JP6190318B2 - Laser oscillator - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー発振器に関し、より詳細には、分光分析装置、高精度フェムト秒レーザー加工装置などに用いられるフェムト秒パルスレーザーを構成するレーザー発振器に関する。   The present invention relates to a laser oscillator, and more particularly to a laser oscillator constituting a femtosecond pulse laser used in a spectroscopic analyzer, a high-precision femtosecond laser processing apparatus, and the like.

フェムト秒パルスレーザーは、数フェムト秒から数百フェムト秒という超短パルスを出力することができ、非常に短い時間における特定の化学反応の過程を観測する分光分析装置に適用される。また、フェムト秒パルスレーザーは、短時間にエネルギーを圧縮して発振し、ハイパワーの光を出力することから、半導体基板等の加工にも用いられる。   The femtosecond pulse laser can output ultrashort pulses of several femtoseconds to several hundred femtoseconds, and is applied to a spectroscopic analyzer that observes a process of a specific chemical reaction in a very short time. A femtosecond pulse laser is also used for processing a semiconductor substrate and the like because it oscillates by compressing energy in a short time and outputs high power light.

図1に、従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Cr4+:YAG単結晶(直径3mm、長さ20mm)のバルクロッド101を用いて、空間光学系により構成したレーザー発振器である(例えば、非特許文献1参照)。Ybガラスファイバーレーザー109から出力された励起光は、レンズ110を介して、球面鏡107および分散補償ミラー105の間にバルクロッド101が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、InGaAs半導体可飽和吸収体ミラー102を設置し、反対側には、0.5%透過の出力鏡103を配置する。分散補償ミラー105および出力鏡103の間に分散補償ミラー104を設置し、球面鏡107および可飽和吸収体ミラー102の間に分散補償ミラー106および球面鏡108を設置する。 FIG. 1 shows the configuration of a conventional femtosecond pulse laser. A laser oscillator configured by a spatial optical system using a bulk rod 101 of Cr 4+ : YAG single crystal (diameter 3 mm, length 20 mm) as a laser amplification medium (see, for example, Non-Patent Document 1). The excitation light output from the Yb glass fiber laser 109 is input via the lens 110 to a Fabry-Perot resonator in which the bulk rod 101 is installed between the spherical mirror 107 and the dispersion compensation mirror 105. An InGaAs semiconductor saturable absorber mirror 102 is disposed on one side of the Fabry-Perot resonator, and an output mirror 103 of 0.5% transmission is disposed on the opposite side. A dispersion compensation mirror 104 is installed between the dispersion compensation mirror 105 and the output mirror 103, and a dispersion compensation mirror 106 and a spherical mirror 108 are installed between the spherical mirror 107 and the saturable absorber mirror 102.

Cr4+:YAGレーザーの発振波長域(1.48−1.58μm)では、Cr4+:YAG単結晶の群遅延分散は正の値であるが、分散補償ミラーの群遅延分散が負の値であるため、ファブリーペロー共振器全体での群遅延分散は負の値になる。Ybガラスファイバーレーザー109(出力10W)の励起により、ファブリーペロー共振器内において可飽和吸収体ミラー102により生成したパルスレーザー光は、バルクロッド101内の自己位相変調とファブリーペロー共振器の負の分散により、ソリトンパルスとなって安定化する。例えば、非特許文献1によれば、中心波長1.53μm、パルス幅75fs、繰り返し周波数130MHz、出力80mWのフェムト秒パルスレーザーが報告され、高精度赤外光吸収測定に使用されている。 In the Cr 4+ : YAG laser oscillation wavelength region (1.48-1.58 μm), the group delay dispersion of the Cr 4+ : YAG single crystal is a positive value, but the group delay dispersion of the dispersion compensating mirror is a negative value. For this reason, the group delay dispersion in the entire Fabry-Perot resonator becomes a negative value. The pulsed laser light generated by the saturable absorber mirror 102 in the Fabry-Perot resonator by excitation of the Yb glass fiber laser 109 (output 10 W) causes self-phase modulation in the bulk rod 101 and negative dispersion of the Fabry-Perot resonator. As a result, a soliton pulse is stabilized. For example, according to Non-Patent Document 1, a femtosecond pulse laser with a center wavelength of 1.53 μm, a pulse width of 75 fs, a repetition frequency of 130 MHz, and an output of 80 mW is reported and used for high-accuracy infrared light absorption measurement.

