JP2001320115A - Laser amplifier, laser amplifying method, laser amplifying device and laser oscillator - Google Patents
Laser amplifier, laser amplifying method, laser amplifying device and laser oscillatorInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、希土類元素を添加
した媒体を利得媒質とし、励起光源として半導体レーザ
を用いるレーザ増幅器及びレーザ発振器とそれを使用し
たレーザ増幅方法及びレーザ増幅装置に関する。The present invention relates to a laser amplifier and a laser oscillator using a medium to which a rare earth element is added as a gain medium and using a semiconductor laser as an excitation light source, and a laser amplification method and a laser amplification apparatus using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】希土類元素を添加した結晶及びガラス媒
質を活性媒体とするレーザ装置、即ちレーザ発振器及び
レーザ増幅器等は、広く情報通信産業及び機械工業分野
に応用されている。金属加工用大出力固体レーザ及び光
ファイバ通信システムにおける光ファイバ増幅器はその
典型的な例である。2. Description of the Related Art A laser device using a crystal and glass medium to which a rare earth element is added as an active medium, that is, a laser oscillator, a laser amplifier and the like are widely applied to the information communication industry and the machine industry. High power solid state lasers for metal working and fiber optic amplifiers in fiber optic communication systems are typical examples.
【0003】レーザ増幅器及びレーザ発振器の効率、サ
イズ、寿命及び機械的安定性は、主に励起光源により決
定される。励起光源としての半導体レーザは、これらの
点で、固体レーザ及びファイバレーザより優れている。
このため、装置の実用性を考えると、励起光源として半
導体レーザ(レーザダイオード:LD)を使用する方式
(LD励起)が好ましい。励起光源としての固体レーザ
及びファイバレーザは、様々な点で半導体レーザに対し
て不利な点が多い。特に不利な点として、LDと比較し
て効率、サイズ、機械的安定性及び寿命の点で不利であ
ること以外に、波長1.05μm帯での受動光部品が少
ないことが挙げられる。例えば、低損失且つ高アイソレ
ーションの光アイソレータは実用化されていない。[0003] The efficiency, size, lifetime and mechanical stability of laser amplifiers and laser oscillators are mainly determined by the pump light source. The semiconductor laser as the excitation light source is superior in these respects to the solid-state laser and the fiber laser.
For this reason, in consideration of the practicality of the apparatus, a method using a semiconductor laser (laser diode: LD) as an excitation light source (LD excitation) is preferable. Solid state lasers and fiber lasers as excitation light sources have many disadvantages over semiconductor lasers in various respects. Particularly disadvantageous is that, besides being disadvantageous in terms of efficiency, size, mechanical stability and life as compared with LDs, there are few passive optical components in the wavelength band of 1.05 μm. For example, an optical isolator with low loss and high isolation has not been put to practical use.
【0004】このようなレーザ装置においては、光励起
によりエネルギを希土類イオンに供給しているため、装
置の高効率動作のためには、励起光源の波長の選定が特
に重要である。しかしながら、希土類イオンの種類によ
っては、最適な励起波長、即ちイオンの吸収波長帯が半
導体レーザの波長とうまく整合せず、単一波長の半導体
レーザによるLD励起が困難となるため、LD以外の光
源を使用する必要がある場合がある。特に、レーザ下準
位寿命がレーザ上準位寿命より長い自己終端系を形成す
るイオンを利得媒質として使用する場合は、以下の例で
示すように、励起波長がより限定されるため、LD励起
がより困難となる。In such a laser device, since energy is supplied to rare-earth ions by light excitation, selection of the wavelength of the excitation light source is particularly important for high-efficiency operation of the device. However, depending on the type of rare earth ions, the optimum excitation wavelength, that is, the absorption wavelength band of the ions, does not match well with the wavelength of the semiconductor laser, and it becomes difficult to excite the LD with a single wavelength semiconductor laser. May need to be used. In particular, when an ion forming a self-terminating system whose laser lower level lifetime is longer than the laser upper level lifetime is used as a gain medium, the excitation wavelength is more limited as shown in the following example. Becomes more difficult.
【0005】一例として、フッ化物ガラス中のTm(ツ
リウム)イオンの場合について述べる。Tm等の希土類
元素をフッ化物ガラス等の媒質中に添加すると、媒質中
でイオン化し、Tmイオンとなる。図12は従来のツリ
ウムファイバ増幅器の励起方法を示すエネルギ準位図で
ある。併せて、従来の励起波長を同図中に明示する。ま
た、図13は図12に示す遷移が発生する際のASEス
ペクトル(AmplifiedSpontaneous Emission:増幅され
た自然放出)を示すグラフ図である。図12に示すよう
に、Tmイオンをコアに添加したファイバ増幅器におい
て、1.04〜1.07μm(以下、1.05μm帯と
いう)を励起波長とすることで、波長1.47μm帯の
光増幅(3F4→3H4遷移)を実現できる。同図中で
は、遷移aとして明示してある。また、このとき図13
に示すようなASEスペクトルも得られる。より詳細に
は、「アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・カ
ンタム・エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum
Electronics)第31巻、第1880頁、1995
年」、特願平11−156745号及び「オプティクス
・レターズ(Optics Letters)第24巻、第1684
頁、1999年」に示されている。As an example, the case of Tm (thulium) ions in a fluoride glass will be described. When a rare earth element such as Tm is added to a medium such as a fluoride glass, it is ionized in the medium to become Tm ions. FIG. 12 is an energy level diagram showing a conventional thulium fiber amplifier pumping method. At the same time, the conventional excitation wavelength is clearly shown in FIG. FIG. 13 is a graph showing an ASE spectrum (Amplified Spontaneous Emission: amplified spontaneous emission) when the transition shown in FIG. 12 occurs. As shown in FIG. 12, in a fiber amplifier in which Tm ions are added to a core, an optical amplification in a wavelength band of 1.47 μm is set by setting an excitation wavelength to 1.04 to 1.07 μm (hereinafter, referred to as a 1.05 μm band). (3 F 4 → 3 H 4 transition) can be realized. In the figure, the transition is clearly indicated as a. At this time, FIG.
An ASE spectrum as shown in FIG. For more information, see “IEEE Journal of Quantum Electronics.
Electronics) Vol. 31, p. 1880, 1995
Year ", Japanese Patent Application No. 11-156745 and" Optics Letters, Vol. 24, 1684.
, 1999 ".
【0006】このようなファイバ増幅器においては、図
12に示すように、1.05μm帯の励起光子が、Tm
イオンの基底準位吸収(3H6→3H5)、それに引き
続く非放射遷移(図示せず)及び励起状態吸収(3H4
→3F2又は3F4→1G4)を引き起こし、2段階の
遷移により、3F4−3H4準位間に反転分布を形成す
る。この手法が有効な理由は、Tmイオンの基底準位吸
収スペクトル及び励起準位吸収スペクトルが、波長約
1.05μmにおいて重なり合うため、波長1.05μ
mの単一の励起光で励起可能なことによる。[0006] In such a fiber amplifier, as shown in FIG.
Ground level absorption ( 3 H 6 → 3 H 5 ) of the ion, followed by non-radiative transition (not shown) and excited state absorption ( 3 H 4
→ 3 F 2 or 3 F 4 → 1 G 4) cause, by a transition of 2 steps, 3 F 4 - to form a population inversion between the 3 H 4 level. The reason why this technique is effective is that the ground level absorption spectrum and the excited level absorption spectrum of Tm ions overlap at a wavelength of about 1.05 μm.
It can be excited by a single excitation light of m.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
Tm添加ファイバ増幅器においては、1.05μm帯励
起を半導体レーザで実現するのは困難である。その理由
は、半導体レーザにおける1.05μm帯のレーザ光の
発振は、研究論文レベルでは報告されているが、実用に
供する出力パワーレベル、例えば、約500mWの横シ
ングルモード出力が実現できる装置は、研究レベル及び
市販品共に、未だ存在しないためである。例えば、「ア
プライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Le
tters)第69巻、第248頁、1996年」に示され
ているように、現状、波長1.06μmの半導体レーザ
出力は、研究論文レベルで200mW程度にとどまって
いる。However, in the above-described Tm-doped fiber amplifier, it is difficult to achieve 1.05 μm band pumping with a semiconductor laser. The reason is that the oscillation of the laser beam in the 1.05 μm band in the semiconductor laser has been reported at the research paper level, but an apparatus capable of realizing an output power level for practical use, for example, a transverse single mode output of about 500 mW, This is because both research level and commercial products do not yet exist. For example, see "Applied Physics Le
tters), Vol. 69, p. 248, 1996 ", at present, the output of a semiconductor laser having a wavelength of 1.06 μm is only about 200 mW at the research paper level.
【0008】こうした理由から、Tm添加ファイバ増幅
器の公知例では、1.05μm帯の励起光源として、例
えばNd:YAG、Nd:YLF、Yb:YAG等のL
D励起固体レーザ及び例えばYb添加ファイバレーザ等
のLD励起ファイバレーザが使用されている。For this reason, in a known example of a Tm-doped fiber amplifier, as a pumping light source in the 1.05 μm band, for example, Ld such as Nd: YAG, Nd: YLF, Yb: YAG, etc.
