JP2007147663A

JP2007147663A - パルスレーザ光発生装置

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Publication number: JP2007147663A
Application number: JP2004199277A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yokoyama; 弘之横山
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: WO2006003969A1; JP3669634B1; EP1775627A1; US7538936B2; EP1775627A4; US20080037108A1

Abstract

【課題】チタン・サファイア・レーザなどの大型で高平均パワーの固体レーザからの光パルスを用いずに、半導体レーザからの光パルスを利用して、高いピークパワーの光により、狙いとする非線形光学効果を引き起こすことである。
【解決手段】半導体レーザ（レーザ・ダイオード：ＬＤ）１５からの波長１５５０ｎｍの半導体レーザ・パルス光（例えば、１ＭＨｚの繰り返し率）を、前段と主の２段階のＥＤＦＡ２０，４０により効率的に増幅する。光学フィルタ３０は、ノイズである自然放出光成分を除去する。そして、増幅されたパルス光から光デバイス（周期分極反転Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ_３：ＰＰＭｇＬＮ）５０の非線形性により発生する第２高調波光パルスを光学フィルタ６０で取り出して、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）７０から８００ｎｍ波長領域でのスーパーコンチニュウム光を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シンプルな構成による、高いピークパワーを有する光パルスやスーパーコンチニュウム光パルスの発生に関するものである。

現在、スーパーコンチニュウム光パルス（超広帯域光パルス：optical supercontinuum pulse)は、光通信，光電子計測，そして、バイオフォトニクス等の様々な応用で用いられている。光ファイバ技術の最近の進歩により、中心の波長が１５５０ｎｍで、ギガヘルツ以上の高い繰り返し周波数のモードロック・ファイバ・レーザ又は半導体レーザは、ピーク光パワーが数ワットのスーパーコンチニュウムの光を発生することができる（非特許文献１参照）。フォトニック結晶ファイバ（photonic crystal fiber)の発明により、入力光の１μｍ以下波長領域での穏やかなピーク光パワーを有するスーパーコンチニュウム光発生が可能となった（非特許文献２参照）。
スーパーコンチニュウム光発生に対して、モードロック・チタン・サファイヤ・レーザが基礎的な研究に用いられている。しかしながら、実用的な応用に対しては、小型で低価格な光パルス源が求められている。
T.Morioka et al., "Transform-limited, femtosecond WDM pulse generation by spectral filtering of gigahertz supercontiniuum", Electron. Lett. 30, pp1166-1167 (1994) J. Hermann et al., "Experimental evidence for supercontinuum generation by fission of higher-order solitons in phonic fibers", Phys. Rev. Lett. 88,1739001 (2002)

本発明の目的は、チタン・サファイア・レーザなどの大型で高平均パワーの固体レーザからの光パルスを用いずに、半導体レーザからの光パルスを利用して、高いピークパワーの光により、狙いとする非線形光学効果を引き起こすことである。

上述の目的を達成するために、本発明は、高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器とを備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置である。
半導体レーザからの高い繰り返し率の光パルスを用いることにより、光ファイバ例えばエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦＡ）による光増幅器を用いて、低い平均光パワーの短いパルス光を高いピークパワーを有するパルス光として効率的に増幅することができる。

また、高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器と、該主光増幅器からの十分に増幅された光パルスを用いて、スーパーコンチニュウム光を発生させる非線形光デバイスとを備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置も本発明である。

その上、高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器と、該主光増幅器からの十分に増幅された光パルスを用いて、第２高調波の光パルスを得る周波数変換光デバイスと、該周波数変換光デバイスからの光パルスを用いてスーパーコンチニュウム光を発生させる非線形光デバイスとを備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置も本発明である。

上述の構成により、例えば、バイオメディカル等に応用するための小型で低価格な光パルス源を提供することができる。

この発明は、半導体レーザからの光パルスを、光ファイバを用いた光増幅器で増幅することで、例えば、非線形光学効果により、スーパーコンチニュウム光の発生が可能となるようなピークパワーの光を発生させるための構成である。
さて、増幅に用いる光ファイバを用いた増幅器、例えばエルビウム添加ファイバ増幅器（erbium-doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）の反転分布（population inversion）の寿命は、ミリ秒領域である。このため、ＥＤＦＡ内部に蓄積されるエネルギは、１ｋＨｚ以上の繰り返し率を有する増幅されたパルス光に効率的に転移される。この特性は、反転分布の寿命が１０ナノ秒より短い半導体レーザ増幅器とは大変異なっている。このため、ＥＤＦＡを用いると、光パルスの繰り返し率を適切に選択することにより、短いパルス光を大変高いピークパワーまで増幅することが可能となる。

