1. Laser
Review
GaN半 導 体 レ ー ザ ー 励 起Pr3+ド ー プ 固 体 レ ー ザ ー
橋 本 浩 平 †1,神 成 文 彦
慶應義塾大学 理工学部電子工学科(〒223-8522神 奈川県横 浜市港北区 日吉3-14-1)
GaN Diode Laser Pumped Pr3+-Doped Solid-State Lasers
Kohei HASHIMOTO†1 and Fumihiko KANNARI
Department of Electronics and Electrical Engineering, Keio University,
3-14-1 Hiyoshi, Kohoku-ku,Yokohama,Kanagawa 223-8522
(Received October 23, 2007)
Utilizing high-power GaN laser diodes emitting light at 444nm, which have been developed for a blue light
source in laser rear projection displays, high-power coherent red light at 639nm, which is also useful for
laser rear projection displays, becomes available from Pr3+doped LiYF4lasers. In this paper, development
of Pr3+:LiYF4 lasers are reviewed. In our experiment, the highest laser power of 112mW was achieved
with the optical-optical conversion efficiency of 33.5%. Characteristics of this laser at elevated tempera-
tures were also investigated for practical applications such as a laser projector.
Key Words: Praseodymium, Visible laser, Diode pumped solid-state laser, GaN laser diode
1. は じ め に
可 視 光 レー ザ ー は画 像 表 示,銀 塩 写 真 の プ リ ン ト,バ
イ オ イ メ ー ジ ン グ,医 療 とい っ た様 々 な分 野 で の応 用 が
可 能 で あ り,と くに注 目 を 集 め て い る.中 で も,近 年 特
に注 目 を集 め て い る のが デ ィス プ レ イや プ ロ ジ ェ ク タ ー
とい っ た 画像 表 示 シス テ ムへ の応 用 で あ る.レ ーザ ー光
は単 色 性,集 光 性 が 非 常 に高 い た め,色 再 現 性 が 良 く高
解 像 度 な 画像 表 示 を実 現 す る こ とが 可 能 と な る.現 在,
す で に 国 内 電機 メ ー カ ー数 社 か ら レー ザ ー 光 を光 源 と し
た プ ロ ジ ェ ク シ ョン デ ィ ス プ レイ の試 作 機 が 発 表 され て
い る.青 色(∼460nm)の 光 源 につ い て は,現 在,445nm
で500mW出 力 のGaN系 半 導体 レー ザ ー が シ ング ルチ ップ
で 実現 され てい るが1),高 出力 な緑色(∼532nm)及 び赤 色
(∼635nm)光 源 を半 導 体 レーザ ーで 直接 実現 す るの は難 し
い.赤 色 の領 域 で は,AlInGaP系 の半 導 体 レー ザ ーが 室 温
でCW発 振 して お り,波 長640nmな らば2W程 度 の 出 力 が
得 られ るが,こ の 半 導 体 レ ーザ ー は高 温 環 境 下 で の 動 作
や高 出力 化 に難 が あ る2).ま た,緑 色 につ いて はZnSe系 の
半 導 体 レーザ ー が発 振 に成 功 して い る が,寿 命 が 非 常 に
短 い とい う問題 を抱 えて い る3).そ れ らに代 わ る光源 と し
て半 導体 レーザ ー励起 固体 レーザ ー(DPSSL:Diode Pumped
Solid-State Laser)が 候 補 に挙 が るが,可 視 光 を発 生 す る に
は2倍 波 発 生(SHG:Second Harmonics Generation)が 必 要 と
な り,電 気-光 変 換 効 率 は低 下 して しま う.半 導 体 レー
ザ ー励 起Yb3+ド ー プ フ ァ イバ レー ザ ー を周 期 分 極 反 転
MgO:LiNbO3に よっ て2倍 波 発 生 す る こ とで,光-光 変 換
効 率34%で2.8Wの 出力 が報 告 され た例 が あ る4).
