JP7740680B2 - Mode-locked laser - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバを共振器とするモード同期レーザに関し、特に高強度の短パルスを発生するモード同期レーザに関する。 The present invention relates to a mode-locked laser that uses an optical fiber as a resonator, and in particular to a mode-locked laser that generates high-intensity short pulses.
モード同期レーザは、計測や医療等の分野で幅広く用いられている。一般的に、モード同期レーザでは、可飽和吸収体を用いて超短パルス列を生成することが知られている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)。可飽和吸収体は、照射する光強度が強いほど吸収が飽和し、透過率が増加する特性を持つ。このため、ファイバ増幅器から放出される雑音成分の中からピークの強い成分が生き残り、発振する光パルスの種となる。可飽和吸収体としては、一般的にカーボン材料であるカーボンナノチューブ(CNT:carbon nanotube)等を用いる。しかしながら、CNT等は比較的低いダメージ閾値による制限があるため、極めて高い光出力が望めない。 Mode-locked lasers are widely used in fields such as measurement and medicine. It is generally known that mode-locked lasers use saturable absorbers to generate ultrashort pulse trains (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). Saturable absorbers have the property that the stronger the irradiated light intensity, the more saturated the absorption becomes and the higher the transmittance. Therefore, among the noise components emitted from a fiber amplifier, components with strong peaks survive and become the seeds of oscillating optical pulses. Carbon materials such as carbon nanotubes (CNTs) are generally used as saturable absorbers. However, CNTs and other materials are limited by their relatively low damage threshold, making extremely high optical output unfeasible.
ファイバレーザにおける偏波保持は、高い環境安定性を必要とする実際のアプリケーションで重要である。材料ベースの偏波保持レーザは、光損傷に関する長期安定性及び耐久性に問題がある。これらの問題を解決するには、カー効果ベース(以下、カーベースとも呼ぶ)の手法を使用することができるが、カーベースのファイバレーザはほとんどが非偏波保持タイプである。カーベースのファイバレーザとして、以前、干渉型のPM-F8(例えば、非特許文献2参照)、干渉型のPM-F9(例えば、非特許文献3参照)、非線形偏光回転を用いたPM-NPR(例えば、非特許文献4参照)等が提案されている。しかしながら、PM-F8は、セルフスタートが容易でなく、PM-F9は、PM-F8の問題を解決するが複雑なファラデー偏光制御コンポーネントを必要とし、PM-NPRは、一対の偏光子の間に非線形偏光回転を生じさせるファイバーセクションを含み、温度や機械的変動といった環境に対する不安定性を有する。 Polarization maintenance in fiber lasers is important for practical applications requiring high environmental stability. Material-based polarization-maintaining lasers have problems with long-term stability and durability against optical damage. To solve these problems, Kerr-effect-based (hereinafter also referred to as Kerr-based) techniques can be used, but most Kerr-based fiber lasers are non-polarization-maintaining. Previously proposed Kerr-based fiber lasers include the interferometric PM-F8 (see, e.g., Non-Patent Document 2), the interferometric PM-F9 (see, e.g., Non-Patent Document 3), and the PM-NPR (see, e.g., Non-Patent Document 4) using nonlinear polarization rotation. However, the PM-F8 is not easily self-starting, the PM-F9 solves the problems of the PM-F8 but requires complex Faraday polarization control components, and the PM-NPR includes a fiber section that generates nonlinear polarization rotation between a pair of polarizers, making it susceptible to environmental instability such as temperature and mechanical fluctuations.
なお、可飽和吸収体に代えて、シングルモード光ファイバ(SMF:single mode optical fiber)を曲げるとともに出口に偏光子を配置することで生じる偏波依存性損失(PDL:Polarization Dependent Loss)を利用したモード同期レーザがある(例えば、非特許文献5及び6参照)。 Instead of a saturable absorber, there is a mode-locked laser that utilizes polarization-dependent loss (PDL) that occurs when a single-mode optical fiber (SMF) is bent and a polarizer is placed at the exit (see, for example, Non-Patent Documents 5 and 6).
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、ダメージ閾値による制限を有する可飽和吸収体に代替する耐久性が高い要素を用いて、高出力な光パルスを生成できるモード同期レーザを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned background art, and aims to provide a mode-locked laser that can generate high-power optical pulses using a highly durable element that replaces a saturable absorber that is limited by its damage threshold.
上記目的を達成するため、本発明に係るモード同期レーザは、偏波保持型の共振部と、共振部中に配置される光増幅部と、共振部中に配置され、曲げ損失を有する偏波保持型の調整用導波路を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部とを備える。 To achieve the above objective, the mode-locked laser according to the present invention comprises a polarization-maintaining resonator, an optical amplifier located within the resonator, and a transmission adjustment section located within the resonator and having a polarization-maintaining adjustment waveguide with bending loss, thereby imparting saturable absorption characteristics.
上記モード同期レーザでは、透過調整部において、調整用導波路の曲げ損失によって本来よりも透過率が低下するが、光強度が高くなると非線形光学効果によって透過率が上昇する。つまり、透過調整部は、光強度が低いと曲げの影響で調整用導波路の光の閉じ込め(導波)効果が低く、光は外部に漏れるが、光強度が高くなると非線形光学効果により光の閉じ込め効果が増大して、光の漏れが抑制される。このように、調整用導波路のみで過飽和吸収特性を実現するため、CNTのような可飽和吸収体を用いないで超短パルスを生成できる。したがって、CNT等の可飽和吸収体の長期耐久性やダメージ閾値のような制限をなくすことができ、高出力な光パルスを長期間に亘って生成できる。上記透過調整部を備えるモード同期レーザは、安定性が高く、かつ寿命が長い短パルスレーザを実現するものであり、さまざまな応用に役立つ。例えば、深部組織イメージング(TPM、CARS、SRS、OCT等)やレーザ微細加工のための光源として利用することができる。このようなモード同期レーザは、高い耐久性、低価格、小型等を達成することができる。 In the above-described mode-locked laser, the transmittance is reduced in the transmission adjustment section due to bending losses in the adjustment waveguide, but as the optical intensity increases, the transmittance increases due to the nonlinear optical effect. In other words, at low optical intensities, the bending of the transmission adjustment section reduces the optical confinement (waveguiding) effect of the adjustment waveguide, resulting in light leakage. However, as the optical intensity increases, the nonlinear optical effect enhances the optical confinement effect, suppressing light leakage. Because saturable absorption characteristics are achieved solely with the adjustment waveguide, ultrashort pulses can be generated without using saturable absorbers such as CNTs. This eliminates limitations such as the long-term durability and damage threshold of saturable absorbers such as CNTs, enabling the generation of high-power optical pulses over extended periods. A mode-locked laser equipped with the above-described transmission adjustment section realizes a highly stable, long-life short-pulse laser, making it useful for a variety of applications. For example, it can be used as a light source for deep tissue imaging (TPM, CARS, SRS, OCT, etc.) and laser micromachining. Such mode-locked lasers can achieve high durability, low cost, and compact size.
本発明の具体的な側面では、上記モード同期レーザにおいて、共振部は、偏波保持型の第1光ファイバを含み、調整用導波路は、強制的に曲げた偏波保持型の第2光ファイバである。共振部を第1光ファイバで構成し、調整用導波路を第2光ファイバで構成することにより、小型及び軽量化を図ることができる。 In a specific aspect of the present invention, in the above-described mode-locked laser, the resonator includes a polarization-maintaining first optical fiber, and the adjustment waveguide is a polarization-maintaining second optical fiber that is forcibly bent. By configuring the resonator with the first optical fiber and the adjustment waveguide with the second optical fiber, it is possible to achieve a smaller size and lighter weight.
