JP3005405B2 - 周波数上方変換固体レーザ装置 - Google Patents
周波数上方変換固体レーザ装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は青色、緑色発振を可能
にする周波数上方変換固体レーザ装置に関する。或い
は、青色、緑色発振を可能にする波長変換固体レーザ装
置に関する。
にする周波数上方変換固体レーザ装置に関する。或い
は、青色、緑色発振を可能にする波長変換固体レーザ装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光ディスク等の高密度化が強く望
まれており、これに伴って固体レーザの短波長化の開発
が進められている。様々な方式による短波長（青色、緑
色）レーザ装置の提案、研究開発が非常に盛んに行わ
れ、現在までに、半導体レーザ励起の自己高調波変換機
能を有する固体レーザ媒質によるレーザ発振装置（特願
平３−２９２７８３号明細書）や、半導体レーザ励起固
体レーザ非線形光学結晶の組み合わせで和周波を発生さ
せたレーザ装置（特願平４−２９６０７２号明細書）の
報告がある。
まれており、これに伴って固体レーザの短波長化の開発
が進められている。様々な方式による短波長（青色、緑
色）レーザ装置の提案、研究開発が非常に盛んに行わ
れ、現在までに、半導体レーザ励起の自己高調波変換機
能を有する固体レーザ媒質によるレーザ発振装置（特願
平３−２９２７８３号明細書）や、半導体レーザ励起固
体レーザ非線形光学結晶の組み合わせで和周波を発生さ
せたレーザ装置（特願平４−２９６０７２号明細書）の
報告がある。
【０００３】一方、固体短波長レーザの新たな方式とし
て、周波数上方変換レーザ（アップコンバージョンレー
ザ）装置が提案され、ガラス、また弗化物結晶に混入さ
せたＨｏ3 + イオン、Ｐｒ3 + イオンによる５００ｎｍ
帯発振のレーザ発振装置の報告（応用物理第６１巻 ｐ
４３ １９９２年）もある。
て、周波数上方変換レーザ（アップコンバージョンレー
ザ）装置が提案され、ガラス、また弗化物結晶に混入さ
せたＨｏ3 + イオン、Ｐｒ3 + イオンによる５００ｎｍ
帯発振のレーザ発振装置の報告（応用物理第６１巻 ｐ
４３ １９９２年）もある。
【０００４】又、レーザ母材をＹＶＯ4 とするレーザに
は、Ｎｄ活性子による１．０６μｍレーザが一般的で、
その他、Ｔｍ活性子レーザの報告例（オプティクス レ
ターズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）ｖｏｌ．１７
ｐ１８９ １９９２年）がある。
は、Ｎｄ活性子による１．０６μｍレーザが一般的で、
その他、Ｔｍ活性子レーザの報告例（オプティクス レ
ターズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）ｖｏｌ．１７
ｐ１８９ １９９２年）がある。
【０００５】他方、Ｅｒ活性子によるレーザのレーザ母
材には、ガラス（特願昭６１−２２６２９７号報告
書）、ＹＬｉＦ4 （エレクトロニクス レターズ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）ｖｏｌ．２５
ｐ１３８９ １９８９年）、Ｙ3Ａｌ5 Ｏ1 2 やＹ3 Ｓ
ｃ2 Ｇａ3 Ｏ1 2 （ジャーナル オブ アプライド フ
ィジクス（Ｊ． ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ）ｖｏｌ．７０ ｐ７２２７ １９９１年）の報告が
あった。
材には、ガラス（特願昭６１−２２６２９７号報告
書）、ＹＬｉＦ4 （エレクトロニクス レターズ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）ｖｏｌ．２５
ｐ１３８９ １９８９年）、Ｙ3Ａｌ5 Ｏ1 2 やＹ3 Ｓ
ｃ2 Ｇａ3 Ｏ1 2 （ジャーナル オブ アプライド フ
ィジクス（Ｊ． ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ）ｖｏｌ．７０ ｐ７２２７ １９９１年）の報告が
あった。
【０００６】発明者等は、ＹＶＯ4 に不純物Ｅｒを添加
させた単結晶組成物の作成に成功し（特願平４−２６８
８９１号明細書）、さらにＹＶＯ4 をレーザ母材とし、
