JP2016207751A

JP2016207751A - イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路およびレーザ

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Publication number: JP2016207751A
Application number: JP2015085254A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石橋; Shigeo Ishibashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: JP6401654B2

Abstract

【課題】発光効率が向上することができるイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路等を提供すること。【解決手段】単結晶ファイバ導波路１は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ１１と、この単結晶ファイバ１１の外周に、酸化マグネシウム（MgO）薄膜１２と、二酸化ケイ素（SiO2）薄膜１３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置等に用いられるイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路に関する。

図３は、従来のイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路１００を示してある。図３に示す単結晶ファイバ導波路１００は、レーザ溶融ペデスタル成長法により作製された四価のクロムイオン（Cr⁴⁺）を添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ（以下、単に「単結晶ファイバ」と略記する。）１１の外周に二酸化ケイ素（SiO₂）薄膜１２が形成され、外部共振器付導波路レーザに使用されている。

単結晶ファイバ１１の直径は約120μm、長さは20mmであり、SiO₂の厚さは電子ビーム蒸着により1μmに形成される。上述した単結晶ファイバレーザが直接半導体励起により発振した例が報告されている（非特許文献１）。SiO₂薄膜の熱伝導係数は1.2 W/m・K(300K)である（非特許文献２）。

S. Ishibashi and K. Naganuma, "Diode-pumped Cr4+:YAG single crystal fiber laser," Advanced Solid- State Lasers, paper MD4, Davos, Switzerland, Feb. 2000. S.-M. Lee et al., Physical Review B, 52 (1) pp.253-257, (1995)

上記のように、SiO₂薄膜の熱伝導係数は1.2 W/m・K(300K)と小さいため、従来のレーザでは、このSiO₂薄膜によって単結晶ファイバからの放熱が妨げられ、単結晶ファイバの温度上昇をまねき、発光効率が低下し得るという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、単結晶ファイバの温度上昇を抑え、発光効率を向上させる単結晶ファイバ導波路を提供することにある。

上記の課題を解決するための発明は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y₃Al₅O₁₂）単結晶ファイバと、前記単結晶ファイバの外周に、以下のいずれかを含む。
酸化マグネシウム（MgO）薄膜。
酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜。

マグネシウム（Mg）、アルミニウム（Al）およびケイ素（Si）のうちの二種以上の元素の酸化物であり、導波光の波長での屈折率が1.77以下であり、かつSiO₂薄膜より熱伝導率が高い物質の薄膜。

酸化マグネシウム（MgO）薄膜、酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜およびニ酸化ケイ素（SiO₂）薄膜のうちの二種以上の薄膜の積層膜。

本発明によれば、単結晶ファイバ外周の薄膜の熱伝導効率が従来よりも改善されるため、単結晶ファイバの温度が下がり、これによりレーザ発振効率が向上する。

実施形態におけるCr⁴⁺添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路の構造例を示す模式図である。図１の単結晶ファイバ導波路を用いた外部共振器構成のモード同期単結晶ファイバレーザの概要を示す側面構成図である。従来のCr⁴⁺添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路の構造を示す模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の一実施形態におけるイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路１について図１を参照して説明する。図１は、単結晶ファイバ導波路１の模式図であって、（ａ）は単結晶ファイバ導波路１の横断面構造、（ｂ）は同ファイバ導波路１の縦断面構造を示す。

単結晶ファイバ導波路１は、棒状に作製される。図１に示すように、単結晶ファイバ導波路１は、四価のクロムイオン（Cr⁴⁺）を添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）単結晶ファイバ１１と、この単結晶ファイバ１１の外周に形成されたMgO薄膜１２と、この薄膜１２の外周に形成されたSiO₂薄膜１３とを備える。YAG単結晶ファイバ１１の直径は約120μm、長さは20mmである。

