WO2022250102A1 - Ｑスイッチ構造体及びｑスイッチ構造体の製造方法 - Google Patents

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magneto
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聡明 渡辺
太一 後藤
光輝 井上
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信越化学工業株式会社
国立大学法人豊橋技術科学大学
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Definitions

  • the present invention relates to a Q switch structure and a method for manufacturing a Q switch structure.
  • a laser device equipped with a Q switch
  • a laser device in which a first resonant mirror, a solid-state laser material, a Q switch, and a second resonant mirror are arranged in that order is known. That is, a laser device is known in which a solid-state laser material and a Q switch are arranged between a pair of resonant mirrors composed of a first resonant mirror and a second resonant mirror.
  • Non-Patent Document 1 discloses a compact laser device in which a solid-state laser material and a Q switch are arranged between a pair of resonant mirrors.
  • the Q switch is a passive Q switch that utilizes saturability, The Q-switch cannot be actively controlled.
  • Non-Patent Document 2 discloses a technique for actively controlling the Q switch using the electro-optic effect. Therefore, the Q switch is an obstacle to miniaturization of the laser device.
  • Non-Patent Document 3 discloses a technique for actively controlling the Q switch using the acousto-optic effect, but the thickness of the Q switch is 32 mm, and the Q switch is an obstacle to miniaturization of the laser device. ing.
  • Patent Document 1 a solid-state laser material and a Q switch are arranged between a pair of resonant mirrors as a technique for activating the Q switch under the constraint that it does not hinder the miniaturization of the laser device.
  • Patent Document 1 describes a Q switch using a magneto-optical (MO) mechanism as described above. From the viewpoint of downsizing the laser device, it is desirable that the space between the solid-state laser medium and the magneto-optical mechanism is as small as possible.
  • FIG. 13 of Patent Document 1 a configuration is proposed in which a solid-state laser medium and a magneto-optical film or the like are integrated. However, no specific integration method has been proposed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a Q-switch that contributes to the miniaturization of laser devices and that can handle high optical output.
  • the present invention provides a Q-switch structure comprising a solid-state laser medium and a magneto-optical material, wherein the solid-state laser medium and the magneto-optical material are joined and integrated, wherein the solid-state laser A Q-switch structure is provided, wherein the thickness of the medium is 1 mm or more, and the solid-state laser medium and the magneto-optical material are directly bonded.
  • the solid-state laser medium and the magneto-optical material are joined and integrated, so a small Q switch structure can be obtained.
  • the solid-state laser medium and the magneto-optical material are directly bonded, there is no reduction in performance due to deterioration of the intervening material, unlike the case where a material is interposed between them.
  • the integrated combination of the solid-state laser medium and the magneto-optical material is called a Q-switch structure.
  • the Q switch structure can function as a Q switch in combination with a magnetic flux generator.
  • the magneto-optical material is formed by crystal growth on the solid-state laser medium using the solid-state laser medium as a substrate, thereby joining and integrating with the solid-state laser medium.
  • the solid-state laser medium is formed by crystal growth on the solid-state laser medium using the solid-state laser medium as a substrate, thereby joining and integrating with the solid-state laser medium.
  • the magneto-optical material is preferably bismuth-substituted rare earth iron garnet.
  • the solid-state laser medium is composed of Y3Al5O12 , Gd3Ga5O12 and ( GdCa ) 3 ( GaMgZr ) 5O12 doped with one selected from the group consisting of Nd , Yb and Cr. It is preferably selected from one kind of ceramics selected from the group consisting of:
  • the present invention also provides a Q-switched solid-state laser device characterized in that the Q-switch structure and the magnetic flux generator are arranged between a pair of resonant mirrors.
  • the solid-state laser medium and the magneto-optical material are directly bonded, so the size is reduced, and the solid-state laser medium and the magneto-optical material are directly connected. Since it is a joint, there is no reduction in performance due to deterioration of materials interposed therebetween.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a Q-switch structure comprising a solid-state laser medium and a magneto-optical material, wherein the solid-state laser medium and the magneto-optical material are joined and integrated, wherein the Q-switch structure has a thickness of 1 mm or more. and crystal-growing the magneto-optical material on the solid-state laser medium using the solid-state laser medium as a substrate.
  • a method for manufacturing a Q switch structure characterized by manufacturing a Q switch structure in which materials are directly bonded and integrated.
  • Such a method for manufacturing a Q-switch structure can easily perform joint integration of a solid-state laser medium and a magneto-optical material. Moreover, since the solid-state laser medium and the magneto-optical material can be directly bonded, there is no deterioration in performance due to deterioration of the material interposed between the solid-state laser medium and the magneto-optical material in the manufactured Q-switch structure.
