波長 2µm 帯ナノ秒/フェムト秒光パルス増幅器の開発
および加工応用
電気通信大学 レーザー新世代研究センター
准教授 戸倉川 正樹（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017221）
キーワード：加工用ナノ秒/フェムト秒レーザー，レーザー加工，2µm レーザー

１．研究の目的と背景
レーザー加工は従来の切削加工では不可能な精度、速度、自由度を可能とし、航空機、自動車、医療機器、スマート

ザーは 0.8 μm 帯のレーザーダイオードによる直接励起によって、交差緩和過程をともなう量子効率 2 の高効率・高出力なレーザー動作が可能である(連続発振ファイバーフォンなど最先端のものづくりの現場において必要不可

レーザーでは平均出力 1 kW が 2010 年に報告されてい欠な存在となっている。近年、我が国の製造業は依然としる 2))。また扱い易いシリカファイバー中を低損失に伝搬て高い国際競争力を維持してはいるものの、北米、アジア、可能で空冷動作も可能であり、現在主流の Yb ファイバーヨーロッパとの競争は激化している。またレーザー加工機

レーザーと同様にコンパクトでメンテナンス性に優れたの心臓部であるレーザー装置については、我が国は CO2光源とすることが可能である。

レーザーにおいては依然として世界トップの技術を有し

本研究ではナノ秒/フェムト秒領域での高エネルギーなているが、近年ファイバーレーザーや固体レーザーへの置波長 2µm 帯パルス光源による加工応用を目指した。当初き換えが進み、海外の後塵を拝している。我が国が製造業の研究計画ではタイトルにある通り増幅器により高エネにおいて高い国際競争力を維持し発展を続けていくには、ルギー化を果たし、加工実験を実施する予定であったが、より高付加価値な製品を提供していくことが必要であり、増幅用レーザー結晶の製造過程において問題が生じてしレーザー装置や加工技術はそのための基幹技術となる。

まったため、扱い易いファイバー発振器からの高エネルギ

現在高精度なレーザー加工には主として高出力・高効ーパルスの直接発生、それを用いた加工応用へと切り替え、率・高集光性を有した波長 1 μm 帯 Yb レーザーやそのフェムト/ナノ秒高エネルギーファイバーレーザーの開発高調波が用いられているが、従来とは異なる性質を有す新を進めた 本稿ではその詳細と将来展望について報告する。

材料開発も日々進められており、対象物質や目的に応じて最適なレーザー波長を選択することは有効であり、その為２．
フェムト秒高エネルギーファイバーレーザーの開発の新しい光源技術が必要とされている。例えば短波長ではファイバーレーザーはその導波路構造と長い有効作用

我が国は青色(400-460 nm) LD の独自の技術を有しており、長から非常に高い利得が得られ、高効率で高出力なレーザ

最近ではファイバー結合型の 200 W 以上の製品が開発さー動作が可能であるが、同時に強い非線形光学効果も発生れている。銅材は古くからある材料であるが今後電気自動し、高エネルギーなフェムト秒パルス動作は困難であった。

車のモーターなどの部材として一層の需要の高まりが予

近年これを克服すべく、共振器の分散値を制御し全正常分想されるが、Yb レーザーでは吸収が弱く加工が難しいが散としたモード同期ファイバーレーザーが開発され、波長600 nm 付近から急激に吸収が増加するため高出力な青色

1 μm 帯では大口径 Yb ファイバー技術とともに 1 μJ 以上LD により加工が可能と考えらえる。長波長においても国のパルスエネルギーが実現されており、Ti:Al2O3 レーザー内企業より Er:ZBLAN ファイバーを利用した波長 2.8 µmを超える高ピークパワー動作が実現されている。全正常分帯で動作可能な 20 W 近い高出力のファイバーレーザーが散レーザーでは光パルスは常に正チャープしており、瞬時市販化されており、同じく Yb レーザーでは難しいガラス光強度を抑制している。またパラボリック形状のパルスをや樹脂の加工応用に利用可能である。

形成すると強い非線形光学効果(B 積分値>>π)を受けても長波長帯のレーザーの中でも特に波長 2 μm 帯 Tm レー高次分散の発生を抑制できる。しかし波長 2 µm 帯では一ザーが世界で大きな注目を集めている。応用面からみると般的なシリカファイバーは材料分散によって大きな異常

