ファイバリングレーザおよびそれを用いたファイバリングレーザジャイロ
【課題】 角速度計測、距離計測、表面形状計測、ディスプレイ、画像プロジェクション、高精度加工などに有用な、短波長を直接レーザ発振可能なファイバリングレーザを提供し、またこれを利用した小型のファイバリングレーザジャイロを提供することである。
【解決手段】 利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、
該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μm未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザ。
【解決手段】 利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、
該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μm未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度計測、距離計測光源、表面形状計測光源、ディスプレイ光源、画像プロジェクション光源などに用いられるファイバリングレーザに関する。また、これを用いたファイバリングレーザジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、画像のプロジェクション表示の高精細化、ディスプレイの大面積化、３Ｄ表示技術の進歩、３Ｄコンテンツの充実などの理由から、可視光の高品質高効率光源が求められるようになっている。また、可視光光源などの短波長光源は、精密な表面形状検査やガラスのような透明体の内部加工、精密レーザ加工などの応用分野で実現が期待されている。
【０００３】
既存の高精度レーザの中で、ファイバレーザはレーザビーム品質が高いレーザとして広く用いられている。特にファイバリングレーザ（Ｆ−ＲＬＧ）は、レーザ発振閾値が低く設計自由度が高いことから、ファイバレーザの主要な一形態として知られている。
【０００４】
このため、可視光などレーザ波長１μｍ未満の短波長を直接発振可能なファイバレーザが求められている。しかし、一般的な希土類添加石英ファイバを用いたファイバレーザでは、媒質のもつ高いフォノンエネルギーによる非輻射緩和の影響が大きく、１μｍ未満の短波長を直接レーザ発振することは困難である。そこで、ファイバレーザの波長を半分に変換する第二次高調波発生技術が注目され、特に緑色レーザ発生に広く使用されるようになってきた。第二次高調波発生にはＬｉＮｂＯ３結晶（ＬＮ）やβ‐ＢａＢ２Ｏ４結晶（β‐ＢＢＯ）が用いられており、バルク型以外に導波路型や周期分極反転型などが知られている。特に周期分極反転したＬＮはＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）として広く使われている。
【０００５】
このほかに短波長を得る方法としては、赤外レーザの多段階励起による短波長レーザがあり、アップコンバージョンレーザとして知られている。アップコンバージョンレーザには励起中間準位の寿命が非常に重要であり、希土類を添加したフッ化物ガラスのような低フォノンガラス材料や、希土類を添加したフッ化物結晶のような低フォノン結晶組成が用いられている（非特許文献１）。
【０００６】
また最近、赤や青の波長帯域では半導体レーザの高出力化が急速に進み、特にＧａＮ系半導体レーザによる３４０〜５００ｎｍ帯レーザの進歩が著しい。そこで、ＧａＮ系半導体レーザを励起光源に用いた可視レーザの試みが盛んに行われつつある（非特許文献２）。
【０００７】
また、６３０〜６７０ｎｍ帯の赤色半導体レーザはすでにレーザテレビ応用が進みつつあり、４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザは高密度ＤＶＤ記録に使用されつつある。また、４６０ｎｍ帯はディスプレイ用途の青色光源として期待されている。
【０００８】
上記のとおり、既存の希土類添加ファイバを用いたリングレーザは、レーザ発振波長１μｍ以上の不可視光であり、ディスプレイやプロジェクション用途には使用できない。また、表面形状が数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度の凹凸で構成される機械加工仕上げ面などを高精度に検査するためには、少なくとも可視光領域以下の波長の光源が必要である。さらに、透明体内部の微細加工には、材料が透明である可視光波長域が望まれている。
【０００９】
また、上記のとおりレーザ発振波長が１μｍ未満のレーザを得る技術として、ＬＮやβ‐ＢＢＯなどの非線形光学結晶による波長変換との組み合わせが知られているが、非線形光学結晶は高品質な結晶の育成が困難である上に、波長変換効率が低い問題がある。また、波長変換効率を向上させるために周期分極反転したＬＮなどが用いられるが、最適波長変換波長が温度に対して敏感であることから、精密温度制御が必要となる。このため、レーザ装置の消費電力が増大し、装置が大型化する問題がある。さらに、ＧａＮ系半導体レーザを励起源として用いたファブリペローレーザが知られているが、空間光学系を使用する必要があるため温度変化や振動の影響を受けやすく、設置環境に制限がある。特にリングレーザジャイロのような移動体組み込みの場合は、振動で光学系のアライメントずれが起こり、正確な計測が困難となる。
【００１０】
さらに、上記のとおりファイバから直接短波長のレーザ光が得られる方法として、アップコンバージョンレーザが知られているが、アップコンバージョンレーザは多段階過程であり、温度変動によるレーザパワー変動が起こりやすく、パワー変換効率は低い問題がある。
【００１１】
また、ファイバリングレーザは角速度の検出応用が検討されており、これまで航空機を中心に使用されてきたＨｅ-Ｎｅリングレーザジャイロ（ＲＬＧ）や干渉型ファイバジャイロ（Ｉ−ＦＯＧ）のような非常に高精度であるが高価で大型の機械に代わる、小型高精度光学ジャイロとして期待されている（非特許文献３，４，特許文献１）。また、Ｆ−ＲＬＧの感度向上にはレーザ線幅の狭窄化が有効であることから、リングの一部に可飽和吸収体として希土類添加ファイバを配置した方法も提案されている（非特許文献５）。また、ファイバリングレーザをモードロックレーザとすることで、検出を容易にする方法も提案されている（非特許文献６）。
【００１２】
Ｆ−ＲＬＧに限らず、光学式のジャイロはＳａｇｎａｃ効果を利用しているが、リング内に増幅媒質があるリングレーザでは右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）レーザ発振周波数に下記式（１）で表される周波数差が発生する。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ただし、
Δf ：レーザ発振周波数差
A ：リングの囲む面積
Ω ：角速度
λ ：回転がない場合のレーザ発振波長
P ：リングレーザ共振器長
を表す。
リングレーザジャイロでは、この周波数差を干渉などの方法で検出する。
【００１５】
リングレーザにファイバを用いた場合に、ファイバが円形に巻かれていると仮定すると、さらに整理できて、下記式（２）のように表すことができる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ただし、
R ：リング半径
を表す。
【００１８】
式（２）から直ちに理解できるように、レーザ発振周波数差が大きくなり検出が容易になる条件としては、ａ) 角速度が大きい、ｂ) リング直径が大きい、またはｃ) レーザ発振波長が短波長である、の３条件が挙げられる。ファイバリングレーザとして利用可能なレーザ材料としては、Ｎｄ添加石英ファイバ、Ｙｂ添加石英ファイバ、Ｅｒ添加石英ファイバなどが知られており、いずれもレーザ発振波長は１μｍ以上である。
【００１９】
また、これらのファイバリングレーザや光増幅器では、特に断りがない場合もあるが希土類としてＥｒ，Ｎｄ，Ｙｂなどを１００〜１０００ｐｐｍ含む石英光ファイバが用いられており、励起光の吸収に必要な長さの制限から、１０ｍ〜１００ｍ程度のファイバが使用されている。
【００２０】
上記のとおり、リングレーザをリングレーザジャイロに応用する場合、角速度検出条件に関わるパラメータは３つ［ａ）、ｂ）、ｃ）］ある。しかし、リングレーザジャイロの高精度化には、リング直径の大口径化［ｂ）］とレーザ発振波長の短波長化［ｃ）］の２つの条件しか有効でないが、既存のファイバレーザは上記式（２）のλを１μｍ未満の短波長にすることは困難であるため、リング直径を大きくする以外に高分解能にする方法が無く、大型化を避けることができない。さらに、従来の希土類添加石英系ファイバは、希土類添加濃度が数百ｐｐｍ以下と低く、リングレーザ共振器長には少なくとも１０ｍを超えるファイバが必要なため、小型化は困難である。
【特許文献１】特開２００７−２１２２４７号公報
【非特許文献１】Ｔｉｍｏｔｈｙ Ｒ．Ｇｏｓｎｅｌｌ 編“Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｐａｐｅｒｓ ｏｎ Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｌａｓｅｒｓ”ＳＰＩＥ Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ＭＳ １６１， ＳＰＩＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳ ＰＲＥＳＳ， ＩＳＢＮ ０−８１９４−３７９３−Ｘ
【非特許文献２】Ｕ．Ｗｅｉｃｈｍａｎｎ， Ｊ．Ｂａｉｅｒ， Ｊ．Ｂｅｎｇｏｅｃｈｅａ， ａｎｄ Ｈ．Ｍｏｅｎｃｈ，“ＧａＮ−ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋：ＺＢＬＡＮ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＣＬＥＯ ２００７， ＣＪ５−１−ＴＨＵ．
【非特許文献３】Ｓ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｂ．Ｙ．Ｋｉｍ，ａｎｄ Ｈ．Ｋ．Ｋｉｍ，”Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｒ３＋−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ”, Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，１０ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｖｏｌ．２３６０（１９９４） ｐｐ．１０８−１１１．
【非特許文献４】Ｊ．Ｌｉ，Ｙ．Ｌａｍ，ａｎｄ Ｙ．Ｚｈｏｕ，”Ａｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｐｕｍｐｅｄ ａｔ １４８０ｎｍ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．３４９１（１９９８）ｐｐ．９２０−９２５．
【非特許文献５】Ｊｕｎｊｕｎ Ｌｕ，Ｓｈｕｆｅｎ Ｃｈｅｎ，ａｎｄ Ｙａｎｇ Ｂａｉ，”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．５６３４，Ｎｏ．１（２００５）ｐｐ．３３８−３４２．
【非特許文献６】Ｃｈａｏ−Ｘｉａｎｇ Ｓｈｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｋａｊｉｏｋａ，”Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．４（１９９６）ｐｐ．１９７−２００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記のとおり、波長１μｍ未満の短波長でレーザ発振可能なファイバレーザ、特に可視光を直接レーザ発振可能で、かつレーザ発振が安定して得られ、高いパワー変換効率のファイバレーザを得ることは困難である。
【００２２】
また、上記のとおり、リングレーザをリングレーザジャイロに応用する場合、高精度化において小型化は困難である。
【００２３】
そこで本発明は、角速度計測、距離計測、表面形状計測、ディスプレイ、画像プロジェクション、高精度加工などに有用な、短波長を直接レーザ発振可能なファイバリングレーザを提供し、またこれを利用した小型のファイバリングレーザジャイロを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の半導体レーザで励起した希土類添加フッ化物ファイバをリングレーザの利得媒質に用いれば、波長１μｍ未満の短波長を直接レーザ発振可能であることを見いだし、本発明に到達した。
【００２５】
