スラブ型 Tm3+:Lu2O3 セラミックを用いたレーザー共振器の開発
戸倉川研究室1. はじめに多田 涼太郎に利得スペクトルを有していることから,1950 nm

本研究室で開発している波長 2 µm 帯のレーザ以下の領域に存在する水蒸気の吸収に妨げられるーは，水の吸収が強いことからレーザーメスなどことのない安定したレーザー発振が可能である.の医療分野に利用され，またポリマーの吸収が強

また，他の Tm3+ 添加媒質である Tm3+:YAG やいためポリマー加工への応用も期待されている．

Tm3+:YLF 等に比べ比較的広帯域な利得スペクト

波長 2 µm 帯のレーザー光の発生に用いられる

ルを有しており，さらに高い熱伝導率を持つなど利得媒質の代表例に，Tm3+がある．Tm3+の強みと高出力化に適した優れた熱機械特性も有している．

して高出力な LD を用いて直接励起できることが挙げられ，波長 800 nm で励起すると量子効率 2(a)(b)に迫る高効率な動作が可能になる．また本研究で用いた Tm3+:Lu2O3 は，他の Tm3+添加媒質に比べ比較的広帯域な利得スペクトルを有しており，さらに優れた熱機械特性を持つため高出力なレーザー動作が可能になる．しかし本利得媒質は高融点

図 2(a) Tm3+のエネルギー準位図であり大型の結晶成長が困難であるという欠点が

図 2(b) Tm3+:Lu2O3 の利得スペクトル[2]ある．[1]そのため本研究では大型の結晶が作成可能であるセラミックの Tm3+:Lu2O3 を用いて~mJ,~

Tm3+:Lu2O3 の欠点としては，融点が高く大型の10 W の高出力なレーザーの開発を目指した．

結晶成長が困難であることが挙げられる．しかし
本研究では，~mJ，~10 W の高出力なレーザーの2. 原理開発を目指しているため大型の結晶が必要となる.

2.1 Tm3+:Lu2O3 利得媒質の特徴
3+

図 2(a)に Tm イオンのエネルギー準位図を示す．

そこで，融点よりも低い焼結温度で大型の結晶が作成可能かつ機械的強度も高いセラミックの800 nm 帯のレーザーによって $H# から $H% に励

Tm3+:Lu2O3 を用いた．セラミックは多結晶体[3]だ

起された後， $H% のイオンが $F% へ非放射緩和さが，高温で焼成することで光の散乱源となるポア

3+

れる際に隣接する Tm イオンへエネルギーが譲を排除し，また図 3(a)に示すように粒界層を極め渡されることで基底状態にあるイオンが $F% へ励て薄くすることで，図 3(b)のような高い透光性を起される.このクロス緩和と呼ばれる励起過程に有することが可能である．

より 1 つの光子の吸収で 2 つのイオンが励起され，量子効率が 2 に迫る高効率な動作が可能となる．
本研究で用いた Tm3+利得媒質は Tm3+:Lu2O3 であり，図 2(b)に示すように 2000~2100 nm の領域

本研究で使用する LD はコア径が 105 µm，NA:0.22 のマルチモード出力であるため基本ガウシアンビームにならない．そこで，ビームの横モード品質を示す𝑀 5 を導入する．光ファイバーの𝑀 5 は，その開口数 NA およびコア径𝑎より(a) 粒界部の TEM 画像[3](b) 外観[4]図 3 透明セラミック

𝑀5 =𝜋𝑎𝜋𝑎 𝑁𝐴tan{sin?@ (𝑁𝐴)} ≈2𝜆2𝜆1と表される．[6]このときビームスポット𝑤 𝑧 は
𝑀 5 を用いて2.2 共振器設計
本研究では図 4 に示すような共振器を用いた．
この共振器の設計に関して以下に説明する．

𝑀 5 𝜆𝑧𝜋𝑤, 5 𝑛𝑤 𝑧 = 𝑤, 1 +52と書ける．
さらに本研究では結晶をブリュースター角で配OC置しているため，入射時の屈折の影響で sagittal(水平面)のビーム径が変化する．それを考慮すると
f2=200 mm

M2(R=1000 mm)

