JP4951617B2 - 単波長励起による連続スペクトル多色光生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、多色光発生装置に関する。本発明は、特に、広帯域スペクトルの白色光の生成に関する。

この分野では、白熱ランプ、石英ランプ等の、広帯域スペクトルの白色光を直接発する光源を利用することが、既に従来技術として知られている。そのような光源を直接利用することには、例えば、全体寸法、等方放射や低輝度などの多くの欠点がある。

広帯域の白色光を得るために、多くの単波長のレーザ・ダイオードを並列に結合させることが試みられたが、この場合、当然ながら波長は連続していない。さらに、ダイオード間で強度のばらつきが生じる恐れがある。

そのような光を得るための他の既知の手段には、微小構造の光ファイバに、キロヘルツからメガヘルツの波長分布を持ったナノ秒、ピコ秒、ヘムト秒のオーダのパルスのパルス駆動で動作する単波長レーザをポンピングする手段がある。そのようなポンピングは、微小構造のファイバに種々の波長の光子を発生させる非線形効果を引き起こすことが知られている。この種の光源は、J. K. Rankaらの刊行物、オプティクス・レターズ、第25巻、第1号、第25〜27ページ、2000年、及びJ. C. Knightらによる文献、オプティクス・レターズ、第26巻、第17号、第1356〜1358ページ、2001年、に記載されている。そのような光源の欠点は、全体寸法と、製品へ組み込んで使用することを妨げるコストである。

さらに、本発明者らは、広帯域の白色光を得るための最初の解決策を提案した。この解決策は、2004年3月12日に出願され、未公開のフランス国出願番号04 02589号に開示されている。本文献では、発明者らは、図１に示すように、少なくとも２つの異なった励起波長λ1及びλ2を有する放射光を供給する光ポンピング・モジュールMPを有する装置を開示している。装置は、さらに、非線形な光と物質の相互作用状態にあるポンピング・モジュールMPによってもたらされる、いくつかの波長を含んだ放射光によって励起されているときは、出射口SGLで連続スペクトルに対応する多色光を供給する導光手段GLを有する。

実際には、フランス国出願番号04 02589号で説明されているように、負分散型単一モードファイバにおいては、単一波長光源によるポンピングは、高波長にラマン離散線の生成を引き起こす。それどころか、少なくとも２つの賢明に選択した波長でポンピングする場合には、発明者らは、ラマン成分を最小にするとともに、ポンピング波長のどちらの側にも対象的ホモジニアス・スペクトル拡散が現れることを実証した。この改良は、主に非線形効果間の競合現象の結果である。スペクトル拡散は、自己位相変調、相互位相変調、パラメトリック効果（４波長混合）の組み合わせで説明できる。第２のポンピング電力を追加することにより、λ1及びλ2の周辺に集中する波長間の初期位相整合を開始することができ、ラマン効果より発生閾値が低いパラメトリック効果が生じる。図１に示すように、そのような装置は、出射口SMPで２つの波長λ1及びλ2を発生するポンピング手段MPを有する。そのような放射光は、入射口EGLを通って導光手段GLに入射し、広帯域スペクトルの白色光が、導光手段GLの出射口で、出射口SGLを通って出射される。

出願番号04 02589号の前記出願に記載された発明は、白色光を得るという技術分野における多くの問題を既に解決しているが、２倍のポンプまたは周波数逓倍器のいずれかを要求する、ダブル・ポンピングが必要とされ、これが問題となっている。

本発明は、出射光に関して満足な結果を維持しながら、以前に記述した装置をさらに単純化することと、不連続性がないスペクトルを得ることを可能とすることを目的としている。

この目的のために、本発明は、上述した種類の発明に関し、最も広い意味において顕著であり、本発明は、多色光生成装置に関し、光ポンピング手段と、導光手段とを有し、光ポンピング手段は第１波長における第１放射光を生成することができ、装置は、導光手段に前記放射光を注入する選択的注入手段を有し、前記導光手段は、選択的注入に対応する高調波を生成し、前記第１放射光と前記高調波の非線形な励起により出射口で多色光を生成するように配置されていることを特徴とする。

好ましくは、導光手段は例えば光ファイバのような導光体を有する。

好適には、第１放射光を伝送する間に高調波を生成するために、導光手段あるいはより正確にはファイバは、基本的に、前記第１波長レベルにおいては単一モードであり、前記第２高調波に対応する波長レベルにおいてはマルチモードである。

