受動Ｑスイッチレーザ装置
【課題】小型化が可能であってピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力可能な受動Ｑスイッチレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１０は、光共振器１２の一対の反射手段１２Ａ，１２Ｂ間に配置されると共に励起されて光を放出するレーザ媒質１１と、一対の反射手段間であって光共振器１２の光軸Ｌ上に配置されると共にレーザ媒質からの放出光２１の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体１４と、レーザ媒質を励起する波長の光２２を出力する励起光源部１３とを備える。上記可飽和吸収体１４は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器１２内に配置されている。この場合、より透過率の大きい偏光方向の放出光に対してレーザ発振が生じる結果、偏光方向の安定したレーザ光を得られる。
【解決手段】レーザ装置１０は、光共振器１２の一対の反射手段１２Ａ，１２Ｂ間に配置されると共に励起されて光を放出するレーザ媒質１１と、一対の反射手段間であって光共振器１２の光軸Ｌ上に配置されると共にレーザ媒質からの放出光２１の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体１４と、レーザ媒質を励起する波長の光２２を出力する励起光源部１３とを備える。上記可飽和吸収体１４は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器１２内に配置されている。この場合、より透過率の大きい偏光方向の放出光に対してレーザ発振が生じる結果、偏光方向の安定したレーザ光を得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動Ｑスイッチレーザ装置に関するものある。
【背景技術】
【０００２】
受動Ｑスイッチレーザ装置（以下、単に、「レーザ装置」という）は、パルス光を生成するレーザ装置であって、分光計測、形状計測、非線形結晶励起等に利用される。このレーザ装置として、光共振器を構成する一対のミラー（反射手段）間にレーザ媒質と共に可飽和吸収体が配置されたものがある。この構成では、励起されたレーザ媒質からの放出光が可飽和吸収体に入射すると、放出光は可飽和吸収体によって吸収される。この放出光の吸収に伴い可飽和吸収体の励起準位の電子密度が次第に増加するが、ある時点で励起準位が満たされて励起準位の電子密度が飽和すると、可飽和吸収体は透明化する。この時、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が生じてパルス光が発生する。
【０００３】
ところで、非線形光学結晶を利用した波長変換や、直線偏光を利用した形状計測などのために、レーザ装置からのレーザ光の偏光方向は制御されて安定していることが望まれている。このレーザ光の偏光方向を制御する方法として、偏光素子をレーザ媒質と可飽和吸収体との間に配置する技術がある（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【非特許文献１】A. V. Kir’yanov and V. Aboites, “Enhancing type-II optical second-harmonic generation by the use of a laser beam with a rotating azimuth of polarization” APPLIED PHYSICS LETTERS, 12 FEBURUARY 2001,Vol.78, No.7 pp874-876.
【非特許文献２】Alexander V. Kir’yanov and Vicente Aboites, “Second-harmonic generation by Nd3+:YAG/Cr4+:YAG-laser pulses with changing state of polarization”, J. Opt. Soc. Am. B, October 2000, Vol.17, No.10, pp1657-1664
【非特許文献３】A. V. Kir’yanov, J. J. Soto-Bernal, and V.J. Pinto-Robledo, “SHG by a Nd3+:YAG /Cr4+:YAG laser pulse with changing-in-time polarization”, Advanced Solid-State Lasers, 2002, Vol.68, pp88-92.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のように、光共振器内に偏向素子を配置すると、光共振器長が長くなる結果、パルス幅が広がりピークパワーが低下したり、小型化が困難であるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、小型化が可能であって、ピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力可能な受動Ｑスイッチレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置は、光共振器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出するレーザ媒質と、上記一対の反射手段間であって光共振器の光軸上に配置されると共に、レーザ媒質から放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、を備え、可飽和吸収体は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、レーザ媒質から放出される互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器内に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
この場合、励起光源部から出力された光によってレーザ媒質が励起されると、レーザ媒質は光を放出し、可飽和吸収体はレーザ媒質からの放出光を吸収して励起される。この可飽和吸収体は、放出光の吸収に伴い励起準位の電子密度が増加することで透過率が増加していき、励起準位が満たされたときにほぼ透明化する。その結果、放出光は、光共振器で共振してレーザ発振を生じるので、パルス状のレーザ光が出力される。
【０００８】
そして、上記構成では、第１〜第３の結晶軸を有する結晶体としての可飽和吸収体は、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率がそれぞれ異なるように光共振器内に配置されていることから、透過率のより大きい偏光方向の放出光に対してレーザ発振が生じる。すなわち、可飽和吸収体によって偏光方向が制御される結果、偏光方向の安定したレーザ光が生成される。この場合、偏光方向制御用の他の部品（例えば、偏光素子）などを光共振器内に配置しなくてもよいので、光共振器長を短くすることが可能である。その結果、光共振器長が長くなることよるパルスのピーク強度の低下を抑制でき、かつ、小型化も可能である。
【０００９】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置においては、可飽和吸収体の第１の結晶軸と光共振器の光軸とのなす第１の角度をθとし、第２の結晶軸と第３の結晶軸を含む平面への光軸の投射影と第２の結晶軸とのなす第２の角度をφとしたとき、第１の角度θ及び第２の角度φが、それぞれ下記式（１）及び式（２）を満たしていることが好ましい。
【数１】
【数２】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数３】
を満たす。
【００１０】
この場合、第１の角度θ及び第２の角度φが式（１）及び式（２）を満たすことで、互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対して可飽和吸収体が有する透過率の差がより大きくなる傾向にある。その結果、偏光方向の制御が更に確実になり、偏光方向がより安定したレーザ光を出力することができる。
【００１１】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置においては、第１の角度θがπ／２であって、第２の角度φがπ／４であることが好ましい。この場合、第１の結晶軸のみが光軸に略直交する平面内に含まれる。結晶軸に平行な偏光方向の放出光に対して透過率は大きくなる傾向にあるので、この場合、第１の結晶軸に略平行な偏光方向のレーザ光を安定して生成することができる。
【００１２】
更に、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体が、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶であって、第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることが好ましい。
【００１３】
Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶は異方性を有しており、第１〜第３の結晶軸をそれぞれ＜００１＞軸、＜１００＞軸、＜０１０＞軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能である。特に、φがπ／４であって、θがπ／２であるときには、放出光の可飽和吸収体への入射方向は＜１１０＞方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出光に対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動Ｑスイッチレーザ装置から出力されるレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
【００１４】
更にまた、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体が、Ｖ：ＹＡＧ結晶であって、第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることが好ましい。
【００１５】
