(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を出力する種光源と、
光を増幅する増幅性元素が光導波領域に添加され光増幅機能を有する光増幅性導波路と、前記増幅性元素を励起する励起光を前記光増幅性導波路に連続的に供給する励起光供給手段と、前記光増幅性導波路が共振光路上に配置された共振器と、前記共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段とを含み、前記種光源から出力されたパルス光を前記光増幅性導波路において光増幅して出力する光増幅器と、
を備えた光源装置であり、
前記共振器は、前記光増幅性導波路のパルス光入射端に配置された第１光カプラと、前記光増幅性導波路のパルス光出射端に配置された第２光カプラと、一端が前記第１光カプラのパルス光入射端に光学的に結合した第１光導波路と、一端が前記第２光カプラのパルス光出射端に光学的に結合した第２光導波路と、前記第１，第２光導波路の他端間に又はそれぞれの他端に配置された前記Ｑスイッチ手段とを有し、
前記第２光カプラは、前記共振器の一部を構成しない出力ポートを有し、
共振器ロスの変調サイクルを変調することにより、前記パルス光が前記光増幅器に入力するタイミングに連動して、前記パルス光が前記共振器の共振状態の時に増幅されるよう、前記Ｑスイッチ手段を制御する制御部を備える
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記Ｑスイッチ手段は、前記第１，第２光導波路のそれぞれの他端に配置され、それぞれ２つの透過端を有し、その透過端に全反射終端または無反射終端を有し、前記透過端を選択することにより、共振器を形成・解除することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
パルス光を出力する種光源と、
光を増幅する増幅性元素が光導波領域に添加され光増幅機能を有する光増幅性導波路と、前記増幅性元素を励起する励起光を前記光増幅性導波路に連続的に供給する励起光供給手段と、前記光増幅性導波路が共振光路上に配置された共振器と、前記共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段とを含み、前記種光源から出力されたパルス光を前記光増幅性導波路において光増幅して出力する光増幅器と
を備えた光源装置であり、
制御部は、前記パルス光が前記共振器が共振状態の時に増幅されるように、かつ、前記共振器損失の変調サイクルに連動して、前記種光源のパルス光出力の周期のＮ倍（Ｎは２以上の整数）となるよう前記Ｑスイッチ手段を制御する
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記種光源は、直接変調される半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記種光源のパルス光を出力するタイミングまたは前記Ｑスィッチ手段を制御するタイミングの何れか一方を可変に設定する手段を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記パルス光のパルス幅は、前記光増幅器に前記パルス光が入射せず、前記励起光のみが供給される場合に前記光増幅器からパルス発振して出力する光のパルス幅より狭くなるように設定されているか設定可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記種光源が出力するパルス光のパルス幅は１６ｎｓ以下に設定されているか設定可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源と光増幅器とを含むＭＯＰＡ構成の光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子・機械関係の加工用のレーザ光源、医療用レーザメス用のレーザ光源、測長等の計測用途などの産業用レーザ光源として、Ｑスイッチを使ったパルス発振レーザ光源は広く普及している。Ｑスイッチとは、共振器の共振器損失を変調してピークパワーの高いパルスを得るものである。Ｑスイッチの実現方法としては、例えば音響光学（ＡＯ）効果による光スイッチで共振器を構成する反射鏡の反射率を実効的に変調する方法が、最も一般的であり、広く普及している。
【０００３】
Ｑスイッチを用いた光ファイバレーザ光源では、例えば、光増幅性導波路であるＹｂ添加光ファイバ（ＹｂＤＦ）に波長９７５ｎｍ帯の励起光が入射して反転分布を形成し、このＹｂＤＦでＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が発生する。通常は、ＡＯスイッチにＲＦ電力が印加されず、ＹｂＤＦのＡＳＥ出力はゼロ次回折光として、無反射終端に出力される。そして、ＡＯスイッチにＲＦ電力が印加された時のみ、ＡＯ回折効果でＹｂＤＦのＡＳＥ出力は方向が変更され、その先に具備された反射鏡に照射されるので、レーザ共振が発生し、それまで反転分布として蓄積されたエネルギを一挙に放出し、高いパワーの光パルスを発生する。
【０００４】
