Yb 添 加 フ ァ イ バ ー の フ ォ ト ダ ー ク ニ ン グ ・フォ トブ リー チン グの 研究
植田研究室

井上 雅行

すること、また、PD による損失を抑制するた

1. 背景と目的
今日、多く用いられている Yb 添加ファイめの方法として励起光である 975 nm の光と3+バー（YDF）は、その活性イオンである Ybブリーチング光である 407 nm の光を同時照の量子効率がほぼ 1 という量子欠損の少ない射することにより PD を抑制する事を目的と系であるため熱の影響も少なく高平均出力がした。

得られる。しかし、その YDF で問題となっているのが、励起をする過程や、レーザー発振を続けることによりレーザー発振波長域（1μm 帯）での損失が増加し、レーザーの効率低下が起こるフォトダークニング（PD）である。

2. PD とはどのような現象か
本研究で用いた YDF（ゲルマノシリケイト）より求めた未使用時と励起光照射後この PD という現象は、YDF のハイパワーレ（photodarkened）の損失スペクトルの結果をーザー化でも大きな問題となっており、このFig. 1 に示す。波長 900 nm～1000 nm 付近にPD を解消することができれば YDF の応用は見られる吸収は Yb による吸収である。励起

大きく広がるであろう。しかし、PD の原理や光は波長 975 nm を用いた。未使用時のスペク解決法などは未だ不確かな状態にあり、世界トルと比較して励起光照射後のスペクトルはでもいくつかのグループが PD に関しての研損失が大きくなっていることがわかる。励起究を行っているがその見解はさまざまである。 光を照射することにより生じた損失スペクト
そこで本論文では、YDF の PD についてのルのピークは Fig. 1 より 400 nm 付近か、もし研究とともに、その PD により起こってしまくはそれ以下であるように見えるが、その吸う損失の回復や抑制を指すフォトブリーチン
収の肩が発振波長域である 1μm 付近にまで伸グ（PB）の研究内容を記す。PB に関してはびているのがわかる。これが、レーザーの効世界的にも研究報告は少ないが、フランスの率低下を引き起こす PD である。
グループから、波長 355 nm である Nd:YVO4
PD の生じる原理としては、未だいろいろとレーザーの第 3 高調波の光を照射することに議論されている段階で詳しい原理はわかってより可視域の損失が回復するという報告が有いない。多く研究者が PD は反転分布に依存った。しかし、このような複雑なシステムでするということを言っている。J.Koponen ら
紫外光を発生させ PD の起こったファイバーのグループの仮説によると Fig. 2 より、PD はに照射することは応用上容易ではない。そこ
反転分布に依存し、反転分布の 7 乗に比例すで、我々は、近年さまざまな分野で使用されるという。つまり共同アップコンバージョン
始めた波長 407 nm の紫色の光を簡単に発生により 7 個分のエネルギーで伝導帯にまで励させることができる日亜化学製のレーザーダ起された電子が欠陥サイトにトラップされるイオード（LD）を用いることにより PB を起ことによりガラスの構造を変異させた結果、こす、つまり PD により発生した損失を回復損失が生まれるということのようだ。しかし、実際のところは未だわからないというのが現実である。

本研究に用いたファイバーは Table 1 のように大きく分けて二種類である。一つ目はゲルマノシリケイトファイバー（GSF）であり、利得媒質である Yb 以外にコアにゲルマニウムが添加されたファイバーである。もう一方は、アルミノシリケイトファイバー（ASF）であり利得媒質以外にコアにアルミニウムが添加されたファイバーである。両ファイバー
ではクラッド径と Yb 添加濃度の違いがある。
断面形状としては、Fig. 3 のようなダブルクラッドファイバーである。
Table 1 ファイバーの詳細

Fig. 1 Yb 添加ファイバーの損失スペクトル

Fig. 3 ファイバー断面図
Fig. 2 J.Koponen の反転分布と時定数の関係

4. PD、PB 後の透過スペクトルの測定結果
3. 研究に用いた YDF について両ファイバーについて未使用時、PD 後、PB

光ファイバーというのはコアとクラッドが後の透過スペクトルを観測するために、PD をなければ全反射が起こらず光が伝送しない、起こす際は、波長 975nm のファイバー結合

