JP4834718B2 - パルスレーザ装置、テラヘルツ発生装置、テラヘルツ計測装置及びテラヘルツトモグラフィー装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバーを用いた超短パルスレーザ装置およびそのレーザ光を励起光源として用いたテラヘルツ計測装置に関する。
近年、ミリ波からテラヘルツ（ＴＨｚ）波にわたる電磁波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ；以後単にＴＨｚ波という）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、Ｘ線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術が開発されている。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態などの物性を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キヤリア濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。
たとえば、工場の生産ラインにおいて品質チェックを非破壊で行うことが重要で、成型品の欠陥／異物検査、化学物質中の成分／異物／欠陥検査などに応用が検討されている。この場合、ＴＨｚ波の透過性を利用して断層像を取得することも考えられている。化学物質としては、顔料／染料等のインク、トナー、医薬品、化粧品、塗料などが考えられる。検査装置としては特許文献１のようなＴＨｚ時間領域スペクトル分析（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ： ＴＤＳ）法を用いて、医薬品検査に応用したものなどが開示されている。この場合、ＴＨｚ波領域のスペクトル情報に応じて表面から内部の医薬品の種類の分析等ができることが示されている。
このＴＨｚ−ＴＤＳ法においては、ＴＨｚ発生、検出の励起光源として、特許文献１にも開示されているようにおよそ１００フェムト秒（ｆｓ）以下のパルス幅を持つものが必要になる。例えば、チタンサファイア結晶などを用いたパルスレーザなどが好適に用いられている。
このような固体結晶を用いたレーザの場合には高出力化するには有利であるが、出力安定性や生産性に欠けるとともに、価格としても非常に高価なものとなっていた。
そこで、光源としてはファイバレーザを用いたものが検討されている。
ファイバレーザであれば非常に安定なファイバアンプを利得媒体として用いることができ、また、空間的な光学系を構築する必要性がないため小型化することができる。そして、同時に光軸調整の必要な部分が格段に少なくなるため安定化できると同時に、生産性が向上して低価格化が可能となる。
ＴＨｚ−ＴＤＳの励起光源として用いるためには、数１０ｍＷ以上のぞましくは１００ｍＷ以上の平均光出力が必要とされている。このような高出力かつ超短パルスのファイバレーザをファイバ発振器だけで構成することは難しく、通常は種光となる発振器の出力を外部のファイバ増幅器およびファイバ圧縮装置に接続することで実現していた。これまでにこのような構成として、特許文献２のように正常分散をもつ希土類ドープファイバアンプで増幅後に異常分散ファイバで分散補償することで短パルス化するものがある。また、特許文献３のように異常分散をもつ希土類ドープファイバアンプで増幅しながらラマンソリトン圧縮により非線形効果を用いて短パルス化するものなどが検討されていた。
特表２００６−５２６７７４号公報
特許第２７１１７７８号公報
特許第３８１１５６４号公報
しかしながら、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置において分析能力を高める、すなわちＴＨｚ波の出力を充分大きくしてかつフーリエ周波数帯域を広帯域化するためのファイバレーザ出力としては現在のところ充分なものがあるとは言えない。すなわち、ＴＨｚ分光スペクトルの帯域を１０ＴＨｚ以上まで伸ばしたい場合には、光領域のレーザパルス幅としては１０ｆｓ前後の超短パルスが必要である。しかし、これまで、１００ｍＷ以上の出力を持ちこのような超短パルスの出力をもつファイバレーザを実現することは難しかった。
特許文献２の装置では、分散補償ファイバとして用いる異常分散ファイバでは増幅後のパルスの尖頭値が大きいと非線形効果によりパルス波形が乱れ、位相ノイズが発生したり、ラマン散乱などが起きる場合が想定される。つまり、ＴＨｚ−ＴＤＳの励起光源としての実用には更なる改良の余地があると考えられる。そこで、特許文献２にも記載されているように減衰器を用いて光出力を抑えたり、フッ素化したＥｒドープファイバを用いて大きな正常分散を与えてチャープ量を大きくすることでパルスの尖頭値を低減するということが行われている。これはフッ素化していない通常の石英ファイバの分散シフト量に限界があるためである。しかしながら、フッ素化ファイバを用いた場合にはファイバ同士の結合の際に安定に融着することが難しいため、ファイバレーザ本来の空間結合を減らして低コスト安定化するという利点を活かせないという問題点がさらにあった。
一方、特許文献３の装置では石英ファイバとしては実現しやすい異常分散領域でエルビウムドープファイバ増幅器として利用しラマンソリトンによる非線形圧縮を用いている。但し、斯かる構成では、高出力化するにしたがってラマンシフトによる波長シフトが大きくなるとともに、時間波形のサイドローブすなわちペディスタルを抑えることが難しくなると考えられる。光伝導素子や非線形結晶でＴＨｚ波を発生させる場合、中心波長がシフトにより設計値からずれると変換効率が低下するという問題や、ペディスタルにより発生するＴＨｚによってＴＤＳ測定には好ましくないノイズが生じる原因にもなる。