A. Alcock, P. Ma, P. Poole, S. Chepurov, A. Czajkowski, J. Bernard, A. Madej, J. Fraser, I. Mitchell, I. Sorokina, and E. Sorokin, "Ultrashort pulse Cr4+:YAG laser for high precision infrared frequency interval measurements," Optics Express vol. 13, no. 22, p. 8837-8843 (2005).A. Alcock, P. Ma, P. Poole, S. Chepurov, A. Czajkowski, J. Bernard, A. Madej, J. Fraser, I. Mitchell, I. Sorokina, and E. Sorokin, "Ultrashort pulse Cr4 +: YAG laser for high precision infrared frequency interval measurements, "Optics Express vol. 13, no. 22, p. 8837-8843 (2005). S. Ishibashi and K. Naganuma, "First Demonstration of Mode-Locked Cr4+:YAG Single-Crystal Fiber Laser," in Advanced Solid-State Lasers Congress, G. Huber and P. Moulton, eds., OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper ATh3A.7.S. Ishibashi and K. Naganuma, "First Demonstration of Mode-Locked Cr4 +: YAG Single-Crystal Fiber Laser," in Advanced Solid-State Lasers Congress, G. Huber and P. Moulton, eds., OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper ATh3A.7. F. Couny, P. J. Roberts, T. A. Birks, and F. Benabid, "Square-lattice large-pitch hollow-core photonic crystal fiber," Optics Express vol. 16, no. 25, p. 20626-20636 (2008).F. Couny, P. J. Roberts, T. A. Birks, and F. Benabid, "Square-lattice large-pitch hollow-core photonic crystal fiber," Optics Express vol. 16, no. 25, p. 20626-20636 (2008).

しかしながら、上述したフェムト秒パルスレーザーは、ファブリーペロー共振器の光路長が、バルクロッド101の両端からそれぞれ56cmあり、すべて空間光学系により構成されている。このことから、レーザー発振器の小型化、例えば、ファブリーペロー共振器の大きさを30×30cm以下に設定することは困難であった。加えて、Ybガラスファイバーレーザーの設置スペースが必要である。   However, in the femtosecond pulse laser described above, the optical path length of the Fabry-Perot resonator is 56 cm from both ends of the bulk rod 101, respectively, and is configured by a spatial optical system. For this reason, it has been difficult to reduce the size of the laser oscillator, for example, to set the size of the Fabry-Perot resonator to 30 × 30 cm or less. In addition, a space for installing the Yb glass fiber laser is required.

例えば、折り返しミラーを増設して、設置面積の低減を図ることも可能であるが、装置の複雑化、光路調整の難易度が増加してしまう。装置の小型化のため、設置面積を縮小したレーザー発振器の開発が望まれている。   For example, it is possible to increase the number of folding mirrors to reduce the installation area, but the complexity of the apparatus and the difficulty of adjusting the optical path increase. In order to reduce the size of the apparatus, it is desired to develop a laser oscillator with a reduced installation area.

本発明の目的は、装置の小型化を図り、モード同期レーザーを構成するのに適したレーザー発振器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a laser oscillator suitable for constituting a mode-locked laser by reducing the size of the apparatus.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光路内に増幅媒体を含む共振器を有するレーザー発振器において、前記光路の一部を置き換えるフォトニック結晶ファイバーを備え、前記増幅媒体は、断面形状の外周が4個の円弧により構成される正四角形または長方形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、前記フォトニック結晶ファイバーは、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有し、前記単結晶ファイバーの基本モードに光学的に結合されていることを特徴とする。 The present invention, in order to achieve the above object, one embodiment, the laser oscillator with a resonator comprising an amplification medium in the optical path, comprising a photonic crystal fiber to replace a portion of the optical path, the amplification The medium is a single crystal fiber having a shape approximate to a regular square or a rectangle whose outer periphery of the cross-sectional shape is composed of four arcs, and the photonic crystal fiber has a core similar to the cross-sectional shape of the single crystal fiber. Yes, and characterized in that it is optically coupled to the fundamental mode of the single crystal fiber.