なお、Ｑスイッチレーザ光源は、こうした光ファイバレーザ光源に限らず、固体レーザ光源や気体レーザ光源でも実現し得る。光ファイバレーザ光源は、空間結合部分が少なく高信頼性で、且つコンパクトであり、また、ビーム品質が安定して良好であることから、実用的である。ただし、固体レーザ光源（特にディスクレーザ光源）と比較して、光ファイバレーザ光源は、共振器長が数ｍと長くなるのが普通で、Ｑスイッチの場合には、共振器を伝搬する時間が数１０ｎｓとなってしまうから、それ以上に短い幅の光パルスを発生できないという欠点も有する。
【０００５】
通常、レーザ加工において、加工対象物に照射されたレーザ光のエネルギは、電子→格子振動→熱へと変わるが、格子→熱 へのエネルギの移行が概ね１０ｎｓ程度のタイムスケールで発生する。したがって、このタイムスケールより短いパルス幅をパルスレーザ光を加工対象物に照射するならば、その加工対象物の断熱的加工が行えて、例えば、穴あけ加工の場合、穴の外周部にバリが少なくなるなどの効果を得られる。Ｑスイッチのパルス幅を短縮するために、非特許文献３には共振器長を７０ｃｍに抑えた事例も存在するが、ＡＯスイッチの前後で必要なレンズ系の調芯、ＹｂＤＦを融着する際の困難さ（融着機にセットするには片端で４０〜５０ｃｍ程度の余長が必要）などを考えると、非現実的と言える。
【０００６】
こうした光ファイバレーザ光源の欠点を克服するものとして、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構成の光源装置が知られている（非特許文献１，２を参照）。ＭＯＰＡ構成の光源装置は、光源から出力された光を光増幅器により光増幅して出力するものであり、高パワーの光を出力することができる。
【０００７】
非特許文献１には、半導体レーザ光源から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光を光増幅器により光増幅して、パルス繰り返し周波数１０〜１４０ｋＨｚ，パルス幅４〜２５０ｎｓ，平均パワー８.５Ｗ，ピークパワー４０ｋＷという高パワーのパルス光を出力することができた旨が記載されている。非特許文献２には、光源から出力されたパルス光を光増幅器により光増幅して、パルス繰り返し周波数が数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高パワーのパルス光を出力することができた旨が記載されている。
【非特許文献１】A. Babushkin, et al., "Multi-kilowatt peakpower pulsed fiber laser with precise computer controlled pulse duration formaterials processing", Proc. of SPIE Vol.5709, pp98-102
【非特許文献２】A.J. W. Brown, "Fiber laser development at Aculight Corporation", 第63回レーザ加工学会予稿集、2005
【非特許文献３】J. Limpert, et al, "Sub-10nsQ-switched Yb-doped photonic crystal fiber laser", CLEO2005, Tech.Dig.,JWB51
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、反転分布として蓄積されたエネルギを一挙に放出するＱスイッチレーザ光源と比較すると、ＭＯＰＡ構成の光源装置は、パルスエネルギおよびパルスピークの何れについても低くならざるを得ない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光増幅性導波路を光増幅媒体として含む光増幅器を備え、Ｑスイッチレーザ光源の場合と比べて遜色無い程度に高いパルスエネルギまたはパルスピークを有する短パルス光を出力することができる光源装置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】
【００１１】
本発明に係る光源装置は、パルス光を出力する種光源と、光を増幅する増幅性元素が光導波領域に添加され光増幅機能を有する光増幅性導波路と、増幅性元素を励起する励起光を光増幅性導波路に連続的に供給する励起光供給手段と、光増幅性導波路が共振光路上に配置された共振器と、共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段とを含み、種光源から出力されたパルス光を光増幅性導波路において光増幅して出力する光増幅器と、を備えた光源装置であり、共振器は、光増幅性導波路のパルス光入射端に配置された第１光カプラと、光増幅性導波路のパルス光出射端に配置された第２光カプラと、一端が第１光カプラのパルス光入射端に光学的に結合した第１光導波路と、一端が第２光カプラのパルス光出射端に光学的に結合した第２光導波路と、第１，第２光導波路の他端間に又はそれぞれの他端に配置されたＱスイッチ手段とを有し、第２光カプラは、共振器の一部を構成しない出力ポートを有し、共振器ロスの変調サイクルを変調することにより、パルス光が光増幅器に入力するタイミングに連動して、パルス光が共振器の共振状態の時に増幅されるよう、Ｑスイッチ手段を制御する制御部を備えることを特徴とする。
Ｑスイッチ手段は、第１，第２光導波路のそれぞれの他端に配置され、それぞれ２つの透過端を有し、その透過端に全反射終端または無反射終端を有し、透過端を選択することにより、共振器を形成・解除するのが好適である。
