可飽和吸収体による受動 Q スイッチ位相同期
マルチコアファイバーレーザー
白川 晃 研究室

内部 優花

１、研究背景と目的
ファイバーレーザーは導波路構造により空間モードが制御できることに加え、高冷却性、メンテナンスフリー等多くの利点を持つ。一方で、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果や、ファイバーの材料であるシリカの破壊閾値等に(a)断面図

in-phase モード(b)近視野(c)遠視野より、出力が制限される。我々はマルチコアフ

図 1 7 コア MCPCF

ォトニック結晶ファイバー（MCPCF）を用い今回は、SA により in-phase モード選択を行たレーザーの高出力化を研究している。さらに、った。SA は、高強度の光に対しては吸収が飽可飽和吸収体（SA）を用いた in-phase モード和し透過体として、低強度の光には吸収体としの選択と受動 Q スイッチ発振の同時動作を実てはたらく。SA の飽和フルーエンスのイメー証している[1]。今回は、SA とは逆方向に発振

ジ図を図 2 に示す。入射強度に対する透過率差器出力を取ることで、出力の向上を図った。

により、in-phase モード選択ができる。今回は SA としてCr 4+ : YAGを用いた。SA の飽和フ２、原理
今回使用した 7 コア MCPCF のコアにはYb3+が添加されており、コア径 d は 21.2 μm、空孔間隔 Λ は 13.3 μm である（図 1(a)）。クラ

ルーエンス𝐹𝑠𝑎𝑡 は、レーザー光のエネルギーℎ𝜈𝑔 と吸収断面積𝜎𝑆𝐴 より
𝐹𝑠𝑎𝑡 =ℎ𝜈𝑔𝜎𝑆𝐴= 44.4 [mJ] ・・・(1)

ッドは空孔構造を有しており、実効屈折率を調整できるため、大口径化でのシングルモード伝

飽和フルーエンス

透過吸収搬の条件 d/Λ<0.45 を満たしている[2]。また、各コア内を伝搬したコアモードが、隣接コア間でエバネッセント結合することで、コア数分の図 2 SA の飽和フルーエンススーパーモードを励振する。特に各コアモードの位相が揃っている in-phase モードは、遠視6 コアに比べて 7 コア MCPCF ではサイド野で単一の高ピーク強度を形成する(図ローブが抑制され、中心ピーク強度が高くなり、1(b)(c))。そのため、in-phase モードを選択す他スーパーモードとの透過率差が大きくなるることが高ビーム品質・高出力には重要である。

[1]。透過率差が大きいほど in-phase モードのみが優先的に SA を透過しやすくなるため、今回は 7 コア MCPCF を使用した。
３、実験
図 3 に SA を用いた 7 コア MCPCF レーザ

ーの実験配置図を示す。これを前方出力系とす

ドの有効面積𝐴𝑒𝑓𝑓 は5.03 × 10−3 cm2である。パる。LD（発振波長 975 nm）で 3.15 m の 7 コ

ルスエネルギーE と𝐴𝑒𝑓𝑓 より、実測フルーエン

ア MCPCF を励起した。励起側ファイバー端面は 0°クリーブして DM1 を butt couple

ス𝐹 =𝐸𝐴𝑒𝑓𝑓・・・(2)させ、共振器ミラーとしている。SA 側端面はを算出できる。

8°研磨し、ファイバー端面での反射を防止し初期吸収係数𝑞0と 1 パルス通過後の吸収係数ている。DM2 で残留励起光をカットし、f=15𝑞(𝑡1 )の関係式

mm のレンズで SA 上に遠視野像を形成するように像転送している。アウトプットカプラー

𝑞(𝑡1 ) = 𝑞0 × exp (−𝐹𝐹𝑠𝑎𝑡) ・・・(3)（OC）の透過率𝑇𝑐 は 80%で、SA と一体とな

𝑇1 = e−𝑞(𝑡1 )っている。SA 上の遠視野像をさらにレンズで𝑇0 = e−𝑞0

像転送し、CCD で出力測定した。

(1)～(5)から、SA の初期透過率𝑇0と時間𝑡1 後の・・・(4)・・・(5)

