(57)【要約】【課題】  パルス波形の整形を容易かつ確実に行うことを可能としたファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】  ファイバレーザ１から出力された光を位相変調部２に導いて、所望の位相変調を付与することで、ファイバレーザ１内における位相分散を補償し、パルス圧縮を行う。位相変調部２で付与する位相変調量は、出力光を光分岐部３で分岐し、そのパルス幅をパルス幅評価装置４で評価して、位相変調部２を制御する位相変調量制御部５へと導くことで、フィードバック制御を行うことにより、調整される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバからなるレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起する励起光を発する励起光源と、前記励起光源から前記レーザ媒質に励起光を導く導光手段と、前記レーザ媒質の両端に配置されて前記レーザ媒質と合わせて共振器を構成する一対のレーザミラーとを備えるファイバレーザ装置において、
前記共振器からの出力光路上に配置され、レーザ共振器内における位相分散を補正して、出力パルス幅を圧縮する位相変調部をさらに備えていることを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記位相変調部は、１枚以上のチャープミラーを備えていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記位相変調部は、入力光を分光する分光素子と、分光された光を伝達する入力光伝達光学系と、前記入力光伝達光学系により導入される分光光を位相変調する空間光位相変調素子と、位相変調された分光光を伝達する出力光伝達光学系と、前記出力光伝達光学系で伝達された分光光を合成する合波素子とを備えていることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記分光素子および前記合波素子は、回折格子またはプリズムであることを特徴とする請求項３記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記入力光伝達光学系と前記出力光伝達光学系は、シリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーであることを特徴とする請求項４記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記位相変調部は、２次の位相分散を有する光学素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のファイバレーザ装置。
【請求項７】
前記光学素子の光軸に対する角度を調整する角度調整機構をさらに備えていることを特徴とする請求項６記載のファイバレーザ装置。
【請求項８】
前記光学素子の分散特性は、１５６０ｎｍ付近の波長領域において、位相の各周波数による２次微分係数が１〜２×１０−２６ｓ２であることを特徴とする請求項６記載のファイバレーザ装置。
【請求項９】
前記位相変調部を通過したレーザ光の一部を分岐する分岐手段と、
分岐光を受光して、パルス幅と相関性のある情報に基づいて、そのパルス幅を評価するパルス幅評価部と、
前記パルス幅評価部の評価結果に基づいて前記位相変調部の位相変調量を制御する制御部と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
【請求項１０】
前記パルス幅評価部は、レーザ光の波長領域において実質的に感度を有さず、その半波長領域において感度を有している光検出器により分岐光を受光することを特徴とする請求項９記載のファイバレーザ装置。
【請求項１１】
前記光検出器は、シリコンフォトダイオード、シリコンアバランシェフォトダイオード、ＣｄＳ、光電子増倍管のいずれかであることを特徴とする請求項１０記載のファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザ装置に関し、特に、波形整形された短パルス光を発することのできるファイバレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体と光の干渉作用に基づく光反応によって化学反応や物理現象を制御する可能性が示唆されている（例えば、非特許文献１、２参照）。これらの文献で紹介されている短光パルスは連続光と異なり、異なる周波数のコヒーレントな光が集合したものである。周波数が異なる光は、異なるエネルギーを有するが、ハイデルベルグの不確定性原理により、パルス幅が短いほどその中に含まれるエネルギー範囲は広くなる。分子の状態は、特有のエネルギー値によって定まり、対応するエネルギー値を与えるコヒーレントな光を分子に衝突させることで、分子の状態を変えることができる。
【０００３】
このような特定のエネルギー値をパルス光に与えるには、パルスを構成するいろいろな周波数成分の相対的強度分布、もしくは周波数成分間の位相関係を変えること、すなわち、パルスの波形を変形することによって行うことができる。このようなパルス波形の変形については、特許文献１記載の技術が知られている。