これらを解決するために、通常の石英ファイバで小さな正常分散を与えて後段で圧縮する方式も考えられる。しかし、特許文献２の問題の解決のためにチャープ量を大きく、すなわちファイバ長を長くすると、ゼロ分散波長領域にまでチャープした光のエネルギーが及び、好ましくない非線形効果たとえば四光波混合が起きる。また、光出力が大きくなると長波長側で誘導ラマン散乱が起きる。これらのため、圧縮したときの時間波形にペディスタルが発生するという課題があった。
そこで、本発明は、低ペディスタルな、あるいはペディスタルの抑制されたパルスレーザ発生装置を提供することを目的とする。
第１の本発明に係るパルスレーザ装置は、レーザ部からのパルス光を増幅及びチャープするファイバ増幅部と、前記ファイバ増幅部からの前記パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、を備えるパルスレーザ装置において、前記ファイバ増幅部は、前記レーザ部からの前記パルス光の中心波長に対して正常分散を示す希土類ドープファイバを有し、前記希土類ドープファイバは、該希土類ドープファイバのゼロ分散波長より長い波長領域に前記パルス光がエネルギー成分を持つように、該パルス光をチャープし、前記ファイバ増幅部は、前記エネルギー成分に損失を与えるように構成されていることを特徴とする。
また、第２の本発明に係るテラヘルツ発生装置は、光伝導素子または非線形結晶と、前記パルスレーザ装置と備え、前記光伝導素子または前記非線形結晶に前記パルスレーザ装置からのレーザ光を照射してテラヘルツパルスを発生させることを特徴とする。
また、第３の本発明に係るテラヘルツ計測装置は、前記パルスレーザ装置と分岐部とを備え、前記パルスレーザ装置からの光出力を前記分岐部により２つに分岐して、一方の光出力は光伝導素子または非線形結晶に照射してテラヘルツ発生させる。そして、他方の光出力は第２の光伝導素子または第２の非線形結晶に照射して検出器として動作させて、ポンプ−プローブ測定によってテラヘルツ時間領域分光を行うことを特徴とする。
また、第４の本発明に係るテラヘルツトモグラフィー装置は、前記テラヘルツ計測装置を用いて、検体からの反射パルス測定により前記検体の内部断面像データを取得し、取得されたデータを用いて内部断面画像を出力部に出力することを特徴とする。
本発明による前記パルスレーザ装置から発生するレーザ光は、パルス幅２０ｆｓｅｃ以下、平均出力２００ｍＷ以上でパルス時間波形において低ペディスタルなパルス光が実現できる。そして、光源として本発明に係るパルスレーザ装置を用いた、好適なテラヘルツ計測装置を提供することもできる。
本発明に係るパルスレーザ装置は、図１に示すように、パルス光を発生するレーザ部（種光パルス発生部１）とファイバ増幅部２とパルス圧縮部３とを含み構成される。
そして、前記ファイバ増幅部２は、前記レーザ部におけるレーザ光の波長において正常分散である希土類ドープファイバから構成される。
更に、前記ファイバ増幅部においてチャープされた前記レーザ光の波長スペクトルの内、前記希土類ドープファイバのゼロ分散波長の波長領域に対して損失を与える手段を設ける。
更に、前記ファイバ増幅部においてチャープされた前記レーザ光の波長スペクトルの内、前記希土類ドープファイバのゼロ分散波長の波長領域に対して損失を与える手段を設ける。
あるいは、該ゼロ分散波長以上の長波長領域のエネルギー成分に対して損失を与える手段を設ける。
勿論、ゼロ分散波長及びそれ以上の波長領域の両方に損失を与える手段を設けることもできる。
斯かる構成により、ゼロ分散波長領域以上のエネルギー成分に対して損失を付与、あるいは当該成分をカットできる。その為、圧縮部により分散補償を行った場合でも、ペディスタルの低減された、あるいはペディスタルの発生を抑制した光パルスの取得が可能となる。
ここで、前記ゼロ分散波長領域もしくはゼロ分散波長以上の長波長領域において損失を与える手段としては、例えば、波長フィルタが挙げられる。前記希土類ドープファイバの少なくとも一部に屈曲部を持たせることによって前記長波長領域に漏れ損を発生させることにより当該手段を構成することもできる。また、前記手段としては、前記希土類ドープファイバの少なくとも一部をＷ型の断面屈折率プロファイルをもつファイバで構成することにより実現することもできる。
前記手段は、前記ゼロ分散波長領域もしくはゼロ分散波長以上の長波長領域において損失を与えることによって、前記希土類ドープファイバを伝播中に発生する高次非線形効果（四光波混合現象や誘導ラマン散乱）を抑圧することになる。
ここで、前記パルスレーザ装置から発生するレーザ光としては、例えばパルス幅２０ｆｓｅｃ以下、平均出力２００ｍＷ以上となるように構成するのがよい。
なお、波形をモニターしながら当該屈曲部の曲率を調整する手段により、前記屈曲部の曲率を可変とすることも好ましい形態である。
後述の実施例において説明しているように、光伝導素子または非線形結晶を用意し、上述したパルスレーザ装置を用いて、前記光伝導素子または前記非線形結晶に前記パルスレーザ装置からのレーザ光を照射してテラヘルツパルスを発生させることができる。こうして、テラヘルツ発生装置が実現される。