活性子としてＥｒを用い、５２０〜５６０ｎｍ、８４０
〜８７０ｎｍ、９７０〜１０２０ｎｍで発振する固体レ
ーザ発振装置を提案している（特願平５−７１２５号明
細書）。これは、エネルギー遷移としては活性子である
Ｅｒ3 + イオンのエネルギー遷移を用いたもので、高効
率の短波長固体レーザが得られる。
させた単結晶組成物の作成に成功し（特願平４−２６８
８９１号明細書）、さらにＹＶＯ4 をレーザ母材とし、
活性子としてＥｒを用い、５２０〜５６０ｎｍ、８４０
〜８７０ｎｍ、９７０〜１０２０ｎｍで発振する固体レ
ーザ発振装置を提案している（特願平５−７１２５号明
細書）。これは、エネルギー遷移としては活性子である
Ｅｒ3 + イオンのエネルギー遷移を用いたもので、高効
率の短波長固体レーザが得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来開
発されてきた短波長固体レーザには、以下の問題点があ
った。すねわち、自己高調波変換機能を有する固体素子
はその非線形光学定数が小さいこと、和周波発生による
短波長レーザは光路が複雑なことである。また、前記周
波数上方変換レーザでは、母材がガラス或いは弗化物結
晶であり、どちらも作製が困難であるという問題点を有
していた。
発されてきた短波長固体レーザには、以下の問題点があ
った。すねわち、自己高調波変換機能を有する固体素子
はその非線形光学定数が小さいこと、和周波発生による
短波長レーザは光路が複雑なことである。また、前記周
波数上方変換レーザでは、母材がガラス或いは弗化物結
晶であり、どちらも作製が困難であるという問題点を有
していた。
【０００８】本発明は、半導体レーザ励起に適したＹＶ
Ｏ4 結晶を用いて、高効率で、且つより短波長発振が可
能な周波数上方変換固体レーザ装置を提供することを目
的とする。
Ｏ4 結晶を用いて、高効率で、且つより短波長発振が可
能な周波数上方変換固体レーザ装置を提供することを目
的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】発明者らは、Ｅｒ：ＹＶ
Ｏ4 単結晶において、８００ｎｍ帯発振半導体レーザ励
起によりＥｒ3 + イオンの多段階吸収が起こり、そのエ
ネルギーが（ＶＯ4 ）3 - にエネルギー移動し、（ＶＯ
4 ）3 - のエネルギー遷移を利用した周波数上方変換の
Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザ発振装置が得られることを見いだ
した。又、ここでＥｒ：ＹＶＯ4 単結晶チップに発振波
長８０９ｎｍの半導体レーザを照射したところ、Ｅｒ：
ＹＶＯ4 チップから緑色の発光が観察された。この発光
を分光器、及び、光電子倍増管で観察したところ、図
１、２で示す通り、４４０〜５１５ｎｍ付近の発光であ
ることが明らかになった。Ｅｒ：ＹＶＯ4 は一軸性結晶
なので、結晶軸の方向により分光特性が異なる。図中の
σ偏光とは、入射光の電界成分Ｅと結晶のａ軸とが平行
（Ｅ‖ａ）のことであり、π偏光とは、入射光の電界成
分Ｅと結晶のｃ軸とが平行（Ｅ‖ｃ）のことである。こ
の発光特性から、多段型励起光吸収により、入射光が入
射光よりも周波数の大きい波長に変換する周波数上方変
換が起こっていることが分かる。
Ｏ4 単結晶において、８００ｎｍ帯発振半導体レーザ励
起によりＥｒ3 + イオンの多段階吸収が起こり、そのエ
ネルギーが（ＶＯ4 ）3 - にエネルギー移動し、（ＶＯ
4 ）3 - のエネルギー遷移を利用した周波数上方変換の
Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザ発振装置が得られることを見いだ
した。又、ここでＥｒ：ＹＶＯ4 単結晶チップに発振波
長８０９ｎｍの半導体レーザを照射したところ、Ｅｒ：
ＹＶＯ4 チップから緑色の発光が観察された。この発光
を分光器、及び、光電子倍増管で観察したところ、図
１、２で示す通り、４４０〜５１５ｎｍ付近の発光であ
ることが明らかになった。Ｅｒ：ＹＶＯ4 は一軸性結晶
なので、結晶軸の方向により分光特性が異なる。図中の
σ偏光とは、入射光の電界成分Ｅと結晶のａ軸とが平行
（Ｅ‖ａ）のことであり、π偏光とは、入射光の電界成
分Ｅと結晶のｃ軸とが平行（Ｅ‖ｃ）のことである。こ
の発光特性から、多段型励起光吸収により、入射光が入
射光よりも周波数の大きい波長に変換する周波数上方変
