JPS5886785A - 発光ダイオ−ドでポンピングされるアレキサンドライト・レ−ザ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザー媒質がアレキサンドライトで、１個ま
たはそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ　）によりポン
ピングされるレーザーに関する。

固体レーザーのＬＥＤ−ポンピングに関する報告は特許
及び技術刊行物の両方に見られる。これらの中にオスタ
ーマイヤー（０ｓｔｅｒ％ｙｅｒ　）の１９７２年５月
１６日発行の米国特許第３，６６３，８９３号、プレン
ナー（ｆ３ｒｅｎｎｅｒ　）の１９７４年６月２８日発
行の米国特許第３，８２１，６６３号、１．、、Ｊ。

ローゼンクランッ（Ｒｏｓｅｎｋｒａｎｔｚ　）の報告
Ｊ。

Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、４３．４６０３（１９７２年）等
がある。これらの文献に詳細に説明されている唯一のレ
ーザー媒質はＮｄ　：　ＹＡＧである。しかしながらＹ
ＡＧにおけるＮｄ３＋イオンの狭い吸収帯のためこれら
のレーザーは余り効果的でない。さらにレーザーの出力
は高温で減少するので、ＬＥＤによって発生する熱は補
助的冷却手段を用いて散逸されなければならない。

レーザー媒質として、アレキサンドライト（ＢｅＡ１２
０４：Ｃｒ３＋）を用いる整調可能なレーザーが１９８
１年６月９日発行のＪ、Ｃ，ウォリング（Ｗａｌｌｉｎ
ｇ　）　　らの米国特許第４，２７２，７３３号に開示
されている。この発明者はコヒーレン）及び非コヒーレ
ントのポンピング光源の両方についテ開示している。−
詳細に説明されている非コヒーレント光源は気体放電灯
及び金属蒸気光源であった。

本発明の説明において用いる用語「アレキサンドライト
」はクリソベリル構造の３価クロムでドーピングされた
アルミン酸ベリリウム（ＢｅＡ１２０ｓ：Ｃｒ３＋）を
意味するものとする。

本発明はレーザー装置を提供するものである。

このレーザーは単結晶のアレキサンドライトからなり２
つの端部を有するレーザー媒質と、レーザー媒質を励起
させてコヒーレントな放射を放出するための手段と、光
共振器をなす反射鏡とからなり、上記レーザー媒質を励
起させる手段がレーザー媒質に付接して、放出された光
がレーザー媒質に向けられろように配設された少なくと
も１つの発光ダイオードからなり、また上記光共振器は
レーザー媒質の両端部を包囲しレーザー発振を反射鏡間
に維持するようにしである。この説明で１１つの」ＬＥ
Ｄに関して言及する場合複数のＬＥＤの場合をも含むも
のと理解されるべきである。

本発明はレーザー装置ドの補助的冷却手段を必要とせず
に作動できる効果的なレーザーを提供するものである。

本発明はＬＥＤでポンピングされるアレキサンドライト
・レーザー装置を提供するものである。

このレーザー装置はレーザー媒質としての単結晶アレキ
サンドライトと、アレキサンドライトをポンピングする
ための少なくとも１つのＬＥＤと、アレキサンドライト
を包囲しレーザー発振をその間に維持するための反射鏡
とからなる。ＬＥ、Ｄは固体レーザーの光ポンピングに
いくつかの利点を与えろ。これによりコンパクトで、軽
量で、強固な構造と共に高い信頼性と長い寿命とが可能
になる。１００，０００時間を越える作動時間が容易に
達せられる。

アレキサンドライトのいくつかの特徴は特にＬＥＤによ
るポンピングに適したものになり、独特な利点を与える
ものである。池の固体レーザー材料と異なり、アレキサ
ンドライトは３８０　ｎｍトロ　８０　ｎｍとの間の可
視スペクトルにわたる幅広い吸収を示す。吸収は特に４
１０　ｎｍ及び５９０ｎｍの近くに中心をもつ帯域で強
くなる。必要なポンピング・エネルギーのしきい値は直
径６間×７６朋のロッドに関して約１０Ｊであり、特定
の場合について通常の実験で決定されよう。

最適ポンピングではＬＥＤはレーザー媒質に光学的にも
熱的にも密接している。従ってＬＥＤがレーザー媒質を
ポンピングするのに所望の光エネルギーを与えると、発
生する熱でレーザー媒質の温度が増大するであろう。他
の固体レーザーの場合と異なり、アレキサンドライト・
レーザーのゲイン及び傾斜係数は温度の増加と共に増大
し、エネルギーのしきい値は減本する。従ってＬＥＤに
よりポンピングされるアレキサンドライト・レーザーは
補助的なレーザー媒質の冷却手段を必要としない。しか
しながらこれは性能が温度の増大と共に単調に改善さ飢
ろことを示すものではない。