本発明の別の側面では、上記モード同期レーザにおいて、透過調整部は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定未満の第2曲げ損失を示す。この場合、透過調整部において、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、第1曲げ損失が相対的に大きくなり、積極的に漏れ光を生じさせることができる。 In another aspect of the present invention, in the above-described mode-locked laser, the transmission adjustment section exhibits a first bending loss equal to or greater than a predetermined value when light of a relatively low first intensity passes through, and exhibits a second bending loss less than a predetermined value when light of a relatively high second intensity passes through. In this case, when light of a relatively low first intensity passes through the transmission adjustment section, the first bending loss becomes relatively large, making it possible to actively generate leakage light.
本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、非線形光学効果を有し、第2強度の光が通過する場合に、第1強度の光が通過する場合よりも屈折率が増加する。この場合、非線形光学効果により、強い光強度の場合、ファイバコア内の屈折率が増加し、導波能力が向上し、曲げ損失が低減する。 In yet another aspect of the present invention, the second optical fiber has a nonlinear optical effect, and when light of a second intensity passes through it, the refractive index is higher than when light of a first intensity passes through it. In this case, the nonlinear optical effect increases the refractive index within the fiber core when the light intensity is strong, improving the waveguiding ability and reducing bending loss.
本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、PANDAファイバであり、PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方に曲げて巻きつけられる。この場合、曲げ半径とループ回数とで曲げ損失を制御できる。 In yet another aspect of the present invention, the second optical fiber is a PANDA fiber, and is bent and wound in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber. In this case, the bending loss can be controlled by the bending radius and the number of loops.
本発明のさらに別の側面では、強制的に曲げた第2光ファイバの輪の曲率半径は、一定である。 In yet another aspect of the present invention, the radius of curvature of the forcibly bent loop of the second optical fiber is constant.
本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、PANDAファイバであり、PANDAファイバの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方の偏波を用いる。 In yet another aspect of the present invention, the second optical fiber is a PANDA fiber, and polarization is used in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber.
本発明のさらに別の側面では、第2光ファイバは、遅軸方向の偏波を用いる。 In yet another aspect of the present invention, the second optical fiber uses slow axis polarization.
本発明のさらに別の側面では、第1光ファイバは、PANDAファイバである。この場合、簡易及び確実に偏波を維持できる。 In yet another aspect of the present invention, the first optical fiber is a PANDA fiber. In this case, polarization can be maintained easily and reliably.
本発明のさらに別の側面では、第1又は第2光ファイバの正規化周波数パラメータであるV値に関して、以下の条件式を満たす。
V1<V2
ただし、値V1は第1光ファイバのV値であり、値V2は第2光ファイバのV値である。
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ
ただし、値dは着目ファイバのコア径であり、値NAは着目ファイバのコアの開口数であり、値λは着目ファイバに用いる周波数である。着目ファイバとは、第1又は第2光ファイバを意味する。
In yet another aspect of the present invention, the following conditional expression is satisfied regarding the V value, which is a normalized frequency parameter of the first or second optical fiber.
V1<V2
where the value V1 is the V value of the first optical fiber, and the value V2 is the V value of the second optical fiber.
The V value is defined by the following formula.
V = πdNA/λ
where the value d is the core diameter of the fiber of interest, the value NA is the numerical aperture of the core of the fiber of interest, and the value λ is the frequency used for the fiber of interest. The fiber of interest means the first or second optical fiber.
本発明のさらに別の側面では、共振部は、第1光ファイバによってリング状に形成される。この場合、例えば反射体が不要になり、メンテナンスが略不要となる。 In yet another aspect of the present invention, the resonator is formed in a ring shape using the first optical fiber. In this case, for example, a reflector is not required, and maintenance is almost entirely unnecessary.
〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照して、本発明に係る第1実施形態のモード同期レーザについて説明する。
First Embodiment
A mode-locked laser according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
図1に示す第1実施形態のモード同期レーザ100は、受動モード同期レーザであり、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、アイソレータ40と、出力カプラ50とを備える。モード同期レーザ100は、共振部10に、光増幅部20と、透過調整部30と、アイソレータ40と、出力カプラ50とを備え、これらを融着等によって接合したものである。図示のモード同期レーザ100は、一方向動作のリング型ファイバレーザの例である。モード同期レーザ100は、全ファイバ偏波保持型モード同期レーザである。 The mode-locked laser 100 of the first embodiment shown in Figure 1 is a passive mode-locked laser and includes a resonator 10, an optical amplifier 20, a transmission adjuster 30, an isolator 40, and an output coupler 50. The mode-locked laser 100 includes the resonator 10, the optical amplifier 20, the transmission adjuster 30, the isolator 40, and the output coupler 50, which are joined together by fusion splicing or the like. The illustrated mode-locked laser 100 is an example of a ring-type fiber laser that operates in one direction. The mode-locked laser 100 is an all-fiber polarization-maintaining mode-locked laser.
モード同期レーザ100のうち、共振部10は、第1光ファイバ11によってリング状に形成される。共振部10を第1光ファイバ11で形成することにより、小型化及び軽量化を図ることができる。また、共振部10をリング状に形成することにより、例えば反射体が不要になり、メンテナンスが略不要となる。第1光ファイバ11は、偏波保持型の光ファイバ(PMF:Polarization Maintaining Fiber)である。 In the mode-locked laser 100, the resonator 10 is formed in a ring shape using the first optical fiber 11. By forming the resonator 10 using the first optical fiber 11, it is possible to achieve a smaller and lighter laser. Furthermore, by forming the resonator 10 in a ring shape, for example, a reflector is not required, and maintenance is almost entirely unnecessary. The first optical fiber 11 is a polarization-maintaining optical fiber (PMF).
偏波保持型の光ファイバ(PMF)は、光弾性効果や構造変化を利用してコアの縦横で実効屈折率が異なる複屈折率性を生じさせ、伝搬する光の偏波面保持特性を高めた光ファイバである。偏波保持型ファイバでは、光ファイバの断面の縦横で明確な屈折率差を持たせ、縦と横とで偏波が干渉しないようにしている。偏波保持型ファイバには、光弾性効果を使って複屈折率性を持たせた応力付与型と、コアの縦横で実効屈折率を変化させた構造型とがある。応力付与型は、クラッド断面の一方向にクラッド材と比べて熱収縮率が非常に大きい応力付与材料(SAP:Stress Applying Parts)を、コアを挟むように入れたものである。偏波保持型ファイバは、一般的には応力付与型が多く使われており、例えば、応力付与材を丸型にしたPANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)型や、蝶ネクタイ型にしたボウタイ(Bow-tie)型、楕円型にした楕円ジャケットファイバ、偏波保持フォトニックス結晶ファイバがある。本実施形態では、図2に示す偏波保持型ファイバをPANDA型とした場合について説明する。PANDA型の偏波保持型ファイバであるPANDAファイバを用いることにより、簡易及び確実に偏波を維持できる。 Polarization-maintaining optical fiber (PMF) utilizes the photoelastic effect and structural changes to create birefringence, where the effective refractive index differs between the vertical and horizontal directions of the core, enhancing the polarization-maintaining properties of propagating light. Polarization-maintaining fiber has a clear difference in refractive index between the vertical and horizontal directions of the optical fiber cross section, preventing interference between vertical and horizontal polarizations. Polarization-maintaining fibers include stress-applying fibers, which use the photoelastic effect to create birefringence, and structural fibers, which change the effective refractive index between the vertical and horizontal directions of the core. Stress-applying fibers sandwich the core with stress-applying parts (SAPs) that have a significantly higher thermal contraction rate than the cladding material in one direction of the cladding cross section. Stress-applying fibers are commonly used in polarization-maintaining fibers, including the PANDA (Polarization-Maintaining and Absorption-Reducing) type, which uses a round stress-applying part; the bow-tie type, which uses an elliptical jacket fiber; and polarization-maintaining photonic crystal fiber. In this embodiment, we will explain the case where the polarization-maintaining fiber shown in Figure 2 is a PANDA type. By using a PANDA fiber, which is a PANDA type polarization-maintaining fiber, polarization can be maintained easily and reliably.
