JPH08213680A - モードロックレーザー装置 - Google Patents

モードロックレーザー装置

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JPH08213680A JP7296161A JP29616195A JPH08213680A JP H08213680 A JPH08213680 A JP H08213680A JP 7296161 A JP7296161 A JP 7296161A JP 29616195 A JP29616195 A JP 29616195A JP H08213680 A JPH08213680 A JP H08213680A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、分散が高い光学要素を含むモード
ロックレーザー装置によって、高出力のレーザーパルス
を発生させることを課題とする。 【解決手段】 分散光学要素は、レーザー発振器の内部
の振動パルス幅を広げ、与えられた発振パルスエネルギ
ーに対するレーザーキャビティーの非線形性が減少す
る。その結果、出力パルスエネルギーが従来より１〜３
桁も増加している。例えば、分散要素としてチャープブ
ラッグ格子Ｃ１をもつエルビウムファイバーレーザー１
０がある。さらに、カー・モード同期技術を使用すれ
ば、ファイバー・レーザーキャビティー内の非線形性が
高く保たれて、ピコ秒のパルス幅で２ｎＪまでのエネル
ギーを持つパルス列の生成が可能になる。また、チャー
プ・ファイバーブラッグ格子の広い帯域幅と、レーザー
の偏光制御および利得スペクトル制御とを使用すれば、
１０ｎｍを越える波長チューニング範囲が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明のモードロックレーザ
ー装置は、振動パルス幅の分散制御により光パルスを生
成するモードロックレーザー装置に関し、モードロック
レーザーの技術分野に属する。多くの光技術分野におい
て、ピコ秒オーダーの光パルスを発生する小型のチュー
ナブル（波長可変）レーザー源が必要とされている。理
想を言えば、そのパルス幅は各種フォトデテクター（光
検出器）の検出限界、すなわち現在の技術では１〜５ｐ
ｓ程度であることが望ましい。希土類ドーピングを施さ
れているファイバーによる単モードのレーザー装置は、
このようなレーザー源の有力な候補である。これは、容
積および必要なポンプパワーが小さいという上記レーザ
ー装置固有の性質によるもので、プールらの文献（S.B.
Poole, D.N.Payne and M.E.Fermann, Electron.Lett.,
21, 737 (1985) ）に開示されている。
【０００２】本発明の目的は、上記レーザー装置からパ
ルス幅の分散制御により高出力の光パルスの発生を達成
することである。
【０００３】
【従来の技術】１ｎＪ近いエネルギーの１００ｆｓより
短いパルスを生成する能力がある小型のパッシブ・モー
ドロック（受動モード同期）ファイバー・レーザーは、
今や周知であり、ファーマンらの文献（M.E.Fermann,
M.Haberl, A.J.Schmidt and L.Turi, Opt.Lett., 16, 2
44 (1991)）に開示されている。しかしながら、パルス
幅がピコ秒レベルに増加すると、パルスエネルギーは減
少し、通常ほんの２０〜３０ｐＪになってしまう。この
減少は、各種レーザー装置の代表的な設計に課せられた
安定性の要求に起因する制限によるところが大きい。
【０００４】例えば、帯域幅の限定されたピコ秒パルス
は、アクティブ・モードロック（能動モード同期）ファ
イバー・レーザー装置により容易に発生することができ
る。しかし、レーザーの安定性を保つ上で、キャビティ
ーの非線形性が低く保たれる（例えばキャビティーの長
さに比べてソリトンの周期が長いまま残る）ことが要求
される。この目的で、非線形位相遅れが０．１π〔ｒａ
ｄ〕未満であることが保証されるべきであり、これにつ
いてはケリーらの文献（S.M.J.Kelly, K.Smith, K.J.Bl
ow and N.J.Doran, in Opt.Lett., 16, 1337 (1991) ）
に開示されている。標準的な積分変調器により導入され
る大きなキャビティー内部損失と、通常採用される高い
反復率とに関連して、これ（非線形位相遅れの微小化要
求）は発生したパルスパワー（出力）の微弱化を招来し
ている。
【０００５】一方、在来のパッシブ・モードロック・フ
ァイバーレーザー装置では、大量の負の分散（ソリトン
支持分散）をキャビティー内部に設けることにより、ピ
コ秒パルスを発生させることができる。これは、長い
（１００ｍを越える）光ファイバーをキャビティー内に
設けることにより実現でき、タバーナーらの文献（D.Ta
berner, D.J.Richardson and D.N.Payne, in Opt.Soc.A
m. Topical Meeting onNonlinear Guided Wave Phenome
na, Cambridge, 1993, Opt.Soc.Am.Techn.Dig.Series,
15, 367 (1993) ）に開示されている。その結果、上記
キャビティーには大きな非線形性が生じ、この非線形性
により、明らかに生成可能なパルスエネルギーが制限さ
れている。さらに、長いファイバーを採用しているの
で、このような長いレーザー装置の安定性は低下してい
る。
【０００６】最近では、飽和性吸収体（サチュラブル・
