(57)【要約】【課題】簡便で故障検出能が高いパルス光源の故障検出方法及び装置を提供すること。【解決手段】高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出装置であって、パルス光源１０からの高パワー光パルスを入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生させる非線形光学媒質２１と、前記非線形光学媒質２１から発生された前記入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別手段２２と、前記波長選別手段２２で選別された前記光パルスを検出する検出手段２３とを有し、前記検出手段２３で検出される前記光パルスの強度で故障を検出することを特徴とする。  非線系光学媒質は、パルス光源から出力される光パルスが入射されると、パルス光源が故障してないときは入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生し、故障しているときは入射光パルス或いは入射光をそのまま出射するので、入射光パルスと異なるスペクトル成分を波長選別検出することで、パルス光源の故障を確実に検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出方法であって、
前記パルス光源からの前記高パワー光パルスを非線形光学媒質に入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生させる発生ステップと、
前記発生ステップで発生した前記入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別ステップと、
前記波長選別ステップで選別された前記光パルスを検出する検出ステップと、を有し、前記検出ステップで検出される前記光パルスの強度で故障を検出することを特徴とするパルス光源の故障検出方法。
【請求項２】
前記パルス光源は、モードロックレーザ発振器と該発振器からの出力光パルスを高パワー光パルスに変換する変換手段とを備え、該発振器と該変換手段のいずれが故障したかを検出することを特徴とする請求項１に記載のパルス光源の故障検出方法。
【請求項３】
高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出装置であって、
前記パルス光源からの前記高パワー光パルスを入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生させる非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質から発生された前記入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別手段と、
前記波長選別手段で選別された前記光パルスを検出する検出手段と、
を有し、前記検出手段で検出される前記光パルスの強度で故障を検出することを特徴とするパルス光源の故障検出装置。
【請求項４】
前記パルス光源はモードロックレーザ発振器と該発振器からの出力光パルスを高パワー光パルスに変換する変換手段とを備え、該発振器と該変換手段のいずれが故障したかを検出することを特徴とする請求項３に記載のパルス光源の故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高パワーの光パルスを発生するパルス光源の故障検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高パワーでコヒーレントな光パルスを発生するパルス光源は、テラヘルツ波発生装置、レーザ微細加工装置、２光子吸収顕微鏡装置などに必須の光源である。
【０００３】
パルス光源を組み込んだ装置が正常に動作するためには、パルス光源自身が正常に動作しなければならないので、パルス光源の故障検出を行う必要がある。パルス光源から発生される光パルスが正常であるかを調べるためには、実験室的にはオッシロスコープによる時間波形、スペクトルアナライザーによるスペクトル波形、周波数カウンターによる繰り返し周波数、パワーメータによるパワーなどを測定すればよいが、煩雑で時間とコストがかかり実用的でない。
【０００４】
これまで、たとえばモードロックレーザにおいて、その出力の時間変動を半導体光検出器で検出してモードロックが安定にかかっているかどうかを検出する故障検出方法及び装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、この従来の故障検出方法は相対的な出力の時間変動を見ているだけであり、モードロックレーザが故障してｃｗ発振しても出力が変動しないため故障を検出することができない。また、繰り返し周波数やパルス幅が変化してパルスエネルギ（ピークパワー）が減少しても出力の時間変動がない限り故障を検出することができない。すなわち、従来の故障検出方法及び装置は、故障検出性能が低いという問題を有していた。
【特許文献１】特開２００４−３５６３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の従来の故障検出方法、装置の問題に鑑みてなされたものであり、簡便で故障検出能が高いパルス光源の故障検出方法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出方法であって、前記パルス光源からの前記高パワー光パルスを非線形光学媒質に入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生させる発生ステップと、前記発生ステップで発生した前記入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別ステップと、前記波長選別ステップで選別された前記光パルスを検出する検出ステップと、を有し、前記検出ステップで検出される前記光パルスの強度で故障を検出することを特徴としている。
