JPS63103215A - 光パルス圧縮装置 - 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］ 本発明は高出力超短パルスを得る光パルス圧縮装置に関
するものである。

［従来の技術］ パルス圧縮の方法は古くから、分散遅延線を用いた超音
波パルスの波形処理（圧縮、伸長）等にも用いられてき
た。光パルスの圧縮も原理的には同一で、線形な周波数
変化（時間とともに周波数が増加する）を有する光パル
スを異常分散を有する媒質に入射させて圧縮するもので
ある。その方法および装置は第８図に示すように３つの
重要な要素によって構成されている。第１の要素は安定
で幅の狭い高出力光パルス光源１であり、通常、モード
同期色素レーザもしくはＣＰＭリング色素レーザが用い
られている。これらレーザからの高出力パルスは第２の
要素である単一モード光ファイバ２に入射する。単一モ
ードファイバ中での光強度は容易にＩＭＷ／ｃｍ’以上
になりうるので三次の非線形効果である光力−効果が光
パルスの包絡線にそって生ずるので時間的に周波数が変
化するチャーピングパルスがファイバ出力として得られ
る。これを自己位相変調効果と呼ぶ。このチャーピング
パルスを第３の要素である異常分散媒体３を用いて圧縮
する。即ち異常分散により、パルスの前方部分に位置す
る周波数の低い部分の伝搬速度は遅くなり、パルスの後
方部分に位置する周波数の高い部分の伝搬速度は速くな
る。この結果光パルスは圧縮されることになる。

今まで報告されている光パルス圧縮方法では、高出力パ
ルス光源１と単一モード光ファイバ２の要素は同じであ
るが、異常分散媒体３の要素について第９図ないし第１
１図に示すような各種方法が提案されている。第９図は
Ｎａ蒸気セル３Ａと全反射鏡３Ａ’　　とにより構成し
たものであり、Ｎａ蒸気の共鳴に伴なう異常分散を利用
する方法、第８図は２枚の平行に配置した回折格子３Ｂ
を用いる方法、第９図は２つのプリズム３Ｃの組み合わ
せを用いる方法である。第９図の方法はＨ，Ｎａｋａｔ
ｓｕｋａとり、　Ｇｒｉｓｃｈｋｏｗｓｋｙによって１
９８１年に０ｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　　Ｖｏｌ、８
　　Ｐａｇｅ、１３−１５　、”ＲｅｃｏＩＩｌｐｒｅ
ｓｓｉｏｎ　　ｏｆ−０′ ｏｐｔｉｃａｌ　　ｐｕｌｓｅｓ　　ｂｒｏａｄａｎｅ
ｄ　　ｂｙ　　ｐａｓｓａｇｅ　　ｔｈｒｏｕｇｈｏｐ
ｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ”に報告されている。この方
法はＮａの共鳴を用いるのでパルス圧縮される波長が０
．５８μｍ付近に限定される欠点があった。第１Ｏ図の
方式は最も一般的な方法で、Ｅ、Ｔｒｅａｃｙによって
提案されており（”０ｐｔｉｃａｌ　　ｐｕｌｓｅ　ｃ
ｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏ
ｎ　ｇｒａｔｉｎｇｓ、”　ＩＥＥＥ、　Ｊ、ＱＥ。

ＱＥ−５，ＰａＨｅ　４５４−４５８　　、　１９６９
）、　１０フェムト秒（ｌｏｘ　１ｏ−”　秒）程度の
パルスが可能になっている。しかし、回折効率があまり
高くできないため、出力強度が低いこと、パルスのすそ
の部分が乱れること、等の欠点がある。第１１図の方法
は、Ｚｓ、　ＢＯＲとＢ、Ｒ＾’ｃｚとにより提案され
ており　（”Ｇｒｏｕｐ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｄｉｓｐ
ｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｒ１５ｍ５ａｎｄ　　Ｉｔｓ　
　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｔｏ　　Ｐｕ１ｓｅ　　
Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　　ａｎｄＴｒａｖｅｌｌｉｎ
ｇ−Ｗａｖｅ　Ｅｘｃｊｔａｉｏｎ　、”　Ｏｐｔ、　
Ｃｏｍｍｕｎ、５４巻、ｐａｇｅ　１６５−１７０．１
９８５）簡単なプリズムを用いて異常分散が作れること
が特徴である。しかし、プリズムの屈折率の波長依存性
が小さいためプリズム３Ｃ１３Ｃの間隔を数１０ｍと長
くする必要があること、また赤外光では異常分散が小さ
く応用範囲が限定される欠点があった。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来例におけるいずれの異常分散媒質も回折、
吸収、および挿入損失のため、圧縮された光パルスの平
均エネルギーは入力の２０％程度までに減衰してしまう
欠点があった。

