分割パルス増幅のための1030nm ファイバー増幅器の最適化
白川(晃)研究室
研究背景

岩田ワレス興治
分割パルス増幅について
非線形位相シフトが大きくなると、パル高出力レーザーの実現の筋道の一つは冷

スはスペクトル、時間的に崩れやすくなる。

却性能にある。同質量で冷却効率の良い形解決策として、一つとしてチャープパルス状の一つであるファイバーを用いたレーザ増幅(CPA)が挙げられる。

ーは、次のような特徴を持つ。まず先に挙げ

CPA と違った、超短パルスの増幅の際にたように、高い冷却性を持っている。これは発生する非線形性効果避けるための新しい体積と表面積の比からわかる。また、媒質と手法として、分割パルス増幅または Divided-なるファイバーの構造を自由に定める事がPulse Amplification(DPA)(Figure 1)と呼ばれでき、さらにそれ自体がレーザーの通り道る技術がある。まず、一つのパルスを N 個である導波路であることから、相互作用長の同じパルスに分割する。この際、N 個のが長く、高利得であることが挙げられる。さパルスは時間軸上で重なり合わないようにらに、ファイバーの材料としてシリカガラする。これらの分割されたパルスは増幅さスを用いていることから、低損失であるこれ、再結合することで最終的に一つの高強とが言える。最後に、ファイバーそれ自体が度のパルスとなる。[1]軽いことから、軽量、曲げることが出来るのでコンパクトである。だが、ファイバーレー
ザー最大の欠点は、誘導ラマン散乱と誘導ブルリアン散乱に代表される高い非線形性である。この問題を本研究では DPA(DividedPulse Amplification)と呼ばれる「分割パルス増幅」の技術を用いて超短パルスレーザーの高出力化を実現する為に、1030nm ファイバー増幅器の最適化を行った。

原理

Figure 1 DPA 概要
オリジナルパルスは N 個のコピーに分割され、増幅された後、コヒーレントに結合されることで、最終的には高強度のパルスとなる。図における青色と赤色のパルスは偏光が直交している事を表している。分割・結合器はそれぞれが偏光面に対して結晶軸が４５度になるよう配置する。これにより、
DPA の入力パルスと出力パルスは直交する。

本研究に用いられた分割・結合器は次の(Figure 2分割・結合器の概要)に示す。

HWP はパルスの偏波成分が S 波、P 波それぞれ 1:1 になるよう偏光状態を変える。
TFP には、パルスが 45 度の角度で入射する。それにより、TFP をそのまま通り抜ける偏光 P 波、跳ね返される S 波に分かれる。
反射した P 波は QWP を通り、GDD ミラーに反射され、再び QWP を通る。この過程
で、P 波は QWP を二回通ることになるので、P 波から S 波となる。S 波は TFP を通り抜け、先と同じ機構を通ることで P 波となり跳ね返る。跳ね返った P 波は TFP に反射される。鏡と鏡の距離を L とした時、この二つのパルスは光路差分の時間差、∆t = 𝑐⁄2𝐿離れたパルスとなる。ここで、分割後の二つFigure 2 分割・結合器の概要
青色の矢印と、赤色の矢印は分割された後の 2 つのパルスを表している。TFP を透過したパルスは
青 色 で First Pulse、 反 射 し た パ ル ス は 赤 色 でSecond Pulse である。

小信号利得について
Yb 添加ファイバーの光増幅では、𝑌𝑏3+ イオンを励起光によって励起する。そののち、上準位にある電子の誘導放出でシード光を増幅する。このファイバーにおける利得 Gは以下のように求められる。
{𝜎𝑒 (𝜆𝐿 ) + 𝜎𝑎 (𝜆𝐿 )}𝜙𝑃 𝜏𝑃𝑎𝑏𝑠
G = exp (− 𝜎𝑎 (𝜆𝐿 )𝑁𝐿)
𝐴𝑐𝑜𝑟𝑒 ℎ𝑣𝑃
= 4.34 ({𝜎𝑒 (𝜆𝐿 ) + 𝜎𝑎 (𝜆𝐿 )}𝜙𝑃 𝜏𝑃𝑎𝑏𝑠
− 𝜎𝑎 (𝜆𝐿 )𝑁𝐿) [𝑑𝐵]
𝐴𝑐𝑜𝑟𝑒 ℎ𝑣𝑃