Ｖ：ＹＡＧ結晶は異方性を有しており、第１〜第３の結晶軸をそれぞれ＜００１＞軸、＜１００＞軸、＜０１０＞軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能である。特に、φがπ／４であって、θがπ／２であるときには、放出光の可飽和吸収体への入射方向は＜１１０＞方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出光に対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動Ｑスイッチレーザ装置から出力されるレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
【００１６】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体としては、ＧａＡｓも考えらえる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置によれば、小型化が可能であって、ピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の好適な実施形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、受動Ｑスイッチレーザ装置（以下、単に「レーザ装置」と称す）１０は、レーザ媒質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶１１を有している。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１は、波長８０８ｎｍ付近の光で励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長約１０６４ｎｍの光を放出する。なお、以下の説明では、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１から放出される光を放出光２１と称す。
【００２０】
このＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１は、光共振器１２内に配置されており、この光共振器１２は互いに対向する一対のミラー（反射手段）１２Ａ，１２Ｂからなっている。そして、ミラー１２Ａは波長約８０８ｎｍの光を透過すると共に波長約１０６４ｎｍを高反射率で反射し、ミラー１２Ｂは波長約１０６４ｎｍの光の一部を透過すると共に残りを反射させる。なお、ミラー１２Ａは、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１の端面に形成された誘電体多層膜としてもよい。
【００２１】
この光共振器１２の外側には、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起するための波長約８０８ｎｍの光（励起光）２２を出力する励起光源部１３が設けられている。励起光源部１３は、例えば、波長約８０８ｎｍの励起光２２を出力する半導体レーザ素子と、その励起光２２をミラー１２Ａを介してＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射するためのレンズ系とからなる。なお、励起光源部１３としては、半導体レーザ素子を有するものとしたが、必ずしも半導体レーザ素子に限定されず、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起可能な波長の光を出力できれば良く、また、励起光源部１３からの励起光２２をＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射できればレンズ系はなくてもよい。
【００２２】
また、レーザ装置１０は、Ｑスイッチを実現するために可飽和吸収体としてのＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を更に有する。このＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、互いに直交する＜００１＞軸（第１の結晶軸）、＜１００＞軸（第２の結晶軸）及び＜０１０＞軸（第３の結晶軸）を有する立方晶系の結晶体であり異方性を有する。
【００２３】
Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、＜００１＞軸が光共振器１２の光軸Ｌに略直交すると共に、＜１１０＞方位と光軸Ｌとが略平行になるように、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１とミラー１２Ｂとの間の光軸Ｌ上に配置されている。
【００２４】
すなわち、図２に示すように、光軸Ｌと＜００１＞軸とのなす第１の角度をθとし、＜１００＞軸及び＜０１０＞軸を含む平面（＜１００＞＜０１０＞平面）への光軸Ｌの投射影Ｌ１と＜１００＞軸とのなす第２の角度をφとしたときに、θがπ／２でφがπ／４となっている。光共振器１２内では、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１は、光共振器１２の光軸Ｌに沿って主に伝播するため、光軸Ｌの方向は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射方向（図中、矢印Ａの方向）に相当する。
【００２５】
このＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１から出力された放出光２１が入射されると、その放出光２１を吸収するが、その吸収に伴い透過率が増加し、励起準位の電子密度が増大して励起準位が満たされたときに透明化する。これによって、光共振器１２のＱ値が高まりレーザ発振が生じる。
【００２６】
次に、このレーザ装置１０の動作について説明する。図１に示すように、励起光源部１３から波長約８０８ｎｍの励起光２２が出力されると、励起光２２はミラー１２Ａを通ってＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射してＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起し反転分布を生じせしめる。そして、励起されたＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１での上準位から下準位への遷移によって波長約１０６４ｎｍの放出光２１が放出されると、その放出光２１はＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４に入射してＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４によって吸収される。この吸収に伴いＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の励起準位の電子密度が増大し飽和すると、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４が透明化する結果、光共振器１２のＱ値が高まりレーザ発振が生じる。そして、ミラー１２Ｂから波長約１０６４ｎｍのレーザ光２３が出力される。
【００２７】
このレーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を前述した配置関係で光共振器１２内に配置し、放出光２１を＜１１０＞方位に沿って入射させていることが重要である。すなわち、放出光２１をＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に沿って入射することで、偏光方向が安定したレーザ光２３を出力できる。これにより、レーザ装置１０は、直線偏光を利用したエアロゾルの形状計測や、非線形光学結晶励起による波長変換などに好適に利用可能となっている。
【００２８】
ここで、レーザ装置１０から出力されるレーザ光２３の偏光方向の安定性について、図３及び図４を利用して説明する。
【００２９】
図３は、レーザ装置１０から出力されるレーザ光２３の偏光方向の安定性を調べるための測定システム３０の概略図である。測定システム３０は、レーザ装置１０と、偏光ビームスプリッタ３１と、パワーメータ３２，３３とを有する。偏光ビームスプリッタ３１は、レーザ装置１０から出力されたレーザ光２３の光路上に配置され、レーザ光２３をＰ偏光成分と、Ｓ偏光成分とに分岐する。そして、パワーメータ３２は、偏光ビームスプリッタ３１で分岐されたＰ偏光成分の光を受けてその強度を測定し、パワーメータ３３は、Ｓ偏光成分の光を受けてその強度を測定する。なお、測定では、アライメントをずらして放出光２１の偏光方向が変わりやすくするために光共振器１２内の温度を２５℃〜４０℃まで変化させる。
【００３０】
図４は、測定システム３０で測定されたレーザ光２３の偏光特性を示す図である。図４（ａ）は、レーザ光２３のＳ偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は、測定開始からの時間（分）を示し、縦軸はＳ偏光成分の強度（ｍＪ）を示している。図４（ｂ）はレーザ光２３のＰ偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始からの時間（分）を示し、縦軸はＰ偏光成分の強度の測定結果である。
【００３１】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、光共振器１２の温度変化によって放出光２１の偏光方向が変わりやすくなっているにも拘わらず、レーザ装置１０からは、Ｓ偏光のレーザ光２３のみ出力されており、安定した偏光特性を実現できている。
【００３２】
ここで、比較のために、従来の受動Ｑスイッチレーザ装置で採用されているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿って放出光２１を入射した場合に出力されるレーザ光の偏光特性について説明する。この場合、偏光特性を得るための測定システム３０は、図３と同様である。ただし、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を、その＜１００＞軸と光軸Ｌとが平行になるように光共振器１２内に配置し、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射方向が＜１００＞軸と平行になるようにした。
【００３３】
