JPH0812498A - 固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 波長０．８μｍで発振するＡｌＧａＡｓ半導
体レーザで励起ができて、発振波長が０．９８μｍから
１．０４μｍの範囲にあり、戻り光などの外部からの擾
乱に対し発振が不安定にならない固体レーザ用の材料を
提供する。 【構成】 一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイットリ
ウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、
サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウ
ム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウ
ム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選
ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものからな
り、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中か
ら選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものか
らなる置換型ガーネット結晶において、少なくともイッ
テルビウムまたはルテチウムおよびネオジムをその構成
元素として含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野で使用され
る光増幅器の励起光源に用いられる固体レーザ結晶材料
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信分野では光通信用の信号として、
波長１．３μｍ帯の光と波長１．５５μｍ帯の光が用い
られている。信号光は、光ファイバを用いて伝送される
が、５０ｋｍ程度以上も信号光が伝搬すると、その間の
損失が無視できずに徐々に強度が減少していくことが避
けられない。従って、伝送の途中で、光信号を増幅する
必要があるが、超高速での情報伝達を行なうには、光信
号を直接増幅することが望ましい。その際に必要とされ
るのが光増幅器である。

【０００３】光増幅器の中でも、加入者向けの波長領域
である１．３μｍ帯で必要とされているのが１．３μｍ
帯用光増幅器であり、フッ化物光ファイバ中に希土類元
素である３価のプラセオジムイオンを分解させて、その
誘導放出を利用して光の増幅を行なうものが有望であ
り、開発が進められている。

【０００４】図１３はプラセオジムのエネルギーダイア
グラムを示したものである。図中、ａは励起光、ｂはレ
ーザ光、ｃは準位³Ｈ₄、ｄは準位³Ｈ₅、ｅは準位³Ｈ₆、
ｆは準位³Ｆ₂、ｇは準位³Ｆ₃、ｈは準位³Ｆ₄、ｉは準位
¹Ｇ₄を示す。該１．３μｍ帯用光増幅器では、中心波長
がおよそ１．０２μｍである³Ｈ₄→¹Ｇ₄の遷移を利用し
て光を吸収し、中心波長が１．３０μｍである¹Ｇ₄→³
Ｈ₅の誘導放出を利用して１．３μｍ帯の信号光の増幅
を行なうことを特徴としている。

【０００５】該１．３μｍ帯光増幅器においては、プラ
セオジムイオンを励起するための１．０２μｍ波長の外
部光源を必要とする。外部励起光源としては、高出力で
発振波長が安定でなおかつ長寿命で低価格・小型の素子
が望ましい。また、１．５５μｍ帯光増幅器において
は、石英光ファイバ中に分散したエルビウムイオンの誘
導放出による光増幅を行なっているが、エルビウムイオ
ンの光吸収のための０．９８μｍ波長の外部励起光源を
用いている。外部励起光源として、高出力で発振波長が
安定でなおかつ長寿命で低価格・小型の素子が望ましい
ことは全く同様である。

【０００６】それらを満足するよう開発が進められてい
るのがＩｎＧａＡｓ半導体レーザダイオードである。し
かしながら、ＩｎＧａＡｓ半導体レーザダイオードは、
１．０２μｍおよび０．９８μｍの波長に関して発振波
長の安定性になお課題があり、しかも量産体制の整備が
進んでおらず、単価が高くなっている。また、動作寿命
も短いなど実用に供するには問題がある。もう一つの問
題点を挙げると、発振波長を安定させるのに、光アイソ
レータを必要とすることである。

【０００７】光アイソレータは、半導体レーザから出射
した光の反射戻り光を遮断するために用いられる。これ
は、反射戻り光が半導体レーザの共振器内で再び増幅さ
れることにより、位相の異なった光の影響で発振波長が
不安定になること等を防止するためである。しかしなが
ら、１μｍ近辺の光に対するアイソレータは、通信波長
（１．３μｍあるいは１．５５μｍ）用のアイソレータ
に用いられている磁性ガーネット材料では、損失が大き
くなることから、ＨｇＣｄＭｎＴｅのような特殊な半導
体材料を用いて作製されているが、この材料は大型の結
晶育成が困難であり、なおかつ組成が少しでもずれると
特性が極端に変化するため作製が難しく、非常に高価な
ものとなっている。

【０００８】一方、波長の安定性の良いものとしては固
体レーザがある。例えば、チタンサファイアレーザは、
０．７〜１．１μｍの領域での波長を可変できる固体レ
ーザとして知られており、実験室レベルでは盛んに用い
られている。実験段階において、光増幅器用の光ファイ
バの特性を調べるのにチタンサファイアレーザを用いる
ことはあるが、実用的な増幅器に用いるには以下のよう
に課題がある。

【０００９】まず、チタンサファイアレーザを励起する
のに、通常アルゴンガスレーザを用いることである。こ
のため、レーザ全体が極めて大型になる。そして非常に
高価なものになることも挙げられる。これらの問題点を
解決しうる候補として、既存の安価で安定・高出力の半
導体レーザで励起できる固体レーザが考えられる。現在
のところ、その候補の一つと目されているのが、Ｙｂ：
ＹＡＧレーザである。Ｙｂ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（Ｙｂ：ＹＡ
Ｇ）レーザは、最近１．０３μｍでの室温連続発振が確
認された有望なレーザであるが、発振させるには、イッ
テルビウムイオンの光吸収を満足する０．９４３あるい
は０．９６８μｍの外部励起光が必要である。このよう
な外部励起光は、前述の波長可変固体レーザを用いる
か、特殊な半導体レーザを用いるかの２者択一である。
波長可変固体レーザには、前述の問題があり、小型・安
価の要求に耐えない。また、励起に特殊な波長の半導体
レーザを用いるのであれば、最初から所望の波長域の半
導体レーザを用いる方が利点が多く、問題にならない。
また、Ｙｂ：ＹＡＧレーザは発振しきい値が３００ｍＷ
と大きく、実用に供するところまで到達していない。

