JP5130762B2 - 広帯域光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域光源装置に関する。

スーパーコンティニューム光(ＳＣ光)は、広帯域光の一種で、その高出力性、広帯域性及びスペクトル平坦性などの特徴を有する。そのため、光計測や近赤外分光など様々な応用分野への重要光として期待されている。高いピークパワーのパルス光を光ファイバやガラス、結晶などの非線形媒体に入力することで容易にＳＣ光が得られるが、他にも連続光を入力した例や、空気中で生成される例など、多くの報告がなされている。

その中、複数波長の励起光で励起したＳＣ光生成は、その広帯域性、帯域平坦性などから、注目されている（例えば、非特許文献１〜４参照）。特に、ＳＣ光を光ファイバ中で生成させる方法は、光を強制的に閉じ込めることができるため、複数波長の励起光の間の非線形相互作用長を長くさせ、高効率なＳＣ光生成が期待できる。実際に、非特許文献１や３では、可視領域のほぼ全域と約１０００ｎｍから１７００ｎｍ以上の近赤外領域の光の生成が報告されている。非特許文献４でも、可視領域のほぼ全領域から約１７００ｎｍまでの近赤外領域までの光が生成されている。

また、ＳＣ光の生成は光ファイバの非線形媒体の分散特性に大きく影響されることはよく知られており、数多くの報告例がある（例えば、非特許文献５参照）。従って、所望の帯域や所望スペクトル特性を有するＳＣ光を得るためには、適当な分散特性を持つ光ファイバを用いる必要がある。
Pierre-Alain Champert, et al., Opt. Express, Vol.12, No.19pp.4366-4371(2004) Yu Oishi, et al., Opt. Express, Vol.14, No.16 pp.7230-7237(2006) E.Raikkonen, et al., Opt. Express, Vol.14, No.17 pp.7914-7923(2006) T.Schreiber,et al.,Opt.Express,Vol.13,No.23,pp.9556-9569(2005) W.J.Wadsworth,et al., J.Opt.Soc.Am.B,Vol.19, No.9, pp.2148-2155 (2002)

しかし、既に報告されている複数波長励起のＳＣ光生成技術では、波長変換素子に入力光をそのまま入れて、出力側で入力光に相当する励起光と、変換素子中で生成された変換光とが同じ素子から出力され、そのまま両者を光ファイバに入力される構成となっている。そのため、異なる波長に対して一種類の光ファイバの特性によって広帯域なＳＣ光を生成しなければならないが、それぞれの波長及びその波長間の相互作用を考慮した最適な分散及び非線形特性を有する光ファイバの実現が困難である。

従って、このような複数波長の励起のＳＣ光源でも、可視領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）から近赤外領域（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）の全域をカバーするＳＣ光の生成は実現されていなかった。具体的には、非特許文献１や３では近赤外領域の短波長側の成分が生成されておらず、非特許文献４では長波長側の拡大が不足しており、連続した平坦なＳＣ光になっていない。一方、波長域が異なる複数の励起光源を使用して、それぞれの領域でＳＣ光を生成させ、まとめる構成では、構成が複雑でコストが上昇するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の励起光源を使うことなく、かつ高効率に広い帯域をカバーすることができる広帯域光源装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る広帯域光源装置は、波長範囲７００ｎｍ〜２５００ｎｍに含まれる中心波長を有する種光を出力する光源と、その光源から出力された種光を分岐して第１種光及び第２種光を出力する分岐部と、第１種光を入射端に入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学現象に因り波長帯域が拡大された第１ＳＣ光を発生させ、その第１ＳＣ光を出射端から出力する第１の光ファイバと、第２種光を入力して第２種光の波長と異なる波長の波長変換光を発生させ、その波長変換光を出力する波長変換部と、波長変換光を入射端に入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学現象に因り波長帯域が拡大された第２ＳＣ光を発生させ、その第２ＳＣ光を出射端から出力する第２の光ファイバと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る広帯域光源装置では、光源から出力された種光は分岐部により第１種光及び第２種光に分岐され、第１種光及び第２種光は分岐部から出力される。分岐部から出力された第１種光は、第１の光ファイバの入射端に入力され、第１の光ファイバにより導波される。この第１の光ファイバにおいて、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有する第１ＳＣ光が発生して、その第１ＳＣ光が第１の光ファイバの出射端から出力される。

分岐部から出力された第２種光は波長変換部に入力され、波長変換部において第２種光の波長変換光が発生し、波長変換光が波長変換部から出力される。波長変換部から出力された波長変換光は第２の光ファイバの入射端に入力され、第２の光ファイバにより導波される。この第２の光ファイバにおいて、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有する第２ＳＣ光が発生して、その第２ＳＣ光が第２の光ファイバの出射端から出力される。

