[論文レビュー] Modeling of mode-locking in a laser with spatially separate gain media

Ruud Oldenbeuving, Chris Lee+3 more|University of Twente Research Information|Aug 27, 2010

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、レーザー共振器内に空間的に分離された増幅媒体を用いた、新たなモードロック方式を提案している。この方式では、共通の飽和吸収鏡（SESAM）を介して、互いに位相ロックされた連続波発振器が同期される。この手法により、最高でTHz帯域の独立した可変繰り返し周波数、高い平均出力、動的調整可能な帯域幅を実現し、従来のモードロックレーザーにおける繰り返し周波数と出力パワーのトレードオフを克服することができる。

ABSTRACT

We present a novel laser mode-locking scheme and discuss its unusual properties and feasibility using a theoretical model. A large set of single-frequency continuous-wave lasers oscillate by amplification in spatially separated gain media. They are mutually phase-locked by nonlinear feedback from a common saturable absorber. As a result, ultra short pulses are generated. The new scheme offers three significant benefits: the light that is amplified in each medium is continuous wave, thereby avoiding issues related to group velocity dispersion and nonlinear effects that can perturb the pulse shape. The set of frequencies on which the laser oscillates, and therefore the pulse repetition rate, is controlled by the geometry of resonator-internal optical elements, not by the cavity length. Finally, the bandwidth of the laser can be controlled by switching gain modules on and off. This scheme offers a route to mode-locked lasers with high average output power, repetition rates that can be scaled into the THz range, and a bandwidth that can be dynamically controlled. The approach is particularly suited for implementation using semiconductor diode laser arrays.

研究の動機と目的

• 従来のモードロックレーザーにおける高繰り返し周波数と高平均出力の間の根本的トレードオフを克服すること。
• 別々の増幅媒体における連続波増幅を用いることで、群速度分散や非線形効果によるパルス歪みを回避するモードロック機構の開発。
• レーザー共振器の幾何構造を用いたキャビティ長さに依存しない独立したパルス繰り返し周波数制御と、増幅モジュールの切り替えによる動的帯域幅制御の実現。
• 特に高速なSESAM（高変調深さ、ピコ秒未満の回復時間）を含む現在の半導体部品を用いた、この方式の実現可能性の評価。

提案手法

• 同一キャビティ内に空間的に分離された増幅媒体に配置された複数の単一周波数連続波レーザーを用いる。
• 個々の発振器を位相ロックするため、共通の半導体飽和吸収鏡（SESAM）を用いて非線形フィードバックを提供する。
• 方程式 $ R = R_0 + \Delta R \left(1 + \frac{I}{I_{\text{sat}}}\right)^{-1} $ を用いて、飽和吸収鏡の反射率ダイナミクスを理論的枠組みでモデル化する。ここで $ I $ は強度、$ I_{\text{sat}} $ は飽和フラランスである。
• 数値シミュレーションにより、SESAMのパラメータ（変調深さ $ \Delta R $、回復時間 $ \tau $、フラランス $ S $）を変化させた場合のモードロックの実現可能性を分析する。
• SESAMへの集光強度（$ S = \Phi / \Phi_{\text{sat}} $ で定量化）がモードロックの安定性および範囲に与える影響を評価する。
• 49 Wの平均出力を有するダイオードレーザーアレイを事例として用い、67 GHzの繰り返し周波数および300 fsのパルス幅を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通の飽和吸収鏡を用いた空間的に分離された増幅媒体を有するレーザー系において、モードロックを達成できるか？
• RQ2 SESAMの物理的パラメータ（特に変調深さ $ \Delta R $、回復時間 $ \tau $、飽和フラランス）がモードロックの実現可能性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 パルス繰り返し周波数をキャビティ長さに依存させず、レーザー共振器の幾何構造によって制御できる程度はどの程度か？
• RQ4 現在のSESAM技術を用いて、高平均出力（例：20 W）と高繰り返し周波数（例：67 GHz）および300 fs未満のパルスを実現することは可能か？
• RQ5 SESAMへのフラランス $ S $ を増加させることでモードロック状態にどのような影響が生じるか。また、2光子吸収が性能を制限するようになる臨界点はどこか？

主な発見

• SESAMの変調深さが高ければ（$ \Delta R \geq 15\% $）、回復時間が速ければ（$ \tau \leq 0.5~\text{ps} $）特に高フラランス条件下でモードロックが実現可能である。
• $ S = 10 $（すなわち $ 10 \times \Phi_{\text{sat}} $ のフラランス）の条件下では、50 $ \mu \text{m}^2 $ のモード面積に20 Wの合計出力が、現在のダイオードレーザーアレイで達成可能である。
• モードロック領域は $ S $ の増加とともに拡大するが、非常に高いフラランス（$ S > 10 $）では顕著な2光子吸収により反射率変調が低下し、結果として領域が再び狭まる。
• 当時入手可能な最高性能のSESAM（$ \Delta R \approx 15\text{--}30\% $、$ \tau \approx 0.5~\text{ps} $）は、$ S \approx 10 $ を達成すれば、モードロックに十分である。
• 本方式により、67 GHzの繰り返し周波数、300 fsのパルス幅、49 Wの平均出力を実現でき、高繰り返し周波数・高出力超短パルスレーザーの実現可能性が示された。
• 本モデルは一般化可能であり、他のレーザー種別やパrameter条件へも応用可能であり、増幅モジュールのオン・オフ切り替えにより帯域幅を動的に制御可能である。