【００１０】このように、従来型のレーザにおいては、
光増幅起用の外部励起光源として実用的に用いるには、
なお課題が多かった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来
の固体レーザには、安価で高出力が容易に得られる既存
の半導体レーザで励起ができて、発光波長が０．９８μ
ｍから１．０４μｍの範囲にあり、戻り光などの外部か
らの擾乱に対し発振が不安定にならない固体レーザはな
かった。

【００１２】そこで本発明の目的は、安価で高出力が容
易に得られる既存の波長０．８μｍで発振するＡｌＧａ
Ａｓ半導体レーザで励起ができて、発振波長が０．９８
μｍから１．０４μｍの範囲にあり、戻り光などの外部
からの擾乱に対し発振が不安定にならない固体レーザ用
の材料を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明における固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料
は、一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイットリウム、
ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリ
ウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
テルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた１
種以上の元素を任意に組み合わせたものからなり、Ａが
アルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中から選ばれ
た１種以上の元素を任意に組み合わせたものからなる置
換型ガーネット結晶において、少なくともネオジム、ル
テチウムをその構成元素として含むことを特徴とする。

【００１４】また、本発明による固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料は、一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒ
がイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、
ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、
テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウ
ム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマス
の中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせた
ものからなり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリ
ウムの中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わ
せたものからなる置換型ガーネット結晶において、少な
くともネオジム、イッテルビウムをその構成元素として
含むことを特徴とする。

【００１５】すなわち、０．９８μｍから１．０４μｍ
にかけての波長領域での実用的な励起光源用の固体レー
ザの材料として、ガーネット結晶を構成する希土類元素
の一部をネオジムとルテチウムの組み合わせ、あるいは
ネオジムとイッテルビウムの組み合わせで置換すること
によって得られる置換型ガーネット結晶材料を提供する
ものである。

【００１６】さらに詳細に説明すれば、第１の置換型ガ
ーネット結晶材料としては、一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示さ
れ、Ｒがイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオ
ジム、ネオジム、サマリウム、ユウロビウム、ガドリニ
ウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エル
ビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビス
マスの中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わ
せたものからなり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、
ガリウムの中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み
合わせたものからなり、少なくともネオジム、ルテチウ
ムをその構成元素として含む置換型ガーネット結晶にお
いて、０．９８μｍから１．０４μｍの波長領域に発振
波長を持つことを特徴とする固体レーザ用置換型ガーネ
ット結晶材料であり、

【００１７】第２の置換型ガーネット結晶材料として
は、一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイットリウム、
ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリ
ウム、ユウロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
プロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッ
テルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から選ばれた１
種以上の元素を任意に組み合わせたものからなり、Ａが
アルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中から選ばれ
た１種以上の元素を任意に組み合わせたものからなり、
少なくともネオジム、イッテルビウムをその構成元素と
して含む置換型ガーネット結晶において、０．９８μｍ
から１．０４μｍの波長領域に発振波長を持つことを特
徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料であ
り、

【００１８】第３の置換型ガーネット結晶材料として
は、第１の置換型ガーネット結晶材料に、カルシウムお
よびマグネシウムのいずれかあるいは両方を添加したこ
とを特徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料
である。

【００１９】第１および第３の置換型ガーネット結晶材
料においては、ネオジムの占有率が希土類元素全体の１
％以上であり、ルテチウムの占有率が希土類元素全体の
３０％以下であることが望ましく、第３の置換型ガーネ
ット結晶材料においては、ネオジムの占有率は希土類元
素全体の１％以上であり、ルテチウムの占有率は希土類
元素全体の３０％以下であり、添加されるカルシウムま
たはマグネシウムのそれぞれ単独の添加量、添加される
カルシウムとマグネシウムの合計の添加量は、ルテチウ
ムと同量であることが望ましい。

【００２０】さらに、第２の置換型ガーネット結晶材料
においては、ネオジムの占有率は希土類元素全体の１％
以上であり、イッテルビウムの占有率は希土類元素全体
の４０％以下であることが望ましい。

【００２１】また、ネオジム、イッテルビウム、ルテチ
ウム以外の希土類構成元素は、ランタン、ガドリニウ
ム、イットリウムの中から選ばれた１種以上の元素を任
意に組み合わせたものが望ましい。

【００２２】

【作用】ガーネット結晶は、一般式Ｒ₃Ａ₅Ｏ₁₂で表さ
れ、Ｒの部分を希土類元素で、Ａの部分をアルミニウ
ム、スカンジウム、ガリウムでそれぞれ置換することが
可能である。本発明ではそのような置換を行なった様々
な置換型ガーネット結晶の組成のうちさらにＲの一部を
ネオジウムなどの他の希土類元素で置換し、Ａの一部を
アルミニウム、スカンジウム、ガリウムでそれぞれ置換
することが可能である。本発明ではそのような置換を行
なった様々な置換型ガーネット結晶の組成のうち特にＲ
の部分にネオジウムとルテチウムの組み合わせあるいは
ネオジウムとイッテルビウムの組み合わせのいずれかを
必須の条件として含む置換型ガーネット結晶材料を用い
る。

【００２３】置換元素のエネルギー準位は、近隣の原子
または原子団がつくりだす場を感じることによって、分
裂を起こす、該場のことを配位子場というが、ホストの
結晶系を変えることによって配位子場が変化し、置換元
素のエネルギー準位が該エネルギー準位が持つ性質に応
じた分だけシフトする。したがって、ホストの結晶系を
適当に選ぶことにより、発振波長をある程度の範囲でシ
フトさせることができる。例えば、ガーネット結晶にお
いては、Ａの大分がアルミニウムである場合とガリウム
である場合で配位子場が大幅に変化するため、１μｍの
近辺の光については、十分に０．９８μｍ〜１．０４μ
ｍの範囲内で発振波長を選択することが可能である。

