(57)【要約】【課題】安価で汎用性に優れ、安定したモード同期動作による光パルスを発生できる光パルス発生装置を提供する。【解決手段】少なくとも、光利得手段10、光遅延手段20、波長選択手段30を含み、光を周回させるレーザ共振器1と、レーザ共振器1で生成された光を制御用の第１レーザ光と出力用の第２レーザ光とに分岐する光分岐手段40,50と、分岐された第１レーザ光を光電変換する光電変換手段60と、光電変換手段60の出力の周波数成分から第１レーザ光の繰返し周波数の自然数倍に等しい周波数成分を基準信号として出力する帯域制限手段70と、帯域制限手段70から出力される基準信号に基づいて、レーザ共振器1中を光が一周する時間が、波長選択手段30における透過波長の掃引周期の自然数倍と等しくなるように、波長選択手段30の掃引周期を制御する波長調整手段80と、を有する。【選択図】図１
2010225688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、光に利得を与える光利得手段、前記光に所望の時間遅延を与える光遅延手段、および前記光の透過波長を掃引する波長選択手段を含み、前記光を周回させるレーザ共振器と、
前記レーザ共振器で生成された前記光を制御用の第１レーザ光と出力用の第２レーザ光とに分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段で分岐された前記第１レーザ光を光電変換する光電変換手段と、
該光電変換手段の出力の周波数成分から前記第１レーザ光の繰返し周波数の自然数倍に等しい周波数成分を基準信号として出力する帯域制限手段と、
該帯域制限手段から出力される前記基準信号に基づいて、前記レーザ共振器中を前記光が一周する時間が、前記波長選択手段における前記透過波長の掃引周期の自然数倍と等しくなるように、前記波長選択手段の前記掃引周期を制御する波長調整手段と、
を有することを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項２】
前記帯域制限手段からの前記基準信号に基づいて、前記波長選択手段の前記掃引周期と同期して前記光利得手段の光利得を変調する光利得調整手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の光パルス発生装置。
【請求項３】
前記第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項４】
前記第２レーザ光を入射して特定波長の波長成分を射出する波長選択手段を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項５】
前記レーザ共振器は、
該レーザ共振器中の総群速度分散量を減少させる群速度分散補償手段を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光パルス発生装置。
【請求項６】
前記第２レーザ光を増幅する光増幅手段を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光パルス発生装置。
【請求項７】
前記第２レーザ光を増幅する光増幅手段と、
該光増幅手段で増幅された前記第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段とを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
【請求項８】
前記光分岐手段は、
前記レーザ共振器を周回する光の一部を取り出す第１光分岐手段と、
該第１光分岐手段により取り出された光を前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とに分岐する第２光分岐手段とを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光パルス発生装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光パルス発生装置を含み、該光パルス発生装置からの前記第２レーザ光を被照射物に伝送する光学システムであって、
当該光学システムを伝送する光の光パルス波形情報を検出する光パルス波形情報検出手段と、
該光パルス波形情報検出手段で検出された光パルス波形情報に基づいて、前記波長選択手段による透過波長の掃引状態を動的に制御する掃引状態制御手段と、
を有することを特徴とする光学システム。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光パルス発生装置を含み、該光パルス発生装置からの前記第２レーザ光を被照射物に伝送する光学システムであって、
