分割パルスファイバー増幅による超短パルスの高エネルギー化
白川（晃）研究室

研究背景

徐エイ

原理

レーザーは媒体によっていくつかの種類にDPA について分けられる。固体レーザー、液体レーザー、気体レ

超短パルス増幅における非線形効果を避ける新ーザー、半導体レーザー、自由電子レーザーなどしい手法として、分割パルス増幅（DPA）という技である。それらの技術に伴い、レーザーの応用分術が提案された。分割パルス増幅の概念図を図 1

野も、情報・通信（DVD、光ファイバー）、医療（レで示す。まず、一つのパルスが分割器へ入射され、ーザーメス）、加工（レーザー加工機）、科学（計測、核融合）などへ広げている。現状の上で、われN 個のコピーパルスになる。この分割操作によっ

われはレーザーの高出力化研究に注目させた。たて、パルスのピークパワーを低くして増幅媒質へだし、レーザーの高エネルギー化を実現するのは入射する。分割パルスは増幅媒質で増幅されて、簡単ではない。レーザーを増幅する際、非常に大結合器に入射する。結合器は分割器の逆の仕組み

きい熱を生じるため、冷却性が優れた増幅媒質をを持ち、分割パルスが結合され、一つの高エネル要求される。ファイバーの表面積と体積の比が非ギーを持つパルスになる。

常に大きいので、放熱性が優れている。また、ファイバーが低損失、高利得、高ビーム品質、コンパクトの特徴を持っている。しかしコア径が小さいために、光増幅器の出力を大きくしすぎると、誘導ラマン散乱や誘導プルリアン散乱などの非線形効果により信号波形劣化が発生する［1］。また、高いピークパワーを持つパルスを増幅するとき、利得媒質内の伝搬により非線形位相シフトを生じ、スペルトルの広帯域化やパルスの歪み、増幅器内の光損傷も引き起こす。これらの非線形光学効果の図 1、分割パルス増幅の概念図

抑制については、これまで多くの研究がなされて青色と赤色のパルスは偏光が直交している事を表していいる。例えば、CPA（チャープパルス増幅）という技術がよく使われてきた。その他、ごく最近 DPAる。分割・結合器はそれぞれが偏光面に対して結晶軸が４（divided pulse amplification）という、「分割５度になるよう配置する。

パルス増幅」の技術が提案された。本研究では、「分割パルスファイバー増幅による超短パルスの分割器について高エネルギー化」を目指している。

研究で用いたパルス分割器(また結合器)は、図1

2 で示す。パルスはまず半波長板(HWP)を通過し、入射前に、半波長板で、1st パルスと 2nd パルスの４５度の入射角を持ち、薄膜ポラライザ(TFP)へ入偏光状態を逆射して分離されて、P 偏光と S 偏光になる。P 偏光にさせる。結合器のミラー間距離を調整することはそのまま通り抜けていくが、S 偏光は反射されで、時間遅れが変化されられる。この時間遅れがる。反射された S 偏光は 1/4 波長板(QWP）を一回分割器で生じた時間遅れと等しい時、分割された通過し、ミラーより反射されてもう一回 QWP を通パルスが結合でき一つのパルスになる。

過する。ところで、S 偏光が QWP を二回通過するので、S 偏光から P 偏光になり、TFP を通り抜ける。

パルス圧縮についてミラーの間の距離を L としたとき、この二つのパ回折格子対はモードロックレーザー共振器内のルスは光路差分の時間差、分散補償素子や CPA レーザーシステムのパルス圧縮器に用いられることが多い。回折格子対は正の∆t＝2L/ｃ

式1チャープを持つパルスに対して異常群速度分散を与え、パルスを圧縮する。パルスが回折格子対をである。ここで、早いパルスが 1st パルスとして、通過する様子が図 14 で示す。パルスは、平行な回遅いパルスが 2nd パルスとする。

折格子対の一方に入射する。周波数が異なる成分がそれぞれの回折角で回折される。図 3 の様に、回折格子対を通過するとき、波長が長い方の赤いDelay line

線の光路が青い線より長い。正のチャープのパル
ス前端にある長波長成分が遅くなり、後端にある短波長成分が早くなることで、パルスが圧縮される。ただし、パルスのスペクトル成分が空間的に分散されてしまう。このため、一般的には光を反射させ回折格子対を通して元に戻す。

