次々世代超高速微細加工に向けたフェムト秒レーザーの完全自動コヒーレント結合に関する研究
量子科学技術研究開発機構 関西光量子科学研究所 先端レーザー科学研究グループ
グループリーダー 桐山 博光（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019226-B3）
キーワード：フェムト秒レーザー，コヒーレント結合，微細加工

１．研究の目的と背景
これまでのレーザーパワー拡大の原動力は大口径増幅ができる。現在、1-10 PW 出力が寄生発振のため限界であるが、本光学系で、各分割パルスを 10 PW 出力まで増幅・器の開発であった。レーザー損傷を避けるために、パワー結合することで、寄生発振の制限を超えたエキサワット増大に応じて増幅器口径は大きくなり、核融合研究用レー（EW=1018 W）パワーを実現できる。

ザーでは 40 cm 角にも達する 1)。これ以上の大口径化は、超高強度レーザー開発において、結晶や回折格子等光学レーザー媒質内の寄生発振等によりレーザー増幅効率が素子の製造可能な大きさの技術的制限、光学系のレーザー低下するため、この最も単純で確実な技術は限界にきてい損傷や寄生発振からの物理的制限があり、大口径化によるる。従って、レーザーパワーを桁違いに高く、且つ、小型飛躍的なパワー増大は限界域に達している。今回提案する装置において極限まで高めるには、既往の技術の延長線上技術は、現状の出力を飛躍的に高めうる可能性を秘めていにないパラダイムの転換が求められる。

る。

ビーム数に比例した出力を生むコヒーレントビーム結合は 1960 年以来、夢のレーザー技術であるが、ビーム径

２．研究・実験方法

拡大によるパワー増大は限界に達しつつある現状を踏ま

2・1 研究方法の概要

え、いよいよこの結合法によるハイパワーレーザー開発に

本研究の特徴的な点は、時間的空間的にレーザービーム本格的に取り組む時期が来たと言える。
本研究では、技術的に未開拓な時間空間分割された高出力レーザーの受動コヒーレント結合の実証を行い、現状を巧みに分割し、それら複数のビームが同じ光路を伝搬するように工夫するとともに、固体レーザー増幅器で大幅に出力を増幅させることである（図 1）。のペタワット（PW=1015 W）級 2)を超える極限的レーザー出力を実現できる基盤技術を確立する。
これまで各研究機関においてコヒーレントビーム結合が研究されてきたが、レーザー増幅媒質が小口径のファイバーに限られ 3.4)、且つ空間的にビームを分割するだけであるため、パワースケーリングが難しい。また、空間的に分割した複数のビームのレーザーの光路長、即ち、位相を揃えるための高精度・高速能動制御が必要なため、高繰り返しレーザー発振が前提でシングルショット等の高エネ
ルギー・低繰り返しレーザーや干渉性の低い高ピークパワ
ー・極短パルスレーザーには不向きであり、この手法の適

位相

空間制御器
分割器
これまで入力のファイバー
研 レーザー
増幅器
究
入力
増幅
Nパルス

時間
本
研 入力 分割器
究 レーザーで行う
こと 増幅出力 時間レーザー 結合器

応は限定的なものであった。また、各ビーム光路を能動的Nパルス

入力Nパルス

増幅N2パルス

空間結合器

位相検出器

✓入 力 レ ー ザ ー を 複 数 のビームに空間分割✓ ファイバー増幅器で増幅✓ 位相を揃えて単一のビームに結合増幅出力
高精度・高速の位相能動レーザー ✓
位相制御が必要入力
空間 N2パルス 伝搬光路 ✓ 入力レーザーを複数のビー分割器
切り替え ムに時間空間分割✓ 固体高出力増幅器で増幅✓ 分割されたビームが往路と復路で光路を入替

