Development of high-repetition-rate LD pumped Nd:YAG laser and its application

桐山 博光; 山川 考一

Laser Physics, 16(4), p.666 - 672, 2006/04

https://doi.org/10.1134/S1054660X06040207

高繰り返し,高平均出力チタンサファイアレーザーシステムの小型化,高効率化を目的としてLD励起Nd:YAGジグザグスラブレーザーMOPAシステムの開発を行った。本増幅器は、合理的な6パス構成による多重パス増幅方式を採用し、低い入力エネルギーで高いエネルギー抽出効率を達成している。また、増幅光を高ビーム品質に保つため、ファラデーローテーター及びSBS位相共役鏡により、それぞれ熱複屈折効果と熱レンズ効果を補償する構成である。また、高い変換効率で第二高調波を発生させるために、非線形光学定数の大きいKTP結晶を採用した。平均LD励起パワーに対する増幅器平均出力特性を取得した。1-kHzの高繰り返し動作時において、平均LD励起パワー2.6-kWに対し、362-Wの増幅器平均出力が得られた。また、222-Wの増幅器平均出力に対して132-Wの高平均第二高調波出力を60%の高い変換効率で得た。応用への展開として、1繰り返し数-kHz,ピーク出力1-TWで動作するチタンサファイアレーザーシステムの実現に向けて、再生増幅器の開発を行った。平均グリーン励起パワー20-Wに対し、出力パワー4-Wが1-kHzの繰り返しで得られた。また、OPCPAの基礎的な実験を行い、出力エネルギー24-mJ,増幅利得6106,増幅スペクトル帯域85-nm(FWHM)を達成した。

360-W average power operation with a single-stage diode-pumped Nd:YAG amplifier at a 1-kHz repetition rate

桐山 博光; 山川 考一; 永井 亨; 影山 進人*; 宮島 博文*; 菅 博文*; 吉田 英次*; 中塚 正大*

Optics Letters, 28(18), p.1671 - 1673, 2003/09

https://doi.org/10.1364/OL.28.001671

高平均出力・高繰り返しチタンサファイアレーザーの小型化,高効率化を目的として半導体レーザー(LD)励起Nd:YAGレーザーMOPA(Master-Oscillator-Power-Amplifier)システムの開発を行った。本システムは、低い入力エネルギーで高いエネルギー抽出効率を達成するため、レーザービームが励起領域を6回通過できる多重パス増幅方式を採用している。高ビーム品質の増幅を行うためにジグザグスラブ型増幅器で、さらにファラデーローテーター及びSBS位相共役鏡を用いて、それぞれ熱複屈折効果と熱レンズ効果を補償できる構成としている。また、高い変換効率で第二高調波光を発生させるために、非線形光学定数の大きいKTP結晶を採用した。本システムの動作試験を1kHzの高繰り返し率で行った。平均のLD入力パワー2.6kWにおいて362Wの高平均出力(1064-nm)を達成した。1500の増幅度並びに14%の光-光変換効率を得た。また、波長変換試験において222Wの入力パワーに対して132Wの高平均第二高調波出力光(532-nm)が60%の高い変換効率で得られた。

YAGレーザーを用いたHビーム取出し法の概念検討

明午 伸一郎; 長谷川 和男; 池田 裕二郎; 大井川 宏之; 青木 延忠*; 中川 敏*

JAERI-Tech 2002-095, 40 Pages, 2002/12

JAERI-Tech-2002-095.pdf:2.67MB

大強度陽子加速器計画において、核変換物理実験施設では未臨界状態の実験装置にLINACで加速された0.6GeV陽子ビームを導入し、高速中性子増倍体系と核破砕中性子源を組み合わせた実験を行う。核変換物理実験施設は最大熱出力を500W以下とするため、10W以下の小電流の陽子ビームを用いる。一方、核変換工学実験施設では200kWの大電流を入射するため、大電流運転と低電流運転の両立が必要となり、技術的に困難が伴う。通常用いられる薄いフォイルによるビーム取出し方法では、フォイルによるビーム散乱があるために、厚い遮蔽が必要となり好ましくない。そこでレーザーを用いて小電流のビームを取出す方法について検討を行った。本手法では、LINACから出射するHビームにYAGレーザーを照射しHビームに荷電変換し、小電流のHビームを得る。Hイオンの光子による荷電変換反応断面積は波長が1m付近にピークを持つために、発振波長1.06mのYAGレーザーが適している。これにより、繰り返し周波数25Hz,パルス当り2Jの出力を持つレーザーで600MeV陽子の10Wの取出しが可能であることを示した。本検討により核変換物理実験用の10Wビーム取出し技術の見通しを得た。

