JPH05145168A - 希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添加光フアイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希土類イオン添加光増幅素子 - Google Patents
希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添加光フアイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希土類イオン添加光増幅素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光学材料に添加される希土類イオンのエネル
ギー準位を中間準位から基底準位へ多く遷移させること
によって励起光の効率を向上させる。 【構成】 固体光学結晶にTmイオンとEuイオンとが
添加されており、Tmイオンはレーザ光によって基底準
位107から高エネルギー準位である準位108に遷移
した後、フォノン放出によって準位108から準位10
9まで遷移し、その後、光放射によって準位109から
準位110まで遷移する。ここで、TmイオンとEuイ
オンとの間でエネルギー伝達が起こった後、Euイオン
のエネルギー準位はフォノン放出によって準位111か
ら基底準位107へ遷移する。 【効果】 TmイオンとEuイオンとの間でエネルギー
伝達が起こり、エネルギー準位が中間準位から基底準位
に短時間で遷移するため、基底準位の分布が増加して光
放射が増大する。
ギー準位を中間準位から基底準位へ多く遷移させること
によって励起光の効率を向上させる。 【構成】 固体光学結晶にTmイオンとEuイオンとが
添加されており、Tmイオンはレーザ光によって基底準
位107から高エネルギー準位である準位108に遷移
した後、フォノン放出によって準位108から準位10
9まで遷移し、その後、光放射によって準位109から
準位110まで遷移する。ここで、TmイオンとEuイ
オンとの間でエネルギー伝達が起こった後、Euイオン
のエネルギー準位はフォノン放出によって準位111か
ら基底準位107へ遷移する。 【効果】 TmイオンとEuイオンとの間でエネルギー
伝達が起こり、エネルギー準位が中間準位から基底準位
に短時間で遷移するため、基底準位の分布が増加して光
放射が増大する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コヒーレント光を応用
した光通信、光情報処理及び光応用計測制御分野等で使
用される希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添
加光ファイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希
土類イオン添加光増幅素子に関するものである。
した光通信、光情報処理及び光応用計測制御分野等で使
用される希土類イオン添加固体光素子、希土類イオン添
加光ファイバ素子、希土類イオン添加レーザ素子及び希
土類イオン添加光増幅素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】希土類イオンが添加されたレーザ素子の
第1の従来技術としては、例えばR.C.Stonem
an,and L.Esterowitz 著の”Co
ntinuous−wave 1.5μm thuli
um cascade laser” (Optics
Letters vol.16 p.232、199
1年)が知られている。
第1の従来技術としては、例えばR.C.Stonem
an,and L.Esterowitz 著の”Co
ntinuous−wave 1.5μm thuli
um cascade laser” (Optics
Letters vol.16 p.232、199
1年)が知られている。
【0003】図18は前記のように希土類イオンが添加
されたレーザ素子の構成図であって、同図において、1
1はYLiF4 よりなるレーザ結晶、12はレーザ結晶
11の入射部、13はレーザ結晶11の出射部、14は
入射レンズ、15は励起光、16は出力レーザ光、17
は励起光源、18は出射レンズである。
されたレーザ素子の構成図であって、同図において、1
1はYLiF4 よりなるレーザ結晶、12はレーザ結晶
11の入射部、13はレーザ結晶11の出射部、14は
入射レンズ、15は励起光、16は出力レーザ光、17
は励起光源、18は出射レンズである。
【0004】図19は、前記レーザ結晶であるYLiF
4 に添加されているTm(ツリウム)イオンのエネルギ
ー準位の遷移を示し、同図において、21は光吸収によ
る準位遷移、25はフォノン放出による準位遷移、24
は光放射による準位遷移、27,28,29,30は各
々エネルギー準位を示したものである。尚、縦軸26は
エネルギーを単位cm-1(カイザー)で示している。
4 に添加されているTm(ツリウム)イオンのエネルギ
ー準位の遷移を示し、同図において、21は光吸収によ
る準位遷移、25はフォノン放出による準位遷移、24
は光放射による準位遷移、27,28,29,30は各
々エネルギー準位を示したものである。尚、縦軸26は
エネルギーを単位cm-1(カイザー)で示している。
【0005】図18に示すように、励起光源17から発
振された光波長795nmの励起光15を入射レンズ1
4により集光し、集光した励起光15を入射部12から
レーザ結晶11に照射する。この場合のイオンの電子状
態は、Tmイオンの吸収によって準位遷移21に示すよ
うに基底準位27から高エネルギー準位である準位28
に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移25に示
すように準位28から準位29へ遷移し、その後、準位
遷移24に示すように準位29から30に遷移して光波
長1.50μmの光を放射する。このようにして放射さ
れた光は、入射部12及び出射部13に施された反射膜
によって共振された後、出射部13から1.5μmのレ
ーザ光として出射される。
振された光波長795nmの励起光15を入射レンズ1
4により集光し、集光した励起光15を入射部12から
レーザ結晶11に照射する。この場合のイオンの電子状
態は、Tmイオンの吸収によって準位遷移21に示すよ
うに基底準位27から高エネルギー準位である準位28
に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移25に示
すように準位28から準位29へ遷移し、その後、準位
遷移24に示すように準位29から30に遷移して光波
長1.50μmの光を放射する。このようにして放射さ
れた光は、入射部12及び出射部13に施された反射膜
によって共振された後、出射部13から1.5μmのレ
ーザ光として出射される。
【0006】また、希土類イオンが添加されたレーザ素
子の第2の従来の技術としては、例えばY.Durte
ste,M.Monerie,J.Y.Allain,
H.Poignant 著の”Amplificati
on and Lasingat 1.3μm in
Praseodymium−doped Fluoro
zirconate Fibres” (Electr
onicsLetters vol.27 p.62
6、1991年)が知られている。
子の第2の従来の技術としては、例えばY.Durte
ste,M.Monerie,J.Y.Allain,
H.Poignant 著の”Amplificati
on and Lasingat 1.3μm in
Praseodymium−doped Fluoro
zirconate Fibres” (Electr
onicsLetters vol.27 p.62
6、1991年)が知られている。
【0007】図20は希土類イオンが添加されたレーザ
素子の構成を示し、同図において、51は光ファイバ、
52は光ファイバ51の入射部、53は光ファイバ51
の出射部、54は入射レンズ、58は出射レンズ、55
は励起光、56は出力レーザ光、57は励起光源であ
る。
素子の構成を示し、同図において、51は光ファイバ、
52は光ファイバ51の入射部、53は光ファイバ51
の出射部、54は入射レンズ、58は出射レンズ、55
は励起光、56は出力レーザ光、57は励起光源であ
る。
【0008】図21は、前記光ファイバ51に添加され
たPr(プラセオジム)イオンのエネルギー準位遷移を
示し、同図において、61は光吸収による準位遷移、6
4は光放射による準位遷移、67,68,70は各々エ
ネルギー準位を示したものである。尚、縦軸66はエネ
ルギーを単位cm-1で示している。
たPr(プラセオジム)イオンのエネルギー準位遷移を
示し、同図において、61は光吸収による準位遷移、6
4は光放射による準位遷移、67,68,70は各々エ
ネルギー準位を示したものである。尚、縦軸66はエネ
ルギーを単位cm-1で示している。
【0009】励起光源57から光波長1.017μmの
励起光55を入射部52を経て光ファイバ51に照射さ
せる。この励起光はPrイオンによって吸収され、Pr
イオンのエネルギー状態は、準位遷移61に示すよう
に、基底準位67から高エネルギー準位である準位68
に遷移した後、準位遷移64に示すように、準位64か
ら中間準位である準位70に遷移することにより光波長
1.31μmの光を放射する。この放射光は、入射部5
2と出射部53とに施された反射膜によって共振される
ことにより、準位68と準位70との間で反転分布し、
出射部53より1.31μmのレーザ光として出射され
る。
励起光55を入射部52を経て光ファイバ51に照射さ
せる。この励起光はPrイオンによって吸収され、Pr
イオンのエネルギー状態は、準位遷移61に示すよう
に、基底準位67から高エネルギー準位である準位68
に遷移した後、準位遷移64に示すように、準位64か
ら中間準位である準位70に遷移することにより光波長
1.31μmの光を放射する。この放射光は、入射部5
2と出射部53とに施された反射膜によって共振される
ことにより、準位68と準位70との間で反転分布し、
出射部53より1.31μmのレーザ光として出射され
る。
【0010】一方、光増幅器の場合には、準位68と準
位70との間で反転分布せず、信号光として光ファイバ
に入射された1.31μmの光は、準位68から準位7
0に遷移する際に放射される光によって増幅される。
位70との間で反転分布せず、信号光として光ファイバ
に入射された1.31μmの光は、準位68から準位7
0に遷移する際に放射される光によって増幅される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、前者の第1
の従来技術におけるTmイオンにおいては、光放射され
た後、エネルギー準位は準位30に滞在する。これは準
位30における蛍光寿命が10msと極めて長いため
と、中間準位である準位30と基底準位27との間に5
000cm-1以上のエネルギー差があるために、フォノ
ン放射による準位30から基底準位27への準位遷移の
確率が極めて小さいからである。このように基底準位2
7に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への準位
遷移の確率が減少し、励起光のパワーを上げても励起光
の吸収効率が悪くなり、出力レーザ光が低減してしま
う。このため、従来の4準位系のレーザ素子では入力光
に対する出力光の効率が13%程の低い値に留まってい
る。
の従来技術におけるTmイオンにおいては、光放射され
た後、エネルギー準位は準位30に滞在する。これは準
位30における蛍光寿命が10msと極めて長いため
と、中間準位である準位30と基底準位27との間に5
000cm-1以上のエネルギー差があるために、フォノ
ン放射による準位30から基底準位27への準位遷移の
確率が極めて小さいからである。このように基底準位2
7に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への準位
遷移の確率が減少し、励起光のパワーを上げても励起光
の吸収効率が悪くなり、出力レーザ光が低減してしま
う。このため、従来の4準位系のレーザ素子では入力光
に対する出力光の効率が13%程の低い値に留まってい
る。
【0012】また、後者の第2の従来技術におけるPr
イオンにおいては、光放射された後、エネルギー準位は
準位70に滞在する。これは準位70における蛍光寿命
が長いためと、中間準位である準位70と基底準位67
との間に2000cm-1ほどのエネルギー差があるため
に、フォノン放射による準位70から基底準位67への
準位遷移の確率が小さいためである。このように基底準
位67に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への
準位遷移の確率が減少してしまう。このため、励起光の
パワーを上げても励起光の吸収効率が悪くなり、出力レ
ーザ光が低減してしまい、従来のレーザ素子では、入射
光に対する出射光の効率が30%程に留まっている。
イオンにおいては、光放射された後、エネルギー準位は
準位70に滞在する。これは準位70における蛍光寿命
が長いためと、中間準位である準位70と基底準位67
との間に2000cm-1ほどのエネルギー差があるため
に、フォノン放射による準位70から基底準位67への
準位遷移の確率が小さいためである。このように基底準
位67に戻る確率が小さいので、高エネルギー準位への
準位遷移の確率が減少してしまう。このため、励起光の
パワーを上げても励起光の吸収効率が悪くなり、出力レ
ーザ光が低減してしまい、従来のレーザ素子では、入射
光に対する出射光の効率が30%程に留まっている。
【0013】従って、前記のような希土類イオン添加レ
ーザ素子では、中間準位から基底準位への遷移を効率良
く行うことが重要である。希土類イオンの数が有限であ
るため、基底準位まで戻らず中間準位で留まっている希
土類イオンが多いと、高エネルギー準位への準位遷移が
少なくなり、励起光の吸収効率が悪いと共に高出力が望
めないことになる。
ーザ素子では、中間準位から基底準位への遷移を効率良
く行うことが重要である。希土類イオンの数が有限であ
るため、基底準位まで戻らず中間準位で留まっている希
土類イオンが多いと、高エネルギー準位への準位遷移が
少なくなり、励起光の吸収効率が悪いと共に高出力が望
めないことになる。
【0014】そこで、通常、レーザ素子を77Kまで冷
やす方法等が試みられているが、このような方法は、産
業界における実用性の点からは非常に困難である。
やす方法等が試みられているが、このような方法は、産
業界における実用性の点からは非常に困難である。
【0015】前記に鑑み、本発明は、希土類イオンの中
間準位から基底準位へ準位遷移を促進することによって
励起光の吸収効率を向上させ、これにより高出力が得ら
れるようにすることを目的とする。
間準位から基底準位へ準位遷移を促進することによって
励起光の吸収効率を向上させ、これにより高出力が得ら
れるようにすることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、光学材料に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとを添加し、第1の希土類イオンをレーザ
光によって高エネルギー準位に励起した後、高エネルギ
ー準位から中間準位に発光遷移させることによりエネル
ギーを放出させ、その後、中間準位に準位遷移した第1
の希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギ
ー伝達させた後、第2の希土類イオンのエネルギー準位
を基底準位に非発光遷移させるものである。
め、本発明は、光学材料に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとを添加し、第1の希土類イオンをレーザ
光によって高エネルギー準位に励起した後、高エネルギ
ー準位から中間準位に発光遷移させることによりエネル
ギーを放出させ、その後、中間準位に準位遷移した第1
の希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギ
ー伝達させた後、第2の希土類イオンのエネルギー準位
を基底準位に非発光遷移させるものである。
【0017】具体的に請求項1の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加固体光素子を、第1の希土類イオ
ンと第2の希土類イオンとが添加された光学材料により
形成されており、前記第1の希土類イオンは、該第1の
希土類イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振される
レーザ光によって第1のエネルギー準位から該第1のエ
ネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準位に励起さ
れ、該第2のエネルギー準位又は該第2のエネルギー準
位よりも低くて前記第1のエネルギー準位よりも高い第
3のエネルギー準位から前記第1のエネルギー準位まで
発光遷移する特性を有し、前記第1の希土類イオンと第
