JP6977701B2 - 単結晶ファイバ - Google Patents
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Description
本発明は、光励起固体レーザおよび光増幅器に用いられる単結晶ファイバに関する。
フェムト秒パルス光源、広帯域波長可変光源として、4価のCr原子を添加したY3Al5O12(以下、Cr4+:YAGと記す)の単結晶ファイバを用いた光励起固体レーザ発振器が開発されている。単結晶ファイバは、空間光学系からなるレーザ共振器に組み込まれ、レーザ発振器を構成する。これにより所望のレーザ発振動作に必要な分散補償媒体、波長選択素子、可飽和吸収体などを、空間光学系の部品として組み込むことができる(例えば、非特許文献1および2参照)。
図1に、従来の単結晶ファイバを用いたレーザ共振器を示す。レーザ共振器は、単結晶ファイバ101を間にはさみ、その両端からの出射光を反射するように配置された凹球面鏡103と平面鏡104とから構成されている。単結晶ファイバ101は、単一横モード導波路として作製することが困難であるため、通常は多モード導波路である。励起光光源からの励起光106が平面鏡104を介して単結晶ファイバ101の一端に入射される。単結晶ファイバ101の他端から出射された発振光105を、凹球面鏡103により90°の角度で反射させることにより、レーザ共振器に導波路モードを選択する機能を持たせ、基本横モードにおいて発振させている。レーザ発振器の出射光は、凹球面鏡103を介して取り出される。
図2に、従来の単結晶ファイバの構造を示す。単結晶ファイバ101の光軸に垂直な断面の2方向の直径Dx,Dyはおおむね等しい(図2(a))。単結晶ファイバ101の両端面102a,102bは、長手方向に対し垂直(90°:非特許文献1)またはそれに近い角度(85.5°:非特許文献2)に研磨されている。両端面102a,102bには、発振光の波長(1.3−1.6μm)において、反射による共振器周回損失の増加を防ぐため、無反射コートが付されている(図2(c))。
S. Ishibashi and K. Naganuma, "Diode-pumped Cr4+:YAG single crystal fiber laser,"OSA Advanced Solid- State Lasers, paper MD4, Davos, Switzerland, Feb. 2000.
Shigeo Ishibashi and Kazunori Naganuma, "Mode-locked operation of Cr4+:YAG single-crystal fiber laser with external cavity, " Opt. Express 22, 6764-6771 (2014).
河野健治,「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」,p34−40,1991年,現代工学社.
しかしながら、励起光(波長1.06μmまたは0.98μm)と発振光の波長域が大きく異なるため、無反射コートに用いる誘電体多層膜の特性として、発振光に対する反射率を最小化すると励起光に対する端面反射率が増大する。その結果、レーザ発振器の発振効率が減少するという問題があった。
本発明の目的は、発振光および励起光ともに端面反射率が低く、かつ片端からの発振光の折り返しに凹球面鏡のみを用いて、共振器内の空間を伝搬する発振光と基本横モードの良好な光学結合を得ることができる単結晶ファイバを提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光増幅を行う波長に対して導波路構造を有する単結晶ファイバにおいて、少なくともその一端が平面であり、前記単結晶ファイバの端面の法線と前記単結晶ファイバの光軸とのなす角θは、前記単結晶ファイバを使用する空間の媒質の屈折率をn1とし、前記端面の法線と前記光軸を含む平面に平行な偏光方向を有する導波光に対する前記単結晶ファイバの屈折率をn2として、
θ=90°−tan-1(n2/n1)
