共振器なしで高出力緑色レーザーを発生

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同時発表：筑波研究学園都市記者会（資料配付）文部科学記者会（資料配布）科学記者会（資料配布）

共振器なしで高出力緑色レーザーを発生

－レーザーシアターからレーザー加工も視野に－平成２０年３月２５日独立行政法人物質・材料研究機構国立大学法人東京大学概要１．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸輝雄）の栗村直主任研究員、東京大学新領域創成科学研究科三尾典克准教授らのグループは、物質･材料研究機構で独自に開発した定比組成タンタル酸リチウム(Stoichiometric(ｽﾄｲｷｵﾒﾄﾘｯｸ) LiTaO3：SLTと略称)１）_{に高効率波長変換デバイス}２）_{を作製し、東京大学で開発した} 高品質高出力レーザーを用いて、共振器３）_{なしで連続緑色光 16Wを実現した。} ２．緑色波長域では半導体レーザーが存在しないため、赤外のレーザーから波長変換で緑色レーザーを得る方式が一般的である。レーザーテレビ４）_{などの応用においては} 出力 3W程度、レーザーシアターにおいては 10W以上の出力が求められており、10W を越えればレーザートリミング、レーザーマーキングなどレーザー加工への応用も期待される。しかし、従来、シングルパス５）_{の波長変換で 10W以上の出力を得ることは極めて困} 難であった。小型低コストの緑色レーザーを実現するには、共振器を用いないシングルパス波長変換が有利である。共振器は振動や温度変化に敏感で、調整に高い経験を必要とするためコスト増の要因となる。今回、共振器のない緑色波長域の連続発振６）_{波長変換で、世界記録を 50%上回る 16Wを実現した。なお、従来の記録はス} タンフォード大学が有する 10.5Wであった。３．高出力レーザーを実現するには廃熱を効率よく行うことが重要である。そこで熱伝導率の高い波長変換材料SLTに、微細周期 8μmをもつ分極反転７）_{構造をつくりこんで、} 波長変換デバイスを実現した。高出力波長変換用に廃熱型波長変換モジュールを設計してデバイスの温度上昇を抑制した。また東京大学で独自に開発した高品質の単一周波数 100Wレーザーを用いることで効率、出力共に高い波長変換を可能にした。４．今回開発した波長変換では、共振器を用いずに高効率を実現しているため、精密な光学調整を必要とせず、振動時も安定である。レーザー加工などの過酷なフィールドに適した波長変換方式と言える。また波長変換デバイス自体は高出力まで動作できることが判明したため、低出力領域では十分な寿命が期待できる。５．本研究成果は、3 月開催の応用物理学会および 5 月初旬開催の国際会議 Conference on Lasers and Electro-Optics(レーザー・電気光学国際会議)にて発表される予定である。

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研究の背景緑色レーザーは目に対する視感度が高く、三原色のひとつとしてエンターテイメントや写真印刷などで実用化されている。最近では背面投射(リアプロジェクション)型テレビにも用いられ、レーザーテレビとしてテレビの画質向上にも貢献している。レーザーはその輝度の高さ、発散角の小ささからリアプロテレビにおける光の利用効率を向上させ、低廃熱、低消費電力を実現する。プロジェクタ応用を背景に波長変換を用いた緑色レーザーの研究はホットなトピックスとなっている。緑色の波長域では半導体レーザーが存在せず、市販されている波長 1μm(赤外)レーザーの波長変換しか方法がない。通常、波長 1μmの赤外光を波長半分の 0.5μm光(緑色光)に変換する方法が用いられている。従来、レーザーの波長変換デバイスは効率が低く、共振器などによる効率化が必須とされていたが、近年、その特性が大きく向上し、共振器がなくても高い効率が得られるようになった。新世代の波長変換デバイスでは、入射光と出射光の屈折率差を補償するために周期的な分極反転構造を導入する方法(擬似位相整合：Quasi Phase Matching)８）_{がとられており、高効率、高熱伝導、高耐損傷、低分散など要求される} 特性に適した材料が選択できるようになっている。連続発振(CW)の緑色レーザーは出力の小さい mW(ミリワット=0.001W)の領域では既に実用化されており、レーザーポインタに代表される小型光源が実現されている。しかし産業応用のためには出力のふらつきを抑制した安定な小型光源が求められる。分極反転構造を導入した QPM 波長変換デバイスは、mW 出力の緑色レーザーとして既に 7 万台を越える出荷実績があり、富士写真フイルムでは街の写真屋さんと呼ばれるデジタルラボシステムに搭載している。この技術を 10W を越える高い出力まで拡張できれば、レーザーシアターやレーザー加工の分野まで応用を拡げることができる。しかし、10W 以上の出力は、材料の損傷や熱の問題により極めて困難であった。高出力領域で出力を制限するのは、レーザーの吸収によって発生した熱による温度上昇である。これが効率低下、不安定動作の原因となるため、高い出力には廃熱に有利な熱伝導率の高い(熱をこもらせない)材料が適している。代表的な QPM 波長変換材料である Mg:LN に比べて、SLT は室温で 1.8 倍程度大きい熱伝導率を持ち、高入力、高出力に適している。シングルパス（単行）で効率を得るためには 10mm 以上のデバイス長が必要になり、温度を精密に制御する必要がある。温度変化を抑制して安定な高出力を実現するために廃熱のよい高熱伝導材料が必須であり、CW7～10W では Mg:SLT／SLT が用いられている。2007 年にスタンフォード大学は、SLT において連続発振光の波長変換を行いシングルパスで 10.5W を得ている。これが連続発振レーザーの共振器を用いない波長変換での最高出力であった。研究成果の内容今回、物質･材料研究機構で Mg:SLT を用いた放熱型波長変換モジュール(図 1)を作製し、東京大学の高品質レーザー(図 2)を用いて高効率波長変換を行った。従来連続発振のレーザーを波長変換する場合には、高い効率を得るために共振器が必要であった。小型低コストの緑色レーザーを考えると、波長変換に共振器を用いないシングルパスでの波長変換が有利である。多くの緑色レーザーにはパルス発振のレーザーが用い

