Yb:YAG thin diskモードロック発振器の開発 (R&D status for Yb:YAG thin disk mode-lock laser oscillator )

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1 Yb:YAG thin disk モードロック発振器の開発 (R&D status for Yb:YAG thin disk mode-lock laser oscillator ) 日本原子力研究開発機構小菅淳 1/21

2 関西光科学研究所における次期レーザー開発プロジェクト (H22~ 次期中期計画 ) 量子制御を用いた同位体分離のための高出力 THz 波発生用高効率 高出力レーザー光源の開発 開発目標 : 100mJ, 1ps, 1kHz, 波長 1µm 帯, Flat-top 空間プロファイルのレーザーを開発する Yb:YAG Thindisk 高出力発振器 増幅器への入力パワー数 10W Yb:YAG Thindisk チャープパルス増幅器 高出力 THz パルス波発生 Ti:S 発振器 Yb fiber 増幅器 プローブ光 プローブ光のパルス幅数 100fs 2/21

3 今後の研究について : レーザー コンプトン ガンマ線のためのレーザー開発 目標 : 核種の非破壊測定技術の確立 入射ガンマ線 2143 kev Pu-239 同位体に固有の原子核共鳴蛍光散乱 ガンマ線を用いた原子核共鳴蛍光散乱により核検認をおこなう 蛍光ガンマ線 2143 kev 原子核反応を 選択的に実行 エネルギー可変 単色ガンマ線ビーム ( ガンマ線 ) Scattered Photon 逆コンプトン散乱 Incident Photon(Laser) エネルギー回収型ライナック (ERL) を用いたレーザーコンプトン ガンマ線源 Electron 開発するレーザー装置必要となるレーザー仕様繰り返し周波数 :~100MHz パルス幅 :~5ps 衝突点での平均出力 :>100kW( 光蓄積 ) 2 1 3/21 平均出力 100W 級レーザー + Enhancement Cavity

4 材料 Nd:YAG Ti:sapphire Yb:YAG 蛍光フーリエ限界パルス幅 2.5ps 2.59fs 165fs 吸収高効率 高出力のためのレーザー媒質 Yb 添加媒質の特徴 長所 : 高い量子効率 (>90%) 長い蛍光寿命 (~1msec) 蛍光スペクトル幅が広い短所 : レーザー光の再吸収が起こる 高効率なレーザ発振が可能パルスレーザの高出力化が可能サブピコ秒の超短パルス光の発生が可能高密度励起により問題解決可能 代表的なレーザ結晶の特性比較 660~ 蛍光波長 1064nm 1029nm 1100nm 蛍光寿命 ~0.23ms ms 0.96ms 蛍光スペクトル幅 0.67nm 440nm 9.5nm 吸収波長 807.5nm 488nm 941nm 吸収スペクトル幅 1.5nm 200nm 21nm 量子効率 /21 高効率 高出力のためのレーザー媒質 Yb 添加媒質を用いる

5 高効率 高出力のためのレーザー形状 高平均出力のためのレーザー形状 高平均出力のためにはレーザー媒質を効率的に冷却し 熱レンズ効果を低減させる必要がある ロッド型 : 排熱が難しい Fiber 型 Thindisk 型 : 排熱が容易 ロッド型長所 : 取り扱いが容易短所 : 熱レンズ効果による自己収束が起こる fiber 型長所 : 空冷で十分冷却可能 高ビーム品質 高効率短所 : 非線形効果が起こりやすい ASE( 自然放出光の増幅 ) が発生しやすい Thindisk 型長所 : 排熱が容易で熱レンズ効果が低減できる短所 : 利得媒質長が短い 5/21 高効率 高出力のためのレーザー形状 Fiber 型 Thindisk 型を用いる

6 Yb:YAG Thindisk 高出力発振器 6/21

7 Yb:YAG Thindisk 高出力発振器 モードロック発振器の構成図 Thindisk モジュール Thindisk モジュール Fiber coupled LD Thindisk 高出力発振器における課題 CW 発振の発振特性の評価 モードロック発振の実現 Yb:YAG Thindisk Thickness: 220μm Yb concentration: 7at.% With wedge, AR & HR coating Dausinger + Giesen GmbH (D+G) Thin disk 型レーザー媒質の特徴 媒質中の非線形光学効果を大幅に低減できる 冷却面積を大きくすることで高効率な排熱が可能 Thin disk がレーザー媒質とともに発振器中の反射ミラーの 1 部として動作する 単純な CW 発振器を組みの発振特性の測定をおこなう 繰り返し周波数に対応した共振器設計をおこない 分散補償素子 ( 負分散ミラー ) を用いてモードロック発振させる 7/21

