J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.5 (2021)２
８９‐２９７

講座

固体レーザーの基礎
Basics of Solid-State Laser

１．レーザーの基礎
1. Fundamentals of Lasers
上原日和
UEHARA Hiyori
自然科学研究機構 核融合科学研究所（原稿受付：２０
２
１年２月４日）１９６０年にメイマンがレーザー発振を実証して以来，レーザーはあらゆる分野に応用され，プラズマ・核融合
分野はもちろん，現代の情報通信，自動車生産，先進医療などを支えている．本講座では，レーザーの構成原理と技術要素について全３回にわたって解説する．第１回となる本章では，１．
１ レーザーの歴史，１．
２ レーザーの動作原理，１．
３ レーザーの分類と特徴，について解説する．
Keywords:
solid-state lasers, gas lasers, laser diodes

１．
１ レーザーの歴史

利用して増幅した光やその発生装置のことをレーザーと呼１．
１．
１ レーザーとはぶ［１］．誘導放出の特性からわかるように，レーザーは波レーザー（laser）は，Light Amplification by Stimulated

長と位相が時間的・空間的に揃った特殊な光（コヒーレン

Emission of Radiation の 頭 文 字 を 集 め た 頭 字 語 で あ り，ト光）である．レーザーの特徴として，一つの色から成る「輻射の誘導放出による光増幅」を意味する．図１は光の吸単色性，ビームが一定方向に直進する指向性，レーザー同

収と放出を説明した概念図である．励起状態!"にある原子士が互いに干渉し合う可干渉性が挙げられる．ビームを狭は，一定の励起寿命が経過すると，とある確率で自発的にい領域に絞ってエネルギー密度を高めることができるのも．し か
光 子 を 放 出 し て 準 位 !! に 緩 和 す る（自 然 放 出）

レーザーの特徴である．これら特徴を活用することで，自し，準位 !"にある原子に，２準位間のエネルギー差 "!

然光では成し得なかった計測や，物質と光の強い相互作用に等しい光を入射すると，原子はそれに誘導されて，入射を人為的に引き起こすことが可能になる．

光と波長・位相・方向・偏光の揃った光子を放出して即座

１．
１．
２ レーザー開発の歴史に準位 !!に緩和する．これが誘導放出であり，この現象をレーザー動作の基礎となる誘導放出の理論は，１
９１６年にEinstein によって発表された．様々な理論検証の後，１９５４
年にTownsらは，アンモニアガスを用いて誘導放出による増幅作用を最初に観測した．このときの波長は 1.25 cm の
マイクロ波であり，メーザー（MASER）と呼ばれている．
世界で最初のレーザーは，１９６０年に Maiman がルビー結晶をフラッシュランプで励起することでパルス発振動作を実証した．同じく１９６０年に Javan らは，He-Ne レーザーの連続発振に成功し，その後，１９６０年代に Ar イオンレーザー

図１

光の吸収と放出の概念図．

や CO2 レーザーなどのより高出力なガスレーザーが，１９７０

National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japanauthor’s e-mail: uehara.hiyori@nifs.ac.jp

２８９!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

年代に紫外域のエキシマレーザーが開発された．固体レー波数コムという概念が誕生しており，これを利用した次世ザー開発においては，ルビーレーザーに続いて，Nd ガラス

代計測法の開発が活発になっている［９］．

レーザー，Nd:YAG レーザーが１
９６０年代に開発された．波レーザーを語るうえで，半導体レーザーの存在を忘れて

長 1.06 μm で発振する Nd:YAG レーザーについては後ほどはならない．１９５７年に Nishizawa が半導体レーザーの最初

詳細に解説するが，高出力な連続波，パルス動作が可能で提案をしたのち，１９６２年に GE，IBM，MIT の３研究所でほあることから，現在最も代表的な固体レーザーとなっていぼ同時に，低温で GaAs の pn 接合を用いて近赤外レーザー

る．１９６１年に初の発振実証がなされたファイバーレーザーのパルス発振が観測された．その後，１９７０年に室温連続発も固体レーザーの一種であり，現代社会において重要な役振が実証され，１９７９年に面発光レーザーが，１９９４年に量子割を担っている［２］．１９６５年の Kao の光ファイバー通信のカスケードレーザーが誕生しており，半導体レーザーの発提案を皮切りに，１９７０年代には通信用光ファイバーの高品

振波長は現在，紫外から中赤外域までをほぼ連続的に網羅質化が為され，１
９８７年には Er 添加ファイバー増幅器が開している［４］．半導体レーザーは，比較的安価で，発振波長発，その後実用化された．通信用途以外でも，Nd や Yb

や出力のバリエーションが豊富なため，ブルーレイなどの添加の高出力ファイバーレーザーの開発が進み，キロワッ

光学ドライブ，光ファイバー通信，レーザープリンターな

ト級ファイバーレーザーは，今や YAG レーザーや CO2

ど身近な装置に多数実装されている．YAG レーザーやレーザーと並ぶ主要な加工用光源にまで発展した［３］．こファイバーレーザーなど固体レーザーの励起光源としてこまで，代表的なレーザーについてのみ述べたが，固体も，高出力な半導体レーザー（LD; Laser diode）が重要な役

