LD励起モード同期Yb3+:Y2O3セラミックスレーザーの研究
植田研究室

谷所

基行

1. 序論
「フェムト秒モード同期レーザー」は超高速物理現象や化学現象の観測や、微細加工技術など様々な分野に有効である｡その中でもYb3+:Y2O3はLDで励起が可能というコスト面で非常に優れた点がある。しかし、今までは単結晶を用いた報告が多く、セラミックスを用いた報告は少ない｡
セラミックスは単結晶に比べて作成の自由度が高く、特にY2O3は高融点(約 2430℃)のため単結晶成長が非常に困難であったが、セラミック技術によって容易に作成することが可能となった｡本研
究ではYb3+:Y2O3セラミックスを用いて「SESAM モード同期」と「カーレンズモード同期」の 2種類のモード同期実験に試みる｡

2. Yb3+:Y2O3セラミックス
laser

本研究では、Ybを 8%添加した厚さ 1.5mmの30-1)

Yb3+:Y2O3セラミックスを使用した｡その吸収とAbsorption Coefficient (cmミックスのモード同期発振は波長 1037nmと1076nmで得られる｡本研究では 1037nmでモード同期発振に試みる。この理由は、図.1 より
Yb3+:Y2O3 セ ラ ミ ッ ク ス の 誘 導 放 出 断 面 積 は1037nmのほうが大きい。誘導放出断面積が大きることができる｡すなわち、利得飽和を容易

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図.1pump151050850

いとSESAMにおける飽和強度Isat を低く設定す

Fluorescence (arb. units)

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蛍光のスペクトルを図.1 に示す。Yb3+:Y2O3セラ

90095010001050
Wavelength (nm)11001150

Yb3+:Y2O3セラミックスの吸収と蛍光のスペクトルにし、モード同期が得やすくなる｡逆に 1076nmではIsatが大きすぎるので、Q-スィッチによる不安定性によりモード同期が得にくくなる。同時にSESAMを壊しかねない｡

3. モード同期の原理
本研究で用いるSESAM(半導体可飽和吸収体鏡)
は、A-FPSA構造をしており、飽和吸収 2%、中心波長 1045nm、飽和フルーエンス 30μJ/cm2、キャリア回復時間 10psである。構造を簡単に言えば、反射率の高い鏡の表面に可飽和吸収体を担う半導体がコーティングされたものである。SESAMに光強度の強い光が入射すると、吸収体の吸収係数が減少し始める。やがて、飽和強度Isatに達すると、SESAMはほぼ吸収飽和し、高い反射率をもった鏡となる｡この間、光は共振器中へパルスとなって放出される。このパルスの発生が共振器中で一定の間隔で繰り返され、モード
1

図.2

SESAMの吸収飽和とパルス発生の原理損失小同期となる｡

損失小カーレンズモード同期は空間的カー効果による利得変調が媒スリット質に屈折率分布を生じ、これがビームを集束させる。すると､共非線形媒質ビーム径振器のほぼ全体にわたり、光強度が強いほどビーム径は小さくスリットなるから、そこへスリットを挿入し、損失変調を起こすことによって、モード同期となる。

損失大2 つのモード同期の違いはパルスが発生する時間である｡

損失大SESAM のパルス発生時間、即ち吸収飽和から回復する時間は

図.3 自己集束効果とスリットの組合せ

約 20ps である。それに対し、カーレンズ効果が起こり、パルスが発生する時間はもっと短い(フェムト秒領域)｡これにより、カーレンズモード同期では SESAM モード同期に比べてパルス幅が短くなると予想できる｡本研究では SESAM

output coupler 1

T=3%によるモード同期発振を観測後､カーレンズ

Yb3+:Y2O3

Knife Edgeを期待した｡

4W@950nm
1×100μm2

M2

M3(18℃)

M1

LD

4. 実験
4.1 SESAM モード同期

SESAM

Prism2

モード同期により､さらなるパルス幅の短縮

Prism1
output coupler 2

T=2%

図.4 がSESAMモード同期発振の実験図でM5ある｡使用した励起光源は波長 950nmのLD冷却装置を施し､19℃に保った｡4 枚のシリンドリカルレンズによって、LDのビームを 30×160μm2ぐらいに変えた｡実験の流れはまず図.4 の破線で示したラインでTEM00モード発振させる。次にプ

図.4 SESAMモード同期実験図(上)と発振スペクトル(下)リズム(Prism 1)を挿入し、実線で示したラインで発振させる 方 法を とっ た 。試 料Yb3+:Y2O3 は発 振 しき い値 が 低 い
1076nm付近で発振を開始する。1035nm付近での発振は、ナイフエッジを挿入する事で得た。共振器設計により､ビー
ム径は試料付近で約 23μm、SESAM付近で約 47μmとなっている。共振器長はで 1.53m繰り返し周波数は 98MHzに相当する｡ブリュースタープリズムは、パルス幅の広がり

