LD 励起単一モード Q スイッチ Nd:YAG レーザの周波数可変動作川戸栄, 松村竜也, 竹内克説, 小林喬郎福井大学工学部〒910-8507 電気・電子工学科福井市文京 3-9-1 e-mail: [email protected] Tel: 0776-27-8564 Fax: 0776-27-8749 各種の高精度分光計測や高効率の非線形光学用の励起光源として、単一周波数での高出力パルスレーザが必要とされている。そこで、LD 励起 Nd:YAG の小型で高出力の単一モード Q スイッチレーザを開発した。繰り返し周波数 10 kHz 時で平均出力 3.1 W, 光－光変換効率 16 %が得られた。パルス幅 92 ns からフーリエ変換して 4.8 MHz の発振線幅が得られた。次に、エタロンを用いて周波数帰還制御を行い、レーザの中心周波数の安定化と周波数可変 (FM)動作を可能とした。 LD 励起、単一周波数、Q スイッチ、シーディング、リング共振器、周波数変調 Frequency Modulation of a LD pumped, single-mode Q-switched Nd:YAG laser S. Kawato, T. Matsumura, K. Takeuchi, and T. Kobayashi Department of Electrical and Electronics Engineering, Faculty of Engineering Fukui University Bunkyo 3-9-1, Fukui 910-8507, Japan e-mail:[email protected] TEL:0776-27-8564, FAX:0776-27-8749 A single frequency Q-switched pulse lasers are useful as light sources for high-precision spectroscopic sensing and non-linear optics. We have developed a compact high-power single frequency LD pumped Q-switch Nd:YAG laser. The average output power was 3.1 W with optical efficiency of 16 % at 10 kHz repetition frequency. The line width was estimated to be 4.8 MHz from the pulse width of 92 ns. The stabilization of the laser frequency was achieved using the etalon as a frequency discriminator. diode pump, single frequency, Q-switching, seeding, ring resonator, frequency modulation 1. はじめにので報告する。半導体レーザ(LD)励起の固体レーザは高効率で熱的影響が少ないため、低雑音で高 2. Q スイッチリングレーザの構成と動作特性安定であり、スペクトル幅が狭く単一モーパルスレーザの単一周波数化には、1) 波ド発振で高出力、かつ、小型、安定などの長選択素子を用いる方式、2) マイクロチッ 1)。この単一周波数プ・短共振器を用いる方式 5)、3) 小型の進レーザは、高分解能で超高感度の分光計測行波型共振器を用いる方式 6)、4) シーディが要求されるドップラーライダーなどの地ングによる方式球環境リモートセンシングをはじめとして、ている。特に 4)の方法は、共振器長を長くコヒーレント光通信、非線形光学の励起光してパルス幅を広げることによる発振線幅源など、幅広い応用が期待されている 1, 2)。の低減が可能であり、共振器内に波長選択 CW 発振での固体レーザの単一周波数動などの素子を入れる必要がなく、挿入損失作では、フリーランニング動作でも線幅数の低減が可能である。また、リング共振器 kHz、3)負帰還制御により mHz 以下の安定を用いれば、単一周波数のエネルギー取り化にも成功しており、現在、出し効率が高い、などの利点を持つ。その Schawlow-Townes 限界以下のハイパーコため、本研究ではリング共振器構成でシーヒーレント領域での研究が進んでいる 4)。ディング方式を採用した。高性能化が進んでいる 7)、などの方法が考えられこれに対し、パルス動作の固体レーザの本研究で設計制作したシーディング方式周波数制御の研究は現在まであまり進展しのリングレーザの構成を図 1 に示す。結晶ていないものと考えられる。低平均出力の長 8mm の Nd:YAG 結晶をファイバ結合の単一周波数レーザには、マイクロチップ型半導体レーザ(波長 808 nm、ファイバ出力 5)、NPRO6)などの進行波 10 W、Nd:YAG 結晶端面でのスポット径 1 型リング共振器を用いたものなどがあり、ｍｍ)を 2 個用いて両端面から励起した。パ W レベル以上の高平均出力のレーザには上ルス繰り返し周波数が 10 kHz を越える高記の単一周波数レーザを種光とした繰り返し動作に対応できるよう、Q スイッ MOPA 構成や、シーディング動作構成が開チには音響光学素子を用い、また、出力光発されており、周波数線幅、安定度ともにを直線偏光にするためにブリュースタ板を 10MHz 程度のものが得られている。