前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ1μm以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、断面形状が四角形の単位格子により構成され、前記導波路のコアとして機能する空孔が形成されている。   The photonic crystal fiber is a waveguide made of a glass film having a thickness of 1 μm or less and having the same structure continuous in the longitudinal direction, and is made of a unit cell having a square cross-sectional shape and functions as a core of the waveguide Holes to be formed are formed.

本発明によれば、従来、空間光路により形成されていた共振器の一部を、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーに置き換えたため、装置の小型化を達成することができる。   According to the present invention, since a part of the resonator conventionally formed by the spatial light path is replaced with a flexible photonic crystal fiber, it is possible to reduce the size of the device.

本発明のレーザー発振器の増幅媒体は、単結晶ファイバーからなる導波路であり、四角形に近い形状をしている。フォトニック結晶ファイバーは、断面形状が四角形の単位格子により構成され、導波路のコアとして機能する四角形に近い形状の空孔を有し、両ファイバーを高効率に光結合することができる。   The amplification medium of the laser oscillator of the present invention is a waveguide made of a single crystal fiber and has a shape close to a quadrangle. The photonic crystal fiber is constituted by a unit cell having a quadrangular cross-sectional shape, and has a hole having a shape close to a quadrangle that functions as a core of a waveguide, so that both fibers can be optically coupled with high efficiency.

フォトニック結晶ファイバーは、コアが空孔であるため、非線形光学効果は極めて低い。また、フォトニック結晶ファイバーは、発振光のエネルギーの大部分が空孔部分を導波するため、群遅延分散の波長依存性が平坦である。従って、モード同期レーザーを構成する上で好適である。   Since the core of the photonic crystal fiber is a hole, the nonlinear optical effect is extremely low. Also, in the photonic crystal fiber, the wavelength dependence of the group delay dispersion is flat because most of the energy of the oscillation light is guided through the hole portion. Therefore, it is suitable for configuring a mode-locked laser.

従来のフェムト秒パルスレーザーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional femtosecond pulse laser. 本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser oscillator concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかるCr4+:YAG単結晶ファイバーを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the Cr4 + : YAG single crystal fiber concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる正方形格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す図である。It is a figure which shows the end surface of the square lattice photonic crystal fiber concerning one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2に、本発明の一実施形態にかかるレーザー発振器の構成を示す。レーザーの増幅媒体として、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201を用いて、導波路と空間光学系により構成したレーザー発振器である。半導体レーザー209から出力された励起光は、レンズ210を介して、平面鏡208および球面鏡206の間にCr4+:YAG単結晶ファイバー201が設置されたファブリーペロー共振器に入力される。ファブリーペロー共振器の片側には、半導体可飽和吸収体ミラー202を設置し、反対側には、1%透過の出力鏡203を設置して、共振器を構成する。球面鏡206および出力鏡203の間に分散補償ミラー205および正方形格子フォトニック結晶ファイバー204を設置し、平面鏡208および半導体可飽和吸収体ミラー202の間に球面鏡207を設置する。 FIG. 2 shows a configuration of a laser oscillator according to an embodiment of the present invention. The laser oscillator is configured by a waveguide and a spatial optical system using a Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 as a laser amplification medium. Excitation light output from the semiconductor laser 209 is input via a lens 210 to a Fabry-Perot resonator in which a Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 is installed between the plane mirror 208 and the spherical mirror 206. A semiconductor saturable absorber mirror 202 is provided on one side of the Fabry-Perot resonator, and a 1% transmission output mirror 203 is provided on the opposite side to constitute a resonator. A dispersion compensating mirror 205 and a square lattice photonic crystal fiber 204 are installed between the spherical mirror 206 and the output mirror 203, and a spherical mirror 207 is installed between the plane mirror 208 and the semiconductor saturable absorber mirror 202.