レーザー，ガスレーザー，色素レーザー，半導体レーザー，

割を担っている．LD の高効率・高出力化，長寿命化が進ん

自由電子レーザーなど，数えきれない種類のレーザー媒質だことから，フラッシュランプ励起に代わって LD 励起のでの発振器がこれまでに開発され，発振波長は遠赤外線か

Nd:YAG レーザーが普及しつつある．LD の出力も年々飛ら X 線に及んでいる．これまでに報告されているレーザー

躍的に向上しており，アレイ化やスタック化でキロワット

や市販レーザーの波長については文献［４］に詳しい．

を超えるものが上市されるようになった［１０］．

従来の固体レーザーは，ガラスや結晶を利得媒質とする

以上，簡単に纏めたが，レーザーの発明や開発の歴史にものが主であった．しかし，ガラスのように成形性が高く，ついては，文献［１１‐１４］により詳しく記載されている．特に大口径化が可能で，なおかつ単結晶のような優れた熱特文献［１１］は，開発年表を関連文献と併せて参照することが性・光特性を兼ね備えた透明セラミックス材料が近年注目できるため，レーザーの歴史に興味のある方にはそちらをを 集 め て い る．１
９９５年 に Ikesue が レ ー ザ ー 発 振 可 能 な

ご覧いただきたい．

YAG セラミックスを実証してから［５］，レーザー媒質用透プラズマ・核融合科学に関連した最近の動向としては，

明セラミックスの開発，および次世代の高出力セラミック

大型の固体レーザー施設が全世界で建設されており，高出レーザーの研究が盛り上がりを見せている［６］．レーザー

力化が急速に進んでいる．パルスエネルギーが高いもので材料については，次号掲載予定の本講座第２章「固体レーは，米国ローレンス・リバモア国立研究所の NIF やフラン

ザー材料」において，レーザーセラミックス開発に携わる

ス原子力委員会の LMJ に代表されるナノ秒のメガジュー

北見工業大学・古瀬裕章氏より解説する．

ル級レーザーが運用されている．また，ピーク出力が高い

一 方，固 体 レ ー ザ ー の 短 パ ル ス 化 の 歴 史 に 着目するものでは，大阪大学の LFEX やフランスの PETAL などのと，１９６１年に，ルビーレーザーを用いた ! スイッチ発振がピコ秒ペタワット級レーザーのほか，量子科学技術研究開考案され，パルス幅は 1 μs 以下に短縮した．この ! スイッ

発機構の J-KAREN などのフェムト秒ペタワット級レー

チング技術の登場によって，パルスエネルギーとピーク出ザーが開発されている．これらのレーザーは，レーザー核

力が飛躍的に向上し，ラマンレーザーの発振や高調波発生

融合，レーザー粒子加速，プラズマフォトニクス，超高圧など，非線形光学の広範な研究が展開されるようになっ

物性や実験室宇宙物理等の高エネルギー密度科学分野のほた．その後，モード同期レーザーが実証されてからは，パか，レーザー加工などの産業用途も含めた幅広い応用が期

ルス幅はサブピコ秒まで短縮された．さらに，フェムト秒

待されている．近年の世界におけるパワーレーザー開発のオーダーの超短パルスレーザーが広く用いられるようにな

実情や高エネルギー密度科学の動向，今後の展望についてり，光パラメトリック発振や高調波発生，和周波・差周波は，文献［１５］に詳細が記載されている．また，パワーレー発生などの非線形光学効果を利用した波長変換が容易にザーの高繰り返し化に取り組む大阪大学・北島将太朗氏がなった．特に，１９８２年に登場した Ti:sapphire レーザーは，著者となり，本講座第３章において，高出力固体レーザー

その広い利得帯域のために 10 fs 以下の超短パルス化が可技術の概要と最新動向について解説予定である．

能である．１９８５年に Mourou らが考案したチャープパルス

このように現代のレーザーは，遠赤外線から X 線までの増幅［７］とパルス圧縮技術の進歩によって，現在では，ミリ発振波長，単一光子からペタワットまでの出力，アト秒か

ジュール級のフェムト秒 Ti:sapphire レーザーが市販されら連続波までのパルス幅を網羅し，その多様性は計り知れるようになった．最近では，このような超短パルスレー