2 μm 光は前述の 2.8 µm 光と同様に線形吸収によるポリ分散を有しており、上述の全正常分散動作は難しかった。

マー材料の加工か可能であり、2 光子吸収を用いたシリコ

本研究ではシリカガラスではなくフッ化物ガラスンウェハなどの 3 次元微細加工への応用も期待される。医ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF)ファイバーを利用する

療応用においては生体組織に対して適切な侵入深度の下、ことによって、波長 2µm 帯での全正常分散モード同期動血液の凝固も作用を伴う、精密で出血の少ない手術への応作を実現し、高エネルギー動作を可能としフェムト秒レー用が期待されている 1)。また実用性を考えると、Tm レーザー加工を行うことを目的とした。

本研究で利用している ZBLAN ファイバーの特徴につ研磨されておりフレネル反射による寄生発振も抑制していて述べると、ZBLAN ファイバーは波長～4 μm 帯まで光いる。励起光源には 1.55 μm の Er:Y fiber laser を用いたを透過できることから～3µm 帯中赤外レーザーに使用さが 800 nm 帯の LD を用いることも可能である。自由空間れ、またフォノンエネルギーが低いことから可視域の Pr中にはλ/4 板、λ/2 板、アイソレータ(PBS-FR-PBS)、λや Er 添加ファイバーレーザーにも利用されてきた。機械/4 波長板を挿入し、波長板の角度を調整することによって強度が低く潮解性を有していることから、取り扱外難しい非線形偏波回転による変調機構が発生しパルス発振が得と考えられてきたが、近年その品質も改善し、製品への利られる。このとき全正常分散レーザーではソリトンパルス用もなされるようになっている。本研究において特に重要としての定常状態が存在しないため、バンドパス―フィルな特徴は、その分散特性であり図 1 に示すように ZBLAN

ター(中心波長 1870 nm,バンド幅 35 nm, 最大透過率ファイバーは波長 2 µm 帯でシリカガラスに比べて遥かに84%)を用いることによって、共振器一周毎のスペクトル小さな材料分散を示し、コアの開口数を 0.2 程度と仮定す

形状を定常化し、安定したモード同期発振を得ることが可ると、ファイバーコア径を直径～6.4 µm 以下とすること能となる。レーザー出力はアイソレータの入力側の PBSによって、構造分散によってトータルの分散値を正常分散より取り出しており、その出力特性を図 3 に示す。励起出力が 270 mW を超えたところからモード同期発振が得らとすることが可能となる。

れ。出力は励起光とともに増加し、励起出力 410 mW 時

6040200-201.5 1.61.7 1.8 1.9 2.0
Wavelength (μm)

2.1 2.2

図 1. シリカガラスと ZBLAN ガラスの材料分散の比較

656055504540353025

output power [mW]

Dispersion ps/nm/kmに最大出力 64 mW において図 4 に示す最大スペクトル幅

図 3.

CW
mode-lock250300350400pump power [mW]

全正常分 ZBLAN ファイバーレーザー出力特性実験装置の概略を図 2 に示す。共振器は図中半時計周80 nm が得られた。このときスペクトル形状は cat ear(猫りのリング共振器を採用した。利得ファイバーには長さの耳)型と呼ばれる全正常分散モード同期レーザーの特徴

1.3 m, Tm 添加濃度 10,000 ppm, コア径 6.2±0.2 μm, NAを示した。これ以上励起出力を上げるとモード同期発振が0.2 の Tm:ZBLAN フ ァ イ バ ー を 採 用 し 、 計 算 値 で19040±6160 fs2 の正常分散を有している。実効的なモード径は 7.4 µm であり一般的なシングルモードファイバー不安定となってしまった。繰り返し周波数は 75 MHz でありパルスエネルギーは 0.9 nJ である。最大出力時に測定された自己相関波形を図 5(a)に示す。と同程度である。両端面には熱的影響を緩和するため同コ的に接合し(接合損失～0.3dB loss)、その端面はアングル

Normalized intensity

アサイズ、NA を有する無添加 ZBLAN ファイバーを機械

10.8
0.60.20

図 2. 全正常分散Ｔｍ:ＺＢＬＡＮファイバーレーザー実験図~80 nm0.41820 1840 1860 1880 1900 1920 1940
Wavelength [nm]図 4. モード同期発振スペクトルnomalized SHG intensity

