Yb 添加 CaF2 を用いたフェムト秒カーレンズモード同期レーザーの開発
白川晃研究室 中村 聡

1. 序論ている。このような理由から Yb:CaF2 は

近年、超短パルスレーザーは非熱加工

広くなめらかな蛍光スペクトルを有してや微細加工、難加工材料の加工など様々いる。図 2 に Yb:CaF2 の蛍光スペクトルな用途に利用されており、更なる高出力と吸収スペクトルを示す。

化、短パルス化の研究がされている。
本研究では広いスペクトル幅と高い熱伝導率を併せ持ち、高出力化、短パルス化の両立が期待されている Yb:CaF2 単結晶を用いて、カーレンズモード同期、可飽和吸収鏡(SESAM)によるモード同期の2 つの手法で超短パルスレーザーの研究を行った。
図 2 Yb:CaF2 の蛍光、吸収スペクトル

2. 原理
Yb 添加 CaF2 は、図 1 に示すような蛍Yb:CaF2 の蛍光スペクトルは半値全幅石型の結晶構造を持つ CaF2 に Yb を添加

で約 70 nm の幅を持つ。これは一般的にしたものである。

用いられる Yb 添加利得媒質と比べても広い幅を持つ。図 3 に一般的に用いられる Yb 添加利得媒質のスペクトル幅と熱伝導率について示す[2]。

図 1 CaF2 の結晶構造
CaF2 の Ca2+を Yb3+に置換することから、イオンの価数が異なる。このような

図 3 スペクトル幅と熱伝導率[2]場合、添加濃度が増大すると、添加した希土類イオンが凝集しクラスターが形成

図 3 からわかるように、一般的に熱伝される[1]。クラスターは複雑な結晶場を導率が高くなると蛍光スペクトル幅が狭持っていることから、添加される希土類くなるが、Yb:CaF2 は高い熱伝導率と広イオンのスペクトルの広帯域化に寄与しい蛍光スペクトルを併せ持っている。

3. 実験
3.1 CW 発振実験
カーレンズモード同期を実現するのに十分な出力が得られているか確認するため、図 4 のような系を組んで出入力特性を確認した。

図 5 CW 発振での出入力特性

3.2 カーレンズモード同期発振実験
図 6 にカーレンズモード同期発振実験系を示す。
図 4 CW 発振実験系
励起光源には中心波長 975 mm のブロードストライプ LD を用い、3 枚のレンズを用いてコリメイトし、f=70 mm の凸面レンズにより集光した。スポットでのビーム径は縦 121μm×横 41.3μmであった。共振器は曲率半径 100 mm の凹面鏡

図 6 カーレンズモード同期発振実験系と透過率 3%の出力結合鏡、平板の HR から構成されている。凹面鏡の収差補償角作製したモード同期発振実験系は、前が6.3°と計算されたが、レーザー光が結節で作製した Z 型共振器に分散補償とし晶ホルダーに接触してしまうことからそてプリズム対をブリュースター角で挿入

れぞれ凹面鏡への入射角を OC 側で9°,HRして伸ばしたものである。プリズム間距側で8.7°とした。結果として図 5 のよう離は 370 mm から 510 mm の間で変化さな出入力特性を得た。励起 9.5 W 励起時せた。このとき得られる負分散は共振器にマルチモードでは最高 1900 mW,シング

1 周あたり約-2700 fs2 から-4200 fs2 であっルモードでは 1400 mW の出力を得た。スた。M1,M2,OC,HR はそれぞれ Z 型共振

ロープ効率はマルチモードで 22.4 %,シン器で使用したものと同じである。マルチグルモードで 16.7 %であった。CW 発振

モード発振の抑制のため、OC 手前にハで大きな出力が得られたためカーレンズードアパーチャー(HA)を挿入し、発振波モード同期実験に移行した。

長の選択のために HR の手前にナイフエッジを挿入した。結果としてモード同期挿入したものである。SESAM の変調深を達成することができなかった。原因とさの値は約 0.4%である。プリズム間距離して考えられるのがプリズム対を挿入しは 385 mm でこのとき得られる負分散たことによる損失とアライメントが最適は、共振器 1 周あたり約-2900 fs2 であっでない点があげられる。プリズム対を挿た。モード同期によって得られたスペク入した際、出力はマルチモード発振ではトルと自己相関波形を図 8 と図 9 に示

