Yb 添加 CaF2-LaF3 セラミックレーザー
白川(晃)研究室

1

山角 謙太郎
表1序論

Yb:CaF2 セラミックレーザー発振実験報告

超短パルスレーザーは、現在さまざまな分[3] (2013)[4](2013)[5]2015)

最大出力/W

1.09

1.21.6

スロープ効率/%35.33542.7

イッテルビウム添加フッ化カルシウム

Yb 添加濃度/at.%

354.5(Yb:CaF2)はその広い蛍光スペクトル幅や長い製造方法

HIPHot-forming

New method

野で応用がなされており、さらなる短パルス化・高出力化が求められている。

蛍光寿命から超短パルスレーザー用の利得媒質として注目されている。また、単結晶では

3

Yb:CaF2-LaF3 セラミックなくセラミックにすることで機械特性向上が

図 1 に本研究で使用した Yb:CaF2-LaF3 セラ

見込め、大口径試料の作製も可能になり、高ミック試料の写真を示す。Yb:CaF2-LaF3 は、母出力動作が実現できる。

材である CaF2 に Yb イオンだけでなく La イ

本研究では、共同研究により開発したイッオンを共添加して作製している。La イオンをテルビウム添加フッ化カルシウム-フッ化ラ共添加することによって Yb2+イオンの発生をンタンセラミック(Yb:CaF2-LaF3 セラミック)抑えている。本研究では、それぞれ 1 at.%～6について、希土類イオン添加濃度の異なる試at.%のさまざまな Yb イオン・La イオン添加料において光学特性や熱特性、CW レーザー濃度の試料を作製し実験を行った。

発振特性の比較評価を行い、最適な添加濃度の検討を目的とした。

2

Yb:CaF2
Yb:CaF2 は、高出力レーザー用の利得媒質として一般的に用いられている Yb:YAG と比較して約 8 倍の蛍光スペクトル幅を持ち、モード同期によってより時間幅の短い光パルスの図1発生が得られる利得媒質として注目されている[1 ,2]。
Yb:CaF2 セラミックをレーザー媒質とした研究報告は 3 つのグループのみからしか上がっておらず、現在進行形で研究が行われているテーマである。表 1 に過去に報告された
Yb:CaF2 セラミックを利得媒質としたレーザー発振実験結果を示す。

4

Yb:CaF2-LaF3 セラミック試料の写真

La イオン共添加による Yb2+の抑制
Yb2+イオンは 200 nm～400 nm に吸収をもち、この吸収はレーザー発振には寄与しない。
Yb2+イオンが多く発生してしまうことは試料への実効的な Yb イオン添加濃度を減少させ、レーザー発振効率の低下をもたらす。よって、Yb2+イオンの発生を抑えることは Yb:CaF2 をレーザー媒質として用いる上で重要であるが、クトルでは 910 nm にサブピークをもつ。蛍光La イオンを共添加することによって Yb2+イスペクトルを見ると、960 nm～1040 nm にかオンの発生が抑制される原理について詳しくけて広くなだらかなスペクトル形状をしていはわかっていない。

ることがわかる。このスペクトルの広がりがCaF2 に Yb イオンを 1％以上の濃度で添加した場合に、Yb イオンが凝集し図 2 のような特殊なクラスターが生成され、結晶構造が変化することが知られている[1]。

超短パルスレーザーにおいてより短い光パルスの発生を可能にする。
添加濃度によるスペクトル形状の変化を見てみると、Yb イオン・La イオン添加濃度が増大すると蛍光・吸収スペクトル共に広くなだらかにスペクトル形状が変化する傾向が見られた。また、Yb イオンに比べると La イオン

このクラスターは複雑な結晶場を有しているため、添加される希土類イオンのスペクトルの広帯域化に寄与しているといわれている[6]。
一方で、CaF2 に Yb イオンを添加した際に生じる熱伝導率の急激な低下もこのクラスターが発生してしまうことが寄与しており、結晶

2

Yb Hexameric クラスター

1.4
1.2

Emission cross section / 10 cm

図2-20増加によるスペクトルの変化は小さかった。

1La1Yb
1La2Yb
1La3Yb2La1Yb2La2Yb
2La3Yb
3La3Yb
6La6Yb

10.8
0.60.40.20920960

構造が変化することによってフォノン熱伝達ターが生じない元素番号の小さいランタノイ
ドでは、ReF3 の形で CaF2 と共晶系を構成する。
本研究で使用した試料では、LaF3 と CaF2 が共晶系を構成し、Yb イオンが La サイトを置3+3+換することによって Yb2+イオンの発生が抑え

Absorption cross section / 10-20cm2

較的元素番号の大きい元素では起き、クラス1080

図 3 蛍光スペクトル測定結果が妨げられてしまうからだといわれている。
クラスターの発生は、ランタノイドの中で比10001040
Wavelength / nmられているというのが現段階の仮説である。

