2018, Sep.
No.

366

CONTENTS
コヒーレントビーム結合−パワーレーザーの新パラダイム−
18th International Conferenceon Laser Optics（ICLO2018）報告
主な学会等報告予定

ISSN 0914-9805【表紙図】市販レーザーのパルスエネルギー・パルス幅マッピング

コヒーレントビーム結合−パワーレーザーの新パラダイム−
宮永憲明
大阪大学レーザー科学研究所 椿本孝治
特別研究員

パワー増大は技術的限界にきており、新たなパワース■はじめにレーザーは、材料加工やインフラ診断をはじめとすケーラブル技術が必要となっている。本稿では、コるさまざまな産業分野のみならず学術分野において重ヒーレントビーム結合（CBC）に基づくパワーレーザー要なツールである。表紙図に示すように多様な動作パラメーター（パルス幅、パルスエネルギー、波長、繰り返し周波数）のレーザーが市販されており、パワーレーザーの市場はますます拡大するものと期待される。
パワーレーザー技術の要である「レーザー材料」、「光学材料・素子」とあわせて「システムコンセプト」も重要であり、さまざまな増幅器構成が開発されてきた。
しかしながら、ビーム径拡大（増幅器の大型化）による公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス【図1】ハーフミラーによるビーム分岐(a)とその逆過程としてのコヒーレント結合(b, c)

次ページへつづくコヒーレントビーム結合 −パワーレーザーの新パラダイム−相変調器（LN）を設置してCBC状態を制御した。図2はその結果であり、上段が出力ポート（図1(b)に 対 応）、下 段 が ダ ンプポート（図1(c)に対応）の時間
波 形 で あ る。(a)は パ ル ス 列【図2】CBCによる高速時系列制御の例. (a): テーラリング, (b): デューティ可変バースト, (c): パルス幅可変

テーラリング、(b)はバーストパルス列であり、(c)ではLNの制御パルス幅を狭くして出力の新パラダイム創成の可能性について考えてみたい。

ポートのレーザーパルス幅を5 nsに短縮している。今■コヒーレントビーム結合とは後、この技術を＞100 W級のファイバーレーザーに適

ハーフミラーは入射光を1:1に分岐する素子（図1(a)）

用し、材料加工などの受託研究に供する予定である。

であるが、透過光と反射光の間にはπ/2の位相差があ■多ビーム励起光パラメトリック増幅によるCBCる。したがって、この位相関係を満すように2ビーム

光パラメトリック増幅（OPA）は、2次の非線形光学を逆向きに入射すると、ビーム分岐の逆過程が実現し結晶中で信号光(s)を増幅する過程であり、励起光(p)と1ビームに結合することができる（同図(b)）。また、入信号光の光子エネルギーの差に相当するアイドラー光

射2ビームの位相関係を逆転させると出力方向を変え(i)が発生する。信号光の位相は位相不整合Δk = k p ‒ることができる（同図(c)）。

(ks+ki)と増幅利得に依存する。しかし、位相整合条件

このCBC技術によって、表紙図の矢印で示すようなパΔk = 0が満たされる場合は、信号光の位相は増幅前ワー増大が可能である。本稿では、①2ビーム結合によ後で変化せず、ランダム位相の多ビームアレイ励起をるビームデリバリー制御、②光パラメトリック増幅に用いても、信号光の空間的位相分布は保存される。

よる空間アレイ結合型パルス増強、および③蓄積共振

その実証実験結果を図3に示す3)。非線形光学結晶は器とCBCの組み合わせによる時間領域結合パルス増強

BBO、信号光はNd:YLFレーザーの基本波（波長1053について、それぞれの概要を述べる。

nm）である。励起光はNd:YAGレーザーの2倍高調波■CBCを用いたパルスレーザーの高速時系列制御

1)（532 nm）であり、0/πのランダム位相板を挿入して筆者らは図1(b)の構成を多段にすることによって、いるが、OPA出力信号光の集光パターンは回折限界のパルスファイバーレーザーを8ビーム用いて約1 kW品質を保っている。一方、アイドラー光ではスペック（波長1040 nm）を得て、2倍高調波600 W（520 nm）、3ルとなっており、励起光の空間的位相分布はアイド倍高調波300 W（347 nm）を達成した 。この研究をさラー光のそれに受け継がれている。この増幅手法は、

らに発展させ、図1(b)と(c)およびその中間状態を高速多ビーム励起OPAによる空間ビーム結合であり、幅広に制御すれば、多様なレーザー加工に適したパルス時い波長域での高利得増幅に適用が可能である。

