(57)【要約】【課題】光パルス源からの高ピークパワーの超短光パルスを、光学装置の所望の位置へ効率よく伝送できる超短光パルスの光ファイバ伝送装置、およびこれを有する光学システムを提供する。【解決手段】高ピークパワーを持つ超短光パルスを受けて、該光パルスを伝送する光導波手段２０と、光導波手段２０から出射される光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段３０と、負群速度分散発生手段３０から出射される光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバ４０と、を有し、光導波手段２０に入射した超短光パルスを、光ファイバ４０からダウンチャープパルスとして出射させるように構成する。【選択図】図１
2008268589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ピークパワーを持つ超短光パルスを受けて、該光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、を有し、
前記光導波手段に入射した前記超短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープパルスとして出射させるように構成したことを特徴とする超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項２】
前記負群速度分散発生手段は、入射した光パルスをダウンチャープパルスとして出射させるように構成し、
前記光ファイバは、前記負群速度分散発生手段から出射したダウンチャープパルスを、当該ダウンチャープパルスよりも瞬時周波数変化が緩やかなダウンチャープパルスとして出射させるように構成した、ことを特徴とする請求項１に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項３】
前記光導波手段は、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバ、導波路型半導体光増幅器、平面光導波路、屈折率分布型レンズのいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項４】
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項５】
前記光ファイバは、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバのいずれか一つからなる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項６】
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項７】
前記光ファイバは、群速度分散値に対する非線形光学定数の比が、前記光導波手段における前記比以上である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項８】
前記負群速度分散発生手段は、一対の回折格子、一対のプリズム、チャープド・ファイバ・ブラッグ・グレーティング、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器、アレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）、空間液晶光変調器、中空光ファイバ、フォトニック液晶のいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項９】
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される光パルスの波長を変換する波長変換手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項１０】
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される光パルスに正の群速度分散を与えて、当該光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散発生手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項１１】
前記正群速度分散発生手段は、光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、電気光学変調素子のいずれか一つを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項１２】
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する調整機構を有する、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
正の群速度分散値を持つ光学系を有し、前記光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置とを備え、
前記光学装置における前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とする光学システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
正の群速度分散値を持つ光学系を有し、前記光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置とを備え、
前記光学装置における前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置の前記正群速度分散発生手段における正の群速度分散量を前記調整機構により調整して、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とする光学システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
