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かねろうたなせ
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偏光波形整形超広帯域光パルスを用いた差周波混合超短赤外パルス発生と波形整形 Grtio pul pig of ultrort ifrr pul troug iffrt frquc mixig uig polriztio p upr-cotiuum pul 吉清健太 (M), 藤井令央 (B), 廣澤賢一 ( 助教 ) K.Yoikio, L.Fuji, K.

1 偏光波形整形超広帯域光パルスを用いた差周波混合超短赤外パルス発生と波形整形 Grtio pul pig of ultrort ifrr pul troug iffrt frquc mixig uig polriztio p upr-cotiuum pul 吉清健太 (M), 藤井令央 (B), 廣澤賢一 ( 助教 ) K.Yoikio, L.Fuji, K.Hirow Abtrct W motr pul pr for upr-cotiuum (SC) pul gr wit Ar-fill ollow cor fibr. A w propo of w iffrt frquc mixig (DFM) cm witout otr ligt ourc. Bcu bot t two pctrl compot c iptl b p, DFM c p gr brob mi ifrr (MIR) pul, or wvlgt tubl rrow-b ub-pico MIR pul. な手法である [8 こちらは直接的な手法と比べ効率が高い一方で多光源のセットアップとなるため光学系が複雑になるそこで本研究では SC 光パルスの短波長側と長波長側を波形整形器内で差周波混合し中赤外光パルスの発生と波形整形を行う手法の考案と実証を試みたそのスキームを Fig.に示すまず希ガス封入中空ファイバによって発生した中心波長 8 mのsc 光パルスを LC-SLMを用いて短波長側 (-6m) と長波長側 (8-9m) を波形整形する. はじめにフェムト秒レーザ波形整形技術は任意のパルス波形を整形できる上目的とするパルス波形が不明な場合でも適応制御によって最適な状態に整形されるので応用性が高く興味深い研究が数多く展開されている [, 一方波形整形技術に関する研究も並行して行われ近年では SC(Supr-cotiuum ) 光パルスの位相波形整形 [ や位相だけでなく振幅位相の同時波形整形 [ 偏光状態がフェムト秒オーダで変化する時間依存偏光波形整形 [ が実現され波形整形後非線形結晶として用いて厚さ. mmのtp- ⅠBBO 結晶によって両者を差周波混合することで中赤外光パルスが発生する流れであるこの手法はつの光源で超短赤外パルスの発生と波形整形を行うため間接的な手法よりもコンパクトでありまた差周波混合におけるシグナル光とポンプ光の両方に位相変調を与えることができるので超短赤外パルスに任意の位相変調を与える他により広帯域な超短赤外パルスや波長可変狭帯域サブピコパルスの発生が可能となるているまた整形パルスの波長領域も近赤外領域だけでなく紫外領域から赤外領域まで広がり [6-8 より幅広い分野での応用が期待できる特に中赤外波長領域 (- µm) は多くの分子の固有振動モードと共鳴するため分子の構造解析や制御などに波形整形技術は非常に有用である中赤外波長領域の波形整形の手法は近赤外波長領域で一般的なLC-SLM (Liqui Crtl Sptil Ligt Moultor) を用いた変調ができないため次の通りの手法で行われるつ目がAOM (Acouto-Optic Moultor) やAODF (Acoutic Optic Diprio Filr) など違う変調器を用いる直接的な手法である [7 ただしこの手法は波形整形器全体の効率は低い上整形できる波長帯域も狭い欠点があるつ目の手法は他の波長領域で波形整形した後に波長変換によって中赤外光パルスを整形する間接的 Fig. Digrm of ultrort ifrr pul troug iffrt frquc mixig.. Arガス充填中空ファイバを用いた Supr-cotiuum 光パルスの発生 Fig.に中空ファイバを用いたSM (Slf Moultio) によるSC 光パルス発生のセットアップを示す CAからのパルスはビームスタビライザによって光軸を安定した状態で厚さ. mmのtp-Ⅰbbo 結晶に入射させたその後基本波は焦点距離 mmのレンズを用いてコア径が6 µm 長さが cmの中空ファイバに集光させた

Fig.にSMによって発生したSC 光パルスのガス圧変化に伴うスペクトルの変化を示すこの時入射パルスの強度は6 µj/pul 時間幅は.f スペクトル幅は m 集光サイズは水平方向が µm 垂直方向が µm M 倍波の強度とレンズなどの光学素子の分散補償の両立ができなかったことが原因であると考えられるため Fig.

