Q スイッチ位相同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザーの高出力化
白川(晃) 研究室
佐藤 慶吾

1. 背景・目的

2. 原理
2-1. MC-PCF

ファイバーレーザーには、高ビーム品質、高冷却性・高効率・メンテナンスフリー等の様々な利マルチコアフォトニック結晶ファイバー(MC-点がある。2009 年には CW で 10kW のシングルモPCF)の断面を Figure 1 に、構造パラメータをードファイバーレーザーが製品化されるなど、既Table 1 に載せる。に高平均出力レーザーとして実現されている。

本実験に用いた MC-PCF は 6 個の Yb 添加コア

しかし、更なる高出力化・高エネルギー化を目と周期的空孔構造を有する(Fig. 1)。MC-PCF の特指す上で問題となる弊害も存在する。誘導ラマン

徴として、それぞれのコアが大口径(Tab. 1)でシン散乱や(SRS)や誘導ブリルアン散乱(SBS)に代表さグルモード伝搬が可能であり、コア数を増やすこれる誘導非線形現象の発生、ファイバー端面の破とで出力・エネルギー限界を高めることも可能で壊、ファイバーを伝搬する光の自己収束効果等のある。さらに各コアが近接しており、コア間がエ問題により、単一ファイバーから発振できる出力バネッセント結合しているため、コア数と同数のには限界がある。

固有モードが励振し、位相同期の維持が可能であ

更なる高出力・高エネルギー化への手段の 1 つるため CBC に適している。

として挙げられているのが、複数のレーザーを位相同期させ、ビームを重ね合わせるコヒーレントビーム結合(CBC)である。我々は同一ファイバーに複数のコアを持つ Yb 添加マルチコアフォトニック結晶ファイバー(MC-PCF)を用いた、ファイバ

Fig. 1.MC-PCF 断面ーレーザーの CBC の研究を行ってきた。

2-2. 固有モード(スーパーモード)

複数存在する MC-PCF の固有モードから、遠視野にて単峰の強度加算出力が得られるモードを優本実験で用いる 6 コアの MC-PCF には、6 個の勢的に選択励振させる方法として、エンドシール

スーパーモードと呼ばれる固有モードが励振する。

法を考案・実証した。エンドシール法を用いた CWファイバー端面(近視野)において、MC-PCF の各コ発振、及び Q スイッチパルス発振の研究を行ってアを伝搬してきた光の位相差は、スーパーモードいる[Ⅰ,Ⅱ]。

ごとに異なる(Fig. 2)。

本実験では、エンドシール MC-PCF における Qそれぞれの固有の位相差を有するスーパーモースイッチパルス発振を実現させ、高尖頭出力・高ドは、CBC が行われ、遠方(遠視野)にて固有のビエネルギーを最も得られるファイバー長の最適化ーム形状を有する(Fig. 3)。この 6 個のスーパーモを目的に、我々のグループが既に報告しているフードの 1 個に、近視野では 6 コア全ての光の位相ァイバー長とは異なるファイバー長での Q スイッが揃っており、唯一遠視野にて単一ピークを持つチパルス発振を行った。

モード(Fig. 2, Fig. 3 共に左上のモード)が存在し、in-phase モードと呼ばれている。CBC による高尖頭出力化・高エネルギー化のためには、単峰の強度加算出力を形成する in-phase モードの選択励振が必要となる。

Fig. 4.モード選択法：Talbot 共振器と End seal 共振器
Fig. 2.各スーパーモードの近視野における位相関係

Talbot 共振器同様、エンドシール長を調整することで、モード選択が可能になっている(Fig. 4 下)。
モードの再結合効率の計算より、in-phase が選択励振されるエンドシール長は 3.1mm であり(Fig. 5)、研磨により調整する必要がある。

Fig. 3.各スーパーモードの遠視野における強度分布

2-3. モード選択法
スーパーモード選択法の一つに Talbot 共振器がある。アレイ状光源には、一定周期距離で出射直後の強度分布が再構築される自己イメージングと呼ばれる効果がある。Talbot 共振器は自己イメージングされる距離の半分の距離にミラーを設置すFig. 5.スーパーモードの再結合効率の計算ることで、自己イメージングを光源に戻すことがまた、in-phase モードがどれだけ優勢的に選択さ出来る(Fig. 4 上)。
加えて、スーパーモードはそれぞれ自己イメーれているかを、中心ローブ比を以下の式で定義し、評価した。

ジング距離が異なるため、ミラーの位置を調整することで、特定モードと他のモードとの間に損失差を与えることが出来るので、スーパーモードの選択励振を行える。
本実験ではモード選択法として、我々が考案・3. 実験・結果
3-1. 空孔の溶融消滅時の均一性の確認実証を行ったエンドシール法を用いている。
エンドシール法は、MC-PCF の空孔構造を溶融

