高効率・高出力 2μm 帯パルスレーザー光源の開発
電気通信大学 レーザー新世代研究センター助教 戸倉川 正樹（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014212）
キーワード：2μm 帯パルスレーザー，Tm ファイバーレーザー，Tm 固体レーザー

１．研究の目的と背景

本研究では高効率・高出力動作が可能な波長 2 μm 帯パ

現在までにレーザー加工は我が国の主要な製造業、例えルスレーザー光源の開発を目指し、1.波長可変高出力ノイば自動車やスマートフォンなどの製造において必要不可

ズライクパルス Tm ファイバーレーザー(波長可変幅 50

欠な技術となっている。レーザー加工はパラメータを変えnm)、2.全ファイバー型高効率・高出力ノイズライクパルることによりその性質を変えることが可能であり、マスカス Tm レーザー(平均出力 10 W)、3. インバンド励起高出スタマイゼーションや IoT(Internet of Things)などに適力モード同期 Tm 添加固体レーザー(パルス幅 170 fs 以下)した加工法であると考えられ、より付加価値の高い高品の 3 種の光源開発を行った。

質・高機能な製品を個々人に提供することを可能とする超その重要性は高まっていくと考えられている。高精度なレ２．波長可変高出力ノイズライクパルス Tm ファイバーレーザー3)

ーザー加工には主として高出力・高効率・高ビーム品質動

ファイバーレーザーは長い作用長、導波路構造による横作が可能な 1μm 帯 Yb レーザーが用いられているが、よりモード制御性、光ファイバーの堅牢さと形状自由度などに高機能な新しい材料開発なども日々進められており、対象

よって、高利得、高平均出力、高ビーム品質、高安定、コ物質や目的に応じて最適なレーザーの波長を選択するこンパクトなどの特性を有した実用的な光源を可能とする。とが必要である。例えば 2 μm のレーザー光は高分子材料

しかしその特性からラマン散乱や自己位相変調などの非であるプラスチック材料のマーキング、溶接などにおいて線形光学効果により、発生可能なパルスエネルギーは大き1μm 帯のレーザー光に比べて吸収が強く有効であり、逆な制限をうけ易い。波長 2 μm 帯のファイバーレーザーはにシリコンなどでは線形吸収が小さく、ステルス加工や 3シングルモード動作時のビーム径拡大側(ビームエリア∝次元加工などが実現できる可能性がある 1)。

λ2)から波長 1μm 帯レーザーに比べ非線形光学効果の抑スマート社会の実現においてもその役割は大きく、今後も近年波長 2μm 帯で動作するレーザーのなかで特に Tm 添制が可能であり、より高パルスエネルギー動作が可能と考加媒質を用いたレーザーが非常に大きな注目を集めていえられている。またファイバーレーザーは増幅器の種光源る。Tm レーザーは、0.8 μm 帯のレーザーダイオードによとしても用いられるが、選択可変特性を有していることは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応用上好ましい。波長可変性を得るためには波長可変フィの高効率なレーザー動作が可能であり、連続発振ファイバルタを共振器中に組み込めばよいが、共振器構成の複雑化ーレーザーでは平均出力１ｋW 以上が 2010 年に既に報告や損失の上昇を伴ってしまう。また 2 μm 帯では広帯域で2)されている 。また Tm レーザー(～1.9 μm)を励起源とし低損失な波長可変フィルタは数が少なく、さらに超短パルとした Ho レーザー(～2.1 μm)や Cr2+レーザー(～2.5 μm)

ス発振を支えることのできる透過バンド幅を有するとななども大きな注目を集めており、欧州では加工応用を考えると現在のところ市販品では存在しない。

た EU プロジェクトなども走っている。対してわが国では本研究では、変調素子として SESAM(半導体可飽和吸収

波長 2 μm 帯のレーザー研究は遅れをとっており、産業応体鏡)を使用した直線型のシンプルな共振器構成の下、レ用と科学応用の両方の意義での早急な研究開発体制の強ンズの色収差を利用した波長 2 μm 帯波長可変ノイズライ化が必要とされている。