ない．レーザー技術の著しい進展に伴い，小型で高効率か

ザーによる高次高調波発生過程を用いたアト秒パルスの発つ信頼性の高いレーザー光源が産業・医療・科学などの分生が実現し，計測応用のための光源高性能化が進められて

野で実用に供されるようになった．レーザー光源への要求

いる［８］．さらに，モード同期レーザーの実証に伴って周は益々高度化・多様化しており，高出力化，短パルス化，
２９０Lecture Note

1. Fundamentals of Lasers

H. Uehara

高効率化，低価格化，新波長帯開発など，様々なニーズにス分布とは大きく異なり［１６］，# "の値は大き くな る．

応じた研究開発が今後も展開されていくであろう．

レーザービームの # "が１に近ければ，レンズを用いて回折限界に近いスポット径を得ることが可能であるが，# "１．
２ レーザーの動作原理

が大きくなるに従って集光特性が悪化する．そのため，

１．
２．
１ 反転分布の形成

レーザー加工などの高エネルギー密度を必要とする用途に
おいて # "は重要なパラメータである．図２では，平面ミ

ここでは，レーザーの動作原理について，なるべく簡単に説明する．レーザーがいかにして発振するかを理解する

ラー２枚を用いた最も単純な共振器構成を例に挙げたが，には，まず，反転分布について知っておく必要がある．い共振器長に応じて，損失が小さくより安定性の高い球面凹

ま，図１に示したようなエネルギー状態 !!，!"を有する系

面鏡等がしばしば用いられる［１７］．また，ファブリ・ペを考え，準位 !! をレーザー下準位，!"をレーザー上準位

ロー共振器を用いたレーザー以外に，光を一方向に周回さと呼ぶこととする．ここにエネルギー (#の光を入射する

せて閉じ込めるリング共振器レーザー［２］や，共振器構造と，（a）吸収と（c）誘導放出のどちらもが誘導されるが，吸を持たないランダムレーザー［１８］，ウィスパリング・ギャ

収によって光子数が減少し，誘導放出によって光子数は増ラリーモードを利用した微小共振器レーザー［１９］なども存加（増幅）する．つまり，レーザーの効果である光増幅を在する．

得るには，誘導放出が吸収を上回らなければならず，下準

１．
２．
３ レーザーの発振条件

位状態にある原子（分子）数 $!よりも上準位状態にある原

前述のように，共振条件にある光は反転分布媒質を往復

子数 $"のほうが多い必要がある．このように $""$! とするたびに誘導放出によって増幅されるが，弱い励起状態なっている状態のことを反転分布状態と呼び，この状態をでは共振器の損失が増幅による利得を上回り，光は減衰し形成することがレーザー動作の基本となる．通常の熱平衡てしまう．励起を強くするにしたがって利得が大きくな状態においては，ボルツマン分布に従って $"!$! となっり，損失を上回ったときにレーザーが発振する（発振しきているため，反転分布を形成するには，第３，第４の準位

い値）．利得係数 '，利得媒質の長さを )，利得媒質の誘導を介して光励起（主に固体レーザー）を行うか，放電励起

放 出 断 面 積 $#$ を 用 い る と，'$"!$!$で 表 さ)"$#$ #

（主にガスレーザー），電流注入（半導体レーザー）によるれ，媒質を一往復した際の利得は，""#&%#
'
)
"
$となる．

励起が必要となる［１］．

図２に示したように，共振器損失が反射率 &!，&"のミラー

１．
２．
２ レーザー発振器の概要によるもののみと仮定した場合，レーザーの発振条件は，

図２にレーザー発振器の概念図を示した．レーザーの主')&!&"#&%#"$"!となる．発振しきい値を超えると，レー

な構成要素は，①誘導放出を起こすためのレーザー媒質，

ザー出力は励起パワーに比例して増加し，励起に対する②レーザー媒質を反転分布状態にするための励起源，③光レーザー出力の増加率をスロープ効率という．レーザー出を閉じ込めて増幅するための光共振器，である．図の光共力を制限する要因や，レーザーの高効率化に求められる材

振器は，対面したミラー対で構成されたファブリ・ペロー

料パラメータの解説は，次章以降に譲る．

共振器であり，一方のミラーの反射率は十分に高く，もう１．
２．
４ Q スイッチング

一方のミラーは光の一部が透過する部分反射ミラーとなっレーザー動作には，一定の出力を連続して発振する連続ている．励起源からのエネルギーを吸収して反転分布状態

波（CW）発振動作と，パルス状の出力を一定の時間間隔でとなったレーザー媒質は，等方的に蛍光を発するが，その発振するパルス発振動作がある．一般的なパルスレーザー

うちの共振器ミラー間を往復して生き残る光のみが誘導放では，主に，% スイッチング，モード同期，ゲインスイッ

出によって増幅される．特に，図中に波線で電場分布を示

チング，キャビティダンピングなどの手法でパルス化されしたような共振条件を満たす光は，共振器内に効率的に閉ており，ここでは特に馴染みの深い % スイッチング，並び

じ込められるため，レーザー媒質を往復（増幅）する回数にモード同期法について解説する．図３は，それぞれ同じが多くなり，共振器内の光強度が高くなる．共振器で増幅

平均出力を有する連続波レーザーとパルスレーザーの出力された光の一部は，部分的に光を透過する出力ミラーからの時間変化を示した概念図である．上述の手法でパルス化

共振器外に取り出され，これがレーザー出力として取り扱すると，短い時間にエネルギーを集中させることができる

われる．このような働きから，出力ミラーは，出力結合鏡（アウトプットカップラー）とも呼ばれている．
共振条件を満たす光の波長は，その整数倍が共振器内の光路長（距離と屈折率の積）と等しく，一定の周波数間隔でレーザーが発振しており，このような発振モードの分布を縦モードという．これに対し，ビーム断面方向のモード分布のことを横モードと呼んでいる．ファブリ・ペロー型のレーザー共 振 器 で 生 じ る 基 本 横 モ ー ド（TEM00 モード）はガウスビームで，ビーム品質を示すパラメータである #"（エムスクエア）＝１である．これに対し，高次の横図２

