ナノ秒 Q スイッチ Tm ファイバーレーザーの温度特性評価
戸倉川研究室 増永真輝

1. 序論

2. 原理
2.1

レーザー加工の特徴は次のとおりである。(1)機械加工

Q スイッチレーザーと異なり、非接触かつ反力なしに加工できるため、歪みQ スイッチはレーザーから強力な短いパルス発振をを与えることなく高精度に加工することができる。

取り出すために用いられる手法[7]である。Q 値は共振器(2)集光することにより、マイクロメートルオーダーの微の良さの指数であり Q 値が低くなることは発振しきい値小な加工ができる。(3)単位時間当たりのエネルギーがが高くなることを意味する。Q スイッチによる短パルス高いパルスレーザーを利用することにより、合金、の発生過程を図 1 に示した。

ダイヤモンド、セラミックスなどの加工もできる。[1]材料により吸収される波長は異なっており、半導体材料として用いられている Si や Ge は 1 μm、1.5 μm に[2]、ポリマー材料や生体組織(水)は 2 μm 帯に吸収を持っている[3]。中でも 2 μm 帯のレーザーは医療への応用が多く、レーザーメスや生体組織のアブレーションといった技術が実用化されている[1]。
光ファイバーは数 μm から数十 μm のコアを屈折率の高いクラッドで覆った誘電体導波路の構造を取っており、図 1

ある程度曲げても光を伝搬させることができる。このQ スイッチレーザーによる短パルスの利点から、ファイバーレーザーは比較的コンパクトな発生過程システムを構成でき 、レーザー微細加工や生物医学イメージング、分光などで日常的に使用されている[4]。

Q スイッチレーザーでは、はじめ Q 値を低くして励起

しかし中赤外を透過するガラスは熱機械的に弱く[5]、をする(励起区間）。次に反転分布が最大に達した瞬間に高出力化が困難である。

Q 値を急激に元の高い状態に戻す(出力区間）。このときパルス光はエネルギー密度が高く、レーザー加工では反転分布は通常の閾値での反転分布よりも十分に高くより短いパルスが必要である[6]。Q スイッチはレーザーなっているため、レーザー発振が急激に立ち上がる。

から強力な短いパルス発振を取り出すために用いられる以上の過程により得られる短パルスのピークは、通常の手法[7]であり、共振器の Q 値を急激に変化させることにパルス発振の場合よりもはるかに高いので[8]材料加工よりエネルギー密度の高いパルスを得ることができる。

や医療分野への応用が行われている。

本論文では 1. 序論で研究背景、2. 原理ではレーザー2.2 ダブルクラッドファイバーの原理や本研究に関連する光ファイバーについて説明した。3. Q スイッチ発振実験では Tm ファイバーを

光ファイバーは一般的に高屈折領域(コア)と低屈折率用いた Q スイッチレーザーについて、冷却系を改善し領域(クラッド)の誘電体で形成される円柱形の導波路で出力の変化を評価 、4. 増幅実験で先の Q スイッチあり、全反射の繰り返しにより光をコア中に閉じ込めレーザーを用いた増幅器を構成、冷却温度による特性のながら伝搬する光デバイス[9]である。以下、本研究で評価を行った。最後に 5. 結論を本研究の結論とした。

使用した光ファイバーについて説明する。
ステップインデックス型のダブルクラッドファイバーはクラッドの外側にさらに屈折率の低い第 2 クラッドが存在する。(図 2)1励起できる。約 800 nm の光による励起(図 3 左)では、3H4 に励起された原子が非放射緩和により 3F4 に緩和する。

このとき、エネルギーの譲渡により 3H6 にある電子が3F4 へと励起される。このような過程はクロス緩和(Crossrelaxation)と呼ばれており、1 つの光子で 2 つの光子を放出できるため高い励起効率を実現できる。 3H6 から
図 23

ステップインデックス型のダブルクラッドファイバーの模式図

F4 へ直接 励起する方法(図 3 右)は励起光と放出光の波長が近いため量子欠損が小さく熱が発生しにくい。
このような励起過程は in-band pump と呼ばれている。

第 1 クラッドはコアを伝搬する光を閉じ込める役割と同時に、マルチモードの光が伝搬できる導波路としての3. Q スイッチ発振実験役割を果たしている。また第 1 クラッドと第 2 クラッド

3.1 実験方法の屈折率差を大きくすることで第 1 クラッドにはビーム本実験の構成図を次の図 4 に示した。

品質の悪い光を伝搬させることができるので、安価な励起光源を用いることができる[9]。本研究において使用したダブルクラッドファイバーにはコアに Tm がドープされている。信号光は第 1 クラッドを伝搬する LD からの励起光によって増幅されるが、第 1 クラッドは高 NAで断面積が大きく作られているため、高出力だがビーム品質の悪いマルチモード LD でも効率的に励起ができる。
増幅された信号光は低 NA で断面積の小さいコアに

