(57)【要約】【課題】戻り光の影響を確実に低減することが可能な光増幅装置を提供する。【解決手段】チタンサファイア結晶などの光増幅素子２と、入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する入射光学系１と、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果生成される増幅光を出力光Ｌ２として出射する出射光学系３と、励起部４とを備える光増幅装置に対して、出射光学系３の光路上の所定位置にビームスプリッターなどからなる光分岐部３０を設置し、増幅光の一部を分岐して分岐光Ｌ３を生成する。そして、分岐光Ｌ３を出力光Ｌ２の戻り光よりも前となる所定の入射タイミングで、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射し、励起部４から供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１の増幅後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３の増幅によって消費させる。【選択図】  図１
2004221278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を増幅する光増幅手段と、
前記入力光を増幅するための励起エネルギーを前記光増幅手段に供給する励起手段と、
前記入力光を前記光増幅手段へと入射する入射光学系と、
前記光増幅手段により前記入力光が増幅された結果得られる増幅光を出力光として出射する出射光学系と、
前記入射光学系及び前記出射光学系を含む光学系の所定位置に設置され、前記入力光または前記増幅光の一部を分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された分岐光を所定の入射タイミングで前記光増幅手段へと入射する分岐光入射光学系と
を備えることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記光分岐手段は、前記出射光学系に設置されて前記増幅光の一部を分岐するとともに、前記分岐光入射光学系は、前記出力光の戻り光よりも前となる前記入射タイミングで、前記分岐光を前記光増幅手段へと入射することを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記光分岐手段は、前記入射光学系に設置されて前記入力光の一部を分岐するとともに、前記分岐光入射光学系は、前記入力光よりも後で前記出力光の戻り光よりも前となる前記入射タイミングで、前記分岐光を前記光増幅手段へと入射することを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記分岐光入射光学系によって前記光増幅手段へと入射した前記分岐光が前記光増幅手段により増幅された結果得られる増幅光を分岐出力光として出射する分岐光出射光学系を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力光を増幅して出力する光増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
入力光のエネルギーを増幅する装置として、励起エネルギーを供給することによって光増幅素子を励起し、被増幅光である入力光を励起された状態にある光増幅素子へと入射して誘導放出を発生させ、これによって入力光を増幅して出力する光増幅装置が知られている。このような光増幅装置としては、例えば、ＴＷＡ（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｗａｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの半導体光増幅器（文献１）や、光ファイバ増幅器、光パルスの増幅に用いられる再生光増幅器（文献２）、マルチパス増幅器（文献３）などがある。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊ．  Ｋｌｅｂｎｉｃｚｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  ａ  ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．１５  Ｎｏ．２３  （１９９０），  ｐ．１３６８−１３７０．
【０００４】
【非特許文献２】
Ｔ．  Ｍｉｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｔｉｍｉｎｇ  ｊｉｔｔｅｒ  ｉｎ  ａ  ｋｉｌｏｈｅｒｔｚ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｏｆ  ａ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｐｕｌｓｅ  Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３  ｌａｓｅｒ”，  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．２５  Ｎｏ．２４  （２０００），  ｐ．１７９５−１７９７．
【０００５】
【非特許文献３】