好ましくは、前記高調波の生成率を向上させるために、導光手段、より正確にはファイバは、ゲルマニウムがドープされ、及び／またはポーリング処理がなされる。

好適には、放射光の伝送特性及びスペクトル特性を制御するために、導光手段は、微細構造のファイバを有する。

本発明は、添付図面を参照し、以下の説明を読むことによりさらに理解されるが、本発明の一実施形態の説明のみを目的としたものである。

図２を参照して、本発明は多色光生成専用の装置Dを有する。

そのような装置Dは、第１に、放射光の生成を担う光ポンピング・モジュールMPを有している。本発明によれば、本来、そのようなポンピング手段は、１つの波長λ1のみを有する放射光を生成すれば十分である。当然のことながら、これらの手段は複数の波長を生成することができるが、白色光の発光に関する技術的な問題は１つの波長のみを有する本発明によって解決される。

例えば、これらのポンピング手段は、単色レーザ光源SLの形を採ることができる。当然のことながら、少なくとも１つの波長を有する放射光を生成可能な如何なるポンピング手段も利用することができる。

一例として、かつ本発明を最もよく記述するために、ポンピング手段MPの出射口における1064 nmでの放射光の発光について考える。さらに、使用されるポンピング・モジュールは、パルス発振モード、または連続発振モード、または準連続発振モードのいずれでも動作可能である。

本発明による装置Dは、さらに、その出射口SGLにおいて、連続スペクトルに対応する多色光の生成を担う導光手段GLを有する。

ここで、多色光とは、そのスペクトルが基本的に連続していて、広帯域上で波長が離散していない光を意味する。

好ましくは、使用される導光手段GLは、光ファイバであって、より一般的には、非線形特性がその構造及び大きさで決まる導光体である。例えば、いわゆる微小構造ファイバが使用される。この種の光ファイバは、製造時に調整可能であって、分散特性の制御を可能とし、ファイバ素材の透過帯域全体に光を導くことができる光幾何学構造を有する。

例えば、図３に断面構造を示すように、光ファイバGLは、ホールタイプの光ファイバとすることができる。この種の光ファイバは、特許番号EP 1 148 360号に詳細に記述されている。そのような微小構造のファイバは、光ファイバGLの長手方向軸と平行で、メッシュ構造（フォトニック結晶とも呼ばれる）となるように所定の間隔で、ファイバのコアCFの周辺に互いに隣接して配置された空洞チャネルCCを有し、光ファイバGLのコアCFを取り囲むシースGFを構成する材料からなっている。フォトニック結晶は、（導光がトランスバーサル・メッシュにより行なわれる場合には）禁制エネルギ・ギャップがあり、メッシュと、光の伝播を制御することを可能とする物理的特性とを規定する回折要素（ここでは、空洞チャネルCC）から構成されることを想起されたい。そのようなファイバは、例えば、Jean-Michel Lourtiozによる”フォトニック結晶”、324ページ、エルメス版、2003年、に記述されているように、金型での押し出し成形によって得られる。

他の実施形態によれば、微小構造ではないファイバが利用可能である。それでもなお、可視領域の波長を得るために、零分散を低波長側にシフトする必要がある。

所望の波長、特に赤外及び可視スペクトルを得るためには、選択したファイバは、完全に単一モード、あるいはポンプ波長に関して単一モードであってマルチモード、特に、例えば可視スペクトルにおいて高次高調波に対応する領域では２重モードのいずれかである。

当業者は、励起モードに関してファイバの選択が如何に重要であるかを理解している。実際のところ、単一モードファイバに関して、モード間の位相整合は不可能であり、非線形効果発生閾値を増加させる（3％〜4％よりも大きい第２高調波発生率が要求される）。種々のモード間の分散カーブの発生のために、可視領域で２重モードファイバを使用し、励起領域（赤外）で単一モードファイバを使用することにより、非線形効果（パラメトリック効果）の発生閾値を下げることが可能となる。

それどころか、非常に多くのマルチモード・ファイバでは、いくつかのモードへ入力パワーが分布することにより、低波長へのパワー転送効率が低減する。そして、当然のことながら、ファイバがポンプ波長に対して非常に多くのマルチモードである場合、可視領域で単一モードを励起することは不可能である。

本発明によれば、励起光源MPによって伝送される信号は、例えば微小構造光ファイバの形を有する、導光手段GLに注入される。”選択注入”と呼ばれる特殊な励起は、可視領域における基本モード（所謂”LP01”）ではなく、１つ高次の横モード（例えば”LP11”と呼ばれるモード）の励起を得ることを可能とする。

