JP2005217077A

JP2005217077A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2005217077A
Application number: JP2004020571A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Masato Yoshida; 真人吉田
Original assignee: Intelligent Cosmos Research Institute
Current assignee: Intelligent Cosmos Research Institute
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】常に同一の発振縦モードをＦＢＧでトラッキングしたモードホップフリーなレーザ装置（周波数可変単一周波数ファイバレーザ）並びに、本レーザを分子の吸収線に安定化したレーザ装置（周波数安定化ファイバレーザ装置）を提供する。
【解決手段】帯域が数ＧＨｚである反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いた光フィルタ３６をレーザ発振縦モードの波長選択素子として利用し、さらにその光フィルタ３６の中心周波数をレーザ共振器の共振長と同期して可変する。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶対周波数（波長）が安定化されたレーザ装置に関するものであり、特に光通信、分光計測、周波数基準など広い分野で利用される光源を備えたレーザ装置に関する。

H.Inaba,A.0nae,Y.Akimoto,T.Komukai,andM.Nakazawa,"Observation of acetylene molecular absorption line with tunable, single-frequency, andmode-hop-freeerbium-doped fiber ring laser, "IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 38, no. 10, pp. 1325-1330 (2002). 図８に示すように、周波数安定化レーザは分子の共鳴線に周波数可変単一周波数レーザの発振波長（周波数）を一致させるために、周波数可変単一周波数レーザ１、周波数変調器２、周波数基準セル３、光検出器４、位相敏感検波回路５、負帰還回路６、信号発生器７から構成されている。

周波数基準セル３は、分子の共鳴周波数にレーザの発振周波数が―致すると光が吸収されることを利用して、レーザの発振周波数が分子の共鳴周波数に一致していることを検出するためのものである。この周波数基準セル３の共鳴周波数と周波数可変単一周波数レーザ１の発振周波数との差を、周波数変調器２、光検出器４、位相敏感検波回路５及び信号発生器７を用いて誤差電圧信号として検出し、負帰還回路６を用いてその誤差電圧信号がゼロになるように周波数可変単一周波数レーザ１の共振器長あるいは励起強度ヘフィードバックすることにより、レーザの発振周波数を分子の共鳴線に安定化する。

周波数安定化レーザの周波数純度は、周波数安定化用レーザ光源の発振スペクトルの線幅に強く依存する。そのため、周波数可変単一周波数レーザには発振周波数の連続掃引制御ができるだけではなく、スペクトル線幅の細い単一周波数レーザが必要である。

また、周波数可変単一周波数レーザには、半導体レーザが用いられているが、そのスペクトル線幅は数１０ｋＨｚ〜数ＭＨｚである。―方、ファイバレーザは低伝送損失の光ファイバにより長い共振器を構成することができるため共振器に高いＱ値が得られ、スペクトル線幅が数ｋＨｚ以下の連続光を出力できる。すなわち周波数可変単一周波数レーザをファイバレーザで構成すれば従来にない高い純度を有する周波数安定化レーザを実現できる。

図９は、従来の単一周波数ファイバレーザの構成図の一例である。１１は希土類元素を添加した光ファイバ（以下、「希土類添加光ファイバ」と称する。）、１２は希土類添加光ファイバ１１を励起するための励起光源、１３は励起光を希土類添加光ファイバ１１に結合させる光結合器、１４は出力を取り出す光分岐器、１５は光の進行方向を一方向に限定する光アイソレータ、１６は狭帯域光フィルタである。

このような単一周波数ファイバレーザでは、希土類添加光ファイバ１１を光結合器１３を通して励起光源１２で励起すると、狭帯域光フィルタ１６の透過帯域内で、光アイソレータ１５の順方向に連続光の発振が起こる。―般に、希土類添加光ファイバ１１はその利得スペクトルに不均一広がりを有するため、共振器長の光学長をＬ、光速をｃとすると、レーザの共振器長で決まる基本周波数ｆ_０のｑ倍、ｑｆ_０＝ｑｃ／Ｌ（ｑは整数）の周波数で複数の縦モードが発振するが、レーザ共振器内に透過帯域が数１０ＧＨｚ以下の狭帯域光フィルタ１６を挿入することで発振縦モードを単一化することができる。

