(57)【要約】【課題】パルス幅が２００フェムト秒以下で、パルス繰り返し周波数が高い短パルス光の発生を可能とする。【解決手段】短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数をもつＣＷ光源１と、ＣＷ光源１からの連続レーザー光を位相変調する位相変調手段２と、位相変調手段２からの光パルスを間引いてピークパワーを高める光ゲート５と、光ゲート５を通過した光パルスを増幅し、光増幅器６内での非線形効果によって光スペクトル帯域を拡大した広帯域光を発生させる光増幅器６と、光増幅器６によって増幅された光パルスを圧縮する分散付与手段７とを備える。【選択図】  図１
2013025284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の中心光周波数をもつ連続レーザー光源と、
この連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調手段と、
この位相変調手段からの光パルスを間引く光ゲートと、
この光ゲートを通過した光パルスを増幅する光増幅手段と、
この光増幅手段によって増幅された光パルスを圧縮する第１の分散付与手段とを備えることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の短パルス光発生装置において、
前記光ゲートは、複数段設けられることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の短パルス光発生装置において、
さらに、前記位相変調手段と前記光ゲートとの間に、前記位相変調手段からの光パルスを圧縮する第２の分散付与手段を備えることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の短パルス光発生装置において、
前記位相変調手段は、複数段設けられることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の短パルス光発生装置において、
さらに、前記連続レーザー光源と前記位相変調手段との間、または前記位相変調手段と前記光ゲートとの間に、前記位相変調手段からの光パルスを強度変調する強度変調手段を備えることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の短パルス光発生装置において、
さらに、前記連続レーザー光を変調する信号を前記位相変調手段に供給する基準周波数発生手段と、
この基準周波数発生手段から出力される信号を分周した光ゲート駆動用の信号を、前記光ゲートに供給する周波数分周手段とを備えることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の短パルス光発生装置において、
さらに、光ゲート駆動用の信号を前記光ゲートに供給する基準周波数発生手段と、
この基準周波数発生手段から出力される信号を逓倍した光パルス変調用の信号を、前記位相変調手段に供給する周波数逓倍手段とを備えることを特徴とする短パルス光発生装置。
【請求項８】
任意の中心光周波数をもつ連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調ステップと、
この位相変調ステップで得られた光パルスを間引く光ゲートステップと、
この光ゲートステップで得られた光パルスを光増幅手段で増幅する光増幅ステップと、
この光増幅ステップで得られた光パルスを圧縮するパルス圧縮ステップとを備えることを特徴とする短パルス光発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒の短パルス光を高い繰り返し周波数で発生する短パルス光発生装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
新しいレーザー材料と新しいパルス発生法が導入され、光の短パルス化に関する技術が著しく進展している。今日、電気信号では到達できないフェムト（１０-15）秒の短パルスレーザーは基礎科学の分野のみならず、産業界で超微細加工を実現したりするなど、今日誰でもが使える道具の一つとして人類に様々な形で貢献してきた。近年、短パルス化に加えて、パルス繰り返し周波数の高速化が注目されている。光の短パルス化は、超高速現象計測の時間分解能の向上に寄与し、パルス繰り返し周波数の高速化は信号対雑音比の増大に寄与するため、１０ＧＨｚ以上の高繰り返し周波数でパルス幅がフェムト秒の短パルスレーザーは微弱な超高速現象の観測に適している。また、高繰り返し周波数の短パルスレーザーは超高速通信システム、精密計測、低位相雑音マイクロ波発生、光サンプリング、キャリアエンベロープオフセット制御光周波数コムなどへの応用にも期待されている。
【０００３】
現在、フェムト秒の短パルスレーザー光源として、共振器装置を備えた受動モード同期レーザーが用いられている。受動モード同期レーザーは、通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がＬの共振器を有する。この共振器の縦モードの共振周波数はｃ／２Ｌ（ｃは光速）の整数倍である。そして、レーザーが発振するレーザー光のスペクトルの幅は非常に狭いが、そのスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間が狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。このとき、各モードの位相を揃える（モード同期）ことにより、パルス繰り返し周波数ｆrep＝ｃ／（２Ｌ）でレーザー光が強められる。これにより、パルス繰り返し周波数ｆrepのパルスレーザー光が生成される。そのため、受動モード同期レーザーの中心光周波数は共振器内に設置された利得媒質に依存する。