すなわち本発明は、利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μｍ未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２６】
また、該希土類添加ファイバがフッ化物ガラスファイバであり、かつ該励起光源として波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を放射する半導体光源を使用する事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２７】
また、該希土類添加ファイバを少なくとも２個以上備え、且つ該希土類添加ファイバの励起条件を個々に制御可能である事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２８】
また、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２９】
また、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００３０】
また、リングレーザ共振器から右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出し、取り出されたＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用いるファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）において、これまでに述べたファイバリングレーザを用いることを特徴とするファイバリングレーザジャイロである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により、波長１μｍ未満の短波長レーザ光が直接ファイバ内で安定かつ高効率で得られるようになり、可視光での表面形状計測、ディスプレイ、プロジェクタ、３Ｄテレビ、高精度表面形状計測、高精度加工、透明体内部加工、高性能ファイバレーザジャイロなどへの応用が可能となる。また、Ｆ−ＲＬＧ応用に関し、短波長のファイバレーザを利用できることから、石英ファイバを用いる従来のファイバリングレーザを用いた場合に比べ、リング直径が小さくても同等以上のレーザ周波数シフトを得ることが可能となり、リングレーザジャイロを小型化、高精度化することができる。
【００３２】
さらには、本発明を用いることによって、レーザ発振波長が１μm未満の短波長のレーザを、波長変換などの方法によらず、直接得ることができる。また、レーザ共振器がリングレーザ共振器なので、振動や温度変動に対して光学アライメントずれが発生しないことから、安定なレーザ発振が得られる。
【００３３】
また本発明において、励起光源に半導体光源を使用することで、安価にリングレーザを構成することができる。
【００３４】
また本発明において、複数の希土類添加ファイバに対して独立に励起状態を制御することで、ＣＷ光とＣＣＷ光の利得が同一となるように制御し、回転方向によるパワー差を非常に小さくすることができるため、ＣＷ光とＣＣＷ光の干渉を利用する用途では、干渉縞のコントラストを最大にすることができる。また、このようなレーザはパワーが揃った一組のレーザ光を同時に得られるので、干渉計測用光源として広く用いることができる。
【００３５】
また本発明において、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事で、不要な雑音成分を除去したり、レーザ発振状態を制御することが可能となる。レーザの雑音が減少することで、加工精度や計測精度が向上する。また、誘導ブリルアン散乱を吸収除去することによって、レーザジャイロに応用した場合にロッキングの発生を抑制できる。
【００３６】
ここで、リングレーザの利得媒質は希土類添加ファイバであるため、レーザ発振波長以外に散乱光や自然放出光がリング共振器内を循環する場合がある。特にレーザ発振と同じ準位間の遷移で発生する自然放出光の波長は、レーザ発振波長と近いので、リングレーザ共振器を構成する光学部品を低損失で通過、周回し、増幅された自然放出光（ＡＳＥ光）となる。ＡＳＥ光は発光スペクトル幅が広いので、ピークパワーが低い場合でも積分パワーは比較的大きく、レーザ発振を妨げるだけでなく、レーザの雑音となる。可飽和吸収体は、光強度が低い場合は吸収し、光強度が高い場合は透過する特性を持っている。このため、可飽和吸収体がリングレーザ共振器内にあると、ＡＳＥ光が成長する前に吸収除去できるので、レーザの雑音が大幅に低下する利点がある。また、レーザ波長の散乱光は通常の方法では除去困難であるが、パルスレーザ発振している場合はレーザパルス通過時以外の時間に存在している散乱光を除去できるため、低雑音化できる。
【００３７】
また本発明において、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事で、温度変化による光学長変化を抑制することができる。この結果、急な温度変化によるレーザ発振波長変化やパワー変動を防止し、安定なレーザ発振動作を確保できる。ここで、光学長は、［リングレーザ共振器長］×［リングレーザ共振器の平均屈折率］で表される。また、リングレーザ共振器を構成する材料のうち、酸化物系の材料や半導体系材料のほとんどは、線膨張係数が正であり且つ屈折率の温度依存性も正である。このため、周囲温度が上昇すると光学長は単調増加する。一方、フッ化物ガラスは線膨張係数が正であるが屈折率の温度依存性は負である。このため、リングレーザ共振器内に、適度の長さのフッ化物ファイバを組み合わせて備えることにより、他の材料の温度依存性による光学長の増加を補正することができる。さらに、使用するフッ化物ファイバがレーザ波長と励起波長に対して透明なファイバであるためで、リングレーザの光学特性に影響を与えることなく温度依存性を抑制できる。
【００３８】
また、本発明において、本発明の短波長リングレーザをレーザジャイロに応用することで、レーザジャイロの角速度の検出精度が向上する。また、本発明のリングレーザは短波長でレーザ発振するため、リングレーザ共振器の直径を小さくしても高精度なレーザジャイロを実現できる。このため、レーザジャイロを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
レーザ発振に使用する希土類添加ファイバの組成は、少なくともコアガラス組成が低フォノンエネルギーのガラス組成である必要があり、低フォノンエネルギーのレーザ母材としては、フッ化物ガラス、タングステン酸塩ガラス、モリブデン酸塩ガラス、ゲルマニウム酸塩ガラス、亜テルル酸塩ガラス、ビスマス酸塩ガラス、塩化物ガラス、フツリン酸塩ガラス、カルコゲナイドガラスなどが使用できる。中でも、作製の容易さと短波長光の発光効率の高さから、フッ化物ガラスが特に好ましい。石英系ガラスファイバのような高フォノンエネルギーのガラスファイバでは、多フォノン緩和によって短波長でのレーザ発振が妨げられる。一方、可飽和吸収体に希土類添加ファイバや遷移金属添加ファイバを使用する場合、希土類添加石英ファイバや遷移金属添加石英ファイバでも問題ない。
【００４０】
ファイバのコア径や開口数などの構造パラメータは、励起光波長とレーザ発振波長で決まるモード重なりや励起光密度を考慮して決定するため、一概には規定できないが、シングルモードレーザ発振が必要な場合にはレーザ発振波長よりも短波長にカットオフ波長を設定する事が好ましい。このとき、励起光波長でシングルモードとなるように設計しても良いし、低次のモードが存在可能なマルチモードの設計としても良い。これは、光通信用の伝送ファイバのように長距離伝搬させなくてもレーザ発振可能なためである。
【００４１】
一方、高出力光源などで用いられるマルチモードレーザ発振の場合には、必要なパワーが得られるコア径を中心に設計する必要がある。必要なパワーに応じて調整する必要があるため、一概に規定できないが、１Ｗ〜１０Ｗ程度の出力の場合はコア直径が１０μｍ〜５０μｍ程度、１００Ｗ程度の出力の場合はコア直径が１００μｍ〜５００μｍの範囲が好ましい。レーザ媒質としてフッ化物ファイバを使用した場合のパワー密度の制限としては、励起光とリングレーザ光の光パワー総量をコア面積で割った値が、１００ＭＷ／ｃｍ２以下であることが好ましい。このパワー密度を超えると、ファイバが破壊される危険性が著しく高まる。一方、パワー密度が５０ｋＷ／ｃｍ２以下では効率の良いレーザ発振が困難である。
【００４２】
添加する希土類の濃度は、ファイバのコア径や開口数などの構造パラメータや共振器の閉じこめ効率によって最適値が変化するため一概に規定できないが、おおよそ１００ｐｐｍから１００００ｐｐｍの範囲の濃度をファイバのコア部分に添加することが適当である。１００ｐｐｍ未満では、励起光波長での吸収係数が小さすぎるため、必要なファイバ長が長くなり、実用上好ましくない。また、１００００ｐｐｍを超える濃度では、希土類イオン間でのエネルギー移譲によって非発光遷移確率が増大するため、好ましくない。
【００４３】
励起光源としては半導体光源を用いることがコストと生産性の面から好ましい。発光部が点状の半導体光源としては、半導体レーザ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）があり、これらはそのまま使用するだけでなく、アレイ状に集積化した１次元光源、面状に集積化した２次元状の光源、これらを立体的に配置した３次元状光源として用いることができる。また、有機ＥＬや無機ＥＬは元々２次元発光パネルとして作製できるので、大面積を均一励起する場合に適している。これらの励起光源は、必要な励起パワーを得るために、適宜組み合わせて使用できる。これらの光源の中で、最近高出力化と波長範囲の拡大が著しいＧａＮ系半導体レーザを用いると、ファイバ系との整合性が良好であり、特に好ましい。また、高出力を得るために、固体レーザやファイバレーザなどを非線形光学素子で波長変換したレーザを励起光源として使用することができる。
【００４４】
添加する希土類と励起波長の関係は、例えばフッ化物ガラスにＰｒを添加した場合は、４２０ｎｍ〜４９０ｎｍで励起し、４９０ｎｍ帯、５２０ｎｍ帯、６００ｎｍ帯、７１０ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。また、５６０ｎｍ〜６００ｎｍで励起し、６００ｎｍ帯、７１０ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。特に６００ｎｍ帯はレーザ発振可能な帯域が広く、５９８ｎｍ〜６４３ｎｍの非常に広い波長範囲でレーザ発振可能であり、広帯域波長可変レーザや超短パルスレーザに応用できる。
【００４５】
例えばフッ化物ガラスにＮｄを添加した場合は、３２０ｎｍ〜３７０ｎｍ、４２０ｎｍ帯、４４０〜４８０ｎｍなどの帯域で励起可能し、４９０ｎｍ帯、８５０〜９００ｎｍ帯、１μｍ帯などでレーザ発振可能である。また、４９０ｎｍ〜５４０ｎｍ、５５０ｎｍ〜６００ｎｍで励起し、８５０〜９００ｎｍ帯、１μｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００４６】
例えばフッ化物ガラスにＳｍを添加した場合は、特に４００ｎｍ帯で効率よく励起可能であり、４２０ｎｍ帯、４５０ｎｍ帯、５６０ｎｍ帯、５９５ｎｍ帯、６４０ｎｍ帯、７００ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４７】
例えばフッ化物ガラスにＥｕを添加した場合は、３４０ｎｍ〜４１０ｎｍ帯、４６５ｎｍ帯で励起し、５９０ｎｍ帯、６１３ｎｍ帯、６９６ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４８】
例えばフッ化物ガラスにＴｂを添加した場合は、３４０ｎｍ〜３９０ｎｍ帯で励起し、４８８ｎｍ帯、５４３ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、４７０ｎｍ〜５００ｎｍ帯で励起し、５４３ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４９】
例えばフッ化物ガラスにＤｙを添加した場合は、３２０ｎｍ帯、３５０ｎｍ帯、３６４ｎｍ帯で励起し、３７０ｎｍ帯、４８０ｎｍ帯、５７５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７４９ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。また、３８７ｎｍ帯、４５０ｎｍ帯で励起し、４８０ｎｍ帯、５７５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７４９ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００５０】
