JP2001223423A

JP2001223423A - レーザー装置

Info

Publication number: JP2001223423A
Application number: JP2000034109A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Urata; 佳治浦田; Tomoyuki Wada; 智之和田; Hideo Tashiro; 英夫田代
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-17
Also published as: EP1124294A3; EP1124294A2; US6567442B2; US20010022794A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネ
ット結晶が元来有する優れた特性を備えるとともに全体
の大きさを小型化したレーザー媒質を用いることによ
り、装置全体の大きさを小型化することができるように
したレーザー装置を提供する。【解決手段】共振器内にレーザー媒質を配置し、上記レ
ーザー媒質に励起光を入射することにより上記共振器内
においてレーザー発振を生じさせて、上記共振器からレ
ーザー光を出射させるレーザー装置において、上記レー
ザー媒質は、レーザー活性イオンとしてネオジムが原子
数の比率で１．３％を越える濃度となるように添加され
たイットリウムアルミニウムガーネット単結晶とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー装置に関
し、さらに詳細には、装置全体の大きさを小型化するこ
とのできるレーザー装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】従来より、レーザー活性イオンとしてネ
オジム（Ｎｄ）が添加（以下、「ドープ」と適宜称す
る。）されたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ
ＡＧ）結晶であるネオジム添加イットリウムアルミニウ
ムガーネット（以下、「Ｎｄ：ＹＡＧ」と適宜称す
る。）結晶は、固体レーザー媒質を代表する材料の一つ
として知られている。

【０００３】その理由は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は、レーザ
ー媒質として用いた場合に数多くの利点を有しているた
めである。

【０００４】即ち、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は、レーザー媒質
として比較的大きな利得を持っており、しかも化学的・
物理的に安定しているとともに機械的にも高い強度を備
えており、さらには熱伝導率が高く高出力レーザー装置
に使用可能であり、また結晶作成方法が確立されていて
安定的に供給可能であるというように、種々の利点を備
えている。

【０００５】ところで、近年においては、レーザー装置
として、レーザーダイオードから出射されるビームを励
起光として使用する、即ち、励起光が半導体レーザー励
起により入射されるようにした半導体レーザー励起固体
レーザー装置が用いられるようになっている。

【０００６】こうした半導体レーザー励起固体レーザー
装置におけるレーザー媒質として用いられるレーザー結
晶に求められる性質の一つとしては、励起光の吸収係数
が大きいということがある。

【０００７】その理由は、半導体レーザー励起固体レー
ザー装置は小型化が可能であるが、半導体レーザー励起
固体レーザー装置を効率的に小型化するためには、レー
ザーダイオードのビームの大部分を僅かな距離で吸収さ
せるために励起光の吸収長の短いレーザー結晶を用いる
必要があり、そのため励起光の吸収係数が大きいレーザ
ー結晶がレーザー媒質として求められるものであった。

【０００８】ここで、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶においては、レ
ーザー活性イオンであるネオジムを添加する際には、ネ
オジムがイットリウムのイオンを置換することになるも
のであるが、従来においては、原子数の比率にして１．
３％程度の濃度が最大の濃度であり、それ以上の濃度で
イオンの置換を行ってネオジムを添加することはなかっ
た。

【０００９】一方、半導体レーザー励起固体レーザー装
置のレーザー媒質として広く用いられているイットリウ
ムバナデート（以下、「ＹＶＯ」と適宜称する。）結晶
は、原子数の比率にして３％程度の高い濃度で、レーザ
ー活性イオンであるネオジムを添加することが容易に可
能である。

【００１０】そして、原子数の比率にして１％の濃度で
ネオジムを添加したＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収係数は約８
ｃｍ^−１であるのに対して、原子数の比率にして３％の
高濃度でネオジムを添加したネオジム添加イットリウム
バナデート（以下、「Ｎｄ：ＹＶＯ」と適宜称する。）
結晶の吸収係数は約４０ｃｍ^−１という高い値を示すも
のであった。

