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JP7624701B2 - Solid-state laser - Google Patents
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Description

本発明は、可視光域のレーザ光を出力し得る固体レーザに関する。 The present invention relates to a solid-state laser capable of outputting laser light in the visible light range.

固体レーザは、半導体レーザに比して、高品質のレーザ光を生成し得る等の点で利点があり、従来より、様々な技術分野で利用されている。そして、従来、固体レーザとしては、例えば特許文献1等に見られるようにNd:YVO4、Nd:YAG等、ネオジムイオンを添加した母材結晶をレーザ媒質(レーザ結晶)として使用し、1μm帯(近赤外域)のレーザ光を発振させるものが一般的に知られている。 Solid-state lasers have the advantage of being able to generate high-quality laser light compared to semiconductor lasers, and have been used in various technical fields. Conventionally, as shown in, for example, Patent Document 1, a solid-state laser generally known uses a host crystal doped with neodymium ions, such as Nd: YVO4 or Nd:YAG, as a laser medium (laser crystal) and oscillates laser light in the 1 μm band (near-infrared region).

また、例えば特許文献2等に見られるように、Yb:YAG、Yb:SYS等、イットリウムイオンを添加した母材結晶を使用し、1μm帯(近赤外域)のレーザ光を発振させる固体レーザ、あるいは、Tm:YLF等、ツリウムイオンを添加した母材結晶を使用し、2μm帯のレーザ光を発振させる固体レーザ、あるいは、Ho:YLF等、ホルミウムイオンを添加した母材結晶を使用し、2μm帯のレーザ光を発振させる固体レーザ等も知られている。 Also, as seen in Patent Document 2, for example, solid-state lasers that use a base crystal doped with yttrium ions, such as Yb:YAG or Yb:SYS, and emit laser light in the 1 μm band (near infrared region), or solid-state lasers that use a base crystal doped with thulium ions, such as Tm:YLF, and emit laser light in the 2 μm band, or solid-state lasers that use a base crystal doped with holmium ions, such as Ho:YLF, and emit laser light in the 2 μm band, are also known.

特開2019-016639号公報JP 2019-016639 A 特開2007-242940号公報JP 2007-242940 A

特許文献1,2に見られる如き、従来の固体レーザは、可視光域よりも長い波長域のレーザ光を発振するものであるため、該固体レーザが出力するレーザ光から、可視光域のレーザ光を得るためには、非線形光学結晶等を用いて、レーザ光の波長変換を行う必要がある。このため、可視光域のレーザ光を効率よく生成することが困難であると共に、可視光域のレーザ光を生成するための装置の大型化や高コスト化を招きやすい。 As seen in Patent Documents 1 and 2, conventional solid-state lasers emit laser light in a wavelength range longer than the visible light range, so in order to obtain visible light from the laser light output by the solid-state laser, it is necessary to convert the wavelength of the laser light using a nonlinear optical crystal or the like. This makes it difficult to efficiently generate visible light laser light, and also tends to lead to larger devices and higher costs for generating visible light laser light.

さらに、例えば、可視光域よりも波長が短い紫外域のレーザ光を生成する場合には、固体レーザから出力されるレーザ光を可視光域に波長変換することに加えて、該可視光域から紫外域へのさらなる波長変換が必要となる。ひいては、紫外域のレーザ光の生成効率のさらなる低下を招くと共に、紫外域のレーザ光の生成装置の大型化や高コスト化が助長されてしまう。 Furthermore, for example, when generating ultraviolet laser light, which has a shorter wavelength than the visible light range, in addition to converting the wavelength of the laser light output from the solid-state laser to the visible light range, further wavelength conversion from the visible light range to the ultraviolet range is required. This leads to a further decrease in the efficiency of generating ultraviolet laser light, and also leads to an increase in the size and cost of the device for generating ultraviolet laser light.

なお、可視光域のレーザ光を発振させ得る固体レーザとしては、例えば、チタンイオンを添加したサファイアをレーザ結晶として使用するチタン:サファイアレーザが一般的に知られている。しかるに、チタン:サファイアレーザでは、励起光は、Nd:YAG等の固体レーザにより得られる1μm帯のレーザ光を第2高調波のレーザ光に波長変換することで得られる。このため、可視光域のレーザ光を高効率で生成することが困難であると共に、励起光源の大型化や高コスト化を招きやすい。 As a solid-state laser capable of oscillating laser light in the visible light range, for example, a titanium:sapphire laser, which uses sapphire doped with titanium ions as the laser crystal, is commonly known. However, in a titanium:sapphire laser, the excitation light is obtained by wavelength conversion of 1 μm band laser light obtained from a solid-state laser such as Nd:YAG into second harmonic laser light. For this reason, it is difficult to generate laser light in the visible light range with high efficiency, and this tends to lead to an increase in the size and cost of the excitation light source.

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、波長変換を必要とせずに、可視光域のレーザ光を効率よく生成することができる固体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in light of this background, and aims to provide a solid-state laser that can efficiently generate laser light in the visible light range without requiring wavelength conversion.

