JPWO2005011073A1 - ファイバレーザ、自然放出光源及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

ファイバレーザ、自然放出光源及び光ファイバ増幅器 Download PDF

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Abstract

ファイバレーザ、自然放出光源、及び光ファイバ増幅器において、従来では、ツリウム（Ｔｍ）イオンを添加したファイバを、０．６７μｍあるいは０．８μｍの励起光で励起していたが、時間の経過とともに特性が劣化するという課題がある。励起光として１．２μｍの光を用いる。あるいは基底準位３Ｈ６から３Ｈ５励起準位へツリウムを励起する励起光源を用いる。更に好ましい構成として、Ｔｍを添加するホストガラスを明確にして、２．３μｍ帯の発光効率を向上させた。

Description

本発明は、ファイバレーザ、自然放出光源、及び光ファイバ増幅器に関し、特にコア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とした２μｍ帯近傍で動作するファイバレーザ、自然放出光源、及び光ファイバ増幅器に関する。
図１はツリウムイオンのエネルギー準位図（非特許文献１参照）であり、図１中の各エネルギー準位の右側にエネルギー値を、図１中の各エネルギー準位の左側に各準位の名称を、矢印に付与された数字は各矢印の遷移が生じたときに吸収（図１中、上向きの矢印（図示しない）に相当する）、または放出（図１中、下向きの矢印に相当する）される光の波長をそれぞれ示す。ただし、エネルギーの単位は、波数単位を基本とした１／ｃｍ（分光学で言うと、Ｋ（カイザー）に相当する）で表し、エネルギー準位の名称は、Ｒｕｓｓｅｌｌ−Ｓａｕｎｄｅｒｓ（ラッセル・ソンダーズ）の表記法にもとづくものであり、アルファベットの大文字は合成軌道角運動量を、その上付きの添数字は電子の全スピン角運動量にもとづくスペクトル項の多重度を、その下付きの添数字は全角運動量をそれぞれ表すものである。なお、３Ｈ６準位は、結晶電場によって生じるシュタルク効果により、縮退していた準位が***して広がった幅のある準位となっている。
ツリウム（Ｔｍ）をコアに添加したファイバにおいては、ツリウムイオンの図１中の ・３Ｈ４→３Ｈ６遷移（ツリウムイオンのエネルギーが３Ｈ４準位から３Ｈ６準位に移ることを表すものとし、以下、この表記法に従う。）を用いた１．９μｍ帯、
・３Ｆ４→３Ｈ５遷移を用いた２．３μｍ帯、
・３Ｆ４→３Ｈ６遷移を用いた０．８２μｍ帯
・３Ｆ４→３Ｈ４遷移を用いた１．４８μｍ帯、
を用いたファイバレーザ、自然放出光源、或いは光ファイバ増幅器への応用が検討されている。なお、上記遷移間でのファイバレーザ、自然放出光源、或いは光ファイバ増幅器を高効率で実現するために、Ｔｍ（ツリウム）を添加するファイバとして、フッ化物ファイバが用いられている。このＴｍ添加フッ化物ファイバの中で、特に、２．３μｍ帯は半導体レーザでの発振が難しく、また、現在、巨大ビジネスの可能性を有し、国内外の多くの医療検査装置開発企業がしのぎを削って開発競争が進められている無侵襲血糖値センシング用の光源として大きな注目を集めている。
これまで、
（１）Ｔｍ添加フッ化物ファイバに、０．６７μｍ帯励起（３Ｈ６準位にあるツリウムイオンを３Ｆ３準位に励起）（非特許文献１参照）を適用して、０．８２μｍ帯、１．４８μｍ帯、１．９μｍ帯及び２．３５μｍ帯のレーザ発振、
（２）Ｔｍ添加フッ化物ファイバに、０．８μｍ帯励起（３Ｈ６準位にあるツリウムイオンを３Ｆ４準位に励起）（非特許文献２、あるいは特許文献１参照）、を適用して、２．３５μｍ帯のレーザ発振、
（３）Ｔｍ添加フッ化物ファイバに、０．８（０．７９）μｍ帯励起（特許文献１参照）に適用して、０．８２μｍ帯、１．４８μｍ帯、１．９μｍ帯及び２．３５μｍ帯のレーザ発振、
（４）Ｔｍ添加フッ化物ファイバに、１．５５〜１．７５μｍ帯励起、３Ｈ６準位にあるツリウムイオンを３Ｈ４準位に励起（特許文献２参照）を適用して、１．９μｍ帯のレーザ発振及び光ファイバ増幅器、
（５）Ｔｍ添加フッ化物ファイバに、１．０６μｍ帯励起（特許文献２参照）を適用して、１．４８μｍ帯のレーザ発振及び光ファイバ増幅器、
が報告されており、上記報告の（１）、（２）及び（３）により、２．３μｍ帯ファイバレーザがすでに開発されている。
：特開平３−２９３７８８号公報 ：特開平６−２８３７９８号公報 ：Ｊ．Ｙ．Ａｌｌａｉｎ ｅｔ ａｌ．，"Ｔｕｎａｂｌｅ ＣＷ ｌａｓｉｎｇ ａｒｏｕｎｄ ０．８２，１．４８，１．８８ ａｎｄ ２．３５μｍ ｉｎ Ｔｈｕｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｅｒ"Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２４，ｐｐ．１６６０−１６６２，１９８９年発行 ：Ｌ．Ｅｓｔｅｒｏｗｉｔｚ ｅｔ ａｌ．，"Ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｔ ２．