最近,光 励起 垂 直 共 振 器 面発 光 レー ザ ー(VCSEL)の 第2
高 調 波 出 力 が 非 常 に高 出力 化 され 注 目 され て い る.す で
に数10W出 力 が 実 証 さ れ波 長 の拡 張 も進 め られ て い る.
この 方式 は,Fig.1の 構 成 図 に示 す よ うに通 常 の端 面 発 光
型 半 導 体 レー ザ ー を用 い てVCSELを 励 起 し,VCSELの
レー ザ ー の 共 振 器 内SHGに よっ て可 視 域 に変 換 す る方 式
で あ る.レ ー ザ ー共 振 器 で容 易 に基 本 モ ー ド出 力 が 発 生
可 能 で あ る.DPSSLの 共 振 器 内SHGと 同 じ よ う な構成 に
な るが,GaN半 導体 レー ザ ー を用 いず と も青 色 波 長域 を カ
バ ー で きる.さ ら に,こ の440nm青 色 レー ザ ー を励 起 に
用 い る と,Pr3+ド ー プ 固体 レ ーザ ー に よ って デ ィス プ レイ
に適 した639nmの 赤色 レーザ ー発 振 が 可 能 とな る4).し た
が っ て,VCSEL励 起 用 の 近 赤 外 半 導 体 レー ザ ー か らス
ター トす る と3段 階 の 波 長変 換 を行 うわ け で は あ るが,全
固体 で安 定 な 赤 色 光 が 確 保 で きる.し か し,こ の 方 式 で
は装 置 構 成 が複 雑 で あ り,電 気-赤 色 光 変 換 効 率 が低 く
な る の も事 実 で あ る.
我 々 は,波 長440nmのGaN系 半 導 体 レ ーザ ー(以 下,
†1現 所 属:レ ー ザ ー テ ッ ク(株)(〒223-8551神 奈 川 県 横 浜 市 港 北 区 綱 島 東4-10-4)
†1
Present address: Lasertec Corporation, Tsunashima-Higashi, Kohoku-ku, Yokohama, Kanagawa 223-8551
200
レ ー ザ ー 研 究2008年4月

2. Fig. 1 Schematic of an optically pumped VCSEL and SHG
using an external cavity to generate blue laser.
GaN-LD)が 今 後 高 出 力化 され る こ と を想 定 し,Pr3+ド ー プ
固 体 レ ーザ ー を このGaN-LDで 直 接 励 起 し,635nm帯 の
デ ィス プ レイ に適 した 赤 色 レ ーザ ー を単 純 な装 置 構成 で
か つ 高 い 電 気-赤 色 光 変 換 効 率 で 実 現 す る こ と を 目的 に
研 究 を行 っ てい る.本 解 説 論 文 で は,Pr3+ド ー プ 固体 の発
光 特性 を紹 介 し,フ ッ化 物 結 晶 と くにLiYF4結 晶 を母 材 に
用 い た レー ザ ー の 出 力 特 性 を紹 介 す る.レ ー ザ ー特 性 と
して は現 状 で は,前 述 の 光 励 起VCSEL第2高 調 波 励 起Pr:
LiYF4レ ー ザ ー が 先 行 して い る の で,そ の 結 果 も紹 介 す
る.最 後 に,単 にデ ィス プ レイ用 レー ザ ー と して で は な
く,本 レー ザ ー が拓 くで あ ろ う レー ザ ー装 置 の新 しい 可
能 性 を展 望 す る.