系列の任意制御が可能となる。

■蓄積共振器によるパルス増強と共振器外抽出4)2)原理実証のために、1 MHz、パルス幅10 nsのファイ本研究所には、コンプトン散乱ガンマ線への応用な

バーレーザー 2ビームに対して、片方にピエゾ駆動位相シフターを設置してCBCし、もう一方に電気光学位【図3】
光パラメトリック増幅における信号光位相分布の保存
2【図4】蓄積共振器を利用したパルス増強装置の概念図

ど、蓄積共振器のパオイニア的な研究の歴史がある5)。

す。入射結合鏡を透過したパルスはハーフミラーで2蓄積共振器はレーザー発振器の逆過程であり、ノーベ分岐され、リング光路を経てハーフミラーで再び結合

ル物理学賞の対象となった重力波検出装置Advancedされる。蓄積効率は時間的単調増加の後に減少し、蓄LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Ob-積パワーは結合鏡の反射率Rcと共振器内部の帰還率Tcservatory）の原理は、蓄積共振器型マイケルソン干渉で決まる最大値に漸近する。鏡の散乱損失に依存する計である。

帰還率は人為制御が難しいので、Rc = Tcとすると最蓄積共振器を利用したパルス増強の概念を図4に示

大蓄積倍率(1/(1-Tc)）が得られる。一方、蓄積効率が最大となるパルス入射回数は -2.5/ln(RcTc)で与えられるので、このタイミングで位相シフターを駆動して、蓄積エネルギーを抽出するのが効率的である。図5は、Rc = Tc = 0.999の場合の設計例であり、入射光の520倍のパルスを出射する。これは、100 MHz小型高平均出力から100 kHz高パルスエネルギーへの変換器であり、今後、原理実証研究を開始する予定である。
参考文献
1) 椿本, 宮永, 栗田, 川嶋, 特願2016-019553.
2) K. Tsubakimoto, et al, Opt. Lett. 42, 3255 (2017).
3) T. Kurita, et al, Opt. Exp. 18, 14541 (2010).
4) 椿本, 宮永, 酒川, 山村, 林, 田中, 特願2016-201065.

【図5】蓄積効率とパワーの時間変化および抽出パルス

5) A. Moon, et al, Jpn. J. Appl. Phys., 36, L1446 (1997).

REPORT

18 th International Conference on Laser Optics（ICLO2018）報告
レーザープロセス研究チーム■はじめに

ハイク コスロービアン

り、学術会議にも昨今の国際情勢が反映されているよ

今年6月4日〜8日にサンクトペテルブルク（露）で開うにも感じられ、少々残念であった。会議ではプレナ催された、国際会議「ICLO2018」（主催：IEEEフォトニ

リーセッションの他、研究トピック別の11の分科会、クスソサイエティ、ロシア基礎科学財団他（www.lase-4つのサイドイベントが行われた。また、ロシアとそroptics.ru））に参加した。ICLOは、高出力レーザー光の周辺国の企業・大学の多くが最新の製品やソリュー源の開発およびその科学・産業応用について議論する、ションを発表した「オプティクス&フォトニクス」展も世界で最も歴史の古いフォーラムの一つであり、2年同時開催された。サイドイベントでは「産業応用におに一度開催される本会議も今回で18回目となる。研究ける先進レーザー技術と装置」や「展示会における産業トピックには固体レーザー、（ファイバー、固体、ガス、プレゼンテーション」といった、製品のアピール手法ハイブリッド）
高出力レーザー、ダイオード励起レーに関するワークショップなども開催されており、大変ザー、ビーム制御、非線形フォトニクスの基礎と応用、興味深かった。生物・医学応用に関する特別シンポジ

レーザーによる環境計測、ナノマテリアル光学などがウム（第5回国際医学・生物学シンポジウム）も同時開あり、レーザーや光学、計測に関する多くの研究領域催され、眼科用ツリウム（Tm）イオンレーザーの開発をカバーしている。開催期間中には34カ国から約1000と応用、レーザーを用いた疾病の遠隔診断などの研究人が参加し、800件あまりの研究報告が行われた。た

成果が報告された。

だ今回は、高出力レーザー開発分野で本会議の常連で筆者は会議において、再帰反射素子を用いた共振器あったIPGフォトニクス社（米）の参加が見送られておのレーザー発振特性に関する研究成果（Laser Cross3

