J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.7 (2021)３
８８‐３９５講座 固体レーザーの基礎

３．高出力固体レーザー及び最新動向
3. High-Power Solid-State Lasers and their Latest Trend
北島将太朗
KITAJIMA Shotaro
大阪大学レーザー科学研究所（原稿受付：２０２
２年２月２日）Yb 添加固体レーザーは励起光源である半導体レーザーの高輝度化に伴い，高出力・高効率なレーザーの主役となった．特に薄ディスクレーザーとファイバーレーザーをはじめとした高効率冷却型の利得媒質形状によって，これまでにない高平均出力な超短パルスレーザーが実現可能となり，現在では理学・産業の幅広い分野で用いられている．本稿ではこれら高出力レーザーの基礎と最新動向について解説を行う．
Keywords:
DPSSL, thin-disk laser, fiber laser, ultrafast laser, Yb-doped laser

３．
１ はじめに媒質として用いたものが主流であった．Nd イオン添加媒

本章では高出力な固体レーザー開発の最新動向につい質は４準位系のエネルギー順位を持つことから高効率に発て，特に近年発展が著しい超短パルスレーザー（Ultra-

振が可能であり，また 1 μm 付近の発振波長は石英ファイ

short pulse laser，Ultrafast laser）光源に焦点を当てて述べバーによって伝搬が可能であるため，ロボットアームの先る．

端への導光などが必要な産業用の光源としても非常に優れレーザーの発振には大別して２つの方法がある．ひとつている．更に９０年代以降には励起光源として半導体レーは時間にかかわらず常に一定の強度の光を出力する連続波

ザー（Laser diode，LD）の出力が大きく向上したことか（Continuous wave，CW）発振レーザーであり，それに対し

ら，従来のフラッシュランプ励起に代わり，LD 直接励起固て一定の間隔で短時間の間強い光を出すパルスレーザーが体レーザー（Diode pumped solid state laser，DPSSL）が小ある．中でもレーザーの縦モード間の位相を揃える技術，型で高効率・高出力，高ビーム品質な光源として不動の地

モ ー ド 同 期（Mode-locking）を 用 い た レ ー ザ ー は ps位を築くに至った．

（１０−１２秒）〜fs（１０−１５秒）程と極限まで短いパルス幅を実現

LD 光源の高出力化はNdレーザーの高度化と同時期にもできる．これらは超短パルスレーザーと呼ばれ，その短いう一つの恩恵を固体レーザーにもたらした．それが Yb3＋

パルス幅と高いピーク出力を活かし，非熱微細加工や非線添加固体レーザーの発展である．１９９１年に T.Y.Fan らによ形分光，更には基礎物理学分野などでこれまで難しかった

り，Yb イオンが LD 励起で高効率に室温発振可能であるこ応用を可能にする手段として現在幅広く利用され，更なるとが報告［１］されて以来，Yb 添加固体媒質，特に Yb:YAG

研究がなされている．現在産業用に商用販売されている高を用いたレーザーは Nd 添加媒質を凌ぐ高効率・高平均出

出力超短パルスレーザーとしては薄 デ ィ ス ク レ ーザー

力なレーザーとして大きく発展した．図１に Nd イオンと（thin-disk laser，TDL），ファイバーレーザーといった方

Yb イオンのエネルギー準位を示す［２］．Nd などの一般的式が主流である．本章では，まずこれら固体レーザーの方

な希土類イオンが複数の準位を持つのに対し，Yb イオン式についての比較を行い，次にモード同期をはじめとしたはシュタルク分裂をした２つの準位しかない．多数の準位

超短パルスレーザーの発生法と増幅法を解説する．その後がある場合，高密度励起した際に励起準位吸収（ESA）とに薄ディスクレーザー，ファイバーレーザーのそれぞれにいう現象が起き，励起エネルギーが利用不可能な形の発光ついて，最新の研究動向と合わせて紹介する．

や非輻射遷移として消費されてしまう．その点において
Yb イオンはレーザー上準位より上の準位が存在しないた

３．
２ 高出力超短パルスレーザーの基礎

め，ESA が生じない．更にシュタルク分裂した準位を利用

３．
２．
１ Nd イオンと Yb イオンするため，ストークス効率（励起光とレーザー発振光の波

金属加工をはじめとする高出力な産業用レーザーはこれ長差）が極めて高い．その反面の欠点として，レーザー下3＋

ま で Nd イ オ ン を ド ー プ し た 固 体 レ ー ザ ー で あ る

準位と基底準位のエネルギー差が小さく，無励起状態でもNd:YAG（イットリウムアルミニウムガーネット）を利得

熱的励起でレーザー下準位に少数のイオンが常に存在す

Institute of Laser Engineering, Osaka University, Suita, OSAKA 565-0871, Japanauthor’s e-mail: kitajima-s@ile.osaka-u.ac.jp

