(57)【要約】【課題】半導体レーザを用いたパルス光において、より簡略な構成でパルス圧縮を行うことを可能とする。【解決手段】所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられ、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮する光学部材と、を備え、前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形装置を提供する。【選択図】図６
2014127484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、
前記パルス生成器の後段に設けられ、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮する光学部材と、
を備え、
前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、
前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形装置。
【請求項２】
前記パルス光は、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長を有し、
前記第１の周波数分散状態は、負の分散であり、
前記光学部材は、第２の周波数分散状態として正の分散を付与することにより、前記パルス光を圧縮する、
請求項１に記載のパルス整形装置。
【請求項３】
前記光学部材は、石英ガラス製の光学部材である、
請求項２に記載のパルス整形装置。
【請求項４】
前記光学部材は、石英ガラス製光学素子である、
請求項３に記載のパルス整形装置。
【請求項５】
前記光学部材は、シングルモード光ファイバである、
請求項３に記載のパルス整形装置。
【請求項６】
前記パルス光のパルス時間幅の圧縮度合いは、前記光学部材の中を通過する光路長に応じて変化する、
請求項１に記載のパルス整形装置。
【請求項７】
前記パルス生成器は、前記半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）を利用して、前記モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ）で増幅した、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）システムを有する、
請求項１に記載のパルス整形装置。
【請求項８】
３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、
前記パルス生成器の後段に設けられる石英ガラスブロックと、
前記石英ガラスブロックの前段及び後段の少なくともいずれかに配設され、前記パルス生成器から射出されたパルス光を反射するミラーと、
を備え、
前記パルス光は、前記ミラーによって反射されることにより、前記石英ガラスブロック内を所定の光路長だけ伝播する、パルス整形装置。
【請求項９】
３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、
前記パルス生成器の後段に設けられるシングルモード光ファイバと、
前記シングルモード光ファイバに前記パルス光を導光する第１のレンズと、
前記シングルモード光ファイバから前記パルス光を射出する第２のレンズと、
を備える、パルス整形装置。
【請求項１０】
所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成することと、
前記パルス光を光学部材の内部に通過させることにより、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮することと、
を含み、
前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、
前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パルス整形装置及びパルス整形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密部品の加工や光通信の分野において、あるパルス時間幅の光が一定周期で射出されるパルスレーザ（パルス光）が広く普及している。このようなパルス光のマスターレーザとしては、一般的に、Ｔｉ：Ｓａレーザ等の固体レーザが用いられることが多い。
【０００３】
パルス光においては、パルス圧縮を行い、パルス時間幅をより短くすることにより、ピークパワー（ピーク強度）を高めることができる。パルス圧縮の方法としては、例えば、プリズムペア（プリズム対）やグレーティングペア（回折格子対）を用いる方法が知られている。
【０００４】
また、例えば、特許文献１には、酸化テルル（ＴｅＯ２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）又はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等の材料からなるブロック部材内でパルス光を伝播させることによりパルス圧縮を行う技術が開示されている。更に、特許文献２には、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）ファイバレンズとパルス圧縮ファイバとを組み合わせることにより、パルス圧縮を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００２−５０２０６１号公報
【特許文献２】特開２００９−２７１５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１及び特許文献２に記載のパルス圧縮技術は、パルスエクスパンダやＧＲＩＮファイバレンズ等の圧縮器以外の他の光学部材を用いるものであるため、装置の構成が複雑で大型なものとなっていた。
【０００７】
また、近年、レーザ素子として半導体レーザが広く普及しており、パルス光のマスターレーザとしても半導体レーザを用いる試みが行われている。上記特許文献１及び特許文献２に記載されているパルス圧縮技術は、マスターレーザとして固体レーザを用いたパルス光に対する技術であり、半導体レーザを用いたパルス光に対しては、十分なパルス圧縮が行われない可能性がある。
【０００８】
