JPWO2017204299A1 - パルス光源及びパルス光を発生させる方法 - Google Patents

Abstract

パルス光源（１０）は、ポンプ光源（１００）及び共振器（２００）を備えている。共振器（２００）は、希土類ドープファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）（２２０）を有している。ポンプ光源（１００）は、ＲＥＤＦＡ（２２０）にポンプ光を供給している。ポンプ光は、共振器（２００）の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。具体的には、変調周波数ｆ_ｍｏｄは、共振器（２００）の基本共振周波数ｆ_１の整数倍の９５％以上１０５％以下の周波数である。

Description

本発明は、パルス光源及びパルス光を発生させる方法に関する。

レーザの利得媒体として希土類ドープファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）が用いられることがある。ＲＥＤＦＡは、例えば、プラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）、ネオジムイオン（Ｎｄ^３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ^３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）、ツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）又はイッテルビウムイオン（Ｙｂ^３＋）を含んでいる。特にツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）を含むＲＥＤＦＡ、すなわちツリウムドープファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）を有するレーザは、波長２μｍ帯の光を発することができる。波長２μｍ帯の光は、例えば、レーザ加工、ＬＩＤＡＲ（Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）又はガスセンシングへの応用が期待されている。

ＲＥＤＦＡを有するレーザでは、パルス光を発生させることがある。パルス光を発生させるための方法の一つとして、モード同期がある。さらに、モード同期には、受動モード同期及び能動モード同期の２種類の方法がある。

受動モード同期において、パルス光源は、共振器、利得媒体及び可飽和吸収体を備えている。利得媒体及び可飽和吸収体は、共振器の２枚のミラー間にある。可飽和吸収体の光損失は、可飽和吸収体に入力される光の強度によって変調し、具体的には、光の強度が高くなるほど光損失が低くなる。受動モード同期では、可飽和吸収体のこの損失変調によって、パルス光を発生させることができる。

能動モード同期の一例において、パルス光源は、共振器、利得媒体及び強度変調器を備えている。利得媒体及び強度変調器は、共振器の２枚のミラー間にある。強度変調器の損失は、共振器の外部からの信号によって変調する。能動モード同期のこの例では、強度変調器のこの損失変調によって、パルス光を発生させることができる。

非特許文献１，２に記載されているように、能動モード同期の他の例において、パルス光源は、ポンプ光源、共振器及び利得媒体を有している。ポンプ光源は、共振器の外部にある。利得媒体は、共振器の２枚のミラー間にあり、非特許文献１，２ではＴＤＦＡである。ポンプ光源からは、パルス光が供給される。非特許文献１，２の能動モード同期では、ポンプ光からのパルス光によって、共振器からパルス光が発生する。

Min Jiang and Parviz Tayebati. Optics letters 32.13 (2007): 1797-1799. Jacek Swiderski, Maria Michalska, and Gwenael Maze. Optics express 21.7 (2013): 7851-7857.

ＲＥＤＦＡを有するパルス光源では、非特許文献１，２に記載の能動モード同期のように、ポンプ光源から共振器にパルス光を供給することがある。これに対して、本発明者は、非特許文献１，２に記載の能動モード同期とは異なる新規な能動モード同期によってパルス光を発生させることを検討した。

本発明の目的は、ＲＥＤＦＡを有するパルス光源において新規な能動モード同期によってパルス光を発生させることにある。

本発明によれば、
希土類ドープファイバ増幅器を有する共振器と、
前記希土類ドープファイバ増幅器にポンプ光を供給するポンプ光源と、
を備え、
前記ポンプ光は、前記共振器の基本共振周波数の整数倍の９５％以上１０５％以下の変調周波数を有する変調信号によって変調されているパルス光源が提供される。

本発明によれば、以下の方法が提供される。
パルス光を発生させる方法であって、以下を含む：
希土類ドープファイバ増幅器を有する共振器と、前記共振器の基本共振周波数の整数倍の９５％以上１０５％以下の変調周波数を有する変調信号で変調されたポンプ光を供給可能なポンプ光源と、を準備すること；
前記ポンプ光源から前記希土類ドープファイバ増幅器に前記ポンプ光を供給すること；
前記ポンプ光源から前記希土類ドープファイバ増幅器に前記ポンプ光を供給した後、前記共振器から光を出力すること。

