JP2022139361A - Mode synchronous laser - Google Patents

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Yun Set Sze
鴻博 江
Hongbo Jiang
真司 山下
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Abstract

To provide a mode synchronous laser capable of generating high power optical pulses using a durable element that replaces a damage threshold limited saturable absorber.SOLUTION: A mode synchronous laser 100 includes a polarization-maintaining resonator 10, an optical amplifier 20 arranged in the resonator 10, and a transmission adjustment portion 30 that is arranged in the resonator 10 and provided with a saturable absorption characteristic by having a second optical fiber 31 which is a polarization-maintaining adjustment waveguide having bending loss.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光ファイバを共振器とするモード同期レーザに関し、特に高強度の短パルスを発生するモード同期レーザに関する。 The present invention relates to a mode-locked laser using an optical fiber as a resonator, and more particularly to a mode-locked laser that generates high-intensity short pulses.

モード同期レーザは、計測や医療等の分野で幅広く用いられている。一般的に、モード同期レーザでは、可飽和吸収体を用いて超短パルス列を生成することが知られている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。可飽和吸収体は、照射する光強度が強いほど吸収が飽和し、透過率が増加する特性を持つ。このため、ファイバ増幅器から放出される雑音成分の中からピークの強い成分が生き残り、発振する光パルスの種となる。可飽和吸収体としては、一般的にカーボン材料であるカーボンナノチューブ(CNT:carbon nanotube)等を用いる。しかしながら、CNT等は比較的低いダメージ閾値による制限があるため、極めて高い光出力が望めない。 Mode-locked lasers are widely used in fields such as measurement and medicine. In general, mode-locked lasers are known to generate ultrashort pulse trains using a saturable absorber (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example). A saturable absorber has a characteristic that the higher the intensity of the irradiated light, the more saturated the absorption and the higher the transmittance. Therefore, among the noise components emitted from the fiber amplifier, those components with strong peaks survive and become the seeds of oscillating optical pulses. As the saturable absorber, a carbon nanotube (CNT: carbon nanotube) or the like, which is a carbon material, is generally used. However, CNTs and the like are limited by relatively low damage thresholds, so extremely high light output cannot be expected.

ファイバレーザにおける偏波保持は、高い環境安定性を必要とする実際のアプリケーションで重要である。材料ベースの偏波保持レーザは、光損傷に関する長期安定性及び耐久性に問題がある。これらの問題を解決するには、カー効果ベース(以下、カーベースとも呼ぶ)の手法を使用することができるが、カーベースのファイバレーザはほとんどが非偏波保持タイプである。カーベースのファイバレーザとして、以前、干渉型のPM-F8(例えば、非特許文献2参照)、干渉型のPM-F9(例えば、非特許文献3参照)、非線形偏光回転を用いたPM-NPR(例えば、非特許文献4参照)等が提案されている。しかしながら、PM-F8は、セルフスタートが容易でなく、PM-F9は、PM-F8の問題を解決するが複雑なファラデー偏光制御コンポーネントを必要とし、PM-NPRは、一対の偏光子の間に非線形偏光回転を生じさせるファイバーセクションを含み、温度や機械的変動といった環境に対する不安定性を有する。 Polarization maintaining in fiber lasers is important for practical applications that require high environmental stability. Material-based polarization-maintaining lasers suffer from long-term stability and durability with respect to optical damage. A Kerr effect-based (hereinafter also referred to as Kerr-based) approach can be used to solve these problems, but most Kerr-based fiber lasers are non-polarization-maintaining. As Kerr-based fiber lasers, interference type PM-F8 (for example, see Non-Patent Document 2), interference type PM-F9 (for example, see Non-Patent Document 3), PM-NPR using nonlinear polarization rotation (See, for example, Non-Patent Document 4). However, PM-F8 is not easy to self-start, PM-F9 solves the problem of PM-F8 but requires a complex Faraday polarization control component, and PM-NPR has a polarizer between a pair of polarizers. It contains a fiber section that produces nonlinear polarization rotation and has environmental instability such as temperature and mechanical fluctuations.

なお、可飽和吸収体に代えて、シングルモード光ファイバ(SMF:single mode optical fiber)を曲げるとともに出口に偏光子を配置することで生じる偏波依存性損失(PDL:Polarization Dependent Loss)を利用したモード同期レーザがある(例えば、非特許文献5及び6参照)。 Instead of using a saturable absorber, we used polarization dependent loss (PDL) caused by bending a single mode optical fiber (SMF) and placing a polarizer at the exit. There are mode-locked lasers (see, for example, Non-Patent Documents 5 and 6).

特開2015-118348号公報JP 2015-118348 A

U. Keller, "Recent developments in compact ultrafast lasers." Nature 424, 831-838 (2003).U. Keller, "Recent developments in compact ultrafast lasers." Nature 424, 831-838 (2003). J. W. Nicholson, et al. "A polarization maintaining, dispersion managed, femtosecond figure-eight fiber laser," Opt. Express 14, 8160-8167 (2006)J. W. Nicholson, et al. "A polarization maintaining, dispersion managed, femtosecond figure-eight fiber laser," Opt. Express 14, 8160-8167 (2006) N. Kuse, et al. "All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror." Opt. Express 24, 3095-3102 (2016)N. Kuse, et al. "All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror." Opt. Express 24, 3095-3102 (2016) J. Szczepanek, et al. "Nonlinear polarization evolution of ultrashort pulses in polarization maintaining fibers." Opt. Express 26, 13590-13604 (2018)J. Szczepanek, et al. "Nonlinear polarization evolution of ultrashort pulses in polarization maintaining fibers." Opt. Express 26, 13590-13604 (2018) Q. Wang, et al. "Polarization dependence of bend loss for a standard singlemode fiber." Optics express 15.8 (2007): 4909-4920.Q. Wang, et al. "Polarization dependence of bend loss for a standard singlemode fiber." Optics express 15.8 (2007): 4909-4920. H. Jiang, et al. "Laser mode locking using a single-mode-fiber coil with enhanced polarization-dependent loss." Optics Letters 45.10 (2020): 2866-2869.H. Jiang, et al. "Laser mode locking using a single-mode-fiber coil with enhanced polarization-dependent loss." Optics Letters 45.10 (2020): 2866-2869.

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、ダメージ閾値による制限を有する可飽和吸収体に代替する耐久性が高い要素を用いて、高出力な光パルスを生成できるモード同期レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background art, and provides a mode-locked laser that can generate high-power optical pulses by using a highly durable element that replaces the saturable absorber limited by the damage threshold. intended to provide

上記目的を達成するため、本発明に係るモード同期レーザは、偏波保持型の共振部と、共振部中に配置される光増幅部と、共振部中に配置され、曲げ損失を有する偏波保持型の調整用導波路を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部とを備える。 To achieve the above object, a mode-locked laser according to the present invention comprises a polarization-maintaining resonator, an optical amplifier disposed in the resonator, and a polarized wave having bending loss disposed in the resonator. and a transmission adjustment section having a saturable absorption characteristic by having a holding type adjustment waveguide.

上記モード同期レーザでは、透過調整部において、調整用導波路の曲げ損失によって本来よりも透過率が低下するが、光強度が高くなると非線形光学効果によって透過率が上昇する。つまり、透過調整部は、光強度が低いと曲げの影響で調整用導波路の光の閉じ込め(導波)効果が低く、光は外部に漏れるが、光強度が高くなると非線形光学効果により光の閉じ込め効果が増大して、光の漏れが抑制される。このように、調整用導波路のみで過飽和吸収特性を実現するため、CNTのような可飽和吸収体を用いないで超短パルスを生成できる。したがって、CNT等の可飽和吸収体の長期耐久性やダメージ閾値のような制限をなくすことができ、高出力な光パルスを長期間に亘って生成できる。上記透過調整部を備えるモード同期レーザは、安定性が高く、かつ寿命が長い短パルスレーザを実現するものであり、さまざまな応用に役立つ。例えば、深部組織イメージング(TPM、CARS、SRS、OCT等)やレーザ微細加工のための光源として利用することができる。このようなモード同期レーザは、高い耐久性、低価格、小型等を達成することができる。 In the above-described mode-locked laser, the transmittance decreases due to the bending loss of the adjustment waveguide in the transmission adjustment section, but the transmittance increases due to the nonlinear optical effect as the light intensity increases. In other words, when the light intensity is low, the light confinement (guiding) effect of the waveguide for adjustment is low due to the influence of bending, and the light leaks to the outside. The confinement effect is increased and light leakage is suppressed. In this way, since the saturable absorption characteristic is realized only by the adjustment waveguide, ultrashort pulses can be generated without using a saturable absorber such as CNT. Therefore, limitations such as long-term durability and damage threshold of saturable absorbers such as CNTs can be eliminated, and high-power optical pulses can be generated over a long period of time. A mode-locked laser having the above-described transmission adjustment section realizes a short-pulse laser with high stability and long life, and is useful for various applications. For example, it can be used as a light source for deep tissue imaging (TPM, CARS, SRS, OCT, etc.) and laser micromachining. Such mode-locked lasers can achieve high durability, low cost, small size, and the like.

