JP4930895B2

JP4930895B2 - 短光パルス発生方法及び短光パルス発生装置

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Publication number: JP4930895B2
Application number: JP2005206893A
Authority: JP
Inventors: 道春太田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP2007025223A

Description

この発明は、短光パルスを発生する方法及び装置に関し、詳しくは、圧縮器の群速度分散を補償して短光パルスを発生する方法及び装置に関する。

これまで、高パワー（高エネルギ）でパルス幅がｆｓ〜ｐｓオーダの短光パルスを発生させる方法として、チャープパルス増幅（ＣＰＡ：Chirpe Pulse Amplification）技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。このＣＰＡ技術は、チャープ（光パルスの波長λ（周波数ν＝ｃ／λ、ｃは光速）が時間と共に変化）したパルス幅の広い光パルスを、増幅したのち、圧縮器で圧縮して高パワー短光パルスを発生させるものである。高パワー短光パルスを発生させるためには、ファイバ格子圧縮器などを使用することができず、バルク回折素子圧縮器を用いる必要がある。しかし、圧縮器にプリズム対や回折格子対を用いた場合、２次の群速度分散（ＧＶＤ：Gloupe Velocity Dispersion）は、プリズム対や回折格子対の距離を変えることで自由に補償することができるが、３次及びそれ以上高次のＧＶＤが存在するので、パルス幅をトランスフォーム制限（ＴＬ：Transform Limited）近くまで圧縮することができなかった。また、ファイバ伸張器を用いて光パルスをチャープさせたり、ファイバ増幅器を用いて光パルスを増幅したりする場合、この伸張過程や増幅過程で非線形現象（光カー効果による自己位相変調）が起きると圧縮効率が悪くなるので非線形現象が起きないように伝搬する光パルスの強度を低く抑える必要があり、発生する短光パルスの強度をあまり高くできなかった。
特開平８−４６２７６号公報

本発明は、上記の従来の短光パルス発生方法の問題に鑑みてなされたものであり、圧縮器の３次のＧＶＤを補償してパルス幅をＴＬ近くまで圧縮する短光パルス発生方法及び装置を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、短光パルス光源から出力される短光パルスの光強度を調節する調節ステップと、該調節ステップで調節された短光パルスをファイバ伸張器に入射させて該短光パルスを伸張する伸張ステップと、該伸張ステップで伸張された該短光パルスを圧縮器に入射させて該短光パルスを圧縮する圧縮ステップと、を有し、前記調節ステップは、前記圧縮器の３次の群速度分散を補償するように前記ファイバ伸張器に入射させる前記短光パルスの強度を調節するステップであることを特徴とする短光パルス発生方法である。

ファイバ伸張器の屈折率は光カー効果（非線形現象）により入射光パルスの強度に比例して変化するので、ファイバ伸張器に入射する短光パルスの強度を調節することでファイバ伸張器の３次のＧＶＤの絶対値を変えることができる。ファイバ伸張器として圧縮器と逆符号の３次のＧＶＤをもつものを用い、入射光パルスの強度を調節することで３次のＧＶＤの絶対値を圧縮器のＧＶＤ値に近づけて或いは等しくして、ＴＬ近くまで圧縮して、パルス幅の短い光パルスを発生させることができる。また、ファイバ伸張器に入射させる短光パルスの強度を高くすることができるので、発生する短光パルスの強度を高くすることができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の短光パルス発生方法であって、前記圧縮ステップの前に、前記伸張ステップで伸張された前記短光パルスのスペクトルバンド幅を狭めるバンド幅狭小化ステップを有することを特徴としている。

圧縮後のパルス形状がガウス形状に一致するようになり、より一層パルス幅の短い光パルスを発生させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項1或いは２に記載の短光パルス発生方法であって、前記圧縮器は、回折格子対であることを特徴としている。

圧縮率を大きくでき、パルス幅の短い光パルスを発生させることができる。

課題を解決するためになされた請求項４に係る発明は、短光パルス光源と、該短光パルス光源から出力される短光パルスの強度を調節する強度調節手段と、該強度調節手段で調節された該短光パルスが入射されて伸張された短光パルスを出射するファイバ伸張器と、該ファイバ伸張器で伸張された該短光パルスが入射されて圧縮された短光パルスを出射する圧縮器と、を有し、前記ファイバ伸張器は、前記圧縮器と逆符号の３次の群速度分散を持ち且つ前記強度調節手段で調節された所定の強度の短光パルスが入射されることで絶対値が前記圧縮器と略等しい３次の群速度分散を持つことを特徴とする短光パルス発生装置である。

