Yb3+添加 Lu2O3 セラミック
thin-disk レーザーの開発
白川晃 研究室 稲垣達也

1. 序論

2. 原理

近年、高出力、高効率な超短パルスレーザー

2.1. thin-disk レーザー

光源として、thin-disk レーザーが注目されてレーザー動作中に発生する熱の影響を小さくいる。従来、機械的、光学的特性に優れた Yb3+するため、厚さの薄い利得媒質を使用する

添加 Y3Al2O12(YAG)が一般的なレーザー媒質とthin-disk レーザーを用いる。thin-disk レーザ

して用いられてきたが、利得帯域幅が狭く短パーでは、厚さ数百 m 以下の利得媒質をヒートルス化が難しかった。我々はこれまでに、利得シンクに接合し背面冷却することで、高い冷却帯域幅が広い Yb3+添加 RE2O3(RE=Y,Lu,Sc)セ効率を得ることができる。また、レーザー発振ラミックを用いて、サブ 100 fs のカーレンズモ方向と、熱の伝わる方向を同軸にすることによード同期動作[1]、Yb 添加 Y2O3 セラミック

り、固体レーザーの問題であった熱レンズ効果

thin-disk レーザーを報告してきた[2]。などの低減が可能である。そのため高効率、高表 1-1 に Yb3+イオン添加材料の熱伝導率を出力、高ビーム品質を同時に達成するレーザー示す。本研究で使用する 3at.%Yb3+:Lu2O3 の熱が実現可能である。

伝導率は、今回我々が新たに測定した値である。

thin-disk レーザーは利得媒質の薄さのため、測定法やセラミックが異なるため、Yb3+イオン励起光を 1 回通過させただけでは十分な吸収が添加 Lu2O3 の方が熱伝導率が高くなっている。

得られない。この問題を解決するために、励起一般的に、Lu2O3 は Yb3+イオン添加しても高い光を利得媒質に複数回入射させるマルチパス励熱伝導率を維持できる。よって、高出力動作に起を行う。

適していると期待される。そのため、本研究で本研究では、自作のマルチパス励起モジューは Yb3+ 添 加 Lu2O3 セ ラ ミ ッ ク を 使 用 し たルを使用した。励起光を中心に集めるための放thin-disk レーザーの開発を行なった。

物面鏡と、光路を反転させるための 2 枚 1 組の

表 1-1
Thermalconductivity
non-doped[W/m・K]
Thermalconductivity
Yb3+doped[W/m・K]

プリズムミラー4 組で構成されており、片道で 8

Yb3+イオン添加材料の熱伝導率
Sc2O3

Y2O3

Lu2O3YAG

パス、折返しミラーで反射し、合計 16 パスの構12.5

12.6

10.99.9成となっている。Yb3+:Lu2O3 の吸収係数から励起光吸収量を計算すると、16 パスで十分な設計

6.8(1.8%Yb)[3]

7.9(2% Yb)

13.9(3% Yb)

6.8(1.8%)[3]となっている。
図 2-1 にその構成を示す。中心部の水色部分が thin-disk セラミックである。励起光の光路
は、赤線が 1 回目の通過、黄線が 2 回目の通過、1

緑線が 3 回目の通過、青線が 4 回目の通過とな保護層として Chromel、ハンダと合金化させるっている。灰色の折返しミラーで反射し、進んため Au を蒸着した。使用するハンダはコーテできた光路を遡り 8 回 thin-disk セラミックをィング層への熱によるダメージを防ぐため、低通過させ、正味 16 パスとなっている。図 2-2

融点である必要があり、In-Sn ハンダ(融点約が実際に製作したマルチパス励起モジュールで120℃)を使用した。

ある。

図 2-3

接合前の thin-disk セラミック

図 2-4 (a)がハンダ付け接合した thin-disk セラミック写真である。ハンダ層の厚さをマイクロメータで測ると約 30 m であった。
図 2-1

自作マルチパス励起モジュール

2.3. 接着剤接合法
利得媒質とヒートシンクの接合に関して、接着剤接合方法の確立を行った。使用する接着剤は、低粘度、低温で硬化するものを選択している。また、発熱を防ぐため使用波長での吸収がないことも考慮している。thin-disk セラミックはハンダ付け接合に用意したものを使用したため、同じコーティングが施されている。
図 2-4 (b)は接着剤接合した thin-disk セラミックの写真である。接着剤層の厚さはマイクロメータでは測れなかったが、滴下量から計算で求めたところ約 300 nm であった。
図 2-2