これにより、波長域が互いに異なる第１種光と波長変換光とを同時に発生させ、第１種光及び波長変換光をそれぞれ第１の光ファイバ及び第２の光ファイバに光導波させ、それぞれの光ファイバ中において生じる非線形光学現象により、異なる波長域のスペクトルを有する広帯域の第１ＳＣ光及び第２ＳＣ光を同時に発生させることができる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、第１ＳＣ光と第２ＳＣ光とを合波して第３ＳＣ光とし、その第３ＳＣ光を出力する合波部を更に備えるのが好適である。この場合には、第１の光ファイバの出射端から出力された第１ＳＣ光及び第２の光ファイバの出射端から出力された第２ＳＣ光が合波部に入力され、合波部により合波されて第３ＳＣ光となり、その第３ＳＣ光は合波部から出力される。合波部を備え、第１ＳＣ光及び第２ＳＣ光を合波し第３ＳＣ光を生成することにより、更に広い帯域をカバーすることが可能となる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、第１ＳＣ光及び第２ＳＣ光のうち何れかを選択し、その選択された光を出力する光スイッチを備えることが好適である。この場合には、第１ＳＣ光及び第２ＳＣ光は光スイッチに入力され、光スイッチによりいずれかが選択され、選択された光が光スイッチから出力される。これにより、第１ＳＣ光又は第２ＳＣ光を同じ出力端から切り替えて出力することが可能となる。また、この場合、光スイッチの切り替え及び第３ＳＣ光の特性のフィードバック制御を行う制御部を更に備えることが好適である。これにより、所望の帯域にエネルギーをより効率的に配分することが可能となると共に、使用条件に応じた切り替えが可能となり使用波長帯の選択の自由度を改善することが可能となる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバが高非線形性の光ファイバ又はホーリーファイバであることが好適である。それぞれの波長領域に適したファイバを用いることで、非線形光学現象が起こりやすくすることが可能となる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、波長変換部が非線形結晶若しくは位相整合型波長変換デバイスを含むか、又は光パラメトリック発振器であることが好適である。これにより、容易に光源から出力される種光と波長帯を異にする波長変換光を生成させることが可能となる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、第１の光ファイバ又は第２の光ファイバが入射光の最短波長より短い波長帯に零分散波長を有し、かつ零分散波長での分散スロープが正であるか、又は最短波長において正の分散値を有することが好適である。これにより、広帯域光をそれぞれの帯域で効率よく生成させることが可能となる。

また、本発明に係る広帯域光源装置は、第１の光ファイバ又は第２の光ファイバがそれぞれの入射光の最長波長より長い波長帯で零分散波長を有し、かつ零分散波長での分散スロープが正であるか、又は最短波長において負の分散値を有することが好適である。これにより、広帯域光を低ノイズで生成させることが可能となる。

本発明の広帯域光源装置によれば、複数の励起光源を使うことなく、かつ高効率に広い帯域をカバーすることができる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明に係る広帯域光源装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態に係る広帯域光源装置１Ａの構成を示す図である。広帯域光源装置１Ａは、光源１０、分岐部２０、周波数逓倍器３０、光フィルタ４０、光ファイバ５１、光ファイバ５２および合波部６０を備える。光源１０は、種光としてレーザー光Ｃ１(種光)を出射するものである。分岐部２０は、光源１０から出射されたレーザー光Ｃ１を入力し、これをレーザー光Ｃ２(第1種光)及びレーザー光Ｃ３(第２種光)に分岐し、レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３を出力する。

光ファイバ５１は、分岐部２０により出力されたレーザー光Ｃ２を入射端に入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ１を発生させ、そのＳＣ光Ｐ１(第１ＳＣ光)を光ファイバ５１の出射端から出力する。光ファイバ５１は、レーザー光Ｃ２の中心波長の付近に零分散波長を有する。

周波数逓倍器３０は、分岐部２０から分岐され出力されたレーザー光Ｃ３を入力し、レーザー光Ｃ３の第２高調波レーザー光Ｃ４(波長変換光)を発生させ、レーザー光Ｃ４を出力する。光フィルタ４０は、レーザー光Ｃ３を減衰・除去すると共に、周波数逓倍器３０により発生し出力されたレーザー光Ｃ４を選択的に透過させるための手段であり、周波数逓倍器３０と光ファイバ５２との間に配置される。

