JPH0744305B2 - 連続的レイジング動作を提供する方法 - Google Patents
連続的レイジング動作を提供する方法Info
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- JPH0744305B2 JPH0744305B2 JP62503952A JP50395287A JPH0744305B2 JP H0744305 B2 JPH0744305 B2 JP H0744305B2 JP 62503952 A JP62503952 A JP 62503952A JP 50395287 A JP50395287 A JP 50395287A JP H0744305 B2 JPH0744305 B2 JP H0744305B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/0915—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light
- H01S3/092—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of flash lamp
- H01S3/093—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of flash lamp focusing or directing the excitation energy into the active medium
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- H01S3/1645—Solid materials characterised by a crystal matrix halide
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- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、概してレーザ技術に関し、より詳細には、室
温での連続波固体レーザ及びその動作方法に関する。
温での連続波固体レーザ及びその動作方法に関する。
希土類イオンは、十分な濃度の不純物として適当な主格
子の中に組込まれたとき、赤外線をいくつかの短波長に
アップコンバートすることが可能なことがよく知られて
いる。アップコンバージョン、すなわち、固体による補
助放射なしの長波から短波放射線への変換は、いくつか
の多光子メカニズムによって達成される。しかしなが
ら、共働的励起メカニズムのみが効率が良く実用になる
ものと考えられている。後者のメカニズムは、いくつか
の原子（イオン）の基底状態の電子がそれぞれ１つの赤
外光子を吸収する方法に従ってなされる。エネルギは、
続いて非放射プロセスによって単一原子へ泳動してより
高いエネルギ準位に励起し、続いて蛍光発光が起こる。
子の中に組込まれたとき、赤外線をいくつかの短波長に
アップコンバートすることが可能なことがよく知られて
いる。アップコンバージョン、すなわち、固体による補
助放射なしの長波から短波放射線への変換は、いくつか
の多光子メカニズムによって達成される。しかしなが
ら、共働的励起メカニズムのみが効率が良く実用になる
ものと考えられている。後者のメカニズムは、いくつか
の原子（イオン）の基底状態の電子がそれぞれ１つの赤
外光子を吸収する方法に従ってなされる。エネルギは、
続いて非放射プロセスによって単一原子へ泳動してより
高いエネルギ準位に励起し、続いて蛍光発光が起こる。
様々な主固体材料内に組込まれた約15の遷移元素の群の
イオン、主に希土類は連続波モード（CW）でレーザ発光
することが知られているがこれらの多くは低温でないと
レーザ発光しない。室温でのCW動作は、多くの科学、医
学及び工業への応用にとって重要である。例えば、CWレ
ーザは、分光学研究、外科手術及び凝固、材料切断及び
穴あけ、統合光学に関したコミュニケーション及び電気
光学的ハードウエアのアライメントに使用される。
イオン、主に希土類は連続波モード（CW）でレーザ発光
することが知られているがこれらの多くは低温でないと
レーザ発光しない。室温でのCW動作は、多くの科学、医
学及び工業への応用にとって重要である。例えば、CWレ
ーザは、分光学研究、外科手術及び凝固、材料切断及び
穴あけ、統合光学に関したコミュニケーション及び電気
光学的ハードウエアのアライメントに使用される。
Er3＋イオンは、室温での固体レーザ内でレーザ発光す
るがパルスモードのみにおいてである。約３μｍのパル
スモードで4 I 11/2と4 I 13/2（第２図及び第11図を参
照）との間のレイジングが、過去、１ダース以上の異な
る主材料内で生成された。多くの主材料の中で、Er3＋
がイオン助剤を奪活することなしにレーザ発光した。
るがパルスモードのみにおいてである。約３μｍのパル
スモードで4 I 11/2と4 I 13/2（第２図及び第11図を参
照）との間のレイジングが、過去、１ダース以上の異な
る主材料内で生成された。多くの主材料の中で、Er3＋
がイオン助剤を奪活することなしにレーザ発光した。
大抵の３μｍのエルビウムレーザは次の共通な特性を有
する。（１）室温で動差する。（２）低い励起エネルギ
に対して高いエルビウムイオン濃度を必要とする。
（３）１よりも大きな最終状態／初期状態の寿命比率を
有し、いくつかの材料においてはこの比率は10を越え
る。驚くべきことに、これらのレーザは室温においてパ
ルスモードで、かつ低いポンピングエネルギのしきい値
で大変良く動作する。３番目の特徴はこれらのレーザが
CWモードでレイジングしないようにする。
する。（１）室温で動差する。（２）低い励起エネルギ
に対して高いエルビウムイオン濃度を必要とする。
（３）１よりも大きな最終状態／初期状態の寿命比率を
有し、いくつかの材料においてはこの比率は10を越え
る。驚くべきことに、これらのレーザは室温においてパ
ルスモードで、かつ低いポンピングエネルギのしきい値
で大変良く動作する。３番目の特徴はこれらのレーザが
CWモードでレイジングしないようにする。
パルスレイジングを説明するために、4 I 11/2と4 I 13
/2の励起状態のシュタルクスプリッチング（Stark Spl
itting）を考慮した仮説が、以前、研究者によって提出
された。
/2の励起状態のシュタルクスプリッチング（Stark Spl
itting）を考慮した仮説が、以前、研究者によって提出
された。
仮説によれば、前記4 I 11/2から4 I 13/2へのレイジン
グプロセスは次のごとく行われる。まず、最終状態であ
る上方の準位がまばらに分布される。それゆえ、反転分
布が4 I 11/2マニフォールドの準位に生成されレーザ放
射する。最終マニフォールドの低方準位はより速く飽和
するので短波長の光線はレーザスペクトルからすぐに消
える。最終マニフォールドの上方準位で停止する長波長
の光線のみが生延び末期的レーザスペクトルにおいて観
察される。これは、いわゆる、自己飽和レーザのスペク
トル線の赤方偏移である。初期状態の寿命が最終状態の
寿命よりも短い状態間のレーザ遷移は自己飽和であると
呼ばれる。
グプロセスは次のごとく行われる。まず、最終状態であ
る上方の準位がまばらに分布される。それゆえ、反転分