そこで、本開示では、半導体レーザを用いたパルス光において、より簡略な構成でパルス圧縮を行うことが可能な、新規かつ改良されたパルス整形装置及びパルス整形方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示によれば、所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられ、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮する光学部材と、を備え、前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形装置が提供される。
【００１０】
また、本開示によれば、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられる石英ガラスブロックと、前記石英ガラスブロックの前段及び後段の少なくともいずれかに配設され、前記パルス生成器から射出されたパルス光を反射するミラーと、を備え、前記パルス光は、前記ミラーによって反射されることにより、前記石英ガラスブロック内を所定の光路長だけ伝播する、パルス整形装置が提供される。
【００１１】
また、本開示によれば、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられるシングルモード光ファイバと、前記シングルモード光ファイバに前記パルス光を導光する第１のレンズと、前記シングルモード光ファイバから前記パルス光を射出する第２のレンズと、を備える、パルス整形装置が提供される。
【００１２】
また、本開示によれば、所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成することと、前記パルス光を光学部材の内部に通過させることにより、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮することと、を含み、前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形方法が提供される。
【００１３】
本開示によれば、半導体レーザを利用して生成されたパルス光が、当該パルス光が有する第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する光学部材を通過することにより、当該パルス光のパルス時間幅が圧縮される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本開示によれば、半導体レーザを用いたパルス光において、より簡略な構成でパルス圧縮を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器の一構成例を示す概略図である。
【図２】プリズムペアを用いたパルス圧縮方法について説明するための説明図である。
【図３】グレーティングペアを用いたパルス圧縮方法について説明するための説明図である。
【図４】半導体レーザを利用した青色のパルス光に対する、プリズムペアを用いたパルス圧縮の結果を示す図である。
【図５】石英ガラス及びＮＢＨ５２の分散値の波長依存性を示す図である。
【図６】本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置の一構成例を示す概略図である。
【図７Ａ】本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置によるパルス圧縮の効果を示す図である。
【図７Ｂ】本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置によるパルス圧縮の効果を示す図である。
【図８】本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置の変形例の一構成例を示す概略図である。
【図９】本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置の一構成例を示す概略図である。
【図１０】本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置によるパルス圧縮の効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．半導体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮についての検討
１．１．パルス生成器（ＭＯＰＡ）の構成
１．２．パルス圧縮方法
２．第１の実施形態
３．第２の実施形態
４．まとめ
【００１８】
＜１．半導体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮についての検討＞
まず、本開示をより明確なものとするために、本発明者らが本開示に想到するに至った背景について説明する。
【００１９】
上記特許文献１及び特許文献２に記載されているように、固体レーザを利用して生成されたパルス光をパルス圧縮する技術については、多くの研究がなされている。しかし、半導体レーザを利用して生成されたパルス光をパルス圧縮する技術については、固体レーザの場合と同様の技術が適用可能かどうか、必ずしも明らかではなかった。
【００２０】
そこで、本発明者らは、半導体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮について検討を行った。具体的には、本発明者らは、所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、当該パルス生成器の後段に設けられ、当該パルス光のパルス時間幅を圧縮する光学部材と、を組み合わせることによりパルス圧縮を行うパルス整形装置及びパルス整形方法について検討を行った。以下では、当該パルス生成器及び当該光学部材について、順に説明する。
【００２１】
［１．１．パルス生成器（ＭＯＰＡ）の構成］
本開示の一実施形態に係るパルス生成器は、いわゆるＭＯＰＡ（主発振器出力増幅器：Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）システムを有する。ＭＯＰＡシステムとは、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ：Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）をマスターレーザとして、当該モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅するシステムのことである。
【００２２】