【００１２】
或いは又、本発明に係る光源装置は、パルス光を出力する種光源と、光を増幅する増幅性元素が光導波領域に添加され光増幅機能を有する光増幅性導波路と、増幅性元素を励起する励起光を光増幅性導波路に連続的に供給する励起光供給手段と、光増幅性導波路が共振光路上に配置された共振器と、共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段とを含み、種光源から出力されたパルス光を光増幅性導波路において光増幅して出力する光増幅器とを備えた光源装置であり、制御部は、パルス光が共振器が共振状態の時に増幅されるように、かつ、共振器損失の変調サイクルに連動して、種光源のパルス光出力の周期のＮ倍（Ｎは２以上の整数）となるようＱスイッチ手段を制御することを特徴とする。
種光源は、直接変調される半導体レーザ素子を含むのが好適である。この場合には、パルス幅が小さいパルス光を容易に光源から出力することができる。
【００１３】
種光源のパルス光を出力するタイミングまたはＱスィッチ手段を制御するタイミングの何れか一方を可変に設定する手段を有するのが好適である。これにより、種光源のパルス変調の遅延量か、共振器の共振器損失を極小にする遅延量の、少なくとも何れか一方を調整することが可能になる。
【００１４】
パルス光のパルス幅は、光増幅器にパルス光が入射せず、励起光のみが供給される場合に光増幅器からパルス発振して出力する光のパルス幅より狭くなるように設定されているか設定可能であるのが好適である。この場合には、熱の発生に因るドロスなどの発生を抑制する上で好都合である。なお、「設定可能である」とは、設定可能にする機能又は手段を有しており、実際に使用する際に、設定可能であることを意味する。
【００１５】
種光源が出力するパルス光のパルス幅は１６ｎｓ以下に設定されているか設定可能であるのが好適である。この場合には、誘導Brillouin散乱（ＳＢＳ）の影響を抑制する上で好都合である。なお、「設定可能である」とは、設定可能にする機能又は手段を有しており、実際に使用する際に、設定可能であることを意味する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る光源装置は、光増幅性導波路を光増幅媒体として含む光増幅器を備え、Ｑスイッチレーザ光源の場合と比べて遜色無い程度に高いパルスエネルギまたはパルスピークを有する短パルス光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る光源装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光源装置１の構成図である。この図に示される光源装置１は、光源１０、前段光増幅器２０、後段光増幅器３０Ａ、光アイソレータ４１、光アイソレータ４２および制御部５０Ａを備える。
【００１９】
光源１０は、一定の繰り返し周期でパルス光を出力するものであり、半導体レーザ素子１１および駆動部１２を含む。駆動部１２は、一定周期の駆動信号を発生して、この駆動信号を半導体レーザ素子１１に与える。半導体レーザ素子１１は、この駆動信号により出力光パワーが直接変調される。
【００２０】
前段光増幅器２０は、光源１０から出力され光アイソレータ４１を経て到達したパルス光を入力し、そのパルス光を光増幅して出力する。この前段光増幅器２０は、光増幅性導波路２１、励起光源２２および光カプラ２３を含む。光増幅性導波路２１は、光を増幅する増幅性元素（例えば希土類元素または遷移金属元素）が光導波領域に添加された光導波路であり、例えば、Ｙｂ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源２２は、光増幅性導波路２１に添加された増幅性元素を励起する励起光を連続出力するものである。光カプラ２３は、光アイソレータ４１から到達したパルス光を光増幅性導波路２１へ出力するとともに、励起光源２２から到達した励起光をも光増幅性導波路２１へ出力する。励起光およびパルス光が入力される光増幅性導波路２１は、励起光が供給されることで反転分布を生じ、パルス光を光増幅する。
【００２１】
後段光増幅器３０Ａは、前段光増幅器２０から出力され光アイソレータ４２を経て到達したパルス光を入力し、そのパルス光を更に光増幅して出力する。この後段光増幅器３０Ａは、光増幅性導波路３１、励起光源３２、光カプラ３３、光カプラ３４Ａ，３４Ｂ、光導波路３５Ａ，３５Ｂ、レンズ３６Ａ，３６Ｂ、光アイソレータ３７、Ｑスイッチ３８および駆動部３９を含む。
【００２２】
光増幅性導波路３１は、増幅性元素が光導波領域に添加された光導波路であり、例えば、Ｙｂ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源３２は、光増幅性導波路３１に添加された増幅性元素を励起する励起光を連続出力するものである。光カプラ３３は、光カプラ３４Ｂから到達したパルス光を光増幅性導波路３１へ出力するとともに、励起光源３２から到達した励起光をも光増幅性導波路３１へ出力する。励起光およびパルス光が入力される光増幅性導波路３１は、励起光が供給されることで反転分布を生じ、パルス光を光増幅する。
【００２３】
