JP2005241731A

JP2005241731A - 高パワー短光パルス発生装置

Info

Publication number: JP2005241731A
Application number: JP2004047967A
Authority: JP
Inventors: Toshiji Sugiura; 利治杉浦; Toshiaki Bessho; 俊明別所
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08
Also published as: WO2005081370A1

Abstract

【課題】バルク回折格子圧縮器での回折効率を高くしてパワーロスを小さくした高パワー短光パルス発生装置を提供すること。
【解決手段】短光パルスを受光して伸張された短光パルスを出力するファイバー伸張器（２）と、伸張された短光パルスを受光して増幅された短光パルスを出力するファイバー増幅器（３）と、増幅された短光パルスを受光して圧縮された短光パルスを出力するバルク回折素子を用いた圧縮器（４）と、偏光保持連結手段（５a〜５c）と、を有する高パワー短光パルス発生装置。ファイバー伸張器やファイバー増幅器等が偏光保持連結手段で連結されているのでファイバ増幅器で増幅された短光パルスは直線偏光しており、バルク回折素子圧縮器の回折効率の低下を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高パワーでパルス幅の狭い光パルスを発生する高パワー短光パルス発生装置に関する。

ピコ秒またはフェムト秒レーザからは、時間幅（パルス幅）が１０^-12〜１０^-15秒台で、平均出力パワーがｍＷレベルの短光パルスが容易に発生される。しかし、加工や医療・計測に応用するためには短光パルスのパワーをより高パワー化する必要がある。通常、高パワー化するためには、増幅技術が使われるが、光ファイバー増幅器で増幅する場合、光の導波断面積が小さいためある閾値を超えると、非線形現象が発生してスペクトル波形が崩れ、増幅率の悪化や時間軸のパルス形状の変形を引き起こす。短光パルスの尖頭値（ピークパワー）がＷレベルに達するため、非線形現象が発生する閾値をすぐ越えてしまい、ファイバー増幅器で増幅することが難しかった。

最近ファイバ増幅器の閾値問題を解決するチャープパルス増幅技術が開発された（例えば、特許文献１参照）。これは、短光パルスを増幅する前にファイバー伸張器で伸張してピークパワーを下げてから増幅器で増幅し、増幅後バルク回折格子圧縮器で圧縮して元のパルス幅に戻す技術である。しかし、この従来の増幅技術を用いた短光パルス発生装置では、バルク回折格子圧縮器での回折効率が低く、パワーロスが大きかった。したがって、高パワー化を図るために増幅しても、その増幅効果を十分発揮できなかった。また、増幅器で増幅する短光パルスの繰り返し周波数が高いと、増幅作用が追いつかなくなり１パルス当たりの増幅率が低下する問題があった。
特許第３４７９７３５号公報

上記の背景技術で触れたように、これまでの短光パルス発生装置は、バルク回折格子圧縮器での回折効率が低く、パワーロスが大きいという問題を有していた。また、繰り返し周波数の高い短光パルスの増幅率が低いという問題を有していた。

本発明は、かかる問題を解決するために創出されたものである。すなわち、本発明の目的は、バルク回折格子圧縮器での回折効率を高くしてパワーロスを小さくした高パワー短光パルス発生装置を提供することである。本発明の別の目的は、増幅器の増幅率の低下を防止して１パルス当たりのピークパワーを高くした高パワー短光パルス発生装置を提供することである。

この課題を解決するためになされた本発明の高パワー短光パルス発生装置は、短光パルスを受光して伸張された短光パルスを出力するファイバー伸張器と、該伸張された短光パルスを受光して増幅された短光パルスを出力するファイバー増幅器と、該増幅された短光パルスを受光して圧縮された短光パルスを出力するバルク回折素子を用いた圧縮器と、前記ファイバー伸張器と前記ファイバー増幅器と前記圧縮器との間を前記短光パルスの偏光を保持しつつ連結する偏光保持連結手段と、を有することを特徴としている。

短光パルス発振器の直線偏波性は、ファイバー伸張器やファイバー増幅器等各モジュールが偏光保持連結手段で連結されているため、ファイバー増幅器で増幅された短光パルスの直線偏波性も十分保たれる。そのため、バルク回折素子圧縮器の回折効率の低下を防ぐことができる。

