短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法
【課題】高ピークパワーの短光パルスを、光学装置の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスが得られるように効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有する短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法を提供する。
【解決手段】短光パルスの光ファイバ伝送装置は、高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源１０と、チャープパルス源１０から出射された、短光パルスを伝送する光導波手段２０と、光導波手段２０から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段３０と、負群速度分散発生手段３０から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバ４０とを有し、チャープパルス源１０から出射した短光パルスを、光ファイバ４０から実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させる。
【解決手段】短光パルスの光ファイバ伝送装置は、高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源１０と、チャープパルス源１０から出射された、短光パルスを伝送する光導波手段２０と、光導波手段２０から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段３０と、負群速度分散発生手段３０から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバ４０とを有し、チャープパルス源１０から出射した短光パルスを、光ファイバ４０から実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物学、医学、医療、加工、計測、通信などの様々な分野において、高ピークパワーを持ち、複数の波長成分を含むピコ秒以下の短光パルスが利用されるようになってきている。特に、生物学分野や医学分野では、多光子蛍光顕微鏡、高調波顕微鏡、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering:ＣＡＲＳ）顕微鏡などの非線形光学効果を利用した顕微鏡や、光応力波を用いた遺伝子導入装置、拡散光トモグラフィ装置などに、チタン：サファイアレーザやファイバレーザなどの、短光パルスを発生する光パルス源が活発に利用されている。
【０００３】
これらの光パルス源から出射される高ピークパワーの短光パルスは、反射ミラーや光ファイバなどを用いて、上述の顕微鏡などの光学装置まで伝送されるが、操作性や安定性の観点から、短光パルスの伝送には、光ファイバの利用が強く望まれる。
【０００４】
ところが、光ファイバを用いると、高ピークパワーの短光パルスは、光ファイバ中を伝搬する過程において、光ファイバ中の群速度分散（Group-velocity dispersion:ＧＶＤ）効果、自己位相変調（Self-phase modulation:ＳＰＭ）効果などの非線形光学効果、およびその相互作用の影響を受けて、時間幅が広がることが知られている。この光パルス時間幅の広がりは、多くの応用で問題となる。
【０００５】
たとえば、加工分野においては、金属の切断などでは金属の熱変性が同時に起きるため、微細な加工においてシャープなエッジを形成させることができない。また、通信分野においては、光パルスの時間幅が広がることにより、通信速度の低下や符号誤り率が上がってしまう。さらに、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、高いピークパワーの超短光パルスが要求されるが、光ファイバ中でパルス時間幅が広がると、それに伴って光パルスのピークパワーが低下して、顕微鏡画像の明度が低下してしまう。
【０００６】
多光子蛍光顕微鏡では、多光子蛍光強度をＩｎ、光パルスのピークパワーをＰ０とすると、ＩｎおよびＰ０は、それぞれ下記の（１）および（２）式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
上記（１）および（２）において、ｎは自然数で、二光子蛍光、三光子蛍光、そしてｋ光子蛍光の場合には、それぞれｎ＝２，３，そしてｋになる。また、Ｃ０およびＣ１は定数、Ｔ０は光パルスのパルス時間幅、ｆｒｅｐは光パルスの繰り返し周波数、Ｐavは光パルスの平均パワーを示す。（２）式を用いて、（１）式を書き直すと、多光子蛍光強度Ｉｎは、下記の（３）式のようになる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
上記（３）式から、光パルス時間幅Ｔ０が広くなると、多光子蛍光強度Ｉｎは低下し、光パルス時間幅Ｔ０が狭くなる程、多光子蛍光強度Ｉｎは高くなることがわかる。
【００１１】
このような光パルス時間幅の広がりを防止するようにした短光パルスの光ファイバ伝送装置として、例えば、図１１に示すように、光導波手段１２０と光ファイバ１４０との間に、回折格子対やプリズム対などの負群速度分散発生手段１３０を配置し、この負群速度分散発生手段１３０により、光導波手段１２０と光ファイバ１４０で光パルスが受けるＧＶＤ効果とＳＰＭ効果の相互作用を補償するようにして短光パルスを伝送するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
【００１２】
また、光ファイバ中でのＳＰＭ効果などの非線形光学効果を回避するために、あらかじめ短光パルスに大きなＧＶＤ効果を与えて、そのピークパワーを低下させて光ファイバを用いて伝送するものも知られている。（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２６８５８９号公報
【特許文献２】米国特許第６２４９６３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献１に開示の光ファイバ伝送装置によると、光ファイバ伝送装置の後段に配置される顕微鏡などの光学装置は正常分散を持つため、光ファイバ伝送装置からの出射光パルスをダウンチャープ（レッドシフトチャープ）した短光パルスとすることで、光学装置内の所望の位置で高ピークパワーを有する所望の時間幅の短光パルスを得られる。
【００１５】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところによると、この光ファイバ伝送装置にピークパワーの高い短光パルスが入射した場合、３次以上の高次の分散によりパルス波形に歪が生じ、光学装置内でのピークパワーが低下することが判明した。
【００１６】
図１２は、ピークパワーの高い短光パルスが入射したと想定した場合の図１１の短光パルスの光ファイバ伝送装置の各部（（Ａ）〜（Ｅ））における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。上段の時間波形上には、破線によりチャープを示している。図１２に示すように、光導波手段１２０にピークパワーの高い短光パルスが入射すると（図１２（Ａ））、光導波路内での正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用により短光パルスのスペクトル幅が広がったアップチャープ（ブルーシフトチャープ）パルスとなる（図１２（Ｂ））。一般に、ピークパワーが高い短光パルスほどＳＰＭ効果を大きく受け、短光パルスのスペクトル幅はより広がる。
【００１７】
スペクトル幅が広がった光パルスが、回折格子対などの負群速度分散発生手段１３０に入射すると、負群速度分散発生手段１３０の負のＧＶＤ効果によって、ダウンチャープパルスとなる（図１２（Ｃ））。一般に、光パルスが回折格子対などの負群速度分散発生手段から受けるＧＶＤ効果はスペクトル幅が広いほど大きく、スペクトル幅が広いと、３次以上の高次の分散による影響が無視できなくなる。
【００１８】
負群速度分散発生手段１３０を出射したダウンチャープパルス（図１２（Ｃ））は、３次以上の高次の分散による波形の歪がない場合は、光ファイバ１４０を透過させることにより、光ファイバ１４０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によってパルス時間幅およびスペクトル幅が狭いダウンチャープパルスとなるが、高次の分散による無視できない大きさの波形の歪みを含む場合は、時間波形にリンギング等の複雑な歪が生じる（図１２（Ｄ））。
【００１９】
このため、光学装置１５０に入射し、光学装置１５０内でＧＶＤ効果を受けた後も、リンギング等の波形の歪により、高次分散が含まれない場合と比較して、高いピークパワーを得ることができない（図１２（Ｅ））。この高次の分散による波形歪みを補償することは、その補償方法の複雑さ、コスト上昇などの面から難しい。
【００２０】
また、上記の特許文献２に開示の光ファイバ伝送装置によると、光ファイバ中でのＳＰＭ効果がほとんど無視できるまで、あらかじめ短光パルスに大きなＧＶＤ効果を与え、短光パルスのピークパワーを低下させておき、そのピークパワーが低下した光パルスを光ファイバに入射させる。
【００２１】
しかしながら、光ファイバ中でのＳＰＭ効果がほとんど無視できる程度までピークパワーを落とすには、非常に大きなＧＶＤ効果を短光パルスに与えなければならず、ＧＶＤ効果を与える光学素子のサイズが大きくなってしまうなど物理的な配置の面で不都合がある。更に、該ＧＶＤ効果を与える光学素子を光ファイバの前段・後段にそれぞれ配置しなければならず、光ファイバの長所である配置の自由度が著しく損なわれてしまう。
【００２２】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、この短光パルスを利用する光学装置の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスが得られるように効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有する短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成する第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置の発明は、
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源と、
該チャープパルス源から出射された、前記短光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、
を有し、
前記チャープパルス源から出射した前記短光パルスを、前記光ファイバから実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したことを特徴とするものである。
【００２４】
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記チャープパルス源は、超短光パルスを出射する超短光パルス源と、該超短光パルス源から出射された超短光パルスに正の群速度分散を与え、該超短光パルスよりもピークパワーの小さい前記アップチャープした短光パルスとして出射させる正群速度分散発生手段とを備える、ことを特徴とするものである。
【００２５】
第３の観点に係る発明は、第１または第２の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２６】