本発明の具体的な側面では、上記モード同期レーザにおいて、共振部は、偏波保持型の第1光ファイバを含み、調整用導波路は、強制的に曲げた偏波保持型の第2光ファイバである。共振部を第1光ファイバで構成し、調整用導波路を第2光ファイバで構成することにより、小型及び軽量化を図ることができる。 In a specific aspect of the present invention, in the above-described mode-locked laser, the resonator includes a polarization-maintaining first optical fiber, and the adjustment waveguide includes a forcibly bent polarization-maintaining second optical fiber. Fiber. The size and weight of the device can be reduced by forming the resonator from the first optical fiber and forming the adjustment waveguide from the second optical fiber.

本発明の別の側面では、上記モード同期レーザにおいて、透過調整部は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定未満の第2曲げ損失を示す。この場合、透過調整部において、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、第1曲げ損失が相対的に大きくなり、積極的に漏れ光を生じさせることができる。 According to another aspect of the present invention, in the above-described mode-locked laser, the transmission adjustment section exhibits a first bending loss greater than or equal to a predetermined value when light having a relatively low first intensity passes through, and has a relatively high first bending loss. When two intensities of light pass through, it exhibits a second bending loss that is less than a predetermined. In this case, in the transmission adjustment section, when light having a relatively low first intensity passes through, the first bending loss becomes relatively large, and light leakage can be positively caused.

本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、非線形光学効果を有し、第2強度の光が通過する場合に、第1強度の光が通過する場合よりも屈折率が増加する。この場合、非線形光学効果により、強い光強度の場合、ファイバコア内の屈折率が増加し、導波能力が向上し、曲げ損失が低減する。 In yet another aspect of the invention, the second optical fiber has a non-linear optical effect such that when light of the second intensity passes through it, the refractive index increases relative to when light of the first intensity passes therethrough. In this case, due to nonlinear optical effects, the refractive index in the fiber core increases for high light intensities, improving the guiding ability and reducing bending losses.

本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、PANDAファイバであり、PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方に曲げて巻きつけられる。この場合、曲げ半径とループ回数とで曲げ損失を制御できる。 In yet another aspect of the invention, the second optical fiber is a PANDA fiber and is wound in one of the slow axis direction and the fast axis direction of the PANDA fiber. In this case, bending loss can be controlled by the bending radius and the number of loops.

本発明のさらに別の側面では、強制的に曲げた第2光ファイバの輪の曲率半径は、一定である。 In yet another aspect of the invention, the radius of curvature of the loop of the second forcedly bent optical fiber is constant.

本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、PANDAファイバであり、PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方の偏波を用いる。 In still another aspect of the present invention, the second optical fiber is a PANDA fiber, and uses polarized waves in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber.

本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、遅軸方向の偏波を用いる。 In still another aspect of the present invention, the second optical fiber uses slow-axis polarized waves.

本発明のさらに別の側面では、第1光ファイバは、PANDAファイバである。この場合、簡易及び確実に偏波を維持できる。 In yet another aspect of the invention, the first optical fiber is a PANDA fiber. In this case, polarization can be maintained easily and reliably.

本発明のさらに別の側面では、第1又は第2光ファイバの正規化周波数パラメータであるV値に関して、以下の条件式を満たす。
V1<V2
ただし、値V1は第1光ファイバのV値であり、値V2は第2光ファイバのV値である。
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ
ただし、値dは着目ファイバのコア径であり、値NAは着目ファイバのコアの開口数であり、値λは着目ファイバに用いる周波数である。着目ファイバとは、第1又は第2光ファイバを意味する。
In still another aspect of the present invention, the following conditional expression is satisfied with respect to the V value, which is the normalized frequency parameter of the first or second optical fiber.
V1 < V2
However, the value V1 is the V value of the first optical fiber, and the value V2 is the V value of the second optical fiber.
Note that the V value is defined by the following formula.
V=πdNA/λ
where the value d is the core diameter of the fiber of interest, the value NA is the numerical aperture of the core of the fiber of interest, and the value λ is the frequency used for the fiber of interest. Fiber of interest means either the first or the second optical fiber.

本発明のさらに別の側面では、共振部は、第1光ファイバによってリング状に形成される。この場合、例えば反射体が不要になり、メンテナンスが略不要となる。 In still another aspect of the present invention, the resonator is formed in a ring shape by the first optical fiber. In this case, for example, a reflector becomes unnecessary, and maintenance becomes almost unnecessary.

第1実施形態のモード同期レーザを説明する概念図である。1 is a conceptual diagram illustrating a mode-locked laser according to a first embodiment; FIG. 図1のモード同期レーザに用いられる偏波保持ファイバを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a polarization-maintaining fiber used in the mode-locked laser of FIG. 1; (A)及び(B)は、偏波保持ファイバの曲げ方向について説明する図であり、(C)及び(D)は、偏波保持ファイバで用いる偏波の方向について説明する図である。(A) and (B) are diagrams for explaining bending directions of polarization-maintaining fibers, and (C) and (D) are diagrams for explaining directions of polarization used in polarization-maintaining fibers. (A)及び(B)は、光ファイバの曲げ損失に関して、有限要素法に基づく解析結果を示す図である。(A) and (B) are diagrams showing analysis results based on the finite element method with respect to bending loss of an optical fiber. 図4で解析した偏波保持型の光ファイバの典型断面図である。FIG. 5 is a typical cross-sectional view of the polarization-maintaining optical fiber analyzed in FIG. 4; 図1のモード同期レーザに組み込まれる透過調整部の構造を説明する概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the structure of a transmission adjustment unit incorporated in the mode-locked laser of FIG. 1; (A)は、透過調整部の第2光ファイバを曲げた場合のコア周辺の屈折率及び光強度分布等を説明する図であり、(B)は、強制的に曲げた第2光ファイバにおける非線形光学効果の影響等を説明する図である(A) is a diagram for explaining the refractive index, light intensity distribution, etc. around the core when the second optical fiber of the transmission adjustment unit is bent; It is a figure explaining the influence of a nonlinear optical effect, etc. (A)は、第2光ファイバを曲げた場合の光強度と透過率との関係について説明する概念図であり、(B)は、第2光ファイバを曲げた場合の光強度と曲げ損失との関係について説明する概念図である。(A) is a conceptual diagram illustrating the relationship between light intensity and transmittance when the second optical fiber is bent, and (B) is a light intensity and bending loss when the second optical fiber is bent. is a conceptual diagram for explaining the relationship between. カー効果に関して、有限要素法に基づく解析結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing analysis results based on the finite element method with respect to the Kerr effect; 透過調整部を設けた場合の強度スキャンの結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of an intensity scan when a transmission adjuster is provided; 第2実施形態のモード同期レーザを説明する図である。It is a figure explaining the mode locking laser of 2nd Embodiment. 第3実施形態のモード同期レーザを説明する図である。It is a figure explaining the mode locking laser of 3rd Embodiment.

〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照して、本発明に係る第1実施形態のモード同期レーザについて説明する。
[First Embodiment]
A mode-locked laser according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

図1に示す第1実施形態のモード同期レーザ100は、受動モード同期レーザであり、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、アイソレータ40と、出力カプラ50とを備える。モード同期レーザ100は、共振部10に、光増幅部20と、透過調整部30と、アイソレータ40と、出力カプラ50とを備え、これらを融着等によって接合したものである。図示のモード同期レーザ100は、一方向動作のリング型ファイバレーザの例である。モード同期レーザ100は、全ファイバ偏波保持型モード同期レーザである。 A mode-locked laser 100 of the first embodiment shown in FIG. 1 is a passive mode-locked laser, and includes a resonator section 10, an optical amplifier section 20, a transmission adjustment section 30, an isolator 40, and an output coupler 50. The mode-locked laser 100 includes a resonator section 10, an optical amplifier section 20, a transmission adjustment section 30, an isolator 40, and an output coupler 50, which are joined by fusion or the like. The illustrated mode-locked laser 100 is an example of a ring-type fiber laser with unidirectional operation. Mode-locked laser 100 is an all-fiber polarization-maintaining mode-locked laser.

