1178nm 単一偏光ファイバーレーザーの高出力化
電子工学科

Yb は準 3 準位構造をもち、量子効率がよく、吸収スペクトルが広く半導体レーザーの負担を軽減できるなど多くの利点があるため、近年盛んに研究が行われている。しかし、シリカファイバ
ーに添加された Yb の長波長領域(1150nm〜)は、利得が小さくレーザー発振させるのが難しいので、この領域で発振させたという報告は少ない。
また、近年様々な応用が見込める可視域のレーザー光源の開発が盛んに行われている。その中で、
波長 589nm のコヒーレント光は波面補償光学装置の精度を上げるためのレーザーガイドスターや、医療応用、ナトリウム原子の高分解分光などに必要とされている。その光源開発のため
1178nm レーザーの第 2 高調波より発生させる方法がある。その中で、ファイバーラマンレーザーにより 1178nm レーザーが開発されているが、共振器長が長いため線幅が広くなってしまい、その結果、第 2 高調波発生過程の波長変換効率が低いという欠点を持っている。
そこで本研究では、第 2 高調波から 589nm 光発生可能な 1178nm において、Yb 添加ダブルクラッドファイバーレーザーを用いて直接発振させ、第 2 高調波を発生させるために単一偏光化し高出力化させることを目的とし、実験を行った。

2. Yb ファイバーの特性
Yb ファイバーの吸収・放出断面積は図 2-1 のようになる。図からわかるように、1178nm の放出断面積に比べ 1000〜1100nm での放出断面積が非常に大きいので、1178nm でレーザー発振させるのは難しいことが予想される。

7000.5

図 2-1

Yb ファイバーの吸収・放出断面積

900

600
500
400
300
200
1000
10001050

1100
Wavelength[nm]11501200

図 2-2 小信号利得のモデリング

3. 寄生発振の抑制
本研究では、寄生発振を抑制するために高反射率共振器を構成した。図 3-1 に、ファイバーレーザー共振器の片端面の反射率R1 をHR(99%以上)に固定し 、 も う 一 方 の 反 射 率 R2 を 変 化 さ せ た と き の1178nmの発振閾値を計算したものを示した。ここで端面反射を-50dBと仮定すると、寄生発振の閾値が 200mWとなる。したがって、共振器の反射率R2は23%以上にする必要があった。反射率R2を大きくすると、共振器内パワーが非常に大きくなり、数多くの上準位原子が 1178nmmのレーザー光として引き抜かれるので、寄生発振が抑制される。しかし、反射率R2を大きくしすぎると高出力できなくなってしまう。逆に高出力を目的に反射率を低くすると、発振後寄生発振の閾値が低下する恐れがあるので、最適値を求める必要があった。ここでは、過去に行われた実験結果をもとにHR-81%の反射率を用いて共振器を構成した。

Threshold pump power [mW]

1.08500.1W
1W
10W

25 01.50.0800

裕輝800

AbsorptionEmission

2.0-202Cross section (10 cm )

2.5

丸山

された小信号利得は図 2-2 のようになった。この図から、1178nm でレーザー発振させるには利得が非常に大きな 1000〜1100nm での寄生発振を抑制することが重要になることがわかる。

Small signal gain [dB]