図2に示すように、PANDAファイバPFは、コア1と、クラッド2と、応力付与部3と、被覆部4とを有する。PANDAファイバPFは、ファイバの中心部にコア1が配置され、コア1の周囲にクラッド2が配置され、コア1の両側に円形の応力付与部3が2つ配置された構造になっている。被覆部4は、クラッド2の周囲を覆っており、ファイバの内部を保護している。コア1の屈折率は、クラッド2の屈折率よりも高くなっている。応力付与部3は、線膨張率を大きくするために例えばB2O3がドープされた石英ガラスロッドで形成されている。応力付与部3は、純粋石英ガラスのクラッド部に比べ大きな線膨張率を有し、応力付与部3に引っ張りひずみが生じることにより、図中のX軸に沿ってコアに応力が印加されている。なお、図2のX軸はPANDAファイバPFの遅軸を示し、Y軸はPANDAファイバPFの速軸を示す。 As shown in FIG. 2 , the PANDA fiber PF has a core 1, a cladding 2, a stress-applying portion 3, and a coating 4. The PANDA fiber PF has a structure in which the core 1 is located at the center of the fiber, the cladding 2 is located around the core 1, and two circular stress-applying portions 3 are located on either side of the core 1. The coating 4 covers the cladding 2 and protects the inside of the fiber. The refractive index of the core 1 is higher than that of the cladding 2. The stress-applying portion 3 is formed of a silica glass rod doped with, for example, B 2 O 3 to increase its linear expansion coefficient. The stress-applying portion 3 has a linear expansion coefficient larger than that of the cladding portion made of pure silica glass. Tensile strain occurs in the stress-applying portion 3, which applies stress to the core along the X-axis in the figure. The X-axis in FIG. 2 indicates the slow axis of the PANDA fiber PF, and the Y-axis indicates the fast axis of the PANDA fiber PF.
光増幅部20は、ゲインファイバ21と、励起部22とを有する。光増幅部20は、共振部10中に配置される。光増幅部20は、例えば半導体光増幅器、ファイバラマン増幅器等の他の増幅媒質を用いた光増幅素子に置き換えることができる。 The optical amplifier 20 includes a gain fiber 21 and a pumping unit 22. The optical amplifier 20 is disposed within the resonator 10. The optical amplifier 20 can be replaced with an optical amplifier element using another amplification medium, such as a semiconductor optical amplifier or a fiber Raman amplifier.
ゲインファイバ21は、増幅機能を備えるようにドープされた偏波保持型の光ファイバである。具体的には、ゲインファイバ21は、エルビウム(Er)等の希土類元素を添加したドープファイバであり、共振部10を周回する光を増幅する。ゲインファイバ21は、第1光ファイバ11にインラインで接続される。 The gain fiber 21 is a polarization-maintaining optical fiber doped to provide amplification functionality. Specifically, the gain fiber 21 is a doped fiber doped with a rare-earth element such as erbium (Er), and amplifies the light circulating in the resonator 10. The gain fiber 21 is connected inline to the first optical fiber 11.
励起部22は、励起光源22aと合波カプラ22bとを有する。励起部22は、ゲインファイバ21に励起光PLを供給する。励起光源22aは、例えば半導体レーザで構成され、例えば波長980nmの励起光を出力する。合波カプラ22bは、第1光ファイバ11を例えば波長1550nmの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。励起部22を介して共振部10に導入された励起光は、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。 The pumping unit 22 has a pumping light source 22a and a multiplexing coupler 22b. The pumping unit 22 supplies pumping light PL to the gain fiber 21. The pumping light source 22a is composed of, for example, a semiconductor laser and outputs pumping light with a wavelength of, for example, 980 nm. The multiplexing coupler 22b does not prevent light with a wavelength of, for example, 1550 nm from propagating and circulating through the first optical fiber 11. The pumping light introduced into the resonator unit 10 via the pumping unit 22 excites the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21, enabling stimulated emission at the wavelength of the output resonant light.
透過調整部30は、共振部10中に配置され、曲げ損失を有する調整用導波路AWを有することで可飽和吸収特性を持たせたものである。具体的には、調整用導波路AWは、第2光ファイバ31を強制的に曲げることによって可飽和吸収特性を持たせた偏波保持型の光ファイバである。調整用導波路AWを第2光ファイバ31で形成することにより、小型化及び軽量化を図ることができる。 The transmission adjustment section 30 is disposed within the resonator section 10 and has an adjustment waveguide AW with bending loss, thereby providing saturable absorption characteristics. Specifically, the adjustment waveguide AW is a polarization-maintaining optical fiber that is given saturable absorption characteristics by forcibly bending the second optical fiber 31. By forming the adjustment waveguide AW from the second optical fiber 31, it is possible to achieve a smaller size and lighter weight.
第2光ファイバ31は、例えばPANDAファイバPFである。第2光ファイバ31は、PANDAファイバPFの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方に曲げて巻きつけられる。これにより、曲げ半径とループ回数とで曲げ損失を制御できる。図3(A)は、第2光ファイバ31を遅軸方向(X軸方向)に曲げた場合を示し、図3(B)は、第2光ファイバ31を速軸方向(Y軸方向)に曲げた場合を示す。また、第2光ファイバ31は、PANDAファイバPFの遅軸方向及び速軸方向のいずれか一方の偏波を用いる。特に、第2光ファイバ31が遅軸方向の偏波を用いる態様とする。図3(C)は、第2光ファイバ31を遅軸方向(X軸方向)の偏波Pを用いた場合を示し、図3(D)は、第2光ファイバ31を速軸方向(Y軸方向)の偏波Pを用いた場合を示す。透過調整部30は、図3(A)及び3(B)に示す2つの曲げパターンのいずれかと、図3(C)及び3(B)に示す2つの偏波パターンのいずれかとを組み合わせた4通りのパターンで第2光ファイバ31を用いている。 The second optical fiber 31 is, for example, a PANDA fiber PF. The second optical fiber 31 is bent and wound in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber PF. This allows the bending loss to be controlled by the bending radius and the number of loops. Figure 3(A) shows the second optical fiber 31 bent in the slow axis direction (X-axis), and Figure 3(B) shows the second optical fiber 31 bent in the fast axis direction (Y-axis). The second optical fiber 31 uses polarization in either the slow axis direction or the fast axis direction of the PANDA fiber PF. In particular, the second optical fiber 31 uses polarization in the slow axis direction. Figure 3(C) shows the second optical fiber 31 using polarization P in the slow axis direction (X-axis), and Figure 3(D) shows the second optical fiber 31 using polarization P in the fast axis direction (Y-axis). The transmission adjustment unit 30 uses the second optical fiber 31 in four patterns, combining one of the two bending patterns shown in Figures 3(A) and 3(B) with one of the two polarization patterns shown in Figures 3(C) and 3(B).
