Nd3+添加 Ba(Zr,Mg,Ta)O3 セラミックレーザーの研究
白川晃研究室

1. 序論

B4 富田貴之

秩序構造となることで、立方晶を構成固体レーザーは超短パルスレーザーすることで光学的等方体となり、透明発振器・増幅器としての研究が盛んでなセラミックを作製することが可能とある。超短パルスレーザー用のレーザなった（図 1）。

ー材料としての特性には広い利得帯域幅、優れた熱特性や蛍光特性、機械特性が求められる。レーザー材料の特性は母材とそれに添加される希土類イオンによって決まるが、母材に依るところが大きく、その母材として近年ではセラミック材料が注目されている。

図 1. 結晶構造

我々は、(株)村田製作所との共同研究

また、無秩序構造に希土類イオンをで開発した透光性セラミックである添加することで、多数の結晶場を受けBa(Zr,Mg,Ta)O3 セラミックを用いた研るため利得スペクトルを広げることが究を行ってきた。本研究では BZMT にできる。また、組成調整によって希土3+

Nd イオンを添加した類イオンを添加するサイトを A サイト、Nd3+:a(Zr,Mg,Ta)O3 を用いてレーザーB サイト、A&B サイトに制御することが特性を評価する。

可能である。これまでの研究によって、A サイトに Nd3+を添加したものが蛍光

2. 原理

量子効率が最も良いことがわかってい2.1

Ba(Zr,Mg,Ta)O3 についてるため、本研究においても A サイトにBZMT セラミックはペロブスカイト構

1 mol.%Nd3+を添加したものを使用した。

造を主結晶構造にもつ透光性セラミックである。A サイトに Ba, B サイトにMg,Ta が 1：2 で存在する BMT 結晶では、2.2

Nd3+:a(Zr,Mg,Ta)O3 について

図 2 に本実験で用いた

B サイトが六方晶を構成し光学的異方Nd3+:a(Zr,Mg,Ta)O3 の吸収スペクトル体となることからセラミックを作製しを示す。本実験では発振波長 807 nm のた際に不透明なものとなってしまう。

LD を用いたが、Nd3+:a(Zr,Mg,Ta)O3 でしかし、BMT 結晶の B サイトに Zr4+を添は発振波長付近の吸収スペクトル幅が加することで、規則的な配列を崩し無広く、LD 励起時の波長不安定性に対応することが可能であるため、LD での直値が適切ではないことが疑われた。

接励起に適していると言える。

しかし、共振器内に偏光素子としてシリカプレートをブリュースター角で配置した後も安定した CW モード同期発振が得られなかったことから、
BZMT を冷却ホルダー（図 5）に入れたことによる応力誘起複屈折の影響で共振器内の偏光が回ってしまっていることを疑い、偏光解消度測定に

図 2. A-site 1mol.% Nd :Ba(Zr,Mg,Ta)O3 吸収スペクトル3+

よってその影響を調べた。

また、蛍光スペクトル（図 3）も発振波長の 1062 nm を中心としてとても広く、利得スペクトル内に発振閾値を超える縦モードの数が増えるため、超短パルスを発振しやすくなることから、超短パルス動作に適していると言える。
図 4. 過去の実験系

intensity [arb. unit]

0.20.15
0.10.05
0 900

1000 1100 1200 1300 1400

Wavelength [nm]図 5. 冷却ホルダー

図 3. A-site 1mol.% Nd3+:Ba(Zr,Mg,Ta)O3 蛍光スペクトル3.2偏光解消度測定

3. 過去の実験

偏光解消度は図 6 の実験系で測定

3.1 過去の実験系をした。He-Ne レーザーから出射されBZMT では過去にモード同期発振にた光は結晶に対してビーム径が大き挑戦していたが、安定した CW モードいので、ピンホールを入れて絞り、同期発振を得ることができなかった

グランレーザープリズムで単一偏光（図 4）。その原因として、共振器内にし、BZMT に入射し、ピンホールにに偏光選択素子がないこと、GTI ミラ

よって散乱光をはじき、検光子のグーによって共振器に与える負分散のランレーザープリズムによって、プリズムの向きが平行している時の最（1000-1200 nm）、High-Transmission

大強度 Imax と直行している時の最小（HT）コート（700-850 nm）もう片面

強度 Imin を測定し、偏光解消度を求には Anti-Reflective（AR）コートめた。測定した装置の測定限界は（700-1200 nm）を施したものを使用し-4

1.11 ×10 であった。測定結果は表 1た。利得媒質の冷却には無酸素銅製ののようで、ホルダーによる影響があ冷却ホルダーを用いて水冷による冷却ったことが確認された。

を行った。励起には Laser Diode（LD,

このことより、ホルダーの締め付

λ=807 nm,φ=100 nm,NA=0.22）を用いけによる影響を小さくするために、た。出力透過鏡 OC）の透過率は T=1 ％ホルダーの径を若干大きなものに変で、GTI ミラーを用いて負分散を与え更し、固定ねじを締めすぎないようた。また、共振器内にシリカプレートに注意をすることで、無視できるほをブリュースター角（55.4 °）で配置ど小さい値とすることができたと考し、単一偏光とした。GTI ミラーの組えられた。

み合わせを変えることで共振器内の分散の量を変え、様々な分散の値（1psss あたり-2000fs2、-3150 fs2、-3500fs2、-4650 fs2、-6200 fs2）を与えた。
パルス幅の測定には第二高調波自己相関計を用いた。

図 6. 偏光解消度測定実験系

表 1. 偏光解消度測定結果

図 7. モード同期発振実験系

4.2

4.

実験と結果

4.1 モード同期発振実験

結果

GTI ミラーの組み合わせを変え、D=-3500 fs2 の分散を与えた時、最も短本研究では SESAM を用いた受動モーいパルス幅を得ることができた。そのド同期レーザー発振実験を行った。図時の入出力特性は図 8 で、5.6W 励起時7 に実験装置概念図を示した。利得媒に図 9 のような最も安定した CW モード

質には Nd:BZMT を直径 4 mm、長さ 10 mm同期を得られ、69 mW の出力を得た。のロッド状に加工し、片面にはパルストレインの繰り返し周波数はHigh-Reflective（HR）コート

70.69 MHz であった。その時のスペク

トル幅は 1.9 nm（図 10 左）で、第二高調波自己相関計を用いて測定した自己相関波形より求めたパルス幅は24. 結論BZMT でのレーザー発振としては最短のパルス幅を得ることができた。図 11

sech fit の場合、703 fs とこれまでのより-4000 fs2 付近の分散を与えた時、BZMT でのレーザー発振では最短のものより短いパルスを得ることができるとを得られた。また、その他の与えた分推測される。

散の値と得られたパルス幅との関係をグラフに表すと図 11 のようになった。

5. 展望
今後の展望としては、BZMT セラミックの高品質化による高出力化、共振器内の GDD の微調整が求められる。

6. 参考文献
1. S.kuretake, N.Tanaka, Y,Kintaka,
図 8. 入出力特性

K.Kageyama, H.Nakao, A.Shirakawa,
K.Ueda, A.A.Kaminskii “Nd-dopedBa(Zr,Mg,Ta)O3 ceramics as lasermaterials” Optical Materials
36(3):645–649 (2014).

図 9. パルストレイン

2. 東祐軌他,第 74 回応用物理学会秋季学術講演会,19p-A14,同志社大学,(2013)

図 10. 発振スペクトル（左）、自己相関波形（右）図 11.

GTI ミラーにより与えた分散とパルス幅