マルチコアファイバーレーザーの位相同期法の研究
白川(晃) 研究室
佐藤 慶吾

1.

はじめに昨今、高平均出力レーザーの代表格となってい

2.

MCPCF

2.1.

MCPCF の特徴

るファイバーレーザーは、高効率、高冷却性、コ本研究で用いた 6 コア、7 コア MCPCF の断面写

ンパクト、メンテナンスフリー、高ビーム品質等

真と各種パラメータを図 1 に示す。MCPCF はその優れた特長を持つ。2002 年には世界で初めて単れぞれのコアが大口径且つシングルモード伝搬可一ファイバーレーザーからの 1 kW 出力が報告さ能であり、コア数を増やすことで出力・エネルギれ、2009 年には 10 kW の連続発振レーザーが、2013ー限界を高めることも可能である。更に各コアが年には 100 kW のマルチモードレーザーが製品化

近接しており、コア間がエバネッセント結合してされる等、目覚ましく進展しており、従来の固体いるため、位相同期の維持が可能であり、コア数レーザーや炭酸ガスレーザーに変わる産業用レーと同数のスーパーモードが励振するといった特徴

ザーとして注目を浴びている。一方、誘導ラマンがある。

散乱や誘導ブリルアン散乱等の非線形光学効果、この 2 つの構造上の違いを挙げると、コア数は自己収束効果、ファイバーの母材であるシリカの当然として、円形クラッドである 7 コアにはスキ破壊閾値等によりファイバーレーザーの出力限界

ュー光に対する吸収もれが少々存在する可能性がが決まってしまう。

ある一方で、
Yb 添加濃度は 6 コア MCPCF の約 2.5

更なる高出力・高エネルギー化への手段は、複倍と高濃度とし、短ファイバーであっても励起光数のレーザーを位相同期させてビームを重ね合わの吸収効率は大きい。

せるコヒーレントビーム結合(CBC)以外に存在しない。我々は同一ファイバーに複数のコアを持つYb3+添加マルチコアフォトニック結晶ファイバー(MCPCF)を用いた CBC の研究を行ってきた。
コアの数と同数個だけ存在する MCPCF の固有モード(スーパーモード)の中には、in-phase モードと呼ばれるスーパーモードが存在する。このモードは、各コアを伝搬してくる光の位相が全て一致し、遠方で唯一単一のピークにビームが結合され

図 1. MCPCF の断面写真と各パラメータるために CBC に適している。従って CBC によるファイバーレーザーの高出力化には、この in-phase2.2.

モードを選択的に励振させる必要がある。

スーパーモード

MCPCF にはコアと同数のスーパーモードが励

本研究は、MCPCF を位相同期させて、in-phase振する(図 2)。ファイバー端面付近の電界分布を示モードを選択励振する方法(位相同期法)の考案、実したものが近視野像であり、それぞれが干渉しあ証、及び評価を目的としており、今回はエンドシい、遠方に形成するビーム形状が遠視野像となっール法と可飽和吸収体を用いた方法の、2 つの位ている。前述の通り、本研究の目的は 6, 7 コア

相同期法の実証について述べる。

MCPCF がそれぞれ一つずつ持つ in-phase モードを1

優先的に励振させる位相同期法を確立することで3.

エンドシール法を用いた位相同期ある。

3.1.

Talbot 法

6 コア MCPCF の in-phase モードは図 2 で示し位相同期法として広く知られている方法の一つ

たとおり、近視野にて 6 コア全ての強度分布は等に Talbot 共振器がある。アレイ状光源には、一定しい。対して 7 コア MCPCF では周りの 6 つのコ周期距離で出射直後の強度分布が再構築される自アとエバネッセント結合する中心コアに光が集中

己イメージングと呼ばれる効果がある[1]。Talbotしてしまう。この特性により 6 コア MCPCF の共振器は自己イメージングされる距離の半分の距2離にミラーを設置することで、自己イメージング2を光源に戻すことが出来る(図 3 上)。

in-phase モードの実効モード面積は Aeff=1361 μmであるのに対して 7 コア MCPCF では Aeff=1183 μmと、コアが多いにも関わらず 7 コア MCPCF の全加えて、スーパーモードはそれぞれ自己イメー