製作したマルチパス励起モジュール写真

2.2. ハンダ付け接合法
利得媒質とヒートシンクの接合に関して、ハンダ付け接合方法の確立を行った。図 2-3 に示
すように、接合する thin-disk セラミック表面
図 2-4には誘電体多層膜による無反射コーティング、裏面に励起光を反射させるための高反射コーテ
ィングを施してある。その下にコーティングの2(a) ハンダ付け接合(b) 接着剤接合

3. 実験
3.1. CW 発振実験
図 3-1 に実験配置図を示す。利得媒質には直径 6.3 mm±0.1 mm、厚さ 300 m±10 m(接着 剤 接 合 は 250 m ± 10 m) 、 3 at.%Yb3+:Lu2O3 セラミックを使用した。In-Sn ハン
ダまたは接着剤で無酸素銅製ヒートシンクに接合し、16 パスマルチパス励起モジュールに取り付けた。励起光源には、波長 976 nm、コア径200 m のファイバー結合型の VBG ロックレー
ザーダイオード(以下、LD)を用い、f=10 mm の

図 3-2

温度上昇測定の時の実験配置図

レンズと f=75 mm の放物面鏡で、ディスク上においてビーム径 1.5 mm に集光した。曲率 500

4. 結果mm、透過率の異なる 2 つの凹面出力透過鏡

4.1. ハンダ付け接合 thin-disk セラミックの(OC)を用いて、直線共振器を構築した。

CW 発振実験
図 4-1 に CW 発振実験の結果を示す。出力透過鏡の透過率 3%、5%の 2 つについて示している。出力透過鏡の透過率 3%のとき、最大出力45.1 W、スロープ効率 53%、光-光変換効率45.1%、M2=6.2 である。出力透過鏡の透過率 5%のとき、最大出力 42.3 W、スロープ効率 49%、光-光変換効率 42.3%、M2=4.3 である。
2 つの出力透過鏡を比べて透過率 3%のときの方が高出力であった要因として M2 の違いが考えられる。M2 が大きいほうがマルチモード発

図 3-1振となり、励起しているスポットを十分に使え実験配置図たため、出力も大きかったと考えられる。励起密度は 4.4 kW/cm2 であるが、thin-disk の破壊

3.2. thin-disk セラミックの温度上昇評価
ハンダ付け接合、接着剤接合した thin-diskは起こっていない。

セラミックを励起した時の、励起スポットの温度変化をサーモグラフィカメラで測定した。使用したサーモグラフィカメラは FLIR SC655®
(FLIR 社)である。
実験配置図を図 3-2 に示す。マルチパス励起モジュールの斜め方向約 20 cm の距離にサーモグラフィカメラを設置して測定した。

3図 4-3

ビームプロファイル

4.2. 接着剤接合 thin-disk セラミックのCW 発振実験
接着剤接合した thin-disk セラミックで CWレーザー発振を行う際に、励起光源とした LDの出力が低下する問題が発生した。
図 4-1

図 4-4 に出力の変化を示す。以前は最大出力入出力特性

120 W であったのに対し、出力低下後は最大 80
図 4-2 は出力透過鏡の透過率 3%の時の、共振W にまで落ちている。この出力低下の原因とし器長依存性である。共振器長 250 mm のとき、て、LD 内部のオプティクスの調整が悪くなっ最大出力 34.3 W、M2=3.2。共振器長 350 mmてしまったことが考えられる。実験中、諸事情のとき、最大出力 45.1 W、M2=7.6。共振器長により、LD を設置している光学定盤を移動さ450 mm のとき、最大出力 44.4 W、M2=6.2 でせる必要があった。その際の振動で LD 内部のある。このときの M2 を比べると、共振器長 250オプティクスがずれてしまったのではないかと

mm の時が最小で、共振器長 350 mm のときが思われる。

最大である。M2 が大きいということは、最も多くのモードが発振しているため共振器長 350mm が出力最大であったと考えられる。
図 4-3 に共振器長 350 mm の時の、レーザー光のビームプロファイルを示す。M2 が大きいため、多くのモードが重なり合っていると考えられる。周りの青枠は検出素子によるものである。