本発明によれば、ＲＥＤＦＡを有するパルス光源において新規な能動モード同期によってパルス光を発生させることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 図１に示したポンプ光源の第１例を示す図である。 図１に示したポンプ光源の第２例を示す図である。 図１に示したポンプ光源の第３例を示す図である。 図１の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 図６の第１の変形例を示す図である。 図６の第２の変形例を示す図である。 第３の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 第４の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 第５の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 第６の実施形態に係るパルス光源を示す図である。 第７の実施形態に係るレーザ加工装置を示す図である。 第８の実施形態に係る光センサを示す図である。 第９の実施形態に係る医療機器を示す図である。 第１０の実施形態に係るガスセンサを示す図である。 実施例１に係るパルス光源から出力されたパルス光の光スペクトルの測定結果を示す図である。 実施例１に係るパルス光源から出力されたパルス光の測定結果を示す図である。 実施例１に係るパルス光源から出力されたパルス光のＲＦスペクトルの測定結果を示す図である。 実施例１に係るパルス光源から出力されたパルス光の自己相関の測定結果を示す図である。 実施例２に係るパルス光源から出力されたパルス光の測定結果を示す図である。 実施例３に係るパルス光源から出力されたパルス光の光スペクトルの測定結果を示す図である。 実施例３に係るパルス光源から出力されたパルス光の自己相関の測定結果を示す図である。 実施例３に係るパルス光源から出力されたパルス光のＲＦスペクトルの測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るパルス光源１０を示す図である。パルス光源１０は、ポンプ光源１００、共振器２００及び出力部３００を備えている。共振器２００は、希土類ドープファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）２２０を有している。ポンプ光源１００は、ＲＥＤＦＡ２２０にポンプ光を供給している。ポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。具体的には、変調周波数ｆ_ｍｏｄは、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍の９５％以上１０５％以下、好ましくは９９％以上１０１％以下、より好ましくは１００±０．１％の周波数である。パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。このように、パルス光源１０では、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数の能動モード同期が実現されている。以下、詳細に説明する。

図２は、図１に示したポンプ光源１００の第１例を示す図である。ポンプ光源１００は、ポンプレーザ１１０、光増幅器１２０、電気信号発生器１３０及びレーザドライバ１４０を有している。

ポンプレーザ１１０は、ＲＥＤＦＡ２２０（図１）に含まれる希土類イオンを励起させる波長のシード光を発する。ポンプレーザ１１０からのシード光は、光増幅器１２０によって増幅される。例えば、ＲＥＤＦＡ２２０（図１）がツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）を含んでいる場合、ポンプレーザ１１０のシード光の波長は１５７０ｎｍであり、光増幅器１２０はＣ−バンドエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。

一例において、電気信号発生器１３０は、変調周波数ｆ_ｍｏｄで振動する正弦波によってポンプレーザ１１０のシード光を変調している。本図に示す例では、電気信号発生器１３０は、レーザドライバ１４０を介してポンプレーザ１１０のシード光を変調している。このようにして、ポンプ光源１００からのポンプ光は、変調周波数ｆ_ｍｏｄの変調信号によって変調されている。

その他の例において、電気信号発生器１３０は、変調周波数ｆ_ｍｏｄで振動する矩形波によってポンプレーザ１１０のシード光を変調していてもよい。この例において、電気信号発生器１３０からの矩形波は、繰り返し周期Ｔ_ｍｏｄ（Ｔ_ｍｏｄ＝１／ｆ_ｍｏｄ）及びオン時間Ｔ_ｏｎを有している。この矩形波のデューティ比Ｔ_ｏｎ／Ｔ_ｍｏｄは、０．５０であってもよいし、又は０．５０とは異なっていてもよい。このようにして、ポンプ光源１００からのポンプ光は、変調周波数ｆ_ｍｏｄの変調信号によって変調されている。

なお、電気信号発生器１３０による変調度は、ある程度高いことが好ましく、例えば、１０％以上であることが好ましい。電気信号発生器１３０による変調度がある程度高い場合、ポンプ光が充分に変調される。ただし、電気信号発生器１３０による変調度は、上記した例（１０％以上）に限定されるものではない。

