波長 1650 nm LD 励起 Tm 固体レーザーの開発
戸倉川研究室 菊地音
図 1 は Tm3+のエネルギー準位図を表しており、800

1． はじめに波長 2 µm 帯で動作するレーザーは、アイセーフレ

nm 帯と 1600~1900 nm 帯の光で励起することが可能ーザーとも呼ばれ水の吸収が強いことから医療用レである。前者の 800 nm 帯の光で 3H6 から 3F4 へ原子ーザーメスなどに応用されている。同時に、大気の透を励起すると、先述の通り 3H4 から 3F4 へ緩和過程に過率の高い[1]大気の窓と呼ばれる波長領域を含むこ伴うエネルギー遷移によって新たに 3H6 から 3F4 へとから LiDAR(Light Detection and Ranging)[2]などの計交差緩和過程(Cross Relaxation) が発生し、1 つの光測装置へも利用されている。またポリマーが高い吸収子で 2 つの原子をレーザー準位へと励起する量子効を有することからポリマー加工用レーザーにも応用

率 2 に迫る動作が可能である。しかし、Tm3+イオンのされる。2 µm 帯レーザーの代表的利得媒質として Tm高濃度添加(シリカガラスの場合~2at%以上)が必要で添加媒質があり、800 nm 帯の光で励起すると 1 つのあり局所的な発熱などの問題が起こりえる。本研

光子で 2 つの原子をレーザー上準位へ励起する量子究ではこれを避け、後者の波長 1600～1900 nm での励効率 2 に迫る動作が可能であることが知られている。

起は in-band 励起と呼ばれ,交差緩和を伴わない 3H6

対して我々は波長~1600 nm 帯のファイバーレーザーから 3F4 のレーザー準位への直接的な励起を可能に励起光源による高効率な in-band 励起レーザー動作をし、量子欠損の小さいレーザー動作を可能とする。本

報告してきた。

研究では後者にあたる波長 1650 nm 高出力 LD による本研究ではファイバーレーザーではなく波長 1650in-band 励起を採用した用した。

nm の高出力な broad-stripe Laser Diode(LD)で直接 in-本研究で用いた Tm 利得媒質は Tm:RE2O3(RE=Lu,band 励起することでより高効率な Tm:Lu2O3 レーザーSc, or Y)であり、波長 2 µm 帯に広帯域な蛍光を有しの開発を行った。この利得媒質は Tm イオンを高濃度ている。また優れた放熱性も備えているため高出力な添加しても熱伝導率が高く、かつ水の吸収の強い 1.95

レーザー用の利得媒質として注目を集めている[3]。

µm よりも長波長で広帯域なレーザー動作が可能であ

図 2(a),(b) に 0.8 μm 帯 1.6-2.0 μm 帯の Re2O3 の吸収断り高出力な超短パルスレーザー用の利得媒質として面積を示す[4]。

注目を集めている。

2． 原理
2.1．Tm:Lu2O3 利得媒質

図 2. Tm:RE2O3 の吸収断面積 (a)0.8 μm 帯,(b)1.6-2.0 μm 帯

それぞれ青線が Lu2O3 の吸収断面積を示しており、
図 2(a)と(b)を比較すると、800 nm 帯よりも 1600 nm帯の方が大きな吸収断面積と広い吸収線幅を有していることがわかる。これにより LD 励起において高い吸収効率が見込まれ、高効率で高出力なレーザーの開図 1 Tm3+ のエネルギー準位図発が望めると考えた。

1

図 3 に Tm:Lu2O3 の誘導放出断面積を示す[5]。

式(1)を1⁄𝑞𝑠 について解くと1 (𝐷 − 𝐴) ± √(𝐷 − 𝐴)2 + 4𝐵𝐶
=𝑞𝑠2𝐵

(2)

共振器内の個々の部品に関する行列はユニモジュラー行列であり、𝐴𝑖 𝐷𝑖 − 𝐵𝑖 𝐶𝑖 = 1であるので、その積で与えられる𝐴𝐵𝐶𝐷行列も𝐴𝐷 − 𝐵𝐶 = 1を満たす。よって、式(2)は
𝐷+𝐴 2
√
1−[]
(𝐷1− 𝐴)2=±𝑖𝑞𝑠2𝐵𝐵𝐷 − 𝐴 𝑖 sin 𝜃=+2𝐵𝐵

図 3 Tm:Lu2O3 の利得スペクトル(β=上準位分布)

波長~1950 nm と波長~2070 nm を中心波長として線幅 75 nm 程度の利得のピークを有している。水の吸収の存在する波長~1950 nm よりも長波長側に利得があ(3)のように書くことができる。ただし、ることで、水蒸気の吸収に妨げられることなくレーザー動作が可能である。

cos 𝜃 =

2.2．共振器設計

𝐷+𝐴,2𝐷+𝐴𝜃 = ± |cos −1 ()|2本研究では図 4 に示すような Z 型共振器を用いた。
この共振器の設計に関して以下に説明する。

(4)