2の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1
のエネルギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準
位とほぼ等しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光
遷移した第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第
2の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
は、希土類イオン添加固体光素子を、第1の希土類イオ
ンと第2の希土類イオンとが添加された光学材料により
形成されており、前記第1の希土類イオンは、該第1の
希土類イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振される
レーザ光によって第1のエネルギー準位から該第1のエ
ネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準位に励起さ
れ、該第2のエネルギー準位又は該第2のエネルギー準
位よりも低くて前記第1のエネルギー準位よりも高い第
3のエネルギー準位から前記第1のエネルギー準位まで
発光遷移する特性を有し、前記第1の希土類イオンと第
2の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1
のエネルギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準
位とほぼ等しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光
遷移した第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第
2の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
【0018】具体的に請求項2の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光に
よって第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準
位よりも高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2
のエネルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低
くて前記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネル
ギー準位から前記第1のエネルギー準位まで発光遷移す
る特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2の希土類
イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1のエネルギ
ー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等
しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した第
1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土類
イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第
2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位
まで非発光遷移する特性を有している構成とするもので
ある。
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光に
よって第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準
位よりも高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2
のエネルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低
くて前記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネル
ギー準位から前記第1のエネルギー準位まで発光遷移す
る特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2の希土類
イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1のエネルギ
ー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等
しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した第
1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土類
イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第
2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位
まで非発光遷移する特性を有している構成とするもので
ある。
【0019】具体的に請求項3の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンと第3の希土類イオンとが添加された光学
材料により形成されており、前記第3の希土類イオン
は、該第3の希土類イオンの光吸収領域の光エネルギー
で発振されるレーザ光によって第1のエネルギー準位か
ら該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー
準位に励起される特性を有し、前記第1の希土類イオン
と第3の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの第1
のエネルギー準位が第3の希土類イオンの前記第2エネ
ルギー準位とほぼ等しく、且つ該第2のエネルギー準位
に励起された第3の希土類イオンと前記第1のエネルギ
ー準位の第1の希土類イオンとの間でエネルギー伝達す
る関係を有し、前記第1の希土類イオンは、前記第3の
希土類イオンからエネルギー伝達された第1のエネルギ
ー準位又は該第1のエネルギー準位よりも低い第2のエ
ネルギー準位から該第2のエネルギー準位よりも低い第
3のエネルギー準位まで発光遷移する特性を有し、前記
第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第1の
希土類イオンの前記第3のエネルギー準位が第2の希土
類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第3
のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオンと
前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達する関係を有し、前記第2の希土類イオン
は、前記エネルギー準位から基底準位まで非発光遷移す
る特性を有している構成とするものである。
は、希土類イオン添加光ファイバ素子を、高光屈折率領
域と該高光屈折率領域を囲繞する低光屈折率領域とを有
し、前記高光屈折率領域に第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンと第3の希土類イオンとが添加された光学
材料により形成されており、前記第3の希土類イオン
は、該第3の希土類イオンの光吸収領域の光エネルギー
で発振されるレーザ光によって第1のエネルギー準位か
ら該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー
準位に励起される特性を有し、前記第1の希土類イオン
と第3の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの第1
のエネルギー準位が第3の希土類イオンの前記第2エネ
ルギー準位とほぼ等しく、且つ該第2のエネルギー準位
に励起された第3の希土類イオンと前記第1のエネルギ
ー準位の第1の希土類イオンとの間でエネルギー伝達す
る関係を有し、前記第1の希土類イオンは、前記第3の
希土類イオンからエネルギー伝達された第1のエネルギ
ー準位又は該第1のエネルギー準位よりも低い第2のエ
ネルギー準位から該第2のエネルギー準位よりも低い第
3のエネルギー準位まで発光遷移する特性を有し、前記
第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第1の
希土類イオンの前記第3のエネルギー準位が第2の希土
類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第3
のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオンと
前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間でエネ
ルギー伝達する関係を有し、前記第2の希土類イオン
は、前記エネルギー準位から基底準位まで非発光遷移す
る特性を有している構成とするものである。
【0020】具体的に請求項4の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射するレーザ光によって第1のエネルギー準位から
該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準
位に励起され、該第2のエネルギー準位又は該第2のエ
ネルギー準位よりも低くて前記第1のエネルギー準位よ
りも高い第3のエネルギー準位と前記第1のエネルギー
準位との間の反転分布をすることによって前記第2のエ
ネルギー準位又は第3のエネルギー準位と前記第1のエ
ネルギー準位との間のエネルギー差に相当する光波長を
前記出射部より発振させる特性を有し、前記第1の希土
類イオンと第2の希土類イオンとは、第1の希土類イオ
ンの前記第1のエネルギー準位が第2の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第1のエネルギ
ー準位に発光遷移した第1の希土類イオンと前記エネル
ギー準位の第2の希土類イオンとの間でエネルギー伝達
する関係を有し、前記第2の希土類イオンは、前記エネ
ルギー準位から基底準位まで非発光遷移する特性を有し
ている構成とするものである。
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射するレーザ光によって第1のエネルギー準位から
該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準
位に励起され、該第2のエネルギー準位又は該第2のエ
ネルギー準位よりも低くて前記第1のエネルギー準位よ
りも高い第3のエネルギー準位と前記第1のエネルギー
準位との間の反転分布をすることによって前記第2のエ
ネルギー準位又は第3のエネルギー準位と前記第1のエ
ネルギー準位との間のエネルギー差に相当する光波長を
前記出射部より発振させる特性を有し、前記第1の希土
類イオンと第2の希土類イオンとは、第1の希土類イオ
ンの前記第1のエネルギー準位が第2の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記第1のエネルギ
ー準位に発光遷移した第1の希土類イオンと前記エネル
ギー準位の第2の希土類イオンとの間でエネルギー伝達
する関係を有し、前記第2の希土類イオンは、前記エネ
ルギー準位から基底準位まで非発光遷移する特性を有し
ている構成とするものである。
【0021】具体的に請求項5の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射する第1のレーザ光によって第1のエネルギー準
位から該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネル
ギー準位に励起されると共に、該第1の希土類イオンの
光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入
射する第2のレーザ光によって前記第2のエネルギー準
位よりも高い第3のエネルギー準位に励起され、該第3
のエネルギー準位又は該第3のエネルギー準位よりも低
くて前記第2のエネルギー準位よりも高い第4のエネル
ギー準位と前記第1のエネルギー準位との間の反転分布
をすることによって前記第3のエネルギー準位又は第4
のエネルギー準位と前記第1のエネルギー準位との間の
エネルギー差に相当する光波長を前記出射部より発振さ
せる特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2の希土
類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1のエネル
ギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ
等しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した
第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準
位まで非発光遷移する特性を有している構成とするもの
である。
は、希土類イオン添加レーザ素子を、共振器を構成する
入射部と出射部とを有し、第1の希土類イオンと第2の
希土類イオンとが添加された光学材料により形成されて
おり、前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオ
ンの光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部か
ら入射する第1のレーザ光によって第1のエネルギー準
位から該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネル
ギー準位に励起されると共に、該第1の希土類イオンの
光吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入
射する第2のレーザ光によって前記第2のエネルギー準
位よりも高い第3のエネルギー準位に励起され、該第3
のエネルギー準位又は該第3のエネルギー準位よりも低
くて前記第2のエネルギー準位よりも高い第4のエネル
ギー準位と前記第1のエネルギー準位との間の反転分布
をすることによって前記第3のエネルギー準位又は第4
のエネルギー準位と前記第1のエネルギー準位との間の
エネルギー差に相当する光波長を前記出射部より発振さ
せる特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2の希土
類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第1のエネル
ギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ
等しく、且つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した
第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基底準
位まで非発光遷移する特性を有している構成とするもの
である。
【0022】具体的に請求項6の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとが
添加された光学材料により形成され、前記第1の希土類
イオンは、該第1の希土類イオンの光吸収領域の光エネ
ルギーで発振され前記入射部から入射するレーザ光によ
って第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位
よりも高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2の
エネルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低く
て前記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネルギ
ー準位と前記第1のエネルギー準位との間のエネルギー
差に相当する光波長で発振され前記入射部から入射され
る信号光を増幅して前記出射部から発振させる特性を有
し、前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンと
は、第1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が
第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且
つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土