３８８!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

3. High-Power Solid-State Lasers and their Latest Trend

S. Kitajima

る．この発熱による温度分布は，利得媒質の屈折率を変化させ，ビーム品質の低下を招く（熱レンズ効果）だけでな
く，媒質内部に機械的応力分布を発生させ，熱による複屈折や媒質の破壊を引き起こす．
したがって，対策としては（a）レーザー媒質内部の発熱を抑制し，（b）効率的な排熱で温度上昇を抑制し，（c）温度分布の勾配を緩やかにすることがレーザーの高平均出力化においては重要である．
（a）については，上述したように Yb イオンはストークス効率が高いうえに，ESA がないため非輻射遷移のような発熱量の多い緩和過程が少なく，非常に優れている．（b）と（c）については，利得材料の物性だけでなく，媒体の形状や冷却方式によっても決定される．冷却の効率を考えると，利得媒質の表面体積比が重要である．ここで半径 $，長さ #の円柱状の媒体を想定する
図１と，媒体の表面体積比 !!
" は次のように表される．

Nd3+イオンと Yb3+イオンの準位．

""$#"$ " "
!"
!!
"" "
" !
$ #
"$"#

る．このようなレーザー媒質を準３準位レーザーといい，再吸収による損失が生じるため４準位レーザーと比べて発が必要となる．これが LD の出力が向上するまで Yb 添加媒" が最大値を持"""$"#が一定であると仮定すると，!!
つ極限は２つある．１つは $$ #，#$ !であり，もう１つ

質が見過ごされてきた理由である．しかし上記のような特は $$ !，#$ # である（図２）．前者は薄いディスク状の徴から，Yb 添加媒質は高密度励起でもそのエネルギーを媒質であり，後者はファイバー状の（繊維状，細長い）媒

失うことが少なく，また発熱も小さいため，高輝度な LD質である．これは植田らが１９９０年に初めて発表した「表面励起と組み合わせることで高効率高出力なレーザー発振が体積比拡大則」であり［４］，その予言どおりこの２つの形可能となる．

状が現在の高出力レーザーの主流である．薄ディスクレー

振閾値が高く，高効率な動作のためには高輝度な励起光源

ザーは端面冷却を用い，ファイバーレーザーは側面冷却を

Nd 添加レーザーと比べたもう一つの優位点が，特別な技術を用いずに数 ps から fs のレーザーを発振，増幅できる用いている．

点である．これは Yb イオンの蛍光スペクトルが電子と

３．
２．
３ モード同期による超短パルスレーザー発生

フォノンの相互作用による振動電子遷移の影響で比較的広モード同期とは ps〜fs のごく短 い「光 ソ リ ト ン パ ル

い幅を持つためである［３］．パルスレーザーの最短パルス

ス」を，レーザー発振器単体から発生させる方法である．

幅は，発振スペクトルの帯域幅とフーリエ共役の関係を取

光ソリトンパルスとは共振器内の非線形光学現象である自るため，より短いパルス幅を得るためには広帯域な利得が己位相変調（SPM）と，主に材料分散に起因する群遅延分必要である．Nd:YAG と Yb:YAG を例にとると，前者が半散（GDD）が共振器中で釣り合うことにより，安定して存値全幅 0.5 nm 程度の蛍光帯域幅なのに対し，後者は 10 nm

在することのできる光パルスの一形態である［５］．このよ程度の帯域幅を持つ．これはそれぞれフーリエ限界パルス

うなソリトン（孤立波）は光パルスの基礎方程式である非

幅 2.4 ps，100 fs 程 度 に 相 当 す る．ま た，Yb:CaF2 や

線形シュレーディンガー方程式の安定解の一つとして得ら

Yb:CALGO（CaGdAlO4）といった50 nm以上の利得帯域幅

れ，自己保存的な特徴を持つため光共振器にて安定的に存を持つ新規 Yb 添加媒質の研究開発も盛んであり，それら在することが可能である．光ソリトンパルスを波長（周波を用いることで 30 fs 程度までの短パルス発振も報告され数）スペクトル，時間波形の双方から表したのが図３であている．上記のような特徴より，Yb 添加固体媒質を用いた

