低温動作 Yb:YAG レーザーの開発 レーザー加工計測研究チーム 時田茂樹 1、河仲準二 1、藤田雅之、川嶋利幸 2、井澤靖和 1 1 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 2 浜松ホトニクス（株） 研究の目的：半導体レーザー直接励起超短パルス固体レーザーの開発。 今後の応用・発展：高出力超短パルスレーザー増幅器の開発 連絡先：TEL 06-6879-8732 FAX 06-6878-1568 or 06-6879-8732 E-mail [email protected] 低温動作 Yb:YAG レーザーの開発 レーザー加工計測研究チーム 時田茂樹 1、河仲準二 1、藤田雅之、川嶋利幸 2、井澤靖和 1 1 2 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 浜松ホトニクス（株） １. はじめに 系レーザーは準 3 準位であるために発振閾値が高く、 高強度励起が必要であるが、低温ではこの条件が著し レーザーダイオード（LD）で励起される固体レーザ く緩和され、効率が向上する 7)。 ーは、フラッシュランプ励起レーザーと比べて、高効 第三に、誘導放出断面積の上昇がある。Yb 系レー 率、低熱負荷、高信頼性といった利点を持ち、利用が ザーの蛍光スペクトルは温度に大きく依存し、低温で 進んでいる。Yb（イッテルビウム）ドープ固体レーザ はスペクトルの狭帯域化によって誘導放出断面積が上 ー媒質は、LD 励起が可能なうえ、短パルス発生・増 昇する。Yb 系レーザーは、室温で誘導放出断面積が 幅が可能であるため、注目されている。Yb系媒質は、 比較的小さいものが多い。したがって飽和フルエンス 小さな量子欠損、長い蛍光寿命を持ち、低熱負荷、高 が高く、パルス増幅で高い抽出効率を得ることが難し 1,2) エネルギー蓄積という特徴を持つ 。 い。低温動作によって、より高効率のパルス増幅が可 Yb 系レーザーは、液体窒素温度レベルの低温動作 能になる 8)。 によって室温動作よりも著しく特性が向上する。特性 ここでは、Yb 系レーザー媒質のなかで特に優れた の向上には次の三つの要因がある。 熱的特性を持つYb:YAGに注目し、液体窒素温度にお 第一に、ホスト媒質の熱特性の向上がある。高出力 けるモードロック発振実験について述べる。 固体レーザーの平均出力とビーム品質は、レーザー媒 質内で起こる熱レンズ、熱複屈折、熱破壊などによっ ２．モードロック発振実験 て制限される。サファイアや YAG などの結晶は低温 域において熱特性が著しく向上するため、これを利用 した高出力化が報告されている 3,4) 液体窒素冷却モードロックYb:YAGレーザー発振器 。例えば YAG 結晶 の構成を図１に示す。ドープ濃度25 at. %、厚さ 0.8 においては、液体窒素温度（77 K）において熱伝導率 mm のYb:YAG結晶は、100 cc程度の液体窒素容器 が室温の約10 倍 5)、dn/dT は1/7、熱膨張率は1/4 を持つデュワーを用いて冷却した。合成石英の窓板と になる 6)。 Yb:YAG 結晶はブリュースター角で配置した。共振器 第二に、レーザー動作の4準位化がある。室温のYb 長1650 mmのX型共振器を構成し、半導体可飽和吸 Chirpedmirror (- 400fs2) Output coupler (95%refrection ) SESAM LD Cryo- cooled Focusing lens assembly Yb:YAG 図１ 低温動作Yb:YAG受動モードロック発振器 1 1 Autocorrelation τp = 6.8 ps 2 Spectrum (sech ) 0.5 FWHM 0.26nm 0.5 0 1028.5 0 –20 0 20 Delay time (ps) 1029 1029.5 Wavelength (nm) 図２ モードロックパルスのSHG自己相関波形 図３ モードロックパルスのスペクトル 収ミラー（SESAM）を用いて受動モードロック発振 低温動作のYb:YAGレーザーに着目し、短パルス発 させた。SESAM は 1030 nm において反射率が非飽 振特性を測定した。低温では、4 準位化と誘導放出断 和状態で 96％、飽和状態で>99.5%、飽和フルエンス 面積の上昇により発振閾値は著しく低下し、比較的弱 2 が30 μJ/cm のものを用いた。励起源として940 nm、 い励起強度で高い利得が得られる。これによって容易 コア直径50 μm、NA = 0.15 のファイバ出力レーザ に高効率発振が可能となる。SESAM による受動モー ーダイオードを用いた。励起光は収差を抑えた集光光 ドロックによりパルス幅6.8 psが得られ、低温でのピ 学系により、ファイバ端をYb:YAG結晶に1:1で像転 コ秒動作を実証した。70 K 以下でのYb:YAG の飽和 送した。Yb:YAG 結晶や窓板での正の郡遅延分散を補 フルエンスは1.3 J/cm2 であり、1 nsパルスに対する 償するため、1030nmで−400 fs2 の郡遅延分散を持つ 典型的な光損傷閾値より低い。したがって、効率の高 チャープミラーを用いた。 い短パルス増幅が可能であると考えられる。 励起出力2 Wのとき、平均出力450 mW、繰り返し 本研究はレーザー技術総合研究所と大阪大学レーザ 周波数91 MHzの安定したモードロックパルス列が得 ーエネルギー学研究センター、浜松ホトニクスとの共 られた。このとき、SESAM 上での共振器内パルスの 同研究として行われた。 光フルエンスはおよそ200 μJ/cm2 である。Qスイッ チ発振を伴わないモードロック発振を得るには、 謝辞 SESAM の飽和フルエンスよりも十分に高いフルエン 本研究の一部は文部科学省科研費（No.14655276） スを保つ必要がある 9)。出力パルスのSHG自己相関波 の支援を得て行われました。 形とスペクトルをそれぞれ図２と図３に示す。出力パ ルスが sech2 型パルスであることを仮定すると、パル 参考文献 スの半値全幅は6.8 psであった。また、スペクトルの 半値全幅は0.26 nmであった。パルス幅とスペクトル [1] の周波数幅の積はΔtΔν =0.50である。 L. D. DeLoach, S. A. Payne, L. L. Chase, L. K. Smith, W. L. Kway, and W. P. Krupke : IEEE J. Quantum Electron. 29 (1993) 1179. ４．まとめ [2] T. Y. Fan : IEEE J. Quantum Electron. (1993) 1457. 29 [3] D. J. Ripin, J. R. Ochoa, R. L. Aggarwal, and T. Y. Fan : Opt. Lett. 29 (2004) 2154. [4] P. A. Schulz and S. R. Henion : IEEE J. Quantum Electron. 27 (1991) 1039. [5] G. A. Slack and D. W. Oliver : Phys. Rev. B 4 (1971) 592. [6] R. Wynne, J. L. Daneu, and T. Y. Fan : Appl. Opt. 38 (1999) 3282. [7] J. Kawanaka, K. Yamakawa, H. Nishioka, and K. Ueda, Opt. Express, 10 (2002) 455. [8] J. Kawanaka, K. Yamakawa, H. Nishioka, and K. Ueda : Opt. Lett. 28 (2003) 2121. [9] U. Keller, K. J. Weingarten, F. X. Katner, D. Kopf, B. Braun, I. D. Jung, R. Fluck, C. Honinger, N. Matuschek, and J. Aus der Au : IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2 (1996) 435.
© Copyright 2024 Paperzz
