平 等 拓 範（助教授）
A -1)専門領域：量子エレクトロニクス、光エレクトロニクス、レーザー物理、非線形光学
A -2)研究課題：広帯域波長可変クロマチップレーザーの研究 a) 高性能マイクロチップ固体レーザーの研究
a1)固体レーザー材料の研究 a2)高輝度 Ndレーザーの研究 a3)高性能 Y bレーザーの研究
b)高性能非線形光学波長変換チップの研究 b1)高効率中赤外光発生法の研究 b2)高性能 QPM チップ作成法の研究 b3)多機能非線形波長変換法の研究
A -3)研究活動の概略と主な成果
中赤外域から紫外域にわたる多機能な応用光計測を可能とする高機能・広帯域波長可変クロマチップレーザー（C hromatic Microchip L aser S ystem; C hroma-C hip L aser）をめざして以下のような研究を進めている。
a1) レーザー材料の分光特性を詳細に調べることにより，半導体レーザー（L D ）励起固体レーザー（D PS S L ）の中でも代 表的な Nd:Y A G レーザーの性能を飛躍的に高めることのできる励起法を見出すことができた。Nd:Y A G は GaA lA s- L D に適した 808 nm（4I9/2–4F5/2）に強い吸収があったことが幸いしたものであるが，1064 nm発振に対する原子量子 効率を 76% と制限する要因ともなっていた。我々は，最近になり Nd3+高濃度添加 Y A G において上準位直接励起（4I9/2–
4F
3/2）を行うことでレーザー性能が著しく向上することを実証した。一方で，Y A Gの結晶構造に対する詳細な研究に より，励起に付随し誘起される熱複屈折特性を大幅に改善できる新構成を発見した。Y A G に関する研究の殆どは３ ０年近く前に成された解析に帰着するが，これに致命的な誤りがあった。基礎に立ち返った検討の結果，従来広く用
いられている熱複屈折解消法を必要としない簡便な手法を提案することができた。また，新材料探索としてNd高濃 度添加の可能なセラミックY A G ，Y A G の倍程度の熱伝導率を有するY2O3やスペクトル幅を制御できるY S A G など 半導体レーザー励起マイクロチップ固体レーザーの観点より材料開発に強い他機関と連携しながら研究，開発を進 めている。
a2) 小型固体レーザーの究極であるマイクロチップレーザーの高輝度化を，代表的なNd系固体レーザーを中心に進め ている。これまでにモード品質を示す量として導入されつつあるM2因子を用いた設計法を提案，Nd:Y V O4マイクロ チップレーザーにおいて，スロープ効率58.6%を達成している。次に，パワースケーリングを図り，Nd:Y A Gを用いて 最大出力 4.1 W をスロープ効率 57% で得た。さらに，高輝度化を図るため拡散接合型 Nd:Y A G 結晶に C r:Y A G を併用 した受動Qスイッチレーザーを試作，最大平均出力4.2 W を得た。さらに，小型簡便構成を継承しつつ高機能な応用 を目指した，受動Qスイッチの制御法を検討している。すでに，パルスエネルギー800 µJ，パルス幅 1 ns，スペクトル 線幅0.05 nm以下の優れた特性を得ている。現在，このレーザーの実用化を進めるとともに，非線形波長変換による 紫外光及び赤外光発生を検討中である。
a3)９０年代に入り，レーザーには不向きとされていたY b系材料が，L D 励起により高性能なレーザーとなり得ることが
報告された。以来，我々はこの分野でも先導的な研究を行ってきた。高出力化が期待されている Y b:Y A G は，高効率 発振が可能と言われながらも準四準位レーザーであるため，励起状態に敏感であり，条件によっては，発振効率が大 きく損なわれる欠点を有する。全固体レーザーの励起光源であるL D は，ビーム品質が劣悪であるため，その高密度 励起光学系の設計が困難であったが，M
2
因子設計法を改良することでD PS S L の最適化を容易にした。これまでに， 長さ400 µm の Y b:Y A G マイクロチップ結晶から，1 µm 領域において 85 nm と蛍光幅の９倍にも及ぶ広帯域波長可
