JP4053619B2 - 高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短光パルスのチャープパルス増幅装置の技術分野に属し、特に、クラッドが励起されたファイバーを使用する高出力なチャープパルス増幅と、そのコンプレッサーとに関する。
【0002】
【従来の技術】
希土類でドーブされた単一モードのファイバーは、1985年にはじめて製造されて以来、最も広く使われている固体レーザーメディア(媒体)となった。この主な理由は明らかで、1987年にすでに示されたこのメディアの長距離通信装置のための光学増幅器としてのすぐれた性能にある。希土類ドープ・ファイバーは、また、より高度な応用例、例えば、革命的な電気通信装置として期待されているソリトン・ベースの通信装置用の増幅器にも使われている。
【0003】
初期には、連続波レーザー源として、これらファイバーの性能を最適化する研究がなされた。希土類ドープ・ファイバーレーザーの連続波を最適化する努力はまた、スニッツァーその他の米国特許4815079に開示されている様に、高出力を得るための簡単なデバイスとしての二重クラッドファイバー構造の提案をも生んだ。
【0004】
二重クラッドファイバー構造では、ポンプ源として低輝度ダイオードアレイが使用でき、ポンプ光は、ファイバーの芯(コア)でなくて、クラッドの中へ入射される。かくして、マルチモードのダイオードレーザーから単一モードのファイバーレーザーへの輝度変換が高効率で達成されている。クラッドポンプのファイバーレーザーのたった1つの短所は、コア寸法対クラッド寸法の比率により有効吸収(effective absorption)が減少することで、この有効吸収は通常1:100程度の減少比である。したがって、(二重クラッドファイバー構造で)高効率なファイバーレーザーを作るためには、単一クラッドのファイバー構造の100倍の長さのファイバーを使わねばならない。
【0005】
前記の応用例のいずれにおいても、単一モードの希土類ドープ・ファイバーから高エネルギーで高ピークパワーのパルスを引き出すということについては、考慮されていない。これらの従来技術にあっては、レーザー信号は連続波である。その他の従来技術のクラッドポンプ装置は、数pJのエネルギーの数10ピコセカンドの幅をもった信号を増幅するものである(例えば、ソリトン通信装置等)。
【0006】
しかしながら、非線形の光学的応用のための実用的な光源としてファイバーレーザーを考える場合、これらの連続波や準連続波装置が発生するパワーレベルは不充分である。たとえば、典型的な高効率光学的パラメーター発振器には、パルスエネルギー約10nJのサブピコセカンドのパルスが必要である。かくして、これらの増幅器の長さの故に、広い範囲の「許容できない非線形効果」が生じ、また、1kWをこえるピークパワーをもったパルスの入手が妨げられる。それゆえ、二重クラッドポンプファイバーレーザーをその様な装置に導入すると、作動に悪影響が出る。
【0007】
それでも、超高速技術を実用化するためには、小型で一体型のユニットにより、超短(フェムトセカンドからピコセカンド)で高エネルギー(ナノジュールからマイクロジュール)で平均パワーの高い(100mW〜1W)パルスを発生させることが、キーテクノロジーとして肝要である。さらに、商業的に成功するには、この様なデバイスは、比較的低コストで量産に適しておらねばならず、しかも頑丈なものでなければならない。
【0008】
以上の特性を実現するために、超短光パルスのファイバーレーザーと小型半導体とが開発されている。さらに、これらのデバイスを作動させるために、超短パルス発生技術その他の技術が開発された。たとえば、放出波長の高速チューニング、ゲインースイッチングまたはモードロッキングを使い、半導体レーザーダイオードから、ピコセカンドやフェムトセカンドのパルスを発生させることができる。ただし今のところでは、ファイバーレーザーからのフェムトセカンドおよびピコセカンドのパルスの発生は、モードロッキングによってのみ可能である。
【0009】
ハイブリッド(上記技術の複合)のアプローチもまた可能である。その場合、まず高速チューニングまたはゲインスイッチされたレーザーダイオードで、先ず長いパルスを発生させ、次にそれを、光ファイバーまたはファイバー増幅器を使ってソリトン効果により、短くしている。
従来技術としての前述の技術開発については、次の複数の文献(1〜5)に報告されている。
1. A.ガルバナスカス他による「ダイオードレーザーおよびファイバーベース装置によるナノジュールエネレギーのフェムトセカンド光パルスの発生」、アプライド・フィジックスレター、1993年9月27日。
2. N.ステルマクその他による「Q−スイッチされた連続波入射のAlGaAsレーザーからの超短パルス発生」、同誌1991年8月5日。
3. P.デルフィットその他による「ハイブリッドモードロックされた半導体ダイオードレーザー/増幅器装置による200fs光パルスの発生とキャビティー中パルス進化」、オプティックス、1992年5月1日。
4. M.ファーマンによる「単一モード希土類ドープファイバーにもとづく超短パルス源」、アプライド・フィジックス、1993年6月21日。
5. M.ナカザワ他による「配分フィードバックレーザーダイオードによるフェムトセカンド光パルス発生」、エレクトロニックスレターズ、1990年11月20日。
【0010】
