JP6502285B2

JP6502285B2 - 単結晶ファイバの製造方法

Info

Publication number: JP6502285B2
Application number: JP2016090256A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: JP2017197410A

Description

本発明は、レーザー装置、増幅装置などに用いられる単結晶ファイバの製造方法に関する。

ロッド形状やファイバ形状の固体レーザー増幅媒体では、励起光吸収によって生じる発熱が効率低下の要因となる。発熱による媒体温度上昇は、多くの発光中心に対し誘導放出の効率低下を生じさせる。また媒体中の温度分布が熱誘起複屈折や熱レンズを発生させ、共振器周回ロスの増加および共振器安定領域の縮小を生じ、高効率の光増幅を阻害する。

このような現象を緩和する方法として、ロッド形状の単結晶もしくは多結晶のレーザー増幅媒体について、両端面付近に発光中心が添加されていない無添加領域を設ける構成が報告されており、エンドキャップ複合構造と呼ばれている（非特許文献１，非特許文献２参照）。また、発光中心の添加濃度をレーザーロッド軸方向に徐々に変動させることにより、均一濃度分布のロッドに比べ温度上昇を抑止する構成も報告されている（非特許文献３参照）。

これらのような発光中心の濃度分布を持つレーザーロッドの作製方法として、複数の単結晶もしくは多結晶の接合が報告されている。単結晶と単結晶を接合する方法として拡散接合法と常温接合法が報告されており、単結晶と多結晶については焼結法で接合した報告がある（非特許文献１参照）。図８に常温接合法で作製したエンドキャップ複合構造を示す。この構造は、２つの無添加単結晶８０１で、発光中心が添加された単結晶８０２を挾む構成となっている。無添加単結晶８０１と単結晶８０２との接合面は、５ｍｍ×５ｍｍの四角形である。３つの領域は、常温接合法により接合している。

特開平０８−０６２４３５号公報特開平０９−２０２６９９号公報

庄司一郎他、「常温接合を用いた高機能レーザー素子の作製」、レーザー研究、第３９巻、第５号、３３７−３４１頁、２０１１年。 M. Tsunekane, N. Taguchi, and H. Inaba, "Efficient 946-nm laser operation of a composite Nd:YAG rod with undoped ends," Applied Optics, Vol.37, No.24, pp.5713-5719, 1998. R. Wilhelm et al., "Design and comparison of composite rod crystals for power scaling of diode end-pumped Nd:YAG lasers," Optics Express, Vol.17, No.10, pp.8229-8236, 2009. S. Ishibashi and K. Naganuma, "Mode-locked operation of Cr4+:YAG single-crystal fiber laser with external cavity," Optics Express, Vol.22, No.6, pp.6764-6771, 2014.

前述したように、軸方向に発光中心の濃度が変化するレーザーロッドの作製は報告されているが、断面の直径が１ｍｍを下回るファイバの場合には軸方向に発光中心の濃度分布を持つ増幅媒体の作製は困難である。

ここで、このような増幅媒体をレーザー装置に組み込む過程では、増幅媒体の径方向へある程度の力が加わることは避けられない。このような力が加わった場合、上述したように接合している構造のファイバでは、加わった応力による接合面の破壊が懸念される。

前述したように接合している複合増幅媒体の一部を固定し、径方向へ力をかけた場合、接合面に応力を生じる。この応力は、増幅媒体の軸方向に対して垂直な断面積が小さければ小さいほど大きくなる。また、前述した接合方法による接合面の破損耐性は、単結晶自体の破損耐性に比べ大きく劣る。このため、上述したような装置組み込み時においては、前述したように接合している直径１ｍｍ程度以下のファイバ形状を持つ複合増幅媒体については応力発生による破損が懸念されることとなり、使用できない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、装置組み込み時に加わる力による破損などが発生しない、軸方向に発光中心の濃度変化を持たせた直径１ｍｍ以下の単結晶ファイバが製造できるようにすることを目的とする。

