全ファイバー位相同期 Yb 添加マルチコアファイバーレーザー
量子・物質工学科 植田研究室 山田 英典
1． 序論とができる。最低次モード(in-phaseモード)は、複数あるファイバーレーザーは、高ビーム品質･高冷却性･高効率モードの中で遠視野に１つの強いピークを持つ回折限界と様々な利点がある。これにより、高出力化が実現されて光を結ぶことができるモードである。そこで本研究ではおり様々な分野で利用されている。しかし、一本のファイTalbot共振器を用い、すべてのコア間の位相差が0である

バーレーザーの高出力・高エネルギー化には、誘導ラマン

in-phaseモードを選択励振させることを目的とした。

散乱・誘導ブリルアン散乱といった非線形現象、ファイバーの破壊

Talbot 共振器とは回折および干渉により、形成される自自己収束効果等の様々な問題がある。この中の、己イメージで位相同期をかける共振器のことで、モードに非線形現象ファイバーの破壊については、コアを大モード損失を与える事によって in-phase を選択する事ができる。

面積にすることでその閾値を高め抑制をすることができ従来の方法として自由空間でモード選択を行っていたが、るが、自己収束効果は大モード化では抑制できない。よっ本研究では、空孔をつぶしたエンドシール領域で行う事にて、更なるファイバーレーザーの高出力化には、一本でなよって、共振器を一体化させる。これにより、回折損失をく複数のレーザーをコヒーレントに重ねるアレイ化が研失くし、環境変化に強くする。

究されている。
本論文では、Yb添加マルチコアフォトニック結晶ファイバーでのコヒーレントビーム結合(CBC)について報告する。
マルチコアファイバー(MC-PCF)は、単一のファイバーに周期的空孔構造によって、コアとクラッドを持ち、複数のコアを有する、アレイを構築したファイバーである。本研究Fig.1 MC-PCF の断面写真

では、第一クラッド径180 μm、空孔サイズ6.59 μm、空孔間隔13.5 μm、空孔の充填率0.488のフォトニック結晶

2． 原理構造（シングルモード条件）を持ち、Yb添加コアを27 μm

2.１スーパーモードの間隔で等間隔に6個配列したマルチコアフォトニック結N 個のコアを有する MCF の全電界 E(x,y,z)は、m 番目のコ晶ファイバー(MC-PCF)を用いレーザー発振を行った。

アのモード振幅 Am(x,y)、伝搬定数βm とすると以下のよ

MC-PCFはパワー限界、エネルギー限界がコア数、コア径でうに書ける。

スケーリングでき、高出力、高エネルギー化が可能なファ E1 ( z )   A1 exp(i1 z )   E2 ( z )   A2 exp(i 2 z ) E( z)    

 

 E ( z )   A exp(i z ) N
 N   Nイバーである。また、外乱に対し各コアへの相対変化が少ないため堅牢であり、コアモード間のエバネッセント結合により位相同期が維持できコヒーレントビーム結合に適している(Fig.1)。

(1)

マルチコアファイバー(MCF)は、コア同士を隣接させることでエバネッセント結合が起こり、複数の固有モードコア同士が非常に隣接する場合、隣接コア間でエバネッセ(スーパーモード)が存在するため、位相同期出力を得るこント結合が起こる。m 番目のコアに隣接するコアを p とす1

る と 、 コ ア 間 の 結 合 の 強 さ を 示 す 結 合 定 数 mp は 、

 mp 

k2(n 2  n 2p ) Am* Ap dxdy (2)m   pと表す事ができる。k:空気中での波数 n:屈折率分布 np:
コア p のみの屈折率分布：コア p のみの屈折率分布である。
各コアモードが隣接導波路のみと結合すると仮定すると、結合モード方程式により伝搬モードは次式のように表せる。

dEm i m Am e i m z  i   mn An e i n zdz
nFig.2 近視野におけるスーパーモードの電界分布(3)

r 2  i ( r , z )eE  (r , z )   Em exp 2 m
 w( z ) コア径、コア間隔が等しいと仮定すると、

 mn  m  

結合モード方程式をベクトル表記すると

 (r , z )  z  arctandE ~ CEdz  i
~   i
C 

0


 i  0 
 i  0  
0  i zkr2
z R 2 R( z )w02zR  z w( z )  w0 1    zR (4)

