非線形偏波回転モード同期レーザーの波長板角度依存性評価
1810298 佐藤航希

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はじめに2Tm3+ の励起-発光過程

一般的にファイバーレーザーで使用されるシTm3+ 添加ファイバーは図 1の「ツリウムのエリカファイバーでは、波長 2 µm で材料分散が ネルギー準位図」より、波長 793 nm 付近の光大きな負分散を示すが、本研究では、波長 2 µm が入射されたとき 3 H6 から 3 H4 へ励起される。
で材料分散が小さい ZBLAN ファイバーを使用 一方、3 H4 からの緩和過程では隣接する Tm イすることで、波長 2 µm 下で共振器全体が正常 オンの励起に寄与する。3 H4 から 3 F4 へ非発光分散となるような共振器を組んだ。
で遷移することで、隣接するイオンの 3 H4 イモード同期ファイバーレーザーから得られる オンを 3 F4 へ上げる。励起された 3 F4 のイオン
パルスのエネルギーは共振器の分散量に大きく が、3 H6 へ緩和する際に 2 µm 帯の発光を行う。
依存し、一般に共振器内の分散値が高いほど、 これらはクロス緩和と呼ばれ、光子 1 つに対しパルスのエネルギーが大きくなる。正常分散下 2 つの光子を引き上げるため、高い量子効率とでは、SPM、分散ともにパルスに正のチャープ なる。[5]を与える。よって時間幅は長いものとなり、非線形光学効果が抑制されるため、パルス全体で高いエネルギーを蓄えることが出来る。これにより、ソリトンやストレッチパルスでは実現できなかった、数 10 nJ のオーダーのエネルギーを得ることが可能となる。
本研究室の先行研究 [2] では、Tm:ZBLAN フ
ァイバを用いた、全正常分散下でのモード同期
図 1. ツリウムのエネルギー準位図が確認され、スペクトル幅 ∼ 35 nm を得られている。しかし、得られたパルス発振は不安定であり、またダイクロミックミラーによる長波 3 フッ化物ファイバ長成分の損失を受けていることが課題点としてフッ化物ガラスとは ZrF4 系 AlF3 系などの挙げられた。本実験では、以前の実験系を変更他成分で構成されるガラスであり、石英ガラスすることでより短パルスでの発振を目指した。と比べ、フォノンエネルギー半分程度であるた
励起パワー、波長版を調整することでいくつかめ、長波長帯域への透過を許し、また多フォノのパルス発振が確認できたが、いずれのパルスン緩和速度は低下するために、輻射遷移の確も Q スイッチであった。よって今後のモード同立が高い。本研究では ZrF4 系を主成分とする期実験を建設的に進めるため、特徴的な発振がZBLAN(ZrF4 − BaF2 − LaF3 − AlF3 − N aF )確認できる時の波長板角度、また出力の依存性を使用した。
を確認した。[1][6]

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3.1

モード同期

5実験系

本実験では図 3で示される共振器の構成で実レーザー光の特徴は、光子の誘導放出による光のコヒーレンスにあるが、通常、共振器で発 験を行った。
振しているレーザーはいくつかの縦モードを有しており、縦モード間の位相はそれぞれランダムである。そこで、モード同期法と呼ばれるようなレーザー共振器の光周回時間と同じ周期で変調を加える手法を用いることで、縦モード間の位相が揃いパルスが得ることが出来る。レーザー光をパルス発振させる方法として、直接変調法や Q スイッチ法などがあげられるが上
図 3. 本実験の共振器 (前方励起)
記の方法では得られるパルス幅がそれぞれ ps∼ ms,µs ∼ ns である。一方本研究で目指した、
利得ファイバーには Tm:ZBLAN ファイバー
モード同期法では fs ∼ ps と非常に短いパルス(コア径: 6.2±0.2 µm、NA: 0.2、 l=1.3 m 、幅を得られる。[3]GVD ∼ 5500 ±2000 fs2 /m) を用いた。
利得ファイバーの両端には、前方に 0.5 m、4 非線形偏波回転による受動モード同期
後方に 1 m のシングルモード ZBLAN ファ
ファイバー内を伝播するパルスは、光の強度 イバー (コア径: 6.2±0.2 µm、NA: 0.2) をそに起因して位相変調を受ける。光パルスを軸方 れぞれ機械的に接続した。共振器に組み込ま向に分解したときに、直交する偏光成分が異な れるこれらの ZBLAN ファイバー全長の分散2る強度であれば、それぞれの位相は異なる変調 値は、126500±4600 fs である。励起光源に量となるために位相差が生じる。この各偏光の は 1555 nm Er:Yb ファイバーレーザーを利用
位相変調の様子は偏光の回転のように見える し、ダイクロイックミラー (DC) を透過させことから非線形偏波回転と呼ばれ、この現象は Tm:ZBLAN ファイバーの励起を行った。レー
ザー発振はアイソレータにより、図版時計周りモード同期を得る手法として使われる。[4]以下の図 2のように、波長版を調整すること に一方向性を持たせ、アイソレータの入口側にでパルス,CW 成分をそれぞれ S,P 偏光で分け ある偏光ビームスプリッタから出力を取り出しると、PBS は S 偏光を反射させ、P 偏光を透過 ている。また、共振器一周で生じるスペクトルするために、強度の高いパルス成分は共振器を 広がりを補償するためにバンドパスフィルター周回し、強度の低い CW 成分は取り出される。 (BPF) をレーザー光がファイバーに再結合されこうして非線形偏波回転により生じた偏光を制 る前の位置に挿入した。
実験では、バンド幅の異なる 3 種類のフィル御することで CW 発振を抑え、パルス発振をター {C:1870 nm、BW:35 nm }or{C:1912 nm、得る事が出来る。
BW:10 nm}{C:1928 nm、BW:11 nm} (C: 透過中心波長、BW: Band Width) をそれぞれ用いて実験を行った。