波長可変レーザー励起用高平均出力Nd:YAGレーザーの熱特性評価

大場 正規; 丸山 庸一郎

JAERI-Research 2001-040, 24 Pages, 2001/08

JAERI-Research-2001-040.pdf:2.35MB

レーザーによる同位体分離の実現には、Uを励起,電離するために高い平均出力の波長可変レーザーが必要である。このような波長可変レーザーを実現するためには、それを駆動するポンプレーザーが不可欠である。これまで分離波長可変レーザーのポンプレーザーとして銅蒸気レーザーが有望視され、その技術開発が行われてきた。しかし、近年の半導体レーザーの高性能化による固体レーザーの性能向上により、ポンプレーザーとしての固体レーザーの利用が分離エネルギー低減の観点から有望であると考えられるようになった。原研では、このような性能を満足するポンプレーザーとして半導体レーザーでポンピングされるジグザグスラブレーザーを選定し、その開発を進めてきた。しかし、レーザー媒質が吸収する光のみを発生できる半導体レーザーを利用しても、その一部は熱に変化し、この結果、結晶内に応力が発生し、熱複屈折や熱レンズなどの効果が生じ、出力の減少や光の質の低下をもたらす。このような効果は繰り返し数や平均出力が高くなるほど大きくなるため、これらの効果の抑制あるいは制御が重要な課題となっている。このためモデルを用いて発振繰り返し数2~2.5kHzのNd:YAGレーザーの出力特性及び使用するレーザー結晶内の熱分布,熱歪み,復屈折効果などを計算した。この結果、最適設計を行うことにより、2kHz級の発振繰り返し数で、緑色光平均出力500W級のNd:YAGレーザーが実現可能であるとの見通しを得た。

Multi-pass quadrature arrangement using CsLiBO crystals for highy efficient second-harmonic generation of high-power Nd:YAG laser

桐山 博光; 中野 文彦*; 山川 考一

Technical Digest on 4th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/Pacific Rim 2001), p.II_150 - II_151, 2001/00

極短パルス・超高ピーク出力チタンサファイアレーザーの励起効率の向上を目的として高効率波長変換器の開発を行っている。本波長変換器は低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、光軸を垂直に配置した2つの非線形光学結晶中を偏光の回転を利用して入射レーザー光が多数回通過できる新たに考案した多重パス構成矩象波長変換方式を採用している。CLBO結晶を用いた高出力第二高調波発生実験において、変換効率83%を得た。平均出力32.7Wの入射1064-nm Nd:YAGレーザー光に対して平均出力27.3Wの第二高調波光出力が繰り返し率10Hzで得られた。

Quadrature frequency conversion scheme using CsLiBO crystals for the efficient second-harmonic generation of high power Nd:YAG laser

桐山 博光; 松岡 伸一; 中野 文彦*; 山川 考一

Optical Review, 7(4), p.281 - 283, 2000/07

https://doi.org/10.1007/s10043-000-0281-9

極短パルス・超高ピーク出力チタンサファイアレーザーの励起効率の向上を目的として高効率波長変換器の開発を行っている。本波長変換器は低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、2つの非線形光学結晶の光軸を垂直に配置した矩象波長変換方式を採用している。本実験では、入射レーザー光に1064-nmNd:YAGレーザー光(繰り返し率: 10Hz)を用い、非線形光学結晶に大型結晶の育成が容易なタイプII位相整合のCLBO結晶を用いた。1064-nm入射レーザー光強度に対する532-nm第二高調波変換効率特性を取得した。比較のために入射レーザー光を1つの結晶に対して1回通過させた典型的な従来法を用いた変換効率も取得した。本波長変換方式を用いることにより、従来法よりも変換効率が向上し、この方式の有効性が示される結果となった。317MW/cmの入射レーザー光強度に対して70%の高い変換効率を得た。平均出力32.1Wの入射レーザー光に対して平均出力22.5Wの第二高調波光出力が得られた。

High efficiency second-harmonic generation in four-pass quarature frequency conversion scheme