DMLu2O3セラミックLD
f1=50 mmsagittal,tangential(垂直面)方向でのビーム径，またレイリー長はそれぞれHRM1(R=1000 mm)

𝑤J 𝑧 = 𝑛𝑤, 1 +𝑀 5 𝜆𝑧𝜋𝑤, 5 𝑛$𝑤M 𝑧 = 𝑤, 1 +𝑀 5 𝜆𝑧𝜋𝑤, 5 𝑛

図 4 スラブ型 Tm3+Lu2O3 セラミックレーザー実験系

2.2.1 ガウシアンビームの伝搬とビーム品質

5, 𝑧J, =𝜋𝑤, 5 𝑛$𝑀5𝜆3, 𝑧M, =𝜋𝑤, 5 𝑛
𝑀5𝜆45で表される．[7]ガウシアンビームの伝搬を図 5 に示す．図 5 において位置𝑧 = 0をビームウェストと呼び，その時2.2.2 自己無撞着法のスポットサイズが𝑤, である．ビームは伝搬と共共振器内のビーム径の計算には自己無撞着法に拡がり，𝑧 = 𝑧, でスポットサイズが 2倍になる．

[8]を用いた．共振器内の任意の位置での定常複素

この時の𝑧, をレイリー長と呼び，基本ガウシアン

ビームパラメータを𝑞P と表し，かつ ABCD 則を用ビームにおいては𝑧, =./0 1 23で表される．

いて，共振器を一周巡回する時に光電場が元の分布に回帰するという条件を課すと𝑞P =𝐴𝑞P + 𝐵
𝐶𝑞P + 𝐷5と表される．これを𝑞P について解き，ビームパラメータ q とビーム半径𝑤および曲率半径𝑅の関係
図 5 ガウシアンビーム進行波[5]11𝜆=−𝑖𝑞(𝑧) 𝑅(𝑧)𝜋𝑤(𝑧)5 𝑛6

ー長は 7.3 mm と，7.5 mm 内に収めることができを比較することによって𝑤は𝑤=𝜆𝜋𝑛@
5𝐵
1−@
57@
(𝐷 + 𝐴)/2 5 %た．
f=50 mmLDと求まる．

f=200 mm

2.2.3 非点収差

図 6 実験に用いた集光レンズ系媒質にレーザー光が入射角𝜃 で入射すると，sagittal と tangential で媒質中を伝搬する実効的な

3.2 非点収差補償

距離が変化する非点収差が生じる．その実効的な前章の非点収差の計算結果を表 1 に示す．

距離は媒質の屈折率𝑛と厚み𝑡を用いてそれぞれ

表 1 非点収差の計算結果

𝑑J =𝑡𝑛5 1 − sin 5𝜃

𝑡@ ， 𝑑M =(𝑛5 − sin 5𝜃 )55(𝑛5 − sin 5𝜃 )$8

励起光

DM/mm

結晶内/mm合計/mm

2.43.35.7

3.33.3

レーザー光と表される．また，ミラーにレーザー光が斜入射

計算結果より，励起光に生じる非点収差は，ダした際も非点収差が生じ，焦点𝑓のミラーに入射

イクロイックミラー(DM)通過による 2.4 mm，お角𝜃でレーザー光が入射するとそれぞれよび結晶へのブリュースター角入射による 3.3𝑓J =𝑓，cos 𝜃

𝑓M = 𝑓 ∙ cos 𝜃9という実効的な焦点距離を持つ．[9]mm の合計 5.7 mm となった．そこで集光レンズをシリンドリカルレンズ 2 枚にし，その間を 5.7 mmとすることでこれを補償した．また共振器内のレ

本研究では，媒質とミラーでの非点収差が打ち消し合うようにーザー光も同様に結晶内の非点収差 3.3 mm を，式(10)を用いて，ミラー(𝑓 = 500 mm)へのレーザ