光ファイバ５２は、レーザー光Ｃ４を入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学効果により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ２を発生させ、そのＳＣ光Ｐ２を出射端から出力する。光ファイバ５２は、レーザー光Ｃ４の中心波長の付近に零分散波長を有する。なお、光ファイバ５２と周波数逓倍器３０とは、光ファイバで相互に結合されている。合波部６０は、光ファイバ５１の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ１と光ファイバ５２の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ２とを合波してＳＣ光Ｐ３とし、そのＳＣ光Ｐ３を出力する。

この広帯域光源装置１Ａでは、光源１０から出射されたレーザー光Ｃ１は分岐部２０によりレーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３に分岐され、レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３は分岐部２０から出力される。分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ２は、光ファイバ５１の入射端に入力され、光ファイバ５１により導波される。この光ファイバ５１において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ１が発生して、そのＳＣ光Ｐ１が光ファイバ５１の出射端から出力される。

分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ３は、周波数逓倍器３０に入力され、周波数逓倍器３０においてレーザー光Ｃ３の第２高調波レーザー光Ｃ４が発生し、レーザー光Ｃ４が周波数逓倍器３０から出力される。周波数逓倍器３０から出力されたレーザー光Ｃ４は、光フィルタ４０により選択的に透過されて光ファイバ５２の入射端に入力され、光ファイバ５２により導波される。この光ファイバ５２において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ２が発生して、そのＳＣ光Ｐ２が光ファイバ５２の出射端から出力される。

光ファイバ５１の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ１及び光ファイバ５２の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ２は、合波部６０に入力され、合波部６０により合波されＳＣ光Ｐ３となり、そのＳＣ光Ｐ３は合波部６０から出力される。
光源１０から出射されるレーザー光Ｃ１、分岐部２０から分岐されたレーザー光Ｃ２、及びレーザー光Ｃ３は、より好ましくは１．５５μｍに中心波長を有している。また、レーザー光Ｃ３が入力され周波数逓倍器３０により発生されるレーザー光Ｃ３の第２高調波であるレーザー光Ｃ４は、０．７７５μｍに中心波長を有している。なお、図２(ａ)は光ファイバ５１に入力されるレーザー光Ｃ２及び光ファイバ５２に入力されるレーザー光Ｃ４のスペクトルを示している。

光源１０としては、ファイバレーザー、固体レーザー、半導体レーザー、などが適用可能であり、更に光増幅器と組み合わせること好ましい。特に、波長１．５５μｍのパルス光を生成する手段として、Ｅｒ添加ファイバレーザーや、Ｅｒ添加ガラスによる固体レーザー、Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（クロムフォルステライト）のようなレーザー結晶によるレーザー、チタンサファイアレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの短波長パルス光源からの光パラメトリック発振（ＯＰＯ）、半導体レーザー＋ＥＤＦＡ、ラマンファイバレーザー、などを用いることが可能である。

また、周波数逓倍器３０として、ポタジウムタイタニルフォスファ（ＫＴＰ）、バリウムボレート（ＢＢＯ）、リチウムトリボレート（ＬＢＯ）、リチウムイオンデート（ＬｉｌｎＳ）、ＨｇＧａ、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ）、リチウムテトラボレート（ＬｉＢＯ）、ポタジウムタイタニルアルセネート（ＫＴＡ）、リチウムナイオベート（ＬＮＢ）、リチウムタンタレート（ＬＴＡ）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（ＢＧＯ）、ビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）、ＫＤＰ、ＤＫＤＰ、ＡＤＰ、リチウムアイオデート(Ｌｉｌ）、シンクゲルマニウムリン（ＺｎＧｅＰ）、ガリウムセレナイド（ＧａＳｅ）などの非線形結晶が適用可能である。他にも、擬似位相整合による高利得・高効率変換が可能なＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄ ＬｉｔｈｉｕｍＮｉｏｂａｔｅ）などを用いることも出来る。

光ファイバ５１は、高非線形ファイバ(ＨＮＬＦ)であることが好ましい。ＨＮＬＦは、零分散波長を１．３μｍ以上１．８μｍ以下の範囲内に設計することが容易であり、光ファイバ５１が、入射光であるレーザー光Ｃ２の中心波長の付近に零分散波長を有することで、非線形光学現象が起こりやすくなり、広波長域に亘るスペクトルを有するＳＣ光Ｐ１が発生し易くなる。

光ファイバ５２は、２μｍ程度若しくはそれ以下のコア径を有する六角形タイプのフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）であることが好ましい。ＰＣＦでは、コアとクラッドとの屈折率差が大きいため、通常の光ファイバよりも光の閉じ込めが強くなり、高密度の光伝搬が可能となる。よって、非線形光学現象が起こりやすくすることが可能であり、後述のように空孔をクラッドの部分に形成することで波長０．７７５μｍ付近に零分散波長を有するようにすることができる。

