小型ファイバリングレーザ
【課題】 本発明の目的は、小型かつ高精度なファイバリングレーザを提供することである。
【解決手段】 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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする、小型ファイバリングレーザ。
【解決手段】 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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする、小型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、表面形状計測光源などに用いられるファイバリングレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度の検出にこれまで航空機を中心に使用されてきたＨｅＮｅ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）は、非常に高精度であるが高価で大型である。このため、自動車や民生用には使用することが出来なかった。これに対し、従来のＩ−ＦＯＧよりも電気的、光学的構成が簡単なファイバリングレーザジャイロ（ＦＲＬＧ）が提案されている（非特許文献１，２，特許文献１）。また、リングの一部に光増幅器を挿入する感度の向上方法が提案されている（非特許文献３，４）。非特許文献３では、ファイバリングレーザジャイロは通常のＩ−ＦＯＧよりも２倍以上の感度が得られると見積もっており、理由として多数周回による実効的な相互作用長の延長が可能なためとしている。非特許文献３と同じ構成で実験した非特許文献４では、６．２５倍に至る感度向上が観測されている。また、ファイバリングレーザ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）。
【０００３】
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を１００〜１０００ｐｐｍ含む石英光ファイバが用いられている。この程度のＥｒ濃度では、励起光を吸収するための長さ（吸収長）が長くなり、少なくとも１０ｍから数十ｍ程度のＥｒ添加光ファイバが必要であることから、小型化は困難である。また、リングレーザ部分の構成の最適化にはあまり関心が払われていないため、リングレーザ部分に関する詳細な検討はほとんど着手されていない。このため、小型かつ高精度なファイバセンサ用リングレーザに適した構成は見出されていない。
【０００４】
一方、フッ化物ファイバは高濃度に希土類添加可能であるだけでなく、低雑音に光増幅可能（特許文献２、非特許文献７）であることから、小型高効率低雑音な利得媒質として期待されており、小型の光増幅器として実用化されている（非特許文献８）。
【特許文献１】特開２００７−２１２２４７号公報
【特許文献２】特許第３２２８４６２号公報
【非特許文献１】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２】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３】Ｃｈｉｎ−Ｙｉ．Ｌｉａｗ，Ｙａｎ Ｚｈｏｕ，ａｎｄ Ｙｅｅ−Ｌｏｙ．Ｌａｍ，”Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｃｌｏｓｅｄ−Ｓａｇｎａｃ Ｌｏｏｐ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．３８９７（１９９９) ｐｐ．５５７−５６４．
【非特許文献４】Ｃｈｉｎ−Ｙｉ．Ｌｉａｗ，Ｙａｎ Ｚｈｏｕ，ａｎｄ Ｙｅｅ−Ｌｏｙ．Ｌａｍ，”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｐｅｎ−ｌｏｏｐ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｓａｇｎａｃ ｃｏｉｌ ｃｌｏｓｅｄ ｂｙ ａｎ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１２，（１９９８） ｐｐ．２３８５−２３９２．
【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．
【非特許文献７】Ｙ．Ｋｕｂｏｔａ，Ｔ．Ｔｅｓｈｉｍａ，Ｎ．Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ，Ｓ．Ｋａｎｔｏ，Ｓ．Ｓａｋａｇｕｃｈｉ，Ｚ．Ｍｅｎｇ，Ｙ．Ｎａｋａｔａ，ａｎｄ Ｔ．Ｏｋａｄａ，”Ｎｏｖｅｌ Ｅｒ ａｎｄ Ｃｅ ｃｏｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ９８０−ｎｍ ｐｕｍｐｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．４（２００４）ｐｐ．５２５−５２７．
【非特許文献８】久保田能徳,「フッ化物ファイバ光増幅器について」，ＮＥＷ ＧＬＡＳＳ，ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．４（２００４）ｐｐ．７８−８４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のとおり、従来のＦＲＬＧは、レーザの利得媒質として希土類添加石英ファイバを使用していることから、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。
【０００６】
そこで本発明は、小型かつ高精度なファイバリングレーザ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】
【０００７】
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、希土類を高濃度で添加可能であり、かつ増幅時の雑音指数が低いＥｒとＣｅを共添加したコアを備えたフッ化物ガラスファイバ（ＥＣＤＦ）をファイバリングレーザの利得媒質として用いることが可能であることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち本発明は、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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【０００９】
または、該希土類添加ファイバとして、少なくともＥｒとＣｅとＹｂが共に添加されているコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用いることを特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【００１０】
さらには、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小型ファイバリングレーザであり、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小型ファイバリングレーザであり、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小型ファイバリングレーザであり、リングレーザ共振器から右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することを特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、利得媒質に希土類添加の石英ファイバを用いる従来のファイバリングレーザに比べ、フッ化物ガラスファイバを用いることから数十倍から百倍の高濃度で希土類を添加可能であるため、利得媒質を短くでき、利得媒質のボビンは圧倒的に薄く、小型にする事が可能となる。さらにＹｂを共添加することで、Ｙｂの大きな吸収係数を利用でき、利得媒質をさらに短くすることが可能となる。例えば、直径５ｃｍのボビンに巻く場合、希土類添加の石英ファイバでは最低でも１０ｍ程度の長さが必要であることから６４周以上巻き付ける必要があるが、希土類添加のフッ化物ファイバでは１３周以下で済んでしまう。このため、フッ化物ファイバを用いたボビンは圧倒的に薄く、小型に作る事が可能となる。
【００１２】
また、短尺にできることから、従来のファイバリングレーザに比べ、共振器の共鳴周波数の間隔が４０〜２００ＭＨｚ程度と広くなり、したがって、測定可能帯域幅（ダイナミックレンジ）を広くできる。さらには、波長が９００〜９８５ｎｍの光での励起を可能とし、理論限界に近い低雑音特性を実現できる。雑音指数は、１４８０ｎｍ帯励起の場合の限界である５ｄＢよりも低く、３〜４ｄＢを実現できる。
【００１３】
