JP2005524880A - 広帯域スペクトルを発生させるための光学装置 - Google Patents

広帯域スペクトルを発生させるための光学装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 広帯域スペクトルを発生させるための光学装置には、そのために必要な手間と費用を軽減し、レーザ放射線源をコンパクトに維持し、広帯域スペクトルの波長領域を簡単な方式で市販の半導体検出器の感度領域に適合させるという課題がある。
【解決手段】 赤外線領域内に位置する出力波長を有するピコ秒・パルスを提供するためのものであり受動モード結合されている固体レーザが、光学的に適合されてフォトニックファイバと結合されていて、出力波長に対するその分散適合により、実質的に均等強度で延在する広帯域スペクトルの放射線出力区間が出力波長の下方で７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域内に置かれている。広帯域放射線源は、高輝度を有し、中でも白色光干渉法（ＯＣＴ、コヒーレントレーダ、スペクトルレーダ）及び分光法（ポンプ・プローブ・分光法）において使用される。

Description

本発明は、広帯域スペクトルを発生させるための光学装置に関し、この光学装置は、高輝度を有する広帯域放射線源として、中でも白色光干渉法（ＯＣＴ、コヒーレントレーダ、スペクトルレーダ）及び分光法（ポンプ・プローブ・分光法）に使用され得る。
このような放射線源では、周知のごとく、集中的な光パルスが非線形光学媒質を通り抜け、その結果、非線形光学プロセスにより多大なスペクトル拡張に至り、所謂スーパーコンティニウムが発生される。
この種のスペクトル拡張が生じ得る周知の様々な媒質のうち、近年では益々と所謂フォトニックファイバ（ＰＣＦ：photonic crystal fiber：フォトニック・クリスタル・ファイバ）が専門家にとって興味の対象となっている。これらのファイバは石英コアから構成され、この石英コアは、空気或いはガスで満たされた微視的に小さい一連の中空空間により包囲されていて、これらの中空空間はファイバ長に沿って延在し、その結果、ファイバ横断面ではハニカム形状のファイバ構造が得られる。孔構造の大きさと配置構成により、放射線は極めて小さい領域上に集中され得て、このことは非線形光学プロセスを導き得る。
つまり、ＰＣＦがスーパーコンティニウムを発生させるための理想的な媒質であることが幾度にも渡り証明された。主に支援するプロセスとしては、誘導ラマン散乱、自己位相変調及び相互位相変調、及び、パラメトリック四光波混合が認識されたが、また、ソリトン効果、高次且つ高分散の非線形効果も役割を果たし得る。
特に興味深いものとして、先ず、フェムト秒・レーザパルスからのコンティニウム発生があり、それらのフェムト秒・レーザパルスは、使用されるファイバ内で非線形光学プロセスを活性化するために充分に高いフィールド強度を有する。その研究は、例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３において、実施・紹介されている。
非特許文献４では、ポンピング放射線源の波長（６４７ｎｍ）に対して両側に広げられているスペクトルがｐｓパルスを用いても発生され得ることが示されている。
スーパーコンティニウムを発生させるための周知の全解決策は、構造上複雑で、それと共に大規模であり整備及びコストの割合が高い。
このことは、例えば、白色光干渉法（ＯＣＴ、コヒーレントレーダ、スペクトルレーダ）及び分光法（ポンプ・プローブ・分光法）のためのように、高輝度を有するコンパクトな広帯域放射線源が要求される場合には特に不利である。
更に、最適の信号対雑音比（ＳＮ比）は、市販の半導体検出器のスペクトル感度に適合されている光のスペクトル分布を要求する。
Ranka, Windeler, Stentz, "Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800nm", Opt. Lett. 25, 25 (2000) Hartl, Li, Chudoba, Ghanta, Ko, Fujimoto, "Ultrahighresolution optical coherence tomography using continuum generation in an air-silica microstructure optical fiber", Opt. Lett. 26, 608 (2001) Holzwarth, Zimmermann, Udem, Haensch et al., "White-light frequency comb generation with a diode-pumped Cr:LiSAF laser", Opt. Lett. 26, 1376 (2001) S.Coen, A.H.L.Chan, R.Leonhardt, J.D.Harvey, J.C.Knight, W.J.Wadsworth, P.St.J.Russell, "White-light supercontinuum generation with 60-ps pump pulses in a photonic crystal fiber", Optics Letters 26, 1356 (2001)
