フォトニックバンドギャップファイバーを用いた誘導ラマン散乱抑制高尖頭出力パルス増幅
白川（晃）研究室 有佐 傑
＜目的・背景と学術的意義＞に成長し、ポンプエネルギーの大部分がそ現在、レーザー技術は自動車部品や精密機の中に現れるようになる。この現象を SRS

器の加工、また医療分野などあらゆる用途と呼ぶ。SRS の発生閾値𝑃𝑡ℎ,𝑆𝑅𝑆 は式(1) でで利用が高まっている。中でも、ファイバ与えられる。

レーザーは高効率、高利得、高冷却性、高ビーム品質といった様々な利点によって、

Pth,SRS  16高輝度・高平均出力化が実現されている。

Aeff
f P g R Leff

(1)

一方で、パルスなどの高強度の光を伝搬さ

ここで、𝐴𝑒𝑓𝑓 は有効コア面積、𝑓𝑃 は偏向因

せると、誘導ラマン散乱（SRS）や誘導ブリ子、𝑔𝑅 はラマン利得、𝐿𝑒𝑓𝑓 は有効作用ファルアン散乱（SBS）といった非線形光学効果イバー長で与えられる。

が起きてしまい、出力が制限されてしまう
ため、更なる高尖頭出力化を目指す上での障害となってしまっている。一般的に、パルス増幅において、発生閾値の低い SRS が高尖頭出力化の限界を決める。
卒業研究では、SRS 抑制が期待されるフォトニックバンドギャップファイバ(PBGF)を用い、増幅実験を行う。そして、Yb-PBGFの SRS 制御効果を検証する。

Fig. 1 ストークス光の発生原理＜原理＞

2.フォトニックバンドギャップファイバー

1.誘導ラマン散乱(PBGF)

入射した光が分子間の振動によって散乱

通常用いられているファイバーはコアとされ、ストークス光と呼ばれる周波数の変クラッドの屈折率の差によって、光を全反化した光を発生させる現象をラマン散乱と射させてコア内を伝搬させている。一方、呼ぶ。発生原理として、Fig. 2 に示したよPBGF はコアの周囲に高屈折率ロッドを周うにストークス光は、基底準位にある電子期的に配置し(Fig.2)、フォトニックバンドが仮想準位を経て、振動準位に遷移するこギャップを生じさせる。そして、このフォとで発生する。このとき非常に強いポンプ

トニックバンドギャップ構造により、ブラ光を用いると、ストークス光が媒質中で急ッグ反射条件に合う光を閉じ込めてコア内を伝搬させている。さらに、高屈折率ロッ＜実験＞

ドのピッチの間隔  やファイバーの巻き径

1.Yb-PBGF の評価を調整する事により、コアを伝搬する光の今回用いたファイバーを Fig.4 に示す。

波長を調整することができる。そのため、本研究では増幅させる波長帯をフォトニッ
クバンドギャップ構造によって閉じ込めることにより低損失で透過させる(Fig.3)。そして、ストークス光の波長をフォトニックバンドギャップ外とすることで、その波長帯に大きな損失を与え、SRS の抑制を行う。
この損失を与える事による SRS の閾値は式

Fig.4 Yb-PBGF の断面(1)に PBGF による損失項を加えて、以下の中心には Yb を添加したコアが配置され、そ式(2)で表す事ができる。

れを挟むような形で B が添加されたロッド

Pth,SRS  16Aeff
f P g R Leff

 PBGF ( ) Aeff
gRが配置され、偏波保持の役割をしている。
(2)

その周りに周期的に Ge を添加したロッドが並んでおり、この Ge 添加ロッドのピッチ

ここで、𝛼𝑃𝐵𝐺𝐹 (𝜆)は PBGF による透過損失でや径を変えることによって、伝搬する光に与えられる。 損失項が加わることにより、波長選択性を持たせることが可能になる。

