JP2006324613A - 受動モード同期短パルス光ファイバレーザおよびスキャニングパルスレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】波長１．０μｍ帯のフェムト秒モード同期レーザを、構造が簡単、調整が容易、小型化が可能であり、安定した性能の装置を安価に実現すること、および、スーパーコンティニューム光源に替わる対象物への損傷が少ない光源としてスキャニングパルスレーザを実現すること。
【解決手段】光増幅器と可飽和吸収体を光ファイバでリング状に接続するモード同期短パルス光ファイバレーザにおいて、波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体を使用した光増幅器と、波長１．０μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブを可飽和吸収体とすることにより、波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスを発生するモード同期レーザを実現し、上記レーザ光をシード光とし、スキャニングパルスレーザを安価に実現する。
【選択図】 図１

Description

受動モード同期短パルス光ファイバレーザ、特に波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスを発生させる受動モード同期短パルス光ファイバレーザに関するものである。

モード同期フェムト秒レーザは、材料分析、時間領域の分光分析、光学的サンプリング、光学測定に利用され始めた。
このレーザとしては、従来より半導体レーザが使用されているが、最近になり、全光ファイバ型のフェムト秒レーザが注目を集めている。この形のレーザは、構造が簡単であること、共振器の調整が容易であること、性能維持のための保守作業が不要である等の利点を有している。さらに、パルス出力特性が半導体使用のモード同期レーザと同等となり、出力パワーの安定性はこれを超えたものが実現され、使用上の配慮もほぼ不要になったことが大きく貢献している。

波長１．０μｍ帯のフェムト秒モード同期レーザにおいては、構成要素であるゲイン媒体としては、高い利得特性とバンド幅の広さから、イットリウム添加ファイバが使用される。波長１．０μｍ帯のフェムト秒モード同期レーザとしては、非特許文献１に示す非線形分極効果（ＮＰＥ）を利用する方式や非特許文献２に示す半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）がモード同期の手段として採用されているものが発表されている。
これらのモード同期レーザは、モード同期のための微細な調整が必要であり、また、温度変化、振動に対する安定性に問題を有している。

可飽和吸収体としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を使用した光ファイバリング型のフェムト秒モード同期レーザについては、非特許文献３に示すごとく、ゲイン媒体としてエルビウム添加ファイバを使用した波長帯１．５５μｍのレーザが最初に開発された。
図１９はカーボンナノチューブを使用した波長帯１．５５μｍの受動モード同期短パルス光ファイバレーザの構成例を示す。

図１９において、１２及び１５は光アイソレータ、１３はＷＤＭ光カプラ、１４はエルビウム添加光ファイバ、１６は励起用レーザダイオードであり、１２〜１６で光増幅器を構成する。１７はシングルモード光ファイバ、１８は１．５５μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブを使用した透過型のＣＮＴ可飽和吸収体、１９は光カプラ、２０はレーザ出力である。

エルビウム添加光ファイバ１４は、波長１．５５μｍ帯域で大きな増幅度を有するゲイン媒体であり、１．５５μｍ帯のカーボンナノチューブの可飽和吸収帯域と共に、レーザ発振の波長を決めている。

その後、非特許文献４に示すごとく、カーボンナノチューブの可飽和吸収帯域の広域化が図られ、カーボンナノチューブ使用の受動モード同期短パルス光ファイバレーザとして、Ｓバンド〜Ｌバンド（１．４８μｍ〜１．６２５μｍ）の広帯域化が図られている。この帯域の用途は主に通信用であり、通信以外の用途が多い波長１．０μｍ帯のフェムト秒モード同期レーザとして、波長１．０μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブが実現されておらず、波長１．０μｍ帯受動モード同期短パルス光ファイバレーザは実現されていない。

なお、上記１．５５μｍ帯の受動モード同期短パルス光ファイバレーザにおいては、非線形分極効果（ＮＰＥ）を利用する方式や半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）を用いたモード同期レーザでの、モード同期のための微細な調整や、温度変化、振動に対する安定性問題はカーボンナノチューブの使用と光ファイバを使用したリング構成で解決されている。