布が4 I 11/2マニフォールドの準位に生成されレーザ放
射する。最終マニフォールドの低方準位はより速く飽和
するので短波長の光線はレーザスペクトルからすぐに消
える。最終マニフォールドの上方準位で停止する長波長
の光線のみが生延び末期的レーザスペクトルにおいて観
察される。これは、いわゆる、自己飽和レーザのスペク
トル線の赤方偏移である。初期状態の寿命が最終状態の
寿命よりも短い状態間のレーザ遷移は自己飽和であると
呼ばれる。
発明の摘要 本発明の原理の一部はEr3＋イオン（第２図及び11図を
参照）の4 I 11/2から4 I 13/2へのレーザ遷移特性の認
識に関する。例えば、少なくともCaF2の主材料におい
て、上述の仮説は２つの重要な実験的事実を説明できな
い。第１に、予言された赤方偏移が確かにレーザスペク
トルにおいて観察されたが、長（赤）波長の放射は短時
間だけ持続する。いくつかのメカニズムによって、最終
マニフォールドの下方準位（例えば4 I 13/2の状態）が
再び空になり、“末期的”レーザスペクトルを支配する
短波長の放射を再度、蓄える。初期状態分布を反転する
のに驚くほど少ない光学的エネルギ量を必要とするた
め、例えばCaF2（Er3＋）レーザが半連続波モードで動
作可能であると結論された。
参照）の4 I 11/2から4 I 13/2へのレーザ遷移特性の認
識に関する。例えば、少なくともCaF2の主材料におい
て、上述の仮説は２つの重要な実験的事実を説明できな
い。第１に、予言された赤方偏移が確かにレーザスペク
トルにおいて観察されたが、長（赤）波長の放射は短時
間だけ持続する。いくつかのメカニズムによって、最終
マニフォールドの下方準位（例えば4 I 13/2の状態）が
再び空になり、“末期的”レーザスペクトルを支配する
短波長の放射を再度、蓄える。初期状態分布を反転する
のに驚くほど少ない光学的エネルギ量を必要とするた
め、例えばCaF2（Er3＋）レーザが半連続波モードで動
作可能であると結論された。
本発明の一面は、初期的及び最終的レイジング状態の間
で、準連続レイジング動作を行う方法を具備し、さら
に、レーザ動作中、初期的レイジング状態と最終的レイ
ジング状態との間の反転分布を維持すべく前記最終的レ
イジング状態（マニフォールド）で、十分な数の電子の
エネルギ交換を提供するアップコンバート材を含むレー
ザ媒体と空洞部外形（レイジング周波数）を選択する工
程と、少なくとも準連続な期間の間、適当な量の励起エ
ネルギを前記レーザ媒体に供給する工程とを具備する。
本発明の一実施例において、アップコンバート材は、交
換電子のいくつかを準安定の初期的レイジング状態か又
はそれより上のエネルギ状態にアップコンバートするこ
とが可能である。さらに特定された実施例において、前
記レーザ媒体は、フッ化カルシウム結晶を主とする５か
ら10のモルパーセントのエルビウムイオンを具備し、前
記空洞部は約2.8μｍで前記状態4 I 11/2と4 I 13/2と
の間でレイジングすべく同調される（第11図参照）。第
11図において、一定の、例えば状態4 I 11/2と4 I 13/2
との間でかつ2.8μｍでレイジングが起こることを例示
したが、より正確には、レイジングはれば約4 I 11/2の
状態（初期マニフォールド）のエネルギ状態のバンド間
で起こり、放射されたレイジングエネルギが約2.8μｍ
の波長のバンドを取囲むことが当該技術の熟練者に理解
される。さらに、第11図は1.54μｍの供給エネルギを示
しているが、レイジング状態間の初期的反転分布は広い
周波数範囲に渡って供給されたエネルギ、例えば、前記
4 I 13/2の状態より上の数多くのエネルギ状態に対する
直接ポンピングによって起こることが分かる。本発明の
一側面によれば、前記反転分布を維持すべくCW動作は前
記下方レイジングマニフォールドから離れた電子のリサ
イクリングによって可能になる。相互作用する２つのイ
オンの例として、このリサイクニングは前記マニフォー
ルド準位（例えば、4 I 13/2から4 I 15/2まで）より下
方に落下する交換イオンの１つと、例えば4 I 13/2のエ
ネルギ状態の初期的レイジングマニフォールドか又はそ
れより上方（例えば、4 I 9/2のエネルギ状態）に上昇
される他の交換イオンとを必然的に伴う。アップコンバ
ージョンは供給されたエネルギと放射されたエネルギの
周波数の比較というよりも電子のエネルギ状態の上昇を
意味する。半連続とは例えば、20ms以上の延長された期
間であり、例えば最終状態の寿命による反転分布の損失
によって制限されず、前記期間は励起エネルギの持続期
間によって決まる。
で、準連続レイジング動作を行う方法を具備し、さら
に、レーザ動作中、初期的レイジング状態と最終的レイ
ジング状態との間の反転分布を維持すべく前記最終的レ
イジング状態（マニフォールド）で、十分な数の電子の
エネルギ交換を提供するアップコンバート材を含むレー
ザ媒体と空洞部外形（レイジング周波数）を選択する工
程と、少なくとも準連続な期間の間、適当な量の励起エ
ネルギを前記レーザ媒体に供給する工程とを具備する。
本発明の一実施例において、アップコンバート材は、交
換電子のいくつかを準安定の初期的レイジング状態か又
はそれより上のエネルギ状態にアップコンバートするこ
とが可能である。さらに特定された実施例において、前
記レーザ媒体は、フッ化カルシウム結晶を主とする５か
ら10のモルパーセントのエルビウムイオンを具備し、前
記空洞部は約2.8μｍで前記状態4 I 11/2と4 I 13/2と
の間でレイジングすべく同調される（第11図参照）。第
11図において、一定の、例えば状態4 I 11/2と4 I 13/2
との間でかつ2.8μｍでレイジングが起こることを例示
したが、より正確には、レイジングはれば約4 I 11/2の
状態（初期マニフォールド）のエネルギ状態のバンド間
で起こり、放射されたレイジングエネルギが約2.8μｍ
の波長のバンドを取囲むことが当該技術の熟練者に理解
される。さらに、第11図は1.54μｍの供給エネルギを示
しているが、レイジング状態間の初期的反転分布は広い
周波数範囲に渡って供給されたエネルギ、例えば、前記
4 I 13/2の状態より上の数多くのエネルギ状態に対する
直接ポンピングによって起こることが分かる。本発明の
一側面によれば、前記反転分布を維持すべくCW動作は前
記下方レイジングマニフォールドから離れた電子のリサ
イクリングによって可能になる。相互作用する２つのイ
オンの例として、このリサイクニングは前記マニフォー
ルド準位（例えば、4 I 13/2から4 I 15/2まで）より下
方に落下する交換イオンの１つと、例えば4 I 13/2のエ
ネルギ状態の初期的レイジングマニフォールドか又はそ
れより上方（例えば、4 I 9/2のエネルギ状態）に上昇
される他の交換イオンとを必然的に伴う。アップコンバ
ージョンは供給されたエネルギと放射されたエネルギの
周波数の比較というよりも電子のエネルギ状態の上昇を
意味する。半連続とは例えば、20ms以上の延長された期
間であり、例えば最終状態の寿命による反転分布の損失
によって制限されず、前記期間は励起エネルギの持続期
間によって決まる。
それゆえ、本発明の目的は、室温での新規な連続波固体
レーザおよびその動作方法を提供することにある。
レーザおよびその動作方法を提供することにある。
