JP2007189190A - 連続波形超広帯域レーザー光源共振器及びそれを備える医療用診断機器 - Google Patents

連続波形超広帯域レーザー光源共振器及びそれを備える医療用診断機器 Download PDF

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Abstract

【課題】低価型マルチモード半導体レーザーをポンピング光として用い、希土類添加光ファイバと高非線形光ファイバをリング共振器構造に適用することにより連続波形超広帯域光源を実現することができる連続波形超広帯域レーザー光源共振器及びそれを備える医療用診断機器を提供する。
【解決手段】ポンピング光を共振器内に入射するポンピング光結合器と、上記ポンピング光を入射され所定の波長帯域のシード光に変換する希土類添加光ファイバと、上記希土類添加光ファイバにより変換され共振器内においてオシレイトする光を連続波形超広帯域のレーザー光源に変換させる高非線形光ファイバ、及び上記高非線形光ファイバから発生する超広帯域のレーザー光源を出射するカプラーとを含んでなる連続波形超広帯域レーザー光源共振器を備える。したがって、簡単で低価型の連続波形超広帯域レーザー光源を実現することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、連続波形超広帯域レーザー光源共振器に係り、具体的には、低価型マルチモード半導体レーザーをポンピング光として用い、希土類添加光ファイバと高非線形光ファイバをリング共振器構造に適用することにより連続波形超広帯域光源を実現することができる連続波形超広帯域レーザー光源共振器及びそれを備える医療用診断機器に関する。
現在、医療分野には各種の診断用機器が使用されており、かかる診断用機器のうち光学センサを使用する機器等が注目されてきている。
生体組織に対して非接触、非浸湿的方式にて数ｍｍの深さまでの微細組織の観察が可能な新技術としての光コヒーレンス断層撮影法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）は、レーザー光の経路差干渉現象を用いて３次元の映像を提供する。
かかる映像を提供するためには、目的に応じて好適の特性を持つレーザー光源の開発とその実現が核心技術とされている。一般に、レーザーはその時間的特性によってパルスモードと連続モードとに分けられ、コヒーレンス長によって高コヒーレンスと低コヒーレンスとに分けられ、波長によって紫外線、可視光線、及び赤外線などに分けられる。
特に、光コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ）に用いられるためには、次式１で示すように低コヒーレンスの光を用いるほどより小さい分解能の精度よい映像が得られるので、超広帯域の光スペクトルが要求される。
ｌC＝０．４４λ0／(λ・・・（式１）
ここで、ｌCは、コヒーレンス長であり、λ0は中心波長であり、(λは帯域幅である。
この時、光信号の抽出のために少なくとも数ｍＷレベルの平均光出射パワーが要求されるが、瞬間出射による細胞組織の損傷を防ぐためにパルスモードよりは連続モードの出射形態が好ましい。
また、長波長の光のほどレイリー散乱（Ｒａｌｅｉｇｈ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の効果が軽減することで光の組職内部への浸透が容易になるが、メラニン、水分、ヘモグロビンなどの様々な構成成分からなる各生体組職を考慮するとき、８００ｎｍ〜２０００ｎｍの赤外線（ＩＲ）領域内の様々な所定の波長帯域に対して各々のレーザーの開発が求められている。
図１は、一般の希土類光ファイバの増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を用いた広帯域光源の構造図であり、図２は、図１の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。
図１及び図２を参照すれば、希土類光ファイバの増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を用いた広帯域光源は、希土類添加光ファイバ（Ｅｒ／Ｙｂ Ｃｏｄｏｐｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ）１０と、ポンピング光結合器３０と、アイソレーター５０、及びマルチモードレーザーダイオード６０とから構成される。
マルチモードレーザーダイオード６０から出射する９７５ｎｍのポンピング光が希土類添加光ファイバ１０を通ることで１５６０ｎｍ帯域のシード光に変換される。上記シード光は、アイソレーター５０を通って出射端に出射する。これは、図２に示すように典型的な希土類添加光ファイバ１０のＡＳＥスペクトルを見せている。したがって、発生する光の帯域幅は、添加された希土類イオン、すなわち、図２ではＥｒ／Ｙｂの発光帯域に限定される。
図３は、一般の光ファイバレーザー光源リング共振器の構造図であり、図４は、図３の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。
図３及び図４を参照すれば、一般の光ファイバレーザー光源リング共振器は、希土類添加光ファイバ１０と、ポンピング光結合器３０と、カプラー４０と、アイソレーター５０、及びマルチモードレーザーダイオード６０とから構成される。
