JP2004533005A - 拡張波長範囲を有する狭帯域高出力ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

ファイバレーザは、活性媒質を有する導光ファイバ（３）と、励起光源としてのレーザ（１）と、第１の共振器（４）を形成する第１のブラッググレーティング対（６，８）とを備える。第１のブラッググレーティング対（６，８）が励起レーザ（１）を共振させ、レーザの出力波長で共振する第２のブラッググレーティング対（７，９）が配設されている。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、短いファイバを用い、誘導ブリルアン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）散乱を抑制することにより高出力狭帯域ファイバレーザ用のファイバ共振キャビティを得る方法に関する。
【０００２】
更に、本発明は、上記共振器を水素充填したラマン（Ｒａｍａｎ）ファイバレーザに適用することに関するもので、かくして拡張された波長範囲に亘ってレーザ発光させる可能性を付加するものである。水素をファイバラマン媒体として使用することで、所定のレーザ励起に対して最も幅広の波長範囲が保証される。
【０００３】
また、更に、本発明は単一励起又は複数励起を伴う複数波長ファイバレーザの製造に関する。
【背景技術】
【０００４】
現在、狭帯域固体レーザは、所定のパワー範囲に関する非常にまばらな離散的波長でのみ利用可能である。ダイオードレーザは、それらのまさに量子的性質が原因で幅狭のスペクトル窓内でしか照射線を生成できない。
【０００５】
ダイオードレーザにより直接的に達しないレーザ発光波長を得るための通常の方法は、レーザ発光媒体を照光する励起光としてダイオードレーザを使用するものである。レーザ発光媒体の吸収及び蛍光スペクトルは、波長がオフセットしており、これにより励起エネルギは吸収され、そこで共振キャビティにより又はファイバレーザ増幅器内のシードレーザにより規定される異なる波長でもって誘導発光する。このプロセス効率は、レーザ発光媒体が共振キャビティ内にある場合に大いに高まり、３０〜４０％のレベルに達することがある。
【０００６】
レーザ増幅器の結晶材料は、バルクでもファイバコア内の不純物でも出力レーザ波長範囲を拡張することができるが、ここでもレーザ発光素子、即ち、通常は母材媒体中に埋設された希土類イオンの原子遷移に関連するまばらで離散的な波長についてのみ拡張することができる。
【０００７】
近年、導光（シングルモード）ファイバコアがレーザ発光材料のための母材として用いられてきている。励起出力の極めて高い集中を含め、導光ファイバの使用には多大の効果がある。例えば、励起出力１Ｗの連続波（ＣＷ）は５ミクロンのコアファイバの密度５ＭＷ／ｃｍ²に対応する。
【０００８】
この種の高濃度により、４０〜８０％の範囲の報告された変換効率を用い、誘導ラマン効果などのファイバ内の非線形効果を非常に効率よく活かせるようになる。ラマン効果では、励起レーザ光子からのエネルギは、原子の振動帯域やレーザ発光材料の分子へ伝達される。振動帯域の吸収スペクトルは、通常のレーザ発光媒体に比べて（ｎｍの範囲において）非常に広範である。振動帯域を励起するのに失われるエネルギは、励起光子から減算され、そのことで波長は赤側に遷移する。ラマンレーザ発光媒体が自由空間共振器キャビティ内に挿入したラマン結晶である場合、照射されるレーザ線の帯域は、キャビティ特性により決定され、原理上線幅は一切制限されない。しかしながら、とりわけ他の理由のなかでも、ラマン結晶内の熱効果が高レーザ出力の達成を制限するが、その一方でこれは光ファイバの制約とはならない。近年、ゲルマニウムシリカ（純粋又はドープ処理コア）ラマンファイバが開発され、近赤外域に対し何十ワットＣＷまでの出力を備える幅広線ファイバラマン増幅器が既に市場に出回っている。ラマン媒体としての水素の使用は、自由空間、即ち、高圧（１００バール）高精密キャビティ内で実証されている。
【０００９】
ラマンファイバレーザの基本課題は、それらが高出力狭線幅レーザをこれまでもたらすことができなかった点にある。このことは、実際に従来の商用出力レーザ応用にとってまさしく主要な制約であった。広帯域励起ダイオードレーザは問題なかったが、本発明以前は狭線幅共振器が問題となっていた。
【００１０】