【０００８】
非線系光学媒質は、パルス光源から出力される光パルスが入射されると、パルス光源が故障してないときは入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生し、故障しているときは入射光パルス或いは入射光をそのまま出射するので、入射光パルスと異なるスペクトル成分を波長選別検出することで、パルス光源の故障を確実に検出することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパルス光源の故障検出方法であって、前記パルス光源は、モードロックレーザ発振器と該発振器からの出力光パルスを高パワー光パルスに変換する変換手段とを備え、該発振器と該変換手段のいずれが故障したかを検出することを特徴としている。
【００１０】
モードロックレーザのモードロックが外れてｃｗ発振になると、出力光スペクトルのバンド幅がモードロック発振の出力光スペクトルのバンド幅より狭くなる。一方、モードロックレーザが正常で、高パワー光パルスに変換する変換手段が故障すると、光パルスのバンド幅はモードロック発振の出力光スペクトルのバンド幅と同じでｃｗ発振の出力光スペクトルのバンド幅より広い。したがって、そのバンド幅の違いを利用して波長選別検出することで発振器が故障したのか、発振器後の変換手段が故障したのかを検出することができる。
【００１１】
課題を解決するためになされた請求項３に係る発明は、高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出装置であって、前記パルス光源からの前記高パワー光パルスを入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生させる非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質から発生された前記入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別手段と、前記波長選別手段で選別された前記光パルスを検出する検出手段と、を有し、前記検出手段で検出される前記光パルスの強度で故障を検出することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の高パワー光パルスを出力するパルス光源の故障検出装置であって、前記パルス光源はモードロックレーザ発振器と該発振器からの出力光パルスを高パワー光パルスに変換する変換手段とを備え、該発振器と該変換手段のいずれが故障したかを検出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
非線系光学媒質は、パルス光源から出力される光パルスが入射されると、パルス光源が故障してないときは入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを発生し、故障しているときは入射光パルス或いは入射光をそのまま出射するので、入射光パルスと異なるスペクトル成分を波長選別検出することで、パルス光源の故障を確実に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の最良の実施形態に係るパルス光源の故障検出装置を備えたパルス光源装置の構成図である。図２は、図１の故障検出装置の動作を説明するためのスペクトル強度及び分光透過率を模式的に示す図である。
【００１６】
図示するように、本実施形態のパルス光源の故障検出装置を備えたパルス光源装置は、光パルスを出力するレーザ発振器１１と発振器１１からの出力光パルスを高パワー光パルスに変換する変換手段１２とを備えたパルス光源１０と、非線形光学媒質２１と波長選別手段２２と検出手段２３と備えた故障検出装置２０とがカップラー３０で結合されている。カップラー３０と故障検出装置２０の間には、必要に応じて故障検出装置２０への入射光パルスを増幅するための増幅器３１が挿入される。各構成要素を連結する太い線は光ファイバで、この間は光パルスがファイバ中を伝搬する。なお、光ファイバを用いないで空中伝搬させても良い。
【００１７】
発振器１１は、モードロックレーザ、Ｑスイッチレーザ等レーザの種別は問わない。
【００１８】
たとえば計測・情報処理といった応用分野であれば発振器１１から出力される光パルスをそのまま利用できるが、たとえば、加工への応用の場合、光パルスのパワーを増大する必要があり、高パワー光パルスに変換する変換手段１２が後段に接続される。
【００１９】
変換手段１２は、少なくとも増幅器１２３を備え、発振器１１から出力される光パルスが入射されると、増幅して高パワー光パルスに変換して出射する。増幅器１２３としては、発振器１１から出力される光パルスのスペクトルに利得をもつ媒質を備えていれば、特に限定されない。発振器１１が、たとえばモードロックファイバレーザの場合、通常希土類元素ドープファイバ増幅器が用いられる。
【００２０】
増幅器１２３がファイバ増幅器の場合、入射光パルスのピークパワーが高いと、光損傷を受けるため、通常増幅器１２３の前段に伸張器１２１を配置してパルス幅を広げ、光損傷を防止する。そして、増幅器１２３の後段に圧縮器１２４を配置して伸張器１２１で広げたパルス幅を圧縮して元のパルス幅に戻す。また、増幅器１２３で１パルス当たりの増幅率を上げるために、伸張器１２１と増幅器１２３の間にパルスを間引くための光変調器１２２が配設されている。
