J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.6 (2021)３
３５‐３３９講座 固体レーザーの基礎

２．固体レーザー材料
2. Solid State Laser Materials
古瀬裕章
FURUSE Hiroaki
北見工業大学工学部地球環境工学科（原稿受付：２０２１年２月１６日）

本章では，固体レーザー材料にとって重要な母材について，単結晶体，ガラス，多結晶セラミックスの比較を行う．特に，透明な多結晶セラミックスは高出力レーザー母材として期待されている革新的な材料である．セラミックスが透明になる概念，歴史的背景，最新動向について重点を置きながら固体レーザー材料の基本について解説する．
Keywords:
Solid-state lasers, laser materials, single crystal, glass, transparent ceramics

２．
１ はじめに合，以下の式で表すことができる［１］．

固体レーザー材料を選定する上で，必要な条件は，めざ!#$('$%!"%

すレーザー装置の種類（高平均出力，高パルスエネルギー，（１）

超短パルス，新波長開拓等）によって異なる．例えば，キ3，"は試料の光路長
ここで，%!は小信号利得係数（1/cm ）ロワットを超えるような高平均出力をめざす場合は，材料（cm）である．小信号利得係数はさらに，レーザー上準位で発生する熱問題が出力を制限するため，熱特性（熱伝導に励起された電子密度 ##（1/cm3）とレーザー下準位の電率や熱膨張率）の優れた材料が必要になる．また，ジュー

子密度 #"（1/cm3），そしてレーザー波長での誘導放出断ル級のパルスエネルギーをめざす場合は，材料表面でアブ

面積 "$&%（cm2）を用いて，レーションによる損傷を避けるために大口径化が可能であ%##!#"%"$&%"!#$ることが優先される．当然，レーザー材料が有する蛍光特（２）性や透過特性が重要であることは論を俟たない．本章でで 表 さ れ る．こ の 式 か ら も，レ ー ザ ー に は 反 転 分 布は，２．
２でレーザー材料のような透明体における光の増幅，（##!#"）が必須であることがわかる．また，誘導放出断吸収，散乱につい ての 基 礎 的 な 関 係 に つ い て 解 説を行

面積は活性元素と材料の母材に依存する物性値であり，大う．２．
３では，固体レーザー材料の代表である単結晶，ガラきい方がレーザー利得を得やすい．レーザー媒質を通過しス（光ファイバー）について言及し，さらに透光性セラた際のレーザー利得を大きくするためには，##を大きくすミックスとの比較を述べる．２．
４では，はじめに透光性セラることが重要であり，単位体積当たりの励起光強度（励起ミックスの概念や特徴について説明し，レーザー品質のセフォトン数）を上げることで実現できる．また，レーザーラミックスを合成する手法と応用例，そして新しいタイプ材料を発振器構成とする場合，発振条件は共振器を構成すのレーザーセラミックスについて紹介する．

るミラーの反射率 $"，$#を用いて，以下となる．
$"$#$('$!"
%
#!"%

２．
２ レーザー光の増幅・吸収・散乱２．
２．
１ レーザー利得（３）

これは，レーザー材料を１往復した時のレーザー利得が，本講座の第１章「レーザーの基礎」でも解説されたよう共振器を構成するミラー損失より高いことを意味する．しに，レーザー（LASER: Light Amplification by Stimulated

たがって，レーザー発振器の設計では，（３）式を満たすた

Emission of Radiation）とは，誘導放出（Stimulated Emis-

めに十分な仕様の励起光源の準備が必要となる．

sion）によって光が増幅する現象を利用したと光デバイス

２．
２．
２ 光の吸収・散乱である．レーザー媒質に入力された被増幅光が，媒質を通レーザー材料に限らず，光学素子全般において重要なこ過した後，何倍に増幅するかを表す指標を「レーザー利得」とは，透光性が高いことである．固体材料内に吸収や散乱#が無い場合，光の透過率は，$で表される．ここで，"!$%$は試料表面でのフレネル反射率であり，材料の屈折率 &と呼ぶ．
レーザー利得 ! は，材料内の吸収や散乱を無視した場
Kitami Institute of Technology, Kitami, HOKKAIDO 090-8507, Japanauthor’s e-mail: furuse@mail.kitami-it.ac.jp