2 Fig.にSMによって発生したSC 光パルスのガス圧変化に伴うスペクトルの変化を示すこの時入射パルスの強度は6 µj/pul 時間幅は.f スペクトル幅は m 集光サイズは水平方向が µm 垂直方向が µm M 倍波の強度とレンズなどの光学素子の分散補償の両立ができなかったことが原因であると考えられるため Fig.7に示すようなチャープミラーを用いて倍波の強度と分散補償が両立できる新しいセットアップが必要である値は水平方向と垂直方向ともに.であった後ほど詳細を説明するが発生する中赤外光パルスの波長帯域と位相整合条件により差周波混合に必要な波長帯域はポンプ光が-6 m シード光が8-9 mであるこのため SC 光パルスは-9 m 以上の帯域を有さなければならない Fig.よりガス圧の増加に伴いスペクトルの広帯域化が確認されガス圧が k の時では -9m まで広帯 Fig. Scmtic for SM xprimt. 域化しさらに中空ファイバ後のパワーも mw( 透過率 %) を超え差周波混合に必要な波長帯域は得られた Fig. に SIDER(Spctrl Irfromtr for Dirct Elctric-fil Rcotructio) を用いて測定したガス圧は変化に伴うスペクトル位相の変化を示すこの時の入射パルスの強度は 6 µj/pul であり結果からも分かるように広帯域化が促進されると同時に次分散が付加し k ではおよそ f に相当する分散が生じた SM によっ Fig. T rult of SC pctr of t fumtl ligt t vriou Ar g prur. て生じた分散の補償にはチャープミラーを用いた方法が一般的であるが本実験で発生した SC 光パルスは波長帯域が -9 m と広く次分散量も f と大きいためチャープミラーによる分散補償は難しいと判断し次で述べる広帯域波形整形器による補償を試みた続いてよりSCパルスのポンプ光とシード光の成分を強めるため中空ファイバを用いたIM (Iuc Moultio) によるSC 光パルスの発生を試みた Fig.に中空ファイバを用いたIMによるSC 光パルス発生のセットアップを示す厚さ. mmのbbo 結晶から同軸で出射した基本波と倍波の光パルスは直後のダイクロックミラーによって分割され基本波の光路に時間遅延を設けることにより時間と空間のオーバーラップを実現した Fig.6にSM 効果とIM 効果の比較結果を示すこの時基本波の入射強度はSMとIMともに6 mw 倍波の入射強度は 8 mw ガス圧は k であった Fig.6 よりわかるように倍波側の波長領域では IM によるスペクトルの広帯域化は確認できたが基本波側の波長領域では IM に Fig. Spctrum iit p of SC pul. Ar g prur wr ()7k, (b)k, (c)6k, ()8k, ()k (f)k. よるスペクトルの広帯域化は確認できなかったこれは

を加えると両端のピクセルの隣り合うピクセルの位相が πを超えてしまい理論上の限界となるそのためプリズムによって9 f 以上の分散が付加している現状では波形整形器が正常に機能するのは困難であると判断できるそこで本実験では SC 光パルスのビームサイズの縮小による分散量の軽減と非対称 -f

にビームサイズの変更に伴う分散量の変化を示すこの値はプリズムの伝搬距離を幾何学的に見積もった分散量でありこの結果からもビームサイズの縮小によって9 f Fig. 6 Comprio of t xprimtl rult of SM IM.

に各位置でのSSIによる位相とビームプロファイルの変化を示す Fig.に示すようにプリズムの位置を遠ざけることで負の分散付加され焦点距離より7 mm 遠ざけた位置でプリズムの分散を補償 Fig. 7 Improvmt for IM xprimt.

倍広がってはいるが現状では特に問題はないと思われる以上よりこれらの対策を用いることで波形整形器のプリズムの分散を補償することに成功したを示す中空ファイバを伝播後のSC 光パルスは広帯域波形整形を実現するためプリズムと凹面鏡 (f=66) を用いて構築した