  • the crystal growth method is a liquid phase epitaxial growth method.
  • the magneto-optical material is bismuth-substituted rare earth iron garnet.
  • the solid-state laser medium is made of Y 3 Al 5 O 12 , Gd 3 Ga 5 O 12 and (GdCa) 3 (GaMgZr) 5 O 12 doped with one selected from the group consisting of Nd, Yb and Cr. It is preferably selected from one kind of ceramics selected from the group consisting of:
  • These materials can be preferably used in the manufacturing method of the Q switch structure of the present invention.
  • the present invention uses a Q switch structure manufactured by the method for manufacturing a Q switch structure described above, and disposes the Q switch structure and a magnetic flux generator between a pair of resonant mirrors to generate a Q switch structure.
  • a method for manufacturing a Q-switched solid-state laser device characterized by manufacturing a switched solid-state laser device.
  • the solid-state laser medium and the magneto-optical material are joined and integrated, so it can be a small Q switch structure. Moreover, since the solid-state laser medium and the magneto-optical material are directly bonded, there is no reduction in performance due to deterioration of materials interposed therebetween. Therefore, it is possible to cope with a higher optical output. In addition, since the solid laser medium and the magneto-optical material are integrally joined together, the distance between the two members is 0, which contributes to miniaturization of the laser device.
  • the manufacturing method of the Q switch structure of this invention can manufacture such a Q switch structure simply.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the structure of the Q switch structure
  • FIG. 2 shows its cross-sectional view.
  • the Q-switch structure 10 of the present invention includes a solid-state laser medium 11 and a magneto-optical material 12, and the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 are joined and integrated. Further, the present invention is characterized in that the thickness of the solid-state laser medium 11 is 1 mm or more, and the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 are directly bonded.
  • the magneto-optical material 12 is formed by crystal growth on the solid-state laser medium 11 using the solid-state laser medium 11 as a substrate, and is joined and integrated with the solid-state laser medium 11 by such crystal growth. is preferably
  • FIG. 3 shows an example of the structure of a Q-switched solid-state laser device.
  • the Q-switch solid-state laser device 20 has the Q-switch structure 10 and the magnetic flux generator 23 arranged between a pair of resonance mirrors (first resonance mirror 21 and second resonance mirror 22). .
  • FIG. 3 shows an example in which all these structures are joined and integrated.
  • the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 that constitute the Q-switch structure 10 need only be integrally joined, and other structural materials can be arranged as appropriate.
  • the flux generator may be a combination of permanent magnets and excitation coils, the excitation coils may be arranged around the permanent magnets, and so on.
  • a material that can be used as a solid-state laser medium can be used as the material for the solid-state laser medium 11 .
  • the material is Y 3 Al 5 O 12 and Gd 3 Ga doped with one selected from the group consisting of Nd, Yb and Cr. It is preferably selected from one kind of ceramics selected from the group consisting of 5O12 and ( GdCa ) 3 (GaMgZr) 5O12 .
  • a material that can be used as a magneto-optical material can be used as the material of the magneto-optical material 12 .
  • bismuth-substituted rare earth iron garnet is preferably used as the magneto-optical material 12 in consideration of the crystal growth.
  • the manufacturing method of the Q switch structure of the present invention includes the solid laser medium 11 and the magneto-optical material 12 shown in FIGS. It is a method for manufacturing a Q switch structure 10.
  • a Q-switch structure 10 in which the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 are directly bonded and integrated is thereby manufactured.
  • a solid laser medium 11 having a thickness of 1 mm or more is prepared (step S1). Since the solid-state laser medium 11 prepared here is used as a substrate for crystal growth, it must have a thickness of 1 mm or more.
  • a material for the solid-state laser medium 11 a material that can be used as a solid-state laser medium can be used.
  • Y 3 Al 5 O 12 Gd 3 Ga 5 O 12 and (GdCa) 3 (GaMgZr) 5 O 12 doped with one selected from the group consisting of Nd, Yb and Cr It is preferably selected from one kind of ceramics.
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • GGG gadolinium gallium garnet
  • SGGG CaMgZr-substituted gadolinium gallium garnet
  • the magneto-optical material 12 is crystal-grown on the solid-state laser medium 11 (step S2).
  • LPE liquid phase epitaxial growth method
  • a normal method can be adopted as a method of liquid phase epitaxial growth.
  • the material of the magneto-optical material 12 is heated and melted in a platinum crucible, and the molten surface of the magneto-optical material 12 is attached to one surface of the solid-state laser medium 11 as a substrate.
