JP2003086873A

JP2003086873A - 受動ｑスイッチレーザ

Info

Publication number: JP2003086873A
Application number: JP2001274017A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakai; 博酒井; Akihiro Sone; 明弘曽根; Hirobumi Suga; 博文菅; Hironori Hirato; 平等　　拓範
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レーザ光出力のピーク強度を増大可能な受動
Ｑスイッチレーザを提供する。【解決手段】受動Ｑスイッチレーザは、共振器を構成
する一対の反射鏡１，２内に配置された固体レーザ媒質
（Ｎｄ：ＹＡＧ）３と、共振器内の固体レーザ媒質３か
ら発生した光を吸収し当該吸収に伴って透過率が減少す
るホスト結晶（Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ：可飽和吸収体）４と、
固体レーザ媒質３を励起するレーザ光を出射する半導体
レーザ素子５とを備えている。ホスト結晶４が吸収を行
うと、ホスト結晶４の温度が増加し、ピーク強度が低下
する。本受動Ｑスイッチレーザは半導体レーザ素子５を
パルス駆動する駆動回路９を備えているので、ピーク強
度を増加させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受動Ｑスイッチレ
ーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６乃至図８は従来の受動Ｑスイッチレ
ーザの説明図である。これらの受動Ｑスイッチレーザ
は、共振器を構成する一対の反射鏡１，２内に配置され
た固体レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）３と、共振器内の固
体レーザ媒質３から発生した光を吸収し当該吸収に伴っ
て透過率が減少するホスト結晶（Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ：可飽
和吸収体）４と、固体レーザ媒質３を励起するレーザ光
を出射する半導体レーザ素子５とを備えている。なお、
半導体レーザ素子５からの励起用レーザ光はレンズ６，
７によって固体レーザ媒質３の光入射面上に集光されて
いる。

【０００３】共振器１，２内の構造は、様々なものが考
案されており、固体レーザ媒質３の前段側に無添加のＹ
ＡＧ結晶を配置したり、共振器を構成する反射鏡１，２
をコーティング膜によって構成したり（図７）、或いは
Ｎｄ，Ｃｒを同一のＹＡＧ結晶内に添加することによ
り、固体レーザ媒質３とホスト結晶４とを共通したもの
も考案されている（図８）。

【０００４】図９は半導体レーザ素子５から出力される
レーザ光（励起光）の出力と、受動Ｑスイッチレーザの
レーザ光出力の時間依存性を示すグラフである。半導体
レーザ素子５は連続波（ＣＷ）発光しており、このレー
ザ光をホスト結晶４が吸収すると、ホスト結晶４の励起
準位の電子密度が次第に増加し、ある時点で励起準位が
満たされるために電子密度が飽和し透明化、共振のＱ値
が高くなり、Ｑスイッチレーザはレーザ光を出力する。
レーザ光が一旦出力されると、励起準位への電子の蓄積
が再び始まり、したがって、レーザ光出力は周期的に行
われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
受動Ｑスイッチレーザにおいては、レーザ光出力のピー
ク強度が１２ｋＷ程度と低く、光通信等の技術分野にお
いては、ピーク強度の増大が望まれているところ、受動
Ｑスイッチレーザの更なる改良が望まれている。本発明
は、このような課題に鑑みてなされたものであり、レー
ザ光出力のピーク強度を増大可能な受動Ｑスイッチレー
ザを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来の受動Ｑスイッチを
検討すると、ホスト結晶の初期透過率は８０〜９０％で
ある。本願発明者らの知見によれば、レーザ光出力直前
の励起準位の電子濃度は、ホスト結晶の初期透過率が低
いほど高くできるので、初期透過率を低下させれば、ピ
ーク強度は増大するものと思われた。しかしながら、か
かる手法によってピーク強度を増大させると、ホスト結
晶の温度が急激に増加し、熱飽和によってピーク強度が
減少してしまう。

【０００７】本発明に係る受動Ｑスイッチレーザは、共
振器を構成する一対の反射鏡内に配置された固体レーザ
媒質と、共振器内の固体レーザ媒質から発生した蛍光を
吸収し当該吸収に伴って透過率が減少するホスト結晶
と、固体レーザ媒質を励起するレーザ光を出射する半導
体レーザ素子とを備える受動Ｑスイッチレーザにおい
て、固体レーザ媒質内で発生する蛍光の寿命よりも長い
パルス間隔を有する駆動電流パルスを、前記半導体レー
ザ素子に与える駆動回路を備えることを特徴とする。こ
の場合、ホスト結晶の添加物濃度を従来より増加させつ
つも、半導体レーザ素子をパルス駆動することで、ホス
ト結晶の加熱を抑制し、レーザ光出力のピーク強度を増
加させることができる。

