JP2005229119A - シングル・モード光ファイバ内でフェムト秒パルスを発生するための光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力フェムト秒光パルスを発生する装置を提供すること。
【解決手段】エルビウム添加光ファイバ・レーザなどのパルス光源から放射されたフェムト秒パルスの位相を事前調整するシングル・モード光ファイバ（または他の分散要素）の第１のセクションを含み、シングル・モード光ファイバの出力は、放物線状のパルスを発生するためパルス・ブレークアップのない領域で動作する正常分散を有する比較的短い長さ（数メートル）の高濃度添加希土類光ファイバへの入力として適用される（１つまたは複数の適切なポンプ源を使用して高濃度添加希土類光ファイバ増幅器で増幅を行う）。異常分散のある比較的短い第２のセクションのシングル・モード光ファイバは、必要なパルス圧縮を行う光ファイバ増幅器の出力に直接結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高ピーク出力のフェムト秒光パルスを発生するための光源に関するものであり、より詳細には、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を複数のセクションのシングル・モード光ファイバと組み合わせて使用し（増幅前のチャーピング（ｐｒｅ−ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｈｉｒｐｉｎｇ）および増幅後の圧縮（ｐｏｓｔ−ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｈｉｒｐｉｎｇ）のため）１５５０ｎｍのサブ１００フェムト秒（ｆｓ）パルスを発生することに関するものである。

１９８０年代に初めて製造されて以来、シングル・モード・エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、最も広く使用されている固体レーザ媒体のうちの１つへと着実に発展した。ＥＤＦＡは、最初、通信システムにおける光増幅器として使用され、それ以降、とりわけソリトン・ベースの通信システム向けの増幅器として使用されてきた。これらの応用例はすべて、高エネルギーおよび高ピーク出力パルスをシングル・モードＥＤＦＡから抽出することに対する関心を共通して欠いている。

しかし、ほとんどの非線形光学応用例の実用的な光源として光ファイバ・レーザを考えるためには、慣例の従来技術のｃｗまたは擬似ｃｗシステムにより発生するパワーレベルでは十分でない。例えば、通常の高効率光学パラメトリック発振器を動作させるには、パルス・エネルギーが１０μＪ程度のサブピコ秒パルスが要求される。したがって、希土類添加光ファイバ・レーザをそのようなシステムの増幅器として導入する試みは、その動作に悪影響を及ぼす。というのは、そのような増幅器が細長いため広範にわたってひどく大きな非線形効果が生じ、ピーク出力が１ｋＷを超えるパルスを発生させることができないからである。

チャープ・パルス増幅（ｃｈｉｒｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＣＰＡ）手法を光ファイバ増幅器とともに使用する考えは、光ファイバ・レーザ光源のエネルギーおよび出力が低いという上記の問題に対する有望な解決策である。ＣＰＡを光ファイバ増幅器とともに使用すると、光ファイバの潜在力をうまく活用して、コンパクトな光ファイバおよびレーザ・ダイオード光源からのパルス・エネルギーおよび平均出力を多くの大型の科学用レーザで現在得られるものに匹敵するレベルまで高められる。

ＣＰＡ法によれば、増幅前に超短パルスを伸長してから増幅し、最終的に、再圧縮して伝送する。比較的持続時間の長い伸長されたパルスを増幅することにより、増幅器の最大出力は、非線形効果およびパルス・ブレークアップ（ｐｕｌｓｅ ｂｒｅａｋ−ｕｐ）が生じないように比較的低い値に保持される。しかし、光ファイバおよび光ファイバ増幅器の物理的特性のため、光ファイバにＣＰＡを実装するためには多くの問題と制限、つまり、高ピーク出力で生じる光ファイバ内の非線形効果、ＡＳＥ制限利得、利得が狭められる効果による再圧縮パルス持続時間の増大、ポンプ出力の制限による出力パワーの制限、コンパクトなコンプレッサおよびストレッチャ構成を使った初期持続時間までのパルスの再圧縮などを克服する必要がある。しばしば、大量のチャープが含まれるパルスが光ファイバ増幅器内に発生し、バルク光学系内で再圧縮されることがある。他のアプローチとして、パルスをマルチモード・ファイバで増幅し、それによって、広い実効面積とともにモードを使って非線形性を減らす方法もある。