モードが含まれた場合，レーザービームの強度分布はガウ
２９１

レーザー発振器の概念図．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

図３

連続波動作とパルス動作の出力の時間変化（双方で同じ平均出力を有する場合）．

図５

モード同期の概念図．

ため，連続波動作と比較してピーク出力が圧倒的に高くな期），モードの合成によってパルスが生成され，これをる．１つのパルスが持つエネルギー（出力の時間積分）のモード同期という．モード同期状態では共振器中で１つのことをパルスエネルギーと呼び，パルスエネルギー（単光パルスが存在しており，これが共振器を往復する度に部

位：J）＝平均出力（単位：W）／繰り返し周波数（単位：

分反射ミラーから出力される．共振器内の光の周回時間にHz）で計算できる．また，ピーク出力（単位：W）＝パルス

合わせて共振器損失や利得を変調し，全ての縦モードを同エネルギー／パルス幅（単位：s）である．

時に発振させることでモード同期が達成される．例えば，! スイッチングとは，レーザー共振器の光閉じ込め効率

光路長が 1.5 m（往復 3 m）のファブリ・ペロー共振器の場（! 値）を変調してレーザー出力を短パルス化する手法で合，モード同期パルスの繰り返し周波数は約 100 MHz となある（図４）．まず，レーザーが発振しないように共振器のり，これに合わせて音響光学変調器などで能動的に変調す

損失を大きくした状態で媒質を励起することでエネルギーる手法を強制モード同期という．それに対して，光強度がを反転分布として蓄積する．次に，共振器の損失を急激に高くなると受動的に共振器損失が小さくなる可飽和吸収機小さくすると，誘導放出が促進し蓄積エネルギーが一気に構を設けることで，周回時間に合わせて変調する手法を受

短時間でレーザー出力として放出される．この手法によっ

動モード同期という．

て，例えば，ナノ秒のパルス幅とミリジュール級のパルス

モード同期法における可飽和吸収機構には，共振器の周エネルギーを安定的に得ることが可能になる．共振器損失

回時間よりも速い回復が求められ，半導体可飽和吸収ミを高速で変調するための! スイッチ素子には，音響光学変ラー（SESAM）などの可飽和吸収体やカーレンズ効果，非調器や電気光学変調器，回転鏡などが用いられ，これらス

線形偏波回転などの非線形光学効果が用いられる．生成さイッチを能動的に駆動して ! スイッチ発振動作を得るこれたパルスのピーク付近のみで透過率が高くなるため，可とを能動 ! スイッチングと呼ぶ．それに対し，入射光強度

飽和吸収体を通過するたびにパルス幅は短縮する．しかが高くなると受動的に透明化する性質を持つ可飽和吸収体

し，共振器中に分散媒質（波長で屈折率が大きく変わる物

を，共振器中に入れて ! スイッチパルスを生成すること質）が有る場合，群速度分散によってパルス幅が伸びてしを，受動 ! スイッチングという．! スイッチレーザーでまい，位相同期も達成されない．そのため，負の分散特性

は，共振器長に比例してパルス幅が短くなるため，レーを持つ材料を挿入したり，チャープミラーやプリズム等でザー結晶と可飽和吸収体，共振器ミラーを一体化したコン

分散を補償するのが一般的である．

パクトな受動 ! スイッチ・マイクロチップレーザーが開モード同期パルスは，多数の縦モードを合成したものと発されており，1 ns を下回る短パルス化が達成されている述べたが，レーザー光に含まれる縦モードの数が多いほ［２０］．

ど，合成したパルスの時間幅は短くなる．また，光のスペ１．
２．
５ モード同期

クトル幅とパルス幅の間には不確定性の関係が成立し，ス! スイッチレーザーよりも更に短いピコ秒，フェムト秒

ペクトル幅が広いほど理論的に生成可能な最短パルス幅の時間幅のパルスを生成する手法として，モード同期法が（フーリエ限界パルス幅）は短くなる．例えば，中心波長

ある．１．
２．
２項でレーザーの縦モードについて説明したが，800 nm，スペクトル幅 200 nm の Ti:sapphire レーザーを仮

通常のレーザーでは，複数の縦モードがばらばらの位相関定した場合，フーリエ限界パルス幅は約 5 fs となる．一方，係で発振している．図５に示すように，共振器内の全ての中心波長 1064 nm，スペクトル幅 0.5 nm の Nd:YAG レー

縦モード同士の位相を揃えると（図の点線位置で位相が同ザーでは，フーリエ限界パルス幅は約 3 ps となるため，
フェムト秒パルスを得ることは不可能である．

１．
３ レーザーの分類と特徴
１．
３．
１ レーザーの分類
代表的なレーザーの種類とその発振波長を図６に纏めた．現代のレーザーは，遠赤外線から X 線までの発振波長，
単一光子からペタワットまでの出力，アト秒から連続波ま図４

