Generation of high power out-of-phase mode exceeding self-focusing limit by newly-designed multicore fiber

• Project/Area Number: 18H01896
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: Shirakawa Akira 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 教授 (00313429)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 和也 豊田工業大学, 工学部, 教授 (20278394)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2018: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: ファイバーレーザー / マルチコアファイバー / 位相同期 / ビーム結合

Outline of Final Research Achievements

We studied phase-locking of multicore fiber (MCF) lasers and achieved lots of noticeable results while the proposed MCF could not be fabricated. We have succeeded in phase-locked and mode-locked MCF laser for the first time in the world by use of a 7-core Yb-doped photonic crystal fiber and a saturable absorber. It generates picosecond pulses with as high as 5.8W of average power and 137nJ of pulse energy directly from the fiber. We also proposed and demonstrated a new scheme of coherent beam combining of multiple fiber amplifiers by use of deep reinforcement learning, and showed it can be applicable to MCF amplifiers. An outlook not only for power scaling but for controlling freely the spatio-temporal properties including an out-of-phase state.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ファイバーレーザーの高出力化・高エネルギー化は喫緊の課題である。本研究で実証したマルチコアファイバー(MCF)レーザーのout-pf-phaseモードの選択励振、位相同期とモード同期の同時実現等の成果により、パルスファイバーレーザーのエネルギースケーリングの方向性を示すことができた。また人工知能(AI)の手法を複数レーザーの位相同期に適用できると示したことも光科学における金字塔と確信する。一般に用いられている能動法と比べ、コア数の増大による系の複雑化なしにコヒーレントビーム結合が可能であり、スケーラビリティに優れる。

