レーザ利得結晶
レーザ利得結晶とは?
レーザ利得結晶は、固体レーザ内のコンポーネントです。誘導放出により光を増幅させることができます。このプロセスはレーザ動作の基礎を成します。これらの利得媒質は、希土類または遷移金属イオンをドープしたホスト結晶またはガラスマトリックスで構成されています。結晶とイオンの正確な組み合わせにより、サポートできる特定のレーザ出力特性が決まります。
レーザ利得結晶は固体レーザの心臓部であり、光の生成と増幅が起こる媒質をもたらします。利得結晶は2つの主要な要素で構成されています。第一の要素は母材です。通常は結晶ですが、ガラスの場合もあります。第二の要素はドーパントイオンで、これは例外なく希土類元素または遷移金属元素によるものです。
利得結晶はレーザ動作に必要な、少なくとも2つの基本機能を果たさなければなりません。第一に、励起エネルギーを吸収しなければなりません。第二に、誘導放出をサポートするために、反転分布を維持できなければなりません。場合によって、利得結晶は共振キャビティーの一部として機能することもあります。
すべての固体利得結晶は電気絶縁体であるため、光学的に励起されることのみが可能です。ドーパントはこの励起光エネルギーを吸収し、より高いエネルギーレベルへと励起されます。これらの励起イオンは、基底状態に戻るとき、誘導放出として知られるプロセスで光子を放出します。このプロセスがレーザキャビティー内で増幅されると、コヒーレントなレーザ光が生成されます。波長やエネルギー変換効率など、レーザの固有の特性は、ドーパントとホスト結晶の選択次第となります。
結晶の特性
特定のレーザの種類や用途に対応するホスト結晶の選択に影響を与える要素がいくつかあります。物質の光透過性、熱伝導率、機械的強度、化学的安定性などです。これらすべてが効率的なレーザ動作に不可欠です。
理想的なホスト結晶は、レーザ波長の効率的な伝送を可能にし、不要な加熱を引き起こす可能性のある固有吸収を最小限にするため、幅広い透過範囲を有している必要があります。高い熱伝導率もきわめて重要な特性です。これにより、ホスト結晶はレーザの励起と動作のプロセス中に発生する熱を効率的に放散して、安定したレーザ性能を維持し、熱レンズや損傷を防ぐことができます。
さらに、機械的強度と化学的安定性も、特に厳しい環境条件や高出力用途において、レーザシステムの寿命と耐久性を確保するために非常に重要です。ホスト結晶は、熱衝撃に対する回復力、経年劣化や外部の化学薬剤による損傷に対する耐性を持っている必要があります。
さらに、母材の結晶格子は、ドーパントイオンとの互換性を持ち、重大な格子の歪みを引き起こすことなく、結晶構造内で結晶格子とドーパントイオンを均一に分布させることができなければなりません。この互換性は、効率的なドーパント励起とエネルギー移動プロセスを達成するために重要です。誘導放出とレーザ動作に欠かせません。図表は、最も一般的なレーザ結晶とドーパントの互換性をまとめています。
母材 |
ドーパント |
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希土類元素 |
遷移金属 |
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Nd |
Yb |
Er |
Tm |
Cr |
Ti |
YAG(Y₃Al₅O₁₂) |
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YVO₄ |
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ガラス |
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YLF(LiYF₄) |
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サファイア(Al₂O₃) |
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カルコゲナイド |
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フッ化物 |
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一般的に使用される結晶
現在使用されているレーザ結晶には、非常に多くの種類があります。また、ここ何年かの間に注目度が高まっては落ち着いていったものもあります。しかし、市場を支配し、固体レーザ用途の大部分を提供しているものがいくつかあります。
イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)群には、最も幅広く使用されている産業用、医療用レーザ利得結晶(特にNd:YAG)がいくつかあります。YAGはネオジム(Nd)、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、クロム(Cr)など、さまざまなドーパントに対応します。
これらのドーパントは、高い効率などの特定の特性をYAG結晶にもたらします。YAGは、優れた熱伝導率、機械的耐久性、幅広い透過範囲も実現します。さらに、YAGはパッシブQスイッチとともに使用すると、高ピークパワーパルスを生成することができます。これらの特性を併せ持つYAGは、医療、産業、科学などの多くの用途で理想的な母材となっています。
バナジン酸族、特にNd:YVO₄は、その高い利得特性と優れた励起光吸収特性で際立っており、特にダイオード励起レーザシステムにおいて、きわめて効率的です。この効率により、低いパワーレベルでも、正確でクリーンなカットやマークを実現する高品質のビームをレーザで確実に生成することができます。吸収率が高いため、結晶の長さがより短くなり、よりコンパクトなレーザ設計になります。
しかし、YAG群内の結晶のような他のレーザ利得結晶と比較すると、バナジン酸塩結晶は熱伝導率が低くなります。これにより、レンジングや複屈折などの熱効果に対する感受率が高くなり、ハイパワー用途における性能が抑えられる可能性があります。この特性は、最適なレーザ性能を維持するために、注意深い熱管理を必要とします。
![レーザ利得結晶バナジン酸塩](/content/dam/coherent/site/en/images/diagrams/glossary/laser-gain-crystals-vanadate.jpg)
Nd:YVO₄はブール内で成長します。ここから個々のレーザコンポーネントが切断、研磨されます。
そのため、バナジン酸族は、小型のフォームファクターにおける高いビーム品質と効率を必要とする用途でよく選択されています。しかし、これは、熱管理がより重要になるハイパワーまたは高エネルギーの用途において、最優先の選択肢とはならないかもしれません。
サファイア、特にチタンサファイアは、レーザ技術において際立っています。約650 nm〜1100 nmという幅広い波長可変範囲を有しています。この幅広い利得帯域幅を持つチタンサファイアレーザは、フェムト秒領域までのきわめて短いパルスを生成することもできます。これらの特性により、チタンサファイアは、CoherentのVitaraやAstrellaといった、最も要求が厳しく、高性能なウルトラファーストレーザと増幅器の第一の選択肢となっています。
こうしたアドバンテージがあるにもかかわらず、チタンサファイアレーザにはいくつかの制限があります。特に、チタンサファイアレーザは、効率的な動作を実現するために、固体グリーンレーザなどの高出力の励起光源を必要とします。この要件により、レーザシステムのコストと複雑さが増す可能性があります。
ガラスは無秩序でアモルファス(非結晶)の原子配列を持ちます。対照的に、結晶は非常に規則正しい繰り返しの原子構造を有し、これは材料全体に及んでいます。その結果、ガラスは、特にNd、Er、Ybなどの希土類元素をドープした場合、レーザ利得媒質としてユニークな特性を実現します。
ガラス母体の主なアドバンテージの1つは、幅広い発光スペクトルです。幅広い波長可変範囲と超短レーザパルスの生成に対応します。この特性は特に、医療機器、通信、基礎研究など、フレキシブルな波長出力や短いパルス幅を必要とする用途でメリットがあります。さらに、ガラス材料は大きなサイズやさまざまな形状で生産可能であり、レーザ設計における汎用性を実現します。たとえば、非常に大型のNd:ガラススラブは、レーザ核融合実験用途などの高エネルギーレーザシステムで使用されます。
しかし、ガラス母体は、YAGなどの結晶材料と比較すると、熱伝導率が低くなります。これにより、熱効果に対する感受率が高くなり、パワースケーリング能力が抑えられる可能性があります。このように熱性能が低いことから、ハイパワー用途における発熱と除熱の注意深い管理が必要になります。さらに、結晶母体と比較すると、ガラスの単位長さあたりの利得が低いため、より長い利得媒質を必要とすることが多く、レーザシステムの複雑性と規模を増大させる可能性があります。
ドーパントの選択
希土類イオンと遷移金属イオンは、レーザ動作に有益な複数の光学特性をもたらすユニークな電子構造により、レーザ利得媒質において最も一般的に使用されるドーパントです。