クモード同期ファイバーレーザーの開発を行った(図 1)。

図 1 波長可変 SESAM モード同期 Tm ファイバーレーザー実験図概要

先にノイズライクモード同期について簡単に述べると、ノにこのときオシロスコープで観測された時間波形を示す。

イズライクモード同期では共振期中で光パルスがソリト

繰り返し周波数は 20.5 MHz であり、パルスエネルギーはン形成と崩壊を繰り返し複数のパルスに分裂し、バンチ状最大出力時で約 9.5 nJ と推測される。図 2c に出力 195 mWパルス群を形成している。そのため実効的なパルス幅は増時のスペクトルを示す。スペクトルは半値全幅で 18.9 nm加してしまうが、100 nJ 以上の高い実効的パルスエネルである。スペクトル幅から Sech2 型のフーリエ限界パルスギーを発振器から直接発生することも可能である。

を仮定するとパルス幅は約 200fs と計算されるが、パルス波長可変 SESAM モード同期 Tm ファイバーレーザーの構エネルギーとファイバーの分散値から基本ソリトンのパ成を図 1 に示す。利得ファイバーには、Tm 添加シリカガルス幅を計算した場合は約 30fs 程度と計算され、基本ソラスファイバーを用いており、これは約 1.7 μm から 2.1 μmリトンの状態では発振していないことが分かる。図 2c のに及ぶ広い範囲でレーザー発振が可能であり、フェムト秒スペクトルを見るとケリーサイドバンドやマルチパルスパルスを発生することも可能である。励起光源には自作し発振時の構造も現れていない。このようなスペクトルはノた波長 1555 nm、最大出力 4.8 W の Er:Yb ファイバーMOPA

イズライクモード同期発振状態の特徴によく一致していを使用し WDM の A ポート(図 1)を通して C ポートに融着さる 4)。このとき測定した自己相関波形を図 2d に示す。相れた利得ファイバー(コア径 10 μm、NA≈ 0.13、Tm 添加濃関波形は中心部に幅~335 fs x 1.55 のピークと土台成分度≈ 0.2 wt.%, Uni. Southampton.)をコア励起している。

(幅＞200ps)によって構成されている。7GHz(~142ps 分解

WDM の B ポートには、ミラーを端面に蒸着したファイバー能)のオシロスコープで観測したところ 200~300ps のパル(反射率 R ≈ 60%)を融着し出力鏡として用いている。 利スが観測された。これらのデータより我々はこのレーザー得ファイバーの端面には APC ファイバーが融着され、そこはノイズライクモード同期領域で発振していると判断でからの出射光をレンズ系によって SESAM または HR ミラーきる。この実験系において、SESAM を前後に移動させるこ上に集光している。使用しているファイバーは全て波長 2とによってモード同期動作下での波長可変を行った。

μm 帯においてシングル横モードであり、異常分散を有しSESAM を移動させた際のスペクトルを図 2e に示す。SESAMている 得られたレーザーの出力特性を図 2a に示す。HR

を~300 μm の程度移動することにより 10~20 nm という広ミラーを使用したとき最大出力 213 ｍW 、スロープ効率いスペクトルを有するモード同期発振を維持した状態で7.4%が得られた。また SESAM を使用したときには最大出力47.5 nm の波長可変性が得られた。SESAM の相対的な位置

195 ｍW、スロープ効率 6.8％が得られた。SESAM 使用時にと平均出力、ピーク波長の関係を図 2f に示す。同様の波は出力が 86 mW を超えたところから時間波形に変調がのっ

長可変性は SESAM を高反射ミラー変えて連続発振状態とたモード同期発振が得られ、出力が 176 mW を超えたとこしても得られ、ミラーの移動量に対する波長変化量の傾きろから変調が消えたモード同期発振が観測された。図 2bは~1.7 x 10-4 であった。使用しているレンズ系の色収差

normalized intensity

(a)

200

1.2(b)HRSESAM

150
100
5000.80.618.9 nm

0.40.201900 1910 1920 1930 1940 1950 1960

wavelength [nm]1.2(d)

measuredSech2 fit
1.55 x 335 fs

3.4147 .5 nm(e)0.80.60.4

3.20.23-2 -1.5 -1 -0.5

00.5

1delay time [ps]1.5201880

1900

1920

1940

wavelength [nm]

1960

200

1950

(f)
190

1940
1930

180

1920
170

1910

160

1900

15001890
50 100 150 200 250 300 350 400

position [um]図 2. (a) 出力特性、(b)パルストレイン、 (c) 195 mW 出力時スペクトル. (d) 測定された自己相関波形の代表例、(e)スペクトルの SESAM 位置依存性、(f)出力と中心波長の SESAM 位置依存性.

