JP2013055362A - 光学増幅装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の光学増幅装置は、回折限界に近いモードを持つ入力ビ−ムを発生させるレーザー源としてのファイバー発振器10と、多重モードファイバー増幅器12と、モード変換器14と、ポンプ源20とを有する。モード変換器14は、入力ビームを受けて多重モードファイバー増幅器12の基本モードに整合するように入力ビームのモードを変換し、多重モードファイバー増幅器12に入力するモード変換された入力ビームを作り出す。ポンプ源20は、多重モードファイバー増幅器12を光学的にポンピングし、本質的に基本モードで増幅された強力な出力ビームを生成する。
【選択図】図1
Description
Esat=hvA/σ
ここで、hはプランク定数、vは光の振動数、σは励起放射の断面積、Aはコアの断面積である。今日、SM光ファイバーから得られる最大パルス・エネルギーは約160Jであり(Taverner et al. in Optics Letters, Vol.22, pp.378-380 (1997)による)、これはコア直径15μmのSMエルビウム・ドープ・ファイバーで得られたもので、これは1.55μmにおけるSM伝播と可換である最も大きなコア直径である。この結果は、ファイバーの開口数NA=0.07で得られたものである。さらにコア径を大きくするとファイバーのNAを小さくすることが必要で、この結果、不本意な感度低下を招き、曲げ損失につながる。
図1に、本発明の実施例1としての光学増幅装置の構成を示す。図1に示される例では、エルビュウム・ファイバー発振器のようなフェムト秒単一モード(SM)ファイバー発振器10は、エルビウム/イッテルビウム・ファイバー増幅器のような多重モード(MM)ファイバー発振器12に結合されている。これに適合するMMファイバー増幅器の他の例には、Er,Yb,Nd,Tm,PrまたはHoイオンをドープされたものが含まれる。このシステムに利用するのに適合する発振器は、上に述べたFermannらの米国特許出願第08/789,995号に記載されている。
ここで、aはコア直径であり、λは信号の波長である。また、1.55μmにおけるV値はV≒10.8であり、かくして上の例では、モード数は約58と計算される。典型的には、V値が2.41を超えるとき、すなわち基本モードに付加するモードが光ファイバー中を伝播できるとき、ファイバーはMMであると考えられる。
ここで、θ0≒λ/4aは、MMファイバーの基本波モードの1/2発散角(発散角の半頂角)である。一方、θmaxは、MMファイバー出力の最も外側のモードの1/2最大発散角である。MMファイバーからの出力は、線形に偏光している。このことは、ファイバーにおける最低次のモードの励起にのみ当てはまる仮定である。MMファイバーをSM励起し、モード結合がない場合、θmax(Z)=θ0はファイバー長さと関係がない。しかし、モード結合が存在するときにθmaxは増加する。その結果として、MMファイバーの出力からSMファイバーへの結合効率ηは、η(z)=(θ0/θmax(z))2と共に減少する。なお、先に述べたGlogeの業績では、η(z)は次のように書くことができる。
ここで、DはGlogeによって定義されたモード結合係数である。かくしてη(z)を測定すれば、モード結合係数Dが求まる。同様にηを測定すれば、上記数2からMMファイバーの励起モードの近似的な数が求まる。回折限界に近い光ビームの質を特徴づけるために使われるM2値に対して、Nを関係づけることが役に立つ。すなわち、N≒√M2であることが示される。
本発明の実施例2としての光学増幅装置は、図5のブロック図に示すように、多重モード増幅システムである。このシステムには、回折限界に近い入力ビーム、モード変換器50およびMMファイバー増幅器52が含まれている。回折限界に近いビームは任意のレーザー・システムから得る事が出来る。これはファイバー・レーザーである必要はない。回折限界に近いビームは、連続波またはパルス状輻射を含むことが出来る。モード変換器50は、MM増幅器52のモードを整合することが出来る任意の光学的イメージングシステムから成っている。例えば、レンズ・システムを用いることも出来るだろう。
本発明の実施例3としての光学増幅装置は、図6のブロック図に示すように、多重モードファイバー増幅システムである。実施例3のシステムおいては、増幅器の出力パルスを圧縮するため拡張されたスペクトルが得られるように、高出力光パルスをドープされない(あるいは増幅する)MMファイバー中を伝播(または増幅)させることが出来る。非線形パルス圧縮を応用するため、正の(ソリトンを保持しない)あるいは負の(ソリトンを保持する)分散が利用される。かなりの量の自己位相変調を得るため、多重モードファイバー60における強度レベルは上げられる。光ファイバーにおける分散と自己位相変調が、光パルスのスペクトラムを広げ、パルス圧縮をするために用いられる。
