可飽和吸収体を用いた Q スイッチ位相同期マルチコアファイバーレーザー
白川研究室1

久保内 照雄はじめに和吸収体を用いて受動 Q スイッチと in-phase モ

ファイバーレーザーは導波路構造により空間ードの選択を同時に行った。

モードを制御できるため高いビーム品質を有す

2る。また、高冷却性、優れた可搬性、メンテナ

2.1

原理
マルチコアファイバー

ンスフリーなど多くの利点を有する。特に 1990

マルチコアファイバーは(MCF)は同一ファイバ

年代後半からの高出力化の発展はめざましく、ー内に複数のコアを配置したものである。MCF は、高平均出力レーザー分野においては、他のレーすべてのコアが共通の環境下におかれているためザーよりも勢いが有る。現在シングルモード連位相温度揺らぎに強く、隣り合うコアが近接して続発振(CW)出力で 10 kW の出力が報告され、いることにより各コアがエバネッセント光によっ既に製品化されている。しかし、ファイバーレて結合している。このことにより、MCF はスーパ

ーザーは誘導ラマン散乱などの非線形効果によーモードの励振が可能である。スーパーモードはり出力の上限が決定される。この問題を解決すそれぞれのコアを伝搬するコアモードの線形結合

る 1 つの方法として、同一ファイバー内に複数から形成されており、これらのコア電界のどの２のコアを配置した Yb 添加の MCF を用いる方法

つをとっても、その間の相対位相差は常に変わらがある。ただし、コア数を増やしたところで輝ない。また、全コア共通の伝搬定数で伝搬する[2]。

度をスケーリングすることはできない。輝度を

図 1 に近視野での 6 コアの MCF のスーパーモスケーリングするためには、コアを励振するレードの電界分布の計算結果を、図 2 に遠視野でのーザーの位相を合わせて重ね合わせるコヒーレ強度分布の計算結果を乗せる。

ントビーム結合(CBC)する必要がある。今回我々が用いた MCF はフォトニック結晶構造を有する MCPCF である。MCPCF では、それぞれのコアは固有モードを励振し、この固有モー

図 1. 近視野での電界分布

ドがエバネッセント結合することによりスーパーモードを形成する。MCPCF を励振するスーパーモードは、コア数分だけ存在する。そのスーパーモードの中で in-phase モードは、遠視野図 2. 遠視野での強度分布で単一ピークを持つことにより高いビーム品質を有し、強度をコア数分スケーリングできるス

図 1、図 2 の a は in-phase モードとよばれ、図ーパーモードであり、その選択が CBC に重要に

2 からわかるように遠視野で唯一 6 個のスーパーなる。そして、空孔径と空孔間隔を調整するこモードの中で単峰ピークを持つモードである。ことによりシングルモード伝搬可能な大きなコアのことから in-phase モードは位相同期しパワを設計できる。これによりレーザーの大モードー・輝度の両方をコア数分スケーリングする際に面積化(LMA)を行うことも可能である。

重要である。このためＭＣＦでは in-phase モード

この研究では、６コアの MCPCF を使い、可飽選択する必要がある。

今回私たちが用いた 6 コアのＹｂ添加のマルチうな特性により、可飽和吸収体はモード選択器とコアフォトニック結晶ファイバー(MCPCF)の端Q 値変調器の働きを持つ。

面図を図３に、パラメータを表１に示す。

今回の実験では可飽和吸収体としてクロム添
加イットリウム・アルミニウム・ガーネット
Cr4+： Y3Al5O12 (Cr4+:YAG)を用いた。
2.3

ストレール比今回私たちは観測したビーム形状がどれほどin-phase モードを選択できているかの評価方法として、ストレール比を使用した。ストレール比は、
図 3. 6 コアの MCPCF 端面図

規格化した in-phase モードの理論値のビーム形状の最大値と、実験結果のビーム形状の最大値の表 1. 6 コアの MCPCF のパラメータ
空孔間隔 Λ

空孔サイズ dコア径比で定義した(1)。これは、６つのスーパーモードの中で中心にピークが存在するのは in-phase モードのみであることから、ビームの中心の値を読13.5 μm

6.6 μm20.7 μm

第一クラッド径

Yb 添加濃度d/Λきる。

180 μm1300ppmwt

0.49𝑆=

図 3 での小さな黒丸は空気の穴(空孔)であり、この空孔径と間隔を調整することによりコア径がみ取ることで in-phase モードの占有率を評価で実測値の規格化したビーム形状の最大値
理論値の規格化した in‐ phase モードのビーム形状の最大値

𝐼𝑚𝑎𝑥= 𝑖𝑛−𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒

𝐼𝑀𝑎𝑥/ ∬ 𝐼(𝑥,𝑦)dxdy/∬𝐼𝑖𝑛−𝑝ℎ𝑎𝑠𝑒(x,y)dxdy―(１)

20.7 μｍと大きくてもシングルモード伝搬条件を満たしている。

3 位相同期 Q スイッチパルスレーザー
3.12.2

可飽和吸収体実験装置

図４に装置の概念図を示す。発振波長 975 nm

可飽和吸収体とは、強度が低い光に対しては吸のファイバー結合半導体レーザーを用い、収体として働き損失を与える。しかし、強度が高MCPCF を励起した。MCPCF の入射側にダイクい光に対しては吸収体が飽和し損失がなくなる。

