JP3857284B2

JP3857284B2 - 時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム

Info

Publication number: JP3857284B2
Application number: JP2004252755A
Authority: JP
Inventors: 俊夫後藤; 典彦西澤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP2005051257A

Description

本発明は、単一の超短パルス光源と光強度変調器、光ファイバを用いて光の波長が時間に対し周期的に変化する超短パルスを生成する時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムに関するものである。

従来より、これまで超短パルス光は色素レーザーや固体レーザーを用いて生成されてきたが、光学系が大がかり、且つ、複雑で、波長の可変範囲も数十ｎｍと狭いものであった。
なし

また、これまでの波長可変光源は、機械的にミラー等の光学部品を回転させて波長を変化させていたため、高速に波長を変化させることができず、装置が大掛かりであった。

また、波長可変光源等により波長可変した光を周期的に出力することはできるが、ほぼ同時間に波長の異なるソリトンパルスを周期的に出力することはできなかった。

本発明では、上記問題点を除去し、短パルス光源と光強度変調器及び光ファイバに、短パルス光源の出力に同期する発振器を加え、その発振器の出力により光強度変調器を駆動させることにより、任意の時分割周期で波長の異なる多重の超短パルス光を高速に広帯域に渡って変化させることができる時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、短パルス光源と、この短パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し信号を受ける分周器と、この分周器からの出力信号により駆動され、任意の繰り返し波形を生成する発振器と、この発振器の出力によって駆動され、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる光強度変調器と、この光強度変調器から入射される入射パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される光ファイバとを具備し、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力する時分割波長多重パルス光源と、このパルス光源から出力される短パルス光を導入する被測定対象物と、この被測定対象物を評価する装置を具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を一つの受光器を用いて測定し、信号を時分割に測定することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を波長によって分離し、それぞれの信号を測定することを特徴とする。

〔４〕時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、短パルス光源と、この短パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し信号を受ける分周器と、この分周器からの出力信号により駆動され、任意の繰り返し波形を生成する発振器と、この発振器の出力によって駆動され、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる光強度変調器と、この光強度変調器から入射パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される光ファイバとを備え、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力するとともに、可搬型に組み立てる時分割波長多重パルス光源と、このパルス光源から出力される短パルス光を導入する被測定対象物と、この被測定対象物を評価する装置を具備することを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を一つの受光器を用いて測定し、信号を時分割に測定することを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を波長によって分離し、それぞれの信号を測定することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕又は〔４〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記短パルス光源がフェムト秒ファイバレーザであることを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕又は〔４〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記光ファイバが定偏波ファイバであることを特徴とする。

〔９〕上記〔８〕記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、入射光の偏光方向を定偏波ファイバの複屈折軸から傾け、同時に異なる２波長のパルスを生成することを特徴とする。

上記のように構成したので、
（Ａ）単一のファイバから高速に波長の変化する超短パルス光を出力することができる。
（Ｂ）パルス光の波長を広帯域に、時間に対し周期的に可変することができる。
（Ｃ）コンパクトなシステムで、理想的なソリトンパルスを広帯域に渡って出力することができる。

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。

（Ａ）時分割波長多重パルス光発生装置（光源）では、光の波長が光の強度に依存して変化するため、光の強度を変調することによって、超短パルス光の波長を高速に広帯域に渡って変化させることができる。

また、生成されるパルス光は理想的なソリトンパルスになる。

（Ｂ）本発明の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムによって、分光計測や波長に依存する各種光計測を高速に簡便な系で行うことが可能となる。

本発明の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムは、短パルス光源と、この短パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し信号を受ける分周器と、この分周器からの出力信号により駆動され、任意の繰り返し波形を生成する発振器と、この発振器の出力によって駆動され、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる光強度変調器と、この光強度変調器から入射される入射パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される光ファイバとを具備し、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力する時分割波長多重パルス光源と、このパルス光源から出力される短パルス光を導入する被測定対象物と、この被測定対象物を評価する装置を具備する。よって、分光計測や波長に依存する各種光計測を高速に簡便な系で行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す時分割波長多重光源の構成図である。

この図に示すように、ｆｓ（フェムト秒）ファイバレーザー１から出力される短パルス光を、光特性調整器である光強度変調器２に通す。また、ｆｓファイバレーザー１から出力されるパルス光の繰り返し信号３を分周器４に通し、この分周器４からの信号で発振器５を駆動し、任意の繰り返し波形を生成する。この発振器５の出力で光強度変調器２を駆動し、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる。なお、７は光ファイバ、８は波長フィルタである。

一方、光ファイバ７においては、パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される。

図２はその光ファイバの出力を表しており、横軸は時間を、縦軸は光波長及び光強度を表している。

この図から明らかなように、周期的に波長が変化した綺麗なソリトンパルス（波長１〜波長４）が等間隔に繰り返し出力されている。

従って、光ファイバ７の出力において、周期的に波長の変化するソリトンを得ることができる。その際、光ファイバ７の出力には、ソリトンパルスに変換されなかった励起パルスも出力されるが、波長フィルタ８を用いてそれらの成分を取り除き、ソリトンパルスのみを生成することができる。