(8)
(9)

2

  z 2 R( z )  z 1      z R  

導波するスーパーモードは伝搬方向に伝搬する以外は z に

(7)

(10)

(11)

zR はレイリー長、w(z)は位置 z におけるビーム半径、R(z)依存しないので、dE iEdz(5)

C~  iI~E  0(6)は波面の曲率半径である。遠視野像測定した z=40 mm の地点での強度分布を計算した。

をとき、固有値、固有ベクトルを解くことでスーパーモードを計算した。以上(1)～(6)よりコア数、ビーム半径、各コアの電界分布を定義することでスーパーモードを算出できる。但し、本研究で用いた MC-PCF はフォトニック結晶構造を持つため、市販ソフトの FIMMWAVE を使用し、有限要素法によりスーパーモードの電界分布を計算した(Fig.2)。位置 z におけるスーパーモードの電解分布は以下のように書けるので、遠視野におけるビーム広がりが求めFig.3 遠視野におけるスーパーモードの強度分布られる。

この遠視野のから、in-phase モードのみが CBC を高ビーム品質にしているといえる。in-phase モードのビーム広がりを計算すると Fig.3 のようになった。遠視野における2

モード j の振幅再結合効率ηjj とし下式より算出した

in-phase モードのビーム広がり角θを強度の 1/e2 の地点で

 E x, y,0E x, y,2 z dxdy 
 E x, y,0E x, y,0dxdy

比較すると、in-phase モードはθ=1.2 [deg]となった。

jjjj

(14)

jj

自由空間 Talbot 共振器に比べ、シールファイバー中ではすべてのモードが全反射条件を満たすため、再結合効率は一様に増加した(Fig.5)。シール長により各スーパーモード間に損失差を与えることは可能で、特にシール長 3000 μm～3500 μm の位置では in-phase モードが優先的に再結合することが分かる(Fig.6)。

Fig.4 遠視野におけるビームプロファイルコヒーレント時( in-phase モード)
MCF のビーム品質評価方法は、遠視野におけるビーム広がりを評価するのが一般的である。よって、ピーク値周辺でFig.5 エンドシール共振器側面の光伝搬

Recoupling coefficient: ii

ある 1.5 度の範囲の中に全体の何％の出力があるかで評価をした。中心ローブ比ηCcentral lobe powerC 
Total power(12)

この方法により遠視野で中心にパワーを持つのは in-phaseモードのみなので、理想的な in-phase モードが励振されていれば中心ローブ比は高くなる。
2.2Talbot 共振器

10.80.60.40.2000.5

11.522.533.54Silica length: zs [mm]周期的に配列されたレーザーアレイは伝搬に伴い、回折、Fig.6 エンドシール共振器長による再結合効率依存性干渉によりある距離ごとに自己イメージングが形成され3.

実験る。このような現象を Talbot 効果といい、その周期を示す

3.1 全ファイバー位相同期

Talbot 距離 ZT は、アレイ間隔 d、伝搬空間中の屈折率 n とマルチコアフォトニック結晶ファイバー（連続発振）

すると以下のように書ける。

波長 975 nm のファイバー結合レーザーダイオード

ZT 2nd 2

(LD)を用いてファイバー長 3.7 m の MC-PCF をクラッド(13)励起した。励起側の端面を劈開し、反対側にエンドシー

Talbot 共振器は、ミラー等で共振器長を Talbot 距離の 1/2

ル共振器を構築し、ファイバー端面のフレネル反射によあるいは 1/4 の整数倍に選択することで、最低次モード、ってレーザー発振を行った。エンドシール側の出力とビあるいは最高次モードを選択的に位相同期させることがームプロファイルの測定を行った。in-phase モードを自己できる外部共振器である。今回は in-phase モード以外のイメージング条件で再結合できるシール長 3.1mm 付近まモードに損失差を与える事によって in-phase モードを選で研磨し、共振器長を最適化した(Fig.7)。

