画期的！世界最高出力の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必要があります。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るため、中赤外レーザーを生成するための利得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がわずかに高い（550 cm⁻¹）ものの、波長4 μm以下の近赤外レーザーにおいて低損失伝送を実現できます。さらに重要なことに、フッ化物ガラス基板は高濃度の希土類イオンをドープできるため、近赤外レーザー発生に必要な利得が得られます。例えば、Er³⁺用として最も成熟したフッ化物ZBLANファイバーでは、最大10 molのドープ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近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と言えます。

最近、深圳大学の阮双晨教授と郭春宇教授の研究チームが、高出力フェムト秒レーザーを開発した。パルスファイバーレーザー2.8μmモード同期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、およびラージモードフィールドEr:ZBLANファイバーメインアンプで構成されています。
当研究グループは、偏光状態によって制御され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、および両端励起方式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、当研究グループが達成した最高平均出力の国際記録がさらに更新されました。

図1 MOPA構造に基づくEr:ZBLANファイバーレーザーの構造図
構造フェムト秒レーザー図1にシステム構成を示す。プリアンプでは、ドーピング濃度7 mol.%、コア径15 μm（NA = 0.12）のシングルモードダブルクラッドEr:ZBLANファイバー（長さ3.1 m）を利得ファイバーとして使用した。メインアンプでは、ドーピング濃度6 mol.%、コア径30 μm（NA = 0.12）のダブルクラッドラージモードフィールドEr:ZBLANファイバー（長さ4 m）を利得ファイバーとして使用した。コア径が大きいほど、利得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る。利得ファイバーの両端はAlF3端子キャップに融着されている。