他の目的は、CWの赤外エルビウムレーザ及びその動作方
法を提供することにある。
法を提供することにある。
さらなる目的は、約2.8μｍで準連続的レイジング動作
を行う方法を提供することにある。
を行う方法を提供することにある。
図面の簡単な説明 本発明の特性を示すと思われる新規な特徴は、添附の請
求の範囲の中で詳細に述べられる。付加的な目的及び利
点さらに動作の構成及び方法に関して、本発明は、同じ
参照数字は同じ部分を意味する附随の図面に関して次の
説明を読むことによって良く理解される。
求の範囲の中で詳細に述べられる。付加的な目的及び利
点さらに動作の構成及び方法に関して、本発明は、同じ
参照数字は同じ部分を意味する附随の図面に関して次の
説明を読むことによって良く理解される。
第１図は、CaF2（Er3＋が10％）の吸収及び放射バンド
を示す。前記放射はアップコンバートされた1.5μｍの
放射線によって励起された。前記放射バンドの相対的強
度は縮尺通りではない。
を示す。前記放射はアップコンバートされた1.5μｍの
放射線によって励起された。前記放射バンドの相対的強
度は縮尺通りではない。
第２図は、Er3＋イオンのエネルギ準位の線図とアップ
コンバージョン励起の方法を示す。
コンバージョン励起の方法を示す。
第３図は、1.6μｍと0.9μｍの励起放射線の相対的強度
に対するアップコンバートされた主なバンドの相対的強
度を示す。
に対するアップコンバートされた主なバンドの相対的強
度を示す。
第４図は、CaF2内のEr3＋イオンの濃度に対するアップ
コンバートされたバンドの相対的強度の依存性を示す。
コンバートされたバンドの相対的強度の依存性を示す。
第５図は、1.5μｍの励起放射線の強度に対する可視バ
ンドにおけるアップコンバージョン効率を示す。
ンドにおけるアップコンバージョン効率を示す。
第６図は、CaF2内のEr3＋イオンの濃度に対する室温で
の4 I 11/2と4 I 13/2の寿命を示す。
の4 I 11/2と4 I 13/2の寿命を示す。
第７図は、室温における真空でのCaF2（Er3＋）の4 I 1
1/2から4 I 13/2へのレーザ遷移のスペクトル出力を示
す。第８図は、室温で、100mmHgのCO2におけるCaF2（Er
3＋）の4 I 11/2から4 I 13/2へのスペクトル出力を示
す。
1/2から4 I 13/2へのレーザ遷移のスペクトル出力を示
す。第８図は、室温で、100mmHgのCO2におけるCaF2（Er
3＋）の4 I 11/2から4 I 13/2へのスペクトル出力を示
す。
第９図は、2.75μｍ（下方掃引）と2.80μｍ（上方掃
引）の時間分解されたCaF2（Er3＋）のレーザ放射を示
す。
引）の時間分解されたCaF2（Er3＋）のレーザ放射を示
す。
第10図は、CaF2内のEr3＋イオン濃度の関数であるしき
い値ポンピングエネルギ（底部曲線152）とアップコン
バートされた放射線（上部曲線150）の強度を示す。第1
1図は、CaF2（Er3＋）の4 I 11/2から4 I 13/2への遷移
に対するアップコンバージョン及びレーザポンピング方
法に関連したエネルギ準位を示す。
い値ポンピングエネルギ（底部曲線152）とアップコン
バートされた放射線（上部曲線150）の強度を示す。第1
1図は、CaF2（Er3＋）の4 I 11/2から4 I 13/2への遷移
に対するアップコンバージョン及びレーザポンピング方
法に関連したエネルギ準位を示す。
第12図は、室温において1msecのキセノンフラッシュラ
ンプのパルスによって励起されたCaF2（Er3＋）の2.8μ
ｍのレーザ放射を示す。
ンプのパルスによって励起されたCaF2（Er3＋）の2.8μ
ｍのレーザ放射を示す。
第13図は、動作に適した本発明によるCaF2のアップコン
バージョンレーザ装置の略線図である。
バージョンレーザ装置の略線図である。
第14図は、室温でのエルビウムガラスレーザ（下方掃
引）の1.54μｍの放射線によって励起された約2.8μｍ
（上方掃引）のCaF2（５％のEr3＋）のレーザの放射を
示す。
引）の1.54μｍの放射線によって励起された約2.8μｍ
（上方掃引）のCaF2（５％のEr3＋）のレーザの放射を
示す。
第15図は、本発明の方法を実施するのに使用されるCaF2
（Er3＋）レーザ装置を略線図である。
（Er3＋）レーザ装置を略線図である。
好ましい実施例の説明 多くの主格子内に不純物として含まれたエルビウムは、
増感剤の助けによりあるいは、その助けなしに1.5μｍ
及び980nmの放射線をアップコンバートすることが可能
である。いくつかの純粋なエルビウム、例えばErF3もま
たこの特性を表わす。放射線は吸収されるか又はEr3＋
イオンの4 I 11/2及び／又は4 I 13/2の状態に移動さ
れ、いくつかの可視及び赤外バンドに変換される。２、
３モルパーセントのエルビウムでドーピングしたアルカ
リ土類フッ化物の結晶は大変効率のよりアップコンバー
ジョンの特性を持つ。
増感剤の助けによりあるいは、その助けなしに1.5μｍ
及び980nmの放射線をアップコンバートすることが可能
である。いくつかの純粋なエルビウム、例えばErF3もま
たこの特性を表わす。放射線は吸収されるか又はEr3＋
イオンの4 I 11/2及び／又は4 I 13/2の状態に移動さ
れ、いくつかの可視及び赤外バンドに変換される。２、
３モルパーセントのエルビウムでドーピングしたアルカ
リ土類フッ化物の結晶は大変効率のよりアップコンバー
ジョンの特性を持つ。
第１図に示すように、CaF2（Er3＋が10％）の1.5μｍの
放射線の吸収は985から382nmの波長にわたる赤から紫の
７つのバンドを放射し放射バンドと吸収バンドは隣接す
る。第２図は、Er3＋イオンのエネルギ準位線図とアッ
プコンバートされた主なバンドに対する励起方法を示
す。第１図に示すバンドに加えて、約2.7及び2.0及び1.
15μｍの赤外領域の３つのバンドが示されている。これ
らのバンドはEr3＋の励起状態間の遷移、すなわち、そ
れぞれ4 I 11/2から4 I 13/2、4 I 9/2から4 I 11/2、
及び4 I 9/2から4 I 13/2によって生じる。
放射線の吸収は985から382nmの波長にわたる赤から紫の
７つのバンドを放射し放射バンドと吸収バンドは隣接す
る。第２図は、Er3＋イオンのエネルギ準位線図とアッ
プコンバートされた主なバンドに対する励起方法を示
す。第１図に示すバンドに加えて、約2.7及び2.0及び1.
15μｍの赤外領域の３つのバンドが示されている。これ
らのバンドはEr3＋の励起状態間の遷移、すなわち、そ
れぞれ4 I 11/2から4 I 13/2、4 I 9/2から4 I 11/2、
及び4 I 9/2から4 I 13/2によって生じる。
検出器及びモノクロメータ感度に対して補正され、1.65
μｍの共振バンドの強度に対して規格化された2.0及び
1.15μｍの弱いバンドを除く相対バンドの強度は表Ｉに
よって与えられる。アップコンバートされた一番強い放
射は前記4 I 11/2の状態から起こることがわかる。
μｍの共振バンドの強度に対して規格化された2.0及び
1.15μｍの弱いバンドを除く相対バンドの強度は表Ｉに
よって与えられる。アップコンバートされた一番強い放
射は前記4 I 11/2の状態から起こることがわかる。
