サブ 20 fs パルス用超広帯域増幅システムの開発
電子工学専攻

西岡研究室

椴谷晃平

1. 序論
パルス幅がサブ 20 fs の超短パルス光とは全幅で 50 THz 以上の帯域を持つ超広帯域光である。その超短パルス光には様々な利点があり、多くの分野で応用が期待されている。例を挙げると、レーザー加工に超短パルス光を用いると低エネルギーかつ高ピーク強度であることから熱による損傷や変質が低減され精密に加工できる。また時間分解能が高いことも特徴であり、フェムト秒パルスを用いることでフェムト秒の時間分解能を持ち、物質での高速な応答を測定することができる。
現在ではモード同期チタンサファイヤレーザーの発展によって超短パルス光を発生できる発振器が市場に出回っており、パルス幅サブ 10 fs の超短パルス光を得ることも容易になってきた。
しかし、発振器から出た光のパルス毎のエネルギーは数 nJ と低い。
その超短パルス光を 106〜7 倍増幅するとパルス幅がとても短いことから、数 TW を超える高ピーク強度を得ることができ、その高ピーク強度パルスを使用することで自己位相変調や自己収束などの非線形光学効果の実験が可能になる。そこで超短パルス光をそのまま増幅媒質に入射し増幅すると高ピーク強度による結晶破壊や、非線形効果による波長、位相の変調などの問題が生じてしまう。この問題を解決するためにチャープパルス増幅(CPA: Chirped Pulse Amplification)が一般的に用いられるが、20 fs パルスでは全幅で 50 THz を超える帯域を持つため、増幅媒質での利得狭窄により圧縮後のパルス幅が広がることや、高次の群遅延分散によるパルス波形の変形、装置の複雑化など問題点も多い。そこで本研究ではそれらの問題を解決し、サブ 20 fs パルス用超広帯域増幅システムの開発を行った。
パルス幅 20 fs、帯域 50 THz のパルスを 106 倍増幅するために、広帯域、高利得増
幅 が 可 能 で あ る 非 同 軸 光 パ ラ メ ト リ ッ ク 増 幅 器 (NOPA: Noncollinear OpticalParametric Amplifier)を使用した。NOPA では 1 cm の結晶長で 103 倍の高利得が得られる。一方、ノイズは小さく抑えることができる。また励起パルスと重なった信号パルスだけに増幅が起きることから、NOPA での増幅を利得スイッチとして扱えるなど様々な利点がある。しかし、欠点として原理上大きなエネルギーを得難いことが挙げられる。
そのため後段で Ti:Al2O3 結晶を用いた増幅を行い、パルス毎のエネルギーを容易に mJにまで増幅できる設計にした。
パルス伸張器、圧縮器には高次の群遅延分散が打ち消し合う関係にあるガラスブロックとプリズム対を使用した。回折格子対を使用した場合と比較すると損失が少なく、光軸調整が簡単になる。

2. サブ 20 fs パルス用増幅システムの設計
まず NOPA の利得とその利得帯域をks計算で求めた。NOPA は非線形結晶の 2ωs

次の非線形分極による増幅であり、そのδωpθ

非線形結晶中で励起光と信号光とアイドと運動量保存則 ks＋ ki＝ kp を満たす条kp

ωi

ラー光がエネルギー保存則ωs ＋ ωi ＝ ωpki

C-axis件で増幅が起きる。また運動量保存則は

ωp=ωs+ωi
エネルギー保存則

励起光と信号光の位相整合条件と同等で

図1

kp=ks+ki
運動量保存則励起光と信号光の位相整合条件。

ある。非線形結晶中では波長が異なると屈折率が違うことから、位相整合条件を満たすために非線形結晶の複屈折を利用する。
今回は励起光を異常光線、信号光とアイドラー光を常光線とする type-Ⅰの位相整合でNOPA を行った。また非線形結晶の光軸の角度を調節し位相整合条件を満たすことのできる信号光の波長を広帯域にするために、励起光と信号光を非同軸に入射する NOPAで増幅を行った。NOPA には BBO type-Ⅰ結晶を用い、励起光には Q スイッチ Nd:YAG
レーザーの第 2 高調波(532 nm)を使用することから、この条件で利得を計算すると図 2になった。
励起光と信号光のなす角δを変化させると、位相整合角θを決定したときの利得帯域が変化することが分かる。図 2 ではδ=2.3°、θ=23.73°のとき波長 730 nm~980 nm で利得が有ることが分かる。このときの利得を計算したのが図 3 である。帯域は 117 THzになり、20 fs パルスの帯域の全幅が 50 THz であることから NOPA の利得帯域は十分
1000

1600

950

14001200900

1000
850

Gain

Signal wavelength (nm)に広いことがわかった。

800

δ=2.5°

800
600

750

400

700

200

δ=2.1°

0650

700
23.223.4∆λ=250 nm∆f=117 THz

23.6

23.8

2424.2

750

800
850
900
Wavelength (nm)

950

24.4

Phase-matching angle θ (deg.)

