JP4242364B2 - 相対的タイミングドリフトの低減方法、タイミングジッター減少法及び短パルスファイバーレーザーシステム - Google Patents
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Description
D=c/2×ΔT または D(cm)=15×ΔT(ns)
この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことにする。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パルスの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指すものとする。鏡の精密な位置決めおよび走査のために、すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば以下のようなものがある。
・回転鏡対(例えば、非特許文献2参照)
・ステップモーターを採用しているリニアートランスレーター(多くのベンダーから商品化されている)
・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレーター(例えば、非特許文献3参照)
可調整群遅延(アジャスタブル・グループ・ディレイ)を使用している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなものがある。
・走査ガルバノメーターを採用しているフェムト秒パルスシェーパー(FPS)(例えば、非特許文献4−5参照)
・回転ガラスブロック
物理的遅延方法には数々の短所があるが、その最たるものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしまうことである。例えば、10ns(ナノ秒)の遅延を得るためには、5フィートの鏡の移動が必要である。その他にもまた、物理的な制約や短所がある。長い遅延が使用されているときには、ミスアラインメントやピント外れは、計測を歪ませる。コーナーキューブ反射器を使用すると、ミスアラインメントの問題は軽減されるが、ピント外れの問題は軽減されない。このピント外れの影響は、走査振幅が光ビームの共焦点パラメーターのかなりの部分に相当する時に起きやすい。10nsの時間遅れは、10フィート(約3m)の自由空間での伝搬を必要とする。それゆえ、ピント外れの影響を最小限に抑えるためには、共焦点パラメーター(ZR )はおおよそこの値(10フィート)の10倍、すなわちZR =30mでなくてはならない。このため、1550nmの波長では12mmのビーム半径(wo )が要求される。これでは多くの場合に非現実的に大きいものになってしまう。
・自由走査レーザー(例えば、非特許文献6−9参照)
・分散要素として音響光学デフレクター(偏向器)を採用しているステップミラー遅延線(例えば、非特許文献10参照)
これらの非機械的な方法によれば、とりわけ高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーでは、レーザーの反復周期全体にわたるスパン(幅)が得られる。例えば、図1に示す公知の自由走査レーザーシステムは、互いに異なるキャビティー長を持っているマスターレーザー10およびスレーブレーザー20を有し、両者10,20は互いに異なる反復周波数ν1 およびν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波数差Δν=ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー20のキャビティー長を所定の長さに調整することにより所望の値に設定される。相関器(コリレーター)40は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成する。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関する情報が得られ、データ取得電子装置50にトリガー信号が与えられる。例えば、Kafka et al.によれば、二つの独立なモードロック・チタン:サファイア・レーザー、つまりマスターレーザー10およびスレーブレーザー20(それぞれの公称反復率は80MHz)が、(80MHz程度の)互いに異なる反復周波数を持つように設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おおよそ100kHzのオフセット周波数Δνで、互いを通して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカルRFオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反復率が80MHz付近であったから、総走査範囲は約13nsであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く使用することなく、時間走査が達成された。タイミングの較正は、非線形結晶(例えば相関器40)の中へ鏡30から反射された二つのレーザービームの相互相関により達成された。結果として得られた信号は、トリガーデータ取得ユニット50(例えばオシロスコープ)へ送られて使用された。レーザー10,20からのレーザービーム出力もまた、別の鏡60で反射され、レーザービームを使用した所望の計測や実験を行う計測装置70により受信される。
1.固定された走査範囲:走査範囲が、レーザーの反復周波数(すなわちラウンドトリップタイム)の逆数に固定されている。
2.無駄時間:13nsのパルス空間の全部の代わりに、100psだけとか10psだけとかに関心が流れがちである。それゆえ、10μs(マイクロ秒)ある走査時間のうち、ほんの1%(または0.1%)しか活用されておらず、残りの99%(99.9%)は「無駄時間」である。そのため、データ取得時間が100倍とか1000倍とかに増大する。