3 を加えると両端のピクセルの隣り合うピクセルの位相が πを超えてしまい理論上の限界となるそのためプリズムによって9 f 以上の分散が付加している現状では波形整形器が正常に機能するのは困難であると判断できるそこで本実験では SC 光パルスのビームサイズの縮小による分散量の軽減と非対称 -f 光学配置による分散補償のつの対策を講じた Fig. Scmtic for IM xprimt. まずビームサイズの縮小では中空ファイバ直後のコリメート用凹面ミラーの焦点距離をf=からf=に変更しビームサイズを直径 mmから mmに縮小した Fig.にビームサイズの変更に伴う分散量の変化を示すこの値はプリズムの伝搬距離を幾何学的に見積もった分散量でありこの結果からもビームサイズの縮小によって9 f Fig. 6 Comprio of t xprimtl rult of SM IM. 付加していた分散量は f まで軽減することがわかる一方非対称 -f 光学配置による分散補償とは波形整形器の出口側のプリズムの位置を焦点距離より遠ざけ各波長の光路長を変化させることによって負の分散を付加させ分散補償する方法である Fig.に各位置でのSSIによる位相とビームプロファイルの変化を示す Fig.に示すようにプリズムの位置を遠ざけることで負の分散付加され焦点距離より7 mm 遠ざけた位置でプリズムの分散を補償 Fig. 7 Improvmt for IM xprimt.. Supr-cotiuum 光パルス波形整形 Fig.8 に SC 光パルスの波形整形用光学系のセットアップできたまたビームプロファイルの変化もこの位置では元のビームより. 倍広がってはいるが現状では特に問題はないと思われる以上よりこれらの対策を用いることで波形整形器のプリズムの分散を補償することに成功したを示す中空ファイバを伝播後のSC 光パルスは広帯域波形整形を実現するためプリズムと凹面鏡 (f=66) を用いて構築した使用したプリズムは分散量の大きい材料を選定しなければ角度分散によるビームの広がり角は小さく焦点距離が長くなり過ぎてしまうので本実験ではHOYA 社製 E-FDSを用いた一方で分散量の大きいプリズムはプリズム自体の材料分散も大きく場合によっては波形整形器として機能しない程の分散を持ってしまう可能性が Fig. 8 Scmtic for brob pul pr for 8 m SC pul. ある実際 Fig.9に示すSSI(Sptil Spctrl Irfromtr) による分散量の測定結果ではプリズムの分散値は9 f 程度であり非常に大きな分散が付加していることが確認できた本実験で用いた波形整形器はおよそ f 以上の分散

のtp-ⅠBBO結晶であり長波長側と短波長側の位相整合条件を満足すれば差周波発生が起こる差周波混合によって発生する波長位相整合角効率を計算した結果をFig. に示す Fig.

T mout of iprio b prim i pul pr 器から直接結晶に入射できる Fig. (c)は結晶の厚さを ccompig ructio of bm iz.mm 位相整合角を.

(c)からも分かるように位相整合角を一定にした場合すなわち波形整形器から出たパルスを直接結晶に入射した状態でも広い波長帯域で高効率が得られるこの手法の利点はつの光源から中赤外光パルスが発生する点の他

()はポンプ光とシグナル光に適切な位相変調を与えることでアイドラ光に任意の位相変調を与えることができる Fig.

Spctrum iit p b SSI murmt output bm profil from pul pr. rim poitio i pul pr wr () cm, (b) cm (c)7 cm.

4 のtp-ⅠBBO結晶であり長波長側と短波長側の位相整合条件を満足すれば差周波発生が起こる差周波混合によって発生する波長位相整合角効率を計算した結果をFig. に示す Fig. ()は x軸がシグナル光の波長(8-9 m) 軸がポンプ光の波長(-6 m) Fig. 9 SSI img Spctrum iit p b SSI z軸が発生する波長にそれぞれ対応しこの計算より発生 murmt. する中赤外光パルスの波長はおよそ- mとなる Fig. (b)は各波長での位相整合角を計算した結果でありこれより全波長帯域で位相整合角の幅は以下に収まることがわかるこのため広帯域位相整合条件を満たす方法として用いられる角度分散法[9を利用せずに波形整形 Fig. T mout of iprio b prim i pul pr 器から直接結晶に入射できる Fig. (c)は結晶の厚さを ccompig ructio of bm iz.mm 位相整合角を.6 (シグナル光の波長が8 m ポンプ光の波長が6 mの場合の位相整合角)とした時の効率を計算した結果である Fig. (c)からも分かるように位相整合角を一定にした場合すなわち波形整形器から出たパルスを直接結晶に入射した状態でも広い波長帯域で高効率が得られるこの手法の利点はつの光源から中赤外光パルスが発生する点の他中赤外光パルスの位相や波長帯域を制御できる点も挙げられる Fig. にそのメカニズムをモデル化した図を示す Fig. はシグナル光ポンプ光アイドラ光の瞬時角周波数であり Fig. ()はポンプ光とシグナル光に適切な位相変調を与えることでアイドラ光に任意の位相変調を与えることができる Fig. (b)はポンプ光とシグナル光に逆符号の分散を与えることで非常に広帯域な中赤外光パルスが発生できる Fig. (c)はポンプ光とシグナル光に同量の分散を与えることで非常に狭帯域な中赤 Fig. Spctrum iit p b SSI murmt output bm profil from pul pr. rim poitio i pul pr wr () cm, (b) cm (c)7 cm. 外サブピコパルスが発生する仕組みである Fig. を詳しく説明するため白色光実験で得られたSC 光パルスのスペクトルと位相整合の効率を加味した上でそれぞれの状態で発生する中赤外光パルスのスペクトル. 超短赤外パルス発生と波形整形の強度と位相を仮想的に算出した結果をFig. に示すなお計算効率は先ほどと同様厚さ. mmのtp-Ⅰbbo結晶に入射 Fig. にSC光パルスを用いた差周波混合の実験光学系した状態で計算した Fig. からもわかるようにこの手を示すフーリエ面に配置された半波長板によってSC光パ法を用いることで発生する中赤外光パルスの位相変調とルスの長波長側の偏光方向はS偏光となり短波長側の偏スペクトル制御の両方が可能であると言える光方向と直行する差周波混合に用いる結晶は厚さ.mm

