可飽和吸収体 Cr4+:YAG による固体レーザー出力特性と２波長発振の可能性
電気通信大学 量子物質工学科 植田研究室 仁藤慎平
＜実験の目的＞現在、1150〜1200nmで発振できるレーザー媒質の数は少ない。そこで今回の実験ではレーザー媒質Nd:YVO4(Y3Al5O12)に可飽和吸収体Cr4+:YAGを用いることによって,Q-switchレーザーを発振させる。これにより共振器内の強度を高めラマンシフトにて 1178nmのレーザーを取り出すことが出来る。これによりNd:YVO4の持つ波長の広帯域化を狙うのが本実験の目的である。

ーレントな光が取り出せるのである。これが誘導ラマン散乱である。入射光はなるべく強度の高い光であることが望ましくそのために今回は
Q-switch による尖頭出力の高いパルスレーザーを発振させるべく共振器を組んだ。

＜実験の原理＞

hv

h(v − ∆v)h(v − ∆v)hv

h(v − ∆v)

図1
図 1 のように熱振動を起こしている原子に光が照射されると、光の一部のエネルギーが原子に移り、光は変調される。その結果、原子から入射光の波長とは少しだけずれた波長の光が散乱される。これがラマン散乱と呼ばれるものである。また、散乱光の一部が入射光と同方向に散乱され、次の原子でも同じような入射光による散乱が起こる。同様にして散乱の一部がまた入射光と同方向に散乱される。この繰り返しによって入射光と同方向の散乱光だけが誘導放出される。つまり強いレーザー光を媒質に当てることによって少し波長のずれた指向性の高いコヒ

図2
また、図 2 をみるとNd:YVO4は 890cm-1で一番ラマンシフトを起こしやすくそれによって 1178nmが取り出しやすいことが分かる（１）。(図 3 参照)
Raman shift-1890cm

10661178
図3

＜実験図＞

λ[nm]

c − cut
1%:Nd:YVO4

LD808nm7W

core dia100μm
NA=0.2r=15mm3mm4+M1 Cr :YAG
f=100mm f=50mm
L=4.3mmM2

図4共振器を図 4 のように組み上げた。励起光の電源はDioScr0102-LA8V6-PA8V12 を使用した。最大出力は 7Wとなっている。電源にコア直径 100μｍ、NA=0.2 のファイバーをつなげて励起光を発振させ、それをF=100mmとF=50mmのレンズで集光してレーザー媒質であるNd:YVO４+の端面に当てて励起させた。Nd:YVO4+の前面にはHRコーティン
グ が 施 さ れ て お り 808nm の 波 長 で 全 透 過 し1066nmの波長で全反射する。よってNd:YVO4+の前面部分はミラーの役割を果たしている。前面方向のミラーを別途取り付ける必要がないので、アライメントがしやすく更に共振器長も短くすることが出来、発振も容易になっている。更に
HR1066nm、r=15mmの出力ミラーを用いて共振器を組み上げた。Nd:YVO4+の吸収波長帯と可飽和吸収体Ca2+:Cr4+:YAGの吸収波長帯と出力ミラーの発振波長帯による反射率をそれぞれグラフ1,2,3 に示す。
YVO4
wavelength vs absorption

Absorption coefficient of black chromium

Absorption coefficient (cm-1)

12absorption (cm-1)

1086420780

800820108642図 5 のように励起光の電源とは別の電源を用いて発振波長 1064nmでパルスレーザーを発振させ出力ミラーの反射率を測定した。シリカガラスと出力ミラーにレーザーを透過させてエネルギーメーターで測定した値をEM2とし、シリカガラ
スで反射したレーザーをエネルギーメーターで測定した値をEM1とする。測定した値は以下のようになった。
EM1
158.1mW
EM242.4mW
2 つの測定した値の比を以下の式に当てはめることによって出力ミラーの反射率を求めることが出来る。
2TM Tglass
EM 2=EM 1 (1 − Tglass )⎛ n −1⎞
R glass = 1 − Tglass = ⎜⎟⎝ n +1⎠