前記の方法でこれらのデバイスを作動させると超短パルスは出るが、しかし、多くの実用的応用には、前記の方法によるよりもさらに高いエネルギーと平均パワーをもったパルスが必要である。一般に、半導体レーザー源の最高パワーとパルスエネルギーは、非線形効果、ゲイン飽和および「致命損傷(catastrophic damage)の低い限界値」により、約10mW〜100pJに制限されている。それに反して、ファイバーはマイクロジュールに達するパルスエネルギーと1Wをこえる平均パワーが出せる。しかしながら、モードロックされたファイバーレーザーは特定の条件範囲で、非線形効果に依存するので、限定されたパルスエネルギー(100pJ〜1nJ)および、比較的低い平均パワー(100mW以下)に制限される。ファイバー中でのフェムトセカンドおよびピコセカンドパルスの直接的な増幅も非線形効果の限界値が低いので、約1nJ以下に制限される。
【0011】
チャープパルス増幅(CPA)技術にファイバー増幅器を利用すれば、前述の低いエネルギーおよびパワーの問題を解決できる可能性がある。ファイバー増幅器でのチャープパルス増幅によれば、小型のファイバーおよびレーザーダイオード源のパルスエネルギーおよび平均パワーのレベルを、現在の多くの大型科学レーザーのレベルに引き上げることができる。
【0012】
チャープパルス増幅(CPA)法では、超短パルスが伸長されて増幅されたのち、最終的に伝送の前に再圧縮される。すると、比較的長い持続時間のパルスを伸長することにより、増幅器内でのピークパワーが比較的低く保たれるので、非線形効果とパルスの崩壊とを防ぐことができる。
しかし、光ファイバーとファイバー増幅器の物性のために、ファイバー内でのチャープパルス増幅の実施については、いくつかの解決せねばならぬ問題や制限がある。すなわち、高ピークパワーで生じる非線形効果、ASEで制限されるゲイン、ゲイン幅減少効果による再圧縮された時間の増大、限定されたポンプパワーによる出力パワーの制限、小型コンプレッサー(圧縮器)とストレッチャー(伸長器)との組合せによるパルスの初期時間への再圧縮などの問題や制限である。
【0013】
本発明の発明者らは、以前にも10〜100mWの平均出力パワーで、マイクロジュールのピコセカンドとフェムトセカンドの光パルスのエネルギー増幅にファイバー増幅器つきチャープパルス増幅法を応用した。この研究に関しては、次の文献(6〜7)に記載されている。
6. A.ガルバナスカス、M.E.ファーマン、P.ブリクスト、A.テレクセンおよびD.ハーターによる「高エネルギー超短パルスのハイブリッドダイオード・レーザーファイバー増幅器源」、オプティックスレター19、1043(1994年)。
7. A.ガルバナスカスによる「小型超高出力レーザー装置」、レーザーおよびその応用に関する光学技術協会コンファレンス( Int. Soc. of Optical Engineering conf. on Lasers and Appl.) OE LASE 94, サンノゼ、1995年、原稿番号2377−14。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
高エネルギーパルスを得るための主な方法は、光学ゲートを増幅段の間で使って60dB以上の高ゲインを得ることにあった。パルスは、バルク式コンプレッサーおよびストレッチャーを使って伸長され、再圧縮される。
高パワー超短パルス技術の実施の技術的課題は、ファイバー増幅器の高エネルギーと高パワーの間にトレードオフ関係があること、そしてこれら2つに関する制限が異なることでよく理解できる。
【0015】
エネルギー増幅器はポンプパワーに反して、収容されているエネルギーを効率よく引出す様に設計されている。高パルスエネルギーに高ポンプパワーは必要でない。事実、低い反復率を使って増幅されたパルスの平均出力パワーを犠牲にすることで最高増幅ゲインは保つことができる。これに反して、高パワーの増幅出力をうるためには、ポンプ光の高パワー化と高いパルス反復率での効率のよいパワー抽出が必要である。
【0016】
そこで本発明は、ファイバーチャープパルス増幅により、装置全体の小型サイズと低コストとを維持しながら、100mW〜10Wレベルの高い平均出力パワーを達成する高出力チャープパルス増幅装置を提供することを、解決すべき課題とする。また本発明は、上記高出力チャープパルス増幅装置に使用して好適なコンプレッサーを提供することをも、併せて解決すべき課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明による解決手段としての装置では、ポンプ用としてマルチモードのダイオードーレーザーを使用しており、クラッドポンプされたファイバーを用いたチャープパルス増幅によって高パワーの出力が達成される。その結果、本発明の高出力チャープパルス増幅装置によれば、高いポンプパワーと高出力パワーとをかなり低コストで得ることができる。本明細書および添付の図面に開示され特許請求されている新規装置は、増幅された光パルスの短い持続時間と品質を保ちながら、クラッドポンプファイバー増幅器のチャープパルス増幅装置との適切な統合を実現するものである。
【0018】
さらに、本明細書等に開示されている実施例は、パルス圧縮のためのハイブリッドファイバー格子と回折格子の組合せを、増幅され再圧縮された超短光パルスの最高ピークパワーを犠牲にすることなく、小型な装置で実現することを示している。以下の実施例には、高パワーレーザーパルスのための高パワーアンプとして二重クラッドファイバー構造の使用を可能にする装置デザインが開示されている。これらの実施例には、いくつかのチャープパルス増幅技術の誘導形式を利用している。
【0019】
