JP6495247B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバ増幅器を備えた光学システムに関するものであり、とくに超短高エネルギパルスおよび／または高パワー超広帯域光を効率的に生成するための光学システムに関するものである。
超広帯域光放射とは、それによって非線形媒体を伝搬する狭帯域光を非常に広域のスペクトルを有する信号に変換する現象のことである。非線形媒体としては光ファイバが通常選択される。
Ｊ．ＳｗｉｄｅｒｓｋｉおよびＭ．Ｍｉｃｈａｌｓｋａ、「単一モードのツリウム添加ファイバ増幅器における中赤外線超広帯域光の生成」、Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０，（２０１３）０３５１０５（６ｐｐ）には、ツリウム添加ファイバを有する超広帯域光源が開示されている。超広帯域光源のスペクトル出力の波長は１．７５から２．７μｍにまで及ぶ。上述の文献に開示されている方法は次のとおりである。第１に、ナノセカンドのシードパルスが一連のエルビウム（Ｅｒ）ファイバ増幅器およびエルビウム・イッテルビウム（Ｅｒ＆Ｙｂ）ファイバ増幅器により増幅される。次いで、増幅されたパルスは、単一モードファイバへと渡され、ソリトン自己周波数シフトにより約２．４μｍシフトされる。そのスペクトルは、コアポンピングされるツリウム添加ファイバ増幅器を用いて約２．４μｍを超えて広げられた後、その放射線はツリウム添加ファイバ増幅器の他のセクションにおいて増幅され、超広帯域光出力が生成される。ポンプパワーを上げると、この超広帯域光のスペクトルがさらに広げられる。
以上から明らかなように、上述のシステムが非常に複雑なものであり、よりシンプルでかつ多用途のファイバ増幅器の提供が有利である。
本発明の第一の態様に従って提供される光学出力を出力するための光学システムは、光学的に活性な添加ファイバを有するファイバ増幅器と、シードパルス源と、ポンプ源とを備えており、添加ファイバには、シードパルスの強度を増幅するように選択される１つ以上の活性な元素が添加されており、また、添加ファイバは、シードパルスの波長から添加ファイバの光学損失の大きさが誘導ラマン散乱に起因する利得よりも大きくなるしきい値波長までの領域において負の（異常な）群速度分散を有している。
本発明によって、使用時、誘導ラマン散乱に起因してラマンソリトンが形成される。このラマンソリトンは、次いで、波長ドメインにおいてシフトする。このラマンソリトンのシフトはしきい値波長で停止するようになっている。
したがって、本明細書に記載の光学出力を出力するための光学システムは、光学的に活性な添加ファイバを有するファイバ増幅器と、シードパルス源と、ポンプ源とを備えており、添加ファイバは、シードパルスの波長から所望のしきい値波長までの領域において負の（異常な）群速度分散を有しており、また、添加ファイバには、シードパルスの強度を増幅するように選択される１つ以上の活性な元素が添加されており、その結果、誘導ラマン散乱に起因してラマンソリトンが形成され、このラマンソリトンが波長ドメインにおいてさらにシフトし、この波長ドメインにおけるソリトンのシフトが、添加ファイバの光学損失の大きさが誘導ラマン散乱に起因する利得よりも大きくなるしきい値波長において停止するようになっている。
第一の態様にかかる本発明により、光学システムの出力として、スペクトルのフィルタリングおよび長い波長方向へのスペクトルシフトをすることなくシードパルスよりも短くかつ好ましくは増幅器放射線出力の主要な部分を含む超広帯域光および／または高エネルギパルスを生じることが可能となる。
好ましい実施形態では、かかる光学システムは、第一のモードで、その出力として、スペクトルフィルタリングおよび長い波長方向へのスペクトルシフトをすることなくシードパルスよりも短くかつ増幅器放射線出力の主要な部分を含む高エネルギパルスを生じるように動作可能であり、また、かかる光学システムは、第二のモードで、その出力として、超広帯域光を生じるように動作可能となっている。このような実施形態では、シードパルスの期間もしくは強度のうちの少なくとも１つを変えることによりまたはポンピング速度を変えることにより、第一の動作モードと第二の動作モードとを切り換えることが可能となっていることが好ましい。