ファイバ伸張器の屈折率は光カー効果（非線形現象）により入射光パルスの強度に比例して変化するので、ファイバ伸張器に入射する短光パルスの強度を強度調節手段で調節することでファイバ伸張器の３次のＧＶＤの絶対値を変えることができる。ファイバ伸張器として圧縮器と逆符号の３次のＧＶＤを持つものを用い、入射光パルスの強度を強度調節手段で調節することで３次のＧＶＤの絶対値を圧縮器のＧＶＤ値に略等しくすることができる。その結果、圧縮器でＴＬ近くまで圧縮して、パルス幅の短い光パルスを発生させることができる。また、ファイバ伸張器に入射させる短光パルスの強度を高くすることができるので、発生する短光パルスの強度を高くすることができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の短光パルス発生装置であって、前記圧縮器の前に、前記ファイバ伸張器で伸張された前記短光パルスのスペクトルバンド幅を狭めるバンド幅狭小化手段を有することを特徴としている。

請求項６に係る発明は、請求項４或いは５に記載の短光パルス発生装置であって、前記圧縮器は、回折格子対であることを特徴としている。

ファイバ伸張器の屈折率は光カー効果により入射光パルスの強度に比例して変化するので、ファイバ伸張器に入射する短光パルスの強度を調節することでファイバ伸張器の３次のＧＶＤの絶対値を変えることができる。ファイバ伸張器として圧縮器と逆符号の３次のＧＶＤをもつものを用い、入射光パルスの強度を調節することで３次のＧＶＤの絶対値を圧縮器のＧＶＤに近づけて或いは等しくして、ＴＬ近くまで圧縮して、パルス幅の短い光パルスを発生させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の最良の実施形態に係る短光パルス発生装置の構成図である。図２は、図１の圧縮器の変形態様を示す図、図３は、図１の圧縮器の別の変形態様を示す図、である。

図示するように、本実施形態の短光パルス発生装置は、ＣＰＡを採用しており、高繰り返し短光パルスを発生する短光パルス光源１と短光パルス光源１から出力される短光パルスの強度を調節する強度調節手段２を備えた出力可変短光パルス光源１０と、調節手段２で調節された短光パルスが入射されて伸張された短光パルスを出射するファイバ伸張器３と、パルスを間引くための光変調器２０と、前置増幅器３０と、ファイバ伸張器３で伸張された短光パルスのスペクトルバンド幅を狭めるバンド幅狭小化手段４と、主増幅器４０と、ファイバからの出射光をコリメートするコリメータ５０と、ビームスプリッタ６０と、ファイバ伸張器３で伸張され、バンド幅狭小化手段４でバンド幅が狭められた短光パルスが入射されて圧縮された短光パルスを出射する圧縮器５と、を有している。各構成要素を連結する太い線は光ファイバで、この間は光パルスがファイバ中を伝搬する。なお、光ファイバを用いないで空中伝搬させても良い。

短光パルス光源１は、モードロックレーザ、Ｑスイッチレーザ等レーザの種別は問わないが、モードロックファイバレーザが装置全体の小型化、高信頼性化の点で好ましい。

強度調節手段２には、光増幅器や各種アッテネータ等を用いることができる。光増幅器の場合は、ポンピングパワーを調節することで光パルスの強度を調節することができる。各種アッテネータとしては、可変ＮＤフィルタや曲率半径可変ファイバ等がある。短光パルス光源がモードロックファイバレーザの場合、別途強度調節手段を用いないで、ファイバーレーザの励起パワーを調節することで光パルスの強度を調節してもよい。

ファイバ伸張器３は、プラスのＧＶＤ（正常分散特性）をもつたとえば石英製のファイバである。ＧＶＤの波長依存性は、材料とカットオフ波長及びコアとクラッドの比屈折率差を適当に選ぶことで、ある程度制御することができる。３次のＧＶＤの符号は、たとえばコア及びクラッドへの応力の掛け方で変えることができるので、後述の圧縮器５と異なる符号の３次のＧＶＤをもつファイバ伸張器を選ぶようにする。パルス伸張率は、ＧＶＤとファイバの長さで決まり、たとえば、長さ１００ｍのファイバ伸張器で１００〜１０００倍に伸張することができる。たとえば、光パルスのスペクトルバンド幅が５ｎｍで、ファイバ伸張器３のＧＶＤが２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、長さが１００ｍの場合、伸張されたパルス幅は１００ｐｓになる。