ところで、従来の単一周波数ファイバレーザにおいては、光フィルタの帯域（数１０ＧＨｚ）がレーザの発振縦モードの周波数間隔（数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）と比べ２〜３桁程度広いため、レーザの発振縦モードが隣接する縦モードに移り（モードホップ）易く、そのため発振周波数の連続掃引制御が困難であった。また、このためレーザ発振周波数が分子の吸収線内に留まれず周波数安定化用光源として利用することが困難であった。

図１０は、光フィルタの帯域が発振縦モード間隔に比ベ広過ぎる場合において、隣接する縦モードがほぼ等しい利得特性を有するために共振器長の変動もしくは光フィルタの中心周波数の変動により利得特性がわずかに変化したときに発振縦モードがモードホップ（図示太矢印参照）する様子を示す説明図である。

このモードホップの問題を解消する方法としては、エタロン素子を図９に示した狭帯域光フィルタと組み合わせて使用する方法がある。

図１１は狭帯域光フィルタとエタロン素子を組み合わせてモードホップを抑制した単一周波数ファイバレーザの構成図の一例を示す（非特許文献１参照)。

２１は希土類添加光ファイバ、２２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光源、２３は励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器、２４は出力を取り出す光分岐器、２５は光の進行方向を一方向に限定する光アイソレータ、２６は狭帯域光フィルタ、２７はエタロン素子である。

図１２は、狭帯域光フィルタ２６とエタロン素子２７によりレーザの発振縦モードを単一化する様子を示す説明図である。

エタロン素子２７は、ファブリー・ペロー共振器より構成され、その共振器長Ｌ_{ｅｔａｌｏｎ}で決まる共振周波数間隔ｆ_{ｅｔａｌｏｎ}＝ｃ／２Ｌ_{ｅｔａｌｏｎ}に複数の透過帯域を有する。また、その透過帯域Δｆ_{ｅｔａｌｏｎ}はファブリー・ペロー共振器を構成する反射鏡の反射率をＲとすると、
Δｆ_{ｅｔａｌｏｎ}＝ｆ_{ｅｔａｌｏｎ}（１−Ｒ）／π√Ｒ
で与えられる。

図１３は、エタロン素子２７の共振周波数間隔ｆ_{ｅｔａｌｏｎ}と反射鏡の反射率Ｒとの関係を透過帯域Δｆ_{ｅｔａｌｏｎ}をパラメータとして示したグラフ図である。

例えば、共振周波数間隔が１００ＧＨｚである場合、反射率を９９．７％以上に設計すれば透過帯域は１００ＭＨｚ以下（Ｑ値が１０００以上）となり、レーザの縦モード間隔と同程度の透過帯域を有する光フィルタを構成することができる。

図１２に示すように、このエタロン素子２７の共振周波数をレーザの共振周波数と一致させ、また光フィルタによりエタロン素子２７の複数ある共振周波数のうちの１つを抽出することにより、発振が可能な縦モードは一本に限定され、モードホップを完全に抑えることができる。

しかしながら、１００ＭＨｚ以下の透過帯域を有するエタロン素子２７を実現するためには、図１３に示すように、９９％以上の高い反射率を数ｍｍ以上の長い共振器で構成する必要があるため、反射鏡に高い面精度及び平行度が要求され、その作製が非常に困難である。

また、このようなＱ値が１０００程度のエタロン素子２７は、外部からの音響的雑音や機械的雑音によるわずかな光軸のずれに対してもその共振周波数が著しく変動し、その結果レーザの発振周波数及び出力強度の安定度が著しく低下する。

したがって、狭帯域光フィルタ２６とエタロン素子２７とを用いた単一周波数ファイバレーザを周波数安定化用の光源として利用することは現実には困難であった。このため、この種の周波数安定化ファイバレーザは実現していなかった。

本発明は、上記問題を解決するため、帯域が数ＧＨｚである反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）光フィルタをレーザの発振縦モードの波長選択素子として利用し、さらにそのフィルタの中心周波数をレーザの共振器長と同期して可変することにより、常に同一の発振縦モードをＦＢＧでトラッキングしたモードホップフリーなレーザ装置（周波数可変単一周波数ファイバレーザ）を提供することを目的とする。また、本レーザを分子の吸収線に安定化したレーザ装置（周波数安定化ファイバレーザ装置）を提供することを目的とする。

