JP2015220376A

JP2015220376A - レーザー発振器

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Publication number: JP2015220376A
Application number: JP2014103808A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石橋; Shigeo Ishibashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-12-07
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP6190318B2

Abstract

【課題】装置の小型化を図り、モード同期レーザーを構成するのに適したレーザー発振器を提供する。
【解決手段】増幅媒体および出力部品から構成される共振器を有するレーザー発振器において、前記増幅媒体は、断面形状の外周が４個の円弧により構成される正四角形または長方形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、前記増幅媒体に結合され、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有するフォトニック結晶ファイバーとを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー発振器に関し、より詳細には、分光分析装置、高精度フェムト秒レーザー加工装置などに用いられるフェムト秒パルスレーザーを構成するレーザー発振器に関する。

フェムト秒パルスレーザーは、数フェムト秒から数百フェムト秒という超短パルスを出力することができ、非常に短い時間における特定の化学反応の過程を観測する分光分析装置に適用される。また、フェムト秒パルスレーザーは、短時間にエネルギーを圧縮して発振し、ハイパワーの光を出力することから、半導体基板等の加工にも用いられる。

図１に、従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶（直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍ）のバルクロッド１０１を用いて、空間光学系により構成したレーザー発振器である（例えば、非特許文献１参照）。Ｙｂガラスファイバーレーザー１０９から出力された励起光は、レンズ１１０を介して、球面鏡１０７および分散補償ミラー１０５の間にバルクロッド１０１が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、ＩｎＧａＡｓ半導体可飽和吸収体ミラー１０２を設置し、反対側には、０．５％透過の出力鏡１０３を配置する。分散補償ミラー１０５および出力鏡１０３の間に分散補償ミラー１０４を設置し、球面鏡１０７および可飽和吸収体ミラー１０２の間に分散補償ミラー１０６および球面鏡１０８を設置する。

Ｃｒ^４＋：ＹＡＧレーザーの発振波長域（１．４８−１．５８μｍ）では、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶の群遅延分散は正の値であるが、分散補償ミラーの群遅延分散が負の値であるため、ファブリーペロー共振器全体での群遅延分散は負の値になる。Ｙｂガラスファイバーレーザー１０９（出力１０Ｗ）の励起により、ファブリーペロー共振器内において可飽和吸収体ミラー１０２により生成したパルスレーザー光は、バルクロッド１０１内の自己位相変調とファブリーペロー共振器の負の分散により、ソリトンパルスとなって安定化する。例えば、非特許文献１によれば、中心波長１．５３μｍ、パルス幅７５ｆｓ、繰り返し周波数１３０ＭＨｚ、出力８０ｍＷのフェムト秒パルスレーザーが報告され、高精度赤外光吸収測定に使用されている。

A. Alcock, P. Ma, P. Poole, S. Chepurov, A. Czajkowski, J. Bernard, A. Madej, J. Fraser, I. Mitchell, I. Sorokina, and E. Sorokin, "Ultrashort pulse Cr4+:YAG laser for high precision infrared frequency interval measurements," Optics Express vol. 13, no. 22, p. 8837-8843 (2005). S. Ishibashi and K. Naganuma, "First Demonstration of Mode-Locked Cr4+:YAG Single-Crystal Fiber Laser," in Advanced Solid-State Lasers Congress, G. Huber and P. Moulton, eds., OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper ATh3A.7. F. Couny, P. J. Roberts, T. A. Birks, and F. Benabid, "Square-lattice large-pitch hollow-core photonic crystal fiber," Optics Express vol. 16, no. 25, p. 20626-20636 (2008).