8 CW 発振の発振特性の測定 Thindisk がレーザー媒質として機能するかの確認として 1 枚の凹面鏡を用いて一番単純な CW 発振器を組み 発振特性の測定をおこなった Thindisk Pump Pump 光の Thindisk 上でのビーム径 : 3.3mm アパーチャー Thindisk: R=7.92m-CC,OC: R=0.5m-CC とした時の発振条件 L Thindisk module Thin disk 上のビーム径 : 0.6mm Output Coupler 上でのビーム径 : 1.0mm CW 発振の発振特性 Output Coupler 反射率 =95% 曲率 =0.5m-CC 発振のビームパターン CW: 31.96W Pump: 65.6W 0 < L < 500mm の範囲で発振 Aperture を閉じることで Single-mode 発振に近づいていく Multimode Oscillation Aperture Open CW: 4.89W Pump: 65.6W 発振閾値 Multimode 発振 Pump Power 14.4W Nearly Single-mode 発振 Pump Power 15.8W Aperture Φ4mm Nearly Single-mode Oscillation Thindisk を用いた CW 発振器を組み 最大出力 32W が得られた 8/21

9 Yb:YAG Thindisk モードロック発振 励起時の Thindisk の曲率半径を測定することができたので これをもとに繰り返し周波数 30MHz のモードロック発振器を設計する モードロック発振器の構成図 Thindisk Pump spot: φ1.9mm 凹面鏡 f = 1.0m-CC 凹面鏡 f = 1.0m-CC Cavity 設計 0.95m 0.95m 1.15m 1.75m Output Coupler 可飽和吸収ミラー (SESAM) Cavity length: 4.8m (Total: 9.6m) Rep. rate: 31.2 MHz 9/21

10 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器 安定的な mode locking 動作に必要な条件 CW mode lock のための intra cavity pulse energy: E p の条件 E p > E E, E, R = F, A, F, A, p, c sat L sat A sat L eff L sat A eff A C. Höninger et al., JOSAB 16, 46 (1999). Soliton mode lock のための分散補償 R SESAM: SAM ps (BATOP GmbH) 2 F sat, A = 90 µ J cm (Saturation fluence) R = 0.4% (Modulation depth) 1 2 F sat, L = 9. 6 J cm (Yb:YAG Saturation fluence) 4 2 A eff, A = cm (SESAM 上でのビーム面積 ) 2 A eff, L = cm (Yb:YAG 上でのビーム面積 ) E p >E p,c =9.7μJ Solitonモードロックのための条件 Gaussian beam の時, SPM 係数 γ は τ p D γ E 2kn2L γ = 2 πw p τ p : パルス幅 D: GDD γ: SPM 係数 E p : intracavity pulse energy GDD: 約 10000fs 2 k=2π/λ Δφ=γP (Δφ: nonlinear phase change, P:optical power) L: Kerr 媒質長 n2: nonlinear refractive index w: ビーム半径 10/21

11 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器 観測されたモードロックパルス列 λ =1.4nm Output coupler: 1% SESAM: SAM ps モードロックパルス出力 2.64W (intracavity pulse energy: 8.5μJ) 11/21

12 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器の最新研究動向 1 Max Planck Institute of Quantum Optics F. Krausz s group 今までの Thin disk モードロック発振器では 強度変調を過飽和吸収ミラー (SESAM) のみで行なっていた (Thin disk 上でビーム径が大きく 媒質長が短いため 非線形光学過程である Kerr lens 効果が十分起こらない ) 発振器の性能が SESAM の性能で左右される ( 性能のよい SESAM が手に入らない ) Kerr lens モードロックを目指す 12/21

13 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器の最新研究動向 1 Kerr lens 効果共振器内に集光点を作り 1mm 厚の fused silica 板を挿入し 近くに hard aperture( ピンホール ) を入れ強度変調によりモードロックがかかる ( 実際には Kerr lens 効果 +SESAM によりモードロックをかけている ) SESAM の改良ダメージを抑えるため SASEM の最外層 (GaAs) の上に多層膜コーティング (Ta 2 O 5 +SiO 2 ) を行う これにより SESAM のダメージ閾値は上がり それと同時に強度変調効果は弱まる モードロック パルス Output power: 45W, Pulse duration: 270fs (OC: 14%) Output power: 17W, Pulse duration: 200fs (OC: 5.5%) 13/21