【００２４】またさらに、複数の置換元素に基づく吸収
によって、励起の波長をある程度自由に設定でき、さら
に吸収したエネルギーを同原子間で起こる内部転換や、
異原子間で起こる項間交差などの量子力学的相互作用を
利用することによって、うまく発光原子の発振上準位に
分布させることができ、発振準位間の反転分布を作るこ
とができる。

【００２５】本発明による固体レーザ用置換型ガーネッ
ト結晶材料においては、希土類元素としてネオジムを含
有することから、基底準位から⁴Ｆ_5/2への吸収遷移によ
り、安価な０．８１μｍ波長のＡｌＧａＡｓ半導体レー
ザによる励起が可能であり、⁴Ｆ_3/2準位へ非発光で遷移
したネオジムイオンから双極子間相互作用により自動的
に３価のイッテルビウムイオンあるいは４価のルテチウ
ムイオンへの非発光でのエネルギー伝達があり、イッテ
ルビウムあるいはルテチウムイオンの²Ｆ_5/2準位におけ
る１μｍ近辺の誘導放出を行なうべく反転分布の形成が
可能である。

【００２６】また、Ａの構成元素のガリウム、アルミニ
ウム、スカンジウムの構成比を適当に選ぶことによって
０．９８μｍ〜１．０４μｍの範囲内で所望の波長で選
択的に発振させることが可能である。ネオジムを活性イ
オンとして用いる従来の固体レーザ用ガーネット結晶に
おいては、吸収・発光の効率を考慮して、ネオジムイオ
ンの含有量を増大することにより生ずる濃度消光を回避
すべくネオジムの含有量を希土類全体のおよそ１％前後
に選択していた。しかし、本発明においてのネオジムイ
オンの果たす役割は、逸れ事態が発光することではな
く、０．８１μｍの励起光を効率よく吸収し、近傍のイ
ッテルビウムイオンあるいはルテチウムイオンにエネル
ギーを伝達することである。すなわち、含有量として
は、むしろそれ自体の発光が生じにくい程度以上が望ま
しく、希土類元素全体の１％以上に選んでいる。

【００２７】ネオジムとルテチウムの組み合わせを含む
場合には、カルシウムあるいはマグネシウムのいずれか
を添加すると発光効率が向上する。それは次のような理
由による。

【００２８】カルシウムおよびマグネシウムは、通常は
３価の価数を有するイオンが占有する位置に２価の価数
を取りつつ置換するため、そのままでは、電気的に中性
を保つことができない。すなわち、電気的中性を保つべ
くルテチウムの大分が価数を通常の３価から４価へと変
化する。このような価数制御の手法を、一般に電価補償
と称している。４価の価数を有するルテチウムイオンが
増大することで、固体レーザの効率は飛躍的に向上す
る。なお、通常３価の価数を有するルテチウムイオン
は、赤外領域の発光には一切関与しない。

【００２９】なお、それぞれの置換する元素の占有率と
しては、ネオジムは、希土類元素全体の１％以上、ルテ
チウムは高々３０％以下程度、イッテルビウムは高々４
０％以下程度が望ましい。ネオジム、イッテルビウム、
ルテチウム以外のＲの構成元素として、ランタン、ガド
リニウム、イットリウムを選ぶと、レーザを作製した際
しきい値が特に低くなる。これはランタン、ガドリニウ
ム、イットリウムが０．９８〜１．０４μｍの波長域に
吸収を持たないからである。

【００３０】本発明は、以上のことにより、０．９８μ
ｍから１．０４μｍの波長領域に発振波長を持つことを
特徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を提
供することが可能である。

【００３１】以下、本発明の実施例について説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されない。

【００３２】

【実施例１】以下に示す実施例１−１から実施例１−１
５ではチョコラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法
により本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料の
バルク単結晶を作製した。さらに前記バルク単結晶は、
レーザ材料としての特性を評価するために片面が平坦
面、片面が半径５ｃｍの球面、厚さ１．５ｍｍの円盤に
加工し、波長０．９８〜１．０４μｍにおいて平坦面に
は約９９％、球面には約９７％の反射率のコーティング
を施した。図１に本発明による実施例１−１〜１−２１
の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ材料
としての特性を評価した測定系を示す。励起用光源には
波長０．８０８μｍのＡｌＧａＡｓ半導体レーザを用い
た。半導体レーザ１から出射した励起光３をレンズ２、
２’、２”を通して集光しながら実施例１−１から実施
例１−２１の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料の
円盤４に入射し、円盤４からの出射光５を光スペクトラ
ムアナライザ６で観測することにより、レーザ発振特性
を評価した。

【００３３】

【実施例１−１】本実施例は、実施例１に示したように
組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡ_5-ZＧａ_ZＯ_{1 2}およびＲ_3-X-Y
Ｎｄ_XＬｕ_YＡ１_5-Z-WＡ２_WＧａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝０．１３，
Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７，Ｗ＝２．００、Ａおよび
Ａ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂ
ｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、
Ｔｍ、Ｙｂのいずれか一つの元素）で表される本発明レ
ーザ用ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定
系を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表１
にＲ、Ａ、Ａ１およびＡ２を適宜選択した本実施例の固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長
とレーザ発振に最低必要な励起用光源の光強度で表され
るしきい値を選択した元素について示す。いずれの本実
施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．９
８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現が困難
であった１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。特
にＲをＬａ、Ｇｄ、Ｙにした場合にしきい値が低い。こ
れは、発振波長付近でＬａ、Ｇｄ、Ｙが吸収を持たない
ためである。