３μｍ ｉｎ ａ Ｔｈｕｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｌｏｒｏｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｆｉｂｅｒ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．１７，ｐ．１１０４，１９８８年発行 ：Ａ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ，ｅｔ ａｌ．，"１２１２−ｎｍ ｐｕｍｐｉｎｇ ｏｆ ２μｍ Ｔｍ−Ｈｏ−ｃｏｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．２０，ｐｐ．３７２３−３７２５，２００２年発行 ：Ｐ．Ｒ．Ｂａｒｂｅｒ，ｅｔ ａｌ．，"Ｉｎｆｒａｒｅｄ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ ｉｎ Ｔｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｆｉｂｅｒ"，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２０（２１），ｐｐ．２１９５−２１９７，１９９５年発行
しかしながら、０．６７μｍ或いは０．８μｍ帯励起は、活性媒体としてＴｍ添加フッ化物ファイバを用いたもののみが報告されて、他のガラスホスト（母材）を用いたＴｍ添加ファイバに関しての報告は無かった。すなわち、これまで、如何なるガラスホストのファイバが２．３μｍ帯動作のレーザ応用に適するのかは明らかになっていなかった。
さらに、Ｔｍを添加してフッ化物ファイバに波長１．０５μｍ以下の強い光を入射すると、フッ化物ファイバ自体の損失が増加するというフォトダークニング（非特許文献４参照）が発生する現象がある。図２は、Ｔｍ添加フッ化物ファイバ（添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、ファイバ長２０ｍ、比屈折率差３．７％）に、１．０４７μｍ帯Ｎｄ−ＹＬＦレーザ光、５００ｍＷを入射する前の損失スペクトル（実線の曲線）と、そのレーザ光入射後の５６時間後の損失スペクトル（破線の曲線）を示す。この図示の損失増はレーザ光の入射によりフッ化物ファイバのガラス中に欠陥が生じるためであり、この現象はその入射する波長が短波長になればなるほど顕著になる。このため、０．６７μｍ或いは０．８μｍ励起を用いたＴｍ添加フッ化物ファイバによる２．３μｍ帯動作のレーザ応用を考えた場合には、その発振効率が時間と共に減少し、最後には、レーザ発振ができなくなるという、信頼性上の課題があった。このため、無侵襲血糖評価装置等の応用に従来のこのような光源を利用したとしても信頼性のある実用的な光源となり得なかった。
なお、１．２μｍ帯励起を用いたＴｍ３＋とＨｏ３−を共添加したフッ化物ファイバによる１．９μｍ帯のレーザ発振が報告されている（非特許文献３参照）。しかし、これは、Ｔｍ３＋の３Ｈ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を利用するものでは無く、また２．３μｍ帯の発光に関するものでもない。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたものであり、その主な目的は、
１）２．３μｍ帯で動作するために必要なＴｍを添加するガラスホストを明確にして、同帯域で動作するファイバレーザ、自然放出（ＡＳＥ）光源、及びファイバ増幅器を確実に実現すると共に、
２）フォトダークニングによるファイバ特性の劣化のない高信頼性を実現することにある。
上記目的を達成するために、本発明の特徴は以下の２点にある。
１）２．３μｍ帯で動作するために必要なＴｍを添加するガラスホストとして、マルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率が、石英ガラスよりも低いガラスを用いる。
２）フォトダークニングによるファイバ特性の劣化をなくすためにＴｍ添加ファイバに入射する励起の波長として１．２μｍ帯を用いる。
本発明はこの特徴により無侵襲血糖評価装置等の実用的な装置への応用が実現できる。
本発明は、上記特徴により、以下の効果を奏する。
１）Ｔｍを添加するガラスホストとして、マルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率が石英ガラスより低いガラスを用いるので、２．３μｍ帯域で動作するファイバレーザ、ＡＳＥ光源（自然放出光源）及び光ファイバ増幅器を確実に実現することができる。
２）Ｔｍ添加ファイバに入射する励起の波長として１．２μｍ帯（１．２μｍ帯励起）を用いるので、フォトダークニングによるファイバ特性の劣化のない高信頼性を有する実用的な、２．３μｍ帯域で動作するファイバレーザ、ＡＳＥ光源及び光ファイバ増幅器を実現することができる。
［図１］図１はツリウムイオンのエネルギー準位図である。
［図２］図２はＴｍ添加フッ化物ファイバのフォトダークニングを説明するグラフ図である。
［図３］図３は各種ガラスの非発光緩和率の特性を示すグラフ図である。