アブゾーバー）を備えたパッシブモードロック・ファイ
バーレーザー装置により、帯域幅が限定された大出力の
ピコ秒パルス（２ｎＪ，５ｐｓ）が得られている。これ
についてはバーネットらの文献（Barnett et al., in O
pt Soc.Am.Techn.Dig.Ser., 8, 52(1994) ）に開示され
ており、ここでも参照する。しかしながら、Ｑスイッチ
ングに対するエルビウム・ファイバーレーザーの影響さ
れ易さと、代表的な飽和性吸収体の材料のもつ低い破損
閾値（ダメージ・スレッショルド）とによる上記装置
（システム）の長期信頼性については、今日に至るもな
お疑問視されている。そのうえ、モードロックのために
採用されている非線形性のもつ共振性のゆえ、かような
装置では、ごく限られた波長可変能力（チューナビリテ
ィー）しか得られないのに、飽和性吸収体とレーザー利
得媒体との間に極めて高度の調和が要求される。同様
に、かようなレーザー装置には単純な縮尺法則（スケー
リング・ロー＝他の寸法に当てはめる為の法則性）が存
在しないので、レーザー装置の設計は困難を極め、与え
られた仕様にレーザー装置の性能を適合させるのが大変
である。
【０００７】低出力のピコ秒パルスは、ファイバー・レ
ーザーキャビティー内に非チャープのファイバーブラッ
グ格子を組み込むことによっても得られており、このこ
とはノスケらの文献（D.U.Noske et al., Optics Commu
nications 108 (1994) 297-301）に開示されている。し
かしながら、かような格子では分散の分布（dispersion
profile）が一様ではないので、得られるパルスは、帯
域幅が限定されていないものが代表的であり、ごく限定
された波長可変レンジを有するに過ぎない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の持つ上記問
題点に鑑み、本発明は、高出力の光パルスを生成するこ
とが可能な、単モードのファイバー・モードロックレー
ザー装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】発
明者らは、キャビティー内で大きな負の分散を生じる高
分散能の光要素を用いてカー・モードロック・レーザー
のパルス幅を制御することにより、近帯域に限定された
高出力のピコ秒パルスを生成する小型の高出力レーザー
源を発明した。ある実施例では、レーザー源はエルビウ
ム・ファイバー・レーザーであるが、他のファイバー・
レーザー利得物質や、他の導波路レーザー装置またはバ
ルク固体レーザー装置ないし半導体レーザー装置と同様
の作用を、この装置（システム）は有する。また、ある
実施例では、チャープ・ファイバー格子が分散要素とし
て使用されているが、他のいかなる種類の導波路中のチ
ャープ格子でも適用可能である。同様に、一対のバルク
格子により大きな負の分散を生成することも可能であ
る。それでも、小型に設計するという観点から、分散要
素としてはファイバーや導波路を用いることが望まし
い。
【００１０】本発明は、キャビティーの非線形性が近似
的に一定に（典型は非線形性位相遅れがπ付近に）保た
れることを保証するために、ファイバー・レーザー装置
によるカー・モードロック技術を使用している。本発明
によれば、在来のモードロック・ファイバー・レーザー
と比較して、パルスの出力エネルギーを飛躍的に増大さ
せることができる。本発明のレーザー装置（システム）
は、１ｎＪを越えるエネルギーを含む３ｐｓのパルス
（パルス列）を発生させている。チャープ・ファイバー
格子の広い帯域特性により、１２ｎｍないしそれ以上の
波長可変レンジが得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明のモードロックレーザー装
置の一般的な模式図を、図１に示す。ファイバー格子１
には、１．５５５μｍの波長を中心に１３ｎｍの帯域幅
を持つチャープが施されており、その最大反射率は１０
０％に近い。チャープ・ファイバー格子については現在
の技術水準で本質的に理解されており、スーデンらの文
献（K.Sugden and I.Bennion, A.Molony and N.J.Coope
r, in Electron lett., 30, 440(194)）に開示されてい
る。同文献は、ここでも参照している。
【００１２】ファイバー格子１の格子長はおおよそ５ｍ
ｍであり、その郡速度の分散（ＧＶＤ）は波長１．５８
０μｍで３．４０±０．０５ｐｓ2 であると、単純なパ
ルス圧縮技術による計測で求められている。アクティブ
・ファイバー１０は、０．０２モル％のＥｒ3+ドーピン
グが施されており、その開口数は０．１６ｎｍ、そのカ
ットオフは１１４０ｎｍ、これに対応する強度のスポッ
ト半径は２．６μｍである。アクティブ・ファイバー１
０の長さは２ｍであるが、このレーザー・キャビティー
内で使用するには、通常の電話線ファイバーで同ファイ
バーのリード部分にさらに１．６ｍが必要である。この
ファイバー・レーザーは、波長９８０ｎｍで作動する主
発振器強度増幅器（ＭＯＰＡ）レーザー・ダイオード３
０から供給される４００ｍＷに上る発射出力を得て、波
長分離多重カップラーＷＤＭ２０を介してポンピング
（励起）される。
【００１３】ファブリ・ペロー型の装置は、非線形偏光
旋回（ＮＰＥ）がモード同期技術として好ましいと示唆
している。同技術の詳細については、ここでも参照して
いるがホーファーらの文献（M.Hofer, M.E.Fermann, F.
