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2014年4月16日 レーザー研シンポジウム2014
大阪大学銀杏会館
○本田 能之A, 吉田 実B, 實野 孝久A, 宮永憲明A, 秋田 将幸B, 本越 伸二C
Nd/Cr:YAGセラミックにおける エネルギー移乗過程の評価
A大阪大学レーザー研 B近畿大学
Cレーザー総研
1
-
内容 ILE Osaka Univ.
Nd/Cr:YAGセラミックについて
Nd/Cr:YAGのエネルギー移乗
エネルギー移乗過程の評価
まとめ 2
-‐ 吸収スペクトル/励起蛍光スペクトルの温度依存性
-‐ エネルギー移乗の割合の温度依存性
Nd/Cr:YAGにおける蛍光特性の温度依存性
-‐ Cr3+:YAGの励起・緩和過程
-
Nd/Cr:YAGセラミック
3SPIE Laser Damage 2011
ILE Osaka Univ.
hFp://www.mech.Jtech.ac.jp/~ryuutai/
Solar pumped laser system1)
1) Dept.of Mechanical Engineering and Science Tokyo Institute of Technology
Nd/Cr:YAG ceramics
広いスペクトルを有する励起源(フラッシュランプ・太陽光)に対して 高効率のレーザー動作が期待されている
Cr 3+ の共添加により、可視域に広い吸収帯を持つ
効率よくCr3+からNd3+へエネルギー移乗が起きる
Nd/Cr:YAGセラミックはNd:YAGにCr3+を 共添加したレーザー媒質
Flash lamp pumped laser systemILE Osaka Univ. 3
-
Cr3+イオンの吸収帯である4T1レベル, 4T2レベルに吸収されたエネルギーは、蛍光上準位である 2EレベルからNd3+イオンへ遷移(エネルギー移乗)すると考えられている。
Nd3+イオンに吸収されたエネルギーはそのままNd3+の発光(4F3/2 → 4I11/2)に寄与する
Nd/Cr:YAGのエネルギー移乗ILE Osaka Univ.
15
10
5
0
Ener
gy[×
1000
cm
]-1
20
F3/24
4
I11/24
I9/2
H11/22
G 5/24
G 7/24K13/2
2
S3/2
4
λ=1064 nm
Energy transfer
A24
E2T2
4
T14
λ=693 nm
Cr3+ Nd3+Nd/Cr:YAG のエネルギー準位
4
Laser
Cr 3+で吸収されたエネルギーが、Nd 3+へ遷移する「エネルギー移乗」の過程は十分に理解されていない
-
内容 ILE Osaka Univ.
Nd/Cr:YAGセラミックについて
Nd/Cr:YAGのエネルギー移乗
エネルギー移乗過程の評価
まとめ 5
-‐ 吸収スペクトル/励起蛍光スペクトルの温度依存性
-‐ エネルギー移乗の割合の温度依存性
Nd/Cr:YAGにおける蛍光特性の温度依存性
-‐ Cr3+:YAGの励起・緩和過程
-
ILE Osaka Univ.
6
吸収スペクトル / 励起蛍光スペクトルの温度依存性
Cr3+
Nd3+
Nd3+
Nd3+
白色励起光に対して、Nd3+の蛍光強度が増加 Cr
3+の吸収帯の吸収量が増加
-
ILE Osaka Univ.
吸収スペクトルと励起蛍光スペクトルのそれぞれの総和は共に1.6倍に増加する.
Nd/Cr:YAGセラミックは白色励起源に対して高温で高効率レーザー動作が期待できる。7
吸収 / 発光特性の温度依存性
15
10
5
0
Ener
gy[×
1000
cm
]-1 20
25
Cr 3+A24
E2
T2
4
F3/24
4
I11/24
I9/2
F9/24
H11/22
G 5/24
G 7/24K13/22
Nd 3+
F5/24
S3/2
4
T1
4
励起蛍光・吸収スペクトル面積の比較
吸収スペクトル面積
励起蛍光スペクトル面積
約1.6倍
約1.6倍
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
0 100 200 300 400 500Temperature [K]
Integral of spe
ctra [N
.U.] Energy
transfer
-
エネルギー移乗の割合ILE Osaka Univ.
エネルギー移乗の割合
Cr3+からNd3+へのエネルギー移乗の割合は温度によらず約65%で一定.