光変調器２０としては、強度変調器であれば電気光学変調器、音響光学変調器、磁気光学変調器等、種別を問わないが、電気光学結晶を基板とする導波路型変調器がファイバ接続し易く、装置全体の小型化、高信頼性化の点で好ましい。

前置増幅器３０は、光変調器２０でパルスが間引かれたことによる平均パワー低下を補うためのもので、短光パルス光源１から出力される光パルスのスペクトルに利得をもつ媒質を備えていれば、特に限定されない。短光パルス光源１が、たとえばモードロックファイバレーザの場合、通常希土類元素ドープファイバ増幅器が用いられる。

バンド幅狭小化手段４は、ファイバ伸張器３を伝搬することで（非線形現象：光カー効果による自己位相変調により）広がったスペクトルのバンド幅を狭めるもので、干渉フィルタタイプのバンドパスフィルタを用いることができる。

主増幅器４０は、バンド幅狭小化手段４で失われたパワーを取り戻し、且つ所定のパワーに高めるためのもので、入射される短光パルスのスペクトルに利得をもつ媒質を備えていれば、特に限定されない。短光パルスがたとえば１．５μｍ帯の場合、希土類元素ドープファイバ増幅器が用いられる。

コリメータ５０は、主増幅器４０がファイバ増幅器の場合、ファイバから出射される光パルスが広がらないように平行ビームにするためのもので、ファイバ出射端から焦点距離離れた位置にレンズを備えている。

ビームスプリッタ６０は、たとえば半透鏡である。

圧縮器５は、たとえば平行配置された回折格子５１、５２と折り返しミラー５３とからなるトレーシータイプで、負のＧＶＤをもつ。回折格子５１は、コリメータ５０でコリメートされた光束を分光して広げ、回折格子５２は、回折格子５１で広げられた分光光をコリメートすることでパルス時間幅を圧縮する。２次のＧＶＤは、回折格子５１と５２の間隔を変えることで調節できるので、前述のファイバ伸張器３の２次のＧＶＤを補償するように調節される。回折格子５１、５２をプリズムにしてもよい。

圧縮器５を図２に示す圧縮器５’にすることもできる。圧縮器５’は、回折格子５１’、キャッツアイミラー５４、折り返しミラー５３’からなる。このようにすることで、回折格子を１個にすることができる。

さらに、圧縮器５を図３に示す圧縮器５”にすることもできる。圧縮器５”は、反平行配置された回折格子５１”、５２”と回折格子５１”で広げられた光束をコリメートするレンズ５５、レンズ５５でコリメートされた光束を集光するレンズ５６、折り返しミラー５３”とからなるマルチネズタイプで、正のＧＶＤをもつ。

次に本実施形態の短光パルス発生装置の動作を説明する。先ず、短光パルス光源１からの短光パルスを強度調節手段２で調節して強度が順次変化する短光パルスＰinをファイバ伸張器３に入射させ、圧縮器５から出射する短光パルスＰoutのパルス幅をモニターして、事前にＰinの強度ＩとＰoutのパルス幅Δｔの関係（Ｉ―Δｔ特性）を調べておく。

短光パルス光源１からの短光パルスの強度が強度調節手段２で所定の強度に調節されてファイバ伸張器３に入射される。プラスのＧＶＤをもつファイバ伸張器３の中を高パワーの短光パルスが伝搬すると、光カー効果による自己位相変調（非線形現象）により伝搬する光パルスのスペクトル幅が広がる。そのスペクトル幅が広がった短光パルスがＧＶＤによりパルスの立ち上がり部に存在する低い周波数（長い波長）の光は、パルスの立ち下がり部に存在する高い周波数（短い波長）の光より伝搬速度が速いため時間幅の伸張されたチャープパルスとなる。

