Ｙｂ添加マルチコアファイバーレーザーの研究
量子・物質工学科

原理(ⅰ)スーパーモード

小林哲也

g ( x0 , y0 )
点像f ( xi , yi )はじめに単体のファイバーを高出力化するには誘導ラマン散乱や誘導ブリリュラン散乱による非線形の影響、破壊閾値の影響で限界がある。そこでレーザーパワーの重畳を目的としたレーザーアレイの研究が行われてきた。
複数のレーザーが位相同期したコヒーレントアレイが実現すれば、高精度加工を代表とした産業界への貢献だけでなく、医療、ライダー、リソグラフィー用 EUV 光源などの幅広い応用が期待できる。そこで本研究
では単体のファイバーに複数のコアを持つことでレーザーアレイを構築したＹｂ添加マルチコアファイバーを用いた。本研究ではマルチコアファイバーで位相同期させIn-phase モードのみを励振させることを目的とした。

植田研究室

点物体

P

Sabu+u−

点光源 S がレンズの前方、距離 a の位置に尾あり、その像 P がレンズの後方から b の距離にできたとする。レンズの焦点が f の場合以下の式が成り立つ。
1/a+1/b=1/f
またレンズの後方焦点面で観測する場合(b=f のとき)、フレネル回折とフーリエ変換により点像 P における波面は以下のようになる。

g ( x0 , y0 ) =⎤ ⎛x y ⎞⎡ π ⎛1a⎞exp ⎢i ⎜⎜1 − ⎟⎟ x02 + y02 ⎥ ⋅ F ⎜⎜ 0 , 0 ⎟⎟iλff⎠⎦ ⎝ λf λf ⎠⎣ λf ⎝()

このようにレンズの焦点面では入力信号f ( x, y ) のフーリエ変換が得られる。さらに

a = f 、つまり入力信号がレンズの前側焦マルチコアファイバーにおいてコア同士の間隔が非常に近い場合、コア間の相互作用によって一般のモードでは定義できない特有のモードを持つ。これがスーパーモードである。さらに各々のスーパーモードが位相差 0 で位相同期しているモードを
In-phase モードという。このモードは左図のように遠視野で回折限界光を結べるという特性がある。

(ⅱ) レンズのフーリエ変換作用

点面にあれば位相項がなくなり、完全なフーリエ変換が得られる。これがレンズのフーリエ変換作用である。

(ⅲ) Talbot 共振器
ZT =Λ2nΛ2λZT2

レーザーアレイにおいて回折光どうしの重ね合わせの結果、出射端面からZT=2nΛ2のところで出射直後の強度分布が再現される。
これがTalbot効果というものであり、Talbot共振器長(ZT/2)の位置にミラーを置き、出射直後の強度分布を戻すことで、位相同期させる共振器をTalbot共振器という。

YB-MCF
L=6.5m

DM:Dichroic mirror

実験

1050nm32cm

DMLD

本研究では 7.9µm の 19 個のコアを 11µm の975nm

DM間隔で三角格子状に配列した Yb 添加マル

1050nmチコアファイバーを使用した(下図)。

本実験では 975nm のファイバーカップル
LD を f=11 のレンズでコリメイトし,f=8 のレンズで集光させファイバーにクラッド励起させた。ファイバーの両端面をフラットに研磨することで両端面のフレネル反射によって共振器を構築した。出射されたレーザー光はダイクロイックミラーで反射させパワーおよびスペクトルを測定した。このπdNA = 1.584 より
このファイバーは V =λ時の出力特性のスロープ効率は 44.7%となった。

個々のコアのモードはシングルモードである。とすると、遠視野において各ビームが完全にインコヒーレント、In-phaseのときのビーム拡がりφはそれぞれ以下のようになる。

6-555-60

4-65

Intensity[dB]

った、同出力のガウシアンビームが出ていた

Laser power[W]各コアからLP01 のビーム拡がり(ω0=5.5)を持

32518[mW]
5.67[W]-70-751-8005101520Launched pump power[W]

出力特性25-851020 1030 1040 1050 1060 1070 1080
Wavelength[nm]スペクトル

次に出射側に f=8 のコリメイトレンズを焦点より少し話した位置に配置し、結像をCCD で観測することで、近視野像を観測しインコヒーレント
φ=6.9[deg]In-phase
φ=1.9[deg]

本実験では遠視野におけるビーム拡がり、ビームパターンによりモードの検証を行なった。

(ⅰ)端面反射―端面反射の共振器た。遠視野像においては f=40 のレンズをファイバーの出射端面から 40mm の位置に置き、レンズから 40mm の位置に CCD を置くことで観測を行なった。この時の閾値付
近、高出力での近視野像、遠視野像、遠視野におけるビーム拡がりはそれぞれ以下のようになった。

f=40

近視野像

近視野像

440mm

44mm

f=100

f=40

遠視野像

40mm

閾値付近(518mW)

40mm

200mm

200mm

次に本実験では出射後に Talbot ミラー

高出力(5.67W)(HT<980nm,HR:1020〜1200nm)を置くこ

遠視野像とで Talbot 共振器を構築した。また近視野像、遠視野像を精度よく測るために実験系を組みなおした。その方法としては Talbot
ミラーの後に f=40 のレンズを調整できる閾値付近(518mW)

高出力(5.67W)

ようにしておき、近視野像では f=40 のレンズをファイバーの出射端面から 44mm の位ビーム拡がり
0.50.6518[mW]
X-axis0.4

Intensity[a.u.]

