2017 Fiscal Year Research-status Report
全ファイバ型フェムト秒パルスレーザーの産業応用に資する高エネルギー化と髙安定化
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17K05085
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
吉田 実 近畿大学, 理工学部, 教授 (50388493)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ファイバレーザー / フェムト秒パルス / ファイバ中の位相制御 / コヒーレント加算 / 光ファイバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ファイバレーザーの登場により、ビーム品質を低下させずに高出力かつ高効率なレーザーを得ることが可能になっている。しかしながら、従来技術では連続波あるいは比較的長いパルスの高出力化が中心であった。ファイバレーザーは、パルス幅が100フェムト秒に近い極めて短いパルスを適切な設計と調整技術があれば、比較的簡単な構成で発生させることが可能である。しかしながら、波長分散の制御な並びに横モードの制限が必要であるため、伝搬可能な断面積が制限されてしまい、単一パルスあたりの出力ならびにエネルギーを高めることができない。
これらの問題点を解決すべく、複数のファイバレーザーから得られるフェムト秒パルスレーザー出力を、一体化することにより高出力化を図ることを目的として研究を進めている。しかしながら、光は波であるため、複数のレーザーから得られる出力パルスの性質が同じで有り、なおかつ位相と偏波面(電界の振動方向)が揃っている必要がある。
これらに類することは他の研究期間でも実施されていたが、生産ラインに導入することが困難なデバイスを用いている。また、偏波面が不安定となるため、フェムト秒パルスレーザーの高出力化には適さない。低価格で安定な光学系を得ることを目標として複数の方法で光波の位相面を高精度に制御する技術を開発している。
また、当初は困難と考えていた、ファイバ中の位相ならびに偏波面の不安定性の解消にも目処が立っており、今後は位相面の制御技術の開発を進めると共に、空間合波に必要となる出射光学系の施策部品も第一次の試作間完了しており、本研究課題の重要な技術課題の基礎的な検討と部品性能の最適化なども進めていく方針である。
これらの合波技術の開発と同時に、従来は高価であったフェムト秒パルスレーザー発振器のロバスト性の向上や低価格化にも取り組んでおり、トータルで実用的な研究開発となることを目標としている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本計画では、フェムト秒パルスファイバレーザーから発振されたパルス光を複数のファイバに分割し、低出力化した後に個別に増幅することで全体のエネルギーを増加させた後に、光波の位相面と偏波面を一致させて合波することで単一パルスに復元し、最終的にパルスエネルギーの高いフェムト秒レーザーを得ることを目標にしている。三年間の計画の中で、平成29年度は発振器のパルスエネルギーの増加と位相の安定化、位相検出と制御方法の開発を進めている。
本計画を進めるために不可欠である、ファイバ中の光波の安定性に関しては検証が完了している。空気や実験台を伝わる音波の影響を、細くて長い導波路である光ファイバ中を伝搬する光波が受けることにより、高い周波数で位相や偏波が変動することを懸念していたが、これまでのところ環境から音波などの振動をほとんど受けないことがわかった。
しかしながら、主に温度変化に起因するファイバの実効屈折率と複屈折率の低速な変化が観測されており、偏波面と位相が低速で変化していることがわかった。
これらの成果から、ファイバの位相と偏波の制御と安定化には、秒単位の低速な制御で対応可能であることを明らかにした。
パルスエネルギーの増加には、コアの屈折率を下げてファイバ中を伝搬するパルスの断面積の拡大によりレーザーの輝度(断面積あたりのパワー)を低下させる設計を行い、基本的な実験を完了している。現時点で従来比1.5倍程度のパルスエネルギーの増加が得られる見込みである。
また、光波の位相検出に関して実験を進めており、連携研究者である天野により位相差を検出して制御用マイコンに取り込む実験を進めている。また、位相を制御するための特殊なファイバを制御するための制御ソフトとインタフェースも天野によって開発が進められている。本研究の成果は、既に電気学会に論文投稿を済ませており、秋頃までには上梓される予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、位相制御技術の向上と高エネルギー化を目指す。天野による位相の自動制御技術をファイバレーザーに実装し、性能確認を行い改良を進める。また、現在進めている位相制御には石英光ファイバのクラッド上に直接アルミニウムをコーティングしたファイバ(ACF)を用いている。ACFに電流を流すことにより加熱し、ACFの光路長を制御すし20～30nm程度の分解能で位相制御が可能となった。位相の制御は、温度変化によるファイバ長の増減と、温度変化によるファイバの屈折率変化が大きく作用していることが明らかになった。また、ファイバは細径ではあるが温度の変化には多少の時間を要する。一方、平成29年度に明らかになった様に、ファイバ中の位相ならび偏波の変動は低速であることから、雰囲気の温度変化の抑制による安定制御が可能であることも明らかにできており、制御技術の向上を図る。
異なる位相制御方式として、連携研究者である中山による液晶素子の試作が進められている。ネマチック液晶に電界を印加することにより生じる屈折率変化を利用して位相を変化させる。しかしながら、液晶は位相の変化と同時に偏波も回転させるため、ACFよりも偏波の回転量が大きく、これを、受動素子を用いずに補償するファイバ光学系の試験を行う。
当初の目標として全ファイバでコヒーレント加算を計画しているが、ファイバの非線形正による位相揺らぎ起因の限界、場合によっては破壊限界が課題となる可能性も有り、空間光による合波技術の開発にも着手し、位相の揃ったフェムト秒パルスを空間で合波し、単一のパルスとして扱うことも検討を行う。これに必要となるファイバアレイならびにレンズアレイとその一体化などを検討する予定である。
ファイバの温度安定性を向上させるための、環境制御も行う予定である。ACF等の発熱を適切に外部に逃しながら温度分布を適切に低減する系を構築する。
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