全正常分散ファイバーレーザーの作製
白川晃研究室

１ 序論
ファイバーレーザーは材料としてシリカガラス

田中望実

２原理

2.1

モード同期を用いることから, 低損失であり, また媒質となるレーザーが多モード発振しているとき, 発振モファイバー自体がレーザーの通り道となることかード間の周波数の差は一般に等しくない. しかし,ら相互作用長が長く, 高利得である. このような性

レーザー共振器の中に非線形光学素子などを入れ質は高出力レーザーにとって重要な性質である.

たり, 損失や屈折率を変調したりすると位相関係

本研究室ではマルチコアやマルチモードファイが固定され, 多モード発振の周波数間隔が等しくバーによるコヒーレントビーム結合や分割パルスなる. これをモード同期という. N 個のモード合成増幅などによる高出力レーザーが研究されてきた

光電場𝐸(𝑡)はすべてのモードの振幅を等しくし, 位が, 本研究はそれらのシード光源となりうるレー相一定としたとき, 中心角周波数を𝜔0 , モード間ザーを開発することが目的である. シード光源と隔を∆𝜔として以下のように表される.

して, 短パルス・広スペクトル・高エネルギーをいることを検討した. 正常分散モード同期ファイ𝑁∆𝜔𝑡sin [2 ] exp(𝑖𝜔 𝑡)
𝐸(𝑡) = 𝐴00𝑁∆𝜔𝑡sin [2 ]バーレーザーには ANDi と呼ばれる全正常分散型モード同期の状態になると, 波形は図 1 のようにと self-similar と呼ばれる自己相似型が存在する.

なる. 共振器長を𝐿とすると周期𝑇 = 2𝐿/𝑐で繰り返

本研究では ANDi 共振器を作製した.

すパルス列である.

もつ正常分散モード同期ファイバーレーザーを用(1)

全正常分散モード同期ファイバーレーザー（ANDiFL）は名前の通り異常分散のないファイバーレーザーであり, 周波数フィルターを用いることで安定したパルスを得られる. ファイバーレーザーでは非線形光学効果が発生しやすく, 出力波形はファイバー長などによって大きく変化する

図１ モード同期の(a)スペクトルと(b)電場波形ため, 多くの試行が必要である. 本研究では, ファイバー長や WDM カプラ, 周波数フィルターなど

2.2非線形偏波回転を変えながらより安定したモード同期を目指した.

図 2 に非線形偏波回転の概念図を示す. 自己位

また, モード同期波形を得た後にパルス特性を評相変調や相互位相変調によって位相変化が起こる価しパルス幅を測定するため, 自己相関波形の測と, ファイバー中を非線形位相シフトを受けなが定を行った.

ら伝搬することにより, 偏光がファイバーの途中で変化することがある. このような自己誘起された偏光変化の効果を非線形偏波回転(NPE :1

Nonlinear Polarization Evolution)という. QWP にング共振器であるので, 出発地点と終了地点でのより, 光強度の強いパルスの中心部のみが検光子パルスは等しくなるようにパルス幅やエネルギーを通過し, 短パルス化が望める.の動作パラメーターが決定される.
また, 正常分散型ファイバーレーザーにおいてはファイバーの長さも重要な指標である. Yb ファ
イバー通過直後の SMF は短くするとパルスエネルギーの増加に, NPE 通過直後の SMF は短くすると発振パルスの時間幅が短く, エネルギーも増加するといった影響を与える[3].

図２ 非線形偏波回転の原理図

2.3

全正常分散モード同期ファイバーレーザー

３共振器設計本研究では以下のような共振器を作製した.

図３

ANDi 共振器の配置図[2]ANDi 共振器の配置図を図３に示した. HWP とQWP, PBS を用いて NPE を起こし,パルス幅の抑制のために 1030nm の周波数フィルターを挿入し図５ 作製した共振器ている. このフィルターは自己振幅変調を与え, 結SMF として HI-1060 を使用している. ファイバ

果として高エネルギーパルスでは偏った非線形偏ー長は SMF1 が 97cm, Yb: fiber が 1.5m, SMF2,3 が波回転を得る.

