新材料研究のための波長可変チタンサファイアレーザーの開発
白川 晃研究室 小林 祐樹
１．序論
超短パルスレーザーは非常に短い時間幅と高いする。La が共添加されることで Yb3+と La3+が置換され、Yb2+の発生が防がれると考えられている。

ピーク強度を持つことから、非熱微細加工などの産業分野への応用や、物理学の分野への応用が期待されている。
Yb:CaF2-LaF3 セラミックは、高出力超短パルス
図 1 Yb Hexameric クラスター [2]レーザーの媒質として期待され、我々のグループで研究を続けてきた。

先に示した様に、この材料には Yb だけでなく本研究では Yb:CaF2-LaF3 セラミックを対象とLa のイオンが共添加されているため、添加されるし、この材料が持つ不均一広がりによる、蛍光ス

Yb の置換サイトには、La3+と Ca2+の 2 種類が存在

ペクトルの励起波長依存性を確認するために、波する。同一の結晶中であるが、置換サイトによっ長可変チタンサファイアレーザーを開発することて Yb 周囲の結晶場は異なるので、異なる中心周を目的とした。

波数を持つことになる、従ってこの材料は不均一広がり性の材料であると考えられる。図 2 に我々

2. Yb:CaF2-LaF3 セラミックのグループが測定した、材料の吸収スペクトルを本研究で扱ったセラミックは株式会社ニコンに示す。

よって製作されたセラミックスである。この材料を作製するために用いられている原材料の一種である、Yb: CaF2 単結晶は蛍光帯域幅が約 70nm と広く、また大口径な試料も作成可能なことから、高出力長短パルスレーザーの媒質に期待される材料である。
Yb3+イオンが 1at.%以上 CaF2 に添加されると、電荷補償を行う過程で図１に示すようなHexametric cluster と呼ばれる特殊な結晶構造に

図 2 Yb:CaF2-LaF3 セラミックの吸収スペクトル変化することが知られている。

図 2 は La と Yb の添加濃度がそれぞれ異なる材

このクラスター構造は量子効率の低下を引き起こすとされている。
また同時に十分な電荷補償が行われない場合には、レーザー発振に寄与しない Yb2+イオンが発生料の吸収スペクトルである。主ピークは 910nm と975nm 付近であるが励起に使用する波長付近(960~980nm)には特徴的な蛍光スペクトルの形状が見られている。

この蛍光スペクトルの変化が不均一広がりによって得られていると考えられ、蛍光スペクトルに励起波長依存性が存在するか確かめる必要があった。そこで本研究では 960~980nm で波長可変なチタンサファイアレーザーの開発を目的とした。
3.チタンサファイア(Ti:Al2O3)
Al2O3 の Al3+イオンを Ti3+イオンに一部置換し

図 4 自己無撞着法によるビーム径た結晶である。蛍光スペクトルが広く

図 4 に自己無撞着法を用いて計算した共振器の600~1100nm である [1]。広い蛍光帯域を持つこビーム半径を示す。計算の結果、媒質中のビームとから、波長可変素子を組み込むことで、波長可半 径 は 約 25 𝜇m に な っ た 。 ま た 励 起 光 は 波 長変レーザーとして使われる。

532nm のとき集光位置において 27.5𝜇mのビーム半径を持つことが計算された。

4. Ti:Al2O3 レーザー発振
5. Ti:Al2O3 レーザー発振結果

図 3 Ti:Al2O3 レーザー共振器
図 3 には Ti:Al2O3 レーザー発振の共振器を示している。本研究では Z 型共振器を用いて、利得媒

図 5 Ti:Al2O3 レーザーの入出力特性

質は厚さ 5.0mm の Ti:Al2O3 の結晶をブリュース

図 5 には測定された Ti:Al2O3 レーザーの入出力特ター角(60.7∘ )で配置した。収差補償角は7.7∘ と計性を示した。励起出力は 4.0W にて共振器を最適算された [2]。媒質を挟む凹面鏡には曲率半径が化した。

