JP2010170095A - 光パルス形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な設計を有しかつ一層高い信頼性で動作する装置を提供すること。
【解決手段】本発明は光パルス形成装置に関する。この装置には、入力光パルスを形成するためのシードレーザ源（１）が含まれている。利得可変の光前置増幅器（２，３）はシードレーザ源（１）から入力光パルスを受信する。光パワー増幅器（４，５）は、光前置増幅器（２，３）から光パルスを受信し、この受信した光パルスを増幅して圧縮する。光パルスを光パワー増幅器（４，５）において圧縮して、光パワー増幅器（４，５）の出力光パルスのパルス幅が、前置増幅器（２，３）の利得の調整を介してチューニングされるようにする。波長チューニング可能な光パルスは、光パワー増幅器（４，５）の出力光パルスを高非線形光ファイバ（６）に供給することによって得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は光パルス形成装置に関する。

この装置には、シードレーザ源と、このシードレーザ源によって形成された光パルスを増幅する光パワー増幅器とが含まれている。

多くの適用事例により、チューニング可能な可視超高速光パルス源が要求されている。ファイバ技術により、波長１.５６μｍの近赤外線においてナノジュールのエネルギを有するフェムト秒パルス（すなわち１ｆｓ〜１ｐｓのパルス幅を有する光パルス）を形成する効率的でメンテナンスフリーなシステムが可能である。このようなシステムは、上記のようなタイプの装置において光パルスを形成するシードレーザ源として使用することができる。

このシードレーザ源の放射は、高非線形ファイバ（ＨＮＦＬ highly non-linear fiber）における３次非線形プロセスを使用して、赤外線スペクトル領域の波長チューニング可能放射に変換することができる。この近赤外線放射のチューニング機能は、ＨＮＬＦに入射するパルスの幅を狙い通りに変えることによって得られる。さらにこの放射は、例えば２次高調波形成により、可視スペクトル領域における波長チューニング可能放射に変換することができる。

例えば、US 7,202,993 B2から、波長チューニング可能光パルスを形成するシステムが公知である。この公知のシステムには、シードレーザ源としてフェムト秒ファイバレーザが含まれている。このシードレーザ源によって形成される光パルスは、異常分散ファイバにおいてプレストレッチされる。この後、通常の分散を有するエルビウムドーピングされたファイバ増幅器において上記の光パルスが空間および時間的に拡げられる。このファイバ増幅器を出たレーザビームはコリメートされ、チャープされた光パルスはバルクシリコンコンプレッサで圧縮されてパルス幅が約１００ｆｓになる。その後、この光パルスはＨＮＬＦに結合される。９５０ｎｍ〜１４００ｎｍでチューニング可能な光パルスは、ＨＮＬＦにおいてソリトン分裂プロセス中に、非ソリトン放射のプロセスを活用することによって形成される。より一層短い波長へのこの非ソリトン放射の周波数シフトは、フェーズマッチング条件によって決定され、ここでこのフェーズマッチング条件は、ＨＮＬＦのパラメタと、ＨＮＬＦにおいて最初に形成された光パルスのピーク出力とに依存する。チューニングは、ＨＮＬＦに入射するピークパワーを変えることによって得られる。公知のシステムでは、シリコン圧縮プリズムの物質進入路が、このために変更される。このようにして光パルスのチャープが形成されて、このチャープにより、狙い通りにピークパワーがチューニング可能になる。適当なＨＮＬＦと組み合わせてこのアプローチを採ることにより、１４００ｎｍ〜９５０ｎｍで非ソリトン放射をチューニングすることができる。しかしながらこの公知のシステムの欠点は、シリコンプリズムを含む大きな自由空間セクションと、バルク素子とを含まなければならないことである。さらに自動の離調に対してプリズム分離を変えるためにモータ駆動の並進ステージが必要である。シリコン圧縮プリズムを配置することにより、温度変動による不安定性が発生し、チューニング速度が低下し、望ましくない結合損が発生する。

上記から容易にわかるのは、改善された光パルス形成装置が必要なことである

ＵＳ７，２０２，９９３Ｂ２

本発明の課題は、簡単な設計を有しかつ一層高い信頼性で動作する装置を提供することである。

上記課題は、本発明の請求項１に記載した光パルス形成装置において、この装置に、
− 入力光パルスを形成するシードレーザ源と、
− このシードレーザから入力光パルスを受信し、受信したこの光パルスのエネルギをチューニング可能に調整するチューニング素子と、
− このチューニング素子から光パルスを受信し、受信した光パルスを増幅および圧縮する光パワー増幅器とが含まれているという特徴を有する、光パルス形成装置によって解決される。

