分割パルスファイバー増幅およびチャープパルス増幅による高エネルギー超短パルスの発生白川研究室 杉本洸太

1 序論

2 原理

近年の超短パルスレーザー技術の発展に伴い，その応

2.1

チャープパルス増幅 (CPA)

用分野は工業や医療など幅広くなっている．中でもレーCPA では，安定したモード同期レーザー発振器より出ザーを用いた粒子加速器 [1] などではピークパワーがテ射されたパルスを増幅する前に延伸させてピークパワーラワットを超えるような高エネルギー超短パルスレーを抑え，それを光学的破壊閾値や非線形効果が問題となザーが求められる．しかし，レーザーの高エネルギーらない程度まで増幅した後，再びパルスを圧縮すること化の実現は容易ではない．レーザーを増幅する際に，非により高出力超短パルスを得る．

常に大きな熱が生じてしまう．そのため，高エネルギーチャープを生じさせるものとしては，伝搬媒質によ

レーザーには冷却性に優れた増幅媒質が必要である．そる媒質分散，回折格子対などによる角度分散，光ファイの点で言えば，表面積/体積比が無限大となるような構バーにおける SPM などの非線形効果により生じる分散造をとるファイバーレーザーは放熱性が良いため，高平などがあり，分散量は GVD で定義される [4]．パルス均出力動作に適している．また，シリカガラスで作られを再度圧縮するパルスコンプレッサーでは，パルススト

たーファイバーは光を低損失で伝搬させることができる

レッチャーと逆符号の分散を与え，パルスの圧縮が行わさらにファイバーは利得媒質であると同時に導波路でもれる．

あるので，レーザーの横モードを制御できることや，長パルス圧縮には回折格子対 (グレーティングペア) がい距離に渡って相互作用が働くことによる，高ビーム品よく用いられる．正にチャープしたパルスにおいては，質，高利得といった利点もある．しかしながら，前述の短波長成分はパルスの後端側，長波長成分はパルスの先ような高いピークパワーを持つパルスを増幅する際に端側にある．このパルスの異なった波長成分は，回折格は，誘導ラマン散乱や誘導ブリルアン散乱などといった子によってそれぞれ異なった角度で回折される．平行に非線形効果によるパルスの品質劣化やファイバーの損傷置かれた回折格子対では，長波長成分が短波長成分よりなどが引き起こされ，問題となる．

長い距離を通るので，パルスの圧縮が可能である．また，これらの問題を抑制する手法として，チャープパルス

回折格子対の間隔を広げると群速度分散 (GVD) は大き増幅 (CPA) がある [2]．これはパルスを延伸させてピーくなる．

クパワーを抑えた上で増幅し，その後自由空間上で再2.2

分割パルス増幅 (DPA)

びパルスを圧縮することで高いピークパワーを持った

DPA の概念図を図 1 に示した．DPA では，発振器よパルスを得るという手法である．さらに，分割パルス増り出射されたパルスをパルス分割器によって 1 つのパ幅 (DPA) という手法もある [3]．これは増幅前にパルスルスを複数に分割することでパルスのピークパワーを抑を複数に分割することでピークパワーを抑え，増幅時のえ，それを光学的破壊閾値や非線形効果が問題とならな非線形効果を抑制する．増幅後に再びパルスを重ね合わい程度まで増幅した後，再びパルスを再結合することにせることによって高いピークパワーを持ったパルスをより高出力超短パルスを得る．パルスの分割器および再得る．

結合器では，入射パルスの p 偏光，s 偏光でそれぞれ異本研究では，チャープパルス増幅および分割パルス増なる光路長を持つようになっている．

幅を用いた高エネルギー超短パルスの発生を目指してパルスの結合は電界波形の重ね合わせである．そこいる．

で，図 2 に示したように，結合効率を高くするには分割器と結合器で遅延路長を高精度で一致させる必要がある．図の左 2 つの加算では，分割パルスの位相が不一致なために結合効率が低下している．一番右の加算では1

ファイバー内ピークパワー限界

x
図 1 DPA の概念図
図2

パルスの結合combiner

dividerPD

PZT

MirrorMirrordriverDigilock

QWP

QWP

PBS
P
QW

PBS
HWP

Pockels cell

HWP

Oscillator

TFP

PM Yb-doped fiber

HWP

HWP

Pre-ampTFP

Lens(f=200mm)