本発明の発明者は、様々な実験の結果、ホルミウムイオンを添加した母材結晶等のレーザ媒質に対して、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位を基底準位である58から
55に励起させ得る波長を有する励起光(例えば、638nmの波長成分を有する励起光)を入射した場合、励起された電子のエネルギー準位が55から58に復帰し、その復帰に伴い、可視光域の波長(≒658nm)のレーザ光、すなわち、赤色域の波長のレーザ光がレーザ媒質から出射されるという現象を発見した。
As a result of various experiments, the inventors of the present invention have found that for a laser medium such as a host crystal doped with holmium ions, the energy level of the electrons of the holmium ions is increased from the ground level 5I8 to
We have discovered that when excitation light having a wavelength capable of exciting 5F5 (for example, excitation light having a wavelength component of 638 nm) is irradiated, the energy level of the excited electrons returns from 5F5 to 5I8 , and with this return, laser light with a wavelength in the visible light range (≈658 nm), i.e., laser light with a wavelength in the red range, is emitted from the laser medium.

なお、ホルミウムイオンを添加した母材結晶は、前記特許文献2に見られるように、2μm帯のレーザ光を生成し得るレーザ結晶として従来より知られているが、可視光域のレーザ光を生成するためのレーザ結晶としての使用については未だ知られていない。 As seen in Patent Document 2, the base crystal doped with holmium ions has been known for some time as a laser crystal capable of generating laser light in the 2 μm band, but its use as a laser crystal for generating laser light in the visible light range has not yet been known.

そこで、本発明の固体レーザは、ホルミウムイオンが添加されたレーザ媒質と、前記ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位を、基底準位である58から55に励起させる波長を有する励起光を前記レーザ媒質に入射する励起光源とを備えており、前記ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位が前記55から前記58まで直接的に復帰することに応じて生成されたレーザ光を出射するように構成されているとともに、前記励起光は、630~660[nm]の範囲に中心波長を有する励起光であることを特徴とする。 Therefore, the solid-state laser of the present invention comprises a laser medium doped with holmium ions, and an excitation light source that emits excitation light having a wavelength that excites the energy level of the electrons of the holmium ions from the ground level of 5I8 to 5F5 into the laser medium, and is configured to emit laser light generated in response to the direct return of the energy level of the electrons of the holmium ions from the 5F5 to the 5I8 , and is characterized in that the excitation light has a central wavelength in the range of 630 to 660 nm .

かかる本発明の固体レーザによれば、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位を58から55に励起させ得る励起光の波長(例えば638nm)と、その励起からのエネルギー準位の復帰に応じて出射されるレーザ光の波長(≒658nm)との差が微小であるため、励起光からレーザ光への変換効率が極めて高い。 In the solid- state laser of the present invention, the difference between the wavelength of the excitation light capable of exciting the energy level of the electrons of the holmium ions from 5I8 to 5F5 (e.g., 638 nm ) and the wavelength of the laser light emitted in response to the return of the energy level from that excitation (≈658 nm) is very small, and therefore the efficiency of conversion from the excitation light to the laser light is extremely high.

また、ホルミウムイオンの電子を58から55に励起させる波長を有する励起光源として、公知の半導体レーザ等を使用し得る。そして、可視光域のレーザ光をレーザ媒質から直接的に出射させることができる。 Also, a known semiconductor laser or the like can be used as an excitation light source having a wavelength that excites the electrons of the holmium ions from 5I8 to 5F5 . Then, a laser beam in the visible light region can be directly emitted from the laser medium.

よって、本発明の固体レーザによれば、波長変換を必要とせずに、可視光域のレーザ光を効率よく生成することができる。さらに、様々な種類のレーザ媒質で、可視光域のレーザ光を出力させることが可能となる。 Therefore, the solid-state laser of the present invention can efficiently generate laser light in the visible light range without requiring wavelength conversion. Furthermore, it is possible to output laser light in the visible light range using various types of laser media.

本発明の固体レーザでは、前記レーザ光を増幅して出射する共振器をさらに備えることが好ましい。これによれば、可視光域の高品質のレーザ光を高出力で出射させることが可能となる。 The solid-state laser of the present invention preferably further comprises a resonator that amplifies and emits the laser light. This makes it possible to emit high-quality laser light in the visible light range with high output.

また、本発明の固体レーザでは、前記レーザ媒質に対する前記ホルミウムイオンの添加割合は、0.2~5[at%]であることが好ましい。さらには、前記レーザ媒質に対する前記ホルミウムイオンの添加割合は、0.5~1.5[at%]であることがより好ましい。
これによれば、レーザ媒質から可視光域のレーザ光を出力させることを適切に実現できる。
In the solid-state laser of the present invention, the ratio of the holmium ions added to the laser medium is preferably 0.2 to 5 at %, and more preferably 0.5 to 1.5 at %.
This makes it possible to appropriately output laser light in the visible light range from the laser medium.

本発明の実施形態の固体レーザの構成を模式的に示す図。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a solid-state laser according to an embodiment of the present invention. 図2はホルミウムイオンの電子のエネルギー準位の遷移を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the transition of the energy levels of the electrons of a holmium ion. 図3A~図3Dは、母材結晶(レーザ媒質)へのホルミウムイオンの添加割合と、出力されるレーザ光のパワーとの関係を例示するグラフ。3A to 3D are graphs illustrating the relationship between the proportion of holmium ions added to the base crystal (laser medium) and the power of the output laser light. 図4は、複数の種類の母材結晶(レーザ媒質)のそれぞれにおいて、ホルミウムイオンの電子の励起に必要な波長域を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the wavelength ranges required for exciting electrons of holmium ions in each of a number of types of host crystals (laser media). 実施形態の固体レーザで生成されるレーザ光の波長変換を行うシステムの例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing an example of a system for performing wavelength conversion of laser light generated by a solid-state laser according to an embodiment.

