JPH0687105B2 - 光パルス圧縮装置 - Google Patents

光パルス圧縮装置

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JPH0687105B2
JPH0687105B2 JP24747786A JP24747786A JPH0687105B2 JP H0687105 B2 JPH0687105 B2 JP H0687105B2 JP 24747786 A JP24747786 A JP 24747786A JP 24747786 A JP24747786 A JP 24747786A JP H0687105 B2 JPH0687105 B2 JP H0687105B2
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pulse
optical pulse
optical
wave
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正隆 中沢
康郎 木村
中島  隆
恵之 青海
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は高出力超短パルスを得る光パルス圧縮装置に関
するものである。
[従来の技術] パルス圧縮の方法は古くから、分散遅延線を用いた超音
波パルスの波形処理(圧縮,伸長)等にも用いられてき
た。光パルスの圧縮も原理的には同一で、線形な周波数
変化(時間とともに周波数が増加する)を有する光パル
スを異常分散を有する媒質に入射させて圧縮するもので
ある。その方法および装置は第8図に示すように3つの
重要な要素によって構成されている。第1の要素は安定
で幅で狭い高出力光パルス光源1であり、通常、モード
同期色素レーザもしくはCPMリング色素レーザが用いら
れている。これらレーザからの高出力パルスは第2の要
素である単一モード光ファイバ2に入射する。単一モー
ドファイバ中での光強度は容易に1MW/cm2以上になりう
るので三次の非線形効果である光カー効果が光パルスの
包絡線にそって生ずるので時間的に周波数が変化するチ
ャーピングパルスがファイバ出力として得られる。これ
を自己位相変調効果と呼ぶ。このチャーピングパルスを
第3の要素である異常分散媒体3を用いて圧縮する。即
ち異常分散により、パルスの前方部分に位置する周波数
の低い部分の伝搬速度は遅くなり、パルスの後方部分に
位置する周波数の高い部分の伝搬速度は速くなる。この
結果光パルスは圧縮されることになる。
今まで報告されている光パルス圧縮方法では、高出力パ
ルス光源1と単一モード光ファイバ2の要素は同じであ
るが、異常分散媒体3の要素について第9図ないし第11
図に示すような各種方法が提案されている。第9図はNa
蒸気セル3Aと全反射鏡3A′とにより構成したものであ
り、Na蒸気の共鳴に伴なう異常分散を利用する方法、第
8図は2枚の平行に配置した回折格子3Bを用いる方法、
第9図は2つのプリズム3Cの組み合わせを用いる方法で
ある。第9図の方法はH.NakatsukaとD.Grischkowskyに
よって1981年にOptics Lettres Vol.6 Page.13-15
“Recompression of optical pulses broadened b
y passage through optical fibers"に報告されて
いる。この方法はNaの共鳴を用いるのでパルス圧縮され
る波長が0.58μm付近に限定される欠点があった。第10
図の方式は最も一般的な方法で、E.Treacyによって提案
されており(“Optical pulse compression with d
iffraction gratings,"IEEE,J.QE,QE-5,Page 454-45
8,1969)、10フェムト秒(10×10-15秒)程度のパルス
が可能になっている。しかし、回折効率があまり高くで
きないため、出力強度が低いこと、パルスのすその部分
が乱れること、等の欠点がある。第11図の方法は、Zs,B
ORとB.RA′CZとにより提案されており(“Group veloc
ity Dispersion in Prisms and Its application
to Pulse Compression and Travelling-Wave Ex
citaion,"Opt.Commun,54巻、page165-170,1985)簡単な
プリズムを用いて異常分散が作れることが特徴である。
しかし、プリズム屈折率の波長依存性が小さいためプリ
ズム3C,3Cの間隔を数10mと長くする必要があること、ま
た赤外光で異常分散が小さく応用範囲が限定される欠点
があつた。
[発明が解決しようとする問題点] 上述した従来例におけるいずれの異常分散媒質も回折,
吸収,および挿入損失のため、圧縮された光パルスの平
均エネルギーは入力の20%程度までに減衰してしまう欠
点があった。
本発明は従来の異常分散を形成する媒質では不可避であ
った光損失の問題を解決し、高出力極超短光パルスを得
ることのできる光パルス圧縮装置を提供することを目的
とする。
[問題点を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明の光パルス圧
縮装置は高出力光パルスを発生する光パルス光源と、入
射した高出力光パルスを該光パルスの伝搬過程で正にチ
ャープさせるための入射波用単一モード光ファイバと、
入射波用単一モード光ファイバからの出射光を負にチャ
