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1 ファイバーレーザーや固体レーザー発振器 のフェムト秒タイミング同期とその応用 産業技術総合研究所 小林洋平

2 ガスレーザー レーザーの種類と特徴 高出力 狭帯域 大きい 制御性 エキシマ He-Ne CO2 アルゴンなど 半導体レーザー 小型 波長可変 高出力 デザインできない >500fs GaAs InGaAs など 固体レーザー 高出力 広帯域 超短パルス <10fs 制御性 複雑 長時間 チタンサファイア YAG YVO4 など ファイバーレーザー 小型 安定 通信波長帯 ~100fs 出力 ~mw~ エルビウム イッテルビウム 色素レーザー 波長可変 超短パルス 狭帯域 複雑 不安定 各種ローダミンなど

3 平均出力 レーザーのパラメータ ガスレーザー 固体レーザー パルス幅 固体レーザー 繰り返し周波数 半導体レーザー ファイバーレーザー 波長 固体レーザー 色素レーザー 安定性 半導体レーザー ファイバーレーザー

4 加速器のシステムに必要と思われるレーザー ERL SOR 衝突実験 0.8ミクロン? レーザー 3 タイミング同期 ( 検出器 ) 加速用 RFアンプマスター発振器? >km ファイバーリンク タイミングデリバリ フォトカソード 1ミクロン? nm? レーザー 1 タイミング同期レーザー 2 1.5ミクロン

5 加速器のシステムに必要と思われるレー フォトカソード ザーの特性 fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10W! 波長 nm nm? もし紫外なら上記パワーの 2~3 倍必要! 固体レーザー又はファイバーレーザー + 増幅器 タイミング伝送用 fs 通信波長帯 Er ファイバーレーザー

6 fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10Wレー フェムト秒 1GHz 10nJ 固体レーザー ザーの候補 チタンサファイアレーザー クロムフォルステライトレーザー Yb:YAG YAG Yb:KGW など ファイバーレーザー エルビウム イッテルビウム 色素レーザー OPA チタンサファイアレーザー ファイバーレーザー? Yb 固体レーザー? 発振器 GHz では無理 (Yb( ディスクレーザーであるか?) >10W ファイバーアンプ (Yb( だと kw Er-Yb だと 100W) Evidence of thermal effects in a high-power Er3+-Yb3+ fiber laser Guillaume Canat, Jean-Claude Mollier, Yves Jaouën, and Bernard Dussardier Optics Letters, Vol. 30, Issue 22, pp

7 fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10Wレーザー 1ミクロン又は 500nm の場合 発振器チタンサファイアレーザー mW 1ミクロン成分 (mw)( をYb ファイバー増幅器で 10W にする GHz チタンサファイアレーザー YDF CM CaF2 OC Pump LD CM TiS CM SHG Yb: ファイバーレーザー発振器 >10 W 10 W@500

8 fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10W nm 発振器 Er ファイバーレーザー mw Yb-Er co-doped ファイバー増幅器で 20Wにする SHG で 775nm 10W DC Er-Yb co-doped fiber Pump LD SHG Er: ファイバーレーザー発振器又は Ti:sapphire

9 fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10W nm OPA だと 発振器 Yb ファイバーレーザー 増幅器 Yb ファイバー OPA BBO Yb doped fiber GHz-Ti:sapphire Pump LD SHG BBO

10 ファイバーレーザー発振器 エルビウム非線形偏波回転モード同期レーザー 1550nm, 1mW, 40MHz PC+Pol. EDF OC PC L 980nm LD 200mW Isolator DSF WDM PC+Pol. Yb は作成中

11 Yb ファイバー増幅器 pump LD 980nm 25W 100MHzYb ガラスレーザー発振器 λ/2 λ/4 isolator single-mode double-clad YDF DM out

12 Yb ファイバー増幅器 チタンサファイアレーザーシード 100MHz 繰り返しYbファイバアンプ平均出力 7 W パルスエネルギー 70 nj パルス幅 ( 圧縮後 ) 114 fs 大沼他 2006 年秋季応用物理学会 1p-W-7

13 タイミング同期 フォトカソード用レーザーと応用実験用レーザーとのタイミング同期 要望は何 fs? 異なる繰り返し周波数のレーザー間の同期 遠方のレーザー間の同期 これらを解決する必要がある 以前 FESTA と共同で行ったまさに この用途のタイミング同期実験を紹介する

14 2.856 GHz 119MHz レーザーのタイミング同期 MHz laser PD PD BPF 24th harmonic Phase detector BPF Fundamental Stretcher MHz PZT driver SFG LF OSC PM 119MHz laser DL PM 2856MHz PZT controller D/A dt A/D Reference Voltage PD: photodiode, BPF : Bandpass filter, SFG: sum-frequency generation, LF: 400nm line filter, PM: photomultiplier, OSC: oscilloscope, DL: delay line.

