JP2003043531A - 広帯域波長可変レーザ光発生装置 - Google Patents

広帯域波長可変レーザ光発生装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリカ（ガラス）ファイバの非線形光学効果
を利用した近赤外領域で広帯域に波長可変なレーザ光源
であって、従来の波長可変レーザでは容易に達成できな
かった超広帯域の波長可変性を有し、かつ、全波長領域
を単一の波長選択素子の簡便な機械的操作によって連続
掃引可能であり、出射方向が波長によらず一定のコヒー
レント光を発生させる広帯域波長可変レーザ光発生装置
を提供する。 【解決手段】 シリカ光ファイバ８の非線形光学効果を
利用した近赤外領域で広帯域に波長可変なレーザ光源で
あって、超広帯域の波長可変性を有し、かつ単一波長選
択素子１０によって全波長領域を掃引可能なコヒーレン
ト光を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、広帯域波長可変レ
ーザ光発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】分光学をはじめとする光学一般および光
通信の領域では、広帯域で波長可変性を有する光源が渇
望されてきた。なお、「広帯域」の定義には任意性があ
るが、ここでいう「広帯域」とは、分光、光通信で重要
な８００〜１８００ｎｍをさす。最も一般的な広帯域波
長可変光源としては、ランプなどが利用されてきたが、
１ｎｍあたり高々数１０μＷの光強度しか得ることがで
きず、しかも収束性が極めて乏しい。これは光発生がイ
ンコヒーレントであること、および分光器の耐性も含め
た装置構成上の物理的制約が原因である。
【０００３】このほかに、同じ動機から波長可変性を持
つコヒーレント光源としてのレーザが幾多開発され、一
部が実用に供されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のレーザでは、代表的なチタンサファイアレーザ
でさえ、連続波長可変帯域幅は高々３００ｎｍである。
一方、パラメトリック発振レーザ（ＯＰＯ）は、紫外線
から赤外線まで可変であるものの、マクロな大きさの光
学結晶において非線形効果を発生させるため、きわめて
強力なポンプ光が必要となるほか、ポンプ光縮退領域で
は波長掃引ができない、発振線幅が太い（１ｎｍ以
上）、波長掃引に伴って出射方向がずれる、波長掃引法
が特殊であるなどの問題がある。
【０００５】一方、光ファイバ媒体を用いたレーザが、
すでに一部波長可変ラマンレーザとして市販されてい
る。ファイバによる３次の非線形効果を利用した波長可
変特性の文献値を総合すると、市販品では１０７３〜１
６００ｎｍを走査できる能力があることが予想される
が、実際には可変幅が１００ｎｍ以内であったり、単一
の波長を指定させるものであったり、潜在的な波長可変
性が活かされていない。
【０００６】また、誘導ラマン散乱による限り低エネル
ギー光（ストークス光ないしはダウンコンバート光）発
生が主であり、ポンプ光縮退部分と高エネルギー側での
光発生（アンチストークス光）および波長の同調は不可
能であるとする先入観があった。
【０００７】本発明は、上記状況を鑑みて、シリカ（ガ
ラス）ファイバの非線形光学効果を利用した近赤外領域
で広帯域に波長可変なレーザ光源であって、従来の波長
可変レーザでは容易に達成できなかった超広帯域の波長
可変性を有し、出射ビームの指向性が波長に存在せず、
かつ、単一の波長選択素子の単純な機械的操作のみによ
って全波長領域を掃引可能なコヒーレント光を発生させ
る広帯域波長可変レーザ光発生装置を提供することを目
的とする。
【０００８】
【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〕複屈折性を有するシリカ光ファイバをゲイン媒質
とし、同ファイバにおける非線形光学効果（誘導ラマン
散乱、誘導パラメントリック４光波混合）を利用する。
【０００９】〔２〕カットオフ波長より短い発振波長の
パルスレーザをポンプ光とすることでポンプ光近辺の縮
退領域およびポンプ光波長の短波長（アンチストークス
光）・長波長（ストークス光）両側に連続なゲインスペ
クトルを発生させる。
【００１０】〔３〕広帯域に波長可変な単一の波長選択
素子として回析格子を利用する。
【００１１】〔４〕ファイバ端からレーザ光を発生させ
る共線的出射配置とする。