図１を参照して、ＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器の一構成例について説明する。図１は、ＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器の一構成例を示す概略図である。なお、本実施形態に係るパルス生成器１０に適用されるＭＯＰＡシステムは、図１に示す構成に限定されない。パルス生成器１０には、あらゆる公知のＭＯＰＡシステムが適用されてよい。
【００２３】
図１を参照すると、本開示の一実施形態に係るパルス生成器１０は、モードロック発振器（Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１１０、レンズ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、アイソレータ１３０、プリズムペア１４０、λ／２板１５０、ＳＯＡ１６０を有する。なお、図１では、本実施形態に係るパルス生成器１０の一例として、青色のパルス光（波長が約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間のパルス光）を射出するパルス生成器１０の構成について図示している。ただし、本実施形態に係るパルス生成器１０は、青色のパルス光を射出するものに限定されず、他の波長帯域のパルス光を射出してもよい。また、パルス生成器１０が他の波長域のパルス光を射出する場合には、パルス生成器１０が有する各構成部材の光学特性は、射出するパルス光の波長帯域に応じて適宜調整されてよい。なお、以下の説明においては、特に記載がない限り、青色の光とは、波長が約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間の光のことを示すものとする。
【００２４】
モードロック発振器１１０は、所定の波長の光を射出する半導体レーザの出力を共振器構造によって共振させることにより、パルス状のレーザ光を射出する。モードロック発振器１１０は、レーザダイオード１１１、コリメータレンズ１１２、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）１１３及び出力ミラー１１４を有する。
【００２５】
レーザダイオード１１１は、本実施形態においては、ＧａＩｎＮを主原料とする分割式レーザダイオード（ＢＳ−ＬＤ：Ｂｉｓｅｃｔｉｏｎａｌ−Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）である。また、レーザダイオード１１１は、モードロックレーザダイオード（ＭＬＬＤ）として機能し、約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間の波長帯域のパルス光を射出することができる。
【００２６】
レーザダイオード１１１から射出されたパルス光は、コリメータレンズ１１２、バンドパスフィルタ１１３及び出力ミラー１１４を通過して、モードロック発振器１１０から射出される。なお、モードロック発振器１１０から射出されるパルス光は、バンドパスフィルタ１１３によって、例えば波長が約４０５ｎｍに調整されている。
【００２７】
レーザダイオード１１１から射出されたパルス光は、後段に設けられるレンズ１２０ａ、アイソレータ１３０、プリズムペア１４０、λ／２板１５０及びレンズ１２０ｂを順に通過して、ＳＯＡ１６０に入射する。λ／２板１５０によってパルス光の偏光方向が調整される。また、プリズムペア１４０を通過することにより、ＳＯＡに入射するパルス光のカップリング効率（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が向上する。ＳＯＡ１６０によって増幅されたパルス光は、レンズ１２０ｃを介して、外部に射出される。
【００２８】
以上、図１を参照して、本開示の一実施形態に係るパルス生成器１０の一構成例について説明した。以上説明したようなＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器１０では、出力約１００Ｗ、パルス時間幅約３ｐｓのパルス光を生成することが可能となる。
【００２９】
ここで、図１に示すパルス生成器１０に対しても、そのパルス光のパルス時間幅をより短くし、より高出力のパルス光を得たいというニーズが大きい。そこで、本発明者らは、パルス生成器１０から射出されるパルス光を圧縮する方法について更なる検討を行った。
【００３０】
［１．２．パルス圧縮方法］
固体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮方法として、プリズムペアを利用する方法及びグレーティングペアを利用する方法が知られている。まず、これらのパルス圧縮方法について簡単に説明する。
【００３１】
まず、図２を参照して、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法について説明する。図２は、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法について説明するための説明図である。例えば、図２に示すように、距離ｄの間隔を隔てて配設される一対のプリズム９１０ａ、９１０ｂに、パルス光を入射させる。入射したパルス光は、プリズム内で分光され、相対的に波長の長い光（長波長成分の光）と相対的に波長の短い光（短波長成分の光）とが、互いに異なる光路を伝播する。例えば、図２に示す例であれば、プリズム９１０ａとプリズム９１０ｂとの間では、短波長成分の光が長波長成分の光よりも長い光学的距離（光路長）を伝播し、プリズム９１０ｂの内部では、短波長成分の光が長波長成分の光よりも短い光学的距離を伝播する。このように、一対のプリズム９１０ａ、９１０ｂに入射したパルス光のうち、長波長成分の光が進み光学的距離と、短波長成分の光が進む光学的距離とが互いに異なるため、プリズム９１０ａ、９１０ｂ間の距離ｄやプリズムの屈折率等を制御することにより、その光路長の差分を制御することができる。
【００３２】
一方、例えば、正のチャープを有するパルス光では、短波長成分がパルスの後端近くにあり、長波長成分がパルスの前端近くにあることが知られている。従って、短波長成分の光の光路長と、長波長成分の光の光路長とが所望の関係になるようにプリズム９１０ａ、９１０ｂを配設することにより、入射したパルス光を時間的に圧縮することができる。このように、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法は、周波数分散状態として負の分散を与える。
【００３３】
