超短パルスレーザーのための新レーザー材料の開発
植田研究室

氏名：中尾博明

平成 23 年 3 月 4 日に用いられてきた。単結晶では熱伝導率、機背景

1械特性が高いという利点があるが、大口径試

1960 年の T. H. Maiman によりルビーレー料の作製が困難、濃度の不均一性といった欠ザーが発明されて以来現在まで、固体レー点が存在する。ガラスでは不均一広がりによ

ザーは様々な発展を遂げてきた。近年発展る広利得帯域、また安価で大口径試料が作製してきた固体レーザーの一つとして、フェム可能である利点があるが、熱伝導率が非常に−15ト秒 (10秒)、最近ではアト秒 (10−18秒)小さいという欠点を持つ。近年では、単結晶のパルス幅を持つ超短パルスレーザーが挙と同等以上の性能を持ち、大口径試料も安価にげられる。非常に短いパルス幅、高いピー製造可能であるセラミック材料の発展がめざ

ク パ ワ ー を 利 用 し 、計 測 や 医 療 、加 工 、更ましい。しかし、多結晶体であることから光には高強度物理まで様々な分野での応用が学等方体である立方晶でなければセラミック広がっている。超短パルスレーザーに用いとしてしか用いることができない。スピン-軌るレーザー材料として、広帯域利得である道相互作用を用いて一軸性結晶でのセラミッことが望ましい。現在超短パルスレーザー

ク [1] も実現されているが、品質はまだ低いのとして有名な Ti3+ :sapphire レーザーは非常が実情である。に広い利得帯域幅を有するが、励起光源に

Nd

3+:Y3 Al5 O12 (YAG) や Nd3+

私はこれまで企業と共同で、様々なレー:YVO4 の第ザー材料の開発を行なってきた。本論文では二高調波を用いるため、効率が非常に悪い。

Nd3+ :Ba(Zr,Mg,Ta)O3 (BZMT) セラミック、

そのため、Ti3+ :sapphire レーザーに代わる

Nd3+ (Na+ ):Ca2 MgSi2 O7 (åkermanite) 単 結

Nd3+ 、Yb3+ 添加レーザー材料の開発が世界晶、Yb3+ :Lu3 Al5 O12 (LuAG) セラミックに中で行われている。

ついてまとめる。

レーザー材料は添加される希土類イオンと、Nd3+ :Ba(Zr,Mg,Ta)O3 セラ

2

添加先である母材とに大別され、レーザー材

ミックレーザー料の性質の大部分は母材によって決定される。

2.1

従って、新たな母材を用いる新レーザー材料

Ba(Zr,Mg,Ta)O3の開発は、超短パルスレーザー用レーザー材

BZMT は (株) 村 田 製 作 所 と 共 同 開 発 を料開発の手法として非常に有用な方法である。

行 な っ て い る セ ラ ミ ッ ク 材 料 で あ る 。複母材としては、従来は単結晶、ガラスが一般的合ペロブスカイト構造を主結晶相とする

1

Ba(Mg,Ta)O3 (BMT) の一部を 4 価イオンで2.3

実験結果置換したものである。Ba のサイトを A サイ

本 研 究 で は 過 去 の 実 験 結 果 を 踏 ま え 、1ト、その他のイオンのサイトを B サイトで、

mol.% A-site Nd3+ :BZMT の製造行程、実BMT の場合では B サイトは 1:2 の規則配列

験系の最適化を行なった上で実験を行った。

をしており六方晶である。六方晶は一軸性の過去の実験結果については ref. [2] を参照さ結晶であるため、多結晶体であるセラミックれたい。

では不透明 ∼ 半透明である。B サイトの一部を、本研究の場合では Zr4+

ref. [2] において、モードマッチが悪かったで置換することことが出力が低かった最大の原因だと考えらで、B サイトの規則配列が崩れ無秩序な構造れる。従って、用いる出力透過鏡の曲率半径となることで立方晶へと変化する。立方晶はに対する共振器長を最適化し実験をおこなっ

光学等方体であるため、透光性を示す。

た。出力透過鏡は、透過率が 1%、3%、5%、3+:Ba(Zr,Mg,Ta)O3 の光学特性10% の 4 種類のものを用いて結果の比較をBZMT は B サイトが無秩序な構造をしてい行った。曲率半径は透過率が 1% のもののみる disordered ceramic であるため、Nd3+ の添

250 mm で、他は全て 100 mm である。Fig.

