Nd 添加 Ba(Zr,Mg,Ta)O3 セラミックレーザーの開発
量子･物質工学専攻

植田研究室

黒川裕章

ルミセラ® Type-Z）[4],[5]は、㈱村田製作所が誘電

1. はじめに1960 年に T. H. Maiman によって世界で初め体共振器材料の開発途上で透光性が発現され、ての固体レーザー発振である、ルビー光学用途への展開を図ってきた材料であり、3+（Cr :Al2O3）レーザー発振の報告がされてからBa(Mg,Ta)O3 系の複合ペロブスカイト構造を主50 年を迎えた。近年、セラミックレーザーの研結晶相としている。この結晶は、図 2.1(a)に示

究において、sesquioxide 結晶、フッ化物セラミしたように六方晶であり、B サイトの Mg と Taックや Disordered crystal が注目されている。中が 1:2 に規則配列した規則型構造をとっている。

でも、本研究では Disordered crystal に注目した。

しかし、B サイトの一部を 4 価イオンで置換す

Disordered crystal の特徴は、本質的には結晶ることで上記の規則配列が崩れ、図 2.1(b)に示でありながら、スペクトル的な性質はガラスのしたように B サイト内のイオンがランダム配列ような性質を生み出すことである。つまり、広した無秩序構造となり、六方晶から立方晶へと帯域特性と高い熱伝導係数を両立させうる固体結晶構造が変化する。その結果、BZMT セラミレーザー材料であるということである。現在まックでは、光学異方性がなくなり透明化が可能でに研究されている Disordered crystal として、となった。図 2.2 にルミセラ®の概観を示した。

Nd3+:YSAGxGSAG1-x[1]や Yb3+:Y3(ScAl)2Al3O12[2]、Nd3+:CNGG（Nd3+:Ca3(Nb,Ga)2Ga3O12）[3]などがSubstitution of
4+ ions on theB-siteある。材料の組成を見ると x とあると思うが、これは組成調整が可能なことを示している。組成調整により吸収･発光スペクトルの制御が可能である。

Ba

我々は、㈱村田製作所によって 2005 年に開発

TaMg

OBa(a) Hexagonal

された透光性セラミックス Ba(Zr,Mg,Ta)O3 をホ

Mg, Zr, Ta(b) Cubic

図 2.1 Ba(Mg,Ta)O3 系ペロブスカイトの結晶構造スト材料とした固体レーザー材料の開発を行った。Ba(Zr,Mg,Ta)O3 は、ペロブスカイト構造を持つ Disordered crystal であり、組成調整可能な材料である。活性イオンを添加することによりBZMT広帯域利得が得られることが期待でき、波長可変レーザーや超短パルスレーザーなどへの応用

Nd3+:BZMT

図 2.2 BZMT と Nd3+:BZMT の概観を目指した。
BZMT セラミックの粒界部の TEM 写真を図2. Ba(Zr,Mg,Ta)O3 について2.3(a)に示した。写真を見ると、粒界部に二次相2.1. 結晶構造等の異相が存在せず、粒子同士が緊密に接触し透光性セラミックス Ba(Zr,Mg,Ta)O3（BZMT,ており、粒界での散乱が抑制されたことが理解

1O

できる。また SEM 写真を図 2.3(b)に示した。

3. 光学特性BZMT セ ラ ミ ッ ク の 平 均 グ レ イ ン サ イ ズ は

3.1. 吸収スペクトル
吸収スペクトルは、白色光源と光スペクトル15µm であることが分かる。
TEM Image

(a)

Grain
Boundary

SEM Image

アナライザーを用いて測定した。図 3.1 に室温(b)での 1mol.%Nd3+:BZMT セラミックの吸収スペクトルを示した。組成調整によって、スペクト

Grain

ルを制御することができた。BZMT-1 は、吸収Grain

ピークが 820nm であった。BZMT-2 と BZMT-315μｍは、吸収ピークは 803nm であった。
Absorption coefficient (cm -1)

図 2.3 BZMT の(a)TEM と(b)SEM 写真

2.2. BZMT の熱的･機械的特性
表 2.1 に熱的･機械的特性を示した。BZMT セ
ラミックは、ガラスと YAG の中間の熱的･機械的特性を持っていることが分かった。また熱破壊閾値が、YAG 単結晶の約 3/8 であり、固体レーザー材料のホスト材料として悪くない。この熱破壊閾値とは、光に変換されず熱になり、結晶内部に熱応力を生じさせ、この応力によって5BZMT-1
BZMT-2
BZMT-343210750775800825
Wavelength (nm)850

