レーザ装置
【課題】 直接上準位を励起することにより、ＵＶ光または可視光領域のレーザを発生させることができるレーザ装置を提供することである。
【解決手段】 励起光源と該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、
励起光源に励起光の波長が３４０〜５００ｎｍの範囲内であるチッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋が少なくとも１つ添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、かつレーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置。
【解決手段】 励起光源と該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、
励起光源に励起光の波長が３４０〜５００ｎｍの範囲内であるチッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋が少なくとも１つ添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、かつレーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＶ光または可視光などの短波長のレーザを発生させる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、加工・通信・計測などの多くの分野でレーザが用いられるようになってきた。最近では、光技術の進展に伴い、ＵＶや可視波長のような、より短波長なレーザが必要とされている。特に、半導体の製造、蛍光顕微鏡分野、医療・バイオ用途などの分野では、ＵＶ〜可視波長のレーザが必要不可欠になりつつある。
【０００３】
しかし、現存する高出力レーザのほとんどは、特に近赤外〜赤外の波長領域にあり、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ（６５０ｎｍ〜１１００ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１０６４ｎｍ）、半導体レーザ（波長８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９６０ｎｍ、９７０〜９８０ｎｍ、等）などが挙げられる。
【０００４】
可視波長領域で直接発光する半導体レーザは少なく、チッ化ガリウム系半導体光源による３８０〜５００ｎｍ、赤半導体６３５ｎｍ、６５０ｎｍ帯など、限られたものしかない。これらの波長以外で、現在入手できる可視レーザのほとんどは、上記の高出力な近赤外レーザを波長変換することにより得られている（非特許文献１）。
【０００５】
波長変換には非線形光学結晶（ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶等）や分極反転素子（ＰＰＬＮ等）などの波長変換デバイスが用いられる。
【０００６】
しかし、非線形光学結晶を用いた場合、基本波と高調波の進行方向が異なる（いわゆるウォークオフ）ため、高効率な波長変換が得られない。また、分極反転素子を用いた場合にも、分極反転の周期構造の不均一や素子温度の変化などに起因した損失が必ず発生する。以上から分かるように、現存しない可視波長のレーザを波長変換により生成する場合、基本波となる近赤外レーザを新たに作製し、かつ、非線形光学結晶または分極反転素子を新たに設計し、さらには、波長変換デバイスの温度調節を正確に行う必要があり、極めて困難である。
【０００７】
また、可視光レーザを得る他の手段として、アップコンバージョン現象を用いる方法がある。この方法は、所望の発光波長よりも長い波長の励起光を、希土類イオンに多段階に吸収させることによって、より短波長の光を得る方法である（非特許文献２）。しかし、アップコンバージョンによる発光は、多段階の吸収過程を必要とするが故に、途中の準位から所望の準位以外へと電子状態が遷移してしまうので、その分の励起エネルギーを損失してしまう。
【０００８】
高効率なレーザ発振を得るための１つの手段は、レーザ発振の上準位以上を直接励起することである。最近、波長４４５ｎｍのチッ化ガリウム系半導体レーザを励起光源としたＰｒ３＋添加フッ化物ファイバレーザ（レーザ発振波長６３５ｎｍ）が提案されている（非特許文献３）。波長４４５ｎｍ付近は、Ｐｒ３＋イオンの吸収帯にまさに一致している上、６３５ｎｍ帯のレーザ発振は４準位系のレーザ発振であるため、基底準位吸収（ＧＳＡ）がなく、容易にレーザ発振させることができる。しかし、その他の希土類において、半導体レーザで直接上準位を励起してレーザ発振させることが困難であり、今までに報告がない。
【０００９】
また、非特許文献３では、チッ化ガリウム系半導体レーザのビーム形状を整形する際に、アナモルフィックプリズム対を利用している。アナモルフィックプリズム対を用いた光学系では、プリズムにより光軸がシフトするため非点収差が発生する。特に、励起光を光導波路等に集光する場合、この非点収差が結合効率を悪化させてしまう。
【００１０】
また、チッ化ガリウム系半導体光源として、チッ化ガリウム（ＧａＮ）半導体の他に、アルミニウムが添加されているチッ化アルミニウムガリウム（ＧａＡｌＮ）半導体、インジウムが添加されているチッ化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮ）半導体を用いる光源が知られており、チッ化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップは３６０ｎｍであり、Ｉｎ（インジウム）を加えると発光波長は長波長側にシフトし、Ａｌ（アルミニウム）を加えると発光波長は短波長側にシフトすることが知られている（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｋｌａｕｓ Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ、 Ｓｔｅｐｈａｎ Ｓｃｈｉｌｌｅｒ、 Ｊｕｒｇｅｎ Ｍｌｙｎｅｋ、 Ｍａｒｋｕｓ Ｂｏｄｅ， ａｎｄ Ｉｎｇｏ Ｆｒｅｉｔａｇ，：‘１．１−Ｗ ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ５３２−ｎｍ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｂｙ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｎｄ：ＹＡＧ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ’，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ２１ Ｉｓｓｕｅ ２４， ｐｐ．１９９９−２００１ (１９９６)
【非特許文献２】Ｗｈｉｔｌｅｙ，Ｔ．Ｊ．， Ｍｉｌｌａｒ，Ｃ．Ａ．， Ｗｙａｔｔ， Ｒ．， Ｂｒｉｅｒｌｅｙ，Ｍ．Ｃ．， Ｓｚｅｂｅｓｔａ， Ｄ．：‘Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｕｍｐｅｄ ｇｒｅｅｎ ｌａｓｉｎｇ ｉｎ ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｒｅ’，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２７， Ｉｓｓｕｅ ２０， ｐｐ１７８５ − １７８６
【非特許文献３】ＷＥＩＣＨＭＡＮＮ， Ｕ．， ＢＡＩＥＲ， Ｊ．， ＢＥＮＧＯＥＣＨＥＡ， Ｊ．， ａｎｄ ＭＯＥＮＣＨ， Ｈ． ： ‘ＧａＮ−ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋：ＺＢＬＡＮ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ’， Ｐｒｏｃ． ＣＬＥＯ／Ｅｕｒｏｐｅ−ＩＱＥＣ， Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ．， Ｍｕｎｉｃｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ， ２００７
【非特許文献４】Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｉ．， Ｍｅｙｅｒ，Ｊ．Ｒ．‘Ｂａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｎｉｔｒｏｇｅｎ-ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ’ Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ９４， ３６７５ （２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のように、レーザ媒質の発光波長が所望の波長帯域（ＵＶや可視領域）にない場合、異なる波長帯の既存レーザに対して、必ず損失を伴う波長変換手段をとる必要がある。たとえ既存のレーザ波長と波長変換デバイスの組み合わせたとしても、得ることのできないレーザ波長帯も存在することは言うまでもない。
【００１３】