Yb3＋の増感剤を使用しない場合、CaF2（Er3＋）の980n
mのアップコンバージョンは弱い。671及び551nmのただ
２つの放射バンドが検出可能である。しかしながら、そ
れらの強度は1.5μｍの放射線のアップコンバージョン
によって励起されたものよりも２オーダだけ弱い。
mのアップコンバージョンは弱い。671及び551nmのただ
２つの放射バンドが検出可能である。しかしながら、そ
れらの強度は1.5μｍの放射線のアップコンバージョン
によって励起されたものよりも２オーダだけ弱い。
第２図に示された励起方法は、第３図に示された減衰励
起放射に対するアップコンバージョンされたバンドの相
対的強度の測定結果から得られる。励起放射線の強度が
1.5μｍの時、671と551nmのバンドの強度は、プロット
された曲線のそれぞれの勾配2.6及び3.1を丸めることに
より３次の依存性を有し、985及び805nmのバンドの強度
は、プロットされた曲線のそれぞれの勾配1.8を丸める
ことにより２次の依存性を有することがわかる。言替え
れば、最初かつ最後の２つのバンドはそれぞれ３つ及び
２つの光子アップコンバージョンプロセスの結果であ
る。 表 １ λ,nm 初期状態 相対強度 2,700 4 I 11/2 0.22 1.615 4 I 13/2 1 985 4 I 11/2 0.58 828 4 I 9/2 2.8×10-2 670 4 F 9/2 0.17 550 4 S 3/2 9.3×10-2 452 4 F 5/2 1.8×10-4 410 2 H 9/2 1.7×10-3 382 2 G 11/2 1.2×10-5 第４図は、CaF2内のEr3＋濃度に対するアップコンバー
トされたバンドの相対的強度の依存性を示し、第５図は
入力パワー密度の関数である可視バンドの変換効率であ
る。第４図は、Er3＋イオンの濃度が約10モルパーセン
トのとき一番強いアップコンバージョンが起こることを
示している。
起放射に対するアップコンバージョンされたバンドの相
対的強度の測定結果から得られる。励起放射線の強度が
1.5μｍの時、671と551nmのバンドの強度は、プロット
された曲線のそれぞれの勾配2.6及び3.1を丸めることに
より３次の依存性を有し、985及び805nmのバンドの強度
は、プロットされた曲線のそれぞれの勾配1.8を丸める
ことにより２次の依存性を有することがわかる。言替え
れば、最初かつ最後の２つのバンドはそれぞれ３つ及び
２つの光子アップコンバージョンプロセスの結果であ
る。 表 １ λ,nm 初期状態 相対強度 2,700 4 I 11/2 0.22 1.615 4 I 13/2 1 985 4 I 11/2 0.58 828 4 I 9/2 2.8×10-2 670 4 F 9/2 0.17 550 4 S 3/2 9.3×10-2 452 4 F 5/2 1.8×10-4 410 2 H 9/2 1.7×10-3 382 2 G 11/2 1.2×10-5 第４図は、CaF2内のEr3＋濃度に対するアップコンバー
トされたバンドの相対的強度の依存性を示し、第５図は
入力パワー密度の関数である可視バンドの変換効率であ
る。第４図は、Er3＋イオンの濃度が約10モルパーセン
トのとき一番強いアップコンバージョンが起こることを
示している。
CaF2内のEr3＋イオンの適当な濃度を選択するために、
この遷移に関する様々な重要なパラメータが濃度の関数
として測定された。第６図は、濃度の関数であり、初期
状態4 I 11/2及び4 I 13/2の室温にて測定された寿命を
示す。
この遷移に関する様々な重要なパラメータが濃度の関数
として測定された。第６図は、濃度の関数であり、初期
状態4 I 11/2及び4 I 13/2の室温にて測定された寿命を
示す。
測定はキセノンフラッシュランプによる短時間（20μse
c）パルスのろ過された短波放射線によってサンプルを
励起することによって行われた。一般に、従来のフラッ
シュランプ励起方法によって生成された蛍光バンドの崩
壊曲線は、アップコンバートされたIR短時間パルスによ
って励起された同様の放射バンドの崩壊曲線とは異な
る。前者においては、崩壊曲線の時定数は蛍光が起こる
励起状態の寿命を表わし、後者においては、時定数は4
I 13/2などのような中間状態の寿命に関している。
c）パルスのろ過された短波放射線によってサンプルを
励起することによって行われた。一般に、従来のフラッ
シュランプ励起方法によって生成された蛍光バンドの崩
壊曲線は、アップコンバートされたIR短時間パルスによ
って励起された同様の放射バンドの崩壊曲線とは異な
る。前者においては、崩壊曲線の時定数は蛍光が起こる
励起状態の寿命を表わし、後者においては、時定数は4
I 13/2などのような中間状態の寿命に関している。
第６図から、Er3＋イオン濃度が約20モルパーセントま
では上方の状態τ２の寿命は下方の状態τ１の寿命より
も短いことが分かる。不等式τ２＜τ１を満たす状態間
のレーザ遷移は一般に自己飽和である。自己飽和レーザ
を励起するとき遭遇する主な困難は動作準位間に十分な
反転分布を生成しなければ成らないことである。過剰濃
度はレーザロッドの光学的品質即ちレーザ発光能力に影
響を及ぼすのでCaF2内に20モルパーセント濃度のEr3＋
を使用することはできない。
では上方の状態τ２の寿命は下方の状態τ１の寿命より
も短いことが分かる。不等式τ２＜τ１を満たす状態間
のレーザ遷移は一般に自己飽和である。自己飽和レーザ
を励起するとき遭遇する主な困難は動作準位間に十分な
反転分布を生成しなければ成らないことである。過剰濃
度はレーザロッドの光学的品質即ちレーザ発光能力に影
響を及ぼすのでCaF2内に20モルパーセント濃度のEr3＋
を使用することはできない。
Er3＋及びTm3＋イオンでドーピングしたCaF2の前記4 I
11/2から4 I 13/2への遷移時のレーザ放射が、“CaF2と
ErF3とTmF3との混合結晶におけるTm3＋の1.8μとEr3＋
の2.69μのレーザ放射の熱的スイッチング”、M.Robins
son、D.P.Devor、Appl.Phys、Lett.、Vol.10、No.5、p
g.167、1967に以前報告された。Tm3＋イオンが添加され
たのはEr3＋からTm3＋イオンへの非放射エネルギ移動に
よって4 I 13/2の状態の寿命を短くするためである。そ
のような移動は、以前、“結晶内でのEr3＋からTm3＋お
よびHo3＋イオンへのエネルギ移動”、phys.Rev.、Vol.
133、Number 2A、pg.A494、1964にJohnsonなどによっ
て報告された。レイジングは室温にて生成され、しきい
値はただの10ジュールと報告された。
11/2から4 I 13/2への遷移時のレーザ放射が、“CaF2と
ErF3とTmF3との混合結晶におけるTm3＋の1.8μとEr3＋
の2.69μのレーザ放射の熱的スイッチング”、M.Robins
son、D.P.Devor、Appl.Phys、Lett.、Vol.10、No.5、p
g.167、1967に以前報告された。Tm3＋イオンが添加され
たのはEr3＋からTm3＋イオンへの非放射エネルギ移動に
よって4 I 13/2の状態の寿命を短くするためである。そ
のような移動は、以前、“結晶内でのEr3＋からTm3＋お
よびHo3＋イオンへのエネルギ移動”、phys.Rev.、Vol.