ここで、「六角形タイプのＰＣＦ」とは、ファイバの長手方向に沿ってコアの中心を中心とするクラッド上の円の円周上に同間隔に同径の６個の空孔を形成することにより非線形性や分散特性を或る程度自由に設計可能な光ファイバをいう。また、光ファイバ５２は、六角形タイプ以外のPCFであってもよいし、テーパーファイバであってもよい。たとえば、コア径が１．７μｍのテーパーファイバの場合もPCFの場合と同様のスペクトルを得ることができる。また、テーパーファイバのコア径が２μｍ程度若しくはそれ以下のもの、又はサブミクロンのものも適用可能である。

なお、ＳＣ生成用ファイバとして、前述のＨＮＬＦ、ＰＣＦ、そしてテーパーファイバ以外にも、高非線形のソフトガラスファイバやソフトガラスベースのホーリーファイバ、サブミクロンのコア径を有する光導波路やシリコン導波路、アルゴンなどのガスを封入した中空ファイバ、サファイアなどの光学結晶、BK-7ガラス板などを用いることも可能である。また、偏波保持型であれば非線形相互作用を効率よく引き起こすことが出来るため、より好ましい。

図２(ｂ)は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２について波長分散特性を示すグラフである。図２(ｂ)に示されるように、光ファイバ５１及び光ファイバ５２はそれぞれ入力光の中心波長付近に零分散波長を有する。図２(ｃ)は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２にそれぞれレーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ４が入力された場合における光ファイバ５１及び光ファイバ５２から出力されるＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２のスペクトルを示す図である。

図２(ｃ)に示されるように、１．５５μｍに中心波長を有するレーザー光Ｃ２を光ファイバ５１に入力した場合、光ファイバ５１から出力される広帯域光(ＳＣ光Ｐ１)は１．０μｍから２．５μｍまでの波長域である。また、０．７７５μｍに中心波長範囲を有するレーザー光Ｃ４を光ファイバ５２に入力した場合、光ファイバ５２から出力される広帯域光(ＳＣ光Ｐ２)は０．３μｍから１．１μｍまでの波長域である。レーザー光Ｃ２は、例えばパルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、パワー１００ｍＷであり、レーザー光Ｃ４は、例えばパルス幅３００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、パワー２００ｍＷである。

図２(ｄ)は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２から出力されたＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２が合波部６０により合波され出力されたＳＣ光Ｐ３のスペクトルを示す図である。図２(ｄ)に示されるように、合波部６０により合波され出力された広帯域光（ＳＣ光Ｐ３）は０．３μｍから２．５μｍまでの波長域である。

このように、入力されたＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２が合波部６０により合波されＳＣ光Ｐ３となり、そのＳＣ光Ｐ３が出力されることで、複数の励起光源を使うことなく、かつ高効率に広い帯域をカバーすることができる。

以下、本実施形態における効果について説明する。広帯域光源装置１Ａでは、分岐部２０及び周波数逓倍器３０を備えることにより、波長域が異なる種光(レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ４)を同時に発生させることができる。レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ４をそれぞれ光ファイバ５１及び光ファイバ５２において光導波させ、それぞれの光ファイバ中で生じる非線形光学現象により、異なる波長域のスペクトルを有する広帯域光ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を同時に発生させることができる。

光ファイバ５１及び光ファイバ５２が、それぞれ入射光の中心波長付近に零分散波長を有することで、非線形光学現象が起こりやすくなり、広波長域に亘るスペクトルを有するＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を発生させることができる。ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を合波して、ＳＣ光Ｐ３とする合波部６０を備えることにより、複数の励起光源を使うことなく単純な構成で従来の広帯域光と比べ、高効率に広い帯域をカバーすることができるＳＣ光Ｐ３を生成することができる。

以上、本発明の好適な第１実施形態について説明してきたが、第１の実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、光フィルタ４０は必ずしも備える必要なない。また、光フィルタ４０を備えない場合、周波数逓倍器３０とＰＣＦ５２とは空間結合であってもよいが、光ファイバで結合されることが好ましい。この場合には、光の結合が容易となると共に外乱を受けにくくなるため、高効率な光伝搬を実現できる。また、光のパワーを調整可能な光減衰器を周波数逓倍器３０と光ファイバ５２との間に挿入することが好ましい。

(第２実施形態)
次に、この発明の第２の実施形態を説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る広帯域光源装置１Ｂの構成を示す図である。この広帯域光源装置１Ｂは、光源１０、分岐部２０、分岐部２１、周波数逓倍器３０、光フィルタ４０、光ファイバ５１、光ファイバ５２、光スイッチ７０、制御部８０、およびモニタ部９０を備える。