D-pumped solid-state lasers and LD-pumped fiber lasers such as Yb-doped fiber lasers have been used.
【0009】一方、1.05μm帯以外の励起光源、例
えば、3F4準位を直接励起する0.79μm帯(波長
は0.77〜0.80μm、図12では遷移b)及び3
F2準位を励起する0.67μm帯(波長は0.64〜
0.68μm、図12では遷移c)等の励起は、いずれ
もLD励起可能であるが、例えば「エレクトロニクス・
レターズ(Electronics Letters)第25巻、第166
0頁、1989年」に示されているように、レーザ下準
位(3H4)のイオン数密度が増大し、定常状態で反転
分布を維持できず、高効率動作が不可能である。この理
由は、Tmイオンにおいてはレーザ下準位寿命が約10
msecであり、レーザ上準位寿命(3F4寿命=1.
3msec)より長いためである。このような系は自己
終端系といわれ、このような自己終端系は、希土類元素
においては、Tm以外にも、Er(エルビウム)及びH
o(ホルミウム)等において観測されている。On the other hand, the pumping light source other than 1.05μm band, for example, 3 F 4 level directly excited to 0.79μm band (wavelength 0.77~0.80Myuemu, in FIG. 12 transitions b) and 3
0.67μm band to excite the F 2 level (wavelength 0.64~
The excitation of 0.68 μm, transition c) in FIG. 12, etc. can be LD-excited.
Letters (Electronics Letters) Vol. 25, 166
0 page, as shown in 1989 ", increases the ion number density of laser low level (3 H 4) is not able to maintain a population inversion in the steady state, a high efficiency operation is impossible. This is because the Tm ion has a laser lower level lifetime of about 10
a msec, laser high level life (3 F 4 life = 1.
This is because it is longer than 3 msec). Such a system is called a self-terminating system. Such a self-terminating system includes Er (erbium) and H in addition to Tm in rare earth elements.
o (holmium) and so on.
【0010】自己終端系を形成する希土類元素を用いる
レーザ増幅器及びレーザ発振器においては、高効率動作
のために、イオンを基底準位からレーザ下準位又はそれ
以上の準位まで励起させる役割を担う励起光と、イオン
をレーザ下準位からレーザ上準位へ励起し、反転分布を
形成する役割を担う励起光とが、本質的に必要である。
上述の如く、Tmにおける1.05μm帯の励起光は、
その二つの役割を同時に実現するが、LDによる励起が
不可能である。In a laser amplifier and a laser oscillator using a rare earth element forming a self-terminating system, they play a role of exciting ions from the ground level to the lower level of the laser or higher for high efficiency operation. Excitation light and excitation light that excite ions from the lower laser level to the upper laser level and form a population inversion are essentially required.
As described above, the excitation light in the 1.05 μm band at Tm is:
Although these two roles are realized simultaneously, excitation by LD is impossible.
【0011】以上の例で示したように、自己終端系を形
成するイオンを添加した媒体を利得媒質として用いる場
合は、励起波長が限定されるため、LD励起が困難であ
る。As shown in the above example, when a medium to which ions forming a self-terminating system are added is used as a gain medium, it is difficult to excite an LD because the excitation wavelength is limited.
【0012】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、自己終端系遷移を形成する希土類元素を添
加したレーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装
置並びにレーザ発振器において、半導体レーザによる励
起を可能とし、高効率、小型、長寿命及び高安定動作を
同時に実現することができるレーザ増幅器、レーザ増幅
方法及びレーザ増幅装置並びにレーザ発振器を提供する
ことを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is directed to a laser amplifier, a laser amplification method, a laser amplification apparatus, and a laser oscillator to which a rare earth element which forms a self-terminating system transition is added. It is an object of the present invention to provide a laser amplifier, a laser amplification method, a laser amplification device, and a laser oscillator that can realize high efficiency, small size, long life, and high stability operation at the same time.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ増幅
器は、希土類元素を添加した媒体を利得媒質とし、この
媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、基底準位
よりエネルギが高い2つのエネルギ準位間の誘導放出遷
移を用い、この誘導放出遷移が前記2つのエネルギ準位
のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿命が長い
自己終端系遷移を形成するレーザ増幅器であって、基底
準位から前記レーザ下準位又はそれより上方のエネルギ
準位にイオンを励起する第1の励起光の光源と、前記第
1の励起光の波長とは異なる波長を有し、前記レーザ下
準位から前記レーザ上準位へイオンを励起する第2の励
起光の光源とを備え、前記第1励起光源と前記第2励起
光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザにより構成
されることを特徴とする。According to the laser amplifier of the present invention, a medium to which a rare earth element is added is used as a gain medium, and two of the energy levels of the rare earth ions in the medium whose energy is higher than the ground level. A laser amplifier that uses a stimulated emission transition between energy levels to form a self-terminating system transition in which the stimulated emission transition has a longer laser lower level lifetime than the laser upper level lifetime of the two energy levels. A first excitation light source for exciting ions from a ground level to the laser lower level or an energy level higher than the laser, and a wavelength different from the wavelength of the first excitation light; A second excitation light source for exciting ions from a lower level to an upper level of the laser, and at least one of the first excitation light source and the second excitation light source is configured by a semiconductor laser. Characteristic To.
【0014】本発明のレーザ増幅器は、前記希土類元素
を添加する媒体として、フルオロジルコニウム酸塩ガラ
スを使用することができる。In the laser amplifier of the present invention, fluorozirconate glass can be used as a medium to which the rare earth element is added.
【0015】更に、本発明のレーザ増幅器においては、
一例として、前記希土類イオンがツリウム(Tm3+)
であり、波長が1.53乃至1.90μm、波長が0.
77乃至0.80μm、波長が0.64乃至0.68μ
mの3つの波長領域内のうち、いずれか一つの波長を有
する第1励起光の光源と、波長が1.35乃至1.46
μmの第2励起光の光源とを有する。また、本発明のレ
ーザ増幅器は、媒体が光ファイバ形状であることが好ま
しい。Further, in the laser amplifier of the present invention,
As an example, the rare earth ion is thulium (Tm 3+ )
Having a wavelength of 1.53 to 1.90 μm and a wavelength of 0.1 μm.
77 ~ 0.80μm, wavelength 0.64 ~ 0.68μ
m, a light source of the first pumping light having any one of the three wavelength ranges, and a wavelength of 1.35 to 1.46.
μm of a second excitation light source. Further, in the laser amplifier of the present invention, the medium is preferably in the form of an optical fiber.
【0016】本発明に係るレーザ増幅方法は、前述のレ
ーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器を、直列又は並列
に配列して利得を広帯域化したことを特徴とする。A laser amplification method according to the present invention is characterized in that a plurality of laser amplifiers including the above-described laser amplifier are arranged in series or in parallel to broaden the gain.
【0017】本発明に係るレーザ増幅装置は、前述のレ
ーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器が、直列又は並列
に配列されていることを特徴とする。A laser amplifier according to the present invention is characterized in that a plurality of laser amplifiers including the aforementioned laser amplifier are arranged in series or in parallel.
【0018】本発明に係るレーザ発振器は、希土類元素
を添加した媒体を利得媒質とし、この媒体中の希土類イ
オンのエネルギ準位のうち、基底準位よりエネルギが高
い2つのエネルギ準位間の誘導放出遷移を用い、この誘
導放出遷移が前記2つのエネルギ準位のうちのレーザ上
準位寿命よりレーザ下準位寿命が長い自己終端系遷移を
形成するレーザ発振器であって、基底準位から前記レー
ザ下準位又はそれより上方のエネルギ準位にイオンを励
起する第1の励起光の光源と、前記第1の励起光の波長
とは異なる波長を有し、前記レーザ下準位から前記レー
ザ上準位へイオンを励起する第2の励起光の光源とを備
え、前記第1励起光源と前記第2励起光源のうち、少な
くとも一方は半導体レーザにより構成されていることを
特徴とする。In the laser oscillator according to the present invention, a medium to which a rare earth element is added is used as a gain medium, and an induction between two energy levels having higher energy than the ground level among the energy levels of the rare earth ions in the medium. A laser oscillator that uses an emission transition to form a self-terminated transition in which the stimulated emission transition has a longer laser lower level lifetime than the laser upper level lifetime of the two energy levels, and the base level shifts from the ground level. A first excitation light source for exciting ions to a laser lower level or an energy level higher than the laser, and having a wavelength different from the wavelength of the first excitation light; A second excitation light source for exciting ions to an upper level, wherein at least one of the first excitation light source and the second excitation light source is constituted by a semiconductor laser.
【0019】本発明のレーザ発振器は、前記希土類元素
を添加する媒体として、フルオロジルコニウム酸塩ガラ
スを使用することができる。In the laser oscillator of the present invention, fluorozirconate glass can be used as a medium to which the rare earth element is added.