る．レーザー共振器の縦モードの共振周波数は共振器長にレーザーは Nd 系レーザーだけでなく，従来の超短パルス

応じた間隔（$!
"#）で等間隔に並ぶ．利得が損失より大き３＋レーザーの代表である Ti:Sapphire（Ti ：Al2O3）レーザー

いモードは発振する可能性があり，利得帯域が広いレーも代替するような高出力超短パルスレーザーとして，理ザーほど広帯域に縦モードが発振しうる．しかし実際には学・産業の幅広い応用で用いられている．
３．
２．
２ 利得媒質の形状
レーザーの出力を制限する要因として主に①媒質内の発熱，②増幅自然放出（ASE）
・寄生発振，③光学ダメージ④
非線形光学効果が挙げられる．レーザーはこれらの要因を克服するようにこれまで発展が続いてきた．特に①の媒質内の発熱は，誘導放出を用いたレーザーの場合には原理的に避けられない問題であり，CW レーザーや高繰り返し・
図２

高平均出力レーザーにおいては最初にぶつかる限界とな
３８９

体積表面積比拡大則．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.7 July 2021

モード同期を実現する．パルスは共振器中を繰り返し周波数と同じ周期で往復するため，受動モード同期においてパルス自身により引き起こされる変調の周波数は共振器長に応じた変調周波数となる．受動モード同期は外部からの信号を必要とせず，また応答速度が速い変調が得られるため，より短いパルスが得られる．受動モード同期の手法としては，半導体可飽和吸収鏡（SESAM）［９］を用いるもの
や，媒質の強度による屈折率変化を利用したカーレンズ
図３

モ ー ド 同 期（KLM）が 挙 げ ら れ る［１０］（図４）．SESAM

モード同期の周波数空間・時間空間的表現．

モード同期は素子を共振器中に挿入するだけでモード同期
これらの縦モード間の間隔は共振器中の分散や非線形効果が可能，セルフスタートなどの利点があるが，得られるパなどにより完全に等間隔ではなく，またそれらの相対的なルス幅に限界がある，非飽和吸収損失が大きい，ダメージ

位相関係もランダムになる場合が多い．その重ね合わせとが生じやすい，素子の不均一性・個体差が大きいなどの問して得られるレーザーの時間的強度波形は CW となる．も題がある．一方のKLMはSESAMを用いたモード同期と比しこの縦モードの位相を同期させることができたなら，位べて，深い変調幅と高い応答が得られ，利得帯域幅を超え相の揃う点において電界強度の極めて高いパルスが生じ，る短パルス化が可能であるうえ，ダメージ耐性と均一性のその他の点においては電界の打ち消しあいが起きる．この高い光学素子を使うことができるため，高出力化も可能で「各縦モードの位相と波長間隔を揃える」操作をモード同ある．その反面共振器の特別な設計が必要であり，またセ期と呼ぶ．モード 同 期 は 共 振 器 長 に 応 じ た モ ー ド間隔

ルフスタートが困難である等の課題があり，産業的には問!
#!"に等しい周期の損失や利得の変調を加えることで達成

題も多い．

される．レーザーに変調を加えると，各縦モードに対して

上述の通りモード同期にて生成される高出力超短パルス!
!
"の位相の揃ったサイドバンドが発生する（電気回路!#

レーザーは極めて短いパルス幅と，高いピークパワーを実における AM 変調と同じ原理である）．このサイドバンド

現できることから，現在様々な用途に利用されている．その周波数は隣接する縦モードの周波数とほぼ等しくなるたの代表的な応用分野の一つが，材料加工や機械加工であめ，それらの間でエネルギーの引き込みが生じモードは結る．高出力薄ディスクレーザーを用いた微細加工［１０］，非合されることになる．これがすべての縦モードのサイドバ

線形吸収を利用した加工［１１］などが実現されている他，付

ンドについて連鎖的に生じると，縦モードの位相関係と周加製造（AM（Additive manufacturing），3D プリンター）

波数間隔が一致することになり，モード同期が実現される．

［１２］や表面の特殊加工（撥水［１３］，構造色［１４］）など，高モード同期レーザーの歴史は古く，１９６４年には He-Ne

付加価値な加工に用いられている．基礎科学の分野では，レーザーなどにおいて縦モードの結合現象を指して Mode-

ガスジェット上に超短パルスレーザーを集光して得られる

locking という単語が用いられていた［６］．１９８２年に初めて

高次高調波発生（HHG）に利用されてきた［１５，１６］．この技

レーザー発振が実現された Ti:Sapphire レーザーは広いス

術は，MHz の繰り返しで XUV や軟 X 線光を発生させるこ

ペクトル幅と優秀な熱的・機械的特性により一気に超短パとができ，回折イメージングや様々な物性測定に利用されルスレーザーの主流となった［７］．Ti:Sapphire レーザーはている．また，HHG を用いたアト秒パルスの生成について