モード面積は 6 コア MCPCF を下回る。

ジング距離が異なるため、ミラーの位置を調整す

また均一な強度分布を有する 6 コア in-phase モ

ることで、特定モードと他のモードとの間に損失ードでは、コア数によって出力限界の向上が可能差を与えることが出来るので、スーパーモードのである一方で、7 コア in-phase モードでは電界の集選択励振を行える。

中する中心コアによって出力限界が決まってしま

本研究で考案・実証を行ったエンドシール法(図う。更には中心コアの反転分布が早くに枯渇する3 下)は、MCPCF の空孔構造を溶融消滅し、シールことで空間ホールバーニングが生じ、他のスーパしたエンドシール部と、ファイバー端面のフレネーモードが優先的に励振する問題も生じてくる。

ル反射を用いたオールファイバーTalbot 共振器でこのように 7 コアには、中心コアに光が集中するある[2]。

ことによって生じる欠点がある。しかし後述のエンドシール法を用いた in-phase モードの優勢励振性の計算では、7 コア MCPCF が 6 コアを上回っており、in-phase モード選択性では 7 コアに分がある。

図 3. Talbot 共振器(上)とエンドシール共振器(下)3.2.

エンドシール法

エンドシール法も Talbot 法と同様に、シール長が変わることによって、各スーパーモードの自己イメージが端面で跳ね返され、再びファイバーへ結合される際の効率(再結合効率)が変わる(式 1)。
図 2. MCPCF のスーパーモードの計算値

 E x, y,0E x, y,2 z dxdy  E x, y,0E x, y,0dxdy
i(上から 6 コア近視野, 遠視野, 7 コア近視野, 遠視野)

j



iji

2i(1)

従って in-phase モードと他のモードに効率差を位相同期 MCPCF レーザーの連続発振

3.3.

与えられるシール長に調整することで in-phase モ発振光学系を図 7 に示す。エンドシール側端面ードの選択励振が可能となる。図 4 に示した再結と反対側自由空間に設置したダイクロイックミラ合効率の計算結果からも分かるように、7 コアー(DM)で共振器を構築した。当研究室の先行研究

MCPCF は 6 コア MCPCF よりも in-phase モードのにより MCPCF レーザーの出射光には幾つか問題再結合効率が大きく、より選択されやすいと考えがあった。両端出射ではパワーが均一に出射されられる。エンドシール長の最適化には、研磨を行ないことや、シールを施していない側からの出射ってエンドシール部を削り、調整した。

がマルチモード化するなどである。これを片側出またセラミックヒーターを用いてエンドシール射とすることで解決した。しかし少々効率の減少部を作製する際に、空孔が徐々に潰れていく領域も見られた。結果は表 1 にまとめた。図 5 の左図が生じる。この領域の存在により、エンドシールに示した直接出射における理想的な in-phase モー法で得られる in-phase モードは、自由空間の理想

ドは、中心ローブ比で評価すると 0.37 程度となる。

的な in-phase モードよりもサイドローブが抑制さ

本研究で得られた結果はそれよりも 1.5 倍以上、れ、更に中心ローブに光が集中するという特長を中心に光が集まっていることを示している。なお有する(図 5)。従って実測したビームプロファイル

6 コアでの結果は MCPCF が揺れていたために、ビ内の in-phase モード占有率は、中心ローブ内にどームプロファイルが一時的に良くはない形となっれだけ光が集中しているか(中心ローブ比)で評価た。

した(図 6)。

図 7. MCPCF の位相同期連続発振光学系
表 1. エンドシール MCPCF 連続発振の評価

図 4. 再結合効率のエンドシール長依存性
6 コア MCPCF(左), 7 コア MCPCF(右)図 5. in-phase モードの遠視野像の計算値

3.4.