本発明による装置の第１実施形態を示すブロックである。 本発明にしたがって光パルスがチューニングできることを説明する線図である。 可視スペクトル領域に変換される光パルスのパワーを示す線図である。 本発明による装置の第２実施形態を示す図である。 本発明による装置の第３実施形態を示す図である。

本発明の骨子は、光パワー増幅器においてソリトン効果圧縮を使用することであり、ここで上記の光パルスのパルス幅は、光パワー出力増幅器に供給される光パルスのエネルギを調整することによって変更される。シードレーザによって形成される入力光パルスのエネルギを調整するためにバルク光素子も、光路内に大きな自由空間セクションも、モータ駆動式並進ステージも必要でない。

本発明の好適な実施形態によれば、上記の光パワー増幅器の出力光パルスはＨＮＬＦに供給される。このようにして上記の光パワー増幅器の出力側における放射は、ＨＮＬＦにおいて非線形プロセスを使用することによって波長チューニング可能な放射に変換される。ＨＮＬＦを出る光パルスの光スペクトルは、上記の光パワー増幅器の出力光パルスの幅に大きく依存する。このようにして本発明により、光パルスの所望の波長チューニング機能が得られる。ＨＮＬＦの出力側における光パルスの波長は、上記のチューニング素子を用いて光パルスのエネルギ（すなわちパルスパワー）を調整することによって変えることができる。発生する光パルスは、単にシードレーザ源によって放射される光パルスのエネルギを調整することにより、好都合かつ簡単に所望の波長にチューニングすることができる。光パルスのエネルギを調整するためのさまざまな技術が当業者には広く知られている。このような手法がバルク光コンポーネント、自由空間セクションまたはモータ駆動式コンポーネントを必要としないことは本発明の利点の１つである。

本発明の別の好適な実施形態によれば、ＨＮＬＦの出力光パルスは光周波数コンバータに供給される。本発明の装置のシードレーザ源によって赤外スペクトル領域における光パルスを形成する場合、ＨＮＬＦの出力側で発生する光パルスは、近赤外線／赤外線スペクトル領域において相応に波長チューニング可能である。ＨＮＬＦの出力側における光パルスは、（ナノジュールのオーダの）十分に高いパルスエネルギを有しているため、公知のタイプの周波コンバータを用いて非線形光効果を使用することにより、光パルスの波長を可視スペクトル領域に変換することができる。ＨＮＬＦの出力側で９００〜１５００ｎｍの光パルスを発生させる場合、第２高調波発生（ＳＨＧ second harmonic generation）を用いて、すなわち通常タイプの周波数ダブラを用いて、４５０ｎｍ〜７５０ｎｍの可視スペクトル領域における光パルスを形成することができる。例えば、市販のＳＨＧ結晶、または極性が周期的な結晶、または好適な導波構造を周波数ダブラとして使用することができる。

本発明の実際的な実施形態では、上記の光パワー増幅器は、異常分散を有する第１の光ポンプファイバ増幅器である。上述のように本発明の骨子は、光パワー増幅器においてソリトン効果圧縮を用いることにより、シードレーザ源によって放射された光パルスを圧縮することにある。好適には上記の光パワー増幅器は、光ポンプラージモードエリア（ＬＭＡ Large Mode Area）ファイバを有するファイバ増幅器である。光パワー増幅器の出力光パルスのパルス幅は、エネルギをチューニングすることによって、例えばＬＭＡパワー増幅器に入射するパルスパワーをチューニングすることによって調整可能である。ＬＭＡパワー増幅器では、パルスエネルギが増大される。さらに入力光パルスのチャープが、ＬＭＡファイバの異常分散によって補償される。与えられた入力光パルスおよびファイバ利得に対し、光パワー増幅器によって完全な圧縮が行われるのはファイバの特定の長さに対してだけである。短過ぎるファイバでは不完全な圧縮になり、長過ぎるファイバではラマンシフトのためにパルスの分裂が発生する。この事実は、ＬＭＡパワー増幅器に入射する入力光パルスのエネルギを調整することにより、本発明によって活用される。入力光パルスのパルスエネルギが異なると、光パワー増幅器の出力側において幅の異なる光パルスが得られる。

さらに別の好適な実施形態によれば、本発明の装置のチューニング素子は、利得可変の光前置増幅器である。この光前置増幅器は、第２の光ポンプファイバ増幅器とすることができる。シードレーザ源によって形成される入力光パルスのエネルギをチューニング可能に調整するため、例えば第２のファイバ増幅器のポンプエネルギを調整することにより、光前置増幅器の利得を変えることができる。このために第２のファイバ増幅器のポンプダイオードの給電電流を変えることができる。