数 fs という人類が未到達の超高速時間領域へのアクセスを可能とする画期的な光源であった．現在では共振器から直接 5 fs のパルスが得られ て い る［８］．し か し Ti:Sapphire
レーザーは直接 LD 励起が難しいため装置が大掛かりになりがち，量子欠損が大きい，効率が低いなどの要因により高出力化に限界があり，産業用途などの幅広い応用には不向きであった．そこで上述の通り近年新たな高効率・高出力超短パルスレーザー光源として登場したのが Yb 添加固体レーザーであり，現在最も高出力な超短パルスを安価に信頼性高く実現できる手段として幅広い応用に利用されている．
モード同期の具体的な方法は能動モード同期と受動モード同期に大別される．前者は音響光学変調器（AOM）や電気光学変調器（EOM）を用いて電気的信号を光学的変調として印加することでモード同期を達成する．後者は共振器
中に非線形性（強度依存性）を有する光学素子を配置する
ことで，光パルスがそれを通過する際にパルスの波形に応

図４

じて自発的に損失変調や位相変調が生じることを利用して
３９０

モード同期の方式（a）
SESAM の構成とその写真，（b）
KLM
の原理．

Lecture Note

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S. Kitajima

も，今 後 更 な る 発 展 が 期 待 さ れ て い る［１７］．さ ら に，
OPCPA による数サイクルの中赤外パルスの生成［１８］や，
光整流効果を利用した高出力 THz の生成［１９］など，特殊な光を生成するためのベースとなる光源としても，高い需要
がある．
３．
２．
４ 超短パルスレーザーの増幅法
超短パルスレーザーの増幅手法として欠かすことができない概念が CPA（Chirped pulse amplification，チャープパ
ルス増幅）である．これは回折格子などを用いてパルスを時間的に伸長することでピークパワーを抑えて増幅し，増 幅 後 に 圧 縮 す る 手 法 で あ り，こ の 発 明 に よ り，
D. Strickland，J. Mourou がノーベル物理学賞を２
０１８年に受賞したことは記憶に新しい．以降の解説はこのCPAを用いていることを前提としている．
図５

モード同期によって得られるパルスのエネルギーは以下のように表される．
!$'#&"!

"!("
#
%
"$

超短パルスレーザー増幅器の方式 （a）
マルチパス増幅器，（b）
再生増幅器．

とで冷却効率を上げることであるが，それ以外にあと２つの要素が重要であった［２０］．それがアクティブミラー方式"!("はレーザーの平均出力， #%"$は繰り返し周波数であと，多重パス励起方式である．アクティブミラー方式はる．モード同期レーザーの繰り返し周波数は共振器長にディスクの裏面に HR コーティングを施し，利得媒質とミよって決定されるため，#%"$は一般的に 1〜100 MHz 程度でラーを一体化した方式である．HR コート側はヒートシンある．その為，平均出力 100 W のレーザーにおいてもパルクに直接接合することができるため，裏面からの直接冷却

スエネルギーは＞1 mJ 程度に制限される．繰り返し周波数が 可 能 と な り，効 率 的 か つ 均 一 な 冷 却 が 可 能 と な る

1 MHz は共振器長 300 m に対応することからも，繰り返し（図６）．多重パス励起方式は図７のように放物面鏡と折り周波数を共振器の延長で下げることは工学的に困難である

返し鏡を組み合わせることで，励起光を利得媒質で多重反ことがわかる．よってより高いパルスエネルギーの必要な射させ，効率的な吸収を促す方式である．薄ディスクレー

応用に対しては，モード同期レーザー発振器から得られた

ザー媒質は媒質層が薄いため，高濃度添加した媒質においパルスをパルスピッカーで間引き，増幅器にて増幅する方ても，一反射当たりの吸収量は制限される．この方式は単式が主流である．このような方式を MOPA（Master oscil-

純に励起光の吸収効率を上げるというだけでなく，本来正lator passive amplifier）と呼ぶ．繰り返し周波数とパルス比例であるはずの励起光吸収率とレーザー光の再吸収損失

エネルギーのどちらが重要かは応用の要求によるが，一般を分離することを示している．それにより，Yb 添加媒質の的な機械加工では5〜100 kHz程度の繰り返しが最適である．
固体レーザー増幅器の方式としては大きく分けてマルチ
パス増幅方式と再生増幅方式（regenerative amplifier）の２つがある．それぞれの概略を図５に示す．前者は利得媒質中を多重通過させることで増幅する古典的手法であり，後者は偏光を利用することで光を共振器に閉じ込めて１００〜１０００回パルスを往復させることで高い利得を得る方法である．一般的に，マルチパス増幅器は既にある程度高いパルスエネルギーを１０〜１００倍程度の利得で増幅するブース
ターアンプとして用いることが多く，対する再生増幅器は
図６

