1212nm励起全ファイバーTm-Hoファイバーレーザーの研究
植田研究室

桑山哲朗

1.はじめに2µm域のレーザーは大気の透過率特性がよく(2.0µm~2.5µm)、太陽や雲からの輻射の影響が少ないことから空間通信や、リモートセンシング等の応用が考えられている。また、水の強い吸収(2.0µm、水蒸気の場合は1.9µm)があることから、網膜まで達しにくいために障害が起こりにくく、アイセーフレーザーとして知られている[1]。そして2µm域のレーザーは生体組織を切開することができると同時に、タンパク質を凝固させ止血することができる。
こういったことより、医療用のレーザーとしての応用も考えられている。2µm域のレーザーとしてはTm3+、Ho3+などを用いたものが研究されている。その中で我々はTm-Ho添加石
英ファイバーレーザーについて研究している。
これまで、WDMカップラーを介した共振器構成のものを報告したきが、WDMカップラーの損失や帯域特性の影響で発振波長が制約されていた[2,3]。しかし新たにFBG(Fiber BraggGrating)を用いることで発振波長を制御し、高効率な発振を得ることができたので報告する。
また、出力の特性等についても紹介する。

得られなくなる。そのため、我々はこれまで用いられてきた励起波長ではなく 1212nm での励起を行うことにした。1212nm では励起状態吸収が大幅に減少する上[5]、3H6J3H5 遷移の吸収ピークのために短いファイバー長で高効率な励起が可能である(Fig.2)。しかし、
1212nm 光は適当な希土類イオンや半導体がないため、我々はラマンファイバーレーザーで波長変換を行い全ファイバー構成の Tm-Hoファイバーレーザーを構築した。

2.実験
2.1 励起波長
これまでの Tm-Ho 添加ファイバーレーザ
ーの研究は、励起波長としては Nd:YAG レー
ザーの 1064nm[4]、Ti:Sapphire レーザーの812nm[6] 、LD や色素レーザーの 800nm 付近が用いられている[7]。しかし、800nm 帯での励起は 1064nm 励起に比べて量子効率が低い欠点があり、また 1064nm での励起では強い励起状態吸収により励起効率が低くなる(Fig.1)。Tm-Ho の励起、発振の機構としては
Tm3+を 3H6 の準位から 3H4 準位へ励起してHo3+の 5I7 準位へエネルギー移行をして Ho3+の 5I7 - 5I8 間でレーザー発振をさせる。しかし1064nm で励起をした場合、3H4 準位へ励起された Tm3+が 1064nm の励起光によって 3F4 準位へ励起され、さらに 3F4 準位からから 1G4 へ励起されるという励起状態吸収の過程がある。
このような過程が起こると、Tm3+から Ho3+へのエネルギー移行効率が低下し高効率発振がFig.1 励起状態吸収(ESA)

1G4ESA
3F2,33F4ESA

5I
63H
53H45I7Laser

3H65I8Tm3+

Ho3+Absorption(dB/m)

