特集

ライダー技術 I

計測用パルス可視・紫外波長変換レーザ
廣橋 淳二，宮﨑 達也，星正幸，今井 浩一，冨張 康弘

株式会社オキサイド（〒408‒0302 山梨県北杜市武川町牧原 1747‒1）

Visible and UV Laser by Frequency Conversion for Sensing Application
Junji HIROHASHI, Tatsuya MIYAZAKI, Masayuki HOSHI, Koichi IMAI, andYasuhiro TOMIHARI
Oxide Corporation, 1747‒1, Maginohara, Mukawa, Hokuto, Yamanashi 408‒0302（Received February 1, 2021）
Visible and UV lasers for sensing application were investigated. In order to realize compact, relatively
high repetition rate, high peak power, and reasonable price pulsed lasers, pulsed fiber laser with 1064 nm,
50 kHz repetition rate, and 1 ns pulsed width laser was selected as a fundamental source. Frequency conversion part, proper non-linear optical materials were selected and the focusing and device dimension
were adjusted to achieve compact frequency convertors. For visible（532 nm）laser, convertor size wasachieved down to 100 cc size by utilizing PP-Mg:SLT device. For UV（355 nm and 266 nm）lasers, byselecting PP-Mg:SLT, PP-LBGO, and BBO devices, 100～200 mW level output power were achieved
with the convertor size of 120～220 cc. Those compact configurations were available for mounting themon drones.
キーワード：非線形光学，疑似位相整合，ファイバレーザ
Key Words: Nonlinear optics, Quasi phase matching, Fiber laser

1．はじめにが，可視，紫外光を用いることにより，更なる応用展開の可能性が期待されている．

近年，各種分析やセンシングの用途において，可視光を用いたライダーの適用事例としては，水

レーザ光はさまざまな分野で利用，実用化されてい中への応用があげられる．水は赤外光が透過しないる．その中で，レーザの種類は，駆動方式（連続波ため，透過率の高い波長帯域である青色から緑色

や パ ル ス 波（ns, ps, fs））， 波 長（赤 外・ 可 視・ 紫（波長 440～540 nm 付近）が有効であり，資源探査，外），価格帯など，多種多様であり，用途に合わせ沈没船捜索，海中地形測量などへの応用が期待された装置が開発されてきた．

る．従来の超音波を用いたソナーと比べ，ライダーレーザを用いたセンシング用途の代表的なものとは高解像度でかつ 3 次元計測が可能であり，従来とし て 近 年 ラ イ ダ ー（LIDAR: Light Detection and比べて得られる情報の量および精度が飛躍的に拡Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging）計 測大・向上する．具体的には，光の届かない深海の潜技術が進歩しており，採鉱，土木建築，森林管理な水調査艇による海底調査の例がある．深海では，太どで必要とされる広範囲な 3D データ取得する技術

陽の光が減衰して多くは届かないため，光学カメラなども実用化されている．また，自動車の自動運転での遠距離での計測が難しい．一方，532 nm の可に向けた基礎データの計測，および自動運転向け用

視レーザを用いたライダーでは数十メートル離れたのリアルタイム計測など，ライダーの応用分野は拡位置からの測定で高解像度の地底観測ができること大している．現在，3D 計測には主に赤外光（1.5が報告されている 1）．また，航空機に搭載して上空μm 帯）のパルスファイバレーザが用いられているから河川や海底の地形をマッピングする航空レーザ©2021 Laser Radar Society of Japan4

計測用パルス可視・紫外波長変換レーザ（廣橋 淳二）

測 深（ALB: Airborne LiDAR Bathymetry）も 報 告 さでは，波長 1064 nm，平均出力約 1 W，ピーク出力れている．この方式の場合には，赤外光と組み合わ最大 25 kW，繰り返し周波数 50 kHz，パルス幅約 1せることで，陸上，水面，水底のいずれにも対応でns のパルスファイバレーザで，波長変換で重要ときることが報告されている ．

な る 波 長 線 幅 は 200 pm 以 下， 直 線 偏 光 で LMA2）

一方，紫外光を用いたライダーへの応用は，上空（Large mode area）の PM ファイバ（コア径 20 μm）における火山灰の微小なチリの計測や，空気の薄いで伝搬されたものを採用した．サイズは 120 mm×層での風の流れを読み取るための窒素分子の蛍光を120 mm×27 mm と比較的コンパクトで先端は FC/用いたライダー計測への応用が期待されている．こAPC コネクタで終端されている．以下では本光源