図５は、この場合のレーザ光の偏光特性を示す図である。図５（ａ）はＳ偏光成分の強度の測定結果であり、図５（ｂ）はＰ偏光成分の強度の測定結果である。なお、図５（ａ），（ｂ）の横軸及び縦軸は、それぞれ図４（ａ），（ｂ）と同様である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、この場合には、Ｓ偏光及びＰ偏光のレーザ光が交互に出力されておりレーザ光の偏光状態が安定していない。
【００３４】
したがって、図４と図５とを比較すれば明らかなように、レーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位を光軸Ｌと平行とし、＜１１０＞方位に放出光２１を入射させることによって、前述したように偏光方向が極めて安定したレーザ光２３を生成できている。
【００３５】
次に、＜１１０＞方位に放出光２１を入射することでレーザ光２３の偏光方向を安定化できる理由について説明する。レーザ光２３の偏光方向を安定化させるために、本発明者らは、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性に着目した。
【００３６】
図６は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性の測定システム４０の構成を示す概略図である。
【００３７】
この測定システム４０では、偏光方向の安定した連続発振のＹＡＧレーザ光源４１を利用している。そして、ＹＡＧレーザ光源４１から出力されるレーザ光２４を、１／２波長板４２を通してＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４に入射し、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を透過したレーザ光２４の強度をパワーメータ４３で測定する。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射光の偏光方向は１／２波長板４２にて回転させる。そして、予めＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４のない状態で入射光強度を測定しておき、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を透過したレーザ光２４をその光強度で割って透過率を求める。なお、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜００１＞軸は、測定システム４０の各構成要素を配置する定盤（不図示）に対して略垂直になるように配置している。
【００３８】
先ず、従来のレーザ装置に対応させるように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿ってレーザ光２４を入射させた場合について説明する。図７は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのＹＡＧレーザ光源４１からのレーザ光２４の入射方向（図中、矢印Ｂ）及びレーザ光２４の偏光方向（図中、矢印Ｃ）と、結晶軸との関係を示す概略図である。図７において、入射光であるレーザ光２４の偏光成分を含む面（以下、偏光面という）５０を円で示しており、偏光面５０は入射方向Ｂに直交している。また、＜００１＞軸と偏光方向Ｃとのなす第３の角度をβとしている。この測定において、１／２波長板４２（図６参照）を回転させることは、偏光面５０内で偏光方向Ｃを回転させる（βを０〜２πまで変化させる）ことに相当する。
【００３９】
図８は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿ってレーザ光２４を入射させた場合の透過率の測定結果である。横軸は第３の角度β（ラジアン）を示しており、縦軸は透過率（％）を示している。なお、β＝０、π／２は、偏光方向Ｃがそれぞれ＜００１＞軸、＜０１０＞軸に平行な場合に相当する。図８に示すように、βがπ／２ずれる毎に、すなわち、偏光方向Ｃが＜００１＞軸及び＜０１０＞軸にほぼ平行になるときにほぼ同じ透過率のピークが生じている。
【００４０】
したがって、従来のレーザ装置で採用されているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を＜１００＞軸と光共振器１２の光軸Ｌとを平行に配置して＜１００＞軸に沿って放出光２１を入射させた場合、放出光２１の偏光方向が＜００１＞軸および＜０１０＞軸に平行であるときにレーザ発振が生じやすい。そして、両軸にそれぞれ平行な偏光方向の放出光２１に対する透過率がほぼ等しいことから、どちらの偏光方向Ｃの放出光２１に対しても同じようにレーザ発振が生じる。その結果、アライメントのずれなどによって生じる放出光２１の偏光方向Ｃの変動に応じて、出力されるレーザ光の偏光方向も変動し、図５に示した結果となる。
【００４１】
これに対して、レーザ装置１０で採用しているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位にレーザ光２４を入射させる場合について説明する。図９は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４へのＹＡＧレーザ光源４１からのレーザ光２４の入射方向Ｂ及び偏光方向Ｃと、結晶軸との関係を示す概略図である。なお、第３の角度βは、図７の場合と同様に偏光方向Ｃと＜００１＞軸との間の角度である。図１０は、この場合の透過率の測定結果である。
【００４２】
図１０に示すように、第３の角度βがπ／２ずれる毎に透過率のピークがあるが、図９に示すように、偏光面５０には１つの結晶軸（すなわち、＜００１＞軸）しかないため、偏光方向Ｃが＜００１＞軸に平行な場合（β＝０の場合）の透過率と、偏光方向Ｃが＜００１＞軸に平行なときからπ／２回転した場合（β＝π／２の場合）の透過率とにΔＴだけ差が生じている。そのため、この差ΔＴが生じるようにＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４をレーザ装置１０に組み込むことで、より大きな透過率を有する偏光方向Ｃの光に対してレーザ発振を生じせしめるようにレーザ発振を制御することが可能である。
【００４３】
そして、前述したように、レーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に放出光２１（図１参照）を入射させているので、互いに直交する偏光方向の放出光２１に対するＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率に図１０に示す差ΔＴが生じる。この差ΔＴが生じることによって、レーザ装置１０では、放出光２１の偏光方向Ｃが変動した場合でもより透過率の高い偏光方向Ｃの場合に対してのみレーザ発振が起こる。そのため、図４に示したような偏光方向の安定したレーザ光２３を得ることができている。
【００４４】
このように、レーザ装置１０において、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、Ｑスイッチ素子としての機能を有すると共に、偏光方向を制御する素子としての機能も有する。そのため、例えば、偏光方向を制御するために偏光素子などを光共振器１２内に更に配置する必要がないので、光共振器１２のミラー１２Ａ，１２Ｂ間の距離を短くすることが可能である。これにより、パルス幅が短くなる結果、偏光方向の安定化を図りつつピーク強度の大きいパルス光を生成できる。
【００４５】
そして、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４で偏光方向を制御できることから、偏光方向を制御したまま、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１とＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とをコンポジット化することも可能である。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力できる高性能なマイクロチップレーザとすることも可能である。また、前述したように、偏光方向の制御のために、偏光素子などを別に配置する必要がないことからコストの低減も図ることもできる。
【００４６】
ところで、図１に示したレーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に放出光２１を入射しているが、この場合に限定されない。前述したように、偏光方向及びレーザ発振は差ΔＴによって制御できるので、互いに直交する２つの偏光方向の放出光２１に対して透過率の差ΔＴが生じるように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４が光共振器１２に対して配置されていればよい。この場合のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の光共振器１２に対する配置としては、図２に示した第１の角度θ及び第２の角度φが以下の式（４）及び式（５）を満たしていることが好ましい。
【数４】
【数５】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数６】
である。
【００４７】
この式（４）及び式（５）を満たすことが好ましいのは、以下の理由による。ここでも、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性に基づいて説明する。透過率の偏光方向依存性を測定するための測定システムは、図６に示した測定システム４０と同様である。図１１は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射光としてのレーザ光２４（図６参照）の入射方向Ｂ及び偏光方向Ｃと、結晶軸との関係を示す概略図である。なお、図１１において、第３の角度βは、入射方向Ｂ及び＜００１＞軸を含む平面と、偏光方向Ｃとのなす角度である。
【００４８】
先ず、θ＝π／２、すなわち、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４へのレーザ光２４の入射方向Ｂが＜１００＞＜０１０＞面内にある場合を考える。ここで、レーザ光２４の偏光方向Ｃがβ＝０およびβ＝π／２のときの透過率は、第２の角度φに対して図１２（ａ）のように変化する。図１２（ａ）において、横軸は第２の角度φ（ラジアン）を示し、縦軸は透過率（％）を示している。また、直線Ｉはβ＝０の場合を示し、曲線IIはβ＝π／２の場合を示している。この時の両者の透過率の差ΔTは図１２（ｂ）のようになる。図１２（ｂ）において、横軸は第２の角度φ（ラジアン）を示し、縦軸は差ΔＴ（％）を示している。