空間結合器

固体高出力増幅器✓ 互いに等しい伝搬距離となり位相が受動的に一致

図 1 本研究の概念的な説明に超精密に合わせたとしても、各ビーム波面は同じにならない。そのため、波面合成後にも時間空間強度変調の影響は残留し、ビーム結合効率の大きな低下をもたらす。

これまでの研究では、図 2 に示すように入力レーザーパルスを空間的に偏光ビームスプリッター（PBS）で 2 つのこの問題を解決するため、本研究では各ビームの波面、パルスに分割し、マッハツェンダー干渉計に配置されたフ即ち位相が受動的に一致するコヒーレント結合系を開発

ァイバーレーザー増幅器により増幅する。その後、位相検する。入力レーザー光を時間空間的に分割することにより、出部から位相制御部にフィードバックを行うことにより、各ビーム出力を低減させる。時間的にも分割することで従各レーザーパルスの光路長、即ち位相を精密に揃えて結合来に比して劇的なパワースケーリングが可能となる。更に、する方法が用いられてきた。この従来法では、ファイバー分割ビームは各々の固体レーザー増幅器を用いることにレーザーは小口径であり、空間的に分割するだけであるたより、光学損傷無しに驚異的なパワー増幅を得た後に 1め、高エネルギー動作に不向きでパワースケーリングが難ビームに結合され、極高パワーレーザーを発生させることしい。

後、2 つ目のサニャック干渉計に入射する。ここで用いたファラデーローテータはファラデー効果で 45°、 内蔵する旋光子で 45°させるものである。この時 2 つのレーザーパルスはそれぞれ P 偏光成分と S 偏光成分を等しくもっているために 2 つ目のサニャック干渉計で等分され、合計で４つのレーザーパルスが干渉計内を伝搬することとなる。2 つ目のサニャック干渉計で空間的に分割された各レーザーパルスは、干渉計内を右回り、左回りする 2 つのパルスは共に 1/2 波長板で 90°偏光を回転させる。これに
図 2 位相能動整合コヒーレントビーム結合

よって再び PBS に入射した際にパルスが 4 つから 2 つへと結合するだけでなく、それぞれ光学系を戻るように伝搬す本研究では、位相受動整合コヒーレントビーム結合のることとなる。２つ目の干渉計透過後、ファラデーローテためにサニャック干渉計を用いる（図 3）。PBS より分けらータを通過する光は偏光角が変化しない。これはファラデれた P 偏光と S 偏光のビームをそれぞれ増幅後、ふたたびーローテータ内での偏光操作が打ち消されるためである。

PBS により合波される。それぞれのレーザーパルスが同じ

そのため、1 つ目の干渉計に入射する時は往路とは 90 度光路を通ることになるため、位相が自動的に一致する。そずれた偏光状態でいることになる。そのため往路で時間位のため位相制御装置が不要となり、位相能動整合では不可置が先行していたパルスに時間遅延が加わり、2 パルス間能な低い繰り返し周波数のレーザーにも適用できる。の時間遅延が補償され時間的に結合し単一パルスが生成される。便宜上、2 つのサニャック干渉計のうち、時間的分割を担うものを 1st サニャック、空間的分割を担うものを 2nd サニャックと呼ぶこととする。

図 3 位相受動整合コヒーレントビーム結合
2・2 実験系の概要
本研究では、PBS とミラーから構成されるサニャック干

図 4 デュアルサニャック干渉計を用いた
位相受動整合コヒーレント結合光学系

渉計 2 つを用いてビームを 4 分割する完全受動コヒーレント結合を行う。実験系の構成を図 4 に示す。レーザーパルスは図面左上から下に向かって入射した後、1/2 波長板に

図 5 に本研究で CBC 固体レーザー増幅の実証に用いた多重パス光学系の概略図を示す。

よって P 偏光となり、2 枚のミラーを用いてアパーチャー
A1、A3 を結ぶ光路を伝搬する。この光路をメインラインと定義する。この直線光路を実験系の調整基準とする。レ
ーザーパルスは A1 透過後 PBS を通過し 1/2 波長板によって偏光が 45°回転させられる。この偏光状態の操作によって 1 つ目のサニャック干渉計でレーザーパルスは 2 パル
スに等分される。S 偏光のパルスは M3、M4 によって反射した後メインラインへと戻る。メインラインへのパルスの

