Yb 添加 Lu2O3 セラミックレーザー
白川 晃研究室

松本 昂に Yb イオン添加濃度に対する熱伝導率変化の材

1. 序論
レーザーの研究分野の一つに、超短パルスレーザ料毎の比較を示す。今回使用した試料のイオン添ーがある。10-12 秒以下のパルス幅を持つパルス発振

加濃度は 3 at.%である。Yb3+:Lu2O3 は Yb 添加時のレーザーで、レーザー加工、周波数コム、分光、基熱伝導率が他の材料に比べ高いため、高出力発振礎科学等に応用される。レーザー自体の研究としてを期待できる。

は、短パルス化、高出力化の研究が行われている。
本研究では、3%(at. %)Yb3+:Lu2O3 セラミックのレーザー利得媒質としての性質を調べた。Lu2O3 に含まれる Lu は添加イオンの Yb と原子番号が近いため、高濃度添加時でも熱伝導率の減少が少ない。また、セラミック材料は単結晶材料に比べ機械的特性が高いため、光パワーの励起にも耐えうる。加えて、一般的なレーザー媒質である Yb3+:YAG より広い利得スペクトル幅を持つ。これらの特性から、
Yb3+:Lu2O3 セラミックは高出力な超短パルスレーザ
図 1 材料毎の熱伝導率のYb イオン添加濃度依存性比較（単結晶）[2]ーとして期待できる。実験内容としては、基本的光学特性の測定、CW 発振実験、モード同期発振実験を行った。

以上の理由から、Yb3+:Lu2O3 セラミックは高出力な超短パルスレーザーとして期待できる。

2. 原理

超短パルス発振を得るために、今回は受動モード超短パルス発信を得るためには、媒質の持つ利得同期の一つであるカーレンズモード同期の手法をスペクトル幅が広いことが求められる。これは、発用いた。その速い応答速度から、SESAM を利用し振スペクトルとパルス幅がフーリエ共役の関係にた場合より短いパルス幅が期待できる。同材料のあるためである。以下に、主な利得媒質の利得スペバルクを用いたカーレンズモード同期の先行研究

クトル幅を示す。Yb3+:Lu2O3 が比較的広いスペクト

では、平均出力 1.83W、パルス幅 135fs、繰り返しル幅を持つことがわかる。

周波数 78MHz を記録している[3]。この結果は、同材料のバルクでのモード同期において最高出力で表 1 Yb 添加材料の利得スペクトル幅比較(1030nm 帯) [1]利得スペクトル幅/nmある。今回の実験では、さらなる高出力化、短パルLu2O3Y2O3Sc2O3YAGLuAGス化を目指しており、先行研究より強いカーレン

131613910ズ効果を得るため、先行研究で使用された試料の 2倍の厚み(4mm)の試料を使用した。

高出力の観点から考えると、利得媒質には熱伝導率が高いことが求められる。これは、光パワーの励起に媒質が耐える必要があるためである。以下
13. 実験･結果10%である。射出した光を集光し、DM を使うことi. 光学的基本特性の測定で残留励起光と発振光に分けた。それぞれのパワ光学的基本特性として、吸収･誘導放出断面積、ーをパワーメーターで測定した。また、試料の吸収蛍光寿命を測定した。
図 2 に吸収･誘導放出断面積パワー（Pabs）を導出するため、試料を挿入しないの測定結果を示す。ただし、誘導放出断面積は場合の Pres(Pres 試料なし)の測定と、試料への入射光のFuchtbauer-Ladenburg 法[4]により求めた。

パワー(Pin)の測定も行った。試料の吸収パワーの導出の式を以下に示す。
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑖𝑛 (1 −𝑃𝑟𝑒𝑠 試料あり
𝑃𝑟𝑒𝑠 試料なし)(1) .