受動モード同期短パルス光ファイバレーザは、その発振波長は固定であるが、任意の波長のパルスを生成するために、ソリトン自己周波数シフト（Ｓｏｌｉｔｏｎ Ｓｅｌｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ：ＳＳＦＳ）現象を利用する方法が知られている。非特許文献５にその一例が示されている。
この現象は、高い非線形性を有する光ファイバに、高パワーの短パルスを挿入すると、その出力に、長波長方向に偏移したソリトンパルスが発生するものであり、この原理を利用した波長可変パルスレーザも発表されている。
Ｆ．Ｏ．Ｉｌｄａｙ，Ｊ．Ｒ．Ｂｕｃｋｌｅｙ，Ｈ．Ｌｉｍ，Ｆ．Ｗ．Ｗｉｓｅ，ａｎｄ Ｗ．Ｇ．Ｃｌａｒｋ，"Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ５０−ｆｓ，５−ｎＪ ｐｕｌｓｅｓ ａｔ １．０３μｍ ｆｒｏｍ ａ ｗａｖｅ−ｂｒｅａｋｉｎｇ−ｆｒｅｅ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ，"Ｏｐｔ ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１５，ｐｐ．１３６５−１３６７（２００３） Ｌｕｉｓ Ａ．Ｇｏｍｅｓ，Ｌａｓｓｅ Ｏｒｓｉｌａ，Ｔｏｍｉ Ｊｏｕｈｔｉ，ａｎｄ Ｏｌｅｇ Ｇ．Ｏｋｈｏｔｎｉｋｏｖ，"Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ＳＥＳＡＭ−ｂａｓｅｄ Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒｓ，"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｖｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１，ｐｐ．１２９−１３６，（２００４） Ｓ．Ｙ．Ｓｅｔ，Ｈ．Ｙａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｔａｎａｋａ，Ｍ．Ｊａｂｌｏｎｓｋｉ，"Ｌａｓｅｒ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２２，ｎｏ．１，ｐｐ．５１−５６，Ｊａｎｕａｒｙ２００４． Ｓ．ｙａｍａｓｉｔａ，Ｙ．Ｉｎｏｕｅ，Ｈ．Ｙａｇｕｃｈｉ，Ｍ．Ｊａｂｌｏｎｓｋｉ，Ｓ．Ｙ．Ｓｅｔ，"Ｓ−，Ｃ−，Ｌ−ｂａｎｄ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｆｉｂｅｒ ｐｕｌｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｂｒｏａｄｂａｎｄｃａｒｂｏｎ−ｎａｎｏｔｕｂｅ−ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｒ，"ｉｎ Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ‘０４（ＥＣＯＣ’０４），Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｅｄｅｎ，５９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００４，ｐａｐｅｒ Ｔｈ１．３．４ Ｘ．Ｌｉｕ，Ｃ．Ｘｕ，Ｗ．Ｈ．Ｋｎｏｘ，Ｊ．Ｋ．Ｃｈａｎｄａｌｉａ，Ｂ．Ｊ．Ｅｇｇｌｅｔｏｎ，Ｓ．Ｇ．Ｋｏｓｉｎｓｋｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｓ．Ｗｉｎｄｅｅｌｅｒ，"Ｓｏｌｉｔｏｎ ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｉｎ ａ ｓｈａｒｐ ｔａｐｅｒｅｄａｉｒ−ｓｉｌｉｃａ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ，"ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ６／Ｍａｒｃｈ １５，２００１ 特開２００４−２８００２８「可飽和吸収チップとその製造方法及び可飽和吸収チップを用いたデバイス」

解決しようとする課題は、波長１．０μｍ帯のフェムト秒モード同期レーザを、簡単な構造で小型化が可能であり、簡易な調整と、性能維持のための保守作業不要を不要とし、安定な性能の装置を安価に実現すること、および、本発明で発生するフェムト秒パルスをシード光としたスキャニングパルスレーザを安価に実現することである。

請求項１の発明は、２個の光アイソレータの間に少なくとも波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体と、励起光を供給するレーザダイオードと、レーザダイオード出力パワーをゲイン媒体へ供給するためのＷＤＭカプラで構成される光増幅回路と、偏波面コントローラと、少なくとも波長１．０μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブ使用の透過型可飽和吸収体と、光分散補償器および光カプラをシングルモード光ファイバによりリング状に接続し、光カプラの他端を出力とする受動モード同期短パルス光ファイバレーザである。

請求項２の発明は、請求項１の少なくとも波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体として、イットリウムあるいはその他希土類添加光ファイバ、または、希土類ガラス導波路を使用した、受動モード同期短パルス光ファイバレーザである。

請求項３の発明は、請求項１の光分散補償器として、２個のコリメータと、２個のレンズと、２個の回折格子および１個のプリズムを使用し、光信号を回折格子でそれぞれ２回反射させることを特徴とする光分散補償器である。

請求項４の発明は、請求項１の受動モード同期短パルス光ファイバレーザをシード光源とし、光増幅器と、パルスパワーを調整する光変調器と、光カプラと、偏波面コントローラと、ソリトン自己周波数シフト効果を有する非線形光ファイバと、シード光の波長を除去しシード光波長より長波長を通過域とする光フィルタと可変減衰器を直列に接続し、光カプラの他のポートに光パワー検出器を接続し、光パワー検出器出力をコントローラに接続し、コントローラからの制御信号により光変調器を制御し、光変調器の制御に同期して可変減衰器を制御することによりパワー一定の出力を有する、広帯域スキャニングパルスレーザである。