第４の観点に係る発明は、第１〜第３の観点のいずれかに係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２７】
第５の観点に係る発明は、第１〜第４の観点のいずれかに係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、該短光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散付加手段を設けた、ことを特徴とするものである。
【００２８】
第６の観点に係る発明は、第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記負群速度分散発生手段は、負の群速度分散量を調整する負群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００２９】
第７の観点に係る発明は、第２の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００３０】
第８の観点に係る発明は、第５の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散付加量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００３１】
上記目的を達成する第９の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送方法の発明は、
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを光導波手段に入射させ、
該短光パルスを、光導波手段を用いて伝送し、
該光導波手段から出射される前記短光パルスに、負群速度分散発生手段を用いて負の群速度分散を与え、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを、光ファイバを用いて所望の距離に渡って伝送し、
前記光ファイバから、実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、チャープパルス源から出射したアップチャープした短光パルスを、光導波手段、負群速度分散発生手段を経て、光ファイバから実質的に高次分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したので、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、この短光パルスを利用する光学装置の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスが得られるように効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有する短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。
【図３】図１の短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの具体的構成例を示す図である。
【図４】図３の光学システムにおけるガラスロッドのＧＶＤ量に対する顕微鏡標本面での２光子蛍光強度を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成例を示すブロック図である。
【図６】図５の正群速度分散付加手段の具体例を説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図１０】第５実施形態に係る超短光パルス源の具体例を示す図である。
【図１１】従来技術に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】ピークパワーの高い短光パルスが入射したと想定した場合の図１１の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態を示すもので、図１は短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図、図２は、図１の（Ａ）〜（Ｅ）の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。なお、図２の上段の時間波形上の破線はチャープを示している。
【００３６】
本実施形態に係る光学システムは、チャープパルス源１０と、光導波手段２０と、負群速度分散発生手段３０と、光ファイバ４０と、短光パルスを利用する正のＧＶＤを有する光学装置５０とを有している。
【００３７】
チャープパルス源１０は、超短光パルス源１１と正群速度分散発生手段６０とから構成される。超短光パルス源１１としては、高ピークパワーの変換限界（ＴＬ）に近い超短光パルスを射出する、チタン：サファイアレーザ、モード同期希土類添加光ファイバレーザ、モード同期半導体レーザ、あるいは利得スイッチ半導体レーザ等の光源を用いる。さらに、光増幅器を組み合わせて構成して、例えば、１００ピコ秒未満のパルス幅を持つ超短光パルスを発生させる。正群速度発生手段６０は、例えば、正の群速度分散（ＧＶＤ）を有するガラスロッドなどの光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、電気光学変調素子、回折格子、プリズムを含んで構成される。
【００３８】
図２の（Ａ）に示す、超短光パルス源１１からの高ピークパワーの超短光パルスは、正群速度発生手段６０を通過することによって、図２（Ｂ）に示すようにパルスの時間幅が広がるとともにピークパワーが低下したアップチャープした短光パルスとして、チャープパルス源１０から出射される。
【００３９】
光導波手段２０は、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、分散補償ファイバ、フォトニック結晶ファイバ（Photonic crystal fiber:ＰＣＦ）、増幅光ファイバ、導波路型半導体光増幅器、平面光導波路、屈折率分布型レンズのいずれか一つを含んで構成される。
【００４０】
図２（Ｂ）に示す光チャープパルス源１０からのアップチャープした短光パルスは、この光導波手段２０を透過することにより、光導波手段２０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｃ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅がそれぞれ広がり、ピークパワーがさらに低下し、且つ、瞬時周波数変化がより急なアップチャープパルスとなる。ここで、光導波手段２０に入射するアップチャープした短光パルスは、変換限界（ＴＬ）に近いパルスに比べピークパワーが低いので、光導波手段２０から出射されるアップチャープパルスは、ＴＬパルスが入射した場合と比べ、非線形効果によるスペクトル幅の広がりが抑えられる。
【００４１】
光導波手段２０から出射されるアップチャープの光パルスは、次に、負群速度分散発生手段３０へ入射する。負群速度分散発生手段３０は、例えば、光パルスの波長において負のＧＶＤ量を与える、一対の回折格子、一対のプリズム、チャープド・ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Chirped fiber Bragg grating:ＣＦＢＧ）、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器、アレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）、空間液晶光変調器、中空光ファイバ、フォトニック液晶のいずれか一つを含んで構成される。
【００４２】
光導波手段２０からのアップチャープパルスは、この負群速度分散発生手段３０を透過することにより、負群速度分散発生手段３０の負のＧＶＤ効果によって、図２（Ｄ）に示すように、ダウンチャープパルスとなる。ここで、負群速度分散発生手段３０に入射するアップチャープパルスのスペクトル幅が狭く抑えられているので、３次以上の高次の分散による影響は無視できる程度に抑えられる。なお、この負群速度分散発生手段３０により光パルスに与えられる負のＧＶＤ量は、光学装置５０内の所望の地点において、光パルスが十分に再圧縮されるように、調整される。
【００４３】
負群速度分散発生手段３０から出射されるダウンチャープの光パルスは、次に、光ファイバ４０へ入射する。光ファイバ４０は、光パルスを所望の距離に渡って伝送するもので、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、分散補償ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバのいずれか一つを用いて構成する。ここで、光ファイバ４０に入射する光パワーは、種々の光損失を受けているため、光導波手段２０に入射する光パワーよりも、通常は低くなっている。そのため、光ファイバ４０のＧＶＤ値に対する非線形光学定数の比は、光導波手段２０のそれと同じか、それよりも大きな値とするのが好ましい場合が多い。
【００４４】
負ＧＶＤ発生手段３０からのダウンチャープパルスは、この光ファイバ４０を透過させることにより、光ファイバ４０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｅ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅が、図２（Ｄ）に示す入射パルスにおけるよりもそれぞれ狭くなり、ピークパワーが高くチャープの少ないダウンチャープパルスとなる。すなわち、光ファイバ４０からは、負群速度分散発生手段３０から入射したダウンチャープパルスよりも、瞬時周波数変化が緩やかなダウンチャープパルスを出射する。また、図２（Ｄ）のダウンチャープパルスは、３次以上の高次の分散による影響を実質的に受けていないので、図２（Ｅ）のダウンチャープパルスには、リンギング等の波形の歪が生じないか極めて小さな歪みのみが生じる。なお、高次の分散による影響を実質的に受けていないとは、短光パルスの時間幅を圧縮した際に、短光パルスの時間波形に高次の分散の影響によるリンギング等の極大・極小値が現れないような状態、あるいは、高次分散による後段の光学装置に対する影響が無視できる程度である状態を意味する。
【００４５】
光ファイバ４０から出射される光パルスは、最後に、光学装置５０へ入射する。光学装置５０は、例えば、生物標本観察用のレーザ走査型顕微鏡（Laser-scanning microscope:ＬＳＭ）や内視鏡等である。
【００４６】
これにより、光ファイバ４０からのダウンチャープパルスは、光学装置５０の光学系によるＧＶＤ効果によって、図２（Ｆ）に示すように、スペクトル幅は殆ど変わらず、光パルス時間幅がさらに狭くなり、所望の位置である、例えば、生物標本上において、超短光パルス源１１から出射された超短光パルスと同程度かそれ以上に時間幅が圧縮され、ピークパワーも高くなる。また、その際、３次以上の高次の分散によるリンギング等の波形の歪みも実質的に生じない。したがって、生物標本の深い部位を、充分な明度で観察することが可能となる。
【００４７】
図３は、図１の短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムを顕微鏡に適用した場合の具体的構成例を示す図である。この光学システムでは、超短光パルス源１１として、発振波長約８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、スペクトル幅約９．４ｎｍ、平均光出力約２Ｗの超短光パルスを発生する、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を用いる。