しかし 2 枚挿入した。共振器長を 330 ｍｍと長くながら、風速計測用ドップラーライダーをしてパルス幅を広くした。励起のスポットはじめとする各種の高精度計測の光源には、径は 1 mm であり、レーザのビーム径を励これよりもさらに狭い線幅と、周波数安定起スポット径以上にしてモードマッチング度が要求されている。効率を高めるため、曲率半径 5 m のミラーや短共振器レーザそこで本研究では、LD 励起の小型で高効率・高出力の Nd:YAG レーザを開発し、特に周波数の安定化と周波数変調可能な Q スイッチパルス動作について検討を行ったを用いた。出力鏡透過率は出力結合効率の最適化を考慮して 10％とした。 Isolator Seeder AOM Output w PZT Pol. OC(M1) M4 KTP M2 M3 2w LD LD Nd:YAG F-P etalon PD Frequency stabilization circuit 図 1 周波数安定化 Nd:YAG パルスレーザの構成図外部からのシーダ光として Nd:YVO4 マ表1 繰り返し周波数(kHz) 平均出力パワー(W) ピークパワー(kW) パルス幅(ns) 線幅(MHz) 閾値(W) スロープ効率(%) 光－光変換効率(%) M2 ビーム広がり角ビーム直径出力特性 CW 4.2 ------5.3 28 21 10 1 3.1 0.8 3.4 13 92 62 4.8 7.1 5.5 8.8 21 8.4 16 4.0 1.1 1.4 mrad 0.5 mm 横モードの良さを示す M2 値はスレーブイクロチップレーザ光を用いて、スレーブレーザで 1.1 となり TEM00 モードである。レーザの出力鏡から注入した。この方法はまた、繰り返し周波数 10 kHz のとき、20 W 透過率の非常に低い後部鏡から注入する場励起で平均出力 3.1 W、ピーク出力 3.4 kW、合にくらべて注入効率が高い。シーダとスパルス幅 92 ns が得られた。図 3 にシーデレーブレーザの偏光はλ/2 板で一致させ、ィング時のスレーブレーザ出力のスペクトスレーブレーザからシーダにレーザ光が戻ルを示す。測定には FSR 10 GHz、分解能るのを防ぐため光アイソレータを挿入した。 5 300 MHz の走査型ファブリペロー干渉計平均出力光パワー(W) CW 4 を用いた。FSR 10 GHz の間に他のモードが存在せず、縦単一モードで発振している PRF 10 kHz ことがわかる。また、レーザの発振線幅は PRF　1 kHz 装置の分解能である 300 MHz 以下である 3 ことがわかる。そこで、フーリエ限界幅が得られていると仮定して、パルス幅 t = 2 92 ns のとき、発振スペクトルの形状をガウス型と仮定するとスペクトル線幅 1   0.44 / t 0 0 5 10 15 20 励起光パワー(W) 図 2 励起光－平均出力特性図 2 励起－平均出力特性図 2 及び表 1 にレーザ出力特性を示す。 CW 発振時の最大出力は 20 W 励起時に 4.2 W であった。出力結合効率は 67 %、モードマッチング効率は 36 %となった。さらに効率を上げるには、レーザ出力のビーム径を広げるなどの必要があると思われる。・・・(1) より、  = 4.8 MHz が得られた。図 4 に出力パワーに対するパルス幅の関係を示す。励起パワーが小さく、繰り返し周波数が高い程パルス幅は広くなる。図 5 に実際に構成したレーザの外観を示す。ーブレーザの発振周波数  o と設定周波数 10GHｚ  のずれ e     o (図 7 参照)はレーザ周波数制御部の応答関数 H を用いて、  ex   o H   n ・・(2)  1 H 1 H と表すことができる 8)。ここで、  ex は外 e  部雑音成分であり、気温や機械的振動など図 3 スレーブレーザの出力スペクトル特性による共振器の光学長の変動による周波数の変化成分が対応する。一方、  n は制御ループ内部の雑音成分であり、周波数計測 500 部の雑音が対応する。(2)式より、帰還制御 PRF パルス幅（ns) 400 部の利得 G= H が十分大きければ、周波数 10kHz 1kHz の安定度は制御ループ内部の雑音  n の 300 みで表される。周波数制御回路の電圧帰還 200 増幅率は周波数検出部の感度( dVo / d o )と周波数変調部の感度 d o / dVe を用いて、 100 0 G  dVo / d o  d o / dVe ・・(3) 5 10 15 20 励起パワー（W) 図4 励起パワーとパルス幅の関係とあらわされる。特に制御ループ内部の雑音を抑えるには低雑音で感度 dVo / d o の高い周波数弁別器が必要である。これまで一般に、インジェクションシーディングレーザの周波数安定化には、シーディング動作時には Q スイッチパルスの遅延時間が短くなることを利用した制御方法が用いられている 9)。これは、シーダの発振周波数とスレーブレーザの共振周波数のずれが小さいほど Q スイッチパルスの遅延時間が短いことを用いたものであり、この図5 レーザの外観場合は遅延時間の検出部が周波数検出部に対応している。しかしながら、この方法で 3. 周波数制御部の設計と FM 動作特性は発振周波数の検出精度はスレーブレーザ 3.1 帰還制御部の設計と構成共振器の FSR と制御回路の精度できまり、図 6 に本レーザの周波数制御部のブロック図を示す。周波数制御部は周波数検出部と周波数変調部より構成されている。