JPS62157013A - 光パルスの圧縮方法とその装置 - 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】 〔産業上の利用分野］ この発明は、化学反応等の超高速現型の測定用として用
いられ、また超高速光論理素子および光集積回路等への
応用が期待されている極短パルスレーザ光のパルス時間
幅をさらに短縮するための光パルスの圧縮方法およびこ
の方法を実施する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

ピコ秒、サブピコ秒領域からフェムト秒領域の極短時間
幅を持つレーザ光は各種のモード同期法によって得られ
る。しかしながら、レーザ発振器から直接得られろパル
ス幅には種々の原因により限界があった。例えば、避け
られない条件の一つにレーザ光のゲインスペクトル幅と
時間幅との関係があり、スペクトル幅の逆数程度以下の
パルス幅は（発振器のみからは）発生不可能である。レ
ーザ発振器から直接得られるものより短い時間幅のパル
スを得るための一方法として、次に述べるようなものが
あった。

Ｌ・−ザバルスをグラスファイバ中を通過させ、光の瞬
間強度に依存する非線形屈折率の効果と、パルス伝搬効
果によってスペクトル幅を拡げ、それをさらに異常分散
効果を持つ素子、例えば回折格子の組合せを用いること
によりパルス幅を圧縮する方法である。（例えば次の文
献を参照のとと：［（、Ｎａｋａｔｕｋａ、　　Ｄ、Ｇ
ｒｉｓｃｈｋｏｗｓｋｉ　　　ａｎｄ　　　Ａ、Ｃ，Ｂ
ａ１ａｎｔＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　４７９１０（１９８１））。

従来、この原理に基づくグラスファイバを用いたパルス
圧縮装置は存在していたが、そこでは非線形光学効果を
おこさせる物質が通常のファイバのコア材料である石英
に限られていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、石英の非線形屈折率は特に大きいものではなく
、（１）そのためパルス圧縮のためには強力なレーザ光
が必要であった。特に現存するレーザのうちで最短パル
スを発生することのできるＣＰＭ型色素し・−ザ（Ｃｏ
ｌｌｉｄｉｎｇ　Ｐｕ１ｓｅ　１Ｊｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅ
ｄＣＷ　Ｄｙｅ　Ｌａ５ｅｒ）の出力に対して、パルス
幅（ｔｐ）が１００フェムト秒以下の領域でパルス圧縮
を行うためには、レーザ発振器からの出力では光強度が
不足であり、発振器直接からのパルス圧縮は不可能であ
った。そのため従来（２）ａり返しレー■・を著しく犠
牲にして、しかも（３）パルスの安定性に劣）１　、　
（４）短パルス幅の維持が困難な、増幅されたパルス光
を１史用しなければならなかった。すなわち、発振器出
力においては繰り返しレートがおよそ１００　Ｍ　Ｈｚ
であるのに対して、増幅後はその２万分の１の５ＫＨｚ
以下におちる。またｊｐが１０ピコ秒（Ｌｏｐｓ）程度
からサブピコ秒（０゜１〜１ｐｓ）の領域へのパルス圧
縮については、高ピークパワーの色素レーザ等に対して
は可能であったが、例えば（５）半導体レーザのように
出力パワーの小さい場合には用いることができない等の
問題点があった。これまでパルス圧縮に必要な光強度を
小さくするための研究開発は行われておらず、本発明者
はこの面からの探求を初めて行った。

前述の問題点は、パルス圧縮のために必要な高い単位面
積当りの光強度を、充分な伝搬距離の間維持するには、
既存のグラスファイバを使用する以外に適当な方法がな
かったために起こった。本発明者は、非線形光効率が比
較的低い光強度で起こる有機物等に初めて着目し、これ
を用いたパルス圧縮法を、物質の種類および使用法につ
いて検討した。そして、有機物等を中空のグラスファイ
バのコア部分に封入して用いるパルス圧縮装置を考案し
、その製作を行った。