この広帯域光源装置１Ｂでは、第１実施形態に係る広帯域光源装置１Ａと対比して、合波部６０に替えて光スイッチ７０を備える点、並びに制御部８０、モニタ部９０及び分岐部２１を更に備える点で相違する。

光スイッチ７０は、光ファイバ５１から出力されるＳＣ光Ｐ１と光ファイバ５２から出力されるＳＣ光Ｐ２のうち何れかを選択し、その選択した光を出力する。分岐部２１は、光スイッチ７０により選択され出力されるＳＣ光Ｐ１又はＳＣ光Ｐ２を入力し、その一部を分岐してモニタ部９０へ出力し、残部を広帯域光源装置１Ｂによる広帯域光として出力する。

モニタ部９０は、分岐部２１によりモニタ部９０へ出力されるＳＣ光Ｐ１又はＳＣ光Ｐ２の一部を受光し、トータルパワー、単一波長若しくは複数波長のパワー、スペクトル強度、スペクトル形状などのパラメータの値を計測する。

制御部８０は、光スイッチ７０の切り替えのための手段であると同時に、モニタ部９０により計測された上述のパラメータの値と基準となる値とを比較して、ずれている場合には、基準値に近づけるよう、レーザー光C1や光ファイバ５１及び光ファイバ５２の特性を変化させて補正をする手段である。

この広帯域光源装置１Ｂでは、光源１０から出射されたレーザー光Ｃ１は分岐部２０によりレーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３に分岐され、レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３は分岐部２０から出力される。分岐部２０から出力されたレーザー光C2は光ファイバ５１の入射端に入力され、光ファイバ５１により導波される。この光ファイバ５１において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ１が発生して、そのSC光P1が光ファイバ５１の出射端から出力される。

分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ３は、周波数逓倍器３０に入力され、周波数逓倍器３０においてレーザー光Ｃ３の第２高調波レーザー光Ｃ４となり、レーザー光Ｃ４が周波数逓倍器３０から出力される。周波数逓倍器３０から出力されたレーザー光Ｃ４は、光フィルタ４０により選択的に透過されて光ファイバ５２の入射端に入力され、光ファイバ５２により導波される。この光ファイバ５２において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ２が発生して、そのＳＣ光Ｐ２が光ファイバ５２の出射端から出力される。

光ファイバ５１の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ１及び光ファイバ５２の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ２は、光スイッチ７０に入力され、光スイッチ７０によりそのいずれかが選択的に出力される。光スイッチ７０により選択的に出力されるＳＣ光Ｐ１又はＳＣ光Ｐ２は、分岐部２１により分岐され、一部がモニタ部９０へ出力され、残部が広帯域光源装置１Ｂによる広帯域光源として出力される。分岐部２１により分岐されモニタ部９０へ出力されたSC光Ｐ１又はSC光Ｐ２の一部は、モニタ部９０によりトータルパワー、単一波長若しくは複数波長のパワー、スペクトル形状などのパラメータの値が計測され、制御部８０によるレーザー光Ｃ１や光ファイバ５１及び光ファイバ５２の特性（例えばレーザ光のパルス幅、繰り返し周波数、及びパワーなど）のフィードバック制御に用いられる。

以下、本実施形態における効果について説明する。光スイッチ７０を合波部６０に替えて設けることにより、広帯域レーザー光（ＳＣ光Ｐ２）、又は広帯域レーザー光（ＳＣ光Ｐ１）を同じ出力端から切り替えて出力することが可能となる。制御部８０を有することで、所望の帯域にエネルギーをより効率的に配分することが可能となると共に、使用条件に応じて光スイッチ７０の切り替えが可能となるため使用波長帯の選択の自由度を改善することができる。

以上、本発明の好適な第２実施形態について説明してきたが、第２の実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、光フィルタ４０は必ずしも備える必要はない。また、光フィルタ４０を備えない場合、周波数逓倍器３０とＰＣＦ５２とは光ファイバで結合されていてもよいし、空間結合であってもよい。さらに、光のパワーを調整可能な光減衰器又は光増幅器を、光ファイバ５１若しくは光ファイバ５２又はその両方の前段に挿入することが好ましい。これにより、スペクトルの特性制御のみならず入力パワー又は出力パワーをも制御することができるために有効である。また、これらは制御部８０によって他の部分と合わせ一括制御することが好ましい。

(第３実施形態)
次に、この発明の第３の実施形態を説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る広帯域光源装置１Ｃの構成を示す図である。この広帯域光源装置１Ｃは、光源１０、分岐部２０、周波数逓倍器３０、光フィルタ４０、光ファイバ５１、光ファイバ５２、集光レンズ１０１、及び集光レンズ１０２を備える。