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連続的に表示させるため連続発振のレーザーが求められており、廃熱のためのインターバルがない。すなわち緑色波長域のシングルパス連続発振波長変換で高出力を得るには廃熱対策が必須である。デバイス内部で発生する熱を散逸させるのに、熱伝導率の高い材料が望まれてきた理由がここにある。物質･材料研究機構では、これまで高熱伝導率材料である SLT において波長変換デバイスを作製し、数 W 程度の出力を実現してきた。今回、廃熱型波長変換モジュールを作製し、デバイスからの廃熱特性を改善して、高出力に適したモジュールを開発した。他方、東京大学では干渉計型重力波９）_{検出器用に高品質レーザーの研究を行っている。} 横モード・縦モード共にシングルである注入同期型高出力レーザーを開発し、単一周波数・狭線幅発振で出力 100Wを実現している。レーザーの線幅が広がると波長変換デバイスの効率が低下することも知られており、シングルモード１０）_{レーザーは波長変換との相性がよい。} このレーザーの高出力と縦・横シングルモード発振特性を利用し、これまで、スタンフォード大学が有していたCWシングルパス 10.5Wの世界記録を 50%上回る 16Wの出力を安定的に得た(図 3,4)。レーザーシアターへの応用やレーザー加工への応用が期待される。波及効果と今後の展開 16W の高出力が実現できたことから、少なくとも数 W クラスの出力では問題なく長時間動作するものと思われ、数 W クラスでのデバイス寿命には目処がついた。今後は 10W を越える出力領域で信頼性試験などを行う必要があり、レーザー加工などの分野への展開を目指す。共振器が不要になったことで振動に対する安定性が格段に増し、100W ファイバーレーザーの先端に波長変換モジュールをねじ止めした緑色レーザーも検討できる。物質･材料研究機構では、シリコンプラットフォーム上に波長変換デバイスを実現する方法を提案しているが、今後、マイクロプロジェクタなどへの超小型緑色レーザーを実現する手法として、半導体レーザーやその駆動回路をシリコンプラットフォーム上に集積化した超小型緑色波長変換レーザーなども実現可能性がある。これは携帯電話に搭載できるレーザープロジェクタなど、新規分野を切り開く光源としても注目される。問い合わせ先：〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１独立行政法人物質・材料研究機構広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること：独立行政法人物質・材料研究機構光材料センター光周波数変換グループ主任研究員栗村直(くりむらすなお) TEL:029-860-4365(ダイヤルイン)、029-860-4692(オフィス) FAX:029-851-6159 E-MAIL： [email protected]

