JPS63243926A - 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、光ファイバと異常分散媒体とを組み合わせた
光パルス圧縮装置に関し、特に高効率でかつ大幅なパル
ス圧縮を実現するために、屈折率が２〜３程度に大きい
ＴａＯ２およびＴｉＯ２の単結晶ブリュスタープリズム
を用いた光パルス圧縮装置に関するものである。

［従来の技術１ パルス圧縮の技術は、分散遅延線を用いた超音波パルス
の波形処理（圧縮、伸長）等にもこれまで用いられてき
た。光パルスの圧縮も原理的には同一であり、線形の周
波数変化（時間とともに周波数が線形に増加する）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。

その光パルス圧縮方法を実施する装置は、第１０図に示
すように、３つの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、モード同期励起色素レーザもしくはＣＰＭ　（Ｃｏ
ｌｌｊｄｉｎｇＰｕｌｓｅ　Ｍｏｄｅ　Ｌｏｃｋｉｎｇ
）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。単一モード光ファイバ２中での光強
度は、偏波保持車−モード光ファイバなどを含めて、容
易にＩＭＷ／ｃｍ２以上になりつるので、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沿って生ず
る。その結果、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に通して圧縮する。即ち、異常分
散媒体３においては、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、例えば第１１図
ないし第１３図に示すような各種方法が提案されている
。

第１１図では、Ｎａ蒸気セル３Ａと全反射鏡３Ａ’とに
より異常分散媒体３を構成する。ここでは、Ｎａ蒸気の
共鳴に伴なう異常分散を利用する。この方法は１４　、
　Ｎ　ａ　ｋ　ａ　ｔ　Ｓ　１１　ｋ　ａとり、　Ｇｒ
ｉｓｃｈｋｏｗｓｋｙによって１９８１年に０ｐｔｉｃ
ｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ、６．　Ｐａｇｅ、１３−
１５”　Ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｔｊ
ｃａｌ　ｐｕｌｓｅｓ　ｂｒｏａｄｅｎｅｄｂｙ　ｐａ
ｓｓａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂ
ｅｒ”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１２図の方法では、２枚の平行に配置した回折格子３
Ｂと３Ｂ’　を用いて異常分散媒体３を構成する。この
方法は最も一般的な方法で、　Ｅ、Ｔｒｅａｃｙによっ
て提案されており（”０ｐｔｉｃａｌ　　ｐｕｌｓｅｃ
ｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　　＊ｉｔｈ　　ｄｉｆｆｒａｃ
ｔｉｏｎ　　ｇｒａｔｉｎｇｓ、”ＩＥＥＥ、　Ｊ、Ｑ
Ｅ、　ｖｏｌ、ＱＥ−５，ｐａｇｅ　４５４−４５８　
、１９６９）、ｌＯフェムト秒（ｆｓ）　（１０ｘ　１
０−”秒）程度のパルス圧縮が可能になっている。しか
し、回折効率を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１３図では、２つのプリズム３Ｃと３Ｃ’　の組み合
わせを用いて異常分散媒体３を構成する。

この方法は、Ｒ，Ｌ、Ｆｏｒｋ等により提案されており
じＮｅｇａｔｉｖｅ　　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　　ｕｓ
ｉｎｇ　　ｐａｉｒｓ　　ｏｆ　　ｐｒｉｓｍｓ。

０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ、９．　ｐａ
ｇｅ　１５０−１５２．１９８４）、構成が簡単なプリ
ズムを用いて異常分散を得ることができること、および
プリズムをブリュスター角に配置することにより、挿入
損失が小さいことなどの利点がある。しかし、提案され
た溶融石英（Ｓｔ（ｈ）プリズムの屈折率の波長依存性
が小さいため、プリズム３Ｃと３Ｃ’　との間隔を１０
ｍ以上に長くする必要があり、そこで、この方法は比較
的分散の少ないレーザ共振器の内部へプリズムを挿入し
て用いられている（前記参考文献参照）。さらにまた、
赤外光（１μｍ帯）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。即ち、従来のプリズムによる光
パルス圧縮装置では、ブリズム材料として屈折率が１．
４５〜１．８０の溶融石英ガラスフリントガラスを用い
ていた。しかし、ガラスの材料分散ｄｎ／ｄλが小さい
ためプリズム間隔を長くしなければならない欠点があっ
た。

