2017, Nov.
No.

356

CONTENTS
常温動作全反射アクティブミラー型
Yb:YAGレーザーの発振特性
第78回応用物理学会秋季学術講演会報告
主な学会等報告予定

ISSN 0914-9805【表紙図】（左）水噴流冷却装置（簡易型）の写真、（右）レーザー発振実験配置（噴流冷却）

常温動作全反射アクティブミラー型
Yb:YAGレーザーの発振特性

谷口誠治
レーザープロセス研究チーム ハイ
クコスロービアン
レーザープロセス研究チーム 藤田雅之
レーザーエネルギー研究チーム 李大治
レーザー技術開発室 本越伸二
レーザー計測研究チーム◆はじめにあるが、高出力化の際にはやはり発熱による出力や高出力固体レーザー開発における最重要課題の一つビーム品質の低下などが懸念される。発熱制御の手法

は、レーザー媒質の発熱対策である。Yb:YAG固体レーとして第一に挙げられるのは媒質自体の発熱の抑制でザー材料は、励起量子効率が大きく熱損失が小さい、あり、その一つにゼロフォノンライン（ZPL）励起があ蛍光寿命が長くエネルギー蓄積能力が高いなどの特性る。Yb:YAGは940nm付近と969nm付近に吸収帯のピーを持つため、高出力レーザー媒質の有力候補の一つでクを持ち、969nmの吸収はZPLに相当する。通常、励公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

次ページへつづく常温動作全反射アクティブミラー型Yb:YAGレーザーの発振特性
起にはバンド幅が広い940nm帯のLDを用いるが、近れダイクロイックミラー（DM）、結合出力ミラー（OC）

年VBG（Volume Bragg Gratings）波 長 ロ ッ ク 型LDがを配置して共振器を構成した。レーザー出力の計測に開発され、ZPL励起も可能となっている。ZPL励起のはパワーメーター（PM）を用いたが、出力の時間変化

場合、励起波長と発振波長（1030nm）のエネルギー差は応答速度の速いフォトダイオード（PD）により計測が小さくなるため、940nm励起に比べて発熱を抑制でした。サーモースタットを用いて水温調整を行い、23きる。第二は、冷却法の開発による除熱性能の向上で〜81℃の間で水温を変化させて発振出力の温度依存性ある。当研究所ではこれまで、全反射型アクティブミを測定した。励起パワーの増大に伴いレーザー出力は

ラ ー 方 式（Total-Reﬂection Active-Mirror : TRAM）を増加するが、いずれも励起開始直後がピークで、その用 い た 低 温 冷 却Yb:YAGレ ー ザ ー（Laser Cross

後媒質温度が励起時間とともに上昇するため、レーNo.287, 2012. Feb.他）の開発を進め、プール冷却の約ザー出力は励起時間とともに低下した。励起開始直後10倍の除熱能力を持つ液体窒素衝突噴流冷却方式を用の媒質温度はプールの初期水温に等しいと考えられる

いてkW級のレーザー出力を達成した。TRAMは強固ため、各計測におけるピーク値をレーザー出力としてなコンポジット構造を持つためThin disk型のような伝その温度特性を比較した。結果を図1に示す。水温が導冷却を必要とせず、直接的な噴流冷却が可能である。

上昇すると発振閾値は増加するが、スロープ効率は大当研究所では現在、ZPL励起とより高い除熱能を持きく変化しないことがわかる。実験結果を検証するた

つ水を用いた衝突噴流冷却法を組み合わせ、コンパクめ、レーザー媒質の温度依存因子を考慮した出力モデ

トな冷却装置を持つ常温駆動の高出力Yb:YAGレールを作成し、各温度での出力計算を行ったところ、計ザーの開発に向けた研究を開始している。本稿では、算値は実験値をよく再現することがわかった。これにその初期段階として、常温領域における水冷Yb:YAG