また本発明において、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することにより、ファイバリングレーザの発振状態を自由に制御することができる。例えば、リング共振器の利得部分が１箇所である場合、９８０ｎｍ帯の励起光を対向して導入することは困難であることから、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号で利得の不均一が生じやすい。この結果、レーザパワーに差が発生し、例えばジャイロに応用したとき、角速度検出のために干渉させた場合に干渉縞のコントラストが劣化し、感度が低下する。２個以上の利得媒質を個別に励起条件を制御することにより、右回りと左回りで対称な光学系を組むことが可能となり、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号でパワー差のない均質なレーザ発振状態を実現できる。この結果、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号を干渉させたときの干渉縞のコントラストを最大にすることが可能となり、検出感度を高くすることができる。
【００１４】
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により、ファイバリングレーザの利得と可飽和吸収による損失とのバランスを制御可能となり、リングレーザ共振器内の利得と損失が釣り合う波長だけが周回可能となる。
【００１５】
この結果、周回可能となる波長を１５８０ｎｍ以上に調整すると、レーザ発振線幅を狭帯域化できるだけでなく、狭帯域の単一波長での発振が可能となることから、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号を干渉させた場合に、コントラストのはっきりした干渉縞を得ることができる。
【００１６】
または、周回可能となる波長を１５６０ｎｍ付近に調整すると、縦マルチモードで発振し、多数周回による高次縦モードを抑制できる。高次縦モードを抑制することで、縦マルチモードであってもコントラストの高い干渉縞を得ることが可能となる。
【００１７】
さらには、周回するレーザ信号パワーに対して飽和吸収パワーを１０％程度以下と非常に低く調整した場合、パルス動作となる。このとき、リングレーザ共振器の全分散量をゼロ分散よりもやや正の分散が残る状態に調整すると、非線形光学効果によるパルスの圧縮が起こり、最終的にはモードロック動作となる。モードロック動作しているファイバリングレーザの右回りレーザ信号と左回りレーザ信号の干渉は電気的な検出が容易であり、システムの簡素化と低価格化に有利となる。
【００１８】
また可飽和吸収体は、ＥＣＤＦから放射される増幅された自然放出光（ＡＳＥ）や、逆方向に進行するレーザ光の散乱光を、可飽和吸収特性によって吸収して弱めることができる。この結果、可飽和吸収体によってＡＳＥ光を除去されることにより、検出感度が向上し、逆方向に進行するレーザ光の散乱光は可飽和吸収体によって除去されることにより、低角速度でのロックイン現象が抑制され分解能が向上する。
【００１９】
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のない動作が可能となる。フッ化物ガラスは良く知られているように屈折率の温度依存性が負であり、温度上昇によって屈折率が低下するが、石英系ファイバなど酸化物光学材料のほとんどは、屈折率の温度依存性が正であり、また、通常の材料はほとんどすべて線膨張係数が正であるため、これら屈折率の温度依存性または線膨張係数が正である材料で構成される光学部分は、温度が上昇すると[物理的な長さ]×[屈折率]で表される光学長が増加する。そこで、屈折率の温度依存性が負であるフッ化物ガラスをリングレーザ共振器中に適切な長さのバランスで使用すれば、石英系ファイバやその他の光学部品の光学長変化を補償できる。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。
【００２０】
また本発明において、リングレーザ共振器から右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することにより、リングレーザ共振器への戻り光を抑制し、ファイバリングレーザの損傷を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態の例を、図１を用いて説明する。
【００２２】
例えば、利得媒質として、Ｅｒを５０００ｐｐｍ、Ｃｅを５００００ｐｐｍ含有するＺＢＬＡＮファイバ（１）（フッ化物ファイバ１）を利得媒質として用いる。コア径は４μm、クラッド径は１２５μm、開口数は０．２２、ファイバ長は４５ｃｍである。フッ化物ファイバ１の両端はフッ化物ファイバ１と同じファイバパラメータの石英ファイバ７と融着接続されている（融着部の表示省略）。フッ化物ファイバ１は波長９７４ｎｍの励起レーザ（励起用半導体レーザ１０）と、石英ファイバ７と合分波素子５を介して接続されている。フッ化物ファイバ１に吸収されなかった残りの励起光は、合分波素子４で励起光が分離され、ビームダンパ１２に吸収させて処理する。
【００２３】
同様に、Ｅｒを１００００ｐｐｍ、Ｃｅを５００００ｐｐｍ含有するＺＢＬＡＮファイバ（２）（フッ化物ファイバ２）を制御可能な可飽和吸収部として用いる。フッ化物ファイバ２のコア径は４μm、クラッド径は１２５μm、開口数は０．２２である。ファイバ長は３０ｃｍである。フッ化物ファイバ２の両端はフッ化物ファイバ２と同じファイバパラメータの石英ファイバ７と融着接続されている（融着部の表示省略）。フッ化物ファイバ２は波長９７４ｎｍの励起レーザ（励起用半導体レーザ９）と、石英ファイバ７と合分波素子６を介して接続されている。励起用半導体レーザファイバ２に吸収されなかった残りの励起光は、合分波素子３で励起光が分離され、ビームダンパ１１に吸収させて処理する。
【００２４】
このように、利得媒質を２箇所以上に分け、そのうち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可飽和吸収体として動作させることが可能となる。また、Ｅｒを単独に添加した石英ファイバに励起源を取り付けてリングレーザ共振器内に挿入しても、飽和吸収量を制御可能な可飽和吸収体として利用することができる。可飽和吸収体として利用する希土類添加ファイバに対して、利得を得てレーザ光を増幅する部分とは独立に励起光源を取り付けることで、広い範囲での飽和吸収量調節が可能となる。ファイバリングレーザの利得と可飽和吸収による損失とのバランスを制御すると、リングレーザ共振器内の利得と損失が釣り合う波長だけが周回可能となる。
【００２５】
また、リングレーザ共振器内に利得媒質が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利得媒質がある場合はその中央または利得媒質間に、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することで、特定の偏波状態で利得が低下する偏波ホールバーニングを抑制することができる。利得のホールバーニングが発生すると、右回りレーザ光と左回りレーザ光の近接波長での発振が困難となる。このため、フィルタなどによる発振波長の制限以外に、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共振器中に挿入して、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。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。
【００２６】
さらには、図１は構成を展開した状態を表記してあるが、実際に使用する時は、主たるリングである石英ファイバ７と、主たる利得部であるフッ化物ファイバ１と、可飽和吸収部であるフッ化物ファイバ２は、なるべく同じ巻き径で重なるように巻き込み、全体がほぼ一様直径のリングとなるように構成されている。このとき、リングレーザ共振器全体のリング長は１０ｍであった。
【００２７】
また図１において、共振器内の偏波状態を整えるファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１３）と、右回りと左回りの出力を取り出すＴＡＰカプラ８が共振器内に挿入されている。これらの構成部品は、高開口数の石英ファイバ７で一つのリングレーザ共振器として接続されている。石英ファイバ７はコア径４μm、クラッド径１２５μm、開口数は０．２２である。
【００２８】
このとき、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。例えば図１において、ＴＡＰカプラ８のＴＡＰ率が１０％のものが使用できる。この場合、９０％はリング内を周回する。
【００２９】
また、図１では、取り出されたレーザ光は、光アイソレータ１４，１５を通して３ｄＢカプラ１７で干渉され、干渉出力がＧａＡｓ系のＰＩＮフォトダイオード（ＧａＡｓ受光素子１８）に入射されて電気信号に変換される。このＴＡＰカプラ８と、ＧａＡｓ受光素子１８からなる検出部の間に、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、ＧａＡｓ受光素子１８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。
【００３０】
また、光アイソレータ１５と３ｄＢカプラ１７の間にファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１６）を設置し、偏波制御する。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１４と３ｄＢカプラ１７の間にファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１６）を設置してもよい。
【００３１】
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のない動作が可能となる。