導光ファイバの幅狭レーザ線を用い、競合する非線形効果、即ち、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）がレーザ光子からエネルギを抽出し、光子を生成する、或いは、ガラス内に音響定在波を生成する。定在波は、ファイバ内のレーザ出力の８０％までの戻りを非常に効率的に阻むことのできる高密度回折格子を生成する。導波路内でそれらの誘導ラマン散乱及び誘導ブリルアン散乱非線形プロセスを調整するパラメータは、同じようなものである。即ち、実効モードフィールド径ファイバ長や線幅である。ファイバ共振器は、レーザ放射を前後に送り、キャビティの精細さに比例する係数によって、エネルギ密度を増大させる。エネルギ密度の向上は、ラマン及びブリルアンプロセスの効率を増大させる。レーザ線幅が幅狭となるや否や、誘導ブリルアン散乱プロセスが有効となり、通常はラマンプロセスよりも１００倍は非常に有効となり、高出力狭線幅の従来のファイバレーザは非実用的となる。これが、幾つか試みた設計の失敗の主要理由である。
【００１１】
他方、狭線幅固体ファイバラマンレーザが広い波長範囲のラマン媒体に基づいて生成できる場合、それらは現行のダイオードレーザ励起を用いても、ほぼ全帯域を覆う潜在能力を有する。
【００１２】
ラマン及びブリルアン非線形効果が、それらがレーザ光子内に導入する波長遷移によっても異なることに注意することは重要である。このことは、この革新的なファイバ共振器レーザ内で活かされ、高変換効率の狭線幅高出力レーザが得られる。
【００１３】
ファイバレーザキャビティは、例えば、ブラッググレーティングを書き込むことで生成することができる。これらは、ファイバコアガラス内に書き込まれ、非常な精巧さ、且つ、１０ｋＨｚまでの線幅により共振器キャビティを生成することができる。正確な波長調整は、機械的又は熱的のいずれかにより共振器端でブラッググレーティングの周期を伸長させることにより達成される。サーボ制御を波長基準へロックし、出力周波数を安定化させることができる。
【００１４】
ファイバブラッググレーティングの製作を向上させるため、ファイバには拡散プロセスにより水素を充填する。本発明の下位請求項を明確にするため、ガラス内の水素分子があたかもガスが高圧にあってラマンプロファイルを非常に拡張しているかの如き挙動を見せることは特筆される。
【００１５】
欧州特許出願第０７８４２１７Ａ１号公報から、１．２４μｍ〜１．４８μｍの波長で発光するラマンファイバレーザ及びラマン散乱における放射変換効率の向上が公知である。１．２４μｍの波長で発光するレーザは、励起光源と、モル重量比１〜３０％の五酸化リン（Ｐ₂Ｏ₅）を含む導光ファイバと、モル重量比１１〜３９％の酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）を含む導光ファイバの一部と、ブラッグファイバ光回折格子を備える。励起側の回折格子は、第１のストークス成分用の光学共振器のブランク分布反射器を形成している。第２の回折格子が、同じ共振器用の出力分布反射器を形成している。第１のストークス成分は、出力端で導出される。１．４８μｍの波長で発光するラマンファイバレーザでは、第２のストークス成分が導出される。導光ファイバの一部における屈折率の変化は、導光ファイバ保護ポリマークラッド層を通過する２７０〜３９０ｎｍの波長をもってその上にレーザ放射を導くことで達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
欧州特許第０７８４２１７号公報に記載されたラマンファイバレーザの主たる欠点は、特に、幅広の線幅、即ち、二つの離散的波長へ限定される狭い波長範囲にある。更に、第２及び第６のストークス成分の利得は、レーザ内の低エネルギ抽出に結び付く高次ラマン散乱の低効率がゆえに比較的低いものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
それ故、本発明の目的は、比較的大出力で、可視域と近赤外スペクトル領域内で拡張された波長範囲用に狭線幅のファイバレーザを提供することにある。
【００１８】
本発明の更なる目的は、複数線レーザ出力の可能性を有するラマンファイバレーザ用に利用可能なレーザ発光スペクトル領域の幅を向上させることにある。
【００１９】
また、更なる目的は、誘導ラマン散乱の利得を高めドープ処理したファイバのより高いレーザ発光出力を得ることにある。
【００２０】
これらの目的は、請求項１乃至８記載のファイバレーザにより達成される。本発明ファイバレーザのさらなる展開は、従属請求項に規定してある。
【００２１】
本発明ファイバレーザは、水素分子を用いてドープ処理した導光ファイバと、レーザ励起及び所望レーザ発光波長向けでそれぞれが二つの独立した可調整ブラッググレーティングを含む少なくとも二つの共振器を備える。誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を強化し、競合する誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を抑圧することで、可視並びに近赤外スペクトル内でほぼ完全な波長範囲を有する高エネルギ狭帯域ラマン出力レーザを得ることができる。