図 4-4 VBG ロック LD の出力低下

図 4-5 に入出力特性を示す。共振器長を変えて測定したが、出力はほぼ同じであった。共振
図 4-2

器長 250 mm の時、最大出力 34.5 W、スロープ

入出力特性

4

効率 57.1%、光-光変換効率 42.1%、M2=8.7 を達成した。励起密度は 3.6 kW/cm2 にもなるが、出力の不安定性は見られないため、現在は励起光の出力でレーザー出力が制限されている。この時のレーザー光のビームプロファイルが図4-6 である。M2 が大きいため多くのモードが重なり合っている。周りの青枠は検出器素子の影響で見えている。
図 4-7

thin-disk セラミックのサーモグラフィー
画像

図 4-8 に LD の出力に対する温度変化を示す。
ただし、LD の出力がさらに低下したため、最大 64 W 励起となっている。ハンダ付け接合した thin-disk セラミックは 64 W 励起時に 62.3℃まで温度が上昇した。接着剤接合した thin-diskセラミックは 54.8℃まで温度が上昇した。
thin-disk セラミックの厚さや接合層の厚さが違うため、それぞれの熱抵抗で考えることにする。熱抵抗 R は材料の厚み d [m]と熱伝導率
κ [W/mK]から、
図 4-5

入出力特性

𝑅=𝑑 m2 K[]𝜅 Wで求めることができる。
ハンダ付け接合の場合、thin-disk セラミックと In-Sn ハンダの熱伝導率から熱抵抗を求める
図 4-62と、2.2 × 10−5 [m ∙ K⁄W]となる。

ビームプロファイル

接着剤接合の場合、接着剤の熱伝導率がわからないため、熱伝導接着剤の熱伝導率を参考に、それらよりも小さいと仮定し 1 W/mK とする。

4.3. thin-disk セラミックの温度上昇評価
図 4-7 にサーモグラフィカメラで取得した、そこから thin-disk セラミックと接着剤の熱抵

励起中の thin-disk セラミックの画像である。

2抗を求めると、 1.8 × 10−5 [m ∙ K⁄W]となる。

thin-disk セラミック中心部が温度上昇している様子がわかる。

これらの計算は、接合層の厚さが正確に求められていないため、おおよその値であると捉えている。熱抵抗を比べると、接着剤接合の方が小さいため温度上昇が緩やかであったと考える
5

ことも可能かもしれない。しかし、接着剤の熱3%、100 W 励起で出力 45.1 W、スロープ効率伝導率や接合層の厚さなど不確定なパラメータ58.6%、光-光変換効率 45.1%、M2=7.6 のレーが多く、断定することはできていない。この測ザー発振を得た。
接着剤接合の場合、出力透過率 3%、82 W 励定に関してはまだ検証を始めたばかりであるた起で出力 34.5 W、スロープ効率 57.1%、光-光め、これから詳細な評価を行っていく。

変換効率 42.1%、M2=8.7 のレーザー発振を得た。
どちらの接合法の場合でも thin-disk の破壊や、出力の不安定性などは一切確認されなかった。そのため、この独自の接合法は十分に有効な方法であると考えられる。
今後は、新たな高出力 LD を使用し、CW レーザー発振を行う予定である。また、thin-diskセラミックにエタロン防止の角度をつけて、超短パルス発振を行っていく。
本研究では 300 m、250 m の thin-disk セラミックを用いたが、より薄い厚さ 200 m 以下のセラミックもいくつか準備している。これ
らのセラミックに関しては、16 パスの自作モジ
図 4-8

励起スポット上での thin-disk セラミッュールでは十分な吸収が得られないため、24 パスの励起モジュールの光学系を設計、開発を行

クの温度変化5. まとめう予定である。

本研究では、利得媒質に Yb3+添加 Lu2O3 セラミックを用い、熱伝導率測定、接合方法の確立、

参考文献[1] M. Tokurakawa, et. al., “Diode-pumpedsub-100 fs Kerr-lens mode-locked Yb3+:Sc2O3
ceramic laser,” Optics Letters, 32, 3382 (2007).

CW レーザー発振を行った。
フラッシュ法を用いて、3 at.%Yb3+:Lu2O3
thin-disk セラミックの熱伝導率を測定した。熱

[2] M. Tokurakawa, et. al., “Continuous waveand mode-locked Yb3+:Y2O3 ceramic thin disklaser,” Optics Express, 20, 10847 (2012).

伝導率 14 W⁄mK と Yb3+イオン添加時も高い値を維持していた。これは単結晶のそれよりも高い値となっている。

[3] V. Peters, et. al., ” Growth of high-melting
sesquioxides by the heat exchanger method,”
Journal of Crystal Growth, 237-239, 879 (2002).

thin-disk の接合に関して、我々独自の 2 種類の接合方法の確立を行った。ハンダ付け接合では接合層の厚さ約 30 m の薄さで thin-disk セラミックの接合を行うことができた。接着剤接合では接合層の厚さ約 1 m 以下の薄さで接合することができた。
CW レーザー発振では 2 種類の接合方法で接合した試料について行った。
ハンダ付け接合の場合、出力透過鏡の透過率6