次に、図３を参照して、グレーティングペアを用いたパルス圧縮方法について説明する。図３は、グレーティングペアを用いたパルス圧縮方法について説明するための説明図である。当該方法では、図３に示すように、１対のグレーティング９２０ａ、９２０ｂが、溝（格子）が形成された面（反射面）を互いに対向させた状態で、所定の間隔を隔てて、光軸に対して所定の傾きを有して配設される。更に、グレーティング９２０ａ、９２０ｂの間には、１対の球面レンズ９４０ａ、９４０ｂが設けられる。具体的には、グレーティング９２０ａの反射面と対向する位置に、球面レンズ９４０ａが、グレーティング９２０ａと所定の距離Ｌを隔てて配設される。同様に、グレーティング９２０ｂの反射面と対向する位置に、球面レンズ９４０ｂが、グレーティング９２０ｂと所定の距離Ｌを隔てて配設される。また、球面レンズ９４０ａ、９４０ｂの間の距離は、球面レンズ９４０ａ、９４０ｂの焦点距離ｆの２倍の距離（２ｆ）に調整されている。
【００３４】
グレーティング９２０ａに所定の入射角で入射したパルス光は、グレーティング９２０ａの反射面で反射、回折され、球面レンズ９４０ａ、９４０ｂを順に通過し、グレーティング９２０ｂの反射面に入射する。グレーティング９２０ｂに入射したパルス光は、グレーティング９２０ｂの反射面で更に反射、回折され、外部に向かって射出される。グレーティング９２０ｂから射出されたパルス光は、ミラー９５０によって反射され、それまで通過してきた光路を逆方向に進み、すなわち、グレーティング９２０ｂの反射面によって反射、回折され、球面レンズ９４０ｂ、９４０ａを順に通過し、グレーティング９２０ａの反射面によって更に反射、回折され、最終的にミラー９３０によって反射され、外部に取り出される。
【００３５】
上記の一連のパルス光の伝播の過程において、パルス光は、グレーティング９２０ａ、９２０ｂで回折される際にその波長に応じて互いに異なる方向に回折されるため、波長ごとに互いに異なる光路を進む。例えば、図３には、互いに異なる光路の一例として、短波長成分の光が通過する光路及び長波長成分の光が通過する光路が図示されている。ここで、図３に示すグレーティングペアを用いたパルス圧縮方法によれば、グレーティング９２０ａ、９２０ｂと球面レンズ９４０ａ、９４０ｂとの距離Ｌを調整することにより、長波長成分の光の光路長と短波長成分の光の光路長とを調整することが可能である。具体的には、Ｌ＜ｆとなるように距離Ｌを調整することにより、パルス光に対して正の分散を与えることができ、Ｌ＞ｆとなるように距離Ｌを調整することにより、パルス光に対して負の分散を与えることができる。このように、短波長成分の光の光路長と、長波長成分の光の光路長とが所望の関係になるようにグレーティング９２０ａ、９２０ｂ及び球面レンズ９４０ａ、９４０ｂを配設することにより、入射したパルス光を時間的に圧縮することができる。
【００３６】
本発明者らは、これらのプリズムペアを用いたパルス圧縮方法及びグレーティングペアを用いたパルス圧縮方法を用いて、図１に示すパルス生成器１０から射出される青色のパルス光に対して、パルス圧縮を試みた。その結果、グレーティングペアを用いたパルス圧縮方法では、青色のパルス光はグレーティングにおける透過率が低く、パルス圧縮方法としては非効率的であった。
【００３７】
一方、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法では、図４に示すように、パルス圧縮の効果が得られなかった。図４は、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対する、プリズムペアを用いたパルス圧縮の結果を示す図である。
【００３８】
図４では、横軸にプリズムペアにおけるプリズム間の距離を取り、縦軸にパルス圧縮を行った結果のパルス時間幅を取り、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対するパルス圧縮の結果をプロットしている。図４に示すように、プリズム間の距離を変化させても、パルス時間幅はほぼ変化しない。このことから、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対しては、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法では、ほとんどパルス圧縮の効果を得られないことが分かる。
【００３９】
以上検討した結果から、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対しては、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法及びグレーティングペアを用いたパルス圧縮方法は、有効なパルス圧縮方法ではないといえる。
【００４０】
ここで、上述したように、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法は、周波数分散状態として負の分散を与えることが知られている。従って、図４に示すように、プリズムペアを用いたパルス圧縮方法でほとんどパルス圧縮の効果が得られなかったことから、半導体レーザを利用した青色のパルス光は、周波数分散状態として負の分散状態を有していると考えられる。
【００４１】
以上の検討から、本発明者らは、半導体レーザを利用した青色のパルス光を圧縮するためには、周波数分散状態として正の分散状態を付与する光学部材を用いることが有効であるという考えに想到した。また、以上の検討では、半導体レーザを利用したパルス光として、青色のパルス光を例に挙げて検討を行ってきたが、より一般的に、半導体レーザを利用したパルス光に対して、当該パルス光が有する周波数分散状態と逆の周波数分散状態を付与する光学部材を用いることにより、パルス圧縮を行うことが可能であると考えられる。
【００４２】
本発明者らは、このような光学部材に用いられる材料の一例として、石英ガラス及び光学ガラスの一種であるＮＢＨ５２について検討した。石英ガラス及びＮＢＨ５２について、パルス圧縮においてパルス光に与える分散量について検討した結果を、図５に示す。図５は、石英ガラス及びＮＢＨ５２の分散量の波長依存性を示す図である。
【００４３】
図５を参照すると、横軸にパルス光の波長（ｎｍ）を取り、縦軸にその波長のパルス光に対して与えられる分散量（群速度分散（ＧＶＤ：Ｇｒｏｕｐ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ））（ｆｓ２／ｍｍ）を取り、石英ガラス及びＮＢＨ５２の特性についてプロットしている。図５においては、縦軸の値が大きいほど、すなわち分散量が大きいほど、パルス光に対する圧縮度合いが大きいことを示している。
【００４４】