しかしながら、光増幅器内の増幅された自然放出（amplified spontaneous emission：ＡＳＥ）ノイズを考慮しなければならない。一般的に言って、増幅後ＡＳＥノイズ中に埋もれないために、１μＷ以上の光信号入力パワーが必要である。レーザ・ダイオード（ＬＤ）からの１つの光パルスのエネルギは、大体１ｐＪである。このため、高い繰り返し率例えば１ＭＨｚ程度の繰り返し率で、平均１μＷの光パワーを期待することができる。

他の重要な制限は、ＥＤＦＡ中で誘起される３次の非線形光学効果である。従来のＥＤＦＡを光パルスの増幅に用いると、１００Ｗピークパワー以上の自己位相変調（self-phase-modulation：ＳＰＭ）に起因する周波数領域における歪を観測することができる。これは、光パルスが光パワー密度１０^７Ｗ／ｃｍ^２以上のＥＤＦＡ内部のファイバを数ｍ又は数十ｍ伝搬するためである。意図しないＳＰＭによる周波数領域の歪を避けるために、大きいコア直径及び短いファイバ長のＥＤＦＡが有効である。
これらのＡＳＥ及びＳＰＭを制御できると、平均光出力パワー数ミリワットで、キロワットのピーク・パワーの光パルスを得ることができる。

このように、周波数が低すぎると増幅過程でノイズに埋もれるのが一番の制限要因となり、周波数が高すぎると増幅後のピークパワーを十分に大きくするために高平均パワーの光増幅器が必要になる。このため、現実的には、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの光パルスの繰り返し率を選択するとよい。
これにより、第２高調波変換及び８００ｎｍ領域のスーパーコンチニュウム光発生に十分であるピークパワーを有するコンパクトな光パルス源を提供することができる。
このため、本発明では、半導体レーザからの高い繰り返し率の光パルスの増幅に、光ファイバによる前置光増幅器および主光増幅器による２段階増幅を行っている。

以下では、例えば、半導体レーザ（利得スイッチ駆動ＩｎＧａＡｓＰレーザ・ダイオード：ＬＤ）からの波長１５５０ｎｍの半導体レーザ・パルス光を、前段と主の２段階のＥＤＦＡにより効率的に増幅する。そして、増幅されたパルス光から光デバイスの非線形性により発生する第２高調波光パルスを用いて、フォトニック結晶ファイバ（Photonic Crystal Fiber：ＰＣＦ）から８００ｎｍ波長領域でのスーパーコンチニュウム光の発生することが記述されている。

実施例の構成は図１に示されている。利得スイッチ動作の多重量子井戸（gain-switching multi-quantum-wells)ＩｎＧａＡｓＰ分布フィードバック・ブラグ構造レーザ・ダイオード（distributed-feedback-Bragg structure laser-diode：ＤＦＢ−ＬＤ）１０により、波長１５５０ｎｍのパルス光を、パルス発生器１５からの電気パルスにより、十分に高い、例えば１ＭＨｚの繰り返し率で発生させた。このような励起で、１０ｐｓ程度の光パルスが１μＷ程度の平均光パワーで発生する。この平均光パワーであれば、前置光増幅器２０による増幅過程で光ノイズ（自然放出光ノイズ）に光パルスが埋没して、光スペクトル上で識別できなくなることを防止できる。
このとき、強い電気的パルス励起によって、レーザ・パルスの光スペクトルは２ｎｍ程度以上にも広がる（チャーピングと呼ばれる現象であり、不必要に広いバンド幅となる）。
なお、あとの高ピークパワーに増幅するという目的を考えると、１ＭＨｚよりも低速のパルス繰返し周波数がよいのであるが、光ノイズへの光パルスの埋没を避ける上で、この１ＭＨｚ程度という周波数が選択されている。

さて、本発明では、半導体レーザで発生した光パルスを十分な高ピークパワーを有するように増幅するために、前に述べたように２段階のＥＤＦＡによる光増幅を行う。実施例においては、前置光増幅器２０として、商業的に入手可能な、低平均パワーＥＤＦＡを使用した。増幅後、光パルスは１ｎｍ周波数幅光学フィルタ３０によりフィルタした。前置光増幅器２０からの出力平均光パワーはサブｍＷレベルであるが、この中にはノイズである自然放出光成分も含まれている。これを除去し、さらに、上記のチャーピングした光スペクトルからもっと狭い帯域で光パルスの成分を抽出する目的で、１ｎｍ帯域幅の光フィルタを通す。
光フィルタ後の平均光パワーは数十μＷである。しかし、光パルスの時間幅は６ｐｓ程度となって、もともとの１／２程度にまで短くなっている。これは上記のチャーピングの影響を低減した効果である。光パルスの短縮化は高ピークパワーを得る上では有効である。平均光パワーをＰ_ａｖとし、繰返し周波数をｆ、パルス幅をτとすれば、光パルスのピークパワーＰ_ｐは、Ｐ_ｐ＝Ｐ_ａｖ×１／（ｆ×τ）という関係式で与えられる。
この時点で、平均光パワーは数十マイクロワットであり、光パルスのピークパワーは数ワットであると見積もられている。