本発明に係る単結晶ファイバの製造方法は、発光中心が無添加の酸化物からなる母材から構成された柱状部を用意する第１工程と、柱状部の側面を取り巻く筒型もしくは柱状部の側面を取り巻く筒型から軸方向に平行な２つの切断面によって切り出される形状に成膜された発光中心を生成するための材料を含む複数の薄膜部を柱状部の軸方向に間隔を開けて形成して母材部とする第２工程と、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端より母材の単結晶からなるファイバを引き上げることで、発光中心が添加された添加部と、間隔に対応して添加部を挟んで配置される発光中心が添加されていない無添加部とが、発光中心の濃度が移行する移行部を挟んでファイバの軸方向に配列された状態とする第３工程と、無添加部で切断し、添加部、添加部を挾んで配置された無添加部、添加部と無添加部との間に配置された移行部から構成された単結晶ファイバを形成する第４工程とを備える。

上記単結晶ファイバの製造方法において、薄膜部を軸方向に端部に行くほど薄くなる状態に形成してもよい。

上記単結晶ファイバの製造方法において、薄膜部は、発光中心となる金属元素を含む第１薄膜部と、第１薄膜部と柱状部との間に配置されて電荷補償体を含む第２薄膜部とから構成してもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、装置組み込み時に加わる力による破損などが発生しない、軸方向に発光中心の濃度変化を持たせた直径１ｍｍ以下の単結晶ファイバが製造できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における単結晶ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。図２は、母材部２００の構成を示す断面図である。図３は、レーザー溶融ペデスタル成長法により母材部２００からファイバ３００を引き上げる状態を示す説明図である。図４Ａは、作製したファイバ３００を無添加部３０２で切断して単結晶ファイバを形成する各工程の状態を示す断面図である。図４Ｂは、作製したファイバ３００を無添加部３０２で切断して単結晶ファイバ３２０を形成する各工程の状態を示す断面図である。図５は、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の形成方法を説明するための説明図である。図６は、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の形成方法を説明するための説明図である。図７Ａは、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の形成方法を説明するための説明図である。図７Ｂは、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の形成方法を説明するための説明図である。図８は、常温接合法で作製したエンドキャップ複合構造を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における単結晶ファイバの製造方法を説明するフローチャートである。

この製造方法は、まず、第１工程Ｓ１０１で、発光中心が無添加の酸化物からなる母材から構成された柱状部を用意する。母材は、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）単結晶である。また、柱状部は、例えば、直径２４０μｍ程度の円柱に形成されていればよい。なお、柱状部の断面形状は、円形に限らず、３角形、４角形、５角形、６角形、８角形、角が丸まった４角形、長円、などであってもよい。

次に、第２工程Ｓ１０２で、柱状部の側面に、軸方向に間隔を開けて複数の薄膜部を形成する。複数の薄膜部は、軸方向に等間隔に配置する。薄膜部は、柱状部の側面を取り巻く筒型に形成して母材部とする。もしくは、薄膜部は柱状部の側面を取り巻く筒型から軸方向に平行な２つの切断面によって切り出される形状に形成して母材部としてもよい。また、薄膜部は、形成しようとする単結晶ファイバにおける発光中心を生成するための材料が含まれている。ここで、薄膜部は、発光中心となる金属元素を含む第１薄膜部と、第１薄膜部と柱状部との間に配置されて電荷補償体を含む第２薄膜部とから構成すればよい。なお、発光中心となる金属元素および電荷補償体が含まれた１つの薄膜部としてもよい。

例えば、図２に示すように、母材部２００は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶から構成された円柱２０１と、円柱２０１を取り巻く状態に形成された円筒状の複数の薄膜部２０２とを備える。複数の薄膜部２０２は、各々軸方向長さ（間隔）が等しい隙間部２０３を挾んで（開けて）配置されている。また、円筒状に成膜されている薄膜部２０２は、外側の第１薄膜部２２１と、内側の第２薄膜部２２２とから構成されている。第１薄膜部２２１および第２薄膜部２２２は、軸を共通とする円筒である。また、第１薄膜部２２１および第２薄膜部２２２は、周方向の厚さが均一に成膜されている。なお、図２の（ａ）は、母材部２００の軸方向に垂直な面の断面を示している。また、図２の（ｂ）は、母材部２００の軸方向に平行な面の断面を示している。