この発明の目的は、従来時間幅の圧縮を行うことのでき
なかった低いピーク光強度のレーザパルス（例えばＣＩ
３　Ｍ型レーザ発振器直接のパルス）に対しても、有効
に圧縮することのできる方法および装置、また従来にも
圧縮可能であった高いピーク光強度のレーザパルスに対
しては、達成可能な最短パルス幅を、従来のグラスファ
イバを用いた場合以上に短゛くするこのできる方法およ
び装置を実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる光パルスの圧縮方法はグラスファイバ
に比べ非線形屈折率の大きい物質をコア部分に封入した
ファイバを用い、その一端からパルス光を入射し、他端
から時間幅を圧縮したパスル光を得るものである。

またこの発明にかかる光パルスの圧縮装置は、単位断面
積当りの光強度を一様に保持できるシングルモードのコ
ア部分が中空のファイバと、このコア部分に非線形屈折
率の大きい有機液体を封入する手段と、前記ファイバの
一端に平行レーザビームを入射させる入力手段と、同じ
く他端に時間幅を圧縮したレーザビームを出力させる出
力手段とからなるものである。

〔作用〕

この発明の光パルスの圧縮方法においては、グラスファ
イバに比べ非線形屈折率の大きい物質がファイバのコア
部分に封入されているので、超短および極短時間パルス
光の時間幅を、弱いパルス光に対しても圧縮することが
できる。

またこの発明の光パルスの圧縮装置は、ファイバのコア
部分に非線形屈折率の大きい有機液体を封入する手段を
備えているので、ファイバの長さが大きい場合にもコア
部分に有機物を封入することができる。

〔実施例〕

この発明にかかる光パルス圧縮方法およびその装置は、
下記の事実にその基礎をおくものである。

充分なパワーを持つパルスレーザ光の集光された焦点付
近、あるいはその集光したビームを入射したファイバ中
等のように強力な光のもとでは、物質の屈折率は波長の
みによって決まる物質固有の定数ではなくなり、光強度
に依存して変化する。

そのためグラスファイバ等を通過した後のレーザ光には
光強度に依存した位相遅れがおきる。特にパルスレーザ
光においては時間的に強度が変化するｔコめ、物質中を
通過した後には、光の瞬時周波数（ν（Ｌ））はパルス
の時間的な各部分で異なり、いわゆるチャーブ（ｃｈｉ
ｒｐ）　Ｌ／ている状態になる。

すなわち、時間領域の自己位相変調効果が生じる。

このとき、波長領域からみれば通過後のスペクトル幅は
入射時の幅よりひろがっている。

特に光ファイバにおいては、集光された強い光強度の状
態で長距離パルス光を伝搬させることができる。そのた
め、単に集光した場合に比べ他の非線形現象の影響を避
は易く、比較的容易に線形にチャープした（瞬時周波数
ν（１）が時間の線形関数となっている。）パルスが得
られる。このスペクトル幅の広げられた、線形にチャー
プしているパルスは適当な分散媒質あるいは素子を用い
ろことにより、入射時のパルス幅をより短く圧縮するこ
とができる。はとんどの物質について、この非線形屈折
率の効果を利用して得られるバフＬスは正のチャープ、
すなわち一つのパルス中で次第に周波数の大きくなるも
のとなる。正のチャーブを伴なうパルスに対しては、負
の群速度分散効果を持つ物質または素子、ずなわら例文
ばすトリウム金属蒸気の異常分散領域２回折格子対、誘
電体多層膜鏡の長波長端等を通過あるいは反射させろこ
とにより圧縮することができる。

