JP6607534B2

JP6607534B2 - 受動モードロックファイバレーザ装置

Info

Publication number: JP6607534B2
Application number: JP2014031286A
Authority: JP
Inventors: 雄高野村; 貴夫藤; 榮紀三村; 和彦小川
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015156452A

Description

本発明は、波長２μｍ近傍の超短パルスレーザを発生する受動モードロックファイバレーザ装置に関する。

パルス時間幅が短いコヒーレント光は、ピークパワーが大きく且つ集光性に優れているので、集光スポットの強度がテラワットにもなる。このような超短パルスコヒーレント光は、超精密加工、超高速時間分解計測、分子制御、光コヒーレンストモグラフィーなど、ナノテクノロジー、バイオテクノロジー、医療、産業分野にわたり、有用である。

上記の分野へ応用可能な超短パルスレーザとしては、０．８μｍ帯のＴｉサファイアレーザ、１μｍ帯のＹｂレーザ、１．５μｍ帯のＥｒレーザ、２μｍ帯のＴｍ添加石英ファイバレーザ（非特許文献１参照。）、２．８μｍ帯のＥｒ添加フッ化物ガラス（ＺＢＬＡＮ）ファイバレーザ（非特許文献２参照。）等が挙げられる。

Andreas Wienke, et.al., "Ultrafast, stretched-pulse thulium-doped fiber-based dispersion management", OPTICS LETTERS, Vol.37,No.13,pp2466-2468, published June 19,2012. 時田茂樹、"中赤外ＯＨ吸収帯波長高出力超短パルスファイバレーザの開発"、[online]、[平成２５年２月１１日検索]、インターネット<URL: http://kaken.nii.ac.jp/pdf/2010/seika/mext/14301/20760032seika.pdf#search='%EF%BC%BA%EF%BC%A2%EF%BC%AC%EF%BC%A1%EF%BC%AE+%E6%99%82%E7%94%B0'>

Andreas Wienke等は、長さ０．６４ｍのＴｍ添加石英ファイバを利得媒質とする非線形偏波回転型受動モードロックレーザで、パルス幅５００ｆｓ、パルスエネルギ１７０ｐＪ、繰り返し周波数４５．４２ＭＨｚ、平均パワー７．８ｍＷ（光−光変換効率：１４％）のレーザを得ている。なお、Andreas Wienke等は、上記の５００ｆｓのパルスを外部圧縮器で圧縮することで、１１９ｆｓのパルス幅を達成している。

一方、時田は、長さ３０ｍのＥｒ添加ＺＢＬＡＮファイバを利得媒質とする非線形偏波回転型受動モードロックレーザで、繰り返し周波数６．７ＭＨｚ（モード同期が不安定のためかパルス幅等は報告されていない）のレーザ発振に成功している。

上記のように、２μｍ帯の波長域では、パルス幅が１１９ｆｓのレーザしか報告されていない。パルス幅が１１９ｆｓでは波長変換や周波数コム、二光子顕微鏡などへ用いることが難しい。一般に、パルス幅は短ければ短い程良い。

そこで、本発明は、２μｍ帯でこれまでよりパルス幅の短いレーザを発生する、受動モードロックファイバレーザ装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の受動モードロックファイバレーザ装置は、共振器と、前記共振器内に配置されたファイバ利得媒質と、前記ファイバ利得媒質をポンプするポンプ光源と、モードロックを誘起するモードロック機構と、を有し、前記ファイバ利得媒質がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバであることを特徴とする。

Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮガラスのエネルギ準位とＺＢＬＡＮファイバの波長分散特性とにより、波長２μｍ帯でパルス幅が従来よりも短いパルスレーザを発生させることができる。

上記の受動モードロックファイバレーザ装置において、前記共振器内に分散補償手段を有するとよい。これにより、さらにパルス幅の短いパルスレーザを発生させることができる。

また、前記モードロック機構が非線形偏波回転であるとよい。発振するレーザのスペクトル幅（帯域）は共振器内の光学要素の帯域によって決まるが、これにより、帯域を狭める光学要素を使用しなくてよいので、発振するレーザのスペクトル幅が狭くならない。