すなわち、例えばチャープ・ファイバー・ブラッグ格子(chirped fiber Bragg gratings)を使用するなどして、超短光パルスは、二重クラッド増幅器での増幅に先立って長い「時間的長さ」に分散的に伸長されている。これによって、二重クラッド増幅器内でのピークパワーは低く抑えられており、カー型の非線形性も最小に抑制されている。そして、最初のもの(格子)と反対にチャープされているチャープファイバーブラッグ格子の中で、パルスを再圧縮することで元のパルス幅が復元される。
【0020】
その結果、二重クラッドファイバー構造の高連続波パワー能力は単一モードファイバーの高エネルギー収容能力と組合され、超高ピークパワーおよび超高パルスエネルギーのパルスが、今までにない簡単さで発生される。ここに開示されている本発明の技術は、例えば前記のスニッツァーその他の特許に示されている偏心コア(オフセンターコア)のように特殊なファイバーデザインを、必要とはしていない。本発明の装置では、ファイバーコアは、従来の様にクラッドの中央に置かれていてかまわない。例えば、ポンプ光の導波路として、シリコンゴムなどの低い指数(屈折率)の材料でファイバークラッドを包んでおきさえすればよい。この様なファイバーデザインには、光ファイバー用のアクリレートコートが出現する以前から広く使われていた、低指数(低屈折率)のコートを有する従来のファイバーも含まれている。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサーの実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例等で明確かつ充分に説明する。
〔実施例1および実施例2〕
(二重クラッドファイバー)
先ず、本発明の実施例1としての高出力チャープパルス増幅装置に使用する二重クラッドファイバーについて説明する。
【0022】
図1に、本発明の実施に適する二重クラッドファイバーが示されている。図1に示されているのファイバーは、開口数(Numerical Aperture)の小さい小径をもつ単一モード中央コアC1で芯が形成されている。そして単一モード中央コアC1は、それより大きなマルチモードのコアC2(より大きな開口数のもの)で周囲をとりかこまれている。マルチモード・コアC2は、さらにその周囲を第2のクラッドC3で囲まれており、この第2のクラッドC3の周囲はファイバーコートC4で囲まれている。したがって、マルチモード・コアC2は、単一モードコアC1内に信号を留めておく(逃がさない)ためのクラッディングと、伝搬するポンプ光のためのマルチモード導波路との両方の役割を果たす。一般に、この様なファイバーの断面は、完全に軸対称であってもよいし、前記のスニッツァーその他の特許にあるように何らかの非対称が入ったものでもよい。
【0023】
しかしながら、前述のように非対称性は中央コアのポンプ吸収を強めるために有用ではあるが、本発明者らは、本発明の装置によれば対称なファイバーでも同様の結果が得られることを実験的に発見している。
(従来技術によるポンプおよび増幅器)
連続波装置(CWシステム)においては、二重クラッドファイバーが低輝度ポンプビームを高輝度ビームに変換するために使われてきた。
【0024】
このコンセプトは、図2(a)と図2(b)とに対照的に図示されている。
すなわち、図2(a)に示すように、単一立体モードのポンプダイオード200の出力(単一モードポンプビームSB)は、単一モードファイバー205に結合(カップリング)される。単一モードファイバー205には、単一モードコア210と単一クラッド215とが含まれている。単一モードファイバー205は、その両端で二色性ミラー220によって仕切られている。このような仕組の難点は低いポンプ力の他にもあり、単一モードレーザーダイオード200の出力SBの非対称性と大きな開口数とが、軸対称の低開口数ファイバーのモードと合致しにくいので、高い結合効率が発揮され難い。
【0025】
一方、上記結合効率の向上は、図2(b)に示すように、二重クラッドファイバー230を使用することにより達成できる。図2(b)の仕組では、単一モードダイオード200(図2(a)参照)の代わりに、レーザーダイオードアレイ225を使用する。ダイオードアレイ225の低輝度ポンプビームLBは、二重クラッドファイバー230に入射する。二重クラッドファイバー230の両端も、二色性ミラー220で仕切られている。二重クラッドファイバー230は、図1の二重クラッドファイバーと同じでよい。
【0026】
さらに、図2(b)の仕組みでは、効率の良いポンプビームLBとマルチモードコアC2との結合(カップリング)は、開口数(N.A.)とポンプビームLBおよびマルチモードコアC2の寸法と合わせることにより達成できる。ポンプビームLBは、中央コアC1中の複数の希土類のイオンにより、ファイバー230に沿って(伝搬するうちに)吸収される。2つの二色性ミラー220は、信号の波長では光線の一部を反射しポンプ波長では光線を透過するので、高パワーで低輝度のポンプビームLBは、連続波(Continuous Wave)の高パワーかつ高輝度の単一空間モードビームSSOに変換される。
【0027】
これに対し、従来の単一モードファイバー増幅器は、ポンプ用と単一波長の両方を単一の横方向モードで伝搬するように設計されている。このためにポンプ源は、効率よい単一モードファイバーコアとの結合に適した高品質円形出力ビーム源のみに絞られる。そのようなビーム源(例えば980nmと1480nmのレーザーダイオードMOPAおよびピグテールレーザーダイオード)は、現在のところ、50mW〜1Wのポンプパワーしか出せない。この単一モード源からの最高ポンプパワーは、レーザーの面(ファセット)の致命的損傷(カタストロフィック・ダメージ)のために制限されてしまう。
【0028】