【0020】更に、本発明のレーザ発振器においては、
一例として、前記希土類イオンがツリウム(Tm3+)
であり、波長が1.53乃至1.90μm、波長が0.
77乃至0.80μm、波長が0.64乃至0.68μ
mの3つの波長領域内のうち、いずれか一つの波長を有
する第1励起光の光源と、波長が1.35乃至1.46
μmの第2励起光の光源とを有する。Further, in the laser oscillator of the present invention,
As an example, the rare earth ion is thulium (Tm 3+ )
Having a wavelength of 1.53 to 1.90 μm and a wavelength of 0.1 μm.
77 ~ 0.80μm, wavelength 0.64 ~ 0.68μ
m, a light source of the first pumping light having any one of the three wavelength ranges, and a wavelength of 1.35 to 1.46.
μm of a second excitation light source.
【0021】本発明においては、自己終端系遷移を形成
する希土類元素を添加したレーザ増幅器及びレーザ発振
器において、二つの適切に選択された波長を有する半導
体レーザ光源を励起光源として使用する。In the present invention, a semiconductor laser light source having two appropriately selected wavelengths is used as an excitation light source in a laser amplifier and a laser oscillator to which a rare earth element forming a self-terminating transition is added.
【0022】先ず、本発明における二つの励起光の作用
について説明する。第1励起光は、イオンを基底準位か
らレーザ下準位又はそれより上方のエネルギレベルへ励
起する。この第1励起光は、イオンを効率良く誘導放出
遷移に関与するエネルギ準位群、即ちレーザ上準位及び
レーザ下準位に励起する役割を有する。ここで、必ずし
も第1励起光は、イオンをレーザ上準位より上方のエネ
ルギ準位まで励起する必要はない。また、第1励起光の
みを照射した場合、エネルギ準位が自己終端系であるた
め、レーザ下準位のイオン数密度が増大し、定常的な反
転分布は形成されない。First, the function of the two excitation lights in the present invention will be described. The first excitation light excites ions from the ground level to an energy level below or above the laser level. The first excitation light has a role to efficiently excite ions to an energy level group involved in stimulated emission transition, that is, an upper laser level and a lower laser level. Here, the first excitation light does not necessarily need to excite ions to an energy level higher than the upper laser level. When only the first pumping light is irradiated, since the energy level is a self-terminating system, the ion number density at the lower level of the laser increases, and a steady population inversion is not formed.
【0023】次に、第2励起光により、イオンを、レー
ザ下準位からレーザ上準位へ励起する。これにより所望
のエネルギ準位間に反転分布を形成し、その誘導放出遷
移におけるレーザ増幅動作を達成する。Next, ions are excited from the lower laser level to the upper laser level by the second excitation light. Thereby, a population inversion is formed between the desired energy levels, and the laser amplification operation in the stimulated emission transition is achieved.
【0024】第1励起光は、レーザ下準位又はそれより
上方のエネルギレベルへの基底準位吸収遷移に整合する
波長を選定すれば良く、単一波長励起の場合に比べ選択
肢が格段に増え、半導体レーザによる励起も可能であ
る。第2励起光は、レーザ上準位とレーザ下準位間のエ
ネルギギャップに相当する波長を選定すれば良い。これ
は注目している誘導放出遷移波長より若干短波長(約
0.02〜0.10μm)の光源を選べば良く、この誘
導放出遷移が半導体レーザで実現できる波長であれば、
第2励起光も半導体レーザで実現できる。As the first pumping light, a wavelength matching the ground level absorption transition to the lower level of the laser or an energy level higher than the laser may be selected, and the number of options is significantly increased as compared with the case of single wavelength pumping. Excitation by a semiconductor laser is also possible. As the second pumping light, a wavelength corresponding to an energy gap between the upper laser level and the lower laser level may be selected. This can be achieved by selecting a light source having a wavelength slightly shorter than the focused stimulated emission transition wavelength (about 0.02 to 0.10 μm). If the stimulated emission transition can be realized by a semiconductor laser,
The second pump light can also be realized by a semiconductor laser.
【0025】また、本発明の励起構成の中で、第1励起
光の波長を基底準位及びレーザ下準位の間のエネルギギ
ャップに相当するように設定した場合に、エネルギ変換
効率、即ちスロープ効率が最大となる。その理由は、通
常、非放射遷移によるエネルギ損失分がエネルギ変換効
率を低下させる主原因となるが、励起光の波長を上述の
ように設定した場合、非放射遷移により失われるエネル
ギ損失分は極めて少なくなるためである。各エネルギ準
位の幅を無視した単純な見積もりを行うと、Tm添加フ
ァイバ増幅器における1.05μm励起の場合、ファイ
バ増幅器のスロープ効率の理論最大値ηsは、ηs=
1.05/1.46/2=36%である。しかし、第1
励起光の波長を1.56μmとし、第2励起光の波長を
1.46μmとした場合、スロープ効率は50%に達す
る。レーザ発振器の場合はより顕著であり、閾値の5倍
程度の励起パワーにおける理論スロープ効率は、1.0
5μm励起の場合はηs=73%であるが、1.42μ
m励起+1.56μm励起の場合はηs=97%にも達
する。従って、本発明において、レーザ装置の高い動作
効率を提供することも可能である。In the pump configuration of the present invention, when the wavelength of the first pump light is set to correspond to the energy gap between the ground level and the laser lower level, the energy conversion efficiency, ie, the slope, Efficiency is maximized. The reason is that the energy loss due to the non-radiative transition is usually the main cause of lowering the energy conversion efficiency. However, when the wavelength of the pump light is set as described above, the energy loss due to the non-radiative transition is extremely small. It is because it becomes less. A simple estimate ignoring the width of each energy level shows that for a 1.05 μm pump in a Tm-doped fiber amplifier, the theoretical maximum ηs of the slope efficiency of the fiber amplifier is ηs =
1.05 / 1.46 / 2 = 36%. But the first
When the wavelength of the excitation light is 1.56 μm and the wavelength of the second excitation light is 1.46 μm, the slope efficiency reaches 50%. This is more pronounced in the case of a laser oscillator, and the theoretical slope efficiency at an excitation power of about 5 times the threshold is 1.0
In the case of 5 μm excitation, ηs = 73%, but 1.42 μm.
In the case of m excitation + 1.56 μm excitation, ηs = 97%. Therefore, in the present invention, it is also possible to provide high operation efficiency of the laser device.
【0026】次に、利得媒質について説明する。ここで
は、利得媒質中に添加する希土類元素として、Tmを例
にとり本発明を説明するが、本発明で使用できる希土類
元素は、基底準位よりエネルギの高い2つのエネルギ準
位をレーザ上準位及びレーザ下準位としてこの2準位間
の誘導放出遷移を用いることができ、この2準位が自己
終端系遷移をなしており、イオンの有するエネルギ準位
を考慮して現存する半導体レーザ波長に整合する第1励
起光及び第2励起光のうち少なくとも一方を選択するこ
とができるものであればよく、Tmに限定されるもので
はない。Next, the gain medium will be described. Here, the present invention will be described by taking Tm as an example of the rare earth element added to the gain medium. However, the rare earth element that can be used in the present invention is a laser upper level having two energy levels higher than the ground level. In addition, the stimulated emission transition between these two levels can be used as the lower level of the laser. The two levels form a self-terminating transition, and the existing semiconductor laser wavelength is considered in consideration of the energy level of ions. It is only required that at least one of the first pumping light and the second pumping light matching the above can be selected, and is not limited to Tm.
【0027】希土類元素を添加する媒体は、通常の固体
レーザ又はファイバレーザの媒体として用いられるもの
であればよいが、一般的にはガラス質である。例えば、
石英、リン酸ガラス、ホウ酸ガラス、ゲルマニウムガラ
ス、テルライトガラス又はフルオロジルコニウム酸塩ガ
ラス等を挙げることができる。この中でも、フルオロジ
ルコニウム酸塩ガラスは最もフォノンエネルギが低く、
狭いエネルギ差の遷移でも非放射遷移せず、放射遷移に
より光としてエネルギを取り出すことができるので好ま
しい。また、媒体をファイバ形状とすると、長さにより
利得を稼ぐことができるので、媒体形状としてはファイ
バ形状が望ましい。The medium to which the rare earth element is added may be any medium that is used as a medium for ordinary solid-state lasers or fiber lasers, but is generally vitreous. For example,
Examples thereof include quartz, phosphate glass, borate glass, germanium glass, tellurite glass, and fluorozirconate glass. Among them, fluorozirconate glass has the lowest phonon energy,
Even a transition with a narrow energy difference does not cause non-radiative transition, and energy can be extracted as light by radiative transition, which is preferable. Further, when the medium is in the form of a fiber, a gain can be obtained depending on the length. Therefore, the medium is preferably in the form of a fiber.