【００１２】〔５〕光をファイバに２度通過させること
で、パルス同期調整などを必要とせずにレーザゲインを
得る。
【００１３】本発明による８００〜１８００ｎｍの波長
可変範囲は、エネルギースケールで実に２１０ＴＨｚに
および、これほど広帯域でかつ波長選択が容易、出射方
向が共線的、装置構成が簡単な波長可変光源（レーザ）
は他に例を見ない。
【００１４】ここで、共線的とは、ファイバの端からレ
ーザ光が出射出するため、発振域のいかなる波長の光で
あっても空間的にいつも同じ方向に出射する単一指向性
をもつという意味である。結晶を利用したレーザでは波
長掃引とともに出射方向が変化してしまう場合が多く、
これを修正するための補償用結晶を導入する必要がある
ことから、構造・操作が複雑化し、かつ実際には完全に
は共線的ではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【００１６】図１は本発明の実施例を示す広帯域波長可
変レーザ光発生装置の模式図、図２は本発明の実施例を
示す波長可変特性図であり、横軸は発振波長（ｎｍ）、
縦軸は相対光出力強度（ｄＢ）を示している。図３は単
一波長選択の具体的な例であり、横軸は波長（ｎｍ）、
縦軸は相対光出力強度（任意目盛）を示すとともに、表
示を見やすくするために３つの波長選択の実施例を縦軸
方向にずらして描いている。左端のピークは参照用のポ
ンプレーザ光である。
【００１７】図１において、１はポンプ用パルスレー
ザ、２はポンプ用パルスレーザ１の偏光の方向、３は偏
光ビームスプリッタ、４は４分の１波長板、５は４分の
１波長板４により発生する円偏光の方向、６は出力結合
用半透鏡、７，９は集光・コリメートレンズ、８はゲイ
ン媒質のシリカ光ファイバ、１０は単一波長選択素子で
ある回析格子である。
【００１８】偏光ビームスプリッタ３と４分の１波長板
４は、ポンプ用パルスレーザ１へのポンプ戻り光を除去
するためのアイソレータを構成するが、これらを同一性
能を有する光素子によって置換してもよい。さらに、偏
光ビームスプリッタ３と４分の１波長板４を除去しても
本発明にかかる広帯域波長可変レーザ光発生特性には影
響はない。
【００１９】ポンプ用パルスレーザ（発振波長１０６４
ｎｍ）１より出射されるパルス光（Ｑスイッチ乃至モー
ドロック方式のパルスレーザで高出力パルス光を発生さ
せることができるもの、より好適には１ｋＷ以上の出力
強度であり、発振波長は１０６４ｎｍのほかシングルモ
ードシリカ光ファイバ８のカットオフ波長より１０〜２
０％程度短ければそれでよい）は、出力結合用半透鏡６
を通過し、集光・コリメートレンズ７を介してゲイン媒
質であるシリカ光ファイバ８に入射する。
【００２０】このシリカ光ファイバ８に関しては、複屈
折特性を有するシングルモードファイバでカットオフ波
長が１１００ｎｍ〜１３００ｎｍ、長さは１００ｍ〜４
００ｍとする。偏波保存ファイバではファイバ長をより
短くすることができ、またシングルモードでなくても、
５０，６２，５ミクロンコア径の通信用屈折率勾配型マ
ルチモードファイバであっても、出力光強度特性がシン
グルモードファイバとは異なることを別にすれば、本目
的のために使用できる。
【００２１】シリカ光ファイバ８を伝播する間に、ガラ
スの持つ非線形光学効果によって誘導ラマン散乱と誘導
パラメトリック４波混合が生じ、前者の位相整合はフォ
ノンの分散によって自動的に調節され、後者の場合には
カットオフ波長を下回る波長における導波路のモード分
散によって補償される。
【００２２】シリカ光ファイバ８のもう一方の端から出
射した光は、集光・コリメートレンズ９を通してコリメ
ート光に変換されて回析格子１０に入射し、１次回析光
のみが選択的にシリカ光ファイバ８に帰還される。回析
格子（単一波長選択素子）１０は帰還効率を高く取るた
めに、使用波長帯で高反射率を維持できることが好まし
い。
【００２３】具体的には８３０〜１０００ｎｍブレーズ
波長、６００〜１２００本／ｍｍ、１０×１０ｍｍ2 〜
２５×２５ｍｍ2 、金乃至アルミニウムコートで良好な
結果が得られる。もしくは、狭線幅の帯域通過フィルタ
と全反射ミラーの組合せでもよい。
【００２４】帰還された特定波長の光は、ファイバを逆
に伝播する間に２回通過によるゲインを得ることで増幅
され、最初に入射したファイバの端から出射し、集光・
コリメートレンズ７を通ってコリメート光に変換され、
出力結合用半透鏡６によって出力光線となる。出射方向
は波長によらず一定の方向、すなわち共線的となる。