また、前記パルスレーザ装置と共に分岐部とを用意しておく。そして、前記パルスレーザ装置からの光出力を前記分岐部により２つに分岐して、一方の光出力は光伝導素子または非線形結晶に照射してテラヘルツ発生させる。そして、他方の光出力は第２の光伝導素子または第２の非線形結晶に照射して検出器として動作させることにより、ポンプ−プローブ測定によってテラヘルツ時間領域分光を行うことができる。すなわち、テラヘルツ計測装置が実現できる。なお、前記第２の光伝導素子または前記第２の非線形結晶に照射する光は、前記パルスレーザ装置から出力されるレーザ光を高調波発生器に通し、該高調波発生器を通過してきた光とすることもできる。
更にまた、前記テラヘルツ計測装置を用いて、検体からの反射パルス測定により前記検体の内部断面像データを取得し、取得されたデータを用いて内部断面画像を出力部に出力することでテラヘルツトモグラフィー装置が実現できる。
以下、パルスレーザ装置、テラヘルツ発生装置、テラヘルツ計測装置、及びテラヘルツトモグラフィー装置について、順に図面を用いて説明する。
本発明におけるパルスレーザ発生装置について説明する。
図１はパルスレーザ発生装置全体を構成するブロック図である。
種光パルス発生部１は、ファイバアンプを用いてリング状に構成したソリトンレーザが好適に用いられるが、その他のフェムト秒レーザも用いることができる。ここでは、発振波長１５５８ｎｍ、繰り返し約４０ＭＨｚ、パルス幅３２０ｎｓ、平均出力約４ｍＷのものを用いた。
この光出力はファイバ融着もしくはレンズ（不図示）を介した結合により、本発明によるファイバ増幅部２に入射される。さらに、この出力をファイバ若しくは空間系で構成されたパルス圧縮部３で種光パルスよりも大きい光出力且つ狭いパルス幅の光パルスに整形して出力される。
次にファイバ増幅部につき詳細を図２以降を用いて説明する。図２のＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ４は図１の１に相当する種光発生部である。この出力をファイバに空間系で結合するにあたって、偏光方向を調整するために１／２波長板５を挿入した。結合はコリメートレンズ付（ピッグテール型など、不図示）のシングルモード石英ファイバで偏波保持型のもの６に行った。波長分割（以後ＷＤＭ）カップラ７および、偏波コントローラ８を通してエルビウムドープファイバ９にレーザパルスが伝播され増幅される。出力光は再びＷＤＭカップラ１０を通して出力され、アイソレータ１３を介して１４、１５から構成される圧縮部に結合される。
ここで、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバ９には励起光源として３つの１．４８μｍのハイパワー（４００ｍＷ）ＬＤ１２ａ〜１２ｃの出力をＷＤＭカップラ７，１０を介して注入している。一方は偏波保持結合器１１を用いて２つのＬＤ出力を結合してから入射している。
ここで、使用した２つのファイバ６、９の仕様を表１に示す。なお、それ以外のカップラ部分などのファイバもシングルモードであるが極力短く（数ｃｍ程度）している。
このように入力段のシングルモードファイバは異常分散を持ち、入力パルスを負の分散でチャープさせる（プリチャープ）役割を持っている。一方、エルビウムドープファイバ９は低分散の正常分散であり、光増幅を行いながら自己位相変調（ＳＰＭ）による正分散の波長チャープが起こる。それぞれの長さは、ＳＭＦで４．５ｍ、ＥＤＦで６ｍとしたがこれに限るものではない。
ここで、偏波コントローラ８はファイバ増幅部からの出力が最大になるように調整される。これは、出力の一部をモニターして常に安定になるようにフィードバック制御を行ってもよい。
このようなファイバ増幅部で光増幅を行う場合の波長領域での振る舞いを図３を用いて説明する。
図３はファイバの分散量の波長依存性（分散曲線３２）と増幅される光パルスのスペクトル強度を重ねて記載したものである。本発明で用いたエルビウムドープファイバは、圧縮部での分散補償が容易なように石英ファイバで正常分散になるように分散シフトさせたものである。入射パルス３０のスペクトルの中心波長では、低分散の正常分散になっていることが理解される。これが増幅後には、パワーの増大と波長チャープを受けることによって３１のようなスペクトルとなり、ファイバのゼロ分散波長の領域、さらには異常分散の領域（グレーの部分３３）にまで光エネルギーが及ぶことになりえる。この領域の光エネルギーは様々な非線形効果により後段の圧縮部で補償しきれない、あるいは時間波形にペディスタルが発生するような波長変換などが生じる。
そのため、ゼロ分散波長以上の波長に分布する光エネルギー（図３の例では部分３３）を効果的に除去すればよい。そのための実施形態を示したものが図４である。
今回用いたエルビウムドープファイバ４１では図４（ｂ）のようにボビン４０に巻きつけるときの半径Ｒにより、長波長での伝播特性が異なることを利用する。これは、曲げることで長波長側の全反射条件が変化して伝播できる波長に制限が生じるからである。その様子を示したものが図４（ａ）であり、曲率半径Ｒが小さくなるほど曲げ損失が顕著になる波長が４３ｃ、４３ｂ、４３ａのように短波長にシフトすることがわかる。本発明では、４３ｂの位置になるようにエルビウムドープファイバの巻きつけの曲率半径を調整し（例えばＲ＝３．５ｃｍ）、ゼロ分散波長よりも長波長側の光エネルギーをファイバから漏洩させて出力させないことを特徴としている。その結果、不必要な非線形効果を発生させることなく圧縮後にペディスタルの少ない超短パルスを発生させることができる。
今回の場合、ファイバ増幅部からの光出力は約４００ｍＷが得られ、これを圧縮後に１５５８ｎｍでは約２００ｍＷで、半値幅１７ｆｓ（図５）の光パルス出力を得ることが出来た。このとき、圧縮部は大口径フォトニック結晶ファイバ１４と高非線形ファイバ１５を組み合わせ構成している。