R. F. Fork and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978) Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Comm., 36, 406(1981) D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Scheuermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990) K. F. Kwong, D. Yankelevich, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes; "400-Hz mechanical scanning optical delay line" Opt. Lett. 18, (7) 558(1993) K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A. Denes, Conference on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest Series, Vol.8, 1994, paper CThI23. A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bloom, Rev.Sci, Instrum. 63,3191(1992) K.S.Giboney, S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers; "Picosecond Measurements by Free-Running Electro-Optic Sampling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.1994 J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-color subpicosecond optical sampling technique." Opt.Lett., 17, pp.1286-9, Sept.15, 1992 M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann; "Controllable dual- wavelength operation of a Femtosecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-7, Jan.15, 1995 R.payaket, S.Hunter, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort optical pulse delay using an acousto-optic deflector." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 1995 J.M.Evans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual- wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt.Lett., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993 M.R.X.de Barros and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.631-3, Apr.15, 1993 D.R.Dykaar and S.B.Darak; "Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993 Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt. Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993 S.P.Dijaili, J.S.Smith, and A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Jul.1989
本発明は、自由走査レーザーシステムと同様に、例えば図2(a)に示すようにほとんど同一の反復率をもつマスターレーザー110およびスレーブレーザー120の二つのレーザーから構成されている。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なって、マスターレーザー110およびスレーブレーザー120からのパルス出力は、互いを通して完全に走査することはできないようになっている。むしろ、波長λ1をもつマスターレーザー110は、一定の反復率ν1 に保持されているか、自発的にドリフトするのが容認されている一方で、スレーブレーザー120の反復周波数ν2 は、マスターレーザー110の反復率の付近を動揺(ディザー)させられている。この反復率の動揺は、例えば30Hzから1kHzまでの範囲の「高」周波でスレーブレーザー120のキャビティー長(L2 )を変えることによって達成されている。その一方で、その「平均的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相同期ループ(PLL)回路を含む安定器ユニット130により、マスターレーザー110の反復率に合わせて追従ないし制御されている。マスターレーザー110とスレーブレーザー120との間の平均的な時間遅れは、スレーブレーザー120のキャビティー長を制御する安定器ユニット130により、一定に保持されている。一方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、信号発生器140からの高速動揺信号出力は、安定器ユニット130からの制御電圧出力と(合算器Σで)足し合わされている。反復周波数の追従および動揺は、スレーブレーザー120のエンドミラーをピエゾ素子(PZT)121に取付け、周波数信号発生器140からの必須の電圧信号を(PZTに)印加することにより、実現することができる。PLL回路の帯域幅は動揺周波数未満であることが必要であり、さもないと、(スレーブレーザー120の周波数が)マスターレーザー110に追従しようとしてキャビティー長の走査を妨害してしまうであろう。
図4に、二つのファイバーレーザーすなわちマスターレーザー210およびスレーブレーザー220を採用している本発明の好ましい実施例を示す。
PLL回路安定器130が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例えば100フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミング信号で、データ取得ユニット50が適正にトリガーされることが補償されていることが必要である。このような信号は、BBOのような非線形結晶内での非線形光学ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。このようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka et al.のようなその他の人によっても行われている。走査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合にも、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精度を得るためにも必須であることが示されている。