【非特許文献１】Ｐ．ブルマーら著「レーザーによる化学反応の制御」出版社、日経サイエンス１９９５年５月号８６〜９３頁
【非特許文献２】原民夫著「Ｘ線レーザー」光エレクトロニクス第１３０委員会第１９６研究会資料８〜１３頁、１９９６年
【特許文献１】特開平１０−２２３９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、レーザ光源としてレーザ媒質に光ファイバを用いるファイバレーザが知られている。このようなファイバレーザ装置では、励起光の条件や、周囲の温度等の環境パラメータに影響されて、光学定数が変動しやすく、この結果、共振器の分散量が変化してしまい、最短パルス幅条件では充分なパルス出力が得られなくなるケースが発生しやすい。一方で、レーザ発振の条件は厳密であるため、条件を左右する共振器の調整や、温度、励起光強度等を大きく変動させることは好ましくない。
【０００５】
そこで本発明は、パルス波形の整形を容易かつ確実に行うことを可能としたファイバレーザ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係るファイバレーザ装置は、光ファイバからなるレーザ媒質と、このレーザ媒質を励起する励起光を発する励起光源と、この励起光源からレーザ媒質に励起光を導く導光手段と、レーザ媒質の両端に配置されてレーザ媒質と合わせて共振器を構成する一対のレーザミラーとを備えるファイバレーザ装置において、共振器からの出力光路上に配置され、レーザ共振器内における位相分散を補正して、出力パルス幅を圧縮する位相変調部をさらに備えていることを特徴とする。位相変調部は、共振器で発生する分散量の変化に応じて位相フィルタリングを行い、その分散を補正する。
【０００７】
この位相変調部は、１枚以上のチャープミラーを備えているとよい。誘電体多層膜ミラーを用いたチャープミラーにより分散補償を行う。
【０００８】
あるいは、位相変調部は、入力光を分光する分光素子と、分光された光を伝達する入力光伝達光学系と、入力光伝達光学系により導入される分光光を位相変調する空間光位相変調素子と、位相変調された分光光を伝達する出力光伝達光学系と、出力光伝達光学系で伝達された分光光を合成する合波素子とを備えているとよい。空間光位相変調素子では、分光された波長成分ごとに位相変調量を調整し、位相変調された分光光は合波素子によって合成された後に出力される。
【０００９】
分光素子および合波素子は、回折格子またはプリズムであるとよい。また、入力光伝達光学系と前記出力光伝達光学系は、シリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーであってもよい。
【００１０】
回折格子またはプリズムにより、異なる波長成分を有する入力光を一次元方向に波長分布を持つ光に分光したり、逆に一次元方向に波長分布を持つ光を異なる波長成分を有する出力光に合波できる。ここで、一次元方向に波長分布を持つ光を出力する場合には、各波長成分は平行光を維持しつつ、全体として扇形に広がるため、シリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーで各波長成分を空間光位相変調素子上の異なる位置へ集光するとよい。逆に、回折格子またはプリズムによって合波を行うためには、入力光が一点（焦点）に集中している必要があり、空間光位相変調素子の出力光に対して、入力光とは逆の光路に相当する機能を果たすシリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーによりこの集光を行う。
【００１１】
位相変調部は、位相分散補償が容易になる２次の位相分散を有する光学素子であるとよい。この光学素子の光軸に対する角度を調整する角度調整機構をさらに備えているとよい。角度調整によって位相分散の補償量を調整可能となる。
【００１２】
光学素子の分散特性は、１５６０ｎｍ付近の波長領域において、位相の各周波数による２次微分係数が１〜２×１０−２６ｓ２であるとよい。このような特性に設定すると、１５６０ｎｍの光を発するファイバレーザ装置からの出射光のパルス圧縮に好適である。
【００１３】
位相変調部を通過したレーザ光の一部を分岐する分岐手段と、その分岐光を受光して、パルス幅と相関性のある情報に基づいて、そのパルス幅を評価するパルス幅評価部と、パルス幅評価部の評価結果に基づいて位相変調部の位相変調量を制御する制御部と、をさらに備えているとよい。パルス幅と相関性のある情報としては、第二高調波の強度等があげられる。位相変調により得られたレーザ光のパルス幅を評価して評価結果に基づいて位相変調量を制御するフィードバック制御を実施する。
【００１４】
パルス幅評価部は、レーザ光の波長領域において実質的に感度を有さず、その半波長領域において感度を有している光検出器により分岐光を受光するとよい。このようにすると、２光子吸収により非線形な出力を得ることができ、パルス幅検出が容易になる。
【００１５】
こうした光検出器としては、シリコンフォトダイオード、シリコンアバランシェフォトダイオード、ＣｄＳ、光電子増倍管等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、レーザ共振器内における位相分散を共振器外部に設けた位相変調部により補償し、パルス幅を圧縮することで、出力パルス光を所望のパルス波形に整形することができる。
