Yb 添加 CaF2 セラミックを用いたモード同期レーザーの開発
白川晃研究室 松岡智明
1. 序論

晶系であり、 9.7 W/m・K [2]と高い熱伝導率をレーザー共振器内の縦モードの間隔と位相関示す。これに準 2 準位の原子種である Yb3+ を係を揃えることをモード同期という。これによっ添加した Yb:CaF2 は、高い熱伝導率に加え高いて得られる超短パルスレーザーは、高いピークパ量子効率、さらには約 70 nm と広い蛍光スペクワーと短いパルス幅を有しており、その性質を活トルも兼ね備えた利得媒質である。固体媒質のかした応用は多岐にわたる。特に固体レーザーに構造にはガラス、単結晶、セラミックがある

おいては難加工材料の加工や非熱加工、微細加工が、中でもセラミックは単結晶と比較して遜色などの加工技術に有用である。ゆえに更なる短パのない光学特性や熱特性に加え、単結晶より優ルス化、高出力化を目指す研究は現在も盛んに行れた機械特性を有し、作製自由度も高い。まわれている。中でも、高出力、高効率なレーザー

た、ガラスと比較しても熱伝導率が優れてい発振を可能とする Yb 添加固体利得媒質を用いる。ゆえに、既存のガラス及び単結晶の媒質にた研究に注目が集まっている。本研究では、この変わる新しい固体利得媒質として研究が盛んに母材の構造として特にセラミックに注目して研行われている。Yb:CaF2 をセラミック化する際究を行った。当研究室では 2021 年に La,Yb:CaF2に注意しなければいけないのは、発振に寄与しセラミック媒質 2 枚を兼ね合わせることによっない Yb2+ の生成を抑止することである。そこて世界初の Kerr レンズモード同期 (KLM) を達で本研究で用いたセラミック媒質は、微量の成し、発振スペクトル幅 14.74 nm、パルス幅 82La3+ を共添加することで Yb2+ の生成を抑止しfs、平均出力は 8.9 W 励起で 132 mW を報告している。La,Yb:CaF2 セラミックの蛍光スペクトている[1]。しかし媒質 2 枚では境界面の光散乱

ルを図 1 に示す。

損失があるため、媒質 1 枚で達成することで更なる高出力化が見込まれた。
本研究で用いた媒質は共同研究先である株式会社ニコンより提供された 3%La2%Yb 共添加、試料厚 5.3 mm の CaF2 セラミックで、光吸収損失を生じるフォトダークニング効果の抑制がなされた材料である。この媒質を用い、ブロードス
トライプ LD 直接励起にて、 CW レーザー発振および SESAM モード同期を実現した。
2. 原理
2.1

La,Yb:CaF2 セラミックの特徴

図 1

フッ化カルシウム（CaF2）の固体結晶は立方La,Yb:CaF2 セラミックの蛍光スペクトル [3]1

La を共添加したセラミック媒質の蛍光スペクである。受動モード同期では自発的に変調を生じトルは添加濃度によってブロードに変化する

るため、応答速度が速く、超短パルスを生成できが、単結晶と比較しても遜色ない広いスペクトる。

ル幅を有している。
2.3 SESAM モード同期
2.2 モード同期

受動モード同期の非線形光学材料として最もレーザー発振は、そのレーザー光強度の時間波

一般的に用いられているのは可飽和吸収体であ形によって CW (Continuous Wave) 発振とパルる。可飽和吸収体は入射光の強度に応じてそのス発振に大別される。パルス発振において、パル

吸収特性が変化する材料で、低強度の光は大きス幅 ∆τ と周波数スペクトルの広がり ∆ν とく吸収され、高強度の光は吸収が少ない。半導の関係は、パルスの形状によって異なる定数 Λ体材料からなる可飽和吸収体と鏡を一体としたを用いて（1）式で表される。

ものが SESAM である[4]。 SESAM の概念図

∆𝜏・∆𝜈 ≥ 𝛬を図 3 に示す。

(1)

このように、より狭い幅のパルス光を得るためには、より広い光の周波数スペクトルが必要である。
パルス生成には縦モード間の位相関係も関わっており、それによってパルスの形状が変化する。

図 3 SESAM 概念図

フーリエ限界（時間帯域幅積が最小になる状態）に近いパルスを得るためには、縦モード間の間隔低強度の光（CW 光またはパルス光の低強度と位相関係を揃える必要がある。この手法をモー部分）には可飽和吸収体層が吸収を起こすためド同期といい、図 2 のように光の重ね合わせの原損失として作用する。一方で高強度の光（パル理を利用している。

ス光）は可飽和吸収体の吸収を飽和させるので、あまり吸収されずミラー層にまで到達する。これにより、光強度に応じて異なる反射率が与えられるので、モード同期を実現できる。
SESAM モード同期には自己始動が可能という利点がある。一方でダメージに弱く、意図しないQ スイッチモード同期（共振器内の損失を制御して実現するモード同期）が生じる可能性がある。 SESAM を用いたフェムト秒パルスレーザーにおいて、 Q スイッチモード同期を避け、安定的な CW モード同期を得るための近似した条