該光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置と、
前記光ファイバ伝送装置の前記正群速度分散発生手段および前記光学装置を制御する制御手段とを備え、
前記光学装置は、異なる正の群速度分散値を選択可能な光学系を有し、
前記正群速度分散発生手段の前記調整機構は、前記光学系における異なる正の群速度分散値に対応する複数の正群速度分散素子を有し、
前記制御手段は、前記光学系における正の群速度分散値の選択に応じて、対応する前記正群速度分散素子を光路中に位置させるように前記調整機構を制御して、前記選択された正の群速度分散値を持つ前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短光パルスの光ファイバ伝送装置、およびこれを有する光学システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物学、医学、医療、加工、計測などの様々な分野において、高ピークパワーを持ち、複数の波長成分を含むピコ秒以下の超短光パルスが利用されるようになってきている。特に、生物学分野や医学分野では、多光子蛍光顕微鏡、高調波顕微鏡、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering:ＣＡＲＳ）顕微鏡などの非線形光学効果を利用した顕微鏡や、光応力波を用いた遺伝子導入装置、拡散光トモグラフィ装置などに、チタン：サファイヤレーザやファイバレーザなどの、超短光パルスを発生する光パルス源が活発に利用されている。
【０００３】
これらの光パルス源から出射される高ピークパワーの超短光パルスは、反射ミラーや光ファイバなどを用いて、上述の顕微鏡などの光学装置まで伝送するが、操作性や安定性の観点から、超短光パルスの伝送には、光ファイバの利用が強く望まれる。
【０００４】
ところが、光ファイバを用いると、高ピークパワーの超短光パルスは、光ファイバ中を伝搬する過程において、光ファイバ中の群速度分散（Group-velocity dispersion:ＧＶＤ）効果、自己位相変調（Self-phase modulation:ＳＰＭ）効果などの非線形光学効果、およびその相互作用の影響を受けて、光パルスの時間幅が広がることが知られている。この光パルス時間幅の広がりは、多くの応用で問題となる。
【０００５】
例えば、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、高いピークパワーの超短光パルスが要求されるが、光ファイバ中でパルス時間幅が広がると、それに伴って光パルスのピークパワーが低下して、顕微鏡画像の明度が低下してしまう。
【０００６】
多光子蛍光顕微鏡では、多光子蛍光強度をＩｎ、光パルスのピークパワーをＰ０とすると、ＩｎおよびＰ０は、それぞれ下記の（１）および（２）式で表される。
【０００７】
【数１】
2008268589.tif 000003
2008268589.tif 000004
【０００８】
上記（１）および（２）において、ｎは自然数で、二光子蛍光、三光子蛍光、そしてk光子蛍光の場合には、それぞれｎ＝２，３，そしてkになる。また、Ｃ０およびＣ１は定数、Ｔ０は光パルスのパルス時間幅、ｆｒｅｐは光パルスの繰り返し周波数、Ｐａｖは光パルスの平均パワーを示す。（２）式を用いて、（１）式を書き直すと、多光子蛍光強度Ｉｎは、下記の（３）式のようになる。
【０００９】
【数２】
2008268589.tif 000005
ただし、Ｃは定数
【００１０】
上記（３）式から、光パルス時間幅Ｔ０が広くなると、多光子蛍光強度Ｉｎは低下し、Ｔ０が狭くなる程、Ｉｎは高くなることがわかる。
【００１１】
このような光パルス時間幅の広がりを防止するようにした超短光パルスの光ファイバ伝送装置として、例えば、２本の光ファイバの間にプリズム対を配置し、このプリズム対により光ファイバ中で光パルスが受けるＧＶＤ効果とＳＰＭ効果の相互作用を補償するようにして、一方の光ファイバに入射する超短光パルスを、他方の光ファイバから同じ光パルス時間幅で出射させるように伝送するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１２】
【非特許文献１】S.W.Clark et al.,”Fiber delivery of femtosecond pulses from a Ti:sapphire laser,”Opt.Lett.26,1320(2001).(Cornell Univ.)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の非特許文献１に開示の光ファイバ伝送装置によると、伝送装置への入射光パルス時間幅と、伝送装置からの出射光パルス時間幅とを同じにして伝送するので、光パルス源からの高ピークパワーの超短光パルスを効率よく伝送することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、超短光パルスを利用する上述した顕微鏡などの光学装置を構成する光学系は、レンズ等の種々の光学素子を有していることから、正のＧＶＤ値を持っている。このため、上記の光ファイバ伝送装置を用いて、高ピークパワーの超短光パルスを入射させると、当該光学装置の光学系によるＧＶＤ効果によって、光学系内でパルス時間幅が広がり、所望の位置で、高ピークパワーを有する所望の時間幅の超短光パルスが得られないことになる。
【００１５】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、光パルス源からの高ピークパワーの超短光パルスを、光学装置の所望の位置へ効率よく伝送できる超短光パルスの光ファイバ伝送装置、およびこれを有する光学システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する請求項１に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置の発明は、
高ピークパワーを持つ超短光パルスを受けて、該光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、を有し、
