Nd3+添加 Ba(Zr,Mg,Ta)O3 セラミックレーザーの評価
白川晃研究室
1. 序論

B４

布施純一

Ba (Mg, Ta)O3 系材料の結晶構造の模式

近年、超短パルスレーザーは工業や医療図を図 2 に示した。この結晶は、図 2(a)に等様々な分野に用いられ、超短パルス用と示したように六方晶であり、B サイトのして広い利得帯域幅をもつ媒質の研究が盛Mg と Ta が 1:2 に規則配列した規則型構んに行われている。Ba(Zr,Mg,Ta)O3（BZMT,造をとっている。六方晶は光学的１軸性結®

ルミセラ Type-Z）は(株)村田製作所との共晶であるため、その多結晶体であるセラミ同研究で開発した透光性セラミック材料でックでは不透明から半透明となる。しかし、ある。この材料は Disordered 構造であるた

B サイトの一部を 4 価の陽イオンで置換め、添加された希土類イオンは広い利得帯することで上記の規則配列が崩れ、図 2(b)域を示し、超短パルスレーザー用材料としに示したように B サイト内のイオンがラて非常に有望である。本研究ではこのンダム配列した無秩序構造となり、六方晶

3+3+BZMT に Nd イオンを添加した Nd :BZMTから光学的等方体である立方晶へと結晶構を用いて、レーザー媒質としての特性を評造が変化する。その結果、BZMT セラミッ価する。

クでは、光学異方性がなくなり透明化が可能となった

2. 原理
2.1.BZMTBZMT は Ba(Mg,Ta)O3 系のペロブスカイト構造を主結晶相としている。ペロブスカ
イト構造とは、図 1 に示すように ABX3 という構造をもつ。A サイトの陽イオンと Xサイトの陰イオンが同程度の大きさを有し、この A サイトと X サイトから構成される立方晶系単位格子中に A サイトよりも小さいサイズの陽イオンが B サイトに位置する。

図 2.BMT および BZMT の結晶構造

2.2.Nd3+:BZMT
BZMT の特徴として、製造過程においてB サイトのイオン比率を変化させることでNd3+イオンを A サイト、B サイト、A＆Bサイトへ選択的に置換が可能である。
表１にはそれぞれのサイトに同程度の濃度の Nd3+イオンを添加した場合の量子効率を

図 1.ペロブスカイト構造示す。

表 1. 1 mol. % Nd3+:BZMT の量子効率
置換サイト(1 mol. %)量子効率(%)

3. 実験・結果
3.1.Nd3+:BZMT 連続波発振実験

59

実験系を図 4 に示す。励起光源として波3+

B – site, Nd :BZMT

41

長 807 nm のファイバー結合型半導体レーA & B – site, Nd3+:BZMT

25.5

ザーを用いた。共振器は BZMT 端面の HR

A – site, Nd3+:BZMTと曲率 200 mm の出力透過鏡によって構成
この結果より、本研究では量子効率の最もされ、計算上試料端面での集光径は 250 μm

高い A サイトへ 1 mol. %の Nd を添加したとなる。使用した Nd3+:BZMT は先行実験の

1 mol. % Nd3+:BZMT を使用した。

結果をもとに改良を行って作製したロッド

3+

本実験に用いた 1 mol. %Nd :BZMT の蛍状の試料である。本実験において共振器の光スペクトルを図 3 に示す。比較のため一最適化を行った結果、図 5 に示したように、3+3+

般的に用いられる媒質である Nd :YAG のO.C.=10 %において最大出力 1.7 W、出力同濃度での蛍光スペクトルも示した。２つ

効率 38.1 ％と先行研究の結果を大幅に上の利得帯域幅の半値全幅を比較すると回る結果が得られた。

Nd3+:BZMT は~30 nm であり、これはNd3+:YAG の 30 倍以上である。パルス幅と利得帯域幅はフーリエ共役の関係にあるため、利得帯域幅が広ければフーリエ限界パルス幅は狭くなる。これより 1mol.%
Nd3+:BZMT を用いたレーザーは同濃度の