LD
QWP

QWP

MirrorMirror

図3

実験系

各々のパルスが正確に一致しているため，完全に結合さLD を用いた．

れている．

分割したパルスを正確に結合させるには分割器と結合器で遅延路の長さを一致させる必要がある．そこで結合

3 実験
3.1

Wedge

パルスの一部をウェッジによって取り出し，Digilock によりフィードバックをかけた．また，結合器のミラーの実験系

1 つにピエゾ素子を用いた．これにより結合器の遅延路

まず，実験系の全体図を図 3 に示した．共振器から出射されたパルス) を分割器で 2 つのパルスに分割し，長を制御することができる．

Yb 添加ファイバーで増幅した．最後に結合器にて 2 つ3.2パルスの増幅のパルスを再結合し，出力パルスを得た．共振器には全まず，プリアンプを 300mW で励起した．その時の平正常分散型モード同期共振器を用いており，繰り返し周均パワーを測定した．また，プリアンプで増幅後のスペ波数 20MHz, パルス幅 40ps, 中心波長 1030nm, スペククトルをスペクトルアナライザーにて観測した．

トル幅 9.6nm のパルスが安定に出力されている．また，次に，分割器でパルスを 2 つに分割し，メインアンプ分割/結合器には薄膜偏光子を用いた．メインアンプにで 1.2W から 6.0W の間で励起した．励起された 2 つはイッテルビウム添加 PM ファイバー (長さ:1m, コアのパルスの平均パワーおよびスペクトルを測定した．ま径:10µm, クラッド径:125µm, NA:0.075) を用いた．また，再結合器で結合されたパルスに関しても同様に平均た，シグナル光が通るファイバーには全て PM ファイパワーを測定した．さらに，分割器および再結合器の波バーが用いられている．この PM ファイバーに適切な長板の調整により分割しない状態での増幅も測定した．

偏光角度で入射するように，メインアンプの前の 1/2 波出力パルスについて，FROG を用いて再構築を行った．

長板で調整した．励起用光源には，中心波長 975nm の2図43.3

出力パルスエネルギー

図5

ポッケルスセルによる低繰り返し周波数化

結合効率

後の出力は 7.22nJ から 83.5 となった．繰り返し周波数実験系にポッケルスセルを追加した．

400kHz 動作においても，同様に励起強度を 1.2W から全正常分散型共振器より繰り返し周波数 20MHz で出6.0W まで変えて分割増幅および非分割増幅を行った．

力されたパルスを，ポッケルスセルでその 1/50 をピッ繰り返し周波数 400kHz における分割パルス増幅で，クアップすることで繰り返し周波数を 400kHz にまで下

出力パルスエネルギーは最大で 3.0µJ であった．結合効

げた．パルスのピックアップは，フォトダイオードによ率については，出力パルスエネルギーが低い場合 (図 5)

り検出された共振器出力パルス 50 個に対し 1 個のパルに比べて効率の低下が顕著であった．励起強度が 4.0W

スがポッケルスセルを通過する際に電圧を印加し，偏光を超えるとパルス強度が不安定となり，可視度の測定を回転させ，偏光ビームスプリッタ (PBS) を透過させは不可能であった．これに伴い，フィードバックによるることで行われる．

遅延路長のロックも困難となり，パワー加算効率も低下

繰り返し周波数 400kHz における動作についても，分したと考えられる．パワー加算効率は出力パルスエネル

割パルス増幅による出力パワー，結合効率，スペクトルギーが 0.7µJ の時 82.8% であったが，3.0µJ の時にはの測定を行った．また，波長板の調整により非分割増幅62.0% まで低下した．6.0W 励起時の出力パルスをオシにおける測定も行った．

ロスコープにて観測したが，動作が不安定で遅延路長にロックをかけられなかったことから出力パルスは時間的4 結果と考察4.1に大きく変化していた．
次に非分割増幅では 6.0W の励起での出力はパルスエ

パルスの増幅と結合効率

ネルギー 2.4µJ であった．

プリアンプより出力されたパルス (パルスエネルギー

図 6 に 6.0W 励起における分割増幅および非分割増幅

7.22nJ, 繰り返し周波数 20MHz) のパルスを励起強度を時の出力スペクトルを示した．

1.2W から 6.0W まで変えて分割増幅した．また，同じ励起強度で非分割増幅した場合の出力も測定した．出力分割増幅において自己位相変調によるスペクトル広パルスエネルギーを図 4 に示した．分割増幅した場合，がりが見られたが，非分割増幅においてはこれがさらに6.0W 励起で 99.6nJ の結合パルスが出力された．非分顕著になった．また，長波長側のラマン散乱によって大割増幅した場合の方が高い出力が得られたが，これはきくスペクトルが広がった．分割増幅によって増幅前の分割/結合器のアライメントが不正確であったことや，ピークパワーを抑えることで非線形効果を軽減できるこ