本発明は従来の異常分散を形成する媒質では不可避であ
った光損失の問題を解決し、高出力極超短光パルスを得
ることのできる光パルス圧縮装置゛を提供することを目
的とする。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明の光パルス圧
縮装置は高出力光パルスを発生する光パルス光源と、入
射した高出力光パルスを該光パルスの伝搬過程で正にチ
ャーブさせるための入射波用単一モード光ファイバと、
入射波用単一モード光ファイバからの出射光を負にチャ
ープされた光パルスに変換して反射するための縮退４波
混合媒質と、縮退４波混合媒質によって反射された高出
力光パルスを該光パルスの伝搬過程で圧縮するための反
射波用単一モート光ファイバと、高出力光パルスの光路
中に設けられ、光路中から光パルスを取出すための半透
過鏡とを具備したことを特徴とする。

［作　用］ 本発明は縮退４波混合を用い、高利得に増幅された極超
短パルスを得るものである。すなわち縮退４波混合の非
線形増幅作用に着目し、縮退４波混合媒質への正のチャ
ーブパルスを高出力な負のチャーブパルスとして再び単
一モート光ファイバに入射せしめ、高出力な圧縮パルス
を得る。

縮退４波混合媒質４に互いに反対方向でそれぞれ電界強
度Ｅ、およびＥ、の励起光ＰｆおよびＰｂを入射させる
。さらにそこに別の方向から電界強度Ｅｌｎの入力光パ
ルスＰｉｎを入射させると、縮退４波混合が起き、入力
光パルスと反対方向に非線形相互作用により生じた電界
強度Ｅ、の反射パルスＰｒが発生する。Ｅ、は、縮退４
波混合媒質４の３次の非線形感受率をχｆ３１　として
、次式％式％ δはＢの位相変化、＊は複素共役、ωは光の角周波数、
ｎは屈折率、Ｌは縮退４波混合媒質中の光路長である。

式（１）より反射波は入力の複素共役でありその増幅度
Ｇは で与えられることがわかる。従ってＩｌｌ、＝π／４の
ときＧ＝１となり入射パルスと同し大きさで反射パルス
が発生できることになる。２つの励起光の電界強度Ｅｒ
およびεｂならびにＬを制御することにより、反転した
チャーブの増幅されたパルスが得られる。

本発明によれば縮退４波混合を用いることにより反転チ
ャーブパルスを発生できるので、このパルスを単一モー
ト光ファイバの正常分散により高効率に圧縮てきる利点
がある。また、チャーブの反転とともに縮退４波混合は
光パルスを増幅できるので圧縮されたパルスの平均エネ
ルギーも大きくできる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図は、本発明の第１の実施例を説明する図であって
、１は光パルス発生器（光パルス光源）、２は自己位相
変調効果により正にチャーブしたパルス（時間とともに
周波数が増加するパルス）を作り出すための東−モート
光ファイバ、４は縮退４波混合用媒質、５は４波混合媒
質から反射光を単一モート光ファイバ２Ｂに導くための
半透過鏡である。単一モード光ファイバ２Ｂは４波混合
媒質４により作られた負のチャーブパルスをファイバの
正常分散を用いて圧縮するための単一モード光ファイバ
である。