全反射を起こすためにはコアの屈折率の方がLD を用いコアに照射し、PB を起こす際は、クラッドに比べ高い必要がある。そこでコア

波長 407nm のマルチモード LD を用いクラッのガラスの屈折率を上げるためにゲルマニウドに照射した。結果は図 2 の様になりやはりムやアルミニウムやリンなどのような添加材

GSF は PD が起こりやすいという結果になっ料を必要とする。しかしこの添加材料はコアたが、PB の効果も大きく、未使用時に近い値の屈折率を挙げるためだけではなく、材料にまでスペクトルが戻り、問題とされている 1

よっては利得媒質を均一にガラスに分布させμm 域もしっかりと戻っていた。ASF は比較るなどの役割も果たすためにファイバーメー的に PD は起きにくいことがわかったが PB をカーではさまざまな添加材料が研究されていしても完全には戻ることはなく、1μm 域も相る。

関はあり、戻ってはいるが 600nm 域の 1/25程度しか戻らなかった。

うになっている。YDF の融着点の片方が水槽どちらのファイバーに対しても LD を用いに浸してある理由としては励起光の熱によりた PD は可能であるという結果が得られた。

融着点が燃えやすいため冷却するためである。
水はガラスに比べて屈折率が低いために第 2クラッドであるコーティングをむいた状態のファイバーを水に浸してしまっても全反射は起こるためにクラッドの光が反射しなくなる心配は無い。YDF の融着点のもう片方にインデックスマッチングジェルをつけている理由
としては励起光、ブリーチング光共にクラッドの光を除去するためである。YDF のクラッドを通り役割を果たした後は、クラッドからFig. 4 PD、PB による透過スペクトルの変化

この光を除去してしまった方が、LD に対する戻り光の心配や、プローブ光との干渉による

5. PD、PB の時間変化測定について信号の不安定要素を取り除くことができるた

PD に関して、コア照射では長手方向に均一めである。さらに検出器である Si フォトディに励起光をいきわたらせることができなく、テクターの手前に 407 nm カットフィルター

励起光の強度を変えても反転分布の値を大きと 975 nmHR ミラーを置いている理由はイン

く振れなかったために Fig. 5 のような実験系デックスマッチングジェルにより取り除ききを組み、励起光のクラッド照射に実験をおこれなかった残留光を検出前に除去するためでなった。また、PB に関しても同じ実験系でブあり、これらの工夫により、プローブ光であリーチング光をクラッド照射して実験を行っる He-Ne レーザーの光のみを検出し評価するた。実験で用いたファイバーは GSF、ASF とことができる。

もにサンプル長さは 10 cm である。まず、コア照射での実験と同様にプローブ光としてはまた同じ実験系で励起光とブリーチング光の同時照射の実験もおこなった。

波長 633 nm である He-Ne レーザーを用いた。
この光をレンズで集光し、FC/APC の付いたファイバーへとカップリングした後に融着された測定サンプルである YDF へと入る。その後、ファイバーコンバイナーからきているダ
ブルクラッドファイバーを通りコンバイナーを経てシングルモードファイバーを通り Si フォトディテクターによりプローブ工のみ検出されるようになっている。励起光である波長975 nm の光はファイバー結合 LD3 個をコン

Fig. 5 クラッド照射での実験図

バイナーにそれぞれ融着し、コンバイナーを経て YDF へと照射される。またブリーチングを起こすための波長 407 nm の LD も同様にレ

6. 実験結果

ンズによりファイバーにカップリングされ、GSF、ASF クラッド照射による PD 透過率

コンバイナーを経て YDF へと照射されるよの時間変化測定結果を Fig. 6、Fig. 7 に記載する。のクラッド励起に関しては、直線でのフィッティングはほとんどできなかった。おそらく
ASF に関しては PD が起こりづらく 50 分間の測定ではフィッティングの誤差が大きいことが影響しているかもしれない。ASF のコア照射に関してもクラッド照射のラインとはまったく違う位置に来てしまった。