また、 アップコンバージョン現象を用いて所望の波長帯域（ＵＶや可視領域）の発光を得る場合においても、複数の励起過程を経る間に、一部の励起エネルギーを失ってしまうので効率的ではない。
【００１４】
唯一、ＧＳＡが存在しないため、レーザ発振させることができるＰｒ３＋を用いたレーザにおいては、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いた上準位を直接励起する方法が報告されているが、アナモルフィックプリズム対を利用するため非点収差が発生し、結合効率を悪化する。さらにその他の希土類において、直接上準位を励起してレーザ発振させる報告されておらず、ＵＶおよび可視波長領域のレーザ装置は限られている。
【００１５】
本発明では、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、直接上準位を励起することにより、ＵＶ光または可視光領域のレーザを発生させることができるレーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、種々の希土類元素を用いて、ＵＶ光・可視光領域のレーザが構成できることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１７】
すなわち本発明は、励起光源と、該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、励起光源に、励起光の波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋のいずれか１種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置を提供するものである。
【００１８】
さらには、該共振器の光路中に、該所望の波長帯においてシングルモードとなる光導波路が少なくとも１つ挿入されていることを特徴とする記載のレーザ装置、該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とするレーザ装置、または該レーザ媒質の片端または両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とするレーザ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、ＵＶ光または可視光領域のレーザ発振を高効率に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による実施形態の例を示すものである。
【図２】本発明による実施形態の例を示すものである。
【図３】本発明の第１の実施例を示す。
【図４】本発明の第１の実施例による発振スペクトルを示す。
【図５】本発明の第１の実施例による出力特性を示す。
【図６】本発明の第２の実施例を示す。
【図７】本発明の第３の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明における実施形態の例を、図１を用いて示す。図１の例は、励起光源１０１、集光レンズ１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４、レーザ光部分反射ミラー１０５により構成される。励起光源１０１より放出される励起光は、集光レンズ１０２により集光され、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４の端面１０４−ａへ結合される。励起側のファイバ端１０４−ａは直角に研磨されており、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３に隙間なく密着させられている。出力側のファイバ端１０４−ｂも直角に研磨されており、レーザ光部分反射ミラー１０５に隙間なく密着させられている。
【００２２】
希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４へ結合された励起光は、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４内を伝搬する間に吸収され、自然放出光（ＡＳＥ光）を放出する。ＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３およびレーザ光部分反射ミラー１０５により構成された共振器中を往復することによりレーザ光となり、一部がレーザ光部分反射ミラー１０５を透過して出力される。
【００２３】
集光レンズ１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３は、励起光の波長においてＡＲコーティングされていることが望ましい。レーザ光部分反射ミラー１０５の反射率は、該ミラー１０５を透過して出力されるレーザ光が最大になるように定められるのが望ましい。
【００２４】
ファイバ端面（１０４−ａまたは１０４−ｂ）と励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３またはレーザ光部分反射ミラー１０５との密着面に空気層ができると、該ファイバ端面のコアと空気の屈折率差に起因するフレネル反射が生じ、所望の波長帯以外でレーザ発振してしまう可能性があるため、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３またはレーザ光部分反射ミラー１０５に密着させるファイバ端の研磨面は、該ファイバの光軸に対して垂直であることが好ましい。
【００２５】
該フレネル反射に起因する、所望の波長帯以外でのレーザ発振を抑制するために、図２に示すような構成をとることができる。図２は、図１の構成に加え、コリメートレンズ２０１が希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４とレーザ光部分反射ミラー１０５の間に配置されている。さらに励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端１０４−ｂはフレネル反射による戻り光を抑制するために、８°以上に斜め研磨され、コリメートレンズ２０１は希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４の発光波長帯において反射防止コーティングされている。これにより、励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端１０４−ｂで発生するフレネル反射を抑制できるため、所望の波長帯以外のレーザ発振を抑制することができる。上記のようなフレネル反射抑制手段は、励起側のファイバ端１０４−ａにおいても実施することができる。
【００２６】
また、図２においてコリメートレンズ２０１とレーザ光部分反射ミラー１０５の代わりに、凹面状のレーザ光部分反射ミラーの凹面側を希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ｂに向けて設置することにより、希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ｂより放出されるＡＳＥ光を反射し再び該ファイバ端面１０４−ｂに結合させることもできる。凹面状のレーザ光部分反射ミラーを用いた場合においても、発生するＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３および凹面状のレーザ光部分反射ミラーにより構成される共振器中を往復してレーザ光となり、一部が凹面状のレーザ光部分反射ミラーを透過して出力される。
【００２７】
あるいは、図１において、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面１０４−ａ上に直接施しても良い。また、レーザ光部分反射ミラー１０５をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面１０４−ｂ上に直接施しても良い。
【００２８】
また、レーザ媒質の例として希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４を用いているが、該ファイバ１０４の位置に配置されるレーザ媒質はファイバ形状である必要はなく、希土類添加フッ化物バルクガラス、希土類添加フッ化物バルク結晶、またはファイバ形状でない希土類添加フッ化物光導波路も使用できる。さらには、該レーザ媒質の両端または片端に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いることができる。
【００２９】
レーザ媒質に添加される希土類元素は、励起光源の発振波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内のいずれかの波長である光を吸収する希土類元素であればよいが、特に、Ｅｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３＋、Ｎｄ３＋が好ましい。
【００３０】
