フッ化物ファイバへのグレーティングミラーの書込みと3µm 波長帯レーザ光の増幅特性の評価
秋田県立大学 機械工学科
助教 合谷 賢治（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018209-B2）
キーワード：中赤外光源，フッ化物ファイバ，フェムト秒レーザ加工，ブラッググレーティング

１．研究の目的と背景
産業用のレーザ装置を波長毎に大別すると、X 線から近(a) 10µm CO2レーザ(b) 3µm Erレーザ

赤外線、遠赤外線の光源が存在しているが、3µm 付近の中赤外域波長の産業用光源が欠落している。3µm 付近の集光レンズ波長帯は、水酸基（OH 基）による強い吸収性を有しており、既存のレーザ装置とは異なる加工特性が得られる。例

表面吸収

えば、図１のソーダガラスの透過スペクトルを見ると、(a)2.5µm 以下と(b) 3µm 付近、(c) 5µm 以上の波長におけガラス等の材料

緩やかな吸収定性的な材料表面の応力分布
応力る吸収特性は顕著な違いが認められる。代表例として表面吸収が支配的な CO2 レーザと比べると、3µm 付近ではレーザ光のエネルギが“程良く”吸収されるため、エネルギの伝達効率や材料に加わる応力分布の制御がし易くなる。

図２

レーザ光吸収特性の違いと応力分布

一般的にレーザ照射による温度分布と材料に加わる応力ザ媒質であるフッ化物ガラスの加工難度の高さにより未分布は相関があり、CO2 レーザでは表面吸収（図２a）に成熟の分野である。このフッ化物ファイバは、石英ガラス起因した急峻な応力分布が発生し、照射領域周辺が変形すファイバと比べると、材料特性が大きく異なり、端面処理るため、加工精度の劣化や加工後の反りによる成功率の低や融着といった一般的な加工処理が難しく、十分な技術水下が生じる。一方で 3µm 付近のレーザ光では、材料の厚準に達していない。また、ファイバレーザにおいては一般さ方向に対して、緩やかに吸収（図２b）されるため、加的に用いられている、ファイバブラッググレーティング

工対象の変形及び加工後の反り状態が軽減される。さらに（FBG）ミラーの作製技術も実用性能には到達していな材料の厚さ方向に対して効率的なエネルギ注入が可能でい。このうち、FBG はレーザの発振効率と発振波長を直ある。この吸収特性の違いにより、材料によっては既存手接的に決定づける重要な要素技術である。先行研究[1]で法の加工効率の歩留りを大きく改善できると考えられる

はフッ化物ファイバへの FBG の作製実現性が述べられてため、3µm 帯レーザ光源は潜在的な用途が数多く存在すいるが、十分な性能評価と最適化が行われていなかったたる。また、レーザ加工の適用が難しかった材料の加工を可め、本研究では FBG の性能評価手法について報告する。

能になるかもしれない。加工用途の 3µm レーザの開発においては、フォノンエネルギが小さく、波長 4µm まで透２．フェムト秒レーザによる FBG 描画過帯域を持つフッ化物ガラスファイバが用いられている。

フェムト秒レーザは、非熱的なプロセスで加工対象を改しかし、加工用途の高出力 3µm 帯光源の開発は、レー質することが可能である。発振されるパルス光の立ち上がり幅が材料の熱拡散時間（数ピコ秒）よりも十分に短く、熱的プロセスによる加工を利用した場合に比べて、溶融ムErレーザ

ラやバリなどによる不均一さを極限まで軽減する。また、パルス幅が短いことから、単位時間当たりのピーク強度が非常に高く、エネルギを多光子過程によって材料に供給す

(a)

(b)

(c)

るため、あらゆる材料を改質し、その加工領域を回折限界以下に制限することも可能である。光ファイバのように機CO2レーザ械加工が難しい材料に対しては、無類の加工性能を発揮する。本研究では、屈折率変調領域からなる FBG をフッ化物ファイバ導波路中に描画し、その性能評価を行う。本手

図１

ソーダガラス 0.6mm の透過スペクトル法の特徴は、逐次描画法により屈折率変調領域を作製することで反射波長や反射率の調整が容易であることと、レー1.0

Er: ZBLAN
fiberobjectiveLDFBGDMZCore
15 µm

10 µm(focus on the top of the planes)

