固体レーザー

固体レーザーとは

固体レーザーは、動作物質として固体材料を使用するレーザーの総称です。ただし、半導体レーザーとは異なり、絶縁性の固体材料を用いるものを指すのが一般的です。固体レーザーの多くは、鉄族、ランタノイド、アクチノイドなどの遷移元素イオンを微量に含む結晶やガラスを活性中心としています。

代表的な固体レーザーには、ルビーレーザーやNd3+イオンを含むYAGレーザー（Nd:YAGレーザー）、ガラスレーザーがあります。これらのレーザーは、光照射によって励起されます。パルス動作にはキセノンフラッシュランプが、連続動作には水銀灯やハロゲン入りタングステンランプが用いられることが多いです。近年では、より効率的な励起光源として半導体レーザーが注目されています。

フラッシュランプ励起YAGレーザーでは、放熱の制約からパルス繰り返し周波数が最大で数十Hz程度ですが、半導体レーザー励起ではより高い繰り返し周波数が可能です。固体レーザーの発振波長は、可視光から数マイクロメートルの赤外光に及びます。多くは低温で動作しますが、ルビーレーザーやネオジムレーザーは室温でも動作します。

固体レーザーの特徴

固体レーザーの大きな特徴は、気体レーザーと比較して活性中心の濃度が非常に高いため、小型ながら高い増幅利得と大きな発振出力を得られる点です。特に、発光準位の寿命が比較的長いため、Qスイッチングが有効であり、これにより時間幅が狭く、ピーク出力が非常に大きいパルス発振が可能です。この特性を活かし、レーザー核融合実験など、大きなピーク出力が求められる分野で利用されています。

固体レーザーの種類

固体レーザーは、その励起方法や動作特性によって、いくつかの種類に分類されます。

ランプ励起固体レーザー

世界初のレーザー発振は、1960年にセオドア・メイマンによって行われたフラッシュランプ励起ルビーレーザーでした。現在でも、ランプ励起Qスイッチ固体レーザーは、比較的安価なパルスレーザーとして研究用途などに利用されています。

半導体レーザー励起固体レーザー

半導体レーザー励起固体レーザーは、ランプ励起に比べて発熱量が少なく、ビーム品質にも優れています。ただし、励起光学系が複雑になるため、コストが高くなる傾向があります。レーザー加工機ではファイバーレーザーが主流になりつつありますが、パルス発振においては、固体レーザーが依然として優位な点が多く、特にピーク強度やパルスエネルギーでその強みを発揮しています。

放熱効率を向上させるために、ゲイン媒質を薄いディスク形状にして放熱器に貼り付けたthin disk laserも開発されています。

超短パルス固体レーザー

超短パルス固体レーザーは、パルス幅がフェムト秒（fs）からピコ秒（ps）と非常に短いパルスレーザーです。短いパルス幅により、瞬間的に非常に高いピーク強度の光を得ることができます。チタンサファイアレーザーや、カーレンズモード同期Yb固体レーザーなどが代表的です。近年では、ファイバーレーザーでも超短パルス光が得られる技術が開発されています。

ファイバーレーザー

ファイバーレーザーは、希土類元素を添加した光ファイバーをゲイン媒質とするレーザーで、広義の固体レーザーに含まれます。単位体積あたりの表面積が大きく、平均出力を上げやすい特徴があります。一方で、パルス発振においては非線形光学効果による問題が発生することがあります。これらの問題を解決するために、フォトニック結晶を用いたラージモードエリアファイバーなどの新技術が研究されています。

マイクロチップレーザー

マイクロチップレーザーは、従来の固体レーザー共振器を一体化した、安定性と経済性に優れたレーザーです。特に可飽和吸収体を一体化した受動Qスイッチマイクロチップレーザーは、メガワット級のピーク強度とサブナノ秒級のパルス幅を実現します。

参考文献

『物理学辞典』 培風館、1984年
『先端固体レーザ』 レーザ学会(著)、オーム社、2011年
* 『レーザ物理入門』[霜田光一]、岩波書店、1983年

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