また、前記共振器はリング共振器であるとよい。モードロック機構が非線形偏波回転の場合、線形（ファブリペロ型）共振器では波長板を１往復の間に２回透過してしまうために、非線形偏波回転による受動モードロックが安定しない。そのため、ファラデー回転子鏡などを必要とする。リング共振器では、波長板を１回しか透過しないので、非線形偏波回転による受動モードロックが安定する。

また、前記ポンプ光源のポンプ波長が７９０ｎｍであるとよい。これにより、２μｍ近傍で高効率発振させることができる。

また、前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバに接続された無添加ＺＢＬＡＮファイバを備えるとよい。これにより、非線形効果が大きくなり、非線形偏波回転による受動モードロックが安定する。

また、前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバと前記無添加ＺＢＬＡＮファイバとは端面結合されるとよい。ＺＢＬＡＮファイバは融点が３００℃と低いため、石英ファイバのように融着することが困難である。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバから出た光を空中伝播させて無添加ＺＢＬＡＮファイバに結合させるには、少なくとも２枚のレンズを必要とする。光学要素が増えると、反射・吸収損失が増え、軸ずれが起こりやすくなり、光学系の調整に時間がかかる。端面結合すれば、損失を大幅に減らすことができ、軸ずれや調整の問題も生じない。

また、前記Ｔｍ添加濃度は０．５mol%より高く１０mol%以下であるとよい。Ｔｍ添加濃度は１〜４mol%の範囲がより好ましい。

ポンプ波長が７９０ｎｍの場合、２μｍ付近で発振させるためには、Ｔｍイオン同士が接近している必要があり、少なくとも０．５mol%より高くなければならない。Ｔｍ添加濃度が１０mol%以下ではポンプ光がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバの全長に亘って有効に吸収される。Ｔｍ添加濃度が１mol%以上ではＴｍイオン同士が十分接近しており、相互作用（cross relaxation）が一層起きやすくなる。Ｔｍ添加濃度が４mol%以下では、ポンプ光がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバの全長に亘って一層有効に吸収される。

また、前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバの長さが０．６４ｍ未満であるとよい。これにより、ポンプ光がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバの全長に亘って有効に吸収される。

実施形態１に係る本発明の受動モードロックファイバレーザ装置の概略構成図である。実施形態２に係る本発明の受動モードロックファイバレーザ装置の概略構成図である。実施形態３に係る本発明の受動モードロックファイバレーザ装置の概略構成図である。実施形態４に係る本発明の受動モードロックファイバレーザ装置の概略構成図である。実施例の受動モードロックファイバレーザ装置で発生したパルス波形である。

（実施形態１）
本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、図１に示すように、２つの反射要素１ａ、１ｂで構成されるファブリペロ型共振器１と、共振器１内に配置されたファイバ利得媒質２と、ファイバ利得媒質２をポンプするポンプ光源３と、モードロック機構４を有している。

本実施形態の反射要素１ａは、反射鏡Ｍの表面にモードロック機構４の半導体可飽和吸収体ＳＡを形成したものである。モードロック機構４としては、可飽和吸収体の他に共振器１を構成する反射要素１ｂを光軸方向に移動させるものでもよい。

ファイバ利得媒質２は、ＺＢＬＡＮ（ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF）ファイバのコアにＴｍを添加したものである。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２は、コア径が例えば６μｍのシングルモードファイバーである。また、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の長さは、Ｔｍ添加濃度とポンプ光源４のポンプ光波長、ポンプパワ等によって決められる。

例えば、チタンサファイアレーザをポンプ光源に使用する場合、ポンプ光波長が７９０ｎｍになる。ポンプ光波長が７９０ｎｍのとき２μｍ帯で発振させるためには、Ｔｍイオン同士を十分接近させて、相互作用（cross relaxation）を引き起こす必要がある。したがって、Ｔｍ添加濃度は０．５mol%より高く１０mol%以下が好ましく、１〜４mol%の範囲がより好ましい。

例えば、Ｔｍ添加濃度が４mol%の場合、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の長さは、０．２ｍである。Ｔｍ添加濃度が２mol%の場合、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の長さは、０．４ｍである。