図2

位相整合角θと、励起光と信号光のなす角δが変化したときの利得の変化。

図3BBO 結晶による広帯域利得。

1000

本研究では 1nJ の信号光を 1mJ までの 106 倍増幅を目的としているが、それを NOPAだけで実現することは難しい。その理由を述べると、NOPA での増幅は励起パルスと信号パルスが重なった部分だけで起きるという特徴がある(図 4)。この特徴は 1 つのパルスだけが選択されて増幅されるという利点もあるが、大きなエネルギーを得るのは難しいという欠点でもある。単純に考えると励起パルスのパルス幅が 5 ns であるのに対し、信号光のパルス幅が 10 ps だと最大で励起光のエネルギーの 500 分の 1 しか増幅が起きない。励起パルスのエネルギーは最大で 100 mJ を予定していることから信号光は200 µJ までしか増幅できないことになる。
そこで NOPA で 105 倍の増幅を行った後に、Ti:Al2O3 結晶で 10 倍の増幅を行うことで 1 mJ までの 106 倍増幅が可能になる。
Pump
5 ns
SignalNonlinear
opticalmediumtt10 psttt

13 ns

図4NOPA における信号パルスの増幅過程。

NOPA の利得を計算すると図 5 になる。励起光強度を上げると利得はべき乗で増えていき、その最大利得は BBO 結晶での損傷閾値で決定される。その損傷閾値が 1GW/cm2 であることから BBO 結晶 1 cm、1 パスでは目標である 105 倍を達成できない。
そこで BBO 結晶 1 cm、2 パスで増幅することで励起光強度が損傷閾値の半分以下である 450 MW/cm2 で 105 倍増幅が実現できることがわかった。
Damagethreshold109108BBO 1cm,
2 pass

107

Gain

106
105
104103

BBO 1cm,
1 pass

102
10
10200
図5400600
8001000
Pump intensity (MW/cm2)

NOPA の利得の励起強度依存性。

CPA における群遅延分散補償部分であるパルス伸張器、圧縮器にはガラスブロック、プリズム対を使用することにした。一般的にパルス圧縮器には回折格子対を用いることが多い、しかし欠点もあることから今回は使用しないことにした。回折格子対を使うと損失が大きく、特にブレーズ波長以外ではさらに損失が大きくなるという欠点があり、さらに 3 次分散を打ち消すためには回折格子と曲面鏡を使用した複雑で巨大な構成になる。今回パルス伸張器にガラスブロックを使用したことで、光軸調整がとても容易になり安価でかつ、省スペースになった。信号光を増幅した後のパルス圧縮器にはプリズム対を使うことで損失が小さくなる。またサブ 20 fs パルスのような超広帯域光の群遅慮する必要がある。そこでガラスブロック、プリズム対、回折格子対それぞれの群遅延分散の周波数依存性をグラフにし、比較したのが図 6 である。それぞれ周波数が変わると群遅延分散も変化しているが、その変化量が高次の群遅延分散を意味してGroup delay dispersion (fs2)

延分散補償には 3 次以上の分散も考6000
MaterialPrism pair
Grating pair4000
20000-2000-4000-6000いる。媒質であるガラスブロックの

22.5
33.5
Angular frequency ω (Prad/s)

群遅延分散と比較して、プリズム対が高次の分散を打ち消すことができ

図64群遅延分散の周波数依存性。

ることがわかる。
本研究では増幅後のパルスエネルギーが 1 mJ、ビーム径 2 mm を想定していることから、増幅媒質中のピーク強度が非線形効果のおきる基準である 10 GW/cm2 以下になるためにはパルス伸張器でパルス幅を 10 ps 程度まで拡げる必要がある。パルス幅を10 fs から 10 ps まで 103 倍拡げるための 2 次の群遅延分散量は 4×104 fs2 になり、そのためにガラスブロック(SF10)5 cm、5 回透過で 39862 fs2 の群遅延分散を信号パルスに与えた。さらに増幅媒質である BBO 結晶 1 cm 2 回透過、Ti:Al2O3 結晶 1 cm 2 回透過で 2400 fs2 の群遅延分散があるので合計で 42262 fs2 になる。この群遅延分散をプリズム対で打ち消すためにプリズム 4 つ使用したパルス圧縮器を使用した(図 7)。プリズム2 つの構成に比べるとプリズム間距離が同じで、4 倍の群遅延分散を与えることができる。プリズム間隔が 557 cm のとき群遅延Compressor