それぞれのパラメータとしては、フォトニック結晶ファイバ１４は、２次の群速度分散−３０．３ｐｓ２／ｋｍ、モードフィールド径２６μｍ、非線形係数０．１８２Ｗ−１ｋｍ−１で長さ４２ｃｍである。高非線形ファイバでは、２次の群速度分散−１４．６ｐｓ２／ｋｍ、非線形係数４．５３Ｗ−１ｋｍ−１、長さ１．５ｃｍであった。この圧縮部の構成は一例であり、空間的に回折格子などを用いて分散補償を行ってもよい。
また、ファイバ増幅部のファイバとしてエルビウムドープファイバを用いたが、その他の希土類ドープファイバ、たとえばツリウムＴｍ、イッテルビウムＹｂなどをドープしたものでもよい。
以上の構成により、ファイバ増幅部ではＳＰＭによる正常分散によって入射光パルスの波長チャープと光増幅を行なう。そして、ファイバでのゼロ分散波長近傍以上の長波長の光エネルギーをファイバの曲げ損失で除去することができる。そのため、圧縮部により短パルス化する場合にも、ペディスタルの少ない２０ｆｓ以下の光パルスを得ることがある。
長波長側の光エネルギーを遮断する方式としては、上記構成以外に屈折率をＷ型に制御してカットオフ周波数を設定できるファイバを用いたり、波長フィルタを出力段に挿入する方法などがある。このような、Ｗ型プロファイルのファイバや波長フィルタを用いる場合には、ファイバによる曲げ損失を必ずしも制御する必要はない。
（実施例１）
前記で述べた超短パルスレーザを用いてＴＨｚ時間領域分光測定系を構成することができる。図６は本発明によるパルスレーザを用いたテラヘルツ時間領域計測装置の構成図である。６０は前記で述べた本発明によるファイバ増幅部を持つ超短パルスレーザの出力光で、波長１５５８ｎｍ、光出力約２００ｍＷ、パルス幅１７ｆｓとなっている。図の中で破線部はレーザ光の伝播経路であり、実線はＴＨｚ波の伝播経路を表している。従来、光パルスの増幅部にファイバ増幅部を持つフェムト秒レーザにおいて、１００ｍＷ以上の高出力でかつ時間領域でのペディスタルが少ない２０ｆｓ以下の超短パルスを実現することは難しかったが、本実施例に示した構成により実現できる。
前記で述べた超短パルスレーザを用いてＴＨｚ時間領域分光測定系を構成することができる。図６は本発明によるパルスレーザを用いたテラヘルツ時間領域計測装置の構成図である。６０は前記で述べた本発明によるファイバ増幅部を持つ超短パルスレーザの出力光で、波長１５５８ｎｍ、光出力約２００ｍＷ、パルス幅１７ｆｓとなっている。図の中で破線部はレーザ光の伝播経路であり、実線はＴＨｚ波の伝播経路を表している。従来、光パルスの増幅部にファイバ増幅部を持つフェムト秒レーザにおいて、１００ｍＷ以上の高出力でかつ時間領域でのペディスタルが少ない２０ｆｓ以下の超短パルスを実現することは難しかったが、本実施例に示した構成により実現できる。
次に動作について図６を用いて説明する。前記レーザパルス出力６０は広帯域ハーフミラー６１によって２つの光に分岐され、１つはレンズ６７ａを用いて光伝導素子６８に照射される。ここで、レンズ６７ａは放物面鏡と置き換えてもよい。ただし、その場合には光学系が若干変更される。６８の光伝導素子は１５５０ｎｍ帯に吸収をもつＩｎＧａＡｓエピタキシャル膜を光伝導膜として用いている。光伝導膜としては、例えば、２００℃ＭＢＥ成長のＬＴ−ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ＝０．５３組成）でＢｅを１×１０１８ｃｍ−３ドープし、ｅｘ−ｓｉｔｕで６００℃水素アニールしたものを用いた。６８はＩｎＰ基板上にエピ成長してダイポールアンテナなどの電極を表面に形成したものであり、１５５０ｎｍの光に対してＩｎＰ基板は透明なので基板側から入射することができる。その結果ＩｎＰ基板によるフォノンによるＴＨｚ波の吸収を低減することもできる。もちろん従来のＧａＡｓ型のように、この光伝導素子としてはｐｉｎ構造を作製したヘテロ構造に膜とは垂直に電界をかけてもよい。また、光伝導素子の変わりにＤＡＳＴやＩｎＡｓなど電気光学結晶を用いてもよい。図６のように斜め入射にしているのはＴＨｚ発生の空間放射パターンを制御するためのものであるが、垂直入射としても構わない。
なお、６８、６９の光伝導素子部分の半球状の構造はＳｉ半球レンズであり、光伝導素子から発生したＴＨｚ波を効率的に空間に放出することができる。発生したＴＨｚ波は放物面鏡７０ａによりコリメートされ、７０ｂによって測定検体７１の表面にＴＨｚ波が集光される。反射したＴＨｚ波は放物面鏡７０ｃ、７０ｄによって検出側の光伝導素子６９に導かれる。
検出側の光伝導素子６９としてはＧａＡｓを光伝導膜として用いている。そのため、ハーフミラー６１によって反射されたレーザ光は１／２波長板で偏光方向を調整したのち導波路型の第２次高調波発生素子（ＰＰＬＮなど）６４を用いて７８０ｎｍのレーザ光に変換する。この変換後のパルス幅を測定すると、図７に示すように自己相関波形で４６．６ｆｓが得られ、時間換算で３０ｆｓ、出力１０ｍＷで１５５８ｎｍパルスと同期した７８０ｎｍパルスが得られた。この第２次高調波の短波長レーザ光はダイクロイックミラー６２で不要な波長の光は除去して、遅延系６６、集光レンズ６７ｂを介して検出側の光伝導素子６９に入射する。
