分割パルスファイバー増幅およびチャープパルス増幅による高エネルギー超短パルス増幅特性
白川研究室

輿石 (杉本)1 序論

洸太カに分割し，増幅，および再結合させることでエネルギーおよびパワーの拡大を図っている．パルスファイバーレーザーは高平均出力動作に非常にレプリカどうしを再結合させる際には，それらの間適している．それは利得媒質として用いる光ファの各種パラーメータが整合していることが重要でイバーの表面積/体積比が大きく，冷却性能に優れある．例えば，利得が飽和してパルスレプリカの間ているからである．さらに，シリカガラスで作られで増幅率が異なる場合，クラマース・クローニッヒた光ファイバーは光を低損失で伝搬させることがの関係から受ける位相シフトも異なり，これが結合できる上に，利得媒質であると同時に導波路でもあ効率の低下を招くことが考えられる．本研究では，るので，レーザーの横モードを制御できることや，このような非線形光学効果が DPA の結合効率に与長い距離に渡って相互作用が働くことによる，高える影響を定量的に調査することを目的として実ビーム品質，高利得といった利点もある．また，一験を行なった．

般にファイバーレーザーはバルク形状の利得媒質を用いた共振器などに比べて配置の自由度が高く，2 原理

光ファイバーを巻けば占有面積を小さくすること2.1ができる．

チャープパルス増幅

しかしながら，超短パルスレーザーが光ファイチャープパルス増幅 (CPA) の概念図を図 1 に示

バーを伝搬する際には，空間的にも非常に狭くした．CPA は，パルスの延伸，増幅，分散補償の3 段階に分けられる．初めに，シードパルスをスト(典型的なシングルモードファイバーのコア径はレッチャーにより時間的に延伸する．次にこの延10 µm 程度)，時間的にも非常に短い領域に高エネ伸されたパルスをファイバー増幅器で増幅するが，ルギーを閉じ込めることにより誘導ラマン散乱や誘導ブリルアン散乱などといった非線形効果によるパルスの品質劣化 [1] やファイバーの損傷などが引き起こされ，問題となる．
これらの問題を抑制するためにチャープパルス増幅 (CPA) [2] と呼ばれる手法が用いられてきた．
しかしこれにも回折格子等の素子の大きさやコストの観点からエネルギースケーリングの限界がある．そこで近年では新たなアプローチとして分割パルス増幅 [3] などの時間領域でのパルス結合が研究されている．

DPA では，1 つのパルスを複数のパルスレプリ

図 1 チャープパルス増幅の概念図．

1

この時ピークパワーがファイバー内のパワー限界

1.0

Intensity /arb. unitを上回らないようにする．そして最後に分散補償によりパルスを再び圧縮することで，ファイバーのパワー限界を超えた高ピークパワー超短パルスを得ることができる．
分散を与える素子としては，回折格子やブラッグ回折格子などが用いられる．

2.2 分割パルス増幅

0.80.60.4
0.20.010201025

分割パルス増幅 (DPA) の概念図を図 2 に示した．DPA では，パルスを直交した偏光成分に分割Nする．N 個の分割器により，1 つのパルスは 2103010351040

Wavelength /nm
図3発振器出力スペクトル．

個に分割される．分割によりピークパワーの低下したパルスを増幅し，自由空間上で再結合させることあるいは 200 kHz に低下させた．これには増幅後でファイバーにおける非線形光学効果や損傷を抑のパルスエネルギーを高める狙いがある．
パルスの延伸には体積ブラッグ回折格子 (VBG)制して高エネルギー・高ピークパワーパルスを得るを用いた．VBG により，パルス幅はおよそ 450 psことができる．

まで延伸された．
偏波保持型 Yb 添加ファイバーにて前置増幅した
後，図 4 のような系で分割パルス増幅を行なった．
増幅器には長さ 0.7 m，コア径 10 µm，飽和エネル
ギー 29.1 µJ の偏波保持型 Yb 添加ファイバーを用いており，これを中心波長 975 nm のファイバー結合型レーザーダイオード (LD) により前方から励起した．増幅器前のバンドパスフィルタ (BPF) には前置増幅器による ASE を遮断する役割がある．

