JP2014182402A

JP2014182402A - ファイバレーザシステム

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Publication number: JP2014182402A
Application number: JP2014053958A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Ota; 健史太田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-09-29
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: EP2779330A2; US9172206B2; JP5873516B2; US20140269792A1; EP2779330A3

Abstract

【課題】ソリトンパルスを生成する光ファイバレーザにおいて、パルスレーザの入力電力を変調することにより電力損失が生じないファイバレーザシステムを提供する。
【解決手段】レーザシステム１０００は、複数の光パルスを生成するように構成された光源１０１０と、複数の光パルスを受光し且つ各々が互いに異なるチャーピング量を有するチャープパルスを取得するように構成された制御器１０２０と、光導波路から出力するパルスの各中心波長が互いに異なるように、チャープパルスが伝搬する間にソリトン自己周波数シフトを発生させるように構成された異常分散特性を有する光導波路１０３０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバレーザシステムに関する。

西澤他は、参考文献（西澤典彦及び後藤俊夫、ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．１１、ＮＯ．３、１９９９年３月）において、光ファイバを使用することにより波長可変フェムト秒（ｆｓ）光パルス源の小型システムを開示した。西澤他によると、ソリトンパルスが光ファイバにおいて生成され、ファイバに入力されるパルスレーザの入力電力を変更するだけでソリトンパルスの波長を線形にシフトできる。

しかし、パルスレーザの入力電力を変調することにより電力損失が生じる。

本発明の実施形態は、ファイバレーザシステムを提供する。

本発明の一態様によると、ファイバレーザシステムは、複数の光パルスを生成するように構成された光源と、複数の光パルスを受光し且つ各々が互いに異なるチャーピング量を有するチャープパルスを取得するように構成された制御器と、光導波路から出力するパルスの各中心波長が互いに異なるように、チャープパルスが伝搬する間にソリトン自己周波数シフトを発生させるように構成された異常分散特性を有する光導波路とを含む。

本発明の更なる特徴は、添付の図面を参照して例示的な実施形態の以下の説明を読むことにより明らかになるだろう。

本発明の第１の実施形態に関連するシードレーザ、分散制御器及び光導波路を含むファイバレーザシステムを示す図である。（ｉ）分散補償期間及び（ｉｉ）非線形効果期間を説明する図である。形状が互いに異なる３つのパルス及びそれらの伝搬を示す図である。増幅器を含むファイバレーザシステムを示す図である。例１において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例２において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例２において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例３において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例４において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例５において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例６において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例６において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例７において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例８において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例９において説明するファイバレーザシステムを示す図である。例１０において説明するファイバレーザシステムを示す図である。

添付の図面を参照して、本発明に係る実施形態を以下に説明する。

ソリトンパルスは、ファイバガラス等の光導波路において生じる非線形効果と分散効果とがある特定の均衡を有するパルスである。カー（Ｋｅｒｒ）効果及び色分散により、短光パルスの時間的スペクトル形状は光導波路内を伝搬中に変化する。しかし、特定の状況において、これらの効果は互いに完全に相殺し合うため、パルスの時間的スペクトル形状は長距離伝搬後でも維持される。

非線形効果（カー（Ｋｅｒｒ）効果）と異常分散との均衡により、ソリトンパルスは長距離伝搬後でも形状が変化しない。これをソリトン効果と呼ぶ。

ソリトン効果は、以下のように記述される。

γは非線形係数であり、β_２は群速度分散（ＧＶＤ）であり、Ｐ_０はパルスのピーク電力であり、Ｔ_ＦＷＨＭはパルスの時間幅である。ソリトン効果を得るためには、光導波路は入力パルスに対する異常分散特性を有する必要がある。Ｎはソリトン次数であり、これは１、２、３又は他の整数であってもよい。

ソリトン効果に加えてラマン効果が伝搬中に誘導される場合、ソリトンパルスの中心波長は長波長側にシフトされる場合があり、これをソリトン自己周波数シフトと呼ぶ（本明細書中、これをＳＳＦＳと呼ぶ）。波長シフトの量は、パルスエネルギー、非線形効果の量、導波路の材料及び導波路の長さに依存する。

西澤他は、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）を達成するために、強度変調器により入力パルスのパルスエネルギー及びピーク電力を変更した。

それに対して、本実施形態において、ソリトン自己周波数シフトは入力パルスの形状を変更することにより達成可能である。入力パルスの形状は、入力パルスに付加されるチャーピング量に基づいて制御可能である。

光ファイバレーザシステム１０００を図１に示す。システム１０００は、光源であるシードレーザ１０１０、分散制御器１０２０及び光導波路１０３０を含む。

シードレーザ１０１０は、例えば分散制御器１０２０に光パルスを入力するために使用されるモード同期ファイバレーザである。チャープパルスが導波路に接続される場合、シードレーザ（パルスレーザ）からの平均電力は、例えば５０ｍＷに設定される。反復率は４０ＭＨｚであってもよく、波長の中心は１５６０ｎｍであってもよく、スペクトル幅は１０ｎｍであってもよい。

