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】３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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、効率良く伝送する。
【解決手段】光ファイバ伝送装置は、短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段２０と、非線形効果発生手段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とを備え、ダウンチャープパルスを出射する。非線形効果発生手段２０は、ＬＮＬを非線形長、Ｌｏｐｔを最適長とするとき、長さＬが以下の条件式（１）を満たすように構成する。
【解決手段】光ファイバ伝送装置は、短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段２０と、非線形効果発生手段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とを備え、ダウンチャープパルスを出射する。非線形効果発生手段２０は、ＬＮＬを非線形長、Ｌｏｐｔを最適長とするとき、長さＬが以下の条件式（１）を満たすように構成する。
【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、光パルスの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、金属の切断などにおいて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（ａ）および（ｂ）式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
上記（ａ）および（ｂ）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。（ｂ）式を用いて、（ａ）式を書き直すと、多光子蛍光強度Ｉｎは、下記の（ｃ）式のようになる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
上記（ｃ）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１２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】
特許文献１に開示された短光パルスの伝送装置によれば、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チャープが補償された高ピークパワーを有する所望の時間幅の短光パルスが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２６８５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献１の短光パルスの光ファイバ伝送装置では、負群速度分散発生手段により、負のＧＶＤ効果の他に高次の分散成分であるＧＶＤＳ（Group Velocity Dispersion Slope）が発生する。仮に、光導波手段や光ファイバを長くして短光パルスの伝送装置内の正のＧＶＤ量が大きくなると、それに応じて、発生させる負のＧＶＤ量を大きくして、正のＧＶＤ量を補償しなければならない。負群速度分散発生手段でより大きな負のＧＶＤ量を発生させると、それに伴ってより大きなＧＶＤＳ量が発生する。
【００１５】
しかし、高次の分散成分であるＧＶＤＳ量は、コストや補償方法の複雑さから、補償することは困難である。そして、補償しきれなかったＧＶＤＳ量による影響で、短光パルスの時間波形は複雑に変形し（リンギングなどが発生する）、ピークパワーが低下してしまう。その結果、例えば、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、顕微鏡画像の明度が低下してしまう。
【００１６】
図１３は、負群速度分散発生手段で大きなＧＶＤＳ量が発生したと想定した場合の図１２の短光パルスの光ファイバ伝送装置の各部（図１２（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１３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１３（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って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１３（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１３（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、それに伴って発生する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１３（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まった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１３（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１３（Ｅ））。
【００２０】
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、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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、効率良く伝送することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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短光パルスを受けて、
該短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段と、
該非線形効果発生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、
前記非線形効果発生手段に入射した前記短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープした短光パルスとして出射させ、且つ、前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たすように構成したことを特徴とするものである。
【数３】
Lは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【００２２】
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、
前記非線形効果発生手段の媒質の物理長は、０．５Ｌｏｐｔ以上であることを特徴とするものである。
【００２３】
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、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とするものである。
【数４】
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー
である。
【００２４】
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、
前記非線形効果発生手段の前段に、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を備えることを特徴とするものである。
【００２５】
第５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、
前記非線形効果発生手段の前段に、前記非線形効果発生手段で発生する非線形効果の大きさを調整する非線形効果調整手段を備えることを特徴とするものである。
【００２６】
第６の観点に係る発明は、第１〜第５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のいずれかにおいて、
前記非線形効果発生手段は、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。
【００２７】
第７の観点に係る発明は、第１〜第６の観点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。
【００２８】
上記目的を達成する第８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短光パルスを受け、非線形効果発生手段を透過させることにより前記短光パルスに非線形効果と分散効果を与え、
前記非線形効果発生手段から出射した短光パルスに負の群速度分散を与え、
前記負の群速度分散を与えられた短光パルスを、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であって、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とするものである。
【数５】
Lは、前記非線形効果発生手段媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高ピークパワーを持つ短光パルスを、条件式（１）を満たすように構成した非線形効果発生手段、負群速度分散発生手段、および光ファイバを経て、ダウンチャープした短光パルスとして出射させるので、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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の非線形効果発生手段の一例としての光ファイバの長さに対して、光学装置としての顕微鏡により得られた２光子蛍光強度を示すグラフである。