［図４］図４は本発明に係わる０．６７μｍ帯励起の２．３μｍ帯自然放出光スペクトルを示すグラフ図である。
［図５］図５は本発明に係わる０．８μｍ帯励起の２．３μｍ帯自然放出光スペクトルを示すグラフ図である。
［図６］図６は本発明に係わる０．６７μｍ帯励起の０．８μｍ帯励起の２．３μｍ帯自然放出光スペクトルを示すグラフ図である。
［図７］図７は本発明に係わる１．２μｍ帯励起Ｔｍ３＋添加フッ化物ファイバ及びＴｍ３−添加テルライトファイバの自然放出光スペクトルの図である。
［図８］図８は本発明に係わる１．２μｍ帯励起Ｔｍ３＋添加ゲルマン酸塩ガラスファイバ、Ｔｍ３＋添加カルコゲナイドガラスファイバ、Ｔｍ３＋添加ビスマス系ガラスファイバ及びＴｍ３−添加フツリン酸ガラスファイバの自然放出光スペクトルを示すグラフ図である。
［図９］図９は本発明の１．２μｍ帯励起の有効性を説明するグラフ図である。
［図１０］図１０は本発明の第１の実施例のファイバレーザの構成を示す模式図である。
［図１１Ａ］図１１Ａは本発明の第１の実施例における２．３μｍ帯バンドパスフィルタの特性を示すグラフ図である。
［図１１Ｂ］図１１Ｂは本発明の第１の実施例における１．８μｍ帯バンドパスフィルタの特性を示すグラフ図である。
［図１２］図１２は本発明の第１の実施例における２．３μｍ帯ファイバレーザの出力特性を示すグラフ図である。
［図１３］図１３は本発明の第２の実施例の光ファイバ増幅器の構成を示す模式図である。
［図１４］図１４本発明の第３の実施例の自然放出光源の構成を示す模式図である。
 符号の説明
１ 利得媒質であるＴｍ３−添加ファイバ
２ １．２μｍ帯励起光源
３ ダイクロイックミラー
４ 反射ミラー
５ ２．３μｍ帯及び１．８μｍ帯バンドパスフイルタ
６ 集光レンズ
７ 全反射ミラー
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、上記の本発明の特徴１）、２）に基づいて詳細に説明する。
（本発明の特徴１の説明）
Ｔｍを添加した光ファイバの２．３μｍ帯の蛍光は、図１に示すように３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移による。また、この遷移によるレーザ応用を実現する場合には、３Ｆ４準位に滞在するＴｍイオンの滞在時間を長く（つまり、蛍光寿命を長く）して、３Ｆ４準位と３Ｈ５準位間で反転分布を形成する必要がある。このためには、３Ｆ４準位から３Ｈ５準位に非発光で緩和するＴｍイオンを減らすことが重要であると考えられる。図３に、各種ガラスの非発光緩和率の特性を示す。なお、この非発光は３Ｆ４準位から３Ｈ５準位へのマルチフォノン緩和に起因する。３Ｆ４準位と３Ｈ５準位間のエネルギー差は〜４３００（１／ｃｍ）であり、石英ガラス（ケイ酸塩ガラス）に比べ、テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラスが小さな非発光緩和率を有することが図３から分かる。また、図３に記載していないが、ビスマス系ガラス及びフツリン酸ガラスも石英に比べて非発光緩和率は小さい。この知見に従い、本発明者らは、各種のガラスホストの異なるＴｍ添加光ファイバを作製して、０．６７μｍ帯励起、０．８μｍ帯励起の２．３μｍ帯自然放出光スペクトルを実測し、その結果を図４、図５、図６に示す。
なお、ここで使用した光ファイバの諸元は、
・Ｔｍ添加フッ化物ファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．６％、カットオフ波長１．５μｍ、ファイバ長１０ｍ
・Ｔｍ添加テルライトファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、カットオフ波長１．４μｍ、ファイバ長１０ｍ
・Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．０％、カットオフ波長１．５μｍ、ファイバ長５ｍ
・Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度１５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、カットオフ波長１．３μｍ、ファイバ長１０ｍ
・Ｔｍ添加石英ファイバ：Ｔｍ添加濃度１５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．８％、カットオフ波長１．２μｍ、ファイバ長１０ｍ
・Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度１０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、カットオフ波長１．４３μｍ、ファイバ長３ｍ
・Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度２５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、カットオフ波長１．３６μｍ、ファイバ長３．５ｍ
