JPH06508961A - 光増幅器およびレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光増幅器およびレーザ 本発明は光増幅器、特に光増幅器を具備するレーザに関する。

効率的で安価で信頼性の高い可視レーザ源がデータ蓄積、ディスプレイ技術、海 底通信、光処理で有するインパクトは固体可視レーザについての最近の研究に刺 激を与えている。

大きな成功を収めた１つの方法はポンプ波長よりも非常に短い波長でレーザ放射 を生成する希土類ドープ材料内の上方変換処理を使用することである。大きな結 晶に供給するときレーザ放射はＮ　ｄ　：　Ｌ　ａ　Ｆ　７で３８０　ｎｍ５Ｅ ｒ　：ＹＬｉＦ４で５５１ｎｍと６７１ｎｍで報告された（ＭＡＣＦＡＲＬＡＮ Ｅ、　Ｒ，Ｍ、、　ＴＯＮＧ　Ｆ、、　ＳＩＬＶＥＲＳＭＩＴＨ，Ａ、　Ｊ、、 　ＬＥＮＧＴＩＩ、　Ｗの”Ｖｉｏｌｓｌ　ＣＷ　ｎｅｏｄ７ｍｉｕｍ　ｕｐｃ ｏｎｖｕｓｉｏｎ　Ｉａｓｅｒ”　５Ａｐｐ１．　Ｐｈ７ｓ、Ｌｅｆｔ、、１９ ８８年、５２　（１６）巻、１３００〜１３０２頁、ＭＡＣＦＡＲＬＡＮＥ、　 Ｒ，Ｍ、　の“Ｄｕｓｔ　ｗａｖｓｌｅｎｇｌｈ　ｖｉｓｉｂｌｒ　ｕｐｃｏｎ ｖｅｒｓｉｏｎ　１ｓｏｒ”　、Ａｐｐｌ、　Ｐｈ７ｓ、　Ｌｅｆｔ、　、１９ ８９年、５４　（２３）巻、２３０１〜２３０２頁参照）。残念ながらこれらの 全ての方式は液体窒素冷却を必要とする。しかしながらＴｍ３＋即ちドープされ たフッ化物ファイバにおける４８０ｎｍでの可視レーザ作用の最近の報告は（Ａ ＬＬＡＩＮ、　Ｊ、　Ｙ、。

ＭＯＮＥＲＩＥ、　ＭとＰＯＩＧＮＡＮＴ、　Ｉｌ、の“Ｂｌｕｅ　ｕｐｃｏｎ ｖ＊ｒｓｉｏｎ　ｆｌｕｏｒ。

ｘｉｒｃｏｎｘｔ！ｆｉｂｒ＊　Ｉｘｓ＊ｒ　”　、ＥＩＣｃｔｒｏｎ、　Ｌｅ ｆｔ、、　１９９０年、２６（３）巻、１６６〜１６８頁参照）プラセオジムド ープされたフルオロシリコニウム酸塩ガラスファイバにおける赤、緑、青の波長 の室温レーザ作用の報告（ＳＭＡＲＴ、　Ｒ，Ｇ、、　ＨＡＮＮＡ、　Ｄ。

Ｃ，、ＴＲ０ＰＰＥＲ，Ａ、Ｃ，、ＤＡＶＥＹ、　Ｓ、Ｔ、、　ＣＡＲＴＥＲ， Ｓ、　Ｆ、、　５２ＥＢＥＳＴＡ、Ｄの”ＣＷ　ｕｐｃｏｎｖ！ｔｓｉｏｎ　Ｉ ａｓｉｎｇ　ｘｉ　ｂｌｕｅ４ｔｅＣｎ　ｕｄ　ｔｅｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ 　ｉｎ　ａｎ　ｉｎｆｒｘｒｅｄ−ｐｕｍｐ！ｄ　Ｐ　ｒ”−ｄｏｐｅｄ　ｆｌ ｕ。

ｒｉｄｅｆｉｂｒｔ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｌｅｍｐｅｒｘｔｕｔｅ″、ＰＤ　ｐｘ ｐｅｒ、　ＣＬＥＯ９１、米国メリーランド州バルチモア、（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ 、　Ｌｅ（ｔｌ、１９９１年、２７　（１４）巻、１３０７〜１３０９頁にも出 版されている）参照）と結合してこのような上方変換ポンプレーザ方式の持続性 を大きく変化する。