【００１１】このため、励起光の９０％を吸収するため
に必要とされる吸収長、即ち、結晶の長さとしては、吸
収係数が約８ｃｍ^−１のＮｄ：ＹＡＧ結晶においては３
ｍｍ程度の長さを必要とするの対して、吸収係数が約４
０ｃｍ^−１のＮｄ：ＹＶＯ結晶においては僅かに０．５
ｍｍ程度の長さで十分であった。

【００１２】このように、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶は、半導体
レーザー励起固体レーザー装置のレーザー媒質として要
求される吸収係数が大きいという特質を備えるものであ
るが、その一方で、レーザー媒質として用いた場合に数
多くの不利な点も有している。

【００１３】即ち、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶は、熱伝導率がＮ
ｄ：ＹＡＧ結晶の３分の１程度しかないので熱を排出し
難いものであり、また、レーザー上準位の寿命がＮｄ：
ＹＡＧ結晶とくらべて９０μ秒と短いのでエネルギーの
蓄積量が小さいものであり、また、光学異方性を備える
ため決まった偏光で発振されやすいとともに熱的にも歪
みが生じやすいものであり、また、結晶の作成が困難で
あるなどの不利な点がある。

【００１４】このような理由から、Ｎｄ：ＹＶＯ結晶は
小出力、低閾値の半導体レーザー励起固体レーザー装置
のレーザー媒質としては好ましいものであるが、加工応
用などに用いるための大出力、高閾値の半導体レーザー
励起固体レーザー装置のレーザー媒質としては、大きさ
が大型化することになるにも関わらずＮｄ：ＹＡＧ結晶
が用いられているものであり、このためレーザー装置の
全体の大きさも大型化せざるを得なかった。

【００１５】従って、装置全体の大きさを小型化するこ
とのできるレーザー装置の提案が強く望まれていた。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、ネオジム添加イットリウ
ムアルミニウムガーネット結晶が元来有する優れた特性
を備えるとともに全体の大きさを小型化したレーザー媒
質を用いることにより、装置全体の大きさを小型化する
ことができるようにしたレーザー装置を提供しようとす
るものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に記載の発明は、共振器内に
レーザー媒質を配置し、上記レーザー媒質に励起光を入
射することにより上記共振器内においてレーザー発振を
生じさせて、上記共振器からレーザー光を出射させるレ
ーザー装置において、上記レーザー媒質を、レーザー活
性イオンとしてネオジムが原子数の比率で１．３％を越
える濃度となるように添加されたイットリウムアルミニ
ウムガーネット単結晶としたものである。

【００１８】従って、本発明のうち請求項１に記載の発
明によれば、レーザー活性イオンとしてネオジムを原子
数の比率で１．３％を越える濃度で添加したイットリウ
ムアルミニウムガーネット単結晶をレーザー媒質として
用いるものであり、このように高濃度でネオジムを添加
したイットリウムアルミニウムガーネット単結晶よりな
るレーザー媒質は、励起光に対して高い吸収係数が得ら
れるので、ネオジム添加イットリウムアルミニウムガー
ネット結晶が元来有する優れた特性を備えるとともに全
体の大きさを小型化することができ、このためレーザー
装置の全体の大きさも小型化することができるようにな
る。

【００１９】ここで、本発明のうち請求項２に記載の発
明のように、上記レーザー媒質は、上記ネオジムが原子
数の比率で２％乃至３％の濃度となるように添加しても
よい。

【００２０】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
のように、上記励起光は半導体レーザー励起により入射
されるようにしてもよい。

【００２１】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
のように、上記半導体レーザー励起は縦励起としてもよ
い。

【００２２】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
のように、上記半導体レーザー励起は横励起としてもよ
い。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明によるレーザー装置の実施の形態の一例を詳
細に説明する。