パルス制御器又はチャープ変調器としての分散制御器１０２０は、チャープパルスを取得するために使用される。チャープパルスは、周波数（又は波長）毎に異なる複数の位相遅延を有する。制御器１０２０により取得されるチャープパルスは、アップチャープパルスであってもよい。シードレーザ１０１０により生成されたパルスは、分散制御器１０２０によりチャープされる。制御器１０２０は、シードレーザ１０１０からの入力パルスに適用されるチャーピング量を制御でき、パルスの形状を変更することもできる。

光導波路１０３０は、例えば偏波保持単一モードファイバ（ＰＭ−ＳＭＦ）である光ファイバである。分散β２は−２０．４［ｐｓ＾２／ｋｍ］であり、モードフィールド径（ＭＦＤ）は１０ｕｍであり、ファイバの長さは１５ｍである。

図２に示すように、分散制御器１０２０によりチャープされた出力パルス１０５０は、レンズ５０１９を通過して光導波路１０３０に伝搬する。本実施形態において導波路１０３０は異常分散特性を有するように設計されるため、グラフ５０４１に示す制御器１０２０の正常分散によるアップチャープパルス１０５０は、導波路１０３０内を伝搬中にａ_０とａ_１との間において導波路１０３０の異常分散で補償される。図２の期間（ｉ）は分散補償期間である。期間（ｉ）の間、入力パルスは異常分散特性によりダウンチャーピングを受けることができる。通常、光パルスのチャープは、その瞬時周波数の時間依存性として理解される。特に、アップチャープ（ダウンチャープ）は、瞬時周波数が時間と共に増加（減少）することを意味する。

分散補償の完了後、パルス１０５０は、グラフ５０４２に示すように変形パルスになる。

パルスのピーク電力がソリトン効果及びラマン効果を誘導するのに十分である場合、ソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）がａ_１とａ_２との間で観察される。ＳＳＦＳは、図２の期間（ｉｉ）において非線形効果として観察される。

パルスが導波路１０３０を伝搬する間に分散補償及び非線形効果が発生し、パルスはレンズ５０２１を通過して出力パルス１０６０として出力される。

（ｉ）分散補償処理期間と（ｉｉ）ＳＳＦＳ処理期間との間の境界ａ_１を正確に認識することは困難である場合があるが、ＳＳＦＳのシフト量は非線形効果の期間の長さに依存する。すなわち、非線形効果の期間の長さが変更可能である場合、これは出力パルス１０６０の波長の中心が変更可能であることを意味する。

光導波路１０３０の長さを変更せずに非線形効果の期間（ｉｉ）の長さを変更するために、分散制御器１０２０により形成されるチャープパルスの形状が変更される。図３に示すように、分散制御器１０２０から出力されるパルスの形状１０５２、１０５１及び１０５０に依存して、期間（ｉ）及び（ｉｉ）の全長を維持したままでそれらの期間を変更できる。チャープパルスの形状を変更することは、チャーピング量を変更することを意味する。

図３において、補償期間（ｉ）の後、グラフ５０４３、５０４５及び５０４７に示すチャープパルス１０５２、１０５１及び１０５０はそれぞれ、グラフ５０４４、５０４６及び５０４８に示すように変形される。

チャーピングにより付与される正常分散の量がグラフ５０４３、５０４５及び５０４７に示すように変更されるため、ソリトン効果及びラマン効果が生じる部分から導波路１０３０の終端までの長さは変更される。従って、ＳＳＦＳの量は付加される正常分散に依存して異なってくる。換言すると、ＳＳＦＳの量はチャーピングにより変更可能である。

パルスにおけるチャーピング量が変更される場合、パルスの形状も制御される。本システム１０００において、パルスのエネルギーを変更する必要がない。

チャープパルス（１０５２、１０５１又は１０５０）は、導波路１０３０に結合される。導波路１０３０において、ソリトン効果及びラマン効果が誘導される。これらの効果により、パルスの波長は調整され、パルスの中心波長はパルスにおけるチャープの量により異なる。

シードレーザ１０１０は、ファイバレーザ、固体レーザ及び強度変調ＣＷレーザ等のパルスレーザであってもよい。出力電力がソリトン効果及びラマン効果を発生させるのに十分な強さでない場合、図４に説明するように、レーザ増幅器１０１５がシードレーザ１０１０と分散制御器１０２０との間に挿入されてもよい。本実施形態において、シードレーザ１０１０及び／又は増幅器は、代替又は追加の分散（チャーピング）制御器として使用されてもよい。チャーピング量が十分である場合、分散制御器１０２０は省略されてもよい。