当該光学システムを伝送する光の光パルス波形情報を検出する光パルス波形情報検出手段と、
該光パルス波形情報検出手段で検出された光パルス波形情報に基づいて、前記光利得手段の利得を動的に制御する光利得制御手段と、
を有することを特徴とする光学システム。
【請求項１１】
前記光パルス波形情報検出手段は、
前記第２レーザ光の光路上における前記第２レーザ光の光パルス波形情報を検出する、
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記光パルス波形情報検出手段は、
前記被照射物への照射位置での前記第２レーザ光の光パルス波形情報を検出する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス発生装置およびそれを含む光学システム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、計測などの様々な分野において、超短パルス光源が利用されるようになってきている。この超短パルス光源として、現在、チタン・サファイアレーザに代表される固体の超短パルス光源が主に用いられている。
【０００３】
しかし、チタン・サファイアレーザのような固体超短パルス光源は、パルス時間幅、パルス波形、光強度や雑音特性など、性能的には非常に優れているものの、サイズ、安定性、操作性、そして価格などの観点から汎用性が低い。
【０００４】
そこで、最近では、汎用性の高い光源として、ファイバ型超短パルス光源の開発が進められている。しかしながら、ファイバ型超短パルス光源の場合は、光ファイバ中を光が伝搬するため、光ファイバ中の非線形光学効果によって最大光強度や最短パルス時間幅が厳しく制限される。
【０００５】
また、固体の超短パルス光源やファイバ型超短パルス光源から出力される光パルスを実際に応用する場合、これらの超短パルス光源から出力される光パルスを、レンズ、反射ミラーや光ファイバ等の様々な光学素子を介して被照射物まで伝送することになる。このため、光パルスは、これらの伝送系の光学素子による群速度分散 (Group Velocity Dispersion:GVD) の影響を受けて、光パルス波形に歪みが生じることになる。この光パルス波形の歪みは、低次ＧＶＤの影響による場合はある程度整形可能であるが、高次ＧＶＤの影響による場合は、整形が極めて困難である。また、光ファイバを用いて高強度な光パルスを伝送する場合は、光ファイバ中の非線形光学効果も光パルス波形を歪ませる大きな要因となる。
【０００６】
一方、近年、波長掃引レーザとしてFourier domain mode-locked laser(ＦＤＭＬ)が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このＦＤＭＬは、パルス光源としても利用可能であることが、特許文献１に開示されている。また、ＦＤＭＬをパルス光源として利用する場合、ＦＤＭＬを構成する波長可変フィルタの掃引状態を変化させて透過波長を制御することにより、レーザ後段の光学系の分散を補償するチャープを有するパルスの発生が可能となることが、特許文献１に開示されている。
【０００７】
したがって、ＦＤＭＬをパルス光源として利用すれば、ＦＤＭＬは光ファイバで構成することが可能であることから、安価で汎用性の高いパルス光源が得られることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／１８７５３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、ＦＤＭＬは、これまでの光源にない特徴を有しており、パルス光源としても期待される。また、本発明者らの独自の発想として、ＦＤＭＬにおいては、レーザ共振器内にて、光パルスが大きなチャープを有することで、光パルスのピークパワーは低い状態になっているので、レーザ共振器内での非線形光学効果の影響を非常に小さくすることができ、従来のファイバ型超短パルス光源に比べてより一層の高出力化を達成できるという期待も有る。
【００１０】
しかしながら、現在、ＦＤＭＬを用いたパルス光源は、実現されていない。また、ＦＤＭＬを用いてパルス光源を構成する場合は、次のような課題が想定される。
【００１１】
すなわち、上記特許文献１に開示のＦＤＭＬは、レーザ共振器が数ｋｍを超える長尺な光ファイバで構成されるため、環境温度や応力によるレーザ共振器長の揺らぎが大きくなって、モード同期動作が不安定になる。ＦＤＭＬを光断層撮影（optical coherence tomography）用の波長掃引レーザとして用いる場合、このモード同期動作の不安定性は問題にならないが、パルス光源として用いる場合は大きな問題になる。また、波長可変フィルタを掃引するクロックの精度不足によるジッタが発生し、これによってもモード同期動作が不安定になる。