図 2 分割パルス増幅の概念図．

3 実験
3.1 実験系概要
光源として，全正常分散 (ANDi) 型モード同期発振器によるパルスを用いた．非線形偏波回転によりモード同期を得ており，中心波長 1030 nm，帯域幅およそ 9.5 nm, 繰り返し周波数 20 MHz のパ
図4ルスが出力された．発振器より出力されたパルス

分割パルス増幅のセットアップ．のスペクトルを図 3 に示した．
続いて，ポッケルスセルを用いてパルスを一定の増幅器の前後に配置された遅延路によりパル間隔で間引くことにより繰り返し周波数を 400 kHz

スは分割および結合される．遅延路は薄膜偏光子

2(TFP)，1/4 波長板 (QWP)，低群遅延分散鏡からされた．フィードバック光と出力光の間には π/2構成されており，その長さは往復で 0.8 m である．の位相差があるので，フォトダイオードで検出され2 分割されたパルスをオシロスコープで観測したる光強度をこの時間的干渉縞の平均値でロックす結果を図 5 に示した．長さ 0.8 m の遅延路によることで最大の効率で出力することができる．

Intensity /a.u. Voltage /a.u.

る 2.6 ns 相当の時間遅延を以ってパルス幅およそ450 ps のパルスを明確に分割できたことを確認した．また，大きくチャープしていることでスペクトルの構造が時間強度波形にも反映されていることも確認された．パルスレプリカどうしのパワーバ
ランスは，分割器遅延路の前に置かれた 1/2 波長板(HWP) により入射する直線偏光の偏光方向を変えることで調整できる．理想的には等分されるべき

1.00.50.0
1.00.50.0であるが，実際に結合効率が最大となる分割比は必-4-2024Time /ms

ずしもそうではない．これはパルスレプリカ間で増幅器のファイバーへの結合効率が異なることや

図6遅延路長を周期的に変化させた際の時間的利得飽和時には増幅率が異なることが原因である．

干渉縞．

したがってその時々で結合効率が最大となるよう3.3な分割比で実験を行った．

結合効率

DPA の結合効率として，2 つの指標を考えた．
まず 1 つ目は，明瞭度 (ビジビリティ)ηv であIntensity /arb. unit

1.0る．これは図 6 のように遅延路長を変動させた時0.8に観測される時間的干渉縞から計算される．ηv は

0.6

フィードバック信号の最大強度を Imax ，最小強度0.4を Imin として，

0.20.0ηv =012345

Imax − Imin
Imax + Imin(1)と計算される．この指標 ηv では開口の小さいフォTime /ns

トダイオードの信号によって計算されるため，ビー

図 5 オシロスコープで観測した 2 分割パルス．

ムサイズの不整合などから生じる波面の差異などは含まれず，その時の結合効率の上限を与える．

3.2 結合のロック

2 つ目は，パワー加算効率 (ηp ) である．これはパルスレプリカどうしを再結合させるにあたっ増幅後の分割パルスパルスのパワーの和に対するてはそれらの時間軸での重なりが非常に重要であ

結合パルスパワーの比で計算される．結合パルスる．そこで図 4 のように結合後のパルスの一部を取パワーを Pcom ，N 個に分割され，増幅された時のり出して結合器の遅延路長にフィードバックをかそれぞれのパルスパワーを Pi (i = 1, 2, 3, . . . N )けた．ミラーのマウントされたピエゾ素子 (PZT)とすると，ηp はに図 6 上部のような正弦波形状の電圧を印加する

Pcom
ηp = N∑
Piと，それに伴った遅延路長の変化によりフォトダイ
オードでは図 6 下部のような時間的干渉縞が観測

i=13(2)

のように求められる．この指標は素子の損失やビーw/ VBG, 5.40 uJw/o VBG, 4.75 uJ-40

Intensity /dBm

ムの差異などあらゆる要素を含んでおり，DPA の実用的な結合効率を与える．

VBG に よ り チ ャ ー プ さ せ た 場 合 (パ ル ス 幅∼450 ps) および VBG によるチャープを用いなかった場合 (パルス幅 ∼16ps) の出力パルスエネル
ギーに対する結合効率を図 7 に示した．