【０００４】
例えば、利得媒質としてチタンサファイア結晶を使用した場合、発振可能な波長は６５０−１１００ｎｍの赤外領域から近赤外領域にかけてであるが、一番効率良く発振できる波長は８００ｎｍであり、レーザー中心光周波数が限定される。また、受動モード同期レーザーは、共振器内に設置する利得媒質と光学部品の空間配置等の制約から共振器長Ｌを短くすることができず、共振器長Ｌで決まるパルス繰り返し周波数は一般的に１ＧＨｚ程度が上限となる。更に、パルス繰り返し周波数を変化させるための共振器長Ｌの調整範囲は光共振器の横モード安定性条件に制限される。したがって、パルス繰り返し周波数の可変範囲も小さい。更に、モードロックレーザーは外部環境の影響を受けやすいという問題点もあった。
【０００５】
最近、ＣＷ（連続波）半導体レーザーを種光源にし、マッハツェンダー変調器と分散減少ファイバーとを用いたフェムト秒短パルスレーザー光源が開発された（非特許文献１，４参照）。この非特許文献１，４に開示された短パルスレーザー光源では、共振器を用いないため、パルス繰り返し周波数の制限は無くなる。しかし、この短パルスレーザー光源では、位相変調器の変調指数で決まる光スペクトル帯域の制限から２００フェムト秒以下の短パルス光の発生は困難であった。
【０００６】
また、最近、ＣＷ半導体レーザーを種光源にし、位相変調器と強度変調器で発生した光パルス列を光ゲートにより高繰り返しパルスにするフェムト秒短パルスレーザー光源が提案されている（特許文献１、非特許文献２，３参照）。特許文献１および非特許文献２，３に開示された短パルスレーザー光源では、光増幅器内での非線形効果を利用しないため、光増幅後のスペクトル帯域が広がらず、また光増幅後の光パルス圧縮手段に通常のコア径およそ１０μｍのシングルモードファイバーを利用しているため、パルス圧縮時の非線形プロセスの影響により、２５０フェムト秒より短いパルス光の発生は困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０９０６７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】I.Morohashi，T.Sakamoto，H.Sotobayashi，T.Kawanishi，and I.Hosako，“Broadband wavelength-tunable ultrashort pulse source using a Mach-Zehnder modulator and dispersion-flattened dispersion-decreasing fiber”，Opt.Lett.，Vol.34，No.15，p.2297-2299，2009
【非特許文献２】A.Ishizawa，T.Nishikawa，A.Mizutori，H.Takara，S.Aozasa，A.Mori，H.Nakano，A.Takada，and M.Koga，“Octave-spanning frequency comb generated by 250 fs pulse train emitted from 25 GHz externally phase-modulated laser diode for carrier-envelope-offset-locking”，Electron.Lett.，Vol.46，No.19，p.1343，2010
【非特許文献３】T.Kobayashi，H.Yao，K.Amano，Y.Fukushima，A.Morimoto，and T.Sueta，“Optical Pulse Compression Using High-Frequency Electrooptic Phase Modulation”，IEEE J.Quantum Electron.，Vol.24，No.2，p.382-387，1988
【非特許文献４】M.Kourogi，B.Widiyatomoko，Y.Takeuchi，and M.Ohtsu，“Limit of Optical-Frequency Comb Generation Due to Material Dispersion”，IEEE J. Quantum Electron.，Vol.31，No.12，p.2120-2126，1995
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、これまでの短パルスレーザー光源のうち、共振器装置を備えた受動モード同期レーザーをベースにしたものでは、２００フェムト秒以下の光パルス幅が得られるが、中心光周波数とパルス繰り返し周波数の可変範囲が限定されるという問題点があり、１ＧＨｚ以上のパルス繰り返し周波数を達成することも困難であった。
また、マッハツェンダー型の位相変調器でＣＷ波長安定化光源に周波数変調をかけて光パルスを発生させる短パルスレーザー光源では、パルス繰り返し周波数を高くすることができる一方、位相変調器の変調指数の制限から２００フェムト秒以下の短パルス化が難しいという問題点があった。