【００４９】
図１２（ｂ）より、差ΔTが最も大きくなるのは、
【数７】
の場合である。ただし、ｍ＝０、１、２、３であり、以下同様とする。
【００５０】
ここで、アライメントによるずれをカバーする範囲を差ΔTの最大値ΔＴＭＡＸの半分の値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差ΔＴを得るための第２の角度φの範囲は、
【数８】
である。
【００５１】
次に、φ＝π／４に固定、すなわち入射方向Ｂが、＜００１＞軸及び＜１１０＞方位を含む面、すなわち、＜００１＞＜１１０＞面内にある場合を考える。この場合、レーザ光２４の偏光方向Ｃがβ＝０およびβ＝π／２のときの透過率は、第１の角度θに対して図１３（ａ）のように変化する。図１３（ａ）の横軸は、第１の角度θ（ラジアン）を示し、縦軸は透過率（％）を示している。また、図１２（ａ）の場合と同様に、直線Iは、β＝０の場合を示し、曲線IIは、β＝π／２の場合を示している。この両者の透過率の差ΔTは図１３（ｂ）のようになる。図１３（ｂ）において、横軸は第１の角度θ（ラジアン）を示し、縦軸は差ΔＴ（％）を示している。
【００５２】
図１３（ｂ）より、差ΔTが最も大きくなるのは、
【数９】
のときである。
【００５３】
この場合も、アライメントによるずれをカバーする範囲を、差ΔTの最大値ΔＴＭＡＸの半分の値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差ΔＴを得るための第１の角度θの範囲は、
【数１０】
である。
【００５４】
上記式（８）はθをπ／２に固定したときの式であり、式（１０）はφをπ／４に固定したときの式であるが、図１２及び図１３に示すように、差ΔＴの最大値（ΔＴＭＡＸ）のときの角度とその半分の値（（１／２）ΔＴＭＡＸ）のときの角度との差はπ／８である。そこで、式（８）及び式（１０）において、この第１の角度θと第２の角度φとが互いにπ／８まで変動することを許容できるとすると、偏光方向を制御可能な差ΔＴの範囲は、式（４）及び式（５）を共に満たすときである。
【００５５】
したがって、式（４）及び式（５）を満たす範囲で、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を光共振器１２に対して配置することで、放出光２１の偏光方向Ｃが変動しても、差ΔＴによって偏光方向を制御できる。その結果、レーザ光２３（図１参照）の偏光方向が安定する。なお、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を、その＜１１０＞方位が光共振器１２の光軸Ｌに沿うように配置することは、式（４）及び式（５）において、θがπ／２であり、φがπ／４のときに相当する。この場合、図１２及び図１３の結果から差ΔＴが最大になるため、レーザ光２３の偏光方向を確実に制御できる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、可飽和吸収体としてＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を利用しているが、同様の結晶構造を有するＶ：ＹＡＧ結晶を利用することも可能である。更に、可飽和吸収体として、ＧａＡｓを利用することも可能である。これらの場合も、可飽和吸収体への入射光の互いに直交する偏光方向に対して透過率に差ΔＴが生じるように可飽和吸収体を配置することで、出力されるレーザ光の偏光方向を制御できると共に安定化することが可能である。この場合も、式（４）及び式（５）を満たして可飽和吸収体を光共振器１２内に配置することが好ましく、可飽和吸収体の＜１１０＞方位に入射させることが更に好ましい。
【００５７】
更に、レーザ装置１０では、可飽和吸収体としてのＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とミラー１２Ｂとは離して配置しているが、図１４に示すレーザ装置６０のように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の端面上にミラー１２Ｂを配置してもよい。これにより、光共振器１２の光軸Ｌ方向の長さを更に短くでき、小型化が図れる。そして、ミラー１２ＢをＣｒ４＋ＹＡＧ結晶１４の端面に形成した誘電体多層膜とすることで更に小型化が図れる。
【００５８】
また、図１５に示したレーザ装置６１のように、偏光方向を制御したままレーザ媒質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶１１とＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とをコンポジット化し、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１及びＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の端面にそれぞれ誘電体多層膜としてのミラー１２Ａ，１２Ｂを形成してもよい。この場合、レーザ装置６１は、偏光方向の安定したレーザ光を出力できる高性能なマイクロチップレーザである。
【００５９】
更に、レーザ媒質は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧに限定されず、可飽和吸収体に吸収される波長の光を放出できるものであれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶の結晶軸と光軸との配置関係を示す概略図である。
【図３】図１に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を測定する測定システムの構成を示す概略図である。
【図４】図１に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を示す図である。
【図５】従来の受動Ｑスイッチレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を示す図である。
【図６】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶の透過率の偏光方向依存性を測定する測定システムの構成を示す概略図である。
【図７】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図８】＜１００＞軸に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方向依存性を示す図である。
【図９】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図１０】＜１１０＞方位に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方向依存性を示す図である。
【図１１】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図１２】θがπ／２での透過率のφに対する偏光方向依存性を示す図である。
【図１３】φがπ／４での透過率のθに対する偏光方向依存性を示す図である。
【図１４】本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の他の実施形態の構成を示す概略図である。
【図１５】本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の更に他の実施形態の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…レーザ装置（受動Ｑスイッチレーザ装置）、１１…Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶（レーザ媒質）、１２Ａ，１２Ｂ…ミラー（一対の反射手段）、１２…光共振器、１３…励起光源部、１４…Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶、２１…放出光、２２…励起光（レーザ媒質を励起する波長の光）、２３…レーザ装置から出力されるレーザ光、Ｌ…光軸、Ｌ１…光軸Ｌの投射影。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動Ｑスイッチレーザ装置に関するものある。
【背景技術】
【０００２】
受動Ｑスイッチレーザ装置（以下、単に、「レーザ装置」という）は、パルス光を生成するレーザ装置であって、分光計測、形状計測、非線形結晶励起等に利用される。このレーザ装置として、光共振器を構成する一対のミラー（反射手段）間にレーザ媒質と共に可飽和吸収体が配置されたものがある。この構成では、励起されたレーザ媒質からの放出光が可飽和吸収体に入射すると、放出光は可飽和吸収体によって吸収される。この放出光の吸収に伴い可飽和吸収体の励起準位の電子密度が次第に増加するが、ある時点で励起準位が満たされて励起準位の電子密度が飽和すると、可飽和吸収体は透明化する。この時、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が生じてパルス光が発生する。
【０００３】
ところで、非線形光学結晶を利用した波長変換や、直線偏光を利用した形状計測などのために、レーザ装置からのレーザ光の偏光方向は制御されて安定していることが望まれている。このレーザ光の偏光方向を制御する方法として、偏光素子をレーザ媒質と可飽和吸収体との間に配置する技術がある（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【非特許文献１】A. V. Kir’yanov and V. Aboites, “Enhancing type-II optical second-harmonic generation by the use of a laser beam with a rotating azimuth of polarization” APPLIED PHYSICS LETTERS, 12 FEBURUARY 2001,Vol.78, No.7 pp874-876.