光変調器２０でパルスが間引かれ、前置増幅器３０で増幅された短光パルスのスペクトルバンド幅がバンド幅狭小化手段４で狭められ、主増幅器４０で増幅された後、圧縮器５に入射され、圧縮された短光パルスＰoutが出射される。強度調節手段２で調節される所定の強度が、前記Ｉ―Δｔ特性に基づいてパルス幅Δｔが最小になる強度にされることで、ファイバ伸張器３で最適な非線形現象が起きて伸張器３の３次のＧＶＤと圧縮器５の３次のＧＶＤの絶対値が近づけられる或いは等しくされる。すなわち、強度調節手段２で調節される所定の強度が、ファイバ伸張器３で最適な非線形現象が起きて伸張器３の３次のＧＶＤと圧縮器５の３次のＧＶＤの絶対値が近づく或いは等しくなる強度にされることで、パルス幅Δｔが最小化される。

（実施例１）
本実施例１の短光パルス発生装置は、図１の最適な形態の短光パルス発生装置である。

出力可変短光パルス光源１０は、モードロックファイバレーザベースの光源で、パルス幅６００ｆｓ、繰り返し周波数３０ＭＨｚ、中心波長１５５８ｎｍ、スペクトルバンド幅８ｎｍの短光パルスを出力する。強度調節手段２はファイバ増幅器で、ファイバ増幅器をポンプするＬＤ（レーザダイオード）の駆動電流を変えることで平均パワーを６〜１４ｍＷの範囲で可変することができる。

ファイバ伸張器３は、コア径５μｍ、長さ２００ｍの石英ファイバで、ＧＶＤ＝２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、２次のＧＶＤ＝２００ｐｓ²、３次のＧＶＤ＝１．２ｐｓ³である。

光変調器２０は、Ｌｉ₂ＮｂＯ₃結晶を用いたマッハツェンダ導波路型変調器で、消光比３０ｄＢ、３０ＭＨｚの繰り返しパルスを１５０ｋＨｚの繰り返しパルスに変換する。

前置増幅器３０は、増幅率４０００倍（５μＷから２０ｍＷに増幅）のＥｒドープファイバ増幅器である。

バンド幅狭小化手段４は、中心波長１５５８ｎｍ、バンド幅６．５ｎｍの干渉フィルタ型のバンドパスフィルタである。

主増幅器４０は、増幅率４０倍（２０ｍＷから８００ｍＷに増幅）のＥｒ、Ｙｂ共ドープファイバ増幅器である。

圧縮器５は、格子間隔１２００本／ｍｍの回折格子５１、５２を平行配置したトレーシータイプで、ファイバ伸張器３の２次のＧＶＤを補償するため回折格子５１、５２の間隔は２８ｃｍに設定されている。このときの３次のＧＶＤ＝−１．７ｐｓ³であった。

図４に、強度調節手段２であるファイバ増幅器のポンプ用ＬＤ駆動電流を変えてファイバ伸張器３に入射する短光パルスＰinの強度を調節したときのＬＤ駆動電流と圧縮器５から出射される短光パルスＰoutのパルス幅Δｔの関係を示す。また、図５に、図４中の（ロ）に対応する短光パルスのファイバ伸張器３の出射端でのスペクトルを、図６に、図４中の（イ）に対応する短光パルスのファイバ伸張器３の出射端でのスペクトルを、それぞれ示す。図５で点線は、バンド幅狭小化手段４を通過前のスペクトルであり、実線は、通過後のスペクトルである。また、図６は、バンド幅狭小化手段４を通過前のスペクトルである。図７に、図４中の（イ）、（ロ）の短光パルスの時間波形を示す。

図５から、パルス幅が最短の短光パルスが得れる（ロ）の場合、ファイバ伸張器３での非線形現象によりスペクトルバンド幅が広がる（点線）が、バンド幅狭小化手段４で狭小化され（実線）、スペクトルバンド幅が７ｎｍになっていることがわかる。また、図６から、ファイバ伸張器３への入射光パルスの強度が低くてパルス幅が長い(イ)の場合、ファイバ伸張器３で非線形現象が起きないため、スペクトルが広がることなく、ファイバ伸張器３の入射端でのスペクトルとほとんど同じで、スペクトルバンド幅が７ｎｍであることがわかる。

図７から、圧縮器５に入射する短光パルスのスペクトルバンド幅が７ｎｍと同じでも、（ロ）すなわち非線形現象が起きた場合の方が（イ）すなわち非線形現象が起きない場合よりパルス幅が短いことがわかる。また、（イ）の場合、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分が広がる傾向があり、これは３次のＧＶＤが補償されないためと考えられる。それに対して、（ロ）の場合、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分が広がることがなく、３次のＧＶＤが補償されていると考えられる。

