Tm ファイバーレーザーの温度依存性評価及び ASE 光源の作成
戸倉川研究室 高貫 広翔
1.

はじめに2.2 交差緩和過程

Tm ファイバーレーザーは高効率・高出力な波長

交差緩和過程は,励起状態にあるイオンがそのエネル2 µm 帯光源として注目を集めているが,非放射緩和過ギーの一部を周囲のイオンに移動させる非放射緩和過程によって高温時に消光が顕著に表れてしまい,効率が程である.この遷移過程によって一つの励起光子に対し低下する[1].しかし,Tm ファイバーレーザーの動作のて二つの励起 Tm イオンを得ることが可能である.交差

温度依存性の報告は少なく,特に 0℃以下の報告は非常緩和過程が発生する確率はイオン間距離𝑅の-6 乗に比に少ない[2].

例した次式(1)のように表される[5].

本研究ではペルチェ素子を用いた温度制御システム
𝑃∝を作成し,-10℃から 30℃の範囲で温度を変化させた際𝐾𝑅6(1)の Tm ファイバーレーザーおよび増幅自然放出光

𝐾は交差緩和過程が発生するエネルギー準位 H6,3F4,3H4(ASE)光源の温度依存性について測定を行った.ASE 光での発光スペクトルと吸収スペクトルの重なり合いで源は縦モードや緩和発振が存在せず,また線幅が広く時ある.これよりこの緩和過程はイオン間距離が近いこと間コヒーレンスが低いなどの特徴を有しているが,共振で発生確率が高くなり,シリカガラスでは少なくとも器構成を持たないために波長の制御が困難であり,一般

2 wt%以上の添加濃度が望ましいとされている.

的に利得ファイバーの長さ(光学濃度)を変えることで波長を変化させていた[3].そこで,本研究では温度を変化させることで中心波長の制御を試みた.

2.3 多フォノン緩和
多フォノン緩和とは,準位間のバンドギャップに相当する励起エネルギーをホスト媒質の格子振動のエネル

2.

原理ギーという形で放出する非放射緩和過程である.希土類

2.1 Tm レーザー

イオンの 4f 準位間のエネルギー差は通常数千 cm-1[6]Tm3+の 2 µm 帯レーザー動作でのエネルギー準位を
図 1 に示す.

であり,ファイバーのホスト材料である SiO2 の基準振動エネルギーは数千百 cm-1[6]であるため,多フォノン緩和のためには複数のフォノンが必要となる.多フォノン緩和が起こる速度は次式(2)で表される[7].
𝑊𝑝 (𝑇) = 𝑊0 (0) exp(−𝛼𝛥𝐸) ∙ (𝑛 + 1)𝑝𝛼 = {ln(𝑝⁄𝑔) − 1}⁄(ℏ𝜔)
𝑝 = 𝛥𝐸 ⁄ℏ𝜔𝑛 = 1⁄{exp(ℏ𝜔⁄𝑘𝑇 ) − 1}

(2)

ここで𝛥𝐸はエネルギー準位間のギャップ,𝑊0 は𝛥𝐸 =0, 𝑇 = 0(K)における緩和速度,𝑛は温度𝑇におけるエネルギーℏ𝜔のフォノンの占有率を与える Planck 分布関
図 1 Tm3+のエネルギー準位と遷移過程

数,𝑔は電子とフォノンの結合強度,𝜔は調和振動子の周波長 0.8 µm のレーザーダイオードで励起された Tm イ波数である.式(2)から,フォノン数が𝑝が少ないほど,まオンは,交差緩和過程によって隣接する基底準位の Tmた電子とフォノンの結合強度𝑔が大きいほど多フォノイオンを励起する.この過程により量子効率 2 に迫る動ン緩和の速度𝑊𝑝 (𝑇)が上昇する.さらに,温度𝑇が高いほど多フォノン緩和速度が大きくなることがわかる.ま作が可能となり,最大スロープ効率は 0.8 に近づく[4].

た,利得媒質に Tm を用いた場合,波長 1 µm 帯の Yb レ

ーザー等と比較するとエネルギー準位間のギャップ𝛥𝐸ドに起因して発生する励起光の通り抜けによる効率低が小さいため,多フォノン緩和の速度𝑊𝑝 (𝑇)が大きくな下を防ぐため,ファイバーを少し曲げAl 板に取り付けた

る.これより,利得媒質の温度上昇による効率低下の影

プラスチックビスで固定した.

