(57)【要約】【課題】高強度でパルス時間幅が短く綺麗な波形の超短パルス光を出力する。【解決手段】パルス時間幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する短パルス光源２２と、パルス光の時間幅を伸張するパルス時間幅伸張ファイバ２４と、時間幅が伸張されたパルス光の強度を増幅するファイバ増幅器２６と、強度が増幅されたパルス光を入射してソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力する大口径ファイバ２８と、１５６０ｎｍ帯以下の波長の光を除去する波長フィルタ３０と、によりパルス光出力装置２０を構成する。これにより、高強度でｓｅｃｈ2型の綺麗な波形のソリトンパルスを出力することができる。【選択図】図１
2008083118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短いパルス時間幅で高強度のパルス光を出力するパルス光出力装置であって、
短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光を出力する短パルス光源と、
前記短パルス光源から出力されたパルス光を入射して該パルス光の時間幅を伸張するパルス時間幅伸張手段と、
前記パルス時間幅伸張手段からのパルス光を入射して該パルス光の強度を増幅する強度増幅手段と、
前記強度増幅手段からのパルス光を入射してソリトン自己周波数シフトを用いて前記所定波長とは異なる波長を中心波長とするソリトンパルスを出力するソリトンパルス出力手段と、
を備えるパルス光出力装置。
【請求項２】
前記ソリトンパルス出力手段は、モードフィールド径が大きく異常分散を示すファイバである請求項１記載のパルス光出力装置。
【請求項３】
前記ソリトンパルス出力手段は、大口径フォトニック結晶ファイバである請求項２記載のパルス光出力装置。
【請求項４】
前記ソリトンパルス出力手段は、ｓｅｃｈ2型で台座成分のないソリトンパルスを出力する手段である請求項１ないし３いずれか記載のパルス光出力装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載のパルス光出力装置であって、
前記パルス時間幅伸張手段は、単一モードファイバであり、
前記強度増幅手段は、エルビウム（Ｅｒ）が添加された光ファイバ増幅器である、
パルス光出力装置。
【請求項６】
前記ソリトンパルス出力手段からの出力から前記ソリトンパルスの波長の帯域の成分は残して少なくとも前記所定波長を中心とする帯域の成分を除去する波長フィルタを備える請求項１ないし５いずれか記載のパルス光出力装置。
【請求項７】
前記短パルス光源は、パルス時間幅としてピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）の単位のパルス光を出力する光源である請求項１ないし６いずれか記載のパルス光出力装置。
【請求項８】
短いパルス時間幅で高強度のパルス光を出力するパルス光出力方法であって、
短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光の時間幅を伸張し、該時間幅を伸張したパルス光の強度を増幅し、該強度を増幅したパルス光をソリトン自己周波数シフトを用いて前記所定波長とは異なる中心波長のソリトンパルスを得て、該ソリトンパルスを前記短いパルス時間幅で高強度のパルス光として出力する、
ことを特徴とするパルス光出力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光出力装置およびパルス光出力方法に関し、詳しくは、短いパルス時間幅で高強度のパルス光を出力するパルス光出力装置およびこうしたパルス光を出力する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のパルス光出力装置として、特性を調整した短いパルス時間幅のパルス光を非線形光学効果を奏する光ファイバに入射するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、光ファイバとして、ソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって波長可変超短パルス光を生成すると共に３次の非線形光学効果によって波長可変超短パルス光の第３高調波を生成する偏波保持ファイバを用い、ｓｅｃｈ2型に対応する台座成分のない綺麗な波形のソリトンパルスを出力している。
【特許文献１】特許第３５３２９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
レーザ加工の分野では、小型で安定して高強度でパルス時間幅が短い超短パルスを出力する光源が望まれており、光通信や光計測の分野では、波長の幅が広く安定した広帯域光を出力する光源が望まれている。安定した広帯域光は、高強度でパルス時間幅が短く形状の綺麗な超短パルスを異常分散を示す光ファイバに入射することにより得られるため、高強度でパルス時間幅が短く形状の綺麗な超短パルスを出力する光源が重要視されている。
【０００４】
本発明のパルス光出力装置およびパルス光出力方法は、高強度でパルス時間幅が短い超短パルス光を出力することを目的の一つとする。また、本発明のパルス光出力装置およびパルス光出力方法は、綺麗な波形の超短パルス光を出力することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のパルス光出力装置およびパルス光出力方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明のパルス光出力装置は、