より、高出力化に向けたスケーリングの予測が可能とTRAMのレーザー発振特性の温度効果、および水噴流なった。

冷却法の効果について検討した結果を報告する。

◆水衝突噴流による冷却効果◆レーザー出力の温度特性

噴流冷却効果について検討するため予備試験を行っ

水冷TRAMレーザーの発振特性と動作温度効果につた。実験配置を表紙図（右）に示す。冷却装置の背後かいて検討するため、波長940nmの低出力LD、および自ら噴流管を挿入し、水を噴出させてTRAMのYbドー作した簡易の水冷装置（表紙図（左））を用いてプール冷プ面を直接冷却した。PDにより観測したレーザー出却によるレーザー発振試験を実施した。プール冷却で力の時間変化を図2に示す。励起開始直後の出力はプーは、装置内に蒸留水を満たし、TRAMのYbドープ面ル冷却時とほぼ同一であるが、その後の出力低下は抑を水と接触させて冷却を行う。TRAMの両側にそれぞ制され、3秒後以降は安定な出力が得られた。除熱性能の向上によりTRAMの温度上昇が抑制されたためであると考えられる。検証のため、励起開始5秒後に観【図1】各プール温度における発振出力（ピーク値）と出力モデルによる計算値（図中実線）
2【図2】レーザー出力の時間変化（励起パワー 417W）

動高出力Yb:YAGレーザーの開発を目標に、その初期段階として940nm励起による室温動作時のTRAMレーザー発振出力とその温度特性を観測した。レーザー媒質の温度依存因子を考慮した出力モデルによる分析から、実験値と計算値はよい一致を示し、これにより高出力化に向けたスケーリング予測が可能となった。また、水衝突噴流冷却方式の予備的な試験を行い、除熱性能が向上し、レーザー出力が増加することを確認した。現在、ZPL励起によるレーザー発振試験や高出力スケーリング、冷却性能をさらに向上させた水衝突噴【図3】励起開始から5秒後のTRAM温度（励起中心部）流システムの構築などを進めており、今後kW級の高出力レーザー開発に向けた具体的な取り組みを行って測したYb蛍光スペクトルの変化からTRAM励起部のいく予定である。

温度を算出 したところ、励起パワーが同じでも、噴謝辞：本研究の一部は、防衛装備庁「安全保障研究推

流冷却時の温度はプール冷却に比べ60〜40℃低下する進制度」の支援を受け実施された。

ことを確認した（図3）。

参考文献：◆まとめと今後

1) H. Furuse, J. Kawanaka, et al., Optics Express, 20,

1)

本研究では、ゼロフォノンライン励起による常温駆21739-21748, 2012.

REPORT

第78回応用物理学会秋季学術講演会報告
レーザープロセス研究チーム■応用物理学会秋季講演会が福岡にて開催

ハイク コスロービアン

に関する研究結果を発表し、レーザー共振器における去る9月5日〜8日、福岡国際会議場・国際センター・それらの高反射ミラー（再帰反射光学素子）への応用の福岡サンパレスにて第78回応用物理学会秋季学術講演

可 能 性 に つ い て 議 論 し た（Laser Cross No.353, 2017

会が開催された。応用物理学とは、物理学を他の学術Aug.）。以下に、レーザー開発、およびコヒーレント分野、特に工学（エンジニアリング）へ応用することをビーム結合（CBC）技術に関するトピックをまとめる。

意図した学問であり、物理学の中ではとりわけ産業や■2μm帯全ファイバー型双方向モード同期レーザー経済との結びつきが強い分野でもある。このため本学

波長2μm付近の光は網膜に対する吸収性が低いた会がカバーする領域は、光・フォトニクス、放射線・め、この帯域のレーザーはアイセーフレーザーと呼ばプラズマ、量子エレクトロニクス、薄膜・表面、半導体、れる。医療分野やライダー（リモートセンシング）のほ結 晶 工 学、計 測・制 御 な ど 広 範 囲 に お よ び、ま たか、さまざまな応用が期待されている。これに関し、20000人を超える会員のうち3割以上が企業に所属して山下真司教授（東京大学）らの研究グループは、2μm帯いるという点も特徴的である。学術講演会は春季、秋

全ファイバー型双方向モード同期パルスレーザーの開季の年2回開催され、それぞれ参加者6000人以上、講発を行った。彼らは高い光非線形性を持つカーボンナ演件数は約4000件とその規模は大きい。企業からの参ノチューブを過飽和吸収体（CNT-SA）に用いて2μm帯加も活発で、併設された展示会にはさまざまな企業がの受動モード同期を行い、透過、反射の両モードで出展しており、自社製品とそのアプリケーション、おレーザーを発振させた。利得媒質には約4m長のツリウよび関連技術について講演を行うランチョンセミナー