【0028】このように、本発明によるレーザ増幅器に
おいては、第1及び第2の励起光を発振する2つの光源
を有することにより、半導体レーザ励起が可能となる。
そのため、固体レーザ又はファイバレーザ等の光源を、
励起光源として用いることに起因する問題を排除すると
ともに、高効率を実現することができる。また、本発明
は、レーザ増幅器の他、通常の共振器構造を付加するこ
とでレーザ発振器として構成することができる。更に、
複数の前記レーザ増幅器を直列又は並列に接続すること
により、利得を広帯域化したレーザ増幅装置を構成する
ことができる。As described above, the laser amplifier according to the present invention has two light sources that oscillate the first and second pump lights, so that the semiconductor laser can be pumped.
Therefore, a light source such as a solid-state laser or fiber laser,
It is possible to eliminate problems caused by using the light source as an excitation light source and to realize high efficiency. The present invention can be configured as a laser oscillator by adding a normal resonator structure in addition to the laser amplifier. Furthermore,
By connecting a plurality of the laser amplifiers in series or in parallel, it is possible to configure a laser amplifying device having a widened gain.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の
第1の実施例について説明する。本実施例では、ツリウ
ム(Tm)を添加したフッ化物ファイバを増幅ファイバ
とし、放出光遷移として、3F4→3H4遷移(1.4
7μm帯)に着目する。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a fluoride fiber doped with thulium (Tm) and amplifying fiber, as emitted light transition, 3 F 4 → 3 H 4 transition (1.4
(7 μm band).
【0030】図1は、本実施例に係るレーザ増幅器の励
起方法を示すエネルギ準位図である。図1に示すよう
に、第1励起光の波長は、(1)レーザ下準位
(3H4)励起波長:1.53〜1.90μm(遷移
a)、(2)3H5準位励起波長:1.10〜1.25
μm(図示せず)、(3)3F4準位励起波長:0.7
7〜0.80μm(遷移b)、(4)3F2準位励起波
長:0.64〜0.68μm(遷移c)等の選択肢があ
り、この中で半導体レーザ励起が可能なものは(1)、
(3)及び(4)である。第2励起光の波長は、3H4
→3F4励起準位吸収に合致する1.35〜1.46μ
mの波長範囲であれば良く、半導体レーザで実現可能で
ある。FIG. 1 is an energy level diagram showing a pumping method of the laser amplifier according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the wavelength of the first pumping light is (1) laser lower level ( 3 H 4 ) pumping wavelength: 1.53 to 1.90 μm (transition a), (2) 3 H 5 level Excitation wavelength: 1.10-1.25
μm (not shown), (3) 3 F 4 level excitation wavelength: 0.7
There are options such as 7 to 0.80 μm (transition b) and (4) 3 F 2 level excitation wavelength: 0.64 to 0.68 μm (transition c). 1),
(3) and (4). The wavelength of the second excitation light is 3 H 4
→ 3 F 4 1.35~1.46μ that match the excitation level absorption
It is sufficient if the wavelength is within the wavelength range of m and can be realized by a semiconductor laser.
【0031】例えば、遷移aの場合、第1励起光の波長
は基底準位と3H4準位間とのエネルギギャップに相当
するフォトンエネルギを持つように設定すれば良い。こ
の基底準位吸収遷移は波長が1.65μmの位置にピー
クを持ち、波長が1.53μmから1.90μmまでの
範囲に裾野を有する。本実施例では、第1励起光源を波
長が1.56μm、最大出力が100mWの半導体レー
ザとする。この理由は、縦マルチモード半導体レーザの
作製が容易であることと、本波長における光カプラ又は
アイソレータ等の受動部品が既に開発されており、導入
に支障が無いことである。但し、上記波長範囲内であれ
ば、本質的には同様の動作が可能である。For example, in the case of transition a, the wavelength of the first pumping light may be set to have a photon energy corresponding to the energy gap between the ground level and the 3 H 4 level. This ground level absorption transition has a peak at a wavelength of 1.65 μm, and has a tail in a wavelength range of 1.53 μm to 1.90 μm. In this embodiment, the first excitation light source is a semiconductor laser having a wavelength of 1.56 μm and a maximum output of 100 mW. The reason for this is that it is easy to manufacture a vertical multi-mode semiconductor laser, and passive components such as an optical coupler or an isolator at this wavelength have already been developed and there is no hindrance to introduction. However, within the above wavelength range, essentially the same operation is possible.
【0032】また、第2励起光の波長は、レーザ下準位
3H4とレーザ上準位3F4との間のエネルギギャップ
に相当する波長を選択する。この遷移は励起準位吸収と
呼ばれ、波長の詳細なデータは従来、公知にされていな
いため、本発明者等が測定した。その結果、波長1.4
1μm近傍にピークを有し、1.35〜1.46μmの
範囲に広がる励起準位吸収スペクトルが得られた。この
波長範囲内で第2励起光の波長を選択すれば良い。上記
波長帯域の半導体レーザの作製は容易である。本実施例
では、第2励起光源として、波長が励起準位吸収のピー
ク近傍である1.42μm、最大出力が100mWの縦
マルチモードLDを使用する。The wavelength of the second pump light is lower than the laser lower level.
A wavelength corresponding to the energy gap between 3 H 4 and the upper laser level 3 F 4 is selected. This transition is called excitation level absorption, and detailed data of the wavelength has not been publicly known, and thus the present inventors measured it. As a result, the wavelength of 1.4
An excitation level absorption spectrum having a peak near 1 μm and extending in the range of 1.35 to 1.46 μm was obtained. The wavelength of the second pumping light may be selected within this wavelength range. Fabrication of a semiconductor laser in the above wavelength band is easy. In the present embodiment, a vertical multi-mode LD having a wavelength of 1.42 μm near the peak of the excitation level absorption and a maximum output of 100 mW is used as the second excitation light source.
【0033】図2は本実施例に係るレーザ増幅器の構成
を示すブロック図である。増幅ファイバ1は、フルオロ
ジルコニウム酸塩ガラスを母材とし、ツリウム濃度が2
000ppm、コア径が2.0μm、ファイバ長が20
mである。増幅ファイバ1の入力側には、波長多重カプ
ラ3及び7が配置されている。波長多重カプラ3及び7
は、夫々、第1励起光源2及び第2励起光源6に接続さ
れている。波長多重カプラ7の更に入力側の信号入力ポ
ートにはアイソレータ4が、増幅ファイバ1の出力ポー
トにはアイソレータ5が夫々配置されている。なお、図
2において、アイソレータ4及び5内に示されている矢
印は、アイソレータ4及び5における光の通過可能方向
を示す。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the laser amplifier according to this embodiment. The amplification fiber 1 is based on fluorozirconate glass and has a thulium concentration of 2
000 ppm, core diameter 2.0 μm, fiber length 20
m. On the input side of the amplification fiber 1, wavelength multiplex couplers 3 and 7 are arranged. WDM couplers 3 and 7
Are connected to the first excitation light source 2 and the second excitation light source 6, respectively. An isolator 4 is disposed at a signal input port on the input side of the wavelength multiplexing coupler 7, and an isolator 5 is disposed at an output port of the amplification fiber 1. In FIG. 2, arrows shown in the isolators 4 and 5 indicate directions in which light can pass through the isolators 4 and 5.
【0034】次に、本実施例に係るレーザ増幅器の動作
について説明する。増幅前の信号光8は、信号入力ポー
トのアイソレータ4を通過した後、波長多重カプラ7及
び3を通過し、増幅ファイバ1に導入される。一方、第
1励起光源2及び第2励起光源6から出力した励起光
は、夫々波長多重カプラ3及び7を介して増幅ファイバ
1に導入される。信号光8は、増幅ファイバ1内で増幅
され、アイソレータ5を通過した後、増幅信号9として
出力される。アイソレータ4及びアイソレータ5は、戻
り光による望ましくないレーザ発振を抑制する。Next, the operation of the laser amplifier according to this embodiment will be described. The signal light 8 before amplification passes through the isolator 4 of the signal input port, passes through the wavelength multiplexing couplers 7 and 3, and is introduced into the amplification fiber 1. On the other hand, the pumping lights output from the first pumping light source 2 and the second pumping light source 6 are introduced into the amplification fiber 1 via the wavelength multiplexing couplers 3 and 7, respectively. The signal light 8 is amplified in the amplification fiber 1, passes through the isolator 5, and is output as an amplified signal 9. The isolator 4 and the isolator 5 suppress unwanted laser oscillation due to return light.
【0035】図3は図2のレーザ増幅器におけるASE
スペクトルを示すグラフ図である。図3に示すように、
第1励起光(ピーク15)を入射せず、第2励起光(ピ
ーク13)のみを入射した場合は、1.470μm近辺
にASEは発生していない(スペクトル10)。しか
し、第1励起光及び第2励起光がいずれも入射した場合
は、スペクトル12が得られる。スペクトル12は、波
長1.470μmにピーク14を持つ。ピーク14は
1.450μmから1.490μmまで広がっており、
従って、1.05μm単一波長励起の場合のASEスペ
クトル(図13参照)と同様のASE帯域が得られた。FIG. 3 shows the ASE in the laser amplifier of FIG.