【非特許文献２】Alexander V. Kir’yanov and Vicente Aboites, “Second-harmonic generation by Nd3+:YAG/Cr4+:YAG-laser pulses with changing state of polarization”, J. Opt. Soc. Am. B, October 2000, Vol.17, No.10, pp1657-1664
【非特許文献３】A. V. Kir’yanov, J. J. Soto-Bernal, and V.J. Pinto-Robledo, “SHG by a Nd3+:YAG /Cr4+:YAG laser pulse with changing-in-time polarization”, Advanced Solid-State Lasers, 2002, Vol.68, pp88-92.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のように、光共振器内に偏向素子を配置すると、光共振器長が長くなる結果、パルス幅が広がりピークパワーが低下したり、小型化が困難であるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、小型化が可能であって、ピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力可能な受動Ｑスイッチレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置は、光共振器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出するレーザ媒質と、上記一対の反射手段間であって光共振器の光軸上に配置されると共に、レーザ媒質から放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、を備え、可飽和吸収体は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、レーザ媒質から放出される互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器内に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
この場合、励起光源部から出力された光によってレーザ媒質が励起されると、レーザ媒質は光を放出し、可飽和吸収体はレーザ媒質からの放出光を吸収して励起される。この可飽和吸収体は、放出光の吸収に伴い励起準位の電子密度が増加することで透過率が増加していき、励起準位が満たされたときにほぼ透明化する。その結果、放出光は、光共振器で共振してレーザ発振を生じるので、パルス状のレーザ光が出力される。
【０００８】
そして、上記構成では、第１〜第３の結晶軸を有する結晶体としての可飽和吸収体は、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率がそれぞれ異なるように光共振器内に配置されていることから、透過率のより大きい偏光方向の放出光に対してレーザ発振が生じる。すなわち、可飽和吸収体によって偏光方向が制御される結果、偏光方向の安定したレーザ光が生成される。この場合、偏光方向制御用の他の部品（例えば、偏光素子）などを光共振器内に配置しなくてもよいので、光共振器長を短くすることが可能である。その結果、光共振器長が長くなることよるパルスのピーク強度の低下を抑制でき、かつ、小型化も可能である。
【０００９】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置においては、可飽和吸収体の第１の結晶軸と光共振器の光軸とのなす第１の角度をθとし、第２の結晶軸と第３の結晶軸を含む平面への光軸の投射影と第２の結晶軸とのなす第２の角度をφとしたとき、第１の角度θ及び第２の角度φが、それぞれ下記式（１）及び式（２）を満たしていることが好ましい。
【数１】
【数２】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数３】
を満たす。
【００１０】
この場合、第１の角度θ及び第２の角度φが式（１）及び式（２）を満たすことで、互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対して可飽和吸収体が有する透過率の差がより大きくなる傾向にある。その結果、偏光方向の制御が更に確実になり、偏光方向がより安定したレーザ光を出力することができる。
【００１１】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置においては、第１の角度θがπ／２であって、第２の角度φがπ／４であることが好ましい。この場合、第１の結晶軸のみが光軸に略直交する平面内に含まれる。結晶軸に平行な偏光方向の放出光に対して透過率は大きくなる傾向にあるので、この場合、第１の結晶軸に略平行な偏光方向のレーザ光を安定して生成することができる。
【００１２】
更に、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体が、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶であって、第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることが好ましい。
【００１３】
Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶は異方性を有しており、第１〜第３の結晶軸をそれぞれ＜００１＞軸、＜１００＞軸、＜０１０＞軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能である。特に、φがπ／４であって、θがπ／２であるときには、放出光の可飽和吸収体への入射方向は＜１１０＞方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出光に対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動Ｑスイッチレーザ装置から出力されるレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
【００１４】
更にまた、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体が、Ｖ：ＹＡＧ結晶であって、第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることが好ましい。
【００１５】
Ｖ：ＹＡＧ結晶は異方性を有しており、第１〜第３の結晶軸をそれぞれ＜００１＞軸、＜１００＞軸、＜０１０＞軸とすることで、互いに直交する偏光方向の放出光に対して透過率の差を有する。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力可能である。特に、φがπ／４であって、θがπ／２であるときには、放出光の可飽和吸収体への入射方向は＜１１０＞方位になる。この場合、互いに直交する偏光方向の放出光に対する透過率の差が最大になる傾向にあり、受動Ｑスイッチレーザ装置から出力されるレーザ光の偏光方向を確実に安定化できる。
【００１６】
また、本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の可飽和吸収体としては、ＧａＡｓも考えらえる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置によれば、小型化が可能であって、ピーク強度の低下を抑制しつつ偏光方向が安定したパルス状のレーザ光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の好適な実施形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、受動Ｑスイッチレーザ装置（以下、単に「レーザ装置」と称す）１０は、レーザ媒質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶１１を有している。Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１は、波長８０８ｎｍ付近の光で励起され、上準位から下準位への遷移の際に波長約１０６４ｎｍの光を放出する。なお、以下の説明では、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１から放出される光を放出光２１と称す。
【００２０】
このＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１は、光共振器１２内に配置されており、この光共振器１２は互いに対向する一対のミラー（反射手段）１２Ａ，１２Ｂからなっている。そして、ミラー１２Ａは波長約８０８ｎｍの光を透過すると共に波長約１０６４ｎｍを高反射率で反射し、ミラー１２Ｂは波長約１０６４ｎｍの光の一部を透過すると共に残りを反射させる。なお、ミラー１２Ａは、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１の端面に形成された誘電体多層膜としてもよい。
【００２１】
この光共振器１２の外側には、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起するための波長約８０８ｎｍの光（励起光）２２を出力する励起光源部１３が設けられている。励起光源部１３は、例えば、波長約８０８ｎｍの励起光２２を出力する半導体レーザ素子と、その励起光２２をミラー１２Ａを介してＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射するためのレンズ系とからなる。なお、励起光源部１３としては、半導体レーザ素子を有するものとしたが、必ずしも半導体レーザ素子に限定されず、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起可能な波長の光を出力できれば良く、また、励起光源部１３からの励起光２２をＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射できればレンズ系はなくてもよい。