れら計測を行うためには，波長の短い紫外光（355を基本波レーザとして用いた可視，紫外レーザにつnm，266 nm）のパルス光源が期待されている．

いて報告する．

これらライダー用の計測光源として求められる性

2．小型可視レーザ

能としては，計測の観点からは分解能やノイズを低減させるために，繰り返し周波数が高いこと，ピー水中での計測を考えた場合，水に対して最も透過クパワーが高いことが求められる．さらに，実用上率の高い 460～480 nm 近傍の青色が適しているが，は潜水調査艇や航空機に搭載する場合，小型で持ちこれらの波長を直接発振，または 920～960 nm 帯運びができ，かつ価格的にも普及可能な価格帯であの波長変換をする構成を考えた場合，計測の感度をることが望まれる．特に，近年では Drone への搭載上げるための高ピークパワーレーザを実現することが期待されており，そのサイズ・重量の小型化およが難しい．そのため，水中ライダーの用途には，現び低消費電力化への要求は大きくなっている．この在の実現可能な技術としては，より高いピークパような用途向けのパルスレーザの特徴について，そ

ワーを容易に得られる 1030～1070 nm 帯の赤外基の構成方式による比較を Table 1 に示す．

本波を波長変換する方式がコスト・性能の面で優れ一般に，DPSS ベースのレーザは，高繰り返しのている．赤外光を緑色に変換する波長変換材料とし構成をとるとサイズが大きくなり，可搬が難しくなては，角度位相整合を用いた LBO と疑似位相整合る．一方でマイクロチップレーザなどに代表されるを用いた PP-KTP, PP-Mg:LN, PP-Mg:SLT など多くのパッシブ Q スイッチ方式のレーザなどは，小型化候 補 が あ る（LBO: LiB 3O 5, KTP: KTiOPO 4, Mg:LN:が可能である一方で，繰り返し周波数を上げること

Mg-doped LiNbO 3, Mg:SLT: Mg-doped near stoichio-が難しく，パルスジッターもあり，計測上問題とな

metric LiTaO 3）3‒4）．その中でも，前記の基本波レーる場合がある．そこでわれわれは高繰り返し，高ザに対する波長変換素子として，Walk-off がなく常ピークパワー，可搬性を兼ね備えたレーザ光源とし温動作が可能で，且つ光損傷（フォトリフラクティて，ファイバレーザベースの特長に着目し，これら

ブ や グ レ ー ト ラ ッ ク）に 対 す る 耐 性 の 強 いと波長変換を組み合わせた波長変換レーザの開発を

PP-Mg:SLT を採用した．波長変換デバイスの選定に進めている．

おいては，変換効率，材料耐性（ピークパワー，平本稿では，パルスファイバレーザとして，1064均出力）のバランスを考えて最適化が必要である．

nm レーザを適用し，これと組み合わせた波長変換デバイス長とピークパワー密度（フォーカシング条レーザについて説明する．パルスファイバレーザは件）を複数の条件で検討した結果，2 mm 長を選定

加工用途に多く適用されているが，そのほとんどはすることで，Fig. 1 に示すように変換効率約 50% の波長線幅が数 nm でランダム偏光となっており，波出力を得ることができ，出力ビームは中央部が特に長変換効率が極端に悪く適していない．そこで本稿
Table 1Comparison of pulsed laser properties by different laserconfiguration.

Fig. 1

5Frequency conversion property of 532 nm generation fordifferent units,

レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）

Table 2Fig. 2Comparison Nonlinear optical device pare for 355 nm
generation 5︲8）.

532 nm laser module.

バックコンバージョンすることなく，ほぼ円形のビームを得ることができた．さらに，複数素子に対して検証した結果，ほど再現することを確認した．
この基礎データに基づき，波長変換レーザを構成した．波長変換素子は機能させるためには温度制御が必要であるが，そのための温度制御回路は波長変換モジュール内に搭載する設計として，ファイバレーザと波長変換部の両方の小型化を図った．その結果，Fig. 2 に示すように，100 cc 以下の波長変換モジュール構成を実現できた．
現在この構成は Drone に搭載された水中計測ライ

Fig. 3

Schematics of THG setup for monolithic device.