次に、図３は本発明の実施例を示す発振器出力の時間変化とそれに伴うソリトンパルスの波長の時間変化を示す図であり、図３（ａ）は発振器出力が鋸歯状波としたとき、図３（ｂ）は階段状に変化する信号としたときを示している。

発振器５の出力によって、光強度変調器２を駆動するため、ソリトンパルスの波長も発振器５の出力に応じて変化する。そのため、発振器５から鋸歯状波を出力すれば、図３（ａ）に示すように、鋸歯状波に波長が変化するソリトンパルスを、また、階段状に変化する信号を利用すれば、図３（ｂ）に示すように、階段状に波長が変化するソリトンパルスを出力することができる。

この第１実施例では、短パルス光源（ｆｓファイバレーザー）１と、この短パルス光源１の出力の繰り返し周波数に同期する発振器５と、この発振器５の出力によって駆動され、この短パルス光源１からの出力を変調する光強度変調器２と、この光強度変調器２から入射パルスが入射されるとともに、出力パルスの波長を変化させる光ファイバ７とを具備し、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力する。

なお、例えば、上記光ファイバ７としては、定偏波光ファイバを用いる。

この場合、入射光の偏光方向をこの定偏波光ファイバの複屈折軸から傾け、同時に異なる２波長のパルスを生成するようにする。

更に、短パルス光源（ｆｓファイバレーザー）１と、この短パルス光源１の出力の繰り返し周波数に同期する発振器５と、この発振器５の出力によって駆動され、この短パルス光源１からの出力を変調する光強度変調器２と、この光強度変調器２から入射パルスが入射されるとともに、出力パルスの波長を変化させる光ファイバ７とを備え、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力するとともに、可搬型に組み立てるようにした。

更に、前記光ファイバは定偏波光ファイバである。

また、入射光の偏光方向を定偏波ファイバの複屈折軸から傾け、同時に異なる２波長のパルスを生成する。

図４は本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源の出力を光スペクトル観測器を用いて測定した光スペクトルを示す図である。横軸は波長、縦軸はスペクトルの強度を表している。

出力には波長が周期的に高速に変化するパルス光が出力されるため、スペクトル観測器では同時に多波長のスペクトルが観測される。スペクトル波長は綺麗なｓｅｃｈ２型になっている。図では、光ファイバ長が２２０ｍの時に、１．５６μｍ、１．６２５μｍ、１．６７５μｍ、１．７２５μｍの４波長において、時分割波長多重パルス光が生成されている。これまで最大１．５６〜２．０３μｍまでの波長シフトが観測されている。

図５は本発明の実施例を示すソリトンパルスの自己相関波形を示す図である。

この図において、生成されるソリトンパルスの時間波形は、台座のない、理想的なｓｅｃｈ２型になっている。時間波形は安定に観測される。光ファイバ長が２２０ｍの時に、自己相関波形の時間幅は４３０ｆｓであった。このとき、時間波形の幅は２８０ｆｓと見積もられる。

図６は本発明の第２実施例を示す２波長時分割多重多波長パルス光生成システムの構成図である。なお、この実施例において、上記実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

この実施例において、光ファイバとして定偏波光ファイバ１１を用いる。定偏波光ファイバ１１の複屈折軸に対して、偏光方向を傾けてパルス光を入射すると、二つの偏光成分がそれぞれ同時にソリトンパルスを生成するため、出力において２波長のソリトンパルスを得ることができる。この手法と前述の光強度変調器を発振器を用いて変調する手法を組み合わせることによって、時分割波長多重パルス光の波長を更に２倍に増加することができる。なお、ここで、１２は波長フィルタ、１３は偏波光分岐器である。この偏波光分岐器１３において、二つの偏向成分を分離することができる。

次に、上記した時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムについて説明する。

図７は本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源を有する時分割多波長計測システムを示す図（その１）である。なお、この実施例において、上記実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

この図に示すように、図１に示した時分割波長多重パルス光源Ａを用いて、被測定対象物２１の多波長における透過率や反射率の変化を、単一の受光器（フォトダイオード）２２を用いて時分割信号処理部２３とパーソナルコンピュータ２４により時分割で測定する。フォトダイオード２２で受光した信号は増幅後、時分割信号処理部２３で時間的に分割・処理し、各波長について測定する。

図８は本発明の実施例を示す時分割多波長計測システムの信号処理システムを示す図である。

この図において、３１はフォトダイオード、３２は増幅器、３３〜３６はサンプル＆ホールド回路１〜４、３７は制御信号生成器、３８はパーソナルコンピュータである。

図８に示すように、時分割波長多重パルス光をフォトダイオード３１で受信し、増幅器３２を用いて増幅する。また、発振器出力信号を用いてサンプル＆ホールド回路３３〜３６を制御するための信号を制御信号生成器３７において生成し、波長１のパルス光を受光した時にはサンプル＆ホールド回路３３（回路１）で信号を保持し、また、波長２のパルス光を受光した時にはサンプル＆ホールド回路３４（回路２）で信号を保持する。このように、それぞれの波長の信号をサンプル＆ホールド回路３３〜３６で保持した後、パーソナルコンピュータ３８に取り込み、各波長の信号をそれぞれ同時に計測する。