図7は、本発明の実施例4としての光学増幅装置の構成を模式的に示したものである。図7に示すように、モード・フィルター70は、システム(光学増幅装置)の回折限界の出力を確実にするために、空洞鏡M1,M2の一つの前に挿入されている。モード・フィルター70は、適切にモード整合された光学系とつながった標準的なSMファイバーから成っている。替わりに、先細りファイバーをモード整合のために(上記の検討のように)使う事が出来る。最適のモード整合のために、レーザーの効率は全てのSMレーザーと略同程度である。しかし、MM増幅器76を使えば設計の余裕度が増す。異なったコア・クラッディング比を持った二重クラッドのエルビウム/イッテルビウム・ファイバーを、何処にでも適当に利用する事が出来る。
本発明の実施例5としての光学増幅装置では、図8に示すように、MMファイバーを使うことにより、小さい吸収断面積の二重クラッド・ファイバーを設計する事が出来る。例えば、二重クラッドErドープ増幅ファイバーはMMファイバーから構成することが出来る。SMファイバーを遮光している間に、大面積のダイオード・レーザーからのポンプ光を吸収するためには、大きなクラッディング/コア比を用いなければならないので、典型的なErドープ二重クラッド・ファイバーは、比較的効果が薄い。通常、このような設計では、クラッディングの直径がΦcl=100μm、コアの直径がΦco=10μmになる。この構造での有効な吸収量は単一モードErドープ・ファイバーの吸収量の100分の1(=Φcl/Φco)2である。しかし、MMErドープ・ファイバーを装備する事により、コアの大きさを著しく大きくでき、クラッディング/コアの比は小さくなり、増幅器長さもより短くなる。このことは高出力レーザーを設計するには非常に有益である。
本発明の実施例6としての光学増幅装置では、図9に示すように、ファイバー再生増幅器はMMファイバー増幅器90から構成されている。再生増幅器は、MMファイバー増幅器からmJのエネルギーを得るのに利用できる。MMファイバー増幅器の限られた利得のために、mJのエネルギーを引き出すには増幅器を通る幾つかの経路が必要である。このことは再生増幅器を使うことにより容易になる。図9に示すように、高速な光学スイッチ(OS)92は再生増幅器の入力パルス、出力パルスの切り替えに使われる。モード・フィルター94は、ファイバー・モードを“清浄”にするために、増幅過程に抱合させる事が出来る。モード・フィルター94は再生増幅器におけるいずれの非線形性も最小にするための空間フィルターから構成できる。
本発明の実施例7としての光学増幅装置では、図10に示すように、MM−Qスイッチのあるファイバー・レーザー源が構成されている。MMファイバーを有する事により大きな断面積が可能になるので、単一モードファイバーに比較してエネルギー蓄積量が増加する。この結果、高強度のQスイッチされたパルスを直接このようなシステムから発生させる事が出来る。通常、これらのパルスの持続時間はナノ秒範囲にある。図10に示すように、最適なモードの質を保証するためにモード・フィルター100を用いる事が出来る。光学スイッチ102は、出力の結合のために用いられ、これはまた、二つの鏡M1,M2とMMファイバー104とによって限定される空洞の損失(Q)を変調するためにも役に立つ。半透過鏡M2は出力を引き出す事にも使うことが出来る。
本発明の実施例8としての光学増幅装置では、図11に示すように、MM増幅ファイバー112を十分に飽和させ、MM増幅ファイバー112におけるASEのレベルを減少させるために、MM増幅ファイバー112の前方に前置増幅器110が組み込まれている。前置増幅器は、SMともMMともすることができ、ASEの成長を最小にするためには、前置増幅ファイバー110のコア直径を最終のMM増幅ファイバー・コアの直径より小さく選ぶことが有用である。一つのアイソレータ(図示せず)をレーザー源と前置増幅器との間に挿入することができ、ASEを更に減少させるために、他のアイソレーターを前置増幅器110と最終のMM増幅ファイバー112の間に挿入することができる。同様にASEを減少させるため、狭いバンドの光フィルター(図示せず)をシステムの任意のところに挿入することができる。また、ASEの総量を減少させるために、光学スイッチ(図示せず)をレーザー源と前置増幅器110および最終増幅器112の間に用いることができる。
本発明の実施例9としての光学増幅装置では、図12に示すように、増幅された出力ビームの周波数を変換するために、MM増幅ファイバー122の下流に周波数変換器120が置かれている。周波数変換器としては、出力ビームの周波数を2倍にする周期的なあるいは非周期的な極性を持つLiNbO3結晶のような非線形結晶を使うことができる。
以上、幾つかの実施例を図示しこれについて説明をしたが、当業者によれば、本発明の思想および視点を離れずにこれらの技術の修正や変形が可能であることが認識できる。そして、本明細書の冒頭にある請求範囲によって発明を定義することにしたい。
12:多重モード(MM)ファイバー発振器、MM増幅ファイバー
14:望遠鏡(テレスコープ)
16:モード・フィルター(MF)ファイバー
18:ビーム分離器(ビーム・スプリッター)
20:ポンプ源
50:モード変換器 52:MMファイバー増幅器
60:多重モードファイバー 62:線形パルス圧縮機
70:モード・フィルター 76:MM増幅器
90:MMファイバー増幅器 92:光学スイッチ(OS)
94:モード・フィルター 94:空間フィルター
96:発振器 98:ファラデー回転子
99:偏光ビームスプリッター
100:モード・フィルター 102:光学スイッチ