そのような選択注入は、例えば、図２に示された集束レンズLを用いて実現される。レンズの横方向移動及びファイバへ注入されたビームの特別な配向により、基本横モード（TEM00）または一つ高次（LP11またはLP21）の励起が可能となる。

さらに、例えば空気とシリカとの界面及びシリカに捕獲された不純物によって、第２高調波の生成率を高めるために微小構造ファイバが実施される。そのようなファイバの光学的、電気的または熱的”ポーリング”（英単語は金属加工の分野のポーリングを意味する）プロセスは、基本的に、第２高調波の生成率を増加させる。周波数を２倍にする、この非線形効果は、スーパー・コンティニュームを形成するのに直接利用される。

特に、第２高調波の生成に関する最初の実験は、Y. Sasakiらによって（アプライド・フィジックス・レターズ、第39巻、第6号、1981年、第466〜468ページ）ゲルマニウムをコアにドープした石英ファイバで観察された。分極は、Nd : YAG レーザ（1,064ミクロン、ピーク強度 0.8 KW）の数時間の照射により引き起こされる。変換率は1%のオーダである。

数年後、その実験はOsterbergとMargulisによって（オプティックス・レターズ、第11巻、第8号、1986年、第516〜51ページ）、Nd : YAG レーザ（1,064ミクロン、ピーク強度0.5〜1 KW、50 ps）を照射した、ゲルマニウムをドープした石英ファイバで引き続き行なわれた。変換率はさらに高く、5%のオーダである。

要するに、ファイバにおける、この自発的な第２高調波の生成は、局所的複屈折を導く欠陥及び不純物に基づくということをモデルは実証した。それから第２高調波は、強い位相不整合法及び、ある場所から他の場所へのインコヒーレント法により形成される。

好ましくは、本発明によれば、そのような自発的効果は、ファイバに強いローカル・フィールドを誘発可能な光学的、熱的または電気的ポーリング効果によって増加する。そのような手段は、第２高調波の良好な生成により、結果をさらに改善することが可能である。

前記のポーリングと組み合わせ可能な他の実施形態によれば、石英とシースとの界面が第２高調波の生成のための自発的発生源となることが可能なホール型ファイバが利用可能である。

当業者であれば、本発明の性能は第２高調波の生成率に従って増加することが理解できるであろう。この生成率が高いほど、所定の位相整合に対する可視領域におけるスペクトルが明るくなる。例として、例えば2%から10%の間の高い生成率が、ファイバにゲルマニウムをドープすること、及び／またはポーリングにより、得られる。

図４に示すように、当業者であれば、本発明に従って本装置を使用した場合に得られるスーパー・コンティニュームは、近赤外だけでなく可視領域の全ての周波数成分を有し、非常に均一な出力を有することがわかるであろう。

本発明による装置を用いることによって、300 nmから1.8 μmの間の波長において、実質的に一定な出力レベルに対して、この連続する広いスペクトルを生成することができる。

例えばレーザ光源はYAGタイプであり、単一モードまたはマルチモード、ナノ秒、ピコ秒、マイクロ秒または連続タイプとすることができる。図４のスペクトルを実現するのに用いられるファイバは約4メートルである。

本発明の応用類型は非常に多岐にわたることは当業者であれば理解できるであろう。例として、電気通信、バイオフォトニクス、特に診断または細胞分類、眼科または一貫した光トモグラフィーまたは共焦点顕微鏡の分野が挙げられる。

本発明は上記に一例として記述された。当業者であれば、本発明の範囲内で、本発明の種々の変更を容易に行なうことができる点に留意されたい。

未公開の先のフランス国特許出願番号04 02589号に記載された装置を示す。 本発明による装置を示す。 本発明に従って使用されるファイバの断面図を示す。 本発明による装置を利用して実現される典型的なスーパー・コンティニュームを示す。

Claims (3)

1. 多色光を生成するための装置であって、
   第１波長における第１放射光を供給する光ポンピング手段と、
   導光手段と、
   前記導光手段に前記第１放射光を注入する選択的注入手段と、を有し、
   前記導光手段は、前記選択的注入手段に対応する第２高調波を生成し、前記第１放射光と前記第２高調波との非線形励起によって、出射口で多色光を生成し、
   前記導光手段は、前記出射口において前記多色光を生成するために、前記第１波長に関して基本的に単一モードであり、前記第２高調波に関して基本的にマルチモードであることを特徴とする多色光生成装置。
2. 前記導光手段は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の多色光生成装置。
3. 前記光ファイバは、微小構造ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の多色光生成装置。

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