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OPTRONICS(2012)No.9 1
特 集新たな段階に突入したレーザー核融合研究
ギリシャ語のKeramion(焼き物)を語源とするセラミ
ックスは,極めて長い歴史を有する実用材料であり,陶
磁器をはじめ様々な用途で使用されている。一方,多結
晶透明セラミックス材料の歴史は短く,1961年にR. L.
Cobleの透光性アルミナの発明 1)に端を発して,盛んに
開発が行われるようになった 2~ 5)。しかし,当時の技術
では光学ガラスや単結晶に光学品質が遥かに及ばず,次
第に開発自体が停滞していった。
セラミックスへの透光性の付与には成功したものの,
長い間透明化は出来ずにいた。しかし,1995年のレーザ
ーダイオード(LD)を励起光源に用いたNd:YAGセラ
ミックスのレーザー発振成功以降 6),再度精力的に検討
されはじめた 7~ 11)。2000年代に入ると,単結晶を凌ぐ
程の性能を有するまでに至り,従来技術では不可能と考
えられていた核融合発電用ドライバーを代表とする大出
力固体レーザーをも可能にしつつある。
本稿では,大出力固体レーザー用媒質として期待され
るNd:YAGやYb:YAGセラミックスの一般特性や大型化
を可能にする手法,それに伴う寄生発振防止法並びに,
セラミックスファラデーローテーターの紹介を行う。
透明セラミックスは,原料調整,成形,焼成の 3工程
により製造される。多数報告されている透明セラミック
ス材料の製法の一例として,筆者らの用いている透明
Nd:YAGセラミックスの製造フローを図1に示す 13)。
透明セラミックス材料の製法の特徴は,その熱履歴に
ある。すなわち,光学ガラスや単結晶は,材料融点もし
くはそれ以上の温度で一旦溶融して作製される。それに
対して,透明セラミックス材料は融点よりもかなり低い
温度で焼成して作製される。そのためセラミックスは,
微細な結晶の集合体(多結晶)となる。焼結による非溶
融法で製造される透明セラミックスは,既存の光学材料
と比較して,(1)大型化・大量生産が可能,(2)高融点
材料の作製が可能,(3)各種ドーパントの均一且つ高濃
度添加が可能,(4)高い機械的強度,(5)複合化(コン
ポジット)が容易,(6)結晶方位がなく透過波面歪が小
さい,といった優位性が確認されている 13)。2.1 製法と特徴
ドライバー開発3.セラミックス材料開発
神島化学工業㈱村松克洋,八木秀喜,柳谷高公
1 はじめに
2 透明セラミックス
図1 Nd:YAGセラミックスの製造プロセス
Chloride solutionAl3+,Y3+, Nd3+
Ball milling
Nd:YAG powder
Nd:YAGceramics
2 mμ
NH4HCO3(NH4)2 SO4
Slip casting
Sintering
Adding dropwiseand stirring
Filtering
Washing and drying
Calcining
Nd:YAG precurcer
2 OPTRONICS(2012)No.9
特集 新たな段階に突入したレーザー核融合研究
核融合用ドライバーの様な大出力固体レーザーには,
主に Nd:YAGがレーザー結晶として検討されてきた。
Nd:YAGは光学的にも機械的にも性能が優れており,古く
から透明材料としてセラミックス化が検討されてきた 14)。
筆者らは,セラミックスレーザーを実現すべく電気通信
大学と共同研究を進めてきた。研究初期からNd:YAGセ
ラミックスに集中し,2003年に図2に示す様にレーザー
媒質としてセラミックスが単結晶を凌ぐ事を初めて実証
した 15)。
大出力固体レーザーに必要な大型結晶についても,こ
れまでに 10 cm× 10 cm× 2 cmの大口径スラブや,図3
の様な長さ約 35 cmの長尺スラブなど,従来の結晶育成
技術では不可能であった大型YAG結晶の製造が可能と
なっている。実際,米国ではセラミックススラブを用い
て,2006年には 67 kW,2009年には 100 kW超のレーザ
ー出力が既に実現されている 16)。
一方最近では,Yb:YAGを用いた thin-disk laserが盛ん
に研究開発されており 17),核融合用レーザー媒質として
も検討されている。Yb:YAGはNd:YAGと較べるとエネ
ルギー蓄積能力が高く,レーザー活性イオンのドープ量
も増やせるため単位体積あたりのエネルギー蓄積密度を
極めて高くする事も可能である。また,非輻射遷移によ
る熱発生はNd:YAGの 1 / 3~ 1 / 4程度と,利点が多い。
しかし,良質の高濃度Yb:YAG単結晶の製造は困難なた
め,そのセラミックス化が強く要求されてきた。
これまでに 20% Yb:YAGセラミックスが試作され,
thin-disk laserによるレーザー発振が報告されている 18)。
そのレーザー特性を図4に示す。約10 Wのレーザー出力
が60%以上の高いスロープ効率で実現されている。一方,
比較の 16.5%Yb:YAG単結晶では最大 38.1%のスロープ
効率しか得られず,セラミックスの優位性が実証されて
いる。レーザー技術総合研究所ではYAG/Yb:YAGのコン
ポジットセラミックスを使用した,全反射アクティブミ
ラーレーザー(TRAM:Total-Reflection Active-Mirror)の
開発が行われており,300W級出力を高効率で実現して
いる 19~21)。
Nd:YAG及びYb:YAGセラミックスを用いた固体レー
ザーは,最も実現性のある核融合における炉用レーザー