ここで、既存のマルチストライプ・レーザー・ダイオードアレイおよびバーは、10W以上のポンプ力を提供することができ、単一モードのビーム源よりも価格が1ケタ低廉である。しかしながら、幾何学的サイズが大きい発光面のゆえに、輝度が低いこととビームの非対称性とにより、効率よい単一モードファイバーとの結合が阻害されてしまう。
【0029】
(実施例1,2の高出力チャープパルス増幅装置)
本発明の新規な装置においては、この問題はクラッドポンプファイバーの使用によって克服されている。
図3には、実施例1としての単一パスのパワー増幅による二段クラッドポンプチャープパルス増幅装置が示されている。一方、図4には、実施例2としての二重パス・パワーアンプによる装置が示され、図3と同様な要素には同じ符号がつけられている。二重パス・パワーアンプは、後段からより効率的にパワーを抽出するので好適である。
【0030】
図3および図4に示すように、実施例1および実施例2のそれぞれの増幅装置は、チャープパルス源10、プリアンプ段20、パワーアンプ段30a,30b、およびコンプレッサー40(図3には図示せず)から構成されている。また、図3には、ポンプダイオードアレイ50と光学要素60aとが示されており、両者50,60aは、チャープパルス源10からの光をコア70に焦点を結ばせるとともに、ダイオードアレイ50からの光を第1のクラッド80へ入射させるために使われている。この二重パスの仕組と格子コンプレッサー(図略)とを結合する光学的仕組60bには、図4に示すように、偏光ビームスプリッター90と(1/4)波長板100,110とが含まれている。
【0031】
本発明によるチャープパルス増幅(CPA)装置では、図3および図4に示されているように、光学的フィードバックが既知(公知)の方法でなされている。すなわち、単一ビームを単一モードのコアへ入射し、ポンプビームをマルチモードのクラッドへ入射することで同様の輝度変換が達成され、フェムトセカンドまたはピコセカンドの低パワービームは、高パワーのビームに変換される。
【0032】
その結果、本装置による出力パワーの向上は、従来の単一モード形状のファイバーチャープパルス増幅に比べ、1桁以上である。
〔実施例3〕
(格子について)
たとえば、ダイオードレーザーの高速チューニング、または、超短パルス源からのパルスを一対の回折格子またはチャープブラッグ格子で伸長することで、チャープパルスを直接発生させることができる。パルスは、増幅の後に同様のコンプレッサーで再圧縮される。(コンプレッサーには、)もともと頑丈で高信頼性のチャープパルス増幅用の小型全ファイバー回路が使えるので、チャープブラッグ格子の採用が好適である。ただし、現在のところ、ブラッグ格子は光ファイバー内でしか効率よく使用することができないので、増幅され圧縮されたパルスの最高ピークパワーと格子の長さとの間には、トレードオフ関係がある。増幅の後、伸長されたパルスのピークパワーを低く保つためにはパルス長は充分長くあるべきである。したがって、増幅されたパルスのエネルギーはファイバー格子の長さに関係する。一方、ファイバー格子が長いと圧縮された高ピークパワーのパルスとの相互作用区間が長くなり、あるエネルギーレベル(パルスと格子パラメーターとによって異なるが100nJ〜1μJ程度)では、コンプレッサー自身の非線形効果により得られるパルスエネルギーが制限されてしまう。
【0033】
(実施例3のコンプレッサー)
本発明の実施例3としての好適な光学装置(コンプレッサー)は、図5に示すように、ファイバー格子コンプレッサー510および回折格子コンプレッサー520のハイブリッドの組合せが使われている。増幅され伸長されたパルス500は、まず、ファイバーコンプレッサー(510)の非線形効果の限界以下の時間(約10〜50ps)にファイバー格子コンプレッサー510で予備圧縮(プリコンプレス)される。最終的な圧縮は、比較的短いパルスを圧縮するように設計された極めて小型の回折格子コンプレッサー520により実現される。従来の金属反射格子が、回折格子コンプレッサー520として使用できる。ただし、現在入手できる透過回折格子も、反射格子より小型で頑丈な仕組に使えるので好適である。
【0034】
小型の半導体とファイバーレーザー源からの典型的なパワーは、しばしば10〜100μWのレベルであり、これでは100mW〜1Wの出力パワー域で作動するパワーアンプを飽和するには不充分である。したがって、飽和に達して効率よくパワー抽出をするためには、信号レベルが第二段の入力サイドで1〜10mWになるようにプリアンプが必要となる。しかしながら、1〜50mW高出力パワーを発揮する特定のファイバー発振器が設計されており、このパワーはプリアンプなしでパワーアンプを飽和するのに充分な大きさである。
【0035】
本発明の装置は、連続波(cw)信号ではなく、むしろ反復パルスを増幅するものである。それゆえ、両方の増幅段階で光学格子技術を使わずに自然放出の増幅を抑制するためには、その(反復パルスの)反復率が充分に高い(1〜100MHz)ことが必要である。
〔実施例4および実施例5〕
(実施例4および実施例5の概要)
本発明により、実施例4としてのマルチストライプ・ダイオードで励起されたEr/Ybコドープ(codoped)フィバー増幅器によるチャープパルス増幅装置と、実施例5としてのErドープ・クラッド・ポンプファイバー増幅器による高平均パワーチャープパルス増幅装置とが構成される。これらの装置は、それぞれ図6(実施例4)および図7(実施例5)を参照して、下記のように説明される。ただし、これらの実施例はErドープ・ファイバーについて述べられてはいるが、ここに記述されている本発明は、希土類(例えばNd,Tm,Yb,Pr等)ドープのファイバーのいずれにでも応用することができる。