しかし、いくつかの応用例では、シングル・モード・ファイバ・チップ末端で圧縮されたフェムト秒パルスを発生することが望ましい。例えば、医療画像応用例において非線形信号を発生するために内視鏡内で短いパルスを使用することが望ましい。このような応用例では、ファイバ・チップのモード・サイズはできる限り小さくし、高い強度の大きな非線形信号を発生することが必要である。スーパーコンティニウム発生などの、非線形ファイバを使用する応用例では、出射状態の変動は、バルク光学系で小芯非線形光ファイバ内に集束する場合に問題となる可能性がある。したがって、増幅器出力光ファイバに非線形光ファイバを直接つないで、そのような変動を最小限に抑えることが望ましい。ここでもまた、シングル・モード・コネクタの末端での圧縮パルスは、非線形光ファイバ内に出射するのに最適である。

シングル・モード光ファイバ内のフェムト秒パルスの増幅を行う従来技術の構成は、D.J.Richardson et al.「Amplification of femtosecond pulses in a passive, all-fiber soliton source」(Optics Letters、Vol.17、No.22、１９９２年１１月１５日、１５９６頁以下参照）という記事で説明されている。この場合、光ファイバ増幅器は、異常分散を示すものとして特徴付けられ、したがって、パルス崩壊（ｐｕｌｓｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ）および砕波（ｗａｖｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ）を被る。数多くの従来技術の参考文献では、さらに、シングル・モード光ファイバに存在する非線形性により、高出力パルスの発生が妨げられ、その結果、マルチモードまたはバルク光圧縮（ｂｕｌｋ ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）のいずれかが短い高出力パルスを発生するために必要であると主張している。
D.J.Richardson et al.「Amplification of femtosecond pulses in a passive, all-fiber soliton source」(Optics Letters、Vol.17、No.22、１９９２年１１月１５日、１５９６頁以下参照）

上述のような従来技術の制限は、高ピーク出力のフェムト秒光パルスを発生するための光源に関する、より具体的には、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を複数のセクションのシングル・モード光ファイバと組み合わせて使用し１５５０ｎｍのサブ１００フェムト秒（ｆｓ）パルスを発生することに関する本発明の対象となっている。

本発明の好ましい実施形態は、エルビウム添加光ファイバ・レーザなどのパルス光源から放射されたフェムト秒パルスの位相を事前調整するシングル・モード光ファイバ（または他の分散要素）の第１のセクションを含み、シングル・モード光ファイバの出力は、放物線状のパルスを発生するためパルス・ブレークアップのない領域で動作する正常分散を有する比較的短い長さ（数メートル）の高濃度添加希土類光ファイバへの入力として適用される（１つまたは複数の適切なポンプ源を使用して高濃度添加希土類光ファイバ増幅器で増幅を行う）。異常分散のある比較的短い第２のセクションのシングル・モード光ファイバは、必要なパルス圧縮を行う光ファイバ増幅器の出力に直接結合される。

本発明によれば、希土類添加光ファイバ増幅器を正常分散、自己位相変調、および分布利得（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇａｉｎ）とともに使用することで、「自己相似伝播」と定義される増幅器内の状態が得られることがわかっている。この動作領域では、光ファイバ増幅器は、放物線状の高エネルギー・パルスを発生する（放物線形状は時間の関数として定義される）。これらのパルスは、さらに、強い線形チャープを示し、チャープが線形性を有するため、第２のセクションのシングル・モード光ファイバを使用することによりパルスを効率よく圧縮することができる。

本発明の他のまたさらなる利点および態様は、以下の説明の過程で、付属の図面を参照しつつ、明らかになるであろう。

図１は、本発明によりフェムト秒（ｆｓ）パルスを増幅する構成１０を示す。一般に、本発明の構成１０は、プリチャーピング（ｐｒｅ−ｃｈｉｒｐｉｎｇ）・シングル・モード光ファイバ１２（またはその他の適当な分散要素）、希土類添加光ファイバ増幅器１４、およびパルス圧縮シングル・モード光ファイバ１６の３つの主要構成要素を含む。稼働時、プリチャーピング光ファイバ１２は、フェムト秒レーザ・パルス光源１８により発生するフェムト秒パルスの位相を事前調整するのに適した長さのシングル・モード光ファイバ（または他の適当な分散要素）を含む。パルス事前調整を行うために使用できる他の適当な分散要素としては、例えばブラッグ格子（ブラッグ・グレーティング）、好ましくは光ファイバ・ブラッグ格子、またはチューナブル光ファイバ・ブラッグ格子がある。希土類添加光ファイバ増幅器１４は、パルス・ブレークアップのない領域で動作し、したがって放物線状のパルスを発生する、正常分散を有する比較的短い（例えば、数メートル、公称的には５メートル未満の）高濃度添加希土類光ファイバを備える。後述のような１つまたは複数のポンプ源を使用して、光ファイバ増幅器１４で増幅を行う。パルス圧縮光ファイバ１６は、異常分散を有する一定の長さ（ここでもまた、数１０センチメートルのオーダーと比較的短い）のシングル・モード光ファイバを含む。