類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンと
の間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第2の希土
類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位まで非発
光遷移する特性を有している構成とするものである。
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとが
添加された光学材料により形成され、前記第1の希土類
イオンは、該第1の希土類イオンの光吸収領域の光エネ
ルギーで発振され前記入射部から入射するレーザ光によ
って第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位
よりも高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2の
エネルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低く
て前記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネルギ
ー準位と前記第1のエネルギー準位との間のエネルギー
差に相当する光波長で発振され前記入射部から入射され
る信号光を増幅して前記出射部から発振させる特性を有
し、前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンと
は、第1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が
第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且
つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土
類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンと
の間でエネルギー伝達する関係を有し、前記第2の希土
類イオンは、前記エネルギー準位から基底準位まで非発
光遷移する特性を有している構成とするものである。
【0023】具体的に請求項7の発明が講じた解決手段
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンと第
3の希土類イオンとが添加された光学材料により形成さ
れており、前記第3の希土類イオンは、該第3の希土類
イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ
光によって第1のエネルギー準位から該第1のエネルギ
ー準位よりも高い第2のエネルギー準位に励起される特
性を有し、前記第1の希土類イオンと第3の希土類イオ
ンとは、第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が
第3の希土類イオンの前記第2エネルギー準位とほぼ等
しく、且つ該第2のエネルギー準位に励起された第3の
希土類イオンと前記第1のエネルギー準位の第1の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第1の希土類イオンは、前記第3の希土類イオンからエ
ネルギー伝達された第1のエネルギー準位又は該第1の
エネルギー準位よりも低い第2のエネルギー準位から該
第2のエネルギー準位よりも低い第3のエネルギー準位
との間のエネルギー差に相当する光波長で発振され前記
入射部から入射される信号光を増幅して前記出射部から
発振させる特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2
の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第3の
エネルギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位
とほぼ等しく、且つ前記第3のエネルギー準位に発光遷
移した第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2
の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
は、希土類イオン添加光増幅素子を、入射部と出射部と
を有し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンと第
3の希土類イオンとが添加された光学材料により形成さ
れており、前記第3の希土類イオンは、該第3の希土類
イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ
光によって第1のエネルギー準位から該第1のエネルギ
ー準位よりも高い第2のエネルギー準位に励起される特
性を有し、前記第1の希土類イオンと第3の希土類イオ
ンとは、第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が
第3の希土類イオンの前記第2エネルギー準位とほぼ等
しく、且つ該第2のエネルギー準位に励起された第3の
希土類イオンと前記第1のエネルギー準位の第1の希土
類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有し、前記
第1の希土類イオンは、前記第3の希土類イオンからエ
ネルギー伝達された第1のエネルギー準位又は該第1の
エネルギー準位よりも低い第2のエネルギー準位から該
第2のエネルギー準位よりも低い第3のエネルギー準位
との間のエネルギー差に相当する光波長で発振され前記
入射部から入射される信号光を増幅して前記出射部から
発振させる特性を有し、前記第1の希土類イオンと第2
の希土類イオンとは、第1の希土類イオンの前記第3の
エネルギー準位が第2の希土類イオンのエネルギー準位
とほぼ等しく、且つ前記第3のエネルギー準位に発光遷
移した第1の希土類イオンと前記エネルギー準位の第2
の希土類イオンとの間でエネルギー伝達する関係を有
し、前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位か
ら基底準位まで非発光遷移する特性を有している構成と
するものである。
【0024】請求項8〜11の発明は、請求項1〜7の
構成に、前記第1の希土類イオンはTmイオン又はPr
イオン又はNdイオン又はErイオンである構成を付加
するものである。
構成に、前記第1の希土類イオンはTmイオン又はPr
イオン又はNdイオン又はErイオンである構成を付加
するものである。
【0025】請求項12〜15の発明は、請求項1〜7
の構成に、前記第2の希土類イオンはEuイオン又はS
mイオン又はTbイオンである構成を付加するものであ
る。請求項16及び17の発明は、請求項3又は7の構
成に、前記第3の希土類イオンはYbイオンである構成
を付加するものである。
の構成に、前記第2の希土類イオンはEuイオン又はS
mイオン又はTbイオンである構成を付加するものであ
る。請求項16及び17の発明は、請求項3又は7の構
成に、前記第3の希土類イオンはYbイオンである構成
を付加するものである。
【0026】請求項18〜21の発明は、請求項1〜7
の構成に、前記光学材料はフッ化物系材料又はSiO2
系材料である構成を付加するものである。
の構成に、前記光学材料はフッ化物系材料又はSiO2
系材料である構成を付加するものである。
【0027】請求項22〜24及び27の発明は、請求
項1〜4の構成に、前記レーザ光の波長は650nm±
50nm又は780nm±20nm又は1.017μm
±20nmである構成を付加するものである。
項1〜4の構成に、前記レーザ光の波長は650nm±
50nm又は780nm±20nm又は1.017μm
±20nmである構成を付加するものである。
【0028】請求項25の発明は、請求項5の構成に、
前記第1のレーザ光の波長は650nm±50nmであ
り、前記第2のレーザ光の波長は780nm±20nm
である構成を付加するものである。
前記第1のレーザ光の波長は650nm±50nmであ
り、前記第2のレーザ光の波長は780nm±20nm
である構成を付加するものである。
【0029】請求項26の発明は、請求項6の構成に、
前記第2のレーザ光の波長は650nm±50nmであ
る構成を付加するものである。
前記第2のレーザ光の波長は650nm±50nmであ
る構成を付加するものである。
【0030】
【作用】本発明の構成により次のような作用が得られ
る。
る。
【0031】光学材料に希土類イオンが添加された光学
素子としては、レーザ素子等のように光を共振させるも
のと、光増幅素子等のように光を進伝波として増幅する
ものとがある。このような光学素子では、希土類イオン
が励起光を吸収して高エネルギー準位に準位遷移し、そ
の後、高エネルギー準位から低エネルギー準位まで遷移
するときに放射される光を利用するものである。
素子としては、レーザ素子等のように光を共振させるも
のと、光増幅素子等のように光を進伝波として増幅する
ものとがある。このような光学素子では、希土類イオン
が励起光を吸収して高エネルギー準位に準位遷移し、そ
の後、高エネルギー準位から低エネルギー準位まで遷移
するときに放射される光を利用するものである。
【0032】ところで、励起される希土類イオンは原則
として基底準位から高エネルギー準位まで準位遷移する
のに対して、放射される希土類イオンは、高エネルギー
準位から基底準位まで準位遷移するのではなく、基底準
位よりもエネルギー準位が高い中間準位で準位遷移が停
止する。そしてこの中間準位の蛍光寿命が長ければ、相
対的に基底準位の分布が低下し、励起光による高エネル
ギー準位への遷移の効率が悪くなるので、中間準位の蛍
光寿命が長い希土類イオンの適用は困難であった。
として基底準位から高エネルギー準位まで準位遷移する
のに対して、放射される希土類イオンは、高エネルギー
準位から基底準位まで準位遷移するのではなく、基底準
位よりもエネルギー準位が高い中間準位で準位遷移が停
止する。そしてこの中間準位の蛍光寿命が長ければ、相
対的に基底準位の分布が低下し、励起光による高エネル
ギー準位への遷移の効率が悪くなるので、中間準位の蛍
光寿命が長い希土類イオンの適用は困難であった。
【0033】ところが、本発明では、光学材料に、第1
の希土類イオンと、該第1の希土類イオンの中間準位で
ある第1のエネルギー準位とほぼ等しいエネルギー準位
を有する第2の希土類イオンとを光学材料に添加してい
るために、共添加された第2の希土類イオンが中間準位
から基底準位へのフォノン放出による準位遷移に寄与す
る。これはエネルギー伝達のメカニズムによるものであ
って、このエネルギー伝達とは、第1の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布が第2の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布とオーバーラップするこ
とにより、エネルギーが第1の希土類イオンから第2の
希土類イオンに伝達される現象のことをいう。
の希土類イオンと、該第1の希土類イオンの中間準位で
ある第1のエネルギー準位とほぼ等しいエネルギー準位
を有する第2の希土類イオンとを光学材料に添加してい
るために、共添加された第2の希土類イオンが中間準位
から基底準位へのフォノン放出による準位遷移に寄与す
る。これはエネルギー伝達のメカニズムによるものであ
って、このエネルギー伝達とは、第1の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布が第2の希土類イオンが
有する空間的エネルギーの分布とオーバーラップするこ
とにより、エネルギーが第1の希土類イオンから第2の
希土類イオンに伝達される現象のことをいう。
【0034】エネルギーの伝達が生じる2つの希土類イ
オンのエネルギーの関係は、伝達する第1の希土類イオ
ンのエネルギー準位が伝達される第2の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しい場合に伝達効率が最も高い
が、そのエネルギー差の絶対値が1000cm-1以内であ
れば伝達は生じる。
オンのエネルギーの関係は、伝達する第1の希土類イオ
ンのエネルギー準位が伝達される第2の希土類イオンの
エネルギー準位とほぼ等しい場合に伝達効率が最も高い
が、そのエネルギー差の絶対値が1000cm-1以内であ
れば伝達は生じる。
【0035】前述のように、本発明では第2の希土類イ
オンのエネルギー準位が第1の希土類イオンの中間準位
である第1のエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるので、エネルギーが第1の希土類イオンから第2の
希土類イオンにスムーズに伝達する。また、フォノン放
出は光放射に比べて極めて早い現象であるため、電子状
態が中間準位に留まる割合が少ないので、エネルギー準
位は極めて短時間のうちに中間準位から基底準位に遷移
するのである。
オンのエネルギー準位が第1の希土類イオンの中間準位
である第1のエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるので、エネルギーが第1の希土類イオンから第2の
希土類イオンにスムーズに伝達する。また、フォノン放
出は光放射に比べて極めて早い現象であるため、電子状
態が中間準位に留まる割合が少ないので、エネルギー準
位は極めて短時間のうちに中間準位から基底準位に遷移
するのである。
【0036】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
する。
【0037】まず、図1に基づき本発明の第1実施例で
ある希土類イオン添加固体光素子について説明する。図
1は希土類イオン添加固体光素子に添加された第1及び
第2の希土類イオンのエネルギー準位図であって、同図
において、101はYLiF4 よりなる光学材料に添加
された第1の希土類イオンとしてのTm(ツリウム)イ
オンのエネルギー準位の遷移を示し、102は前記光学
材料に添加された第2の希土類イオンとしてのEu(ユ
ーロピウム)イオンのエネルギー準位の遷移を示し、1
03は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準位
遷移を示し、104は光放射による準位遷移を示し、1
05a,105bは各々フォノン放出による準位遷移を
示し、106はエネルギー伝達を示している。尚、縦軸
112はエネルギーをcm-1(カイザー)の単位で示し
たものである。
ある希土類イオン添加固体光素子について説明する。図
1は希土類イオン添加固体光素子に添加された第1及び
第2の希土類イオンのエネルギー準位図であって、同図
において、101はYLiF4 よりなる光学材料に添加
された第1の希土類イオンとしてのTm(ツリウム)イ
オンのエネルギー準位の遷移を示し、102は前記光学
材料に添加された第2の希土類イオンとしてのEu(ユ
ーロピウム)イオンのエネルギー準位の遷移を示し、1
03は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準位
遷移を示し、104は光放射による準位遷移を示し、1
05a,105bは各々フォノン放出による準位遷移を
示し、106はエネルギー伝達を示している。尚、縦軸
112はエネルギーをcm-1(カイザー)の単位で示し
たものである。
【0038】第1実施例に係る希土類イオン添加固体光
素子は、光学材料に30〜5000ppm(重さ当たり
1000000分の30〜5000)のTmイオンを添
加すると共に30〜5000ppmのEuイオンを添加
し、該光学材料よりなるレーザ結晶の両端面を光学研磨
したものであって、その大きさは幅10×高さ10×長
さ50mmである。
素子は、光学材料に30〜5000ppm(重さ当たり
1000000分の30〜5000)のTmイオンを添
加すると共に30〜5000ppmのEuイオンを添加
し、該光学材料よりなるレーザ結晶の両端面を光学研磨
したものであって、その大きさは幅10×高さ10×長
さ50mmである。
【0039】色素レーザより発せられた光波長650n
m〜680nmの光を固体光素子の一方の端面より励起
光として入射すると、Tmイオンのエネルギー準位は、
準位遷移103に示すように基底準位107である 3H
6 の準位から高エネルギー準位である準位108の 3F
3 又は 3F2 の準位に励起された後、フォノン放出によ
って準位遷移105aに示すように準位108から準位
109の 3F4 の準位まで遷移し、その後、光放射によ
って準位遷移104に示すように準位109から準位1
10の 3H4 の準位まで遷移する。ここで、Tmイオン
とEuイオンとの間でエネルギー伝達106が起こり、
Euイオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって
準位遷移105bに示すように準位111の 7F6 の準
位から基底準位107の 7F0 の準位に準位遷移する。
m〜680nmの光を固体光素子の一方の端面より励起
光として入射すると、Tmイオンのエネルギー準位は、