133、Number 2A、pg.A494、1964にJohnsonなどによっ
て報告された。レイジングは室温にて生成され、しきい
値はただの10ジュールと報告された。
その後、約３μｍにおいて起こる4 I 11/2と4 I 13/2の
状態間のEr3＋のレーザ放射が１ダース以上の異なる母
材において生成された。（A.A.Kaminskii、Laser Crys
tals、Springer Series in Optical Sciences、Edi
tor D.L.MacAdam、Vol.14、Spronger−Verlag、Berli
n、Heidelbeg、New York、1981）。
状態間のEr3＋のレーザ放射が１ダース以上の異なる母
材において生成された。（A.A.Kaminskii、Laser Crys
tals、Springer Series in Optical Sciences、Edi
tor D.L.MacAdam、Vol.14、Spronger−Verlag、Berli
n、Heidelbeg、New York、1981）。
CaF2を含む多くの母材においてEr3＋イオンはイオン助
剤を奪活することなしにレーザ発光する。
剤を奪活することなしにレーザ発光する。
大抵の３μｍのエルビウムレーザは次の共通な特性を有
する。（１）室温にて動作する。（２）低いポンプエネ
ルギに対して高いエルビウムイオン濃度を必要とする。
（３）１より大きな最終状態／初期状態の寿命比率を有
する。いくつかの母材においてはこの比率は10を越え
る。驚くべきことに、これらのレーザは室温にて低いポ
ンピングエネルギでパルスモードで大変良く動作する。
パルスレイジングを説明するために、4 I 11/2と4 I 13
/2の励起状態のシュタルクスプリッチング（Stark spl
itting）を考慮する仮説が提出された。（A.A.Kaminski
i、Laser Crystals、Springer Series in Optical
Sciences、Editor D.L.MacAdam、Vol.14、Spronger
−Verlag、Berlin、Heidelbeg、New York、1981）。そ
れらは低い結晶対称の結晶内電場においてそれぞれ、６
つ及び７つのクラマースのダブレット要素に分離され
る。この仮説によれば、4 I 11/2から4 I 13/2へのレイ
ジングプロセスは次のごとく行われる。キセノンフラッ
シュランプの光学的ポンピング用短パルスは、（増感材
の助けにより又はその助けなしに）上方の4 I 11/2の状
態を優先的に分布し、最終的な4 I 13/2マニフォールド
の準位を空か又はまばらに分布する。前記4 I 11/2マニ
フォールドの準位で生成された反転分布は、様々な準位
の最終状態マニフォールドに対する自己飽和レーザ遷移
となる。下方準位の最終マニフォールドはより速く飽和
するので短波長のレーザ線はスペクトルからすぐに消え
る。上方準位で終わる遷移から起こる最も長い波長のレ
ーザ光線だけがより長く持続し末期的レーザスペクトル
において観察される。これは、自己飽和レーザのスペク
トル線の、いわゆる赤外偏移である。2.7から2.8μｍの
スペクトル領域において起こるCaF2内のEr3＋の前記4 I
11/2から4 I 13/2のレーザ遷移は、CO2及びH2O分子の
強い吸収領域に一致する。それゆえ、レーザ空洞内のこ
れらの分子の存在はレーザスペクトルの観察バンドの位
置と数に影響を及ぼす。この効果を例示するために第７
図は、真空で生成された低解像度のスペクトルを示し、
第８図はレーザ空洞部が100mm HgのCO2で満たされたと
き得られるスペクトルを示す。パルスレーザが使用され
るのでスペクトルは、モノクロメータダイヤルを一度に
モノクロメータの解像限界である5nmだけ進めることに
よって点ごとに記録される。
する。（１）室温にて動作する。（２）低いポンプエネ
ルギに対して高いエルビウムイオン濃度を必要とする。
（３）１より大きな最終状態／初期状態の寿命比率を有
する。いくつかの母材においてはこの比率は10を越え
る。驚くべきことに、これらのレーザは室温にて低いポ
ンピングエネルギでパルスモードで大変良く動作する。
パルスレイジングを説明するために、4 I 11/2と4 I 13
/2の励起状態のシュタルクスプリッチング（Stark spl
itting）を考慮する仮説が提出された。（A.A.Kaminski
i、Laser Crystals、Springer Series in Optical
Sciences、Editor D.L.MacAdam、Vol.14、Spronger
−Verlag、Berlin、Heidelbeg、New York、1981）。そ
れらは低い結晶対称の結晶内電場においてそれぞれ、６
つ及び７つのクラマースのダブレット要素に分離され
る。この仮説によれば、4 I 11/2から4 I 13/2へのレイ
ジングプロセスは次のごとく行われる。キセノンフラッ
シュランプの光学的ポンピング用短パルスは、（増感材
の助けにより又はその助けなしに）上方の4 I 11/2の状
態を優先的に分布し、最終的な4 I 13/2マニフォールド
の準位を空か又はまばらに分布する。前記4 I 11/2マニ
フォールドの準位で生成された反転分布は、様々な準位
の最終状態マニフォールドに対する自己飽和レーザ遷移
となる。下方準位の最終マニフォールドはより速く飽和
するので短波長のレーザ線はスペクトルからすぐに消え
る。上方準位で終わる遷移から起こる最も長い波長のレ
ーザ光線だけがより長く持続し末期的レーザスペクトル
において観察される。これは、自己飽和レーザのスペク
トル線の、いわゆる赤外偏移である。2.7から2.8μｍの
スペクトル領域において起こるCaF2内のEr3＋の前記4 I
11/2から4 I 13/2のレーザ遷移は、CO2及びH2O分子の
強い吸収領域に一致する。それゆえ、レーザ空洞内のこ
れらの分子の存在はレーザスペクトルの観察バンドの位
置と数に影響を及ぼす。この効果を例示するために第７
図は、真空で生成された低解像度のスペクトルを示し、
第８図はレーザ空洞部が100mm HgのCO2で満たされたと
き得られるスペクトルを示す。パルスレーザが使用され
るのでスペクトルは、モノクロメータダイヤルを一度に
モノクロメータの解像限界である5nmだけ進めることに
よって点ごとに記録される。
中位から高位の定数のレーザ励起準位において、出力ス
ペクトルすなわち記録されるバンドの外形は大体一定で
あり１つの記録ランから次のランまで再生可能であり、
低い励起準位においては、記録バンドの外部と内部にか
なりの量の“line hopping"が観察され、パルスごとに
異なるスペクトル出力およびバンド外形となる。この観
察によってバンド内にち密な構造が存在することが示さ
れる。
ペクトルすなわち記録されるバンドの外形は大体一定で
あり１つの記録ランから次のランまで再生可能であり、
低い励起準位においては、記録バンドの外部と内部にか
なりの量の“line hopping"が観察され、パルスごとに
異なるスペクトル出力およびバンド外形となる。この観
察によってバンド内にち密な構造が存在することが示さ
れる。
第７図から、真空において放射は約2.75と2.80μｍを中
心とする２つのバンドで起こることが分かる。解像上の
限界によりこれらのバンドの細部を記録することが出来
なかった。しかしながら、これらは前記仮説された赤方
偏移の存在について検討する機会を与えてくれた。この
ため、レーザビームはビームスプリッタにより２つの要
素に分割された。前記要素それぞれは、InAs検出器を有
するモノクロメータに供給された。１つのモノクロメー
タは2.75μｍに設定され他は2.80μｍに設定された。第
９図に示されるように、予言された赤方偏移が確かに観
察されたが、長波長の放射は最後まで続かなかった。い
くつかのメカニズムによって下方準位の最終マニフォー
ルドが空になり末期的レーザスペクトルを支配する短波
長の放射が再度蓄えられた。
心とする２つのバンドで起こることが分かる。解像上の
限界によりこれらのバンドの細部を記録することが出来
なかった。しかしながら、これらは前記仮説された赤方
偏移の存在について検討する機会を与えてくれた。この
ため、レーザビームはビームスプリッタにより２つの要
素に分割された。前記要素それぞれは、InAs検出器を有
するモノクロメータに供給された。１つのモノクロメー
タは2.75μｍに設定され他は2.80μｍに設定された。第
９図に示されるように、予言された赤方偏移が確かに観
察されたが、長波長の放射は最後まで続かなかった。い
くつかのメカニズムによって下方準位の最終マニフォー
ルドが空になり末期的レーザスペクトルを支配する短波
長の放射が再度蓄えられた。
このメカニズムはエネルギ状態のアップコンバージョン
であると仮定された。この仮説は他の観察によって支持
された。CaF2のサンプルにおけるアップコンバートされ
た放射線の相対的強度に対してプロットされかつレーザ
のしきい値エネルギが濃度に対して同じサンプルからつ
くられるとき、第10図に示すように２つの隣接する曲線
が得られる。両者は類似しているが反転したEr3＋に関
する機能依存性を表わすことがわかる。濃度の増加と共
に低下するレーザロッドの光学的品質のため、５から10
モルパーセント濃度を越えて比較することができなかっ
た。
であると仮定された。この仮説は他の観察によって支持
された。CaF2のサンプルにおけるアップコンバートされ