104:MMファイバー
110:前置増幅器、前置増幅ファイバー 112:MM増幅ファイバー
120:周波数変換器 122:MM増幅ファイバー
L1〜L5:レンズ M1,M2:空洞鏡(キャビティー・ミラー)
M1:二色鏡(ダイクロイックミラー) M2:半透過鏡
Claims (18)
- レーザシステムであって、
第1端部を有する所定長のドープされた多重モードファイバーと、
前記ドープされた多重モードファイバーをポンプするポンプ源と、
第2端部を有する所定長の単一モードファイバーと、
前記多重モードファイバーと前記単一モードファイバーとを含むレーザ・キャビティを生成するように配置された反射器とを備え、
前記ドープされた多重モードファイバーは前記単一モードファイバーよりも大きなコアを有し、前記単一モードファイバーの単一モードが前記多重モードファイバーの基本モードファイバーの基本モードに整合され、前記単一モードファイバーはモードフィルタとして作用し、前記レーザシステムの出力信号が本質的に回折限界であるように、前記単一モードファイバーの前記第2端部は前記多重モードファイバーの前記第1端部に対して配置され、
前記単一モードファイバーの前記単一モードと前記多重モードファイバーの前記基本モードとの整合がモード整合要素によって行われるレーザシステム。 - 請求項1に記載のレーザシステムにおいて、前記ドープされた多重モードファイバーはクラッディング・ポンプされるレーザシステム。
- 請求項1または2のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記ドープされた多重モードファイバーは二重クラッドを含むレーザシステム。
- 請求項1−3のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記モード整合要素はレンズシステムであるレーザシステム。
- 請求項1−3のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記モード整合要素はテーパ状のファイバーであるレーザシステム。
- 請求項1−3のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モードファイバーの前記第1端部は前記単一モードファイバーの前記第2端部に溶融結合されているレーザシステム。
- 請求項1−6のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記反射器は鏡、ファイバー・ブラッグ格子、またはバルク格子の少なくとも1つを含むレーザシステム。
- 請求項1−7のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モードファイバーは折り曲げられているレーザシステム。
- 請求項1−8のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記レーザ・キャビティ内に配置された光スイッチをさらに備え、前記光スイッチは前記レーザ・キャビティのQスイッチを可能にするレーザシステム。
- 請求項9に記載のレーザシステムにおいて、前記光スイッチはさらにレーザ光の出力の結合を用いているレーザシステム。
- 請求項1−10のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モードファイバーは15μmより大きな直径のコアを有するレーザシステム。
- 請求項1に記載のレーザシステムにおいて、前記単一モードファイバーは前記多重モードファイバーの一端に溶融結合されているレーザシステム。
- 請求項12に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モード・ファイバは前記溶融結合部でテーパ状になっているレーザシステム。
- 請求項12に記載のレーザシステムにおいて、前記単一モード・ファイバは前記溶融結合部でテーパ状になっているレーザシステム。
- 請求項1−14のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モードファイバーはコア端を備え、前記多重モードファイバーの利得媒体は前記多重モードファイバーのコア内の中心部に集中しているレーザシステム。
- 請求項1−15のいずれか1項に記載のレーザシステムにおいて、前記多重モードファイバーは偏光保存性を有するレーザシステム。
- 請求項8に記載のレーザシステムにおいて、折り曲げられた前記多重モードファイバーの折り曲げ半径は5cm−50cmであるレーザシステム。
- ファイバー・レーザシステムであって、
本質的に回折限界に近い出力信号を生成する請求項1−17のいずれか1項に記載のレーザシステムと、
前記レーザシステムの下流に配置されるとともに、前記レーザシステムからの前記回折限界に近い出力信号を受ける多重モードファイバー増幅器であって、前記多重モードファイバー増幅器は前記多重モードファイバー増幅器の出力が前記多重モードファイバー増幅器の本質的に基本モードである多重モードファイバー増幅器とを備えるファイバー・レーザシステム。
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