光カプラ３４Ａは、光増幅性導波路３１から出力され光アイソレータ３７を経て到達したパルス光を入力し、そのパルス光の一部を分岐して光導波路３５Ａへ導波させ、残部を後段光増幅器３０Ａの出力とする。光導波路３５Ａは、光カプラ３４Ａにより分岐されたパルス光を一端に入射し、このパルス光を導波して他端から出射する。レンズ３６Ａは、光導波路３５Ａの他端から出射されたパルス光をコリメートして、そのパルス光をＱスイッチ３８に入射させる。
【００２４】
レンズ３６Ｂは、Ｑスイッチ３８から到達したパルス光を集光して、そのパルス光を光導波路３５Ｂの一端に入射させる。光導波路３５Ｂは、レンズ３６Ｂにより集光されたパルス光を一端に入射し、このパルス光を光カプラ３４Ｂまで導波する。光カプラ３４Ｂは、光アイソレータ４２から到達したパルス光を光カプラ３３へ出力するとともに、光導波路３５Ｂを経て到達したパルス光をも光カプラ３３へ出力する。
【００２５】
Ｑスイッチ３８は、レンズ３６Ａとレンズ３６Ｂとの間に設けられ、好適には、音響光学（ＡＯ）効果による光スイッチ（ＡＯスイッチ）である。また、Ｑスイッチ３８は、切り替え時間が十分に速ければ、ＡＯスイッチに限らず他のものであってもよく、例えば、高速ドライバを含むピエゾ素子を備えたスイッチであってもよく、また、可変光減衰器であっても光減衰量の変化に要する時間が上記スイッチの切り替え時間と同程度に短ければよい。このＱスイッチ３８は、駆動部３９により駆動されて、光導波路３５Ａの出射端から光導波路３５Ｂの入射端へのパルス光の結合を変調する。
【００２６】
この後段光増幅器３０Ａにおいて、光カプラ３４Ｂ、光カプラ３３、光増幅性導波路３１、光アイソレータ３７、光カプラ３４Ａ、光導波路３５Ａ、レンズ３６Ａ、Ｑスイッチ３８、レンズ３６Ｂおよび光導波路３５Ｂは、この順にパルス光の光路上に配置されていて、リング型の共振器を構成している。Ｑスイッチ３８および駆動部３９は、この共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段を構成している。また、励起光源３２および光カプラ３３は、光増幅性導波路３１に励起光を連続的に供給する励起光供給手段を構成している。
【００２７】
制御部５０Ａは、光源１０から出力されたパルス光が前段光増幅器２０により光増幅された後に後段光増幅器３０Ａに入力するタイミングで、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失が極小になるようＱスイッチ手段を制御する。
【００２８】
この第１実施形態に係る光源装置１は、制御部５０Ａによる制御の下で、以下のように動作する。前段光増幅器２０において、励起光源２２から出力された励起光は、光カプラ２３を経て光増幅性導波路２１に連続的に供給される。また、後段光増幅器３０Ａにおいて、励起光源３２から出力された励起光は、光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に連続的に供給される。また、光源１０において、駆動部１２により駆動された半導体レーザ素子１１から一定の繰り返し周期でパルス光が出力される。
【００２９】
光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータ４１を経て前段光増幅器２０に入力される。前段光増幅器２０に入力されたパルス光は、光カプラ２３を経て光増幅性導波路２１に入力され、この光増幅性導波路２１において光増幅されて、前段光増幅器２０から出力される。前段光増幅器２０から出力されたパルス光は、光アイソレータ４２を経て後段光増幅器３０Ａに入力される。
【００３０】
後段光増幅器３０Ａに入力されたパルス光は、光導波路３５Ｂを経て来たパルス光とともに、光カプラ３４Ｂおよび光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に入力され、この光増幅性導波路３１において光増幅される。光増幅性導波路３１において光増幅されたパルス光は、光アイソレータ３７を経て光カプラ３４Ａに入力され、この光カプラ３４Ａにより、一部が光導波路３５Ａに入力され、残部が後段光増幅器３０Ａから外部へ出力される。
【００３１】
光カプラ３４Ａから光導波路３５Ａに入力されたパルス光は、光導波路３５Ａにより導波された後に光導波路３５Ａの出射端から出力され、レンズ３６Ａによりコリメートされて、Ｑスイッチ３８に入力される。後段光増幅器３０Ａにパルス光が入力するタイミングでは、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失は極小になっている。すなわち、レンズ３６ＡからＱスイッチ３８に入力されたパルス光は、Ｑスイッチ３８を経た後、レンズ３６Ｂにより集光され、光導波路３５Ｂの入射端に入力される。
【００３２】
レンズ３６Ｂから光導波路３５Ｂに入力されたパルス光は、光導波路３５Ｂにより導波された後に、光カプラ３４Ｂおよび光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に入力される。このようにして、後段光増幅器３０Ａに入力したパルス光は、リング型の共振器において光増幅されて、光カプラ３４Ａから外部へ出力される。
【００３３】