このようにして、本発明のファイバを用いたレーザ光を励起光源として、１７ｆｓのパルス幅をもつ１５５８ｎｍの光と３０ｆｓｅｃのパルス幅の７８０ｎｍの両方を用いてＴＨｚ−ＴＤＳ系が構築された。図８は本実施形態において発生側をＤＳＡＴ結晶とした場合に得られたＴＨｚ波の時間波形（図８ａ）、およびそのフーリエ変換スペクトル（図８ｂ）である。ＴＨｚ波の時間波形としては２００ｆｓ幅、フーリエスペクトルとしては２０ＴＨｚ以上の帯域まで信号が得られていることがわかる。なお、図８（ｂ）のａで示したディップは検出側のＧａＡｓ基板でのフォノン吸収である。
本実施形態のＴＤＳ装置では、ＴＨｚ波領域において細い信号パルスが得られ、検体７１における内部の積層構造を断層像として観測する場合に奥行き分解能を高めることができる。図９は医薬品を検体としたときの断層像の例である。図９（ｃ）は医薬品の断面を観察した顕微鏡像である。表面にはおよそ５００μｍ厚のコーティングが施されている。本発明によるＴＨｚ−ＴＤＳ系において得られた時間領域波形の信号の一部が図９（ａ）であるが、２つのパルス列からなり表面とコーティング界面からの反射パルスが観測されていることがわかる。１．４ｍｍ程度スキャンして各点で得られたパルス信号より断層像としたものが図９（ｂ）である。いくつかのエラー信号が観測されるが、顕微鏡像と対応した像が得られており、断面スライスをしなくても透過で内部の断層像を取得できることが示された。本実施形態におけるトモグラフィックイメージングにより、パルス時間波形からおよそ２０μｍの奥行き分解能が見積もられた。
このように、本発明によるパルスレーザを用いてＴＨｚ−ＴＤＳ計測装置を構築することにより、奥行き分解能が高く（２０μｍ）、物体を透過して非破壊で断層像を取得できる装置を提供できる。
（実施例２）
本発明による第２の実施例はファイバ増幅部の曲率半径Ｒを調整可能としたものである。上記実施例１のようなＴＨｚ−ＴＤＳ系において必要になる波長帯や光パワー、スペクトル帯域はその測定系の仕様による。したがって、ファイバ増幅部での増幅度やゼロ分散波長よりも長波長側の光エネルギーの量もその仕様によって異なる。また、エルビウムドープファイバのロット毎のバラツキによっては増幅度やチャープ量に違いがある。
本発明による第２の実施例はファイバ増幅部の曲率半径Ｒを調整可能としたものである。上記実施例１のようなＴＨｚ−ＴＤＳ系において必要になる波長帯や光パワー、スペクトル帯域はその測定系の仕様による。したがって、ファイバ増幅部での増幅度やゼロ分散波長よりも長波長側の光エネルギーの量もその仕様によって異なる。また、エルビウムドープファイバのロット毎のバラツキによっては増幅度やチャープ量に違いがある。
そこで、本実例では必要な光パワーやパルス幅に応じて図４（ｂ）に示すＲをアクチュエータ等で可動にしたものである。図１０のようにファイバ巻き取る構造体１００〜１０２を複数に分けて異なる半径とし、一部の構造体の半径だけを可動としてもよい。
半径を変化させることによって図４（ａ）の４３ａ〜４３ｃように曲げ損失の波長依存性を可変とすることができる。実際には図５のような圧縮部からの出力光パルス波形を観察しながら、最適な（たとえばパルス幅が極小となり、ペディスタルが抑えられる）曲率範囲を設定するという調整手段を設けて最適化してもよい。
（実施例３）
本発明による第３の実施例はファイバ増幅部にフィードバック制御による安定化装置を付加したものである。図１１のようにファイバ増幅部において、エルビウムドープファイバの出力の一部を分岐器１１０で取り出して受光器１１１でその平均パワーをモニターし、偏波制御器８および励起レーザ１２ａ〜１２ｃの一部もしくは電流にフィードバックさせるものである。このとき励起レーザによるエルビウムドープファイバの出力変動は比較的早い時間成分（数１０分オーダー以下）が多く、一方で偏波による出力変動は比較的遅い時間成分（時間オーダー以上）が多い。そこで、偏波制御器８へのフィーバック信号にはローパスフィルター（もしくは積分器）１１２を挿入し、励起レーザへのフィードバック信号にはハイパスフィルタ１１３を挿入してある。それぞれの帰還増幅率はアンプ１１４、１１５で行う。これらはフィルタの代わりに、イコライザー（不図示、信号周波数成分毎に帰還増幅率を調整する）でアクティブに制御を行ってもよい。
本発明による第３の実施例はファイバ増幅部にフィードバック制御による安定化装置を付加したものである。図１１のようにファイバ増幅部において、エルビウムドープファイバの出力の一部を分岐器１１０で取り出して受光器１１１でその平均パワーをモニターし、偏波制御器８および励起レーザ１２ａ〜１２ｃの一部もしくは電流にフィードバックさせるものである。このとき励起レーザによるエルビウムドープファイバの出力変動は比較的早い時間成分（数１０分オーダー以下）が多く、一方で偏波による出力変動は比較的遅い時間成分（時間オーダー以上）が多い。そこで、偏波制御器８へのフィーバック信号にはローパスフィルター（もしくは積分器）１１２を挿入し、励起レーザへのフィードバック信号にはハイパスフィルタ１１３を挿入してある。それぞれの帰還増幅率はアンプ１１４、１１５で行う。これらはフィルタの代わりに、イコライザー（不図示、信号周波数成分毎に帰還増幅率を調整する）でアクティブに制御を行ってもよい。
このようなフィードバック制御により、レーザパルス出力を安定化することができる。
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、希土類ドープファイバの屈折率プロファイルを制御することで、長波長側のフィルタリング機能を向上させるものである。図１２は一般にＷ型ファイバとよばれるものの屈折率プロファイルのパターンを示したものである。