Research Products

• [Journal Article] Deep Reinforcement Learning for Tiled Aperture Beam Combining in a Simulated Environment (2021)
  • Author(s): Henrik Tunnermann and Akira Shirakawa
  • Journal Title: J. Phys: Photonics Volume: 3 Issue: 1 Pages: 015004-015004
  • DOI: 10.1088/2515-7647/abcd83
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase-locked and mode-locked multicore photonic crystal fiber laser with a saturable absorber (2021)
  • Author(s): Tomonari Kawamura, Akira Shirakawa, and Kazuya Saito
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 11 Pages: 17023-17028
  • DOI: 10.1364/oe.421083
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 可飽和吸収体による位相同期モード同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザー (2020)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Journal Title: レーザー学会第548回研究会報告 Volume: RTM-20 Pages: 19-24
• [Journal Article] Deep reinforcement learning for coherent beam combining applications (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Journal Title: Optics Express Volume: 27 Issue: 17 Pages: 24223-24230
  • DOI: 10.1364/oe.27.024223
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ファイバレーザの高出力化のためのコヒーレントビーム結合 (2018)
  • Author(s): 白川晃
  • Journal Title: レーザー協会誌 Volume: 43 Pages: 10-15
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Phase-locked and mode-locked multicore photonic crystal fiber laser with saturable absorber (2021)
  • Author(s): Tomonari Kawamura and Akira Shirakawa
  • Organizer: Photonics West 2021-LASE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of high energy ultrashort pulse using chirped pulse amplification and divided pulse amplification (2021)
  • Author(s): Kota Sugimoto, Henrik Tunnermann, and Akira Shirakawa
  • Organizer: 10th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS '21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase-locked and mode-locked multicore photonic crystal fiber laser with saturable absorber (2021)
  • Author(s): Tomonari Kawamura and Akira Shirakawa
  • Organizer: CLEO 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 可飽和吸収体による位相同期モード同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザー (2021)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第41回年次大会
• [Presentation] チャープパルス増幅および分割パルス増幅による高エネルギー超短パルスの発生とその位相特性 (2021)
  • Author(s): 杉本洸太、白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第41回年次大会
• [Presentation] Mode-locked fiber laser aiming to phase-locked multicore fiber laser (2020)
  • Author(s): Tomonari Kawamura and Akira Shirakawa
  • Organizer: 9th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS '20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tiled aperture beam combining with reinforcement learning (2020)
  • Author(s): Henrik Tunnermann and Akira Shirakawa
  • Organizer: CLEO 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Yb添加マルチコアフォトニック結晶ファイバーによるファイバー増幅 (2020)
  • Author(s): 文全営、白川晃
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 可飽和吸収体による位相同期モード同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザー (2020)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第548回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] チャープパルス増幅および分割パルス増幅による高エネルギー超短パルスの発生とその位相特性 (2020)
  • Author(s): 杉本洸太、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第548回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] 可飽和吸収体による位相同期モード同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザー (2020)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: 第5回超高速光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] 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の発生とその結合効率 (2020)
  • Author(s): 杉本洸太、白川晃
  • Organizer: 第5回超高速光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] Reinforcement learning for tiled aperture beam combining (2020)
  • Author(s): Henrik Tennermann and Akira Shirakawa
  • Organizer: Photonics West 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マルチコアファイバーレーザーの能動モード同期によるスーパーモード選択の検討 (2020)
  • Author(s): 成富未夢人、白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [Presentation] マルチモードレーザーの横モード解析の研究 (2020)
  • Author(s): 梯太郎、白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [Presentation] 可飽和吸収体によるマルチコアファイバーレーザーの位相同期に向けたモード同期ファイバーレーザー (2020)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [Presentation] Coherent Beam Combining with Deep Reinforcement Learning (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: Advanced Fiber Laser Conference (AFL) 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AI Controlled Coherent Beam Combining (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: Advanced Solid-State Lasers (ASSL) 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AI Controlled Tiled Aperature Coherent Beam Combining (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: CLEO-Europe/EQEC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural Network Controlled Coherent Beam Combining (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: 8th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS '19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高出力ファイバーレーザーの基礎と最新動向 (2019)
  • Author(s): 白川晃
  • Organizer: レーザーEXPO 2019レーザー特別セミナー
  • Invited
• [Presentation] 可飽和吸収体によるマルチコアファイバーレーザーの位相同期に向けたモード同期ファイバーレーザーの研究」 (2019)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第538回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] マルチコアファイバーにおける時間領域スーパーモード選択の検討 (2019)
  • Author(s): 成富未夢人、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第538回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] マルチモードレーザーの横モード解析 (2019)
  • Author(s): 梯太郎、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第538回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] Yb添加マルチコアファイバー増幅の研究 (2019)
  • Author(s): 文全営、梯太郎，白川晃
  • Organizer: レーザー学会第538回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] 可飽和吸収体によるマルチコアファイバーレーザーの位相同期に向けたモード同期ファイバーレーザーの研究 (2019)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] OAM Beam via Deep Reinforcement Learning based Coherent Beam Combination (2019)
  • Author(s): Henrik Tunnermann and Akira Shirakawa
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia 2019, 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Combining efficiency in divided pulse amplification (2019)
  • Author(s): Ei Jo, H. Tunnermann, and A. Shirakawa
  • Organizer: Workshorp on high power lasers at Jiangsu Normal University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reinforcement learning for phase control in coherent beam combining (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: Workshorp on high power lasers at Jiangsu Normal University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reinforcement learning for coherent beam combination (2019)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: Photonics West 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 可飽和吸収体によるマルチコアファイバーレーザーの位相同期に向けたモード同期ファイバーレーザーの研究 (2019)
  • Author(s): 川村朋稔、白川晃
  • Organizer: 第19回レーザー学会東京支部研究会
• [Presentation] Nonlinear Effects and Combining Efficiency in Divided Pulse Amplification (2019)
  • Author(s): Ei Jo，Henrik Tunnermann，Akira Shirakawa
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [Presentation] 能動モード同期によるマルチコアファイバーのスーパーモード選択 (2019)
  • Author(s): 成富未夢人, 白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [Presentation] マルチコアファイバーレーザーの横モード解析 (2019)
  • Author(s): 梯太郎，Henrik Tunnermann，白川晃
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [Presentation] End-to-end reinforcement learning for coherent beam combination (2018)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: 8th EPS-QEOD Europhoton Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reinforcement Learning for Coherent Beam Combining (2018)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: CLEO-PR 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Probabilistic Phase Control for Coherent Beam Combining (2018)
  • Author(s): H. Tunnermann and A. Shirakawa
  • Organizer: CLEO 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mode analysis in phase-locked multicore fiber laser by interference method (2018)
  • Author(s): A. Shirakawa, Y. Kurosu, and H. Tunnermann
  • Organizer: Photonics Europe 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高出力ファイバーレーザーの基礎と最新動向 (2018)
  • Author(s): 白川晃
  • Organizer: レーザー学会東京支部セミナー
  • Invited
• [Presentation] Nonlinearities in Divided Pulse Amplification (2018)
  • Author(s): Ei Jo, Koji Iwata, Henrik Tunnermann, and Akira Shirakawa
  • Organizer: レーザー学会第525回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] マルチコアファイバーレーザーの横モード解析 (2018)
  • Author(s): 梯太郎，白川晃
  • Organizer: レーザー学会第525回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] 音響光学変調器を用いたマルチコアファイバーのスーパーモード選択 (2018)
  • Author(s): 成富未夢人、白川晃
  • Organizer: レーザー学会第525回研究会「ファイバーレーザー技術」
• [Presentation] Coherent Beam Combination via deep reinforcement learning (2018)
  • Author(s): Henrik Tunnermann and Akira Shirakawa
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia 2018, 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 位相同期マルチコアファイバーレーザーの最近の展開 (2018)
  • Author(s): 白川晃
  • Organizer: レーザー学会 「ファイバーレーザー技術」専門委員会