本発明の一実施形態を図1~図5を参照して以下に説明する。図1を参照して、本実施形態の固体レーザ1は、レーザ結晶(レーザ媒質)としての母材結晶10と、母材結晶10に励起光を入射する励起光源20と、母材結晶10で生成されるレーザ光を増幅して出射する共振器30とを備える。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to Figs. 1 to 5. With reference to Fig. 1, the solid-state laser 1 of this embodiment includes a base crystal 10 as a laser crystal (laser medium), an excitation light source 20 that inputs excitation light to the base crystal 10, and a resonator 30 that amplifies and emits the laser light generated by the base crystal 10.

母材結晶10は、ホルミウム(Ho)イオンが所要の添加割合で添加された結晶である。母材結晶10の素材としては、例えば、YPO、LaF、LaCl、KCaF、BYF、GdAlO、YVO、YLiF(YLF)、YAl12(YAG)、LuLiF(LLF)、GdVO等の結晶を使用し得る。なお、母材結晶10におけるホルミウムイオンの適切な添加割合については後述する。 The base crystal 10 is a crystal doped with holmium (Ho) ions at a required doping ratio. As the material of the base crystal 10, for example, YPO4 , LaF3 , LaCl3, KCaF3 , BYF , GdAlO, YVO4 , YLiF4 (YLF), Y3Al5O12 (YAG), LuLiF4 (LLF), GdVO4 , etc. can be used. The appropriate doping ratio of holmium ions in the base crystal 10 will be described later.

ここで、上記母材結晶10をレーザ結晶(レーザ媒質)として使用する本実施形態の固体レーザ1の動作原理について図2を参照して説明しておく。母材結晶10に添加されたホルミウムイオンは、その電子のエネルギー準位として、図2に示す如く、基底準位であると、その上位のエネルギー準位であるとを有する。そして、これらのエネルギー準位は、それぞれ、結晶場に起因して複数のシュタルク準位に分裂する。また、との間のエネルギー差を光の波長に換算すると、その波長は可視光域(詳しくは赤色域)の波長である。なお、図示は省略するが、及びの2つのエネルギー準位の間にはよりも低い他のエネルギー準位(具体的には、)も存在する。 Here, the operating principle of the solid-state laser 1 of this embodiment using the base crystal 10 as a laser crystal (laser medium) will be described with reference to FIG. 2. The holmium ions added to the base crystal 10 have the energy levels of their electrons, 5 I 8, which is the ground level, and 5 F 5 , which is the higher energy level, as shown in FIG. 2. These energy levels 5 I 8 and 5 F 5 are each split into a plurality of Stark levels due to the crystal field. In addition, when the energy difference between 5 I 8 and 5 F 5 is converted to the wavelength of light, the wavelength is the wavelength of visible light (specifically, the red region). Although not shown, there are other energy levels (specifically, 5 I 7 , 5 I 6 , 5 I 5 , 5 I 4 ) lower than 5 F 5 between the two energy levels 5 I 8 and 5 F 5 .

母材結晶10に添加されたホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をから
に励起させ得る波長(赤色域の波長)を有する励起光を母材結晶10に入射すると、該電子のエネルギー準位がからに励起され、続いて、励起された電子のエネルギー準位がからに復帰し、それに伴い、可視光域(赤色域)の波長を有するレーザ光が母材結晶10から出射されるという現象が生じることが本願発明者の各種実験等により判明した。
The energy level of the electrons of the holmium ions added to the base crystal 10 is changed from 5 I 8 to
The inventors of the present application have found through various experiments that when excitation light having a wavelength (red wavelength) capable of exciting the electrons to 5F5 is incident on the base crystal 10 , the energy level of the electrons is excited from 5I8 to 5F5 , and then the energy level of the excited electrons returns from 5F5 to 5I8 , and accordingly, laser light having a wavelength in the visible light range (red range ) is emitted from the base crystal 10.

例えば、母材結晶10として、ホルミウムイオンを添加したYLiF(YLF)あるいはLuLiF(LLF)を使用した場合、638nmの波長の励起光を母材結晶10に入射すると、658nmの波長の可視光域(赤色域)のレーザ光が母材結晶10から出力されることが確認された。 For example, when YLiF 4 (YLF) or LuLiF 4 (LLF) doped with holmium ions is used as the base crystal 10, it has been confirmed that when excitation light with a wavelength of 638 nm is incident on the base crystal 10, laser light in the visible light range (red range) with a wavelength of 658 nm is output from the base crystal 10.

このように、ホルミウムイオンを添加した母材結晶10をレーザ結晶として使用することで、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をからに励起させ得る波長を有する励起光から可視光域のレーザ光を直接的に生成することができる。 In this way, by using the base crystal 10 doped with holmium ions as a laser crystal, it is possible to directly generate laser light in the visible light range from excitation light having a wavelength that can excite the energy level of the electrons of the holmium ions from 5I8 to 5F5 .

