1212 nm 励起 Tm-Ho 共添加石英ファイバーレーザー
電子物性工学専攻

植田研究室

谷口 篤

まえがき
新しいファイバーレーザーとしてファイバーレーザー励起ファイバーレーザーを提案し、そのひとつとしてラマンファイバーレーザー(RFL)励起 Tm-Ho 共添加ファイバーレーザーの実験を行なった。RFL によって励起波長を 1212 nm にシフトすることによって効率よく Tm-Ho 共添加
石英ファイバーを励起し、WDM ファイバーカップラーを使った Tm-Ho 共添加ファイバーレーザ
ーではファイバー長を変えることによって、ファイバー長 30 cm のとき Tm3+による 1790 nm で400mW のレーザー発振、ファイバー長 270 cm のとき Ho3+による 1970 nm で 450mW のレーザー発振が得ることができた。 また 2030nm で HR のファイバーブラッググレーティング(FBG)を使うことによって波長 2030 nm で 1.07W の高効率なレーザー発振を得ることができた。また光双安定性や自己パルス化なども観察された。 更に 1820 nm で HR の FBG を使うことによって1820 nm で 1.65W のレーザー発振が得ることができた。 このことから広帯域かつ高効率な波長可変レーザーについても提案をした。

1.

ために、2-µm レーザーにはフッ化物ファイバーが使われることが多かった。しかし、フッ化物ファイバーには化学的安定性が低いこと、曲げに弱いこと、そして更に石英ファイバーとの融着ができないなどといった欠点があるために我々は石英ファイバーを使うことにした。
Ho 添加ファイバーレーザーの研究は M.
C. Brierley らによってフッ化物系ファイバーで実験がされ [1] 、さらに D. C. Hanna らによって石英系ファイバーでレーザー発振が行なわれた。[2] しかし、発振効率が非常に悪かったことから Tm3+ を共添加させた
Tm-Ho 共添加石英ファイバーの研究が行なわれるようになった。Tm-Ho 共添加石英ファイバーは K. Oh らによって最初に実験されて[3]から、多くの研究者によって研究がされるようになった。このときの Tm-Ho 共添加
石英ファイバーレーザーの主な励起方法はLD やチタンサファイヤレーザーを使った800 nm 励起や Nd: YAG を使った 1064 nm励起[4]であった。しかしこういった従来の励起方法では高効率なレーザー発振が実現できなかった。そこで我々は RFL で 1212nm の光源をつくることによって高出力なレーザー発振を実現することができた。

ファイバーレーザー励起ファイバーレーザー

近年、ファイバーレーザーは様々な分野で研究が進み、高出力ファイバーレーザーから波長可変ファイバーレーザーなど様々な研究が行なわれている。 そこで我々は新しいファイバーレーザーとしてファイバーレーザー励起ファイバーレーザーを提案した。 ファイバーレーザー励起ファイバーレーザーには様々な利点がある。例えばアライメントが不要であり、安全でしかもファイバー出力なので非常に扱い易く、更に異なる波長で発振する希土類添加ファイバーレーザーを付け替えたり、カスケードに繋いだりすることによって様々な波長域でレーザー発振がえられ、多波長発振をさせたりすることもできると考えられる。
2.

Tm-Ho 添加ファイバーレーザー

2-µm レーザーは医療、アイセーフレーザー、高速赤外空間通信などへの多くの分野で応用が考えられている。 従来、石英ファイバーには 2 µm 域に OH 基の吸収がある

1

まず、従来の励起法の問題点は Tm3+の吸収の裾を使って励起しているために吸収が小さかったこと、また強い励起状態吸収(ESA)によって強励起をすることができなかった点などがある。1212 nm 励起ではこれらの問題点を克服することができると考えられる。図 1 に Tm-Ho 共添加ファイバーレー
ザーの 3H5 での吸収スペクトルを示す。波長1064 nm で励起した場合 16.5dB/m の吸収な の に 対 し 、 1212 nm で 励 起 し た 場 合
151.8dB/m の非常に強い吸収のピークがあることがわかる。このことから波長 1212nmで励起をした場合、ファイバー長を短くすることができ再吸収による損失を減らすことができると考えられる。

Normalized Intensity

1.0

EnergyAbsorption (dB/m)

15010050H5H45353H6

Tm3+

1050

1100

12500.2

1700

1800

1900

2000

2100

ファイバー長が 30 cm のとき、3H4→3H6 遷移による発光のみが見られた。この Tm3+の発光はファイバー長を長くすることによって再吸収によって長波長側にシフトし、その再吸収による損失によって発光が弱まり、Ho3+の発光が現れるようになる。実際ファイバー長が 270cm のとき Tm3+の 3H4→3H6 遷移による発光と Ho3+の 5I7→5I8 遷移による発光が両方観察された。