その目的を達成するため、本発明のレーザ装置は、希土類元素添加光ファイバを利得媒質とすると共にファイバブラッググレーティングを波長選択素子としたレーザ装置において、レーザ共振器の共振器長と前記ファイバブラッググレーティングのグレーティング長とを同時に可変してレーザ発振周波数を単一周波数のまま連続掃引させることを特徴とする。

また、本発明のレーザ装置は、前記共振器長及び前記グレーティング長の可変機構として印加電圧に比例して伸縮する圧電素子を備えていることを特徴とする。

また、本発明のレーザ装置は、前記レーザ発振周波数を、負帰還電気回路を用いて分子の共鳴線に安定化することにより狭線幅な単一周波数出力としたことを特徴とする。

さらに、本発明のレーザ装置は、単一偏波の出力を得るために前記レーザ共振器を全て偏波保持光ファイバで構成したことを特徴とする。

本発明のレーザ装置によれば、発振周波数を高安定に連続掃引制御でき、かつ細い発振スペクトルを有する単一周波数ファイバレーザを分子の吸収線に周波数安定化することにより、従来にない高い純度を有するレーザ装置を提供することができる。

次に、本発明のレーザ装置を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の周波数可変単一周波数ファイバレーザ（レーザ装置）の構成図である。

図１において、周波数可変単一周波数ファイバレーザは利得媒質である希土類添加光ファイバ３１、希土類添加光ファイバ３１を励起するための励起光源３２、励起光を希土類添加光ファイバ３１に結合させる光結合器３３、出力を取り出す光分岐器３４、光の進行方向を一方向に限定する光アイソレータ３５、反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いた反射型超狭帯域の光フィルタ３６、レーザ共振器長を制御するための共振器長可変用圧電素子３７、ＦＢＧのグレーティング長を制御するためのＦＢＧ可変用圧電素子３８、レーザ出力光を分岐する光分岐器３９、ＦＢＧのグレーティング長を制御するために用いる加算回路４０、光検出器４１、位相敏感検波回路４２、負帰還回路４３、信号発生器４４から構成される。

ここで、例えば、希土類添加光ファイバ３１としてエルビウム添加ファイバを用いると、レーザの発振波長は１．５μｍとなる。レーザ共振器長の制御機構には共振器長可変用圧電素子３７として直径方向に伸縮する円筒型のＰＺＴ素子を使用し、それにレーザ共振器を構成するファイバの一部を巻きつける機構が有効である。ＦＢＧのグレーティング長の制御機構にはＦＢＧ可変用圧電素子３８として長手方向に伸縮する多重積層型のＰＺＴ素子を使用し、それにＦＢＧを接着する機構が有効である。

以下、本発明のレーザ装置の動作について説明する。

まず、単一周波数ファイバレーザのモードホップの抑制機構について説明する。図２は、ＦＢＧの反射特性のピーク周波数（以下、単にピーク周波数と記す）とレーザの発振縦モードの関係を示すグラフ図である。

図２（ａ）に示すように、発振縦モードの周波数とＦＢＧのピーク周波数が一致するときレーザの出力強度は最大になり、その差が大きくなるほどレーザの出力強度が低下する。また、図２（ｂ）に示すように、発振縦モードの周波数とＦＢＧのピーク周波数が大きくずれる（図中において左から右へ移る）と発振縦モードは太矢印に示すようにモードホップする。

したがって、両者の周波数を合致するように負帰還制御すればモードホップを抑制できる。そこで光検出器４１を用いてレーザ出力強度をモニタし、その検出信号が常に最大となるように加算回路４０、位相敏感検波回路４２、負帰還回路４３及び信号発生器４４を用いてＦＢＧ可変用圧電素子３８への印加電圧をフィードバック制御し、モードホップを抑制する。

図３及び図４に本発明で提案する周波数可変単一周波数ファイバレーザの周波数掃引特性の実測結果の一例を示す。

実験に用いた周波数可変単一周波数ファイバレーザは、利得媒質にエルビウム添加ファイバを用いた１．５５μｍ帯レーザであり、縦モードの周波数間隔が約４９ＭＨｚ（レーザ共振器長は約６ｍ）、ＦＢＧを用いた反射型超狭帯域フィルタの帯域は約４ＧＨｚである。

