JP6281935B2 - Qスイッチレーザー装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、Qスイッチレーザー装置の場合、励起光の集光度を高めても、パルスレーザー光の繰り返し周波数が増大するだけで、パルスレーザー光のピークパワーは増大しない。その問題に対処するために、特許文献1と2に記載の技術が開発された。この技術では励起光の集光度を高めるのではなく、レーザー媒質に入力する励起光のビーム径を広げる。すなわち、光スイッチが開く際に蓄積されている反転分布の総量を増やす。具体的には、励起光を集光するのではなく、励起光のビーム面積を拡げてレーザー媒質に入射する。ビーム径が拡大すると、反転分布の総数が増えることから、Qスイッチレーザー装置から発振されるパルスレーザー光の出力エネルギー、すなわちピークパワーが増大する。
特許文献1と2に記載されている技術、すなわち、励起光のビーム面積を広げて入力する技術(以下では励起体積増大技術という)によると、レーザー媒質の励起光入射面における単位面積当たりの励起光パワーが減少し、レーザー媒質の単位体積当たりの発熱量を下げることになる。
Qスイッチレーザー装置を励起する励起光には、連続光を用いることもできれば、パルス光を用いることもできる。励起光にパルス光を用いると、レーザー媒質の励起光入射面に入射される励起光パワーの時間平均値が低下し、熱問題を抑制することができる。一方で、瞬時的な強励起が可能なため反転分布は高くできる。繰り返し周波数が低いパルス光で励起するほど、励起光パワーの時間平均値が低下し、熱問題を強く抑制しながらQスイッチレーザー装置の特性を高めることができる(以下では低周波励起技術という)。
特許文献1と2の技術では、励起体積増大技術とエンドキャップ技術と低周波励起技術を併用して、熱問題を抑制している。
なお、非特許文献2と特許文献3の開示内容については後記する。
上記に知見から、強固に接合しても局所発生する応力によって偏光度劣化がおきにくい新たな結晶軸が存在すれば、これらの諸問題が一挙に解決できるというアイデアが得られた。研究の結果、レーザー装置の共振系の光軸に沿って<100>軸が延びる向きにYAGを配置すると、前記の現象が抑制され、レーザー光が直線偏光から劣化することを抑制できることが分かった。
<111>軸方向に延びるロッド状のYAG(希土類が含まれており、励起光を吸収してレーザー発振する)の励起光入射面に、結晶軸が揃っているYAG(希土類が含まれておらず、励起光に対して透明である)を接合すると、エンドキャップ効果によって、励起光入射面が熱の影響を受けて変形することを防止できる。励起体積増大技術と合わせて用いると、低周波励起技術を併用しないでも、ピークパワーが高いパルスレーザー光を発振させることができる。しかしながら、低周波励起技術を併用しないと、直線偏光から劣化してしまう。
それに対して、レーザー装置の光軸に沿って<100>軸が延びる向きにYAGを配置すると、低周波励起技術を併用しないでも直線偏光が維持される。同様のことが、レーザー装置の光軸に沿って<110>軸が延びる向きにYAGを配置した場合にも得られる。本明細書に記載のレーザー装置によると、直線偏光が維持されていてピークパワーが高いパルスレーザー光を発振する。波長変換した後に高いピークパワーが得られるレーザー光が得られる。
(形態1)レーザー媒質に、Ndを含むYAGを用いる。
(形態2)エンドキャップに、希土類元素を含まないYAGを用いる。
(形態3)QスイッチにCr4+を含むYAGを用いる。可飽和吸収体を利用する受動Qスイッチとして動作する。
参照番号6は、希土類元素を含まないYAGであり、エンドキャップである。直径が5mmで厚みが1mmの円板形状をしている。YAG6は、その<100>軸が厚み方向を向いている。
参照番号8は、1.1at.%のNdを含むYAGであり、レーザー媒質である。直径が5mmで厚みが4mmの円板形状をしている。YAG8は、その<100>軸が厚み方向を向いている。
YAG6は、Nd:YAG8の半導体レーザー装置2側の端面に接合されている。希土類元素を含まないYAG6は、波長808nmの励起光に対して透明である。励起光4は、Nd:YAG8の半導体レーザー装置2側の端面に入力する。励起光4には、励起体積増大技術が用いられている。
参照番号10は、Cr4+を含むYAGであり、初期透過率が40%である。Cr4+:YAG10は、可飽和吸収体であり、受動Qスイッチとして動作する。
参照番号12は、アウトプットカプラーであり、鏡面膜が形成されている。YAG6にも鏡面膜が形成されている。アウトプットカプラー12の鏡面膜とYAG6の鏡面膜によって共振系が形成され、その共振系の内側に、エンドキャップ(YAG6)と、レーザー媒質(Nd:YAG8)と、受動Qスイッチ(Cr4+:YAG10)とが配置されている。エンドキャップとレーザー媒質と受動Qスイッチは、2枚の鏡面膜に直交する直線上に配置されている。YAG6とNd:YAG8は、その<100>軸が前記直線に沿って伸びる向きに配置されている。Cr4+:YAG10については、その結晶軸と光軸の関係が特に制約されない。<111>軸が光軸に平行でもよいし、<100>または<110>軸が光軸と平行であってもよい。
変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
上記実施例では、エンドキャップ+レーザー媒質+Qスイッチの順に配置しているが、エンドキャップ+レーザー媒質+エンドキャップ+Qスイッチの順に配置してもよいし、エンドキャップ+レーザー媒質+エンドキャップ+Qスイッチ+エンドキャップの順に配置してもよい。図4から図9は、他の実施例のQスイッチレーザー装置の構成を模式的に示している。また本実施例では、受動Qスイッチ10を利用するが、外部から制御するQスイッチを用いてもよい。レーザー媒質に添加する希土類元素にNdを用いたが、それ以外の希土類元素を設けてもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
4:励起光
6:エンドキャップ(希土類元素を含まないYAG)
8:レーザー媒質(1.1at%Nd:YAG)
10:Qスイッチ(Cr4+:YAG)
12:アウトプットカプラー
14:パルスレーザー光
Claims (1)
- エンドキャップとレーザー媒質とQスイッチが、その順序に従って直線上に配置されており、前記Qスイッチから放出されるパルスレーザー光を波長変換装置に入力し、波長変換したパルスレーザー光を質量イメージング装置に出力するQスイッチレーザー装置であり、
前記エンドキャップは、希土類元素を含まないイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶(YAG)からなり、
前記レーザー媒質は、希土類元素を含むYAGからなり、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGの<100>軸または<110>軸が、前記直線に沿って延びており、
前記エンドキャップを形成するYAGと前記レーザー媒質を形成するYAGが接合されており、
繰り返し周波数を1kHzとしたときに前記Qスイッチから放出されるパルスレーザー光が2.4MWのピークパワーを確保することを特徴とするQスイッチレーザー装置。
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