加により広利得帯域が得られる。また、B サイ

2 に入出力特性を示す。出力透過鏡の透過率

トのイオンの比率を変化させることで、置換サが 10% の時に、最大出力 1 W、スロープ効率イトの選択が可能である。Fig. 1 に 1 mol.%

27.7% と、大幅な最大出力、スロープ効率のNd3+ :BZMT の発光スペクトルを示す。蛍光向上に成功した。モードマッチの改善によるスペクトル共に置換サイトによりスペクトル効果が最も大きいと考えられる。

2.2

Ndの形状が変化しており、また disordered 構造により帯域幅が広がっていることがわかる。吸収スペクトルについても同様にスペクトル形状の変化と帯域幅の広がりが見られた。蛍光スペクトルの半値全幅 (FWHM) は約 30 nm であり、これは一般的な材料である

Nd3+ :YAG の 30 倍以上の広利得帯域である。
Fig.2. 1 mol.% A-site Nd3+ BZMT の入出力
特性

2.4

まとめと展望Nd3+ :BZMT は disordered 構 造 に よ り 、
Nd3+ :YAG の 30 倍以上の広利得帯域を持Fig.1. 1 mol.% Nd3+ BZMT の蛍光スペクつセラミック材料である過去の実験結果を踏トル

まえ、1 mol.% A-site Nd3+ :BZMT の製造工
程と実験系の最適化を行うことで、最大出力、23.2

スロープ効率の大幅な改善に成功した。材料

Nd3 (Na+ ):Ca2 MgSi2 O7 の光学特性損失がまだ大きなレベルであるため、材料損Åkermanite に Nd3+ と、電荷補償のために失の改善が課題である。また、過去にモードNa+ を添加した。両イオンともイオン半径の同期でピコ秒のパルスの発生に成功している制約から、Ca サイトに置換されると考えられため、より短パルスを目指してモード同期をる。ここで、6∼8 配位の 3 種類の Ca サイト行うことも予定している。

が存在すること、また Nd3+ と Na+ の置換位置が不明であることから、disordered crystal

Nd3 (Na+ ):Ca2 MgSi2 O73であるため、広帯域利得が得られる。Fig. 4

レーザー
3.1に 1 at.% Nd3+ (Na+ ):åkermanite の蛍光ス

Ca2 MgSi2 O7ペクトルを示す。FWHM は 7.2 nm であり、Nd3+ :YAG の 9 倍程度に利得帯域幅が広がっ

本結晶はケルン大学結晶学研究所、また電気通信大学特別栄誉教授である Alexanderていた。

A. Kaminskii 教授 (ロシア科学アカデミー教授) との共同研究である。Åkermanite の結晶構造を Fig. 3 に示す。MgO4 四面体及び Si2 O7 二重四面体のビル状構造で形成される層状構造と Ca-O 多面体の層状構造が交互に堆積した構造である。MgO4 -Si2 O7 とCa2+ のサイズの違いにより、2 次元の構造変調が現れる。構造変調により、通常は 8 配位体である Ca-O 多面体に 6、7 配位体が出現し、また、この構造変調は約 360 K を境に、構造変調の存在する incommensurate (IC, 360

Fig.4. 1 at.% Nd3 (Na+ ):Ca2 MgSi2 O7 の蛍K 以下) 相と、温度の上昇に伴い 6、7 配位光スペクトル体の Ca-O 多面体が喪失していく normal(N,3.3360 K 以上) 相に可逆的に相転移する。