本発明による第４の実施例は、希土類ドープファイバの屈折率プロファイルを制御することで、長波長側のフィルタリング機能を向上させるものである。図１２は一般にＷ型ファイバとよばれるものの屈折率プロファイルのパターンを示したものである。
ここで、曲率半径Ｒで曲げたときの基本モード（ＬＰ０１）の損失αは次式で表される。
（１）式において、ａは図１２で示すファイバコアの半径、Ｒは曲げの曲率半径、ωは外部クラッド（コア半径ｂ以上の部分）の伝播定数、νは正規化周波数、Ｆ０は電界強度である。ｆは以下の（２）式で表される屈折率プロファイル関数、△は（３）式で表される屈折率パラメータである。
また、電界強度Ｆ０は図１２の各領域における次式（４）で表される電界Ｅ（ｒ）から求める。
ここで、Ｊ０、Ｉ０、Ｋ０はそれぞれ第一種ベッセル関数、第一種補正ベッセル関数、第二種ベッセル関数である。また、各領域での伝播定数ｕ、ω−、ωは次の（５）〜（７）式のように表される。
式よりこのようなＷ型ファイバの場合には曲げ損失を与えなくても基本モードのカットオフ周波数（長波長側カット）を設定することができる。もちろん、曲率半径Ｒを変化させることで図４（ａ）のようにカットオフ周波数を短波長化することが可能である。
以下に設計事例を示す。上記に述べたエルビウムドープファイバで増幅後のチャープによる波長広がりはおよそ１５２０〜１６５０ｎｍと観測されたため、長波長側の余分な成分を除去するために１６３０ｎｍがカットオフになるようにした。その結果、ａ＝２μｍ、ｂ＝７μｍ、ファイバ径６２．５μｍ、ｎ＋＝１．４６８３、ｎ−＝１．４５２０、ｎ０＝１．４５７０となった。本実施形態では石英ベースのエルビウムドープファイバに適用するため、コア部分の屈折率上昇はゲルマニウムまたはアルミニウムのドープ、一方で内部クラッドにおける屈折率低減にはフッ素またはホウ素のドープ量で制御すればよい。
このようなファイバを用いることにより、従来のステップインデックス型のファイバに比べて長波長領域の成分を除去させるフィルタ特性の波長依存性が急峻になる。そのため、より効果的にゼロ分散波長近傍の光エネルギーの伝播ロスを増大させて、後段の圧縮部においてペディスタルの少ないパルス圧縮が可能となる。
また、さらに高出力なファイバ増幅を行う場合には発明の課題で述べたような誘導ラマン散乱が長波長側に発生し、非線形な波長変換が起こるために圧縮後のペディスタルが大きくなる傾向にある。図１３はその様子を模式的に示すものであり、カットオフ周波数が１７８０ｎｍであるＷ型ファイバを用いた場合に、ａのように長波長成分が大きくなっていることが分かる。
ここで、曲率半径を２３ｍｍ、２０ｍｍ、１８ｍｍと変化させるとカットオフ周波数（１０ｍで３ｄＢと仮定）は、それぞれ１７２０ｎｍ、１６６０ｎｍ、１６２５ｎｍと変化する。そして、それに応じて図１３のｂ、ｃ、ｄのように長波長成分の光エネルギーすなわちラマン増幅成分が低減できることがわかる。予め設計しておいて、さらにこのような波長スペクトルを観察しながら曲率を調整することで高出力、低ペディスタルをバランスよく達成することができる。一般にファイバ増幅部で誘導ラマン散乱が起こる場合には、ファイバ長と光パワーに関連したしきい値がある。そのため、前記のようなゼロ分散波長近傍以上で長波長帯をカットするフィルタ機能を備えるような構成にすれば、しきい値のパワーを増大することができ、ハイパワー化につなげられる。
このように、Ｗ型の場合には曲率半径を制御しなくても不要な長波長成分を除去することができるので、設計の自由度を向上させることができるとともに、フィルタとしての減衰特性を向上させることがきる。曲率半径を変化させてカットオフ周波数を変化させることもでき、実施形態２のようなカットオフ周波数を可変にする場合も有効である。ファイバ作製時のロット毎のばらつきにより、前記のカットオフ周波数を決定するパラメータが変動し設計したカットオフからずれる場合がある。このような場合、実施形態２で述べたように出力光のパルスを観測しながら、ファイバの曲げによるカットオフ周波数を変化させることにより最適な状態に調整することが有効である。
これまでは、１５５０ｎｍ帯としてエルビウムドープファイバについて述べてきたが、１６２０ｎｍ以上でツリウムドープ、１０６０ｎｍ帯でイッテルビウムドープとしたファイバ増幅部にも同様に適用可能である。
（実施例５）
本実施例は、実施例１におけるＴＤＳ装置をさらに性能向上させたものである。
本実施例は、実施例１におけるＴＤＳ装置をさらに性能向上させたものである。
図６におけるＴＤＳ装置の検出側の光伝導素子６９には、図８（ｂ）に示したａのような大きなＧａＡｓ固有のフォノン吸収を低減するために、図１４に示した光伝導膜ＬＴ−ＧａＡｓ８１を高抵抗Ｓｉ基板８０に転写した構造を用いた。なお、８２はダイポールアンテナ部、８３はアンテナからの信号を取り出すための電極パッドである。このような素子の場合、約２μｍのＬＴ−ＧａＡｓ膜だけの吸収となり高抵抗Ｓｉ基板でのＴＨｚ波の吸収が小さいため図１５に示したように７〜１０ＴＨｚにおけるＦＦＴスペクトルのギャップｂが大幅に改善される。その結果、従来はＴＨｚ波の時間波形が図８に示したように複数のパルスから構成されていたが、図１６に示したような単峰性が確保されるためにＳ／Ｎ比が向上することになる。
また、ＴＨｚ波は空気中の水蒸気の影響を受けるため、窒素パージや真空環境が充分でない環境の場合には波形変化がおこり、トモブラフィックイメージングの分解能低下を招く。そこで、本実施例では信号処理の一般的な手段であるデコンボリューション処理を行った。図１７は９０μｍ厚の紙を３枚重ねてみたときの反射波系の例である。図１７（ａ）は処理を行わないときの波形、図１７（ｂ）はデコンボリューション処理を行ったときの波形であり、処理を行わない場合に比べてそれぞれの紙の界面からの反射ピークが鮮明に判別できることがわかる。デコンボリューション処理を行うにあたっては、サンプルの位置に反射ミラーを置いてリファレンス波形を取得しておけばよい。この紙のサンプルを一方向にスキャンすると断層像が図１８のように得られた。３枚重ねの紙の様子がわかる。