マルチモードレーザーダイオード６０から出射する９７５ｎｍのポンピング光が希土類添加光ファイバ１０を通ることで１５６０ｎｍ帯域のシード光に変換される。上記シード光は、リング共振器内をオシレイトしながら誘導放出を発生させ、上記レーザー光源は、８０対２０カプラー４０を通って２０％ポートに出射する。これは、図４に示すように一般の光ファイバリングレーザーの出射形態である単一ピークレーザー出射を見せている。
上記図１乃至図４に示すように、従来技術の構造では典型的な希土類添加光ファイバのＡＳＥスペクトルが出射されるか、或いは一般の光ファイバリングレーザーの出射である単一ピークレーザースペクトルが出射されるだけで、超広帯域のレーザー光源は出射されないことが分かる。
従来の超広帯域光源技術は、大別して超発光レーザーダイオードと光ファイバ基板の超広帯域光源とに分けられる。まず、超発光レーザーダイオードは、軽量化と連続モードという長所があるが、光出射パワーに限界があって数十ｎｍの帯域だけが開発されてきている。これに対し、既存の光ファイバ基板の超広帯域光源は、数百ｎｍの超広帯域スペクトルが可能であるが、光ポンプのためにパルスモードのチタン／サファイアレーザー光を用いるため小型化と瞬間過出射などに限界を持っている。
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、医療用診断機器への応用のための光ファイバ基板の連続波形超広帯域レーザー光源を実現することを目的とする。
本発明の他の目的は、簡易で且つ高性能の光ファイバ基板の連続波形超広帯域レーザー光源を実現することである。
本発明の更なる目的は、軽量小型化で低価型の医療機器、光測定装置または光センサを実現することである。
上記目的を達成するための本発明の連続波形超広帯域レーザー光源共振器は、ポンピング光を共振器内に入射するポンピング光結合器と、上記ポンピング光を入射され所定の波長帯域のシード光に変換する希土類添加光ファイバ、及び上記希土類添加光ファイバにより変換され共振器内においてオシレイトする光を連続波形超広帯域のレーザー光源に変換させる高非線形光ファイバと、を含む。
上記連続波形超広帯域レーザー光源共振器は、上記高非線形光ファイバから発生する超広帯域のレーザー光源を出射するカプラー、及び該カプラーと上記ポンピング光結合器との間に介在し上記共振器内における光のオシレイションに方向性を持たせるアイソレーターを更に含んでなるリング共振器であることを特徴とする。
または、上記連続波形超広帯域レーザー光源共振器は、上記ポンピング光結合器に連結されたミラーを更に含んでなるファブリーペロー型共振器であることを特徴とする。
ここで、上記希土類添加光ファイバは、ダブルクラッド繊維構造またはシングルクラッド繊維構造であることを特徴とする。
ここで、上記希土類添加光ファイバに入射するポンピング光は、マルチモードレーザーダイオードまたはシングルモードレーザーダイオードでポンピングされる光であることを特徴とする。
さらに、上記高非線形光ファイバは、シリカ高非線形光ファイバ、フォトニッククリスタル光ファイバ、またはシリカ以外の物質を用いて作製された非線形光ファイバから選ばれたいずれか一種であることを特徴とする。
また、上記目的は、ポンピング光を共振器内に入射するポンピング光結合器と、上記ポンピング光を入射され所定の波長帯域のシード光に変換する希土類添加光ファイバと、上記希土類添加光ファイバにより変換され共振器内においてオシレイトする光を連続波形超広帯域のレーザー光源に変換させる高非線形光ファイバ、及び上記高非線形光ファイバから発生する超広帯域のレーザー光源を出射するカプラーとを含んでなる連続波形超広帯域レーザー光源共振器を備えた医療用診断機器によっても達成できる。
本発明によれば、低価型マルチモードレーザーダイオードをポンピング光として用い、単純なリング共振器構造に希土類添加光ファイバと高非線形光ファイバを適用することにより製作が簡単で低価型の連続波形超広帯域光源を実現することができる。
また、出射光が連続波形であるため医療用診断機器への応用に際し問題となるパルスモード超広帯域光源の瞬間過出射による細胞組職の損傷といった不具合を解決することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について添付した図面を参照して詳しく説明する。
図５は、本発明の実施の形態による連続波形超広帯域レーザー光源リング共振器の構造図である。
同図を参照すれば、連続波形超広帯域レーザー光源リング共振器は、希土類添加光ファイバ（Ｅｒ／Ｙｂ Ｃｏｄｏｐｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ）１０と、高非線形光ファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ：Ｈｉｇｈｌｙ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ）２０と、ポンピング光結合器（Ｐｕｍｐ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）３０と、カプラー４０と、アイソレーター５０、及びマルチモードレーザーダイオード（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ）６０とを含む。