図３は、図１に示したポンプ光源１００の第２例を示す図である。本図に示すように、ポンプ光源１００は、光増幅器１２０（図２）を有していなくてもよい。本図に示す例では、ポンプレーザ１１０からのシード光（ポンプ光）が光増幅器１２０（図２）を介さず共振器２００に直接供給される。

図４は、図１に示したポンプ光源１００の第３例を示す図である。本図に示すように、ポンプレーザ１１０からのシード光は、光強度変調器１５０及び電気信号発生器１３０によって変調されていてもよい。具体的には、本図に示す例において、レーザドライバ１４０は、例えば直流レーザドライバであり、ポンプレーザ１１０からのシード光を変調していない。光強度変調器１５０は、ポンプレーザ１１０と光増幅器１２０の間にあって、電気信号発生器１３０からの信号（例えば、正弦波又は矩形波）によってポンプレーザ１１０からのシード光を変調している。

図１に戻る。パルス光源１０は、ポンプ光源１００及び共振器２００を備えている。共振器２００は、光合波器２１０、ＲＥＤＦＡ２２０、アイソレータ（ＩＳＯ）２３０及び光分波器２４０を有している。光合波器２１０、ＲＥＤＦＡ２２０、アイソレータ２３０及び光分波器２４０は、光ファイバを介して互いに光学的に結合している。ポンプ光源１００は、光ファイバを介して共振器２００の光合波器２１０に光学的に結合している。出力部３００は、光ファイバを介して光分波器２４０に光学的に結合している。

本図に示す例において、共振器２００は、前方励起のリング共振器である。具体的には、ポンプ光源１００からのポンプ光は、アイソレータ２３０の順方向（共振器２００内での光の伝搬方向）においてアイソレータ２３０の前方とＲＥＤＦＡ２２０の後方の間で光合波器２１０を介して供給されている。

より具体的には、ポンプ光源１００からのポンプ光は、光合波器２１０を介してＲＥＤＦＡ２２０に入力される。光合波器２１０は、ポンプ光源１００からのポンプ光及び光分波器２４０からの光を合波しており、具体的にはＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラである。ポンプ光によってＲＥＤＦＡ２２０に含まれる希土類イオンが励起する。さらに、励起した希土類イオンが低エネルギー準位に遷移することで、ＲＥＤＦＡ２２０から光が放出される。ＲＥＤＦＡ２２０からの光は、アイソレータ２３０を介して光分波器２４０に入力される。アイソレータ２３０からの光の一部は、光分波器２４０を介して光合波器２１０に入力され、さらに光合波器２１０を介してＲＥＤＦＡ２２０に入力される。アイソレータ２３０からの光の他の一部は、光分波器２４０を介して出力部３００に入力され、さらに出力部３００を介してパルス光源１０の外部に出力される。光分波器２４０は、アイソレータ２３０からの光を２つの同一波長の光に例えば５０：５０で分波しており、具体的には光カプラである。

ＲＥＤＦＡ２２０は、共振器２００の利得媒体として機能している。例えば、ＲＥＤＦＡ２２０は、ガラスファイバ及びガラスファイバにドープされた希土類イオンを含んでいる。ＲＥＤＦＡ２２０に含まれる希土類イオンは、例えば、プラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）、ネオジムイオン（Ｎｄ^３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ^３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）、ツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）及びイッテルビウムイオン（Ｙｂ^３＋）からなる群から選択される少なくとも１つである。

なお、出力部３００は、例えばアイソレータである。この場合、出力部３００（アイソレータ）は、共振器２００からパルス光源１０の外側に向かう光が出力部３００を透過し、パルス光源１０の外側から共振器２００に向かう光が出力部３００によって遮断されるように配置されている。

共振器２００のｑ次の共振周波数ｆ_ｑは、以下の式（１）によって表される。
ｆ_ｑ＝ｑｃ／（ｎＬ_１） （１）
ただし、ｃは光速、ｎは共振器２００の光ファイバの屈折率、Ｌ_１は共振器２００の長さである。特にｑ＝１のとき、共振周波数ｆ_ｑは、基本共振周波数ｆ_１となる。

次に、パルス光源１０の出力部３００からパルス光を出力する方法について説明する。まず、ポンプ光源１００から共振器２００のＲＥＤＦＡ２２０にポンプ光を供給する。上記したように、ポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。