Ho3+

12000.4

石英ファイバーの発光スペクトル

I711500.6

図 2、ファイバー長 30cm/270cm の Tm-Ho 共添加1064nm(16.5dB/m)

01000

L=270 cm

Wavelength (nm)1212nm(151.8dB/m)

I8

L= 30 cm

0.01600

200
30.81300

Wavelength (nm)3.
図 1、Tm-Ho 共添加ファイバーレーザーの 3H5 でのWDM ファイバーカップラーを用いた
Tm-Ho 共添加ファイバーレーザー

WDM フ ァ イ バ ー カ ッ プ ラ ー を 用 い た
Tm-Ho 共添加ファイバーレーザーの実験図
3+
また、ESA についてだが Tm の ESA は S. D. を図 3 に示す。[6]FBG1 FBG2
FBG3
Jackson らによって測定されている。[5] こ1212 nm 1180 nm 1120 nm
Yb-dopedの論文によると 1064 nm で励起をした場合
HRHR
HRDCFL3(1064 nm;
H4→3F2,3 と 3F4→1G4 に強い吸収があり強励CW 8.4 W)
Single mode起ができないのに対し、1212nm 励起の場合
fiber(1 km)
Raman Fiber Laser
ではこれらの吸収がほとんど無視できることがわかる。このことによって 1212 nm で
FBG6
FBG5FBG4
1212 nm 1180 nm 1120 nm
励起することで Tm-Ho 共添加石英ファイバ
R=15%HRHRーレーザーを強励起することができる。
Tm-Ho codoped
Forwardfiber(30 cm / 270 cm)
2μm(1)
まず、Tm-Ho 共添加石英ファイバーの発(2)光スペクトルの測定を行なった。図 2 にファBackward
WDM
(3)
(4)
2μm
イバー長 30cm と 270cm のときの発光スペクトルを示す。
Tm-Ho-codoped fiber laser
吸収スペクトル

図 3、WDM ファイバーカップラーを用いた Tm-Ho共添加ファイバーレーザーの実験図

23

Intensity (a.u.)Transmission (a.u.)

RFL の励起光源には波長 1064 nm、8.4W カップラーがコアの小さいファイバーで作CW の Yb 添加ダブルクラッドファイバーレ られていたために損失が大きくなったためーザーを用いた。シングルモードファイバー に起きたと考えられる。のラマンシフトにそれぞれの波長で HR のFBG で共振器を組むことによって 1 次スト100ークス光、2 次ストークス光をそれぞれ 1120
10nm、1180 nm に発振させ、さらに 3 次スト(3) − (4)1ークス光をこのラマン利得の裾に HR と反射(3) − (2)0.1
率 15%の FBG を使って共振器を組むことによって 1212nm で 4W の高出力なレーザー光0.01源が得られた。Tm-Ho 共添加ファイバーレ0.001
1200
1400
1600
1800
2000
2200
ーザーの共振器は WDM ファイバーカップ
Wavelength (nm)ラーと Tm-Ho 共添加石英ファイバーとでそれぞれの端面でのフレネル反射(3%)によっ 図 4、SC のスペクトル(青)と WDM ファイバーカッて構成されている。Tm-Ho 共添加石英ファ
プラーの透過特性(茶)イバーからでる出力を Forward、WDM ファイバーカップラーからでる出力を Backwardとした。この WDM ファイバーカップラーは
4. 2030 nm FBG を用いた Tm-Ho 共添加(1)から(2)へは ESA が大きい波長 1064 nm
ファイバーレーザーでは 10%透過、1212 nm は 60%以上光を透過する。
次に 2030 nm FBG を使った Tm-Ho 共添加フTm-Ho 共添加石英ファイバーのファイバ ァイバーレーザーの実験図を図 5 に示す。[7]ー長によって発振波長が異なり、ファイバー
FBG3
FBG1 FBG2長が 30cm のとき波長 1790 nm で最大出力
1212 nm 1180 nm 1120 nm
Yb-doped
400mW のレーザー発振が得られた。光-光変HR
HRHR
DCFL
(1064 nm;換効率は 18%、スロープ効率は 23%、しきCW 8.4 W)
Single mode
い値は 1.52 W であった。ファイバー長がfiber(1 km)
Raman Fiber Laser
270cm のときには波長 1970 nm で出力450mW のレーザー発振を得ることができた。
FBG6
FBG5
FBG41212 nm 1180 nm 1120 nm
光-光変換効率は 18%、スロープ効率は 31%、R=15%
HRHR
しきい値は 1.12W であった。
WDM
次に白色光(SC)を用いて実験で使用した
FBG7 Tm-Ho codoped
WDM ファイバーカップラーの透過特性を調
2 µm1064 nm 1212 nm
fiber
2030 nm
べた。SC は IMRA America Inc.のモードロHR
Tm-Ho-codoped fiber laser
ック Er 添加ファイバーレーザー(FemtolightB-60)からの光を長さ 27 m の高非線形ファイバー(PM-HN-DSF)に入射することによっ 図 5、2030-nm FBG を用いた Tm-Ho 共添加ファイて発生させた。SC のスペクトルと WDM フバーレーザーの実験図ァイバーカップラーの透過特性を図 4 に示す。図の中の番号は図 3 の実験図での WDM
RFL の構成は図 3 と同じで RFL の後にファイバーカップラーの番号と対応してお1064nm の残余光を取り除くために 1064nm
り、(3)-(2)での実線が共振器になっている部と 1212nm とを分ける WDM ファイバーカッ分の WDM ファイバーカップラーの透過特プラーを用いた。Tm-Ho 共添加ファイバー性を示している。図からわかるように
レーザーは 2030 nm で HR の FBG と Tm-Ho(3)-(2)では 1970 nm で透過のピークを持っ共添加ファイバーから構成されている。発振ていることがわかる。これにより 1970nm で効率を上げるために Tm-Ho 共添加ファイバレーザー発振をしたのであろう。 また長波ーレーザーを氷水で 3±1.5 °C まで冷却した。
長側での透過率の低下は WDM ファイバー