200
1501003H → 3H
651212nm

1064nm

5001000

1100

1200
Wavelength(nm)

1300

1400

Fig.2 Ｔm-Ho 添加石英ファイバーの吸収スペク
トル
2.2 Tm-Ho 励起用ラマンファイバーレーザー
Tm-Hoファイバーを励起するためのラマン
ファイバーレーザーの構成はFig.3のようになっている。
最大約8WのCW、Yb添加ダブルクラッドファイバーレーザーで1kmのシングルモードフ
ァイバー(Corning. Inc., HI-1060) を励起しラed)ommk-1e(lrgenbii
Sfr
de ;
es m)
pa nW
ol 48
dr 6
W-e0C
bb1
Yif(マン散乱を発生させる。溶融石英のラマン利得は440cm-1にピークを持つため、1064nmで励起したときに、ストークス光のピークは1120nmに現れる。この1120nm光に対して高反射率のFBGで閉じ込めることにより誘導ラマン散乱を起し、1064nmから1120nmへと波長変換をする。さらに1120nm光から1180nm光を発生させ、この波長に関しても同様に高反射率のFBGを用いて誘導ラマン散乱を起す。そしてさらに1180nm光から1212nm光を発生させる。この発生させた1212nm光に関して高反射率と15%の反射率のFBGによって共振器をくみ3次ストークスラマンファイバーレーザーを発振させた。この3次ストークス光(1212nm)は8W励起時に、最大3.5Wの出力を得ることができた。1064nmの残余励起光は励起状態吸収を起し励起の効率を低くしてしまうので、WDMカップラーを用い1064nmの光を取り除いた。こうして得られた3次ストークスラマン
ファイバーレーザーをTm-Hoファイバーの励起光源とした。

%mn652G11B=2FR1%m50nG00B18F=R11m4%n0G00B12F=
1R1m3%nG00B02
F11=R1m%n200G08B11F=1R%m10nG02
1B=
1FR2
11212nm

1064nm

Fig.3 ラマンファイバーレーザー
2.3 Tm-Ho ファイバーレーザー
Tm3+やHo3+を添加するファイバーのホスト
材料としては、主にフッ化物ガラス系のファイバーと、石英ガラス系のファイバーがある。
フッ化物ガラスではフォノンエネルギーが500~600cm-1となっており、石英ガラスのフォノンエネルギー1000~1150cm-1に比べ小さいために反転分布が作りやすいという特徴がある。しかし、水と反応するなど化学的安定性が低い。また、フッ化物ガラス系のファイバーは石英ガラス系のファイバーとの融着が非常に困難である。これに対して石英ガラス系のファイバーはフォノンエネルギーがフッ化物ガラス系のファイバーに比べやや大きいものの、化学的に安定であり、他の石英ガラス系のファイバーと融着が比較的容易に低損失で行える。この融着技術を用いることによってFBGやWDMカップラーなど石英ガラスファイバーで作られた機能的な素子を低損失で挿入が可能になる。よって我々はTm-Ho添加石英ガラスファイバー(Tm3+:9000ppm-wt,Ho3+:1500ppm-wt)を用いた。
Tm-Hoファイバーレーザーの共振器構成をFig.4に示す。前項で紹介したラマンファイバ
ーレーザーを2030nmで高反射率のFBGに融着しさらにTm-Hoファイバーを融着し、2030nmのFBGとTm-Hoファイバーの端面のフレネル反射により共振器を構成した。この
ときTm-Hoファイバーの長さは40cmから2mの範囲で変化させた。また、レーザー下準位が基底準位に近いため温度の影響による出力の変動があった。この変動を抑えるため氷水中にTm-Hoファイバーを配置することで安定化した。

Raman
fiber laser(1212 nm;CW 3.5-W)

Tm-Ho-dopedfiber

FBG7
HR
2030nm2µm

Cooling bywater with ice

Fig.4 Tm-Hoファイバーレーザー
2.4 Tm-Hoファイバーレーザーの発振実験
前項で紹介したような共振器構成にて発振実験を行った。Tm-Hoファイバー1mのときに2030nmの出力が最大1.07Wとなり、スロープ効率34%を得た(Fig.5)。
またTm-Hoファイバーの長さを40cmから2mで変化させたときの閾値と出力の変化をFig.6、Fig.7にそれぞれ示す。これらのグラフにおいてはTm-Hoファイバーを氷水中に配置したとき(1.5 - 4.5℃)、配置していないとき(25℃)の結果をそれぞれ丸印、三角印で示してある。グラフよりTm-Hoのファイバー長を短くするにことによって閾値が下がっていることがわかる。Tm3+,Ho3+の添加量と吸収ス
ペクトルより、Tm-Hoファイバー中における励起光のプロファイルを計算すると励起側1mでほとんどの励起光が吸収されていることがわかる。つまり、0.6mよりも長いところ
では励起光がなくなり2µmの波長で吸収体となっており、ファイバー長を長くしたときに閾値が上がる原因であると考えられる。また、