ープされた光パルスに変換して反射するための縮退4波
混合媒質と、縮退4波混合媒質によって反射された高出
力光パルスを該光パルスの伝搬過程で圧縮するための反
射波用単一モード光ファイバと、高出力光パルスの光路
中に設けられ、光路中から光パルスを取出すための半透
過鏡とを具備したことを特徴とする。
[作 用] 本発明は縮退4波混合を用い高利得に増幅される極超短
パルスを得るものである。すなわち縮退4波混合の非線
形増幅作用に着目し、縮退4波混合媒質への正のチャー
プパルスを高出力な負のチャープパルスとして再び単一
モード光ファイバに入射せしめ高出力な縮退パルスを得
る。
縮退4波混合媒質4に互いに反射方向でそれぞれ電界強
度EfおよびEbの励起光PfおよびPbを入射させる。さらに
そこに別の方向から電界強度Einの入力光パルスPinを入
射させると、縮退4波混合が起き、入力光パルスと反対
方向に非線形相互作用により生じた電界強度Erの反射パ
ルスPrが発生する。Erは、縮退4波混合媒質4の3次の
非線形感受率をχ(3)として、次式に表わされる。
Er=−i▲E* in▼(Z=0)exp(iδ)tan|B|L
(1) 但し、 B=(12πω/nc)χ(3)EfEb (2) であり、 δはBの位相変化,*は複素共役,ωは光の角周波数,n
は屈折率,Lは縮退4波混合媒質中の光路長である。
式(1)より反射波は入力の複素共役でありその増幅度
Gは で与えられることがわかる。従って|B|L=π/4のときG
=1となり入射パルスと同じ大きさで反射パルスが発生
できることになる。2つの励起光の電界強度EfおよびEb
ならびにLを制御することにより、反転したチャープの
増幅されたパルスが得られる。
本発明によれば縮退4波混合を用いることにより反転チ
ャープパルスを発生できるので、このパルスを単一モー
ド光ファイバの正常分散により高効率に圧縮できる利点
がある。また、チャープの反転とともに縮退4波混合は
光パルスを増幅できるので圧縮されたパルスの平均エネ
ルギーも大きくできる。
[実施例] 以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第2図は、本発明の第1の実施例を説明する図であっ
て、1は光パルス発生器(光パルス光源)、2は自己位
相変調効果により正にチャープしたパルス(時間ととも
に周波数が増加するパルス)を作り出すための単一モー
ド光ファイバ、4は縮退4波混合用媒質、5は4波混合
媒質から反射光を単一モード光ファイバ2Bに導くための
半透過鏡である。単一モード光ファイバ2Bは4波混合媒
質4により作られた負のチャープパルスをファイバの正
常分散を用いて圧縮するための単一モード光ファイバで
ある。
これを動作するには、まず光パルス発生器1からの光パ
ルスを入射波用単一モード光ファイバ2に通し、正のチ
ャープパルスを得て、縮退4波混合媒質4に入射させ
る。縮退4波混合媒質4において正の入力チャープパル
スは負のチャープパルスに変換され、反射される。(縮
退4波混合の具体的構成は後述する。)その出力は半透
過鏡5で反射され、反射波用単一モード光ファイバ2Bに
入り、ここでパルスが圧縮される。
第3図(A),(B)に光パルスの圧縮の様子を示す。
反射波用単一モード光ファイバ2Bの入力パルスはパルス
前の部分では周波数が高く、後の部分では周波数が低い
負のチャープパルスである。単一モード光ファイバ中で
の光パルスの速度の波長依存性は第3図(A)に示すよ
うに変化する。すなわち零分散波長(1.32μm)より短
波長の領域は、波長の短い、即ち周波数の高い成分の速
度が遅く、周波数の低い成分の速度が速い正常分散域で
ある。従って、負のチャープパルスは第3図(B)に示
すように圧縮されることになる。その圧縮の度合いはチ
ャープの傾きに依存するが通上1/10程度に圧縮可能とな
る。なお、零分散波長より長波長領域では光パルスは圧
縮されない。従って本方法は正常分散域でのみ有効であ
るが、超短パルスは1.32μmより短波長で発生できるの
で問題ない。
第4図に本発明の第2の実施例を示す。本実施例におい
ては入射波単一モード光ファイバ2を反射波用光ファイ
バとしても用いる。この場合には半透過鏡5は光パルス
光源1と光ファイバ2との間に設ける。この実施例の動
作は第1の実施例と同様である。
第5図および第6図に縮退4波混合の構成を示す。縮退
4波混合の発生には2つの励起ビームPfとPbを用いる必
要がある。励起光Pf,Pbの発生源はレーザ6であり、波
長はパルス光源1の波長と一致させておく。その動作は
連続波でもパルスでも良い。第5図は励起光Pfを反射鏡
7で反射させてPbを作り出す例、第6図では一つのレー
ザ光から半透過鏡5Bで2つの励起光PfとPbを作り出して
いる。
第7図に励起光生成の他の方法を示す。励起光源として
光パルス光源1を用いており、実用的には大きな利点が
ある。半透過鏡5を介して、その半分を縮退4波混合の
励起用パルスとする。他の半分は単一モード光ファイバ
2を励振し正のチャープパルスを作り出す。そのパルス
が4波混合線に入ると同時に、励起パルスにより負のチ
ャープを作り出す。このパルスは再び単一モード光ファ
イバ2を経て半透過鏡5により反射され圧縮したパルス
を作り出せる。
式(3)において|B|Lがπ/2近くなった場合には102〜1
03の利得を得ることが容易である。J.Marburgerによる
と縮退4波混合におけるチャープ反転は光パルス幅をT
p,媒質の長さをL,速度をυとすると のとき実現できる(Appl.Phys.Lett.,vol.32,P.372(19