【００３４】

【実施例１−２】本実施例は実施例１と同様にして、組
成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡ₅Ｏ₁₂およびＲ_3-X-YＮｄ_XＬｕ
_YＡ１_5-WＡ２_WＯ₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｗ
＝２．００、ＡおよびＡ１はＧａ、Ａ２はＳｃ、ＲはＬ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのいずれか一つの元
素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発
振特性を調査したものである。表２にＲ、Ａ、Ａ１およ
びＡ２を適宜選択した本実施例の固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値を選択し
た元素について示す。実施例１と同様にしていずれの本
実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．
９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現が困難
であった１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００３５】

【実施例１−３】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝０．
１３，Ｙ＝０．８０）で表される本発明固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定系
を用いてレーザ発振特性とＧａ濃度Ｚの関係を調査した
ものである。図２に本実施例の固体レーザ用置換型ガー
ネット結晶材料のレーザ発振波長および発振しきい値と
Ｇａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発振波長は、Ｇａ濃度
Ｚが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いずれの本
実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．
９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚによりばらつ
きはあるものの従来材料では実現が困難であった１００
ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００３６】

【実施例１−４】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｇｄ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_5-Z-WＧａ_ZＳｃ_WＯ
₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｗ＝２．００）で表
される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を
作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発振特性と
Ｇａ濃度Ｚの関係を調査したものである。図３に本実施
例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発
振波長としきい値とＧａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発
振波長は、Ｇａ濃度Ｚが大きくなるほど短くなる傾向に
あるが、いずれの本実施例のレーザ用ガーネット結晶材
料も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振
した。また、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚによ
りばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であっ
た１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００３７】

【実施例１−５】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｙ_3-X-Y-VＬａ_VＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_{5- Z}Ｇａ_ZＯ₁₂（Ｘ
＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７）で表される
本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を作製
し、図１に示した測定系を用いてレーザ発振特性とＬａ
濃度ｖの関係を調査したものである。図４に本実施例の
固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波
長としきい値とＬａ濃度ｖの関係を示す。レーザ発振波
長は、Ｌａ濃度ｖが大きくなるほど短くなる傾向にある
が、いずれの本実施例のレーザ用ガーネット結晶材料も
０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料もＬａ濃度ｖにより
ばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であった
１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００３８】なお、本実施例１−５ではＲ_3-X-YＮｄ_XＬ
ｕ_YＡ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂においてＲがＹとＬａ、ＡがＡｌ、
Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７の本発明レ
ーザ用ガーネット結晶材料について説明したが、ＲがＬ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのいずれか一種類以上
の元素であり、ＡがＡｌ、Ｓｃのいずれか一種類以上の
元素であり、ＸとＹとＺが０＜Ｘ＜３，０＜Ｙ＜３，０
≦Ｚ≦５の範囲であっても、本実施例の材料と同様に
０．８μｍ帶半導体レーザの励起により１００ｍＷ以下
の低いしきい値で０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長
でレーザ発振することは言うまでもない。

【００３９】

【実施例１−６】本実施例は、実施例１に示したように
組成式Ｒ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ_{5-d- e}Ｇａ_dＭｇ_eＯ
₁₂およびＲ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ１_5-d-e-fＡ２_fＧ
ａ_dＭｇ_eＯ₁₂（ａ＝０．１，ｂ＝０．１５，ｃ＝０．０
７５，ｄ＝１，ｅ＝０．０７５，ｆ＝２．０、Ａおよび
Ａ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂ
ｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、
Ｔｍ、Ｙｂの中から選ばれた一種以上の元素）で表され
る本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を作製
し、図１に示した測定系を用いてレーザ発振特性を調査
したものである。表３にＲ、Ａ、Ａ１およびＡ２を適宜
選択した本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶
材料のレーザ発振波長とレーザ発振に最低必要な励起用
光源の光強度で表されるしきい値を選択した元素につい
て示す。いずれの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネ
ット結晶材料も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長で
レーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料も従来
材料では実現が困難であった１００ｍＷ以下の低いしき
い値で発振した。

【００４０】

【実施例１−７】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｒ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ_5-dＭｇ_dＯ₁₂および
Ｒ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ１_5-e-dＡ２_eＭｇ_dＯ
₁₂（ａ＝０．１３，ｂ＝０．９，ｃ＝０．４，ｄ＝０．
５，ｅ＝２．０、ＡおよびＡ１はＧａ、Ａ２はＳｃ、Ｒ
はＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの中から選ばれた一
種以上の元素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定系を用い
てレーザ発振特性を調査したものである。表４にＲ、
Ａ、Ａ１およびＡ２を適宜選択した本実施例の固体レー
ザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長としき
い値を選択した元素について示す。実施例１−６と同様
にしていずれの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネッ
ト結晶材料も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレ
ーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料も従来材
料では実現が困難であった１００ｍＷ以下の低いしきい
値で発振した。

【００４１】

【実施例１−８】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｙ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ_{5- d-e}Ｇａ_dＭｇ_e
Ｏ₁₂（ａ＝０．１５，ｂ＝０．５，ｃ＝０．２，ｅ＝
０．３）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネッ
ト結晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレー
ザ発振特性とＧａ濃度ｄの関係を調査したものである。
図５に本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材
料のレーザ発振波長および発振しきい値とＧａ濃度ｄの
関係を示す。レーザ発振波長は、Ｇａ濃度ｄが大きくな
るほど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施例の固体
レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．９８〜１．０
４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの
本実施例の材料もＧａ濃度ｄによりばらつきはあるもの
の従来材料では実現が困難であった１００ｍＷ以下の低
いしきい値で発振した。