図３（ａ）は、先に説明したＦＢＧ可変用圧電素子３８の同時制御をオフにした場合の共振器長可変用圧電素子３７への印加電圧と、レーザの発振周波数との関係を示すグラフ図である。図３（ｂ）は、ＦＢＧ可変用圧電素子３８への印加電圧と、レーザの発振周波数との関係を示すグラフ図である。図３（ａ）より、ＦＢＧ可変用圧電素子３８の同時制御がない場合、モードホップのためレーザ共振器長を制御することによる発振周波数の連続掃引範囲は縦モード間隔に制限されることがわかる。また、図３（ｂ）においてＦＢＧのグレーティング長を制御することにより発振縦モードが１本ずつ隣にモードホップし、その結果、発振周波数がステップ的に掃引されることがわかる。
これに対して、図４はＦＢＧ可変用圧電素子３８を同時制御した場合における共振器長可変用圧電素子３７への印加電圧と、レーザの発振周波数との関係を示すグラフ図である。

図４の場合、発振周波数を２ＧＨｚ以上可変しているにもかかわらずモードホップフリーに連続掃引されていることがわかる。すなわち、本発明で提案するＦＢＧ可変用圧電素子３８の同時制御により発振縦モードの周波数変化にＦＢＧのグレーティング長を同期し、モードホップを完全に抑制できることがわかる。

図５は本発明の周波数安定化ファイバレーザ（レーザ装置）の構成図である。

図５において、周波数安定化ファイバレーザは利得媒質である希土類添加光ファイバ３１、希土類添加光ファイバを励起するための励起光源３２、励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器３３、出力を取り出す光分岐器３４、光の進行方向を一方向に限定する光アイソレータ３５、ＦＢＧを用いた光フィルタ３６、レーザ共振器長を制御するための共振器長可変用圧電素子３７、ＦＢＧのグレーティング長を制御するためのＦＢＧ可変用圧電素子３８、レーザ出力光を分岐する光分岐器４９ａ及び４９ｂ、ＦＢＧのグレーティング長を制御するために用いる加算回路４０、光検出器４１、位相敏感検波回路４２、負帰還回路４３、信号発生器４４、レーザ出力強度を増幅する光増幅器５５、レーザの発振周波数を分子の吸収線に安定化するための周波数基準セル５６、周波数変調器５７、光検出器５８、位相敏感検波回路５９、負帰還回路６０、信号発生器６１から構成される。

ここで、例えば、周波数基準セル５６に用いる分子としては、アセチレン分子やシアン化水素分子が波長１．５μｍ帯レーザの周波数安定化に有効である。

以下、周波数安定化ファイバレーザの動作について説明する。

尚、上述した希土類添加光ファイバ３１から信号発生装置４４の符合順で構成される周波数可変単一周波数ファイバレーザの動作は上述したとおりである。

周波数基準セル５６は、分子の共鳴周波数にレーザの発振周波数が一致すると光が吸収されることを利用して、レーザの発振周波数が分子の共鳴周波数に一致していることを検出するためのものである。この周波数基準セル５６の共鳴周波数とファイバレーザ出力光の周波数の差を周波数変調器５７、光検出器５８、位相敏感検波回路５９及び信号発生器６１を用いて誤差電圧信号として検出し、その誤差電圧信号がゼロになるように負帰還制御回路６０を用いて共振器長可変用圧電素子３７ヘフィードバックすることにより、ファイバレーザの発振周波数を分子の共鳴線に安定化する。誤差電圧信号を検出する際にレーザ出力光の強度が不足する場合には光増幅器５５を用いて光増幅する。このように周波数安定化ファイバレーザを作製し、その周波数安定度は１×１０^−１０であった。

図６は、本発明における周波数安定化ファイバレーザの発振スペクトル線幅の測定系のブロック図である。

図６において、スペクトル線幅の測定は、周波数安定化ファイバレーザからの出力光７１を光カプラ７２及び光カプラ７３で構成したマッハツェンダ干渉計に入射し、光検出器７６で検出したビート信号を電気スペクトラムアナライザ７７で検出する自己遅延ヘテロダイン検波法によって行った。

この自己遅延ヘテロダイン検波法は、干渉計の一方の光路に遅延ファイバ７４を与え、干渉する光波間の相関を無くすことにより、レーザ光のスペクトル広がりを検出ビート信号の電気スペクトル（以下、ビートスペクトルと記す）より測定する方法である。