14 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器の最新研究動向 2 Max Planck Institute of Quantum Optics F. Krausz s group 14/21 Optics Express 20, 9835 (2012)

15 Yb:YAG Thindisk モードロック発振器の最新研究動向 2 Ti:sapphire 発振器と Yb:YAG thin disk 発振器の同期は Ti:sapphire 発振器の中にピエゾ素子を入れることにより行なっている 理由 : ピエゾで thin disk 発振器の状態に変化を与えると cw-mode locking から Q-swiched mode locking に移行してしまうため Thin disk 発振器の周波数ロックは難しいかも 15/21

16 繰り返し周波数ロック系の立ち上げ 16/21

17 繰り返し周波数ロック系の立ち上げ 無線通信用 PLL(Phase-Lock-Loop) 技術をベース 設計の考え方 参考文献が充実 低雑音の専用 ICチップがラインナップ 参考 : 無線装置で利用されている周波数ロック系 ( 基本構成は同じ ) より引用 年度明けより Ti:Sa モードロックレーザーをテストベンチとして立ち上げ 開発を進めている ( 年度中に Thin-disk laser に組み込む予定 ) 17/21

18 立ち上げを行った Ti:Sa モードロックレーザー 写真 ( 全景 ) 計測結果 1( パルス列 ) f=89 MHz) 構成図 Pumping laser Verdi (5W) ピエゾアクチュエーター付エンドミラー 計測結果 2( スペクトル ) Δλ~15nm(FWHM) ( その後の調整で現在は >50nm) PhotoD レーザーの性能 ( 実測 ): 出力 : 170mW(2.7W pumping) ~300mW(3W pumping) 繰り返し周波数 : 89MHz 中心波長 : ~780nm 波長幅 (FWHM): 15nm >50nm 18/21

19 今回試験的に構成した周波数ロック制御系 (PLL ヘテロダイン式 ) PhotoD BPF Limit AMP Newport 818-BB-20 PhotoD 89MHz Daishin DRF-FM RADIO x2 Analog Devices EVAL-ADCMP580 Ti:Sa laser (f=89mhz) Mini-circuits TUF MHz OSC1 R&S SMA100A FREQUENCY ELECTRONICS FE-5680A LPF NFcorp FV628B OSC2 Rb timebase µpc (LPF2) f c =250Hz Freq. counter 25kHz 25kHz SRS DG-535 NXP semi. LPC1768 (Cortex-M3, µpc+adc+dac) PZT Limit AMP PD(PFD) LPF1 Adder PZT Mess-tek M-5522 Natio. semi. LM6365 NXP semi. 74HC4046 f c =7kHz Linear technology LT1569CS8-7 Hitachi HA /21

20 結果 ( ジッターの評価結果 ) 現在までの進捗 評価方法 :~25kHz の信号 ( 周波数 ) を 周波数カウンター ( タイムベースは FE-5680A) ゲート時間 3 種 (0.01/0.1/1sec) で計測 ( データ数 N=100) に換算 ( 評価方法は妥当? 妥当性を確かめるため他の評価方法も検討 ( 中 ) 良い方法があればご教示いただければ幸いです ) 系全体の Jitter( 計測器由来の測定誤差は <0.2ps( 要評価方法の妥当性 )) J RMS,t=0.01sec J RMS,t=0.1sec J RMS,t=1sec =0.6ps( 暫定値 )@Locking system =1.7ps( )@Locking system =1.8ps( )@Locking system OSC1(SMA100A) の寄与 (@89MHz 発振 ) J RMS,t=0.01sec =0.07ps (d.sheetから類推) J RMS,t=0.1sec =0.08ps (d.sheetから類推) J RMS,t=1sec =0.2ps (d.sheetから類推) OSC2(DG535) の寄与 (25kHz 発振 89MHz 換算 ) J RMS,t=0.01sec =0.4ps 相当 ( 暫定値 ) J RMS,t=0.1sec =1.7ps 相当 ( 暫定値 ) J RMS,t=1sec =1.6ps 相当 ( 暫定値 ) 雑音の大部分は DG535 に由来 (SMA100A@25kHz 動作ではこの 1/2~1/8 であった ) 現在 OSC2 を DG535 に代替する形で OSC1 からの分周によるクロックの供給を進めている 20/21

21 現在のレーザーの開発状況 Yb YAG thin disk 発振器 Yb fiber CPA 増幅器 繰り返し周波数ロック系の立ち上げ (Ti:sapphire laser) 21/21

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