しかしながら、上述したフェムト秒パルスレーザーは、ファブリーペロー共振器の光路長が、バルクロッド１０１の両端からそれぞれ５６ｃｍあり、すべて空間光学系により構成されている。このことから、レーザー発振器の小型化、例えば、ファブリーペロー共振器の大きさを３０×３０ｃｍ以下に設定することは困難であった。加えて、Ｙｂガラスファイバーレーザーの設置スペースが必要である。

例えば、折り返しミラーを増設して、設置面積の低減を図ることも可能であるが、装置の複雑化、光路調整の難易度が増加してしまう。装置の小型化のため、設置面積を縮小したレーザー発振器の開発が望まれている。

本発明の目的は、装置の小型化を図り、モード同期レーザーを構成するのに適したレーザー発振器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、増幅媒体および出力部品から構成される共振器を有するレーザー発振器において、前記増幅媒体は、断面形状の外周が４個の円弧により構成される正四角形または長方形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、前記増幅媒体に結合され、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有するフォトニック結晶ファイバーとを備えたことを特徴とする。

前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ１μｍ以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、断面形状が四角形の単位格子により構成され、前記導波路のコアとして機能する空孔が形成されている。

本発明によれば、従来、空間光路により形成されていた共振器の一部を、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーに置き換えたため、装置の小型化を達成することができる。

本発明のレーザー発振器の増幅媒体は、単結晶ファイバーからなる導波路であり、四角形に近い形状をしている。フォトニック結晶ファイバーは、断面形状が四角形の単位格子により構成され、導波路のコアとして機能する四角形に近い形状の空孔を有し、両ファイバーを高効率に光結合することができる。

フォトニック結晶ファイバーは、コアが空孔であるため、非線形光学効果は極めて低い。また、フォトニック結晶ファイバーは、発振光のエネルギーの大部分が空孔部分を導波するため、群遅延分散の波長依存性が平坦である。従って、モード同期レーザーを構成する上で好適である。

従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかるＣｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバーを示す断面図である。本発明の一実施形態にかかる正方形格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１を用いて、導波路と空間光学系により構成したレーザー発振器である。半導体レーザー２０９から出力された励起光は、レンズ２１０を介して、平面鏡２０８および球面鏡２０６の間にＣｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、半導体可飽和吸収体ミラー２０２を設置し、反対側には、１％透過の出力鏡２０３を設置して、共振器を構成する。球面鏡２０６および出力鏡２０３の間に分散補償ミラー２０５および正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４を設置し、平面鏡２０８および半導体可飽和吸収体ミラー２０２の間に球面鏡２０７を設置する。

図３に、本発明の一実施形態にかかるＣｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバーを示す。Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１は、直径１２０μｍ、長さ４０ｍｍであり、両端面には、発振波長に対して無反射コートが付されている（例えば、非特許文献２参照）。単結晶材料の成長方位が［１００］から［０１０］へ１５°の方位であり、ファイバーの断面形状は円形ではなく丸みを帯びた四角形、すなわち断面形状の外周が４個の円弧により構成されている。

図２に示したように、ファイバーの側面に１μｍ厚のＳｉＯ_２膜クラッドを形成して、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１としている。ファイバーは、励起光に対しても、発振光に対しても導波路として機能する。導波する基本横モードのモード形状は、断面形状を反映して、四角形に近い形状をしている。従来のフェムト秒パルスレーザーのように、バルク結晶を増幅媒体とすると、温度変化によって光軸ずれが懸念されるが、本実施形態の単結晶ファイバーは、光軸ずれはわずかである。

本実施形態のレーザー発振器の増幅媒体として、［１００］から［０１０］へ１５°の方位へ成長させたＮｄ：ＹＡＧ単結晶ファイバー、Ｙｂ：ＹＡＧ単結晶ファイバー、Ｅｒ：ＹＡＧ単結晶ファイバー、Ｔｍ：ＹＡＧ単結晶ファイバーを用いることもできる。また、ｃ軸に垂直な方位に成長させたＴｉサファイア単結晶ファイバー、Ｃｒフォルステライト単結晶ファイバーなど、断面が四角形に類似した形状の単結晶ファイバーを適用することもできる。

これら単結晶ファイバーは、直径（図３のｄ）が１ｍｍ程度より大きい場合、通過しうる空間光が導波光に比べて平均モード半径が小さくなり、導波路として機能しない場合がある。従って、増幅媒体は、最大直径１ｍｍ以下の同一断面が長手方向に連続する棒状の単結晶ファイバーであることが望ましい。