2. Pr3+ド ー プ 固 体 レ ー ザ ー の 現 状
2.1 Pr3+ド ー プ 固体 レー ザ ー材 料
希 土 類 イ オ ン を ドー プ した材 料 で,レ ー ザ ー 発 振 が 可
視 域 で報 告 され て い る物 質 と して は,Er3+, Tm3+, Ho3+,
Pr3+が 挙 げ られ る.3価 の 希 土 類 イ オ ンの 電子 配 置 は(Kr
殻)(4d)10(4f)N(5s)2(5p)6で あ る.固 体 中で の鋭 い蛍 光 ス
ペ ク トル の 特徴 は,こ の不 完 全 な4f殻 内 で の 電子 状 態 の
変 化 に よ る遷移 で あ り,f-f遷 移 と呼 ば れ る.f-f遷 移 の特
徴 は,4f殻 が 最 外 殻 で は な い た め に結 晶 場 の 影響 か ら遮
断 され る た め,線 ス ペ ク トル の位 置 や ス ペ ク トル幅 が,
種 々 の結 晶 中 に あ る場 合 と 自由 ガ ス状 態 の 場 合 と あ ま り
大 き く変 わ らな い点 にあ る.f-f遷 移 は,同 一 電 子 配置 内
遷 移 で あ る た め 電 気 双 極 子 は パ リテ ィ に よ り禁 止 さ れ
る.し か し,対 称 中 心 を 持 た な い結 晶 場 や 格 子 振 動 に
よっ て一 部 禁 制 が解 か れ るた め に10-6∼10-5程 度 の振 動 子
強 度 の遷 移 は可 能 とな る.
現 在,レ ー ザ ー発 振 が 確 認 され て い るPr3+ド ー プ材 料 に
は,LiYF48-13),BaY2F810),YAG14,15),YAlO316),LiLuF417)
とい った結 晶や フ ッ化 物 フ ァイバ18,19)があ るが,常 温 で効
率 良いCW動 作 が 報 告 され て い るの は,フ ッ化 物 系 の材 料
だ けで あ る.酸 化 物 系 の材 料 で は,非 輻射 遷 移 が非 常 に大
き くレー ザ ー発 振 を妨 げ てお り,レ ーザ ー発振 を実 現 す る
ため には,極 低 温 まで 冷却 す る必 要 が あ る15).こ れ は,酸
化 物 系 の 結 晶 の フ ォノ ン強度 が フ ッ化 物系 の2倍 近 く高 い
こ と に起 因 す る.池 末 等 は,セ ラ ミ ッ クスPr:YAGを 作 成
し結 晶 と 同等 の 吸 収 発 光 特 性 を報 告 して い る が20),レ ー
ザ ー 媒 質 と して の利 用 は困 難 で あ る.
Pr3+ド ー プLiYF4の エ ネ ルギ ー準位 と可 視光 にお け る主 な
発 光 遷 移 をFig. 2に 示 す.青(490nm),緑(522nm),オ レ
ン ジ(607nm),赤 色(640nm,697nm,720nm)で レーザ ー
発 振 が 報告 され てい る.し か し,青 色 につ い て は擬3準 位
系 で あ り,ま た波 長が490nm付 近 で あ るた め に緑 が か った
青 色 に な る.そ の た め デ ィス プ レイへ の応 用 は難 しい と考
え られ る.緑 色 の 遷移 につ い て は,発 振 波長 が520nm付 近
で あ り,緑 色 の光 源 と して は理想 的で あ るが,Fig.2に 示 す
よ う に,発 光 上準 位 が 他 の遷 移 よ りも500cm-1程 度 高 い3P1
準 位 か らの発 光 で あ り,反 転 分 布 を形 成 しに くい とい う問
題 が あ る.た だ し,3P0と3P1は 熱 的 に結 合 してお り,常 温
にお い て,そ の分 布 比 は20:1程 度 で あ る.そ の ため,赤
色 や オ レン ジ色 の レーザ ー発 振 と比 べ て発 振 しきい値 は高
くなるが,し きい値 さえ超 え て しまえ ば高効 率 な レーザ ー
発 振 は可 能 で あ る.次 に挙 げ られ る 問題 点 と して は,高 濃
度 ドー プが難 しい とい う こ とで あ る.Pr3+の イ オ ン半 径 が
大 きい ため,特 に結 晶材 料 で は高 濃度 に ドー プす る のが 難
し く,ま た高濃 度 に ドー プす る と濃度 消 光 を引 き起 こ し発
光 効 率 が 著 し く低 下す る.
