フォトカソード電子銃駆動用のファイバーレーザーの開発
大阪大学 産業科学研究所
堤 亮太

動機
現在、阪大、ＫＥＫ、広大でＬバンドフォトカソードＲＦ電子銃の開発中
そのフォトカソード駆動用に阪大でも独自にレーザー開発を実施
初段として阪大産研量子ビーム施設にあるＬバンドライナックの自由電子
レーザー実験での繰り返し数である108ＭＨｚのモードロックＹｂファイバーレーザー発振器を製作してきた（現在は熱カソード電子銃）
現在上記の108ＭＨｚに加え、繰り返し数４分の１の27ＭＨｚでの運転も開始し、108ＭＨｚでは観測されない空中での放電など比較的エネルギーが高いこれに合わせ将来的に２７ＭＨｚでのフォトカソード駆動用レーザー発振器も望まれており受動モードロックＹｂファイバーレーザーを独自に開発中モードロックとはレーザー発振器に立った複数のモードの位相関係を揃えること
これによりモードの位相が揃っていないｃｗ光からレーザー媒質のゲインスペクトルから得ることができる極短パルス光を発生させる。
外部から高周波を加え損失や屈折率を変調し、モードロックをかける方法を強制モードロック。外部から信号を加えないでモードロックをかける方法を受動モードロックという。
今回開発しているファイバーレーザーはグレーティング間隔を手動で勢いよく変えることによりモードロックをかける受動モードロックである。また机を叩くだけでモードロックがかかることもあった

２７ＭＨｚモードロックＹｂファイバーレーザー発振器のセットアップＹｂファイバーはレーザーダイオー
ドからの980nmの光をポンプ光として励起
1030nm付近の光が自然発生し誘導放射を起こしＣＷ光として増幅
波長板３つの組み合わせで偏光の向きを変えながらグレーティング間隔を変えていくとモードロックがかかりパルス光となるファイバー中では波長の違いによる正の分散が起こり、パルス幅が広がる。それを打ち消す不の分散を持つグレーティングペアを用いる
ことによりパルス幅を保つ

分散自由空間中では各波長の速さは等しく、パルスの形を保ったまま進むがファイバー中では波長により屈折率が異なる。
そのため波長によりファイバー中での速さが異なりパルスが広がってしまう。
このことを波長分散という。
そのためパルス幅が広がった分だけ縮める必要があり、グレーティングを用いて負の分散を与え補償する。
ファイバー長、材質、中心波長から計算された分散値に合わせグレーティングへの入射角度、間隔などを設計した。

t11

今回測定したパルスの波形とスペクトル37ns

t10
t13

設計どおり２７ＭＨｚでパルスが得られ、波長板の組み合わせ、グレーティング間隔によって長時間モードロックすることも確認された

スライド 7t10

パルスは３７ns間隔であり、２７ＭＨｚで発生していることがわかる。

t13

1020nmから1060nm付近まですそが広がっているt11

tsutsumi, 2014/08/06

tsutsumi, 2014/08/06
tsutsumi, 2014/08/06

t2
t3

Fig.2

Fig.1
グレーティング間8.7cm_出力を変化させたときのスペクトル変動

グレーティング間8.7cm_出力を変化させたときのスペクトル変動

1.40.21096mA1030mA
867mA
764mA
665mA
565mA
498mA

1.2

11096mA
1030mA
867mA
764mA
665mA
565mA
498mA

0.150.1
強度（a.u.)強度（a.u.)

0.8

0.6

0.4

0.05

0.2
00-0.2
1015

1020

1025

1030

1035
波長（nm)

1040

10451050

1055-0.05
1010

1020

1030

1040

1050

1060

波長（nm)

グレーティングの間隔がどの出力においてもパルスの広がりを打ち消す設計値である8.3cmよりも大きい位置（8.7cmなど)でモードロックがかかり、パルス光となった。
また出力を上げるとモードロックがかかるグレーティング間隔の幅が広くなり、モードロックがかかりやすくなり、また長時間安定となる。