Ｋ．  Ｙａｍａｋａｗａ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｐ．  Ｊ．  Ｂａｒｔｙ，  ”Ｕｌｔｒａｆａｓｔ，  Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｐｅａｋ，  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ−Ａｖｅｒａｇｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｓｅｌ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔ．  Ｅｌｅｃｔｒ．  Ｖｏｌ．６  Ｎｏ．４  （２０００），  ｐ．６５８−６７５．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような光増幅装置では、原理的に、光増幅素子への双方向の光の入射に対して有効に増幅が生じる。一方、光増幅装置からの光の出力側に光を一部でも反射する媒質があると、出力光の一部が反射されることによって戻り光が発生し、光増幅装置の光増幅素子へと再び入射されることがしばしば起きる。このとき、この出力側からの戻り光が光増幅素子で増幅され、高出力の戻り光として光増幅装置の入力側へと逆方向に出射されることとなる。
【０００７】
この光増幅素子で増幅された高出力の戻り光は、光増幅装置の入力側に設置されている光学媒質や光学機器へと入射し、それらに不具合を生じさせる。例えば、光増幅装置の入力側にレーザ共振器が設置されていると、光増幅素子で増幅された戻り光が再入射することによってレーザ共振器の発振状態が不安定化する。また、高出力であるため、光学素子等に容易にダメージを与えてしまう。
【０００８】
これに対して、光増幅装置での戻り光の影響を低減する構成として、その光路上に方向性光結合器（光アイソレータ）を設ける構成がある。光アイソレータを用いることにより、逆方向への戻り光のエネルギーを数桁にわたって減衰させることができ、高出力の戻り光が光増幅装置の入力側へと出射されることが防止される。
【０００９】
しかしながら、光アイソレータは、その光入射窓の大きさに制限があるため、ビーム径が大きい光に対しては、その全てを入射することができないという問題がある。また、強度が大きい光に対して光路上に光アイソレータを挿入すると、光アイソレータ自体が光学的に損傷を受ける場合があるなど、戻り光の影響を確実に低減することは難しい。一方、光の強度を低減するためには、そのビーム径を大きくせざるを得ないが、それは上記のように光アイソレータの適用上問題がある。また、光アイソレータは比較的高価であるため、上記した構成では光増幅装置が全体として高価となるという問題もある。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、戻り光の影響を確実に低減することが可能な光増幅装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光増幅装置は、（１）入力光を増幅する光増幅手段と、（２）入力光を増幅するための励起エネルギーを光増幅手段に供給する励起手段と、（３）入力光を光増幅手段へと入射する入射光学系と、（４）光増幅手段により入力光が増幅された結果得られる増幅光を出力光として出射する出射光学系と、（５）入射光学系及び出射光学系を含む光学系の所定位置に設置され、入力光または増幅光の一部を分岐する光分岐手段と、（６）光分岐手段で分岐された分岐光を所定の入射タイミングで光増幅手段へと入射する分岐光入射光学系とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記した光増幅装置においては、入射光学系及び出射光学系を含み、増幅対象の光が伝搬する光増幅装置での光学系に対して、その光路上に光分岐手段を挿入することで伝搬している光の一部を分岐し、得られた分岐光を被増幅光である入力光とは別の光学系を介して光増幅手段へと入射する。そして、分岐光の光増幅手段への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００１３】
このような構成によれば、所定のタイミングで入射された分岐光が光増幅手段で増幅されることにより、入力光を増幅した後に光増幅手段に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、光増幅装置の出力側からの戻り光が逆方向に光増幅手段へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅手段で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。分岐光の光増幅手段への入射タイミングについては、出力光の戻り光が想定される場合には、その戻り光が光増幅手段へと入射されるよりも前となる入射タイミングとすることが好ましい。
【００１４】
これを確実にするため、例えば、分岐光による光増幅手段の残留エネルギー消費過程に要する光路長の半分よりも長い覆いで出力光伝搬路を囲っても良い。このとき、戻り光を生成する光学素子等の設置が光増幅装置から充分遠い位置でのみ可能となり、戻り光の光増幅装置に入射するタイミングは、残留エネルギー消費後となる。
【００１５】
分岐光を光増幅手段へと入射する構成としては、光分岐手段は、出射光学系に設置されて増幅光の一部を分岐するとともに、分岐光入射光学系は、出力光の戻り光よりも前となる入射タイミングで、分岐光を光増幅手段へと入射する構成とすることが好ましい。あるいは、光分岐手段は、入射光学系に設置されて入力光の一部を分岐するとともに、分岐光入射光学系は、入力光よりも後で出力光の戻り光よりも前となる入射タイミングで、分岐光を光増幅手段へと入射する構成とすることが好ましい。これらの構成によれば、光増幅手段に残留している励起エネルギーを確実に消費させて、戻り光の影響を低減することができる。
【００１６】
また、光増幅装置は、分岐光入射光学系によって光増幅手段へと入射した分岐光が光増幅手段により増幅された結果得られる増幅光を分岐出力光として出射する分岐光出射光学系を備えることを特徴とする。このような分岐出力光は、通常の出射光学系から出射された出力光と完全に同期がとれており、時間分解計測などの様々な計測に有効に利用することが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光増幅装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１８】