例えばフッ化物ガラスにＨｏを添加した場合は、３６０ｎｍ帯、４１５ｎｍ帯で励起し、４３０ｎｍ帯、５４５ｎｍ帯、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、４５０ｎｍ〜５００ｎｍ帯で励起し、５４５ｎｍ帯、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、６４０ｎｍ帯で励起し、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００５１】
例えばフッ化物ガラスにＥｒを添加した場合は、３７８ｎｍ帯、４０５ｎｍ帯４４０ｎｍ帯、４８５ｎｍ帯、５２０ｎｍ帯、５４０ｎｍ帯で励起可能であり、５４３ｎｍ帯、６６７ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯などでレーザ発振する。また、６５０ｎｍ帯で励起可能であり、６６７ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯などでレーザ発振する。
【００５２】
例えばフッ化物ガラスにＴｍを添加した場合は、３５５ｎｍ帯、４５５ｎｍ〜４８５ｎｍ帯で励起し、４８０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯、７９５ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００５３】
また、希土類添加ファイバを少なくとも２個以上に分割し、励起条件を個々に制御可能であるファイバリングレーザとすることで、光学構成を左右対称に構成することが可能となり、右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）で同等の励起条件や共振器損失を実現できる。
【００５４】
また、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備えることで、不要な散乱光や自然放出光を吸収し、レーザ光だが通過できるように調整することができる。可飽和吸収体としては、目的のレーザ発振波長でわずかに吸収がある希土類添加ファイバや遷移金属添加ファイバや色素添加プラスチックなどが適している。例えば、Ｐｒ添加フッ化物ファイバのレーザ発振に対しては、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｓｍ，Ｔｍなどを添加したフッ化物ファイバや石英ファイバを使用することができる。このように、異種の希土類添加ファイバを混在させることが有効である場合がある。また、可飽和吸収体としては上記の候補以外に半導体薄膜素子、希土類添加結晶、遷移金属添加結晶、カーボンナノチューブを用いた素子などを使用することができる。
【００５５】
また、可飽和吸収体の吸収飽和パワーを調整するために、可飽和吸収体を励起してレーザ発振状態を調整することが可能である。例えば、Ｐｒ添加フッ化物ファイバを４４０ｎｍで励起して５２０ｎｍでレーザ発振している場合、可飽和吸収体としてＥｒ添加フッ化物ファイバを用いる場合、Ｅｒ添加フッ化物ファイバを４４０ｎｍで励起して吸収飽和パワーを引き下げられるように構成しておくと、５２０ｎｍ帯のレーザ発振波長制御やパワー制御に使用できる。また、連続レーザ発振またはパルスレーザ発振の選択にも使用することができる。このように、複数箇所ある希土類添加ファイバのうち少なくとも１箇所を非励起または低励起状態にし、ファイバリングレーザの共振状態とバランスを調整することで、適切な吸収量を持った可飽和吸収体として動作させることが可能となる。
【００５６】
さらに、可飽和吸収量制御によるパルスレーザ発振の選択に加えて、リングレーザ共振器の分散量をファイバブラッググレーティングなどの手法で制御すると、パルス幅が数十ナノ秒以下の短パルスを得ることができる。
【００５７】
また、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備えることで、リングレーザ共振器中に使用されている石英系ファイバや他の光学部品の温度依存性による光学長の変化を補償し、見かけ上温度依存性を抑制した動作が可能となる。その結果、光学長が変化することにより生じる周波数変動、パワー変動、低角速度での検出感度変動等を抑制できる。
【００５８】
ここで、フッ化物ガラスの持つ負の ｄｎ／ｄＴ の値は、他の光学部品に使用される光学材料の正の ｄｎ／ｄＴ の値と絶対値が同程度であるが、レーザ媒質中では少なくとも励起光波長とレーザ発振波長のエネルギー差が熱に変換され、周囲の温度よりも十度程度高くなることは珍しくない。このため、レーザ媒質としてのフッ化物ガラスは、他の一般的な光学材料の長さと比較して短い場合でも、光学長の補償量を大きくできる。例えば、フッ化物ガラスのｄｎ／ｄＴ値は−１５×１０−６／Ｋ程度であり、石英ガラスのそれは１１．９×１０−６／Ｋであるため、温度補償のためには同程度の長さが必要と思われるが、フッ化物ガラスがレーザ媒質である場合は温度変動が石英ファイバよりも大きいため、石英ファイバに対して５０％以下の長さで補償可能である。補償の最適長は、励起条件やファイバの放熱状態、使用する石英ファイバのＧｅ添加量などで変化するため一概には言えないが、一般的には石英ファイバ長の５〜２０％程度が適当である。石英ファイバが純石英コアのファイバの場合は、石英ファイバに対するフッ化物ファイバの長さは１〜１５％程度が適当である。
【００５９】
しかし、希土類添加ファイバの長さ調整は、ファイバリングレーザの出力特性やモード特性を優先するために微調整が難しい。そこで、励起光やレーザ光に対して透明なフッ化物ファイバを適量リングレーザ共振器内に使用することで、ファイバリングレーザの光学特性に影響を与えることなく光学長の温度依存性を補償し、ファイバリングレーザの縦モードホップによるパワー変動や、低角速度での検出感度変動などを抑制できる。
【００６０】
レーザ光波長と励起光波長で透明なフッ化物ファイバの適切な長さは、共振器の構成や希土類添加ファイバの励起状態によって変化するので一概には言えないが、フッ化物ファイバの合計長さが、リングレーザ共振器中の総石英系ファイバ長の５〜５０％程度となる範囲が好ましい。この補償によって共振器長変化は数μｍ／℃程度まで抑制することが可能となり、温度変化による縦モードホップの抑制が容易になる。
【００６１】
また、利得のホールバーニングが発生すると、ＣＷ光とＣＣＷ光の近接波長での発振が困難となる。このため、リングレーザ共振器内に希土類添加ファイバが1箇所の場合はリングレーザ共振器内の任意の場所に、リングレーザ共振器内に複数箇所の希土類添加ファイバがある場合はその中央または希土類添加ファイバ間に、ファラデー回転子，旋光子，偏波コントローラ，偏波スクランブラなどを挿入し特定偏波状態での発振を回避することが好ましい。旋光子としては透明な波長範囲が広い水晶が好適である。偏波コントローラは、ファイバのねじれを利用するタイプまたは巻き径と巻き数を制御したパドル間の角度を調整するタイプが好ましい。また、偏波コントローラとしてはこれ以外にも方解石などの複屈折性結晶を使用したもの、偏波保持ファイバを利用したものなどがあり、目的に応じて使用することができる。偏波スクランブラには、ファイバ断面内で応力付与部の角度をずらして複数段融着したデバイスが市販されており、リングレーザ共振器と接続しやすいため好ましい。また、これらの手法に加えて、リングレーザ共振器内に狭帯域フィルタなどを挿入し、発振波長を制限することが好ましい。
【００６２】
また、ＣＷ光とＣＣＷ光の干渉を利用する用途では、ファイバリングレーザのＴＡＰ率（取り出すパワーの比率）を５０％以下にすることで、帰還した残りの光パワーを多数回周回することが可能となり、干渉用ファイバ長を長距離にして高感度化したのと同じ効果を得ることが出来る。ここで、ＴＡＰ率を下げると実効的周回数が高まるので、感度は向上する方向だが、取り出せるパワーが小さくなるので低雑音な検出方法または共振器内の光パワーの向上が必要となる。一方、ＴＡＰ率を上げると感度は低下するが、取り出せるパワーが大きくなるので検出は容易になる。最適なＴＡＰ率は、希土類種、添加濃度、励起波長、励起パワー、ファイバの構造パラメータ、リングレーザ共振器内の損失などによって変化するので一概に規定できないが、一般的には０．１％から５０％の範囲内である。また、高精度な干渉光源用リングレーザの場合、ＴＡＰ率は０．１％以上２０％以下が好ましい。ＴＡＰ率が０．１％未満の場合、受光素子に入射する光パワーが極端に低くなり、精度の高い検出が困難になる。一方、２０％を超えると多数周回による感度向上の効果が得にくくなる。
【００６３】
また、これまで述べたファイバリングレーザを用い、右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出して、該ＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用い、ファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）を構成することができる。
【００６４】
Ｆ−ＲＬＧとして応用する場合、リングレーザ共振器からＴＡＰによって取り出されたＣＷ光とＣＣＷ光は、光アイソレータを通して３ｄＢカプラで干渉され、干渉出力がフォトダイオードに入射されて電気信号に変換される。ＴＡＰカプラと受光素子の間に、少なくとも１個の光アイソレータを備えることで、受光素子側の反射の戻り光を抑制し、ファイバリングレーザの動作の安定化と破壊の防止を図ることができる。ファイバリングレーザに限らず、ファイバを利得媒質とする機能部品は、戻り光の影響を非常に受けやすい。特にファイバの端部は、受光素子を近づけたり、受光面とファイバ端面の角度が平行になって戻り光がファイバに再入射する危険があり、最悪の場合にはファイバリングレーザが破壊される危険がある。ＴＡＰカプラと検出部の間に光アイソレータを挿入することで、このような事故を防止することができる。なお、受光素子としては単一素子からなる単純な受光素子としてＰＩＮフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードを使用できるだけでなく、多数の素子からなるラインセンサや撮像素子を使用することもできる。また、光アイソレータと３ｄＢカプラの間にファイバ型偏波コントローラを設置し、偏波制御することができる。偏波制御は、取り出される右回りのレーザ信号または左回りのレーザ信号のどちらか一方のレーザ光について行えれば良いので、光アイソレータと３ｄＢカプラの間にファイバ型偏波コントローラを設置してもよい。
【００６５】
本発明のファイバリングレーザには、一般的に取り付けられている偏波制御手段や温度制御手段を取り付けることが出来る。また、モードロック動作を開始するために変調器を挿入する事が出来る。偏波制御手段としては、ファイバリングの組み合わせによる偏波コントローラや、方解石や水晶などの異方性光学結晶の組み合わせによる偏波コントローラが使用できる。温度制御には、ペルチェ素子などを用いた電子冷却や冷媒循環による方法を用いることが出来るが、振動の面からは電子冷却が好ましい。変調器としては、ファイバリングに振動を与える振動型の変調器や電気光学効果を示す結晶を用いた光導波路デバイスを使用することが出来る。中でもＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）のマイクロ波結合型の変調器は変調周波数が高く、センサとして利用する帯域外で動作するため、特に好ましい。
【００６６】
また、ファイバリングレーザ全体を、熱伝導性が良好な鉄合金の筐体に収容し、筐体内には銅製のヒートチャンネルを設けて励起レーザを集中的に冷却すると共に、筐体全体の温度が一様に安定するように筐体はペルチェ素子を接触させてフィードバック制御させることが好ましい。さらには、該筐体の外部を熱の侵入を防止するために高性能の断熱材で密閉することが好ましい。この場合、該筐体内の温度変動は、外気温変動が５℃／ｈｒ程度の時に、±０．０１℃／ｈｒ以下に抑制可能となる。
【００６７】
さらに、リングレーザジャイロとして応用する場合、低角速度での回転を検出するために、ファイバ系全体を振動させて見かけ上の角速度を底上げするディサリング（ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ）と呼ばれる技術を使うことができる。ディサリングには一般的に圧電素子による周期的な振動が用いられており、可聴域以上の周波数の振動を、ファイバを固定している筐体部分やボビン部分に加えることで、低角速度での周波数引き込みによる不感帯（ロッキング）の発生を防止できる。また、振動子の発熱を効果的に除去するため、銅などの熱伝導性の良い冷却材料内に振動子を配置して振動子を冷却できる冷却機構を備えることが好ましい。この冷却機構には、ペルチェ効果を利用した電子冷却を利用することが雑音となる振動を防止する観点から特に好ましい。
【００６８】
