JP2010199308A - 光渦発生装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】らせん状位相プレート、フォーク状ホログラム、空間光変調器等の特別な素子を用いることなく、高出力の光渦を簡便に発生させることができる光渦発生装置と方法を提供する。
【解決手段】ラージモードエリアファイバー１０と、増幅する第１波長のシードレーザー光１３を出力するシードレーザー装置１２と、ラージモードエリアファイバーの一端側からシードレーザー光１３をその光軸をコア１０ａの中心からずらして入射する入射光学系１４と、シードレーザー光を励起する第２波長の励起レーザー光１７を出力するポンプレーザー装置１６と、ラージモードエリアファイバーの他端側から励起レーザー光を他端のクラッド１０ｂから入射しかつ他端のコア１０ａから出射するシードレーザー光１３（光渦）を外部に出力する出射光学系１８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、中心に位相特異点を有する光渦の発生装置と方法に関する。

光渦（ひかりうず）とは、中心に暗い部分（位相特異点）のある螺旋状のレーザー光を意味する。
レーザー光の波面は位相が揃っており、一般のレーザーモードはガウシアン（Ｇ）モードであり、等位相面（波面）が平面であり、丸型の強度分布（ガウシアン分布）を有している。これに対し、光の伝播モードの１つにラゲールガウシアン（ＬＧ）モードがある。ＬＧモードのレーザー光は、光渦と呼ばれ、等位相面（波面）が螺旋状であり、中央が凹んだドーナツ型の強度分布を有する特徴を有する。

光渦は、等位相面（波面）に直交する方向に力が作用するため、細胞のようなマイクロメータの大きさの粒子を操る光ピンセットとして用いることができる。さらに、レーザー加工や超解像顕微分光などに応用することができる。

光渦の発生手段は、例えば、（１）らせん状位相プレート、（２）コンピュータで作るホログラム、（３）エルミートガウシアンモードの変換、（４）空間光変調機を用いる手段等が知られている。

静的ならせん状位相プレート（ＳＳＰｓ）は、らせん型の結晶かプラスチックの断片であり、特別に加工して、必要なトポロジカルチャージや、入射光の波長に合わせるものである。
コンピュータで作るホログラム（ＣＧＨｓ）は計算された干渉縞で、平面波とラゲールガウシアンビーム（光渦）のフォーク状干渉縞であり、フィルム上に転写される。
モードの変換にはエルミートガウシアン（ＨＧ）モードが必要であり、レーザーキャビティ中で作ることが出来る。
空間光変調器はコンピュータで調整される電子装置で動的な渦や、並んだ渦や他の種類のビームを作ることが出来る。

光渦の発生手段は、例えば特許文献１に開示されている。また、本発明に関連する「光渦の発生手段」は、非特許文献１に開示され、「ファイバー増幅器」は、特許文献２、非特許文献２に開示されている。

特開２００８−１９３０６６号公報、「光渦レーザービーム発振方法および光渦レーザービーム発振装置」 特開２００８−２２７３４１号公報、「高繰り返し高ピーク出力ファイバレーザ」

Ｄａｖｉｄ ＭｃＧｌｏｉｎ， Ｎｅｉｌ Ｂ． Ｓｉｍｐｓｏｎ， Ｍｉｌｅｓ Ｊ． Ｐａｄｇｅｔｔ，"Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｏｒｂｉｔａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｆｒｏｍ ａ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｔｏ ａ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ"， ２０ Ｊａｎｕａｒｙ １９９８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．３， ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ 「ファイバーアンプモジュール」、［平成２１年１月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｏｓｃｉｅｎｃｅ．ｃｏｍ＞

図１は、非特許文献１に開示された光渦の発生装置の模式図である。この図において、１は光ファイバー、２は集光レンズ、３はコリメートレンズ、４は可変負荷である。
この装置により、可変負荷４による光ファイバー１の歪みが高いときに、集光レンズ２から入射したエルミートガウシアン（ＨＧ）モードのレーザー光が光ファイバー１内で変換され、ラゲールガウシアン（ＬＧ）モードの光渦となることが確認されている。

