青色 LD 励起 Pr:YLF レーザーの開発
戸倉川研究室 山岡徹郎
１．はじめに本研究室では生きたままラベルフリーで生体組織の分布観測が可能な広視野フォトサーマ
ル顕微鏡の開発を進めている。可視光を用いて筋組織のミトコンドリアの観測に取り組んでおり、緑色のパルスレーザーをパンプ光、赤色のパルスレーザーをプローブ光とし、試料に励起光を照射し熱による屈折率の変化が発生している時としていない時の位相分布の差分を

図1

Pr:YLF のエネルギー準位図取りファトサーマル信号を取得することで観Pr: YLFは 1977 年に室温で固体レーザーとして測を行っている。マウスの下肢筋のフォトサー

最短波⾧の 479 nm での発振が報告され[3]、そマル分布を取得しており分解能 0.04 nm にて生の後光学遷移に応じて青(480 nm)、緑(523 nm)、体試料を観測している[1]。しかし現在市販の可黄(607 nm)、オレンジ(610 nm)、赤(640 nm)でレ

視域半導体ナノ秒パルスレーザーを用いておーザー発振が報告されている。特に P から Fり照射フルエンスが 0.332 nJ/µm と低い。その遷移により得られる 640 nm 付近での LD 励起ため励起光が照射されているときとされていによる発振は 20004 年に最大出力 1.5 mW で報ない時の位相分布のペアを１万回撮影し、それ告され[4]、その後青色 LD を 4 台用いて最大吸らを平均化をする事で位相画像を得ており撮収励起パワー15.0 W にて 6.7 W の出力が報告さ

影に 16 分要していることが欠点である。このれており高出力化が進んでいる。[5]

撮影時間の短縮のためにより高輝度な可視域

Pr:YLF は 1 軸性の複屈折媒質であり、c 軸にでのレーザーが求められることから本研究で平行な π 偏光と垂直な σ 偏光それぞれによっては小型で高出力な青色 LD 励起での~µJ 以上の吸収のピーク波⾧が異なる。
Pr イオンを 0.5 at.%

Pr:YLF 可視域レーザー開発を目指した。

ドープした結晶⾧ 10 mm の時 π 偏光では 444nm で 90%以上の強い吸収が見られ、σ 偏光では2．原理

441 nm に強い吸収の観測がされている[2]。 図

2.1 Pr;YLF 利得媒質
本研究研究ではランタノイド系希土類イオンであるPrを用いている。Pr

添加媒質にて2 に、報告されている Pr:YLF 結晶の吸収スペクトルと偏光依存発光スペクトルを示す。

常温で高効率な CW 動作が行われているのはフッ化物系の材料だけであり[2]、これはフッ化物系材料のフォノンエネルギーが低くレーザー上準位寿命が⾧くなるためである。Pr:YLF のエネルギー準位を図 1 に示す。

図 2 (a) Pr:YLF 結晶吸収スペクトル（⾧さ 10 mm, ドープ濃度 0.5 at.%）[2](b) Pr:YLF 結晶の偏光依存発光スペクトル[6]2.2 共振器設計

𝑅=共振器内に安定なモードが存在するか検討するために光の伝搬を表す光線行列と自己無撞着法を用いて共振器設計を行った。

𝑤=

自己無撞着法とは、光電磁界が共振器内を 1 周巡回した時に元の分布に回帰しているという条件を課して共振器内の電場分布を求める方法である[7]。 共振器内の任意の位置の定常複素ビームプパラメータを𝑞と表し、ABCD 則を用いて上記の条件を課すと𝑞 =

𝐴𝑞 + 𝐵
𝐶𝑞 + 𝐷

3.1

LD の出力特性の測定

励起光源として用いる LD の出力特性を測定した。LD は日亜化学工業(株)(型番 ND7A75)のーザーを用いた。本実験では水冷によって LDホルダーが 15 ℃になるようにして測定を行った。得られた出力特性の結果を図 3 に示す。

(2)
3.5

ジュラー行列であるため𝐴 𝐷 − 𝐵 𝐶 = 1を満た

2.5Output Power [W]

