OPTRONICS（2012）No.9 1

特 集新たな段階に突入したレーザー核融合研究

ギリシャ語のKeramion（焼き物）を語源とするセラミ

ックスは，極めて長い歴史を有する実用材料であり，陶

磁器をはじめ様々な用途で使用されている。一方，多結

晶透明セラミックス材料の歴史は短く，1961年にR. L.

Cobleの透光性アルミナの発明 1）に端を発して，盛んに

開発が行われるようになった 2～ 5）。しかし，当時の技術

では光学ガラスや単結晶に光学品質が遥かに及ばず，次

第に開発自体が停滞していった。

セラミックスへの透光性の付与には成功したものの，

長い間透明化は出来ずにいた。しかし，1995年のレーザ

ーダイオード（LD）を励起光源に用いたNd:YAGセラ

ミックスのレーザー発振成功以降 6），再度精力的に検討

されはじめた 7～ 11）。2000年代に入ると，単結晶を凌ぐ

程の性能を有するまでに至り，従来技術では不可能と考

えられていた核融合発電用ドライバーを代表とする大出

力固体レーザーをも可能にしつつある。

本稿では，大出力固体レーザー用媒質として期待され

るNd:YAGやYb:YAGセラミックスの一般特性や大型化

を可能にする手法，それに伴う寄生発振防止法並びに，

セラミックスファラデーローテーターの紹介を行う。

透明セラミックスは，原料調整，成形，焼成の 3工程

により製造される。多数報告されている透明セラミック

ス材料の製法の一例として，筆者らの用いている透明

Nd:YAGセラミックスの製造フローを図1に示す 13）。

透明セラミックス材料の製法の特徴は，その熱履歴に

ある。すなわち，光学ガラスや単結晶は，材料融点もし

くはそれ以上の温度で一旦溶融して作製される。それに

対して，透明セラミックス材料は融点よりもかなり低い

温度で焼成して作製される。そのためセラミックスは，

微細な結晶の集合体（多結晶）となる。焼結による非溶

融法で製造される透明セラミックスは，既存の光学材料

と比較して，（1）大型化・大量生産が可能，（2）高融点

材料の作製が可能，（3）各種ドーパントの均一且つ高濃

度添加が可能，（4）高い機械的強度，（5）複合化（コン

ポジット）が容易，（6）結晶方位がなく透過波面歪が小

さい，といった優位性が確認されている 13）。2.1 製法と特徴

ドライバー開発3．セラミックス材料開発

神島化学工業㈱村松克洋，八木秀喜，柳谷高公

1 はじめに

2 透明セラミックス

図1 Nd:YAGセラミックスの製造プロセス

Chloride solutionAl3+,Y3+, Nd3+

Ball milling

Nd:YAG powder

Nd:YAGceramics

2 mμ

NH4HCO3(NH4)2 SO4

Slip casting

Sintering

Adding dropwiseand stirring

Filtering

Washing and drying

Calcining

Nd:YAG precurcer

2 OPTRONICS（2012）No.9

特集 新たな段階に突入したレーザー核融合研究

核融合用ドライバーの様な大出力固体レーザーには，

主に Nd:YAGがレーザー結晶として検討されてきた。

Nd:YAGは光学的にも機械的にも性能が優れており，古く

から透明材料としてセラミックス化が検討されてきた 14）。

筆者らは，セラミックスレーザーを実現すべく電気通信

大学と共同研究を進めてきた。研究初期からNd:YAGセ

ラミックスに集中し，2003年に図2に示す様にレーザー

媒質としてセラミックスが単結晶を凌ぐ事を初めて実証

した 15）。

大出力固体レーザーに必要な大型結晶についても，こ

れまでに 10 cm× 10 cm× 2 cmの大口径スラブや，図3

の様な長さ約 35 cmの長尺スラブなど，従来の結晶育成

技術では不可能であった大型YAG結晶の製造が可能と

なっている。実際，米国ではセラミックススラブを用い

て，2006年には 67 kW，2009年には 100 kW超のレーザ

ー出力が既に実現されている 16）。

一方最近では，Yb:YAGを用いた thin-disk laserが盛ん

に研究開発されており 17），核融合用レーザー媒質として

も検討されている。Yb:YAGはNd:YAGと較べるとエネ

ルギー蓄積能力が高く，レーザー活性イオンのドープ量

も増やせるため単位体積あたりのエネルギー蓄積密度を

極めて高くする事も可能である。また，非輻射遷移によ

る熱発生はNd:YAGの 1 / 3～ 1 / 4程度と，利点が多い。

しかし，良質の高濃度Yb:YAG単結晶の製造は困難なた

め，そのセラミックス化が強く要求されてきた。

これまでに 20％ Yb:YAGセラミックスが試作され，

thin-disk laserによるレーザー発振が報告されている 18）。

そのレーザー特性を図4に示す。約10 Wのレーザー出力

が60％以上の高いスロープ効率で実現されている。一方，

比較の 16.5％Yb:YAG単結晶では最大 38.1％のスロープ

効率しか得られず，セラミックスの優位性が実証されて

いる。レーザー技術総合研究所ではYAG/Yb:YAGのコン

ポジットセラミックスを使用した，全反射アクティブミ

ラーレーザー（TRAM:Total-Reflection Active-Mirror）の

開発が行われており，300W級出力を高効率で実現して

いる 19～21）。

Nd:YAG及びYb:YAGセラミックスを用いた固体レー

ザーは，最も実現性のある核融合における炉用レーザー

2.2 YAGセラミックス

図2 Nd:YAGセラミックスのレーザー発振試験

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300Pump power（W）

Out

put p

ower（

W）

110 W

103 W

Ceramic: =41.2％

Single crystal: =38.4％ η

η

Nd:YAG ceramic 4×105 mmNd:YAG crystal 4×105 mmφ