【０００８】好適には、ホスト結晶の初期透過率が６５
％未満であれば、従来よりも著しくピーク強度を増大さ
せることができる。また、ホスト結晶の初期透過率は低
いほどピーク強度を増大させることができるが、ホスト
結晶の初期透過率は１％以上が好ましく、半導体レーザ
素子の出力が２５Ｗ以下の場合、共振器内で発振を起こ
させるためには、ホスト結晶の初期透過率は２５％以上
であることが好ましい。また、反射鏡の反射率が６０±
１０％である場合には、上記構成と共にホスト結晶の加
熱を抑制し、レーザ光出力のピーク強度を増加させるこ
とができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る受動Ｑス
イッチレーザについて説明する。なお、同一要素には同
一符号を用い、重複する説明は省略する。

【００１０】図１は実施の形態に係る受動Ｑスイッチレ
ーザの説明図である。この受動Ｑスイッチレーザは、共
振器を構成する一対の反射鏡１，２内に配置された固体
レーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）３と、共振器内の固体レー
ザ媒質３から発生した光を吸収し当該吸収に伴って透過
率が減少するホスト結晶（Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ：可飽和吸収
体）４と、固体レーザ媒質３を励起するレーザ光を出射
する半導体レーザ素子５とを備えている。なお、半導体
レーザ素子５からの励起用レーザ光はレンズ６，７によ
って固体レーザ媒質３の光入射面上に集光されている。

【００１１】半導体レーザ素子５からの励起用レーザ光
（励起光）が、レンズ６，７及び反射鏡（ハーフミラ
ー）１を順次介して固体レーザ媒質３に入射すると、固
体レーザ媒質３が自然発光（蛍光）する。この光は、固
体レーザ媒質３とホスト結晶４との間に介在するアパー
チャ部材８を通ってホスト結晶４内に入射しホスト結晶
４内において吸収される。

【００１２】この吸収に伴い、ホスト結晶４の励起準位
における電子濃度が増加する。電子濃度の増加に伴って
ホスト結晶４は透明化し、透過率が増加する。固体レー
ザ媒質３から出射した光は、反射鏡１，２間において反
射を繰り返し、ある時点で固体レーザ媒質３内で誘導放
出が生じ、反射鏡（ハーフミラー）２を介して外部にレ
ーザ光が出力される。

【００１３】一方、ホスト結晶４が吸収を行うと、ホス
ト結晶４の温度が増加する。本実施形態の受動Ｑスイッ
チレーザは、半導体レーザ素子５をパルス駆動する駆動
回路９を備えている。この場合、ホスト結晶４には所定
の時間間隔を空けて蛍光が入射することになるため、ホ
スト結晶４の加熱が抑制される。ホスト結晶４内の添加
物（Ｃｒ）濃度を増加させれば、誘導放出が生じる際の
飽和閾値が高くなるため、レーザ光出力のピーク強度を
増加させることができるが、この場合においても、ホス
ト結晶４の加熱が抑制されるので、レーザ光出力のピー
ク強度を高い状態で維持することができる。

【００１４】本例のホスト結晶４の初期透過率は６５％
未満に設定されており、従来よりも著しくレーザ光出力
のピーク強度を増大させることができる。また、ホスト
結晶４の初期透過率は低いほどピーク強度を増大させる
ことができるが、ホスト結晶４の初期透過率は１％以上
が好ましく、半導体レーザ素子５の出力が２５Ｗ以下の
場合、共振器１，２内で有効な発振（誘導放出）を起こ
させるためには、ホスト結晶４の初期透過率は２５％以
上であることが好ましい。

【００１５】特に、本受動Ｑスイッチレーザは、半導体
レーザ素子５からのレーザ光の入射を抑制するため、こ
のレーザ光の集光位置を過ぎた位置にアパーチャ部材８
を備えており、半導体レーザ素子５からのレーザ光また
はレーザ媒質からの発光によるホスト結晶４の加熱も抑
制することができる。

【００１６】また、共振器の出力鏡となる反射鏡２の反
射率は６０±１０％と低いため、ホスト結晶４に単位時
間当たり入射する光のパワーが低下するため、上記構成
と共にホスト結晶４の加熱を抑制し、発振の閾値を増加
させ、レーザ光出力のピーク強度を増加させることがで
きる。