図１は、本発明による光増幅装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、被増幅光として入力される入力光Ｌ１を増幅し、得られた増幅光を出力光Ｌ２として出力するものであり、入力光Ｌ１を増幅する光増幅手段（光増幅媒体）である光増幅素子２を備えている。また、この光増幅素子２に対して、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系が、増幅対象の光を伝搬する光学系として設置されている。
【００１９】
入射光学系１は、光増幅装置に対して入力側に設置されている入力光生成装置８などから供給された入力光Ｌ１を、光増幅素子２へと入射する光学系である。この入射光学系１は、入力光Ｌ１を光増幅に適したビーム形状（ビームの大きさや集光具合など）にするとともに、入射角度等を適宜設定して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。また、出射光学系３は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光を、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置の出力側へと出射する光学系である。
【００２０】
光増幅素子２に対して、入力光Ｌ１を増幅するために必要な励起エネルギーを供給する励起部４が設置されている。光増幅素子２への励起エネルギーは、例えば、励起光、電流、放電などの手段で供給される。
【００２１】
励起部４は、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１から構成されている。エネルギー供給部４０は、例えば励起光を生成する励起光源であり、励起エネルギーを生成して、エネルギー伝送部４１へと供給する。また、エネルギー伝送部４１は、エネルギー供給部４０から供給された励起エネルギーを光増幅素子２へと伝送する。これにより、光増幅素子２が励起されて、入力光Ｌ１を増幅可能な状態となる。
【００２２】
本実施形態においては、さらに、出射光学系３の光路上の所定位置に、光分岐部３０が設置されている。光分岐部３０は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光の一部を分岐して、分岐光Ｌ３を生成する。この分岐光Ｌ３は、本光増幅装置において、励起部４から光増幅素子２へと供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させるために用いられる。
【００２３】
また、この光分岐部３０に対して、分岐光入射光学系５が設置されている。分岐光入射光学系５は、光分岐部３０で分岐された分岐光Ｌ３を所定の入射タイミングで、所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。
【００２４】
以上の構成において、励起部４のエネルギー供給部４０からエネルギー伝送部４１を介して、光増幅素子２へと励起エネルギーが供給されると、光増幅素子２は、光を増幅可能な状態に励起される。この状態で、光増幅装置の入力側に接続されている入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１を、入射光学系１を介して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。このとき、光増幅素子２において誘導放出が発生し、これによって入力光Ｌ１が増幅される。
【００２５】
入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光は、出射光学系３を介して、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置から出力され、物質への照射などの所定の目的に用いられる。なお、入射光学系１による光増幅素子２への入力光Ｌ１の入射、及びそれによる入力光Ｌ１の増幅は、１回であっても良く、あるいは必要に応じて複数回にわたって増幅する構成であっても良い。
【００２６】
ここで、このように光増幅素子２で入力光Ｌ１が増幅された後でも、増幅された出力光Ｌ２のビーム品質を良好に保持するための制限や、入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する光学系の構成上の制限などにより、光増幅素子２に、励起部４から供給された励起エネルギーの一部が残留している場合がある。
【００２７】
これに対して、本実施形態の光増幅装置では、出射光学系３に設けられた光分岐部３０によって増幅光の一部が所定の割合で分岐される。そして、得られた分岐光Ｌ３は、入射光学系１とは別に設けられた分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射された後、光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ４として所定の方向へと出射される。このとき、分岐光Ｌ３の増幅によって、光増幅素子２に残留していた励起エネルギーが消費される。
【００２８】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００２９】
図１に示した光増幅装置においては、増幅対象の光を伝搬する光増幅装置での光学系に含まれている出射光学系３に対して、その光路上に光分岐手段である光分岐部３０を挿入して伝搬されている増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３を、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射する。そして、分岐光Ｌ３の光増幅素子２への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００３０】