請求項５の発明は、請求項１の受動モード同期短パルス光ファイバレーザをシード光源とし、光増幅器と、パルスパワーを調整する光変調器と、第１の光カプラと、偏波面コントローラと、ソリトン自己周波数シフト効果を有する非線形光ファイバと、シード光の波長を除去しシード光波長より長波長を通過域とする光フィルタと可変減衰器と第２の光カプラを直列に接続し、第１の光カプラの他のポートに第１の光パワー検出器を接続し、第１の光パワー検出器出力をコントローラに接続し、第１のコントローラの制御信号により光変調器を制御し、第２の光カプラの他のポートに最低波長と最高波長および最低波長と最高波長の間の任意の数の波長のみを通過させる光フィルタを接続し、全ての光フィルタの出力に光パワー検出器を接続し、全ての光パワー検出器の出力を第２のコントローラに接続し、全ての光パワー検出器の出力情報により可変減衰器の制御量を算出し、第１のコントローラの第２の制御信号を同期信号として第２のコントローラに加えて可変減衰器の制御信号を生成し、第１のコントローラで制御される光変調器の動作に同期して可変減衰器を制御する機能を備えており、これにより、出力パルスエンベロープを任意の形状にする事を可能とした、広帯域スキャニングパルスレーザである。

請求項１の発明の効果として、波長１．０μｍ帯の受動モード同期短パルス光ファイバレーザの中枢部品として、カーボンナノチューブを使用した可飽和吸収体を用いることにより、半導体可飽和吸収体の場合のような特殊な製造プロセスが必要なく、かつ、市販のカーボンナノチューブを使用しての可飽和吸収体の製造が可能となり、波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスレーザの大幅なコスト削減が可能である。さらに、レーザ起動時に、立ち上げのための手順や調整は不要であるとともにメンテナンスフリーを実現している。

請求項２の発明の効果として、少なくとも波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体として、各種の希土類添加光ファイバ、希土類ガラス導波路の選択が可能であり、装置実現の自由度の向上が図られる。

請求項３の発明の効果として、構造が簡単で安定な光分散補償器を安価に実現できる。特に、１枚の回折格子に光を２回反射させることで、回折格子の数を削減し、プリズムを反射鏡として使用することにより、２枚のミラーを使用する場合のミラー保持機構部が不要になることで、小型化と大幅なコスト削減が図られる。

請求項４の発明の効果として、波長可変領域において、出力が一定のソリトンパルスを生成することができ、波長可変を高速で周期的に行うことにより、スーパーコンティニュム光源と擬似的に等価な光源となるが、そのパワーは１波長分である。検査等に使用する光源に本レーザを使用すると、大幅なパワー低減がなされ、対象物への損傷を減少させることができる。
また、手動操作とすれば、任意の波長のソリトンパルス発生器としても使用可能である。

請求項５の効果として、レーザ出力のパルスエンベロープを任意の形状にすることにより、検査システム等構築の自由度の向上に寄与する。たとえば、波長により透過率が異なる媒体を通してレーザを照射しなければならない場合、一般にはパワーイコライザが使用されるが、本発明を利用すれば、光源側で予等化することができ、パワーイコライザは不要となる。また、出力パワーの制御をフィードバック制御とすることにより、出力パワーの変動を小さくすることが可能であり、システムの精度向上に寄与する。

本発明は、特に波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスを発生させる受動モード同期短パルス光ファイバレーザと、本レーザを使用したスキャニングパルスレーザに関するものである。

波長１．０μｍ帯の短パルス発生方式として、受動モード同期光ファイバレーザ方式を用い、ここで使用される可飽和吸収体として波長１．０μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブを使用し、ゲイン媒体として、波長１．０μｍ帯で高利得を有するイットリウム添加光ファイバを使用し、小型でコストの安いレーザを実現すること、および、上記レーザを利用してソリトンパルスを広範囲な波長にわたり連続的に変化させるスキャニングパルスレーザを提供するものである。

図１は、本発明に関わる波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスを発生させる受動モード同期光ファイバレーザの実施例の構成を示す。

実施例１を示す図１で、１及び４は光アイソレータ、２はＷＤＭ光カプラ、３はイットリウム添加光ファイバを用いたゲイン媒体、５は励起用レーザダイオード、６は偏波面コントローラ、７は少なくとも波長１．０μｍ帯に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を使用した透過型のＣＮＴ可飽和吸収体、８は光分散補償器、９は光カプラ、１０はレーザ出力である。各部品間はシングルモード光ファイバで接続し、１〜４、６〜９で光ファイバリングを構成し、レーザ共振器として作用する。

１〜５で構成される光増幅器のゲイン媒体としては、波長１．０μｍ帯で大きな利得を有するイットリウム添加光ファイバを使用する。本実施例では、長さ０．３４ｍのイットリウム添加光ファイバを使用している。
ここで使用されるゲイン媒体としては、請求項２に示すごとく、波長１．０μｍ帯で利得を有するものであれば、他の希土類添加光ファイバあるいは希土類ガラス導波路を使用することも可能である。