好ましくは、ラマンソリトンをより効率的に提供するために、シード光学パルスの期間が１００ｐｓ未満であるというスペクトル制限が付与されている。
好ましくは、添加ファイバは、シードパルスの波長よりも長いしきい値波長において急激に増大する光学損失を有している。好ましくは、光学損失の大きさについては、所望のパルス出力のピーク強度において誘導ラマン散乱に起因する利得を超えるように選択される。
好ましくは、添加ファイバはシリカをベースにしたものである。それに代えて、添加ファイバは、ゲルマネートガラスファイバであってもよいし、酸化ゲルマニウム含有量の高い（好ましくは、＞５０％）ファイバであってもよいし、または、所望の波長領域において負の（異常な）分散を有する他のファイバであってもよい。これら他のファイバには、限定するわけではないがたとえばフルオロジルコニウム酸塩ガラス（たとえば、ＺＢＬＡＮ）、リン酸塩ガラスまたはカルコゲナイドガラスなどが含まれる。
添加ファイバには、しきい値波長で光学損失を生じる少なくとも１つの元素が添加されてもよい。好ましくは、添加ファイバには、たとえばＮｄ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｈｏのような希土類から選択される少なくとも１つの元素が添加される。
超広帯域光の生成に好ましい広い利得を達成するために、ツリウム／ホルミウムを添加したファイバが用いられてもよい。
スペクトルバンドを減少させて増幅器エネルギ出力の大部分を有するソリトンへエネルギをより効率的に伝達させるためにホルミウム添加ファイバが用いられてもよい。ホルミウム添加ファイバが用いられる場合、ポンプ波長は１．１４〜１．１６μｍまたは２〜２．１μｍの領域から選択されることが好ましい。
しかしながら、最も好ましくは、ファイバにツリウムが添加される。
したがって、本発明の第二の態様に従って提供される光学システムは、ツリウム添加ファイバ増幅器と、０．７７〜０．８２μｍまでの波長でポンピングするように構成されるポンプ源と、１．８〜２．１μｍまでの波長を有するシードパルス源とを備えている。
第二の態様にかかる本発明により、シードパルス波長から２．６μｍまでの領域において一連のスペクトル的に分離されたソリトンパルスを生成することが可能となる。また、（第一の動作モードで）増幅器放射線出力の主要な部分を含む２．２〜２．８μｍまでの領域においてソリトンパルスを生成し、（第二の動作モードで）１．８〜２．６μｍから超広帯域光放射線を生成することがさらに可能となる。一方の動作モードから他方の動作モードへの変更は、ポンプ源およびシードパルスの入力パラメータを変えることにより達成されるようになっていてもよい。
したがって、本明細書に記載のファイバレーザーは、光学パルスを増幅するための増幅チェインを備えており、この増幅チェインは、光学的に活性な元素が添加されている光ファイバにより実現される少なくとも１つの増幅器カスケード有しており、この添加ファイバは、シードパルスより長い波長で急激に上昇する光学損失を有し、シードスペクトル位置から光学損失端（しきい値波長または吸収限界とも呼ばれる）までの波長領域において負の（異常な）群速度分散を有している。光学損失の値については、パルス出力の所望のピーク強度において光学損失がラマン利得を超えるように選択される。
さらに、記載のファイバレーザーは、１．８〜２．１μｍまでの領域において最大スペクトル強度を有するシードパルスを増幅するための増幅チェインを備えており、この増幅チェインは、０．７７〜０．８２μｍまでの領域から選択される波長においてポンピングされ、１．８〜２．６μｍの領域において負の群速度分散を有するツリウム添加光学ガラスファイバにより実現される少なくとも１つの増幅器カスケードを有している。このように構成することにより、いかなる形態のスペクトルフィルタリングも適用することなく、増幅器放射線出力の主要な部分を搬送する２．２〜２．７μｍまでのスペクトル範囲において超短ソリトンパルスを生成することが可能となる。また、シードレーザー波長から最大２．６μｍまでのスペクトル範囲において一連のスペクトル的に分離されたソリトンパルスを生成することも可能となる。また、増幅器は１．８〜２．６μｍまでの領域をカバーする超広帯域光光源として働くこともできる。