【図４】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５】図４の顕微鏡の対物レンズの前段に設けられる正群速度分散付加手段について説明する図である。
【図６】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を示すブロック図である。
【図７】図６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８】図７の非線形効果発生手段の詳細な構成を示す図である。
【図９】図７のファイバレーザの後段にさらにファイバ型増幅器を設けて短光パルス源を構成した図である。
【図１０】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概略構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０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１２】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１３】負群速度分散発生手段で大きなＧＶＤＳ量が発生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】
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
本実施形態に係る光学システムは、短光パルス源１０と、非線形効果発生手段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。
【００３４】
短光パルス源１０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こともできる。
【００３５】
非線形効果発生手段２０は、条件式（１）を満たすように構成した非線形効果と分散効果とを発生する光学素子であり、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を含んで構成される。
【数６】
Ｌは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
Ｐ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【００３６】
なお、ＬＮＬは非線形長であり、非線形効果発生手段で非線形効果を発生させるために、ＬはＬＮＬ以上であることが条件となる。また、Ｌｏｐｔは、光ファイバ中で非線形効果と群速度分散効果との相互作用によって、パルスにほぼ線形なチャープが載る最適なファイバ長であることが知られている（例えば、G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics, 2nd Ed., Academic Pressを参照）。
【００３７】
図２（Ａ）に示す短光パルス源１０からの短光パルスは、この非線形効果発生手段２０を透過することにより、非線形効果発生手段２０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｂ）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、ピークパワーが低下し且つ線形なチャープがのったアップチャープパルスとなる。ここで、非線形効果発生手段２０は、媒質の物理長を条件式（１）に示す範囲に制限されている。この長さは、非線形効果が十分に得られる一方、ＧＶＤ効果の発生を極力抑制するように定められている。
【００３８】
図３は、図１の非線形効果発生手段２０の一例としての光ファイバの長さに対して、光学装置としての顕微鏡５０により得られた２光子蛍光強度の実験結果を示すグラフである。この実験においては、短光パルス源１０として、発振波長約８００ｎｍ、平均出力約２Ｗ、パルス時間幅約２００ｆｓ、繰り返し周波数約８０ＭＨｚ、スペクトル約幅約４．７ｎｍのパルスレーザを用いた。
【００３９】
また、非線形効果発生手段２０としては、モードフィールド径１２．５μｍ、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のラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）を使用した。さらに、負群速度分散発生手段３０は、回折格子対を用いたものであって、回折格子間の間隔を調整可能なものを使用し、顕微鏡下での２光子蛍光が最も明るくなるように調整した。さらに、光学装置５０として使用した顕微鏡のＧＶＤ量は０．０１ｐｓ２である。
【００４０】
図３において、横軸αは非線形効果発生手段２０としての光ファイバの長さを、条件式（２）で得られるＬｏｐｔの倍数αにより示したものである。ここで、Ｌｏｐｔは次の式で表すことができる。
【数７】
ここで、Ｌは、非線形効果発生手段２０の媒質の物理長、γは、非線形効果発生手段２０の媒質の非線形係数、Ｐ０は、非線形効果発生手段２０に入射する短光パルスのピークパワー、Ｔ０は、非線形効果発生手段２０に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、β２は、非線形効果発生手段２０の群速度分散値である。
【００４１】
一方、図３における縦軸は、顕微鏡から得られた２光子蛍光強度を、最大値を１とした場合の相対値として示したものである。
【００４２】
図３から分かるように、観察される２光子蛍光強度は、α＝１の場合、すなわち、非線形効果発生手段２０である光ファイバの媒質の物理長が、条件式（２）を満たす場合に最も強くなる。また、２光子蛍光強度は、αが約０．５以上約８以下の場合に、α＝１の場合の約６０％となる。蛍光強度の低下がこの程度までであれば、２光子蛍光を用いたマウスの脳などの試料の表面付近の観察を行うことが可能である。また、試料深部（約３００μｍ以下）の観察を行うためには、α＝１の場合の約８０％以上の２光子蛍光強度があることが望ましく、その場合の光ファイバの長さは、αが約０．８以上２以下となる長さである。なお、図３で示した実験例において、非線形長ＬＮＬは、αが約０．０５に相当する。
【００４３】
非線形効果発生手段２０から出射されるアップチャープした光パルスは、次に、負群速度分散発生手段３０へ入射させる。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。
【００４４】
非線形効果発生手段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（Ｃ）に示すように、ダウンチャープパルスとなる。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決定される。
【００４５】
負群速度分散発生手段３０は、非線形効果発生手段２０、光ファイバ４０および光学装置５０等の正分散をキャンセルするように調整されるので、正の分散の発生を抑制した非線形効果発生手段２０を用いることにより、負群速度分散発生手段３０で発生させる負の分散量を抑制することができる。その結果、負群速度分散発生手段３０で発生する３次以上のより高次の分散量も小さくなる。
【００４６】
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パルスは、次に、光ファイバ４０へ入射させる。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、非線形効果発生手段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、非線形効果発生手段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。
【００４７】
負群速度分散発生手段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（Ｄ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅が、図２（Ｃ）に示す入射パルスにおけるよりもそれぞれ狭くなり、ピークパワーも高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させる。また、図２（Ｃ）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（Ｄ）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実質的に生じない。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。
【００４８】
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に入射すると光学装置５０内の光学系によるＧＶＤ効果によって、図２（Ｅ）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、短光パルス源１０から出射された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。
【００４９】
なお、光ファイバ４０の後段には、光ファイバ４０から出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、当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ても良い。前記正群速度分散付加手段は、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、プリズムのいずれかを含んで構成される。また、正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する調整機構を有しても良い。
【００５０】
