2015 Fiscal Year Research-status Report
高エネルギー効率化を可能とする国産技術中心の位相結合ファイバレーザーの高出力化
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26390090
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| Research Institution | Kinki 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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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ファイバレーザー / 位相加算 / 位相結合 / コヒーレント加算 / コヒーレント共振器結合 / 光ファイバ / ファイバ中の位相制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ファイバレーザーの位相結合、あるいはコヒーレント共振器結合と呼ばれる技術を用いて、複数のファイバレーザー共振器の出力を、単一のファイバに統合し、単一のファイバから得られる出力を高める研究を行っている。また、その技術を展開して、複数の経路を伝搬した光を合波する、コヒーレント加算に関する開発も進めている。
これらの技術を展開する上で、複数のファイバレーザー共振器の光学的な長さを約10nmの精度で一致させることにより、各レーザー共振器から得られる光波の電磁波としての周波数並びに位相と偏波を統一させ、ファイバカプラと呼ばれるファイバ型の方向性結合器を利用して、複数のレーザー出力を単一のファイバに統合している。
上記目標の実現には、温度や振動に起因した、ファイバに生じる長さ並びに複屈折を補償する必要がある。昨年度までの研究成果により、電界の振動方向である偏波を動的なフィードバックなどを用いること無く自動的に補償する技術に目処を付けた。今年度はさらに、長さの変動を自動的に制御する技術を開発し、ほぼ、無制御で複数のファイバから得られるレーザー出力を単一のファイバに束ねることに成功した。
また、これらの成果により、複数の光増幅器によって増幅されたパルスレーザーを、位相差無く再合波可能になっており、ファイバを用いた従来の光増幅のでは困難であった、高出力パルスの発生にも道筋を開くことができた。
連続波のファイバレーザー出力も高出力化が進んでおり、モードフィールド径(ファイバ中で光が伝搬している直径)が10μm程度しか無い、通常の単一モードファイバから4W超を得られており、5Wを得る準備は整っている。
これらの開発で用いた技術は、光ファイバ通信技術をベースにしており、もともと日本が得意とする技術を新たな発想で活用することにより実現しており、安定性などの面でも実用化を視野に入れたものとなっている。
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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
現在、産業分野でファイバレーザーが多数用いられ、従来の鏡を用いた空間光の共振器を利用したレーザー装置の新規導入を上回っている。ファイバレーザーで用いられている技術の多くは海外で発想されたものであり、国産技術を軸としたファイバレーザーの開発を目標としている。そのためには、現在市販されているファイバレーザーとは異なる手法で高出力化を進めなければならない。
本研究課題の2年目として、5Wの出力を目標にしており、本研究において従来技術の問題点を抑制し、新たに開発したコヒーレント共振器結合技術により目標値をほぼ達成できている。また、今後解決すべき技術的な課題も既に明らかにされている。これに加えて火開発並びに実用化に必要となる、高いパワーを有するレーザー出力を、高速かつ高精度に測定するための光パワーメーターの開発もほぼ完了しており、次年度に導入予定の高出力ファイバレーザーを用いて、そのパワー耐力と応答性を評価する。さらに、可視光連続波ファイバレーザーの開発並びにパルス化も進めており、次年度は複数の可視光ファイバレーザーをコヒーレント共振器結合により、高出力化する予定となっている。
また、高出力化の高効率化並びに安定化のために必要となる、偏波面の自動補償に加えて、当初の予定に含まれていなかった共振器長の自動補償に関しても新規な発想による展開が生じている。偏波面の自動補償に関しては、過去の研究で指摘をしていた、偏波面のフリップを抑制できており、完成するファイバレーザーの高い安定動作が期待できる。
高出力なレーザー光を伝送可能な光部品の開発も、溶融延伸型カプラならびに高出力光伝搬時にファイバのコアが溶融するとされているファイバヒューズの検討も開始した。
これらの状況を総合的に判断し、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
全長が30mを越えるファイバの長さを、研究者がモニターを見ながら実質的に10nm程度の精度で制御し、複数のファイバ長を一致させる技術の開発に成功している。しかしながら、これらを電気的なフィードバックで制御し、安定状態を維持し続けられる技術を開発する。そのためのプログラムの開発なども予定している。また、昨年度開発した、ファイバ光学系が自ら長さや偏波を一定に保つシステムに関して、高速な環境変動への応答能力などについてロバスト性を中心に検討を予定する。
また、今回の開発に欠かせない高出力な光のパワーを評価するためのパワーメーターを開発しているが、試作したパワーメーターの最大の特徴である、パイロなどの熱電変換素子を用いた従来の光パワー評価では得る事が不可能な、高速応答性を評価する予定である。
現在進めている高出力化に関して、全単一モードファイバの光学系により、5Wの出力を得られることを実証する。これにより、元来日本に高い技術が存在している、通信用光部品を用いた産業用レーザー開発に一つの目処が付けられる。
可視光のコヒーレント共振器結合に関しては、フッ化物ファイバを用いたPrドープファイバを用いることにより、可視光レーザーの開発を既に進めているが、共振器の結合に関して減額された予算の範囲でどこまで進められるか検討を行う。可能であれば、是非とも可視光でも同様の技術が適用可能であることを確認したい。
本研究課題において開発された、コヒーレント共振器結合の研究成果を、レーザー応用に関連する国際的な会議であるICALEOにて発表する。また、同時に、メーカーが多数集まる同会議の会場において、将来的な産業用レーザー装置への要求事項などに関する調査を実施し今後の開発に反映させる。
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