図3に、本発明の一実施形態にかかるCr4+:YAG単結晶ファイバーを示す。Cr4+:YAG単結晶ファイバー201は、直径120μm、長さ40mmであり、両端面には、発振波長に対して無反射コートが付されている(例えば、非特許文献2参照)。単結晶材料の成長方位が[100]から[010]へ15°の方位であり、ファイバーの断面形状は円形ではなく丸みを帯びた四角形、すなわち断面形状の外周が4個の円弧により構成されている。 FIG. 3 shows a Cr 4+ : YAG single crystal fiber according to an embodiment of the present invention. The Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 has a diameter of 120 μm and a length of 40 mm, and both end faces are provided with a non-reflective coating for the oscillation wavelength (see, for example, Non-Patent Document 2). The growth direction of the single crystal material is 15 ° from [100] to [010], and the cross-sectional shape of the fiber is not a circle but a rounded square, that is, the outer periphery of the cross-sectional shape is composed of four arcs. Yes.

図2に示したように、ファイバーの側面に1μm厚のSiO膜クラッドを形成して、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201としている。ファイバーは、励起光に対しても、発振光に対しても導波路として機能する。導波する基本横モードのモード形状は、断面形状を反映して、四角形に近い形状をしている。従来のフェムト秒パルスレーザーのように、バルク結晶を増幅媒体とすると、温度変化によって光軸ずれが懸念されるが、本実施形態の単結晶ファイバーは、光軸ずれはわずかである。 As shown in FIG. 2, a SiO 2 film cladding having a thickness of 1 μm is formed on the side surface of the fiber to form a Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201. The fiber functions as a waveguide for both excitation light and oscillation light. The mode shape of the fundamental transverse mode to be guided has a shape close to a quadrilateral reflecting the cross-sectional shape. When a bulk crystal is used as an amplification medium like a conventional femtosecond pulse laser, there is a concern about optical axis deviation due to temperature change, but the single crystal fiber of this embodiment has a slight optical axis deviation.

本実施形態のレーザー発振器の増幅媒体として、[100]から[010]へ15°の方位へ成長させたNd:YAG単結晶ファイバー、Yb:YAG単結晶ファイバー、Er:YAG単結晶ファイバー、Tm:YAG単結晶ファイバーを用いることもできる。また、c軸に垂直な方位に成長させたTiサファイア単結晶ファイバー、Crフォルステライト単結晶ファイバーなど、断面が四角形に類似した形状の単結晶ファイバーを適用することもできる。   As an amplification medium of the laser oscillator of this embodiment, Nd: YAG single crystal fiber, Yb: YAG single crystal fiber, Er: YAG single crystal fiber, Tm: grown from [100] to [010] in a 15 ° orientation. A YAG single crystal fiber can also be used. In addition, a single crystal fiber having a cross-sectional shape similar to a square, such as a Ti sapphire single crystal fiber or a Cr forsterite single crystal fiber grown in a direction perpendicular to the c-axis, can also be applied.

これら単結晶ファイバーは、直径(図3のd)が1mm程度より大きい場合、通過しうる空間光が導波光に比べて平均モード半径が小さくなり、導波路として機能しない場合がある。従って、増幅媒体は、最大直径1mm以下の同一断面が長手方向に連続する棒状の単結晶ファイバーであることが望ましい。   When these single crystal fibers have a diameter (d in FIG. 3) larger than about 1 mm, the spatial light that can pass through has a smaller average mode radius than the guided light, and may not function as a waveguide. Therefore, it is desirable that the amplification medium is a rod-like single crystal fiber in which the same cross section having a maximum diameter of 1 mm or less continues in the longitudinal direction.

また、上述した単結晶ファイバーは、成長条件によっては四角形に類似した形状を取らないことがある。本実施形態のCr4+:YAG単結晶ファイバーを、通常のプロセスで製造すると、その断面形状は、数値的に表現すると、最大直径の55%以上の曲率を持つ4個の円弧(図3のa1〜a4)が、最大直径の50%以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状となる。この断面形状の数値表現は、最大直径の50%の曲率を持つ4個の円弧をつなぎ合わせれば円形であることを念頭に置けば、正四角形または長方形に近似した形状であることが容易に理解できる。少なくとも本実施形態で用いる単結晶ファイバーの断面形状は、外周が4個の円弧により構成され、上記の数値条件を満たす正四角形または長方形に近似した形状が望ましい。 Further, the above-described single crystal fiber may not take a shape similar to a square depending on growth conditions. When the Cr 4+ : YAG single crystal fiber of this embodiment is manufactured by a normal process, its cross-sectional shape is expressed numerically by four arcs having a curvature of 55% or more of the maximum diameter (a1 in FIG. 3). -A4) is a cross-sectional shape joined by arcs having a curvature of 50% or less of the maximum diameter. It is easy to understand that the numerical representation of this cross-sectional shape is a shape that approximates a regular quadrangle or a rectangle, keeping in mind that it is circular if four arcs with a curvature of 50% of the maximum diameter are connected. it can. At least the cross-sectional shape of the single crystal fiber used in the present embodiment is preferably a shape whose outer periphery is composed of four arcs and approximates a regular square or a rectangle that satisfies the above numerical conditions.