ムドープシリカファイバーが使用され、双方向でパルも多数開催された。筆者は、コーナーキューブおよびス列を出力できるよう、レーザーキャビティにアイソアキシコンレトロリフレクターの偏光とレーザー特性レーターは用いられていない。レーザーパルスの時間
3幅は約1.2ピコ秒、出力はそれぞれ2.9mW、6.1mWでしたが、今回の報告ではこれらを組み合わせた方式をあった。反対方向の2つ出力パルスは良好なコヒーレ提案し、低出力レーザーによる実証実験を行った。こンスを有しており、またそれぞれのスペクトルおよびの方式では、光位相変調器に各信号光路識別用の正弦繰り返し周波数はわずかに異なっていることがわかっ波信号と、位相同期用の鋸刃状セロダイン変調信号とた。これらの特性は、FT-IR（フーリエ変換型赤外分を加算して印加し、セロダイン変調信号の周期を制御光）よりも高速、高精度測定が可能なデュアルコム分して信号光の周波数をシフトさせることで各ビームの光法や、超広帯域光（supercontinuum）発生などの応位相同期を可能とする。これにより光位相変調器1台用に利用可能とのことである。

で位相同期と信号光路識別を同時に行うことができる■計算機合成ホログラム・回折光学素子設計の最適化ため、CBCシステムの小型化に寄与できるとのことで計算機合成ホログラム（CGH）は、回折現象を利用しある。

■機械学習によるビームフォーカシング法て入射光の波面を変換する波面変換素子であり、回折谷田純教授（大阪大学）らの研究グループでは、機械光 学 素 子（DOE）の 一 種 で あ る と 考 え ら れ る。W. F.

学習法をベースに、単純な光学系により散乱媒体を介Hsu教授（台北工科大学）は、CGH/DOE設計の最適化してビームの焦点を調整する手法を提案している。こ戦略について報告した。講演では、直接解法（直接二の手法では、入力と出力の多くのトレーニングペアを分探索法、模擬アニーリングアルゴリズムなど）に比持つ回帰アルゴリズム（サポートベクトル回帰）を用べ効率的な計算が可能な逆解法による最適化アルゴリ

い、入力面から出力面への散乱を介した光学過程の逆ズム（Gerchberg-Saxtonアルゴリズム）において、そ関数を計算し、目標とする出力ビームの画像と逆関数の欠点である回折画像の画質の悪さを改善するためのを用いて空間光変調器により入力ビームを最適化すピクセルワイズ操作を含む新たな手法が提案された。

る。実証実験では、目標とする集束ビーム画像のス

また教授は、自由空間光学系で最小誤差の近似解を得ポット位置と、実測した出力画像のスポット位置はほるため、二乗平均平方誤差、回折効率、シグナル/ノぼ一致しており、両画像間のシグナル/ノイズ比は17.8

イズ比、および回折像の信号変動などのデバイスパラdBとのことであった。このような光散乱体を用いたメータを組み合わせたメリット関数（誤差関数）を導入

ビームフォーミングは、例えば生体深部の組織をターし、直接解法、逆解法におけるメリット関数の特性をゲットとした光計測などに有用な技術である。

示した。より効率的な最適化アルゴリズムの開発は、■次回開催予定

電子デバイスなどの高性能化にともなう数100万ピク

次回は来春 3 月 1 7 日

セルのCGH/DOEの製造に対して大きな需要がある。

〜20日、早稲田大学でまたレーザー開発、特に超短レーザーパルスのCBC技の開催が予定されてい術の開発においても不可欠である。

る。

■小型CBCシステムの開発
三菱電機（株）から、光空間通信やリモートセンシングへの応用を目指した小型CBCシステムの開発に関する報告があった。彼らはこれまでに、セロダイン光位相変調による光位相同期、および単一光検出器で各ビームの位相誤差を検出するマルチディザ方式を開発【写真】発表会場にて主な学会報告
18年1月24日（水）〜26日（金）レーザー学会学術講演会第38回年次大会（京都市勧業館みやこめっせ）
染川 智弘「海上ラマンライダーの開発」
藤田 雅之「ゼロフォノンライン励起Yb:YAG TRAMレーザーの熱特性」
李 大治 「新型放射を用いたスミス・パーセル自由電子レーザー」
倉橋 慎理「屋外利用を目指したレーザーによるコンクリート構造物内部欠陥検出の高速化技術の開発」
Laser Cross No.356 2017, Nov.

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