peak wavelength [nm]SHG signal (a.u.)(c)pump power [mW]3.8
3.620μs

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

1average power [mW]

0normalized intensity

output power [mW]250couplling effeciency (MFA ratio)

1.2230 um

1940 nm
1930nm
1920nm1910 nm1900 nm1890 nm10.80.60.40.200200400600800

position of SESAM (um)

図 3 計算された各波長におけるファイバー結合効率の SESAM 位置依存性によるファイバーへの結合効率のミラー位置依存性を計算した結果を図 3 に示す。約 50 nm の波長シフトに対して必要とされる SESAM 移動量は~230 μm と見積もられ、微分係数は~1.7 x 10-4 となり、これは実験で得られた値に

図 4.全ファイバー型高効率・高出力ノイズライクパ
ルス Tm レーザー概略図。(a)発振器、(b)増幅器よく一致している。発振波長のシフトは共振器の損失変化によっても起こりえるが、上記の計算と実験の一致により、1893 nm という Tm の再吸収の影響を強く受ける短波長領

本実験の波長シフトはレンズの色収差によって引き起こ域においてスロープ効率 44%、最大平均出力 10.2 W、パルされていると推測される。また計算よりレンズ系透過バン

スエネルギー 6.4 μJ が得られた。パルス幅は増幅前からドは半値全幅で 20~30nm となりこれは現在のモード同期ほぼ変化がなく約 5ns となっている。図 5 に、増幅特性とレーザーの帯域幅を制限していると考えられる。レンズ系

最大出力時のスペクトルを示す。スペクトルに見られる周やファイバー長の最適化によって更なる短パルス化や波期的な構造は増幅器においてエタロン効果が生じている長可変性が得られることが期待できる。さらにこれを種光ためであると推測している。また出力特性をみると増幅出源とすることにより波長可変性を有した平均出力 10W 以

力は直線的に伸びており、励起出力を上げることによって上、パルスエネルギーμJ 以上の増幅システムを開発する

さらなる上昇が期待でき、適切な冷却方法を行えば平均出ことも可能である。応用としてはポリマー材料の微細加工力 100W も可能と考えられる。現状の 10 W,6μJ 出力でもポや、シリコンの 3D 加工を想定している。

リマー材やシリコン基盤などの加工実験などへの応用が考えられる。

3．全ファイバー型高効率・高出力ノイズライクパル
ス Tm レーザーバーで構成され、自由空間を含まないことが望ましい。そのため本研究では全ファイバー化された高効率･高出力ノイズライクパルス Tm ファイバーレーザーの開発を行った。
図 4a に作製した全ファイバー型発振器の構成図を示す。
励起光源と利得ファイバーは前述の実験と同様である。可

12output power [W]

長期安定動作を考える上ではレーザーの全てがファイ

recoat + water cooling
not cooling

86420

飽和吸収機構には SESAM に変えて分岐比 10/90 のカップラ(a)1005ーを用いた非線形ループミラーを使用した。ループファイバーには 114 m の SMF28 を利用しており、偏波制御のためイバーは繰返し周期を低下させ、パルスエネルギーの増加にも寄与する。出力はループミラーの後に融着された分岐
比 40/60 のカップラーの 40 側のポートから取り出している。このとき最大平均出力 200 mW、スペクトル幅 13.9 nm、繰り返し周波数 1.6 MHz、パルス幅～5ns、パルスエネル
ギー125 nJ のノイズライクパルス発振が得られた。この15202530

1.2

normalized intensity

偏波コントローラー(PC)を設置してある。このループファ

10

pump power [W]

(b)

10.8
0.60.40.201860

1880

1900

1920

NLP 光源を図 4b に示すようなダブルクラッド Tm ファイバ

wavelength [nm]ー(長さ:１ｍ,NA:0.13,コア径:13 μm, クラッド径：128μm、

図 5.(a)増幅特性,(b)最大出力時のスペクトル吸収: 19dB/m @790 nm)を用いた増幅器により増幅した。
このとき利得ファイバーを水冷により冷却し中心波長表 1 各種レーザー利得媒質の比較
Table 1. Comparison of laser gain mediaBWστmaterialλ(nm)(nm)
10-20cm2
ms~1960~60~0.7
3.4
Tm3+:Sc2O3~2120~50~0.3
Tm:YAG~2010~30
0.15
10
Yb:YAG~1030~102.1
1
Yb:CaF2~1040~40
0.25
2.4
Ho:YAG~2090~30~0.9
8.5
Cr:ZnS~2400~800~1400.006στ
10-23s･cm2~2.3~1~1.5~2.1~0.6~7.6~0.84