上で説明した本発明の好適な実施形態において、光前置増幅器は、異常分散を光パワー増幅器と組み合わされる。このコンセプトにより、殊に実践的、パルスエネルギの変化をパルス幅の変化に変換することができる。光パワー増幅器の出力側における光パルスのパワーレベルは、前置増幅器電流とは、すなわち光パワー増幅器に供給される光パルスのエネルギとは実質的に無関係である。これは光パワー増幅器が強く飽和しているからである。

上述のように本発明によれば、光パワー増幅器におけるソリトン効果圧縮を使用して、光パワー増幅器の出力側における光パルスのパルス幅を調整しており、ここでこれは単に前置増幅器の利得を変えることによって、例えばこの前置増幅器のポンプダイオードの給電電流を変えることによって行われる。このようにしてモータ駆動式ステージによる慣用の波長チューニングは、本発明によれば、電流調整によって置き換えられるのである。

本発明の装置が「完全ファイバ式」解決手段として実現できることは、本発明による装置の重要な利点である。本発明による装置の異なる機能コンポーネントは、スプライス接続によって互いに接続されるファイバセクションとして実現可能であり、この接続は直接的であるかまたは別個の接続ファイバセクションを介して行われる。上述のようにシードレーザ源は、光前置増幅器にスプライス接続されるファイバレーザとすることができ、ここでこの光前置増幅器はファイバ増幅器として実現可能である。さらに上記のファイバ前置増幅器は、光パワー増幅器にスプライス接続することができ、ここでこの光パワー増幅器もファイバ増幅器として実現可能である。最後に光パワー増幅器はＨＮＬＦにスプライス接続することができる。結果的に得られるのは、パルス幅調整可能および／または波長チューニング可能な光パルスを、純粋に電子式に形成する完全ファイバ式装置であり、ここでこれは例えば、光前置増幅器を光ポンピングするのに使用されるポンプダイオードのパワーを調整することによって行われる。

添付の図面には、本願発明の好適な実施形態が記載されている。しかしながらこれらの図面は、説明だけを目的として描かれたものであり、本発明の範囲を定めようとするものでないことを理解されたい。

本発明の装置にはシードレーザ源１が含まれている。シードレーザ源１は、フェムト秒の光パルスを放射するファイバベースのパルスレーザ光源である。シードレーザ源１は、市販のパルスファイバレーザとすることができる。しかしながらシードレーザ源１として自由ビームレーザ（free beam laser）を使用することも可能である。シードレーザ源１は、波長１.５６μｍ，すなわち赤外線スペクトル領域の入力光パルスを、例えば４０ＭＨｚのパルス繰り返し率で形成する。シードレーザ源１によって形成される入力光パルスのパルス幅は、例えば５００ｆｓである。

上記の入力光パルスは、スプライス接続を介してシードレーザ源１に接続された光前置増幅器によって受信される。図示の実施形態では上記の光前置増幅器は、エルビウムをドーピングしたファイバセクション２と、波長９８０ｎｍのポンプ光を放射するポンプダイオード３とを含む光ポンプファイバ増幅器である。エルビウムをドーピングした前置増幅器ファイバ２は、例えば８.８μｍのモードフィールド径および長さ７０ｃｍを有し得る。ファイバ増幅器２，３は、本発明の意味でチューニング素子を構成しており、これはシードレーザ源１から受信した光パルスのエネルギをチューニング可能に調整する。前置増幅器２，３の後、パルスエネルギは、前置増幅器２，３の利得に依存して１５０ｐＪ〜２５０ｐＪの範囲内にある。

図示の実施形態では、上記の装置にはさらに、前置増幅器２，３からの光パルスを受信する光パワー増幅器が含まれている。この光パワー増幅器には、スプライス接続を介して前置増幅器２，３に接続される光ポンプＬＭＡファイバ４が含まれている。ファイバ４は、例えば２０μｍのモードフィールド径を有しており、また９８０ｎｍで放射する１つ以上の高パワー単一空間モードポンプレーザ５によってポンピングされる。ＬＭＡファイバ４は異常分散を有する。光パワー増幅器４，５はソリトン効果圧縮によって光パルスを圧縮し、前置増幅器２，３の利得の調整を介して、光パワー増幅器４，５の出力光パルスのパルス幅がチューニングできるようにする。増幅器の利得を調整できるようにするため、ポンプダイオード３の給電電流は可変である。

波長がチューニング可能な放射を形成するため、ＬＭＡファイバ４の出力光パルスは（スプライス接続を介して）ＨＮＬＦ６の短いセクション（例えば２ｃｍ）に接続される。ＨＮＬＦ６は、５μｍ以下の殊に小さいコア径を有する。ＨＮＬＦ６で発生する非線形光プロセスにより、赤外スペクトル領域においてチューニング可能な光パルスがＨＮＬＦ６の出力側に得られる。