【００２４】まず、図１には、本発明の実施の形態の一
例によるレーザー装置に用いるレーザー媒質を作成する
ための電気炉の模式図が示されており、この電気炉１０
は、所謂、ＴＧＴ法（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒａ
ｄｉｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ：テンパレーチャーグ
ラディエント法）と称される結晶作成法により、レーザ
ー媒質として、高濃度でネオジム添加したネオジム添加
イットリウムアルミニウムガーネット単結晶を作成する
ためのものである。

【００２５】この電気炉１０は、モリブデン製の熱隔壁
１２で被覆されたグラファイトヒーター１４によってモ
リブデン製の坩堝１６を覆うことにより、坩堝１６近傍
の温度が高温になるように構成されている。

【００２６】グラファイトヒーター１４の下部に位置す
る電極側ならびに坩堝１６の底部側は水冷ロッド１８に
よって冷却されており、これによって電気炉１０内にお
ける温度勾配を実現している。即ち、坩堝１６の上部側
の温度が高くなり、坩堝１６の底部側の温度が低くなる
ように設定されることになる。

【００２７】ここで、坩堝１６の底部には種結晶２０が
配置されており、この種結晶２０を核にしてＹＡＧ結晶
を成長させるものである。

【００２８】一般的な融液成長法であるチョコラルスキ
ー法（Ｃｚ法）では固融界面が露出しており、外部の温
度変化の影響を受けやすい。ところが、この電気炉１０
を用いたＴＧＴ法では固融界面が融液に覆われているの
で、外部の温度変化の影響は界面に達する前の大きく緩
和されることになり、上記したＣｚ法にくらべて外部の
温度変化の影響を受け難くなる。

【００２９】また、Ｃｚ法では坩堝の底部側から上部側
に向かって温度が低下するものであるが、これに対し
て、上記したようにこの電気炉１０を用いたＴＧＴ法で
は、坩堝１６の底部側から上部側に向かって温度が上昇
するようになっている。このため、Ｃｚ法で発生する融
液の対流が、ＴＧＴ法ではかなり抑制されることにな
る。

【００３０】上記したように、ＴＧＴ法によれば、固融
界面が外部の温度変化の影響を受け難いとともに坩堝１
６内における融液の対流が抑制されるので、安定した結
晶成長を実現でき、また偏析を抑制することができるよ
うになる。

【００３１】こうしたＴＧＴ法を用いて結晶成長させる
ことにより、レーザー活性イオンとしてネオジムを原子
数の比率で１．３％を越える濃度で添加したイットリウ
ムアルミニウムガーネット単結晶を作成することがで
き、これをレーザー媒質とするものである。

【００３２】即ち、ＴＧＴ法を用いて結晶成長させるこ
とにより、例えば、原子数の比率で２％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ単結晶と、原子数の比率で３％のＮ
ｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶とを作成すること
ができ、これをレーザー媒質とすることができる。

【００３３】図２には、上記したようにして作成した原
子数の比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単
結晶ならびに原子数の比率で３％のＮｄがドープされた
Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶に関して、本願発明者による吸収ス
ペクトルの測定結果が示されている。

【００３４】即ち、この図２は、厚さ（ｔ）が１ｍｍ
（ｔ＝１ｍｍ）で、原子数の比率で２％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ単結晶（図２において、「２ａｔ
％」で表す。なお、図３以降においても、「２ａｔ％」
は原子数の比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡ
Ｇ単結晶を表すものとする。）および原子数の比率で３
％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶（図２にお
いて、「３ａｔ％」で示す。図３以降においても、「３
ａｔ％」は原子数の比率で３％のＮｄがドープされたＮ
ｄ：ＹＡＧ単結晶を表すものとする。）の８１０ｎｍ周
辺の吸収スペクトルを分光光度計で取得した本願発明者
による測定結果を示すグラフである。なお、図２におい
て、縦軸は光学濃度を示し、横軸は波長を示している。

