Yb:CaF2 セラミックの CW レーザー発振
白川晃研究室 松岡智明
吸収と放出が等しい遷移では三準位レー1. 序論

ザーとして働くが、その他では準 4 準位レ固体レーザーの利得媒質としてセラミッーザーとして働く。準 4 準位レーザーはレ

クは、単結晶と比べた際に機械的強度、高濃ーザー終状態と基底状態が近いため 3 準位

度添加時の均一性、作製可能な口径などのレーザー同様に励起パワーを必要とする点で優れており、ガラスに対しても熱特性、が、量子効率が高く発熱が少ない特徴を有機械特性で有利である。以上の特徴から、近している。

年、セラミックは高出力レーザーの媒質とこの Yb3+を CaF2 に添加すると、図 2 のして単結晶・ガラスに置き換わる新しい固特殊な 6 量体クラスター構造を生じること体利得媒質として期待されている。

が知られている[1]。

本研究では、幅広い蛍光スペクトルと高い熱伝導性を兼ねた Yb:CaF2 に Yb2+の発生防止のため La を微量添加した、共同研究先より新たに提供された La,Yb:CaF2 セラミックについて、その分光特性とレーザー特性を評価した。
図 2 Yb hexameric クラスター[2]2. 原理

このクラスター構造が作られると、複雑Yb3+のエネルギー準位は以下に示すように、 F5/2 と F7/2 の二つの準位がある。
22な結晶場が希土類イオンのエネルギー準位に作用し、広い蛍光スペクトルが得られる。
Yb:CaF2 単結晶の蛍光スペクトルを以下に示す。

F5/22F7/22

図 1 Yb3+のエネルギー準位

図 3 Yb:CaF2 単結晶の蛍光スペクトルこの半値全幅は約 70nm である。

光源から出た白色光を非球面レンズで平また、一般的に用いられる Yb 添加利得媒行光にし、光軸から遠く収差を無視できな質のスペクトル幅と熱伝導率の関係は図 4

い光はピンホールによって除外した。光軸のようになっている。

に対して入射面が垂直になるように試料を固定し、白色光を透過させた。透過光を光スペクトラムアナライザへ入力することで、白色光の試料透過後のスペクトルを測定した。この作業を、試料を外して同様に行うことで白色光のスペクトルも測定した。試料透過後の白色光スペクトルを I1(ω)、白色光のスペクトルを I2(ω)とすると、試料の透過スペクトルT(𝜔)は図 4 スペクトル幅と熱伝導率[3]図 4 からわかるように、一般的に蛍光ス

T(𝜔) =𝐼1 (𝜔)𝐼2 (𝜔)(1)で表される。また、吸収係数α[m-1]はペクトル幅が広がると熱伝導率が低くなる

T = 𝑒 −𝛼𝐿 (1 − 𝑅)2が、Yb:CaF2 は広い蛍光スペクトルと高い熱に代入することで求めた。反射率 R は、吸伝導率を併せ持っている。したがって、高出光係数が 1200nm 付近で 0 になるよう決定力超短パルスレーザーの媒質に適しており、した。L は試料の厚さ[m]である。

機械的強度に優れたセラミック材料にすることで Thin ディスクレーザーなどの強励(2)3 つの試料について吸収係数を測定し、以下の結果を得た。

起レーザーへの応用が期待できる。
4003.実験
3.1 分光特性評価
La,Yb:CaF2 セラミックについて、その吸収スペクトルを光スペクトラムアナライザ

吸収係数α[m-1]350

3%La,2%Yb-b1

300
3%La,2%Yb-b2

250
200

2%La,2%Yb

150
100500で測定した。測定には、図 5 の実験系を用

800

900

1000

11001200

波長λ[nm]

いて行った。
図6La,Yb:CaF2 吸収スペクトル

図 6 から吸収スペクトルの概形は La3％添加の結晶に比べて La2％添加の結晶が波長 950nm 付近で吸収が弱まっていること
図 5 吸収スペクトル測定が確認できた。