この広帯域光源装置１Ｃでは、第１実施形態に係る広帯域光源装置１Ａと対比して、合波部６０に替えて集光レンズ１０１及び集光レンズ１０２を備える点で相違する。集光レンズ１０１及び集光レンズ１０２は、各々の焦点距離が互いに同一であり、後側焦点が互いに一致するように配置されている。集光レンズ１０１は、その光軸が光ファイバ５１の軸方向と一致するように設けられており、光軸と平行にＳＣ光Ｐ１を入射させ、入射されるＳＣ光Ｐ１を光軸上の後側焦点に集光させる。集光レンズ１０２は、その光軸が光ファイバ５２の軸方向と一致するように設けられており、光軸と平行にＳＣ光Ｐ２を入射させ、入射されるＳＣ光Ｐ２を光軸上の後側焦点に集光させる。

この広帯域光源装置１Ｃでは、光源１０から出射されたレーザー光Ｃ１は分岐部２０によりレーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３に分岐され、レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３は分岐部２０から出力される。分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ２は光ファイバ５１の入射端に入力され、光ファイバ５１により導波される。この光ファイバ５１において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ１が発生して、そのＳＣ光Ｐ１が光ファイバ５１の出射端から出力される。

分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ３は周波数逓倍器３０に入力され、周波数逓倍器３０においてレーザー光Ｃ３の第２高調波レーザー光Ｃ４が発生し、レーザー光Ｃ４が周波数逓倍器３０から出力される。周波数逓倍器３０から出力されたレーザー光Ｃ４は、光フィルタ４０により選択的に透過されて光ファイバ５２の入射端に入力され、光ファイバ５２により導波される。この光ファイバ５２において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ２が発生して、そのＳＣ光Ｐ２が光ファイバ５２の出射端から出力される。

光ファイバ５１の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ１は、光ファイバ５１の軸方向とその光軸が一致するように配置されている集光レンズ１０１に入射し、集光される。光ファイバ５２の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ２は、光ファイバ５２の軸方向とその光軸が一致するように配置されている集光レンズ１０２に入射し、集光される。集光レンズ１０１と集光レンズ１０２とはその焦点が互いに一致するように配置されているため、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２は同一点(レンズの焦点)に集光される。

以下、本実施形態における効果について説明する。集光レンズ１０１と集光レンズ１０２とを設け、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を同一点(それぞれのレンズの焦点)に集光させることにより、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を自由空間で合波させることができる。また、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２は必ずしも集光させる必要はなく、例えばコリメートされた状態で交差させてもよいし、ビーム径を拡大した状態で交差させてもよい。

なお、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２のスペクトル帯域はそれぞれ広いため、一つの光学系では色収差なく両者を集光させるのは困難である。また、反射防止膜（ＡＲコート）もＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２からなる全帯域をカバーすることは不可能若しくは難しく、光学材料自体も全帯域で透過率が高いものは限られる。しかし、ＳＣ光Ｐ１とＳＣ光Ｐ２とをそれぞれ別々の光学系で集光等させることで、このような課題を解決することが可能となる。

以上、本発明の好適な第３実施形態について説明してきたが、第３の実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、光フィルタ４０は必ずしも備える必要はない。また、光フィルタ４０を備えない場合、周波数逓倍器３０とＰＣＦ５２とは光ファイバで結合されていてもよいし、空間結合であってもよい。

(第４実施形態)
次に、この発明の第４の実施形態を説明する。図５は、本発明の第４実施形態に係る広帯域光源装置１Ｄの構成を示す図である。この広帯域光源装置１Ｄは、光源１０、分岐部２０、光フィルタ４０、光ファイバ５１、光ファイバ５２、合波部６０、及び光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）１１０を備える。

この広帯域光源装置１Ｄでは、第１実施形態に係る広帯域光源装置１Ａと対比して、周波数逓倍器３０に替えてＯＰＯ１１０を備える点で相違する。また、広帯域光源装置１Ａでは、光源１０から出力されるレーザー光が近赤外領域に中心波長を有し、周波数逓倍器３０により波長変更された波長変換光が可視光線領域に中心波長を有するのに対し、広帯域光源装置１Ｄでは、光源１０から出力されるレーザー光が可視光線領域に中心波長を有し、ＯＰＯ１１０により波長が変更された波長変換光が近赤外領域に中心波長を有する点で相違する。ＯＰＯ１１０は、分岐部２０により分岐され出力されたレーザー光Ｃ３を入力し、レーザー光Ｃ３の波長の二倍の波長を有するレーザー光Ｃ４を生成し、生成されたレーザー光Ｃ４を出力する。