図4に、本発明の一実施形態にかかる正方形格子フォトニック結晶ファイバーの端面を示す。正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201(増幅媒体)と出力鏡203との間の光路に配置され、長さは1mである。正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は、シングルセルと呼ばれるコア構造を有している(例えば、非特許文献3参照)。正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は、厚さ0.3μmの薄い石英ガラス膜によって、断面形状が2次元正方格子であり、ファイバーの長手方向に同一構造が連続することによって導波路が形成されている。2次元正方格子の中心に正方形5個と、これに接する三角形4個分の格子が空孔を形成し、導波路のコアとして機能する。この空孔に導波光の強度が集中する。正方形格子の間隔は17μmであり、コアの最大直径は46μmである。正方形格子は、外径300μm、内径約240μmのガラスキャピラリーの内側に形成されており、全体の断面形状は、通常のガラスファイバーと同様の外部形状になる。 FIG. 4 shows an end face of a square lattice photonic crystal fiber according to an embodiment of the present invention. The square lattice photonic crystal fiber 204 is disposed in the optical path between the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 (amplification medium) and the output mirror 203, and has a length of 1 m. The square lattice photonic crystal fiber 204 has a core structure called a single cell (see, for example, Non-Patent Document 3). The square lattice photonic crystal fiber 204 is a two-dimensional square lattice with a thin quartz glass film having a thickness of 0.3 μm, and a waveguide is formed by the same structure continuing in the longitudinal direction of the fiber. . Five squares at the center of the two-dimensional square lattice and a lattice of four triangles in contact with this form a hole and function as the core of the waveguide. The intensity of guided light is concentrated in these holes. The spacing of the square lattice is 17 μm and the maximum diameter of the core is 46 μm. The square lattice is formed inside a glass capillary having an outer diameter of 300 μm and an inner diameter of about 240 μm, and the entire cross-sectional shape is the same external shape as a normal glass fiber.

断面形状は、正方形のみならず、長方形、平行四辺形を含む四角形の単位格子により構成することが可能であるが、各辺の交差する角度が80°から100°までが望ましい。単位格子の融合によって形成される空孔の形状が、光の導波に適合したコア形状にならないためである。   The cross-sectional shape can be constituted not only by a square but also by a rectangular unit cell including a rectangle and a parallelogram, and the angle at which each side intersects is preferably from 80 ° to 100 °. This is because the shape of the holes formed by the unit cell fusion does not become a core shape suitable for light guiding.

図4に示したように、正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は、図3に示したCr4+:YAG単結晶ファイバー201の断面形状と相似のコアを有するので、正方形格子フォトニック結晶ファイバー204の導波光のニアフィールドパターンと、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の基本導波モードのニアフィールドパターンとは相似となる。従って、球面鏡206と分散補償ミラー205とによりモードサイズを変換することによって、両ファイバーを高効率に光結合することができる。レーザーの増幅媒体における熱レンズ効果により、出射光が球面鏡で反射した際の焦点位置が変動すると考えられる。本実施形態の正方形格子フォトニック結晶ファイバーでは、コア径が大きいため、焦点でのレイリー距離より位置ずれ量が充分小さく、光結合への影響は無視できる。 As shown in FIG. 4, the square lattice photonic crystal fiber 204 has a core similar to the cross-sectional shape of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 shown in FIG. The near-field pattern of the wave light is similar to the near-field pattern of the fundamental waveguide mode of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201. Therefore, by converting the mode size by the spherical mirror 206 and the dispersion compensating mirror 205, both fibers can be optically coupled with high efficiency. It is considered that the focal position when the emitted light is reflected by the spherical mirror fluctuates due to the thermal lens effect in the laser amplification medium. In the square lattice photonic crystal fiber of this embodiment, since the core diameter is large, the amount of positional deviation is sufficiently smaller than the Rayleigh distance at the focal point, and the influence on optical coupling can be ignored.