非特許文献１により光ファイバー１に入射可能なレーザー出力は最大１００ｍＷ程度であり、かつ光渦への変換効率は１０％程度であるため、得られる光渦の出力は１０ｍＷ程度であり、非常に微弱である問題点があった。
また、ホログラムは熱に弱く、レーザー出力に制限があり、その他の光渦発生手段は、らせん状位相プレート、空間光変調器等を必要とするため、複雑であり、かつ光渦の出力が微弱である問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、らせん状位相プレート、フォーク状ホログラム、空間光変調器等の特別な素子を用いることなく、高出力の光渦を簡便に発生させることができる光渦発生装置と方法を提供することにある。

本発明は、位相特異点を有する光波（光渦）をラージモードエリア型ファイバー増幅器へ結合させる際に軸外し結合法を用いて発生させると同時に、そのままレーザー増幅を行い、高出力の光渦を発生させるものである。

すなわち、コアとこれを囲むクラッドを有するラージモードエリアファイバーと、
増幅する第１波長のシードレーザー光を出力するシードレーザー装置と、
ラージモードエリアファイバーの一端側に位置し、前記シードレーザー光をその光軸をコアの中心からずらして入射する入射光学系と、
前記シードレーザー光を励起する第２波長の励起レーザー光を出力するポンプレーザー装置と、
ラージモードエリアファイバーの他端側に位置し、前記励起レーザー光を前記他端のクラッドから入射し、かつ前記他端のコアから出射するシードレーザー光を外部に出力する出射光学系と、を備えたことを特徴とする光渦発生装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ラージモードエリアファイバーは、パンダ型偏波面保持ファイバーであり、
前記シードレーザー装置は、前記シードレーザー光が偏光パルスレーザー光であるレーザー装置であり、
前記入射光学系は、前記シードレーザー光をコア端面に集光する共焦点レンズと、ラージモードエリアファイバーからの戻り光がシードレーザー装置に戻るのを防ぐ光アイソレータとを有し、
前記ポンプレーザー装置は、前記励起レーザー光が連続レーザ光であるレーザー装置であり、
前記出射光学系は、前記励起レーザー光をクラッド端面に集光する共焦点レンズと、第１波長のシードレーザー光を選択的に分光する分光ミラーとを有する。

本発明の光渦発生装置において、前記シードレーザー光の光軸と前記コア中心との偏心量は、前記コアの径の２０〜３０％である、ことが好ましい。
また、前記コア径は２０〜５０μｍであり、
前記クラッド径は２５０〜４００μｍであり、
入射するコア端面における前記シードレーザー光の直径はコア径の２０〜３０％であり、シードレーザー光の光軸とコア中心との偏心量は、コア径の２０〜３０％である、ことが好ましい。

本発明の光渦発生装置において、前記第１波長のシードレーザー光のビームサイズは、前記コアの径の２０％〜３０％が好ましい。
また、本発明の光渦発生装置において、前記第１波長のシードレーザー光の波長は、１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍが好ましく、前記第２波長の励起レーザー光の波長は、９４０ｎｍ〜９８０ｎｍが好ましい。

また、本発明によれば、コアとこれを囲むクラッドを有するラージモードエリアファイバーの一端のコアに、増幅する第１波長のシードレーザー光をその光軸をコアの中心からずらして入射し、
ラージモードエリアファイバーの他端のクラッドから、前記シードレーザー光を励起する第２波長の励起レーザー光を入射し、かつ前記他端のコアから出射する第１波長のシードレーザー光を外部に出力する、ことを特徴とする光渦発生方法が提供される。