1. はじめに

植田研究室

950 1000 1050 1100 1150 1200
Wavelength (nm)20 015 010 0

P arasitic
lasin g501178n m lasin g

0020406080

R 1 refle ctivity [% ]図 3-1 1178nm レーザー発振閾値

また、図 2-1 の吸収・放出断面積からモデリング110 0

5. 実験装置

第 2 高調波を効率良く発生させるために、1178nmレーザー光を単一偏光化する必要があった。過去に本研究室では、インライン偏光子を用いて単一偏光化していた。しかし、インライン偏光子には破壊閾値(10W)があり、レーザー光の出力が 1.25W に制限されてしまった。また、この方法では損失が大きいため、高出力化に臨めない。
そこで、直交融着法という画期的な方法をとることによって損失の少ない共振器の構築が可能となった。また、共振器が全てファイバーで構成されているため、数百 W クラスの出力を可能にし、インライン偏光子で問題となった出力制限を克服した。
この直交融着法について簡単に説明する。
偏波保持ファイバー(PANDA ファイバー)にファイバーブラッググレーティング(FBG)が書き込まれているとき、そのファイバーの透過スペクトルは図 4-1 のようになり、2 つのブラッグ波長を持つことが確認できる。短波長側で fast 軸に偏波する光のブラッグ波長が FBG で反射する。同じ FBG が書き込まれた PANDA ファイバーを応力付加方向を一致させて融着すると、2 つの PANDA ファイバーで図4-2 の x,y 軸のブラッグ波長がそれぞれ一致するため、2 つの偏光が発振する。そこで、図 4-3 のように、FBG1 の fast 軸のブラッグ波長と、FBG2 の slow軸のブラッグ波長が一致するように、各 FBG を設計する。それらのファイバーを応力付加方向が互いに直交するように融着する。すると、x 軸方向に偏波する光のみ 2 つの PANDA ファイバーでブラッグ波長が一致するため、単一偏光が発振する。

本 研 究 で 用 い た 実 験 装 置 を 図 5-1 に 示 す 。
PM-Yb-DCF と２つの FBG より共振器を構成した。PM1060-GDF に書き込まれている FBG1 は反射 率 :>97.5% 、 slow 軸 中 心 波 長 :1178.15nm 、FWHM:0.19nm であり、980PANDA に書き込まれている FBG2 は反射率:81.8%、slow 軸中心波
長:1177.79nm、FWHM:0.07nm である。本実験では偏光を保持するため、すべてのファイバーでPANDA ファイバーを用いた。直交融着法により共振器にインライン偏光子はない。FBG2 に温度制御装置を付けている。励起波長は 976nm である。

Fast axis

Slow axis

PM-Yb-DCF
FibercoupledLD

図 5-1

x

FBG21178nm 単一偏光ファイバーレーザー実験図

wavelength

1.6

y

1.4

ⅰ回目

1.2

ⅱ回目

1.0

ⅲ回目

xyx

図 4-3

OutputTemperaturecontroller

応力付加方向を同一で融着した場合

FBG1

FBG2

wavelength

wavelength

Output power [W]

図 4-2transmission transmission

yFBG1

図 5-1 の共振器を用いて発振実験を行った。このときの出力特性を図 6-1 に示した。表 6-1 に発振実験の回数と最大出力、共振器内損失についてまとめた。これらからわかるように、発振実験を行うにしたがって最大出力は低下し、共振器内損失は大きくなるばかりであった。最大出力を決めるパラメータには、LD の励起パワーの出力限界があり、ⅰ回目の発振実験ではそのことが理由となった。しかし、ⅱ、ⅲ回目の発振実験で最大出力を制限していたのは寄生発振であった。寄生発振がセルフ Q スイッチに転じると、共振器内に蓄えられた膨大なパワーを一気に共振器から引き抜こうとするため、非常にエネルギーが大きなジャイアントパルスに成長する。そのジャイアントパルスは共振器の励起側端面から出射するとき、その端面を破壊し、共振器の機能を停止させてしまう。ASE が成長すると寄生発振が発生しやすく前記のように端面を破壊する可能性が高い。この寄生発振の発生は本研究にとって非常に厄介な問題であった。そこで、この寄生発振を生じ易くさせていると考えられる共振器内損失増加の原因を追及する必要があった。

PANDA ファイバーの断面図と透過スペクトル
yxDM

6. 出力再現性と共振器内損失

wavelengthtransmission transmission

図 4-1transmission

4. 直交融着法

wavelength

0.80.60.40.20.0

直交融着法

012

図 6-12345

Launched pumped power[W]出力特性67以上のことから、本研究では 1178nm でレーザー発振させるため高反射率共振器を構成した。その結果共振器内パワーが非常に大きくなり、フォトダークニングが生じやすい共振器になってしまった。そのため、発振実験を重ねるにしたがってフォトダークニングによる吸収または散乱が共振器内損失を増加させ、寄生発振の閾値が低下したと考えられた。
この問題を克服するため、フォトダークニングが生じにくい PM-Yb-DCF に変更して発振実験を行った。（Yb 原子の互いの距離を遠ざけるため Al が多く添加されている。）