Fig. 3はPr3+を0.5 at.%ド ー プ した長 さ10mmのLiYF4結
晶 の吸 収 ス ペ ク トル で あ り,π-偏 光 にお い て444nm付 近
Fig. 2 Simplified energy levels and dominant laser transi-
tions of Pr3+ doped materials.
Fig. 3 Absorption spectra of a 10mm-long Pr (0.5 at.%):
LiYF4 crystal.
第36巻 第4号GaN半 導 体 レ ー ザ ー 励 起Pr3+ド ー プ 固 体 レ ー ザ ー
201

3. に 非 常 に強 い 吸 収 ス ペ ク トル を持 つ.444nm付 近 で は,
0.5at.%ド ー プで 長 さ4mm程 度 の結 晶 で も90%以 上 吸 収
させ る こ とが 可 能 で あ る.470nm付 近,480nm付 近 に も
強 い 吸 収 ス ペ ク トル を持 っ て お り,こ の 波 長 帯 で励 起 し
た 方 が 量 子 欠 損 を小 さ くで き る.
一 方
,フ ッ化 物 ガ ラ ス も母材 と して 利 用 可 能 で あ る.
す で に希 土 類 イ オ ン ドー プfluorozirconateガ ラス(ZBLAN)
は,フ ァ イバ レ ーザ ー と して1990年 に実 現 さ れ て い る.
Nd3+ド ー プZBLANフ ァ イバ にお い て 紫外 発 振 が報 告 され
て い る よ うに21),赤 外 域 か らup-conversion過 程 を利 用 した
紫 外 か ら可視 域 の レーザ ー光 源 と して注 目 され て い る.Pr
ドー プZBLANフ ァ イバ も,up-conversion過 程 に よ る緑 色
発 振 が 知 られ て い る19).最 近,GaN-LDを 励 起 源 に した
Pr3+ド ー プ フ ッ化 物 フ ァイバ レーザ ー が 国 内 ガ ラス メ ー カ
か ら報告 され 話題 に な って い る†2.Up-conversion過 程 で は
高 い 光 強 度 が 必 要 で あ る た め小 さい コ ア を強 励 起 しな く
て は な ら な い が,直 接 遷 移 レー ザ ー で あ れ ば,近 年 の
Yb3+ド ー プ フ ァイバ レー ザ ー と全 く同 じ よ うに してGaN-
LD励 起 ダブ ル ク ラ ッ ド型 フ ッ化 物 フ ァイ バ レー ザ ー と し
て 高 出 力 赤 色 レーザ ーが 実 現 可 能 にな る.通 常 の ガ ラ ス
に比 べ て フ ッ化 物 ガ ラ ス は融 点 が低 く,材 質 の 追 求 もま
だ 十 分 に行 わ れ て い な いが,新 しい レー ザ ー 光 源 の展 開
を牽 引 で き る可 能性 が あ る.
2.2 Pr3+ド ー プ固 体 レー ザ ー 開発 の動 向
Table1に これ までPr3+ド ー プ結 晶 に お い て 実 現 さ れ た
Table 1 Summary of Pr laser performance.
†2住 田 ガ ラ ス:http://techon .nikkeibp.co.Jp/article/NEWS/20060306/114229/
202
レ ー ザ ー 研 究2008年4月

4. レ ーザ ー発 振 報 告 結 果 を ま とめ た.最 近,光 励 起 半 導体
レー ザ ー(OPSL:Optically Pumped Semiconductor Laser)の
2倍 波 出 力 で5Wを 超 え る光 源 が 開発 され,急 激 にPrレ ー
ザ ー の 出力 が 向 上 してい る.こ の場 合,波 長479nmのOPS
2倍 波 が利 用 され て い る.す で に,共 振 器 内2倍 波発 生 に よ
り,261nm,320nmの 紫 外 光が 得 られ てい る こ とは特 記 に
値 す る.電 気 ―光 変換 効 率 を無 視 す れ ば,極 め て有用 な紫
外 コ ヒー レ ン ト光 源 とな る こ とは 間違 い な い で あ ろ う.