なお、このときの利得は、ファイバーの伝搬損失に関しては考慮していない。
計算によって求められた利得を表すグラフを(Figure 3)に示す。[2]のパルスはそれぞれ直交した状態で出射される。今後、先に分割・結合器から出射されたパルスを First pulse、次に出射されたパルスを Second pulse と呼ぶ。

Figure 3 小信号利得スペクトル
本研究で使用している信号波長は 1025~1035nmである。図より、低い反転分布率をもつときには長波長側と短波長側で約 5 dB の利得の差があることが読み取れる。

調整し、分割しない事を Single pulse mode、実験
実験装置は全正常分散型モード同期共振器、プリアンプ、分割・結合器、メインアン分割する事を Double pulse mode と呼ぶ。
分割器からは、メインアンプへつながる。

メインアンププであり。それぞれを以下で説明する。

全正常分散型モード同期共振器
共振器にはリング型共振器である全正常Pump Combiner

分散型モード同期共振器を使っており、内部に波長フィルターと Yb 添加ファイバー(0.5 m)が使用されている。チャープと波長フィルターによるスペクトルの翼部分の除去を繰り返す。増幅において理想的であることが特徴である。共振器の具体的な図を(Figure 4)とする。共振器からはプリアンプに接続している。

Figure 5 メインアンプ概要
Pump Combiner 前後のシングルモード
ファイバーは PM ファイバーを使用している。

メインアンプには PM ファイバーの Yb添加ファイバー(3m)を使用し、以下、励起パワーは 2.3W としている。

Figure 4 全正常分散型モード同期共振[3]Core10 μm

Clad1250 μm

NA0.075

𝛂4.8 dB/m @976nm

WDM: Wavelength Division Multiplex, HWP:
Half Wave Plate, QWP: Quarter Wave Plate,

プリアンプ
Yb 添加ファイバー(1 m)でプリアンプとして共振器からのパルスを増幅している。

Table 1 Yb 添加ファイバーの詳細以 上 の 装 置 と OSA(optical spectrumanalyzer)とパワーメーターを用いてスペクトルの測定を行った。

プリアンプからは、光アイソレーターをはさみ、分割器へ入射する。

結果

分割・結合器分割・結合器は(Figure 2)と同じ構造であり、光アイソレータを装置手前に配置している。以下、分割・結合器においてHWPを分割・結合器の入力スペクトルは(Figure6)であった。

1とから、DPA に向けて Double pulse mode

Divider Input

での First pulse と Second pulse のスペクトルを測定した結果が(Figure 7)である。
Main Amp Output : 1st and 2nd pulse

10.6

0.4

0.2

01020

First Pulse
Second Pulse

0.810251030
1035
Wavelength (nm)1040

Figure 6 分割器入射スペクトル(13.5 nJ)

Normalized Intensity

Normarized Intensity

0.8

0.60.40.2

メインアンプ後のスペクトル測定の際、将来の励起パワーの上昇を考え、OSA 前に1° のウェッジを設 置している 。 まず、Single pulse mode でのメインアンプの Yb
添加ファイバー(3 m)でスペクトルの測定を行った。その際、短波長側におけるスペク

0102010251030

1035

1040

Wavelength (nm)Figure 7

Double pulse でのメインアンプ出力

First pulse: 12.5 nJ, Second pulse: 16 nJ

まとめ・今後の展望

トルの歪みが確認できたので、長手方向全域にわたる高い反転分布率を得る為にファファイバー長を変えることで 1030nm フ

イバー長を 1 m とした。3 m と 1 m のスペァイバー増幅器による増幅後の大きな歪をクトルは(Figure 8)であった。ファイバー長抑制することに成功した。しかし、増幅後の3m のパルスエネルギーは 77.5nJ、1m でパルスエネルギーの低下がみられたので、は 23nJ だった。

DPA に向けて分割数の増加などを検討した
い。そのためには、位相が揃っている事が必要となるので、FROG を使い評価を行いたい。

参考文献[1] Zhou, Shian, Frank W. Wise, and Dimitre G.
Ouzounov. "Divided-pulse amplification of ultrashortpulses." Optics letters 32.7 (2007): 871-873.

[2] 陳 明晨, “電気通信大学修士論文”[3] Chong, Andy, et al. "All-normal-dispersion
femtosecond fiber laser." Optics Express 14.21

Figure 8 Single pulse のスペクトル

スペクトルの短波長側の歪を少なくしたこ(2006): 10095-10100.