【００１２】
以上のことから、特許文献１に開示のＦＤＭＬは、安価で汎用性に優れているものの、パルス光源として利用した場合、そのままでは安定的にパルス化が行えないことが想定される。
【００１３】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、安価で汎用性に優れ、しかも安定したモード同期動作による光パルスを発生できる光パルス発生装置およびそれを含む光学システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する第１の観点に係る光パルス発生装置の発明は、
少なくとも、光に利得を与える光利得手段、前記光に所望の時間遅延を与える光遅延手段、および前記光の透過波長を掃引する波長選択手段を含み、前記光を周回させるレーザ共振器と、
該レーザ共振器で生成された前記光を制御用の第１レーザ光と出力用の第２レーザ光とに分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段で分岐された前記第１レーザ光を光電変換する光電変換手段と、
該光電変換手段の出力の周波数成分から前記第１レーザ光の繰返し周波数の自然数倍に等しい周波数成分を基準信号として出力する帯域制限手段と、
該帯域制限手段から出力される前記基準信号に基づいて、前記レーザ共振器中を前記光が一周する時間が、前記波長選択手段における前記透過波長の掃引周期の自然数倍と等しくなるように、前記波長選択手段の前記掃引周期を制御する波長調整手段と、
を有することを特徴とするものである。
【００１５】
第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記帯域制限手段からの前記基準信号に基づいて、前記波長選択手段の前記掃引周期と同期して前記光利得手段の光利得を変調する光利得調整手段を備える、
ことを特徴とするものである。
【００１６】
第３の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００１７】
第４の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記第２レーザ光を入射して特定波長の波長成分を射出する波長選択手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００１８】
第５の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記レーザ共振器は、該レーザ共振器中の総群速度分散量を減少させる群速度分散補償手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００１９】
第６の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記第２レーザ光を増幅する光増幅手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００２０】
第７の観点に係る発明は、第１の観点に係る光パルス発生装置において、
前記第２レーザ光を増幅する光増幅手段と、該光増幅手段で増幅された前記第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段とを有する、
ことを特徴とするものである。
【００２１】
第８の観点に係る発明は、第１乃至７のいずれか一つの観点に係る光パルス発生装置において、
前記光分岐手段は、前記レーザ共振器を周回する光の一部を取り出す第１光分岐手段と、該第１光分岐手段により取り出された光を前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とに分岐する第２光分岐手段とを有する、
ことを特徴とするものである。
【００２２】
さらに、上記目的を達成する第９の観点に係る光学システムの発明は、
第１乃至８のいずれか一つの観点に係る光パルス発生装置を含み、該光パルス発生装置からの前記第２レーザ光を被照射物に伝送する光学システムであって、
当該光学システムを伝送する光の光パルス波形情報を検出する光パルス波形情報検出手段と、該光パルス波形情報検出手段で検出された光パルス波形情報に基づいて、前記波長選択手段による透過波長の掃引状態を動的に制御する掃引状態制御手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、上記目的を達成する第１０の観点に係る光学システムの発明は、