透過率𝑇1が求められる。10.2 W のとき、𝑇1 =81.1%であった。

DM1LD(976nm)

前方出力系では、SA の非飽和吸収によりビ7 コア MCPCF(3.15 m)

0°
butt couple

𝑓 = 50mm

ーム形状が変形し、出力も十分に得られなかっ

𝑓 = 25mm

OC
𝑇𝑐 = 80 %DM2た。出力パワーの下落を改善するため、SA 透Power Meter

CCD

8°
𝑓 = 100mm

𝑓 = 15mm

OscilloScope

4+

DM1
DM2

HR > 1030 nm
HR < 980 nm

𝑆𝐴(Cr : YAG)
𝑇0 = 80 %(ARcoat )HT < 980 nm
HT > 1030 nm

過後にファイバーで再増幅をする後方出力系という仕組みで再度実験を行った。後方出力系の実験配置図を図 5 に示す。
𝑓 = 50 mm

図 3 実験配置図（前方出力系）

DM1 𝑓 = 25 mm
𝑇𝑐 = 96.6%

LD

7 コア MCPCF(3.15 m)

CCD2観測したビームプロファイルとパルス波形

DM2を図 4 に示す。入力パワー10.2 W のとき、平𝑓 = 100 mm

HR

均出力 2.33 W、尖頭出力 13.0 W、パルスエネ
CCD1OSOSA

ルギー13.8 μJ、パルス幅 0.9 µs を得た。このときスロープ効率は 38.0%であった。

PM𝑓

Cr 4+ : YAG
𝑇= 15 mm0 = 80 %(ARcoat )(W. D 11.5mm)(W. D 11.5mm)
図 5 実験配置図（後方出力系）

14output power [W]𝑓 = 15 mm12108

後方出力系では、SA 透過後に高反射鏡（HR）64を配置してレーザー光をファイバーに戻して200481216202428time [μs]図 4 ビームプロファイルとパルス波形（前方出力系）いる。励起側端面を OC（𝑇𝑐 =96.6%）として用いており、出射した光をレンズで像転送し、CCD1 で遠視野像、CCD2 で近視野像を観測した。

使用した 7 コア MCPCF の遠視野 in-phase モー

観測したビームプロファイルとパルス波形を図 6 に示す。入力パワー10.2 W のとき、平4

ルギー19.6 μJ、パルス幅 1 µs を得た。前方出3.5

力系と比較すると、in-phase モードの特徴で32.5ある、中心単一ピークと 6 つのサイドローブが1.5あり、前方出力系に比べて入射強度が高くなっ1たことにより透過率も上昇したと考えられる。

0.5

ここで、in-phase モードの占有率として、

00.8

スロープ効率38.0%→53.3%

2鮮明になった。10.2 W のとき、𝑇1 = 81.9%で1●output power(backward)○output power(forward)●Strehl ratio

0.60.4Strehl ratio

均出力 2.89 W、尖頭出力 23.4 W、パルスエネ

0.20246810

ストレール比を用いてビーム形状の評価を行

launched pump power [W]った。ストレール比の計算方法を式(6)に示す。

図 7 入出力特性012

規格化した実測ビームプロファイルの最大値規格化した in − phase モード(計算値)ビームプロファイルの最大値=𝐼𝑚𝑎𝑥∬ 𝐼(𝑥,𝑦)𝑑𝑥𝑑𝑦
𝐼𝑐,𝑚𝑎𝑥∬ 𝐼𝑐 (𝑥𝑐 ,𝑦𝑐)𝑑𝑥𝑐𝑑𝑦𝑐

しかし、入力パワーを上げていくとストレー

ル比の低下が見られた。これは、ビームの全体・・・(6)

強度が高くなり、in-phase モード以外のスー前方出力系では、SA の非飽和吸収によりビーム形状が変形していたため、この方法を用いることができなかった。後方出力系では、ファイバーでの再増幅により in-phase モードの評価が可能となった。
スロープ効率と、ストレール比を図 7 に示す。
スロープ効率は 53.3%に向上し、出力パワーも上昇した。これは、SA に非飽和吸収されていた成分がファイバーによって再増幅されたためだと考えられる。さらに、OC の透過率が 80%から 96.6%に上昇したためだと考えられる。以上より、後方出力ではビーム形状の改善と出力向上が可能であることを確認した。

