JP2534529B2 - 放射発生器 - Google Patents

放射発生器

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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、実質的にすべての放射モードが他の放射モ
ードに対してロックされた放射発生器に関する。
〔背景技術〕
本発明は、特に、非変換制限パルス（non−transform
limited pulses）を発生するモードロックが不完全
なレーザのモードロック特性の改善に関する。変換制限
パルスは、レーザの発振モードを互いに特定の位相関係
に保ったときに得られるパルスである。レーザの利得曲
線に含まれるすべてのモードがロックされているなら、
レーザパルス幅は利得帯域幅にのみ依存する。多くのレ
ーザでは、モードロック素子の物理的特性によって、実
現できる範囲が制限されている。Nd:YAGレーザでは変調
深さにより制限され、Ｆ中心レーザではレーザ発振媒体
の熱分解により制限される。
オプティクス・レターズ第９巻（1984年）第13頁の
「ザ・ソリトン・レーザ」と題された論文（“The Soli
ton Laser",Optics Letters.Vol.9,page13,1984）に
は、レーザのモードロック特性を改善する方法が説明さ
れている。この方法では、特定の長さの光ファイバを選
択して帰還ループを形成する。この提案のもととなる着
想は、ファイバからレーザ共振器に光を再注入し、レー
ザに光ファイバ内のソリトンを生成させることにある。
これによりモードロックされたレーザが改善される理由
について、著者は、ファイバに沿って伝搬するソリトン
の周期特性によると示唆している。これにより、ファイ
バの入出力パルスが同じになるような安定動作点が得ら
れ、レーザ共振器内を巡回するパルスが撹乱されずに残
る。
モレナーの「ソリトンズ・イン・オプティカル・ファ
イバズ・アンド・ソリトンレーザ」と題する論文（L.F.
Mollenauer,“Solitons in Optical Fibres and the So
liton Laser",Phil.Trans.R.Soc.Lond.A 315,437−450
（1985）には、群速度分散が負となる領域でのみソリト
ン効果が可能であることが示されている。この領域が、
ソリトンレーザを用いて生成できる波長を制限する効果
をもつ。使用される波長は典型的には1.55μｍである。
さらに、外部共振器のための適当な媒体を選択するする
ことが困難である問題がある。上述した二つの論文は、
双方ともに、媒体の非線形および分散の影響が同等に重
要であり、これらの二つの効果が正確に平衡している
か、または少なくとも二つの効果によりパルスに生じる
周波数変化が反対符号となって互いに相殺するよう平衡
していることが必要であることを示している。これがま
た、外部共振器のために選択することのできる媒体の種
類を制限する。さらに、ファイバ共振器内で非常に大き
な尖頭値パワーが必要である。
〔発明の開示〕
本発明の第一の発明は、実質的にすべての放射モード
が互いにロックされた放射発生器において、コヒーレン
ト放射の非変換制限パルス列を連続して発生する放射発
生共振器と、この放射発生共振器に対応して配置された
外部共振器と、上記放射発生共振器および上記外部共振
器の間で双方向に放射を伝搬させる手段とを備え、上記
外部共振器は、上記放射発生共振器からの放射に対して
非線形屈折率特性よりも優勢な非線形損失特性を示す非
線形媒体により定義され、この非線形媒体は、その放射
経路長が上記外部共振器に供給されるパルスを上記放射
発生共振器の次のパルスに同期させて上記放射発生器に
帰還させる長さに構成されたことを特徴とする。
本発明の第二の発明は、実質的にすべての放射モード
が互いにロックされた放射発生器において、コヒーレン
ト放射の非変換制限パルス列を連続して発生する放射発
生共振器と、この放射発生共振器に対応して配置された
外部共振器と、上記放射発生共振器および上記外部共振
器の間で双方向に放射を伝搬させる手段とを備え、上記
外部共振器は、上記放射発生共振器からの放射に対して
非線形伝達特性を示す非線形媒体により定義され、この
非線形媒体は、負の群遅延分散を示す媒体であり、その
放射経路長が上記外部共振器に供給されるパルスを上記
放射発生共振器の次のパルスに同期させて上記放射発生
器に帰還させる長さに構成されたことを特徴とする。
本発明の第三の発明は、実質的にすべての放射モード
が互いにロックされた放射発生器において、この放射発
生共振器に対応して配置された外部共振器と、上記放射
発生共振器および上記外部共振器の間で双方向に放射を
伝搬させる手段とを備え、上記外部共振器は、上記放射
発生共振器からの放射に対して非線形伝達特性を示す非
線形媒体により定義され、この非線形媒体は、ソリトン
を伝達せず、その放射経路長が上記外部共振器に供給さ
れるパルスを上記放射発生共振器の次のパルスに同期さ
せて上記放射発生器に帰還させる長さに構成されたこと
を特徴とする。
本願発明者は、上述の論文に記載されたソリトンレー
ザの数学的モデルを構築した。このモデルは、実験の主
な特徴を再現し、驚くことに、ソリトンの発生によりモ
ードロックが達成されるわけではないことを示した。本
願発明者は、通信のための高次周波数モードを取り出す
手段として設けられた外部共振器内の非線形性がその原
因であり、これが位相を互いにロックすると推測した。
レーザ共振器内のモードロック素子の役割は、単にパル
スのタイミングを制御するだけである。
この説明の原理によると、ファイバのソリトン特性は
必要ではなく、非線形媒体が重要な特徴であると予想さ
