500W！Nd:YAGレーザーを作ってみた

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Nd:YAG（ネオジムヤグ）レーザー（もしくは単に、YAGレーザーと呼ばれる）は、T. H. Maimanが1960年にレーザーを発明したわずか4年後の1964年にベル研究所のGeusicらによって発振が確認されました。その後60年近く経った今でも、YAGレーザーはハイパワーレーザーとして代表的な存在です。レーザー切断、レーザー溶接、レーザーマーキング、レーザー脱毛、レーザー皮膚治療などの幅広い用途に利用されています。
YAGとは、イットリウム・アルミニウム・ガーネットの略であり、Y（イットリウム）とAl（アルミニウム）の複合酸化物でガーネット構造を示す結晶のことです。組成式はY3 Al5 O12で、チョクラルスキー法などにより人工的に作られています。不純物の入っていないYAG結晶は無色透明でレーザー発振しませんが、Nd（ネオジム）という希土類元素（レアアース）を0.1～1%ほど添加することでレーザー増幅媒質として働くようになります。レーザーは、レーザー増幅媒質、励起エネルギー源、光共振器の3つの要素で構成されます。
この動画では、レーザー増幅媒質としてNd:YAG結晶、励起エネルギー源としてレーザーダイオード、光共振器として平面の誘電体多層膜ミラー2枚で構成されたファブリペロー共振器を用いています。まず、レーザーダイオードにより直流電流を808 nmの近赤外光に変換します。808 nmの光をNd:YAG結晶に照射すると、結晶に添加された3価のNdイオンがその光を吸収し、“励起状態“となります。励起状態とは、Ndイオンにエネルギーが蓄えられた状態、すなわち、Ndイオンの4f軌道の電子がよりエネルギーの高い状態に遷移した状態です。Ndなどの希土類イオンの特徴は内殻の4f軌道に不対電子をもつことであり、4f軌道間の電子遷移によって吸収・放出が生じます。電気双極子によるf-f遷移はパリティ禁制遷移ですが、イオンが固体中にある場合には、周囲の他のイオンがつくる結晶場の影響を受け、電気双極子遷移が可能になります。遷移元素におけるd軌道電子とは異なり、4f軌道電子は内殻に位置するため外殻にある5sや5pの閉殻により電気的に遮蔽されるため結晶場の影響が小さく、希土類イオンの光物性は特徴的なものとなっています。このことが、Pr（プラセオジム）、Nd、Tb（テルビウム）、Dy（ジスプロシウム）、Ho（ホロミウム）、Er（エルビウム）、Tm（ツリウム）、Yb（イッテルビウム）がレーザー活性イオンとして主に利用される理由です。励起されたNd:YAG結晶は四方八方に1064 nmの近赤外光を放出しますが、これはレーザー光ではなく自然放出と呼ばれます。自然放出光をミラーを使ってNd:YAG結晶に戻すと、励起されたNdイオンの誘導放出によって光増幅が生じます。Nd:YAG結晶の反対側にもう1枚のミラーを配置し、2のミラーが平行になるように調整すると、光がミラー間を往復しながら何度もNd:YAG結晶で増幅されることにより、レーザー発振が起こります。このとき、片側のミラーを半透明（例えば、反射率80%）としておけば、共振器内の増幅光を外に取り出すことができます。このようにして発生させた光をレーザー光と呼びます。レーザーダイオードに流す電流を増大させ励起光を強くすると、励起光パワーに比例してレーザー光のパワーは大きくなります。しかしながら、Nd:YAG結晶内で生じる熱レンズ効果やNd:YAG結晶の熱破壊によりレーザー光のパワーは制限されるため、どこまでもパワーを大きくできる訳ではありません。
今回はレーザー科学研究所にあるレーザー部品を使って、ハイパワーYAGレーザーを作ってみました。500Wのレーザー光をレンガに照射すると何が起こるでしょうか？
当研究所では次世代のハイパワーレーザー技術の研究を行っています。レーザーに興味を持っていただければ幸いです。
#大阪大学#YAGレーザー#ヤグレーザー