モード同期レーザ100のうち、共振部10は、第1光ファイバ11によってリング状に形成される。共振部10を第1光ファイバ11で形成することにより、小型化及び軽量化を図ることができる。また、共振部10をリング状に形成することにより、例えば反射体が不要になり、メンテナンスが略不要となる。第1光ファイバ11は、偏波保持型の光ファイバ(PMF:Polarization Maintaining Fiber)である。 The resonator 10 of the mode-locked laser 100 is formed in a ring shape by the first optical fiber 11 . Forming the resonance section 10 with the first optical fiber 11 enables reduction in size and weight. Further, by forming the resonance part 10 in a ring shape, for example, a reflector is not required, and maintenance becomes almost unnecessary. The first optical fiber 11 is a polarization maintaining optical fiber (PMF: Polarization Maintaining Fiber).

偏波保持型の光ファイバ(PMF)は、光弾性効果や構造変化を利用してコアの縦横で実効屈折率が異なる複屈折率性を生じさせ、伝搬する光の偏波面保持特性を高めた光ファイバである。偏波保持型ファイバでは、光ファイバの断面の縦横で明確な屈折率差を持たせ、縦と横とで偏波が干渉しないようにしている。偏波保持型ファイバには、光弾性効果を使って複屈折率性を持たせた応力付与型と、コアの縦横で実効屈折率を変化させた構造型とがある。応力付与型は、クラッド断面の一方向にクラッド材と比べて熱収縮率が非常に大きい応力付与材料(SAP:Stress Applying Parts)を、コアを挟むように入れたものである。偏波保持型ファイバは、一般的には応力付与型が多く使われており、例えば、応力付与材を丸型にしたPANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)型や、蝶ネクタイ型にしたボウタイ(Bow-tie)型、楕円型にした楕円ジャケットファイバ、偏波保持フォトニックス結晶ファイバがある。本実施形態では、図2に示す偏波保持型ファイバをPANDA型とした場合について説明する。PANDA型の偏波保持型ファイバであるPANDAファイバを用いることにより、簡易及び確実に偏波を維持できる。 Polarization-maintaining optical fiber (PMF) uses the photoelastic effect and structural changes to create birefringence with different effective refractive indices in the vertical and horizontal directions of the core, thereby enhancing the property of maintaining the polarization plane of propagating light. Optical fiber. A polarization-maintaining fiber has a clear refractive index difference between the vertical and horizontal cross-sections of the optical fiber so that polarization does not interfere between the vertical and horizontal directions. There are two types of polarization-maintaining fibers: the stress-imparted type, in which birefringence is imparted using the photoelastic effect, and the structural type, in which the effective refractive index is changed vertically and horizontally in the core. In the stress-applying type, a stress-applying material (SAP: Stress Applying Parts) having a thermal contraction rate much larger than that of the clad material is inserted in one direction of the clad cross section so as to sandwich the core. Polarization-maintaining fibers are generally of the stress-imparting type. (Bow-tie) type, elliptical elliptical jacket fiber, and polarization-maintaining photonic crystal fiber. In this embodiment, a case where the polarization-maintaining fiber shown in FIG. 2 is a PANDA type will be described. By using a PANDA fiber, which is a PANDA-type polarization-maintaining fiber, polarized waves can be easily and reliably maintained.

図2に示すように、PANDAファイバPFは、コア1と、クラッド2と、応力付与部3と、被覆部4とを有する。PANDAファイバPFは、ファイバの中心部にコア1が配置され、コア1の周囲にクラッド2が配置され、コア1の両側に円形の応力付与部3が2つ配置された構造になっている。被覆部4は、クラッド2の周囲を覆っており、ファイバの内部を保護している。コア1の屈折率は、クラッド2の屈折率よりも高くなっている。応力付与部3は、線膨張率を大きくするために例えばBがドープされた石英ガラスロッドで形成されている。応力付与部3は、純粋石英ガラスのクラッド部に比べ大きな線膨張率を有し、応力付与部3に引っ張りひずみが生じることにより、図中のX軸に沿ってコアに応力が印加されている。なお、図2のX軸はPANDAファイバPFの遅軸を示し、Y軸はPANDAファイバPFの速軸を示す。 As shown in FIG. 2, the PANDA fiber PF has a core 1, a clad 2, a stress-applying portion 3, and a covering portion 4. As shown in FIG. The PANDA fiber PF has a structure in which a core 1 is arranged at the center of the fiber, a clad 2 is arranged around the core 1, and two circular stress-applying parts 3 are arranged on both sides of the core 1. A covering portion 4 covers the cladding 2 and protects the inside of the fiber. The refractive index of core 1 is higher than that of clad 2 . The stress-applying portion 3 is formed of a silica glass rod doped with, for example, B 2 O 3 in order to increase the coefficient of linear expansion. The stress-applying portion 3 has a higher coefficient of linear expansion than the clad portion of pure silica glass, and stress is applied to the core along the X-axis in the drawing due to tensile strain occurring in the stress-applying portion 3. . Note that the X-axis of FIG. 2 indicates the slow axis of the PANDA fiber PF, and the Y-axis indicates the fast axis of the PANDA fiber PF.

光増幅部20は、ゲインファイバ21と、励起部22とを有する。光増幅部20は、共振部10中に配置される。光増幅部20は、例えば半導体光増幅器、ファイバラマン増幅器等の他の増幅媒質を用いた光増幅素子に置き換えることができる。 The optical amplification section 20 has a gain fiber 21 and an excitation section 22 . The optical amplifier 20 is arranged in the resonator 10 . The optical amplifying section 20 can be replaced with an optical amplifying element using another amplifying medium such as a semiconductor optical amplifier, a fiber Raman amplifier, or the like.

ゲインファイバ21は、増幅機能を備えるようにドープされた偏波保持型の光ファイバである。具体的には、ゲインファイバ21は、エルビウム(Er)等の希土類元素を添加したドープファイバであり、共振部10を周回する光を増幅する。ゲインファイバ21は、第1光ファイバ11にインラインで接続される。 The gain fiber 21 is a polarization-maintaining optical fiber doped to provide amplification. Specifically, the gain fiber 21 is a doped fiber doped with a rare earth element such as erbium (Er), and amplifies light circulating in the resonator 10 . A gain fiber 21 is connected in-line to the first optical fiber 11 .

励起部22は、励起光源22aと合波カプラ22bとを有する。励起部22は、ゲインファイバ21に励起光PLを供給する。励起光源22aは、例えば半導体レーザで構成され、例えば波長980nmの励起光を出力する。合波カプラ22bは、第1光ファイバ11を例えば波長1550nmの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。励起部22を介して共振部10に導入された励起光は、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。 The excitation unit 22 has an excitation light source 22a and a multiplexing coupler 22b. The pumping unit 22 supplies pumping light PL to the gain fiber 21 . The excitation light source 22a is composed of, for example, a semiconductor laser, and outputs excitation light with a wavelength of 980 nm, for example. The multiplexing coupler 22b does not prevent the light with a wavelength of 1550 nm from propagating and circulating in the first optical fiber 11, for example. The pumping light introduced into the resonator 10 via the pumping unit 22 excites the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21 to enable stimulated emission at the wavelength of the resonant light for output.

透過調整部30は、共振部10中に配置され、曲げ損失を有する調整用導波路AWを有することで可飽和吸収特性を持たせたものである。具体的には、調整用導波路AWは、第2光ファイバ31を強制的に曲げることによって可飽和吸収特性を持たせた偏波保持型の光ファイバである。調整用導波路AWを第2光ファイバ31で形成することにより、小型化及び軽量化を図ることができる。 The transmission adjustment section 30 is arranged in the resonance section 10 and has a saturable absorption characteristic by having an adjustment waveguide AW having a bending loss. Specifically, the adjustment waveguide AW is a polarization-maintaining optical fiber that has a saturable absorption characteristic by forcibly bending the second optical fiber 31 . By forming the adjustment waveguide AW from the second optical fiber 31, reduction in size and weight can be achieved.