【００４２】

【実施例１−９】本実施例は、実施例１と同様にして、
組成式Ｇｄ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ_5-d-e-fＧａ_dＳ
ｃ_eＭｇ_fＯ₁₂（ａ＝０．１３，ｂ＝０．８０，ｃ＝０．
４，ｅ＝２，ｆ＝０．４）で表される本発明固体レーザ
用置換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測
定系を用いてレーザ発振特性とＧａ濃度ｄの関係を調査
したものである。図６に本実施例の固体レーザ用置換型
ガーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値とＧａ
濃度ｄの関係を示す。レーザ発振波長は、Ｇａ濃度ｄが
大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いずれの本実施
例のレーザ用ガーネット結晶材料も０．９８〜１．０４
μｍの範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの本
実施例の材料もＧａ濃度ｄによりばらつきはあるものの
従来材料では実現が困難であった１００ｍＷ以下の低い
しきい値で発振した。

【００４３】

【実施例１−１０】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｙ_3-a-b-c-vＬａ_vＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ_5-d-e
Ｇａ_dＭｇ_eＯ₁₂（ａ＝０．１３，ｂ＝０．８０，ｃ＝
０．２，ｄ＝１．０，ｅ＝０．６）で表される本発明固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に
示した測定系を用いてレーザ発振特性とＬａ濃度Ｖの関
係を調査したものである。図７に本実施例の固体レーザ
用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい
値とＬａ濃度Ｖの関係を示す。レーザ発振波長は、Ｌａ
濃度Ｖが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いずれ
の本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も
０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料もＬａ濃度Ｖにより
ばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であった
１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００４４】なお、本実施例１−１０ではＲ_3-a-b-cＮ
ｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ_5-d-eＧａ_dＭｇ_eＯ_{1 2}においてＲがＹと
Ｌａ、ＡがＡｌの本発明レーザ用ガーネット結晶材料に
ついて説明したが、ＲがＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、
Ｙｂのいずれか一種類以上の元素であり、ＡがＡｌ、Ｓ
ｃのいずれか一種類以上の元素であり、ａとｂとｄが０
＜ａ＜３，０＜ｂ＜３，０≦ｄ≦５の範囲であっても、
本実施例の材料と同様に０．８μｍ帶半導体レーザの励
起により１００ｍＷ以下の低いしきい値で０．９８〜
１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振することは言う
までもない。

【００４５】

【実施例１−１１】本実施例は、実施例１に示したよう
に組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡ_5-ZＧａ_ZＯ_{1 2}およびＲ
_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡ１_5-Z-WＡ２_WＧａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝０．１
３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７，Ｗ＝２．０、Ａおよ
びＡ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂ
ｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、
Ｔｍ、Ｌｕのいずれか一つの元素）で表される本発明レ
ーザ用ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定
系を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表５
にＲ、Ａ、Ａ１およびＡ２を適宜選択した本実施例の固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長
とレーザ発振に最低必要な励起用光源の光強度で表され
るしきい値を選択した元素について示す。いずれの本実
施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．９
８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現が困難
であった１００ｍＷ以下のしきい値で発振した。

【００４６】

【実施例１−１２】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡ₅Ｏ₁₂およびＲ_3-X-YＮ
ｄ_XＹｂ_YＡ１_5-WＡ２_WＯ₁₂（Ｘ＝０．１５，Ｙ＝０．８
０，Ｗ＝２．０、ＡおよびＡ１はＧａ、Ａ２はＳｃ、Ｒ
はＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕのいずれか一つの元
素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発
振特性を調査したものである。表６にＲ、Ａ、Ａ１およ
びＡ２を適宜選択した本実施例の固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値を選択し
た元素について示す。実施例１−１１と同様にしていず
れの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料
も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現
が困難であった１００ｍＷ以下のしきい値で発振した。

【００４７】

【実施例１−１３】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝
０．１，Ｙ＝１．０）で表される本発明固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定系
を用いてレーザ発振特性とＧａ濃度Ｚの関係を調査した
ものである。図８に本実施例の固体レーザ用置換型ガー
ネット結晶材料のレーザ発振波長および発振しきい値と
Ｇａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発振波長は、Ｇａ濃度
Ｚが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いずれの本
実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．
９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚによりばらつ
きはあるものの従来材料では実現が困難であった１００
ｍＷ以下のしきい値で発振した。

【００４８】

【実施例１−１４】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｇｄ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-Z-WＧａ_ZＳｃ_WＯ
₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝１．２，Ｗ＝２．００）で表さ
れる本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を作
製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発振特性とＧ
ａ濃度Ｚの関係を調査したものである。図９に本実施例
の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振
波長としきい値とＧａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発振
波長は、Ｇａ濃度Ｚが大きくなるほど短くなる傾向にあ
るが、いずれの本実施例のレーザ用ガーネット結晶材料
も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚにより
ばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であった
１００ｍＷ以下のしきい値で発振した。

【００４９】

【実施例１−１５】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｙ_3-X-Y-VＬａ_VＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_{5- Z}Ｇａ_ZＯ₁₂
（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝１．００，Ｚ＝０．１７）で表さ
れる本発明固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料を作
製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発振特性とＬ
ａ濃度Ｖの関係を調査したものである。図１０に本実施
例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発
振波長としきい値とＬａ濃度Ｖの関係を示す。レーザ発
振波長は、Ｌａ濃度Ｖが大きくなるほど短くなる傾向に
あるが、いずれの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネ
ット結晶材料も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長で
レーザ発振した。また、いずれの本実施例の材料もＬａ
濃度Ｖによりばらつきはあるものの従来材料では実現が
困難であった１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振し
た。

【００５０】なお、本実施例１−１５ではＲ_3-X-YＮｄ_X
Ｙｂ_YＡ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂においてＲがＹとＬａ、ＡがＡｌ
の本発明レーザ用ガーネット結晶材料について説明した
が、ＲがＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、
Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、、Ｔｍ、Ｌｕのいずれか
一種類以上の元素であり、ＡがＡｌ、Ｓｃのいずれか一
種類以上の元素であり、ＸとＹとＺが０＜Ｘ＜３，０＜
Ｙ＜３，０≦Ｚ≦５の範囲であっても、本実施例の材料
と同様に０．８μｍ帶半導体レーザの励起により１００
ｍＷ以下の低いしきい値で０．９８〜１．０４μｍの範
囲の波長でレーザ発振することは言うまでもない。

