Nd:YAG セラミックスと Nd:YAG 単結晶の小信号利得の測定
電子物性工学科 植田研究室 上松 知宏
１，背景・目的YAG 結晶 [1] はレーザーにおいては、加工・分析に一方、飽和利得係数と小信号利得係数の関係は、次有用されてきた。ところが、単結晶体の YAG 結晶はの②式で表される。

生成するのに時間がかかる。その後、成形・加工とg = g0

進めていくので、コスト的にも安価ではない。近年なってようやく、レーザー発振ができるほどの
Nd:YAG セラミックスが開発されるようになった。

1
 I in 
1 +I s −②

ここで、セラミックスは多結晶体で、微結晶を固めて作るのI ：飽和係数sで、コスト的にも時間的にもかからない。また、大I in：入射光パワー

きな結晶・様々な形の結晶を作ることが可能である。

この飽和係数については、次の③式で表される。

ところが、実際には Nd:YAG 単結晶と Nd:YAGIs =セラミックスの物性の違いについては測られていな
い。

hν
−③στ

また、飽和利得係数は次の④式で表せる。

本研究では、光学的物性の一つである。小信号利ln

得係数を測定し、違いを明らかにする。

g=I out
I in−④L

２，理論Lは励起光の当たる部分の長さ

小信号利得係数 g 0 [2] は①式で表される。
g0 =である。

PP・K eff・τ・σh・ν・A

ここで、 I inは励起させる物質への入射光の強さ
I out は励起させる物質からの出力光の強さ−①である。

３，実験装置

ここで、K eff：有効吸収効率
τ：上準位にいる寿命
σ：誘導放出断面積
A：ポンプの面積
Pp：ポンプパワーである。

図１ 測定装置1図 1 の説明をする。

る。

レーザー発振源は出力波長 1.064μｍの NPRO をロッド受けの方は、銀または金でコーティングされていて、ほぼ１００％反射を行わせるようになっ使っている。
最初にある平凸レンズはロッドの内部で、レーザており、一度、ロッド受け内に入射された励起光はーのビーム径が均一になるように、コリメートして何度もロッド受け内を反射し、ロッドに入射し何度いる。なお、ロッド内のビーム径は理論計算であるも励起させる。その結果ロッドは光軸に対してはほと 1.26±0.03mm になっている。

ぼ均一に励起させるという物である。

ダイクロイックミラーは、図 1 にも書いてあるが、1.064μｍの波長を持つ光を完全反射させ、0.532μ４，実験方法m の波長を持つ光を完全透過させる物である。ここ

まず飽和係数を導出しよう。

で、発振波長の倍波を完全に分離している。

σについては、（結果的にはほとんど違いないので次にある２枚目の平凸レンズは集光用である。

あるが）オーダー的には単結晶とセラミックスに違ピンホールは光軸以外で発振された光を除去する

いはないものと仮定して、セラミックスの場合でも単結晶の値 2.8 × 10 −19 W / cm 2 を使っている。

ための物である。ここで、光軸以外で発振された光τについては当研究室の過去の測定 [4] で行われてとは、蛍光によるものや自然発振によるもの等である。ちなみにピンホールの口径は 3.60mm である。

いて、図３のようになっている。

パワーメーター直前にあるシリコンプレートは励起源である VPS から漏れてくる励起光（0.808μｍ）
を除去するためにある。
このシリコンプレートは 1.000μｍ以上の波長を持つ光の一部を透過。それ以下の波長を持つ光を吸収させるものである。なお、1.064μｍの光の場合は37.8±0.1%の透過率を持っている。
次に励起源として VPS [3] を使った。

図3

Nd ドープ量と蛍光寿命

なお、上準位寿命と蛍光寿命はほぼ同じである。
今回測定に使った Rod は、単結晶：0.6%Nd:YAG φ4×104mm
図 2 VPS の装置概要

セラミックス：0.6%Nd:YAG φ4×80mm

VPS は McDonnell Douglas Electronics Systemである。
0.6%の場合のτはによって作られた LD array を円形に並べることによる ring 型の励起源である。

Ceramics

Single Crystal

257.6256.3

原理としては、出力 cw-10W、発振波長 0.808μm
τ（μｓ）のＬＤから、出力された光をシリンドリカルレンズで平行化し、球面ミラーで VPS 内のロッドに励起光

図 4 Nd ドープ量が 0.6%の場合のτとして入射される。この３種類の光学機器の組み合

この結果から単結晶とセラミックスのτについてわせがロッドに対して、円形に３２個配置されていの違いはないので、共通の値 257.0μs の値を使用
2

の熱レンズ効果による影響と考えられるが、内部欠する。

損の場合はその欠損部分に光が当たらないように

これらを③式に代入すると飽和係数は I s = 2.34 × 10 3 W / cm 2 となる。

ロッドに入射しているので、その影響は考えにくい。

これを②式に代入する。今回の測定では、 I in はまた、吸収の違いというのであれば、いきなり飽和IISしているという状態にはなり得ない（最初からなん最大でも数 mW なので、 in は 0 に近似できる。よかしらの影響がでているはず）。最後に残ったロッって g = g 0 ということになる。

