高 出 力 薄 型 ス ラ ブYb:YAGレ ー ザ ー の 開 発
川 戸 栄1,末 田 敬 一2,小 林 喬 郎1
1福井 大 学 工 学 研 究 科 フ ァイバ ー ア メ ニ テ ィ工 学 専 攻(〒910 -8507福 井 市 文 京3-9-1) 2(財)福 井 県 産 業 支 援 セ ン ター(〒910 -0296福 井 県坂 井 郡丸 岡 町熊 堂3-7-1-16)
Development
of High-Power
Micro-Thickness-Slab
Yb:YAG Lasers
Sakae KAWAT0,1 Keiichi SUEDA,2 and Takao KOBAYASHI1
1
Fiber Amenity
Engineering
Course, Graduate School of Engineering,
University
of Fukui,
Bunkyo,
3-9-1, Fukui 910-8507
2Fukui
Industrial Support Center, Kumando 3-7-1-16, Maruoka, Sakai, Fukui 910-0296
(Received September 22, 2004)
End-pumped micro-thicknness slab laser architectures, named as thin-rod and thin-slab, are proposed for
high-power and efficient pulse amplification of quasi-four-level lasers. Advantages of the architectures exist in its
high gain and efficient energy storage characteristics. It also exhibits high cooling efficiency by large cooling
area with small slab volume. Thin-rod laser architecture has been investigated for average output power of
several tens W and thin-slab laser architecture has been investigated for average output power above hundreds
W. From free running operation of the thin-rod regenerative amplifier, average output power of 18 W was
obtained at pulse repetition rate of 100 kHz. A high-average-power and high-efficiency thin-slab Yb:YAG
laser has been developed with cw output power of 257 W, slope effieciency of 59 % and optical conversion
efficiency of 49 %.
Key Words: Micro-thickness-slab, Yb:YAG, High-average-power, High-pulse-repetition-rate, Regenerative
amplifier
1. は じめ に レ ー ザ ー の 応 用 分 野 は,エ ネ ル ギ ー 応 用,ア ブ レ ー シ ョ ン に よ る 加 工 や プ ロ セ シ ン グ,材 料 創 成,情 報 処 理 ・通 信,生 体 ・医 療 な ど,基 礎 研 究 か ら 産 業 応 用 ま で 多 岐 に わ た っ て い る.こ の な か で 我 々 は,特 に レー ザ ー ア ブ レ ー シ ョ ン 及 び 微 細 加 工 な ど の 産 業 応 用 を 主 な 目 的 と し て,高 平 均 出 力 の 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 発 振 器-増 幅 器 シ ス テ ム の 開 発 を 行 っ て い る.本 稿 で は,開 発 中 の 高 平 均 出 力 の 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 増 幅 器 に 用 い る 微 細 ロ ッ ド及 び 微 細 ス ラ ブYb:YAGレ ー ザ ー に 関 し て 述 べ る. 1.1 産 業 用 の 高 出 力 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 我 々 の 目 指 して い る の は,平 均 出 力 数10W,パ ル ス 繰 り返 し周 波 数10kHz以 上,パ ル ス エ ネ ル ギ ーmJク ラ ス と い う,高 平 均 出 力,高 パ ル ス エ ネ ル ギ ー 出 力 か つ 小 型 の 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー で あ る.従 来 に 比 べ て 平 均 出 力 とパ ル ス 繰 り返 し周 波 数 が 高 く,超 微 細 加 工 や ア ブ レ ー シ ョ ン な ど の 生 産 性 の 向 上 が 見 込 め る た め,超 短 パ ル ス レ ー ザ ー の 産 業 応 用 を加 速 で き る と 期 待 し て い る.こ の 特 性 の 実 現 に は 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 発 振 器 増 幅 器 構 成 が 必 要 と な る.現 在,こ れ に も っ と も よ く用 い ら れ て い るTiサ フ ァ イ ア は,フ ー リ エ 限 界 パ ル ス に 換 算 して 約3fsと い う 幅 広 い 利 得 ス ペ ク トル 帯 域 とNd:YAGと 同 ク ラ ス の 大 き な 蛍 光 断 面 積 を あ わ せ 持 ち,特 に極 短 パ ル ス 用 の レ ー ザ ー 光 源 と して 魅 力 的 な 媒 質 で あ る.