図4(A)及び4(B)は、光ファイバの曲げ損失に関して、有限要素法(FEM:Finite Element Method)に基づき、COMSOL Multiphysics(登録商標:COMSOL社)を用いて計算された結果を示す。図4(A)及び4(B)は、偏波保持型の光ファイバ内のモード分布を示す。図4(A)は、光ファイバを図3(A)のように遅軸方向(X軸方向)に曲げた場合を示し、図4(B)は、光ファイバを図3(B)のように速軸方向(Y軸方向)に曲げた場合を示す。図5は、COMSOL Multiphysicsに描画する偏波保持型の光ファイバの典型断面図である。図5において、領域A1は、曲げ損失を計算するための整合層であり、領域A2~A5は、図2に示すPANDAファイバPFのコア1、クラッド2、応力付与部3、被覆部4にそれぞれ対応する。図4(A)及び4(B)に示すように、光ファイバを曲げるとモードが曲げ方向に広がり、矢印LE方向に光が漏れ出していることがわかる。 Figures 4(A) and 4(B) show the results of calculations of bending loss in optical fibers using COMSOL Multiphysics (registered trademark: COMSOL, Inc.) based on the finite element method (FEM). Figures 4(A) and 4(B) show the mode distribution within a polarization-maintaining optical fiber. Figure 4(A) shows the optical fiber bent in the slow axis direction (X-axis) as shown in Figure 3(A), and Figure 4(B) shows the optical fiber bent in the fast axis direction (Y-axis) as shown in Figure 3(B). Figure 5 shows a typical cross-section of a polarization-maintaining optical fiber drawn in COMSOL Multiphysics. In Figure 5, region A1 is the matching layer used to calculate bending loss, and regions A2 to A5 correspond to the core 1, cladding 2, stress-applying portion 3, and coating portion 4 of the PANDA fiber PF shown in Figure 2, respectively. As shown in Figures 4(A) and 4(B), when the optical fiber is bent, the mode spreads in the bending direction, and light leaks out in the direction of the arrow LE.
図6に示すように、透過調整部30は、例えば、金属製の筒状の軸部材90に形成した溝91に沿って第2光ファイバ31を巻きつけたものである。強制的に曲げた第2光ファイバ31の輪の曲率半径は、一定であることが好ましい。なお、第2光ファイバ31を曲げてコイル状にする方法は、適宜変更することができる。軸部材90の内部に巻きつける構成でもよいし、軸部材90を用いない構成でもよい。第2光ファイバ31の曲率半径は、例えば5mm~20mmである。また、第2光ファイバ31の巻き数は、例えば1~10回である。 As shown in FIG. 6, the transmittance adjustment unit 30 is, for example, a second optical fiber 31 wound around a groove 91 formed in a cylindrical metal shaft member 90. It is preferable that the radius of curvature of the loop of the forcibly bent second optical fiber 31 is constant. The method of bending the second optical fiber 31 into a coil shape can be changed as appropriate. It may be wound inside the shaft member 90, or it may not use the shaft member 90. The radius of curvature of the second optical fiber 31 is, for example, 5 mm to 20 mm. The number of turns of the second optical fiber 31 is, for example, 1 to 10.
以下、透過調整部30が有する可飽和吸収特性について説明する。第2光ファイバ31は、強制的に曲げることにより、内部の屈折率構造が変化し、光漏れが生じやすくなる。透過調整部30において、非線形光学効果により光強度に依存した屈折率変化が生じ、伝搬する光の強度が高いとき、非線形屈折率の上昇により伝搬軌道は光ファイバのコアの中心に寄る。一方、伝搬する光の強度が低いとき、非線形屈折率の低下により伝搬軌道は光ファイバのコアの外に寄る。見方を変えれば、ファイバに大きな曲率が生じ、コアとクラッドとの境界に入射する角度が臨界角より小さくなるため、光が全反射せず、一部の光がクラッドに放射される曲げ損失が生じ、伝搬する光の強度が高いとき、非線形光学効果によってコアの屈折率が高まってクラッドへの漏れ出しが抑制される。結果的に、比較的低い強度の通常の光が入射する場合、透過調整部30では、光ファイバの閉じ込め効果が低下し、光は外部に漏れ、曲げ損失が増加する。一方、高い強度の光が入射する場合、透過調整部30では、非線形光学効果によって光ファイバの閉じ込め効果が相対的に高まり、光の漏れが抑制され、曲げ損失が低下する。換言すると、非線形曲げ損失や光強度依存曲げ損失といった現象が生じる。つまり、透過調整部30は、光強度の増加に伴って透過率が増加し、可飽和吸収体のように機能する。 The saturable absorption characteristics of the transmission adjustment unit 30 are described below. Forcibly bending the second optical fiber 31 changes the internal refractive index structure, making it more susceptible to light leakage. In the transmission adjustment unit 30, the nonlinear optical effect causes a change in refractive index depending on the light intensity. When the intensity of the propagating light is high, the increase in the nonlinear refractive index shifts the propagation trajectory toward the center of the optical fiber core. On the other hand, when the intensity of the propagating light is low, the decrease in the nonlinear refractive index shifts the propagation trajectory toward the outside of the optical fiber core. From another perspective, when a large curvature occurs in the fiber and the angle of incidence at the boundary between the core and cladding is smaller than the critical angle, the light is not totally reflected, and some of the light is radiated into the cladding, resulting in bending loss. When the intensity of the propagating light is high, the nonlinear optical effect increases the refractive index of the core, suppressing leakage into the cladding. As a result, when ordinary light of relatively low intensity is incident, the transmission adjustment unit 30 reduces the optical fiber's confinement effect, causing light to leak to the outside and increasing bending loss. On the other hand, when high-intensity light is incident on the transmission adjusting section 30, the nonlinear optical effect relatively enhances the optical fiber's confinement effect, suppressing light leakage and reducing bending loss. In other words, phenomena such as nonlinear bending loss and light intensity-dependent bending loss occur. In other words, the transmittance of the transmission adjusting section 30 increases as the light intensity increases, and it functions like a saturable absorber.
図7(A)は、第2光ファイバ31を曲げた場合のコア周辺の屈折率及び光強度分布等を説明する図である。図7(A)において、実線J1は第2光ファイバ31を曲げたときの屈折率nbを示し、破線J2は第2光ファイバ31を曲げないときの屈折率nsを示す。また、実線K1は第2光ファイバ31を曲げたときの光強度分布を示し、破線K2は第2光ファイバ31を曲げないときの光強度分布を示す。第2光ファイバ31を強制的に曲げると、図7(A)に示すように、曲げの影響で第2光ファイバ31内の屈折率が屈折率nsから屈折率nbに変化し、光強度分布がコアの外側に向かって若干シフトする。強制的に曲げた状態の第2光ファイバ31では、光強度が高い場合、曲げに起因する透過率への影響は少ないが、光強度が低い場合、曲げに起因する透過率への影響を受けやすくなり、曲げ損失が発生する。 7A is a diagram illustrating the refractive index and light intensity distribution around the core when the second optical fiber 31 is bent. In FIG. 7A, the solid line J1 indicates the refractive index nb when the second optical fiber 31 is bent, and the dashed line J2 indicates the refractive index ns when the second optical fiber 31 is not bent. The solid line K1 indicates the light intensity distribution when the second optical fiber 31 is bent, and the dashed line K2 indicates the light intensity distribution when the second optical fiber 31 is not bent. When the second optical fiber 31 is forcibly bent, as shown in FIG. 7A, the refractive index within the second optical fiber 31 changes from the refractive index ns to the refractive index nb due to the influence of the bending, and the light intensity distribution shifts slightly toward the outside of the core. When the second optical fiber 31 is forcibly bent, the bending has little effect on the transmittance when the light intensity is high. However, when the light intensity is low, the transmittance is more susceptible to the influence of the bending, resulting in bending loss.