前記光導波手段に入射した前記超短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープパルスとして出射させるように構成したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記負群速度分散発生手段は、入射した光パルスをダウンチャープパルスとして出射させるように構成し、
前記光ファイバは、前記負群速度分散発生手段から出射したダウンチャープパルスを、当該ダウンチャープパルスよりも瞬時周波数変化が緩やかなダウンチャープパルスとして出射させるように構成した、ことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光導波手段は、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバ、導波路型半導体光増幅器、平面光導波路、屈折率分布型レンズのいずれか一つを含む、ことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバは、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバのいずれか一つからなる、ことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバは、群速度分散値に対する非線形光学定数の比が、前記光導波手段における前記比以上である、ことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記負群速度分散発生手段は、一対の回折格子、一対のプリズム、チャープド・ファイバ・ブラッグ・グレーティング、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器、アレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）、空間液晶光変調器、中空光ファイバ、フォトニック液晶のいずれか一つを含む、ことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される光パルスの波長を変換する波長変換手段を設けた、ことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される光パルスに正の群速度分散を与えて、当該光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散発生手段を設けた、ことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散発生手段は、光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、電気光学変調素子のいずれか一つを含む、ことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１２に係る発明は、請求項１０または１１に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００２８】
さらに、上記目的を達成する請求項１３に係る光学システムの発明は、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
正の群速度分散値を持つ光学系を有し、前記光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置とを備え、
前記光学装置における前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とするものである。
【００２９】
さらに、上記目的を達成する請求項１４に係る光学システムの発明は、
請求項１２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
正の群速度分散値を持つ光学系を有し、前記光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置とを備え、
前記光学装置における前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置の前記正群速度分散発生手段における正の群速度分散量を前記調整機構により調整して、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とするものである。
【００３０】
さらに、上記目的を達成する請求項１５に係る光学システムの発明は、
請求項１２に記載の超短光パルスの光ファイバ伝送装置と、
該光ファイバ伝送装置からの光パルスを利用する光学装置と、
前記光ファイバ伝送装置の前記正群速度分散発生手段および前記光学装置を制御する制御手段とを備え、
前記光学装置は、異なる正の群速度分散値を選択可能な光学系を有し、
前記正群速度分散発生手段の前記調整機構は、前記光学系における異なる正の群速度分散値に対応する複数の正群速度分散素子を有し、
前記制御手段は、前記光学系における正の群速度分散値の選択に応じて、対応する前記正群速度分散素子を光路中に位置させるように前記調整機構を制御して、前記選択された正の群速度分散値を持つ前記光学系の所望の位置において、高ピークパワーを持つ超短光パルスが得られるように、前記光ファイバ伝送装置から前記光学装置に対して、ダウンチャープの光パルスを入射させるように構成した、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高ピークパワーを持つ超短光パルスを、光導波手段、負群速度分散発生手段および光ファイバを経て伝送して、ダウンチャープパルスとして出射させるので、これを利用する光学装置に対して、所望の位置で高ピークパワーの超短光パルスが得られるように効率よく伝送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明の第１実施形態を示すもので、図１は超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図、図２（Ａ）〜（Ｅ）および図３（Ａ）〜（Ｅ）は、図１の（Ａ）〜（Ｅ）における光パルスの時間波形およびスペクトル波形を、それぞれ対応して示す図である。なお、図２（Ａ）〜（Ｅ）において、破線はチャープを示している。