【００３２】
フッ化物ガラスは良く知られているように屈折率の温度依存性が負であり、温度上昇によって屈折率が低下する。一方、石英系ファイバなど酸化物光学材料のほとんどは、屈折率の温度依存性が正である。また、通常の材料はほとんどすべて線膨張係数が正である。この結果、酸化物系光学材料だけで構成される光学部分は、温度が上昇すると[物理的な長さ]×[屈折率]で表される光学長が増加する。温度変化によって光学長が変化すると、縦モード周波数がホップし、周波数変動やパワー変動を引き起こすため、光学長は極力一定に保つ必要がある。フッ化物ガラスは屈折率の温度依存性が負であることから、リングレーザ共振器中に適切な長さのバランスで使用すれば、石英系ファイバやその他の光学部品の光学長変化を補償できる。
【００３３】
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。
【００３４】
しかし、励起部分のＥＣＤＦ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アン・ドープ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。
【００３５】
アン・ドープフッ化物ファイバの適切な長さは、共振器の構成やＥＣＤＦの励起状態によって変化するので一概には言えないが、アン・ドープフッ化物ファイバとＥＣＤＦ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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、図１に示される構成例を、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。
さらに、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。
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００３８】
実験に使用したファイバリングレーザ部を、図２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。
【００３９】
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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、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。
【００４０】
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−５ＣｅＦ３−１ＬａＦ３−１ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μm、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。
【００４１】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００４２】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、ＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００４５】
リングレーザ共振器の直径は１０ｃｍ、リングレーザ共振器長は９．４ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは１．４ｍである。放熱フィンを除く筐体寸法は縦２０ｃｍ×横４０ｃｍ×厚み５ｃｍである。
【００４６】
図３に、図２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。
【００４７】
角速度検出のためのセットアップを図４に示す。図３に示すように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。
【００４８】
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５に示す。十分な干渉コントラストが得られた。角速度１１０°／ｈ、ビート周波数１ｋＨｚまでロッキングは観測されなかった。
【実施例２】
【００４９】
実験に使用した構成は、実施例１と同様の構成であるが、利得媒質と可飽和吸収媒質の組成やファイバ長および、石英ファイバとフッ化物ファイバの長さ比が異なる。本実施例の目的は、室温付近でのアサーマル化である。
【００５０】
ファイバリングレーザ部は図２に示したとおりであり、部品類の構成は実施例１と同じである。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−５ＣｅＦ３−０．８ＬａＦ３−０．２ＹｂＦ３−１ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅとＹｂを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は１２ｃｍ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。
【００５１】
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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は３０ｃｍ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。
【００５２】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００５３】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００５４】
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。
【００５５】
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１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、ＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００５６】
リングレーザ共振器の直径は４ｃｍ、リングレーザ共振器長は４．５ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは８５ｃｍである。放熱フィンを除く筐体寸法は縦１５ｃｍ×横３０ｃｍ×厚み５ｃｍである。
【００５７】
図６に、図２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５５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５５）の周囲を断熱材５７で取り囲み、廃熱を励起ＬＤ付近の部分的な放熱フィン５８から放射することで、筐体内温度変化を抑制した。外部温度を１０℃から４０℃まで変化させた時の内部温度変化は１８℃から４５℃であった。ペルチェ素子と励起レーザ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５６）が取り付けてある。
【００５８】
角速度検出のためのセットアップを図４に示す。図６に示すように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。
【００５９】
周囲温度＝２５℃、利得媒質励起条件＝８０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝３０ｍＷで測定した角速度と干渉周波数の関係を図７に示す。十分な干渉コントラストが得られ、角速度２３０°／ｈ、ビート周波数１ｋＨｚまでロッキングは観測されなかった。
【００６０】
次に、角速度２３００°／ｈに設定し、周囲温度を１０℃から４０℃まで変化させながら検出された干渉信号強度の温度依存性を測定した。結果を図８に示す。１５℃と３５℃付近に縦モードホップと思われる信号強度変化が認められるが、それ以外はビート出力が安定しており、１５℃から３５℃まで２５℃の温度変化に対して安定であることが実証できた。
【実施例３】
【００６１】
実験に使用した構成は、実施例２と同様の構成であるが、利得媒質と可飽和吸収媒質の組成やファイバ長、励起レーザ波長とファイバリングレーザ波長に対して透明なフッ化物ファイバ（ＵＤＦＦ）の有無、および石英ファイバとフッ化物ファイバの長さ比が異なる。本実施例の目的は、室温付近でのアサーマル化および検出感度の向上である。
【００６２】
ファイバリングレーザ部は図９に示したとおりであり、部品類の構成はＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）が挿入されている以外は実施例２と同じである。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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は３０ｃｍ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。
【００６３】