図.5 モード同期パルス波形(10ns/div)を補償するために用いた(negative GDD)｡LD の出力を次第に上げていき、励起強度 1.8W になった時、モード同期を得た(SESAM が吸収飽和し、出力が~55mW から~65mW まで2.4n m上昇)。この状態のまま、励起強度を最大にし、平均出力190mW を得た(最大励起強度 4W)｡しかし、励起強度を強めるほど、CW 発振がスペクトルに観測され始め、モード同期は不安定になっていくのがわかっった。
図.62

モード同期発振時のスペクトルパルス幅の測定は、第２次高調波発生現象を利用

Mode-lockedlaser

した自己相関計を利用した｡第 2 次高調波発生のための結晶には、厚さ 0.5mm のBBO(type-I βP MD-BaB2O4)を用いた｡

P in ha ll

BB O2ω

観測した相関波形の相関幅⊿τ(FWHM)と実際の

ωfilte r

パルス幅tp (FWHM)との間にはパルス波形に依存

stageωPC

Beamsplitter

した一定の関係がある。

∆τtp= 1.55

図 .7 自己相関計

この関係から､パルス幅は tp=543fsであることがわかった。
以下に得られた結果をまとめる。
⊿τ=0.842

図.8平均出力190 [mW]

スペクトル幅2.4 [nm]時間帯域幅積0.363

パルスのエネルギー

1.93 [nJ]

相関波形(sech2-fitting)

4.2 カーレンズモード同期
M4T=3%

Prism2
Knife Edge
4W@950nm
1×100μm 2

カーレンズモード同期では、媒質をはさoutput coupler 1M3slit

重要になってくる｡そこで、各凹面鏡からM2終端までの距離が等しい対称型共振器とM1

LD終端までの距離が等しくない非対称型共Prism1

output coupler 2

T=2%

む 2 枚の凹面鏡の間隔(M1~M2)が極めて振器の 2 種類の共振器を構成した。図.9には対照型共振器を示した｡対照型共振

M5器は､非対称型に比べ、安定なモード同期
図.9発振が対称型共振器によるカーレンズモード同期実験図得やすいことが指摘されている｡現に､シミュレーションでは共振器の安定条件を満たすような凹面鏡の間隔は非対称型に比べ､対称型は広範囲に及ぶことが分かった(図.10)｡21μm

実験は SESAM モード同期のときと同様に行った｡共振器の両腕の長さは等しい 0.9m で、共振器長は 1.8ｍ(繰返し周波数83ＭＨｚ)とした。スリットを適当な幅に狭めると､変調は垣間見られたが、モード同期発振は観測することはできなかった｡
透過率 1%の output-coupler に換えても観測できなかった｡
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図 10 ビームウェストの変化(対称型)5.結論
図.11 は波長 1076nm で観測した緩和発振と Q-スィッチである。
カー レンズモード同期が観測できなかった原因はいくつか考えられる。
①

カーレンズモード同期は SESAM
モード同期に比べてアライメントが非常に難しい。自らのアライメントの腕を磨くことが最重要課題である｡②

モード同期には高い共振器内パワ ー

図.11

観測した緩和発振及び Q-switching 発振（1076nm）が必要である。しかし、CW 発振時の引き出し効率は相対的に低かった。プリズムなどの内部損失を軽減する方法を検討する必要がある。
③LDから共振器に入射するビームの形は、シリンドリカルレンズを通したとはいえ、30×160μm2という平たい形をしている。したがって、励起光とレーザー光のモードミスマッチングを改善しなければならない。

④共振器設計において、sagittal面、tangental面で凹面鏡の実効的な焦点距離fs,ftが異なる。
また、光線行列を解く際、媒質の厚さ、自己収束効果、線形屈折率及び非線形屈折率を考慮に入れなかった。これらを考慮した計算を行ない、光強度とビーム径の関係や凹面鏡の間隔を精密に解析してみる必要がある。

⑤

カーレンズ効果を起こしやすくするためにもう少し厚さのある試料を用いてみる必要がある｡

は得られたが、期待していた出力及びパルス幅は得られなかった。観測したモード同期も不安定であった。安定なモード同期を得るためにはQ-スィッチ

R (E p )A bsorber
R e fle c t i v it y

SESAMモード同期においてもモード同期発振

M u lt i p le
P u ls in g
I n s t a b ili t ie s

E p > > E satを防がなければならない。この場合は、パルスのエネルギー密度 Ep が飽和フルーエンス Esat より十分大きければ防ぐことができる。しかし、Epはマルチパルス化の影響により上限がある。SESAMでの吸収飽和が大きいとモード同期したパルスは分割されやすくなる。レーザーの利得域を減少してしま

E sat =hυP u ls e E n e r g y
D e n s it yon A b sorb er

Epσ eff

図.12 SESAMの反射率とエネルギー密度の関係うために各パルスの平均利得も減少してしまう。あるパルスエネルギーの中に 2 つ、3 つとパルスが存在し(それぞれのパルスはパワーも小さい)てしまうので、スペクトルも狭くなってしまう。
今後は、Q-スィッチを防ぎかつマルチパルス化が起きない程度の最適なEpを検討する必要がある｡
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