Q スイッチ発振動作の概念図．

でのパルス幅を網羅しており，多様性に富んでいる．以下，
２９２

Lecture Note

1. Fundamentals of Lasers

図６

H. Uehara

図７

LD 及びランプ励起 Nd:YAG レーザーの概念図．

図８

Q スイッチ Nd:YAG レーザーの構成の一例．

代表的なレーザーの発振波長．

固体レーザーを中心に，ガスレーザー，半導体レーザーに大きく分類し，それぞれのカテゴリーにおいて特に代表的なレーザーについて，発振器構成を例示しつつ特徴を解説
する．
１．
３．
２ 固体レーザー
固体レーザーは，利得媒質に固体材料を用いた主に光励起のレーザーであり，透明な結晶やガラス母材に，発光中心となる希土類金属もしくは遷移金属イオンをドープしたものが一般的である．近赤外波長のものが最もメジャー
で，波長 1 μm 近傍で発振する Nd:YAG，Yb:YAG，Yb：ガラスファイバーレーザー や，波 長 800 nm の Ti:sapphire
レーザーがよく知られており，小型で大出力を得ることがロッドは，熱負荷を軽減するために循環水で冷却される．

できる．

高反射ミラー／出力ミラー間がレーザー共振器（発振器）

・Nd:YAG レーザーとなっている．電気光学効果を利用したポッケルスセルとイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y3Al5O12）に

1/4 波長板，ポラライザーを組み合わせることで高速な !

ネ オ ジ ム（Nd3＋）
を添 加 し た Nd:YAG 結 晶 を 媒 質としたスイッチとして機能する．スイッチング原理を理解するたレーザーで，励起波長は 808 nm，発振波長は 1064 nm であめ，ポッケルスセルが ON のとき，OFF のときの光の伝搬る．高出力固体レーザーとして最も普及しているレーザーと偏光方向を図の下部に載せた．発振器の! スイッチパル

で，CW 動作で kW 級出力のものや，ナノ秒 ! スイッチ動

スは，第二の Nd:YAG ロッドで増幅される．その後，温度作でジュール級のパルスエネルギーのものが製品化されて制御された非線形光学結晶で第２，第３高調波を発生している．非線形光学結晶を使った第２高調波：波長 532 nm，出力する．非線形結晶に は，KTP，KDP，DKDP，LBO

第３高調波：355 nm，第４高調波：266 nm の発生も可能

結晶などがよく用いられる．

であり，レーザー分光計測，プラズマ発生などの学術用途

著者の所属する核融合科学研究所においても，Nd:YAGのほか，レーザー加工などの産業用途にも幅広く用いられレーザーが随所に用いられている．図９は，同研究所の安ている．Nd:YAG の第２高調波レーザーは，後述する Ti:

原亮氏がウィスコンシン大学と共同開発した，プラズマ計

sapphire レーザーの励起光源としても知られている．
Nd:YAG レーザーの励起光源は，これまでは，安価で高出力なキセノンフラッシュランプがメジャーであったが，寿命が短く，スペクトルが広帯域なため吸収効率が低いという欠点を持つ．そのため，近年では，より長寿命かつ吸収波長で選択的に励起可能な LD が励起光源に選ばれつつある．図７は，単純な構成の LD 励起，及びフラッシュラン
プ励起 Nd:YAG レーザーの概念図である．主に，レーザー
ビームと同軸方向に励起する端面励起方式と，ロッドの側面から励起光を入射する側面励起方式に分けられる．
高出力!スイッチNd:YAGパルスレーザーの構成の一例

図９を図８に示す．励起光源のフラッシュランプ，及び YAG
２９３

核融合科学研究所・安原氏の開発した高繰り返しで高出力
な Nd:YAG レーザーの外観．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

測用の高繰り返し Nd:YAG レーザーの外観である．20 kHz
もの繰り返し周波数で，1 Jを超えるパルスエネルギーでの出力を実現した．大型ヘリカル装置（LHD）におけるトム
ソン散乱計測は，従来 30 Hz の繰り返し周波数で行われていたが，このレーザーを導入することで，50 μs の時間分解でのプラズマ温度，密度計測が新たに可能になった［２１］．
・Ti:sapphire レーザー
（Ti3＋）
熱伝導に優れたサファイア（Al2O3）結晶にチタンをドープした Ti:sapphire結晶は，広い吸収・発光スペクト
図１
１ 再生増幅 Ti:sapphire レーザーの構成．

ルを有する．波長514 nmのアルゴンイオン（Ar＋）レーザーや 532 nm の Nd:YAG レーザー等で励起し，中心波長は800 nm のものが一般的だが，波長 660〜1180 nm に亘って用されるのが一般的である．再生増幅器とは，増幅媒質を連続的に発振が可能である．利得帯域が極めて広いため，配置した共振器内で種光パルスを多数回往復させて，十分超短パルス化に適しており（１．
２．
５項参照），フェムト秒時

なエネルギーまで増幅したのち，共振器外に取り出す手法

間分解分光，非線形光学，白色光発生，テラヘルツ波発生である．図中のミラー１と２が共振器のエンドミラーで，などの研究に用いられる．また，高いピーク出力に達する

図８の ! スイッチ機構と同様にして，ポッケルスセル，

ことから，プラズマ発生やアブレーション加工にも実用化

1/4 波長板，ポラライザーの組み合わせが高速スイッチとされている．固体レーザー特有の耐久性を有しながら，波して機能する．励起光源には，! スイッチ Nd:YAG レー長可変性にも優れており，近年は色素レーザーに代わる存ザーなどが一般的に用いられる．この再生増幅器の前にパ

