単一偏光 Yb 添加ファイバーレーザーの開発と緑色第二高調波発生
電子工学科

2.2

1.序論

植田研究室

長谷川真吾

インライン偏光子

ファイバーレーザーは固体レーザーに比べ様々な利点

今回使用したインライン偏光子は信光社との共同研究を持つ。現在ファイバーレーザーの高出力化が進んでいによって得られたもので、TiO2 の複屈折性を利用しておるが、様々なレーザー応用に用いるためには、偏光度のり、偏波消光非（PER）は 6dB である。従来のインライ単一偏光化や、スペクトルの狭帯化などが必要である。

ン偏光子の耐久性が 300mW なのに対し，本実験で用い特にファイバーレーザーの単一偏光化は高効率波長変換たインライン偏光子は 5W と非常に高い耐久性を示してやコヒーレントビーム結合において重要な課題である。

いる。インライン偏光子温度上昇の出力特性を図 2.2-1

そこで、PANDA 型 Yb 添加ダブルクラッドファイバーに示す。出力 10.65W 時にインライン偏光子にかかって（PM-YbDCF）、及びインライン偏光子を用いて、出力いるパワーは 2.03Ｗであり、温度は 10℃近く上昇したが、10W で単一偏光、また後に述べる第二高調波発生も考慮動作に不安定性は見られなかった。に入れ、スペクトルのバンド幅 0.2nm 以下のファイバー
34Temperature(℃)

レーザーの開発を行う。
また、次世代ディスプレイ用光源、あるいは高密度光記録用光源、固体レーザー励起用光源として短波長のレーザー光源の開発が盛んである。短波長を実現する一つの手段として、非線形光学結晶を用いて第二高調波を発32302826240

生 す る 方 法 が あ る 。 今 回 周 期 分 極 反 転 MgO:LiNbO3

510Output Power(W)（PPMgOLN）を用いて擬似位相整合を行う事により、1064nm の第二高調波である 532nm の緑色光を発生させ

図 2.2-1

インライン偏光子の温度上昇る。
以上のことから本研究は、1064nm における単一偏光

2.3

擬似位相整合Yb 添加ファイバーレーザーの開発を行い、またそれを利複屈折による位相整合法は等方性媒質では利用できな用して第二高調波である 532nm の緑色光への変換を目的い。また、媒質の最も大きな非線形光学定数要素を利用としている。

できるとも限らないことや、ウォークオフなどの欠点もある。こうした複屈折位相整合の不自由さを回避する巧2.原理

妙な方法が擬似位相整合である。図 2.3-1 に擬似位相整

2.1 PANDA ファイバー合の出力光強度の推移を示す。図に示すように、位相整

様々な偏波保持光ファイバーが提案されてきたが、合のとれていない媒質をコヒーレンス長ごとのセグメンPANDA ファイバーは、耐偏波ストローク特性に優れてトに区切り、分極の符号を交互に反転させることによっいることに加え、比較的低損失と言う特徴を有しており、て、擬似位相整合が達成される。コヒーレンス長は偏波保持光ファイバーの主流となっている。PANDA フlc =ァイバーはコアの両側に円形の応力付与部が配置されてπ∆k=λ4(n 2 − n1 )L(2.3 − 1)いる。PANDA ファイバーは基本的にはシングルモードと表される。また、擬似位相整合において非線形光学定ファイバー（SMF）であるので通常の SMF と同様に伝送数は、損失、カットオフ波長、モードフィールド径に加えて偏deff =波保持光ファイバー特有の複屈折率と偏波クロストーク特性が重要な特性となる。また、光学部品として使用さ2dπ

L(2.3 − 2)と最適化される。

れるので融着特性が重要な特性である。PANDA ファイ

基本波から第二高調波への変換効率は、バーは温度変動や捻りや曲げなどの機械的外乱に対してη=も十分な偏波保持特性を有している。

12 2P(2ω )  2ω d eff =Pω Lk ω h(B, ξ ) L (2.3 − 3)
P(ω )  πnω n 2ω ε 0 c 3 トされた光を集光し PM-YbDCF に入射させるために二と表される。 L は結晶の長さ、 h(B, ξ ) は Boyd andつ目のレンズを使用した。また、PM-YbDCF からの戻りKleinman 因子である。

光が、ファイバー結合 LD に入射されないように、ダイまた、位相整合をとるための最適ビーム径があり、図（2.3-2）に示した Boyd and Kleinman 曲線によって表さクロイックミラーを使用した。

れる。

このとき FBG とアウトプットカップラー（1°のウェッジ基板）によって共振器が組まれている。ダイクロイッ横軸ξは、

ξ=LλL=b 2πn eω 2

クミラーとアウトプットカップラーの間にバルク型の偏(2.2 − 4)