【００１７】
チャープミラーや空間光位相変調素子を用いて、この位相変調を行うことで、位相分散補償を簡便かつ確実に行うことができる。
【００１８】
さらに、出力光を分岐してそのパルス幅をモニタリングすることでフィードバック制御を行い、所望のパルス波形を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明に係るファイバレーザ装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図であり、図２がそのファイバレーザ部１の構成例を示すブロック図であり、図３は、その位相変調部２の構成を示すブロック図である。
【００２１】
ファイバレーザ部１の出射光路（主光路）上に位相変調部２、光分岐部３が配置され、光分岐部３で主光路から分岐された分岐光路上にパルス幅評価装置４が配置され、パルス幅評価装置４の出力信号が位相変調量制御部５へと入力されている。この位相変調量制御部５が位相変調部２の作動を制御する。
【００２２】
ファイバレーザ部１は、例えば、Ｅｒ、Ｙｂ等の希土類をコアにドープした光ファイバをレーザ媒質１３として用いており、このレーザ媒質１３の両端に一対のミラー１２、１４（レーザミラー対）を配置して、共振器を構成している。励起光源部１０としては、レーザダイオード等を用いることができる。この励起光源部１０から出射された光は、単体もしくは複数の光学部品（ミラー、レンズ等）を組み合わせて形成した集光部１１により、レーザ媒質１３の入力端に導かれる。
【００２３】
位相変調部は、空間光位相変調素子２２を中心に構成され、この空間光位相変調素子２２を一対のシリンドリカルレンズ２１、２３で挟み込み、これをさらに一対の回折格子２０、２４で挟み込むことで構成される。ファイバレーザ部１からの光は、入力側の回折格子２０に入射される。空間光位相変調素子２２の作動は、位相変調量制御部５によって制御される。シリンドリカルレンズ２１、２３に代えてシリンドリカルミラーを用いてもよく、回折格子２０、２４に代えてプリズムを用いてもよい。
【００２４】
ここで、空間光位相変調素子２２には、例えば、液晶を用いた透過型の空間光変調器が用いられる。このような空間光変調器を用いることで、波長成分ごとの位相変調量を細かく制御することができる。もちろん、反射型の空間光変調器を用いることもできるが、この場合には、周囲の光学系をこれに合わせて変形する必要がある。
【００２５】
光分岐部３は、ハーフミラー、ビームスプリッター等から構成され、入力された光の大部分を通過させる一方、その一部をパルス幅評価装置４へと導くものである。
【００２６】
パルス幅評価装置４は、図示を省略するが、入射光（入力される分岐光）を非線形に変換する変換部と変形した光を検出する検出部とから構成される。変換部には、入射光を第二高調波に変換するリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３；ＬＮ）結晶やリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３；ＬＴ）結晶等を用いるとよい。検出部としては、フォトダイオード等の通常の光検出器を用いることができるが、応答速度はパルス幅に比較して遅くてもよい。
【００２７】
このファイバレーザ装置の動作について説明する。励起光源部１０から発せられた励起光であるレーザ光は、集光部１１によりミラー１２を経てレーザ媒質１３へ導入される。レーザ媒質１３では、励起光がドープされている希土類に吸収され、励起により光が発せられる。発せられた光をミラー１２、１４間で複数回反射させることで、増幅する。増幅された光はパルス光としてミラー１４を通過し、ファイバレーザ部１から出力される。
【００２８】
ファイバレーザ部１から出力された光は、回折格子２０により、光路と略直交する一次元方向（図３における紙面の平面方向）に波長分布を有する光に分光される。分光された光は、シリンドリカルレンズ２１によって、空間光位相変調素子２２上へと結像されるとともに、空間的に分離される。空間光位相変調素子２２には、位相変調量制御部５によって所望の位相変調特性が設定されている（設定される位相変調特性については後述する）。空間光位相変調素子２２に導入される光は、一次元方向に波長分布を有しており、異なる波長の光は異なる位置に入射する。そこで、位置に応じて位相変調量を制御することにより、波長に対する位相変調量、つまり、位相変調特性を調整することができる。
【００２９】
空間光位相変調素子２２を通過して所定の状態に位相変調された光は、シリンドリカルレンズ２３によって集光され、回折格子２４によって同一光軸に合波され、複数の周波数成分を有する出力光に変換され、位相変調部２から出力される。出力された光の一部は、光分岐部３によってパルス幅評価装置４へと導かれる。
【００３０】
上述した構成のパルス幅評価装置４においては、平均光強度が同一であればパルス幅が狭いほど光検出器の出力は大きくなる。したがって、位相変調量制御部５は、光検出器の出力が大きくなるように位相変調量をフィードバック制御することにより所望のパルス圧縮に最適な位相変調特性を実現することができる。この場合のフィードバック制御アルゴリズムとしては、焼き鈍し法（Simulated Annealing）や遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm）等を用いることができる。これにより、所望のパルス波形を得ることができる。