メイトされ、再び平凸レンズ(R=50mm)に360
3%La,2%Yb-b1

よって結晶へ集光される。M1、M2 間で発3%La,2%Yb-b2振させ、M3 のダイクロイックミラーによっ2%La,2%Yb280てレーザー光と励起光を分離させた。さら260にレーザー光を Wedge によって分割し、発340

吸収係数α[m-1]320300240

振スペクトルと光強度を同時に測定した。

220共振器の安定条件は図 9 のようになる。

200180970972974976978980100

図7La,Yb:CaF2 吸収スペクトル拡大図

また、拡大すると、La2％に比べてLa3％が長波長側で吸収していることも確

ビームウェスト半径ω0 [μm]波長λ[nm]90807060504030201000

認できた。ピーク波長は約 975nm であっ102030共振器長L405060[mm]たので、通常の中心波長 975nmLD によって励起可能であることがわかった。
3.2 レーザー特性

図 9 共振器の安定条件
平凸レンズによって結晶へ集光されるビ2%La,2%Yb: CaF2 セラミックの CW レ

ーム半径はファイバーのコア径の 1/2 であーザー発振における入出力を測定した。図るので、52.5μm である。したがって図 98 に実験系を示す。

より、共振器長 47mm 付近で共振器をアライメントし、発振を探した。また、測定毎に共振器長をアライメントすることで熱による屈折率の変化に対応した。その測定結果を図 10 に示す。

600500

図 8 La,Yb:CaF2 セラミックレーザーCW発振実験系

出力[ｍW]

y = 114.43x - 202.64
400300200
100004
入力

LD から出射された励起光（中心波長975nm）は、平凸レンズ(R=50mm)でコリ2

図 106[W]CW 発振入出力特性8このときのスロープ効率は対入力でが等しい別個体ではスペクトルがほぼ一致11.4％であった。また、発振閾値は 2.3Wしたが、添加量が異なるとスペクトル形状であった。スロープ効率は、過去に本研究が緩やかに変化することを確認できた。ま

室で同添加濃度のセラミック結晶で観測した、CW レーザー発振についてはスロープた対吸収での 54％ [4]と比べて明らかに効率が報告されているものより低かったも低い値となった。この要因として、OC ののの、確認することができた。このとき最透過率が 2％と低い値であったこと、また大効率は 11.4％であった。発振スペクトル

セラミック結晶は焼結による作成の際に個は 1035nm 付近で、励起強度によって微小体差が生じやすいことが考えられた。に変化することを確認した。

また、発振スペクトルについてはレーザ

今後は励起用 LD の故障により行えなかー発振強度 50ｍW、150ｍW、300ｍW のった蛍光スペクトルの測定や、CW レーザ三点でそれぞれ測定した。この結果を図

ー発振の出力を上げるために OC を替えて11 に示す。

CW レーザー発振の出力増大を図る。また、発振中の吸収量を測定したうえで、対1.2吸収の特性評価も行っていきたい。将来的には、SESAM やカーレンズ効果を利用し50mW1てモード同期をかけた超短パルスレーザー

規格化出力0.8150mWの発振や、Thin ディスクレーザー発振へ0.6の応用を目指す。

300mW
0.40.201000

510101020103010401050

波長λ[nm]

図 11

参考文献

1060

[1]

CW 発振スペクトル

M. Siebold, et al. “Yb:CaF2 — a newold laser crystal,” Appl. Phys. B 97,327–338, 2009.

図 11 から、2％La,2%Yb:CaF２ の ＣＷ

[2]発振スペクトルは 1035nm 付近であることが確認できた。また、発振出力によって鈴木優哉, 電気通信大学大学院,
令和 2 年度 修士論文.

[3]

波長が変化していることも確認できた。

V.Petit, et al., “Spectroscopy of
Yb3+:CaF2: From isolated centers
to clusters,” Physical Review. B,

4 結論と今後の展望
吸収スペクトルは、3%La,2%Yb:CaF2 セ
ラミック二つと 2%La,2%Yb:CaF2 セラミック一つについて測定した。La の添加量

Vol. 78, No. 8, 2008.
[4]

北島将太朗, 電気通信大学大学院,
平成 27 年度 修士論文.