後段光増幅器３０Ａにパルス光が入力される前には、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失は極小ではなく、励起光源３２から光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に供給された励起光のエネルギは、光増幅性導波路３１において反転分布として蓄えられる。そして、後段光増幅器３０Ａにパルス光が入力されるタイミングでは、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失は極小になっているので、その入力したパルス光は、それまで光増幅性導波路３１において反転分布として蓄えられていた励起エネルギにより高利得で光増幅されることになる。また、この光増幅の前後でパルス光のパルス幅の変化は殆ど無い。したがって、この光源装置１は、Ｑスイッチレーザ光源の場合と比べて遜色無い程度に高いパルスエネルギまたはパルスピークを有する短パルス光を出力することができる。
【００３４】
なお、制御部５０Ａは、光源１０がパルス光を出力するタイミングを制御するとともに、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失が極小になるタイミングをも制御して、両タイミングの間の遅延を調整するのが好適である。この場合には、後段光増幅器３０Ａにパルス光が入力するタイミングで後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失が極小になるようＱスイッチ手段を制御する上で好都合である。
【００３５】
また、仮に後段光増幅器３０Ａにパルス光が入射しないとした場合にも、後段光増幅器３０Ａは、Ｑスイッチ手段の作用によりパルス発振してパルス光を出力する。この場合に後段光増幅器３０Ａから出力されるパルス光のパルス幅と比べて、光源１０が出力するパルス光のパルス幅が狭いのが好適であり、この場合には、熱の発生に因るドロスなどの発生を抑制する上で好都合である。また、光源１０が出力するパルス光のパルス幅は１６ｎｓ以下であるのが好適であり、この場合には、誘導Brillouin散乱（ＳＢＳ）の影響を抑制する上で好都合である。
【００３６】
また、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振器損失の変調の周期は、光源１０のパルス光出力の周期と一致していてもよいし、光源１０のパルス光出力の周期のＮ倍（Ｎは２以上の整数）であってもよい。後者の場合には、光源装置１からの出力には(Ｎ−１)個の小パルスと１個の大パルスとの周期的な混在が生じるが、(Ｎ−１)個の小パルスは予熱を与える等の効果を持つと期待される。
【００３７】
次に、第１実施形態に係る光源装置１の具体的な２つの実施例１，２について説明する。
【００３８】
実施例１では、光源１０に含まれる半導体レーザ素子１１から出力されるパルス光については、波長を１０６４ｎｍとし、ピークパワーを１００ｍＷとし、繰り返し周波数を２０ｋＨｚとし、ハルス幅を１０ｎｓとした。前段光増幅器２０については、光増幅性導波路２１としてＹｂ元素添加光ファイバ（ＹｂＤＦ）を用い、励起光源２２から出力される励起光の波長を９７５ｎｍとし、利得を２０ｄＢとして、後段光増幅器３０Ａに入力するパルス光のピークパワーを１０Ｗとした。なお、前段光増幅器２０については、クラッド励起で実現してもよいが、時間平均出力が数ｍＷ〜数十Ｗ程度であるので、通常の光通信などで用いられるコア励起でも十分である。
【００３９】
後段光増幅器３０Ａについては、光増幅性導波路３１として二重クラッド構造のＹｂＤＦを用い、長さを５ｍとし、コア直径を１０μｍとし、内クラッド直径を１２５μｍとし、波長９７５ｎｍ帯非飽和吸収ピークを１１.７ｄＢ／ｍとして、クラッド励起とした。励起光源３２から連続出力される励起光の波長を９１５ｎｍとし、その励起光のパワーを１５.８Ｗとした。Ｑスイッチ３８のスイッチングの繰り返し周波数を２０ｋＨｚとし、そのスイッチング所要時間が５００ｎｓであった。
【００４０】
図２は、実施例１の光源装置の出力パルス光時間波形を示す図である。図中で、波形Ａは、後段光増幅器３０ＡにおいてＱスイッチ３８により共振器の共振器損失を常時極小値として、光源１０から出力されるパルス光を前段光増幅器２０および後段光増幅器３０Ａで光増幅した場合（すなわち、従来の単なるＭＯＰＡ構成の場合）の出力パルス光時間波形を示す。波形Ｂは、光源１０からパルス光を出力しない状態として、後段光増幅器３０ＡにおいてＱスイッチ３８により共振器の共振器損失を変調した場合の出力パルス光時間波形を示す。また、波形Ｃは、光源１０からパルス光を出力するとともに、後段光増幅器３０ＡにおいてＱスイッチ３８により共振器の共振器損失を変調した場合の出力パルス光時間波形を示す。なお、波形Ａおよび波形Ｂは比較例のものであり、波形Ｃは本実施例１のものである。
【００４１】
この図２から以下のことが判る。すなわち、波形Ａに示されるように、単なるＭＯＰＡ構成の場合には、光源装置からの出力パルス光は、ピークパワーが９００Ｗ程度しかなく、パルスエネルギが１１.６μＪに留まる。また、波形Ｂに示されるように、Ｑスイッチのみの場合は、光源装置からの出力パルス光は、ピークパワーが３.３ｋＷに達し、パルスエネルギが０.１９０ｍＪとなって波形Ａの場合の約１７倍に達するものの、パルス幅が５０ｎｓ程度と長く、熱の発生によるドロスなど望ましくない効果が懸念される。
【００４２】
