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【発明の名称】 |
半導体レーザ励起固体レーザ |
| 【発明者】 |
【氏名】内藤 健太 |
【課題】Ｎｄ３＋を活性イオンとする半導体レーザ励起固体レーザの励起エネルギーの利用効率を高めること。
【解決手段】Ｎｄ３＋活性イオンとする半導体レーザ励起固体レーザにおいて、前記Ｎｄ３＋の４Ｉ９／２準位から４Ｆ３／２準位への光学遷移に対応する波長で発振する半導体レーザを励起光源とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 Ｎｄ３＋を活性イオンとする固体レーザと前記固体レーザを励起する半導体レーザとを備えてなる半導体レーザ励起固体レーザにおいて、前記半導体レーザが発振する前記固体レーザのＮｄ３＋の４Ｉ９／２準位から４Ｆ３／２準位へ光学遷移させる波長で前記固体レーザを励起してなることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを励起光源とする半導体レーザ励起固体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】実用的固体レーザとしてはＮｄ３＋を活性イオンとしたものが主流で、その代表的なものとしてＹＡＧレーザ、ガラスレーザが知られている。このような固体レーザを励起する光源としては、かつてはランプが用いられていたが、高効率化と、コンパクト化を得るために最近では半導体レーザ（ＬＤ）を用いたものが開発されている。
【０００３】図２は、従来のＮｄ３＋を活性イオンとし、半導体レーザを励起光源とした半導体レーザ励起固体レーザの励起／発光プロセスを示す、Ｎｄ３＋（固体結晶場中）のエネルギー準位図である。
【０００４】従来、固体レーザを励起する半導体レーザの発振波長は、固体レーザのＮｄ３＋の４Ｉ９／２準位（基底準位）から４Ｆ５／２準位および２Ｈ９／２準位への光学遷移に対応する波長、例えばＹＡＧレーザでは８０８ｎｍ付近の波長、ガラスレーザでは８０３ｎｍ付近の波長が用いられている。この波長の光では、Ｎｄ３＋は基底準位から一旦４Ｆ３／２（レーザ上準位）よりもエネルギー的には高い準位まで励起され（図示ａ）、非輻射遷移による緩和過程でレーザ上準位に移行する（図示ｂ）。
【０００５】レーザ上準位のＮｄ３＋はレーザ遷移により４Ｉ１１／２準位（レーザ下準位）に遷移し（図示ｃ）、この過程でレーザ光Ｙが得られ、その後４Ｉ１１／２（レーザ下準位）から非輻射遷移によって基底準位まで緩和される（図示ｄ）。
【０００６】なお、図２は、４Ｆ３／２準位から４Ｉ１１／２準位のレーザ遷移させる場合のものについて示しているが、４Ｆ３／２準位から４Ｉ１３／２準位のレーザ遷移、４Ｆ３／２準位から４Ｉ９／２準位のレーザ遷移させるものについても同様の励起プロセスである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このように４Ｆ５／２準位および２Ｈ９／２準位を励起する方式では、励起光子１個から取り出すことが出来るレーザ光子（４Ｆ３／２準位から４Ｉ１１／２準位）は最大で１個である。励起光子のエネルギーは約１．６ｅＶであるのに対してレーザ光子のエネルギーは、（１）レーザ上準位から４Ｉ９／２準位間のレーザ遷移の場合約１．４ｅＶ（２）レーザ上準位から４Ｉ１１／２準位間のレーザ遷移の場合約１．２ｅＶ（３）レーザ上準位から４Ｉ１３／２準位間のレーザ遷移の場合約０．９ｅＶである。
【０００８】したがって、励起エネルギーの利用効率（レーザ光子エネルギー／励起エネルギー）としては、（１）レーザ上準位から４Ｉ９／２準位間のレーザ遷移の場合約８８％（２）レーザ上準位から４Ｉ１１／２準位間のレーザ遷移の場合約７５％（３）レーザ上準位から４Ｉ１３／２準位間のレーザ遷移の場合約５６％となり、原理的にこれ以上の励起エネルギー利用効率は得られないという問題がある。
【０００９】また、４Ｆ５／２準位及び２Ｈ９／２準位に励起されたＮｄ３＋は、必ずしも全てが緩和過程（図２のｂ）によりレーザ上準位に移行するとは限らず、励起光による光学遷移で励起された準位からレーザ上準位への移行確率（量子効率）は、一般的には１００％には満たないという問題があった。
【００１０】本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、Ｎｄ３＋を活性イオンとする半導体レーザ励起固体レーザの励起エネルギーの利用効率を高めることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、Ｎｄ３＋を活性イオンとする固体レーザと前記固体レーザを励起する半導体レーザとを備えてなる半導体レーザ励起固体レーザにおいて、前記半導体レーザが発振する前記固体レーザのＮｄ３＋の４Ｉ９／２準位から４Ｆ３／２準位へ光学遷移させる波長で前記固体レーザを励起してなることを特徴とする。