  • the magneto-optical material 12 As the material of the magneto-optical material 12, a material that can be generally used as a magneto-optical material can be used. Among them, the magneto-optical material 12 is preferably bismuth-substituted rare earth iron garnet. Bismuth-substituted rare earth iron garnet is excellent as a material for the magneto-optical material 12 constituting the Q switch. As a material for the solid-state laser medium 11, which is also a substrate for crystal growth, the above yttrium aluminum garnet (YAG), gadolinium gallium garnet (GGG), or CaMgZr-substituted gadolinium gallium garnet (SGGG) is used. In this case, if the magneto-optical material 12 is a bismuth-substituted rare earth iron garnet, the crystals grow easily because they are the same garnets.
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • GGGG gadolinium gallium garnet
  • the Q switch structure and the magnetic flux generator are arranged between a pair of resonance mirrors to produce a Q switch solid-state laser device. can be manufactured.
  • Example 1-1 The Q switch structure 10 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
  • a solid-state laser medium 11 (Nd:SGGG) in which CaMgZr-substituted gadolinium-gallium-garnet (SGGG) was doped with Nd was prepared (step S1 in FIG. 4).
  • This solid-state laser medium 11 was a substrate material having a thickness of 1.5 mm and a diameter of 1 inch (25.4 mm). This solid-state laser medium 11 was used as a substrate for crystal growth.
  • Tb 4 O 7 , Eu 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 and Bi 2 O 3 were charged into a platinum crucible and heated and melted at 1050°C. After that, the heat-melted melt was lowered to 850°C.
  • the solid laser medium 11, which is the substrate for crystal growth was attached to the melt surface in the platinum crucible, and the crystal was grown to a thickness of 250 ⁇ m by the LPE method (step S2 in FIG. 4).
  • the magneto-optical material 12 bismuth-substituted rare earth iron garnet
  • the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 were directly bonded and integrated to produce a Q-switch structure 10.
  • both the surfaces (polished surfaces) of the magneto-optical material 12 and the solid-state laser medium 11 were air-resistant.
  • An antireflection film coating was applied, and optical characteristics were evaluated.
  • an insertion loss of 1.1 dB and an extinction ratio of 29 dB were obtained.
  • the reason why the extinction ratio is less than 30 dB is due to the influence of interfacial reflection due to the refractive index difference between the solid laser medium 11 and the magneto-optical material 12, which is within the permissible range for this combination of materials.
  • Example 1-2 The Q switch structure 10 was manufactured in the same manner as in Example 1-1, but the thickness was adjusted by polishing so that the Faraday rotation angle was 22.5 degrees. At this time, when the optical characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1-1, an insertion loss of 0.65 dB and an extinction ratio of 29 dB were obtained. was made.
  • Example 1-3 In the Q switch structure 10 manufactured in the same manner as in Example 1-1, a layer of the first resonant mirror 21 is formed on the surface of the solid-state laser medium 11, and a layer of the second resonant mirror 22 is formed on the surface of the magneto-optical material 12. By doing so, the Q-switched solid-state laser device 20 was able to be manufactured.
  • Example 2-1 The Q switch structure 10 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
  • a solid-state laser medium 11 (Nd:GGG) in which gadolinium-gallium-garnet (GGG) is doped with Nd was prepared (step S1 in FIG. 4).
  • This solid-state laser medium 11 was a substrate material having a thickness of 1.5 mm and a diameter of 1 inch (25.4 mm). This solid-state laser medium 11 was used as a substrate for crystal growth.
  • Tb 4 O 7 , Yb 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 and Bi 2 O 3 were put into a platinum crucible and heated and melted at 1100°C. After that, the heat-melted melt was lowered to 850°C.
  • the solid laser medium 11, which is the substrate for crystal growth was attached to the melt surface in the platinum crucible, and the crystal was grown to a thickness of 300 ⁇ m by the LPE method (step S2 in FIG. 4).
  • the magneto-optical material 12 bismuth-substituted rare earth iron garnet
  • the Q-switch structure 10 in which the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 were directly bonded and integrated was manufactured.
  • both the surfaces (polished surfaces) of the magneto-optical material 12 and the solid-state laser medium 11 were air-resistant.
  • An antireflection film coating was applied, and optical characteristics were evaluated.
  • an insertion loss of 0.7 dB and an extinction ratio of 30 dB were obtained.
  • the low extinction ratio of 30 dB is due to the effect of interfacial reflection due to the refractive index difference between the solid laser medium 11 and the magneto-optical material 12, which is within the permissible range for this combination of materials.
  • Example 2-2 In the Q switch structure 10 manufactured in the same manner as in Example 2-1, a layer of the first resonance mirror 21 is formed on the surface of the solid-state laser medium 11, and a layer of the second resonance mirror 22 is formed on the surface of the magneto-optical material 12. By doing so, the Q-switched solid-state laser device 20 was able to be manufactured.