【0036】
(実施例4の構成と作用)
実施例4は、広い面積のダイオードでポンプされたEr/Ybコドープ二重クラッドファイバーによるピコセカンド・チャープパルス増幅装置である。 発明者らによって考案されたクラッドポンプのピコセカンド・チャープパルス増幅装置の仕組が、実施例4として図6に示されている。本実施例において、増幅ファイバー650の中央コアC1(図1参照)には、ポンプ光Pを効率よく吸収し中央コアC1内で光励起をEr3+イオンに移すために、Yb3+がコドープされている。これにより、大面積のダイオード・レーザーからの高効率ポンプ結合が可能になる。コアのErドープレベルは概ね1000ppmであった。
【0037】
本実施例の特徴は、ポンプ波Pおよび信号波Sを分離/組合せするために、二重クラッドファイバー650の入力端に二色性ミラー655が使われている点である。すなわち、ポンプ光Pを加えるために2つの二色性ミラー655がクラッドポンプ・ファイバー650の一方の端部におかれる。これに対し、従来の単一モードファイバー装置では、ファイバー波長分割マルチプレクサ(Wavelength Division Multiplexer)が使用される。
【0038】
(本実施例の)二重クラッドの場合には、信号光Sが単一モードでありポンプ光Pがマルチモードであるから、標準の波長分割マルチプレクサは使用できない。(ただし、マルチモードのポンプを内側のクラッドへ導き、中央コア内での信号の伝搬を維持する特別設計のマルチモード波長分割マルチプレクサがある。同じ効果を得るために、二色性ミラー以外の方法も使用できる。)
本実施例においては、波長可変(tunable)レーザーダイオード600の放出光Sを直接周波数チャープすることによって、チャープパルスが得られた。この装置は、50〜100mWの平均パワーが得られ、概ね1μJのエネルギーのパルスが得られるように設計された。その二段増幅器の設計により、概ね30dBの大きな信号ゲインと効率よいパワー抽出とが可能になった。
【0039】
第1段増幅器610は、ピグテール・レーザーダイオード630からの波長1.48μmの50mWでポンプされた標準単一モード・Erドープファイバー620を使って組立てられた。第二段パワーアンプ640は、二重パス形式である。100×1μmの光放出面積の1W広域レーザーダイオード(図示せず)が、二色性ミラー655を通して増幅ファイバー650のクラッドに結合されている。(二色性ミラー655では、)波長980nmのポンプ光Pの99%以上が透過され、波長1550nmの信号光Sの98%は反射された。増幅ファイバー650のファイバー長さは5mであった。信号光Sは、二色性ミラー655とその反対側の(増幅ファイバー650の)端部を通して、増幅ファイバー650の中央コア(C1)と結合された。偏光ビームスプリッター690と二つの波長板660,665によって増幅されたビームは、入射ビームから分離され、コンプレッサー670へと送られた。
【0040】
ここで、図6において、波長板660はλ/4デバイスとして示されている。ただし、λ/4−λ/2の配置も使用できる。
コンプレッサー670は回折格子対およびファイバー内チャープブラッグ格子のうちいずれかである。付加的な2つの波長板660,665によりコンプレッサー670から反射されたビームは、装置の出力端へと導かれる。
【0041】
前記の実施例の変形も可能である。たとえば、偏光ビームスプリッター690および波長板(またはファラデー回転子)660,665の仕組は、再入射した光の偏光に影響を与えない(insensitive to polarization)光学アイソレーターで置き換えても良く、置き換えにより仕組みが単純化される。
【0042】
レーザーダイオード600からのパルスのチャープバンド幅は7nmであった。パルスのスペクトルは、増幅ファイバー650のゲインスペクトルの1530nmピークに位置していた。第1段610からの0.5mWの平均パワーは、第二段640を飽和するのに充分であった。
最高出力飽和パワーは、800kHzの反復率で84mWであった。60kHzで、平均パワー60mWでのパルスエネルギーは、0.98μJの最高値に達した。二重パス・クラッドポンプファイバー650の非線型効果の限界(スレッショルド)により、これ以上のパルスエネルギーの増加は制限された。コンプレッサー670を通して50%のパワーが透過した。
【0043】
パワーとパルスエネルギー特性は、A.ガルバナスカスによる「高エネルギー超短パルスのハイブリッドダイオード−レーザーファイバー増幅器源」(オプチックスレター、1994年7月15日)に報告されている、レーザーダイオードMOPAポンプ単一モードファイバー増幅器から得られる特性に近いものであった。
【0044】
本実施例による上記装置の明らかな利点は、パワーアンプのポンプ源のコストが1ケタ低いことである。また、この仕組で使われた1W広域レーザーダイオードは、ほとんど同じコストで、10Wポンプ力以上のはるかに強力なダイオードアレイで置き換えることができる。加えて、この装置の両段ともクラッドポンプ式に設計することもできる。
【0045】
(高出力フェムトセカンド・チャープパルス増幅)
コドープされたファイバーの不利な点は、単一ドープのシリカファイバーに比べて、そのゲインバンド幅と、ポンプからの信号へのパワー変換の効率とが減少することである。さらに、フェムトセカンドのチャープパルス増幅装置でのファイバー増幅器の作動は、狭小バンド幅の信号の増幅よりもはるかに複雑である。広バンド幅フェムトセカンド・パルスの増幅のためのチャープパルス増幅装置は、増幅され再圧縮されたパルスのスペクトル歪みおよび時間歪みを減らすように設計されねばならない。