【００５１】

【実施例１−１６】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡ₅Ｏ₁₂およびＲ_3-X-YＮ
ｄ_XＬｕ_YＡ１_5-WＡ２_WＯ₁₂（Ｘ＝０．２０，Ｙ＝０．２
０，Ｗ＝２．０，ＡおよびＡ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、Ｒ
はＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのいずれか一つの元
素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発
振特性を調査したものである。表７にＲ、Ａ、Ａ１およ
びＡ２を適宜選択した本実施例の固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値を選択し
た元素について示す。いずれの本実施例の固体レーザ用
置換型ガーネット結晶材料も０．９８〜１．０４μｍの
範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの本実施例
の材料も従来材料では実現が困難であった１００ｍＷ以
下の低いしきい値で発振した。

【００５２】

【実施例１−１７】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｒ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ_5-dＭｇ_dＯ₁₂お
よびＲ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡ１_5-e-dＡ２_eＭｇ_dＯ
₁₂（ａ＝０．２０，ｂ＝０．２０，ｃ＝０．１０，ｄ＝
０．１０，ｅ＝２．０，ＡおよびＡ１はＡｌ、Ａ２はＳ
ｃ、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、
Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂの中から選ば
れた一種類以上の元素）で表される本発明固体レーザ用
置換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測定
系を用いてレーザ発振特性を調査したものである。表８
にＲ、Ａ、Ａ１およびＡ２を適宜選択した本実施例の固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長
としきい値を選択した元素について示す。いずれの本実
施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料も０．９
８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振した。ま
た、いずれの本実施例の材料も従来材料では実現が困難
であった１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００５３】

【実施例１−１８】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡ₅Ｏ₁₂およびＲ_3-X-YＮ
ｄ_XＹｂ_YＡ１_5-WＡ２_WＯ₁₂（Ｘ＝０．２０，Ｙ＝０．２
０，Ｗ＝２．０，ＡおよびＡ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、Ｒ
はＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕのいずれか一つの元
素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発
振特性を調査したものである。表９にＲ、Ａ、Ａ１およ
びＡ２を適宜選択した本実施例の固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値を選択し
た元素について示す。いずれの本実施例の固体レーザ用
置換型ガーネット結晶材料も０．９８〜１．０４μｍの
範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの本実施例
の材料も従来材料では実現が困難であった１００ｍＷ以
下の低いしきい値で発振した。

【００５４】

【実施例１−１９】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｒ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡ₅Ｏ₁₂およびＲ_3-X-YＮ
ｄ_XＹｂ_YＡ１_5-WＡ２_WＯ₁₂（Ｘ＝０．２０，Ｙ＝０．２
０，Ｗ＝２．０，ＡおよびＡ１はＡｌ、Ａ２はＳｃ、Ｒ
はＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｂｉ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕのいずれか一つの元
素）で表される本発明固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料を作製し、図１に示した測定系を用いてレーザ発
振特性を調査したものである。表１０にＲ、Ａ、Ａ１お
よびＡ２を適宜選択した本実施例の固体レーザ用置換型
ガーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値を選択
した元素について示す。いずれの本実施例の固体レーザ
用置換型ガーネット結晶材料も０．９８〜１．０４μｍ
の範囲の波長でレーザ発振した。また、いずれの本実施
例の材料も従来材料では実現が困難であった１００ｍＷ
以下の低いしきい値で発振した。

【００５５】

【実施例１−２０】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝
０．２０，Ｙ＝０．１８）で表される本発明固体レーザ
用置換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した測
定系を用いてレーザ発振特性とＧａ濃度Ｚの関係を調査
したものである。図１４に本実施例の固体レーザ用置換
型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長および発振しき
い値とＧａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発振波長は、Ｇ
ａ濃度Ｚが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、いず
れの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料
も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振し
た。また、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚにより
ばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であった
１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００５６】

【実施例１−２１】本実施例は、実施例１と同様にし
て、組成式Ｇｄ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-ZＧａ _ZＯ₁₂（Ｘ
＝０．１９，Ｙ＝０．１８）で表される本発明固体レー
ザ用置換型ガーネット結晶材料を作製し、図１に示した
測定系を用いてレーザ発振特性とＧａ濃度Ｚの関係を調
査したものである。図１５に本実施例の固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長および発振し
きい値とＧａ濃度Ｚの関係を示す。レーザ発振波長は、
Ｇａ濃度Ｚが大きくなるほど短くなる傾向にあるが、い
ずれの本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材
料も０．９８〜１．０４μｍの範囲の波長でレーザ発振
した。また、いずれの本実施例の材料もＧａ濃度Ｚによ
りばらつきはあるものの従来材料では実現が困難であっ
た１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振した。

【００５７】

【実施例２】以下に示す実施例２−１から実施例２−３
では、図１１に示すような本発明による固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料でできたコア部を有する光導波
路を作製した。図１１に示した光導波路は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ
₁₂（ＹＡＧ）を材質とする基板９の上にＰｂＯとＢ₂Ｏ₃
をフラックス（融剤）とした液相エピタキシャル成長法
（ＬＰＥ法）により、ＹＡＧよりも幾分屈折率が大き
く、ＹＡＧ基板との格子定数差が結晶性が低下しない程
度に小さい組成の本発明固体レーザ用置換型ガーネット
結晶材料でなる層を成長させ、このガーネット結晶材料
でできた層をフォトリングラフィとイオンミリングによ
りコア１０に加工し、最後にＬＰＥ法によりＹＡＧでな
る上部クラッド１１を成長することにより容易に形成で
きた。なお、下部クラッドとしては、基板材料そのもの
が作用する。さらに前記光導波路は、実施例２−１から
実施例２−３の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料
を導波路型レーザ材料として用いる場合の特性を評価す
るために、両端面を切断研磨した後、両端面の光の出入
射端１２に波長０．９８〜１．０４μｍにおいて約９９
％の反射率のコーティングを施した。