また、上記の機械的なディサリングと同様な効果を得られる方法として、リングレーザ共振器内を周回中のレーザ光に対して時間的に周期的な位相変調を加えることによって、ロッキングを防止する事もできる。例えば、位相変調波形としてサイン波を用いることができる。位相変調方法としては、ＬＮ変調器のようなデバイスを使用しても良いし、リングレーザ共振器内のファイバに圧電素子などで時間的に周期的な応力を加える事も可能である。
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００６９】
実験に使用したファイバリングレーザ部を、図１を用いて説明する。この配置の特徴は、ほとんどの部品が左右対称に配置され、右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）のレーザ特性に差が生じないように配慮されている点である。特に利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）と可飽和吸収体（フッ化物ファイバ２３ａ、フッ化物ファイバ２３ｂ）および、これらの励起源（励起用半導体レーザ２２ａ、励起用半導体レーザ２２ｂ、励起用半導体レーザ２５ａ、励起用半導体レーザ２５ｂ）は、完全に左右対称となっている。また、周回するファイバリングレーザの偏波ホールバーニングを防止するため、水晶製の旋光子（水晶旋光子２７）が共振器中に挿入され、レーザ光がリングを１周するごとに９０度偏波回転させる。この結果、ＣＷ光とＣＣＷ光のパワー比が１：１に近づき、パワー安定性も高まる。
【００７０】
利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）は互いに同一の組成、ファイバパラメータ、ファイバ長を持つフッ化物ファイバである。そのコア組成は５３ＺｒＦ４−１８．５ＢａＦ２−３ＡｌＦ３−１８．５ＮａＦ−３．２ＹＦ３−３．５ＬａＦ３−０．３ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は３８ＺｒＦ４−１５ＨｆＦ４−２０ＢａＦ２−１ＬａＦ３−３ＡｌＦ３−３ＹＦ３―２０ＮａＦ（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。フッ化物ファイバ２０ａ、２０ｂのＮＡは０．１３、カットオフ波長は０．５２μｍ、コア径は３μmである。ファイバ長は６０ｃｍである。これらファイバの両端は、リングレーザ共振器の主な構成要素である石英ファイバ３４に融着接続されている。石英ファイバ３４は、利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ，フッ化物ファイバ２０ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ，フッ化物ファイバ２０ｂ）と融着接続されている。
【００７１】
可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ、フッ化物ファイバ２３ｂ）は互いに同一の組成、ファイバパラメータ、ファイバ長を持つフッ化物ファイバである。そのコア組成は５３ＺｒＦ４−１８．５ＢａＦ２−３ＡｌＦ３−１８．５ＮａＦ−３ＹＦ３−３．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は３８ＺｒＦ４−１５ＨｆＦ４−２０ＢａＦ２−１ＬａＦ３−３ＡｌＦ３−３ＹＦ３―２０ＮａＦ（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。フッ化物ファイバ２３ａ、２３ｂのＮＡは０．１３、カットオフ波長は０．５２μｍ、ファイバ長は１０ｃｍである。これらファイバの両端は、リングレーザ共振器の主な構成要素である石英ファイバ３４に融着接続されている。石英ファイバ３４は、可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ，フッ化物ファイバ２３ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ，フッ化物ファイバ２３ｂ）と融着接続されている。
【００７２】
励起光波長帯である４４０〜４５０ｎｍ帯と信号光波長帯である５４０〜５５０ｎｍ帯の合分波素子が４個（合分波素子２１ａ、合分波素子２１ｂ、合分波素子２４ａ、合分波素子２４ｂ）、リングレーザ共振器内の石英ファイバ３４に挿入されており、各々励起レーザの導入に用いられている。また、２つの利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）の間には対向する励起レーザの余剰の励起レーザ光を除去するために、波長５４０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を透過し、波長４４０ｎｍ〜４５０ｎｍの余剰の励起光をリングレーザ共振器外に除去する合分波素子２６が挿入されている。
【００７３】
励起レーザは２種類、各２台の計４台を使用している。利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）の励起には、波長４４４ｎｍ、出力１４０ｍＷのファイバピグテール付き半導体レーザ（励起用半導体レーザ２２ａ、励起用半導体レーザ２２ｂ）を使用した。また、可飽和吸収体の吸収量制御に、波長４４８ｎｍ、出力５０ｍＷのファイバピグテール付き半導体レーザ（励起用半導体レーザ２５ａ、励起用半導体レーザ２５ｂ）を使用した。
【００７４】
リングレーザ共振器内の偏波状態を整える目的で、ファイバ型偏波コントローラ（偏波コントローラ２９）をリングレーザ共振器内に設置した。
【００７５】
リングレーザ共振器からＣＷ光とＣＣＷ光を取り出すために、リング内の光パワーの５％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置し、測定中に反射光がファイバリングレーザに戻らないようにアイソレータ３０を各ポートに設置した。光スペクトルは光スペクトラムアナライザ３１、光パワーは光パワーメータ３２を目的のポートに取り付けて測定した。
【００７６】
上記構成でのリングレーザ共振器の長さは５ｍ、光学部品以外のリングレーザ共振器内のファイバは、直径６．７ｃｍに巻いてある
利得媒質励起条件＝６０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝１５ｍＷで測定したこのリングレーザからの出射光スペクトルを図２に示す。波長５４４ｎｍでレーザ発振しており、ファイバリングレーザから直接可視光レーザが得られていることが判る。また、ＣＷ出力とＣＣＷ出力はそれぞれ０．５２ｍＷと０．５４ｍＷであり、その合計の合算出力は１．０６ｍＷとなり、測定誤差範囲内で一致した。
【実施例２】
【００７７】
実施例１と同様の構成であるが、使用するファイバ種、添加する希土類、励起レーザ波長などを種々変更して、実施例１と同様のレーザ発振の実験をした（Ｎｏ．１〜８）。測定された発振波長および合算出力の結果を表１にまとめて示す。励起光としては半導体レーザと、半導体レーザ発振波長をＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子であるＰＰＬＮを用いて半分に波長変換した波長変換レーザの、２種類を使い分けて使用した。結果、いずれのファイバリングレーザからも波長１μｍ未満のレーザ発振が得られた。
【００７８】
【表１】
【実施例３】
【００７９】
リングレーザ部に実施例１と同一のリングレーザを使用し、リングレーザジャイロを構成し、角速度を検出した。光源部分の実験構成を図３に示す。ＴＡＰカプラ２８から取り出されたＣＷ光またはＣＣＷ光の干渉縞コントラストを最大にするために、偏光状態を制御するファイバ型偏波コントローラ３３を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３４で干渉させ、光アイソレータ３５を通過後、シリコンＰＩＮ受光素子３６で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００８０】
図４に、図３のファイバリングレーザ部と電気配線をリングレーザ筐体４０に収容したときの概略を示す。熱膨張係数が小さく、比較的熱伝導性がよいコバール合金の筐体（リングレーザ筐体４０）の周囲をペルチェ素子４３で取り囲み、廃熱は放熱フィン４４から放射することで、筐体内温度を均一に保つことができる。内部設定温度が２５℃の時、周囲温度が４０℃以上の場合は強制空冷が必要であった。風速２ｍ／秒の強制空冷によって、６０℃まで内部温度を２５℃一定に制御可能であった。また、内部設定温度が２５℃の時、周囲温度が−５℃以下の場合は制御が困難であった。ペルチェ素子４３と励起レーザ４台への電源供給、偏波コントローラへの制御信号供給、受光した干渉信号の取り出しなどのために、筐体にはコネクタ（電気コネクタ４１）が取り付けてある。
【００８１】
角速度検出のためのセットアップを図５に示す。図４に示したファイバリングレーザが収容された筐体５０と、リングレーザ制御用ボード５２と、干渉信号を検出するオシロスコープ５１をターンテーブル５３に設置、固定し、回転制御コンピュータ（ターンテーブル制御コンピュータ５４）で回転角速度を制御しながら干渉信号を測定した。
【００８２】
温度制御設定＝２５℃、利得媒質励起条件＝６０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝１５ｍＷで測定した角速度と干渉周波数の関係を図６に示す。十分な干渉コントラストが得られた。低速回転として角速度１１０°／ｈ、ビート周波数３ＫＨｚまで測定したが、ロッキングは観測されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１、２のファイバリングレーザ部の構成を示す図である
【図２】実施例１のファイバリングレーザの発振スペクトルを示す図である
【図３】実施例３のリングレーザ光源部分を示す図である
【図４】実施例３のリングレーザジャイロの構成図である。
【図５】実施例３のリングレーザジャイロの角速度検出特性を測定するセットアップを示す図である
【図６】実施例３の角速度と干渉周波数の関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
２０ａ，２０ｂ フッ化物ファイバ
２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ 合分波素子
２３ａ，２３ｂ フッ化物ファイバ
２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂ 励起用半導体レーザ
２７ 水晶旋光子
２８ ＴＡＰカプラ
２９ 偏波コントローラ
３０ 光アイソレータ
３１ 光スペクトラムアナライザ
３２ 光パワーメータ
３３ ファイバ型偏波コントローラ
３４ ３ｄＢカプラ
３５ 光アイソレータ
３６ シリコンＰＩＮ受光素子
４０ リングレーザ筐体
４１ 電気コネクタ
４３ ペルチェ素子
４４ 放熱フィン
５０ ファイバリングレーザが収容された筐体
５１ オシロスコープ
５２ リングレーザ制御用ボード
５３ ターンテーブル
５４ ターンテーブル制御コンピュータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度計測、距離計測光源、表面形状計測光源、ディスプレイ光源、画像プロジェクション光源などに用いられるファイバリングレーザに関する。また、これを用いたファイバリングレーザジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、画像のプロジェクション表示の高精細化、ディスプレイの大面積化、３Ｄ表示技術の進歩、３Ｄコンテンツの充実などの理由から、可視光の高品質高効率光源が求められるようになっている。また、可視光光源などの短波長光源は、精密な表面形状検査やガラスのような透明体の内部加工、精密レーザ加工などの応用分野で実現が期待されている。
【０００３】
既存の高精度レーザの中で、ファイバレーザはレーザビーム品質が高いレーザとして広く用いられている。特にファイバリングレーザ（Ｆ−ＲＬＧ）は、レーザ発振閾値が低く設計自由度が高いことから、ファイバレーザの主要な一形態として知られている。
【０００４】
このため、可視光などレーザ波長１μｍ未満の短波長を直接発振可能なファイバレーザが求められている。しかし、一般的な希土類添加石英ファイバを用いたファイバレーザでは、媒質のもつ高いフォノンエネルギーによる非輻射緩和の影響が大きく、１μｍ未満の短波長を直接レーザ発振することは困難である。そこで、ファイバレーザの波長を半分に変換する第二次高調波発生技術が注目され、特に緑色レーザ発生に広く使用されるようになってきた。第二次高調波発生にはＬｉＮｂＯ３結晶（ＬＮ）やβ‐ＢａＢ２Ｏ４結晶（β‐ＢＢＯ）が用いられており、バルク型以外に導波路型や周期分極反転型などが知られている。特に周期分極反転したＬＮはＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）として広く使われている。