・Ｔｍ添加リン酸ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度１８００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．５５％、カットオフ波長１．５３μｍ、ファイバ長２．９ｍ
である。また、励起光量は０．６７μｍ帯が２００ｍＷ、０．８μｍ帯が１５０ｍＷである。
図４、図５、図６に示すように、石英ガラスに比べて、小さな非発光緩和率を有する、テルライトガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバ、フッ化物ファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ及びフツリン酸ガラスファイバにおいて、２．３μｍ帯の自然放出光が観測された。一方、石英系ファイバ及び、石英ガラスよりも大きな非発光緩和率を有するリン酸ガラスファイバでは、２．３μｍ帯の自然放出光が観測されなかった。このことにより、石英ガラスに比べて、マルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率が小さなガラスをホストガラスとした光ファイバにより、２．３μｍ帯の蛍光が得られることが明らかとなった。すなわち、この蛍光により、Ｔｍを添加するガラスホストとして、マルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率が、石英ガラスよりも低いガラスを用いることで、２．３μｍ波長域でのレーザ応用が可能であることが明らかであることが分かる。
（本発明の特徴２の説明）
始めに、Ｔｍ添加ファイバへの１．２μｍ帯励起による２．３μｍ帯のレーザ応用（ファイバレーザ、自然放出光源、及び光増幅器）に関して説明する。本励起による２．３μｍ帯レーザ応用は、１．２μｍ帯の励起により、３Ｈ６基底準位にあるツリウムイオンをまず３Ｈ５準位に励起し、この準位のから３Ｈ４準位にいったん無輻射過程により緩和し、さらに３Ｈ４準位から３Ｆ２準位に励起し、最後に３Ｆ２準位にあるツリウムイオンを無輻射過程により３Ｆ４準位に緩和することにより、３Ｆ４準位と３Ｈ５準位間に反転分布を形成することによって実現されると考える。（なお、Ｔｍ添加ファイバに入射する励起の波長として１．２μｍ帯（１．２μｍ帯励起）を用いて２．３μｍ帯のレーザ応用（ファイバレーザ、自然放出光源及び光増幅器）を実現することに関して、従来は全く報告されていなかった。）
図７に１．２μｍ帯励起Ｔｍ３＋添加フッ化物ファイバ及びＴｍ３−添加テルライトファイバの自然放出光スペクトルを示す。３Ｆ４準位→３Ｈ５準位に起因する２．３μｍ帯（蛍光ピークは２．０５μｍであるが、これは１．２μｍ帯の励起光量によってシフトする）の自然放出光スペクトルが生ずることが分かり、１．２μｍ帯の励起光量によってＴｍ添加フッ化物ファイバ、Ｔｍ添加テルライトガラスファイバにより２．３μｍ帯で蛍光が生ずるというのは本発明者らによる新たな知見であり、従来知られていなかったものである。なお、Ｔｍ添加石英系ファイバでは２．３μｍ帯の蛍光は観測されない。
さらに、図８に、１．２μｍ帯励起Ｔｍ３＋添加ゲルマン酸塩ガラスファイバ、Ｔｍ３−添加カルコゲナイドガラスファイバ、Ｔｍ３−添加ビスマス系ガラスファイバ、及びＴｍ３−添加フツリン酸ガラスファイバの自然放出光特性も合わせて示す。この特性も、１．２μｍ帯励起Ｔｍ３添加フッ化物ファイバ及びＴｍ３＋添加テルライトファイバと同様に、本発明者らによる新たな知見であると共に、上記の本発明の特徴１の説明で明らかにされた石英ガラスに比べ、小さな非発光緩和率を有するガラスをホストガラスとした光ファイバにより、２．３μｍ帯の蛍光が得られることが１．２μｍ帯励起でも明らかとなった。すなわち、このことにより、１．２μｍ帯励起により、２．３μｍ帯でのレーザ応用が可能であることが明らかであることが分かる。
なお、１．２μｍ帯励起を用いたＴｍ３＋添加フッ化物ファイバに関しては、それ自体の報告はないが、Ｔｍ３＋とホロニウム（Ｈｏ）の両者を共添加したＴｍ−Ｈｏ共添加ファイバによる１．９μｍ帯のレーザ発振が報告（非特許文献３参照）されている。しかし、この報告は、Ｔｍ３＋の３Ｈ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を利用するものでは無く、また２．３μｍ帯に関するものでは無い。
次に、フォトダークニングによるファイバ特性の劣化のない高信頼性化に関して説明する。図９に、Ｔｍ添加フッ化物ファイバ（添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、ファイバ長２０ｍ、比屈折率差３．７％）に１．２１μｍ帯半導体ＬＤ（レーザダイオード）光、〜５００ｍＷを入射する前の損失スペクトル（実線の曲線）と、その光を入射した１００時間後の損失スペクトル（鎖線の曲線）を示す。図９の結果からわかるように、１．２μｍ帯励起を採用することにより、フッ化物ファイバ自体の損失が増加するというフォトダークニングを抑えることが実現でき、高信頼を有する実用的な２．３μｍ帯レーザ応用が可能であることが分かる。（なお、図９では、若干励起光を入射する前と１．２１μｍ帯励起光入射後のスペクトルが異なっているが、これは測定精度に起因する誤差と考えられる。）
