JP5110622B2 - 半導体超短パルス光源 - Google Patents

Description

本発明は、半導体超短パルス光源に関し、特に、高ピークパワーのパルスレーザー光を発生する超短パルス光源に関するものである。

超短パルス光源は、バイオ・医療・超微細加工を始め、広範な分野での応用が期待されている。特にバイオ・医療応用を例にとると、この超短パルス光源としては現在チタンサファイアレーザーに代表される固体レーザーベースの光源が商用化され、主に２光子励起蛍光顕微鏡を始めとする非線形顕微イメージング用光源として、研究用途に使われている。

この２光子励起蛍光顕微鏡用光源としては、可視域の蛍光に対応する近赤外領域７００〜１０００ｎｍの励起光源が重要である。そして、特に９００〜１０００ｎｍの出力波長の励起光源は、生物応用において最も多用されている蛍光蛋白質（ＧＦＰ、ＹＦＰ、ＲＦＰ）の２光子励起に適する光源であることから、最も重要である。

しかしながら、チタンサファイアレーザーに代表されるこれらの固体レーザーは、大型であり、安定性に問題があり、操作性も低く、さらに高価なため、空調と大型の除震台が完備され専門のレーザーオペレーターが常駐する研究室から、通常の環境にある病院やバイオ実験室で実用的な使用に供される段階にはない。

本発明は従来技術のこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高安定、小型、高い操作性及び低価格であって、ピークパワーの高い実用的な超短パルス光源を提供することである。

本発明の半導体超短パルス光源は、単一縦モード半導体レーザーと、前記単一縦モード半導体レーザーを利得スイッチ駆動し光パルスを得るための電気パルス発生器と、発生した光パルスを増幅するための少なくとも１台の光増幅器とを備え、さらに、前記単一縦モード半導体レーザーと前記光増幅器間に、前記単一縦モード半導体レーザーから発生した光パルスのダウンチャープを補償してパルスを圧縮するためのパルス圧縮器と、圧縮された前記パルスに含まれる自然放出光雑音及びペデスタル成分除去を行う波形整形器とを配し、前記単一縦モード半導体レーザー、前記パルス圧縮器、前記波形整形器、前記光増幅器間が全て光学的に接続されていることを特徴とするものである。ここで、光学的に接続するとは、例えば光ファイバーを用いることができる。

この本発明の半導体超短パルス光源の構成の最大の特徴は、分散補償型のパルス圧縮器、及び、フィルター型の波形整形器を単一縦モード半導体レーザーと光増幅器の間に配した点にある。本発明の構成による、分散補償型のパルス圧縮器、及び、フィルター型の波形整形器の効果を、図１を用いて説明する。

図１（ａ）の点線は、半導体レーザーから出力された光パルスのスペクトル波形、図１（ｂ）の点線は、その光パルスの時間波形である。まず、分散補償型のパルス圧縮器の作用により、スペクトルは略維持したまま時間波形のみ圧縮する。この結果として、図１（ｂ）の実線に示すような、パルス幅が狭く、ピークパワーの高い、しかし、ペデスタル成分（底辺の幅の広い台形部分）が残っている光パルスが得られる。この分散補償型のパルス圧縮器が作用した光パルス（図１（ｃ）の点線がそのスペクトル波形、図１（ｄ）の点線がその時間波形）に、さらにこのペデスタル成分除去のためのフィルター型の波形整形器（図１（ｃ）の実線がその透過特性）を作用させると、図１（ｄ）の実線のように、ペデスタル成分が除去され、しかもパルス幅が狭くピークパワーの高い所望の超短光パルスが得られる。

なお、本構成では、フィルター型の波形整形器でスペクトル幅を制限するので、自然放出光（Amplified spontaneous emission：ＡＳＥ）雑音も削減できる。

つまり、本発明の構成によれば、上記のような理由で、ピークパワーの高い実用的な超短パルス光源を提供することができる。

さらに、本発明の半導体超短パルス光源は、上記構成に加え、前項単一縦モード半導体レーザーが面発光レーザーである構成をとることができる。

この構成で用いる面発光レーザー（Vertical Cavity Surface emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）は短共振器構造であるため、超短光パルス発生に適している。さらに、バイオ・医療分野で需要の高い波長１μｍ帯以下の波長領域での入手性が良く、低価格でもある。そのため、この構成によれば、低価格で実用性の高い超短パルス発生を実現できる。

以上のように、本発明によると、高安定、小型、高い操作性及び低価格であって、ピークパワーの高い実用的な超短パルス光源を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の半導体超短パルス光源の実施例を詳細に説明する。

〔第１実施例〕
図２は、本発明に係る半導体超短パルス光源の第１実施例の構成を示す図である。

本実施例の半導体超短パルス光源は、単一縦モード半導体レーザー１０と、この単一縦モード半導体レーザー１０を利得スイッチ駆動し光パルスを得るための電気パルス発生器２０と、単一縦モード半導体レーザー１０から発生した光パルスを増幅するための光増幅器５０を備え、さらにこの単一縦モード半導体レーザー１０と光増幅器５０間に、単一縦モード半導体レーザー１０から発生した光パルスのダウンチャープ（レッドシフトチャープ：パルスの始まりから終わりに向かって波長がより長波長にシフトする現象）を補償し、パルスを圧縮するためのパルス圧縮器３０と、圧縮されたパルスに含まれるＡＳＥ雑音及びパルスペデスタル成分除去を行う波形整形器４０とを配し、単一縦モード半導体レーザー１０とパルス圧縮器３０の間、パルス圧縮器３０と波形整形器４０の間、波形整形器４０と光増幅器５０の間の接続を全て光ファイバー６０で行うものである。なお、パルス圧縮器３０及び波形整形器４０は、単一縦モード半導体レーザー１０と光増幅器５０の間に配置されていればよく、どのような順序で配置されてもよい。