第１乃至８のいずれか一つの観点に係る光パルス発生装置を含み、該光パルス発生装置からの前記第２レーザ光を被照射物に伝送する光学システムであって、
当該光学システムを伝送する光の光パルス波形情報を検出する光パルス波形情報検出手段と、該光パルス波形情報検出手段で検出された光パルス波形情報に基づいて、前記光利得手段の利得を動的に制御する光利得制御手段を有する、
ことを特徴とするものである。
【００２４】
第１１の観点に係る発明は、第９または１０の観点に係る光学システムにおいて、
前記光パルス波形情報検出手段は、前記第２レーザ光の光路上における前記第２レーザ光の光パルス波形情報を検出する、ことを特徴とするものである。
【００２５】
第１２の観点に係る発明は、第１１の観点に係る光学システムにおいて、
前記光パルス波形情報検出手段は、前記被照射物への照射位置での前記第２レーザ光の光パルス波形情報を検出する、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、レーザ共振器で生成された光を分岐して光電変換し、その光電変換出力の周波数成分から、レーザ出力の繰返し周波数の自然数倍に対応するスペクトル成分を抽出し、そのスペクトル成分を基準信号としてレーザ共振器における波長選択手段の掃引周期を制御するので、安価で汎用性に優れたレーザ共振器を用いて、安定したモード同期動作による光パルスを発生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光パルス発生装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第７実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第８実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第９実施の形態に係る光パルス発生装置を含む光学システムの要部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００２９】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。図１に示す光パルス発生装置は、ＦＤＭＬのレーザ共振器１を構成する、光利得手段１０、光遅延手段２０、波長選択手段３０および第１光分岐手段４０を有する。
【００３０】
光利得手段１０は、光に利得を与えるもので、例えば、希土類添加ファイバ型光増幅器、ラマン光増幅器、誘導パラメトリック光増幅器、半導体光増幅器または色素等で構成する。光遅延手段２０は、光に所望の遅延時間を与えるもので、例えば、光ファイバや多重反射ミラー等で構成する。波長選択手段３０は、所望の波長を透過させるもので、例えば、誘電体多層膜型、ファブリペロ型、分光型、干渉型やファイバブラッググレーティング型等の光フィルタで構成する。第１光分岐手段４０は、レーザ共振器１の光路を分岐して、レーザ共振器１を周回する光の一部をレーザ光として出力するもので、例えば、ファイバ型光カプラや誘電体多層膜型部分反射ミラー等で構成する。
【００３１】
本実施の形態では、レーザ共振器１の第１光分岐手段４０から出力されるレーザ光の一部を、第２光分岐手段５０に入射させて、制御用の第１レーザ光と出力用の第２レーザ光とに分岐する。第２光分岐手段５０は、第１光分岐手段４０と同様に、例えば、ファイバ型光カプラや誘電体多層膜型部分反射ミラー等で構成する。したがって、本実施の形態においては、第１光分岐手段４０および第２光分岐手段５０により、レーザ共振器１で生成された光を制御用の第１レーザ光と出力用の第２レーザ光とに分岐する光分岐手段を構成している。
【００３２】
第２光分岐手段５０で分岐された第１レーザ光は、光電変換手段６０で受光して光電変換し、その光電変換出力を帯域制限手段７０に供給する。光電変換手段６０は、例えば、フォトマルチプライヤ（photo-multiplier tube:PMT）、アバランシュフォトダイオード（avalanche photo diode:APD）やフォトダイオード（photo diode:PD）等で構成する。また、帯域制限手段７０は、例えば、電気的な受動もしくは能動バンドパスフィルタ、受動もしくは能動ローパスフィルタ等のフィルタに、必要に応じて電気増幅器や位相シフタなどを組み合わせて構成する。
【００３３】
帯域制限手段７０は、光電変換手段６０からの光電変換出力の周波数成分から、レーザ出力の繰返し周波数ｆrep（Hz）の自然数ｍ倍に対応するスペクトル成分ｍｆrep（Hz）を抽出して、その抽出したスペクトル成分を基準信号（クロック信号）として波長調整手段８０に供給する。波長調整手段８０は、例えば、ファンクションジェネレータやシンセサイザ等に、必要に応じて増幅器や位相シフタなどを組み合わせて構成する。
