2020 Fiscal Year Research-status Report
波長2μm帯レーザー加工用、高エネルギー超短パルスTmファイバー発振器の開発
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19K05301
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
戸倉川 正樹 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 准教授 (80728246)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 波長2μm帯短パルスレーザー / 加工光源 / ポリマー加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
波長2u帯レーザー光は現在主流の波長1uレーザー光では難しい、線形吸収を利用したポリマー加工や、非線形吸収を利用したシリコンの3次元加工などへの応用が期待される。本研究は波長2μm帯レーザー加工用、高エネルギー短パルスTmファイバー光源の開発とそれを用いたレーザー加工の実施を行い、新しい波長帯での新しいレーザー加工の実現を目指している。
加工光源としてはナノ秒領域とフェムト秒領域の2種を開発している。ナノ秒領域では波長2um帯で線形吸収を示すポリマー材の熱、フェムト秒領域ではアブレーション加工や透明となるシリコン材料などの3次元加工へと適用する。
ナノ秒光源では、光音響変調素子を利用したQスイッチファイバーレーザーにより1-100 kHzの繰り返しでuJ～ｍJ レベルの高エネルギーな短パルス発生を目指している。このとき短パルス性を高めるために誘導ブリルアン散乱による非線形フィードバック効果を利用し、従来のファイバーQスイッチ光源では不可能であった短パルス性を実現する。
フェムト秒領域では10 nJレベルのモード同期発振器と増幅システムを組み合わせ、10-30 MHzの繰り返しでサブps、100s nJ~uJレベルの超短パルス発生と、増幅器を用いない発振器からの直接100s nJ~uJレベルの超短パルス発生が可能なシステムの2種の開発を目指している。このとき波長2u帯で正常分散を有する特殊なTm添加ZBLANファイバーとW型屈折率分布Tm添加シリカファイバーを利用し、従来波長2um帯モード同期ファイバー光源では実現が難しかった、全正常分散や散逸ソリトンと呼ばれる発振動作を実現し、発振委から得られるフェムト秒超短パルス光の出力スケーリングを高める。これらの光源を用いた加工光学系も作製し加工実験を加工痕の形状やレーザーパラメーター依存性データの蓄積を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ナノ秒領域加工光源としては光音響変調素子と、波長選択素子として回折格子を組み込み100 nm程度の波長可変性を有するQスイッチパルスファイバー光源を実現した。また非線形ブリルアン散乱フィードバックを利用することによって繰り返し1kHz程度で、従来の波長2um帯ファイバーQスイッチ光源と比べて1桁近く短い5 ns以下の短パルス発生を100 uJ近いパルスエネルギーで実現した。しかしこのパルス幅や波形に関してランダム性が見られた。レーザー加工光学系を構築し、開発したナノ秒レーザーを繰り返し50kHz程度として平均出力を高めた状態で用い、ポリマー材料に対してレーザー加工実験を行った。
フェムト秒領域加工光源としては、まず正常分散Tｍ:ZBLANダブルクラッドファイバーを用いて、Mamyshev発振器と呼ばれる現在波長1um帯で最も高いパルスエネルギーを発生可能としているレーザーを波長2umで実現することを目指した。前段階としてMamyshev発振器に移行可能な共振器構成とし、モード同期発振実験を行い、モード同期と思われるパルス発振を観測した。しかし更にレーザーの出力を増加させたところ使用していたTm:ZBLANファイバーに破損が起こってしまった。これはジャイアントパルス発振が起こってしまったためと考えられる。このためこの課題に関しては研究の方向性を再検討中である。
次にW型屈折率分布Tm添加シリカファイバーを利用し散逸ソリトン領域で動作可能なモード同期レーザーの開発を行った。このとき発振器からパルスエネルギー4nJのチャープしたサブpsモード同期パルスを得ることができた。スペクトル幅は60 nm程度あり分散制御によって1ps-100fsまでのパルス可変性の可能性を示している。これはフェムトチャープパルス増幅器の種光源として使用が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ秒領域加工光源は現在ファイバー端面の破壊現象がパルス出力の限界を決めている。これを防ぐためにファイバーエンドキャップによってファイバー端面でのモードエリアを拡大し一層の高出力化を目指す。またこれを種光源として大口径ファイバーによって増幅することによって、一層の高平均出力、高エネルギー化を行いより本格的なポリマー材料のレーザー加工実験を進める。
正常分散Tｍ:ZBLANダブルクラッドファイバーを用いたMamyshev発振器は、実験中にファイバーにダメージが発生してしまっており、現状のファイバーのダメージ閾値ではジャイアントパルスの発生から100nJレベルのスケーリングは難しいのではないかと思われる、このためTｍ:ZBLANダブルクラッドファイバーを発振器ではなく、ジャイアントパルスの発生抑制が容易な増幅器に用い、シミラリトン増幅によって高出力化を目指す。
W型屈折率分布Tm添加シリカファイバーを利用したモード同期レーザーでは、共振器の分散値の最適化によって10nJを超えるような高エネルギー化が見込まれる。しかし現状の４nJでも繰り返しをMHz程度とすれば増幅器の種光源としては十分とも考えられ、増幅システムに組み込み、高出力化を進め、パルス幅可変のレーザー加工実験を進める。このときアキシコンレンズなどで集光することによって、非回折ビームとして高アスペクト比のレーザー加工を実現したい。
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