例えば、コアに添加される希土類元素が、Ｅｒ３＋では、発振波長が３５５ｎｍ〜３９０ｎｍ、４００ｎｍ〜４１５ｎｍｎｍ、４３８ｎｍ〜４６０ｎｍ、４７７ｎｍ〜４９７ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｈｏ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３７０ｎｍ、３８０ｎｍ〜３９０ｎｍ、４１０ｎｍ〜４２０ｎｍ、４４０ｎｍ〜４９５ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｓｍ３＋では、発振波長が３５５ｎｍ〜３８０ｎｍ、３９０ｎｍ〜４１０ｎｍｎｍ、４５５ｎｍ〜４９０ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｔｍ３＋では、発振波長が３４５ｎｍ〜３６５ｎｍ、４５５ｎｍ〜４８５ｎｍの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｄｙ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜〜４０５ｎｍ、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｅｕ３＋では、発振波長が３９０ｎｍ〜４００ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｔｂ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３８５ｎｍ、４７５ｎｍ〜４９５ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｎｄ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３６０ｎｍ、４２５ｎｍ〜４３５ｎｍ、４４５ｎｍ〜４８５ｎｍ、４９０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にある励起光を用いることができる。
【００３１】
また、励起光を添加されている希土類元素の励起に効率的に利用するためには、レーザ媒質のホストガラスとして低フォノンエネルギーを有する物質が好ましいことから、レーザ媒質にフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用いる。フッ化物ガラスよりフォノンエネルギーが大きい石英ガラスなどを増幅部の光導波路のコア部に用いると、非輻射緩和速度が速いために、添加されている希土類元素を励起しても、非発光の過程を経て基底状態に戻る割合が多くなるため、効率が悪い。
【００３２】
励起光源としては、発振波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲より選ばれる１つ以上の波長を有するものであれば特に限定されない。
【００３３】
例えば、チッ化ガリウム系半導体光源、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、色素レーザ、Ａｒイオンレーザ、波長変換レーザなどが利用できる。
【００３４】
しかし、サイズおよび消費電力を考慮すると、小型で消費電力の小さい光源である波長変換レーザまたはチッ化ガリウム系半導体光源が好ましい。また、電気／光変換効率に注目すると、波長変換レーザでは、基本波レーザを波長変換する際に損失が生じるので、直接３４０ｎｍ〜５００ｎｍ付近の波長を発光できる、チッ化ガリウム系半導体光源がより好ましい。
【００３５】
特にチッ化ガリウム系半導体光源において、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いる場合、その出射ビームは楕円形状をしているため、レーザ媒質が円形のコアを有する光ファイバなどの光導波路に対しては、円形ビームに変形するビームの整形を行うことが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズを用いてビームを整形した励起光とすることがより望ましい。
【００３６】
また、光導波路のレーザ媒質を用い、且つ、該レーザ媒質の片側または両側に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いる場合、該光導波路の導波路パラメータは、接続する導波路間の接続損失が０．２ｄＢ以下であるように設定されることが好ましい。導波路パラメータが大きく異なる場合には、接続部で損失が発生するだけではなく、構造の不整合に起因する反射が発生する可能性がある。さらに好ましくは、接続部分での反射を抑制するために、融着接続を用いるのが好ましい。
【００３７】
さらに、光導波路のレーザ媒質に石英系ガラスからなる光導波路を接続することは、下記の理由から、該レーザ媒質の励起光入射端の破損を防ぐ効果もある。励起光の形状が完全なシングルモードでない場合、励起光が光導波路に入射される際に、光の一部が光導波路のコアの外に放射されてしまう。また、励起光入射側の光導波路端面において、コア部近傍に傷や構造不整が在った場合には、電場集中により発熱する場合がある。特に、ガラス転移温度の低いフッ化物ガラス（ＺＢＬＡＮガラスでは約２８０℃）では注意が必要である。レーザ媒質の端面を保護するために、例えば図１に示される例において、励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ａに石英系ファイバを融着接続することもできる。石英系ガラスはフッ化物ガラスに比べてガラス転移温度が高いので、発熱に対する耐性が高い。
【００３８】
また、共振器中を往復している所望のレーザ光がマルチモードで発振している場合、該共振器の光路中に所望の波長帯でシングルモードである光導波路を挿入することにより、シングルモード以外の成分へ損失を与え、選択的にシングルモードでレーザ発振させることもできる。
【００３９】
また、使用する石英系ガラスからなる光導波路は、コア部が石英系ガラスであればよいが、紫外光〜可視光領域に対して吸収の少ないものが好ましい。特に、紫外〜青紫領域のレーザ発振を行う場合は、該光導波路のコア材料として、紫外〜青紫にかけて吸収を有するＧｅが高添加されている石英ガラスは好ましくなく、例えば、純粋石英ガラスを用いることが好ましい。
【００４０】
以下に、本発明を用いた具体的な実施例を開示する。
【実施例１】
【００４１】
図３に第１の実施例を示す。図３に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ４０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ４０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ：０．５５）、ミラー４０９（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：７６％、その他の波長は透過）により構成される。
【００４２】
励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。レーザ光が透過する光学部品４０８には波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ、８２０ｎｍ〜８８０ｎｍ、および１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着させた。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨した。ミラー４０９を透過してきた光を測定用ファイバ（コア径：６２．５μｍ、マルチモードＧＩ型ファイバ）に結合し、その波長スペクトルを光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）を用いて測定した。
【００４３】
その結果、励起光１２０ｍＷ以上投入したとき、波長５４３ｎｍ帯でレーザ発振を確認した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ４０７に励起光１７６ｍＷを結合させたとき、レーザ共振器から出力されたレーザ光の波長スペクトルを図４に示す。
【００４４】
また、透過光のうち波長５４３±１０ｎｍに含まれる光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長：５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。図５にファイバに投入した励起光パワーと得られたレーザ出力の関係を示す。最大２００ｍＷの励起光をファイバに投入すると、最大１２ｍＷのレーザ出力を得た。
【実施例２】
【００４５】
図６に第２の実施例を示す。図６に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ７０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ７０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ７０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ７０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ７０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ７０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、石英ファイバ７０９（Ｎｕｆｅｒｎ製４６０ＨＰ、ファイバ長：１ｍ、波長５４３ｎｍにおいてシングルモード）、非球面レンズ７１０（ＮＡ：０．５５）、ミラー７１１（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：８２％、その他の波長は透過）により構成される。励起光が透過する光学部品（７０２，７０３，７０４，７０５，７０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品７１０には波長５２０ｎｍ〜５６０ｎｍ、８３０ｎｍ〜８７０ｎｍ、１５１０ｎｍ〜１５７０ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面７０７−ａは直角に研磨され、フィルタ７０６に隙間なく密着させた。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７と石英ファイバ７０９は融着接続（融着接続部７０８）されている。