位相同期能動 Q スイッチ MCPCF レーザー

本研究ではエンドシール法がパルス動作時でも一般の形状(左)と、エンドシール法での形状(右)有効であるかの実証と、Q スイッチパルス発振に最適のファイバー長を得るための研究も行っており、以前から異なるファイバー長における位相同<1.5 deg

期能動 Q スイッチパルス発振の結果を報告してきた[3]。今回は更なる最適化を行った。

図 6. 中心ローブ比の定義

3光学系を図 8 に示す。連続発振時の自由空間に4.

可飽和吸収体を用いた位相同期偏光を利用した能動 Q スイッチ動作部を加えた形

4.1.

新たな位相同期法の提案となっている。結果は図 9 にまとめる。中心ロー

Q 値変調器として可飽和吸収体(SA)を用いた受ブ比が 0.8 以上とこちらも大きく、連続発振、Q動 Q スイッチパルス発振は広く知られている。本

スイッチ動作の両方で、エンドシール法を用いた研究はこれに加えて、スーパーモードの遠視野に位相同期発振が可能であることが示された結果とおける強度差と可飽和吸収特性を利用したなった。

in-phase モードの優勢励振を、SA 一つで同時に実最後に本研究で報告してきた異なるファイバー現する方法を新たに提案した。

長での結果を表 2 に示す。ファイバーレーザーを

図 10 に示したイメージのように、可飽和吸収はじめとした長い共振器長における Q スイッチパ特性を利用することで、6 コア MCPCF のスーパールス発振では、Q 値の立ち上がりに対して、光のモードの遠視野の中で最も強度が大きい in-phase

共振器内往復時間が十分に長くなると、パルス波モードの透過率は大きくなる一方で、他のスーパ形は本研究のようなマルチピークを持つことが報ーモードは吸収されて透過率が低くなる、一種の告されている[4]。従って、MCPCF パルスレーザソフトアパーチャーとして SA を動作させること

ーの高尖頭出力化にはファイバー長を短くするこで、in-phase モードの優先的な出力が可能になるととが求められる。ファイバー長を短くすることに考えた。

より、共振器寿命を減少させてマルチピークの間

前章で述べたエンドシール法は、高尖頭出力、隔を狭めることで、全体のパルス幅を短くするこ

高エネルギー、in-phase モードの強度依存性が小さとができるためである。

いといったメリットがある一方で、スーパーモード選択部には複雑な加工が必要であり、また Q ス
イッチ動作部には Pockels cell を始めとする高コストの素子が必要となるデメリットが存在する。その点、ただ一つ結晶を設置するだけで in-phase モードの選択と Q スイッチ動作を行える可能性があ

図 8. 6 コア MCPCF の能動 Q スイッチ発振

る SA を用いた手法は、簡単且つ低コストであり大きなメリットとなると期待できる。

図 9. 位相同期能動 Q スイッチ発振の出力評価

図 10. 可飽和吸収体を用いた位相同期のイメージ

表 2. 6 コア MCPCF のファイバー長の最適化

4.2.

スーパーモードの Cr:YAG 透過率の見積

SA を用いた in-phase モードの優勢励振は実際に可能なのか、計算による見積もりを行った結果を
図 11 に示す。この計算は本研究で用いた SA である Cr4+:Y3Al5O12(Cr:YAG)に、ガウシアンパルス(パルス幅 500 ns)が入射したと仮定した際の、各スー4

パーモードの遠視野の Cr:YAG 透過率を示したもーパーモードの透過率が上昇したことと熱レンズのである[5-8]。低入射エネルギー時は in-phase モ効果によるものと考えられる。

ードの透過率が最も高くなるが、高入射エネルギーになるにつれ、他のスーパーモードの透過率も上昇し、in-phase モードの優勢励振性が失われることも示される結果となった。

図 12. 位相同期受動 Q スイッチ MCPCF レーザー

図 11. スーパーモードの Cr:YAG 透過率の

図 13. in-phase モードの近視野・遠視野の変遷

入射エネルギー依存性の例

4.3.