これらに対し、波形Ｃに示されるように、本実施例１では、光源装置からの出力光には、波形Ａと同様にパルス幅１０ｎｓのパルスが複数個発生し、そのピークパワーは最高４.４ｋＷであって波形Ｂの場合を上回る。ただし、全てのパルス光についてパルスエネルギを総和しても、その値は０.１０７ｍＪであり、波形Ｂの場合に及ばないが、波形Ａの場合と比較すれば略１０倍である。なお、パルス幅に関しては、光源１０のパルス幅１０ｎｓがそのまま維持されており、より高周波変調が可能な光源１０を用いることで更なる短パルス化も可能である。例えば、半導体レーザ素子の直接変調であれば利得スイッチングを用いてもよいし、また、モードロックレーザ構造としてもよい。
【００４３】
実施例２では、後段光増幅器３０Ａに含まれる光増幅性導波路３１の長さを１０ｍ（実施例１の場合の２倍）とし、この光増幅性導波路３１におけるＹｂ濃度を実施例１の場合の２分の１とした。実施例２の他の条件については、実施例１の場合と同じとした。図３は、実施例２の光源装置の出力パルス光時間波形を示す図である。この図中でも波形Ａ〜Ｃは前述の各場合と同様のものである。
【００４４】
実施例１と比較して実施例２では、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の周回時間が長いことから、光源１０からパルス光を出力しない状態として、後段光増幅器３０ＡにおいてＱスイッチ３８により共振器の共振器損失を変調した場合、波形Ｂに示されるように、光源装置から出力されるパルス光の幅は拡がってしまい、パルスピークパワーは８００Ｗしかなく、また、パルスエネルギは０.１１１ｍＪとなって実施例１より低い。
【００４５】
これに対して、波形Ｃに示されるように、本実施例２では、パルスピークパワーは３７００Ｗに達し、パルスエネルギは０.１１０ｍＪとなる。すなわち、本実施例２の場合、パルスエネルギにおいてもＱスイッチのみの場合と比較して遜色が無くなる。パルス幅が狭くピークが高い光パルスが得られるというメリットのみ存在することになる。このように、第１実施形態の光源装置１は、後段光増幅器３０Ａにおける共振器の共振光路長が長い場合に特に効果を発揮することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る光源装置の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る光源装置２の構成図である。この図に示される光源装置２は、光源１０、前段光増幅器２０、後段光増幅器３０Ｂ、光アイソレータ４１、光アイソレータ４２および制御部５０Ｂを備える。図１に示された第１実施形態に係る光源装置１の構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態に係る光源装置２は、後段光増幅器３０Ａに替えて後段光増幅器３０Ｂを備える点で相違し、制御部５０Ａに替えて制御部５０Ｂを備える点で相違する。
【００４７】
後段光増幅器３０Ｂは、前段光増幅器２０から出力され光アイソレータ４２を経て到達したパルス光を入力し、そのパルス光を更に光増幅して出力する。この後段光増幅器３０Ｂは、光増幅性導波路３１、励起光源３２、光カプラ３３、光カプラ３４Ａ，３４Ｂ、光導波路３５Ａ，３５Ｂ、光アイソレータ３７、Ｑスイッチ３８Ａ，３８Ｂおよび駆動部３９を含む。
【００４８】
光増幅性導波路３１は、増幅性元素が光導波領域に添加された光導波路であり、例えば、Ｙｂ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源３２は、光増幅性導波路３１に添加された増幅性元素を励起する励起光を連続出力するものである。光カプラ３３は、光カプラ３４Ｂから到達したパルス光を光増幅性導波路３１へ出力するとともに、励起光源３２から到達した励起光をも光増幅性導波路３１へ出力する。励起光およびパルス光が入力される光増幅性導波路３１は、励起光が供給されることで反転分布を生じ、パルス光を光増幅する。
【００４９】
光カプラ３４Ａは、光増幅性導波路３１から出力されて到達したパルス光を入力し、そのパルス光の一部を分岐して光導波路３５Ａへ導波させ、残部を光アイソレータ３７から後段光増幅器３０Ｂの外部へ出力する。また、光カプラ３４Ａは、光導波路３５Ａを導波して到達したパルス光を入力し、そのパルス光を光増幅性導波路３１へ出力する。光導波路３５Ａは、光カプラ３４Ａにより分岐されたパルス光を一端に入射し、このパルス光を導波して他端から出射して、Ｑスイッチ３５Ａに入射させる。Ｑスイッチ３８Ａは、光導波路３５Ａの他端側に設けられ、駆動部３９により駆動されて、光導波路３５Ａの他端から出射された光を無反射終端または全反射終端に導く。
【００５０】
光カプラ３４Ｂは、光アイソレータ４２から到達したパルス光を光カプラ３３へ出力するとともに、光導波路３５Ｂを導波して到達したパルス光をも光カプラ３３へ出力する。また、光カプラ３４Ｂは、光増幅性導波路３１から出力されて到達したパルス光を入力し、そのパルス光の一部を分岐して光導波路３５Ｂへ導波させる。光導波路３５Ｂは、光カプラ３４Ｂにより分岐されたパルス光を一端に入射し、このパルス光を導波して他端から出射して、Ｑスイッチ３５Ｂに入射させる。Ｑスイッチ３８Ｂは、光導波路３５Ｂの他端側に設けられ、駆動部３９により駆動されて、光導波路３５Ｂの他端から出射された光を無反射終端または全反射終端に導く。