【００３４】
本実施形態に係る光学システムは、光パルス源１０と、光導波手段２０と、負ＧＶＤ発生手段３０と、光ファイバ４０と、超短光パルスを利用する正のＧＶＤを有する光学装置５０とを有している。光パルス源１０は、例えば、チタン：サファイヤレーザ、モード同期希土類添加光ファイバレーザ、モード同期半導体レーザ、あるいは利得スイッチ半導体レーザを用いて構成するか、さらに光増幅器を組み合わせて構成して、例えば、１００ピコ秒未満のパルス幅を持つ超短光パルスを発生させる。
【００３５】
光パルス源１０から発生された高ピークパワーの超短光パルスは、光導波手段２０に入射させる。光導波手段２０は、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する石英系単一モード光ファイバ、単一モードフォトニック結晶ファイバ（Photonic crystal fiber:ＰＣＦ）、Ｙｂ添加光ファイバ、Ｅｒ添加光ファイバ、多モード光ファイバ、増幅光ファイバ、導波路型半導体光増幅器、平面光導波路、屈折率分布型レンズのいずれか一つを含んで構成する。
【００３６】
図２（Ａ）および図３（Ａ）に示す光パルス源１０からの高ピークパワーの超短光パルスは、この光導波手段２０を透過することにより、光導波手段２０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅がそれぞれ広がり、ピークパワーが低下したアップチャープ（ブルーシフトチャープ）パルスとなる。
【００３７】
光導波手段２０から出射されるアップチャープの光パルスは、次に、負ＧＶＤ発生手段３０へ入射させる。負ＧＶＤ発生手段３０は、例えば、光パルスの波長において負のＧＶＤ量を与える、一対の回折格子、一対のプリズム、チャープド・ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Chirped fiber Bragg grating:ＣＦＢＧ）、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器、アレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）、空間液晶光変調器、中空光ファイバ、フォトニック液晶のいずれか一つを含んで構成する。
【００３８】
光導波手段２０からのアップチャープパルスは、この負ＧＶＤ発生手段３０を透過することにより、負ＧＶＤ発生手段３０の負のＧＶＤ効果によって、図２（Ｃ）および図３（Ｃ）に示すように、ダウンチャープ（レッドシフトチャープ）パルスとなる。なお、この負ＧＶＤ発生手段３０により光パルスに与える負ＧＶＤ量は、光学装置５０内の所望の地点において、光パルスが十分に再圧縮されるように、調整する。
【００３９】
負ＧＶＤ発生手段３０から出射されるダウンチャープの光パルスは、次に、光ファイバ４０へ入射させる。光ファイバ４０は、光パルスを所望の距離に渡って伝送するもので、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する、石英系単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、単一モードＰＣＦ、増幅光ファイバのいずれか一つを用いて構成する。ここで、光ファイバ４０に入射する光パワーは、種々の光損失を受けているため、光導波手段２０に入射する光パワーよりも、通常は低くなっている。そのため、光ファイバ４０のＧＶＤ値に対する非線形光学定数の比は、光導波手段２０のそれと同じか、それよりも大きな値とするのが好ましい場合が多い。
【００４０】
負ＧＶＤ発生手段３０からのダウンチャープパルスは、この光ファイバ４０を透過させることにより、光ファイバ４０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｄ）および図３（Ｄ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅が、図２（Ｃ）および図３（Ｃ）に示す入射パルスにおけるよりもそれぞれ狭くなり、ピークパワーも高いダウンチャープパルスを得る。すなわち、光ファイバ４０からは、負ＧＶＤ発生手段３０から入射したダウンチャープパルスよりも、波長変化が緩やかなダウンチャープパルスを出射させる。
【００４１】
光ファイバ４０から出射される光パルスは、最後に、光学装置５０へ入射させる。光学装置５０は、例えば、生物標本観察用のレーザ走査型顕微鏡（Laser-scanning microscope:ＬＳＭ）や内視鏡とする。
【００４２】
これにより、光ファイバ４０からのダウンチャープパルスは、光学装置５０の光学系によるＧＶＤ効果によって、図２（Ｅ）および図３（Ｅ）に示すように、スペクトル幅は殆ど変わらず、光パルス時間幅がさらに狭くなり、所望の位置である生物標本上において、光導波手段２０に入射される光パルス時間幅と同等程度か、若しくは狭くなる程度にパルス時間幅が再圧縮されて、ピークパワーも高くなる。したがって、生物標本の深い部位を、充分な明度で観察することが可能となる。
【００４３】
図４は、第１実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。この光学システムでは、光パルス源１０として、発振波長１０６０ｎｍ、パルス幅約５００ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数２０ＭＨｚ、平均光出力約２００ｍＷの超短光パルスを発生する、モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ１２を用いる。光導波手段２０は、波長１０６０ｎｍ帯で、＋２５ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１の単一モード光ファイバ２２を、長さ２ｍ用いて構成する。
【００４４】