従って本発明の課題は、広帯域スペクトルの発生のために必要なレーザ放射線源をコンパクトに維持し且つ広帯域スペクトルの波長領域を簡単な方式で市販の半導体検出器の感度領域に適合させることにより、広帯域スペクトルを発生させるための手間と費用を軽減することである。
この課題は、広帯域スペクトルを発生させるための以下の光学装置により解決される。即ち、この光学装置では、赤外線領域内に位置する出力波長を有するピコ秒・パルスを提供するためのものであり受動モード結合されている固体レーザが、光学的に適合されてフォトニックファイバと結合されていて、出力波長に対するその分散適合により、実質的に均等強度で延在する広帯域スペクトルの放射線出力区間が出力波長の下方で７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域内に置かれている。
以前の複雑な周波数変換が排除されるにも拘らず、実質的に均等強度で延在する放射線出力区間が、本発明により７００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域内に置かれ得る。
使用されるピコ秒・固体レーザは、その構造において、スーパーコンティニウムの発生のために従来技術で使用されているレーザよりも遥かにシンプルで且つそれにより低コストでもあるが、実質的には次のことにより傑出している。即ち、能動媒質として異方性レーザ結晶が用いられ、この異方性レーザ結晶は非対称ポンピング光線によりポンピングされていて、そのポンピング光線横断面は、互いに垂直であって異なる伸張範囲を有し、このポンピング光線は、１：１よりも大きく１：３よりも小さい互いに垂直に延在する方向の軸線比を有し且つこの非対称性に適合されているレーザ光線横断面により混入されている。
異方性レーザ結晶の結晶軸線のうち、結晶破壊限界の最大値が存在する方向の軸線は、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向に置かれている最大温度勾配に沿って指向されている。
異方性レーザ結晶は、ポンピング光線が混入している結晶横断面を含んでいて、この結晶横断面は、ペアで平行に対向位置し且つ少なくともレーザ結晶の一区画で異なるエッジ長をもつ結晶エッジを有し、またこの異方性レーザ結晶は、その最大熱伝搬係数を、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向で且つより小さいエッジ長を有する結晶エッジに対して平行に有する。
高ポンピング出力密度を達成するために定義されている非対称性を部分的に維持する場合、この非対称性に対してレーザ光線を適合させるためにレーザ結晶は全く新たな方式で配向される。ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向における結晶寸法の減少に起因する熱流の非対称性、及び、その結果として得られる互いに垂直に延在する方向の熱レンズの非対称性は、次のように共振器に対して適合され得る。即ち、結晶の内部で非対称レーザモードが実現され、このレーザモードが非対称ポンピングモードに適合されていて、共振器内には他の非点収差要素が必要とされない、即ち、異なる軸線にとって異なる光線成形手段が投入される必要がないということである。
更に、レーザ結晶の配向措置及び形成と、改善された耐破壊特性の形式の特に有利な熱弾性特性が結び付けられていることが見出され、それによりレーザ結晶が高ポンピング出力密度の受容のために適合され得る。更に、遥かに改善された温度状況が異方性レーザ結晶の結晶中心で達成され得る。特にそこの最大温度を減少することは、より小さい熱負荷の結果、レーザ移行の効果の向上に肯定的に作用する。
非対称熱レンズは、１：１よりも大きく１：３よりも小さい軸線比を有する楕円形レーザ光線横断面を発生させるために利用される。ブリュースターカットされたレーザ結晶の光線出射面を使い、この軸線比は、空気の屈折率に対するレーザ結晶の屈折率の比率のファクタ分だけ増加され得る。
本発明により、低コストで、コンパクトで、多くの目的のために適用可能な広帯域放射線源が提供され、この広帯域放射線源は、シンプルに構成され且つ効果的に作動するレーザにより傑出している。出力波長に対して特別に適合された周波数変換要素を使用することにより、１０６４ｎｍの出力波長がより長波であるにも拘らず、７００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域内で実質的に均等強度で延在する主要部分を有するレーザ帯域幅の著しい拡張が達成され得る。