準位遷移103に示すように基底準位107である 3H
6 の準位から高エネルギー準位である準位108の 3F
3 又は 3F2 の準位に励起された後、フォノン放出によ
って準位遷移105aに示すように準位108から準位
109の 3F4 の準位まで遷移し、その後、光放射によ
って準位遷移104に示すように準位109から準位1
10の 3H4 の準位まで遷移する。ここで、Tmイオン
とEuイオンとの間でエネルギー伝達106が起こり、
Euイオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって
準位遷移105bに示すように準位111の 7F6 の準
位から基底準位107の 7F0 の準位に準位遷移する。
【0040】Euイオンが添加されておらずTmイオン
のみが添加された固体光素子の場合には、エネルギー準
位が中間準位である準位110の 3H4 準位まではたど
り着くが、この準位110の蛍光寿命の時間が10ms
と長いため基底準位107の分布が減少するので、準位
109の 3F4 準位から準位110の 3H4 準位への遷
移が減少し、これにより、光放射が減少する。これに対
して、第1実施例に係る固体光素子は、TmイオンとE
uイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、エネルギー
準位が準位111から基底準位107に遷移するため、
基底準位107の分布が増加するので、光放射が増大す
る。
のみが添加された固体光素子の場合には、エネルギー準
位が中間準位である準位110の 3H4 準位まではたど
り着くが、この準位110の蛍光寿命の時間が10ms
と長いため基底準位107の分布が減少するので、準位
109の 3F4 準位から準位110の 3H4 準位への遷
移が減少し、これにより、光放射が減少する。これに対
して、第1実施例に係る固体光素子は、TmイオンとE
uイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、エネルギー
準位が準位111から基底準位107に遷移するため、
基底準位107の分布が増加するので、光放射が増大す
る。
【0041】以下、図2に基づき本発明の第2実施例で
ある希土類イオン添加光ファイバ素子について説明す
る。同図において、201は光ファイバ、202は光フ
ァイバ201の入射部、203は光ファイバ201の出
射部、204は入射レンズ、205は出射レンズ、20
6は励起光、207は出射光、208は励起光源であ
る。
ある希土類イオン添加光ファイバ素子について説明す
る。同図において、201は光ファイバ、202は光フ
ァイバ201の入射部、203は光ファイバ201の出
射部、204は入射レンズ、205は出射レンズ、20
6は励起光、207は出射光、208は励起光源であ
る。
【0042】光ファイバにおいては光学的に屈折率が高
い部分をコア、低い部分をクラッドと呼び、このコアと
クラッドとの屈折率の差を0.001から0.01にす
ることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コアでの
光の閉じ込めが良い。そこで第2実施例では、コア径:
10μm、クラッド径:125μm、長さ:10mのフ
ッ化物系の光ファイバ201のコアを構成する光学材料
に、第1の希土類イオンとしてのTmイオンを500〜
5000ppm添加し、第2の希土類イオンとしてのE
uイオンを500〜10000ppm添加したものを使
用している。
い部分をコア、低い部分をクラッドと呼び、このコアと
クラッドとの屈折率の差を0.001から0.01にす
ることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コアでの
光の閉じ込めが良い。そこで第2実施例では、コア径:
10μm、クラッド径:125μm、長さ:10mのフ
ッ化物系の光ファイバ201のコアを構成する光学材料
に、第1の希土類イオンとしてのTmイオンを500〜
5000ppm添加し、第2の希土類イオンとしてのE
uイオンを500〜10000ppm添加したものを使
用している。
【0043】励起光源208から繰り出された励起光2
06は入射レンズ204を経て入射部202から光ファ
イバ201に入射される。光ファイバ201を通過した
光は出射部203から出射された後、出射レンズ205
で平行光にされ、出射光207となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が長距離に亘って保たれるので、希
土類イオンの吸収が効率良く行われる。また、光ファイ
バは、その外形寸法が1mm以下と非常に小さいため、
小型で軽量で且つ曲がり易いので、さまざまな細かい場
所への応用に適している。
06は入射レンズ204を経て入射部202から光ファ
イバ201に入射される。光ファイバ201を通過した
光は出射部203から出射された後、出射レンズ205
で平行光にされ、出射光207となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が長距離に亘って保たれるので、希
土類イオンの吸収が効率良く行われる。また、光ファイ
バは、その外形寸法が1mm以下と非常に小さいため、
小型で軽量で且つ曲がり易いので、さまざまな細かい場
所への応用に適している。
【0044】第2実施例の光ファイバ素子は、前記第1
実施例の固体光素子と同様に、TmイオンとEuイオン
との間でエネルギー伝達が起こった後、エネルギー準位
が中間準位から基底準位に遷移するため、基底準位の分
布が増加して励起光源の九州が増大し、その結果として
光放射が増大するので、励起光の強度に応じた放射光が
得られる。
実施例の固体光素子と同様に、TmイオンとEuイオン
との間でエネルギー伝達が起こった後、エネルギー準位
が中間準位から基底準位に遷移するため、基底準位の分
布が増加して励起光源の九州が増大し、その結果として
光放射が増大するので、励起光の強度に応じた放射光が
得られる。
【0045】以下、図3〜図5に基づき本発明の第3実
施例である希土類添加レーザ素子について説明する。図
3は第3実施例の構成を示し、同図において、301は
フッ化物系の光学材料に第1の希土類イオンとしてのT
mイオン及び第2の希土類としてのEuイオンが各々添
加された光ファイバ、302は光ファイバ301の入射
部、303は光ファイバ301の出射部、304aは入
射レンズ、304bは出射レンズ、305は励起光、3
06はレーザ光、307は励起光源である。
施例である希土類添加レーザ素子について説明する。図
3は第3実施例の構成を示し、同図において、301は
フッ化物系の光学材料に第1の希土類イオンとしてのT
mイオン及び第2の希土類としてのEuイオンが各々添
加された光ファイバ、302は光ファイバ301の入射
部、303は光ファイバ301の出射部、304aは入
射レンズ、304bは出射レンズ、305は励起光、3
06はレーザ光、307は励起光源である。
【0046】本第3実施例では、光学材料にTmイオン
が100〜5000ppm、Euイオンが1000〜1
0000ppm各々添加された光ファイバ301の一方
の端面である入射部302に、光波長780nmに対し
て高透過であり光波長1500nmに対して高反射であ
る多層膜を施し、光ファイバ301の他方の端面である
出射部303に、光波長780nmに対して高反射であ
り光波長1500nmに対しては1〜10%の透過であ
る多層膜を施す。このようにすると、780nmで発振
する励起光源307からの励起光305を入射レンズ3
04aで集光して光ファイバ301に入射すると、光フ
ァイバ301内でTmイオンによってエネルギー吸収が
行われる。
が100〜5000ppm、Euイオンが1000〜1
0000ppm各々添加された光ファイバ301の一方
の端面である入射部302に、光波長780nmに対し
て高透過であり光波長1500nmに対して高反射であ
る多層膜を施し、光ファイバ301の他方の端面である
出射部303に、光波長780nmに対して高反射であ
り光波長1500nmに対しては1〜10%の透過であ
る多層膜を施す。このようにすると、780nmで発振
する励起光源307からの励起光305を入射レンズ3
04aで集光して光ファイバ301に入射すると、光フ
ァイバ301内でTmイオンによってエネルギー吸収が
行われる。
【0047】図4は、第3実施例であるレーザ素子に添
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、316はTmイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、317はEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、311は励起光源307からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、312a,31
2bは各々フォノン放出による準位遷移を示し、313
は光放射による準位遷移を示し、314はエネルギー伝
達を示している。尚、縦軸315はエネルギーをcm-1
の単位で示したものであり、318,319,320,
321,322は各々エネルギー準位を示したものであ
る。
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、316はTmイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、317はEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、311は励起光源307からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、312a,31
2bは各々フォノン放出による準位遷移を示し、313
は光放射による準位遷移を示し、314はエネルギー伝
達を示している。尚、縦軸315はエネルギーをcm-1
の単位で示したものであり、318,319,320,
321,322は各々エネルギー準位を示したものであ
る。
【0048】光波長780nmの光を入射部302より
励起光として入射すると、Tmイオンのエネルギー準位
は、準位推移311に示すように基底準位318から高
エネルギーである準位319に上昇した後、フォノン放
出によって312aに示すように準位319から準位3
20に遷移し、その後、準位推移313に示すように準
位320から準位321に遷移することによって光波長
1500nmの光を放射する。ここで、TmイオンとE
uイオンとの間でエネルギー伝達314が起こり、Eu
イオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって準位
推移312bに示すように準位322から基底準位31
8に準位遷移する。
励起光として入射すると、Tmイオンのエネルギー準位
は、準位推移311に示すように基底準位318から高
エネルギーである準位319に上昇した後、フォノン放
出によって312aに示すように準位319から準位3
20に遷移し、その後、準位推移313に示すように準
位320から準位321に遷移することによって光波長
1500nmの光を放射する。ここで、TmイオンとE
uイオンとの間でエネルギー伝達314が起こり、Eu
イオンのエネルギー準位は、フォノン放出によって準位
推移312bに示すように準位322から基底準位31
8に準位遷移する。
【0049】尚、準位320から準位321への準位遷
移により放射された光は、光ファイバ301の入射部3
02及び出射部303に施された反射膜により共振さ
れ、増幅された後、出射部303よりレーザ光として発
振する。光ファイバ301の出射部303から発振され
たレーザ光は出射レンズ304bによって平行光にされ
て出力される。
移により放射された光は、光ファイバ301の入射部3
02及び出射部303に施された反射膜により共振さ
れ、増幅された後、出射部303よりレーザ光として発
振する。光ファイバ301の出射部303から発振され
たレーザ光は出射レンズ304bによって平行光にされ
て出力される。
【0050】Euイオンが添加されておらずTmイオン
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位321に
おける螢光寿命が10msと極めて長い上に準位321
から基底準位318まではエネルギーにして6000c
m-1以上あるために、フォノン放出の確率が極めて低い
ので、基底準位318の分布が減少する。これに対し
て、第3実施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイ
バ301を構成する光学材料にTmイオン及びEuイオ
ンを添加しているため、TmイオンとEuイオンとの間
でエネルギー伝達が起こり、その後、基底準位318と
該基底準位318に対して6000cm-1のエネルギー
差がある準位322との間に多数の準位を持つEuイオ
ンから、準位遷移が極めて速いフォノン放出が行われる
ので、エネルギー準位は準位322から基底準位318
に速やかに遷移する。このため、高エネルギー準位であ
る準位320と中間準位321との間で効率良く反転分
布が行われるため、従来のレーザ素子においては入射光
に対する出射光の効率が13%であるのに対して、第3
実施例に係るレーザ素子においては入射光に対する出射
光の効率は30%となり、高効率のレーザ素子を得るこ
とができる。
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位321に
おける螢光寿命が10msと極めて長い上に準位321
から基底準位318まではエネルギーにして6000c
m-1以上あるために、フォノン放出の確率が極めて低い
ので、基底準位318の分布が減少する。これに対し
て、第3実施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイ
バ301を構成する光学材料にTmイオン及びEuイオ
ンを添加しているため、TmイオンとEuイオンとの間
でエネルギー伝達が起こり、その後、基底準位318と
該基底準位318に対して6000cm-1のエネルギー
差がある準位322との間に多数の準位を持つEuイオ
ンから、準位遷移が極めて速いフォノン放出が行われる
ので、エネルギー準位は準位322から基底準位318
に速やかに遷移する。このため、高エネルギー準位であ
る準位320と中間準位321との間で効率良く反転分
布が行われるため、従来のレーザ素子においては入射光
に対する出射光の効率が13%であるのに対して、第3
実施例に係るレーザ素子においては入射光に対する出射
光の効率は30%となり、高効率のレーザ素子を得るこ
とができる。
【0051】図5は第3実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、3
51は第3実施例のレーザ素子における入射パワーに対
する出力特性、352は従来の単一イオン添加のレーザ
素子における入射パワーに対する出力特性を各々示して
いる。尚、同図において、縦軸353は出力パワー(O
UTPUT LASER POWER)をmW単位で示
し、横軸354は入射パワー(INPUT PUMP
POWER)をmW単位で示したものである。この図5
から明らかなように、第3実施例の希土類イオン添加レ
ーザ素子は、前述したような作用効果によって入射パワ
ーが増加しても出力パワーが飽和しないので、高出力が
得られる。
レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、3
51は第3実施例のレーザ素子における入射パワーに対
する出力特性、352は従来の単一イオン添加のレーザ
素子における入射パワーに対する出力特性を各々示して
いる。尚、同図において、縦軸353は出力パワー(O
UTPUT LASER POWER)をmW単位で示
し、横軸354は入射パワー(INPUT PUMP
POWER)をmW単位で示したものである。この図5
から明らかなように、第3実施例の希土類イオン添加レ
ーザ素子は、前述したような作用効果によって入射パワ
ーが増加しても出力パワーが飽和しないので、高出力が
得られる。
【0052】以下、図6及び図7に基づき本発明の第4
実施例である希土類イオン添加レーザ素子について説明
する。図6は第4実施例の構成を示しており、同図にお
いて、401は、第1の希土類イオンとしてのTmイオ
ン及び第2の希土類イオンとしてのEuイオンが各々添
加されたフッ化物系の光学材料よりなる光ファイバ、4
02は光ファイバ401の入射部、403は光ファイバ
401の出射部、404は入射レンズ、405は励起
光、406はレーザ光、407は励起光源、408は出
射レンズである。
実施例である希土類イオン添加レーザ素子について説明
する。図6は第4実施例の構成を示しており、同図にお
いて、401は、第1の希土類イオンとしてのTmイオ
ン及び第2の希土類イオンとしてのEuイオンが各々添
加されたフッ化物系の光学材料よりなる光ファイバ、4
02は光ファイバ401の入射部、403は光ファイバ
401の出射部、404は入射レンズ、405は励起
光、406はレーザ光、407は励起光源、408は出
射レンズである。