本発明の光渦発生方法において、前記シードレーザー光の光軸と前記コア中心との偏心量は、前記コアの径の２０〜３０％である、ことが好ましい。
また、前記コアの径は２０〜５０μｍであり、
前記クラッドの径は２５０〜４００μｍであり、
入射するコア端面における前記シードレーザー光の直径は前記コアの径の２０〜３０％であり、シードレーザー光の光軸とコア中心との偏心量は、前記コアの径の２０〜３０％である、ことが好ましい。

本発明の光渦発生方法において、前記第１波長のシードレーザー光のビームサイズは、前記コアの径の２０％〜３０％が好ましい。
また、本発明の光渦発生方法において、前記第１波長のシードレーザー光の波長は、１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍが好ましく、前記第２波長の励起レーザー光の波長は、９４０ｎｍ〜９８０ｎｍが好ましい。

上記本発明の装置および方法によれば、シードレーザー装置から出力されたガウシアン（Ｇ）モードのシードレーザー光（偏光パルスレーザー光）が、光軸をコアの中心からずらされてラージモードエリアファイバーの一端からコアに入射するので、引き込みの効果によりコア内でモードが変換されラゲールガウシアン（ＬＧ）モードの光渦となり、コアの他端から出射することが、後述する実施例により確認された。

また、上記構成のみでコアの他端から出射するラゲールガウシアン（ＬＧ）モードの光渦の出力は、入力出力が２０ｍＷの場合に３ｍＷ程度であり非常に微弱であるが、本発明ではラージモードエリアファイバーの他端のクラッドから、シードレーザー光を励起する励起レーザー光を入射するので、ラージモードエリアファイバー内において、励起レーザー光を吸収したコアが活性化し、シードレーザー光を増幅するので、高出力（１０００ｍＷ以上）の光渦を発生できることが、後述する実施例により確認された。

従って、本発明によれば、らせん状位相プレート、フォーク状ホログラム、空間光変調器等の特別な素子を用いることなく、高出力の光渦を簡便に発生させることができる。

非特許文献１に開示された光渦の発生装置の模式図である。 本発明による光渦発生装置の全体模式図である。 本発明による光渦発生装置の全体構成図である。 図２及び図３のラージモードエリアファイバーの断面図である。 ラージモードエリアファイバー内で発生するモード（Ａ）（Ｂ）と出力モード（Ｃ）の説明図である。 計測された出力光（Ａ）とガウスビームとの干渉縞（Ｂ）の出力分布図である。 励起レーザー光の出力と光渦の出力との関係図である。 励起レーザー光の出力と光渦の出力との関係図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は本発明による光渦発生装置の全体模式図であり、図３はその全体構成図である。
図２及び図３において、本発明の光渦発生装置は、ラージモードエリアファイバー１０、シードレーザー装置１２、入射光学系１４、ポンプレーザー装置１６および出射光学系１８を備える。

ラージモードエリアファイバー１０は、コア１０ａとこれを囲むクラッド１０ｂを有する。
この例において、ラージモードエリアファイバー１０は、パンダ型偏波面保持ファイバー（ＰＡＮＤＡ Ｙｂ−Ｆｉｂｅｒ）である。ラージモードエリアファイバー１０の両端面は、正反射を防止するためのオフアングル（ｏｆｆ ａｎｇｌｅ）として、約８度傾斜している。また、ラージモードエリアファイバー１０の開口数ＮＡはこの例では０．０６であるが、０．０５−０．０８であってもよい。０．０８を超えると、高次モードが立ちやすく、０．０５未満ではＬＧが発生できない。

シードレーザー装置１２は、増幅する第１波長のシードレーザー光１３を出力する。該シードレーザー装置１２として、ファイバーレーザー、半導体レーザー、半導体励起個体レーザーが例示される。該第１波長のシードレーザー光１３のビームサイズは、コア径の２０％〜３０％が好ましい。また、該第１波長のシードレーザー光１３の波長は、１０３０ｎｍ〜１０８０ｎｍが好ましい。
この例において、シードレーザー装置１２は、シードレーザー光１３が偏光パルスレーザー光であり、第１波長が１０３０ｎｍであるファイバーレーザー装置（ＹｂＭＬ−Ｆｉｂｅｒ ＯＳＣ）であり、ファイバアンプ１２ａの端面（図で右端）から、６ｐｓ、２０ｍＷ、２０ＭＨｚ、１０３０ｎｍの偏光パルスレーザー光１３を出力する。