一方で、石英ガラス及びＮＢＨ５２は、光の吸収率にも波長依存性を有する。具体的には、青色の光（例えば波長が４０５ｎｍの光）は、石英ガラスでの吸収率よりもＮＢＨ５２での吸収率の方が大きい。一方、赤色の光（例えば波長が７８０ｎｍの光）は、石英ガラスでの吸収率とＮＢＨ５２での吸収率とがほぼ同程度であり、上記波長４０５ｎｍの光と比べて吸収率は小さい。
【００４５】
ここで、パルス圧縮に用いられる光学部材の材料には、分散量が大きいことと、吸収率が小さいことの両方の特性を併せ持つことが求められる。何故ならば、図５に示す分散量が大きいほど、より効率的にパルス圧縮を行うことができ、また、吸収率が小さいほど、パルス光を入射させたときの損失（ロス）をより抑えることが可能となるからである。ただし、当該分散量及び当該吸収率には波長依存性が存在するため、入射する光の波長に応じて、適切な材料が選択され得る。
【００４６】
例えば、パルス光として青色のパルス光（例えば波長が４０５ｎｍの光）を用いる場合を考える。この場合、光学材料としてＮＢＨ５２を用いると、分散量は大きい反面、吸収率が大きくロスが大きい。従って、より吸収率の少ない石英ガラスを用いることが好ましい。
【００４７】
また、例えば、パルス光として赤色のパルス光（例えば波長が７８０ｎｍの光）を用いる場合を考える。この場合、上述したように、ＮＢＨ５２と石英ガラスとで吸収率はほぼ同程度である。従って、より分散量の大きいＮＢＨ５２を用いることが好ましい。
【００４８】
以上説明したように、パルス圧縮に用いられる光学部材の材料については、パルス圧縮の対象となるパルス光の波長に応じて、その分散量と吸収率とを考慮して、適切な材料を選択することができる。なお、図５では、光学部材の材料の一例として、石英ガラス及びＮＢＨ５２の分散量を示しているが、他の材料に対しても、その分散量及び吸収率の波長依存性は、実験値、計算値（シミュレーション値）及び文献値等に基づいて取得することが可能である。従って、あらゆる波長のパルス光に対して、パルス圧縮に用いられる光学部材として適切な材料を選択することが可能となる。
【００４９】
以上説明したように、本発明者らは、半導体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮の方法について検討した結果、以下の方法に想到した。すなわち、半導体レーザを利用したパルス光に対して、当該パルス光が有する周波数分散状態と逆の周波数分散状態を付与する光学部材を用いることにより、パルス圧縮を行うことが可能である。また、当該光学部材の材料は、当該パルス光の波長に応じて、その光吸収率や分散量を考慮して適切に選択され得る。
【００５０】
例えば、当該半導体レーザを利用したパルス光が、図１に例示するＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器１０によって生成された青色のパルス光である場合、当該パルス光は周波数分散状態として負の分散状態を有する。従って、光学部材の材料として、正の分散を付与することが可能な材料を用いることにより、当該パルス光を圧縮することが可能となる。また、そのような材料の中でも、青色のパルス光に対しては、石英ガラスが用いられることが好ましい。
【００５１】
以下では、以上の検討から本発明者らが想到したパルス圧縮方法に関して、その好適な実施形態について具体的に説明する。なお、以下に示す第１の実施形態及び第２の実施形態では、半導体レーザを利用したパルス光が、図１に例示するＭＯＰＡシステムを有するパルス生成器１０によって生成された青色のパルス光である場合を例に挙げて説明を行う。
【００５２】
＜２．第１の実施形態＞
図６を参照して、本開示の第１の実施形態について説明する。図６は、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置の一構成例を示す概略図である。なお、以下の第１の実施形態及び第２の実施形態における説明では、パルス生成器からその後段に設けられる光学部材に向かう方向をｘ軸と定義して説明を行う。
【００５３】
図６を参照すると、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１は、パルス生成器１０、石英ガラス製光学素子２０及びミラー２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを備える。
【００５４】
パルス生成器１０は、所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成する。第１の実施形態では、パルス生成器１０は、例えば図１に示すＭＯＰＡシステムを有し、青色のパルス光を射出する。
【００５５】
石英ガラス製光学素子２０は、パルス圧縮のための石英ガラス製の光学部材の一例であり、図６に示す例では、石英ガラスによって形成されるブロック状の部材（石英ガラスブロック）である。また、石英ガラス製光学素子２０の光軸上の前段及び後段には、石英ガラス製光学素子２０を挟むように、ミラー２１０ａ、２１０ｂが設けられる。
【００５６】
ここで、パルス生成器１０は、上記＜１．半導体レーザを利用したパルス光に対するパルス圧縮についての検討＞で説明したように、その射出するパルス光の周波数分散状態は負の分散状態であると考えられる。従って、当該パルス光に対して正の分散を付与することができ、かつ吸収率の比較的小さい石英ガラスによって構成される光学部材を用いることによって、パルス圧縮をより効率的に行うことができる。
【００５７】
具体的には、図６に示すように、パルス生成器１０から射出されたパルス光は、ｘ軸の正方向に伝播しながら、石英ガラス製光学素子２０に入射する。石英ガラス製光学素子２０の内部を通過することにより、当該パルス光のパルス時間幅が圧縮される。
【００５８】
更に、第１の実施形態では、図６に示すように、石英ガラス製光学素子２０の内部を通過したパルス光は、石英ガラス製光学素子２０の後段に設けられるミラー２１０ａによって反射される。ミラー２１０ａによって反射されたパルス光は、ｘ軸の負方向に伝播しながら、再び石英ガラス製光学素子２０に入射する。そして、石英ガラス製光学素子２０の内部をｘ軸の負方向に通過したパルス光は、石英ガラス製光学素子２０の前段に設けられるミラー２１０ｂによって再び反射される。つまり、パルス生成器１０から射出されたパルス光は、ミラー２１０ａ、２１０ｂによって反射されることにより、石英ガラス製光学素子２０の内部をｘ軸方向に往復するように通過する。
【００５９】
