産総研・物性研におけるレーザーシステム開発の進捗状況
伊藤 功1、中村典雄1、吉富 大2、鳥塚健二2、本田洋介3
1東京大学物性研究所、2産業技術総合研究所、
3高エネルギー加速器研究機構
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発表内容
レーザー開発のこれまでの経緯
レーザーシステムの概略
レーザー増幅器の開発
 Ybファイバーレーザー増幅器
 増幅光の特性評価

第二高調波発生の実証実験
 実証実験のセットアップ
 第二高調波変換効率

レーザー発振器の開発
 EO変調器によるモード同期
 EO変調器型Ybファイバーレーザー発振器
 パルス発生(66MHz, 421MHz)

まとめと今後の課題
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レーザー開発のこれまでの経緯
2007.4 産総研とKEKとの間でERL電子銃励起用レーザーの共同開発の協定を締結。
当時存在しなかった1.3GHzのYbファイバーレーザー発振器の開発を開始。
2008.12 cERL入射部の設計・開発開始。
KEKにおいては、電子銃開発のために製品をベースにレーザーシステムを立ち上げた。
ERL実機の仕様を満たすためには別途開発が必要である。
レーザー発振器
PriTel社(USA)により1.3GHzのYbファイバーレーザー発振器が製品化されたが、ブラックボックスである。
レーザー増幅器
パルス光を高出力で増幅する製品がない。
波長変換(パラメトリック増幅)
製品として存在しない。

2009.4 川崎から伊藤に交代(物性研と産総研との間で共同研究の協定を締結)。
吉富さん(産総研)と共同で、本田さんと密に連携を取りながら開発を進めている。
パルス光用のレーザー増幅器
Ybファイバーレーザー発振器

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レーザーシステムの概略
Ybファイバー
レーザー発振器2009年度

最大1.3GHz, 1030nm, 10mW
Ybファイバーレーザー前置増幅器

2010年度以降()内は目標値

Ybファイバー
レーザー主増幅器
10W

3W
25W
(200W)

スーパー
コンティニューム
700～900nm

7.7pC(77pC)
10mA(100mA)
QE1%

多段
パラメトリック増幅

第二高調波変換
515nm
10W(100W)

電子銃
800nmtunable
1.5W(15W)
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レーザー増幅器の開発
Ybファイバーレー
ザー発振器

2009年度

最大1.3GHz, 1030nm, 10mW

Ybファイバーレーザー前置増幅器

2010年度以降()内は目標値

Ybファイバー
レーザー主増幅器
10W
スーパーコンティニューム
3W
25W(200W)

700～900nm

多段パラメトリック増幅

第二高調波変換
515nm
10W(100W)

7.7pC(77pC)
10mA(100mA)

電子銃
800nm
tunable1.5W(15W)

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Ybファイバーレーザー増幅器
フォトニック結晶ファイバー
断面内に屈折率が周期的に変化する構造(エアホール)を持つ光ファイバー。
クラッド

LD
75W
976nm

フォトニック結晶ファイバー
シングルモード

コア3+(Yb を含む)

Yb添加
エアホール

コア系40μm

ダイクロイックミラー

長さ：1.2m
偏波保持シード光(1030nm)

ポンプ光
976nm

ダイクロイックミラー(ポンプ光のみを反射)

増幅光

フォトニック結晶ファイバーによって自己位相変調によるパルス幅、スペクトル幅の増大を抑制できる。
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増幅光の特性評価
繰り返し周波数85MHz、パルス幅500fsのシード光を増幅してレーザー増幅器の増幅効率、スペクトル、パルス幅を評価した。
増幅効率

スペクトル

Numerical data:/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/ハイパワーテスト.csv
Igor data:/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/ハイパワーテスト.pxp
Graphic data:/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/ハイパワーテスト.emf

141.01.0

120.8

Intensity [a.u.]

108
640.6

0.40.2

シード光
増幅光 1W
増幅光 5W
増幅光 10W

0.8

Intensity [a.u.]