図 2 モード同期の概念

件式は、
𝑃2 > 𝐹𝑠𝑎𝑡.𝐿 ∙ 𝐴𝑒𝑓𝑓.𝐿 ∙ 𝐹𝑠𝑎𝑡.𝐴 ∙ 𝐴𝑒𝑓𝑓.𝐴 ∙モード同期を実現する手法は、能動モード同期∆𝑅𝜏𝑅 2(2)と受動モード同期に大別される。本研究で用いたである[5]。 P は共振器内平均レーザーパワ

受動モード同期は共振器内部で非線形光学効果

ー、 𝐹𝑠𝑎𝑡.𝐿 は媒質の飽和フルエンス、 𝐴𝑒𝑓𝑓.𝐿 はを起こし、素子が受動的にモード同期を行う手法

媒質中の有効レーザーモード面積、 𝐹𝑠𝑎𝑡.𝐴 は2

SESAM の飽和フルエンス、 𝐴𝑒𝑓𝑓.𝐴 は SESAM
表面の有効レーザーモード面積、 ∆𝑅 はSESAM の変調深さ、 𝜏𝑅 は共振器を光が往復する時間である。
（2）式から、 Q スイッチモード同期を避けるためには、（1）SESAM および媒質は飽和フルエンスの小さいものを使う（2）SESAM は変調深さの小さいものを使う（3）SESAM 表面および媒質中のビーム径は小図 4 KLM 概念図さくなるよう設計する（4）共振器長は長く設計する

3. 実験（5）レーザーパワーを上げる3.1 CW 発振実験

ことが有効である。

3%La,2%Yb: CaF2 セラミックをブリュースター角で配置し、白色光を透過させることで吸収2.4 カーレンズモード同期スペクトル測定した。その結果を図 5 に示す。

非 線 形 媒 質 の 屈 折 率 𝑛(𝑥, 𝑦) は 透 過 光 強 度𝐼(𝑥, 𝑦) を用いて𝑛(𝑥, 𝑦) = 𝑛0 + 𝑛2 𝐼(𝑥, 𝑦)(3)と表せる。𝑛0 、 𝑛2 はそれぞれ線形屈折率、非線形屈折率である。(3) 式のように透過光の強度によって屈折率を変化させる現象はカー効果と呼ばれる。高強度のガウシアンビーム光が媒質に入射すると、カー効果によって媒質の屈折率はレンズ状の分布となる（カーレンズ効果）。これ

図 5

吸収スペクトルによって、高強度の光ほど中心部に集まり、低強度の光ほど周辺部へ分布させられる。この状

吸収の中心波長 975.08 nm にて、最大吸収係態を利用し、強度によって異なる利得・損失変数は 3.79 cm-1 であった。同媒質を用いて CW調を持たせモード同期を起こす手法が KLM でレーザー発振における入出力特性を測定した。

ある。KLM は SESAM モード同期と比べ応答

図 6 に実験系を示す。

が速く、更なる短パルス化が可能である。 KLMには、低強度であるビーム周辺部に損失変調を持たせるハードアパーチャー KLM と、高強度であるビーム中心部に利得変調を持たせるソフ
トアパーチャー KLM がある。本研究では励起光のビーム形状制御による利得変調が困難であったことを踏まえ、ハードアパーチャー KLMを採用した。図 4 にハードアパーチャー KLMの概念図を示す。
図 63

CW 発振実験系

共振器は曲率半径 R = 100 mm のダイクロイックミラー(M1 ,M2)と平板の高反射鏡 (M3)、透過率を有し出射口としての役割を持つ出力結合鏡 (OC)からなる。M1、 M2 は収差補償角8.7 °をつけて配置した。励起光を 3 枚のレンズを用いてビーム整形およびコリメートした
後、焦点距離 f = 70 mm の凸面レンズによって媒質中へ集光した。利得媒質として共振器中心に La 3%、 Yb 2% を共添加した厚さ 5.3 mmの La,Yb:CaF2 セラミックをブリュースター角

図 8CW 発振入出力特性(55°)で配置した。結晶は銅製のホルダーに挟み込み、 18 ℃ の流水によって冷却した。

特に透過率 3％ では入力を増大させるほど傾

本研究で使用した励起光源はブロードストラきが大きくなっている様子が顕著にみられ、こイプ LD である。 Lumics 製の LU09xxU120

れは LD の出力を上げるほど励起光スペクトルで、公称出力は 12 W、公称中心波長は 975 nmが長波長側へ推移し吸収効率が良くなったためである。この励起光の集光地点でビームプロフであると考えられる。