【００４８】
また、正群速度分散発生手段６０は、長さ６０ｍｍの硝材（ＳＦ１０）より形成された、ＧＶＤ値約１．５５×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、ＧＶＤ量約０．０１ｐｓ２のガラスロッド６１を用いる。ここで、ガラスロッド６１として適切なＧＶＤ量を有するものを用いることによって、顕微鏡標本上での短光パルスのピークパワーを最大にすることができる。
【００４９】
図４は、図３の光学システムにおけるガラスロッド６１のＧＶＤ量に対する顕微鏡標本面での２光子蛍光強度を示す図であり、横軸にガラスロッド６１のＧＶＤ量、縦軸に２光子蛍光強度をとっている。この図によれば、ＧＶＤ量が０．０１ｐｓ２の場合に、２光子蛍光強度が最大となる。ガラスロッド６１のＧＶＤ量は、例えば、ガラスロッドの長さを変えることによって調整することができる。
【００５０】
また、光導波手段２０は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１、長さ１ｍのラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）２１より構成される。
【００５１】
負群速度分散発生手段３０は、ミラー３１ａ、回折格子３１ｂ，３１ｃ、矩形ミラー３１ｄおよびミラー３１ｅを有して構成され、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１から出射される短光パルスを、ミラー３１ａで偏向させ、回折格子３１ｂおよび回折格子３１ｃで順次回折させた後、矩形ミラー３１ｄで光路を切り替えて、回折格子３１ｃ、回折格子３１ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。これによって、−０．１６ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００３３ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。なお、ＧＶＤＳ量とは３次の分散を示す量である。また、回折格子３１ｃの位置は調整可能であり、これによって、ＧＶＤ量を変化させることができる。したがって、負群速度分散量調整機構は、回折格子３１ｃを含んで構成される。
【００５２】
光ファイバ４０は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１、長さ３ｍのラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）４１を用いて構成する。さらに、光学装置５０としては、０．０１ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有する顕微鏡５１を用いる。
【００５３】
以上説明した光学システムの構成により、顕微鏡の標本上で、波長約８００ｎｍの帯域内で、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響が実質的に無視できる程度に低減された、光パルス時間幅が約１００ｆｓ以下の超短光パルスが得られる。また、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１を通過する際に、ＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用で受けたパルス幅とスペクトル幅の変化を、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を通過する際に、同様にＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用を利用して補償し、パルス幅とスペクトル幅をほぼ元に戻しているので、非線形効果を回避するために大きなＧＶＤ効果を与える大きな光学素子をＬＭＡ−ＰＣＦ４１の前後に配置する必要が無い。したがって、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を高い自由度で配置することができる。
【００５４】
以上説明したように本実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置によれば、アップチャープした短光パルスを射出するチャープパルス源１０を用いて、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１、負群速度分散発生手段３０を介して、実質的に３次以上の高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスを、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から顕微鏡５１に出射させるように構成したので、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、光学装置の所望の位置へ効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有することができる。
【００５５】
（第２実施形態）
図５は、本発明第２実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１実施形態の光ファイバ４０と光学装置５０との間に、正のＧＶＤ効果を与える正群速度分散付加手段７０を設けて、光学装置５０に入射させる短光パルスのダウンチャープを調整し、これにより、光学装置５０内の所望の位置において、高ピークパワーを持つ所望の時間幅の超短光パルスを得るようにしたものである。ここで、正群速度分散付加手段７０は、例えば、ガラスロッドなどの光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、回折格子、プリズムの何れかを含んで構成される。
【００５６】
正群速度分散付加手段７０を設けることによって、顕微鏡や内視鏡の標本面等の所望の位置で高ピークパワーのパルスが得られるように、光学装置５０に入射する短光パルスのチャープを調整することができる。これによって、標本面で２光子蛍光などの非線形効果が起こる効率を上げることができ、明るい画像が得られる。
【００５７】
さらに、正群速度分散付加手段７０は、調整機構を有することができる。例えば、本実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を、像倍率に応じて複数の対物レンズを切り替えて使用する顕微鏡に適用した場合、対物レンズに使用される硝材やその厚さが異なるために、対物レンズを切り替えるとＧＶＤ量が変わってしまう。このため、顕微鏡対物レンズの分散量に応じて、正群速度分散付加手段７０の分散量を調整できると好ましい。
【００５８】
図６は、図５の正群速度分散付加手段の具体例を説明する図である。本実施形態の短光パルスの光ファイバ伝送装置は、顕微鏡８１に適用されており、光ファイバ４０を出射したダウンチャープパルスは顕微鏡本体８１ａに導光される。顕微鏡８１は複数の対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃを備え、レボルバ５１ｄにより顕微鏡観察に使用する対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃを切り替えられるように構成されている。
【００５９】
また、対物レンズ５１ｂ，５１ｃの短光パルスの入射側には、５１ｂ，５１ｃを使用する場合も対物レンズ５１ａを用いた場合とＧＶＤ量が変化しないように、適切なＧＶＤ量を付加する長さの異なるガラスロッド７１ｂ，７１ｃがそれぞれ組み込まれている。すなわち、図６において、ガラスロッド７１ｂ，７１ｃおよびレボルバ５１ｄは、正群速度分散付加手段７０を構成する。また、レボルバ５１ｄは、対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃの切り替え機構と同時に、正群速度分散付加量調整機構としても機能している。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバと対物レンズとの間に、正のＧＶＤ効果を与えるガラスロッド７１ｂ、７１ｃを設けたので、第１実施形態の効果に加え、入射する短光パルスのダウンチャープを調整し、これにより、所望の位置すなわち顕微鏡の標本面において、高ピークパワーを持つ所望の時間幅の超短光パルスを得ることができる。さらに、レボルバ５１ｄによりガラスロッド無しまたはガラスロッド７１ｂ，７１ｃを切り替えられるようにしたので、対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃのそれぞれの分散量に応じて適切なＧＶＤ量を付加することができ、いずれの対物レンズを用いる場合も標本面で高ピークパワーの短光パルスが得られる。
【００６１】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図５に示した短光パルスの光ファイバ伝送装置を、内視鏡に適用したものである。この光学システムでは、超短光パルス源１１として、発振波長約９８０ｎｍ、パルス幅約１２０ｆｓ、繰り返し周波数９０ＭＨｚ、平均光出力約０．８Ｗの光パルスを発生する、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を用いる。
【００６２】
また、正群速度分散発生手段６０としては、音響光学素子（ＡＯＭ）６２を用いる。ＡＯＭ６２は、超短光パルス源１１から出射された超短光パルスをアップチャープした短光パルスにするとともに、出力強度を変調することができる。
【００６３】
光導波手段２０としては、波長９８０ｎｍ帯で、２３ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．４Ｗ−１ｋｍ−１、長さ０．２ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ２１を用いて構成する。
【００６４】
また、負群速度分散発生手段３０は、ミラー３２ａ、プリズム３２ｂ，３２ｃ、矩形ミラー３１ｄおよびミラー３１ｅを有し、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１から出射される短光パルスをミラー３２ａで偏向させた後、プリズム３２ａ，３２ｂで屈折させた後、矩形ミラー３２ｄで光路を切り替えて、プリズム３２ｃ，３２ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。これによって、−０．０４ｐｓ２程度のＧＶＤ量および−０．０００１ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。
【００６５】
光ファイバ４０は、波長９８０ｎｍ帯で、２３ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．４Ｗ−１ｋｍ−１、長さ１ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ４１を用いる。
【００６６】
さらに、光学装置５０としての内視鏡対物レンズ５２の前段に、正群速度分散付加手段７０であるガラスロッド７２を設ける。ガラスロッド７２は硝材（ＳＦ１０）により構成される、ＧＶＤ値１．１４×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、長さ１８ｍｍ、ＧＶＤ量０．００２ｐｓ２の部材である。ガラスロッド７２を入れる理由は、内視鏡対物レンズ５２のＧＶＤ量（０．００３ｐｓ２）が小さいので、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から出射するダウンチャープした光パルスのチャープの補償のために必要なＧＶＤ量を確保するためである。チタン：サファイアモード同期レーザ１２から、内視鏡対物レンズ５２までのＧＶＤ量の和は、略ゼロとなっている。