以上の原理に基づく光パルス圧縮方法では、パルスにチ
ャーブを起こさせるに充分な非線形屈折率と伝搬距離が
要求される。ファイバの利用によって後者の伝栄距離は
自由に選べるが、パルス幅を拡げるファイバ材料自身の
群速度分散効果のうちには、他の素子で補償できない高
次の成分があるため、伝搬距離が短いほど達成可能なパ
ルス幅が短くなる。もちろん、短い伝搬距離で充分なス
ペクトルの拡大を起こすためには、大きな非線形屈折効
果が必要である。すなわち、ある決まったファイバ材質
についてみれば、より短いパルス幅を得ろためにはより
高いピーク光強度が必要となる。

この発明における有機物を封入した中空ファイバを用い
た光パルス圧縮装置は、従来のグラスファイバを用いた
ものに比べて、非線形屈折率の大きな物質を選／しで使
用することができる。そのため従来圧縮ずろことのでき
なかった低いピークパワーのレーザ光に対しても、充分
な非線形屈折効果によるスベク）−ルＩＧの拡大が得ら
れ、パルス圧縮が可能になる。また高いピークパワーの
パルスに対しては強い非線形屈折効果が得られるため、
従来よりも短いパルスを得ることができる。

有機物の種類の選択は、非線形屈折率の大きな物質で、
かつ求めるパルス１Ｍに比へて充分速い応答特性が必要
とされろ。つまり、ピコ秒、サブピコ秒からフェムト秒
のパルス圧縮に使用するには、その高速の光強度変化に
屈折率の変化が追いついていかなくてはならない。その
ためには、非線形屈折率うちで、分子の電子状態に起因
する成分が大きなものを選ぶ必要がある。

例えば、非線形屈折率の最低次の項の係数ｎｔで比べて
みると、ニトロベンゼンを用いた場合、グラスファイバ
のコアの物質である石英の約７０倍、パラニトロアニリ
ンを用いた場合で同じく約４００倍の非線形屈折効果が
フェムト秒パルスに対して得られる。前者のように常温
で液体の場合にはそのまま使用することができるが、後
者のように常温で固体である場合にはファイバ全体を加
熱して溶融状態で封入、使用すればよい。

以下、有機物質を封入１７たファイバを光パルス圧縮装
置として使用するために、具体的に必要な手段について
述べる。

まず、第１に従来のグラスファイバによる圧縮装置の場
合と同様に、ファイバ中の光伝搬がシングルモードの条
件になっていることが必要である。

このとき、ファイバのコア部分での光強度はファィバの
動径方向でほぼ一様とみなすことができ、パルス圧縮に
際して光エネルギーの損失を最小にすることができる。

シングルモード伝搬の条件は、基本的にはコア径とクラ
ッド、コア間の屈折率差によって決定される。屈折率差
が大きいほど必要なコア部分は小さくなる。コアが細く
なりすぎると、ファイバへの入射効率が低下するのに加
え、光パルスのエネルギーのうちコア部分を伝搬する成
分、すなわち圧縮の原因であるチャープを起こす成分が
小さくなり、圧縮に際してのエネルギー効率が低下ずろ
。このため中空ファイバの材質とコア内の有機物質の屈
折率差が大きくなりすぎないようにする必要がある。高
い非線形性を持つ物質はまた高屈折率である場合が多い
ため、石英より高屈折率の光学ガラスのクラッド材料と
して使用したほうがエネルギー効率の点からは有利であ
る。

ファイバ長は、圧縮によって得られる光パルスの時間幅
によって決まる。ファイバ長によって装置の構成方法に
相違があるので、以下では極短パルス（フェムト秒領域
）の場合と超短パルス（ピコ秒２サブピコ秒領域）の場
合のそれぞれについて有機物を用いた方法によるパルス
圧縮装置の実現方法の一例について説明する。

第１図は極端パルス圧縮装置の一実施例の構成略図であ
る。パルス圧縮によって１０フェムト秒程度のパルス幅
を得るためには適当なファイバ長は数ｃｍ以下になる。

この図ではそのような場合の有機物封入ファイバ圧縮装
置の構成を示している。

図中１Ａはコア部が中空のファイバを示す。中空部分の
径は数ミクロン、クラッド部分の径は保持、調整のし易
さから０．１ｍｍ程度以上のものを用いる。このファイ
バ全体を有機液体２で満たされたセル３中に固定する。