このような構成によれば、上記したように、所定のタイミングで入射された分岐光Ｌ３が光増幅素子２で増幅されることにより、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、光増幅装置の出力側に光を反射する媒質があり、出力光Ｌ２が反射された結果生成される戻り光が逆方向に光増幅装置の光増幅素子２へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００３１】
ここで、分岐光入射光学系５を介した光増幅素子２への分岐光Ｌ３の入射タイミングについては、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するために好適なタイミングに設定することが好ましい。具体的には例えば、光増幅装置からの出力光Ｌ２が反射された戻り光が想定される場合には、その戻り光が光増幅素子２へと入射されるよりも前となるように分岐光Ｌ３の入射タイミングを設定することが好ましい。
【００３２】
このように分岐光Ｌ３の入射タイミングを設定することにより、出力光Ｌ２の戻り光が発生した場合であっても、戻り光の光増幅素子２への入射時には既に光増幅素子２に残留している余分な励起エネルギーが分岐光Ｌ３の増幅によって消費されていることとなる。したがって、戻り光が増幅されて高出力化されることが防止され、戻り光の影響を確実に低減することができる。
【００３３】
上記した場合の光増幅装置の構成条件としては、出射光学系３に設置された光分岐部３０から出力光Ｌ２を反射して戻り光を発生させる媒質までの距離をＤ、光分岐部３０から分岐光入射光学系５までの距離をＤ１、分岐光入射光学系５から光増幅素子２までの距離をＤ２としたときに、条件２×Ｄ＞Ｄ１＋Ｄ２を満たすように構成することが好ましい。このような構成は、例えば、光分岐部３０を光増幅素子２のすぐ後段に設置することで実現することができる。
【００３４】
これを確実にするため、例えば、分岐光による光増幅手段の残留エネルギー消費過程に要する光路長の半分よりも長い覆いで出力光伝搬路を囲っても良い。このとき、戻り光を生成する光学素子等の設置が光増幅装置から充分遠い位置でのみ可能となり、戻り光の光増幅装置に入射するタイミングは、残留エネルギー消費後となる。
【００３５】
また、光分岐部３０からの分岐光Ｌ３を光増幅素子２へと導く光学系については、被増幅光である入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する入射光学系１とは別の光学系として分岐光入射光学系５を設けている。このような構成においては、分岐光入射光学系５での分岐光Ｌ３の光軸は、入射光学系１での入力光Ｌ１の光軸とは異なる光軸となる。これにより、光増幅素子２から出射される増幅分岐光Ｌ４が光増幅装置の入力側へと出射されることが防止される。
【００３６】
図２は、図１に示した光増幅装置の一実施例を示す構成図である。以下、本光増幅装置の構成について、図１及び図２を参照しつつその具体的な構成条件の例とともに説明する。
【００３７】
本実施例においては、光増幅装置へと入力光Ｌ１を供給する供給手段として、光増幅装置に対して入力側に入力光生成装置８を設置している。この入力光生成装置８は、フェムト秒チタンサファイア発振器８１と、チタンサファイア再生増幅システム８２と、スライサ８３とを有している。フェムト秒発振器８１は、波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｆｓの光パルスを８０ＭＨｚの繰り返し周波数で生成する。フェムト秒発振器８１で生成される光の平均出力は６００ｍＷ、光パルス当たりのエネルギーは７．５ｎＪである。
【００３８】
フェムト秒発振器８１で生成された光パルスのエネルギーをある程度まで大きくするため、再生増幅システム８２において光パルスが増幅される。まず、フェムト秒発振器８１から出力された光パルスは、パルスストレッチャーによってチャープされてパルス幅が２００ｐｓに広げられたチャープ光とされた後、再生増幅システム８２へと入力される。
【００３９】
これにより、再生増幅システム８２において、波長８００ｎｍ、繰返し周波数１ｋＨｚの光パルスが得られる。再生増幅システム８２で生成される光の平均出力は１Ｗ、光パルス当たりのエネルギーは１ｍＪである。また、再生増幅システム８２から出力される光パルスにおいては、その後の増幅においてもパルス幅が広いチャープ光の方が好ましいため、そのパルス幅は２００ｐｓのままとされる。
【００４０】
さらに、この再生増幅システム８２から出力される繰返し周波数１ｋＨｚの光パルスから、スライサ８３によって１０Ｈｚの成分のみを抜き出して、繰返し周波数１０Ｈｚの光パルスとする。これは、本実施例において励起部４に用いられているＹＡＧレーザ４０ａが、１０Ｈｚで最も安定に動作するためである。
【００４１】
以上の構成を有する入力光生成装置８で生成される入力光Ｌ１に対し、図２に示す光増幅装置は、光増幅素子２として機能するチタンサファイア結晶２０を備えている。図２に示した光増幅装置は、励起されたチタンサファイア結晶２０に対して被増幅光である入力光Ｌ１を複数回入射させることによって、増幅された高出力の出力光Ｌ２を得るマルチパス増幅システムとして構成されている。
【００４２】
チタンサファイア結晶２０に対して、入力光Ｌ１の増幅に必要な励起エネルギーを供給する励起部４でのエネルギー供給部４０は、ＹＡＧレーザ４０ａ、及び第２高調波発生器４０ｂを有し、ＹＡＧレーザ光の第２高調波によってチタンサファイア結晶２０へ励起エネルギーを供給する励起光源として構成されている。
【００４３】