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−５ＣｅＦ３−１．７５ＬａＦ３−０．２５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は２０ｃｍ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。
【００６４】
利得媒質と可飽和吸収媒質の合計長さは１ｍである。石英ファイバを含むリングレーザ共振器長は最短で５ｍ程度なので、室温付近で共振器長を温度補償するために、ＵＤＦＦを５０ｃｍずつ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）、共振器内に左右対称に設置した。ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ、フッ化物ファイバ６０ｂ）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−５ＬａＦ３−２ＹＦ３（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１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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６０ａ、６０ｂのＮＡは０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は５０ｃｍ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、ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）と融着接続されている。
【００６５】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００６６】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００６７】
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。
【００６８】
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０．１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、高感度低雑音なＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００６９】
リングレーザ共振器の直径は６ｃｍ、リングレーザ共振器長は６ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは２ｍである。コバール製の筐体寸法は縦１５ｃｍ×横３０ｃｍ×厚み５ｃｍであり、断熱材や放熱フィンはない。外部温度を１０℃から４０℃まで変化させた時の内部温度変化は１２℃から４５℃であった。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、筐体にはコネクタが取り付けてある。
【００７０】
角速度検出のためのセットアップを図１０に示す。図９に示すようにファイバリングレーザが収容された筐体５０と、ファイバリングレーザおよびディサリング装置の制御用ボード６６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。また、リングレーザモジュール（ファイバリングレーザが収容された筐体５０）はロックイン現象を回避するため、ディサリング装置６５に搭載されている。ディサリング装置６５は圧電素子で駆動され、回転周期２０〜１００ｋＨｚの間を緩やかに周波数変調しながらリングレーザモジュールを左右に揺動回転させている。ディサリング装置６５はターンテーブル５３と強固に連結されている。なお、ディサリング装置６５はカウンターウェートを搭載しており、ディサリングの振動がターンテーブル５３の回転角速度や検出する干渉信号の雑音にならないように配慮されている。
【００７１】
周囲温度＝２５℃、利得媒質励起条件＝１００ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝５ｍＷで測定した角速度と干渉ビート周波数の関係を図１１に示す。なお、干渉ビート信号からはディサリング装置の周波数由来の信号成分を除去してある。結果、十分な干渉コントラストが得られ、角速度１．７°／ｈ、ビート周波数１０Ｈｚまでロッキングは観測されなかった。
【００７２】
次に、角速度１７°／ｈに設定し、周囲温度を１０℃から４０℃まで変化させながら温度依存性を測定した。結果を図１２に示す。２０℃と３５℃付近に縦モードホップと思われる信号強度変化が認められるが、それ以外はビート出力が安定しており、２０℃から３５℃まで１５℃の温度変化に対して、放熱や温度安定性を考慮しない筐体でも安定に動作可能であることを実証できた。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態の例を示す図である
【図２】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３】実施例１のファイバリングレーザ部を収容する筐体を示す図である
【図４】実施例１、２の角速度検出のためのセットアップを示す図である
【図５】実施例１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。
【図６】実施例２のファイバリングレーザ部を収容する筐体を示す図である
【図７】実施例２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。
【図８】実施例２の干渉信号強度の温度依存性の測定結果を示す図である。
【図９】実施例３のファイバリングレーザ部の構成を示す図である
【図１０】実施例３の角速度検出のためのセットアップを示す図である
【図１１】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。
【図１２】実施例３の干渉信号強度の温度依存性の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ フッ化物ファイバ
２ フッ化物ファイバ
３，４，５，６ 合分波素子
７，３４ 石英ファイバ
８ ＴＡＰカプラ
９，１０ 励起用半導体レーザ
１１，１２ ビームダンパ
１３，１６ 偏波コントローラ
１４，１５ 光アイソレータ
１７ ３ｄＢカプラ
１８ ＧａＡｓ受光素子
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
２９，３０ 偏波コントローラ
３１ ３ｄＢカプラ
３２ 光アイソレータ
３３ ＧａＡｓ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
５５ リングレーザ筐体
５６ 電気コネクタ
５７ 断熱材
５８ 放熱フィン
６０ａ，６０ｂ フッ化物ファイバ（ＵＤＦＦ）
６５ ディサリング装置
６６ ファイバリングレーザおよびディサリング装置の制御用ボード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度計測、距離計測光源、表面形状計測光源などに用いられるファイバリングレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度の検出にこれまで航空機を中心に使用されてきたＨｅＮｅ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）は、非常に高精度であるが高価で大型である。このため、自動車や民生用には使用することが出来なかった。これに対し、従来のＩ−ＦＯＧよりも電気的、光学的構成が簡単なファイバリングレーザジャイロ（ＦＲＬＧ）が提案されている（非特許文献１，２，特許文献１）。また、リングの一部に光増幅器を挿入する感度の向上方法が提案されている（非特許文献３，４）。非特許文献３では、ファイバリングレーザジャイロは通常のＩ−ＦＯＧよりも２倍以上の感度が得られると見積もっており、理由として多数周回による実効的な相互作用長の延長が可能なためとしている。非特許文献３と同じ構成で実験した非特許文献４では、６．２５倍に至る感度向上が観測されている。また、ファイバリングレーザ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）。
【０００３】
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を１００〜１０００ｐｐｍ含む石英光ファイバが用いられている。この程度のＥｒ濃度では、励起光を吸収するための長さ（吸収長）が長くなり、少なくとも１０ｍから数十ｍ程度のＥｒ添加光ファイバが必要であることから、小型化は困難である。また、リングレーザ部分の構成の最適化にはあまり関心が払われていないため、リングレーザ部分に関する詳細な検討はほとんど着手されていない。このため、小型かつ高精度なファイバセンサ用リングレーザに適した構成は見出されていない。
【０００４】
一方、フッ化物ファイバは高濃度に希土類添加可能であるだけでなく、低雑音に光増幅可能（特許文献２、非特許文献７）であることから、小型高効率低雑音な利得媒質として期待されており、小型の光増幅器として実用化されている（非特許文献８）。