これを動作するには、まず光パルス発生器１からの光パ
ルスを入射波用単一モード光ファイバ２に通し、正のチ
ャーブパルスを得て、縮退４波混合媒質４に入射させる
。縮退４波混合媒質４において正の大力チャーブパルス
は負のチャーブパルスに変換され、反射される。（縮退
４波混合の具体的構成は後述する。）その出力は半透ｉ
Ａ鏡５で反射され、反射波用単一モード光ファイバ２Ｂ
に入り、ここでパルスが圧縮される。

第３図（Ａ）　、　ＣＢ）に光パルスの圧縮の様子を示
す。反射波用単一モード光ファイバ２Ｂの大力パルスは
パルスの前の部分では周波数が高く、後の部分では周波
数が低い負のチャーブパルスである。単−千−ト光ファ
イバ中での光パルスの速度の波長依存性は第３図（八）
に示すように変化する。すなわち零分散波長（１，３２
μｍ）より短波長の領域は、波長の短い、即ち周波数の
高い成分の速度が遅く、周波数の低い成分の速度が速い
正常分散域である。従って、負の≠ヤーブパルスは第３
図（Ｂ）　に示すように圧縮されることになる。その圧
縮の度合いはチャーブの傾きに依存するが通常１／１０
程度に圧縮可能となる。なお、τ分散波長より長波長領
域では光パルスは圧縮されない。

従って木方法は正常分散域でのみ有効であるが、超短パ
ルスは１３２μｍより短波長で発生できるので問題ない
。

第４図に本発明の第２の実施例を示す。本実施例におい
ては入射波車−そ−ド光ファイバ２を反射波用光ファイ
バとしても用いる。この場合には半透過鏡５は光パルス
光源１と光ファイバ２との間に設ける。この実施例の動
作は第１の実施例と同様である。

第５図および第６図に縮退４波混合の構成を示す。縮退
４波混合の発生には２つの励起ビームＰ、とＰｂを用い
る必要がある。励起光Ｐｆ。

Ｐｂの発生源はレーザ６であり、波長はパルス光源１の
波長と一致させておく。その動作は連続波でもパルスで
も良い。第５図は励起光Ｐ、を反射鏡７で反射させてＰ
、を作り出す例、第６図では一つめレーザ光から半透過
鏡５Ｂで２つの励起光ｐ、とＰｂを作り出している。

第７図に励起光生成の他の方法を示す。励起光源として
光パルス光源１を用いており、実用的には大きな利点が
ある。半透過鏡５を介して、その半分を縮退４波混合の
励起用パルスとする。他の半分は単一モード光ファイバ
２を励振し正のチャーブパルスを作り出す。そのパルス
が４波混合線に入ると同時に、励起パルスにより負のチ
ャーブを作り出す。このパルスは再び単一モード光ファ
イバ２を経て半透過鏡５により反射され圧縮したパルス
を作り出せる。

式（３）においてＩＢＩＬがπ／２近くなった場合には
１０２〜１０３の利得を得ることが容易である。Ｊ、Ｍ
ａｒｂｕｒｇｅｒによると縮退４波混合におけるチャー
ブ反転は光パルス幅をＴ□媒質の長さをり、速度をυと
すると ｍ＝（７゜ υ のとき実現できる（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、
ｖｏｌ、３２゜Ｐ、３７２　　（１９７８）　”０ｐｔ
ｉｃａｌ　　ｐｕｌｓｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａ
ｎｄｃｈｉｒｐ　　ｒｅｖｅｒｓａｌ　　ｉｎ　　ｄｅ
ｇｅｎｅｒａｔｅ　　ｆｏｕｒ−＋ｖａｖｅｍｉｘｉ口
ｇ）、従って、１０ｐｓｅｃ程度のパルスをチャーブ反
転するためには、Ｌは１ｍｍ以下とする必要がある。媒
質としてＣ５２を用いてＩＢＩＬ＝１となる反射率での
励起パワーＩはｐｃ＋＝　ｎＣ３／２４πω２χ１３′
　　とすると上記の論文において、１％ｌ　Ｂ　ｌ　Ｌ
　４４πｎ／ｈｐｃ（４）の関係から求めることができ
る。ｋは波数である。ＣＳ２では波長１μｍにてＰＣ：
３５ｋＷ　　Ｌン０．５ｍｍとおくと、Ｉ　；５．５Ｍ
Ｗ／ｃｍ’　と算出できる。この程度のパワー密度は容
易に作り出すことができるので、縮退４波混合が反転チ
ャーブパルスを作り出すことができる。第７図の方法で
得られた圧縮パルスは増幅されているので、さらにこの
パルスを人力として、多段にこの圧縮増幅を行うことに
より、ざらに極超短パルスが得られる。

