パルス光の伝送方法及びこの伝送方法を用いたレーザ装置
【課題】簡明な構成で、狭帯域のレーザ光を出力可能なパルス光の伝送方法、及びレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１は、第１のパルス光Ｐ1を出射する第１レーザ光源１１と、第２パルス光Ｐ2を出射する第２レーザ光源１２と、これらのパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送して出射する光ファイバ２２とを備えて構成される。第２のパルス光Ｐ2は、光ファイバ２２を伝播する過程で第１のパルス光Ｐ1と相互位相変調を生じる光であるとともに、第１のパルス光Ｐ1が光ファイバ２２を伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相の変調を、第２のパルス光Ｐ2が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバ２２の出力端２２oにおいて第１のパルス光Ｐ1の位相が略一定となるように構成される。
【解決手段】レーザ装置１は、第１のパルス光Ｐ1を出射する第１レーザ光源１１と、第２パルス光Ｐ2を出射する第２レーザ光源１２と、これらのパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送して出射する光ファイバ２２とを備えて構成される。第２のパルス光Ｐ2は、光ファイバ２２を伝播する過程で第１のパルス光Ｐ1と相互位相変調を生じる光であるとともに、第１のパルス光Ｐ1が光ファイバ２２を伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相の変調を、第２のパルス光Ｐ2が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバ２２の出力端２２oにおいて第１のパルス光Ｐ1の位相が略一定となるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにより伝送するパルス光の伝送方法、及びパルス光を伝送する光ファイバを備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス光を伝送する光ファイバを備えたレーザ装置として、露光装置や光造形装置等のように対象物の加工を行う光加工装置用の光源や、顕微鏡や望遠鏡等のように対象物の像を作る観察装置の光源として用いられるレーザ装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
このようなレーザ装置では、レーザ光源から出射されたパルス光が光ファイバにより伝送され、あるいはファイバ光増幅器により増幅される。光ファイバのコアは直径１〜１０μm程度であることから、光ファイバ内におけるレーザ光の単位面積当たりの光強度（パワー密度）が著しく増加する。このため、光ファイバ内において非線形光学効果が大きくなり、光強度によって屈折率が変わる自己位相変調が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−５０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自己位相変調は、光ファイバ中を伝播するレーザ光のスペクトル幅を広げるように作用するため、光ファイバの出力端から出射されるレーザ光（出力光）のスペクトル幅が、光ファイバに入射するレーザ光（入射光）のスペクトル幅よりも広くなるスペクトル拡がりが発生する。特に、コアの直径が小さいシングルモードファイバ（単一モードファイバ）では伝播するレーザ光のパワー密度が極めて高くなるため、自己位相変調によるスペクトル拡がりが大きくなる。スペクトル幅の拡大は、単色性が高い狭帯域の光源が求められる光加工装置や観察装置にとって大きな障害となる。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡明な構成で、狭帯域のレーザ光を出力できるようなパルス光の伝送方法、及びレーザ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】
【０００７】
課題を解決するための手段を説明するにあたり、まず光ファイバ中を伝播するレーザ光によって生じる非線形光学効果について簡単に説明する。光ファイバはレーザ光を狭い空間に閉じ込めて伝送するため電磁場のパワー密度が高くなり、さらに媒質と光との相互作用長が長いことから非線形相互作用が現れる。電界強度が高くなると誘電分極は電界強度に比例しなくなり、二次、三次の分極（非線形分極）が生じてくる。
【０００８】
ここで、二次の非線形光学効果は結晶構造の異方性に起因して発現する。伝送用光ファイバの主成分は、多くの場合石英ガラスであるため結晶構造を持たず、二次の非線形光学効果、具体的には第二高調波発生や和周波発生は現れない。そのため、光ファイバでは三次の非線形光学効果が主体となる。三次の非線形光学効果には、第三高調波発生、四光波混合、非線形屈折率、非線形散乱などがある。ここでは、パルス光のスペクトル幅拡大を引き起こす非線形屈折率の効果に注目する。非線形屈折率は、三次の非線形感受率の存在により屈折率が光強度（電界振幅の二乗）に比例して変化する現象である。
【０００９】
非線形屈折率によって引き起こされる非線形効果の代表的なものが、自己位相変調（ＳＰＭ：Self Phase Modulation）と相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）である。自己位相変調は、光ファイバ中をレーザ光が伝播するときに自分自身の光強度により位相シフトを起こすことであり、相互位相変調は、光ファイバ中を同時に伝播する他のレーザ光の光強度により位相シフトを起こすことである。
【００１０】