スライド 8t2

ポンプ光の出力を変えたときのスペクトルを色別で表している。

t3

出力を下げていくとパルスの強度も下がっていき緑色の498ｍＡではモードロックがはずれパルスではなくなりｃｗ光となった

tsutsumi, 2014/08/06
tsutsumi, 2014/08/06

t5
t6 t7t9Fig.4

Fig.3
LD 571mA グレーティング間隔を変化させたときのスペクトルの違い

t8

LD 930mA グレーティング間隔を変化させたときのスペクトルの違い

0.1

0.3
グレーティング間8.9ｃｍ
グレーティング間8.6ｃｍ

グレーティング8.9cm
0.25

0.08

グレーティング8.62cm

0.2

強度（a.u)強度（a．u）

0.06

0.04

0.15

0.1

0.02

0.05
0-0.02
1010

0

1020

1030

1040
波長(nm)

1050

1060

-0.05
1010

1020

1030
1040
波長（nm)

1050

1060

スライド 9t5

fig3はグレーティングペア間隔を変えたときのスペクトルの変化を示した赤が青よりも3mmだけ長い

t6

長い方が全体的に波長の短い側に遷移しているのが分かる。なぜt7
t9

tsutsumi, 2014/08/06

tsutsumi, 2014/08/06
tsutsumi, 2014/08/06

fig4はポンプ光出力930ｍＡのときグレーティング間隔を変化させたときのスペクトルを色分けしている。ポンプ光を比較的高い出力ではグレーティン
グ間隔を変えると赤色のようにつのが立つことがあり、これは不安定でモードロックがかかったりかからなかったりし、ｃｗの光が混じっているのではないかと考えられる
tsutsumi, 2014/08/06

t8

tsutsumi, 2014/08/06

• レーザーダイオードの電流値を変え、つまりポンプ光の出力を変えたときのファイバー
レーザー発信器の出力変化• 平均出力の最大はCWで173.6mWのときパルスで71.9mW

ファイバーレーザー出力180
パルス平均出力（mＷ）

160

ＣＷ平均出力（mW)

平均出力（mＷ）

140120100• このとき１パルスあたり平均2.7nJである

80• パルスをガウス型と仮定した
場合

60

40

20500

600

700

800
I_LD(mA)

900

10001100

フーリエ変換限界パルス幅は約80fs

t12また繰り返し数27ＭＨｚを作る
前に60ＭＨｚとなる周期長で発振器を作成した。
グレーティング間隔3.2cmで分散が補償されるように設計したが実際には８cm付近でモードロックがかかり大きくはずれたところでパルス化した。

上の波形の様に１周期に３つのパルスができている状態でモードロックするときもあった。

スライド 11t12

また２７ＭＨｚでセットアップする前に６０ＭＨｚ付近
tsutsumi, 2014/08/06

結論と今後の課題
設計どおり２７ＭＨｚでパルスが得られ、波長板の組み合わせ、グレーティング間隔によって長時間モードロックすることも確認された
モードロックしたときのパルス動作の平均出力は３５ｍW～７０ｍW
出力を上げるとモードロックがかかるグレーティング間隔の幅が広くなり、モードロックがかかりやすくなり、また長時間安定となる。
しかし設計値以外でのグレーティング間隔では分散補償がファイバー中での実際の分散と異なる為、パルス幅が広がってしまい特性が変化していると考えられる。フォトディテクターではパルス幅（１００ｆｓ)よりも時間分解能が悪く、パルスの特性が分からない。よってこれからの課題としてパルス特性を測る必要がある
長時間での出力安定性、周波数カウンタを用いて繰返し周期の安定性を測定していく
出力増幅器を後段に作成していき、１００Wを目標に増幅させる

ご清聴ありがとうございました• ポンプ光の方が出力高いけどなぜポンプ光そのままつかわないの• Ｃｗ光のほうが出力高いのなんで（ロスが増えてるとすいていしていますが勉強中です• Ｙｂから1030nmでてるのになぜ1035のとこでグラフのピークたってるの？
• 買ったらあかんの？２７MHｚで実際にその性能でるかわからないのでこれから目標Ｗまで上げるには発振器から特性を知り調整できなければならないので発振器から自作しました
１００Wで何Cえられると計算してるの？
２７MHｚは何クーロンえられてる？
• 熱カソードとフォトカソードのメリットデメリット• 熱カソードは電子量多いが使える電子が限られる• チョッパーで切ってもいいがおしりが使えなかったりする• ハードで作りこむのでパルス幅とかかえにくい• フォトカソードは与えるレーザーのパルスによってパルス幅変えやすい