、Ｄｙの含有率との相関は見られなかった。また、吸収係数において、吸収極大波長は２８３０ｎｍであり、実施例１～３において波長２．５μｍ～３．２μｍ、実施例４において波長２．５μｍ～３．５μｍに渡って連続的かつ広帯域な吸収特性を有していた。このことは、Ｄｙ：ＣａＦ_２可飽和吸収体が、波長２．５μｍ～３．５μｍで発振するレーザに適用可能であることを意味している。また、２８３０ｎｍ、２９００ｎｍ、２７００ｎｍ、３０００ｎｍおよび２６００ｎｍにおいて、吸収係数は、Ｄｙの含有率に比例していることがわかった。このことから、吸収率や変調度は、Ｄｙの含有率やセラミックス試料の厚さを調節することで精度よく制御可能であることがわかった。また、実施例１～４のセラミックス試料の何れも、９５０ｎｍ～１０２０ｎｍで吸収が観測されず、励起光を吸収しないことがわかった。

【0052】

つぎに、波長２９２０ｎｍの連続波レーザ光を用いて、実施例１のセラミックス試料の透過率の入射強度依存性を測定した。測定した過飽和吸収特性を図１５に示す。顕著な非線形吸収が観測され、フィッティングにより飽和強度０．３２ＭＷ／ｃｍ^２、変調度４．７％、非飽和損失３．０％が導出された。グラフェンの飽和強度は０．７ＭＷ／ｃｍ^２、変調度は１．５％未満であることが知られている。実施例１のセラミックス試料の変調度は、グラフェンの変調度より大きく、実施例１のセラミックス試料の飽和強度は、グラフェンの飽和強度より小さいことがわかった。従って、実施例１のセラミックス試料の飽和吸収特性は、グラフェンの飽和吸収特性より優れていることがわかった。

【0053】

つぎに、実施例１のセラミックス試料を用いて、受動Ｑスイッチパルスレーザの実証を、図１に示す構造のレーザ発振器１００を用いて行った。可飽和吸収体２０として、実施例１のセラミックス試料を用いた。レーザ媒質１０の光軸方向の長さＬ１は、８ｍｍ、可飽和吸収体２０の光軸方向の長さＬ２は、３ｍｍ、共振器３０の反射鏡３１から出力鏡３２の光軸方向の長さＬ３は、１５ｍｍであった。また、レーザ媒質１０としてＥｒ：ＹＡｌＯ_３の結晶を用い、励起用光源４０から９７６ｎｍのレーザ光を励起光として照射した。出力鏡３２は、レーザ媒質１０から誘導放出された光の９５％を反射し、５％を透過するものを用いた。実施例１のセラミックス試料は励起光を吸収しないため、直線形状で比較的長さの短い共振器を構成できた。受動Ｑスイッチの場合、発振パルス幅は共振器の長さに反比例するため、高いピーク出力を得るためには共振器の短縮化は重要である。

【0054】

励起用光源４０から励起光を照射すると、レーザ発振器１００は、２．８μｍのパルスレーザを発振した。Ｑスイッチ実証実験で得られた中赤外レーザパルスの時間波形を図１６および図１７に示す。繰り返し周波数は、２０８ｋＨｚであった。励起用光源４０から５．６Ｗの励起光を照射した場合、パルス幅は７４０ｎｓであり、励起用光源４０から１１．７Ｗの励起光を照射した場合、パルス幅は２２０ｎｓであった。Ｑスイッチングに起因した安定なパルス列が得られ、パルス幅は最短で２２０ｎｓであった。また、図１８に示すように、励起光のゲインの増加に伴って、パルス幅が短くなり、繰り返し周波数が増加した。これは、一般的な受動Ｑスイッチレーザの挙動であり、Ｄｙ：ＣａＦ_２の可飽和吸収体利用による中赤外パルス動作が実証された。また、図１９に示すように、ゲインの増加に伴って、パルスエネルギーおよびピークパワーも増加した。また、２．５％、５％および１０％の光を透過する出力鏡３２を用いて、ゲインに対する平均出力パワーをそれぞれ測定した。この結果を図２０に示す。ゲインに対する平均出力パワーは、５％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、最も大きく、１０％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、次に大きく、２．５％の光を透過する出力鏡３２を用いた場合、最も小さかった。

【0055】

以上のように、可飽和吸収体２０は、Ｄｙ^３＋を含むことで、励起光に対する透過度が高く、小さい飽和強度、優れた変調度を得ることができることがわかった。また、Ｄｙ^３＋の含有率を調整することによって変調度を精度よく制御可能であることがわかった。また、レーザ発振器１００は、Ｄｙ^３＋を含む可飽和吸収体２０を用いることで、受動Ｑスイッチングにより２．８μｍの短パルスレーザを発振することができることがわかった。また、Ｄｙ^３＋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１～４で用いたＣａＦ_２に限らず、他の母材を選択することも可能であると考えられる。

【0056】

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】

【0057】

１０、１１…レーザ媒質、１２…ＦＢＧ、２０、２１…可飽和吸収体、３０、５０、６０…共振器、３１、３３～３５、４２、４４、４６、５１、５１’、６１…反射鏡、３２、５２、６２…出力鏡、４０、４３…励起用光源、４１、４５…レンズ、１００、２００、３００、４００…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】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】