2018, Apr.
No.

361

CONTENTS
常温動作Yb:YAG TRAMレーザーの出力特性
第65回応用物理学会春季学術講演会報告
主な学会等報告予定

ISSN 0914-9805【表紙図】（左）Yb:YAG TRAM の写真（右）水噴流冷却式レーザー発振試験配置図

常温動作Yb:YAG TRAMレーザーの出力特性

谷口誠治
レーザープロセス研究チーム ハイク コスロービアン
レーザープロセス研究チーム 藤田雅之
レーザーエネルギー研究チーム 李 大治
レーザー技術開発室 本越伸二
レーザー計測研究チーム

常温動作型高平均出力レーザーの開発を目標に研究を◆はじめに高出力個体レーザーの開発において、最も重要な課進めており、媒質の発熱対策として二つの手段を新た題の一つにレーザー媒質の発熱対策がある。レーザーに用いている。第一に、TRAMの裏面に冷却水の噴流媒質の有力候補の一つであるYb:YAGは、励起量子効を直接吹き付けて除熱を行う衝突噴流冷却法の導入で率が大きく熱損失が小さい、蛍光寿命が長くエネルある。この手法では、噴流により冷却面上の水を強制ギー蓄積能力が高いなどの特性を持つが、高出力化の的に入れ替える（強制対流）ことで高い除熱性能が得ら際にはやはり発熱による出力やビーム品質の低下などれ、また水の沸騰により冷却面上に発生する気泡を物が懸念される。当研究所では、Yb をドープ（添加）し理的に除去できるため、突沸（膜沸騰）による除熱能力

たYAG層 を 底 面 に 接 合 し たYAGコ ン ポ ジ ッ トの急激な低下を防止できるという利点がある。TRAM（Yb:YAG TRAM（Total-Reﬂection Active-Mirror、全は強固な構造を持つためThin disk型のような伝導冷却反射型アクティブミラー方式）（表紙図（左）））を用いたを必要とせず、直接的な噴流冷却が可能である。第二3+

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

次ページへつづく常温動作Yb:YAG TRAMレーザーの出力特性の手段は、ゼロフォノンライン（ZPL）励起による媒質150

自 体 の 発 熱 抑 制 で あ る。Yb:YAGは940nm付 近 と969nm付近に吸収帯のピークを持ち、969nmの吸収はZPLに 相 当 す る。励 起 に は 通 常、バ ン ド 幅 が 広 い

100

940nm帯 のLDを 用 い る が、近 年VBG（Volume BraggGratings）波長ロック型LDが開発され、ZPL励起も可能となっている。ZPL励起の場合、励起波長と発振波50長（1030nm）のエネルギー差が小さくなるため、940nm帯の励起に比べ媒質自体の発熱を抑制できる。前回の報 告（Laser Cross No.356, 2017 Nov.を 参 照）で は、水衝突噴流冷却法を用いたYb:YAG TRAMレーザーの出力特性について検討し、除熱性能の向上により出力が増加することを示した。本稿では、ZPL励起における00100200300400【図2】（▲）ZPL励起、（▲）940nm帯励起時の媒質温度（励起中央部）

レーザー発振出力特性の検討、および940nm帯励起時のドープ率は9.8%、層厚は0.6mmであり、冷却条件やとの特性比較を行った結果を報告する。また、レー励起ビーム径など励起波長以外の条件はほぼ同一としザー媒質（Yb:YAG）のYbドープ率や層厚の出力特性へた。各励起条件におけるレーザー出力を図1に示す。の効果について検討した結果についても報告する。

ZPL励起では、940nm帯励起時に比べ吸収パワーが同◆ZPL励起レーザーの出力特性じ場合でも出力が大きく、より高い出力特性を示して

表紙図（右）に実験配置図を示す。背後から噴流管をい る。一 方 媒 質 温 度（図2）はZPL励 起 時 の 方 が 低 く、挿入し、流速9.2m/sで室温の水を噴出させ、TRAMの940nm帯励起時に比べ媒質温度の上昇が抑制されていYb:YAG面を直接冷却した。TRAMの両側にそれぞれることがわかった。これらの結果から、ZPL励起によダイクロイックミラー（DM）、結合出力ミラー（OC）をる媒質の発熱抑制効果が出力特性の向上に寄与するこ配置して共振器を構成し、パワーメーター（PM）およとが示唆される。