ダーへの応用が進んでいる．また，近年では，高出力化，赤外と可視の 2 波長同時出力化，より青に近た．

い波長のレーザなどの要望も多く，現在それぞれのその中で，最もロバストな組み合わせのひとつと用途に合わせた設計条件の最適化も進めている．

し て，SHG 部 を 2 mm，THG 部 を 4 mm， 全 長 63．小型紫外レーザ
次に，紫外レーザについて説明する．はじめにmm としたモノリシックデバイスに対する最適な集光条件を見出した．Fig. 4 に 355 nm の出力が最大となるように調整した集光条件における入力―出力355 nm レーザを考えた場合，355 nm を発生させる特性の結果を示す．1 素子で 1064 nm からの変換効ためには，SHG（Second harmonic generation）およ率で 10% 程度，平均出力 100 mW 以上の 355 nm のび THG（Third harmonic generation）の 2 つ の 波 長出力条件を見出すことができた．従来の方式の場変換過程が必要となる．Table 2 に両過程の波長変合，波長変換素子が必ず 2 つ必要なり，2 つの素子換素子の組み合わせ候補を示す．

間にコリメート/集光のレンズが必要であり，さら上記の中で，潮解性がなく変換光のビームが円形にそれぞれの温度調節が必要であった．一方，本構を保つことのできる No. 3 と No. 4 のペアについて成の場合，SHG 素子の素子長が 2 mm 程度で温度，検討した．なかでも No. 3 のペアについては，同じ材料を用いていることから，一つの素子に 2 つの波長変換機能をインテグレートしたモノリシック波長変換素子を設計，作製した．Fig. 3 に波長変換の光学系を示す．
モノリシック構造のそれぞれの変換過程の最適化をするため，SHG 部の素子長を 2～4 mm，THG 部の素子長を 3～7 mm とした複数の素子水準の組み合わせを検討し，あわせて各組み合わせに対して基本波の集光条件も複数確認し，最適となる素子長，集光条件の組み合わせについて，実験的に確認をしFig. 4Frequency conversion property of 355 nm generation bymonolithic PP-Mg:SLT device.

6計測用パルス可視・紫外波長変換レーザ（廣橋 淳二）

Fig. 5Fig. 6

Compact 355 nm laser module.

Fig. 7Frequency conversion property of 355 nm generation byPP-Mg:SLT and PP-LBGO devices.

Schematics of THG/FHG setup.（FHG: forth harmonicgeneration）

波長共に許容幅が十分広い設計をしたことから，一つの温度調節機能のみで SHG/THG の両方の位相整合条件を満たす構成を実現できた．

Fig. 8355 nm beam profile generated by PP-LBGO.

これらの基礎データに基づき，小型波長変換器の試 作 を 行 っ た 結 果，Fig. 5 に 示 す よ う に 532 nm

は SHG/THG ともに 5℃以上の半値幅があり，安定レーザとほぼ Compatible な 355 nm レーザを実現す性が高いことが確認できた．また，Fig. 8 に示すよることができ，変換モジュールのサイズも 120 cc

うに，出力ビームは Walk-off のない円形のビームを程度に抑えることができた．

得ることができた．

前記で述べた 355 nm 波長変換レーザの場合，小次に，同様の構成で，THG デバイスを FHG デバ型化のメリットはあるが，材料の吸収の関係のたイスに変更し，深紫外（266 nm）の波長変換につめ，最大出力は～100 mW 程度で制限されてしま

いて検討した．532 nm 発生部の波長変換素子としう．そこで，より出力の高い変換器を目指すに当たては，Walk-off のない PP-Mg:SLT を用いその集光条り，Table 2 に示す No. 4 のペアの構成について検討

件および素子長は前章の 532 nm 変換器の条件を踏した．一般的な加工機等に用いられているレーザの襲した．

場合，高出力耐性を優先し，SHG/THG の組み合わ

その後，1064 nm 光は分離し 532 nm のみ FHG デせとしていずれも LBO を用いたものが多くみられバイスに集光した．266 nm への波長変換素子の候る．一方で，LBO の場合，Walk-off によるビーム整補 と し て は，BBO, CLBO, PP-LBGO が 挙 げ ら れ形が必要であることから，本開発では Walk-off がな