響を受けやすいことがわかる.

3.

温度制御システムの作成
高出力なレーザーを用いる際に発生する熱損失を抑えるために,0℃以下の冷却かつ 180 W 以上の排熱が可能な温度制御システムの作成を行った.図 2 に作成した温度制御システムを示す.

図 3 Tm ファイバーレーザーの温度依存性評価実験の実験構成図

4.2 実験結果
4.2.1 出力の温度依存性-10℃から 30℃の範囲で温度を変化させた際に得ら図 2 作成した温度制御システム

れた吸収励起パワーに対する Tm ファイバーレーザー

一次冷却として Tm ファイバーは Al 板(300×300×6の出力を図 4 に,各温度の発振閾値およびスロープ効率mm)に接しており,二次冷却として 15 V,8 A のペルチェを図 5 に示す.-10℃から 30℃の範囲で実際には 5℃刻素子を 3 つ直列接続した.三次冷却として銅製水冷ヒーみで測定しているが,簡略化のため出力特性の図においトシンクをペルチェ素子の放熱面に設置しており,加えては 10℃刻みの結果を示す.て Tm ファイバーが Al 板に効率よく接すること,冷却用される導熱性シートで Tm ファイバーを覆った.実際には-20℃から 100℃までの温度で操作が可能だが,Al板の面積が広く,放熱が起こるため 0℃以下の冷却が困難であった.そのため,温度制御システム全体に断熱材

Output power (W)

効率を高めることの二点を目的としてCPU の冷却に使1.5を被せることで-5℃以下の操作が可能となった.

4.

Tm ファイバーレーザーの温度依存性の評価

pump combiner を介して波長 793 nm,最大出力 4.3 Wのファイバー結合レーザーダイオードで励起した.Tm
ファイバーは作成した温度制御システムで冷却および

00.5

1 1.5 2 2.5 3 3.5
Absorbed pump power (W)

4

0.6

1.8
Threshold (W)

Slope

0.55

1.7
Threshold (W)

0.5

1.6

0.45
1.5
0.4
1.4

0.35

1.3
1.2-10Slopeµm,NA=0.15,クラッド径 130 µm)を用いており,これを0.5

図 4 各温度における Tm ファイバーレーザーの出力特性実験構成を図 3 に示す.利得ファイバーとして Tm 添

10P/130-HE, フ ァ イ バ ー 長 1.7 m, コ ア 径 10104.1 実験構成

加 ダ ブ ル ク ラ ッ ド フ ァ イ バ ー (Nuhern, SM-TDF--10ºC
0°C
10°C
20°C
30°C

0.3
-505
10 15 20
Temperature (°C)

250.2530加熱され,-10℃から 30℃までの範囲で温度を変化させ

図 5 各温度における Tm ファイバーレーザーのた.レーザー共振器はファイバー端面のフレネル反射で発振閾値およびスロープ効率構成されており,レーザー出力は Output1,2 のファイバ

温度の低下ともに最大出力およびスロープ効率は上がー両端面に出射される.ファイバー内でのスキューモーり,レーザー発振閾値は低下した.-10℃において,最大出力 1.5 W,発振閾値 1.3 W,スロープ効率𝜂𝑠 =0.53 が得ら成となっている.

れた.-10℃と 30℃の発振閾値およびスロープ効率を比較すると,発振閾値は約 35%低下し,スロープ効率は約8%の上昇を確認できた.

4.2.2 スペクトルの温度依存性温度を変化させた際に測定した発振直後のスペクトルを図 6 に示す. 温度の低下につれ発振波長が短波長

図 7 ASE 光源の温度依存性評価の実験構成側にシフトしていることが確認できる.-10℃および30℃において,発振波長はそれぞれ 1970 nm,1984 nm

5.2 実験結果が得られた.

5.2.1 出力の温度依存性温度を変化させた際の出力を図 8 に示す.レーザー発振を抑制していたが,励起出力を上げると残存反射により発振した.同様に温度を下げるにつれレーザー発振光の最大出力,スロープ効率は増加し,発振閾値は低下した.フレネル反射を用いたレーザー発振器構成と比較してより大きな温度依存性がみられた.
800-10°C0°C
10°C
20°C
30°C

図 6 各温度における発振直後の Tm ファイバーレーザーのスペクトル以上の結果は,Maxwell-Boltzmann 分布に従い,温度の低下とともにシュタルク準位内の原子の分布の変化が発生し,これにより,再吸収の減少及び非放射緩和過程

Output power (mW)

700
600
500
400
300
200
100の減少による発振閾値の低下およびスロープ効率の上

01.5

昇,また利得スペクトルのピークの短波長化による発振波長の変化が発生したと考えられる.