図３

XYTransmittance, T

fs laser

PM/OSA

0.80.5 mm
1.0 mm
1.5 mm
2.0 mm
2.5 mm
3.0 mm

0.60.40.2

Core
irradiated area
1st cladding
2nd cladding

0.027702785

加工システムの模式図

2800

2815

2830

Wavelength / nm, λ
図４

ザ発振特性の評価が加工中のインプロセスで可能な点でグレーティング長毎の FBG 反射率ある。図３は、加工システムの模式図を示しており、FBG描画中に発振波長とレーザ出力を観察することが可能である。また、励起用 LD の代わりに広帯域な中赤外光源を配置すれば、FBG 描画中に反射波長や反射率の経時変化を観察することもできる。図４は実際に中赤外光源（スーパーコンティニューム光源、SCL）を用いて、測定した反射波長と反射率だが、FBG の描画長さ（グレーティング長＝グレーティングの厚み×描画ピッチ）が 3.0mm で反射率 R＞97%を達成している。この反射率の実測値とブラッグ条件を比較すれば、屈折率変調量を正確に推定することができ、本実験においては、変調量が 1.1×10-3 であることを確認した。さらに、この変調量を用いると、伝搬光に対するミー散乱の程度を定性的に推定することができるため、用いるレーザ発振器や実験系における最適な屈折率変調量を決定づけることも可能である。例えば、フェムト秒レーザの照射フルエンス F＝25J/cm2 と 40J/cm2 でFBG 描画を行うと、変調量は 0.7×10-3 と 1.1×10-3 と算出できる[2]。このときの FBG 描画に伴う実測した伝送損失は、発振波長 2799.5nm のとき、＜0.05dB と＜0.5dBであることを確認した。この結果から、より高い発振効率を得るためには F＝25J/cm2 を用いればよいことがわかる。

３．レージングのインプロセス観察
図４に FBG 描画中の発振波長と特徴点における発振スペクトルを示す。実験は波長 2799.5nm 付近にレーザ発振波長が固定されるように描画ピッチを設定した。また、励起用 LD の出力は 2W に固定した。グラフは、縦軸がピーク波長、横軸がグレーティング長 L である。グレーティ
ング長が 0.3mm 以下の領域ではピーク波長が広範囲で変動していることがわかる。L＝0.0mm の発振スペクトルを見ると、ASE（自然放射増幅光）になっており、発振波長が固定さていないことがわかる。一方で、L=0.6mm 以降はピーク波長が 2799.7nm 付近に固定されているように見えるが、実際は L=1.5mm の波長スペクトルのようにレーザ発振と微弱な ASE 光が混在しているような状態である。また、発振波長は反射率の増加とともに長波長側へと段階的にシフトしている様子が確認できる。これは、FBG反射率が上昇しレーザ媒質内の閉じ込めが強くなるにつれて、励起強度が増加していることに起因する。最終的に
L＝2.5mm 以降は、ASE 光は確認できず、安定したレーザ発振が得られるようになる[3]。

2800

0.152795
279027852780

L = 0.0 mm

1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

0.20.40.60.8Grating length /mm, L
図５0.05
2700
0.20

2750

2800

Wavelength / nm

2775

0.100.00

2700

0.0

L = 1.5 mm

0.20

2799.7 nm
Intensity / a.u.

Wavelength at peak / nm

2805

1.0FBG 描画中の発振波長変化の様子

2750

2800

L = 2.5 mm

0.150.100.050.00
2700

2750

2800

0.300.10.20
0.10
0.00

0.000.5

11.52(a)Grating length /mm, L

図６1.10.8

10.70.920 30 40 50 60 70 80 90 100 110

20(b)

2.5

0.90.6レーザ出力と FBG 反射率の変化の様子

さらに、レーザ出力のインプロセス中の観察結果を図５

Wavelength / nm

0.40

Reflectivity, RB

Output power /W@2 W input

1.0Output / W

10.50

2805
2800
2795
2790
2785
2780
2775

902805160

230300Slope: 15.9 pm/

2800

R² = 0.9988

2795
20 50 80 110 140 170 200 230 2602090に示す。グラフより、グレーティング長が大きくなるにつれて、対数関数的にレーザ出力が増加することが確認され

図７160
Temperature /230300FBG の温度特性た。図中の破線は反射率を対数表示で示しており、反射率の増加に伴ってレーザ出力が増加していることが認めら

６．高出力レーザ発振器の試作本手法を用いて作製した FBG を利用した高出力レーザれる。

発振器の評価を行った。予備実験では、レーザ出力 5W で４．FBG の温度特性作製した FBG について、実用性能を評価するために温度特性を評価した。使用したフッ化物ファイバの材料のガラス転移温度はおよそ 265℃、軟化点はおよそ 295℃である。図７は、レーザ発振中の FBG 近傍を温調装置により加熱した際の温度特性グラフである。図７(a)は平均出力、（b）は発振波長を示す。加熱を開始し、90℃付近から平均出力は減少し、軟化点付近の 290℃付近で急降下していることがわかる。また、発振波長については、加熱開始から長波長側へ変化し、ガラス転移温度付近の 260℃で大きく変化していることがわかる。260℃までの近似直線から波長安定性を算出すると、15.9pm/℃であり、非常に安定的な FBG であるといえる。
海外の先行研究[4]と比較すると、Bernier らの実験では、125℃に加熱した時点で屈折率変調量は 50%以上減少することが確認されている。一方、本実験で作製した FBGは 125℃では、75%までの減少にとどまっており、より熱耐性に優れているといえる。この違いは、フェムト秒レーザで屈折率変調領域を形成させる際の照射フルエンスの違いに起因しており、本手法による屈折率変調量の最適化が頑健なレーザ発振器の実現に効果的であるといえる。