第2光ファイバ31は、例えばPANDAファイバPFである。第2光ファイバ31は、PANDAファイバPFの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方に曲げて巻きつけられる。これにより、曲げ半径とループ回数とで曲げ損失を制御できる。図3(A)は、第2光ファイバ31を遅軸方向(X軸方向)に曲げた場合を示し、図3(B)は、第2光ファイバ31を速軸方向(Y軸方向)に曲げた場合を示す。また、第2光ファイバ31は、PANDAファイバPFの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方の偏波を用いる。特に、第2光ファイバ31が遅軸方向の偏波を用いる態様とする。図3(C)は、第2光ファイバ31を遅軸方向(X軸方向)の偏波Pを用いた場合を示し、図3(D)は、第2光ファイバ31を速軸方向(Y軸方向)の偏波Pを用いた場合を示す。透過調整部30は、図3(A)及び3(B)に示す2つの曲げパターンのいずれかと、図3(C)及び3(B)に示す2つの偏波パターンのいずれかとを組み合わせた4通りのパターンで第2光ファイバ31を用いている。 The second optical fiber 31 is, for example, a PANDA fiber PF. The second optical fiber 31 is bent and wound in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber PF. Thereby, the bending loss can be controlled by the bending radius and the number of loops. 3A shows the case where the second optical fiber 31 is bent in the slow axis direction (X-axis direction), and FIG. 3B shows the case where the second optical fiber 31 is bent in the fast axis direction (Y-axis direction). Shown when bent. The second optical fiber 31 uses polarized waves in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber PF. In particular, it is assumed that the second optical fiber 31 uses polarized waves in the slow axis direction. FIG. 3C shows a case where the second optical fiber 31 is polarized in the slow axis direction (X-axis direction), and FIG. A case where a polarized wave P in the axial direction) is used is shown. The transmission adjuster 30 is a 4-wave pattern combining either one of the two bending patterns shown in FIGS. 3A and 3B and one of the two polarization patterns shown in FIGS. 3C and 3B. The second optical fibers 31 are used in the same pattern.

図4(A)及び4(B)は、光ファイバの曲げ損失に関して、有限要素法(FEM:Finite Element Method)に基づき、COMSOL Multiphysics(登録商標:COMSOL社)を用いて計算された結果を示す。図4(A)及び4(B)は、偏波保持型の光ファイバ内のモード分布を示す。図4(A)は、光ファイバを図3(A)のように遅軸方向(X軸方向)に曲げた場合を示し、図4(B)は、光ファイバを図3(B)のように速軸方向(Y軸方向)に曲げた場合を示す。図5は、COMSOL Multiphysicsに描画する偏波保持型の光ファイバの典型断面図である。図5において、領域A1は、曲げ損失を計算するための整合層であり、領域A2~A5は、図2に示すPANDAファイバPFのコア1、クラッド2、応力付与部3、被覆部4にそれぞれ対応する。図4(A)及び4(B)に示すように、光ファイバを曲げるとモードが曲げ方向に広がり、矢印LE方向に光が漏れ出していることがわかる。 FIGS. 4(A) and 4(B) show results of bending loss of an optical fiber calculated using COMSOL Multiphysics (registered trademark: COMSOL) based on the finite element method (FEM). . 4(A) and 4(B) show the mode distribution in a polarization-maintaining optical fiber. FIG. 4A shows the case where the optical fiber is bent in the slow axis direction (X-axis direction) as shown in FIG. 3A, and FIG. shows the case of bending in the fast axis direction (Y-axis direction). FIG. 5 is a typical cross-sectional view of a polarization-maintaining optical fiber drawn in COMSOL Multiphysics. In FIG. 5, area A1 is a matching layer for calculating bending loss, and areas A2 to A5 are the core 1, cladding 2, stress-applied portion 3, and covering portion 4 of the PANDA fiber PF shown in FIG. handle. As shown in FIGS. 4A and 4B, when the optical fiber is bent, the mode spreads in the bending direction, and light leaks out in the direction of arrow LE.

図6に示すように、透過調整部30は、例えば、金属製の筒状の軸部材90に形成した溝91に沿って第2光ファイバ31を巻きつけたものである。強制的に曲げた第2光ファイバ31の輪の曲率半径は、一定であることが好ましい。なお、第2光ファイバ31を曲げてコイル状にする方法は、適宜変更することができる。軸部材90の内部に巻きつける構成でもよいし、軸部材90を用いない構成でもよい。第2光ファイバ31の曲率半径は、例えば5mm~20mmである。また、第2光ファイバ31の巻き数は、例えば1~10回である。 As shown in FIG. 6, the transmission adjuster 30 is formed by winding a second optical fiber 31 along a groove 91 formed in a cylindrical shaft member 90 made of metal, for example. The radius of curvature of the loop of the second optical fiber 31 that is forcibly bent is preferably constant. The method of bending the second optical fiber 31 to form a coil can be changed as appropriate. A configuration in which it is wound inside the shaft member 90 may be used, or a configuration in which the shaft member 90 is not used may be used. The radius of curvature of the second optical fiber 31 is, for example, 5 mm to 20 mm. Also, the number of turns of the second optical fiber 31 is, for example, 1 to 10 turns.

以下、透過調整部30が有する可飽和吸収特性について説明する。第2光ファイバ31は、強制的に曲げることにより、内部の屈折率構造が変化し、光漏れが生じやすくなる。透過調整部30において、非線形光学効果により光強度に依存した屈折率変化が生じ、伝搬する光の強度が高いとき、非線形屈折率の上昇により伝搬軌道は光ファイバのコアの中心に寄る。一方、伝搬する光の強度が低いとき、非線形屈折率の低下により伝搬軌道は光ファイバのコアの外に寄る。見方を変えれば、ファイバに大きな曲率が生じ、コアとクラッドとの境界に入射する角度が臨界角より小さくなるため、光が全反射せず、一部の光がクラッドに放射される曲げ損失が生じ、伝搬する光の強度が高いとき、非線形光学効果によってコアの屈折率が高まってクラッドへの漏れ出しが抑制される。結果的に、比較的低い強度の通常の光が入射する場合、透過調整部30では、光ファイバの閉じ込め効果が低下し、光は外部に漏れ、曲げ損失が増加する。一方、高い強度の光が入射する場合、透過調整部30では、非線形光学効果によって光ファイバの閉じ込め効果が相対的に高まり、光の漏れが抑制され、曲げ損失が低下する。換言すると、非線形曲げ損失や光強度依存曲げ損失といった現象が生じる。つまり、透過調整部30は、光強度の増加に伴って透過率が増加し、可飽和吸収体のように機能する。 The saturable absorption characteristics of the transmission adjuster 30 will be described below. By forcibly bending the second optical fiber 31, the internal refractive index structure changes, and light leakage is likely to occur. In the transmission adjuster 30, a nonlinear optical effect causes a refractive index change depending on the light intensity. When the intensity of propagating light is high, the nonlinear refractive index rises and the propagation trajectory moves closer to the center of the optical fiber core. On the other hand, when the intensity of propagating light is low, the propagation trajectory moves outside the core of the optical fiber due to the decrease in the nonlinear refractive index. From a different point of view, the fiber has a large curvature and the angle of incidence on the boundary between the core and the clad becomes smaller than the critical angle. When the intensity of the generated and propagating light is high, the nonlinear optical effect increases the refractive index of the core and suppresses leakage to the cladding. As a result, when ordinary light of relatively low intensity is incident, the optical fiber confinement effect is reduced in the transmission adjustment section 30, the light leaks to the outside, and the bending loss increases. On the other hand, when high-intensity light is incident, in the transmission adjusting section 30, the confinement effect of the optical fiber is relatively increased due to the nonlinear optical effect, light leakage is suppressed, and bending loss is reduced. In other words, phenomena such as nonlinear bending loss and light intensity dependent bending loss occur. That is, the transmission adjuster 30 increases in transmittance as the light intensity increases, and functions like a saturable absorber.

図7(A)は、第2光ファイバ31を曲げた場合のコア周辺の屈折率及び光強度分布等を説明する図である。図7(A)において、実線J1は第2光ファイバ31を曲げたときの屈折率nを示し、破線J2は第2光ファイバ31を曲げないときの屈折率nを示す。また、実線K1は第2光ファイバ31を曲げたときの光強度分布を示し、破線K2は第2光ファイバ31を曲げないときの光強度分布を示す。第2光ファイバ31を強制的に曲げると、図7(A)に示すように、曲げの影響で第2光ファイバ31内の屈折率が屈折率nから屈折率nに変化し、光強度分布がコアの外側に向かって若干シフトする。強制的に曲げた状態の第2光ファイバ31では、光強度が高い場合、曲げに起因する透過率への影響は少ないが、光強度が低い場合、曲げに起因する透過率への影響を受けやすくなり、曲げ損失が発生する。 FIG. 7A is a diagram for explaining the refractive index, light intensity distribution, etc. around the core when the second optical fiber 31 is bent. In FIG . 7A, the solid line J1 indicates the refractive index nb when the second optical fiber 31 is bent, and the dashed line J2 indicates the refractive index ns when the second optical fiber 31 is not bent. A solid line K1 indicates the light intensity distribution when the second optical fiber 31 is bent, and a dashed line K2 indicates the light intensity distribution when the second optical fiber 31 is not bent. When the second optical fiber 31 is forcibly bent, the refractive index in the second optical fiber 31 changes from the refractive index ns to the refractive index nb due to the bending, as shown in FIG . The intensity distribution shifts slightly towards the outside of the core. In the second optical fiber 31 that is forcibly bent, when the light intensity is high, the transmittance is less affected by bending, but when the light intensity is low, the transmittance is affected by the bending. bending loss occurs.