  • Example 3-1 The Q switch structure 10 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured as follows.
  • a solid-state laser medium 11 (Nd:GGG) in which gadolinium-gallium-garnet (GGG) is doped with Nd was prepared (step S1 in FIG. 4).
  • This solid-state laser medium 11 was a substrate material having a thickness of 1.5 mm and a diameter of 1 inch (25.4 mm). This solid-state laser medium 11 was used as a substrate for crystal growth.
  • Pr 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 and Bi 2 O 3 were charged into a platinum crucible and heated and melted at 1100°C. After that, the heat-melted melt was lowered to 850°C.
  • the solid laser medium 11, which is the substrate for crystal growth was attached to the melt surface in the platinum crucible, and the crystal was grown to a thickness of 120 ⁇ m by the LPE method (step S2 in FIG. 4).
  • the magneto-optical material 12 bismuth-substituted rare earth iron garnet
  • the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 were directly bonded and integrated to produce a Q-switch structure 10.
  • this Q-switch structure 10 In order to evaluate the optical characteristics of this Q-switch structure 10 (a sample in which the solid-state laser medium 11 and the magneto-optical material 12 are integrated), both the surfaces (polished surfaces) of the magneto-optical material 12 and the solid-state laser medium 11 were air-resistant. An antireflection film coating was applied, and optical characteristics were evaluated. As a result, an insertion loss of 0.6 dB and an extinction ratio of 30 dB were obtained. [Example 3-2] In the Q switch structure 10 manufactured in the same manner as in Example 3-1, a layer of the first resonance mirror 21 is formed on the surface of the solid-state laser medium 11, and a layer of the second resonance mirror 22 is formed on the surface of the magneto-optical material 12. By doing so, the Q-switched solid-state laser device 20 was able to be manufactured.
  • the magneto-optical material 12 exhibits in-plane magnetic anisotropy, and the magnetic hysteresis is sharp, so low magnetic flux driving becomes possible when a Q switch is produced. .
  • the present invention is not limited to the above embodiments.
  • the above-described embodiment is an example, and any device having substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibiting the same effect is the present invention. is included in the technical scope of

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Abstract

本発明は、固体レーザー媒体と、磁気光学材とを備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、前記固体レーザー媒体の厚さが１ｍｍ以上であり、前記固体レーザー媒体と、前記磁気光学材が直接接合されているものであるＱスイッチ構造体である。これにより、レーザー装置の小型化に寄与し、かつ高い光出力に対応できるＱスイッチが提供される。

Description

Ｑスイッチ構造体及びＱスイッチ構造体の製造方法
　本発明は、Ｑスイッチ構造体及びＱスイッチ構造体の製造方法に関する。
　近年、光計測や光磁気記録等のレーザー応用機器において、光源であるレーザー媒体の高出力化と小型化が課題となっている。小型化且つ高出力化の観点で磁気光学材（「ＭＯ材」とも呼ばれる）を発信機構としたＱスイッチが注目を集めている。
　Ｑスイッチを具備するレーザー装置として、第１共振ミラーと固体レーザー材料とＱスイッチと第２共振ミラーを、その順序で配置したレーザー装置が知られている。すなわち、第１共振ミラーと第２共振ミラーで構成される一対の共振ミラーの間に、固体レーザー材料とＱスイッチを配置したレーザー装置が知られている。
