JPH09105964A - 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
高出力チャープパルス増幅装置およびコンプレッサーInfo
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Abstract
ープパルス増幅装置と、同装置に好適なコンプレッサー
とを提供すること。 【解決手段】 伸長されたパルス光である伸長パルスを
発生させる発生源10と、該伸長パルスを増幅する出力
増幅段20と、該伸長パルスを出力増幅段20から受け
取り圧縮するコンプレッサー40とを備えており、出力
増幅段20には二重クラッドファイバーおよびポンプを
有し、超短パルスを発生する高出力チャープパルス増幅
装置。コンプレッサー40には、レーザーパルス信号を
非線形効果の閾値未満の持続時間に圧縮するファイバー
格子とパルス信号をさらに圧縮するためにファイバー格
子で圧縮された前記パルス信号を受け入れる回折格子と
を備えていることが好ましい。クラッドポンプファイバ
ーのチャープパルス増幅作用で、小型低廉でありながら
高出力のチャープパルス増幅ができる。
Description
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。
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。
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481507
9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。
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 ab
sorption)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。
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)。
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。
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(100
mW〜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。
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。
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。
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(catastro
phic damage)の低い限界値」により、約1
0mW〜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。
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。
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
プ力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。
0mW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。
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。
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、ポンプのための高パワーと高いパル
ス反復率での効率のよいパワー抽出が必要である。
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。
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、
クラッドが励起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。
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。
ブラッグ格子(chirped fiber Brag
g 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。
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。
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。
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 Apert
ure)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。
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(C
W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。
(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22
0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。
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。
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C
1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。
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。
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。
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。
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,3
0b、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。
A)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。
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
非線型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。
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51
0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5
00は、まず、ファイバーコンプレッサー(510)の
非線型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。
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。
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、それぞれ第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。
域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。
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65
0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 M
ultiplexer)が使用される。
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、調整可能な(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。
ザーダイオード630からの波長1.48μmの50m
W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6
40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6
50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。
/4デバイスとして示されている。ただし、λ/4−λ
2の仕組も使用できる。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。
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(insensitiv
e 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。
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15
30nm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6
50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。
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。
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。
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。
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1
550nm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。
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。
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:100pp
m)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ポンプ信号の高い変
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、980
nm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。
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100f
sにも下げられる。
のパルス源(図示せず)は、調節可能な反復率5〜50
MHz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17n
m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)74
0とファイバー極性コントローラー750(バルクPB
S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。
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。
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0.26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20
nJ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。
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影響は、ファ
イバーコア内での非線形相互作用の限界における影響よ
りも小さくあるべきである。高い影響レベルで生じる非
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。
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。
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。
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。
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。
構造を示す断面図
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
構成を示す模式図
構成を示す模式図
構成を示す模式図
を示す模式図
を示す模式図
フィール・グラフ
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 61
0: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) 67
0: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 (22)
- 【請求項1】伸長されたパルス光である伸長パルスを発
生させる発生源と、 該伸長パルスを増幅する出力増幅段と、 該伸長パルスを該出力増幅段から受け取り圧縮するコン
プレッサーとを備え、 前記出力増幅段には、二重クラッドファイバーおよびポ
ンプを有することを特徴とする、超短パルスを発生する
高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項2】前記伸長パルスと前記ポンプの出力光と
を、前記伸長されたパルスを増幅するための前記二重ク
ラッドファイバーの入力側へ伝達する伝達手段と、 該伸長パルスを該二重クラッドファイバーの出力側から
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をカップリングする結合
手段と、を備えている、請求項1記載の高出力チャープ
パルス増幅装置。 - 【請求項3】前記ポンプは、広帯域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てい
る、請求項2記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項4】前記コンプレッサーは、チャープされたブ
ラッグ格子を含む、請求項3記載の高出力チャープパル
ス増幅装置。 - 【請求項5】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装置(ハイブリッド・コンビネーシ
ョン)からなる、請求項3記載の高出力チャープパルス
増幅装置。 - 【請求項6】前記回折格子は、透過回折格子からなる、
請求項5記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項7】前記パワーアンプの前に配設されているプ
リアンプを有し、 該プリアンプは、単一クラッド・ドープ・ファイバーと
単一横モード・レーザーダイオード・ポンプとからな
る、請求項3記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項8】前記クラッドファイバーは、中央コアがY
b/Erコドープファイバーである、請求項7記載の高
出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項9】前記発生源は、調整可能な(チューナブ
ル)レーザーダイオードからなる、請求項3記載の高出
力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項10】前記出力増幅段に結合されている偏光ビ
ームスプリッターを有し、 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、 前記出力増幅段は、前記第1面に背向している第2面で
前記偏光ビームスプリッターに結合されている、請求項
1記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項11】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前記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、を備えている、請
求項10記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項12】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二色鏡(ダイクロイック・ミ
ラー)を備えている、請求項11記載の高出力チャープ
パルス増幅装置。 - 【請求項13】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、前記プリアンプ段の入力箇所に
配設されており、 第2アイソレーターが、前記プリアンプ段の出力箇所に
配設されている、請求項目12記載の高出力チャープパ
ルス増幅装置。 - 【請求項14】前記二重クラッドファイバーは、中央コ
アがYb/Erコドープファイバーである、請求項13
記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項15】前記発生源は、調整可能な(チューナブ
ル)レーザーダイオードからなる、請求項14記載の高
出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項16】前記二重クラッドファイバーは、中央コ
アが単一ドープのファイバーである、請求項13記載の
高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項17】前記単一ドープファイバーは、フッ素ガ
ラスファイバーである、請求項13記載の高出力チャー
プパルス増幅装置。 - 【請求項18】分散補正ファイバーを備えている、請求
項1記載の高出力チャープパルス増幅装置。 - 【請求項19】レーザーパルス信号を、非線形効果の閾
値未満の持続時間に圧縮するファイバー格子と、 前記パルス信号をさらに圧縮するために、該ファイバー
格子で圧縮された前記パルス信号を受け入れる回折格子
と、を備えている、レーザーパルス信号を圧縮するコン
プレッサー。 - 【請求項20】前記回折格子は、反射格子からなる、請
求項19記載のコンプレッサー。 - 【請求項21】前記回折格子は、透過格子からなる、請
求項19記載のコンプレッサー。 - 【請求項22】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、請求項1
9記載のコンプレッサー。
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