最大出力と共振器内損失

共振器内損失 [dB] 最大出力 [W]
0.55
1.550.860.88
1.30.48

7. 共振器内損失の評価
共振器内損失には融着損失と PM-Yb-DCF の伝送損失が含まれる。そこで、カットバック法を用いてPM-Yb-DCF の伝送損失を測定した。その結果を表7-1 に示した。

8. 出力特性

共振器内損失[dB]

伝送損失[dB]

0.55
0.86
1.3

＜0.080.250.77ⅰⅱⅲ

表 7-1 より PM-Yb-DCF の伝送損失は発振実験を行うにしたがって増加していることが確認できた。
この原因をさらに追及するため PM-Yb-DCF の吸収スペクトルを測定した。その結果が図 7-1 である。
本来ならば Yb ファイバーの吸収スペクトルが波長800〜1100nm に現れるのだが、その吸収は非常に大きいので吸収飽和が生じ分光器が正確に計測できなかった結果、図のように歪な形になってしまった。
図 7-1 で問題となるのは、600nm 付近では通常のYb ファイバーでは見られない大きな吸収が生じたことである。これはカラーセンターという現象でフォトダークニングが起きたと考えられた。[1] 図
7-1 において、共振器内損失測定で用いた LD 波長1310nm、また発振波長 1178nm の吸収を拡大してみると、図 7-2 のようになった。この図からも通常Yb ファイバーでは吸収を示さない 1100nm 以上の波長域でも吸収が生じ、1310nm では 0.11dB/m の吸収を持っていることがわかった。

PM-Yb-DCF をフォトダークニングが生じにくいものに変更して共振器を構成したところ、共振器内損失は 0.33dB となり非常に小さく抑えられた。
FBG が室温状態で出力特性は図 8-1.a のようになった。8.76W 励起したとき最大出力 3.03W が得られた。これ以上励起パワーを大きくした時点で、寄生発振が発生したため、このときを最大出力とした。
図 8-1.b よりレーザー光は ASE に対して強度比が42dB あることがわかり、ASE の抑制が十分できたと言える。図 8-1.c は 1178nm 近傍のスペクトルで、半値全幅は 0.04nm であり、インライン偏光子を用いた場合よりも 0.05nm 狭くすることができた。また、図 8-1.d に偏波消光比特性を示した。最大出力時では、14.5dB となりインライン偏光子を用いたときとほぼ同等な値で十分に単一偏光化できたと言える。
-10.03.5

インライン偏光子-40.0
2.01.51.00.0-50.0-60.0-70.00.5-80.00246
Pumped power [W]Pumped8-90.0100010

図 8-1.a 出力特性
カラーセンター601100
Wavelength [nm]11501200

図 8-1.b 発振スペクトル(全体)

直交融着法
インライン偏光子

-20.0

24.0

20400

600

800
1000
1200
Wavelength[nm]

1400

1600

-40.0

18.0-50.0

14.0-70.0

12.0
10.0-80.0

8.0
1177.51178
1178.5
Wavelength [nm]1179

図 8-1.c 発振スペクトル(近傍)0.11dB/m @1310nm

0.6

16.0-60.0

-90.0
1177

インライン偏光子

20.0

1.00.8直交融着法

22.0-30.040発振後の PM-Yb-DCF の吸収スペクトル

Absorption [dB/m]

1050

-10.0

Intensity [dB]

Absorption [dB/m]

直交融着法-30.02.580

図 7-1-20.0

インライン偏光子

3.01000

直交融着法

Intensity [dB]

表 7-1 PM-Yb-DCF(7m)の伝送損失

PER [dB]ⅰⅱⅲ

Output power [W]

表 6-100.5

11.52Output power [W]2.53

図 8-1.d 偏波消光比特性

0.4

9. FBG2 温度制御の評価

0.20.01100

図 7-21150

12001250
1300
Wavelength[nm]1350

最大出力時では図 8-1.c を見てわかるように、ピークを 2 つ持つスペクトルが得られたことは、
FBG の温度変化によるブラッグ波長の不一致が1400

図 7-1 の 1100〜1400nm の拡大図

3

0.10

1.6

0.09
1.51178nm

f1 = 11

f2 = 751178nm単一偏光レーザー

λ 2PPMgOLN589nm

DMTemperaturecontroller

図 10-1 第 2 高調波発生実験図300250

実測値

200

理論値

150100501.4

FWHM [nm]