No.365, 2018 Aug.他を参照）を報告するとともに、主度はチャンネル数に依存しないとのことである。チャとして固体レーザー、高出力レーザー、ビーム制御、ンネルあたりの出力100Wのビームを用いたCBCの結非線形フォトニクスの各分科会に参加し、議論を行っ

合効率は、CWモードで0.95以上であった。ピエゾセラ

た。以下に、これらの分野における各国の研究成果にミックコイル、LiNbO3位相変調器を使用した場合の収ついて報告する。

束帯域幅はそれぞれ5 kHz、14 MHzであり、このシス■トポロジカル絶縁体レーザー

テムが数100 mの距離で安定に動作することを確認しプレナリーセッションでは、M. Segev博士（テクニオン‒イスラエル工科大学）から、最近発見されたトポた、とのことであった。

■波長可変全ファイバーレーザー増幅器

ロジカル絶縁体レーザー（Topological Insulator Laser）

ロスアトム社（露）のN. Slobozhanin博士は、出力150の現在と将来展望に関する講演があった。トポロジカ

W、狭帯域（〜200 MHz）のYbドープ可変波長全ファイ

ル絶縁体とは、内部（バルク）は絶縁体であるにもかかバーレーザー増幅器を開発した。彼らはファイバーブわらず、そのエッジ（2次元構造の端部、3次元構造の

ラ ッ グ グ レ ー テ ィ ン グ（FBG）の 温 度 調 整（0.014 nm

表面）は電気を通す金属的な性質を示す物質のことを/K）によりエミッションバンド幅を調整し、またいく指す。彼らはトポロジカル絶縁体のレーザーへの応用

つかのアクティブファイバー（Ybドープファイバー）を提案し、その理論的、実験的な研究を進めてきたが、 （長 さ（m）/コ ア（μm）/ク ラ ッ ド（μm）− 5/6/125,最近レーザー発振に成功した。このレーザーはマイク5/10/130, 5/20/400）を用いてブリルアン散乱（SBS）しロリング共振器を格子状に配列した正方形の2次元アきい値の見積もりを行った。さらに彼らは現在、このレイ構造を持ち、その端部で発振したレーザーはアレレーザーを用いて19チャンネルのビーム結合を行うこ

イ周囲を一方向に伝播し、出力ポートから出力される。とを計画している。Slobozhanin博士によれば、この出力されたレーザー光は、トポロジカル特性によりレーザーシステムに用いられているコンポーネントはエッジ形状や欠陥、光散乱の影響を受けず、高効率かすべてロシア製であり、今後原子力や防衛産業に利用つ単一モードであることが示された。トポロジカル絶することが意図されている、とのことである。

縁体レーザーは標準的な半導体材料で製造可能である■次回の開催予定

ことから、技術的には現在の半導体レーザーを単一モード、高出力で動作させることが可能となる。今後次回のICLOは2年後、今回と同じサンクトペテルブルクでの開催が予定されている。

レーザー、フォトニクス分野の発展に大きく寄与する技術になるものと期待される。

■Ybファイバーレーザーのコヒーレントビーム結合
S.V. Tyutin博士（ロシア連邦原子力センター・全ロ
シ ア 実 験 物 理 学 研 究 所（露））か ら、多 チ ャ ン ネ ルYb
ファイバーレーザーにおけるコヒーレントビーム結合（CBC）の新手法に関する報告があった。彼らはピエゾセラミックコイルおよび非線形LiNbO 3 位相変調器を用いたCBCの新手法を開発し、4ビームおよび7ビームでのCBC実験を行った。新規アルゴリズム（非公開）の開発により、チャンネルあたりわずか3〜4回の反復で位相制御が可能となり、さらにこのアルゴリズムの速

【写真】
会議場にて
（左から）
A. Kudryashov博士（Instituteof Geosphere Dynamics（露））、U. Griebner博士（MaxBorn Institute（独））、筆者

主な学会等報告予定
10月14日（日）〜18日（木）ICALEO2018（オーランド）
藤田雅之 「Cutting and Welding of Construction Materials」
11月16日（金）光学薄膜研究会第3回研究会（機械振興会館）
本越 伸二「高耐力光学素子の現状と課題」
Laser Cross No.366 2018, Sep.

http://www.ilt.or.jp

発行／公益財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／谷口誠治 〒550 - 0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル4F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表･谷口誠治（E-mail:taniguchi@ilt.or.jp）
までお願いいたします。