本発明によれば、フェムト秒レーザ・パルス光源１８は、例えば、２ｍＷ、２５０ｆｓパルスを４６ＭＨｚで発生することができるモード同期光ファイバ・レーザを備えることができる。光源１８などのフェムト秒エルビウム光ファイバ・レーザは、一般的に、含まれている発振器（図示せず）の出力のところから強いチャープを有するパルスを発する。したがって、本発明により増幅器の動作を最適なものにするために、増幅器光ファイバ１４の入力のところで適切な位相のパルスを発生し、できる限り速やかに所望の放物線状の状態に到達するように、プリチャーピング・シングル・モード光ファイバ１２の長さを慎重に選択しなければならない。例えば、プリチャーピング・シングル・モード光ファイバ１２は２メートルほどの長さがあれば、本発明の応用に適していることがわかっている。

シングル・モード光ファイバのフェムト秒パルスの増幅に関する重要な課題の１つに、非線形性による増幅器のパルス・ブレークアップ（ｐｕｌｓｅ ｂｒｅａｋ−ｕｐ）の防止がある。本発明による、この問題の解決策として、正常分散を有する長さが比較的短い（５メートル未満の）エルビウム添加光ファイバを増幅器として使用する方法がある。異常分散を使用する増幅器は、パルス崩壊（ｐｕｌｓｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ）および砕波（ｗａｖｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ）を被ることが知られている。しかし、正常分散、自己位相変調、および分布利得の組み合わせにより、「自己相似伝播」として定義される増幅器内の状態が得られることが最近示された。この動作領域では、増幅器は、時間に関して放物線状の高エネルギー・パルスを発生する。これらのパルスは、強い線形チャープも示す。このようなチャープの線形性により、後述のように、増幅後のパルスの効率のよい圧縮が可能になる。

図１に例示されているような構成では、一組の独立した４つのポンプ源２２、２４、２６、および２８を光ファイバ増幅器１４への入力として利用する。しかし、従来のポンプ構成は、本発明の構成１０の光ファイバ増幅器部分とともに使用できることは理解されるであろう。４つの独立したポンプ源、光ファイバ・レーザ光源１８からのパルス出力信号と同じ方向に伝播するように構成されているポンプ２２および２４、光ファイバ・レーザ光源１８からのパルス出力信号と反対の方向に伝播するように構成されているポンプ２６および２８を使用することにより、光ファイバ増幅器１４内に最大ポンプ出力が発生するようにできる。図１に示されているような本発明の特定の構成１０では、ポンプ・レーザ２２および２４からの出力信号は、偏光状態が直交し、偏光維持光ファイバ３０および３２の別々のセクションにそって伝搬し、その後、偏光マルチプレクサ３４内で組み合わされ、単一セクションの偏光維持光ファイバ３６にそって印加されるように制御される。続いて、直交偏光ポンプ信号のペアは、プリチャーピングされたシングル・モード光ファイバ１２に沿って配置されている波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）３８に第１の入力として印加され、光ファイバ・レーザ光源１８から出力されるパルスと組み合わされる。ポンプ光源２６および２８からの出力信号も、同様にして、直交偏光状態であり、別々のセクションの偏光維持光ファイバ４０および４２にそって伝播し、その後、偏光合成器４４で組み合わされ、偏光維持光ファイバ４６内に結合される。その後、偏光されたポンプ信号のペアは第２のＷＤＭ４８に入力として送られ、希土類添加光ファイバ増幅器１４にそって信号に反対の伝播方向に出射する。

本発明の一構成では、希土類添加光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバの長さ２メートルのセクションを含み、これは、上述の４つの独立したポンプ源からなる一組でポンピングされ、それぞれのポンプ源は１４８０ｎｍのポンプ波長で動作する。シミュレーションの結果、さらに長さの短い増幅器（つまり、１メートル以下のオーダー）は２メートル・モデルの実施例よりも効率がよいことが示されている。長さが約５メートルを超える本発明の増幅器の場合、高次の非線形性が働き始め、シミュレートされたラマン散乱（ＳＲＳ）が増幅器の性能を制限し始める。図１に戻って参照すると、この４ポンプ構成の最大出射出力は、信号と同じ方向に伝播するポンプ源２２および２４では６１０ｋＷ、反対の方向に伝播するポンプ源２６および２８では５７１ｍＷであることがわかる。エルビウム添加光ファイバ増幅器１４は、正常分散を示すように設計されている。上述のように、分布利得、正常分散、および自己位相変調と添加光ファイバ増幅器とを組み合わせることにより、自己相似伝播が生じ、そこで、パルスは時間に関して放物線状になり、線形チャープを示す。