こ れ は,パ ル ス 幅27fsの レ ー ザ ー 発 振1)な ど を 始 め と し て,そ れ 以 前 に 行 わ れ た 超 短 パ ル ス 色 素 レー ザ ー に 関 す る 研 究 の 成 果 をTiサ フ ァ イ ア レ ー ザ ー に 利 用 で き た た め で も あ る.し か し,液 体 レ ー ザ ー で あ る 色 素 レ ー ザ ー は 色 素 の 劣 化,溶 媒 の 蒸 発 に よ る 濃 度 変 化 な ど取 り扱 い が 難 し く,利 用 に は そ う と う に 熟 練 さ れ た 専 門 家 が 必 要 な た め,応 用 分 野 は 限 ら れ て い た.こ の た め,超 短 パ ル ス レ ー ザ ー の 応 用 研 究 は,全 固 体 化 さ れ て 格 段 に使 い や す くな っ たTiサ フ ァ イ ア レ ー ザ ー の 出 現 に よ っ て ブ レ イ ク ス ル ー を 迎 え た と い っ て も 過 言 で は な い.現 在,Tiサ フ ァ イ ア レ ー ザ ー は 超 高 速 ・超 高 強 度 レ ー ザ ー 物 理 を は じ め と して,様 々 な 基 礎 研 究 の 分 野 に 応 用 さ れ て い る. 産 業 応 用 の た め の 高 平 均 出 力 化 や 高 効 率 化,小 型 化 と い う 点 に 関 し て は,残 念 な が らTiサ フ ァ イ ア レ ー ザ ー に も ま だ 課 題 は 残 っ て い る.ま ず,一 番 の 問 題 点 は,励 起 波 長 が 可 視 域 の500nm帯 の た め に 励 起 光 源 と し てLDを 用 い る の は 困 難 で 固 体 レ ー ザ ー の 第 二 高 調 波 等 が 必 要 と さ れ る 点 で あ る.ま た,蛍 光 寿 命 が2∼3μsと 短 い た め,CW励236
レー ザ ー研 究 2005年4月起 で はmJク ラ ス の パ ル ス 出力 を得 る の は 難 し く,大 出 力
の 固体 レー ザ ー に よ る パ ル ス 励 起 が 必 要 で あ る.つ
ま
り,Tiサ フ ァ イ ア レー ザ ー は,LD励
起 が で きな い た め,
励 起 レーザ ー を含 め る と装 置 全 体 が 大 型 で電 力 効 率 も低
くな りや す い.ま た,原 子 量子 効 率(ス トー クス 因子)が70
%を 下 回 るた め原 理 的 な効 率 の 限界 が低 い.そ の結 果,励
起 に起 因す る発 熱 が 大 き くな る た め,高 平 均 出力 動 作 時
に は 熱 レ ン ズ 効 果 に代 表 さ れ る 熱 光 学 歪 み を補 償 し,
ビ ー ム 品質 の改 善 や 複 屈 折 損 失 の低 減 化 が必 要 で あ る.
レー ザ ー結 晶 を100K以 下 に冷 却 して 熱 レ ンズ効 果 を二桁
以 上 低 減 す る技 術 も確 立 され て い るが,結 露 防 止 の た め
に真 空 チ ャ ンバ ー な どが 必 要 で,平 均 出力 の増 大 化 には
シス テ ム全 体 の 大 型 化 や 電 力 効 率 の低 下 を伴 う.実 際 の
ところ,市 販 のTiサ フ ァイ ア超 短パ ルス発 振 器 ―増 幅 器 シ
ス テ ム は,パ ル ス エ ネ ル ギ ー に 関 して はmJク ラス か らそ
れ 以 上 と比 較 的 高 め で あ るが,平 均 出力 は1W前 後,パ ル
ス 繰 り返 し周 波 数 も1kHz程
度 と低 い う え に,レ ー ザ ー
ヘ ッ ド単 体 で 重 さ200kg程 度,大
き さ1m四 方 程 度 と大 型
で あ る.
1.2 Yb系 超 短 パ ル ス レーザ ー
固体 レーザ ーの 第2高 調 波 で は な く,LDに
よって直 接 励
起 が 可 能 な超 短 パ ル ス レ ーザ ー材 料 と して は,Cr:LiSAF
やCr:LiCAFな
どが 知 られ て い るが,量 子 効 率 が 低 い だ け
で は な く蛍 光 寿 命 も短 く高 効 率 動 作 は 難 しい.ま た 現 時
点 で は励 起 に必 要 な赤 色LDに 高効 率 か つ高 出力 な もの が
存 在 しな い.
こ れ に対 し,Yb系
レーザ ー
2-4)は,発 振 波 長 と励 起 波 長
が 近 い た め原 子 量 子 効 率(ス トー ク ス 因子)が90%以
上 と
非 常 に高 い.2F5/2と2F7/2の2つ の 電 子 準 位 しか 準 位 が 存 在
しな い た め に ア ップ コ ンバ ー ジ ョ ン も起 こ らず,励 起 量
子 効 率 が ほぼ100%で
あ り,高 密度 励 起 に適 して い る.さ
らに,励 起 波 長 が940nm∼970nm帯
にあ る ため,ア
ル ミ
フ リーで 信 頼1生の 高 いInGaAs系 のLDを 利 用 で きる.さ
ら
に,蛍 光寿 命 が1ms前 後 と長 い ため にパ ル ス 出力 を取 り出
し易 く,CW励
起 で も高効 率 化 及 び高 出力 化 が 可 能 で,蛍
光 断面 積 も比 較 的 大 き く,固 体 レー ザ ー に比 べ て 輝 度 の
低 いLDに よる励 起 で も十 分 な利 得 を得 る こ とが で きる.
これ は特 に,光 ス イ ッチ の挿 入損 失 や 共 振 器 の 回折 損 失
に よ り内 部損 失 が10%程
度 と比 較 的 大 き く,高 効 率 動 作
の た め に は2倍 程 度 以 上 の 単行 利 得 を必 要 とす る再生 増 幅
器 や,往 復 回数 が 少 な い た め に10倍 程 度 以 上 の 高 い 単 行
利 得 を必 要 とす る多 重 パ ス増 幅 器 の 開発 に有 効 で あ る.
この た め,Yb系
の レー ザ ー は,時 間 的 か つ空 間 的 に輝 度
の低 いLDの 光 を,時 間的 か つ 空 間 的 に輝 度 の高 い超 短 パ
ル ス レー ザ ー光 へ 高 効 率 に 変換 で き る可 能 性 を秘 め た魅
力 的 な レー ザ ー で あ る とい え る.