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【用語解説】１）定比組成タンタル酸リチウム(Stoichiometric(ｽﾄｲｷｵﾒﾄﾘｯｸ) LiTaO3：SLT) レーザーの波長変換材料。テレビのフィルタなどに利用されているタンタル酸リチウムと同系統の材料であるが、Li と Ta の比が理想的な 1 対 1 に近く、原子の過不足がないため欠陥が少ない。熱の伝導を担う原子の振動(格子振動)が欠陥で乱されないため、熱伝導率が高い。結果として波長変換デバイス内からの廃熱が有効に行われ、熱によるレーザー出力の飽和が起きにくい。２）波長変換デバイスレーザー光の波長を非線形光学現象により異なる波長に変換するデバイス。波長の固定されたレーザーから所望の波長を出す方法として注目されている。可視緑色や中赤外など高効率なレーザー材料が得られない波長領域では、固定波長のレーザーと組み合わせる小型高効率光源が提案されている。３）共振器合わせ鏡の中に光を閉じ込めて何度も往復させる構造。波長変換デバイスの中を何度も往復させることで高効率波長変換が実現できる。振動や熱膨張に敏感であるため設計に工夫が必要であり、職人的な微調整を要求するため人件費がかかる。４）レーザーテレビレーザービームに画像情報をのせてスクリーンに投射するタイプのテレビ。背面投射型のテレビをリアプロジェクション(通称リアプロ)と呼ぶ。従来のリアプロテレビは高圧水銀ランプを光源として使用しているが、5 千～8 千時間程度と比較的寿命が短い。これをレーザーに置き換えることで色の再現範囲や寿命を改善したものがレーザーテレビと呼ばれる。松下電器、三菱電機、ソニー、エプソン、サムソンなどが開発にしのぎを削る。５）シングルパス単行の意味。共振器のように複数回往復せず、一回の通過で波長変換を行う。共振器のように合わせ鏡を用いないため、レーザービームとの位置あわせが容易で、振動や熱膨張に対して強い。６）連続発振(CW 発振) レーザーには連続的に発光する連続波(Continuous Wave)発振と間欠的に発光するパルス発振がある。CW 発振では連続的に発光し続けておりエネルギーは平均化されているが、パルス発振ではある一瞬に集中して発光させるためエネルギーは時間的に集中している。CW 発振ではピークのエネルギーが低いため高い効率を得るのが難しく、連続的に発光しているため、常に熱がレーザーから供給され廃熱のタイミングがない。

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７）分極反転

強誘電体の電気的なプラスマイナスである自発分極を反転させること。波長変換材料内に、場所毎に自発分極の反転した周期的な分極反転構造を作製すると、レーザーの波長変換デバイスとして高効率動作する。周期によって発生する波長や偏光を選択することができ、波長変換デバイスの設計自由度を格段に高める。

８）擬似位相整合(Quasi Phase Matching)

分極反転によって波長変換を高効率化する手法。周期構造を構成する最小ブロック内では微小な変換光の位相が整合していないが、最小ブロック間では位相が整合しているため擬似位相整合とよぶ。新世代の波長変換法として、格段に高い効率を実現している。９）重力波超新星爆発など宇宙空間での大きな重力変化によって生じる重力の波。巨大なレーザー干渉計を構築することで重力波は検知できるが、極めて高品質なレーザーが必要になる。１０）シングルモード横モード、縦モードの二通りの意味がある。横モードとはレーザービームの空間パターンに関連し、横モードがシングルモードであるということは、ビームパターンが単一であることを意味する。複雑なビームパターンをもつレーザーよりも単一モードのレーザーの方が一般的に波長変換効率が高い。縦モードは、レーザーの波長に関連し、縦モードがシングルモードであるということは、レーザーの波長が単一であると言える。単一波長のレーザーは複数波長のレーザーに比べて安定して波長変換できる。

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図１波長変換モジュール：波長変換デバイスを廃熱型モジュール内に装填している。波長変換材料は高熱伝導 Mg:SLT。

マスターレーザー

スレーブレーザー

赤外

レー

ザー

出力

図２ 100W シングルモード YAG レーザー：出力 100Ｗにおいても、シングルモードで安定な動作が得られている。（東京大学三尾研究室） 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 20 40 60 80 100 赤外光入力 (W) 0 10 20 30 40 50 60 変換効率 (%) Material: Mg:SLT Domain period: 8.0 um Device length : 1 cm Single-mode Nd:YAG laser

図４波長変換特性：連続波出力 16W を共振器なしで達成。 (変換効率 17%) 図３高出力緑色光発生写真：出力 16W において損傷のない安定な動作が得られている。共振器を用いない連続波波長変換で最高出力。