セル３には光の通過用の入射窓４．出射窓５がファイバ
１Ａの両端方向に取り付けられている。６は集光用レン
ズ、７はコリメート用レンズ、８は液だめ、９は前記有
機液体２を導入するための微量流量調節バルブ、１ｏは
セル排気用バルブ、１１は加圧用バルブ、２１は入射用
レーザビーム、２２は出射用レーザビームである。

ファイバ１Ａのコア部分に有機液体２を導入するには、
ファイバ１Ａがごく短い場合には毛管現象によってもよ
いが、数ｃｍまで確実に導入するためには以下の手順で
行う。

まず、セル排気用バルブ１０を開放し、セル３中の空気
を真空ポンプで排出する。次に、セル排気用バルブ１０
を閉じた後、ｉｔｇｌｆ量流量調油流量調節バルブ９液
ｔ！め８からセル３中に有機液体２を導入し、ファイバ
１Ａ全体が有機液体２に浸された状態（どなる。これで
コア内の空気が有機液体２の侵入を妨げることはない。

さらに必要であれば、加圧用バルブ１１を開放しボンベ
等から適当な圧力（数気圧程度）の気体を導入して液面
に圧力をかけ、有機液体２を中空コア中に押し込める。

ここで、レーザ光パルスは、セル３内にあるファイバ１
Ａの端面に集光しな（てはならない。このため通常のグ
ラスファイバに入射する場合とは異なり平面形の窓板の
境界面による球面収差まで考慮する必要がある。適当な
組合せレンズからなる集光用レンズ６を使用することに
より、数ミクロンのコア部分に効率よく光を導入するこ
とができる。ファイバ１Ａからの出射部分についても同
様の収差補正レンズ、すなわちコリメート用Ｌ・ンズ７
を使用する乙とにより平行の出力ビームを得ることがで
きる。集光用レンズ６についての開口ｇ（，１ｏ　、　
２　程度、コリメート用レンズ７については０．４程度
が適当である。

次に、第２図にこの発明の他の実施例である超短パルス
圧縮装置の構成略図を示す。この図で１Ｂは中空のファ
イバ、３Ａ、’３Ｂはセル、１０Ａ。

１０Ｂはセル排気用バルブであり、その他は第１図と同
じである。例えばパルス幅１ピコ秒からそれ以上の入射
パルスを１００フェムト秒程度まで圧縮する目的では、
原理的には前述の短いファイバＩＡ（第１図）に高いピ
ーク光強度で入射させてもよいが、一般にはファイバ１
Ｂの長さは２〜３ｍが適当である。なぜならば、その分
だけ弱いピーク光強度での圧縮が可能になるからである
。

この程度のファイバ長になると、第１図のセル３はファ
イバ１Ｂの両端面のそれぞれに分割して３Ａ、３Ｂのよ
うに構成したほうがよい。その理由は、一つにはセルの
サイズが大きくなりすぎるためであるが、いま一つには
第１図で述べた手順では長いファイバに確実に有機物を
封入するのが困難になるためである。ここでの封入法に
ついては、後に詳しく述べる。

ファイバ１Ｂのコア部分への有機液体２の封入方法につ
いて以下で説明する。まず、入射側セル３Ａのセル排気
用バルブ１０Ａ、出射側セル３Ｂのセル排気用バルブＩ
ＯＢを開放し、真空ポンプで両セル３Ａ、３Ｂおよびフ
ァイバ１Ｂのコア部分を充分排気する。次にセル排気用
バルブ１０Ａを閉じ、セル３Ａに液だめ８から微量流量
調節バルブ９を用いて有機液体２を導入し、ファイバ１
Ｂの端面が充分覆われるまでセル３Ａ内に満たす。