励起状態の寿命時間は温度と共に減少する。例えば８０
’Ｃで螢光崩壊時間は１２０μｓである。

（サム（Ｓａｍ）らのＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　
５ＰＩＥ２４７．１３０（１９８０）を参照）。効果的
なポンピングは光ポンピングのパルスが螢光寿命時間に
比べて短いことを要する。かくして高い強度で短い持続
時間のポンピングへの高温限界作動及び最適作動温度は
ゲインの増加と螢光寿命時間の減少との間のかね合いに
よるということになろう。

アレキサンドライト・レーザーはその出力が深紅色から
赤外までの範囲にわたって広く整調可能であるという点
で固体レーザーの中でも独特である。整調特性を実現す
るためにレーザーは光共振器の反射鏡の間に整調手段を
備えることになる。

整調手段は当該技術分野で知られている従来の型のもの
、例えば複屈折フィルター、プリズム、光学格子等でよ
い。アレキサンドライト・レーザーの同調範囲は約７０
０〜８２０　ｎｒｎであり、高（１励起エネルギーを用
いてより長い、あるいはより短い波長に拡張されよう。

アレキサンドライト・レーザー媒質の幾何学的形状は前
述の材料の特性を利用するように選定するのが好ましい
。アレキサンドライトはほぼ円形断面を有するロンド形
状でよいが、特にポンピングの波長が強く吸収されると
きにほぼ矩形の断面を有する細長いスラブ状のアレキサ
ンドライトがポンピング効果及び製作の便宜の点で好ま
しい。

スラブの長い方の寸法は結晶のα−Ｃ平面の方向である
のが好ましい。スラブの厚さくすなわち最短の寸法）は
光吸収が全体積にわたってほぼ一様であるように選定す
るのが好ましい。これは例えばスラブの対向する面に沿
ってＬＥＤを配列し入射光の約８０チを吸収する厚さを
選定することによってなされる。ポンピング効果を最大
にするためＫＬＥＤは２つの最大の面の全面を覆うのが
好ましい。結晶のｂ軸は５９０　ｎｍの波長域における
吸収を最大にする面に垂直であるのが好ましい。

ＬＥＤで覆われない面の部分はポンピング効果を最大に
するため反射性コーティングを施すのが好ましい。同じ
理由により側面も反射性コーティングを施すのが好まし
い。端面ば光共振器がレーザー媒質ＶＣｔｌｌ限される
か両端を越えるかに応じてそれぞれ反射性コーティング
か誘電性非反射性コーティングを施される。

便宜上及びポンピング効果の点からも一般的にＬＥＤを
レーザー媒質に接触させるのが望ましく・。

しかしながらＬＥＤを表面から離してもよ（−０ＬＥＤ
は当該技術において周知の透明な高温エポキシを用いて
アレキサンドライトに固着してもよ・い。あろいは又、
ＬＥＤはアレキサンドライトに機械的に接触保持され、
あるいは近接して間隔をおくようにしてもよい。

ＬＥＤの光出力はアレキサンドライトの吸収ピーク値に
適合するのが好ましい。かくして可視スペクトルで発光
を行なうＬＥＤハ５９０　ｎｍ　）近くであるのが好ま
しい。適当な出力波長を有するＬＥＤの中ＩＦ：、５６
５　ｎｍ、で発光するＮ−ド−ピングしたＧａＰ及び５
８５ｎｍに発光ピークを有するＮ−ドーピングしたＧ（
ＬＡｌｌＯ，１５Ｐｏ、ｓｓがある。

これらのＬＥＤはいくつかの筋から市販されて（１ろ。

ＬＥＤの出力は高温での作動により減少する。

それゆえ用途により、またＬＥＤ出力を最大にする必要
性に応じて、ＬＥＤを冷却するのが望ましい。冷却手段
は流体冷却あるいは排熱部との十分な熱的接触による冷
却等当該技術にお（１て知られている従来のものでよい
。ある程度までアレキサンドライト自体が排熱部として
作用する。ＬＥＤがアレキサンドライトのスラブの最大
の面の両方あるいは細長いロンドの大きい面を覆し・、
ＬＥＤが冷却材で囲まれていれば、アレキサンドライト
による直接冷却はほとんどない。しかじな力（らπ■述
のようにアレキサンドライトのゲインは温度と共に増加
し、かくしてアレキサンドライトによる冷却は概して重
要でない。