【００５８】図１２に実施例２−１から実施例２−３の
固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ材料と
しての特性を評価した測定系を示す。励起用光源には波
長０．８１０μｍのＡｌＧａＡｓ半導体レーザ１を用い
た。半導体レーザ１から出射した励起光３をレンズを用
いて光ファイバ７に入射し、この光ファイバ７を通して
実施例１５および１６の固体レーザ用置換型ガーネット
結晶材料でできたコアを有する光導波路８に入射し、前
記光導波路８の出射端からの出射光５を光ファイバ７’
で受けて光スペクトルアナライザ６で観測することによ
り、レーザ発振特性を評価した。

【００５９】

【実施例２−１】本実施例は、組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＬｕ
_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂で表される本発明固体レーザ用置換
型ガーネット結晶材料のコアを有する光導波路を作製
し、図１２に示した測定系を用いてレーザ発振特性を調
査したものである。なお、本実施例では固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料の屈折率を基板の材料であるＹ
ＡＧよりも若干大きくし、かつＹＡＧとの格子定数差を
結晶性が低下しない範囲である０．０００８５ｎｍとな
るよう、Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７に
選択した。本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料のコアを有する光導波路は１．０２５μｍの波長
でレーザ発振した。また、しきい値１０ｍＷで発振し、
従来材料では実現することが困難であった１００ｍＷ以
下の低いしきい値で発振した。

【００６０】

【実施例２−２】本実施例は、組成式Ｙ_3-a-b-cＮｄ_aＬ
ｕ_bＣａ_cＡ１_5-d-eＧａ_dＭｇ_eＯ₁₂で表される本発明固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のコアを有する光
導波路を作製し、図１２に示した測定系を用いてレーザ
発振特性を調査したものである。なお、本実施例では固
体レーザ用置換型ガーネット結晶材料の屈折率を基板の
材料であるＹＡＧよりも若干大きくし、かつＹＡＧとの
格子定数差を結晶性が低下しない範囲である０．０００
８５ｎｍとなるよう、ａ＝０．１３，ｂ＝０．８０，ｃ
＝０．４０，ｄ＝０．１７，ｅ＝０．４０に選択した。
本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のコ
アを有する光導波路は１．０２５μｍの波長でレーザ発
振した。また、しきい値８ｍＷで発振し、従来材料では
実現することが困難であった１００ｍＷ以下の低いしき
い値で発振した。

【００６１】

【実施例２−３】本実施例は、組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＹｂ
_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ₁₂で表される本発明固体レーザ用置換
型ガーネット結晶材料のコアを有する光導波路を作製
し、図１２に示した測定系を用いてレーザ発振特性を調
査したものである。なお、本実施例では固体レーザ用置
換型ガーネット結晶材料の屈折率を基板の材料であるＹ
ＡＧよりも若干大きくし、かつＹＡＧとの格子定数差を
結晶性が低下しない範囲である０．０００８５ｎｍとな
るよう、Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７に
選択した。本実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結
晶材料のコアを有する光導波路は１．０２５μｍの波長
でレーザ発振した。また、しきい値１３ｍＷで発振し、
従来材料では実現することが困難であった１００ｍＷ以
下の低いしきい値で発振した。

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【００６５】

【００６６】

【００６７】

【００６８】

【００６９】

【００７０】

【００７１】

【００７２】

【００７３】

【００７４】

【００７５】

【００７６】

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【００８０】

【００８１】

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明固体レーザ
用置換型ガーネット結晶材料は、０．９８〜１．０４μ
ｍ波長帯において１００ｍＷ以下の低いしきい値で発振
するため、実用に供することができるという利点があ
る。また、従来材料と異なり励起光源に安価で高出力な
０．８μｍ帯で発振する半導体レーザを使用できるた
め、経済的および性能的に利点が大きい。

【００８３】なお、本発明の具体的実施例においては、
実験上のまた時間的制約から、材料の組成に関して大幅
な制約を設けたが、これらの組成から大幅に変化するこ
とがなく、かつ結晶成長に問題が生じないものであれ
ば、本発明による効果を生ずる材料については、当然に
それらは本発明の領域に含まれる。

【００８４】また、結晶成長を行なう場合、坩堝材料で
ある白金をはじめとして、積極的には意図しない元素の
混入はある程度避けられないため、それら混入元素が本
質的に本発明の効果に作用しないかぎり、それら混入元
素を含む材料に関しても、同様に本発明の領域に含まれ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１（実施例１−１〜実施例１−１５）の
固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ材料と
しての特性を評価した測定系を示す説明図。

【図２】組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ
₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０）で表される実施例の
固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料の発振波長とし
きい値とＧａ濃度Ｚの関係を示す図。

【図３】組成式Ｇｄ_3-X-YＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_5-Z-WＧａ_ZＳ
ｃ_WＯ₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｗ＝２．０
０）で表される実施例の固体レーザ用置換型ガーネット
結晶材料のレーザ発振波長としきい値とＧａ濃度Ｚの関
係を示す図。

【図４】組成式Ｙ_3-X-Y-VＬａ_VＮｄ_XＬｕ_YＡｌ_5-ZＧａ_Z
Ｏ₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝０．８０，Ｚ＝０．１７）で
表される実施例１−５の固体レーザ用置換型ガーネット
結晶材料のレーザ発振波長としきい値とＬａ濃度Ｖの関
係を示す図。