【００５１】
Ｑスイッチ３８Ａ，３８Ｂそれぞれは、好適には、音響光学（ＡＯ）効果による光スイッチ（ＡＯスイッチ）である。また、Ｑスイッチ３８Ａ，３８Ｂそれぞれは、切り替え時間が十分に速ければ、ＡＯスイッチに限らず他のものであってもよく、例えば、高速ドライバを含むピエゾ素子を備えたスイッチであってもよく、また、可変光減衰器であっても光減衰量の変化に要する時間が上記スイッチの切り替え時間と同程度に短ければよい。
【００５２】
この後段光増幅器３０Ｂにおいて、Ｑスイッチ３８Ａ、光導波路３５Ａ、光カプラ３４Ａ、光増幅性導波路３１、光カプラ３３、光カプラ３４Ｂ、光導波路３５ＢおよびＱスイッチ３８Ｂは、この順にパルス光の光路上に配置されていて、ファブリペロ型の共振器を構成している。Ｑスイッチ３８Ａ，３８Ｂおよび駆動部３９は、この共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段を構成している。また、励起光源３２および光カプラ３３は、光増幅性導波路３１に励起光を連続的に供給する励起光供給手段を構成している。
【００５３】
制御部５０Ｂは、光源１０から出力されたパルス光が前段光増幅器２０により光増幅された後に後段光増幅器３０Ｂに入力するタイミングで、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失が極小になるようＱスイッチ手段を制御する。
【００５４】
この第２実施形態に係る光源装置２は、制御部５０Ｂによる制御の下で、以下のように動作する。前段光増幅器２０において、励起光源２２から出力された励起光は、光カプラ２３を経て光増幅性導波路２１に連続的に供給される。また、後段光増幅器３０Ｂにおいて、励起光源３２から出力された励起光は、光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に連続的に供給される。また、光源１０において、駆動部１２により駆動された半導体レーザ素子１１から一定の繰り返し周期でパルス光が出力される。
【００５５】
光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータ４１を経て前段光増幅器２０に入力される。前段光増幅器２０に入力されたパルス光は、光カプラ２３を経て光増幅性導波路２１に入力され、この光増幅性導波路２１において光増幅されて、前段光増幅器２０から出力される。前段光増幅器２０から出力されたパルス光は、光アイソレータ４２を経て後段光増幅器３０Ｂに入力される。
【００５６】
後段光増幅器３０Ｂに入力されたパルス光は、光導波路３５Ｂを経て来たパルス光とともに、光カプラ３４Ｂおよび光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に入力され、この光増幅性導波路３１において光増幅される。光増幅性導波路３１において光増幅されたパルス光は、光カプラ３４Ａに入力され、この光カプラ３４Ａにより、一部が光導波路３５Ａに入力され、残部が光アイソレータ３７を経て後段光増幅器３０Ｂから外部へ出力される。
【００５７】
光カプラ３４Ａから光導波路３５Ａに入力されたパルス光は、光導波路３５Ａにより導波された後に光導波路３５Ａの出射端から出力され、Ｑスイッチ３８Ａに入力される。後段光増幅器３０Ｂにパルス光が入力するタイミングでは、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失は極小になっている。すなわち、光導波路３５ＡからＱスイッチ３８Ａに入力されたパルス光は、Ｑスイッチ３８Ａから全反射終端へ出力されて全反射される。
【００５８】
この全反射されたパルス光は、Ｑスイッチ３８Ａ、光導波路３５Ａ、光カプラ３４Ａ、光増幅性導波路３１、光カプラ３３、光カプラ３４Ｂおよび光導波路３５Ｂを経て、Ｑスイッチ３８Ｂに入力される。光導波路３５ＢからＱスイッチ３８Ｂに入力されたパルス光は、Ｑスイッチ３８Ｂから全反射終端へ出力されて全反射される。このようにして、後段光増幅器３０Ｂに入力したパルス光は、ファブリペロ型の共振器において光増幅されて、光カプラ３４Ａから光アイソレータ３７を経て外部へ出力される。
【００５９】
後段光増幅器３０Ｂにパルス光が入力される前には、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失は極小ではなく、励起光源３２から光カプラ３３を経て光増幅性導波路３１に供給された励起光のエネルギは、光増幅性導波路３１において反転分布として蓄えられる。そして、後段光増幅器３０Ｂにパルス光が入力されるタイミングでは、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失は極小になっているので、その入力したパルス光は、それまで光増幅性導波路３１において反転分布として蓄えられていた励起エネルギにより高利得で光増幅されることになる。また、この光増幅の前後でパルス光のパルス幅の変化は殆ど無い。したがって、この光源装置２は、Ｑスイッチレーザ光源の場合と比べて遜色無い程度に高いパルスエネルギまたはパルスピークを有する短パルス光を出力することができる。
【００６０】