Haberl, M.H.Ober and A.J.Schbidt, Opt.Lett., 16, 5
02(1991)）を参照されたい。キャビティー内の偏光子Ｐ
は、高レフレクター５およびアクティブ・ファイバー１
０にカップリングされており、同キャビティー内で単一
の偏光を選択するのに使われている。そして、ファイバ
ー・レーザー内の偏光状態は、従来のファイバー・ルー
プ制御器１２によって最適化されている。偏光子Ｐもま
た調整可能な出力カップラーとして装備されている。
【００１４】ＮＰＥモード同期は、通常、自然に同期し
始めるわけではないから、移動反射鏡の技術によってモ
ード同期を始めさせる。モード同期のヒステリシスを特
に要さず、２４０ｍＷ程度の発射出力で固定反復率２７
ＭＨｚの単パルス作動が一貫して得られる。始動状態の
再現性は高く、その始動状態の下では極めて狭い連続波
の放射が帯域幅０．１ｍｍ未満で得られる。この連続波
放射の初期のビート音（ビート・ノート）の電波帯域幅
は１ｋＨｚ未満であり、このことはキャビティー内側で
の偽反射が低水準にあることを示している。この詳細に
ついては、例えばクラウスらの文献（F.Krausz, T.Brab
ee and C.Spielmann, Opt.Lett., 16, 235(1991)）やハ
ウスらの文献（H.A.Haus and E.P.Ippen, Opt.Lett., 1
6, 1331(1991) ）等を参照されたい。チャープ格子がレ
ーザー・キャビティー内に挿置されているので、固定的
なキャビティー長が不足し、空間的なホールバーニング
（レーザー発振の周辺での利得低下現象）は低減されて
いる。この低減効果は、パルス始動のために本当に好ま
しいものと考えられている。ここでも参照しているが、
一般にはクラウスらの文献（F.Krausz and T.Brabee, O
pt.Lett., 18, 888(1993) ）を参照されたい。
【００１５】典型的な自己相関性のトレースと、（波
長）１．５５１μｍでの（出力）１．１ｎＪのパルスに
対応するスペクトルとを図２（ａ）および図２（ｂ）に
示す。（パルス波形を）ｓｅｃｈ2 型と仮定して、最大
値の半分のパルス幅は２．７ｐｓであった。また、対応
する時間と帯域幅との積は、０．４０と算定されてお
り、ソリトンパルスのための周波数帯の制限値である
０．３１に近い。ポンプパワーを増加させることによっ
て、２ｎＪまでのパルスエネルギーが得られるものの、
その結果、キャビティーの非線形性が大きくなるので、
エネルギーの大半は低レベルの基礎部分に吸収されて失
われている。格子の反射率カットオフのせいで、図２
（ｂ）に示すように、スペクトルのサイドバンドは、こ
の特定のパルススペクトルの赤色側でのみ発生した。第
１サイドバンドのピークは同図からはみ出しているが、
密度にして５．０である。
【００１６】レーザーの偏光状態とキャビティー内の偏
光子での損失を調整すれば、モードロック（モード同期
された）波長をチューニングすることができる。ここ
で、キャビティー内損失の変動は、１．５μｍでのレイ
ジングに対するエルビウムの遷移応答性の準４レベル特
性に従って、そのエルビウムレーザーの有効利得スペク
トルをも変化させる。それゆえ、キャビティー内の高損
失および短い有効ファイバー長には、最高利得の横断面
（クロスセクション）を与える波長（１．５３５μｍお
よび１．５５０μｍ）でのレーザー放射が望ましい。こ
れらの波長では、キャビティー内の低損失および長い有
効ファイバー長には、もっと長い波長でのレーザー放射
が適当である。典型的な例を挙げれば、ファイバー内で
の偏光状態の波長依存性のせいで、最適モードロック
（モード同期）作動を得るためには、放射波長のそれぞ
れについて（＝各放射波長毎に）偏光制御器の再調整が
必要である。波長チューニングにおける偏光制御の要求
は、キャビティー内の低効率複屈折および低効率複屈折
チャープファイバー格子を使用することにより、最小に
抑えることができる。
【００１７】現在のレーザーシステムの最大チューニン
グレンジは、１．５５０μｍから１．５６２μｍまでで
あり、図３中に黒い正方形で示すように、主として格子
の反射率の帯域幅によって制限されている。幅が２．７
〜３．７ｐｓで、バンド幅が制限されているｓｅｃｈ2
形状に近いパルスが得られている。測定されたパルス幅
（黒丸）と、時間と帯域幅との積とを図３に示す。ここ
で、連続的なチューニングが不可能であったことに注意
されたい。この現象は、むしろ、お互いに２ｎｍ程度ず
つ離れている離散波長の特定の組み合わせでレーザー放
射が起きているものとして捉えられていた。これは、再