【００１７】図２は半導体レーザ素子５から出力される
レーザ光（励起光）の出力と、受動Ｑスイッチレーザの
レーザ光出力の時間依存性を示すグラフである。半導体
レーザ素子５はパルス駆動されており、単一の励起光出
力パルスに対応して１つパルスのレーザ光出力が得られ
る。また、励起光出力パルスを制御することで、出力さ
れるパルス数を制御することもできる。

【００１８】詳説すれば、半導体レーザ素子５に与えら
れる駆動電流パルスのパルス幅は５００μ秒、隣接する
パルス間隔は１０ｍ秒であり、駆動電流パルスのデュー
ティ比は（５００μ秒：１０ｍ秒＝１：２０＝５％）で
ある。なお、隣接するパルス間隔は固体レーザ媒質３内
において発生する蛍光の寿命（本例では２５０μ秒）の
１/３よりも長く設定され、ホスト結晶４内の蓄熱が抑
制される。換言すれば、駆動回路９は、固体レーザ媒質
３内で発生する蛍光の寿命の１/３よりも長いパルス間
隔を有する駆動電流パルスを、半導体レーザ素子５に与
えている。

【００１９】なお、上記構成においては、固体レーザ媒
質３の後段側にホスト結晶４を配置したが、固体レーザ
媒質３の前段側に無添加のＹＡＧ結晶を配置したり、共
振器を構成する反射鏡１，２をコーティング膜によって
構成したり、或いはＮｄ，Ｃｒを同一のＹＡＧ結晶内に
添加することにより、固体レーザ媒質３とホスト結晶４
とを共通とすることとしてもよい。

【００２０】固体レーザ媒質３としてはＮｄ添加ＹＬＦ
やＹｂ添加ＹＡＧ等を用いることもできる。なお、固体
レーザ媒質３とホスト結晶４（固体レーザ媒質３から発
生する蛍光に対して透明となる結晶）の組み合わせとし
ては様々なものが考えられる。

【００２１】例えば、固体レーザ媒質３が出射レーザ波
長１μｍ帯であるＮｄ添加レーザである場合にはホスト
結晶４としてＣｒ⁴⁺添加ＧＳＧＧが、出射レーザ波長
０．９８μｍ帯であるＹｂ添加レーザに対してはＵ²⁺添
加ＣａＦ₂が、出射レーザ波長１．５μｍ帯であるＥｒ
添加レーザに対してはＥｒ³⁺添加ＣａＦ₂が挙げられ
る。また、ホスト結晶４としてＣｒ⁴⁺添加Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂
等を用いることもできる。また、固体レーザ媒質３に適
当なＡＲコーティングを施してもよい。

【００２２】

【実施例】上記受動Ｑスイッチレーザを試作し特性評価
を行った。

【００２３】（実験条件）実験に用いた各素子は以下の
通りである。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実験結果）受動Ｑスイッチレーザから出
力されたレーザ光のピーク強度をパルスエネルギーはパ
ワーメータで測定、パルス幅はオシロスコープで測定、
ピークパワーはパルスエネルギ−/パルス幅で算出で測
定した。

【００２６】図３は半導体レーザ素子５から出力される
レーザ光のピーク強度（Ｗ）と、受動Ｑスイッチレーザ
から出力されるレーザ光のパルスエネルギー（μＪ）、
パルス幅（ｎｓ）、ピーク強度（ｋＷ）との関係を示す
グラフである。実施例に係る受動Ｑスイッチレーザから
出力されるレーザ光のデータをパルス（パルス駆動）と
し、受動Ｑスイッチレーザを連続波発光させたもののデ
ータをＣＷで示す。

【００２７】受動Ｑスイッチレーザから出力されるレー
ザ光のピーク強度は、半導体レーザ素子５から出力され
るレーザ光のピーク強度が１５Ｗ以上において１９ｋＷ
以上が得られた。また、連続波発光の場合は、半導体レ
ーザ素子５からのレーザ光の強度が２０Ｗ以上において
発振が得られなくなったが、パルス駆動の場合には受動
Ｑスイッチレーザのピーク強度は半導体レーザ素子５の
ピーク強度の増加と共に増加を続けた。