光学損失は、自然発生的なものであってもよいしまたは複数の技術により導入されるようになっていてもよい。この複数の技術には、たとえば特別なファイバの基本のモードのカットオフ、化学元素の添加、または所望の波長で急激な吸収限界を得るための曲げ損失の導入が含まれる。
この増幅器の動作原理は、パルスが誘導ラマン散乱に起因して波長ドメインにおいてシフトし、この誘導ラマン散乱が、ラマン利得を超える光学損失に起因してあるスペクトルポイントで停止するというものである。増幅器は、あるしきい値ポンピング速度で、各入力パルスから１つまたは一連のラマンソリトンを生成するが、第一のラマンソリトンはそのパルスに対してスペクトルシフト（ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ ｓｈｉｆｔｅｄ）し、第二のラマンソリトンは第一のラマンソリトンに対してスペクトルシフトし、そして以下同様にシフトしていく。
ツリウム添加ファイバ増幅器では、３Ｈ４−３Ｈ５電子遷移帯域における増幅もパルス波長シフトになんらかの役割を果たす。
増幅器のパラメータ（ファイバ組成、コアプロフィール（ｃｏｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ）、光伝搬定数のスペクトル依存性、入力シードの期間、形状および強度、偏光、曲げ損失、ポンピング速度、およびファイバに沿ったポンピング分布）に応じて、パルスおよびラマンソリトンは、時間の点で（ｉｎ ｔｉｍｅ）、完全にまたは部分的に分離されうる。
ラマンソリトンが時間の点で完全に分離される場合（レーザーの第二の動作モード）、あるポンピング速度で、入力シードと吸収限界との間のスペクトル領域全体をカバーする超広帯域光を生成することが可能となる。ポンピング速度がさらに増大すると、そのスペクトルを広げることなく超広帯域光のパワーが増大する。
ラマンソリトンが時間の点で部分的に分離される場合（レーザーの第一の動作モード）、シードパルスがそれ自体のエネルギを犠牲にして第一のラマンソリトンを増幅し、第一のラマンソリトンが第二のラマンソリトンを増幅し、そして以下同様に増幅されていく。このエネルギ伝達は、吸収限界の位置によりそのスペクトル位置が決まる最後のラマンソリトンで停止する。このように、このラマンソリトンはポンプにより供給されるエネルギを蓄積していく。
ポンピング速度、ポンプ分布、偏光およびシードパラメータを変えることにより、同じ装置の上述の２つの動作モードを切り換えることが可能となる。
このような技術により、高輝度超広帯域光（ｈｉｇｈ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）、増幅器の出力スペクトルエネルギの主要な部分を蓄積する高エネルギ超短シードパルス（ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｕｌｔｒａ−ｓｈｏｒｔ ｓｅｅｄ ｐｕｌｓｅ）、およびこれらの２つの動作モードの間で切り換え可能なデバイスを実現することができるようになる。
超広帯域光の総パワーを増大させることがそのスペクトルパワー密度（または、輝度）を増大させるのではなくそのスペクトル領域を増大させることになってしまう従来の技術に対する利点として、本発明により、対象とするスペクトル帯域にそのスペクトルを広げてしまうことなくエネルギを蓄積することが可能となる、または、換言すれば、超広帯域光源のスペクトル輝度を増大させることが可能となる。
他の利点は、レーザー放射線出力の主要な部分を含む高エネルギパルスを実現できることである。
以下に、本発明の好ましい実施形態を例示のみを意図して添付の図面を参照して説明する。
図１に記載の光学システム１は、ポンプ源２と、シードパルス３を提供するためのシードパルス源（シード源）と、結合器４と、ファイバ増幅器５とを備えている。
動作時、ポンプ源２は、ポンプ放射線（ｐｕｍｐ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を結合器４に供給し、結合器４では、ポンプ放射線は結合器４でシードパルス源からのシードパルス３と結合される。次いで、結合器４からの多重出力は、ファイバ増幅器５へ入力され、出力パルス６として出力されるようになっている。
図２には、本発明にかかる光学システムにより生成される超広帯域スペクトル出力が示されている。ファイバ増幅器としては、７９５ｎｍの波長を有するポンプパルスが注入されるツリウム添加ファイバ増幅器が用いられた。シードパルスの波長は１９７０ｎｍであった。