第2光ファイバ31は、非線形光学効果を有し、高い強度の光(相対的に強い第2強度の光)が通過する場合に、低い強度の光(相対的に弱い第1強度の光)が通過する場合よりも屈折率が増加する。この非線形光学効果により、強い光強度の場合、ファイバコア内の屈折率が増加し、導波能力が向上し、曲げ損失が低減する。非線形光学効果とは、高強度の光が物質に入射した際に誘起される非線形分極がもたらす光学効果である。非線形光学効果としては、屈折率変化が生じる現象がある。屈折率変化に関わる非線形光学効果としては、例えば、カー効果、ポッケルス効果等が挙げられる。本実施形態では、3次非線形過程であるカー効果による光強度に依存する屈折率変化n=n+nIを利用する。ここで、nは線形屈折率であり、nは2次の非線形屈折率であり、Iは光強度である。換言すれば、強い光電界(E)が媒質中を伝搬する際に、カー効果により光強度に依存した屈折率変化n=n+n<E>が生じる。なお、非線形光学効果は、カー効果に限らず、屈折率変化が生じる非線形光学効果であれば適宜適用することができる。 The second optical fiber 31 has a nonlinear optical effect, and when high intensity light (relatively strong second intensity light) passes through, low intensity light (relatively weak first intensity light) The refractive index increases more than when . Due to this nonlinear optical effect, the refractive index in the fiber core increases for high light intensities, improving the guiding ability and reducing bending losses. A nonlinear optical effect is an optical effect caused by nonlinear polarization induced when high-intensity light is incident on a substance. As a nonlinear optical effect, there is a phenomenon in which a refractive index change occurs. Examples of nonlinear optical effects related to refractive index change include the Kerr effect and the Pockels effect. In this embodiment, a refractive index change n=n 0 +n 2 I that depends on light intensity due to the Kerr effect, which is a third-order nonlinear process, is used. where n0 is the linear refractive index, n2 is the second -order nonlinear refractive index, and I is the light intensity. In other words, when a strong optical electric field (E) propagates through a medium, the Kerr effect causes a refractive index change n=n 0 +n 2 <E 2 > that depends on the light intensity. The nonlinear optical effect is not limited to the Kerr effect, and any nonlinear optical effect that causes a refractive index change can be applied as appropriate.

石英ガラスのカー効果の応答速度は10fs以下であるので、本発明で提案している手法は同じような応答速度を持つ。従来の可飽和吸収体の応答速度に関して、CNTの場合は約500fs、グラフェンの場合は約300fsであり、従来の可飽和吸収体の応答速度と比べ、第2光ファイバ31を用いた場合の応答速度は大幅に向上している。 Since the Kerr effect response speed of quartz glass is less than 10 fs, the method proposed in the present invention has a similar response speed. Regarding the response speed of the conventional saturable absorber, it is about 500 fs for CNT and about 300 fs for graphene. Speed has improved significantly.

図7(B)は、強制的に曲げた第2光ファイバ31における非線形光学効果の影響等を説明する図である。図7(B)の右側の軸は光強度を表す。図7(B)において、実線L1は非線形光学効果を伴わない屈折率を示し、破線L2は非線形光学効果を伴う屈折率を示す。また、一点鎖線M1は高い強度の光(相対的に強い第2強度の光)の強度分布を示し、二点鎖線M2は低い強度の光(相対的に弱い第1強度の光)の強度分布を示す。図7(B)に示すように、透過調整部30において、光強度が高くなると非線形光学効果、具体的には、カー効果によって光強度分布がコア径方向に狭くなり、ファイバのコア内に光が閉じ込められるが、光強度が低くなると光強度分布がコア径方向に広くなり、ファイバのコアから外に光が漏れ出している。透過調整部30は、光強度が低い場合に、積極的に漏れ光を生じさせる構造とすることで、可飽和吸収体と等価な状態を生じさせている。 FIG. 7B is a diagram for explaining the influence of the nonlinear optical effect in the second optical fiber 31 that is forcibly bent. The axis on the right side of FIG. 7B represents the light intensity. In FIG. 7B, the solid line L1 indicates the refractive index without nonlinear optical effect, and the dashed line L2 indicates the refractive index with nonlinear optical effect. In addition, the dashed-dotted line M1 shows the intensity distribution of high intensity light (relatively strong second intensity light), and the two-dotted chain line M2 shows the intensity distribution of low intensity light (relatively weak first intensity light). indicates As shown in FIG. 7B, in the transmission adjustment section 30, when the light intensity increases, the light intensity distribution narrows in the core radial direction due to the nonlinear optical effect, specifically, the Kerr effect. is confined, but as the light intensity decreases, the light intensity distribution widens in the core radial direction, and light leaks out from the core of the fiber. The transmission adjustment unit 30 has a structure that positively causes leakage light when the light intensity is low, thereby creating a state equivalent to a saturable absorber.

図8(A)は、第2光ファイバ31を曲げた場合の光強度と透過率との関係について説明する概念図である。図8(B)は、第2光ファイバ31を曲げた場合の光強度と曲げ損失との関係について説明する概念図である。図中の符号ΔTは変調深度を示し、符号Isatは飽和強度を示し、符号αnsは不飽和損失を示し、符号αはバックグラウンド吸収損失を示す。変調深度ΔT、飽和強度Isat、不飽和損失αns、バックグラウンド吸収損失αについては、以下の文献1及び非特許文献1を参考にしている(文献1:J. Jeon, et al. "Numerical study on the minimum modulation depth of a saturable absorber for stable fiber laser mode locking." JOSA B, 2015, 32(1): 31-37.)。変調深度ΔTは、バックグラウンド吸収損失αと不飽和損失αnsとの差で定義される。図8(A)及び8(B)に示すように、強制的に曲げた第2光ファイバ31では、光強度が低い場合、曲げ損失の影響により透過率は低くなり、光強度が高い場合、曲げ損失の影響が減少する。すなわち、透過調整部30は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定未満の第2曲げ損失を示す。これにより、透過調整部30において、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、第1曲げ損失が相対的に大きくなり、積極的に漏れ光を生じさせることができる。つまり、透過調整部30では、発振レベル未満の所定強度の光に関して曲げ損失(第1曲げ損失に相当)によってクラッドへの光漏れを生じさせる。また、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、第2曲げ損失が相対的に小さくなり、短パルスを発生するのに必要な過飽和吸収特性に相当する。つまり、曲げ損失と非線形光学効果との相互作用により、発振レベル以上の強度の光の漏れを低減できる。本実施形態では、低い強度の光に対する曲げ損失は3dB~10dB程度である。 FIG. 8A is a conceptual diagram illustrating the relationship between light intensity and transmittance when the second optical fiber 31 is bent. FIG. 8B is a conceptual diagram illustrating the relationship between the light intensity and the bending loss when the second optical fiber 31 is bent. The symbol ΔT in the figure indicates the modulation depth, the symbol I sat indicates the saturation intensity, the symbol α ns indicates the unsaturated loss, and the symbol α 0 indicates the background absorption loss. Regarding the modulation depth ΔT, the saturation intensity I sat , the unsaturated loss α ns , and the background absorption loss α 0 , reference is made to Document 1 and Non-Patent Document 1 below (Document 1: J. Jeon, et al. Numerical study on the minimum modulation depth of a saturable absorber for stable fiber laser mode locking." JOSA B, 2015, 32(1): 31-37.). The modulation depth ΔT is defined as the difference between the background absorption loss α 0 and the unsaturated loss α ns . As shown in FIGS. 8A and 8B, in the forcibly bent second optical fiber 31, when the light intensity is low, the transmittance is low due to the bending loss, and when the light intensity is high, Bend loss effects are reduced. That is, the transmission adjustment section 30 exhibits a first bending loss equal to or greater than a predetermined value when light with a relatively low first intensity passes through, and exhibits a first bending loss greater than a predetermined value when light with a relatively high second intensity passes through. A second bend loss less than a predetermined is indicated. As a result, when light having a relatively low first intensity passes through the transmission adjusting section 30, the first bending loss becomes relatively large, and it is possible to positively cause leakage light. In other words, in the transmission adjuster 30, the bending loss (corresponding to the first bending loss) causes light leakage to the clad with respect to the light of predetermined intensity below the oscillation level. Also, when light of a relatively high second intensity passes through, the second bending loss is relatively small, corresponding to the saturable absorption characteristic required to generate a short pulse. In other words, the interaction between the bending loss and the nonlinear optical effect can reduce the leakage of light having an intensity equal to or higher than the oscillation level. In this embodiment, the bending loss for low intensity light is about 3 dB to 10 dB.