【００３４】
波長調整手段８０は、帯域制限手段７０からの基準信号に基づいて、レーザ共振器１中を光が一周する時間Ｔround（sec）が、波長選択手段３０における波長掃引周期（変調周期）Ｔ（sec）の自然数ｎ倍と等しくなるように、すなわち、Ｔround＝ｎＴ、を満たすように、波長選択手段３０の波長掃引周期Ｔを、Ｔroundの１／ｎに調整する。
【００３５】
以上のように、本実施の形態に係る光パルス発生装置は、ＦＤＭＬの出力の一部を第２光分岐手段５０で分岐して光電変換手段６０で光電変換し、その光電変換出力の周波数成分から、ＦＤＭＬ出力の繰返し周波数ｆrepのｍ倍に対応するスペクトル成分を帯域制限手段７０により抽出し、その抽出したスペクトル成分を、波長選択手段３０の掃引周期Ｔを制御する基準信号としている。したがって、ＦＤＭＬのレーザ共振器１が、数ｋｍを超える長尺な光ファイバで構成され、環境温度や応力によるレーザ共振器長の揺らぎが発生する場合でも、安定したモード同期動作を確保することができる。
【００３６】
しかも、波長調整手段８０に入力される基準信号は、長尺な光共振器を有するＦＤＭＬの出力の一部を光電変換した信号に基づいて生成されるので、電気的な発振器により基準信号を生成する場合よりも、純度および安定度を高いものを得ることができる。これにより、波長選択手段３０による波長掃引のジッタを低減できるので、安定的なモード同期動作を実現することができる。以上のことから、本実施の形態に係る光パルス発生装置によれば、安価で汎用性に優れたＦＤＭＬを用いて、安定したモード同期動作による光パルスを発生することができる。
【００３７】
なお、図１において、光利得手段１０、光遅延手段２０、波長選択手段３０および第１光分岐手段４０は、順不同で配置することが可能である。例えば、光強度の高いレーザ光を得たい場合は、図１に示すように、第１光分岐手段４０を光利得手段１０の直後に配置するのが好ましい。また、なるべく低雑音のレーザ光を得たい場合は、第１光分岐手段４０を波長選択手段３０の直後に配置するのが好ましい。また、出力パルス列のタイミングを調整したい場合は、光遅延手段２０の中に第１光分岐手段４０を配置するのが好ましい。
【００３８】
図２は、図１に示した光パルス発生装置の具体的構成の一例を示す図である。図２において、光利得手段１０は、単一モードＹｂ添加ファイバ(Yb-doped fiber:YDF) １１、励起ＬＤ １２およびＷＤＭ（wavelength division multiplexing）カプラ１３を有する。ＹＤＦ１１は、例えば、波長１０００ｎｍ帯にて単一モードで動作する長さ５ｍのものを用いる。励起ＬＤ１２は、発振波長９７６ｎｍ、平均光強度１５０ｍＷの光を単一モード光ファイバから出力するように構成する。ＷＤＭカプラ１３は、励起ＬＤ１２からの波長９７６ｎｍの励起光と、レーザ共振器１を周回する波長１０００ｎｍ〜１０８０ｎｍの光とを合波し、その合波した光をＹＤＦ１１へ入力するように構成する。
【００３９】
ＹＤＦ１１から出力される光は、レーザ共振器１内の偏波状態を制御する偏波コントローラ (polarization controller:PC)３２を経て第１光分岐手段４０に入力する。第１光分岐手段４０は、光ファイバ型カプラ４１で構成する。この光ファイバ型カプラ４１は、２つの出力ポートを有し、入力光を１：１０の光強度に分岐して出力するもので、光強度の低い出力光をレーザ共振器１から取り出して、光アイソレータ４２を経て第２光分岐手段５０に入力し、光強度の高い出力光は、光遅延手段２０に入力してレーザ共振器１にフィードバックする。
【００４０】
光遅延手段２０は、波長１０００ｎｍ〜１０８０ｎｍの帯域で単一モード動作する長さ４．０ｋｍの単一モードファイバ(single mode fiber:SMF)２１で構成する。このＳＭＦ ２１からの出力光は、波長選択手段３０としてのファイバファブリペロ型フィルタ（fiber Fabry-Perot filter:FFP-TF）３１に入力する。ＦＦＰ−ＴＦ３１は、透過帯域幅０．１０ｎｍ、動作波長範囲１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの特性を有する。このＦＦＰ−ＴＦ３１の中心波長は、波長調整手段８０を構成するファンクションジェネレータ８１からの電圧出力で調整する。本実施の形態では、波長１０２０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲を約５０ｋＨｚの繰返し周波数で透過波長を掃引する。
【００４１】
ＦＦＰ−ＴＦ３１の出力光は、光アイソレータ１４を経てＷＤＭカプラ１３に入力する。なお、光アイソレータ１４は、レーザ共振器１中の光の伝搬方向を一方向に固定するために用いる。