本発明のレーザーを作動させる好まし０方法Ｉｔ↓高周
波数パルスによる作動である。これを行なうためＬＥＤ
に結合して作動するＴＴＬ制御式あるいはＣＭＯ３の回
路等の従来の電子制御手段を用いてＬＥＤが高周波数で
トリガーされる。高出力、高周波数での作動により熱が
発生し、この熱がまたＬＥＤの出力を減少させることに
なるので、最適の作動はＬＥＤの入力のレベル、周波数
、冷却パラメータの間のかね合いによることになる。特
定の使用状態で最適な作動条件は通常の実験で決定でき
る。

第１図は本発明のレーザーの概略図である。単結晶のア
レキサンドライ）１０はレーザー媒質であり、少なくと
も１つのＬＥＤ　１１により光ポンピングされる。レー
ザー媒質１０の端部のコーティング１２は反射性コーテ
ィングでも、また誘電性非反射性コーティングでもよい
。図示の実施例においてコーティングは非反射性であり
、レーザー発振は全反射焼１３と部分反射鏡１４との間
に維持される。任意に設けられる同調素子１５は所望の
出力波長を与えるように調節される。レーザーはまた任
意にＱ−スイッチングの手段を含むものでもよい。これ
らの手段は可飽和染料吸収材。

音響光学Ｑ−スイッチ、あるいは第１図に示すようにビ
ーム行路に配置された偏光子１６及びポッケルス・セル
１７からなるものでよい。偏光子は特に低い励起出力で
は省略してもよい。ＬＥＤの性能を最適にするため必要
であればレーザー媒質１０及びＬＥＤ　１１はこれを取
囲む外装体１９内で循回する流体１８により冷却しても
よい。流体１８は空気、水あるいは冷凍液でよく、また
よりよい温度制御を行なうため従来の手段により予熱し
てもよい。

第２図は第１図の直線Ａ−Ａ上にとって断面を示してい
る。レーザー媒質１０の側面は反射性コーティング２０
及び２１を有するのが好ましい。

さらにレーザー媒質の面がＬＥＤＩＩで完全に覆われて
いるのでなければ、ＬＥＤで覆われていない面の部分は
反射性コーティングを施されるのが好ましい。

第３図はロッド１０ａ及び外装体１９αが円形断面を有
し、ロッドがＬＥＤｌｌａでポンピングされろ実施例に
おける第１図の直線Ａ、−Ａ上にとった断面を示してい
る。この実施例−でロッド１０αがＬＥＤｌｌａで完全
に囲まれていれば、冷却流体１８がレーザー媒質と直接
接触するように入り込むことはない。アレキサンドライ
トの高温作動能力により独自にこの形状が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＬＥＤでボンピンクされるレーザーの
概略図である。 第２図はレーザー媒質及びこれに付接するＬＥＤの断面
図である。 第３図はレーザー媒質及び付接するＬＥＤの池の形状の
ものの断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（α）単結晶アレキサンドライトからなり２つの端
   部な有するレーザー媒質と、 （ｂ）該レーザー媒質に付接していて、放出された光が
   上記レーザー媒質に向けられろように配設された少なく
   とも１つの発光ダイオードからなる、上記レーザー媒質
   を励起させてコヒーレントな放射を放出するための手段
   と、（ｃ）　　上記レーザー媒質の両端部を包囲しレー
   ザー発振をその間に維持するようにした光共振器をなす
   反射鏡と、 からなるレーザー装置。 ２、上記レーザー媒質がその長い方向に垂直なほぼ矩形
   の断面を有する細長いスラブ形であることを特徴とする
   特許請求の範囲１に記載のレーザー装置。 ３−ト記レーザー媒質がその長い方向に垂直なほぼ円形
   の断面を有する細長いロッド形である、ことを特徴とす
   る特許請求の範囲１に記載のレーザー装置。 ４　上記発光ダイオードがＮ−ドーピングしたＧαＡ８
   旧５Ｐ０．８５　　からなることを特徴とする特許請求
   の範囲１に記載のレーザー装置。 ５、上記発光ダイオードがＮ−ドーピングしたＧａＰ　
   からなることを特徴とする特許請求の範囲１に記載のレ
   ーザー装置。 ６、赤から赤外までの範囲におけるコヒーレントな放射
   を同調させるための同調手段をさらに含むことを特徴と
   する特許請求の範囲１に記載のレーザー装置。 ７、　上記発光ダイオードからのパルス状出力を励起さ
   せるため上記発光ダイオードに結合して作動する手段を
   さらに含むことを特徴とする特許請求の範囲１に記載の
   レーザー装置。 ８、上記発光ダイオードを冷却するための手段をさらに
   含むことを特徴とする特許請求の範囲１に記載のレーザ
   ー装置。