この場合、生成されるレーザ光の波長は、励起光の波長よりも若干長い程度の波長なので、量子効率(励起光子からレーザ光子へのエネルギー変換効率)が極めて高い。例えば、ホルミウムイオンを添加したYLiF(YLF)あるいはLuLiF(LLF)から成る母材結晶10に638nmの波長の励起光を入射した場合に生成されるレーザ光の波長は658nmであるから、量子効率は、638/658=0.97となり、量子欠損(エネルギーの損失割合)は、僅か3%にすぎない。 In this case, the wavelength of the generated laser light is slightly longer than that of the excitation light, so the quantum efficiency (energy conversion efficiency from excitation photons to laser photons) is extremely high. For example, when excitation light with a wavelength of 638 nm is incident on the base crystal 10 made of YLiF 4 (YLF) or LuLiF 4 (LLF) doped with holmium ions, the wavelength of the generated laser light is 658 nm, so the quantum efficiency is 638/658=0.97, and the quantum defect (energy loss rate) is only 3%.

また、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をからに励起させ得る励起光の波長は、赤色域の波長であるので、該励起光を、波長変換を必要とせずに、公知の半導体レーザ等により生成し得る。 In addition, since the wavelength of the excitation light capable of exciting the energy level of the electrons of the holmium ion from 5I8 to 5F5 is in the red region, the excitation light can be generated by a known semiconductor laser or the like without requiring wavelength conversion.

従って、ホルミウムイオンを添加した母材結晶10をレーザ結晶として使用することで、母材結晶10で生成されるレーザ光の波長変換や、母材結晶10に入射する励起光を生成するための波長変換を必要とすることなく、高効率で可視光域のレーザ光を生成し得る。以上が、本実施形態の固体レーザ1の動作に関する基本的な技術事項である。 Therefore, by using the base crystal 10 doped with holmium ions as a laser crystal, it is possible to generate laser light in the visible light range with high efficiency without requiring wavelength conversion of the laser light generated in the base crystal 10 or wavelength conversion to generate the excitation light incident on the base crystal 10. The above are the basic technical matters regarding the operation of the solid-state laser 1 of this embodiment.

本実施形態の固体レーザ1の励起光源20は、赤色域の波長の励起光(レーザ光)を出力する半導体レーザ21と、半導体レーザ21から出力される励起光を集光する集光光学系22とを備える。集光光学系22は、公知の光学レンズ等により構成され得る。 The excitation light source 20 of the solid-state laser 1 of this embodiment includes a semiconductor laser 21 that outputs excitation light (laser light) with a wavelength in the red range, and a focusing optical system 22 that focuses the excitation light output from the semiconductor laser 21. The focusing optical system 22 can be composed of a known optical lens, etc.

半導体レーザ21は、母材結晶10のホルミウムイオンの電子のエネルギー準位を
からに励起させ得る所定波長もしくはその近辺に中心波長を有する赤色域の励起光を出力する半導体レーザである。
The semiconductor laser 21 changes the energy level of the electrons of the holmium ions in the base crystal 10
It is a semiconductor laser that outputs excitation light in the red region having a predetermined wavelength or a central wavelength in the vicinity thereof that can be excited to 5I8 to 5F5 .

例えば、母材結晶10が、ホルミウムイオンを添加したYLiF(YLF)あるいはLuLiF(LLF)から成るレーザ結晶である場合、半導体レーザ21は、638nmの波長もしくはその近辺の波長に中心波長を有する励起光(レーザ光)を出力するように構成される。 For example, when the base crystal 10 is a laser crystal made of YLiF4 (YLF) or LuLiF4 (LLF) doped with holmium ions, the semiconductor laser 21 is configured to output excitation light (laser light) having a central wavelength at or near 638 nm.

このように、赤色域の波長を有する励起光を出力し得る半導体レーザ21としては、例えば、GaAs系の半導体レーザ、AlGaInP系の半導体レーザを使用し得る。なお、励起光の中心波長の適切な範囲については後述する。 As such, a GaAs-based semiconductor laser or an AlGaInP-based semiconductor laser can be used as the semiconductor laser 21 capable of outputting excitation light having a wavelength in the red range. The appropriate range of the central wavelength of the excitation light will be described later.

共振器30は、母材結晶10から出射する所定波長のレーザ光を全反射する全反射鏡31と、該レーザ光の一部を透過し、残部を反射する出力鏡32を備え、これらの全反射鏡31及び出力鏡32の間に形成された内部空間であるキャビティ33に母材結晶10が配置されている。 The resonator 30 includes a total reflection mirror 31 that totally reflects the laser light of a specific wavelength emitted from the base crystal 10, and an output mirror 32 that transmits part of the laser light and reflects the remainder. The base crystal 10 is disposed in a cavity 33, which is an internal space formed between the total reflection mirror 31 and the output mirror 32.

ここで、本実施形態の固体レーザ1は、例えば端面励起方式のレーザであり、励起光源20の集光光学系22から出力される励起光が、全反射鏡31を通って共振器30のキャビティ33内の母材結晶10に入射するように励起光源20、共振器30及び母材結晶10の配置が設定されている。この場合、全反射鏡31は、母材結晶10から出力されるレーザ光の波長に一致する波長の光を全反射し、励起光の中心波長及びその近辺の波長に一致する波長の光を高透過率で透過させ得るように構成されている。 Here, the solid-state laser 1 of this embodiment is, for example, an end-pumped type laser, and the excitation light source 20, the resonator 30, and the base crystal 10 are arranged so that the excitation light output from the focusing optical system 22 of the excitation light source 20 passes through the total reflection mirror 31 and enters the base crystal 10 in the cavity 33 of the resonator 30. In this case, the total reflection mirror 31 is configured to totally reflect light having a wavelength that matches the wavelength of the laser light output from the base crystal 10, and to transmit light having a wavelength that matches the central wavelength of the excitation light and wavelengths nearby it with high transmittance.