【００４６】
レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７は所望のレーザ波長（本実施例では５４３ｎｍ）において、シングルモードであることが望ましいが、その必要はない。一般に、高出力なチッ化ガリウム系半導体光源のエミッタサイズ（今回使用した励起光源のエミッタサイズは約１μｍ×７μｍ）は、可視波長で動作するシングルモードファイバのコアサイズ（およそ３μｍ）に比べて大きい。故に、より多くの励起光をファイバのコアに導入させたい場合、コア直径を少し大きく設定するのがより好ましい。
【００４７】
本実施例では、より多くの励起光を利用するために、所望波長の５４３ｎｍにおいてマルチモードとなる希土類添加ファイバを用い、さらに、５４３ｎｍのレーザ光をシングルモード化するために、波長５４３ｎｍにおいてシングルモードである石英ファイバ７０９を導入した。好ましくは、励起光の伝搬を妨げないように、シングルモードファイバはＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７とミラー７１１の間に配置されるのがよい。
【００４８】
部分反射ミラー７１１を透過して得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）によりモニタしながら、励起パワーを増加させたとき、１３０ｍＷ以上の励起パワーにおいて、波長５４３ｎｍでレーザ発振を確認した。また、ミラー７１１を透過したレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長：５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７に励起光２００ｍＷを入射させたとき、５４３ｎｍレーザの出力は８ｍＷであった。尚、ミラー７１１を透過した光はシングルモードファイバより出射されているので、そのビーム形状はシングルモード（ＬＰ０１）であることは明らかである。
【実施例３】
【００４９】
図７に第３の実施例を示す。図７に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ８０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ８０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ８０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ８０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ８０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ８０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７（ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、石英ファイバで構成されたタップカプラ８０９（Ｎｕｆｅｒｎ製４６０ＨＰ：波長５４３ｎｍにおいてシングルモード、波長５４３ｎｍにおける分岐比は９：１）、ミラー８１１（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：９９．５％、その他の波長は透過）により構成される。
【００５０】
Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７は石英ファイバ８０９−ａと融着接続（融着接続部８０８）されている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７で発生した光はカプラの８０９−ａポートに入力され、８０９−ｂポートに９０％、８０９−ｄポートに１０％出力される。８０９−ｂポートに出力された光のうち、５４３±１０ｎｍの範囲の光はミラー８１１によって反射されて逆向きに進行し、再度、カプラのポート８０９−ｂに結合される。逆向きに進行する光のうち、９０％は８０９−ａポートに結合され、１０％は８０９−ｃポートに結合される。故に、レーザ光は８０９−ｃおよび８０９−ｄの両ポートから出力され、共振器より外部に取り出されるレーザ光は共振器内部に蓄えられているエネルギーの１９％に相当する。８０９−ｃおよび８０９−ｄポートのファイバ先端で発生した反射光は共振器内部へ再結合される可能性があるので、８０９−ｃおよび８０９−ｄポートのファイバ端面は、斜めクリーブの処理を施してある。斜めクリーブの処理の他に、光アイソレータを設置することでも反射光を抑制できる。
【００５１】
８０９−ｃポートより得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）によりモニタしながら、励起光２００ｍＷをＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７に投入し、励起パワーを増加させたとき、１２０ｍＷ以上の励起パワーにおいて、波長５４３ｎｍでレーザ発振を確認した。
次にポート８０９−ｃおよびポート８０９−ｄより出力されたレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７に励起光２００ｍＷを入射させたとき、２つの出力ポートから得られた５４３ｎｍレーザの出力の合計値は１１ｍＷであった。尚、ミラー８１１を透過した光はシングルモードファイバより射出されているので、そのビーム形状はシングルモード（ＬＰ０１）であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、医療・生物分野で使用される光源、工業用検査光源、ディスプレイ用光源、プロジェクション用光源、光ジャイロ用光源などとして利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１０１：励起光源
１０２：集光レンズ
１０３：励起光透過／レーザ光反射フィルタ
１０４：希土類添加フッ化物ガラスファイバ
１０４−ａ：励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０４−ｂ：励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０５：レーザ光部分反射ミラー
２０１：コリメートレンズ
４０１、７０１、８０１：チッ化ガリウム系半導体レーザ
４０２、４０５、４０８、７０２、７０５、７１０、８０２、８０５：非球面レンズ
４０３、４０４、７０３、７０４、８０３、８０４：シリンドリカルレンズ
４０６、７０６、８０６：フィルタ
４０７、７０７、８０７：Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ
４０７−ａ、７０７−ａ：励起側のＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０７−ｂ：励起側と反対のＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０９、７１１、８１１：ミラー
７０８、８０８：融着接続部
７０９：石英ファイバ
８０９：タップカプラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＶ光または可視光などの短波長のレーザを発生させる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、加工・通信・計測などの多くの分野でレーザが用いられるようになってきた。最近では、光技術の進展に伴い、ＵＶや可視波長のような、より短波長なレーザが必要とされている。特に、半導体の製造、蛍光顕微鏡分野、医療・バイオ用途などの分野では、ＵＶ〜可視波長のレーザが必要不可欠になりつつある。
【０００３】
しかし、現存する高出力レーザのほとんどは、特に近赤外〜赤外の波長領域にあり、例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ（６５０ｎｍ〜１１００ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１０６４ｎｍ）、半導体レーザ（波長８０８ｎｍ、９１５ｎｍ、９６０ｎｍ、９７０〜９８０ｎｍ、等）などが挙げられる。
【０００４】
