単一縦モード直線偏光で動作する小型高出力モノリシック複合構造 MOPA レーザの開発
中央大学

理工学部 電気電子情報通信工学科教授 庄司 一郎（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019220-B3）
キーワード：マイクロチップレーザ，複合構造，常温接合

１．研究の背景と目的

反射損失を無くすため，コーティング層付きの複合構造レ

Nd:YAG レーザやファイバレーザなど波長 1 μm 帯近赤ーザの作製にも世界で初めて成功した．ダイヤモンドは外レーザでは加工が困難な材料や，より微細な加工を要求

YAG より 200 倍大きな熱伝導率を有することから，高効率される用途に対しては，グリーンレーザや紫外レーザといかつ高出力のレーザ動作が得られた３）．

った短波長のレーザがますます必要とされ，その高出力化

本研究では上記の研究背景をもとに，波長変換に最適な，が求められている．最近，青色領域では半導体レーザの高単一縦モードかつ直線偏光で動作する，新しい小型高出力出力化が進んでいるが，グリーンや紫外レーザはもっぱらレーザを開発することを目的とした．具体的には，単一縦1 μm 帯レーザを波長変換することで実現されている．そモード発振可能なマイクロチップレーザと増幅用レーザのため，波長変換に適した 1 μm 帯レーザとして，狭線幅結晶，そして排熱用結晶を，常温接合技術を用いて一体化と直線偏光性を有するレーザが必要となる．特に，波長変した，モノリシック複合構造 MOPA（マスター発振器－パ換の効率を今後さらに向上しつつ高出力化を図るためにワー増幅器）の実現に取り組んだ．

は，究極の狭線幅である単一縦モードであること，かつ，小型で高出力動作可能な，真に実用的なレーザを開発することが極めて重要となる．しかしながら，上記条件を満たす既存のレーザは，構成が複雑で小型化が困難なものがほとんどである．

２．研究方法2・1 モノリシック複合構造
本研究で作製したモノリシック複合構造レーザを図１に示す．(a)は MOPA 構造で，マイクロチップレーザと増幅小型でかつ高出力を実現するレーザとして，複合構造レ用レーザがいずれも Yb:YAG，入射端の排熱用結晶が無添ーザがある１）．これは，Nd:YAG のようなレーザ活性イオ

加 YAG である．無添加 YAG の接合界面側表面には，Yb:YAGン添加材料と，YAG のような無添加材料（排熱材料）を貼と接合した際にレーザ発振波長 1.03 μm で高反射となるり合わせた構造を有し，レーザ材料で発生した熱を排熱材コーティングを，また，増幅用 Yb:YAG の接合界面側表面料に逃がすことによって熱効果を抑制し，高出力動作を可には，Yb:YAG と接合した際に 1.03 μm で反射率 95 %とな能とするものである．しかしながら，従来の複合構造レーるコーティングを施してある．これにより，マイクロチッ

ザはほとんどが高温プロセスである拡散接合によって作製されていたため，熱膨張率が異なる材料同士を接合することは困難だった．また，最近になって焼結プロセスを用いて作製された複合構造セラミックスレーザが報告されたが２），適用できるのは YAG のような等方性材料に限られている．
我々はレーザの高性能化を図るための新手法として常温接合を世界に先駆けて導入し，さまざまなデバイスの作製に適用してきた．常温接合は，常温かつ高真空中で試料表面にアルゴン原子ビームを照射し，表面の酸化膜等を除去することによって表面原子を活性化し化学反応性を高め，それらの表面同士を接触させると原子レベルで材料が強固に接合する技術である．常温でのプロセスであることから材料品質の劣化が生じず，これまで，波長変換材料のプレートを複数枚接合した高効率波長変換デバイスを開発したほか，熱膨張係数が 8 倍異なる Nd:YAG とダイヤモ