バルク回折素子を用いて時間幅の圧縮を行う場合、１次の回折光を用いてファイバー伸張器で伸張されたパルスの分散補償を行うが、バルク回折素子の１次回折光の反射効率には偏波依存性があり、効率の良い反射光を得るための入射光偏波はｐ偏光に調整する必要がある。ｓ偏光成分は０次の回折光となって分散補償には全く寄与しない。この性質により、ファイバー増幅器からの偏光制御が重要になる。

偏光保持手段が偏光保持ファイバーと、偏光保持接続手段を有するようにしてもよい。

短光パルスを空中伝搬させることがないので空気の揺らぎの影響を除くことができる。また、ファイバーはループ状にすることができ、高パワー短光パルス発生装置を小型化できる。

前記偏光保持接続手段が偏光保持スプライスあるいは偏光保持コネクタであるようにすることができる。

光軸ずれがなくなり、長時間安定に高パワー短光パルスを発生することができる。短光パルス発生装置全体を小型化できる。また、コネクタで連結することでモジュール毎に性能チェックすることができ、メンテナンス性に優れる。

また、前記ファイバー増幅器を希土類元素添加偏光保持ファイバーとすることもできる。

ファイバー増幅器を固定したり、ループ状にしたりしなくてもファイバー増幅器からは増幅された直線偏光の短光パルスが出力される。

さらに、前記ファイバー伸張器が偏光保持ファイバーで構成されているようにすることもできる。

ファイバー伸張器２を固定したり、ループ状にしたりしなくてもファイバー増幅器からは増幅された直線偏光の短光パルスが出力される。

前記短光パルスは繰り返しパルスであり、前記ファイバー伸張器と前記ファイバー増幅器との間に該繰り返しパルスの繰り返し数を減らすパルス間引き器をさらに有するようにすることもできる。

ファイバ増幅器がパルス間隔のあいた短光パルスを受光して増幅するので、１パルス当たりの増幅率が上がり、高ピークパワーの短光パルスを出力することができる。

また、前記ファイバー増幅器が前置増幅器と主増幅器とを有するようにしてもよい。

パルス間引き器で間引くことで減少する平均パワーを前値増幅器で増加させることができる。

さらに、前記主増幅器がコア径１０〜５０μｍのマルチモードファイバーであるようにしてもよい。

非線形性現象が発生する閾値が高くなり、高ピークパワーの短光パルスを受光して増幅することができる。

本発明の高パワー短光パルス発生装置は、ファイバー伸張器やファイバー増幅器等が偏光保持連結手段で連結されているので、ファイバ増幅器で増幅された光パルスは直線偏光しており、バルク回折素子圧縮器の回折効率の低下を防ぐことができる。また、ファイバー増幅器の前にパルス間引き器を有するので、１パルス当たりの増幅率が上がり、高ピークパワーの短光パルスを出力することができる。

以下に本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。同一要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態を示す高パワー短光パルス発生装置の概略構成図である。この図に示すように、短光パルス発生装置は、光パルス光源１から発生された短光パルスを受光して伸張された短光パルスを出力するファイバー伸張器２と、伸張された短光パルスを受光してパルスを間引くパルス間引き器６と、伸張されて間引かれた短光パルスを受光して増幅された短光パルスを出力するファイバー増幅器３と、増幅された短光パルスを受光して圧縮された短光パルスを出力するバルク回折素子を用いた圧縮器４と、偏光保持連結手段５a、５b、５cを有している。偏光保持連結手段５a、５b、５cは、それぞれ、偏光保持ファイバー５１a、５１'a；５１b、５１'b；５１c、５１'c；偏光保持接続手段５２a、５２b、５２c、を有している。

光パルス光源１としては、例えば、時間幅（パルス幅）が５０〜１ｐｓで、平均出力パワーが０．１〜５０ｍＷ、発振波長が１．５５μｍ、繰り返し周波数が１〜１００ＭＨｚの短光パルスを発生する市販のモードロックファイバーレーザを用いることができる。光パルス光源１は、短光パルスを出力する偏光保持ファイバーピッグテールを有することが望ましい。発生する短光パルスを空中伝搬させないで、ファイバー伸張器２との偏光保持連結手段５aの偏光保持ファイバー５１aをそのファイバーピッグテールで代用することができる。