換が起こっていることが分かる。
【００１０】また、この発光波長域は、半導体レーザの
発振波長により変化することが分かった。図３に、半導
体レーザの発振波長がおよそ８０３、８０５、８０６、
８０７、８０９、８１０ｎｍの時のＥｒ：ＹＶＯ4 の発
光を示す。半導体レーザの発振波長は温度や屈折率で変
化し、１．３μｍ帯波長可変半導体レーザの原理を応用
すれば、前述の８００ｎｍ帯半導体レーザは７４５〜８
６０ｎｍで波長可変である。この発振波長により、Ｅ
ｒ：ＹＶＯ4 の発光も４００〜５１５ｎｍまで波長可変
になる。
発振波長により変化することが分かった。図３に、半導
体レーザの発振波長がおよそ８０３、８０５、８０６、
８０７、８０９、８１０ｎｍの時のＥｒ：ＹＶＯ4 の発
光を示す。半導体レーザの発振波長は温度や屈折率で変
化し、１．３μｍ帯波長可変半導体レーザの原理を応用
すれば、前述の８００ｎｍ帯半導体レーザは７４５〜８
６０ｎｍで波長可変である。この発振波長により、Ｅ
ｒ：ＹＶＯ4 の発光も４００〜５１５ｎｍまで波長可変
になる。
【００１１】図４にＥｒ：ＹＶＯ4 結晶中の（ＶＯ4 ）
3 - 、Ｅｒ3 + のエネルギー準位図を示す。エネルギー
遷移は次のように起こることがわかった。4 Ｉ1 5 / 2 →4 Ｉ9 / 2 （入射光による励起）4 Ｉ9 / 2 →4 Ｉ1 1 / 2 （非放射遷移）4 Ｉ1 1 / 2 →4 Ｆ3 / 2 （励起状態の入射光再吸収） このエネルギーが（ＶＯ4 ）3 - にエネルギー移動し、
４００〜５１５ｎｍのレーザ光を発振する。
3 - 、Ｅｒ3 + のエネルギー準位図を示す。エネルギー
遷移は次のように起こることがわかった。4 Ｉ1 5 / 2 →4 Ｉ9 / 2 （入射光による励起）4 Ｉ9 / 2 →4 Ｉ1 1 / 2 （非放射遷移）4 Ｉ1 1 / 2 →4 Ｆ3 / 2 （励起状態の入射光再吸収） このエネルギーが（ＶＯ4 ）3 - にエネルギー移動し、
４００〜５１５ｎｍのレーザ光を発振する。
【００１２】この結果、Ｅｒ：ＹＶＯ4 は、励起媒体と
共振器との組み合わせでレーザ媒体となり、４００ｎｍ
から５１５ｎｍの短波長領域でレーザ発振が可能であ
る。ここで、共振器とは、反射率の高い高反射ミラーと
出力ミラーとの２枚の反射鏡を組み合わせたファブリペ
ロー干渉計であり、目的波長に対応するミラーコートで
も同様の作用が得られる。また、この共振器は、（ＶＯ
4 ）3 - イオンのエネルギー遷移が利用でき、且つ、Ｅ
ｒ3 + イオンのエネルギー遷移は利用できない性質に設
計されている。
共振器との組み合わせでレーザ媒体となり、４００ｎｍ
から５１５ｎｍの短波長領域でレーザ発振が可能であ
る。ここで、共振器とは、反射率の高い高反射ミラーと
出力ミラーとの２枚の反射鏡を組み合わせたファブリペ
ロー干渉計であり、目的波長に対応するミラーコートで
も同様の作用が得られる。また、この共振器は、（ＶＯ
4 ）3 - イオンのエネルギー遷移が利用でき、且つ、Ｅ
ｒ3 + イオンのエネルギー遷移は利用できない性質に設
計されている。
【００１３】
（実施例１）図５に本発明によるレーザ発振装置の例を
示す。レーザ発振に拘る励起光源には８００ｎｍ帯発振
の半導体レーザ１を使用し、励起光を集光レンズ２でＥ
ｒ：ＹＶＯ4 レーザチップ３に照射する。ここで、半導
体レーザの光軸とＥｒ：ＹＶＯ4 レーザチップの結晶軸
とは、σ偏光、π偏光の位置関係となるように配置
する。Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザチップには、発振可能な波
長帯４４０〜５００ｎｍに対応する高反射ミラーコート
４と無反射コート５、励起光の半導体レーザの発振波長
８００ｎｍ帯に対応する無反射コート６が施してあり、
出力結合ミラー７と併せて共振器構造をとる。また、出
力レーザ光を平行化するために、出力結合ミラーには凹
レンズを使用してある。 （実施例２）図６に本発明によるレーザ発振装置の例を
示す。レーザ発振に拘る励起光源には温度や屈折率によ
り波長可変の８００ｎｍ帯半導体レーザ１を使用し、励
起光を集光レンズ２でＥｒ：ＹＶＯ4 レーザチップ３に
照射する。ここで、半導体レーザの光軸とＥｒ：ＹＶＯ
4 レーザチップの結晶軸とは、σ偏光、π偏光の位