【0046】
例えば、標準のErドープファイバーのロールオフが1562nm以上であるのに比べて、前記のEr/Ybコドープの装置のゲインスペクトルのロールオフは1543nm以上である。これは、典型的には1550nmより長い波長の近辺にあるモードロックのファイバーレーザーパルスの増幅に、大きく影響する。そのようなパルスの増幅後に、かなりのスペクトルの狭小化と形状変化が起き、その結果再圧縮されたパルスの質が落ちる。
【0047】
ファイバー増幅器のゲインスペクトル(誘導放出断面スペクトル)のゲインのピークに合うようにパルススペクトルが最適に選ばれると、ゲインの狭小化は最小になる。また、同じ目的で、ゲインバンド幅はパルススペクトルよりもはるかに広くするべきである。一つの解決策は、増幅器のスペクトル応答を平滑化するように、ファイバー増幅器を飽和パワー域で作動させることである。この点では、両段とも飽和状態で作動する二段増幅が有利である。また、光学フィルターを使って増幅中にパルススペクトルの形を変え、それによってファイバー増幅器のスペクトル特性に合わせることも可能である。もう1つの解決策は、フラットで幅広いゲインを得るために、または、異なったファイバーを組合せるために、異なった主材料(ホスト)またはドープ剤(ドーパント)を使うことである。
【0048】
(実施例5の構成および作用)
実施例5では、図7に示すように、フェムトセカンド台の増幅を行うために、ポンプクラッドの直径がコドープ・ファイバーのポンプクラッドの直径より小さい、単一ドープファイバーが使われている。
パワーアンプ700は、高レベルにドープされた(Er3+ドープレベル:100ppm)二重クラッドErファイバー710から構成されている。ここで、中央コアC1(図1参照)のみがErドープされている。内側クラッドは直径が20μmなので、Yb3+をコドープしなくても効率の良いクラッドポンプができる。このファイバー710は、単一ドープのシリカファイバーの幅広いゲインと高いポンプ−信号の変換効率を有している。また、そのゲインスペクトルはこのモードロックファイバー発振器のスペクトルに合致(マッチ)しているので、望ましくないスペクトル狭小化を減らすことができる。ファイバー710は、980nmで1.6Wのトータルパワーを出す2つの極性マルチプレックス単一モードMOPAレーザーダイオード(図示せず)で、ポンプされている。本実施例のクラッドポンプ手段では、単一モードポンプの極めて高効率(約100%)の入力結合が確保される。
【0049】
マルチモードレーザーダイオードビームの効率よい結合は、また、例えばW.クラークソン他による「高出力ダイオードバーのための新規なビーム形成法」(CLEO’94)に開示されたビーム形成法によっても実現できる。
本実施例における単一ドープファイバー使用の利点は、シリカガラス以外の主材料が使えることである。例えば、Erでドープされたフッ化ガラスファイバーも、クラッドの小さい二重クラッドファイバーとして製造できる。このフッ化物主材料は、そのゲインバンド幅がシリカベースのErドープファイバーのそれよりも約2〜3倍であると言う利点を持っている。これは、ゲインの狭小化効果を大きく減少するために極めて重要である。フッ化物のファイバーによれば、チャープパルス増幅装置を通った後のパルスの時間は100fsにも下げられる。
【0050】
図7の仕組において、チャープパルス増幅のパルス源(図示せず)は、調節可能な反復率5〜50MHzで200fsFWHMと20pJエネルギーの初期パルスを出す受動モードロックファイバー発振器である。パルスは、5mmの長さの正チャープされた17nmバンド幅のファイバーブラッグ格子720により、約50psに伸長される。反射されたパルスは、ファイバーピグテール偏光ビームスプリッター(FPBS)740とファイバー偏光コントローラー750(バルクPBSと波長板の代わり)とを使って、プリアンプ730へ入射される。パワーアンプ700の飽和に充分なレベルへ入力パワーを増加させるためには、プリアンプ730が使われる。
【0051】
パワーアンプ700は、前述のEr/Ybコドープ装置と同じ二重パス様式に仕組まれている。第7図の実施例5の特徴は、格子伸長器720とコンプレッサー760の間の装置の中の他のすべてのファイバーの負の分散を補償するために、所定の長さの正分散ファイバーがプリアンプ段730の前に含まれていることである。
【0052】
パワーアンプ700へ入射された平均入力パワーは、10mWに達した。パワーアンプ700は、平均信号パワーを0.45Wのレベルへ強化(ブースト)する。負にチャープされたファイバーブラッグ格子760での再圧縮後、平均出力パワーは0.26Wに達した。この歩留りは、格子の反射率が約80%であることと、格子のファイバーピグテールへの結合効率が約80%であることとの故に、60%に制限された。そして、50MHzの反復率で5.2nJのパルスエネルギーが得られた。反復率を下げると、パルスエネルギーは20nJに増えた。これは、伸長されたパルスの持続時間を非線形効果に抗して維持するためには、最大限のパルスエネルギであった。再圧縮後のパルス幅は380fsであった。初期の200fsのこのパルス時間増大は、ファイバーアンプ700のゲインバンド幅が制限に起因するゲイン狭小化の結果である。
【0053】