希土類添加光ファイバ１０は、１５３５ｎｍの波長で３５ｄＢ／ｍのコアエルビウム吸収率を持っており、クラッド層のイッテルビウム吸収率は９７５ｎｍ波長で〜５ｄＢ／ｍである。上記希土類添加光ファイバ１０のポンピング光としては、２つのマルチモード半導体レーザーダイオード６０を用い、上記マルチモードレーザーダイオード６０は９７５ｎｍの波長で〜４Ｗの出力を有する。
上記希土類添加光ファイバ１０として、ダブルクラッド繊維構造を有するものを挙げて説明したが、シングルクラッド繊維構造を有するものであってもよい。また、ポンピング光を入射するダイオードとして、図５ではマルチモードレーザーダイオード６０を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、シングルモードレーザーダイオードを用いてポンピング光を入射することもできる。
高非線形光ファイバ２０は、上記希土類添加光ファイバ１０に連結され１５．５Ｗ／Ｋｍの非線形定数を有し、零分散波長は１５５４ｎｍである。また、高非線形光ファイバ２０の分散勾配は０．０２７ｐｓ／ｎｍ2／Ｋｍであり、損失は１．３ｄＢ／Ｋｍである。高非線形光ファイバ２０としては、シリカ高非線形光ファイバ、フォトニッククリスタル光ファイバ、またはシリカ以外の物質を用いて作製された非線形光ファイバから選ばれたいずれか一種を用いることができる。
ポンピング光結合器３０は、上記マルチモード半導体レーザーダイオード６０から発生したポンピング光を上記希土類添加光ファイバ１０へ伝達する役割を果たす。
カプラー４０は、上記高非線形光ファイバと出射端との間に介在し、８０％対２０％のカプラーを用いてリング共振器からレーザー出射を得ることができる。
アイソレーター５０は、上記カプラー４０の次に配設され、リング共振器内における光のオシレイションに方向性を持たせる。
以下、上記のような構成を有する本発明の実施の形態による連続波形超広帯域レーザー光源リング共振器の動作について説明することにする。
図５に示すように、マルチモードレーザーダイオード６０から出射される９７５ｎｍのポンピング光が、希土類添加光ファイバ１０を通ることで１５６０ｎｍ帯域のシード光に変換される。上記シード光は、リング共振器内をオシレイトしながら誘導放出を発生させる。
その後、上記リング共振器内においてオシレイトする光は、高非線形光ファイバ２０を通ることで変調不安定性（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）と誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）により超広帯域に変換される。
上記高非線形光ファイバ２０から出射する超広帯域のレーザー光源は、８０対２０カプラー４０を通って２０％ポートに出射する。以下、ポンピング光の強さによる出射光の変化について説明することにする。
図６は、図５の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。
同図を参照すれば、ポンピング光強さの増大に伴い１５６８ｎｍで初めて発生したレーザー出射が０．４９Ｗのポンピング光強さでは１６０８ｎｍでさらに一つのピークを有することが見られる。これは、非常に長い共振器長を有する光ファイバレーザーでよく見られるモードホッピング（ｍｏｄｅ ｈｏｐｐｉｎｇ）によるマルチモードオペレーションに起因する。
その後、ポンピング光強さを増大させることによりその両波長のピークの間が広がるが、それはラマンパルス発生現象として説明できる。０．７３Ｗのポンピング光強さでは、真ん中のシード光と二番目のピーク光との間で発生する４光波混合（ｆｏｕｒ−ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ）現象によって三番目と四番目のピーク光が発生することが観察できる。
その後、１７３０ｎｍで強い１次ラマンストークス（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ Ｒａｍａｎ Ｓｔｏｋｅｓ）が発生しながら４．１８Ｗのポンピング光強さでは超広帯域レーザー光源が発生し、最大５Ｗのポンピング光強さで４７０ｎｍ以上の帯域幅を持つ超広帯域レーザー光源を得ることができる。
図７は、図１と図５の構造においてポンピング光強さの調節による出射光強さの変化を測定したグラフである。
同図を参照すれば、ポンピング光強さの増大に伴い出射光が増大するが、約４．１８Ｗのポンピング光を入射した時、図１の場合、出射光が漸増するが、本発明の実施の形態による図５の構造では４．１８Ｗのポンピング光を入射した時、出射光の急減が観察され、ポンピング光を漸増させても超広帯域レーザーの最大出射光強さは約５３．４ｍＷである。したがって、レーザー光源の瞬間的な過出射による細胞組職の損傷という不具合を解決することができる。
図８は、本発明のまた他の実施の形態による連続波形超広帯域レーザー光源ファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器の構造図である。
同図では、図５に示すリング共振器からアイソレーターとカプラーを除去したファブリーペロー共振器の構造を示している。