ここで、石英ガラス製光学素子２０のサイズ、並びにミラー２１０ａ、２１０ｂの配置位置及び配置角度を調整することにより、パルス光が石英ガラス製光学素子２０の内部を通過する距離（光路長）を調整することができる。図７Ａを参照して後述するように、パルス圧縮によって圧縮されるパルス時間幅の度合いは、光学部材の内部を通過する光路長に依存している。従って、石英ガラス製光学素子２０のサイズ、並びにミラー２１０ａ、２１０ｂの配置位置及び配置角度を調整することにより、パルス圧縮の度合いを制御することができる。
【００６０】
図６に示す例では、ミラー２１０ａ、２１０ｂによって所望の光路長を伝播したパルス光は、最終的に石英ガラス製光学素子２０の内部をｘ軸の負方向に伝播した後、パルス生成器１０と石英ガラス製光学素子２０との間に設けられるミラー２１０ｃによって、任意の方向に取り出される。このように、最終的にｘ軸の負方向に伝播した光を取り出す構成を、以下の説明では、反射型取り出し構成と呼称する。ミラー２１０ｃによって取り出されたパルス光は、パルス整形装置１の更に後段に設けられる他の光学機器（図示せず。）に導光され、当該光学機器の光源として利用され得る。
【００６１】
ここで、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、第１の実施形態に係るパルス整形装置１によるパルス圧縮の効果について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１によるパルス圧縮の効果を示す図である。
【００６２】
図７Ａは、横軸に石英ガラス製光学素子２０（石英ガラスブロック）内においてパルス光が伝播した光路長を取り、縦軸にパルス光のパルス時間幅を取り、両者の関係性についてプロットしたグラフを示している。図７Ａを参照すると、光路長が約２５００ｍｍに達するまでは、光路長が長くなるほどパルス時間幅が単調減少する関係にあることが分かる。一方、光路長が約２５００ｍｍを超えるとパルス時間幅はほぼ変化しない。図７Ａに示す例では、光路長が０ｍｍ、すなわち、石英ガラス製光学素子２０を通過しないときに約２．８ｐｓであったパルス時間幅が、光路長が約２５００ｍｍ以上の最も圧縮される点で、約０．７２ｐｓまで圧縮されている。
【００６３】
ここで、図７Ａに示す関係は、パルス光が波長４０５ｎｍの青色光であり、光学部材が石英ガラスブロックである場合の、光路長とパルス時間幅との関係である。パルス光の波長や光学部材の材料が変化すれば、当該関係も変化するが、図７Ａと同様の関係性を実験、シミュレーション等によって取得することにより、各波長のパルス光に対して所望のパルス圧縮を行うための最適な光学部材の材料と光路長とを決定することが可能である。
【００６４】
図７Ｂは、パルス光の石英ガラス製光学素子２０（石英ガラスブロック）内の光路長が３２００ｍｍであるときの、石英ガラス製光学素子２０通過前後におけるパルス相関波形を示している。ここで、パルス相関波形とは、パルス光に含まれる１波長分（１パルス分）のパルスについて、横軸に時間（ｐｓ）、縦軸に光強度（ａ．ｕ．）を取りプロットしたものである。ただし、図７Ｂでは、縦軸に示す光強度（ａ．ｕ．）は、パルス時間幅を比較しやすいように、パルス光の出力について、最小値が０、最大値が１になるようにそれぞれ正規化されている。図７Ｂを参照すると、第１の実施形態に係るパルス整形装置１によって、パルス時間幅が１／４程度に圧縮されていることが分かる。
【００６５】
更に、パルス整形装置１の石英ガラス製光学素子２０におけるパルス光の透過率について、他の光学部材を用いた場合との違いについて調べた。その結果、光学部材を一般的なガラス部材にした場合の透過率が約２０％、光学部材を一般的なグレーティングペアにした場合の透過率が約５０％であったのに対し、石英ガラス製光学素子２０では、約９０％という高い透過率を得ることができた。このように、パルス整形装置１では、パルス圧縮に伴うパルス光のロスを抑えることができ、より効率的にパルス圧縮を行うことが可能となる。
【００６６】
ここで、第１の実施形態に係るパルス整形装置１の変形例について、図８を参照して説明する。図８は、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１の変形例の一構成例を示す概略図である。なお、本変形についての説明では、図６に示すパルス整形装置１との相違点について主に説明し、重複する構成についてはその説明を省略する。
【００６７】
図８を参照すると、本変形例に係るパルス整形装置１ａは、パルス生成器１０、石英ガラス製光学素子２０及びミラー２２０ａ、２２０ｃを備える。このように、本変形例に係るパルス整形装置１ａは、図６に示すパルス整形装置１と比べて、ミラーの構成が異なる。
【００６８】
図８を参照すると、パルス整形装置１ａでは、ミラー２２０ａ、２２０ｃによって所望の光路長を伝播したパルス光は、最終的に石英ガラス製光学素子２０の内部をｘ軸の正方向に伝播して外部に取り出される。つまり、図６に示すパルス整形装置１が反射型取り出し構成であったのに対して、本変形例に係るパルス整形装置１ａは、最終的にｘ軸の正方向に伝播した光が取り出される構成を有する点で相違する。このように、最終的にｘ軸の正方向に伝播した光が取り出される構成を、以下の説明では、透過型取り出し構成と呼称する。パルス整形装置１ａのように、透過型取り出し構成を有するパルス整形装置であっても、最終的にパルス光を取り出す方向が異なるだけであるため、図７Ａ及び図７Ｂに示すようなパルス圧縮効果を得ることが可能である。
【００６９】
また、パルス整形装置として、反射型取り出し構成を用いるか、透過型取り出し構成を用いるかは、当該パルス整形装置の後段に設けられる他の光学機器の構成や配置等に応じて、適宜選択されてよい。
【００７０】
以上、図６、図７Ａ、図７Ｂ及び図８を参照して、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａの構成及びそのパルス圧縮の効果について説明した。以上説明したように、本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａでは、周波数分散状態として負の分散状態を有する、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対して、石英ガラス製光学素子（石英ガラスブロック）２０によってパルス圧縮が行われる。従って、当該パルス光のパルス時間幅を、より簡略な構成で、より効率的に圧縮することが可能となる。
【００７１】
更に、第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａでは、当該石英ガラスブロックのサイズ、並びに、当該石英ガラスブロックの前段及び後段に設けられる複数のミラーの配置位置及び配置角度によって、パルス光が当該石英ガラスブロックの内部を通過する光路長が調整される。従って、パルス光を所望のパルス時間幅に圧縮することが可能となる。