Tm-Ho fiber length : 1m

1.00.80.6
0.4
0.2
0.0012342-um Laser Threshold (W)Lunched Pump Power at 1212nm (W)Fig.5 Tm-Hoファイバーレーザーの出力特1.6
1.4
1.2o25 C
1.5-4.5 oC

0.18

Decrease
Pump power

0.12

0.06

Increasing
Pump power

Jump
0.00
1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Launched pump power at 1212 nm (W)

1.00.80.620 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Active fiber length (cm)性Fig.6 発振閾値のファイバー長依存性
1.2

Output power (W)

2.5 双安定性
Tm-Hoファイバーのファイバー長が1mよりも長い場合、励起光強度を高くしていくと閾値付近で急激な立ち上がりが観測された(Fig.8)。逆に励起光強度を下げていく際にはは閾値が立ち上がりのそれよりも低下した。
また、この立ち上がりでの急激な変化はファイバー長を短くするにつれて小さくなり、ファイバーが1m以下では観測できなくなった(Fig.9)。双安定性の原因はレーザー発振が始まるまでTm-Hoファイバーの励起側0.6mよりも先では励起光が届いていないため2µm光を吸収する吸収体になっているが、レーザー発振が始まると吸収体発振したレーザー光によって吸収飽和するために閾値が下がるためではないかと考えられる[9]。
Outpower at 2030 nm (W)1.2

Fig.7 レーザー出力のファイバー長依存性1.00.8o

0.625 C
1.5-4.5 oC

Fig.8 1m以上のファイバー長の場合に見られる閾値近傍における双安定性
Jump of output power (W)Output Power at 2030nm (W)ファイバー長が短くなるにつれて出力がゆるやかに増加しているのは閾値が下がっているためである。ファイバー長60cm以上でのスロープ効率はほとんど変化していない。
また、Tm-Hoファイバーが60cmよりも短い
ところで、出力が極端に落ちているのは利得の大きいTm3+における1800nmでの発振がWDMカップラーとの端面とTm-Hoファイバーの端面間で起こり始めてしまっているためである。

0.05
0.04
0.03

25 oC
1.5-4.5 oC

0.02
0.01
0.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Active fiber length (cm)0.420 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Fig.9 閾値のjump(Fig.8)の長さ依存性

Active fiber length (cm)

2.6 出力の時間特性
Tm-Hoファイバーレーザーにおける出力の2.52.01.5
1.00.50.02

上式においてtcは共振器内の光子寿命、τは上準位寿命である。また、上準位寿命は共振器内の光子寿命よりも十分に長いので(r-1)/tcτ >> (r/2τ)2とした。の緩和発振が起こる機構としては、準三準位系による再吸収過程が大きく寄与しているものと考えられる。すなわち、次のようなものを考えている。レー
ザー発振が起こるとファイバー後端のレーザー上準位分布が減少して、吸収が起こるようになり、発振が止まる。しかし、発振が止まると反転分布が回復し、再びレーザー発振が起こる。この繰り返しにより緩和発振が起こっているのではないだろうか。定量的な検討のためにTm3+とHo3+の各準位についてのレート方程式を立て、時間応答特性についてシミュレーションを行う必要がある。これらのような繰り返しの不安定な緩和発振を回避するには励起光に変調をかけ、レーザー光をパルス出力にする方法と共振器内のレーザー強度を高くしファイバー全体を強く吸収飽和した状態にする方法の２つが考えられる。
20023486420-20-10010Time (us)10Fig.12

50-10-50510Time (µs)

