ZBLAN ファイバーを用いた波長𝟐 𝝁𝒎帯全正常分散モード同期ファイバーレーザーの開発
戸倉川研究室1.

はじめに相楽啓御することで波長 2 𝜇𝑚帯において正常分モード同期ファイバーレーザーの出力制散を示すことが可能になる。これによって、限にはファイバー中の非線形効果の影響が原理的に困難であった波長 2 𝜇𝑚帯全正常挙げられる。非線形性を抑制・制御する方法

分散モード同期ファイバーレーザーの実現として共振器内の分散量を考慮した共振器を目指し、波長 2 𝜇𝑚帯モード同期ファイバ構成が必要になり、過去に様々なモード同ーレーザーの出力スケーリング向上に取り期が開発されてきた[Fig.１]。代表的なモー組んだ。

ド同期であるソリトンモード同期ではパル
スエネルギー1 𝑛𝐽以下、この限界を超える

2.

全正常分散モード同期ことに成功したストレッチパルスモード同

この発振モードは、共振器内で形成され期では数 𝑛𝐽、さらに高エネルギー化を実現

るパルスは自己位相変調および正常分散にした全正常分散モード同期で波長1 𝜇𝑚帯より、正チャープした時間幅の長いものににおいて 190 𝑛𝐽[1]が報告されている。このなる。これにより出力制限に影響を与えるように共振器内の分散値を調整し、発振モ非線形性を抑制することができ、より高いードを変化させることで出力スケーリングエネルギーを蓄えることが可能になる。こが向上されてきた。しかし、波長2 𝜇𝑚帯ののチャープしたパルスは共振器外部で回折ファイバーレーザーで一般的に使用される格子やプリズムを用いることで圧縮するこ

シリカガラスファイバーは材料分散の異常とにより超短パルスを得ることができる。

分散値が大きく、上述の正常分散領域での全正常分散モード同期では、バンドパスフモード同期発振が困難であった。そこで本ィルターが重要な素子の一つである。形成研究では、シリカガラスファイバーの代わされるスペクトルは自己位相変調により広りにフッ化物(ZBLAN)ファイバーを使用しがっていく。そのためその共振器一周によた。ZBLAN ファイバーは材料分散がシリカるスペクトル幅の拡がりを補償し、定常発ガラスと比較して小さく、導波路分散を制振を促すためにバンドパスフィルターの挿入が必要となる。共振器内を周回する光スペクトル変動を Fig.2 に示す。さらにフィルターはパルス形成の役割も担っている。正チャープしたパルスの時間的強度分布とパワースペクトルは似た形状となるため、フィルターを透過することによりパルスの裾Fig.1

分散値に応じて変化する発振モード

を落とすような可飽和吸収体の性質も持つ。

バーとしては扱いづらい特徴も持っている。
また、本研究で着目した ZBLAN ファイバーの特徴は、前述したように材料分散が中赤外領域において低い値を持っていることである[5]。ファイバーの分散値は材料分散と導波路分散の和で表される。石英ガラス
ファイバーでは波長 2 𝜇𝑚帯において、材料分散の負の値が高く全体で大きな異常分散値を示していた。しかし、ZBLAN ファイバ
ーにおいては材料分散値がおよそ 2 倍小さい、この値は導波路分散を制御すること、つFig.2 全正常分散モード同期ファイバーレーザー

まりはファイバーのコア径及び NA を適当

共振器内のスペクトル変動[2]な値に調整することによりファイバー全体で正の分散を示すことが可能である。ファ3.

フッ化物(ZBLAN)ファイバー

イバーの分散量の計算結果を示す。ZBLAN

ZBLAN ファイバーの特徴として、フォノファイバーのコア径を約 6.4 𝜇𝑚に以下にンエネルギーが小さい点が一つ挙げられる。

することで正常分散を示すことが可能とな石英ガラスの最大フォノンエネルギーはおる。

−1

よそ1000 𝑐𝑚 に対し、ZBLAN ガラスでは約500 𝑐𝑚−1であり、半分程度のフォノンエネルギーを有している。これにより、波長2 𝜇𝑚以上では実用的な透過率を持たない石英ガラスファイバーに比べて、波長約4 𝜇𝑚の広い透過帯域を有している[3]。このことから超広帯域光発生や中赤外レーザーの増幅媒質として有用である。また、
ZBLAN ファイバーに希土類を添加した際、石英では多フォノン緩和により非輻射放出となる多くの遷移が、ZBLAN ファイバーでは発光を示すことができ、高いスロープ効率で動作が可能である。さらには、低閾値レーザー発振が可能という報告もある[4]。これらのことからもシリカファイバーよりもZBLAN ファイバーが優れたパフォーマンスを示すことが知られている。その一方で、