図４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の具体的構成例を示す図である。この光学システムでは、短光パルス源１０として、発振波長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１Ｗ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１１を用いる。
【００５１】
また、非線形効果発生手段２０としては、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０．０５３ｍ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を使用する。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さは、上述の条件式（２）に基づいて算出された最適値である。
【００５２】
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。回折格子対を構成する３１ｂ、３１ｃの格子密度は、１２００ｌｉｎｅ／ｍｍ、格子間隔は３１ｍｍである。これによって、−０．１２ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００２４ｐｓ３程度の群速度分散スロープ（ＧＶＤＳ）量を与える。なお、ＧＶＤＳ量とは３次の分散を示す量である。
【００５３】
光ファイバ４０は、モードフィールド径が１２．５μｍ、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。
【００５４】
図５は、図４の顕微鏡の対物レンズの前段に設けられる正群速度分散付加手段について説明する図である。ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を出射したダウンチャープパルスは顕微鏡５１の顕微鏡本体５２に導光される。顕微鏡５１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。
【００５５】
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６１ｂ，６１ｃがそれぞれ組み込まれている。すなわち、図５において、ガラスロッド６１ｂ，６１ｃおよびレボルバ５１ｄは、正群速度分散付加手段を構成する。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。
【００５６】
以上のような構成によって、チタン：サファイアモード同期レーザ１１から出射された超短光パルスは、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１に入射してこのＬＭＡ−ＰＣＦ２１内を通過する際に非線形効果と正分散効果を受けて時間波形および周波数波形が広がったアップチャープした短光パルスとなる。このとき、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さを約０．０５３ｍとしたことにより、余分な正分散効果の発生が抑制される。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１を出射した短光パルスは、回折格子３１ｂ，３１ｃを含む負群速度分散発生手段３０に入射して、負分散効果によりダウンチャープした短光パルスとして出射される。このとき、負群速度分散発生手段３０は、チタン：サファイアモード同期レーザ１１から顕微鏡５１に至る光学系の総分散量が略０となるように設定される。したがって、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１における正分散効果を抑制したことにより、負群速度分散発生手段３０で発生する負の分散量も抑制することができる。このため、３次以上の高次の分散の発生も抑制される。さらに、負群速度分散発生手段３０を出射した短光パルスは、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１に入射し、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１内で非線形効果と正分散効果の相互作用によりパルスが圧縮され、さらに顕微鏡５１に入射し顕微鏡５１の正分散によりさらに圧縮された超短光パルスとなって、顕微鏡５１の標本を照射する。
【００５７】
顕微鏡５１内の超短光パルスは、負群速度分散発生手段３０において３次以上の高次の分散の発生が抑制されているので、リンギング等の波形の歪の発生が抑えられる。これによって、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。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６１ｂ，６１ｃ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。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、高ピークパワーを持つ短光パルスを、条件式（１）を満たし、好ましくは、Ｌが０．５Ｌｏｐｔ以上、さらに好ましくは条件式（２）を満たすように構成した非線形効果発生手段、負群速度分散発生手段、および光ファイバを経て、ダウンチャープした短光パルスとして出射させるので、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図６は、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を示すブロック図である。本実施形態は、図１に示した第１実施形態に係る光学システムにおいて、短光パルス源１０と非線形効果発生手段２０との間に、非線形効果発生手段２０で発生する非線形効果を調整する非線形効果調整手段７０を設けたものである。非線形効果調整手段７０は、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、プリズムのいずれかを含んで構成することができる
【００６０】
図７は、図６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。短光パルス源１０としては、発振波長１０６０ｎｍ、パルス時間幅約５００ｆｓ、繰り返し周波数約１ＭＨｚ、スペクトル幅約３．３ｎｍ、パルスエネルギー約２μＪのファイバレーザ１２を用いる。
【００６１】
また、非線形効果調整手段７０としては、凸レンズ７１ａおよび７１ｂより構成されるビームエキスパンダ７１を用いる。凸レンズ７１ａと凸レンズ７１ｂとは、ファイバレーザ１２の光路上に光軸を一致させるように対向して配置されており、凸レンズ７１ｂを光軸方向に変位させることができる。これによって、ビームエキスパンダ７１は、後段の非線形効果発生手段２０に入射する光束径を変えて集光径を変えることができ、石英ロッド中で発生する非線形効果の大きさを連続的に調整することができる。
【００６２】
さらに、非線形効果発生手段２０は、詳細を図８に示すように、石英ロッド２２ａとこの石英ロッド２２ａを挟むように光軸に沿って配置された高ＮＡ対物レンズ２２ｂおよび２２ｃにより構成されている。石英ロッド２２ａと高ＮＡ対物レンズ２２ｂ，２２ｃとの間には、それぞれイマージョンオイル２２ｄを充填する。石英ロッド２２ａは、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が２５３．５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２ｋｍ−１、長さが１μｍである。石英ロッド２２ａの長さは、上述の式
【数８】
に基づいて算出された値である。また、高ＮＡ対物レンズ２２ｂ，２２ｃは、開口数ＮＡが１．４５（油浸）、集光半径が０．４４μｍ、焦点深度が１μｍである。ビームエキスパンダ７１より出射した短光パルスは、高ＮＡ対物レンズ２２ｂ、石英ロッド２２ａを経て高ＮＡ対物レンズ２２ｃより出射される。このようにすることによって、非線形効果発生手段２０に光ファイバを用いた場合に比べ、ファイバへのカップリングロスが発生しないので、短光パルスの透過率をより高くすることができる。また、本実施例では高ＮＡ対物レンズとして油浸を用いているが、油などが群速度分散を発生するので、より好ましくは油浸や水浸の対物レンズを用いない方が良い。
【００６３】
さらに、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、非線形効果発生手段２０の高ＮＡ対物レンズ２２ｃ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。回折格子対３１ｂ，３１ｃは、格子密度約６００ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子間隔約４０ｍｍ、ＧＶＤ量約−０．０７ｐｓ２、ＧＶＤＳ量約０．０００１５ｐｓ３のものを用いる。これによって、−０．０７ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００１５ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。
【００６４】
また、光ファイバ４０は、モードフィールド径１２．５μｍ、波長１０６０ｎｍ帯で、１７ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．２８Ｗ−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、第１実施形態の具体例に示したと同様の顕微鏡５１を用いる。
【００６５】
以上説明した光学システムの構成により、第１実施形態と同様に、顕微鏡の標本上で、波長約１０６０ｎｍ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超短光パルスが得られる。また、非線形効果調整手段７０としてビームエキスパンダ７１を設けたので、高ＮＡ対物レンズ２２ｂに入射する光束径を変更することにより、非線形媒質である石英ロッド２２ａ内の集光スポット径を調整することができ、それによって、石英ロッド２２ａ内で生じる非線形効果の量を調整することができる。