変動作を実現した。さらに，S E S A M を用いて 490 fs までの超短パルスが発生可能であることを実証した。このこと は，高平均出力の超短パルスレーザーとしての可能性を示唆するものと考えている。一方，マイクロチップレーザー の高出力化を図るため，励起パワーのスケーリングが容易なエッジ励起法を考案し，準C W 励起により最大出力130 W ，スロープ効率 60% を，また C W 出力 90.2 W を 2 mm × 2 mm，厚み 400 µmのコアから取り出すことに成功した
（出力密度 2.2 kW /cm
2
）。現在，高ビーム品質を維持しながら，さらなる高出力化を図る新規構成を検討している。 b1) レーザーは高輝度の優れた光源であるが，発振波長が限定されていることがその応用を制限していた。非線形光学
に基づく波長変換法ではレーザー光のコヒーレンス特性を損なわずに高効率に異なった波長に変換できる特長を 持っている。しかしながら，分子科学に限らず種々の応用分野から，より高度な非線形光学波長変換法が求められて いる。最近提案された擬似位相整合（ Quasi Phase Matching: QPM ）波長変換法では，位相整合条件を光リソグラフィ によるディジタルパターンで設計できるため変換効率や位相整合波長が設計できるだけでなく空間領域，周波数領 域，時間領域で位相整合特性を設計できる。
本研究では，OPO, D F Gを組み合わせることで波長6 µm領域の広帯域赤外光を高効率に発生することを検討している。こ こでは，ニオブ酸リチウム（L iNbO3）にQPM構造を導入したQPM-L iNbO3を検討している。この場合，最適な周期や領域長 が決定されれば，光リソグラフィにより１つの結晶上にOPOとD F Gの２つの機能を持たせることも可能になる。これまでにOPO による3 µm域までの中赤外光発生を確認した。現在，6 µm域発生用DFG光源と性能評価用の分光分析装置を試作開発 中である。
b2) QPMデバイスには材料としてL iNbO3が広く用いられているが，従来のプロセスでは分極を反転させるための印加 高電界を深さ方向に制御することが不可能であり，原理的な検証は可能でも実用的な出力を得ることは困難であっ た。現在，初期的な QPM-L iNbO3を用いた赤外光発生実験と高出力化のための大断面積 QPM-L iNbO3作成プロセス 開発を併行して進めている。これまでに厚さ 3 mmの MgO:L iNbO3結晶に周期 30 µmのQPM構造作成に成功してお り，中赤外域で 22 mJ（15 ns）にも及ぶ高エネルギー QPM-OPOを実証した。しかし，既存の非線形光学結晶では透明 領域が5 ~ 6 µm以下と限られている。一方，高い性能指数を有する化合物半導体は赤外域でも透明度が高く大きな
熱伝導率を有するが，複屈折性を持たないため複屈折位相整合（B PM）が不可能なため従来は非線形光学結晶として は検討されてこなかった。ここでは，拡散接合により QPM 構造を導入すること検討しており，そのための新規プロ セスを開発中である。これまでに 100 µm厚の GaA sプレートを拡散接合により４枚スタックすることに成功した。 現在，その光学的な特性などを評価中である。
b3) 一方，QPM法では波長変換特性を設計できるものの許容幅が狭くなることが問題であった。非線形材料の分散特性 を詳細に調べ，MgO:L N のd31を用いることで通信に有用な 1.56 µmで∂Λ/∂λ = 0となることを見出し，実験により52 nmの広帯域位相整合特性を実証した。このことは通信領域での超短パルスの取り扱いを可能とするものであり，今 後の展開が期待されている。
以上，広帯域波長可変光源をめざして高輝度マイクロチップレーザー，高性能非線形波長変換チップ，さらに新規光源を用
B -1) 学術論文
Y. SATO, T. TAIRA, N. PAVEL and V. LUPEI, “Laser Operation with Near Quantum-Defect Slope Efficiency in Nd:YVO4 under Direct Pumping into the Emitting Level,” Appl. Phys. Lett. 82, 844–846 (2003).