短いパルス時間幅で高強度のパルス光を出力するパルス光出力装置であって、
短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光を出力する短パルス光源と、
前記短パルス光源から出力されたパルス光を入射して該パルス光の時間幅を伸張するパルス時間幅伸張手段と、
前記パルス時間幅伸張手段からのパルス光を入射して該パルス光の強度を増幅する強度増幅手段と、
前記強度増幅手段からのパルス光を入射してソリトン自己周波数シフトを用いて前記所定波長とは異なる波長を中心波長とするソリトンパルスを出力するソリトンパルス出力手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明のパルス光出力装置では、短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光の時間幅を伸張し、この時間幅を伸張したパルス光の強度を増幅し、この強度を増幅したパルス光をソリトン自己周波数シフトを用いて励起光としてのパルス光の中心波長とは異なる波長を中心波長とするソリトンパルスを出力する。このとき、パルスの時間幅と強度を増幅することにより、高強度のソリトンパルスを得ることができる。しかも、ソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力するから、綺麗な形状のソリトンパルスを出力することができる。この結果、レーザ加工などの分野で有効な光源として用いることができ、通信や光計測などの分野で安定した広帯域光を得るための有効な光源として用いることができる。
【０００８】
こうした本発明のパルス光出力装置において、前記ソリトンパルス出力手段は、モードフィールド径が大きく異常分散を示すファイバであるものとすることもできる。この場合、前記ソリトンパルス出力手段は、大口径フォトニック結晶ファイバであるものとすることもできる。この場合、大口径フォトニック結晶ファイバとしてのモードフィールド径は、１０〜２００μｍが好ましく、８０〜１５０μｍが更に好ましい。
【０００９】
また、本発明のパルス光出力装置において、前記ソリトンパルス出力手段は、ｓｅｃｈ2型で台座成分のないソリトンパルスを出力する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
さらに、本発明のパルス光出力装置において、前記パルス時間幅伸張手段は単一モードファイバであり、前記強度増幅手段はエルビウム（Ｅｒ）が添加された光ファイバ増幅器である、ものとすることもできる。
【００１１】
あるいは、本発明のパルス光出力装置において、前記ソリトンパルス出力手段からの出力から前記ソリトンパルスの波長の帯域の成分は残して少なくとも前記所定波長を中心とする帯域の成分を除去する波長フィルタを備えるものとすることもできる。こうすれば、出力光から短パルス光源から出力されるパルス光の成分を除去することができ、励起パルス光の成分のないソリトンパルスを出力することができる。
【００１２】
また、本発明のパルス光出力装置において、前記短パルス光源は、パルス時間幅としてピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）の単位のパルス光を出力する光源であるものとすることもできる。
【００１３】
本発明のパルス光出力方法は、
短いパルス時間幅で高強度のパルス光を出力するパルス光出力方法であって、
短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光の時間幅を伸張し、該時間幅を伸張したパルス光の強度を増幅し、該強度を増幅したパルス光をソリトン自己周波数シフトを用いて前記所定波長とは異なる中心波長のソリトンパルスを得て、該ソリトンパルスを前記短いパルス時間幅で高強度のパルス光として出力する、
ことを特徴とする。
【００１４】
この本発明のパルス光出力方法では、短いパルス時間幅で中心波長が所定波長のパルス光の時間幅を伸張し、この時間幅を伸張したパルス光の強度を増幅し、この強度を増幅したパルス光をソリトン自己周波数シフトを用いて励起光としてのパルス光の中心波長とは異なる波長を中心波長とするソリトンパルスを出力する。このとき、パルスの時間幅と強度を増幅することにより、高強度のソリトンパルスを得ることができる。しかも、ソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力するから、綺麗な形状のソリトンパルスを出力することができる。この結果、レーザ加工などの分野で有効な光源として用いることができ、通信や光計測などの分野で安定した広帯域光を得るための有効な光源として用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例としてのパルス光出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のパルス光出力装置２０は、図示するように、パルス時間幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２と、短パルス光源２２からのパルス光の時間幅を伸張するパルス時間幅伸張ファイバ２４と、パルス時間幅伸張ファイバ２４により時間幅が伸張されたパルス光の強度を増幅するファイバ増幅器２６と、ファイバ増幅器２６により強度が増幅されたパルス光を入射してソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力する大口径ファイバ２８と、１５６０ｎｍ帯以下の波長の光を除去する波長フィルタ３０と、装置における他の機器に結合するための出力結合用光ファイバ３２と、を備える。