Fig.10 レーザー出力の時間特性

5Fig.11 緩和発振の繰り返し角周波数ωとrの関係
2.7 励起光のパルス化
前項の考えに基づきまずは励起光に緩和周波数に近い変調をかけた。励起光として、波長1180nmのパルスを用意した。用いたパルスは繰り返し83kHz、パルス幅16µsである。このパルスの時間波形をFig.12に示す。このとき、2µmのレーザー光は繰り返し83kHzで安定なパルスとなった。このときパルス幅は2.2µsであった。レーザーの出力パルスは励起パルスと同期し、かつ、励起パルスより短いパルス幅となった。このときのレーザー光の出力波形をFig.13に示す。

-2-30151r

Intensity (a.u.)1
 r ω =(r − 1) −   ≈(r − 1)t cτt cτ 2τ 
1Intensity (a.u.)

3.0

ω (109 rad/sec)

時間特性を観測したところ、繰り返しとピークパワーの不安定なパルス列見られた(Fig.10)。これは緩和発振によるものと考えられる。パルスの平均的な周期は励起光強度を高くするにつれて短くなる。励起光強度をI、閾値における励起光強度をIthとしたときの比r(=I/Ith)と緩和発振の角周波数ωの関係についてFig.11に示す。Fig.11において丸印は測定データで、実線は次式でフィッティングしたものである[9]。

励起光パルス

2030

35830Intenisty (a.u.)

Intensity (a.u.)106420-2-30252015105-20-10010200-1030-5Time (us)
出力パルス

2.8 ファイバー端面鏡を用いた発振実験
次に、2.6節で考察したように共振器内のレーザー強度を上げたならば、Tm-Hoファイバー全体にわたって吸収飽和が起こりCWで発振することが予測される。そこで、我々はファイバー端面に誘電体多層膜を蒸着してファイバー端面鏡を作り、それをTm-Hoファイバーの出力端面に融着した。これにより高反射率FBGとファイバー端面鏡を共振器とした
Tm-Hoレーザーを構築した(Fig.14)。ファイバー端面鏡は反射率60%のもの、80%のものを用意した。発振実験を行ったところ、反射率60%端面鏡を用いたときには緩和発振によるパルス出力も観測されるものの、若干のCW成分も観測された(Fig.15)。次に80%の端面鏡を用いたところ、完全なCW発振が得られた(Fig.16)。Fig.15、Fig.16においては、波形に非常に高速の変調が乗っておりオシロスコープのトレースが太くなっている。Tm-Hoファイバーは1mのものを用いているが、端面鏡とFBGを融着しているため共振器長が非常に長く(2.4m)なっており、共振器の縦モードは非常に密になっている。そのためレーザーはマルチ縦モード発振をしておりそのビート(43MHz)による変調がトレースに乗っている。
Tm-Ho-doped
fiberRaman
FBG
fiber laser(1212 nm;HR @2030nm
CW 3.5-W)
Fig.14 ファイバー端面鏡を用いた共振器構成

510Time (us)Fig.15 60%の端面鏡を用いたときの出力
5Intensity (a.u.)

Fig.13043210-10-50510Time (us)Fig.16 80%の端面鏡を用いたときの出力2.8 スペクトラルバンド幅の測定
ライダーなどの用途においては、レーザーでスペクトラルバンド幅がどの程度であるかを調べることはとても重要である。そのため、エタロンを用いたスペクトラルバンド幅測定を行いたい。しかし、現状では分解能1.2nm程度の分光器で見ているおり、その分解能以下であることのみしかわかっていない。エタロンを用いてバンド幅測定をするにいたっては、適切なFSR(Free Spectral Range)や、Finesseの選択が必要である。これらをどのように設定するかによって必要とされるミラーの反射率や、共振器長などの条件が変わってくる。そのためにも、今回測定したいスペクトラルバンド幅の目安をつける必要がある。そこでわれわ
れはバンド幅測定を試みた。測定方法としては、まずマイケルソン干渉計を用い、片方のアーム長を変化させ干渉の鮮明度の減衰よりコヒーレント長を求める。そして求めたコヒーレント長よりスペクトラルバンド幅を求めることにした。測定系の実験図をFig.17に示す。
今回測定対象としたファイバーレーザーは前節で構築したファイバーブラッググレーティ
ングと反射率80%のファイバー端面ミラーを用いたCW発振をしているものを用いた。実験
結果をFig.18に示す。縦軸は鮮明度で横軸が、光路差である。これより鮮明度が1/eになるのは0.6mである。バンド幅⊿fは光速をc、コヒーレント長をlとすると、おおよそ以下の式で表される。