MC-PCF のレーザー発振に際し、エンドシール消滅し、シールしたエンドシール部と、ファイバ法によるモード選択を行ったが、このエンドシーー端面のフレネル反射を用いたオールファイバール部は 1600 ℃のセラミックヒーターで空孔を溶のモード選択法である。

融消滅させて作成した(Fig. 6)。

は 1~3 m 程度であったため、分解能以下の大きさの細かい比較は出来なかった。
この前提の上で、CCD で測定した 100 m ごとの空孔径の平均をとったところ、測定した 6 回全てで平均を上回る、または下回る大きさを持つ空Fig. 6.セラミックヒーターに設置したファイバー孔は存在しなかった。加えて、各測定においての全ての空孔径が平均±0.3 m 程度であった。

エンドシール部と MC-PCF の間に存在する、空以上のことから、光学顕微鏡を用いた測定にお孔が徐々に潰れていくテーパー領域では、空孔構いては、識別できない程度に空孔が均一に潰れて造が均一に潰れていくことが求められる。そこで、いたと言える。

熱の伝わり方の差や、重力の影響により、空孔が不均一に潰れてしまっている可能性を考慮し、確3-2. 連続発振認することにした(Fig. 7)。
ファイバーを手で研磨し、テーパー領域約 100945nm ファイバー結合 LD を用いて 2.4m のm ごとの端面を観測、空孔の大きさを測定した。

MC-PCF を励起した。8 °に研磨することでフレネ(Fig. 8)

ル反射を抑えた端面側(8 °研磨側)の自由空間にある HR と、エンドシール側端面で共振器を構築し、レーザー発振を行った(Fig. 9)。この連続発振下でエンドシール長を in-phase モードが選択励振される長さまで調整した結果、スロープ効率 0.67、遠方において中心ローブ比 0.73 の単一ピークを得た
Fig. 7.エンドシール部のイメージ図(Fig. 10)。

Fig. 9.連続発振の実験系

Fig. 8.テーパー領域 100 m ごとの端面光学顕微鏡で観察し、CCD で測定を行った。テーパー領域を 100 m 研磨するごとに測定を行った。6 個存在するコアの、各コア間に存在している空孔の大きさを測定した。光学顕微鏡の分解能は数百 nm である一方、測定範囲での空孔サイズ

Fig. 10.連続発振での出力特性と遠方ビーム形状

3-3. Q スイッチパルス発振

Tab. 2.異なるファイバー長での測定結果
ファイバー長 [m]3.52.42.0

繰り返し周波数 [kHz]20.012.525.08 °研磨側の端面と自由空間の HR の間に偏光ビー

尖頭出力 [kW]5.56.37.4

ムスプリッター、3 つの波長板とポッケルスセル

パルスエネルギー [J]276386227

連続発振で in-phase モードが選択励振された後、を用いたアクティブ Q スイッチレーザーを構築し、発振を行った。(Fig. 11)

4. 結論
スーパーモード選択に用いるエンドシール部の作成時にできるテーパー領域の均一性を確認した。
エンドシール法により、in-phase モードの優勢励

Fig. 11.Q スイッチパルス発振の実験系

振する 2.4 m MC-PCF の Q スイッチパルス発振を行い、繰り返し周波数 12.5 kHz においてスロープ

複数の繰り返し周波数で Q スイッチパルス発振

効率 0.49、励起パワー15.0 W 時に尖頭出力 6.30 kW、を行い、尖頭出力、パルスエネルギーを測定した。

パルスエネルギー386 J を得た。加えて中心ロー共に最も高い数値を得られた 12.5 kHz での結果

ブ比 0.83 の in-phase モードを Q スイッチパルス発としてスロープ効率 0.49、励起パワー15.0 W 時に振においても得られた。

尖頭出力 6.30 kW、パルスエネルギー386 J を得た。
さらに Q スイッチパルス発振においても、遠方

5. 展望で単一ピークを確認することができ、中心ローブ比が全ての測定点において 0.80 以上であった。Q

今後の展望として、異なるファイバー長でのスイッチパルス発振においても in-phase モードがMC-PCF の Q スイッチパルス発振を行い、最も尖選択されていると言える(Fig. 12)。

頭出力とパルスエネルギーが得られる、最適のフ既に我々が報告した、異なるファイバー長でのァイバー長を探していく。

結果と今回の結果を比較する(Tab. 2)。パルスエネ
ルギーは他のファイバー長より多く得られた。尖また、Q スイッチ動作部を過飽和吸収体に変更した、Q スイッチパルス発振を考えている。

頭出力はファイバー長が短い程高くなっている傾向がある。共にファイバー長が短ければ、パルス

6. 参考文献

幅が短くなることが影響していると考えられる。

I.

松本 道生: 電気通信大学大学院 修士論文, (2011)

II. 山田 英典: 第 72 回 応用物理学会学術講演会, (2011)

Fig. 12.Q スイッチパルス発振での出力特性、中心ローブ比と出力パルス形