【００４２】
一方、第２光分岐手段５０は、２つの出力ポートを有し、入力光を１：１００の光強度に分岐して出力する光ファイバ型カプラ５１で構成する。この光ファイバ型カプラ５１で分岐される光強度の低い出力光（第１レーザ光）は、光電変換手段６０としてのＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ）６１で受光して光電変換し、光強度の高い出力光（第２レーザ光）は、当該光パルス発生装置の出力光とする。
【００４３】
ＰＤ６１で光電変換された電気信号は、帯域制限手段７０としての受動バンドパスフィルタ(band pass filter:BPF) ７１に入力する。ＢＰＦ７１は、１０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚの信号を透過するように構成する。このＢＰＦ７１の出力信号を、好ましくは、位相シフタ７３で位相を調整した後に、電気増幅器７２で増幅して、ファンクションジェネレータ８１に基準信号（クロック信号）として入力し、これによりＦＦＰ−ＴＦ３１における掃引周期Ｔを制御する。
【００４４】
図２に示した構成により、光スペクトル帯域２０ｎｍ、パルス時間幅５．０μsec、繰返し周波数５０ｋＨｚ、平均光強度４．０ｍＷのチャープ光パルスを安定して発生することができる。
【００４５】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図１に示した構成において、帯域制限手段７０からの基準信号に基づいて光利得手段１０の光利得を調整する光利得調整手段９０を設け、これにより光利得手段１０の光利得を、波長選択手段３０における波長掃引周期Ｔに同期して、すなわち、レーザ共振器１を光が一周する時間ＴroundとｎＴ＝Ｔroundという関係になるように変調するようにしたものである。なお、光利得調整手段９０は、例えば、電流源等により構成する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態によれば、レーザ共振器１における光利得手段１０の光利得を調整するようにしたので、第１実施の形態における効果に加えて、出力される光パルスの形状を調整することが可能になる。
【００４７】
（第３実施の形態）
図４は、本発明の第３実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図１に示した構成において、第２光分岐手段５０の後段に、該第２光分岐手段５０から出力される第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段１００を設けたものである。群速度分散発生手段１００は、例えば、回折格子対、プリズム対、virtual imaged phased array (VIPA)型GVD発生装置、arrayed waveguide grating (AWG)型GVD発生装置、空間液晶型GVD発生装置、chirped fiber Bragg grating (FBG)型GVD発生装置やlong period FBG高次モード伝搬ファイバ等で構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００４８】
本実施の形態によれば、群速度分散発生手段１００により、出力パルス光のチャープを低減できるので、第１実施の形態における効果に加えて、ピークパワーの高い光パルスを発生することが可能になる。
【００４９】
（第４実施の形態）
図５は、本発明の第４実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図１に示した構成において、第２光分岐手段５０の後段に、該第２光分岐手段５０から出力される第２レーザ光から、所定の波長成分を選択して出力する波長選択手段１１０を設けたものである。波長選択手段１１０は、例えば、誘電体多層膜型、ファブリペロ型、分光型、干渉型やファイバブラッググレーティング型等の光フィルタで構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施の形態によれば、第２光分岐手段５０からの第２レーザ光の光スペクトル帯域幅よりも狭い帯域を持つ波長選択手段１１０により、所定の波長成分を選択して出力するので、第１実施の形態における効果に加えて、より狭い時間幅の光パルスを発生することができる。
【００５１】
（第５実施の形態）