　非特許文献１には、一対の共振ミラーの間に固体レーザー材料とＱスイッチを配置した小型のレーザー装置が開示されているが、そのＱスイッチは可飽和現象を利用する受動Ｑスイッチであり、Ｑスイッチを能動的に制御することができない。
　非特許文献２に、電気光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、固体レーザー材料の厚みが０．５ｍｍであるのに対し、Ｑスイッチの厚みが５ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
　非特許文献３に、音響光学効果を利用してＱスイッチを能動的に制御する技術が開示されているが、Ｑスイッチの厚みが３２ｍｍもあり、Ｑスイッチがレーザー装置の小型化の障害となっている。
　従来の技術では、Ｑスイッチを能動的に制御可能とすると、そのＱスイッチが大型化してしまってレーザー装置の小型化の障害となっていた。そこで、レーザー装置の小型化とＱスイッチの能動化を両立させることが求められていた。
　特許文献１には、レーザー装置の小型化の障害とならないという制約の中でＱスイッチを能動化する技術として、固体レーザー材料とＱスイッチが一対の共振ミラーの間に配置されており、Ｑスイッチが磁気光学効果を呈する膜と磁束発生器の組み合わせで構成されており、固体レーザー材料に励起光を入射し、磁束発生器にパルスを加えると、パルスレーザーを発光するＱスイッチ固体レーザー装置が開示されている。
特開２０１７－７９２８３号公報
T.Taira, M.Tsunekane, K.Kanehara, S.Morishima, N.Taguchi and A. Sugiura: "7. Promise of Giant Pulse Micro-Laser for Engine Ignition", Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 89, No.4, pp.238-241(2013) T.Taira, and T.Kobayashi: "Q-Switching and Frequency Doubling of Solid-State Lasers by a Single Intracavity KTP Crystal", IEEE Journal of Quantum Electronics of Vol. 30, No.3, pp.800-804(1994) Gooch & Housego Co.Ltd., Product number 1-QS041-1, 8C10G-4-GH21
　特許文献１には、上記のように、磁気光学（ＭＯ）機構を用いたＱスイッチが記載されている。レーザー装置の小型化の観点では、固体レーザー媒体と磁気光学機構との間の空間は少ない方が望ましい。特許文献１の図１３において、固体レーザー媒体と磁気光学膜等が一体化した構成が提案されている。ただし、その具体的な一体化方法は提案されていない。
　本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、レーザー装置の小型化に寄与し、かつ高い光出力に対応できるＱスイッチを提供することを目的とする。
　上記問題を解決するために、本発明では、固体レーザー媒体と、磁気光学材とを備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、前記固体レーザー媒体の厚さが１ｍｍ以上であり、前記固体レーザー媒体と、前記磁気光学材が直接接合されているものであることを特徴とするＱスイッチ構造体を提供する。
　このようなＱスイッチ構造体であれば、固体レーザー媒体と磁気光学材が接合一体化しているため、小型のＱスイッチ構造体とすることができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、間に材料を介した場合のような、間の材料の劣化等による性能の低下がない。なお、本発明では、固体レーザー媒体と磁気光学材の一体化した組み合わせを、Ｑスイッチ構造体と称する。Ｑスイッチ構造体は、磁束発生器との組み合わせにより、Ｑスイッチとして機能させることができる。
　また、本発明のＱスイッチ構造体では、前記磁気光学材は、固体レーザー媒体を基板として該固体レーザー媒体上に結晶成長したものであり、それにより前記固体レーザー媒体と接合一体化されたものであることが好ましい。
　このような結晶成長による接合一体化であれば、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合構造を簡便に形成できる。
　また、前記磁気光学材がビスマス置換希土類鉄ガーネットであることが好ましい。
　また、前記固体レーザー媒体は、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることが好ましい。
　これらの材料は、本発明のＱスイッチ構造体として好ましく用いることができる。
　また、本発明は、上記のＱスイッチ構造体と、磁束発生器とが、一対の共振ミラーの間に配置されていることを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置を提供する。
　このような、本発明のＱスイッチ構造体を備えるＱスイッチ固体レーザー装置は、固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、小型化されているとともに、固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、間に介される材料の劣化等による性能の低下がない。
　また、本発明は、固体レーザー媒体と、磁気光学材とを備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体を製造する方法であって、厚さ１ｍｍ以上を有する前記固体レーザー媒体を準備する工程と、前記固体レーザー媒体を基板として、該固体レーザー媒体上に前記磁気光学材を結晶成長させる工程とを有し、これにより、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が直接接合されて一体化したＱスイッチ構造体を製造することを特徴とするＱスイッチ構造体の製造方法を提供する。
　このようなＱスイッチ構造体の製造方法は、固体レーザー媒体と磁気光学材の接合一体化を簡便に行うことができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材を直接接合することができるため、製造したＱスイッチ構造体における固体レーザー媒体と磁気光学材の間に介される材料の劣化等による性能の低下がない。