次に加圧用バルブ１１を開け、ボンベ等を用いて液面に
加圧する。有機液体２は徐々にファイバ１Ｂの中空内に
侵入していく。出射端面側に到達すれば、し・−ザ光が
ファイバ１Ｂを通過するようになろので、封入終了を確
認することができる。もちろん以上の封入作業は出射端
面側から行ってもよい。レーザ光の入射、出射は第１図
において説明したと同様で、セル窓による球面収差を充
分補正できるレンズを用いて行うっ 次にこの発明、すなわち有機液体２を封入したファイバ
を用いた光パルス圧縮装置の二つの具体例を以下に述へ
ろ。

第１はＣＰＭ型色素し・−ザ（ＣｏｌｌｉｄｉｎｇＰｕ
ｉｓｅＭｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ　ＣＷ　Ｄｙｅ　Ｌａ５
ｅｒ）の出力を圧ｔ、宿した極短パルス領域での圧縮器
の例である。このＬ−−ザは、ＣＷアルゴンイオンレー
ザによる光励起によって発振させ、パルス幅１００フエ
ムト秒、繰り返し９０　Ｍ　Ｈｚ　、ピークパワー１ｋ
Ｗの出力パルスを得た。

第３図（ａ）に圧縮器システムの全体の構成を示す。図
中１の１００はこの発明による極短パルス圧縮装置、３
ｏはＣＰＭ型し・−ザ、４０は回折格子対である。ＣＰ
Ｍ型レーザ３０からの出力光が極短パルス圧縮装置１０
０を通過する。極短パルス圧縮装置１００の内部構成は
先に第１図で説明したとおりである。ただし、ファイバ
１Ａの中空コアの内径は５ミクロン、ファイバ長は１．
９ｃｍで、有機液体２に二ｌ・ロベンゼンを用いた。極
短パルス圧縮装置１００から出射されたパルスに対して
は、互いに対向して配置した回折格子対４゜によって群
速度分散効果を補償する方法をとった。

この部分は、従来のグラスファイバによる圧縮器と同様
である。回折格子は、溝数が６００本／　ｍｍのものを
用いた。乙のとき、格子同士の面間隔は約１．１ｃｍで
最短の圧縮パルスが得られる。乙の極短パルス圧縮装置
１００を用いたシステムによって、２３フ工ムト秒に圧
縮されたパルスが９０Ｍ　Ｈｚの繰り返しで得られろ。

ピーク光強度が不足していたため、従来のグラスファイ
バによるパルス圧縮器ではＣＰＭ型レーザ３ｏの発振出
力を直接圧縮することは不可能であった。従来は繰り返
しの少ない他のレーザ（ＹＡＧレーザの二倍波あるいは
銅蒸気レーザ）の光を用いてＣＰＭ型レーザ３０の出力
パルス列の一部を増幅し、極端パルス圧縮装置１００に
導入していた。このような場合、パルスの繰り返しは５
ＫＨｚが最大であった。（従来技術は、次の文献による
。Ｗ、Ｈ，Ｋｎｏχ、１（。