𝑑J − 𝑑M = 𝑓M − 𝑓J

10ー光の入射角度を 3.3 °とすることで補償した．と条件を課すことで収差を補償した．

3.3 ビーム径の計算結果

3. 共振器設計の結果

共振器内の sagittal，tangential 方向のビーム半径

3.1 LD の集光光学系

を図 7(a)に示す．また同様に結晶内での励起光と本研究で使用した LD のビーム品質を考慮し，レーザー光のビーム半径を図 7(b)に示す．

結晶長 15 mm に対して，レイリー長が半分の 7.5mm に収まるよう集光レンズ系を決定する必要がある．今回結晶内において tangential 方向の方がレイリー長が短くなるため，式(4)を用いて𝑧M, = 7.5mm として計算すると𝑤, = 216 µm となる．そこ
で，この値と近い値を取るように図 6 のような集光レンズ系を用いた．このレンズ系を用いると集光点での𝑤, は 210 µm となり，そのときのレイリ(a) 共振器内のビーム半径(b) 結晶内のビーム半径

図 7 計算したビーム半径図 7(a)より共振器の端面ではビーム径が 1.5 mmースター角入射が最適化されておらず反射損失が程度となった．また図 7(b)より結晶内において励存在していること，励起パワーが足りていないこ起光とレーザー光のモードマッチが十分に取れてとが考えられる．今後はそれらを改善した発振実いることを確認した．

験を行い，それでも発振しない場合には小信号利得の測定を行うことも考えている．

4. 実験
4.1 LD の出力特性の測定

5. 結論
本研究では，スラブ型 Tm3+:Lu2O3 セラミックを用いたレーザー共振器の開発を目指した．まず初めに，LD の集光特性の評価を行い，その結果，集光径を 420 µm とした時レイリー長は 7.3 mm となり 15 mm の結晶長内に収めることができた．また結晶内において励起光，レーザー光のモードマ

図 8 LD の出力特性ッチが十分に取れるような，非点収差補償を踏まえた共振器を設計した．16 W 励起(6.5 kW/cm2)で励起光源は波長 793 nm multi-mode LD を使用し，発振実験を試みているが発振には至っていない．

NA:0.22，コア径:105 µm，最大出力 30 W 程度であ発振に至らない理由としてブリュースター角入射る．図 8 は LD の 0~47 A までの出力特性を示してが最適化されておらず反射損失が存在しているこおり，最大出力は約 30 W，また線形の関係があると等が考えられ，今後はそれらを改善した発振実ことから，熱の影響を受けずスペック値通りの値験を行う．発振した後としてはポッケルスセルをが出ることが確認できた．

導入し，再生増幅器への応用を考えている．

4.2 Tm3+:Lu2O3 セラミックレーザー実験

参考文献

本研究では図 4 に示した共振器を用いており，利得媒質は2×5×15 mm，屈折率:1.84，1.25at.%添
加の Tm3+:Lu2O3 セラミックを用いた．またクロスニコルで複屈折を測定したところ損失が0.032%と十分小さいことを確認した．この結晶を銅製のホルダーに入れブリュースター角で配置し，ペルチェで 18℃に冷却した．ミラーM1，M2 はいずれも曲率半径 1000 mm，高反射コート 1850-2100 nmを有しているものを使用し，また取り出し鏡は透過率 1%のものを使用した．
16 W 励起(6.5 kW/cm2)で発振を試みたが発振には至っていない．発振しない理由として, ブリュ[1]S. Kitajima, 電気通信大学院 博士論文 (2019)[2]P．Koopmann, et.al, Optics Latters,36,948-950(2011)[3]八木秀喜, 電気通信大学院 博士論文 (2006)[4]KONOSHIMA,”透明セラミック”,http://www．Konoshima.co.jp/ceramics/product.html,[5]近藤高志,”情報・ナノマテリアル工学Ⅱ”,http://www.castle.t.u-tokyo.ac.jp/lecture/2008/inmII/notes/inm2008.pdf[6]平等拓範,レーザー学会誌,26,723-729 (1998)[7]Herwig W.Kogelnil et al. Journal of quantum
electronics,3,373-379 (1972)[8]ヤリーヴ・イェー著，多田邦雄，神谷武志監訳，
石川卓上 et.al.共訳，”ヤリーヴ・イェー 光エレクトロニクス 基礎編”，丸善株式会社 (2010)[9]David C.Hanna et al. Journal of quantum
electronics,10,483-488 (1969)