次に図面に基づき本発明を詳細に説明する。
図１に従う広帯域放射線源は、受動モード結合されている固体レーザ１から構成され、この固体レーザ１は、飽和可能な半導体吸収体を用いて作動してモード結合されていて３つの偏向ミラーと１つのエンドミラーを備えた共振器を含んでいて、光学アイソレータ２により戻り結合から保護されていて、結合光学系３を介し、フォトニックファイバ４の形式の周波数変換要素と結合されている。
６Ｗの平均的な出力を有する固体レーザ１は、λ＝１０６４ｎｍという赤外線領域内の出力波長で８.５ｐｓのパルス持続時間のレーザパルスを提供し、そのスペクトル帯域幅は０.２７ｎｍである。更に本実施例は、１２０ＭＨｚのパルス反復率、５０ｎＪの平均パルスエネルギー、及び５.８ｋＷの平均パルスピーク出力で作動する。出力放射線は、水平で線形に偏光されていて、光線品質はＭ２＝１である。
出力波長に対して特定化されている光学アイソレータ２は、光学ダイオードとして、戻り反射又は戻り散乱された放射線が結合光学系３及びフォトニックファイバ４から固体レーザ１の共振器内に戻り結合されることを防止する。この戻り結合はモード結合稼動の敏感な障害を導くものである。
ｆ＝４.５ｍｍの焦点距離、ＮＡ＝０.５５の開口数、及び反射防止膜を有する非球面ガラスレンズが使用される結合光学系３を用い、光線集束により、ファイバモードのパラメータに対する自由光線パラメータ（ガウス光線の光線半径及び開口角度、固体レーザ１のＴＥＭ００）の最善の適合、従ってフォトニックファイバ４内への最大の出力結合が達成される（最大結合効率４９.６％）。このようにして、低次の所定のファイバモードの励起が達成される。
５μｍのコア直径、ＮＡ＝０.２１の開口数を有する５ｍの長さのフォトニックファイバ４は、出力波長に対して分散適合されていて、レーザパルスのスペクトル帯域幅のスペクトル拡張のために用いられ、この際、このスペクトル拡張は、様々な強さの形の特徴をもった極めて異なる光学非線形効果により達成され、例えば、誘導ラマン散乱、自己位相変調及び相互位相変調、パラメトリック四光波混合、ソリトン効果、高次の分散並びに非線形効果によってである。ファイバ４は特に次のように出力波長に対して適合されている。即ち、１０６４ｎｍの単色の赤外レーザ放射線が、より短波のＮＩＲ・ＶＩＳ・領域、即ち半導体検出要素がその感度領域を有する領域においてもスペクトル広帯域放射線に変換されるようにである。
図２から見てとれるように、本発明に従う装置を用いて広帯域スペクトルが発生され、この広帯域スペクトルでは、放射線出力の４０％以上を含んでいる放射線出力区間が７００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域内に置かれている。意図される適用分野にとって特に重要なこととして次のことが挙げられる。即ち、その大きい波長領域内で実質的に均等な強度経過（強度の延在態様）が、出力波長の下方にあり、それに対して出力波長の上方では出力の降下が描かれているということである。
従来技術の解決策に比べ、このスペクトルを提供するために用いられる広帯域放射線源は、極めてシンプルで且つ負荷に強い構造を有し、特にこのことは固体レーザ１に該当する。この固体レーザ１はダイオードレーザにより直接的にポンピングされ、この際、レーザ結晶を破壊することなく特に高いポンピング出力密度を許容するポンピング装置が設けられている。
図３に描かれているポンピング装置は、レーザ結晶５を端面励起（エンドポンピング）するために、レーザダイオードバーの形式、又は、装置であってこの装置のポンピング光線７が２つの円柱レンズ８及び９を用いてレーザ結晶５の光線入射面１０に集束されて指向されているという装置の形式を有するポンピング放射線源６を含んでいる。ポンピング光線７は、レーザ結晶５内への入射時、その横断面に関し、互いに垂直であって異なる伸張範囲を有する横断面の非対称性を有する。
高ポンピング光線密度を達成するために、レーザダイオードバーの光線特性の改善に関し、速い軸（Fast-Axis）の視準に対して追加的に遅い軸（Slow-Axis）も特別に視準することが有利であると示されている。レーザダイオードバー内に行状に配設されている個別エミッタは、通常、使用可能なスペースの一部分だけを必要とする。他の部分は、中間空間、所謂「スペーシング」により占められ、これらの中間空間はビームパラメータプロダクトを悪化させ、その理由は、放射面が、中間空間の利用されていない場所分だけ増加されるためである。視準レンズをレーザ光線束の重なる面内に配設することはデッド比率を除去し、それによりほぼファクタ２のビームパラメータプロダクトの改善が達成され得る。そのために設けられているマイクロ光学系１１はポンピング放射線源６に対してその目的のために後置されている。