【0053】本第4実施例では、Tmイオンが100〜
5000ppm、Euイオンが1000〜10000p
pm各々添加された光ファイバ401の一方の端面であ
る入射部402に、光波長650nmに対して高透過で
450nmに対して高反射な多層膜を施し、光ファイバ
401の他方の端面である出射部403に、光波長65
0nmに対して高反射で光波長450に対しては1〜1
0%の透過率である多層膜を施す。650nmで発振す
る励起光源407からの励起光405を入射レンズ40
4で集光して光ファイバ401に入射すると、Tmイオ
ンによって光ファイバ401内でエネルギーが吸収され
る。
5000ppm、Euイオンが1000〜10000p
pm各々添加された光ファイバ401の一方の端面であ
る入射部402に、光波長650nmに対して高透過で
450nmに対して高反射な多層膜を施し、光ファイバ
401の他方の端面である出射部403に、光波長65
0nmに対して高反射で光波長450に対しては1〜1
0%の透過率である多層膜を施す。650nmで発振す
る励起光源407からの励起光405を入射レンズ40
4で集光して光ファイバ401に入射すると、Tmイオ
ンによって光ファイバ401内でエネルギーが吸収され
る。
【0054】図7は、第4実施例のレーザ素子に添加さ
れたTmイオンとEuイオンのエネルギー準位の遷移を
示しており、同図において、416はTmイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、417はEuイオンのエネル
ギー準位の遷移を示し、411a,411bは励起光の
吸収による高準位への準位遷移を示し、412a,41
2bはフォノン放出による準位遷移を示し、413は光
放射による準位遷移を示し、414はエネルギー伝達に
よる準位遷移を示している。尚、縦軸415はエネルギ
ーをcm-1の単位で示したものであって、418,41
9,420,421,422,423は各々エネルギー
準位を示している。
れたTmイオンとEuイオンのエネルギー準位の遷移を
示しており、同図において、416はTmイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、417はEuイオンのエネル
ギー準位の遷移を示し、411a,411bは励起光の
吸収による高準位への準位遷移を示し、412a,41
2bはフォノン放出による準位遷移を示し、413は光
放射による準位遷移を示し、414はエネルギー伝達に
よる準位遷移を示している。尚、縦軸415はエネルギ
ーをcm-1の単位で示したものであって、418,41
9,420,421,422,423は各々エネルギー
準位を示している。
【0055】Tmイオンのエネルギー状態は、光波長6
50nmの励起光によって準位遷移411aに示すよう
に基底準位418から準位419に上昇し、フォノン放
出によって準位遷移412aに示すように準位420に
遷移する。さらに同じ励起光によって準位遷移411b
に示すように準位420から高エネルギー準位である準
位421に遷移する。このように、2つのエネルギー吸
収によって励起光のエネルギー準位よりも高いエネルギ
ー準位へ励起することを2光子吸収と呼ぶ。2光子吸収
によってエネルギー状態が基底準位418から準位42
1に遷移した後、光放射によって準位遷移403に示す
ように準位421から準位422に遷移し、光波長45
0nmの光を放射する。放射された光は入射部402及
び出射部403に施された反射膜により共振されること
によって増幅された後、出射部413からレーザ光とし
て発振する。
50nmの励起光によって準位遷移411aに示すよう
に基底準位418から準位419に上昇し、フォノン放
出によって準位遷移412aに示すように準位420に
遷移する。さらに同じ励起光によって準位遷移411b
に示すように準位420から高エネルギー準位である準
位421に遷移する。このように、2つのエネルギー吸
収によって励起光のエネルギー準位よりも高いエネルギ
ー準位へ励起することを2光子吸収と呼ぶ。2光子吸収
によってエネルギー状態が基底準位418から準位42
1に遷移した後、光放射によって準位遷移403に示す
ように準位421から準位422に遷移し、光波長45
0nmの光を放射する。放射された光は入射部402及
び出射部403に施された反射膜により共振されること
によって増幅された後、出射部413からレーザ光とし
て発振する。
【0056】前述したように、Euイオンが添加されて
おらずTmイオンのみが添加されたレーザ素子の場合に
は基底準位418の分布が減少するのに対して、第4実
施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイバ401に
TmイオンとEuイオンとを添加しているため、Tmイ
オンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、そ
の後、基底準位418と該基底準位418に対して60
00cm-1のエネルギー差がある準位413との間に多
数の準位を持つEuイオンから、準位遷移が極めて速い
フォノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位4
23から基底準位418に速やかに遷移する。このた
め、高エネルギー準位である準位421と中間準位42
2との間で効率良く反転分布が行われる。
おらずTmイオンのみが添加されたレーザ素子の場合に
は基底準位418の分布が減少するのに対して、第4実
施例に係るレーザ素子の場合には、光ファイバ401に
TmイオンとEuイオンとを添加しているため、Tmイ
オンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、そ
の後、基底準位418と該基底準位418に対して60
00cm-1のエネルギー差がある準位413との間に多
数の準位を持つEuイオンから、準位遷移が極めて速い
フォノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位4
23から基底準位418に速やかに遷移する。このた
め、高エネルギー準位である準位421と中間準位42
2との間で効率良く反転分布が行われる。
【0057】以下、図8に基づき本発明の第5実施例で
ある希土類イオン添加レーザ素子について説明する。第
4実施例では同一の励起光を用いる2光子吸収で準位4
21まで遷移させたが、第5実施例においては異なる波
長の励起光を用いている。同図において、501は希土
類イオン添加レーザ素子を構成する光ファイバ、502
は光ファイバ501の入射部、503は光ファイバ50
1の出射部、504は出射レンズ、506は第1の励起
光が単一モードで伝播される第1の励起光用ファイバ、
507は第2の励起光が単一モードで伝播される第2の
励起光用ファイバ、508は出射光、509は第1の励
起光の励起光源、510は第2の励起光の励起光源、5
11は光ファイバカプラーである。エネルギー準位図は
図7と同じであるが、第5実施例では、780nmの励
起光を用いて準位420を直接励起するものであって、
準位420から準位421への準位遷移がより効率良く
行われる。
ある希土類イオン添加レーザ素子について説明する。第
4実施例では同一の励起光を用いる2光子吸収で準位4
21まで遷移させたが、第5実施例においては異なる波
長の励起光を用いている。同図において、501は希土
類イオン添加レーザ素子を構成する光ファイバ、502
は光ファイバ501の入射部、503は光ファイバ50
1の出射部、504は出射レンズ、506は第1の励起
光が単一モードで伝播される第1の励起光用ファイバ、
507は第2の励起光が単一モードで伝播される第2の
励起光用ファイバ、508は出射光、509は第1の励
起光の励起光源、510は第2の励起光の励起光源、5
11は光ファイバカプラーである。エネルギー準位図は
図7と同じであるが、第5実施例では、780nmの励
起光を用いて準位420を直接励起するものであって、
準位420から準位421への準位遷移がより効率良く
行われる。
【0058】以下、図9及び図10に基づき本発明の第
6実施例である希土類イオン添加光増幅素子について説
明する。
6実施例である希土類イオン添加光増幅素子について説
明する。
【0059】図9は第6実施例の光増幅素子に添加され
た希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示し、図10
は第6実施例の構成を示している。
た希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示し、図10
は第6実施例の構成を示している。
【0060】図9において、601はフッ化物系の光学
材料よりなる光増幅素子に添加された第1の希土類イオ
ンとしてのPr(プラセオジム)イオンのエネルギー準
位の遷移を示し、602は前記光増幅素子に添加された
第2の希土類イオンとしてのEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、603は基底準位、604,605,
606は各々エネルギー準位を示し、607は励起光に
よる準位遷移を示し、608は光放射による準位遷移を
示し、609はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
610はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸611はエネルギーをcm-1の単位で表したも
のである。
材料よりなる光増幅素子に添加された第1の希土類イオ
ンとしてのPr(プラセオジム)イオンのエネルギー準
位の遷移を示し、602は前記光増幅素子に添加された
第2の希土類イオンとしてのEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、603は基底準位、604,605,
606は各々エネルギー準位を示し、607は励起光に
よる準位遷移を示し、608は光放射による準位遷移を
示し、609はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
610はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸611はエネルギーをcm-1の単位で表したも
のである。
【0061】また、図10において、651は前記希土
類イオン添加光増幅素子を構成する光ファイバ、652
は光ファイバ651の入射部、653は光ファイバ65
1の出射部、654は出力信号光を単一モードで伝搬さ
せる光ファイバ、656は入力信号光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、657は励起光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、659は信号光の光源、660は
励起光の光源、661は信号光と励起光とを合波させる
光ファイバカプラー、662はマッチングオイルであ
る。
類イオン添加光増幅素子を構成する光ファイバ、652
は光ファイバ651の入射部、653は光ファイバ65
1の出射部、654は出力信号光を単一モードで伝搬さ
せる光ファイバ、656は入力信号光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、657は励起光を単一モードで伝
搬させる光ファイバ、659は信号光の光源、660は
励起光の光源、661は信号光と励起光とを合波させる
光ファイバカプラー、662はマッチングオイルであ
る。
【0062】励起光の光源660から光波長1.017
μmで発振される励起光を、Prイオンが1000〜5
000ppm、Euイオンが1000〜10000pp
m各々添加された光ファイバ651の入射部652から
入射させる。同時に信号光の光源659から発振される
光波長1.31μmの信号光を光ファイバカプラー66
1を経て入射させる。このようにすると、Prイオンの
エネルギー準位は、励起光のエネルギー吸収によって準
位遷移607に示すように基底準位603から高エネル
ギー準位である準位604に遷移した後、光放射によっ
て準位604から中間準位である準位605に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移609に
示すようにPrイオンの準位605からEuイオンの準
位606に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
610に示すように準位606から基底準位603に遷
移する。
μmで発振される励起光を、Prイオンが1000〜5
000ppm、Euイオンが1000〜10000pp
m各々添加された光ファイバ651の入射部652から
入射させる。同時に信号光の光源659から発振される
光波長1.31μmの信号光を光ファイバカプラー66
1を経て入射させる。このようにすると、Prイオンの
エネルギー準位は、励起光のエネルギー吸収によって準
位遷移607に示すように基底準位603から高エネル
ギー準位である準位604に遷移した後、光放射によっ
て準位604から中間準位である準位605に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移609に
示すようにPrイオンの準位605からEuイオンの準
位606に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
610に示すように準位606から基底準位603に遷
移する。
【0063】従来の光増幅素子では、励起光が925m
Wの場合、信号光の増幅のゲインが30dBであった
が、信号光の出力パワーが5dBm(=3.16mW)
を越えるとゲインが低下した。これに対して、第6実施
例では30dBの高利得で20dBm(=100mW)
の信号出力パワーを得ることができる。
Wの場合、信号光の増幅のゲインが30dBであった
が、信号光の出力パワーが5dBm(=3.16mW)
を越えるとゲインが低下した。これに対して、第6実施
例では30dBの高利得で20dBm(=100mW)
の信号出力パワーを得ることができる。
【0064】以下、図11及び図12に基づき本発明の
第7実施例に係る希土類イオン添加光ファイバ素子につ
いて説明する。同図において、701は光ファイバ、7
02は光ファイバ701の入射部、703は光ファイバ
701の出射部、704は入射レンズ、705は出射レ
ンズ、706は励起光、707は出射光、708は励起
光源である。
第7実施例に係る希土類イオン添加光ファイバ素子につ
いて説明する。同図において、701は光ファイバ、7
02は光ファイバ701の入射部、703は光ファイバ
701の出射部、704は入射レンズ、705は出射レ
ンズ、706は励起光、707は出射光、708は励起
光源である。
【0065】光ファイバにおいては、前述のように、コ
アとクラッドとの屈折率の差を0.001から0.01
にすることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コア
の光の閉じ込めが良い。そこで、第7実施例では、コア
径:10μm、クラッド径:125μm、長さ:10m
のフッ化物系(ZrF4 −BaF2 −LaF3 −AlF
3 −NaF)の光ファイバ701のコアを構成する光学
材料に、第1の希土類イオンとしてのPrイオンを添加
したものを使用している。
アとクラッドとの屈折率の差を0.001から0.01
にすることにより、励起光が単一モードで伝搬し、コア
の光の閉じ込めが良い。そこで、第7実施例では、コア
径:10μm、クラッド径:125μm、長さ:10m
のフッ化物系(ZrF4 −BaF2 −LaF3 −AlF
3 −NaF)の光ファイバ701のコアを構成する光学
材料に、第1の希土類イオンとしてのPrイオンを添加
したものを使用している。
【0066】励起光源708から繰り出された励起光7
06は入射レンズ704を経て入射部702から光ファ
イバ701に入射される。光ファイバ701を通過した
光は出射部703から出射された後、出射レンズ705
で平行光にされ、出射光707となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が高いので、希土類イオンの吸収が
効率良く行われる。また、光ファイバ701は、その外
形寸法が1mm以下と非常に小さいため、小型で軽量で
且つ曲がりやすいので、さまざまな細かいところへの応
用に適している。
06は入射レンズ704を経て入射部702から光ファ
イバ701に入射される。光ファイバ701を通過した
光は出射部703から出射された後、出射レンズ705
で平行光にされ、出射光707となる。このコア内部の
励起光のパワー密度が高いので、希土類イオンの吸収が
効率良く行われる。また、光ファイバ701は、その外
形寸法が1mm以下と非常に小さいため、小型で軽量で
且つ曲がりやすいので、さまざまな細かいところへの応
用に適している。
【0067】図12は第7実施例に係る希土類イオン添
加光ファイバ素子に添加された第1及び第2の希土類イ
オンのエネルギー準位であって、同図において、711
は前記光学材料に添加された第1の希土類イオンとして