2

右辺のTglassが 2 乗であるのはレーザーがシリカガラスの前面と後面で 2 回反射しているためである。シリカガラスの屈折率は常温でn=1.44 なのでシリカガラスの反射率はRglass=0.037 と計算できその結果出力ミラーの反射率はRM=0.989 となった。共振器内の強度を上げるためには発振波長帯の出力ミラーの反射率は限りなく 100%に近い値が望ましいので良い結果だといえる。

0500

840

その波長で全反射してしまうと、いくら共振器内の強度が上がっても 1066nm で発振することは出来ない。そこで発振波長での出力ミラーの反射率を更に詳しく求める必要がある。

600700800

9001000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700Wavelength (nm)wavelength (nm)

グラフ 1

グラフ 2

＜共振器のモード径の測定＞
L=4.3mmTransmission of Mirror
1.2

Transmitted signal (a.u.)

1.00.80.60.40.22ωo0.0

300

400500600700800900

1000 1100 1200 1300 1400 1500

Wavelength (nm)グラフ 3
＜出力ミラーの反射率の測定＞
1064nm
pulse

r=∞

EM1

fused silica
M
EM2

図5
先ほど出力ミラーは HR1066nm と記述したが実際、r=15mm

図6共振器のモード径は励起光の特性にかかわりな
く共振器内の距離と使用する 2 つのミラーの特性だけで決まる。モード径を求める式は以下の通りである。

ω o2 =Lλπ

g1 g 2 (1 − g1 g 2 )( g 1 + g 2 − 2 g 1 g 2 )2Ppump (mW) vs τ(ns)L
g1 = 1 −r1L
g2 = 1−r2

807010950f (kHz)

τ(ns)

6040

830

Ppump (mW) vs τ(ns)7＜共振器内の強度測定＞
Ca2+:Cr4+:YAG

6 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

4000

500

2500

3000

グラフ 4

グラフ 53500

4000

Ppump VS Pout,ave

output power [mW]

1000

800

600

400

200001000

2000

3000

4000

5000

LD pump power [mW]グラフ 6
よって尖頭出力はグラフ 7 のようになり、そのまま共振器内の強度も計算してグラフ 8 になった。
1.2e+8Iin,peak [W/cm2]

2ω0

2000

1200

Pout,peak (mW)

Poutpeak1500

Ppump (mW)

Ppump vs Pout,peak

Pinpeak

1000

Ppump (mW)

90000

Ppump

Col 13 vs Col 142010よって図 6 のパラメーターを代入して計算すると（λは 1064nm、π=3.1417）ビームウエスト位置でのモード半径はω0=47μmであった。
このω 0 での位置にCCDカメラを設置して励起光のビーム径を測定した。結果 40μmとなった(図○参照)。ω0はビーム半径より少し大きい値となってしまったが十分にモードマッチングできているものと思われる。よって励起時での損失は少ないと思われる。

Nd:YVO4

Ppump (mW) vs f (kHz)11

1.0e+880000

Ppump (mW) vs Pout,peak (mW)

8.0e+770000

6.0e+760000

4.0e+750000

2.0e+740000

0.030000
500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000500Ppump (mW)

HR:1066nm AR:1066nm
AR:808nmr=∞HR：1064nm
r=15mm

図7
図 7 の共振器内の強度を求めるには以下の式を用いて表すことが出来る。

I inpeak =PinpeakPinpeak =Poutpeakπω2o

1 − RMω o : 共振器のモード半径
また出力時の尖頭出力はPout , peak =∆T =Pave ∆Tτ

1fと表すことができ、出力の周期、パルス幅、平均出力から求めることが出来る。実際、測定するに当たってオシロスコープとパワーメーターを用いた。以下に測定した結果をグラフ 4,5,6に載せる。