第2光ファイバ31は、非線形光学効果を有し、高い強度の光(相対的に強い第2強度の光)が通過する場合に、低い強度の光(相対的に弱い第1強度の光)が通過する場合よりも屈折率が増加する。この非線形光学効果により、強い光強度の場合、ファイバコア内の屈折率が増加し、導波能力が向上し、曲げ損失が低減する。非線形光学効果とは、高強度の光が物質に入射した際に誘起される非線形分極がもたらす光学効果である。非線形光学効果としては、屈折率変化が生じる現象がある。屈折率変化に関わる非線形光学効果としては、例えば、カー効果、ポッケルス効果等が挙げられる。本実施形態では、3次非線形過程であるカー効果による光強度に依存する屈折率変化n=n0+n2Iを利用する。ここで、n0は線形屈折率であり、n2は2次の非線形屈折率であり、Iは光強度である。換言すれば、強い光電界(E)が媒質中を伝搬する際に、カー効果により光強度に依存した屈折率変化n=n0+n2<E2>が生じる。なお、非線形光学効果は、カー効果に限らず、屈折率変化が生じる非線形光学効果であれば適宜適用することができる。 The second optical fiber 31 has a nonlinear optical effect, and when high-intensity light (relatively strong second-intensity light) passes through it, the refractive index increases more than when low-intensity light (relatively weak first-intensity light) passes through it. This nonlinear optical effect increases the refractive index in the fiber core when high-intensity light is incident, improving waveguiding ability and reducing bending loss. The nonlinear optical effect is an optical effect caused by nonlinear polarization induced when high-intensity light is incident on a material. Examples of nonlinear optical effects related to refractive index change include the Kerr effect and the Pockels effect. In this embodiment, the refractive index change n = n 0 + n 2 I, which depends on the light intensity due to the Kerr effect, a third-order nonlinear process, is utilized. Here, n 0 is the linear refractive index, n 2 is the second-order nonlinear refractive index, and I is the light intensity. In other words, when a strong optical electric field (E) propagates through a medium, the Kerr effect causes a refractive index change n = n 0 + n 2 <E 2 > that depends on the light intensity. The nonlinear optical effect is not limited to the Kerr effect, and any nonlinear optical effect that causes a change in refractive index can be appropriately applied.
石英ガラスのカー効果の応答速度は10fs以下であるので、本発明で提案している手法は同じような応答速度を持つ。従来の可飽和吸収体の応答速度に関して、CNTの場合は約500fs、グラフェンの場合は約300fsであり、従来の可飽和吸収体の応答速度と比べ、第2光ファイバ31を用いた場合の応答速度は大幅に向上している。 The response speed of the Kerr effect of silica glass is 10 fs or less, so the method proposed in this invention has a similar response speed. The response speed of conventional saturable absorbers is approximately 500 fs for CNTs and approximately 300 fs for graphene. Compared to the response speed of conventional saturable absorbers, the response speed when using the second optical fiber 31 is significantly improved.
図7(B)は、強制的に曲げた第2光ファイバ31における非線形光学効果の影響等を説明する図である。図7(B)の右側の軸は光強度を表す。図7(B)において、実線L1は非線形光学効果を伴わない屈折率を示し、破線L2は非線形光学効果を伴う屈折率を示す。また、一点鎖線M1は高い強度の光(相対的に強い第2強度の光)の強度分布を示し、二点鎖線M2は低い強度の光(相対的に弱い第1強度の光)の強度分布を示す。図7(B)に示すように、透過調整部30において、光強度が高くなると非線形光学効果、具体的には、カー効果によって光強度分布がコア径方向に狭くなり、ファイバのコア内に光が閉じ込められるが、光強度が低くなると光強度分布がコア径方向に広くなり、ファイバのコアから外に光が漏れ出している。透過調整部30は、光強度が低い場合に、積極的に漏れ光を生じさせる構造とすることで、可飽和吸収体と等価な状態を生じさせている。 Figure 7(B) is a diagram illustrating the effects of nonlinear optical effects in a forcibly bent second optical fiber 31. The right axis in Figure 7(B) represents light intensity. In Figure 7(B), the solid line L1 represents the refractive index without the nonlinear optical effect, and the dashed line L2 represents the refractive index with the nonlinear optical effect. The dashed-dotted line M1 represents the intensity distribution of high-intensity light (relatively strong second-intensity light), and the dashed-two-dot line M2 represents the intensity distribution of low-intensity light (relatively weak first-intensity light). As shown in Figure 7(B), in the transmission adjustment unit 30, when the light intensity increases, the nonlinear optical effect, specifically the Kerr effect, narrows the light intensity distribution in the core diameter direction, confining the light within the fiber core. However, when the light intensity decreases, the light intensity distribution widens in the core diameter direction, resulting in light leakage from the fiber core. The transmission adjustment unit 30 is designed to actively generate light leakage when the light intensity is low, thereby creating a state equivalent to that of a saturable absorber.
図8(A)は、第2光ファイバ31を曲げた場合の光強度と透過率との関係について説明する概念図である。図8(B)は、第2光ファイバ31を曲げた場合の光強度と曲げ損失との関係について説明する概念図である。図中の符号ΔTは変調深度を示し、符号Isatは飽和強度を示し、符号αnsは不飽和損失を示し、符号α0はバックグラウンド吸収損失を示す。変調深度ΔT、飽和強度Isat、不飽和損失αns、バックグラウンド吸収損失α0については、以下の文献1及び非特許文献1を参考にしている(文献1:J. Jeon, et al. "Numerical study on the minimum modulation depth of a saturable absorber for stable fiber laser mode locking." JOSA B, 2015, 32(1): 31-37.)。変調深度ΔTは、バックグラウンド吸収損失α0と不飽和損失αnsとの差で定義される。図8(A)及び8(B)に示すように、強制的に曲げた第2光ファイバ31では、光強度が低い場合、曲げ損失の影響により透過率は低くなり、光強度が高い場合、曲げ損失の影響が減少する。すなわち、透過調整部30は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定未満の第2曲げ損失を示す。これにより、透過調整部30において、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、第1曲げ損失が相対的に大きくなり、積極的に漏れ光を生じさせることができる。つまり、透過調整部30では、発振レベル未満の所定強度の光に関して曲げ損失(第1曲げ損失に相当)によってクラッドへの光漏れを生じさせる。また、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、第2曲げ損失が相対的に小さくなり、短パルスを発生するのに必要な過飽和吸収特性に相当する。つまり、曲げ損失と非線形光学効果との相互作用により、発振レベル以上の強度の光の漏れを低減できる。本実施形態では、低い強度の光に対する曲げ損失は3dB~10dB程度である。 8A is a conceptual diagram illustrating the relationship between light intensity and transmittance when the second optical fiber 31 is bent. FIG. 8B is a conceptual diagram illustrating the relationship between light intensity and bending loss when the second optical fiber 31 is bent. In the diagram, the symbol ΔT indicates modulation depth, the symbol I sat indicates saturation intensity, the symbol α ns indicates unsaturated loss, and the symbol α 0 indicates background absorption loss. The modulation depth ΔT, saturation intensity I sat , unsaturated loss α ns , and background absorption loss α 0 are based on the following references: Literature 1 and Non-Patent Document 1 (Literature 1: J. Jeon, et al. "Numerical study on the minimum modulation depth of a saturable absorber for stable fiber laser mode locking," JOSA B, 2015, 32(1): 31-37.). The modulation depth ΔT is defined as the difference between the background absorption loss α 0 and the unsaturated loss α ns . As shown in Figures 8A and 8B, in the forcibly bent second optical fiber 31, when the optical intensity is low, the transmittance is reduced due to the influence of bending loss, and when the optical intensity is high, the influence of bending loss is reduced. That is, the transmission adjusting unit 30 exhibits a first bending loss equal to or greater than a predetermined value when light having a relatively low first intensity passes through it, and exhibits a second bending loss less than a predetermined value when light having a relatively high second intensity passes through it. As a result, when light having a relatively low first intensity passes through the transmission adjusting unit 30, the first bending loss becomes relatively large, thereby actively generating leakage light. That is, the transmission adjusting unit 30 causes light leakage into the cladding due to bending loss (corresponding to the first bending loss) for light having a predetermined intensity below the oscillation level. Furthermore, when light having a relatively high second intensity passes through it, the second bending loss becomes relatively small, corresponding to the saturable absorption characteristic required to generate short pulses. That is, the interaction between bending loss and nonlinear optical effects can reduce leakage of light having an intensity above the oscillation level. In this embodiment, the bending loss for low intensity light is about 3 dB to 10 dB.