図９は本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光を用いた気体中における原子・分子に対する時分割多波長分光計測の測定結果を示す図である。横軸は時間、縦軸は透過光強度を示している。透過光強度の変化は、各原子・分子密度の変化に対応している。

この図から明らかなように、時間の変化に対する媒質の透過光強度の変化を多波長において同時に測定することができる。このような多波長における分光計測は、これまで単一の光学系で行うことができなかった。

図１０は本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源を有する多波長分光計測システムを示す図（その２）である。なお、この実施例において、上記実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

図１０において、時分割波長多重パルス光源Ａからの出力を被測定対象物２１に入射し、回折格子４１や波長フィルタで各波長成分ごとに分離し、受光し、増幅器４２で増幅後、信号処理部４３を介してパーソナルコンピュータ４４に取り込む。

上記のように、本発明によれば、
（１）単一のシステムで多波長の超短パルス光を用いた計測を時分割で同時に行うことができる。
（２）コンパクトなシステムで、超短パルス光を用いた多波長計測を広帯域に行うことができる。
（３）理想的なソリトンパルスを生成することができる。

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。

本発明の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムは、分光計測や波長に依存する各種光計測に好適である。

本発明の第１実施例を示す時分割波長多重光源の構成図である。本発明の実施例を示す時分割波長多重光源のソリトンパルスを示す図である。本発明の実施例を示す発振器出力の時間変化とそれに伴うソリトンパルスの波長の時間変化を示す図である。本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源の出力を光スペクトル観測器を用いて測定した光スペクトルを示す図である。本発明の実施例を示すソリトンパルスの自己相関波形を示す図である。本発明の第２実施例を示す２波長時分割多重多波長パルス光生成システムの構成図である。本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源を有する時分割多波長計測システムを示す図（その１）である。本発明の実施例を示す時分割多波長計測システムの信号処理システムを示す図である。本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光を用いた気体中における原子・分子に対する時分割多波長分光計測の測定結果を示す図である。本発明の実施例を示す時分割波長多重パルス光源を有する多波長分光計測システムを示す図（その２）である。

符号の説明

１短パルス光源〔ｆｓ（フェムト秒）ファイバレーザー〕
２光強度変調器（光特性調整器）
３パルス光の繰り返し信号
４分周器
５発振器
７光ファイバ
８，１２波長フィルタ
１１定偏波光ファイバ
１３偏波光分岐器
２１被測定対象物
２２単一の受光器（フォトダイオード）
２３時分割信号処理部
２４，３８，４４パーソナルコンピュータ
３１フォトダイオード
３２，４２増幅器
３３〜３６サンプル＆ホールド回路
３７制御信号生成器
４１回折格子
４３信号処理部

Claims

（ａ）短パルス光源と、該短パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し信号を受ける分周器と、該分周器からの出力信号により駆動され、任意の繰り返し波形を生成する発振器と、該発振器の出力によって駆動され、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる光強度変調器と、該光強度変調器から入射される入射パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される光ファイバとを具備し、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力する時分割波長多重パルス光源と、
（ｂ）該パルス光源から出力される短パルス光を導入する被測定対象物と、
（ｃ）該被測定対象物を評価する装置を具備することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項１記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を一つの受光器を用いて測定し、信号を時分割に測定することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項１記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を波長によって分離し、それぞれの信号を測定することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
（ａ）短パルス光源と、該短パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し信号を受ける分周器と、該分周器からの出力信号により駆動され、任意の繰り返し波形を生成する発振器と、該発振器の出力によって駆動され、透過光の強度を時間に対し周期的に変化させる光強度変調器と、該光強度変調器から入射パルス光の強度に対し、ほぼ線形に波長のシフトしたソリトンパルスが生成される光ファイバとを備え、時間に対し周期的に波長の変化するパルス光を出力するとともに、可搬型に組み立てる時分割波長多重パルス光源と、
（ｂ）該パルス光源から出力される短パルス光を導入する被測定対象物と、
（ｃ）該被測定対象物を評価する装置を具備することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項４記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を一つの受光器を用いて測定し、信号を時分割に測定することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項４記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記被測定対象物からの出力光を波長によって分離し、それぞれの信号を測定することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項１又は４記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記短パルス光源がフェムト秒ファイバレーザであることを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項１又は４記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、前記光ファイバが定偏波ファイバであることを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。
請求項８記載の時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システムにおいて、入射光の偏光方向を定偏波ファイバの複屈折軸から傾け、同時に異なる２波長のパルスを生成することを特徴とする時分割波長多重パルス光源を有する多波長計測システム。