100mm のものを使用し、結晶への集光には焦点距図 5 より OC１%時の閾値は 0.50W 付近で最離が 75mm のレンズを使用した。
出力結合鏡(OC)大の出力は励起 4.6W で 487mW であり、スローには透過率が 1%、3%、5%を取り替えながら使用プ効率は約 12%だった。OC3%時の閾値は 0.65Wした。励起光源には Nd:YVO4 の第二次高調波であ付近で、最大出力は励起 4.6W 時の 949mW、スロる波長 532nm レーザーを用いた。高反射鏡であるー プ 効 率は約 24%だ った 。OC5%時の 閾 値はHR1、HR2 の 2 枚のミラーによって光学系の高さ1.05W 付近で、最大出力は励起 4.4W 時の 933mW、を 4 インチにした。HR3 の先に CCD を置くこと

スロープ効率は 28%だった。

でビームの状態を見られるようにした。2 枚の凹面鏡の距離は 105mm にした。

図 8 は波長変化時の得られたレーザー出力であり、OC5%で波長 718nm から 931nm、OC3%では 波 長 715nm か ら 952nm 、 OC1% で は 波 長703nm から 991nm の範囲で出力が確認された。
図 6 CCD で観測したビームプロファイル
図 6 よりビームのモードは共振器を最適化した
際に TEM00 に近い形状が見られた。
波長可変素子なしの状態で十分な出力を得られることが確認された。

図 9 波長 800nm 時のビームプロファイル
図 9 よりビームのモードは共振器を最適化した

6.波長可変 Ti:Al2O3 レーザー

際に TEM00 に近い形状が見られた。
波長変化した場合にも共振器の最適化によって同様のビームモードが得られる。
8. 励起波長変化時の蛍光測定
波長 960~980nm で変化させて蛍光スペクトルを 確 認 し た 。 測 定 に 使 用 し た 材 料 は 1La1Yb,
1La2Yb, 1La3Yb, 2La1Yb, 2La2Yb, 2La3Yb の 6 種類である。

図 7 波長可変 Ti:Al2O3 レーザー共振器
図 7 は波長可変 Ti:Al2O3 レーザー共振器であり、1La1Yb とは 1at.%の La と 1at.%の Yb が添加されているという意味を示している。

ブリュースタープリズムを HR3 ミラーと片側の本研究ではチタンサファイアレーザーの開発を凹面鏡の間にブリュースター角で挿入した。波長行っていたが、その途中で励起光源が故障した。

変化は HR ミラーの微調整ねじを回転させることそのためこの測定には他の波長可変 Ti:Al2O3 レーで可能にした。プリズムと HR3 の距離は 140mmザーを使用した。

である。
9. 励起波長変化時の蛍光測定結果
7.波長可変性の測定結果(a) 1La1Yb 蛍光スペクトル
図 8 波長変化時の出力変化

(b)1La2Yb 蛍光スペクトル(f)2La3Yb 蛍光スペクトル
図 10 蛍光スペクトルの励起波長依存性
図 10 には各材料の励起波長依存性の測定結果を示した。励起波長変化による蛍光スペクトルの大きな変化は見られなかった。
常温において均一広がりの影響が不均一広がりの影響より大きいことが考えられる。
10.結論・今後の展望
波長 703nm から 991nm の範囲で出力可能な波(c) 1La3Yb 蛍光スペクトル長可変 Ti:Al2O3 レーザーを開発した。
Yb:CaF2-LaF3 セラミックの蛍光スペクトルの励起波長依存性依存性は見られなかった。今後は低温環境下で均一広がりを抑えて蛍光スペクトルの励起波長依存性を測定したい。この測定によって
Yb の置換サイトの同定につながると考えられる。
11.参考文献[1] K.F.Wall , A.Sanchez, “ TItanium Sapphire(d)2La1Yb 蛍光スペクトル

Lasers,” The Lincoln Laboratory Journal , vol.
3, p447-462, (1990).
[2] H.Kogelnik, E.Ippen, A.Dienes, C.shank,“Astigmatically compensated cavities for CW
dye lasers,” IEEE J. of quant Electr. No.8 373 ,(1972).
[3] 北島将太郎, “Yb 添加新材料を用いた高出力長短パルスレーザーの研究,” 平成 27 年度修(e) 2La2Yb 蛍光スペクトル士論文, 2016.