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
Temperature [K]
Ener
gy tr
ansf
er e
ffici
ency
[%]
Temperature [K]
FracJo
n of transiJ
on to
Nd3
+ [%]
65%
8
:エネルギー移乗の割合Trηη τ
τTr = CrCr(Nd)1-
)(NdCrτCrτ :Cr:YAGの蛍光寿命
:Nd/Cr:YAGのCr3+の蛍光寿命
Cr:YAGとNd/Cr:YAGのCr3+の 蛍光減衰波形 (300K)
Nd3+へ移乗したエネルギー
-
内容 ILE Osaka Univ.
Nd/Cr:YAGセラミックについて
Nd/Cr:YAGのエネルギー移乗
エネルギー移乗過程の評価
まとめ 9
-‐ 吸収スペクトル/励起蛍光スペクトルの温度依存性
-‐ エネルギー移乗の割合の温度依存性
Nd/Cr:YAGにおける蛍光特性の温度依存性
-‐ Cr3+:YAGの励起・緩和過程
-
Cr3+:YAG の 励起・緩和過程ILE Osaka Univ.
Fast (数10µs) 4T2 → 4A2の遷移(許容遷移)
Slow (~1ms) R-‐line 2E → 4A2の遷移(禁制遷移)
Middle (~数100µs ) 2EのSideBand??10?
-
Cr:YAG
色素レーザ (Rhodamine640)λ=610nm, パルス幅 10ns
Nd:YAG 2ω
回折格子600本/mm
凹面ミラーf = 100
f = 100 f = 30
f = 50
オシロスコープ
分解能± 2.9nm
PINダイオード応答速度 = 0.1 µs
Cr:YAG 蛍光減衰波形 評価方法 ILE Osaka Univ.
(9.5 φ×2.0 mm)
評価サンプル
実験装置配置図
波長680~800nm
11分光したCr:YAG蛍光スペクトル
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
660 680 700 720 740 760 780 800 820Wavelength [nm]
-
Cr3+:YAG 蛍光減衰波形/蛍光寿命ILE Osaka Univ.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
SS
MM
FF
tItItItIτττ
expexpexp)( SMF III ,,SMF τττ ,,
t :Time:IntensiJes:LifeJmes
Fi_ng
検出波長によらずCr3+には、3通りの遷移過程(Fast Middle Slow)がある
それぞれの蛍光寿命は検出波長によらずほぼ一定 12
-
Cr3+:YAG 3通りの遷移過程 考察ILE Osaka Univ.
dttIIF
FF ∫∞
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=0
exp)(τ
λ
蛍光強度
dttIIS
SS ∫∞
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=0
exp)(τ
λ
dttIIM
MM ∫∞
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=0
exp)(τ
λ
室温においては、Slowの蛍光が支配的
Cr:YAGのエネルギー準位
15
10
5
0
Ener
gy[×
1000
cm
]-1 20
25
A24
E2T24
FastSlow : R-‐line
Slow : SideBand
Fast (~数10µs) 4T2 → 4A2 (許容遷移)
Slow (~1ms) R-‐line & 2EのSideBand (禁制遷移)
Middle (~数100µs ) ???
13
-
考察 ILE Osaka Univ.
Cr3+の濃度消光により、寿命が短くなる。
Middle : 2EのSideBand ??
今回の結果より、R-‐line と SideBandは同じ寿命をもつ
14
濃度消光による寿命の変化を考慮した解析。
[1] Jiri A. Mares, et al, J. Phys. France 51 (1990) 1655-‐1669. [2] V. Lupei, et al, OpJcs CommunicaJons 195 (2001) 225-‐232.
→ SideBandからの遷移ではない。
→ 単一の指数関数ではない[1-‐2]
異なったCr濃度のYAG材料の蛍光特性の評価。
Nd3+:YAGの蛍光減衰波形濃度依存性[2]
-
まとめILE Osaka Univ.
今後の方針
15
広いスペクトルを有する励起光源に対して高効率のレーザー動作が期待されるNd/Cr:YAGセラミックの蛍光特性ならびにエネルギー移乗の評価を行った。
吸収スペクトルと励起蛍光スペクトルは共に温度上昇に伴い増加する.
Cr3+からNd3+へのエネルギー移乗の割合の合計は温度によらず約65%で一定.
Nd/Cr:YAGセラミックは白色励起源に対して高温で高効率レーザー動作が期待できる。
Cr3+YAGでは、室温においては、2Eレベルの蛍光が支配的 (高温では4T2の蛍光強度が増加する)
濃度消光による寿命の変化を考慮した解析。
異なったCr濃度のYAG材料の蛍光特性の評価。
Nd1% Cr2% の場合
高温条件下におけるエネルギー移乗過程の解明。
Nd/Cr:YAGセラミックにおける最適濃度比の評価。
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