具体的に、第１のパルス光（波長λ1）と、この第１のパルス光を時間的に囲むような第２のパルス光（波長λ2）とを同時に光ファイバに入射し、光ファイバで伝送する場合を考える。このとき、第１、第２のパルス光は、自己位相変調（ＳＰＭ）により位相が変化し、相互位相変調（ＸＰＭ）を通して互いの位相に影響を与える。
【００１１】
いま、第１、第２のパルス光として、パルス幅がnsec（ナノ秒）オーダーの比較的長いパルス光を考える。またパルス光（レーザ光）の波長は1.5μm程度、光ファイバのファイバ長は数m程度とする。このようなパルス時間幅、ファイバ長の場合には、群速度の違いによる二つのパルスのウォークオフ（時間的な分離）や、群速度分散によるパルス時間波形の拡がりなどは無視できる。このとき、自己位相変調（ＳＰＭ）及び相互位相変調（ＸＰＭ）を考慮した二つのパルス光のファイバ中の伝播は以下のように記述される(Ｇ．Ｐ．アグラワール 著、小田垣孝，山田興一 訳、非線形ファイバー光学、吉岡書店、１９９７年５月、第７章）。
【００１２】
【数１】
【００１３】
上記各式における下添え字の「１」は第１のパルス光（主パルス）、下添え字の「２」は第２のパルス光（副パルス）を表す。(１)式のＡ1(０,Ｔ)，Ａ1(Ｌ,Ｔ)は、それぞれ時刻Ｔにおける光ファイバの入射端，出射端での主パルス（第１のパルス光）のエンベロープを表す複素振幅であり、(２)式のＡ2(０,Ｔ)，Ａ2(Ｌ,Ｔ)は、同様に副パルス（第２のパルス光）に対応する。なお、パワーと振幅との関係はＰ1＝|Ａ1｜2，Ｐ2＝｜Ａ2｜2
の関係にある。
【００１４】
(３)式のφ1(Ｔ)は、主パルスの位相変調を表しており、右辺カッコ内の第１項が自己位相変調（ＳＰＭ）による変調成分、第２項が相互位相変調（ＸＰＭ）による変調成分である。(４)式のφ2(Ｔ)は、同様に副パルスに対応する。(５)式のγは非線形光学効果を表す量である。なお、各式中のＬは光ファイバのファイバ長、ｎ2は光ファイバの非線形屈折率、Ａeff は光ファイバのモード断面積である。非線形相互作用による主パルスのスペクトル拡がり（周波数チャープ）δωは、次式(６)で与えられる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
この(６)式から、主パルス（波長λ1）の自己位相変調によるスペクトル拡がりδωを最小化するには、Ａ1(Ｌ,Ｔ)のエネルギーが存在する大部分の時間領域において、位相φ1(Ｔ)が略一定になる（時間軸波形においてφ1(Ｔ)が平坦になる）ように、Ａ2の時間波形を調整すれば良いことがわかる。
【００１７】
上記原理について、図２に示す自己位相変調の概念図を参照して説明する。(ａ)はファイバ中のある位置で観察したパルス光のパルス波形（｜Ａ(Ｌ,Ｔ)｜）、(ｂ)は自己位相変調により変調されたパルス光の位相φ(Ｔ)、(ｃ)は位相φ(Ｔ)を微分して求められる周波数ωの変調の様子である。
【００１８】
この図からわかるように、時間軸領域におけるパルス光の立ち上がり領域で周波数が減少するレッドシフト、パルス光の立下り領域で周波数が増加するブルーシフトが発生し、スペクトル幅が広がる周波数チャープが発生する。
【００１９】
一方、この図から、パルス光が存在する時間領域において、位相φ(Ｔ)が略一定になるように、すなわち(ｂ)の時間軸波形が平坦になるようにすれば、スペクトル拡がりを最小化できることがわかる。
【００２０】
本願発明者は、パルス光が存在する時間領域でφ(Ｔ)を平坦化する手段として、第２のパルス光を導入し、第１のパルス光（主パルス）の自己位相変調による位相変化を、第２のパルス光（副パルス）の相互位相変調による位相変化で補償することにより、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相を略一定化する、という新規概念の本願発明を構築したのである。以下、このような原理に基づいて、前述した課題を解決するための手段について説明する。
【００２１】
本発明を例示する第１の態様は、第１のパルス光を光ファイバに入射して伝送し、この光ファイバの出力端から出射させるパルス光の伝送方法である。このパルス光の伝送方法は、前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる第２のパルス光を前記光ファイバに入射して第１のパルス光とともに伝送させ、第１のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、第２のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相が略一定となるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
なお、前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長及び偏光方向の少なくとも一方が異なることが好ましい。また、前記光ファイバが単一モードファイバであることは本発明の好適な適用例であり、第１のパルス光を増幅するファイバ光増幅器であることも好ましい適用例である。
【００２３】
本発明を例示する第２の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、第１のパルス光を出射する第１のレーザ光源と、第２のパルス光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射された第１のパルス光、及び前記第２のレーザ光源から出射された第２のパルス光が入射され、これら第１及び第２のパルス光を伝送して出力端から出射する光ファイバとを備えて構成される。そして、前記第２のパルス光が、光ファイバを伝播する過程で第１のパルス光と相互位相変調を生じる光であるとともに、第１のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、第２のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相が略一定となるように構成されることを特徴とする。