なお、制御部５０Ｂは、光源１０がパルス光を出力するタイミングを制御するとともに、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失が極小になるタイミングをも制御して、両タイミングの間の遅延を調整するのが好適である。この場合には、後段光増幅器３０Ｂにパルス光が入力するタイミングで後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失が極小になるようＱスイッチ手段を制御する上で好都合である。
【００６１】
また、仮に後段光増幅器３０Ｂにパルス光が入射しないとした場合にも、後段光増幅器３０Ｂは、Ｑスイッチ手段の作用によりパルス発振してパルス光を出力する。この場合に後段光増幅器３０Ｂから出力されるパルス光のパルス幅と比べて、光源１０が出力するパルス光のパルス幅が狭いのが好適であり、この場合には、熱の発生に因るドロスなどの発生を抑制する上で好都合である。また、光源１０が出力するパルス光のパルス幅は１６ｎｓ以下であるのが好適であり、この場合には、誘導Brillouin散乱（ＳＢＳ）の影響を抑制する上で好都合である。
【００６２】
また、後段光増幅器３０Ｂにおける共振器の共振器損失の変調の周期は、光源１０のパルス光出力の周期と一致していてもよいし、光源１０のパルス光出力の周期のＮ倍（Ｎは２以上の整数）であってもよい。後者の場合には、光源装置２からの出力には(Ｎ−１)個の小パルスと１個の大パルスとの周期的な混在が生じるが、(Ｎ−１)個の小パルスは予熱を与える等の効果を持つと期待される。
【００６３】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る光源装置の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る光源装置３の構成図である。この図に示される光源装置３は、光源１０、前段光増幅器２０、後段光増幅器３０Ｃ、光アイソレータ４１および光アイソレータ４２を備える。図４に示された第２実施形態に係る光源装置２の構成と比較すると、この図５に示される第３実施形態に係る光源装置３は、後段光増幅器３０Ｂに替えて後段光増幅器３０Ｃを備える点で相違し、制御部５０Ｂを備えていない点で相違する。
【００６４】
後段光増幅器３０Ｃは、前段光増幅器２０から出力され光アイソレータ４２を経て到達したパルス光を入力し、そのパルス光を更に光増幅して出力する。この後段光増幅器３０Ｃは、光増幅性導波路３１、励起光源３２、光カプラ３３および光アイソレータ３７を含む。後段光増幅器３０Ｃは共振器構造を有していない。
【００６５】
光増幅性導波路３１は、増幅性元素が光導波領域に添加された光導波路であり、例えば、Ｙｂ元素が光導波領域に添加された光ファイバである。励起光源３２は、光増幅性導波路３１に添加された増幅性元素を励起する励起光を連続出力するものである。光カプラ３３は、光アイソレータ４２から到達したパルス光を光増幅性導波路３１へ出力するとともに、励起光源３２から到達した励起光をも光増幅性導波路３１へ出力する。励起光およびパルス光が入力される光増幅性導波路３１は、励起光が供給されることで反転分布を生じ、パルス光を光増幅して光アイソレータ３７から外部へ出力する。
【００６６】
この第３実施形態では、光源１０からのパルス光の出力周期は、光増幅性導波路３１に添加された増幅性元素の励起寿命と同桁程度以上とされている。そして、光源１０から出力されて前段光増幅器２０により光増幅されたパルス光が後段光増幅器３０Ｃに入力したときに、それまで光増幅性導波路３１に反転分布として蓄積されていたエネルギは一挙に放出される。
【００６７】
このように、後段光増幅器３０Ｃが共振器構造を有していなくとも、光源１０からのパルス光の出力周期が、光増幅性導波路３１に添加された増幅性元素の励起寿命と同桁程度以上とされていることにより、Ｑスイッチレーザ光源の場合と比べて遜色無い程度に高いパルスエネルギまたはパルスピークを有する短パルス光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施形態に係る光源装置１の構成図である。
【図２】実施例１の光源装置の出力パルス光時間波形を示す図である。
【図３】実施例２の光源装置の出力パルス光時間波形を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る光源装置２の構成図である。
【図５】第３実施形態に係る光源装置３の構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１〜３…光源装置、１０…光源、１１…半導体レーザ素子、１２…駆動部、２０…前段光増幅器、２１…光増幅性導波路、２２…励起光源、２３…光カプラ、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…後段光増幅器、３１…光増幅性導波路、３２…励起光源、３３…光カプラ、３４Ａ，３４Ｂ…光カプラ、３５Ａ，３５Ｂ…光導波路、３６Ａ，３６Ｂ…レンズ、３７…光アイソレータ、３８，３８Ａ，３８Ｂ…Ｑスイッチ、３９…駆動部、４１，４２…光アイソレータ、５０Ａ，５０Ｂ…制御部。
【図１】
0005151018.tif 000002
【図２】
0005151018.tif 000003
【図３】
0005151018.tif 000004
【図４】
0005151018.tif 000005
【図５】
0005151018.tif 000006