1.2
1La1Yb
1La2Yb
1La3Yb2La1Yb2La2Yb
2La3Yb
3La3Yb6La6Yb

10.80.60.40.208509009501000
wavelength / nm1050

図 4 吸収スペクトル測定結果

特性評価

55.1

スペクトル測定

測定した各濃度の試料の蛍光スペクトルを
図 3 に、吸収スペクトルを図 4 に示す。
975 nm に鋭く狭いピークをもち、吸収スペ5.2

蛍光寿命測定測定した各濃度の試料の蛍光寿命を表 2 に示す。Yb:CaF2 単結晶の蛍光寿命 2.4 ms と比較して、わずかな蛍光寿命の減少が見られる。

これは、La イオンを共添加したことによる結る吸収のピークが抑えられていることがわか晶構造変化の影響であると考えられる。

る。特に、2La1Yb と 6La6Yb の試料ではほとんど Yb2+イオンが発生していない。

表 2 蛍光寿命測定結果
Yb 添加濃度 / at.%

蛍光寿命 / ms

La 添加濃度123

図 6 に測定した各濃度の試料の熱伝導率を12.22.22.1示す。縦軸は熱伝導率、横軸は Yb イオンと La22.12.12.0イオンの合計の添加濃度を表している。図 62.0を見ると、希土類イオンを添加していない/ at.%
3Yb:CaF2 単結晶 2.4 ms

CaF2 セラミックに比べ、添加された試料は大幅に熱伝導率が低下している。また、Yb イオ

直線透過率測定5.3

熱伝導率測定5.4

測定した各濃度の試料の直線透過率を図 5ン・La イオンの合計添加濃度が増大するに連に示す。900 nm～1000 nm 付近に見える吸収れて熱伝導率が低下している。この熱伝導率は Yb3+イオンの吸収である。一方、365 nm 付の低下は、レーザー動作時において試料の熱近に見えるピークは Yb2+イオンの吸収である。

破壊が起きやすくなるという問題を生じさせYb イオン、La イオンの添加濃度による直線るため、希土類イオン添加濃度を無制限に増透過率の変化をみてみると、Yb イオン添加濃やすことはできず、上限が決まってしまう。

度の比率が高い試料と比較して、La イオン添加濃度の比率が高い試料では Yb2+イオンによ10

1La1Yb
1La2Yb
1La3Yb2La1Yb2La2Yb
2La3YbNon dope

Transmittance / %80
1La1Yb
1La2Yb2La1Yb2La2Yb
2La3Yb
6La6Yb60
40
200200

400

600

800

1000

1200

Termal conductivity / Wm K-1 -11008642Wavelength / nm

01000

123456Yb + La ion concentration / at.%Transmittance / %90

図 6 熱伝導率測定結果

8070

1La1Yb
1La2Yb2La1Yb2La2Yb
2La3Yb
6La6Yb605040330340350360370380

Wavelength / nm

図 5 直線透過率測定結果

3904005.5CW レーザー発振実験

図 7 のような実験配置図で Yb:CaF2-LaF3
セラミックを利得媒質とした CW レーザー発振実験を行った。励起光源には中心波長 975nm、最大出力 30 W の VBG 波長安定化レーザーダイオードを用いている。アウトプット

表3カプラー(OC)は透過率 2%と 5%のものを使用

スロープ効率/%した。

CW レーザー発振実験結果(スロープ効率)(OC 5%)
La 添加濃度/ at.%

表4
図7CW レーザー発振実験配置図

Yb 添加濃度/ at.%123163.2

39.9

27.7

273.1

54.0

47.5

348.1

CW レーザー発振実験結果(最大出力)
Yb 添加濃度/ at.%

最大出力パワー/W(OC 5%)

表 3 に実験によって得られた各試料のスロープ効率、表 4 に最大出力パワーを示す。最La 添加濃度も高いスロープ効率を示したのは 2La1Yb の/ at.%12311.971.923.4122.752.933.9732.01

試料が 73.1%、最も高い最大出力パワーが得られたのは 2La3Yb の試料が 3.97 W であった。この結果は、表 1 に示した過去の Yb:CaF26

最適な添加濃度の検討について今回用いた試料の中では、高いスロープ効セラミックのレーザー発振実験の結果と比較率や熱破壊の起きにくい点で 2La1Yb の試料して、スロープ効率・最大出力パワー両方にが有望な特性を示したが、Yb イオン添加濃度おいて高い値を示した。
実験結果より、高いスロープ効率を得るには La イオン添加濃度の比率が高いことが条件であることがわかった。これは、Yb2+イオンの発生が抑えられることで実効的な Yb イが低いため吸収量が小さく、厚い媒質が必要となる。媒質の厚さは熱光学効果等によって制限されてしまうため、より薄い媒質でも吸収 量 が 得 ら れ る と い う 点 で 、 2La2Yb や2La3Yb の試料も有望であると結論づけた。

オンの添加濃度が増大するからである。また、Yb イオンの添加濃度が増えることによって励起光吸収量が増大し、入力パワーに対して高い出力パワーが得られる。しかし、イオン添加濃度増大に伴う熱伝導率の低下により、Yb イオンと La イオンの合計の添加濃度は制限されてしまう。3La3Yb の試料において、実験時に熱による破壊が非常に起きやすかったため、添加濃度の上限は 5%程度であると考えられる。

参考文献[1] Siebold, M., et al. Applied Physics B 97.2 (2009):
327-338.
[2] Druon, Frédéric, et al. Optical Materials Express
1.3 (2011): 489-502.
[3] Shirakawa, Akira, et al. Advanced Solid State

Lasers. Optical Society of America, 2013. p. JTh5A. 7.
[4] Akchurin, M. Sh, et al. Optical materials 35.3
(2013): 444-450.
[5] Aballea, P., et al. Optica 2.4 (2015): 288-291.
[6] Petit, Vincent, et al. Physical Review B 78.8 (2008):085131.