Review

波長 2µm 帯ナノ秒/フェムト秒光パルス発振器・増幅器の開発
およびポリマー、シリコン材料加工応用
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波長 2µm帯ナノ秒 / フェムト秒
電気通信大学 レーザー新世代研究センター
光パルス発振器・増幅器の開発
准教授 戸倉川正樹
およびポリマー、シリコン材料加工応用（平成  年度一般研究開発助成 $)）

戸倉川



正樹 *

M. Tokurakawa
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

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、2 µm レーザー

１．研究の目的と背景難しいが、2 µm 光を用いると透明となり 3 次元加工が可 レーザー加工は従来の切削加工では不可能な精度、速度、能と考えられる。医療応用においては生体組織に対して適自由度を可能とし、航空機、自動車、医療機器、スマート

切な侵入深度の下、血液の凝固も作用を伴う、精密で出血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の少ない手術への応用が期待されている 1)。また実用性を欠な存在となっている。近年、我が国の製造業は依然とし考えると、Tm レーザーは 0.8 μm 帯のレーザーダイオードて高い国際競争力を維持してはいるものの、海外との競争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は激化している。またレーザー加工機の心臓部であるレー率 2 の高効率・高出力なレーザー動作が可能であり、連ザー装置については、我が国は CO2 レーザーにおいては続発振ファイバーレーザーやフェムト秒増幅器では平均依然として世界トップの技術を有しているが、近年ファイ出力 1 kW が報告されている 2)。また扱い易いシリカファ

バーレーザーや固体レーザーへの置き換えが進み、海外のイバー中を低損失に伝搬可能で空冷動作も可能であり、現後塵を拝している。我が国が製造業において高い国際競争

在主流の Yb ファイバーレーザーと同様にコンパクトでメ力を維持し発展を続けていくには、より高付加価値な製品ンテナンス性に優れた光源とすることが可能である。

を提供していくことが必要であり、レーザー装置や加工技

本研究ではナノ秒/フェムト秒領域での高エネルギーな波長 2µm 帯パルス光源による加工応用を目指した。新規術はそのための基幹技術となる。
現在高精度なレーザー加工には主として高出力・高効のフェムト秒／ナノ秒発振器を多数開発し、ナノ秒領域で率・高集光性を有した波長 1 μm 帯 Yb レーザーやそのは増幅器により高エネルギー化を果たし、各種加工実験を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実施した。 本稿ではその詳細と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の新しい光源技術が必要とされている。 例えば短波長で２．全正常分散フェムト秒ファイバーレーザーの開発

は我が国は青色(400-460 nm) LD の独自の技術を有しておファイバーレーザーはその導波路構造と長い有効作用り、最近ではファイバー結合型の 1 kW 出力の製品も開発

長から 30dB を超える高い利得が得られ、高効率で高出力されている。銅材は古くからある材料であるが今後電気自なレーザー動作が可能である。しかし同時に強い非線形光動車のモーターなどの部材として一層の需要の高まりが学効果も発生し、特にソリトン領域の超短パルスレーザー予想されるが、Yb レーザーでは吸収が弱く加工が難しい

では nJ を超えるエネルギーを有するフェムト秒パルス発最適なレーザー波長を選択することは有効であり、その為が 600 nm 付近から急激に吸収が増加するため高出力な青生は困難であった。近年これを克服すべく、共振器の分散

色 LD により加工が可能と考えられる。 長波長において値を制御し非ソリトンの全正常分散としたモード同期

も国内企業より Er:ZBLAN ファイバーを利用した波長 2.8ファイバーレーザーが開発され、波長 1 μm 帯では大口径µm 帯で動作可能な 20 W 近い高出力のファイバーレー