好ましい実施形態では、ＯＨ−基を有するシリカベースのツリウム添加光ファイバを用いて製造時にファイバに導入した。ほとんどの光ファイバにはＯＨ−基がある程度存在するが、通常ＯＨ−基の濃度はできだけ低減されている。ファイバにＯＨ−をある程度残すことにより、カットオフ波長および損失の制御が可能となる（すなわち、ＯＨ−が多ければ多いほど、カットオフ波長が短くなり、損失が大きくなる）。したがって、特筆すべきことは、ＯＨ−基が、さまざまな光学ガラスファイバに存在しうるため、必要な光学損失、とくに個々のガラス構組成に応じて２．７〜２．８μｍまでの波長に位置する非常に強い吸収ピークを提供する役割を果たすことができるという点にある。
このような光ファイバにより１．８〜２．７μｍまでの波長領域の超広帯域光または超短パルスを生成することができるようになる。それに代えて、ゲルマネートガラスファイバまたは酸化ゲルマニウム含有量の高い（好ましくは＞５０％）ファイバは、このスペクトル領域を最大２．８μｍまでに広げることができる。シリカベースのツリウム添加光ファイバは１．８〜２．１μｍまでの領域のシードパルスによりシーディング（ｓｅｅｄｅｄ）される。好ましいポンピング方法はクラッドポンピングである。クラッドポンピングは、高出力パワーに達するため、また、より経済的な直接ダイオードポンピングを用いるために重要である。ポンピング波長は０．７７〜０．８２μｍ、１．５〜１．６５μｍ、および１．１８〜１．２１μｍの領域から選択される。コアポンピング法（ｃｏｒｅ−ｐｕｍｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）または上述の可能なポンピングを任意に組み合わせたものも同様に用いることができる。いかなる形式のスペクトルフィルタリングをも必要とすることなく増幅器放射線出力の主要な部分を搬送する２．２〜２．７μｍまでのスペクトル領域の超短ソリトンパルスを生成することが可能となる。
本発明は、産業用途および科学的用途、たとえば微細物質の処理、油およびガスの感知、環境モニタリングならびに医学において用いることができる。
この増幅器の利点は、既存の類似する増幅器と比較して、その固有のシンプルさおよび信頼性にある。
Claims (14)
- 光学的に活性な添加ファイバを有するファイバ増幅器と、
シードパルス源と、
ポンプ源とを備え、
前記添加ファイバには、前記シードパルスの強度を増幅するように選択される１つ以上の活性な元素が添加され、
前記添加ファイバが、前記シードパルスの波長から前記添加ファイバの光学損失の大きさが誘導ラマン散乱に起因する利得よりも大きくなるしきい値波長に至るまでの領域において負の群速度分散を有するように構成されてなり、
その結果、誘導ラマン散乱に起因してラマンソリトンが形成され、さらに、該ラマンソリトンが波長ドメインにおいてシフトし、前記波長ドメインにおける前記ラマンソリトンのシフトが、前記しきい値波長において停止し、
前記添加ファイバにツリウム（Ｔｍ）が添加されており、
前記添加ファイバが１．８〜２．６μｍの領域において負の群速度分散を有しており、
前記シードパルス源が１．８〜２．１μｍまでの波長を有するパルスを提供するように構成されてなり、
および、前記シードパルスの継続時間がスペクトル的に１００ｐｓ未満に制限されるように構成されてなり、
前記光学システムが第一の動作モードと第二の動作モードとで動作可能であり、
前記第一の動作モードでは、前記光学システムが、その出力として、スペクトルフィルタリングおよび長波長方向へのスペクトルシフトをすることなく、前記シードパルスよりも短くかつ前記増幅器放射線出力の主要部分を含む高エネルギパルスを生成するように動作し、
前記第二の動作モードでは、前記光学システムが、その出力として、超広帯域光を生成するように構成されてなる、光学システム。 - 前記添加ファイバが、前記しきい値波長において急激に増大する光学損失を有し、前記しきい値波長が前記シードパルスの波長よりも長い、請求項１に記載の光学システム。
- 前記光学損失の大きさが、所望のパルス出力のピーク強度における誘導ラマン散乱に起因する利得を超えるよう選択されるように構成されてなる、請求項１または２に記載の光学システム。
- 前記シードパルス源を制御するためのコントローラを備えてなり、