ここで、チタンサファイア結晶２０に励起エネルギーを効率良く供給するためには、チタンサファイア結晶２０が吸収する波長を有する高エネルギーの光パルスを励起光として用いることが好ましい。このため、本実施例においては、ＹＡＧレーザ４０ａで生成された波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚのナノ秒光パルスを第２高調波発生器４０ｂで波長５３２ｎｍとし、この光パルスを励起光として用いている。チタンサファイア結晶２０に供給される励起エネルギーとなる励起光パルスのエネルギーは、光パルス当たり８５０ｍＪである。
【００４４】
ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂからなるエネルギー供給部４０に対し、励起エネルギーが励起光パルスによって供給されることに対応して、チタンサファイア結晶２０へとエネルギーを伝送するエネルギー伝送部４１として、光パルスを導く光学系が設けられている。
【００４５】
図２に示したエネルギー伝送部４１での光学系は、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂから出力された直後の光パルスのビーム断面が、チタンサファイア結晶２０の表面に転写される結像光学系となっており、これによって、高品質な励起パターンを得ることが可能な構成となっている。具体的には、この光学系は、エネルギー供給部４０からチタンサファイア結晶２０に向けて、集光レンズ４２、真空パイプ４３、コリメートレンズ４４、及び全反射ミラー４５、４６によって構成されている。
【００４６】
第２高調波発生器４０ｂから励起光として出力された光パルスは、集光レンズ４２によって一旦集光された後、コリメートレンズ４４によってコリメートされる。そして、コリメートされた励起光パルスは、全反射ミラー４５、４６を介してチタンサファイア結晶２０へと入射される。このような構成において、集光レンズ４２、及びコリメートレンズ４４からなるリレーレンズ系によって、チタンサファイア結晶２０の表面に、出力直後の励起光パルスのビーム断面が結像される。
【００４７】
集光レンズ４２とコリメートレンズ４４との間には、真空パイプ４３が設置されている。この真空パイプ４３は、真空ポンプ４３ａによって真空にされるとともに、レンズ４２、４４側の所定部位にそれぞれ光入射窓、光出射窓を有する構成となっている。このように、励起光パルスが集光されてそのエネルギーが狭い領域に集中する位置に、真空パイプ４３を設けることにより、空気の非線形光学効果等による励起光パルスのビーム品質の劣化が防止される。
【００４８】
また、チタンサファイア結晶２０に励起光パルスを入射する全反射ミラー４６からみて、チタンサファイア結晶２０を挟んだ所定位置に、ビーム終端４７が設けられている。このビーム終端４７は、チタンサファイア結晶２０を通過した励起光パルスをカットするものであり、このようなビーム終端の設置は装置の安全上の問題から好ましい。
【００４９】
上記した構成の励起部４から励起エネルギーが供給されることによって励起されたチタンサファイア結晶２０に対して、入力光Ｌ１を所定の入射条件で入射する入射光学系１が設けられている。本構成例においては、入射光学系１は、６個の全反射ミラー１１〜１６を有して構成されている。入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１は、全反射ミラー１１、１２によって、チタンサファイア結晶２０へと導かれる。このとき、励起されたチタンサファイア結晶２０を入力光Ｌ１が通過することにより、チタンサファイア結晶２０内で発生する誘導放出によって入力光Ｌ１が増幅される。
【００５０】
また、本構成例においては、全反射ミラー１３〜１６からなる光学系によってさらに２回で合計３回、入力光Ｌ１がチタンサファイア結晶２０を通過する構成となっている。これにより、入力光Ｌ１が光パルス当たり２００ｍＪまで増幅された増幅光が得られる。
【００５１】
ここで、入力光Ｌ１がチタンサファイア結晶２０で増幅されて得られる増幅光でのビーム断面強度分布や波面などのビーム品質を、出力光の応用上充分な品質に保持するため、チタンサファイア結晶２０への入力光Ｌ１の通過回数は適当な回数、上記の例では３回、に設定される。このとき、チタンサファイア結晶２０には、通常、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂを含む励起部４から供給された励起エネルギーの一部が残留する。
【００５２】
チタンサファイア結晶２０で入力光Ｌ１が増幅された結果生成される増幅光は、出射光学系３を介して所定の出射条件で出力光Ｌ２として出射される。この出射光学系３は、全反射ミラー３１、ビームスプリッター３０ａ、及び全反射ミラー３２を有して構成されている。また、本構成例においては、出射光学系３に対して、その後段に光パルス幅圧縮器３３が設置されている。
【００５３】
チタンサファイア結晶２０からの増幅光は、全反射ミラー３１、ビームスプリッター３０ａ、及び全反射ミラー３２を介して、その大部分が光パルス幅圧縮器３３へと導かれる。チタンサファイア結晶２０から出射される増幅光は、パルス幅が２００ｐｓと広く、その尖頭出力値は１ＧＷ程度である。このため、本構成例においては、光パルス幅圧縮器３３を用いて、出力光Ｌ２のパルス幅を元の５０ｆｓまで圧縮している。このような構成を用いることにより、光パルスのエネルギーは１５０ｍＪとやや減少するが、パルス幅の圧縮によってその尖頭出力値は３ＴＷとなり、大強度の出力光Ｌ２が得られる。このような出力光Ｌ２は、集光により非常に大きな光強度が得られるため、様々な応用が可能な光パルスとなっている。
【００５４】
また、この出射光学系３に設けられているビームスプリッター３０ａは、チタンサファイア結晶２０からの増幅光の大部分を光パルス幅圧縮器３３へと通過させるとともに、その増幅光の一部を所定の割合で分岐して分岐光Ｌ３を生成する光分岐部３０となっている。
【００５５】
すなわち、出力光Ｌ２の物質への照射、または出力光Ｌ２の光パルス幅圧縮器３３への入射、出射などにおいて、出力光Ｌ２の一部が反射されて元の光路を逆方向に伝搬する戻り光が発生する場合がある。このような戻り光は、通常は非常に微弱なものであるが、図２に示したような光増幅装置では、戻り光の光路上にチタンサファイア結晶２０が存在している。