入射光学系１４は、ラージモードエリアファイバー１０の一端側（図で上端左側）に位置し、シードレーザー光１３をその光軸をコア１０ａの中心からずらして入射する。
この例において、入射光学系１４は、シードレーザー光１３をコア端面に集光する共焦点レンズ１４ａ，１４ｂと、ラージモードエリアファイバー１０からの戻り光がシードレーザー装置１２に戻るのを防ぐ光アイソレータ１４ｃとを有する。

共焦点レンズ１４ａ，１４ｂは、ファイバアンプ１２ａの端面から出射されるシードレーザー光１３を拡大された平行光にして光アイソレータ１４ｃを通過させ、その後、コア端面におけるシードレーザー光１３の直径を所望の大きさ（好ましくはコア１０ａの径の２０％〜３０％。この例において約７μｍ）に集光する。
光アイソレータ１４ｃは、２つの半波長板１５ａ，１５ｂ（ＨＷＰ）とその間に位置するポーラライザ１５ｃ（Ｐｏｌ．：偏光子）およびファラデーローテータ１５ｄ（ＦＲ：ファラデー回転子）とからなり、ラージモードエリアファイバー１０から戻る偏光パルスレーザー１３の偏光面をファラデーローテータ１５ｄにより入射側に対し９０度回転させ、偏光ポラリライザ１５ｃで外部に分光するようになっている。

ポンプレーザー装置１６は、シードレーザー光１３を励起する第２波長の励起レーザー光１７を出力する。該ポンプレーザー装置１６として、半導体レーザーが例示される。また該第２波長の励起レーザー光１７の波長は、９４０ｎｍ〜９８０ｎｍが好ましい。
この例において、ポンプレーザー装置１６は、励起レーザー光１７が連続レーザー光であり、前記第２波長が９７５ｎｍである半導体レーザー装置であり、ファイバアンプ１６ａの端面（図で右端）から、９７５ｎｍの連続レーザー光１７を出力する。

出射光学系１８は、ラージモードエリアファイバー１０の他端側に位置し、励起レーザー光１７を他端のクラッド１０ｂから入射し、かつ他端のコア１０ａから出射するシードレーザー光１３を外部に出力する。
この例において、出射光学系１８は、励起レーザー光１７を他端のクラッド端面に集光する共焦点レンズ１８ａ，１８ｂと、第１波長のシードレーザー光１３を選択的に分光する分光ミラー１８ｃ（ＷＤＭ）とを有する。

共焦点レンズ１８ａ，１８ｂは、ファイバアンプ１６ａの端面から出射される励起レーザー光１７を拡大された平行光にして分光ミラー１８ｃを通過させ、その後、クラッド端面における励起レーザー光１７の直径を所望の大きさ（好ましくは２５０〜４００μｍ）に集光する。
分光ミラー１８ｃは、第１波長（１０３０ｎｍ）のシードレーザー光１３を選択的に反射し、第２波長（９７５ｎｍ）の励起レーザー光１７はそのまま透過する。分光ミラー１８ｃで選択的に反射される第１波長（１０３０ｎｍ）のシードレーザー光１３は、光渦である。