3. GaN半 導 体 レーザ ー励 起Prレ ーザ ー実 験
3.1 実験 セ ッ トア ッ プ
我 々 の実験 はPr3+を ドー プ したLiYF4結 晶,YAG結 晶 お よ
びYAGセ ラ ミック ス にて行 った.LiYF4結 晶 は,c軸 と平 行
に カ ッ トされ て お り,長 さは4mm,Pr3+は0.5at.%ド ー プ さ
れて い る.ま た,入 射 面 には444nm高 透 過(T=95%),570
∼650nm高 反 射(R>99 .9%)の ダイ ク ロ イ ック コー トを,
そ の反 対 側 にはARコ ー ト(波 長639nmに お いてR<0.1%)
をそ れ ぞれ 施 した.YAG結 晶 は,長 さ10mm,0.5at.%ド ー
プ の もの を使 用 し,入 射 面 に は450nm高 透 過(T=94%),
600∼650nm高 反射(R>99.9%)の ダイ ク ロイ ック コー トを
施 した.出 射 面 に は600∼650nmに お け る反 射 率 が97%の
コ ー トを施 して お り,モ ノ リ シ ック共振 器 が構 成 され る.
レー ザ ー発振 実 験 及 び蛍 光 強度 の観測 に は,日 亜化 学 社
製 のGaN系 半 導体 レーザ ー を励 起 に使 用 した.こ の 半導 体
レーザ ー は444nm付 近 で発 振 し,最 大 出力 は500mW(Iop=
550mA)で あ る.エ ミッ ターサ イズ は10×1μmで あ り,水
平 方 向 及 び垂 直 方 向 へ の広 が り角 は,そ れ ぞ れ15.5°,37°
で あ る.蛍 光 寿 命 の測 定 に は,Q-ス イ ッチNd:YAGレ ー
ザ ー の3倍 波(パ ル ス 幅3ns,繰 り返 し周 波 数10Hz)で 励 起
した光 パ ラ メ トリ ック発 振 器 を使 用 した.ま た,蛍 光計 測
に は相 馬 光 学 社 製 のCCDタ イ プの 分 光計(S-2600,分 解 能
2.0nm)を 使 っ て い る.
3.2 実 験 結 果
(1) Pr:LiYF4
レー ザ ー発 振 実 験 で は,Fig.4に 示 す よ う に,ま ず,半
導体 レー ザ ー光 を,焦 点 距 離4.6mmの 非 球 面 レ ンズ で平
行 光 線 に し,シ リ ン ドリ カル 凸 レ ンズ-凹 レ ン ズ対 に て
で き る だ け 真 円 ビ ー ム に な る よ う に した.レ ン ズ 対 で
は,同 時 に半 導 体 レ ー ザ ー の 非 点 収 差 の 補 正 も同 時 に
行 っ てい る.コ リメ ー トされ た ビー ム は,焦 点距 離50mm
の レ ンズ にて 共振 器 内 のPr:LiYF4結 晶 内 に集 光 し,π 偏 光
で 結 晶 を励 起 した.レ ーザ ー共 振 器 は,反 射 率 が99%,
Fig. 4 Schematic of Pr:LiYF4 laser oscillation experiment.
98%, 96%の3種 類 の,凹 面 出力 ミラ ー(曲 率 半 径75mm)
を用 い た.ま た,高 温 下 で の 動 作 特 性 を検 討 す る た め,
結 晶 を ヒー タ ー に て加 熱 し,熱 負 荷 特 性 も測 定 した.
Fig.5は,出 力 ミラー の 反射 率 を99%,98%,96%と し
た ときの,吸 収 パ ワー に対 す る赤 色 レー ザ ー光(639nm,
3P0-3F2
,σ 偏 光)の 出力 で あ る.こ の結 晶 で は,励 起 源 の
半 導 体 レーザ ーの 電 流 が460mA以 下 の 時 は90%以 上 の励
起 光 を吸 収 した.LDの ケ ー ス温 度 が20℃ の 時,そ の駆 動
電 流 を130mAか ら460mAに 増 加 させ る と,そ の 中心 波 長
は443.3nmか ら444.5nmに 変 化 し,460mA以 上 で は447nm
付 近 にサ イ ドバ ン ドが 立 ち吸 収 効 率 が 著 し く低 下 した.