【００３５】そして、図２に示すグラフに基づいて、こ
れらＮｄ：ＹＡＧ単結晶を半導体レーザー励起固体レー
ザー装置のレーザー媒質として使用する際における、レ
ーザーダイオード励起で励起光として使用するピーク波
長が８０９ｎｍの光に対する吸収ピークについてまとめ
た表が、図３に示す表である。

【００３６】この図３の表に示されているように、吸収
ピークにおける吸収係数は、原子数の比率で２％のＮｄ
がドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶では２１．６ｃｍ
^−１であり、原子数の比率で３％のＮｄがドープされた
Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶では３２．１ｃｍ^−１である。

【００３７】ここで、原子数の比率で１％のＮｄがドー
プされたＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収ピークにおける吸収係
数は、１１ｃｍ^−１であることが一般的に知られてい
る。従って、原子数の比率で２％のＮｄがドープされた
Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶では、原子数の比率で１％のＮｄが
ドープされたＮｄ：ＹＡＧ結晶の略２倍の吸収係数が得
られ、原子数の比率で３％のＮｄがドープされたＮｄ：
ＹＡＧ単結晶では、原子数の比率で１％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ結晶の略３倍の吸収係数が得られる
ものである。

【００３８】このため、原子数の比率で２％のＮｄがド
ープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶ならびに原子数の比率で
３％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶において
は、原子数の比率で１％のＮｄがドープされたＮｄ：Ｙ
ＡＧ結晶とくらべて、励起光の９０％を吸収するために
必要とされる吸収長、即ち、結晶の長さを著しく短縮す
ることができる。

【００３９】また、バンド幅については、原子数の比率
で３％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶の方
が、原子数の比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：Ｙ
ＡＧ単結晶に比べて僅かに広いものであった。これは、
８０９ｎｍのピーク波長においてだけではなく、他のピ
ーク波長についても同様であった。

【００４０】次に、原子数の比率で２％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ単結晶または原子数の比率で３％の
ＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶などのように、
レーザー活性イオンとしてＮｄを原子数の比率で１．３
％を越える濃度で添加したＮｄ：ＹＡＧ単結晶をレーザ
ー媒質として用いて構成されたレーザー装置について説
明する。

【００４１】なお、説明を簡略化するために、原子数の
比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶な
らびに原子数の比率で３％のＮｄがドープされたＮｄ：
ＹＡＧ単結晶などのように、レーザー活性イオンとして
Ｎｄを原子数の比率で１．３％を越える濃度で添加した
Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶を総称して、単に「高濃度Ｎｄ添加
ＹＡＧ単結晶」と称することとする。

【００４２】まず、図４には、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単
結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装
置のなかで、パルス発振動作させるレーザー装置が示さ
れている。

【００４３】この図４に示すレーザー装置１００は、レ
ーザー媒質たる高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２と、
励起光を生成するためのチタンサファイアレーザー１０
４と、全反射鏡１０６、１０８と、集光レンズ１１０
と、出射ミラー１１２とを有して構成されている。

【００４４】ここで、チタンサファイアレーザー１０４
は、パルス発振動作させる励起光を生成するための励起
光源としての励起レーザーであって、波長が８０８．６
ｎｍであり、最大出力パワーが平均して４０ｍＷであ
り、パルス幅が８０ｎｓの１ｋＨｚ繰り返しのチタンサ
ファイアレーザーである。

【００４５】また、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２
は、「縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍ」の大きさにカ
ットされており、チタンサファイアレーザー１０４と対
向する第１表面１０２ａは、波長が１０６４ｎｍの光を
全反射するとともに波長が８０９ｎｍの光に対して無反
射となるようにコーティングを施され、出射ミラー１１
２と対向する第２表面１０２ｂは、波長が１０６４ｎｍ
の光に対して無反射となるようにコーティングを施され
ている。