３３５!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.6 June 2021

長が長いため大きなレーザー利得が得られる．一方，材料を用いての冷却は側面から行われるので，径方向（レーザー伝搬方#%$!"!'"""'（４）向と垂直）の温度勾配が顕著となり，熱収差や熱複屈折などの問題が生じやすい．近年盛んに光源開発が行われていと表される．一方，図１に示すように材料内に吸収源や散るファイバーレーザーは，ロッドの発展型とも考えること乱源が含まれる場合，材料を透過した後の光強度 "は吸収ができる．径方向の寸法をファイバーコアの大きさまで縮および散乱の大きさと光路長 #に対して指数関数的に減衰小し，かつ，光路長を長く取ることができるため，冷却面し，以下の式で表される．

積が大きく，高出力動作時においても比較的熱問題が生じ#""#&#("$""!%&$&%'!%#!%にくい理想的な方式である．連続波（CW）では，ファイ（５）バーレーザーは最も優れた形状の一つと考えられるが，瞬ここで "!は入射前の光強度，"は吸収係数（1/cm），#は散間的なピークパワーが大きいパルス波では，非線形効果や乱係数（1/cm）である．主な吸収，散乱源は，材料合成時損傷が問題となり，単一で大きなパルスエネルギーを得るに含有する不純物や，気孔などが挙げられ，これらは著しことは通常難しい．

く光学品質を低下させるため，レーザー材料では可能な限スラブ型は材料内部をジグザグに伝搬することも可能でり取り除く必要がある．

あり，ロッドと比較すると比較的熱問題は小さくなる．一レーザー光を増幅する際には，レーザー波長での吸収に方，側面から励起を行った場合，試料内部を均一に励起すも注目する必要がある．一般的なレーザー材料では，上述ることが困難であり，レーザー伝搬方向に空間的な利得分のような吸収源や散乱源は無視できるほど小さいが，レー布が生じてしまう．

ザー下準位の占有電子による吸収が無視できない場合があ

ディスク型は光路長をなるべく薄くし，広い面積から冷る．すなわち，$"!!の時，上準位から下準位に緩和する媒ガス等で冷却することで高い排熱と冷却能力を達成する電子とエネルギー交換して，上準位に電子が遷移すること方式である．伝導冷却を行う場合は，背面のみから冷却ががある．これは再吸収とも呼ばれ，３準位系や準４準位系行われるアクティブミラー型と呼ばれる方式もあり，薄材料がこれに相当する．代表的なレーザー活性元素であるディスク（Thin disk）レーザー［４］は，この方式が採られて3＋Yb は準４準位系材料である．再吸収は，レーザー活性元いる．ディスク型は，レーザー光の面積を大きくでき，素による吸収であるため，取り除くことはできないが，母レーザーフルエンスを下げることが可能なため，特に高エ材を液体窒素等で低温冷却することで $"$!とし，再吸収ネルギーレーザー装置でも用いられている．この方式は，を無くすことができる［２，３］．

ASE（Amplified Spontaneous Emission）や寄生発振が生じこのように，吸収や散乱が固体材料内に含まれる場合，るまでは，基本的に径方向にスケーリング則が成立するた

レーザー利得は，以下のように表される．
!$$&%'&#(%!#&#!!"

め，大口径化が可能な母材の選定が重要である．
２．
３．
２ 固体レーザーの種類（単結晶・ガラス・セラミッ（６）クス）

したがって，固体材料内の損失が大きくなるほど，十分従来，固体レーザー材料には単結晶やガラスが用いられな利得を得るために大きな小信号利得係数 &!が必要になてきた．単結晶とは，全部分で結晶方位が同じである固体り，それに伴ってレーザー発振閾値も増加することになのことである．光学材料の中では，比較的熱伝導率が高いという利点が あ る．代表的なレーザー材料であるヤグる．

（Y3Al5O12: YAG）や蛍石（CaF2）のような立方晶系の母材

２．
３ 固体レーザー材料の分類
２．
３．
１ 固体レーザーの形状
固体レーザーの形状は，ロッド型，スラブ型，ディスク型に大別できる．図２に各形状の例を示す．ロッド型は古くから用いられている一般的な形状であり，レーザー光路