可視波長領域で直接発光する半導体レーザは少なく、チッ化ガリウム系半導体光源による３８０〜５００ｎｍ、赤半導体６３５ｎｍ、６５０ｎｍ帯など、限られたものしかない。これらの波長以外で、現在入手できる可視レーザのほとんどは、上記の高出力な近赤外レーザを波長変換することにより得られている（非特許文献１）。
【０００５】
波長変換には非線形光学結晶（ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶等）や分極反転素子（ＰＰＬＮ等）などの波長変換デバイスが用いられる。
【０００６】
しかし、非線形光学結晶を用いた場合、基本波と高調波の進行方向が異なる（いわゆるウォークオフ）ため、高効率な波長変換が得られない。また、分極反転素子を用いた場合にも、分極反転の周期構造の不均一や素子温度の変化などに起因した損失が必ず発生する。以上から分かるように、現存しない可視波長のレーザを波長変換により生成する場合、基本波となる近赤外レーザを新たに作製し、かつ、非線形光学結晶または分極反転素子を新たに設計し、さらには、波長変換デバイスの温度調節を正確に行う必要があり、極めて困難である。
【０００７】
また、可視光レーザを得る他の手段として、アップコンバージョン現象を用いる方法がある。この方法は、所望の発光波長よりも長い波長の励起光を、希土類イオンに多段階に吸収させることによって、より短波長の光を得る方法である（非特許文献２）。しかし、アップコンバージョンによる発光は、多段階の吸収過程を必要とするが故に、途中の準位から所望の準位以外へと電子状態が遷移してしまうので、その分の励起エネルギーを損失してしまう。
【０００８】
高効率なレーザ発振を得るための１つの手段は、レーザ発振の上準位以上を直接励起することである。最近、波長４４５ｎｍのチッ化ガリウム系半導体レーザを励起光源としたＰｒ３＋添加フッ化物ファイバレーザ（レーザ発振波長６３５ｎｍ）が提案されている（非特許文献３）。波長４４５ｎｍ付近は、Ｐｒ３＋イオンの吸収帯にまさに一致している上、６３５ｎｍ帯のレーザ発振は４準位系のレーザ発振であるため、基底準位吸収（ＧＳＡ）がなく、容易にレーザ発振させることができる。しかし、その他の希土類において、半導体レーザで直接上準位を励起してレーザ発振させることが困難であり、今までに報告がない。
【０００９】
また、非特許文献３では、チッ化ガリウム系半導体レーザのビーム形状を整形する際に、アナモルフィックプリズム対を利用している。アナモルフィックプリズム対を用いた光学系では、プリズムにより光軸がシフトするため非点収差が発生する。特に、励起光を光導波路等に集光する場合、この非点収差が結合効率を悪化させてしまう。
【００１０】
また、チッ化ガリウム系半導体光源として、チッ化ガリウム（ＧａＮ）半導体の他に、アルミニウムが添加されているチッ化アルミニウムガリウム（ＧａＡｌＮ）半導体、インジウムが添加されているチッ化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮ）半導体を用いる光源が知られており、チッ化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップは３６０ｎｍであり、Ｉｎ（インジウム）を加えると発光波長は長波長側にシフトし、Ａｌ（アルミニウム）を加えると発光波長は短波長側にシフトすることが知られている（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｋｌａｕｓ Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ、 Ｓｔｅｐｈａｎ Ｓｃｈｉｌｌｅｒ、 Ｊｕｒｇｅｎ Ｍｌｙｎｅｋ、 Ｍａｒｋｕｓ Ｂｏｄｅ， ａｎｄ Ｉｎｇｏ Ｆｒｅｉｔａｇ，：‘１．１−Ｗ ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ５３２−ｎｍ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｂｙ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｎｄ：ＹＡＧ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ’，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ２１ Ｉｓｓｕｅ ２４， ｐｐ．１９９９−２００１ (１９９６)
【非特許文献２】Ｗｈｉｔｌｅｙ，Ｔ．Ｊ．， Ｍｉｌｌａｒ，Ｃ．Ａ．， Ｗｙａｔｔ， Ｒ．， Ｂｒｉｅｒｌｅｙ，Ｍ．Ｃ．， Ｓｚｅｂｅｓｔａ， Ｄ．：‘Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｕｍｐｅｄ ｇｒｅｅｎ ｌａｓｉｎｇ ｉｎ ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｒｅ’，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ２７， Ｉｓｓｕｅ ２０， ｐｐ１７８５ − １７８６
【非特許文献３】ＷＥＩＣＨＭＡＮＮ， Ｕ．， ＢＡＩＥＲ， Ｊ．， ＢＥＮＧＯＥＣＨＥＡ， Ｊ．， ａｎｄ ＭＯＥＮＣＨ， Ｈ． ： ‘ＧａＮ−ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋：ＺＢＬＡＮ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ’， Ｐｒｏｃ． ＣＬＥＯ／Ｅｕｒｏｐｅ−ＩＱＥＣ， Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ．， Ｍｕｎｉｃｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ， ２００７
【非特許文献４】Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｉ．， Ｍｅｙｅｒ，Ｊ．Ｒ．‘Ｂａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｎｉｔｒｏｇｅｎ-ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ’ Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ９４， ３６７５ （２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のように、レーザ媒質の発光波長が所望の波長帯域（ＵＶや可視領域）にない場合、異なる波長帯の既存レーザに対して、必ず損失を伴う波長変換手段をとる必要がある。たとえ既存のレーザ波長と波長変換デバイスの組み合わせたとしても、得ることのできないレーザ波長帯も存在することは言うまでもない。
【００１３】
また、 アップコンバージョン現象を用いて所望の波長帯域（ＵＶや可視領域）の発光を得る場合においても、複数の励起過程を経る間に、一部の励起エネルギーを失ってしまうので効率的ではない。
【００１４】
唯一、ＧＳＡが存在しないため、レーザ発振させることができるＰｒ３＋を用いたレーザにおいては、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いた上準位を直接励起する方法が報告されているが、アナモルフィックプリズム対を利用するため非点収差が発生し、結合効率を悪化する。さらにその他の希土類において、直接上準位を励起してレーザ発振させる報告されておらず、ＵＶおよび可視波長領域のレーザ装置は限られている。
【００１５】
本発明では、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、直接上準位を励起することにより、ＵＶ光または可視光領域のレーザを発生させることができるレーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、種々の希土類元素を用いて、ＵＶ光・可視光領域のレーザが構成できることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１７】
すなわち本発明は、励起光源と、該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、励起光源に、励起光の波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋のいずれか１種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置を提供するものである。
【００１８】
さらには、該共振器の光路中に、該所望の波長帯においてシングルモードとなる光導波路が少なくとも１つ挿入されていることを特徴とする記載のレーザ装置、該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とするレーザ装置、または該レーザ媒質の片端または両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とするレーザ装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、ＵＶ光または可視光領域のレーザ発振を高効率に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による実施形態の例を示すものである。
【図２】本発明による実施形態の例を示すものである。