【特許文献１】特開２００７−２１２２４７号公報
【特許文献２】特許第３２２８４６２号公報
【非特許文献１】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２】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３】Ｃｈｉｎ−Ｙｉ．Ｌｉａｗ，Ｙａｎ Ｚｈｏｕ，ａｎｄ Ｙｅｅ−Ｌｏｙ．Ｌａｍ，”Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｃｌｏｓｅｄ−Ｓａｇｎａｃ Ｌｏｏｐ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＡ，ｖｏｌ．３８９７（１９９９) ｐｐ．５５７−５６４．
【非特許文献４】Ｃｈｉｎ−Ｙｉ．Ｌｉａｗ，Ｙａｎ Ｚｈｏｕ，ａｎｄ Ｙｅｅ−Ｌｏｙ．Ｌａｍ，”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｏｐｅｎ−ｌｏｏｐ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｓａｇｎａｃ ｃｏｉｌ ｃｌｏｓｅｄ ｂｙ ａｎ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１２，（１９９８） ｐｐ．２３８５−２３９２．
【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．
【非特許文献７】Ｙ．Ｋｕｂｏｔａ，Ｔ．Ｔｅｓｈｉｍａ，Ｎ．Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ，Ｓ．Ｋａｎｔｏ，Ｓ．Ｓａｋａｇｕｃｈｉ，Ｚ．Ｍｅｎｇ，Ｙ．Ｎａｋａｔａ，ａｎｄ Ｔ．Ｏｋａｄａ，”Ｎｏｖｅｌ Ｅｒ ａｎｄ Ｃｅ ｃｏｄｏｐｅｄ ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ９８０−ｎｍ ｐｕｍｐｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．４（２００４）ｐｐ．５２５−５２７．
【非特許文献８】久保田能徳,「フッ化物ファイバ光増幅器について」，ＮＥＷ ＧＬＡＳＳ，ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．４（２００４）ｐｐ．７８−８４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のとおり、従来のＦＲＬＧは、レーザの利得媒質として希土類添加石英ファイバを使用していることから、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。
【０００６】
そこで本発明は、小型かつ高精度なファイバリングレーザ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】
【０００７】
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、希土類を高濃度で添加可能であり、かつ増幅時の雑音指数が低いＥｒとＣｅを共添加したコアを備えたフッ化物ガラスファイバ（ＥＣＤＦ）をファイバリングレーザの利得媒質として用いることが可能であることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち本発明は、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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【０００９】
または、該希土類添加ファイバとして、少なくともＥｒとＣｅとＹｂが共に添加されているコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用いることを特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【００１０】
さらには、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小型ファイバリングレーザであり、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小型ファイバリングレーザであり、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小型ファイバリングレーザであり、リングレーザ共振器から右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することを特徴とする小型ファイバリングレーザである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、利得媒質に希土類添加の石英ファイバを用いる従来のファイバリングレーザに比べ、フッ化物ガラスファイバを用いることから数十倍から百倍の高濃度で希土類を添加可能であるため、利得媒質を短くでき、利得媒質のボビンは圧倒的に薄く、小型にする事が可能となる。さらにＹｂを共添加することで、Ｙｂの大きな吸収係数を利用でき、利得媒質をさらに短くすることが可能となる。例えば、直径５ｃｍのボビンに巻く場合、希土類添加の石英ファイバでは最低でも１０ｍ程度の長さが必要であることから６４周以上巻き付ける必要があるが、希土類添加のフッ化物ファイバでは１３周以下で済んでしまう。このため、フッ化物ファイバを用いたボビンは圧倒的に薄く、小型に作る事が可能となる。
【００１２】
また、短尺にできることから、従来のファイバリングレーザに比べ、共振器の共鳴周波数の間隔が４０〜２００ＭＨｚ程度と広くなり、したがって、測定可能帯域幅（ダイナミックレンジ）を広くできる。さらには、波長が９００〜９８５ｎｍの光での励起を可能とし、理論限界に近い低雑音特性を実現できる。雑音指数は、１４８０ｎｍ帯励起の場合の限界である５ｄＢよりも低く、３〜４ｄＢを実現できる。
【００１３】
また本発明において、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することにより、ファイバリングレーザの発振状態を自由に制御することができる。例えば、リング共振器の利得部分が１箇所である場合、９８０ｎｍ帯の励起光を対向して導入することは困難であることから、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号で利得の不均一が生じやすい。この結果、レーザパワーに差が発生し、例えばジャイロに応用したとき、角速度検出のために干渉させた場合に干渉縞のコントラストが劣化し、感度が低下する。２個以上の利得媒質を個別に励起条件を制御することにより、右回りと左回りで対称な光学系を組むことが可能となり、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号でパワー差のない均質なレーザ発振状態を実現できる。この結果、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号を干渉させたときの干渉縞のコントラストを最大にすることが可能となり、検出感度を高くすることができる。
【００１４】
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により、ファイバリングレーザの利得と可飽和吸収による損失とのバランスを制御可能となり、リングレーザ共振器内の利得と損失が釣り合う波長だけが周回可能となる。
【００１５】
この結果、周回可能となる波長を１５８０ｎｍ以上に調整すると、レーザ発振線幅を狭帯域化できるだけでなく、狭帯域の単一波長での発振が可能となることから、右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号を干渉させた場合に、コントラストのはっきりした干渉縞を得ることができる。
【００１６】
または、周回可能となる波長を１５６０ｎｍ付近に調整すると、縦マルチモードで発振し、多数周回による高次縦モードを抑制できる。高次縦モードを抑制することで、縦マルチモードであってもコントラストの高い干渉縞を得ることが可能となる。
【００１７】
さらには、周回するレーザ信号パワーに対して飽和吸収パワーを１０％程度以下と非常に低く調整した場合、パルス動作となる。このとき、リングレーザ共振器の全分散量をゼロ分散よりもやや正の分散が残る状態に調整すると、非線形光学効果によるパルスの圧縮が起こり、最終的にはモードロック動作となる。モードロック動作しているファイバリングレーザの右回りレーザ信号と左回りレーザ信号の干渉は電気的な検出が容易であり、システムの簡素化と低価格化に有利となる。
【００１８】
また可飽和吸収体は、ＥＣＤＦから放射される増幅された自然放出光（ＡＳＥ）や、逆方向に進行するレーザ光の散乱光を、可飽和吸収特性によって吸収して弱めることができる。この結果、可飽和吸収体によってＡＳＥ光を除去されることにより、検出感度が向上し、逆方向に進行するレーザ光の散乱光は可飽和吸収体によって除去されることにより、低角速度でのロックイン現象が抑制され分解能が向上する。
【００１９】