［発明が解決しようとする問題点１ そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除去するため
、　ＴｅＯ２およびＴｉＯ２単結晶プリズムの大きな材
料分散に着目して、透過率が高くかつプリズム間隔を短
くすることのできる光パルス圧縮装置を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、高出力光パル
スを発生する光パルス光源と、高出力光パルスを受光し
、その光パルスを光パルスの伝搬過程で正にチャープさ
せるための単一モード光ファイバと、単一モード光ファ
イバから出射された正のチャープパルスを通過させる異
常分散媒体とを具備した光パルス圧縮装置において、異
常分散媒体は単結晶Ｔｅａ、または単結晶ＴｉＯ２によ
る２つのブリュスタープリズムを互いに平行に配置して
構成し゛たことを特徴とする。

［作用］ 本発明では、単結晶二酸化テルル（Ｔｌ！０２）または
単結晶ルチル型二酸化チタン（Ｔｉ（ｈ）によりプリズ
ムを構成し、かかる結晶の大きな材料分散（ｄｎ／ｄλ
が大ぎい）により、プリズム間隔を短くして光パルス圧
縮を行なうことがで跨るようにする。それと共に、入射
パルスの偏光方向を結晶のＣ＠　（００１）方向に直交
させることにより、常光を用いたブリュスタープリズム
を利用し、または入射パルスの偏光方向を結晶のＣ＠力
方向平行にさせることにより、異常光を用いたプリュス
タープリズムを利用して、高効率の光パルス圧縮を行う
。

そのために、本発明では、波長０．４〜２μｍにおいて
透過率が９９％以上、屈折率が２．３〜２．５の異方性
結晶をブリニスターカットして構成したプリズムを用い
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。

ここで、まず、本発明の原理を第１図により説明する。

本発明においても、第１３図に示したように、２個のプ
リズム３Ｃおよび３Ｃ’　を互いに平行に配置する。こ
れら２個のプリズムにおける群速度分散は第１図におい
て以下のように考えられる。第２のプリズム３Ｃ’　の
入射端での長さ℃２は、第１のプリズム３Ｃからの拡り
角Δβが小さい場合、プリズム間隔をＬとすると、 ｆ１２ＳΔβＬ ＝Ｌ（コム）Δλ　　　　　（１） ｄλ となる。ここでｄβ／ｄλはプリズムの角度分散を示し
、次式のように与えられる。

ｄβ　　　　ｔ、　　　　　　　ｄ口 □＝□・　（−’）　　　　　　　（２）ｄλ　ｆＬ、
　　　　ｄλ この詳細については、光学書Ｍ、［１ｏｒｎ　ａｎｄ　
Ｅ、Ｗｏｌｆ″Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅ　　ｏｆ　　ｏｐｔ
ｉｃｓ”、Ｐｅｒｇａｍｏｎ　　Ｐｒｅｓｓ　　ｃｈ、
４．７゜ｐ、１８０１９８０年を参照されたい。ここで
、ｎはプリズムの屈折率、１．はプリズム中の光路長で
ある。

この角度分散に起因して、プリズム３Ｃ’　に光パルス
が入射するときに、パルスの周波数成分のうち赤い低周
波成分はより深く入り、プリズム３Ｃ’　の出口では遅
れ、青い高周波成分はより浅くプリズム３Ｃ’中に入り
、結果的にプリズム３Ｃ’　の出口では速くなる。従っ
て、入射パルスが時間とともに正にチャープ（低周波か
ら高周波へ変化）しているならば、そのパルスは第１図
に示すように、プリズム３Ｃ’　において圧縮される。

ここで、群速度Ｖｇが ｎ Ｖｇ＝ｃ／（ｎ−λ□） ｄλ １１３＋Ｉｌ　４＝　ｎｔ２ で与えられること（ただし、ｎはプリズム３Ｃ’の屈折
率）に注意すると、プリズム３Ｃ’　内での時間の遅延
Δτは ｔ、　　　　　　ｄ口 Δで＝−入（−）　　　　　　　　（３）ｃ　　　ｄλ となる。くこて、プリズム３Ｃとプリズム３Ｃ’とが平
行に配置されているので、 Ｊ／　１１　＋　＝　ｔｚ／　ｆｌ　２の条件が成立つ
から、負の群速度分散（ｎｅｇａｔｉｖｅ３ｒｏｕｐ　
ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　）は、とな
る。ここで、Ｒはブリュスタープリズムで規格化した負
の群速度分散の大きさを表わし、で与えられる。また、
プリズム３Ｃと３Ｃ’　の組を通過する場合の透過率Ｔ
（α、θＩｎ）は４端面でのフレネル反射の積で与えら
れるので、但し、ｘ、　　＝Ａｒｃｓｉｎ　（１／ｎ　
ｓｉｎ　’ｌ’）　　　　（７−１）Ｘ　２　＝　ｄ−
Ｘ＋　　　　　　　　　　　（７−２）β　＝Ａｒｃｓ
ｉ口（ｓｉｎα　（ｎ２−ｓｉ口２θ　、）ｌ／２−ｃ
ｏｓαｓｉｎθ＋ｎ）　　　　　　　（７−３）で与え
られる。重要なことは、式（４）より、同一のΔτ／Δ
λを得るためには、ｄｎ／ｄλが大きい材（５）　　料
を用いれば、短いＬで光パルスを圧縮できることである
。しかも、Δτ／Δλはｄｎ／ｄλの２乗できいてくる
のでその効果が大きい。