時間スケールの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発生させるのに使用するように、光学的方法を選択することである。好ましい実施例においては、図8(a)〜(b)に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様に生成するよう、フィネスの高いファブリペロー(FP)エタロンから単パルスを反射することにより、パルス列を生成することができる。なぜならば、このFPエタロンは「ガタガタ板」として使用されており、その中ではFPエタロン(すなわちフィネスの高いエタロン)内でパルスが何度も内部反射されるからである。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率はむしろ低い。
前述の方法によって生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用して、別のレーザパルスと相互相関を取ることができる。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出するためには、各種の非線形プロセスを使用することができる。使用可能なある種の非線形性としては、第2高調波発生(SHG)、和周波発生、利得飽和、吸収飽和、四波混合、および光電流があるが、これらに限定されるものではない。非線形要素のありそうな選択としては、SHG結晶がある。しかしながら、SHG結晶を使用すると、レーザパルス間にオーバーラップがあったときにしか信号が発生しないという短所がある。それゆえ、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパー、エタロン、その他の各種を使用することが必要になる。ある状況においては、SHG結晶の使用によって得られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非即時の応答を持つ故に「振幅」情報を介して時間遅れに関する情報が得られる要素を使用することが、より望ましいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイオード増幅器(TWAs)や飽和吸収器や光検出器などの適切なデバイスや材料、あるいはPINフォトダイオードやアバランシェ・フォトダイオードあるいはSEEDデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスなどは、数多くある。例えば、TWAなどは、光通信の中で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら(TWA)は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲とは、そのデバイスの回復時間(リカバリータイム)によって決まる。TWAデバイスは、10-3ラジアン程度までの位相精度で計測ができることが分かっている。このような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけがタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。そのデバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化するそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的な特性を観測することによってもまた、パルスタイミング情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当たり、これは大きな単純化である。
いかなるキャビティー長の誤差もレーザーキャビティーのラウンドトリップ毎にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビティー長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じうる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」反復率をν1 に、または等価であるが「時間平均」キャビティー長ミスマッチΔLをゼロに保持することが必要になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために使われるフィードバック信号は、図13に示すように、一対の光検出器PD−1,PD−2によって検知され、通常の位相同期ループ(PLL)回路に導入される。以前に説明したように、このようなPLL安定化システムの精度は、すでに計測されており、20ピコ秒までの最大タイミング移動で5ピコ秒以内のRMSに、二つのファイバーレーザーを同期させることができることが分かっている。ここに引用されている安定化の精度は現在の技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を示すものでは全くない。本質的には、1ピコ秒未満まで精度を向上させることが可能なはずである。しかしながら、場合によっては1フェムト秒以下にまでなる所望の時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然として必要である。
さらに明確な応用の一例として、図15および図16に示すように、通常の動ミラー法の代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
図17は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを採用している光学時間領域反射率計(OTDR)システムの模式図である。走査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くなるように、低い反復率のレーザー(ν〜5−10MHz)からなることが望ましい。マスターレーザー710からの短パルスは、ビームスプリッタBS 760により二つのビームに分割される。分割されたビームのうち一方はタイミングユニット741に送られ、他方はファイバーなどの導波供試デバイス(DUT)790に送られる。DUT790内の表面や接続部、欠陥などから反射されたパルスは、約10フェムト秒すなわち約3ミクロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のために、相関器740に送られる。これは、次のような方法で実現される。
図18は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを使用した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロスコープの模式図である。本実施例では、十分に確立されている非接触EOサンプリング技術が、ここで説明された高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