第2光ファイバ31を曲げた場合、バックグラウンド吸収損失は例えば5dB~7dBであり、変調深度は最大5%である。この場合において、光強度が高くなると、損失は4.8dB~6.8dBになる可能性がある。モード同期レーザ100では、利得は10dB以上と非常に高く、5dB~10dB程度に設計される。カー効果導波路(カー効果及び曲げ損失の特性を利用した透過調整部30)における損失は、従来型の可飽和吸収体より大きい。しかし、低損失は必須のものではない。レーザ系において、利得媒体は、キャビティ全体での損失を上回るような利得を与える。ファイバレーザ系において、利得は典型的には10dB以上でとても高い。それゆえ、カー効果導波路における損失は、典型的には5dB~10dBに設計される。例えば、本実施形態のケースでは、ファイバコイルが80%の損失を示し、光強度が強くなってこの損失が75%になれば、5%の強度依存損失(いわゆる変調深度)となる。モードロックレーザ系で、特にファイバレーザでは、5%以下の変調深度で足るとされる。 When the second optical fiber 31 is bent, the background absorption loss is, for example, 5 dB to 7 dB, and the modulation depth is up to 5%. In this case, as the optical intensity increases, the loss may increase to 4.8 dB to 6.8 dB. In the mode-locked laser 100, the gain is very high, at 10 dB or more, and is designed to be approximately 5 dB to 10 dB. The loss in the Kerr effect waveguide (the transmission adjustment section 30 that utilizes the Kerr effect and bending loss characteristics) is greater than that of conventional saturable absorbers. However, low loss is not essential. In a laser system, the gain medium provides gain that exceeds the loss in the entire cavity. In a fiber laser system, the gain is very high, typically 10 dB or more. Therefore, the loss in the Kerr effect waveguide is typically designed to be 5 dB to 10 dB. For example, in the case of this embodiment, if the fiber coil exhibits a loss of 80%, and the optical intensity increases and this loss increases to 75%, the resulting loss is an intensity-dependent loss (so-called modulation depth) of 5%. In mode-locked laser systems, especially fiber lasers, a modulation depth of 5% or less is considered sufficient.
モード同期レーザ100は、第1又は第2光ファイバ11,31の正規化周波数パラメータであるV値に関して、以下の条件式(1)を満たす。
V1<V2 … (1)
ただし、値V1は第1光ファイバ11のV値であり、値V2は第2光ファイバ31のV値である。
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ … (2)
ただし、値dは着目ファイバのコア径であり、値NAは着目ファイバのコアの開口数であり、値λは着目ファイバに用いる周波数である。着目ファイバとは、第1又は第2光ファイバ11,31を意味する。この場合、第2光ファイバ31における曲げ損失が増え、漏れ光を生じさせるために、透過調整部30における第2光ファイバ31の曲率半径を小さくしすぎる必要がなく、また、巻き数を減らすことができる。本実施形態において、第1光ファイバ11のV値は例えば1.8~2.0であり、第2光ファイバ31のV値は例えば2.2~2.4である。
The mode-locked laser 100 satisfies the following conditional expression (1) regarding the V value, which is a normalized frequency parameter of the first or second optical fiber 11 or 31.
V1<V2 ... (1)
Here, the value V1 is the V value of the first optical fiber 11, and the value V2 is the V value of the second optical fiber 31.
The V value is defined by the following formula.
V=πdNA/λ... (2)
where d is the core diameter of the fiber of interest, NA is the numerical aperture of the core of the fiber of interest, and λ is the frequency used for the fiber of interest. The fiber of interest refers to the first or second optical fiber 11, 31. In this case, the radius of curvature of the second optical fiber 31 in the transmission adjustment unit 30 does not need to be made too small to increase bending loss in the second optical fiber 31 and cause light leakage, and the number of turns can be reduced. In this embodiment, the V value of the first optical fiber 11 is, for example, 1.8 to 2.0, and the V value of the second optical fiber 31 is, for example, 2.2 to 2.4.
通常のV値の従来型の偏波保持ファイバは、例えば1550nmといった動作波長で低い曲げ損失を有するものとなっている。カー効果導波路に必要な損失を実現するため、例えば5dBすなわち70%の損失が必要となり、従来型の1550nm用の偏波保持ファイバでは極めて小さな直径で曲げることが必要となる。本実施形態では、短波長用で低いV値に設計された従来型のファイバを用いることを提案する。例えば、1064nm用の偏波保持ファイバを1550nmといった長波長側で使用し、適切な曲げ損失を安全な曲げ直径で実現することができる。 Conventional polarization-maintaining fibers with a normal V value have low bending loss at operating wavelengths such as 1550 nm. To achieve the loss required for a Kerr effect waveguide, a loss of, for example, 5 dB, or 70%, is required, and conventional polarization-maintaining fibers for 1550 nm must be bent at an extremely small diameter. This embodiment proposes the use of conventional fibers designed for short wavelengths with a low V value. For example, polarization-maintaining fibers for 1064 nm can be used at longer wavelengths such as 1550 nm to achieve appropriate bending loss at a safe bending diameter.
図1に戻って、アイソレータ40は、第1光ファイバ11中に配置されるインライン型アイソレータである。共振部10中では、アイソレータ40の順方向、図1の例では半時計方向B1にのみ光が伝搬するようになっている。 Returning to Figure 1, the isolator 40 is an in-line isolator placed in the first optical fiber 11. Within the resonator 10, light propagates only in the forward direction of the isolator 40, which in the example of Figure 1 is the counterclockwise direction B1.
出力カプラ50は、第1光ファイバ11中に配置される光カプラである。モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力カプラ50の出力ポート51に接続された出力光ファイバ52を介して外部に出力される。 The output coupler 50 is an optical coupler disposed in the first optical fiber 11. The laser light BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside via an output optical fiber 52 connected to the output port 51 of the output coupler 50.
以下、モード同期レーザ100の動作について説明する。モード同期レーザ100では、半時計回りB1に伝搬する光が周回することで共振しつつ増幅し特定のモードに絞られる。励起部22の励起光源22aによって、ゲインファイバ21に例えば波長980nmの励起光PLを供給する。ゲインファイバ21では、励起光PLによって、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントが励起され、出力用の共振光の波長(例えば波長1550nm)での誘導放出が起こり、光が増幅される。また、ゲインファイバ21は、共振部10を周回する光を増幅する。透過調整部30では、可飽和吸収特性を有することにより、光強度の強いパルスの中心部分が通過するが、光強度の弱いパルスの両翼は強い吸収を受けるため短パルス化が生じる。光が共振部10を周回することにより共振条件に合ったモードに絞られる。出力カプラ50において、モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力光ファイバ52を介して高出力の超短パルスとして外部に出力される。 The operation of the mode-locked laser 100 is described below. In the mode-locked laser 100, light propagating counterclockwise in the B1 direction circulates, resonating and amplifying, narrowing down to a specific mode. The pump light source 22a of the pump unit 22 supplies pump light PL, for example, with a wavelength of 980 nm, to the gain fiber 21. In the gain fiber 21, the pump light PL excites the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21, causing stimulated emission at the wavelength of the output resonant light (for example, a wavelength of 1550 nm), amplifying the light. The gain fiber 21 also amplifies the light circulating through the resonator 10. The transmission adjustment unit 30 has saturable absorption characteristics, allowing the center portion of a pulse with high optical intensity to pass, while the wings of a pulse with low optical intensity are strongly absorbed, resulting in pulse shortening. As the light circulates through the resonator 10, it is narrowed down to a mode that matches the resonance conditions. In the output coupler 50, the laser light BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside as a high-power ultrashort pulse via the output optical fiber 52.