Yb ファイバー技術と併用され 1 μJ 以上のパルスエネル

ザーが市販化されており、同じく Yb レーザーでは難しいギーが実現されており、Ti:Al2O3 レーザーを超える高ピーガラスや樹脂の加工応用に利用されている。

クパワー動作が実現されている。これは全正常分散レー

長波長帯のレーザーの中でも特に波長 2 μm 帯 Tm レー

ザーでは光パルスは常に正チャープしており、瞬時光強度ザーは大きな注目を集めている。応用面からみると 2 μmが抑制され、またパラボリック形状のパルスを形成し強い光は前述の 2.8 µm 光と同様に線形吸収によるポリマー材非線形光学効果(B 積分値>>π)を受けても高次分散の発生料の加工が可能であり(吸収係数は 1 桁以上低い値となる)、を抑制できることに起因する。しかし波長 2 µm 帯では一2 光子吸収を用いたシリコンウェハの 3 次元加工への応用

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も期待される。シリコン以外にも Ge 系の半導体では現状分散を有しており、上述の全正常分散動作は難しかった。の 1.5 µm 帯レーザー光では線形吸収のため 3 次元加工が本研究ではシリカガラスではなくフッ化物ガラス* 電気通信大学

レーザー新世代研究センター

准教授- 88 -ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AIF3-NaF)ファイバーを利用する

アサイズ、NA を有する無添加 ZBLAN ファイバーを機械ことによって、波長 2µm 帯での全正常分散モード同期的に接合し(接合損失～0.3dB)、その端面はアングル研磨レーザーによる高エネルギー動作を可能とし、フェムト秒されておりフレネル反射による寄生発振も抑制している。

レーザー加工を行うことを目的とした。

励起光源には 1.55 μm の Er:Y fiber laser を用いたが 800

まず本研究で利用した ZBLAN ファイバーの特徴につnm 帯の LD を用いることも可能である。自由空間中にはいて述べると、ZBLAN ファイバーは波長～4 μm 帯まで光λ/4 板、λ/2 板、アイソレーター(PBS-FR-PBS)、λ/4を透過できることから～3µm 帯中赤外レーザーに使用さ波長板を挿入し、波長板の角度を調整することによって非れ、またフォノンエネルギーが低いことから可視域の Pr線形偏波回転による変調機構が発生しパルス発振が得らや Er 添加ファイバーレーザーにも利用されてきた。機械れる。このとき全正常分散レーザーではソリトンパルスと強度が低く潮解性を有していることから、取り扱外難しいしての定常状態が存在しないため、バンドパス―フィルと考えられてきたが、近年その品質も改善し、製品への利ター(中心波長 1870 nm,バンド幅 35 nm, 最大透過率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84%)を用いることによって、共振器一周毎のスペクトルな特徴は、その分散特性であり図 1 に示すように ZBLAN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

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能となる。レーザー出力はアイソレーターの入力側の小さな材料分散を示し、コアの開口数を 0.2 程度とすると、PBS 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て、構造分散によりトータルの分散値を正常分散とするこが得られ。出力は励起光とともに増加し、励起出力 410とが可能となる。

mW 時に最大出力 64 mW において図 4 に示す最大スペクoutput power [mW]

'LVSHUVLRQ SVQPNP

ファイバーコア径を直径～6.4 µm 以下とすることによっ    :DYHOHQJWK μP 

656055504540353025CWmode-lock

250300350400pump power [mW]

図 3. 全正常分 ZBLAN ファイバーレーザー出力特性

図 1. シリカガラスと ZBLAN ガラスの材料分散の比較

トル幅 80 nm が得られた。このときスペクトル形状は実験装置の概略を図 2 に示す。共振器は図中半時計周キャットイアー(猫の耳)型と呼ばれる全正常分散モードりのリング共振器を採用した。利得ファイバーには長さ同期レーザーの特徴を示した。繰り返し周波数は 75 MHz1.3 m, Tm 添加濃度 10,000 ppm, コア径 6.2±0.2 μm, NA0.2 の Tm:ZBLAN フ ァ イ バ ー を 採 用 し 、 計 算 値 で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。

19040±6160 fs2 の正常分散を有している。実効的なモーNormalized intensity

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

10.80.60.40.20

図 2. 全正常分散Ｔｍ:ＺＢＬＡＮファイバー
レーザー実験図~80 nm

1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940
Wavelength [nm]図 4. モード同期発振スペクトル- 89 -nomalized SHG intensity