図１

透明体内の光の減衰の概念図．

図２

３３６

代表的な固体レーザーの形状．

Lecture Note

2. Solid State Laser Materials

H. Furuse

は，結晶軸で屈折率が等しいが，非立方晶系の場合では結素の添加は格子歪の要因となるため，高濃度に添加するこ晶軸で屈折率が異なるため，光学的異方性を有する．これとが難しい．ガラスは，単結晶とは対照的に大口径化が可は複屈折と呼ばれ，特にレーザー光の偏光に大きな影響を能であるが，熱特性が低く高平均出力動作に耐えられな

与 え る．Ti:sapphire，YAP（YAlO3），YVO4 な ど，レ ーい．透光性セラミックスは，単結晶とガラスの両方の利点

ザーに用いられる多くの単結晶は非立方晶系であり，結晶を有した材料と言える．大型化に関しては，炉の大きさに軸によって蛍光特性も異なるため，あらかじめ結晶方位を制限を受けるが，10 cm 角程度の試料作製が可能である．

指定する必要がある．代表的な結晶育成法に，チョクラル

また，活性元素を高濃度で添加しても，格子歪は結晶粒内スキー法（CZ 法）があり，高品質な箇所を選定して切削・に留まるため，マクロな領域では光学的均一性は保たれ加工が施され，レーザー材料として用いられている．

る．さらに結晶粒界が機械強度の向上に影響することが知一方，光ファイバーにも用いられるガラスは非晶質固体られており，熱破断しにくいため高出力動作に耐えやすであり，主原材料を溶融した後，急速に冷却することで作い．代表的なレーザー材料である YAG では，室温での熱物製される．板ガラスのように１メートルを超える大型化が性値が単結晶とセラミックスで大きな差がないことが明ら可能であり，Nd を添加したレーザーガラスは古くから高かとなっている［５‐８］．

強度レーザー材料として用いられてきた．一方，熱伝導率

YAG について，単結晶およびセラミックスの熱伝導率は単結晶と比較すると低く，高繰り返し動作には適さな７］．定常熱流法を!，熱膨張率 !を調べたので紹介する［６，い．

用いて測定された無添加 YAG セラミックス，Yb添加YAG

次に，近年盛んに開発が進められているセラミックスにセラミックスの熱伝導率を図４に示す．無添加 YAG セラ

ついて説明する．図３に筆者が作製したレーザーセラミッ

ミックスの室温での熱伝導率は 15 W/mK であり，70 Kクスの微細組織を電子顕微鏡で撮影した写真を示す．セラでは50 W/mKとなった．単結晶と比較すると，室温では大ミックスは，無機材料の粉を固めて焼結することで得られきな差は生じなかった．200 K 以下では単結晶の方が高いる固体であり，図３のように多くの結晶粒で構成される多値を示すが，これはセラミックスの結晶粒界で格子振動の結晶体である．各結晶粒は単結晶であり，通常は結晶粒の伝搬が阻害されたことによるものと考えられる．また，Yb

方位は揃っていない．一般的なセラミックスは不透明であ

添加 YAG の熱伝導率は 70 K で 15.9 W/mK であり，無添加るが，セラミックス内の散乱源（気孔，不純物，他の結晶YAG よりも低い値を示した．

相，複屈折など）を取り除くことによって透光性が得られ

熱膨張率 !の測定には，図５に示すような H 型の試料がる．主な散乱源はセラミックス内に残る気孔であり，体積準備され，試料の反射光からフィゾー干渉を形成し，温度割合で 0.5％ の気孔が存在するだけで，セラミックスを不透明にする．したがって，レーザー品質のセラミックスは，理論密度まで緻密にされた究極のファインセラミックスと言える．具体的な製造法については次章で紹介する．
透光性活性元素の高濃度添加
大型化
熱特性
機械特性

次に，各母材の特長について表１を用いて比較する．上述のように，単結晶は原子の配列が規則的であり，固体全体で結晶方位が揃っているため熱伝導に優れており，レーザー材料内で発生する熱問題の低減に適している．その一方で，大口径化が困難であり，結晶育成にも長時間を要す