励起用レーザダイオード５は、実施例では、波長９７５ｎｍのレーザダイオードを出力パワー２２０ｍＷで使用している。

ＷＤＭ光カプラ２は波長９８０ｎｍ／１０５０ｎｍのものを使用している。

偏波面コントローラ６は、光リングを構成する光ファイバの偏波面の温度依存性を補償する役割を有しているが、使用する光ファイバを偏波面保存型にすると、偏波面コントローラ６は不要となる。この選択は、コスト比較で決めればよい。

波長１．０μｍ帯のフェムト秒パルスを発生させる受動モード同期光ファイバレーザでは、可飽和吸収体の可飽和吸収特性を現出する波長帯が１．０μｍ帯のカーボンナノチューブを使用するが、本実施例では０．８４μｍ〜１．８μｍの超広帯域に可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブを使用して可飽和吸収体としている。
可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブは当初１．５５μｍ帯域で開発されたが、その後広帯域可化の研究が進み、各種のカーボンナノチューブが市販レベルで購入可能となっている。本実施例では、ＣＮＩ社（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）製のカーボンナノチューブを使用している。

透過型の可飽和吸収体の構造としては、ガラス面にカーボンナノチューブを積層したものを使用している。ガラス表面では、カーボンナノチューブがバンドル状態となり、このバンドルが複雑に絡み合って網状になっている。この層の厚さを制御することにより、可飽和吸収特性を出現させている。

カーボンナノチューブは、市販製品の使用が可能であり、ガラス面に積層するだけで可飽和吸収体を作成することが出来、特別のプロセス、部品も不要であり、コスト削減に大きく寄与する。また、特許文献１に示すごとく、機械的な強度を有し安定した可飽和吸収特性を有する素子も開発されている。

光分散補償器８は、リングで構成されるレーザ共振器を構成するために使用する光ファイバの光分散を補償する。使用する光分散補償器としては、固体型、回析格子型、チャープグレーティング型、ホーリーファイバ型等が使用可能である。
図１９で示す従来の１．５５μｍ帯パルスレーザの場合、シングルモード光ファイバの１．５５μｍ帯の光分散値は異常分散であり、ソリトンパルス生成の条件を満たしており、光分散補償器は不要である。これに対し、本発明の特徴とする波長１．０μｍ帯パルスレーザの場合、書く部品を接続するシングルモード光ファイバの波長１．０μｍ帯の光分散値は正常分散であり、ソリトンパルス生成の条件を満たしていない。このため、光分散補償器を挿入し、分散値を異常分散値に補正する必要がある。

光カプラ９は、ファイバ共振器内のエネルギーの一部を取り出しレーザ出力を得るものである。実施例では（９：１）の光カプラを使用した。

図１におけるレーザ発振は以下の過程で実現される。
レーザ装置の電源が投入され励起用レーザダイオード５に電流が加えられると、そのレーザ出力がＷＤＭ光カプラ２を通ってイットリウム添加光ファイバを使用したゲイン媒体３に励起光として加えられ、イットリウム添加光ファイバを用いた増幅器として動作する。１〜４、６〜９で構成されるリング型共振器では、初めは不安定な多モード発振を行う。この状態は可飽和吸収体が無い場合の発振と同じである。
共振器内のパワーはリング内を循環する毎に大きくなり、カーボンナノチューブの可飽和吸収特性が出現するパワーに達するとモード同期状態となり、リング一巡時間で決まる繰り返し周波数での安定なパルス発振状態となる。

レーザの繰り返し周波数は以下の式で求められる。
ｆ ＝ ｃ ／ｎＬ （数式１）
ここで
ｆ：繰り返し周波数
ｃ：光速度（３×１０^８ｍ）
ｎ：光ファイバの屈折率（１．５）
Ｌ：光ファイバ長
本実施例では、Ｌ＝８．８ｍであり、繰り返し周波数は２３ＭＨｚである。

発振波長の中心値は、ゲイン媒体であるイットリウム添加光ファイバ３の飽和時の最低損失波長で決まる。実施例で使用したイットリウム添加光ファイバでは、波長１，０３２ｎｍで最低損失となる。これにより、実施例では波長１，０３２ｎｍの受動モード同期光ファイバレーザが実現されている。

なお、レーザ発振波長は、リングの途中に任意の波長のフィルタを挿入することにより、そのフィルタの波長が最低損失波長となり、フィルタの波長で動作するレーザを実現することができる。ただし、ゲイン媒体の最低損失波長からずれるため、フィルタを挿入しない場合より、イットリウム添加光ファイバ使用の増幅器の利得を高くする必要がある。

他の発明は請求項３に示され、第１の発明の光分散補償器を回折格子で実現するものであり、図２に実施例の構成を示す。
構成要素の１〜７、９、１０は図１に示した実施例１の構成と同じであり、光分散補償器８が本発明の光分散補償器１１に置換されたものである。そのレーザとしての動作原理は実施例１と同じである。