(実施例)
図9は、カー効果に関して、有限要素法に基づき、COMSOL Multiphysicsを用いて計算された結果を示す。図9は、偏波保持型の光ファイバでの入射ピークパワーと透過率との関係を示す。COMSOL Multiphysicsに描画する偏波保持型の光ファイバの典型断面図は図5と同様である。図9に示すように、光強度が弱い場合、カー効果がなく、曲げ損失の影響により透過率は低くなる。光強度が強くなるに従い、カー効果の影響を受けるようになり、透過率が上昇する。以上のように、カー効果と曲げ損失とを組み合わせることにより、偏波保持型の光ファイバにおいて、過飽和吸収体と同様の特性を持たせることができる。
(Example)
Figure 9 shows the results of calculations using COMSOL Multiphysics based on the finite element method for the Kerr effect. Figure 9 shows the relationship between incident peak power and transmittance in a polarization-maintaining optical fiber. The typical cross-sectional view of a polarization-maintaining optical fiber drawn in COMSOL Multiphysics is the same as Figure 5. As shown in Figure 9, when the light intensity is weak, there is no Kerr effect and the transmittance is low due to the influence of bending loss. As the light intensity increases, the influence of the Kerr effect increases and the transmittance increases. As described above, by combining the Kerr effect and bending loss, it is possible to impart characteristics similar to those of a saturable absorber to a polarization-maintaining optical fiber.
図10は、本実施形態の透過調整部30(コイル状の第2光ファイバ31)を設けた場合の強度スキャン(I-scan)の結果を示す。I-scanについては、以下の文献2を参考にしている(文献2:W. Zhao, et al. "All-Fiber Saturable Absorbers for Ultrafast Fiber Lasers." in IEEE Photonics Journal, vol. 11, no. 5, pp. 1-19, Oct. 2019, Art no. 7104019, doi: 10.1109/JPHOT.2019.2941580)。図10に示す変調深度ΔTについては、文献1の式(1)を参照して求めた。図10に示すように、透過調整部30を設けた場合、透過率は光強度依存性を示し、飽和吸収特性を観察することができる。 Figure 10 shows the results of an intensity scan (I-scan) when the transmission adjustment unit 30 (coil-shaped second optical fiber 31) of this embodiment is provided. Regarding the I-scan, reference was made to the following literature 2 (literature 2: W. Zhao, et al. "All-Fiber Saturable Absorbers for Ultrafast Fiber Lasers," in IEEE Photonics Journal, vol. 11, no. 5, pp. 1-19, Oct. 2019, Art. no. 7104019, doi: 10.1109/JPHOT.2019.2941580). The modulation depth ΔT shown in Figure 10 was calculated using equation (1) in literature 1. As shown in Figure 10, when the transmission adjustment unit 30 is provided, the transmittance exhibits light intensity dependence, and saturated absorption characteristics can be observed.
上記モード同期レーザ100では、透過調整部30において、調整用導波路AWである第2光ファイバ31の曲げ損失によって本来よりも透過率が低下するが、光強度が高くなると非線形光学効果によって透過率が上昇する。つまり、透過調整部30は、光強度が低いと曲げの影響で第2光ファイバ31の光の閉じ込め(導波)効果が低く、光は外部に漏れるが、光強度が高くなると非線形光学効果により光の閉じ込め効果が増大して、光の漏れが抑制される。このように、第2光ファイバ31のみで過飽和吸収特性を実現するため、CNTのような可飽和吸収体を用いないで超短パルスを生成できる。したがって、CNT等の可飽和吸収体の長期耐久性やダメージ閾値のような制限をなくすことができ、高出力な光パルスを長期間に亘って生成できる。上記透過調整部30を備えるモード同期レーザ100は、安定性が高く、かつ寿命が長い短パルスレーザを実現するものであり、さまざまな応用に役立つ。例えば、深部組織イメージング(TPM、CARS、SRS、OCT等)やレーザ微細加工のための光源として利用することができる。このようなモード同期レーザ100は、高い耐久性、低価格、小型等を達成することができる。例えば、従来の内視鏡技術と比較すると、モード同期レーザ100を用いることで、深部組織イメージングにおいて、測定時間が速く、侵襲性が低く、より深部に到達できる。また、従来の顕微鏡技術と比べて、モード同期レーザ100を用いることで、組織のより深い内部へ浸透し、よりクリアなイメージを取得できる。 In the mode-locked laser 100, the transmission adjustment section 30 exhibits a lower transmittance than normal due to bending losses in the second optical fiber 31, which serves as the adjustment waveguide AW. However, as the optical intensity increases, the transmittance increases due to the nonlinear optical effect. In other words, when the optical intensity is low, the bending of the transmission adjustment section 30 reduces the optical confinement (waveguide) effect of the second optical fiber 31, causing light to leak to the outside. However, as the optical intensity increases, the nonlinear optical effect increases the optical confinement effect, suppressing light leakage. In this way, saturable absorption characteristics are achieved using only the second optical fiber 31, enabling ultrashort pulses to be generated without using a saturable absorber such as a CNT. This eliminates limitations on the long-term durability and damage threshold of saturable absorbers such as CNTs, enabling the generation of high-power optical pulses over long periods of time. The mode-locked laser 100 equipped with the transmission adjustment section 30 realizes a highly stable, long-life short-pulse laser, making it useful for a variety of applications. For example, it can be used as a light source for deep tissue imaging (TPM, CARS, SRS, OCT, etc.) and laser micromachining. Such a mode-locked laser 100 can achieve high durability, low cost, compactness, etc. For example, compared to conventional endoscopic technology, the use of the mode-locked laser 100 enables faster measurement times, less invasiveness, and deeper reach in deep tissue imaging. Furthermore, compared to conventional microscopic technology, the use of the mode-locked laser 100 allows for deeper penetration into tissue and allows for clearer images to be obtained.
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るモード同期レーザについて説明する。なお、第2実施形態に係るモード同期レーザは、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態と同様である。
Second Embodiment
The mode-locked laser according to the second embodiment will be described below. Note that the mode-locked laser according to the second embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図11に示す第2実施形態のモード同期レーザ100は、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、出力カプラ50とを備える。本実施形態のモード同期レーザ100は、双方向動作のリング型ファイバレーザの例である。励起光源22aから出力された光は、半時計回りC1及び時計回りC2に分岐し、共振部10において、光は半時計回りC1及び時計回りC2の双方向に伝搬する。 The mode-locked laser 100 of the second embodiment shown in Figure 11 comprises a resonator 10, an optical amplifier 20, a transmission adjuster 30, and an output coupler 50. The mode-locked laser 100 of this embodiment is an example of a bidirectional ring-type fiber laser. Light output from the pump light source 22a branches into counterclockwise C1 and clockwise C2, and in the resonator 10, the light propagates in both counterclockwise C1 and clockwise C2 directions.
以下、本実施形態のモード同期レーザ100の動作について説明する。モード同期レーザ100では、半時計回りC1及び時計回りC2に伝搬する光が周回することで共振しつつ増幅し特定のモードに絞られる。励起部22の励起光源22aによって、ゲインファイバ21に例えば波長980nmの励起光PLを供給する。ゲインファイバ21では、励起光PLによって、ゲインファイバ21のドープファイバに添加されたドーパントが励起され、出力用の共振光の波長(例えば波長1550nm)での誘導放出が起こり、光が増幅される。また、ゲインファイバ21は、共振部10を周回する光を増幅する。透過調整部30では、可飽和吸収特性を有することにより、光強度の強いパルスの中心部分が通過するが、光強度の弱いパルスの両翼は強い吸収を受けるため短パルス化が生じる。光が共振部10を周回することにより共振条件に合ったモードに絞られる。出力カプラ50において、モード同期レーザ100によって形成されたレーザ光BOは、出力光ファイバ52を介して高出力の超短パルスとして外部に出力される。 The operation of the mode-locked laser 100 of this embodiment is described below. In the mode-locked laser 100, light propagating counterclockwise C1 and clockwise C2 circulates, resonating and amplifying, and narrowing to a specific mode. The pump light source 22a of the pump unit 22 supplies pump light PL, for example, with a wavelength of 980 nm, to the gain fiber 21. In the gain fiber 21, the pump light PL excites the dopant added to the doped fiber of the gain fiber 21, causing stimulated emission at the wavelength of the output resonant light (for example, a wavelength of 1550 nm), amplifying the light. The gain fiber 21 also amplifies the light circulating through the resonator 10. The transmission adjustment unit 30 has saturable absorption characteristics, allowing the center portion of a pulse with high optical intensity to pass, while the wings of a pulse with low optical intensity are strongly absorbed, resulting in pulse shortening. As the light circulates through the resonator 10, it narrows to a mode that matches the resonance conditions. In the output coupler 50, the laser light BO formed by the mode-locked laser 100 is output to the outside as a high-power ultrashort pulse via the output optical fiber 52.