の関係を満たし、前記単結晶ファイバの光軸と前記単結晶ファイバの端面の法線を含む平面の中で、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な方向をX方向とし、前記単結晶ファイバの光軸と前記X方向に垂直な方向をY方向として、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な断面のX方向の直径DxとY方向の直径Dyは、
(n2/n1)0.9≦Dx/Dy≦(n2/n1)1.1
の関係を満たすことを特徴とする。
θ=90°−tan-1(n2/n1)
の関係を満たし、前記単結晶ファイバの光軸と前記単結晶ファイバの端面の法線を含む平面の中で、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な方向をX方向とし、前記単結晶ファイバの光軸と前記X方向に垂直な方向をY方向として、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な断面のX方向の直径DxとY方向の直径Dyは、
(n2/n1)0.9≦Dx/Dy≦(n2/n1)1.1
の関係を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、発振光および励起光ともに端面反射率が低く、レーザ共振器内の空間を伝搬する発振光と単結晶ファイバ内を伝搬する光の基本横モードとの良好な光学結合を得ることができるので、レーザ発振器の発振効率を向上することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、光励起固体レーザおよび光増幅器に用いられる単結晶ファイバであって、光増幅を行う波長に対して導波路構造を有する単結晶ファイバを例に説明する。単結晶ファイバの材料としては、Cr4+:YAG単結晶を用いる。
図3を参照して、ブリュースター角を説明する。結晶5と空間4との間の境界面1に、入射光2が入射されたとき、ブリュースター角(αB)は、以下の式で計算される。
αB=tan-1(n2/n1) (式1)
αB=tan-1(n2/n1) (式1)
n1はレーザ共振器内の空間の媒質の屈折率であり、大気の屈折率n1=1となる。n2はレーザ媒質の屈折率であり、YAG結晶の屈折率n2=1.8となる。従って、ブリュースター角αBは61°と計算される。
図3において、U軸、W軸を取り直交する軸(紙面に垂直な軸)をV軸と置く。この座標軸において、UW面に平行な成分をP偏光(偏光方向3)、垂直な成分をS偏光とする。P偏光とS偏光の反射率の入射角依存性から、P偏光の反射率はブリュースター角αBで0となり、反射光はS偏光のみとなる。無反射コートを用いずに端面での反射を最小化させるためには、励起光および発振光のそれぞれの光軸と、単結晶ファイバの端面の法線方向とがなす角度を、ブリュースター角αBとし、励起光および発振光の偏光方向を、入射光の光軸と単結晶ファイバ内の光軸とが存在する平面(UW面)に平行(P偏光)とすることである。
図4に、単結晶ファイバの端面において励起光および発振光をブリュースター角で入射させる構成を示す。後の説明のため、この単結晶ファイバ201は、光軸に垂直な断面における直交する2方向の直径が等しいものとするが、断面の形状に関わらず以下の説明は成り立つ。励起光および発振光をブリュースター角αBで入出射させるためには、単結晶ファイバ201のファイバ端面の法線方向と、ファイバ長手方向(単結晶ファイバ内の光軸)とが成す角度を90°−αB、すなわち29°とする必要がある。
単結晶ファイバ201のファイバ端面の法線方向をW軸とし、入射光2の光軸と単結晶ファイバ201の光軸とがUW面に平行になるようにU軸を設定したとき、W軸と単結晶ファイバ201の光軸とが成す角θは、UW面に平行なP偏光に対する単結晶ファイバ201の媒質の屈折率がn2として、式1から、
θ=90°−tan-1(n2/n1) (式2)
となる。
θ=90°−tan-1(n2/n1) (式2)
となる。
図5に、発振光のビームの断面形状を示す。ビーム形状を示すためにX軸、Y軸、Z軸を規定する。この3軸は直交座標系である。Z軸は光軸と一致し、Z座標の各点でのP偏光の偏光方向がX軸方向となる。光軸は単結晶ファイバ内と外部の空間では方向が異なるので、Z座標に依存してX軸、Y軸、Z軸の方向が変化する。