【図３】本発明の第１の実施例を示す。
【図４】本発明の第１の実施例による発振スペクトルを示す。
【図５】本発明の第１の実施例による出力特性を示す。
【図６】本発明の第２の実施例を示す。
【図７】本発明の第３の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明における実施形態の例を、図１を用いて示す。図１の例は、励起光源１０１、集光レンズ１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４、レーザ光部分反射ミラー１０５により構成される。励起光源１０１より放出される励起光は、集光レンズ１０２により集光され、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４の端面１０４−ａへ結合される。励起側のファイバ端１０４−ａは直角に研磨されており、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３に隙間なく密着させられている。出力側のファイバ端１０４−ｂも直角に研磨されており、レーザ光部分反射ミラー１０５に隙間なく密着させられている。
【００２２】
希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４へ結合された励起光は、希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４内を伝搬する間に吸収され、自然放出光（ＡＳＥ光）を放出する。ＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３およびレーザ光部分反射ミラー１０５により構成された共振器中を往復することによりレーザ光となり、一部がレーザ光部分反射ミラー１０５を透過して出力される。
【００２３】
集光レンズ１０２、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３は、励起光の波長においてＡＲコーティングされていることが望ましい。レーザ光部分反射ミラー１０５の反射率は、該ミラー１０５を透過して出力されるレーザ光が最大になるように定められるのが望ましい。
【００２４】
ファイバ端面（１０４−ａまたは１０４−ｂ）と励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３またはレーザ光部分反射ミラー１０５との密着面に空気層ができると、該ファイバ端面のコアと空気の屈折率差に起因するフレネル反射が生じ、所望の波長帯以外でレーザ発振してしまう可能性があるため、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３またはレーザ光部分反射ミラー１０５に密着させるファイバ端の研磨面は、該ファイバの光軸に対して垂直であることが好ましい。
【００２５】
該フレネル反射に起因する、所望の波長帯以外でのレーザ発振を抑制するために、図２に示すような構成をとることができる。図２は、図１の構成に加え、コリメートレンズ２０１が希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４とレーザ光部分反射ミラー１０５の間に配置されている。さらに励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端１０４−ｂはフレネル反射による戻り光を抑制するために、８°以上に斜め研磨され、コリメートレンズ２０１は希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４の発光波長帯において反射防止コーティングされている。これにより、励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端１０４−ｂで発生するフレネル反射を抑制できるため、所望の波長帯以外のレーザ発振を抑制することができる。上記のようなフレネル反射抑制手段は、励起側のファイバ端１０４−ａにおいても実施することができる。
【００２６】
また、図２においてコリメートレンズ２０１とレーザ光部分反射ミラー１０５の代わりに、凹面状のレーザ光部分反射ミラーの凹面側を希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ｂに向けて設置することにより、希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ｂより放出されるＡＳＥ光を反射し再び該ファイバ端面１０４−ｂに結合させることもできる。凹面状のレーザ光部分反射ミラーを用いた場合においても、発生するＡＳＥ光は励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３および凹面状のレーザ光部分反射ミラーにより構成される共振器中を往復してレーザ光となり、一部が凹面状のレーザ光部分反射ミラーを透過して出力される。
【００２７】
あるいは、図１において、励起光透過／レーザ光反射フィルタ１０３をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面１０４−ａ上に直接施しても良い。また、レーザ光部分反射ミラー１０５をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面１０４−ｂ上に直接施しても良い。
【００２８】
また、レーザ媒質の例として希土類添加フッ化物ガラスファイバ１０４を用いているが、該ファイバ１０４の位置に配置されるレーザ媒質はファイバ形状である必要はなく、希土類添加フッ化物バルクガラス、希土類添加フッ化物バルク結晶、またはファイバ形状でない希土類添加フッ化物光導波路も使用できる。さらには、該レーザ媒質の両端または片端に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いることができる。
【００２９】
レーザ媒質に添加される希土類元素は、励起光源の発振波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内のいずれかの波長である光を吸収する希土類元素であればよいが、特に、Ｅｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３＋、Ｎｄ３＋が好ましい。
【００３０】
例えば、コアに添加される希土類元素が、Ｅｒ３＋では、発振波長が３５５ｎｍ〜３９０ｎｍ、４００ｎｍ〜４１５ｎｍｎｍ、４３８ｎｍ〜４６０ｎｍ、４７７ｎｍ〜４９７ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｈｏ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３７０ｎｍ、３８０ｎｍ〜３９０ｎｍ、４１０ｎｍ〜４２０ｎｍ、４４０ｎｍ〜４９５ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｓｍ３＋では、発振波長が３５５ｎｍ〜３８０ｎｍ、３９０ｎｍ〜４１０ｎｍｎｍ、４５５ｎｍ〜４９０ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｔｍ３＋では、発振波長が３４５ｎｍ〜３６５ｎｍ、４５５ｎｍ〜４８５ｎｍの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｄｙ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜〜４０５ｎｍ、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｅｕ３＋では、発振波長が３９０ｎｍ〜４００ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｔｂ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３８５ｎｍ、４７５ｎｍ〜４９５ｎｍのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ｎｄ３＋では、発振波長が３４０ｎｍ〜３６０ｎｍ、４２５ｎｍ〜４３５ｎｍ、４４５ｎｍ〜４８５ｎｍ、４９０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にある励起光を用いることができる。
【００３１】
また、励起光を添加されている希土類元素の励起に効率的に利用するためには、レーザ媒質のホストガラスとして低フォノンエネルギーを有する物質が好ましいことから、レーザ媒質にフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用いる。フッ化物ガラスよりフォノンエネルギーが大きい石英ガラスなどを増幅部の光導波路のコア部に用いると、非輻射緩和速度が速いために、添加されている希土類元素を励起しても、非発光の過程を経て基底状態に戻る割合が多くなるため、効率が悪い。
【００３２】
励起光源としては、発振波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲より選ばれる１つ以上の波長を有するものであれば特に限定されない。
【００３３】
例えば、チッ化ガリウム系半導体光源、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、色素レーザ、Ａｒイオンレーザ、波長変換レーザなどが利用できる。