図 2、パルス分割器(また結合器)
QWP: Quarter-wave plate, HWP: Half-wave plate,TFP:
Thin-Film Polarizer 黄色矢印と、赤色の矢印はそれぞれ分割したパルスのそれぞれを表している。TFP を透過したパルスを黄色で 1st パルス、反射したパルスを赤色で 2nd パルスである。

図 3、回折格子対赤,青の線が波長が異なる成分である。θi が入射角で分割されたパルスをそのまま利得光ファイバーあり、θcd が回折角である。G は回折格子間の垂直距で増幅する。その後、増幅された分割パルスを結離である。

合器で結合させる。分割されたパルスが結合器を2の状態でパルスのエネルギーと結合率などを測定実験した。増幅されたパルスが結合器で結合する。1st実験の配置図は、図 4 で示す。実験装置は全正パルスと 2nd パルスの伝搬距離が違うため、モー常分散型モード同期共振器、プリアンプ、分割・結ドマッチングのため、レンズを結合器のディレイ合器、メインアンプから構築されている。

ラインに入れた。出力されたパルスが高エネルギーなので、パルスの測定用の実験装置を保護するため、ウェッジを用いた。ウェッジ板を用いて減光した。ウェッジ板より反射された光を、パルスの測定で使用した。

結果
発振器よりの出力パルススペクトルは、図 5 であった、出力パルスのエネルギーが 2.7 nJ で、中心波長 1030nm、帯域幅 10nm であった。
図 4、実験配置図
リング状全正常分散型モード同期共振器が発信器として使用されている。ファイバーが長さ 0.5ｍの SMF(HI-1060)であり、励起には、波長 980 nmの励起 LD を使用し、ポンプパワーは 350 mW であった。中心波長 1030 nm 付近、モードロック発振時の帯域幅は約 10 nm で、パルス幅 40 ps でパル
スエネルギー∼2.7 nJ のパルスが生成された。繰
り返し周波数は 20 MHz となる。
共振器からのパルスがプリアンプで増幅される。

図 5、発信器出力スペクトル

プリアンプから出たパルスが、分割器へ入射し、

図 6 は励起パワー2.3w のパルス測定結果となる。

分割され、メインアンプへ入射する。メインアン

図 a はスペクトルアナライザーより得られたスペ

プには長さ 1.8 m のシングルモード Yb 添加ファクトルである。図 b は FROG で再構築したパルスのスペクトルであり、図 c は再構築したパルス時間イバーが使用されている。メインアンプインプッ

波形でる。スペクトルアナライザーで測定したスト側のファイバーと Pump Combiner から Yb 添加

ペクトルと FROG で再構築したパルスのスペクトファイバーまで使用しているファイバーは PANDA

ルがほぼ同じ形をしている。

－fiber を使用している。このため、入力と出力の偏波状態は保持される。測定において、励起パワ(c)ーがそれぞれ 2.30W、3.34W、4.38W、5.42W、6.46W図 6、励起パワー2.3ｗの実験結果
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回折格子対の距離が約 16 センチであった。

(b)

(a)

(a)

(b)

図 8、回折格子対によりパルスの圧縮まとめと今後の展望
分割パルス増幅器(DPA)の構築、FROG を用いたスペクトル計測、出力パルスの結合率などの測定を行った。最大 96.2％の結合率、エネルギー結合効率としてビジビレィテイを測定した。ビ

57.5nJ の出力パルスを得られた。また、非飽和ジビレィテイと出力パルスエネルギーの関係図を増幅状態で、結合率が出力パルスエネルギーの増図 7 で示す。非飽和増幅状態で、出力パルスのエ加に伴い低下していくの結果が得られた。結合器

ネルギーの増加に伴い、結合率が低下することをの光学系の熱レンズにパワー依存性があるため確認した。

で、これが熱レンズによりモードミスマッチの可能性があると考えられる。また、パルスのエネルギー差において、パルスシェイピングによって増幅後のパルスのエネルギー差を抑制できたのことが確認した。
今後の目標として、まず、出力高エネルギー化のためパルスの結合効率の向上が必要である。モードマッチの向上が解決方法の一つと考えられる。また、メインアンプ飽和増幅時の測定、パルスの圧縮、分割数の増加なども今後の目標である。

図 7、結合効率と出力エネルギー回折格子対を用いて、結合したパルスの圧縮を参考文献行った。励起パワー3.34w の結果は図 8 で示す。図a は、圧縮前のパルスの時間波形で、図 b が圧縮後

[1]G.P.Agrawal,「非線形ファイバー光学(原書第のパルスの時間波形である。回折格子対の距離が2版)」，吉岡書店(1997)．

約 16 センチであった。

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