コヒーレント加算ファイバーレーザーに関する研究
電子工学専攻

１植田研究室関口知樹の構成を図 1 に示す。マイケルソン干渉計の両腕はじめに半導体レーザー励起希土類添加ファイバーレーにレーザー媒質が入っており、出力ポートの一方ザーは 2 重クラッド構造ファイバーによって１１のみにミラーのある共振器となっている。このと０W シングルモード発振が得られたことにより、き、ミラーのない方から出力はない。これは、マ高出力、高ビーム品質なレーザー装置であると位イケルソン干渉計の特性によって、反射、透過し置づけられてきている[1]。全ファイバーレーザーやすい波長が異なることによるものである。図２

装置は様々な利点を持っており、高い変換効率、にマイケルソン干渉計の入射光に対する反射、透装置の小型化、信頼性などが挙げられる。

過率の周波数特性を示す。このように、反射しやファイバーレーザーの高出力化の研究は主に、すい周波数と透過しやすい周波数が異なっており、多くの励起光をどのように効率よくファイバーのこのとき、反射はマイケルソン共振器にとって利コアに吸収させるかという研究が行われているが、得を、透過は損失を意味する。つまり、発振モー一方で、複数のレーザーをコヒーレント加算する

ドは図 2 の赤実線ように反射率の高い周波数におという技術は、既存の技術によって、高出力化がいて発振しやすいと考えられる。また、透過しや可能であるため、非常に求められている技術といすい波長は発振することはない。つまり、加算しえる。

やすい周波数のみが発振するために、単一出力で一般に光のコヒーレントな加算には精密な空間、足された出力が得られるのだと考えられる。

時間の位相制御を必要とする。しかし、本研究の方法はシングルモードファイバー内での干渉であるため、空間モードの不整合は起きない。また、縦モードは、その共振器のコヒーレント加算が得られるようなモードのみが自然に発振するために、周囲の環境に影響を受けることは無く、制御を必要としないといった利点を持つ。

反射率
透過率

２マイケルソン共振器

図 2

マイケルソン干渉計の反射、透過特性と発振モード

図 1３マイケルソン共振器

コヒーレント加算ファイバーレーザー

実験装置を図２に示す。2 本のファイバーレー
ザーを 50:50 ファイバーカップラーによって結合コヒーレント加算で用いるマイケルソン共振器

1

る。しかし、縦モード間隔が狭いために、そのビート周波数は比較的遅く、測定が可能となる。図５にファブリ・ペロー共振器とマイケルソン共振器ファイバーレーザーの出力のビートスペクトルを示す。ファブリ・ペロー共振器の共振器長は９．
１ｍで構成されており、このときの縦モード間隔は１１．３７MHｚとなり、非常に狭いため、図図 3のように帯状になる。一方、マイケルソン共振器

コヒーレント加算ファイバーレーザー

は全長が約１２ｍで構成されているが、図のようした構成となっている。共振器構成はファイバーにモード間隔は広がる。これは、マイケルソン干

ブラッググレーティング(FBG)A,B とファイバー渉計の腕の長さの差に相当する反射周波数間隔で端面のフレネル反射から構成され、片方の出力ポ発振しているためであると考えられる。このとき、ートにはファイバー端面のフレネル反射を防ぐた腕の差を約１ｍつけておりそのモード間隔で発振めに無反射コネクタをつけることにより、Y 字型していることが図５からわかる。の共振器となっている。励起光は波長選択性(WDM)ファイバーカップラーによって注入されている。このときの PA、PB の出力特性を図３に示す。点線は結合前の出力特性であり、実線は結合後の出力特性となっている。PA 出力の傾きが結合後には 2 倍となっていることがわかる。これは2 本のファイバーレーザー出力が加算されていることを表わしている。このとき、加算効率は 93.5%という非常に高い効率が得られた。

図 5

ファブリ・ペロー共振器、マイケルソン共振器

図 4発振モードのビートスペクトル

また、このコヒーレント加算は複数本のファイコヒーレント加算ファイバーレーザーバーレーザーにおいても加算が可能である。図６

出力特性に等分岐４×４ファイバーカップラーを用いた、発振のモード構造を観測するために、縦モード４本のファイバーレーザーの加算実験構成図を示間のビートスペクトルを測定することによって観す。それぞれ約０．８W のファイバーレーザーを測した。これはファイバーレーザーの共振器長が加算し、加算効率９６．１％が得られた。このこ非常に長いため、縦モード間隔は非常に狭く、直とから、複数ファイバーレーザーの加算において接、モード構造を観測することは困難なためであも応用が可能であることがわかる。

