JP2009246369A - カスケードラマンレーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】より高出力なカスケードラマンレーザを提供すること。
【解決手段】励起光を発生する励起レーザ光源と、前記励起光を受け付け、前記励起光に対するラマン散乱の第ｎストークス光（ｎは１以上の整数）に対応する各波長の光を選択的に反射する入力側光反射器と、前記入力側光反射器に接続し、少なくとも前記励起光によってラマン散乱光を発生させるラマンファイバと、前記ラマンファイバに接続し、前記第ｎストークス光に対応する各波長の光を選択的に反射する出力側光反射器とを有するカスケードラマン共振器と、前記励起レーザ光源と前記カスケードラマン共振器との間に介挿され、前記カスケードラマン共振器内で発生する前記第１ストークス光が前記励起レーザ光源側に入力することを阻止する阻止デバイスと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、カスケードラマンレーザに関する。
図９は波長１４８０ｎｍのレーザ光を出力する従来のカスケードラマンレーザの構成の一例を示すブロック図である（たとえば、非特許文献１参照）。このカスケードラマンレーザ２０００は、励起光である波長１１１７ｎｍのレーザ光を出力するクラッドポンプファイバレーザ（ＣＰＦＬ）１００と、波長１１１７ｎｍのレーザ光を用いて波長１４８０ｎｍのレーザ光を生成するカスケードラマン共振器（ＣＲＲ）２００が縦列接続した構成を有する。なお、図中「×」は融着接続点を示している。また、細い実線で示す光ファイバは外径が１２５μｍのものであり、太い実線で示す光ファイバは外径が２００μｍのものである。
このカスケードラマンレーザ２０００の具体的構成をＣＰＦＬ１００の後方側から説明する。はじめに、ＣＰＦＬ１００は、延長光ファイバ１０１と、励起光を合波するための合波器である前方励起用ＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）１０２と、波長１１１７ｎｍで約１００％の反射率を有する高反射率ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ、以下、ＨＲ（High Reflector）と称する）１０３と、ダブルクラッド構造を有し、コアにＹｂを添加したクラッドポンプファイバ（ＣＰＦ）１０４と、後方励起用ＴＦＢ１０５と、波長１１１７ｎｍで約５〜３０％の反射率の出力用ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ、以下、ＯＣ（Output Coupler）と称する）１０６とが、融着接続によって縦列接続した構成を有する。また、前方励起用ＴＦＢ１０２には、１８本の励起用光ファイバ１０８を介して波長９１５ｎｍの半導体励起レーザ１０７が１８個接続している。また、後方励起用ＴＦＢ１０５には、１８本の励起用光ファイバ１１２を解して１８個の半導体励起レーザ１１１が接続している。
このＣＰＦＬ１００は、ＣＰＦ１０４が励起光の供給により増幅作用を有するとともに、ＨＲ１０３とＯＣ１０６とが光共振器を構成することによって、波長１１１７ｎｍのレーザ光を出力するものである。
一方、ＣＲＲ２００は、入力側反射器（以下、ＣＲＲinと称する）２０１と、ラマン増幅用のラマン光ファイバ２０２と、出力側反射器（以下、ＣＲＲoutと称する）２０３と、出力用光ファイバ２０４とが、融着接続によって縦列接続した構成を有する。