図６は、本発明の第５実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図１に示した構成において、レーザ共振器１中に群速度分散補償手段１２０を設けたものである。群速度分散発生手段１２０は、例えば、回折格子対、プリズム対、VIPA型GVD発生装置、AWG型GVD発生装置、空間液晶型GVD発生装置、FBG型GVD発生装置やlong period FBG高次モード伝搬ファイバ等で構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００５２】
本実施の形態によれば、レーザ共振器１中に群速度分散補償手段１２０を設けたので、第１実施の形態における効果に加えて、レーザ共振器１中のＧＶＤが大きく、発振可能な光スペクトル帯域が制限される場合に、群速度分散補償手段１２０によりレーザ共振器１中の総ＧＶＤ量を低減して、発振可能な光スペクトル帯域を広げることができる。
【００５３】
（第６実施の形態）
図７は、本発明の第６実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図６に示した構成において、第２光分岐手段５０の後段に、図４と同様に、第２光分岐手段５０から出力される第２レーザ光に群速度分散を与える群速度分散発生手段１００を設けたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００５４】
したがって、本実施の形態によれば、第５実施の形態の効果に加えて、レーザ共振器１から発生した光スペクトル帯域の広いパルス光から、チャープを低減したピークパワーの高い光パルスを出力することが可能になる。
【００５５】
（第７実施の形態）
図８は、本発明の第７実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図１に示した構成において、第２光分岐手段５０の後段に、該第２光分岐手段５０から出力される第２レーザ光を増幅する光増幅手段１３０を設けたものである。光増幅手段１３０は、例えば、希土類添加ファイバ型光増幅器、ラマン光増幅器、誘導パラメトリック光増幅器、半導体光増幅器あるいは色素等で構成することができる。その他の構成は、図１と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００５６】
このように、光パルスの出力段に光増幅手段１３０を設ければ、第１実施の形態の効果に加えて、高パワーの光パルスを発生することができる。
【００５７】
（第８実施の形態）
図９は、本発明の第８実施の形態に係る光パルス発生装置の要部の構成を示すブロック図である。この光パルス発生装置は、図４に示した構成において、群速度分散発生手段１００の前段に、図８と同様の光増幅手段１３０を設けたものである。その他の構成は、図４と同様であるので、同一構成要素には同一参照符合を付して説明を省略する。
【００５８】
このように、群速度分散発生手段１００の前段に光増幅手段１３０を設ければ、第３実施の形態の効果に加えて、第２光分岐手段５０で分岐して出力される第２レーザ光の光強度が低い場合でも、光増幅手段１３０での非線形光学効果の影響を受けることなく、高出力の光パルスを発生することが可能となる。
【００５９】
なお、上記図３乃至図９に示した光利得調整手段９０、群速度分散発生手段１００、波長選択手段１１０、群速度分散補償手段１２０や光増幅手段１３０は、適宜の組み合わせが可能である。
【００６０】
（第９実施の形態）
図１０は、本発明の第９実施の形態に係る光パルス発生装置を含む光学システムの要部の構成を示すブロック図である。図１０において、上記実施の形態で説明した構成要素と同一作用を成す構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本発明に係る光学システムは、上記実施の形態で説明した光パルス発生装置を有して構成されるが、本実施の形態では、図３に示した利得調整手段９０を備える光パルス発生装置を有して光学システムを構成する。図１０において、光パルス発生装置の第２光分岐手段５０から出力される光パルスは、光増幅手段１３０で増幅した後、光伝送手段１４０および群速度分散発生手段１００を経て被照射物である非線形光学効果発生手段１５０に照射される。光伝送手段１４０は、例えば、レンズ、反射ミラーや光ファイバ等で構成する。なお、光増幅手段１３０、光伝送手段１４０および群速度分散発生手段１００は、適宜、必要に応じて使用するもので、必須ではない。
【００６２】
非線形光学効果発生手段１５０は、例えば、第二次高調波発生(second harmonic generation:SHG)、第三次高調波発生(third harmonic generation:THG)、和周波発生、差周波発生、多光子吸収、多光子蛍光、ラマン散乱、誘導ラマン散乱、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)、自己位相変調、相互位相変調、四光波混合や変調不安定(modulation instability)等の非線形光学効果を発生するもので、例えば、結晶、ガラス、金属、タンパク、細胞や組織等である。