【００５６】
したがって、この光増幅装置に逆方向に入力される戻り光は、チタンサファイア結晶２０で増幅されて高出力の戻り光となり、入力光生成装置８の内部を破壊するなど、光増幅装置、または光増幅装置に対して入力側に設けられた外部装置等において不具合を生じる原因となる。これに対して、図２に示した光増幅装置では、その出射光学系３に光分岐部３０として機能するビームスプリッター３０ａを設置して増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーの消費に用いている。
【００５７】
ビームスプリッター３０ａで分岐される分岐光Ｌ３に対して、分岐光Ｌ３を所定の入射条件でチタンサファイア結晶２０へと入射する分岐光入射光学系５が設置されている。この分岐光入射光学系５は、５個の全反射ミラー５１〜５５を有し、出力光Ｌ２の戻り光よりも前となる所定の入射タイミングで、分岐光Ｌ３がチタンサファイア結晶２０へと入射するように構成されている。
【００５８】
ビームスプリッター３０ａで分岐された分岐光Ｌ３は、全反射ミラー５１、５２、５３によって、チタンサファイア結晶２０へと導かれる。このとき、チタンサファイア結晶２０を分岐光Ｌ３が通過することにより、チタンサファイア結晶２０で分岐光Ｌ３が増幅されるとともに、チタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーが消費される。
【００５９】
また、本構成例においては、全反射ミラー５４、５５からなる光学系によってさらに１回で合計２回、分岐光Ｌ３がチタンサファイア結晶２０を通過する構成となっている。これにより、チタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーが充分に消費される。なお、２回では充分でない場合には、必要に応じてさらに分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に通過させる構成としても良い。ここで、分岐光Ｌ３に関しては、ビーム断面強度分布や波面などのビーム品質に厳しい制約が設定されないため、通過回数が多い構成となっても差し支えない。
【００６０】
この分岐光Ｌ３は、上記した分岐光入射光学系５を介してチタンサファイア結晶２０を所定回数通過した後、増幅分岐光Ｌ４として所定の出射方向へと出射される。このように、チタンサファイア結晶２０に残留した励起エネルギーを分岐光Ｌ３を用いて消費させる構成により、上記のように出力光Ｌ２の戻り光が発生した場合であっても戻り光が増幅されることが防止され、そのため戻り光の影響が低減される光増幅装置が実現される。なお、チタンサファイア結晶２０で分岐光Ｌ３が増幅されて出射される増幅分岐光Ｌ４に対して、その反射光等の余分な光が発生することを防止するため、適当なビーム終端（図示していない）を設けておくことが好ましい。
【００６１】
図３は、光増幅装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、入力光Ｌ１を増幅する光増幅素子２と、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系とを備えている。
【００６２】
入射光学系１は、入力光生成装置８などから供給された入力光Ｌ１を、光増幅素子２へと所定の入射条件で入射する。また、出射光学系３は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光を、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置の出力側へと出射する。
【００６３】
光増幅素子２に対して、入力光Ｌ１を増幅するために必要な励起エネルギーを供給する励起部４が設置されている。励起部４は、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１から構成されている。エネルギー供給部４０で生成された励起エネルギーは、エネルギー伝送部４１を介して光増幅素子２へと供給される。これにより、光増幅素子２が励起されて、入力光Ｌ１を増幅可能な状態となる。
【００６４】
本実施形態においては、さらに、入射光学系１の光路上の所定位置に、光分岐部１０が設置されている。光分岐部１０は、光増幅素子２での被増幅光となる入力光Ｌ１の一部を分岐して、分岐光Ｌ６を生成する。この分岐光Ｌ６は、本光増幅装置において、励起部４から光増幅素子２へと供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させるために用いられる。
【００６５】
また、この光分岐部１０に対して、分岐光入射光学系６が設置されている。分岐光入射光学系６は、光分岐部１０で分岐された分岐光Ｌ６を所定の入射タイミングで、所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。
【００６６】
以上の構成において、励起部４から光増幅素子２へと励起エネルギーが供給されると、光増幅素子２は、光を増幅可能な状態に励起される。この状態で、入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１を、入射光学系１を介して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。このとき、光増幅素子２で入力光Ｌ１が増幅される。光増幅素子２からの増幅光は、出射光学系３を介して、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置から出力され、物質への照射などの所定の目的に用いられる。
【００６７】
また、本実施形態の光増幅装置では、入射光学系１に設けられた光分岐部１０によって入力光Ｌ１の一部が所定の割合で分岐される。そして、得られた分岐光Ｌ６は、入射光学系１とは別に設けられた分岐光入射光学系６を介して光増幅素子２へと入射された後、光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ７として所定の方向へと出射される。このとき、分岐光Ｌ６の増幅によって、光増幅素子２に残留していた励起エネルギーが消費される。
【００６８】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００６９】
図３に示した光増幅装置においては、増幅対象の光を伝搬する光増幅装置での光学系に含まれている入射光学系１に対して、その光路上に光分岐手段である光分岐部１０を挿入して伝搬されている入力光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ６を、分岐光入射光学系６を介して光増幅素子２へと入射する。そして、分岐光Ｌ６の光増幅素子２への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００７０】
このような構成によれば、第１実施形態の構成と同様に、所定のタイミングで入射された分岐光Ｌ６が光増幅素子２で増幅されることにより、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、出力光Ｌ２の戻り光が逆方向に光増幅装置の光増幅素子２へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００７１】
ここで、分岐光入射光学系６を介した光増幅素子２への分岐光Ｌ６の入射タイミングについては、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するために好適なタイミングに設定することが好ましい。具体的には例えば、光増幅装置からの出力光Ｌ２が反射された戻り光が想定される場合には、入力光Ｌ１が光増幅素子２から出射されるよりも後で、戻り光が光増幅素子２へと入射されるよりも前となるように分岐光Ｌ６の入射タイミングを設定することが好ましい。
【００７２】
このように分岐光Ｌ６の入射タイミングを設定することにより、戻り光の光増幅素子２への入射時には既に光増幅素子２に残留している余分な励起エネルギーが分岐光Ｌ６の増幅によって消費されていることとなる。したがって、戻り光が増幅されて高出力化されることが防止され、戻り光の影響を確実に低減することができる。
【００７３】
このような構成では、この分岐光Ｌ６を入力光Ｌ１よりも後の入射タイミングで光増幅素子２へと入射するため、必要に応じて、分岐光入射光学系６に適当な遅延光学系を設けることが好ましい。ここで、図１に示した構成においては、出射光学系３に設けられた光分岐部３０で増幅光を分岐して分岐光Ｌ３を生成しているため、その光増幅素子２への入射タイミングは、入力光Ｌ１が光増幅素子２へと入射されるよりも後となっている。
【００７４】
なお、図２に示した実施例のように、光増幅素子２に対して複数回にわたって入力光Ｌ１を入射するように入射光学系１が構成されている場合には、光増幅素子２に最初に入射光Ｌ１が入射される前の位置に限らず、例えば入力光Ｌ１が光増幅素子２を１回通過してから２回目の入射までの間の光路上など、様々な位置に光分岐部１０を設置することが可能である。一般には、光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するための分岐光を生成する光分岐手段は、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系での光路上の所定位置に設置すれば良い。
【００７５】
図４は、光増幅装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、入力光Ｌ１を増幅する光増幅素子２と、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系とを備えている。本実施形態においては、入射光学系１、光増幅素子２、光分岐部３０を含む出射光学系３、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１を有する励起部４、及び分岐光入射光学系５の構成については、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００７６】
本実施形態においては、さらに、光増幅素子２で分岐光Ｌ３が増幅された増幅分岐光Ｌ４に対して、分岐光出射光学系７が設置されている。この分岐光出射光学系７は、光増幅素子２から所定の方向に出射された増幅分岐光Ｌ４を、所定の出射条件で光増幅装置の出力側へと分岐出力光Ｌ５として出射する。
【００７７】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００７８】
図４に示した光増幅装置においては、第１実施形態の構成と同様に、出射光学系３の光路上に光分岐部３０を挿入して伝搬されている増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３を、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと所定の入射タイミングで入射する。このような構成によれば、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３の増幅によって消費させることが可能となり、出力光Ｌ２の戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００７９】
また、本実施形態においては、残留している励起エネルギーを消費する過程において光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ４に対して、出射光学系３とは別に分岐光出射光学系７を設置し、第２の出力光Ｌ５として出力する構成としている。このようにして得られる分岐出力光Ｌ５は、出力光Ｌ２と完全に同期が取れている。したがって、この分岐出力光Ｌ５は、時間分解計測などの様々な計測に有効に利用することが可能である。
【００８０】
すなわち、出力光Ｌ２が照射されている相互作用域に対して、分岐光出射光学系７を介して、分岐出力光Ｌ５を所定のタイミングで相互作用域に導くことにより、相互作用域に発生している現象をプローブするなど、様々な目的に用いることができる。
【００８１】
このように出力光Ｌ２に対して同期が取れて、プローブ光などとして用いられる第２の出力光は、通常は、出力光Ｌ２を分岐することによって生成される。しかしながら、プローブ光として用いるためには、光検出器の感度に対して充分な強度の光が必要とされるため、出力光Ｌ２を分岐して用いる構成では、物質への作用に用いるべき出力光Ｌ２のエネルギー自体がある程度減少する。また、プローブ光の戻り光が問題となる場合もある。
【００８２】
これに対して、分岐光Ｌ３を入力光Ｌ１とは別に光増幅素子２で増幅し、得られた増幅光を分岐出力光Ｌ５として出力する上記構成によれば、出力光Ｌ２のエネルギーはほとんど減少することがなく、かつ、光検出器の感度に対して充分なエネルギーの光をプローブ光とすることができる。また、光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３によって消費しているので、プローブ光の戻り光が問題となることもない。
【００８３】
なお、このように光増幅素子２で増幅された分岐光に対して、分岐光出射光学系を設けて分岐出力光として出力する構成は、入力光Ｌ１から分岐光を生成する図３に示した構成においても同様に適用することが可能である。
【００８４】
本発明による光増幅装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。また、図２に示した実施例は、光増幅装置の構成の一例を示したものであり、光増幅装置の具体的な構成としては、これ以外にも様々な構成を用いることが可能である。
【００８５】
例えば、チタンサファイア結晶２０へと励起エネルギーを供給する励起部４については、図２においては、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂからなるエネルギー供給部４０と、光学系からなるエネルギー伝送部４１とを有する構成を示している。これに対して、励起部４としては、このような励起系を複数用いる構成とすることも可能である。励起系を複数台とすることにより、光増幅素子２であるチタンサファイア結晶２０は、設置された励起系の台数に応じた励起エネルギーを受け取ることとなり、さらに高出力の出力光Ｌ２を得ることが可能となる。
【００８６】
また、光分岐部３０からの分岐光Ｌ３のチタンサファイア結晶２０への入射については、図２においては、全反射ミラー５１〜５５からなる分岐光入射光学系５により、分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に２回入射する構成を示している。これに対して、その後に得られる増幅分岐光Ｌ４のビーム品質が問題とならない場合には、残留している励起エネルギーを充分に消費するため、分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に３回以上入射する構成としても良い。ただし、このような場合でも、最終的に出射される増幅分岐光Ｌ４が、入力光生成装置８への光路へ導かれることがないように光学系を構成することが好ましい。
【００８７】
また、光増幅装置の前段に入力光生成装置８が設置される場合、その入力光生成装置８の構成については、図２に示した構成に限らず、様々な構成の生成装置を用いて良い。また、外部装置で生成された光等を入力光として用いる構成としても良い。
【００８８】
【発明の効果】
本発明による光増幅装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、入射光学系及び出射光学系を含む光学系に対して、その光路上の所定位置に光分岐手段を設置し、得られた分岐光を分岐光入射光学系を介して、所定の入射タイミングで光増幅手段へと入射する構成によれば、入力光を増幅した後に光増幅手段に残留している励起エネルギーを、分岐光の増幅によって消費させることが可能となる。
【００８９】
このとき、光増幅装置の出力側からの戻り光が逆方向に光増幅手段へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅手段で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】光増幅装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光増幅装置の具体的な一実施例を示す構成図である。
【図３】光増幅装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】光増幅装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…入射光学系、１０…光分岐部、１１〜１６…全反射ミラー、２…光増幅素子、２０…チタンサファイア結晶、３…出射光学系、３０…光分岐部、３０ａ…ビームスプリッター、３１、３２…全反射ミラー、３３…光パルス幅圧縮器、４…励起部、４０…エネルギー供給部、４０ａ…ＹＡＧレーザ、４０ｂ…第２高調波発生器、４１…エネルギー伝送部、４２、４４…レンズ、４３…真空パイプ、４３ａ…真空ポンプ、４５、４６…全反射ミラー、４７…ビーム終端、５…分岐光入射光学系、５１〜５５…全反射ミラー、６…分岐光入射光学系、７…分岐光出射光学系、８…入力光生成装置、８１…フェムト秒発振器、８２…再生増幅システム、８３…スライサ。
【図１】
2004221278.tif 000003
【図２】
2004221278.tif 000004
【図３】
2004221278.tif 000005
【図４】
2004221278.tif 000006