スレ達成可能な安定度は FSR の 5 %程度が限度である 10)。これに対し本研究では、レーザの発振周波数の弁別素子として高分解能エタロンを分解能 76 MHz(FSR= 3 GHz, Finesse=40) 用い、レーザ共振器 FSR に依存しない方式のエタロン(B)の二種類のエタロンを用いを採用した 11)。て行った。低分解能のエタロン(A)を用いた場合の周波数検出部の感度は dVo / d o = νo スレーブレーザシーダいた場合の感度は dVe / d e = 0.53 V/MHz Lc KTP PD 積分器ｴﾀﾛﾝ PD 積分器周波数検出部となる。外来雑音の効果を 100 分の 1 以下 PZT V VPZT Ve Vin 12 mV/MHz、高分解能のエタロン(B)を用 PID 基準周波数:ν 周波数変調部図 6 周波数安定化制御部のブロック図に低減するためには、(2)式よりループゲイン G を 99 倍以上にする必要がある。このとき、 (3) 式より周波数変調部の感度 d o / dVe はエタロン (A)を用いた場合で 8.3 GHz/V、エタロン(B)を用いた場合で 190 MHz/V 以上必要である。ここで、レーザの周波数変調特性は、レーザ共振器の変周波数検出の模式図を図 7 に示す。レー調特性 K1 = d o / dLc 、PZT 素子による共ザ出力をエタロンに入射し、エタロンの透振器の変調特性 K2 = dLc / dVPZT 、誤差電過光強度によってレーザ発振周波数を検出圧 Ve の PZT 電圧への増幅度 K3 = した。このとき、エタロン透過前の光強度 dVPZT / dVe を用いて、を同時に検出して規格化し、レーザ出力パ d o / dVe = K1･K2･K3 ・・・(4) ワーの変動によるエタロンの透過光強度ので示される。ここで、用いた PZT 素子の感変動を取り除いた。また、レーザはパルス度や共振器の長さより、 dLc / dVPZT = 11 出力であるため、積分器を用いて出力を平 nm/V、 d o / dLc = 0.85 MHz/nm となるの滑化し安定した周波数検出信号を得られるで、誤差電圧の増幅度 dVPZT / dVe はエタロようにした。ン(A)の場合では 800 倍以上必要であるが、高分解能のエタロン(B)を用いれば 20 倍以上あれば十分であり、高分解能のエタロン (B)を用いれば 1 MHz の安定化は十分可能であることがわかる。発振周波数の安定度の測定結果は低分解能のエタロン(A)を用いた場合、20 MHz 程図 7 エタロン透過スペクトルとレーザ発振スペクトルの関係度となった。次に高分解能エタロン(B)を用いて安定化実験を行い、3 MHz の安定度を得た。 3.2 周波数制御実験次に、周波数変調特性の測定結果を図 8 実験は線幅 1.5 GHz のエタロン(A)と、レに示す。図は変調周波数 20 Hz、振幅 1 Vp-p ーザの第二高調波出力を用い第二高調波でで PZT 電圧を変調した結果とエタロンによる周波数変調成分の計測例である。変調幅は 12 MHz で、分解能 0.5 MHz が得られ 3) T. J. Kane and R. L. Byer: Opt. Lett., 10, 65 (1985). 4) D. Shoemaker, A. Brillet, C. N. Man, た。 O. Cregt, and G. Kerr: Opt. Lett., 14, 609 (1989). 周波数変調入力・出力 A 5) J. J. Zayhowski: Opt. Lett., 16, 575 (1991). 6) I. Freitag, A. Tuennerman, and H. Welling: Opt. Lett., 22, 706 (1997). 7) Y. K. Park, G. Giuliani, and R. L. B 0 Byer: Opt. Lett., 5, 96 (1980). 20 40 60 80 100 120 時間 (ms) 図 8 周波数変調特性 A: PZT 変調電圧, B: 周波数出力 4. まとめ 8) 大津元一: コヒーレント光量子光学, 朝倉書店(1990). 9) L. Rahn: App. Opt. 24, 940 (1985). 10) K. F. Wall, et. al.: ASSL’99, 82 (1999). 周波数変調入力・出力本研究ではパルス出力で単一周波数動作 11) Y. K. Park, G. Giuliani, and R. L. の全固体 Nd:YAG リングレーザの周波数安 Byer: IEEE J. Quantum Electron. 定化と変調動作を実現した。まず、小型で QE-20, 117 (1984). 比較的共振器長の長いリング型レーザにシーディングを行うことにより、高効率な単一周波数動作とスペクトルの狭帯域化を行った。シーディング時のスペクトル幅は、 0 20 40 60 パルス幅 92 ns から 4.8 MHz となり、平均時間(ms) 出力は繰り返し周波数 10 kHz 時に基本波で 3.1 W、ピーク出力 3.4 kW、スロープ効率 21 %、光-光変換効率 16 %が得られた。また、高分解能エタロンを用いた周波数制御を行い、発振周波数揺らぎ 3 MHz 以下の安定度を得た。さらに、分解能 0.5 MHz での周波数変調が得られた。参考文献 1) R. L. Byer: Science 239, 742 (1988). 2) 小林喬郎編: 固体レーザー, 学会出版センター(1997).