光分散補償器１１は、２個のコリメータ、２個のレンズ、２個の回折格子、１個のプリズムで構成される。

光ファイバからのレーザ光は、コリメータ１１−１から放出され、レンズ１１−２で集光され、回折格子１１−３および回折格１１−４で反射され、プリズム１１−５で１８０度方向転換され、その後、回折格子１１−４および回折格子１１−３で再度反射され、レンズ１１−６で集光され、コリメータ１１−７で光ファイバに入力される。

本発明の構成では、１枚の回折格子を２回使用すること、光路を１８０度方向転換するために１個のプリズムを使用することで、部品点数の少ない簡単な構造で実現し、調整箇所の減少、小型化が可能で安価な光分散補償器を実現している。

実施例では、回折格子としては１２００−ｌｉｎｅ／ｍｍのものを使用している。また、光分散補償器の空間光波路長合計は０．４５ｍのものを使用しているが、更なる小型化は可能である。

本実施例の光分散補償器を使用した場合、レーザの繰り返し周波数は以下の式で求められる。
ｆ＝ｃ／（ｎＬ＋ｎ’Ｌ’） （数式２）
ここで
ｆ：繰り返し周波数
ｃ：光速度（３×１０^８ｍ）
ｎ：光ファイバの屈折率（１．５）
Ｌ：光ファイバ長
ｎ’：空間屈折率（１．０）
Ｌ’：空間光波路長（光分散補償器実効空間長）
本実施例では、Ｌ＝８．３５ｍ、Ｌ’＝０．４５ｍとし、繰り返し周波数は２３ＭＨｚである。

図３〜図６は本発明を適用した受動モード同期短パルス光ファイバレーザを実証する各種波形である。
図３はカーボンナノチューブの可飽和吸収波長特性、図４は横軸を波長とする出力パルススペクトル波形、図５はレーザ出力の横軸を時間とするオシロスコープ波形、図６はＳＧＨ自己相関波形である。

図３では、カーボンナノチューブの可飽和吸収波長帯域が９４０ｎｍ〜１，８００ｎｍの超広帯にわたることが示されている。本カーボンナノチューブを使用した可飽和吸収体を用い、ゲイン媒体を選択すれば、波長９４０ｎｍ〜１，８００ｎｍ内の任意の波長の受動モード同期短パルス光ファイバレーザを実現することができる。

図４の出力スペクトルの中心波長は１，０３２ｎｍ、３ｄＢスペクトル幅は約７．５ｎｍである。図５のパスス繰り返し時間間隔は４３ｎｓであり、繰り返し周波数は２３ＭＨｚである。図６の波形のパルス幅は１８０ｆｓｅｃ（フェムト秒）である。
これらの波形より、パルス幅１８０ｆｓｅｃのフェムト秒パルスレーザが実現されている事が分かる。

実施例１、２では、リング長８．８ｍで２３ＭＨｚの繰り返し周波数を実現しているが、構成部品を接続する光ファイバ長を短くすれば、リング長が短くなり、繰り返し波長の高いレーザを実現することができることは説明するまでもない。

第３の発明は、請求項４に示され、図１の受動モード同期短パルス光ファイバレーザをシード光源とし、非線形光ファイバのソリトン自己周波数シフト効果（ＳＳＦＳ効果）を利用して、広帯域スキャニングパルスレーザを実現するものであり、図７にその構成例を示す。

図７において、２１はシード光源であり、図１または図２の受動モード同期短パルス光ファイバレーザで、その発振波長は１．０μｍ帯である。２２は光増幅器、２３は光変調器、２４は光カプラ、２５は偏波面コントローラ、２６はソリトン自己周波数シフト効果を有する非線形光ファイバ、２７はシード光波長より波長の長いパルスを通過させる光フィルタ、２８は可変減衰器、２９はレーザ出力、３０は光パワー検出器、３１はコントローラである。

本発明は、非線形光ファイバに高パワーの短パルスを印加すると、その出力に波長が高域に偏移したソリトンパルスが発生するソリトン自己周波数シフト効果（ＳＳＦＳ効果）を利用するものである。非線形光ファイバに印加するパワーを変化させることにより、波長の偏移量を制御することができる。ＳＳＦＳ効果を現す非線形光ファイバとしては、ホーリーファイバ、フォトニック結晶ファイバ等が知られている。

光増幅器２２のゲイン媒体としては、波長１．０μｍ帯で大きな利得を有するイットリウム添加光ファイバを使用している。

光変調器２３はコントローラ３１の制御信号３１−１で制御され、必要とする波長偏移量に該当する出力パワーのパルスが非線形光ファイバに供給されるように動作する。本発明においては、制御信号を周期的に変化させる事により、非線形光ファイバに供給されるパワーを周期的に変化させ、これにより非線形光ファイバ出力のソリトンパルスの波長を周期的に変化させ、これによりスキャニングパルスレーザを実現する。本実施例では、光変調器２３としては、音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用している。

