モード同期𝐂𝐫 𝟐+ : 𝐙𝐧𝐒レーザー発振器の開発
戸倉川研究室 昆野 愛夕
１．はじめにでの動作が可能であるなど、超短パルス発本研究室で開発を行っている波長 2 µm

生に非常に優れた特徴を持っている。以上

帯の中赤外光源は、分子の指紋領域を含むのように超短パルス発生に適した特徴を持ことから中赤外分光光源としての応用、大つことから、Cr2+ : ZnS/ZnSe は中赤外のチ気の透過の窓領域を含むことから LiDAR

タンサファイアと呼ばれている。本研究でなどの環境計測への応用などで近年注目をは、超短パルス光源としてCr2+ : ZnSのセラ集めている。本研究で用いたCr2+ : ZnSレーミクス結晶を用いた。Cr2+ : ZnS/ZnSeのセザーは、波長 2～3 µm 帯にブロードで大ラミクス結晶を用いたモード同期実験できい誘導放出断面積を持ち、機械的安定性は、ランダム疑似位相整合による第二高調や励起光源の扱いやすさなどからも、沖積波の発生も確認されている[1]。

外の超短パルス発生に適した光源である。
本研究室では、波長 2～3 µm 帯の広帯域な光を非線形増幅器で増幅し、波長変換を行うことで波長 2～20 µm の光を取り出すことが可能である超広帯域な中赤外光源の開発を目指しています。本研究では、超広帯域な中赤外光源の発振器部分にあた

図 1. Cr2+ : ZnS/ZnSe cross-section [2]る、モード同期Cr2+ : ZnSレーザー発振器の（赤：誘導放出断面積 黒：吸収断面積）開発を行いました。
2.2. モード同期
２．原理
2.1. 𝐂𝐫𝟐+

モード同期とは、超短パルスを発生させ: 𝐙𝐧𝐒 利得媒質の特徴

本研究でモード同期レーザー発振器の利得媒質として用いた、Cr2+: ZnS/ZnSe のクロスセクションを図 1 に示す。図に示すよる手法である。ある共振器内に存在できる光の波長は以下の式によって決定される。
πc2L = m λm , ωm = L… (1)うに、Cr2+ : ZnS/ZnSe は中赤外領域の波長

L は共振器の長さであり、この条件を満た2～3 µm にブロードで大きい誘導放出断面

す等間隔の波長 𝜆𝑚 及び角周波数 𝜔𝑚 の積を持ち、Er レーザーや Tm レーザーな光が共振器内に存在することが出来る。こどの扱いやすい励起光源での励起が可能でれらのスペクトル線を、共振器内モードとある。また、超短パルス光源としてよく知呼ぶ。これらを重ね合わせると図２に示すられるチタンサファイアと同程度に大きいような合成波となり、超短パルス波形が形バンド幅を持ち、機械的安定性に優れ室温成される。

が変化する透過型の可飽和吸収体のグラフ
ェン, カーボンナノチューブ(CNT)などが挙げられる。
2.4. 共振器設計
共振器内の光が共振器内を周回し続けるためには、共振器内を光が 1 周した後に元の形状に戻るといった条件を満たす必要が
図 2. 共振器内モードの波の重ね合わせある。この条件を自己無撞着条件と呼び、この条件のもと光が安定して周回できる共2.3. 可飽和吸収体振器を設計する方法を、自己無撞着法と呼モード同期を発生させる方法として、可飽和吸収体を用いたモード同期発生方法がぶ。ガウスビームが共振器を 1 周した後の定常複素ビームパラメータはある。可飽和吸収体は、特定の帯域の光を𝐴𝑞 +𝐵

𝑞𝑠 = 𝐶𝑞𝑠+𝐷吸収して吸収飽和を起こすことで、可飽和… (3)𝑠

吸収体の透過率または反射率が変化する特で表される。ここで、ABCD は共振器内の徴を持つ。飽和前の初期透過率を𝑇0, 飽和素子が持つ光線行列から求められる、共振後の透過率を𝑇𝑠𝑎𝑡 , 飽和による透過率の変器 1 周分の光線行列の要素である。式(3)化量をΔ𝑇とすると、以下の式が成り立つ。

を複素定常ビームパラメータ𝑞𝑠 について解𝑇𝑠𝑎𝑡 = 𝑇0 + Δ𝑇… (2)くと、(4)式となる。

式(2)より、光強度が大きく吸収が飽和す

1(D-A)±√(D-A)2 +4BC
=q2B

るパルス発振状態の透過率𝑇𝑠𝑎𝑡 は、光強度… (4)の小さく吸収が飽和しない連続発振状態のまた、光線行列がユニモジュラー行列であ透過率𝑇0と比べて大きくなる。このことかることから、(4)式は以下のようになる。

ら、透過率の変化による共振器内の損失変

1=

(D-A)

sinθ

D+A… (5)また、定常複素ビームパラメータは、ビーを用いたパルス発振の原理である。

ムの曲率半径R(z)とビーム径ω(z)を用いてさと呼ばれ、可飽和吸収体を用いたモード同期発生の重要なパラメータである。
今日主に使用されている可飽和吸収体には、吸収の飽和で特定の波長の反射率が変化する反射型の可飽和吸収体である半導体
可飽和吸収鏡(SESAM)や、飽和で透過率2|が発生しやすくなる。以上が可飽和吸収体