図 3.1 1mol.%Nd3+:BZMT セラミックの吸収スペクトル

結晶の破壊が起こる閾値である。
表 2.1 固体レーザー材料の熱的･機械的特性

3.2. 発光スペクトル
中心波長 805nm の半導体レーザー（LD）を

Q-246
HAP-4YAGYAGBZMT(Silica) (Phosphate) ceramic crystal
Thermal conductivity (W/mK)

3.1

1.3

1.023

1414Poisson ratio

0.24

0.237

0.236

-

0.25

Thermal expansion coefficient (×10-6 /K)

8.9

9.0

8.5

-

7.8

Young’s modulus (GPa)

228

84.0

68.8-310.9

Thermal shock parameter (W/m)

302

96

140

2400790用いて、1mol.%Nd3+:BZMT セラミックを励起し、光スペクトルアナライザーを用いて、発光スペクトルを測定した。図 3.2 に 1mol.%Nd3+:BZMT
セラミックの発光スペクトルを示した。不均一3+2.3. Nd :BZMT

広がりが顕著なガラス材料や Disordered Crystal

我々は、BZMT セラミックに活性イオンであ3+では、Fuchtbauer–Landenburg 法を用いて、発光3+る Nd イオンを添加することにした。Nd イオ

断面積を求めるのは、正確性を欠くものである。

ンは、イオン半径の制約を受けて B サイトに置

しかし、他の材料との比較のために換されると考えられる。BZMT セラミックの B

Fuchtbauer–Landenburg 法を用いて、発光断面積4+2+5+サイトの Zr ,Mg ,Ta は、ランダマイズされてを求めた。

3+いるので、B サイトに置換された Nd イオンも期待した通り、ガラスの様に広帯域利得が得ランダマイズされ、広帯域利得が得られると期られた。組成調整によって、スペクトルを制御待される。以下、本論文では組成の異なる 3 種することができた。BZMT-1 は、発光ピークが3+類の 1mol.% Nd :BZMT セラミックを中心に議1075nm であった。BZMT-2 は、蛍光ピークが論していく。

1062nm と 1075nm であった。BZMT-3 は、蛍光ピークは 1062nm であった。どの試料も蛍光断

2

Emission cross section (10 -20 cm2)

面積は、2.4×10-20cm2 であった。

ない蛍光寿命を求めた。τ1 を速い緩和過程、τ2を蛍光寿命とした。

 t 
 t 
I (t ) = A1 exp  + A2 exp  ･･･(3.1)
τ 2 
τ1 

2.5
BZMT-1
BZMT-2
BZMT-321.5

BZMT-1 は 270µs、BZMT-2、BZMT-3 は 290µsであった。ガラスのように蛍光寿命が長い傾向

1にあることが分かった。

0.501000105011001150
Wavelength (nm)3.4. 蛍光効率

1200

励起エネルギーが、どれくらいの効率で蛍光

図 3.2 1mol.%Nd3+:BZMT セラミックの発光スペクトルに変換されているのかを測定した。中心波長3.3. 蛍光寿命

805nm の LD の光をコリメートして積分球に入射させ、積分球から出射してきた蛍光を光スペ

0Intensity (arb.units)10τ1=83 µs

BZMT-1

クトルアナライザーで測定した。積分球から出射してくる蛍光は、微弱であるのでなるべく漏τ2=270 µs-110

らさないようし、光スペクトルアナライザーの感度を最大にして測定した。蛍光効率

0Intensity (arb.units)10τ1=112 µs（Fluorescence Efficiency, FL）は、(3.2)式を用いBZMT-2て求め、結果を表 3.1 に示した。
I f (λ )τ2=290 µs-110∫ hν dλ = 1∫ λI (λ )dλFE =∫ I (λ )dλ − ∫ I (λ )dλ λ ∫ I (λ )dλ − ∫ I (λ )dλfp0Intensity (arb.units)10τ1=117 µssppshν p

BZMT-3･･･(3.2)
ただし、λp: Pump wavelength
Ip(λ): Pump intensity
Is(λ): Pump intensity with sample
If(λ): Fluorescence intensity

τ2=290 µs-1

100

100 200 300 400 500 600 700 800
Time (µs)

表 3.1 1mol.% Nd3+:BZMT セラミックの蛍光効率

図 3.3 1mol.% Nd3+:BZMT セラミックの蛍光寿命

中心波長 805nm の LD を PCX-7410（DirectedEnergy 社）でパルス駆動し、InGaAs PIN フォトダイオードで蛍光を観測した。図 3.3 に 1mol.%
Nd3+:BZMT セラミックの蛍光強度信号を示した。図 3.3 を見ると、非常に速い遷移過程が確

SampleFL

BZMT-125.5%

BZMT-241.0%

BZMT-359.0%

BZMT-1 は 25.5%、BZMT-2 は 41.0%、BZMT-3

認できた。通常用いられる single- exponential 関は 59.0%であった。組成の違いによって蛍光効数フィッテングでは不適当なので、(3.1)式のよ率が顕著に異なることが分かった。

うな double-exponential 関数でフィッテングを行3

4. レーザー特性

2.7W の時、出力パワー91mW、マルチ縦モード

4.1. 連続波発振発振した。スロープ効率は 6.1%であった。

4.1.1.