【００２５】出力結合用半透鏡６の反射率は原理的に５
０％で最も高い出力が得られるが、１０〜５０％でもよ
い。
【００２６】図２における光出力の実測値は、１１７８
ｎｍで３ｍＷであり、これによって規格化した相対強度
が示されている。本発明にかかるレーザの絶対出力は、
ポンプ強度にほぼ比例して増加させることが可能であ
る。
【００２７】図３では、単一波長選択特性が示されてお
り、上記の装置構成において１ｎｍ以下の線幅（半値全
幅）が得られ、帰還に用いる回析格子の刻線密度に反比
例して線幅をさらに狭帯域化することも可能である。
【００２８】なお、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。
【００２９】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、広帯域で波長可変なレーザ光発生装置（コヒー
レント光源）を構築することができる。８００〜１８７
５ｎｍの波長可変域は極めて利用範囲が広く、固体を始
めとするスペクトロスコピーの励起光源として即時利用
が可能であり、また、光通信において重要である波長帯
の８３０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１４８０ｎｍ、１５００
〜１６００ｎｍをすべてカバーしている。特に、後者の
場合、光源をファイバに結合する効率が重要となるが、
レーザ光がファイバ自身から出射されるため、空間ビー
ムの結合に比べて２倍程度結合効率が上昇し、かつ、保
安上も散乱による漏れがなくなり好都合である。
【００３０】また、パラメトリック発振器（ＯＰＯ）に
比べて装置構成が簡単であり、光出射が波長によらず共
線的であり、かつ波長選択も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す広帯域波長可変レーザ光
発生装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す波長可変特性図である。
【図３】本発明の実施例を示す単一波長の選択図であ
る。
【符号の説明】
１ ポンプ用パルスレーザ ２ レーザの偏光方向 ３ 偏光ビームスプリッタ ４ ４分の１波長板 ５ ４分の１波長板により発生する円偏光の方向 ６ 出力結合用半透鏡 ７，９ 集光・コリメートレンズ ８ シリカ光ファイバ １０ 回折格子（単一波長選択素子）

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリカ光ファイバ非線形光学効果を利用
    した近赤外領域で広帯域に波長可変なレーザ光源であっ
    て、超広帯域の波長可変性を有し、かつ単一の波長選択
    素子によって全波長領域を掃引可能な、共線的な出射指
    向性をもつコヒーレント光を発生させることを特徴とす
    る広帯域波長可変レーザ光発生装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の広帯域波長可変レーザ光
    発生装置において、前記超広帯域の波長可変性が８００
    ｎｍ〜１８７５ｎｍであることを特徴とする広帯域波長
    可変レーザ光発生装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の広帯域波長可変レーザ光
    発生装置において、前記シリカ光ファイバは複屈折の残
    存するカットオフ波長が好適には１１００〜１３００ｎ
    ｍである単一モードファイバであって、カットオフ波長
    とごく近い短波長のパルスレーザ光源をポンプ光として
    前記ファイバの端面に入力結合させることにより、誘導
    ラマン散乱、誘導パラメトリック４光波混合を単一のフ
    ァイバで発生させ、ポンプ光の短・長波長両側に連続な
    ゲインスペクトルを得て、その結果として超広帯域の波
    長可変性を得ることを特徴とする広帯域波長可変レーザ
    光発生装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の広帯域波長可変レーザ光
    発生装置において、ポンプ光付近の縮退領域まで完全に
    連続な波長可変性を有することを特徴とする広帯域波長
    可変レーザ光発生装置。
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