ＣＲＲin２０１は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する５つのＦＢＧからなり、各ＦＢＧの反射中心波長は、入力側から約１４８０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１２３９ｎｍ、１１７５ｎｍになっている。一方、ＣＲＲout２０３は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する６つのＦＢＧからなり、各ＦＢＧの反射中心波長は、入力側から１４８０ｎｍ、１１７５ｎｍ、１２３９ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１１１７ｎｍになっている。なお、ＣＲＲin２０１、ＣＲＲout２０３の各ＦＢＧの反射中心波長における反射率は、反射中心波長が１４８０ｎｍのＦＢＧについては１０〜３０％であり、その他のＦＧＢについては約１００％である（各ＦＢＧの反射中心波長の順番は特許文献１に記載されている方式に従い、ＣＲＲ内で１４８０ｎｍの光パワーを高効率で得られるように設定されているが、ここで示した順番でなくてもＣＲＲとしての動作は可能であるので、異なる順番でも構わない。）。
つぎに、ＣＲＲ２００の動作について説明する。ラマン光ファイバ２０２にＣＰＦＬ１００からの波長１１１７ｎｍのレーザ光が入力すると、ラマン散乱の第１ストークス波長に対応する波長１１７５ｎｍのラマン散乱光（以下、第１ストークス光と称する）が発生し、ラマン増幅される。増幅した第１ストークス光はＣＲＲin２０１とＣＲＲout２０３とが構成する光共振器によって多重反射してその強度が高められ、やがて励起光として機能して波長１２４０ｎｍの第２ストークス光を発生させる。以下、同様の作用により、波長１３１０ｎｍ、１３９６ｎｍ、１４８０ｎｍの第３〜第５ストークス光が順次発生する。ここで、ＣＲＲout２０３においては、第５ストークス光に対応する波長１４８０ｎｍの光を反射するＦＢＧの反射率が低いので、この波長１４８０ｎｍの光がＣＲＲout２０３から出力用光ファイバ２０４を介して外部に出力する。なお、ＣＲＲout２０３は反射波長が１１１７ｎｍのＦＢＧを有しているため、ＣＰＦＬ１００が出力する波長１１１７ｎｍのレーザ光はＣＲＲ２００の外部への出力が阻止され、ラマン光ファイバ２０２内部で効率的に利用される。
米国特許５、８１５、５１８号明細書
S. G. Grubb, et al., "High-Power 1.48 μm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers," in Optical Amplifiers and Their Applications(1995), paper SaA4.
しかしながら、従来の構成のカスケードラマンレーザ２０００においては、出力光強度を高めるためにＣＰＦＬ１００の半導体励起レーザの出力を増加させたにも関わらず、かえってカスケードラマンレーザ２０００の出力が減少する場合があるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より高出力なカスケードラマンレーザを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るカスケードラマンレーザは、励起光を発生する励起レーザ光源と、前記励起光を受け付け、前記励起光に対するラマン散乱の第ｎストークス光（ｎは１以上の整数）に対応する各波長の光を選択的に反射する入力側光反射器と、前記入力側光反射器に接続し、少なくとも前記励起光によってラマン散乱光を発生させるラマンファイバと、前記ラマンファイバに接続し、前記第ｎストークス光に対応する各波長の光を選択的に反射する出力側光反射器とを有するカスケードラマン共振器と、前記励起レーザ光源と前記カスケードラマン共振器との間に介挿され、前記カスケードラマン共振器内で発生する前記第１ストークス光が前記励起レーザ光源側に入力することを阻止する阻止デバイスと、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係るカスケードラマンレーザは、上記の発明において、前記阻止デバイスは、光アイソレータであることを特徴とする。