図5(a)に、単結晶ファイバ201の断面における発振光のビーム形状を示す。単結晶ファイバ201の光軸と単結晶ファイバ201の端面の法線を含む平面の中で、単結晶ファイバ201の光軸に垂直な方向をX方向とし、単結晶ファイバ201の光軸とX方向に垂直な方向をY方向とする。上述したように、単結晶ファイバ201の光軸に垂直な面の2方向(X軸、Y軸)の断面直径(Dx,Dy)は等しい。
図5(b)は、光軸に垂直な面の2方向の断面直径が等しい単結晶ファイバ201からブリュースター角で出射した直後の発振光のビーム形状を示す。共振器空間を伝搬する発振光のX軸方向に対するビーム半径(ωx1)は、単結晶ファイバ内でのビーム半径(ωx2)に比べてn1/n2に減少する。
ωx1=(n1/n2)ωx2 (式3)
ωx1=(n1/n2)ωx2 (式3)
これに対して、Y軸方向に対するビーム半径(ωy)は、単結晶ファイバの内外で変化しない。
図1に示した従来のレーザ共振器において、単結晶ファイバ101の端面から出射した発振光105は、凹球面鏡103により単結晶ファイバ101に折り返され、再び端面に光学的に結合される。従来の単結晶ファイバ101のDx,Dyは等しいので、長手方向に対し垂直な端面から空間に出射された発振光の2方向のビーム半径もそれぞれ等しく、凹球面鏡103による発振光は2方向ともに同じ位置にビームウェストを生じる。
図6に、断面内の直交する2方向の直径が等しい単結晶ファイバ端面において発振光をブリュースター角で入出射させる構成のレーザ共振器での、凹球面鏡に反射する発振光のビーム伝搬を示す。図4に示した単結晶ファイバ201を用いてレーザ共振器を構成する場合、図6(a)に示すように、単結晶ファイバ201のファイバ端面の法線方向をW軸とし、発振光205の光軸と単結晶ファイバ201の導波路の光軸とがUW面に平行になるようにU軸を設定したとき、W軸と単結晶ファイバ201の光軸とが成す角θを、式2のとおり設定する。単結晶ファイバ201と凹球面鏡203とを配置して発振光205をブリュースター角で入出射させると、単結晶ファイバ201の2方向の断面直径Dx,Dyが等しい場合には、式3で示したように、2方向のビーム半径に大きな差が生じる。その結果、図6(a)、(b)に示すように、発振光205のX方向でのビームウェストの位置BWxとY方向でのビームウェストの位置BWyとに、無視できない差異が生ずる。
一例として、上述したようにDx,Dyが等しい(Dx=Dy=120μm)単結晶ファイバ201と、曲率半径が15mmの凹球面鏡203とを用いたときの結合効率ηを計算する。ビーム半径は、ωx2=ωy=30μm、ωx1=16.5μmとなる。発振波長をλ=1.5μmとして、ガウシアンビームの公式からX,Y方向それぞれのビームウェストの位置の差L(BWx−BWy)が435μmと計算される。単結晶ファイバ201の導波路の基本モードをガウシアンビームで近似すると、結合効率ηは以下の数式で表される(非特許文献3参照)。
この式から結合効率η=0.993と計算される。出力結合が0.01であることを考慮すれば、無視できない値である。
このように、単結晶ファイバ中の基本横モードとレーザ共振器内の空間を伝搬する発振光の光学的結合効率が減少することにより、レーザ共振器の周回損失が上昇する。このため、発振閾値が増加し、レーザの発振効率が低下する。レーザ共振器の空間光学系に、新たに光学素子を加え、折り返し光のX,Y方向でのビームウェストの位置を一致させるここともできる。しかしながら、光学素子の増設により新たな光学損失が加わるため、レーザ発振器として十分な効果が得られない。
図7に、本実施形態の単結晶ファイバの構造を示す。単結晶ファイバ301の断面の2方向の直径Dx,Dyは、以下の数式に示す関係を有する(図7(a))。直径Dx、Dyは、図5の説明で行った定義のX方向、Y方向、それぞれに対する直径である。
Dx=(n2/n1)Dy (式5)
Dx=(n2/n1)Dy (式5)
良好な発振効率を得るために、励起光および発振光の偏光方向は、入射された直線偏光に対し最大の増幅を示す結晶方位と一致しなければならない(例えば、非特許文献1参照)。Cr4+:YAG結晶において最大の増幅を示す結晶方位は結晶軸方位であるので、X軸を結晶軸方位に一致するよう設定する。単結晶ファイバ301の両端面は、入出射光がブリュースター角αBを持つように、端面の法線方向と光軸とが成す角度を90°−αB、すなわち29°とする(図7(b))。