20,120,220,520,620,720,820:スレーブレーザー
30:ハーフミラー 40,640,740:相関器(コリレーター)
50:オシロスコープ 60:ミラー 70:計測装置
111,121:ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ(PZT)
130,630,830:安定器ユニット、駆動安定器、PLL回路安定器
131:タイミング弁別装置(TD) 133:位相検出器
134:フィルター、濾波器 135:信号発生器
136:オペアンプ 138:加算器(Σ) 140:低周波信号発生器
205:レーザーダイオード(LD) 206:スプリッター(SPL)
215:ファラデー回転子(旋光器)ミラー(FRM)
225:光学アセンプリ(PZT−FRM) 280:ファイバースプール
300:ファイバー 310,320,330:チャープ・ファイバー格子
340:偏光ビームスプリッタ(PBS)
350:四分の一波長板(QWP)
430,440:パルスアンプ(PA) 450:PZT制御装置
540:タイミングユニット、相互相関器
550,650,750,850:データー取得システム(DAQ)
641,741,841:タイミングユニット
660,670,760,770:ビームスプリッター(BS)
780,880:パルスシェーパー 790:供試デバイス(DUT)
891:光導電(PC)スイッチ 892:電気光学(EO)プローブチップ
893:偏光光学素子
L1:集光レンズ FP:FPエタロン FR:ファラデー旋光器
PD−1,PD−2:フォトダイオード、光検出器 SA:過飽和吸収体
λ/2:半波長板 λ/4:四分の一波長板(QWP)
Claims (17)
- いずれもファイバーレーザーである第1短パルスレーザーと第2短パルスレーザーの相対的タイミングドリフトの低減方法であって、
前記第1短パルスレーザーのキャビティー長と前記第2短パルスレーザーのキャビティー長のミスマッチを低減するように、前記第1短パルスレーザーおよび前記第2短パルスレーザーを同一の要素で構成するステップと、
前記第1短パルスレーザーおよび前記第2短パルスレーザーを共通のレーザーでポンピングするステップと、
前記第1短パルスレーザーおよび前記第2短パルスレーザーを共通のファイバースプールに巻き付けるステップと、
前記第1短パルスレーザーおよび前記第2短パルスレーザーを単一の容器内に設置して、前記第1短パルスレーザーおよび前記第2短パルスレーザーを外部環境から隔離するステップと、
を有することを特徴とする相対的タイミングドリフトの低減方法。 - 前記ファイバースプールは、遮音されていることを特徴とする請求項1に記載の相対的タイミングドリフトの低減方法。
- 前記ファイバースプールの熱膨張係数は、前記光ファイバーの熱膨張係数と一致していることを特徴とする請求項1に記載の相対的タイミングドリフトの低減方法。
- さらに、前記短パルスファイバーレーザーを温度制御された容器内に設置する設置ステップを有することを特徴とする請求項1に記載の相対的タイミングドリフトの低減方法。
- さらに、前記ファイバーレーザーが巻き付けられている前記ファイバースプールを温度制御され遮音された容器中に設置する設置ステップを有することを特徴とする請求項1に記載の相対的タイミングドリフトの低減方法。
- さらに、前記ファイバーレーザーの時間平均キャビティー長ミスマッチをゼロに保持する保持ステップを有することを特徴とする請求項1に記載の相対的タイミングドリフトの低減方法。
- 二つの短パルスファイバーレーザー間のタイミングジッターを減少させる方法であって、
前記二つのファイバーレーザーを単一のファイバースプールに巻き付ける巻き付けステップと、
前記ファイバースプールに遮音及び温度制御のうち少なくとも一方を施すステップと、
を有することを特徴とする二つの短パルスファイバーレーザー間のタイミングジッター減少法。 - さらに、前記二つのファイバーレーザーを単一のポンプ光源で駆動する駆動ステップと、
前記二つのファイバーレーザーを単一の容器に封入する封入ステップと、
を有することを特徴とする請求項7に記載の二つの短パルスファイバーレーザー間のタイミングジッター減少法。 - さらに、前記単一の容器内の環境を制御する制御ステップを有することを特徴とする請求項8に記載の二つの短パルスファイバーレーザー間のタイミングジッター減少法。
- さらに、前記二つのファイバーレーザーの反復周波数を別々に制御する制御ステップを有することを特徴とする請求項7に記載の二つの短パルスファイバーレーザー間のタイミングジッター減少法。
- 光エネルギーを伝搬可能な第1希土類ドープファイバーと、
光エネルギーを伝搬可能な第2希土類ドープファイバーと、
前記第1及び第2希土類ファイバーとが共に巻き付けられるスプールと、
前記第1及び第2希土類ファイバーとを共に駆動可能な単一ポンプ光源と、
を有し、短パルスファイバーレーザーの出力パルス列の反復率を安定化させるために、前記第1及び第2希土類ドープファイバーが外部環境条件から隔離されていることを特徴とする短パルスファイバーレーザーシステム。 - さらに、前記第1ファイバーと前記スプールを環境隔離する容器を有することを特徴とする請求項11に記載の短パルスファイバーレーザーシステム。
- さらに、前記レーザーのキャビティ長を変えることができるピエゾエレクトリック・トランスデューサーを有することを特徴とする請求項11に記載のファイバーレーザーシス
テム。 - さらに、前記第1及び第2ファイバーの出力を動揺させる動揺手段を有することを特徴とする請求項11に記載の短パルスファイバーレーザーシステム。
- 前記第1ファイバーの出力は走査周波数で動揺させられ、前記第2ファイバーの出力は該第1ファイバーの出力の平均反復率に実質的に等しい反復率で安定するように動揺させられることを特徴とする請求項14に記載の短パルスファイバーレーザーシステム。
- さらに、前記第1ファイバーの一端に第1ファラデー回転子ミラーと、
第2ファラデー回転子ミラーとミラーに取り付けられたピエゾエレクトリック・トランスデューサーを備える光学組立部品と、
を有することを特徴とする請求項11に記載の短パルスファイバーレーザーシステム。 - さらに、モードロックさせる同じ光学系を少なくとも2セット有し、モードロックさせる光学系の各々は波長板、ファラデー回転子、及び偏光ビームスプリッタを備え、モードロック光学系の少なくとも1セットは前記第1ファイバーと関連し、モードロック光学系の少なくとも別の1セットは前記第2ファイバーに連合されていることを特徴とする請求項16に記載の短パルスファイバーレーザーシステム。
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