また、本実施例の深さ分解能を求めるために５〜３０μｍの様々な厚さのテフロン（登録商標）シートのトモグラフィックイメージングを取得し、図１９のようにマイクロメータ等で測定した実際の厚さ（Ａｃｔｕａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）と本発明によるＴＤＳ装置によるトモグラフィックイメージより算出した計測した厚さ（Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を比較した。グラフ中の直線は、（実際の厚さ）＝（計測した厚さ）となる理想的な直線を示している。このグラフより本装置によって５μｍ程度の厚さまでは計測できる分解能を持つことが分かった。
（実施例６）
本実施例では最良の形態で述べたものとは異なる部品を用いてパルスレーザを構成したものである。種光パルス発生部では、発振波長１５６１ｎｍ、繰り返し５０．４５ＭＨｚ、パルス幅５０６．３ｆｓｅｃ、平均出力４．７８ｍＷでああり、ファイバ増幅部の構成は表２のとおりである。
本実施例では最良の形態で述べたものとは異なる部品を用いてパルスレーザを構成したものである。種光パルス発生部では、発振波長１５６１ｎｍ、繰り返し５０．４５ＭＨｚ、パルス幅５０６．３ｆｓｅｃ、平均出力４．７８ｍＷでああり、ファイバ増幅部の構成は表２のとおりである。
また、パルス圧縮部においてはフォトニック結晶ファイバ前記の同じ２次の群速度分散−３０．３ｐｓ２／ｋｍ、モードフィールド径２６μｍ、非線形係数０．１８２Ｗ−１ｋｍ−１だが、長さを２００ｃｍとし、高非線形ファイバでは、２次の群速度分散−１５．４ｐｓ２／ｋｍ、非線形係数４．６Ｗ−１ｋｍ−１、モードフィールド径９．４μｍ、長さ１２．４ｃｍとした。
このような構成の場合には図２０のように若干パルス幅が広く、オートコリレータによる自己相関波形で４７ｆｓｅｃ、ｓｅｃｈ２形状を仮定した換算値で３０ｆｓｅｃ程度となった。出力は１３４ｍＷであった。必要に応じてこのようにファイバーなどの部品の特性を変えることで所定の特性のファイバ型パルスレーザを提供することができる。
本実施形態ではこのようなファイバレーザを用いて図２１のような全ファイバ系によるＴＤＳ計測装置を構築した。すなわちフェムト秒のファイバレーザ５０の出力は、ＴＨｚ波発生部、検出部となる５５、５６まですべて光ファイバ５１、５３、５４で結合されるために、光軸調整の手間がかからない。５２はファイバカップラである。５５，５６はレーザ光を集光する部分と、光遅延部と、光伝導素子と、ＴＨｚ波発生、検出の窓および指向制御のためのレンズが一体となったモジュールである。この図においては実施形態１と同様の電気系部分については省略している。
光遅延部は５５もしくは５６に内蔵されている。この光遅延部はすべて光ファイバで構成することが可能であり、電界もしくは温度を変化させることで媒質の屈折率を変化させ、それにより伝播遅延をおこさせる。ファイバグレーテイングなどを用いて周波数毎に遅延時間を調整するものでもよい。
本実施例のように、全ファイバを用いた場合は空間光学系を用いた場合に比べて小型、安価となり、光学調整などの作業が不要になる。
本発明による３次元画像の取得例を図２２、２３を用いて説明する。図２２（ａ）〜（ｃ）はトモグラフィに用いた３枚の３ｃｍ角の紙（オフィスプランナー［登録商標］、坪量約６８ｇ／ｍ２）で、（ａ）はプリントなし、（ｂ）、（ｃ）にはメタル系のインクを用いて三角形をプリントしたものを示している。これらを図２２（ｄ）の断面図のように重ねて、９０は（ａ）の印字なし、９１、９２はそれぞれ反転した三角形をプリントした（ｂ）、（ｃ）を示しており、下部よりテラヘルツ波を照射して反射波によりトモグラフィ像を取得する。９３、９４はプリント部分を示している。その結果の例を図２３に示す。図２３（ａ）は全体の３次元画像、（ｂ）は３枚目の三角形、（ｃ）は２枚目の三角形とその影にある３枚目の三角形の一部が観測されていることを示している。
このようにプリントした紙を重ねて透視しながら内容を観測するスキャナーのような装置として機能させることができる。
１、４ 種光レーザ
２ ファイバ増幅部
３ パルス圧縮部
５、６３ 波長板
６ シングルモードファイバ
７、１０ ＷＤＭカップラー
８ 偏波コントローラ
９、４１、１０３ 希土類ドープファイバ
１１ 結合器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 励起レーザ
１３ アイソレータ
１４ 分散補償ファイバ
１５ 高非線形ファイバ
３０、３１ 光パルスの波長スペクトル
３２ ファイバの分散曲線
３３、４２ 異常分散領域
４０、１００、１０１、１０２ ボビン
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ ファイバ曲げ損の波長依存性
６０ レーザ出力
６１ ハーフミラー
６２ ダイクロイックミラー
６４ 高調波発生器
６５ ミラー
６６ 遅延系
６７ａ、６７ｂ レンズ
６８、６９ 光伝導素子
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ 放物面鏡
７１ 検体