出力 ミラ ー の反 射 率 が99%,98%,96%の 時 の 発 振 しき
い値 は,そ れ ぞ れ6mW,13mW,20mWで あ り,出 力 ミ
ラー の反 射 率 が96%の 時 に,334mWの 吸 収パ ワ ー に対 し
最 大112mWの 光 出 力 を得 る こ とが で き,そ の 光-光 変 換 効
率 は33.5%で あ った.
Fig.6は 出 力 ミラ ー を96%と し,Pr:LiYF4結 晶 を300K
か ら380Kま で 加 熱 した と きの レー ザ ー 出力 の結 果 で あ
る.300K,350K,380Kに お け る し きい値 は,そ れぞ れ
20mW,38mW,50mWで あ り,加 熱 す る に従 って しき
い値 が 大 き く上 昇 したが,ス ロ ー プ効 率 の 変化 は僅 か で
あ っ た.99%の 出力 ミラー で は,380Kに お い て も,発 振
し きい 値 は22mWで あ っ た.
Fig. 5 Plots of the output power at 639nm as a function of
absorbed pump power for various output couplers.
η is the slope efficiency estimated for each of the
experiments.
Fig. 6 Output power at 639nm as a function of absorbed
pump power for various crystal temperatures with a
99% output coupler.
第36巻 第4号GaN半 導 体 レ ー ザ ー 励 起Pr3+ド ー プ 固 体 レ ー ザ ー
203

5. Fig.7は,300Kと380Kに お け る,π 偏 光 お よび σ偏 光 の
蛍 光 スペ ク トル で あ る.π 偏 光 の522nm(3P1-3H5)の 蛍 光 を
除 い て は,加 熱 す る こ とで 蛍光 強 度 が著 し く弱 くなる こ と
が確 認 され た.3P0と3P1は 熱 的 に結 合 して い る た め,高 温
下 で は3P1の 分 布 が 増 え緑 色 の蛍 光 強 度 が 増 加 した と考 え
られ る.ま た,200K以 下 の低 温 で は この蛍 光 が 全 く観 測
され な くな る こ と も確 認 して い る.300K及 び380Kに お け
る赤色 発 光 の 寿命 は そ れ ぞ れ38μs,37μsで あ っ た.20K
にお け る蛍 光 寿 命 は49μsで あ っ たが,200Kか ら380Kの
間 で はFig.8に 示 す よ うに蛍 光寿 命 が大 き く変化 す る こ とは
なか っ た.よ っ て,温 度 を上 げ る こ とで し きい値 が 高 く
なっ たの は,レ ーザ ー上 準位 の分 布 が減 った こ とが原 因 と
考 え られ る.本 実 験 で は最 大380Kま で加 熱 を行 っ たが,
加熱 す る こ とに よ り吸 収 効 率が 低 下 す る こ とは無 か っ た.
Fig. 7 (a) π-polarization and (b) σ-polarization emission
spectra of the Pr:LiYF4 crystal pumped at the GaN
laser diode at 300 and 380K.
Fig. 8 3P0 manifold emission lifetime of the Pr:LiYF4 at
various temperatures.