ガウシアンビームの閉じ込め条件は、ビームスポッ
トの 2 乗𝜔2 が有限の整数であることが必要である。
𝑞と𝜔および曲率半径𝑅との関係が
1 1𝜆= −𝑖𝑞 𝑅𝜋𝜔 2 𝑛(5)であるので、上式と式(3)を比較することによって、ビ
図 4 共振器の概略図ームが閉じ込められる条件は式(4)の𝜃がsin 𝜃 ⁄𝐵 < 0となる。また|(𝐷 + 𝐴)⁄2| < 1であることが必須である。

2.2.1．自己無撞着法
レンズ状の光学要素を複数個含むような共振器を

これは共振器の安定化条件であり、ガウシアンビーム考える場合、この複雑な共振器内に低損失のモードを安定して発振させるためには、共振器内の任意の点(安定モード)が存在するかを知り、存在する場合にはすべてにおいてこの条件を満たしている必要がある。

ビームスポットω(z)および波面の曲率半径 R(z)を光

この時、定常状態での式(5)は軸の任意の位置について決める必要がある。ここで、

2√1 − [𝐷 + 𝐴]
1 (𝐷 − 𝐴)
2=±𝑖|𝐵|
𝑞𝑠2𝐵

自己無撞着法を用いる。これは、共振器の安定な固有モードにおいては、光電磁界は共振器内を 1 周巡回したとき、初めの分布に回帰している必要があるという=条件を課すものである。共振器内の任意位置に参照面

𝐷 − 𝐴 𝑖 sin 𝜃+，𝜃 < 0|𝐵|
2𝐵(6)を定め、その地点に対する定常複素パラメータを𝑞𝑠 とという条件になる。式(6)を用いると、式(8)から参照面表し、ガウシアンビームの𝐴𝐵𝐶𝐷則を用いてにおける曲率半径𝑅および𝜔が以下に求まる。

𝐴𝑞𝑠 + 𝐵𝑞𝑠 =𝐶𝑞𝑠 + 𝐷

(1)という条件を課す。ここで、A、B、C、D はちょうど1 周期の巡回に対する光線行列の要素であり、光線の出発点と終着点は任意に選んだ参照面である。

22𝐵𝑅=
𝐷−𝐴1

𝜆 2
𝜔=( )
𝜋𝑛1|𝐵|21𝐷−𝐴 2 4[1 − [] ]2(7)2.2.2．非点収差補償と入力電流ごとの中心波長を図 5 に示す。この時、レーザーが角度のついた物質中を通過するとき、角LD ホルダーを水冷によって 15℃に保って測定した。

度によって非点収差が生じる。今回の実験の場合には、LD の出力特性と中心波長の電流依存性はともに入力共振器中に利得媒質がブルースター角で挿入されて電流 1 A~10 A までは線形の関係があると分かった。

いる。非点収差により媒質での集光の位置が水平方向

ただ、11 A 入力時に中心波長が急激に長波長側にシと垂直方向で異なったり、同じく各方向で共振器中でフトしたことが分かった。これは、熱的影響の増大にの安定条件が異なってしまったりすることから、そのよるものである。

収差を補償する必要がある[6]。

(a)ブルースター角で配置された厚さ𝑡の媒質に対する水平面と垂直面での有効光路長は、それぞれ𝑑𝑥 と𝑑𝑦として
𝑑𝑥 =𝑡√𝑛2 + 1𝑛2(8),𝑑𝑦 =𝑡√𝑛2 + 1𝑛4(9)(b)と表せる。また、凹面鏡でも非点収差が生じる(図2.6 中の M1、M2)。入射角𝜃として焦点𝑓で生じる水平面と垂直面での収差は、それぞれ𝑓𝑥 と𝑓𝑦 とすると
𝑓𝑥 =𝑓cos 𝜃と表せる。

(10),

𝑓𝑦 = 𝑓 ∙ cos 𝜃(11)図 6 集光レンズ系

また、この共振器中で収差を補償する

3.2．励起 LD の集光特性評価

ための条件として、空気中での光路長を𝑑𝑎𝑖𝑟 、一次利得媒質付近の励起光の集光ビームプロファイル

光の媒質内での有効光路長𝑑1𝑥 と𝑑1𝑦 、共振器中の凹を観察した。観察にあたって、カメラのピクセルサイ面鏡 M1 と M2 の曲率半径を𝑅とし、収差で生じる微ズが十分に小さくなかったため、凸レンズで 7.5 倍に小変化を𝛿𝑥 と𝛿𝑦 とおくと拡大像転送を行った。使用した励起 LD はブロードス
トライプ LD(エミッタサイズ:1×95 µm)であり、高出

𝑑1𝑥 ≡ 𝑅 + 𝑓𝑥 + 𝛿𝑥 = 𝑑𝑎𝑖𝑟 + 𝑑𝑥

力であるが水平方向と垂直方向のビーム品質が大き𝑑1𝑦 ≡ 𝑅 + 𝑓𝑦 + 𝛿𝑦 = 𝑑𝑎𝑖𝑟 + 𝑑𝑦(12) く異なる。このことより、各軸を独立したシリンドリである。𝛿𝑥 と𝛿𝑦 が等しいとき、水平方向と垂直方向でカルレンズで集光する方法(図 6a)と通常の凸レンズの非点収差が補償されるので、その共振器条件はを含んだレンズ系で集光する方法(図 6b)を用いて集𝑑𝑥 − 𝑑𝑦 ≅ 𝑓𝑦 − 𝑓𝑥と表される。