反射要素１ｂは石英ガラスに誘電体多層膜をコートしたもので、発振波長（２μｍ）に対して９０％の反射率（１０％の透過率）を有する。

５は２色ミラーで、７９０ｎｍのポンプ光を反射し、２μｍ帯の発振光を透過する。６a、６ｂは、カップリングレンズである。

本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮガラスのエネルギー準位とＺＢＬＡＮファイバの波長分散特性とにより、波長２μｍ帯でパルス幅が８０ｆｓと従来よりも短いパルスレーザを発生させることができる。

（実施形態２）
本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、図２に示すように、実施形態１の受動モードロックファイバレーザ装置に分散補償手段７を追加したものである。実施形態１と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の分散補償手段７は回折格子型で、回折格子７ａ、球面鏡７ｂ、平面鏡７ｃを備えている。例えば、回折格子７ａの＋１次回折光を球面鏡７ｂと平面鏡７ｃとで分散補償する場合、７ｄは、回折格子７ａの−１次光を出力として取り出す平面鏡である。

本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、分散補償手段７を備えているので、実施形態１の受動モードロックファイバレーザ装置よりパルス幅の短い〜５０ｆｓのパルスレーザーを発生することができる。

本実施形態では、分散保諸手段７に回折格子型を用いたが、チャープファイバーブラッグ格子、チャープミラー等を用いてもよい。

なお、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２のコア径を大きくしたり、コア／クラッドの屈折率比を変えることで波長分散を小さくすることができる。しかし、コア径を大きくすると、シングルモードになり難い問題が生じる。また、コア／クラッドの屈折率比を変えると、Ｔｍ添加濃度が制約される。したがって、分散保諸手段７を備えることで、そのような問題、制約を回避することができる。

（実施形態３）
本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、図３に示すように、実施形態１の受動モードロックファイバレーザ装置におけるモードロック機構４を可飽和吸収体ＳＡを用いる方式から非線形偏波回転方式に変更した以外は、実施形態１の受動モードロックファイバレーザ装置と同じである。実施形態１と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

両端に配置された１ｃと１ｄは、共振器１を構成する反射鏡で、１ｄは非線形偏波回転のためのファラデー回転子鏡４ｅを兼ねている。４ａと４ｂは１／４波長板であり、直線偏光を楕円偏光に、楕円偏光を直線偏光に変換する。４ｃは１／２波長板であり、偏光の向きを回転する。４ｄはファラデー回転子、４ｅはファラデー回転子鏡である。４ｆは出力取り出しのための偏光ビームスプリッタである。

ファラデー回転子４ｄとファラデー回転子鏡４ｅとは、共振器１内の線形偏波回転の補正及び共振器１内の非線形偏波回転を安定させるために用いられる。

本実施例において、非線形偏波回転による受動モードロックは、偏光ビームスプリッタ４ｆとＴｍイオン添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質２との間に配置された１／４波長板４ｂと１／２波長板４ｃによって達成される。

偏光ビームスプリッタ４ｆで取り出される出力の大きさは、１／４波長板４ａによって調節される。

本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、共振器内に可飽和吸収体を備えていないので、帯域の広い２μｍ帯の超短パルスレーザを発生させることができる。

（実施形態４）
本実施形態の受動モードロックファイバレーザ装置は、図４に示すように、実施形態２の受動モードロックファイバレーザ装置におけるファブリペロ型共振器１をリング共振器１０に、モードロック機構４を可飽和吸収体ＳＡを用いる方式から非線形偏波回転方式に、変更し、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２に無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂを接続した以外は、実施形態２の受動モードロックファイバレーザ装置と同じである。実施形態２と同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂは、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２のＴｍ添加前の状態に等しい。すなわち、無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂのコア径、波長分散特性等は、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２と同じである。