放物線状の動作領域は極めて有用である、というのも、光ファイバ増幅器１４内に出射されるほとんどどのようなパルスでも、最終的には、放物線状パルスに自己整形するからである。しかし、パルスが放物線状の漸近解に近づく領域に入るまでに伝わらなければならない距離は、初期パルス形状によって非常に異なる。光源１８などのフェムト秒エルビウム光ファイバ・レーザ光源は、一般的に、その出力に強いチャープがあるパルスを発生する。したがって、上述のように、増幅器の動作を理想的なものにするために、光ファイバ増幅器１４の入力のところで適切な位相のパルスを発生し、できる限り速やかに放物線状態に到達するように、プリチャーピング・シングル・モード光ファイバ１２の長さを慎重に設計しなければならない。

エルビウム添加光ファイバ増幅器１４から出力されるパルスには、ブレークアップがなく、バルク光学系で効率よく圧縮できる。しかし、好ましい全光ファイバ構成では、シングル・モード光ファイバ１６を使用して、パルスを再圧縮するため、シングル・モード光ファイバの１セクションに高ピーク出力が生じる（そこでは、上述のように、多くの新しいおよびこれからの応用例には、シングル・モード光ファイバを使用するのが好ましい）。実際、好ましいオール光ファイバ実施形態では、シングル・モード偏光維持光ファイバを使用することができる。増幅器の長さを短く保つことの利点としてはほかに、非線形性により必要な圧縮光ファイバの長さを短くできるため、圧縮光ファイバ１６も短くして（例えば、２０ｃｍ未満）、パルスの歪みを最小限に抑えられるという点も挙げられる。

図２は、図１に示されているような本発明の構成の出力で測定されたスペクトルを例示しており、これは、長さ２０ｃｍ未満のシングル・モード・プリチャーピング光ファイバ１２を使用している。光ファイバ増幅器１４の出力における増幅されたパルスの最大出力は、４００ｍＷ（８．７ｍＪ／パルス）であることが判明している。比較のため、利得を含む非線形シュレディンガー方程式（ＮＬＳＥ）モデルからの増幅器出力スペクトルを図２に点線でプロットしてある。わかりやすくするため、このモデルは縦方向に補正されており、またモデルと測定されたスペクトルとがよく一致していることを例示している。

光ファイバ増幅器１４の出力の測定された干渉相関は、図３のグラフにプロットされ、自己相関信号を時間の関数として例示している。このプロットは、出力が単一の高チャープ・パルスからなることを例示している。パルスの強度および位相のＮＬＳＥシミュレーションから、図４に示されているように、パルスは、二次位相項を持つほぼ放物線状のプロットになることがわかる。図４の点線は、放物線をパルス強度に当てはめているところを示すために使用されている。そのもっとも正確な形式では、自己急峻化などの高次の項により、真の放物線形状からずれることになる。

実験的構成の一実施例を使用するシングル・モード・パルス圧縮光ファイバ１６の最適な長さは、４５ｃｍであることがわかった（ポンプ／信号組み合わせＷＭＤの存在を含む）。パルス圧縮光ファイバ１６の出力に現れる測定された干渉自己相関およびスペクトルは、図５に例示されており、スペクトルは挿入として示されている。スペクトルおよび干渉相関を知られている解析アルゴリズムに入力し、パルス強度および位相を求めた。図６に例示されている得られたパルスは、最小強度の低いペデスタルのところで３０ｆｓであった。エネルギーの約５５％は中央のパルスに現れ、ピーク出力は約１６０ｋＷとなっていることが図に示されている。本発明の構成の利点は、シングル・モード光ファイバ（つまり、圧縮光ファイバ１６）の１セクションの出力に現れるような、ピーク出力が１６０ｋＷのこれらの３０ｆｓパルスをシングル・モード光ファイバ終端（内視鏡など）を必要とする状況で使用したり、あるいはスーパーコンティニウム発生のため非線形光ファイバにつなぐ溶融に使用することができるという点である。したがって、パルス圧縮光ファイバを直に溶融してシングル・モード光ファイバ増幅器の出力につなぐことができるので、パルス圧縮出射状態の変動が最小になり（従来圧縮を実行するためにバルク光学系を使用していたのと比較して）、その結果、本発明の構成のパフォーマンスが最適なものとなる。