この広帯域光源装置１Ｄでは、光源１０から出射されたレーザー光Ｃ１は分岐部２０によりレーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３に分岐され、レーザー光Ｃ２及びレーザー光Ｃ３が分岐部２０から出力される。分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ２は光ファイバ５２の入射端に入力され、光ファイバ５２により導波される。この光ファイバ５２において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ１が発生して、そのSC光Ｐ１が光ファイバ５２の出射端から出力される。

分岐部２０から出力されたレーザー光Ｃ３は、ＯＰＯ１１０により波長がレーザー光Ｃ３の波長の二倍となるレーザー光Ｃ４に変更され、そのレーザー光Ｃ４がＯＰＯ１１０から出力される。ＯＰＯ１１０から出力されたレーザー光Ｃ４は、光フィルタ４０により選択的に透過されて光ファイバ５１の入射端に入力され、光ファイバ５１により導波される。この光ファイバ５１において、光導波に伴う非線形光学現象により波長帯域が拡大され、広帯域にわたってなだらかなスペクトル形状を有するＳＣ光Ｐ２が発生して、そのSC光P2が光ファイバ５１の出射端から出力される。

光ファイバ５１の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ２及び光ファイバ５２の出射端から出力されたＳＣ光Ｐ１は、合波部６０に入力され、合波部６０により合波されＳＣ光Ｐ３となり、そのＳＣ光Ｐ３は合波部６０から出力される。

光源１０は、中心波長が０．８μｍであり、パルス幅が８０ｆｓであるパルスレーザー光を出力するチタンサファイアレーザーが好ましい。また、レーザー光Ｃ３が入力されＯＰＯ１１０により発生されるレーザー光C4は、１．６μｍに中心波長を有している。なお、図６（ａ）は光ファイバ５１に入力されるレーザー光Ｃ４及び光ファイバ５２に入力されるレーザー光Ｃ２のスペクトルを示している。

光ファイバ５１は、ＨＮＬＦであるのが好ましい。例えば、ＨＮＬＦである光ファイバ５２は、非線形係数γが２０[１/Ｗ/ｋｍ]であり、長さが２ｍ、零分散波長が１．５４μｍ、分散スロープが０．０３ｐｓ/nm２/kmである。光ファイバ５２は、より好ましくはコア径が２．０μｍの六角形タイプで長さが１ｍであるＰＣＦである。光ファイバ５１及び光ファイバ５２としてそれぞれＰＣＦ、ＨＮＬＦが用いられる理由は第１実施形態の中の説明と同様である。

図６（ｂ）は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２について波長分散特性を示すグラフである。図６（ｂ）に示されるように、光ファイバ５１及び光ファイバ５２はそれぞれ入力光の中心波長付近に零分散波長を有する。これにより、非線形現象の効率向上を図ることができる。しかし、本実施形態でのＰＣＦは、第１の実施形態でのＰＣＦとはその分散の波長特性が異なるため(図６（ｂ）及び図２（ｂ）参照)、以下、その理由及びその効果を説明する。第１の実施形態のＰＣＦでは零分散波長を２つ有しており、分散値が上に凸の形状となっているが、かかる場合は長い方の零分散波長より長波長側への広がりが制限されスペクトルの広がりが制限される。

一方、本実施形態のＰＣＦは分散スロープが比較的に小さく、入射光の中心波長付近に１つの零分散波長を有し長波長側に正の値を維持しているため、ソリトンの自己周波数シフトが連続的に起こり、より長波長側まで広がりやすい。よって、第１実施形態でのＰＣＦによるＳＣ光（１実施形態のＳＣ光Ｐ２）のスペクトルと比較して、より広いスペクトルを有するＳＣ光（本実施形態のＳＣ光Ｐ１）を得ることができる（図２（ｃ）及び図６（ｃ）参照）。

図６（ｃ）は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２にそれぞれレーザー光Ｃ４及びレーザー光Ｃ２が入力された場合における光ファイバ５１及び光ファイバ５２から出力されるＳＣ光Ｐ２及びＳＣ光Ｐ１のスペクトルを示す図である。図６（ｃ）に示されるように、１．６μｍに中心波長を有するレーザー光Ｃ４を光ファイバ５１に入力した場合、光ファイバ５１から出力される広帯域光(ＳＣ光Ｐ１)は１．１μｍから２．５μｍまでの波長域である。また、０．８μｍに中心波長範囲を有するレーザー光Ｃ２を光ファイバ５２に入力した場合、光ファイバ５２から出力される広帯域光(ＳＣ光Ｐ１)は０．４μｍから１．５５μｍまでの波長域である。