た放射線の相対的強度に対してプロットされかつレーザ
のしきい値エネルギが濃度に対して同じサンプルからつ
くられるとき、第10図に示すように２つの隣接する曲線
が得られる。両者は類似しているが反転したEr3＋に関
する機能依存性を表わすことがわかる。濃度の増加と共
に低下するレーザロッドの光学的品質のため、５から10
モルパーセント濃度を越えて比較することができなかっ
た。
いくつかの実験的測定及び観察によりアップコンバージ
ョンが光学的ポンピングプロセスにおいて重要な要因で
あることがわかった。第１に、CaF2（Er3＋）の4 I 11/
2と4 I 13/2の状態間のレイジングの測定は（第２図お
よび11図を参照）、4 I 11/2の上方状態の寿命が4 I 13
/2の下方状態の寿命（20msec）のただの半分（10msec）
であるけれもレイジングのセルフケンチングが起こらな
いことを示している。第２に、通常のセルフケンチング
レーザ動作と対照的に、長波長の光線が短波光線の消滅
に先だってレーザパルスの間レーザスペクトルから消え
る。第３に、短期間（1msec）のキセノンフラッシュラ
ンプによって励起されたレイジング動作の持続期間はほ
とんど２のファクタだけ前記4 I 11/2のレイジング状態
の寿命を越える。さらに、レーザポンプエネルギのしき
い値とアップコンバージョンによって励起された蛍光の
強度はEr3＋イオンの濃度に関して反対の依存性を有す
る。
ョンが光学的ポンピングプロセスにおいて重要な要因で
あることがわかった。第１に、CaF2（Er3＋）の4 I 11/
2と4 I 13/2の状態間のレイジングの測定は（第２図お
よび11図を参照）、4 I 11/2の上方状態の寿命が4 I 13
/2の下方状態の寿命（20msec）のただの半分（10msec）
であるけれもレイジングのセルフケンチングが起こらな
いことを示している。第２に、通常のセルフケンチング
レーザ動作と対照的に、長波長の光線が短波光線の消滅
に先だってレーザパルスの間レーザスペクトルから消え
る。第３に、短期間（1msec）のキセノンフラッシュラ
ンプによって励起されたレイジング動作の持続期間はほ
とんど２のファクタだけ前記4 I 11/2のレイジング状態
の寿命を越える。さらに、レーザポンプエネルギのしき
い値とアップコンバージョンによって励起された蛍光の
強度はEr3＋イオンの濃度に関して反対の依存性を有す
る。
単純な理論的モデルが発展され、4 I 11/2と4 I 13/2の
準位間のレーザ動作は、1.5μｍの放射線の吸収によっ
て生成された励起した4 I 13/2の状態でのイオンのアッ
プコンバージョンのみによってポンピングされることを
示した。この予言の実験的確認として、CaF2（Er3＋）
の2.8μｍでのレイジング動作はガラスレーザ内のエル
ビウムにによって放射された1.54μｍのレーザ光線を使
用するアップコンバージョンポンピングによって生成さ
れた。第４図は、800ジュールの人力エネルギで1.54μ
ｍのエルビウムレーザ光線（下方掃引）によるポンピン
グによって生成された2.8μｍのレイジング（上方掃
引）を示している。
準位間のレーザ動作は、1.5μｍの放射線の吸収によっ
て生成された励起した4 I 13/2の状態でのイオンのアッ
プコンバージョンのみによってポンピングされることを
示した。この予言の実験的確認として、CaF2（Er3＋）
の2.8μｍでのレイジング動作はガラスレーザ内のエル
ビウムにによって放射された1.54μｍのレーザ光線を使
用するアップコンバージョンポンピングによって生成さ
れた。第４図は、800ジュールの人力エネルギで1.54μ
ｍのエルビウムレーザ光線（下方掃引）によるポンピン
グによって生成された2.8μｍのレイジング（上方掃
引）を示している。
前記理論はさらに、（１）1.54μｍの最小ポンピングエ
ネルギを必要とする。（２）レイジングはポンピングエ
ネルギに反比例する遅延と共に起こる。（３）レイジン
グは、下方状態の4 I 13/2の寿命、すなわち、20msecだ
け持続する。これらの全ての予言は実験的に検証され
た。
ネルギを必要とする。（２）レイジングはポンピングエ
ネルギに反比例する遅延と共に起こる。（３）レイジン
グは、下方状態の4 I 13/2の寿命、すなわち、20msecだ
け持続する。これらの全ての予言は実験的に検証され
た。
CaF2（Er3＋）レーザがキセノンフラッシュランプによ
って放射線吸収を通してレイジング状態より上方のエネ
ルギ状態に従来の方法でポンピングされる時でさえも、
アップコンバージョンが反転分布プロセスに関与するこ
とを強調したい。次に記載される２つのパルスの実験が
光学的ポンピングメカニズムとしてのアップコンバージ
ョンの役割を示す。制御可能な遅延時間によって個々に
発光する２つのフラッシュランプがレーザ空洞部に組込
まれた。各フラッシュランプのコンデンサバンク内のエ
ネルギはしきい値より下方の等しい値に調整され、個々
に発光した時、フラッシュランプがレイジング放射を励
起しないようにした。２つのランプが同時に発光した
時、レイジングが起こった。さらに、第２のフラッシュ
ランプの発光が少しづつ遅延され前記遅延が25msecより
長くなった時、レイジングが起こった。4 I 11/2の初期
状態の寿命が約10msecなので第２の発光遅延が10msecを
越える時はこの状態において、ポンピングエネルギの加
算は起こらなかった。前記加算は4 I 13/2の最終状態の
みで起こった。それゆえ、第２パルスが、10msec以上で
かつ20から25msec（4 I 13/2の状態の寿命）以下の時間
だけ遅延された時、アップコンバージョンによってポン
ピングが起こった。
って放射線吸収を通してレイジング状態より上方のエネ
ルギ状態に従来の方法でポンピングされる時でさえも、
アップコンバージョンが反転分布プロセスに関与するこ
とを強調したい。次に記載される２つのパルスの実験が
光学的ポンピングメカニズムとしてのアップコンバージ
ョンの役割を示す。制御可能な遅延時間によって個々に
発光する２つのフラッシュランプがレーザ空洞部に組込
まれた。各フラッシュランプのコンデンサバンク内のエ
ネルギはしきい値より下方の等しい値に調整され、個々
に発光した時、フラッシュランプがレイジング放射を励
起しないようにした。２つのランプが同時に発光した
時、レイジングが起こった。さらに、第２のフラッシュ
ランプの発光が少しづつ遅延され前記遅延が25msecより
長くなった時、レイジングが起こった。4 I 11/2の初期
状態の寿命が約10msecなので第２の発光遅延が10msecを
越える時はこの状態において、ポンピングエネルギの加
算は起こらなかった。前記加算は4 I 13/2の最終状態の
みで起こった。それゆえ、第２パルスが、10msec以上で
かつ20から25msec（4 I 13/2の状態の寿命）以下の時間
だけ遅延された時、アップコンバージョンによってポン
ピングが起こった。
残る問題は、アップコンバートされた1.5μｍの放射線
のソースを突止め、前記放射線が外部（すなわち直接キ
セノンランプによって）から供給されたのかあるいは緩
和、すなわち高いエネルギ状態から前記4 I 13/2の状態
への様々な電子的遷移によって内部的に発生したのかを
決定することであった。模範的なキセノンフラッシュラ
ンプの放射スペクトルを観察した結果、前記キセノンラ
ンプは1.5μｍで僅かの放射しかしないのでアップコン
バージョン用の十分な光子束を供給することができない
ことがわかった。この結論を検証すべく、空気中でキセ
ノンフラッシュランプを使用してレーザポンピングエネ
ルギのしきい値を決定してそれをレーザ空洞部が水（水
は1.5μｍの放射線を大変効率良く吸収する）で満たさ
れたときのしきい値と比較した。水における測定しきい
値は空気におけるよれよりも約25パーセント低く、アッ
プコンバージョンに対する1.5μｍの放射線の源が内的
であるという上記の推測が確認できた。水のエネルギし
きい値が低いのは前記ランプと前記レーザロッド間のよ
り良い屈折率マッチングによるより良い光学的結合によ
るものである。
のソースを突止め、前記放射線が外部（すなわち直接キ
セノンランプによって）から供給されたのかあるいは緩
和、すなわち高いエネルギ状態から前記4 I 13/2の状態
への様々な電子的遷移によって内部的に発生したのかを
決定することであった。模範的なキセノンフラッシュラ
ンプの放射スペクトルを観察した結果、前記キセノンラ
ンプは1.5μｍで僅かの放射しかしないのでアップコン
バージョン用の十分な光子束を供給することができない
ことがわかった。この結論を検証すべく、空気中でキセ
ノンフラッシュランプを使用してレーザポンピングエネ
ルギのしきい値を決定してそれをレーザ空洞部が水（水
は1.5μｍの放射線を大変効率良く吸収する）で満たさ
れたときのしきい値と比較した。水における測定しきい
値は空気におけるよれよりも約25パーセント低く、アッ
プコンバージョンに対する1.5μｍの放射線の源が内的
であるという上記の推測が確認できた。水のエネルギし
きい値が低いのは前記ランプと前記レーザロッド間のよ
り良い屈折率マッチングによるより良い光学的結合によ
るものである。
2.8μｍでのレーザ動作は、異なる濃度で増感イオン及
び奪活イオンを含まないEr3＋イオンでドープした純粋
のCaF2から成るレーザロッドを使用してつくり出され
た。１及び10モルパーセントのEr3＋イオン濃度に対す
るポンプエネルギのしきい値はそれぞれ約50から20ジュ
