813 nm ファイバ増幅器励起用 Yb ファイバレーザーの開発
武者研究室

遠藤

駿

2. Tm3+:ZBLAN ファイバ

1. はじめに
次世代の時間標準の最有力候補としてTm は希土類で唯一 810 nm 帯に蛍光をSr(ストロンチウム)光格子時計が注目され持ち、Tm を添加したファイバを用いるこている。光格子時計はこれまでの時間標準とでファイバベースの小型でアライメントよりもはるかに周波数安定度が良い[1,2]。

不要の光源を開発することが可能である。

しかし、大きな欠点として可搬化が難しく、

図 1 に Tm のエネルギー準位図を示す。Tm

一部の光格子時計を用いた応用を困難にしを 810 nm 帯で蛍光させるには、790 nm でている。可搬化が難しい理由の 1 つとして励起する方法と、1064 nm で励起する方法

は、Sr トラップ用光源に用いられているの 2 通りが存在する。Tm は吸収断面積がTi:Sapphire(チタンサファイア)レーザーは、小さいことから高輝度励起する必要が存在大型かつアライメントが必要なためである。

するため、高輝度な光源が存在する 1064

そのため、我々は Ti:Sapphire laser の代わりnm の励起方法を採用した。励起光源にはとなる新たなトラップ光源の開発を行って多くがファイバで構成されているため小型きた。トラップ光源には、波長 813 nm、狭化が可能で、高輝度な Yb ファイバレーザ

線幅、出力 1W 以上などが求められている。

ーを選択した。

この要求値を満たすため線幅が細いECLD(External Cavity Laser Diode)の出力をTm3+:ZBLAN(ツリウム添加

ZrF4/BaF2/LaF3/AlF3/NaF)ファイバ増幅器を用いたプリアンプとメインアンプの 2 段で増 幅 す る 光 フ ァ イ バ MOPA (MasterOscillatorPower Amplifier)システムを開発している。波長 813 nm、狭線幅、出力 1 W以上を達成することができたが、さらなる安定動作、高出力化のためにプリアンプを図1

Tm のエネルギー準位図さらに一段増やした系の開発を進めている[3]。そこで本研究では 2 段目のプリアンプ

しかし、一般的なファイバの母材であるの励起光源である(イッテルビウム)ファイシリカガラスであると 810 nm 帯の上準位バレーザーを開発し、その性能の評価を行

寿命が約 14 µsと短く十分増幅できないう。また、開発した Yb 添加ファイバレー

[4]。そこで、母材をシリカから ZBLANザーを用いたプリアンプの評価も行う。にすることにより約 1300 µsと蛍光に十分な上準位寿命を得ることができる。
ZBLAN ファイバは、ZrF4-BaF2-LaF3-

AlF3-NaF で構成されており、フォノンエネルギーが小さいため非発光遷移の影響が小さく、発光準位でシリカファイバよりも長い上準位寿命を得ることが可能である。

3. Yb ファイバレーザー
Tm3+:ZBLAN ファイバ増幅器の励起光源として Yb ファイバレーザーの開発を行なった。Yb ファイバレーザーの要求値として、

図3

Yb ファイバレーザーの出力特性

図4

Yb ファイバレーザーの出力特性

出力 4 W 以上、発振波長 1064 nm、小型であることが挙げられる。
図 2 に作成した Yb ファイバレーザーの構成を示す。

図2

Yb ファイバレーザーの構成開発した Yb ファイバレーザーの発振閾値

利得ファイバには Yb 添加 PM ダブルク

は約 130 mW、スロープ効率は 51.1％、最ラッドファイバを用いた。しかし、Yb は大出力は 4.53 W となった。また、作成後1064 nm に吸収を持つので、利得ファイバは 200 mm×300 mm の大きさとなった。スの長さを過度に長くすると信号光が吸収さロープ効率は Yb ファイバレーザーとしてれてしまい出力が小さくなってしまうため、低い値となってしまった。このような結果利得長は適切でなくてはならない。そこで、になってしまった原因として、利得長が短シミュレーションを用いて利得ファイバ長か過ぎてしまったのと、巻き形が小さすぎを 4.5 m に決定した。Yb ファイバレーザてしまったことが挙げられる。シミュレー