Yb系 レ ーロ
ザ ー の最 大 の 欠 点 は,準4準
位 系 レー ザ ー5,6)
で あ るた め,常 温 で は レー ザ ー の 下 準位 に イ オ ンの 分 布
が あ り,そ れ に 起 因 す る損 失 が 無 視 で き な い こ とで あ
る.こ の た め,励 起 密 度 の 向 上 と冷 却 効 率 の 向 上 とい う
相 矛 盾 す る課 題 を い か に して達 成 す る か とい う こ とが 非
常 に重 要 で あ る.
Yb系 レ ー ザ ー の 中 で,我 々 は 特 にYb:YAGレ ー ザ ー の 開 発 を 行 っ て い る.YAGの 熱 伝 導 率 は よ く用 い ら れ る レ ー ザ ー 母 材 の 中 で は サ フ ァ イ ア に 次 い で 高 く,粉 砕 耐 久 性 や 熱 機 械 性 能 指 数 も 高 く,高 密 度 励 起 か つ 冷 却 効 率 の 向 上 とい う 点 で 有 利 で あ る.ま た,Nd:YAGに お け る 長 年 の 実 績 に 加 え,Ndイ オ ン に 比 べ てYbイ オ ン はYイ オ ン に 大 き さ が 近 く,Ndよ り もYbの 方 がYAGへ の イ オ ン添 加 を 行 い や す い た め 高 濃 度 添 加 に よ る 濃 度 消 光 が 少 な い.Ybを 100at.%ド ー プ し たYb:YAG結 晶 も市 販 さ れ る ほ ど で あ る.Yb:YAGの 有 効 誘 導 放 出 断 面 積 は2.3×10-20cm27,8)と Yb系 レー ザ ー 材 料 の 中 で も比 較 的 大 きめ で,蛍 光 寿 命 も 0.951ms7,8)と 長 く,利 得 指 数 の 大 き さ を 表 す 誘 導 放 出 断 面 積 と蛍 光 寿 命 の 積 もYb系 材 料 の 中 で は 比 較 的 大 き く利 得 を得 や す い.さ ら に は,励 起 光 の 吸 収 ス ペ ク トル 幅 も21 nmで あ り,高 出 力LDの 平 均 的 な 線 幅 で あ る2∼3nmよ り も桁 違 い に 広 く十 分 な 幅 を持 つ.つ ま り,LDの 波 長 精 度 を そ れ ほ ど必 要 とせ ず,LD励 起 固 体 レ ー ザ ー の コ ス トの 主 要 部 分 で あ るLDの 価 格 を 下 げ る こ と が 可 能 で あ る. レ ー ザ ー 下 準 位 が 基 底 準 位 と比 較 的 離 れ て い る た め,下 準 位 分 布 に 起 因 す る 損 失 を 飽 和 させ る の に 必 要 な 集 光 強 度 も 数kW/cm2と 比 較 的 低 め で あ る.蛍 光 ス ペ ク トル 幅 も 9.5nmあ り,フ ー リ エ 限 界 パ ル ス に 換 算 し て130fs程 度 と 数100fs程 度 の パ ル ス 増 幅 に は 十 分 で あ る.こ の た め,Yb: YAGは 高 平 均 出 力 レ ー ザ ー と し て 特 に 有 望 な レ ー ザ ー 材 料 で あ る と い え る.ま た,Yb系 で100fsを 切 る よ う な 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー を 開 発 す る た め に はYb:KYW9)な ど,さ ら に 利 得 ス ペ ク トル の 広 い も の を 用 い る こ と も 考 え ら れ る. 2. Yb系 円 柱 ロ ッ ド型 及 び ス ラ ブ 型 レ ー ザ ー 2.1 産 業 用 レ ー ザ ー に 必 要 と さ れ る 条 件 先 に述 べ た よ う に,準4準 位 レ ー ザ ー の 損 失 を 改 善 す る に は,高 い 励 起 密 度 及 び 高 い 冷 却 効 率 が 必 要 で あ る.一 方,常 温 で 高 効 率 に 動 作 可 能 な シ ス テ ム は 全 体 の 電 力 効 率,大 き さ,メ ン テ ナ ン ス の 容 易 さ や 信 頼 性 及 び 価 格 の 点 か ら 有 利 で あ る.同 様 の 理 由 か ら,励 起 に は 高 輝 度 の 集 光 に よ く利 用 さ れ る 複 雑 で 高 価 な 光 学 系 は 利 用 し な い こ と や,高 密 度 励 起 が 容 易 で あ る が 高 価 なQ-CWLDで は な くCWLDを 利 用 す る こ とが 望 ま し い.さ ら に,波 面 歪 み が 小 さ く,熱 複 屈 折 に 起 因 す る 損 失 も 低 い ほ ど 良 い. こ れ に は,一 般 に 励 起 光 の 空 間 強 度 分 布 を 均 一 に す る 必 要 が あ る た め,強 度 分 布 の 均 一 性 の 悪 い 高 出 力LDの 光 を 均 一 か つ 高 輝 度 に 集 光 す る こ と が 求 め ら れ る.ま た,増 幅 器 の 高 効 率 動 作 の た め に は,共 振 器 損 失 に 対 し て 十 分 高 い,通 常2倍 程 度 以 上 の 利 得 が 必 要 で あ る.ま た,超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 増 幅 時 の パ ル ス 幅 の 増 大 化,い わ ゆ る ゲ イ ン ナ ロ ー イ ン グ を 防 ぐ た め に 必 要 な 再 生 パ ル ス 整 形 は 損 失 を 伴 う が,利 得 が 高 け れ ば こ の 損 失 に よ る 効 率 低 下 を 防 ぐ こ とが で き る.