無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂをＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２に接続する理由は、非線形偏波回転によるモードロックを安定させるためである。すなわち、ファイバが短いと、ファイバ内を伝播する光が受ける非線形効果が小さく、偏波回転が十分に起こらない。非線形偏波回転を十分に起こすためには、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２を長くする必要がある。しかし、長くすると、ポンプ光源３からのポンプ光がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の途中で吸収され尽くし、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の全長に亘って利得作用を奏することができなくなる。しからば、Ｔｍ添加濃度を下げればよいが、前述したように、Ｔｍ添加濃度には下限がある。本実施形態では、例えば、Ｔｍ添加濃度が４mol%の場合、ポンプ光がＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の全長に亘ってポンプ作用するように、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の長さが、０．２ｍに設定された。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の長さが０．２ｍでは、ファイバ内を伝播する光が受ける非線形効果が小さく、非線形偏波回転が十分に起こらない。そこで、本実施形態では、Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２の両端に、何も添加しない例えば長さ１ｍの無添加ＺＢＬＡＮファイバが接続された。

Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２と無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂとは、図４のように端面結合されている。端面結合する理由は以下の通りである。すなわち、ＺＢＬＡＮファイバは融点が３００℃と低いため、石英ファイバのように融着することが困難である。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバから出た光を空中伝播させて無添加ＺＢＬＡＮファイバに結合させると、少なくとも２枚のレンズを必要とし、反射・吸収損失が増え、軸ずれを起こしやすくなり、光学系の調整に時間がかかる。端面結合すれば、損失を大幅に減らすことができ、軸ずれや調整の問題も生じない。

リング共振器１０は、アイソレータ１０ａ、反射鏡１０ｂ、２色ミラー１０ｃ、１０ｄ及び反射鏡１０ｅで構成される。

偏光ビームスプリッタ４ｆは、非線形偏波回転でモードロックする際、不要な偏光成分を除去する。

（実施例）
実施例の受動モードロックファイバレーザ装置は、図４に示す実施形態４の受動モードロックファイバレーザ装置である。

Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ２は、長さが０．２ｍで、コア径が６μｍの偏光保持シングルモードファイバーにＴｍを４mol%添加したものである。

無添加ＺＢＬＡＮファイバ２ａ、２ｂは、長さが１ｍでコア径が６μｍの偏光保持シングルモードファイバである。

ポンプ光源３は、チタンサファイアレーザシステムであり、波長７９３ｎｍのポンプ光を発生する。

カップリングレンズ６ａ、６ｂは、焦点距離が６ｍｍであり、表面に７９０ｎｍと１．６〜２．０μｍの光に対するＡＲコートが施されている。

２色ミラー５は、７９０ｎｍの光を透過し、１．６〜２．０μｍの光を反射するように誘電体多層膜が形成されている。

回折格子７ａの格子密度は、６００本／ｍｍであり、回折格子７ａから平面鏡７ｃまでの光路長は０．０７５ｍである。

ポンプ光源３のポンプパワーが１４０ｍＷのとき、スペクトル幅０．３μｍ、平均パワー１３ｍＷ、パルス幅５０ｆｓ（図５参照）、繰り返し周波数６７．５ＭＨｚの超短光パルスレーザが発生された。光−光変換効率は９％であった。

すなわち、２μｍ帯でパルス幅が５０ｆｓと従来の約半分の超短光パルスを発生することができた。

なお、図５のパルス波形は、周波数分解光ゲート（ＦＲＯＧ）法により得られた時間―スペクトル分解画像を解析することで得られたものである。

１・・・・・・・・・共振器
２・・・・・・・・・ファイバ利得媒質（Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ）
２ａ、２ｂ・・・・無添加ＺＢＬＡＮファイバ
３・・・・・・・・・ポンプ光源
４・・・・・・・・・モードロック機構
７・・・・・・・・・分散補償手段
１０・・・・・・・・リング共振器

Claims

リング共振器と、
前記リング共振器内に配置されたＴｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質と、
前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質の両端面に端面結合された非線形偏波回転によるモードロックを安定させる二つのＴｍ無添加ＺＢＬＡＮファイバと、
前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質をポンプするポンプ光源と、
非線形偏波回転モードロック機構と、を有し、前記ポンプ光源のポンプ波長が７９０ｎｍで、前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質のＴｍ添加濃度が０．５mol%より高く１０mol%以下である発振波長が２μｍ帯の受動モードロックファイバレーザ装置。
前記ポンプ光源はチタンサファイアレーザである請求項１に記載の受動モードロックファイバレーザ装置。
前記Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮファイバ利得媒質の長さが０．６４ｍ未満である請求項１または２に記載の受動モードロックファイバレーザ装置。