光カプラ２４は非線形光ファイバ２６に印加される光パワーを監視するための分岐回路である。

偏波面コントローラ２５はソリトンパルス出力の最適点、詳しくは、非線形光ファイバへの入力が最大パワーにおいて最長波長ソリトンパルスが最大となるように調整される。

非線形光ファイバ２６は、長いほど小さな入力パワーで大きな周波数偏移量を確保できる。装置化においては、非線形光ファイバの収容スペース、光増幅器の能力、実現コスト等を勘案して決定する。本実施例では、非線形光ファイバ２６には、長さ１５ｍのホーリーファイバを使用し、入力パワーとしては、５ｍＷから３０ｍＷを可変範囲としている。

光フィルタ２７は、シード光源波長を除去し、発生したソリトンパルスのみを通過させる高波長通過フィルタである。

可変減衰器２８は、波長により変化するソリトンパルスのパワーを、レーザ出力２９で一定となるように制御する機能を有し、コントローラ３１の制御信号３１−１に同期した制御信号３１−２で制御される。本実施例では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）型の可変減衰器を使用している。

図８に実施例における非線形光ファイバ入力パワーに対する波長偏移量を示す。本実施例では、入力パワー５ｍＷから３０ｍＷで約１９０ｎｍの波長偏移幅が得られている。
図９は非線形光ファイバ出力点における各波長の出力パワーを示した図であり、実施例では波長の低域と高域で３ｄＢのパワー差が生じている。

図１０、図１１はシード光源２２のパルススペクトルおよびＳＧＨ自己相関波形であり、波長１，０３２ｎｍ、半値幅７．９８ｎｍ、パルス幅３２５ｆｓ（フェムト秒）である。
図１２、図１３は光増幅器２３の出力のパルススペクトルおよびＳＧＨ自己相関波形であり、波長１，０３２ｎｍ、半値幅９．３６ｎｍ、パルス幅３．３３ｐｓ（ピコ秒）である。このパルスが非線形光ファイバ２６に印加される。
図１４、図１５は光フィルタ２８の出力のパルススペクトルおよびＳＧＨ自己相関波形であり、波長１，１９８ｎｍ、半値幅１０．０５ｎｍ、パルス幅０．７１ｐｓ（ピコ秒）のパルスが発生している。この出力パルスは、波長１，０３２ｎｍ、パルス幅３．３３ｐｓ（ピコ秒）のパルスが非線形光ファイバで波長が１６６ｎｍ長波長方向へ偏移し、波長１，１９８ｎｍ、パルス幅０．７１ｐｓ（ピコ秒）のソリトンパルスに変換された事を示している。

上記説明では、出力波長１，１９８ｎｍ点のデータを示したが、本発明は、非線形光ファイバ２６へ入力する光パルスのパワーを時間的に連続して繰り返し変化させ、これにより出力パルスの波長を時間的に連続して繰り返し変化させ、スキャニングパルスレーザとするものである。

図７の非線形光ファイバ２６への入力パワーと光パワー検出器３０の入力パワー変化は比例関係にあるので、非線形光ファイバ２６の入力パワーは光パワー検出器３０で監視することで特定できる。コントローラ３１の１個目の出力である制御信号３１−１は、非線形光ファイバ２６の入力パワーが所定の波長を得るためのパワーとなるように、光変調器２３の変調度を制御する。

制御信号３１−１は連続的に変化し、これにより光変調器２３の変調度が連続的に変化し、非線形光ファイバ２６出力には、図９で示される波長偏移に伴う出力パワーが変化したパルスが連続的に出現する。この出力パワーの変化を、制御信号３１−１に同期した制御信号３１−２により、可変減衰器２８を制御し、波長が変化してもレーザ出力パワーを一定に保つように動作する。
上記制御動作を、最低波長から最高波長まで、継続的に繰り返し実行することにより、波長が連続的に変化する出力パワー一定のソリトンパルスが継続的に出力される。

図１６は、制御信号３１−１、制御信号３１−２の動きと光フィルタ２７出力および可変減衰器２８の出力すなわちレーザ出力２９におけるスペクトル変化を示す模式図である。
図１６（ａ）で制御信号３１−１の増大とともに光変調器２３の出力パワーが増大し、その結果として、図１６（ｂ）に示す光フィルタ２７の出力では、ソリトンパルスの波長は最小から最大まで変化し、そのパワーは連続的に増大する。また、制御信号３１−１の減少とともにソリトンパルスの波長は最大から最小に変化し、そのパワーは連続的に減少する。
可変減衰器２８は、制御信号３１−１の変化に同期する制御信号３１−２で制御され、図１６（ｃ）で示される可変減衰器出力では、制御信号３１−２の増大と共に減衰量が増加してパルス出力を減衰させ、その結果として出力パワーはたえず一定となる。制御信号３１−２の減少時も同様に働き、出力パワーは絶えず一定である。