【００６７】
なお、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１，ガラスロッド７２および内視鏡対物レンズ５２は、可撓性の内視鏡８２の挿入部に配置される。
【００６８】
本実施形態によれば、ガラスロッド７２をＬＭＡ−ＰＣＦ４１と内視鏡対物レンズ５２との間に設けたので、内視鏡対物レンズ５２のＧＶＤ量が小さい場合でも、必要なＧＶＤ量を確保してピークパワーの高い短光パルスを得ることができる。また、正群速度分散発生手段６０として、ＡＯＭ６２を用いたので、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を出射した超短光パルスをアップチャープパルスにすることに加え、強度変調により短光パルスを適切な出力に設定することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図８は、発明の第４実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図３に示した第１実施形態の具体的構成において、ガラスロッド６１およびＬＭＡ−ＰＣＦ２１を、それぞれ、回折格子対６４ｂ，６４ｅを含む正群速度分散発生手段６０およびシングルモードファイバ（ＳＭＦ）２２に置き換えたものである。
【００７０】
正群速度発生手段６０は、ミラー６４ａ、回折格子６４ｂ、正のパワーを有するレンズ６４ｃ，６４ｄ、回折格子６４ｅ、矩形ミラー６４ｆおよびミラー６４ｇを有し、チタン：サファイアモード同期レーザ１２から出射される超短光パルスを、ミラー３１ａで偏向させ、回折格子６４ｂで回折し、レンズ６４ｃ，６４ｄを介して、回折格子３１ｅでさらに回折させた後、矩形ミラー３１ｄで光路を切り替えて、回折格子３１ｅ、レンズ６４ｄ，６４ｃおよび回折格子３１ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。ここで、レンズ６４ｃ，６４ｄは、回折格子による分散の向きを変えるように配置される。さらに、回折格子６４ｅの位置を調整することにより、正群速度発生手段６０は、０．００８〜０．０１２ｐｓ２のＧＶＤ量と、０．００００１１〜０．００００１７ｐｓ３のＧＶＤＳ量とを与えるように構成される。すなわち、正群速度分散発生手段６０の正群速度分散量調整機構は回折格子６４ｅを含んで構成される。
【００７１】
また、ＳＭＦ２２は、波長８００ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が４０ｐｓ２ｋｍ−１で、１ｍの長さを有する。
【００７２】
また、チタン：サファイアモード同期レーザ１２、負群速度分散発生手段３０、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１および顕微鏡対物レンズ５１は、以下のように詳細な仕様が第１実施形態の具体的構成例とは異なっている。
【００７３】
すなわち、チタン：サファイアモード同期レーザ１２は、発振波長約８００ｎｍ、パルス幅約７０ｆｓ、繰り返し周波数約８０ＭＨｚ、スペクトル幅約１３．４ｎｍ、平均光出力約２Ｗの超短光パルスを発生する。また、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１であり、長さは３ｍである。さらに、顕微鏡５１はＧＶＤ量０．００８〜０．０１２ｐｓ２の範囲の複数の交換可能な対物レンズを有して構成される。
【００７４】
以上のように構成することによって、本実施形態では、顕微鏡対物レンズを交換してＧＶＤ量が変化した場合でも、正群速度分散発生手段６０の発生する正のＧＶＤ量を調整して、高ピークパワーの短光パルスを、光学装置の所望の位置へ効率良く伝送することができる。
【００７５】
（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図１の光学システムの概略構成において、光ファイバ４０と光学装置５０との間に、波長変換手段９１を設けている。各構成要素の具体的な構成を以下に説明する。
【００７６】
まず、超短光パルス源１１として、図１０に示すパルス源を使用する。超短光パルス源１１は、モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ１３と、ファイバ型光増幅器１４とを備える。ファイバ型光増幅器１４は、アイソレータ１４ａと半導体レーザ１４ｂと光合波器１４ｃと単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄと、アイソレータ１４ｅとを含んで構成される。半導体レーザ１４ｂは、波長９７８ｎｍのレーザ光を射出し、光合波器１４ｃを介して単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄを励起する。モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ１３から出射した波長１０６０ｎｍの光パルスは、アイソレータ１４ａ、光合波器１４ｃを経て、半導体レーザ１４ｂからのレーザ光により励起された単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄにおいて増幅され、アイソレータ１４ｅから出射される。
【００７７】
また、図９のように、正群速度分散発生手段６０として、長さ４６ｍｍ、ＧＶＤ値約１．３×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、ＧＶＤ量約０．０６ｐｓ２のガラスロッド６５（硝材：ＳＦ６）を使用する。さらに、光導波手段２０としては、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２ｋｍ−１であり、１ｍの長さを有するＳＭＦ２２を使用する。
【００７８】
また、本実施形態の光学システムは、光サーキュレータ３３ａとファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）３３ｂとかなる、負群速度分散発生手段３０を使用する。光サーキュレータ３３ａは、ＳＭＦ２２からの光パルスをＦＢＧ３３ｂに出力し、ＦＢＧ３３ｂからの光パルスを後段のＳＭＦ４２に出力するよう構成される。ＳＭＦ２２から出射されたアップチャープした短光パルスは、光サーキュレータ３３ａを経てＦＢＧ３３ｂに入射し、ＦＢＧ３３ｂ内で反射され、再び光サーキュレータ３３ａを経てＳＭＦ４２に出力される。短光パルスは、ＦＢＧ３３ｂ内の波長に応じた位置で反射されることにより負のＧＶＤを与えられ、ダウンチャープパルスとなる。ＦＢＧ３３ｂのＧＶＤ量は、−０．０８ｐｓ２、ＧＶＤＳ量は、−０．０００２ｐｓ３である。
【００７９】
さらに、光ファイバ４０としては、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２で、３ｍの長さを有するＳＭＦ４２を使用する。
【００８０】
また、波長変換手段９１として周期分極ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate:ＰＰＬＮ）を用いる。波長変換手段９１は、第２次高調波発生により、ＳＭＦ４２から入射した光パルスの波長を１０６０ｎｍから５３０ｎｍに変換して、光学装置５０であるＧＤＶ量が０．００６ｐｓ２の顕微鏡５１に出射する。
【００８１】
本実施形態では、波長変換手段９１を用いることにより、より短波長の第２高調波の光パルスを顕微鏡５１に出射させることができる。さらに、波長変換手段９１内での光パルスのピークパワーを高くするように、ＳＭＦ４２を出射する短光パルスのチャープを調整することによって、高い第２高調波変換効率が得られる。また、ＦＢＧを使用したので、構成が単純となり、複雑な光学系の調整を必要とせず配置が容易となる。
【００８２】
なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、顕微鏡や内視鏡に限らず、パルス加工機など、超短光パルスを利用する種々の分野に適用することができる。
【００８３】
また、正群速度発生手段、負群速度発生手段および正群速度付加手段のいずれか２つ以上が、それぞれ群速度分散量の調整機構を有し、それら複数の調整機構を調整することによって、顕微鏡や内視鏡の標本面等の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスを得るようにしても良い。そのようにすることによって、標本面で２光子蛍光などの非線形効果が起きる効率を上げることができ、より明るい画像を得ることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ チャープパルス源
１１ 超短光パルス源
２０ 光導波手段
３０ 負群速度分散発生手段
４０ 光ファイバ
５０ 光学装置
５１ 顕微鏡
５２ 内視鏡対物レンズ
６０ 正群速度分散発生手段
７０ 正群速度分散付加手段
８１ 顕微鏡
８２ 内視鏡
９１ 波長変換手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、生物学、医学、医療、加工、計測、通信などの様々な分野において、高ピークパワーを持ち、複数の波長成分を含むピコ秒以下の短光パルスが利用されるようになってきている。特に、生物学分野や医学分野では、多光子蛍光顕微鏡、高調波顕微鏡、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering:ＣＡＲＳ）顕微鏡などの非線形光学効果を利用した顕微鏡や、光応力波を用いた遺伝子導入装置、拡散光トモグラフィ装置などに、チタン：サファイアレーザやファイバレーザなどの、短光パルスを発生する光パルス源が活発に利用されている。
【０００３】
これらの光パルス源から出射される高ピークパワーの短光パルスは、反射ミラーや光ファイバなどを用いて、上述の顕微鏡などの光学装置まで伝送されるが、操作性や安定性の観点から、短光パルスの伝送には、光ファイバの利用が強く望まれる。
【０００４】
ところが、光ファイバを用いると、高ピークパワーの短光パルスは、光ファイバ中を伝搬する過程において、光ファイバ中の群速度分散（Group-velocity dispersion:ＧＶＤ）効果、自己位相変調（Self-phase modulation:ＳＰＭ）効果などの非線形光学効果、およびその相互作用の影響を受けて、時間幅が広がることが知られている。この光パルス時間幅の広がりは、多くの応用で問題となる。
【０００５】
たとえば、加工分野においては、金属の切断などでは金属の熱変性が同時に起きるため、微細な加工においてシャープなエッジを形成させることができない。また、通信分野においては、光パルスの時間幅が広がることにより、通信速度の低下や符号誤り率が上がってしまう。さらに、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、高いピークパワーの超短光パルスが要求されるが、光ファイバ中でパルス時間幅が広がると、それに伴って光パルスのピークパワーが低下して、顕微鏡画像の明度が低下してしまう。
【０００６】
多光子蛍光顕微鏡では、多光子蛍光強度をＩｎ、光パルスのピークパワーをＰ０とすると、ＩｎおよびＰ０は、それぞれ下記の（１）および（２）式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