ールである。前記レーザロッドの光学的品質が良いため
５モルパーセントを含む前記ロッドに対して最低のしき
い値が得られた。前記結合ミラーの反射力によって前記
しきい値は５から10ジュールの間で変化した。高反射力
のミラーと前記レーザ空洞部内の真空を使用した場合の
最低しきい値は2.8ジュールであった。前記キセノンフ
ラッシュランプのパルス持続時間が約1msecなのでこの
値は2.8KWのピークしきい値になる。
び奪活イオンを含まないEr3＋イオンでドープした純粋
のCaF2から成るレーザロッドを使用してつくり出され
た。１及び10モルパーセントのEr3＋イオン濃度に対す
るポンプエネルギのしきい値はそれぞれ約50から20ジュ
ールである。前記レーザロッドの光学的品質が良いため
５モルパーセントを含む前記ロッドに対して最低のしき
い値が得られた。前記結合ミラーの反射力によって前記
しきい値は５から10ジュールの間で変化した。高反射力
のミラーと前記レーザ空洞部内の真空を使用した場合の
最低しきい値は2.8ジュールであった。前記キセノンフ
ラッシュランプのパルス持続時間が約1msecなのでこの
値は2.8KWのピークしきい値になる。
第13図のレーザ装置20はCaF2（５％Er3＋）のロッド22
を使用する。
を使用する。
出力エネルギ効率及び他のレーザ特性を求めるべく選択
されたCaF2（５％Er3＋）のレーザロッド22は、空気中
で室温にてテストされた。励起すべく前記空洞内でキセ
ノンフラッシュランプと、（テスト装置において）90及
び99.5パーセントの反射率を持つZnSeの凹状（1m半径）
誘電性ミラー90とが使用された。ポンプエネルギのしき
い値は約15ジュールだった。パルス当り0.5ジュールを
越える出力エネルギと30ワット以上のピークパワー及び
0.3パーセントを越える勾配効率が150から200ジュール
のフラッシュランプへの入力エネルギにおいて得られ
た。第12図に17msecの持続期間を持つスパイク状レーザ
パルスが示される。上述のエネルギ及びパワー出力値は
前記結合ミラーの反射率を変化させることによって最適
化されなかった。ただ1msecだけ持続する前記キセノン
フラッシュランプのパルスによって励起された以上に長
い持続期間は、励起エネルギが前記レーザロッド内でア
ップコンバージョンによってリサイクルされた可能性を
提示している。この結果は、最終状態の寿命すなわち20
msecに等しいアップコンバージョンによって励起された
レイジング持続期間に対する上限を設定する理論的解析
と一致する。
されたCaF2（５％Er3＋）のレーザロッド22は、空気中
で室温にてテストされた。励起すべく前記空洞内でキセ
ノンフラッシュランプと、（テスト装置において）90及
び99.5パーセントの反射率を持つZnSeの凹状（1m半径）
誘電性ミラー90とが使用された。ポンプエネルギのしき
い値は約15ジュールだった。パルス当り0.5ジュールを
越える出力エネルギと30ワット以上のピークパワー及び
0.3パーセントを越える勾配効率が150から200ジュール
のフラッシュランプへの入力エネルギにおいて得られ
た。第12図に17msecの持続期間を持つスパイク状レーザ
パルスが示される。上述のエネルギ及びパワー出力値は
前記結合ミラーの反射率を変化させることによって最適
化されなかった。ただ1msecだけ持続する前記キセノン
フラッシュランプのパルスによって励起された以上に長
い持続期間は、励起エネルギが前記レーザロッド内でア
ップコンバージョンによってリサイクルされた可能性を
提示している。この結果は、最終状態の寿命すなわち20
msecに等しいアップコンバージョンによって励起された
レイジング持続期間に対する上限を設定する理論的解析
と一致する。
前記レーザ20（第13図）はCaF2（Er3＋）のロッド22とZ
nSeの凹状端部ミラー24及び26を含む。前記ロッド22はO
ptovac、Inc.によって発展され研削され艶出しされた平
行で平らな２つの端部を有し反射防止用の塗布は施され
なかった。前記ロッド22は金めっきされた楕円状反射器
28内に15から20msecのフラッシュ持続期間を有する５つ
の写真用3MBフラッシュランプ30と共に組込まれる。前
記ミラー24及び26は2.8μｍのエネルギに対して99.5％
反射する。前記レーザ20の前記要素はCaF2の窓42を持つ
チャンバ40内に密閉された。
nSeの凹状端部ミラー24及び26を含む。前記ロッド22はO
ptovac、Inc.によって発展され研削され艶出しされた平
行で平らな２つの端部を有し反射防止用の塗布は施され
なかった。前記ロッド22は金めっきされた楕円状反射器
28内に15から20msecのフラッシュ持続期間を有する５つ
の写真用3MBフラッシュランプ30と共に組込まれる。前
記ミラー24及び26は2.8μｍのエネルギに対して99.5％
反射する。前記レーザ20の前記要素はCaF2の窓42を持つ
チャンバ40内に密閉された。
制御ユニット50は前記キセノンフラッシュランプ30を連
続して発光させ発光間の遅延は約15msecである。結果と
しての半CWレイジング動作は2.8μｍの出力をつくり出
し、約80msec持続した。
続して発光させ発光間の遅延は約15msecである。結果と
しての半CWレイジング動作は2.8μｍの出力をつくり出
し、約80msec持続した。
第15図の実施例は、前記フラッシュランプ30が、前記制
御ユニット50′によって連続的に作動される標準形タン
グステンヨードの白熱ランプなどのCWポンプランプ30′
によって取替えられた以外は第13図に記載された内容に
類似する。動作を長くするには前記レーザロッドを液体
冷却（図に示さず）する必要がある。
御ユニット50′によって連続的に作動される標準形タン
グステンヨードの白熱ランプなどのCWポンプランプ30′
によって取替えられた以外は第13図に記載された内容に
類似する。動作を長くするには前記レーザロッドを液体
冷却（図に示さず）する必要がある。
すなわち、連続的レイジング動作を提供する新規な方
法、より詳細には室温での固体レーザの連続的又は準連
続的動作を提供する方法が開示された。ここには特定さ
れたレイジング動作の方法が開示されたが本発明はそれ
に限定されない。よって、当該技術の熟練者に機能など
んな及び全ての変更、変化又はそれに相当する構成は、
次の請求の範囲で規定された本発明の範囲内に含まれ
る。
法、より詳細には室温での固体レーザの連続的又は準連
続的動作を提供する方法が開示された。ここには特定さ
れたレイジング動作の方法が開示されたが本発明はそれ
に限定されない。よって、当該技術の熟練者に機能など
んな及び全ての変更、変化又はそれに相当する構成は、
次の請求の範囲で規定された本発明の範囲内に含まれ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ｓｏｖｉｅｔ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｅｃ ｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，27（３) （1982−３）（米）Ｐ．333−334
Claims (9)
- 【請求項１】4 I 11/2の初期レイジング状態と4 I 13/2
の最終的レイジング状態との間の連続的レイジング動作
を共振器内のレーザ媒体において発生する方法であっ
て、 前記レイジング動作中、前記初期及び最終的レイジング
状態間で反転分布を維持すべく、前記最終レイジング状
態で十分な数の電子間のエネルギ交換を提供する前記最
終的レイジング状態から電子をリサイクルするのに十分
な濃度のアップコンバート材を含むレーザ媒体を選択
し、 アップコンバージョンの間、前記初期レイジング状態か
ら電子をリサイクルすべく約20msec以上の間、前記レー
ザ媒体にCW励起入力エネルギを印加して、反転分布を連
続的時間の間維持するとともにレーザ放出を2.7乃至2.8
μｍの範囲で発生させることを特徴とする方法。 - 【請求項２】前記アップコンバート材は、前記エネルギ
交換を行う電子の一部が準安定初期レイジング状態以上
のエネルギ状態にアップコンバートされるような材料で
あることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項３】前記アップコンバート材が希土類材料であ
ることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。 - 【請求項４】前記レーザ媒体がフッ化カルシウム結晶を
具備することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の方
法。 - 【請求項５】前記アップコンバート材がエルビウムイオ
ンを具備することを特徴とする請求の範囲第１項に記載
の方法。 - 【請求項６】前記レーザ媒体がエルビウムイオンを主と
するフッ化カルシウム結晶を具備することを特徴とする
請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項７】前記フッ化カルシウム結晶が約５乃至10モ
ルパーセントのエルビウムイオンを含むことを特徴とす
る請求の範囲第６項に記載の方法。 - 【請求項８】前記アップコンバート材が希土類材料であ
ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項９】前記レーザ媒体がエルビウムイオンを主と
