高出力超短パルス加工光源を目指した
大口径サファイア／YAG 接合体の開発
北見工業大学 地球環境工学科准教授 古瀬 裕章（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018216-B3）
キーワード：レーザー，パルス通電接合，サファイア

１．研究の目的と背景
近年，新規加工技術として超短パルスレーザー加工が注２．実験方法
2・1 パルス通電接合

目を浴びている．パルス幅がピコ秒程度のため非熱的加工

図１に，パルス通電焼結装置（PECS）の原理図を示す６）．

が可能であり，高速精密マイクロマシニング，軽量複合材

本焼結法は，真空中または不活性ガス雰囲気中で試料を一料の切断や孔空け，透明材料の内部加工等，多くの応用研軸加圧しながら加熱処理をすることができる．類似の焼結究が進められている．一方，現在市販されているパルスレ法にホットプレス法があるが，主な違いは上下部の電極間ーザー光源はフォトンコストが高いことから，レーザープに１キロアンペア程度のパルス電流が印加され，瞬時（例ロセッシング分野の発展には安価かつ高平均出力超短パ

えば 100℃/min）に試料を加熱することができる点である．

ルス光源の開発が重要である．

粉体の焼結では比較的低温で緻密化が完了することが知キロワット級の高出力超短パルスレーザー光源を実現するには，レーザー材料で発生する熱問題（波面歪，熱レられており，種々の機能性セラミックスの作製に用いられている．

ンズ効果，熱複屈折等）と表面ダメージ問題の両方の解決

接合体の開発に関しては，異種の金属間，金属とセラミが重要である．前者は主にレーザー材料内部で発生する温ックス，異種のセラミックス間等で報告がある７）．本接合

度勾配に起因し，高平均出力レーザー開発の共通課題とな手法も一種の熱拡散接合と言えるが，低温熱処理が可能でっていることから，レーザー光が熱の影響を受けないようあることから熱膨張の違いによる悪影響が低減されると適した材料形状の選定と十分な冷却手法の確立が重要で考えられる．一方，透明材料の接合に関しては著者らの報ある．

告以外にはほとんど報告されていない．

有効な冷却手法として，高熱伝導透明材料を用いた伝導冷却が提案されている １，２）．高い廃熱が可能なことに加え，レーザーの伝搬方向に廃熱できることから径方向の温度勾配を低減でき，熱問題が抑制できる．さらに近年では，サファイアやダイヤモンドとレーザー材料との接合体が開発されており，その効果が示されている ３―５）．このよ
うな異種材料の接合は，通常の熱拡散接合では材料間の熱膨張差が悪影響を与えるため困難であることから，表面活性化接合法が用いられている．
我々は最近，異種光学材料の新しい接合法としてパルス通電接合を提案し，Nd:YAG セラミックス／サファイアを用いた接合の原理実証を行った６）．大口径試料の接合にも取り組んでおり，本接合法は今後の高出力レーザー用の光学部品として期待できる．その一方で，パルス通電接合により得られた接合体の基本的な光学特性（透過波面，偏光特性）や，初期面精度が接合体の光学品質に与える影響についての知見は得られていなかった．今後，本接合体を用いた高出力パルスレーザー光源を開発する上で，これらの評価は重要である．このような背景から，本研究では上述の光学特性の評価や，最適な接合条件の探索を目的として研究を実施した．

図１：パルス通電接合法の原理図 6)．
本研究では，市販のサファイア単結晶（φ10 mm, 厚み2mm）と Nd:YAG（Yb:YAG）セラミックス（φ10 mm，厚み 2mm）を使用した．接合界面の初期面精度が接合体に与える影響について調査をするため，サファイア単結晶はλ/10に，Nd:YAG セラミックスはλ，λ/5，λ/10 程度に光学研磨を施した．図 2 に試料構造を示すように試料を接着した

後，炭素系焼結型に導入してパルス通電接合処理を行った．

３．実験結果典型的な接合条件は，温度 1100 度，加圧力 64 MPa，保持

３・1 サファイア／Nd:YAG セラミックス接合体

時間 1 時間である．処理後に接合体の両端面に再度光学研

図 4 に初期面精度の異なるサファイア／Nd:YAG セラミ

磨を施し，透過スペクトル，透過波面，複屈折，レーザーック接合体の透過スペクトルを示す８）．波長 1064 nm にお特性の評価を実施した．

ける透過率は，それぞれ 83.8％（λ），84.6％（λ/5），
84.6％（λ/10）であり，初期面精度がλ/5 以下であれば接合後の光学品質は理論透過率とほぼ同等であることが明らかとなった．また，接合後の透過波面はλ/5 以下となることを確認しており，レーザー品質を維持できることを見出した．
複屈折の実験結果では，He-Ne の偏光度が 42 dB であるのに対して，接合体を挿入した場合においても 30 dB以上の偏光度を維持していることを明らかにした．このこ