例えば、前述したように、母材がＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の場合、第１薄膜部２２１は、発光中心となる金属元素であるクロムを含む酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）から構成すればよい。また、第２薄膜部２２２は、三価のクロムを発光中心となる四価のクロムとするための電荷補償体であるカルシウムを含む酸化カルシウム（ＣａＯ）から構成すればよい（特許文献１，非特許文献４参照）。これら薄膜は、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などにより形成できる。また、第１薄膜部２２１は、膜厚０．４０μｍとし、第２薄膜部２２２は、膜厚０．１２μｍとすればよい。

次に、第３工程Ｓ１０３で、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端より母材の単結晶からなるファイバを引き上げることで、発光中心が添加された添加部と、間隔に対応して添加部を挟んで配置される発光中心が添加されていない無添加部とが、発光中心の濃度が移行する移行部を挟んでファイバの軸方向に配列された状態とする。

例えば、図３に示すように、酸素雰囲気で、母材部２００の端部にＣＯ₂レーザー光３３１を照射して加熱し、溶融して溶融部３３２を形成する。ここに、軸方向上部から種結晶３１０を接触させ、母材の単結晶からなるファイバ３００を引き上げる（特許文献２参照）。引き上げたファイバ３００においては、添加部３０１と、添加部３０１を挟んで配置される無添加部３０２とが、移行部３０３を挟んでファイバ３００の軸方向に配列された状態となる。無添加部３０２は、隙間部２０３に対応した部分となる。なお、図３は、母材部２００およびファイバ３００の軸方向に平行な断面を破断図で示している。

次に、第４工程Ｓ１０４で、作製したファイバを無添加部で切断し、添加部、添加部を挾んで配置された無添加部、添加部と無添加部との間に配置された移行部から構成された単結晶ファイバを形成する。前述したように、レーザー溶融ペデスタル成長法により引き上げたファイバ３００は、図４Ａに示すように、添加部３０１と、添加部３０１を挟んで配置される無添加部３０２とが、移行部３０３を挟んでファイバ３００の軸方向に配列されている。この状態で、無添加部３０２の中央部に切断面４０１を設定し、切断面４０１で切断する。この結果、図４Ｂに示すように、添加部３０１と、添加部３０１を挾んで配置された無添加部３０２と、添加部３０１および無添加部３０２の間に配置された移行部３０３とから構成された、エンドキャップ複合構造の単結晶ファイバ３２０が得られる。

ここで、レーザー溶融ペデスタル成長法による引き上げについて、説明する。まず、ＣＯ₂レーザー光３３１の照射による加熱で生成される溶融部３３２の繰り出し速度より、引き上げ速度を早く設定するため、引き上げられるファイバ３００は母材部２００より直径が細くなる。直径の縮減率は、両者の速度比Ｒ＝（引き上げ速度）／（母材繰り出し速度）の平方根である。

上述した引き上げにおいて、例えば、速度比Ｒ＝４とし、ファイバ３００の直径を１２０μｍとする。母材部２００の薄膜部２０２が溶融部３３２に接しているときは、添加部３０１が作製される。母材がＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶であり発光中心がＣｒ⁴⁺である場合、添加部３０１は、Ｃｒ⁴⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂となる。また、母材部２００の隙間部２０３の部分が溶融部３３２に接しているときは、無添加部３０２が作製される。ただし薄膜部２０２と隙間部２０３の部分との境界付近の一定の領域が溶融部３３２に接しているときには、発光中心の濃度が移行（遷移）する移行部３０３が作製される。Ｃｒ⁴⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶ファイバ作製の場合は、ファイバ３００を作製した後、酸素雰囲気で加熱処理することで、発光中心であるＣｒ⁴⁺を増加させる。ここで、ＣａＯとＣｒ₂Ｏ₃は高温酸素雰囲気において過酸化物に変化して分解しやすいが、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）薄膜もしくは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）薄膜もしくはアルミニウムとイットリウムの複合酸化物（Ａｌ_xＹ_2-xＯ₃）薄膜もしくは酸化アルミニウム薄膜及び酸化イットリウム薄膜の２層の薄膜のいずれかを最外層に形成することによって、ＣａＯとＣｒ₂Ｏ₃の分解を抑制し、効果的に溶融部３３２に取り込むことができる。