前記コントローラが、前記第一の動作モードと前記第二の動作モードとを切り換えるために前記シードパルスの継続時間または強度のうちの少なくとも１つを変えるように構成されてなる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学システム。 - 前記ポンプ源を制御するためのコントローラをさらに備えており、該コントローラが、前記第一の動作モードと前記第二の動作モードとを切り換えるためにポンピングレートを変えるように構成されてなる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記添加ファイバに前記しきい値波長で光学損失を生じる少なくとも１つの元素が添加されているか、または、前記しきい値波長が基本のモードの遮断することによりもしくは曲げ損失を導入することにより提供されてなる、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、２．６μｍまでのシードパルス波長領域において一連のスペクトル的に分離されるソリトンパルスを生成するためのものである、請求項１に記載の光学システム。
- 前記光学システムが、第一の動作モードにおいて、前記増幅器放射線出力の主要な部分を含む２．２〜２．８μｍまでの領域においてソリトンパルスを生成するように動作可能であり、第二の動作モードにおいて、１．８〜２．６μｍから超広帯域光放射線を生成するように動作可能であり、前記ポンプ源および前記シードパルスの入力パラメータを変えることにより、一方の動作モードから他方の動作モードへ変更することが可能となるように構成されてなる、請求項１に記載の光学システム。
- 光学システムを操作する方法であって、
光学的に活性な添加ファイバを有するファイバ増幅器を提供することと、
前記ファイバ増幅器にシードパルスをシーディングすることと、
前記ファイバ増幅器をポンピングすることとを含み、
前記添加ファイバに１つ以上の活性な元素が添加されており、
前記添加ファイバが、前記シードパルスの波長から所望のしきい値波長までの領域において負の群速度分散を有し、その結果、誘導ラマン散乱に起因してラマンソリトンが形成され、さらに、該ラマンソリトンが波長ドメインにおいてシフトし、前記波長ドメインにおける前記ラマンソリトンのシフトが、前記添加ファイバの光学損失の大きさが前記誘導ラマン散乱に起因する利得よりも大きくなるしきい値波長において停止し、
１．８〜２．６μｍまでの領域に負の群速度分散を有するツリウム添加ファイバ増幅器を提供することと、
前記ツリウム添加ファイバ増幅器に１．８〜２．１μｍまでの波長を有するシードパルスをシーディングすることと、
を含み、
前記シードパルスの継続時間がスペクトル的に１００ｐｓ未満に制限され、
第一の動作モードで、前記シードパルス波長から２．６μｍまでスペクトル領域において一連のスペクトル的に分離されたソリトンパルスを生成し、第二の動作モードで、１．８〜２．６μｍまでの領域をカバーする超広帯域光放射線を生成することを含む、方法。 - 生成されるソリトンパルスが前記増幅器の出力パワーの主要な部分を搬送するように２．２〜２．５μｍまでの波長を有するソリトンパルスを生成することを含み、かつ、
前記シードパルス波長から２．６μｍまでのスペクトル領域において一連のスペクトル的に分離されたソリトンパルスを生成することを含む、請求項９に記載の方法。 - １．８〜２．６μｍまでの領域をカバーする超広帯域光放射線を生成することを含む、請求項９に記載の方法。
- 第一の動作モードにおいて、前記一連のスペクトル的に分離されたソリトンパルスが、前記増幅器の出力パワーの主要な部分を搬送する２．２〜２．５μｍまでの領域における少なくとも１つのソリトンパルスからなっており、および／または、
ポンプ入力パラメータおよびシード入力パラメータを変えることにより、前記動作モードを前記の２つのモード間で切り換える、請求項９に記載の方法。 - 前記ポンプ源が０．７７〜０．８２μｍまでの波長でポンピングするように構成されている、請求項１に記載の光学システム。
- ０．７７〜０．８２μｍまでの任意の波長で前記ツリウム添加ファイバ増幅器をポンピングすることを含む、請求項９に記載の方法。
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