また、同図では、ポンピング光結合器３０の次にミラーを配設することにより、リング共振器のような効果を奏する構造を示している。したがって、マルチモードレーザーダイオード６０から出射するポンピング光が希土類添加光ファイバ１０を通って高非線形光ファイバ２０において超広帯域レーザー光源を発生することができる。
上述した構成を有する本発明の実施の形態によれば、低価型マルチモードレーザーダイオードをポンピング光として用い、単純なリング共振器構造に希土類添加光ファイバと高非線形光ファイバを適用することにより連続波形の超広帯域レーザー光源を得ることができる。
本発明によれば、簡易かつ高性能の光ファイバ基板の連続波形超広帯域レーザー光源が得られ、例えば、医療用診断機器に利用できる。
一般の希土類光ファイバの増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を用いた広帯域光源の構造図である。 図１の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。 一般の光ファイバレーザー光源リング共振器の構造図である。 図３の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態による連続波形超広帯域レーザー光源リング共振器の構造図である。 図５の構造においてポンピング光の強さを増大させた時の出射光のスペクトルの変化を示すグラフである。 図１と図５の構造においてポンピング光の強さの調節による出射光の強さの変化を測定したグラフである。 本発明の他の実施の形態による連続波形超広帯域レーザー光源ファブリーペロー共振器の構造図である。
符号の説明
１０ 希土類添加光ファイバ
２０ 高非線形光ファイバ
３０ ポンピング光結合器
４０ カプラー
５０ アイソレーター
６０ マルチモードレーザーダイオード

Claims (10)

  1. ポンピング光を共振器内に入射するポンピング光結合器と、
    前記ポンピング光を入射され所定の波長帯域のシード光に変換する希土類添加光ファイバ、及び
    前記希土類添加光ファイバにより変換され共振器内においてオシレイトする光を連続波形超広帯域のレーザー光源に変換させる高非線形光ファイバと、
    を含む連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  2. 前記連続波形超広帯域レーザー光源共振器は、前記高非線形光ファイバから発生する超広帯域のレーザー光源を出射するカプラー、及び該カプラーと前記ポンピング光結合器との間に介在し前記共振器内における光のオシレイションに方向性を持たせるアイソレーターを更に含んでなるリング共振器であることを特徴とする請求項１に記載の連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  3. 前記連続波形超広帯域レーザー光源共振器は、前記ポンピング光結合器に連結されたミラーを更に含んでなるファブリーペロー型共振器であることを特徴とする請求項１に記載の連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  4. 前記希土類添加光ファイバは、ダブルクラッド繊維構造またはシングルクラッド繊維構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  5. 前記希土類添加光ファイバに入射するポンピング光は、マルチモードレーザーダイオードまたはシングルモードレーザーダイオードでポンピングされる光であることを特徴とする請求項４に記載の連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  6. 前記高非線形光ファイバは、シリカ高非線形光ファイバ、フォトニッククリスタル光ファイバ、またはシリカ以外の物質を用いて作製された非線形光ファイバから選ばれたいずれか一種であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の連続波形超広帯域レーザー光源共振器。
  7. ポンピング光を共振器内に入射するポンピング光結合器と、前記ポンピング光を入射され所定の波長帯域のシード光に変換する希土類添加光ファイバと、前記希土類添加光ファイバにより変換され共振器内においてオシレイトする光を連続波形超広帯域のレーザー光源に変換させる高非線形光ファイバ、及び前記高非線形光ファイバから発生する超広帯域のレーザー光源を出射するカプラーとを含んでなる連続波形超広帯域レーザー光源共振器を備えた医療用診断機器。
  8. 前記希土類添加光ファイバは、ダブルクラッド繊維構造またはシングルクラッド繊維構造であることを特徴とする請求項７に記載の医療用診断機器。
  9. 前記希土類添加光ファイバに入射するポンピング光は、マルチモードレーザーダイオードまたはシングルモードレーザーダイオードでポンピングされる光であることを特徴とする請求項８に記載の医療用診断機器。
  10. 前記高非線形光ファイバは、シリカ高非線形光ファイバ、フォトニッククリスタル光ファイバ、またはシリカ以外の物質を用いて作製された非線形光ファイバから選ばれたいずれか一種であることを特徴とする請求項７に記載の医療用診断機器。
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