MgO薄膜１２は、電子ビーム蒸着によって形成され、MgO薄膜１２の厚さは、1.4μｍである。SiO₂薄膜１３の厚さは、0.2μｍである。

SiO₂薄膜１２およびMgO薄膜１３の屈折率は、それぞれ1.445と1.7となることが知られている（例えば、H. A. Macleod 著、「光学薄膜」日刊工業新聞社刊、pp.608-611）。

ここで、図１に示した単結晶ファイバ１１の断面形状を正方形にモデル化し、発振光の波長1.5μｍに対しMarcatiliの方法で導波路モード解析を行った。この場合、SiO₂薄膜１３に対しクラッドへの基本モードの侵入深さは0.22μｍとなり、MgO薄膜１２に対しては0.38μｍとの結果を得た。２層の膜１２，１３の表面では、従来例のSiO₂単層薄膜表面の場合とほぼ同じ電界強度となるので、クラッドとしての機能を十分に発揮することがわかる。

また、熱伝導率は、SiO₂薄膜１２では1.2 W/m・K、MgO薄膜１３では4.2 W/m・Kとなるので、従来例のSiO₂単層薄膜の場合に比べて、２層の薄膜１２，１３は、熱伝導効率が約1.7倍となる。その結果、単結晶ファイバの温度が従来例より下がり、レーザ発振効率が向上する。

図２は、単結晶ファイバ導波路１を用いた外部共振器付き導波路構造のモード同期レーザ１０を模式的に示してある。このレーザ１０の基本構成は、（S. Ishibashi and K. Naganuma, “Mode-locked operation of Cr⁴⁺:YAG single-crystal fiber laser with external cavity,” Opt. Express vol.22, no.6, pp.6764-6771, Mar. 2014.）と同様である。すなわち、図２のレーザ１０は、単結晶ファイバ１４と、石英ガラスロッド１５と、２つのミラー１６とを備える。なお、図２に示した単結晶ファイバ導波路１４は、図１に示した単結晶ファイバ導波路１と同様である。

図２に示したレーザ１０では、モード同期による極短パルスが発生するため、共振器内の群速度分散の補償が必要となり、石英ガラスロッド１５が使用されている。

このレーザにおいて、発振光の光軸に対してガラス入出射面はブリュースター角に設置されるため、単結晶ファイバを透過する際に発振光の偏光が回転すると損失が生じ、発振効率が低下し得る。

しかしながら、本実施形態の単結晶ファイバ１４は従来例より冷却効率が良いため、単結晶ファイバの温度が従来例のファイバを使用する場合より低下し、温度上昇に伴う発振偏光の回転が減少し、発振効率が向上する。

このレーザの構成に限らず、一般に固体レーザにおいて、偏光方向の維持は発振効率向上のため欠かせない条件であり、本発明の単結晶ファイバ導波路は冷却効率が良いため、どのようなレーザ構成に用いても発振効率の向上に寄与する。

また、一般にMgOは吸湿性があるが、本実施形態の単結晶ファイバ１４では、MgO薄膜１２の表面をSiO₂薄膜１３が覆い隠すようにしているため、水蒸気を含む雰囲気に設置しても長期使用が可能である。

以上説明したように、本実施形態の単結晶ファイバ１は、Cr⁴⁺を添加したYAG単結晶１１と、MgO薄膜１２と、SiO₂薄膜１３とを備える。ここで、MgO薄膜１２の熱伝導係数は、300Kにおいて4.2 W/m・Kであり（非特許文献２）、この値はSiO₂薄膜と比べると高く、このMgO薄膜１２がクラッドとして用いられる。MgO薄膜、SiO₂薄膜の積層膜において、SiO₂薄膜の厚みが十分に薄ければ、熱伝導効率がSiO₂薄膜単層膜より向上することを期待できる。これにより、レーザ動作中の単結晶ファイバの温度が低下し、従来よりも発光効率が向上する。