【００３４】
しかし、サイズおよび消費電力を考慮すると、小型で消費電力の小さい光源である波長変換レーザまたはチッ化ガリウム系半導体光源が好ましい。また、電気／光変換効率に注目すると、波長変換レーザでは、基本波レーザを波長変換する際に損失が生じるので、直接３４０ｎｍ〜５００ｎｍ付近の波長を発光できる、チッ化ガリウム系半導体光源がより好ましい。
【００３５】
特にチッ化ガリウム系半導体光源において、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いる場合、その出射ビームは楕円形状をしているため、レーザ媒質が円形のコアを有する光ファイバなどの光導波路に対しては、円形ビームに変形するビームの整形を行うことが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズを用いてビームを整形した励起光とすることがより望ましい。
【００３６】
また、光導波路のレーザ媒質を用い、且つ、該レーザ媒質の片側または両側に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いる場合、該光導波路の導波路パラメータは、接続する導波路間の接続損失が０．２ｄＢ以下であるように設定されることが好ましい。導波路パラメータが大きく異なる場合には、接続部で損失が発生するだけではなく、構造の不整合に起因する反射が発生する可能性がある。さらに好ましくは、接続部分での反射を抑制するために、融着接続を用いるのが好ましい。
【００３７】
さらに、光導波路のレーザ媒質に石英系ガラスからなる光導波路を接続することは、下記の理由から、該レーザ媒質の励起光入射端の破損を防ぐ効果もある。励起光の形状が完全なシングルモードでない場合、励起光が光導波路に入射される際に、光の一部が光導波路のコアの外に放射されてしまう。また、励起光入射側の光導波路端面において、コア部近傍に傷や構造不整が在った場合には、電場集中により発熱する場合がある。特に、ガラス転移温度の低いフッ化物ガラス（ＺＢＬＡＮガラスでは約２８０℃）では注意が必要である。レーザ媒質の端面を保護するために、例えば図１に示される例において、励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面１０４−ａに石英系ファイバを融着接続することもできる。石英系ガラスはフッ化物ガラスに比べてガラス転移温度が高いので、発熱に対する耐性が高い。
【００３８】
また、共振器中を往復している所望のレーザ光がマルチモードで発振している場合、該共振器の光路中に所望の波長帯でシングルモードである光導波路を挿入することにより、シングルモード以外の成分へ損失を与え、選択的にシングルモードでレーザ発振させることもできる。
【００３９】
また、使用する石英系ガラスからなる光導波路は、コア部が石英系ガラスであればよいが、紫外光〜可視光領域に対して吸収の少ないものが好ましい。特に、紫外〜青紫領域のレーザ発振を行う場合は、該光導波路のコア材料として、紫外〜青紫にかけて吸収を有するＧｅが高添加されている石英ガラスは好ましくなく、例えば、純粋石英ガラスを用いることが好ましい。
【００４０】
以下に、本発明を用いた具体的な実施例を開示する。
【実施例１】
【００４１】
図３に第１の実施例を示す。図３に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ４０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ４０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ４０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ４０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ４０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ４０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ４０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、非球面レンズ４０８（ＮＡ：０．５５）、ミラー４０９（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：７６％、その他の波長は透過）により構成される。
【００４２】
励起光が透過する光学部品（４０２，４０３，４０４，４０５，４０６）は波長４４８ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。レーザ光が透過する光学部品４０８には波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ、８２０ｎｍ〜８８０ｎｍ、および１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面４０７−ａは直角に研磨され、フィルタ４０６に隙間なく密着させた。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面４０７−ｂはフレネル反射を抑制するために、８°研磨した。ミラー４０９を透過してきた光を測定用ファイバ（コア径：６２．５μｍ、マルチモードＧＩ型ファイバ）に結合し、その波長スペクトルを光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）を用いて測定した。
【００４３】
その結果、励起光１２０ｍＷ以上投入したとき、波長５４３ｎｍ帯でレーザ発振を確認した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ４０７に励起光１７６ｍＷを結合させたとき、レーザ共振器から出力されたレーザ光の波長スペクトルを図４に示す。
【００４４】
また、透過光のうち波長５４３±１０ｎｍに含まれる光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長：５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。図５にファイバに投入した励起光パワーと得られたレーザ出力の関係を示す。最大２００ｍＷの励起光をファイバに投入すると、最大１２ｍＷのレーザ出力を得た。
【実施例２】
【００４５】
図６に第２の実施例を示す。図６に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ７０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ７０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ７０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ７０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ７０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ７０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７（ホストガラス：ＺＢＬＡＮガラス、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、石英ファイバ７０９（Ｎｕｆｅｒｎ製４６０ＨＰ、ファイバ長：１ｍ、波長５４３ｎｍにおいてシングルモード）、非球面レンズ７１０（ＮＡ：０．５５）、ミラー７１１（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：８２％、その他の波長は透過）により構成される。励起光が透過する光学部品（７０２，７０３，７０４，７０５，７０６）は波長４４８ｎｍにおいてＡＲコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品７１０には波長５２０ｎｍ〜５６０ｎｍ、８３０ｎｍ〜８７０ｎｍ、１５１０ｎｍ〜１５７０ｎｍにおいて反射防止コーティングされている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面７０７−ａは直角に研磨され、フィルタ７０６に隙間なく密着させた。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７と石英ファイバ７０９は融着接続（融着接続部７０８）されている。
【００４６】
レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７は所望のレーザ波長（本実施例では５４３ｎｍ）において、シングルモードであることが望ましいが、その必要はない。一般に、高出力なチッ化ガリウム系半導体光源のエミッタサイズ（今回使用した励起光源のエミッタサイズは約１μｍ×７μｍ）は、可視波長で動作するシングルモードファイバのコアサイズ（およそ３μｍ）に比べて大きい。故に、より多くの励起光をファイバのコアに導入させたい場合、コア直径を少し大きく設定するのがより好ましい。
【００４７】