置関係となるように配置する。Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザチ
ップには、波長可変範囲４４０〜５１５ｎｍに対応する
高反射ミラーコート４と無反射コート５、励起光の半導
体レーザの発振波長に対応する無反射コート６が施して
あり、出力結合ミラー７と併せて共振器構造をとる。ま
た、出力レーザ光を平行化するために、出力結合ミラー
には凹レンズを使用してある。半導体レーザの発振波長
は温度コントローラ８で制御される。温度コントローラ
と半導体レーザ発振波長の相関関係の一例を図７に示
す。
示す。レーザ発振に拘る励起光源には８００ｎｍ帯発振
の半導体レーザ１を使用し、励起光を集光レンズ２でＥ
ｒ：ＹＶＯ4 レーザチップ３に照射する。ここで、半導
体レーザの光軸とＥｒ：ＹＶＯ4 レーザチップの結晶軸
とは、σ偏光、π偏光の位置関係となるように配置
する。Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザチップには、発振可能な波
長帯４４０〜５００ｎｍに対応する高反射ミラーコート
４と無反射コート５、励起光の半導体レーザの発振波長
８００ｎｍ帯に対応する無反射コート６が施してあり、
出力結合ミラー７と併せて共振器構造をとる。また、出
力レーザ光を平行化するために、出力結合ミラーには凹
レンズを使用してある。 （実施例２）図６に本発明によるレーザ発振装置の例を
示す。レーザ発振に拘る励起光源には温度や屈折率によ
り波長可変の８００ｎｍ帯半導体レーザ１を使用し、励
起光を集光レンズ２でＥｒ：ＹＶＯ4 レーザチップ３に
照射する。ここで、半導体レーザの光軸とＥｒ：ＹＶＯ
4 レーザチップの結晶軸とは、σ偏光、π偏光の位
置関係となるように配置する。Ｅｒ：ＹＶＯ4 レーザチ
ップには、波長可変範囲４４０〜５１５ｎｍに対応する
高反射ミラーコート４と無反射コート５、励起光の半導
体レーザの発振波長に対応する無反射コート６が施して
あり、出力結合ミラー７と併せて共振器構造をとる。ま
た、出力レーザ光を平行化するために、出力結合ミラー
には凹レンズを使用してある。半導体レーザの発振波長
は温度コントローラ８で制御される。温度コントローラ
と半導体レーザ発振波長の相関関係の一例を図７に示
す。
【００１４】実施例１による固体レーザ装置において、
励起波長８０９ｎｍでは４８２ｎｍの緑色レーザ発振を
確認した。また、実施例２によるレーザ装置において、
励起波長７４５〜８６０ｎｍで緑色レーザ４００〜５１
５ｎｍを確認した。
励起波長８０９ｎｍでは４８２ｎｍの緑色レーザ発振を
確認した。また、実施例２によるレーザ装置において、
励起波長７４５〜８６０ｎｍで緑色レーザ４００〜５１
５ｎｍを確認した。
【００１５】
【発明の効果】この発明による周波数上方変換固体レー
ザ装置は、半導体レーザと固体レーザの両方の利点を兼
ね備え、アライメントが簡便でコンパクトなレーザ装置
であり、気体アルゴンレーザの代替となり得る。また、
このレーザ装置の発振波長は、光ディスク読み書き、レ
ーザプリンタ、科学計測の分野で応用が期待できる。
ザ装置は、半導体レーザと固体レーザの両方の利点を兼
ね備え、アライメントが簡便でコンパクトなレーザ装置
であり、気体アルゴンレーザの代替となり得る。また、
このレーザ装置の発振波長は、光ディスク読み書き、レ
ーザプリンタ、科学計測の分野で応用が期待できる。
【図１】４００〜５１５ｎｍにおけるσ偏光でのＥｒ：
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
【図２】４００〜５１５ｎｍにおけるπ偏光でのＥｒ：
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
【図３】４００〜５１５ｎｍにおけるσ偏光でのＥｒ：
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
ＹＶＯ4 結晶の発光特性を示す図である。
【図４】Ｅｒ：ＹＶＯ4 結晶中のエネルギー準位図
【図５】本発明の実施例１を示すレーザ発振装置の図で
ある。
ある。
【図６】本発明の実施例２を示すレーザ発振装置の図で
ある。
ある。
【図７】実施例２における温度コントローラと半導体レ
ーザの発振波長との関係を示す図である。
ーザの発振波長との関係を示す図である。
【図８】実施例２において、半導体レーザの発振波長と
