PCとLMAファイバで超高速ファイバレーザはミリジュールに

チアン・リウ

フォトニック結晶とラージモードエリア光ファイバ増幅器を使うことで、研究者は繰り返しレート100kHzでミリジュールエネルギーレベルを超えるフェムト秒ファイバレーザを実現した。

ミリジュール（mJ）エネルギーレベルは長らく、全てのファイバベースフェムト秒ファイバレーザにとって主要な市場に入るための壁と見なされてきた。金属、半導体、ガラスマイクロ材料の加工では、適切な製造スループットで0.2mJ以上のパルスエネルギーが必要とされているためだ。先頃米ポラーオニキス社（PolarOnyx）は、100Wフォトニック結晶ファイバ（PCF）増幅器を用いて、繰り返しレート100kHzのmJレベルのフェムト秒超高速ファイバレーザを開発し、この壁を克服した。われわれの考えでは、このレベルのファイバレーザは世界初である。また当社は、ラージモードエリア（LMA）ファイバ増幅器を用いて世界初のキロワット平均パワーも開発した。
　このパフォーマンスの壁を破ったことで高エネルギー、ハイパフォーマンスフェムト秒スケールの超高速ファイバレーザに、高エネルギー物理学やマイクロ材料加工などのアプリケーションで新たなチャンスが訪れた。これは新開発のファイバレーザがコンパクトで、維持に手がかからず、コスト効果が優れており、エネルギー消費が減らせるためである。

エネルギー拡大

理想的な高エネルギー、ハイパワー超高速ファイバレーザは一般に、オールファイバベースのシード発振器、ストレッチャ、増幅器を含んでいる。ファイバコンバイナ、利得ファイバ、アイソレータなどのコンポーネント間の接続は通常、堅牢動作のために融着接続が用いられる。したがってフリースペースコンポーネントの利用は、最小限に抑える必要がある。しかし、光ファイバやファイバ増幅器に累積する非線形性の取り扱いが難しいために、オールファイバデザインでのエネルギー拡大は（ハイブリッドアプローチと比較すると）容易でないことが分かっており、実験的に実証されているのは低レベルの数100マイクロジュールエネルギー、わずか100Wのパワーレベルであった（1）、（2）。
　同社のオールファイバベースのフェムト秒ファイバレーザシステムを拡大して1mJを超えるパルスエネルギー、1kWを上回る平均パワーを達成する能力は、後方励起スキームとPCFおよびLMA光ファイバ増幅器の両方によって決まる（3）。高濃度イッテルビウム（Yb）イオンドープと並んで、LME径PCFが非線形性を緩和し、mJレベルまでのエネルギー拡大を可能にする。加えて、PCF内側クラッドの大きな開口数（＞0.5）が、ファイバにより多くの励起パワー入力を可能にしている。

ミリジュールエネルギー

公称動作波長1μmで高エネルギーを達成するために、われわれは50μJシードレーザ、高エネルギー増幅器、パルスコンプレッサを用いている（図1）。シードレーザは、同社のウラヌス（Uranus）シリーズ1μm高エネルギーモードロックフェムト秒ファイバレーザであり、パルス幅を1.2ns程度に伸ばして出力する。レーザの繰り返しレートは、100kHz〜2MHzで可変、最大出力は5W。ウラヌスでは、繰り返しレート100kHzで最高パルスエネルギーは50μJとなっている。
　エネルギー増幅器の活性媒体は、デンマークのNKTフォトニクス社（NKT Photonics）の80cm長、シングルモード、Ybドープ、偏波保持（PM）、ロッドタイプ、ラージモードPCF。コア径は100μm、励起クラッド径は285μm。コリメートされたシードレーザビームはまずアイソレータを通り、焦点距離35mm球面レンズで集光されてPCFに入る。
　後方励起スキームでは、波長976nmで最大174Wの励起パワーをPCFの反対端から入れる。励起ビームは、コア径242μmの光ファイバで供給される。励起ビームはコリメートされ、焦点距離11mmの非球面レンズ2個を用いて利得媒体に再度焦点を合わせる。複数のダイクロイックミラーを使って、高ピークパワーの信号波長による考えられる損傷から励起レーザダイオードを保護する。実験セットアップにおける
信号光に対する全般的なアイソレーションは30dB以上、PCFロッドには特別な冷却法は適用されない。
　繰り返しレート100kHz、500kHz、1MHzでのフェムト秒レーザの動作、光スロープ効率68％で約105Wの出力パワーが得られる。100kHz繰り返しレートでは、最大100.5mJパルスエネルギーが達成され、M²値は1.17（平行）と1.27（垂直）である。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2014/11/feature5_LFWJ2014_11-13.pdf