3す。よって式(2)は1 𝐷−𝐴
1 − [(𝐷 + 𝐴)/2]=±𝑖𝑞2𝐵𝐵
𝐷 − 𝐴 𝑖𝑠𝑖𝑛𝜃
+2𝐵𝐵

(3)

𝜃 = ± cos

1.5
1000.5

11.522.5

3Input current [A]

𝐷+𝐴2𝐷+𝐴220.5と表すことができる。ただしcosθ =(7)[1 − [(𝐷 + 𝐴)/2] ]3． 実験

共振器内の個々の部品に対する行列はユニモ=|𝐵|

GaN 系のブロードストライプ型青色半導体レ(1)と表される。式(1)を1⁄𝑞 について解くと1 (𝐷 − 𝐴) ± (𝐷 − 𝐴) + 4𝐵𝐶
=𝑞2𝐵

𝜆𝜋𝑛2𝐵
𝐷−𝐴

図 3 励起 LD の出力特性(4)入力電流 2.8 A にて最大出力 3.18 W を得られた。1.6 A 以降線形から外れているように見え、である。ビームパラメータ𝑞と曲率半径𝑅 ,ビー熱の影響が増加したことにより出力が落ちた

ム半径𝑤との関係と考えられる。LD の絶対最大定格は 3.0 A であ

11𝜆≡−𝑖𝑞(z) 𝑅(z)𝜋𝑤(z)(5)ったが出力が落ち始めたことから 2.8 A 以上の電流を与えなかった。と比較するとビームが閉じ込められる条件はモノリシックコリメータによるビームプ

sinθ/𝐵 < 0となり、また共振器が安定するため3.2の条件は以下でなければならない。

ロファイルの観察𝐷+𝐴<12使用した LD はブロードストライプ LD(エミ(6)ッタサイズ:1×30 µm)であり、水平方向と鉛直方この関係を満たすパラメータを安定条件と呼向のビーム拡がり角が大きく異なることからび、任意の点における曲率半径𝑅およびビームレンズで集光すると楕円形となる。シリンドリ径𝑤は以下の式で求められる。

カルレンズ対を用いて 1 方向の径のみを拡大し集光径を円にする事が主流であるが、本研究ではモノリシックコリメータ(Focuslight 社)と呼の故障を防ぐために減光フィルターを置いてぶコリメートとビーム径拡大を 1 枚のレンズでカメラに入る出力を落として測定した。測定実施することができるレンズを用いて LD から位置は(a)100 mm, (b)200 mm, (c)300 mm, (d) 400の出射光をコリメート光にした。図 4 にモノリmm とした。また出射面から 100 mm、200 mmシックコリメータの寸法を示す。の位置での観察では減光フィルターを 1 枚増やして観察した。
(a)

(b)

鉛直水平(c)(d)

図 4 モノリシックコリメータの寸法図

(a)

(b)
図 7 コリメートレンズ出射後の距離毎のビームプロファイル

図 5 速軸の光線伝搬図(a) 遅軸の光線伝搬図(b)

レンズの作動距離(WD)及びバックフォーカス

表 1 コリメート後のビーム径距離

観測値

理論値

(0.35 A)

(2.3 A)

[µm]

[µm]

水平方向

557

1854

鉛直方向

1401402

水平方向9672555

鉛直方向

1621562

水平方向

15463255

鉛直方向

2031721

水平方向

19673955

鉛直方向

2271881方向

は 1.19 mm、有効焦点距離は 5.02 mm であった。
図 5 はモノリシックコリメータによる速軸(a)と遅軸(b)の光線伝搬の様子の図である。レンズの⾧さ分遅軸の径を拡大しつつレンズの入射面にて速軸、出射面にて遅軸を各々コリメート光にしている。
図 6 に示す系にてモノリシックコリメータ透過後のビームプロファイルの観察を行った。

