複合活性媒質を用いた超短パルスレーザーの研究
白川（晃）研究室
１、 序論

東祐軌

持つ Yb3+,Na+添加 CaF2 単結晶を導入す

近年超短パルスレーザーは、医療や観ることで Yb3+:Y2O3 セラミックによって測、高エネルギー物理など様々な分野で得られた広いスペクトルを増幅すること応用されており、また、さらなる短パルを試みた。図２に今回用いた Yb,Na:CaF2ス化、高出力化が望まれている。

単結晶の吸収、蛍光スペクトルを示す。

超短パルスレーザー用の利得媒質は主にファイバーレーザーと固体レーザーの２つに分けられるが、固体レーザーはフができるため、高出力超短パルス動作向きであると言える。そこで、本研究では複合活性媒質という固体の利得媒質を複数用いた手法を用いた高出力超短パルスレーザー用光源の開発を試みた。

2-20ため非線形光学効果の発生を抑えること

Effective cross section (10 cm )ァイバーレーザーに比べて作用長が短い

2.5Absorption
Emission

21.510.5090095010001050
Wavelength(nm)２、原理3+

図１

Yb3+添加 Y2O3 セラミックは広い利得帯

1100

Yb :Y2O3 の吸収蛍光スペクトル域と高い非線形屈折率を持つため、これまでの研究で、カーレンズモード同期によって 68 fs という非常に短いパルス動平均出力は 540 mW と高い値は得られていない[1]。これは、Yb3+:Y2O3 の蛍光スペクトルがカーレンズモード同期によって得られた広いスペクトルに比べて狭いため、利得を稼ぐことが出来ないといからである。図１に今回用いた Yb3+:Y2O3 セラミックの吸収蛍光スペクトルを示す。そEffective cross section (10 -21cm2)作が報告されている。しかし一方で最大6.0Emission
Absorption

5.0

4.0

3.0

2.0

1.00.0800

こで、本研究では Yb3+:Y2O3 セラミックに加えて、同一共振器内に広い利得帯域を

850

90095010001050

11001150

Wavelength (nm)

図２Yb,Na:CaF2 の吸収、蛍光スペクトル２、 実験

この実験によって得られた入出力特性を3+

本 研 究 で は Yb :Y2O3 セ ラ ミ ッ ク と図４に示す。励起パワー5.0 W でシング

Yb,Na:CaF2 単結晶を複合活性媒質としルパルス CW モード同期の最大出力 442て用いたパルス幅 100 fs 以下、平均出力mW を得た。図 5 にこのときのパルスト

2 W 以上を目標とする光源開発を目標と

レイン、図 6 にスペクトルと SHG 自己相している。その準備として本実験では、(1)関系を用いて測定した自己相関波形を示

3+

Yb :Y2O3 セラミックを用いたＣＷモーす。スペクトル幅は約 1.6 nm で、パルスド同期実験、(2) Yb,Na:CaF2 を用いた CW

幅は sech2 を仮定すると 707 fs であった。

発振実験、の２つの実験を行い、これらこのときの時間帯域幅積は 0.319 であっの利得媒質が複合活性媒質として有用でたので、フーリエ限界に近い結果が得らあるかを評価した。

れた。
1400ード同期実験

1200

実験配置図を図３に示す。励起光は波長 975nm のブロードストライプ LD を用い、結晶上でのビーム径がおよそ 120×27 m2になるように集光した。また、分散補償にはプリズム対と分散補償鏡を用い、共2振器１往復での不分散量は約-4500fs とした。また、SESAM は BATOP 社製の変調深さ 0.4%のものを使用した。損失を減らす

Output power (mW)

(1) Yb3+:Y2O3 セラミックを用いた CW モ

CW
Q-switch MLCW ML
Multi pulse

10008006004002000123456
Input power (W)図４

入出力特性

ために結晶とプリズムペアはブリュースター角で配置されている。

図５

図３ 実験配置図（CW モード同期）

パルストレイン78

図７

実験配置図（CW 発振）

この実験によって得られた入出力特性を図８に示す。また、出力透過鏡の透過率とスロープ効率をまとめた結果を表１に
図６ スペクトルと自己相関波形示す。

しかし、本実験では 100 fs 以下を目標のパルス幅としているので、今回の結果は目標に比べて非常に広いパルス幅となってしまった。SESAM の変調深さを深くすることでより短いパルスを得ることが期待できるが、100 fs 以下のパルスを得るためにはカーレンズモード同期が必要だと考えられる。しかし、カーレンズモード同期には緻密な共振器設計と非常にシビアなアライメントを要するため今回の図８実験では成功させるとこができなかった。
従って、今後の展望としては、カーレンズモード同期を成功させることが第一に

表１

入出力特性

透過率とスロープ効率挙げられる。
(2) Yb,Na:CaF2 を用いた CW 発振実験
同様に実験配置図を図７に示す。励起光は波長 975 nm のファイバー結合型 LDを用い、結晶上でのビーム径が直径 150m になるように集光した。出力透過鏡の曲率半径は 100 mm であり、透過率は1,3,5%のものを使用し、結果を比較した。
また、共振器長はおよそ 97 mm であり、出力が最大になるように共振器長は適宜変更した。

表１より、出力透過鏡の透過率 3%時に、最大スロープ効率 49.1%を得ることができた。スロープ効率は CaF2 が増幅器としてどれ程有用であるかを示す指標の一つであるが、今回の実験により、高いスロープ効率を得ることができたので、増幅器としては非常に有用であると言える。
図９にぞれぞれの透過率について最大励起時の発振スペクトルを示す。

４、まとめと今後の展望
本実験では、 Yb3+:Y2O3 セラミックとYb,Na:CaF2 単結晶を複合活性媒質として用いた高出力超短パルスレーザー光源
T=1%開発の準備として、Yb3+:Y2O3 セラミックを 用 い た CW モ ー ド 同 期 実 験 と
Yb,Na:CaF2 を用いた CW 発振実験を行った。
CW モード同期実験では、最大平均出力 442 mW、スペクトル幅 1.6 nm、パル
ス幅 707 fs の短パルスを得ることが出来た。しかし、これは目標としているパル

T=3%ス幅より遥かに広い値なので、今後はより短いパルスを得られることが期待できるカーレンズモード同期に取り組む。
Yb,Na:CaF2 単結晶を用いた CW 発振実
験では、最大スロープ効率 49.1%を得ることが出来た。
Yb3+:Y2O3 セラミックを用いたカーレ
T=5%%

ンズモード同期に成功次第、同一共振器に Yb,Na:CaF2 単結晶を導入し、増幅を行う。
５、参考文献[1] Masaki Tokurakawa, Akira Shirakawa, Ken-ichi
Ueda, Hideki Yagi, Meichin Noriyuki, Takagimi

図９

発振スペクトル

Yanagitani and AlexanderA.Kaminskii’’Diode-pumped ultrashort-pulse generationbased on

スペクトルを見ると、透過率が高くなる

Yb3+:Sc2O3 and Yb3+:Y2O3ceramic multi-gain-media oscillator’’にしたがってピーク波長が短波長側にシOPTICS EXPRESS Vol. 17, No. 5(2009)

フトしていることが分かる。これは、短波長側は再吸収の影響により励起密度が低いときは利得が少ないため、共振器の損失が小さいときは長波長側の利得が先に損失を超えるためである。