Ｅｒ：ＹＶＯ4 から出射したレーザ波長の関係を示す図
である。
Ｅｒ：ＹＶＯ4 から出射したレーザ波長の関係を示す図
である。
１ 半導体レーザ ２ 集光レンズ ３ Ｅｒ：ＹＶＯ4 ４ 目的波長に対するＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 系高反射ミラ
ーコート ５ 目的波長に対応する弗化マグネシウム／ゼオライト
系無反射コート ６ 半導体レーザの発振波長に対応する弗化マグネシウ
ム／ゼオライト系無反射コート ７ 出力結合ミラー ８ 温度コントローラ
ーコート ５ 目的波長に対応する弗化マグネシウム／ゼオライト
系無反射コート ６ 半導体レーザの発振波長に対応する弗化マグネシウ
ム／ゼオライト系無反射コート ７ 出力結合ミラー ８ 温度コントローラ
フロントページの続き (72)発明者 内藤 健太 奈良県生駒市有里町29番15号 (72)発明者 眞子 祥子 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 斎藤 誠一 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 桑野 泰彦 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/10 G02F 1/35 505 H01S 3/0941 H01S 3/16
Claims (2)
- 【請求項１】 組成式ＹＶＯ4で表される組成物に不純
物Ｅｒを混入させた単結晶組成物Ｅｒ：ＹＶＯ4に８０
０ｎｍ帯半導体レーザを照射することにより，結晶内の
Ｅｒ 3+ イオンによる複数のエネルギーレベル内で多段階
吸収を生じさせ，そのエネルギーが結晶内の（ＶＯ4）
3-イオンにより形成されるエネルギーレベルへ遷移し緩
和発光することを利用した周波数上方変換固体レーザー
装置。 - 【請求項２】 励起光源の半導体レーザの発振波長の変
換に応答して、４００ｎｍから５１５ｎｍの波長域で可
変の発振波長を得ることを特徴とする請求項１記載の周
波数上方変換固体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25386193A JP3005405B2 (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 周波数上方変換固体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25386193A JP3005405B2 (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 周波数上方変換固体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07111356A JPH07111356A (ja) | 1995-04-25 |
| JP3005405B2 true JP3005405B2 (ja) | 2000-01-31 |
Family
ID=17257153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25386193A Expired - Fee Related JP3005405B2 (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 周波数上方変換固体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3005405B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007125452A2 (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | Intracavity upconversion laser |
-
1993
- 1993-10-12 JP JP25386193A patent/JP3005405B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH07111356A (ja) | 1995-04-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |