(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ増幅用の平面型光導波路と、前記平面型光導波路のコア層に信号光を入力する入力光学系と、を備えるレーザ増幅器であって、
前記入力光学系は、
信号光源による出力光を平行光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズによる出力光の第１方向に対するビーム幅を縮小した平行光に変換するアナモルフィックプリズムと、
前記アナモルフィックプリズムによる出力光を第２方向に集光するシリンドリカルレンズと、を有し、
前記シリンドリカルレンズによる出力光が前記第２方向に集光されるとともに前記第２方向から見てビーム幅を変えずに前記コア層内を伝播するような前記信号光として前記コア層に入力され、
前記平面型光導波路は、上部クラッド層、前記コア層及び下部クラッド層による積層構造を有し、
前記第１方向は、前記積層構造における積層方向に対する直交方向に設定されて、
前記第２方向は、前記積層構造における積層方向に沿う方向に設定されている
ことを特徴とするレーザ増幅器。
【請求項２】
前記シリンドリカルレンズの焦点距離は、６ミリメートル以上の値に設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項３】
前記コア層の側面部のうちの前記信号光が入力される部位及び前記信号光が出力される部位に反射防止膜が設けられており、かつ、前記側面部のうちの他の部位に増反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項４】
前記平面型光導波路は、前記コア層に入力された前記信号光が前記コア層の内部を伝搬するとき、前記信号光が前記コア層の側面部により複数回反射される構造を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項５】
前記コア層に入力される前記信号光のビーム幅のうち、前記積層構造における積層方向に沿う方向に対するビーム幅は、前記コア層の肉厚以下の値に設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平面導波路型のレーザ増幅器が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。平面導波路型のレーザ増幅器は、レーザ増幅用の平面型光導波路を有している。平面型光導波路は、２個のクラッド層間に１個のコア層が設けられた積層構造を有している。コア層はレーザ媒質により構成されており、個々のクラッド層はコア層の屈折率よりも低い屈折率を有している。コア層には、励起光が入力されるとともに、増幅対象となるレーザ光、いわゆる「信号光」が入力される。当該入力された励起光がレーザ媒質により吸収されることにより、いわゆる「反転分布状態」が形成される。この状態にて、当該入力された信号光がコア層の内部を伝搬することにより、当該入力された信号光が増幅される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８９７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下、平面型光導波路の積層構造における積層方向に沿う方向を「垂直方向」という。また、当該積層構造における個々の層に沿う方向、すなわち当該積層構造における積層方向に対する直交方向を「水平方向」という。また、信号光の垂直方向に対するビーム幅を「垂直方向ビーム幅」ということがある。また、信号光の水平方向に対するビーム幅を「水平方向ビーム幅」ということがある。また、個々の光学部材に入力される信号光及び当該入力された信号光を総称して「入力光」ということがある。また、個々の光学部材により出力される信号光及び当該出力された信号光を総称して「出力光」ということがある。【０００５】
平面導波路型のレーザ増幅器は、平面型光導波路のコア層に信号光を入力する光学系（以下「入力光学系」という。）を有している。近年、平面型光導波路の小型化に対応する観点から、コア層に対する入力光のビーム幅を小さくすることが求められている。特に、コア層の薄肉化に対応する観点から、当該入力光の垂直方向ビーム幅を当該入力光の水平方向ビーム幅よりも更に小さくすることが求められている。【０００６】
図６を参照して後述するように、従来の平面導波路型のレーザ増幅器における入力光学系は、コリメートレンズ及びシリンドリカルレンズにより構成されている。従来の平面導波路型のレーザ増幅器において、コア層に対する入力光のビーム幅を小さくするためには、シリンドリカルレンズの焦点距離を小さい値に設定することが求められる。シリンドリカルレンズの焦点距離が小さいことにより、入力光学系と平面型光導波路間の設置間隔が小さくなる。このため、レーザ増幅器を組み立てるとき、平面型光導波路に対する入力光学系の設置位置の調節が難しいという問題があった。【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、平面型光導波路に対する入力光学系の設置位置の調節が容易なレーザ増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ増幅器は、レーザ増幅用の平面型光導波路と、平面型光導波路のコア層に信号光を入力する入力光学系と、を備えるレーザ増幅器であって、入力光学系は、信号光源による出力光を平行光に変換するコリメートレンズと、コリメートレンズによる出力光の第１方向に対するビーム幅を縮小した平行光に変換するアナモルフィックプリズムと、アナモルフィックプリズムによる出力光を第２方向に集光するシリンドリカルレンズと、を有し、シリンドリカルレンズによる出力光が第２方向に集光されるとともに第２方向から見てビーム幅を変えずにコア層内を伝播するような信号光としてコア層に入力され、平面型光導波路は、上部クラッド層、コア層及び下部クラッド層による積層構造を有し、第１方向は、積層構造における積層方向に対する直交方向に設定されて、第２方向は、積層構造における積層方向に沿う方向に設定されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、上記のように構成したので、平面型光導波路に対する入力光学系の設置位置の調節が容易なレーザ増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路のコア層を示す平面図である。
【図３Ａ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す側面図である。
【図３Ｂ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す平面図である。
【図４】図４Ａは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の入力光学系のアナモルフィックプリズムを示す平面図である。図４Ｂは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の入力光学系のアナモルフィックプリズムを示す側面図である。
【図５Ａ】信号光源による出力光の断面図である。
【図５Ｂ】コリメートレンズによる出力光の断面図である。
【図５Ｃ】アナモルフィックプリズムによる出力光の断面図である。
【図５Ｄ】コア層に対する入力光の断面図である。
【図６Ａ】従来のレーザ増幅器の要部を示す側面図である。
【図６Ｂ】従来のレーザ増幅器の要部を示す平面図である。
【図７Ａ】実施の形態１に係るレーザ増幅器に対する比較用のレーザ増幅器の要部を示す側面図である。
【図７Ｂ】実施の形態１に係るレーザ増幅器に対する比較用のレーザ増幅器の要部を示す平面図である。
【図８Ａ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路の他のコア層を示す平面図である。
【図８Ｂ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路の他のコア層を示す平面図である。
【図９Ａ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路の他のコア層を示す平面図である。
【図９Ｂ】実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路の他のコア層を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係るレーザ増幅器の平面型光導波路のコア層を示す平面図である。図３Ａは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す側面図である。図３Ｂは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の要部を示す平面図である。図４Ａは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の入力光学系のアナモルフィックプリズムを示す平面図である。図４Ｂは、実施の形態１に係るレーザ増幅器の入力光学系のアナモルフィックプリズムを示す側面図である。図１〜図４を参照して、実施の形態１のレーザ増幅器３００について説明する。
【００１３】
図中、Ｌ１〜Ｌ１０は、レーザ増幅器３００による増幅対象となるレーザ光、すなわち信号光を示している。Ｌ１〜Ｌ８は増幅前の信号光であり、Ｌ９は増幅中の信号光であり、Ｌ１０は増幅後の信号光である。なお、励起光は図示を省略している。
【００１４】
図中、１はコア層である。コア層１は、レーザ媒質により構成されており、かつ、等方性媒質により構成されている。具体的には、例えば、コア層１は、リン酸ガラス、ケイ酸ガラス、フッ化物ガラス、ＹＡＧ、ＹＧＡＧ、セラミックＹＡＧ又はセラミックＬｕ２Ｏ３により構成されている。
【００１５】
図２に示す如く、コア層１は四角形状であり、４個の側面部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを有している。側面部１１ａ，１１ｂは、互いに対向配置されており、かつ、互いに非平行に配置されている。側面部１１ｃ，１１ｄは、互いに対向配置されており、かつ、互いに平行に配置されている。すなわち、コア層１は台形状である。
【００１６】
側面部１１ａは、増幅前の信号光Ｌ８が入力される部位（以下「入光面部」という。）１２を有している。入光面部１２に反射防止膜が設けられており、かつ、側面部１１ａのうちの残余の部位に増反射膜が設けられている。反射防止膜は、ＡＲ（Ａｎｔｉ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングにより形成されたものである。増反射膜は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングにより形成されたものである。
【００１７】
コア層１に対する信号光Ｌ８の入射角度θｖ，θｈのうちの垂直方向に対する入射角度θｖ（不図示）は、例えば、零度に設定されている。他方、水平方向に対する入射角度θｈは、零度よりも大きい値に設定されている。
【００１８】
側面部１１ｂは、増幅後の信号光Ｌ１０が出力される部位（以下「出光面部」という。）１３を有している。出光面部１３は、例えば、入光面部１２と対向配置されている。出光面部１３に反射防止膜が設けられており、かつ、側面部１１ｂのうちの残余の部位に増反射膜が設けられている。反射防止膜は、ＡＲコーティングにより形成されたものである。増反射膜は、ＨＲコーティングにより形成されたものである。
【００１９】
コア層１は、２個のクラッド層２ａ，２ｂ間に設けられている。個々のクラッド層２ａ，２ｂは、等方性媒質により構成されており、かつ、コア層１の屈折率よりも低い屈折率を有している。具体的には、例えば、個々のクラッド層２ａ，２ｂは、リン酸ガラス、ケイ酸ガラス、フッ化物ガラス、ＹＡＧ、ＹＧＡＧ、セラミックＹＡＧ、セラミックＬｕ２Ｏ３、ＳｉＯ２膜、Ｔａ２Ｏ５膜、Ａｌ２Ｏ３膜又はＭｇＦ２膜により構成されている。
【００２０】
以下、２個のクラッド層２ａ，２ｂのうちの一方のクラッド層２ａを「上部クラッド層」ということがある。また、他方のクラッド層２ｂを「下部クラッド層」ということがある。上部クラッド層２ａ、コア層１及び下部クラッド層２ｂにより、平面型光導波路１００の要部が構成されている。すなわち、平面型光導波路１００は、上部クラッド層２ａ、コア層１及び下部クラッド層２ｂによる積層構造を有している。
【００２１】
信号光源３は、信号光Ｌ１を出力するものである。すなわち、信号光源３は、信号光Ｌ１が出力される面部（以下「出光面部」という。）を有している。信号光源３は、単一の波長λを有するレーザ光源により構成されている。具体的には、例えば、信号光源３は、ファイバレーザ、半導体レーザ又は固体レーザにより構成されている。信号光Ｌ１の波長λは、反転分布状態が形成されているときの、コア層１のレーザ媒質中の電子が有するエネルギーと同等のエネルギーに対応する値に設定されている。
【００２２】
図５Ａは、信号光源３による出力光Ｌ１の断面図である。より具体的には、図５Ａは、信号光源３の出光面部における出力光Ｌ１の断面図である。図中、Ｗｖ１は、信号光源３の出光面部における出力光Ｌ１の垂直方向ビーム幅を示している。また、Ｗｈ１は、信号光源３の出光面部における出力光Ｌ１の水平方向ビーム幅を示している。図５Ａに示す例において、信号光源３はファイバレーザにより構成されている。このため、信号光源３による出力光Ｌ１の断面形状は円形状である。
【００２３】
信号光源３による出力光Ｌ１は、空間中を次第に広がりながら伝搬して、コリメートレンズ４に入力される。すなわち、信号光源３による出力光Ｌ１がコリメートレンズ４に対する入力光Ｌ２となる。コリメートレンズ４は、入力光Ｌ２を平行光Ｌ３に変換して、当該変換された平行光Ｌ３を出力するものである。
【００２４】
コリメートレンズ４の表面部４１は略球面状であり、コリメートレンズ４の裏面部４２は略平面状である。コリメートレンズ４は、裏面部４２側に焦点を有している。信号光源３の出光面部は、コリメートレンズ４の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ１はコリメートレンズ４の焦点距離を示している。
【００２５】
図５Ｂは、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の断面図である。図中、Ｗｖ３は、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の垂直方向ビーム幅を示している。また、Ｗｈ３は、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の水平方向ビーム幅を示している。図５Ｂに示す例において、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の断面形状は円形状である。これは、信号光源３による出力光Ｌ１の断面形状が円形状であるため、コリメートレンズ４に対する入力光Ｌ２の断面形状も円形状であることによるものである。
【００２６】
コリメートレンズ４による出力光Ｌ３は、空間中を伝搬して、アナモルフィックプリズム５に入力される。すなわち、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３がアナモルフィックプリズム５に対する入力光Ｌ４となる。アナモルフィックプリズム５は、入力光Ｌ４に対して、水平方向ビーム幅が縮小された平行光Ｌ５を出力するものである。図４に示す如く、アナモルフィックプリズム５は、一対のプリズム５１ａ，５１ｂにより構成されている。図５Ｃは、アナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５の断面図である。
【００２７】
図中、Ｗｖ４は、アナモルフィックプリズム５に対する入力光Ｌ４の垂直方向ビーム幅を示している。入力光Ｌ４の垂直方向ビーム幅Ｗｖ４は、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の垂直方向ビーム幅Ｗｖ３と同等である。また、Ｗｈ４は、アナモルフィックプリズム５に対する入力光Ｌ４の水平方向ビーム幅を示している。入力光Ｌ４の水平方向ビーム幅Ｗｈ４は、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の水平方向ビーム幅Ｗｈ３と同等である。
【００２８】
また、Ｗｖ５は、アナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５の垂直方向ビーム幅を示している。出力光Ｌ５の垂直方向ビーム幅Ｗｖ５は、入力光Ｌ４の垂直方向ビーム幅Ｗｖ４と同等である。また、Ｗｈ５は、アナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５の水平方向ビーム幅を示している。出力光Ｌ５の水平方向ビーム幅Ｗｈ５は、入力光Ｌ４の水平方向ビーム幅Ｗｈ４よりも小さい。これは、アナモルフィックプリズム５が有するビーム幅縮小機能によるものである。
【００２９】
アナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５は、空間中を伝搬して、シリンドリカルレンズ６に入力される。すなわち、アナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５がシリンドリカルレンズ６に対する入力光Ｌ６となる。シリンドリカルレンズ６は、入力光Ｌ６を垂直方向に対して集光するものである。シリンドリカルレンズ６による出力光Ｌ７は、空間中を伝搬して、コア層１入力される。すなわち、シリンドリカルレンズ６による出力光Ｌ７がコア層１に対する入力光Ｌ８となる。
【００３０】
シリンドリカルレンズ６の表面部６１は略円筒面状であり、シリンドリカルレンズ６の裏面部６２は略平面状である。シリンドリカルレンズ６は、表面部６１側に焦点を有している。コア層１の入光面部１２は、シリンドリカルレンズ６の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ２はシリンドリカルレンズ６の焦点距離を示している。
【００３１】
図５Ｄは、コア層１に対する入力光Ｌ８の断面図である。より具体的には、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の断面図である。図中、Ｗｖ８は、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の垂直方向ビーム幅を示している。また、Ｗｈ８は、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の水平方向ビーム幅を示している。
【００３２】
コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の水平方向ビーム幅Ｗｈ８は、シリンドリカルレンズ６に対する入力光Ｌ６の水平方向ビーム幅Ｗｈ６、すなわちアナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５の水平方向ビーム幅Ｗｈ５と同等である。他方、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８は、シリンドリカルレンズ６に対する入力光Ｌ６の垂直方向ビーム幅Ｗｖ６、すなわちアナモルフィックプリズム５による出力光Ｌ５の垂直方向ビーム幅Ｗｖ５よりも小さい。これは、シリンドリカルレンズ６が有する集光機能によるものである。
【００３３】
コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８は、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の水平方向ビーム幅Ｗｈ８よりも小さい値に設定されている。より具体的には、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８は、コア層１の肉厚ｔ以下の値に設定されている。これにより、シリンドリカルレンズ６による出力光Ｌ７がコア層１外に照射されるのを防ぐことができる。この結果、入力光学系２００と平面型光導波路１００間の結合効率を向上することができる。
【００３４】
コリメートレンズ４、アナモルフィックプリズム５及びシリンドリカルレンズ６により、入力光学系２００の要部が構成されている。平面型光導波路１００及び入力光学系２００により、レーザ増幅器３００の要部が構成されている。図中、ｄは、シリンドリカルレンズ６と平面型光導波路１００間の設置間隔、すなわち入力光学系２００と平面型光導波路１００間の設置間隔を示している。
【００３５】
次に、レーザ増幅器３００が信号光を増幅する動作について説明する。
【００３６】
まず、励起光源（不図示）が励起光を出力する。当該出力された励起光は、側面部１１ｃ又は側面部１１ｄからコア層１に入力される。当該入力された励起光がコア層１のレーザ媒質により吸収されることにより、反転分布状態が形成される。
【００３７】
この状態にて、信号光源３が信号光Ｌ１を出力する。これにより、信号光Ｌ８が入光面部１２からコア層１に入力される。当該入力された信号光Ｌ９がコア層１の内部を伝搬することにより、当該入力された信号光Ｌ９が増幅される。
【００３８】
ここで、個々のクラッド層２ａ，２ｂは、コア層１の屈折率よりも低い屈折率を有している。このため、信号光Ｌ９がコア層１の内部を伝搬するとき、コア層１と上部クラッド層２ａ間の境界面部にて信号光Ｌ９が全反射されるとともに、コア層１と下部クラッド層２ｂ間の境界面部にて信号光Ｌ９が全反射される。これにより、信号光Ｌ９がコア層１からクラッド層２ａ，２ｂに漏れるのを抑制することができる。
【００３９】
また、側面部１１ａのうちの入光面部１２を除く部位に増反射膜が設けられており、かつ、側面部１１ｂのうちの出光面部１３を除く部位に増反射膜が設けられている。また、側面部１１ａ，１１ｂは、互いに非平行に配置されている。また、コア層１に対する信号光Ｌ８の入射角度θｈは、零度よりも大きい値に設定されている。
【００４０】
このため、信号光Ｌ９がコア層１の内部を伝搬するとき、信号光Ｌ９が側面部１１ａ，１１ｂにより複数回反射される。より具体的には、信号光Ｌ９が側面部１１ａ，１１ｂにより交互に反射される。これにより、図１又は図２に示す如く、信号光Ｌ９がジグザグ状に伝搬する。この結果、コア層１の寸法に対して、レーザ媒質中の信号光Ｌ９の伝搬経路長を大きくすることができる。したがって、レーザ増幅器３００の利得を向上することができる。
【００４１】
なお、入射角度θｈが変化することにより、側面部１１ａ，１１ｂによる信号光Ｌ９の反射回数が変化する。これにより、信号光Ｌ９の伝搬経路長が変化する。したがって、入射角度θｈは、コア層１の寸法及び要求される信号光Ｌ９の伝搬経路長（すなわち要求される信号光Ｌ９の反射回数）などに応じて、適切な値に設定するのが好適である。
【００４２】
次に、図６を参照して、従来のレーザ増幅器３００’について説明する。また、実施の形態１のレーザ増幅器３００による従来のレーザ増幅器３００’に対する有利な効果について説明する。
【００４３】
図６に示す如く、従来のレーザ増幅器３００’は平面型光導波路１００’を有している。平面型光導波路１００’は、上部クラッド層２ａ’、コア層１’及び下部クラッド層２ｂ’による積層構造を有している。図中、Ｌ１’〜Ｌ３’，Ｌ６’〜Ｌ８’は増幅前の信号光を示しており，Ｌ１０’は増幅後の信号光を示している。
【００４４】
信号光源３’は、信号光Ｌ１’を出力するものである。信号光源３’による出力光Ｌ１’は、コリメートレンズ４’に対する入力光Ｌ２’となる。コリメートレンズ４’は、入力光Ｌ２’を平行光Ｌ３’に変換して、当該変換された平行光Ｌ３’を出力するものである。信号光源３’の出光面部（不図示）は、コリメートレンズ４’の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ１’はコリメートレンズ４’の焦点距離を示している。
【００４５】
コリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’は、シリンドリカルレンズ６’に対する入力光Ｌ６’となる。シリンドリカルレンズ６’は、入力光Ｌ６’を垂直方向に対して集光するものである。シリンドリカルレンズ６’による出力光Ｌ７’は、コア層１’に対する入力光Ｌ８’となる。コア層１’の入光面部（不図示）は、シリンドリカルレンズ６’の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ２’はシリンドリカルレンズ６’の焦点距離を示している。
【００４６】
コリメートレンズ４’及びシリンドリカルレンズ６’により、入力光学系２００’の要部が構成されている。平面型光導波路１００’及び入力光学系２００’により、レーザ増幅器３００’の要部が構成されている。図中、ｄ’は、シリンドリカルレンズ６’と平面型光導波路１００’間の設置間隔、すなわち入力光学系２００’と平面型光導波路１００’間の設置間隔を示している。
【００４７】
コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８’と、シリンドリカルレンズ６’に対する入力光Ｌ６’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ６’、すなわちコリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ３’との対応関係は、以下の式（１）により表される。また、コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の水平方向ビーム幅Ｗｈ８’と、シリンドリカルレンズ６’に対する入力光Ｌ６’の水平方向ビーム幅Ｗｈ６’、すなわちコリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’の水平方向ビーム幅Ｗｈ３’との対応関係は、以下の式（２）により表される。
【００４８】
Ｗｖ８’＝（４×λ×ｆ２’）／（π×Ｗｖ３’）  （１）
Ｗｈ８’＝Ｗｈ３’  （２）
【００４９】
上記式（１）に基づき、コリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ３’を大きい値に設定することにより、又はシリンドリカルレンズ６’の焦点距離ｆ２’を小さい値に設定することにより、コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８’を小さくすることができる。また、上記式（２）に基づき、コリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’の水平方向ビーム幅Ｗｈ３’を小さい値に設定することにより、コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の水平方向ビーム幅Ｗｈ８’を小さくすることができる。
【００５０】
しかしながら、コリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’のビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’は、コリメートレンズ４’の焦点距離ｆ１’に応じた値となる。すなわち、焦点距離ｆ１’を大きくすることにより、ビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’の両方が大きくなる。他方、焦点距離ｆ１’を小さくすることにより、ビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’の両方が小さくなる。通常、ビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’は、コリメートレンズ４’の焦点距離ｆ１’により設定されるものである。したがって、ビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’のうちのいずれか一方を大きい値に設定するとともに、ビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’のうちのいずれか他方を小さい値に設定することは困難である。
【００５１】
このため、コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８’を小さくするとともに、コア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’の水平方向ビーム幅Ｗｈ８’を小さくするためには、コリメートレンズ４’による出力光Ｌ３’のビーム幅Ｗｖ３’，Ｗｈ３’を小さい値に設定するとともに、シリンドリカルレンズ６’の焦点距離ｆ２’を小さい値に設定することが求められる。焦点距離ｆ２’が小さいことにより、入力光学系２００’と平面型光導波路１００’間の設置間隔ｄ’が小さくなる。このため、レーザ増幅器３００’を組み立てるとき、平面型光導波路１００’に対する入力光学系２００’の設置位置の調節が難しいという問題が生ずる。
【００５２】
これに対して、実施の形態１のレーザ増幅器３００における入力光学系２００は、コリメートレンズ４とシリンドリカルレンズ６間にアナモルフィックプリズム５が設けられている。これにより、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の水平方向ビーム幅Ｗｈ８を小さくするにあたり、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３のビーム幅Ｗｖ３，Ｗｈ３を小さい値に設定することを不要とすることができる。この結果、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３のビーム幅Ｗｖ３，Ｗｈ３を大きい値に設定することができる。そして、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３の垂直方向ビーム幅Ｗｖ３が大きいことにより、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を小さくするにあたり、シリンドリカルレンズ６の焦点距離ｆ２を小さい値に設定することを不要とすることができる。この結果、シリンドリカルレンズ６の焦点距離ｆ２を大きい値に設定することができる。
【００５３】
すなわち、実施の形態１のレーザ増幅器３００は、従来のレーザ増幅器３００’に比して、焦点距離ｆ２の大きいシリンドリカルレンズ６を用いて、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８のビーム幅Ｗｖ８，Ｗｈ８を小さくすることができる。これにより、従来のレーザ増幅器３００’に比して、入力光学系２００と平面型光導波路１００間の設置間隔ｄが大きくなる。この結果、レーザ増幅器３００を組み立てるとき、平面型光導波路１００に対する入力光学系２００の設置位置の調節を容易にすることができる。
【００５４】
次に、実施の形態１のレーザ増幅器３００による従来のレーザ増幅器３００’に対する他の有利な効果について説明する。
【００５５】
従来のレーザ増幅器３００’において、シリンドリカルレンズ６’の焦点距離ｆ２’とコア層１’の入光面部における入力光Ｌ８’のビーム幅Ｗｖ８’，Ｗｈ８’との対応関係は、以下の式（３）により表される。
【００５６】
ｆ２’＝（π×Ｗｖ８’×Ｗｈ８’）／（４×λ）  （３）
【００５７】
焦点距離ｆ２’は、上記式（３）に基づき、要求されるビーム幅Ｗｖ８’，Ｗｈ８’に応じた値に設定することが求められる。例えば、要求されるビーム幅Ｗｖ８’，Ｗｈ８’の値が以下の式（４）に示す条件を満たしているものとする。この場合、焦点距離ｆ２’は、１ミリメートルよりも大きく、かつ、６ミリメートルよりも小さい値に設定することが求められる。
【００５８】
１．０＜｛（π×Ｗｖ８’×Ｗｈ８’）／（４×λ）｝＜６．０  （４）
【００５９】
通常、既製品のシリンドリカルレンズの焦点距離は、１ミリメートル以下の値又は６ミリメートル以上の値に設定されている。このため、要求されるビーム幅Ｗｖ８’，Ｗｈ８’の値が上記式（４）に示す条件を満たしている場合、シリンドリカルレンズ６’に既製品を用いることができない。シリンドリカルレンズ６’に特注品を用いることにより、入力光学系２００’の開発コスト及び製造コストが増加するという問題が生ずる。
【００６０】
これに対して、実施の形態１のレーザ増幅器３００においては、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８のビーム幅Ｗｖ８，Ｗｈ８を小さくするにあたり、シリンドリカルレンズ６の焦点距離ｆ２を小さい値に設定することが不要である。このため、既製品の焦点距離範囲（すなわち１ミリメートル以下の範囲又は６ミリメートル以上の範囲）内の値を含む、所望の焦点距離ｆ２を有するシリンドリカルレンズ６を用いて、要求されるビーム幅Ｗｖ８，Ｗｈ８を実現することができる。シリンドリカルレンズ６に既製品を用いることにより、入力光学系２００の開発コスト及び製造コストを低減することができる。特に、６ミリメートル以上の焦点距離ｆ２を有するシリンドリカルレンズ６を用いることにより、上記のとおり、平面型光導波路１００に対する入力光学系２００の設置位置の調節を容易にすることができる。
【００６１】
次に、図７を参照して、実施の形態１のレーザ増幅器３００に対する比較用のレーザ増幅器３００”について説明する。また、実施の形態１のレーザ増幅器３００による比較用のレーザ増幅器３００”に対する有利な効果について説明する。
【００６２】
図７に示す如く、比較用のレーザ増幅器３００”は平面型光導波路１００”を有している。平面型光導波路１００”は、上部クラッド層２ａ”、コア層１”及び下部クラッド層２ｂ”による積層構造を有している。図中、Ｌ１”〜Ｌ３”，Ｌ６”〜Ｌ８”，Ｌ１１”，Ｌ１２”は増幅前の信号光を示しており、Ｌ１０”は増幅後の信号光を示している。
【００６３】
信号光源３”は、信号光Ｌ１”を出力するものである。信号光源３”による出力光Ｌ１”は、コリメートレンズ４”に対する入力光Ｌ２”となる。コリメートレンズ４”は、入力光Ｌ２”を平行光Ｌ３”に変換して、当該変換された平行光Ｌ３”を出力するものである。信号光源３”の出光面部（不図示）は、コリメートレンズ４”の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ１”はコリメートレンズ４”の焦点距離を示している。
【００６４】
コリメートレンズ４”による出力光Ｌ３”は、シリンドリカルレンズ７”に対する入力光Ｌ１１”となる。シリンドリカルレンズ７”は、入力光Ｌ１１”を水平方向に対して集光するものである。シリンドリカルレンズ７”による出力光Ｌ１２”は、シリンドリカルレンズ６”に対する入力光Ｌ６”となる。シリンドリカルレンズ６”は、入力光Ｌ６”を垂直方向に対して集光するものである。シリンドリカルレンズ６”による出力光Ｌ７”は、コア層１”に対する入力光Ｌ８”となる。
【００６５】
コア層１”の入光面部（不図示）は、シリンドリカルレンズ７”の焦点に対応する位置に配置されており、かつ、シリンドリカルレンズ６”の焦点に対応する位置に配置されている。図中、ｆ３”はシリンドリカルレンズ７”の焦点距離を示しており、ｆ２”はシリンドリカルレンズ６”の焦点距離を示している。
【００６６】
コリメートレンズ４”、シリンドリカルレンズ７”及びシリンドリカルレンズ６”により、入力光学系２００”の要部が構成されている。平面型光導波路１００”及び入力光学系２００”により、レーザ増幅器３００”の要部が構成されている。図中、ｄ”は、シリンドリカルレンズ６”と平面型光導波路１００”間の設置間隔、すなわち入力光学系２００”と平面型光導波路１００”間の設置間隔を示している。
【００６７】
実施の形態１のレーザ増幅器３００は、シリンドリカルレンズ６が有する集光機能を用いて、要求される垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を実現するものである。これと同様に、比較用のレーザ増幅器３００”は、シリンドリカルレンズ６”が有する集光機能を用いて、要求される垂直方向ビーム幅Ｗｖ８”を実現するものである。
【００６８】
しかしながら、比較用のレーザ増幅器３００”は、シリンドリカルレンズ７”が有する集光機能を用いて、要求される水平方向ビーム幅Ｗｈ８”を実現するものである。このため、コア層１”に入力された信号光Ｌ９”（不図示）がコア層１”の内部を伝搬するとき、信号光Ｌ９”の水平方向ビーム幅Ｗｈ９”が次第に大きくなる。これにより、コア層１”の出光面部（不図示）における出力光Ｌ１０”の水平方向ビーム幅Ｗｈ１０”が、コア層１の入光面部における入力光Ｌ８”の水平方向ビーム幅Ｗｈ８”に比して大きくなる。また、コア層１”による出力光Ｌ１０”が空間中を伝搬するとき、出力光Ｌ１０”の水平方向ビーム幅Ｗｈ１０”が次第に大きくなる。この結果、コア層１”による出力光Ｌ１０”が他の光学系（以下「出力光学系」という。）に入力されるものである場合、平面型光導波路１００”と出力光学系間の結合効率が低下する。
【００６９】
これに対して、実施の形態１のレーザ増幅器３００は、アナモルフィックプリズム５が有するビーム幅縮小機能を用いて、要求される水平方向ビーム幅Ｗｈ８を実現するものである。このため、信号光Ｌ９がコア層１の内部を伝搬するとき、信号光Ｌ９の水平方向ビーム幅Ｗｈ９が次第に大きくなるのを抑制することができる。これにより、コア層１の出光面部１３における出力光Ｌ１０の水平方向ビーム幅Ｗｈ１０を、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８の水平方向ビーム幅Ｗｈ８と同等にすることができる。また、コア層１による出力光Ｌ１０が空間中を伝搬するとき、出力光Ｌ１０の水平方向ビーム幅Ｗｈ１０が次第に大きくなるのを抑制することができる。この結果、平面型光導波路１００と出力光学系間の結合効率を向上することができる。
【００７０】
次に、図８を参照して、コア層１の変形例について説明する。
【００７１】
図８Ａに示す如く、コア層１の側面部１１ａに、増幅前の信号光Ｌ８が入力されるとともに増幅後の信号光Ｌ１０が出力される部位（以下「入出光面部」という。）１４が設けられているものであっても良い。この場合において、コア層１の内部における信号光Ｌ９の往路は、コア層１の内部における信号光Ｌ９の復路と同様の経路であっても良い。
【００７２】
または、図８Ｂに示す、コア層１の側面部１１ａに入出光面部１４が設けられているものであっても良い。この場合において、コア層１の内部における信号光Ｌ９の往路は、コア層１の内部における信号光Ｌ９の復路と異なる経路であっても良い。なお、図８Ｂに示す例においては、側面部１１ｄに増反射膜が設けられているものであっても良い。
【００７３】
次に、図９を参照して、コア層１の他の変形例について説明する。
【００７４】
図９Ａに示す如く、コア層１が長方形状であり、かつ、側面部１１ａ，１１ｂが当該長方形の長辺に対応するものであり、かつ、側面部１１ｃ，１１ｄが当該長方形の短辺に対応するものであっても良い。この場合において、側面部１１ｃに入出光面部１４が設けられているものであっても良い。これにより、信号光Ｌ９の伝搬経路は、コア層１の長手方向に沿う経路となる。この結果、側面部１１ａ，１１ｂによる信号光Ｌ９の反射を不要としつつ、信号光Ｌ９の伝搬経路長を確保することができる。なお、図９Ａに示す例においては、側面部１１ｄに増反射膜が設けられているものであっても良い。
【００７５】
または、図９Ｂに示す如く、コア層１が長方形状であり、かつ、側面部１１ａ，１１ｂが当該長方形の長辺に対応するものであり、かつ、側面部１１ｃ，１１ｄが当該長方形の短辺に対応するものであっても良い。この場合において、側面部１１ｃに入光面部１２が設けられており、かつ、側面部１１ｄに出光面部１３が設けられているものであっても良い。これにより、信号光Ｌ９の伝搬経路は、コア層１の長手方向に沿う経路となる。この結果、側面部１１ａ，１１ｂによる信号光Ｌ９の反射を不要としつつ、信号光Ｌ９の伝搬経路長を確保することができる。
【００７６】
次に、レーザ増幅器３００のそのほかの変形例について説明する。
【００７７】
アナモルフィックプリズム５によるビーム幅の縮小方向（以下「第１方向」という。）は、水平方向に限定されるものではない。また、シリンドリカルレンズ６による集光方向（以下「第２方向」という。）は、垂直方向に限定されるものではない。例えば、アナモルフィックプリズム５が垂直方向に対するビーム幅を縮小するとともに、シリンドリカルレンズ６が水平方向に対して集光するものであっても良い。
【００７８】
ただし、コア層１の薄肉化に対応するために、垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を水平方向ビーム幅Ｗｈ８よりも更に小さくする観点から、第１方向を水平方向に設定するとともに、第２方向を垂直方向に設定するのが好適である。また、コア層１の内部にて水平方向ビーム幅Ｗｈ９が次第に大きくなるのを抑制する観点からも、第１方向を水平方向に設定するとともに、第２方向を垂直方向に設定するのが好適である。
【００７９】
以上のように、実施の形態１のレーザ増幅器３００は、レーザ増幅用の平面型光導波路１００と、平面型光導波路１００のコア層１に信号光を入力する入力光学系２００と、を備えるレーザ増幅器３００であって、入力光学系２００は、信号光源３による出力光を平行光に変換するコリメートレンズ４と、コリメートレンズ４による出力光の第１方向に対するビーム幅を縮小するアナモルフィックプリズム５と、アナモルフィックプリズム５による出力光を第２方向に集光するシリンドリカルレンズ６と、を有し、シリンドリカルレンズ６による出力光がコア層１に入力されるものである。アナモルフィックプリズム５が設けられていることにより、コア層１の入光面部１２における入力光Ｌ８のビーム幅Ｗｖ８，Ｗｈ８を小さくするにあたり、コリメートレンズ４による出力光Ｌ３のビーム幅Ｗｈ３，Ｗｖ３を小さい値に設定することを不要とすることができる。このため、シリンドリカルレンズ６の焦点距離ｆ２を小さい値に設定することを不要とすることができる。入力光学系２００と平面型光導波路１００間の設置間隔ｄが大きいことにより、平面型光導波路１００に対する入力光学系２００の設置位置の調節を容易にすることができる。