択している。従来の方法として自由空間で行なっていたが、本研究では、空孔をつぶしたエンドシール領域で行う事によって、共振器を一体化した。これによる利点は、回折損失を失くせる。環境変化に強いということが挙げられる。Talbot
共振器長における各スーパーモードの再結合効率を求めるために、共振器長 z、ミラーで折り返して伝搬した時のFig.7 エンドシール共振器の連続発振

3CCD によって端面から 20 cm 離れたところでビーム2.5
Output power [W]

プロファイルを取った所 Fig.8 の様にピークが一つで中Output power [W]2

心ローブ比の高いビームプロファイルが取れた。上から、励起パワーが 5.76 W、10.9 W、15.6 W となっている。どこの励起パワーにおいても中心ローブ比が高く維持して1.510.5おり、in-pahse モードを優勢に選択できているといえる。

04Endseal (MC-PCF)
1215678910
Launched pump power [W]

0200

10400

central-lobe ratio

Forward [W]
Backward [W]Output power [W]Fig.10 パルス発振の出力特性とビームプロファイル

600
800
1000

0.81200
1400

繰り返し周波数 10 kHz、パルス幅約 100 ns、先頭出力 3.211600
1800
2000
00.6
60.4

central-lobe ratio

Forward [W]

80500

1000

1500

2000

200

kW でのパルス動作を得た(Fig.11)。

400600
800
1000
1200
14001600
1800

4200000500

1000

1500

2000

200
400
6000.223.5800
1000
1200

3500

1400
1600

31800002000
0681012141500

3000

2000

16Launched pumped power [W]

Fig.8 連続発振の出力特性とビームプロファイル
3.2 全ファイバー位相同期

2.5

2500
Power (W)41000

Power [ W ]

2500

2
1.5

1500
1000

1

マルチコアフォトニック結晶ファイバー（パルス発振）

500

0.5

連続発振時に最適化したエンドシール共振器を使用し

2000

00-200た。パルス化にはポッケルスセルを使って Q スイッチする

20406080

100 1200.4

0.60.8Time (s)1time [ s ]ことによって行なった。波長 975 nm のファイバー結合 LD

Fig.11 パルス発振の繰り返し周波数とパルスを用いてファイバー長 3.7 m の MC-PCF をクラッド励起し4.

結論た。励起側にエンドシール共振器を構築し、エンドシール位相同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザ

側のフレネル反射とダイクロイックミラーとの反射でレーにおいて、エンドシール共振器を構築し、in-phase モーーザー発振を行った。その際ファイバーの反対側の端面をドを優勢に選択した。スロープ効率 79.8 %、最大出力 10.1

劈開し、８度に研磨する事で複合共振器を組まないようにW の高効率を得る事ができた。また、共振器内にポッケルした。ポッケルスセルに電圧をかけて偏向を回す時に共スセル入れ、Q スイッチによるパルス動作をさせた。その振器がくまれるようにした(Fig.9)。

時もまたエンドシール共振器で in-phase モードを優勢に選択した。スロープ効率 37.1 %、繰り返し周波数 10 kHzのパルス幅約 100 ns 尖頭出力 3.21 kW を得た。
展望

5.

今後の課題としては、パルス発振時における共振器の最Fig.9 エンドシール共振器のパルス発振適化、また高尖頭出力化。繰り返し周波数を変更して、最エンドシール側の出力とビームプロファイルの測定を適な繰り返し周波数を見つける。コア数を増やしたファイ行った。CCD でビームプロファイルを取った所 Fig.10 のバーで同様の実験を行い、今回のファイバーとの比較をす様にピークが一つで中心ローブ比の高いビームプロファる。

イルが取れた。上から、励起パワーが 5.76 W、10.9 W、15.6W となっている。パルス発振時においても連続発振の時と同様に、in-pahse モードを優勢に選択できているといえる。

41.2