【０００５】
このほかに短波長を得る方法としては、赤外レーザの多段階励起による短波長レーザがあり、アップコンバージョンレーザとして知られている。アップコンバージョンレーザには励起中間準位の寿命が非常に重要であり、希土類を添加したフッ化物ガラスのような低フォノンガラス材料や、希土類を添加したフッ化物結晶のような低フォノン結晶組成が用いられている（非特許文献１）。
【０００６】
また最近、赤や青の波長帯域では半導体レーザの高出力化が急速に進み、特にＧａＮ系半導体レーザによる３４０〜５００ｎｍ帯レーザの進歩が著しい。そこで、ＧａＮ系半導体レーザを励起光源に用いた可視レーザの試みが盛んに行われつつある（非特許文献２）。
【０００７】
また、６３０〜６７０ｎｍ帯の赤色半導体レーザはすでにレーザテレビ応用が進みつつあり、４０５ｎｍ帯ＧａＮ系半導体レーザは高密度ＤＶＤ記録に使用されつつある。また、４６０ｎｍ帯はディスプレイ用途の青色光源として期待されている。
【０００８】
上記のとおり、既存の希土類添加ファイバを用いたリングレーザは、レーザ発振波長１μｍ以上の不可視光であり、ディスプレイやプロジェクション用途には使用できない。また、表面形状が数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度の凹凸で構成される機械加工仕上げ面などを高精度に検査するためには、少なくとも可視光領域以下の波長の光源が必要である。さらに、透明体内部の微細加工には、材料が透明である可視光波長域が望まれている。
【０００９】
また、上記のとおりレーザ発振波長が１μｍ未満のレーザを得る技術として、ＬＮやβ‐ＢＢＯなどの非線形光学結晶による波長変換との組み合わせが知られているが、非線形光学結晶は高品質な結晶の育成が困難である上に、波長変換効率が低い問題がある。また、波長変換効率を向上させるために周期分極反転したＬＮなどが用いられるが、最適波長変換波長が温度に対して敏感であることから、精密温度制御が必要となる。このため、レーザ装置の消費電力が増大し、装置が大型化する問題がある。さらに、ＧａＮ系半導体レーザを励起源として用いたファブリペローレーザが知られているが、空間光学系を使用する必要があるため温度変化や振動の影響を受けやすく、設置環境に制限がある。特にリングレーザジャイロのような移動体組み込みの場合は、振動で光学系のアライメントずれが起こり、正確な計測が困難となる。
【００１０】
さらに、上記のとおりファイバから直接短波長のレーザ光が得られる方法として、アップコンバージョンレーザが知られているが、アップコンバージョンレーザは多段階過程であり、温度変動によるレーザパワー変動が起こりやすく、パワー変換効率は低い問題がある。
【００１１】
また、ファイバリングレーザは角速度の検出応用が検討されており、これまで航空機を中心に使用されてきたＨｅ-Ｎｅリングレーザジャイロ（ＲＬＧ）や干渉型ファイバジャイロ（Ｉ−ＦＯＧ）のような非常に高精度であるが高価で大型の機械に代わる、小型高精度光学ジャイロとして期待されている（非特許文献３，４，特許文献１）。また、Ｆ−ＲＬＧの感度向上にはレーザ線幅の狭窄化が有効であることから、リングの一部に可飽和吸収体として希土類添加ファイバを配置した方法も提案されている（非特許文献５）。また、ファイバリングレーザをモードロックレーザとすることで、検出を容易にする方法も提案されている（非特許文献６）。
【００１２】
Ｆ−ＲＬＧに限らず、光学式のジャイロはＳａｇｎａｃ効果を利用しているが、リング内に増幅媒質があるリングレーザでは右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）レーザ発振周波数に下記式（１）で表される周波数差が発生する。
【００１３】
【数１】
【００１４】
ただし、
Δf ：レーザ発振周波数差
A ：リングの囲む面積
Ω ：角速度
λ ：回転がない場合のレーザ発振波長
P ：リングレーザ共振器長
を表す。
リングレーザジャイロでは、この周波数差を干渉などの方法で検出する。
【００１５】
リングレーザにファイバを用いた場合に、ファイバが円形に巻かれていると仮定すると、さらに整理できて、下記式（２）のように表すことができる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ただし、
R ：リング半径
を表す。
【００１８】
式（２）から直ちに理解できるように、レーザ発振周波数差が大きくなり検出が容易になる条件としては、ａ) 角速度が大きい、ｂ) リング直径が大きい、またはｃ) レーザ発振波長が短波長である、の３条件が挙げられる。ファイバリングレーザとして利用可能なレーザ材料としては、Ｎｄ添加石英ファイバ、Ｙｂ添加石英ファイバ、Ｅｒ添加石英ファイバなどが知られており、いずれもレーザ発振波長は１μｍ以上である。
【００１９】
また、これらのファイバリングレーザや光増幅器では、特に断りがない場合もあるが希土類としてＥｒ，Ｎｄ，Ｙｂなどを１００〜１０００ｐｐｍ含む石英光ファイバが用いられており、励起光の吸収に必要な長さの制限から、１０ｍ〜１００ｍ程度のファイバが使用されている。
【００２０】
上記のとおり、リングレーザをリングレーザジャイロに応用する場合、角速度検出条件に関わるパラメータは３つ［ａ）、ｂ）、ｃ）］ある。しかし、リングレーザジャイロの高精度化には、リング直径の大口径化［ｂ）］とレーザ発振波長の短波長化［ｃ）］の２つの条件しか有効でないが、既存のファイバレーザは上記式（２）のλを１μｍ未満の短波長にすることは困難であるため、リング直径を大きくする以外に高分解能にする方法が無く、大型化を避けることができない。さらに、従来の希土類添加石英系ファイバは、希土類添加濃度が数百ｐｐｍ以下と低く、リングレーザ共振器長には少なくとも１０ｍを超えるファイバが必要なため、小型化は困難である。
【特許文献１】特開２００７−２１２２４７号公報
【非特許文献１】Ｔｉｍｏｔｈｙ Ｒ．Ｇｏｓｎｅｌｌ 編“Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｐａｐｅｒｓ ｏｎ Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｌａｓｅｒｓ”ＳＰＩＥ Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ＭＳ １６１， ＳＰＩＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳ ＰＲＥＳＳ， ＩＳＢＮ ０−８１９４−３７９３−Ｘ
【非特許文献２】Ｕ．Ｗｅｉｃｈｍａｎｎ， Ｊ．Ｂａｉｅｒ， Ｊ．Ｂｅｎｇｏｅｃｈｅａ， ａｎｄ Ｈ．Ｍｏｅｎｃｈ，“ＧａＮ−ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ Ｐｒ３＋：ＺＢＬＡＮ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＣＬＥＯ ２００７， ＣＪ５−１−ＴＨＵ．
【非特許文献３】Ｓ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｂ．Ｙ．Ｋｉｍ，ａｎｄ Ｈ．Ｋ．Ｋｉｍ，”Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｒ３＋−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ”, Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，１０ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｖｏｌ．２３６０（１９９４） ｐｐ．１０８−１１１．
【非特許文献４】Ｊ．Ｌｉ，Ｙ．Ｌａｍ，ａｎｄ Ｙ．Ｚｈｏｕ，”Ａｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｐｕｍｐｅｄ ａｔ １４８０ｎｍ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．３４９１（１９９８）ｐｐ．９２０−９２５．
【非特許文献５】Ｊｕｎｊｕｎ Ｌｕ，Ｓｈｕｆｅｎ Ｃｈｅｎ，ａｎｄ Ｙａｎｇ Ｂａｉ，”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．５６３４，Ｎｏ．１（２００５）ｐｐ．３３８−３４２．
【非特許文献６】Ｃｈａｏ−Ｘｉａｎｇ Ｓｈｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｋａｊｉｏｋａ，”Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．４（１９９６）ｐｐ．１９７−２００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記のとおり、波長１μｍ未満の短波長でレーザ発振可能なファイバレーザ、特に可視光を直接レーザ発振可能で、かつレーザ発振が安定して得られ、高いパワー変換効率のファイバレーザを得ることは困難である。
【００２２】
また、上記のとおり、リングレーザをリングレーザジャイロに応用する場合、高精度化において小型化は困難である。
【００２３】
そこで本発明は、角速度計測、距離計測、表面形状計測、ディスプレイ、画像プロジェクション、高精度加工などに有用な、短波長を直接レーザ発振可能なファイバリングレーザを提供し、またこれを利用した小型のファイバリングレーザジャイロを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の半導体レーザで励起した希土類添加フッ化物ファイバをリングレーザの利得媒質に用いれば、波長１μｍ未満の短波長を直接レーザ発振可能であることを見いだし、本発明に到達した。
【００２５】
すなわち本発明は、利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μｍ未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２６】
また、該希土類添加ファイバがフッ化物ガラスファイバであり、かつ該励起光源として波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を放射する半導体光源を使用する事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２７】
また、該希土類添加ファイバを少なくとも２個以上備え、且つ該希土類添加ファイバの励起条件を個々に制御可能である事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２８】
また、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００２９】
また、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事を特徴とする、ファイバリングレーザである。
【００３０】
また、リングレーザ共振器から右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出し、取り出されたＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用いるファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）において、これまでに述べたファイバリングレーザを用いることを特徴とするファイバリングレーザジャイロである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により、波長１μｍ未満の短波長レーザ光が直接ファイバ内で安定かつ高効率で得られるようになり、可視光での表面形状計測、ディスプレイ、プロジェクタ、３Ｄテレビ、高精度表面形状計測、高精度加工、透明体内部加工、高性能ファイバレーザジャイロなどへの応用が可能となる。また、Ｆ−ＲＬＧ応用に関し、短波長のファイバレーザを利用できることから、石英ファイバを用いる従来のファイバリングレーザを用いた場合に比べ、リング直径が小さくても同等以上のレーザ周波数シフトを得ることが可能となり、リングレーザジャイロを小型化、高精度化することができる。
【００３２】
さらには、本発明を用いることによって、レーザ発振波長が１μm未満の短波長のレーザを、波長変換などの方法によらず、直接得ることができる。また、レーザ共振器がリングレーザ共振器なので、振動や温度変動に対して光学アライメントずれが発生しないことから、安定なレーザ発振が得られる。
【００３３】
また本発明において、励起光源に半導体光源を使用することで、安価にリングレーザを構成することができる。
