2017 Fiscal Year Research-status Report
Highly efficient and high-power composite lasers by use of room-temperature bonding
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17K05081
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
庄司 一郎 中央大学, 理工学部, 教授 (90272385)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 複合構造レーザー / 常温接合 / ダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，高排熱材料であるダイヤモンドとレーザー結晶Nd:YAG およびNd:YVO4 との異種材料複合構造レーザーを開発することを目的としている．最大のポイントは，複合構造の接合界面にレーザー光に対する無反射もしくは高反射のコーティング層を挿入し，複合構造レーザーの高出力化や高機能化を図ることにある．そこで，ダイヤモンドの表面に無反射コーティングを施し，そのコーティング層とNd:YAG結晶表面との常温接合を試みた結果，接合に成功した．これにより，レーザー結晶との複合化を行う材料がダイヤモンドに限らず何であっても，コーティングさえしてしまえば確実に接合できるようになり，汎用性が限りなく広がることが実証された．
作製に成功した複合構造に対して排熱特性の評価を行った．発熱によって生じた熱複屈折にともなう偏光解消度(デポラリゼーション) を測定した結果，単体のNd:YAGに比べて複合構造は1/2程度となり，排熱特性が大幅に改善されていることを確認した．
さらに，作製した複合構造のレーザー発振実験を行った．励起光源には波長808 nm，出力40 Wのファイバ結合型半導体レーザーを用いた．Nd:YAG結晶単体では入射励起パワー19 W程度で出力が飽和し，20 Wを超えると熱破壊が起こった．一方，複合構造では入射励起パワー30 Wでも問題なくレーザー発振したと同時に，接合界面に無反射コーティング層を挿入したことで界面での反射損失を抑制した結果，閾値が単体と等しく，また，スロープ効率も単体と同等になった．また，界面に無反射コーティングを施さず直接接合した複合構造に比べ，出力が20 %以上向上した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では，平成29年度は接合界面にコーティング層を有する複合構造レーザーを作製し，その排熱特性を評価することが目標だったが，複合構造の作製に成功して排熱評価も行ったうえに，平成30年度の計画としていたレーザー発振実験も行い，複合構造がレーザー結晶単体と同等のスロープ効率を有し，かつ，はるかに大きな入射励起パワーで動作可能であることを実証できたため．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，Nd:YAG／ダイヤモンド複合構造について，レーザー光のビーム品質を，ビームプロファイラを用いてM2 値を測定することによって行う．これにより，熱レンズ効果の比較を行う．
次に，複合構造高出力マイクロチップレーザーの作製および評価を行う．マイクロチップレーザーは単一縦モード動作をさせるために入出射端面に高反射コーティングをする必要があり，複合構造を作製することはこれまでは不可能であったため，低出力のものしか存在しなかった．本研究で常温接合を用いて初めて複合構造を作製することにより，単一縦モードでかつ高出力なモノリシックレーザーが実現可能であることを実証する．
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| Causes of Carryover |
平成29年度はNd:YAG結晶を用いた複合構造の作製に注力したため，Nd:YVO4結晶を購入しなかった．したがって，次年度使用額が生じた．平成30年度はNd:YVO4結晶を用いた複合構造の作製を行うため，平成30年度の助成金と合わせてその購入費用に充当する．
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