Fig. 6 GSF の PD による透過率の時間変化測定結果

Fig. 8 PD のフィッティングによる時定数と反転分布による評価

GSF、ASF クラッド照射による PB 透過率の時間変化測定結果を Fig. 9、Fig. 10 に記載する。

Fig. 7 ASF の PD による透過率の時間変化測定結果

実験から得られたそれぞれの条件でのストレッチエクスポネンシャルファンクションによるフィッティング結果を用いて Fig. 8 の様な形で時定数と反転分布による評価をおこなった。GSF のクラッド励起に関しては直線できれいにフィッティングすることができた。
傾きは 6.5 程度となり J.Koponen が提唱している 7 乗則に近い値となった。GSF のコア照射の結果もこのラインに近い値となった。ASF

Fig. 9 GSF の PB による透過率の時間変化測定結果

る事ができた。すなわち、変化を早め、安定状態になるのが早くなるという事である。また、Fig. 13 より、同時照射をする事により励起光のみのときと比べて全ての条件で最終到達値 Aeq が大きい事から、同時照射により PDを抑制する事ができたと言える。
ASF の同時照射に関しても Fig. 12 より、励起光のみのときと比べ今回おこなった全ての条件で時定数τを短くする事ができた。また、
Fig. 14 より、励起光のみのときと比べてN2/N=43%付近を境に同時照射による抑制がみられた。
どちらに関しても言えるのが励起光のみのときと比べて同時照射をおこなった場合は時Fig. 10 ASF の PB による透過率の時間変化測定結果定数τが小さくなる傾向にあり早く定常状態に持っていく効果があるということである。
YDF をファイバーレーザーとして長く使用実験から得られたそれぞれの条件でのフィした場合はこのような条件下ではどちらにしッティング結果を用 Fig. 11 の様な形で時定数ても PD は起きるため、同時照射を用いること反転分布による評価をおこなった。両結果とによって安定な状態に早く到達させて動作共に直線でフィッティングすることができ、させることが可能である。また、ASF での励傾きはそれぞれ 1 に近い値となった。とくに起強度が 2 W（N2/N=35.8 %）と弱い場合を除GSF ではプロット数も多いことから傾きがいて同時照射をおこなうことによって最終的1.09 という値になり、PB は一光子過程であるには PD を抑制できるという結果が得られたということになる。

ことから、YDF を用いる上で励起光により生じてしまう PD に対して、励起光とブリーチング光の同時照射は有効であり、今後の応用-0.5log(1/τ)-1.0

y = -1.0931 + 0.99053x R= 0.96332に向けてさらに研究を重ねていくべきである

y = -0.66151 + 0.70818x R= 0.93557と考える。

-1.5-2.0-2.5-3.0-2.0GSF
ASF-1.6-1.2-0.8-0.4log(Power)
Fig. 11 PB のフィッティングによる時定数と照射強度による評価

次に、同時照射の実験結果より、GSF に関して Fig. 12 より、励起光のみのときと比べ今回おこなった全ての条件で時定数τを短くすFig. 14 ASF の同時照射による反転分布と最終到達値の関係
Fig. 12 同時照射のフィッティングによる時定数と反転分布による評価

7. まとめと今後の展望
本研究では波長 975 nm の LD を YDF に照射することによる PD という問題に対して波長 407 nm の LD をクラッド照射することにより PD による影響を軽減・解消するということを目的に実験をおこなってきた。
スペクトル測定の結果からわかるように
PD による損失の問題は深刻であり、波長 407nm の LD を用いたブリーチングの効果によりその損失が回復するというのは顕著であることがわかった。
波長 633 nm の He-Ne レーザーをプローブ光として用いた PD、PB による透過率の時間変化測定はストレッチエクスポネンシャルファンクションを用い、フィッティングをかけFig. 13 GSF の同時照射による反転分布と最終到達値の関係ることによって定量的に評価することができPB の有用性を示すことに成功した。
また、同じ方法で励起光とブリーチング光の同時照射を評価することによって実用的なPD の解決方法の糸口を見出すことができた。
今後の展望としては、波長 407 nm の LD の強度をさらに上げ、より実用的なレベルで PDを解決する方法を見つけ、その実験を通してPD、PB の原理を探求していきたい。