なお、上述した単結晶ファイバ１は、上記実施形態に限られない。

（変形例１）
例えば、単結晶ファイバ１は、YAG単結晶１１の外周に、MgO薄膜１２とSiO₂薄膜１３と備える場合について説明したが、MgO薄膜、酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜およびSiO₂薄膜のうちの任意の二種以上の薄膜の積層膜を形成するようにしてもよい。二種以上の薄膜の積層膜に、SiO₂薄膜が含まれている場合にはその厚みが十分に薄ければ、熱伝導効率がSiO₂薄膜単層膜より向上することを期待できる。

（変形例２）
また、単結晶ファイバ１が水蒸気を含まない場所で使用および保管できるのであれば、上述したYAG単結晶１１の外周に、MgO薄膜１２のみを形成するようにしてもよい。

（変形例３）
また、単結晶ファイバ１は、YAG単結晶１１の外周に、酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜のみを形成するようにしてもよい。

（変形例４）
さらに、単結晶ファイバ１は、YAG単結晶１１の外周に、マグネシウム（Mg）、アルミニウム（Al）およびケイ素（Si）のうちの二種以上の元素の酸化物であり、導波光の波長での屈折率が1.77以下であり、かつSiO₂薄膜より熱伝導率が高い物質の薄膜を形成するようにしてもよい。上述した実施形態では、導波路コアの屈折率は1.81となるため、屈折率が1.77以下であれば導波路の開口数（NA）が0.37以上となり、発散性の強い半導体レーザを励起源に用いても導波路内に励起光を閉じ込めることが出来る。この場合の具体例としては、例えば、SiO₂＋Al₂O₃が挙げられる（例えば、キヤノンオプトロン株式会社の蒸着材料製品の製品名ＳＦ４，ＳＦ５−http://www.canon-optron.co.jp/evaporation/参照）。

このように構成しても、導波光の波長での屈折率が1.77以下のクラッドとして機能し得る値を有し、レーザ動作中の単結晶ファイバ１の温度低下が期待できる。

（変形例５）
上述したMgO薄膜および／またはSiO₂薄膜は、アモルファスでも多結晶でも良い。

（変形例６）
上記実施形態では、単結晶ファイバ導波路１をレーザのゲイン媒体に用いたが、高輝度広帯域蛍光光源に適用してもよいし、あるいは可飽和吸収体に適用するようにしてもよい。

（変形例７）
上記実施形態では、発光中心としてCr⁴⁺を用いた場合について説明したが、Y³⁺, Nd³⁺, Er³⁺, Tm³⁺などの他の発光中心を用いた場合でも同様の効果を奏する。

上記実施形態および変形例等は、すべての実施形態の単結晶ファイバと組み合わせて実施することができる。

１イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路
１１単結晶ファイバ
１２ MgO薄膜
１３ SiO₂薄膜
１４イットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路
１５石英ガラスロッド
１６ミラー

Claims

イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y₃Al₅O₁₂）単結晶ファイバと、
前記単結晶の外周に、
酸化マグネシウム（MgO）薄膜、
酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜、
マグネシウム（Mg）、アルミニウム（Al）およびケイ素（Si）のうちの二種以上の元素の酸化物であり、導波光の波長での屈折率が1.77以下であり、かつSiO₂薄膜より熱伝導率が高い物質の薄膜、または
酸化マグネシウム（MgO）薄膜、酸化アルミニウム（Al₂O₃）薄膜およびニ酸化ケイ素（SiO₂）薄膜のうちの二種以上の薄膜の積層膜、
のいずれかを含むことを特徴とするイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路。
前記イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y₃Al₅O₁₂）単結晶ファイバは、Cr⁴⁺、Y³⁺、 Nd³⁺、 Er³⁺、 Tm³⁺のいずれかに添加されていることを特徴とする請求項１に記載のイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路。
請求項１または２に記載のイットリウム・アルミニウム・ガーネット単結晶ファイバ導波路を備えるレーザ。