ドの熱レンズ効果によって、ロッド内でビーム径が狭まり、ビームのパワー密度があがり、その結果とこの結果から、①式＝④式（小信号利得係数＝飽して、ビームが飽和をしてしまったのではないかと和利得係数）ということがいえる。

いうことが考えられる。

本研究では、励起光パワーを変化させて、そのときの様々なパワーを持つ光を入射させて、光の増幅率を測定し、そこから飽和利得係数求めている。飽和利得係数を求めることが、先に述べたように小信号利得係数を求めること直結しているのである。
５，測定結果まず、はじめに、単結晶の場合の小信号利得係数と励起光パワーとの関係は図５に示す。

図６ セラミックスの時の励起光パワーと小信号利得係数の関係

次に単結晶の場合とセラミックスの場合の比較をしてみる（図７）
これを見ると、単結晶の場合でもセラミックスの場合でもそれほど傾きの度合いには違いがない。傾き（励起１w 当たりの小信号利得係数）は図８に示しておく。
図５単結晶の時の励起光パワーと小信号利得係数の関係

これを見る限りでは、①式の通りに、小信号利得係数は励起光パワーに比例している。
次にセラミックスの場合の小信号利得係数と励起光パワーの関係を図６に示す。
図６では励起光パワーが 80W を越えた当たりから、微妙にではあるが、小信号利得係数の伸び率が減少しているとも思える。
この理由として考えられるのは、ロッド内の内部欠損にが生じていることによる散乱の影響や結晶内のビームの吸収率が違うことによる影響、ロッド

図７ 励起パワーと小信号利得係数の関係の比較

3

単結晶もセラミックス傾きはほとんど変わらな度が 0.6%であったかどうかは実際（生成の時に生まいということが言える。このことを視覚的にわかるれる誤差）にはわからない。この不安定要素をなくように、傾き（励起光パワー1W 当たりの小信号利すためには、0.6%Nd ドープの他の rod についても得係数）の値を実際に図８で比較してみよう。

同様の測定を行い、統計的に濃度が同じという条件

単結晶
励起光パワー1W あの下で判断する必要もある。

セラミックス3.48 −4 ± 0.14 −4 3.29 −4 ± 0.15 −4

また、濃度依存性があるかないかを調べるために、数種類のドープ量の rod を調べていく必要がある。

たりの小信号利得係数 (cm−1/W )図８

これが、小信号利得係数を測定した本研究に対しての課題であるが、これ以外に、レーザー発振にお図７のグラフ傾きの比較

図８をみれば、ほとんど同じということが言える。

いて、必要となってくる他のパラメータについても、

つまり、Nd:YAG セラミックスは小信号利得係数と測定・比較していく必要がある。

いう点に関しては Nd:YAG 単結晶とほとんど同じ
９，参考文献ということである。

[1],Walter

Koechner4th” Springer,

６，結論

Berlin,“Solid-StateLaser

EngineeringHeidelberg[2],U.Roth,ThomasGraf,E.Rochat,K.Haroud,Jürg

測定結果から Nd:YAG Single Crystal と Nd:YAG
Ceramics との小信号利得係数の違いはほとんどな

E.Balmer,and Heinz P.Weber“Saturation, Gain, andいといえる。

Noise Properties of a Multipass Diode-Laser-Pumped
Nd:YAG CW Amplifier”IEEE J.Quantum Electron.34
34

しかし、小信号利得係数は励起光パワーによって、変化していくので、実際には比較としては不適切で1987(1998)ある。

[3],N.Uehara,K.Nakahara,andK.Ueda

その点を解決するために理論式①を使って、物質”Continuous-wave

TEM 00 − mod e

固有の定数であるσに変換しておく。その比較結果

virtual-point-source

diode-array-pumpedを図９に示す。

laser ” Opt.Lett.20
20,1707(1995)
20

σ

Nd:YAG

単結晶

セラミックス[4],J.Lu,M.Prabbu,J.Song,C.Li,J.Xu,K.Ueda,A.A.Ka

2.8 × 10 −19

3.0 × 10 −19

minskii,H.Yagi,T.Yanagitani:”Opticalproperties andhighly efficient laser oscillation of Nd:YAG ceramics”(W / cm 2 )
図９26.5-W-output

Appl. Phys B 71 469(2000)

Single Crystal と Ceramics の誘導放出断面積σの比較

これを見る限りでは、誘導放出断面積も単結晶とセラミックスの場合で違いはほとんどないということが言える。
７，まとめNd:YAG セラミックスが Nd:YAG 単結晶と光学的物性が同じかと言うことについて、そのうちいつである小信号利得を測定、比較をしたが、Nd:YAG 単結晶と YAG セラミックスの小信号利得係数にも、誘導放出断面積にも違いはなかった。
今後の課題をとして、本研究は１種類の rod ずつの比較である。つまり、今回使った rod が本当に濃4