【００４６】さらに、出射ミラー１１２は、高濃度Ｎｄ
添加ＹＡＧ単結晶１０２と対向する面が曲率半径５０ｍ
ｍの凹面１１２ａとして形成されるとともに、他方の面
が平坦面１１２ｂとして形成されている。また、凹面１
１２ａは、波長が１０６４ｎｍの光の反射率が９０％と
なるようなコーティングを施されていて、凹面鏡として
構成されている。なお、平坦面１１２ｂには、コーディ
ングは施されていない。

【００４７】なお、集光レンズ１１０は、溶融石英硝子
により形成されており、１００ｍｍの焦点距離を備える
ようになされている。

【００４８】従って、このレーザー装置１００において
は、第１表面１０２ａと凹面１１２ａとにより共振器が
構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質と
して高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２が配置されてい
ることになる。なお、共振器のキャビティ長は３ｍｍに
設定している。

【００４９】以上の構成において、チタンサファイアレ
ーザー１０４から出射された励起光を、全反射鏡１０
６、１０８を介して集光レンズ１１０に入射すると、集
光レンズ１１０は励起光を高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶
１０２に集光して入射する。

【００５０】このようにすると、共振器内においてレー
ザー発振を生じ、出射ミラー１１２の平坦面１１２ｂか
らレーザー光が出射されることになる。

【００５１】図５（ａ）（ｂ）は、本願発明者による実
験結果を示すグラフであり、図５（ａ）には、図４に示
すレーザー装置１００において、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ
単結晶１０２として原子数の比率で２％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合における入出力
特性のグラフが示されており、また、図５（ｂ）には、
図４に示すレーザー装置１００において、高濃度Ｎｄ添
加ＹＡＧ単結晶１０２として原子数の比率で３％のＮｄ
がドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合におけ
る入出力特性のグラフが示されている。なお、図５
（ａ）（ｂ）に示すグラフにおいて、横軸が吸収された
パワーを示し、縦軸の●印が出力パワーを示し、縦軸の
■印が各点におけるエネルギー効率を示している。

【００５２】そして、原子数の比率で２％のＮｄがドー
プされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶においては、発振しきい値
が５．９ｍＷであり、２６ｍＷの吸収されたパワーに対
して１３ｍＷの出力パワーが得られ、この点で最大効率
５０％を達成することができた。スロープ効率は６５
％、量子効率にすれば８６％に達した。

【００５３】これに対して、原子数の比率で３％のＮｄ
がドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶においては、発振し
きい値は若干高くなって７．４ｍＷであり、最大効率は
３０ｍＷ励起時に４３％であった。スロープ効率は５２
％であった。

【００５４】次に、図６には、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単
結晶をレーザー媒質として用いて構成されたレーザー装
置のなかで、ＣＷ（連続波）発振動作させるレーザー装
置が示されている。この図６に示すレーザー装置は、半
導体レーザー励起固体レーザー装置として構成されてい
る。

【００５５】なお、図６に示すレーザー装置の構成にお
いて、図４に示すレーザー装置１００の構成と同一ある
いは相当する構成に関しては、図４において用いた符号
と同一の符号を用いて示すこととし、その詳細な構成な
らびに作用の説明は省略する。

【００５６】この図６に示すレーザー装置２００は、レ
ーザー媒質たる高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２と、
励起光としてのビームを生成するための励起光源として
のレーザーダイオード２０２と、レーザーダイオード２
０２を加熱するためのヒートシンク２０４と、レーザー
ダイオード２０２から出射された励起光としてのビーム
を高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２に集光して入射す
るグラディエントインデックスレンズ２０６と、出射ミ
ラー２０８とを有して構成されている。

【００５７】ここで、レーザーダイオード２０２は、Ｇ
ａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの２００μｍのシングルストライ
プレーザーダイオードであり、波長が２５℃で８０９ｎ
ｍであり、最大出力パワーが２Ｗである。