第２図に示すように、従来の５ｉｎ２プリズムのｄｎ／
ｄλは３．３　Ｘｌ０−２（μｍ−’）であるのに対し
て、Ｔｅａ、のｄｎ／ｄλは４２ｘ　１Ｏ−２（μｍ−
’）と、１２．７倍大きいため、全体として１６０倍の
大きな値となる。従って、Ｌは１　／１６０で済む。従
来は例えばＬ　＝　１０ｍ必要であったプリズム間隔が
、本発明ではＬ＝８．２５ｃｍとなる。従って、プリズ
ム間隔の点から従来は不可能であったプリズムによる光
パルスの圧縮が本発明では充分可能となる。

次に透過特性について考える。ＴｅＯ２もしくはＴｉＯ
７結晶は屈折率が高いので、光が空気中からこの結晶に
垂直に入射すると、（（ｎ−１）／　（ｎ＋１））２で
与えられる１６％程度の反射が存在する。これを取り除
くために、ガスレーザの窓において用いられているよう
に、直線偏光を得る方法としてブリュスター人射角でプ
リズムをカットするのが好適である。この場合、入射面
に平行なｐ　’Ａ光の入射に対して、Ｔｅａ２プリズム
対はその透過率が１となり、原理的に無損失となる。ブ
リュスタープリズムとなる条件は、 ｔａｎψ−ｎ　　　　　　　　　　　（８）で与えられ
るので、第３図の波長λ＝　６００ｎｍでの屈折率ｎを
求めると、常光線に対して屈折率ｎ。・２．２７となる
のでψ＝　６６．２°となる。例えば、これらプリズム
を二等辺三角形プリズムとして構成する場合には、頂角
αは４７．６°と算出される。

このようにして設計したＴｅａ２のブリュスタープリズ
ムを第４図（ａ）に示す。この場合、入射光の偏光方向
は結晶のＣ軸方向と直交させて用いることに注意したい
。第４図（ｂ）にプリズム３Ｃと３Ｃ’　　とから成る
プリズム対の構成、入射角ψおよび入射偏光方向を示す
。−例として、ヂャーブ幅１０ｎｍでパルス幅３ｐｓの
光パルスを完全に圧縮するには、式（４）からＬ　＝　
２８．９ｃｍと算出できる。この程度のプリズム間隔は
、装置としては充分対応できる長さであり、かつ操作性
がよい。

第５図（ａ）および（ｂ）にパルス幅０．８ｐｓの光パ
ルスを長さ５０ｃｍの偏波保持ファイバ２に入射させ、
ＴｅＯ２ブリュスタープリズム３Ｃと３Ｃ’　　とによ
る対を用いた場合の実験結果を示す。第５図（ａ）は人
力光パルスの波形、第５図（ｂ）は出力光パルスの波形
であり、パルス幅０．８ｐｓの光パルスがパルス幅０．
１ｐｓ　（１００ｆｓ）の光パルスに圧縮されているこ
とがよく判る。また、この場合の全体での透過率は９０
％以上であり、ブリュスタープリズムの効果が確認され
た。人力光として、パルス幅０．１ｐｓ程度の高出力パ
ルスを用いれば、パルス幅１０ｆｓ程度の極超短パルス
が容易に得られる。

ブリュスタープリズムの場合には、透過損失が非常に小
さくなるが、上述したようにプリズム間隔もＬ　＝　２
８．９ｃｍと小さくできた。さらにＬを短くすることも
、多心の損失を許容すれば、可能である。その様子を第
６図と第７図とに示す。第６図には負の群速度分散（Ｎ
ｅｇａｔｉｖｅ　ＧＶＤ）の大きさを、ブリュスタープ
リズムの場合を１として規格化してＲ（α、θ＋ｎ）と
して示す。第７図にはこのようにして頂角を変化させた
場合、透過率Ｔ（α。