IskW/cm2~2.2~5~3.4~5~18~0.65~5K
W/m･kn2
10-15cm2

7~16~1.1

10~1110~11~8~10~27.2

0.57
0.570.576.34．高効率・高出力超短パルス帯モード同期固体レーザー

Cr:ZnS などと比べて３桁大きな上準位寿命を有し、さらファイバーレーザーは長波長化により非線形光学効果して用いた場合スケーリング上のメリットを有しているの抑制が可能であるが、μJ～ｍJ を超えるより高いパルスに非線形屈折率は５分の 1 程度であることから、増幅器と可能性がある。

エネルギーを発生させるためには固体レーザー媒質を利次に波長~1600 nm ファイバーレーザーを用いた in-band用することが必要となってくる。高パルスエネルギーを有励起の特徴を述べる(図 6b)。①従来の 800 nm 励起では交する波長 2-4μm 光はチタンサファイヤレーザーや Yb 添加

差緩和過程を伴う量子効率 2 の励起プロセスを効率的にレーザーの 0.8-1 μm 光を基本とした非線形波長変換によ発生させるため、高濃度の Tm 添加が必要とされ単位体積っても得られているが、非線形波長変換を用いずに直接、あたりの発熱量増加や非線形な緩和過程の発生が問題と高効率に発生できればスケーリングやシステムの簡略化なっていたが、それらが抑制される。②LD 励起と比べるのために有意義である。中赤外固体レーザーについて幾つと高い励起ビーム品質が得られ、カーレンズモード同期なか例を挙げると遷移金属 Cr2+:ZnS は中赤外領域のチタンどが得られ易くなる。また従来モード同期発振器に用いらサファイヤレーザーとも呼ばれて、波長 2.2-3 μm 帯で 40れていた Ti:Al2O3 励起と比べて安価で高効率・高出力・高fs 程度の超短パルス発振が実現されている。Ho:YAG や安定な励起光が得られる。③励起ファイバーレーザーの最Tm:YAP 結晶を用いた波長 2μm 帯の増幅器の研究も進んで適化により高エネルギーパルス励起なども可能となる。

いる。

我々はこれらの特徴より従来のシステムでは得られなか本研究では Tm 添加希土類三二酸化物(Tm3+:Sc2O3)と従来った増幅特性を可能とし、I. 高効率・高出力カーレンズモと異なる波長~1600 nm ファイバーレーザーによる in-bandード同期レーザー発振器、Ⅱ. 高パルスエネルギー増幅器励起を組み合わせ、Tm 添加固体レーザーでは世界で初めを実現させることを目標とした。てとなるカーレンズモード(KLM)同期レーザーの開発を行

図 7 に実験の概略図を示す。共振器は一般的な Z 型共った。
使用した Tm3+:Sc2O3 の特徴を幾つか上げると(表 1)、振器を用いており、励起光源には自作 1611 nm Er,Yb ファ①Tm:YAG などと比べ、レーザーの上準位寿命が短く蛍光イバーMOPA(最大出力～8W、直線偏光、狭線幅) を用い断面積が大きい。このため比較的にエネルギーを取り出した。利得媒質は長さ 3.7 mm、1％添加の Tm:Sc2O3 結晶を易い。②波長 2120nm という一般的な Tm、さらには Ho 添ブリュースタ角で用いた。凹面鏡は曲率 100 mm, 高反射加媒質よりも長波長帯において広帯域な利得を有してい

コート 1850nm-2200nm を有している。エンドミラーは高る(図 6a)。この波長域は水の吸収が少なく、さらに長波反射コート 2050nm 以上、低反射コート 1950nm 以下を有長中赤外(~4-12μm)に波長変換する際に変換用の非線形している。出力鏡は透過率 1％、2.5％@2000-2300nm の二結晶中の多光子吸収を低減させる上でも有用である。③種類を使用した。分散補償素子として IR 品質の溶解石英

図 6.(a) Tm3+:Sc2O3 実効的誘導放出断面積、(b)800nm
励起と 1600nmin-band 励起の違い

図 7. ファイバーレーザー励起 Tm:Sc2O3 レーザー実験図

1.2CWKLM(a)

1SHG intensity

output power (mW)

3503002502001501005000.80.6

166 fs x1.550.40.20400
800 1200 1600incident pump power (mW)0-1000

図 8. ファイバーレーザー励起 Tm:Sc2O3
レーザー出力特性-5000time delay (fs)5001000

1.2intensity(a.u.)