Cr4+:YAG単結晶ファイバー201から球面鏡206とは反対方向に出射した光は、45°反射の平面鏡208を介して、球面鏡207により可飽和吸収体ミラー202に集光される。正方形格子フォトニック結晶ファイバー204の端面に出力鏡203を形成し、出力鏡203と可飽和吸収体ミラー202との間で共振器を構成する。上述したように、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201と正方形格子フォトニック結晶ファイバー204の結合効率を充分大きく設定できるので、レーザー発振器として実用に充分な低しきい値動作を実現することができる。 The light emitted from the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 in the direction opposite to the spherical mirror 206 is condensed on the saturable absorber mirror 202 by the spherical mirror 207 through the plane mirror 208 reflecting 45 °. An output mirror 203 is formed on the end face of the square lattice photonic crystal fiber 204, and a resonator is formed between the output mirror 203 and the saturable absorber mirror 202. As described above, since the coupling efficiency between the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 and the square lattice photonic crystal fiber 204 can be set sufficiently large, a low threshold operation sufficient for practical use as a laser oscillator can be realized.

波長1.53μmにおいて、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の群遅延分散値は+300fsであるのに対し、正方形格子フォトニック結晶ファイバー204の群遅延分散値は−1200fsであり(例えば、非特許文献3参照)、合わせるとモード同期発振に必要な負分散値になる。正方形格子フォトニック結晶ファイバー204の分散は、波長に対し比較的平坦であるから、共振器の3次分散を補償するように、分散補償ミラー205を設計することが容易にできる。これらを使用して、共振器全体でおおむね一定の負の群遅延分散値とする。 At a wavelength of 1.53 μm, the group delay dispersion value of Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201 is +300 fs 2 , whereas the group delay dispersion value of square lattice photonic crystal fiber 204 is −1200 fs 2 (for example, non- In combination, the negative dispersion value required for mode-locked oscillation is obtained. Since the dispersion of the square grating photonic crystal fiber 204 is relatively flat with respect to the wavelength, the dispersion compensation mirror 205 can be easily designed to compensate for the third-order dispersion of the resonator. These are used to obtain a negative group delay dispersion value that is generally constant throughout the resonator.

発振光は、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の結晶方位により偏光の向きが規定されるが、正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は複屈折が極めて小さく、ファイバー内で偏光が回転しないため、発振の阻害要因にならない。 The direction of polarization of the oscillation light is regulated by the crystal orientation of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201. However, the square lattice photonic crystal fiber 204 has extremely small birefringence, and the polarization does not rotate within the fiber. It is not a hindrance.

正方形格子フォトニック結晶ファイバー204は、コアが空孔であるため、通常の石英ガラスコアファイバーに比べ非線形光学効果は極めて低い。長さ1mのファイバーを共振器内に使用しても、発振光パルスに変形を引き起こす非線形光学効果は、空間光学系と比較して大きな差はない。   Since the core of the square lattice photonic crystal fiber 204 is a hole, the nonlinear optical effect is extremely low as compared with a normal quartz glass core fiber. Even when a fiber having a length of 1 m is used in the resonator, the nonlinear optical effect that causes deformation of the oscillation light pulse is not significantly different from that of the spatial optical system.

なお、正方形格子フォトニック結晶ファイバーとして、シングルセルのみならず、複数の正方形格子を融合するのではなく単一の格子を変形してコアにするゼロセルなども利用可能である。フォトニック結晶ファイバーの格子を形成するガラス膜の厚さは、1μm以下が望ましい。ガラス膜が1μmより厚い場合、膜内に導波モードが生じる可能性があるからである。   As the square lattice photonic crystal fiber, not only a single cell but also a zero cell that deforms a single lattice to be a core instead of merging a plurality of square lattices can be used. The thickness of the glass film forming the lattice of the photonic crystal fiber is desirably 1 μm or less. This is because when the glass film is thicker than 1 μm, a waveguide mode may occur in the film.