【００６６】
なお、図９に示すように、短光パルス源１０としては、ファイバレーザ１２の後段にファイバ型光増幅器１３を設けても良い。ファイバ型光増幅器１３は、アイソレータ１３ａ，１３ｅと半導体レーザ１３ｂと光合波器１３ｃと単一モードＹｂ添加ファイバ１３ｄとを含んで構成される。半導体レーザ１３ｂは、波長９７８ｎｍのレーザ光を射出し、光合波器１３ｃを介して単一モードＹｂ添加ファイバ１３ｄを励起する。ファイバレーザ１２から出射した波長１０６０ｎｍの光パルスは、アイソレータ１３ａ、光合波器１３ｃを経て、半導体レーザ１３ｂ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１３ｄにおいて増幅され、アイソレータ１３ｅから出射される。以上のように、構成した短光パルス源１０を用いることにより、よりピークパワーの高い短光パルスを出射させることができ、それによって、よりピークパワーの高い短光パルスを顕微鏡５１の標本上に供給することができる。
【００６７】
（第３実施形態）
図１０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概略構成を示すブロック図である。本実施形態は、図６に示した第２実施形態に係る光学システムにおいて、光ファイバ４０と光学装置５０との間に、波長変換手段８０を設けたものである。各構成要素の具体的な構成を以下に説明する。
【００６８】
図１１は、図１０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。短光パルス源１０として、発振波長約１０３０ｎｍ、パルス幅約１２０ｆｓ、スペクトル幅約１３．０ｎｍ、繰り返し周波数９０ＭＨｚ、平均光出力約１Ｗ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１１を用いる。
【００６９】
また、非線形効果調整手段７０として、ガラスロッド７２を配置する。ガラスロッド７２は硝材（ＳＦ６）により構成される、非線形光学定数が１．３２Ｗ−１ｋｍ−１，ＧＶＤ値が１．３×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、長さが０．０８４ｍ、ＧＶＤ量が０．００６ｐｓ２の部材である。非線形効果発生手段２０の前段に、正分散を有するガラスロッド７２を配置することにより、非線形効果発生手段２０にはアップチャープした短光パルスが入射する。これによって、短光パルスのピークパワーが低下し、後段の非線形効果発生手段２０で発生する非線形効果によるスペクトルの広がりを抑えることができるので、負群速度分散発生手段３０で受ける３次分散の影響を低減することができる。なお、ガラスロッド７２は、短光パルス源１０に組み込んで、一体の光源装置（チャープパルス源）として構成しても良い。
【００７０】
非線形効果発生手段２０は、非線形光学定数が約１．３２Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１９ｐｓ２ｋｍ−１、長さ０．１２ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ２１を用いる。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さは、上述の条件式（２）に基づいて算出された最適値である。また、負群速度分散発生手段３０は、図４で示したものと同様の構成を有し、回折格子対３１ｂ、３１ｃを含んで構成される。ただし、回折格子対３１ｂ，３１ｃは、格子密度約８５０ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子間隔約４２ｍｍ、ＧＶＤ量約−０．０８ｐｓ２、ＧＶＤＳ量約０．０００２ｐｓ３のものを用いる。これによって、−０．０８ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００２ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。なお、回折格子３１ｃに調整機構を設け位置を調整可能とし、これによって、ＧＶＤ量を変化させるようにしても良い。さらに、光ファイバ４０としては、非線形光学定数が約１．３２Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１９ｐｓ２ｋｍ−１、長さ３ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ４１を用いる。
【００７１】
また、波長変換手段８０としては、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８０は、第２次高調波発生により、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から入射した光パルスの波長を１０３０ｎｍから５１５ｎｍ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。
【００７２】
本実施形態では、波長変換手段８０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、第１および第２実施の形態と同様に、高次の分散による光パルスの波形の歪が実質的に発生しないので、高ピークパワーの超短光パルスを波長変換手段に供給することができ、高い第２高調波変換効率が得られる。また、回折格子３１ｃにＧＶＤ量を調整するための調整機構を設けた場合は、波長変換手段８０の所望の位置で高ピークパワーが得られるように調整することが可能になる。
【００７３】
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、顕微鏡に限らず、内視鏡やパルス加工機など、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。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 短光パルス源
１１ チタン：サファイアモード同期レーザ
１２ ファイバレーザ
１３ ファイバ型光増幅器
１３ａ，１３ｅ アイソレータ
１３ｂ 半導体レーザ
１３ｃ 光合波器
１３ｄ 単一モードＹｂ添加ファイバ
２０ 非線形効果発生手段
２１ ラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）
２２ａ 石英ロッド
２２ｂ，２２ｃ 対物レンズ
２２ｄ イマージョンオイル
３０ 負群速度分散発生手段
３１ａ，３１ｄ，３１ｅ ミラー
３１ｂ，３１ｃ 回折格子
４０ 光ファイバ
４１ ラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）
５０ 光学装置
５１ 顕微鏡
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 対物レンズ
５１ｄ レボルバ
５２ 顕微鏡本体
６１ｂ，６１ｃ ガラスロッド
７０ 非線形効果調整手段
７１ ビームエキスパンダ
７１ａ，７１ｂ 凸レンズ
８０ 波長変換手段
１１０ 超短光パルス源
１２０ 光導波手段
１３０ 負群速度分散発生手段
１４０ 光ファイバ
１５０ 光学装置
【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、光パルスの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、金属の切断などにおいて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（ａ）および（ｂ）式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
上記（ａ）および（ｂ）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。（ｂ）式を用いて、（ａ）式を書き直すと、多光子蛍光強度Ｉｎは、下記の（ｃ）式のようになる。
【０００９】
【数２】
【００１０】
上記（ｃ）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１２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】
特許文献１に開示された短光パルスの伝送装置によれば、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チャープが補償された高ピークパワーを有する所望の時間幅の短光パルスが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２６８５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献１の短光パルスの光ファイバ伝送装置では、負群速度分散発生手段により、負のＧＶＤ効果の他に高次の分散成分であるＧＶＤＳ（Group Velocity Dispersion Slope）が発生する。仮に、光導波手段や光ファイバを長くして短光パルスの伝送装置内の正のＧＶＤ量が大きくなると、それに応じて、発生させる負のＧＶＤ量を大きくして、正のＧＶＤ量を補償しなければならない。負群速度分散発生手段でより大きな負のＧＶＤ量を発生させると、それに伴ってより大きなＧＶＤＳ量が発生する。
【００１５】
しかし、高次の分散成分であるＧＶＤＳ量は、コストや補償方法の複雑さから、補償することは困難である。そして、補償しきれなかったＧＶＤＳ量による影響で、短光パルスの時間波形は複雑に変形し（リンギングなどが発生する）、ピークパワーが低下してしまう。その結果、例えば、多光子蛍光顕微鏡などの非線形光学顕微鏡では、顕微鏡画像の明度が低下してしまう。
【００１６】