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のない動作が可能となる。フッ化物ガラスは良く知られているように屈折率の温度依存性が負であり、温度上昇によって屈折率が低下するが、石英系ファイバなど酸化物光学材料のほとんどは、屈折率の温度依存性が正であり、また、通常の材料はほとんどすべて線膨張係数が正であるため、これら屈折率の温度依存性または線膨張係数が正である材料で構成される光学部分は、温度が上昇すると[物理的な長さ]×[屈折率]で表される光学長が増加する。そこで、屈折率の温度依存性が負であるフッ化物ガラスをリングレーザ共振器中に適切な長さのバランスで使用すれば、石英系ファイバやその他の光学部品の光学長変化を補償できる。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。
【００２０】
また本発明において、リングレーザ共振器から右回りのレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することにより、リングレーザ共振器への戻り光を抑制し、ファイバリングレーザの損傷を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施形態の例を、図１を用いて説明する。
【００２２】
例えば、利得媒質として、Ｅｒを５０００ｐｐｍ、Ｃｅを５００００ｐｐｍ含有するＺＢＬＡＮファイバ（１）（フッ化物ファイバ１）を利得媒質として用いる。コア径は４μm、クラッド径は１２５μm、開口数は０．２２、ファイバ長は４５ｃｍである。フッ化物ファイバ１の両端はフッ化物ファイバ１と同じファイバパラメータの石英ファイバ７と融着接続されている（融着部の表示省略）。フッ化物ファイバ１は波長９７４ｎｍの励起レーザ（励起用半導体レーザ１０）と、石英ファイバ７と合分波素子５を介して接続されている。フッ化物ファイバ１に吸収されなかった残りの励起光は、合分波素子４で励起光が分離され、ビームダンパ１２に吸収させて処理する。
【００２３】
同様に、Ｅｒを１００００ｐｐｍ、Ｃｅを５００００ｐｐｍ含有するＺＢＬＡＮファイバ（２）（フッ化物ファイバ２）を制御可能な可飽和吸収部として用いる。フッ化物ファイバ２のコア径は４μm、クラッド径は１２５μm、開口数は０．２２である。ファイバ長は３０ｃｍである。フッ化物ファイバ２の両端はフッ化物ファイバ２と同じファイバパラメータの石英ファイバ７と融着接続されている（融着部の表示省略）。フッ化物ファイバ２は波長９７４ｎｍの励起レーザ（励起用半導体レーザ９）と、石英ファイバ７と合分波素子６を介して接続されている。励起用半導体レーザファイバ２に吸収されなかった残りの励起光は、合分波素子３で励起光が分離され、ビームダンパ１１に吸収させて処理する。
【００２４】
このように、利得媒質を２箇所以上に分け、そのうち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可飽和吸収体として動作させることが可能となる。また、Ｅｒを単独に添加した石英ファイバに励起源を取り付けてリングレーザ共振器内に挿入しても、飽和吸収量を制御可能な可飽和吸収体として利用することができる。可飽和吸収体として利用する希土類添加ファイバに対して、利得を得てレーザ光を増幅する部分とは独立に励起光源を取り付けることで、広い範囲での飽和吸収量調節が可能となる。ファイバリングレーザの利得と可飽和吸収による損失とのバランスを制御すると、リングレーザ共振器内の利得と損失が釣り合う波長だけが周回可能となる。
【００２５】
また、リングレーザ共振器内に利得媒質が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利得媒質がある場合はその中央または利得媒質間に、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することで、特定の偏波状態で利得が低下する偏波ホールバーニングを抑制することができる。利得のホールバーニングが発生すると、右回りレーザ光と左回りレーザ光の近接波長での発振が困難となる。このため、フィルタなどによる発振波長の制限以外に、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共振器中に挿入して、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。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。
【００２６】
さらには、図１は構成を展開した状態を表記してあるが、実際に使用する時は、主たるリングである石英ファイバ７と、主たる利得部であるフッ化物ファイバ１と、可飽和吸収部であるフッ化物ファイバ２は、なるべく同じ巻き径で重なるように巻き込み、全体がほぼ一様直径のリングとなるように構成されている。このとき、リングレーザ共振器全体のリング長は１０ｍであった。
【００２７】
また図１において、共振器内の偏波状態を整えるファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１３）と、右回りと左回りの出力を取り出すＴＡＰカプラ８が共振器内に挿入されている。これらの構成部品は、高開口数の石英ファイバ７で一つのリングレーザ共振器として接続されている。石英ファイバ７はコア径４μm、クラッド径１２５μm、開口数は０．２２である。
【００２８】
このとき、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。例えば図１において、ＴＡＰカプラ８のＴＡＰ率が１０％のものが使用できる。この場合、９０％はリング内を周回する。
【００２９】
また、図１では、取り出されたレーザ光は、光アイソレータ１４，１５を通して３ｄＢカプラ１７で干渉され、干渉出力がＧａＡｓ系のＰＩＮフォトダイオード（ＧａＡｓ受光素子１８）に入射されて電気信号に変換される。このＴＡＰカプラ８と、ＧａＡｓ受光素子１８からなる検出部の間に、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、ＧａＡｓ受光素子１８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。
【００３０】
また、光アイソレータ１５と３ｄＢカプラ１７の間にファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１６）を設置し、偏波制御する。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１４と３ｄＢカプラ１７の間にファイバ型偏波制御器（偏波コントローラ１６）を設置してもよい。
【００３１】
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のない動作が可能となる。
【００３２】
フッ化物ガラスは良く知られているように屈折率の温度依存性が負であり、温度上昇によって屈折率が低下する。一方、石英系ファイバなど酸化物光学材料のほとんどは、屈折率の温度依存性が正である。また、通常の材料はほとんどすべて線膨張係数が正である。この結果、酸化物系光学材料だけで構成される光学部分は、温度が上昇すると[物理的な長さ]×[屈折率]で表される光学長が増加する。温度変化によって光学長が変化すると、縦モード周波数がホップし、周波数変動やパワー変動を引き起こすため、光学長は極力一定に保つ必要がある。フッ化物ガラスは屈折率の温度依存性が負であることから、リングレーザ共振器中に適切な長さのバランスで使用すれば、石英系ファイバやその他の光学部品の光学長変化を補償できる。
【００３３】
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。
【００３４】
しかし、励起部分のＥＣＤＦ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アン・ドープ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。
【００３５】
アン・ドープフッ化物ファイバの適切な長さは、共振器の構成やＥＣＤＦの励起状態によって変化するので一概には言えないが、アン・ドープフッ化物ファイバとＥＣＤＦ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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、図１に示される構成例を、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。
さらに、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。
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００３８】
実験に使用したファイバリングレーザ部を、図２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。
【００３９】
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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、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。
【００４０】
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−５ＣｅＦ３−１ＬａＦ３−１ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μm、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。