のPrイオンのエネルギー準位の遷移を示し、712は
前記光学材料に添加された第2の希土類イオンとしての
Eu(ユーロピウム)イオンのエネルギー準位を示し、
713は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準
位遷移を示し、714は光放射による準位遷移を示し、
715はフォノン放出による準位遷移を示し、716は
エネルギー伝達を示している。尚、縦軸112はエネル
ギーをcm-1(カイザー)の単位で示し、717,71
8,720,721は各々エネルギー準位を示してい
る。
加光ファイバ素子に添加された第1及び第2の希土類イ
オンのエネルギー準位であって、同図において、711
は前記光学材料に添加された第1の希土類イオンとして
のPrイオンのエネルギー準位の遷移を示し、712は
前記光学材料に添加された第2の希土類イオンとしての
Eu(ユーロピウム)イオンのエネルギー準位を示し、
713は励起光源からの励起エネルギーの吸収による準
位遷移を示し、714は光放射による準位遷移を示し、
715はフォノン放出による準位遷移を示し、716は
エネルギー伝達を示している。尚、縦軸112はエネル
ギーをcm-1(カイザー)の単位で示し、717,71
8,720,721は各々エネルギー準位を示してい
る。
【0068】第7実施例に係る希土類イオン添加光ファ
イバ素子は、光学材料に30〜5000ppm(重さあ
たりに1000000分の30〜5000)のPrイオ
ンを添加すると共に、30〜5000ppmのEuイオ
ンを添加し、該光学材料よりなる光ファイバ701の両
端面を光学研磨したものである。
イバ素子は、光学材料に30〜5000ppm(重さあ
たりに1000000分の30〜5000)のPrイオ
ンを添加すると共に、30〜5000ppmのEuイオ
ンを添加し、該光学材料よりなる光ファイバ701の両
端面を光学研磨したものである。
【0069】Ti:Al2 O3 レーザより発せられた光
波長1.017μmの光を光ファイバ701の入射部7
02より励起光として入射すると、Prイオンのエネル
ギー準位は、準位遷移713に示すように基底準位71
7である 3H4 の準位から高エネルギー準位である準位
718の 1G4 の準位に励起された後、光放射によって
準位720の 3H5 の準位まで遷移する。ここで、Pr
イオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達716が起
こり、Euイオンのエネルギー準位は、フォノン放出に
よって準位遷移715に示すように準位721の 7F3
の準位から基底準位717の 7F0 の準位に準位遷移す
る。
波長1.017μmの光を光ファイバ701の入射部7
02より励起光として入射すると、Prイオンのエネル
ギー準位は、準位遷移713に示すように基底準位71
7である 3H4 の準位から高エネルギー準位である準位
718の 1G4 の準位に励起された後、光放射によって
準位720の 3H5 の準位まで遷移する。ここで、Pr
イオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達716が起
こり、Euイオンのエネルギー準位は、フォノン放出に
よって準位遷移715に示すように準位721の 7F3
の準位から基底準位717の 7F0 の準位に準位遷移す
る。
【0070】Euイオンが添加されていない同様の光フ
ァイバ素子と比べると本発明の効果が明らかである。す
なわち、Prイオンのみが添加されている場合には、同
じようにエネルギー準位が中間準位である準位720の
3H5 準位までたどり着くが、この準位の蛍光寿命の時
間が長いため、基底準位717の分布が減少するので、
準位718の 1G4 の準位から準位720の 3H5 への
準位遷移が減少し、これにより、光放射が減少する。こ
れに対して、第7実施例に係る光ファイバ素子は、Pr
イオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、
エネルギー準位が準位720から基底準位717に準位
遷移するため、基底準位717の分布が増加するので、
光放射が増大する。
ァイバ素子と比べると本発明の効果が明らかである。す
なわち、Prイオンのみが添加されている場合には、同
じようにエネルギー準位が中間準位である準位720の
3H5 準位までたどり着くが、この準位の蛍光寿命の時
間が長いため、基底準位717の分布が減少するので、
準位718の 1G4 の準位から準位720の 3H5 への
準位遷移が減少し、これにより、光放射が減少する。こ
れに対して、第7実施例に係る光ファイバ素子は、Pr
イオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こり、
エネルギー準位が準位720から基底準位717に準位
遷移するため、基底準位717の分布が増加するので、
光放射が増大する。
【0071】以下、図13〜図15に基づいて本発明の
第8実施例である希土類イオン添加レーザ素子について
説明する。図13は第8実施例の構成を示し、同図にお
いて、801はフッ化物系の光学材料に第1の希土類イ
オンとしてのPrイオン及び第2の希土類イオンとして
のEuイオンが各々添加された光ファイバ、802は光
ファイバ801の入射部、803は光ファイバ801の
出射部、804aは入射レンズ、804bは出射レン
ズ、805は励起光、806はレーザ光、807は励起
光源である。
第8実施例である希土類イオン添加レーザ素子について
説明する。図13は第8実施例の構成を示し、同図にお
いて、801はフッ化物系の光学材料に第1の希土類イ
オンとしてのPrイオン及び第2の希土類イオンとして
のEuイオンが各々添加された光ファイバ、802は光
ファイバ801の入射部、803は光ファイバ801の
出射部、804aは入射レンズ、804bは出射レン
ズ、805は励起光、806はレーザ光、807は励起
光源である。
【0072】第8実施例では、光学材料にPrイオンが
100〜5000ppm、Euイオンが1000〜10
000ppm各々添加された光ファイバ801の一方の
端面である入射部802に、光波長1.017μmに対
して高透過であり光波長1.31μmに対して高反射で
ある多層膜を施し、他方の端面である出射部803に、
光波長1.017μmに対して高反射であり光波長1.
31μmに対して1〜10%の透過である多層膜を施
す。このようにすると、1.017μmで発振する励起
光源807からの励起光805を入射レンズ804aで
集光して光ファイバ801に入射すると、光ファイバ8
01内でPrイオンによってエネルギー吸収が行われ
る。
100〜5000ppm、Euイオンが1000〜10
000ppm各々添加された光ファイバ801の一方の
端面である入射部802に、光波長1.017μmに対
して高透過であり光波長1.31μmに対して高反射で
ある多層膜を施し、他方の端面である出射部803に、
光波長1.017μmに対して高反射であり光波長1.
31μmに対して1〜10%の透過である多層膜を施
す。このようにすると、1.017μmで発振する励起
光源807からの励起光805を入射レンズ804aで
集光して光ファイバ801に入射すると、光ファイバ8
01内でPrイオンによってエネルギー吸収が行われ
る。
【0073】図14は第8実施例であるレーザ素子に添
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、816はPrイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、817はEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、811は励起光源807からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、812はフォノ
ン放出による準位遷移を示し、813は光放射による準
位遷移を示し、814はエネルギー伝達による準位遷移
を示している。尚、縦軸815はエネルギーをcm-1の
単位で示したものであり、818、819、821、8
22は各々エネルギー準位を示したものである。
加された希土類イオンのエネルギー準位の遷移を示して
おり、同図において、816はPrイオンのエネルギー
準位の遷移を示し、817はEuイオンのエネルギー準
位の遷移を示し、811は励起光源807からの励起エ
ネルギーの吸収による準位遷移を示し、812はフォノ
ン放出による準位遷移を示し、813は光放射による準
位遷移を示し、814はエネルギー伝達による準位遷移
を示している。尚、縦軸815はエネルギーをcm-1の
単位で示したものであり、818、819、821、8
22は各々エネルギー準位を示したものである。
【0074】光波長1.017μmの励起光を入射部8
02により入射すると、Prイオンのエネルギー準位
は、準位遷移811に示すように基底準位818から高
エネルギー準位である準位819に上昇した後、準位遷
移813に示すように準位819から準位821に準位
遷移することによって光波長1.31μmの光を放射す
る。ここで、PrイオンとEuイオンとの間でエネルギ
ー伝達814が起こり、Euイオンのエネルギー準位
は、フォノン放出によって準位遷移812に示すように
準位822から基底準位818に準位遷移する。
02により入射すると、Prイオンのエネルギー準位
は、準位遷移811に示すように基底準位818から高
エネルギー準位である準位819に上昇した後、準位遷
移813に示すように準位819から準位821に準位
遷移することによって光波長1.31μmの光を放射す
る。ここで、PrイオンとEuイオンとの間でエネルギ
ー伝達814が起こり、Euイオンのエネルギー準位
は、フォノン放出によって準位遷移812に示すように
準位822から基底準位818に準位遷移する。
【0075】尚、準位819から準位821への準位遷
移により放射された光は、光ファイバ801の両端面に
施された反射膜により共振され、増幅された後、出射部
803よりレーザ光として発振する。出射部803より
出射されたレーザ光は出射レンズ804bによって平行
光にされて出力される。
移により放射された光は、光ファイバ801の両端面に
施された反射膜により共振され、増幅された後、出射部
803よりレーザ光として発振する。出射部803より
出射されたレーザ光は出射レンズ804bによって平行
光にされて出力される。
【0076】Euイオンが添加されておらずPrイオン
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位821に
おける螢光寿命が長い上に準位821から基底準位81
8まではエネルギーにして2000cm-1以上あるため
に、フォノン放出の確率が低いので、基底準位818の
分布が減少する。これに対して、第8実施例に係るレー
ザ素子の場合には、光ファイバ801を構成する光学材
料にPrイオン及びEuイオンを添加しているため、P
rイオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こ
り、その後、Euイオンから準位遷移が極めて速いフォ
ノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位822
から基底準位818に速やかに遷移する。このため、高
エネルギー準位である準位819と中間準位821との
間で効率良く反転分布が行われるため、従来のレーザ素
子においては入射光に対する出射光の効率が13%であ
るのに対して、第8実施例に係るレーザ素子においては
入射光に対する出射光の効率が30%となり、高効率の
レーザ素子を得ることができる。
のみが添加されたレーザ素子の場合には、準位821に
おける螢光寿命が長い上に準位821から基底準位81
8まではエネルギーにして2000cm-1以上あるため
に、フォノン放出の確率が低いので、基底準位818の
分布が減少する。これに対して、第8実施例に係るレー
ザ素子の場合には、光ファイバ801を構成する光学材
料にPrイオン及びEuイオンを添加しているため、P
rイオンとEuイオンとの間でエネルギー伝達が起こ
り、その後、Euイオンから準位遷移が極めて速いフォ
ノン放出が行われるので、エネルギー準位は準位822
から基底準位818に速やかに遷移する。このため、高
エネルギー準位である準位819と中間準位821との
間で効率良く反転分布が行われるため、従来のレーザ素
子においては入射光に対する出射光の効率が13%であ
るのに対して、第8実施例に係るレーザ素子においては
入射光に対する出射光の効率が30%となり、高効率の
レーザ素子を得ることができる。
【0077】図15は第8実施例に係る希土類イオン添
加レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、
851は第8実施例のレーザ素子における入射パワーに
対する出力特性、852は従来の単一イオン添加のレー
ザ素子における入射パワーに対する出力特性を各々示し
ている。尚、同図において、縦軸853は出力パワーを
mWで示し、横軸854は入射パワーをmW単位で示し
たものである。この図5から明らかなように、第8実施
例の希土類イオン添加レーザ素子は、前述したような作
用効果によって入射パワーが増加しても出力パワーが増
加しないので、高出力が得られる。
加レーザ素子の出力特性を示しており、同図において、
851は第8実施例のレーザ素子における入射パワーに
対する出力特性、852は従来の単一イオン添加のレー
ザ素子における入射パワーに対する出力特性を各々示し
ている。尚、同図において、縦軸853は出力パワーを
mWで示し、横軸854は入射パワーをmW単位で示し
たものである。この図5から明らかなように、第8実施
例の希土類イオン添加レーザ素子は、前述したような作
用効果によって入射パワーが増加しても出力パワーが増
加しないので、高出力が得られる。
【0078】以下、図16及び図17に基づき本発明の
第9実施例である希土類イオン添加光増幅素子について
説明する。
第9実施例である希土類イオン添加光増幅素子について
説明する。
【0079】図16において、901は希土類イオン添
加光増幅素子の光ファイバであって、該光ファイバ90
1を構成するフッ化物系の光学材料に、第1の希土類イ
オンとしてPrイオンが1000〜5000ppm添加
され、第2の希土類イオンとしてのEuイオンが100
0〜10000ppm添加されている。また、同図にお
いて、902は光ファイバ901の入射部、903は光
ファイバ901の出射部、904は出力信号光を単一モ
ードで伝播させる出射用光ファイバ、906は入力信号
光を単一モードで伝播させる信号光用ファイバ、907
は励起光を単一モードで伝播させる励起光用ファイバ、
909は信号光の光源、910は励起光の光源、911
は信号光と励起光とを合成させる光ファイバカプラー、
912はマッチングオイルである。
加光増幅素子の光ファイバであって、該光ファイバ90
1を構成するフッ化物系の光学材料に、第1の希土類イ
オンとしてPrイオンが1000〜5000ppm添加
され、第2の希土類イオンとしてのEuイオンが100
0〜10000ppm添加されている。また、同図にお
いて、902は光ファイバ901の入射部、903は光
ファイバ901の出射部、904は出力信号光を単一モ
ードで伝播させる出射用光ファイバ、906は入力信号
光を単一モードで伝播させる信号光用ファイバ、907
は励起光を単一モードで伝播させる励起光用ファイバ、
909は信号光の光源、910は励起光の光源、911
は信号光と励起光とを合成させる光ファイバカプラー、
912はマッチングオイルである。
【0080】図17において、921はPrイオンのエ
ネルギー準位の遷移を示し、922はEuイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、923は基底準位、924,
925は各々エネルギー準位を示し、927は励起光に
よる準位遷移を示し、928は光放射による準位遷移を
示し、929はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
930はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸931はエネルギー準位をcm-1の単位で表し
たものである。
ネルギー準位の遷移を示し、922はEuイオンのエネ
ルギー準位の遷移を示し、923は基底準位、924,
925は各々エネルギー準位を示し、927は励起光に
よる準位遷移を示し、928は光放射による準位遷移を
示し、929はエネルギー伝達による準位遷移を示し、
930はフォノン放出による準位遷移を示している。
尚、縦軸931はエネルギー準位をcm-1の単位で表し
たものである。
【0081】励起光の光源910から光波長1.017
μmで発振される励起光を第1の光ファイバ901の入
射部902から入射させると同時に、信号光の光源90
9から発振される光波長1.31μmの信号光を光ファ
イバカプラー911を経て入射させる。このようにする
と、Prイオンのエネルギー準位は、励起光のエネルギ
ー吸収によって準位遷移927に示すように基底準位9