図 5 多重パス増幅器

復帰は M3、M4 の角度を光がアパーチャーA2、A3 を通るように調整することで担保される。復帰の後、S 偏光のパル

この増幅光学系では前段のデュアルサニャック光学系

スは P 偏光のパルスよりも長い光路長を伝搬しているたで 4 分割したパルスをそれぞれ 4 回ずつ、励起されたチタ

め 2 つのレーザーパルスの時間位置にずれが生じ、レーザンサファイア結晶に入射させることによって増幅を行う。

ーパルスの時間的な分割が可能となる。

2nd サニャック干渉計とは図 4 右下のフリップミラー（M8、

2 つのレーザーパルスの偏光をファラデーローテータ
で 90°、波長板で 45°、それぞれ同じ方向に回転させたM9）を用いることで接続できる。
励起レーザーには、波長 532 nm 、パルス幅 0.3 ns、繰り返し周波数 10 Hz の Nd:YAG レーザーを用いた。フォトよるファイバーアンプを用いたパルス幅 300 fs、エネルニック結晶ファイバーを用いて、チタンサファイアレーザ

ギー1.1 mJ の出力を得る 2 分割受動コヒーレント結合でー発振器の出力光から中心波長 1064 nm を含むスーパーコはηc =〜94％である 5)。また、L. Daniault らによる時間ンティニウム光を生成する。これをファイバーアンプで増的に 4 分割、空間的に 2 分割の計 8 分割の受動コヒーレン

幅し、ポッケルスセルとビームスプリッタを用いることでト結合を用いたファイバーアンプによる 200 fs、200 nJ

80 MHz から 10 Hz へと分周した後、Nd:YAG 固体増幅器での増幅を行った研究ではηc =〜96％を達成している 6)。

増幅する。次に LBO 結晶を用いて波長を 532 nm へと変換本研究はそれらよりも調整が困難になる固体レーザーですることで上記の励起用レーザーパルスを発生させた。本の時空間 4 分割コヒーレント結合でありながら先行研究研究ではこの励起レーザーを結晶の片側から入射させる、とほぼ同じ値が得られており、我々はコヒーレント結合が片面励起での増幅実験を行った。レーザー増幅の媒質には本実験系で十分動作していると判断した。

直径 20 mm、結晶厚 15 mm、 吸収効率 92.3％の GT ADVANCED製チタンサファイア結晶を用いた。結晶に入射する 4 つのパスは結晶に対して 2.5°、5°のいずれかの角度で入射するよう設計されている。
本研究で用いる光学系は伝播に伴うビーム系の拡大を抑制するためにレンズ対を用いた像転送光学系を組み込んでいる。2 対 4 枚の焦点距離 2000 mm の平凸シングレッ
トレンズを多重パス増幅器の光学系に組み込み 18 m の距離の伝搬によるビーム径拡大を抑制した。

３．研究・実験方法
3・1 結合効率とビームプロファイルの測定

図 7 結合光と非結合光におけるスペクトルの比較

結合効率を評価するため、図 6 のような光学系を用いて結合効率ηc=Pcombined/（Pcombined+Puncombined）を定義する。

図 8 に多重パス増幅器に接続したデュアルサニャック干渉計光学系の入出力ビームプロファイルを示す。良好なシングルビーム出力を確認した。

図 6 結合効率計測光学系
図 8 光学系入射（a）と出射（b）ビームプロファイル
ここで Pcombined は結合出力光強度、Puncombined は非結合光強度を指す。素子の持つ旋光角波長依存性や不十分な調整