また、ＣＷ半導体レーザを種光源として、位相変調器と強度変調器で発生した光パルス列を光ゲートにより高繰り返しパルスにする短パルスレーザー光源では、パルス繰り返し周波数を高くすることができる一方、２５０フェムト秒以下の短パルス化が難しいという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、任意の中心光周波数に対して、パルス幅が２００フェムト秒以下で、さらには、従来技術であるモード同期レーザーと比較して１桁以上パルス繰り返し周波数が高い短パルス光の発生を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数をもつ連続レーザー光源と、この連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調手段と、この位相変調手段からの光パルスを間引く光ゲートと、この光ゲートを通過した光パルスを増幅する光増幅手段と、この光増幅手段によって増幅された光パルスを圧縮する第１の分散付与手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例において、前記光ゲートは、複数段設けられることを特徴とするものである。
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例は、さらに、前記位相変調手段と前記光ゲートとの間に、前記位相変調手段からの光パルスを圧縮する第２の分散付与手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例において、前記位相変調手段は、複数段設けられることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例は、さらに、前記連続レーザー光源と前記位相変調手段との間、または前記位相変調手段と前記光ゲートとの間に、前記位相変調手段からの光パルスを強度変調する強度変調手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例は、さらに、前記連続レーザー光を変調する信号を前記位相変調手段に供給する基準周波数発生手段と、この基準周波数発生手段から出力される信号を分周した光ゲート駆動用の信号を、前記光ゲートに供給する周波数分周手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の短パルス光発生装置の１構成例は、さらに、光ゲート駆動用の信号を前記光ゲートに供給する基準周波数発生手段と、この基準周波数発生手段から出力される信号を逓倍した光パルス変調用の信号を、前記位相変調手段に供給する周波数逓倍手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の短パルス光発生方法は、任意の中心光周波数をもつ連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調ステップと、この位相変調ステップで得られた光パルスを間引く光ゲートステップと、この光ゲートステップで得られた光パルスを光増幅手段で増幅する光増幅ステップと、この光増幅ステップで得られた光パルスを圧縮するパルス圧縮ステップとを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調手段を用いて光パルス列を発生させ、この光パルス列を光ゲートで間引いて光ピークパワーを高め、光増幅器内で非線形効果により光スペクトル帯域を拡大して、最終的に分散媒質でパルス圧縮することにより、非常に簡素化した光学構成で長期安定性に優れ、かつ、小型化で可搬可能なフェムト秒短パルスレーザー光源が実現可能であるという極めて優れた効果が得られる。また、従来技術ではパルス繰り返し周波数の上限が１ＧＨｚ程度であったが、本発明を使用すれば、従来技術に比べて１桁以上高いパルス繰り返し周波数を持つフェムト秒短パルスレーザー光源も実現可能である。
【００１５】
また、本発明では、光ゲートを複数段設けることにより、更にパルス幅の短いパルス光を発生することができる。
【００１６】
また、本発明では、位相変調手段と光ゲートとの間に、位相変調手段からの光パルスを圧縮する第２の分散付与手段を設けることにより、光ゲートの光透過損失を少なくすることができる。
【００１７】
また、本発明では、位相変調手段を複数段設けることにより、更にパルス幅の短いパルス光を発生することができる。
【００１８】
また、本発明では、連続レーザー光源と位相変調手段との間、または位相変調手段と光ゲートとの間に、位相変調手段からの光パルスを強度変調する強度変調手段を設けることにより、パルス圧縮した際のペデスタル抑圧に寄与することができる。
【００１９】
また、本発明では、連続レーザー光を変調する信号を位相変調手段に供給する基準周波数発生手段と、基準周波数発生手段から出力される信号を分周した光ゲート駆動用の信号を、光ゲートに供給する周波数分周手段とを設けることにより、位相変調手段と光ゲートとを完全に同期させることができ、光ゲートを通過する光パルスの強度の安定性を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明では、光ゲート駆動用の信号を光ゲートに供給する基準周波数発生手段と、基準周波数発生手段から出力される信号を逓倍した光パルス変調用の信号を、位相変調手段に供給する周波数逓倍手段とを設けることにより、位相変調手段と光ゲートとを完全に同期させることができ、光ゲートを通過する光パルスの強度の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における光ゲート前での光パルス波形および光ゲート後での光パルス波形を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る短パルス光発生装置から光ゲートを除いた構成において分散付与手段を透過した後の光スペクトルおよび自己相関波形を示す図、並びに本発明の第１の実施の形態において分散付与手段を透過した後の光スペクトルおよび自己相関波形を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る短パルス光発生装置から光ゲートを除いた構成において分散付与手段を透過した後の光スペクトルおよび自己相関波形を示す図、並びに本発明の第２の実施の形態において分散付与手段を透過した後の光スペクトルおよび自己相関波形を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［発明の原理］