図 4

Q スイッチ Tm ファイバーレーザーの構成閉じ込められているので、ビーム品質の良い増幅光を利得ファイバーは長さ 1.5 m の Tm 添加 PM ダブル取り出すことができる。

クラッドファイバーを使用した。利得ファイバーは2.3

Tm ファイバーレーザー

コア径 10 μm、クラッド径 130 μm、NA=0.15 である。

光ファイバーのコアに希土類元素をドープして適当な利得ファイバーはアルミプレートの上に重なりが少なく波長で励起することで、光ファイバー増幅器や短パルスなるように巻いて置いた。PM コンバイナーを通して光ファイバーレーザーを構成することができる。本実験

波長 793 nm のレーザーダイオード(LD)を用いて励起をでは Tm(ツリウム)がドープされたファイバーを用いた。

行った。PM コンバイナーの出射光は AOM に入射させ、33

Tm は F4 から H6 への緩和過程で2 μm帯の光を放出する

1 次 回 折 光 を High Reflectivity Mirror(HR ミ ラ ー ) でことが知られている。 Tm3+ のエネルギー準位を次のフ ィ ー ド バ ッ ク し た 。 逆 側 端 面 に は Fiber Bragg

図 3 に示した。

Grating(FBG)を融着し、共振器を構成している。FBG の先端は 90°にクリーブした。利得ファイバーと FBG の融着点には屈折率の高いジェルを塗布し、励起光を除去した。(RPS)

3.2

AOM の繰り返し周波数依存性の観察

まず冷却シートがない状態で発振の確認を行った。
AOM の繰り返し周波数が 10 kHz、20 kHz、30 kHz のときの出力特性を比較した結果を図 5 に示した。
𝟑+

図 3 𝐓𝐦 のエネルギー準位図

スロープ効率はそれぞれ、10 kHz が 18 %、20 kHz、30 kHz が 21%、しきい値はそれぞれ。10 kHz が 1.5 W、

3+

33Tm は基底準位 H6 から F4 に一般的に 2 種類の方法で20 kHz が 1.7 W、30 kHz が 1.6 W であった。

24. 増幅実験

600

Output power [mW]

500

30 kHz
20 kHz
10 kHz4.1 実験方法

400

第 3 章の共振器に増幅用の Tm ファイバーを融着し、300

高出力 LD による増幅を行った。実験の構成図を図 7 に200示した。

1000012345Pump power [W]

図 5 AOM の繰り返し周波数 10、20、30 kHz における共振器出力特性の比較

それぞれの繰り返し周波数により、出力特性に有意な差 は無いことが分 か った。パルスの 安定化 や ピーク
光強度による破壊を考慮し、以降の実験は AOM の繰り

図 7

返し周波数を 20 kHz で固定して行った。

3.3

コア径 25 𝛍𝐦の Tm ファイバーを用いた増幅器の構成冷却系改善後の出力特性の変化の観察

利得ファイバーはアルミプレートの上に重なりが少なく熱による実験系の破損の対策で、利得ファイバーになるように巻いて置き、上から冷却シートを張り付けた。

冷却シートを張り付けた。冷却シートがあるときと無い

アルミプレートの下に はペルチェ素子を用いた冷却ときの出力特性の比較を次の図 6 に示した。最大のシステムがあり、増幅用利得ファイバーの冷却温度を平均出力は励起パワー3.6 W のときで、冷却シートなし管理できるようにした。共振器の利得ファイバーは LDのときが 466 mW、冷却シートありのときが 598 mW でにより 5.9 W で励起した。なお、このときの発振器のあった。スロープ効率は冷却シートなしのときが 21 %、

平均出力は 954 mW である。

冷却シートありのときが 27 %であった。また、しきい値

4.2 冷却温度による出力の変化の比較

は冷却シートなしのときが 1.5 W、冷却シートありのときが 1.4 W であった。

増幅用の利得ファイバーを-10℃、-5℃、0℃、5℃に冷却し、出力特性の比較を行った。結果を次の図 8 にOutput power [mW]

600示した。増幅用 LD の出力に対するスロープ効率は 0℃

冷却シートなし
冷却シートあり

500
400が 34 %、-10℃、-5℃、5℃が 33 %であった。最大の平均300

出力は増幅用 LD の励起パワー14.8 W のときで、-10℃、200-5℃、0℃のときが 4.4 W、5℃のときが 4.2 W であった。

100

スロープ効率に有意な差は見られなかった。共振器の0出力は冷却温度に依存するのに対し、増幅器の出力は冷
00.5

11.522.533.54

却温度に依存しないことが分かった。

Pump power [W]