φ

図3 大型Nd:YAGセラミックス（length～35 cm）

図4 20％Yb:YAGセラミックスのレーザー発振試験

Pin［W］

P out［W］

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

T=0.3％ =30.3％

T=1.63％ =53.9％

T=3.35％ =60.6％

T=6％ =56.2％

ηηηη

OPTRONICS（2012）No.9 3

と考えられ，今後更なる結晶の大型化，それに伴う固体

レーザーの大出力・高効率化が進むものと推測される。

誘導放出を利用したレーザー増幅器では，寄生発振の

問題がある。寄生発振とは，結晶内の内面反射により生

じる不要な発光で起こる発振である。この発振が，本来

増幅に使われる励起エネルギーを消費して，利得が低下

する。寄生発振は，主に結晶の端面間や側面間で起こり

易いため，反射防止膜や吸収体などを配する必要がある。

以前から，内面反射光を吸収する結晶を配し，寄生発

振を防止するための複合結晶が提案されている。しかし

単結晶の接合は，剛体同士の接合のため超高精度鏡面研

磨加工技術が必要であり，非常に作製が難しい。一方，

セラミックスの接合は，原子の拡散が容易に起こる焼結

接合法によるため，比較的簡単に作製できる。2つの異

なるセラミックス同士の接合方法は以下の通りである。

図1で作製した成形体を，真空中約1400℃で予備焼結を

行うことで，相対密度 85～ 95％程度の予備焼結体を作

製する。次に被接合表面をλ / 10程度（λ = 633 nm）の平

坦度で鏡面研磨を行い，研磨面同士を貼り合わせる。最

後に真空中約 1700℃で焼結する事で，接合セラミック

スの作製が可能になる。この手法では最終焼結と接合工

程が同時に行われるため，接合境界部の結晶が粒成長に

より結合し，一体化される。そのため，境界面にはその

形跡もなく，極めて強固に且つ，簡便にセラミックス同

士の接合が可能となる 13）。図5はこの手法でNd:YAGの

周囲に寄生発振防止用としてSm:YAGのクラッドを配し

たものである。Rutherford Appleton Laboratoryでは，慣

性核融合用レーザードライバーの開発が行われている。

そこでは寄生発振やASEを制御するため，Yb:YAGの周

囲にCr:YAGのクラッドを配したコンポジットセラミッ

クスを使用しており，高い効率でのレーザー発振を実現

している 22）。

近年ファイバーレーザー等の普及に伴い，アイソレー

ション及び偏光制御に用いられるファラデー素子がキー

パーツとなりつつある。これまでは，Tb3+–doped glassが

一般的にファラデー素子として使用されていたが，熱伝

導率が低く，磁気光学特性を示すベルデ定数が小さいた

め，ハイパワーレーザー用ファラデー材料としては性能

が不十分であった。そのため，最近ではTGG（Tb3Ga5O12）

がその主流になりつつある。TGG単結晶材料は，その

ベルデ定数が～ 35rad / TmとTb3+–doped glassの 2倍以上

であり，熱伝導率も高く優れた材料である。しかしなが

ら，大出力レーザーに必要とされる大口径化が困難であ

る事や，消光特性など光学品質が作製毎に安定化しない，

といった問題点も存在している。

これらの課題を克服すべくTGGのセラミックス化が

検討されており 23），最近では高品質のTGGセラミック

2.4 ファラデー素子のセラミックス化

2.3 寄生発振防止用複合化セラミックス

図5 Sm:YAGクラッド付きNd:YAGスラブ

Sm3+:YAG

Nd3+:YAG

図6 単結晶とセラミックTGGのファラデー効果

Tra

nsm

ittan

ce（

dB）

Rotation angle（degree）

Commercial FR（t=20 mm）

Ceramic TGG（t=20 mm）

Crystal TGG（t=18 mm）

40

30

20

10

0–50 0 50 100 150

4 OPTRONICS（2012）No.9

スが開発されている 24）。性能においてもTGG単結晶同

等のファラデー効果が得られており，また消光比も～ 40

dBと極めて良好な値であった。図6に単結晶と比較し

たファラデー効果を，図7に現在開発中の TGGセラミ

ックスを示す。

今後，大出力レーザーにも対応できる様な大口径

TGGセラミックスの開発を目指していく。

レーザー材料を中心に透明セラミックス光学材料を紹

介した。透明セラミックスは，単結晶材料の優れた光学

特性と，単結晶では不可能な大型化・大量生産が可能な

光学材料である。難点であった光学品質においても現在

ではレーザーグレードまで向上し，更にセラミックス化

により既存の光学材料にはない優れた性質も明らかにな

りつつある。

材料の基礎研究・開発からその実用化までには極めて

長い期間を要するが，今後多結晶透明セラミックスは光

学材料として更に発展し，レーザー核融合やレーザー加

速器等の様々な用途へと貢献できるものと期待している。

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Miyanaga, H. Nozawa, H. Yagi, T. Yanagitani, Y. Nagata, and H.

Kinoshita: Optical Society of America 16, vol. 19 (2011)

■Development of optical ceramics materials

■① Katsuhiro Muramatsu ② Hideki Yagi ③ Takagimi

Yanagitani

■Konoshima Chemical Co., Ltd, Ceramics group research

division

①ムラマツ　カツヒロ　②ヤギ　ヒデキ　③ヤナギタニ　タカギミ

所属：①②③神島化学工業㈱　技術本部　セラミックスグループ開

発部門

図7 TGGセラミックス（30mm×30mm×3mm）

3 おわりに