(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置（１）から出射される基本波パルスを用い、該基本波パルスを非線形光学物質（６）を通すことによって得られる中心波長が前記基本波パルスと異なるように変換される波長変換パルスを有する超広帯域光パルス発生方法において、
前記ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置（１）から出射される基本波パルスが前記非線形光学物質（６）に通され、第２高調波パルスを発生させ、該第２高調波パルスはこの波長のみを反射するハーモニックセパレーター（８，１６）によって前記基本波パルスから分離され、前記基本波パルスは三つの鏡によって構成される、光路を折り返すためのリトロリフレクター（１０）によって適当な遅延時間をかけられ、二枚の鏡によって構成されたポラリゼーションローテーター（１１）により偏光の方向が前記第２高調波パルスのそれと一致し、二枚の鏡によって構成されたペリスコープ（２３）により、光路の高さが調節され、第１の可変ニュートラルデンシティーフィルター（１２）を介して前記基本波パルスを透過するダイクロイックミラー（１９）によって再び重ね合わされ、一方、前記ハーモニックセパレーター（８，１６）によって前記基本波パルスから分離された第２高調波パルスは第２の可変ニュートラルデンシティーフィルター（１７）を介して前記第２高調波を反射し、前記基本波パルスを透過するダイクロイックミラー（１９）によって前記第２高調波パルスを反射させ、前記基本波パルスと前記第２高調波パルスとを耐圧チャンバー（２１）内の非線型光学部材（２２）に入射することにより、自己位相変調に加え誘起位相変調によって更なるスペクトル広帯域化を図るようにしたことを特徴とする超広帯域光パルス発生方法。
【請求項２】
請求項１記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記第２高調波パルスが前記基本波パルスにより、高調波発生、和周波および差周波発生を含む光パラメトリック発振・増幅、誘導ラマン散乱、誘導ブリュアン散乱、シングルフィラメント連続光発生のいずれか、またはそれらの組み合わせによって発生されることを特徴とする超広帯域光パルス発生方法。
【請求項３】
請求項１記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記基本波パルスと前記第２高調波パルスの相対位相差が一定となるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする超広帯域光パルス発生方法。
【請求項４】
請求項１記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記基本波パルスの光源がファイバーレーザー、半導体レーザー、固体レーザーのいずれか、またはそれらの増幅システムとの組み合わせであることを特徴とする超広帯域光パルス発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光パルスと非線形光学物質との相互作用を用いることによって得られる近赤外光から近紫外光にわたる超広帯域光パルス発生方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、光パルスのスペクトルの広帯域化は、所定の中心波長を有する一つの光パルスを非線形光学物質に通すことによってなされてきた。
【０００３】
これは、非線形光学物質の屈折率がそのパルス自身の強度変化によって変化し、位相が変調される自己位相変調効果を利用するものである。
【０００４】
0004070914.tif 000002
