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固体レーザーの歴史

レーザー(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)は、1960年のルビーレーザー(固体レーザー)の発振により幕を開け、気体レーザー、半導体レーザー(LD: Laser Diode)、色素レーザーなど新しいレーザー材料・媒質の研究が活発に行われた。高出力化の期待できる固体レーザーはその後、Qスイッチ発振の考案によ りマイクロ秒(ms: 10-6 s)~ナノ秒(ns: 10-9 s)のパルス幅でピーク出力メガワット(MW: 106 W)級のジャイアントパルス発生が可能となり、非線形光学の研究が発展した。

更に、モード同期レーザーの開発によりピコ秒(ps: 10-12 s)~フェムト秒(fs: 10-15 s)のパルス生成が可能になり、ピーク出力はギガワット(GW: 109 W)まで進展した。近年では、チャープパルス増幅(CPA: Chirped Pulse Amplification)法の発明により、実験室での実証実験ではTW(1012 W)を越えペタワット(PW: 1015 W)級レーザーまで出現した。

産業用の実用型レーザーの開発は、主に炭酸ガス(CO2)レーザー、希ガスレーザー及びネオジム(Nd)を添加したY3Al5O12結 晶(Nd:YAG結晶)固体レーザーを中心に進展してきた。代表的な固体レーザーのNd:YAGレーザーやNdガラスレーザーの励起源には、希ガスフラッ シュランプが用いられてきた。1980年代には半導体レーザー(LD)の高出力化、高効率化、長寿命化が進み、LD励起の固体レーザーが発展した。

これまでのレーザー産業応用は、主にバルク型の固体レーザーを中心に進展してきた。近年では、NdやYbなどの希土類元素を添加した光ファイバー を、レーザー利得媒質としたファイバーレーザーが注目を浴びるようになってきた。ファイバーレーザーは小型軽量、高効率、高安定、更には優れた空間モード 制御という特長を持ち、様々なレーザー応用において優位である。広範囲なレーザー応用を考慮すると本格的なパルス動作のファイバーレーザーの研究開発を行 う必要がある。

しかし、パルスファイバーレーザーはファイバー中の非線形光学効果やダメージの観点から開発が困難である。そこで、エネルギー準位構造から熱発生が少なく高効率で高出力化が期待できるYb添加シリカガラスファイバーが注目されている。

Nd:YAGレーザー

産業用の実用型レーザーの開発は、主に炭酸ガス(CO2)レーザー、希ガスレーザー及びネオジム(Nd)を添加した
Y3Al5O12 結晶(Nd:YAG 結晶)固体レーザーを中心に進展してきた。Nd:YAG 結晶が高出力レーザー媒質として最も利用されている理由は、Nd3+イオンが4 準位のエネルギー準位構造を持ち、YAG 結晶の熱伝導率が他のレーザー材料に比べ非常に優れているからである。しかし、バルク型固体レーザーは励起光とレーザー光のカップリング効率が悪く、モード制御が困難である。

光学系のミラーやレンズ等への塵埃付着や、周囲環境による熱的・機械的影響による光軸ずれの発生等により、出力低下やビーム品質劣化が発生してしま う。また、固体レーザーの高出力化に伴い、励起光吸収による熱レンズ効果や熱複屈折効果といった熱効果が顕著となるため、ビーム品質が大幅に低下する。こ のため、冷却効率の高いアクティブミラー型やスプリットディスク型が提案されているが、構造が複雑であり産業用には不向きである。



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