. まとめ本研究では新しい中赤外光パルスの発生と波形整形を行う手法の考案と実証を試みた中空ファイバを用いた白色光実験では SMによって所望するスペクトル帯域のSC Fig. Exprimtl tup of iffrt frquc mixig.

プリズムによる材料分散の補償としてビームサイズの縮小と非対称-f光学配置のつの対策を施すことで解決した差周波混合では厚さ.

差周波混合による中赤外光パルスの発生と波形整形の実証を行うまた白色光実験ではチャープミラーを用いた新しいセットアップを構築し IMによるSC光パルス Fig. Clcultio of t ()wvlgt, (b)p mtcig の更なる広帯域化を試みる gl (c)fficic i iffrc-frquc mixig.

Clcultio of t pctrl iit p i grtig pul pig of (),(b)mi-ifrr pul, (c),()ultr-brob mi-ifrr pul (),(f)tubl rrowb mi-ifrr pul. [ L. olck, t. l., Opt. Ltt.,, 6(6). [6 A.Gr, t.

5 . まとめ本研究では新しい中赤外光パルスの発生と波形整形を行う手法の考案と実証を試みた中空ファイバを用いた白色光実験では SMによって所望するスペクトル帯域のSC Fig. Exprimtl tup of iffrt frquc mixig. 光パルスが得られたが IMによる更なるスペクトルの広 olriztio rottio of t pul uig t lf wv pl 帯域化は確認できなかった SC光パルスの波形整形器では i t Fourir pl. プリズムによる材料分散の補償としてビームサイズの縮小と非対称-f光学配置のつの対策を施すことで解決した差周波混合では厚さ.mmのtp-ⅠBBO結晶を使用することで広帯域位相整合光学系を構築しなくとも高効率の位相整合の実現が計算によって確認できたまたこの手法は発生する中赤外光パルスの位相変調とスペクトル制御の両方が可能であることを計算的に検証できた今後は波形整形器を用いてSC光パルスの圧縮を試みた上で差周波混合による中赤外光パルスの発生と波形整形の実証を行うまた白色光実験ではチャープミラーを用いた新しいセットアップを構築し IMによるSC光パルス Fig. Clcultio of t ()wvlgt, (b)p mtcig の更なる広帯域化を試みる gl (c)fficic i iffrc-frquc mixig [.6. I. r[.8. [.6 ti. t I. () Wvlgt [m [ T. Brixr t. l.,opt. Ltt., 6, 7 () 8 6 r [ - Wvlgt [m. 9 Wvlgt [m Fig. Clcultio of t pctrl iit p i grtig pul pig of (),(b)mi-ifrr pul, (c),()ultr-brob mi-ifrr pul (),(f)tubl rrowb mi-ifrr pul. [ L. olck, t. l., Opt. Ltt.,, 6(6). [6 A.Gr, t. l., Appl..B,76, 6,7(). [7 J.W.Wilo, t. l., Opt. Expr,, 8979( 7). [8 T.Brixr, t. l., Appl.. B., 88, 9 (6). [9 Y.Nbkw, t. l., Opt. Expr,, (). u.[.6 ti. I (f) [ M. Spiro, t.l.,cm.. Ltt., 6, 6,, (986). ()..8 r[ [ H. Rbitz, t.l., Scic, 9, 79 (). [ T.Bimmr, t l, IEEE J. Qutum Elctro.,, - 6 Wvlgt [m r[ -.8. [.6 ti. t I. r [.8 [.6. I Wvlgt [m (c).8 [.6. I. (b) Rfrc Wvlgt [m () ()

(Microsoft Word - annual report_2014_Isa$\217C\220\263\224\305$)

$(Microsoft Word - annual report_2014_Isa$\217C\220\263\224\305$)$ 広帯域フェムト秒レーザパルス内差周波発生を用いた帯域中心波長可変中赤外パルス発生 Generation mid infrared pulses with tunable wavelength band and center wavelength using difference frequency generation in broadband femtosecond laser pulses 伊佐文宏