It is a graph which shows a spectrum. As shown in FIG.
When the first excitation light (peak 15) was not incident and only the second excitation light (peak 13) was incident, no ASE occurred around 1.470 μm (spectrum 10). However, when both the first excitation light and the second excitation light are incident, a spectrum 12 is obtained. The spectrum 12 has a peak 14 at a wavelength of 1.470 μm. Peak 14 extends from 1.450 μm to 1.490 μm,
Therefore, an ASE band similar to the ASE spectrum in the case of 1.05 μm single wavelength excitation (see FIG. 13) was obtained.
【0036】また、第1励起光及び/又は第2励起光の
出力の調整により、ASEスペクトルの制御が可能であ
る。第1励起光の出力を20mW、第2励起光の出力を
10mWとするとき、スペクトル11が得られる。ピー
ク位置は1.485μmとなり、スペクトル12に比べ
て長波長側にシフトする。この理由は以下のように説明
できる。第1励起光による遷移強度が、第2励起光によ
る遷移強度に比して強い場合、レーザ下準位3H4のイ
オン数が増加し、ファイバ中の反転分布率が低下する。
このためASEスペクトルは長波長側にシフトする。こ
れは、3H4準位を仮想的な基底準位と見なした場合、
エルビウム添加ファイバ増幅器において反転分布率の減
少が利得帯域の長波シフトを招く現象と同じメカニズム
である(例えば、特願平11−156745号参照)。
また、図2では、励起光は装置の入力側から入射してい
るが、本発明の効果は、励起光の入射方向によらないこ
とが確認されている。The ASE spectrum can be controlled by adjusting the output of the first pumping light and / or the second pumping light. When the output of the first pumping light is 20 mW and the output of the second pumping light is 10 mW, spectrum 11 is obtained. The peak position is 1.485 μm, which is shifted to a longer wavelength side compared to the spectrum 12. The reason can be explained as follows. When the transition intensity due to the first excitation light is stronger than the transition intensity due to the second excitation light, the number of ions in the lower laser level 3 H 4 increases, and the population inversion ratio in the fiber decreases.
Therefore, the ASE spectrum shifts to the longer wavelength side. This is because if we consider the 3 H 4 level as a virtual ground level,
In the erbium-doped fiber amplifier, the mechanism is the same as the phenomenon in which the decrease in the population inversion ratio causes a long-wave shift in the gain band (eg, see Japanese Patent Application No. 11-156745).
In FIG. 2, the excitation light is incident from the input side of the device, but it has been confirmed that the effect of the present invention does not depend on the incident direction of the excitation light.
【0037】図4は本実施例のレーザ増幅器における利
得の信号波長依存性の測定結果を示すグラフ図である。
この測定においては、波長可変半導体レーザを信号光源
とし、波長を1.44μmから1.55μmまで変化さ
せる。出力は−30dBmとする。また、飽和信号の波
長を1.500μm、出力を−10dBmとする。その
結果、信号波長1.470μmにおいて最大利得約30
dB、雑音指数5dB程度が得られる(黒丸)。このと
き、第1励起光出力は50mW、第2励起光出力は70
mWである。1.05μm励起の場合、同程度の利得を
得るためには、200mWから300mWの励起出力が
必要であるのに対し、より高効率であることが分かる。
第1励起光の出力を100mW、第2励起光の出力を7
0mWとすると、ASEスペクトルの長波シフトと同様
に利得の長波長シフト(白丸)が実現できる。この場
合、最大利得は低下するが、これはファイバの長尺化に
より補償できる。FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the signal wavelength dependence of the gain in the laser amplifier of this embodiment.
In this measurement, a wavelength variable semiconductor laser is used as a signal light source, and the wavelength is changed from 1.44 μm to 1.55 μm. The output is -30 dBm. The wavelength of the saturation signal is 1.500 μm, and the output is −10 dBm. As a result, the maximum gain is about 30 at a signal wavelength of 1.470 μm.
dB and a noise figure of about 5 dB are obtained (black circles). At this time, the first pumping light output is 50 mW, and the second pumping light output is 70 mW.
mW. In the case of 1.05 μm pumping, it can be seen that pumping power of 200 mW to 300 mW is required to obtain the same level of gain, but higher efficiency is obtained.
The output of the first pumping light is 100 mW, and the output of the second pumping light is 7
When it is set to 0 mW, a long wavelength shift (open circle) of the gain can be realized in the same manner as the long wavelength shift of the ASE spectrum. In this case, the maximum gain decreases, but this can be compensated for by increasing the length of the fiber.
【0038】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。図5は本発明の第2の実施例におけるレーザ発振
器の構成を示すブロック図である。増幅ファイバ1、第
1励起光源2及び第2励起光源6は、第1の実施例と同
一であり、図5において、前記第1実施例と同一の構成
物には同一符号を付してある。増幅ファイバ1の入力側
に、第1励起光波長及び第2励起光波長に対して無反
射、発振波長帯(1.47μm)に対して全反射するリ
アミラー20を設置し、増幅ファイバ1の出力側には、
発振波長帯に対して部分反射する出力ミラー16が設け
られている。リアミラー20の入力側には、第1励起光
を透過し第2励起光を反射するダイクロイックミラー2
1が配置され、更に入力側には、レンズ17及び第1励
起光源2が設けられている。リアミラー20,ダイクロ
イックミラー21、レンズ17及び第1励起光源2は、
同一直線上に配置されている。また、ダイクロイックミ
ラー21の入力側には、レンズ18及び第2励起光源6
も設けられている。レンズ18及び第2励起光源6は、
第2励起光源から出力された第2励起光が、レンズ18
を通過し、ダイクロイックミラー21で反射して、リア
ミラー20を介して増幅ファイバ1に入射する位置に配
置されている。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the laser oscillator according to the second embodiment of the present invention. The amplification fiber 1, the first pumping light source 2, and the second pumping light source 6 are the same as those in the first embodiment. In FIG. 5, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. . On the input side of the amplification fiber 1, a rear mirror 20 that is non-reflective for the first excitation light wavelength and the second excitation light wavelength and totally reflected for an oscillation wavelength band (1.47 μm) is installed. On the side,
An output mirror 16 that partially reflects light in the oscillation wavelength band is provided. A dichroic mirror 2 that transmits the first excitation light and reflects the second excitation light is provided on the input side of the rear mirror 20.
1, a lens 17 and a first excitation light source 2 are provided on the input side. The rear mirror 20, the dichroic mirror 21, the lens 17, and the first excitation light source 2
They are arranged on the same straight line. The input side of the dichroic mirror 21 is provided with the lens 18 and the second excitation light source 6.
Is also provided. The lens 18 and the second excitation light source 6
The second excitation light output from the second excitation light source is
, Is reflected by the dichroic mirror 21, and is incident on the amplification fiber 1 via the rear mirror 20.
【0039】次に、本実施例に係るレーザ発振器の動作
について説明する。第1励起光源2から出力された第1
励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ17、
ダイクロイックミラー21及びリアミラー20を介して
増幅ファイバ1に入射する。また、第2励起光源6から
出力された第2励起光は、一旦自由空間に放射された
後、レンズ18、ダイクロイックミラー21及びリアミ
ラー20を介して増幅ファイバ1に入射する。増幅ファ
イバ1内で、波長1.47μmのレーザが発振及び増幅
され、出力ミラー16より出力する。Next, the operation of the laser oscillator according to this embodiment will be described. The first output from the first excitation light source 2
The excitation light is once emitted into free space,
The light enters the amplification fiber 1 via the dichroic mirror 21 and the rear mirror 20. The second pumping light output from the second pumping light source 6 is once radiated into free space, and then enters the amplifying fiber 1 via the lens 18, the dichroic mirror 21, and the rear mirror 20. A laser having a wavelength of 1.47 μm is oscillated and amplified in the amplification fiber 1, and is output from the output mirror 16.
【0040】図6は、本実施例におけるレーザ発振スペ
クトルを示すグラフ図である。本実施例のレーザ発振器
により、励起パワーが170mWのとき、波長が1.4
7μm、最大出力が50mWのレーザ発振を得ることが
できる。スロープ効率は35%、光/光変換効率は30
%である。ファイバ長の最適化により更に出力を増大さ
せることも可能である。また、第1励起光源の波長を
0.79μm(図1に示す遷移b)又は0.68μm
(図1に示す遷移c)とした場合でも、同様の利得特性
を得ることができる。FIG. 6 is a graph showing a laser oscillation spectrum in this embodiment. With the laser oscillator of the present embodiment, when the pumping power is 170 mW, the wavelength is 1.4.
Laser oscillation of 7 μm and maximum output of 50 mW can be obtained. Slope efficiency is 35%, light / light conversion efficiency is 30
%. The output can be further increased by optimizing the fiber length. Further, the wavelength of the first excitation light source is set to 0.79 μm (transition b shown in FIG. 1) or 0.68 μm.