また、共振器30は、励起光の入射に応じて母材結晶10から出力されるレーザ光をキャビティ33内で全反射鏡31と出力鏡32との間で反射させつつ増幅し得るように、モード半径等が設定されている。例えば共振器30のモード半径は、励起光のビーム半径に一致するように設定されている。 The resonator 30 has a mode radius and other settings so that the laser light output from the base crystal 10 in response to the incidence of the excitation light can be amplified while being reflected between the total reflection mirror 31 and the output mirror 32 within the cavity 33. For example, the mode radius of the resonator 30 is set to match the beam radius of the excitation light.

また、出力鏡32は、キャビティ33内で増幅されるレーザ光の一部をキャビティ33内から外部に透過(出射)させるために、該レーザ光を100%未満の所定の反射率、例えば80~99%の範囲内の所定の反射率で反射し得るように構成されている。ただし、出力鏡32でのレーザ光の反射率は、上記に例示した範囲に限らず、固体レーザ1の用途、仕様等に応じて様々な反射率に設定され得る。例えば、レーザ光を連続発振させるように固体レーザ1を構成する場合には、出力鏡32の反射率は、高めの反射率に設定され、高出力パルスのレーザ光を発振させるように固体レーザ1を構成する場合には、出力鏡32の反射率は、低めの反射率に設定され得る。 In addition, the output mirror 32 is configured to reflect the laser light amplified in the cavity 33 at a predetermined reflectance of less than 100%, for example, within a range of 80 to 99%, in order to transmit (emit) a portion of the laser light from the cavity 33 to the outside. However, the reflectance of the laser light at the output mirror 32 is not limited to the range exemplified above, and can be set to various reflectances depending on the application, specifications, etc. of the solid-state laser 1. For example, when the solid-state laser 1 is configured to oscillate laser light continuously, the reflectance of the output mirror 32 can be set to a higher reflectance, and when the solid-state laser 1 is configured to oscillate high-power pulsed laser light, the reflectance of the output mirror 32 can be set to a lower reflectance.

なお、共振器30は、母材結晶10がら出力される波長のレーザ光を増幅させて出射し得るものであれば、公知の任意の構造のものを使用し得る。また、固体レーザ1は、端面励起方式のものに限らず、共振器30のキャビティ33内に配置される母材結晶10に、共振器30の側面側から励起光を入射する側面励起方式の構成であってもよい。 The resonator 30 may have any known structure as long as it can amplify and emit laser light of the wavelength output from the base crystal 10. The solid-state laser 1 is not limited to an end-pumped type, and may be configured as a side-pumped type in which pumping light is incident from the side of the resonator 30 on the base crystal 10 placed in the cavity 33 of the resonator 30.

本実施形態の固体レーザ1は、上記の如く構成されている。かかる固体レーザ1によれば、母材結晶10に添加されたホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をから
に励起させ得る波長(赤色域の波長)を有する励起光を母材結晶10に入射することで、コヒーレント性等が良好な高品質の可視光域(赤色域)のレーザ光を、波長変換を必要とせずに、母材結晶10から高効率で直接的に出力させることができる。
The solid-state laser 1 of this embodiment is configured as described above. With this solid-state laser 1, the energy level of the electrons of the holmium ions added to the base crystal 10 is changed from 5I8 to
By injecting excitation light having a wavelength (red wavelength) capable of exciting 5F5 into the base crystal 10, it is possible to directly output high-quality visible light (red) laser light having good coherency and other properties from the base crystal 10 with high efficiency, without the need for wavelength conversion.

また、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をからに励起させ得る波長を有する励起光は、半導体レーザ21等を使用して、波長変換を必要とせずに生成することができる。
このため、可視光域(赤色域)の高品質のレーザ光を効率よく出力し得る固体レーザ1を小型且つ簡易な構成で安価に提供することができる。
In addition, excitation light having a wavelength capable of exciting the energy level of the electrons of holmium ions from 5I8 to 5F5 can be generated using a semiconductor laser 21 or the like without the need for wavelength conversion.
Therefore, it is possible to provide a solid-state laser 1 that is small in size, has a simple configuration, and is inexpensive, and that can efficiently output high-quality laser light in the visible light range (red range).

次に、母材結晶10に対するホルミウムイオンの適切な添加割合について図3A~図3Dを参照して説明する。本願発明者は、ホルミウムイオンの適切な添加割合を見出すために、ホルミウムイオンの添加割合に対して、母材結晶10から出力されるレーザ光のパワーがどのように変化するかを、例えば、公知のレート方程式モデルを用いて解析した。 Next, the appropriate ratio of holmium ions to be added to the base crystal 10 will be described with reference to Figures 3A to 3D. In order to find the appropriate ratio of holmium ions to be added, the inventors of the present application analyzed, for example, using a known rate equation model, how the power of the laser light output from the base crystal 10 changes with the ratio of holmium ions to be added.