【００４１】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００４２】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００４３】
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。
【００４４】
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１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、ＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００４５】
リングレーザ共振器の直径は１０ｃｍ、リングレーザ共振器長は９．４ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは１．４ｍである。放熱フィンを除く筐体寸法は縦２０ｃｍ×横４０ｃｍ×厚み５ｃｍである。
【００４６】
図３に、図２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。
【００４７】
角速度検出のためのセットアップを図４に示す。図３に示すように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。
【００４８】
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５に示す。十分な干渉コントラストが得られた。角速度１１０°／ｈ、ビート周波数１ｋＨｚまでロッキングは観測されなかった。
【実施例２】
【００４９】
実験に使用した構成は、実施例１と同様の構成であるが、利得媒質と可飽和吸収媒質の組成やファイバ長および、石英ファイバとフッ化物ファイバの長さ比が異なる。本実施例の目的は、室温付近でのアサーマル化である。
【００５０】
ファイバリングレーザ部は図２に示したとおりであり、部品類の構成は実施例１と同じである。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−５ＣｅＦ３−０．８ＬａＦ３−０．２ＹｂＦ３−１ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅとＹｂを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は１２ｃｍ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。
【００５１】
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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は３０ｃｍ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。
【００５２】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００５３】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００５４】
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。
【００５５】
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１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、ＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００５６】
リングレーザ共振器の直径は４ｃｍ、リングレーザ共振器長は４．５ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは８５ｃｍである。放熱フィンを除く筐体寸法は縦１５ｃｍ×横３０ｃｍ×厚み５ｃｍである。
【００５７】
図６に、図２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５５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５５）の周囲を断熱材５７で取り囲み、廃熱を励起ＬＤ付近の部分的な放熱フィン５８から放射することで、筐体内温度変化を抑制した。外部温度を１０℃から４０℃まで変化させた時の内部温度変化は１８℃から４５℃であった。ペルチェ素子と励起レーザ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５６）が取り付けてある。
【００５８】
角速度検出のためのセットアップを図４に示す。図６に示すように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。
【００５９】
周囲温度＝２５℃、利得媒質励起条件＝８０ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝３０ｍＷで測定した角速度と干渉周波数の関係を図７に示す。十分な干渉コントラストが得られ、角速度２３０°／ｈ、ビート周波数１ｋＨｚまでロッキングは観測されなかった。
【００６０】
次に、角速度２３００°／ｈに設定し、周囲温度を１０℃から４０℃まで変化させながら検出された干渉信号強度の温度依存性を測定した。結果を図８に示す。１５℃と３５℃付近に縦モードホップと思われる信号強度変化が認められるが、それ以外はビート出力が安定しており、１５℃から３５℃まで２５℃の温度変化に対して安定であることが実証できた。
【実施例３】
【００６１】
実験に使用した構成は、実施例２と同様の構成であるが、利得媒質と可飽和吸収媒質の組成やファイバ長、励起レーザ波長とファイバリングレーザ波長に対して透明なフッ化物ファイバ（ＵＤＦＦ）の有無、および石英ファイバとフッ化物ファイバの長さ比が異なる。本実施例の目的は、室温付近でのアサーマル化および検出感度の向上である。
【００６２】
ファイバリングレーザ部は図９に示したとおりであり、部品類の構成はＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）が挿入されている以外は実施例２と同じである。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−５ＣｅＦ３−１．５ＬａＦ３−０．５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は３０ｃｍ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。
【００６３】
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−５ＣｅＦ３−１．７５ＬａＦ３−０．２５ＥｒＦ３（各成分の前の数字はｍｏｌ％）で表されるＥｒとＣｅを共添加したフッ化物ガラスである。また、そのクラッド組成は１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は２０ｃｍ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。
【００６４】
利得媒質と可飽和吸収媒質の合計長さは１ｍである。石英ファイバを含むリングレーザ共振器長は最短で５ｍ程度なので、室温付近で共振器長を温度補償するために、ＵＤＦＦを５０ｃｍずつ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）、共振器内に左右対称に設置した。ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ、フッ化物ファイバ６０ｂ）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−５ＬａＦ３−２ＹＦ３（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１０ＺｒＦ４−４０ＨｆＦ４−１９ＢａＦ２−３ＬａＦ３−４ＡｌＦ３−２ＹＦ３―２２ＮａＦ（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６０ａ、６０ｂのＮＡは０．２２、カットオフ波長は１．１μｍ、ファイバ長は５０ｃｍ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、ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）と同じファイバパラメータを持ち、ＵＤＦＦ（フッ化物ファイバ６０ａ，フッ化物ファイバ６０ｂ）と融着接続されている。
【００６５】
励起光波長帯である９００〜９８５ｎｍ帯と信号光波長帯である１５６０〜１６００ｎｍ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１５６０ｎｍ〜１６００ｎｍの光を透過し、波長９００ｎｍ〜９８５ｎｍ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。
【００６６】