れる。我々のモデルを使用すると、光ファイバを他の単
純な非線形素子、例えば可飽和吸収体で置き換えること
ができ、同様にロック性能を改善できることを示した。
この発見により、以前に提案されたものを越える優れ
た利点が導かれる。非線形および分散の影響がほぼまた
は正確に平衡している媒体を選択する必要はない。その
かわりに、媒体の非線形性を考慮するだけで十分であ
り、例えば、非線形損失がどの非線形屈折率より優勢で
あるか否か、または、媒体の非線形屈折率が優勢の場合
には、その媒体が負の群遅延分散効果をもつか否かを考
慮するだけで十分である。ソリトン発生の必要がないの
で、広い範囲の波長を発生することができ、低尖頭値の
パワーが可能となる。これにより、光外部共振器内に大
きな非線形効果があるために十分なパワーを生成できな
い他のレーザについて、そのモードロックを改善するた
めに、外部共振器を使用することが可能となる。
本明細書において「非線形伝達」とは、与えられた周
波数における外部共振器の屈折率およびまたは損失が注
入された放射の強度の関数であることを意味する。光フ
ァイバでは、これは基本的にカー効果であり、屈折率
（したがって位相速度）が強度に比例して変化する。他
の材料では、損失が強度とともに変化する。これらの非
線形性により、パルスの波形が整形される。
「分散」とは、群速度が波長または周波数の関数であ
るという意味である。
外部共振器を定義する媒体は、負の群遅延分散（また
は正の群速度分散）をもつことが望ましい。これは、多
数の材料がこのような性質をもつことから有用であり、
広い範囲の波長を発生することを可能にする。例えば、
放射発生共振器にNd:YAGレーザを用いることができる。
他の態様として、実質的に分散のない媒体、例えば可
飽和吸収体および可飽和増幅器を使用することもでき
る。可飽和吸収体として、例えばしきい値以下で動作し
ている半導体レーザを使用することができる。可飽和増
幅器は、４波混合プロセス（周波数二倍化を含む）で動
作することができる。このような媒体は、非線形性が屈
折率よりも損失に影響を与える。
本発明の第二の発明または第三の発明による態様とし
て、光ファイバを使用することもできるが、その長さは
ソリトンを伝搬するために必要な長さとは異なる。ソリ
トンを伝搬する場合には、光ファイバに注入する放射は
高強度である必要がある。
本明細書では、「光」という用語を電磁スペクトルの
一部として用い、可視領域だけでなく、光ファイバ等の
誘電体光導波路により伝送可能な可視領域の両側の赤外
および紫外領域を含む。
外部共振器は、従来どおりに、媒体の下流に配置さた
反射鏡を含むことができ、これにより、媒体を通過する
放射を反射させて共振器に戻し、放射発生共振器に戻す
ことができる。
また、外部共振器を定義するために光ファイバを使用
する場合には、この光ファイバをループ状に形成し、そ
の始点および終点を放射発生共振器に隣接して配置する
ことができる。これは単一モードファイバを使用する場
合に望ましく、さらに、偏波面保存ファイバを使用する
場合に特に望ましいと考えられる。
本発明を実施例の放射発生器およびそれを構築するた
めの方法について添付図面を参照して説明する。
〔図面の簡単な説明〕
第１図は発生器の図式的な配置図。
第２図および第３図はそれぞれ可飽和吸収体および可
飽和増幅器の利得特性をグラフにより示す図。
〔発明の実施するための最良の形態〕
第１図に概略的に示した装置は、レーザ共振器を定義
する一対のミラー２、３の間に配置されたNd:YAG共振器
１を備える。Nd:YAG共振器１とミラー３との間には複屈
折板４が配置される。
Nd:YAG共振器１は、ミラー２を通して、共振器と同期
して例えば波長1.06μｍの放射で軸方向に励磁され、不
完全にモードがロックされたパルス列を発生する。ミラ
ー３はこのパルス列を部分的に反射し、放射がミラー３
を通過してビームスプリッタ５に入射する。入射した放
射の一部が、矢印６で示したように、ビームスプリッタ
５を通過する。
放射の残りの部分は、ビームスプリッタ５により反射
されて、外部共振器７に入射する。外部共振器７は非線
形媒体８を含み、この非線形媒体にスプリッタ５で反射
されたビームが注入され、さらに媒体８の下流のミラー
９に入射する。
非線形媒体８は分散性または非分散性の素子により構
成される。例えば、媒体８を可飽和吸収体または可飽和
増幅器で構成できる。可飽和吸収体と可飽和増幅器とは
その特性が全く異なるが、非線形損失効果がどのような
分散効果および非線形屈折率効果より優勢である。我々
は、これらの二つの素子がパルスをより短くすることを
数学的に求めた。
可飽和吸収体は、その吸収係数が入射光の強度の増加
と共に減少する。したがって、低強度では光が吸収さ
れ、高強度では光が伝達される。この特性によりパルス
の両翼が実効的に除去され、伝達後のパルス幅が伝達前
より狭くなる。
可飽和増幅器は、入射光強度の増加と共に、その利得
係数が削減される。したがって、（可飽和吸収体と同様
に）低強度では光が増幅され、高強度ではほとんど変化
せずに伝達される。この特性により、パルスの両翼を増
幅するが中心は増幅しないため、伝達後のパルス幅が広
くなる。
これらの二つの素子は、可飽和吸収体については、 によりモデル化され、可飽和増幅器については、 によりモデル化される。
二つの素子の利得を第２図および第３図に示す。二つ
のモデルがパルス圧縮とパルス分散化との両極端を示す
ことが重要である。どちらの場合にも、モードロック特
性を改善するモデルパラメータを見つけることが可能で
ある。二つのパラメータの組の間の唯一の重要な差異
は、二つの共振器の位相整合が半波長異なることであ
る。
他の例として、媒体８を比較的短尺の単一モードで構
成することもできる。

