モード同期 Yb3+:Lu3Al5O12 セラミックレーザーの研究
白川(晃) 研究室

北島 将太朗1. 序論

類イオンの原子量が異なるため、希土類イ超短パルスレーザーは短いパルス幅と高オンが欠陥として作用しフォノンの平均自いピーク強度を持ち、非熱微細加工や高エ由行程が下がってしまうためにおきる。熱ネルギー物理等への応用が期待されている。

伝導率の低下の度合いは、原子量が違うほ

高出力動作の実現のためには、利得媒質はど顕著である。

優れた熱特性を持つことが要求される。媒図 1 に Yb:YAG と Yb:LuAG の単結晶、質内部に生じる熱がうまく排出されなけれ

Yb:LuAG のセラミックの熱伝導率の添加濃ば、熱レンズ効果や熱誘起複屈折といった度依存性を示す。

熱光学的現象が生じ、レーザーの品質低下を招くためである。一般的な媒質は添加する Yb3+イオン等の濃度の増加に伴い熱伝導率 が 急 激 に 低 下 す る 。 Lu3Al5O12 ( 以 降LuAG) は、Yb3+イオンの高濃度添加時の熱伝導率の低下は緩やかであり、更に一般的なレーザー材料である Yb:YAG (Y3Al5O12)と比較して大きな利得を持つので、高出力パルスレーザー・増幅器として適した材料である。またセラミックにすることで単結

図 1 Yb:YAG, Yb:LuAG の晶よりも高い機械特性をもち、大口径な材熱伝導率の添加濃度依存性[1][2]3+料も作製可能となる。本研究では Yb 添加
LuAG セラミックを用いたモード同期レーYb:YAG の場合では Yb 3+(173 g/mol) はザーの研究を行った。

Y3+ (89 g/mol) と置換される。原子量の違いは大きく、熱伝導率は添加濃度の増加とと2. 原理もに急激に減少する。それに対し、Yb:LuAG

2.1. Yb:LuAG セラミックの特性

では Lu 3+ (175 g/mol) と置換される。原子LuAG は、レーザー媒質として一般的であ量は非常に近いため、高濃度添加時 (＞る YAG の Y を Lu で置き換えた結晶で2-3%) の熱伝導率の低下はわずかであり、あり、YAG と同様のガーネット構造を持つ。

Yb:YAG よ り も 高 い 。 ま た こ の 特 性 はYAG 等の一般的なレーザー媒質では、通常Yb:LuAG においても同様の結果が得られてイオンの添加濃度の増加に伴い急激に熱伝いる。これより Yb:LuAG は高濃度添加と高導率が低下するという問題がある。これは

い熱伝導率の両立ができる、高効率・高出置換される母材のイオンと添加される希土力なレーザーに向いた材料であるといえる。

図 2 に Yb:LuAG セラミックの吸収スペク

他の受動モード同期の手法として光カー

トルと蛍光スペクトルを示す。

効果により起きるビームの自己収束とアパーチャーを用いるカーレンズモード同期が2

Absorption cross section

ある[3]。これは可飽和吸収体を用いたモーEmission cross section

ド同期法と比べて深い変調幅が得られるた-202

Cross Section (10 cm )2.5め、より短いパルス幅を得られやすい。本1.5

来ならば媒質の非線形性さえ強ければカー
レンズモード同期はそれ単体で実現される1はずだが、それに代表的な可飽和吸収体の0.5一つである半導体可飽和吸収鏡(SESAM)を0850

補助として用いることでより安定したモー
900

950

10001050

1100

Wavelength (nm)図 2 Yb:LuAG の吸収・蛍光スペクトル[2]ド同期が得られ、さらに自発的にモード同期が開始する系を構成することができる。
これまでの Yb:LuAG を媒質として用いた

Yb:LuAG セラミックは 968nm 付近にゼロ

モード同期実験の研究では、SESAM を用いフォノンラインを持ち、吸収スペクトルのたモード同期により平均出力 200 mW、パル最も大きいピークはそれであるが、940 nm

ス幅 699 fs のパルスが得られていた[2]。 本付近にも吸収帯を持つ。この吸収帯は広帯研究ではより短いパルス幅を目指すため、域であるため、レーザーダイオード(LD)励媒質の幅を厚くし非線形性を増すことで、起に適している。
蛍光スペクトルは 1030 nm