極めて小さいパルスエネルギー（pJ〜nJ）の種光を高い利得（１０６〜１０８）で増幅することが多い．再生増幅器は単段の薄ディスクレーザー媒質 （a）
構成図 （b）
Yb:Lu2O3 セラ
ミック薄ディスクモジュールの写真．

増幅器で高い利得を得られるため産業用光源として広く用いられている．

３．
３ 薄ディスクレーザー
３．
３．
１ 薄ディスクレーザーのコンセプト
図６に薄ディスクレーザーの概略図を示す．１９９４年に
A. Giesen らによって発表された薄ディスクレーザーの基
図７

本的なコンセプトは，その名の通り利得媒質を薄くするこ
３９１

薄ディスクレーザー用多重パス励起光学系．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.7 July 2021

欠点である再吸収損失を大きく上回る利得を得ることができ，高い効率を実現できる．このように，薄い媒質，アクティブミラーによる背面冷却，多重パス励起方式を組み合わせた薄ディスクレーザーは，高い励起密度においても温度上 昇 を 抑え，１次 元 的 な 温 度 分 布 を 実 現 で き るため（図８），高平均出力レーザーに適している．更に薄ディス
クはビーム径を大きくすることでのスケーリングが可能であり，高平均出力と高パルスエネルギーの両立が可能である．特にパルスエネルギーに関しては，ファイバーレー
ザーでは不可能な高い値を実現することが可能である．一方の欠点としては，結晶の垂直方向と比べて面内方向の利得が非常に大きくなるため，面内方向のASEや寄生発振が

図８

薄ディスクレーザーの温度分布計算．

発生しやすいという点が挙げられる．ASE を抑制するために，Anti-ASE cap と呼ばれる方法［２１］やふちを面取りする
方法が知られている．
３．
３．
２ 薄ディスクレーザー発振器
薄ディスクレーザーをベースとしたモード同期発振器は現代において最も高い平均出力を得られる超短パルスレー
ザーの生成法である．モード同期の手法としては SESAM-MLと KLM が主に用いられる．
薄ディスクレーザーにおける初めてのモード同期は２０００
年に SESAM モード同期 Yb:YAG 薄ディスクレーザーにおいて ETH の U. Keller らによって報告された［２２］．この時のパルス幅は 730 fs，出力は 16.2 W であった．これは当時のフェムト秒レーザーの最高出力を大幅に上回るもので
図９ これまでの薄ディスク型超短パルス発振器及び増幅器の結果．

あったため，薄ディスクレーザーは高平均出力超短パルスレーザーとして注目を集めることとなり，その後２０年間にわたり高出力化と短パルス化の研究が重ねられてきた．

出力とパルス幅の両立が図れる手段が KLM である．前述

図９にこれまでのモード同期薄ディスクレーザー発振器及のとおり KLM は極めて高い変調深さが低損失で得られる

び増幅器の報告をまとめる．

ため，共振器の非線形性を大きく高め，結果として利得媒

薄ディスクレーザーはディスク上でのビーム径を自由に質の帯域限界，もしくは限界を超えるパルス幅を実現でき拡大できるため，発振器出力のスケーリングにおける限界

る．薄ディスクレーザーにおいてはミュンヘン大学のはディスクの発熱や光学的ダメージではなく，光路中の空

O. Pronin らから２
０１１年に世界で初めての KLM 薄ディスク

気の非線形性によって生じる．通常のレーザーにおいてはレーザーが報告され，２
０１４年には出力 270 W，パルス幅

空気の非線形性は無視できる程度のものであるが，長い共

330 fsに［２５］，また２０１５年には155 W，140 fsに到達してい振器と高いピーク強度ではそれが無視できなくなる．よっる（図中②）［２６］．

て 100 W 級の SESAM モード同期発振器ではその克服のた

これら２つの方針を組み合わせた，広帯域材料 KLM

めに，共振器全体を真空チャンバー中に置いたり，非線形レーザー発振器の研究も近年盛んに行われている．これま光学結晶を利用した分散補償を用いたりする手法［２３］がとで に Yb:Lu2O3 を 用 い て 出 力 21 W で 95 fs（図 中 ③）られている．現在では平均出力 350 W，パルス幅 940 fs が［２７］，Yb:CALGO を用いて 150 mW で 30 fsの結果が報告さ