この解析における諸条件を以下に示す。
励起光の波長:638nm
励起光のパワー:1~5W
母材結晶10に入射する励起光のビーム半径:100μm
共振器30のモード半径:100μm
励起光のビームの光軸方向での母材結晶10の長さ:2mm
出力するレーザ光の波長:658nm
共振器30の出力鏡32の反射率:99%、97%、90%、80%
なお、共振器30の全反射鏡31は、レーザ光の波長(658nm)に対して全反射の反射特性を有すると共に、励起光の波長(638nm)に対して高透過の透過特性を有する。
The conditions for this analysis are as follows:
Wavelength of excitation light: 638 nm
Excitation light power: 1-5W
Beam radius of the excitation light incident on the base crystal 10: 100 μm
Mode radius of resonator 30: 100 μm
Length of the base crystal 10 in the optical axis direction of the excitation light beam: 2 mm
Wavelength of output laser light: 658 nm
Reflectivity of output mirror 32 of resonator 30: 99%, 97%, 90%, 80%
The total reflection mirror 31 of the resonator 30 has a reflection characteristic of total reflection with respect to the wavelength (658 nm) of the laser light, and has a transmission characteristic of high transmission with respect to the wavelength (638 nm) of the excitation light.

図3Aは、共振器30の出力鏡32の反射率が99%である場合において、励起光のパワーが1W、2W、3W、4W、5Wのそれぞれであるときのホルミウムイオンの添加割合[at%]に対するレーザ光の変化の特性を示すグラフである。 Figure 3A is a graph showing the characteristics of the change in laser light with respect to the doping ratio [at %] of holmium ions when the reflectivity of the output mirror 32 of the resonator 30 is 99% and the power of the excitation light is 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, and 5 W.

また、図3Bは、共振器30の出力鏡32の反射率が97%である場合において、励起光のパワーが1W、2W、3W、4W、5Wのそれぞれであるときのホルミウムイオンの添加割合[at%]に対するレーザ光のパワーの変化の特性を示すグラフである。 Figure 3B is a graph showing the characteristics of the change in laser light power versus the doping ratio [at %] of holmium ions when the reflectivity of the output mirror 32 of the resonator 30 is 97% and the power of the excitation light is 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, and 5 W.

また、図3Cは、共振器30の出力鏡32の反射率が90%である場合において、励起光のパワーが1W、2W、3W、4W、5Wのそれぞれであるときのホルミウムイオンの添加割合[at%]に対するレーザ光のパワーの変化の特性を示すグラフである。 Figure 3C is a graph showing the characteristics of the change in laser light power versus the doping ratio [at %] of holmium ions when the reflectivity of the output mirror 32 of the resonator 30 is 90% and the power of the excitation light is 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, and 5 W.

また、図3Dは、共振器30の出力鏡32の反射率が80%である場合において、励起光のパワーが1W、2W、3W、4W、5Wのそれぞれであるときのホルミウムイオンの添加割合[at%]に対するレーザ光のパワーの変化の特性を示すグラフである。 Figure 3D is a graph showing the characteristics of the change in laser light power versus the holmium ion doping ratio [at %] when the reflectivity of the output mirror 32 of the resonator 30 is 80% and the power of the excitation light is 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, and 5 W.

なお、図3A~図3Dのグラフの縦軸のレーザ光パワーは、より詳しくは、出力鏡32から出力されるレーザ光のパワーである。 More specifically, the laser light power on the vertical axis of the graphs in Figures 3A to 3D is the power of the laser light output from the output mirror 32.

図3A~図3Dに見られるように、出力されるレーザ光のパワーは、ホルミウムイオンの添加割合(以降、単にHo添加割合という)がある値であるときにピーク値(極大値)を持つように、該Ho添加割合に対して変化する。この場合、レーザ光のパワーがピーク値となるHo添加割合は、ほぼ0.5~1.5[at%]の範囲内の添加割合である。従って、母材結晶10のHo添加割合は、好適には、0.5~1.5[at%]の範囲内の添加割合であることが好ましい。 As can be seen in Figures 3A to 3D, the power of the output laser light varies with the holmium ion doping ratio (hereinafter simply referred to as the Ho doping ratio) so as to have a peak value (maximum value) when the Ho doping ratio is at a certain value. In this case, the Ho doping ratio at which the power of the laser light reaches its peak value is a doping ratio within the range of approximately 0.5 to 1.5 [at%]. Therefore, it is preferable that the Ho doping ratio of the base crystal 10 is a doping ratio within the range of 0.5 to 1.5 [at%].

ただし、励起光の各パワーにおいて、レーザ光のパワーがピーク値となるHo添加割合の値よりも低いHo添加割合では、該Ho添加割合の減少に伴い、レーザ光のパワーの減少が比較的急激に進行するものの、レーザ光のパワーがピーク値となるHo添加割合の値よりも高いHo添加割合では、該Ho添加割合の増加に伴い、レーザ光のパワーの減少が比較的緩やかに進行する。また、母材結晶10のHo添加割合が、レーザ光のパワーがピーク値となるHo添加割合の値からある程度ずれていても、適切なパワーの励起光を母材結晶10に入射することで、可視光域(赤色域)のレーザ光を出力し得る。 However, at each power of excitation light, at a Ho doping ratio lower than the value of the Ho doping ratio at which the power of the laser light reaches its peak value, the power of the laser light decreases relatively rapidly as the Ho doping ratio decreases, but at a Ho doping ratio higher than the value of the Ho doping ratio at which the power of the laser light reaches its peak value, the power of the laser light decreases relatively slowly as the Ho doping ratio increases. Also, even if the Ho doping ratio of the base crystal 10 deviates to some extent from the value of the Ho doping ratio at which the power of the laser light reaches its peak value, by irradiating excitation light of an appropriate power onto the base crystal 10, it is possible to output laser light in the visible light range (red range).