【図５】組成式Ｙ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ_5-d-eＧ
ａ_dＭｇ_eＯ₁₂（ａ＝０．１５，ｂ＝０．５，ｃ＝０．
２，ｅ＝０．３）で表される実施例の固体レーザ用置換
型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値とＧ
ａ濃度ｄの関係を示す図。

【図６】組成式Ｇｄ_3-a-b-cＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ
_5-d-e-fＧａ_dＳｃ_eＭｇ_fＯ₁₂（ａ＝０．１３，ｂ＝０．
８０，ｃ＝０．４，ｅ＝２，ｆ＝０．４）で表される実
施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ
発振波長としきい値とＧａ濃度ｄの関係を示す図。

【図７】組成式Ｙ_3-a-b-c-vＬａ_vＮｄ_aＬｕ_bＣａ_cＡｌ
_5-d-eＧａ_dＭｇ_eＯ₁₂（ａ＝０．１３，ｂ＝０．８０，
ｃ＝０．２，ｄ＝１．０，ｅ＝０．６）で表される実施
例１−１０の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料の
レーザ発振波長としきい値とＬａ濃度Ｖの関係を示す
図。

【図８】組成式Ｙ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-ZＧａ_ZＯ
₁₂（Ｘ＝０．１，Ｙ＝１．０）で表される実施例の固体
レーザ用置換型ガーネット結晶材料のレーザ発振波長と
しきい値とＧａ濃度Ｚの関係を示す図。

【図９】組成式Ｇｄ_3-X-YＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-Z-WＧａ_ZＳ
ｃ_WＯ₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝１．２，Ｗ＝２．００）
で表される実施例の固体レーザ用置換型ガーネット結晶
材料のレーザ発振波長としきい値とＧａ濃度Ｚの関係を
示す図。

【図１０】組成式Ｙ_3-X-Y-VＬａ_VＮｄ_XＹｂ_YＡｌ_5-ZＧ
ａ_ZＯ₁₂（Ｘ＝０．１３，Ｙ＝１．００，Ｚ＝０．１
７）で表される実施例１−１５の固体レーザ用置換型ガ
ーネット結晶材料のレーザ発振波長としきい値とＬａ濃
度Ｖの関係を示す図。

【図１１】レーザ用ガーネット結晶材料でできたコアを
有する光導波路の斜視図。

【図１２】固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料でで
きたコアを有する光導波路の導波路型レーザとしての特
性を評価した測定系を示す図。

【図１３】プラセオジムのエネルギーダイアグラムを示
した図。

【図１４】Ｇａ濃度Ｚとレーザ発振波長および発振しき
い値との関係を示す図。

【図１５】Ｇａ濃度Ｚとレーザ発振波長および発振しき
い値との関係を示す図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ レンズ ３ 励起光 ４ 固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料より
なる円盤 ５ 出射光 ６ 光スペクトラムアナライザ ７ 光ファイバ ８ 置換型ガーネット結晶材料よりなるコアを有
する光導波路 ９ 基板 １０ コア １１ クラッド １２ 光の入出射端

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 誠 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 大石 泰丈 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 清水 誠 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 須藤 昭一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイット
   リウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジ
   ム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビ
   ウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリ
   ウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から
   選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものから
   なり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中
   から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたもの
   からなる置換型ガーネット結晶において、少なくともネ
   オジム、ルテチウム、ガリウムをその構成元素として含
   むことを特徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶
   材料。
2. 【請求項２】一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイット
   リウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジ
   ム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビ
   ウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリ
   ウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から
   選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものから
   なり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中
   から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたもの
   からなる置換型ガーネット結晶において、少なくともネ
   オジム、ルテチウムをその構成元素として含むことを特
   徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
3. 【請求項３】ネオジムの占有率は希土類元素全体の１％
   以上であり、ルテチウムの占有率は希土類元素全体の３
   ０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載
   の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
4. 【請求項４】カルシウムおよびマグネシウムのいずれか
   あるいは両方を添加したことを特徴とする請求項１から
   ３記載のいずれかの固体レーザ用置換型ガーネット結晶
   材料。
5. 【請求項５】カルシウムおよび／またはマグネシウムの
   添加量は、ルテチウムと同量であることを特徴とする請
   求項４記載の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
6. 【請求項６】Ｒとしてランタン、ガドリニウム、イット
   リウムの中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合
   わせたことを特徴とする請求項１から５記載のいずれか
   の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
7. 【請求項７】一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイット
   リウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジ
   ム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビ
   ウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリ
   ウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から
   選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものから
   なり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中
   から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたもの
   からなる置換型ガーネット結晶において、少なくともネ
   オジム、イッテルビウム、ガリウムをその構成元素とし
   て含むことを特徴とする固体レーザ用置換型ガーネット
   結晶材料。
8. 【請求項８】一般式がＲ₃Ａ₅Ｏ₁₂で示され、Ｒがイット
   リウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジ
   ム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビ
   ウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリ
   ウム、イッテルビウム、ルテチウム、ビスマスの中から
   選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたものから
   なり、Ａがアルミニウム、スカンジウム、ガリウムの中
   から選ばれた１種以上の元素を任意に組み合わせたもの
   からなる置換型ガーネット結晶において、少なくともネ
   オジム、イッテルビウムをその構成元素として含むこと
   を特徴とする固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
9. 【請求項９】ネオジムの占有率は希土類元素全体の１％
   以上であり、イッテルビウムの占有率は希土類元素全体
   の４０％以下であることを特徴とする請求項７または８
   記載の固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。
10. 【請求項１０】Ｒとしてランタン、ガドリニウム、イッ
    トリウムの中から選ばれた１種以上の元素を任意に組み
    合わせたことを特徴とする請求項７から９記載のいずれ
    かの固体レーザ用置換型ガーネット結晶材料。