【００３４】
また本発明において、複数の希土類添加ファイバに対して独立に励起状態を制御することで、ＣＷ光とＣＣＷ光の利得が同一となるように制御し、回転方向によるパワー差を非常に小さくすることができるため、ＣＷ光とＣＣＷ光の干渉を利用する用途では、干渉縞のコントラストを最大にすることができる。また、このようなレーザはパワーが揃った一組のレーザ光を同時に得られるので、干渉計測用光源として広く用いることができる。
【００３５】
また本発明において、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事で、不要な雑音成分を除去したり、レーザ発振状態を制御することが可能となる。レーザの雑音が減少することで、加工精度や計測精度が向上する。また、誘導ブリルアン散乱を吸収除去することによって、レーザジャイロに応用した場合にロッキングの発生を抑制できる。
【００３６】
ここで、リングレーザの利得媒質は希土類添加ファイバであるため、レーザ発振波長以外に散乱光や自然放出光がリング共振器内を循環する場合がある。特にレーザ発振と同じ準位間の遷移で発生する自然放出光の波長は、レーザ発振波長と近いので、リングレーザ共振器を構成する光学部品を低損失で通過、周回し、増幅された自然放出光（ＡＳＥ光）となる。ＡＳＥ光は発光スペクトル幅が広いので、ピークパワーが低い場合でも積分パワーは比較的大きく、レーザ発振を妨げるだけでなく、レーザの雑音となる。可飽和吸収体は、光強度が低い場合は吸収し、光強度が高い場合は透過する特性を持っている。このため、可飽和吸収体がリングレーザ共振器内にあると、ＡＳＥ光が成長する前に吸収除去できるので、レーザの雑音が大幅に低下する利点がある。また、レーザ波長の散乱光は通常の方法では除去困難であるが、パルスレーザ発振している場合はレーザパルス通過時以外の時間に存在している散乱光を除去できるため、低雑音化できる。
【００３７】
また本発明において、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事で、温度変化による光学長変化を抑制することができる。この結果、急な温度変化によるレーザ発振波長変化やパワー変動を防止し、安定なレーザ発振動作を確保できる。ここで、光学長は、［リングレーザ共振器長］×［リングレーザ共振器の平均屈折率］で表される。また、リングレーザ共振器を構成する材料のうち、酸化物系の材料や半導体系材料のほとんどは、線膨張係数が正であり且つ屈折率の温度依存性も正である。このため、周囲温度が上昇すると光学長は単調増加する。一方、フッ化物ガラスは線膨張係数が正であるが屈折率の温度依存性は負である。このため、リングレーザ共振器内に、適度の長さのフッ化物ファイバを組み合わせて備えることにより、他の材料の温度依存性による光学長の増加を補正することができる。さらに、使用するフッ化物ファイバがレーザ波長と励起波長に対して透明なファイバであるためで、リングレーザの光学特性に影響を与えることなく温度依存性を抑制できる。
【００３８】
また、本発明において、本発明の短波長リングレーザをレーザジャイロに応用することで、レーザジャイロの角速度の検出精度が向上する。また、本発明のリングレーザは短波長でレーザ発振するため、リングレーザ共振器の直径を小さくしても高精度なレーザジャイロを実現できる。このため、レーザジャイロを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
レーザ発振に使用する希土類添加ファイバの組成は、少なくともコアガラス組成が低フォノンエネルギーのガラス組成である必要があり、低フォノンエネルギーのレーザ母材としては、フッ化物ガラス、タングステン酸塩ガラス、モリブデン酸塩ガラス、ゲルマニウム酸塩ガラス、亜テルル酸塩ガラス、ビスマス酸塩ガラス、塩化物ガラス、フツリン酸塩ガラス、カルコゲナイドガラスなどが使用できる。中でも、作製の容易さと短波長光の発光効率の高さから、フッ化物ガラスが特に好ましい。石英系ガラスファイバのような高フォノンエネルギーのガラスファイバでは、多フォノン緩和によって短波長でのレーザ発振が妨げられる。一方、可飽和吸収体に希土類添加ファイバや遷移金属添加ファイバを使用する場合、希土類添加石英ファイバや遷移金属添加石英ファイバでも問題ない。
【００４０】
ファイバのコア径や開口数などの構造パラメータは、励起光波長とレーザ発振波長で決まるモード重なりや励起光密度を考慮して決定するため、一概には規定できないが、シングルモードレーザ発振が必要な場合にはレーザ発振波長よりも短波長にカットオフ波長を設定する事が好ましい。このとき、励起光波長でシングルモードとなるように設計しても良いし、低次のモードが存在可能なマルチモードの設計としても良い。これは、光通信用の伝送ファイバのように長距離伝搬させなくてもレーザ発振可能なためである。
【００４１】
一方、高出力光源などで用いられるマルチモードレーザ発振の場合には、必要なパワーが得られるコア径を中心に設計する必要がある。必要なパワーに応じて調整する必要があるため、一概に規定できないが、１Ｗ〜１０Ｗ程度の出力の場合はコア直径が１０μｍ〜５０μｍ程度、１００Ｗ程度の出力の場合はコア直径が１００μｍ〜５００μｍの範囲が好ましい。レーザ媒質としてフッ化物ファイバを使用した場合のパワー密度の制限としては、励起光とリングレーザ光の光パワー総量をコア面積で割った値が、１００ＭＷ／ｃｍ２以下であることが好ましい。このパワー密度を超えると、ファイバが破壊される危険性が著しく高まる。一方、パワー密度が５０ｋＷ／ｃｍ２以下では効率の良いレーザ発振が困難である。
【００４２】
添加する希土類の濃度は、ファイバのコア径や開口数などの構造パラメータや共振器の閉じこめ効率によって最適値が変化するため一概に規定できないが、おおよそ１００ｐｐｍから１００００ｐｐｍの範囲の濃度をファイバのコア部分に添加することが適当である。１００ｐｐｍ未満では、励起光波長での吸収係数が小さすぎるため、必要なファイバ長が長くなり、実用上好ましくない。また、１００００ｐｐｍを超える濃度では、希土類イオン間でのエネルギー移譲によって非発光遷移確率が増大するため、好ましくない。
【００４３】
励起光源としては半導体光源を用いることがコストと生産性の面から好ましい。発光部が点状の半導体光源としては、半導体レーザ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）があり、これらはそのまま使用するだけでなく、アレイ状に集積化した１次元光源、面状に集積化した２次元状の光源、これらを立体的に配置した３次元状光源として用いることができる。また、有機ＥＬや無機ＥＬは元々２次元発光パネルとして作製できるので、大面積を均一励起する場合に適している。これらの励起光源は、必要な励起パワーを得るために、適宜組み合わせて使用できる。これらの光源の中で、最近高出力化と波長範囲の拡大が著しいＧａＮ系半導体レーザを用いると、ファイバ系との整合性が良好であり、特に好ましい。また、高出力を得るために、固体レーザやファイバレーザなどを非線形光学素子で波長変換したレーザを励起光源として使用することができる。
【００４４】
添加する希土類と励起波長の関係は、例えばフッ化物ガラスにＰｒを添加した場合は、４２０ｎｍ〜４９０ｎｍで励起し、４９０ｎｍ帯、５２０ｎｍ帯、６００ｎｍ帯、７１０ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。また、５６０ｎｍ〜６００ｎｍで励起し、６００ｎｍ帯、７１０ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。特に６００ｎｍ帯はレーザ発振可能な帯域が広く、５９８ｎｍ〜６４３ｎｍの非常に広い波長範囲でレーザ発振可能であり、広帯域波長可変レーザや超短パルスレーザに応用できる。
【００４５】
例えばフッ化物ガラスにＮｄを添加した場合は、３２０ｎｍ〜３７０ｎｍ、４２０ｎｍ帯、４４０〜４８０ｎｍなどの帯域で励起可能し、４９０ｎｍ帯、８５０〜９００ｎｍ帯、１μｍ帯などでレーザ発振可能である。また、４９０ｎｍ〜５４０ｎｍ、５５０ｎｍ〜６００ｎｍで励起し、８５０〜９００ｎｍ帯、１μｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００４６】
例えばフッ化物ガラスにＳｍを添加した場合は、特に４００ｎｍ帯で効率よく励起可能であり、４２０ｎｍ帯、４５０ｎｍ帯、５６０ｎｍ帯、５９５ｎｍ帯、６４０ｎｍ帯、７００ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４７】
例えばフッ化物ガラスにＥｕを添加した場合は、３４０ｎｍ〜４１０ｎｍ帯、４６５ｎｍ帯で励起し、５９０ｎｍ帯、６１３ｎｍ帯、６９６ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４８】
例えばフッ化物ガラスにＴｂを添加した場合は、３４０ｎｍ〜３９０ｎｍ帯で励起し、４８８ｎｍ帯、５４３ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、４７０ｎｍ〜５００ｎｍ帯で励起し、５４３ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００４９】
例えばフッ化物ガラスにＤｙを添加した場合は、３２０ｎｍ帯、３５０ｎｍ帯、３６４ｎｍ帯で励起し、３７０ｎｍ帯、４８０ｎｍ帯、５７５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７４９ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。また、３８７ｎｍ帯、４５０ｎｍ帯で励起し、４８０ｎｍ帯、５７５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７４９ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００５０】
例えばフッ化物ガラスにＨｏを添加した場合は、３６０ｎｍ帯、４１５ｎｍ帯で励起し、４３０ｎｍ帯、５４５ｎｍ帯、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、４５０ｎｍ〜５００ｎｍ帯で励起し、５４５ｎｍ帯、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。また、６４０ｎｍ帯で励起し、６５８ｎｍ帯、７５０ｎｍ帯でレーザ発振可能である。
【００５１】
例えばフッ化物ガラスにＥｒを添加した場合は、３７８ｎｍ帯、４０５ｎｍ帯４４０ｎｍ帯、４８５ｎｍ帯、５２０ｎｍ帯、５４０ｎｍ帯で励起可能であり、５４３ｎｍ帯、６６７ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯などでレーザ発振する。また、６５０ｎｍ帯で励起可能であり、６６７ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯などでレーザ発振する。
【００５２】
例えばフッ化物ガラスにＴｍを添加した場合は、３５５ｎｍ帯、４５５ｎｍ〜４８５ｎｍ帯で励起し、４８０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯、７９５ｎｍ帯などでレーザ発振可能である。
【００５３】
また、希土類添加ファイバを少なくとも２個以上に分割し、励起条件を個々に制御可能であるファイバリングレーザとすることで、光学構成を左右対称に構成することが可能となり、右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）で同等の励起条件や共振器損失を実現できる。
【００５４】
また、ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備えることで、不要な散乱光や自然放出光を吸収し、レーザ光だが通過できるように調整することができる。可飽和吸収体としては、目的のレーザ発振波長でわずかに吸収がある希土類添加ファイバや遷移金属添加ファイバや色素添加プラスチックなどが適している。例えば、Ｐｒ添加フッ化物ファイバのレーザ発振に対しては、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｓｍ，Ｔｍなどを添加したフッ化物ファイバや石英ファイバを使用することができる。このように、異種の希土類添加ファイバを混在させることが有効である場合がある。また、可飽和吸収体としては上記の候補以外に半導体薄膜素子、希土類添加結晶、遷移金属添加結晶、カーボンナノチューブを用いた素子などを使用することができる。
【００５５】
