第二高調波による分割パルス増幅の位相検出法の検討
白川晃研究室

1. 序論

三宅晴之

では結合をロックさせることができたが４分割ではできないことがわかった [3]．

光ファイバーはシリカガラスでできた光の導波

そこで PBS を通してフィードバック光を観測路であり，10µm ほどのコア径のファイバーに光するのではなく，BBO 結晶に通して第二高調波を閉じ込めて伝搬させることができ，ファイバーを観測することによってこの問題が解決するとい自体が増幅媒質にもなるので，長い相互作用長にう手法を考案した．本研究では第二高調波によるより高利得，高効率という特徴をもつ．しかしフ分割パルス増幅の位相検出を目的して行った．

ァイバー内を伝搬する光のパワーには限界があって，高ピークパワーの光が伝搬してしまうとファイバーが損傷するおそれがある．また，非線形光学効果である誘導ラマン散乱，誘導ブリルアン散乱などによって光信号の劣化という問題もでてきてしまう．

2. 原理
2.1. 分割パルス増幅の基本原理
分割パルス増幅の基本原理を図 1 に示す．１つ

これらの問題を回避する手法の一つとしてチャのパルスはまず分割器で複数のパルスに分割すープパルス増幅(CPA) [1]があげられる．チャーる．分割した後，それぞれを非線形光学効果の影

プパルス増幅は，まずパルスをチャープさせて伸響が出ない程度まで増幅し，再び結合する．こう長させ，ピークパワーを抑えた上で増幅させる．

することによってパルスを分割しない場合よりもそして最初のときと反対にチャープさせてパルス高出力なパルスを得ることができる．

を圧縮させることによって，ファイバーの非線形光学効果を抑えて高ピークパワーのパルスを得ることができるというものである．より高出力を目指すには，よりパルス幅の短いピコ秒のパルスを用いる必要がある．
そこで，別の方法として分割パルス増幅(DPA)[2]がある．分割パルス増幅は，１つのパルスを複数のパルスに分割し，それぞれを増幅した後に１つに結合するという手法である，しかし先行研
究より，Hänsch-Couillaud(HC)法では，２分割

図１ 分割パルス増幅の基本原理

cos 2𝜃
𝑊𝐻𝑊𝑃 (𝜃) = (sin 2𝜃

2.2. 結合のロックのための位相検出先行研究では Hänsch-Couillaud(HC)法で結合𝑊𝑄𝑊𝑃 (𝜃) =のロックを行ったが，この方法では 4 分割での結合のロックを行えないことがわかった [3]．

sin 2𝜃)− cos 2𝜃

(2.1)

1 1 − 𝑖(1 − 2 sin2 𝜃)−𝑖 sin 2𝜃
()−𝑖 sin 2𝜃
1 + 𝑖(1 − 2 sin2 𝜃)√2(2.2)と表せる．

Hänsch-Couillaud(HC)法での４分割パルス増幅の実験配置図を図２にのせる．

図３ ４分割パルスの結合の模式図
これを偏角 45°でおかれた 1/4 波長板に通し，その後 PBS に通すとフィードバック光は，
′𝑉1+2

図２

Hänsch-Couillaud(HC)法での分割パルス増幅器の配置図(４分割)
ピエゾ素子にはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セ

112−𝑖 sin 𝜋𝑖𝜃
1 1 0 1 − 𝑖 (1 − 2 sin 4 𝜋)
2=()() (𝑒 )111√2 0 02− sin 𝜋
1 + 𝑖 (1 − 2 sin 𝜋)24=

1 𝑒 𝑖𝜃 − 𝑖()0(2.3)√2

ラミックスを使っており，それを DigiLock につなぎ，PID 制御で結合効率が最大となるところで遅延路のロックを行う．結合後の光はビームサンプラーで出力光とフィードバック光にわけられ，フィードバック光がフォトダイオードで検知され

′
𝑉3+4

1
12−𝑖 sin 𝜋𝑖𝜃
1 1 0 1 − 𝑖 (1 − 2 sin 4 𝜋)
2=()() (−𝑒 )11001√2− sin 𝜋
1 + 𝑖 (1 − 2 sin2 𝜋)
24る．フォトダイオード前の QWP によって，出力光とフィードバック光との間には𝜋/2 の位相差が=1 −𝑒 𝑖𝜃 − 𝑖()0√2(2.4)生じる．遅延路のロックは，フィードバック光のここで強度𝐼を以下のように定義する．

信号の最大値の 1/2 になる位置でロックを行う．

𝐼1+2 = |𝑉1+2 |2 = − sin 𝜃 + 1(2.5)

しかし４分割では遅延路を動かしても信号の変化

𝐼3+4 = |𝑉3+4 |2 = sin 𝜃 + 1(2.6)

が起こらず，常に一定の強度がフォトダイオード

𝐼 = 𝐼1+2 + 𝐼3+4(2.7)