本発明では、上記制御を連続的に継続して実行することにより、ソリトンパルスの波長を連続可変とした出力パワー一定のスキャニングパルスレーザを実現している。
スキャニングパルスレーザのスキャニング速度は、実施例では１ｍｓ、繰り返し周波数では１ＫＨｚであるが、適正な部品を選択する事により、任意の値とすることができる。
また、スキャニングを任意の位置で停止した場合、任意の固定波長のソリトンパルスレーザとしても使用可能である。

第４の発明は、請求項５に示され、出力パルスエンベロープ形状を任意に変化させることを可能とするスキャニングパルスレーザであり、図１７にその構成例を示す。

図１７で、２１〜２８および３０は実施例３と同じである。
３２は第１のコントローラ、３３は第２の光カプラ、３４はレーザ出力、３５は光フィルラ、３６−１、３６−２、３６−３は第２、第４、第５の光パワー検出器、３７は第２のコントローラである。

光フィルタ３５は、レーザ出力の波長可変帯域の最低波長、１波以上の中間波長、最高波長のみを通過させるフィルタである。本実施例は中間波長１波の場合である。

光フィルタ３５の出力は第２の光パワー検出器３６−１、第３の光パワー検出器３６−２、第４の光パワー検出器３６−３に接続される。３７は第２のコントローラであり、光パワー検出器３６−１、３６−２、３６−３の出力が接続される。光パワー検出器３６−１、３６−２、３６−３の情報に基づき各波長の出力パワーを指定値にするための制御量が算出される。第１のコントローラ３２の制御信号３２−２により最低波長と最高波長の制御タイミングを光変調器２３と同期するようにコントロールされた制御信号３７−１が生成され、可変減衰器２８に与えられる。

可変減衰器２８は制御信号３７−１で制御されるが、その減衰量は光変調器２３の変調度の変化に連動している。さらに、制御信号３７−１の制御量は、最低波長、中間１波長、最高波長の３波長の間は連続的に変化する値であり、これによりレーザ出力のパルスパワーは可変全波長帯にわたり滑らかに変化する。

中間１波長、最高波長の３波長点の出力パワーを同一に設定すると、出力パワー平坦なスキャニングパルスレーザとなる。
最低波長、中間１波長、最高波長の３波長点の出力パワーを異なる値にすることにより、任意の出力エンベロープ形状を有するスキャニングパルスレーザが実現される。
図１８（ａ）は、３点同一パワーの場合のレーザ出力の模式図、図１８（ｂ）は、中間波長点のパワーを高くした場合レーザ出力の模式図である。
また、本実施例では、中間１波としているが、中間の波長検出点を増加させることにより、出力エンベロープ形状を複雑に変化させることが可能なスキャニングパルスレーザを実現することができる。

制御信号３７−１は、波長と減衰量を初期値として設定し自動的に繰り返し動作させる方法と、レーザ出力を常時監視し制御量にフィードバックをかける自動制御で使用する方法がある。出力パワーを厳密に制御するにはフィードバック型が有効であるが、用途、安定性、価格を考慮して選択を行えばよい。

フェムト秒パルスは、材料分析、スペクトル分析、精密測定等に利用されており、第１、第２の発明は、この光源を安価に安定した性能でかつメンタナンスフリーで提供するものである。

第３の発明のスキャニングパルスレーザは、医療用検査、干渉計、顕微鏡等の光源として使用可能である。発明の効果の項で述べたように、スーパーコンティニューム光源に対し、トータルエネルギーは極端に小さく、対象物への影響を軽減することができる。特に目の検診等人体に対するレーザ光源としての利用の期待は大きい。

第４の発明では、レーザ出力のエンベロープ形状を任意に形に設定することが可能であるため、波長とパワーをパラメータとする複雑な観察システム等への応用が期待される。

本発明に係わる第１の実施形態における構成例を示した図である。 本発明に係わる第２の実施形態を適用した場合の構成例を示した図である。 本発明に係わる第１実施形態におけるカーボンナノチューブの可飽和吸収波長特性例を示した図である。 本発明に係わる第２の実施形態を適用した場合の光出力の横軸を波長とするスペクトル波形例を示した図である 本発明に係わる第２の実施形態を適用した場合の光出力の横軸を時間とするオシロスコープ波形例を示した図である。 本発明に係わる第第２の実施形態を適用した場合の光出力のＳＧＨ自己相関波形である。 本発明に係わる第３の実施形態における構成例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における非線形光ファイバの入力パワーに対する波長偏移を表す例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における非線形光ファイバ出力における波長とパルスパワーの関係を示す例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態におけるシード光源のパルススペクトル例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態におけるシード光源のＳＧＨ自己相関波形例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における光増幅器出力のパルススペクトル例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における光増幅器出力のＳＧＨ自己相関波形例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における光フィルタ出力のパルススペクトル例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における光フィルタ出力のＳＧＨ自己相関波形例を示した図である。 本発明に係わる第３の実施形態における光変調器の制御信号変化に対する光フィルタ出力点と可変減衰器出力におけるスペクトル変化例を示した図である。 本発明に係わる第４の実施形態における構成例を示した図である。 本発明に係わる第４の実施形態におけるレーザ出力におけるパルスエンベロープ例を示した図である。 既存技術における構成例を示した図である。