10.8(a)860 fsx 1.41

0.60.40-2000 -1000
01000 2000
delay time [fs]160150(c)図 6. 波長可変ナノ秒 Q スイッチレーザー概略
normalzied SHG Intensity

Compressed pulse duration (fs)

0.2

10.8

1400.6130120

開発したレーザー装置概要を図 6 に示す。共振器はフ(d)ァブリーペロー型であり、利得ファイバーは偏波保持型ダ107 fsx 1.41

ブルクラッド Tm 添加シリカファイバー(コア径 10 μm,ク
ラッド径 130 μm) が用いられ、波長 793 nm マルチモー0.4110100-23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16
32GDD[10 fs ]0.2

ド LD によって偏波保持励起コンバイナーを通して励起0-1000 -500
0500
delay time [fs]されている。励起コンバイナーの片短面には APC コネク

1000

図 5. (a)共振器からの直接出力の自己相関波形。(b) スペ
クトルから換算されるフーリエ限界パルス。(c)分散補償量と圧縮パルス幅。(d)圧縮後の最短パルス幅

タを取り付けた PM ファイバーを融着しフレネル反射による寄生発振を抑制している。APC からの出射光を非球面レンズでコリメートし音響光学変調器(AOM)を用いてAOM が ON 時に 1 次回折光がファイバーへ再結合され、パルス幅は 860 fs と見積もられ、スペクトルから換算

Q スイッチレーザー動作に必要な変調を与えている。利得されるフーリエ限界パルス幅の 99 fs[図 5(b)]よりも長く、ファイバーのもう一方の端面は垂直にクリーブされ、フレチャープしている事がわかる。より短いパルスを得るため

ネル反射による約 3.6%反射の取り出しポートとして使用に、反射型の回折格子を用いて外部圧縮を試みたところ、されている。このとき出力にはわずかなら残存励起光が含

図 5(c)に示すようにパルス幅の可変性が得られ、補償分散まれているためダイクロイックミラーによって分離して量を-21000fs2 としたとき最短パルス幅 107 fs が得られたいる。 ここで AOM の 1 次回折光を用いる利点について[図 5(d)]。ピーク光強度は数 kW 程度と見積もられる。

説明すると、(i) 0 次回折光を利用する場合と比較し、AOM

本研究成果は波長 2µm 帯で初となる全正常分散モード同期レーザー動作である 3)。得られているパルスエネルギで回折されなかった透過成分がファイバーに再結合されないため、損失変調深さを大きくでき、より強く寄生発振

ーは約 1 nJ と未だ低いが、これは使用しているファイバを抑制可能である。よって多くの非飽和利得、すなわち短ーの分散量が小さすぎるためである。数値計算により分散パルス性と高エネルギー性を得ることを可能としている。

量を最適化すれば同構成のレーザーより 10 nJ 以上の出力(ii) AOM は偏光依存の回折効率と周波数シフトを与えるを得られることが分かった。また現在は偏波保持型 Tm 添

ため、軸を偏波ファイバーの軸と合わせることによって直加ダブルクラッド Tm:ZBLAN ファイバーを用いた全正常線偏光の縦モードフリー出力が得られる。(iii)増幅自然放分散型の Mamyshev 発振器の開発に取り組んでいる。

出光(ASE)が発生した場合でも ASE は図中左側の AOM

Mamyshev 発振器が実現できれば 100 nJ 以上のパルスエネ側に抜けるため、パルスの出力から分離できる。

ルギーを有したフェムト秒パルスの共振器からの直接発励起出力を 4W と固定し AOM の繰り返し周波数を生が見込まれる。ピーク光強度 100 kW 以上が期待され、1kHz-100kH と変化させたときに得られたパルスエネルギ

そのような光源は増幅器なしでポリマー材やシリコン材ーと平均出力、パルス幅とピーク光強度の関係をそれぞれ料のレーザー加工に利用可能と考えられる。

図 7、 図 8 に示す。平均出力は 20 kHz 以上では約 500

３．ナノ秒高エネルギーファイバーレーザーの開発

kHz あたりから減少が大きくなっている。これは Tm の上mW で一定となり、20 kHz 以下から緩やかに減少し、3加工対象物や加工内容によっては、パルス幅はナノ秒ーザーに比べて遥かに高いパルスエネルギーを得ることを可能とするが、共振器長の長いファイバーレーザーでは得られるパルス幅は数十 ns に制限されてきた。本研究では音響光変調器(AOM)の一次回折光を利用して、共振器中の寄生発振を抑制し、より高い利得のもと非線形光学効果も利用することによって、パルス幅数ナノ秒の Q スイッ
チ Tm ファイバーレーザーの開発を行った。