図６（ｄ）は、光ファイバ５１及び光ファイバ５２から出力されたＳＣ光Ｐ２及びＳＣ光Ｐ１が、合波部６０により合波され出力されたＳＣ光Ｐ３のスペクトルを示す図である。図６（ｄ）に示されるように、合波部６０により合波され出力された広帯域光（ＳＣ光Ｐ３）は０．４μｍから２．５μｍまでの波長域である。このように、入力されたＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２が合波部６０により合波されＳＣ光Ｐ３となり、そのＳＣ光Ｐ３が出力されることで、複数の励起光源を使うことなく、かつ高効率に広い帯域をカバーすることができる。

以下、本実施形態４における効果について説明する。広帯域光源装置１Ｄでは、分岐部２０、ＯＰＯ１１０及び合波部６０を備えることにより、可視光線領域に中心波長を有するレーザー光を出力する光源１０からも、広帯域光源装置１Ａと同様に広い帯域をカバーすることができる広帯域光ＳＣ光Ｐ３を生成することができる。以上、本発明の好適な第４実施形態について説明してきたが、第４の実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、第２の実施形態のように合波部６０に替えて光スイッチ７０、分岐部２１、モニタ部９０及び制御部８０を設けてもよい。

また、第３実施形態のように集光レンズ１０１及び集光レンズ１０２を備え、ＳＣ光Ｐ１及びＳＣ光Ｐ２を自由空間で合波させてもよい。また、各部品には、必要に応じてレンズなどによる結合系が組み込まれていてもよい。さらに、他の実施形態と同様に、光のパワーを調整可能な光減衰器又は光増幅器を光ファイバ５１若しくは光ファイバ５２又はその両方の前段に挿入してもよい。

本発明の第１実施形態に係る広帯域光源装置１Ａの構成図である。 広帯域光源装置１Ａの具体的な動作例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る広帯域光源装置１Ｂの構成図である。 本発明の第３実施形態に係る広帯域光源装置１Ｃの構成図である。 本発明の第４実施形態に係る広帯域光源装置１Ｄの構成図である。 広帯域光源装置１Ｄの具体的な動作例を示す図である

符号の説明

１Ａ〜１Ｄ…広帯域光源装置、１０…光源、２０…分岐部、２１…分岐部、３０…周波数逓倍器、４０…光フィルタ、５１…光ファイバ、５２…光ファイバ、６０…合波部、７０…光スイッチ、８０…制御部、９０モニタ部、１０１…集光レンズ、１０２…集光レンズ、１１０…光パラメトリック発振器。

Claims (8)

1. 波長範囲７００ｎｍ〜２５００ｎｍに含まれる中心波長を有する種光を出力する光源と、
   前記光源から出力された種光を分岐して第１種光及び第２種光を出力する分岐部と、
   前記第１種光を入射端に入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学現象に因り波長帯域が拡大された第１ＳＣ光を発生させ、その第１ＳＣ光を出射端から出力する第１の光ファイバと、
   前記第２種光を入力して第２種光の波長と異なる波長の波長変換光を発生させ、その波長変換光を出力する波長変換部と、
   前記波長変換光を入射端に入力して導波し、その光導波に伴う非線形光学現象に因り波長帯域が拡大された第２ＳＣ光を発生させ、その第２ＳＣ光を出射端から出力する第２の光ファイバと、
   を備えることを特徴とする広帯域光源装置。
2. 前記第１ＳＣ光と前記第２ＳＣ光とを合波して第３ＳＣ光とし、その第３ＳＣ光を出力する合波部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の広帯域光源装置。
3. 前記第１ＳＣ光及び前記第２ＳＣ光のうち何れかを選択し、その選択された光を出力する光スイッチを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の広帯域光源装置。
4. 前記光スイッチの切り替え及び第３ＳＣ光の特性のフィードバック制御を行う制御部を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の広帯域光源装置。
5. 前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバが高非線形性の光ファイバ又はホーリーファイバであることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の広帯域光源装置。
6. 前記波長変換部が非線形結晶若しくは位相整合型波長変換デバイスを含むか、又は光パラメトリック発振器であることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の広帯域光源装置。
7. 前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバが入射光の最短波長より短い波長帯に零分散波長を有し、かつ零分散波長での分散スロープが正であるか、又は最短波長において正の分散値を有することを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の広帯域光源装置。
8. 前記第１の光ファイバ又は前記第２の光ファイバが入射光の最長波長より長い波長帯に零分散波長を有し、かつ零分散波長での分散スロープが正であるか、又は最短波長において負の分散値を有することを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の広帯域光源装置。
   
   

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