SRS 閾値をあげることができる。

そして、その周りには第二クラッドとしてエアクラッドがある。エアクラッドの外側の領域はバッファ領域となっており、バッファの側面に平面を敷くことでねじれを防ぎ、B 添加ロッドの位置を保持することができる。
実験を行う前に Yb-PBGF について SRS 抑制に適したピッチおよび巻き径を評価した。
評価方法としては白色光を Yb-PBGF にコアFig.2 ファイバーの構造伝搬させ、透過光のスペクトルを測定した。
ピッチは 8.3 μm、8.5 μm のものを、巻き径は Straight,32 cm,26 cm,20 cm,16 cm,13cm としてそれぞれ透過スペクトルを測定した。
透過スペクトルの測定結果を Fig.5 に示す。Fig.5 より、ピッチ 8.3 cm の方がよりFig.3 Yb-PBGF の透過スペクトル

Raman gain に対するカットオフが短波長側によるため、より SRS 抑制に適している

と判断できる。また、巻き径は短くしてい2.受動 Q スイッチレーザーの作製

くほどカットオフが短波長側に寄るため短増幅実験のシードとなるパルス光源としい径を使う方がより SRS 抑制に適しているて、受動 Q スイッチレーザーを自作した。と判断できる。しかし、今回の測定で径パルス光源にはレーザー媒質として13cm,16cm には増幅すべき 1064 nm の波長

Yb: YAGを用い、過飽和吸収体には𝐶𝑟 4+ : 𝑌𝐴𝐺帯での損失も見受けられたため、実験ではを用いることでマイクロチップレーザーを巻き径 20 cm として実験を行った。

作成した。受動 Q スイッチレーザーの実験
配置図を Fig.7 に示す。

Fig.7 受動 Q スイッチレーザー
Fig.5 Yb-PBGF のピッチ、巻径依存性

また、受動 Q スイッチレーザーの透過スペ

したがって、ピッチ 8.3 mm、巻き径 20 cm

クトル及びパルスの時間波形を Fig.8 に示の Yb-PBGF の透過スペクトルより、Yb-PBGFす。今回、受動 Q スイッチレーザーは安定の損失を求め、式(1)、(2)を用いて SRS 閾したピークパワーを得るため単一縦モード値を計算したところ、PBGF を用いていない動作を行った。また、パルス幅を 5 ns 以下

ときは 7.7 kW で SRS が発生してしまうのにする事で音響フォノンとの相互作用を防に対して、PBGF を用いたときは 34.4 kW でぎ、SBS の発生を防いでいる。さらに、繰SRS が発生することが予測される(Fig. 6)。

り返し周波数を 20 kHz 以上とすることで増なお、有効ファイバー長は 2.5 m、有効コ幅自然放射光(ASE)の抑制も行っている。

ア断面積1.8 × 10−112𝑚 として計算を行った。

Fig.8 スペクトル及びパルスの時間波形

3.増幅実験
実験配置図を Fig.9 に示す。
Fig.6 SRS 発生閾値

実験結果から最も高いピークパワーは18.7kW であり、スペクトルからラマン散乱とピークパワーには 40 dbm 近い差があるた
め、SRS 起きていないと判断できる。計算
結果から求めた通常のファイバーでの SRS
Fig.9 実験配置図

発生閾値 7.7 kW を上回るピークパワーを励起光には 975 nm のファイバー結合型 LD得ることが出来た。しかし、これよりさらを用い Yb-PBGF を後方励起することで増幅に PumpPower を上げていくとピークパワーを行った。この時、Forward 光と Backward

17.0 kW と値が下がってしまう。これは発光を同時に測定することで、SRS と SBS の生した ASE が寄生発振し、Signal 光のエネ両方を同時に測定した。

ルギーが奪われたためだと考えられる。計増幅結果を Fig.10 に示す。

算による PBGF の SRS 発生閾値は 34.4 kW であり、今回の実験では実験による PBGF のSRS 発生閾値を求めることはできなかった。
今後は ASE の寄生発振を抑制することで更なるピークパワーを出力し、実験によるPBGF の SRS 発生閾値を求めていこうと考えている。
<今後の展望>ASE の寄生発振を抑制するためシード光源のピークパワーを高い繰り返し周波数を維持したまま、上げていこうと考えている。
また、PBG 構造を持たないファイバーとの比較実験を行い実験による通常の SRS 発生閾値を求めていきたい。

Fig.10 増幅結果及び PumpPower18.8 W,20.2 W の透過スペクトル