本発明者が検討したところ、ＲＥＤＦＡ２２０に含まれる希土類イオンの上準位（^３Ｆ_４）の寿命τが変調信号の繰り返し周期Ｔ_ｍｏｄ（Ｔ_ｍｏｄ＝１／ｆ_ｍｏｄ）に対してある程度短い場合、具体的には、繰り返し周期Ｔ_ｍｏｄに対する寿命τの比τ／Ｔ_ｍｏｄが例えば１×１０^４以下である場合、出力部３００からの信号のＲａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）スペクトルにおいて変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい周波数にピークが出現するようになることが明らかとなった（例えば、後述する図１９を参照）。さらに、寿命τが一定の場合に繰り返し周期Ｔ_ｍｏｄが長くなる（すなわち、変調周波数ｆ_ｍｏｄが低くなる）ほど、当該ピークの強度は大きくなることが明らかとなった。この結果は、当該ピークが電気信号発生器１３０の変調に起因していることを示している。

なお、寿命τは、エルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）については、おおよそ８ｍｓ以上１０ｍｓ以下であり、イッテルビウムイオン（Ｙｂ^３＋）については、おおよそ１ｍｓ以上２ｍｓ以下であり、ツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）については、エルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）の寿命及びイッテルビウムイオン（Ｙｂ^３＋）の寿命よりも短く、具体的にはおおよそ４００μｓ以上５００μｓ以下である。

本図に示す例において、変調周波数ｆ_ｍｏｄは、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい。このため、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数のモード同期、具体的にはＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ（ＣＷ）能動モード同期が実現される。このため、パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。

なお、本発明者が検討したところ、変調周波数ｆ_ｍｏｄと共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍の差が小さいほど、より良好なＣＷモード同期が実現されることが明らかとなった。このため、変調周波数ｆ_ｍｏｄは、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍の９５％以上１０５％以下、好ましくは９９％以上１０１％以下、より好ましくは１００±０．１％の周波数である。

以上、本実施形態によれば、ポンプ光源１００からのポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。これにより、パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。

さらに、本実施形態によれば、例えば後述する図２０に示すように、ピコ秒（１０^−１２秒）オーダのパルス幅を有するパルス光、すなわち超短パルス光を発生させることができる。

さらに、本実施形態によれば、パルス光源１０から発生するパルス光の波長を近赤外の波長にすることができる。具体的には、ＲＥＤＦＡ２２０がツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）を含んでいる場合、パルス光の波長は２μｍ帯にすることができ、ＲＥＤＦＡ２２０がエルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）を含んでいる場合、パルス光の波長は１．５μｍ帯にすることができ、ＲＥＤＦＡ２２０がイッテルビウムイオン（Ｙｂ^３＋）を含んでいる場合、パルス光の波長は１μｍ帯にすることができる。

図５は、図１の変形例を示す図である。本図に示すように、共振器２００は、後方励起のリング共振器であってもよい。具体的には、本図に示す例では、ポンプ光源１００からのポンプ光は、アイソレータ２３０の順方向（共振器２００内での光の伝搬方向）においてＲＥＤＦＡ２２０の前方とアイソレータ２３０の後方の間で光合波器２１０を介して供給されている。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るパルス光源１０を示す図であり、第１の実施形態の図１に対応する。本実施形態に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係るパルス光源１０と同様である。

本図に示す例において、共振器２００は、リニア共振器である。共振器２００は、ＲＥＤＦＡ２２０、第１反射素子２５２及び第２反射素子２５４を有している。ＲＥＤＦＡ２２０は、第１反射素子２５２と第２反射素子２５４の間にある。第１反射素子２５２及び第２反射素子２５４は、共振器２００のミラーとして機能している。第１反射素子２５２は、ミラー又はＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）である。第２反射素子２５４は、ＲＥＤＦＡ２２０からの光の一部を反射し、ＲＥＤＦＡ２２０からの光の他の一部を透過させる。より具体的には、第２反射素子２５４は、例えば、ミラー又はＦＢＧである。ポンプ光源１００からのポンプ光は、第１反射素子２５２とＲＥＤＦＡ２２０の間の光合波器２１０を介してＲＥＤＦＡ２２０に供給されている。共振器２００からの光は、第２反射素子２５４、アイソレータ２３０及び出力部３００を介してパルス光源１０の外部に出力される。