ロイックミラー(DM1)を近接接合し、出射側は 8

この性質を持っているので、可飽和吸収体は共振度研磨しフレネル反射を抑えた。f=50 mm レンズ

器内の強いピーク強度の光のみを伝搬するように(L3)によるフーリエ変換により MCPCF からの出なる。可飽和吸収体の緩和時間が、共振器内を光射光の遠視野像を形成した。その遠視野像を 2 つが往復する時間に比べ長い場合は Q 値が変化する。 のレンズ(L4,L5)から成る縮小光学系を用いて像このため、可飽和吸収体はＱ値変調器として働く。

転送し、Cr:YAG 上で適度な吸収飽和をもつようまた、スーパーモードの中でも in-phase モードのに遠視野像のビーム径を調整した。出力透過鏡

みが遠方で単峰の高い強度を持つことから、(OC)は Cr:YAG と近接接合して配置し、DM1 とin-phase モードを他のモードから選択することが共振器を構成した。L5 の焦点距離を変えることででき、モード選択器としての役割をもつ。このよ

Cr:YAG 上のビーム径を変更していき in-phase モ

ードがよく選択励振される条件を探した。そして、スを超えモード選択できなくなり、また Cr:YAG出力・遠視野像・パルス波形を測定した。の熱レンズ効果により共振器内でモードミキシングが起きるためストレール比は悪化していく。図8、図 9 より励起出力を上げていくとパルス幅は短くなり尖頭出力は上昇した。これは Q スイッチ発振を行っているためパルスの立ち上がりが早くなりパルス幅が狭くなる。そして 1 パルスのエネルギーは変化しないためパルス幅が狭くなり、尖頭出力が大きくなったからだ。ビーム径が大きくなるにつれ強度が低くなるので飽和フルーエンスを図 4. モード選択実験装置概念図

超えるのに必要な励起出力が大きくなると考えた。
そのため、f=31.25 mm の時最高ストレール比を3.2 実験結果達成する点がより高励起出力時になると考え実験

L5 のレンズを f=18.4 mm と f=26 mm とを行ったが、結果は一番低励起出力時に本研究でf=31.25mm の 3 通りを試した。中でもより良いス一番よいストレール比 0.81 を達成した。これはこトレール比が観測された f=31.25mm のビーム形の実験系がアライメントの精度に敏感なためアラ状、パルス列は図 5、図 6 のようになった。図 5

イメントがよくなりより低励起時に最大ストレーの左側は緩和発振時のビーム形状である(ストレル比を達成したと考えた。

ール比 0.52)。中心付近以外に大きなピークを複数持つため、モード選択がよく行われていないことがわかる。図 5 右側のＱスイッチ発振時では中心以外のピークが小さくなっており(ストレール比0.81)、モード選択がよく行われていることがわかる。図 6 の左のパルス列はレーザー発振し始め付

図 5. 3.01 W 励起時(緩和発振)(左)と 5.73 W 励起時近のパルス列である。この図から分るように、レ(Q スイッチ発振)(右)のビーム形状

ーザー発振はじめは Q スイッチがかかっておらず緩和発振である。そして、図 6、の右のパルス列はストレール比が一番良いときのパルス列である。
この図から分るように Q スイッチ発振を行っている。
表 2、図 7、図 8、図 9 は励起出力に対する各数値をまとめたものである。ストレール比は、レーザー発振を始めたばかりは先に述べたように Q ス

図 6. 3.01 W 励起時(緩和発振)(左)と 5.73 W 励起

イッチがかかっておらず緩和発振が混ざっている時(Q スイッチ発振)(右)のパルス列時は低いが、Q スイッチがかかると緩和発振が除かれモード選択が優勢に行われているためストレール比は向上する。しかし、励起出力を上げていくと他のモードも可飽和吸収体の飽和フルーエン

表 2.スロープ効率と閾値Ｌ5(mm)

4 まとめと今後の展望

スロープ効

レーザー

Ｑスイッ率閾値チ閾値

今回、可飽和吸収体を用いた受動Ｑスイッチ位

31.25

21％

4.6W

5.73 W

相同期マルチコアファイバーレーザーの研究を行2619.3

4.0 W

8.09 Wった。そして、6 コアの MCPCF を使いＱ値変調

18.418.%4.9 W

8.09 W

器とモード選択器として可飽和吸収体の Cr:YAGを用いて、スーパーモードの選択励振と受動Ｑスイッチパルス発振を同時に行った。Cr:YAG の初期透過率 50％、f=31.25 の組み合わせの時、励起出力 5.73 W でＱスイッチ発振を行い、本研究最高のストレール比 0.81 を実証した。しかし、励起パワーを増加させると、in-phase モード以外の高次モードが出力されストレール比が低下してしまった。また、アライメントによる依存度が大きいと分かった。
これからは、さらなる Cr:YAG 上のビーム径の最適化や、図 10 のように光学素子を減らした以下

図 7. 平均出力とストレール比のような実験系で高出力でより良いストレール比を目指したい。

図 10. 今後の実験系
４
図 8. 励起出力に対するパルス幅

参考文献[1] 白川晃, 電学論 C, 124, 7, 1367-1374, 2004

[2] A.Yariv,“光エレクトロニクス基礎編”原書 5 版, 丸善 , 2000.

図 9. 励起出力に対する尖頭出力