１１０ 分岐器
１１１ 光検出器
１１２、１１３ フィルタ
１１４、１１５ アンプ
８０ 基板
８１ 光伝導膜
８２ アンテナ
８３ 電極
９０、９１、９２ 紙
９３、９４ プリント
２ ファイバ増幅部
３ パルス圧縮部
５、６３ 波長板
６ シングルモードファイバ
７、１０ ＷＤＭカップラー
８ 偏波コントローラ
９、４１、１０３ 希土類ドープファイバ
１１ 結合器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 励起レーザ
１３ アイソレータ
１４ 分散補償ファイバ
１５ 高非線形ファイバ
３０、３１ 光パルスの波長スペクトル
３２ ファイバの分散曲線
３３、４２ 異常分散領域
４０、１００、１０１、１０２ ボビン
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ ファイバ曲げ損の波長依存性
６０ レーザ出力
６１ ハーフミラー
６２ ダイクロイックミラー
６４ 高調波発生器
６５ ミラー
６６ 遅延系
６７ａ、６７ｂ レンズ
６８、６９ 光伝導素子
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ 放物面鏡
７１ 検体
１１０ 分岐器
１１１ 光検出器
１１２、１１３ フィルタ
１１４、１１５ アンプ
８０ 基板
８１ 光伝導膜
８２ アンテナ
８３ 電極
９０、９１、９２ 紙
９３、９４ プリント
Claims (14)
- レーザ部からのパルス光を増幅及びチャープするファイバ増幅部と、前記ファイバ増幅部からの前記パルス光のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、を備えるパルスレーザ装置において、
前記ファイバ増幅部は、前記レーザ部からの前記パルス光の中心波長に対して正常分散を示す希土類ドープファイバを有し、
前記希土類ドープファイバは、該希土類ドープファイバのゼロ分散波長より長い波長領域に前記パルス光がエネルギー成分を持つように、該パルス光をチャープし、
前記ファイバ増幅部は、前記エネルギー成分に損失を与えるように構成されている
ことを特徴とするパルスレーザ装置。 - 前記ファイバ増幅部は、前記エネルギー成分に損失を与える波長フィルタを有することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
- 前記希土類ドープファイバの少なくとも一部は、屈曲部を持ち、前記エネルギー成分に損失を与えることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
- 前記希土類ドープファイバの少なくとも一部は、Ｗ型の断面屈折率プロファイルを持ち、前記エネルギー成分に損失を与えることを特徴とする請求項１又は３に記載のパルスレーザ装置。
- 前記ファイバ増幅部は、前記エネルギー成分に損失を与えることで、前記希土類ドープファイバを前記パルスが伝播中に発生する高次非線形効果を抑圧することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパルスレーザ装置。
- 前記パルスレーザ装置から発生するパルス光は、パルス幅２０ｆｓｅｃ以下、平均出力２００ｍＷ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパルスレーザ装置。
- 前記高次非線形効果は、四光波混合現象であることを特徴とする請求項５に記載のパルスレーザ装置。
- 前記高次非線形効果は、誘導ラマン散乱であることを特徴とする請求項５に記載のパルスレーザ装置。
- 前記屈曲部の曲率が可変であり、波形をモニターしながら該曲率を調整する手段を有することを特徴とする請求項３記載のパルスレーザ装置。
- 前記ファイバ増幅部は、前記ゼロ分散波長及び該ゼロ分散波長より長い波長領域のエネルギー成分に損失を与えるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
- 光伝導素子または非線形結晶と、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のパルスレーザ装置と、を備え、
前記光伝導素子または前記非線形結晶に前記パルスレーザ装置からのレーザ光を照射してテラヘルツパルスを発生させる
ことを特徴とするテラヘルツ発生装置。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のパルスレーザ装置と、
分岐部と、を備え、
前記パルスレーザ装置からの光出力を前記分岐部により２つに分岐して、一方の光出力は第１の光伝導素子または第１の非線形結晶に照射してテラヘルツ発生させると共に、他方の光出力は第２の光伝導素子または第２の非線形結晶に照射して検出器として動作させて、ポンプ−プローブ測定によってテラヘルツ時間領域分光を行う
ことを特徴とするテラヘルツ計測装置。 - 請求項１２に記載のテラヘルツ計測装置を備え、
検体からの反射パルス測定により前記検体の内部断面像データを取得し、取得されたデータを用いて内部断面画像を出力部に出力する
ことを特徴とするテラヘルツトモグラフィー装置。 - 請求項１２に記載のテラヘルツ計測装置を備え、
検体からの反射パルス測定により前記検体の内部断面像データを取得する際の奥行き分解能は５μｍ以下である
ことを特徴とするテラヘルツトモグラフィー装置。
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