【００２１】
カップラー３０には、図示するファイバカップラーの他に偏光ビームスプリッタやハーフミラーを用いることができる。
【００２２】
非線形光学媒質２１としては、高パワー光パルスが入射されると非線形光学効果により入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを出射するもので、非線形性ファイバ、非線形光学結晶等を用いることができる。
【００２３】
非線形性ファイバに高パワー光パルスが入射されると、誘導ラマン散乱により入射光パルスより長波長側にシフトしたスペクトルをもつ光パルスが出射される。
【００２４】
非線形光学結晶として、たとえば擬位相整合LiNbO3などを用いると、入射光パルスの第２高調波を発生することができる。また、擬位相整合LiNbO3をシリーズに二つ配置すると、第３高調波を、三つ配置すると第４高調波を、発生することができる。さらに、非線形光学媒質２１をキャビティ付のLiNbO3にしてパラメトリック発振させてもよい。
【００２５】
非線形光学媒質２１から発生された入射光パルスと異なるスペクトルをもつ光パルスを波長選別する波長選別手段２２は、入射光スペクトルをカットして入射光スペクトル以外を通過させる機能を有するもので、光学フィルター、エタロン等を用いることができる。
【００２６】
波長選別手段２２を透過した光パルスを検出する検出手段には、パワーメータを用いることができる。
【００２７】
次に、発振器１１に、たとえば、パルス幅２００ｐｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、平均パワー１０ｍＷ、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍの繰り返し光パルスを出力するモードロックファイバレーザを用い、非線形光学媒質２１に非線形性ファイバを、波長選別手段２２に光学フィルタを用いた場合について図２を使って故障検出装置２０の動作を説明する。
【００２８】
発振器１１から出力された上記特性の光パルスは、変換手段１２で高パワー光パルスに変換されて最終出力として、パルス幅２００ｐｓ、繰り返し周波数２５０ＫＨｚ、平均パワー２０ｍＷ、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍの繰り返し光パルスを出力する。
【００２９】
上記最終出力を、たとえば１０％ファイバーカップラー３０で取り出し故障検出装置２０に入射させる。１０％の光パルスでは非線形性ファイバ２１が誘導ラマン散乱を起こさない場合は、増幅器３１で所定倍率増幅する。
【００３０】
図２のＡは、非線形性ファイバ２１の入射端での入射光（パルス）のスペクトルで、実線のＳ１は発振器１１が正常にモードロック発振しているときのスペクトル、点線のＳ２は、発振器１１が故障してモードロックが外れｃｗ発振しているときのスペクトルである。なお、このようなスペクトル波形は、たとえばスペクトラムアナライザ等で測定することができる。モードロックレーザの場合、モードロック発振しているときのスペクトルバンド幅は、ｃｗ発振時のバンド幅より大きく、たとえば、中心波長が１５５０ｎｍのモードロックファイバレーザの場合、モードロック発振時のバンド幅が５ｎｍであるのに対し、ｃｗ発振時のバンド幅は０．１ｎｍ程度である。
【００３１】
図２のＢは、非線形性ファイバ２１の出射端での出射光（パルス）のスペクトルで、実線のＳ１、Ｓ１’は、図２ＡのＳ１の光パルスの入射に対応し、点線のＳ２は図２ＡのＳ２の光の入射に対応する。すなわち、発振器１１が正常で、モードロック発振しており、変換手段１２も正常である場合は、非線形性ファイバ２１に高パワー光パルスが入射するので、誘導ラマン散乱により入射光パルスのスペクトルより長波長側にシフトしたスペクトルをもつＳ１’の光パルスが出射される。一方、発振器１１が正常で、変換手段１２が故障して高パワー光パルスが非線形性ファイバ２１に入射されなくなると、誘導ラマン散乱が起きないため、入射スペクトルと同じスペクトルの光パルスＳ１が出射される。また、発振器１１が故障してモードロックが外れ、ｃｗ発振する場合は、バンド幅の狭いスペクトルの光Ｓ１が非線形性ファイバ２１に入射され、当然誘導ラマン散乱が起きないため入射光スペクトルと同じスペクトル光Ｓ１が出射される。
【００３２】
図２Ｃは、光学フィルタ（波長選別手段）２２の分光透過率特性で、カットオフ波長λｃより長波長の光を透過し、λｃより短波長の光をカットする。ここでは、たとえば、λｃを図２に示すように、モードロック発振時のスペクトルの長波長側のすそ野をわずかにかすめ、ｃｗ発振時のスペクトルを完全にカットするように定められてある。
【００３３】
図２Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は光学フィルタ２２を透過した光のスペクトルで、Ｄ１は、スペクトルＳ１’の光がフィルタ２２を透過した後のスペクトル、Ｄ２は、スペクトルＳ１の光がフィルタ２２を透過し後のスペクトルを示している。Ｄ３は、スペクトルＳ２の光がフィルタ２２に入射した場合で、フィルタ２２で完全にカットされ、スペクトルは測定されてない。
【００３４】
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のスペクトルの光をパワーメータ（検出手段）２３で検出すれば、それぞれＰ１＞Ｐ２＞０のパワが得られ、Ｐ１のとき故障無し（正常）、Ｐ２のとき発振器１１は正常で、変換手段１２が故障、０のとき発振器１１が故障と、故障を発振器と変換手段を区別して検出することができる。