【００２４】
なお、前記第１のパルス光と記第２のパルス光とは、波長及び偏光方向の少なくとも一方が異なることが好ましく、前記光ファイバの出力端から出射された第１のパルス光と第２のパルス光とを分離する分離手段を設けることが好ましい構成態様である。また、前記光ファイバが単一モードファイバであることは本発明の好適な適用例であり、パルス光を増幅するファイバ光増幅器であることも好適な適用例である。
【００２５】
本発明を例示する第３の態様は、前記光ファイバから出射された前記第１のパルス光の波長を変換する波長変換部を備えたことを特徴とするレーザ装置である。この場合において、第１のパルス光及び第２のパルス光は波長が赤外領域の光であり、波長変換部により波長変換された第１のパルス光は波長が紫外領域の光であることが好ましい構成態様である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の態様によれば、第１のパルス光に第２のパルス光を重畳する簡明な構成で、狭帯域のレーザ光を出力可能なパルス光の伝送方法、及びレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した第１構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図２】自己位相変調を説明するための概念図である。
【図３】レーザ光源の構成例を示す概要構成図である。
【図４】本発明を適用した第２構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図５】光ファイバに入射させる主パルス及び副パルスの波形を示すグラフである。
【図６】光ファイバの出力端から出射される主パルスの位相φ1(Ｔ)の概略波形を示すグラフである。
【図７】光ファイバの出力端から出射される主パルスのスペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明を適用した第３構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図９】波長変換部の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用した第１構成形態のレーザ装置１の概要構成図を示す。レーザ装置１は、大別的に、レーザ光を出射するレーザ光源１０と、レーザ光源１０から出射されたレーザ光を伝送する伝送部２０と、詳細図示を省略するが、レーザ光源１０及び伝送部２０の作動を制御する制御部とを備えて構成される。
【００２９】
レーザ光源１０は、第１のパルス光（主パルス）Ｐ1を出射する第１レーザ光源１１と、第２のパルス光（副パルス）Ｐ2を出射する第２レーザ光源１２とを備える。第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２は、例えば図３に示すように、同じＤＦＢ半導体レーザ１５を二つ設けることにより構成することができる。ＤＦＢ半導体レーザ１５は、出力光のパルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のパルス光を出力させることができる。
【００３０】
図３に示すレーザ光源１０は、各ＤＦＢ半導体レーザ１５からＣＷ光（あるいはＯＮ時間が充分に長いパルス光）を出力させ、その一部を電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）等の外部変調器１６，１７により切り出して、各々所要波形のパルス光を出力するようにした構成例を示す。このように外部変調器１６，１７を使用すると、ＤＦＢ半導体レーザ１５，１５を直接パルス変調するときに発生するチャープ（周波数変調）を伴わない、フーリエ限界に近いパルス光を発生させることができる。そのため、第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２から、極めて狭帯域の（単色性が高い）パルス光Ｐ1，Ｐ2を出力させることができる。
【００３１】
本構成形態では、第１レーザ光源１１から波長λ1の第１のパルス光Ｐ1を出力させ、第２レーザ光源１２から波長λ2の第２のパルス光Ｐ2を出力させる構成、すなわち波長λが異なる二つのパルス光Ｐ1とＰ2を重ね合わせる構成例を説明する。波長λ1及びλ2は、次述する分離素子２３により分離可能なであれば良く、例えば、第１のパルス光Ｐ1の波長λ1＝1550nmに対し、第２のパルス光Ｐ2の波長λ2＝1560nm程度に設定される。
【００３２】
伝送部２０は、第１レーザ光源１１から出射された第１のパルス光Ｐ1と第２レーザ光源１２から出射された第２のパルス光Ｐ2とを結合する波長分割多重化装置（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexer）２１、ＷＤＭ２１により結合されたパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送する光ファイバ２２、及び光ファイバ２２の出力端２２oから出射されたパルス光を分離する分離素子２３を備えて構成される。図１に示す分離素子２３は、波長λ1の光を透過し、波長λ2の光を反射することによりパルス光を分離する光学素子であり、例えば、ダイクロイックミラーやバンドパスフィルタのような波長選択性がある光学素子により構成される。
【００３３】
光ファイバ２２は、波長1.5μm帯の光を伝送する伝送用の石英ガラス系の光ファイバであり、具体的には、コア直径が数μm〜１０μm程度のシングルモードファイバが好適に用いられる。シングルモードファイバは、コア内を伝播するレーザ光のパワー密度が極めて高くなるため、一般的には自己位相変調によるスペクトル拡がりが大きくなり問題となる。しかし、これを抑制する本発明のレーザ装置によれば、シングルモードファイバの特徴を活かしつつ、モード分散による伝送ひずみを抑止し、かつ単色性が高い狭帯域のレーザ光を伝送することができる。