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】実質的にすべての放射モードが互いにロッ
    クされた放射発生器において、 コヒーレント放射の非変換制限パルス列を連続して発生
    する放射発生共振器と、 この放射発生共振器に対応して配置された外部共振器
    と、 上記放射発生共振器および上記外部共振器の間で双方向
    に放射を伝搬させる手段と を備え、 上記外部共振器は、上記放射発生共振器からの放射に対
    して非線形屈折率特性よりも優勢な非線形損失特性を示
    す非線形媒体により定義され、 この非線形媒体は、その放射経路長が上記外部共振器に
    供給されるパルスを上記放射発生共振器の次のパルスに
    同期させて上記放射発生器に帰還させる長さに構成され
    た ことを特徴とする放射発生器。
  2. 【請求項２】非線形媒体は負の群遅延分散を示す媒体で
    ある請求の範囲第１項に記載の放射発生器。
  3. 【請求項３】外部共振器は可飽和吸収体を含む請求の範
    囲第１項または第２項に記載の放射発生器。
  4. 【請求項４】外部共振器は可飽和増幅器を含む請求の範
    囲第１項または第２項に記載の放射発生器。
  5. 【請求項５】実質的にすべての放射モードが互いにロッ
    クされた放射発生器において、 この放射発生共振器に対応して配置された外部共振器
    と、 上記放射発生共振器および上記外部共振器の間で双方向
    に放射を伝搬させる手段と を備え、 上記外部共振器は、上記放射発生共振器からの放射に対
    して非線形伝達特性を示す非線形媒体により定義され、 この非線形媒体は、ソリトンを伝達せず、その放射経路
    長が上記外部共振器に供給されるパルスを上記放射発生
    共振器の次のパルスに同期させて上記放射発生器に帰還
    させる長さに構成された ことを特徴とする放射発生器。
  6. 【請求項６】非線形媒体は負の群遅延分散を示す媒体で
    ある請求の範囲第５項に記載の放射発生器。
  7. 【請求項７】外部共振器は光ファイバを含む請求の範囲
    第５項に記載の放射発生器。
  8. 【請求項８】外部共振器は可飽和吸収体を含む請求の範
    囲第５項に記載の放射発生器。
  9. 【請求項９】外部共振器は可飽和増幅器を含む請求の範
    囲第５項に記載の放射発生器。
  10. 【請求項１０】実質的にすべての放射モードが互いにロ
    ックされた放射発生器において、 コヒーレント放射の非変換制限パルス列を連続して発生
    する放射発生共振器と、 この放射発生共振器に対応して配置された外部共振器
    と、 上記放射発生共振器および上記外部共振器の間で双方向
    に放射を伝搬させる手段と を備え、 上記外部共振器は、上記放射発生共振器からの放射に対
    して非線形伝達特性を示す非線形媒体により定義され、 この非線形媒体は、負の群遅延分散を示す媒体であり、
    その放射経路長が上記外部共振器に供給されるパルスを
    上記放射発生共振器の次のパルスに同期させて上記放射
    発生器に帰還させる長さに構成された ことを特徴とする放射発生器。
  11. 【請求項１１】外部共振器は光ファイバを含む請求の範
    囲第10項に記載の放射発生器。
  12. 【請求項１２】外部共振器は可飽和吸収体を含む請求の
    範囲第10項に記載の放射発生器。
  13. 【請求項１３】外部共振器は可飽和増幅器を含む請求の
    範囲第10項に記載の放射発生器。
JP62501089A 1986-07-24 1987-02-02 放射発生器 Expired - Lifetime JP2534529B2 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB8602578 1986-02-03
GB8618117 1986-07-24
US94836486A 1986-12-31 1986-12-31
US2084987A 1987-03-02 1987-03-02
US13207387A 1987-12-11 1987-12-11

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Publication Number Publication Date
JPS63502314A JPS63502314A (ja) 1988-09-01
JP2534529B2 true JP2534529B2 (ja) 1996-09-18

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ID=27361526

Family Applications (5)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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