H. ISHIZUKI, T. TAIRA, S. KURIMURA, J. H. RO and M. CHA, “Periodic Poling in 3-mm-Thick MgO:LiNbO3 Crystals,” Jpn. J. Appl. Phys. 42, L108–L110 (2003).
N. E. YU, S. KURIMURA, K. KITAMURA, J. H. RO, M. CHA, S. ASHIHARA, T. SHIMURA, K. KURODA and T. TAIRA, “Efficient Frequency Doubling of a Femtosecond Pulse with Simultaneous Group-Velocity Matching and Quasi Phase Matching in Periodically Poled, MgO-Doped Lithium Niobate,” Appl. Phys. Lett. 82, 3388–3390 (2003).
A. LUPEI, V. LUPEI, T. TAIRA, Y. SATO, A. IKESUE and C. GHEORGHE, “Energy Transfer Processes of Nd3+ in Y2O3 Ceramic,” J. Lumin. 102-103, 72–76 (2003).
J. SAIKAWA and T. TAIRA, “Second-Harmonic Nonlinear Mirror CW Mode Locking in Yb:YAG Microchip Lasers,” Jpn. J. Appl. Phys. 42, L649–L651 (2003).
H. ISHIZUKI, I. SHOJI and T. TAIRA, “Periodical Poling Characteristics of Congruent MgO:LiNbO3 Crystals at Elevated Temperature,” Appl. Phys. Lett. 82, 4062–4064 (2003).
Y. SATO, N. PAVEL and T. TAIRA, “Laser Oscillation with more than 80% Slope Efficiency in Nd:YVO4 under Direct Pumping into the Emitting Level,” OSA TOPS 83, 46–50 (2003).
T. DASCALU, T. TAIRA and N. PAVEL, “Diode Edge-Pumped High Power Microchip Composite Yb:YAG Laser,” OSA TOPS 83, 231–234 (2003).
H. ISHIZUKI, I. SHOJI, T. TAIRA and S. KURIMURA, “Periodical Poling Characteristics of 5mol% MgO-Doped Congruent LiNbO3 Crystals at Elevated Temperature,” OSA TOPS 83, 248–253 (2003).
N. PAVEL, I. SHOJI, T. TAIRA, M. IWAI, T. YOSHINO, S. YAMAGUCHI and M. IMAEDA, “High-Power Blie Generation in a Periodically Poled MgO:LiNbO3 Ridge-Type Waveguide by Frequency Doubling of a Diode End-Pumped Nd:YAG Laser,” OSA TOPS 83, 388–392 (2003).
Y. SATO, I. SHOJI, T. TAIRA and A. IKESUE, “The Spectroscopic Properties and Laser Characteristics of Polycrystalline Nd:Y3ScxAl(5–x)O12 Laser Media,” OSA TOPS 83, 444–450 (2003).
S. ASHIHARA, T. SHIMURA, K. KURODA, N. E. YU, S. KURIMURA, K. KITAMURA, J. H. RO, M. CHA and T. TAIRA, “Group-Velocity-Matched Cascaded Quadratic Nonlinearities of Femtosecond Pulses in Periodically Poled MgO:LiNbO3,” Opt. Lett. 28, 1442–1444 (2003).
Y. SATO, T. TAIRA and A. IKESUE, “Spectral Parameters of Nd3+-Ion in the Polycrystalline Solid-Solution Composed of Y3Al5O12 and Y3Sc2Al3O12,” Jpn. J. Appl. Phys. 42, 5071–5074 (2003).
K. MIZUUCHI, A. MORIKAWA, T. SUGITA, K. YAMAMOTO, N. PAVEL, I. SHOJI and T. TAIRA, “High-Power Continuous Wave Green Generation by Single-Pass Frequency Doubling of a Nd:GdVO4 Laser in a Periodically Poled MgO:LiNbO3 Operating at Room Temperature,” Jpn. J. Appl. Phys. 42, L1296–L1298 (2003).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “Basic Enhancement of the Overall Optical Efficiency of Intracavity Frequency- Doubling Devices for the One-Micron Continuous-Wave Nd:Y3Al5O12 Laser Emission,” Appl. Phys. Lett. 83, 3653–3655 (2003).