これは、試料からの射出光が Pres を測定する PMへ入射するまでの、OC 等によるパワーの減衰を考慮するためである。
図 4 に測定結果を示す。
図 2 3%(at. %)Yb3+:Lu2O3 セラミックの吸収･誘導放出断面積の測定結果

910, 940, 975nm に強い吸収のピーク、975, 1030,1080nm に強い蛍光のピークが存在している。975nm帯の蛍光ピークには、吸収のピークも重なっている
ため、発振実験では、1030nm 帯を利用した。
蛍光寿命の測定結果については、τ=0.835ms であった。なお、この蛍光寿命の測定結果は上の誘導放出断面積の導出にも用いた。
図 4 3%Yb3+:Lu2O3 セラミックを用いた CW 発振における Pout-Pabs 効率 (Toc=2%, 5%, 10%)ii. CW 発振実験
CW 発振の実験系を図 1、パルス発振の実験系を

最 大 出 力図 3 に示す。なお、試料が熱を持つことによる試料

6.64W, 最 大 ス ロ ー プ 効 率

40.5%(Toc=10%)であった。25W の高パワー吸収に破壊等を防ぐため、試料は 18℃に水冷された銅のホ対して試料の破損が起こっていない。材料の持つルダーに固定してある。

高い熱伝導率と機械的強度によるものと言える。
今回はバルク試料により実験を行ったが、CW 発振でより高い出力を得るためには、熱伝導率と機械的強度の特性がより活きる thin-disk laser が適していると言える。より薄い試料であれば、熱による温度上昇のほか、熱レンズ効果や再吸収の影響を抑えることが可能なためである。先行研究では、同

図 3 CW 発振の実験系

材料での thin-disk laser において最高出力 301W、スロープ効率 85%の結果が報告されている[5]。ま975nm の LD を LD Controller で制御し、共た、バルク材料においてより高い出力を得るため振器へ励起光として入射させる。R=50mm の OCには、発振波長におけるフレネルロスを軽減するから発振光と励起光が射出される。OC は 3 種類ための AR コートも効果的であると考える。

用いて測定しており、それぞれ透過率は 2%, 5%,2図 7 より、パルスの高さ（強度）が安定しているこiii. モード同期発振実験測定に使用した実験系を図 5 に示す。試料はとから、安定したパルス発振を得ることができたと18℃に水冷された銅のホルダーに固定してある。

言える。
発振スペクトルと自己相関波形(sech2 型)をそれまた、Knife edge は発振波長を 1030nm 帯に制限すぞれ図 8、図 9 に示す。

るために、aperture は、損失変調を与えるために挿入してある。

図 5 カーレンズモード同期によるパルス発振の実験系(Toc=5%)

図 8 カーレンズモード同期時の発振スペクトル
スペクトル幅 9.3 nm, 中心波長 1038 nm

はじめに、プリズム対を挿入せず Z 型共振器を構成し、CW 発振を得た。CW 発振が起こっていることを確認した後、分散補償のための SF10 プリズ
ム対を挿入した。M3 の透過光の強度分布を測定しながらモード同期がなされるようプリズム対間隔
図 9 カーレンズモード同期発振時の自己相関波形図
パルス幅 144 fs, 時間帯域幅積 0.370を調整し、オシロスコープで出射光がパルス発振していることを確認した。その後、OSA により発振スペクトルを、自己相関計により自己相関波形を測定した。

測定の条件と結果を表 2 にまとめた。

パルス発振時のオシロスコープの波形を図 6、図7 に示す。

表 2 カーレンズモード同期発振の実験条件と結果
プリズム間距離/cm
70

平均出力/W
1.12

パルス幅/fs144

時間帯域幅積0.370

パルスエネ
ルギー/nW15

時間帯域幅積が sech2 型の 0.315 に近いことから、ソリトンモード同期が得られていると言える。
このスペクトル幅におけるフーリエ限界パルス幅
図 6 パルス発振時のオシロスコープの波形(10.0ns/div)