するフッ化カルシウム結晶を具備することを特徴とする
請求の範囲第８項に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/868,929 US4782494A (en) | 1986-05-30 | 1986-05-30 | Method of providing continuous lasing operation |
| US868,929 | 1986-05-30 | ||
| PCT/US1987/000957 WO1987007448A2 (en) | 1986-05-30 | 1987-05-01 | Method of providing continuous lasing operation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63503501A JPS63503501A (ja) | 1988-12-15 |
| JPH0744305B2 true JPH0744305B2 (ja) | 1995-05-15 |
Family
ID=25352588
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62503952A Expired - Lifetime JPH0744305B2 (ja) | 1986-05-30 | 1987-05-01 | 連続的レイジング動作を提供する方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4782494A (ja) |
| EP (1) | EP0268670B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0744305B2 (ja) |
| DE (1) | DE3781098T2 (ja) |
| WO (1) | WO1987007448A2 (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5022040A (en) * | 1986-05-30 | 1991-06-04 | Hughes Aircraft Company | Upconversion pumped lasers |
| FR2638854B1 (fr) * | 1988-11-10 | 1992-09-04 | Comp Generale Electricite | Amplificateur laser a fibre optique dopee |
| JPH0648740B2 (ja) * | 1989-08-02 | 1994-06-22 | 三井金属鉱業株式会社 | クリソベリル固体レーザ |
| US4935722A (en) * | 1989-11-06 | 1990-06-19 | Hughes Aircraft Company | Transparent eyelevel upconversion stoplight for vehicles |
| US5117437A (en) * | 1990-03-02 | 1992-05-26 | The University Of Michigan | Continuous-wave pair-pumped laser system |
| US5038358A (en) * | 1990-03-02 | 1991-08-06 | The University Of Michigan | Trio upconversion laser system |
| US5008890A (en) * | 1990-05-01 | 1991-04-16 | Hughes Aircraft Company | Red, green, blue upconversion laser pumped by single wavelength infrared laser source |
| US5299215A (en) * | 1991-09-25 | 1994-03-29 | Amoco Corporation | Rare earth ion upconversion laser system |
| FR2683948B1 (fr) * | 1991-11-20 | 1994-03-04 | France Telecom | Structure de composant optique integre contenant une terre rare, procede de realisation et applications. |
| US5271025A (en) * | 1992-08-05 | 1993-12-14 | University Of Michigan | Mode-locked upconversion laser source |
| US5384795A (en) * | 1992-09-15 | 1995-01-24 | Texas Instruments Incorporated | Light emission from rare-earth element-doped CaF2 thin films by electroluminescence |
| US5369657A (en) * | 1992-09-15 | 1994-11-29 | Texas Instruments Incorporated | Silicon-based microlaser by doped thin films |
| EP0626229A1 (en) * | 1993-05-21 | 1994-11-30 | LASER MEDICAL TECHNOLOGY, Inc. | Solid state laser for removing physiologic tissue |
| RU2110127C1 (ru) * | 1994-05-27 | 1998-04-27 | Владимир Иванович Жеков | Способ повышения эффективности твердотельного лазера |
| US8817830B2 (en) * | 2002-09-19 | 2014-08-26 | The Uab Research Foundation | Saturable absorbers for Q-switching of middle infrared laser cavaties |
| JP2003347627A (ja) * | 2002-05-29 | 2003-12-05 | Gigaphoton Inc | 紫外線レーザ装置 |
| KR101280003B1 (ko) | 2002-12-25 | 2013-07-05 | 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬 | 발광소자장치, 수광소자장치, 광학장치, 플루오르화물 결정, 플루오르화물 결정의 제조방법 및 도가니 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60189277A (ja) * | 1984-03-09 | 1985-09-26 | Hoya Corp | エルビウムレーザの発振装置 |
-
1986
- 1986-05-30 US US06/868,929 patent/US4782494A/en not_active Expired - Fee Related
-
1987
- 1987-05-01 JP JP62503952A patent/JPH0744305B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-01 WO PCT/US1987/000957 patent/WO1987007448A2/en not_active Ceased
- 1987-05-01 EP EP87904335A patent/EP0268670B1/en not_active Expired
- 1987-05-01 DE DE8787904335T patent/DE3781098T2/de not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SOVIET PHYSICS TECHNICAL PHYSICS=1982 * |
| ＳｏｖｉｅｔＰｈｙｓｉｃｓＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，２７（３）（１９８２−３）（米）Ｐ．３３３−３３４ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3781098D1 (de) | 1992-09-17 |
| EP0268670B1 (en) | 1992-08-12 |
| WO1987007448A3 (en) | 1988-01-28 |
| EP0268670A1 (en) | 1988-06-01 |
| JPS63503501A (ja) | 1988-12-15 |
| DE3781098T2 (de) | 1993-03-04 |
| WO1987007448A2 (en) | 1987-12-03 |
| US4782494A (en) | 1988-11-01 |
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