【００２２】
本発明の単一波長ファイバレーザ部分の応用には、例えば、分光学分野や精度選択型外科診療や適応光学系用レーザガイドスターやライダーシステム分野がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、添付図面を検討することにより、より簡単に理解することができる。
図１は、本発明による水素ラマンファイバレーザの波長カバー範囲を備えた可視及び近赤外スペクトルを示す線図である。波長は、ナノメータ（ｎｍ）で与えられる。
【００２４】
線図の上側部分は、本発明のラマンファイバレーザを励起するのに適した最も一般的なダイオード励起レーザのスペクトル線を示す。各スペクトル線は、異なる励起光源に所属する。倍周波化を含み、励起光がカバーする波長範囲は、４００ｎｍ〜１７００ｎｍの間にある。
【００２５】
線図の下側部分は、高圧水素分子によりドープ処理される水素充填された１次ストークスラマンレーザの対応赤側遷移と拡幅したスペクトル線を示す。各出力波長帯域は、上記励起光源の一つに対応する。一組の励起光源は、前掲の例に限定されるものではない。適当な励起を用いることで、波長範囲全体をカバーさせてもよい。
【００２６】
出力のスペクトル線の拡幅及び赤側遷移は、導光ファイバ内の水素分子不純物との相互作用におけるラマン効果により生成される。水素は、例えば、１００バールを超える圧力下の水素雰囲気での拡散プロセスによってファイバ内に充填することができる。水素分子は、金属又は炭素の層により形成されたファイバ外部被覆によりファイバ内に恒久的に保持することができる。他方、このファイバは小さな水素セル内に適切に保持することができ、ここではファイバ端はセル内に封止される。
【００２７】
図２は、水素をドープ処理した本発明の第１の実施の形態のラマンファイバレーザを示す。ラマンファイバレーザは、９４７．２ｎｍの波長で発光する倍周波励起レーザ１を備える。励起光源は、ダイオードレーザで励起するネオジム結晶に基づくものである。アイソレータ２が、４７３．６ｎｍの単一波長光を導光ファイバ３へ給送する。導光ファイバ３は、シングルモードファイバである。ファイバの長さは、１０〜１００ｍ台であり、このため１０００ｍ以上の長さに達する従来のラマンファイバレーザのファイバよりも相当に短いものとなる。
【００２８】
ラマンファイバレーザは、更に、二つの共振器４，５を備え、それぞれ第１のブラッググレーティング６，８と第２のブラッググレーティング７，９を備える。ここでは、ブラッググレーティング６，７，８が光共振器４，５用の高反射器を形成しており、一方でブラッググレーティング９は出力カプラとして形成してある。
【００２９】
図２に示した本発明のラマンファイバレーザの第１の実施の形態では、出力カプラ９で外へ結合される所望波長は、５８９．０ｎｍのナトリウムＤ２線の波長である。
【００３０】
以下の表１は、ラマンファイバレーザの第１の実施の形態の一部の特徴の測定結果を示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
出力カプラ９と高反射器７からなる第２の共振器５が、ラマン散乱励起波長の第１のストークス成分の赤側遷移利得を共振させる。本発明によれば、ブラッググレーティング７，９はラマン散乱光の第１ストークス成分で反射し、ブリルアン散乱成分に対し透過性を有する。このように、ラマン散乱ストークスの波長は共振させられ、レーザ発光を開始し、その一方でブリルアン成分は共振器を共振もレーザ発光もさせない。
【００３３】
このことは、狭帯域高出力ファイバ共振器に関する本発明の一部の鍵となる要素である。この鍵となる要素がないと、誘導ブリルアン散乱利得は、例えば、溶融シリカ内のラマン利得に対し係数２０までが支配的となる。誘導ブリルアン散乱利得の上の誘導ラマン散乱利得の大係数の増加は、ここでは１０⁴までの精度をもって本発明により設計したブラッググレーティングをもって可能である。
【００３４】
本実施の形態では、４７３．６ｎｍでの水素充填溶融シリカのラマン利得定数例は、ｇ_R,0＝９．３×１０^-14ｍ／Ｗである。５８９ｎｍでの誘導ブリルアン散乱利得定数は、偏光維持溶融シリカファイバ及び狭帯域励起光について、ｇ_B,0＝５×１０^-11ｍ／Ｗである。５８９ｎｍでの０．５ＧＨｚの線幅については、誘導ブリルアン散乱利得定数は約５の係数でもって低減される。かくして、誘導ブリルアン散乱の支配下では、比ｇ_B,0／ｇ_R,0はここでは約１００となる。ラマン１次ストークス光子は、精度に比例する係数によってブリルアン光子よりも長いファイバ実効長を見込んである。これは、ブリルアン光子がブラッググレーティングにより反射されず、かくして共振しないという理由からである。これにより、自然な状況の復帰が可能となり、実効ラマン利得はブリルアン利得よりも大きなものとなる。これにより、ファイバレーザの大出力狭帯域動作が可能となる。