本実施例では、より多くの励起光を利用するために、所望波長の５４３ｎｍにおいてマルチモードとなる希土類添加ファイバを用い、さらに、５４３ｎｍのレーザ光をシングルモード化するために、波長５４３ｎｍにおいてシングルモードである石英ファイバ７０９を導入した。好ましくは、励起光の伝搬を妨げないように、シングルモードファイバはＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７とミラー７１１の間に配置されるのがよい。
【００４８】
部分反射ミラー７１１を透過して得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）によりモニタしながら、励起パワーを増加させたとき、１３０ｍＷ以上の励起パワーにおいて、波長５４３ｎｍでレーザ発振を確認した。また、ミラー７１１を透過したレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長：５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ７０７に励起光２００ｍＷを入射させたとき、５４３ｎｍレーザの出力は８ｍＷであった。尚、ミラー７１１を透過した光はシングルモードファイバより出射されているので、そのビーム形状はシングルモード（ＬＰ０１）であることは明らかである。
【実施例３】
【００４９】
図７に第３の実施例を示す。図７に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ８０１（インジウム添加有り、中心波長４４８ｎｍ：日亜化学工業製）、非球面レンズ８０２（ＮＡ：０．６０）、シリンドリカルレンズ８０３（ｆ＝−２５ｍｍ）、シリンドリカルレンズ８０４（ｆ＝５０ｍｍ）、非球面レンズ８０５（ＮＡ：０．３０）、フィルタ８０６(ＡＲ：４４８ｎｍ、ＨＲ：４７０−５７０ｎｍ)、レーザ媒質であるＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７（ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ３＋：３０００ｐｐｍ、ＮＡ：０．２２、コア径：３．３μｍ、ファイバ長：６５ｃｍ）、石英ファイバで構成されたタップカプラ８０９（Ｎｕｆｅｒｎ製４６０ＨＰ：波長５４３ｎｍにおいてシングルモード、波長５４３ｎｍにおける分岐比は９：１）、ミラー８１１（波長：５４３±１０ｎｍにおいて反射率：９９．５％、その他の波長は透過）により構成される。
【００５０】
Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７は石英ファイバ８０９−ａと融着接続（融着接続部８０８）されている。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７で発生した光はカプラの８０９−ａポートに入力され、８０９−ｂポートに９０％、８０９−ｄポートに１０％出力される。８０９−ｂポートに出力された光のうち、５４３±１０ｎｍの範囲の光はミラー８１１によって反射されて逆向きに進行し、再度、カプラのポート８０９−ｂに結合される。逆向きに進行する光のうち、９０％は８０９−ａポートに結合され、１０％は８０９−ｃポートに結合される。故に、レーザ光は８０９−ｃおよび８０９−ｄの両ポートから出力され、共振器より外部に取り出されるレーザ光は共振器内部に蓄えられているエネルギーの１９％に相当する。８０９−ｃおよび８０９−ｄポートのファイバ先端で発生した反射光は共振器内部へ再結合される可能性があるので、８０９−ｃおよび８０９−ｄポートのファイバ端面は、斜めクリーブの処理を施してある。斜めクリーブの処理の他に、光アイソレータを設置することでも反射光を抑制できる。
【００５１】
８０９−ｃポートより得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ（ＡＮＤＯ製：ＡＱ−６３１５Ａ）によりモニタしながら、励起光２００ｍＷをＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７に投入し、励起パワーを増加させたとき、１２０ｍＷ以上の励起パワーにおいて、波長５４３ｎｍでレーザ発振を確認した。
次にポート８０９−ｃおよびポート８０９−ｄより出力されたレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ（透過波長５４３±１０ｎｍ）および、パワーメータヘッド（Ａｎｒｉｔｓｕ製：ＭＡ９４１１Ａ）を用いて測定した。Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ８０７に励起光２００ｍＷを入射させたとき、２つの出力ポートから得られた５４３ｎｍレーザの出力の合計値は１１ｍＷであった。尚、ミラー８１１を透過した光はシングルモードファイバより射出されているので、そのビーム形状はシングルモード（ＬＰ０１）であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、医療・生物分野で使用される光源、工業用検査光源、ディスプレイ用光源、プロジェクション用光源、光ジャイロ用光源などとして利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１０１：励起光源
１０２：集光レンズ
１０３：励起光透過／レーザ光反射フィルタ
１０４：希土類添加フッ化物ガラスファイバ
１０４−ａ：励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０４−ｂ：励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
１０５：レーザ光部分反射ミラー
２０１：コリメートレンズ
４０１、７０１、８０１：チッ化ガリウム系半導体レーザ
４０２、４０５、４０８、７０２、７０５、７１０、８０２、８０５：非球面レンズ
４０３、４０４、７０３、７０４、８０３、８０４：シリンドリカルレンズ
４０６、７０６、８０６：フィルタ
４０７、７０７、８０７：Ｅｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ
４０７−ａ、７０７−ａ：励起側のＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０７−ｂ：励起側と反対のＥｒ３＋添加フッ化物ガラスファイバ端面
４０９、７１１、８１１：ミラー
７０８、８０８：融着接続部
７０９：石英ファイバ
８０９：タップカプラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源と、該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、
励起光源に、励起光の波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋のいずれか１種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、
かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
該共振器の光路中に、該所望の波長帯においてシングルモードとなる光導波路が少なくとも１つ挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
該レーザ媒質の片端または両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１】
励起光源と、該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第１のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第２のミラーが対向して設置され、さらに第１のミラーと第２のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、
励起光源に、励起光の波長が３４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともＥｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｓｍ３＋、Ｔｍ３＋、Ｄｙ３＋、Ｅｕ３＋、Ｔｂ３、またはＮｄ３＋のいずれか１種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、
かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
該共振器の光路中に、該所望の波長帯においてシングルモードとなる光導波路が少なくとも１つ挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
該レーザ媒質の片端または両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−８０９２７（Ｐ２０１０−８０９２７Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７０３８４（Ｐ２００９−１７０３８４）
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２１日（２００９．７．２１）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]