上記（１）および（２）において、ｎは自然数で、二光子蛍光、三光子蛍光、そしてｋ光子蛍光の場合には、それぞれｎ＝２，３，そしてｋになる。また、Ｃ０およびＣ１は定数、Ｔ０は光パルスのパルス時間幅、ｆｒｅｐは光パルスの繰り返し周波数、Ｐavは光パルスの平均パワーを示す。（２）式を用いて、（１）式を書き直すと、多光子蛍光強度Ｉｎは、下記の（３）式のようになる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
上記（３）式から、光パルス時間幅Ｔ０が広くなると、多光子蛍光強度Ｉｎは低下し、光パルス時間幅Ｔ０が狭くなる程、多光子蛍光強度Ｉｎは高くなることがわかる。
【００１１】
このような光パルス時間幅の広がりを防止するようにした短光パルスの光ファイバ伝送装置として、例えば、図１１に示すように、光導波手段１２０と光ファイバ１４０との間に、回折格子対やプリズム対などの負群速度分散発生手段１３０を配置し、この負群速度分散発生手段１３０により、光導波手段１２０と光ファイバ１４０で光パルスが受けるＧＶＤ効果とＳＰＭ効果の相互作用を補償するようにして短光パルスを伝送するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
【００１２】
また、光ファイバ中でのＳＰＭ効果などの非線形光学効果を回避するために、あらかじめ短光パルスに大きなＧＶＤ効果を与えて、そのピークパワーを低下させて光ファイバを用いて伝送するものも知られている。（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２６８５８９号公報
【特許文献２】米国特許第６２４９６３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献１に開示の光ファイバ伝送装置によると、光ファイバ伝送装置の後段に配置される顕微鏡などの光学装置は正常分散を持つため、光ファイバ伝送装置からの出射光パルスをダウンチャープ（レッドシフトチャープ）した短光パルスとすることで、光学装置内の所望の位置で高ピークパワーを有する所望の時間幅の短光パルスを得られる。
【００１５】
しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところによると、この光ファイバ伝送装置にピークパワーの高い短光パルスが入射した場合、３次以上の高次の分散によりパルス波形に歪が生じ、光学装置内でのピークパワーが低下することが判明した。
【００１６】
図１２は、ピークパワーの高い短光パルスが入射したと想定した場合の図１１の短光パルスの光ファイバ伝送装置の各部（（Ａ）〜（Ｅ））における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。上段の時間波形上には、破線によりチャープを示している。図１２に示すように、光導波手段１２０にピークパワーの高い短光パルスが入射すると（図１２（Ａ））、光導波路内での正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用により短光パルスのスペクトル幅が広がったアップチャープ（ブルーシフトチャープ）パルスとなる（図１２（Ｂ））。一般に、ピークパワーが高い短光パルスほどＳＰＭ効果を大きく受け、短光パルスのスペクトル幅はより広がる。
【００１７】
スペクトル幅が広がった光パルスが、回折格子対などの負群速度分散発生手段１３０に入射すると、負群速度分散発生手段１３０の負のＧＶＤ効果によって、ダウンチャープパルスとなる（図１２（Ｃ））。一般に、光パルスが回折格子対などの負群速度分散発生手段から受けるＧＶＤ効果はスペクトル幅が広いほど大きく、スペクトル幅が広いと、３次以上の高次の分散による影響が無視できなくなる。
【００１８】
負群速度分散発生手段１３０を出射したダウンチャープパルス（図１２（Ｃ））は、３次以上の高次の分散による波形の歪がない場合は、光ファイバ１４０を透過させることにより、光ファイバ１４０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によってパルス時間幅およびスペクトル幅が狭いダウンチャープパルスとなるが、高次の分散による無視できない大きさの波形の歪みを含む場合は、時間波形にリンギング等の複雑な歪が生じる（図１２（Ｄ））。
【００１９】
このため、光学装置１５０に入射し、光学装置１５０内でＧＶＤ効果を受けた後も、リンギング等の波形の歪により、高次分散が含まれない場合と比較して、高いピークパワーを得ることができない（図１２（Ｅ））。この高次の分散による波形歪みを補償することは、その補償方法の複雑さ、コスト上昇などの面から難しい。
【００２０】
また、上記の特許文献２に開示の光ファイバ伝送装置によると、光ファイバ中でのＳＰＭ効果がほとんど無視できるまで、あらかじめ短光パルスに大きなＧＶＤ効果を与え、短光パルスのピークパワーを低下させておき、そのピークパワーが低下した光パルスを光ファイバに入射させる。
【００２１】
しかしながら、光ファイバ中でのＳＰＭ効果がほとんど無視できる程度までピークパワーを落とすには、非常に大きなＧＶＤ効果を短光パルスに与えなければならず、ＧＶＤ効果を与える光学素子のサイズが大きくなってしまうなど物理的な配置の面で不都合がある。更に、該ＧＶＤ効果を与える光学素子を光ファイバの前段・後段にそれぞれ配置しなければならず、光ファイバの長所である配置の自由度が著しく損なわれてしまう。
【００２２】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、この短光パルスを利用する光学装置の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスが得られるように効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有する短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成する第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置の発明は、
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源と、
該チャープパルス源から出射された、前記短光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、
を有し、
前記チャープパルス源から出射した前記短光パルスを、前記光ファイバから実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したことを特徴とするものである。
【００２４】
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記チャープパルス源は、超短光パルスを出射する超短光パルス源と、該超短光パルス源から出射された超短光パルスに正の群速度分散を与え、該超短光パルスよりもピークパワーの小さい前記アップチャープした短光パルスとして出射させる正群速度分散発生手段とを備える、ことを特徴とするものである。
【００２５】
第３の観点に係る発明は、第１または第２の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２６】
第４の観点に係る発明は、第１〜第３の観点のいずれかに係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とするものである。
【００２７】
第５の観点に係る発明は、第１〜第４の観点のいずれかに係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、該短光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散付加手段を設けた、ことを特徴とするものである。
【００２８】
第６の観点に係る発明は、第１の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記負群速度分散発生手段は、負の群速度分散量を調整する負群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００２９】
第７の観点に係る発明は、第２の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００３０】
第８の観点に係る発明は、第５の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置において、
前記正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散付加量調整機構を有する、ことを特徴とするものである。
【００３１】
上記目的を達成する第９の観点に係る短光パルスの光ファイバ伝送方法の発明は、
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを光導波手段に入射させ、
該短光パルスを、光導波手段を用いて伝送し、
該光導波手段から出射される前記短光パルスに、負群速度分散発生手段を用いて負の群速度分散を与え、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを、光ファイバを用いて所望の距離に渡って伝送し、
前記光ファイバから、実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、チャープパルス源から出射したアップチャープした短光パルスを、光導波手段、負群速度分散発生手段を経て、光ファイバから実質的に高次分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したので、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、この短光パルスを利用する光学装置の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスが得られるように効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有する短光パルスの光ファイバ伝送装置および光ファイバ伝送方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。
【図３】図１の短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの具体的構成例を示す図である。
【図４】図３の光学システムにおけるガラスロッドのＧＶＤ量に対する顕微鏡標本面での２光子蛍光強度を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成例を示すブロック図である。
【図６】図５の正群速度分散付加手段の具体例を説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。
【図１０】第５実施形態に係る超短光パルス源の具体例を示す図である。
【図１１】従来技術に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１２】ピークパワーの高い短光パルスが入射したと想定した場合の図１１の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態を示すもので、図１は短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図、図２は、図１の（Ａ）〜（Ｅ）の各部における光パルスの時間波形（上段）およびスペクトル波形（下段）を示す図である。なお、図２の上段の時間波形上の破線はチャープを示している。