出願人は８５０ｎｍにおける顕著な利得がエルビニラムでドープしたフルオロシ リコニウム酸塩ファイバが８００ｎｍでポンプされたとき達成されることを決定 した。観察された８５０ｎｍの放射は　Ｓ３／２レベルから発生し、８００ｎｍ のポンプ光子の結果的な吸収を必要とする。本発明はシステム（図１）の　Ｓ３ ／２と　１１５／２の接地状態の間の転移に起因する緑色の蛍光が存在するとい う出願人の観察に基づくものである。

エルビニラム（Ｅ　ｒ　：　ＹＬ　Ｉ　Ｆ４　）でドープした大きな結晶ではこ れはよく知られた変化であり７７Ｋに冷却されたとき５５１ｎｍで上方変換レー ザ作用を生じる（ＭｃＦｘｒｌａｎｓの１ｂｉｄ−Ａｐｐｌ、　Ｐｈ７＠、Ｌｓ 目５４　（２３）巻参照）。

このような大きい結晶レーザではイオンは４１１１／１２　”” ホルトに存在するイオンのイオンとイオンの相互作用により顕著に上方レーザレ ベルに励起される。しかしながら軽くドープしたフルオロシリコニウム酸塩ファ イバではイオンとイオンの相互作用は無視でき、顕著な励起機構はポンプ光子の 励起状態の吸収（ＥＳＡ）へ出願人により提供された。

図１は　Ｓ３／２と４１１５／２基底状態の間を示された適切な緑色レーザ転移 による３価のエルビウムイオンのエネルギレベルを表す。上部レーザレベルは　 Ｉ９／２帯域への基底状態のイオンの励起を含む処理で８０１ｎｍのポンプ光子 の結果的な吸収により移動され、これらの幾つかは４　Ｉ　と４１上部レーザレ ベルに緩和され、このレベルから基底状態への直接転移は緑色放射に原因がある 。

本発明はエルビニラムイオンでドープされたフルオロシリコニウム酸塩導波体と 、ポンプ光子のＥＳＡにより４ｓ３／２エネルギーレベルにエルビニラムイオン を励起する能力のある光ポンプ信号を提供するため導波体に結合される光ポンプ 手段とを具備する光増幅器を具備し、増幅器は約５４６ｎｍで光利得を与える。

導波体はフルオロシリコニウム酸塩光フアイバ導波体から構成されることが好ま しいが他のタイプの導波体も使用されることができる。例えば有用な構造はフル オロシリコニウム酸塩ガラス基体をドープすることにより形成される平面導波体 構造であることが期待される。ドープ剤の高い濃度はコンパクトな（短い長さの 導波体）装置を可能にする。

本発明は標準的なＺＢＬＡＮフルオロシリコニウム酸塩導波体で実施され、ガラ ス成分の割合は臨界的でないことが期待される。

ポンプは既知の適切な技術によりファイバに結合される。

高い開口数の間隙のフルオロシリコニウム酸塩ファイバはシリカファイバにスプ ライス接続され、その結果、例えば容易に利用できる融着結合装置はポンプと信 号源をドープファイバに結合するために使用されることができる。

、４ エルビウムイオンの　５３７２エネルギレベルは７９１ｎｍがら８１２ｎｍの範 囲、好ましくは８０１ｎｍでポンプ波長により励起されることができる。

本発明は光増幅器、１対の反射装置から構成され、光増幅器は前述のようなもの であり、反射装置は導波体の各端部に位置され、反射装置は共振空洞を限定し、 導波体がポンプ手段によりポンプされるとき約５４６ｎｍでレーザ動作を行うよ うな反射性を有する。

反射器はミラーまたはサグナックループ反射器のような他の反射器であり、ファ プリーベロー空洞を限定し、既知の方法で所望の波長でのみレーザ動作を維持す るのに十分な反射器を提供するように選択される。

８０１ｎｍでポンプされるとき、緑色放射は４レベルの８５０８０１ｎｍのポン プ方式でこの状態は４１１３／２状態から強いポンプＥＳＡにより満たされる。

約９７１ｎｍのポンプ波長を使用することが好ましいことが発見されている。こ の９７］’ｎｍのポンプ方式では集群は４１１３／２レベルで生長することを許 容され、従って８５０ｎｍの転移の可能性を減少する。

本発明に好ましいドープ剤の濃度はドープされた導波体増幅器に適用可能な通常 の基準により支配される。約０．０１重量パーセントの低いドープ剤レベルでは ドープされた導波体の長さは必要な利得を与えるのに十分な長さでなければなら ないが、これは増幅器またはレーザ性能を効果的に減少する約０．２ｄＢ／ｍの ファイバ背景損失と競合する。長さと密度の積を最適にするため０．１重量パー セントの濃度の値が典型的に選択される。約１重量パーセントの濃度で増幅器ま たはレーザ性能を低下する種々のイオンとイオンの相互作用が生じる。約４重量 パーセントを超す濃度でガラスは不安定で使用不可能になる。