(a) 100 mm(b) 200 mm(c) 300 mm(d) 200 mm

求めた理論値よりも明らかに小さなビーム径が観測された。ビーム径から拡がり角を求める
図 6 モノリシックコリメータ透過後のビーム径と水平方向が 4.81 mrad、鉛直方向が 0.31 mradの観察系であった。また拡がり角からレンズ出射直後のビームプロファイルの観察には The imagingSource 社の「DMK 23UM021」を用いた。解像度は 1280×960 、ピクセルサイズは 3.75µm×3.75 µm であった。励起光源から 1.19 mmの距離にコリメート用のレンズを置きカメラビーム径を求めると、水平方向で 111 µm、鉛直方向で 101 µm であった。鉛直方向のエミッタサイズが 1 µm であるにもかかわらず理論値よりも鉛直方向は 10 分の 1 程の大きさであった
事から拡がり角が小さく回折限界を超えていると考えコリメータの出射直後のビーム径からエミッタサイズを算出した結果 5.9 µm×27ム半径が 65 µm 程度となった。

µm であった。これは LD にて活性層からクラ0.6 W 励起で発振実験を試みているが発振にッド層へ光のしみ出しが発生していると考えは至っていない。発振に至っていない理由とる。またレンズの位置が合っておらずカメラ手して冷却が不十分である事、モードマッチが前で集光点ができてしまっている可能性も考取れるように集光がされていないこと、励起えられる。

パワーが足りていないことが考えられる。そ3.3

青色 LD 励起 Pr:YLF 発振実験

発振実験にて用いた共振器の実験図を図 7 に示す。のためペルチェ素子を用いて結晶ホルダーを5℃以下に冷却した上で励起パワーを上げること、拡大像転送を用いた集光ビーム径の測定を行うこと考えている。

4. 結論
本研究では、実験系全体⾧ 79 mm での青色LD 励起による Pr:YLF レーザーの開発を目指した。0.6 W 励起で発振実験を試みているが発図 7 青色 LD 励起 Pr 固体レーザー発振実験図

600-850 nm にて 99%以上反射の反射率を持つダイクロイックミラー(DM)と取り出し鏡(OC)による直線型の共振器を用いており、励起光源として波⾧ 440~455 nm の LD を用いた。利得媒質は Pr:YLF 結晶(添加濃度 0.5%、結晶⾧5.0 mm)であり、水冷を用いてホルダーの上下左右 4 面から 15℃で結晶を冷却しながら実験を行った。焦点距離 18.4 mm の非球面レンズを用いて集光し、OC には曲率半径 50 mm、透過率 1%の凹面 OC を用いた。共振器⾧は 35mm とし、LD の出射面から OC までの距離は79 mm であった。以下の図 8 に前章の自己無撞着法で計算した共振器内の結晶中におけるビーム半径の変化を示す。

図 8 自己無撞着法で計算した共振器内ビーム半径

図 8 より共振器⾧ 35 mm の時結晶中ではビー振には至っていない。発振に至らない理由としては冷却が不十分であること、モードマッチが取れるように集光がされていないこと等が考えられ、今後はこれらを改善した発振実験を行う。発振後はフォトサーマル顕微鏡のプローブ光としての応用、530 nm での Q スイ
ッチ発振を行いパンプ光としての応用を考えている。

参考文献[1] 丸山朋希, 電気通信大学院 修士論文
(2024)[2] 神成文彦, 応用物理, 第 85 巻, 第 10 号
(2016)[3] L. Esterowitz, R. Allen, M. Kruer, F. Bartoli, L.
S. Goldberg, H. P. Jenssen, A. Linz, V. O. Nicolai,
Appl. Phys. 48, 650–652 (1977)[4] A. Richter, E. Heumann, E. Osiac, G. Huber, W.
Seelert, and A. Diening, Opt. Lett. 29, 2638-2640(2004)[5] H. Tanaka, K. Iijima, Y. Kiyota, and F. Kannari,
CLEO Europe 2017, Munich, Germany, CA-1.5(2017)[6] Biao Qu and Qilu Huang, Appl. Opt. 59, 30333037 (2020)[7] ヤリーヴ・イェー著, 多田邦雄, 神谷武志
監訳,石川卓哉 et.al.共訳，”ヤリーヴ・イェー
光エレクトロニクス 基礎編”, 丸善株式会社(2010)