図１３は、負群速度分散発生手段で大きなＧＶＤＳ量が発生したと想定した場合の図１２の短光パルスの光ファイバ伝送装置の各部（図１２（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１３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１３（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って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１３（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１３（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、それに伴って発生する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１３（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まった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１３（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１３（Ｅ））。
【００２０】
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、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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、効率良く伝送することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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短光パルスを受けて、
該短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段と、
該非線形効果発生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、
前記非線形効果発生手段に入射した前記短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープした短光パルスとして出射させ、且つ、前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たすように構成したことを特徴とするものである。
【数３】
Lは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【００２２】
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、
前記非線形効果発生手段の媒質の物理長は、０．５Ｌｏｐｔ以上であることを特徴とするものである。
【００２３】
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、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とするものである。
【数４】
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー
である。
【００２４】
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、
前記非線形効果発生手段の前段に、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を備えることを特徴とするものである。
【００２５】
第５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、
前記非線形効果発生手段の前段に、前記非線形効果発生手段で発生する非線形効果の大きさを調整する非線形効果調整手段を備えることを特徴とするものである。
【００２６】
第６の観点に係る発明は、第１〜第５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のいずれかにおいて、
前記非線形効果発生手段は、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。
【００２７】
第７の観点に係る発明は、第１〜第６の観点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。
【００２８】
上記目的を達成する第８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短光パルスを受け、非線形効果発生手段を透過させることにより前記短光パルスに非線形効果と分散効果を与え、
前記非線形効果発生手段から出射した短光パルスに負の群速度分散を与え、
前記負の群速度分散を与えられた短光パルスを、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であって、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とするものである。
【数５】
Lは、前記非線形効果発生手段媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高ピークパワーを持つ短光パルスを、条件式（１）を満たすように構成した非線形効果発生手段、負群速度分散発生手段、および光ファイバを経て、ダウンチャープした短光パルスとして出射させるので、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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の非線形効果発生手段の一例としての光ファイバの長さに対して、光学装置としての顕微鏡により得られた２光子蛍光強度を示すグラフである。
【図４】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５】図４の顕微鏡の対物レンズの前段に設けられる正群速度分散付加手段について説明する図である。
【図６】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を示すブロック図である。
【図７】図６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８】図７の非線形効果発生手段の詳細な構成を示す図である。
【図９】図７のファイバレーザの後段にさらにファイバ型増幅器を設けて短光パルス源を構成した図である。
【図１０】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概略構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０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１２】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１３】負群速度分散発生手段で大きなＧＶＤＳ量が発生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】
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
本実施形態に係る光学システムは、短光パルス源１０と、非線形効果発生手段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。
【００３４】
短光パルス源１０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こともできる。
【００３５】
非線形効果発生手段２０は、条件式（１）を満たすように構成した非線形効果と分散効果とを発生する光学素子であり、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を含んで構成される。
【数６】
Ｌは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
Ｐ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【００３６】
なお、ＬＮＬは非線形長であり、非線形効果発生手段で非線形効果を発生させるために、ＬはＬＮＬ以上であることが条件となる。また、Ｌｏｐｔは、光ファイバ中で非線形効果と群速度分散効果との相互作用によって、パルスにほぼ線形なチャープが載る最適なファイバ長であることが知られている（例えば、G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics, 2nd Ed., Academic Pressを参照）。
【００３７】
図２（Ａ）に示す短光パルス源１０からの短光パルスは、この非線形効果発生手段２０を透過することにより、非線形効果発生手段２０の正のＧＶＤ効果とＳＰＭ効果との相互作用によって、図２（Ｂ）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、ピークパワーが低下し且つ線形なチャープがのったアップチャープパルスとなる。ここで、非線形効果発生手段２０は、媒質の物理長を条件式（１）に示す範囲に制限されている。この長さは、非線形効果が十分に得られる一方、ＧＶＤ効果の発生を極力抑制するように定められている。
【００３８】
図３は、図１の非線形効果発生手段２０の一例としての光ファイバの長さに対して、光学装置としての顕微鏡５０により得られた２光子蛍光強度の実験結果を示すグラフである。この実験においては、短光パルス源１０として、発振波長約８００ｎｍ、平均出力約２Ｗ、パルス時間幅約２００ｆｓ、繰り返し周波数約８０ＭＨｚ、スペクトル約幅約４．７ｎｍのパルスレーザを用いた。
【００３９】