Fig.3

潮解性、低機械強度、低融点といったファイの分散値異なるコア径における ZBLAN ファイバーフィルター(BPF)をレーザー光がファイバーに再結合される前の位置に挿入した。本
実験では、バンド幅の異なる二種類のフィル タ ー ( λC : 1885 𝑛𝑚 、 BW: 10 𝑛𝑚 or
𝜆𝐶 : 1870 𝑛𝑚、BW: 35 𝑛𝑚)(𝜆𝐶 : 透過中心波長、BW: Band Width)をそれぞれ用いて実験を行った。

Fig.4 ZBLAN ファイバーの全分散特性(コア径：6.2 𝜇𝑚)

4.

全正常分散モード同期ファイバーレー
ザーの開発

4.1 実験構成
本研究で構築した実験系を Fig.5 に示す。
利得ファイバーに Tm:ZBLAN ファイバー

Fig. 5 全正常分散 Tm:ZBLAN モード同期ファイバーレーザー(コア径: 6.2±0.2 𝜇𝑚、NA: 0.2、𝑙 = 1.3 𝑚、GVD ~5500 ± 2000 𝑓𝑠 2 /𝑚)を用いた。その4.2 バンドパスフィルター（BW: 10 𝒏𝒎)

ファイバーの両端には、1 𝑚と0.5 𝑚のシンモード同期によって得られたパルストレ

グルモード ZBLAN ファイバー(コア径:インと出力特性を Fig.6,7 にそれぞれ示す。

6.2±0.2 𝜇𝑚、NA: 0.2)をそれぞれ機械的に接励起パワー199 𝑚𝑊時に平均出力 47 𝑚𝑊続した。共振器に組み込まれる ZBLAN フのモード同期動作を確認でき、励起パワー

ァ イ バ ー 全 長 の 分 散 値 は 、 126500 ±を上げていくことで最高出力 67 𝑚𝑊が得4600 𝑓𝑠 2である。ファイバー以外の光学素られている。適正な波長版の組み合わせで子の分散については、ファイバーの分散値あれば、セルフスタートが可能となっていに比べて非常に小さいことから本実験ではる。繰り返し周波数は 70.6 𝑀𝐻𝑧であり、パ考慮しなかった。励起光源には 1555 𝑛𝑚

ルスエネルギーは 0.9 𝑛𝐽と見積もられる。

Er:Yb ファイバーレーザーを利用し、ダイク低出力時と高出力時のスペクトルを共にロイックミラー(DC)を透過させ Tm:ZBLAN

Fig.5 に示す。正常分散領域のモード同期でファイバーの励起を行った。レーザー発振報告がある Cat-ear 型の構造を確認することはアイソレータにより、図版時計周りに一ができた。励起パワーを上げていくことで方向性を持たせ、アイソレータの入口側にスペクトル幅が広がっていき、最高出力時ある偏光ビームスプリッタから出力を取りでおよそ 50 𝑛𝑚を得ることができた。この出している。また、共振器一周で生じるスペ広がりは利得ファイバー中での増幅動作とクトル広がりを補償するためにバンドパス自己位相変調の影響によるものである。また、２つのスペクトルにそれぞれ見られる

4.3 バンドパスフィルター（BW: 35 𝒏𝒎)

細かなディップについては、共に位置が一バンドパスフィルターをバンド幅35 𝑛𝑚致していることからもこの波長域の水の吸のものに変更し、同様の実験を行った。適切収によるものだと考えられる[5]。

な波長板の組み合わせを行うことで励起パ
ワー216 ~ 329 𝑚𝑊の範囲においてモード同期発振を確認することができた。得られている最高出力は 67 𝑚𝑊であり、パルスエネルギーは 0.9 𝑛𝐽と見積もられる。測定したスペクトルと自己相関波形を Fig.10,11にそれぞれ示す。バンド幅 10 𝑛𝑚使用時と比較して約30 𝑛𝑚広がり、最大で 80 𝑛𝑚のスペクトルを確認した。スペクトルの中心部にピークがあるが、励起パワーを下げていくことでピーク成分を抑制することがで

Fig.6 パルストレイン

き、中心が平坦な Car-ear 型のスペクトルも70確認できている。また、自己相関計を用いてOutput [mW]

60MLCW50

測定したパルス幅はガウス形を仮定すると40860 𝑓𝑠を得ることができた。スペクトル幅30から考えると、チャープしたパルスが出力20されていると判断できる。スペクトル形状

10やチャープしたパルスからも正常分散領域050

100 150 200 250 300 350でのモード同期が実現できたと考えられる。

Pump power [mW]

70Fig.7 出力特性 (BW:10 𝑛𝑚)

Output [mW]

Intensity [a.u.]