【００３５】
なお、故障検出装置２０を複数用意し、伸張器１２１、変調器１２２、増幅器１２３の後にカップラーで結合してもよい。故障の検出を発振器１１、伸張器１２１、変調器１２２、増幅器１２３を区別して行うことができる。
【００３６】
非線形光学媒質２１が非線形光学結晶で、たとえば第２高調波を発生する場合、検出手段として、たとえばオパールガラスのような散乱板を用いることができる。非線形光学結晶に波長１．５μｍの光（基本波）が入射すると、０．７５μｍの第２高調波が発生されるので、散乱板を目視して赤く光っている場合、故障無しと検出することができる。
【００３７】
さらに、図３に示すような、非線形光学媒質を柱状の非線形光学結晶２１’とし、波長選別手段を非線形光学結晶２１’の５面に施した図４に示す分光透過率Ｔλと分光反射率Ｒλをもつ光学膜２２’とし、検出手段を光学膜２２’が施してない面に対向配置された散乱板２３’とした故障検出装置でもよい。
【００３８】
非線形光学結晶２２’に１．５μｍの基本波が入射すると、０．７５μｍの第２高調波と０．５μｍの第３高調波が発生される。光学膜２２’の反射スペクトルＲλと透過スペクトルＴλが切り替わる波長をたとえば０．６μｍに設定しておけば、基本波と第２高調波は光学膜２２’を透過していくが、第３高調波は光学膜２２’で反射され光学膜２２’の施してない１面から外に出て、散乱板に当たり散乱板が緑色に光って見え、故障なしと検出することができる。なお、緑色は赤色より目の視感度が高いので、故障検出を確実に行うことができる。
【００３９】
（実施例１）
本実施例１の故障検出装置は、図１のパルス光源装置の故障検出装置２０であって、非線形光学媒質２１をコア径５μｍ、長さ３ｍの石英製光ファイバにし、波長選別手段２２をカットオフ波長λｃ＝１５６５ｎｍの短波長カットフィルタにし、検出手段２３をパワーメータにしたものである。パルス光源１０は、モードロックファイバレーザ発振器１１と変調器１２２を備えた変換手段１２とを有しており、パルス光源１０が故障なしの場合、非線形光学媒質２１には、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍ、パルス幅２００ｐｓ、ピークパワー０．４ＫＷ、繰り返し周波数２５０ＫＨｚ、平均パワー２０ｍＷの高パワー光パルスが入射されるようになっている。
【００４０】
変調器１２２に変調電圧を故意に印加しないで変調器の故障状態を作った場合、と、モードロックを故意に外して発振器１１を故障させた場合の動作結果を図５と表１に示す。変調器１２２に変調電圧を印加しないと変調器１２２でパルスの間引きが行われないため、非線形光学媒質２１には、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍ、パルス幅２００ｐｓ、ピークパワー１Ｗ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、平均パワー１０ｍＷの光パルスが入射される。また、発振器１１が故障した場合は、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅０．１ｎｍ、パワー１０ｍＷのｃｗ光が非線形光学媒質２１に入射される。
【００４１】
図５は、短波長カットフィルタ２２を透過した光の分光強度波形で、上段の波形はパルス光源１０が正常（発振器１１と変換手段１２共に故障なし）の場合、中段の波形は変調器１２２が故障（発振器１１は故障なし）の場合、下段は発振器１１が故障（変換手段１２は故障なし）の場合である。
【００４２】
表１は、パルス光源１０が正常、変調器１２２が故障、発振器１１が故障の場合のパワーメータ２３での測定値を示したものである。
【００４３】
【表１】
2006351936.tif 000003
【００４４】
図５と表１から、故障がない場合は、石英製ファイバ２１で誘導ラマン散乱が起きて、パワーメータ２３の出力が６００μＷであることがわかる。また、変調器が故障した場合は、誘導ラマン散乱が起きず１８μＷ、発振器が故障した場合も誘導ラマン散乱が起きず１．５μＷであることがわかる。したがって、パワーメータの出力の大小から故障なし、変調器故障、発振器故障を区別して検出することができる。なお、発振器故障のときの図５の下段のスペクトルと表１の１．５μＷは、ｃｗ発振時の自然放出光によるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の最良の実施形態に係るパルス光源の故障検出装置を備えたパルス光源装置の構成図である。
【図２】図１の故障検出装置の動作を説明するためのスペクトル強度及び分光透過率を模式的に示す図である。
【図３】別の態様の故障検出装置の構成図である。
【図４】光学膜の分光反射率と分光透過率である。
【図５】実施例１の故障検出装置における短波長カットフィルタ２２を透過した光の分光強度波形である。
【符号の説明】
【００４６】
１０・・・・・・・・パルス光源
１１・・・・・・・・モードロックレーザ発振器
１２・・・・・・・・変換手段
２１・・・・・・・・非線形光学媒質
２２・・・・・・・・波長選別手段
２３・・・・・・・・検出手段
【図１】
2006351936.tif 000004
【図２】
2006351936.tif 000005
【図３】
2006351936.tif 000006
【図４】
2006351936.tif 000007
【図５】
2006351936.tif 000008