2

ときの出力特性を図５に示す。加算現象は得られたが、効率は非常に悪い結果となった。原因として LD の出力端面の反射防止膜が LD 自身の発振を完全に抑えるほどではないために、コヒーレントな加算が起きなかったとのだと考えられる。しかし、LD のコヒーレント加算は可能であるという実証には十分な結果であり、この方法により LDから高出力、高輝度なレーザー光を得ることがで
図 6きるといえる。

コヒーレント加算ファイバーレーザー
（N=4）

４

半導体レーザーのコヒーレント加算半導体レーザー(LD)は電気変換効率が非常に良い、レーザー装置といえるが、高出力レーザーの応用として直接使われることは少ない。主な理由に、ビーム品質が悪いことが挙げられる。しかし、このコヒーレント加算の技術を用いることによって、ビーム品質は良いが出力は小さい LD を足し

図 8

LD コヒーレント加算出力特性合わせることによって、高出力、高ビーム品質な５レーザーが得られると考え、実験を行った。

コヒーレント加算モード同期ファイバーレーザー

このコヒーレント加算では、図５に示すように、モード間隔が広がり、その間隔はマイケルソン干渉計の腕の差に相当する共振器の縦モードをつくる。これは、長い共振器長（長い利得長）を持ちながら、実効的に短い共振器のモードを形成することが可能であることを意味しており、つまり、
図 7

この現象を利用することで、高繰り返しモード同半導体レーザーのコヒーレント加算期パルスが得られることが考えられる。また、分装置図を図４に示す。先程のファイバーレーザ岐された共振器でモード同期が得られることは興ーの利得部分が LD からなる構成となっている。

味深い。ファイバーカップラーによって分岐され、LD にはファイバー出力 LD(出力端面には反射防強度が小さくなった状態でそれぞれが増幅され、止膜が施されている)を用いた。ファイバーブラッ

加算される。共振器中では強度の大きい状態を少ググレーティングを出力ポートに付けたのは、付なくすることが可能となる。

けない状態では、LD 端面の AR コーティングがはじめに、コヒーレント加算ではない状態（フ発振を完全に抑えるだけ反射率を抑えられていなァブリ・ペロー共振器）において、受動モード同いために、LD 自身が発振してしまい、インコヒ期ファイバーレーザーを作製した。受動モード同ーレントな加算になってしまうためである。この期を得る方法として、ファイバー内の非線形偏光3回転を利用している。実験装置を図９に示す。共る。得られた出力パルス列を図１０に示す。共振振器中に利得ファイバーと偏光子が入っており、器長に相当する縦モード間隔１９．５MHｚが得

このように、非常に簡単な構成でモード同期を得られた。また、励起光１００ｍW、出力２５ｍWることができる。このとき、ファイバーを伝搬すのときの発振スペクトルと自己相関波形を図１１、る光は、自己位相変調と相互位相変調によって、１２に示す。波長幅Δλ＝７．３ｎｍ、パルス幅直行する偏光間に位相差が起き、これによって、Δｔ＝３９０ｆｓが得られた。次に、この方法を強度に依存して偏光状態が変化する現象が起きる。

用いてコヒーレント加算モード同期ファイバーレ

この現象と偏光子を組み合わせることによって、ーザーの実験を行った。

パルスの両翼部分では偏光子によって遮断され（損失を受け）、パルスの中心部分では透過するような変更状態にすることによって、高速な過飽和吸収体と同様な働きをし、受動モード同期が起きる。偏光状態の制御には２枚の波長板を用いている。共振器のミラーはファイバーブラッググレー
ティングでは反射帯域が狭いため、広帯域な反射特性を持つミラーを用いている。

図 9

図 11

発振スペクトル

図 12

自己相関波形

非線形偏光回転モード同期ファイバーレ
ーザー

実験装置を図１３に示す。コヒーレント加算の方法、受動モード同期の方法は先程の説明と同様である。しかし、このとき、モード同期を得ることはできなかった。この起きなかった理由として、
図 10

偏光の制御の困難さが原因であると考えた。この

出力時間波形（サンプリング・オシロス共振器において偏光状態を制御しなければならなコープ）い要素が多く存在することが考えられる。１つはモード同期は光学台を叩くことによって開始す