これらの考察はよく知られており、所定の応用で必要とされるドープ剤のレベル は容易に決定されることができる。従ってドープ剤の濃度の上限はイオンとイオ ンの相互作用の効果により与えられる。このプロセスはエネルギを交換するため ファイバ内で２つ以上のイオンが十分に相互に近接しているときに生じる。この ようなエネルギ転移によって通常１つのイオンがより高いエネルギレベルに励起 され、他のイオンが基底状態まで減衰する。ある場合には、この機構は特定のエ ネルギレベルを励起するのに有益に使用されることができるが、より多くは寄生 プロセスであり、それ故−けられねばならない。フッ化物ファイバではイオンと イオンの相互作用はドープ剤レベルが約１重量パーセントより下に維持されるな らば避けることができる。

ドープ剤濃度の下限はファイバ背景損失により設定される。

ファイバでは総合的な伝播損失は２つの成分からなり、一方はイオン損失による ものであり、他方はファイバ背景損失によるものである。これらの第１の損失期 間は有用であり、第２の損失期間は有用ではない。ドープ剤濃度が減少されるな らばイオン損失も減少する（即ちイオン損失係数は線彰にドープ剤濃度に比例す る）。ドープされたファイバ装置では一方は明白に寄生背景損失を支配するため に有用なイオン損失を要求する。典型的なファイバパラメータを有する典型的な 損失のエルビウムドープされたフッ化物フテイバではこの状態は０．００１重量 パーセントより上のドープ剤濃度に満足される。このようにこれは実際的な下限 をドープ剤濃度に設定する。

前述の基準を基礎として導波体の長さは通常０．１〜１０ｍの範囲にあり１〜５ ｍの長さが好ましい。

本発明は添付図面を参照して例示により説明される。

図１はフルオロシリコニウム酸塩ホスト中の３価のエルビウムイオンのエネルギ レベルを示す図である。

図２．３は本発明により構成される第１、第２のレーザ形態の概略図である。

図４は図２のレーザのポンプ波長の関数としてのしきい値で吸収されたポンプパ ワーのグラフである。

図５．６は発射されたポンプパワーの関数としての８０１　ｒｉｍと９７１ｎｍ でポンプされたときの図２．３のレーザにょる５４６ｎｍの波長で放射されたパ ワーのグラフである。

図７は本発明により構成されたレーザの第３の形態の概略図である。

図１を参照すると、５４６ｎｍの波長におけるレーザ動作は４Ｓ３／２の上部レ ベルと４　■１５／２の接地状態の間の分布反転を設定することにより達成され る。２つの別のポンプ励起方式はこの反転を達成するために使用されることがで きる。第１に、約８０１ｎｍの波長でポンプ光はイオンを４　Ｉ９／２レベルに 励起するために使用され、イオンの励起の割合は長期の寿命の　１１１／２と４ １１３／２状態に分岐される。これらのイオンはポンプ光子の結果として生じる 吸収を通じてさらに励起を受ける。ポンプ励起状態吸収（Ｅ　Ｓ　Ａ）のこのプ ロセスは、第２の励起方式では約９７１ｎｍの波長のポンプ光はイオンで集群を 設定し、それから緑色レーザが再び基底状態に生じる。

図２を参照すると、本発明によるレーザはエルビウムイオンで約５００ｐｐｍｗ にドープされる標準的な構造のＺＢＬＡＮフルオロシリコニウム酸塩ファイバ２ の２．４ｍの長さに基づく。ファイバのΔｎは０．００７でＬＰＩＩモードのカ ットオフは７９０ｎｍである。ポンプと信号の両波長におけるファイバ背景損失 は約１．２ｄＢ／ｍに見積もられる。簡単なファプリーペローレーザ空洞は誘電 体ミラー６に対してファイバ２の入力端部４に接触して形成され、ミラーは５４ ６ｎｍで高い透過率であり、８００　ｎｍ／８５０　ｎｍで高い透過率であり、 また緑色光に対して６５％を反射し、８００　ｎｍ／８５０　ｎｍで高い透過率 であるミラーＩＯに対してファイバの出力端部８を接触させることによって形成 される。８０１ｎｍのポンプ光は入力ミラー６を通って端部点大で発射されるＡ ｒ＋のポンプされたＴｉ：サファイヤレーザ１２から得られる。ポンプ遮断フィ ルタ１２は出力ミラー１０を通って伝送後、残りのポンプ光と緑色放射を分離す ることに使用される。