【００３６】
本実施形態に係る光学システムは、チャープパルス源１０と、光導波手段２０と、負群速度分散発生手段３０と、光ファイバ４０と、短光パルスを利用する正のＧＶＤを有する光学装置５０とを有している。
【００３７】
チャープパルス源１０は、超短光パルス源１１と正群速度分散発生手段６０とから構成される。超短光パルス源１１としては、高ピークパワーの変換限界（ＴＬ）に近い超短光パルスを射出する、チタン：サファイアレーザ、モード同期希土類添加光ファイバレーザ、モード同期半導体レーザ、あるいは利得スイッチ半導体レーザ等の光源を用いる。さらに、光増幅器を組み合わせて構成して、例えば、１００ピコ秒未満のパルス幅を持つ超短光パルスを発生させる。正群速度発生手段６０は、例えば、正の群速度分散（ＧＶＤ）を有するガラスロッドなどの光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、電気光学変調素子、回折格子、プリズムを含んで構成される。
【００３８】
図２の（Ａ）に示す、超短光パルス源１１からの高ピークパワーの超短光パルスは、正群速度発生手段６０を通過することによって、図２（Ｂ）に示すようにパルスの時間幅が広がるとともにピークパワーが低下したアップチャープした短光パルスとして、チャープパルス源１０から出射される。
【００３９】
光導波手段２０は、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、分散補償ファイバ、フォトニック結晶ファイバ（Photonic crystal fiber:ＰＣＦ）、増幅光ファイバ、導波路型半導体光増幅器、平面光導波路、屈折率分布型レンズのいずれか一つを含んで構成される。
【００４０】
図２（Ｂ）に示す光チャープパルス源１０からのアップチャープした短光パルスは、この光導波手段２０を透過することにより、光導波手段２０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｃ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅がそれぞれ広がり、ピークパワーがさらに低下し、且つ、瞬時周波数変化がより急なアップチャープパルスとなる。ここで、光導波手段２０に入射するアップチャープした短光パルスは、変換限界（ＴＬ）に近いパルスに比べピークパワーが低いので、光導波手段２０から出射されるアップチャープパルスは、ＴＬパルスが入射した場合と比べ、非線形効果によるスペクトル幅の広がりが抑えられる。
【００４１】
光導波手段２０から出射されるアップチャープの光パルスは、次に、負群速度分散発生手段３０へ入射する。負群速度分散発生手段３０は、例えば、光パルスの波長において負のＧＶＤ量を与える、一対の回折格子、一対のプリズム、チャープド・ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Chirped fiber Bragg grating:ＣＦＢＧ）、ＧＴ（Gires-Tournois）干渉計、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器、アレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）、空間液晶光変調器、中空光ファイバ、フォトニック液晶のいずれか一つを含んで構成される。
【００４２】
光導波手段２０からのアップチャープパルスは、この負群速度分散発生手段３０を透過することにより、負群速度分散発生手段３０の負のＧＶＤ効果によって、図２（Ｄ）に示すように、ダウンチャープパルスとなる。ここで、負群速度分散発生手段３０に入射するアップチャープパルスのスペクトル幅が狭く抑えられているので、３次以上の高次の分散による影響は無視できる程度に抑えられる。なお、この負群速度分散発生手段３０により光パルスに与えられる負のＧＶＤ量は、光学装置５０内の所望の地点において、光パルスが十分に再圧縮されるように、調整される。
【００４３】
負群速度分散発生手段３０から出射されるダウンチャープの光パルスは、次に、光ファイバ４０へ入射する。光ファイバ４０は、光パルスを所望の距離に渡って伝送するもので、例えば、光パルスの波長において正のＧＶＤ値を有する、単一モード光ファイバ、多モード光ファイバ、分散補償ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、増幅光ファイバのいずれか一つを用いて構成する。ここで、光ファイバ４０に入射する光パワーは、種々の光損失を受けているため、光導波手段２０に入射する光パワーよりも、通常は低くなっている。そのため、光ファイバ４０のＧＶＤ値に対する非線形光学定数の比は、光導波手段２０のそれと同じか、それよりも大きな値とするのが好ましい場合が多い。
【００４４】
負ＧＶＤ発生手段３０からのダウンチャープパルスは、この光ファイバ４０を透過させることにより、光ファイバ４０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｅ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅が、図２（Ｄ）に示す入射パルスにおけるよりもそれぞれ狭くなり、ピークパワーが高くチャープの少ないダウンチャープパルスとなる。すなわち、光ファイバ４０からは、負群速度分散発生手段３０から入射したダウンチャープパルスよりも、瞬時周波数変化が緩やかなダウンチャープパルスを出射する。また、図２（Ｄ）のダウンチャープパルスは、３次以上の高次の分散による影響を実質的に受けていないので、図２（Ｅ）のダウンチャープパルスには、リンギング等の波形の歪が生じないか極めて小さな歪みのみが生じる。なお、高次の分散による影響を実質的に受けていないとは、短光パルスの時間幅を圧縮した際に、短光パルスの時間波形に高次の分散の影響によるリンギング等の極大・極小値が現れないような状態、あるいは、高次分散による後段の光学装置に対する影響が無視できる程度である状態を意味する。
【００４５】
光ファイバ４０から出射される光パルスは、最後に、光学装置５０へ入射する。光学装置５０は、例えば、生物標本観察用のレーザ走査型顕微鏡（Laser-scanning microscope:ＬＳＭ）や内視鏡等である。
【００４６】
これにより、光ファイバ４０からのダウンチャープパルスは、光学装置５０の光学系によるＧＶＤ効果によって、図２（Ｆ）に示すように、スペクトル幅は殆ど変わらず、光パルス時間幅がさらに狭くなり、所望の位置である、例えば、生物標本上において、超短光パルス源１１から出射された超短光パルスと同程度かそれ以上に時間幅が圧縮され、ピークパワーも高くなる。また、その際、３次以上の高次の分散によるリンギング等の波形の歪みも実質的に生じない。したがって、生物標本の深い部位を、充分な明度で観察することが可能となる。
【００４７】
図３は、図１の短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムを顕微鏡に適用した場合の具体的構成例を示す図である。この光学システムでは、超短光パルス源１１として、発振波長約８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、スペクトル幅約９．４ｎｍ、平均光出力約２Ｗの超短光パルスを発生する、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を用いる。
【００４８】
また、正群速度分散発生手段６０は、長さ６０ｍｍの硝材（ＳＦ１０）より形成された、ＧＶＤ値約１．５５×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、ＧＶＤ量約０．０１ｐｓ２のガラスロッド６１を用いる。ここで、ガラスロッド６１として適切なＧＶＤ量を有するものを用いることによって、顕微鏡標本上での短光パルスのピークパワーを最大にすることができる。
【００４９】
図４は、図３の光学システムにおけるガラスロッド６１のＧＶＤ量に対する顕微鏡標本面での２光子蛍光強度を示す図であり、横軸にガラスロッド６１のＧＶＤ量、縦軸に２光子蛍光強度をとっている。この図によれば、ＧＶＤ量が０．０１ｐｓ２の場合に、２光子蛍光強度が最大となる。ガラスロッド６１のＧＶＤ量は、例えば、ガラスロッドの長さを変えることによって調整することができる。
【００５０】
また、光導波手段２０は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１、長さ１ｍのラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）２１より構成される。
【００５１】
負群速度分散発生手段３０は、ミラー３１ａ、回折格子３１ｂ，３１ｃ、矩形ミラー３１ｄおよびミラー３１ｅを有して構成され、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１から出射される短光パルスを、ミラー３１ａで偏向させ、回折格子３１ｂおよび回折格子３１ｃで順次回折させた後、矩形ミラー３１ｄで光路を切り替えて、回折格子３１ｃ、回折格子３１ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。これによって、−０．１６ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００３３ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。なお、ＧＶＤＳ量とは３次の分散を示す量である。また、回折格子３１ｃの位置は調整可能であり、これによって、ＧＶＤ量を変化させることができる。したがって、負群速度分散量調整機構は、回折格子３１ｃを含んで構成される。
【００５２】
光ファイバ４０は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１、長さ３ｍのラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）４１を用いて構成する。さらに、光学装置５０としては、０．０１ｐｓ２程度のＧＶＤ量を有する顕微鏡５１を用いる。
【００５３】
以上説明した光学システムの構成により、顕微鏡の標本上で、波長約８００ｎｍの帯域内で、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響が実質的に無視できる程度に低減された、光パルス時間幅が約１００ｆｓ以下の超短光パルスが得られる。また、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１を通過する際に、ＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用で受けたパルス幅とスペクトル幅の変化を、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を通過する際に、同様にＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用を利用して補償し、パルス幅とスペクトル幅をほぼ元に戻しているので、非線形効果を回避するために大きなＧＶＤ効果を与える大きな光学素子をＬＭＡ−ＰＣＦ４１の前後に配置する必要が無い。したがって、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を高い自由度で配置することができる。
【００５４】