第7図の高出力ファイバーチャープパルス増幅装置(CPAシステム)において、各パラメーターは、第二段の終点で非線形効果を除去または減少するように設計されている。適切に設計された装置においては、飽和した出力パワーに対応するパルスフルーエンスは、ファイバーコア内での非線形相互作用の限界におけるフルーエンスよりも小さくあるべきである。高いフルーエンスレベルで生じる非線形性は、(短いパルスの)自己位相変調、(長いパルスの)変調不安定性、および誘導ラマン散乱である。前二者の影響は、光学材料の屈折率の光強度依存性によるものである。これらの一般的影響としてスペクトルの幅広化と位相の非線形性とが誘発され、その結果、再圧縮されたパルスは幅広くなり形状変更される。典型的に言って、サテライトパルス、変調サイドバンドおよびパルスエネルギーのかなりの部分を含む低強度のバックグラウンドが形成される。誘導ラマン散乱は、パルスエネルギーを増幅バンドの外のスペクトルバンドへと散らし、圧縮できない背景とパルスエネルギーの損失とを生じる。
【0054】
(実施例1〜5のまとめ)
本発明の各実施例においては、ファイバー増幅器の長さを減らし、ドープレベルを上げることで非線形の相互作用の長さを減らして、これらの非線形の影響を防いでいる。あわせて、伝搬モードの横方向立体的広がりを大きくしたクラッドポンプファイバーを適切に設計することでその影響を減らし、そして効率の良いパルス伸長を使うことにより、高ピークのパワーを避けている。
【0055】
また、パルスの反復率は、高いパワーレベルでのピーク影響を下げるように調整されている。本発明の各装置では、コドープなしでクラッドを励起する場合、最初のクラッド内でのポンプのはねかえり数(バウンド数)が十分に多くなり、(光線が)ドープされた中央コアを横切る際に効率よく吸収されるよう、ファイバーの長さを充分に長くしておくべきである。このことは、ファイバーの長さ、中央コアのドープレベル、およびクラッドの直径と中央コアの直径との比を適切に選ぶことによってのみ低減される非線形相互作用のためには、ファイバーの長さを短くしたいという要求と、調整(マッチ)することが可能である。
【0056】
第二段のファイバー710の最適な長さは、ドープレベル1000ppmの場合、3.8mであった。図8には、ファイバー710のポンプクラッドと中央コアの横方向形状とが示されている。中央コアと第1のクラッドの屈折率の差は、標準単一モードファイバーよりも40%大きい横方向モードを与えるように選ばれた。モード直径のこれ以上の増大は、高次オーダーのクラッドモードへの散乱の増大で制限された。この最適化の結果、パルス伸長および再圧縮に使用された5mmの線形にチャープされた(二つの)ファイバー格子が、モードロックパルスの最も高い反復率でもって、充分に低いピークパワーを与えた。上述のパルスとゲインスペクトルとのマッチングに関する考慮のために、格子反射スペクトルはゲインスペクトルのピークと一致するように選ばれた。
【0057】
本発明は特定の前記の実施例によって説明されたが、様々な変形や修正が可能である。したがって、そのような変形、修正のすべてが本発明の範囲に属することがこの分野の専門家に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 クラッドポンプ用の二重クラッドファイバの構造を示す断面図
【図2】 従来技術によるポンプおよび増幅器の構成を示す組図
(a)単一モード型のポンプ装置の模式図
(b)マルチモード型の増幅器の模式図
【図3】 実施例1の高出力チャープパルス増幅装置の構成を示す模式図
【図4】 実施例2の高出力チャープパルス増幅装置の構成を示す模式図
【図5】 実施例3のチャープパルスコンプレッサーの構成を示す模式図
【図6】 実施例4のパルス増幅装置の実験装置の構成を示す模式図
【図7】 実施例5のパルス増幅装置の実験装置の構成を示す模式図
【図8】 実施例3,4用のファイバー特性の横断プロフィール・グラフ
【符号の説明】
C1:単一モード中央コア(芯) C2:マルチモード・コア
C3:第2のクラッド C4:ファイバーコート
SB:単一モードポンプビーム LB:低輝度ポンプビーム
SS:単一モード出力ビーム SSO:単一空間モード出力ビーム
S:信号光(信号波)、放射光 P:ポンプ光(ポンプ波)
200:単一立体モードのポンプダイオード 205:単一モードファイバー
210:単一モードコア 215:単一クラッド 220:二色性ミラー
225:レーザーダイオードアレイ 230:二重クラッドファイバー
10:チャープパルス源 20:プリアンプ段
30a,30b:パワーアンプ段 40:コンプレッサー
50:ポンプダイオードアレイ 60a:光学要素 60b:光学的仕組
70:コア 80:第1のクラッド 90:偏光ビームスプリッター
100,110:(1/4)波長板 500:入力パルス
510:ファイバー格子コンプレッサー 520:回折格子コンプレッサー
600:チューナブル・レーザーダイオード 610:第1段増幅器
620:標準単一モード・Erドープファイバー
630:ピグテール・レーザーダイオード 640:第2段パワーアンプ
650:増幅ファイバー(二重クラッドファイバー) 655:二色性ミラー
660,665:波長板(λ/4デバイス) 670:コンプレッサー
690:偏光ビームスプリッター
700:パワーアンプ 705:二色性ミラー
710:二重クラッドErファイバー 720:格子伸長器
730:プリアンプ 740:ファイバーピグテール偏光ビームスプリッター(FPBS) 750:ファイバー極性コントローラー
760:負にチャープされたファイバーブラッグ格子
Claims (13)
- 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