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９７４ｎｍ、出力１４０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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９８０ｎｍ、出力８０ｍＷで波長安定化のためにＦＢＧを備えた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。
【００６７】
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。
【００６８】
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０．１％を取り出せるＴＡＰカプラ２８を設置した。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（偏波コントローラ３０）を設置した。ＣＷ光とＣＣＷ光を３ｄＢカプラ３１で干渉させ、光アイソレータ３２を通過後、高感度低雑音なＧａＡｓ受光素子３３で干渉後の光強度変調信号を受光した。
【００６９】
リングレーザ共振器の直径は６ｃｍ、リングレーザ共振器長は６ｍ、フッ化物ファイバの合計長さは２ｍである。コバール製の筐体寸法は縦１５ｃｍ×横３０ｃｍ×厚み５ｃｍであり、断熱材や放熱フィンはない。外部温度を１０℃から４０℃まで変化させた時の内部温度変化は１２℃から４５℃であった。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、筐体にはコネクタが取り付けてある。
【００７０】
角速度検出のためのセットアップを図１０に示す。図９に示すようにファイバリングレーザが収容された筐体５０と、ファイバリングレーザおよびディサリング装置の制御用ボード６６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。また、リングレーザモジュール（ファイバリングレーザが収容された筐体５０）はロックイン現象を回避するため、ディサリング装置６５に搭載されている。ディサリング装置６５は圧電素子で駆動され、回転周期２０〜１００ｋＨｚの間を緩やかに周波数変調しながらリングレーザモジュールを左右に揺動回転させている。ディサリング装置６５はターンテーブル５３と強固に連結されている。なお、ディサリング装置６５はカウンターウェートを搭載しており、ディサリングの振動がターンテーブル５３の回転角速度や検出する干渉信号の雑音にならないように配慮されている。
【００７１】
周囲温度＝２５℃、利得媒質励起条件＝１００ｍＷ、可飽和吸収体励起条件＝５ｍＷで測定した角速度と干渉ビート周波数の関係を図１１に示す。なお、干渉ビート信号からはディサリング装置の周波数由来の信号成分を除去してある。結果、十分な干渉コントラストが得られ、角速度１．７°／ｈ、ビート周波数１０Ｈｚまでロッキングは観測されなかった。
【００７２】
次に、角速度１７°／ｈに設定し、周囲温度を１０℃から４０℃まで変化させながら温度依存性を測定した。結果を図１２に示す。２０℃と３５℃付近に縦モードホップと思われる信号強度変化が認められるが、それ以外はビート出力が安定しており、２０℃から３５℃まで１５℃の温度変化に対して、放熱や温度安定性を考慮しない筐体でも安定に動作可能であることを実証できた。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態の例を示す図である
【図２】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３】実施例１のファイバリングレーザ部を収容する筐体を示す図である
【図４】実施例１、２の角速度検出のためのセットアップを示す図である
【図５】実施例１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。
【図６】実施例２のファイバリングレーザ部を収容する筐体を示す図である
【図７】実施例２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。
【図８】実施例２の干渉信号強度の温度依存性の測定結果を示す図である。
【図９】実施例３のファイバリングレーザ部の構成を示す図である
【図１０】実施例３の角速度検出のためのセットアップを示す図である
【図１１】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。
【図１２】実施例３の干渉信号強度の温度依存性の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ フッ化物ファイバ
２ フッ化物ファイバ
３，４，５，６ 合分波素子
７，３４ 石英ファイバ
８ ＴＡＰカプラ
９，１０ 励起用半導体レーザ
１１，１２ ビームダンパ
１３，１６ 偏波コントローラ
１４，１５ 光アイソレータ
１７ ３ｄＢカプラ
１８ ＧａＡｓ受光素子
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
２９，３０ 偏波コントローラ
３１ ３ｄＢカプラ
３２ 光アイソレータ
３３ ＧａＡｓ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
５５ リングレーザ筐体
５６ 電気コネクタ
５７ 断熱材
５８ 放熱フィン
６０ａ，６０ｂ フッ化物ファイバ（ＵＤＦＦ）
６５ ディサリング装置
６６ ファイバリングレーザおよびディサリング装置の制御用ボード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする、小型ファイバリングレーザ。
【請求項２】
該希土類添加ファイバとして、少なくともＥｒとＣｅとＹｂが共に添加されているコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用いることを特徴とする、請求項１記載の小型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記載の小型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のいずれか記載の小型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のいずれか記載の小型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のレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の小型ファイバリングレーザ。
【請求項１】
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）を持つファイバリングレーザの利得媒質として希土類添加ファイバを用いる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少なくともＥｒとＣｅを共に添加したコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用い、該ＥＣＤＦの合計の長さが２ｍ以下であり、リングレーザ共振器長が１０ｍ以下であり、波長９００ｎｍ以上９８５ｎｍ以下の半導体レーザを励起源として用いる事を特徴とする、小型ファイバリングレーザ。
【請求項２】
該希土類添加ファイバとして、少なくともＥｒとＣｅとＹｂが共に添加されているコアを備えたフッ化物ファイバ（ＥＣＤＦ）を１個以上用いることを特徴とする、請求項１記載の小型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記載の小型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のいずれか記載の小型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のいずれか記載の小型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のレーザ信号と左回りのレーザ信号の取り出し部から、該右回りのレーザ信号と該左回りの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受光素子までの間に、少なくとも１個の光アイソレータを挿入することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の小型ファイバリングレーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−４０７３１（Ｐ２０１０−４０７３１Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０１４４２（Ｐ２００８−２０１４４２）
【出願日】平成２０年８月５日（２００８．８．５）
【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２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月５日（２００８．８．５）
【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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