　この場合、前記結晶成長の方法を、液相エピタキシャル成長法とすることが好ましい。
　このように、液相エピタキシャル成長法を用いることにより、Ｑスイッチ構造体における固体レーザー媒体と磁気光学材の接合一体化をより簡便に行うことができる
　また、前記磁気光学材をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることが好ましい。
　また、前記固体レーザー媒体を、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものとすることが好ましい。
　これらの材料は、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法において好ましく用いることができる。
　また、本発明は、上記のＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法を提供する。
　このようなＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法は、Ｑスイッチ構造体における固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、小型化されたＱスイッチ固体レーザー装置を製造できるとともに、固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、それらの間に介される材料の劣化等による性能の低下がない。
　本発明のＱスイッチ構造体は、固体レーザー媒体と磁気光学材が接合一体化しているため、小型のＱスイッチ構造体とすることができる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材が直接接合であるため、間に介される材料の劣化等による性能の低下がない。そのため、より高い光出力に対応できる。また、固体レーザー媒体と磁気光学材が接合一体化しているため、両部材の距離は０であり、レーザー装置の小型化に寄与する。さらに、磁気スイッチ（磁束変化で発生）起動に伴う振動や、磁気光学材と固体レーザー媒体間の光共振、磁気光学材の固定差異による歪に起因した磁区模様の変化に伴う出力不安定化、スイッチング速度のバラツキ、両者の空間発生に伴う共振器長の増大とそれによるスイッチング速度の劣化等が防止できる。また、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法は、そのようなＱスイッチ構造体を簡便に製造することができる。
本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例を模式的に示す概略図である。 本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のＱスイッチ構造体を備えるＱスイッチ固体レーザー装置の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のＱスイッチ構造体の製造方法の一例を示すフロー図である。
　以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明のＱスイッチ構造体の構造の一例について、図１、図２を参照して説明する。図１にはＱスイッチ構造体の構造の概略図、図２にはその断面図を示した。
　本発明のＱスイッチ構造体１０は、固体レーザー媒体１１と、磁気光学材１２とを備えており、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２は接合一体化されている。さらに、本発明では、固体レーザー媒体１１の厚さが１ｍｍ以上であり、固体レーザー媒体１１と、磁気光学材１２が直接接合されているものであることを特徴とする。
　より具体的には、磁気光学材１２は、固体レーザー媒体１１を基板として該固体レーザー媒体１１上に結晶成長したものであり、そのような結晶成長により固体レーザー媒体１１と接合一体化されたものであることが好ましい。
　このようなＱスイッチ構造体１０は、磁気光学材１２と磁束発生器との組み合わせにより、Ｑスイッチとして機能する。図３には、Ｑスイッチ固体レーザー装置の構造の一例を示した。Ｑスイッチ固体レーザー装置２０は、上記のＱスイッチ構造体１０と、磁束発生器２３とが、一対の共振ミラー（第１の共振ミラー２１、第２の共振ミラー２２）の間に配置されている。図３中ではこれらの構造全てが接合一体化した例を示している。ただし、本発明では、Ｑスイッチ構造体１０を構成する固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が接合一体化していればよく、その他の構造材料は適宜配置することができる。例えば、磁束発生器は、永久磁石と励磁コイルの組み合わせとすることができ、励磁コイルは永久磁石の周囲に配置するなどすることができる。
　本発明のＱスイッチ構造体１０において、固体レーザー媒体１１の材料としては固体レーザー媒体として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、固体レーザー媒体１１を基板とした場合の結晶成長を考慮すると、その材料は、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることが好ましい。また、本発明のＱスイッチ構造体１０において、磁気光学材１２の材料としては磁気光学材として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、上記結晶成長を考慮すると、磁気光学材１２をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることが好ましい。
［Ｑスイッチ構造体の製造方法］
　次に、本発明のＱスイッチ構造体の製造方法を説明する。本発明のＱスイッチ構造体の製造方法は、図１、図２に示した、固体レーザー媒体１１と、磁気光学材１２とを備え、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が接合一体化されたＱスイッチ構造体１０を製造する方法であり、本発明では、厚さ１ｍｍ以上を有する固体レーザー媒体１１を準備する工程と、固体レーザー媒体１１を基板として、該固体レーザー媒体１１上に磁気光学材１２を結晶成長させる工程とを有し、これにより、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が直接接合されて一体化したＱスイッチ構造体１０を製造する。