これらのことから、母材結晶10のHo添加割合は、0.2~5[at%]の範囲内の添加割合であれば、十分に可視光域(赤色域)のレーザ光を出力し得ると考えられる。 Based on these findings, it is believed that if the Ho doping ratio of the base crystal 10 is within the range of 0.2 to 5 at% then it is possible to sufficiently output laser light in the visible light range (red range).

次に、励起光の波長の適切な範囲について図4を参照して説明する。図4は、母材結晶10として使用し得る代表的な複数種類の母材結晶のそれぞれ毎に、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をからに励起させ得る波長の範囲(との間のエネルギー差を波長に換算して得られる範囲)を横線分で示す図である。 Next, the appropriate range of the wavelength of the excitation light will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a diagram showing, by horizontal lines, the range of wavelengths capable of exciting the energy level of the electrons of holmium ions from 5I8 to 5F5 (the range obtained by converting the energy difference between 5I8 and 5F5 into wavelengths ) for each of a number of representative types of host crystals that can be used as the host crystal 10 .

なお、図4での図示は省略しているが、前記した母材結晶10の種類のうち、LLF(LuLiF)、GdVOのそれぞれに対する励起光の波長範囲は、それぞれ、YLF、YVOのそれぞれの波長範囲とほぼ同じである。このように組成が似ている母材結晶体のそれぞれに対する励起光の波長範囲は、ほぼ同一の波長範囲になる。 Although not shown in Fig. 4, among the types of base crystal 10 described above, the wavelength ranges of the excitation light for LLF ( LuLiF4 ) and GdVO4 are approximately the same as those for YLF and YVO4 . In this way, the wavelength ranges of the excitation light for each of the base crystals having similar compositions are approximately the same.

ここで、各種類の母材結晶において、励起光の吸収量がピークとなる波長は、からに励起させ得る波長範囲のうち、短波長側の波長であることが多い。このことと、図5に示す各種類の母材結晶毎の波長範囲とを考慮すると、様々な種類の母材結晶10に対して、ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位をからに励起させる上では、励起光の中心波長の範囲は、例えば630~660nmの範囲が好ましいと考えられる。 Here, in each type of base crystal, the wavelength at which the absorption of the excitation light is at its peak is often on the short wavelength side of the wavelength range in which excitation can be achieved from 5I8 to 5F5 . Considering this and the wavelength range for each type of base crystal shown in Fig. 5, it is considered that the range of the central wavelength of the excitation light is preferably, for example, 630 to 660 nm in order to excite the energy level of the electrons of the holmium ions from 5I8 to 5F5 for various types of base crystals 10.

以上説明した固体レーザ1は、前記した如く可視光域(赤色域)の高品質のレーザ光を高効率で生成することができるため、様々な用途で利用することができる。例えば、固体レーザ1により生成される赤色域のレーザ光は、植生センシング、バイオセンシング、ライダー(LIDAR:Light Detection and Ranging)等の分野で利用できる。 The solid-state laser 1 described above can generate high-quality laser light in the visible light range (red range) with high efficiency, and can be used for a variety of purposes. For example, the red range laser light generated by the solid-state laser 1 can be used in fields such as vegetation sensing, biosensing, and LIDAR (Light Detection and Ranging).

また、固体レーザ1により生成される赤色域のレーザ光(以降、基本波のレーザ光ということがある)を、図5に示す如く、非線形光学結晶41を用いて、第2高調波のレーザ光(基本波のレーザ光の1/2波長のレーザ光)に波長変換することで、一回の波長変換で紫外域のレーザ光を得ることができる。例えば、固体レーザ1により生成し得る波長658nmの基本波のレーザ光から、その第2高調波のレーザ光として、波長329nmの紫外域のレーザ光を得ることができる。そして、その紫外域のレーザ光(第2高調波のレーザ光)は、例えば、蛍光センシング、浮遊微粒子のセンシング、微細加工等の分野で利用できる。 In addition, as shown in FIG. 5, the red laser light (hereinafter sometimes referred to as fundamental laser light) generated by the solid-state laser 1 can be wavelength-converted into second harmonic laser light (laser light with half the wavelength of the fundamental laser light) using a nonlinear optical crystal 41, thereby obtaining ultraviolet laser light with a single wavelength conversion. For example, from the fundamental laser light with a wavelength of 658 nm that can be generated by the solid-state laser 1, it is possible to obtain ultraviolet laser light with a wavelength of 329 nm as the second harmonic laser light. This ultraviolet laser light (second harmonic laser light) can be used in fields such as fluorescence sensing, airborne particle sensing, and micromachining.