【００３４】
光ファイバ２２のファイバ長Ｌは、レーザ装置１と顕微鏡や望遠鏡等の観察装置（あるいは光加工装置）との距離に応じて１〜５m程度の適宜な長さに設定される。また、使用されるパルス光のパルス時間幅は比較的長く、一般的にはnsecオーダーである。このため、群速度の違いによる二つのパルスのウォークオフや、群速度分散によるパルス時間波形の拡がりなどは無視できる。
【００３５】
光ファイバ２２の出力端２２oから出射されたパルス光は、レンズによりコリメートされて分離素子２３に入射し、この分離素子２３により波長λ1の光と波長λ2の光が分離される。図１の構成例では、波長λ1の第１のパルス光Ｐ1が分離素子２３を透過してレーザ装置１から出射される。一方、波長λ2の第２のパルス光Ｐ2は分離素子２３により反射され、図示省略する遮光板またはパワーダンパ等に吸収される。
【００３６】
第２構成形態のレーザ装置２を図４に示す。本構成形態のレーザ装置２は、第１構成形態のレーザ装置１と基本的に同様の構成であるが、第１，第２のパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送する光ファイバ２２を、パルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送するとともに増幅するファイバ光増幅器２５とした構成例である。
【００３７】
ファイバ光増幅器２５は、例えば、コアにレーザ媒質がドープされたシングルモードの光ファイバ（シングルモードファイバ）２２′が用いられ、レーザ媒質を励起するポンプ用光源２６の出力が、カプラ２７によりコアに結合される。コアにドープされるレーザ媒質は、増幅する光の波長に応じて適宜選択することができる。本構成例で示す波長1.5μm帯のパルス光を増幅する場合には、Ｅｒ（エルビウム）あるいはＹｂ（イットリビウム）等の希土類元素がドープされた光ファイバが好適に用いられる。
【００３８】
なお、コアにレーザ媒質がドープされたダブルクラッド構造の光ファイバを用い、ポンプ用光源２６の出力を、カプラ２７により第１クラッドに結合するようなマルチクラッド構造のファイバ光増幅器としても良い。
【００３９】
また、複数のファイバ光増幅器２５を直列、及び／または並列に接続して、伝送部２０を構成しても良い。複数のファイバ光増幅器を直列接続する構成によれば、各段の増幅率を抑えつつ出力端から出力されるパルス光を高出力化することができる。一方、複数のファイバ光増幅器を並列接続する構成によれば、ファイバにより伝送される光の光路長を抑制しつつ、全体として伝送部２０から出力されるパルス光を高出力化することができる。これらを適宜組み合わせることにより、光造形装置や露光装置等のような光加工装置（あるいは観察装置等）に所要出力のパルス光を提供することができる。
【００４０】
以上のようなレーザ装置１，２において、光ファイバ２２，２２′に入射させる波長λ1の第１のパルス光Ｐ1と、波長λ2の第２のパルス光Ｐ2の具体的な構成例とその作用について、シミュレーション結果に基づいて説明する。なお、以降ではファイバ光増幅器の光ファイバ２２′を含めて光ファイバ２２と表記する。
【００４１】
ここでは、光ファイバ２２のファイバ長Ｌ＝2m、モード断面積Ａeff＝100μm2とし、非線形屈折率ｎ2はｎ2＝3×10-20m2/Wとした（従って、γ＝1.2/W・kmである）。
【００４２】
図５に、光ファイバ２２に入射させる波長λ1の第１のパルス光（主パルス）Ｐ1のパルス波形と、波長λ2の第２のパルス光（副パルス）Ｐ2のパルス波形の構成例を示す。図５におけるグラフの横軸は時間、縦軸は光強度であり、主パルスＰ1を実線、副パルスＰ2を点線で示している。
【００４３】
例示する構成例においては、主パルスＰ1は、波長λ1＝1550nm、パルス時間幅が半値全幅FWHMで1.67nsec、ピークパワーが10kWのガウス型のパルスである。一方、副パルスＰ2は、波長λ2＝1560nm、パルス時間幅は主パルスと同じ1.67nsecであるがピークパワーが約半分（5kW）の二つのガウス型のパルスを、時間間隔2.8nsecだけ離して加算（合成）したパルスである。
【００４４】
これらは、主パルスＰ1のパルス波形が前述した(１)式におけるＡ1(０,Ｔ)の光強度、すなわち｜Ａ1(０,Ｔ)｜2に相当し、副パルスＰ2のパルス波形が(２)式におけるＡ2(０,Ｔ)の光強度、すなわち｜Ａ2(０,Ｔ)｜2に相当する。副パルスＰ2は、主パルスＰ1を時間軸上で挟み込むような波形であり、これらのパルス光がＷＤＭ２１により合成され、二つのパルスが時間的に重ね合わされた状態で光ファイバ２２に入射される。
【００４５】
重ね合わされた主パルスＰ1及び副パルスＰ2は、光ファイバ２２を伝播する過程で、各々前述の(３)(４)式の自己位相変調（ＳＰＭ）及び相互位相変調（ＸＰＭ）を受け、出力端２２oから出射される。出射されたパルス光は分離素子２３により分離され、分離素子２３を透過した波長λ1の主パルスＰ1が伝送部２０から出射される。
【００４６】
光ファイバの出力端２２oにおける主パルスＰ1の位相φ1(Ｔ)は、その概略波形を図６に示すように、副パルスＰ2から受ける相互位相変調の効果によって中央部が位相変調一定の状態で波形が平坦になっている。換言すれば、主パルスＰ1が存在する時間領域で主パルスＰ1の位相φ1(Ｔ)が略一定となるように、副パルスＰ2のパルス波形を設定するのである。
【００４７】
図７に、出力端２２oから出射される主パルスＰ1のスペクトルを示す。図７のグラフにおける横軸は周波数、縦軸はスペクトル強度である。図中には、主パルスＰ1の入射端でのスペクトルＳi（Input spectrum）を一点鎖線、出力端でのスペクトルＳo（SPM＋XPM）を実線で示す。また、比較のため、主パルスＰ1のみを入射した場合（すなわち自己位相変調のみが生じる場合）のスペクトルＳr（Only SPM）を点線で示している。