【００３１】
本装置において、パルス圧縮を行った場合の、位相変調特性（位相フィルタ特性）を図４に、圧縮前後のパルス波形計測結果を図５に比較して示す。この場合の位相変調特性は、周波数ないし波長に対して２次関数の波形を有している。そして、波長１５６０ｎｍにおける分散特性φ"（ω）、すなわち、位相の各周波数に対する二次微分が１．５×１０−２６ｓ２であった。これにより、図５（ａ）に示される多数のパルスが連続した入力光を図５（ｂ）に示されるようにほぼ短パルスといえるパルス波形に整形でき、本発明の効果が確認された。実際の装置の運用においては、波長１５６０ｎｍにおける分散特性φ"（ω）は、１〜２×１０−２６ｓ２とすることが好ましい。このときに使用するファイバレーザ一には、Ｅｒをコアにドープした光ファイバをレーザ媒質１３として用いることができる。また、ファイバレーザ部１と光分岐部３との間に光アンプを配置してもよい。
【００３２】
ここでは、位相変調部２に、波長ごとの分散パラメータ（位相変調量）を独立に調整可能な空間光変調器を用いる例を説明したが、本発明における位相変調部はこれに限られるものではない。例えば、パルス圧縮に適したパラメータが、理論または実験により既知の場合には、このパラメータを実現可能な固定分散特性を有する光フィルタを用いることができる。このような光フィルタは、誘電体多層膜により実現可能である。
【００３３】
一方、温度等の周辺環境や励起光条件等によってパルス圧縮に最適なパラメータは変動するので、これを微調整する必要がある。図６は、位相変調部の別の実施形態を説明する図である。この位相変調部２ａは、そのような調整機構を備えるものであり、誘電体多層膜からなる位相フィルタ２５は、角度調整機構２６により、転動可能に支持されるとともに、角度調整機構２６に内蔵されているモータによって位相フィルタ２５の光軸に対する角度が調整可能となっている。この角度調整機構２６による角度調整を位相変調量制御部５により制御することで、最適なパルスが得られるようフィードバック制御する。なお、角度を変化させることで、位相フィルタ２５のフレネル反射率が変動するが、その影響はあらかじめ評価しておき、位相変調量制御部５で、この影響を考慮して制御を行うようにするとよい。
【００３４】
また、光軸に対して傾いた位相フィルタ２５を挿入することで、光軸がシフトしてしまうので、図７に示されるように、一対の位相フィルタ２５ａ、２５ｂを光軸に直交する面に対して対称に配置することで、光軸のシフトを相殺するとよい。この場合、個々の位相フィルタ２５ａ、２５ｂの設計値は、１枚の位相フィルタ２５で構成する場合と比較して、概ね半分の位相変調量を与えるようにするとよい。図７では、図示を省略しているが、個々の位相フィルタ２５ａ、２５ｂに対して、あるいは、両者を共通で駆動する角度調整機構２６を備えてもよい。
【００３５】
また、パルス幅評価装置４は、上述した形態に限られるものではない。例えば、レーザの波長に対して実質的に感度を有さず、その約半分の波長に対して感度を有する検出器を用いると、２光子吸収により非線形な出力を得ることができ、パルス幅を評価する情報を得ることができる。このような検出器としては、１５６０ｎｍのレーザに対しては、Ｓｉ系の検出器、例えば、シリコンフォトダイオードやシリコンアバランシェフォトダイオードを用いることができる。また、ＣｄＳのように光導電型の検出器を用いてもよい。あるいは、８００ｎｍ帯に感度を有するマルチアルカリ光電面の検出器などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るファイバレーザ装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す装置のファイバレーザ部１の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す装置の位相変調部２の構成を示すブロック図である。
【図４】図３の位相変調部に与える位相変調特性の例である。
【図５】図４に示される位相変調を用いた場合の、圧縮前後のパルス波形計測結果を比較して示すグラフである。
【図６】位相変調部の別の実施形態を説明する図である。
【図７】位相変調部のさらに別の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ファイバレーザ部、２…位相変調部、３…光分岐部、４…パルス幅評価装置、５…位相変調量制御部、１０…励起光源部、１１…集光部、１２、１４…ミラー、１３…レーザ媒質、２０、２４…回折格子、２１、２３…シリンドリカルレンズ、２２…空間光位相変調素子、２５…位相フィルタ、２６…角度調整機構。
【図１】
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【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７】
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