M. IWAI, T. YOSHINO, S. YAMAGUCHI, M. IMAEDA, N. PAVEL, I. SHOJI and T. TAIRA, “High-Power Blue Generation from a Periodically Poled MgO:LiNbO3 Ridge-Type Waveguide by Frequency Doubling of a Diode End-Pumped Nd:Y3Al5O12 Laser,” Appl. Phys. Lett. 83, 3659–3661 (2003).
T. DASCALU, N. PAVEL and T. TAIRA, “90 W Continuous-Wave Diode Edge-Pumped Microchip Composite Yb:Y3Al5O12 Laser,” Appl. Phys. Lett. 83, 4086–4088 (2003).
V. LUPEI, N. PAVE , Y. SATO and T. TAIRA, “Highly Efficient 1063-nm Continuous-Wave Laser Emission in Nd:GdVO4,” Opt. Lett. 28, 2366–2368 (2003).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
Y. SATO, N. PAVEL, T. TAIRA and V. LUPEI, “Near quantum-defect slope efficiency laser operation in Nd:YVO4 under direct pumping into the emitting level,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Photonics, Texas, San Antonio, USA, 2-5 February 2003, MB12, 62–64 (2003).
T. DASCALU, T. TAIRA and N. PAVEL, “Diode radially-pumped microchip composite Yb:YAG laser:high power operation,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Photonics, Texas, San Antonio, USA, 2-5 February 2003, TuB19, 213–216
(2003).
H. ISHIZUKI, I. SHOJI, T. TAIRA and S. KURIMURA, “Fabrication of periodically-poled structures in 3mm-thick MgO:LiNbO3 crystals for high-power wavelength conversion,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Photonics, Texas, San Antonio, USA, 2-5 February 2003, TuC4, 230–232 (2003).
N. PAVEL, I. SHOJI, T. TAIRA, M. IWAI, T. YOSHINO and M. IMAEDA, “High-power blue generation in a periodically poled MgO:LiNbO3 ridge-type waveguide by frequency doubling of a diode end-pumped Nd:YAG laser,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Photonics, Texas, San Antonio, USA, 2-5 February 2003, WC7, 350–353 (2003).
Y. SATO, I. SHOJI, T. TAIRA and A. IKESUE, “The spectroscopic properties and laser characteristics of a novel ceramic laser with Y3ScxAl(5–x)O12,” OSA Topical meeting on Advanced Solid-State Photonics, Texas, San Antonio, USA, 2-5 February 2003, WE10, 403–406 (2003).
H. ISHIZUKI, I. SHOJI, T. TAIRA and S. KURIMURA, “Periodic poling of MgO:LiNbO3 crystals for nonlinear wavelength conversion,” Material Solutions for Photonics, Tsukuba, 17-19 March 2003, 43–44 (2003).
S. ASHIHARA, T. SHIMURA, K. KURODA, N. E. YU, S. KURIMURA, K. KITAMURA, J. H. RO, M. CHA and T. TAIRA, “Femtosecond pulse compression using cascaded quadratic nonlinearities in periodically-poled lithium niobate,” Material Solutions for Photonics, Tsukuba, 17-19 March 2003, 45–46 (2003).
T. YAMADA, K. HAYASHI, S. KURIMURA, N. E. YU, K. KITAMURA, T. TAIRA and M. M. FEJER, “Periodical twin structure in quartz with high aspect ratio,” Material Solutions for Photonics, Tsukuba, 17-19 March 2003, 49–50 (2003). S. KURIMURA, N. E. YU, K. KITAMURA, T. YAMADA, K. HAYASHI, T. TAIRA and M. M. FEJER, “Periodical twinning for quasi-phase-matched quartz,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 2, CMF3 (2003).
H. ISHIZUKI, I. SHOJI, T. TAIRA and S. KURIMURA, “Fabrication of periodical poling in 3mm-thick MgO:LiNbO3 crystals at elevated temperature,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 2, CMF5 (2003).