【００３５】
レーザの調整とロックは、波長計や他の周波数センサを用いてサーボ制御を駆動し、レーザ発光周波数をロックすることで達成できる。サーボ制御は、ブラッググレーティングの周期を熱的に又は機械的に伸長させることで機能しよう。この方式は、モジュール式であり、複数波長レーザに拡張できることに留意されたい。
【００３６】
図３は、本発明のラマンファイバレーザの第２の実施の形態を示す。
【００３７】
第２の実施の形態の目的は、所望の出力パワーレベルに応じて同じ出力周波数用の異なる励起方式が選択できることを示すことにある。
【００３８】
波長７９２．０ｎｍの赤外ダイオードレーザ励起光源１を、励起に用いる。励起光源の光はアイソレータ２を介してシングルモード導光ファイバ３内へ給送される。このファイバは、第１の実施の形態で説明したのと同様に設計することができる。
【００３９】
本実施の形態は、それぞれ二つのブラッググレーティング６，８及び７，９から成る二つの組み合わせ共振器４，５から成り、ストークス成分を共振させる第２の共振器５の第１のブラッググレーティング７は、励起共振器４の第１のブラッググレーティング６と第２のブラッググレーティング８の間に配置してある。
【００４０】
第二調波発生器１０は、第１次ストークスラマンから５８９．０ｎｍの所望の波長を生成し、これが二色性ビームスプリッタ１１を用いることで１１７８．０ｎｍで共振する。レーザビーム処理用にモード整合レンズ１２が、ブラッググレーティング８と第２調波発生器１０の間に必要である。
【００４１】
図４は、本発明のラマンファイバレーザの第３の実施の形態を示す。水素ドープ処理シングルモードファイバに代え、励起及び第１次ストークス波の両方へ供用されるブラッググレーティングを用いる５８９．０ｎｍの波長用の赤外線励起内部キャビティ倍周波ゲルマニウムシリカ・ラマンレーザを用いている。励起光源１は、特に１１１３．７ｎｍで発光するイットリウムをドープ処理したファイバレーザとすることができる。
【００４２】
ラマンレーザの基本構造は、図３に示した第２の実施の形態に記載した構造と同様である。第３の実施の形態の目的は、様々な励起波長範囲について様々なファイバ不純物とともに用いることのできる本発明のブラッググレーティング方式の用途の広さを示すことにある。
【００４３】
本発明は、上記の実施の形態に限定されないが、例えば、一本のファイバから複数線レーザ出力用の更なる共振器を形成するより多くの組のブラッググレーティングにも適用可能である。
【００４４】
事実、たった一つの波長を共振させる特徴は、同一のファイバ内での複数波長のレーザ共振器の生成に更に拡張することができる。このことは現実的であり、何故ならシングルモードファイバ共振器がほぼ整列配置自在であるからである。異なる波長用のブラッグ反射器は、同一ファイバの異なる部分に書き込むことができ、非反射共振波長は各ブラッググレーティングにて伝送される。共振キャビティは外部シェル幾何構造を有し、ブラッググレーティングの周期を熱的又は機械的に伸長させることで縦列的に調整されよう。サーボ制御理論ではやや一般的なモジュラー汎用制御アルゴリズムを採用しなければならない。波長計又は周波数センサがサーボ制御を駆動してレーザ周波数をロックしよう。
【００４５】
ガラス内水素に伴うラマン利得が非常に幅広であるため、単一励起をラマン利得プロファイル内の幾つかのレーザ発光波長に役立たせることができる。そうでなければ、複数励起方式で発光線路範囲を拡張することができる。
【００４６】
本発明の複数線狭帯域高出力ファイバレーザの重要な応用例は、複数線分光学分野、例えば、４つの可視波長レーザが同時に必要とされるＤＮＡ適格審査分野や、或いは、高出力複数伝送チャンネルが伝送器の複雑さを低減する遠隔通信分野や、或いはＲＧＢや等価色が必要な大型ディスプレイ工業にある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による１次ストークス・ラマンファイバレーザが包含する可能波長領域線図
【図２】本発明によるラマンファイバレーザの第１の実施の形態を示す図
【図３】本発明によるラマンファイバレーザの第２の実施の形態を示す図
【図４】本発明によるラマンファイバレーザの第３の実施の形態を示す図