ーの出力と発振スペクトルを図 3、4 に示

ションでは利得ファイバの最適長は 7 m ほす。

どであったが、利得が飽和状態に近づいており、要求値を満たす利得が得られることが予想されたため、4.5 m で用いた。また、巻き形に関してはマルチモードファイバにおいて半径 2 cm ほどに巻いており、高次を図 6、7 に示す。のモードの伝搬条件が解けて大きな損失となっていると考える。 これらの他にも微小ながらファイバ内を伝搬する際の損失、融着点での損失も考えられる。しかし、小型が求められており、Yb ファイバレーザーの要求値を満たしていたことから巻き径の変更を行わなかった。

4. プリアンプ

図6プリアンプの出力特性

図7

プリアンプのスペクトル作成した Yb ファイバレーザーを既存のプリアンプの励起光源と交換し、正常に動作するのかテストを行なった。プリアンプの構成を図 5 に示す。

図5プリアンプの構成
励起 1 W で出力が 150 mW となり、発プリアンプの利得ファイバには振波長は 813.30 nm で信号雑音比 40 dB とTm3+:ZBLAN ファイバを用いている。利なった。発振波長のずれは ECLD の温度を得長と添加濃度は我々のグループで行なっ調整することで対応である。しかし、出力てきた過去の実験の経験から決定していと信号雑音比は以前のプリアンプが 200る。また、利得ファイバ端面はmW、50dB 以上であったことから悪い結果APC(Angled Physical Contact)研磨であとなってしまった。また、光増幅器は発振り、利得ファイバ端面での反射光が外部に閾値を持たないはずであるが、出力特性か逃げる構造となっている。これにより端面ら発振閾値を持ってしまっている。これらで信号光が反射してしまうことで共振器構は、信号入力側の Tm3+:ZBLAN ファイバ造を組み信号光と異なる波長で発振してし端面の損傷とみられる。使用したまう現象である寄生発振を抑えている。

Tm3+:ZBLAN ファイバは、湿度が適切な状プリアンプの出力特性と発振スペクトル態で保存されていなかったため端面が湿気によって劣化してしまったと考えられる。

ーのスロープ効率は 51%で最大出力 4.5 W

次にプリアンプの相対強度雑音を図 8 にとなり、1064 nm で発振することを確認で示す。なお、雑音源特定のため励起光源ときた。この結果はプリアンプ用の励起光源

ECLD の相対強度雑音も図 8 に示した。の要求値である出力 4 W で発振波長 1064nm の条件を達成している。
作成した Yb ファイバレーザーを用いてプリアンプを励起し、出力と相対強度雑音を測定した。出力、信号雑音比共に以前のプリアンプよりも性能が悪い結果となった。
これはファイバ端面の損傷によるものであり、ファイバを交換することで対応が可能

図8

プリアンプ(赤)、励起光源(青)、である。相対強度雑音は、低周波領域で励ECLD(黒)の相対強度雑音

起光源の雑音が大きく、高周波領域において種光源やプリアンプの雑音が見られた。

低周波において Yb ファイバレーザーと同様の雑音特性となっているのがわかる。

6. 参考文献

これは低周波において Yb ファイバレーザ[1] M. Takamoto, F. Hong, R. Higashi and H.

ーにの励起光源である LD の励起に用いたKatori “An optical lattice clock” Nature 435 321

電流源の雑音がかなり支配的なためであ(2005)

る。また、200 kHz 付近に Yb ファイバレ[2] B. J. Bloom, T. L. Nicholson, J. R. Williams,

ーザーの緩和発振由来と思われる雑音特性

S. L. Campbell, M. Bishof1, X. Zhang, W. Zhang,が見られる。一方、1 MHz 付近において

S. L. Bromley and J. Ye “An optical lattice clock

は種光源の ECLD の雑音特性が見られwith accuracy and stability at the 10%&' level”

る。また、10 MHz 付近の雑音は励起光

Nature 506 71 (2014)

源、種光源由来のものではなくプリアンプ[3] K. Kohno, Y. Takeuchi, T. Kitamura, K.

由来のことがわかる。これは自然放出光にNakagawa, K. Ueda and M. Musha “1 W single-よる雑音と考えられる。

frequency Tm-doped ZBLAN fiber MOPA
around 810 nm” Opt. Letters 39 2191 (2014)

5. まとめと今後の予定[4] P. Peterka, I. Kasik, A. Dhar, B. Dussardier,Sr 光 格 子 時 計 の ト ラ ッ プ 光 源 用 のW. Blanc “Theoretical modeling of fiber laser at

Tm3+:ZBLAN ファイバを用いた光増幅器

810 nm based on thulium-doped silica fibers withを励起する波長 1064 nm の Yb ファイバレ

enhanced 3H4 level lifetime” Opt. Express 19ーザーの開発を行った。Yb ファイバレーザ

2773 (2011)