在とな っ て い る．ま た，最 近，光 励 起 半 導 体 レ ー ザ ー

ルス幅を ns 程度まで引き延ばすストレッチャーを設け，長（OPSL）を励起源とした Ti:sapphire 発振器も登場している．

いパルス幅（低いピーク強度）のまま mJ まで増幅した後，

図１０は，カーレンズモード同期 Ti:sapphireレーザー発振

再びパルス幅をフェムト秒に圧縮することで，媒質の破壊器の一例である．モード同期の原理は１．
２．
５項で述べた通限界を超えた増幅が可能になる（チャープパルス増幅法［７］）．

りである．ここでは，可飽和吸収機構として非線形光学効・ファイバーレーザー

果のひとつであるカーレンズ効果を採用している．凹面鏡

一般的に「ファイバーレーザー」というと，イッテルビ

対を用いた Z 型（もしくは X 型）配置にすることで，結晶

ウム（Yb3＋）添加石英ガラス光ファイバーを媒質とした高におけるモード径を小さくすることができる．これによ出 力 レ ー ザ ー の こ と を 指 す．励 起 波 長 は 900〜980 nm

り，非線形性の高い Ti:sapphire 媒質内でカー効果が発現

で，波長 1030〜1100 nm において発振可能である．励起用

し，光強度が高いタイミングで屈折率が増加して光が収束

LD の高出力化に伴って，ファイバーレーザーの出力も飛する．このカーレンズ効果発現時のみ光が透過するよう躍的に向上しており，連続波 10 kW を超えるものが製品化に，共振器中にスリットを配置することで，モード同期がされている．ファイバーレーザーはビーム品質に優れるた達成される．カー効果が誘起されると，局所的な屈折率増め，YAGレーザーやCO2 レーザーに代わる主要な産業加工

加（位相速度低下）に伴ってパルス後方に位相が引き寄せ用光源になりつつある．

られる（チャープする）自己位相変調が生じる．ここに，前Yb ファイバーレーザー発振器の基本構成を図１２に示し述した群速度分散の影響が加わると，パルス幅が著しく伸た．数 100 W 出力の LD 複数台からの励起光を励起コンバ

びるため，プリズム対による補償を試みている．屈折率がイナー（もしくは WDM カップラー）で結合し，高出力励

低い（速度が速い）ほど，第二のプリズム内をより長く通起する．Yb 添加した利得ファイバーの両端には，ファイ

過するように配置することで，短いパルスを保つことがで

バー・ブラッグ・グレーティング（FBG）と呼ばれるレー

き る．Ti:sapphire 結 晶 は，反 射 損 失 を 無 く す た め，ブザー波長 1070 nm のみを反射するミラーがファイバー内にリュースター角にカットされており，ブリュースター入射加工されており，これが共振器ミラーの役割を果たす．

で生じた収差は Z 型配置による収差で相殺できる．

ファイバーレーザーは，小型・軽量化が容易で，バルク結

モード同期 Ti:sapphire レーザー発振器で生成した繰り晶と比較して比表面積が大きく放熱性に優れるため，熱負返し数 10〜100 MHz のフェムト秒パルスは，図１１のような荷が低く，キロワット級の連続波出力をメンテナンスフ

再生増幅器で増幅し，kHz オーダーの繰り返し周波数で使リーで得ることができる．一方で，コア断面積の制限により光強度が比較的高くなるため，非線形光学効果が発現し

図１０ カーレンズモード同期 Ti:sapphire レーザーの構成．

図１
２ Yb ファイバーレーザーの基本構成．

２９４

Lecture Note

1. Fundamentals of Lasers

H. Uehara

やすく，高パルスエネルギー動作には不向きである．しか大出力は得にくいが，放電手法やガス圧などを最適化する

し，非線形効果を利用したモード同期が容易であることかことで高出力化も可能である．励起状態のガス分子は無輻ら，Er や Yb を活性元素とした nJ 程度のパルスエネルギー

射緩和が遅いため，ガスレーザーのスペクトル線幅は一般のフェムト秒ファイバーレーザーが数多く研究されている．

的な固体レーザーよりもはるかに狭くなり，可干渉性に優今日の光ファイバー通信では，1.5 μm 波長帯の光信号がれているのが特徴である．固体レーザーでは発振の難しい使われるが，伝送損失を補償するための増幅機構にエルビ

紫外〜可視や，赤外波長域のレーザーが揃っている．

ウムファイバー増幅器（EDFA）が利用されている．これ

・He-Ne レーザーも図１２の構成を基本としており，共振器 FBG を持たず，

出力こそ10 mW未満と低いが，様々な場面において馴染

LD 励起した Er 添加ファイバーの一端から 1.5 μm 信号光をみの深いレーザーである．He と Ne の混合ガスを媒質とし結合し，増幅した信号をもう一端から取り出すものである．