び図３に示すように、同一周期に対する格子の反射率の
小さな不揃いに起因するものと考えられる。したがっ
て、反射率を平滑化する機能をもつチャープファイバー
格子を採用すれば、より平滑な波長チューニングが得ら
れる。３００ｍＷのポンプパワーで生起した出力のパル
スエネルギーは、出力カップリング効率の９３％から３
５％までの変化による波長の増加にともなって、１１ｎ
Ｊから０．４ｎＪの範囲で変化する。
【００１８】出力１．１ｎＪのパルスでは、キャビティ
ー内の平均非線形位相遅れはおおよそπであり、この値
は複数の典型的なエルビウムソリトンレーザーで一定で
ある旨、ファーマンらの文献（ M.E.Fermann, M.J.Andr
ejco, M.L.Stock, Y.Silberberg and A.M.Weiner, App
l.Phys.Lett., 62, 910(1993)）に開示されている。こ
の非線形性ゆえに、このキャビティーのソリトンパルス
幅は２．０ｐｓであり、クラウスら（ F.Krausz, M.E.F
ermann, T.Brabec, P.F.Curley, M.Hofer, C.Spielman
n, E.Wintner and A.J.Schmidt, IEEE J. Quantum Elec
tronics, 28, 2097(1992)）が発見した観測値によく一
致している。スペクトルの（複数の）サイドバンドの位
置から、１．５５１μｍから１．５６１μｍの波長に対
して７．８〜４．０ｐｓ2 の範囲でＧＶＤ（群速度の分
散）のファイバー格子内の変動範囲を算出することがで
きる。こうして算出されたところによれば、１．５５９
５μｍおよび１．５５７０ｌμｍの波長においてＧＤＶ
は４．１ｐｓ2 であり、これは（前述のように）波長
１．５５８において別個に測定されたＧＶＤの３．４０
ｐｓ2 の値とよく一致している。両者の値の相違は、出
力パルス中の残留チャープに由来するものと考えられ
る。ファイバー内での分散の伝搬（プロパゲーション）
によるパルスの小さなチャープは、生起しない。これ
は、ファイバーの分散の大きさが、格子の分散に比べて
二桁ほど小さいからである。むしろ、出力カップリング
の偏光器によって拒絶された光線のほうが、パルスに小
さなチャープを誘導している。
【００１９】波長によるパルス幅の分散と不連続なチュ
ーニング特性とは、前述のように、チャープ格子の幾つ
かの小さな不規則性の存在を示唆している。同様に、い
くつかの波長では、パルスのスペクトルは非一様で、ス
ペクトルのサイドバンドの位置は、理論（例えばケリー
らの文献（ S.M.J.Kelly, Electron Lett., 28, 806(19
92) ）を参照のこと）の予測するところとは異なってサ
イドバンドの次数の平方根に比例してはいない。これら
の非規則性が取り除かれれば、パルススペクトルの一様
性と滑らかに連続するチューニング能力とが得られるで
あろう。
【００２０】本システムではファイバーの分散は全く問
題にされていないから、本発明の装置は、単に適正なチ
ャープしたファイバー格子を選ぶだけで、いかなるファ
イバー利得の材料を用いても等しく適当に機能する。そ
のうえ、現在のシステムは、単に格子の分散とキャビテ
ィーの非線形性を計っているだけである。たとえば、得
られるパルス幅は、そのシステムのソリトンのパルス幅
と同等であるのに、そこで発生したパルスエネルギー
は、与えられたソリトンパルス幅に対してキャビティー
内で起こりうる最大限の非線形位相遅れから算出するこ
とができる。このゆえに、１０ｎＪを越えるエネルギー
のパルスを発生する能力がある受動モード同期ピコ秒フ
ァイバー発振器を構成することが可能なのである。
【００２１】本発明のレーザー装置の設計は、実施例の
形で説明されており、同様の性能は、いかなる形式のモ
ードロックレーザー装置でも、チャープ格子を含む分散
性の高い遅延線を採用することによって得られる可能性
がある。第１反射鏡２０、モード同期機構２３、高分散
遅延線２１および波長チューニングためのセクション２
４を含むモードロックレーザー装置の一般的な設計を、
図４に示す。同図では分散遅延線と第２反射鏡２２とは
別個に描かれているが、チャープ格子１を採用した場合
には、これらの二つの機能はまとめられる。そこで、二
つのチャープ格子をそれぞれキャビティーの一端に用い
る構成も可能である。互いに異なる分散の二つのチャー
プ格子を選択することにより、キャビティー内の分散の
総量もまた変更可能で、特に、所定の要求出力に対して
システムの性能を最適化するために、正値から負値の全
ての範囲にわたって変更できる。