入出力特性における特異な現象

Fig. 5 に入出力特性及びビーム形状を示す。
吸収パワーの増大に伴い、出力が低下・不安定になり、跳ぶ現象が確認された。本論文ではこの領域を anomalous region と呼称しているが、anomalous region 中では、ビーム形状も複雑な形状をしており、anomalous region
外では gaussian に近い形状をしていた。相転Fig.3. Åkermanite の結晶構造移を起こす結晶であることから、レーザー発信中に相転移を起こすことが原因だと考えら

3

れるため、光学特性及び熱特性の温度依存性の比熱容量の測定から、現在は相転移点前後の測定を行った。

で急激に熱容量が変化することにより、レーザー動作点周辺の温度分布が複雑となり、光学品質が低下することが anomalous region の原因であると考えている。

Fig.5. 1 at.% Nd3 (Na+ ):Ca2 MgSi2 O7 の入出力特性をビーム形状

3.4

相転移による効果の検討

Fig.6. 1 at.% Nd3 (Na+ ):Ca2 MgSi2 O7 の比構造変調により利得帯域幅が広がると考え熱容量の温度依存性ていたため、温度の上昇に伴い光学特性に何らかの変化があると予測していたが、吸収ス

3.5

ペクトル、蛍光スペクトルに変化は見られず

まとめと展望蛍光寿命が相転移点だと思われる前後の温度

Nd3+ (Na+ ):åkermanite は、構造変調を持で若干減少していただけであった。そのため、

ち相転移を起こす åkermanite に Nd3+ 及び相転移による光学特性への影響はほとんど無Na3+ を添加した単結晶である。Disordered

いと考えられる。

crystal であるため、Nd3+ の 9 倍程度の広帯熱特性としては比熱容量の測定を行った。

域利得が得られた。入出力特性において相転Åkermanite の相転移は格子体積の変化する移による特異な現象が観測された。相転移に1 次相転移及び比熱容量が変化する 2 次相転よる影響の検討を行ったところ、構造変調に移から構成されている。但し、格子体積の変よる影響はほとんど無く、比熱容量が λ 転移化量は極わずかであるため、弱い 1 次相転移であることにより、レーザー動作点周辺の温であり、2 次相転移が主な相転移である。Fig.

度分布が複雑となり、光学品質が低下するこ

6 に åkermanite の比熱容量の温度依存性をとが原因であると考えられる [3]。原因の特定示す。相転移前後で比熱容量が急速に発散・を行うため、レーザー動作点周辺の温度分布収束する λ 転移と呼ばれる形をしており、相の計測を試みる予定である。温度測定は困難

転移温度は 343 K であった。これは無添加のであるため、屈折率測定で代替するか、モードåkermanite より約 20 K 程低い値である。この影響を受けない増幅器として用いて、シード44.2

光の波面の歪みを観測することを考えている。

クの光学特性、熱伝導率

Yb3+ :Lu3 Al5 O12 セラミック

4Fig. 7 に 10 at.% Yb3+ :Lu3 Al5 O12 セラ

レーザー
4.110 at.% Yb3+ :Lu3 Al5 O12 セラミッ

ミックの蛍光スペクトルを示す。Yb3+ :YAG

Lu3 Al5 O12 セラミックと比較して大きな放出断面積であることがわ

現在、高効率、高出力な超短パルスレーザー

かる。この点も TDL・増幅器として適していとして thin-disk laser (TDL) が主流になっる点である。吸収スペクトルは 968 nm にゼている。固体レーザーで問題となる熱によるロフォンラインの鋭いピークを持ち、940 nm

悪影響を逓減するためには、冷却能力 (体積/周辺に帯域幅の広いピークを持つ。LD 励起

冷却面積) が重要となってくる。TDL は利得には 940 nm のピークを用いた。蛍光寿命は媒質の厚みが薄いため、排熱効率が非常に優1.07 ms であった。また、熱伝導率の計測をれており、また固体レーザーであることから行ったところ、無添加の LuAG (8.80 W/mK)

非線形性が小さく、超短パルス動作に適してに対し、10 at.% Yb3+ :LuAG (8.04 W/mK)