分散は−42262 fs2 になり、2 次の群遅延分散を打ち消すことができる。3 次の群遅延
分散はガラスブロックが 25325 fs3、プリズム対が−49633 fs3 になり打ち消しあうが、プリズム対での負の 3 次分散が大きいため 3 次の群遅延分散は残ってしまう。

図7

パルス圧縮器の構成。

Oscillator Ti:Al2O3 800 nm
6.4 nJ 10 fs 640 kW 74 MHz

Compressor
Prisms separated by 557 cmOutput 1 mJ
20 fs 50 GWStretcher SF105 cm×5Nd:YAG 2nd 532 nm
200 mJ 5 ns 10 HzPS

Ti:Al2O 3PS

OPA BBO-Ⅰ2 pass

600 mm×1500 mm 0.9 m2
図8増幅システムの構成図。

増幅システムの構成図を図 8 に示す。繰り返し周波数 74 MHz の信号光に対し、励起光は 10 Hz なので分周器を使って同期を行った。NOPA で Type-Ⅰ位相整合を行う
ので励起光と信号光の偏光が直交している必要があるが、その信号光の偏光を回転させるためにペリスコープを使用することで媒質を透過せず、波長依存性の無い偏光回転が行える。またビームの高さを変えることも同時に行えることから効率的な構成になっている。本システムの特徴はパルス伸張器、圧縮器以外で信号光が透過する媒質が BBO
結晶 2 cm、Ti:Al2O3 結晶 2 cm と短いことである。増幅媒質長が短いことはそこでの群遅延分散が小さくなり、非線形効果が起きにくくなる。また共振器による増幅や、ポッケルスセルによる偏光制御も無いことから高繰り返しの増幅システムとしても使用することができる。光源を除いたシステム全体が 0.9 m2 の光学台上に収まり、テーブルサイズの省スペースになった。

3. 実験結果NOPA には BBO type-Ⅰ結晶を用い、励起光には Q スイッチ Nd:YAG レーザーの第2 高調波(532 nm)を使用した。まず光パラメトリック発振器を組み、BBO 結晶の位相整合角θを調整することで発振スペクトルの帯域幅が最大になる条件を決定した(図 9)。
70 THz の帯域幅が得られ、フーリエ限界 10 fs パルスを増幅できることがわかった。

1.223.64°
23.66°
23.69°
23.72°
23.75°
23.77°
23.8°

0.80.670 THz0.40.2
0700

750

800
850900
Wavelength (nm)Intensity (arb.)

Intensity (arb.)

1

図91.2

Phase-matchingangle θ (deg.)

10.8∆t=10.0 fs

0.6
0.40.20-30 -20 -10 0 10Time (fs)950

20 30(左)光パラメトリック発振器の発振スペクトル、(右)フーリエ変換後。

モード同期 Ti:Al2O3 レーザーで発生したパルスを NOPA で増幅すると BBO 結晶 1cm, 2 パスで 1.1×105 倍の利得が得られた。この NOPA での利得が増幅されたパルスとその前後のパルスのコントラスト比になる。Ti: Al2O3 結晶 1 cm, 2 パスにおける増幅では 8.2 倍の利得が得られ、NOPA と合計で 9.0×105 倍の利得が得られた。

5 mV/div.

Output

5 mV/div.

Input

20 ns/div.
図 10×10-520 ns/div.

NOPA による 1.1×105 倍の増幅、(左)NOPA 前、(右)NOPA 後。

4. まとめサブ 20 fs パルス用増幅システムを設計した。
増幅器に NOPA を用いることで 10 fs に相当する 70 THz の利得帯域を得られた。サブ 20 fs パルス用増幅器として十分な利得帯域を持つ事がわかった。
また NOPA では最大で 1.1×105 倍、Ti:Al2O3 結晶で 8.2 倍の利得を得られた。合計で 9.0×105 倍の利得が得られた。NOPA は利得スイッチとなり、増幅されたパルスとその前後のパルスのコントラスト比は 1.1×105 倍になった。
問題点としては NOPA での増幅が安定していないことが挙げられる。原因は励起光源が安定していないことだと考えられる。
今後の予定はパルス圧縮後のパルス波形の測定を行うことと、励起光の共振器に単一モード光を注入して励起光の安定化を行うことである。