表１

各母材の比較．

単結晶ガラス◎◎

透光性セラミックス◎△〇〇△◎〇◎△△〇〇◎

るため製造コストが高いという欠点がある．また，活性元

図４
図３

透明なセラミックスの電子顕微鏡写真．

３３７

YAG および Yb:YAG セラミックスの熱伝導率の温度依存性［６］．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.6 June 2021

変化による干渉縞のシフト量から値を算出することができスが開発され，レーザー発振が実証された［１２，１３］．２０００年

る．熱膨張および屈折率の温度変化は YAG セラミックス

までは，セラミックレーザーの出力は 1 W に満たなかったと単結晶でほとんど変わらないことが明らかとなっておが，神島化学工業の研究グループによって高品質透光性

り，このことからも YAG セラミックスの緻密性が高いこ

YAG の 新 た な 製 造 手 法 が 確 立 さ れ，２００１年 に は 出 力とが確認できる．

1.46 kWが達成された［１４］．以降，海外でもYAGセラミックスを用いた高出力レーザー開発が進められ，２００９年には

２．
４ 透明な多結晶セラミックス

米国で 100 kW を超えるまでに至った［１５］．パルス動作に

２．
４．
１ レーザーセラミックスの背景

おいても，英国で，100 J，10 Hz 出力が達成されるなど，国透明なセラミックスが最初に開発されたのは，１９５０年代

内外のレーザープロジェクトに用いられており，現在にお後半 に 米 国 の Coble 博 士 に よ る 透 光 性 ア ル ミ ナ で あ る

いても発展を続けている［１６］．

［８］．当初はレーザー材料ではなく，高圧ナトリウムラン２．
４．
２ 透明なセラミックスの作製方法

プ用に開発された．１９６０年に初めてレーザー発振が実証さ

セラミックスの主な製造過程は，①粉体合成，②成形，れてわずか４年後，米国の研究グループによって Dy:CaF2③焼結であり，透光性セラミックスを単結晶並みの高品質の レ ー ザ ー 発 振 が 初 め て 報 告 さ れ た［９］．１９７３年 に はで実現するためには，各過程において最適な条件の探索がNd:Y2O3 のレーザー発振が報告されるが［１０］，散乱係数が重要となる．粉体合成では，市販粉体を混合することで得大きくパルス発振のみでレーザー効率は 0.1％ 程度しか得られる固相合成法と，形のない水溶液から前駆体を作製られなかった．以降，１９９０年頃まで単結晶を中心に固体し，熱処理で結晶化させる液相合成法に大別される．成形レーザー材料は大きな進展を遂げる［１１］．一方，レーザー過程では，プレス機を用いた乾式成形や，スラリーに粉をセラミックスは１９９０年代に国内の研究者らによって重点的分散させた状態で鋳込み成形を行う湿式成形がある．焼結に品質改良の手法が研究され，過渡期を迎える．そして

では，無加圧真空焼結の他に，真空中で一軸加圧を行う

１９９５年に，池末博士らによって透光性 Nd:YAG セラミックホットプレス法（HP）や，高圧ガス中で焼成する熱間等方圧加圧法（HIP 法）等がある．あらゆる組み合わせが可能であり，各プロセスに独自の工夫を凝らすことで多種多様な材料が開発されている．
２．
４．
３ レーザー用の透明セラミックス
前章で述べたように，多結晶セラミックスは単結晶と比較して多くの利点を有するが，さらに複合化が容易であることや，溶融プロセスを介さないため，単結晶育成が困難な材料（例えば高融点材料）でも透明バルク化が可能である．これらの特長を利用して多くのレーザーセラミックスが実現されている．
例えば，図６は台形柱の無添加 YAG と３枚の Yb:YAG
セラミックディスクから構成される複合型のレーザーセラミックスである［１７］．レーザー光および励起光は同軸で斜面に対して垂直に入射し，Yb:YAG の冷却面で全反射しながら媒質内をジグザグに伝搬する（図２のスラブ型を参照）．このような構成は，セラミックスの複合技術が実現可能としたものであり，キロワット級のレーザー出力が達成されている．
図７は，筆者の研究室で開発した様々な希土類セスキオキサイド（RE2O3）セラミックスである．希土類セスキオ
キサイドは融点が高く単結晶育成が困難な材料である．
Y2O3 はレーザー材料として［１８］，Ho2O3 や Dy2O3 は磁気光学材料［１９，２０］として現在においても，国内外で盛んに材料開発が進められている．
さらに近年では，セラミックスは立方晶系しか透明にできないと言う従来の常識を覆す新しい技術が報告されている．非立方晶系材料において，各結晶粒の配向を制御する方法や［２１，２２］，結晶粒の大きさを光の波長より十分に小さくする手法［２３］によって六方晶系のフッ化アパタイトを