真空チャンバー下での SESAM モード同期で得られている

れている（図中④）［２８］．今後 100 W 級のパワースケーリ

（図中①）
［２４］．

ングが期待されるが，それを妨げているのは結晶自体の品

一方短パルス化には２つの方向性の研究がこれまで進め

質やダメージ耐性である．また薄ディスク媒質の製造は，られてきた．その一つが Yb:YAG 以外の広帯域材料を用い研磨，コーティング，接合の全てに高い品質が要求されるる研究で，もう一つが KLM の薄ディスクレーザー発振器など工学的な難易度が高いことが，研究の参入障壁を上げへの適用であった．Yb:YAG 薄ディスクを用いた SESAM

多様な利得媒質での実験を妨げていると考えられる．筆者

モード同期レーザーは，その帯域幅と変調深さから，パルの所属していた電通大レーザー研のグループでは，モード

ス幅 1 ps 前後が限界であった．それ に 対 し，Yb:Lu2O3，

同期薄ディスクレーザーの更なる特性改善をめざし，セラ

Yb:KYW（KGW），Yb:CALGO，Yb:CaF2 などの材料は帯ミックレーザー媒質による独自の薄ディスクレーザーの開域幅が広く，それぞれ 200 fs 以下程度のパルス幅が実現さ発を行った．最大の難点であった薄ディスク媒質とヒートれている．しかし出力は概ね 20 W 以下に制限され，パルス

シンクの接合（基本的に非公開の技術である）を，低粘性

幅と出力のトレードオフの関係が見て取れる．それに対し

UV 硬化樹脂を用いた独自の方法で解決し，高密度励起に
３９２

Lecture Note

3. High-Power Solid-State Lasers and their Latest Trend

S. Kitajima

耐えうる薄ディスクレーザー媒質の作製に成功した．これまで圧縮した結果［３５］や，60 W のパルスを 16 fs まで圧縮

までに Yb:LuAG セラミック，Yb:Lu2O3 セラミックにてした結果［３６］などが報告されている．これらは高いピーク

KLM をそれぞれ実現し最大で 17 W，130 fs，最短パルス幅

パワーを必要とする多くの非線形光学応用のために有用で86 fs のパルスをそれぞれ得ている［２９，３０］．これにより我ある．

が国発の技術であるセラミックレーザー媒質は薄ディスク

３．
４ ファイバーレーザー

用レーザー媒質としても充分に有用であることが証明さ

本講座の最後に，薄ディスクレーザーと並ぶ高出力産業

れ，今後増幅器などの更なる研究を進める予定である．
また最近の注目すべき研究成果として DRL（ドイツ航空

用レーザーの本命であるファイバーレーザーについて紹介

宇宙センター）の報告した「モノリシック薄ディスクレー

する．従来の固体レーザーにおける出力の限界は主に熱にザー」が挙げられる［３１］．これは適切な角度にウェッジをよるものであったが，ファイバーレーザーの場合はその施した薄ディスクに波長依存性を制御したフィルターをビームモード面積が小さいことにより，誘導ラマン散乱やコートすることで，斜めから入射した励起光を媒質内に閉誘導ブルリアン散乱などの非線形光学効果，端面のダメー

じ込めて多重反射させて効率的な吸収を実現する方式であジ閾値などによって決まる［３７］．これらの現象は単位面積

り，薄ディスクレーザーのコスト的ボトルネックの一つで当たりの強度（W/cm2）によって限界が決まるため，ファあった多重励起モジュールが必要ないことから，今後大きイバーレーザーにおける出力のスケーリングは，ファイな発展が見込まれる．初報では 890 W の CW 出力がスロー

バー中のモード面積スケーリングが主流である．一方ピー

プ効率５９％で得られている．超短パルスレーザーの増幅可ク 出 力 の 低 い CW レ ー ザ ー や 高 繰 り 返 し レ ー ザ ー

能性などが今後気になるところである．

（＞MHz）においては非線形光学効果による限界には達し

３．
３．
３ 薄ディスクレーザー増幅器ないため，高平均出力なファイバーレーザーは既に数多く

薄ディスクレーザーを用いた超短パルス増幅器は現在にの産業実装が為されている．CW 出力のファイバーレー

おいては kW級の平均出力と100 mJ級のパルスエネルギー

ザーは既にシングルモードで出力 10 kW，マルチモードでを両立できるほぼ唯一の手段である．研究室レベルではこ

100 kW に達している．10 kW の出力は米 IPG社が２００９年にれまでにマルチパス構成で6.8 mJパルス，2 kWの平均出力発表したもので［３８］，1070 nm の信号光を 1018 nm の励起［３２］，再生増幅器構成で 200 mJ，1.1-ps，1 kW の平均出力光で増幅することで熱負荷を下げて発生を可能にしてい（図 中 ⑤）［３２］を 達 成 し て い る．ま た 再 生 増 幅 器 に てる．100 kW の出力は同じ方法でコア径を拡大することで300 mJ，100 Hz の出力を得たのち，これをマルチパス増幅実現していると思われる．IPG 社は自社の技術を論文とし器で増幅することによって 1 J，100 Hz のレーザーが報告て発表することをあまり重視していないため詳細は不明なされている［３３］．