本実施例では４ｘ２ｘ６.９ｍｍ３の大きさのＮｄ：ＹＶＯ４結晶が使用される異方性レーザ結晶５は、図４に従い、ポンピング光線に対して次のように配向されている。即ち、その結晶ｃ軸線が、ポンピング光線横断面のより大きい伸張範囲の方向（遅い軸に平行）に指向されていて、結晶破壊限界の値と熱伝搬係数の値が最大である方向の結晶ａ軸線が、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向（速い軸に平行）に指向されているようにである。
追加的に結晶高がａ軸線の方向で減少され、それにより温度勾配が更に増加されると、熱負荷に対する結晶剛性の多大な増加がその結果として得られることが示された。このことは、レーザ結晶５が、遥かに高いポンピング出力とポンピング出力密度で稼動され得ることを意味する。
この理由からレーザ結晶５は、ポンピング光線７が混入している結晶横断面を有し、この結晶横断面は、ペアで平行に対向位置し且つ異なるエッジ長をもつ結晶エッジ１２、１３、１４、１５を有する。この際、結晶エッジ１２及び１３は、結晶エッジ１４及び１５に対し、より小さいエッジ長を有し、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向に延在している。
有利なエッジ比は、ブリュースターカットされたレーザ結晶内において、当然のことであるが、光線入射面１０で開始し且つ面Ｅで終了する部分内だけにあり、その面Ｅの後では、光線出射面として用いられ共振光線に対して傾けられているブリュースター面１６が横断面を減少させ、それによりエッジ比も変化させる。それにより、非対称熱レンズを使い且つレーザ結晶５のブリュースター断面により発生されるレーザ光線の楕円形のモード横断面は１：２〜１：３の軸線比を有する。
コンパクトなピコ秒・広帯域放射線源のための光学装置を示す図である。 図１に従うピコ秒・広帯域放射線源のスーパーコンティニウム・スペクトルを示す図である。 モード結合されている固体レーザのためのポンピング装置を示す図である。 異方性レーザ結晶内の軸線配向を示す図である。
符号の説明
１ 固体レーザ
２ 光学アイソレータ
３ 結合光学系
４ フォトニックファイバ
５ レーザ結晶
６ ポンピング放射線源
７ ポンピング光線
８ 円柱レンズ
９ 円柱レンズ
１０ 光線入射面
１１ マイクロ光学系
１２ 結晶エッジ
１３ 結晶エッジ
１４ 結晶エッジ
１５ 結晶エッジ
１６ ブリュースター面

Claims (6)

  1. 広帯域スペクトルを発生させるための光学装置において、赤外線領域内に位置する出力波長を有するピコ秒・パルスを提供するためのものであり受動モード結合されている固体レーザが、光学的に適合されてフォトニックファイバと結合されていて、出力波長に対するその分散適合により、実質的に均等強度で延在する広帯域スペクトルの放射線出力区間が出力波長の下方で７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域内に置かれていることを特徴とする光学装置。
  2. 固体レーザが能動媒質として異方性レーザ結晶を含んでいて、この異方性レーザ結晶が非対称ポンピング光線によりポンピングされていて、そのポンピング光線横断面が、互いに垂直であって異なる伸張範囲を有し、このポンピング光線が、１：１よりも大きく１：３よりも小さい互いに垂直に延在する方向の軸線比を有し且つこの非対称性に適合されているレーザ光線横断面により混入されていることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
  3. 異方性レーザ結晶の結晶軸線のうち、結晶破壊限界の最大値が存在する方向の軸線が、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向に置かれている最大温度勾配に沿って指向されていることを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
  4. 異方性レーザ結晶が、ポンピング光線が混入している結晶横断面を含んでいて、この結晶横断面が、ペアで平行に対向位置し且つ少なくともレーザ結晶の一区画で異なるエッジ長をもつ結晶エッジを有し、またこの異方性レーザ結晶が、その最大熱伝搬係数を、ポンピング光線横断面のより小さい伸張範囲の方向で且つより小さいエッジ長を有する結晶エッジに対して平行に有することを特徴とする、請求項３に記載の光学装置。
  5. レーザ結晶内にて、互いに垂直に延在する方向で異なる強さを有する非対称熱レンズが形成されていて、この熱レンズの強さが、ポンピング光線横断面の伸張範囲の大きさに適合されていることを特徴とする、請求項４に記載の光学装置。
  6. レーザ光線横断面内の軸線比が、熱レンズの強さにて方向に依存した差異により決定されていることを特徴とする、請求項５に記載の光学装置。
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