上述のように、比較的短い（数１０ｃｍ）の光ファイバ増幅器を利用した場合の利点は、比較的短い圧縮シングル・モード光ファイバを使用し、出力パルスの歪みを最小に抑えることができるという点にある。逆説的ではあるが、このようなシステムでは、高出力はパルスを圧縮する際にうまく働くこともわかっているが、それは、非線形性により、必要な圧縮光ファイバの長さが短くなるためである。

本発明の構成の他の利点としては、パルス・ブレークアップなしでパルスを増幅するだけでなく、増幅器によりパルス・スペクトルが著しく広がるという点も挙げられる。したがって、光ファイバ・レーザからの比較的長いパルス（例えば、３００ｆｓ）を使用できるが、増幅器出力では、シミュレーションによって、そのようなパルスを圧縮シングル・モード光ファイバ１６で１５ｆｓと短く圧縮できることがわかっている。

本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、他の代替形態、変更形態、および修正形態も可能であり、本発明の精神と範囲にあることは当業者には明白であろう。特に、信号と同じ方向に伝播する単一のポンプを信号と反対の方向に伝播する単一ポンプとの組み合わせなどさまざまな他のポンプ源構成を使用できる。さらに、９８０ｎｍレーザ・ポンプ源を１４８０レーザ・ポンプ源の代わりに使用することができる。さらに、他の特定のフェムト秒レーザ光源を使用できる。一般に、本発明の精神および範囲は、付属の請求項の範囲のみによるものと意図されている。

本発明により形成される高出力フェムト秒パルス光源の実施例のブロック図である。 図１の構成に対する測定された出力スペクトルとともに増幅器スペクトルの非線形シュレディンガー方程式（ＮＬＳＥ）の計算結果を示すグラフの図である。 図１のパルス光源のエルビウム添加光ファイバ増幅器部分の出力に現れる測定された干渉相関を示すグラフの図である。 放物曲線のパルス強度への当てはめを例示する、増幅器出力に現れるパルス強度および位相の（ＮＬＳＥを使用した）シミュレーション結果の図である。 （挿入部で例示されているスペクトルに対する）取得された相関と対比した、パルス圧縮シングル・モード光ファイバの出力に現れる測定された干渉相関を示すグラフの図である。 特に３０ｆｓパルスを示す図５の相関に対応する取得された強度のグラフの図である。

Claims (8)

1. 高出力フェムト秒光パルスを発生する装置であって、
   フェムト秒パルス光源と、
   前記フェムト秒パルス光源の出力に結合されている、所望の位相でパルスを発するように選択された所定の特性を有する位相調整光分散要素と、
   前記分散要素の出力に結合された希土類添加光ファイバ増幅器であって、所定の長さの希土類添加シングル・モード光ファイバの１セクションと、光ポンプ出力の少なくとも１つの光源と、光ポンプ出力の前記少なくとも１つの光源の出力および前記分散要素の出力を希土類添加光ファイバの前記セクションに導くための少なくとも１つの波長分割マルチプレクサとを含む希土類添加光ファイバ増幅器と、
   前記希土類添加光ファイバ増幅器からの前記出力光パルスを圧縮するために使用される、前記希土類添加光ファイバ増幅器の前記出力に融合されたシングル・モード光ファイバの出力セクションと、を備える装置。
2. 前記希土類添加光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバ増幅器を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記フェムト秒パルス光源は、モード同期希土類添加光ファイバ・レーザを備える請求項１に記載の装置。
4. 前記モード同期希土類添加光ファイバ・レーザは、モード同期エルビウム添加光ファイバ・レーザを含む請求項３に記載の装置。
5. 前記位相調整光分散要素は、シングル・モード光ファイバの入力セクションを１つ備える請求項１に記載の装置。
6. 前記位相調整光分散要素は、ブラッグ格子を１つ備える請求項１に記載の装置。
7. 前記希土類添加光ファイバ増幅器は、同じ方向に伝播するポンプ源のペアおよび反対の方向に伝播するポンプ源を備える請求項１に記載の装置。
8. 前記分散要素、希土類添加光ファイバ増幅器、およびシングル・モード光ファイバの出力セクションはすべて、偏光維持光ファイバを備える請求項１に記載の装置。
   

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