-50-60-70-80-90
1000

100

ηv (w/o VBG)
ηp (w/o VBG)

Effciency /%951020

1040

1060

1080

Wavelength /nm

ηv (w/ VBG)
ηp (w/ VBG)

図8

出力パルスエネルギーに対する結合効率．

9085

で あ り ，フ ァ イ バ ー 増 幅 器 の 飽 和 エ ネ ル ギ ー

8029.1 µJ には達していない．これ以上のパルスエ

75

ネルギーを得ようと励起強度を高くすると図 9 の7065ように増幅器において発振してしまい，DPA の特012345

性評価はできなかった．

Pulse energy /µJ
出力パルスエネルギーに対する結合効率．

1.0Intensity /arb. unit

図7VBG を用いなかった場合では，出力パルスエネルギーが高くなるに従って ηv , ηp ともに低下した．
一方で，VBG によりパルス幅をおよそ 450 ps まで延伸させて DPA を行った場合では，ηv はおよ

0.8
0.6
0.40.2

そ 90%，ηp はおよそ 85% で維持された．
0.01020

この結合効率の低下の主な原因として自己位相

102510301035

変調 (SPM) が挙げられる．図 8 は，VBG を用いWavelength /nmた場合と用いなかった場合の DPA における最大出

図 9 増幅器における寄生発振．

1040

力時のスペクトルを表している．スペクトルアナライザーへの入射強度が異なるので，強度は比較で3.4

分散補償

きない．VBG を用いなかった場合では，SPM に

図 10 に示したような格子密度 1750 lines/mm

よるスペクトル拡がりが顕著であったが，VBG に回折格子対，ブレーズ波長 1050 nm の回折格子対よるパルスの延伸でこれを抑制することができた．

を用いて分散補償を試みた．VBG による大きなSPM が起きたとしても，パルスレプリカどうしチャープを補償するような負分散を与えるためにで同等の SPM が起きているならば結合効率には影は回折格子対およびミラーを往復する光の伝搬距響しないはずである．しかし，強度の差や偏波保持離を数 m 程度と長くせねばならなかった．光の伝ファイバーの軸間の有効屈折率の差などによりパ搬距離が長くなるとビームは拡がり，正常に回折ルスレプリカ間で異なる SPM が生じ，これが結合格子対を往復できなくなってしまう．ビームの拡効率を大きく低下させたと考えられる．

がりの影響はその径が大きいほど抑制できるので，得られた出力パルスエネルギーは最大で 5.40 µJ

焦点距離が 125 mm と-50 mm のレンズを用いて4ビームの拡大および平行化を試みた．これらのレれる．

ンズは収差の少ないアクロマティックレンズを用

VBG に よ る 分 散 補 償 の 後 ，さ ら に 格 子 密 度いた．

1600linesmm の透過型回折格子を用いて発振器や増幅器による分散を補償した．その前に置かれた HWP は，回折効率が最大となるような偏光で入射させるための調整に用いられた．

図 10 回折格子対による分散補償．格子密度:1750 lines/mm，ブレーズ波長: 1050 nm．
図 11 体積ブラッグ回折格子と透過型回折格子による分散補償．透過型回折格子の格子密度: 1600

しかし，図 10 のような系で適切な分散補償にはlines/mm至らなかった．そこで第 2 の方法として，VBG により分散を補償することを試みた．この時，VBG

図 11 の系で分散補償したパルスを周波数分解

はプリアンプの前にパルスを延伸したものと同一

光 ゲ ー ト 法 (FROG) に よ り 計 測 ，再 構 築 し た ．のものを用いた．VBG に対して一方から光を入射

FROG により再構築されたパルスの強度波形おさせて正の分散を与えた時，逆の方向から入射さよび位相を図 12 に，スペクトルおよび位相を図 13せることで絶対値が等しく負の分散を与えることに示した．フーリエ限界パルス幅がおよそ 120 fsができる．実際には図 11 のような光学系を構築しであったのに対して，FROG による再構築パルスた．それぞれの方向で VBG の直前に QWP を置のパルス幅は 427 fs であった．