さらに、下記の表１に、Ｔｍ３−添加テルライトファイハ、Ｔｍ３＋添加ゲルマン酸塩ガラスファイバ、Ｔｍ３−添加カルコゲナイドガラスファイバ、Ｔｍ３＋添加ビスマス系ガラスファイバ及びＴｍ３＋添加フツリン酸ガラスファイバ（前述の本発明の特徴１の説明の欄に示す諸元の各ファイバを使用して測定した）の１．０４７μｍ帯励起と１．２１μｍ帯励起時の波長６００ｎｍにおける損失変化を示す。この測定結果から、フッ化物ファイバの他のガラスにファイバに対しても１．２μｍ帯励起が信頼性向上に有効であることが分かる。
Figure 2005011073
以下に、図面を参照して、本発明をより具体的に詳述するが、以下に開示する本発明の実施例は本発明の単なる例示に過ぎず、本発明の範囲をなんら限定するものではない。
本発明の第１の実施例では２．３μｍ帯及び１．８μｍ帯のファイバレーザへの本発明の応用を説明する。図１０に本発明の第１の実施例の配置構成を示す。ここで、１は利得媒質であるＴｍ３−添加ファイバ、２は１．２μｍ帯励起光源（半導体レーザであって、発振波長１．２１μｍ、最大出力２００ｍＷ）、３はダイクロイックミラー（１．２μｍ帯の光を反射、１．６〜２．４μｍ帯光を透過）、４は反射ミラー（１．６〜２．４μｍ帯で反射率５０％、１．２μｍ帯光は１００％透過）、５は２．３μｍ帯及び１．８μｍ帯バンドパスフィルタ（同フィルタの透過特性を図１１Ａおよび図１１Ｂに示す）、６は集光レンズ、７は全反射ミラー（１．６〜２．４μｍ帯光で反射率９５％以上）である。Ｔｍ３−添加ファイバ１として、下記の各種添加ファイバを１つずつ交換して使用した。
使用したＴｍ３＋添加ファイバ１の諸元は、
・Ｔｍ添加フッ化物ファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．６％、カットオフ波長１．５μｍ、ファイバ長５ｍ
・Ｔｍ添加テルライトファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、カットオフ波長１．４μｍ、ファイバ長５ｍ
・Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．０％、カットオフ波長１．５μｍ、ファイバ長６ｍ
・Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度１５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、カットオフ波長１．３μｍ、ファイバ長５ｍ
・Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度１０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、カットオフ波長１．４３μｍ、ファイバ長４．５ｍ
・Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバ：Ｔｍ添加濃度２５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、カットオフ波長１．３６μｍ、ファイバ長５．５ｍ
である。
各々のＴｍ３＋添加ファイバ１に入射する１．２μｍ帯励起光量が５０ｍＷであり、バンドパスフィルタ５として２．３μｍ帯（透過中心波長２．２０５μｍ）バンドパスフィルタを使用した場合において、２．２０５μｍでＴｍ添加フッ化物ファイバを用いた場合には１．５ｍＷ、Ｔｍ添加テルライトファイバを用いた場合には２．２ｍＷ、Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバを用いた場合には０．６ｍＷ、Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバを用いた場合には０．４ｍＷ、Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバを用いた場合には１．３ｍＷ、Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバを用いた場合には１．１ｍＷのレーザ発振がそれぞれ実現した。
さらに、各々のＴｍ添加ファイバに入射する１．２μｍ帯励起光量が５０ｍＷであり、バンドパスフィルタ５として１．８μｍ帯（透過中心波長１．８０１μｍ）バンドパスフィルタを使用した場合において、１．８０１μｍでＴｍ添加フッ化物ファイバを用いた場合には２．４ｍＷ、Ｔｍ添加テルライトファイバを用いた場合には３．２ｍＷ、Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバを用いた場合には０．８ｍＷ、Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバを用いた場合には０．７ｍＷ、Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバを用いた場合には１．９ｍＷ、Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバを用いた場合には１．４ｍＷのレーザ発振がそれぞれ実現した。