第2光ファイバ31を曲げた場合、バックグラウンド吸収損失は例えば5dB~7dBであり、変調深度は最大5%である。この場合において、光強度が高くなると、損失は4.8dB~6.8dBになる可能性がある。モード同期レーザ100では、利得は10dB以上と非常に高く、5dB~10dB程度に設計される。カー効果導波路(カー効果及び曲げ損失の特性を利用した透過調整部30)における損失は、従来型の可飽和吸収体より大きい。しかし、低損失は必須のものではない。レーザ系において、利得媒体は、キャビティ全体での損失を上回るような利得を与える。ファイバレーザ系において、利得は典型的には10dB以上でとても高い。それゆえ、カー効果導波路における損失は、典型的には5dB~10dBに設計される。例えば、本実施形態のケースでは、ファイバコイルが80%の損失を示し、光強度が強くなってこの損失が75%になれば、5%の強度依存損失(いわゆる変調深度)となる。モードロックレーザ系で、特にファイバレーザでは、5%以下の変調深度で足るとされる。 When the second optical fiber 31 is bent, the background absorption loss is, for example, 5 dB to 7 dB and the modulation depth is 5% maximum. In this case, the loss can be 4.8 dB to 6.8 dB at higher light intensities. The mode-locked laser 100 has a very high gain of 10 dB or more, and is designed to be about 5 dB to 10 dB. The loss in the Kerr effect waveguide (the transmission adjustment section 30 that utilizes the properties of the Kerr effect and bending loss) is greater than that of conventional saturable absorbers. However, low loss is not essential. In a laser system, the gain medium provides a gain that exceeds the loss across the cavity. In fiber laser systems, the gain is very high, typically above 10 dB. Therefore, the loss in Kerr effect waveguides is typically designed to be 5 dB to 10 dB. For example, in the case of the present embodiment, if the fiber coil exhibits a loss of 80% and the light intensity increases to 75% this loss will result in an intensity dependent loss (so-called depth of modulation) of 5%. In a mode-locked laser system, especially a fiber laser, a modulation depth of 5% or less is sufficient.

モード同期レーザ100は、第1又は第2光ファイバ11,31の正規化周波数パラメータであるV値に関して、以下の条件式(1)を満たす。
V1<V2 … (1)
ただし、値V1は第1光ファイバ11のV値であり、値V2は第2光ファイバ31のV値である。
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ … (2)
ただし、値dは着目ファイバのコア径であり、値NAは着目ファイバのコアの開口数であり、値λは着目ファイバに用いる周波数である。着目ファイバとは、第1又は第2光ファイバ11,31を意味する。この場合、第2光ファイバ31における曲げ損失が増え、漏れ光を生じさせるために、透過調整部30における第2光ファイバ31の曲率半径を小さくしすぎる必要がなく、また、巻き数を減らすことができる。本実施形態において、第1光ファイバ11のV値は例えば1.8~2.0であり、第2光ファイバ31のV値は例えば2.2~2.4である。
The mode-locked laser 100 satisfies the following conditional expression (1) with respect to the V value, which is the normalized frequency parameter of the first or second optical fibers 11 and 31 .
V1<V2 (1)
However, the value V 1 is the V value of the first optical fiber 11 and the value V 2 is the V value of the second optical fiber 31 .
Note that the V value is defined by the following formula.
V=πdNA/λ (2)
where the value d is the core diameter of the fiber of interest, the value NA is the numerical aperture of the core of the fiber of interest, and the value λ is the frequency used for the fiber of interest. A fiber of interest means the first or second optical fiber 11 , 31 . In this case, there is no need to make the radius of curvature of the second optical fiber 31 in the transmission adjustment section 30 too small, and the number of turns can be reduced because the bending loss in the second optical fiber 31 increases and light leakage occurs. can be done. In this embodiment, the V value of the first optical fiber 11 is, for example, 1.8 to 2.0, and the V value of the second optical fiber 31 is, for example, 2.2 to 2.4.

通常のV値の従来型の偏波保持ファイバは、例えば1550nmといった動作波長で低い曲げ損失を有するものとなっている。カー効果導波路に必要な損失を実現するため、例えば5dBすなわち70%の損失が必要となり、従来型の1550nm用の偏波保持ファイバでは極めて小さな直径で曲げることが必要となる。本実施形態では、短波長用で低いV値に設計された従来型のファイバを用いることを提案する。例えば、1064nm用の偏波保持ファイバを1550nmといった長波長側で使用し、適切な曲げ損失を安全な曲げ直径で実現することができる。 Typical V-value conventional polarization-maintaining fibers have low bend losses at operating wavelengths, eg, 1550 nm. To achieve the required loss in a Kerr effect waveguide, for example, 5 dB or 70% loss would be required, and a conventional 1550 nm polarization-maintaining fiber would require very small diameter bends. In this embodiment, we propose to use a conventional fiber designed for short wavelengths and low V values. For example, polarization-maintaining fiber for 1064 nm can be used at longer wavelengths such as 1550 nm to achieve adequate bend loss with safe bend diameters.

図1に戻って、アイソレータ40は、第1光ファイバ11中に配置されるインライン型アイソレータである。共振部10中では、アイソレータ40の順方向、図1の例では半時計方向B1にのみ光が伝搬するようになっている。 Returning to FIG. 1, the isolator 40 is an in-line isolator arranged in the first optical fiber 11 . In the resonator 10, light propagates only in the forward direction of the isolator 40, which is the counterclockwise direction B1 in the example of FIG.

出力カプラ50は、第1光ファイバ11中に配置される光カプラである。モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力カプラ50の出力ポート51に接続された出力光ファイバ52を介して外部に出力される。 The output coupler 50 is an optical coupler arranged in the first optical fiber 11 . A laser beam BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside through an output optical fiber 52 connected to an output port 51 of an output coupler 50 .

以下、モード同期レーザ100の動作について説明する。モード同期レーザ100では、半時計回りB1に伝搬する光が周回することで共振しつつ増幅し特定のモードに絞られる。励起部22の励起光源22aによって、ゲインファイバ21に例えば波長980nmの励起光PLを供給する。ゲインファイバ21では、励起光PLによって、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントが励起され、出力用の共振光の波長(例えば波長1550nm)での誘導放出が起こり、光が増幅される。また、ゲインファイバ21は、共振部10を周回する光を増幅する。透過調整部30では、可飽和吸収特性を有することにより、光強度の強いパルスの中心部分が通過するが、光強度の弱いパルスの両翼は強い吸収を受けるため短パルス化が生じる。光が共振部10を周回することにより共振条件に合ったモードに絞られる。出力カプラ50において、モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力光ファイバ52を介して高出力の超短パルスとして外部に出力される。 The operation of the mode-locked laser 100 will be described below. In the mode-locked laser 100, the light propagating in the counterclockwise direction B1 circulates, is amplified while resonating, and is narrowed down to a specific mode. The excitation light source 22 a of the excitation unit 22 supplies the gain fiber 21 with excitation light PL having a wavelength of 980 nm, for example. In the gain fiber 21, the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21 is excited by the pumping light PL, stimulated emission occurs at the wavelength of the resonant light for output (for example, wavelength 1550 nm), and the light is amplified. Also, the gain fiber 21 amplifies the light circulating in the resonator 10 . Since the transmission adjustment unit 30 has a saturable absorption characteristic, the central portion of the pulse with high light intensity passes through, but both wings of the pulse with low light intensity undergo strong absorption, resulting in shortening of the pulse. As the light circulates around the resonator 10, it is narrowed down to a mode that matches the resonance conditions. In the output coupler 50 , the laser light BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside as a high-power ultrashort pulse via an output optical fiber 52 .