図 6

先行研究[10]により Tm ファイバーによる共振器では、冷却シートによる冷却系の改善前後の出力特性の比較

利得ファイバーの冷却温度を下げることでパルスのよって冷却シートを張り付けて放熱の効率を上げる中心波長が短波長側にシフトすることが分かっている。

ことでスロープ効率が上がり、しきい値は下がることが増幅用の Tm ファイバーは冷却されて誘導放出断面積が分かった。Tm にはレーザー遷移のほかに熱を発する短波長側にシフトしたが、発振用の Tm ファイバーの非線形緩和過程が存在するため、冷却の効率を上げる

冷却温度は室温であった。よって発振器から出力されたことで非線形緩和が減少、レーザー出力の効率がパルスの中心波長が一定であり、増幅器のスロープ効率上がったと考えられる。

が変化しなかったのではないかと考えられる。

35が分かった。これは、発振器の冷却温度が一定であった

Output power [W]

ためだと考えられる。また発振器からの出力を増幅器に-10℃-5℃
0℃
5℃

4通すことで SC 光が発生することが分かった。発振器の3出力が高く、非線形光学効果が顕著に現れたと考え2られる。今後の展望については、SC 光を抑えてさらなる1増幅を行い、高出力化を目指す。またこの光源を用いて0加工実験を行っていく。
051015

Pump power [W]

参考文献

図 8 増幅用 Tm ファイバーの冷却温度による出力の変[1]化の比較

三沢 和彦, 芦原 聡 著, “工学系のためのレーザー物理入門”,-10℃におけるスペクトルを観察した結果を図 9 に

[2]

講談社

Zenon R. Szczepaniak and Bogdan A. Galwas, “Photodevices for optical

示した。

Journalofcontrolling of microwave circuits”,

Telecommunications

andInformation

Technology, 3, 86-94(2001)[3]

Laura A. Sordillo, Sebastião Pratavieira, Yang Pu, Kaliris
Salas-Ramirez, LinJyan Shi, Lin Zhang, Yury Budansky,
R. R. Alfano, “Third therapeutic spectral window for deep
tissue imaging”, Proceedings of SPIE, 8940, 89400V-1 89400V-7(2014)[4]

Simon Duval, Martin Bernier, Vincent Fortin, Jérôme
Genest, Michel Piché, and Réal Vallée, “Femtosecond
fiber lasers reach the mid-infrared”, Optica, 2, 623-

図 9626(2015)

冷却温度-10℃におけるスペクトル波形[5]Yigit Ozan Aydin, Vincent Fortin, Frederic Maes, Frederic

スペクトルは 1940 nm から 2400 nm 付近まで広がってJobin, Stuart D. Jackson, Real Vallee, and Martin Bernier,

おり、スーパーコンティニューム(SC)光が発生している“Diode-pumped mid-infrared fiber laser with 50% slope

ことが観測できた。1960 nm にピークが存在しており、

efficiency”, Optica. 4, 235-238 (2017)

FBG の中心波長と一致した。

[6]

Joseph D. Miller, Mikhail N. Slipchenko, Josef Felver,

原因は発振器出力が高く、ファイバー中で非線形光学and Sukesh Roy, “Generation of high-energy, Gaussian

効果が顕著になったためであると考えられる。よって

laser pulses with tunable duration from 100 picoseconds

発振器出力を下げることで SC 光の発生を抑えることがto 1 millisecond”, Optics Express, 28, 37811-37826(2020)[7]

でき、増幅効率の改善が見込まれる。

ヤリーヴ・イェー 著, 多田 邦雄, 神谷 武志 監訳,
石川 卓哉, 板谷 太郎, 伊藤 文彦, 岡田 至崇, 鎌田

5. 結論憲彦, 土屋 昌弘, 中野 義昭, 中林 隆志, 林 秀樹

本研究ではまず、Q スイッチ Tm ファイバーレーザー

共訳, “ヤリーヴ -イェー 光エレクトロニクス 基礎の冷却系を改善し、出力の変化を評価した。放熱効率の編”, 丸善出版

改善により励起パワーに対するスロープ効率が 21 %[8]

霜田 光一 著, “レーザー物理入門”, 岩波書店

から 27 %に上昇した。次に、先のレーザーを増幅器に[9]

山下 真司 著, “光ファイバ通信・計測のための 光エ接続し、増幅用の利得ファイバーの冷却温度による特性レクトロニクス”, 数理工学社を評価した。増幅用 Tm ファイバーの励起パワーに[10]対するスロープ効率は冷却温度に対して変化がないこと

4

高貫 広翔, 電気通信大学 令和 4 年度卒業論文