【００４８】
この図から、主パルスＰ1のみを入射した場合には、入射パルスのスペクトルＳiと比較して、出射パルスのスペクトルＳrが自己位相変調（ＳＰＭ）の効果によって顕著に拡大している。入射パルスと同一周波数の位置にはピークが立たず、これを挟んで離散的に分布している。
【００４９】
一方、上述したような副パルスＰ2を同時に入射した場合には、出射パルスのスペクトルＳoは入射パルスと同一周波数位置に高いピークを持ち、単色性が高いものである。このスペクトル波形から、主パルスＰ1の自己位相変調（ＳＰＭ）を補償するように作用する相互位相変調（ＸＰＭ）の効果により、出射パルスのスペクトルの拡大が大幅に抑制されることがわかる。
【００５０】
従って、以上説明したようなパルス光の伝送方法、及びこの伝送方法を実現するレーザ装置１，２によれば、主パルスＰ1に副パルスＰ2を重ね合わせる簡明な構成で、単色性が極めて高いパルス光を出力することができる。
【００５１】
なお、以上では、光ファイバ２２の出力端から出射するパルス光から、第２のパルス光を分離する手段として、主パルスＰ1と副パルスＰ2とを異なる波長λ1≠λ2とし、ダイクロイックミラーのような波長選択性のある分離素子２３で分離する手法を例示した。しかし、副パルスＰ2は、主パルスＰ1との間で相互位相変調を生じ、光ファイバから出射後に分離可能であればよく、その手段は波長差に限定されるものではない。
【００５２】
他の構成手段として、主パルスＰ1と副パルスＰ2の偏光方向を異なる方向とし、ポラライザのような偏光方向選択性のある分離素子を用いて分離する手法が例示される。例えば、主パルスＰ1と同一の波長λ1であるが、主パルスＰ1と偏光方向が直交するパルスを副パルスＰ2として用い、ポラライザ等の分離素子２３により分離する構成とすることができる。この場合、主パルスＰ1に対する相互位相変調の係数（前述した(３)(４)式中の係数）が異なるため、副パルスＰ2のピークパワーをこの係数に応じて変化させる。
【００５３】
次に、第３構成形態のレーザ装置３について説明する。このレーザ装置３の概要構成を図８に示すように、レーザ装置３は伝送部２０から出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換部３０を備えて構成される。レーザ装置３におけるレーザ光源１０及び伝送部２０は既述したレーザ装置１，２と同様であり、ここでは重複説明を省略する。
【００５４】
波長変換部３０は、観察装置や光加工装置等の用途及び機能に応じて、公知の波長変換光学素子を組み合わせて、可視〜紫外領域で適宜な出力波長の構成とすることができる。
【００５５】
本実施形態では、波長変換部３０の一例として、伝送部２０から出力される波長1550nmの赤外レーザ光（分離素子２３により波長λ2の成分が分離除去された第１のパルス光）を、波長193nmの紫外レーザ光に波長変換する場合について説明する。波長変換部３０の構成例を図９に示す。図示する波長変換部３０は、伝送部２０から第１のパルス光（以下では混同を避けるため、基本波パルス光または基本波という）Ｌa1，Ｌa2，Ｌa3が入射する構成を示している。なお、図中に付記する上下矢印は偏光方向がＰ偏光、中央にドットがある丸印は偏光方向がＳ偏光であることを示す。
【００５６】
波長変換部３０は、６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体とし、３つの光路により構成される。波長λ2の成分が除去されて波長変換部３０に入射した波長λ1，周波数ωの第１の基本波パルス光Ｌa1は、ω→２ω→３ω→５ωの順に波長変換される。同様に波長λ1，周波数ωの第２の基本波パルス光Ｌa2は、ω→２ωに波長変換される。そして、５倍波と２倍波の和周波発生により７倍波７ωが発生され、この７倍波と波長λ1，周波数ωの第３の基本波パルス光Ｌa3の和周波発生により８倍波８ωが生成される。
【００５７】
第１の基本波パルス光Ｌa1は、Ｐ偏光で波長変換光学素子３１に集光入射され、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。発生した２倍波と波長変換光学素子３１を透過した基本波は、波長変換光学素子３２に集光入射し、和周波発生によりＳ偏光の３倍波（３ω）を発生させる。波長変換光学素子３１，３２は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子３２としてＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。
【００５８】
波長変換光学素子３２により発生されたＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子３２を透過したＰ偏光の基本波及び２倍波は、２波長波長板４１を透過させて２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板４１として、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光（２倍波）に対して偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。
【００５９】
ともにＳ偏光になった２倍波及び３倍波は、波長変換光学素子３３に集光入射させ、和周波発生によりＰ偏光の５倍波（５ω）を発生させる。なお、５倍波発生用の波長変換光学素子３３として、例えばＬＢＯ結晶が用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることも可能である。波長変換光学素子３３から出射される５倍波は、ウォークオフのため断面が楕円形になっている。そこで、２枚のシリンドリカルレンズ４２v，４２hにより、楕円形の断面形状を円形に整形し、ダイクロイックミラー４３に入射させる。
【００６０】