【００２２】分けても、本発明によれば、環境変化にも
安定しているファイバーレーザー装置を、偏光を維持す
るファイバー環境内の飽和性吸収体モード同期を利用し
て構成することができる。ここでは、図５に示すよう
に、ファイバーレーザーキャビティーの一端はチャープ
ファイバー格子Ｃ１から構成され、同キャビティーの他
端は飽和性吸収体５２を含んでいる。もし、チャープ格
子Ｃ１が偏光を維持するファイバーに直接書き込まれて
おり、かつ、能動ファイバー１０’を含む使用されてい
る全ファイバーが偏光を維持する性質のものであれば、
図示のファイバー偏光制御器１２は不要である。さもな
いと、環境に対する安定性を確保するために、偏光が維
持されないファイバーの長さを短く（１ｍ未満に）しな
くてはならない。バーネットらの文献（ Barnett et a
l., Opt.Soc.Am.Techn.Deg.Ser., 8,52(1994) ）に例証
されているような従来技術とは対照的に、パルス幅は、
もはや飽和性吸収体５２の非線形な応答時間によって定
められる必要はない。むしろ、発生したパルス幅は、今
や主にキャビティーの非線形性および分散から定められ
ている。ここで実は、パルスは雑音から起動し安定に維
持されることが、飽和性吸収体５２により保証されてい
る。こうして、この形式のキャビティー設計は、性能指
標にかなりの向上をもたらす。この向上は、大きな分散
をもつ遅延線に頼ることなしには、容易に達成すること
はできないほどのものである。
【００２３】別の本発明による環境に安定なキャビティ
ー設計は、モード同期機構として非線形偏光旋回を使用
している。ここでは、図６に示すように、ファラデー回
転鏡６１の採用によりキャビティー内の線形偏光位相ド
リフトは取り除かれており、また、一つないし二つの波
板ＷＰをレーザー・キャビティー内に挿置して、ファイ
バーレーザーの偏光固有モード間に生じる位相バイアス
を導入している。同図で、符号ＦＣはファイバーコリメ
ーター６５を指し、キャビティー内の視準および焦点合
わせのための複数のレンズの代わりに採用されていると
考えてもよい。符号Ｐは偏光子であって、レーザー装置
において出力カップリングと単一偏光状態の選択とのた
めに使用されている。格子の前でのさらなる偏光の制御
は、チャープ格子が非偏光維持ファイバーに描かれてい
る場合にのみ必要である。符号ＦＲＭはファラデー回転
鏡６１であり、符号ＦＲは４５°ファラデー回転器６２
である。符号ＷＰは一つないし二つの波板６３であっ
て、キャビティー内の偏光の制御に使用されている。エ
ルビウムファイバー１０は、レーザー装置に対する安定
要求によって、偏光維持性のものでも、低い複屈折性の
ものでもよい。カップラー６６はオプションであって、
パルスの起動にあたり飽和性吸収体６７にレーザー・キ
ャビティーをカップルする手段を与えるものである。
【００２４】レーザーファイバーの力学的な摂動に対し
完全に不感であることが要求されるかどうかによって、
レーザーファイバーは偏光維持性であっても、低い複屈
折性のものでできていてもよい。キャビティーの力学的
な摂動（例えば、ミラーを動かすとか、ファイバーに摂
動を与えるとか）によっても、直接または外部キャビテ
ィーに通じるカップラー６６を通じてキャビティー内に
飽和性吸収体６７を含ませることによっても、モード同
期の起動はできる。
【００２５】図５および図６に示すキャビティー設計は
いずれも、図５の飽和性吸収体５２と強いカップリング
があるのでこの手の設計のチューニング範囲は限定され
るにも係わらず、波長チューニング要素による波長チュ
ーニングをすることができる。図６のような環境に対し
て安定なキャビティーの設計に、分離している波長チュ
ーニング要素７０（複屈折フィルターや、チューナブル
なファブリ・ペローフィルターなど）を波長チューニン
グ用に提供したものを、図７に示す。同図のレーザー装
置では、分離している波長チューニング要素を提供した
のに加え、ファイバー格子を熱したり引き伸ばしたりし
て、格子の反射機能それ自身でチューニングすることが
できる。それだけではなく、ラジオ周波数で作動する音
響光学デバイスや電気光学デバイスなどを能動モード同
期要素として取り込むことによって、モードロックレー
ザーを起動することも、外部の電気信号とレーザーのタ
イミングを合わせることもできる。このようなモードロ
ックレーザー装置については、後ほど図１０を参照して
さらに詳しく論じることにする。
【００２６】本レーザー装置では、二つないしそれ以上
の数の波長で同時に動作するように調整することも可能
であろう。それには、二つ以上の波長チューニング要素
を採用したり、十分に分離した反射特性をもつ複数の格