ァイルを取得したところ、ビーム半径は 25.74× 44.05 μm2 であった。図 7 に LD 発振ス

3.2 SESAM モード同期発振実験

ペクトルの測定結果を示す。

SESAM モード同期発振の実験系を図 9 に示す。

図 9SESAM モード同期発振実験系

図 7 励起用 LD 発振スペクトル使用した SESAM は波長 1040 nm のレーザー
LD の発振スペクトルは 960 ～ 975 nm の間光に対し吸収 0.7％ 、変調深さ 0.4％ 、飽和フで推移していた。この LD を用いた La,Yb:CaF2

ルエンス 120 μJ/cm2 、緩和時間 500 fs であセラミック CW 発振の入出力特性を図 8 に示る。分散を補償するためにプリズム対を挿入す。OC 透過率 1％ のとき、スロープ効率はし、挿入量を微小に変化させることで分散量を5.68％ 、最大出力 445 mW であった。また、調整した。この共振器について光学系各要素の透過率 3％ では、スロープ効率 12.65％ 、最光線行列を掛け合わせ、自己無撞着法によって大出力 1.06 W であった。
4レーザー光ビーム半径を計算しプロットするこ

このとき OC の透過率を大きくするほど長波とで、図 10 を得た。

長側で発振しなくなったのは、ＯＣ 透過率が高いほど共振器の損失が増大し、より多くの利得が必要になるためである。図 12 に La,Yb:CaF2セラミックの小信号利得の例を示す。

図 10

ビーム半径の位置依存媒質集光点でのビーム半径は 25 μm と算出された。励起光の短軸半径 25.74 μm とほぼ一致しており、カップリングは良好であると考えられた。共振器一周あたり約 -3000 fs2 の GDD

図 12La,Yb:CaF2 セラミック小信号利得の例を与えたとき、透過率 0.3％ 、 1％ 、 3％ そ（2％La,2％Yb）[1]

れぞれの OC を用いた共振器で、横モードが多モード化したモード同期が確認された。このとLa,Yb:CaF2 セラミックは短波長側の方が励起きの測定結果を表 1 に、発振スペクトルを図パワーを増加させたときの利得の増加率が大き11 に示す。

い。そのため、OC 透過率を大きくするほど長波長側の発振は損失によって抑制され、損失を上

表 1SESAM モード同期特性
平均出力スペクトル幅/mW/nm

0.3 %288.41%736.43%4595.1OC 透過率回る利得が得られる短波長側でのみ発振が生じたと考えられる。
また、このときのパルストレインは図 13 のように振幅がうなりを伴う形状となった。

図 13

OC 0.3 ％パルストレイン

最も出力の高かった 3％OC について、CW
図 11発振で単一横モードを維持しながら共振器を微発振スペクトル調整し、モード同期をかけたところ、図 14 の5ように振幅が一定なパルストレインが確認できた。

図 14

振幅一定なパルストレイン
図 16

KLM 発振実験系

図 14 右の時間スケール 10 ns/div パルスト
レインより、パルス間隔は約 7.8 ns であり、繰M3 側で集光、OC 側でコリメート光となる安り返し周波数は約 128 MHz であった。この結定領域の端でモード同期を探したが、モード同果から、共振器往復長である約 2352 mm に相期らしい挙動は確認できなかった。KLM 達成の当するパルス間隔でパルスが生成されているこためにはカーレンズ効果をより大きくすることとが確認できた。このとき、最大平均出力は 10と、出力効率の向上を目指した共振器設計の最W 励起で 224 ｍW であった。発振スペクトル適化が課題である。

を図 15 に示す。
4 まとめ
本研究では、高い熱伝導率と広い蛍光スペクトルを併せ持つ Yb:CaF2 に La を共添加してセラミック化した La,Yb:CaF2 セラミックの、特にフォトダークニングが起こりにくい材料を用いて、CW レーザー発振、 および SESAM モード同期発振を達成し、その特性を評価した。今後は同媒質を用い、共振器設計の最適化によって KLM の達成を目指したい。
図 15

単一横モードでの発振スペクトル
参考文献

図 15 はプリズム挿入量を調整することでス[1] 中村聡, 電気通信大学大学院, 令和 3 年度

ペクトル幅を広げ、最大となるところで取得し修士論文.
[2] F.Druon, et. al., Opt. Mater. Express 1, 489たものである。このときスペクトル幅は半値全幅で 3.9 nm であった。

(2011).
[3] 北島将太朗, 電気通信大学大学院, 平成 27

3.3 KLM 発振実験

年度 修士論文.

KLM 発振の実験系を図 16 に示す。ハードア[4]

U. Keller, et. al., Opt. Lett. 17, 505 (1992).

パーチャーはアイリスを使用し、穴の直径 1 ～[5]

C. Hönninger, et. al., J. Opt. Soc. Am. B

2 mm 程度で調節しながら実験した。

16, 46 (1999).

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