また、可飽和吸収体の吸収飽和パワーを調整するために、可飽和吸収体を励起してレーザ発振状態を調整することが可能である。例えば、Ｐｒ添加フッ化物ファイバを４４０ｎｍで励起して５２０ｎｍでレーザ発振している場合、可飽和吸収体としてＥｒ添加フッ化物ファイバを用いる場合、Ｅｒ添加フッ化物ファイバを４４０ｎｍで励起して吸収飽和パワーを引き下げられるように構成しておくと、５２０ｎｍ帯のレーザ発振波長制御やパワー制御に使用できる。また、連続レーザ発振またはパルスレーザ発振の選択にも使用することができる。このように、複数箇所ある希土類添加ファイバのうち少なくとも１箇所を非励起または低励起状態にし、ファイバリングレーザの共振状態とバランスを調整することで、適切な吸収量を持った可飽和吸収体として動作させることが可能となる。
【００５６】
さらに、可飽和吸収量制御によるパルスレーザ発振の選択に加えて、リングレーザ共振器の分散量をファイバブラッググレーティングなどの手法で制御すると、パルス幅が数十ナノ秒以下の短パルスを得ることができる。
【００５７】
また、励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備えることで、リングレーザ共振器中に使用されている石英系ファイバや他の光学部品の温度依存性による光学長の変化を補償し、見かけ上温度依存性を抑制した動作が可能となる。その結果、光学長が変化することにより生じる周波数変動、パワー変動、低角速度での検出感度変動等を抑制できる。
【００５８】
ここで、フッ化物ガラスの持つ負の ｄｎ／ｄＴ の値は、他の光学部品に使用される光学材料の正の ｄｎ／ｄＴ の値と絶対値が同程度であるが、レーザ媒質中では少なくとも励起光波長とレーザ発振波長のエネルギー差が熱に変換され、周囲の温度よりも十度程度高くなることは珍しくない。このため、レーザ媒質としてのフッ化物ガラスは、他の一般的な光学材料の長さと比較して短い場合でも、光学長の補償量を大きくできる。例えば、フッ化物ガラスのｄｎ／ｄＴ値は−１５×１０−６／Ｋ程度であり、石英ガラスのそれは１１．９×１０−６／Ｋであるため、温度補償のためには同程度の長さが必要と思われるが、フッ化物ガラスがレーザ媒質である場合は温度変動が石英ファイバよりも大きいため、石英ファイバに対して５０％以下の長さで補償可能である。補償の最適長は、励起条件やファイバの放熱状態、使用する石英ファイバのＧｅ添加量などで変化するため一概には言えないが、一般的には石英ファイバ長の５〜２０％程度が適当である。石英ファイバが純石英コアのファイバの場合は、石英ファイバに対するフッ化物ファイバの長さは１〜１５％程度が適当である。
【００５９】
しかし、希土類添加ファイバの長さ調整は、ファイバリングレーザの出力特性やモード特性を優先するために微調整が難しい。そこで、励起光やレーザ光に対して透明なフッ化物ファイバを適量リングレーザ共振器内に使用することで、ファイバリングレーザの光学特性に影響を与えることなく光学長の温度依存性を補償し、ファイバリングレーザの縦モードホップによるパワー変動や、低角速度での検出感度変動などを抑制できる。
【００６０】
レーザ光波長と励起光波長で透明なフッ化物ファイバの適切な長さは、共振器の構成や希土類添加ファイバの励起状態によって変化するので一概には言えないが、フッ化物ファイバの合計長さが、リングレーザ共振器中の総石英系ファイバ長の５〜５０％程度となる範囲が好ましい。この補償によって共振器長変化は数μｍ／℃程度まで抑制することが可能となり、温度変化による縦モードホップの抑制が容易になる。
【００６１】
また、利得のホールバーニングが発生すると、ＣＷ光とＣＣＷ光の近接波長での発振が困難となる。このため、リングレーザ共振器内に希土類添加ファイバが1箇所の場合はリングレーザ共振器内の任意の場所に、リングレーザ共振器内に複数箇所の希土類添加ファイバがある場合はその中央または希土類添加ファイバ間に、ファラデー回転子，旋光子，偏波コントローラ，偏波スクランブラなどを挿入し特定偏波状態での発振を回避することが好ましい。旋光子としては透明な波長範囲が広い水晶が好適である。偏波コントローラは、ファイバのねじれを利用するタイプまたは巻き径と巻き数を制御したパドル間の角度を調整するタイプが好ましい。また、偏波コントローラとしてはこれ以外にも方解石などの複屈折性結晶を使用したもの、偏波保持ファイバを利用したものなどがあり、目的に応じて使用することができる。偏波スクランブラには、ファイバ断面内で応力付与部の角度をずらして複数段融着したデバイスが市販されており、リングレーザ共振器と接続しやすいため好ましい。また、これらの手法に加えて、リングレーザ共振器内に狭帯域フィルタなどを挿入し、発振波長を制限することが好ましい。
【００６２】
また、ＣＷ光とＣＣＷ光の干渉を利用する用途では、ファイバリングレーザのＴＡＰ率（取り出すパワーの比率）を５０％以下にすることで、帰還した残りの光パワーを多数回周回することが可能となり、干渉用ファイバ長を長距離にして高感度化したのと同じ効果を得ることが出来る。ここで、ＴＡＰ率を下げると実効的周回数が高まるので、感度は向上する方向だが、取り出せるパワーが小さくなるので低雑音な検出方法または共振器内の光パワーの向上が必要となる。一方、ＴＡＰ率を上げると感度は低下するが、取り出せるパワーが大きくなるので検出は容易になる。最適なＴＡＰ率は、希土類種、添加濃度、励起波長、励起パワー、ファイバの構造パラメータ、リングレーザ共振器内の損失などによって変化するので一概に規定できないが、一般的には０．１％から５０％の範囲内である。また、高精度な干渉光源用リングレーザの場合、ＴＡＰ率は０．１％以上２０％以下が好ましい。ＴＡＰ率が０．１％未満の場合、受光素子に入射する光パワーが極端に低くなり、精度の高い検出が困難になる。一方、２０％を超えると多数周回による感度向上の効果が得にくくなる。
【００６３】
また、これまで述べたファイバリングレーザを用い、右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出して、該ＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用い、ファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）を構成することができる。
【００６４】
Ｆ−ＲＬＧとして応用する場合、リングレーザ共振器からＴＡＰによって取り出されたＣＷ光とＣＣＷ光は、光アイソレータを通して３ｄＢカプラで干渉され、干渉出力がフォトダイオードに入射されて電気信号に変換される。ＴＡＰカプラと受光素子の間に、少なくとも１個の光アイソレータを備えることで、受光素子側の反射の戻り光を抑制し、ファイバリングレーザの動作の安定化と破壊の防止を図ることができる。ファイバリングレーザに限らず、ファイバを利得媒質とする機能部品は、戻り光の影響を非常に受けやすい。特にファイバの端部は、受光素子を近づけたり、受光面とファイバ端面の角度が平行になって戻り光がファイバに再入射する危険があり、最悪の場合にはファイバリングレーザが破壊される危険がある。ＴＡＰカプラと検出部の間に光アイソレータを挿入することで、このような事故を防止することができる。なお、受光素子としては単一素子からなる単純な受光素子としてＰＩＮフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードを使用できるだけでなく、多数の素子からなるラインセンサや撮像素子を使用することもできる。また、光アイソレータと３ｄＢカプラの間にファイバ型偏波コントローラを設置し、偏波制御することができる。偏波制御は、取り出される右回りのレーザ信号または左回りのレーザ信号のどちらか一方のレーザ光について行えれば良いので、光アイソレータと３ｄＢカプラの間にファイバ型偏波コントローラを設置してもよい。
【００６５】
本発明のファイバリングレーザには、一般的に取り付けられている偏波制御手段や温度制御手段を取り付けることが出来る。また、モードロック動作を開始するために変調器を挿入する事が出来る。偏波制御手段としては、ファイバリングの組み合わせによる偏波コントローラや、方解石や水晶などの異方性光学結晶の組み合わせによる偏波コントローラが使用できる。温度制御には、ペルチェ素子などを用いた電子冷却や冷媒循環による方法を用いることが出来るが、振動の面からは電子冷却が好ましい。変調器としては、ファイバリングに振動を与える振動型の変調器や電気光学効果を示す結晶を用いた光導波路デバイスを使用することが出来る。中でもＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）のマイクロ波結合型の変調器は変調周波数が高く、センサとして利用する帯域外で動作するため、特に好ましい。
【００６６】
また、ファイバリングレーザ全体を、熱伝導性が良好な鉄合金の筐体に収容し、筐体内には銅製のヒートチャンネルを設けて励起レーザを集中的に冷却すると共に、筐体全体の温度が一様に安定するように筐体はペルチェ素子を接触させてフィードバック制御させることが好ましい。さらには、該筐体の外部を熱の侵入を防止するために高性能の断熱材で密閉することが好ましい。この場合、該筐体内の温度変動は、外気温変動が５℃／ｈｒ程度の時に、±０．０１℃／ｈｒ以下に抑制可能となる。
【００６７】
さらに、リングレーザジャイロとして応用する場合、低角速度での回転を検出するために、ファイバ系全体を振動させて見かけ上の角速度を底上げするディサリング（ｄｉｔｈｅｒｉｎｇ）と呼ばれる技術を使うことができる。ディサリングには一般的に圧電素子による周期的な振動が用いられており、可聴域以上の周波数の振動を、ファイバを固定している筐体部分やボビン部分に加えることで、低角速度での周波数引き込みによる不感帯（ロッキング）の発生を防止できる。また、振動子の発熱を効果的に除去するため、銅などの熱伝導性の良い冷却材料内に振動子を配置して振動子を冷却できる冷却機構を備えることが好ましい。この冷却機構には、ペルチェ効果を利用した電子冷却を利用することが雑音となる振動を防止する観点から特に好ましい。
【００６８】
また、上記の機械的なディサリングと同様な効果を得られる方法として、リングレーザ共振器内を周回中のレーザ光に対して時間的に周期的な位相変調を加えることによって、ロッキングを防止する事もできる。例えば、位相変調波形としてサイン波を用いることができる。位相変調方法としては、ＬＮ変調器のようなデバイスを使用しても良いし、リングレーザ共振器内のファイバに圧電素子などで時間的に周期的な応力を加える事も可能である。
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００６９】
実験に使用したファイバリングレーザ部を、図１を用いて説明する。この配置の特徴は、ほとんどの部品が左右対称に配置され、右回り（ＣＷ）と左回り（ＣＣＷ）のレーザ特性に差が生じないように配慮されている点である。特に利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）と可飽和吸収体（フッ化物ファイバ２３ａ、フッ化物ファイバ２３ｂ）および、これらの励起源（励起用半導体レーザ２２ａ、励起用半導体レーザ２２ｂ、励起用半導体レーザ２５ａ、励起用半導体レーザ２５ｂ）は、完全に左右対称となっている。また、周回するファイバリングレーザの偏波ホールバーニングを防止するため、水晶製の旋光子（水晶旋光子２７）が共振器中に挿入され、レーザ光がリングを１周するごとに９０度偏波回転させる。この結果、ＣＷ光とＣＣＷ光のパワー比が１：１に近づき、パワー安定性も高まる。
【００７０】
利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）は互いに同一の組成、ファイバパラメータ、ファイバ長を持つフッ化物ファイバである。そのコア組成は５３ＺｒＦ４−１８．５ＢａＦ２−３ＡｌＦ３−１８．５ＮａＦ−３．２ＹＦ３−３．５ＬａＦ３−０．３ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は３８ＺｒＦ４−１５ＨｆＦ４−２０ＢａＦ２−１ＬａＦ３−３ＡｌＦ３−３ＹＦ３―２０ＮａＦ（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。フッ化物ファイバ２０ａ、２０ｂのＮＡは０．１３、カットオフ波長は０．５２μｍ、コア径は３μmである。ファイバ長は６０ｃｍである。これらファイバの両端は、リングレーザ共振器の主な構成要素である石英ファイバ３４に融着接続されている。石英ファイバ３４は、利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ，フッ化物ファイバ２０ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ，フッ化物ファイバ２０ｂ）と融着接続されている。
【００７１】