N. E. YU, S. KURIMURA, K. KITAMURA, J. H. RO,, M. CHA, S. ASHIHARA, T. SHIMURA, K. KURODA and T. TAIRA, “Frequency doubling of fs-pulses with simultaneous group velocity and quasi phase matching in MgO-doped periodically poled lithium niobate,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 2, CMO4 (2003).
T. DASCALU, T. TAIRA, N. PAVEL and I. SHOJI, “Diode edge-pumped microchip composite Yb:YAG laser:thermal effects and laser performances,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 4, CWG2 (2003).
Y. SATO, N. PAVEL, I. SHOJI, T. TAIRA and V. LUPEI, “The laser oscillation with near quantum-limit slope efficiency under direct pumping in Nd:YVO4,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 4, CWG4 (2003).
N. PAVEL, I. SHOJI, T. TAIRA, M. IWAI, T. YOSHINO and M. IMAEDA, “High-power blue emission by frequency doubling of a diode end-pumped Nd:YAG laser through a periodically poled MgO:LiNbO3 ridge-type waveguide,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 4, CWO4 (2003).
V. LUPEI, N. PAVEL and T. TAIRA, “The effect of Nd concentration on fundamental and frequency-doubled CW laser emision of miniature Nd:YAG lasers,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 5, CThM44 (2003).
S. ASHIHARA, T. SHIMURA, K. KURODA, N. EI. YU, S. KURIMURA, K. KITAMURA, J. H. RO, M. CHA and T. TAIRA, “Femtosecond cascaded quadratic nonlinearities under simultaneous quasi-phase-matching and group- velocitymatching,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 5, CThU2 (2003). Y. SATO, I. SHOJI, AND T. TAIRA and A. IKESUE, “The polycrystalline Y3ScxAl(5–x)O12 as designable laser medium,” Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2003, Baltimore, Maryland, USA, June 6, CFG4 (2003).
I. SHOJI, T. TAIRA and H. ISHIZUKI, “Periodical poling of 3mm-thick MgO:LiNbO3 crystals for high-power nonlinear wave-length conversion,” Conference Digest CLEO/EUROPE 2003, Munich GERMANY, June 23, CE2-2 (2003).
N. PAVEL, I. SHOJI, T. TAIRA, M. IWAI, T. YOSHINO and M. IMAEDA, “Harmonic blue light generation from a diode end-pumped Nd:YAG laser by a periodically poled MgO:LiNbO3 ridge-type waveguide,” Conference Digest CLEO/EUROPE 2003, Munich GERMANY, June 24, CA8T (2003).
N. PAVEL, V. LUPEI and T. TAIRA, “The effect of Nd concentration on 1064 and 946-nm emission of Nd:YAG lasers under continuous-wave Ti:Sapphire pumping,” Conference Digest CLEO/EUROPE 2003, Munich GERMANY, June 24, CA9T (2003).
T. DASCALU, T. TAIRA and N. PAVEL, “Thermo-optical effects in high-power diode edge-pumped microchip composite Yb:YAG laser,” Conference Digest CLEO/EUROPE 2003, Munich GERMANY, June 27, CA8-3 (2003).
I. SHOJI, T. TAIRA, A. IKESUE and K. YOSHIDA, “Great reduction of thermally-induced-birefringence effect in highly Nd3+-doped YAG ceramics by laser oscillation, ” Conference Digest CLEO/EUROPE 2003, Munich GERMANY, June 27, CA8-4 (2003).
Y. SATO, J. SAIKAWA, I. SHOJI, T. TAIRA and A. IKESUE, “The optical properties of novel microchip laser with polycrystalline gain media, solid solutions of neodymium-doped YAG and YSAG,” The 5th International Meeting of Pacific Rim Ceramic societies, Nagoya, 04-P-06, 90 (2003).
J. SAIKAWA and T. TAIRA, “Mode-locked Yb:YAG lasers by using SHG nonlinear mirror,” The 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics, Taiwan, December 15-19, (2003).