負ＧＶＤ発生手段３０は、サーキュレータ３２ａとＣＦＢＧ３２ｂとを組み合わせ、単一モード光ファイバ２２からの光パルスを、サーキュレータ３２ａを経てＣＦＢＧ３２ｂに入射させ、ＣＦＢＧ３２ｂで反射される光パルスを、サーキュレータ３２ａを経て光ファイバ４０に入射させるようにして、光パルスに、−０．０９６ｐｓ２程度のＧＶＤを与えるように構成する。
【００４５】
光ファイバ４０は、波長１０６０ｎｍ帯で＋２５ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１の単一モード光ファイバ４２を、長さ５ｍ用いて構成する。さらに、光学装置５０は、＋０．００５０ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有するＬＳＭ５１を用いている。
【００４６】
図４に示す構成により、ＬＳＭ５１の生物標本上で、波長１０６０ｎｍ、光パルス時間幅２００ｆｓ、ピークパワーが約２０ｋＷの超短光パルスが得られる。
【００４７】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、図１に示した構成において、光ファイバ４０と光学装置５０との間に、正のＧＶＤ効果を与える正ＧＶＤ発生手段６０を加えて、光学装置５０に入射させる光パルスのダウンチャープの度合いを調整し、これにより、光学装置５０内の所望の位置において、高ピークパワーを持つ所望の時間幅の超短光パルスを得るようにしたものである。ここで、正ＧＶＤ発生手段６０は、例えば、光透過基板であるＺｎＳｅ基板、コリメート用レンズ、音響光学（Acousto-Optic:ＡＯ）素子、電気光学（Electro-Optic:ＥＯ）素子などを用いて構成する。
【００４８】
図６は、第２実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。この光学システムでは、光パルス源１０として、発振波長約７００〜１０００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、平均光出力最大約３Ｗの光パルスを発生する、チタン：サファイヤモード同期レーザ１１を用いる。光導波手段２０は、波長約７００〜１０００ｎｍの全帯域に亘って単一モードで光を導波し、かつ、＋２０〜＋５０ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１〜１．３Ｗ−１ｋｍ−１のＰＣＦ２１を、長さ１ｍ用いて構成する。
【００４９】
負ＧＶＤ発生手段３０は、回折格子３１ａ，３１ｂ、矩形ミラー３１ｃおよびミラー３１ｄを有し、ＰＣＦ２１から出射される光パルスを、回折格子３１ａおよび回折格子３１ｂで順次回折させた後、矩形ミラー３１ｃで光路を切り替えて、回折格子３１ｂ、回折格子３１ａおよびミラー３１ｄを経て出射させるように構成する。ここでは、回折格子３１ｂの位置を調整することにより、−０．０８〜−０．２０ｐｓ２程度のＧＶＤ量を与えるように構成する。
【００５０】
光ファイバ４０は、波長約７００〜１０００ｎｍの全帯域に亘って単一モードで光を導波し、かつ、＋２０〜＋５０ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が１〜１．３Ｗ−１ｋｍ−１程度のＰＣＦ４１を、長さ３ｍ用いて構成する。正ＧＶＤ発生手段６０は、＋０．００１ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有するコリメート用レンズ６１と、＋０．００５０ｐｓ２以上のＧＶＤ量を有するＺｎＳｅ基板６２とを用いて構成する。さらに、光学装置５０は、図４の場合と同様に、＋０．００５０ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有するＬＳＭ５１を用いて構成する。
【００５１】
図６に示す構成により、ＬＳＭ５１の生物標本上で、波長約７００〜１０００ｎｍの帯域内で、光パルス時間幅が約１００ｆｓ以下の超短光パルスが得られる。
【００５２】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、図１に示した構成において、光ファイバ４０と光学装置５０との間に波長変換手段７０を配置し、これにより光パルスの波長を所望波長に変換するようにしたものである。
【００５３】
図８は、第３実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。この光学システムでは、光パルス源１０として、発振波長１５５０ｎｍ、パルス幅約５００ｆｓ、繰り返し周波数２０ＭＨｚ、平均光出力約１０ｍＷの光パルスを発生するモード同期Ｅｒ添加ファイバレーザ１３を用いる。
【００５４】
光導波手段２０は、ファイバ型光増幅器で構成する。ファイバ型光増幅器では、モード同期Ｅｒ添加ファイバレーザ１３からの光パルスを、アイソレータ２４ａおよび光合波器２５を経て単一モードＥｒ添加光ファイバ２３に入射させる。また、単一モードＥｒ添加光ファイバ２３には、例えば、半導体レーザからなる励起用光源２６から波長１４８０ｎｍまたは９８０ｎｍの励起光を、光合波器２５を経て入射させ、この励起光により単一モードＥｒ添加光ファイバ２３において波長１５５０ｎｍの光パルスを増幅して、アイソレータ２４ｂを経て出射させる。単一モードＥｒ添加光ファイバ２３は、波長１５５０ｎｍ帯で＋２０ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１のものを、長さ１０ｍ用いる。ここでは、ファイバ型光増幅器から出射される光パルスの平均光出力を、約２００ｍＷとする。なお、図８では、ファイバ型光増幅器を、単一モードＥｒ添加光ファイバ２３に対して、励起光を前方から入射させる前方向励起としたが、後方から入射させる後方向励起、あるいは前方および後方から入射させる双方向励起とすることもできる。
【００５５】
負ＧＶＤ発生手段３０は、図４と同様に、サーキュレータ３２ａとＣＦＢＧ３２ｂとを組み合わせて構成する。ここでは、ＣＦＢＧ３２ｂにより、光パルスに−０．１８８ｐｓ２程度のＧＶＤを与える。
【００５６】
