半導体レーザー励起超短パルス高強度固体レーザーの開発研究

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本研究の目的は、半導体レーザーで直接励起可能な次世代の超短パルス固体レーザーを開発することである。高平均出力、高効率動作が可能な新しいレーザー媒質として77K程度の低温で動作するYb: YAG結晶に着目し、昨年度までに基礎特性の測定及び高平均出力動作の実証を行った。本年度は最終段階として高平均出力超短パルス増幅器を開発した。また、開発したレーザーの応用先の一つである超短パルスレーザー加工に関する基礎研究を行った。これまで半導体レーザー励起超短パルスレーザー増幅器の平均出力は、固体レーザー媒質内で生じる熱効果により10W程度に制限されてきた。本研究ではレーザー結晶を低温冷却して熱効果を抑える手法により、高平均出力化に成功した。Yb: YAG結晶を用いたモードロック発振器及びマルチパス増幅器からなるピコ秒レーザーシステムを開発し、サブミリジュール級短パルスレーザー増幅器としては世界最高出力となる平均出力23.7Wを得た。熱解析の結果、このシステムは容易にスケールアップ可能であることが示され、半導体レーザー励起による100W級ピコ秒レーザーを実現する見通しが得られた。開発した高平均出力超短パルスレーザーは、高スループットのレーザー加工を可能にする。超短パルスレーザー加工の基礎研究として、シリコン単結晶に超短パルスレーザーを照射した場合に生じるアブレーション及びアモルファス化について実験を行った。表面反射率の時間分解測定によりフルーエンスの高い箇所から、アブレーション、非熱的融解,熱的融解の3つの現象が発生することがわかり、アブレーションが発生しない場合でもアモルファス化が起こることを示した。アブレーション閾値以下で行う新しいレーザー加工として今後の応用が期待できる。