可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ、フッ化物ファイバ２３ｂ）は互いに同一の組成、ファイバパラメータ、ファイバ長を持つフッ化物ファイバである。そのコア組成は５３ＺｒＦ４−１８．５ＢａＦ２−３ＡｌＦ３−１８．５ＮａＦ−３ＹＦ３−３．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は３８ＺｒＦ４−１５ＨｆＦ４−２０ＢａＦ２−１ＬａＦ３−３ＡｌＦ３−３ＹＦ３―２０ＮａＦ（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるフッ化物ガラスである。フッ化物ファイバ２３ａ、２３ｂのＮＡは０．１３、カットオフ波長は０．５２μｍ、ファイバ長は１０ｃｍである。これらファイバの両端は、リングレーザ共振器の主な構成要素である石英ファイバ３４に融着接続されている。石英ファイバ３４は、可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ，フッ化物ファイバ２３ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、可飽和吸収媒質（フッ化物ファイバ２３ａ，フッ化物ファイバ２３ｂ）と融着接続されている。
【００７２】
励起光波長帯である４４０〜４５０ｎｍ帯と信号光波長帯である５４０〜５５０ｎｍ帯の合分波素子が４個（合分波素子２１ａ、合分波素子２１ｂ、合分波素子２４ａ、合分波素子２４ｂ）、リングレーザ共振器内の石英ファイバ３４に挿入されており、各々励起レーザの導入に用いられている。また、２つの利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）の間には対向する励起レーザの余剰の励起レーザ光を除去するために、波長５４０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を透過し、波長４４０ｎｍ〜４５０ｎｍの余剰の励起光をリングレーザ共振器外に除去する合分波素子２６が挿入されている。
【００７３】
励起レーザは２種類、各２台の計４台を使用している。利得媒質（フッ化物ファイバ２０ａ、フッ化物ファイバ２０ｂ）の励起には、波長４４４ｎｍ、出力１４０ｍＷのファイバピグテール付き半導体レーザ（励起用半導体レーザ２２ａ、励起用半導体レーザ２２ｂ）を使用した。また、可飽和吸収体の吸収量制御に、波長４４８ｎｍ、出力５０ｍＷのファイバピグテール付き半導体レーザ（励起用半導体レーザ２５ａ、励起用半導体レーザ２５ｂ）を使用した。
【００７４】
リングレーザ共振器内の偏波状態を整える目的で、ファイバ型偏波コントローラ（偏波コントローラ２９）をリングレーザ共振器内に設置した。
【００７５】
リングレーザ共振器からＣＷ光とＣＣＷ光を取り出すために、リング内の光パワーの５％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置し、測定中に反射光がファイバリングレーザに戻らないようにアイソレータ３０を各ポートに設置した。光スペクトルは光スペクトラムアナライザ３１、光パワーは光パワーメータ３２を目的のポートに取り付けて測定した。
【００７６】
上記構成でのリングレーザ共振器の長さは５ｍ、光学部品以外のリングレーザ共振器内のファイバは、直径６．７ｃｍに巻いてある
利得媒質励起条件＝６０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝１５ｍＷで測定したこのリングレーザからの出射光スペクトルを図２に示す。波長５４４ｎｍでレーザ発振しており、ファイバリングレーザから直接可視光レーザが得られていることが判る。また、ＣＷ出力とＣＣＷ出力はそれぞれ０．５２ｍＷと０．５４ｍＷであり、その合計の合算出力は１．０６ｍＷとなり、測定誤差範囲内で一致した。
【実施例２】
【００７７】
実施例１と同様の構成であるが、使用するファイバ種、添加する希土類、励起レーザ波長などを種々変更して、実施例１と同様のレーザ発振の実験をした（Ｎｏ．１〜８）。測定された発振波長および合算出力の結果を表１にまとめて示す。励起光としては半導体レーザと、半導体レーザ発振波長をＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子であるＰＰＬＮを用いて半分に波長変換した波長変換レーザの、２種類を使い分けて使用した。結果、いずれのファイバリングレーザからも波長１μｍ未満のレーザ発振が得られた。
【００７８】
【表１】
【実施例３】
【００７９】
リングレーザ部に実施例１と同一のリングレーザを使用し、リングレーザジャイロを構成し、角速度を検出した。光源部分の実験構成を図３に示す。ＴＡＰカプラ２８から取り出されたＣＷ光またはＣＣＷ光の干渉縞コントラストを最大にするために、偏光状態を制御するファイバ型偏波コントローラ３３を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３４で干渉させ、光アイソレータ３５を通過後、シリコンＰＩＮ受光素子３６で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００８０】
図４に、図３のファイバリングレーザ部と電気配線をリングレーザ筐体４０に収容したときの概略を示す。熱膨張係数が小さく、比較的熱伝導性がよいコバール合金の筐体（リングレーザ筐体４０）の周囲をペルチェ素子４３で取り囲み、廃熱は放熱フィン４４から放射することで、筐体内温度を均一に保つことができる。内部設定温度が２５℃の時、周囲温度が４０℃以上の場合は強制空冷が必要であった。風速２ｍ／秒の強制空冷によって、６０℃まで内部温度を２５℃一定に制御可能であった。また、内部設定温度が２５℃の時、周囲温度が−５℃以下の場合は制御が困難であった。ペルチェ素子４３と励起レーザ４台への電源供給、偏波コントローラへの制御信号供給、受光した干渉信号の取り出しなどのために、筐体にはコネクタ（電気コネクタ４１）が取り付けてある。
【００８１】
角速度検出のためのセットアップを図５に示す。図４に示したファイバリングレーザが収容された筐体５０と、リングレーザ制御用ボード５２と、干渉信号を検出するオシロスコープ５１をターンテーブル５３に設置、固定し、回転制御コンピュータ（ターンテーブル制御コンピュータ５４）で回転角速度を制御しながら干渉信号を測定した。
【００８２】
温度制御設定＝２５℃、利得媒質励起条件＝６０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝１５ｍＷで測定した角速度と干渉周波数の関係を図６に示す。十分な干渉コントラストが得られた。低速回転として角速度１１０°／ｈ、ビート周波数３ＫＨｚまで測定したが、ロッキングは観測されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】実施例１、２のファイバリングレーザ部の構成を示す図である
【図２】実施例１のファイバリングレーザの発振スペクトルを示す図である
【図３】実施例３のリングレーザ光源部分を示す図である
【図４】実施例３のリングレーザジャイロの構成図である。
【図５】実施例３のリングレーザジャイロの角速度検出特性を測定するセットアップを示す図である
【図６】実施例３の角速度と干渉周波数の関係の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
２０ａ，２０ｂ フッ化物ファイバ
２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ 合分波素子
２３ａ，２３ｂ フッ化物ファイバ
２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂ 励起用半導体レーザ
２７ 水晶旋光子
２８ ＴＡＰカプラ
２９ 偏波コントローラ
３０ 光アイソレータ
３１ 光スペクトラムアナライザ
３２ 光パワーメータ
３３ ファイバ型偏波コントローラ
３４ ３ｄＢカプラ
３５ 光アイソレータ
３６ シリコンＰＩＮ受光素子
４０ リングレーザ筐体
４１ 電気コネクタ
４３ ペルチェ素子
４４ 放熱フィン
５０ ファイバリングレーザが収容された筐体
５１ オシロスコープ
５２ リングレーザ制御用ボード
５３ ターンテーブル
５４ ターンテーブル制御コンピュータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、
該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μｍ未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザ。
【請求項２】
該希土類添加ファイバがフッ化物ガラスファイバであり、かつ該励起光源として波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を放射する半導体光源を使用する事を特徴とする、請求項１に記載のファイバリングレーザ。
【請求項３】
該希土類添加ファイバを少なくとも２個以上備え、且つ該希土類添加ファイバの励起条件を個々に制御可能である事を特徴とする、請求項１または請求項２に記載のファイバリングレーザ。
【請求項４】
ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事を特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のファイバリングレーザ。
【請求項５】
励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事を特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のファイバリングレーザ。
【請求項６】
リングレーザ共振器から右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出し、取り出されたＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用いるファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）において、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のファイバリングレーザを用いることを特徴とするファイバリングレーザジャイロ。
【請求項１】
利得媒質を励起する励起光源と、少なくとも一つの閉じたリング状の共振器（リングレーザ共振器）と、該リングレーザ共振器内に該利得媒質として希土類添加ファイバを持つファイバリングレーザにおいて、
該希土類添加ファイバとして、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍから選ばれる少なくとも１種類の希土類が添加されているコアを備えたファイバを用い、レーザ発振波長が１μｍ未満の短波長である事を特徴とする、ファイバリングレーザ。
【請求項２】
該希土類添加ファイバがフッ化物ガラスファイバであり、かつ該励起光源として波長３４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を放射する半導体光源を使用する事を特徴とする、請求項１に記載のファイバリングレーザ。
【請求項３】
該希土類添加ファイバを少なくとも２個以上備え、且つ該希土類添加ファイバの励起条件を個々に制御可能である事を特徴とする、請求項１または請求項２に記載のファイバリングレーザ。
【請求項４】
ファイバリングレーザのレーザ発振波長で動作する少なくとも１個の可飽和吸収体をリングレーザ共振器内に備える事を特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のファイバリングレーザ。
【請求項５】
励起波長とレーザ発振波長に対して透明なコアを備えたフッ化物ファイバをリングレーザ共振器内に少なくとも１個以上備える事を特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のファイバリングレーザ。
【請求項６】
リングレーザ共振器から右回り（ＣＷ）のレーザ信号と左回り（ＣＣＷ）のレーザ信号を取り出し、取り出されたＣＷレーザ信号とＣＣＷレーザ信号とを干渉させて得られるビート信号を検出する角速度検出方法を用いるファイバリングレーザジャイロ（Ｆ−ＲＬＧ）において、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のファイバリングレーザを用いることを特徴とするファイバリングレーザジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−６２２２４（Ｐ２０１０−６２２２４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２４０２２（Ｐ２００８−２２４０２２）
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
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