【００１７】
短パルス光源２２としては、実施例では、パルス光の波長が１５６０ｎｍ、パルス時間幅が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光の繰り返し周波数が４８ＭＨｚ、平均出力が３８ｍＷの超短パルス光を安定して生成する超短パルスファイバレーザを用いた。短パルス光源２２としては、こうした性能に限定されるものではなく、例えば、パルス時間幅がピコ秒（ｆｓ）単位のものを用いてもよいし、パルス光の繰り返し周波数がＭＨｚ単位のものや数１００ＭＨＺ単位のもの、或いはＧＨｚ単位のものを用いてもよい。
【００１８】
パルス時間幅伸張ファイバ２４としては、実施例では、モードフィールド径が９．３μｍで非線形係数が１．８９Ｗ-1ｋｍ-1、２次の分散値が−２０．４ｐｓ2／ｋｍ、長さが６ｍの単一モードファイバを用いた。パルス時間幅伸張ファイバ２４としては、こうした性能に限定されるものではなく、パルスの時間幅を伸張できるものであれば如何なるファイバなどを用いるものとしてもよい。
【００１９】
ファイバ増幅器２６は、二酸化珪素にエルビウム（Ｅｒ）が添加された光ファイバにより構成された増幅用ファイバ２６ａと、増幅用の励起パルスを入力する励起パルス入力器２６ｂと、により構成されている。増幅用ファイバ２６ａとしては、実施例では、モードフィールド径が８．０μｍで非線形係数が２．５６Ｗ-1ｋｍ-1、２次の分散値が７．１７ｐｓ2／ｋｍ、長さが５ｍの光ファイバを用いた。増幅用ファイバ２６ａとしては、こうした性能に限定されるものではなく、強度を増幅可能なものであれば如何なるファイバを用いるものとしてもよい。励起パルス入力器２６ｂとしては、実施例では、１４８０ｎｍの励起パルスを入力することができるファイバレーザを用いたが、励起パルスとしては１４８０ｎｍに限定されるものではなく、例えば９８０ｎｍなど種々の波長のパルスを用いるものとしてもよい。また、パルス強度を増幅する程度によっては複数の励起パルス入力器２６ｂを増幅用ファイバ２６ａに接続するものとしてもよい。
【００２０】
大口径ファイバ２８としては、実施例では、モードフィールド径が大きく異常分散を示すファイバ、例えば、モードフィールド径が１３０μｍで非線形係数が０．６４Ｗ-1ｋｍ-1、２次の分散値が−４９．１ｐｓ2／ｋｍ、長さが１０ｍの大口径偏波保持フォトニック結晶ファイバを用いた。大口径ファイバ２８のモードフィールド径は、上述の１３０μｍに限定されるものではなく、好ましくは１０〜２００μｍ程度のものを用いることができ、更に好ましくは８０〜１５０μｍ程度のものを用いることができる。長さは、ファイバの特性や入力されるパルスに依存するが１〜２０ｍ程度で調整可能である。なお、大口径ファイバ２８としては、こうした性能や大口径偏波保持フォトニック結晶ファイバに限定されるものではなく、入射したパルス光に対してソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力するものであれば、如何なるファイバを用いるものとしてもよい。
【００２１】
次に、こうして構成されたパルス光出力装置２０の動作について説明する。短パルス光源２２から出力されたパルス光は、パルス時間幅伸張ファイバ２４によりパルスの時間幅が伸張され、ファイバ増幅器２６によりその強度が増幅される。時間幅が伸張され高強度なパルス光が大口径ファイバ２８に入射されると、パルス光には、まず、パルス圧縮が起こり、その後スペクトルが広がる。このとき、ラマン増幅によって長波長側のスペクトルが増強され、その後、パルス分裂が生じる。分裂したパルスは、ソリトン効果を受け、徐々に１次のソリトンが形成される。パルスのファイバにおける伝播に伴い、ソリトンパルス内でもラマン増幅が起こり、短波長側のスペクトルが長波長側に変換される。この結果、パルスのスペクトルの中心波長が徐々に長波長側にシフトしていく。このとき、ソリトン効果のために、ソリトンパルスのｓｅｃｈ2型の波形は保持される。ここで、ソリトンパルスの波長シフト量は、大口径ファイバ２８の長さ（ファイバ長）や大口径ファイバ２８に入射するパルス光の強度に依存するため、ファイバ長とパルス光の強度を調節することにより、出力するソリトンパルスの波長のシフト量を制御することができる。大口径ファイバ２８からはこうしたソリトンパルスと励起光としてのパルス光の残分やパルス分裂により短波長側にシフトした光も出力されるが、励起光としてのパルス光の残分やパルス分裂により短波長側にシフトした光は波長フィルタ３０によって除去されるから、出力結合用光ファイバ３２からは長波長側に波長シフトしたｓｅｃｈ2型の綺麗な波形のソリトンパルスだけが出力される。
【００２２】