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係るモード同期レーザについて説明する。なお、第3実施形態に係るモード同期レーザは、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態と同様である。
Third Embodiment
The mode-locked laser according to the third embodiment will be described below. The mode-locked laser according to the third embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図12に示す第3実施形態のモード同期レーザ100は、共振部10と、光増幅部20と、透過調整部30と、全反射ミラー60と、出力ミラー70とを備える。全反射ミラー60は、折り返しミラーであり、共振部10を伝播する光を略反射する。出力ミラーは、例えば40%~70%の反射率を有する部分透過ミラーであり、増幅された光の一部である共振条件に合ったモードに絞られたレーザ光OBを高出力の超短パルスとして外部へ出力する。本実施形態のモード同期レーザ100は、直線型ファイバレーザの例である。モード同期レーザ100は、共振部10を全反射ミラー60と出力ミラー70とで挟んだ構成であり、全反射ミラー60と出力ミラー70との間で、光は共振され増幅される。 The mode-locked laser 100 of the third embodiment shown in Figure 12 comprises a resonator 10, an optical amplifier 20, a transmission adjuster 30, a total reflection mirror 60, and an output mirror 70. The total reflection mirror 60 is a folding mirror that substantially reflects the light propagating through the resonator 10. The output mirror is a partially transparent mirror with a reflectivity of, for example, 40% to 70%, and outputs laser light OB, which is a portion of the amplified light and has been narrowed down to a mode that matches the resonance conditions, to the outside as a high-power ultrashort pulse. The mode-locked laser 100 of this embodiment is an example of a linear fiber laser. The mode-locked laser 100 has a configuration in which the resonator 10 is sandwiched between the total reflection mirror 60 and the output mirror 70, and the light is resonated and amplified between the total reflection mirror 60 and the output mirror 70.
〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、モード同期レーザ100で使用する励起用レーザ光の波長等は、様々なものを使用できる。
〔others〕
Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, various wavelengths of the pumping laser light used in the mode-locked laser 100 can be used.
また、上記実施形態において、モード同期レーザ100の構成は適宜変更することができ、例えば共振部10中に偏波コントローラを設ける構成としてもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the configuration of the mode-locked laser 100 can be modified as appropriate, and for example, a polarization controller may be provided in the resonator section 10.
また、上記実施形態において、共振部10が第1光ファイバ11を含む構成であるとしたが、モード同期レーザ100は、光ファイバを用いた他の導波路式光デバイスにも適用することができる。導波路式光デバイスとしては、例えば、PLC(Photonics Lightwave Circuits)、シリコンフォトニクス導波路(Silicon Photonics Waveguides)、半導体式導波路(InP、GaAs、InGaAsP等)が挙げられる。 In addition, in the above embodiment, the resonator 10 includes the first optical fiber 11. However, the mode-locked laser 100 can also be applied to other waveguide-type optical devices that use optical fibers. Examples of waveguide-type optical devices include PLCs (Photonics Lightwave Circuits), silicon photonics waveguides, and semiconductor waveguides (InP, GaAs, InGaAsP, etc.).
また、上記実施形態において、透過調整部30の調整用導波路AWとして、強制的に曲げた第2光ファイバ31を有する構成としたが、他の導波路式光デバイスを用いることができる。このような調整用導波路AWは、直線の導波路を基準に、光路を曲げることで応力なく曲げ損失を生じさせたものである。この場合、調整用導波路AWは、共振部よりも曲げ損失が大きい。導波路式光デバイスとしては、例えば、PLC、シリコンフォトニクス導波路、半導体式導波路(InP、GaAs、InGaAsP等)が挙げられる。 In addition, in the above embodiment, the adjustment waveguide AW of the transmission adjustment unit 30 is configured to have a forcibly bent second optical fiber 31, but other waveguide-type optical devices can be used. Such an adjustment waveguide AW generates bending loss without stress by bending the optical path based on a straight waveguide. In this case, the adjustment waveguide AW has a greater bending loss than the resonator unit. Examples of waveguide-type optical devices include PLCs, silicon photonics waveguides, and semiconductor waveguides (InP, GaAs, InGaAsP, etc.).
1…コア、 2…クラッド、 3…応力付与部、 4…被覆部、 10…共振部、 11…第1光ファイバ、 20…光増幅部、 21…ゲインファイバ、 22…励起部、 22a…励起光源、 22b…合波カプラ、 30…透過調整部、 31…第2光ファイバ、 40…アイソレータ、 50…出力カプラ、 51…出力ポート、 52…光ファイバ、 60…全反射ミラー、 70…出力ミラー、 90…軸部材、 91…溝、 100…モード同期レーザ、 AW…調整用導波路、 BO…レーザ光、 P…偏波、 PF…PANDAファイバ、 PL…励起光 1...Core, 2...Cladding, 3...Stress-applying portion, 4...Coating portion, 10...Resonator portion, 11...First optical fiber, 20...Optical amplifier portion, 21...Gain fiber, 22...Pumping portion, 22a...Pumping light source, 22b...Wave-combining coupler, 30...Transmission adjustment portion, 31...Second optical fiber, 40...Isolator, 50...Output coupler, 51...Output port, 52...Optical fiber, 60...Total reflection mirror, 70...Output mirror, 90...Axial member, 91...Groove, 100...Mode-locked laser, AW...Adjustment waveguide, BO...Laser light, P...Polarization, PF...PANDA fiber, PL...Pumping light
Claims (10)
前記共振部中に配置される光増幅部と、
前記共振部中に配置され、曲げ損失を有する偏波保持型の光ファイバである調整用導波路を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部と、
を備え、
前記透過調整部は、相対的に低い第1強度の光が通過する際には、所定損失以上の第1曲げ損失を示し、相対的に高い第2強度の光が通過する際には、所定損失未満の第2曲げ損失を示す、モード同期レーザ。 a polarization-maintaining resonator;
an optical amplifier section disposed in the resonator section;
a transmission adjusting section disposed in the resonator section and having an adjusting waveguide that is a polarization-maintaining optical fiber having bending loss, thereby giving the transmission adjusting section saturable absorption characteristics;
Equipped with
A mode-locked laser, wherein the transmission adjustment section exhibits a first bending loss equal to or greater than a predetermined loss when light of a relatively low first intensity passes through, and exhibits a second bending loss less than the predetermined loss when light of a relatively high second intensity passes through.
V1<V2
ただし、
V1:前記第1光ファイバのV値
V2:前記第2光ファイバのV値
なお、V値は以下の式で定義される。
V=πdNA/λ
ただし、
d:前記第1又は第2光ファイバのコア径
NA:前記第1又は第2光ファイバのコアの開口数
λ:前記第1又は第2光ファイバに用いる周波数 9. The mode-locked laser according to claim 2, wherein the V value, which is a normalized frequency parameter of the first or second optical fiber, satisfies the following conditional expression:
V1<V2
however,
V1: V value of the first optical fiber V2: V value of the second optical fiber The V value is defined by the following formula.
V = πdNA/λ
however,
d: Core diameter of the first or second optical fiber NA: Numerical aperture of the core of the first or second optical fiber λ: Frequency used in the first or second optical fiber
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