(13) 光特性の評価を行った。実際には 4 つのレンズ系で試したが、ここでは図 6 の 2 つのレンズ系の結果を紹介する。(a)のレンズ系では特に垂直方向のビームが十3． 波長 1650 nm LD 励起 Tm 固体レーザーの開発分に集光できていないという問題点が挙げられた。一3.1．LD の出力特性の測定方(b)のレンズ系では、水平方向垂直方向ともに(a)に比べるとビームが集光できていることがわかった。以降のレーザー発振実験では(b)のレンズ系で実験をおこなった。

a
図 5 LD の出力特性と中心波長の電流依存性b

励起光源として用いた波長 1650 nmLD の出力特性3

表 1 各レンズ系における集光点でのビーム径
設計値
観測した径 実際のビーム径
[µm]
[µm]
[µm]
水平81.1
1.09×103145
垂直40.01.60×103213
水平80.4
6.88×102
91.6
垂直10.06.96×10292.8

3.3．波長 1650 nm LD 励起 Tm 固体レーザーの開発して吸収励起パワーを算出した。同様に OC の透過率共振器は図 4 に示された Z 型共振器を用いており、1.5%、3%のときも吸収励起パワーと出力の関係を表

励起光源は波長 1650 nm、1 µm×95 µm の LD を用い2 と図 10 に示す。

た。前節 3.2.1 より最大励起は 2.5 W 程度である。利

表 2 レーザー発振実験結果一覧
OC 透過率[%]11.53

得媒質は結晶厚さ 4 mm で 2.3 at.%添加の Tm:Lu2O3 セ
ラミックをブルースター角で配置し、水冷でホルダーを 15 ℃に保った。凹面鏡は M1 と M2 いずれも曲率

発振波長[nm]
209120652065

最大出力[mW]
194213232

スロープ効率[%]22.6
27.130.6

100 mm、高反射コート 1850-2100 nm を有しているものを使用した。取り出し鏡は透過率 1%、1.5%、3%のものを用いた。非点収差補償のために、M1 と M2はブルースター角で配置された媒質に対し、約 5.3 degで配置した。以下の図 7 に、前章の自己無撞着法で計算した共振器内の水平方向(wx)と垂直方向(wy)のビーム半径の変化を示す。
図 10 レーザー出力 V.S.吸収励起パワーの OC 依存性

4． 結論本実験では、波長 1650 nm の LD 励起 Tm 固体レーザーを開発した。CW 発振時では、発振波長 2091 nm、1.94 W 励起で最高出力 194 mW を得ることができた。
この時、スロープ効率は 13.4%であった。また、吸収励起パワーをもとにして考えた場合、1.44 W 励起で
図 7 自己無撞着法で計算した共振器内ビーム半径

最高出力 194 mW が得られた。この時のスロープ効率

ブルースター入射による非点収差を補償する角度は 22.6%であった。今後の目標として、モード同期レで M1 と M2 を配置したことにより、水平方向と垂直ーザーの開発を進めていく。

方向の集光がほぼ一致した。OC の透過率 1%時のス

参考文献

ペクトルとモード、出力特性を図 9 に示す。

図 8 (左)発振スペクトル と(右)出力特性
中心波長 2091 nm で発振していることが確認された。

また、励起パワー1.94 W で最大出力 194 mW を得ることができた。図 8 の出力特性のグラフを見ると、励起が 1.7 W を超えると出力が頭打ちになった。これは、利得媒質の吸収が小さくなり、出力飽和が起こっているためと考えられる。このことより、その吸収を考慮

4[1] H.Kildal, et.al, “Comparison of laser methods for the remotedetection of atmospheric pollutants”, Proceeding of the IEEE 59
1644-1663, (1971).
[2] K. Mizutani, et.al, “2 μm Doppler wind lidar with a Tm:fiberlaser-pumped Ho:YLF laser”, Optics Letters, 43, 202-205(2018).
[3] C. Kränkel ，“ Rare-Earth-Doped Sesquioxides for DiodePumped High-Power Lasers in the 1-, 2-, and 3-μm SpectralRange”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,
21, issue1 (2015).
[4] P. Loiko, et.al, “Highly Efficient, Compact Tm3+:RE2O3 (RE =Y, Lu, Sc) Sesquioxide Lasers Based on Thermal Guiding”, IEEE
Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 24, , (2018).
[5] P. Koopmann, et.al, “Efficient diode-pumped laser operationof Tm:Lu2O3 around 2 µm”, Optics Letters, 36, 948-950 (2011).
[6] H. Kogelnik，E. Ippen，A. Dienes，C. Shank，“Astigmaticallycompensated cavities for CW dye lasers ，” IEEE Journal ofQuantum Electronics，.8，373-379 (1972).