図１ モノリシック複合構造レーザ．(a) 無添加 YAG/ンドとの異種材料接合による複合構造レーザを実現した．

Yb:YAG/Yb:YAG 複合構造 MOPA．(b) 無添加 YAG/Yb:YAG/

特に，Nd:YAG とダイヤモンドとの接合界面でのレーザ光

無添加 YAG 複合構造マイクロチップレーザ．

プ Yb:YAG の両端で長さ 0.1 mm の共振器が構成され，単一測定可能なロードセルを導入し，圧力をリアルタイムでモ縦モードでレーザ発振し，そのレーザ光が厚さ 3 mm のニタしながら接合を試みた．

Yb:YAG で増幅されることになる．

原子レベルでの接合が実現すると，上側の結晶を固定し本研究では(a)の構造に先立ち，まず(b)のような増幅部ているロッドを上方に移動することにより，上下の結晶がのない複合構造マイクロチップレーザの作製を行った．増一体化して引き上げられる．以上のプロセスを繰り返すこ

幅用 Yb:YAG のかわりに無添加 YAG を出射端にも接合したとで，複合構造を作製した．

構造である．増幅部での発熱がないため，入射端側の無添2・3 レーザ発振実験

加 YAG の厚さは(a)より短く 3 mm とした．波長 1.03 μm

作製した複合構造に対してレーザ発振実験を行った．測でのコーティング仕様は(a)と同一とし，複合構造マイク定系を図４に示す．励起光源として，中心波長 0.94 μm，ロチップレーザ単体としての評価を行った．また，複合構

最大出力 25 W のファイバ結合型半導体レーザ（LIMO,造を持たない単独の Yb:YAG との比較も行った．

LIMO-HLU25F200-940）を用いた．ファイバから出射した励

2・2 常温接合を用いた複合構造の作製

起光を焦点距離 50 mm のアクロマティックレンズでコリメ

本研究における最大の特徴は，常温接合技術を用いて複ートし，同じく焦点距離 50 mm のアクロマティックレンズ合構造を実現する点である．特に，我々の過去の研究におで集光し，複合構造に入射した．厚さ 0.1 mm の Yb:YAG

いて，表面にコーティング層を有する結晶でも接合可能でマイクロチップ結晶における集光スポット径は約 300 μm３）あることが明らかとなり ，汎用性が格段に高まった．たであった．

だし，過去の研究ではレーザ波長に対する無反射コーティ

マイクロチップ結晶の入射端側の接合界面におけるコングだったのに対し，今回作製した複合構造は接合界面がーティングは，レーザ発振波長 1.03 μm で高反射（反射高反射もしくは部分反射となるコーティングであり，初め率 99.5 %）であると同時に，励起光波長 0.94 μm に対しての試みであった．て高透過（透過率 95 %）となっている．一方，出射端側

図２に常温接合プロセスを示す．真空度 10-4 Pa 程度のの接合界面におけるコーティングは，波長 1.03 μm で部チャンバ内に接合する結晶を上下対向して配置する．上側

分反射（反射率 95 %）であると同時に，波長 0.94 μm にの結晶を取り付けるロッドは上下(z)方向だけでなく x, y

対しては，図１(a)の MOPA 構造の場合には高透過（透過率方向の移動もチャンバ外から制御し，下側の結晶との位置95 %），図１(b)のマイクロチップ単体複合構造の場合は高調整ができるようになっている．上下の結晶間隔を数 mm反射（反射率 99.5 %）となっている．また，マイクロチ程度とし，横からアルゴン原子ビームを照射する．アルゴップ結晶および増幅用結晶の Yb 濃度はそれぞれ 20 at.%，ン原子ビームは出射口から一定の拡がり角で出てくるた7 %であった．これより，励起光入射パワーに対する励起め，浅い角度で上下の結晶面全体に照射され，表面近傍の光 吸収 パワ ーの 割合 は ， MOPA 構造 のマ イク ロチ ップ