θ＋ｎ）がどのように変化するかを示す。

例えば頂角αが４７．６°のブリュスタープリズムの場
合、入射角θ１ｎを６６．２°から５８°に変化すると
、約４倍のＲの大きさとなるため、式（４）から判るよ
うに、Ｌ　＝　２５．８７４−Ｂ、４５ｃｍとなり、さ
らにコンパクトになる。但し、この場合には約８０％の
透過率となる。α；５０°とすると、θＩｎ−６８°の
とき透過率は５０％となるものの、Ｒは１０倍の大きさ
となり、１８００木／ｍｍの回折格子の組み合わせと同
じ性能を有するようになる。

ＴｉＯ２結晶も第８図に示すように大きな屈折率を有す
るので、ｄｎ／ｄλが大きくなり、Ｔｅａ２結晶よりさ
らに有効なプリズムとなり得る可能性を有している。

以上では、ＴｉＯ２およびＴｅａ２のいずれの結晶にお
いても、常光線の屈折率ｎ。を用いてぎたが、さらに屈
折率の高い異常光線の屈折率ｎ、を用いたブリュスター
プリズムを用いることも可能である。この場合には、入
射偏光が０６を感するためには、結晶のＣ軸を入射偏光
方向と平行にする必要がある。この様子を第９図に示す
。λ＝　６００ｎｍでは、ＴｉＯ２結晶のｎ８は２．９
であるから、この場合にはψ＝７１°かつα＝３８°、
　Ｔｅ０ｚ結晶の０８は２．４５であるから、この場合
にはｐ≠６８°かつα；４４°となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明では、ＴｅＯ□もしくはＴ
ｉＯ２の高い屈折率に起因する大きな材料分散に着目し
、これら材料によりブリュスタープリズムを構成してプ
リズム対を構成するようにしたので、低損失で高効率な
光パルスの圧縮を行うことができる利点がある。また、
本発明では、使用波長も０．４〜１μｍ付近まで利用で
きるので、赤外光のパルス圧縮にも有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図はＴｅＯ２のｄｎａ／　ｄλ、　ｄｎ、　／　ｄ
λの波長依存性を示す特性図、 第３図はＴｅａ２のｎｅ　＋　ｎ　６の波長依存性を示
す特性図、 第４図（ａ）および（ｂ）はＴｅａ、結晶によるブリュ
スタープリズムの説明図、 第５図（ａ）および（ｂ）は本発明の実験結果を示す波
形図、 第６図はプリュスタープリズムの場合を１として規格化
した負の群速度分散の大きさＲ（α。 θ＋ｎ）を示す特性図、 第７図はＴＣ！０２プリズムス、１におりる透過率の入
射角度依存性を示す特性図、 第８図はルチル型二酸化チタンの屈折率の波長依存性を
示す特性図、 第９図は本発明の第２の実施例においてＴｅａ２または
Ｔｉｅ、のｎｏを用いたブリュスタープリズムの設計例
の説明図、 第１Ｏ図は単一モードファイバと異常分散媒体に四国で
ある。 １・・・光パルス光源、 ２・・・偏波保持単一モード光ファイバ、３・・・異常
分散媒体、 ３Ｃ，３Ｃ’　・・・プリズム。 特許出願人　　　日本電信電話株式会社代理人　弁理士
　　　　谷　　　　義　−本宅明の遼埋説明凹 第１図 ｄｎ／ｄ入ごｒ〕オ奇ノド生図 第２図 、ｉ−ｔγ１−巨１声ミ　特ノド主凹 第３図 １　！？ に機 ＴｅＯ２フ゛リス゛ム出力尤パルスフ ァイバ 本を朗の大清史結果を示す仮形凹 第５図 慣ｆ）ｚ導速度カン茸父の特シト主図 第６図 徨通千竹粧凹 第７図 ノ１［［　＃″率　椅ノド！ｌ三、囲 第８図 ７本、尤明の不ヒの大方芭イ列にわ・けるブリュスター
アリス°ムのさ兜明図 第９図

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、前記高
   出力光パルスを受光し、その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単一モード光ファイ
   バと、 該単一モード光ファイバから出射された正のチャープパ
   ルスを通過させる異常分散媒体とを具備した光パルス圧
   縮装置において、 前記異常分散媒体は単結晶ＴｅＯ＿２または単結晶Ｔｉ
   Ｏ＿２による２つのブリュスタープリズムを互いに平行
   に配置して構成したことを特徴とする光パルス圧縮装置
   。 ２）前記異常分散媒体が常光を用いたブリュスタープリ
   ズムにより構成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）前記異常分散媒体が異常光を用いたブリュスタープ
   リズムにより構成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。