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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

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

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

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? 700-900nm? レーザー 1 タイミング同期レーザー 2 1.5ミクロン

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 700-900nm 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

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. 3030-3032

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 200-500mW 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

fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10W 700-900nm 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 20 W@1550 10 W@775

fs 1GH1 GHz 10nJ?->10?->10W 700-900nm 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 200 W@1030 100 W@515 10 W@800?

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

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

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

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

2.856 GHz 119MHz レーザーのタイミング同期 2 8 5 6 MHz laser PD PD BPF 24th harmonic Phase detector BPF Fundamental Stretcher 1 1 9 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.

実験装置外観 2856M laser 119M laser BBO

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 - 2.5 Hz 5.7 fs 30 khz - 0.25 Hz 6.3 fs 3 khz 25 mhz 4.9 fs 1.5 1.5 Intensity (a.u.) 1 0.5 Intensity (a.u.) 1 0.5 20 fs 0-100 -50 0 50 100 Delay (fs) 相互相関光のプロファイル 0 0 10 20 30 40 Time (sec) 帯域 3 khz での測定結果

発生したドリフトのようす Intensity (a.u.) 0-0.5-1 -1.5 Intensity (a.u.) 1 0-1 -2-2 -200-100 0 100 200 Delay (fs) 掃引相互相関波形 -3 0 2 4 6 8 10 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

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

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).

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.

Results -Timing synchronization Picture of master (upper) and slave (lower) pulses Tolerance of cavity mismatch Rep. Freq. (Hz) - 81.475MHz 300 200 100 0-100 -200-300 0 2 4 6 8 10 12 End Mirror Position (μm) Repetition rate of fiber laser is synchronized to that of master laser. Tolerance is ~ 400 Hz.

Result - Timing jitter BBO PMT OSC+FFT 10 Jitter PSD (fs 2 /Hz) 10 5 10 3 10 1 10-1 10-3 10-5 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Frequency (Hz) 8 6 4 2 0 rms jitter (fs) 2 fs @100 Hz- 100 khz 3.7 fs @1 Hz 100 khz D. Yoshitomi et. al. To be appeared in Opt. Lett.

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

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

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

Timing jitter in various observation bandwidths Delay (1fs/div) 0 20 40 60 80 100 Time (s)

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 )

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

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