(2) Pr:YAG
我 々 は,Pr:YAG結 晶 に お い て も レー ザ ー発 振 を試 み
た が,レ ー ザ ー 発 振 が達 成 さ れ た の は,100K以 下 の極
低 温 で パ ル ス 励 起 した と きの み で あ っ た.励 起 源 に は
450nm,3.4mJのOPOを 用 い,レ ーザ ー発 振 は617nmで
確 認 され た.Fig.9は23K及 び300Kに お け る蛍 光 ス ペ ク
トル で あ る が,3P0準 位 か らの 蛍 光 に加 え て,1D2-3H4遷
移 の 蛍 光(609nm)も 観 測 され た.こ れ は,3P0か ら1D2レ
ベ ルへ 非 輻 射 遷 移 を起 こ して い るか らで あ る と推 測 され
る.温 度 を 下 げ る こ と に よ り非 輻 射 遷 移 は減 少 し,1D2
レベ ル か らの 蛍 光 は 弱 くな る こ とが 確 認 さ れ た が,23K
に お い て も完 全 に無 くな る こ とは 無 か っ た.300K及 び
23Kに お け る3P0の 蛍 光 寿 命 は,そ れ ぞ れ11.6μs,8.6μs
で あ っ た.ま た,Pr3+1 at%ド ー プ のYAGセ ラ ミ ック ス
を用 い て も同様 の 実 験 を行 った が 違 い は観 測 され な か っ
た.YAG結 晶 の 実 効 フ ォノ ンエ ネ ル ギ ー は700cm-1程 度
で あ り,3P0と1D2間 の エ ネル ギ ー差 は約3300cm-1と 実効
フ ォノ ンエ ネ ル ギ ー の4∼5倍 程 度 しか な い こ とか ら,非
輻 射 遷 移 を起 こす 確 率 は非 常 に 高 い と考 え ら れ る.
4. ま とめ
Pr3+ド ー プ固体 レーザ ー につ い て の これ まで の 開発 動 向
を紹 介 し,と くにGaN-LDの 高 出力 化 に よっ て可 能 と なっ
た高 効 率Pr:LiYF4レ ー ザ ー につ い て の 実 験 結 果 を紹 介 し
た.本 研 究 で は,光 ―光 変 換 効 率 で33.5%でGaN-LD励 起
赤 色Pr:LiYF4レ ー ザ ー の発 振 に成 功 した.380Kの 高 温 下
に お い て も22mWの 発 振 しきい 値 を実 現 で き,さ らに ス
ロ ー プ効 率 が 著 し く低 下 す る こ と も無 い こ とが 確 か め ら
れ た.し た が っ て,本 レー ザ ー は,赤 色 半 導 体 レー ザ ー
とは異 な り,高 温 下 で 高 出 力 ・安 定 動 作 が 求 め られ る用
途 に も適 してい る.Pr:LiYF4は,波 長440nm帯 にお い て半
導 体 レ ーザ ー 励 起 に 十 分 な 数nm程 度 の 吸 収 帯 域 を持 っ
が,GaN-LDの 動 作 波 長 が高 い駆 動 電 流 下 で はず れ ない よ
う にす る こ と は重 要 で あ る.
GaN系 の 半 導 体 レ ーザ ー は大 電 流 密 度 駆 動 に対 して 堅
固 な 材 料 で あ り,比 較 的 高 温 な状 態 で も動 作 で き る た
め,ア レイ形 状 化,バ ー 形状 化 して 発 光 面 積 を大 き くす
る な ど に よ り,さ ら に高 出 力 化 が 可 能 で あ る.ち ょ う
Fig. 9 Emission spectra of Pr:YAG crystal at different tem-
peratures.
204
レ ー ザ ー 研 究2008年4月

6. ど,800nm帯 のAlGaAs系 半 導 体 レー ザ ー が20世 紀 末 に置
か れ た状 況 と全 く同 じで あ る.幸 い に も国 内 メ ー カ ーが
開発 の 先頭 を切 っ てお り,GaN-LD励 起DPSSLに よ り再 度
世 界 の レー ザ ー 市 場 を席 巻 で きる か も しれ ない.そ の た
め に は,励 起 源 と と も に レ ー ザ ー材 料 開 発 が 重 要 と な
る.DPSSLの こ れ まで 歩 ん で き た道 の りを 考 え る と,
フ ァ イ バ レー ザ ー に 収 束 す る の は極 め て 妥 当 で あ り,
フ ッ化 物 ガ ラス を用 い た ダ ブ ル ク ラ ッ ド型 フ ァ イバ レー
ザ ー 開発 が鍵 と な る.励 起 波 長 が短 く,散 乱 損 失 が 高 く
な る の で,Yb3+ド ー プ フ ァイ バ レ ーザ ー に比 べ て 短 い
フ ァ イバ 長 で の 高 い 励 起 効 率 の達 成 が 重 要 に な る.