本発明は上記目的を達成するために、任意の中心光周波数をもつ連続レーザー光源からの連続レーザー光を位相変調する位相変調ステップ（ステップＳ１）と、位相変調ステップで得られた光パルスを間引いて光ピークパワーを高める光ゲートステップ（ステップＳ２）と、光ゲートステップで得られた光パルスを光増幅器で増幅し、光増幅器内での非線形効果によって光スペクトル帯域を拡大した広帯域光を発生させる光増幅ステップ（ステップＳ３）と、パルス圧縮時の非線形効果の発生を抑えることが可能な分散媒質を用いて光パルスを圧縮するパルス圧縮ステップ（ステップＳ４）とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、分散補償方法にも特徴がある。従来のパルス圧縮方法では、自己位相変調効果によりスペクトル帯域を広げた正分散した光を負分散を持つ分散シフトファイバーあるいは回折格子対で圧縮している。これに対して、本発明では、位相変調器で生成した負分散を起こした光のスペクトル帯域をＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）内の非線形効果で広げて正分散を持つシングルモードファイバーやガラスブロックで圧縮している。
【００２４】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
この短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数の制御が可能な短パルス光源であり、ＣＷ光源１と、ＣＷ光源１からのＣＷ光を周波数ｆrepで位相変調する位相変調手段２と、繰り返し周波数ｆrepの信号を発生するマイクロ波基準周波数発生器３と、繰り返し周波数ｆmodの信号を発生する光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、位相変調手段２からの光パルスを一定間隔で間引いてピークパワーを高める光ゲート５と、光ゲート５を通過した光パルスを増幅する光増幅器６と、光増幅器６によって増幅された光パルスを圧縮する分散付与手段７（例えば、ガラスブロック、モードフィールド径の大きい光ファイバーなど）と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４から出力される繰り返し周波数ｆmodの信号からインパルス信号を発生する光ゲート用インパルス発生装置１４とから構成される。
【００２５】
以下、ステップＳ１について例を用いて説明する。ここで、ＣＷ光源１は、ＣＷ光を発生するＣＷ半導体レーザーである。ＣＷ光源１が発生するＣＷ光の中心光波長は任意に選択可能である。また、ＣＷ光源１として波長可変ＣＷ光源を用いることもできる。位相変調手段２は、ＣＷ光源１からのＣＷ光を、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号に応じて位相変調する。こうして、周期的にアップチャープとダウンチャープを発生させることができる。
【００２６】
ＣＷ光源１と位相変調手段２とからなるパルス光源部分として、非特許文献４に開示されているようにファブリペロー共振器内に電気光学変調器を設置した構成を用い、深い周波数変調をＣＷ光にかけて、ＦＭ側帯波を発生させるようにしてもよい。この構成の場合、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される信号は、電気光学変調器に供給される。また、位相変調手段２として、非特許文献１に開示されたマッハツェンダー型位相変調器と分散減少ファイバーとからなる構成を用いてもよい。この構成の場合、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される信号は、マッハツェンダー型位相変調器に供給される。これらの位相変調手段２を用いて光パルス列を発生させる手法では、共振器長の制限を受けないために、最大１００ＧＨｚのパルス繰り返し周波数の光パルス列の発生が実現可能となる。
【００２７】
次に、ステップＳ２について例を用いて説明する。上記の位相変調手段２で発生した光パルス列は、パルス繰り返し周波数が高く、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）成分が重畳しているために、光増幅器内での自己位相変調効果等の非線形効果による広スペクトル帯域光発生に十分なピークパワーを得られない。そこで、本実施の形態では、光ゲート５を用いてパルス繰り返し周波数を低減（デュ−ティー比を低減）し、光ゲート５を通過した光パルスを光増幅器６で１〜２Ｗ程度まで光増幅することによって、光増幅器６の内部で自己位相変調効果等の非線形効果を起こして、光スペクトル帯域を拡大させ、パルス幅２００フェムト秒以下の短パルス光発生に必要な広スペクトル帯域光の発生を実現している。
【００２８】