さらに、上記基本波及び第2高調波のレーザ光を、図5に示す如く、非線形光学結晶42を用いて、第3高調波のレーザ光(基本波のレーザ光の1/3波長のレーザ光)に波長変換することで、より短波長の紫外域のレーザ光を得ることができる。例えば、波長658nmの基本波のレーザ光から、その第3高調波のレーザ光として、波長219nmの紫外域のレーザ光を得ることができる。そして、その紫外域のレーザ光(第3高調波のレーザ光)は、例えば、レーシック等の医療分野、エキシマレーザーの代用、装置や空間の除菌等で利用することができる。 Furthermore, by wavelength-converting the fundamental and second harmonic laser beams into third harmonic laser beams (laser beams with 1/3 the wavelength of the fundamental laser beams) using a nonlinear optical crystal 42 as shown in FIG. 5, it is possible to obtain shorter wavelength ultraviolet laser beams. For example, from a fundamental laser beam with a wavelength of 658 nm, it is possible to obtain ultraviolet laser beams with a wavelength of 219 nm as the third harmonic laser beam. This ultraviolet laser beam (third harmonic laser beam) can be used, for example, in the medical field such as LASIK, as a substitute for an excimer laser, and for sterilization of equipment and spaces.

なお、以上説明した固体レーザ1では、共振器30を備えたが、例えば、共振器30を備えない固体レーザを光増幅器として利用することもできる。また、本発明の固体レーザにおけるレーザ媒質(ホルミウムイオンを添加するレーザ媒質)は、前記した種類の母材結晶10に限られない。本発明の固体レーザにおけるレーザ媒質としては、ホルミウムイオンを添加でき、且つ、ホルミウムインの電子をからに励起し得る励起光を入射でき、且つ、からへの電子の復帰に応じて生成されるレーザ光を出射し得るものであれば任意の素材の結晶を使用し得る。さらには、ガラス、セラミックス、ファイバーを、ホルミウムイオンを添加するレーザ媒質として使用することもできる。 In the above-described solid-state laser 1, the resonator 30 is provided, but for example, a solid-state laser without the resonator 30 can be used as an optical amplifier. In addition, the laser medium (the laser medium to which holmium ions are added) in the solid-state laser of the present invention is not limited to the above- mentioned type of base crystal 10. As the laser medium in the solid-state laser of the present invention, any crystal of a material can be used as long as it can be doped with holmium ions, can receive excitation light capable of exciting the electrons of holmium in from 5I8 to 5F5 , and can emit laser light generated in response to the return of the electrons from 5F5 to 5I8. Furthermore, glass, ceramics, and fibers can be used as the laser medium to which holmium ions are added.

1…固体レーザ、10…母材結晶(レーザ媒質)、20…励起光源、30…共振器。 1...Solid-state laser, 10...Base crystal (laser medium), 20...Excitation light source, 30...Resonator.

Claims (4)

ホルミウムイオンが添加されたレーザ媒質と、前記ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位を、基底準位であるからに励起させる波長を有する励起光を前記レーザ媒質に入射する励起光源とを備えており、前記ホルミウムイオンの電子のエネルギー準位が前記から前記まで直接的に復帰することに応じて生成されたレーザ光を出射するように構成されているとともに、前記励起光は、630~660[nm]の範囲に中心波長を有する励起光であることを特徴とする固体レーザ。 A solid-state laser comprising: a laser medium doped with holmium ions; and an excitation light source that emits excitation light having a wavelength that excites an energy level of an electron of the holmium ion from the ground level of 5I8 to 5F5 into the laser medium, the solid-state laser being configured to emit laser light generated in response to the direct return of the energy level of the electron of the holmium ion from the 5F5 to the 5I8 , the excitation light having a central wavelength in the range of 630 to 660 nm . 請求項1記載の固体レーザにおいて、
前記レーザ光を増幅して出射する共振器をさらに備えることを特徴とする固体レーザ。
2. The solid-state laser according to claim 1,
4. A solid-state laser further comprising a resonator that amplifies and emits the laser light.
請求項1又は2記載の固体レーザにおいて、
前記レーザ媒質に対する前記ホルミウムイオンの添加割合は、0.2~5[at%]であることを特徴とする固体レーザ。
3. The solid-state laser according to claim 1,
A solid-state laser characterized in that the proportion of holmium ions added to the laser medium is 0.2 to 5 at %.
請求項1又は2記載の固体レーザにおいて、
前記レーザ媒質に対する前記ホルミウムイオンの添加割合は、0.5~1.5[at%]であることを特徴とする固体レーザ。
3. The solid-state laser according to claim 1,
A solid-state laser characterized in that the proportion of holmium ions added to the laser medium is 0.5 to 1.5 at %.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002353542A (en) 2001-05-25 2002-12-06 Fuji Photo Film Co Ltd Laser diode-pumped solid-state laser
US20060165134A1 (en) 2005-01-21 2006-07-27 Tabirian Anna M Method and apparatus for producing an eye-safe laser
CN102140692A (en) 2011-03-11 2011-08-03 哈尔滨工业大学 Holmium-ytterbium-doped lithium potassium niobate monocrystal and preparation method thereof
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002353542A (en) 2001-05-25 2002-12-06 Fuji Photo Film Co Ltd Laser diode-pumped solid-state laser
US20060165134A1 (en) 2005-01-21 2006-07-27 Tabirian Anna M Method and apparatus for producing an eye-safe laser
CN102140692A (en) 2011-03-11 2011-08-03 哈尔滨工业大学 Holmium-ytterbium-doped lithium potassium niobate monocrystal and preparation method thereof
CN112266174A (en) 2020-09-14 2021-01-26 苏州凯文堡尼光电科技有限公司 Preparation and test method of aluminum fluoride 2.9 mu m high-power optical fiber laser

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