(Transition c shown in FIG. 1) can obtain the same gain characteristics.
【0041】次に、本発明の第3の実施例に係る波長可
変ツリウム添加ファイバレーザ発振器について説明す
る。図7は本実施例の波長可変ツリウム添加ファイバレ
ーザ発振器の構成を示すブロック図である。増幅ファイ
バ1、第1励起光源2及び第2励起光源6は、第1及び
第2の実施例と同一であり、図7において、前記第2の
実施例と同一の構成物には同一符号を付してある。増幅
ファイバ1より入力側の構成は、第2の実施例と同じで
ある。この第3の実施例においては、増幅ファイバ1の
出力端側に、コリメートレンズ23及び回折格子22が
設けられている。Next, a tunable thulium-doped fiber laser oscillator according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the wavelength-tunable thulium-doped fiber laser oscillator of the present embodiment. The amplification fiber 1, the first pumping light source 2, and the second pumping light source 6 are the same as those in the first and second embodiments. In FIG. 7, the same components as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals. It is attached. The configuration on the input side of the amplification fiber 1 is the same as in the second embodiment. In the third embodiment, a collimator lens 23 and a diffraction grating 22 are provided on the output end side of the amplification fiber 1.
【0042】次に、この第3の実施例の動作について説
明する。第1励起光源2から出力された第1励起光は、
一旦自由空間に放射された後、レンズ17、ダイクロイ
ックミラー21及びリアミラー20を介して増幅ファイ
バ1に入射する。また、第2励起光源6から出力された
第2励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ1
8、ダイクロイックミラー21及びリアミラー20を介
して増幅ファイバ1に入射する。増幅ファイバ1内で、
波長1.47μmのレーザが発振及び増幅され、コリメ
ートレンズ23により平行化され、回折格子22におい
て回折されてファイバレーザ発振光19として出力され
る。Next, the operation of the third embodiment will be described. The first excitation light output from the first excitation light source 2 is:
After being once radiated into free space, it is incident on the amplification fiber 1 via the lens 17, the dichroic mirror 21 and the rear mirror 20. The second excitation light output from the second excitation light source 6 is once radiated into free space,
8. The light enters the amplification fiber 1 via the dichroic mirror 21 and the rear mirror 20. In the amplification fiber 1,
A laser having a wavelength of 1.47 μm is oscillated and amplified, collimated by a collimating lens 23, diffracted by a diffraction grating 22, and output as fiber laser oscillation light 19.
【0043】図8は、本実施例におけるレーザ波長同調
発振スペクトルを示すグラフ図である。本実施例におい
ては、波長1.46μmから1.48μmの範囲の任意
の波長のレーザ発振を実現できる。波長が1.47μ
m、最大出力が10mWのレーザ発振を、励起パワー1
70mWで得ることができる。FIG. 8 is a graph showing a laser wavelength tuning oscillation spectrum in this embodiment. In this embodiment, laser oscillation of any wavelength in the range of 1.46 μm to 1.48 μm can be realized. 1.47μ wavelength
m, laser oscillation with a maximum output of 10 mW, excitation power 1
It can be obtained at 70 mW.
【0044】次に、本発明の第4の実施例について説明
する。図9は本実施例のレーザ増幅装置の構成を示すブ
ロック図である。本実施例に係るレーザ増幅装置は、前
記第1の実施例に係るレーザ増幅器(図2参照)を2台
直列に接続することにより構成されている。これによ
り、Tm添加ファイバを長尺化し、Tm添加ファイバ増
幅器の利得帯域を通常の1.47μm帯より1.49μ
m帯へと長波側へシフトしている。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a block diagram illustrating the configuration of the laser amplification device according to the present embodiment. The laser amplifying device according to the present embodiment is configured by connecting two laser amplifiers (see FIG. 2) according to the first embodiment in series. As a result, the length of the Tm-doped fiber is increased, and the gain band of the Tm-doped fiber amplifier is increased by 1.49 μm from the normal 1.47 μm band.
It has shifted to the long wave side to the m band.
【0045】図9に示すレーザ増幅装置においては、2
台のレーザ増幅器24a及び24bを直列に配列し、2
段構成となっている。レーザ増幅器24aはレーザ増幅
器24bに対して入力側に配置している。増幅ファイバ
1a及び1bは、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを母
材とし、ツリウム濃度が2000ppm、コア径が2.
0μm、ファイバ長が20mの光ファイバである。本実
施例のレーザ増幅装置においては、増幅ファイバ1a及
び1bを直列に接続することにより、ファイバ長が合計
で40mとなっている。In the laser amplifying device shown in FIG.
Laser amplifiers 24a and 24b are arranged in series,
It has a step configuration. The laser amplifier 24a is arranged on the input side with respect to the laser amplifier 24b. The amplification fibers 1a and 1b are made of fluorozirconate glass as a base material, have a thulium concentration of 2000 ppm, and have a core diameter of 2.
The optical fiber is 0 μm and has a fiber length of 20 m. In the laser amplifying apparatus of the present embodiment, the total fiber length is 40 m by connecting the amplification fibers 1a and 1b in series.
【0046】レーザ増幅器24aにおいては、増幅ファ
イバ1aが設けられ、増幅ファイバ1aの入力側には、
波長多重カプラ3a及び7aが設けられている。波長多
重カプラ3a及び7aは、夫々、第1励起光源2a及び
第2励起光源6aに接続されている。波長多重カプラ7
aの更に入力側の信号入力ポートにはアイソレータ4が
設けられ、増幅ファイバ1の出力ポートにはアイソレー
タ5aが設けられている。アイソレータ5aの出力側に
はレーザ増幅器24bが接続されている。また、第1励
起光源2a及び第2励起光源6aは、夫々第1励起光及
び第2励起光を入力側から増幅ファイバ1aに導入する
ものである。In the laser amplifier 24a, an amplification fiber 1a is provided, and on the input side of the amplification fiber 1a,
Wavelength multiplexing couplers 3a and 7a are provided. The wavelength multiplex couplers 3a and 7a are connected to the first pump light source 2a and the second pump light source 6a, respectively. Wavelength multiplex coupler 7
Further, an isolator 4 is provided at a signal input port on the input side of “a”, and an isolator 5a is provided at an output port of the amplification fiber 1. A laser amplifier 24b is connected to the output side of the isolator 5a. The first pumping light source 2a and the second pumping light source 6a introduce the first pumping light and the second pumping light from the input side into the amplification fiber 1a, respectively.
【0047】レーザ増幅器24bにおいては、入力側か
ら順に波長多重カプラ7b及び3b、増幅ファイバ1
b、波長多重カプラ7c及びアイソレータ5bが設けら
れ、直列に接続されている。波長多重カプラ7b及び3
bには夫々第2励起光源6b及び第1励起光源2bが接
続され、波長多重カプラ7cには第2励起光源6cが接
続されている。第1励起光源2b及び第2励起光源6b
は夫々第1励起光及び第2励起光を入力側から増幅ファ
イバ1bに導入するものであり、第2励起光源6cは後
方励起光源として第2励起光を出力側から増幅ファイバ
1bに導入するものである。第1励起光源2a及び2b
は前記第1の実施例における第1励起光源2と同じもの
であり、第2励起光源6a乃至6cは、前記第1の実施
例における第2励起光源6と同じものである。アイソレ
ータ4、5a及び5bは、戻り光による望ましくないレ
ーザ発振を抑制するものである。なお、図9においてア
イソレータ4、5a及び5b内に示されている矢印は、
アイソレータ4、5a及び5bにおける光の通過可能方
向を示す。In the laser amplifier 24b, the wavelength multiplexing couplers 7b and 3b and the amplifying fiber 1
b, a wavelength division multiplexing coupler 7c and an isolator 5b are provided and connected in series. Wavelength multiplexing couplers 7b and 3
The second pumping light source 6b and the first pumping light source 2b are connected to b, respectively, and the second pumping light source 6c is connected to the wavelength multiplexing coupler 7c. First excitation light source 2b and second excitation light source 6b
The first pump light and the second pump light are introduced into the amplification fiber 1b from the input side, respectively, and the second pump light source 6c is a backward pump light source that introduces the second pump light into the amplification fiber 1b from the output side. It is. First excitation light sources 2a and 2b
Are the same as the first pumping light source 2 in the first embodiment, and the second pumping light sources 6a to 6c are the same as the second pumping light source 6 in the first embodiment. The isolators 4, 5a, and 5b suppress unwanted laser oscillation due to return light. The arrows shown in the isolators 4, 5a, and 5b in FIG.
The direction in which light can pass through the isolators 4, 5a and 5b is shown.