ており，放電励起された He 原子が Ne 原子と衝突すること・中赤外固体レーザー

で，励起状態となった Ne 原子が発光中心となる．最もメ

波長 2 μm を超える中赤外レーザーの開拓，高出力化がジャーな発振波長は 632.8 nm で，波長安定性が高く，コ

激化している．2 μm 帯では，ツリウム（Tm3＋）やホルミ

ヒーレンスに優れているため，干渉計測，レーザー測長，

3＋ウム（Ho ）を発光中心とした固体レーザーやファイバー

レーザー顕微鏡，ホログラフィー再生光源など幅広い用途

レーザーが普及し始めており，kW に迫るものも報告されで用いられている．小型・軽量でビーム拡がりが小さく，ている［２２］．3 μm 帯では，波長 2940 nm の Er:YAG レー

視認性にも優れるため，固体レーザー開発におけるアライ

ザーが医療分野に導入されているほか，30 W 連続波出力

メント用マーカーとして重宝される．

の Er フッ化物ファイバーレーザー［２３］や 10 W に迫る Er

・Ar＋レーザー系固体レーザー［２４］が著者らによって開発された．波長放電によってイオン化したアルゴンを媒質としており，

3〜5 μm は，分子の赤外吸収線が多数存在する「指紋領域」

10 W を超える高出力発振が可能である．代表的な発振波に当たり，大気中での減衰も小さいため，センシング用光

長は，514.5 nm と 488.0 nm で，干渉計測のほか，ラマン分源の発展が予想される波長領域である．

光用途や Ti:sapphire レーザーの励起光源として用いられ

2＋

2＋クロム（Cr ）や鉄（Fe ）などの遷移金属を添加した

る．大電力と冷却機構を要するため，比較的大型で高価でカルコゲン化物固体レーザーは，中赤外域に広帯域な利得ある．同じく希ガスレーザーであるクリプトン（Kr＋）レーを 有 し，高 出 力 化 や 短 パ ル ス 化 の 研 究 が 盛 ん で あ る．

ザーも同様の原理で発振し，赤色の高出力コヒーレント光

Cr:ZnS/ZnSe レーザーは波長 2〜3 μm，Fe:ZnS/ZnSe レーを得ることができる．

ザーは波長 4〜5 μm で高出力発振可能で［２５］，レーザー・エキシマレーザー
励起状態の原子と基底状態の原子が結合した励起二量体

加工，リモートセンシング，高次高調波発生などの用途に有望である．

（excimer）を媒質とするレーザーで，高圧の希ガスとハロ・可視光固体レーザー

ゲンの混合気体を放電励起することで発振する．代表的な近赤外波長が話題の中心であった固体レーザーだが，よものでは，ArF，KrCl，KrF，XeCl，XeF レーザーが挙げり長波長側の中赤外域への開拓が進むと同様に，より短波られ，図６に示すように，波長150 nm〜350 nmの深紫外領

長側の可視域で直接発振する固体レーザーの研究も近年盛域においてサブジュール級の高出力パルスを発振する．

3＋ん に な っ て い る．プ ラ セ オ ジ ム（Pr ），テ ル ビ ウ ム

フォトリソグラフィーを用いた半導体微細加工プロセスに（Tb3＋），ジスプロシウム（Dy3＋）などの希土類を活性元素おける露光光源として用いられており，社会的重要性の高に用いたフッ化物結晶は，青〜赤に亘る可視域で発振可能

いレーザーといえる．その他，パルスレーザー堆積法の光である．特に，青色 LD 励起の Pr:YLF レーザーは，青（波源や，レーシック手術にも利用される．

長約 490 nm），緑（520 nm），橙（600 nm），赤（640 nm，・炭酸ガスレーザー

720 nm）に代表される複数波長において高効率で発振する

炭酸ガス（CO2）分子が発光中心であり，炭酸ガスにヘ［２６］．従来，可視光固体レーザーは，主に YAG レーザーのリウム，窒素を混合して封入したガス管を放電励起し，遠高調波発生によって得られていたが，直接発振レーザーで赤外領域で発振する．主要な発振波長は 10.6 μm であるが，は非線形波長変換を必要としないため，より高効率かつ高9.6 μm の発振線もよく知られている．連続波及びパルス動

出力な可視レーザーの候補である．また，１段の波長変換作で高出力発振が可能で，ガス圧や流量，媒質長さの最適（SHG）のみで紫外線レーザーが得られるため［２７］，YAG

化で，kW 級もの出力に達する．可視・近赤外レーザーとの第３，第４高調波レーザーに代わる光源となるだろう．

比較して材料吸収の大きな波長であるため，加工優位性が

また，非常に小型かつロバストなシステムで狭線幅な紫外高い．そのため，様々な材料を対象とした加工用光源としレーザー出力が得られるため，色素レーザーに代わる励起て産業応用されている．

光源として，レーザー誘起蛍光（LIF）法などプラズマ診断

著者の所属する核融合科学研究所では，炭酸ガスレーへの適用が将来期待される［２８］．

ザーを光源に用いたレーザー干渉法によるプラズマ密度計

１．
３．
３ ガスレーザー

測が為されている．同じく，同研究所で干渉計測用光源とガスレーザーは，利得媒質にガス分子（原子）を用いたして採用されている遠赤外アルコールレーザー（詳細は後

主に放電励起のレーザーである．分子の密度が低いため，

述）においても，炭酸ガスレーザーが励起源に用いられる．
２９５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