カーレンズモード同期の実現を目指した。に主要なピークを持ち、半値全幅は 6.1 nmである。誘導放出断面積は Yb:YAG と比較

3. 実験

して約 25%大きな値であり、高出力レーザまずカーレンズモード同期の前段階としー・増幅器に適している。蛍光寿命は 1.07て、高出力で安定した SESAM モード同期

ms である。

を目指した。
図 3 にモード同期実験系の概略図を示す。

2.2. モード同期
超短パルスの発生手法の一つとしてモード同期がある。モード同期とは共振器中に利得変調や損失変調を加え、多くの縦モード間の位相関係を揃えることで実現される。
具体的には可飽和吸収体を用いた受動モード同期が挙げられる。これは光のパワーに応じて透過率が変化するという性質を用い

図 3 モード同期実験系て共振器内に損失変調を加えモード同期を実現する。

共振器の基本的な構成は Z 型共振器であり、共焦点共振器を構成する M1, M2 の間られたパルス幅は、パルスの形を sech2 と仮に、利得媒質として厚さ 2.82 mm の 10 at.%定してフィッティングすると 746 fs であっ

添加 Yb:LuAG セラミックをブリュースタた。スペクトル幅は 1.6 nm であった。このー角で配置した。M1,M2 の曲率半径(ROC)ときの時間帯域幅積は 0.336 であり、これはどちらも 100 mm である。励起光源にはより得られた結果はフーリエ限界に近い状

中心波長 940 nm のブロードストライプ LD態だと分かる。

を用いており、4 つのレンズによりコリメート、集光されている。結晶上での励起光(a)のビーム径はおよそ 90×40 m 程であった。
分散補償にはプリズム対を使用した。プリズム間の距離は 約 100 cm であり、共振器一往復で約-7000 fs2 の負分散量を補償した。
SESAM は BATOP 社 製 の 変 調 深 さR  1.2% のものを用い、ROC 500 mm の凹(b)面 鏡 (図 中 M3)で 集 光した 。 出 力結 合 鏡(O.C.)には透過率 5%のものを用いた。
この実験により得られた入出力特性の結果を図 4 に示す。

図 5 パルストレイン

1.4

110.8
0.60.40.200246810Input (W)図 4 入出力特性

Norlmalized Intensity

Output (W)(a) 4 ns/div のとき (b) 4 ms/div のとき

CW
Qswitch MLCWML
Multi pulse

1.20.80.60.40.20-0.2-5000

05000

Delay (fs)励起パワー8.4 W のときシングルパルス

図 6 自己相関波形

CW モード同期の最大の平均出力 1.16 Wを得た。図 5 にこの時のパルストレイン、共振器長に応じて決まる繰り返し周波数

図 6 に SHG 自己相関計を用いて測定した自は 69.5MHz であった。中心波長は再吸収の己相関波形、図 7 にスペクトルを示す。得

影響より、励起強度を上げていくほど長波長側にシフトしており、励起パワー8.4 W の4. まとめと今後の展望

とき 1032 nm であった。

本研究では Yb:LuAG を媒質として用いてSESAM を補助としたカーレンズモード同期を目指した。結果カーレンズモード同期

Normalized Intensity1は実現できなかったものの、その前段階で0.8ある高出力で安定した SESAM モード同期0.6を実現することができた。そのとき表 1 の結果が得られた。

0.40.2

表 1 実験結果のまとめ
01029

平均出力1.16 W

スペクトル幅1.6 nm

パルス幅746 fs

時間帯域幅積0.336

Yb:LuAG の蛍光スペクトルの半値全幅

中心波長1032 nm

6.1nm という値は決して大きな値ではない

繰り返し周波数69.5 MHz1030

10311032103310341035

Wavelength (nm)

図 7 スペクトル

ため、これ以上の短パルス化のためにはやはりカーレンズモード同期により、更に深得られた値はこれまでの研究結果と比べい変調幅を得る必要があるが、カーレンズ平均出力ははるかに大きく、パルス幅におモード同期には計算を駆使した緻密な共振いても近い値であった。

器設計とシビアなアライメントを要するた

今後は更に短いパルス幅を得るために改め、今回の実験においては実現することはめて共振器設計を行い、カーレンズモードできなかった。

同期を目指す。

しかし今回得られた最大の平均出力である 1.16W は SESAM モード同期においては参考文献

十分に大きい値であり、これまでの研究で[1] K. Beil et. al., in Advanced Solid-State

得られていた結果をはるかに上回るものでphotonics 2009 (Denver, Feb. 2009),ある。またパルス幅もこれまでの研究で得WB28られていた結果に近い値が得られた。よってこの共振器構成をもととして計算によりアパーチャーを挿入する位置を決め、M1,M2 と媒質の位置を適切に調整することでカーレンズモード同期を実現することが可能であると考えられる。

[2] H. Nakao et. al. , Optics express, 20, 14,15385 (2012).
[3] T. Brabec et. Al., Optics express, 17, 1292
(1992).