L光子を配置した。

0L=9m Yb2O3 14000ppm
clad:D=125μm, NA=0.46
core:d=5μm, MFD=5.5μm, NA=0.15PM-YbDCFであり、非線形結晶の長さと波長を固定すると、ビームFBG半径ω0 のみによって変化する。B は分子に複屈折角ρを

R=99.2%@1064.44nm
Δλ=0.192nmもち、擬似位相整合の場合 0 となる。
また位相整合のとれる基本波スペクトルのバンド幅は

δλ =0.4429λ n 2 − n1 ∂n1 1 ∂n 2+−L
∂λ 2 ∂λλ−1で、目標としていた 10Ｗには届かなかった。

B

10②①① ②Czl c 2 l c 3l c 4 l c 5 l c08Output Power(W)②①6420① ②A 位相整合
Ps Ps
B 擬似位相整合
C 位相不整合

図 2.3-120W@976.6nm
φ200μm, NA=0.22このときの出力特性を図 3-2 に示す。最大出力 9.42W

トルの許容バンド幅は互いに 0.212nm、0.106nm である。

I2 ω

HR@1000-1100nm
T>90%@900-980nm

図 3-1 単一偏光ファイバーレーザー（バルク偏光子）と表され、結晶の長さが 10mm、20mm の場合のスペクA

Polarizer
OutputCoupler

DM f=8Output(2.3 − 5)Lfiber coupled LD

f=4.50

擬似位相整合5

図 3-21015Input Power(W)20

出力特性（バルク偏光子）

また、このときのスペクトルと PER をそれぞれ図 3-3、103-4 に示す。スペクトルの半値全幅（FWHM）は 0.078nm

B=01.0と非常に狭い値を示したが、絶対波長が不安定であった。
0.1

PER は最大出力時 21.9dB と非常に高い値を示した。

h m (B,ζ )0.010.295W
0.11101001000ζ

図 2.3-20.778W

Intesity(a.u.)

0.001
0.01

Boyd and Kleinman 曲線

1.976W
3.19W
4.61W
6.03W

1064

3.単一偏光ファイバーレーザーの開発（バルク偏光子）
バルク偏光子を用いた単一偏光 Yb 添加ファイバーレ

1064.21064.4
Wavelength(nm)1064.6

7.25W
8.29W
9.42W

ーザーの開発の実験装置を図 3-1 に示す。励起光源としてファイバー結合 LD を使用した。レンズは、ファイバ

図 3-3ー結合 LD からの出射光が、PM-YbDCF の第 1 クラッドに入るように、各ファイバーのコア径、クラッド径、NA（開口数）を考慮して設計した。ファイバー結合 LD からの出射光を一つ目のレンズでコリメートし、コリメー

2発振スペクトル（バルク偏光子）

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.0101510500

図 3-4246Output power(W)84-4 に示す。スペクトルの FWHM は 0.175nm と目標としていた 0.2nm よりも狭い値を実現することが出来た。また、バルク偏光子の場合と異なり、絶対波長も安定した。

PER は最大出力時 16.7dB と非常に安定していた。出力が上がるに従いバンド幅が広がっているが最終的にはFBG のバンド幅 0.192nm よりも狭い値で収まった。

10

PER と FWHM の出力特性(バルク偏光子)

0.40(W)
0.99(W)
2.515(W)
4.35(W)
6.23(W)
7.98(W)
9.72(W)
11.04(W)11.97(W)Intensity(a.u.)PER(dB)20

次に、このときのスペクトルと PER をそれぞれ図 4-3、FWHM(nm)25

4.単一偏光 Yb 添加ファイバーレーザーの開発（インライン偏光子）バルク偏光子を用いた実験では、出力が 10W には届かず、また発振スペクトルの絶対波長にも不安定性が見られた。そこで、次にインライン偏光子を用いて全ファイ1064.14

バー型単一偏光 Yb 添加ファイバーレーザーの開発を行

1064.24 1064.34 1064.44
Wavelength(nm)1064.54

った。実験装置を図 4-1 に示す。実験装置は先程とほぼ同じ物を使用しているが、バルク偏光子とアウトプットカップラーを外し、Yb-DCF と FBG の間には原理で述べ

図 4-3

発振スペクトル（インライン偏光子）

25

FBG と PM-YbDCF の端面とで共振器が組まれている。

20

Polarazer

f=4.5

R2=3.4%
R=99.2%6dB PER@1064.44nm Insertion loss 0.3dB
Δλ=0.192nm
outputPER(dB)

L=9m Yb2O3 14000ppm
clad:D=125μm, NA=0.46
Inline PM-YbDCFcore:d=5μm, MFD=5.5μm, NA=0.15 fiber coupled LDFBG