また、非線形効果発生手段２０としては、モードフィールド径１２．５μｍ、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のラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）を使用した。さらに、負群速度分散発生手段３０は、回折格子対を用いたものであって、回折格子間の間隔を調整可能なものを使用し、顕微鏡下での２光子蛍光が最も明るくなるように調整した。さらに、光学装置５０として使用した顕微鏡のＧＶＤ量は０．０１ｐｓ２である。
【００４０】
図３において、横軸αは非線形効果発生手段２０としての光ファイバの長さを、条件式（２）で得られるＬｏｐｔの倍数αにより示したものである。ここで、Ｌｏｐｔは次の式で表すことができる。
【数７】
ここで、Ｌは、非線形効果発生手段２０の媒質の物理長、γは、非線形効果発生手段２０の媒質の非線形係数、Ｐ０は、非線形効果発生手段２０に入射する短光パルスのピークパワー、Ｔ０は、非線形効果発生手段２０に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、β２は、非線形効果発生手段２０の群速度分散値である。
【００４１】
一方、図３における縦軸は、顕微鏡から得られた２光子蛍光強度を、最大値を１とした場合の相対値として示したものである。
【００４２】
図３から分かるように、観察される２光子蛍光強度は、α＝１の場合、すなわち、非線形効果発生手段２０である光ファイバの媒質の物理長が、条件式（２）を満たす場合に最も強くなる。また、２光子蛍光強度は、αが約０．５以上約８以下の場合に、α＝１の場合の約６０％となる。蛍光強度の低下がこの程度までであれば、２光子蛍光を用いたマウスの脳などの試料の表面付近の観察を行うことが可能である。また、試料深部（約３００μｍ以下）の観察を行うためには、α＝１の場合の約８０％以上の２光子蛍光強度があることが望ましく、その場合の光ファイバの長さは、αが約０．８以上２以下となる長さである。なお、図３で示した実験例において、非線形長ＬＮＬは、αが約０．０５に相当する。
【００４３】
非線形効果発生手段２０から出射されるアップチャープした光パルスは、次に、負群速度分散発生手段３０へ入射させる。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。
【００４４】
非線形効果発生手段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（Ｃ）に示すように、ダウンチャープパルスとなる。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決定される。
【００４５】
負群速度分散発生手段３０は、非線形効果発生手段２０、光ファイバ４０および光学装置５０等の正分散をキャンセルするように調整されるので、正の分散の発生を抑制した非線形効果発生手段２０を用いることにより、負群速度分散発生手段３０で発生させる負の分散量を抑制することができる。その結果、負群速度分散発生手段３０で発生する３次以上のより高次の分散量も小さくなる。
【００４６】
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パルスは、次に、光ファイバ４０へ入射させる。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、非線形効果発生手段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、非線形効果発生手段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。
【００４７】
負群速度分散発生手段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（Ｄ）に示すように、パルス時間幅およびスペクトル幅が、図２（Ｃ）に示す入射パルスにおけるよりもそれぞれ狭くなり、ピークパワーも高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させる。また、図２（Ｃ）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（Ｄ）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実質的に生じない。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。
【００４８】
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に入射すると光学装置５０内の光学系によるＧＶＤ効果によって、図２（Ｅ）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、短光パルス源１０から出射された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。
【００４９】
なお、光ファイバ４０の後段には、光ファイバ４０から出射される短光パルスに正の群速度分散を与えて、当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ても良い。前記正群速度分散付加手段は、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、プリズムのいずれかを含んで構成される。また、正群速度分散付加手段は、正の群速度分散量を調整する調整機構を有しても良い。
【００５０】
図４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の具体的構成例を示す図である。この光学システムでは、短光パルス源１０として、発振波長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１Ｗ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１１を用いる。
【００５１】
また、非線形効果発生手段２０としては、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０．０５３ｍ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を使用する。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さは、上述の条件式（２）に基づいて算出された最適値である。
【００５２】
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。回折格子対を構成する３１ｂ、３１ｃの格子密度は、１２００ｌｉｎｅ／ｍｍ、格子間隔は３１ｍｍである。これによって、−０．１２ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００２４ｐｓ３程度の群速度分散スロープ（ＧＶＤＳ）量を与える。なお、ＧＶＤＳ量とは３次の分散を示す量である。
【００５３】
光ファイバ４０は、モードフィールド径が１２．５μｍ、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。
【００５４】
図５は、図４の顕微鏡の対物レンズの前段に設けられる正群速度分散付加手段について説明する図である。ＬＭＡ−ＰＣＦ４１を出射したダウンチャープパルスは顕微鏡５１の顕微鏡本体５２に導光される。顕微鏡５１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。
【００５５】
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６１ｂ，６１ｃがそれぞれ組み込まれている。すなわち、図５において、ガラスロッド６１ｂ，６１ｃおよびレボルバ５１ｄは、正群速度分散付加手段を構成する。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。
【００５６】
以上のような構成によって、チタン：サファイアモード同期レーザ１１から出射された超短光パルスは、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１に入射してこのＬＭＡ−ＰＣＦ２１内を通過する際に非線形効果と正分散効果を受けて時間波形および周波数波形が広がったアップチャープした短光パルスとなる。このとき、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さを約０．０５３ｍとしたことにより、余分な正分散効果の発生が抑制される。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１を出射した短光パルスは、回折格子３１ｂ，３１ｃを含む負群速度分散発生手段３０に入射して、負分散効果によりダウンチャープした短光パルスとして出射される。このとき、負群速度分散発生手段３０は、チタン：サファイアモード同期レーザ１１から顕微鏡５１に至る光学系の総分散量が略０となるように設定される。したがって、ＬＭＡ−ＰＣＦ２１における正分散効果を抑制したことにより、負群速度分散発生手段３０で発生する負の分散量も抑制することができる。このため、３次以上の高次の分散の発生も抑制される。さらに、負群速度分散発生手段３０を出射した短光パルスは、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１に入射し、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１内で非線形効果と正分散効果の相互作用によりパルスが圧縮され、さらに顕微鏡５１に入射し顕微鏡５１の正分散によりさらに圧縮された超短光パルスとなって、顕微鏡５１の標本を照射する。
【００５７】