図 2：接合体の構造図 6).
2・2 光学特性の評価
初期面精度の異なる接合体に対して，透過スペクトルを評価した．測定には紫外可視赤外分光光度計（UV-3600）を使用し，初期面精度の違いによって接合後の光学品質を調査した．
図 3 に複屈折の測定系を示す．光源には He-Ne レーザーを用い，レンズを用いてビーム径約 5 ㎜の平行光にした後，接合体に導入した．試料前後にグラントムソン偏光子を設置し，検光子を５°間隔で回転させた際のパワーをフォトダイオードセンサで検出した．とから，各接合体内部に応力複屈折が発生している可能性はあるが，レーザー品質に大きな影響はないと考えられる．
また初期面精度による大きな違いは見られなかった．
図 5 に各初期面精度の接合体に対するレーザー入出力特性の結果を示す．初期面精度がλ/10 の試料ではλ/5,λと比較してわずかにスロープ効率が高かった．特筆すべきは，初期面精度がλにおいてもレーザー特性に大きな違いは生じていないことである．これは，大口径の接合体を作製する際に要求される面精度が低くても有効な接合体が得られる可能性を示唆しており，高パルスエネルギーかつ高繰り返し用のレーザー材料として期待できる．すでに
図 6 に示すような１インチ径のサファイアと Nd:YAG セラミックスとの接合を実証しており ９），今後の大口径化（例えば２インチ径）に向けて評価と検討を進める予定である．

図 3：複屈折実験系.
レーザー特性の評価では，平板のダイクロイックミラーと R=50 mm の出力ミラーを用いて，長さ約 25 mm の共振器を構成した．波長 808 nm，コア径 100 m のファイバー結合型半導体レーザーを励起光源に用いて試験した．

図 4：初期面精度の異なるサファイア／Nd:YAG 接合体の透過スペクトル 8)．

示すような a-cut サファイアと Yb:YAG セラミックスのサンドイッチ構造の接合にも成功しており，高い透過特性が得られている．

(a)

(b)

(c)

図 7: (a) a-cut，(b) c-cut サファイアとの接合体写真．
(c) a-cut サファイアとのサンドイッチ構造．
各接合体に対して，Nd:YAG セラミックスの場合と同様の共振器を構成し，レーザー入出力特性の比較を行った．
図 5: サファイア／Nd:YAG セラミック接合体のレーザー
入出力特性 8)．

励起光源には波長 940 nm，コア径 100 m のファイバー結合型半導体レーザーを用いた．また比較のため Yb:YAG単体に対してもレーザー特性を評価した．
図 8 にレーザー特性の結果を示す．いずれの接合体においても励起光源の増大に伴い熱問題が発生することに起因したレーザー出力の低下が見られたが，その現象はYb:YAG 単体において最も低い励起パワーで生じており，サファイアとの接合枚数が増大するほど熱問題が発生しにくいことがわかる．このことからサファイア伝導冷却効果が確認できた．また各試料でスロープ効率や発振閾値に大きな差が生じていないことから，接合体内での損失は無視できるほど小さいことがわかる．さらに，接合したサフ
ァイアの結晶方位がレーザー伝搬方向に対して異なっていても，出力特性に大きな差は生じておらず，c-cut サフ

図 6: 1 インチ径のサファイア／Nd:YAG 接合体 9)．

ァイアとの接合においても高品質な接合体が得られたと考えられる．

３・２ サファイア／Yb:YAG セラミックス接合体
本研究では，Yb:YAG セラミックスに対しても接合試験を行った．Nd:YAG セラミックスとの接合では a-cut サフ
ァイアを用いたが，今後レーザー材料として利用する場合は複屈折による偏光解消が生じない c-cut サファイアとの接合実証も重要である．一方，サファイアと YAG 間の熱膨張率の違いは c-cut サファイアとの接合の方が大きくなるため，同条件で接合可能かどうかを調査する必要がある．
さらに，サファイア／ＹＡＧ／サファイアのサンドイッチ構造の接合体が作製できれば，レーザー材料を両面から伝導冷却できるため，より効果的と考えられる．本節では，これらの原理実証とレーザー特性を評価した．
図 7 に各接合体の写真を示す．図 7(a)の a-cut サファイ
アとの接合では，Nd:YAG の場合と同じ接合条件で高品質な接合体が得られ，接合後の透過波面はλ/3 程度であった．