シード光
増幅光1W
増幅光5W
増幅光10W

Slope Efficiency 36%

Output Power [W]

自己相関波形

数値データ：/100301/analysis@091028/高出力パルス幅測定/Pulse_width_SEED.txt, Pulse_wedth_AA10A.txt
Pulse_wedth_AA20A.txt, Pulse_wedth_AA30A.txt
IGORデータ：/100301/analysis@091028/高出力パルス幅測定/Pulse_width.pxp
画像データ：/100301/analysis@091028/高出力パルス幅測定/Pulse_width.emf

数値データ：/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/SEED.txt, A10A.txt, A20A.txt, A30A.txt
IGORデータ：/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/ハイパワースペクトル(規格化).pxp
画像データ：/100301/analysis@091028/ハイパワーテスト/ハイパワースペクトル(規格化).emf

0.6

0.4

0.2

20010203040500.01010

1020

1030

1040

1050

1060

1070

Launched Pump Power [W]

Wavelength [nm]Slope Efficiency～36%
最大増幅13W

増幅によるスペクトル幅の変化はわずか。

0.0-4-2024Time Delay [ps]増幅によるパルス幅の変化はほとんどない。

前置増幅器の目標10Wを実現できた。
さらに自己位相変調によるパルス光の劣化は小さい。
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第二高調波発生の実証実験
Ybファイバー
レーザー発振器2009年度

最大1.3GHz, 1030nm, 10mW

2010年度以降()内は目標値

Ybファイバーレーザー前置増幅器

Ybファイバー
レーザー主増幅器
10W
スーパー
コンティニューム
3W
25W(200W)

700～900nm

多段パラメトリック増幅

第二高調波変換
515nm
10W(100W)

7.7pC(77pC)
10mA(100mA)

電子銃
800nm
tunable1.5W(15W)

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実証実験のセットアップ
レーザーシステム実機

波長板
(λ/2)

1パルスあたりのエネル ギー
200W 1.54  10 7 J  150nJ
1.3GHzLBO結晶
515nm
1030nm(ビーム電荷77pCに相当)

レンズ1ミラー

レンズ2

レーザー前置増幅器
1パルスあたりのエネル ギー
13W
 1.52  10 7 J  150nJ85MHz

角度位相整合noレーザーシステム実機における第二高調波変換(1030nm⇒515nm)の実証実験が可能。
レーザー発振器
85MHz
15mW

ne

レンズ1f=50mm

LD

グレーティングペア(パルス幅を制御)(515nmの光を45度反射)

レーザー増幅器
10W

L=5mm

パワーメーターミラー(515nmの光を45度反射)

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第二高調波変換効率

第二高調波変換効率

スペクトル

数値データ：/100420/SHG変換効率測定/Conversion_Efficiency_d=5mm.txt
IGORデータ：/100420/SHG変換効率測定/Conversion_Efficiency_d=5mm.txt.pxp
画像データ：/100420/SHG変換効率測定/Conversion_Efficiency_d=5mm.txt.emf

数値データ：/100420/SHG変換効率測定/SP35ASH.txt
IGORデータ：/100420/SHG変換効率測定/SPSH_d=5mm.pxp
画像データ：/100420/SHG変換効率測定/SP35ASH.emf

1.05430320210010

Second Harmonic Power
Conversion Efficiency

2468

1000.8Intensity [a.u.]

40

Conversion Efficiency [%]Second Harmonic Power [W]

500.60.40.20.0

510

515

520525Fundamental Power [W]

Wavelength [nm]第二高調波4.8W@10W入力

帯域:514nm～520nm

530

変換効率：48%10/18

レーザー発振器の開発
Ybファイバーレー
ザー発振器

2009年度

最大1.3GHz, 1030nm, 10mW

2010年度以降()内は目標値

Ybファイバーレーザー前置増幅器

Ybファイバー
レーザー主増幅器
10W
スーパー
コンティニューム
3W
25W(200W)

700～900nm

多段パラメトリック増幅

第二高調波変換
515nm
10W(100W)

7.7pC(77pC)
10mA(100mA)

電子銃
800nm
tunable1.5W(15W)

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EO変調器によるモード同期
LD

CW光

励起光

～

リング型共振器(光路長が繰り返し周波数がfRF の分周に相当する長さ)

t
fRF

強度変調
(fRF×n)

fRF

EO変調器

t
2fRF
t

EO変調器：外部電界の一乗に比例して屈折率が変化するポッケルス効果を利用して、CW光に強度変調をかける。

Erファイバーレーザー(1.5um)で盛んに研究開発が行われている。PriTelのYbファイバーレーザー発振器(1.0um)も同様の方式と思われる。

・・・

リング型共振器内に挿入したEO変調器により、CW光に基本繰り返しの整数倍の周波数の強度変調を加えて、能動的にモード同期を行う。

3fRFt

モード同期
パルス列t
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EO変調器型Ybファイバーレーザー発振器
fRF, 2 fRF , 3fRF ・・・

励起光(976nm)～
変調周波数とその高調波をEO変調器に入力する.

