中赤外 Cr2+:ZnSe/ZnS 遷移金属レーザーの開発
戸倉川研究室 三井崚平
1. はじめに添加ファイバーや Tm 添加ファイバーによる励起が近年、中赤外領域に発振波長をもつレーザーは可能である。両媒質ともに非線形屈折率が高く非線様々な応用が期待されている。例えば、波長 2.1~2.3

形光学効果を起こしやすい、セラミック媒質であるこµm には生体組織への透過率の高い透過窓がありとからランダム疑似位相整合が可能である、などの光イメージング技術や光治療システムなどの医療応特徴がある。Cr2+:ZnSe/ZnS の相違点として吸収スペ用 [1]、非酸化物系の非線形結晶を用いた 3~20 µm

クトルや蛍光スペクトルのピーク位置の違いのほか帯への波長変換が可能であり分子分光応用[2]などに、Cr2+:ZnSe と比較して Cr2+:ZnS は二次透磁率がの応用がある。

高い、バンドギャップが小さいなどの違いがある。

本研究では前者に含まれる生体顕微鏡応用にむ

2.2 主発振器出力増幅器(MOPA)

け て 、 波 長 1.9~3.4 µm 帯 に 利 得 を 持 つCr2+:ZnSe/ZnS 遷移金属レーザーの開発、ならびに今 回 の 研 究で は 励起 用 光源 と し てフ ァ イバ ー

その励起光源として波長 1611 nmEr:Yb ファイバー

MOPA を作成した。主発振器出力増幅器(MOPA)とMOPA の開発を行った。

は高安定な種光と高出力な光増幅器をそれぞれ独立に制御する。よって種光の高ビーム品質を維持し2. 原理

たまま高出力を得ることができる。今回の構成を図 22+

2.1 Cr :ZnSe/ZnS 利得媒質の特徴に示す。

今回実験で用いた Cr2+:ZnSe/ZnS は中赤外のチタ
ンサファイアと呼ばれ、特に特徴的である幅広い蛍光スペクトルを図 1 に示す。

図 2 MOPA 構成図
図 1 Cr2+:ZnSe/ZnS の吸収断面積および本研究では 2 段階の増幅構成としておりそれぞれ蛍光断面積[3]Er ファイバー、Er:Yb 共添加ファイバーを用いた。前者は有名な遷移線として 1540 nm 帯に発振波長をも蛍光スペクトルの中心波長は 2400 nm 付近であり、ち、光通信の分野では多く使われているファイバー

1900~3400 nm に広く分布しており、超短パルス発振であり、今回の実験では一段階目の増幅に使用した。にも適していることがわかる。また、吸収断面積も

後者は Yb の励起準位からエネルギー伝達現象を利1500~2100 nm に存在し、比較的入手のしやすい Er用して Er の準位間で反転分布を形成させ、誘導放1出を行う仕組みで信号光を増幅させる。これは Yb の1𝜆 2𝑤(𝑧) = ( )𝜋𝑛 [800~1100 nm の吸収帯を利用できるといった利点だ
けではなく、Er イオン濃度を増やしたときのイオン間同士での相互作用に起因する濃度消光による増幅

1([𝐵])21(6)1 − [(𝐷 + 𝐴)/2]2 ]4と求まる。

効率低下を防ぐことが可能であり、より高出力が得られるといった利点もある。しかし欠点として誘導放出2.3.2 非点収差断面積(@1610 nm)が小さく、Er や Yb の増幅自然放レーザーが角度をもって、ミラーや物体に入射する出光(ASE)などを防ぐためには十分に高い種光を結と収差が発生する。この収差についても安定条件を合する必要があり、二段階目の増幅に使用している。

