Tm:ZBLAN ファイバー増幅器励起用強度安定化 Yb:FL の開発
武者研究室
1．序論

久保貴志を行うため波長 1064 nm の Yb:FL(ファイ現在の周波数・時間標準である Cs 原子時バーレーザー)を使用した 2 光子吸収による計の周波数安定度 10-15 を遥かに上回る安アップコンバージョン励起を選択した。

定度 10-18 を達成した光格子時計が次世代

以 前 使 用 し た 市 販 品 の Yb:FL で あ るの周波数標準の有力な候補として注目され

FITEL ASF15R06 ( 古 河 電 工 社 製 ) に はている。光格子時計は Sr,Yb,Hg の原子を20%程度の強度ゆらぎが存在し、温調を用用いたものがこれまで開発されてきたが、いた安定化を行うことができない構造であ世界初の魔法波長発見、及び必要なレーザった。よって今回私は、温調を用いた強度ーの波長が比較的容易に実現可能な Sr 光安定化を行える Yb:FL の作成を行った。目

格子時計が特に世界で幅広く研究されてい標値は 3~4 W 程度の出力＠1064 nm、1%る。光格子時計の運用には、3 種類のレー程度の強度ゆらぎである。

ザーが必要であるが、その中で Sr 原子をトラップする魔法波長 813.42 nm の光格子を2．原理生成するレーザーは主に Ti:Sappier レーザーが用いられている。しかし、Ti:Sappierレーザーは固体レーザーで水冷が必要であることから、大型であることや、長期安定動作が困難であるといった欠点が存在する。
よって今回我々は、次世代の可搬型 Sr 光格子時計を目指すにあたり、小型で長期安定動作可能な新しい光源の開発を行った。波
長 813.42 nm、線幅 100 MHz 以下、出力

図 1:実験系の概略図

１ W 以上という光学的要求を満たすためレーザー(LASER)は光の誘導放出を用いに、光源の構成としては MOFPA(Masterて光を増幅するという言葉の頭文字から作

Oscillator Fiber Power Amplifier)によるられた造語であり、利得媒質、励起源、フシンプルな実験系を目指した。マスターレィードバックを行う共振器の 3 つで構成さーザーとしては、小出力であるが線幅の細れる。今回作成した Yb:FL においては、励いフィルター型の外部共振器型半導体レー起源は高強度ファイバーカップル LD であザー(ECLD)を用いてその出力を希土類フる。高強度 LD の光は多モード発振などにァイバー増幅器により周波数特性を保ったより小さく絞り込むことが難しいためコアまま増幅を行うものである。ファイバー増径 100 µm と通常のファイバーより大きな幅器には波長 800 nm 帯に唯一の蛍光を持

コア内を光が閉じ込められ伝搬してゆき、

つ Tm3+ を フ ッ 化 物 フ ァ イ バ ー で あ る

コンバイナにおいてダブルクラッドファイ

ZBLAN ファイバーに添加したものを用い、バー(DCF)の第 1 クラッド内に注入されたTm3+ の強い再吸収に打ち勝つ高強度励起

後、利得媒質である Yb3+添加ファイバーに到達する。Yb3+添加ファイバーはコアにな大雑把な角度調整では精密な融着を行う

Yb3+が高濃度添加されており、第 1 クラッことはできず、融着箇所でファイバーが燃ド内に閉じ込められた励起光がコアを通る焼することもあった。よって、ファイバー時に励起が行われる。今回用いたファイバ

回転機能を持つ、PM ファイバー用のアーーは励起効率をあげるために第 1 クラッド

ク放電型融着機及び、大口径ファイバー用が八角形である。ちなみに、Yb3+添加ファのフィラメント加熱型融着機の 2 つの融着イバーを通過した励起光は次に融着されて機において融着を行った。融着機の画像をいるファイバーがシングルクラッドファイ見ながらファイバーの回転を行い、クラッバー(SCF)であるため、融着部分において外ドの抜け光をパワーメータで測定すること部に捨てられる。共振器のミラーとしてのにより角度の定量的評価を行った。2 つの役割を成すのは FBG(Fiber Bragg Gratin

融着機で再現性、角度調整特性の違いはあg)である。FBG はファイバーのコアに屈折ったが、八角形クラッドファイバーと円形率の周期的な構造が回折格子のように存在ファイバーの融着、八角形クラッドファイし、それが誘電体多層膜と同様にある特定バー同士の融着において精密な融着を行えの波長の光のみを反射するミラーとして働ることが確認できた。

くものである。Yb3+は幅広い発光が存在するが、今回はこの FBG の波長特性によってYb :FL の発振波長を 1064 nm としている。
3．Yb:FL の作成
ファイバー融着機を用いてファイバー同士の融着を行うことで図１に示した Yb:FLの完成を目指した。問題となったのは、Yb3+添加ファイバーの融着である。今回用いた
Yb3+添加ファイバーは励起効率を高めるた