2.35m, 1.9m である. PBS 後の HWP は, アイソレ

また, 図４に共振器内の位置に対するパルス幅ーターの入射偏光に合わせるため挿入した. よっの数値シミュレーションを示す.て 図３に示した ANDi 共振器の配置図より波長板が一枚多くなっている. また, 光が一周した際に
Yb: fiber 側ではなく LD 側に流入してしまうと LDの破損, 共振器の不安定性に繋がるため, 流入防止のために LD 後に WDM を 2 つ, アイソレーターを 2 つ挿入したものを励起光として使用した .
WDM は 980nm と 1030nm の光の弁別を行うため

図４ パルス幅のシミュレーション [2]に, アイソレーターは 1030nm の戻り光をブロック

励起 LD から出発した光は SMF 中でパルスが広するために挿入している. Yb: fiber の V パラメータ

がるが, ゲイン(Yb: fiber)で大きく圧縮される. そーは𝑉 = 2.01 @1030𝑛𝑚であった.の後 SMF をもう一度通りパルスが広がるが, NPELD の波長とパワーを図６に示す. スペクトルはにより再びパルスが圧縮される. ANDi 共振器はリ975.4nm 前後でロックされている.
2

また, 得られたスペクトルを図 9 に, 自己相関波形を図 10 に示す.

図６

LD の(a)波長 (b)パワー

また, 本研究では二種類のフィルターを用いた実験も行った. フィルターの特性を図７に示す.
図 9 スペクトル(a)BPF (b)BRF 挿入時

図７(a)BPF (b)BRF の透過特性

BPF（バンドパスフィルター）は半値全幅で10nm の透過幅を持つ. 誘電体多層膜を用いている. BRF（複屈折フィルター）はクォーツを媒質と

図 10 自己相関波形 (a)BPF (b)BRF 挿入時したものを用いた. 屈折率は𝑛𝑜 = 1.67455, 𝑛𝑒 =スペクトル幅は半値全幅で(a)2.12nm(b)7.5nm

1.68313, 厚み𝑑 = 5𝑚𝑚, 透過幅は約 11nm である

パルス幅は(a)69ps (b)67ps であった. BRF を用いことが計算により求められた.

たほうがスペクトルが広がり, パルス幅が短くなることが確認できた. このとき, (b)に小さなコヒ

３ 実験結果ーレントスパイクが立っているのが分かる. この3.1

二つのフィルターを用いたモード同期ため, 完全なパルスを得られるようにコヒーレン

BPF と BRF を用いて図８のように繰り返し周波トスパイクの立たないようなアライメントを再度行った.

数およそ 25.8MHz でモード同期を達成した. それぞれの入力パワー, 出力パワーを表１に示す.

3.2

安定パルスの生成最終的に得られたスペクトルを図 11 に, 自己相関波形を図 12 に示す.

図 8 モード同期時の時間波形

表 1 モード同期時のパワー
入力 [mW]

出力 [mW]

BPF

455

190

BRF

390140
図 11 スペクトル3５まとめ

本研究では ANDi 共振器の作製を行い, フィルターや WDM について検討を行った. 共振器を組み,100mW~200mW 出力のモード同期を達成した. シングルパルスであることも確認できた. しかし,ANDiFL としてこれは想定以上に大きな出力であり, また, スペクトルも一般的な ANDiFL のものとは違うことから, 通常の ANDiFL とはまた特性の違う共振器が得られている可能性もある. 原理の図 12 自己相関波形

図 12 に示すようにコヒーレントスパイクのない追究が求められる.

コヒーレントなシングルパルスであることが確認

現状の問題点は, 一般的な ANDiFL に比べてスできたが, スペクトル幅の拡がりは少ない. このとペクトル幅が狭いことである. モード同期を安定

き入力パワー: 534mW, 出力パワー : 106mW, エさせればこちらも改善すると考えているため, 波

ネルギー : 4.3nJ であった.

長板の組み合わせをさらに試していく. さらに, 分

本研究で作製したモード同期パルスは一般的な散補償を用いてパルス圧縮にも挑戦したい.

ANDiFL と比べて非常に強い出力, 高エネルギー

また, 高エネルギー動作の解明をすることも今なものである. 同一アライメントでパワーとパル

後 の 課 題 で あ る . こ れ ら を 改 善 し た の ち , self-ス幅を見ると, 図 13 のようになることが分かった.

similar 型共振器に発展させていきたい.

６

参考文献

[1] R. H. Stolen, J. Botineau, and A. Ashkin,"Intensity discrimination of optical pulses withbirefringent fibers," Opt. Lett. 7, 512-514 (1982)[2] Andy Chong, “All-normal-dispersionfemtosecond fiber laser”, Optics Express 14.21,10095-10100(2006)[3] 山中紀幸, 芦原聡, “正常分散型モード同期 Yb
ファイバーレーザーの開発とその動作解析,” 第 62
図 13 パワー・パルス幅特性

回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集(2015)

コヒーレントスパイクはいずれも図 10(b)の波形のようにわずかな大きさのものである. 出
力パワーは入力パワーが上がっていくにつれて飽和しているような形を取った. パルス幅には入力パワーによる関係性は見られなかった.

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