Transmitted laser (2.8 µm)

連続発振時間 2000 時間を達成している。用いた発振器は図８のように構成され、Er 添加フッ化物ファイバの両端に反射率の異なる FBG が付与されている。高い反射率を有する FBG を HR-FBG、低い反射率の FBG を LR-HBGとして、それぞれ全反射ミラーと部分反射ミラーとして機能させた。
本実験では、レーザ発振効率（発振出力／励起出力）と、出力安定性、波長安定性を評価した。図９に示すように本構成により、波長 2838nm にて最大出力 35.4W が得られ、世界最高クラスの中赤外 3µm 光源を実証した。高出力側における発振効率は 15%程度であり、想定していたよりも発振効率は低い結果となった。また、HR-FBG におけるレーザ光（2838nm）の透過率を観察したところ、実験中においては大きな変動がないことを確認した。この透過率が増加してしまう場合、レーザ発振中に FBG が加熱され、屈折率変調量が減少していることを示すが、本実験ではそのような現象は確認されなかった。図１０に示される
波長安定性（実験構成の都合で出力 21.8W 以下）については、どのレーザ出力においても 2838nm で発振しており、安定したレーザ発振が得られた。
つづいて、長時間計測により出力安定性を評価した結果

6%Er-doped
φ15/240µm
L = 6.5 m

PM1UDF

Laser output (2.8 µm)
UDF

PM2LD2LD10.98 µm

DMHR-FBG
LR-FBGEC
EC(L = 4.0 mm, R = 99%) (L = 0.3 mm, R = 13%)

図８高出力レーザ発振器の模式図

DM0.98 µm

Output power, Po / W

4.025

LD1+LD2
3.020
η(<20W) = 22.9%

15102.0LD1

1.0

500.0050

100

150

200

0.6

0.4

6.0 W
11.2 W
17.8 W
21.8 W

0.3

0.2

0.1

Absorbed pump power, PI / W

図９λpeak = 2838 nm

0.5

Optical intensity (a.u.)η(>20W) = 15.2%

30

Ratio of transmitted power from FBG , PT・Po-1 / %5.03502820

レーザ発振効率

図１０を観察したところ、少なくとも 60 分間の発振実験ではあとに 35W の長時間試験を行う際に励起用 LD1 に接続

2832

2838

2844

2850

Wavelength/ nmを図１１に示す。出力 19W と 30W における出力安定性出力の変動は全く見られず、出力 30W の 60 分間試験の2826

レーザ出力毎の発振波長いても、本手法により最適化することで想定される課題は解決可能であると考えられる。

されている石英ファイバが損傷し、実験を終了させた。しかし、3µm 帯レーザにおいて、出力 30W を超える長時間謝発振実験では、世界最高記録の結果[5]が得られた。以上の結果から、発振器全体としては、発振効率や周辺素子の耐性については課題が残るものの、作製した FBG については、実用性能を充たしていると判断した。

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支援を受けて実施しました。深く感謝いたします。また共同研究者である大阪大学レーザー科学研究所 准教授
時田茂樹氏、核融合科学研究所 上原日和氏、三ツ星ダイ
ヤモンド工業 村上政直氏に感謝します。

５．まとめ
フェムト秒レーザの高い加工再現性と局所的改質能力を利用して実現される加工性能を FBG 描画技術に活用し、FBG の性能評価手法を開発した。本手法により最適化された FBG は、出力安定性、波長安定性といった実用性能を十分に満たしており、実用上の課題は解決していると結論付ける。また、将来的な高出力発振器の実証実験においOutput power / Wて、FBG ミラーのカスタマイズが必要になった場合にお参考文献[1]

時田茂樹, 天田財団報告書 AF-2013214.

[2]

K. Goya, et al., Proc. SPIE 1089919, 2019.

[3]

K. Goya, et al., Opt. Express 26, 33305, 2018.

[4]

M. Bernier, et al., Opt. Lett., 32, 455, 2007.

[5]

K. Goya, et al., Appl. Phys. Express 12, 102007, 2019.

40

31.0

35

30.5

30

30.0

LD1 break25
20

y = 0.0017x +30.636
40

44

46

48

50

20.0

y = 0.0022x +19.230

19.5

15

42

19.0

1040

4244

46

48

50

50020
40
Elapsed time /min.
図１１60

Power Max. /W Min. /W Ave. /W RMS%
19 W
19.47
19.06
19.30
0.3130 W
30.91
30.39
30.680.25

出力 19W と 30W における出力安定性