こ の た め,高 利 得 化 は 広 ス ペ ク ト ル 帯 域 の 増 幅 に 有 利 で あ る と考 え ら れ る. 現 在,フ ァ イ バ ー,薄 型 デ ィ ス ク(thin-disk)ま た は マ イ ク ロ チ ッ プ,円 柱 ロ ッ ド,ス ラ ブ な ど の 各 種 方 式 の 高 出力Yb系 レ ー ザ ー が 開 発 さ れ て い る.フ ァ イ バ ー,薄 型 デ ィ ス ク,マ イ ク ロ チ ッ プ に 関 す る 解 説 は 他 に 譲 る こ と と し,こ こ で は 円 柱 ロ ッ ド及 び ス ラ ブ 構 造 のYb系 固 体 レ ー ザ ー に 関 し て 述 べ る. 2.2 ロ ッ ド レ ー ザ ー 円 柱 状 の 結 晶 を 用 い た ロ ッ ドレ ー ザ ー は,Q-CWの 側 面 励 起 の も の がHughes社 のD.S.Sumidaら10)に よ っ て,CW の 端 面 励 起 の も の がLLNLのS.A.Payneら11,12)に よ っ て 開 発 さ れ て い る.円 柱 ロ ッ ド型 の 利 点 は,高 利 得 化 が 容 易 な こ と と形 状 が レ ー ザ ー ビ ー ム の モ ー ド形 状 に合 い や す い た め モ ー ドマ ッチ ン グ 効 率 を 比 較 的 高 く で き る こ と に あ る.欠 点 は,寄 生 発 振 が 起 きや す い こ と で あ る が,結 晶 を テ ー パ ー 状 に す る こ と に よ り克 服 で き た と の 報 告 が あ る12).も う 一 つ の 問 題 点 は,冷 却 が 円 柱 に対 し て 放 射 状 に 行 わ れ る た め,放 射 状 の 複 屈 折 や 複 レ ン ズ 効 果 が 生 じ て し ま い,高 出 力 動 作 時 及 び 高 密 度 励 起 時 に は こ れ ら の 補 償 を 同 時 に 行 う 必 要 が あ る こ と で あ る.こ れ に対 し て は,フ ァ ラ デ ー 回 転 子 や90度 ロ ー テ ー タ ー と2つ の ロ ッ ドの 組 み 合 わ せ に よ り13),1kWを 超 え る 平 均 出 力 の 動 作 が 実 現 さ れ て い る14). 2.3ス ラ ブ レ ー ザ ー ジ グ ザ グ ス ラ ブ 型 に 関 し て は,側 面 励 起 の も の を Stanford大 のT.S.Rutherfordら15)が,端 面 励 起 の も の を TRW社 のG.D.Goodnoら16)が 開 発 し て い る.こ の な か で, G.D.Goodnoら は,CW出 力415W,励 起 光 に対 す る 光 ― 光 変 換 効 率30%と い う,こ れ ま で のYb系 ス ラ ブ レ ー ザ ー の な か で 最 高 の 効 率 を 得 て い る.こ の 方 式 の 利 点 は, ロ ッ ド型 と 同 様 に 利 得 が 高 い 点 に 加 え て,冷 却 時 の 熱 の 流 れ 及 び そ れ に 起 因 す る 温 度 分 布 が1次 元 的 で あ る た め に,熱 複 屈 折 に 起 因 し た 損 失 を 低 減 で き る こ と,ま た, レ ー ザ ー ビ ー ム の ジ グ ザ グ パ ス 伝 搬 に よ り,熱 レ ン ズ 効 果 を 含 め た 熱 光 学 的 な 歪 み を 補 償 で き る こ と で あ る.欠 点 は 方 形 形 状 の た め に,円 形 及 び 楕 円 形 の レ ー ザ ー ビ ー ム と の モ ー ドマ ッ チ ン グ 効 率 が 低 下 す る 点 で あ る.こ れ に よ る 損 失 は 最 大 で30%程 度 で あ る が,コ ア ドー プ 結 晶 な ど の 利 用 に よ り さ ら に 改 善 可 能 で あ る. 3. 薄 型 ス ラ ブ構 造 のYb系 固 体 レ ー ザ ー 我 々 は こ れ ら の 状 況 を ふ ま え た 利 得 媒 質 の 構 造 を提 案 し た.ま ず,高 出 力 の 増 幅 器 へ の 利 用 を 考 え た 場 合,パ ル ス の 入 出 力 に ポ ッ ケ ル セ ル を 用 い る こ と や,応 用 の た め に は 直 線 偏 光 出 力 の 方 が 望 ま し い こ と を 考 慮 す れ ば, 複 屈 折 損 失 や 熱 複 レ ン ズ 効 果 の 補 償 の 必 要 の 無 い 構 造 が 有 用 と考 え ら れ る.一 方,ス ラ ブ 状 の 利 得 モ ジ ュ ー ル は 複 屈 折 損 失 の 低 減 が 容 易 で,利 得 も高 い た め 増 幅 器 の 利 得 モ ジ ュ ー ル と し て 適 し て い る. 従 来,高 平 均 出 力 の ス ラ ブ レ ー ザ ー に は 厚 み2mm以 上 の 媒 質 が 使 わ れ て い た.こ れ は,薄 い ス ラ ブ 状 結 晶 の 加 工 に は 特 殊 な 技 術 が 必 要 な こ とや 結 晶 保 持 時 の 歪 み や 破 損 な ど結 晶 の 取 り扱 い の 困 難 さ の た め で あ る と考 え ら れ
る.ま た,断 面 積 の 小 さ い結 晶 は 熱 レ ンズ 焦 点 距 離 が 短
くな る た め,安 定 した共 振 器 の構 成 が 困 難 で あ る とい っ
た 問題 もあ っ た と考 え られ る.