原子層のみエッチングされる．したがって，コーティング

Yb:YAG および増幅用 Yb:YAG でそれぞれ約 20 %と約 60 %，層に照射する場合でも，コーティング仕様に与える影響をマイクロチップ単体複合構造のマイクロチップ Yb:YAG で最小限に抑えつつ，表面原子を活性化できる．本研究で使約 31 %と見積もられる．

用した常温接合装置の外観を図３(a)に，装置内部で結晶表面にアルゴン原子ビームを照射している写真を図３(b)に示す．
上下両方の結晶表面が活性化された後，上側の結晶を下ろしていき，チャンバ内部をビデオカメラで撮影し拡大した画像をモニタで確認しながら，位置調整を行って下側の結晶に接触させ，加圧する．本研究では新たに 1 kN まで

図３ (a) 常温接合装置．(b) 装置内部でのアルゴン原子ビーム照射の様子．

図２ 常温接合プロセス模式図．

図４ レーザ発振実験模式図．

３．研究成果mm）に励起光を入射したところ，吸収パワー1.3 W で熱破3・1 マイクロチップ単体複合構造の作製壊が生じた．
一方，複合構造では最大 5.4 W まで破壊せず，まず，図１(b)の複合構造マイクロチップレーザの作製

２つの複合構造でレーザ発振に成功した４）．レーザ入出力を行った．常温接合ではアルゴン原子ビームを照射する際，特性を図６に示す．

ビーム源内でアルゴン原子をプラズマ化してアルゴンイオンを加速後，出射時に中性化する．その際の加速電圧，イオン電流に加え，アルゴン原子ビーム照射時間，上下に設置した結晶間距離，加圧時の力，加圧時間等を最適化する必要がある．
今回，高反射コーティング層を介した接合のためか，数十回試行したうち数回しか接合に成功しなかった．成功したときの接合条件を表１に示す．これと同条件でも接合しないこともあり，また，接合強度が弱くレーザ発振実験の際に剥がれてしまうものもあった．その原因の解明と，より確実で強固な接合を実現するための条件を明らかにすることが今後の課題である．
接合に成功したマイクロチップ単体複合構造の写真を図５に示す．

図６ 複合構造マイクロチップレーザの入出力特性．
試料１は発振閾値が 0.49 W と小さく最大出力 550 mW

表１ 複合構造マイクロチップ接合条件が得られた．一方，試料２では発信閾値が 1.40 W と大きアルゴンビーム加速電圧

1.2 kVく，励起光吸収パワー2.7 W で発振が止まってしまった．

アルゴンビーム電流

15 mA

ただし，スロープ効率は試料１の 11.3 %に対し 35.4 %とアルゴンビーム照射時間30 分大きかった．このように２つの試料で特性が大きく異なる

上下結晶間距離

3.5 mmのは，接合品質の違いによるものと考えられる．試料２は加圧力600 N

接合が完全でなく界面での散乱により閾値が大きくなっ加圧時間

20 分

たのに加え，排熱効率が悪く，励起光パワーが大きくなると熱歪みが顕著となり発振が止まったものと考えられる．
このように，試料ごとのばらつきが大きく，それがレーザ発振特性にも大きく影響しているのも課題である．
3・3 複合構造マイクロチップレーザのスペクトル特性
図７に複合構造マイクロチップレーザ（図６試料１）の励起光吸収パワー3.1 W での発振スペクトルを示す．ピー
ク波長は 1032.0 nm であった．Yb:YAG マイクロチップの厚さすなわちレーザ共振器長 L は 0.1 mm，屈折率 n は 1.8

図５ 作製した複合構造マイクロチップ（無添加YAG/Yb:YAG/無添加 YAG）．

3・2 マイクロチップ単体複合構造のレーザ発振特性作製に成功したマイクロチップ単体複合構造を用い，図４に示した測定系でレーザ発振実験を行った．まず，複合構造を有しない単独の Yb:YAG マイクロチップ（厚さ 0.1