光ファイバ４０は、波長１５５０ｎｍ帯で、＋１３０ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１程度の単一モード光ファイバ４３を、長さ５ｍ用いて構成する。波長変換手段７０は、周期分極ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate:ＰＰＬＮ）７１を用い、その第２次高調波発生現象を利用することで、光パルスの波長を１５５０ｎｍから７７５ｎｍに変換するように構成する。さらに、光学装置５０は、図４の場合と同様に、＋０．００５０ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有するＬＳＭ５１を用いて構成する。
【００５７】
図８に示す構成により、ＬＳＭ５１の生物標本上で、波長７７５ｎｍ、光パルス時間幅約２４０ｆｓ、ピークパワーが約９００Ｗの超短光パルスが得られる。
【００５８】
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、図５に示した構成において、正ＧＶＤ発生手段６０と光学装置５０とを制御する制御手段８０を設け、この制御手段８０により、光学装置５０内のＧＶＤ量の変化に応じて、正ＧＶＤ発生手段６０のＧＶＤ量を制御して、すなわち光学装置５０に入射させる光パルスのダウンチャープの度合いを制御して、光学装置５０内の所望の位置で所望の光パルス時間幅を得るようにしたものである。
【００５９】
図１０は、第４実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。この光学システムでは、制御手段８０を、コンピュータ（ＰＣ）８１を用いて構成する。また、光学装置５０は、生物標本分析用のＬＳＭ５２を用いる。ＬＳＭ５２は、レボルバ５３に保持された倍率の異なる複数の対物レンズ５４を有しており、コンピュータ８１を介して、または手動により選択された対物レンズ５４が光学系の光路中に挿入されて、当該選択された対物レンズ５４を経て生物標本に光パルスが照射され、これにより励起されて生物標本から発生する発光が、光電子増倍管（photomultiplier tube：ＰＭＴ）５５で受光されるようになっている。
【００６０】
ここで、ＬＳＭ５２は、選択される対物レンズ５４によって、光学系における正のＧＶＤ値が変化することになる。そこで、図１０では、正ＧＶＤ発生手段６０に、＋０．００１ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有するコリメート用レンズ６１と、ＧＶＤ量を調整可能な調整機構６５とを設ける。調整機構６５には、例えば、モータ６６によって回転駆動されるターレット６７の同一円周上に、着脱および交換可能に、ＬＳＭ５２が有する複数の対物レンズ５４に対応する、正のＧＶＤ量が異なる複数のＺｎＳｅ基板６２を保持する。
【００６１】
このようにして、コンピュータ８１によりコントローラ６８を介してモータ６６の駆動を制御して、ＬＳＭ５２において選択された対物レンズ５４に対応する正のＧＶＤ量を有するＺｎＳｅ基板６２を光路中に位置させることにより、生物標本上で所望のパルス時間幅の超短光パルスが得られる正のＧＶＤ量を与えるようにする。その他の構成は、図６と同様であるので、図６と同一構成要素には同一符号を付して、説明を省略する。
【００６２】
図１０に示す構成により、ＬＳＭ５２の生物標本上で、対物レンズ５４の切り替えに影響されることなく、波長約７００〜１０００ｎｍの帯域内で、光パルス時間幅が約１００ｆｓ以下の超短光パルスが得られる。
【００６３】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、生物標本観察用のＬＳＭに限らず、内視鏡やパルス加工機など、超短光パルスを利用する種々の分野に適用することができる。また、第２実施形態や第４実施形態においては、光学装置５０の切り替えに対応して、正ＧＶＤ発生手段６０による正のＧＶＤ量を調整するように構成することもできる。さらに、超短光パルスの光ファイバ伝送装置においては、伝送装置全体での光損失を補償するために、負ＧＶＤ発生手段３０の直前もしくは直後に、光増幅器を配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の各部における光パルスの時間波形を示す図である。
【図３】図１の各部における光パルスのスペクトル波形を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】第２実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る超短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１０】第４実施形態に係る光学システムの一例の具体的構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  光パルス源
１１  チタン：サファイヤモード同期レーザ
１２  モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ
１３  モード同期Ｅｒ添加ファイバレーザ
２０  光導波手段
２１  ＰＣＦ
２２  単一モード光ファイバ
２３  単一モードＥｒ添加光ファイバ
２４ａ，２４ｂ  アイソレータ
２５  光合波器
２６  励起用光源
３０  負ＧＶＤ発生手段
３１ａ，３１ｂ  回折格子
３１ｃ  矩形ミラー
３１ｄ  ミラー
３２ａ  サーキュレータ
３２ｂ  ＣＦＢＧ
４０  光ファイバ
４１  ＰＣＦ
４２  単一モード光ファイバ
５０  光学装置
５１，５２  ＬＳＭ
５３  レボルバ
５４  対物レンズ
５５  ＰＭＴ
６０  正ＧＶＤ発生手段
６１  コリメート用レンズ
６２  ＺｎＳｅ基板
６５  調整機構
６６  モータ
６７  ターレット
６８  コントローラ
７０  波長変換手段
７１  ＰＰＬＮ
８０  制御手段
８１  コンピュータ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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