【００５８】また、ヒートシンク２０４は、銅製のブロ
ックよりなるものであるが、水冷により冷却されてい
る。

【００５９】さらに、出射ミラー２０８は、高濃度Ｎｄ
添加ＹＡＧ単結晶１０２と対向する面が曲率半径７５０
ｍｍの凹面２０８ａとして形成されるとともに、他方の
面が平坦面２０８ｂとして形成されている。また、凹面
２０８ａは、波長が１０６４ｎｍの光の反射率が９５％
となるようなコーティングを施されていて、凹面鏡とし
て構成されている。なお、平坦面２０８ｂには、コーデ
ィングは施されていない。

【００６０】なお、グラディエントインデックスレンズ
２０６は、１．８ｍｍの直径を備えている。

【００６１】従って、このレーザー装置２００において
は、第１表面１０２ａと凹面２０８ａとにより共振器が
構成されることになり、この共振器内にレーザー媒質と
して高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２が配置されてい
ることになる。なお、共振器のキャビティ長は３ｍｍに
設定している。

【００６２】また、このレーザー装置２００における半
導体レーザー励起は、レーザー発振により共振器を往復
する光の光軸と略一致する方向からレーザー媒質たる高
濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２に励起光を入射する縦
励起である。

【００６３】なお、図７には、注入電流２Ａ時における
レーザーダイオード２０２の発光スペクトルが示されて
おり、発光線幅は約１．２ｍｍであった。注入電流の増
加に伴い、発光スペクトルのピークは長波長側にシフト
して線幅は増大したが、本願発明者の実験においては、
最大電流２Ａにおいて吸収が最大になるようにレーザー
ダイオード２０２の温度を設定した。また、本願発明者
の実験においては、注入電流に応じた最適化は行わなか
った。

【００６４】以上の構成において、レーザーダイオード
２０２から出射された励起光としてのビームを、グラデ
ィエントインデックスレンズ２０６に入射すると、グラ
ディエントインデックスレンズ２０６はビームを高濃度
Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２に集光して入射する。

【００６５】このようにすると、共振器内においてレー
ザー発振を生じ、出射ミラー２０８の平坦面２０８ｂか
らレーザー光が出射されることになる。

【００６６】図８（ａ）（ｂ）は、本願発明者による実
験結果を示すグラフであり、図８（ａ）には、図６に示
すレーザー装置２００において、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ
単結晶１０２として原子数の比率で２％のＮｄがドープ
されたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合における入出力
特性のグラフが示されており、また、図８（ｂ）には、
図６に示すレーザー装置２００において、高濃度Ｎｄ添
加ＹＡＧ単結晶１０２として原子数の比率で３％のＮｄ
がドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合におけ
る入出力特性のグラフが示されている。なお、図８
（ａ）（ｂ）に示すグラフにおいて、横軸が吸収された
パワーを示し、縦軸の●印が出力パワーを示し、縦軸の
■印が各点におけるエネルギー効率を示している。

【００６７】そして、原子数の比率で２％のＮｄがドー
プされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶においては、発振しきい値
が１１０ｍＷであり、吸収されたパワーが５５０ｍＷに
おいて最大効率４４％を達成することができた。スロー
プ効率は５６％、量子効率にすれば７４％に達した。

【００６８】これに対して、原子数の比率で３％のＮｄ
がドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶においては、発振し
きい値は若干高くなって２４０ｍＷであり、最大効率は
７６０ｍＷ励起時に３２％であった。また、スロープ効
率は５２％であった。

【００６９】上記したように、高濃度でＮｄをドープし
たＮｄ：ＹＡＧ単結晶においては、８０９ｎｍの吸収ピ
ークにおける吸収係数はドープ濃度に比例し、原子数の
比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶に
おいては、原子数の比率で１％のＮｄがドープされたＮ
ｄ：ＹＡＧ単結晶に比べて略２倍高い数値が得られ、ま
た、原子数の比率で３％のＮｄがドープされたＮｄ：Ｙ
ＡＧ単結晶においては、原子数の比率で１％のＮｄがド
ープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶に比べて略３倍高い数値
が得られた。