第２の基本波パルス光Ｌa2は、Ｐ偏光で波長変換光学素子３４に集光入射させ、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。波長変換光学素子３４により発生された２倍波は、ダイクロイックミラー４４に入射させる。２倍波発生用の波長変換光学素子３４は、ＰＰＬＮ結晶を用いることができるほか、ＬＢＯ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶等を用いてもよい。
【００６１】
第３の基本波パルス光Ｌa3は、Ｓ偏光で波長変換部３０に入射され、波長変換することなくダイクロイックミラー４４に入射させる。ダイクロイックミラー４４は、基本波の波長帯域の光を透過し、２倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、ダイクロイックミラー４４を透過したＳ偏光の基本波と、ダイクロイックミラー４４に反射されたＰ偏光の２倍波とが同軸に重ね合わされてダイクロイックミラー４３に入射する。
【００６２】
ダイクロイックミラー４３は、基本波および２倍波の波長帯域の光を透過し、５倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー４３を透過したＳ偏光の基本波およびＰ偏光の２倍波と、ダイクロイックミラー４３で反射されたＰ偏光の５倍波とが同軸に重ね合わされて波長変換光学素子３５に入射する。
【００６３】
波長変換光学素子３５，３６は近接して配設されるとともに、基本波、２倍波、５倍波の各光路には、波長変換光学素子３５，３６に所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子３５では、Ｐ偏光の２倍波（２ω）とＰ偏光の５倍波（５ω）による和周波発生が行われ、７倍波（７ω）が発生される。７倍波発生用の波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。
【００６４】
波長変換光学素子３５により発生されたＳ偏光の７倍波（７ω）と、波長変換光学素子３５を透過したＳ偏光の基本波（ω）は、波長変換光学素子３６に入射し、和周波発生によりＰ偏光の８倍波（８ω）が発生される。８倍波発生用の波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３６から出力される光には、８倍波以外に、波長変換光学素子３６を透過した基本波や２倍波等の他の波長成分が含まれるが、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズム等を使用することにより、これらを分離・除去することができる。
【００６５】
このようにして、伝送部２０から出力された波長λ1＝1550nmの基本波パルス光が波長変換部３０において順次波長変換され、波長変換部３０から波長193nmの紫外パルス光Ｌvが出力される。
【００６６】
以上のように構成されるレーザ装置３によれば、狭帯域化された極めて単色性が高い紫外パルス光を出力することができ、これにより微細加工が可能な光加工装置や微細構造を観察可能な観察装置を提供することができる。
【００６７】
なお、主パルスＰ1と副パルスＰ2の偏光方向を異なる方向とし、ポラライザのような偏光方向選択性のある分離素子を用いて分離する手法を用いる場合には、第１，第２レーザ光源１１，１２は、単一のレーザから出射されたレーザ光を二分割して構成しても良い。
【００６８】
また、レーザ光源１０から出力し伝送部２０の光ファイバ２２により伝送するパルス光の波長λとして1.5μm帯の構成を例示したが、本発明はこのような赤外領域に限定されるものではなく、可視〜紫外領域のパルス光であっても同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、レーザ装置から出力されたパルス光の適用例として、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、光造形装置や露光装置等の光加工装置を示したが、これらは代表的な適用例であり、本発明による狭帯域化されたパルス光の適用範囲は、このような代表例により限定されるものではない。例えば、測長器や形状測定器等の種々の測定装置、検査装置、治療装置等に適用して同様の効果を得ることができるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１ 第１構成形態のレーザ装置
２ 第２構成形態のレーザ装置
３ 第３構成形態のレーザ装置
１０ レーザ光源
１１ 第１レーザ光源
１２ 第２レーザ光源
２０ 伝送部
２２，２２′ 光ファイバ（２２o 出力端）
２３ 分離素子
２５ ファイバ光増幅器
３０ 波長変換部
Ｐ1 第１のパルス光（主パルス）
Ｐ2 第２のパルス光（副パルス）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにより伝送するパルス光の伝送方法、及びパルス光を伝送する光ファイバを備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス光を伝送する光ファイバを備えたレーザ装置として、露光装置や光造形装置等のように対象物の加工を行う光加工装置用の光源や、顕微鏡や望遠鏡等のように対象物の像を作る観察装置の光源として用いられるレーザ装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