　図４を参照して本発明のＱスイッチ構造体の製造方法をより詳細に説明する。まず、図４のＳ１に示したように、厚さ１ｍｍ以上を有する固体レーザー媒体１１を準備する（工程Ｓ１）。ここで準備する固体レーザー媒体１１は、結晶成長用基板として用いるため、厚さ１ｍｍ以上を有する必要がある。固体レーザー媒体１１の材料としては固体レーザー媒体として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることが好ましい。これらのイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）、ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）は、固体レーザー媒体として優れているだけでなく、後述する磁気光学材１２がビスマス置換希土類鉄ガーネットである場合に、特に好ましい。
　次に、図４のＳ２に示したように、固体レーザー媒体１１を基板として、該固体レーザー媒体１１上に磁気光学材１２を結晶成長させる（工程Ｓ２）。このとき、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ）により磁気光学材１２を結晶成長させることが好ましい。液相エピタキシャル成長の方法としては、通常の方法を採用することができる。例えば、白金ルツボ中で磁気光学材１２の材料を加熱融解し、磁気光学材１２の融液面に基板である固体レーザー媒体１１の一面に付けることによって行うことができる。
　磁気光学材１２の材料としては一般に磁気光学材として使用可能な材料を用いることができる。その中でも、磁気光学材１２をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることが好ましい。ビスマス置換希土類鉄ガーネットは、Ｑスイッチを構成する磁気光学材１２の材料として優れている。また、結晶成長用基板でもある固体レーザー媒体１１の材料として、上記のイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）、又はＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）を用いる場合、磁気光学材１２がビスマス置換希土類鉄ガーネットであれば、同じガーネット同士であるため結晶成長しやすい。
　以上のようなＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することができる。
　以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１－１］
　以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　まず、ＣａＭｇＺｒ置換型ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＳＧＧＧ）にＮｄをドープした固体レーザー媒体１１（Ｎｄ：ＳＧＧＧ）を準備した（図４の工程Ｓ１）。この固体レーザー媒体１１は、厚さ１．５ｍｍであり、直径１インチ（２５．４ｍｍ）の基板材とした。この固体レーザー媒体１１を結晶成長用基板として用いた。
　次に、白金ルツボ中に、Ｔｂ４Ｏ７、Ｅｕ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３を投入し、１０５０℃で加熱溶融した。その後、加熱溶融した融液を８５０℃へ低下させた。次に、上記の結晶成長用基板である固体レーザー媒体１１を、白金ルツボ中の融液面に付け、ＬＰＥ法で２５０μｍ結晶成長させた（図４の工程Ｓ２）。これにより、固体レーザー媒体１１上に磁気光学材１２（ビスマス置換希土類鉄ガーネット）を結晶成長させ、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が直接接合して一体化したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　この磁気光学材１２の結晶表面、及び、基板である固体レーザー媒体１１の表面に光学研磨を施し、波長１０６４ｎｍの赤外線を照射したときにファラデー回転角度４５ｄｅｇとなるように調整した。
　このＱスイッチ構造体１０（固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２の一体化したサンプル）の光学特性を評価するため、磁気光学材１２及び固体レーザー媒体１１の表面（研磨面）の双方に耐空気反射防止膜コーティングを施し、光学特性評価を行った。その結果、挿入損失１．１ｄＢ、消光比２９ｄＢを得た。なお、消光比が３０ｄＢに満たないのは、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２の間の屈折率差に伴う界面反射の影響であり、この材料の組み合わせとしては許容範囲内である。
［実施例１－２］
　実施例１－１と同様にＱスイッチ構造体１０を製造したが、ファラデー回転角度を２２．５ｄｅｇに研磨で厚さ調整した。このとき、実施例１－１と同様に光学特性評価を行ったところ、挿入損失０．６５ｄＢ、消光比２９ｄＢを得、回転角度は小さいが磁気光学材１２の部分での挿入損失を低減することができた。
［実施例１－３］
　実施例１－１と同様に製造したＱスイッチ構造体１０において、固体レーザー媒体１１の表面に第１の共振ミラー２１の層、磁気光学材１２の表面に第２の共振ミラー２２の層を形成することで、Ｑスイッチ固体レーザー装置２０を製造することができた。
［実施例２－１］
　以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　まず、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）にＮｄをドープした固体レーザー媒体１１（Ｎｄ：ＧＧＧ）を準備した（図４の工程Ｓ１）。この固体レーザー媒体１１は、厚さ１．５ｍｍであり、直径１インチ（２５．４ｍｍ）の基板材とした。この固体レーザー媒体１１を結晶成長用基板として用いた。
　次に、白金ルツボ中に、Ｔｂ４Ｏ７、Ｙｂ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３を投入し、１１００℃で加熱溶融した。その後、加熱溶融した融液を８５０℃へ低下させた。次に、上記の結晶成長用基板である固体レーザー媒体１１を、白金ルツボ中の融液面に付け、ＬＰＥ法で３００μｍ結晶成長させた（図４の工程Ｓ２）。これにより、固体レーザー媒体１１上に磁気光学材１２（ビスマス置換希土類鉄ガーネット）を結晶成長させ、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が直接接合して一体化したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　この磁気光学材１２の結晶表面、及び、基板である固体レーザー媒体１１の表面に光学研磨を施し、波長１０６４ｎｍの赤外線を照射したときにファラデー回転角度２２．５ｄｅｇとなるように調整した。