【００７０】即ち、高濃度でＮｄを添加したＮｄ：ＹＡ
Ｇ単結晶は励起光に対して高い吸収係数が得られるた
め、これにより、高濃度でＮｄをドープしたＮｄ：ＹＡ
Ｇ単結晶は、原子数の比率で１％のＮｄがドープされた
Ｎｄ：ＹＶＯ結晶と同程度の吸収長を持つことができる
ようになるものである。

【００７１】従って、高濃度でＮｄをドープしたＮｄ：
ＹＡＧ単結晶をレーザー媒質として用いたレーザー装置
においては、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶が元来有する優れた特性
を備えるとともに全体の大きさを小型化したレーザー装
置を実現することができる。

【００７２】なお、高濃度でＮｄをドープしたＮｄ：Ｙ
ＡＧ単結晶をレーザー媒質として用いて小型化、半導体
レーザー励起固体レーザー化されたレーザー装置におい
ては、従来のランプ励起のレーザー装置に比べて電気か
ら光への変換効率が著しく増加し、また、単一縦モード
化が容易になる。

【００７３】なお、上記した実施の形態は、以下に説明
する（１）乃至（４）に示すように変形してもよい。

【００７４】（１）上記した実施の形態においては、ネ
オジムを原子数の比率で２％または３％の濃度でイット
リウムアルミニウムガーネット単結晶に添加した場合に
ついて説明したが、これに限られるものではないことは
勿論であり、ネオジムをイットリウムアルミニウムガー
ネット単結晶に添加する濃度は、原子数の比率で１．３
％を越える濃度のような高濃度であればよいものであ
り、好ましくは１．５％以上の濃度であり、さらに好ま
しくは１．８％以上の濃度であり、より好ましくは２％
乃至３％の濃度である。

【００７５】（２）上記した実施の形態においては、半
導体レーザー励起は縦励起によるものとしたが、これに
限られるものではないことは勿論であり、レーザー発振
により共振器を往復する光の光軸の軸方向と略直交する
方向からレーザー媒質に励起光を入射する横励起によ
り、半導体レーザー励起を行うようにしてもよい。

【００７６】（３）上記した実施の形態においては、レ
ーザー媒質として高濃度でネオジムを添加したイットリ
ウムアルミニウムガーネット単結晶を作成する手法とし
て、ＴＧＴ法（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒａｄｉｅ
ｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いたが、これに限られ
るものではないことは勿論であり、上記したＣｚ法を用
いるようにしてもよく、また、ブリッジマン法、レーザ
ーアブレーション法、フローティングゾーン法、レーザ
ーヒーテッドペドストラル法などの各種の手法を用いて
もよい。

【００７７】（４）上記した実施の形態ならびに上記し
た（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせ
て用いるようにしてもよい。

【００７８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、ネオジム添加イットリウムアルミニウムガ
ーネット結晶が元来有する優れた特性を備えるとともに
全体の大きさを小型化したレーザー媒質を用いることに
より、装置全体の大きさを小型化することができるよう
にしたレーザー装置を提供することができるという優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例によるレーザー装置
に用いるレーザー媒質を作成するための電気炉の模式図
である。

【図２】厚さ（ｔ）が１ｍｍ（ｔ＝１ｍｍ）の原子数の
比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶
（図２において、「２ａｔ％」で示す。）および原子数
の比率で３％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶
（図２において、「３ａｔ％」で示す。）の８１０ｎｍ
周辺の吸収スペクトルを分光光度計で取得した本願発明
者による測定結果を示すグラフであり、縦軸は光学濃度
を示し、横軸は波長を示している。

