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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022139361
(43)【公開日】2022-09-26
(54)【発明の名称】モード同期レーザ
(51)【国際特許分類】
H01S 3/098 20060101AFI20220915BHJP
【ＦＩ】
H01S3/098
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021039700
(22)【出願日】2021-03-11
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100109221
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 充広
(74)【代理人】
【識別番号】100171848
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 裕美
(72)【発明者】
【氏名】セット ジ イヨン
(72)【発明者】
【氏名】江 鴻博
(72)【発明者】
【氏名】山下 真司
【テーマコード（参考）】
5F172
【Ｆターム（参考）】
5F172AF03
5F172AM08
5F172CC04
5F172EE13
5F172EE16
5F172NN22
5F172NQ49
5F172NQ53
5F172NQ61
(57)【要約】
【課題】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
【解決手段】モード同期レーザ１００は、偏波保持型の共振部１０と、共振部１０中に配置される光増幅部２０と、共振部１０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である第２光ファイバ３１を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部３０とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】モード同期レーザ１００は、偏波保持型の共振部１０と、共振部１０中に配置される光増幅部２０と、共振部１０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である第２光ファイバ３１を有することで可飽和吸収特性を持たせた透過調整部３０とを備える。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
偏波保持型の共振部と、
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、
を備えるモード同期レーザ。
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、
を備えるモード同期レーザ。
【請求項2】
前記共振部は、偏波保持型の第１光ファイバを含み、前記調整用導波路は、強制的に曲げた偏波保持型の第２光ファイバである、請求項２に記載のモード同期レーザ。
【請求項3】
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、請求項１及び２のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項4】
前記第２光ファイバは、非線形光学効果を有し、前記第２強度の光が通過する場合に、前記第１強度の光が通過する場合よりも屈折率が増加する、請求項２及び３のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項5】
前記第２光ファイバは、ＰＡＮＤＡファイバであり、前記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、請求項２～４のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項6】
強制的に曲げた前記第２光ファイバの輪の曲率半径は、一定である、請求項２～５のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項7】
前記第２光ファイバは、ＰＡＮＤＡファイバであり、前記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、請求項２～６のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項8】
前記第２光ファイバは、前記遅軸方向の偏波を用いる、請求項７に記載のモード同期レーザ。
【請求項9】
前記第１光ファイバは、ＰＡＮＤＡファイバである、請求項２～８のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
【請求項10】
前記第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、請求項２～９のいずれか一項に記載のモード同期レーザ。
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：前記着目ファイバのコア径
ＮＡ：前記着目ファイバのコアの開口数
λ：前記着目ファイバに用いる周波数
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：前記着目ファイバのコア径
ＮＡ：前記着目ファイバのコアの開口数
λ：前記着目ファイバに用いる周波数
【請求項11】
前記共振部は、前記第１光ファイバによってリング状に形成される、請求項２に記載のモード同期レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１５－１１８３４８号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】U. Keller, "Recent developments in compact ultrafast lasers." Nature 424, 831-838 (2003).
【非特許文献2】J. W. Nicholson, et al. "A polarization maintaining, dispersion managed, femtosecond figure-eight fiber laser," Opt. Express 14, 8160-8167 (2006)
【非特許文献3】N. Kuse, et al. "All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror." Opt. Express 24, 3095-3102 (2016)
【非特許文献4】J. Szczepanek, et al. "Nonlinear polarization evolution of ultrashort pulses in polarization maintaining fibers." Opt. Express 26, 13590-13604 (2018)
【非特許文献5】Q. Wang, et al. "Polarization dependence of bend loss for a standard singlemode fiber." Optics express 15.8 (2007): 4909-4920.
【非特許文献6】H. Jiang, et al. "Laser mode locking using a single-mode-fiber coil with enhanced polarization-dependent loss." Optics Letters 45.10 (2020): 2866-2869.
【発明の概要】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
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。
【0019】
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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】第１実施形態のモード同期レーザを説明する概念図である。
【図3】（Ａ）及び（Ｂ）は、偏波保持ファイバの曲げ方向について説明する図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、偏波保持ファイバで用いる偏波の方向について説明する図である。
【図4】（Ａ）及び（Ｂ）は、光ファイバの曲げ損失に関して、有限要素法に基づく解析結果を示す図である。
【図7】（Ａ）は、透過調整部の第２光ファイバ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り、（Ｂ）は、強制的に曲げた第２光ファイバ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8】（Ａ）は、第２光ファイバ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り、（Ｂ）は、第２光ファイバ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9】カー効果に関して、有限要素法に基づく解析結果を示す図である。
【図10】透過調整部を設けた場合の強度スキャンの結果を示す図である。
【図11】第２実施形態のモード同期レーザを説明する図である。
【図12】第３実施形態のモード同期レーザを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
〔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。
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
（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。
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
〔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。
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
〔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。
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。
【0052】
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。
【0053】
〔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。
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【符号の説明】
【0057】
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】