また、本発明に係るカスケードラマンレーザは、上記の発明において、前記阻止デバイスは、少なくとも前記第１ストークス光を選択的に遮断する遮断フィルタであることを特徴とする。
また、本発明に係るカスケードラマンレーザは、上記の発明において、前記阻止デバイスは、少なくとも前記第１ストークス光を選択的に遮断するファイバ溶融型ＷＤＭカプラであることを特徴とする。
本発明によれば、阻止デバイスが、カスケードラマン共振器内で発生する第１ストークス光の励起レーザ光源側への入力を阻止するので、より高出力なカスケードラマンレーザを実現できるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態に係るカスケードラマンレーザの構成を示すブロック図である。 図２は、阻止デバイスの実施の形態を示す図である。 図３は、阻止デバイスの他の実施の形態を示す図である。 図４は、阻止デバイスの他の実施の形態を示す図である。 図５は、図９に示す従来構成のカスケードラマンレーザにおいて、励起光強度を変えながら、ＣＰＦＬの後方からの出力とＣＲＲからの出力とを測定した結果を示す図である。 図６は、ＣＰＦＬの励起条件を変えた場合のＣＰＦＬの後方からの出力光の出力スペクトルを示す図である。 図７は、ＣＰＦＬの励起条件を変えた場合のＣＰＦＬの後方およびＣＲＲからの出力光強度を示す図である。 図８は、図６に示す出力スペクトルの波長１１７５ｎｍの近傍の拡大図である。 図９は、従来のカスケードラマンレーザの構成の一例を示すブロック図である。
以下に、図面を参照して本発明に係るカスケードラマンレーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るカスケードラマンレーザの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態に係るカスケードラマンレーザ１０００は、励起光である波長１１１７ｎｍのレーザ光を出力する励起レーザ光源としてのＣＰＦＬ１００と、波長１１１７ｎｍのレーザ光を用いて波長１４８０ｎｍのレーザ光を生成するＣＲＲ２００が縦列接続し、さらに、ＣＰＦＬ１００とＣＲＲ２００との間に介挿された阻止デバイス３００を備える。
はじめに、ＣＰＦＬ１００の具体的構成について説明する。ＣＰＦＬ１００は、延長光ファイバ１０１と、前方励起用ＴＦＢ１０２と、ＨＲ１０３と、ＣＰＦ１０４と、後方励起用ＴＦＢ１０５と、ＯＣ１０６とが、融着接続によって縦列接続した構成を有する。
延長光ファイバ１０１はＭＭ１２５Ｈなる光ファイバからなり、後端が終端されている。前方励起用ＴＦＢ１０２は、１９×１のポート構成を有している。前方励起用ＴＦＢ１０２の１９ポート側には、それぞれが波長９１５ｎｍの半導体励起レーザ１０７の１８個それぞれに接続された１８本のＬＮＡＰなる励起用光ファイバ１０８と、ＭＭ１２５ＨとＳＭＴなる光ファイバとを接続した中心光ファイバ１０９とが接続している。前方励起用ＴＦＢ１０２の１ポート側には、ＭＭ２００Ａなる光ファイバ１１０が接続している。
ＨＲ１０３は、ＦＢＧがＭＭ２００Ａに書き込まれたものである。また、ＣＰＦ１０４は、Ｙｂ２００（ＯＦＳ社製）なる光ファイバであり、その長さは５２ｍである。また、後方励起用ＴＦＢ１０５は、前方励起用ＴＦＢ１０２と同一の構成であり、１８本の各励起用光ファイバ１１２に半導体励起レーザ１１１が１個ずつ接続されている。なお、後方励起用ＴＦＢ１０５の１９ポート側の中心光ファイバ１１３は、ＳＭＴＬＣなる光ファイバとＭＭ１２５Ｌなる光ファイバとを接続したものである。また、後方励起用ＴＦＢ１０５の場合は、１ポート側のＭＭ２００Ａなる光ファイバ１１４がＣＰＦ１０４と接続している。また、ＯＣ１０６は、ＦＢＧがＦｌｅｘｃｏｒｅ１０６０（コーニング社製）に書き込まれたものである。
このＣＰＦＬ１００は、ＣＰＦ１０４が励起光の供給により増幅作用を有するとともに、ＨＲ１０３とＯＣ１０６とが光共振器を構成することによって、波長１１１７ｎｍのレーザ光を出力するものである。