ファイバー伸張器２としては、分散補償ファイバーやチャープファイバーブラッググレーティングを用いることができる。分散補償ファイバーは波長分散によりパルス幅を伸張するものである。波長分散は材料分散に導波路分散を加えたもので、材料とカットオフ波長及びコアとクラッドの比屈折率差を適当に選ぶことで容易に制御できる。パルス伸張率は、波長分散と長さ（光路長）で決まり、長さ１００ｍの分散補償ファイバーで１００〜１０００倍に伸張することは容易である。チャープファイバーブラッググレーティングは、たとえば、Ge添加ファイバーに長さ１０ｃｍのチャープ位相マスクを使ってフォトリソ技術で形成することができる。長さ１０ｃｍのチャープファイバーブラッググレーティングで１０、０００倍に伸張することができる。ファイバー伸張器２も偏光保持ファイバーで構成されていることが好ましい。ファイバー伸張器を固定したりループ形状に保持する必要がなくなる。また、光パルス光源１との偏光保持連結手段５aの偏光保持ファイバー５１'aとパルス間引き器６との偏光保持連結手段５bの偏光保持ファイバー５１bをファイバー伸張器２の両端部で代用することができる。

パルス間引き器６としては、光強度変調器を用いることができる。光強度変調器には電気光学光変調器、音響光学光変調器、磁気光学光変調器、応力光学光変調器等があるが、特に限定されない。一例として、図２に、導波路型電気光学光変調器を用いたパルス間引き器６を示す。これは、マッハツェンダ干渉計を構成したＺカットLiNbO3結晶６１の一方のアームの電極にパルスジェネレータ６２から所定の周波数の電圧を印加するものである。LiNbO3結晶６１の入力端に偏光保持連結手段５bの偏光保持ファイバー５１'bの一方の端部が、LiNbO3結晶６１の出力端には偏光保持連結手段５cの偏光保持ファイバー５１cの一方の端部が、たとえば、紫外線硬化樹脂で接続される。図２に示すパルス間引き器６で光パルス光源１からの繰り返し周波数１〜１００ＭＨｚの短光パルスが間引かれて、５〜５００ＫＨｚの繰り返し周波数に変換される。パルスが間引かれると当然間引かれた分平均パワーが低下する。たとえば、平均パワー１ｍＷ、繰り返し周波数１ＭＨｚの短光パルスが繰り返し周波数５ＫＨｚに間引かれると、平均パワーは５μＷに低下する。

ファイバー増幅器３は、前置増幅器３１と主増幅器３２とが偏光保持ファイバー３３、３３'と偏光保持接続手段３４で連結されている。

前置増幅器３１は、たとえば、前記５μＷに低下した平均パワーを１ｍＷレベルまで増幅するためのもので、シングルモードファイバーのコアにErをドープしたもので達成できる。ポンピングは、たとえば、波長分割多重ファイバカップラーを介してレーザダイオードからの波長１．４８μｍのレーザ光をコアに導波させることで行われる。シングルモードファイバーが偏光保持ファイバーで構成されていることが好ましい。前置増幅器３１を固定したりループ状に保持する必要がなくなる。また、パルス間引き器６との偏光保持連結手段５cの偏光保持ファイバー５１'cと、主増幅器３２と連結する偏光保持ファイバー３３を前置増幅器３１を構成する偏光保持ファイバーの両端部で代用することができる。

主増幅器３２としては、コア径が１０〜５０μｍのマルチモード二重クラッドファイバーが好ましい。増幅器の後段での１パルス当たりのピークパワーが１ｋＷ以上になっても非線形現象が起きないようにすることができる。コアにはErまたは、ErとYb共ドープされている。ポンピングはクラッドにＶ溝を形成し、そこから行う所謂サイドポンピングか、あるいはスターカップラーを用いて行うクラッドポンピングが好ましい。ポンピングパワーを沢山投入することができる。ポンプ光源としては、発振波長が９１５ｎｍ、９４５ｎｍ、または９７５ｎｍ帯のマルチモードレーザダイオードを用いることができる。二重クラッドファイバーが偏光保持ファイバーで構成されていることが好ましい。主増幅器３２を固定したりループ状に保持する必要がなくなる。また、前置増幅器３１と連結する偏光保持ファイバー３３’を主増幅器３２を構成する偏光保持ファイバーの入射端で代用することができる。