図５は波長８０１ｎｍの吸収ポンプパワーにおいて約５４６ｎｍの波長の出力パ ワーの放出を示している。レーザのしきい値は約１００　ｍＷの吸収ポンプパワ ーであり、これは１６０　ｍＷの発射されたポンプパワーに対応する。達成され た最大の出力パワーは７８０　ｍＷの吸収ポンプパワーに対して２３ｍＷである 。２つの限定された勾配はこのレーザ特性から明白である。

このグラフの初期部分の勾配を取ると、１１％の吸収ポンプパワーに対する勾配 の効率が得られる。２５０　ｍＷのポンプパワーを超える飽和特性は８５０ｎｍ での競合レーザ転移と関連するものと思われる。通常、２５０ｎｍより下の線形 領域は緑色レーザだけに対応することが発見され、一方２５０　ｍＷを超える減 少された勾配は８５０ｎｍと５４６ｎｍとの両者における同時的レーザに対応す る。

ポンプ波長に対する感度を評価するためにしきい値で吸収されるポンプパワーは 異なったポンプ波長で測定される。これらの結果は図４で示されている。最も効 率的な動作が８０１ｎｍのポンプ波長を使用して達成されたが、緑色のレーザ動 作は７９１〜８１２ｎｍの範囲のポンプ波長を使用して維持されることかできた 。ポンプ波長に対する相対的な不感度（ポンプ波長で±５ｎｍの変化のレーザし きい値の２０％より低い）は標準的なファプリーベローレーザダイオードがポン プ源として使用できることを意味する。レーザしきい値はポンプ波長がより長い 波長に移動するとき、より急速に上昇する。この非対称性は　■　と２Ｈレベル との間の５５０ｎｍにおけるＥＳＡの存在により説明されることができる。ポン プＯｎｍにある。ポンプ波長が８０５ｎｍを超えて同調されるときに観察される レーザしきい値の急激な上昇はそれ故、このレベルからの緑色の強力な信号ＥＳ Ａと結合して４１１３／２’ ベルの減少されたポンプの集群の低下により説明される。

前述したように８５０ｎｍと５４６ｎｍの同時的なレーザ放射では優勢になるレ ーザ動作転移を指令するものが明白ではないがある状態下で観察される。レーザ が数時間よりも長時間動作されなければ８５０ｎｍの転移は緑色転移の代りに非 常に顕著な上昇（＞ＩＷ）を示す緑色レーザしきい値でレーザ放射する。しかし ながら緑色でレーザ放射が達成されると、緑色しきい値は約１００　ｍＷ付近の 値に一貫して低下し、ここで８５０ｎｍのレーザ放射が抑圧される。レーザの最 近のこのゝ“メモリ“は数時間の期間のために調査が困難であるが一貫して観察 される。

緑色レーザ放射のスペクトル分析は出カスベクトルで量子化されるように５４３ 〜５４８ｎｍの範囲の幾つかのラインで同時レーザ放射、ポンプ波長の変化、変 化を生じるパワーを示す。

８０１ｎｍのポンプ光子が緑色光に変換される勾配効率は約１１％である。この 数値はポンプと信号波長の両者でのファイバのポンプ励起機構と背景損失を考慮 するとき非常に顕著である。このような複雑な集団のダイナミックを存するシス テムではこれらの損失が装置の効率としきい値にある正確な効果を予測すること が困難であるが、２．９ｄＢの単一の通過ポンプ損失の減少とレーザ波長の５． ８ｄＢの一往復の損失は総合的な効率において実質上増加することになる。

前述したように８０１ｎｍでポンプされたとき緑色放射は４レベルの８５０ｎｍ のレーザ転移との競合を受ける。この４Ｓ−４１転移で生じるレーザ作用で長期 寿命の４Ｉルから強いポンプＥＳＡを通って満たされる。

図３は同一の参照数字に示された共通の素子を有し、図２の実施例と類似した実 施例を示している。この場合レーザはＡｒ＋のポンプされたＴｉ：サファイヤレ ーザ１２から得られる９７１ｎｍの光ポンプ信号によりポンプされる。このポン プ方式では集団は８５０ｎｍでレーザ放射の可能性を減少するため　Ｉ　レベル で形成することを可能にされる。図２の実絶倒と同様にレーザ空洞は高反射ミラ ー６と緑色波長に対して６５％反射するミラーｌＯとの間で形成される。図３で 使用された３ｍのフルオロシリコニウム酸塩ファイバー４は０．０１４のΔｎと 約７９０ｎｍのカットオフ波長を有する。ポンプ波長のファイバ背景損失は０． ２５ｄＢ／ｍとして測定され、これはこの空洞では９７１ｎｍのポンプ波長で０ ．７５ｄＢ損失に対応する。