3・2 分割パルス増幅動作の評価等が原因で設計通りに結合しなかったレーザーパルスは

図 9 に励起エネルギーに対する増幅利得特性を示す。こ結合したレーザーパルスとは異なる偏光角を持つ。これら

こでは、オシロスコープとフォトダイオードで増幅前後のは出力光を取り出す PBS を直進し、非結合出力を取り出す

レーザーパルス列のピークを比較することで増幅利得をPBS から出力される。これは上図のように CBC 光学系の上評価した。得られた利得の最大値は 29 であった。実線は流にファラデーアイソレータを導入することで評価できFrantz-Nodvik の式 7)で求めた理論特性曲線であり、測定る。ファラデーローテータと 1/2 波長板の偏光回転方向をされた利得は概ね理論値と一致している。ここから、別々入力光に対してそれぞれ相殺し合うように調整することに増幅された 4 つのパルスがそれぞれエネルギーを大きで、出力光のみ偏光角を 90°回転させる作りにすることく失うことなく再結合しており、これは分割を行わずに同が可能である。図 7 に CBC 光学系を多重パス光学系に接続エネルギーの単一パルスを増幅した場合と得られる利得した時の結合出力、非結合出力のスペクトル比較を示す。

が遜色ないと判断できる。原理実証を目的とした小型増幅

2 つのスペクトルを波長 734.4〜877.0 nm の範囲で積分し器により、分割フェムト秒極短パルスを増幅・再結合する結合効率の計算を行ったところ 94 ％の値が得られた。

ことに成功し、理論限界の増幅利得を実現した。この結果この結合効率ηc による光学系の動作評価はコヒーレンより、我々の提案するコヒーレント結合法が増幅フェムトト結合の先行研究でも行われている。 F. Guichard らに秒レーザー光に対して有効な手法であることが示された。

の完全自動コヒーレント結合光学系を考案した。すなわち、

30����

全ての分割レーザーが同じ光路を伝搬でき、位相ズレをゼ実験値
理論曲線2520ロとできる（自動で空間破面整合できる）光学系を提案した。本手法は固体増幅器を用いることができるので、大口15径化が容易でハイパワー化で期待できる。多次元（時空間）

10分割による高いパワースケーリングが可能で、原理的に位50相ズレがゼロとできるのでフェムト秒極短パルスレーザ0ーの高効率結合が期待できる。本光学系に対して、3 次元

20 40 60 80 100������� [mJ]

波動光学解析による理論限界の結合効率を得るための調

図 9 励起エネルギーに対する増幅利得特性整方法を確立するとともに、像転送光学系を組み込んだレーザー増幅器の整備と増幅利得評価を行った。これらにより、時空間分割増幅フェムト秒レーザーパルスの受動コヒ

3・3 テラワット級出力の実現性
本研究において、新たに考案したコヒーレント結合系をーレント結合をに世界で初めて成功した。

用いて、増幅フェムト秒レーザーパルスの受動コヒーレン

謝 辞ト結合に初めて成功した。この成功を受けて、本光学系に本研究は、量子科学研究開発機構の宮坂泰弘主任研究員、CPA（Chirped-Pulse Amplification）9)を併用することで、コヒーレント 結合で得られている最先端領域のギガワット（=GW=109 W）出力よりも 3 桁高い、未踏のテラワット12(=TW=10 W)出力の実現が可能であると考えられる。図 10に TW 出力を想定した受動コヒーレントビーム結合光学系

笹尾 一主幹技術員、鈴木健治氏、田上 学氏、岡本征洋氏、有泉高志氏、同志社大学の戸田裕之教授、鈴木将之教授、渡邉謙斗氏、水野遥介氏、小田哲秀氏、赤井 仁氏、上野雄平氏、仲井紀香女史、高津 憩氏、勝 常也氏の協力があって初めて可能となったものである。これらの関係者各位の概略図を示す。に深く感謝致します。

参考文献
図 10 TW 級受動コヒーレント結合システムのブロック図

1) N. C. Danson, C. Haefner, J. Bromage, T. Butcher, F. C. J.
Chanteloup, A. E. Chowdhury, A. Galvanauskas, A. L.
Gizzi, J. Hein, I. D. Hillier, W. N. Hopps, Y. Kato, A. E.