偏光保持連結手段５a、５b、５cの偏光保持接続手段５２a、５２b、５２c及び前置増幅器３１と主増幅器３２を連結する偏光保持接続手段３４は、偏光保持スプライスまたは偏光保持コネクタが好ましい。

圧縮器４は、ファイバー増幅器３で増幅されたピークパワーの高い短光パルスでも非線形現象が発現しないバルク回折素子で構成される。バルク回折素子としては、回折格子、プリズム、あるいはホログラフィックグレーティングなどを用いることができる。

実施例１の高パワー短光パルス発生装置は、図３、４に示すように、ファイバーレーザ１と、ファイバー伸張器２と、パルス間引き器６と、ファイバー増幅器３と、圧縮器４と、偏光保持連結手段５a、５b、５cを有している。

ファイバーレーザ１は、時間幅（パルス幅）が３００〜５００ｆｓで、平均出力パワーが１０ｍＷ、発振波長が１．５６μｍ、繰り返し周波数が４０〜５０ＭＨｚの繰り返し短光パルスを発生する市販のモードロックファイバーレーザである。ファイバーレーザ１は、短光パルスを出力する偏光保持ファイバーピッグテールを有している。したがって、発生する短光パルスを空中伝搬させないで、ファイバー伸張器２との偏光保持連結手段５aの偏光保持ファイバー５１aをそのファイバーピッグテールで代用することができる。

ファイバー伸張器２は、波長分散が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、長さが１００ｍの偏光保持ファイバーで、入射端が偏光保持連結手段５aの偏光保持ファイバー５１'aを、出射端が偏光保持連結手段５bの偏光保持ファイバー５１bを兼ねている。

パルス間引き器６は、図２に示した導波路型電気光学光変調器で、マッハツェンダ干渉計を構成したＺカットLiNbO3結晶６１とパルスジェネレータ６２を有している。LiNbO3結晶６１の入力端には偏光保持連結手段５bの偏光保持ファイバー５１'bの一方の端部が、出力端には偏光保持連結手段５cの偏光保持ファイバー５１cの一方の端部が、紫外線硬化樹脂で接続されている。パルスジェネレータ６２はパルス幅１０〜２０ｎｓ、繰り返し周波数１００〜３００ｋＨｚの電圧をLiNbO3結晶６１に印加する機能・性能を有している。

ファイバー増幅器３は、前置増幅器３１と主増幅器３２を有している。

前置増幅器３１は、コアにErをドープした長さが２．６ｍのシングルモードの偏光保持ファイバー３１１と、ポンプ光源としてのレーザダイオード３１２、及び、波長分割多重偏光保持ファイバカップラー３１３を有している。偏光保持ファイバー３１１の入射端がファイバーカップラー３１３の出射端と偏光軸を一致するようにスプライス（図示省略）されている。ファイバーカップラー３１３の入射端は、パルス間引き器６と連結するための偏光保持連結手段５cの偏光保持ファイバー５１'cと偏光軸が一致するようにスプライス（図示省略）されている。レーザダイオード３１２は、ファイバーピッグテール付きで、波長１．４８μｍ、出力４Ｗのマルチモードレーザビームを発生する。

主増幅器３２は、コア径が２０μｍで、ErとYbを共ドープした長さ５ｍのマルチモードの偏光保持二重クラッドファイバー３２１と、レーザダイオードアレー３２２、及び、図４に示すようなＶ溝カップラー３２３を有している。図４で、Ｃはコア、ＣＬ1は第１クラッド、ＣＬ2は第２クラッドをそれぞれ表している。レーザダイオードアレー３２２は波長９７５ｎｍ、出力４Ｗのマルチモードレーザビームを発生する。レーザダイオードアレー３２２から発生されたレーザビームはレンズ３２４でコリメートされ、Ｖ溝カップラー３２３から二重クラッドファイバー３２１の第１クラッドＣＬ1に結合される。