分散制御器１０２０は、正常分散制御器、異常分散制御器又はそれらの双方を含んでもよい。分散制御器１０２０の例は、光ファイバ、格子、プリズム、チャープファイバ格子及び分散材料である。

光導波路１０３０は、入力パルスに対する異常分散を有する必要がある。この異常分散導波路は、偏波保持ファイバであるのが好ましい。従って、波長板、偏光子又は偏光ビープスプリッタを含む偏波制御装置が導波路１０３０の前に挿入されてもよい。

ＳＳＦＳによる波長の中心のシフト量は、シミュレーションにより推定される。シミュレーションのために、以下の特定の情報が使用される。図４のシードレーザ１０１０及び増幅器１０１５であるシード光源として、エルビウム添加モード同期ファイバレーザ及びエルビウム添加ファイバ増幅器を使用できる。シード光源は、５０ｍＷの平均電力、１５６０ｎｍの中心波長、４０ＭＨｚの反復率及び継続時間が２００ｆｓのパルスを有する。出力パルスのチャーピングは、９００ライン／ｍｍの格子の対により制御される。格子間の距離は３０ｍｍ〜５ｍｍで変更される。チャープパルスは、偏波保持単一モードファイバ（ＰＭ−ＳＭＦ）に結合される。ＰＭ−ＳＭＦは、−２０．４［ｐｓ＾２／ｋｍ］の分散、１０ｕｍのモードフィールド径（ＭＦＤ）及び１５ｍの長さを有する。ＰＭ−ＳＭＦからの出力は、中心波長が１６００ｎｍ〜１７２０ｎｍであり、平均電力が３０ｍＷ〜４５ｍＷである。パルスのチャーピング量が制御されない場合、出力パルスの中心波長は調整されず、単に１７４０ｎｍである。

ＳＳＦＳ（すなわち、ソリトンに対する非線形効果による波長変調）を発生させるための条件を１つの例として上述した。他の例は、非線形偏微分方程式（すなわち、非線形シュレーディンガー方程式）を解くために使用される疑スペクトル数値法である分割ステップフーリエ法に基づく計算シミュレーションを使用することにより取得可能である。

（例１）図５において、シードレーザ１０１０はモード同期ファイバレーザである。レーザ１０１０からのパルスは、レンズ５０１９を通過して平行ビームになる。平行ビームは、分散ガラスから構成される分散制御器５０２０に伝搬し、分散を制御されたパルスは、偏波を保持した状態で光ファイバ５０３０に結合される。パルスはレンズ５０２１を通過し、異常分散を有する導波路に入力する。分散は、分散ガラスの光路長を変更することにより制御される。図５において、２つの分散ガラスはテーパ状の部分を有する。パルスが伝搬する光路長は、例えば分散ガラスの一方を上方又は下方に移動することにより変更可能である。双方の分散ガラスが異なる方向に移動されてもよい。

（例２）図６Ａにおいて、シードレーザ１０１０及び光ファイバは上記の例１と同一である。分散制御器６０２０の部分は、反射型格子である格子（格子１、２、３及び４）のセットから構成される。分散は、格子間の距離又は平行ビームと格子との間の角度を変更することにより制御可能である。一般に、格子は分散ガラスより大きい分散を付与できる。制御器６０２１として透過型格子を使用する別の例の１つを図６Ｂに示す。各パルスに適用されるチャーピング量は、格子１と格子２との間の距離及び格子３と格子４との間の距離を同時に変更することにより変更可能である。格子のピッチは、例えば９００ライン／ｍｍであってもよい。

（例３）図７において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器７０２０の部分は、プリズム（プリズム１、プリズム２、プリズム３及びプリズム４）を含む。分散は、プリズム間の距離を変更することにより制御される。一般に、プリズムは、光パルスがプリズムを通過する特定の光路により分散を制御できる。各パルスに適用されるチャーピング量は、プリズムの少なくとも１つを移動してパルスが透過する光路長を変更することにより変更可能である。

（例４）図８において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器８０２０の部分はチャープファイバ格子を含む。分散は、チャープファイバ格子の格子ピッチを変更することにより制御される。チャープファイバ格子を使用することにより、システムにおける空きスペースの調整に関する問題が軽減する。各パルスに適用されるチャーピング量は、チャープファイバ格子の温度を調整すること及び／又はチャープファイバ格子に印加される電圧を変更することにより変更可能である。

（例５）図９において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器９０２０の部分は、ファイバサーキュレータ１０９０、格子（格子１及び格子２）及びミラーを含む。分散は、格子間の距離又は平行ビームと格子との間の角度を変更することにより制御される。この図により、格子数を減少できる。各パルスに適用されるチャーピング量は、格子１及び２に対するパルスの入射角を変更することにより変更可能である。