このようなレーザ装置では、レーザ光源から出射されたパルス光が光ファイバにより伝送され、あるいはファイバ光増幅器により増幅される。光ファイバのコアは直径１〜１０μm程度であることから、光ファイバ内におけるレーザ光の単位面積当たりの光強度（パワー密度）が著しく増加する。このため、光ファイバ内において非線形光学効果が大きくなり、光強度によって屈折率が変わる自己位相変調が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−５０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自己位相変調は、光ファイバ中を伝播するレーザ光のスペクトル幅を広げるように作用するため、光ファイバの出力端から出射されるレーザ光（出力光）のスペクトル幅が、光ファイバに入射するレーザ光（入射光）のスペクトル幅よりも広くなるスペクトル拡がりが発生する。特に、コアの直径が小さいシングルモードファイバ（単一モードファイバ）では伝播するレーザ光のパワー密度が極めて高くなるため、自己位相変調によるスペクトル拡がりが大きくなる。スペクトル幅の拡大は、単色性が高い狭帯域の光源が求められる光加工装置や観察装置にとって大きな障害となる。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡明な構成で、狭帯域のレーザ光を出力できるようなパルス光の伝送方法、及びレーザ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】
【０００７】
課題を解決するための手段を説明するにあたり、まず光ファイバ中を伝播するレーザ光によって生じる非線形光学効果について簡単に説明する。光ファイバはレーザ光を狭い空間に閉じ込めて伝送するため電磁場のパワー密度が高くなり、さらに媒質と光との相互作用長が長いことから非線形相互作用が現れる。電界強度が高くなると誘電分極は電界強度に比例しなくなり、二次、三次の分極（非線形分極）が生じてくる。
【０００８】
ここで、二次の非線形光学効果は結晶構造の異方性に起因して発現する。伝送用光ファイバの主成分は、多くの場合石英ガラスであるため結晶構造を持たず、二次の非線形光学効果、具体的には第二高調波発生や和周波発生は現れない。そのため、光ファイバでは三次の非線形光学効果が主体となる。三次の非線形光学効果には、第三高調波発生、四光波混合、非線形屈折率、非線形散乱などがある。ここでは、パルス光のスペクトル幅拡大を引き起こす非線形屈折率の効果に注目する。非線形屈折率は、三次の非線形感受率の存在により屈折率が光強度（電界振幅の二乗）に比例して変化する現象である。
【０００９】
非線形屈折率によって引き起こされる非線形効果の代表的なものが、自己位相変調（ＳＰＭ：Self Phase Modulation）と相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）である。自己位相変調は、光ファイバ中をレーザ光が伝播するときに自分自身の光強度により位相シフトを起こすことであり、相互位相変調は、光ファイバ中を同時に伝播する他のレーザ光の光強度により位相シフトを起こすことである。
【００１０】
具体的に、第１のパルス光（波長λ1）と、この第１のパルス光を時間的に囲むような第２のパルス光（波長λ2）とを同時に光ファイバに入射し、光ファイバで伝送する場合を考える。このとき、第１、第２のパルス光は、自己位相変調（ＳＰＭ）により位相が変化し、相互位相変調（ＸＰＭ）を通して互いの位相に影響を与える。
【００１１】
いま、第１、第２のパルス光として、パルス幅がnsec（ナノ秒）オーダーの比較的長いパルス光を考える。またパルス光（レーザ光）の波長は1.5μm程度、光ファイバのファイバ長は数m程度とする。このようなパルス時間幅、ファイバ長の場合には、群速度の違いによる二つのパルスのウォークオフ（時間的な分離）や、群速度分散によるパルス時間波形の拡がりなどは無視できる。このとき、自己位相変調（ＳＰＭ）及び相互位相変調（ＸＰＭ）を考慮した二つのパルス光のファイバ中の伝播は以下のように記述される(Ｇ．Ｐ．アグラワール 著、小田垣孝，山田興一 訳、非線形ファイバー光学、吉岡書店、１９９７年５月、第７章）。
【００１２】
【数１】
【００１３】
上記各式における下添え字の「１」は第１のパルス光（主パルス）、下添え字の「２」は第２のパルス光（副パルス）を表す。(１)式のＡ1(０,Ｔ)，Ａ1(Ｌ,Ｔ)は、それぞれ時刻Ｔにおける光ファイバの入射端，出射端での主パルス（第１のパルス光）のエンベロープを表す複素振幅であり、(２)式のＡ2(０,Ｔ)，Ａ2(Ｌ,Ｔ)は、同様に副パルス（第２のパルス光）に対応する。なお、パワーと振幅との関係はＰ1＝|Ａ1｜2，Ｐ2＝｜Ａ2｜2
の関係にある。
【００１４】
(３)式のφ1(Ｔ)は、主パルスの位相変調を表しており、右辺カッコ内の第１項が自己位相変調（ＳＰＭ）による変調成分、第２項が相互位相変調（ＸＰＭ）による変調成分である。(４)式のφ2(Ｔ)は、同様に副パルスに対応する。(５)式のγは非線形光学効果を表す量である。なお、各式中のＬは光ファイバのファイバ長、ｎ2は光ファイバの非線形屈折率、Ａeff は光ファイバのモード断面積である。非線形相互作用による主パルスのスペクトル拡がり（周波数チャープ）δωは、次式(６)で与えられる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
この(６)式から、主パルス（波長λ1）の自己位相変調によるスペクトル拡がりδωを最小化するには、Ａ1(Ｌ,Ｔ)のエネルギーが存在する大部分の時間領域において、位相φ1(Ｔ)が略一定になる（時間軸波形においてφ1(Ｔ)が平坦になる）ように、Ａ2の時間波形を調整すれば良いことがわかる。
【００１７】
上記原理について、図２に示す自己位相変調の概念図を参照して説明する。(ａ)はファイバ中のある位置で観察したパルス光のパルス波形（｜Ａ(Ｌ,Ｔ)｜）、(ｂ)は自己位相変調により変調されたパルス光の位相φ(Ｔ)、(ｃ)は位相φ(Ｔ)を微分して求められる周波数ωの変調の様子である。
【００１８】
この図からわかるように、時間軸領域におけるパルス光の立ち上がり領域で周波数が減少するレッドシフト、パルス光の立下り領域で周波数が増加するブルーシフトが発生し、スペクトル幅が広がる周波数チャープが発生する。
【００１９】