【００２８】図４はホスト結晶４の初期透過率（％）
と、受動Ｑスイッチレーザから出力されるレーザ光のパ
ルスエネルギー（μＪ）、パルス幅（ｎｓ）、ピーク強
度（ｋＷ）との関係を示すグラフである。ホスト結晶４
の初期透過率（％）が６５％未満では、パルス駆動の場
合のピーク強度は連続波発光のものに比べて著しく増加
した。ホスト結晶の初期透過率が３０％においてはピー
ク強度１００ｋＷを得ることができたが、２５％未満に
おいては発振が生じなくなった。なお、従来の受動Ｑス
イッチレーザで得られるピーク強度は１２ｋＷで、多少
の改良をしても高々２０ｋＷ程度である。

【００２９】図５は出力鏡（反射鏡）２の反射率（％）
と、受動Ｑスイッチレーザから出力されるレーザ光のパ
ルスエネルギー（μＪ）、パルス幅（ｎｓ）、ピーク強
度（ｋＷ）との関係を示すグラフである。反射鏡２の反
射率が６０％においては連続波発光のものよりも高いピ
ーク強度（４５ｋｗ）を得ることができた。これは単位
時間当たりのホスト結晶４の熱吸収量が小さくなり、ま
た、レーザ発振の閾値が高くなったためと思われる。な
お、反射率が少なくとも６０±１０％であれば、熱吸収
の物理的原理に鑑みて当該熱吸収量を決定的に変化させ
る要因がないため、この効果は上記と同様に得られるも
のと思われる。なお、ホスト結晶４の初期透過率及び出
力鏡の反射率を低下させるに伴って受動Ｑスイッチレー
ザから出力されるレーザ光のパルス幅は減少している。

【００３０】以上のように、本実施例の受動Ｑスイッチ
レーザにおいては、レーザ光出力のピーク強度を増大さ
せることができる。このような受動Ｑスイッチレーザは
マイクロチップサイズとすることもでき、光通信技術等
に適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の受動Ｑスイッチレーザにおいて
は、レーザ光出力のピーク強度を増大させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る受動Ｑスイッチレーザの説明
図である。

【図２】半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光
（励起光）の出力と、受動Ｑスイッチレーザのレーザ光
出力の時間依存性を示すグラフである。

【図３】半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光の
ピーク強度（Ｗ）と、受動Ｑスイッチレーザから出力さ
れるレーザ光のパルスエネルギー（μＪ）、パルス幅
（ｎｓ）、ピーク強度（ｋＷ）との関係を示すグラフで
ある。

【図４】ホスト結晶４の初期透過率（％）と、受動Ｑス
イッチレーザから出力されるレーザ光のパルスエネルギ
ー（μＪ）、パルス幅（ｎｓ）、ピーク強度（ｋＷ）と
の関係を示すグラフである。

【図５】出力鏡（反射鏡）２の反射率（％）と、受動Ｑ
スイッチレーザから出力されるレーザ光のパルスエネル
ギー（μＪ）、パルス幅（ｎｓ）、ピーク強度（ｋＷ）
との関係を示すグラフである。

【図６】従来の受動Ｑスイッチレーザの説明図である。

【図７】従来の受動Ｑスイッチレーザの説明図である。

【図８】従来の受動Ｑスイッチレーザの説明図である。

【図９】半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光
（励起光）の出力と、受動Ｑスイッチレーザのレーザ光
出力の時間依存性を示すグラフである。

【符号の説明】

１…反射鏡、２…反射鏡（出力鏡）、３…固体レーザ媒
質、４…ホスト結晶、５…半導体レーザ素子、８…アパ
ーチャ部材、９…駆動回路、６，７…レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅博文静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者平等拓範愛知県岡崎市明大寺字西郷中38 分子科学研究所内Ｆターム(参考） 5F072 AB02 JJ04 KK01 KK11 PP07 SS06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器を構成する一対の反射鏡内に配置
された固体レーザ媒質と、前記共振器内の前記固体レー
ザ媒質から発生した蛍光を吸収し当該吸収に伴って透過
率が減少するホスト結晶と、前記固体レーザ媒質を励起
するレーザ光を出射する半導体レーザ素子とを備える受
動Ｑスイッチレーザにおいて、駆動電流パルスを前記半
導体レーザ素子に与える駆動回路を備えることを特徴と
する受動Ｑスイッチレーザ。
【請求項２】前記ホスト結晶の初期透過率は６５％未
満であることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイ
ッチレーザ。
【請求項３】前記ホスト結晶の初期透過率は１％以上
であることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッ
チレーザ。
【請求項４】前記反射鏡の反射率が６０±１０％であ
ることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッチレ
ーザ。
【請求項５】前記駆動電流パルスは、前記固体レーザ
媒質内で発生する蛍光の寿命の１／３よりも長いパルス
間隔を有することを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑ
スイッチレーザ。