部分も多いが，依然として CW レーザー出力では他社の追商業的には独 Trumpf 社が多種の薄ディスクレーザー光

随を許していない．高出力高輝度なファイバーレーザーは源を上市している．CW で 16 kW の基本モードレーザーを

従来 CO2 レーザーの担っていた機械加工用光源を置き換え発売しているほか，平均出力 750 W，パルスエネルギー

るものであり，既に世界中の工場に導入が進んでいる．

150 mJ，パルス幅 2 ps のレーザーを理化学応用向けに販売

ファイバーレーザーは超短パルスレーザーの生成においしている．薄ディスクレーザーの発明者である A. Giesenても利点が多い．共振器単体の平均出力やパルスエネル

らが創設した，独 Dausinger + Giesen 社も高出力な薄ディ

ギーは薄ディスクレーザーに劣るが，広帯域なスペクトル

スクレーザーを開発しており，400 W，150 mJ といった高を生かし，sub-100 fs のパルスを高安定に得ることができ

出力な超短パルスレーザーをはじめとした，豊富なライン

る．特に近年では全偏波保持構成かつ全ファイバー型のナップの光源を開発している．他には独 Jenoptics 社や，

NALM モード同期ファイバーレーザー発振器が開発さチェコの国家プロジェクトである HiLASE，日本のサイれ，その高い安定性から注目が集まっている［３９］．また発

バーレーザー社などが薄ディスクレーザーベースの超短パ

振器単位で高い パ ル ス エ ネ ル ギ ー を 得 る 試 み と し て，

ルスレーザー増幅器を開発・販売している．

Mamyshev 共振器による超短パルス生成も注目を集めて薄ディスクレーザー超短パルス増幅器のパルス幅は一般いる．現在までに 190 nJ，35 fs のパルスの共振器直接生成に 1 ps 程度に制限されていることが多い．これは Yb:YAGが報告されている［４０］．ファイバーレーザー発振器の出力の利得帯域幅と，利得狭窄（gain narrowing）と呼ばれる現限界は主にファイバー中の非線形現象によってパルスの安象に起因するものであり，現在その有効な解決策は考案さ

定周回範囲が狭まることに起因しているため，今後共振器れていない．しかし増幅後のピコ秒パルスを非線形なパルの改良によって更に出力が向上していく可能性がある．

ス圧縮器にて 100 fs 以下にまで圧縮する手法は積極的に研ファイバーによる超短パルスの増幅は，主にファイバー

究されている．従来の非線形圧縮法は中空コアファイバー

中のモード面積の拡大によって発展してきた．一般的なス（HCF）を用いたものが多かったが［３４］，これらは高パル

テップインデックスファイバーのコアとクラッドの屈折率

スエネルギーに耐えることはできないため，薄ディスク

差を小さく（NA を小さくする）すると，コア径を大きくしレーザーにおいては固体非線形媒質（サファイヤやガラスてもシングルモードのままの伝搬が可能になる．このようなど）を多重通過させるマルチパスセル（MPC）方式が用なファイバーを LMA（Large mode area）ファイバーといいられることが多い．最近では，375 W の平均出力を 170 fs

い，現在では NA0.06，コア径 40 μm 程度までが実現されて
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.7 July 2021

いる．しかしこういった低 NA のファイバーは曲げに弱い

ザーはこれまで人類の手にしたことのない最先端のツールなどファイバーレーザー本来の利点が失われる．そこで開であり，それ故に今後予想だにしていなかった応用の道が発されたのがファイバーコアの周辺に複数の空孔を周期的開ける可能性に満ちている．

に配置することで有効屈折率を制御し，伝搬モードをシン

薄ディスクレーザーは独シュツットガルト大学発祥の技

グルモードのみとするフォトニック結晶ファイバー（PCF）術であり，本論文で紹介した研究もその多くはドイツや，である［４１］．PCF は空孔の径と位置によって有効屈折率

その近隣のスイス，オーストリアなどでなされた研究であを設計することが可能であり，現在は NA0.02，有効コア径

る．ファイバーをもとにした高出力超短パルスレーザーの100 μm程度が実現されているが，長軸方向の均一性の制御分野においてもイエナ大学のグループをはじめとしてヨーや，径が大きくなったことによる温度分布などによってス