図４は、図２及び図３のラージモードエリアファイバーの断面図である。この図において、（Ａ）はラージモードエリアファイバー１０の全体断面図、（Ｂ）はコアの拡大図である。
図４（Ａ）において、１０ａはコア、１０ｂはクラッド、１０ｃは偏波補償穴である。
コア１０ａの直径（コア径Ｄ）は好ましくは２０〜５０μｍであり、この例においてコア径Ｄは３０μｍであり、希土類ドーパントがドープされている。クラッド１０ｂの直径（クラッド径）は好ましくは２５０〜４００μｍであり、この例においてクラッド径は４００μｍである。
図４（Ｂ）において、入射するコア端面における偏光パルスレーザー１３の直径は約７μｍであり、偏光パルスレーザー１３の光軸ａとコア中心Ｏとの偏心量Δは、コア径Ｄの２０〜３０％である。なお、例えば、コア径Ｄが３０μｍの場合、偏心量Δはコア径Ｄの２５％が最も好ましい。

上述した装置を用い、本発明の方法によれば、
（Ａ） コア１０ａとこれを囲むクラッド１０ｂを有するラージモードエリアファイバー１０の一端のコア１０ａに、増幅する第１波長のシードレーザー１３をその光軸をコア１０ａの中心からずらして入射し、
（Ｂ） ラージモードエリアファイバー１０の他端のクラッド１０ｂから、シードレーザー１３を励起する第２波長の励起レーザー光１７を入射し、かつ他端のコア１０ａから出射する第１波長のシードレーザー光１３を外部に出力する。

図５は、ラージモードエリアファイバー内で発生するモード（Ａ）（Ｂ）と出力モード（Ｃ）の説明図である。
上述した本発明の装置および方法によれば、シードレーザー装置１２から出力されたエルミートガウシアン（ＨＧ）モードのシードレーザー光１３（偏光パルスレーザー光）が、光軸をコア１０ａの中心からずらされてラージモードエリアファイバー１０の一端からコア１０ａに入射するので、引き込みの効果によりコア１０ａ内でモードが変換され図５（Ａ）（Ｂ）に示すような２つのモードが選択的に励振され、この２つのモードが重なって図５（Ｃ）に示すようなラゲールガウシアン（ＬＧ）モードの光渦となり、コア１０ａの他端から出射すると考えられる。

図２及び図３に示した装置を用い、本発明の装置と方法により、コア１０ａの他端から第１波長の光渦が出射することを、実験により確認した。この実験において使用したラージモードエリアファイバー１０のコア径Ｄは３０μｍであり、クラッド径は４００μｍであった。
その他の構成は、上述した通りである。

図６は、この実験により計測された出力光（Ａ）とガウスビームとの干渉縞（Ｂ）の出力分布図である。
図６（Ａ）から、計測された出力光は、中心部に暗い部分（位相特異点）があることがわかる。
また、図６（Ｂ）から、この出力光とガウスビームとの干渉縞の出力分布が、中央で切れたフォーク状干渉縞となっており、これからこの出力光が光渦であることがわかる。

図７は、励起レーザー光の出力と光渦の出力との関係図である。
励起レーザー光１７の出力（ポンプパワー）が０の場合に、コア１０ａの他端から出射する光渦の出力は、シードレーザー光の入力出力が２０ｍＷの場合に３ｍＷ程度であり非常に微弱であった。
これに対し、励起レーザー光１７を入力し、その出力が１００００ｍＷを超えると、光渦が増幅され、入力出力である２０ｍＷを超えて、最大約１．３Ｗ（１３００ｍＷ）まで出力が上昇することが確認された。

図８は、励起レーザー光の出力と光渦の出力との別の関係図である。
この例において、ラージモードエリアファイバー１０は、コアが直径３０μｍ、開口数ＮＡ０．０６、クラッドが直径４００μｍ、開口数ＮＡ０．４６である。また、シードレーザー装置１２には、４．５ｐｓ、１００ｍＷ、１５０ＭＨｚの偏光パルスレーザー光１３を出力するＮｄ：Ｇｄ０．６Ｙ０．４ＶＯ４レーザーを用いた。その他の構成は実施例１と同様である。
この例において、励起レーザー光の入力出力が２９Ｗの場合に、光渦が最大約４．５Ｗ（４５００ｍＷ）まで達することが確認された。