LDVRF

1.2W
976nm

VBias

EO変調器
ファイバーポートのスライドで共振器長(基本繰返し周波数)を調整可能.

WDM

リング型共振器の基本繰返し周波数
frep=22MHz

偏波保持ファイバー

偏波保持ファイバーの断面
コア

応力
付与部

ミラー

偏光ビーム
スプリッター
偏光ビームスプリッターにより共振器内の光の一部を取り出し,シード光とする.

λ/2板

バンドパスフィルター(10nm)

偏波保持Ybファイバー
λ/2板

ミラー
自己位相変調により生じたパルスの長波長・短波長成分をバンドパスフィルターで除去し,パルス幅の広がりを防ぐ.

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66MHzモード同期パルス列
EO変調器にfRF=66MHzを入力して、66MHzモード同期パルスを発振。
RFスペクトル

パルス列

数値データ：/100107/66MHz/RFSP_Rep=66MHz_Span=100MHz.csv
IGORデータ：/100107/66MHz/RFSP_Rep=66MHz_Span=100MHz.pxp
画像データ：/100107/66MHz/RFSP_Rep=66MHz_Span=100MHz.emf-30Intensity [dBm.]-40-50-60-70-80
20

4060

80

6

100x10Frequency [Hz]66MHzの高調波⇒モード同期パルスを形成。
22MHzの高調波⇒スーパーモードノイズ(共振器モードに起因)。
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421MHzモード同期パルス
EO変調器にfRF=421MHzを入力して、421MHzモード同期パルスを発振。
パルス列

RFスペクトル

数値データ：/100106/421MHz/RFSP_Rep=421MHz_Span=100MHz_1.csv
IGORデータ：/100106/421MHz/RFSP_Rep=421MHz_Span=100MHz_1.pxp
画像データ：/100106/421MHz/RFSP_Rep=421MHz_Span=100MHz_1.emf

Intensity [a.u.]-40-50-60-70-803804004204406460x10Frequency [Hz]421MHzの高調波に対して1/100(-20dB)のスーパーモードノイズが発生し、ジッターや強度変動を引き起こしている。
⇒高繰り返し実現のためにはスーパーモードノイズを抑制する必要がある。
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421MHzモード同期パルスのバンド幅とパルス幅
パルス光の光スペクトルと自己相関波形を計測。

光スペクトル

自己相関波形

数値データ：/100106/421MHz/SP_Rep=421MHz.txt
IGORデータ：/100106/421MHz/SP_Rep=421MHz.pxp
画像データ：/100106/421MHz/SP_Rep=421MHz.emf-3

数値データ：/100106/421MHz/AT_Rep=421MHz.csv
IGORデータ：/100106/421MHz/AT_Rep=421MHz..pxp
画像データ：/100106/421MHz/AT_Rep=421MHz..emf

中心波長：1027.3nm
バンド幅：0.2nm(0.06THz)

1.2x100.12

Intensity [a.u.]

Intensity [a.u.]

1.00.80.6FWHM
0.2nm

0.40.2パルス幅：21ps

0.10
0.080.06FWHM
30ps

0.04
0.02

0.01026.5

1027.01027.5

Wavelength [nm]1028.01028.5-100-50050100Time [ps]TB product：ΔtΔν=21ps×0.06THz=1.26> 0.441(ガウス分布の場合)
フーリエ限界まで到達していないので、パルス圧縮でさらに短くできる。
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まとめ
ERL実機に向けたレーザー開発を行っている。
レーザー増幅器
Yb添加フォトニック結晶ファイバーによる10W級レーザー増幅器の開発に成功した。
第二高調波変換
第二高調波発生の実証実験を行い、10Wの基本光を入力で、4.8Wの第二高調波が得られた。変換効率は48%まで到達した。
レーザー発振器
EO変調器によるYbファイバーレーザー発振器を開発し、繰り返し周波数421MHz、パルス幅21psの発振に成功した。

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今後の課題レーザー増幅器
1.3GHzのシード光を増幅する。
出力安定性、スペクトルの安定性、タイミングジッター、パルス波形歪を評価する。
レーザー発振器
1.3GHzの高繰り返しを実現するためエタロンまたは狭帯域フィルターを入れて、スーパーモードノイズを抑える。
安定性を向上させるため自由空間の光学系をファイバー化する。
2010年度新規
レーザー主増幅器の開発。
多段パラメトリック増幅器の開発。
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