DM f=8HR@1000-1100nm
T>90%@900-980nm

0.20.180.160.14
0.120.1
0.08
0.06
0.04
0.02
020W@976.6nm
φ200μm, NA=0.22

15105002

図 4-1 単一偏光ファイバーレーザー（インライン偏光子）

468Output Power(W)10

FWHM(nm)たインライン偏光子（信光社）を融着した。このとき、12

このときの出力特性を図 4-2 に示す。最大出力 11.97Wと目標としていた 10W を上回ることに成功した。光光変換効率は 75%、スロープ効率 80%とどちらもバルク偏光

図 4-4PER と FWHM の出力特性（インライン偏光子）子の場合を上回っている。

Output Power(W)5.第二高調波発生
第二高調波発生の実験装置を図 5-1 に示す。図 4-1 で14121086420

開発したファイバーレーザーを用い、λ/2 板で偏光を s偏光に回転させ、レンズによりビーム径を 37.7μm に集光 し て PPMgOLN に 入 射 さ せ 波 長 変 換 を 行 っ た 。

PPMgOLN は光損傷耐久性に優れ、また非常に高い非線形光学定数を持っているのが特徴である。PPMgOLN はペルチェ素子を用いた温度調節器により位相整合に最適
051015
Input Power(W)20な温度に保たれており、 PPMgOLN からの出射光は、HR@532nm、HT@1064nm のミラーによって基本波と第二高調波に分けられた。

図 4-2

出力特性（インライン偏光子）

3Inline PM-YbDCFPolarazer
f=4.5FBGR=99.2%@1064.44nm

6dB PER

λ/2DM

次に、第二高調波を最大出力（2.155W）にした状態で、

fiber coupled LD
f=8レンズによって集光し、CCD カメラでビーム径を測る。

HR@1000-1100nm
T>90%@900-980nm

CCD カメラは可動区域内で最も PPMgOLN への距離が近20W@976.6nm

い場所を z=0 とし、z=100mm から z=440mm の範囲でビ

HR@1064nm
HT@532nm

PPMgOLN
HR@1064nm
HT@532nm

f=35ーム径の測定を行った。CCD カメラの距離に対するビー

HR@532nm
HT@1064nm

ム径の変化を図 5-4 に示す。レーザービームの品質を示

1064nmpower meter
wedge 1°

L=10mmHR@532nm
HT@1064nm

す量である M2 因子は 1.04 と非常に良い値であったため、

532nm

CCD camera

f=150

ビーム径の変化による変換効率の減少はなかったと考え

λ/2られる。

wedge 1°1200

第二高調波発生Beam radius (micron)

図 5-1

このときの第二高調波の出力と変換効率を図 5-2 に示す。基本波出力が 11.97W のとき第二高調波出力 2.155W、変換効率 18%であった。変換効率が約 10%のところまでは理論とよく一致しているが、基本波出力が上がるにし1000
800
600
400
200

たがって、変換効率が頭打ちになってしまった。

15202530z (cm)

35404535%
30%

2.025%
1.5

20%

1.0

15%
10%

0.5

5%

0.0

Conversion Efficiency(%)

532nm Power(W)2.5010

図 5-46.結論

今回インライン偏光子と PM-YbDCF を用いて全ファイバー型の単一偏光ファイバーレーザーの開発をした。

0%051064nm Power(W)

ビーム径の距離特性

基本波出力 11.97W、スペクトルのバンド幅 0.175nm と目10標としていた値を上回り、想定した波長変換に十分な値となった。そして、これによって波長変換を行ったとこ

図 5-2

第二高調波出力と変換効率ろ、第二高調波出力 2.155W、変換効率 18%の第二高調波を CW で得ることが出来た。

このとき、PPMgOLN につけた温度調節器の温度変化を図 5-3 に示す。結晶に熱が加わわることにより、結晶中で温度勾配ができてしまい、それによって出来た熱レ

7.今後の課題ンズにより変換効率が減少してしまっていると考えられ今後、更なる変換効率の向上が望まれるが、その為の方る。

法として、
1. 熱伝導率の高い金属を使用することにより、熱勾配の影響を緩和し、熱レンズを抑制する。

Temparature(℃)

3130

2. より結晶長の長い PPMgOLN を使用することにより変換29

効率の理論値を上げる

28等の方法が考えられる。結晶長を 2 倍の 20mm とした場合、

27式（2.3-3）に示すように、変換効率は現在の 2 倍となる。しか26し式（2.3-5）より、結晶の長さとスペクトルのバンド幅は反比2505例しているため、ファイバーレーザーのバンド幅のさらなる狭101064nm Power帯化が必要となる。例えば 2 倍の変換効率を目指すならばバンド幅を 0.1nm に狭めなければならない。そのためには

図 5-3

FBG のバンド幅の狭帯化が必要であると考えられる。

温度調節器の温度変化

4