顕微鏡５１内の超短光パルスは、負群速度分散発生手段３０において３次以上の高次の分散の発生が抑制されているので、リンギング等の波形の歪の発生が抑えられる。これによって、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。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６１ｂ，６１ｃ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。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、高ピークパワーを持つ短光パルスを、条件式（１）を満たし、好ましくは、Ｌが０．５Ｌｏｐｔ以上、さらに好ましくは条件式（２）を満たすように構成した非線形効果発生手段、負群速度分散発生手段、および光ファイバを経て、ダウンチャープした短光パルスとして出射させるので、３次以上の高次の分散による波形歪みの影響を低減し、高ピークパワーを持つ短光パルスを、これ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することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
図６は、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を示すブロック図である。本実施形態は、図１に示した第１実施形態に係る光学システムにおいて、短光パルス源１０と非線形効果発生手段２０との間に、非線形効果発生手段２０で発生する非線形効果を調整する非線形効果調整手段７０を設けたものである。非線形効果調整手段７０は、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、プリズムのいずれかを含んで構成することができる
【００６０】
図７は、図６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。短光パルス源１０としては、発振波長１０６０ｎｍ、パルス時間幅約５００ｆｓ、繰り返し周波数約１ＭＨｚ、スペクトル幅約３．３ｎｍ、パルスエネルギー約２μＪのファイバレーザ１２を用いる。
【００６１】
また、非線形効果調整手段７０としては、凸レンズ７１ａおよび７１ｂより構成されるビームエキスパンダ７１を用いる。凸レンズ７１ａと凸レンズ７１ｂとは、ファイバレーザ１２の光路上に光軸を一致させるように対向して配置されており、凸レンズ７１ｂを光軸方向に変位させることができる。これによって、ビームエキスパンダ７１は、後段の非線形効果発生手段２０に入射する光束径を変えて集光径を変えることができ、石英ロッド中で発生する非線形効果の大きさを連続的に調整することができる。
【００６２】
さらに、非線形効果発生手段２０は、詳細を図８に示すように、石英ロッド２２ａとこの石英ロッド２２ａを挟むように光軸に沿って配置された高ＮＡ対物レンズ２２ｂおよび２２ｃにより構成されている。石英ロッド２２ａと高ＮＡ対物レンズ２２ｂ，２２ｃとの間には、それぞれイマージョンオイル２２ｄを充填する。石英ロッド２２ａは、波長１０６０ｎｍ帯で、非線形光学定数が２５３．５Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１７ｐｓ２ｋｍ−１、長さが１μｍである。石英ロッド２２ａの長さは、上述の式
【数８】
に基づいて算出された値である。また、高ＮＡ対物レンズ２２ｂ，２２ｃは、開口数ＮＡが１．４５（油浸）、集光半径が０．４４μｍ、焦点深度が１μｍである。ビームエキスパンダ７１より出射した短光パルスは、高ＮＡ対物レンズ２２ｂ、石英ロッド２２ａを経て高ＮＡ対物レンズ２２ｃより出射される。このようにすることによって、非線形効果発生手段２０に光ファイバを用いた場合に比べ、ファイバへのカップリングロスが発生しないので、短光パルスの透過率をより高くすることができる。また、本実施例では高ＮＡ対物レンズとして油浸を用いているが、油などが群速度分散を発生するので、より好ましくは油浸や水浸の対物レンズを用いない方が良い。
【００６３】
さらに、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、非線形効果発生手段２０の高ＮＡ対物レンズ２２ｃ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。回折格子対３１ｂ，３１ｃは、格子密度約６００ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子間隔約４０ｍｍ、ＧＶＤ量約−０．０７ｐｓ２、ＧＶＤＳ量約０．０００１５ｐｓ３のものを用いる。これによって、−０．０７ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００１５ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。
【００６４】
また、光ファイバ４０は、モードフィールド径１２．５μｍ、波長１０６０ｎｍ帯で、１７ｐｓ２ｋｍ−１程度のＧＶＤ値を有し、非線形光学定数が約１．２８Ｗ−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、第１実施形態の具体例に示したと同様の顕微鏡５１を用いる。
【００６５】
以上説明した光学システムの構成により、第１実施形態と同様に、顕微鏡の標本上で、波長約１０６０ｎｍ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超短光パルスが得られる。また、非線形効果調整手段７０としてビームエキスパンダ７１を設けたので、高ＮＡ対物レンズ２２ｂに入射する光束径を変更することにより、非線形媒質である石英ロッド２２ａ内の集光スポット径を調整することができ、それによって、石英ロッド２２ａ内で生じる非線形効果の量を調整することができる。
【００６６】
なお、図９に示すように、短光パルス源１０としては、ファイバレーザ１２の後段にファイバ型光増幅器１３を設けても良い。ファイバ型光増幅器１３は、アイソレータ１３ａ，１３ｅと半導体レーザ１３ｂと光合波器１３ｃと単一モードＹｂ添加ファイバ１３ｄとを含んで構成される。半導体レーザ１３ｂは、波長９７８ｎｍのレーザ光を射出し、光合波器１３ｃを介して単一モードＹｂ添加ファイバ１３ｄを励起する。ファイバレーザ１２から出射した波長１０６０ｎｍの光パルスは、アイソレータ１３ａ、光合波器１３ｃを経て、半導体レーザ１３ｂ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１３ｄにおいて増幅され、アイソレータ１３ｅから出射される。以上のように、構成した短光パルス源１０を用いることにより、よりピークパワーの高い短光パルスを出射させることができ、それによって、よりピークパワーの高い短光パルスを顕微鏡５１の標本上に供給することができる。
【００６７】
（第３実施形態）
図１０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概略構成を示すブロック図である。本実施形態は、図６に示した第２実施形態に係る光学システムにおいて、光ファイバ４０と光学装置５０との間に、波長変換手段８０を設けたものである。各構成要素の具体的な構成を以下に説明する。
【００６８】
図１１は、図１０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。短光パルス源１０として、発振波長約１０３０ｎｍ、パルス幅約１２０ｆｓ、スペクトル幅約１３．０ｎｍ、繰り返し周波数９０ＭＨｚ、平均光出力約１Ｗ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１１を用いる。
【００６９】
また、非線形効果調整手段７０として、ガラスロッド７２を配置する。ガラスロッド７２は硝材（ＳＦ６）により構成される、非線形光学定数が１．３２Ｗ−１ｋｍ−１，ＧＶＤ値が１．３×１０−４ｐｓ２ｍｍ−１、長さが０．０８４ｍ、ＧＶＤ量が０．００６ｐｓ２の部材である。非線形効果発生手段２０の前段に、正分散を有するガラスロッド７２を配置することにより、非線形効果発生手段２０にはアップチャープした短光パルスが入射する。これによって、短光パルスのピークパワーが低下し、後段の非線形効果発生手段２０で発生する非線形効果によるスペクトルの広がりを抑えることができるので、負群速度分散発生手段３０で受ける３次分散の影響を低減することができる。なお、ガラスロッド７２は、短光パルス源１０に組み込んで、一体の光源装置（チャープパルス源）として構成しても良い。
【００７０】
非線形効果発生手段２０は、非線形光学定数が約１．３２Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１９ｐｓ２ｋｍ−１、長さ０．１２ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ２１を用いる。ＬＭＡ−ＰＣＦ２１の長さは、上述の条件式（２）に基づいて算出された最適値である。また、負群速度分散発生手段３０は、図４で示したものと同様の構成を有し、回折格子対３１ｂ、３１ｃを含んで構成される。ただし、回折格子対３１ｂ，３１ｃは、格子密度約８５０ｌｉｎｅ／ｍｍ、回折格子間隔約４２ｍｍ、ＧＶＤ量約−０．０８ｐｓ２、ＧＶＤＳ量約０．０００２ｐｓ３のものを用いる。これによって、−０．０８ｐｓ２程度のＧＶＤ量および０．０００２ｐｓ３程度のＧＶＤＳ量を与える。なお、回折格子３１ｃに調整機構を設け位置を調整可能とし、これによって、ＧＶＤ量を変化させるようにしても良い。さらに、光ファイバ４０としては、非線形光学定数が約１．３２Ｗ−１ｋｍ−１、ＧＶＤ値が１９ｐｓ２ｋｍ−１、長さ３ｍのＬＭＡ−ＰＣＦ４１を用いる。
【００７１】
また、波長変換手段８０としては、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８０は、第２次高調波発生により、ＬＭＡ−ＰＣＦ４１から入射した光パルスの波長を１０３０ｎｍから５１５ｎｍ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。
【００７２】