図２はパルス光出力装置２０から出力されるソリトンパルスの波長と強度との一例を波長フィルタ３０によりカットされる光の波長および強度と共に示す説明図であり、図３はパルス光出力装置２０から出力されるソリトンパルスの自己相関波形の一例を示す説明図である。図示するように、パルス光出力装置２０からは、中心波長が１７００ｎｍでパルス時間幅が１２０ｆｓ、ｓｅｃｈ2型で台座成分がない綺麗な波形のソリトンパルスが出力されるのが解る。なお、このときのソリトンパルスの平均強度は１２０ｍＷでピーク強度は２０ｋＷであった。
【００２３】
図４は実施例のパルス光出力装置２０から出力されたソリトンパルスを正常分散高非線形ファイバに入射して得られる広帯域光（スーパーコンティニューム）の一例のスペクトルを線形表示および対数表示で示す説明図であり、図５は実施例のパルス光出力装置２０から出力されたソリトンパルスを分散シフトファイバと正常分散高非線形ファイバとのハイブリッドファイバに入射して得られる広帯域光（スーパーコンティニューム）の一例のスペクトルを線形表示および対数表示で示す説明図である。図４に示すように、パルス光出力装置２０からの高強度のソリトンパルスを正常分散高非線形ファイバに入射すると、１２３０ｎｍ〜２０６０ｎｍの帯域、有効な帯域幅としては６２０ｎｍ、±１ｄＢの均一性を有する帯域幅としては５７０ｎｍの広帯域光が出力されており、図５に示すように、パルス光出力装置２０からの高強度のソリトンパルスをハイブリッドファイバに入射すると、−１０ｄＢレベルで１．０μｍ〜２．１μｍと１オクターブ以上広がる帯域を持つ広帯域光が出力されているのが解る。
【００２４】
以上説明した実施例のパルス光出力装置２０によれば、高強度でｓｅｃｈ2型の綺麗な波形のソリトンパルスを出力することができる。従って、こうした実施例のパルス光出力装置２０をレーザ加工の光源として用いることができる。また、実施例のパルス光出力装置２０を波長の幅が広く安定した広帯域光を出力する光源として用いることができ、光通信や光計測の分野に資することができる。
【００２５】
実施例のパルス光出力装置２０では、パルス時間幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２を用いたが、励起光としてのパルス光の中心波長は１５６０ｎｍに限定されるものではなく、任意の中心波長のパルス光を生成するものとしてもよい。
【００２６】
実施例のパルス光出力装置２０では、励起光としてのパルス光の波長の帯域以下の波長の光を除去するために波長フィルタ３０を備えるものとしたが、こうした励起光としてのパルス光の波長の帯域以下の波長の光を除去する必要がなければ波長フィルタ３０を備えないものとしてもよい。
【００２７】
ここで、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、パルス時間幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２が「短パルス光源」に相当し、短パルス光源２２からのパルス光の時間幅を伸張するパルス時間幅伸張ファイバ２４が「パルス時間幅伸張手段」に相当し、パルス時間幅伸張ファイバ２４により時間幅が伸張されたパルス光の強度を増幅するファイバ増幅器２６が「強度増幅手段」に相当し、ファイバ増幅器２６により強度が増幅されたパルス光を入射してソリトン自己周波数シフトを用いてソリトンパルスを出力する大口径ファイバ２８が「ソリトンパルス出力手段」に相当する。また、１５６０ｎｍ帯以下の波長の光を除去する波長フィルタ３０が「波長フィルタ」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００２８】
実施例では、高強度でｓｅｃｈ2型の綺麗な波形のソリトンパルスを出力するパルス光出力装置２０として説明したが、こうしたソリトンパルスを出力するパルス光出力方法の形態としてもよい。
【００２９】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、パルス光出力装置の製造産業などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例としてのパルス光出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例のパルス光出力装置２０から出力されるソリトンパルスの波長と強度との一例を波長フィルタ３０によりカットされる光の波長および強度と共に示す説明図である。
【図３】パルス光出力装置２０から出力されるソリトンパルスの自己相関波形の一例を示す説明図である。
【図４】実施例のパルス光出力装置２０から出力されたソリトンパルスを正常分散高非線形ファイバに入射して得られる広帯域光の一例のスペクトルを線形表示および対数表示で示す説明図である。
【図５】実施例のパルス光出力装置２０から出力されたソリトンパルスを分散シフトファイバと正常分散高非線形ファイバとのハイブリッドファイバに入射して得られる広帯域光の一例のスペクトルを線形表示および対数表示で示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
２０  光出力装置、２２  短パルス光源、２４  パルス時間幅伸張ファイバ、２６  ファイバ増幅器、２６ａ  増幅用ファイバ、２６ｂ  励起パルス入力器、２８  大口径ファイバ、３０  波長フィルタ、３２  出力結合用光ファイバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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