このファイバー４を使用する初期的な測定は９７１ｎｍでポンプされるとき達成 され、８５０ｎｍの蛍光が観察されても競合レーザ放射は示されない。

図６は図３のレーザに対する発射されたポンプパワーを有するレーザ放射出力パ ワーの発展を示している。ポンプしきい値は４０ｍＷの吸収（５０ｍＷ発射）に 改良され、勾配効率は発射されたポンプパワーに関して１５％まで増加する。観 察される最大の出力パワーは５００　ｍＷの発射されたポンプパワーに対して２ ７ｍＷである。

本発明は８０１ｎｍまたは９７１ｎｍの一方の波長でポンプされるときフルオロ シリコニウム酸塩ガラスホスト中における４　−４１転移において５４６ｎｍで 室温レーザ放射を提供する。

両者のポンプ方式では２０ｍＷを超過するレーザ出力パワーは１０％を超す勾配 効率と結合して観察される。８０１ｎｍと９７１ｎｍのポンプの相対的な長所を 十分にアクセスするために測定がさらに必要であるが、寄生の８５０ｎｍのレー ザ放射転移の抑圧は９７１ｎｍの波長でポンプすることにより達成されることが できる。

効率的で信頼性のある可視レーザ源の潜在的な衝撃は巨大である。前述の方式の 一方の特に魅力的なことはこれらが商業的に入手可能である高いパワーのＦＰレ ーザダイオードの本発明の範囲で両立式の波長で動作する単一のポンプレーザを 使用することである。エルビウムドープのフルオロシリコニウム酸塩ファイバレ ーザが実際的な半導体レーザダイオードをスペクトルの非常に所望されている青 ／緑領域に変換される効率的な手段を提供する。

図７は図３の実施例に類似した実施例を示しており、共通の素子は同一の参照数 字で示されている。この例では９７１　ｎｍのポンプ信号は先に決定されたファ イバ特性に基づいて適切に動作することを期待される半導体レーザから得られる 。

半導体源での約８００ｎｍでのポンプも容易に達成されることが期待される。

′４Ｇ１１／２　−一一一−−−−−−−−−−−７９０　７９５　８００　８ ０５　・８１０　８１５ポンプ波長　ｎｍ 線放射　ｍＷ フロントページの続き （７２）発明者　ホイトレー、ティモジ−・ジョンイギリス国、アイビー１１・ ９エヌイー、サフォーク、フェリツクスス　トー、チャーチ・ロード、ビラ・イ タリア　３ （７２）発明者　プライアリ−、マイケル、チャールスイギリス国、アイビー５ ・７エスユー、サフォーク、イブスイッチ、マートレスハム・ヒース、ウェスト ランド　３３

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）エルビウムイオンでドープされたフルオロジリコニウム酸塩導波体と、ポ ンプ光子のＥＳＡによりエルビウムイオンを４Ｓ３／２エネルギレベルに励起す る能力のある光ポンプ信号を提供するために導波体に結合された光ポンプ手段と を具備し、約５４６ｎｍで光利得を提供する光増幅器。
2. （２）導波体がファイバの形態である請求項１記載の増幅器。
3. （３）光ポンプ信号が７９１ｎｍ乃至８１２ｎｍの範囲の波長を有する請求項１ または２記載の増幅器。
4. （４）光ポンプ信号が約８０１ｎｍの波長を有する請求項３記載の増幅器。
5. （５）光ポンプ信号が約９７１ｎｍの波長を有する請求項１又は２記載の増幅器 。
6. （６）フルオロジリコニウム酸塩導波体がエルビウムイオンで最大約１０００ｐ ｐｍ（重量）にドープされている請求項１乃至５のいずれか１項記載の増幅器。
7. （７）フルオロジリコニウム酸塩導波体がエルビウムイオンで約５００ｐｐｍ（ 重量）にドープされている請求項１乃至６のいずれか１項記載のレーザ。
8. （８）光ポンプ源が半導体レーザダイオードである請求項１乃至７のいずれか１ 項記載の増幅器。
9. （９）レーザが光増幅器と１対の反射器を具備し、光増幅器は請求項１乃至８の いずれか１項で記載された構成であり、反射器は導波体の各端部にそれぞれ位置 され、反射器は共振空洞を限定し、導波体ファイバがポンプ手段によりポンプさ れるとき約５４６ｎｍでレーザ動作を行うような反射率を有しているレーザ。
10. （１０）反射器がミラーである請求項９記載のレーザ。