【００２２】
また、レーザ装置１０は、Ｑスイッチを実現するために可飽和吸収体としてのＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を更に有する。このＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、互いに直交する＜００１＞軸（第１の結晶軸）、＜１００＞軸（第２の結晶軸）及び＜０１０＞軸（第３の結晶軸）を有する立方晶系の結晶体であり異方性を有する。
【００２３】
Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、＜００１＞軸が光共振器１２の光軸Ｌに略直交すると共に、＜１１０＞方位と光軸Ｌとが略平行になるように、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１とミラー１２Ｂとの間の光軸Ｌ上に配置されている。
【００２４】
すなわち、図２に示すように、光軸Ｌと＜００１＞軸とのなす第１の角度をθとし、＜１００＞軸及び＜０１０＞軸を含む平面（＜１００＞＜０１０＞平面）への光軸Ｌの投射影Ｌ１と＜１００＞軸とのなす第２の角度をφとしたときに、θがπ／２でφがπ／４となっている。光共振器１２内では、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１は、光共振器１２の光軸Ｌに沿って主に伝播するため、光軸Ｌの方向は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射方向（図中、矢印Ａの方向）に相当する。
【００２５】
このＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１から出力された放出光２１が入射されると、その放出光２１を吸収するが、その吸収に伴い透過率が増加し、励起準位の電子密度が増大して励起準位が満たされたときに透明化する。これによって、光共振器１２のＱ値が高まりレーザ発振が生じる。
【００２６】
次に、このレーザ装置１０の動作について説明する。図１に示すように、励起光源部１３から波長約８０８ｎｍの励起光２２が出力されると、励起光２２はミラー１２Ａを通ってＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１に入射してＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１を励起し反転分布を生じせしめる。そして、励起されたＮｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１での上準位から下準位への遷移によって波長約１０６４ｎｍの放出光２１が放出されると、その放出光２１はＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４に入射してＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４によって吸収される。この吸収に伴いＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の励起準位の電子密度が増大し飽和すると、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４が透明化する結果、光共振器１２のＱ値が高まりレーザ発振が生じる。そして、ミラー１２Ｂから波長約１０６４ｎｍのレーザ光２３が出力される。
【００２７】
このレーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を前述した配置関係で光共振器１２内に配置し、放出光２１を＜１１０＞方位に沿って入射させていることが重要である。すなわち、放出光２１をＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に沿って入射することで、偏光方向が安定したレーザ光２３を出力できる。これにより、レーザ装置１０は、直線偏光を利用したエアロゾルの形状計測や、非線形光学結晶励起による波長変換などに好適に利用可能となっている。
【００２８】
ここで、レーザ装置１０から出力されるレーザ光２３の偏光方向の安定性について、図３及び図４を利用して説明する。
【００２９】
図３は、レーザ装置１０から出力されるレーザ光２３の偏光方向の安定性を調べるための測定システム３０の概略図である。測定システム３０は、レーザ装置１０と、偏光ビームスプリッタ３１と、パワーメータ３２，３３とを有する。偏光ビームスプリッタ３１は、レーザ装置１０から出力されたレーザ光２３の光路上に配置され、レーザ光２３をＰ偏光成分と、Ｓ偏光成分とに分岐する。そして、パワーメータ３２は、偏光ビームスプリッタ３１で分岐されたＰ偏光成分の光を受けてその強度を測定し、パワーメータ３３は、Ｓ偏光成分の光を受けてその強度を測定する。なお、測定では、アライメントをずらして放出光２１の偏光方向が変わりやすくするために光共振器１２内の温度を２５℃〜４０℃まで変化させる。
【００３０】
図４は、測定システム３０で測定されたレーザ光２３の偏光特性を示す図である。図４（ａ）は、レーザ光２３のＳ偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は、測定開始からの時間（分）を示し、縦軸はＳ偏光成分の強度（ｍＪ）を示している。図４（ｂ）はレーザ光２３のＰ偏光成分の強度の測定結果であり、横軸は測定開始からの時間（分）を示し、縦軸はＰ偏光成分の強度の測定結果である。
【００３１】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、光共振器１２の温度変化によって放出光２１の偏光方向が変わりやすくなっているにも拘わらず、レーザ装置１０からは、Ｓ偏光のレーザ光２３のみ出力されており、安定した偏光特性を実現できている。
【００３２】
ここで、比較のために、従来の受動Ｑスイッチレーザ装置で採用されているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿って放出光２１を入射した場合に出力されるレーザ光の偏光特性について説明する。この場合、偏光特性を得るための測定システム３０は、図３と同様である。ただし、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を、その＜１００＞軸と光軸Ｌとが平行になるように光共振器１２内に配置し、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１からの放出光２１のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射方向が＜１００＞軸と平行になるようにした。
【００３３】
図５は、この場合のレーザ光の偏光特性を示す図である。図５（ａ）はＳ偏光成分の強度の測定結果であり、図５（ｂ）はＰ偏光成分の強度の測定結果である。なお、図５（ａ），（ｂ）の横軸及び縦軸は、それぞれ図４（ａ），（ｂ）と同様である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、この場合には、Ｓ偏光及びＰ偏光のレーザ光が交互に出力されておりレーザ光の偏光状態が安定していない。
【００３４】
したがって、図４と図５とを比較すれば明らかなように、レーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位を光軸Ｌと平行とし、＜１１０＞方位に放出光２１を入射させることによって、前述したように偏光方向が極めて安定したレーザ光２３を生成できている。
【００３５】
次に、＜１１０＞方位に放出光２１を入射することでレーザ光２３の偏光方向を安定化できる理由について説明する。レーザ光２３の偏光方向を安定化させるために、本発明者らは、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性に着目した。
【００３６】
図６は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性の測定システム４０の構成を示す概略図である。
【００３７】
この測定システム４０では、偏光方向の安定した連続発振のＹＡＧレーザ光源４１を利用している。そして、ＹＡＧレーザ光源４１から出力されるレーザ光２４を、１／２波長板４２を通してＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４に入射し、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を透過したレーザ光２４の強度をパワーメータ４３で測定する。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射光の偏光方向は１／２波長板４２にて回転させる。そして、予めＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４のない状態で入射光強度を測定しておき、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を透過したレーザ光２４をその光強度で割って透過率を求める。なお、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜００１＞軸は、測定システム４０の各構成要素を配置する定盤（不図示）に対して略垂直になるように配置している。
【００３８】
先ず、従来のレーザ装置に対応させるように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿ってレーザ光２４を入射させた場合について説明する。図７は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのＹＡＧレーザ光源４１からのレーザ光２４の入射方向（図中、矢印Ｂ）及びレーザ光２４の偏光方向（図中、矢印Ｃ）と、結晶軸との関係を示す概略図である。図７において、入射光であるレーザ光２４の偏光成分を含む面（以下、偏光面という）５０を円で示しており、偏光面５０は入射方向Ｂに直交している。また、＜００１＞軸と偏光方向Ｃとのなす第３の角度をβとしている。この測定において、１／２波長板４２（図６参照）を回転させることは、偏光面５０内で偏光方向Ｃを回転させる（βを０〜２πまで変化させる）ことに相当する。