23から光エネルギー準位である準位924に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移929に
示すようにPrイオンの準位925からEuイオンの準
位926に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
930に示すように準位926から基底準位923に遷
移する。
μmで発振される励起光を第1の光ファイバ901の入
射部902から入射させると同時に、信号光の光源90
9から発振される光波長1.31μmの信号光を光ファ
イバカプラー911を経て入射させる。このようにする
と、Prイオンのエネルギー準位は、励起光のエネルギ
ー吸収によって準位遷移927に示すように基底準位9
23から光エネルギー準位である準位924に遷移す
る。その後、エネルギー伝達によって準位遷移929に
示すようにPrイオンの準位925からEuイオンの準
位926に遷移した後、フォノン放出によって準位遷移
930に示すように準位926から基底準位923に遷
移する。
【0082】従来の光増幅素子では、励起光が925m
Wの場合、信号光の増幅のゲインが30dBであった
が、信号光の出力パワーが5dBmを超えるとゲインが
低下した。これに対して、第9実施例では30dBの高
利得で20dBmの信号出力パワーを得ることができ
る。
Wの場合、信号光の増幅のゲインが30dBであった
が、信号光の出力パワーが5dBmを超えるとゲインが
低下した。これに対して、第9実施例では30dBの高
利得で20dBmの信号出力パワーを得ることができ
る。
【0083】以下、本発明の第10実施例に係る希土類
イオン添加光ファイバ素子及び第11実施例に係る希土
類イオン添加光増幅素子について述べる。尚、これら光
ファイバ素子及び光増幅素子の構成については図11に
示す光ファイバ素子と同様であるので、図示は省略して
いる。
イオン添加光ファイバ素子及び第11実施例に係る希土
類イオン添加光増幅素子について述べる。尚、これら光
ファイバ素子及び光増幅素子の構成については図11に
示す光ファイバ素子と同様であるので、図示は省略して
いる。
【0084】前記両実施例に係る光ファイバ素子及び光
増幅素子においては、光ファイバを構成するフッ化物系
の光学材料に、第1の希土類イオンとしてのPrイオ
ン、第2の希土類イオンとしてのEuイオン及び第3の
希土類イオンとしてのYbイオンが各々添加されてい
る。Ybイオンの 2F5/2のエネルギー準位は、Prイ
オンの 1G4 のエネルギー準位にほぼ等しく、且つYb
イオンのエネルギーの吸収計数はPrイオンに比べると
数倍である。
増幅素子においては、光ファイバを構成するフッ化物系
の光学材料に、第1の希土類イオンとしてのPrイオ
ン、第2の希土類イオンとしてのEuイオン及び第3の
希土類イオンとしてのYbイオンが各々添加されてい
る。Ybイオンの 2F5/2のエネルギー準位は、Prイ
オンの 1G4 のエネルギー準位にほぼ等しく、且つYb
イオンのエネルギーの吸収計数はPrイオンに比べると
数倍である。
【0085】前記のように希土類イオンが添加されてな
る光ファイバの入射部から光波長0.9〜1.0μmの
励起光を入射すると、励起光のエネルギーはYbイオン
の 2F5/2 に吸収された後、Prイオンの 1G4 にエネ
ルギー伝達される。
る光ファイバの入射部から光波長0.9〜1.0μmの
励起光を入射すると、励起光のエネルギーはYbイオン
の 2F5/2 に吸収された後、Prイオンの 1G4 にエネ
ルギー伝達される。
【0086】その後、第10実施例に係る希土類イオン
添加光ファイバ素子においては、第7実施例と同様、図
12に示すように、エネルギー準位の遷移714、エネ
ルギー伝達716及びエネルギー準位の遷移715が行
われ、第11実施例に係る希土類イオン添加光増幅素子
においては、第9実施例と同様、図17に示すように、
エネルギー準位の遷移928、エネルギー伝達929及
びエネルギー準位の遷移930が行われる。
添加光ファイバ素子においては、第7実施例と同様、図
12に示すように、エネルギー準位の遷移714、エネ
ルギー伝達716及びエネルギー準位の遷移715が行
われ、第11実施例に係る希土類イオン添加光増幅素子
においては、第9実施例と同様、図17に示すように、
エネルギー準位の遷移928、エネルギー伝達929及
びエネルギー準位の遷移930が行われる。
【0087】尚、前記各実施例においては、Tmイオン
とEuイオンとの共添加、及びPrイオンとEuイオン
との共添加について述べたが、4準位系及び3準位系の
光素子には様々な希土類イオンが用いられており、これ
らの各希土類イオンを本発明の第1の希土類イオンとし
て用いることができる。また、第2の希土類イオンとし
ては、Euイオンのみならず、Tbイオン、Smイオン
或いは高いエネルギー準位を持たない金属イオンを用い
ることができる。
とEuイオンとの共添加、及びPrイオンとEuイオン
との共添加について述べたが、4準位系及び3準位系の
光素子には様々な希土類イオンが用いられており、これ
らの各希土類イオンを本発明の第1の希土類イオンとし
て用いることができる。また、第2の希土類イオンとし
ては、Euイオンのみならず、Tbイオン、Smイオン
或いは高いエネルギー準位を持たない金属イオンを用い
ることができる。
【0088】また、前記各実施例では、光ファイバを構
成する光学材料としてフッ化物系のものを用いたが、S
i02 系の光ファイバに対しても本発明は適用され、ま
た、レーザ結晶を構成する光学材料としてはYLiF4
のみならずYAGや他のものでもよい。
成する光学材料としてフッ化物系のものを用いたが、S
i02 系の光ファイバに対しても本発明は適用され、ま
た、レーザ結晶を構成する光学材料としてはYLiF4
のみならずYAGや他のものでもよい。
【0089】また、前記各実施例では650nm、78
0nm或いは1.017μmの励起光源を用いたが、用
途と希土類イオンのエネルギー準位に応じて、あらゆる
波長を用いることができる。
0nm或いは1.017μmの励起光源を用いたが、用
途と希土類イオンのエネルギー準位に応じて、あらゆる
波長を用いることができる。
【0090】さらに、前記実施例では、Prイオンによ
る発光遷移について述べたが、Erイオンを用いると
2.7μmで発光することが公知である。Erイオンと
Euイオンが共添加された光ファイバは、本発明のエネ
ルギー伝達の原理にもとづき、2.7μmのレーザ発光
に大きく寄与することができる。
る発光遷移について述べたが、Erイオンを用いると
2.7μmで発光することが公知である。Erイオンと
Euイオンが共添加された光ファイバは、本発明のエネ
ルギー伝達の原理にもとづき、2.7μmのレーザ発光
に大きく寄与することができる。
【0091】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る希土
類イオン添加固体光素子によると、光学材料に添加され
る第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第1
の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希土類
イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有している
ため、中間準位である第1のエネルギー準位に準位遷移
した第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達が生じ、その後光放射に比べて極めて早
い現象であるフォノン放出によって第2の希土類イオン
のエネルギー準位が中間準位に留まることなく基底準位
に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これによっ
て光放射が増大する。
類イオン添加固体光素子によると、光学材料に添加され
る第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第1
の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希土類
イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有している
ため、中間準位である第1のエネルギー準位に準位遷移
した第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達が生じ、その後光放射に比べて極めて早
い現象であるフォノン放出によって第2の希土類イオン
のエネルギー準位が中間準位に留まることなく基底準位
に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これによっ
て光放射が増大する。
【0092】また、本発明に係る希土類イオン添加光フ
ァイバ素子によると、光学材料の高光屈折率領域に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって光の伝送性が向上する。
ァイバ素子によると、光学材料の高光屈折率領域に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって光の伝送性が向上する。
【0093】また、請求項4の発明に係る希土類イオン
添加光ファイバ素子によると、光学材料に励起光の吸収
に優れた第3の希土類イオンを添加し、該第3の希土類
イオンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第3の希土類イオンと第1の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、光の伝送性がいっそう向上
する。
添加光ファイバ素子によると、光学材料に励起光の吸収
に優れた第3の希土類イオンを添加し、該第3の希土類
イオンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第3の希土類イオンと第1の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、光の伝送性がいっそう向上
する。
【0094】また、本発明に係る希土類イオン添加レー
ザ素子によると、レーザ素子を構成する光学材料に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって、高エネルギー準位と中間準位との間で効率良く
反転分布が形成されるので、希土類イオン添加レーザ素
子の効率が向上する。
ザ素子によると、レーザ素子を構成する光学材料に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって、高エネルギー準位と中間準位との間で効率良く
反転分布が形成されるので、希土類イオン添加レーザ素
子の効率が向上する。
【0095】また、本発明に係る希土類イオン添加光増
幅素子によると、光増幅素子を構成する光学材料に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって高出力を得ることができる。
幅素子によると、光増幅素子を構成する光学材料に添加
される第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、
第1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第2の希
土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しい関係を有して
いるため、第1のエネルギー準位に準位遷移した第1の
希土類イオンと第2の希土類イオンとの間でエネルギー
伝達が生じた後、フォノン放出によって第2の希土類イ
オンのエネルギー準位は中間準位に留まることなく基底
準位に遷移するので、基底準位の分布が増加し、これに
よって高出力を得ることができる。
【0096】さらに、請求項7の発明に係る希土類イオ
ン添加光増幅素子によると、光学材料に励起光の吸収に
優れた第3の希土類イオンを添加し、該第3の希土類イ
オンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第3の希土類イオンと第1の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、いっそう高出力を得ること
ができる。
ン添加光増幅素子によると、光学材料に励起光の吸収に
優れた第3の希土類イオンを添加し、該第3の希土類イ
オンを励起して高エネルギー準位に準位遷移せしめた
後、第3の希土類イオンと第1の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達させるので、いっそう高出力を得ること
ができる。
【図1】本発明の第1実施例に係る希土類イオン添加固
体光素子に添加された希土類イオンのエネルギー準位の
遷移を示す図である。
体光素子に添加された希土類イオンのエネルギー準位の
遷移を示す図である。
【図2】本発明の第2実施例に係る希土類イオン添加光
ファイバ素子の構成を示す図である。
ファイバ素子の構成を示す図である。
【図3】本発明の第3実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
ーザ素子の構成を示す図である。
【図4】本発明の第3実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図5】本発明の第3実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光出力特性を示す図である。
ーザ素子の光出力特性を示す図である。
【図6】本発明の第4実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
ーザ素子の構成を示す図である。
【図7】本発明の第4実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
ーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図8】本発明の第5実施例に係る希土類イオン添加レ
ーザ素子の構成を示す図である。
ーザ素子の構成を示す図である。
【図9】本発明の第6実施例に係る希土類イオン添加光
増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネル
ギー準位の遷移を示す図である。
【図10】本発明の第6実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の構成を示す図である。
光増幅素子の構成を示す図である。
【図11】本発明の第7実施例に係る希土類イオン添加
光ファイバ素子の構成を示す図である。
光ファイバ素子の構成を示す図である。
【図12】本発明の第7実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図13】本発明の第8実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の構成を示す図である。
レーザ素子の構成を示す図である。
【図14】本発明の第8実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
レーザ素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図15】本発明の第8実施例に係る希土類イオン添加
レーザ素子の光出力特性を示す図である。
レーザ素子の光出力特性を示す図である。
【図16】本発明の第9実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の構成を示す図である。
光増幅素子の構成を示す図である。
【図17】本発明の第9実施例に係る希土類イオン添加
光増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
光増幅素子の光学材料に添加された希土類イオンのエネ
ルギー準位の遷移を示す図である。
【図18】従来の希土類イオン添加レーザ素子の構成を
示す図である。
示す図である。
【図19】従来の希土類イオン添加レーザ素子の光学材
料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示す図
である。
料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示す図
である。
【図20】従来の希土類イオン添加光ファイバ素子の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図21】従来の希土類イオン添加光ファイバ素子の光
学材料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示
す図である。
学材料に添加された希土類イオンのエネルギー準位を示
す図である。