しか し,厚 い 媒 質 で は媒 質 の体 積 に対 して冷 却 面 積 が
相 対 的 に狭 い た め に媒 質 の温 度 上 昇 が 高 くな りやす い.
また,励 起 光 の 強 度 分 布 が 不 均 一 に な りや す く,熱 の 流
れ が複 雑 で波 面 ひず み や複 屈 折 損 失 も大 きい.
(a)
(b)
Fig. 1 Configuration of high power Yb rod lasers. (a)
End-pumped tapered-rod laser developed by LLNL group.
(b) Side-pumped
laser developed by Hughes Res.
Lab. group.
(a)
(b)
Fig. 2 Configuration of high power Yb zig-zag slab lasers.
(a) End-pumped laser developed by TRW group. (b)
Edge-pumped
laser developed by Stanford Univ.
group.
こ れ に 対 し て,我 々 は 厚 み1mm以 下 と薄 く,長 さ が30 ∼50mm程 度 と 長 く ,冷 却 面 積 が 広 い 形 状 の ス ラ ブ レ ー ザ ー を 開 発 し て い る17-20). ス ラ ブ 型 レ ー ザ ー を 媒 質 の 厚 み 方 向 に 対 し て 伝 導 冷 却 す る 場 合 を 考 え る.熱 拡 散 方 程 式 を 用 い れ ば,結 晶 の 平 均 温 度 上 昇,す な わ ち,結 晶 の 温 度 上 昇 を体 積 で 平 均 し た も の は,
(1)
と な る.こ こ で,媒 質 の 幅 をw,厚 み をt,長 さ をl,熱 伝 導 率 をK,ヒ ー トシ ン ク と結 晶 の 表 面 伝 熱 係 数 を λ,結 晶 の 発 熱 パ ワ ー 及 び 発 熱 パ ワ ー 密 度 をPh及 びqhと し た.(1) 式 よ り,同 じ励 起 パ ワ ー の 場 合,結 晶 の 厚 み を 薄 く し, 長 さ 及 び 幅 を広 げ る こ と に よ っ て 冷 却 面 積 を 拡 大 す る ほ ど,結 晶 の 温 度 上 昇 を 低 減 で き る こ と が わ か る.ま た, 利 得 を 上 げ た り,レ ー ザ ー 下 準 位 吸 収 を飽 和 さ せ る た め に は,励 起 パ ワ ー 密 度 を 上 げ る 必 要 が あ る.こ の と き, 結 晶 の 厚 み が 薄 く冷 却 面 積 が 広 い ほ ど,励 起 に 起 因 す る 温 度 上 昇 を抑 制 で き る た め,特 に準4準 位 レ ー ザ ー の 損 失 の 低 減 に 有 効 で あ る. 3.1 微 細 ロ ツ ドYb:YAGレ ー ザ ー17-19) ま ず,平 均 出 カ100W以 下 の 中 出 力 の 増 幅 器 に用 い る た め に,媒 質 の 断 面 の 縦 横 比 が ち ょ う ど1:1の 角 柱 形 状 の 利 得 媒 質 を用 い たYb:YAGレ ー ザ ー を 開 発 し た.Fig.3(a)に そ の 構 成 を 示 す.結 晶 の 断 面 積 は1mm×1mm以 下,長 さ は30∼50mm,Ybイ オ ン濃 度 は0.5at.%の も の を 用 い た.励 起 に は 平 均 出 力100W,NA=0.2,コ ア 径600μm の フ ァ イ バ ー 出 力LDま た は 平 均 出 力140Wの 両 軸 コ リ メ ー トLDを2個 用 い た.励 起 光 は 結 晶 の 両 端 面 か ら斜 め に 入 射 し,結 晶 側 面 を 多 重 反 射 し な が ら伝 搬 さ せ る こ と に よ り強 度 分 布 の 均 一 化 を 行 っ た.集 光 に は 焦 点 距 離30∼ 50mmの ダ ブ レ ッ ト色 消 し レ ン ズ を 用 い た.こ の よ う に 簡 易 な 集 光 光 学 系 を 用 い て もYb:YAGの レ ー ザ ー 下 準 位 損 失 を 飽 和 さ せ る に は 十 分 な20kW/cm2程 度 の 集 光 強 度 を 得 る の は 容 易 で あ る.Fig.3(b)に 示 す よ う に 励 起 時 の 結 晶 端 面 か ら は 均 一 な 蛍 光 分 布 が 得 ら れ て い る.さ ら に,こ の (a) (b)Fig. 3 Schematic of thin-rod Yb:YAG laser and fluorescence distribution. (a) Thin-rod and pump geometry. (b) Fluorescence distribution from the rod end.