パーモードも SA を透過したことが原因だと考えられる。さらに、SA 中の熱の分布により屈折率分布が生じる熱レンズが発生した。これにより、in-phase モードの再結合率が低下して他のスーパーモードが励振し、ビーム形状が変形したことも原因であると考えられる。
次に、近視野像を図 8 に示す。近視野では 7つのコアを同位相で伝搬しており、中心の強度が一番高くなっている。実測の近視野像でも同じビーム形状を得られており、in-phase モードが選択されていることが確認できた。しかし、出力が高い場合は、周りのコアの強度も高くなっていた。これは、高出力時に他のスーパーモードが励振しているためだと考えられ、遠視野像で議論したときと同様の傾向が見られた。

output power [W]2520151054.22 W

06.41 W 8.75 W 10.2 W 11.7 W-505101520time [μs]253035

図 6 ビームプロファイルとパルス波形（後方出力系）
計算 in-phase モード
図 8 近視野ビームプロファイル

次に、観測したパルス内部の構造を図 9 に示す。

前方出力系 13.8 μJ、後方出力系 19.6 μJ であ

図 9 は 4.22 W 励起の場合だが、測定した励起った。このとき、後方出力系においてストレーパワーにおいて構造周期は∆𝑡 =30 ns であっ

ル比 0.762 を達成した。

た。本研究で使用した共振器はファイバー長

この結果より、SA 側と逆方向に出力をとっ

𝐿 =3.15 m、共振器内屈折率はシリカガラスのた場合、SA 通過の際に下落したパワーが再度屈折率𝑛=1.45、光速𝑐=3× 108 m/s とすると、ファイバーで増幅することにより、出力向上が∆ν =c2nL∆𝑡𝑐 =1∆ν=

3∙1082∙1.45∙3.15= 3.28 ∙ 107 [Hz] ・・・(7)= 30.4 [ns] ・・・(8)可 能 で あ る こ と が わ か っ た 。 さ ら に 、OC（𝑇𝑐 =80%）をファイバー端面（𝑇𝑐 =96.6%）に変えることで透過率が上がったことも、出力が向上した理由である。

共振器内の周回時間∆𝑡𝑐 =30.4 ns と、パルス内

しかし、入力パワーを上げていくとストレー

構造周期∆𝑡 =30 ns がほぼ一致していること

ル比は低下してしまった。これは、SA においから、パルス内の周期的構造は、共振器内を周て in-phase モード以外のスーパーモードが飽回する縦モード間のビートが原因であること

和フルーエンスを超えたことで透過し、励振しがわかる。ているためである。加えて、SA に入射する光の強度が高くなったことで熱レンズが生じ、0.50.4

in-phase モードの再結合効率が低下し、他の0.3スーパーモードが励振したことも原因である0.2と考えられる。高品質な単一ピークのビームを0.1得るためには、in-phase モードのみを励振さ0せることが重要となる。

-0.1-10-50510

高出力時の in-phase モードの選択率を向上

0.5するため、様々な透過率の SA での検証や、非0.4飽和吸収が小さく熱レンズを抑制できる SA0.3を使用することなどが必要である。

0.20.1-0.1

参考文献

30 ns

0[1] 久保内 照雄, “可飽和吸収体を用いた位
00.050.1
0.15time[μs]0.2

図 9 パルス内構造
４、まとめと今後の課題
7 コア MCPCF における、可飽和吸収体による受動 Q スイッチ発振と位相同期の同時動作実験を行った。平均出力に関しては、前方出力系 2.33 W に対して、後方出力系では 2.89 Wが得られた。尖頭出力では、前方出力系 13.0 W、後方出力系 23.4 W、パルスエネルギーでは、相同期マルチコアファイバーレーザー”電気通信大学, 修士論文, 2016[2] 白川 晃, 植田 憲一, “高輝度高出力ファイバーレーザー,” 電学論 C, 124, 7,
pp.1367, 2004.