Intensity[a.u.]

0.50.40.30.2

置に設置し、レンズから 440mm の位置に518[mW]
Y-axisCCD を置くことで実測の 10 倍の倍率で近0.3

視野像の測定を行なうものである。遠視野0.2像の測定においては f=40 のレンズを端面0.10.100-4-202Angle[deg]-44-2024Angle[deg]φ=3.95[deg]ズを f=40 のレンズから 240mm の位置に置

φ=4.31[deg]き、その後 200mm のところに CCD を置く

閾値付近(518mW)
433.5
35.67[W]X-axisIntensity[a.u]Intensity[arb.units]

3.5

2.5
21.52.5

ことで、一度レンズのフーリエ変換作用を5.67[W]Y-axis用いた後、イメージトランスファーさせて2結象を観測した。

1.5
110.5

0.500-4-2024から 40mm の位置に設置し、f=100 のレン

まず Talbot 共振器の実験はミラーをファイ-4-2Angle[deg]024Angle[deg]φ=3.80[deg]φ=4.87[deg]

高出力(5.67W)

バーの端面に接触させた状態から徐々に離したときのレーザーパワー、遠視野像のビーム拡がりの測定を行なった。この際遠視野像のビーム拡がりは 100µm のところで最小となった。本実験におけるファイバー(ⅱ)Talbot 共振器
DCC010
f=32cmDMTM
f=40ZT
2Talbot 共振器によってより In-phase モード
近視野像
ＬＰＦ

DM

LD
975nm
1050nmの Talbot 共振器長が 134µm ということから

遠視野像
ＦＬＰ

DM:Dichroic mirror
TM:Talbot mirror
LPF:Low pass filter
ZT :Talbot Distance

YB-MCF
L=6.5mを選択励振できたと言える。以後の測定はCCD

Talbot ミラーを 100µm の位置に設置して測定を行なった。この時のレーザーパワーは以下のようになり、スロープ効率 54.3%となり端面―端面の時より高効率化することができた。
2.51.2102180.60.4
Laser power

0.50200400600

800

420.206001000

1.475[mW]
X-axis

0.8
0.6
0.4

5z/2[µm]

Talbot 共振器長101520
Launched pump power[W]

250-4

10.8
0.60.40.20.2075[mW]
Y-axis1.2

1Intensity[a.u.]

11.2

Intensity[a.u.]

X-axisY-axisAverage

Laser power[W]

0.8

1.5

Laser power[W]Angle[deg]1.4-3-2-101Angle[deg]2304-4-3-2-101Angle[deg]

23434

出力特性
φ=1.99[deg]スペクトルにおいては発振閾値が下がった

φ=2.22[deg]閾値付近(75mW)

ことにより端面―端面のときより長波長側6-30

遠視野における-40

56.36[W]X-axis5Intensity[a.u.]

Intensity[dB]

近視野像、遠視野像、435[mW]
6.36[W]-50-60432

ビーム拡がりを ASE、

-70

6.36[W]
Y-axis4

Intensity[a.u.]に移動した(右図)。

3211-80閾値付近、高出力

0102010301040105010601070108010901100

Wavelength[nm]においてみると以下-4-3スペクトル

閾値付近(75mW)

高出力(6.36W)-4-3-2-1012

Angle[deg]φ=2.37[deg]

0.14

ASE
X-axisM2 値を測定しビーム品質の定量評価を行ASE
Y-axis0.120.1

Intensity[a.u.]

Intensity [a.u.]

0今後の予定ビーム広がり

0.08
0.06
0.04

なう。また今回、Talbot共振器によって0.08

In-phaseモードが選択励振されたメカニズ

0.06
0.04

0.02
04

端面反射―端面反射共振器ではビーム拡がり、遠視野像より位相同期はできたものの、マルチスーパーモード化してしまい、In-phase モードのみを励振させることはできなかったことがわかる。しかし Talbot 共振器を構築することで、高出力化に伴う高次モードの影響は多少あれども、In-phaseモードを選択励振させることができた。また、発振閾値が下がり、スロープ効率も端面反射―端面反射共振器より高効率化させることができた。

高出力(6.36W)

閾値付近(75mW)

0.140.13

結果

遠視野像

0.122

高出力(6.36W)

近視野像

ASE-101Angle[deg]φ=2.78[deg]のようになった。

ASE-2ムを解明たいと考えている。後々は高エネ

0.02-4-20204Angle[deg]φ=6.54[deg]-4-3-2-101Angle[deg]ASE

φ=5.54[deg]234

ルギーパルスの発振実験や、空間位相変調器を用いてコヒーレントビーム偏向なども検討している。