共振器２００のｑ次の共振周波数ｆ_ｑは、以下の式（２）によって表される。
ｆ_ｑ＝ｑｃ／（２ｎＬ_２） （２）
ただし、ｃは光速、ｎは共振器２００の光ファイバの屈折率、Ｌ_２は共振器２００の長さである。特にｑ＝１のとき、共振周波数ｆ_ｑは、基本共振周波数ｆ_１となる。

本実施形態においても、ポンプ光源１００からのポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。これにより、第１の実施形態と同様にして、パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。

図７は、図６の第１の変形例を示す図である。本図に示す例において、共振器２００は、リニア共振器である。本図に示すように、ポンプ光源１００からのポンプ光は、ＲＥＤＦＡ２２０と第２反射素子２５４の間の光合波器２１０を介して供給されていてもよい。

図８は、図６の第２の変形例を示す図である。本図に示す例において、共振器２００は、リニア共振器である。本図に示すように、ポンプ光源１００からのポンプ光は、第１反射素子２５２を介してＲＥＤＦＡ２２０に供給されていてもよい。第１反射素子２５２は、特定の波長の光を反射する素子として機能しており、具体的には、ポンプ光源１００からのポンプ光を透過させ、ＲＥＤＦＡ２２０から放出された光を反射する。より具体的には、第１反射素子２５２は、例えば、多層膜ミラー又はＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）である。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係るパルス光源１０を示す図であり、第１の実施形態の図１に対応する。本実施形態に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係るパルス光源１０と同様である。

本図に示す例において、共振器２００は、８の字型共振器である。具体的には、共振器２００は、第１ループ２０２及び第２ループ２０４を有している。第１ループ２０２と第２ループ２０４は、光分波器２４２（具体的には、光カプラ）を介して互いに光学的に結合している。第１ループ２０２は、ＲＥＤＦＡ２２０及び非線形ファイバ２６０を有している。ポンプ光源１００からのポンプ光は、ＲＥＤＦＡ２２０に供給されている。第２ループ２０４は、アイソレータ２３０及び光分波器２４０を有している。光分波器２４０は、光ファイバを介して出力部３００に光学的に結合している。

本図に示す例では、第２ループ２０４からの光が光分波器２４２に入力されると、この光は、第１ループ２０２のＲＥＤＦＡ２２０側に向かう光と第１ループ２０２の非線形ファイバ２６０側に向かう光に分離される。これら２つの光には、非線形ファイバ２６０において位相シフトが生じる。一方、光の伝搬方向に基づいて、これら２つの光では位相シフト差が生じる。これら２つの光が光分波器２４２において結合すると、位相シフト差に基づいて干渉が生じる。特定の干渉が生じている場合、光分波器２４２から第２ループ２０４に向かう光は、アイソレータ２３０の順方向に第２ループ２０４内を伝搬するようになる。

本実施形態においても、ポンプ光源１００からのポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。これにより、第１の実施形態と同様にして、パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係るパルス光源１０を示す図であり、第１の実施形態の図１に対応する。本実施形態に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係るパルス光源１０と同様である。

本図に示す例において、共振器２００は、シグマ型共振器である。共振器２００は、ＲＥＤＦＡ２２０、アイソレータ２３０、光分波器２４０、反射素子２５６及びＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２７０を有している。

ＲＥＤＦＡ２２０は、反射素子２５６とＰＢＳ２７０の間にある。ポンプレーザ１１０からのポンプ光は、ＲＥＤＦＡ２２０に供給される。反射素子２５６は、ファラデーミラーであり、反射光の偏光方向が入射光の偏光方向から９０°回転するように光を反射する。

ＰＢＳ２７０、アイソレータ２３０及び光分波器２４０は、偏波保持ファイバを介して光学的に結合している。アイソレータ２３０は、ＰＢＳ２７０と光分波器２４０の間にあり、アイソレータ２３０の順方向がＰＢＳ２７０から光分波器２４０に向かう方向になるように設けられている。光分波器２４０側の偏光保持ファイバとＰＢＳ２７０側の偏光保持ファイバは、融着部２８０において融着している。具体的には、光分波器２４０側の偏光方向とＰＢＳ２７０側の偏光方向が９０°回転するようにこれらの偏光保持ファイバは、融着部２８０において融着している。