また、上述した単結晶ファイバーは、成長条件によっては四角形に類似した形状を取らないことがある。本実施形態のＣｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバーを、通常のプロセスで製造すると、その断面形状は、数値的に表現すると、最大直径の５５％以上の曲率を持つ４個の円弧（図３のａ１〜ａ４）が、最大直径の５０％以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状となる。この断面形状の数値表現は、最大直径の５０％の曲率を持つ４個の円弧をつなぎ合わせれば円形であることを念頭に置けば、正四角形または長方形に近似した形状であることが容易に理解できる。少なくとも本実施形態で用いる単結晶ファイバーの断面形状は、外周が４個の円弧により構成され、上記の数値条件を満たす正四角形または長方形に近似した形状が望ましい。

図４に、本発明の一実施形態にかかる正方形格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す。正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１（増幅媒体）と出力鏡２０３との間の光路に配置され、長さは１ｍである。正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は、シングルセルと呼ばれるコア構造を有している（例えば、非特許文献３参照）。正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は、厚さ０．３μｍの薄い石英ガラス膜によって、断面形状が２次元正方格子であり、ファイバーの長手方向に同一構造が連続することによって導波路が形成されている。２次元正方格子の中心に正方形５個と、これに接する三角形４個分の格子が空孔を形成し、導波路のコアとして機能する。この空孔に導波光の強度が集中する。正方形格子の間隔は１７μｍであり、コアの最大直径は４６μｍである。正方形格子は、外径３００μｍ、内径約２４０μｍのガラスキャピラリーの内側に形成されており、全体の断面形状は、通常のガラスファイバーと同様の外部形状になる。

断面形状は、正方形のみならず、長方形、平行四辺形を含む四角形の単位格子により構成することが可能であるが、各辺の交差する角度が８０°から１００°までが望ましい。単位格子の融合によって形成される空孔の形状が、光の導波に適合したコア形状にならないためである。

図４に示したように、正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は、図３に示したＣｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の断面形状と相似のコアを有するので、正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４の導波光のニアフィールドパターンと、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の基本導波モードのニアフィールドパターンとは相似となる。従って、球面鏡２０６と分散補償ミラー２０５とによりモードサイズを変換することによって、両ファイバーを高効率に光結合することができる。レーザーの増幅媒体における熱レンズ効果により、出射光が球面鏡で反射した際の焦点位置が変動すると考えられる。本実施形態の正方形格子フォトニック結晶ファイバーでは、コア径が大きいため、焦点でのレイリー距離より位置ずれ量が充分小さく、光結合への影響は無視できる。

Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１から球面鏡２０６とは反対方向に出射した光は、４５°反射の平面鏡２０８を介して、球面鏡２０７により可飽和吸収体ミラー２０２に集光される。正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４の端面に出力鏡２０３を形成し、出力鏡２０３と可飽和吸収体ミラー２０２との間で共振器を構成する。上述したように、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１と正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４の結合効率を充分大きく設定できるので、レーザー発振器として実用に充分な低しきい値動作を実現することができる。

波長１．５３μｍにおいて、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の群遅延分散値は＋３００ｆｓ^２であるのに対し、正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４の群遅延分散値は−１２００ｆｓ^２であり（例えば、非特許文献３参照）、合わせるとモード同期発振に必要な負分散値になる。正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４の分散は、波長に対し比較的平坦であるから、共振器の３次分散を補償するように、分散補償ミラー２０５を設計することが容易にできる。これらを使用して、共振器全体でおおむね一定の負の群遅延分散値とする。

発振光は、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の結晶方位により偏光の向きが規定されるが、正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は複屈折が極めて小さく、ファイバー内で偏光が回転しないため、発振の阻害要因にならない。

正方形格子フォトニック結晶ファイバー２０４は、コアが空孔であるため、通常の石英ガラスコアファイバーに比べ非線形光学効果は極めて低い。長さ１ｍのファイバーを共振器内に使用しても、発振光パルスに変形を引き起こす非線形光学効果は、空間光学系と比較して大きな差はない。

なお、正方形格子フォトニック結晶ファイバーとして、シングルセルのみならず、複数の正方形格子を融合するのではなく単一の格子を変形してコアにするゼロセルなども利用可能である。フォトニック結晶ファイバーの格子を形成するガラス膜の厚さは、１μｍ以下が望ましい。ガラス膜が１μｍより厚い場合、膜内に導波モードが生じる可能性があるからである。