Ｌ、　Ｆｏｒｋ、λ４．Ｃ，Ｄｏｗｎｅｒ、　Ｒ，［（
，５ｔｏｌｅｎ、　Ｃ，Ｖ、５ｈａｎｋ　ａｎｄＪ９人
、Ｖａｌｄｍａｎｉｓ：　　八ｐｐｌｉｅｄ　　　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ　　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　　４６第２の具体
例は、同期励起型モード同期色素レーザ（Ｓｙｎｃｈｒ
ｏｎｏｕｓｌｙ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅ
ｄ　ＤｙｅＬａｓｅｒ）の出力を圧縮した、超短パルス
圧縮装置２００を用いたもので、第３図（ｂ）にそのシ
ステムの全体構成を示す。５ｏは同期励起型のモード同
期色素レーザで、例えばモード同期アルゴンイオンレー
ザによる光励起によって、パルス幅１ピコ秒、パルス繰
り返し８２　Ｍ　Ｈｚ　、ピークパワー１００Ｗのパル
ス列を出力している。モード同期色素レーザ５０からの
出力光は、超短パルス圧縮器２００の入射側よりファイ
バ１Ｂに入り、ファイバ１Ｂの他端の出射側より出てく
る。超短パルス圧縮装置２００の内部構成は先に第２図
で説明したとおりである。ただし、ファイバ１Ｂの中空
コア径は５ミクロン、ファイバ長は１．９ｍで、有機液
体２は前記の実施例と同じく二ｌ・ロベンゼンを用いた
。群速度分散効果を補償する回折格子対４ｏも同しく溝
数６００本／　１ｎＩｎのものを用いた。

このとき、格子同士の直間隔約１１ｃｍで最短の圧を宿
パルス（パルスｄＱ　２３０フエムｌ−秒）がｍ　ラレ
る。

従来、同期励起型のモード色素レーザ５０のパルス圧１
１１１のためには、発振器にギヤビテイグンプ方式を用
い、出力パルス列の繰り返しレートを減らして、ピーク
パワーを増さなくてはならなかった。すなわちグラスフ
ァイバ圧ｗ４’ｌｌの場合１ピコ秒のパルスを圧縮する
ために５ＫＷ程度のピークパワーが必要であった。（こ
の種の圧縮に関する従来技術の参考文献は、例えば石田
裕三、矢島達夫第４６回応用物理学会学術講演会講演予
稿集３　ａ　−Ｌ　−５１９８５年秋季、がある。）〔
発明の効果〕 以上、乙の発明の光パルス圧縮方法は、非線形屈折率の
大きい物質を封入したファイバを用いているため、従来
のグラスファイバに比べて、より低い光強度において同
等の非線形屈折率の効果によるパルスチャーピングを得
ることができる。そのため、従来圧縮不可能であった低
いピーク光強度のレーザ光、例えば半導体レーザ、ＣＰ
Ｍ型レーザ等についても圧縮が可能となり、その結果パ
ルス列の繰り返し周期を数桁以上上げることができる。

また従来より圧縮が可能であったパルス光に対しては、
より以上のパルス圧縮比が得られる。

また半導体レーザのパルス圧縮は光ＹＣ２光エレクトロ
ニクスの分野に大きなインパクトを与＾るものであり、
またＣＰＭ型し・−ザのパルス圧縮は、１０フェムト秒
以下のこれまでの最短パルスを発生させることを可能に
するものである。

さらにこの発明の光パルス圧縮装置は、非線形屈折率の
大きい物質として有機液体を用い、この有機液体をファ
イバのコア部分に封入する手段を設けたので、ファイバ
長が大となっても完全に有８１２　ｉ（１体をファイバ
内に封入することができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示ず極短パルス圧ｔ（ｄ
装置の構成略図、第２図はこの発明の他の実施例を示す
超短パルス圧縮装置の構成略図、第３図（ａ）　、　（
ｔ＋）はこの発明の具体例をそれぞれ示す構成略図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）グラスファイバに比べ非線形屈折率の大きい物質
   をコア部分に封入したファイバを用い、その一端からパ
   ルス光を入射し、他端から時間幅を圧縮したパルス光を
   得ることを特徴とする光パルスの圧縮方法。
2. （２）単位断面積当たりの光強度を一様に保持できるシ
   ングルモードのコア部分が中空のファイバと、このファ
   イバの前記コア部分に非線形屈折率の大きい有機液体を
   封入する手段と、前記ファイバの一端に平行レーザビー
   ムを入射させる入力手段と、前記ファイバの他端の時間
   幅を圧縮したレーザビームを出力させる出力手段とから
   なることを特徴とする光パルスの圧縮装置。