いるが、利得媒質が薄いことで相互作用長がと、熱伝導率の低下はわずかであることがわ非常に短くなる問題も同時に存在する。励起

かった。

光吸収・利得を増加させるために、利得媒質に励起光を複数回入射させるマルチパス励起光学系や、高濃度添加の利得媒質を用いると言った解決法がある。しかし、高濃度添加材料を用いる場合には、添加濃度の増加に伴い熱伝導率が急激に低下する現象が発生する。
これは、添加される希土類イオンと置換される母材のイオンの質量差により、フォノンの平均自由行程が低下することで起こる現象である。一般的に用いられる Yb:YAG の場合には、Yb3+ (173 g/mol) に対し、Y3+ (89 g/mol)

Fig.7. 10 at.% Yb3+ :Lu3 Al5 O12 セラミックと質量差が大きい。しかし、Yb:LuAG の場の蛍光スペクトル合には Lu3+ (175 g/mol) と Yb3+ と質量が非4.3

常に小さいため、熱伝導率の低下が起こりにCW レーザー発振実験

くい [4]。そのため、Yb:LuAG を用いること

厚さ 1.24 mm で無コートの Yb3+ :LuAG

で熱伝導率を低下をさせずに高濃度添加が可セラミックを用いて CW レーザー発振実験を能となり、TDL の性能を更に向上させること行った。共振器は平面の高反射鏡と曲率半径が可能である。本研究では神島化学工業と共100 mm の凹面の出力透過鏡 (O.C.) を用いた

同で 10 at.% Yb3+ :LuAG セラミックの開発

直線共振器を構築した。O.C. については、透を行なってきた。

過率が 1%、3%、5% の 3 種類を用いて結果を比較した。その結果 O.C. の透過率が 5% の時5に最も良い結果が得られ、最大出力 2.14 W、おいては、出力透過鏡の透過率が 5% の時に、スロープ効率 72% であった。

最大出力 2.14 W、スロープ効率 72% であっ4.4た。SESAM を用いた受動モード同期にも成SESAM mode-locking

CW レーザー発振実験時と同様の試料をブ功しており、パルス幅 541 fs、スペクトル幅リュースタ角で Z 型の共振器内に設置した。

2.5 nm が得られた。

分散補償はプリズム対を用いて-2500 fs2 程度

今後は更なる短パルス化、高出力化を目標の負分散を与えた。SESAM の変調深さ ∆Rとし、出力透過鏡の透過率、SESAM の変調深は 1% で、O.C. の透過率は 0.3% で O.C. のさの最適化を行う予定である。SESAM モー

裏面反射によるサブパルス抑制のために裏面ド同期ではパルス幅に限界があるため、カーに無反射コートが施されているものを用いた。

レンズモード同期により更に短パルス化を行

その結果、平均出力 53 mW の時に、sech2 型う。また、実際に試料を加工し、TDL としてのパルスを仮定した場合にパルス幅 541 fs動作させることも考えている。

(Fig. 8)、スペクトル幅 2.5 nm が繰り返し周

参考文献

波数 100 MHz で得られた。

[1] J. Akiyama, Y. Sato, T. Taira, Opt.
Lett. 35, 3598 (2010).
[2] 黒川裕章, 電気通信大学大学院 平成 21年度修士論文.

[3] A. A. Kaminskii, H. Nakao, A. Shirakawa, K. Ueda, J. Liebertz, P.
Becker, L. Bohaty, Appl. Phys. B 103,629 (2011).
[4] K. Beil, S. T. Fredrich-Thornton, R.
Peters, K. Petermann, G. Huber, inAdvanced Solid-State photonics, paper
WB28, Denver, Feb. 2009.
Fig.8. 自己相関波形
4.5

まとめと展望Yb3+ :LuAG は一般的に問題となっている、高濃度添加時の熱伝導率の低下が抑制可能な材料である。実際、Yb3+ を 10 at.% 添加した場合でも、熱伝導率の低下はわずかであった (∼-0.8 W/mK)。放出断面積も Yb:YAGに比べ大きな値であり、この点も TDL・増幅器として適している点である CW 発振実験に

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