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の自己位相変調のみによるスペクトル広帯域化方法による上記以上の広帯域化は、光パルスの強度を非線形光学媒質のダメージ限界以上に高めなければならず、その媒質のダメージの問題が発生し、これらの方法では困難であった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決し、近赤外光から近紫外光に及ぶ超広帯域な光パルスを発生する超広帯域光パルス発生方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置（１）から出射される基本波パルスを用い、この基本波パルスを非線形光学物質（６）を通すことによって得られる中心波長が前記基本波パルスと異なるように変換される波長変換パルスを有する超広帯域光パルス発生方法において、前記ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置（１）から出射される基本波パルスが前記非線形光学物質（６）に通され、第２高調波パルスを発生させ、この第２高調波パルスはこの波長のみを反射するハーモニックセパレーター（８，１６）によって前記基本波パルスから分離され、前記基本波パルスは三つの鏡によって構成される、光路を折り返すためのリトロリフレクター（１０）によって適当な遅延時間をかけられ、二枚の鏡によって構成されたポラリゼーションローテーター（１１）により偏光の方向が前記第２高調波パルスのそれと一致し、二枚の鏡によって構成されたペリスコープ（２３）により、光路の高さが調節され、第１の可変ニュートラルデンシティーフィルター（１２）を介して前記基本波パルスを透過するダイクロイックミラー（１９）によって再び重ね合わされ、一方、前記ハーモニックセパレーター（８，１６）によって前記基本波パルスから分離された第２高調波パルスは第２の可変ニュートラルデンシティーフィルター（１７）を介して前記第２高調波を反射し、前記基本波パルスを透過するダイクロイックミラー（１９）によって前記第２高調波パルスを反射させ、前記基本波パルスと前記第２高調波パルスとを耐圧チャンバー（２１）内の非線型光学部材（２２）に入射することにより、自己位相変調に加え誘起位相変調によって更なるスペクトル広帯域化を図るようにしたことを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記第２高調波パルスが前記基本波パルスにより、高調波発生、和周波および差周波発生を含む光パラメトリック発振・増幅、誘導ラマン散乱、誘導ブリュアン散乱、シングルフィラメント連続光発生のいずれか、またはそれらの組み合わせによって発生されることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記基本波パルスと前記第２高調波パルスの相対位相差が一定となるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕記載の超広帯域光パルス発生方法において、前記基本波パルスの光源がファイバーレーザー、半導体レーザー、固体レーザーのいずれか、またはそれらの増幅システムとの組み合わせであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
本発明は、異なる中心波長を有する二つ以上の光パルスが非線形光学部材を通過する時に、媒質の屈折率が他のパルスの強度変化によって変化して位相が変調される誘起位相変調効果をも利用するものである。
【００１３】
本発明においては、もともと中心波長の異なるパルスを用いており、それぞれの自己位相変調によってスペクトルがそれぞれの中心波長付近で広帯域化されている。この自己位相変調に加え、あるパルス間遅延時間によっては誘起位相変調によって更なるスペクトル広帯域化が起こり、両パルスのスペクトルを重ね合わせることができる。
【００１４】
このように、本発明においては、位相変調効率の向上を図ることができるので、光強度を媒質のダメージが起こる強度以上に強める必要がないため、媒質のダメージの問題なしに、はるかに広帯域の光パルスを生成させることができる。
【００１５】
前記の異なる所定の中心波長を有する二つ以上の光パルスは、所定の中心波長のレーザー光源からの基本波パルスを非線形光学物質（素子）に通すことによって中心波長を変換した光波を発生させ、基本波とこれら波長の変換された光波を別々の光路に分離することによって得られる。この時、複数の非線形光学物質を用いることにより、中心波長の異なる複数の光波を用いることができる。
【００１６】
この発生に関しては、高調波発生、和周波発生、及び差周波発生を含むパラメトリック増幅・発振、誘導ラマン散乱、誘導ブリユアン散乱、シングルフィラメント連続波発生など当分野で既知の方法を用いることができる。
【００１７】