16067 mW
49 mW

0.80.650MLCW

403020100.4

0500.2100 150 200 250 300 350

Pump power [mW]0184018601880

1900

1920

wavelength [nm]Fig.8 異なる出力時のスペクトル

Fig.9 出力特性 (BW:35 𝑛𝑚)

160

Pulse width [fs]Intenisy [a.u.]

10.80.6~80 nm

0.40.20140

120

100-241820 1840 1860 1880 1900 1920 1940

Wavelength [nm]-22

Fig.10 スペクトル
1-16Experiment- Gaussian fit

Gaussian fit

0.8

Intensity [a.u.]

SHG intensity [a.u.]-18Fig.12 パルス幅変化

1860 x 1.41 fs

0.60.40.20-3-20

GVD [fs^2]

0.8
107 x 1.41 fs

0.60.40.2-2-101

Delay time [ps]20-1000

3Fig.11 自己相関波形-5000500

Delay time [fs]1000

Fig.13 自己相関波形(圧縮後)

4.4 パルス圧縮
回折格子対(300 本/𝑚𝑚)を用いてパルス圧縮の実験を行った。回折格子対間の距離を調整し与える分散量を変化させていき、与えた分散量− 21000 𝑓𝑠 2 のときにパルス幅を107 𝑓𝑠まで圧縮することができた。圧縮後の平均出力はおよそ40 𝑚𝑊である。算Fig.14 フーリエ限界パルス幅出したフーリエ限界パルス幅の 99 𝑓𝑠に近い値まで圧縮できており、さらなる分散量5.

まとめと今後の課題の調整により短パルス化が期待できる。パ

波長2 𝜇𝑚帯全正常分散モード同期ファルス幅からピークパワーは 5.3 𝑘𝑊程度とイバーレーザーの開発を行った。バンド幅見積もられる。また、パルス裾に圧縮できて35 𝑛𝑚のバンドパスフィルター使用時に最いない成分が確認できるが、これは高次の高出力 67 𝑚𝑊、繰り返し周波数70.6 𝑀𝐻𝑧、分散の影響によるものだと考えられる。

パルスエネルギー0.9 𝑛𝐽のパルスを得ることができ、おおよそ 80 𝑛𝑚の広がりを持ったスペクトルを確認した。また、直接出力されるパルス幅はガウス形を仮定すると、

and tunable pulsed laser operation around 1.9 mm,”

860 𝑓𝑠のチャープパルスが得られ、回折格

Appl. Phys. B 78, 325–333 (2004).

子対により 107 𝑓𝑠まで圧縮することができ[5] Andreas Wienke, et al, Optics Letters, 37, 2466-2468,ている。

(2012)

全正常分散領域におけるモード同期を実現することができたが、得られたパルスエネルギーとしては0.9 𝑛𝐽と通常のソリトンモード同期と同等の値となってしまった。原因としては、全体での分散量によるものだと考える。今回の実験構成では分散値が0.12 𝑝𝑠 2 であり、正常分散ではあるが値の小さいものであった。そのためより高出力な光源開発を目指すのであれば、より分散量の大きく非線形を抑制できるファイバーを利用することが望ましく、ZBLAN ファイバーの導波路分散のさらなる制御が必要となる。また、共振器内に PBS を挿入し、共振器からの取り出しを高くすることが挙げられる。これにより共振器内の光強度を下げ、非線形を抑えることができ、さらなる高出力化が期待できる。
参考文献[1] Sidorenko, Pavel; Fu, Walter; Wright, Logan G; Wise,Frank W, “Multi-megawatt, self-seeded Mamyshev
oscillator”, Specialty Optical Fibers, Paper, (2018)[2] Andy Chong, William H. Renninger, and Frank W.
Wise, “Properties of normal-dispersion femtosecond
fiber lasers”, Journal of the Optical Society of America
B, 25, 140-148, (2008)[3] Xiushan Zhu, and Ravi Jain, “Watt-level Er-doped
and Er–Pr-codoped ZBLAN fiber amplifiers at the 2.7–
2.8 μm wavelength range”, Optics Letters, 33, 15781580, (2008)[4] B. M. Walsh and N. P. Barnes, “Comparison ofTm:ZBLAN and Tm:silica fiber lasers; spectroscopy