図 2. 波長版による偏光の操作

2共振器の出力特性を確認するため、BPF 無しの場合と BPF: 1870 nm ,1912 nm ,1928 nm のNL
4.6 [m]−83 枚、それぞれの条件で測定したものを図 T = c = 2.9 × 108 [m/s] = 1.58×10 [s]4∼7に載せる。以前の共振器で得られていた出力と、反時計回りに変更した共振器のスロープ であり、16 ns 付近の繰り返し周波数をもってモード同期の判定をした。
効率を表 1にまとめる。
励起パワーを変更し、波長板を回転することで 3 種類の各バンドパスフィルタから特徴的なパルス発振が得られた。本紙では、BPF(λc :1870 nm:BW: 35 nm) 挿入下での、励起パワー 331[mW],460W[mW] 時、それぞれのパルス発振時のパルストレインとスペクトルを載せた。また、これらのパルスに加え、各 BPF
図 4. BPF 無し
図 5. BPF:1870 [nm]で確認できたパルス発振の周期とスペクトルの中心波長を表 2まとめる。

図 6. BPF:1912 [nm]図 7. BPF:1928 [nm]図 8. 331 [mW] 励起時

各 BPF での出力特性のグラフ

パルストレイン

図 9. 460 [mW] 励起時

20 µs/div

BPF(1870 nm)

表 1: 各共振器の出力特性の比較
BPF 中心波長 [nm]以前の共振器 [%]本実験の共振器 [%]無し

187029.326.5

191224.828.9

192825.125.6

表 1より、共振器を修正した後も同等の出力特性が得られている。波長板の位置によって出 図 10. 331 [mW] 励起時 図 11. 460 [mW] 励起時
力の最大値は変化するため、多少の変化についスペクトルの変化ては興味がない。またモード同期が実現した時の繰り返し周波数は共振器長から光速を割ったものであるが、共振器長は ZBLAN ファイバの屈折率は波長 1∼2 µm の範囲で 1.5 程度である
ため N L = (0.5 + 1.3 + 1.0) × 1.5 + 0.4 = 4.6から繰り返し周期は3表 2: 各 BPF で得られたパルスの周期と中心 6波長結論

本実験ではリング共振器を時計回りから反時BPF 波長 [nm]1870
19121928
計回りに変更し、ダイクロイックミラーでの狭入力電力 [mW] 331 460 334 456 334 456
窄を抑制することで、短パルスでの発振を目指
パルス周期 [µs] 11.8 1014.28 11.11 12.5 9.09
中心波長 [nm]1879 1879 1904 1900 1887 1887 した。3 種類の BPF(中心波長 1870,1912,1928nm) を使用し、それぞれ出力は 50, 60 [mW] と本実験で得られたパルス発振の繰り返し 以前の共振器系と同等の特性が確認できてい周波数は µs のオーダーであり、これは期待 る。また、励起光パワーと波長板を調整するこするモード同期の繰り返し周波数 16 ns と とで 3 種類の BPF から、それぞれパルス発振は明らかに異なるため、Q スイッチ発振と考 が得られているが、いずれもパルス間隔は数えられる。上記のようなパルス発振が引き 10 µs であり、モード同期として期待されるパ起こされるような波長板の角度は広く許さ ルス間隔である 数 10 ns と異なる。
このようなＱスイッチと考えられるパルス発れている。発振条件と出力電力の相関を、また波長板の角度と偏光ビームスプリッタから 振が得られるときの波長板の角度条件を明らか取り出している光出力の関係を調べるため、 にするため、励起出力を固定して波長板を回転
BPF=1912 [nm],Win =331 [mW] に固定して波 させたときの出力データ、またパルス発振が得長板の角度と出力の関係を測定した。この関係 られた条件を確認した。これらの測定データは、を見るため測定したデータから 3d プロットし 出力が周期的な特性を持つこと、またパルス発たものを図 12に載せる。図 13では、図 12をを 振が高出力部分で起きることを示している。
現在、この相関関係から、モード同期パルス色付き等高線で表示し、発振を確認した角度の発振が期待できる波長版の角度の組み合わせを条件を黒枠で追加している。
試行しながら、出力と波長板の角度の関係を明らかにし、広帯域でのモード同期レーザーの開発を目指す。
参考文献[1] 相楽啓 ZBLAN ファイバーを用いた波長 2um
帯全正常分散モード同期ファイバーレーザーの開発 電気通信大学修士論文 (2020)[2] 小 澤 一 朗 ”ファイ バ ー 増 幅 用 全 正 常 分
散 Tm:ZBLAN モ ー ド 同 期 ファイ バ ー レ ー
ザー光源の波長最適化” 電気通信大学卒業論
文 (2021)[3] 宅間宏 著、”レーザーの話” 出光科学叢書(1971)[4] 國分泰雄 著、 光波光学 共立出版 (1999)[5] 住村和彦 西浦匡則 著 ”ファイバーレーザー基礎編” オプロ二クス社 (2011)[6] Nomura, Yutaka & Fuji, Takao. (2016).
Eﬃcient
chirped-pulse
ampliﬁcation
based on thulium-doped ZBLAN ﬁbers.
Applied Physics Express. 10. 012703.
10.7567/APEX.10.012703.

図 12. 波長板の回転と出力の関係

図 13. 発振条件と出力電力の相関4