【0048】次に、本実施例のレーザ増幅装置の動作に
ついて説明する。図9に示すように、増幅前の信号光8
は、レーザ増幅器24aに入力され、アイソレータ4を
通過した後、波長多重カプラ7a及び3aを通過し、増
幅ファイバ1aに導入される。一方、第2励起光源6a
及び第1励起光源2aから出力された励起光は、夫々波
長多重カプラ7a及び3aを介して増幅ファイバ1aに
導入される。信号光8は、増幅ファイバ1a内で増幅さ
れた後、アイソレータ5aを通過し、レーザ増幅器24
bに対して出力される。Next, the operation of the laser amplifying device of this embodiment will be described. As shown in FIG. 9, the signal light 8 before amplification is
Is input to the laser amplifier 24a, passes through the isolator 4, passes through the wavelength multiplexing couplers 7a and 3a, and is introduced into the amplification fiber 1a. On the other hand, the second excitation light source 6a
The pumping light output from the first pumping light source 2a is introduced into the amplification fiber 1a via the wavelength multiplexing couplers 7a and 3a, respectively. After being amplified in the amplification fiber 1a, the signal light 8 passes through the isolator 5a, and
b.
【0049】レーザ増幅器24aから出力された光は、
レーザ増幅器24bにおいて、波長多重カプラ7b及び
3bを通過し、増幅ファイバ1bに導入される。一方、
第2励起光源6b及び第1励起光源2bから出力された
励起光は、夫々波長多重カプラ7b及び3bを介して増
幅ファイバ1bに導入される。また、第2励起光源6c
から出力された励起光は、波長多重カプラ7cを介して
増幅ファイバ1cに導入される。前述のレーザ増幅器2
4aから出力された光は、増幅ファイバ1b内で増幅さ
れ、アイソレータ5bを通過し、増幅信号9として出力
される。The light output from the laser amplifier 24a is
In the laser amplifier 24b, the light passes through the wavelength multiplexing couplers 7b and 3b and is introduced into the amplification fiber 1b. on the other hand,
The pumping light output from the second pumping light source 6b and the first pumping light source 2b is introduced into the amplification fiber 1b via the wavelength multiplexing couplers 7b and 3b, respectively. Further, the second excitation light source 6c
The pumping light output from is supplied to the amplification fiber 1c via the wavelength multiplexing coupler 7c. The aforementioned laser amplifier 2
The light output from 4a is amplified in the amplification fiber 1b, passes through the isolator 5b, and is output as an amplified signal 9.
【0050】図10は、図9に示すレーザ増幅装置にお
ける増幅信号9の利得及び雑音指数の波長依存性の測定
結果を示すグラフ図である。この測定においては、飽和
信号として波長が1.476μm乃至1.509μmの
範囲に等間隔に配置された16の波からなる波長多重信
号と、小信号として出力が−20dBmの波長可変半導
体レーザ光とを合わせてレーザ増幅装置に入力する。前
記波長多重信号は、各波の出力が−15dBm/ch、
全入力信号合計出力が−3dBmである。このとき、第
1励起光源2aの出力は12mW、第1励起光源2bの
出力は1.1mW、第2励起光源6aの出力は93m
W、第2励起光源6bの出力は107mW、第2励起光
源6cの出力は267mWである。また、利得及び雑音
指数は前記小信号の波長を変えて測定する。測定の結
果、信号波長が1.490μmのとき利得の最大値が得
られ、このとき、利得が約26dB、雑音指数が約6.
5dBとなる。また、波長が1.477乃至1.507
μmの範囲にあるとき、20dB以上の利得を得ること
ができる。FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the wavelength dependence of the gain and noise figure of the amplified signal 9 in the laser amplifier shown in FIG. In this measurement, a wavelength-division multiplexed signal composed of 16 waves arranged at equal intervals in the wavelength range of 1.476 μm to 1.509 μm as a saturation signal, and a wavelength-variable semiconductor laser light having an output of −20 dBm as a small signal. And input to the laser amplifier. The wavelength multiplexed signal has an output of each wave of -15 dBm / ch,
The total output of all input signals is -3 dBm. At this time, the output of the first excitation light source 2a is 12 mW, the output of the first excitation light source 2b is 1.1 mW, and the output of the second excitation light source 6a is 93 mW.
W, the output of the second excitation light source 6b is 107 mW, and the output of the second excitation light source 6c is 267 mW. The gain and the noise figure are measured by changing the wavelength of the small signal. As a result of the measurement, the maximum value of the gain was obtained when the signal wavelength was 1.490 μm. At this time, the gain was about 26 dB and the noise figure was about 6.
It becomes 5 dB. The wavelength is 1.477 to 1.507.
When in the range of μm, a gain of 20 dB or more can be obtained.
【0051】図11は、本実施例のレーザ増幅装置の出
力及び光変換効率の全励起パワー依存性を示すグラフ図
である。全励起パワーとは第1励起光源2a及び2b並
びに第2励起光源6a、6b及び6cの各出力の和であ
る。光変換効率は、レーザ増幅装置の出力を全励起パワ
ーで除した値である。このとき、レーザ増幅装置の出
力、光変換効率は共に全励起パワーに対して単調増加
し、全励起パワーが最大のときに最大値をとる。このと
き、光変換効率は最大29%に達する。この値は、1.
05μm励起を行う場合と比較して高効率である。FIG. 11 is a graph showing the dependence of the output and the optical conversion efficiency of the laser amplifying device of this embodiment on the total pump power. The total pump power is the sum of the respective outputs of the first pump light sources 2a and 2b and the second pump light sources 6a, 6b and 6c. The light conversion efficiency is a value obtained by dividing the output of the laser amplifier by the total pump power. At this time, both the output and the optical conversion efficiency of the laser amplifying device monotonically increase with respect to the total pump power, and reach the maximum value when the total pump power is maximum. At this time, the light conversion efficiency reaches a maximum of 29%. This value is 1.
The efficiency is higher than in the case where excitation is performed at 05 μm.
【0052】なお、本発明は、所望の誘導放出遷移を実
現し得る希土類イオン並びに第1励起光源の波長及び強
度並びに第2励起光源の波長及び強度を適切に選択する
ことで、前述のTmイオン中の他の励起準位間遷移及び
他の希土類イオンに対しても有効である。The present invention provides the above-described Tm ion by appropriately selecting the rare-earth ion and the wavelength and intensity of the first excitation light source and the wavelength and intensity of the second excitation light source which can realize a desired stimulated emission transition. It is also effective for other transitions between excited levels and other rare earth ions.
【0053】[0053]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
自己終端系を形成するイオンを添加したレーザ増幅器、
レーザ増幅装置及びレーザ発振器において、半導体レー
ザ励起を可能とすることができ、高効率、小型、長寿命
及び高安定のレーザ増幅器、レーザ増幅装置及びレーザ
発振器を得ることができる。更に、本発明によれば、利
得ピーク波長を長波長シフトしたレーザ増幅器及び発振
波長を長波長シフトしたレーザ発振器を実現できる。こ
のため、利得ピークをシフトしないファイバ増幅器とシ
フトしたファイバ増幅器とを、直列又は並列に接続する
ことで、広い増幅波長帯域を有するレーザ増幅装置を実
現でき、大容量化に対応可能な波長多重通信に使用する
ことができる。As described above, according to the present invention,
A laser amplifier doped with ions forming a self-terminating system,
A semiconductor laser can be excited in a laser amplifier and a laser oscillator, and a laser amplifier, a laser amplifier, and a laser oscillator with high efficiency, small size, long life, and high stability can be obtained. Further, according to the present invention, a laser amplifier whose gain peak wavelength is shifted by a long wavelength and a laser oscillator whose oscillation wavelength is shifted by a long wavelength can be realized. For this reason, by connecting a fiber amplifier that does not shift the gain peak and a shifted fiber amplifier in series or in parallel, a laser amplifier having a wide amplification wavelength band can be realized, and wavelength multiplexing communication capable of coping with large capacity. Can be used for
【図1】本発明の第1の実施例に係るレーザ増幅器の励
起方法を示すエネルギ準位図である。FIG. 1 is an energy level diagram showing a pumping method of a laser amplifier according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本実施例におけるレーザ増幅器の構成を示すブ
ロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a laser amplifier according to the present embodiment.
【図3】本実施例のレーザ増幅器における増幅された自
然放出光(ASE)スペクトルを示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing an amplified spontaneous emission light (ASE) spectrum in the laser amplifier of the present embodiment.
【図4】本実施例のレーザ増幅器における利得の信号波
長依存性の測定結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing measurement results of signal wavelength dependence of gain in the laser amplifier of the present embodiment.
【図5】本発明の第2の実施例におけるレーザ発振器の
構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a laser oscillator according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本実施例におけるレーザ増幅器の発振スペクト
ルを示すグラフ図である。FIG. 6 is a graph illustrating an oscillation spectrum of the laser amplifier according to the present embodiment.
【図7】本発明の第3の実施例における波長可変ツリウ
ムファイバレーザ発振器の構成を示すブロック図であ
る。FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a tunable thulium fiber laser oscillator according to a third embodiment of the present invention.