さらに独立で中心周波数の異なる複数の半導体レーザーのそれぞれの縦モード周波数をモニターし、それらの間のビート周波数を一定とするように、フィードバック制御することにより、それらレーザー間の相対位相差を一定にする手法も既知であり、この方法も一方を基本波パルス用の光源、他方を波長の変換されたパルス用の光源として用いることができる。
【００１８】
本発明の最も望ましい場合においては、波長の変換された光波として、基本波を非線形光学物質に通すことによって得られた第２高調波を用いる。分離された基本波、及び第２高調波を別々の光路を伝搬させている過程で、両光波パルスの遅延時間、及び偏光の方向、パルスエネルギーを調整した後、両光波を同一の非線形光学部材に入射、伝搬、出射することによって超広帯域化を達成するものである。
【００１９】
このようにして得られた超広帯域光波の圧縮あるいは波形成形を行うためには、その周波数ごとの位相変化がランダムではない必要がある。
【００２０】
本発明の一つのポイントは、これを達成するために非線形光学部材に入射されるすべての光波が同一の基本波から発生されていることである。基本波と波長変換された光波との相対位相には一定の関係があるため、非線形光学部材から出射され、広帯域されたそれぞれの光波の位相にも一定の関係があり、これらの光波を重ね合わせても、位相がランダムになることはない。
【００２１】
基本波と第２高調波を非線形光学部材に伝搬させる際、この導波路中で両パルスが重なるように遅延時間を調節することが、誘起位相変調を有効に利用するために必要となる。この時、特に基本波パルスと第２高調波パルスが非線形光学部材の終端近傍で重なるようにすることが、よりスペクトル重なりの大きい超広帯域化を達成するポイントである。
【００２２】
非線形光学部材としては、当分野で既知の、３次の光学的非線形効果の大きい、無機、有機の多くの部材を用いることができる。また、この物質の構造としても、導波路構造、バルク、薄膜、フォトニック結晶構造を用いることができる。
【００２３】
本発明の最も望ましい場合においては、物質としてアルゴンなどの希ガスを用い、これをガラス製の中空ファイバー中に充填したものを用いる。
【００２４】
この時、希ガスは耐パワー損傷性が高く、また、中空ファイバー構造は、光を狭い体積中に閉じ込めることによって、光のパワー密度を高め、位相変調効率を向上させる利点がある。
【００２５】
これにより、この超広帯域光パルスの位相を制御して、パルス時間幅を圧縮することによってモノサイクルの光パルスの発生が可能になる。また、多波長波長整形を行うことにより、同期された複数の波長の独立に制御可能なパルス波形の光源を得ることが可能になるなど、新たな光応用の道が拓かれる。
【００２６】
以下、実施例を挙げて説明をする。
【００２７】
図１は本発明の実施例を示す超広帯域光パルス発生装置の光学系の構成図である。
【００２８】
この図において、１はチタンサファイアレーザー増幅システム（ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置）、２，１３，１４，１８は反射ミラー、３，７，９，１５はスリット、４は凸レンズ、５は凹レンズ、６は非線形光学物質としての非線形光学結晶β−ｂａｒｉｕｍ  ｂｏｒａｔｅ（ＢＢＯ）、８，１６はハーモニックセパレーター（ＨＳ）、１０はリトロリフレクター（ＲＲ）、１１はポラリゼーションローテーター（ＰＲ）、２３はペリスコープ（ＰＳ）、１２，１７は可変ニュートラルデンシティーフィルター（ＶＮＤ）、１９はダイクロイックミラー（ＤＭ）、２０はレンズ、２１は耐圧チャンバー、２２は非線形光学部材としての石英ガラス製中空ファイバーである。
【００２９】
図１に示すように、チタンサファイアレーザー増幅システム１によって発生された中心波長７９０ｎｍ、パルス幅３０ｆｓ、パルスエネルギー０．６ｍＪ、繰り返し周波数１ｋＨｚの光パルスは、厚さ０．５ｍｍの非線形光学結晶β−ｂａｒｉｕｍ  ｂｏｒａｔｅ（ＢＢＯ）６に通され、第２高調波パルス（中心波長３９５ｎｍ）が発生された。
【００３０】