高出力の半導体レーザー209(波長0.97μm、出力17W)は、ビームが発散的であり、空間中では、長さ20mmよりも大幅に短い距離で、ファイバー径より大きく拡散する。しかし、本実施形態のように、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の端面に合わせて集光すると、ファイバー内ではクラッド構造により導波されるため、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の全長に渡って拡散せず、発振光との重なりが良好である。そのため、Ybガラスファイバーレーザーに代えて、半導体レーザー209の励起光を効率的に利用できる。半導体レーザー209から出力された励起光は、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の端面のサイズに合わせて集光するため、レンズ210の焦点距離は比較的短く36mmである。しかし、平面鏡208により、発振光の光路を折り曲げてあるため、Cr4+:YAG単結晶ファイバー201の端面にレンズ210を近接することができる。
The high-power semiconductor laser 209 (wavelength: 0.97 μm, output: 17 W) has a divergent beam and diffuses in a space much larger than the fiber diameter at a distance much shorter than a length of 20 mm. However, as in the present embodiment, when the light is focused on the end face of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201, the light is guided by the cladding structure in the fiber, and therefore the total length of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201. It is not diffused over a wide range, and the overlap with the oscillation light is good. Therefore, it is possible to efficiently use the excitation light of the semiconductor laser 209 instead of the Yb glass fiber laser. Since the excitation light output from the semiconductor laser 209 is condensed according to the size of the end face of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201, the focal length of the lens 210 is relatively short and is 36 mm. However, since the optical path of the oscillation light is bent by the plane mirror 208, the lens 210 can be brought close to the end face of the Cr 4+ : YAG single crystal fiber 201.

なお、本実施形態では、ファブリーペロー共振器を例に説明したが、リング共振器にも適用可能である。また、出力部品としての出力鏡を光カプラーとしたり、可飽和吸収体ミラーを透過型の可飽和吸収体とすることもでき、レーザー発振器の構成は、上記の実施形態に限られない。   In the present embodiment, the Fabry-Perot resonator has been described as an example, but the present invention can also be applied to a ring resonator. The output mirror as the output component can be an optical coupler, and the saturable absorber mirror can be a transmissive saturable absorber, and the configuration of the laser oscillator is not limited to the above embodiment.

本実施形態のレーザー発振器をフェムト秒パルスレーザーとして使用すると、中心波長1.53μm、パルス幅75fs、繰り返し周波数130MHz、出力80mWでの発振が可能であり、従来例と同等以上の性能を発揮することができる。従来例の共振器が空間光路により形成されていたのに対して、本実施形態では、可撓性のあるフォトニック結晶ファイバーを用いるため、設置面積の縮小が可能になった。非特許文献3には、正方形格子フォトニック結晶ファイバーを、直径20cmで巻き取り可能であることが示されている。本実施形態のレーザー発振器の設置面積は、半導体レーザーを含めて20cm×20cm以下の大きさである。従来例では、Ybガラスファイバーレーザーを除いて30cm×30cm以上を必要としたことから、大幅に縮小されたことがわかる。   When the laser oscillator of this embodiment is used as a femtosecond pulse laser, it is possible to oscillate at a center wavelength of 1.53 μm, a pulse width of 75 fs, a repetition frequency of 130 MHz, and an output of 80 mW, and exhibit the same or better performance as the conventional example. Can do. Whereas the resonator of the conventional example is formed by a spatial light path, in this embodiment, since a flexible photonic crystal fiber is used, the installation area can be reduced. Non-Patent Document 3 shows that a square lattice photonic crystal fiber can be wound with a diameter of 20 cm. The installation area of the laser oscillator of this embodiment is 20 cm × 20 cm or less including the semiconductor laser. In the conventional example, 30 cm × 30 cm or more is required except for the Yb glass fiber laser, and it can be seen that the size has been greatly reduced.