子を使用したりすればよい。本応用例に使用する複数の
チャープ格子は、ある波長のパルスが他の波長のパルス
に漏れ出ないように、十分に分離した反射特性を有して
いなければならない。もし他の波長へのパルスの漏出が
あると、レーザーの作動に不安定性を生じることにつな
がるからである。互いに異なる反射特性をもつ複数の格
子を使用していると、キャビティー内の所定の位置にこ
れらの格子を配置することにより、異なる波長のパルス
列の反復率を独立に設定することもまた可能になる。レ
ーザーの二波長動作に十分と思われるだけの分離した反
射特性をもつ二つの格子Ｃ１，Ｃ２を備えたキャビティ
ー設計の一例を図８に示す。
【００２７】モードロックレーザー装置の性能を最適化
する目的でチャープブラッグ格子を使用することは、非
線形偏光旋回がモード同期機構として使われているファ
イバーレーザーに限られるものではない。本質的に、チ
ャープブラッグ格子を加えることは、いかなるレーザー
システムをも利することができる。特に魅力的であるの
はリング・ファイバーレーザーであり、分けてもフィギ
ュア・エイトレーザーと通常呼ばれているダブルリング
・ファイバーレーザーである。（フィギュア・エイト
（８の字型）レーザー装置についてはノスケ(Noske) ら
が論じている。）チャープ・ファイバーブラッグ格子Ｃ
１を装備したフィギュア・エイトレーザー装置９０の一
例を図９に示す。キャビティー内の損失を最小にする目
的で、ファイバーブラッグ格子が偏光分離カップラー９
２’を介して付加されている。ここで、第１偏光制御器
ＰＣ１は、偏光分離カップラーの前で線形偏光を発生す
るように調整される。また、ブラッグ格子Ｃ１からの反
射光の偏光は、第２偏光制御器ＰＣ２を通して９０°旋
回している。これにより、可能な範囲で最小限の損失を
伴うだけで、光線はファイバーリングに沿って確実に回
り続けるようになる。ここで、キャビティーの左側での
光線の伝搬方向は、アイソレーター１４により確実に時
計回りになる。キャビティーの右側にある第３偏光制御
器ＰＣ３も、モード同期機能を最適化することを目的に
備えられている。なお、キャビティー内のどこにでもフ
ァイバー・カップラー（図略）を付加装備して、出力カ
ップリングを得ることができる。
【００２８】このようなキャビティー設計でも、チャー
プ格子を複数個備えることにより、複数の波長での作動
ができるようにしてもよい。このようなシステムを環境
に対して安定にするには、ファイバーおよびカップラー
のほとんど若しくは全てを偏光維持性（偏光面保存性）
にしておくとよい。この場合にモード同期を最適化する
には、図９に矢印で示すように、第３偏光制御器ＰＣ３
の代えて不可逆線形位相シフター（ＮＬＰＳ:a non-rec
iprocal linear phase shifter）を使用すると有利であ
る。ＮＬＰＳは、図９の下部に示すように、一つないし
二つの波板９１が二つの４５°ファラデー旋回器９２，
９３に挟まれているものであり、この分野では周知のも
のである。ここで、ＮＬＰＳは、レーザーキャビティー
の右側の逆方向に伝搬するパルスの間に線形位相遅れを
生じさせる。
【００２９】キャビティー設計の他の変形態様の一つと
して、能動モード同期要素１０１（例えば音響光学変調
器や、電気信号源に接続された電気音響光学変調器な
ど）、典型的には電波周波数源１０３をキャビティー内
に装備してもよい。能動モード同期要素は、受動モード
同期を立ち上げるために使用することもできる。能動モ
ード同期要素は、光通信で広く使われているように、外
部の電気時刻信号に発生したパルスのタイミングを合わ
せることにも使用することもできる。チャープブラッグ
格子１および能動モード同期要素１０１を装備したキャ
ビティー設計の一例を図１０に示す。
【００３０】前述の開示と教示とにより、当業者には、
本発明に対するその他の変形態様や種々の変更ができる
ことは明らかである。したがって、本書ではごく限られ
た本発明の実施例しか明確に記述されていないが、本発
明の精神や視野を逸脱せずに無数の変形態様が作りださ
れ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パルス幅の制御にチャープ格子を用いたパッ
シブ・モードロック・ファイバーレーザー装置を示す模
式図
【図２】 ２．７ピコ秒のパルスの性質を示す組図（一
次の側波帯のピークは示されておらず、その強度は５．
０である） （ａ）自己相関を示すグラフ （ｂ）パルス・スペクトル
【図３】 チャープ格子の反射率（実線）、実験により
得られたパルス幅（黒丸）および時間と帯域幅との積