【符号の説明】
【００４８】
１ 倍周波励起レーザ
２ アイソレータ
３ 導光ファイバ
４，５ 共振器
６ 第１のブラッググレーティング（高反射器）
８ 第１のブラッググレーティング（高反射器）
７ 第２のブラッググレーティング（高反射器）
９ 第２のブラッググレーティング（出力カプラ）
１０ 第２調波発生器
１１ 二色性ビームスプリッタ
１２ モード整合レンズ

Claims (16)

1. 活性媒質を有する導光ファイバ（３）と、励起光源としてのレーザ（１）と、第１の共振器（４）を形成する第１のブラッググレーティング対（６，８）とを備えるファイバレーザであって、
   前記第１のブラッググレーティング対（６，８）が前記励起レーザ（１）を共振させ、前記ファイバレーザの出力波長で共振する第２のブラッググレーティング対（７，９）を備えることを特徴とするファイバレーザ。
2. 前記ファイバレーザの更なる出力波長で共振する更なるブラッググレーティング対を備えることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ。
3. 前記ファイバレーザは、ラマン効果を用いており、前記第２及び前記更なるブラッググレーティング対（７，９）を選択的に共振する共振器（５）を形成し、前記導光ファイバ（３）のバルク材にて散乱したブリルアン散乱光子を抽出することを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバレーザ。
4. 前記活性媒質は、水素分子からなる添加不純物であることを特徴とする請求項３に記載のファイバレーザ。
5. 前記ブラッググレーティング対（６，８；７，９）により形成される前記各共振器（４，５）は、前記各共振器（４，５）に属する導光ファイバ（３）のキャビティが互い独立して調整自在となるような仕方でもって配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のファイバレーザ。
6. 導光ファイバ（３）の長さが、１０乃至１００ｍの間であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のファイバレーザ。
7. 前記ファイバは溶融シリカに基づくものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のファイバレーザ。
8. 活性媒質として少なくとも一つの添加不純物を有する導光ファイバ（３）と、励起光源としてのレーザ（１）と、第１の共振器（４）を形成する第１のブラッググレーティング対（６，８）とを備えるラマンファイバレーザであって、
   前記導光ファイバ（３）が添加不純物として水素分子を含むことを特徴とするラマンファイバレーザ。
9. 前記水素分子は、水素分子雰囲気からの拡散により導光ファイバ（３）内に充填されることを特徴とする請求項８に記載のラマンファイバレーザ。
10. 前記導光ファイバに充填するための水素分子雰囲気は、１００バール以上の圧力に維持されることを特徴とする請求項９に記載のラマンファイバレーザ。
11. 前記導光ファイバ（３）は、金属又は炭素の外部被覆により密閉してシールされていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のラマンファイバレーザ。
12. 前記金属被覆は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）からなることを特徴とする請求項１１記載のラマンファイバレーザ。
13. 前記第１のブラッググレーティング対（６，８）により形成される前記第１の共振器（４）が、前記励起レーザ（１）を共振させることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載のラマンファイバレーザ。
14. 前記ラマンファイバレーザは、第２の共振器（５）を形成する選択的反射性のブラッググレーティングとして設計される第２のブラッググレーティング対（７，９）を含むことを特徴とする請求項１３記載のラマンファイバレーザ。
15. 前記選択的な共振器（５）が前記導光ファイバ（３）内の水素分子で散乱したラマン散乱光子を共振させることを特徴とする請求項１４記載のラマンファイバレーザ。
16. 第２の共振器（５）を形成する前記ブラッググレーティング（７，９）の一つは、出力カプラ（９）として設計されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のラマンファイバレーザ。

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