際の透過率と、初期透過率の差Δ𝑇は変調深B, θ = cos |調が発生し、損失がより少ないパルス発振

可飽和吸収体において、吸収が飽和した

2B+iq以下の形でも定義される。
11λ= R(z) -i πnω(z)2q… (6)(5)(6)式の関係から、自己無撞着条件を満たすには以下の式が成り立つ必要がある。
D+A| 2 | <1… (6)共振器がこの条件を満たすよう設計した。

３．レーザー発振器開発実験

この系で連続発振実験を行い、出力鏡の反3.1. 本研究室の先行研究

射率𝑇𝑂𝐶 を 1%, 3%, 10%, 20%, 30%, 40%

本研究室で行われたモード同期Cr2+ : ZnS
レーザー開発の先行研究を紹介する[3]。
先行研究では、初期反射率𝑅0 =98.5%,と変化させた際の出力特性及び発振スペクトルをそれぞれ確認した。
各出力鏡における出力特性を、図 4 に示

変調深さ∆𝑅 = 0.9%の SESAM を用いたモす。出力鏡の透過率が 40%の際に、最大ード同期発振実験が行われた。実験結果とスロープ効率𝜂𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 = 40%が得られた。最して、共振器長に一致するパルストレイン大出力として、励起パワー1.93 W の際にが得られたが、スペクトルの大きな広がり

𝑃𝑜𝑢𝑡 =0.68 W の出力が得られた。

は得られなかった(∆𝜆 = 0.71 𝑛𝑚)。この理由として、変調深さが∆𝑅 = 0.9%と小さかったためではないかと考察されていた。そこで本研究では、より変調深さの大きい単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を用いて、モード同期発振実験を行った。
3.2. 連続発振実験
本研究では、初めにCr2+ : ZnSレーザー発

図 4. 各出力鏡透過率での出力特性

振器を再構成し、連続発振実験を行った。
図 3 に再構成したレーザー発振器を示す。

次に、各出力鏡における発振スペクトルを図 5 に示す。図より、透過率の増加で発振スペクトルは短波長側にシフトしていっている。透過率の増減は、共振器内の損失を変化させる。この共振器損失の変化で反転分布量が変わり、利得スペクトルの短波

図 3. 連続発振実験で用いた発振器長シフトが発生したと考察した。各透過率での発振スペクトルは、全て分散補償鏡の−19利得媒質には添加濃度 5.35×103cm 、帯域内であることも確認した。

結晶長 4 mm の AR コートのなされたCr2+ : ZnS セラミクス結晶を用いた。励起光源には、発振波長 1611 nm の Er:Yb 共添加ファイバーMOPA を用いた。ホルディングミラーM1,M2 として R=100 の高反射凹面鏡、エンドミラーとして高反射の平面鏡を用いた。それぞれ後に行うモード同期実験のため、分散補償がなされている。

図 5. 各出力鏡透過率での発振スペクトル3.3. モード同期発振実験
続いて、モード同期発振実験を行った。
実験に用いた発振器を図 6 に示す。

図 6. モード同期実験で用いた発振器

図 8. 発振スペクトル
励起パワーが 1.64 W の際に、最大スペ利得媒質及び励起光源、ホルディングミラ

クトル広がり幅Δ𝜆=64 nm, フーリエ限界

ーM1,M2 は連続発振実験と同じものを用

パルス幅Δ𝜏=92.7 fs が得られた。緑色の範いている。凹面鏡 M3,M4(R=200, R=100)

囲より高い励起強度の範囲では、マルチパを使って可飽和吸収体を挿入するための集ルスによりスペクトルの広がり幅が狭くな光点を設けた。先行研究の考察より、変調ってしまっていた。

深さの大きい可飽和吸収体として初期透過

また、緑色の領域では、発振波長の半波率𝑇0=86%,変調深さΔ𝑇=9.8%の単層カーボ

長 1200 nm を中心に、ランダム疑似位相ンナノチューブ(SWCNT)を用いた。

整合による第二高調波発生(SHG)が観測さ

出力特性を図 7、発振スペクトルを図 8れた。これは他の研究でも報告されておに示す。青色の範囲では、パルストレインり、本研究でも同様に確認できた[1]。に Q-switch 不安定性による包絡線が見られ、低励起のため Q-switch モード同期が４．まとめと今後の展望得られていたと考えられる。強励起の緑色

本研究では、モード同期Cr2+ : ZnSレーザの範囲では、共振器長に一致するパルストー発振器の開発を行い、最大スペクトル幅レインと、ソリトン形状のスペクトルが得Δ𝜆=64 nm, フーリエ限界パルス幅Δ𝜏=92.7られたことから、シングルパルスのモードfs のモード同期が得られた。今後はより高同期発振が得られたと考えられる。

出力な発振器にするため、カーレンズによるモード同期発生を目指す。
参考文献[1] Sergey Vasilyev et.al, Proc. of SPIE Vol.
9731 97310B-1[2] Optical Materials 26, (ISLNOM-3), 395–412 (2004)[3]三井崚平 et. al, レーザー学会学術講演会
図 7. 出力特性 (𝑇𝑂𝐶 = 1%, 𝜂𝑠𝑙𝑜𝑝 = 1.6%)

第 42 回年次大会 B05-13a-II-04 2022/01/13