【００８０】
また、平面型光導波路１００は、上部クラッド層２ａ、コア層１及び下部クラッド層２ｂによる積層構造を有し、第１方向は、積層構造における積層方向に対する直交方向に設定されている。これにより、アナモルフィックプリズム５が有するビーム幅縮小機能を用いて、要求される水平方向ビーム幅Ｗｈ８を実現することができる。また、コア層１の内部における信号光Ｌ９の水平方向ビーム幅Ｗｈ９が伝搬中に次第に大きくなるのを抑制することができるとともに、コア層１による出力光Ｌ１０の水平方向ビーム幅Ｗｈ１０が伝搬中に次第に大きくなるのを抑制することができる。この結果、平面型光導波路１００と出力光学系間の結合効率を向上することができる。
【００８１】
また、平面型光導波路１００は、上部クラッド層２ａ、コア層１及び下部クラッド層２ｂによる積層構造を有し、第２方向は、積層構造における積層方向に沿う方向に設定されている。これにより、シリンドリカルレンズ６が有する集光機能を用いて、要求される垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を実現することができる。具体的には、例えば、水平方向ビーム幅Ｗｈ８よりも更に小さい垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を実現することができる。また、コア層１の肉厚ｔ以下の垂直方向ビーム幅Ｗｖ８を実現することができる。
【００８２】
また、シリンドリカルレンズ６の焦点距離ｆ２は、６ミリメートル以上の値に設定されている。これにより、シリンドリカルレンズ６に既製品を用いることができる。この結果、入力光学系２００の開発コスト及び製造コストを低減することができる。また、上記のとおり、平面型光導波路１００に対する入力光学系２００の設置位置の調節を容易にすることができる。
【００８３】
また、コア層１の側面部１１ａ，１１ｂのうちの信号光が入力される部位（入光面部１２）及び信号光が出力される部位（出光面部１３）に反射防止膜が設けられており、かつ、側面部１１ａ，１１ｂのうちの他の部位に増反射膜が設けられている。これにより、信号光Ｌ９がコア層１の内部を伝搬するとき、信号光Ｌ９が側面部１１ａ，１１ｂにより複数回反射される構造、より具体的には信号光Ｌ９が側面部１１ａ，１１ｂにより交互に反射される構造を実現することができる。
【００８４】
また、平面型光導波路１００は、コア層１に入力された信号光がコア層１の内部を伝搬するとき、信号光がコア層１の側面部１１ａ，１１ｂにより複数回反射される構造を有する。これにより、コア層１の寸法に対して、レーザ媒質中の信号光Ｌ９の伝搬経路長を長くすることができる。この結果、レーザ増幅器３００の利得を向上することができる。
【００８５】
また、平面型光導波路１００は、上部クラッド層２ａ、コア層１及び下部クラッド層２ｂによる積層構造を有し、コア層１に入力される信号光のビーム幅のうち、積層構造における積層方向に対する直交方向に対するビーム幅は、コア層１の肉厚ｔ以下の値に設定されている。これにより、入力光学系２００と平面型光導波路１００間の結合効率を向上することができる。
【００８６】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明のレーザ増幅器は、例えば、計測用又は通信用のレーザ光の増幅に用いることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１  コア層、２ａ  クラッド層（上部クラッド層）、２ｂ  クラッド層（下部クラッド層）、３  信号光源、４  コリメートレンズ、５  アナモルフィックプリズム、６  シリンドリカルレンズ、１１ａ  側面部、１１ｂ  側面部、１１ｃ  側面部、１１ｄ  側面部、１２  入光面部、１３  出光面部、１４  入出光面部、４１  表面部、４２  裏面部、５１ａ  プリズム、５１ｂ  プリズム、６１  表面部、６２  裏面部、１００  平面型光導波路、２００  入力光学系、３００  レーザ増幅器。
【要約】
レーザ増幅器（３００）は、レーザ増幅用の平面型光導波路（１００）と、平面型光導波路（１００）のコア層（１）に信号光を入力する入力光学系（２００）と、を備えるレーザ増幅器（３００）であって、入力光学系（２００）は、信号光源（３）による出力光を平行光に変換するコリメートレンズ（４）と、コリメートレンズ（４）による出力光の第１方向に対するビーム幅を縮小するアナモルフィックプリズム（５）と、アナモルフィックプリズム（５）による出力光を第２方向に集光するシリンドリカルレンズ（６）と、を有し、シリンドリカルレンズ（６）による出力光がコア層（１）に入力されるものである。【図１】
0006639746.tif 000002
【図２】
0006639746.tif 000003
【図３Ａ】
0006639746.tif 000004
【図３Ｂ】
0006639746.tif 000005
【図４】
0006639746.tif 000006
【図５Ａ】
0006639746.tif 000007
【図５Ｂ】
0006639746.tif 000008
【図５Ｃ】
0006639746.tif 000009
【図５Ｄ】
0006639746.tif 000010
【図６Ａ】
0006639746.tif 000011
【図６Ｂ】
0006639746.tif 000012
【図７Ａ】
0006639746.tif 000013
【図７Ｂ】
0006639746.tif 000014
【図８Ａ】
0006639746.tif 000015
【図８Ｂ】
0006639746.tif 000016
【図９Ａ】
0006639746.tif 000017
【図９Ｂ】
0006639746.tif 000018