本実施形態においても、ポンプ光源１００からのポンプ光は、共振器２００の基本共振周波数ｆ_１の整数倍とほぼ等しい変調周波数ｆ_ｍｏｄを有する変調信号によって変調されている。これにより、第１の実施形態と同様にして、パルス光源１０の出力部３００からは、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい繰り返し周波数でパルス光が出力される。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態に係るパルス光源１０を示す図であり、第１の実施形態の図５に対応する。本実施形態に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係るパルス光源１０と同様である。

本図に示す例において、共振器２００は、リング共振器である。本図に示すように、共振器２００は、可飽和吸収体２９２を有していてもよい。本図に示す例において、可飽和吸収体２９２は、光合波器２１０とアイソレータ２３０の間にある。なお、本図に示す例では、ポンプ光源１００からのポンプ光は、アイソレータ２３０の順方向（共振器２００内での光の伝搬方向）においてＲＥＤＦＡ２２０の前方とアイソレータ２３０の後方の間で光合波器２１０を介して供給されている。

（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態に係るパルス光源１０を示す図であり、第２の実施形態の図６に対応する。本実施形態に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、第２の実施形態に係るパルス光源１０と同様である。

本図に示す例において、共振器２００は、リニア共振器である。本図に示すように、共振器２００は、第１反射素子２５２（図６）に代えて可飽和吸収ミラー２９４を有していてもよい。なお、本図に示す例では、ポンプ光源１００からのポンプ光は、可飽和吸収ミラー２９４とＲＥＤＦＡ２２０の間で光合波器２１０を介して供給されている。

（第７の実施形態）
図１３は、第７の実施形態に係るレーザ加工装置を示す図である。レーザ加工装置は、パルス光源１０、ミラー１２、レンズ１４及びノズル１６を備えている。レーザ加工装置は、対象物Ｗを加工するために用いられる。対象物Ｗは、例えば、鉄板、ガラス板又はプラスチック板である。本実施形態に係るパルス光源１０は、第１の実施形態〜第６の実施形態のいずれかに係るパルス光源１０である。パルス光源１０からはパルス光が出力される。パルス光は、ミラー１２で反射し、レンズ１４に入射する。パルス光は、レンズ１４によって集光され、その後、ノズル１６を通過して対象物Ｗに照射される。

本実施形態において、パルス光源１０から対象物Ｗに照射されるパルス光のパルス幅は、ピコ秒（１０^−１２秒）オーダにすることができ、非常に狭くすることができる。このため、パルス光が照射された領域は短時間で除去される。このため、パルス光によって除去された領域の周辺に熱が拡散することが抑制される。

さらに、本実施形態において、パルス光源１０から対象物Ｗに照射されるパルス光のピーク強度は、非常に大きい。このため、対象物Ｗにおいて多光子光学吸収過程が発生する確率が高くなる。このため、本実施形態では、対象物Ｗがガラスのような透光性材料からなる場合であっても、対象物Ｗを加工することができる。

（第８の実施形態）
図１４は、第８の実施形態に係る光センサを示す図である。本図に示す例において、光センサは、Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ（ＬＩＤＡＲ）であり、パルス光源１０及び検出器２０を備えている。本実施形態に係るパルス光源１０は、第１の実施形態〜第６の実施形態のいずれかに係るパルス光源１０である。検出器２０は、具体的にはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサである。本図に示す例では、パルス光源１０から対象物Ｗに向かってパルス光が出力される。検出器２０は、対象物Ｗから反射したパルス光を検出する。光センサは、パルス光源１０からパルス光が出力されてから検出器２０でパルス光が検出されるまでの時間に基づいて、パルス光源１０から対象物Ｗまでの距離を算出することができる。

一例において、光センサは、車両（例えば、自動車又はモータサイクル）に搭載される。この例においては、光センサを用いることにより、車両の例えば前方又は後方の対象物Ｗを検出することができる。

他の例において、光センサは、マッピングに用いられる。より具体的には、例えば、光センサを飛行機に搭載した場合、マッピングを空から行うことにより地球表面の形状を測定することができる。

