誘導ラマン散乱(SRS:StimulatedRamanScattering)[1,2]、は、非線形媒質にある閾値(ラマン閾値)を超えるような強いポンプ光(入射光)が入射されると、ストークス光と呼ばれるより低い周波数を持つ成分が急に成長し、ポンプエネルギーの大部分がストークス光になる現象を言う。このポンプ光とストークス光の周波数差はラマンシフトまたはストークスシフトと呼ばれる。SRSはラマン増幅器や、ファイバーラマンレーザーを機能させる重要な非線形過程である。

波長1064nmに対するラマンシフトは約52nmである(波長1064nmのポンプ光によるラマン利得が最大になるのは116nm)。量子力学的記述では、ラマン散乱はポンプ光子が低周波数の光子と分子の振動モードのフォノンに変換される低周波変換過程と考えることができる。フォノンがポンプ光と結合してポンプ光より周波数の高い光子が発生する高周波変換も可能であるが、この変換に適するエネルギーと運動量を持つフォノンの存在が必要なため、実際にはほとんど起こらない。この周波数が高くなった方の光子はアンチストークス光(反ストークス光)と呼ばれ、ストークス光の周波数sp−Ωに対して、周波数ωap+Ωに発生する。

ストークス光とアンチストークス光の発生原理

図1:ストークス光とアンチストークス光の発生原理

図1はストークス光とアンチストークス光の発生原理を簡単に説明したものである。ストークス光とは、振動基底状態にある格子が光によって中間状態に遷移し、その後に振動励起状態に戻るとき発生する。一方、アンチストークス光とは、格子が熱的に励起されている場合などに、振動の励起状態から遷移して基底状態に戻るときに発生する。

アンチストークス光が発生するとき、ωsp−Ω、ωap+Ωより2ωpasであるので、運動量が保存されるとポンプ光2光子が消滅してストークス光1光子とアンチストークス光1光子が発生する四光波混合(FWM)過程が起きる。この運動量保存の条件が位相整合条件Δk=2kp−ka−kx=0であり、これが満たされないとFWMは起こらない。

ラマン利得スペクトル

ラマン利得はポンプ光の偏波状態と信号光の偏波状態の相互関係に強く依存する。例えば、励起光の偏波が直線偏波の場合、プローブ光がポンプ光の偏波に平行な直線偏光の場合のラマン利得(平行ラマン利得)gは大きく、信号光が励起光の偏波に垂直な直線偏光の場合ラマン利得(垂直ラマン利得)gは小さい[3]。図2は石英系光ファイバーの平行ラマン利得gを周波数シフトの関数で示したものである[4]。縦軸はラマン利得のピーク値により規格化して表示してある。

石英系光ファイバーのラマン利得スペクトル

図2:石英系光ファイバーのラマン利得スペクトル

図2を見ると、ラマン利得gRが13THzあたりに広いピークを持ち、40THzと広い周波数領域まで連続的に分布していることが分かる。これは、石英ガラスのような非晶質では分子振動の周波数分布がバンドとなり互いに重なり合って連続しているためである。この特徴によって光ファイバーは広帯域増幅器として機能する。また、利得スペクトルが広いことから、応答時間がフェムト秒の領域にあることが分かる。しかし、パルス幅≦100psのポンプパルスによるSRSの場合、GVD、群速度の不整合、自己位相変調相互位相変調の効果を考えなければならない。

SRS閾値

SRSには前方に進む前方SRSと後方に進む後方SRSがあるが、ポンプパワーを与えると前方SRSの閾値が最初に到達するので、後方SRSは普通光ファイバーでは観測されない。前方SRSの入射ポンプパワーの閾値(臨界ポンプパワー)PSRSthは下式で表すことができる。

SRS閾値

ここで、Aeffは有効コア断面積、leffは有効相互作用長である(αはポンプ光の波長における光ファイバーの損失)。後方SRSの場合、右辺の16は20になる。

ストークス光の成長過程

ポンプ光が単独で光ファイバーに入射された場合、まず自発ラマン散乱が弱い信号(散乱光)を作り出し、その光が伝搬するにつれて増幅する。自発ラマン散乱はラマン利得スペクトルの全帯域内の散乱光を作り出すので、全周波数成分が増幅されるが、gRが最大となる周波数成分(純粋石英の場合、13.2THz(440cm-1))が最も急激に成長する。ポンプパワーがラマン閾値を超えると、この周波数成分がほぼ指数関数的に急成長しストークス光となる。これによりストークス光の強度が十分大きくなると、それがポンプとなって2次、3次と多数のストークス光が発生する。この数は入射ポンプパワーに依存し、強いポンプパワーがあればN回のラマン散乱を連続して起こすことが可能であり、N x 440cm-1の波長変換が可能である。ポンプ光と弱い信号光が光ファイバーに同時に入射した場合、信号ビームの波長がポンプ光のラマン利得スペクトル帯域内にあると、この信号光は増幅される。これがファイバーラマン増幅器の基本原理である。CWやナノ秒パルスによるポンプの場合は、誘導ブリルアン散乱(SBS)の閾値の方が小さく、SBSが主となる。一方、ポンプ光のパルス幅がフェムト秒オーダーになり、ピーク強度が高くなるとSRSが顕著になる。

Reference and Links