【００７２】
なお、上記の説明では、石英ガラス製光学素子２０の前後にミラー２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２２０ａ、２２０ｃが設けられていたが、第１の実施形態はかかる例に限定されない。石英ガラス製光学素子２０のサイズを調整することにより、石英ガラス製光学素子２０を１度通過するだけで所望の光路長を確保することができれば、これらのミラーは設けられなくてもよい。
【００７３】
＜３．第２の実施形態＞
次に、図９を参照して、本開示の第２の実施形態について説明する。図９は、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置の一構成例を示す概略図である。
【００７４】
図９を参照すると、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２は、パルス生成器１０、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ）３０及びレンズ３１０ａ、３１０ｂを備える。
【００７５】
パルス生成器１０の機能及び構成は、第１の実施形態と同様である。すなわち、パルス生成器１０は、所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成する。第２の実施形態では、パルス生成器１０は、例えば図１に示すＭＯＰＡシステムを有し、青色のパルス光を射出する。
【００７６】
シングルモード光ファイバ３０は、石英ガラス製の光学部材の一例であり、そのコアは石英ガラスで形成されている。また、レンズ３１０ａは、シングルモード光ファイバ３０に光を入射させるために設けられるレンズであり、レンズ３１０ｂは、シングルモード光ファイバ３０から後段の部材に光を射出するために設けられるレンズである。なお、シングルモード光ファイバ３０及びレンズ３１０ａ、３１０ｂの構成は、図９に示す例に限定されず、公知のあらゆる光ファイバの構成が適用されてよい。
【００７７】
ここで、第１の実施形態と同様、パルス生成器１０は、その周波数分散状態が負の分散状態であると考えられる。従って、当該パルス光に対して正の分散を付与することができ、かつ吸収率の比較的小さい石英ガラスによって構成される光学部材を用いることによって、パルス圧縮をより効率的に行うことができる。
【００７８】
具体的には、図９に示すように、パルス生成器１０から射出されたパルス光は、ｘ軸の正方向に伝播しながら、レンズ３１０ａを介してシングルモード光ファイバ３０に入射する。シングルモード光ファイバ３０の内部の石英ガラス製のコアを伝播することにより、当該パルス光のパルス時間幅が圧縮される。そして、パルス圧縮されたパルス光は、レンズ３１０ｂから、更に後段に設けられる他の光学機器等に向かって射出される。
【００７９】
図１０を参照して、第２の実施形態に係るパルス整形装置２によるパルス圧縮の効果について説明する。図１０は、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２によるパルス圧縮の効果を示す図である。図１０は、シングルモード光ファイバ３０通過前後におけるパルス相関波形を示している。ここで、パルス相関波形とは、図７に示すパルス相関波形と同様、パルス光に含まれる１波長分（１パルス分）のパルスについて、横軸に時間（ｐｓ）、縦軸に光強度（ａ．ｕ．）を取りプロットしたものである。
【００８０】
図１０を参照すると、第２の実施形態に係るパルス整形装置２によって、パルス時間幅が圧縮されていることが分かる。図１０に示す例であれば、シングルモード光ファイバ３０通過前に役２．５ｐｓであったパルス時間幅が、シングルモード光ファイバ３０通過後には約１．２ｐｓまで圧縮されている。なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様、パルス圧縮によって圧縮されるパルス時間幅の度合いは、光学部材（シングルモード光ファイバ３０）を通過する光路長に依存している。従って、シングルモード光ファイバ３０の長さを調整することにより、パルス圧縮の度合いを制御することができる。
【００８１】
以上、図９及び図１０を参照して、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２の構成及びそのパルス圧縮の効果について説明した。本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２では、上記＜２．第１の実施形態＞で説明した第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａで得られた効果に加えて、更に以下の効果が得られる。
【００８２】
上述したように、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２では、光学部材としてシングルモード光ファイバ３０が用いられる。このように、光学部材としてシングルモード光ファイバ３０が用いられることにより、パルス整形装置２が他の光学機器の光源として用いられる場合、パルス整形装置２から他の光学機器への光路の取り回しを柔軟に構成することができる。つまり、シングルモード光ファイバ３０により、パルス圧縮とパルス整形装置２から他の光学機器への導光とを同時に行うことができるため、装置の全体構成（パルス整形装置２、他の光学機器及びその他の光学素子等からなる全体構成）を簡略なものとすることが可能となる。
【００８３】
＜４．まとめ＞
以上説明したように、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００８４】
本開示の第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａでは、周波数分散状態として負の分散状態を有する、半導体レーザを利用した青色のパルス光に対して、石英ガラス製光学素子（石英ガラスブロック）２０によってパルス圧縮が行われる。従って、当該パルス光のパルス時間幅を、より簡略な構成で、より効率的に圧縮することが可能となる。
【００８５】
更に、第１の実施形態に係るパルス整形装置１、１ａでは、当該石英ガラスブロックのサイズ、並びに、当該石英ガラスブロックの前段及び後段に設けられる複数のミラーの配置位置及び配置角度によって、パルス光が当該石英ガラスブロックの内部を通過する光路長が調整される。従って、パルス光を所望のパルス時間幅に圧縮することが可能となる。