さらに、バンドパスフィルタ５をチューナブルフィルタに変更することにより、２．３μｍ帯と１．８μｍ帯の両波長域でレーザ発振が可能であり、例えば、Ｔｍ添加フッ化物ファイバとチューナブルフィルタを用いて１．７５〜２．２１μｍ帯の波長可変が実現できた。
また、図１２に、本実施例においてＴｍ３＋添加フッ化物ファイバを用いたファイバレーザの出力光量の時間安定性を示す（２．２０５μｍレーザ初期出力１．５ｍＷ）。また、同図は０．６７μｍ帯励起時の特性を合わせて示す（上記と同じレーザ初期出力）。この結果より、１．２μｍ帯励起を用いることにより、高信頼のファイバレーザ応用が可能であることが確認された。
また、Ｔｍ添加テルライトファイバ、Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバ、Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバ、Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバ、Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバを用いた場合においても、１０００時間動作後のレーザ出力光変動も１０％以内であり、これらのガラスにおいても１．２μｍ帯励起を用いることにより、高信頼化が実現できることが明らかとなった。
本発明の第２の実施例では、２．３μｍ帯の光ファイバ増幅器への本発明の応用を説明する。図１３に本発明の第２の実施例の構成を示す。ここで、１は利得媒質であるＴｍ３−添加ファイバ、２は１．２μｍ帯励起光源（半導体レーザであって、発振波長１．２１μｍ、最大出力２００ｍＷ）、３はダイクロイックミラー（１．２μｍ帯の光を反射、１．６〜２．４μｍ帯光を透過）、６は集光レンズである。
利得媒質１として、
・Ｔｍ添加フッ化物ファイバ（Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．６％、ファイバ長１１ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得８．３ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が６２ｍＷの時）
・Ｔｍ添加テルライトファイバ（Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、ファイバ長５ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得５．８ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が５２ｍＷの時）
・Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバ（Ｔｍ添加濃度２０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．０％、ファイバ長５ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得３．８ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が７５ｍＷの時）
・Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバ（Ｔｍ添加濃度１５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、ファイバ長６ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得２．７ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が７３ｍＷの時）
・Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバ（Ｔｍ添加濃度１０００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差２．５％、ファイバ長５．５ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得４．７ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が５５ｍＷの時）
・Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバ（Ｔｍ添加濃度２５００ｗｔ．ｐｐｍ、比屈折率差１．１％、ファイバ長４．３ｍ）を用いることにより、２．２０５μｍ信号光に対して信号利得２．２ｄＢ（１．２μｍ帯励起光量が８６ｍＷの時）
がそれぞれ実現できた。
また、上記各種Ｔｍ添加ファイバを用いた場合において、上記励起条件で１．８μｍ帯でも信号利得を同様に実現でき、Ｔｍ添加フッ化物ファイバを用いた場合には６．２ｄＢ（波長１．８０５μｍ）、Ｔｍ添加テルライトファイバを用いた場合には５．１ｄＢ（波長１．８０５μｍ）、Ｔｍ添加カルコゲナイドガラスファイバを用いた場合には３．２ｄＢ（波長１．８０５μｍ）、Ｔｍ添加ゲルマン酸ガラスファイバを用いた場合には３．２ｄＢ（波長１．８０５μｍ）、Ｔｍ添加ビスマス系ガラスファイバを用いた場合には７．５ｄＢ（波長１．８０５μｍ）、Ｔｍ添加フツリン酸ガラスファイバを用いた場合には２．８ｄＢ（波長１．８０５μｍ）のレーザ発振がそれぞれ実現した。