15 実験装置外観 2856M laser 119M laser BBO

16 電気の PLL 制御だけの場合 相関光を用いた時間ジッター計測結果 フォトダイオードによる光検出 測定帯域最大 300 khz 測定帯域時間ジッター 300 khz Hz 5.7 fs 30 khz Hz 6.3 fs 3 khz 25 mhz 4.9 fs Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) fs Delay (fs) 相互相関光のプロファイル Time (sec) 帯域 3 khz での測定結果

17 発生したドリフトのようす Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) Delay (fs) 掃引相互相関波形 Time (min) ドリフトの観測 5 15 min / 100 fs 原因として考えられるもの 温度変化による光学定盤や RF ケーブルの伸縮 位相比較器の基準参照電圧の変動

18 長時間同期 (+ 相関光フィードバック ) RMS jitter < 4 fs (50 Hz サンプリング ) 同期精度を維持したまま 1 時間以上の運転が可能になった 2 台のチタンサファイアレーザーはタイミング同期できる

19 ファイバーレーザーのタイミング同期 Timing control Master clock Timing or clock delivery Mode-locked Fiber laser Precise timing control of the fiber laser is required for clock delivery in a short range application (10-km region). 10-fs timing jitter with active control was demonstrated [*] How How precise can we control the timing jitter? [*] D. D. Hudson, et. al., Opt. Lett. 31, 1951 (2006).

20 我々独自の技術 - 受動タイミング同期 master slave Pulse timing of fiber laser is passively locked to the master laser by cross-phase modulation. Intensity fluctuation of the sum frequency corresponds to the timing fluctuation.

21 Results -Timing synchronization Picture of master (upper) and slave (lower) pulses Tolerance of cavity mismatch Rep. Freq. (Hz) MHz End Mirror Position (μm) Repetition rate of fiber laser is synchronized to that of master laser. Tolerance is ~ 400 Hz.

22 Result - Timing jitter BBO PMT OSC+FFT 10 Jitter PSD (fs 2 /Hz) Frequency (Hz) rms jitter (fs) 2 Hz- 100 khz 3.7 Hz 100 khz D. Yoshitomi et. al. To be appeared in Opt. Lett.

23 Two-fiber lasers 40 MHz Ring Er-fiber laser2 Master laser 1.3 μm Mode-locked Cr:forsterite laser 80 MHz Ring Er-fiber laser1 1.5 μm 40 MHz PMT Spectrum analyzer

24 Stability of passive timing locking Master laser Fiber laser 1 Fiber laser 2

25 800nm-1300nm fs パルスの受動タイミング同期 Nd:YVO4 CM CrF CM PZT SESAM CM CM OC 5% CM TiS CM CM Nd:YVO4 SH CM CM CM OC 1.5% 60cm TiS, Ti:sapphire; CrF, Cr:forsterite; CM, Chirped Mirror; OC, Output Coupler; PZT, Piezoelectric Transducer; SESAM, Semiconductor Saturable Absorber Mirror

26 Timing jitter in various observation bandwidths Delay (1fs/div) Time (s)

27 その他の技術 タイミング同期 + 光位相同期 高強度チタンサファイアレーザーシステム (> TW) 高強度物理 ( 高次高調波発生など ) 光原子時計の発振器技術 ( 光周波数コム )

28 例えば ERL SOR ポンプープローブ実験 加速用 RF アンプ フォトカソード 775nm 0.8ミクロン? チタンサファイアタイミング同期 ( 検出器 ) 補助用発振器 >km ファイバーリンク タイミングデリバリ + 安全回路 Yb-Er ファイバーアンプ +SHG Er- ファイバー発振器 1.5 ミクロン タイミングデリバリ マスター発振器

29 まとめ チタンサファイアレーザー +Yb+ ファイバーアンプ 又は Yb ファイバーレーザー +Yb+ ファイバーアンプ がフォトカソード用に適当? 電気的なフィードバックでサブ 100fs レベルのタイミング同期は可能 ファイバーリンクで遠方のタイミング同期をするには今後の研究が必要 Yb ファイバーレーザーと Er ファイバーレーザーとの受動タイミング同期が有効

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