高出力の半導体レーザー２１０（波長０．９７μｍ、出力１７Ｗ）は、ビームが発散的であり、空間中では、長さ２０ｍｍよりも大幅に短い距離で、ファイバー径より大きく拡散する。しかし、本実施形態のように、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の端面に合わせて集光すると、ファイバー内ではクラッド構造により導波されるため、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の全長に渡って拡散せず、発振光との重なりが良好である。そのため、Ｙｂガラスファイバーレーザーに代えて、半導体レーザー２０９の励起光を効率的に利用できる。半導体レーザー２０９から出力された励起光は、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の端面のサイズに合わせて集光するため、レンズ２１０の焦点距離は比較的短く３６ｍｍである。しかし、平面鏡２０８により、発振光の光路を折り曲げてあるため、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー２０１の端面にレンズ２０９を近接することができる。

なお、本実施形態では、ファブリーペロー共振器を例に説明したが、リング共振器にも適用可能である。また、出力部品としての出力鏡を光カプラーとしたり、可飽和吸収体ミラーを透過型の可飽和吸収体とすることもでき、レーザー発振器の構成は、上記の実施形態に限られない。

本実施形態のレーザー発振器をフェムト秒パルスレーザーとして使用すると、中心波長１．５３μｍ、パルス幅７５ｆｓ、繰り返し周波数１３０ＭＨｚ、出力８０ｍＷでの発振が可能であり、従来例と同等以上の性能を発揮することができる。従来例の共振器が空間光路により形成されていたのに対して、本実施形態では、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーを用いるため、設置面積の縮小が可能になった。非特許文献３には、正方形格子フォトニック結晶ファイバーを、直径２０ｃｍで巻き取り可能であることが示されている。本実施形態のレーザー発振器の設置面積は、半導体レーザーを含めて２０ｃｍ×２０ｃｍ以下の大きさである。従来例では、Ｙｂガラスファイバーレーザーを除いて３０ｃｍ×３０ｃｍ以上を必要としたことから、大幅に縮小されたことがわかる。

１０１バルクロッド（Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶）
１０２，２０２可飽和吸収体ミラー
１０３，２０３出力鏡
１０４，１０５，１０６，２０５分散補償ミラー
１０７，１０８，２０６，２０７球面鏡
１０９Ｙｂガラスファイバーレーザー
１１０，２１０レンズ
２０１Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶ファイバー
２０４正方形格子フォトニック結晶ファイバー
２０８平面鏡
２０９半導体レーザー

Claims

増幅媒体および出力部品から構成される共振器を有するレーザー発振器において、
前記増幅媒体は、断面形状の外周が４個の円弧により構成される正四角形または長方形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、
前記増幅媒体に結合され、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有するフォトニック結晶ファイバーと
を備えたことを特徴とするレーザー発振器。
前記単結晶ファイバーは、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ単結晶、Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ単結晶、Ｅｒ：ＹＡＧ単結晶、Ｔｍ：ＹＡＧ単結晶、Ｔｉサファイア単結晶、またはＣｒフォルステライト単結晶のいずれかにより構成されることを特徴をとする請求項１に記載のレーザー発振器。
前記単結晶ファイバーは、最大直径１ｍｍ以下の同一断面が長手方向に連続する棒状であり、最大直径の５５％以上の曲率を持つ４個の円弧が、最大直径の５０％以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザー発振器。
前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ１μｍ以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、断面形状が四角形の単位格子により構成され、前記導波路のコアとして機能する空孔が形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載のレーザー発振器。
前記フォトニック結晶ファイバーは、前記四角形の単位格子の各辺の交差する角度が８０°から１００°までであり、前記空孔は、正方形５個と、これに接する三角形４個分の格子が空孔を形成することを特徴とする請求項４に記載のレーザー発振器。
半導体レーザー、可飽和吸収体ミラーおよび分散補償ミラーをさらに備え、前記共振器の全体の群遅延分散値が負値になるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザー発振器。