符号の説明

１：光アイソレータ
２：ＷＤＭカプラ
３：イットリウム添加光ファイバ
４：光アイソレータ
５：励起用レーザダイオード
６：偏波面コントローラ
７：ＣＮＴ可飽和吸収体
８：光分散補償器
９：光カプラ
１０：レーザ出力
１１：光分散補償器
１１−１：コリメータ
１１−２：レンズ
１１−３：回折格子
１１−４：回折格子
１１−５：プリズム
１１−６：レンズ
１１−７：コリメータ
１２：光アイソレータ
１３：ＷＤＭカプラ
１４：エルビウム添加光ファイバ
１５：光アイソレータ
１６：励起用レーザダイオード
１７：シングルモード光ファイバ
１８：ＣＮＴ可飽和吸収体
１９：光カプラ
２０：レーザ出力
２１：シード光源
２２：光増幅器
２３：光変調器
２４：光カプラ
２５：偏波面コントローラ
２６：非線形光ファイバ
２７：光フィルタ
２８：可変減衰器
２９：レーザ出力
３０：光パワー検出器
３１：コントローラ
３１−１：制御信号
３１−２：制御信号
３２：コントローラ
３２−１：制御信号
３２−２：制御信号
３３：光カプラ
３４：レーザ出力
３５：光フィルタ
３６−１：光パワー検出器
３６−２：光パワー検出器
３６−３：光パワー検出器
３７：コントローラ
３７−１：制御信号

Claims (5)

1. ２個の光アイソレータの間に少なくとも波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体と、
   励起光を供給するレーザダイオードと、
   レーザダイオード出力パワーをゲイン媒体へ供給するためのＷＤＭカプラで構成される光増幅回路と、
   偏波面コントローラと、
   少なくとも波長１．０μｍ帯を可飽和吸収帯域とするカーボンナノチューブ使用の透過型可飽和吸収体と、
   光分散補償器と、
   光カプラをシングルモード光ファイバによりリング状に接続し、
   光カプラの他ポートを出力とする
   ことを特徴とする、受動モード同期短パルス光ファイバレーザ。
2. 請求項１記載の、少なくとも波長１．０μｍ帯で利得を有するゲイン媒体として、イットリウムあるいはその他希土類添加光ファイバ、または、希土類ガラス導波路を使用したことを特徴とする請求項１記載の受動モード同期短パルス光ファイバレーザ。
3. 請求項１の光分散補償器において、
   ２個のコリメータと、
   ２個のレンズと、
   ２個の回折格子と、
   １個のプリズムを使用し、
   光信号を回折格子でそれぞれ２回反射させることを特徴とする光分散補償器。
4. 請求項１の受動モード同期短パルス光ファイバレーザをシード光源とし、
   光増幅器と、
   パルスパワーを調整する光変調器と、
   光カプラと、
   偏波面コントローラと、
   ソリトン自己周波数シフト効果を有する非線形光ファイバと、
   シード光波長を除去しシード光波長より長波長を通過域とする光フィルタと
   可変減衰器を直列に接続し、
   光カプラの他のポートに光パワー検出器を接続し、
   光パワー検出器出力をコントローラに接続し、
   コントローラの制御信号により光変調器を制御し、
   光変調器の制御に同期して可変減衰器を制御し、
   出力パワーを一定とすることを特徴とするスキャニングパルスレーザ。
5. 請求項１の受動モード同期短パルス光ファイバレーザをシード光源とし、
   光増幅器と、
   パルスパワーを調整する光変調器と、
   第１の光カプラと、
   偏波面コントローラと、
   ソリトン自己周波数シフト効果を有する非線形光ファイバと、
   シード光の波長を除去しシード光波長より長波長を通過域とする光フィルタと、
   可変減衰器と、
   第２の光カプラを直列に接続し、
   第１の光カプラの他のポートに第１の光パワー検出器を接続し、
   第１の光パワー検出器出力をコントローラに接続し、
   第１のコントローラの制御信号により光変調器を制御し、
   第２の光カプラの他のポートに最低波長と最高波長および最低波長と最高波長の間の任意の数の波長のみを通過させる光フィルタを接続し、
   全ての光フィルタの出力に光パワー検出器を接続し、
   全ての光パワー検出器の出力を第２のコントローラに接続し、
   全ての光パワー検出器の出力情報により可変減衰器の制御量を算出し、
   第１のコントローラの第２の制御信号を同期信号として第２のコントローラに加えて可変減衰器の制御信号を生成し、
   第１のコントローラで制御される光変調器の動作に同期して可変減衰器を制御する機能を備え、
   出力パルスエンベロープを任意の形状にする事を特徴とした、スキャニングパルスレーザ。

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