図 8：サファイア／Yb:YAG セラミック接合体のレーザー

図 7(b)の c-cut サファイア／Yb:YAG セラミックスの接合入出力特性．

では，熱膨張の違いから同じ接合条件では接合はできなかったが，より高温あるいは長時間の適した接合条件を見出し，良好な接合体の作製に成功した．さらに，図 7(c)に

４．結言3） H. Ichikawa, K. Yamaguchi, T. Katsumata, and I.

本研究では，高出力レーザー材料として有効と思われる

Shoji, “High-power and highly efficient composite

サファイア／YAG セラミック接合体の大口径化および高laser with an anti-reflection coated layer

品位化につなげることを目的に，接合に要求される初期面

between a laser crystal and a diamond heat

精度の条件や，接合体内の複屈折等の基礎特性を調査した．

spreader

また，多段接合やサファイア結晶軸が接合条件に与える影

fabricatedbyroom-temperaturebonding,” Opt. Express 25, 22797 (2017).
4） L. Zheng, A. Kausau, and T. Taira, “Drastic響についても調査した．
初期面精度については，λ/5 程度の面精度で，透過率おthermal effects reduction through distributed

よび透過波面において良好な接合体が得られた．偏光測定

face cooling in a high power giant-pulse tinyからは，接合による顕著な応力複屈折は見られなかった．

laser,” Opt. Mater. Express 7, 3214 (2017)

サファイア／YAG／サファイアのサンドイッチ型構造の5） L. Zheng, A. Kausas, and T. Taira, “>30 MW peak

接合や，サファイア結晶軸の異なる場合においても良好なpower接合体が得られる条件を見出した．さらに，レーザー特性

integrated laser,” Opt. Express 27, 30217 (2019).

評価から，サファイア接合面が増加する程，伝導冷却効果

6） H.

from

distributed

Furuse,Y.

facecooling

Koike,R.

tiny

Yasuhara,

によって高出力動作が可能となることを示唆する結果が“Sapphire/Nd:YAG composite by pulsed electric得られた．

current bonding for high-average-power lasers,”

今後は，２インチ径を超えるような大口径接合体の作製や，増幅特性などを明らかにするとともに実用化に向けた検討を続ける予定である．

Opt. Lett. 43(13), 3065 (2018).
7） M. Tokita, “Recent and future progress on advanced
ceramics sintering by Spark Plasma Sintering”
Nanotechnolo. Russ. 10 (2015) 261.

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

8） Y. Kagami, H. Tanaka, R. Yasuhara, and H. Furuse,“Opticalcharacterizationofsapphire/YAG（AF-2018216-B3）による支援を受けて行われたものであceramic composite by Pulsed Electric Current

り，謝意を表します．研究の実施にあたり，ご協力いただ

Bonding (PECB),” The 10th Advanced Lasers andいた自然科学研究機構核融合科学研究所の安原亮先生にPhoton

感謝申し上げます．

conference,Sources(ALPS2021),

19-21

April,

Onlinevirtual2021.

paper

ALPS-Poster-05.

参考文献

9） 古瀬裕章，森田孝治，安原亮，金炳男，吉田英弘，

1） T. Taira, J. Saikawa, T. Kobayashi, and R.L. Byer,

鈴木達，目義雄，平賀啓二郎，“放電プラズマ焼結法“Diode-pumped tunable Yb: YAG miniature lasers atによるレーザー光学素子の開発，”レーザー研究 47,

room temperature: Modeling and experiment,” IEEE

448 (2019).

J. Sel. Top. Quantum. Electron. 3, 100 (1997).
2） S. Tokita, J. Kawanaka, M. Fujita, T. Kawashima,
and Y. Izawa, “Sapphire-conductive end-cooling ofhigh power cryogenic Yb:YAG lasers,” Appl. Phys.
B 80, 635 (2005).