つぎに、ＣＲＲ２００について説明する。ＣＲＲ２００は、ＣＲＲin２０１と、ラマン光ファイバ２０２と、ＣＲＲout２０３と、出力用光ファイバ２０４とが、融着接続によって縦列接続した構成を有する。
ラマン光ファイバ２０２は、光学非線形性が高いものであり、その長さは６５ｍである。ＣＲＲin２０１は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する５つのＦＢＧからなり、各ＦＢＧの反射中心波長は、波長１１１７ｎｍの励起光に対するラマン散乱の第１〜第５ストークス光の波長に対応させて、入力側から約１４８０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１２３９ｎｍ、１１７５ｎｍになっている。一方、ＣＲＲout２０３は、互いに異なる波長の光を選択的に反射する６つのＦＢＧからなり、各ＦＢＧの反射中心波長は、波長１１１７ｎｍの励起光に対するラマン散乱の第１〜第５ストークス光の波長、および励起光の波長に対応させて、入力側から１４８０ｎｍ、１１７５ｎｍ、１２３９ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１１１７ｎｍになっている。また、出力用光ファイバ２０４はＭＭ１２５Ｈからなる。なお、ＣＲＲin２０１、ＣＲＲout２０３の各ＦＢＧの反射中心波長における反射率は、反射中心波長が１４８０ｎｍのＦＢＧについては５〜３０％であり、その他のＦＧＢについては約１００％である。
つぎに、ＣＲＲ２００の動作について説明する。ラマン光ファイバ２０２にＣＰＦＬ１００からの波長１１１７ｎｍのレーザ光が入力すると、波長１１７５ｎｍのラマン散乱の第１ストークス光が発生し、ラマン増幅される。増幅した第１ストークス光はＣＲＲin２０１とＣＲＲout２０３とが構成する光共振器によって多重反射してその強度が高められ、やがて励起光として機能して第２ストークス光を発生させる。以下、同様の作用により順次第３〜第５ストークス光が発生する。ここで、ＣＲＲout２０３においては、第５ストークス光に対応する波長１４８０ｎｍの光を反射するＦＢＧの反射率が低いので、この波長１４８０ｎｍの光がＣＲＲout２０３から出力用光ファイバ２０４を介して外部に出力する。なお、ＣＲＲout２０３は反射波長が１１１７ｎｍのＦＢＧを有しているため、ＣＰＦＬ１００が出力する波長１１１７ｎｍのレーザ光はＣＲＲ２００の外部への出力が阻止され、ラマン光ファイバ２０２内部で効率的に利用される。
ここで、ＣＲＲ２００において、ＣＲＲin２０１の各ＦＢＧの反射中心波長における反射率は完全に１００％ではないので、ＣＲＲ２００内に発生したストークス光の一部が漏洩し、ＣＰＦＬ１００側に伝搬する。これに対してこのカスケードラマンレーザ１０００においては、ＣＰＦＬ１００とＣＲＲ２００との間に介挿された阻止デバイス３００が、少なくとも第１ストークス光である１１７５ｎｍの光のＣＰＦＬ１００側への入力を阻止している。その結果、従来発生していた、ＣＰＦＬの半導体励起レーザの出力を増加させたときのカスケードラマンレーザの出力の減少という現象が防止される。
すなわち、本実施の形態に係るカスケードラマンレーザ１０００は、阻止デバイス３００を備えることによって、ＣＰＦＬ１００の各半導体励起レーザ１０７、１１１の出力を増加させるのに応じて、カスケードラマンレーザ１０００の出力が増加するので、波長１４８０ｎｍのレーザ光をより高出力で得ることができる。
図２〜４は、阻止デバイス３００の実施の形態を示す図である。阻止デバイス３００としては、図２に示すような、光アイソレータ３０１を用いることができる。また、図３に示すような、少なくとも第１ストークス光を選択的に遮断する遮断フィルタ３０２を用いることができる。遮断フィルタ３０２は、たとえば誘電体多層膜フィルタやエタロンフィルタを用いたものであり、作製が容易である。また、図４に示すような、ファイバ溶融型ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラ３０３を用いることができる。なお、ファイバ溶融型ＷＤＭカプラ３０３は、高出力の光に対する耐久性がより高いので好ましい。