希土類イオンは、その価電子が4f原子軌道にあり、外側の5sおよび5p電子によって遮蔽されているため、明確に定義された鮮明なエネルギーレベルを有しています。この遮蔽が母材格子との相互作用を最小限に抑えることが、最小限のエネルギーレベルの拡張につながり、レーザ発光波長の正確なコントロールを実現します。これは無放射減衰プロセスの減少にもつながり、結果的に量子効率が向上します(吸収された励起エネルギーがレーザ光に変換される)。これらのイオンの電子遷移は、母材や温度の変化による影響をあまり受けないため、さまざまな条件下で、これらのドーパントをベースとするレーザを安定させ、信頼性の高いものにします。
一方で、遷移金属イオンはその価電子が3d軌道にあり、外側の4s電子殻による遮蔽が少なくなっています。つまり、これらのエネルギーレベルは、母材によってより強い影響を受け、より幅広い吸収帯と発光帯につながります。このような幅広い帯がメリットになるのは、これらが遷移金属イオンをさまざまなレーザ励起スキームに対応させ、レーザ設計におけるさらなる汎用性を実現しているためです。また、より幅広い利得帯域幅をもたらし、より広範な波長でチューナブルレーザの動作を可能にします。
希土類イオン、特にErとTmは、近赤外から中赤外領域で発光する傾向があります。遷移金属イオンは、可視スペクトルから近赤外スペクトルで、レーザ動作を実現できます。Tiは可視領域か近赤外領域全体で、きわめて幅広い波長可変範囲があり、注目に値します。
希土類イオンYbは、複数の理由から、他のイオンの中でも際立っています。Ybドープ族に、よく使用されるレーザ利得結晶が非常に多く存在するのはそのためです。一例として、Ybイオンは、比較的シンプルなエネルギーレベル構造を有しています。特に、Yb³⁺イオンには、4f殻における単一の電子のみがあります。このことが、効率的な吸収と発光のプロセスにつながります。このシンプルさによって、最小限の損失で高いパワー効率を実現します。
![レーザ利得結晶Ybドープ](/content/dam/coherent/site/en/images/diagrams/glossary/laser-gain-crystals-yb-doped.jpg)
切断、研磨前のYbドープ材料のブール。
さらに、Ybドープ材料は吸収帯域幅が広いため、励起光源の選択が非常に柔軟になり、超短パルスの生成が可能になります。たとえば、Ybドープ結晶は、約980 nmの波長で、入手しやすく安価なダイオードレーザを用いて、効果的に励起することができます。これにより、効率がさらに高まり、運用コストが削減されます。
レーザ利得結晶の成長
レーザ利得結晶の生産には、高度な成長とドーピングの技術が必要になります。これにより、ホスト結晶内のドーパントイオンの正確な分布を実現し、望ましい光学および物理特性を達成します。レーザ利得結晶のメーカーはすべて、基本的に同じような生産手法を用いますが、独自の知識、品質管理手順、プロセス制御装置、計測ツールには大きな違いがあります。こうしたことから、メーカー間で品質の大きなばらつきが生じ、すべてのレーザ利得結晶が同じように作られているわけではないことが浮き彫りになります。
共通する結晶成長の手法はチョクラルスキー法のプロセスです。るつぼの中でドーパントと一緒に母材を溶かした後、融液からシード結晶をゆっくりと引き上げ、その上で新しい結晶が成長できるようにします。この手法により、結晶の構成と構造の慎重なコントロールが可能になります。Nd:YAGとEr:YAGは、チョクラルスキー法を使用して生産されることの多い2つの結晶です。
ブリッジマン・ストックバーガー法も、幅広く使用されている結晶成長技術です。特に、最小限の欠陥で単結晶材料を生産するうえで効果的です。主な理由は、ブリッジマン・ストックバーガーの技術が、結晶成長中の温度勾配(溶融ゾーンと凝固フロント間の温度差)を最小限に抑えるという点です。
ブリッジマン・ストックバーガー法のプロセスでは、まず原材料(母材とドーパント)を、遮蔽されたるつぼの内部に置きます。るつぼはその後、温度勾配(通常は上部が高温領域、下部が低温領域)が注意深くコントロールされ、炉内でゆっくりと下方に引き下げられます。
るつぼが高温領域から低温領域に移動するにつれて、内部の材料が炉の上部(高温)ゾーンで溶融し始めます。これがさらに低温ゾーンまで引き下げられると、溶融した材料が下部から、または溶融材料の下部に置かれたシード結晶の周辺で凝固し始めます。結晶は温度勾配に沿って、低温部から上部に向かって成長するため、この一方向凝固により、単結晶の生成が可能になります。ブリッジマン・ストックバーガーの技術は通常、高い融点を持つ結晶材料を成長させるために、結晶の成長に特定の方向が必要となるとき、またはチョクラルスキー法のプロセスで達成することが難しい、より大きいブールである場合に採用されます。
Coherentの結晶について詳しくはこちら。