びフォトダイオード（PD）によりレーザー出力を計測し◆Ybドープ率、層厚の効果た。またTRAMの励起部分から発生するYb蛍光のス

TRAMのYbドープ率およびYb:YAGの層厚の効果にペクトルを計測し、スペクトル形状の温度変化から励ついて検討するため、それぞれが異なるTRAMを用い

起 中 心 部 の 媒 質 温 度 を 算 出 し た。励 起 に は 波 長て 発 振 試 験 を 行 っ た。試 験 に は ド ー プ 率5%、層 厚969nm、940nmの ダ イ オ ー ド レ ー ザ ー（LD）を 用 い、0.6mmお よ び ド ー プ 率5%、層 厚0.9mmの2種 を 用 い、レーザー出力および媒質温度を比較した。Yb:YAG層

上記のTRAM（ドープ率9.8%、層厚0.6mm）と同一の実験条件でレーザー出力を比較した。励起には969nmの60LDを使用した。図3に吸収パワーに対する各TRAMのレーザー出力を示す。ドープ率5%のTRAMは、9.8%40のものに比べて発振閾（しきい）値が低下するため吸収パワーに対する出力の増加がみられ、いずれも100W
以 上 の 安 定 な 出 力 が 得 ら れ た。ま た 層 厚 の 薄 い

20（0.6mm）TRAMの方が閾値は低く、吸収パワーに対する出力特性は最も高いことがわかる。一方で低ドープ

0率、層厚の薄いレーザー媒質は励起光吸収率が低下す
0100

200300400【図1】（●）ZPL励起、（●）940nm帯励起時のレーザー出力2るため、高出力化の際には多重パス励起など吸収率を増加させる方策を施すことが重要となる。

◆まとめと今後
本研究では、ゼロフォノンライン（ZPL）励起による較し、ZPL励起による媒質温度の発熱抑制効果と出力150特性への寄与について実験的に検討した。またTRAM■ 5%dope, 0.6mm■ 5%dope, 0.9mm■ 9.8%dope, 0.6mm

100のYbドープ率およびYb:YAGの層厚の効果についても検討し、ドープ率5%のTRAMにおいて100W以上の安定な出力が得られた。現在、冷却性能をさらに向上させた水衝突噴流システムを用いた試験や高出力化ス

50ケーリングなどを進めており、今後はkWスケールの励起によるレーザー発振試験など、kW級の高平均出0力レーザー開発に向けた具体的な取り組みを行ってい
0100

200300400【図3】Ybドープ率、層厚に対する出力特性の変化く予定である。

◆謝辞
本研究の一部は、防衛装備庁「安全保障研究推進制度」の支援を受け実施された。

常温動作の高出力Yb:YAGレーザーの開発を目標に、
ZPL励起と従来の940nm帯励起での発振出力特性を比REPORT

第65回応用物理学会春季学術講演会報告
レーザー計測研究チーム

谷口誠治■応用物理学会春季講演会が早稲田大学にて開催ドアレイを用いた大気擾乱抑制効果に関する報告が3月17日〜20日、早稲田大学西早稲田キャンパス（新あった。光フェーズドアレイとは複数の素子光を空間宿区）にて開催された第65回応用物理学会春季学術講配置したものであり、光の位相を素子単位で制御する演会に参加した。講演会は春季、秋季の年2回開催さことで任意のビームパターンを生成することができれ、春季の参加者は約7000人、講演件数は約4000件る。大気擾乱効果を抑制するには高次モードのビームにおよぶ。講演会には光・フォトニクス、放射線・プを用いることが効果的とされていることから、彼らはラズマ、量子エレクトロニクス、有機分子・バイオエシミュレーターを構築し、光フェーズドアレイによりレクトロニクス、半導体、結晶工学、ナノカーボンな生成した高次モードビームが大気擾乱を模した位相マど17の大分類分科会、およびそれぞれに3〜15の中分スクを通過した後の出力波面強度を求め、同様の条件類分科会が設置されており、広範囲の研究領域をカでガウシアンビームを伝送させた場合のそれと比較しバーしている。また本学会は産業分野との関わりも強た。その結果、1km伝送後の出力波面強度の損失はガく、企業の参加も活発である。ポスター発表会場に併ウシアンビームでは16[dB]であるのに対し、高次モー設された展示会（JSAP EXPO）には計測機器、材料関ドビームでは4[dB] と損失が抑制されることが示され連など100社以上が出展しており、また昼食時には自た。今後、光空間通信やリモートセンシングなどへの社製品とそのアプリケーションなどについて講演する応用に期待が持たれる。