主の光増幅器４０として低非線形効果ＥＤＦＡを使用した。この光増幅器４０は、高濃度でエルビウム・イオンをドープした短尺の光ファイバ（fluoride active fiber）で構成されている（このファイバについては、例えば、"Y.Kubota et al., Novel Er and Ce codoped fluoride fiber amplifier for low-noise and high-efficient operation with 980-nm pumping", IEEE Photon. Tech. Lett. 15, pp525-527(2003)"を参照）。活性ファイバの長さは０．７ｍで、この増幅器は、単一の９８０ｎｍＬＤ励起で、１０ｍＷ最大平均パワー光出力を提供する。短い長さのファイバのため、意図しないＳＰＭは従来のＥＤＦＡと比較すると大幅に改善される。そして、有意のＳＰＭがないピークパワーは、この段階で１ｋＷと評価される。
主光増幅器からの光出力も平均パワーでは１０ｍＷ程度しか必要でないので、小型で安価な光増幅器（２０−３０万円）を用いることができる（このような目的では通常は、１Ｗ程度の高平均パワー型が用いられるが光増幅器のコストが１桁上昇する）。簡単に試算すると、パルス幅τが６ｐｓ、繰返しｆが１ＭＨｚ、平均光パワーＰ_ａｖが６ｍＷとすれば、ピーク光パワーＰ_ｐは１ｋＷに達する。このピークパワーであれば、非線形波長変換などを高効率で容易に行うことが可能となる。

第２段階の増幅後、周期分極反転Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＭｇＬＮ）光導波路５０を用いて、光パルスは第２高調波（second-harmonic：ＳＨ）の波長（７８０ｎｍ）に変換される。このＳＨ光パルスは７８０ｎｍの光学フィルタ６０で取り出されている。本実施例では、光結合のロスが大きく、このため変換効率は最大数％に制限された。この結果、１０ＷのピークパワーのＳＨ光パルスが生成された。ここで、周波数を変換したのは、大型のチタン・サファイア固体レーザのパルスと同様の波長を得るためである。約５ｐｓの時間幅を有する第２高調波光パルスは、５０ｍ長及び８００ｎｍの波長周囲でゼロ分散である、穴の開いているフォトニック結晶ファイバ（Photonic Crystal Fiber：ＰＣＦ）７０に入射する。この実施例の構成では、平均光パワーは１０ｍＷ（１０ｄＢｍ）以下であり、１Ｗクラスの高平均パワーの光デバイスは必要ない。

図２は、入力ＳＨパルスの光スペクトルを示している。ピークから２０ｄＢ低下した強度レベルで、約３０ｎｍの広がりを観測した。この場合、平均光パワーは１５μＷである。図３は、ＳＨパルスのピークパワーが１２Ｗのときのスーパーコンチニュウム光の光スペクトルを示している。このときのスペクトルの広がりは、１００ｎｍ以上に拡張する。

通常、このようなスーパーコンチニュウム光はチタン・サファイア固体レーザを利用して得られる。上記の低平均光のスーパーコンチニュウム光は、生体組織への損傷が問題にならず、バイオメディカルの応用に大変有用である。
なお、大型のチタン・サファイア固体レーザのパルスと同様の波長を得る必要がない場合は、第２高調波による周波数変換を行わずに、直接ＰＣＦによりスーパーコンティニュウム光を発生させることもできる。

実施例のパルスレーザ光発生装置の構成を示す図である。図１のパルスレーザ光発生装置の第２高調波のスペクトルを示す図である。スーパーコンチニュウム光の対数のスペクトルが示されている図である。

Claims

高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、
該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、
該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、
自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器と
を備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置。
高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、
該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、
該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、
自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器と、
該主光増幅器からの十分に増幅された光パルスを用いて、スーパーコンチニュウム光を発生させる非線形光デバイスと
を備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置。
高い繰り返し率の光パルスを発生する半導体レーザと、
該半導体レーザからの光パルスを増幅する光ファイバによる前置光増幅器と、
該前置光増幅器からの増幅された光パルスの光スペクトルからもっと狭い帯域で抽出するフィルタと、
自己位相変調による光スペクトルの歪が少ない低非線形効果の光ファイバによる主光増幅器と、
該主光増幅器からの十分に増幅された光パルスを用いて、第２高調波の光パルスを得る周波数変換光デバイスと、
該周波数変換光デバイスからの光パルスを用いてスーパーコンチニュウム光を発生させる非線形光デバイスと
を備えることを特徴とするパルスレーザ光発生装置。