光ゲート用インパルス発生装置１４は、光ゲート５を駆動するために、ゲート周波数（繰り返し周波数）ｆmodのインパルス信号を発生する。光ゲート５は、このインパルス信号に応じて、位相変調手段２からの光パルスを通過または遮断するように動作し、インパルス信号が入力される度に光パルスを通過させる。光ゲート５の例としては、強度変調器、ファブリペロー干渉計、フィルタなどがある。
【００２９】
パルス幅が２００フェムト秒以下の短パルス光発生には、光増幅器６で１パルス当たりのエネルギーを０．２ｎＪ以上まで増幅する必要がある。位相変調手段２から出力され光ゲート５に入力される前の光パルスは、図２（Ａ）に示すようにパルス繰り返し周波数がｆＨｚ（ｆ＝ｆrep、ｆrepは例えば数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚ）でデューティー比がパルス幅×ｆのパルス波形をしている。一方、光ゲート５を通過した光パルスは、図２（Ｂ）に示すようにパルス繰り返し周波数が（ｆ／ｎ）Ｈｚ（ｆ／ｎ＝ｆrep／ｎ＝ｆmod、ｆmodは例えば数ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）でデューティー比がパルス幅×ｆ／ｎのパルス波形となる（ｎは正の整数）。このステップＳ２で光パルスのパルス繰り返し周波数を低減することにより、後段の光増幅器６内での非線形効果の影響により光スペクトル帯域拡大の効果が得られる。
【００３０】
次に、ステップＳ３について例を用いて説明する。光増幅器６は、光ゲート５を通過した光パルスを増幅する。このとき、光増幅器６内でレーザーピークパワーが増加しながら、徐々に光スペクトル帯域幅が拡大される。このステップＳ３で光パルス列の光増幅を行うことにより、光増幅器６内で起こる非線形効果により、短パルス化に必要となる広い光スペクトルが出力される。
【００３１】
次にステップＳ４について例を用いて説明する。分散媒質からなる分散付与手段７は、光増幅器６によって増幅された光パルスを２００フェムト秒以下のパルス幅までパルス圧縮する。分散媒質として、パルス圧縮時の非線形効果の発生を抑えることが可能な媒質を用いることにより、光パルスが分散媒質を伝搬する際に非線形効果を起こさずにパルス圧縮することができる。具体的には、伝搬するレーザー光のピークパワーが１０10Ｗ／ｃｍ2以下となる分散媒質であればよい。分散媒質の例としては、ガラスブロックやモードフィールド径の大きい光ファイバーあるいは回折格子などがある。
【００３２】
このとき、光パルス列発生用のマイクロ波基準周波数発生器３と光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４とは同期している。また、マイクロ波基準周波数発生器３と光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４間の位相調整は、マイクロ波基準周波数発生器３，４内に設けられる位相調整器、あるいはマイクロ波基準周波数発生器３，４の後段に設けられる位相調整器を用いて行われる。
【００３３】
図３（Ａ）は図１に示した本実施の形態の短パルス光発生装置から光ゲート５を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の光スペクトルを示す図、図３（Ｂ）は光ゲート５を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の自己相関波形を示す図、図３（Ｃ）は本実施の形態において分散付与手段７を透過した後の光スペクトルを示す図、図３（Ｄ）は本実施の形態において分散付与手段７を透過した後の自己相関波形を示す図である。ここで、本実施の形態の短パルス光発生装置から光ゲート５を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の光パルス列の繰り返し周波数は２５ＧＨｚ（すなわち、ｆrep＝２５ＧＨｚ）である。一方、本実施の形態の短パルス光発生装置において分散付与手段７を透過した後の光パルス列の繰り返し周波数は１ＧＨｚである。図３（Ｃ）、図３（Ｄ）によると、光スペクトル帯域の拡大に伴ってパルス幅も圧縮されることが分かる。本実施の形態では、ステップＳ４で非線形効果を起こさない分散媒質を用いてパルス圧縮することにより、パルス幅を１６３フェムト秒まで圧縮することができる。
【００３４】
以上述べたステップＳ１〜ステップＳ４を実行することによって、ＣＷ光源を種光源として、パルス幅２００フェムト秒以下の短パルス光を発生することができる。その結果、本実施の形態では、任意の中心光周波数に対して、パルス幅２００フェムト秒以下の短パルス光発生を可能とし、さらには、従来技術であるモード同期レーザーと比較して１桁以上パルス繰り返し周波数が高く、かつ、そのパルス繰り返し周波数が広範囲に可変な光源を実現することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図である。