る 9‒10）．それぞれ，BBO は変換効率が高い，CLBO

くビーム整形が容易な PP-LBGO 素子に着目して検は Walk-off が小さく出力耐性が高い，PP-LBGO は討を行った．

潮解性がなく Walk-off がない，という特長がある．

Fig. 6 に，355 nm の 波 長 変 換 の 評 価 系 を 示 す．

一般的には BBO が最も多く用いられているが，近SHG 部 に は PP-Mg:SLT 素 子 を 用 い，THG 部 に

年ではより高出力が必要な加工・検査用途においてPP-LBGO 素子を用いた．PP-LBGO 素子の形状は，は CLBO も用いられる．これらの材料は Walk-off

厚み 0.5 mm，幅 7 mm，長さ 10 mm，周期約 6.4 μmや潮解性の点で不利な点も存在するためこれらの問の 1 次 QPM 構造のものを用いた．SHG/THG 部そ題が存在しない PP-LBGO もデバイスの候補としてれぞれ TEC により個別に温度制御されている．Fig.

挙げられる．本稿では，基本波レーザの強度の最も7 は基本波 1064 nm の入力に対する 355 nm 光の出マッチングのよい BBO に着目し，素子長や集光条力特性である．ここで，基本波に対する波長変換効件を変えて変換効率やビームのプロファイル特性の率は 15% 以上，平均出力として 200 mW 以上の変評価を行った．

換を得ることができた．その時の温度許容幅として

7Fig. 9 に素子長 3 水準および集光ビーム径 3 水準

レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）

Fig. 10

Fig. 9Conversion properties of 266 nm in different focusing
condition and device length.

Fig. 11

Beam profile of BBO with and without optimization.

355 nm（left）and 266 nm（right）laser module.

波長変換モジュールともに小型に構成することで，に対する変換効率特性を示す．いずれの素子長，集Drone への搭載も可能なサイズ・重量を実現した．

光条件に対しても出力 200 mW 以上の出力を得た．

今後は，これまで航空機では計測できなかった狭小

その中でも最もロバストな条件として，集光条件，なエリアにおいても上空からのセンシングを適用で及び素子長水準を 1 つずつ決定し，ビーム径の評価きるようになるなど，計測分野がより身近なところ及びビーム整形の光学系の選定を行った．

まで展開できると考えられる．また，本開発で実現

Fig. 10 に素子からの伝搬距離に対するビーム径したレーザの可搬性はその他の応用分野としてウイについて，ビーム整形前とビーム整形後のビームプルスの不活性化用途などにおいても注目されておロ フ ァ イ ル を 示 す． ビ ー ム 整 形 前 に お い て は，り，今後応用範囲がより広がることを期待される．

BBO の Walk-off を大きく反映した楕円形のビーム謝が確認された．一方，ビーム整形を施すことで，ほぼ円形となり，かつ伝搬距離に大きく依存せずコリメートに近い状態を実現できる解を見出した．
以上の結果に基づき，2 素子の構成による 355 nmおよび 266 nm 波長変換レーザモジュールの設計・試作を行った．Fig. 11 に外観写真を示す．いずれも，リアパネルおよびフロントパネルについては小型のレーザモジュールを踏襲した互換性のある構造
で， 全 長 が 355 nm 用 で 128 mm（204 cc），266 nm用で 138 mm（220 cc）とほぼ同程度のサイズの構成を実現できた．波長変換特性は基本設計で得られた基礎特性を確認できた．また，コネクタ着脱により容易に波長を切り替えられることも確認した．

4．まとめ
本稿では，計測用途に適した高繰り返し，高ピークパワーのファイバレーザをより高機能化させる観点で，波長変換技術を用いて実現した可視，紫外パ

辞

本研究の一部は，（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の研究事業の支援を受けて行われた．
参考文献
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10）J. Hirohashi, et al., CLEO 2015, STh3H. 5, San Jose（2015）.

ルスレーザについて述べた．ファイバレーザおよび8

計測用パルス可視・紫外波長変換レーザ（廣橋 淳二）

廣橋淳二1999 年東北大学大学院工学研究科電気・通信工学専攻博士前期課程修了，2000 年三井化学
株式会社，2003 年 Royal Institute of Technology, Sweden,Applied Physics department 客員研究員を経て 2006 年同校博士課程修了，Ph.D. 同年より株式会社オキサイドにて主に強誘電体材料の分極制御・非線形光学材料による波長変換デバイスおよびそれを用いたモジュール設計に従事．

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