【図8】本実施例における波長可変ツリウムファイバレ
ーザ発振機の波長同調曲線を示すグラフ図である。FIG. 8 is a graph showing a wavelength tuning curve of the wavelength tunable thulium fiber laser oscillator in the present embodiment.
【図9】本発明の第4の実施例に係るレーザ増幅装置の
構成を示すブロック図である。FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of a laser amplifier according to a fourth embodiment of the present invention.
【図10】本実施例のレーザ増幅装置における利得及び
雑音指数の波長依存性の測定結果を示すグラフ図であ
る。FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the wavelength dependence of gain and noise figure in the laser amplifying device of the present embodiment.
【図11】本実施例のレーザ増幅装置の出力及び光変換
効率の全励起パワー依存性を示すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing the dependence of the output and the optical conversion efficiency of the laser amplification device of the present embodiment on the total pump power.
【図12】従来のツリウムファイバ増幅器の励起方法を
示すエネルギ準位図である。FIG. 12 is an energy level diagram showing a conventional thulium fiber amplifier pumping method.
【図13】従来のツリウム励起法による蛍光スペクトル
(ASEスペクトル)を示すグラフ図である。FIG. 13 is a graph showing a fluorescence spectrum (ASE spectrum) by a conventional thulium excitation method.
1、1a、1b;増幅ファイバ 2、2a、2b;第1励起光源 3、3a、3b;波長多重カプラ 4;アイソレータ 5、5a、5b;アイソレータ 6、6a、6b、6c;第2励起光源 7、7a、7b、7c;波長多重カプラ 8;信号光 9;増幅信号 10;ツリウムにおいて第2励起光(波長1.42μ
m)のみを照射した場合のASEスペクトル(破線) 11;第1励起光が強い場合に、ツリウムにおいて本発
明による励起構成をとったときのASEスペクトル(点
線)。 12;第1励起光と第2励起光が同程度の強度の場合
に、ツリウムにおいて本発明による励起構成をとったと
きのASEスペクトル(実線)。 13;第2励起光(波長1.42μm) 14;1.47μm帯ASE 15;第1励起光(波長1.56μm) 16;出力ミラー 17;レンズ 18;レンズ 19;ファイバレーザ発振光 20;リアミラー 21;ダイクロイックミラー 22;回折格子 23;コリメートレンズ 24a、24b;レーザ増幅器1, 1a, 1b; amplification fiber 2, 2a, 2b; first excitation light source 3, 3a, 3b; wavelength multiplexing coupler 4: isolator 5, 5a, 5b; isolator 6, 6a, 6b, 6c; second excitation light source 7 , 7a, 7b, 7c; wavelength multiplexing coupler 8; signal light 9; amplified signal 10;
ASE spectrum when only m) is irradiated (dashed line) 11; ASE spectrum when the first excitation light is strong and the excitation configuration according to the present invention is adopted in thulium (dotted line). 12; ASE spectrum (solid line) when the first pumping light and the second pumping light have the same intensity, and the pumping configuration according to the present invention is adopted in thulium. 13; second pumping light (wavelength 1.42 μm) 14; 1.47 μm band ASE 15; first pumping light (wavelength 1.56 μm) 16; output mirror 17; lens 18; lens 19; fiber laser oscillation light 20; 21; dichroic mirror 22; diffraction grating 23; collimating lenses 24a, 24b; laser amplifier
Claims (10)
し、この媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、
基底準位よりエネルギが高い2つのエネルギ準位間の誘
導放出遷移を用い、この誘導放出遷移が前記2つのエネ
ルギ準位のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿
命が長い自己終端系遷移を形成するレーザ増幅器であっ
て、基底準位から前記レーザ下準位又はそれより上方の
エネルギ準位にイオンを励起する第1の励起光の光源
と、前記第1の励起光の波長とは異なる波長を有し、前
記レーザ下準位から前記レーザ上準位へイオンを励起す
る第2の励起光の光源とを備え、前記第1励起光源と前
記第2励起光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザ
により構成されることを特徴とするレーザ増幅器。1. A medium to which a rare earth element is added is used as a gain medium, and among the energy levels of rare earth ions in the medium,
A self-terminating system using a stimulated emission transition between two energy levels having an energy higher than the ground level, wherein the stimulated emission transition has a lower laser level lifetime than the upper laser level lifetime of the two energy levels. A laser amplifier for forming a transition, wherein a first excitation light source for exciting ions from a ground level to an energy level higher than or lower than the laser, and a wavelength of the first excitation light; Has a different wavelength, and comprises a second excitation light source for exciting ions from the lower laser level to the upper laser level, at least one of the first excitation light source and the second excitation light source A laser amplifier comprising a semiconductor laser.
フルオロジルコニウム酸塩ガラスを使用することを特徴
とする請求項1に記載のレーザ増幅器。2. The medium to which the rare earth element is added,
The laser amplifier according to claim 1, wherein a fluorozirconate glass is used.
m3+)であり、波長が1.53乃至1.90μm、波
長が0.77乃至0.80μm、波長が0.64乃至
0.68μmの3つの波長領域内のうち、いずれか一つ
の波長を有する第1励起光の光源と、波長が1.35乃
至1.46μmの第2励起光の光源とを有することを特
徴とする請求項1又は2に記載のレーザ増幅器。3. The method according to claim 1, wherein the rare earth ion is thulium (T
m 3+ ), and any one of three wavelength ranges of 1.53 to 1.90 μm, 0.77 to 0.80 μm, and 0.64 to 0.68 μm. 3. The laser amplifier according to claim 1, further comprising: a first excitation light source having the first excitation light source; and a second excitation light source having a wavelength of 1.35 to 1.46 μm.
とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ増
幅器。4. The laser amplifier according to claim 1, wherein the medium has an optical fiber shape.
レーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器を、直列又は並
列に配列して利得を広帯域化したことを特徴とするレー
ザ増幅方法。5. A laser amplification method, comprising: arranging a plurality of laser amplifiers including the laser amplifier according to claim 1 in series or in parallel to widen the gain.
レーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器が、直列又は並
列に配列されていることを特徴とするレーザ増幅装置。6. A laser amplifier comprising a plurality of laser amplifiers including the laser amplifier according to claim 1 arranged in series or in parallel.
し、この媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、
基底準位よりエネルギが高い2つのエネルギ準位間の誘
導放出遷移を用い、この誘導放出遷移が前記2つのエネ
ルギ準位のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿
命が長い自己終端系遷移を形成するレーザ発振器であっ
て、基底準位から前記レーザ下準位又はそれより上方の
エネルギ準位にイオンを励起する第1の励起光の光源
と、前記第1の励起光の波長とは異なる波長を有し、前
記レーザ下準位から前記レーザ上準位へイオンを励起す
る第2の励起光の光源とを備え、前記第1励起光源と前
記第2励起光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザ
により構成されていることを特徴とするレーザ発振器。7. A medium to which a rare earth element has been added is used as a gain medium, and among the energy levels of rare earth ions in the medium,
A self-terminating system using a stimulated emission transition between two energy levels having an energy higher than the ground level, wherein the stimulated emission transition has a lower laser level lifetime than the upper laser level lifetime of the two energy levels. A laser oscillator for forming a transition, wherein a first excitation light source for exciting ions from a ground level to the laser lower level or an energy level higher than the lower level, and a wavelength of the first excitation light. Has a different wavelength, and comprises a second excitation light source for exciting ions from the lower laser level to the upper laser level, at least one of the first excitation light source and the second excitation light source Is a laser oscillator comprising a semiconductor laser.
フルオロジルコニウム酸塩ガラスを使用することを特徴
とする請求項7に記載のレーザ発振器。8. The medium to which the rare earth element is added,
The laser oscillator according to claim 7, wherein a fluorozirconate glass is used.
m3+)であり、波長が1.53乃至1.90μm、波
長が0.77乃至0.80μm、波長が0.64乃至
0.68μmの3つの波長領域内のうち、いずれか一つ
の波長を有する第1励起光の光源と、波長が1.35乃
至1.46μmの第2励起光の光源とを有することを特
徴とする請求項7又は8に記載のレーザ発振器。9. The method according to claim 1, wherein the rare earth ion is thulium (T
m 3+ ), and any one of three wavelength ranges of 1.53 to 1.90 μm, 0.77 to 0.80 μm, and 0.64 to 0.68 μm. The laser oscillator according to claim 7, further comprising: a first excitation light source having the first excitation light source; and a second excitation light source having a wavelength of 1.35 to 1.46 μm.
徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載のレーザ
発振器。10. The laser oscillator according to claim 7, wherein the medium has an optical fiber shape.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2149211A1 (en) * | 2007-04-18 | 2010-02-03 | Gonthier, François | Optical fibre amplifier |
-
2001
- 2001-01-24 JP JP2001016358A patent/JP2001320115A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2149211A1 (en) * | 2007-04-18 | 2010-02-03 | Gonthier, François | Optical fibre amplifier |
EP2149211A4 (en) * | 2007-04-18 | 2014-06-04 | François Gonthier | Optical fibre amplifier |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040427 |