ここでは、OPA 出力を〜4 mJ とし、提案する CBC 光学系
内で 4 つのパルス（各パルス〜1 mJ）に分割され、CBC 光

Khazanov, R. Kodama, G. Korn, R. Li, Y. Li, J. Limpert, J.

学系内に配置されたディスク型チタンサファイアレーザ

Ma, H. C. Nam, D. Neely, D. Papadopoulos, R. R.

ー増幅器で増幅する。励起レーザー（532 nm）は直径 5 mm、Penman, L. Qian, J. J. Rocca, A. A. Shaykin,W. C. Siders,

出力 400 mJ とし、チタンサファイアレーザー媒質を各面C. Spindloe, S. Szatmari, M. G. M. R. Trines, J. Zhu, P.

1 J/cm で励起するものとする（両面で 2 J/cm ）。4 つのZhu, and D. J. Zuegel, High Power Laser Sci. Eng. 7, e54

パルス に対して、2 つずつパルスを同時に対向して 4 回(2019).

22パスさせることで先の 2 パルスと後の 2 パルスのエネルギ

2) H. Kiriyama, A. S. Pirozhkov, M. Nishiuchi, Y. Fukuda,ーを一致させ結合効率が向上するように設計する。この場

K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, M. Mori, H. Sakaki,

合、出力エネルギーは、34、34、18.5、18.5 mJ となり、N. P. Dover, Ko. Kondo, J. K. Koga, T. ZH. Esirkepov, M.

出力は〜100 mJ となる。非線形効果がない場合（B 積分値

Kando, and Ki Kondo, Opt. Lett. 43, 2595 (2018).

がゼロの場合）、最初の 2 パルスと次の 2 パルスが理想

3) M. Hanna, F. Guichard, Y. Zaouter, D. N Papadopoulos, F.

的な直線変更に戻る。ただし、これらの直線偏光は振幅がDruon and P. Georges, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 49,10)062004 (2016).

違うので理想的な方位の直線変更に戻らないが、理想的な方位からのズレを考慮に入れると〜96％の結合効率が期

4) H. Fathi, M. Närhi and R. Gumenyuk, Photonics 8, 566(2021).

待できる。非線形効果をできるだけ低減するためにビーム径と出力を最適化することで、非線形効果による結合効率5) F. Guichard, Y. Zaouter, M. Hanna, K. Mai, F. Morin, C.の低下を数％まで低減できることが計算より予測されてHönninger, E. Mottay, and P. Georges, Opt. Lett., Vol. 40,

いる。加えて、増幅スペクトル幅やパルス圧縮器のスルー

89 (2015).

プットを考慮すると、TW（30mJ/30fs）出力が期待できる。

6) L. Daniault, M. Hanna, D. N. Papadopoulos, Y. Zaouter, E.
Mottay, and F. Druon, Opt. Express, 20, 21627 (2012).

４．まとめ
次々世代超高速微細加工に向けたフェムト秒レーザー

7)

L. M. Frantz and J. S. Nodvik, J. Appl. Phys. 34, 2346
(1963).

8)

H. Kiriyama, M. Mori, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, A.
Sagisaka, A. Kon, T. Z. Esirkepov, Y. Hayashi, H. Kotaki,
M. Kanasaki, H. Sakaki, Y. Fukuda, J. Koga, M.
Nishiuchi, M. Kando, S. V. Bulanov, K. Kondo, P. R.
Bolton, O. Slezak, D. Vojna, M. Sawicka-Chyla, V.
Jambunathan, A. Lucianetti, and T. Mocek, IEEE J. Sel.
Top. Quantum Electron. 21, 1601118 (2015).

9)

D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun. 56, 219(1985).

10) A. E. Siegman: Lasers, 386 (1990).