次に、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の形成、言い換えると、隙間部の形成について説明する。例えば、図５に示すように、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶から構成された円柱２０１の一部にマスク５０１を形成する。マスク５０１は、よく知られたマスクテープにより構成すればよい。マスク５０１を形成した円柱２０１の一端を回転機構５０２にセットする。円柱２０１の中心軸の位置と角度を回転機構の中心軸におおむね一致させる。次いで、回転機構５０２を動作させて円柱２０１を回転させ、この状態で、蒸着源５０３よりＣａＯを放出させて蒸着し、次いで回転を維持したままＣｒ₂Ｏ₃を放出させ、さらに蒸着を行う。この後、マスク５０１を取り除けば、マスク５０１の部分を隙間部として、外側の第１薄膜部および内側の第２薄膜部による複数の薄膜部が等間隔で形成される。上述した蒸着は、よく知られた真空蒸着装置により実施すればよい。

複数のマスク５０１の軸方向間隔は、必要なファイバ長をＲで除した値に設定する。ファイバ長を４０ｍｍとする場合、隣り合うマスク５０１の間隔（隙間部の軸方向長さ）は、４０ｍｍ/４＝１０ｍｍとなる。得られるファイバにおける無添加部の軸方向長さは、マスク５０１の軸方向の長さのＲ倍から移行部の長さを差し引き、２で除した長さになる。移行部の軸方向長さは、溶融部の体積および、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂の結晶と融液の比重の比率、および各添加材料の偏析係数により決まる。これらの値は、実験により調べて決定する。例えば、薄膜が形成されない間隔（隙間部）の軸方向長さ１．５ｍｍに対し、ファイバの無添加部軸方向長さは５ｍｍとなり、移行部の軸方向長さは１ｍｍとなる。作製した母材部を用いて前述同様に、レーザー溶融ペデスタル成長法により単結晶ファイバを作製すればよい。

次に、等しい間隔で配置される複数の薄膜部の他の形成方法について説明する。例えば、図６に示すように、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶から構成された円柱２０１の一部と蒸着源６０１との間に、一定の間隔で形成された複数の開口部６０２を備えるフィルタ部６０３を配置する。円柱２０１の一端は、回転機構６０４にセットされる。円柱２０１の中心軸の位置と角度は、回転機構の中心軸におおむね一致させる。

次いで、回転機構６０４を動作させて円柱２０１を回転させ、この状態で、蒸着源６０１よりＣａＯを放出させて蒸着し、次いで回転を維持したままＣｒ₂Ｏ₃を放出させ、さらに蒸着を行う。放出されたＣａＯおよびＣｒ₂Ｏ₃は、開口部６０２を通過した一部のみが円柱２０１に到達する。この結果、軸中心に回転している円柱２０１には、開口部６０２の間隔で、外側の第１薄膜部および内側の第２薄膜部による複数の薄膜部が形成される。上述した蒸着は、よく知られた真空蒸着装置により実施すればよい。

また、図５を用いた説明では、テープを用いてマスクを形成したが、よく知られたフォトリソグラフィー技術によりマスクを形成してもよく、また、他の方法によりマスクを形成してもよい。また、真空蒸着に限らず、スパッタ法など他の方法を用いてもよい。

ところで、第２工程において、薄膜部は、軸方向に徐々に変化して端部に行くほど薄くなる状態に形成してもよい。このように薄膜部を形成することで、発光中心の添加濃度をファイバ軸方向に徐々に変動させることができる。このように薄膜部の厚さを変化させるためには、例えば、図７Ａに示すように、円柱２０１の一部と蒸着源６０１との間に、三角形の開口部７０２を備えるフィルタ部７０３を配置し、前述同様に蒸着を実施すればよい。また、作製した母材部を用いて前述同様に、レーザー溶融ペデスタル成長法により単結晶ファイバを作製すればよい。