【００１２】本発明では、半導体レーザによりＮｄ３＋は非輻射遷移を伴う緩和プロセスなしに光学遷移で基底準位からレーザ上準位に直接励起されるので、量子効率は１００％となるとともに、レーザ上準位を１つ形成するために必要な励起光子のエネルギーも小さく済み励起エネルギーの利用効率の向上が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態のＮｄ３＋を活性イオンとし、半導体レーザを励起光源とした半導体レーザ励起固体レーザの励起／発光プロセスを示す、Ｎｄ３＋（固体結晶場中）のエネルギー準位図である。
【００１４】この実施の形態は、Ｎｄ３＋の４Ｆ３／２準位（レーザ上準位）から４Ｉ１１／２準位（レーザ下準位）のレーザ遷移させる場合で、固体レーザを励起する半導体レーザの発振波長を、固体レーザのＮｄ３＋の４Ｉ９／２準位（基底準位）からレーザ上準位への光学遷移に対応する波長としている。
【００１５】この波長の光では、Ｎｄ３＋は基底準位からレーザ上準位まで励起され（図示Ａ）、非輻射遷移による緩和過程を経ることなく、レーザ上準位のＮｄ３＋はレーザ遷移によりレーザ下準位に遷移し（図示Ｃ）、この過程でレーザ光Ｙが得られ、その後レーザ下準位から非輻射遷移によって基底準位まで緩和される（図示Ｄ）。なお、この図では４Ｉ１１／２準位をレーザ下準位とする場合のものについて示しているが、４Ｉ１３／２準位、４Ｉ９／２準位をレーザ下準位とするものについても同様の励起プロセスとなる。
【００１６】ＹＡＧレーザの場合、従来利用されている波長８０８ｎｍ付近の吸収バンドよりも波長８７０ｎｍ付近と波長８８５ｎｍ付近に比較的に強い吸収を示す吸収バンドがあり、この吸収バンドがＮｄ３＋の基底準位からレーザ上準位への光学遷移に対応している。したがって、波長８７０ｎｍもしくは波長８８５ｎｍ付近で発振できる半導体レーザで励起すれば良い。このような波長のレーザを発振する半導体レーザとしてはＧａＡｌＡｓ系もしくはＩｎＧａＡｓ系がある。
【００１７】この実施の形態では、レーザ下準位を４Ｉ１１／２準位とする場合、ＹＡＧレーザのレーザ遷移波長は１０６４ｎｍであるので、励起エネルギーの利用効率は８２〜８３％程度となり、従来の励起エネルギーの利用効率７６％よりも高めることができる。
【００１８】ガラスレーザの場合では、従来利用されている波長８０３ｎｍ付近の吸収バンドよりも波長８７５ｎｍ付近にピークをもったブロードな吸収バンドがあり、この吸収バンドがＮｄ３＋の基底準位からレーザ上準位への光学遷移に対応している。したがって、波長８７５ｎｍ付近で発振できる半導体レーザで励起すれば良い。この場合の半導体レーザとしてはＧａＡｌＡｓ系もしくはＩｎＧａＡｓ系がある。
【００１９】この実施の形態では、レーザ下準位を４Ｉ１１／２準位とする場合、ガラスレーザのレーザ遷移波長は１０５３ｎｍであるので、励起エネルギーの利用効率は８３％程度となり、従来の励起エネルギーの利用効率７６％よりも高めることができる。
【００２０】上記実施の形態では、レーザ上準位から４Ｉ１１／２準位間のレーザ遷移を利用するものであるが、レーザ上準位から４Ｉ９／２準位間、レーザ上準位から４Ｉ１３／２準位間のレーザ遷移を利用しても良い。この場合の励起エネルギーの利用効率は、レーザ上準位から４Ｉ９／２準位間のレーザ遷移にあっては約１００％、レーザ上準位から４Ｉ１３／２準位間のレーザ遷移にあっては約７５％が可能となる。
【００２１】なお、上記はＹＡＧレーザ、ガラスレーザを例にしているが、本発明は、Ｎｄ３＋を活性イオンとする全ての半導体レーザ励起固体レーザに適用できる。
【００２２】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば固体レーザのＮｄ３＋の４Ｉ９／２準位から４Ｆ３／２準位へ光学遷移させる波長を発振する半導体レーザを励起光源として固体レーザを励起するので、励起エネルギーの利用効率は向上し、また、量子効率も１００％が可能となり、Ｎｄ３＋を活性イオンとする半導体レーザ励起固体レーザ全体の効率の向上が可能となる。この効率の向上は、固体レーザ媒質への熱負荷の低減につながり、半導体レーザ励起固体レーザの冷却に対する要請も緩和される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９４２
【氏名又は名称】日新電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）８月２９日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 勝弘 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−７４５８９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）３月１６日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２７３２１８ |
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