(実施例)
図9は、カー効果に関して、有限要素法に基づき、COMSOL Multiphysicsを用いて計算された結果を示す。図9は、偏波保持型の光ファイバでの入射ピークパワーと透過率との関係を示す。COMSOL Multiphysicsに描画する偏波保持型の光ファイバの典型断面図は図5と同様である。図9に示すように、光強度が弱い場合、カー効果がなく、曲げ損失の影響により透過率は低くなる。光強度が強くなるに従い、カー効果の影響を受けるようになり、透過率が上昇する。以上のように、カー効果と曲げ損失とを組み合わせることにより、偏波保持型の光ファイバにおいて、過飽和吸収体と同様の特性を持たせることができる。
(Example)
FIG. 9 shows results calculated using COMSOL Multiphysics based on the finite element method for the Kerr effect. FIG. 9 shows the relationship between incident peak power and transmittance in a polarization-maintaining optical fiber. A typical cross-sectional view of a polarization-maintaining optical fiber drawn on COMSOL Multiphysics is the same as FIG. As shown in FIG. 9, when the light intensity is low, there is no Kerr effect and the transmittance is low due to bending loss. As the light intensity increases, the effect of the Kerr effect increases and the transmittance increases. As described above, by combining the Kerr effect and the bending loss, the polarization maintaining optical fiber can have the same characteristics as the saturable absorber.

図10は、本実施形態の透過調整部30(コイル状の第2光ファイバ31)を設けた場合の強度スキャン(I-scan)の結果を示す。I-scanについては、以下の文献2を参考にしている(文献2:W. Zhao, et al. "All-Fiber Saturable Absorbers for Ultrafast Fiber Lasers." in IEEE Photonics Journal, vol. 11, no. 5, pp. 1-19, Oct. 2019, Art no. 7104019, doi: 10.1109/JPHOT.2019.2941580)。図10に示す変調深度ΔTについては、文献1の式(1)を参照して求めた。図10に示すように、透過調整部30を設けた場合、透過率は光強度依存性を示し、飽和吸収特性を観察することができる。 FIG. 10 shows the results of an intensity scan (I-scan) when the transmission adjuster 30 (coiled second optical fiber 31) of this embodiment is provided. Regarding the I-scan, reference is made to the following Document 2 (Document 2: W. Zhao, et al. "All-Fiber Saturable Absorbers for Ultrafast Fiber Lasers." in IEEE Photonics Journal, vol. 11, no. 5 , pp. 1-19, Oct. 2019, Art no. 7104019, doi: 10.1109/JPHOT.2019.2941580). The modulation depth ΔT shown in FIG. 10 was obtained by referring to the formula (1) in Document 1. As shown in FIG. 10, when the transmission adjuster 30 is provided, the transmittance exhibits light intensity dependence, and saturated absorption characteristics can be observed.

上記モード同期レーザ100では、透過調整部30において、調整用導波路AWである第2光ファイバ31の曲げ損失によって本来よりも透過率が低下するが、光強度が高くなると非線形光学効果によって透過率が上昇する。つまり、透過調整部30は、光強度が低いと曲げの影響で第2光ファイバ31の光の閉じ込め(導波)効果が低く、光は外部に漏れるが、光強度が高くなると非線形光学効果により光の閉じ込め効果が増大して、光の漏れが抑制される。このように、第2光ファイバ31のみで過飽和吸収特性を実現するため、CNTのような可飽和吸収体を用いないで超短パルスを生成できる。したがって、CNT等の可飽和吸収体の長期耐久性やダメージ閾値のような制限をなくすことができ、高出力な光パルスを長期間に亘って生成できる。上記透過調整部30を備えるモード同期レーザ100は、安定性が高く、かつ寿命が長い短パルスレーザを実現するものであり、さまざまな応用に役立つ。例えば、深部組織イメージング(TPM、CARS、SRS、OCT等)やレーザ微細加工のための光源として利用することができる。このようなモード同期レーザ100は、高い耐久性、低価格、小型等を達成することができる。例えば、従来の内視鏡技術と比較すると、モード同期レーザ100を用いることで、深部組織イメージングにおいて、測定時間が速く、侵襲性が低く、より深部に到達できる。また、従来の顕微鏡技術と比べて、モード同期レーザ100を用いることで、組織のより深い内部へ浸透し、よりクリアなイメージを取得できる。 In the mode-locked laser 100, the transmittance in the transmission adjustment section 30 is lower than it should be due to the bending loss of the second optical fiber 31, which is the adjustment waveguide AW. rises. In other words, when the light intensity of the transmission adjustment unit 30 is low, the light confinement (guiding) effect of the second optical fiber 31 is low due to the influence of bending, and the light leaks to the outside. The light confinement effect is increased, and light leakage is suppressed. In this way, since the supersaturated absorption characteristic is realized only by the second optical fiber 31, an ultrashort pulse can be generated without using a saturable absorber such as CNT. Therefore, limitations such as long-term durability and damage threshold of saturable absorbers such as CNTs can be eliminated, and high-power optical pulses can be generated over a long period of time. The mode-locked laser 100 having the transmission adjustment section 30 realizes a short-pulse laser with high stability and long life, and is useful for various applications. For example, it can be used as a light source for deep tissue imaging (TPM, CARS, SRS, OCT, etc.) and laser micromachining. Such a mode-locked laser 100 can achieve high durability, low cost, small size, and the like. For example, compared to conventional endoscopic techniques, the mode-locked laser 100 allows for faster measurement times, less invasiveness, and greater depth in deep tissue imaging. Also, compared to conventional microscopy techniques, the mode-locked laser 100 can penetrate deeper into tissue and acquire clearer images.

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るモード同期レーザについて説明する。なお、第2実施形態に係るモード同期レーザは、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態と同様である。
[Second embodiment]
A mode-locked laser according to the second embodiment will be described below. Note that the mode-locked laser according to the second embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図11に示す第2実施形態のモード同期レーザ100は、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、出力カプラ50とを備える。本実施形態のモード同期レーザ100は、双方向動作のリング型ファイバレーザの例である。励起光源22aから出力された光は、半時計回りC1及び時計回りC2に分岐し、共振部10において、光は半時計回りC1及び時計回りC2の双方向に伝搬する。 A mode-locked laser 100 according to the second embodiment shown in FIG. The mode-locked laser 100 of this embodiment is an example of a bi-directional operation ring-type fiber laser. Light output from the excitation light source 22a is branched into counterclockwise C1 and clockwise C2, and in the resonator 10, the light propagates in both the counterclockwise C1 and clockwise C2 directions.

以下、本実施形態のモード同期レーザ100の動作について説明する。モード同期レーザ100では、半時計回りC1及び時計回りC2に伝搬する光が周回することで共振しつつ増幅し特定のモードに絞られる。励起部22の励起光源22aによって、ゲインファイバ21に例えば波長980nmの励起光PLを供給する。ゲインファイバ21では、励起光PLによって、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントが励起され、出力用の共振光の波長(例えば波長1550nm)での誘導放出が起こり、光が増幅される。また、ゲインファイバ21は、共振部10を周回する光を増幅する。透過調整部30では、可飽和吸収特性を有することにより、光強度の強いパルスの中心部分が通過するが、光強度の弱いパルスの両翼は強い吸収を受けるため短パルス化が生じる。光が共振部10を周回することにより共振条件に合ったモードに絞られる。出力カプラ50において、モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力光ファイバ52を介して高出力の超短パルスとして外部に出力される。 The operation of the mode-locked laser 100 of this embodiment will be described below. In the mode-locked laser 100, the light propagating in the counterclockwise direction C1 and the clockwise direction C2 circulates, is amplified while resonating, and is narrowed down to a specific mode. The excitation light source 22 a of the excitation unit 22 supplies the gain fiber 21 with excitation light PL having a wavelength of 980 nm, for example. In the gain fiber 21, the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21 is excited by the pumping light PL, stimulated emission occurs at the wavelength of the resonant light for output (for example, wavelength 1550 nm), and the light is amplified. Also, the gain fiber 21 amplifies the light circulating in the resonator 10 . Since the transmission adjustment unit 30 has a saturable absorption characteristic, the central portion of the pulse with high light intensity passes through, but both wings of the pulse with low light intensity undergo strong absorption, resulting in shortening of the pulse. As the light circulates around the resonator 10, it is narrowed down to a mode that matches the resonance conditions. In the output coupler 50 , the laser light BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside as a high-power ultrashort pulse via an output optical fiber 52 .

〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係るモード同期レーザについて説明する。なお、第3実施形態に係るモード同期レーザは、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態と同様である。
[Third Embodiment]
A mode-locked laser according to the third embodiment will be described below. The mode-locked laser according to the third embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.