以上説明したように本実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置によれば、アップチャープした短光パルスを射出するチャープパルス源１０を用いて、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１、負群速度分散発生手段３０を介して、実質的に３次以上の高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスを、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から顕微鏡５１に出射させるように構成したので、高ピークパワーの短光パルスを、高次の分散による波形歪みの影響を低減し、光学装置の所望の位置へ効率良く伝送でき、且つ、高い配置の自由度を有することができる。
【００５５】
（第２実施形態）
図５は、本発明第２実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１実施形態の光ファイバ４０と光学装置５０との間に、正のＧＶＤ効果を与える正群速度分散付加手段７０を設けて、光学装置５０に入射させる短光パルスのダウンチャープを調整し、これにより、光学装置５０内の所望の位置において、高ピークパワーを持つ所望の時間幅の超短光パルスを得るようにしたものである。ここで、正群速度分散付加手段７０は、例えば、ガラスロッドなどの光透過基板、レンズ、音響光学変調素子、回折格子、プリズムの何れかを含んで構成される。
【００５６】
正群速度分散付加手段７０を設けることによって、顕微鏡や内視鏡の標本面等の所望の位置で高ピークパワーのパルスが得られるように、光学装置５０に入射する短光パルスのチャープを調整することができる。これによって、標本面で２光子蛍光などの非線形効果が起こる効率を上げることができ、明るい画像が得られる。
【００５７】
さらに、正群速度分散付加手段７０は、調整機構を有することができる。例えば、本実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を、像倍率に応じて複数の対物レンズを切り替えて使用する顕微鏡に適用した場合、対物レンズに使用される硝材やその厚さが異なるために、対物レンズを切り替えるとＧＶＤ量が変わってしまう。このため、顕微鏡対物レンズの分散量に応じて、正群速度分散付加手段７０の分散量を調整できると好ましい。
【００５８】
図６は、図５の正群速度分散付加手段の具体例を説明する図である。本実施形態の短光パルスの光ファイバ伝送装置は、顕微鏡８１に適用されており、光ファイバ４０を出射したダウンチャープパルスは顕微鏡本体８１ａに導光される。顕微鏡８１は複数の対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃを備え、レボルバ５１ｄにより顕微鏡観察に使用する対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃを切り替えられるように構成されている。
【００５９】
また、対物レンズ５１ｂ，５１ｃの短光パルスの入射側には、５１ｂ，５１ｃを使用する場合も対物レンズ５１ａを用いた場合とＧＶＤ量が変化しないように、適切なＧＶＤ量を付加する長さの異なるガラスロッド７１ｂ，７１ｃがそれぞれ組み込まれている。すなわち、図６において、ガラスロッド７１ｂ，７１ｃおよびレボルバ５１ｄは、正群速度分散付加手段７０を構成する。また、レボルバ５１ｄは、対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃの切り替え機構と同時に、正群速度分散付加量調整機構としても機能している。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバと対物レンズとの間に、正のＧＶＤ効果を与えるガラスロッド７１ｂ、７１ｃを設けたので、第１実施形態の効果に加え、入射する短光パルスのダウンチャープを調整し、これにより、所望の位置すなわち顕微鏡の標本面において、高ピークパワーを持つ所望の時間幅の超短光パルスを得ることができる。さらに、レボルバ５１ｄによりガラスロッド無しまたはガラスロッド７１ｂ，７１ｃを切り替えられるようにしたので、対物レンズ５１ａ，５１ｂ，５１ｃのそれぞれの分散量に応じて適切なＧＶＤ量を付加することができ、いずれの対物レンズを用いる場合も標本面で高ピークパワーの短光パルスが得られる。
【００６１】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図５に示した短光パルスの光ファイバ伝送装置を、内視鏡に適用したものである。この光学システムでは、超短光パルス源１１として、発振波長約９８０ｎｍ、パルス幅約１２０ｆｓ、繰り返し周波数９０ＭＨｚ、平均光出力約０．８Ｗの光パルスを発生する、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を用いる。
【００６２】
また、正群速度分散発生手段６０としては、音響光学素子（ＡＯＭ）６２を用いる。ＡＯＭ６２は、超短光パルス源１１から出射された超短光パルスをアップチャープした短光パルスにするとともに、出力強度を変調することができる。
【００６３】
光導波手段２０としては、波長９８０ｎｍ帯で、２３ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．４Ｗ−１ｋｍ−１、長さ０．２ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ２１を用いて構成する。
【００６４】
また、負群速度分散発生手段３０は、ミラー３２ａ、プリズム３２ｂ，３２ｃ、矩形ミラー３１ｄおよびミラー３１ｅを有し、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１から出射される短光パルスをミラー３２ａで偏向させた後、プリズム３２ａ，３２ｂで屈折させた後、矩形ミラー３２ｄで光路を切り替えて、プリズム３２ｃ，３２ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。これによって、−０．０４ｐｓ２程度のＧＶＤ量および−０．０００１ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。
【００６５】
光ファイバ４０は、波長９８０ｎｍ帯で、２３ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．４Ｗ−１ｋｍ−１、長さ１ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ４１を用いる。
【００６６】
さらに、光学装置５０としての内視鏡対物レンズ５２の前段に、正群速度分散付加手段７０であるガラスロッド７２を設ける。ガラスロッド７２は硝材（ＳＦ１０）により構成される、ＧＶＤ値１．１４×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、長さ１８ｍｍ、ＧＶＤ量０．００２ｐｓ２の部材である。ガラスロッド７２を入れる理由は、内視鏡対物レンズ５２のＧＶＤ量（０．００３ｐｓ２）が小さいので、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から出射するダウンチャープした光パルスのチャープの補償のために必要なＧＶＤ量を確保するためである。チタン：サファイアモード同期レーザ１２から、内視鏡対物レンズ５２までのＧＶＤ量の和は、略ゼロとなっている。
【００６７】
なお、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１，ガラスロッド７２および内視鏡対物レンズ５２は、可撓性の内視鏡８２の挿入部に配置される。
【００６８】
本実施形態によれば、ガラスロッド７２をＬＭＡ−ＰＣＦ４１と内視鏡対物レンズ５２との間に設けたので、内視鏡対物レンズ５２のＧＶＤ量が小さい場合でも、必要なＧＶＤ量を確保してピークパワーの高い短光パルスを得ることができる。また、正群速度分散発生手段６０として、ＡＯＭ６２を用いたので、チタン：サファイアモード同期レーザ１２を出射した超短光パルスをアップチャープパルスにすることに加え、強度変調により短光パルスを適切な出力に設定することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図８は、発明の第４実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図３に示した第１実施形態の具体的構成において、ガラスロッド６１およびＬＭＡ−ＰＣＦ２１を、それぞれ、回折格子対６４ｂ，６４ｅを含む正群速度分散発生手段６０およびシングルモードファイバ（ＳＭＦ）２２に置き換えたものである。
【００７０】
正群速度発生手段６０は、ミラー６４ａ、回折格子６４ｂ、正のパワーを有するレンズ６４ｃ，６４ｄ、回折格子６４ｅ、矩形ミラー６４ｆおよびミラー６４ｇを有し、チタン：サファイアモード同期レーザ１２から出射される超短光パルスを、ミラー３１ａで偏向させ、回折格子６４ｂで回折し、レンズ６４ｃ，６４ｄを介して、回折格子３１ｅでさらに回折させた後、矩形ミラー３１ｄで光路を切り替えて、回折格子３１ｅ、レンズ６４ｄ，６４ｃおよび回折格子３１ｂおよびミラー３１ｅを経て出射させるように構成する。ここで、レンズ６４ｃ，６４ｄは、回折格子による分散の向きを変えるように配置される。さらに、回折格子６４ｅの位置を調整することにより、正群速度発生手段６０は、０．００８〜０．０１２ｐｓ２のＧＶＤ量と、０．００００１１〜０．００００１７ｐｓ３のＧＶＤＳ量とを与えるように構成される。すなわち、正群速度分散発生手段６０の正群速度分散量調整機構は回折格子６４ｅを含んで構成される。
【００７１】
また、ＳＭＦ２２は、波長８００ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が４０ｐｓ２ｋｍ−１で、１ｍの長さを有する。
【００７２】
また、チタン：サファイアモード同期レーザ１２、負群速度分散発生手段３０、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１および顕微鏡対物レンズ５１は、以下のように詳細な仕様が第１実施形態の具体的構成例とは異なっている。
【００７３】
すなわち、チタン：サファイアモード同期レーザ１２は、発振波長約８００ｎｍ、パルス幅約７０ｆｓ、繰り返し周波数約８０ＭＨｚ、スペクトル幅約１３．４ｎｍ、平均光出力約２Ｗの超短光パルスを発生する。また、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１は、波長８００ｎｍ帯で、３６ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．７Ｗ−１ｋｍ−１であり、長さは３ｍである。さらに、顕微鏡５１はＧＶＤ量０．００８〜０．０１２ｐｓ２の範囲の複数の交換可能な対物レンズを有して構成される。
【００７４】
以上のように構成することによって、本実施形態では、顕微鏡対物レンズを交換してＧＶＤ量が変化した場合でも、正群速度分散発生手段６０の発生する正のＧＶＤ量を調整して、高ピークパワーの短光パルスを、光学装置の所望の位置へ効率良く伝送することができる。
【００７５】
（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態に係る短光パルスの光ファイバ伝送装置を有する光学システムの構成を示す図である。本実施形態は、図１の光学システムの概略構成において、光ファイバ４０と光学装置５０との間に、波長変換手段９１を設けている。各構成要素の具体的な構成を以下に説明する。
【００７６】
