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研究内容

Keywords

セラミックス、固体レーザー、放電プラズマ焼結

出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。

口頭発表

所属学会

応用物理学会, 日本セラミックス協会, レーザー学会, OPTICA

電子・光機能材料研究センター
タイトル

結晶粒制御による異方性レーザーセラミックス

キーワード

透明セラミックス,レーザー,パルス通電焼結,アパタイト,接合

概要

透明セラミックスは、残留気孔や不純物などの散乱源が極限まで取り除かれたファインセラミックスである。固体レーザー材料としても用いられており、一部の材料では単結晶を凌駕する高いレーザー出力が得られている。光技術の進展には新しい光源を可能とする光学材料の開発が重要であることから、新しいレーザーセラミックスの実証や光学素子の接合技術開発を行ってきた。特に、既往技術では制限されていた光学的異方性材料の透明セラミック化とレーザー発振を実証しており、幅広い光学材料としての展開を目指している。

新規性・独創性

平均粒径が100nm程度の透明ナノセラミックスの実現
非立方晶アパタイトセラミックスのレーザー発振実証
単結晶/多結晶の接合実証

内容

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通常、透明セラミックスの作製には気孔を除去するために高温・長時間の熱処理が施される。この場合、セラミックスを構成する結晶粒の大きさは光の波長以上となり、光学的異方性材料の場合は複屈折による粒界散乱が生じるが、結晶粒を光の波長に対して十分小さく制御すると、その影響は低減する。異方性セラミックスで単結晶並みの光学品質を得るために、微粉体の液相合成、通電加圧焼結による低温・短時間焼結を用いた結晶粒の制御を試みてきた。そして、左図のように六方晶系のアパタイトで平均粒径100nm程度の緻密な透明セラミックスを実現し、さらに希土類を添加した材料においてレーザー発振を実証した。今後、シンチレータ、白色蛍光体、生体光学材料、磁気光学材料など、幅広い光学分野への展開が期待できる。

高出力レーザーや白色光源の開発では、蛍光体で発生する熱問題の低減が重要である。特にレーザー材料では結晶内部の温度勾配が熱レンズ効果や熱複屈折効果を引き起こし、ビーム品質の劣化を招く。このような課題を解決するために、高熱伝導率のサファイアとレーザー材料との高品質な接合を簡便な手法で実施し、熱効果が低減することを実証した(右図)。現在、基礎的な評価を進めており、レーザー装置の高出力化だけでなく、多様な材料との接合組み合わせや高機能化を目指している。加工用レーザー光源だけでなく、白色照明などにも展開可能と期待している。

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まとめ

粒径100nm程度の透明ナノセラミックスを開発した。
非立方晶系の透明アパタイトを作製し、レーザー発振することを示した。
異種光学材料の新しい接合技術を考案し、レーザー特性の向上を示した。
既往技術を超えるレーザー品質を達成することが課題となっており、さらなる光学品質の向上を目指している。
レーザー以外の幅広い光学分野への展開と社会実装を期待している。

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