【００８６】
また、本開示の第２の実施形態に係るパルス整形装置２では、光学部材としてシングルモード光ファイバ３０が用いられる。このように、光学部材としてシングルモード光ファイバが用いられることにより、パルス整形装置２が他の光学機器の光源として用いられる場合、パルス整形装置２から他の光学機器への光路の取り回しを柔軟に構成することが可能となる。
【００８７】
更に、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態においては、パルス生成器１０から射出されるパルス光を、石英ガラス製光学素子（石英ガラスブロック）２０又はシングルモード光ファイバ３０の内部に通過させることにより、パルス圧縮が行われる。従って、従来のパルス圧縮方法に比べて、より簡略な構成でパルス圧縮を行うことができ、装置構成に関するコストの低減が可能となる。
【００８８】
なお、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態では、パルス生成器１０が、半導体レーザを利用した青色のパルス光を射出する場合について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。パルス生成器１０は、他の波長帯域のパルス光を射出してもよい。パルス生成器１０が青色以外の波長帯域のパルス光を射出する場合であっても、当該パルス光に対して、当該パルス光が有する周波数分散状態と逆の周波数分散状態を付与する光学部材を用いることにより、パルス圧縮を行うことが可能である。また、当該光学部材の材料は、当該パルス光の波長に応じて、その光吸収率や分散量を考慮して適切に選択され得る。例えば、パルス生成器１０が赤色のパルス光（例えば波長が７８０ｎｍの光）を射出する場合には、パルス圧縮のための光学部材の一例として、ＮＢＨ５２を用いることが可能である。
【００８９】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９０】
例えば、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態では、図６、図８及び図９に示すように、石英ガラス製光学素子２０及びシングルモード光ファイバ３０以外の光学素子として、ミラー２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２２０ａ、２２０ｃや、レンズ３１０ａ、３１０ｂが用いられていたが、本技術はかかる構成に限定されない。例えば、パルス光が圧縮される前段及び／又は後段には、当該パルス光の挙動を制御するために、レンズ、ミラー及び各種のフィルタ等の、一般的に用いられる各種の光学素子が、更に設けられてもよい。
【００９１】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられ、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮する光学部材と、を備え、前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形装置。
（２）前記パルス光は、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長を有し、前記第１の周波数分散状態は、負の分散であり、前記光学部材は、第２の周波数分散状態として正の分散を付与することにより、前記パルス光を圧縮する、前記（１）に記載のパルス整形装置。
（３）前記光学部材は、石英ガラス製の光学部材である、前記（２）に記載のパルス整形装置。
（４）前記光学部材は、石英ガラス製光学素子である、前記（３）に記載のパルス整形装置。
（５）前記光学部材は、シングルモード光ファイバである、前記（３）に記載のパルス整形装置。
（６）前記パルス光のパルス時間幅の圧縮度合いは、前記光学部材の中を通過する光路長に応じて変化する、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のパルス整形装置。
（７）前記パルス生成器は、前記半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）を利用して、前記モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ）で増幅した、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）システムを有する、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のパルス整形装置。
（８）３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられる石英ガラスブロックと、前記石英ガラスブロックの前段及び後段の少なくともいずれかに配設され、前記パルス生成器から射出されたパルス光を反射するミラーと、を備え、前記パルス光は、前記ミラーによって反射されることにより、前記石英ガラスブロック内を所定の光路長だけ伝播する、パルス整形装置。
（９）３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成するパルス生成器と、前記パルス生成器の後段に設けられるシングルモード光ファイバと、前記シングルモード光ファイバに前記パルス光を導光する第１のレンズと、前記シングルモード光ファイバから前記パルス光を射出する第２のレンズと、を備える、パルス整形装置。
（１０）所定の波長の光を射出する半導体レーザを利用してパルス光を生成することと、前記パルス光を光学部材の内部に通過させることにより、前記パルス光のパルス時間幅を圧縮することと、を含み、前記パルス光は、第１の周波数分散状態を有し、前記光学部材は、前記パルス光に対して、前記第１の周波数分散状態と逆の周波数分散状態である第２の周波数分散状態を付与する、パルス整形方法。
【符号の説明】
【００９２】
１、１ａ、２    パルス整形装置
１０    パルス生成器
２０    石英ガラス製光学素子
３０    シングルモード光ファイバ
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２２０ａ、２２０ｃ    ミラー
３１０ａ、３１０ｂ    レンズ
【図１】
2014127484.tif 000003
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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