【００３９】
図８は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１００＞軸に沿ってレーザ光２４を入射させた場合の透過率の測定結果である。横軸は第３の角度β（ラジアン）を示しており、縦軸は透過率（％）を示している。なお、β＝０、π／２は、偏光方向Ｃがそれぞれ＜００１＞軸、＜０１０＞軸に平行な場合に相当する。図８に示すように、βがπ／２ずれる毎に、すなわち、偏光方向Ｃが＜００１＞軸及び＜０１０＞軸にほぼ平行になるときにほぼ同じ透過率のピークが生じている。
【００４０】
したがって、従来のレーザ装置で採用されているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を＜１００＞軸と光共振器１２の光軸Ｌとを平行に配置して＜１００＞軸に沿って放出光２１を入射させた場合、放出光２１の偏光方向が＜００１＞軸および＜０１０＞軸に平行であるときにレーザ発振が生じやすい。そして、両軸にそれぞれ平行な偏光方向の放出光２１に対する透過率がほぼ等しいことから、どちらの偏光方向Ｃの放出光２１に対しても同じようにレーザ発振が生じる。その結果、アライメントのずれなどによって生じる放出光２１の偏光方向Ｃの変動に応じて、出力されるレーザ光の偏光方向も変動し、図５に示した結果となる。
【００４１】
これに対して、レーザ装置１０で採用しているように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位にレーザ光２４を入射させる場合について説明する。図９は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４へのＹＡＧレーザ光源４１からのレーザ光２４の入射方向Ｂ及び偏光方向Ｃと、結晶軸との関係を示す概略図である。なお、第３の角度βは、図７の場合と同様に偏光方向Ｃと＜００１＞軸との間の角度である。図１０は、この場合の透過率の測定結果である。
【００４２】
図１０に示すように、第３の角度βがπ／２ずれる毎に透過率のピークがあるが、図９に示すように、偏光面５０には１つの結晶軸（すなわち、＜００１＞軸）しかないため、偏光方向Ｃが＜００１＞軸に平行な場合（β＝０の場合）の透過率と、偏光方向Ｃが＜００１＞軸に平行なときからπ／２回転した場合（β＝π／２の場合）の透過率とにΔＴだけ差が生じている。そのため、この差ΔＴが生じるようにＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４をレーザ装置１０に組み込むことで、より大きな透過率を有する偏光方向Ｃの光に対してレーザ発振を生じせしめるようにレーザ発振を制御することが可能である。
【００４３】
そして、前述したように、レーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に放出光２１（図１参照）を入射させているので、互いに直交する偏光方向の放出光２１に対するＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率に図１０に示す差ΔＴが生じる。この差ΔＴが生じることによって、レーザ装置１０では、放出光２１の偏光方向Ｃが変動した場合でもより透過率の高い偏光方向Ｃの場合に対してのみレーザ発振が起こる。そのため、図４に示したような偏光方向の安定したレーザ光２３を得ることができている。
【００４４】
このように、レーザ装置１０において、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４は、Ｑスイッチ素子としての機能を有すると共に、偏光方向を制御する素子としての機能も有する。そのため、例えば、偏光方向を制御するために偏光素子などを光共振器１２内に更に配置する必要がないので、光共振器１２のミラー１２Ａ，１２Ｂ間の距離を短くすることが可能である。これにより、パルス幅が短くなる結果、偏光方向の安定化を図りつつピーク強度の大きいパルス光を生成できる。
【００４５】
そして、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４で偏光方向を制御できることから、偏光方向を制御したまま、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１とＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とをコンポジット化することも可能である。その結果、偏光方向の安定したレーザ光を出力できる高性能なマイクロチップレーザとすることも可能である。また、前述したように、偏光方向の制御のために、偏光素子などを別に配置する必要がないことからコストの低減も図ることもできる。
【００４６】
ところで、図１に示したレーザ装置１０では、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の＜１１０＞方位に放出光２１を入射しているが、この場合に限定されない。前述したように、偏光方向及びレーザ発振は差ΔＴによって制御できるので、互いに直交する２つの偏光方向の放出光２１に対して透過率の差ΔＴが生じるように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４が光共振器１２に対して配置されていればよい。この場合のＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の光共振器１２に対する配置としては、図２に示した第１の角度θ及び第２の角度φが以下の式（４）及び式（５）を満たしていることが好ましい。
【数４】
【数５】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数６】
である。
【００４７】
この式（４）及び式（５）を満たすことが好ましいのは、以下の理由による。ここでも、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の透過率の偏光方向依存性に基づいて説明する。透過率の偏光方向依存性を測定するための測定システムは、図６に示した測定システム４０と同様である。図１１は、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４への入射光としてのレーザ光２４（図６参照）の入射方向Ｂ及び偏光方向Ｃと、結晶軸との関係を示す概略図である。なお、図１１において、第３の角度βは、入射方向Ｂ及び＜００１＞軸を含む平面と、偏光方向Ｃとのなす角度である。
【００４８】
先ず、θ＝π／２、すなわち、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４へのレーザ光２４の入射方向Ｂが＜１００＞＜０１０＞面内にある場合を考える。ここで、レーザ光２４の偏光方向Ｃがβ＝０およびβ＝π／２のときの透過率は、第２の角度φに対して図１２（ａ）のように変化する。図１２（ａ）において、横軸は第２の角度φ（ラジアン）を示し、縦軸は透過率（％）を示している。また、直線Ｉはβ＝０の場合を示し、曲線IIはβ＝π／２の場合を示している。この時の両者の透過率の差ΔTは図１２（ｂ）のようになる。図１２（ｂ）において、横軸は第２の角度φ（ラジアン）を示し、縦軸は差ΔＴ（％）を示している。
【００４９】
図１２（ｂ）より、差ΔTが最も大きくなるのは、
【数７】
の場合である。ただし、ｍ＝０、１、２、３であり、以下同様とする。
【００５０】
ここで、アライメントによるずれをカバーする範囲を差ΔTの最大値ΔＴＭＡＸの半分の値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差ΔＴを得るための第２の角度φの範囲は、
【数８】
である。
【００５１】
次に、φ＝π／４に固定、すなわち入射方向Ｂが、＜００１＞軸及び＜１１０＞方位を含む面、すなわち、＜００１＞＜１１０＞面内にある場合を考える。この場合、レーザ光２４の偏光方向Ｃがβ＝０およびβ＝π／２のときの透過率は、第１の角度θに対して図１３（ａ）のように変化する。図１３（ａ）の横軸は、第１の角度θ（ラジアン）を示し、縦軸は透過率（％）を示している。また、図１２（ａ）の場合と同様に、直線Iは、β＝０の場合を示し、曲線IIは、β＝π／２の場合を示している。この両者の透過率の差ΔTは図１３（ｂ）のようになる。図１３（ｂ）において、横軸は第１の角度θ（ラジアン）を示し、縦軸は差ΔＴ（％）を示している。
【００５２】
図１３（ｂ）より、差ΔTが最も大きくなるのは、
【数９】
のときである。
【００５３】
この場合も、アライメントによるずれをカバーする範囲を、差ΔTの最大値ΔＴＭＡＸの半分の値になるところとすると、偏光方向の制御に利用できる透過率の差ΔＴを得るための第１の角度θの範囲は、
【数１０】
である。
【００５４】
上記式（８）はθをπ／２に固定したときの式であり、式（１０）はφをπ／４に固定したときの式であるが、図１２及び図１３に示すように、差ΔＴの最大値（ΔＴＭＡＸ）のときの角度とその半分の値（（１／２）ΔＴＭＡＸ）のときの角度との差はπ／８である。そこで、式（８）及び式（１０）において、この第１の角度θと第２の角度φとが互いにπ／８まで変動することを許容できるとすると、偏光方向を制御可能な差ΔＴの範囲は、式（４）及び式（５）を共に満たすときである。
【００５５】
したがって、式（４）及び式（５）を満たす範囲で、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を光共振器１２に対して配置することで、放出光２１の偏光方向Ｃが変動しても、差ΔＴによって偏光方向を制御できる。その結果、レーザ光２３（図１参照）の偏光方向が安定する。なお、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を、その＜１１０＞方位が光共振器１２の光軸Ｌに沿うように配置することは、式（４）及び式（５）において、θがπ／２であり、φがπ／４のときに相当する。この場合、図１２及び図１３の結果から差ΔＴが最大になるため、レーザ光２３の偏光方向を確実に制御できる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、可飽和吸収体としてＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４を利用しているが、同様の結晶構造を有するＶ：ＹＡＧ結晶を利用することも可能である。更に、可飽和吸収体として、ＧａＡｓを利用することも可能である。これらの場合も、可飽和吸収体への入射光の互いに直交する偏光方向に対して透過率に差ΔＴが生じるように可飽和吸収体を配置することで、出力されるレーザ光の偏光方向を制御できると共に安定化することが可能である。この場合も、式（４）及び式（５）を満たして可飽和吸収体を光共振器１２内に配置することが好ましく、可飽和吸収体の＜１１０＞方位に入射させることが更に好ましい。