上述した実施例１，２から、ラージモードエリアファイバー１０のクラッド１０ｂに入射した励起レーザー光１７が、コア１０ａに徐々に吸収され、励起レーザー光１７を吸収したコアが活性化し、光渦を増幅するものと考えられる。

従って、本発明によれば、ラージモードエリアファイバー１０内において、ラゲールガウシアン（ＬＧ）モードの光渦を増幅することができ、らせん状位相プレート、フォーク状ホログラム、空間光変調器等の特別な素子を用いることなく、高出力の光渦を簡便に発生させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明の光渦発生装置は、高出力の光渦を発生させるのに有用である。本発明の光渦発生方法は、高出力の光渦を簡便に発生させるのに有用である。

１ 光ファイバー
２ 集光レンズ
３ コリメートレンズ
４ 可変負荷
１０ ラージモードエリアファイバー（ＰＡＮＤＡ Ｙｂ−Ｆｉｂｅｒ）、
１０ａ コア、１０ｂ クラッド、１０ｃ 偏波補償孔、
１２ シードレーザー装置（ＹｂＭＬ−Ｆｉｂｅｒ ＯＳＣ）、
１３ シードレーザー光（偏光パルスレーザー）、
１４ 入射光学系、
１４ａ，１４ｂ 共焦点レンズ、１４ｃ 光アイソレータ、
１５ａ，１５ｂ 半波長板（ＨＷＰ）、
１５ｃ ポーラライザ（Ｐｏｌ．：偏光子）、
１５ｄ ファラデーローテータ（ＦＲ：ファラデー回転子）、
１６ ポンプレーザー装置、１６ａ ファイバアンプ、
１７ 励起レーザー光（連続レーザー光）、
１８ 出射光学系、１８ａ，１８ｂ 共焦点レンズ、
１８ｃ 分光ミラー（ＷＤＭ）、

Claims (4)

1. コアとこれを囲むクラッドを有するラージモードエリアファイバーと、
   増幅する第１波長のシードレーザー光を出力するシードレーザー装置と、
   ラージモードエリアファイバーの一端側に位置し、前記シードレーザー光をその光軸をコアの中心からずらして入射する入射光学系と、
   前記シードレーザー光を励起する第２波長の励起レーザー光を出力するポンプレーザー装置と、
   ラージモードエリアファイバーの他端側に位置し、前記励起レーザー光を前記他端のクラッドから入射し、かつ前記他端のコアから出射するシードレーザー光を外部に出力する出射光学系と、を備えたことを特徴とする光渦発生装置。
2. 前記ラージモードエリアファイバーは、パンダ型偏波面保持ファイバーであり、
   前記シードレーザー装置は、前記シードレーザー光が偏光パルスレーザー光であるレーザー装置であり、
   前記入射光学系は、前記シードレーザー光をコア端面に集光する共焦点レンズと、ラージモードエリアファイバーからの戻り光がシードレーザー装置に戻るのを防ぐ光アイソレータとを有し、
   前記ポンプレーザー装置は、前記励起レーザー光が連続レーザー光であるレーザー装置であり、
   前記出射光学系は、前記励起レーザー光をクラッド端面に集光する共焦点レンズと、第１波長のシードレーザー光を選択的に分光する分光ミラーとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光渦発生装置。
3. 前記コア径は２０〜５０μｍであり、
   前記クラッド径は２５０〜４００μｍであり、
   入射するコア端面における前記シードレーザー光の直径はコア径の２０〜３０％であり、
   シードレーザー光の光軸とコア中心との偏心量は、コア径の２０〜３０％である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光渦発生装置。
4. コアとこれを囲むクラッドを有するラージモードエリアファイバーの一端のコアに、増幅する第１波長のシードレーザー光をその光軸をコアの中心からずらして入射し、
   ラージモードエリアファイバーの他端のクラッドから、前記シードレーザー光を励起する第２波長の励起レーザー光を入射し、かつ前記他端のコアから出射する第１波長のシードレーザー光を外部に出力する、ことを特徴とする光渦発生方法。