結 晶 の対 向 す る2つ の 側 面 の み をFig.4(a)に 示 す よ うに冷 却 す る こ と に よ り,熱 複 屈 折 に よる損 失 の 効 果 を抑 制 し た.200W励 起 時 の複 屈 折 損 失 の測 定 値 は3%以 下 と十 分 小 さい.マ ッハ ツ ェ ン ダ ー干 渉 計 を用 い て,結 晶 の透 過 波 面 を計 測 した と ころ,励 起 時 にはFig.4(b)に 示 す よ う に 円柱 レ ンズ の 透 過 時 と同様 の波 面 歪 み が 観 測 さ れ た. 干 渉 光 源 の 偏 光 は冷 却 軸 に平 行 方 向 と した.冷 却 軸 と垂 直 方 向 に も小 さ な波 面 歪 みが 観 測 され た が,こ の 焦 点 距 離 は冷 却 軸 方 向 よ り も1桁 程 度 長 い.結 晶 の 側 面 に 関 し て,図 の 上 下 に対 応 した冷 却 面 は銅 製 ヒー トシ ンク に接 合 して お り,図 の 左 右 に対 応 した側 面 は 空 気 に接 して い る.銅 の 熱伝 導 率 は400W/m K程 度 で あ るが,空 気 の 熱伝 導率 は3×10-2W/m K程 度 と桁 違 い に低 い.空 気 の対 流 に よる 熱 の 流 れ を考 慮 して も,冷 却 軸 の 垂 直 方 向 に熱 の流 れ は 殆 ど存 在 しない はず で あ る.こ の た め,冷 却 軸 と垂 直 方 向 に関 す る光 学 的 な歪 み は温 度 勾 配 に よ る もの で は な い と考 え られ る.干 渉 光 源 の偏 光 を冷 却 軸 に垂 直 方 向 に した と こ ろ,冷 却 軸 に垂 直 方 向 の波 面 歪 み の 大 き さ と 符 号 が 変 化 した.こ れ よ り,励 起 時 の 結 晶 の 熱 膨 張 に よ る 応 力 に起 因 す る複 屈 折 に よ る もの で あ る と考 え ら れ る. 干 渉 計 の 波 面 計 測 に よ り求 め られ た微 細 ロ ッ ドの冷 却 軸 方 向 の 熱 レ ンズ 焦 点 距 離 と励 起 パ ワー の 関 係 を調 べ た と ころ,Fig.5に 示 す よ う に薄 肉 レ ンズ 近似 の理 論 値 と定 性 的 に は一 致 す る.結 晶 内 部 の 温 度 勾 配 に よ り,微 細 ロ ッ ドは屈 折 率2乗 分 布 媒 質 に な っ て い る と考 え られ,結 晶 の 長 さが 非 常 に長 い こ とを考 慮 す れ ば,薄 肉 レ ンズ近 似 で は 定量 的 に は あ わ な い と考 え られ る. 計 測 され た熱 レ ンズ 焦 点距 離 の大 き さは200W励 起 時 に 100mm程 度 と,従 来 の 結 晶 に比べ る と短 め で あ る が,こ れ は 熱 レ ンズ 効 果 そ の ものが 強 い こ と を意 味 して い る わ け で は な い.熱 レ ンズ 焦 点 距 離fthが短 く と も,ビ ー ム径d が 非 常 に小 さ く,比 口径d/fthが小 さい と きは,レ ーザ ー ビー ム は 熱 レ ンズ の 近 軸 域 しか伝 搬 しな い ため,波 面 歪 み の 絶 対 値 は小 さい.つ ま り,熱 レ ンズ 効 果 の 強 さ は, 熱 レ ンズ 焦 点 距 離 の 短 さ に よっ て決 ま るの で は な く,比 口径 に よ って 決 ま る と考 え られ る.微 細 ロ ッ ドの熱 レ ン ズ の比 口径 は最 大 で も0.01程度 と非 常 に小 さ く補 償 は容易 (a) (b)
Fig. 4 (a) Cooling scheme and (b) interfrence pattern mea-sured by Mach-Zehnder interferometor for pump power Pp = 100 W.
Fig. 5 Thermal focal length of thin-rod Yb:YAG along the cooling axis as a function of pump power.
で あ る. ま た,熱 光 学 歪 み の な か で 熱 レ ン ズ 効 果,つ ま り,光 軸 か ら の 距 離 に 関 して2次 の 光 学 歪 み は,球 面 ミ ラ ー や レ ン ズ な ど 単 純 な 球 面 光 学 系 で も 補 償 が 容 易 で あ り,特 に 比 口 径 が 小 さ い と き は 球 面 収 差 が 小 さ い た め 厳 密 な 補 償 が で き る.一 方,3次 や4次 な ど,も っ と高 次 の 光 学 歪 み は 球 面 光 学 系 で は 補 償 不 可 能 で あ る が,ビ ー ム 径 が 小 さ け れ ば 原 理 的 に 効 果 が 小 さ い.ま た 一 般 に,高 次 モ ー ド の 状 態 密 度 は ビ ー ム 径 を小 さ くす る ほ ど 少 な く で き る. こ の た め,結 晶 断 面 積 を小 さ くす る こ と は,波 面 歪 み の 低 減 に 非 常 に 有 効 な 手 法 で あ る と 考 え ら れ る.例 え ば, フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー に 関 し て も,フ ァ イ バ ー の フ ィ ル タ ー 効 果 に よ り高 次 モ ー ド を 減 衰 さ せ て,ビ ー ム 品 質 を 改 善 さ せ て い る.こ の と き,コ ア 面 積 が 小 さ い た め に 波 面 歪 み が 少 な く,高 ビ ー ム 品 質 化 と 高 効 率 化 を 両 立 させ る こ と が 可 能 に な っ て い る と 考 え ら れ る. こ の 微 細 ロ ッ ド レ ー ザ ー の 入 出 力 特 性 をFig.6に 示 す. マ ル チ モ ー ド動 作 時 に はCW吸 収 励 起 パ ワ ー167Wの と き にCW出 力65Wが 得 られ た.ス ロ ー プ 効 率 は42%,光 ―光 変 換 効 率 は36%,ビ ー ム 品 質 を 示 すM2値 は 媒 質 の 冷 却 軸 方 向 で9.1,冷 却 軸 と 垂 直 方 向 で は1.5で あ っ た.ま た, Fig.7に 示 す 微 細 ロ ッ ドYb:YAG再 生 増 幅 器 の 開 発 を 行 っ た.再 生 増 幅 器 用 の 熱 レ ン ズ 補 償 共 振 器 か ら は,Fig.6に
Fig. 6 CW output power of thin-rod Yb:YAG laser as a func-tion of pump power.