図 4. 1mol.% Nd3+:BZMT の連続発振実験系

Nd3+:YAG を用いた場合よりも狭いパルス幅が得られることが期待される。

図 5. 1mol.% Nd3+:BZMT の入出力特性

出力効率が向上した要因を検証するため
図 6 に示すように、各出力透過鏡の透過率
図 3.1 mol. %Nd3+:BZMT の蛍光スペクトルとしきい値から、試料の共振器内損失を見積もったところ、3.8 %/cm と求められた。
先行研究に用いた試料の共振器損失は 3～4%であったため、損失の減少は無いと判断できる。

Mirror reflectance, -ln(1-T)

やす冷却水の温度を 10 ℃から 35 ℃まで0.1変化させて出力を測定したところ、図 10 の0.05ように変化が見られないことが分かった。

0これにより、温度勾配によるものではないと判断できる。また、結晶を固定する角度

-0.05
00.5

11.5

22.5

Pthreshold (W)を変化させ、集光位置をずらしたところ、
図 8 とは違った出力特性が得られたため、熱レンズ効果の可能性も低いと考えられる。

図 6.共振器内損失

次に励起光とレーザー光とのモードマッ

以上のことから、これは結晶の不均一性によるものと断定した。

チの検証を行った。図 7 は励起光の集光点でのビームプロファイルである。励起光の集光径が計算上 250 μmに対し、実測値は400 μm 程もある事がわかった。先行研究
では曲率 100 mm の出力透過鏡を用いていたのに対し、本実験では曲率 200 mm の出力透過鏡を用いた。これによりモードマッ
チが改善し、出力効率が向上したと考えられる。

図 10.冷却温度による出力特性
図 7.励起光のビームプロファイル

変えたところ、同一励起パワーにおいて図3.2. 半 導 体 可 飽 和 吸 収 鏡 を 用 い た
Nd3+:BZMT 受動モード同期発振実験

8 に示すような出力の違いがみられた。こ

実験系を図 11 に示す。励起光源と試料はの結果と、試料の冷却方法（図 9）から、連続発振実験と同様とした。共振器は試料試料の熱伝導率と冷却効率によって試料上端面の HR と SESAM で構成され、試料上でで温度勾配が生じ、出力にばらつきが出たの集光径は実測で 180 μmである。共振器内のではないかと考えた。そこで、試料を冷のビーム径や CW モード同期に必要な共振

また、試料端面に対しの集光点の位置を器内エネルギーを見積もり、実験を行った。

5. 展望

その結果、ロッド形状の BZMT では初めて

BZMT の更なる高品質化をすすめ、レー受動モード同期発振に成功した（図 12）。

ザー発振の高効率化をすすめる。また、安しかし、スペクトル形状（図 13）などから定的なモード同期発振のために、共振器の連続波成分が残っていると考えられるため、再設計と最適化を行う

SESAM の変調を深くし、共振器の最適化行う必要がある。

6. 参考文献1.

黒川裕章, 電気通信大学大学院 修士論文

2.

戸倉川正樹, 電気通信大学大学院 修士論文.

3.

中尾博明, 電気通信大学大学院

4.

田中伸彦, “透明セラミックス” KEC 情報

修士論文

No.210. 2009 JUL
5.

Amnon Yariv, “光エレクトロニクス 基礎編 原書 6 版” 丸善株式会社

3+

図 12. 1mol.% Nd :BZMT の受動モード同期実験系

6.

W. F. Krupke, M. D. Shinn, J. E. Marion, J. A.
Caird, and S. E. Stokowski,“Spectroscopic, optical,and thermomechanical properties of neodymiumand chromium-doped gadolinium scandium
gallium garnet,” J. Opt. Soc. Am. B, 3, 102(1986).

図 13.モード同期時のパルストレイン

7.

C. Honninger, R. Paschotta, F. Morier-Genoud, M.
Moser, and U. Keller , “Q-switching stability
limits of continuous-wave passive mode locking,”
J. Opt. Soc. Am. B, 16, 46 (1999).

図 14.モード同期時のスペクトル変化

4. まとめ連続波発振実験ではモードマッチの向上から先行研究よりも高い最大出力 1.7 W、出力効率 38.1 %を得ることが出来た。また、結晶の不均一性が確認された。受動モード同期発振実験では、連続波成分が残ったものの、モード同期発振に成功した。