は、123fs であり、ある程度近い値が得られたと言える。しかし、CW 発振成分が出ているため、その分のエネルギーロスがあることや、はじめに測定した蛍光スペクトルから導かれるフーリエ限界パルス幅が 75fs(スペクトル幅 13nm)であることから、アライメントの再考や、プリズム間距離を変えるなど、改良の余地がある。
結果として、今回の実験では、同材料のバルクに

図 7 パルス発振時のオシロスコープの波形(2.00μs/div)

おけるカーレンズモード同期の先行実験の結果を3上回ることができなかった。先に述べた中にもある[3] Tomohiro Ishikawa, A. Amani Eilanlou, Yasuo

ように、アライメントの改善が大きな要因として考Nabekawa, Yoshihiko Fujihira, Tomohiro Imahoko,

えられる。

Tetsumi Sumiyoshi, Fumihiko Kannari, Makoto

先行研究において、同材料を用いたモード同期レ

Kuwata-Gonokami, and Katsumi Midorikawa

ーザーの最大平均出力は thin-disk laser による(2015) Japanese Journal of Applied Physics 54,141W であり、パルス幅は 783fs, ピークパワーは072703

2.8MW である[6]。材料の性質に加え、共振器の構[4] W. F. Krupke, M. D. Shinn, J. E. Marion, J. A. Caird,

造が大きく結果に影響すると言える。

and S. E. Stokowski J.
(1986) Opt. Soc. Am. B, Vol. 3, No. 1, January,

4.まとめ

p102-114

Yb3+:Lu2O3 セラミック材料は、その高い熱伝導率[5] B. Weichelt,K.S. Wentsch,

A. Voss,M.

から CW 発振における高出力が期待されたが、最Abdou Ahmed, and Th. Graf

高出力 6.64W という結果となった。スロープ効率(2012) Laser Phys. Lett. 9, No. 2, p110–115

に関しては、再吸収や熱レンズ効果の影響、フレネ[6] Cyrill Roman Emmanuel Baer, Christian Kränkel,

ル反射といったことから 40.5%と比較的低い結果

Clara Jody Saraceno, Oliver Hubert Heckl,となってしまった。

Matthias Golling, Rigo Peters, Klaus Petermann,

モード同期レーザーは、カーレンズ効果や、分散Thomas Südmeyer, Günter Huber, and Ursula補償など、さまざまな要素が関係しているため、考Keller

慮の余地が多分にあると考えられる。広い蛍光スペ(2010) Optics Letters, Vol. 35, No. 13, p2302-2304

クトル幅から導出される短パルスを得られること[7] Masaki Tokurakawa, Akira Shirakawa, Ken-を実証するためにも、共振器の構成をよく検討する

ichi

Ueda,1必要があると考える。

Hosokawa,

HidekiYagi,

Syunsuke

Takagimi Yanagitani, and Alexander A.

最後に、本研究では一つの材料についての性質を評価してきたが、より高出力、短パルスのレーザー

Kaminskii

発振は、一つの種類の材料だけでなく、複数の種類(2008) Optics Letters, Vol. 33, No. 12, p1380-1382の材料を組み合わせることで可能な場合もある。カーレンズ効果により広がったスペクトルを効率よく増幅するために Y2O3 を接合する方法が過去に行われている[7]。ただ、現段階ではアライメントの技術の向上と発振に関する知識の理解をまず優先し、その上で別の方法を模索するべきと考える。
参考文献[1] K. Petermann, G. Huber, L. Fornasiero, S. Kuch, E.
Mix, V. Peters, S.A. Basun(2000) Journal of Luminescence, 87-89, p973-975[2] R. Peters, C. Kränkel, S.T. Fredrich-Thornton, K.
Beil, K. Petermann, G. Huber, O.H. Heckl, C.R.E.
Baer, C.J. Saraceno, T. Südmeyer, U. Keller(2011) Appl Phys B 102, p509–514
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