101 バルクロッド(Cr4+:YAG単結晶)
102,202 可飽和吸収体ミラー
103,203 出力鏡
104,105,106,205 分散補償ミラー
107,108,206,207 球面鏡
109 Ybガラスファイバーレーザー
110,210 レンズ
201 Cr4+:YAG単結晶ファイバー
204 正方形格子フォトニック結晶ファイバー
208 平面鏡
209 半導体レーザー
101 Bulk rod (Cr 4+ : YAG single crystal)
102, 202 Saturable absorber mirror 103, 203 Output mirror 104, 105, 106, 205 Dispersion compensating mirror 107, 108, 206, 207 Spherical mirror 109 Yb glass fiber laser 110, 210 Lens 201 Cr 4+ : YAG single crystal fiber 204 Square Lattice photonic crystal fiber 208 Plane mirror 209 Semiconductor laser

Claims (6)

光路内に増幅媒体を含む共振器を有するレーザー発振器において、
前記光路の一部を置き換えるフォトニック結晶ファイバーを備え、
前記増幅媒体は、断面形状の外周が4個の円弧により構成される正四角形または長方形に近似した形状の単結晶ファイバーであり、
前記フォトニック結晶ファイバーは、前記単結晶ファイバーの断面形状と相似のコアを有し、前記単結晶ファイバーの基本モードに光学的に結合されていることを特徴とするレーザー発振器。
In a laser oscillator having a resonator including an amplification medium in an optical path ,
Comprising a photonic crystal fiber that replaces part of the optical path;
The amplification medium is a single crystal fiber having a shape approximate to a regular square or rectangle in which the outer periphery of the cross-sectional shape is constituted by four arcs.
The photonic crystal fiber, the have a core similar to the single crystal fiber cross-sectional shape, a laser oscillator characterized in that it is optically coupled to the fundamental mode of the single crystal fiber.
前記単結晶ファイバーは、Cr4+:YAG単結晶、Nd:YAG単結晶、Yb:YAG単結晶、Er:YAG単結晶、Tm:YAG単結晶、Tiサファイア単結晶、またはCrフォルステライト単結晶のいずれかにより構成されることを特徴をとする請求項1に記載のレーザー発振器。 The single crystal fiber is made of Cr 4+ : YAG single crystal, Nd: YAG single crystal, Yb: YAG single crystal, Er: YAG single crystal, Tm: YAG single crystal, Ti sapphire single crystal, or Cr forsterite single crystal. The laser oscillator according to claim 1, wherein the laser oscillator is configured by any one of the above. 前記単結晶ファイバーは、最大直径1mm以下の同一断面が長手方向に連続する棒状であり、最大直径の55%以上の曲率を持つ4個の円弧が、最大直径の50%以下の曲率を持つ円弧でつなぎ合わされた断面形状を有することを特徴とする請求項2に記載のレーザー発振器。   The single crystal fiber has a rod shape in which the same cross section having a maximum diameter of 1 mm or less is continuous in the longitudinal direction, and four arcs having a curvature of 55% or more of the maximum diameter are arcs having a curvature of 50% or less of the maximum diameter. The laser oscillator according to claim 2, wherein the laser oscillator has a cross-sectional shape joined together. 前記フォトニック結晶ファイバーは、厚さ1μm以下のガラス膜により構成され、長手方向に同一構造が連続する導波路であって、断面形状が四角形の単位格子により構成され、前記導波路のコアとして機能する空孔が形成されていることを特徴とする請求項1、2または3に記載のレーザー発振器。   The photonic crystal fiber is a waveguide made of a glass film having a thickness of 1 μm or less and having the same structure continuous in the longitudinal direction, and is made of a unit cell having a square cross-sectional shape and functions as a core of the waveguide The laser oscillator according to claim 1, 2 or 3, wherein holes are formed. 前記フォトニック結晶ファイバーは、前記四角形の単位格子の各辺の交差する角度が80°から100°までであり、前記空孔は、正方形5個と、これに接する三角形4個分の格子が空孔を形成することを特徴とする請求項4に記載のレーザー発振器。   The photonic crystal fiber has an angle of 80 ° to 100 ° intersecting each side of the square unit cell, and the hole has five squares and a lattice of four triangles in contact with the square. The laser oscillator according to claim 4, wherein a hole is formed. 半導体レーザー、可飽和吸収体ミラーおよび分散補償ミラーをさらに備え、前記共振器の全体の群遅延分散値が負値になるように構成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のレーザー発振器。   6. The semiconductor laser according to claim 1, further comprising a semiconductor laser, a saturable absorber mirror, and a dispersion compensating mirror, wherein the entire group delay dispersion value of the resonator is a negative value. The laser oscillator described in 1.
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