まず、超短光パルス源１１として、図１０に示すパルス源を使用する。超短光パルス源１１は、モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ１３と、ファイバ型光増幅器１４とを備える。ファイバ型光増幅器１４は、アイソレータ１４ａと半導体レーザ１４ｂと光合波器１４ｃと単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄと、アイソレータ１４ｅとを含んで構成される。半導体レーザ１４ｂは、波長９７８ｎｍのレーザ光を射出し、光合波器１４ｃを介して単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄを励起する。モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザ１３から出射した波長１０６０ｎｍの光パルスは、アイソレータ１４ａ、光合波器１４ｃを経て、半導体レーザ１４ｂからのレーザ光により励起された単一モードＹｂ添加ファイバ１４ｄにおいて増幅され、アイソレータ１４ｅから出射される。
【００７７】
また、図９のように、正群速度分散発生手段６０として、長さ４６ｍｍ、ＧＶＤ値約１．３×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、ＧＶＤ量約０．０６ｐｓ２のガラスロッド６５（硝材：ＳＦ６）を使用する。さらに、光導波手段２０としては、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２ｋｍ−１であり、１ｍの長さを有するＳＭＦ２２を使用する。
【００７８】
また、本実施形態の光学システムは、光サーキュレータ３３ａとファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）３３ｂとかなる、負群速度分散発生手段３０を使用する。光サーキュレータ３３ａは、ＳＭＦ２２からの光パルスをＦＢＧ３３ｂに出力し、ＦＢＧ３３ｂからの光パルスを後段のＳＭＦ４２に出力するよう構成される。ＳＭＦ２２から出射されたアップチャープした短光パルスは、光サーキュレータ３３ａを経てＦＢＧ３３ｂに入射し、ＦＢＧ３３ｂ内で反射され、再び光サーキュレータ３３ａを経てＳＭＦ４２に出力される。短光パルスは、ＦＢＧ３３ｂ内の波長に応じた位置で反射されることにより負のＧＶＤを与えられ、ダウンチャープパルスとなる。ＦＢＧ３３ｂのＧＶＤ量は、−０．０８ｐｓ２、ＧＶＤＳ量は、−０．０００２ｐｓ３である。
【００７９】
さらに、光ファイバ４０としては、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が約５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２で、３ｍの長さを有するＳＭＦ４２を使用する。
【００８０】
また、波長変換手段９１として周期分極ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate:ＰＰＬＮ）を用いる。波長変換手段９１は、第２次高調波発生により、ＳＭＦ４２から入射した光パルスの波長を１０６０ｎｍから５３０ｎｍに変換して、光学装置５０であるＧＤＶ量が０．００６ｐｓ２の顕微鏡５１に出射する。
【００８１】
本実施形態では、波長変換手段９１を用いることにより、より短波長の第２高調波の光パルスを顕微鏡５１に出射させることができる。さらに、波長変換手段９１内での光パルスのピークパワーを高くするように、ＳＭＦ４２を出射する短光パルスのチャープを調整することによって、高い第２高調波変換効率が得られる。また、ＦＢＧを使用したので、構成が単純となり、複雑な光学系の調整を必要とせず配置が容易となる。
【００８２】
なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、本発明は、顕微鏡や内視鏡に限らず、パルス加工機など、超短光パルスを利用する種々の分野に適用することができる。
【００８３】
また、正群速度発生手段、負群速度発生手段および正群速度付加手段のいずれか２つ以上が、それぞれ群速度分散量の調整機構を有し、それら複数の調整機構を調整することによって、顕微鏡や内視鏡の標本面等の所望の位置で高ピークパワーの短光パルスを得るようにしても良い。そのようにすることによって、標本面で２光子蛍光などの非線形効果が起きる効率を上げることができ、より明るい画像を得ることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ チャープパルス源
１１ 超短光パルス源
２０ 光導波手段
３０ 負群速度分散発生手段
４０ 光ファイバ
５０ 光学装置
５１ 顕微鏡
５２ 内視鏡対物レンズ
６０ 正群速度分散発生手段
７０ 正群速度分散付加手段
８１ 顕微鏡
８２ 内視鏡
９１ 波長変換手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源と、
該チャープパルス源から出射された、前記短光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、
を有し、
前記チャープパルス源から出射した前記短光パルスを、前記光ファイバから実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したことを特徴とする短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項２】
前記チャープパルス源は、超短光パルスを出射する超短光パルス源と、該超短光パルス源から出射された超短光パルスに正の群速度分散を与え、該超短光パルスよりもピークパワーの小さい前記アップチャープした短光パルスとして出射させる正群速度分散発生手段とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項３】
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有することを特徴とする請求項１または２に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項４】
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項５】
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、該短光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散付加手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項６】
前記負群速度分散発生手段は、負の群速度分散量を調整する負群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項７】
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項８】
前記正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散付加量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項９】
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを光導波手段に入射させ、
該短光パルスを、前記光導波手段を用いて伝送し、
該光導波手段から出射される前記短光パルスに、負群速度分散発生手段を用いて負の群速度分散を与え、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを、光ファイバを用いて所望の距離に渡って伝送し、
前記光ファイバから、実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させる短光パルスの光ファイバ伝送方法。
【請求項１】
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを出射するチャープパルス源と、
該チャープパルス源から出射された、前記短光パルスを伝送する光導波手段と、
該光導波手段から出射される短光パルスに負の群速度分散を与える負群速度分散発生手段と、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを所望の距離に渡って伝送する光ファイバと、
を有し、
前記チャープパルス源から出射した前記短光パルスを、前記光ファイバから実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させるように構成したことを特徴とする短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項２】
前記チャープパルス源は、超短光パルスを出射する超短光パルス源と、該超短光パルス源から出射された超短光パルスに正の群速度分散を与え、該超短光パルスよりもピークパワーの小さい前記アップチャープした短光パルスとして出射させる正群速度分散発生手段とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項３】
前記光導波手段は、正の群速度分散値を有することを特徴とする請求項１または２に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項４】
前記光ファイバは、正の群速度分散値を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項５】
前記光ファイバの後段に、該光ファイバから出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、該短光パルスよりも瞬時周波数変化の緩やかなダウンチャープパルスとして出射させる正群速度分散付加手段を設けた、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項６】
前記負群速度分散発生手段は、負の群速度分散量を調整する負群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項７】
前記正群速度分散発生手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項８】
前記正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する正群速度分散付加量調整機構を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の短光パルスの光ファイバ伝送装置。
【請求項９】
高ピークパワーを持つアップチャープした短光パルスを光導波手段に入射させ、
該短光パルスを、前記光導波手段を用いて伝送し、
該光導波手段から出射される前記短光パルスに、負群速度分散発生手段を用いて負の群速度分散を与え、
該負群速度分散発生手段から出射される短光パルスを、光ファイバを用いて所望の距離に渡って伝送し、
前記光ファイバから、実質的に高次の分散による波形歪みを含まないダウンチャープした短光パルスとして出射させる短光パルスの光ファイバ伝送方法。
【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２０１２−１１８２７０（Ｐ２０１２−１１８２７０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７５１９（Ｐ２０１０−２６７５１９）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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