一 方
,Pr:LiYF4レ ー ザ ー も,数10WのGaN-LDフ ァイバ
バ ン ドル励 起 源 が 出 現 す れ ば,高 効 率 赤 色 レー ザ ー を基
本 波 と して供 給 で きる よ う に な り,2倍 波 レー ザ ー で励 起
され て い るTi:Al2O3モ ー ド同期 発 振 器 よ りも高 い電 気 ―光
変 換 効 率 でCr:LiSAFモ ー ド同期 発 振 器 が 実 現 で き るで あ
ろ う.ま た,す で にOPS-SHG励 起 で 実 現 され て い る よ う
に,Pr:LiYF4の 共 振 器 内SHGに よ り紫外 光 をCWで 発 生 可
能 と な る.ま た,Pr:LiYF4青 色 レ ーザ ー遷 移 はArイ オ ン
レー ザ ーの488nm遷 移 と も非 常 に 近 い の で,光 学 系 をそ
の ま ま に して多 くのArイ オ ン レー ザ ー装 置 を置 き換 え る
こ とが で き るで あ ろ う.
この よ うに,GaN-LDとPr3+ド ー プ フ ッ化 物材 料 の組 み 合
わせ に よ り,21世 紀 の レー ザ ー装 置 は全 く新 しい展 開 を迎
え る こ と も夢 で は ない.GaN-LDの 高 出 力化 とフ ッ化 物 ガ
ラス の高 性 能化 を強 力 に後 押 しす る力 が必 要 で あ る.
謝 辞
本研 究 を進め るにあた り,技 術 的 ア ドバ イスをいただ
いた セ ン トラル硝子(株)久 保 田 能徳氏 に謝意 を表 しま
す.ま た,本 研究 の初期 において,研 究 にご協力 いただ
きま した富士 フイルム(株)岡 崎 洋二氏,足 立 貴志氏 にも
感謝 申 し上げ ます.
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レ ー ザ ー ワ ー ド
Pr3+ド ー プ 固体 レーザ ー(Pr3+doed solid-statelasers)
Pr3価 イ オ ンは,可 視 光励 起 に よ り3P1→3H5,3P0→3H4,
3H6
,3H2等 の可 視 域 レー ザ ー遷 移 が 可 能 で あ り,結 晶 場
フ ォ ノ ン強 度 の低 い フ ッ化 物 結 晶 に お い て 実 際 に レ ー
ザ ー発 振 が 実 現 され て い る.Pr:YLF結 晶 にお け る そ れぞ
れ の発 振 波 長 は,490,522,607,640nmと なる.こ れ ま
で も可 視 域 発 振 の 貴 重 な 固体 レー ザ ー と して 認 知 は され
て い たが,励 起 に必 要 な青 色 レーザ ー(440nm)は,ア ル ゴ
ン イ オ ン レー ザ ー の 一 部 の 遷 移 を用 い る しか な か った た
め に実用化 には不 向 きであ った.近 年 のGaN青 色半 導体
レーザ ーの長波長動作 とその高出力化,あ るいは光励起
面発 光半導体 レーザー2倍 波光の開発 に よって俄か にコン
パ ク トで高効率 な可視域 レーザー と して注 目を浴 びてい
る.フ ッ化物 ガラスを用い たZBLANフ ァイバ において も
高効率 レーザ ー発振が可能 である ことか ら,高 出力可視
ファイバ レーザー としての呼び声 も高 ま りつつある.
(神成 文彦)
第36巻 第4号GaN半 導 体 レ ー ザ ー 励 起Pr3+ド ー プ 固 体 レ ー ザ ー
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