2.2 YAGセラミックス
図2 Nd:YAGセラミックスのレーザー発振試験
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300Pump power(W)
Out
put p
ower(
W)
110 W
103 W
Ceramic: =41.2%
Single crystal: =38.4% η
η
Nd:YAG ceramic 4×105 mmNd:YAG crystal 4×105 mmφ
φ
図3 大型Nd:YAGセラミックス(length~35 cm)
図4 20%Yb:YAGセラミックスのレーザー発振試験
Pin[W]
P out[W]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
T=0.3% =30.3%
T=1.63% =53.9%
T=3.35% =60.6%
T=6% =56.2%
ηηηη
OPTRONICS(2012)No.9 3
と考えられ,今後更なる結晶の大型化,それに伴う固体
レーザーの大出力・高効率化が進むものと推測される。
誘導放出を利用したレーザー増幅器では,寄生発振の
問題がある。寄生発振とは,結晶内の内面反射により生
じる不要な発光で起こる発振である。この発振が,本来
増幅に使われる励起エネルギーを消費して,利得が低下
する。寄生発振は,主に結晶の端面間や側面間で起こり
易いため,反射防止膜や吸収体などを配する必要がある。
以前から,内面反射光を吸収する結晶を配し,寄生発
振を防止するための複合結晶が提案されている。しかし
単結晶の接合は,剛体同士の接合のため超高精度鏡面研
磨加工技術が必要であり,非常に作製が難しい。一方,
セラミックスの接合は,原子の拡散が容易に起こる焼結
接合法によるため,比較的簡単に作製できる。2つの異
なるセラミックス同士の接合方法は以下の通りである。
図1で作製した成形体を,真空中約1400℃で予備焼結を
行うことで,相対密度 85~ 95%程度の予備焼結体を作
製する。次に被接合表面をλ / 10程度(λ = 633 nm)の平
坦度で鏡面研磨を行い,研磨面同士を貼り合わせる。最
後に真空中約 1700℃で焼結する事で,接合セラミック
スの作製が可能になる。この手法では最終焼結と接合工
程が同時に行われるため,接合境界部の結晶が粒成長に
より結合し,一体化される。そのため,境界面にはその
形跡もなく,極めて強固に且つ,簡便にセラミックス同
士の接合が可能となる 13)。図5はこの手法でNd:YAGの
周囲に寄生発振防止用としてSm:YAGのクラッドを配し
たものである。Rutherford Appleton Laboratoryでは,慣
性核融合用レーザードライバーの開発が行われている。
そこでは寄生発振やASEを制御するため,Yb:YAGの周
囲にCr:YAGのクラッドを配したコンポジットセラミッ
クスを使用しており,高い効率でのレーザー発振を実現
している 22)。
近年ファイバーレーザー等の普及に伴い,アイソレー
ション及び偏光制御に用いられるファラデー素子がキー
パーツとなりつつある。これまでは,Tb3+–doped glassが
一般的にファラデー素子として使用されていたが,熱伝
導率が低く,磁気光学特性を示すベルデ定数が小さいた
め,ハイパワーレーザー用ファラデー材料としては性能
が不十分であった。そのため,最近ではTGG(Tb3Ga5O12)
がその主流になりつつある。TGG単結晶材料は,その
ベルデ定数が~ 35rad / TmとTb3+–doped glassの 2倍以上
であり,熱伝導率も高く優れた材料である。しかしなが
ら,大出力レーザーに必要とされる大口径化が困難であ
る事や,消光特性など光学品質が作製毎に安定化しない,
といった問題点も存在している。
これらの課題を克服すべくTGGのセラミックス化が
検討されており 23),最近では高品質のTGGセラミック
2.4 ファラデー素子のセラミックス化
2.3 寄生発振防止用複合化セラミックス
図5 Sm:YAGクラッド付きNd:YAGスラブ
Sm3+:YAG
Nd3+:YAG
図6 単結晶とセラミックTGGのファラデー効果
Tra
nsm
ittan
ce(
dB)
Rotation angle(degree)
Commercial FR(t=20 mm)
Ceramic TGG(t=20 mm)
Crystal TGG(t=18 mm)
40
30
20
10
0–50 0 50 100 150
4 OPTRONICS(2012)No.9
スが開発されている 24)。性能においてもTGG単結晶同
等のファラデー効果が得られており,また消光比も~ 40
dBと極めて良好な値であった。図6に単結晶と比較し
たファラデー効果を,図7に現在開発中の TGGセラミ
ックスを示す。
今後,大出力レーザーにも対応できる様な大口径
TGGセラミックスの開発を目指していく。
レーザー材料を中心に透明セラミックス光学材料を紹
介した。透明セラミックスは,単結晶材料の優れた光学
特性と,単結晶では不可能な大型化・大量生産が可能な
光学材料である。難点であった光学品質においても現在
ではレーザーグレードまで向上し,更にセラミックス化
により既存の光学材料にはない優れた性質も明らかにな
りつつある。
材料の基礎研究・開発からその実用化までには極めて
長い期間を要するが,今後多結晶透明セラミックスは光
学材料として更に発展し,レーザー核融合やレーザー加
速器等の様々な用途へと貢献できるものと期待している。
参考文献1)R. L. Coble: J. Appl. Phys. 32 (1961) 793.