o1.0

3 C0.8Outpower at 2030 nm (W)Output power at 2030 nm (W)Optical conversion efficiency (%)

図 6 に 3 oC と 25 oC での光-光変換効率の での高いしきい値と低いスロープ効率はレTm-Ho 共添加石英ファイバーの長さ依存性 ーザー下準位である基底準位の原子が熱的に分布したために起きたものである。また効を示す。
率の減少は Tm3+や Ho3+での緩和定数の変化や吸収損失が増加したために起きたと考えられる。
30
ファイバー長が 40 cm 以下のときは 2030
25nm での発振と同時に Tm3+によるものと思20
われる約 1840 nm でのレーザー発振が見ら15れた。これは波長が不安定で Tm3+の損失が弱まったために、WDM ファイバーカップラ
1025 oCoーと Tm-Ho 共添加石英ファイバーとの端面3 C5によって発振したものだと思われる。
0
ファイバー長が長いときには光双安定性
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200が観察された。そのときの様子を図 8 に示す。
Active fiber length (cm)(1)が励起光強度を上げたときで(2)が下げたときの様子である。またこの跳び(図 8 で
図 6、光-光変換効率の Tm-Ho 共添加石英ファイバ Jump と表記)はファイバーの長さを長くすることによって大きくなり、そのときの跳びーの長さ依存性のファイバー長さ依存性を図 9 に示す。図から跳びは温度には依存していないことがわ
ファイバー長が 91.15 cm のとき最大効率を得ることができた。図 7 に 3.5 oC と 25 oC か る 。 光 双 安 定 性 の 発 生 原 因 に つ い て は
Tm3+や Ho3+自体やファイバーの励起されてでのそれぞれの出力特性を示す。
いない部分などが可飽和吸収体として働いたことによる光双安定性が考えられる[8]が、これについて調べるためには更なる実験と1.2モデル化が必要であろう。

0.60.4

25 oC

0.2
0.0
0

12

345

Launched pump power at 1212 nm (W)図 7、Tm-Ho 共添加ファイバーレーザーの出力特性

0.18

0.12(2)0.06(1)
Jump

0.00
1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Launched pump power at 1212 nm (W)25 oC のとき出力 0.95W であったのに対し、3.5 oC のときは 1.07W の出力を得ることができた。25 oC の時の光-光変換効率とスロープ効率としきい値はそれぞれ 23.8%、29.6%、0.77W で、3.5 oC の時の光-光変換効率とスロープ効率としきい値はそれぞれ 26.4%、32.6%、0.77W であった。25 oC の出力特性4

図 8、測定された光双安定性

0.05
0.04

25 oC
3 oC

Optical conversion efficiency (%)

Jump of output power (W)

替えることによって波長可変レーザーの実験を行なった。光-光変換効率のファイバー長依存性を図 11 に示す。

0.030.020.010.00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Active fiber length (cm)

図 9、跳びのファイバー長依存性

0.50.40.30.20.10.020 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Active fiber length (cm)ω (106 rad/sec)