・遠赤外線レーザー
ここで，核融合科学研究所において電子分布密度計測用レーザー干渉計に用いられている 遠 赤 外 メ タ ノール［２９］．装置の概略を（CH3OH）レーザーについて紹介する
図１３に示した．この遠赤外レーザーの発振波長は 119 μmで，周波数は 2.5 THz であり，テラヘルツレーザーともいえる．干渉計利用のために双子型のレーザー構成となっており［２８］，それぞれの出力は約 100 mW である．CH3OH
レーザーは，光での励起が一般的で，励起光源には出力約
図１４ ダブルヘテロ構造半導体レーザーの概略図．

100 W の連続波 CO2 レーザーを使っている．この CO2 レー
ザーは，共振器の光軸方向に放電を起こす縦放電方式を採用しており，安定的な連続波発振動作が可能である．更に子帯へと効率的に注入される．活性層に生成された電子‐

大きな出力が要る場合は，より高いガス圧で，光軸に垂直正孔対が再結合することで，活性層からの発光が生じる

方向に放電する横放電方式が取られることが多い．なお，が，これを誘導放出で増幅する点は，固体レーザーと同じ

CO2 管，CH３OH管のいずれも循環水による冷却がなされてである．図１４のような半導体結晶のへき開面を共振器ミいる．CO2 レーザー共振器の回折格子ミラーを調整するこラーとした LD が一般的であるが，基板に対して垂直に出

６）発振線にチューニンとで，CH3OH の吸収が大きい 9P（３

力される面発光レーザーも存在する．

グする．さらに，出力ミラーをピエゾステージ（図中①）で一般的な固体・ガスレーザーと比較して，LD は，発振ス

光軸方向に移動させ，共振器長を制御することで，CO2

ペクトル幅が広く，ビーム品質が悪いものが多い．しかし，レーザーの縦モード周波数（発振波長）を CH3OH 吸収線と分布帰還型（DFB）の縦単一モード LD や，光励起半導体

一致させる．CH3OH レーザー共振器の入力ミラーには，励レーザー（OPSL）などのビーム品質に優れた単一横モー起光結合のための空孔が開いているが，戻り光防止のため

ドの LD も存在しており，用途や価格に応じた光源選択がにミラー中心からわずかに位置が外れている．出力ミラー可能である．

には，シリコン基板上にドーナツ状の金がコーティングさ

半導体の構成元素の組み合わせや比率を変えることで，れたものを用いており，ミラー中心部で出力結合してい発振波長を自由に選択できるのも LD の特徴である．出力る．双子型のいずれの出力ミラーも自動ステージ（図中②，を問わなければ，紫外から中赤外に亘る全域で市販の LD③）に接続されており，独立した共振器長調整が可能であが揃っている．さらに，量子カスケードレーザーなどの特る．まず，プローブレーザーの出力をフィードバックし，

殊形態のレーザーも含めると，遠赤外領域までを連続的に

プローブ共振器長を制御して，レーザー出力を安定化す網羅できる．紫外〜近赤外の低出力LDは，固体レーザーとる．それと同時に，プローブ／ローカル光のヘテロダイン

比較して小型かつ安価なため，ブルーレイなどの光学ドラ信号を取得し，ビート周波数のフィードバックによって

イブ，光ファイバー通信，レーザープリンターなど身近な

ローカル側共振器長を制御し，周波数を安定化している．

装置に多数実装されている．Nd:YAG，Yb:YAG，Yb ファ

１．
３．
４ 半導体レーザー

イバー，Er ファイバーレーザーに代表される LD 励起固体

半導体レーザー（LD）は，固体の半導体結晶を媒質としレーザーには，波長 810 nm，910 nm，980 nm，1480 nmているが，励起手法やエネルギー構造が通常の固体・ガスの LD が主に使われており，アレイ化やスタック化技術にレーザーと大きく異なるため，分けて考えられる．図１４によってキロワットを超えるものが入手できるようになっ

典型的なダブルヘテロ構造の LD の構成図を示す．p 型ク

た．このLD高出力化に伴って，固体レーザー出力も飛躍的

ラッド層／活性層／n 型クラッド層の組み合わせは，例えに向上しており，LD 技術の発展がレーザー分野全域に与ば，AlGaAs/GaAs/AlGaAs などがある．ここに電流を流える影響は計り知れない．

すと，n 型クラッド層の伝導帯の電子が，同時に p 型クラッド層の価電子帯の正孔が，それぞれ活性層の伝導帯と価電

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図１
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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

うえ

はら

ひ

より

自然科学研究機構 核融合科学研究所 ヘリ
カル研究部 高温プラズマ物理研究系 助
教．２
０１
２年，東京工業大学大学院理工学研
究 科・博 士 後 期 課 程 修 了（博 士（工
学）
）
．２
０
１
２年〜北海道大学電子科学研究所，２
０
１
６年〜大阪大学レーザー科学研究所を経て，２
０
１
９年４月より現職．主に中赤外波長の高出力固体レーザー，ファイバーレーザーの開発を行っています．開発した光源を利用したレーザー加工やセンシングなどの応用研究や，半導体微細加工技術を駆使した
新規光学デバイス開発にも興味が有ります．共同研究大歓迎です．

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

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

上 原 日 和H. Uehara!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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