より具体的には、本実施例では、単一縦モード半導体レーザー１０としては、波長９７５ｎｍの面発光レーザー（Vertical Cavity Surface emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）、電気パルス発生器２０としては１００ピコ秒程度の電気パルスを発生する市販のコムジェネレーター、パルス圧縮器３０としては光パルスのダウンチャープ（通常パルス幅２０ピコ秒〜５０ピコ秒程度）を補償するチャープド・ファイバー・ブラッグ・グレーティング、波形整形器４０としては光スペクトルの長波長側ピーク成分（図１（ｃ）の点線の長波長側ピーク成分）を除去するノッチ型ファイバー・ブラッグ・グレーティング、光増幅器５０としてはＹｂ添加ファイバー型光増幅器を用い、これらの間をシングルモード光ファイバーで接続した。

本実施例の構成により、波長９７５ｎｍ、ピーク出力８００Ｗ、パルス幅３ピコ秒の実用的（高安定、小型、高い操作性及び低価格）な超短パルス光源が実現された。

〔第２実施例〕
本実施例の超短パルス光源は、図３に示すように、半導体レーザーからの光パルスの強度が弱い場合にも対応できるように、光増幅器５０として２台の光増幅器５１、５２を用いている。すなわち、単一縦モード半導体レーザー１０と、この単一縦モード半導体レーザー１０を利得スイッチ駆動し光パルスを得るための電気パルス発生器２０と、単一縦モード半導体レーザー１０から発生した光パルスを増幅するための２台の光増幅器５１、５２を備え、さらに前段の光増幅器５１と後段の光増幅器５２間に、単一縦モード半導体レーザー１０から発生し光増幅器５１で増幅された光パルスのダウンチャープを補償し、パルスを圧縮するためのパルス圧縮器３０と、圧縮されたパルスに含まれるＡＳＥ雑音及びパルスペデスタル成分除去を行う波形整形器４０とを配し、単一縦モード半導体レーザー１０から光増幅器５２の間の接続を全て光ファイバー６０で行うものである。

より具体的には、本実施例では、単一縦モード半導体レーザー１０は、波長９８０ｎｍの面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、電気パルス発生器２０としては２５０ピコ秒程度の電気パルスを発生する電気回路、パルス圧縮器３０としては光パルスのダウンチャープを補償する群速度分散を有する光ファイバー、波形整形器４０としては光スペクトルの長波長側ピーク成分（図１（ｃ）の点線の長波長側ピーク成分）とＡＳＥ雑音を除去する誘電体多層膜型フィルター、光増幅器５０としては、前置（前段）光増幅器５１としての半導体光増幅器（Semiconductor optical amplifier ：ＳＯＡ）及び後段光増幅器５２としてのＹｂ添加ファイバー型光増幅器を用い、これらの間をシングルモード光ファイバーで接続した。

本実施例の構成により、波長９８０ｎｍ、ピーク出力１ｋＷ、パルス幅３．５ピコ秒の実用的（高安定、小型、高い操作性及び低価格）な超短パルス光源が実現された。

なお以上の実施例に記載した各構成は各種変形が可能である。例えば単一縦モード半導体レーザー１０は分布反射型（Distributed Bragg reflector ：ＤＢＲ）半導体レーザー、分布帰還型（Distributed feedback：ＤＦＢ）半導体レーザーやフォトニック結晶レーザー等、各種の半導体レーザーが使用できる。パルス圧縮器３０は、光パルスのダウンチャープを補償するものであれば何でもよく、回折格子対、プリズム対、フォトニック結晶等も用いることができる。波形整形器４０も、ファブリ・ペロー型フィルター若しくはフォトニック結晶型フィルター等でもよい。

なお、波長範囲についても、所望の波長に応じた部品を適時用いれば、広範囲の波長域で本発明の半導体超短パルス光源が構成可能である。

本発明の分散補償型パルス圧縮器及びフィルター型波形整形器の作用効果を説明するための概念図である。 本発明に係る半導体超短パルス光源の第１実施例の構成を示す図である。 本発明に係る半導体超短パルス光源の第２実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１０…単一縦モード半導体レーザー
２０…電気パルス発生器
３０…パルス圧縮器
４０…波形整形器
５０…光増幅器
５１…前置光増幅器
５２…後段光増幅器
６０…光ファイバー

Claims (2)

1. 単一縦モード半導体レーザーと、前記単一縦モード半導体レーザーを利得スイッチ駆動し光パルスを得るための電気パルス発生器と、発生した光パルスを増幅するための少なくとも１台の光増幅器とを備え、さらに、前記単一縦モード半導体レーザーと前記光増幅器間に、前記単一縦モード半導体レーザーから発生した光パルスのダウンチャープを補償してパルスを圧縮するためのパルス圧縮器と、圧縮された前記パルスに含まれる自然放出光雑音除去及び光パルススペクトルの長波長成分を除去することでペデスタル成分除去を行う波形整形器とを配し、前記単一縦モード半導体レーザー、前記パルス圧縮器、前記波形整形器、前記光増幅器間が全て光学的に接続されていることを特徴とする半導体超短パルス光源。
2. 前記単一縦モード半導体レーザーが面発光レーザーであることを特徴とする請求項１記載の半導体超短パルス光源。

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