（例６）図１０Ａにおいて、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器１１２０の部分は、ファイバサーキュレータ１０９０、反射型格子である格子（格子１及び２）、回転ステージ及びミラーを含む。回転ステージは、例えば自動的に又は反復して軸の周りを−３０°〜＋３０°回転するように設計可能である。分散は、平行ビームと格子との間の角度を変更することにより制御される。この図により、分散を迅速に制御できる。図１０Ｂにおいて、反射型格子の代わりに透過型格子が使用される。各パルスに適用されるチャーピング量は、回転ステージにより変更可能である。

（例７）図１１において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器１２２０の部分は、ファイバサーキュレータ１０９０、プリズム（プリズム１及びプリズム２）及びミラーを含む。分散は、プリズム間の距離を変更することにより制御される。各パルスに適用されるチャーピング量は、例えばプリズムの一方を下方に移動してパルスの光路長を変更することにより変更可能である。

（例８）図１２において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散制御器１３２０の部分は、ファイバサーキュレータ１０９０及びチャープファイバ格子１３２０を含む。分散は、チャープファイバ格子の格子ピッチを変更することにより制御される。この図により、空きスペースの調整に関する問題が軽減し、反射型チャープファイバ格子を更に使用できる。各パルスに適用されるチャーピング量は、例４で説明した方法で変更可能である。

（例９）図１３において、シードレーザ１０１０及び光ファイバ５０３０は例１と同一である。分散は、光スイッチ１３５５、互いに異なるチャーピング量を提供する複数の分散制御器要素及びビームコンバイナ１３５６を含む分散制御器１４２０の異なる設定により制御される。各分散制御器要素は、上記の例で説明したように、格子、プリズム、チャープファイバ格子、分散材料及び導波路のうちの１つ以上を含んでもよい。スイッチを使用することにより、チャープの高速調整が可能になり且つ／又はより多様なチャーピングが可能になる。各パルスに適用されるチャーピング量は、光スイッチ１３５５により変更可能である。

（例１０）図１４において、シードレーザ１０１０は例１と同一である。分散制御器１５２０は、光スイッチ１３５５、複数の光ファイバ及びビームコンバイナ１３５６を含む。光ファイバの長さが互いに異なるため、出力されるソリトンパルスの波長の中心は異なる。図１４の光スイッチ１３５５、複数の光ファイバ及びビーム制御器は、図１で説明した分散制御器及び導波路として動作する。このシステム構成において、空きスペースに関する問題は軽減し、デジタル化パルスが更に高速に生成される。

上述のように、本発明により、異なる中心波長を有する出力パルス間の入力パルスエネルギーの差異を減少できる。従って、光エネルギーを更に効率的に使用できる。

例示的な実施形態を参照して本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。以下の特許請求の範囲の範囲は、そのような変更、並びに等価の構造及び機能の全てを含むように広範に解釈されるべきである。

Claims

複数の光パルスを生成するように構成された光源と、
前記複数の光パルスを受光し且つ各々が互いに異なるチャーピング量を有するチャープパルスを取得するように構成された制御器と、
光導波路から出力するパルスの各中心波長が互いに異なるように、前記チャープパルスが伝搬する間にソリトン自己周波数シフトを発生させるように構成された異常分散特性を有する光導波路と、
を備えることを特徴とするファイバレーザシステム。
前記光源と前記制御器との間に増幅器を更に備えることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザシステム。
前記制御器は、前記チャープ光パルスを取得するために分散ガラスを含むことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザシステム。
前記制御器は、前記チャープ光パルスを取得するために格子を含むことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザシステム。
前記制御器は、前記チャープ光パルスを取得するためにプリズムを含むことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザシステム。
前記制御器は、チャープファイバ格子を含むことを特徴とする請求項１記載のファイバレーザシステム。
前記チャープ光パルスを取得するために回転ステージを更に備えることを特徴とする請求項４記載のファイバレーザシステム。
第１の中心光波長を有する第１のシード光パルス及び前記第１の中心光波長を有する第２のシード光パルスを生成するように構成された光源と、
前記第１のシードパルスを第１のチャーピング量を有する第１のチャープ光パルスに変換し、
前記第２のシードパルスを前記第１のチャーピング量と異なる第２のチャーピング量を有する第２のチャープ光パルスに変換するように構成された制御器と、
異常分散特性を有する光導波路とを備え、
前記光導波路は、前記第１のチャープ光パルスを受光して第１の出力光パルスを出力し、
前記光導波路は、前記第２のチャープ光パルスを受光して第２の出力光パルスを出力し、
前記第１の出力光パルスは第２の中心光波長を有し、
前記第２の出力光パルスは第３の中心光波長を有し、
前記第２の中心光波長は前記第３の中心光波長と異なることを特徴とするファイバレーザシステム。