（第９の実施形態）
図１５は、第９の実施形態に係る医療機器を示す図である。医療機器は、図１３に示したレーザ加工装置と同様にして、パルス光源１０、ミラー１２、レンズ１４及びノズル１６を備えている。本実施形態に係るパルス光源１０は、第１の実施形態〜第６の実施形態のいずれかに係るパルス光源１０である。対象物Ｗは、生体組織であり、具体的には例えば皮膚である。本図に示す例において、パルス光源１０からのパルス光は、図１３に示した例と同様にして、対象物Ｗに照射される。

本実施形態において、パルス光源１０から対象物Ｗに照射されるパルス光のパルス幅は、ピコ秒（１０^−１２秒）オーダにすることができ、非常に狭くすることができる。このため、パルス光が照射された領域は短時間で除去される。このため、パルス光によって除去された領域の周辺に熱が拡散することが抑制される。

（第１０の実施形態）
図１６は、第１０の実施形態に係るガスセンサを示す図である。本図に示す例において、ガスセンサは、ガスＧを分析するために用いられている。ガスセンサは、パルス光源１０及び検出器２０を備えている。本実施形態に係るパルス光源１０は、第１の実施形態〜第６の実施形態のいずれかに係るパルス光源１０である。パルス光源１０からのパルス光は、ガスＧを通過し、その後、検出器２０に到達する。検出器２０は、パルス光源１０からのパルス光を検出する。検出器２０の検出結果に基づいて、ガスＧに含まれるガスの種類を分析する。具体的には、ガスＧ中においてパルス光の一部の波長の光が吸収される。この波長に基づいて、ガスＧに含まれるガスの種類を分析する。

（実施例１）
図１に示したパルス光源１０を作製した。ポンプ光源１００は、図２に示すようにした。ポンプレーザ１１０は、波長１．５７μｍレーザとした。電気信号発生器１３０は、変調周波数ｆ_ｍｏｄ：６．６９８５０ＭＨｚを有する正弦波によってシードレーザを変調した。電気信号発生器１３０による変調度は、３０％とした。光増幅器１２０は、ＥＤＦＡとした。光合波器２１０は、ＷＤＭカップラとした。ＲＥＤＦＡ２２０は、ツリウムドープファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）（ＯＦＳ、ＴｍＤＦ２００）とした。光分波器２４０は、５０：５０光カプラとした。

共振器２００の長さＬ_１は、３０．５ｍとし、共振器２００の基本共振周波数が６．７ＭＨｚとなるようにした。共振器２００の総分散は、−１．６７ｐｓ^２であった。

図１７は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の光スペクトルの測定結果を示す図である。本図に示す例において、光スペクトルは、分解能０．０５ｎｍの光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ）（ＡＮＤＯ ＡＱ６３７５）で測定した。本図に示すように、光スペクトルは、複数のＫｅｌｌｙサイドバンドを有している。このことは、パルス光源１０がソリトンパルスを発生させていることを示している。本図に示すように、スペクトル幅は０．９ｎｍである。

図１８は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の測定結果を示す図である。本図に示す例において、パルス光源１０からのパルス光は、ＩｎＧａＡｓフォトディテクタ（ＥＯＴ ＥＴ−５０００、１０ＧＨｚ）で検知し、オシロスコープ（Ａｇｉｌｅｎｔ ＤＳＯ１０２４Ａ）で測定した。本図に示すように、パルス光源１０からは、パルス光が繰り返し周波数６．６９８５０ＭＨｚ（すなわち、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい周波数）で出力されている。このように、本実施例に係るパルス光源１０では、Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ（ＣＷ）能動モード同期が確認された。

図１９は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光のＲＦスペクトルの測定結果を示す図である。本図に示す例において、ＲＦスペクトルは、分解能１ｋＨｚのＲＦスペクトルアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｅ４４４０Ａ）で測定した。本図に示すように、周波数６．６９８５０ＭＨｚ（すなわち、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい周波数）でＳＮ比７０ｄＢのピークが測定された。

図２０は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の自己相関の測定結果を示す図である。本図に示す例において、自己相関は、バックグラウンドフリーのオートコリレータ（Ｆｅｍｔｏｃｈｒｏｍｅ ＦＲ−１０３ＨＰ）で測定した。本図に示すように、自己相関の半値全幅は８ｐｓであった。パルス光の波形は双曲線正割分布と仮定して、パルス幅は５ｐｓとなる。