【００５７】
更に、レーザ装置１０では、可飽和吸収体としてのＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とミラー１２Ｂとは離して配置しているが、図１４に示すレーザ装置６０のように、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の端面上にミラー１２Ｂを配置してもよい。これにより、光共振器１２の光軸Ｌ方向の長さを更に短くでき、小型化が図れる。そして、ミラー１２ＢをＣｒ４＋ＹＡＧ結晶１４の端面に形成した誘電体多層膜とすることで更に小型化が図れる。
【００５８】
また、図１５に示したレーザ装置６１のように、偏光方向を制御したままレーザ媒質としてのＮｄ：ＹＡＧ結晶１１とＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４とをコンポジット化し、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶１１及びＣｒ４＋：ＹＡＧ結晶１４の端面にそれぞれ誘電体多層膜としてのミラー１２Ａ，１２Ｂを形成してもよい。この場合、レーザ装置６１は、偏光方向の安定したレーザ光を出力できる高性能なマイクロチップレーザである。
【００５９】
更に、レーザ媒質は、Ｎｄ３＋：ＹＡＧに限定されず、可飽和吸収体に吸収される波長の光を放出できるものであれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶の結晶軸と光軸との配置関係を示す概略図である。
【図３】図１に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を測定する測定システムの構成を示す概略図である。
【図４】図１に示したレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を示す図である。
【図５】従来の受動Ｑスイッチレーザ装置からのレーザ光の偏光特性を示す図である。
【図６】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶の透過率の偏光方向依存性を測定する測定システムの構成を示す概略図である。
【図７】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図８】＜１００＞軸に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方向依存性を示す図である。
【図９】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図１０】＜１１０＞方位に沿ってレーザ光を入射させた場合の透過率の偏光方向依存性を示す図である。
【図１１】Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶へのレーザ光の入射方向と結晶軸との配置関係を示す概略図である。
【図１２】θがπ／２での透過率のφに対する偏光方向依存性を示す図である。
【図１３】φがπ／４での透過率のθに対する偏光方向依存性を示す図である。
【図１４】本発明の受動Ｑスイッチレーザ装置の他の実施形態の構成を示す概略図である。
【図１５】本発明に係る受動Ｑスイッチレーザ装置の更に他の実施形態の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…レーザ装置（受動Ｑスイッチレーザ装置）、１１…Ｎｄ３＋：ＹＡＧ結晶（レーザ媒質）、１２Ａ，１２Ｂ…ミラー（一対の反射手段）、１２…光共振器、１３…励起光源部、１４…Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶、２１…放出光、２２…励起光（レーザ媒質を励起する波長の光）、２３…レーザ装置から出力されるレーザ光、Ｌ…光軸、Ｌ１…光軸Ｌの投射影。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出するレーザ媒質と、
前記一対の反射手段間であって前記光共振器の光軸上に配置されると共に、前記レーザ媒質から放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、
前記レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、
を備え、
前記可飽和吸収体は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、前記レーザ媒質から放出される互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器内に配置されていることを特徴とする受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項２】
前記可飽和吸収体の前記第１の結晶軸と前記光共振器の前記光軸とのなす第１の角度をθとし、前記第２の結晶軸と前記第３の結晶軸を含む平面への前記光軸の投射影と前記第２の結晶軸とのなす第２の角度をφとしたとき、第１の角度θ及び第２の角度φが、それぞれ下記式（１）及び式（２）を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【数１】
【数２】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数３】
を満たす。
【請求項３】
前記第１の角度θがπ／２であって、前記第２の角度φがπ／４であることを特徴とする請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項４】
前記可飽和吸収体が、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶であって、
前記第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、前記第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、前記第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項５】
前記可飽和吸収体が、Ｖ：ＹＡＧ結晶であって、
前記第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、前記第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、前記第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項６】
前記可飽和吸収体が、ＧａＡｓであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項１】
光共振器を構成する一対の反射手段間に配置されると共に、励起されて光を放出するレーザ媒質と、
前記一対の反射手段間であって前記光共振器の光軸上に配置されると共に、前記レーザ媒質から放出された放出光の吸収に伴って透過率が増加する可飽和吸収体と、
前記レーザ媒質を励起する波長の光を出力する励起光源部と、
を備え、
前記可飽和吸収体は、互いに直交する第１〜第３の結晶軸を有する結晶体であり、前記レーザ媒質から放出される互いに直交する２つの偏光方向の放出光に対してそれぞれ異なる透過率を有するように光共振器内に配置されていることを特徴とする受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項２】
前記可飽和吸収体の前記第１の結晶軸と前記光共振器の前記光軸とのなす第１の角度をθとし、前記第２の結晶軸と前記第３の結晶軸を含む平面への前記光軸の投射影と前記第２の結晶軸とのなす第２の角度をφとしたとき、第１の角度θ及び第２の角度φが、それぞれ下記式（１）及び式（２）を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【数１】
【数２】
ただし、ｍ＝０，１，２，３であり、ζは
【数３】
を満たす。
【請求項３】
前記第１の角度θがπ／２であって、前記第２の角度φがπ／４であることを特徴とする請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項４】
前記可飽和吸収体が、Ｃｒ４＋：ＹＡＧ結晶であって、
前記第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、前記第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、前記第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項５】
前記可飽和吸収体が、Ｖ：ＹＡＧ結晶であって、
前記第１の結晶軸は＜００１＞軸であり、前記第２の結晶軸は＜１００＞軸であり、前記第３の結晶軸は＜０１０＞軸であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【請求項６】
前記可飽和吸収体が、ＧａＡｓであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の受動Ｑスイッチレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−７３９６２（Ｐ２００６−７３９６２Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５８９４７（Ｐ２００４−２５８９４７）
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]