開口部７０２は、図７Ｂの平面図に示すように、円柱２０１の軸方向に平行な底辺と、円柱２０１の周方向に延在する２つの辺とから構成すればよい。円柱２０１の中心軸の位置と角度を回転機構の中心軸におおむね一致させ、円柱２０１を回転させると共に、フィルタ部７０３を円柱２０１の周方向に移動させることで、開口部７０２の底辺の間隔で、外側の第１薄膜部および内側の第２薄膜部による複数の薄膜部が、軸方向に徐々に変化して端部に行くほど薄くなる状態に形成される。図７Ｂに示す蒸着の「開始位置」と「終了位置」に合うように、フィルタ部７０３の移動速度を調整する。作製した母材部を用いて前述同様に、レーザー溶融ペデスタル成長法により単結晶ファイバを作製すればよい。

また、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶から構成された円柱に、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、軸方向に徐々に間隔が開いたストライプ状のマスクパターン、もしくは等間隔で窓幅が徐々に変化したストライプ状のマスクパターンを形成し、この状態で蒸着法やスパッタ法で膜を形成し、この後マスクパターンを除去する。これにより、軸方向に徐々に間隔が開いたストライプ状、もしくは等間隔で窓幅が徐々に変化したストライプ状に膜が形成される。この状態で、レーザー溶融ペデスタル成長法により単結晶ファイバを作製すれば、発光中心の添加濃度をファイバ軸方向に徐々に変動させることができる。

以上に説明したように、本発明では、発光中心が無添加の酸化物からなる母材から構成された、柱状部の軸方向に濃度変化を有する発光中心を生成するための材料を含む複数の薄膜部を形成した母材部を用いて、レーザー溶融ペデスタル成長法により母材の単結晶からなるファイバを引き上げるようにした。この結果、本発明によれば、単結晶ファイバが、接合部などがなく一体に形成されるので、装置組み込み時に加わる力による破損などが発生しない、軸方向に発光中心の濃度変化を持たせた直径１ｍｍ以下の単結晶ファイバが製造できようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、母材は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂に限るものではなく、サファイア、フォルステライト、ＹＶＯ₄、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃であってもよい。また、発光中心は、Ｃｒ⁴⁺に限らず、Ｔｉ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｈｏであってもよい。本発明は、これらを組み合わせた、Ｔｉサファイア、Ｅｒサファイア、Ｎｄ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｙｂ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｔｍ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｅｒ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｈｏ：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｃｒフォルステライト、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｙｂ：Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ：Ｓｃ₂Ｏ₃などの発光媒体に適用可能である。

また、蒸着法やスパッタリング法などに限らず、ゾルゲル法、多結晶焼結法、イオンプレーティング法など、他の方法で薄膜部を形成してもよいことは言うまでもない。

２００…母材部、２０１…円柱、２０２…薄膜部、２０３…隙間部、２２１…第１薄膜部、２２２…第２薄膜部。

Claims

発光中心が無添加の酸化物からなる母材から構成された柱状部を用意する第１工程と、
前記柱状部の側面を取り巻く筒型もしくは前記柱状部の側面を取り巻く筒型から軸方向に平行な２つの切断面によって切り出される形状に成膜された発光中心を生成するための材料を含む複数の薄膜部を前記柱状部の軸方向に間隔を開けて形成して母材部とする第２工程と、
レーザー溶融ペデスタル成長法により、前記母材部の一端より前記母材の単結晶からなるファイバを引き上げることで、前記発光中心が添加された添加部と、前記間隔に対応して前記添加部を挟んで配置される前記発光中心が添加されていない無添加部とが、前記発光中心の濃度が移行する移行部を挟んで前記ファイバの軸方向に配列された状態とする第３工程と、
前記無添加部で切断し、前記添加部、前記添加部を挾んで配置された無添加部、前記添加部と前記無添加部との間に配置された前記移行部から構成された単結晶ファイバを形成する第４工程と
を備えることを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
請求項１記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記第２工程において、前記薄膜部を前記軸方向に端部に行くほど薄くなる状態に形成することを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
請求項１または２記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記薄膜部は、
前記発光中心となる金属元素を含む第１薄膜部と、
前記第１薄膜部と前記柱状部との間に配置されて電荷補償体を含む第２薄膜部と
から構成することを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。