縮退４波混合媒質として、ＣＳ２を用いた場合を詳述し
たが、Ｎａ蒸気、＾ｓ２Ｓ、カルコゲナイドガラス、ボ
ロシリケイトガラスにＣｄＳＳｅ等をドープした半導体
ドープガラスを縮退４波混合媒質として用いることもで
きる。また励起光を時間的にＯＮ。

ＯＦＦすることにより縮退４波混合の相互作用時間を制
御できるので、チャーブの反転ばかりでなく、そのチャ
ーブの幅までも制御でき、高出力線形チャーブパルスの
圧縮が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、縮退４波混合を用いることにより
反転チャーブパルスを発生できるので、このパルスを単
一モードの正常分散により高効率に圧縮できる利点があ
る。また、チャーブの反転とともに縮退４波混合は光パ
ルスを増幅できるので圧縮されたパルスの平均エネルギ
ーも大きくできる利点がある。この利得は式（１）〜（
３）で判るように励起電界の大きさＥｆ、Ｅｂ、および
Ｌによって決定できるので、その制御は容易である。

また、励起光を時間的にＯＮ、ＯＦＦすることにより縮
退４波混合の相互作用時間を制御できるのでチャーブの
反転ばかりで１１　＜、そのチャープの幅までも制御で
き、高出力線形チャーブパルスの圧縮が可能となる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理となる縮退４波混合の動作を
説明する図、 第２図は本発明の第１の実施例の構成図、第３図（八）
　、　ＣＢ）はそれぞれ負のチャープパルスが圧縮され
るための正常分散条件および圧縮動作を示す図、 第４図ないし第７図はそれぞれ本発明の他の実施例の構
成を示す図、 第８図は、従来の光パルス圧縮装置の基本構成図、 第９図ないし第１１図はそれぞれ従来の各種圧縮装置の
構成図である。 １・・・光パルス光源、 ２Ａ、２Ｂ・・・単一モード光ファイバ、３・・・異常
分散媒体、 ４・・・縮退４波混合媒質、 ５．５Ｂ・・・半透過鏡、 ６・・・縮退４波混合発生用光源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高出力光パルスを発生する光パルス光源と、入射し
   た前記高出力光パルスを該光パルスの伝搬過程で正にチ
   ャープさせるための入射波用単一モード光ファイバと、 該入射波用単一モード光ファイバからの出射光を負にチ
   ャープされた光パルスに変換して反射するための縮退４
   波混合媒質と、 該縮退４波混合媒質によって反射された前記高出力光パ
   ルスを該光パルスの伝搬過程で圧縮するための反射波用
   単一モード光ファイバと、 前記高出力光パルスの光路中に設けられ、該光路中から
   前記光パルスを取出すための半透過鏡とを具備したこと
   を特徴とする光パルス圧縮装置。 ２）前記半透過鏡が前記入射波用単一モード光ファイバ
   と前記縮退４波混合媒質との間に挿入されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光パルス圧縮装
   置。 ３）前記入射波用単一モード光ファイバと、前記反射波
   用単一モード光ファイバとが同一の１個の光ファイバで
   あって、前記半透過鏡が前記光パルス光源と前記光ファ
   イバの間に挿入されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光パルス圧縮装置。 ４）前記縮退４波混合媒質がＣＳ＿２、Ｎａ蒸気、Ａｓ
   ＿２Ｓ＿３カルコゲナイドガラス、ボロシリケイトガラ
   スにＣｄＳＳｅ等をドープした半導体ドープガラスのう
   ちの１種であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の光パルス圧縮装置。