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数の制御が可能な短パルス光源であり、ＣＷ光源１と、ＣＷ光源１からのＣＷ光を位相変調する位相変調手段２と、繰り返し周波数ｆrepの信号を発生するマイクロ波基準周波数発生器３と、繰り返し周波数ｆrep／ｎ（ｎは正の整数）の信号を発生する光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、位相変調手段２からの光パルスを一定間隔で間引く光ゲート５と、光ゲート５を通過した光パルスを増幅する光増幅器６と、光増幅器６によって増幅された光パルスを圧縮する分散付与手段７と、光ゲート５を通過した光パルスを一定間隔で間引く光ゲート１０と、繰り返し周波数ｆrep／ｎ／ｍ（ｎ，ｍは正の整数）の信号を発生する光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器１３と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎの信号からインパルス信号を発生する光ゲート用インパルス発生装置１４と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器１３から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎ／ｍの信号からインパルス信号を発生する光ゲート用インパルス発生装置１５とから構成される。
【００３６】
本実施の形態は、第１の実施の形態の光ゲート５と光増幅器６との間に新たな光ゲート１０を加え、この光ゲート１０の駆動のために光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器１３と光ゲート用インパルス発生装置１５とを加えた多段構成光ゲートの例である。光ゲートの消光比が高くない場合、本実施の形態のように光ゲートを複数台用いることが有効である。例えば第１の実施の形態のように光ゲートを１台用いた構成では、ＡＳＥ成分が十分に抑圧できず、パルス繰り返し周波数を低減しても、パルス幅１６３フェムト秒より短いパルス光の発生に必要となるピークパワーを得ることはできない（図３（Ｃ）、図３（Ｄ）参照）。
【００３７】
したがって、十分なピークパワーを得るためには、２段以上の光ゲートを配置することが有効である。
光ゲート用インパルス発生装置１４は、光ゲート５を駆動するために、ゲート周波数（繰り返し周波数）ｆrep／ｎ（ｎは正の整数）のインパルス信号を発生する。光ゲート５は、このゲート周波数ｆrep／ｎのインパルス信号に応じて、位相変調手段２からの光パルスを通過または遮断するように動作し、インパルス信号が入力される度に光パルスを通過させる。
【００３８】
光ゲート用インパルス発生装置１５は、光ゲート１０を駆動するために、ゲート周波数ｆrep／ｎ／ｍ（ｎ，ｍは正の整数）のインパルス信号を発生する。光ゲート１０は、このゲート周波数ｆrep／ｎ／ｍのインパルス信号に応じて、ゲート５からの光パルスを通過または遮断するように動作し、インパルス信号が入力される度に光パルスを通過させる。
また、２段目の光ゲート１０でＡＳＥ成分を十分に抑圧できない場合、２段目のゲート周波数のｍ逓倍の周波数（ｆrep／ｎ）で動作する１段目の光ゲート５に消光比の高い光ゲートを用いることも有効である。
【００３９】
本実施の形態では、１段目の光ゲート５のゲート周波数を１ＧＨｚ（＝ｆrep／２５ＧＨｚ）とし、２段目の光ゲート１０のゲート周波数も１ＧＨｚ（＝ｆrep／２５／１ＧＨｚ）とした。
そして、第１の実施の形態と同様に、光ゲート１０を通過した光パルスを光増幅器６で１〜２Ｗ程度まで光増幅することによって、光増幅器６の内部で自己位相変調効果等の非線形効果を起こして、光スペクトル帯域を拡大させ、光増幅器６によって増幅された光パルスを分散付与手段７で２００フェムト秒以下のパルス幅までパルス圧縮する。第１の実施の形態と同様に、光パルス列発生用のマイクロ波基準周波数発生器３と光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４，１３とは同期している。
【００４０】
図５（Ａ）は図４に示した本実施の形態の短パルス光発生装置から光ゲート５，１０を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の光スペクトルを示す図、図５（Ｂ）は光ゲート５，１０を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の自己相関波形を示す図、図５（Ｃ）は本実施の形態において分散付与手段７を透過した後の光スペクトルを示す図、図５（Ｄ）は本実施の形態において分散付与手段７を透過した後の自己相関波形を示す図である。ここで、本実施の形態の短パルス光発生装置から光ゲート５，１０を除いた構成において分散付与手段７を透過した後の光パルス列の繰り返し周波数は２５ＧＨｚ（すなわち、ｆrep＝２５ＧＨｚ）である。一方、本実施の形態の短パルス光発生装置において分散付与手段７を透過した後の光パルス列の繰り返し周波数は１ＧＨｚである。
【００４１】
本実施の形態のように、光ゲートを２段構成にすることにより、パルスピーク強度が大きくなり、光増幅器６内で光スペクトル帯域が拡大する。図５（Ｃ）、図５（Ｄ）によると、光スペクトル帯域の拡大に伴ってパルス幅も圧縮されることが分かる。本実施の形態では、パルス幅を９０フェムト秒まで圧縮することができる。
【００４２】
光ゲート周波数を更に低減すると、ピークパワーは更に増大し、よりパルス幅の短いパルス光の発生が可能となる。例えば１段目の光ゲート５のゲート周波数を１ＧＨｚ（＝ｆrep／２５ＧＨｚ）、２段目の光ゲート１０のゲート周波数を２５０ＭＨｚ（＝ｆrep／２５／４ＧＨｚ）とする。このとき、光ゲート１０を通過した光パルスを光増幅器６で増幅し、光増幅器６によって増幅された光パルスを分散付与手段７でパルス圧縮すると、パルス幅は７０フェムト秒まで圧縮される。
以上のように、本実施の形態では、第１の実施の形態と比べてパルス幅の短いパルス光を発生することができる。