図７ 複合構造マイクロチップレーザの発振スペクトルであることから，対応する縦モード間隔Δνは c3.0 108 m/s
 0.83THz
2nL 2 1.8  0.10 mm

しまい，まだ MOPA としての動作確認をするに至っていな
い．こちらもマイクロチップ単体複合構造と同様，より強(1)固な接合を実現するための条件を明らかにして再度作製

mとなり，波長間隔としては約 3 nm に相当する．図７のよを行い，MOPA 動作を実証することが今後の課題である．

うにスペクトルは 1 本しか存在せず，単一縦モード発振していると考えられる．
3・4 複合構造マイクロチップレーザのビーム品質
複合構造マイクロチップレーザ（図６試料１）のビーム品質測定結果を図８に示す．レンズで集光したときのビーム径の場所依存性の測定結果より，水平方向および鉛直方向の M2 値を求めたところ，それぞれ 1.9，2.7 となった．
3・5 平凸マイクロチップを用いた複合構造レーザの開発
従来のマイクロチップレーザは平行平板マイクロチッ
プ結晶が用いられ，平面－平面共振器であるため，発熱による熱歪みが生じると不安定領域に移行し発振が止まってしまうほか，図８で示したようにビーム品質も M2 を 1に近づけるのは難しかった．そこで本研究では，Nd:YVO4結晶の片面を曲率 200 mm の球面に研磨し，中心厚を 0.3 mmとした平凸マイクロチップと，無添加 YAG との複合構造作製を試みた．

図９ 作製した複合構造 MOPA（無添加 YAG/Yb:YAG/Yb:YAG）．

４．結び
本研究では，マイクロチップレーザを排熱材料と一体化した複合構造を，常温接合技術を駆使して初めて実現した．
そして，端面励起の厚さ 100 μm のマイクロチップとしてはこれまでで最大級となる，出力 550 mW の単一縦モード動作を実証した．今後はプロセスをさらに改良し，接合強度の高い平凸マイクロチップ複合構造および MOPA 構造を作製することにより，単一縦モード・高ビーム品質・高出
図８ 複合構造マイクロチップレーザの水平(Xaxis)および鉛直(Y-axis)方向ビーム品質測定結果．

力レーザの実現を目指す．

謝辞

最初に無添加 YAG の接合面側を曲率 200 mm の凹面に加本研究において，複合構造の作製および評価で協力いた工したものと Nd:YVO4 の凸面との常温接合を試みたが，曲だいた，小林逸人，小倉康平，植松祐季の各氏に感謝する．

率が完全に一致せず隙間が空いて接合できなかった．次に，また，本研究課題に対して助成いただいた，公益社団法人

Nd:YVO4 の平面と無添加 YAG の平面との接合も試みたが，天田財団に対し心よりお礼申し上げる．

接合面全体に均一な加圧をかけるのが難しく，現時点で接参考文献合に至っていない．接合に成功すればマイクロチップレーザの性能向上につながるため，今後も継続して取り組む予

1) F. Hanson: Appl. Phys. Lett. 66, 3549 (1995).

定である．

2) M. Tsunekane and T. Taira: Opt. Lett. 31, 2003

3・6 複合構造 MOPA の作製
マイクロチップ単体複合構造の研究結果をふまえ，図１(a)の複合構造 MOPA の作製を行った．その結果，表１と(2006).
3) H. Ichikawa, K. Yamaguchi, T. Katsumata, I. Shoji:
Opt. Express 25, 22797 (2017).

ほぼ同様の条件で作製することに成功した（図９）．しか

4) K. Ogura, H. Kobayashi, Y. Uematsu, I. Shoji: Tech.

しながら，接合強度が弱くレーザ発振実験の際に剥がれてDig. Optica Advanced Photonics Congress 2022,JTu6A.6.