【００６３】
非線形光学効果発生手段１５０で発生した光は、例えば、ＰＭＴ、ＡＰＤやＰＤ等からなる光電変換手段１６０で光電変換した後、アナログ／デジタル変換器等のＡＤ変換手段１７０でデジタル信号に変換してパーソナルコンピュータ等のコンピュータ１８０に供給する。
【００６４】
コンピュータ１８０は、ＡＤ変換手段１７０からの信号に基づいて、非線形光学効果によって生じる光の強度が高くなるように、利得調整手段９０および波長調整手段８０に対して、光強度波形および波長掃引波形（掃引関数）をそれぞれ動的に制御する信号を出力して、光利得手段１０の利得および波長選択手段３０による透過波長の掃引状態をそれぞれ動的に制御する。したがって、本実施の形態において、光電変換手段１６０は光パルス波形情報検出手段を構成し、コンピュータ１８０および利得調整手段９０は光利得制御手段を構成し、コンピュータ１８０および波長調整手段８０は掃引状態制御手段を構成している。
【００６５】
図１０に示した光学システムによれば、光パルス発生装置からは、上記実施の形態で説明したように、レーザ光の一部を光電変換して得られる信号に基づいて生成される基準信号により、波長調整手段８０を介して波長選択手段３０の波長掃引周期Ｔが制御されるとともに、利得調整手段９０により光利得手段１０の利得が変調されて、安定したモード同期動作による所望の形状の光パルスが出力される。しかも、利得調整手段９０による光利得手段１０の利得、および波長調整手段８０による波長選択手段３０の透過波長の掃引状態は、当該光パルス発生装置から発生した光パルスが非線形光学効果発生手段１５０に照射され、非線形光学効果によって新たに発生する光の強度が高くなるように、該発生した光の光電変換出力に基づいて動的に制御される。すなわち、光パルス波形情報検出手段である光電変換手段１６０により、第２レーザ光の被照射物への照射位置での光パルス波形情報が検出されて、その検出された光パルス波形情報に基づいて、光利得手段１０の利得および波長選択手段３０の透過波長の掃引状態が動的に制御される。したがって、非線形光学効果発生手段１５０に対して、常に最適な波形の光パルスを伝送することができる。
【００６６】
なお、本発明は、上記実施の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、上記実施の形態では、第１光分岐手段４０によりＦＤＭＬのレーザ共振器１から取り出されたレーザ光の一部を、さらに第２光分岐手段５０で分岐して制御用の第１レーザ光を得るようにしたが、第２光分岐手段５０に代えて、レーザ共振器１から直接、制御用の第１レーザ光を分岐する光分岐手段を設けて、同様にして、波長選択手段３０の波長掃引周期Ｔを制御する基準信号を生成し、第１光分岐手段４０からは出力用の第２レーザ光を得るように構成することもできる。
【００６７】
また、図１０に示した光学システムでは、非線形光学効果発生手段１５０から発生した光、すなわち第２レーザ光の照射位置での光パルス波形情報に基づいて、光利得手段１０の利得および波長選択手段３０における透過波長の掃引状態の双方を動的に制御するようにしたが、いずれか一方のみを動的に制御するように構成することもできる。また、光利得手段１０の利得や波長選択手段３０の掃引状態の動的制御は、光学システム内の任意の光路における光、例えば、レーザ共振器１内の任意の光路位置での光、第１レーザ光の任意の光路位置での光、第２レーザ光の任意の光路位置での光の光パルス波形情報を検出して行うことができる。さらに、本発明に係る光学システムは、金属の加工にも適用でき、この場合は、例えば、図１０において、群速度分散発生手段１００の出力光を加工物に照射するようにする。
【符号の説明】
【００６８】
１  レーザ共振器
１０  光利得手段
２０  光遅延手段
３０  波長選択手段
４０  第１光分岐手段
５０  第２光分岐手段
６０  光電変換手段
７０  帯域制限手段
８０  波長調整手段
９０  利得調整手段
１００  群速度分散手段
１１０  波長選択手段
１２０  群速度分散補償手段
１３０  光増幅手段
１４０  光伝送手段
１５０  非線形光学効果発生手段
１６０  光電変換手段
１７０  ＡＤ変換手段
１８０  コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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