グラフ 71000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Ppump [mW]グラフ 8誘導ラマン散乱を引き起こすためには以下の式を用いることによって判断できる。

γ = g SRS I inpeak
R1 R2 e 2γd (1 − L ) >> 11⎛

1⎞⎟
γd >> ln⎜⎜2 ⎝ R1 R2 (1 − L ) ⎟⎠g SRS : ラマン利得係数 : 4.5[cm / GW ]計算して求めた共振器内強度にラマン利得係数をかけて求めた値γにレーザー媒質の厚さ d をかけた値が 0.3 以上をとれば発振の可能性が出てくる（２）。
＜2 波長発振の可能性＞
スペクトルアナライザーを用いて出力レーザーの波長を測定した。その様子をグラフ 9 に載せる。今回の実験で目的としていた 1178nm の波長を取り出すことが出来なかった。その原因としては励起光の出力に比例してパルス幅が伸びているからである。その影響で共振器内の強度が下がっていることが原因である。

0.16

with SA 2000mA0.14

図 8 を見れば分かるとおり可飽和吸収体を入れることでよりガウシアンビームに近いことが分かる。また、2050mW で可飽和吸収体を挿入した場合としない場合とで M-square を測定した。

0.12

γd

0.10
0.08
0.06
0.04
0.020.00

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
950

1000

1050

11001150

1200

Ppump [mW]1250

wavelength [nm]グラフ 9グラフ 10しかし、今回測定したγｄの値が約 2 倍の数値を取ることが出来れば誘導ラマン散乱閾値 0.3に届き、発振の可能性があるといえる。(グラフ9 参照)

1000

80000

800

600

400

200

70000

60000

50000

40000

30000

01000

2000

3000

4000

5000

500

1000

1500

2000

2500

2.21

1.76

Mx2

My2

1.26

1.27

with SA

Ppump vs Pout,peak
90000

Pout,peak (mW)

output power [mW]

Ppump VS Pout,ave
1200

My2

without SA

2050mW＜ビーム品質＞

02050mWMx23000

LD pump power [mW]

Ppump (mW)

グラフ 11

グラフ 12

without SAwith SA

3500

4000820mW

2050mW4000mW
図8可飽和吸収体を使わずにNd:YVO4のみで発振させた場合（without SA）と可飽和吸収体を挿入して発振させた場合（with SA）での出力をグラ
フ 11 とグラフ 12 にのせた。前者は連続波の出力で後者はパルス波の尖頭出力である。さらに励起光の出力が 820mW,2050mW,4000mWの際、それぞれの出力時のビームの形をCCDで測定して図 8 に載せた。

可飽和吸収体を挿入した方が M-square の値が 1に近いので数値的にもガウシアンビームに近いということが分かる。これは可飽和吸収体がビームの強度が高まるほどに吸収係数が下がることに起因する。例えば、高次モードの場合は強度が低いために可飽和吸収体に吸収されやすい。
その結果強度の高いファンダメンタルモードが取り出される。結果的にシングルモードだけが発振されるということがいえる。このことから可飽和吸収体はモードフィルターとして扱うことが出来るということがわかった。
＜今後の予定＞今回の実験での発振波長は 1066nm のみ取り出すことができ、1178nm の波長は取り出すことは出来なかった。その理由としてはまず出力のパルス幅が励起光の出力に比例して伸びてしまったことが上げられる。このことによって共振器内の強度が励起光の出力と反比例して下がってしまっている。原因は検討中である。また、出力ミラーの 1178nm 付近の反射率が低く強度が弱く発振できていない可能性がある。反射率を上げれば 1178nm の波長で共振器内の強度を高めて発振が出来るかもしれない。また励起時の調整を変える必要があるが媒質の厚さを増やすことによって利得を得るという方法も考えられる。

（１）*A.A. Kaminskii, Ueda et al., Opt. Comm.,
194, 201-206, 2001（２）J.Domg et al ,OPTICAL REVIEW Vol 12,No.3(2005)