以下、本発明について具体的に説明する。本発明者は、従来構成のカスケードラマンレーザにおいて生じる出力の減少の原因を調査すべく、ＣＲＲからの出力の測定だけでなく、ＣＰＦＬの後方からの出力の測定を行なってみた。
図５は、図９に示す従来構成のカスケードラマンレーザにおいて、ＣＰＦＬにおける半導体励起レーザによる励起光強度を変えながら、ＣＰＦＬの後方からの出力とＣＲＲからの出力とを測定した結果を示す図である。図５において、横軸はＣＰＦに入力する総励起光強度を示し、縦軸は出力の光強度を示す。また、各凡例については、たとえばＣＲＲ ｆｒｏｎｔ（ＢＷ ｐｕｍｐ）とは、前方励起を行なわず後方励起の励起光強度のみを変化させた場合のＣＲＲからの出力の変化を示す。一方、たとえばＣＲＲ ｆｒｏｎｔ（ＢＷｍａｘ＋ＦＷＰ）とは、後方励起の励起光強度を最大値に固定したまま、前方励起の励起光強度を変化させた場合のＣＲＲからの出力の変化を示している。したがって、ＣＲＲ ｆｒｏｎｔ（ＢＷ ｐｕｍｐ）のデータ点とＣＲＲ ｆｒｏｎｔ（ＢＷｍａｘ＋ＦＷＰ）のデータ点とは一連のデータ群を形成するように連なっている。また、たとえばＣＰＦＬ ｂａｃｋ（ＦＷｍａｘ＋ＢＷＰ）とは、前方励起の励起光強度を最大値に固定したまま、後方励起の励起光強度を変化させた場合のＣＰＦＬの後方からの出力の変化を示している。
図５に示すように、ＣＲＲ ｆｒｏｎｔ（ＦＷｍａｘ＋ＢＷＰ）の場合において、総励起光強度が１７０Ｗ程度の位置で、矢印が示すように出力が急激に減少していた。一方、これに対応するＣＰＦＬ ｂａｃｋ（ＦＷｍａｘ＋ＢＷＰ）の場合において、同一の励起光強度の位置で、矢印が示すように出力が急激に増加していた。
本発明者は、図５に示す測定結果に鑑み、さらにＣＰＦＬの後方から出力する光の出力スペクトルを測定した。
図６は、ＣＰＦＬの励起条件を変えた場合のＣＰＦＬの後方からの出力光の出力スペクトルを示す図である。また、図７は、ＣＰＦＬの励起条件を変えた場合のＣＰＦＬの後方およびＣＲＲからの出力光強度を示す図である。なお、図６において、横軸は波長、縦軸は波長１ｎｍあたりの強度になるように校正した光強度を示している。また、励起条件については、たとえばＦＷ４Ａとは前方励起側の各半導体励起レーザ（図９における半導体励起レーザ１０７）のみに４Ａの電流を流した場合を示す。また、たとえばＢＷ８Ａとは後方励起側の各半導体励起レーザ（図９における半導体励起レーザ１１１）のみに８Ａの電流を流した場合を示す。また、ＦＷ８Ａ ＢＷ４Ａとは、前方励起側の各半導体励起レーザに８Ａ、後方励起側の各半導体励起レーザのみに４Ａの電流を流した場合を示す。
図６に示すように、ＣＰＦＬの後方から出力する光には、ＣＲＲにおいて発生し、ＣＲＲinによって遮断しきれなかった第１〜第５ストークス光が含まれている。また、いずれの励起条件においても、第１ストークス光である１１７５ｎｍの光の強度が最も大きくなっている。また、図７に示すＣＰＦＬの後方からの出力光強度とＣＲＲからの出力光強度との強度比を比較すると、ＢＷ４Ａの励起条件では約０．２４であるが、ＦＷ８Ａ ＢＷ４Ａの励起条件では０．６０まで増大しており、ＣＰＦＬの後方からの出力光が増大していた。
本発明者は第１ストークス光についてさらに精査を行なった。図８は、図６に示す出力スペクトルの波長１１７５ｎｍの近傍の拡大図である。図８に示すように、たとえばＢＷ４Ａの条件では、１１７５ｎｍ近傍の強度ピークの中央に深さ１５ｄＢ程度の窪みが形成されている。この窪みは、ＣＲＲinに含まれるＦＢＧの反射スペクトル形状を反映したものと考えられる。
しかしながら、ＦＷ８Ａ ＢＷ４Ａの条件では、この窪みが５ｄＢ程度にまで浅くなっていた。換言すれば、強度ピークの中央において光強度が相対的に１０ｄＢ程度増大していることになる。
