2021 Fiscal Year Research-status Report
Oscillation mechanism elucidation and practical use elemental technology research on noise-like pulse laser that develops new processing and measurement region
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20K05370
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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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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 光ファイバ / ファイバレーザー / パルスレーザー / 雑音状パルス / パルス群 / フェムト秒パルス / 広帯域光源 / 非線形光学効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
雑音状パルスの持つ特性は、ナノ秒に広がる広い包絡線内に、サブピコ秒と考えられる多数のパルスが群を成している点にある。これにより高い非線形性と共に高い安定性と低い可干渉性が得られていることが徐々に明らかになりつつある。今年度の成果として、パルス発生機序の解明と発振条件の特定を進めてきた。
今回用いているレーザー共振器は、極めて斬新な構成を有しており、従来の考え方では連続波はもとよりパルス発振すら難しいとレーザーに詳しい研究者であれば考えざるを得ない構成となっている。この構成の中では、高度に非線形性を発揮する、時間的にエネルギーの集中した高強度短パルスが必要であることがわかる。しかしながら、高強度であるが故に内部の偏光子によってパルス分離が生じ、これを繰り返すことによりパルス群を形成していることが予想される。
具体的なパルスの数がどの程度になっているのかはわからないが、スペクトルの広がりからパルス幅500フェムト秒程度のパルスの集合体であることが予想される。さらに、短パルスの集合体であるため、その立ち上がりが有する特性によって非線形性が強く生じていることも確認できており、波長変換に用いる種光源として、従来の単パルスな短パルスレーザーでは得られない特性が発現している模様である。
現在、このパルスを二つの方法で高出力化することにより新しい用途範囲を探っている。一つは、高ピークパワー化とランダム性を利用し、現在知られているファイバレーザーよりも高い非線形効果を得ることにより、波長拡張などを効率よく発生させること。具体的には、高分散媒質を利用したパルスの拡張と、拡張後パルスの増幅と時間圧縮技術の開発。次には、パルスを直接増幅可能な低非線形な光増幅器の開発である。何れの方法も基礎的なデータが揃いつつあり、ファイバメーカーの協力も得ながら新規な構造の増幅器も検討を進めている。
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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
当初の予定として、令和3年度は①発振機序の解明 ならびに ②雑音状パルス光学系の特性解明 ③雑音状パルスの高エネルギー化 が軸となっている。
①に相当する発振機序の解明は、レーザー共振器の長さおよび分散特性ならびに非線形性を制御することにより、自発的なパルス発振の条件を見出しているが、発振したパルス特性を高める条件との両立に課題が有り、複数の増幅光学系を接続することによる発振部と増幅部を分離させる構成も視野に入れている。現在、ファイバ条件のマッピングを進めており、単パルスレーザーのための構成と雑音状パルスのための構成の分離は進みつつあり、何れを発振させたいかを選択可能になっている。
②に記載した、雑音状パルスとして得られている光パルスの特性は、サブピコ秒と考えられる光パルスが無数に群を作っている状態であり、現在の光と電気計測技術を用いても直接的に測定することはできず、これまでに得られている結果からの推論の域を出ていない状況である。しかしながら、スペクトルに30 nm程度の広がりがあることから500フェムト秒以下の単パルスの集合体であることがわかってきた。一方で、包絡線の内部に含まれる単パルスの数を明らかにすることは極めて困難であると共に、強度揺らぎの強いパルスが群を成していることが予想され評価を困難にすることが予想される。
③の高エネルギー化は、雑音状パルスが有する広いパルス幅とスペクトル幅を利用した低非線形性を活用する予定で進めている。例えば、パルス幅が1ピコ秒のパルスと比較して1ナノ秒のパルスは時間的に1000倍の広がりを有しているため、パルス群としての高エネルギー化が可能であると考えている。また、内部の個々のパルスが持つ時間的な立ち上がりは、商用可能な短パルスレーザーの限界に近く、これによる周波数広がりが、ファイバの波長分散を非線形性の発現に効果的に寄与させている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は最終年度となり、当初予定していたいくつかの研究内容をまとめ、対外発表を行う予定としている。
本年度までに明らかになった発振機序から、光学系と雑音状パルスの光学特性の解明と応用を進める。具体的には以下の三項目を軸とする。
発生したスペクトルの安定性の高さから推定されるように、雑音状パルスの包絡線も安定であることを前提にしていたが、これを実験的に測定してみる必要がある。また、包絡線内部の単パルスの状況も評価する必要があり手法の検討を進める。後者は今日の高速計測技術では極めて困難であるが、間接的な検証も含めて進めたいと考えている。
サブピコ秒の単パルスと同様の短パルスの集団で群を構成していることがほぼ間違いの無い雑音状パルスである。その単パルスの特性によって、ナノ秒の包絡線でありながら、広いスペクトルや高い非線形性が得られているものと考えている。得られている現象の効率を高め、さらに応用範囲を広げるためにはパルスの高出力化が必要と考えている。現在、スペクトル幅の広さを利用し、分散媒質を利用したパルス幅の拡張により非線形性を抑える方法の準備を進めている。また、非線形性を抑制するためにモードエリアを拡大した増幅用光ファイバの準備も進めており、誘導ラマン散乱とブリルアン散乱による特性劣化を防止した増幅の検討を進める。
現在、雑音状パルスに関するいくつかの応用の検討を進めている。一つは光ファイバとの接続性の良さを利用し、高い輝度を維持したまま、分散制御した長尺ファイバに伝送させ、白色光源の開発を進める。従来の白色光発生技術には、パルス特性によって、発現する非線形光学効果が大きく変化する欠点があり、白色光のスペクトルと強度不安定性は単パルスレーザーが持つ揺らぎを拡大したものとなり、高い不安定性を持つ。故に、ハロゲンランプなどの白色光の代替とはならなかった。この課題を解決する。
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| Causes of Carryover |
本年度は初年度に続き国際会学会における発表を予定してたが、コロナの影響によりそれを国内の発表に切り替えると共に、研究に必要となる物品費と充当した。また、可能であれば次年度に学会発表を実施するために、当初学会発表に予定していた予定金額を下回る程度を繰り越すこととした。国際学会における発表を計画することが困難と判断した場合は、研究成果を高めるための物品費として利用する予定である。
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