この測定法ではレーザの発振スペクトル線幅は観測したビートスペクトルの半値全幅に２分の１を乗じた値となる。実験に用いた遅延用ファイバ長は２５ｋｍであり、その遅延長より計算される線幅測定の分解能は４ｋＨｚである。また、干渉計の一方の光路に音響光学変調器７５を挿入し、干渉する光波間に８０ＭＨｚの周波数差を与えている。

これにより、ビート信号の中心周波数をＤＣから８０ＭＨｚにシフトし、ＤＣ付近に検出される雑音スペクトルと分離してビート信号を観測している。

図７は、本測定系を用いて観測した結果を示すグラフ図である。

図に示すように、ビートスペクトルの半値全幅は約４ｋＨｚであった。この値は測定系の分解能と同程度であることにより、レーザの発振スペクトル線幅は約２ｋＨｚであることがわかる。

このように、ＦＢＧを用いた光フィルタ３６をレーザの発振縦モードの波長選択素子として利用し、さらにその光フィルタ３６の中心周波数をレーザの共振器長と同期して可変することにより、常に同一の発振縦モードをＦＢＧでトラッキングしたモードホップフリーな周波数可変単一周波数ファイバレーザを実現できる。また、本ファイバレーザを分子の吸収線に周波数安定化することにより高い純度を有する周波数安定化レーザを実現できる。

本発明の周波数可変単一周波数ファイバレーザ（レーザ装置）の構成図である。（ａ），（ｂ）は、ＦＢＧの反射特性のピーク周波数とレーザの発振縦モードの関係を示すグラフ図である。（ａ）は本発明における周波数可変単一周波数ファイバレーザのＦＢＧ可変圧電素子の同時制御をオフにした場合における共振器長可変圧電素子への印相電圧とレーザの発振周波数の関係を示すグラフ図、（ｂ）はＦＢＧ可変圧電素子への印加電圧とレーザの発振周波数の関係を示すグラフ図である。（ａ），（ｂ）は、本発明における周波数可変単一周波数ファイバレーザのＦＢＧ可変用圧電素子３８の同時制御をオンにした場合における共振器長可変圧電素子への印加電圧とレーザの発振周波数の関係を示すグラフ図である。本発明における周波数安定化ファイバレーザ（レーザ装置）の構成図である。本発明における周波数安定化ファイバレーザの発振スペクトル線幅の測定系のブロック図である本測定系を用いて観測した結果を示すグラフ図である。従来の周波数安定化レーザの一例を示す構成図である。。従来の単一周波数ファイバレーザ共振器の構成図である。光フィルタの帯域が発振縦モード間隔に比ベ広過ぎる場合において、隣接する縦モードがほぼ等しい利得特性を有するために共振器長の変動もしくは光フィルタの中心周波数の変動により利得特性がわずかに変化したときに発振縦モードがモードホップ（図示太矢印参照）する様子を示す説明図である。狭帯域光フィルタとエタロン素子を組み合わせてモードホップを抑制した単一周波数ファイバレーザの構成図である。狭帯域光フィルタとエタロン素子によりレーザの発振縦モードを単一化する様子を示す説明図である。エタロン素子の共振周波数間隔と反射鏡の反射率との関係を透過帯域パラメータとして示したグラフ図である。

符号の説明

３１希土類添加光ファイバ
３２励起光源
３３光結合器
３４光分岐器
３５光アイソレータ
３６光フィルタ（反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング）
３７共振器長可変用圧電素子
３８ＦＢＧ可変用圧電素子
３９光分岐器３９、
４０ＦＢＧのグレーティング長を制御するために用いる加算回路
４１光検出器
４２位相敏感検波回路
４３負帰還回路
４４信号発生器

Claims

希土類元素添加光ファイバを利得媒質とすると共にファイバブラッググレーティングを波長選択素子としたレーザ装置において、
レーザ共振器の共振器長と前記ファイバブラッググレーティングのグレーティング長とを同時に可変してレーザ発振周波数を単一周波数のまま連続掃引させることを特徴とするレーザ装置。
前記共振器長及び前記グレーティング長の可変機構として印加電圧に比例して伸縮する圧電素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記レーザ発振周波数を、負帰還電気回路を用いて分子の共鳴線に安定化することにより狭線幅な単一周波数出力としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
単一偏波の出力を得るために前記レーザ共振器を全て偏波保持光ファイバで構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ装置。