以上、本実施例によれば、ＣＷ能動モード同期によってパルス幅５ｐｓ及びスペクトル幅０．９ｎｍパルス光を得た。

（実施例２）
実施例２に係るパルス光源１０は、変調周波数ｆ_ｍｏｄが１３．３９７０ＭＨｚ（すなわち、実施例１の変調周波数ｆ_ｍｏｄ：６．６９８５０ＭＨｚの２倍）である点を除いて、実施例１に係るパルス光源１０と同様である。

図２１は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の測定結果を示す図である。本図に示すように、パルス光源１０からは、パルス光が繰り返し周波数１３．３９７０ＭＨｚ（すなわち、変調周波数ｆ_ｍｏｄと等しい周波数）で出力されている。このように、本実施例に係るパルス光源１０では、第二次高調波モード同期が確認された。

（実施例３）
実施例３に係るパルス光源１０は、以下の点を除いて、実施例１に係るパルス光源１０と同様である。

ポンプレーザ１１０は、波長９８０ｎｍレーザとした。変調周波数ｆ_ｍｏｄ：９９．０２１ＭＨｚでシードレーザを変調させた。ＲＥＤＦＡ２２０は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）とした。

共振器２００の長さＬ_１は、２ｋｍとし、共振器２００の基本共振周波数が９９．０２１ｋＨｚとなるようにした。共振器２００の総分散は、−０．３１ｐｓ^２であった。

図２２は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の光スペクトルの測定結果を示す図である。ガウシアンフィッティングを用いると、スペクトル幅は２．２６ｎｍであった。

図２３は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光の自己相関の測定結果を示す図である。パルス光の波形は双曲線正割分布と仮定して、自己相関の半値全幅は１．１８ｐｓであった。

図２４は、本実施例に係るパルス光源１０から出力されたパルス光のＲＦスペクトルの測定結果を示す図である。周波数９９．２５０ＭＨｚ（すなわち、変調周波数ｆ_ｍｏｄとほぼ等しい周波数）でＳＮ比５３ｄＢのピークが測定された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１６年５月２７日に出願された日本出願特願２０１６−１０６８２８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. 希土類ドープファイバ増幅器を有する共振器と、
   前記希土類ドープファイバ増幅器にポンプ光を供給するポンプ光源と、
   を備え、
   前記ポンプ光は、前記共振器の基本共振周波数の整数倍の９５％以上１０５％以下の変調周波数を有する変調信号によって変調されているパルス光源。
2. 請求項１に記載のパルス光源において、
   前記共振器は、リング共振器であるパルス光源。
3. 請求項１に記載のパルス光源において、
   前記共振器は、リニア共振器であるパルス光源。
4. 請求項１に記載のパルス光源において、
   前記共振器は、８の字型共振器であるパルス光源。
5. 請求項１に記載のパルス光源において、
   前記共振器は、シグマ型共振器であるパルス光源。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス光源において、
   前記希土類ドープファイバ増幅器に含まれる希土類イオンは、プラセオジムイオン、ネオジムイオン、ホルミウムイオン、エルビウムイオン、ツリウムイオン及びイッテルビウムイオンからなる群から選択される少なくとも１つであるパルス光源。
7. 請求項６に記載のパルス光源において、
   前記希土類イオンは、ツリウムイオンであるパルス光源。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルス光源において、
   前記変調信号は、前記変調周波数で振動する正弦波であるパルス光源。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルス光源において、
   前記変調信号は、前記変調周波数で振動する基本波を含む矩形波であるパルス光源。
10. 請求項９に記載のパルス光源において、
    前記矩形波のデューティ比は、０．５０であるパルス光源。
11. 請求項９に記載のパルス光源において、
    前記矩形波のデューティ比は、０．５０とは異なるパルス光源。
12. パルス光を発生させる方法であって、以下を含む：
    希土類ドープファイバ増幅器を有する共振器と、前記共振器の基本共振周波数の整数倍の９５％以上１０５％以下の変調周波数を有する変調信号で変調されたポンプ光を供給可能なポンプ光源と、を準備すること；
    前記ポンプ光源から前記希土類ドープファイバ増幅器に前記ポンプ光を供給すること；
    前記ポンプ光源から前記希土類ドープファイバ増幅器に前記ポンプ光を供給した後、前記共振器から光を出力すること。

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