桐山 博光; 松岡 伸一; 丸山 庸一郎; 有澤 孝

Inertial Fusion Sciences and Applications 99, p.721 - 724, 2000/01

極短パルス超高ピーク出力チタンサファイアレーザーや波長可変レーザーの励起効率、高次高調波発生に不可欠となる高効率波長変換器の開発を行っている。低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、逆変換を最小化できるように2つの非線形光学結晶の光軸を垂直に配置し、偏光の回転を利用して入射レーザー光が4回通過できる4パス構成矩象波長変換方式を新たに考案した。入射レーザー光に1064-nmNd:YAGレーザー光を用い、非線形光学結晶にタイプII位相整合のKTP結晶を用いて、1064-nm基本波入射光強度に対する532-nm第二高調波変換効率を取得した。比較のために入射レーザー光を1つの結晶に対して1回通過させた典型的な従来法を用いた変換効率も取得した。本波長変換方式を用いることにより、従来法よりも変換効率が向上しこの方式の有効性が示される結果となった。76MW/cmの低い入射レーザー光強度に対して80%の高い変換効率を得た。

半導体レーザー励起高繰り返し、高平均出力Nd:YAGグリーンレーザーの発振特性の研究

大場 正規; 加藤 政明; 丸山 庸一郎

JAERI-Research 98-035, 12 Pages, 1998/07

JAERI-Research-98-035.pdf:0.62MB

銅蒸気レーザーに代わる原子法レーザー同位体分離用波長可変レーザーの励起光源として期待されている半導体レーザー励起高繰り返し・高平均出力固体グリーンレーザーを試作し、その発振特性を測定した。レーザーは、発振器及び3段の増幅器から構成され、1kHzの繰り返しで動作する。基本波の平均出力約95W、これをKTP結晶により波長変換することによって第2高調波として平均出力約50Wを得た。パルスの時間幅は共振器長に依存するが、共振器長100cmで基本波が50ns、これをグリーン光に変換したとき約40nsであり、波長可変レーザー励起光源として十分な値が得られた。電気入力に対するエネルギー効率はグリーン出力で約1.6%であり、銅蒸気レーザーの約0.5~0.7%を上回る効率が得られた。

波長可変レーザー励起用全固体グリーンレーザーの開発,1; シングルパス増幅システムの開発

丸山 庸一郎; 加藤 政明; 大場 正規

JAERI-Tech 98-018, 45 Pages, 1998/06

JAERI-Tech-98-018.pdf:1.78MB

波長可変レーザーの励起光源として半導体レーザーで励起されるジグザグスラブタイプのNd:YAG結晶をレーザー発振媒質とした全固体グリーンレーザーを設計・試作した。レーザーは、固体レーザー発振器、1台の増幅器及び波長変換装置より構成される。発振器で発生する平均出力約9Wの基本波(1064nm)を増幅器で増幅することによって、平均出力33Wを得た。増幅後のレーザー光の波面歪みは約3波長、共振器ミラーに起因するデフォーカスを除いた高次の歪み量は約0.3波長、また、レーザービームの質を表すMは約1.5で回折限界に近いビーム質であった。その基本波を波長変換用結晶によって第二高調波(532nm)に変換することによって15.5Wの平均出力を得た。波長可変レーザーなどの励起に使用する第二高調波の波面歪みは少なく、高繰り返し条件下においても高い効率で高品質の第二高調波を発生できた。また、基本波を第三(355nm)、第四(266nm)高調波に変換し、それぞれ、平均出力15.5W,1.2W,2.3Wを得た。

Development of bore tools for blanket cooling pipe connection in ITER

伊藤 彰*; 岡 潔; 角舘 聡; 小原 建治郎; 田口 浩*; 多田 栄介; A.Tesini*; 柴沼 清; R.Haange*

Proceedings of 17th IEEE/NPSS Symposium Fusion Engineering (SOFE'97), 2, p.921 - 924, 1998/00

原研では、ITER工学R&Dプログラムにしたがって、配管内アクセス型ブランケット冷却配管用溶接・切断ツール及び非破壊検査ツールの開発を実施している。各ツールにはITER特有の高耐放射線性及び曲がり配管内走行性が要求され、これらを満足するために、溶接・切断ツールには光ファイバを使用したYAGレーザー伝送、また非破壊検査ツールには電磁超音波探触子(EMAT)をそれぞれ適用している。現在までに、製作したそれぞれのツールを使用した配管内での動作・位置決め性能実証試験を実施し、その性能を確認することができた。また、非破壊検査ツール用に耐放射線性超音波探触子(UT)及びリークディテクタの試験も併せて開始した。本発表は現在までに行ったツール設計の概略並びに溶接・切断ツール及び非破壊検査ツールの試験結果について報告するものである。