ファイバーへの分割パルスのカップリングの精度が高くとがわかった．

なかったためだと考えられる．

4.3

飽和エネルギーの検討

ファイバー増幅における飽和エネルギーはパワー効率および可視度はどちらも 85% 程度で一定となった．

4.2

Esat =

ポッケルスセルによる低繰り返し周波数化

hν
Aef f = 28.63 µJ
σa + σe(1)ポッケルスセルを用いて繰り返し周波数を 20MHz かである．ここで h はプランク定数，ν は周波数，Aef f はら 400kHz に下げ，オシロスコープにてこれを確認した．

有効コア断面積である．σa , σe はそれぞれ誘導吸収断面繰り返し周波数低下に伴い，同じ励起強度のプリアンプ積，誘導放出断面積である．

3図 6 6.0W 励起時出力スペクトル. (左) 分割増幅, パルスエネルギー 3.0µJ(右) 非分割増幅, パルスエネルギー 2.4µJ

6 今後の課題

繰り返し周波数 20MHz の動作においては，図 4 から2 分割し増幅した結果得られた結合パルスは 6.0W 励起

6.1で 99.6nJ であった．分割せず増幅した場合でも 6.0W

今後の課題

繰り返し周波数 20MHz 動作においては，非飽和増幅励起で 127.5nJ であった．このことから，本実験で得らであり，非線形効果もあまり目立たなかったが，分割パれたパルスエネルギーは飽和エネルギーよりも十分に小ルス増幅時の結合効率はパワー加算効率および可視度共さく，非飽和状態で増幅が行われた．
．非飽和増幅であっに 85% 程度であった．結合効率を向上させるため，分たため，図 5 に示したように結合効率はほぼ一定の値を割器および結合器のアライメントの精度を上げる必要がとったと考えられる．

ある．

一方，繰り返し周波数 400kHz の動作においては分割

また，繰り返し周波数を 20MHz から 400kHz に低下

増幅で 3.0µJ，非分割増幅で 2.4µJ の出力を得た．どちさせるとパルスのピークパワーが高くなり，非線形効らも飽和エネルギーに達していないが高いピークパワー

果による影響が顕著に現れ，結合効率は一層低下してし故に非線形効果の影響が増大し，結合効率には大きな低まった．非線形効果を抑制し，より高い結合効率および下が見られた．

圧縮可能なパルスを得るためにはよりピークパワーを抑える必要がある．1 つの手段としては，分割数を増やす

5 まとめことで達成できる．もう 1 つの手段としては，さらにパ

本研究では，ファイバーレーザー増幅における高エネルスを延伸することが課題である．本研究では，全正常ルギー超短パルス化を目的としてチャープパルス増幅

分散型共振器より出力された 40ps のパルスを増幅して(CPA) および分割パルス増幅 (DPA) を用いた．全正常

いた．1ns 秒程度までパルスを延伸すれば，原理上 25 倍分散型モード同期共振器によって 40ps 程度まで延伸さのピークパワーが見込める．出力パルスを圧縮することれたパルスを偏光によって分割，再結合を行った．

によってさらなる高エネルギー超短パルス化を図る．

繰り返し周波数 20MHz の動作では，結合効率は 85%

参考文献

程度を保ったまま増幅することができ，最大で 99.6nJの結合パルスが出力された．しかし，繰り返し周波数を[1] Toshiki Tajima and John M Dawson. Laser electron accelerator. Physical Review Letters, Vol. 43,No. 4, p. 267, 1979.
[2] Donna Strickland and Gerard Mourou. Compression of ampliﬁed chirped optical pulses. Optics
Communications, Vol. 56, No. 3, pp. 219–221,
1985.
[3] Shian Zhou, Frank W Wise, and Dimitre GOuzounov. Divided-pulse ampliﬁcation of ultrashort pulses. Optics Letters, Vol. 32, No. 7, pp.
871–873, 2007.
[4] 住村和彦, 西浦匡則. 解説ファイバーレーザー: 基礎編. オプトロニクス社, 2011.

400kHz にまで低下させると，ピークパワーの増加に伴い非線形効果が顕著に現れた．プリアンプ後の時点で自己位相変調によるスペクトル広がりが見られ，メインアンプの増幅でこれがさらに増大した．分割増幅での結合効率は大きく低下した．また，自己位相変調が見られたが，非分割増幅ではさらに顕著な自己位相変調とラマン散乱が確認された．したがって，分割増幅によって非線形効果を軽減できることがわかった．

4