∆f ≈cl

これよりバンド幅は500MHz程度であることが推測される。

delay line
∆l/2

detector

Fig.17 Measurement of Coherent Length

Fringe visibility

0.80.60.40.20.00.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Delay length [∆l] (m)Fig.18 Fringe Visibility as a function of delay
length
3.まとめ
励起光としてラマンファイバーレーザーを用い全ファイバー構成のTm-Hoファイバーレーザーの構築した。特に従来の1µm帯励起のTm-Ho添加石英ファイバーレーザーでは励起状態吸収の影響が非常に強く、効率の高いレーザー発振は得られていなかった。しかし、本研究においては励起光として1212nmを用いることによりスロープ効率34%という、高い効率を得ることができた。また、1Wを超える出力を達成した。出力光は緩和発振をしていたが、励起光を緩和周波数程度の繰り返しのパルスにすることによってレーザー出力を繰り返しの安定なパルスにすることができた。
また、出力鏡として80%の反射率をもつファイバー端面ミラーを用いることによってCW出力を得ることができた。今後は双安定性や緩和発振について、イオンペアや過飽和吸収体といった現象を組み込んだモデルを立ててシミュレーションを行い、それぞれの物理現象を定量的に明らかにする必要がある。また、コヒーレント長測定により500MHz程度のバンド幅であろうとめどがつけられたので、次はファブリーペローエタロンを作成し、バンド幅測定を行いたい。
参考文献[1] 斉藤英明、土志田実 “アイセーフ・レーザー”
レーザー研究 3(2000)25[2] Atsushi Taniguchi, Tetsuro Kuwayama, Akira
Shirakawa, Mitsuru Musha and Ken-ichi Ueda
“1212nm pumping of 2µm Tm-Ho-codoped silicafiber laser” Appl.Phys.Lett., Vol. 81,pp3723-3725,
2002[3] 桑山哲朗、谷口篤、白川晃、武者満、セルゲイ・バジリエフ、植田憲一 “1.212µm励起全ファイバーTm-Hoレーザーの2µm発振の特性” レーザー学会第302回研究報告, No.RTM-02-21,
pp1-5, 2002
[4] S. D. Jackson and T. A. King, “CW operation ofa 1.064-mm pumped Tm-Ho-doped silica fiberlaser” IEEE J. Quantum Electron. 34, pp. 1578-1587(1998)[5] S. D. Jackson and T. A. King, “Theoreticalmodeling of Tm-doped silica fiber lasers” J.
Lightwave Tecnol. 17, pp. 948-956 (1999)[6]Christian Ghisler, Willy Luthy, and Heinz
P.Weber, “Tuning of Tm3+:Ho3+:Silica Fiber Laser
at 2µm” IEEE J.Quantum Electron.
31.pp1877-1879 ,1995[7] Ch. Ghisler, W. Luthy, H. P. Weber, J. Morel, A.
Woodtli, R.Dandliker, V. Neuman, H. Berthou, G.
Kotrotsios “A Tm3+sensitized Ho3+silica fiber at
2.04 µm pumped at 809nm” Opt. Commun.vol.109,
pp279-281, 1994
[8] A.E.Siegman “LASERS” Oxford University
Press[9] Amnon Yariv, “Optical electronics ”,fourthedition, Saunders College Publishing