本発明の第３の実施例では、２．３μｍ帯の自然放出光源への本発明の応用を説明する。図１４に、本発明の第３の実施例の構成を示す。ここで、１は利得媒質であるＴｍ３−添加ファイバ、２は１．２μｍ帯励起光源（半導体レーザであって、発振波長１．２１μｍ、最大出力２００ｍＷ）、３はダイクロイックミラー（１．２μｍ帯の光を反射、２．２μｍ帯光を透過）、６は集光レンズである。
図１４の構成により、前述の図７、図８に示したように、Ｔｍ３＋添加フッ化物ファイバ、Ｔｍ３−添加テルライトファイバ、Ｔｍ３−添加ゲルマン酸塩ガラスファイバ、Ｔｍ３＋添加カルコゲナイドガラスファイバ、Ｔｍ３＋添加ビスマス系ガラスファイバ及びＴｍ３−添加フツリン酸ガラスファイバのそれぞれの自然放出光特性が得られる。この特性により２．３μｍ帯で動作する自然放出光源が実現できた。また、図７、図８から、２．３μｍ帯と共に１．８μｍ帯における自然放出光を利用できることが分かる。
（他の実施形態）
以上の第１〜第３の実施例では、励起光源として、半導体レーザを用いたが、１．２μｍ帯ファイバラマンレーザ等、他の光源を用いても良い。
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、請求の範囲の各請求項に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
現在、無浸襲血糖値センシングは巨大ビジネスの可能性を有し、国内外の多くの医療検査装置開発企業がしのぎを削った開発競争が進められている。この無浸襲血糖値センシングにおいて、２．３μｍ帯はグルコースの有望な検査波長域の一つであり、この波長域で動作する光源の開発が強く求められている。これまでに、この波長域で動作する光源としては、半導体ＬＤの発振が難しく、Ｔｍ添加フッ化物ファイバを用いたファイバレーザあるいは自然放出光源が開発されていたが、励起光として１．０５μｍ以下の０．６７μｍあるいは０．８μｍが用いられていたために、フォトダークニングが発生する現象があり、そのため２．３μｍ帯の出力光が時間とともに減少して最後には、無出力となるという信頼上の問題があった。本発明は、フォトダークニングによるファイバ特性の劣化のない高信頼性を有する実用的な、２．３μｍ帯域で動作するファイバレーザ、ＡＳＥ光源及び光ファイバ増幅器を実現することができるので、非常に有用である。

Claims (27)

  1. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質としたファイバレーザにおいて、
    前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、励起光源として１．２μｍ帯の光、あるいは基底準位３Ｈ６から３Ｈ５励起準位へ前記ツリウムを励起する励起光源を用い、少なくとも２．３μｍ帯で動作することを特徴とするファイバレーザ。
  2. 前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
  3. 前記非石英系ファイバが、フッ化物ファイバ、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ。
  4. 少なくとも３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のファイバレーザ。
  5. ２．３μｍ帯と共に１．８μｍ帯の両波長域で動作することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のファイバレーザ。
  6. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移と共に３Ｈ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のファイバレーザ。
  7. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とし、前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、２．３μｍ帯で動作するファイバレーザにおいて、
    励起光源として０．６７μｍ帯あるいは０．８μｍ帯の光を用いると共に、少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバであることを特徴とするファイバレーザ。
  8. 少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ。
  9. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする特徴とする請求項７または８に記載のファイバレーザ。
  10. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とした自然放出光源において、