ロッパが先行している状況である．一方我が国における超ケーリングは制限されている．また，一般的なステップイ

短パルスレーザーの研究は，低出力領域での精密計測分野

ンデックスファイバーと比べて製造が難しいことや，融着などでは数多くの素晴らしい成果が得られているものの，が難しいことなども欠点として挙げられ，商業的な応用は

高出力領域での光源開発は数えるほどの研究機関でしか行

現在も進んでいない．それでもこの PCF を用いた超短パル

われていない．したがって今後は我が国においても産学のス レ ー ザ ー 増 幅 器 で は２０１０年 に 圧 縮 前 1 kW，圧 縮 後連携によって高出力超短パルスレーザーの技術が発展して830 W，パルス幅 640 fs の結果が報告されている［４２］．しかいくことが，将来の応用の展開のためにも嘱望されるとこ

し繰り返し周波数は 78 MHz と高く，パルスエネルギーはろである．

10 μJ 程度に留まっている．パルスエネルギーの観点では超短パルスファイバー増幅器は長らく mJ クラスのエネル

参考文献

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［３６］K. Fritsch et al., Opt. Lett. 43, 4643 (2018).
［３７］白川 晃，植田憲一：光学 38, 25 (2009).
［３８］M. O’Connor Proc. CLEO 2009, CThA3 (2009).

め，分割パルス増幅（DPA）［４３］，コヒーレントビーム結合（CBC）［４４］といった技術が近年開発された．DPF は偏光などを利用してパルスを時間的に分割し，増幅後に再び結合することで，パルスエネルギーの限界を分割数に比例して向上させる手法である．現在までに２分割 DPA で1.1 mJの出力が得られている［４５］．CBC は信号光を空間的に分割し，複数の増幅器に分けて増幅した後，コヒーレントに（位相をそろえて）結合することで高い出力を得る手法である．中でもイエナ大学の A. Tunnerman，J. Limpert らのグループの研究は特筆に値し，１２本のファイバー増幅器の出力を束 ね る こ とで 10.4 kW，254 fs，80 MHz の 結果を２０２０年に報告している［４６］．これは現在の全ての超短パル
スレーザーシステムの中で最高の平均出力である．また，同グループはパルスエネルギースケーリングにおいてもDPA と CBC を組み合わせることで 23 mJ の出力を得ている［４７］．他のグループにおいては，仏 XCAN プロジェクトにて６１本のファイバーをアレイ状に並べた CBC に成功している［４８］．DPA や CBC は本質的なスケーリングの手法であり，予算の許す限り無限の出力増大が可能かにみえるが，実際には分割数の増加によって非線形な波面の歪みや位相の変調が生じ，結合効率は低下していく．そういった困難を乗りこえて，今後どれだけの出力が実現するかは楽しみなところである．

３．
５ おわりに
本章では高出力固体レーザーの基本と最新の研究動向について，特に超短パルスレーザーの生成と増幅を中心に解説した．紙面の都合上各研究の解説は駆け足になってしまったが，薄ディスクレーザー，ファイバーレーザーのどちらもここ２０年で急激な進展がなされてきたことを少しでも伝えることができたのなら幸いである．また光源の発展に伴って応用の範囲も広がり続けており，そちらの進展も今後非常に楽しみなところである．高出力超短パルスレー
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Lecture Note

3. High-Power Solid-State Lasers and their Latest Trend［３９］C. Aguergaray et al., Appl. Phys. Lett. 103, 121111 (2013).
［４０］P. Sidorenko et al., Opt let. 43, 2672 (2018).
［４１］T. Birks et al., Opt let. 22, 961(1997).
［４２］T. Eidam et al., Opt. Lett. 35, 94 (2010).
［４３］S. Zhou et al., Opt. Lett. 32, 871 (2007).

［４４］T.Y. Fan, IEEE JSTQE 11, 567 (2005).
［４５］F. Guichard et al., Opt. Lett. 40, 89 (2015).
［４６］M. Müller et al., Opt. Lett. 45, 3083 (2020).
［４７］H. Stark et al., Opt. Lett. 44, 5529 (2019).
［４８］I. Fsaifes et al., Opt. Exp. 28, 20152 (2020).

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きた

じま しょうたろう

北 島 将 太 朗
大阪大学レーザー科学研究所 特任助教
（常勤）
．２
０
１
９年電気通信大学大学院博士後期課程修了（博士（工学））．高出力な超短パルスレーザーの光源開発と，次世代高繰
り返し・高エネルギーレーザーの要素研究に従事．最近は本号の講座でも取り上げた薄ディスクレーザー用の実験系を独自に立ち上げ，今年の５月に初の発振を達成，今後超短パルス生成などの成果を出していきたいです．

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S. Kitajima