【図３】図２に示すグラフに基づいて、原子数の比率で
２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶（図３に
おいて、「２ａｔ％」で示す。）ならびに原子数の比率
で３％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶（図３
において、「３ａｔ％」で示す。）を半導体レーザー励
起固体レーザー装置のレーザー媒質として使用する際に
おける、レーザーダイオード励起で励起光として使用す
るピーク波長が８０８．８５ｎｍの光に対する吸収ピー
クについてまとめた表である。

【図４】高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶をレーザー媒質と
して用いて構成されたレーザー装置のなかで、パルス発
振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明図であ
る。

【図５】（ａ）（ｂ）は、本願発明者による実験結果を
示すグラフであり、（ａ）は、図４に示すレーザー装置
において、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶として原子数の
比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を
用いた場合における入出力特性のグラフであり、また、
（ｂ）は、図４に示すレーザー装置において、高濃度Ｎ
ｄ添加ＹＡＧ単結晶として原子数の比率で３％のＮｄが
ドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合における
入出力特性のグラフである。なお、（ａ）（ｂ）に示す
グラフにおいて、横軸が吸収されたパワーを示し、縦軸
の●印が出力パワーを示し、縦軸の■印が各点における
エネルギー効率を示している。

【図６】高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶をレーザー媒質と
して用いて構成されたレーザー装置のなかで、ＣＷ（連
続波）発振動作させるレーザー装置を示す概略構成説明
図である。

【図７】注入電流２Ａ時における図６に示すレーザー装
置のレーザーダイオードの発光スペクトルを示すグラフ
である。

【図８】（ａ）（ｂ）は、本願発明者による実験結果を
示すグラフであり、（ａ）は、図６に示すレーザー装置
において、高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶として原子数の
比率で２％のＮｄがドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を
用いた場合における入出力特性のグラフであり、また、
（ｂ）は、図６に示すレーザー装置において、高濃度Ｎ
ｄ添加ＹＡＧ単結晶として原子数の比率で３％のＮｄが
ドープされたＮｄ：ＹＡＧ単結晶を用いた場合における
入出力特性のグラフである。なお、（ａ）（ｂ）に示す
グラフにおいて、横軸が吸収されたパワーを示し、縦軸
の●印が出力パワーを示し、縦軸の■印が各点における
エネルギー効率を示している。

【符号の説明】

１０電気炉１２熱隔壁１４グラファイトヒーター１６坩堝１８水冷ロッド２０種結晶１００、２００レーザー装置１０２高濃度Ｎｄ添加ＹＡＧ単結晶１０２ａ第１表面１０２ｂ第２表面１０４チタンサファイアレーザー１０６、１０８全反射鏡１１０集光レンズ１１２、２０８出射ミラー１１２ａ、２０８ａ凹面１１２ｂ、２０っｂ平坦面２０２レーザーダイオード２０４ヒートシンク２０６グラディエントインデックスレ
ンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F072 AB02 JJ01 PP07 PP10 RR01 SS06 SS10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器内にレーザー媒質を配置し、前記
レーザー媒質に励起光を入射することにより前記共振器
内においてレーザー発振を生じさせて、前記共振器から
レーザー光を出射させるレーザー装置において、前記レーザー媒質は、レーザー活性イオンとしてネオジ
ムが原子数の比率で１．３％を越える濃度となるように
添加されたイットリウムアルミニウムガーネット単結晶
であるレーザー装置。
【請求項２】請求項１に記載のレーザー装置におい
て、前記レーザー媒質は、前記ネオジムが原子数の比率で２
％乃至３％の濃度となるように添加されたものであるレ
ーザー装置。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれか１項
に記載のレーザー装置において、前記励起光は半導体レ
ーザー励起により入射されるものであるレーザー装置。
【請求項４】請求項３に記載のレーザー装置におい
て、前記半導体レーザー励起は縦励起であるレーザー装置。
【請求項５】請求項３に記載のレーザー装置におい
て、前記半導体レーザー励起は横励起であるレーザー装置。