プリズムペア(距離 7.5cm)を用いた。図 8 に透過率 1％出力鏡を用いたときの出力特性を示す。1.4W 励起時に出力320 mW,パルス幅 247fs が得られた。繰り返し周波数は 95(b)10.80.629.3 nm

0.40.2MHz である。カーレンズモード同期がかかった瞬間に 10002080

mW 程度の出力の増加が見られた。またカーレンズモード同期は機械的な振動をあたえることなく自動的にかかっ

2100

2120

2140

wavelength (nm)2160

図 9. (a)自己相関波形、(b)発振スペクトルた。共振器をパルス幅が短くなるように最適化した結果図9a、図 9b に示されるようなパルス幅 166 fs、スペクトル
Tm:Sc2O3 Kerr-lensTm:Sc2O3
Tm:Lu2O3

幅 29.3 nm、中心波長 2124nm のパルス発振が得られた。
トする現象も確認された。これは Tm:Sc2O3 の有す二股の利得形状(図 6a)から発生していると考えられる。最大出力は 440 mW で励起出力は 3.15W である。
次に透過率 2.5％の出力鏡を用いて出力の最適化を行った。
このとき最大出力１W、パルス幅 298 fs が得られた。
励起出力は 3.7W であり、60％の吸収効率を仮定すると、対吸収パワーの効率は約 45％となっている。本研究の結output power (mW)

また実験中にモード同期発振の中心波長が 2140 nm にシフ

Tm:KYW

This work!
With fiber laser in-band pump

1000100

10100

200

Other works
800 nm TI: Sapphire laser pump
Low total efficiency …
300400500600700pulse duration(fs)

果を以前に他のグループからの報告と比較すると(図 10)、
Ti:Al2O3 励起に比べて高効率なファイバーレーザー励起

Tm:LuScO3
Tm:KLuW
Tm:CaLGO

図 10. 本研究結果と他のグループの報告との比較の元、短パルス領域で数倍以上の高出力化に成功したことがわかる。共振器の分散量や励起出力の最適化をすすめる

謝

ことにより更なる短パルス化や高出力化が可能と考えら。

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5. 結び支援を受けて実施しました。ここに謝意を表します。また

本研究では高効率・高出力動作が可能な波長 2μm 帯パ

本研究の一部は科学研究費補助金(若手研究 若手研究 B)

ルスレーザー光源の開発を目指し、1.波長可変高出力ノイおよび最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠

ズライクパルス Tm ファイバーレーザーでは、新しい波長点プログラムよりもご支援をうけて実施しました。

可変方法により波長帯 2μm において 20nm 近くのスペクトル幅を有したノイズライクパルス発振状態において波長参考文献可変幅 50nm を実現した。2.全ファイバー型高効率・高出1) I. Mingareev et.al. Optics &LaserTechnology, 44,

力ノイズライクパルス Tm レーザーの開発では、安定な全ファイバー型という構成のもと発振器から 100 nJ 以上の2095–2099,(2012)2) T. Ehrenreich et al.,SPIE Photonics West 2010 7580,

ノイズライクパルス発振に成功し、それを増幅することにSession 16:Late-Breaking News January, (2010)

よって平均出力 10 W 以上、パルスエネルギー6 μJ 以上を

3) Y. Mashiko, E. Fujita, and M. Tokurakawa, Optics実現した。3. インバンド励起高出力モード同期 Tm 添加固Express 24, 26515-26520 (2016)

体レーザーの開発では世界で初となるカーレンズモード4) J. Li, et.al., Opt. Express 22, 7875-7882 (2014)

同期に成功し高効率･高出力なパルス幅 166 fs レーザー発

5) M. Tokurakawa, E. Fujita, and C. Kränkel, submitted

振に成功した。

to Optics Letters. (2017).