　このＱスイッチ構造体１０（固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２の一体化したサンプル）の光学特性を評価するため、磁気光学材１２及び固体レーザー媒体１１の表面（研磨面）の双方に耐空気反射防止膜コーティングを施し、光学特性評価を行った。その結果、挿入損失０．７ｄＢ、消光比３０ｄＢを得た。なお、消光比が３０ｄＢと低いのは、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２の間の屈折率差に伴う界面反射の影響であり、この材料の組み合わせとしては許容範囲内である。
［実施例２－２］
　実施例２－１と同様に製造したＱスイッチ構造体１０において、固体レーザー媒体１１の表面に第１の共振ミラー２１の層、磁気光学材１２の表面に第２の共振ミラー２２の層を形成することで、Ｑスイッチ固体レーザー装置２０を製造することができた。
［実施例３－１］
　以下のようにして、図１、２に示したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　まず、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）にＮｄをドープした固体レーザー媒体１１（Ｎｄ：ＧＧＧ）を準備した（図４の工程Ｓ１）。この固体レーザー媒体１１は、厚さ１．５ｍｍであり、直径１インチ（２５．４ｍｍ）の基板材とした。この固体レーザー媒体１１を結晶成長用基板として用いた。
　次に、白金ルツボ中に、Ｐｒ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３を投入し、１１００℃で加熱溶融した。その後、加熱溶融した融液を８５０℃へ低下させた。次に、上記の結晶成長用基板である固体レーザー媒体１１を、白金ルツボ中の融液面に付け、ＬＰＥ法で１２０μｍ結晶成長させた（図４の工程Ｓ２）。これにより、固体レーザー媒体１１上に磁気光学材１２（ビスマス置換希土類鉄ガーネット）を結晶成長させ、固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２が直接接合して一体化したＱスイッチ構造体１０を製造した。
　この磁気光学材１２の結晶表面、及び、基板である固体レーザー媒体１１の表面に光学研磨を施し、波長１０６４ｎｍの赤外線を照射したときにファラデー回転角度７．５ｄｅｇとなるように調整した。
　このＱスイッチ構造体１０（固体レーザー媒体１１と磁気光学材１２の一体化したサンプル）の光学特性を評価するため、磁気光学材１２及び固体レーザー媒体１１の表面（研磨面）の双方に耐空気反射防止膜コーティングを施し、光学特性評価を行った。その結果、挿入損失０．６ｄＢ、消光比３０ｄＢを得た。
［実施例３－２］
　実施例３－１と同様に製造したＱスイッチ構造体１０において、固体レーザー媒体１１の表面に第１の共振ミラー２１の層、磁気光学材１２の表面に第２の共振ミラー２２の層を形成することで、Ｑスイッチ固体レーザー装置２０を製造することができた。
　実施例３－１、３－２の組成では、磁気光学材１２が面内磁気異方性を示し、磁気ヒステリシスが急峻であることから、Ｑスイッチを作製した場合の低磁束駆動が可能になる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (10)

  1. 　固体レーザー媒体と、
    　磁気光学材と
    　を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体であって、
    　前記固体レーザー媒体の厚さが１ｍｍ以上であり、
    　前記固体レーザー媒体と、前記磁気光学材が直接接合されているものであることを特徴とするＱスイッチ構造体。
  2. 　前記磁気光学材は、固体レーザー媒体を基板として該固体レーザー媒体上に結晶成長したものであり、それにより前記固体レーザー媒体と接合一体化されたものであることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチ構造体。
  3. 　前記磁気光学材がビスマス置換希土類鉄ガーネットであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＱスイッチ構造体。
  4. 　前記固体レーザー媒体は、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体と、磁束発生器とが、一対の共振ミラーの間に配置されていることを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置。
  6. 　固体レーザー媒体と、
    　磁気光学材と
    　を備え、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が接合一体化されたＱスイッチ構造体を製造する方法であって、
    　厚さ１ｍｍ以上を有する前記固体レーザー媒体を準備する工程と、
    　前記固体レーザー媒体を基板として、該固体レーザー媒体上に前記磁気光学材を結晶成長させる工程と
    　を有し、これにより、前記固体レーザー媒体と前記磁気光学材が直接接合されて一体化したＱスイッチ構造体を製造することを特徴とするＱスイッチ構造体の製造方法。
  7. 　前記結晶成長の方法を、液相エピタキシャル成長法とすることを特徴とする請求項６に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
  8. 　前記磁気光学材をビスマス置換希土類鉄ガーネットとすることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
  9. 　前記固体レーザー媒体を、Ｎｄ、Ｙｂ及びＣｒからなる群から選ばれる１種をドープした、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２及び（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２からなる群から選ばれる１種のセラミックスから選択されるものとすることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法。
  10. 　請求項６から請求項９のいずれか１項に記載のＱスイッチ構造体の製造方法により製造されたＱスイッチ構造体を用いて、該Ｑスイッチ構造体と、磁束発生器を、一対の共振ミラーの間に配置してＱスイッチ固体レーザー装置を製造することを特徴とするＱスイッチ固体レーザー装置の製造方法。
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