Fig. 7 Thin-rod Yb:YAG regenerative amplifier.
示 す よ うにCW吸
収 励 起 パ ワ ー167Wの
と き にCW出
力40
W,ス
ロ ー プ効 率28%,光
―光 変 換 効 率24%,消
光 比100
対1以 上 の 直線 偏 光 出力 が得 られ た.M2値
は冷 却 軸 方 向 で
1.7にまで 改 善 され,冷 却 軸 と垂 直 方 向 の場 合 は1.4で あ っ
た.結 晶 の冷 却 水 温 は15度 の 常 温 動 作 で あ る.ま た,冷
却 水 温 を10度 上 昇 させ て も出 力 の低 下 はCW吸
収 励 起 パ
ワ ー167W時
で約8%と
少 な く,環 境 変 化 に対 して安 定 な
レーザ ー で あ る こ とが 確 認 で きた.共 振 器 内 にパ ル ス入
出力 用 の ポ ッケ ル セ ル を挿 入 した とこ ろ,ポ
ッケ ル セ ル
の複 屈 折 損 失 に よ り出力 が 半 分 以 下 の19Wに
まで 低 下 し
た.こ の条 件 で キ ャ ビテ ィ ダ ン プ動 作 を行 った と こ ろ,
パ ルス 繰 り返 し周 波 数100kHzの
と きに平 均 出カ18Wが
得
られ た た め,ス イ ッチ ング動 作 の効 率 は95%と
高 い.次
に複 屈 折 損 失 の 少 な い ポ ッケ ル セ ル を共 振 器 内 部 に挿 入
した と ころ,挿 入前 のCW出 力37Wに
対 して挿 入 後 の平 均
出力35Wが
得 られ て お り,こ れ を用 い て パ ル ス動 作 を行
え ば30Wを
超 え る 高 平 均 出 力 の 再 生 増 幅 器 が 実 現 で き
る.
3.2 微 細 ス ラ ブYb:YAGレ
ーザ ー20)
次 に,さ
らな る 高 出 力 化 を 目的 と した利 得 モ ジ ュ ー ル
の 開発 を行 った.こ の利 得 モ ジ ュ ー ル の概 念 図 をFig.8に
示 す.高
出 力化 の た め に は冷 却 効 率 を さ ら に上 げ る こ と
が 重 要 で あ り,媒 質 の厚 み は1mm以
下 とい う薄 い まま で
媒 質 の 幅 を広 げ る こ とが 有 効 で あ る と考 え られ る.高 出
力,高 効 率 か つ 低 コス トの ス タ ック型LDを 用 い て励 起 す
る こ とを考 え た 場 合,速 軸 方 向 は 回折 限界 の ビ ー ム を ス
タ ック の本 数分 束 ね た 構 造 で あ る た め,ビ ー ム 品 質 も非
常 に 良 く,80度 前 後 の 大 きな広 が り角 もア レ イ ご とに 円
柱 レ ンズ等 を用 い れ ば 比 較 的 低 コ ス トに コ リ メ ー ト可 能
で500μm以
下 の領 域 へ の集 光 も比 較 的 容 易 で あ る.一
方,ス
タ ッ クLDの 遅 軸 方 向 は 通 常50∼200μm程
度 の エ
ミ ッタ ー長 の ブ ロ ー ドエ リアLDを 多 数並 べ て10mm程
度
の幅 に収 め た構 造 で あ り,広 が り角 は10度 程 度 と小 さい
が,ビ
ー ム 品 質 が 悪 く,狭 い 領 域 へ の 集 光 は難 しい.マ
ル チ レ ンズ ア レイ を用 い れ ば集 光 が 比 較 的 容 易 に な る
が,LD単
体 の数 倍 の価 格 とな り非 常 に高 価 で あ る.