power [W]0.08射する必要がある。本実験で用いた結晶では、Boyd and kleinman 曲線[1]より最適ビーム径は 28μm であった。このビーム径に絞り込むため、焦点距離 11mm と 75mm のレンズを使用した。
また、結晶の温度が 79.1℃で一定になるように温度調節した。その結果、図 10-2 のような出力特性が得られた。入力 3.03W の時最大出力 205mW であった。理論値は入力 3.03W で 251mW と計算できるため、入射光のアライメント、結晶の温度調節を最適化することで更なる高出力が予想される。

Output power [mW]

原因であることを示唆する。これは、励起光を8W 以上にしたときに現れた。そこで、FBG2 の温度制御を行った。
励起パワーを 4.88W にして、FBG2 の温度を 15℃から 42℃程度まで変化させたとき温度に対する出力、発振波長と半値全幅は図 9-1 のようになった。図 9-1.a と図 9-2.b から、出力が小さいとき ASE の抑制が充分できていることがわかる。その理由に、ブラッグ波長が一致しているとき共振器の反射率は最も高くなるた
め出力は小さくなるということが挙げられる。またそのとき、共振器内パワーが最も強くなり励起された上準位の原子の大部分が 1178nm で誘導放出され上準位の原子数は少なくなる。したがって、他の波長で発光する原子は少なく 1000〜1100nmでの ASE が抑制されたと考えられる。このことから、利得が大きい波長での発振を抑えて利得の小さい波長で発振させたい場合には、反射率が高
い FBG で共振器を構成することが良法であると言える。

1.30.0700.0600.5

11.52Input power [W]2.533.5

図 10-2 第 2 高調波出力特性

0.05
1.20.041.11520253035temperature [C]400.031545

図 9-1.a 出力特性

20253035temperature [C]4011. 結論45

図 9-1.b 半値全幅

本研究では、高反射率共振器を構成することで寄生発振を抑制し、かつ直交融着法を用いることで損失の少ない高出力可能な 1178nm 単一偏光ファイバーレーザー共振器の開発に成功した。1178nm 単一偏光ファイバーレーザーは最大出力 3.03W、ASE との強度比 42dB、半値全幅が 0.04nm、偏波消光比が 14.5dB とインライン偏光子を用いたときに比べ、大いに改善された。第 2 高調波の 589nm
光は入力 3.03W で 205mW の出力が得られた。

1178.05

wavelength [nm]1178.00

1177.95

1177.901177.851520253035
temperature [C]4045

図 9-1.c 発振波長-10.0-10.0-20.0-40.0-20.0

15C
21C
42C

-50.0-60.0-40.0-60.0-70.0-80.0-80.0

1177.51178
1178.5wavelength [nm]1179

図 9-2.a 発振スペクトル(1178nm 近傍)

フォトニックバンドギャップファイバー(PBF)を用いた増幅も予定している。PBF はフィルター特性を持っているため、問題の ASE を透過せず、1178nm レーザーのみを増幅させることができる。
これにより、更なる高出力化が可能となり、目標の 10W 出力も期待できる。

-50.0

-70.0

-90.0
1177

12. 今後の予定

42C
21C
15C

-30.0

intensity [dB]intensity [dB]-30.0-90.0
10001050

11001150wavelength [nm]1200

図 9-2.b 発振スペクトル
(全体)

参考文献

10. 第 2 高調波発生[1] J.J. Koponen, M.J. Soderlund, H.J. Hoffman &S.K.T. Tammela, Measuring photodarkening fromsingle-mode ytterbium silica fiber, Opt.Exp, 14,11539 (2006)[2] G.D.Boyd, D.A.Kleinman, Parametric Interaction ofFocused Gayssian Light Beams, J.Appl.Phys.
39,3597 (1968)

図 10-1 に第 2 高調波発生の実験装置を示す。
使用した非線形結晶は PPMgOLN で、結晶の長さは 26mm、入射断面は１辺 0.5mm の正方形を成している。第 2 高調波である 589nm の出力は基
本波 1178nm のパワーの 2 乗に比例するため、効率よく結晶の中に 1178nm 単一偏光レーザーを入4