【００４３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数の制御が可能な短パルス光源であり、ＣＷ光源１と、位相変調手段２と、マイクロ波基準周波数発生器３と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、光ゲート５と、光増幅器６と、分散付与手段７と、光ゲート用インパルス発生装置１４と、位相変調手段２からの光パルスを圧縮する分散付与手段１１とから構成される。
【００４４】
本実施の形態は、第１の実施の形態の位相変調手段２と光ゲート５との間に分散付与手段１１を挿入した例である。位相変調手段２から出力される繰り返し周波数ｆrepの光パルスのパルス幅が光ゲート時間幅（光ゲート５がオンする時間幅）より大きい場合、光透過損失が発生する。そこで、本実施の形態のように光ゲート５の前に分散付与手段１１を挿入し、位相変調手段２からの光パルスのパルス幅を光ゲート時間幅以下にすることにより、光ゲート５の光透過損失を少なくすることができる。分散付与手段１１としては、光ファイバー、ファイバーグレイティングまたは平面型光波回路等を用いることができる。
【００４５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第４の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数の制御が可能な短パルス光源であり、ＣＷ光源１と、複数の位相変調手段２と、マイクロ波基準周波数発生器３と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、光ゲート５と、光増幅器６と、分散付与手段７と、光ゲート用インパルス発生装置１４と、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号の位相を調整する位相調整器１６，１７とから構成される。
【００４６】
本実施の形態は、第１の実施の形態の位相変調手段２を多段に構成した例である。各位相変調手段２の動作は、第１の実施の形態と同じである。位相調整器１６は、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号の位相を調整することにより、２段目の位相変調手段２が初段の位相変調手段２と同期するようにタイミング調整を行う。同様に、位相調整器１７は、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号の位相を調整することにより、終段の位相変調手段２が初段の位相変調手段２と同期するようにタイミング調整を行う。
【００４７】
こうして、本実施の形態では、互いに同期した多段同期の位相変調手段２を用いることにより、非特許文献２に開示された短パルスレーザー光源よりも変調指数を大きくすることができるので、光スペクトル帯域を拡大することができ、非特許文献２に開示された短パルスレーザー光源および第１の実施の形態と比べてパルス幅の短いパルス光を発生することができる。この多段同期の位相変調手段２を用いる構成は、光増幅器６における光スペクトル帯域幅拡大に寄与するため、短パルス光発生にとって有効な手段である。
なお、本実施の形態を第２の実施の形態と組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第５の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数の制御が可能な短パルス光源であり、ＣＷ光源１と、位相変調手段２と、マイクロ波基準周波数発生器３と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、光ゲート５と、光増幅器６と、分散付与手段７と、光ゲート用インパルス発生装置１４と、位相変調手段２からの光パルスを強度変調する強度変調手段１２とから構成される。
【００４９】
本実施の形態は、第１の実施の形態の位相変調手段２と光ゲート５との間に強度変調手段１２を挿入した例である。このように、本実施の形態では、強度変調手段１２を配置することにより、位相変調手段２で発生した非線形チャープ部分を取り除くことができ、パルス圧縮した際のペデスタル抑圧に寄与することができる。
【００５０】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、ＣＷ光源１と、位相変調手段２と、マイクロ波基準周波数発生器３と、光ゲート５と、光増幅器６と、分散付与手段７と、光ゲート用インパルス発生装置１４と、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号を１／ｎに分周する周波数分周器９と、周波数分周器９から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎの信号の位相を調整する位相調整器１８とから構成される。
【００５１】
本実施の形態は、第１〜第５の実施の形態で使用した２台のマイクロ波基準周波数発生器３，４を１台に簡素化できる形態であり、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４の代わりに、周波数分周器９と位相調整器１８とを用いている。
位相調整器１８は、周波数分周器９から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎの信号の位相を調整することにより、光ゲート５が位相変調手段２と同期するようにタイミング調整を行う。
【００５２】