78“Optical pulse integration and chirp rever
sal in degenerate four-wave mixing)。従って、
10psec程度のパルスをチャープ反転するためには、Lは
1mm以下とする必要がある。媒質としてCS2を用いて|B|L
1となる反射率での励起パワーIはPc=nc3/24πω
χ(3)とすると上記の論文において、 1|B|L4πIL/kPc (4) の関係から求めることができる。kは波数である。CS2
では波長1μmにてPc35kW L0.5mmとおくと、I
5.5MW/cm2と算出できる。この程度のパワー密度は容
易に作り出すことができるので、縮退4波混合が反転チ
ャープパルスを作り出すことができる。第7図の方法で
得られた圧縮パルスは増幅されているので、さらにこの
パルスを入力として、多段にこの圧縮増幅を行うことに
より、さらに極超短パルスが得られる。
縮退4波混合媒質として、CS2を用いた場合を記述した
が、Na蒸気、As2S2カルコゲナイドガラス,ボロシリケ
イトガラスにCdSSe等をドープした半導体ドープガラス
を縮退4波混合媒質として用いることもできる。また励
起光を時間的にON,OFFすることにより縮退4波混合の相
互作用時間を制御できるので、チャープの反転ばかりで
なく、そのチャープの幅までも制御でき、高出力線形チ
ャープパルスの圧縮が可能である。
[発明の効果] 以上説明したように、縮退4波混合を用いることにより
反転チャープパルスを発生できるので、このパルスを単
一モードの正常分散により高効率に圧縮できる利点があ
る。また、チャープの反転とともに縮退4波混合は光パ
ルスを増幅できるので圧縮されたパルスの平均エネルギ
ーも大きくできる利点がある。この利得は式(1)〜
(3)で判るように励起電界の大きさEf,Eb,およびLに
よって決定できるので、その制御は容易である。また、
励起光を時間的にON,OFFすることにより縮退4波混合の
相互作用時間を制御できるのでチャープの反転ばかりで
なく、そのチャープの幅までも制御でき、高出力線形チ
ャープパルスの圧縮が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本原理となる縮退4波混合の動作を
説明する図、 第2図は本発明の第1の実施例の構成図、 第3図(A),(B)はそれぞれ負のチャープパルスが
圧縮されるための正常分散条件および圧縮動作を示す
図、 第4図ないし第7図はそれぞれ本発明の他の実施例の構
成を示す図、 第8図は、従来の光パルス圧縮装置の基本構成図、 第9図ないし第11図はそれぞれ従来の各種圧縮装置の構
成図である。 1……光パルス光源、 2A,2B……単一モード光ファイバ、 3……異常分散媒体、 4……縮退4波混合媒質、 5,5B……判透過鏡、 6……縮退4波混合発生用光源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 隆 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (72)発明者 青海 恵之 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高出力光パルスを発生する光パルス光源
    と、 入射した前記高出力光パルスを該光パルスの伝搬過程で
    正にチャープさせるための入射波用単一モード光ファイ
    バと、 該入射波用単一モード光ファイバからの出射光を負にチ
    ャープされた光パルスに変換して反射するための縮退4
    波混合媒質と、 該縮退4波混合媒質によって反射された前記高出力光パ
    ルスを該光パルスの伝搬過程で圧縮するための反射波用
    単一モード光ファイバと、 前記高出力光パルスの光路中に設けられ、該光路中から
    前記光パルスを取出すための半透過鏡とを具備したこと
    を特徴とする光パルス圧縮装置。
  2. 【請求項2】前記半透過鏡が前記入射波用単一モード光
    ファイバと前記縮退4波混合媒質との間に挿入されてい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光パル
    ス圧縮装置。
  3. 【請求項3】前記入射波用単一モード光ファイバと、前
    記反射波用単一モード光ファイバとが同一の1個の光フ
    ァイバであって、前記半透過鏡が前記光パルス光源と前
    記光ファイバの間に挿入されていることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の光パルス圧縮装置。
  4. 【請求項4】前記縮退4波混合媒質がCS2,Na蒸気,As2S3
    カルコゲナイドガラス,ボロシリケイトガラスにCdSSe
    等をドープした半導体ドープガラスのうちの1種である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第3項の
    いずれかに記載の光パルス圧縮装置。
JP24747786A 1986-10-20 1986-10-20 光パルス圧縮装置 Expired - Lifetime JPH0687105B2 (ja)

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JPS63103215A JPS63103215A (ja) 1988-05-07
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