22.5
33.5
Input pump power (W)44.5

図 8 励起出力に対するレーザー出力

本研究で目的としていた増幅自然放出光の範囲での出5.

ASE 光源の作成及び温度依存性の評価

力を図 9 に示す.

5.1 実験構成

60

将来的に 100 W を超える高出力化を行うために,ファ幅な種光源を用いると誘導ブリルアン散乱による出力の制限が予想される.そのため,線幅が広いために誘導ブリルアン散乱の起こりづらく,また安定性の高い ASE光源を種光源として採用することを検討し,ASE 光源の作成を行った.また,作成した温度制御システムを用いて ASE 光源の温度特性の評価を行った.実験構成を図 7

Output power (mW)

イバー増幅システムを構築することを考慮する際,狭線

-10°C
0°C
10°C
20°C
30°C

504030201001.522.5
3
Input pump power (W)3.5に示す.Output2 に 8°にアングルされている APC ファ

図 9 励起出力に対する増幅自然放出光の出力イバーを融着することで,フィードバックを抑制した構

励起出力を上げるにつれ,出力が指数関数的に増加していることが確認できた.また,-10℃と 30℃の結果を比較

ペクトル幅が狭まったことがわかる.励起出力が上がる

すると,温度に大きな依存性をもつことが確認された.と残存反射によりレーザー発振に近づき,スペクトル幅が狭まると考えられる.これより,スペクトル幅の温度

5.2.2 中心波長の温度依存性依存性は小さく,主に励起出力に依存することが確認で測定した各温度における出力に対する中心波長を図きた.

10 に示す.

140
-10°C
0°C
10°C
20°C
30°C

Output power (mW)

504030Spectral width (nm)

60

-10°C
0°C
10°C
20°C
30°C

120
100
80
60

2040

10001950 1952 1954 1956 1958 1960 1962 1964
Wavelength (nm)10203040
Output power (mW)5060

図 12 各温度における出力に対するスペクトル幅

図 10 各温度における出力に対する中心波長

温度の低下とともに短波長側へのシフトが確認でき,-6.

まとめ10℃と 30℃と比較するとそれぞれ出力 55m W, 41 mW

本研究では高出力な Tm ファイバーレーザーの作成において中心波長 1951 nm, 1962 nm であった.これよを目的とし,0℃以下に冷却が可能な温度制御システム

り,温度の変化によって中心波長を約 10 nm 変化させるの作成を行った.また作成した温度制御システムを用いことができた.て,-10℃から 30℃の範囲で Tm ファイバーレーザーおよび作成したASE 光源の温度依存性の評価を行った.両

5.2.3 スペクトル幅の温度依存性

者の発振閾値およびスロープ効率,中心波長は温度によ例として室温 20℃における励起出力を変化させた際って変化し,低温化につれそれぞれ低下,上昇,短波長化のスペクトルのフィッティングの結果を図 11 に示す.

した.ASE 光源はスペクトル幅の温度依存性は小さく,励起出力によってスペクトル幅が変化することが確認

主に励起出力に依存することが確認できた.出力はよりできた.

強い温度依存性を示し,温度によって中心波長を約 10nm 変化させることができた.

参考文献[1] Stuart D Jackson, Optics Communications, 230, 197-203 (2004)[2] Chongyuan Huang, Yulong Tang, et al. Journal of lightwave
technology, 32, 421-428 (2014)[3] J. Aubrecht, P. Peterla, P. Honzátko, O. Moravec, M. Kamrádek,and I. Kašík, Opt.Lett. ,45, 2164-2167 (2020)[4] K. Dalfsen, Opt. Lett., 39 (2014)
図 11 20℃における励起出力に対するスペクトル幅[5] Stuart D. Jackson, Laser & Photon, 3, 466-482(2009)

各温度における出力に対する半値幅から求めたスペク[6]河本洋二,光学,32, 300-307 (2003)

トル幅を図 12 に示す. 温度を変化させてもスペクトル[7] Setsuhisa Tanabe, et al., Jouenal of the Ceramic Society of

幅の大きな変化は見られず,励起出力の増加につれ,スJapan, 101, 78-83(1993)