いて VBG の入射光と反射光とで偏光が 90◦ 回転

図 14 は FROG の直前でスペクトルアナライするようにしたことで，PBS により往路と復路の光を分別することができた．

Intensity
Phase

VBG の回折効率は 93% で，プリアンプからメ透過してしまう．この透過光が再びプリアンプへ入射すると，ループが生じ不本意なパルスの増幅や寄生発振が起こる可能性がある．そこでこれを回避するため，図 11 の VBG の左右にある QWP を2 枚通ることで偏光が 90◦ 回転するような配置にし0.830.620.4

10.200.0-3000 -2000 -1000た．すなわち，仮に VBG を透過してしまってもこ

4Phase /radIntensity /arb. unit

インアンプで増幅された光のうち一部は VBG を

1.00-11000 2000 3000

Time /fs

れら 2 枚の QWP と PBS を通ることでこの光はプ

図 12 FROG により再構築されたパルスの強度リアンプではなく発振器方向へ進み，発振器とポッ波形および位相. パルス幅: 427 fs．

ケルスセルの間にあるアイソレータでブロックさ51.00.850

チャープパルス増幅を併用した増幅実験を行った．

40

出力パルスエネルギーが 1 µJ 程度を超える高エネ

30

ルギー状態の DPA では SPM が顕著に現れ，結合20効率が低下した．そこで VBG を用いてパルス幅10を 450 ps 程度まで延伸し，ピークパワーを低下さ0せたところ，SPM は抑制され結合効率は ηp でお-10よそ 85% 程度に維持された．

Phase /radIntensity /arb. unit

価することを目的として，分割パルス増幅およびIntensity
Phase

0.6
0.4
0.2
0.0102010251030

10351040

FROG によるパルスの再構築を試みたが分散補Wavelength /nm

償が不完全であったために満足に計測を行うこと

図 13 FROG により再構築されたパルスのスペができず，非線形光学効果による位相シフトを定量クトルおよび位相.

的に計測することはできなかった．

4.2

ザーを用いて計測されたスペクトルである．図 13

今後の課題

本研究の目的である DPA における非線形光学効と比較すると，FROG による再構築パルスのス果の影響の定量的な評価を達成するために，以下のペクトルは短波長成分が強くなっており，適切なことが必要である．

FROG 計測および再構築ができていないことがわ

まず，分散補償を最適化し FROG による計測おかった．これは VBG を用いた分散補償が不完全よび再構築を行うこと．分散素子をファイバーブであったためであると考えられる．したがって，ラッグ回折格子 (FBG) などに置き換えて同様の実FROG を用いて分割パルスの結合効率と非線形験を行うことで今回の分散補償が不完全であった

位相シフトの関係を定量的に評価するには至らな原因を明らかにし，改善する．

かった．

次に，さらに出力を増大させること．用いたファイバー増幅器の飽和エネルギーが 29.1 µJ であっ1.0

Intensity /arb. unit

たのに対し，得られた最大のパルスエネルギーは0.8

5.40 µJ であった．利得飽和による影響を観測する

0.6

ため，出力を増大させる必要がある．このために，増幅器における発振を防ぐために戻り光のない結0.4合器の構築や，分割数のスケーリングを行う．

0.2

参考文献
0.010201025103010351040[1] アグラワール G P, 『非線形ファイバー光学:Wavelength /nm
図 14

原書第 2 版』, 物理学叢書, 吉岡書店 (1997).

スペクトルアナライザーにより計測され[2] D. Strickland and G. Mourou, Optics Com-

た分散補償後のスペクトル.

munications Vol. 56, No. 3, pp. 219–221(1985).

4 結論[3] S. Zhou, F. W. Wise, and D. G. Ouzounov,
Optics Letters Vol. 32, No. 7, pp. 871–873

4.1 まとめ(2007).

本研究では，分割パルス増幅における結合効率と利得飽和等の非線形光学効果の関係を定量的に評6