このような光強度の増加は、ＣＰＦＬ内において、ＣＲＲinのＦＢＧにより遮断しきれずに進入してきた波長１１７５ｎｍの光を被増幅光とし、波長１１１７ｎｍの光を励起光としたラマン増幅が発生しているためと考えられる。このように波長１１７５ｎｍの光がラマン増幅され、さらにはレーザ発振すると、波長１１１７ｎｍの光のエネルギーがＣＰＦＬ内においてラマン増幅のために消費されてしまうため、ＣＲＲに供給される波長１１１７ｎｍのレーザ光の強度が減少するので、カスケードラマンレーザの出力も急激に減少してしまう。
これに対して本実施の形態に係るカスケードラマンレーザ１０００は、ＣＰＦＬ１００とＣＲＲ２００との間に、ＣＲＲ２００内で発生する第１ストークス光がＣＰＦＬ１００側に入力することを阻止する阻止デバイス３００を備えている。その結果、ＣＰＦＬ１００内への被増幅光の進入が阻止されるため、ＣＰＦＬ１００内におけるラマン増幅の発生が防止される。したがって、ＣＰＦＬ１００の各半導体励起レーザ１０７、１１１の出力を増加させたときのカスケードラマンレーザ１０００の出力の減少を防止することができる。
また、本実施の形態に係るカスケードラマンレーザ１０００において、さらにＣＰＦ１０４のラマン利得係数を減少させる構成としてもよい。たとえば、ＣＰＦ１０４のラマン利得係数を減少させるためには、ＣＰＦ１０４のコア径を拡大してその光学非線形性を低減したり、ＣＰＦ１０４の長さを短くしたりすればよい。
また、阻止デバイス３００は、少なくとも第１ストークス光のＣＰＦＬ１００側への入力を阻止するものであるが、より高次のストークス光も阻止するものでもよい。
また、カスケードラマンレーザ１０００は、第５ストークス光までを利用するものであるが、第１ストークス光またはさらに高次のストークス光を利用するカスケードラマンレーザにおいて、本発明は適用できる。
１００ ＣＰＦＬ
１０１ 延長光ファイバ
１０２ 前方励起用ＴＦＢ
１０３ ＨＲ
１０４ ＣＰＦ
１０５ 後方励起用ＴＦＢ
１０６ ＯＣ
１０７、１１１ 半導体励起レーザ
１０８、１１２ 励起用光ファイバ
１０９、１１３ 中心光ファイバ
１１０，１１４ 光ファイバ
２００ ＣＲＲ
２０１ ＣＲＲin
２０２ ラマン光ファイバ
２０３ ＣＲＲout
２０４ 出力用光ファイバ
３００ 阻止デバイス
３０１ 光アイソレータ
３０２ 遮断フィルタ
３０３ ファイバ溶融型ＷＤＭカプラ
１０００、２０００ カスケードラマンレーザ

Claims (4)

  1. 励起光を発生する励起レーザ光源と、
    前記励起光を受け付け、前記励起光に対するラマン散乱の第ｎストークス光（ｎは１以上の整数）に対応する各波長の光を選択的に反射する入力側光反射器と、前記入力側光反射器に接続し、少なくとも前記励起光によってラマン散乱光を発生させるラマンファイバと、前記ラマンファイバに接続し、前記第ｎストークス光に対応する各波長の光を選択的に反射する出力側光反射器とを有するカスケードラマン共振器と、
    前記励起レーザ光源と前記カスケードラマン共振器との間に介挿され、前記カスケードラマン共振器内で発生する前記第１ストークス光が前記励起レーザ光源側に入力することを阻止する阻止デバイスと、
    を備えたことを特徴とするカスケードラマンレーザ。
  2. 前記阻止デバイスは、光アイソレータであることを特徴とする請求項１に記載のカスケードラマンレーザ。
  3. 前記阻止デバイスは、少なくとも前記第１ストークス光を選択的に遮断する遮断フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のカスケードラマンレーザ。
  4. 前記阻止デバイスは、少なくとも前記第１ストークス光を選択的に遮断するファイバ溶融型ＷＤＭカプラであることを特徴とする請求項１に記載のカスケードラマンレーザ。
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