2018 Fiscal Year Research-status Report
浮遊帯溶融法による高品質Ybドープ酸化物単結晶の育成と超短パルスレーザーへの応用
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17K06010
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
樋口 幹雄 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (40198990)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 酸化物単結晶 / 浮遊帯溶融法 / 固体レーザー / 超短パルスレーザー / Ybレーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超短パルスレーザーは精密微細加工，医療，計測等へ応用されており，さらなる高強度化による応用分野の拡大が期待されている．現行材料であるチタンサファイアは，蛍光寿命が約3μsと短いため，高強度化の限界が見え始めている．これに対し，Yb3+を活性イオンとした固体レーザーは，蛍光寿命がmsのオーダーであるため，次世代の高強度パルスレーザーとして期待されており，様々なホストが試みられてきた．K2NiF4型Yb:ABCO4（A = Ca, Sr; B = Y, Gd, La; C = Al, Ga）はA2+とB3+が結晶内で同一のサイトに無秩序に分布することから，Yb3+の配位環境が多様化し，超短パルスレーザー用媒質として必須であるブロードな発光帯を示すことが知られている．メリライト型構造を有するYb:ABC3O7も同様の無秩序構造を有することから，Yb3+の広帯域での発光が期待できる．本研究では，報告例のないYb:ABCO4およびYb:ABC3O7について発光特性を明らかにするとともに，浮遊帯溶融（FZ）法による単結晶育成を試み，超短パルスレーザー用媒質としての実用性を検討した．
K2NiF4型Yb:CaYAlO4については光軸に対して垂直方向への育成に成功し，これによりレーザー発振の偏光依存性を容易に調べることができるようになった．メリライト型Yb:ABC3O7につていは，すべての組成でK2NiF4型Yb:ABCO4よりもブロードな発光帯を有することが明らかとなった．Yb:CaGdAl3O7の結晶育成をおこなったところ，育成速度を1 mm/hとすることで，セル成長等の巨視的な欠陥の無い結晶が得られた．Yb:CaGdAl3O7の980 nmにおける吸収断面積は3.2×10-20 cm2であり，既報の様々な超短パルス用Ybドープ結晶よりも高い値であった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
K2NiF4型Yb:CaYAlO4に関しては，光軸に対して垂直方向への育成をおこなえるようになったことにより，レーザー発振特性の偏光依存性を詳細に検討できるようになった．
Ybをドープしたメリライト型アルミネートおよびガレートの光学特性については，これまでに全く報告がなかったが，吸収帯および発光帯ともにK2NiF4型化合物のそれらよりもはるかに大きいことが明らかとなったのは非常に大きな収穫である．また，吸収断面積についても既報のYbドープ結晶と比べて高い値であったことから，メリライト型化合物の単結晶は超短パルスレーザー用媒質材料としてかなりのポテンシャルを秘めていることを明らかにできた．
現状における問題点は浮遊帯溶融法によるメリライト型化合物の単結晶育成がK2NiF4型に比べて難しいところにある．原因はすでにわかっており，熱源からの輻射に対して透明であることから，結晶成長界面が融液に対して大きく凹状となるためである．この点をクリアできれば高品質単結晶が得られるものと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に得られた光軸に対して垂直に成長したYb:CaYAlO4単結晶について基本的なレーザー発振実験およびそれに付随する物性測定をおこなう．まず，吸収および発光スペクトルから，利得の最も大きい波長域を見積もる．次に，温度波熱分析法により熱拡散係数の測定を測定し、密度、比熱の値から熱伝導率を決定する．以上の評価により，最適なレーザー発振システムを構築し，連続発振さらには超短パルスレーザー発振を試みる．
メリライト型化合物については，Yb:ABC3O7（A = Ca, Sr; B = Y, Gd, La; C = Al, Ga）におけるすべての組み合わせで一致溶融する組成を特定する．溶融挙動の検討には浮遊帯域徐冷法を用いる．光学特性と溶融挙動の検討結果をもとにターゲットとなる組成を絞り込み，成長界面が凹状となる欠点を克服すべく以下の項目を試みる．①CrあるいはNiなどの着色元素を少量添加し，光吸収を向上させる；②Yb3+は近赤外領域に吸収帯があることから，その濃度を高めることにより，光吸収を改善する．Yb3+は濃度消光を起こさないため，高濃度ドープをおこなってレーザー発振は可能である．これらにより，レーザーグレードの高品質メリライト型化合物単結晶の育成技術を確立する．
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