ランチョンセミナーも多数開催された。以下に、本講■高出力固体レーザー開発

演会におけるレーザー開発や応用に関する研究トピッ

分子科学研究所（平等拓範教授ら）の研究グループかクをまとめる。

ら、レーザー媒質に異方性セラミックを用いた高輝度■光フェーズドアレイによる空間通信パルスレーザーに関する報告があった。彼らはセラ

長距離光伝送では、大気の擾乱（じょうらん）に起因ミックスに常磁性の希土類を添加し、静磁場あるいはする伝送ビームの位相の乱れや、それにともなう光強回転磁場によって配向を制御した異方性セラミック度低下の抑制が大きな課題とされている。これに関し、 （Yb:FAP）を自作し、レーザーパルス発生実験を行っ三菱電機、東海大学の研究グループから、光フェーズた。その結果パルス幅1.1ns、ピークパワー 2.3kWのパ3ルス列（8.1kHz）が得られた。出力自体は大きなものでで重要となるのが、培養した細胞群の中から目的にかはないが、異方性セラミックでのパルス発生の成功になう細胞の一つ一つを高速で選別、回収する手法の開より、今後核融合ドライバー級へのパワースケーリン発である。これに関し奈良先端科学技術大学院大学のグに期待できるとのことである。また同グループから

細川陽一郎教授らは、フェムト秒レーザーを用いた新は、高平均出力Nd :YAGレーザーに関する報告もあっしい細胞回収技術を提案している。マイクロ流路に細3+た。彼らは複数の薄いNd :YAG結晶の前後に熱伝導胞群を一列に流通させ、目的の細胞が流路の分岐点に率が大きなサファイア板を接合することで、結晶の発到達した際、細胞側方の培養液にレーザーパルスを集熱 を 分 散 冷 却 す る 手 法（Distributed Face Cooling,

光照射し、液中に誘起される衝撃波や圧力、気泡生成DFC）を開発している。講演では4枚の結晶からなる（キャビーテーションバブル）などの物理的な力によ

DFCチップを用いたレーザー発振実験の結果が報告さり、細胞を流路から分岐させて回収する。講演では、

れ、86Wの入力に対して45W以上の出力が得られてい装置構成が簡単で、高繰り返し（〜1MHz）、高安定の3+た。またDFCチップとNd :YAG結晶のみを用いた場増幅パルスが得られるYb再生増幅器を用いた細胞回収合の発振出力の比較により、DFCチップがより高い除実 験 の 結 果 が 報 告 さ れ、細 胞 死 滅 率 な ど 従 来 の熱性能を持つことが示された。現在高出力化に向けた

Ti:Sahppire増幅器を用いた結果との比較も行われた。

開発が進められているようである。

Yb増幅パルスは上記のような優位性を持つものの、波■THzパルスの加工への応用

長は1030nmでTi:Sahppire増幅パルス（800nm）よりも長3+レーザープロセッシングに関する報告では、橋田昌いなどのトレードオフもあり、性能の大幅な向上は見樹准教授（京大）らの研究グループから、高強度THzパられなかったようである。しかしながら、実験には市ルスの発生技術に関する講演があった。准教授らは、販の汎用増幅器が使用されているため、今後レーザーチャンバー内にアルゴンガスを高圧封入して生成させ照射条件が明確になれば、この用途に最適なレーザーたアルゴンクラスターに高強度フェムト秒レーザーシステムが新たに開発される可能性もあると感じた。

（10mJ）を 照 射 す る こ と で、大 気 プ ラ ズ マ の600倍■次回開催予定（590nJ）の効率でTHzパルスを発生させることに成功した。また彼らはTHzパルスの加工技術への応用の可次回は2018年9月18日〜21日、名古屋国際会議場（名古屋市）での開催が予定されている。

能性についても検討しており、自由電子レーザーから得られる1mJのTHzパルスを用いたシリコン表面のアブレーション実験の結果が報告された。アブレーショ
ン後のシリコン表面には、パルスの偏向に平行の方向にTHz 波長の約1/25の微細な周期構造が形成され、さらに照射を続けると、偏向の垂直方向にTHz波長と同程度の周期構造が形成されたとのことであった。講演では、フェムト秒レーザーによる周期構造形成に関する研究事例との比較や、形成メカニズムの類似性などが議論された。

■フェムト秒レーザーによる細胞回収技術
近年、iPS細胞を用いた再生医療など細胞を直接治療に用いる技術が急速に進展している。これらの技術【写真】講演会場（早稲田大学）

主な学会報告5月28日（月）〜 31日（金） アジア・パシフィック・レーザー・シンポジウム(APLS2018)（西安）
李 大治 「Research on Terahertz Radiation from Femtosecond Electron Bunches」
6月4日（月）〜 8日（金） ICLO 2018 （サンクトペテルブルク）
ハイク コスロービアン「Laser characteristics of resonators with retro-reﬂective elements」
Laser Cross No.361 2018, Apr.

http://www.ilt.or.jp

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