6001204801003608060240120014020010100Repetition frequency of AOM (kHz)図７.平均出力とパルスエネルギーの繰り返し周波数依存性

Pulse energy (J)ことが求められる。Q スイッチレーザーはモード同期レ

Averege power (mW)

でも十分であり、より高いパルスエネルギーを有している

101

10010101

揺らぎが非常に大きくなることがあげられる。これは利得10Peak power (kW)pulse duration (ns)10210-1

10100Repetition frequency of AOM (kHz)図 8. パルス幅とピーク光強度の繰り返し周波数依存性が非線形光学効果の発生する閾値付近となってしまっていることが原因と考えられ、励起出力増加させることにより安定化が可能と考えられる。現在ファイバー端面の破壊により励起高強度が制限されているが、出力鏡としてFiber Bragg Grating を採用し、端面にはエンドキャップ処理を施すことによって解決可能と考えられる。また現在回折格子によって波長を制御し、サブパルス構造の少ない短パルス発振や波長可変特性も得られているが、論文化を進めているため本稿ではその詳細は省略させていただく。本レーザーのピーク光強度はポリマー材料のレーザー加工準位寿命が～300 μs と短いことから誘導放出以外でのエや高非線形光ファイバーを利用した超広帯域光発生に用ネルギー消費が増加するためと考えられる。また同様の理いるのに十分な値と考えられる。

由で繰り返し周波数を低下させていくと 3 kHz まではパルスエネルギーは上昇し、1 kHz の時に最大パルスエネル
ギー約 105 μJ、パルス幅4．加工実験~3 ns が得られた。このパルス

現在開発したナノ秒レーザーを光源としたその場観察はサブパルス構造を有しており(図 9)、光強度はエネルギ可能な加工システムを構築中である(図 11)。加工集光径はーをパルス幅で割った値とは大きく異なり、約 7.5 kW と約 100 μm としており、最大輝度は~1MW/cm2, フルーエ
ンス~10 mJ/cm2 が見込まれ、加工用のポリマー材やシリコン材を準備している。

パルス
光源
LED照明
加工材
バンドパスフィルター
図 9. サブパルス構造を有した時間波形見積もられた。このパルス幅は今までに報告されている Q
スイッチ Tm ファイバーレーザーと比べて一桁小さな値となっている。パルス幅の繰り返し周波数依存性を見てみると、繰り返し周波数 2 kHz から急激な短パルス化が進ん

像転送用レンズ
CCD
図 11. 製作中のその場観測可能な加工系

5．まとめでいることがわかる。またこのときのスペクトルを調べる

波長 2 µm 帯ナノ秒/フェムト秒光パルスを用いたレーと、ピーク光強度の増加とともに広帯域光発生が起こってザー加工を行うため、高エネルギー発振器を開発した。フ

いることが分かった(図 10)。これと類似の報告が 1µm 帯

ェムト秒領域では~100fs ～1nJ 出力を達成し、現在これYb レーザーでされており 4)、共振器中での後方ブリルアを 100 nJ まで向上させることを進めている。ナノ秒領域

ン散乱による非線形フィードバックが発生することによでは 100 µJ 以上のパルスエネルギーとパルス幅～3 nsって短パルス化が進んだと推定される。先行研究と異なるを達成した。現在これらの光源を使用したレーザー加工を点として、本研究では波長は 2 µm 帯であり、特殊は非線行うため、その場観察可能な加工光学系を製作中である。

形ファイバーを利用せず、AOM によって繰り返し周波数を制御した状態で短パルス化を果たしている。現状の問題

Normalized intensity

点として急激な短パルス化の後にピーク強度、パルス幅の謝辞

本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成のご支援を受けて実施しました。ここに謝意を表します。

100

1kHz
4kHz
30kHz-1

10

10-2
1800

1900

2000

2100

2200

Wavelength (nm)2300

図 10. スペクトルの繰り返し周波数依存

参考文献
1) S. Karsten, S. Lamrini, P. Koopmann, and P. Fuhrberg.
InTechOpen. InTech, 01 Feb. 2010. Web.
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