10.8(a)860 fsx 1.410.60.40-2000 -100001000 2000
delay time [fs]
160150(c)140

normalzied SHG Intensity

Compressed pulse duration (fs)0.2

10.80.6

130120110
100-23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16
32

GDD[10 fs ]図  波長可変ナノ秒 4 スイッチレーザー概略

(d)ド LD によって偏波保持励起コンバイナーを通して励起

107 fsx 1.41されている。励起コンバイナーの片短面には APC コネク

0.4

タを取り付けた PM ファイバーを融着しフレネル反射に0.2よる寄生発振を抑制している。APC からの出射光を非球

0-1000 -500
0500
delay time [fs]1000

面レンズでコリメートし音響光学変調器(AOM)を用いて



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

AOM が ON 時に 1 次回折光がファイバーへ再結合され、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

パルス幅は 860 fs と見積もられ、スペクトルから換算さ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れるフーリエ限界パルス幅の 99 fs[図 5(b)]よりも長く、いる。 ここで AOM の 1 次回折光を用いる利点についてチャープしている事がわかる。反射型の回折格子を用いて説明すると、(i) 0 次回折光を利用する場合と比較し、AOM外部圧縮を試みたところ、図 5(c)に示すようにパルス幅の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可変性が得られ、補償分散量を-21000fs2 としたとき最短パないため、損失変調深さを大きくでき、より強く寄生発振

ルス幅 107 fs が得られた[図 5(d)]。このときピーク光強度を抑制可能である。よって多くの非飽和利得、すなわち短は数 kW 程度と見積もられる。

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。

本研究成果は波長 2µm 帯で初となる全正常分散モード
3)(ii) AOM は偏光依存の回折効率と周波数シフトを与える。得られているパルスエネルため、軸を偏波ファイバーの軸と合わせることによって直ギーは約 1 nJ と未だ低いが、これは使用しているファイ線偏光の縦モードフリー出力が得られる。 iii 増幅自然放バーの分散量が小さすぎるためである。数値計算によると

出光 ASE が発生した場合でも ASE は図中左側の AOM

分散量を最適化すれば同構成のレーザーより 10 nJ 以上の側に抜けるため、パルスの出力から分離できる。

同期レーザー動作である励起出力を 4W と固定し AOM の繰り返し周波数を出力得られることが分かった。現在これを種子光源とした

1kHz-100kHz と変化させたときに得られたパルスエネル増幅器の開発を進めている。

ギーと平均出力、パルス幅とピーク光強度の関係をそれぞれ 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kHz あたりから減少が大きくなっている。これは Tm の上でも十分であり、より高いパルスエネルギーを有している準位寿命が～300 μs と短いことから誘導放出以外でのエことが求められる。Q スイッチレーザーはモード同期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

Averege power (mW)600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480360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120

イッチ Tm ファイバーレーザーの開発を行った。
開発したレーザー装置概要を図 6 に示す。共振器はファブリーペロー型であり、利得ファイバーは偏波保持型

1008060240

果も利用することによって、パルス幅数ナノ秒の Q ス

120014020Pulse energy (J)

レーザーに比べて遥かに高いパルスエネルギーを得るこ

010100Repetition 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

ダブルクラッド 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- 90 -

pulse duration (ns)ス化の後にピーク強度、パルス幅の揺らぎが非常に大きく10210なることがあげられる。これは利得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

010110010ルス化を果たしている。現状の問題点として急激な短パル

Peak power (kW)ず、AOM によって繰り返し周波数を制御した状態で短パ11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-11010100
Repetition frequency of AOM (kHz)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