この第２高調波パルスはこの波長のみを反射するハーモニックセパレーター（ＨＳ）８及び１６によって基本波から分離される。基本波パルスは３つの鏡によって構成される、光路を折り返すためのリトロリフレクター（ＲＲ）１０によって適当な遅延時間をかけられ、二枚の鏡によって構成されたポラリゼーションローテーター（ＰＲ）１１により偏光の方向が第２高調波パルスのそれと一致させられる。また、二枚の鏡によって構成されたペリスコープ（ＰＳ）２３により、光路の高さが調節される。これら二つのパルスは第２高調波を反射し、基本波を透過するダイクロイックミラー（ＤＭ）１９によって再び重ね合わされる。
【００３１】
これらは３．３気圧のアルゴンが充填され、サファイア製の入射、及び出射窓を持つ耐圧チャンバー２１中に置かれた内直径０．１ｍｍ、長さ３０ｃｍの石英ガラス製中空ファイバー２２の入射口に、焦点距離２０ｃｍのレンズ２０を用いて集光され、導波させられる。
【００３２】
この時、それぞれのパルスの入射パルスエネルギーは可変ニュートラルデンシティーフィルター（ＶＮＤ）１２，１７によって調節される。実験の際のパルスエネルギー及びパルス幅は、基本波が１．９ＧＷ、７２μＪ、３８ｆｓ、第２高調波が１．０ＧＷ、７０μＪ、６７ｆｓであった。
【００３３】
そこで、ファイバー２２の入射端におけるパルスのスペクトルを図２に示す。
【００３４】
これらのパルスを個別に導波した場合、ファイバー２２の出射端でのスペクトルは、図３に示すようになり、自己位相変調によるスペクトル広がりが観測されたが、両スペクトルの間の重なりはあまりなかった。二つのパルス間の遅延時間を調整し、両パルスがファイバー２２の終端付近で重なるようにした場合、この装置により、図４に示すように、帯域幅６２０ＴＨｚ（３２５ｎｍ〜１０００ｎｍ）、パルスエネルギー２８μＪの超広帯域光波が発生させられた。
【００３５】
これを図３のスペクトルと比較すると、誘起位相変調の効果によりスペクトルの重なりが、はるかに大きくなっていることが分かる。発生した光パルスの周波数位相を完全に揃えることにより、圧縮を行ったとすると、１．４２ｆｓの光パルスが発生すると計算された。なお、図４におけるパルスの位相を完全に補償したときに得られる圧縮パルス波形を図５に示す。
【００３６】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３８】
誘起位相変調を用いることにより、従来の自己位相変調だけでは困難であった、近紫外光から近赤外光にわたる準線形チャープな超広帯域光波の発生を可能にする効果があり、モノサイクルパルス発生、多波長同期波形整形などに利用できる。
【００３９】
これにより、化学反応制御、新物質創製、分子機能制御、分子診断治療を行うことができる。
【００４０】
また、時間、波長多重、および時間並列制御による光情報・伝送処理、光コンピューターへの利用が考えられるなど、工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す超広帯域光パルス発生装置の光学系の構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示すファイバーの入射端におけるパルスのスペクトル（入射パルススペクトル）を示す図である。
【図３】  自己位相変調のみによる出射パルススペクトルを示す図である。
【図４】  本発明の超広帯域光波発生装置によって得られた出射パルススペクトルを示す図である。
【図５】  図４におけるパルスの位相を完全に補償したときに得られる圧縮パルス波形を示す図である。
【符号の説明】
１    チタンサファイアレーザー増幅システム
２，１３，１４，１８    反射ミラー
３，７，９，１５    スリット
４，２０    凸レンズ
５    凹レンズ
６    非線形光学結晶β−ｂａｒｉｕｍ  ｂｏｒａｔｅ（ＢＢＯ）〔非線形光学物質〕
８，１６    ハーモニックセパレーター（ＨＳ）
１０    リトロリフレクター（ＲＲ）
１１    ポラリゼーションローテーター（ＰＲ）
１２，１７    可変ニュートラルデンシティーフィルター（ＶＮＤ）
１９    ダイクロイックミラー（ＤＭ）
２１    耐圧チャンバー
２２    石英ガラス製中空ファイバー〔非線形光学部材〕
２３    ペリスコープ（ＰＳ）
【図１】
0004070914.tif 000003
【図２】
0004070914.tif 000004
【図３】
0004070914.tif 000005
【図４】
0004070914.tif 000006
【図５】
0004070914.tif 000007