こ の た め,結 晶 の厚 み は300∼500μm,幅
を4mmと
し
て,長 さ とイ オ ン濃 度 は微 細 ロ ッ ドと同 じ く50mm,0.5
240
レー ザ ー 研 究 2005年4月Fig. 8 Thin-slab Yb:YAG laser. at.%と し た.結 晶 の 面 精 度 と機 械 強 度 の 確 保 の た め に,ス ラ ブ の 上 下 面 を サ フ ァ イ ア と 拡 散 接 合 し た も の を 用 い た.励 起 平 均 出 力320Wの8ス タ ッ クLDを2個 利 用 し,LD の 速 軸 と 遅 軸 を そ れ ぞ れ 別 の 円 柱 レ ン ズ で コ リ メ ー ト し た 後,ダ ブ レ ッ ドの 色 消 し レ ン ズ で 集 光 し た.集 光 強 度 は 最 大 で32kW/cm2で あ り,Yb:YAGの 高 効 率 動 作 に は 十 分 な 集 光 強 度 で あ る.こ の 方 法 は 簡 易 で 低 コ ス トの 光 学 系 を用 い て お り,産 業 応 用 に 有 利 と な る. こ れ の 微 細 ス ラ ブ レ ー ザ ー の 入 出 力 特 性 をFig.9に 示 す.マ ル チ モ ー ド動 作 の 条 件 でCW吸 収 励 起 パ ワ ー529W の と き に 平 均 出 力257W,光-光 変 換 効 率49%が 得 ら れ た.ス ロ ー プ 効 率 は58%で あ っ た.結 晶 の 冷 却 水 温 は 微 細 ロ ッ ドの と き と 同 様 に常 温 の15℃ で あ る.直 線 偏 光 を 出 力 す る た め に 偏 光 素 子 を 挿 入 して も 出 力 の 低 下 は1%以 下 で あ り,消 光 比 は50対1以 上 で あ っ た.一 方,ビ ー ム 品 質 の 改 善 の た め に 安 定 一 不 安 定 共 振 器 を 用 い た と こ ろ, ビ ー ム 品 質 はM2値 で1.6に ま で 改 善 さ れ,CW吸 収 励 起 パ ワ ー300Wの と き に 平 均 出 力92W,光-光 変 換 効 率31% が 得 ら れ た.ス ロ ー プ 効 率 は51%で あ り,大 幅 な 効 率 の 低 下 な しで ビ ー ム 品 質 を 改 善 す る こ と に 成 功 し た.励 起 光 の 吸 収 効 率 が87%の た め,励 起 パ ワ ー に 対 す る 光-光 変 換 効 率 は マ ル チ モ ー ド動 作 時 で42%で あ る.こ れ に よ りYb系 の ス ラ ブ レ ー ザ ー の 中 で 世 界 最 高 の 変 換 効 率 を 達 成 す る こ と に 成 功 し た. 4. ま と め こ こ で は,高 平 均 出 力 の 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー 増 幅 器 に
Fig. 9 CW output power of thin-slab Yb:YAG laser as a function of pump power.
Fig. 10 Schematic of high-average power Yb:YAG chirped pulse laser amplifer system.
用 い る こ とを 目的 と して,薄 型 ス ラ ブYb:YAGレ
ーザ ーの
研 究 開発 を行 った.微 細 ロ ッ ドYb:YAGレ
ーザ ー を用 いれ
ば平 均 出力30Wを
超 え る高 平均 出 力 の 再 生 増 幅 器 を 開発
で きる.ま た,我 々 の グル ー プ で は超 短 パ ル ス レー ザ ー
発 振 器 の 開発 も行 って い る.現 在 こ れ らを 組 み 合 わ せ,
従 来 に比 べ て小 型 か つ 高 平 均 出力 の超 短 パ ル ス レー ザ ー
発 振 器-増
幅 器 シス テ ム の 研 究 開発 が進 行 中 で あ る.シ
ス テ ム の 概 念 図 をFig.10に 示 す.ま
た,微 細 ス ラ ブYb:
YAGレ
ーザ ー を用 い れ ば平 均 出力 数100Wの
高 出 力超 短 パ
ル ス レー ザ ー 増 幅 シス テ ム の 開発 も可 能 で あ る.将 来,
レー ザ ー超 微 細 加 工 や レ ーザ ー ア ブ レー シ ョンの 生 産 性
の 向上,例
えば 原 子 炉 シ ュ ラ ウ ドの歪 み 除 去 な ど,さ
ら
に 高 い 平 均 出 力 が 要 求 さ れ る分 野 へ の 応 用 が 期 待 で き
る.
謝
辞
本 研 究 は 科 学 技術 振 興 事 業 団 の地 域 結 集 型 共 同 研 究 プ
ロ ジ ェ ク ト(福井県)に よ り行 われ て お り,福 井 県 産 業支 援
セ ン ター,福
井 県 工 業 技 術 セ ンタ ー,分 子 科 学研 究 所 平
等 グ ル ー プ,福 井 大 学 技 術 部 を は じめ と して 本 研 究 に協
力 して頂 い た 方 々 に感 謝 い た しま す.ま た,共 同 研 究 者
の福 井 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 フ ァイ バ ー ア メ ニ テ ィ工 学
専 攻 学 生 の 高 崎 信 吾,松 原 伸 一,畑
和 宏,橘
裕 太,高
橋 大 和,高 御 堂 哲 司,上 木 雅 詞,上 田 努,大 谷 和 紀 の
諸 氏 に感 謝 い た し ます.
参 考 文 献
1) J. A. Valdmanis, R. L. Fork, and J. P. Gordon: Opt. Lett. 10 (1985)
131.
2) P. Lacovara, H. K. Choi, C. A. Wang, R. L. Aggarwal, and T. Y.
Fan: Opt. Lett. 16 (1991) 1089.
4)平 等 拓 範:光 学28(1999)435.