図２には、ポンプダイオード３の異なる複数の給電電流に対し、ＨＮＬＦ６の出力における光パルスのスペクトルが示されている。図２からわかるように光パルスのスペクトルのピークは、光前置増幅器２，３の異なる利得設定に対し、１３００ｎｍ〜１０２０ｎｍでシフト可能である。この周波数シフトは、ＬＭＡファイバ４の出力側における光パルスのパルス幅の違いによって発生する。上で説明したように本発明の基本的なアイデアは、ＬＭＡファイバ４におけるソリトン効果圧縮を用い、シードレーザ源１によって放射された光パルスを圧縮することと、ＬＭＡファイバ４に入射するパルスパワーをチューニングすることにより、ＬＭＡファイバ４の出力側におけるパルス幅を調整することとである。図示の実施形態においてこれは前置増幅器２のポンプダイオード３の電流を調整することによって達成される。ＬＭＡファイバ４の入力側における可変のパルスエネルギは、ＬＭＡファイバ４の出力側における可変のパルス幅に変換される。つぎにパルス幅の違いは、ＨＮＬＦ６の出力側における光パルスの波長のシフトに変換される。図示の実施形態では、ＨＮＬＦ６の出力側における光パルスの波長は、チューニング範囲内における顕著なスペクトルギャップなしに、１０００ｎｍ〜１３５０ｎｍでスムーズにシフトすることができる。

可視スペクトル領域において波長チューニング可能な光パルスを形成するため、ＨＮＬＦ６の出力光パルスは、周波数コンバータ７によって周波数が変換される（図４および５）。周波数コンバータ７としてＳＨＧ結晶を使用することにより、５００ｎｍ〜６７５ｎｍでチューニング可能な光パルスが得られる。このチューニングは、ポンプダイオード３の電流を調整することによって、また周波数コンバータ７のＳＨＧ結晶の使用するセクションを相応に調整することによって得られる。このためにこのＳＨＧ結晶は、それ自体公知のタイプのファン形デザインを有しかつ極性が周期的な結晶とすることが可能である。選択的にはＨＮＬＦ６の出力側における光パルスは、周波数変換の前にＳＦ１０プリズム対８によって再圧縮される（図５）。

図３には可視スペクトル領域における異なる複数の波長に対し、周波数コンバータ７の出力側において得られる平均パワーが（ｍＷで）示されている。

１ シードレーザ源、 ２ 前置増幅器、 ３ ポンプダイオード、 ４ ＬＭＡファイバ、 ５ 高パワー単一空間モードポンプレーザ、 ６ ＨＮＬＦ、 ７ 周波数コンバータ

Claims (14)

1. 光パルス形成装置において、
   該装置には、
   − 入力光パルスを形成するシードレーザ源（１）と、
   − 該シードレーザ源（１）から入力光パルスを受信し、受信した当該光パルスのエネルギをチューニング可能に調整するチューニング素子と、
   − 該チューニング素子から光パルスを受信し、受信した当該光パルスを増幅および圧縮する光パワー増幅器とが含まれていることを特徴とする、
   光パルスを形成する装置。
2. 前記の光パワー増幅器はソリトン効果圧縮によって光パルスを圧縮して、チューニング素子による光パルスのエネルギの調整を介して、光パワー増幅器の出力光パルスのパルス幅がチューニングできるようにした、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記の光パワー増幅器の出力光パルスが、高非線形光ファイバ（６）に供給される、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記の高非線形光ファイバ（６）の出力光パルスが光周波数コンバータ（７）に供給される、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記の光周波数コンバータ（７）は第２高調波発生器である、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記の入力光パルスが赤外線スペクトル領域にあるようにすることにより、前記の光周波数コンバータ（７）の出力光パルスが可視スペクトル領域にあるようにした、
   請求項４または５に記載の装置。
7. 前記の入力光パルスは、フェムト秒パルスである、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置。
8. 前記の光パワー増幅器は、異常分散を有する第１の光ポンプファイバ増幅器である、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
9. 前記の光パワー増幅器は、ラージモードエリアファイバ（４）を含む、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置。
10. 前記のチューニング素子は、利得可変の光前置増幅器である、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の装置。
11. 前記の光前置増幅器は、第２の光ポンプファイバ増幅器（２）である、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記の第２のファイバ増幅器（２）のポンプエネルギを調整することにより、光前置増幅器の利得が変更される、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記の第２のファイバ増幅器（２）のポンプダイオード（３）の給電電流を変えることにより、ポンプエネルギが調整される、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記のシードレーザ源（１）、光前置増幅器および光パワー増幅器は、光ファイバのスプライス接続を介して接続される、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の装置。

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