偏光保持連結手段５a、５b、５cの偏光保持接続手段５２a、５２b、５２c及び前置増幅器３１と主増幅器３２を連結する偏光保持接続手段３４は、偏光保持コネクタである。

圧縮器４は、回折格子４１、４２の対で構成されている。

レンズ８は、主増幅器３２の出射端から出射される短光パルスをコリメートするためのものである。

本実施例装置の動作結果を以下に記す。３００〜５００ｆｓのパルス幅がファイバー伸張器２で２００〜２５０ｐｓに伸張された。４０〜５０ＭＨｚの繰り返し周波数がパルス間引き器６で１００〜３００ｋＨｚに変換された。ファイバーレーザ１から発生された平均パワー１０ｍＷの短光パルスがパルス間引き器６で間引かれて１０〜２０μＷに低下するが、前置増幅器３１で２０ｍＷに増幅された。前置増幅器３１で増幅されて２０ｍＷになった短光パルスは主増幅器３２で２Ｗまで増幅された。主増幅器３２の出射端から出射されるパルス幅２００〜２５０ｐｓ、平均パワー２Ｗの短光パルスは圧縮器４で圧縮され、パルス幅５００ｆｓ〜２ｐｓ、平均パワー１Ｗの短光パルスを出射した。すなわち、圧縮器４に入射する短光パルスの平均パワーが２Ｗで、圧縮器４から出射される短光パルスの平均パワーは１Ｗであった。したがって、１パルスのピークパワーは、最大で２０ｋＷ（＝１Ｗ／（５００ｆｓ×１００ｋＨｚ））にも達した。このような動作結果は、パルス間引き器６で間引いて増幅し、回折格子対で構成された圧縮器４に入射する短光パルスを直線偏光にしたことによって得られたものである。

本発明の一実施形態を示す高パワー短光パルス発生装置の概略構成図である。導波路型電気光学光変調器を用いたパルス間引き器の平面図である。実施例１の高パワー短光パルス発生装置の概略構成図である。図３の要部拡大図である。

符号の説明

１光パルス光源
２ファイバー伸張器
３ファイバー増幅器
３１前置増幅器
３２主増幅器
４バルク回折素子を用いた圧縮器
５a、５b、５c 偏光保持連結手段
６パルス間引き器
５１a、５１'a、５１b、５１'b、５１c、５１'c
偏光保持ファイバー
５２a、５２b、５２c 偏光保持接続手段

Claims

高パワー短光パルスを発生するための高パワー短光パルス発生装置であって、
短光パルスを受光して伸張された短光パルスを出力するファイバー伸張器と、
該伸張された短光パルスを受光して増幅された短光パルスを出力するファイバー増幅器と、
該増幅された短光パルスを受光して圧縮された短光パルスを出力するバルク回折素子を用いた圧縮器と、
前記ファイバー伸張器と前記ファイバー増幅器と前記圧縮器との間を前記短光パルスの偏光を保持しつつ連結する偏光保持連結手段と、
を有することを特徴とする高パワー短光パルス発生装置。
前記偏光保持連結手段が偏光保持ファイバーと、偏光保持接続手段を有することを特徴とする請求項１に記載の高パワー短光パルス発生装置。
前記偏光保持接続手段が偏光保持スプライスあるいは偏光保持コネクタであることを特徴とする請求項２に記載の高パワー短光パルス発生装置。
前記ファイバー伸張器が偏光保持ファイバーで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３に記載の高パワー短光パルス発生装置。
前記短光パルスは繰り返しパルスであり、前記ファイバー伸張器と前記ファイバー増幅器との間に該繰り返しパルスの繰り返し数を減らすパルス間引き器をさらに有することを特徴とする請求項１ないし４に記載の高パワー短光パルス発生装置。
前記ファイバー増幅器が前置増幅器と主増幅器とを有することを特徴とする請求項５に記載の高パワー短光パルス発生装置。
前記主増幅器がコア径１０〜５０μｍのマルチモードファイバーであることを特徴とする請求項６に記載の高パワー短光パルス発生装置。