図８は、図７の（ロ）の時間波形をガウス型と仮定してフィッティングした時間波形であるが、ほぼ完璧にフィッティングできており、このことからも（ロ）の場合、３次のＧＶＤが補償されていることがわかる。

図４から、横軸すなわちＬＤ電流が大きくなるほどファイバ伸張器３に入射する短光パルスの強度が増大し、ファイバ伸張器３中での非線形効果が増大するが、圧縮器５から出射される短光パルスのパルス幅は、（イ）から（ロ）までは減少し、（ロ）から（ハ）までは増大することがわかる。すなわち、強度が増大し過ぎると、非線形効果が増大し過ぎてパルス幅が逆に大きくなる。したがって、ファイバ伸張器３に入射する短光パルスの強度を所定の値（本実施例では、ＬＤ電流を約３２０ｍＡ）にして３次のＧＶＤを補償することでパルス幅の最小化を図ることができる。

３次のＧＶＤが補償されたときの最小のパルス幅は、図７或いは図８からΔｔ≒０．８５ｐｓであり、スペクトルバンド幅はΔλ＝７ｎｍである。周波数差Δνは、光速をｃ、中心波長をλ0とすると、Δν＝ｃ｛１／（λ0−Δλ／２）−１／（λ0＋Δλ／２）｝であり、λ0＝１５５８ｎｍのとき、Δν＝８．６７×１０¹¹ｓ^-1 となる。したがって、Δν×Δｔ＝０．７３５となり、ガウス型のＴＬ条件０．４４には及ばないが、ＴＬ近くまで圧縮されていると言える。

本発明の最良の実施形態に係る短光パルス発生装置の概略構成図である。図１の圧縮器の変形態様を示す図である。図１の圧縮器の別の変形態様を示す図である。実施例１の短光パルス発生装置において強度調節手段でファイバ伸張器に入射する短光パルスＰinの強度を調節するためのＬＤ駆動電流と圧縮器から出射される短光パルスＰoutのパルス幅Δｔの関係を示す図である。図４中の（ロ）に対応する短光パルスのファイバ伸張器の出射端でのスペクトル波形である。図４中の（イ）に対応する短光パルスのファイバ伸張器の出射端でのスペクトル波形である。図４中の（イ）、（ロ）の短光パルスの時間波形である。図７の（ロ）の時間波形をガウス型と仮定してフィッティングした時間波形である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・短光パルス光源
２・・・・・・・・・・・・強度調節手段
３・・・・・・・・・・・・ファイバ伸張器
４・・・・・・・・・・・・バンド幅狭小化手段
５・・・・・・・・・・・・圧縮器

Claims

短光パルス光源から出力される短光パルスの光強度を調節する調節ステップと、
該調節ステップで調節された短光パルスをファイバ伸張器に入射させて該短光パルスを伸張する伸張ステップと、
該伸張ステップで伸張された該短光パルスを圧縮器に入射させて該短光パルスを圧縮する圧縮ステップと、を有し、
前記調節ステップは、前記圧縮器の３次の群速度分散を補償するように前記ファイバ伸張器に入射させる前記短光パルスの強度を調節するステップであることを特徴とする短光パルス発生方法。
前記圧縮ステップの前に、前記伸張ステップで伸張された前記短光パルスのスペクトルバンド幅を狭めるバンド幅狭小化ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の短光パルス発生方法。
前記圧縮器は、回折格子対であることを特徴とする請求項１或いは２に記載の短光パルス発生方法。
短光パルス光源と、
該短光パルス光源から出力される短光パルスの強度を調節する強度調節手段と、
該強度調節手段で調節された該短光パルスが入射されて伸張された短光パルスを出射するファイバ伸張器と、
該ファイバ伸張器で伸張された該短光パルスが入射されて圧縮された短光パルスを出射する圧縮器と、を有し、
前記ファイバ伸張器は、前記圧縮器と逆符号の３次の群速度分散を持ち且つ前記強度調節手段で調節された所定の強度の短光パルスが入射されることで絶対値が前記圧縮器と略等しい３次の群速度分散を持つことを特徴とする短光パルス発生装置。
前記圧縮器の前に、前記ファイバ伸張器で伸張された前記短光パルスのスペクトルバンド幅を狭めるバンド幅狭小化手段を有することを特徴とする請求項４に記載の短光パルス発生装置。
前記圧縮器は、回折格子対であることを特徴とする請求項４或いは５に記載の短光パルス発生装置。