（四角）を波長の関数で示したグラフ
【図４】 フィードバック用の鏡、利得媒体、波長同期
用の波長選択装置、モードロック機構およびパルス幅制
御用の分散遅延線（チャープ格子を含む）を含むモード
ロックレーザー装置の包括的な設計を示す模式図
【図５】 モード同期用の飽和性吸収体を備えた偏光維
持ファイバー・レーザーキャビティーの設計を示す模式
図
【図６】 パルス幅制御用のチャープ格子を備え、非線
形偏光旋回(evolution) によりモード同期している環境
に安定なファイバー・レーザー装置を示す模式図
【図７】 光フィルターの付加により波長制御用の機能
が付与されている図６同様の実施例を示す模式図
【図８】 二つの異なる反復率をもつ二つの異なる波長
でモード同期を得るためにきれいに分離した反射特性を
有する二つのチャープファイバー格子が組み込まれた二
波長ファイバー・レーザー装置を示す模式図。同装置の
波長同調要素（チューナー）は光学機器であり、二波長
のキャビティー損失が等価になるよう調整することがで
きる。
【図９】 レーザーの安定性を増すために一つのチャー
プファイバー格子が組み込まれた８の字型レーザー装置
を示す模式図。偏光を維持するキャビティー設計の場合
には、モード同期を最適化するために、偏光制御器ＰＣ
３の代わりに不可逆線形位相シフターを使用することが
できる。
【図１０】パッシブ・モードロックを起動するためや、
外部電気時計に発生したパルス列を同期させるために、
チャープ・ファイバー格子と音響光学変調器または電気
光学変調器とが組み込まれているファイバー・レーザー
装置を示す模式図。
【符号の説明】
Ｃ１，Ｃ２：チャープファイバーブラッグ格子（２１，
２２を含む） １，２，３，４：チャープファイバー格子 ５：高レ
フレクター １０：エルビウム・ファイバー（利得媒体、アクティブ
・ファイバー） １０’：偏光維持エルビウム・ファイバー、アクティブ
・ファイバー １２：偏光制御器（ファイバー・ループ制御器） ２０：第１反射鏡 ２１：高分散遅延線 ２２：第
２反射鏡 ２３：モード同期機構 ２４：波長選択手段 ２５：出力ファイバー・カップラー ２６：開放端
２７：出力端 ３０：ポンプ、主発振器強度増幅器（ＭＯＰＡ）レーザ
ー・ダイオード ５：高レフレクター ５２：飽和性吸収体 ６１：ＦＲＭ（ファラデー旋光鏡） ６２：ＦＲ（フ
ァラデー回転器） ６３：ＷＰ（波板） ６５：ＦＣ（ファイバー・コリ
メーター＝視準器） ６６：カップラー ６７：飽和性吸収鏡 ６８：ス
プライス（接続器） ７０：チューナー（波長制御器、同調器） ９：不可逆線形位相シフター ９０：フィギュア・エ
イトレーザー装置 ９１：ＷＰ（波板） ９２，９３：ＦＲ（４５°ファ
ラデー旋回器） ９２’：偏光分離カップラー ９４：カップラー １０１：変調器（能動モード同期要素） １０３：Ｒ
Ｆ源（電波周波数源） Ｌ１，Ｌ２：レンズ Ｐ：偏光子 ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３：第１、第２、第３偏光制御器 ＷＤＭ２０：波長分離多重カップラー

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】キャビティー内のエネルギーを増幅する利
    得媒体と、 該利得媒体を通る一軸に沿ってエネルギーを反射する反
    射手段と、 該キャビティー内で発生したレーザーエネルギーを出力
    する出力手段と、 を含む前記キャビティーの一部として、少なくとも一つ
    のチャープ格子を含む分散遅延線を備えているレーザー
    エネルギーを発生させるレーザーエネルギー発生手段を
    有するモードロックレーザー装置。
  2. 【請求項２】分散が同一または互いに異なっている複数
    のチャープ格子が、分散遅延線要素として使用されてい
    る請求項１記載のモードロックレーザー装置。
  3. 【請求項３】前記複数のチャープ格子のうち少なくとも
    一つは、さらに前記反射手段としても作用する請求項２
    記載のモードロックレーザー装置。
  4. 【請求項４】前記キャビティー内に波長チューニングす
    る光フィルターをも備えている請求項１記載のモードロ
    ックレーザー装置。
  5. 【請求項５】キャビティー内損失および偏光状態を制御
    する制御手段を含む波長チューニング手段をも備えてい
    る請求項１記載のモードロックレーザー装置。
  6. 【請求項６】前記格子の作動温度の変更または該格子の
    伸長により、該格子の反射率の変更を誘導する誘導手段
    を含む波長チューニング手段をも備えている請求項１記