図５ （a）YAG セラミックスの熱膨張率の測定用試料写真［６］，（b）
YAG セラミックスの熱膨張率の温度依存性［７］．

透明にし，そのレーザー発振が実証されている．図８に焼結体の写真を示すように，非常に高い透光性が得られてお３３８

Lecture Note

図６

2. Solid State Laser Materials

多段増幅方式の YAG セラミックスの写真［１７］．

図７

図８

H. Furuse

高い透過特性を示す非立方晶系レーザーセラミックス（Nd
添加フッ化アパタイト）の写真［２３］．

2006).
［２］J. Jawanaka et al., Laser Phys. 20, 1079 (2010).
［３］H. Furuse et al., Opt. Lett. 34, 3439 (2009).
［４］A. Giesen and J. Speiser, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron 13, 598 (2007).
［５］H. Yagi et al., Ceram. Int. 33, 711 (2007).
［６］R. Yasuhara et al., Opt. Express 20, 29531 (2012).
［７］H. Furuse et al., Opt. Mater. Express 4, 1794 (2014).
［８］R.L. Coble, J. Appl. Phys. 32, 787 (1961).
［９］S.E. Hatch, W.F. Parsons and R.J. Eeagley, Appl. Phys.
Lett. 5, 153 (1964).
［１０］C. Greskovich and J.P. Chernoch, J. Appl. Phys. 44, 4599
(1973).
［１１］A.A. Kaminskii, Laser Crystals (Springer, 1981).
［１２］A. Ikesue et al., J. Am. Ceram. Soc. 78, 1033 (1995).
［１３］A. Ikesue and Y.L. Aung, Nature Photonics 2, 721 (2008).
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［１５］S.J. McNaught et al., in Conference on Lasers and ElectroOptics, paper CThA1 (2009).
［１６］P. Mason et al., Optica 4, 438 (2017).
［１７］H. Furuse et al., Opt. Express 19, 2448 (2011).
［１８］H. Furuse et al., J. Am. Ceram. Soc. 101, 694 (2018).
［１９］H. Furuse and R. Yasuhara, Opt. Mater. Express 7, 827(2017).
［２０］O. Slezak et al., Opt. Mater. Express 9, 2971 (2019).
［２１］J. Akiyama, Y. Sato and T. Taira, Appl. Phys. Exp. 4,022703 (2011).
［２２］Y. Sato, J. Akiyama and T. Taira, Sci. Rep. 7, 10732 (2017).
［２３］H. Furuse, N. Horiuchi and B.N. Kim, Sci. Rep. 9, 10300(2019).

様々な透光性セラミックスの写真．

り，この技術がさらに発展すれば多くの材料の透明セラミック化が実現可能となり，既存光源の出力向上や新レーザー材料の開発が期待できる．

２．
５ おわりに本章では，固体レーザー材料の基礎について，吸収や散乱がある場合のレーザー利得，レーザー材料に要求される条件，単結晶，ガラス，透明セラミックスの比較について解説した．特に，レーザー材料だけでなく，磁気光学材料や非立方晶系材料への展開が期待できる透光性セラミックスについて紹介した．光技術の進展には，その基盤となる光学材料の基礎や特徴についても理解を深めることが重要であり，本章がその一助となれば幸いである．

参考文献［１］W. Koechner, Solid State Laser Engineering (Springer,!!!!!!!!!!!!!

ふるせひろあき古 瀬 裕 章!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

北 見 工 業 大 学 地 球 環 境 工 学 科 准 教 授．
２００
７年大阪大学大学院工 学研究科電子工学専攻博士後期課程修了，博士（工学）．
（公財）
レーザー技術総合研究所研究員を経て，２０１
３年４月より現職．固体レーザー装置開発，透光性セラミックス材料開発に従事している．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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