図12に示す第3実施形態のモード同期レーザ100は、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、全反射ミラー60と、出力ミラー70とを備える。全反射ミラー60は、折り返しミラーであり、共振部10を伝播する光を略反射する。出力ミラーは、例えば40%~70%の反射率を有する部分透過ミラーであり、増幅された光の一部である共振条件に合ったモードに絞られたレーザ光OBを高出力の超短パルスとして外部へ出力する。本実施形態のモード同期レーザ100は、直線型ファイバレーザの例である。モード同期レーザ100は、共振部10を全反射ミラー60と出力ミラー70とで挟んだ構成であり、全反射ミラー60と出力ミラー70との間で、光は共振され増幅される。 A mode-locked laser 100 according to the third embodiment shown in FIG. 12 includes a resonator 10, an optical amplifier 20, a transmission adjuster 30, a total reflection mirror 60, and an output mirror . The total reflection mirror 60 is a folding mirror and substantially reflects the light propagating through the resonator 10 . The output mirror is, for example, a partially transmitting mirror having a reflectance of 40% to 70%. Output to the outside as The mode-locked laser 100 of this embodiment is an example of a linear fiber laser. A mode-locked laser 100 has a configuration in which a resonator section 10 is sandwiched between a total reflection mirror 60 and an output mirror 70, and light is resonated and amplified between the total reflection mirror 60 and the output mirror 70. FIG.

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、モード同期レーザ100で使用する励起用レーザ光の波長等は、様々なものを使用できる。
〔others〕
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, various wavelengths can be used for the excitation laser light used in the mode-locked laser 100 .

また、上記実施形態において、モード同期レーザ100の構成は適宜変更することができ、例えば共振部10中に偏波コントローラを設ける構成としてもよい。 Further, in the above embodiment, the configuration of the mode-locked laser 100 can be changed as appropriate. For example, a polarization controller may be provided in the resonator 10.

また、上記実施形態において、共振部10が第1光ファイバ11を含む構成であるとしたが、モード同期レーザ100は、光ファイバを用いた他の導波路式光デバイスにも適用することができる。導波路式光デバイスとしては、例えば、PLC(Photonics Lightwave Circuits)、シリコンフォトニクス導波路(Silicon Photonics Waveguides)、半導体式導波路(InP、GaAs、InGaAsP等)が挙げられる。 In the above embodiment, the resonator 10 includes the first optical fiber 11, but the mode-locked laser 100 can also be applied to other waveguide-type optical devices using optical fibers. . Waveguide optical devices include, for example, PLCs (Photonics Lightwave Circuits), Silicon Photonics Waveguides, and semiconductor waveguides (InP, GaAs, InGaAsP, etc.).

また、上記実施形態において、透過調整部30の調整用導波路AWとして、強制的に曲げた第2光ファイバ31を有する構成としたが、他の導波路式光デバイスを用いることができる。このような調整用導波路AWは、直線の導波路を基準に、光路を曲げることで応力なく曲げ損失を生じさせたものである。この場合、調整用導波路AWは、共振部よりも曲げ損失が大きい。導波路式光デバイスとしては、例えば、PLC、シリコンフォトニクス導波路、半導体式導波路(InP、GaAs、InGaAsP等)が挙げられる。 In the above embodiment, the adjustment waveguide AW of the transmission adjustment unit 30 is configured to have the second optical fiber 31 that is forcibly bent, but other waveguide type optical devices can be used. Such an adjustment waveguide AW is obtained by bending an optical path based on a straight waveguide to generate bending loss without stress. In this case, the adjustment waveguide AW has a bending loss greater than that of the resonator. Waveguide optical devices include, for example, PLC, silicon photonics waveguides, and semiconductor waveguides (InP, GaAs, InGaAsP, etc.).

1…コア、 2…クラッド、 3…応力付与部、 4…被覆部、 10…共振部、 11…第1光ファイバ、 20…光増幅部、 21…ゲインファイバ、 22…励起部、 22a…励起光源、 22b…合波カプラ、 30…透過調整部、 31…第2光ファイバ、 40…アイソレータ、 50…出力カプラ、 51…出力ポート、 52…光ファイバ、 60…全反射ミラー、 70…出力ミラー、 90…軸部材、 91…溝、 100…モード同期レーザ、 AW…調整用導波路、 BO…レーザ光、 P…偏波、 PF…PANDAファイバ、 PL…励起光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Core 2... Clad 3... Stress application part 4... Coating part 10... Resonator part 11... First optical fiber 20... Optical amplification part 21... Gain fiber 22... Pumping part 22a... Pumping Light source 22b Multiplexing coupler 30 Transmission adjustment unit 31 Second optical fiber 40 Isolator 50 Output coupler 51 Output port 52 Optical fiber 60 Total reflection mirror 70 Output mirror 90... Shaft member 91... Groove 100... Mode-locked laser AW... Adjustment waveguide BO... Laser light P... Polarized wave PF... PANDA fiber PL... Pumping light

Claims (11)

偏波保持型の共振部と、
前記共振部中に配置される光増幅部と、
前記共振部中に配置され、曲げ損失を有する偏波保持型の調整用導波路を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部と、
を備えるモード同期レーザ。
a polarization-maintaining resonator;
an optical amplifier arranged in the resonator;
a transmission adjustment section arranged in the resonance section and provided with a saturable absorption characteristic by having a polarization-maintaining adjustment waveguide having bending loss;
A mode-locked laser with a
前記共振部は、偏波保持型の第1光ファイバを含み、前記調整用導波路は、強制的に曲げた偏波保持型の第2光ファイバである、請求項2に記載のモード同期レーザ。 3. The mode-locked laser of claim 2, wherein the resonator includes a polarization-maintaining first optical fiber, and the tuning waveguide is a forcibly bent polarization-maintaining second optical fiber. . 前記透過調整部は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定未満の第2曲げ損失を示す、請求項1及び2のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 The transmission adjuster exhibits a first bending loss equal to or greater than a predetermined value when light having a relatively low first intensity passes through, and exhibits a first bending loss less than a predetermined value when light having a relatively high second intensity passes through. 3. The mode-locked laser of any one of claims 1 and 2, exhibiting a second bending loss of . 前記第2光ファイバは、非線形光学効果を有し、前記第2強度の光が通過する場合に、前記第1強度の光が通過する場合よりも屈折率が増加する、請求項2及び3のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 4. The second optical fiber of claims 2 and 3, wherein the second optical fiber has a non-linear optical effect such that when the light of the second intensity passes through, the refractive index increases more than when the light of the first intensity passes. Mode-locked laser according to any one of clauses. 前記第2光ファイバは、PANDAファイバであり、前記PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方に曲げて巻きつけられる、請求項2~4のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 The mode-locked laser according to any one of claims 2 to 4, wherein the second optical fiber is a PANDA fiber, and is wound in one of the slow axis direction and the fast axis direction of the PANDA fiber. . 強制的に曲げた前記第2光ファイバの輪の曲率半径は、一定である、請求項2~5のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 The mode-locked laser according to any one of claims 2 to 5, wherein the radius of curvature of the forcibly bent loop of the second optical fiber is constant. 前記第2光ファイバは、PANDAファイバであり、前記PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方の偏波を用いる、請求項2~6のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 7. The mode-locked laser according to claim 2, wherein said second optical fiber is a PANDA fiber, and polarized waves in either one of the slow axis direction and the fast axis direction of said PANDA fiber are used. 前記第2光ファイバは、前記遅軸方向の偏波を用いる、請求項7に記載のモード同期レーザ。 8. The mode-locked laser according to claim 7, wherein said second optical fiber uses polarization in said slow axis direction. 前記第1光ファイバは、PANDAファイバである、請求項2~8のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。 A mode-locked laser according to any one of claims 2 to 8, wherein said first optical fiber is a PANDA fiber. 前記第1又は第2光ファイバの正規化周波数パラメータであるV値に関して、以下の条件式を満たす、請求項2~9のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
V1<V2
ただし、
V1:前記第1光ファイバのV値
V2:前記第2光ファイバのV値
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ
ただし、
d:前記着目ファイバのコア径
NA:前記着目ファイバのコアの開口数
λ:前記着目ファイバに用いる周波数
10. The mode-locked laser according to claim 2, wherein the V value, which is the normalized frequency parameter of said first or second optical fiber, satisfies the following conditional expression.
V1 < V2
however,
V1: V value of the first optical fiber V2: V value of the second optical fiber The V value is defined by the following equation.
V=πdNA/λ
however,
d: core diameter of the fiber of interest NA: numerical aperture of the core of the fiber of interest λ: frequency used for the fiber of interest
前記共振部は、前記第1光ファイバによってリング状に形成される、請求項2に記載のモード同期レーザ。 3. The mode-locked laser according to claim 2, wherein said resonator is formed in a ring shape by said first optical fiber.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102536662B1 (en) * 2022-11-23 2023-05-26 국방과학연구소 High repetition laser pulse train generating device and phase modulator comprising the same

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