図8(a)は、本実施形態の単結晶ファイバ301内の断面における発振光のビーム形状を示す。図8(b)は単結晶ファイバ301からブリュースター角で出射した直後の発振光のビーム形状を示す。共振器空間を伝搬する発振光のX軸方向に対するビーム半径(ωx1)は、単結晶ファイバ内でのビーム半径(ωx2)とは、式5から、
ωx2=(n2/n1)ωy (式6)
となる。従って、式3からωy=ωx1となる。
ωx2=(n2/n1)ωy (式6)
となる。従って、式3からωy=ωx1となる。
従って、凹球面鏡303からの発振光305は、X,Y方向のビームウェストの位置BWに差異が生じないので、式4の結合効率ηは1となる。
図9に、本実施形態の単結晶ファイバを用いたレーザ共振器を示す。レーザ共振器は、単結晶ファイバ301と、その片端からの出射光を反射し、単結晶ファイバ301に再入射するように配置された凹球面鏡303とを含む。単結晶ファイバ301の具体例として、Dx=218μm、Dy=120μmの単結晶ファイバを用いることができる。本実施形態の効果を得るために、単結晶ファイバ301の2方向の断面直径は、
(n2/n1)0.9≦Dx/Dy≦(n2/n1)1.1 (式7)
の範囲に設定すべきである。
(n2/n1)0.9≦Dx/Dy≦(n2/n1)1.1 (式7)
の範囲に設定すべきである。
本実施形態によれば、単結晶ファイバへの入出射角をブリュースター角に設定することにより、励起光および発振光の波長における端面反射を最小化させることができる。また、レーザ共振器内の空間を伝搬する発振光と単結晶ファイバ内を伝搬する光の基本横モードとの良好な光学結合を得ることができ、レーザの発振効率を向上することができる。
本実施例形態は、Cr4+:YAG単結晶ファイバのみならず、他のレーザ結晶を用いた単結晶ファイバについても有効であることは明らかである。レーザ結晶としてYb,Nd,Er,Tm,Hoのうち少なくとも一種類を添加したYAG結晶、Tiサファイア結晶、Crフォルステライト結晶を用いることができる。
1 境界面
2 入射光
3 偏光方向
4 空間
5 結晶
101,201,301 単結晶ファイバ
102 無反射コート
103,203,303 凹球面鏡
104 平面鏡
105,205,305 発振光
106 励起光
2 入射光
3 偏光方向
4 空間
5 結晶
101,201,301 単結晶ファイバ
102 無反射コート
103,203,303 凹球面鏡
104 平面鏡
105,205,305 発振光
106 励起光
Claims (3)
- 光増幅を行う波長に対して導波路構造を有する単結晶ファイバにおいて、
少なくともその一端が平面であり、前記単結晶ファイバの端面の法線と前記単結晶ファイバの光軸とのなす角θは、前記単結晶ファイバを使用する空間の媒質の屈折率をn1とし、前記端面の法線と前記光軸を含む平面に平行な偏光方向を有する導波光に対する前記単結晶ファイバの屈折率をn2として、
θ=90°−tan-1(n2/n1)
の関係を満たし、
前記単結晶ファイバの光軸と前記単結晶ファイバの端面の法線を含む平面の中で、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な方向をX方向とし、前記単結晶ファイバの光軸と前記X方向に垂直な方向をY方向として、前記単結晶ファイバの光軸に垂直な断面のX方向の直径DxとY方向の直径Dyは、
(n2/n1)0.9≦Dx/Dy≦(n2/n1)1.1
の関係を満たすことを特徴とする単結晶ファイバ。 - 入射された直線偏光に対し最大の増幅を示す結晶方位と、前記単結晶ファイバのX方向とを一致させたことを特徴とする請求項1に記載の単結晶ファイバ。
- 4価のCr原子を添加したY3Al5O12(YAG)結晶、Yb,Nd,Er,Tm,Hoのうち少なくとも一種類を添加したYAG結晶、Tiサファイア結晶、またはCrフォルステライト結晶からなることを特徴とする請求項1または2に記載の単結晶ファイバ。
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---|---|---|---|
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