満たすように共振器の設計を行わなければいけない。

以降の実験ではこれを励起光源に用いた。

まず、ミラーに角度をもって入射するときには光学台からの水平面と垂直面での収差𝑓𝑥 と𝑓𝑦 は、入射角𝜃

2.3 共振器設計として次のように起こる。[5]2.3.1 自己無撞着法
共振器の安定な固有モードにおいて、光電磁界は
𝑓𝑥 = 𝑓 cos 𝜃 , 𝑓𝑦 =共振器内を一周巡回したときに元の分布に回帰して𝑓cos 𝜃(7)いなければならないという条件を課す。このような手法を自己無撞着法という。ある地点の定常複素ビー

また、異なる屈折率を持つ物体に光がブルースター

ムパラメータ𝑞𝑠 は角入射するとき、屈折率比𝑛、厚さ𝑡の媒質に対する𝑞𝑠 =

𝐴𝑞𝑠 + 𝐵
𝐶𝑞𝑠 + 𝐷

水平面と垂直面での有効光路長は、それぞれ𝑑𝑥 と(1)𝑑𝑦 としてと表され[4]、これを満たさなければならない。これを解くと1 (𝐷 − 𝐴) ± √(𝐷 − 𝐴)2 + 4𝐵𝐶=
𝑞𝑠2𝐵

𝑑𝑥 = 𝑡√𝑛2 + 1√𝑛2 + 1,𝑑=𝑡𝑦𝑛4𝑛2(8)(2)

ここでパラメータ𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷は光線行列から求められと表せる。[5]これらを考慮して共振器構成を行った。

る値でユニモジュラー行列だから
1 𝐷 − 𝐴 𝑖 sin 𝜃=+𝑞𝑠2𝐵𝐵

3. 波長 1611nm Er:Yb ファイバーMOPA 開発(3)

MOPA は図 2 に示す全体図で先行研究を参考に作成した[6]。今回使用したファイバーは全て PM ファのように表せられる。ただし𝑐𝑜𝑠 𝜃 =イバーである。

𝐷+𝐴𝐷+𝐴, 𝜃 = ± |𝑐𝑜𝑠 −1 ()|22

種光源として波長 1611 nm、出力 40 mW の DFBである。また、複素ビームパラメータは
11𝜆=−𝑖𝑞 (𝑧 ) 𝑅 (𝑧 )𝜋𝑛𝑤(𝑧)2レーザーを用いた。第一増幅部は、Er 添加ファイバーを波長 1480 nm、出力 500 mW LD からの出力光(4)で前方励起増幅を行った。使用した利得ファイバーは長さ 3.9 m、コア径 6.7 µm、NA≈0.22 である。第二と定義されるので、(3)と(4)の対応関係から
𝐷+𝐴||<12

増幅部は Er:Yb 共添加ダブルクラッドファイバーを波(5)長 915 nm、出力 20 W LD からの出力光で後方励起でなければならず、これが共振器の安定条件となる。

増幅を行った。使用した利得ファイバーは長さ 15 m、また、ビーム径wはコア径 6 µm、NA≈0.2 である。このときの第二増幅
2

LD の入力が 7 A のときのスペクトルを示す。

実験構成を図 5 に示す。利得媒質は結晶厚さ t=5mm で Cr2+濃度 9.3×1018 cm-3 の Cr2+:ZnSe 媒質をブルースター角で配置し、水冷で 15 ℃に冷却した。
Chirped Mirror(CM)、凹面鏡(M1、M2:曲率 100 mm)
は高反射ミラー、励起光の集光用レンズはそれぞれf1=75 mm、f2=18.4 mm を用いた。出力特性と波長可変特性について透過率がそれぞれ 1,3,10,20,30%のアウトプットカプラ(OC)を使用し、測定を行った。その結果を図 6,7,8 に示す。OC 透過率 20%時に最大

図 3 第二増幅後のスペクトル146 mW@750 mW 励起、スロープ効率 39.7%、波長図 3 が示すように ASE が発生した。これらの ASE

可変特性 2250~ 2550 nm となった。スロープ効率のを除去するためにバンドパスフィルターを ASE フィル取り出し依存性から共振器一周の損失は 11%程度ターとして挿入した。これらを挿入した最終出力を図と見積もられた。