非線形偏光回転モード同期を得るために、パルス4において、強度が弱い箇所は損失が大きく、強度験の目的とするモード同期の起きてほしい繰り返が強い箇所は損失が少ない状態をつくることであしの周波数である。一方、低周波数なパルス列もる。この偏光状態がつくれなければもちろんモー存在していることがわかる。つまり、このようなド同期はかからない。もう 1 つは、コヒーレント

分岐した共振器では発振モードが等間隔ではなく、加算を得るために、両腕からの２つの光が干渉す

不完全な状態が存在する可能性があると考えられるときの偏光状態を等しくすることである。このる。

偏光状態をつくれなければ、2 倍の出力は得られず、また、損失の非常に大きい共振器となってしまう。この２つのことを考慮するとマイケルソン
干渉計部分において、非線形偏光回転が起きた時の、パルスの尖頭部分の偏光状態を両腕で等しくし、モード同期が起きるような入射偏光を探す、といった非常に複雑な状況をつくらなければなら

図 14分岐型共振器

図 15分岐型共振器

ない。

図 13

コヒーレント加算モード同期ファイバー
レーザー

時間波形

そこで、実験装置を図１４のように、分岐後でマイケルソン共振器の共振する縦モード（透過は、光を空間伝搬させて実験を行った。これによ率）は計算が可能である[2]。ある共振器長の条件って、分岐後の偏光状態が変わることがないので、での計算した結果を図１６に示す。周期が２つ存加算させるための偏光制御が必要なくなり、必要在し、高周波数はマイケルソン共振器の腕の差にな偏光制御は受動モード同期のための制御のみと相当する縦モードであり、低周波数は図１７におなる。この状態は、コヒーレント加算ではないが、いてマイケルソン共振器に存在する２つのファブ発振モードの構造は同様になる。しかし、この時リ・ペロー共振器の平均の長さに相当する縦モーもモード同期は得られなかった。だが、ある波長ド間隔である。図１６において、強度の強い周波板の角度において、光学台を叩くと、図１５のよ数が発振すると考えると、マイケルソン共振器のうなパルスが一瞬だがオシロスコープにおいて観腕の差に相当する周波数間隔で発振しやすいこと測された。

は先程の考えと同様であるが、発振する周波数は図において、周波数の高いパルス列はマイケルマイケルソン干渉計の反射周波数の中心には無く、ソン共振器の腕の差に相当する周波数で、この実等間隔ではないことがわかる。このときはもちろ

5

んモード同期は起きないと考えられる。と考えられる。かつ、その繰り返しが両ファブリ・ペロー共振器の共振状態を満たす時、モード同期が得られると考えられる。つまり、精密な共振器長の制御が必要となる。

図 16

マイケルソン共振器のモード構造（１）図 18５マイケルソン共振器のモード構造（３）まとめ
等分岐ファイバーカップラーを用いることにより、高効率な加算を実現した。半導体レーザーについても行い、加算が得られた。この加算方法は
図 17

マイケルソン共振器のモード構造（２）どのようなレーザー媒質においても可能であるとほとんどの共振器長の状態では図１６のように、考えられる。高出力、高ビーム品質なレーザー装置として期待できる。また、高繰り返しモード同等間隔にはならないが、ある条件では等間隔にな期ファイバーレーザーを提案し、実験を行ったが、る。それは、図１７において、存在する２つのフモード同期は得られなかった。しかし、高繰り返ァブリ・ペロー共振器がそれぞれつくる縦モードしモード同期を得るには共振器長の制御が必要での櫛の重なる周波数間隔がマイケルソン共振器のあることがわかった。

反射周波数間隔と一致する時である。このときのマイケルソン共振器の共振周波数を図１８に示す。

６

このときは、高繰り返しモード同期が可能である

参考文献[1] V.Dominic, S.MacCormack, R.Waarts, S.Sanders,

ことが考えられる。これは時間軸上では、ある一定繰り返しのパルス列が共振器内にあるとすると、S.Bicknese, R.Dohle,E.Wolak,P.S.Yehand .Zucker“110W fiber laser,”Electron.Lett.35,1158-

そのパルスはファイバーカップラーによって分け1159(1999).

られ、ミラーに反射され、また合流する。しかし、[2] Peter Barnsley, Paul Urquhart, Colin Millar, and

両腕で光路長が異なっているため、同じパルスがMichael Brierley,“Fiber Fox-Smith resonators:

ファイバーカップラーで合流することはない。パapplication to single-longitudinal-mode operation of

ルス列において１つ遅れてくる（または、早い）

fiber lasers,”J.Opt.Soc.Am.A 5,1339-1346(1988)

パルスと衝突し、干渉する時に加算が得られるこ6