B -4) 招待講演
平等拓範 , 「国際会議 A S S P 報告」, 第 4 回光材料・応用技術研究会 , 東京 , 2003 年 2 月 . T. TAIRA, “New generation of the ceramic lasers,” Stanford Univ., CA (U. S. A. ), June 2003.
平等拓範 , 「C L E O2003報告」第 1回光材料・応用技術研究会 , 東京 , 2003年 6月 .
T. TAIRA, “Diode pumped microchip laser for chromatic light source,” Grenoble Univ. (France), June 2003. T. TAIRA, “Diode pumped microchip solid-state lasers,” Bucharest (Romania), July 2003.
平等拓範 , 「レーザー入門∼光の基礎からレーザー研究の最前線まで∼」, 安城市市民文化センター, 2003年 7月 .
B -6) 受賞、表彰
平等拓範 , 第 23回（社）レーザー学会業績賞（論文賞）(1999). 平等拓範 , 第 1回（財）みやぎ科学技術振興基金研究奨励賞 (1999). 平等拓範、他 , 第 51回（社）日本金属学会金属組織写真奨励賞 (2001). 平等拓範、他 , （社）日本ファインセラミックス協会技術振興賞 (2002). 庄司一郎 , 第 11回（2001年秋季）応用物理学会講演奨励賞 (2001). 斎川次郎 , 応用物理学会北陸支部発表奨励賞 (1998).
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
平等拓範 , レーザー学会 , レーザー素子機能性向上に関する専門委員会幹事 (1997-1999). 平等拓範 , レーザー学会 , 研究会委員 (1999- ).
平等拓範 , 電気学会 , 高機能全固体レーザと産業応用調査専門委員会幹事 (1998-2002). 平等拓範 , レーザー学会 , レーザー用先端光学材料に関する専門委員会委員 (2000-2002). 平等拓範 , レーザー学会 , 学術講演会プログラム委員 (2001).
平等拓範 , L A S E R S 2001, 国際会議プログラム委員 (2001). 平等拓範 , 米国スタンフォード大学 , 客員研究員 (1999-2002). 平等拓範 , 宮崎大学 , 非常勤講師 (1999-2000).
平等拓範 , 福井大学 , 非常勤講師 (1999- ). 平等拓範 , 理化学研究所 , 非常勤研究員 (1999- ). 平等拓範 , 物質・材料研究機構 , 客員研究員 (2001- ). 庄司一郎 , 日本光学会 , 企画・事業担当幹事 (2001- ). 科学研究費の研究代表者、班長等
平等拓範 , 基盤 B (2) 展開研究(No. 10555016) 研究代表者 (1998-2000). 平等拓範 , 基盤 B (2) 一般研究(No. 11694186) 研究代表者 (1999-2001).
平等拓範, 科学技術振興調整費 ＜産学官共同研究の効果的な推進＞（輻射制御直接励起マイクロチップレーザー） 研究代表者 (2002- ).
平等拓範 , 基盤 A (2) 一般研究(No. 15206073) 研究代表者 (2003- ).
C ) 研究活動の課題と展望
結晶長が 1 mm以下のマイクロチップ固体レーザーの高出力化，高輝度化，多機能化と高性能な非線形波長変換方式の 開発により従来のレーザーでは困難であった，いわゆる特殊な波長領域を開拓する。このため新レーザー材料の開発，新レー ザー共振器の開発を行う。さらに，マイクロチップ構造に適した発振周波数の単一化，波長可変化，短パルス化についても 検討したい。この様な高輝度レーザーは多様な非線形波長変換を可能にする。そこで，従来の波長変換法の限界を検討す るとともに，これまでの複屈折性を用いた位相整合法では不可能であった高機能な非線形波長変換を可能とする新技術で ある擬似位相整合法のためのプロセス及び設計法の研究開発を行う。
近い将来，高性能の新型マイクロチップ固体レーザーや新しい非線形波長変換チップの研究開発により，中赤外域から紫 外域にわたる多機能な応用光計測を可能とする高機能・広帯域波長可変クロマチップレーザー（C hromatic Microchip L aser S ystem; C hroma-C hip L aser）が実現できると信じている。