4 に示す。

図6
図4Cr2+:ZnSe レーザー出力特性比較

MOPA 出力特性

このときのスロープ効率は 8%であった。先行研究
では同じ構成でスロープ効率が 20%であった。このようにスロープ効率が低下した原因として実験中にEr:Yb 共添加ファイバーにダメージが入ってしまったことが原因だと考えられる。ファイバーの交換を行えば先行研究同様のスロープ効率を得られると考えら
図7れる。

Cr2+:ZnSeレーザー波長可変特性比較

4. MOPA 励起 Cr2+:ZnSe レーザー開発

図8
図5

Cr2+:ZnSe レーザー実験構成図

3Cr2+:ZnSe レーザー中心波長比較

5. MOPA 励起 Cr2+:ZnSe レーザー開発

連続発振実験(A)では 2340 nm 付近で多波長発振し、スロープ効率 33.0%,1 W 励起時最大出力 288 mW。
モード同期実験(グラフェンなし)(B)ではスロープ効率34.0%,1 W 励起時最大出力 296 mW。モード同期実験(グラフェンあり)(B)でスロープ効率 15.2%,1 W 励起時最大出力 97 mW を得られた。しかしモード同期

図9Cr2+:ZnS レーザー実験構成図発振は得られなかった。これは可飽和吸収体の飽和が十分でないことが考えられ、共振器内光強度を増実験構成を図 8 に示す。実験系は Cr2+:ZnSe レやす必要があると考えられる。

ーザーと同様の構成で一部を変更した。変更点とし

6. まとめて利得媒質は結晶厚さ t=4 mm で Cr2+濃度 5.35×18-32+

10 cm の AR コートされた Cr :ZnS 媒質を励起光励起光源用波長 1611 nm Er:Yb fiber MOPA で最に対し垂直に配置し、ペルチェで温度制御を行い、大出力 1 W@13 W 励起時,スロープ効率 8%を得た。

OC には 10%を用いた。また、連続発振実験(A)に加Cr2+:ZnSe レーザーでは、透過率 20%時に最大出え共振器の CM 部を図 8 のように凹面鏡(M3、M4:力 146 mW@750 mW 励起、スロープ効率 39.7%、波曲率 200 mm)二枚とその集光部に単層グラフェンを長可変特性 2250~2550 nm を得た。

設置する構成に変更し、単層グラフェンによるモード

Cr2+:ZnS レーザーでは、最大出力 296 mW@1 W

同期実験(B)を行った、このときグラフェンの有無で励起、中心波長 2332 nm スロープ効率 34.0%を得て、両方測定した。連続発振時(A)とモード同期実験(グ単層グラフェンでモード同期実験を行った。

ラフェンなし)(B)、モード同期実験(グラフェンあり)(B)

今後は、応用に向けて実際に必要な波長であるの出力特性の結果を図 10 に示し、連続発振時のス2100~2300 nm で発振するかについて Cr2+:ZnS レーペクトルを図 11 に示す。

ザーで波長可変特性を調べるとともに、単層グラフェンを可飽和吸収体に用いたモード同期を確認する。

参考文献[1] S Golovynskyi et al., Journal of Biophotonics,11,112(2018).
[2] A. Schliesser et al., Nature phtonics,6,440-449(2012).
[3] S Vasiley et al., Optical Materials Express,7,2636図 10Cr2+:ZnS レーザー出力特性比較

2650(2017).
[4] A. Yariv,"光エレクトロニクス 基礎編 原書 6 版", 丸善(2010).
[5] H. Kogelnik et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-8,373-379(1972).
[6] 藤田慧祐, 電気通信大学院 2017 年度 修士論文.

図 11 連続発振 Cr2+:ZnS レーザースペクトル4