    載のモードロックレーザー装置。
  7. 【請求項７】前記格子の伸長により、該格子の反射率の
    変更を誘導する誘導手段を含む波長チューニング手段を
    も備えている請求項１記載のモードロックレーザー装
    置。
  8. 【請求項８】前記チャープ格子は、チャープファイバー
    または導波路格子からなる請求項１記載のモードロック
    レーザー装置。
  9. 【請求項９】前記利得媒体は、利得物質でドーピングさ
    れている光ファイバーおよび光導波路のうちいずれか一
    つからなる請求項１記載のモードロックレーザー装置。
  10. 【請求項１０】前記レーザーのモード同期は、自然起動
    のためにキャビティー摂動を誘起することによって起動
    される請求項１記載のモードロックレーザー装置。
  11. 【請求項１１】モード同期レーザー発振の自然起動に使
    用する目的で、前記キャビティーの内部または外部にカ
    ップリングされている飽和性吸収体をも含む請求項１記
    載のモードロックレーザー装置。
  12. 【請求項１２】前記レーザーの主モード同期機構とし
    て、カー型のモード同期および飽和性吸収体のモード同
    期のうちいずれかと結合している受動モード同期が装備
    されている請求項１記載のモードロックレーザー装置。
  13. 【請求項１３】前記利得媒体は、チャープ導波路格子か
    らなる前記チャープ格子とドーピングされた光ファイバ
    ーとからなる請求項１記載のモードロックレーザー装
    置。
  14. 【請求項１４】前記ファイバーの偏光固有モード間の線
    形位相ドリフトを除去するファラデー反射鏡と、 ファイバーレーザーの偏光状態を制御するファイバー偏
    光制御器と、 該レーザーの偏光固有モード間の線形位相遅れを制御す
    る波板と、 該ファイバーレーザーの単一偏光状態を選択するキャビ
    ティー内偏光子と、をも備えている請求項９記載のモー
    ドロックレーザー装置。
  15. 【請求項１５】ファイバー内の非線形偏光旋回が、主モ
    ード同期機構として使われている請求項１記載のモード
    ロックレーザー装置。
  16. 【請求項１６】前記ファイバー内の非線形偏光旋回が、
    主モード同期機構として使われている請求項１４記載の
    モードロックレーザー装置。
  17. 【請求項１７】前記受動モード同期技術には、非線形偏
    光旋回が利用されている請求項１２記載のモードロック
    レーザー装置。
  18. 【請求項１８】力学的な摂動に対するレーザー性能の感
    度を最小限に抑える目的で、少なくとも一つの偏光維持
    ファイバーが前記キャビティー内に含まれている請求項
    １記載のモードロックレーザー装置。
  19. 【請求項１９】力学的な摂動に対するレーザー性能の感
    度を最小限に抑える目的で、少なくとも一つの偏光維持
    ファイバーが前記キャビティー内に含まれている請求項
    １４記載のモードロックレーザー装置。
  20. 【請求項２０】同時に複数の波長でモード同期を得るこ
    とを目的として、キャビティー内損失および偏光状態を
    制御する複数の波長チューニング手段をも備えている請
    求項１記載のモードロックレーザー装置。
  21. 【請求項２１】前記レーザー装置は、複数の偏光制御器
    をもつモード同期フィギュア・エイト（８の字型）レー
    ザー装置である請求項１記載のモードロックレーザー装
    置。
  22. 【請求項２２】能動モード同期手段が使用され、外部タ
    イミング信号源とカップリングされている請求項１記載
    のモードロックレーザー装置。
  23. 【請求項２３】前記能動モード同期手段は、電気光学変
    調器および音響光学変調器のうちいずれかである請求項
    ２２記載のモードロックレーザー装置。
  24. 【請求項２４】前記キャビティー内に一対のチャープ格
    子が配置されており、二つの波長で同時に前記レーザー
    装置のモード同期作動を起こす目的で、該格子はそれぞ
    れ分離している反射特性を有する請求項１記載のモード
    ロックレーザー装置。
  25. 【請求項２５】前記利得媒体は、モード同期を最適化す
    る目的で、前記キャビティー内に配置されている不可逆
    線形位相シフターにカップリングされている請求項２１
    記載のモードロックレーザー装置。
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