ブレークスルー！世界最高出力3μm中赤外フェムト秒ファイバーレーザー

画期的！世界最高出力の3μm中間赤外線フェムト秒ファイバーレーザー

ファイバーレーザー中赤外レーザー出力を実現するには、まず適切なファイバーマトリックス材料を選択することがステップです。近赤外ファイバーレーザーでは、石英ガラスマトリックスが最も一般的なファイバーマトリックス材料であり、伝送損失が非常に低く、機械的強度が信頼でき、安定性に優れています。しかし、フォノンエネルギーが高い（1150 cm-1）ため、石英ファイバーは中赤外レーザー伝送には使用できません。中赤外レーザーの低損失伝送を実現するには、硫化物ガラスマトリックスやフッ化物ガラスマトリックスなど、フォノンエネルギーが低い他のファイバーマトリックス材料を再選択する必要があります。硫化物ファイバーはフォノンエネルギーが最も低い（約350 cm-1）ですが、ドーピング濃度を上げることができないという問題があり、中赤外レーザーを生成するためのゲインファイバーとして使用するには適していません。フッ化物ガラス基板は、硫化物ガラス基板よりもフォノンエネルギー（550 cm-1）がわずかに高いものの、波長4μm未満の中赤外レーザーにおいて低損失伝送を実現できます。さらに重要なのは、フッ化物ガラス基板は高い希土類イオンドーピング濃度を実現できるため、中赤外レーザー生成に必要なゲインを提供できることです。例えば、Er3+用の最も成熟したフッ化物ZBLANファイバーは、最大10モルのドーピング濃度を実現しています。したがって、フッ化物ガラスマトリックスは、中赤外ファイバーレーザーに最適なファイバーマトリックス材料です。

最近、深圳大学の阮双塵教授と郭春雨教授のチームが高出力フェムト秒パルスファイバーレーザー2.8μmモードロックEr:ZBLANファイバー発振器、シングルモードEr:ZBLANファイバープリアンプ、および大モードフィールドEr:ZBLANファイバーメインアンプで構成されています。
本研究グループは、偏光状態制御による中赤外超短パルスの自己圧縮・増幅理論と数値シミュレーションに基づき、大モード光ファイバーの非線形抑制・モード制御法、アクティブ冷却技術、両端ポンプの増幅構造を組み合わせることで、平均出力8.12W、パルス幅148fsの2.8μm超短パルス出力を実現しました。これにより、本研究グループが達成した世界最高平均出力記録をさらに更新しました。

図1 MOPA構造に基づくEr:ZBLANファイバーレーザーの構造図
の構造はフェムト秒レーザー図1にシステムを示します。長さ3.1mのシングルモードダブルクラッドEr:ZBLANファイバーを、ドーピング濃度7モル%、コア径15μm（NA = 0.12）でプリアンプのゲインファイバーとして使用しました。メインアンプでは、長さ4mのダブルクラッド大モードフィールドEr:ZBLANファイバーを、ドーピング濃度6モル%、コア径30μm（NA = 0.12）でゲインファイバーとして使用しました。コア径が大きいほど、ゲインファイバーの非線形係数が低くなり、より高いピークパワーとより大きなパルスエネルギーのパルス出力に耐えることができます。ゲインファイバーの両端はAlF3端子キャップに融着されています。