2)E. Canarll, S. E. Hatch, and W. F. Parson: in Materials Science
Research, edited by W. W. Kiegel and H. Palmour III (Plenum Press,
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3)C. Greskovich and J. P. Chernoch: J. Appl. Phys. 44 (1973) 4599.
4)G. E. Gazza, D. Roderich, and B. Levin: J. Materials Science 6 (1971)
1137.
5)R. W. Rice: J. Am. Ceram. Soc. 54 (1971) 205.
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7)J. Lu, M. Prabh, J. Song, Ch. Li, J. Xu, K. Ueda, A. A. Kaminskii, H.
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8)I. Shoji, S. Kurimura, Y. Sato, and T. Taira: Appl. Phys. Left. 77-7
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9)T. Ikegami, J. G. Li, and T. Mori: J. Am. Ceram. Soc. 85 (2002) 1725.
10)S. H. Lee, E. R. Kupp, A. J. Stevenson, J. M. Anderson, G. L. Messing,
J. Q. Dumm, and G. J. Quarles: J. Am. Ceram. Soc. 92 (2009) 1459.
11)田中信彦,金高裕仁,呉竹悟志:光技術コンタクト 7 (2007) 10.
12)今井功,藤田光広,入江正樹,大石浩司,宮井剛:光技術コン
タクト 7 (2007) 15.
13)柳谷高公,八木秀喜:レーザー研究 36 (2008) 544.
14)G. De With and h. J. A. von Dijk: Mat. Res. Bull. 19 (1984) 1669.
15)J. Lu, H. Yagi, K. Takaich, T. Uematsu, J. F. Bissson, Y. Feng, A.
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16)Popular Science Magazine, March (2006).
17)A. Giesen: SPIE Proc. 5332 (2004) 212-227.
18)S. T. Frederich-Thornton, C. Hirt, F. Tellkamp, K. Petermann, G.
Huber, K. Ueda, and H. Yagi: Advanced Solid-State Photonics 2008,
WB 13 (2008) Nara, Japan.
19)古瀬裕章,河仲準二:LASER CROSS 254 (2009)
20)古瀬裕章,河仲準二:LASER CROSS 266 (2010)
21)古瀬裕章,河仲準二:LASER CROSS 287 (2012)
22)S. Banerjee, K. Ertel, P. D. Mason, P. J. Phillips, M. Siebold, M.
Loeser, C. Hernandez-Gomez, and J. L. Collier: Optics Letters, 37,
vol. 12, (2012)
23)安原亮,時田茂樹,河仲準二,川嶋利幸,官博文,八木秀喜,
野沢星輝,柳谷高公,藤本靖,吉田英次,中塚正大:レーザー
研究 35 (2007) 806.
24)H. Yoshida, K. Tsubakimoto, Y. Fujimoto, K. Mikami, H. Fujita, N.
Miyanaga, H. Nozawa, H. Yagi, T. Yanagitani, Y. Nagata, and H.
Kinoshita: Optical Society of America 16, vol. 19 (2011)
■Development of optical ceramics materials
■① Katsuhiro Muramatsu ② Hideki Yagi ③ Takagimi
Yanagitani
■Konoshima Chemical Co., Ltd, Ceramics group research
division
①ムラマツ カツヒロ ②ヤギ ヒデキ ③ヤナギタニ タカギミ
所属:①②③神島化学工業㈱ 技術本部 セラミックスグループ開
発部門
図7 TGGセラミックス(30mm×30mm×3mm)
3 おわりに