本実施の形態では、位相変調手段２と光ゲート５で共通のマイクロ波基準周波数発生器を用いるため、位相変調手段２と光ゲート５とを完全に同期させることができ、光ゲート５を通過する光パルスの強度の安定性が向上するという効果を期待できる。
【００５３】
なお、第２の実施の形態のように多段構成光ゲートを用いる場合には、図９に示した構成に加えて、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器１３の代わりに、マイクロ波基準周波数発生器３から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号を１／ｎ／ｍに分周する周波数分周器と、この周波数分周器から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎ／ｍの信号の位相を調整するすることにより、光ゲート１０が位相変調手段２と同期するようにタイミング調整を行う位相調整器とを用いればよい。
【００５４】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第７の実施の形態に係る短パルス光発生装置の構成の一例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の短パルス光発生装置は、ＣＷ光源１と、位相変調手段２と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４と、光ゲート５と、光増幅器６と、分散付与手段７と、光ゲート用インパルス発生装置１４と、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎの信号の周波数をｎ倍する周波数逓倍器８と、周波数逓倍器８から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号の位相を調整する位相調整器１９とから構成される。
【００５５】
本実施の形態は、第１〜第５の実施の形態で使用した２台のマイクロ波基準周波数発生器３，４を１台に簡素化できる形態であり、マイクロ波基準周波数発生器３の代わりに、周波数逓倍器８と位相調整器１９とを用いている。
位相調整器１９は、周波数逓倍器８から出力される繰り返し周波数ｆrepの信号の位相を調整することにより、位相変調手段２が光ゲート５と同期するようにタイミング調整を行う。
【００５６】
本実施の形態では、位相変調手段２と光ゲート５で共通のマイクロ波基準周波数発生器を用いるため、位相変調手段２と光ゲート５とを完全に同期させることができ、光ゲート５を通過する光パルスの強度の安定性が向上するという効果を期待できる。
【００５７】
なお、周波数逓倍器８の代わりに、コムジェネレータとＲＦバンドパスフィルターを用いてもよい。
また、第２の実施の形態のように多段構成光ゲートを用いる場合には、図１０に示した構成に加えて、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器１３の代わりに、光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器４から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎの信号を１／ｍに分周する周波数分周器と、この周波数分周器から出力される繰り返し周波数ｆrep／ｎ／ｍの信号の位相を調整するすることにより、光ゲート１０が位相変調手段２と同期するようにタイミング調整を行う位相調整器とを用いればよい。
【００５８】
以上のように、第１〜第７の実施の形態の短パルス光発生装置は任意の中心光周波数およびパルス繰り返し周波数を持ち、更に中心光周波数およびパルス繰り返し周波数を連続可変することも可能である。第１〜第７の実施の形態では、従来技術よりも１桁以上パルス繰り返し周波数が高い短パルス光の発生を、ＣＷ光源を種光源とした非常に簡素化した光学構成で実現できることから、フェムト秒短パルス光を利用した超精密加工、超高速光通信、超高速現象の分光、細胞操作やＤＮＡ観察などの発展に従来以上に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。
【００５９】
以上、本発明の短パルス光発生装置の例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は第１〜第７の実施の形態に限られるものではなく、第１〜第７の実施の形態を適宜組み合わせてもよいし、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計の変更などがあっても本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、フェムト秒オーダーの短パルス光をＧＨｚオーダーの高い繰り返し周波数で発生する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…ＣＷ光源、２…位相変調手段、３…マイクロ波基準周波数発生器、４，１３…光ゲート用マイクロ波基準周波数発生器、５，１０…光ゲート、６…光増幅器、７，１１…分散付与手段、８…周波数逓倍器、９…周波数分周器、１２…強度変調手段、１４，１５…光ゲート用インパルス発生装置、１６，１７，１８，１９…位相調整器。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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