図 3:融着機及び融着結果

め第 1 クラッドが八角形であり、角度によっては融着機の画像認識においてコアの位置が誤認されてしまうことが起きる。

4．時間経過によるパワーの低下の対策作成した Yb:FL はある程度の時間経過によってパワーが減少、融着点において燃焼することが繰り返し起こった。融着点を再び融着し直すことでパワーが若干向上することから、融着点を調べたところホコリ等の付着が原因であることが判明した。
利得ファイバーおよびコンバイナの一部はダブルクラッドでクラッド伝搬を行う。
第 1 クラッド内を伝搬していくのだが、第図 2:八角形クラッドファイバーと影響

2 クラッドは被覆(被膜)であり、融着箇所で実際に融着を行った結果、手で回すようは 2~6 cm 程度取り除かれている。むき出しになった第 1 クラッドに対し、空気(屈折確認したところ使用可能ということが判明

率≒1)が第 2 クラッドの役割をすれば問題した。そこで、指定された硬化時間によるないとしていたのだが、実際はホコリ等が硬化を試したが、樹脂を流し込まれる中心付着することで全反射条件が崩れ励起光が部分の硬化がうまく行われなかったため硬外に逃げていた。

化時間の最適化を行った。結果、上下の照射時間それぞれ 480 s を行い、中心部分がある程度固まったところで中心部分をずらし再び 200 s ずつ行うことで硬化を行うことができた。結果、パワーの低下も見られず、これをホコリ付着によるパワー低下の対策とした。

図 4:ホコリの影響
よって、ホコリの付着を防ぐ保護を作成することによる対策を行った。一般的に用い5．出力特性完成した Yb:FL の特性を以下に示した。

ら れ る 熱 収 縮 型 の 補 強 ス リ ー ブ
FPS01-900-34(フジクラ社製)は屈折率(n≒1.5)の内部スリーブが接すること及び熱耐性より使用を断念した。次に第一クラッドに触れずに空気を閉じ込めるものとして、メンディングテープで作成した筒、収縮時

図 5:Yb:FL の出力特性においても第一クラッドに接触しない熱収15 W 励起時に出力 4.8 W 程度を達成、縮チューブを用いた方法などを試したが、スペクトルも 1064 nm 中心で発振されてあまり芳しい結果が得られなかった。他におり出力に関する目標値は達成された。ス

有力な方法として、実際にハイパワーファロープ効率が 32.2%と、一般的な Yb:FL とイバーレーザーにおいて用いられている、比べかなり低いものとなっているが、これステンレスチューブ及びエポキシ樹脂を用は利得ファイバー長及び OC(アウトプット

いた方法が存在したが、今回私はリコータカプラー)反射率の最適化を行っていなかを用いたリコートによってこの問題を解決ったためであると考えられる。

した。リコートとは、ファイバーの被覆が存在しない箇所に UV 硬化のポリマー樹脂6．強度安定化を流し込み、UV を上下から照射すること完成した Yb:FL は LD の伝導冷却のみのにより新しく被覆を作る技術である。今回状態であり、出力が時間とともに上昇しては、PC-373 という n=1.3746@852 nm 及び行くことが確認された。よって安定化を行100 ℃以上の熱耐性という特性を持つ樹脂

い目標値達成を目指した。

を用いて樹脂の硬化を行った。使用した光ファイバリコータ FSR-2(フジクラ社製)は6.1

LD 温調古い型のもので、PC-373 は対応樹脂ではな

はじめに LD の温調を行った。LD は温度いと説明書に記されていたが、フジクラに上昇に伴い、屈折率及び熱膨張によって光路長が変化することにより発振波長の長波こすことに依るものと考えられる。

長化が起こる。今回用いた LD においても温度変化による発振波長の変化を確認し、7．まとめと展望

Yb3+の吸収中心とされている 975 nm 中心

Tm:ZBLAN ファイバー増幅器の励起にの発振である 26.5℃において温調による用いる発振波長 1064 nm の Yb:FL を作成

0.005℃程度の制御を行った。上昇率を抑えした。特性を以下に記す。

ることはできたが、依然時間経過による出・15 W 励起時に最高出力 4.88 W(@1064

力の上昇が観測された。また、この際に使nm 中心)

用していた LD の時間経過による 30 分で・熱平衡状態より 0.5%以下の強度ゆらぎ1%程度のパワー減少が確認された。

よって、出力、安定化の目標値を達成することができた。

6.2

利得ファイバーの冷却

次に利得ファイバーの冷却を行った。
Yb3+は 975

今後の展望としては、32.2%という低いス
ロープ効率を最適な利得ファイバー長及びnm 励起においては準 3 準位でOC に変更することで、今後使用する可能あり、温度上昇に依る下準位の熱励起によ性がある 3 W ずつの双方向励起用に 6 Wって効率が変化することが考えられる。よ以上の高出力化を目指すことが考えられる。って、利得ファイバー部分を金属板上に設置し、上からファンを用いて排熱を行った。
結果としては、熱平衡状態と考えられる6~7 分後以降は 0.5%以内の強度ゆらぎに抑えることができた。

図 7:完成形図 6:強度安定化の結果
また、ファンを用いない冷却を目指し、直径 15.5 cm 程度の円筒型アルミ合金に利得ファイバーをしっかりと巻きつけたところ、出力が 10%上昇し、更に時間経過により出力が減少する傾向が見られた。減少に関しては、励起 LD が時間経過で出力減少を起