実験セットアップ(plate 編)

図 4.1 に実験装置概念図を示した。利得媒質

100CW output power (mW)には 1mol.% Nd3+:BZMT セラミック、BZMT-1
厚さ t=4mm、BZMT-2,-3 厚さ t=2mm を用いた。
いずれの試料にもコーティングは施してはいない。800nm の無反射(AR)コーティングと 1064nm高反射(HR)コーティングを施された平面鏡と出力鏡で共振器を構成した。共振器長は 50mm

80

BZMT-1
BZMT-2
BZMT-360slope eff.
6.1%

40slope eff.
5.6%

slope eff.
2.9%

200である。励起光源に 7W、中心波長 807nm のフ00.5

ァイバー結合 LD （コア径 100µm、NA=0.22）

1 1.5 2 2.5 3 3.5
Absorbed pump power (W)

図 4.2

4

入出力特性(plate 編)を用い端面励起を行った。励起光の集光には、1.2

は、曲率半径 250mm、透過率 T=1%を用いた。

1Intensity (arb.units)

f=8mm と f=14.9mm のレンズを用いた。出力鏡
利得媒質の冷却には銅製ホルダーによる水冷(20℃)を用いた。

HR@1064nm T=1% @1050-1150nm
AR@800nm R=250mm
Fiber coupled LD
7W,λ=807nm

0.80.6
0.40.2
1.2

Intensity (arb.units)laser output

φ=100µm,NA=0.22

BZMT-1f=8mm f=14.9mm~50mm

1mol.% Nd3+:Ba(Zr,Mg,Ta)O3
t = 4mm (BZMT-1)
t = 2mm (BZMT-2,BZMT-3)

図 4.1 実験装置概略図(plate 編)

1

BZMT-20.80.6
0.40.2
1.2

実験結果(plate 編)

Intensity (arb.units)

4.1.2.

実験結果の吸収パワー対出力パワーを図 4.2に、最大出力時のレーザー発振スペクトルを図4.3 に 示 し た 。 こ の 結 果 は 、 世 界 で 初 め て
3+

Nd :BZMT セラミックによるレーザー発振に

1

BZMT-30.80.60.4
0.201050 1055 1060 1065 1070 1075 1080
Wavelength (nm)

成功したものである。
BZMT-1 は、閾値 1.4W で励起光の吸収パワー

図 4.3 レーザー発振スペクトル（plate 編）

3.2W の時、出力パワー53mW、レーザー発振波
長 1075nm、スロープ効率は 2.9%であった。

4.1.3.

BZMT-2 は、閾値 1.8W で励起光の吸収パワー実験セットアップ(rod 編)

図 4.1 と実験系はほぼ同じで、励起光の集光

3.1W の時、出力パワー81mW、マルチ縦モードには、f=40mm と f=100mm のレンズを用いた。

発振した。スロープ効率は 5.6%であった。

また利得媒質には、1mol.% Nd3+:BZMT セラミ

BZMT-3 は、閾値 1.2W で励起光の吸収パワー
4ック（BZMT-3）をφ4.0×10mm に加工したもの

図 4.5 にモード同期レーザーの実験装置図をを用いた。その試料に、HR コーティングと AR示した。励起光源に 5W のブロードストライプコーティングを施し、HR 面と出力鏡で共振器LD（1×95µm、λ=809nm、水冷 18℃）を用い、を構成した。共振器長は 50mm である。出力鏡共振器は Z 型を採用した。励起光のビーム径は、は、曲率半径 200mm、透過率 T=3%を用いた。

複数のレンズを用いてビーム成形を行い、集光点で 25×134µm にした。利得媒質は、厚さ4.1.4.

3.2mm の 1mol.% Nd3+:BZMT（BZMT-3）を用い実験結果(rod 編)

実験結果の吸収パワー対出力パワー、最大出た。利得媒質は、ブリュスター角に配置し、銅力時のレーザー発振スペクトルを図 4.4 に示し製ホルダーによる水冷（18℃）を用いた。曲率た。励起光の吸収パワー5.3W の時、出力パワー

半径 100mm（M1、M2）、曲率半径 50mm（M3）377mW、レーザー発振波長 1063nm、スロープの高反射凹面鏡と 1%透過率の平面出力鏡を用効率は 16%を得た。同様に BZMT-1 を rod に加いた。変調素子には、中心波長λ=1064nm の可工しコーティングを施した時の結果と比較して、飽和吸収 2%の半導体可飽和吸収体を用いた。

出力、効率共に 2 倍以上の向上があった。これまたチャープ鏡対（CM1、CM2）を用い、共振は、蛍光効率の違いにも一致する。これらの結器 1 往復で-2000fs2 の分散補償をした。

果から BZMT-3 の組成が、高出力、高効率を目
4.2.2.