前記チャープ光パルスを増幅するために該チャープ光パルスを前記二重クラッドファイバーの入力端に伝達する伝達手段と、前記光ポンプ源の出力が該二重クラッドファイバーの中に入射するように該光ポンプ源を該二重クラッドファイバーにカップリングする結合手段と、該二重クラッドファイバーの出力端から該チャープ光パルスを前記コンプレッサーへ伝達するために、該コンプレッサーに該二重クラッドファイバーの出力端をカップリングする結合手段と、をさらに備え、
前記光ポンプ源は、ブロードエリアレーザーダイオードおよびレーザーダイオードアレイのうち一つを備え、
前記コンプレッサーは、ファイバー格子および回折格子の複合的組合せからなることを特徴とする、高パワーチャープパルス増幅装置。 - 前記回折格子は、透過回折格子を備えることを特徴とする、請求項1記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
- 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
前記チャープ光パルスを増幅するために該チャープ光パルスを前記二重クラッドファイバーの入力端に伝達する伝達手段と、前記光ポンプ源の出力が該二重クラッドファイバーの中に入射するように該光ポンプ源を該二重クラッドファイバーにカップリングする結合手段と、該二重クラッドファイバーの出力端から該チャープ光パルスを前記コンプレッサーへ伝達するために、該コンプレッサーに該二重クラッドファイバーの出力端をカップリングする結合手段と、をさらに備え、
前記二重クラッドファイバーの前記入力端は、該二重クラッドファイバーの出力端と一致していることを特徴とする超短パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置。 - 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
前記パワーアンプに結合されている偏光ビームスプリッターをさらに有し、
前記コンプレッサーは、該偏光ビームスプリッターの第1面に結合されており、
前記パワーアンプは、前記第1面に背向している第2面で該偏光ビームスプリッターに結合されていることを特徴とする高パワーチャープパルス増幅装置。 - 前記偏光ビームスプリッターと前記パワーアンプとの間に配設されている第1の波長板と、
前記コンプレッサーと該偏光ビームスプリッターとの間に配設されている第2の波長板と、
をさらに備えていることを特徴とする、請求項4記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 前記ポンプと前記二重クラッドファイバーとの間に配設されているダイクロイック・ミラーをさらに備えていることを特徴とする、請求項5記載の高出力チャープパルス増幅装置。
- 前記パワーアンプの前に配設されているプリアンプをさらに有し、
前記プリアンプは、単一モードのドープファイバーとレーザーダイオードポンプとを備えており、
第1アイソレーターが、前記プリアンプの入力箇所に配設されており、
第2アイソレーターが、前記プリアンプの出力箇所に配設されていることを特徴とする、請求項目6記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 前記二重クラッドファイバーの中央コアがYb/Erコドープファイバーであることを特徴とする、請求項7記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
- 前記光パルス源は、波長可変(チューナブル)レーザーダイオードを備えることを特徴とする、請求項7記載の高出力チャープパルス増幅装置。
- 所定の持続時間をもつチャープ光パルスを発生させる光パルス源と、
二重クラッドファイバーを備え、前記光パルス源から前記チャープ光パルスを受光するように構成され、該チャープ光パルスのエネルギーと平均パワーを増加させることで該チャープ光パルスを増幅し、増幅されたチャープ光パルスを出力するパワーアンプと、
前記パワーアンプをポンプするための光ポンプ源と、
前記パワーアンプから受光した前記増幅されたチャープ光パルスを圧縮し前記持続時間を短くし、高エネルギ超短パルスを出力するコンプレッサーとを有する高エネルギ超短光パルスを発生する高パワーチャープパルス増幅装置において、
前記コンプレッサーはさらに、前記パワーアンプから前記チャープ光パルスを受光して、該チャープ光パルスの前記持続時間をファイバー格子の非線形効果が開始しない持続時間に短縮するべく圧縮するファイバー格子と、
前記ファイバー格子で圧縮された前記チャープ光パルスを受光して、前記持続時間をさらに圧縮するべく該チャープ光パルスをさらに圧縮する回折格子と
を有することを特徴とする高パワーチャープパルス増幅装置。 - 前記回折格子は、反射格子を備える、ことを特徴とする請求項10記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
- 前記回折格子は、透過格子を備える、ことを特徴とする請求項10記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
- 前記ファイバー格子と前記回折格子との間に配設されている偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターと前記ファイバー格子との間に配設されている波長板と、
を備えていることを特徴とする、請求項10記載の高パワーチャープパルス増幅装置。
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