本実施形態では、波長変換手段８０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、第１および第２実施の形態と同様に、高次の分散による光パルスの波形の歪が実質的に発生しないので、高ピークパワーの超短光パルスを波長変換手段に供給することができ、高い第２高調波変換効率が得られる。また、回折格子３１ｃにＧＶＤ量を調整するための調整機構を設けた場合は、波長変換手段８０の所望の位置で高ピークパワーが得られるように調整することが可能になる。
【００７３】
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、顕微鏡に限らず、内視鏡やパルス加工機など、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。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 短光パルス源
１１ チタン：サファイアモード同期レーザ
１２ ファイバレーザ
１３ ファイバ型光増幅器
１３ａ，１３ｅ アイソレータ
１３ｂ 半導体レーザ
１３ｃ 光合波器
１３ｄ 単一モードＹｂ添加ファイバ
２０ 非線形効果発生手段
２１ ラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）
２２ａ 石英ロッド
２２ｂ，２２ｃ 対物レンズ
２２ｄ イマージョンオイル
３０ 負群速度分散発生手段
３１ａ，３１ｄ，３１ｅ ミラー
３１ｂ，３１ｃ 回折格子
４０ 光ファイバ
４１ ラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）
５０ 光学装置
５１ 顕微鏡
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 対物レンズ
５１ｄ レボルバ
５２ 顕微鏡本体
６１ｂ，６１ｃ ガラスロッド
７０ 非線形効果調整手段
７１ ビームエキスパンダ
７１ａ，７１ｂ 凸レンズ
８０ 波長変換手段
１１０ 超短光パルス源
１２０ 光導波手段
１３０ 負群速度分散発生手段
１４０ 光ファイバ
１５０ 光学装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ピークパワーを持つ短光パルスを受けて、
該短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段と、
該非線形効果発生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、
前記非線形効果発生手段に入射した前記短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープした短光パルスとして出射させ、且つ、前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たす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。
【数１】
Ｌは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
Ｐ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【請求項２】
前記非線形効果発生手段の媒質の物理長は、０．５Ｌｏｐｔ以上であ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】
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たす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。
【数２】
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー
である。
【請求項４】
前記非線形効果発生手段の前段に、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を備え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】
前記非線形効果発生手段の前段に、前記非線形効果発生手段で発生する非線形効果の大きさを調整する非線形効果調整手段を備え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６】
前記非線形効果発生手段は、正の群速度分散値を有することを特徴とする請求項１〜５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７】
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１〜６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８】
高ピークパワーを持つ短光パルスを受け、非線形効果発生手段を透過させることにより前記短光パルスに非線形効果と分散効果を与え、
前記非線形効果発生手段から出射した短光パルスに負の群速度分散を与え、
前記負の群速度分散を与えられた短光パルスを、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であって、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする短光パルスの光ファイバ伝送方法。
【数３】
Lは、前記非線形効果発生手段媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【請求項１】
高ピークパワーを持つ短光パルスを受けて、
該短光パルスに非線形効果と分散効果を与える非線形効果発生手段と、
該非線形効果発生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、
前記非線形効果発生手段に入射した前記短光パルスを、前記光ファイバからダウンチャープした短光パルスとして出射させ、且つ、前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たす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。
【数１】
Ｌは、前記非線形効果発生手段の媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段の媒質の非線形係数、
Ｐ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【請求項２】
前記非線形効果発生手段の媒質の物理長は、０．５Ｌｏｐｔ以上であ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】
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（２）を満たす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。
【数２】
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー
である。
【請求項４】
前記非線形効果発生手段の前段に、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を備え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】
前記非線形効果発生手段の前段に、前記非線形効果発生手段で発生する非線形効果の大きさを調整する非線形効果調整手段を備え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６】
前記非線形効果発生手段は、正の群速度分散値を有することを特徴とする請求項１〜５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７】
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１〜６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８】
高ピークパワーを持つ短光パルスを受け、非線形効果発生手段を透過させることにより前記短光パルスに非線形効果と分散効果を与え、
前記非線形効果発生手段から出射した短光パルスに負の群速度分散を与え、
前記負の群速度分散を与えられた短光パルスを、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であって、
前記非線形効果発生手段は、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする短光パルスの光ファイバ伝送方法。
【数３】
Lは、前記非線形効果発生手段媒質の物理長、
γは、前記非線形効果発生手段媒質の非線形係数、
P０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのピークパワー、
Ｔ０は、前記非線形効果発生手段に入射する短光パルスのその出力強度が前記ピークパワーの１／ｅになるときの時間半幅、
β２は、前記非線形効果発生手段の群速度分散値
である。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１４１４２２（Ｐ２０１２−１４１４２２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３５７２（Ｐ２０１０−２９３５７２）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【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７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【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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