で検知される．4 分割での結合の様子を図３に示すると，このように一定の強度となってしまう．

す．

そこで第二高調波発生(SHG)を利用すると，その前にまず𝑥軸と波長板の遅軸との偏角𝜃でおか

SHG 光の強度は基本波の強度の 2 乗に比例するれた波長板のジョーンズ行列を求める．半波長板のでこの問題を回避することができる．のジョーンズ行列を𝑊𝐻𝑊𝑃 (𝜃)，1/4 波長板のジョ

22𝐼 2𝜔 ∝ 𝐼1+2+ 𝐼3+4= 3 − cos 2𝜃(2.8)

ーンズ行列を

これにより，フォトダイオードが検知する強度が𝑊𝑄𝑊𝑃 (𝜃)とすると，位相差によって変化するので適切な遅延路長でのロックが可能になる．

3. 実験と結果は 10µm のものを用いた．

3.1. HC 法による位相差検出
第二高調波による位相検出を行う前にまず従来の HC 法で位相検出を２分割 DPA で行った．その実験配置図を図４に示す．

図５ ２分割パルス波形
分割した２つの位相差を検出するために，ピエゾ素子に正弦波の電圧をかけ，それに応答したひずみを遅延路に生じさせて，1st パルスと 2nd パルスの時間的干渉縞を観測した．ピエゾ素子に与えた電圧波形を図６に，メインアンプ 1.2 W 励起
図４HC 法での分割パルス増幅器の配置図(２での時間的干渉縞を図７に示す．

分割)器を用いた．励起光は中心波長 976 nm のレーザーダイオードを用いた．Yb 添加ファイバーは 0.515Voltage /V

パルス発振には，全正常分散型モード同期発振

20105m，コア径は 6 µm のシングルモードファイバ

0ー，それ以外の部分は合計長さ 9 m のシングルモ-4-2024Time /msードファイバーを用いた．発振したパルス間隔は

図６ ピエゾ素子に加えた電圧波形

およそ 50 ns，繰り返し周波数は 20 MHz であった．モード同期時にはおよそ 40 ps のパルスが生1成され，平均パワーは 40mW であった．スペク
よそ 10 nm であった．
分割器の遅延路の長さは約 40.7 cm であり，合計で約 81.4 cm の遅延が生じる．TFP（薄膜偏光0.8Intensity a.u.

トルは中心波長が 1030 nm でスペクトル幅はお0.60.40.2子）によって P 偏光と S 偏光にわけられ，S 偏光は遅延路を通る．メインアンプ後の分割したパルス波形を図５に示す．メインアンプには Yb 添加
PANDA ファイバーを用い，長さは 1m，コア径0-4-202Time /ms

図７

HC 法での時間的干渉縞

4図６と図７をみると，ピエゾ素子に与えた電圧1と同じ周期で干渉縞が生じていることがわかる．
図６より最大 3 µm の変位量であった．ビジビリ
ティは 60%であった．

0.8

Intensity a.u.

0.15 µm/V で動作するピエゾ素子を用いたので，0.60.40.23.2. 第二高調波による位相差検出

0第二高調波による位相差検出は結合器のみを変-4-2024Time /ms

更して行った．結合器の配置図を図８に示す．

図９ 第二高調波による時間的干渉縞

4. まとめと今後の展望
本研究では，先行研究 [3]の HC 法による４分割での位相検出が原理的に行えないという結果から新たに第二高調波による位相検出を目的として実験を行った．
その結果，第二高調波による分割パルス増幅の位相差検出に成功した．しかし，ビーム径の違いによるビジビリティの低下や，変換効率の低さか
図８ 結合器の配置図(第二高調波による位相差検出)

ら出力光を取り出せないという現状である．また，４分割での位相差検出には現在取り組んでいる途中である．

第二高調波のパワーが低いのと，本実験では第二高調波による位相差検出を目的としたので出力光を取り出さないで位相差検出を行った．位相整

今後の展望としては，４分割での位相差検出の達成，第二高調波への変換効率の向上などがあげられる．

合角𝜙 = 22.5°の BBO 結晶でタイプⅠの位相整合を利用したので，PBS を取り除きフォトダイオードで検知した．
ピエゾ素子印加電圧とメインアンプの励起パワーを HC 法の場合と変えずに第二高調波の時間的干渉縞を観測した．その結果を図９に示す．
図９よりビジビリティは 9%となってしまった．考えられる原因としては 1st パルスと 2nd パルスの伝搬経路が異なることによるビーム径の違いが考えられる．ビーム径が違うと第二高調波に変換したとき，よりその差が顕著になるので，このような干渉縞が生じてしまったと考えられる，

参考文献[1] D. Strickland and G. Mourou, Optics

Communications, vol. 56, no. 3, pp. 219-221,
1985.
[2] S. Zhou, F. W. Wise and D. G. Ouzounov,"Divided-Pulse amplification of ultrashort pulses,"

Optics Letters, vol. 32, no. 7, pp. 871-873, 2007.
[3] 輿石(杉本) 洸太, “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増幅特性,” 電気通信大学修士論文, 2021.