    前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、励起光源として１．２μｍ帯の光、あるいは基底準位３Ｈ６から３Ｈ５励起準位へ前記ツリウムを励起する励起光源を用い、少なくとも２．３μｍ帯で動作することを特徴とする自然放出光源。
  11. 前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバであることを特徴とする請求項１０に記載の自然放出光源。
  12. 前記非石英系ファイバが、フッ化物ファイバ、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の自然放出光源。
  13. 少なくとも３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の自然放出光源。
  14. ２．３μｍ帯と共に１．８μｍ帯の両波長域で動作することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の自然放出光源。
  15. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移と共に３Ｈ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の自然放出光源。
  16. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とし、前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、２．３μｍ帯で動作する自然放出光源において、
    励起光源として０．６７μｍ帯あるいは０．８μｍ帯の光を用いると共に、少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバであることを特徴とする自然放出光源。
  17. 少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項１６に記載の自然放出光源。
  18. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする特徴とする請求項１６または１７に記載の自然放出光源。
  19. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とした光ファイバ増幅器において、
    前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、励起光源として１．２μｍ帯の光、あるいは基底準位３Ｈ６から３Ｈ５励起準位へ前記ツリウムを励起する励起光源を用い、少なくとも２．３μｍ帯で動作することを特徴とする光ファイバ増幅器。
  20. 前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバあることを特徴とする請求項１９に記載の光ファイバ増幅器。
  21. 前記非石英系ファイバが、フッ化物ファイバ、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項２０に記載の光ファイバ増幅器。
  22. 少なくとも３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。
  23. ２．３μｍ帯と共に１．８μｍ帯の両波長域で動作することを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。
  24. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移と共に３Ｈ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。
  25. コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有する希土類元素を添加した光ファイバを利得媒質とし、前記光ファイバに少なくともツリウムを添加し、２．３μｍ帯で動作する光ファイバ増幅器において、
    励起光源として０．６７μｍ帯あるいは０．８μｍ帯の光を用いると共に、少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、石英ガラスよりも低いマルチフォノン緩和に起因する非発光緩和率を有するガラスを光ファイバのホストガラスとして用いる非石英系ファイバであることを特徴とする光ファイバ増幅器。
  26. 少なくとも前記ツリウムを添加した前記光ファイバが、テルライトガラスファイバ、ビスマス系ガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、ゲルマン酸塩ガラスファイバのいずれかであることを特徴とする請求項２５に記載の光ファイバ増幅器。
  27. ３Ｆ４から３Ｈ５準位へのレーザ遷移を用いることを特徴とする特徴とする請求項２５または２６に記載の光ファイバ増幅器。
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