Normalized intensity
図  パルス幅とピーク光強度の繰り返し
周波数依存性

100

可能と考えられる。

1kHz

４ ナノ秒増幅器と加工実験
4kHz

10-1

加工実験を行うためナノ秒発振器に増幅器を追加した。
30kHz

装置構成としては発振器の出力側に取り出し用ファイバーブラッググレーティングを取付、アイソレーターを介10-2してコア径 12 µm と 25µm のファイバーで増幅を行った(図 11)。 ファイバーの破壊を防ぐため非線形作用による1800 短パルス化が起きない繰り返し周波数範囲で動作させた。
1900 2000 2100 2200 2300



このとき最大パルスエネルギー670µJが繰り返し周波数
Wavelength (nm)10ｋHz で得られた。

図  サブパルス構造を有した時間波形

Fig. 3. (a) Typical pulse profile at 1 kHz repletion rate Q-switched pulse. (b) Spectra atdifferent AOM frequency. (Measuredin accumulation mode.)
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~3 ns が得られた。このパルスはサブパルス構造を有しており(図 9)、ピーク光強度はエネルギーをパルス幅で割った値とは大きく異なり、約 7.5kW と見積もられた。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

図  ナノ秒増幅器が進ん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いることが分かった(図 10)。これと類似の報告が1µm 帯 Yb レーザーでされており 4)、共振器中での後方ブリルアン散乱による非線形フィードバックが発生するここれを用いてポリアセタールとポリプロピレン(厚さ100µm)について平均出力と加工速度を変えて行った加工実験結果を図 12、13 にそれぞれ示す。 最大加工速度はとによって短パルス化が進み、その結果非線形光学効果の影響がより顕著に発生し、スペクトルの広帯域化が発生したと推定される。先行研究と異なる点として、本研究ではNormalized intensity

波長は 2 µm 帯であり、特殊は非線形ファイバーを利用せ100

1kHz4kHz
30kHz

10-110-2
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
cal pulse profile at 1 kHz repletion rate Q-switched pulse. (b) Spectra atfrequency. (Measured in accumulation mode.)

図  ポリアセタール加工痕- 91 -

５．まとめ使用したステッピングモーターステージの移動速度によって制限されている。 集光径は約 25 µm としている。

波長 2 µm 帯ナノ秒/フェムト秒光パルスを用いたレー

ポリアセタールでは平均出 2.2W 加工速度 0.125 ㎜/s におザー加工を行うため、高エネルギー発振器を開発した。

いて切断が確認されたレーザー出力を下げて加工速度をフェムト秒領域では~100 fs ～1 nJ 出力を達成し、現在こ増加させると加工痕は小さくなっていき平均出力 0.9Ｗ、れ種光源とした増幅器の開発を進めている。 ナノ秒領域

加工速度 0.5mm/s 時には約 25µm サイズの加工痕が確認さ

では発振器出力で 100 µJ 以上のパルスエネルギーとパルれた。ポリプロピレンはポリアセタールに比べて加工閾値ス幅～3 ns を達成した。 増幅器においてはパルスエネルが低くなった。ポリアセタールと同様に平均出力、加工速ギー670µJ を達成しそれ用いたポリマー材料、Si 半導体、度を増加させていくとより微細な加工痕が得られた。

Ge 半導体の加工実験を行っている。また加工試料内の応力分布などを可視化するためホログラフィック顕微鏡による位相計測を進めている。

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。


参考文献
1) S. Karsten, S. Lamrini, P. Koopmann, and P. Fuhrberg.
InTechOpen. InTech, 01 Feb. 2010. Web.
図  ポリアセタール加工痕
この他に現在Ｓｉ半導体やＧｅ半導体の加工実験を行っている。Ｓi 半導体では裏面側のステルス加工による加工痕の形成が確認されている(図 14)。

2) T. Ehrenreich et al.,SPIE Photonics West 2010 7580, Session
16:Late-Breaking News January, (2010)3) M. Tokurakawa, H. Sagara, and H. Tünnermann, OptExpress, 27 19530-19535 (2019)4) S. V. Chernikov, Y. Zhu, J. R. Taylor, and V. P. Gapontsev,Opt. Lett. 22, 298-300 (1997)

図  シリコン基板の裏面加工痕- 92 -