次に時間波形についても測定を行なった。
図 10 の中にそのとき観察されたパルスの様 図 11、光-光変換効率のファイバー長依存性子を示す。
しきい値ポンピング率 r と繰り返し周波2030 nm の FBG を用いたレーザー発振の数 ω は点で示し、曲線は緩和発振周波数を ときに見られたような光双安定性や自己パ示している。このことからファイバーレーザ ルス化はこの実験でも同様に観測された。
ー中では永続的緩和発振が起きていること Tm-Ho 共添加石英ファイバー長が 50 cm のがわかる。この自己パルス化の発生原因は高 ときの出力特性を図 5-11 に示す。最大出力
濃度添加時の希土類イオンのクラスターに 1.65W で光-光変換効率 43.5%、スロープ効よるイオンイオン相互作用によるものだと 率 46.6%を得ることができた。しきい値は考えられる。[9]0.26W であった。
この実験により Tm3+と Ho3+とのエネルギー移動を FBG の波長を変えることによって5得ることができた。これは 4 章で示したよう4なファイバー長を変えることによって Tm3+と Ho3+とのエネルギー移動を調節するよう3な間接的なものとは異なり、直接異なる波長005102 -10 -5での共振器の反射率をあげることによってTime (µs)
光強度を高め、エネルギー移動を調節するこ1とができたことを示している。これは二つの0イオン間のエネルギー移動を用いた高効率
012345かつ広帯域な波長可変レーザーとしての可r能性を示している。
図 10、しきい値ポンピング率 r に対する繰り返し周波数ω。中の波形はファイバーレーザーの時間波形

6.

まとめ

ファイバーレーザー励起ファイバーレーザーを提案し、ラマンファイバーレーザーを使った
1212nm 励起 Tm-Ho 共添加ファイバーレーザ
5. 1823-nm FBG を用いた Tm-Ho 共添加 ーの実験を行なった。
ファイバーレーザー
WDM ファイバーカップラーを用いた実験では、ファイバーの長さを変えることにより次に 2030-nm FBG を 1823-nm FBG に付け
5Tm3+と Ho3+の発振をコントロールし、ファイバー長 30 cm のとき Tm3+による 1790 nm
で 400mW のレーザー発振が得られた。ファイバー長 270 cm のとき Ho3+による 1970 nm
で 450mW のレーザー発振が得られた。
次に 2-µm FBG を用いて実験では、Tm-Ho
添加石英ファイバーの長さを最適化することによりファイバー長 90.15cm のとき 3.5o
C で最大出力 1.07W が得られた。光-光変換効率、スロープ効率、しきい値はそれぞれ23.8%、29.6%、0.77W であった。また自己パルス化や光双安定性が観測された。発生原因については未だわかっていないがさらなる解析が必要であろう。
また 1823-nm の FBG を使うことによってTm3+で利得のある 1823 nm で 1.65W のレーザー発振が達成され、Tm-Ho 共添加ファイバーレーザーはそれぞれの波長で共振器を組むことによって Tm3+と Ho3+とのエネルギー移動を調整し、より広帯域で高効率な 2µm 波長可変レーザーが作れることが示された。
7.

Electron. Lett. 25, pp. 593-594 (1989)[3] K. Oh, T. F. Morse, A. Kilian, L. Reinhart,and P. M. Weber, “Continuous-waveoscillation
ofthulium-sensitizedholmium-doped silica fiber laser” Opt.
Lett. 19, pp. 278-280 (1994)[4] S. D. Jackson, and T. A. King, “CW
operation of a 1.064-µm pumpedTm-Ho-doped silica fiber laser” IEEE J.
Quantum Electron. 34, pp. 1578-1587(1998)[5] S. D. Jackson and T. A. King,“Theoretical modeling of Tm-doped
silica fiber lasers” J. Lightwave Tecnol.
17, pp. 948-956 (1999)[6] A. Taniguchi, T. Kuwayama, A.
Shirakawa,
M.
MushaandK.
Ueda,"1212-nm Pumping of 2-µm
Tm-Ho-codoped silica fiber laser" Appl.
Phys. Lett. 81, pp. 3723-3725 (2002)[7] A. Taniguchi, T. Kuwayama, A. Hoehl,
J.-F. Bisson, A. Shirakawa, and K. Ueda,"High-efficiency Tm-Ho-codoped silica
fiber laser pumped at 1212 nm",submitted to Optics Express.
[8] J. C. Antoranz, J. Gea, and M. G.
Velarde, “Oscillatory Phenomena and Q
Switching in a Model for a Laser with a
Saturable Absorber” Phys. Rev. Lett. 47,
pp. 1895-1898 (1981)[9] F. Sanchez, P. L. Boudec, P. L. Francois,G. Stephan, “Effects of ion pairs on thedynamics of erbium-doped fiber lasers”
Phys. Rev. A 48, pp. 2220-2229 (1993)

参考文献[1] M. C. Brierley, P. W. France, and C. A.
Millar, “Lasing at 2.08 µm and 1.38 µm
in a holmium fluoro-zirconate fiber”
Electron. Lett. 24, pp. 539-540 (1988)[2] D. C. Hanna, R. M. Percival, R. G.
Smart, J. E. Townsend, and A. C.
Tropper, “Continuous-wave oscillation ofholmium-doped silica fiber laser”,

6