9.5 W 励起時最高で 900 mW,スロープ効す。

率は 11.1 %であった。これはプリズム対を挿入する前と比べ半分以下の値となっ最適化を図る必要がある。また今回使用した結晶での励起光の吸収率は約 59 %と低い値であったこと、Yb:CaF2 の非線形屈折率が1.9 × 10−16 cm2/W であり代表的な利得媒質である Yb:YAG の非線形屈折率6.2 × 10−162cm /W[3]の 3 分の 1 以下とNormalized intensity[a.u]てしまっていることからアライメントの10.80.40.201020

いう小さな値であり、光カー効果が得に

3.62 nm0.610251030103510401045

Wavelength[nm]くいということも原因の一つであると考図 8 発振スペクトルえられる。

3.3 SESAM モード同期発振実験
図 7 に SESAM モード同期発振実験系を示す。

Normalized intensity[a.u.]

10.8287 fs

0.60.4× 1.540.20-2000-1500-1000 -500

0500 1000 1500 2000

Delay[fs]図 9 自己相関波形
図 7 SESAM モード同期発振実験系
モード同期はセルフスタートし、励起パワ
SESAM モード同期発振実験系は、カー6.2 W 励起時に発振スペクトルの中心波ーレンズモード同期発振実験系の HR を長 1033 nm、半値半幅 3.62 nm、パルス幅 287

OC3%に、OC3%を曲率半径 200 mm のfs、平均出力約 190 mW を得た。このときのHR に置き換え、その集光点に SESAM を時間帯域幅積は 0.292 であり sech2 型でのフーリエ限界パルスの時間帯域幅積の値であ

発振スペクトルの半値全幅は 2.54 nm、る 0.315 を下回ってしまったが、これは分散パルス幅は 457 fs、平均出力は約 420 mW補償に用いたプリズム対によって波長の空であった。このときの時間帯域幅積は間的チャープが発生し、スペクトルアナライ0.319 でありフーリエ限界パルスの時間帯ザに全てのスペクトルが入らずスペクトル域幅積に近い値が得られた。

幅が狭まってしまったこと、発振スペクトルアライメントにより発振波長がずれたと自己相関波形を同時に測定していないこ

要因として考えられるのは Yb:CaF2 の蛍とから生じてしまったエラーではないかと光、吸収スペクトルにあると考えられ考えられる。
上記の結果が得られた系でアラる。中心波長 1033 nm での発振では、光イメントを最適化させたところ発振スペクの放出と同時に光の吸収が生じているこ

トルの中心波長 1044 nm でモード同期がセとから発振閾値が高い。そのためアライルフスタートした。
このときのスペクトルとメントが最適に近づくにつれ発振が吸収

自己相関波形を図 10 と図 11 に示す。

がほぼ起きない長波長側にシフトする。
アライメントが最適化された中心波長1044 nm での発振の方が損失が少ないた

Normalized intensity[a.u.]1

め、より高出力の発振が得られたと考え0.8られる。

2.54 nm0.60.4カーレンズモード同期発振実験では発振が得られなかったため、今後はより高0.2出力、カーレンズ効果増大をはかるため
01035

1040

104510501055

Wavelength[nm]図 10 発振スペクトルに結晶厚が厚く、Yb 添加量の多い結晶を用いて実験を行っていきたい。SESAM
モード同期実験では SESAM の変調深さを深くする、透過率の大きい出力結合鏡

1Normalized intensity[a.u.]

4. まとめと今後の展望を用いる、最適な負分散を与えるなどを0.8して更なる短パルス化を目指す。

457 fs0.6

5. 参考文献
0.4× 1.54[1] F. Druon, et al., Optical Materials Express
1, 489-502 (2011)

0.2[2] V. Petit, et al., Physical Review. B,
0-2000-1500-1000 -500

0500 1000 1500 2000

Delay[fs]図 11 自己相関波形

Condensed matter 78(8) (2008)[3] R.Adair, et al., Phys.
39,3337(1989).

Rev.

B