1.2

Output power (mW)

200(a)

(b)

1300

実験結果
12400
Intensity

CW output power (mW)

指す上で最適であるといえる。

0.80.60.4

slope eff.
16.0%

0.201055

1060
10651070
Wavelength (nm)1001075864200012345
Absorbed pump power (W)

6CW
Mode-locked

1001234
Incident pump power (W)5

図 4.6 入出力特性

図 4.4 (a)入出力特性と(b)レーザー発振スペクトル

図 4.6 に励起光パワー－平均出力の特性を示した。励起光パワー2.6W、平均出力 4.6mW の4.2. モード同期発振
4.2.1.

時、セルフスタートで CW モード同期が起こっ実験セットアップ
1 mol.% Nd3+:BZMT
t = 3.3 mm (BZMT-3)た。最大平均出力は 11mW であった。繰り返し
周波数は 98MHz であった。最大出力時のレーOC

ザー発振スペクトルを図 4.7 に示した。中心波M2長は 1062nm でスペクトルの半値全幅は 1.3nm
M1CM1M3であった。この時のパルス幅を自己相関系で測5 W,Broad stripe LD(1×95µm,809nm)

定すると、1.4ps であった。∆ν×∆t を計算する

CM2と、0.484 であった。sech2 型のパルスならば、SESAM

フーリエ限界が 0.315 であるので、まだ限界ま図 4.5 モード同期実験系で達していない。共振器の最適化により 1ps よ5中心波長 1062nm、98MHz を得た。

り短パルスを得ることができる。具体的には、現在非点収差を補償していない共振器となってCW レーザー及びモード同期レーザーの結果おり、これを補償し、ビーム品質を上げることは、世界で初めて成功したものである。この結により達成できると考えている。

果は、Nd3+:BZMT セラミックが、固体レーザー材料としての可能性を示したものであると考えIntensity (arb. units)

1.2ている。

10.8∆λ = 1.3nm

0.6

6. 今後の展望

0.4

Nd 添加ガラスレーザーで 60fs を達成してい0.2る報告[6]もあり、最終目標としてはガラスレー

01059 1060 1061 1062 1063 1064 1065
Wavelength (nm)ザーと同レベルまで達成したいと考えている。
その為の今後の課題としては、試料損失の低減が一番である。次に、励起パワーの増大、共図 4.7 レーザー発振スペクトルSH Intensity (arb. units)

振器内損失の低減など、共振器の最適化を試み2る必要がある。また、本研究では未測定である

1.5

Nd3+:BZMT セラミックの小信号利得の測定や∆t = 1.4 ps

1

非線形屈折率の測定を行なう必要がある。

0.50-10

参考文献-505
Delay time (ps)10

図 4.8 SHG 自己相関波形

5. 結論

[1]

E. Sorokin et al., J. Opt. Soc. Am. B. 10, 1436 (1993).

[2]

J. Saikawa et al., Appl. Phys. Lett. 85, 1898 (2004).

[3]

Kenta Naito et al., Appl. Opt. 32, 7387(1993).

[4]

田中伸彦, 金高祐仁, 呉竹悟志, “光学用透光性セラミックス（ルミセラ®）とその特徴,” 光技術コ

本研究では、透光性セラミックス BZMT にNd3+イオンを添加した Nd3+:BZMT を作製し、超ンタクト 45, 366 (2007).

短パルスレーザーへの応用を目指した。

[5]

田中伸彦, 金高祐仁, 呉竹悟志, 藤浪直勝, 岸本悠,“透光性セラミックス（ルミセラ®）の開発・実用

まず、組成調整により吸収スペクトルと発光スペクトル制御を行ない、蛍光効率が向上する化,” J. Soc. Mat. Sci. Jpn. 56, 1195 (2007).

[6] J. Aus der Au et al., Opt Lett. 22, 307 (1997).

添加濃度と組成を確定した。
CW レーザーにおいて、1mol.%、φ4.0×10mm[7]3+の Nd :BZMT セラミックを用いて、LD 端面励

レーザー学会 編, “レーザーハンドブック 第 2版,” オーム社.

起によりレーザー発振波長 1063nm、出力パワー377mW、スロープ効率 16%を得た。
LD 端面励起 SESAM モード同期を行い、1mol.%、 t=3.3mm の Nd3+:BZMT セラミックを用いて、パルス幅 1.4ps、最大平均出力 11mW、6