位相同期受動 Q スイッチ MCPCF レーザー

発振光学系を図 12 に示す。6 コア MCPCF 励起側端面に近接配置したダイクロイックミラー

図 14. ストレール比を用いた評価の定義(DM1)と自由空間に設置した出力透過鏡(OC)で共振器を構築した。MCPCF と OC の間の 3 枚のレン

表 3. MCPCF の受動 Q スイッチ動作(f =18.4 mm)

ズを用いて Cr:YAG に入射する遠視野像の大きさの変更が可能な縮小光学系を構築した(図 13)。また、この光学系で得られるビームプロファイルはエンドシール法を用いていないため、図 5 で示したサイドローブを有する in-phase モードが出力されるために評価法も異なるものを用いた。今回はストレール比を用いて、ビームプロファイル内のin-phase モード占有率を評価した(図 14)[9]。結果を表 3 と図 15 にまとめる。
3 枚目のレンズを f=18mm と し 、 初 期 透 過 率
Cr:YAG と透過率青色で、同じくの無コートのの OC を用いた結果を(AR 付),に変更した際の結果を赤色でそれぞれ記した。スロープ効率はそれぞれ 10%, 17%であった。ストレール比が減少したのは図 11 で示された通り、他のス

図 15. 出力特性とストレール比を用いた比較

5

パラメータ変更による光学系の最適化

5.

纏め

前項の 50%&50%は 30%&30%に比べ、出力が上

5.1.

結論と今後の展望4.4.

回った一方で、ストレール比の減少も早まった。

MCPCF のスーパーモードの一つである in-phase

そこで高出力時においても高いストレール比の動モードを優勢励振するために、エンドシール共振作が行われるよう、本研究の光学系の最適化を行器、及び可飽和吸収体 Cr:YAG を用いる 2 つの位った。Cr:YAG による損失の影響を知るため、 を相同期法を実証した。詳細は各項を参照していた変更した際の、出力とストレール比の変化の測定

だきたい。最後に 2 つの位相同期法の比較を簡単も行った。更に、その中で最も効率が良かったに表 4 にまとめた。尤も、始めて間もない世界初

50%&50%の組み合わせと、図 13 の 3 枚目のレンの方法である SA を用いた方法は、多くの改善のズに異なる焦点距離を持つレンズ f=26, 31.25 mm余地がある。更に両方の方法で in-phase モード以を用いて、Cr:YAG に入射するビーム径の変更を行外のスーパーモードの含有率を測定できてはいなった。結果を図 16 に示す。ビーム径が広がるこい。そこで新たに、位相フィルターにスーパーモとでストレール比が極大点をむかえるために必要ードの近視野像を透過させることで、各スーパーなエネルギーも増えると考えていたが、外部素子モードの含有率を識別する評価法を構想中である。のアライメントの影響を受けたためか予想は外れた。一方、スーパーモード間の Cr:YAG の飽和フ表 4. 2 つの位相同期法の比較

ルーエンス超えに必要なエネルギー差が広がった
ためか、f = 31.25 mm, 励起 5.7 W 前後で、本研究開始以来の最高値である 0.81 の in-phase モードの選択励振が得られた(図 17)。

5.2.

参考文献

[1] 神成文彦 他, レーザー研究 28, 4, pp.214, 2000.
[2] M. Matsumoto, et al., in Advances in OpticalMaterials, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society
図 16. 異なるビーム径での出力とストレール比of America, 2011), paper AMC3, 2011.
[3] 山田英典, 電気通信大学 修士論文, 2013.
[4] S. Adachi, J. Lightwave Technol. 20, 8, pp.1506, 2002.
[5] H. Ridderbusch, et al., IEEE J. Quantum Electron. 43,2, pp.168, 2007.
[6] H. Sakai, et al. IEICE. 102, 386, pp.31, 2002.
[7] G. J. Spühler et al., JOSA B. 16, 3, pp.376, 1999.
[8] N. Pavel, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40, pp.1253, 2001.
[9] 小林哲也, 電気通信大学, 修士論文, 2009.

図 17. SA を用いた位相同期受動 Q スイッチ
MCPCF レーザー6