101 Tmイオンの準位遷移 102 Euイオンの準位遷移 103 光吸収による準位遷移 104 光放射による準位遷移 105a,105b フォノン放出による準位遷移 106 エネルギー伝達による準位遷移 107 基底準位 108 Tmイオンの 3F3 及び 3F2 の準位 109 Tmイオンの 3F4 の準位 110 Tmイオンの 3H4 の準位 111 Euイオンの 7F6 の準位 201 光ファイバ 202 入射部 203 出射部 204 入射レンズ 206 励起光 207 出射光 208 励起光源 301 光ファイバ 302 入射部 303 出射部 304a 入射レンズ 304b 出射レンズ 305 励起光 306 出射光 307 励起光源 311 光吸収による準位遷移 312a,312b フォノン放出による準位遷移 313 光放射による準位遷移 314 エネルギー伝達による準位遷移 316 Tmイオンの準位遷移 317 Euイオンの準位遷移 318 基底準位 319 Tmイオンの 3F3 と 3F2の準位 320 Tmイオンの 3H4 の準位 321 Tmイオンの 3F4 の準位 322 Euイオンの 7F6 の準位 351 第3実施例に係るレーザ素子の光出力特性 352 従来のレーザ素子の光出力特性 401 光ファイバ 402 入射部 403 出射部 404 入射レンズ 405 励起光 406 出射光 407 励起光源 411a,411b 光吸収による準位遷移 412a,412b フォノン放出による準位遷移 413 光放射による準位遷移 414 エネルギー伝達による準位遷移 416 Tmイオンの準位遷移 417 Euイオンの準位遷移 418 基底準位 419 Tmイオンの 3F3 と 3F2の準位 420 Tmイオンの 3H4 の準位 421 Tmイオンの 1D2 の準位 422 Tmイオンの 3F4 の準位 423 Euイオンの 7F6 の準位 501 光ファイバ 502 入射部 503 出射部 504 出射レンズ 506 第1の励起光用光ファイバ 507 第2の励起光用光ファイバ 508 出射光 509 励起光源 510 励起光源 511 光ファイバカプラー 601 Prイオンの準位遷移 602 Euイオンの準位遷移 603 基底準位 604 Prイオンの 1G4 の準位 605 Prイオンの 3H5 の準位 606 Euイオンの 7F3 の準位 607 光吸収による準位遷移 608 光放射による準位遷移 609 エネルギー伝達による準位遷移 610 フォノン放出による準位遷移 651 光ファイバ 652 入射部 653 出射部 654 出射用光ファイバ 656 信号光用光ファイバ 657 励起光用光ファイバ 659 信号光源 660 励起光源 661 光ファイバカプラー 662 マッチングオイル 701 光ファイバ 702 入射部 703 出射部 704 入射レンズ 705 出射レンズ 706 励起光 707 出射光 708 励起光源 711 Prイオンの準位遷移 712 Euイオンの準位遷移 713 光吸収による準位遷移 714 発光による準位遷移 715 非発光による準位遷移 716 エネルギー伝達による準位遷移 717 基底準位 718 Prイオンの 1G4 の準位 720 Prイオンの 3H5 の準位 721 Euイオンの 7F3 の準位 801 光ファイバ 802 入射部 803 出射部 804a 入射レンズ 804b 出射レンズ 805 励起光 806 出射光 807 励起光源 811 光吸収による準位遷移 812 非発光による準位遷移 813 発光による準位遷移 814 エネルギー伝達による準位遷移 816 Prイオンの準位遷移 817 Euイオンの準位遷移 818 基底準位 819 Prイオンの 1G4 の準位 821 Prイオンの 3H5 の準位 822 Euイオンの 7F3 の準位 851 第8実施例のレーザ素子の光出力特性 852 従来のレーザ素子の光出力特性 901 光ファイバ 902 入射部 903 出射部 904 出射用光ファイバ 906 信号光用光ファイバ 907 励起光用光ファイバ 909 信号光源 910 励起光源 911 光ファイバカプラー 912 マッチングオイル 921 Prイオンの準位遷移 922 Euイオンの準位遷移 923 基底準位 924 Prイオンの 1G4 の準位 925 Prイオンの 3H5 の準位 926 Euイオンの 7F3 の準位 927 光吸収による準位遷移 928 発光による準位遷移 929 エネルギー伝達による準位遷移 930 非発光による準位遷移
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 雄谷 順 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (27)
- 【請求項1】 第1の希土類イオンと第2の希土類イオ
ンとが添加された光学材料により形成されており、 前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位より
も高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2のエネ
ルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低くて前
記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネルギー準
位から前記第1のエネルギー準位まで発光遷移する特性
を有し、前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオン
とは、第1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位
が第2の希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、
且つ前記第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希
土類イオンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオン
との間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加固体光素子。 - 【請求項2】 高光屈折率領域と該高光屈折率領域を囲
繞する低光屈折率領域とを有し、前記高光屈折率領域に
第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとが添加され
た光学材料により形成されており、 前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位より
も高い第2のエネルギー準位に励起され、該第2のエネ
ルギー準位又は該第2のエネルギー準位よりも低くて前
記第1のエネルギー準位よりも高い第3のエネルギー準
位から前記第1のエネルギー準位まで発光遷移する特性
を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、前記第2の希土類イオ
ンは、前記エネルギー準位から基底準位まで非発光遷移
する特性を有していることを特徴とする希土類イオン添
加光ファイバ素子。 - 【請求項3】 高光屈折率領域と該高光屈折率領域を囲
繞する低光屈折率領域とを有し、前記高光屈折率領域に
第1の希土類イオンと第2の希土類イオンと第3の希土
類イオンとが添加された光学材料により形成されてお
り、 前記第3の希土類イオンは、該第3の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位より
も高い第2のエネルギー準位に励起される特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第3の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第3の希土
類イオンの前記第2エネルギー準位とほぼ等しく、且つ
該第2のエネルギー準位に励起された第3の希土類イオ
ンと前記第1のエネルギー準位の第1の希土類イオンと
の間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第1の希土類イオンは、前記第3の希土類イオンか
らエネルギー伝達された第1のエネルギー準位又は該第
1のエネルギー準位よりも低い第2のエネルギー準位か
ら該第2のエネルギー準位よりも低い第3のエネルギー
準位まで発光遷移する特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第3のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第3のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加光ファイバ素子。 - 【請求項4】 共振器を構成する入射部と出射部とを有
し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとが添加
された光学材料により形成されており、 前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射
するレーザ光によって第1のエネルギー準位から該第1
のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準位に励
起され、該第2のエネルギー準位又は該第2のエネルギ
ー準位よりも低くて前記第1のエネルギー準位よりも高
い第3のエネルギー準位と前記第1のエネルギー準位と
の間の反転分布をすることによって前記第2のエネルギ
ー準位又は第3のエネルギー準位と前記第1のエネルギ
ー準位との間のエネルギー差に相当する光波長を前記出
射部より発振させる特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加レーザ素子。 - 【請求項5】 共振器を構成する入射部と出射部とを有
し、第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとが添加
された光学材料により形成されており、 前記第1の希土類イオンは、該第1の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射
する第1のレーザ光によって第1のエネルギー準位から
該第1のエネルギー準位よりも高い第2のエネルギー準
位に励起されると共に、該第1の希土類イオンの光吸収
領域の光エネルギーで発振され前記入射部から入射する
第2のレーザ光によって前記第2のエネルギー準位より
も高い第3のエネルギー準位に励起され、該第3のエネ
ルギー準位又は該第3のエネルギー準位よりも低くて前
記第2のエネルギー準位よりも高い第4のエネルギー準
位と前記第1のエネルギー準位との間の反転分布をする
ことによって前記第3のエネルギー準位又は第4のエネ
ルギー準位と前記第1のエネルギー準位との間のエネル
ギー差に相当する光波長を前記出射部より発振させる特
性を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加レーザ素子。 - 【請求項6】 入射部と出射部とを有し、第1の希土類
イオンと第2の希土類イオンとが添加された光学材料に
より形成されており、前記第1の希土類イオンは、該第
1の希土類イオンの光吸収領域の光エネルギーで発振さ
れ前記入射部から入射するレーザ光によって第1のエネ
ルギー準位から該第1のエネルギー準位よりも高い第2
のエネルギー準位に励起され、該第2のエネルギー準位
又は該第2のエネルギー準位よりも低くて前記第1のエ
ネルギー準位よりも高い第3のエネルギー準位と前記第
1のエネルギー準位との間のエネルギー差に相当する光
波長で発振され前記入射部から入射される信号光を増幅
して前記出射部から発振させる特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第1のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第1のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加光増幅素子。 - 【請求項7】 入射部と出射部とを有し、第1の希土類
イオンと第2の希土類イオンと第3の希土類イオンとが
添加された光学材料により形成されており、 前記第3の希土類イオンは、該第3の希土類イオンの光
吸収領域の光エネルギーで発振されるレーザ光によって
第1のエネルギー準位から該第1のエネルギー準位より
も高い第2のエネルギー準位に励起される特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第3の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの第1のエネルギー準位が第3の希土
類イオンの前記第2エネルギー準位とほぼ等しく、且つ
該第2のエネルギー準位に励起された第3の希土類イオ
ンと前記第1のエネルギー準位の第1の希土類イオンと
の間でエネルギー伝達する関係を有し、 前記第1の希土類イオンは、前記第3の希土類イオンか
らエネルギー伝達された第1のエネルギー準位又は該第
1のエネルギー準位よりも低い第2のエネルギー準位か
ら該第2のエネルギー準位よりも低い第3のエネルギー
準位との間のエネルギー差に相当する光波長で発振され
前記入射部から入射される信号光を増幅して前記出射部
から発振させる特性を有し、 前記第1の希土類イオンと第2の希土類イオンとは、第
1の希土類イオンの前記第3のエネルギー準位が第2の
希土類イオンのエネルギー準位とほぼ等しく、且つ前記
第3のエネルギー準位に発光遷移した第1の希土類イオ
ンと前記エネルギー準位の第2の希土類イオンとの間で
エネルギー伝達する関係を有し、 前記第2の希土類イオンは、前記エネルギー準位から基
底準位まで非発光遷移する特性を有していることを特徴
とする希土類イオン添加光増幅素子。 - 【請求項8】 前記第1の希土類イオンはTmイオン又
はPrイオン又はNdイオン又はErイオンである請求
項1に記載の希土類イオン添加固体光素子。 - 【請求項9】 前記第1の希土類イオンはTmイオン又
はPrイオン又はNdイオン又はErイオンである請求
項2又は3に記載の希土類イオン添加光ファイバ素子。 - 【請求項10】 前記第1の希土類イオンはTmイオン
又はPrイオン又はNdイオン又はErイオンである請
求項4又は5に記載の希土類イオン添加レーザ素子。 - 【請求項11】 前記第1の希土類イオンはTmイオン
又はPrイオン又はNdイオン又はErイオンである請
求項6又は7に記載の希土類イオン添加光増幅素子。 - 【請求項12】 前記第2の希土類イオンはEuイオン
又はSmイオン又はTbイオンである請求項1に記載の
希土類イオン添加固体光素子。 - 【請求項13】 前記第2の希土類イオンはEuイオン
又はSmイオン又はTbイオンである請求項2又は3に
記載の希土類イオン添加光ファイバ素子。 - 【請求項14】 前記第2の希土類イオンはEuイオン
又はSmイオン又はTbイオンである請求項4又は5に
記載の希土類イオン添加光ファイバ。 - 【請求項15】 前記第2の希土類イオンはEuイオン
又はSmイオン又はTbイオンである請求項6又は7に
記載の希土類イオン添加光増幅素子。 - 【請求項16】 前記第3の希土類イオンはYbイオン
である請求項3に記載の希土類イオン添加光ファイバ素
子。 - 【請求項17】 前記第3の希土類イオンはYbイオン
である請求項7に記載の希土類イオン添加光増幅素子。 - 【請求項18】 前記光学材料はフッ化物系材料又はS
iO2 系材料である請求項1に記載の希土類イオン添加
固体光素子。 - 【請求項19】 前記光学材料はフッ化物系材料又はS
iO2 系材料である請求項2又は3に記載の希土類イオ
ン添加光ファイバ素子。 - 【請求項20】 前記光学材料はフッ化物系材料又はS
iO2 系材料である請求項4又は5に記載の希土類イオ
ン添加レーザ素子。 - 【請求項21】 前記光学材料はフッ化物系材料又はS
iO2 系材料である請求項6又は7に記載の希土類イオ
ン添加光増幅素子。 - 【請求項22】 前記レーザ光の波長は650nm±5
0nm又は780nm±20nm又は1.017μm±
20nmである請求項1に記載の希土類イオン添加固体
光素子。 - 【請求項23】 前記レーザ光の波長は650nm±5
0nm又は780nm±20nm又は1.017μm±
20nmであるである請求項2又は3に記載の希土類イ
オン添加光ファイバ素子。 - 【請求項24】 前記レーザ光の波長は650nm±5
0nm又は780nm±20nm又は1.017μm±
20nmである請求項4に記載の希土類イオン添加レー
ザ素子。 - 【請求項25】 前記第1のレーザ光の波長は650n
m±50nmであり、前記第2のレーザ光の波長は78
0nm±20nmである請求項5に記載の希土類イオン
添加レーザ素子。 - 【請求項26】 前記第2のレーザ光の波長は650n
m±50nmである請求項5に記載の希土類イオン添加
レーザ素子。 - 【請求項27】 前記レーザ光の波長は650nm±5
0nm又は780nm±20nm又は1.017μm±
20nmである請求項6又は7に記載の希土類イオン添
加光増幅素子。
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