一方、この図から、パルス光が存在する時間領域において、位相φ(Ｔ)が略一定になるように、すなわち(ｂ)の時間軸波形が平坦になるようにすれば、スペクトル拡がりを最小化できることがわかる。
【００２０】
本願発明者は、パルス光が存在する時間領域でφ(Ｔ)を平坦化する手段として、第２のパルス光を導入し、第１のパルス光（主パルス）の自己位相変調による位相変化を、第２のパルス光（副パルス）の相互位相変調による位相変化で補償することにより、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相を略一定化する、という新規概念の本願発明を構築したのである。以下、このような原理に基づいて、前述した課題を解決するための手段について説明する。
【００２１】
本発明を例示する第１の態様は、第１のパルス光を光ファイバに入射して伝送し、この光ファイバの出力端から出射させるパルス光の伝送方法である。このパルス光の伝送方法は、前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる第２のパルス光を前記光ファイバに入射して第１のパルス光とともに伝送させ、第１のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、第２のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相が略一定となるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
なお、前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長及び偏光方向の少なくとも一方が異なることが好ましい。また、前記光ファイバが単一モードファイバであることは本発明の好適な適用例であり、第１のパルス光を増幅するファイバ光増幅器であることも好ましい適用例である。
【００２３】
本発明を例示する第２の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、第１のパルス光を出射する第１のレーザ光源と、第２のパルス光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射された第１のパルス光、及び前記第２のレーザ光源から出射された第２のパルス光が入射され、これら第１及び第２のパルス光を伝送して出力端から出射する光ファイバとを備えて構成される。そして、前記第２のパルス光が、光ファイバを伝播する過程で第１のパルス光と相互位相変調を生じる光であるとともに、第１のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、第２のパルス光が光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、光ファイバの出力端において第１のパルス光の位相が略一定となるように構成されることを特徴とする。
【００２４】
なお、前記第１のパルス光と記第２のパルス光とは、波長及び偏光方向の少なくとも一方が異なることが好ましく、前記光ファイバの出力端から出射された第１のパルス光と第２のパルス光とを分離する分離手段を設けることが好ましい構成態様である。また、前記光ファイバが単一モードファイバであることは本発明の好適な適用例であり、パルス光を増幅するファイバ光増幅器であることも好適な適用例である。
【００２５】
本発明を例示する第３の態様は、前記光ファイバから出射された前記第１のパルス光の波長を変換する波長変換部を備えたことを特徴とするレーザ装置である。この場合において、第１のパルス光及び第２のパルス光は波長が赤外領域の光であり、波長変換部により波長変換された第１のパルス光は波長が紫外領域の光であることが好ましい構成態様である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の態様によれば、第１のパルス光に第２のパルス光を重畳する簡明な構成で、狭帯域のレーザ光を出力可能なパルス光の伝送方法、及びレーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した第１構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図２】自己位相変調を説明するための概念図である。
【図３】レーザ光源の構成例を示す概要構成図である。
【図４】本発明を適用した第２構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図５】光ファイバに入射させる主パルス及び副パルスの波形を示すグラフである。
【図６】光ファイバの出力端から出射される主パルスの位相φ1(Ｔ)の概略波形を示すグラフである。
【図７】光ファイバの出力端から出射される主パルスのスペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明を適用した第３構成形態のレーザ装置を例示する概要構成図である。
【図９】波長変換部の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用した第１構成形態のレーザ装置１の概要構成図を示す。レーザ装置１は、大別的に、レーザ光を出射するレーザ光源１０と、レーザ光源１０から出射されたレーザ光を伝送する伝送部２０と、詳細図示を省略するが、レーザ光源１０及び伝送部２０の作動を制御する制御部とを備えて構成される。
【００２９】
レーザ光源１０は、第１のパルス光（主パルス）Ｐ1を出射する第１レーザ光源１１と、第２のパルス光（副パルス）Ｐ2を出射する第２レーザ光源１２とを備える。第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２は、例えば図３に示すように、同じＤＦＢ半導体レーザ１５を二つ設けることにより構成することができる。ＤＦＢ半導体レーザ１５は、出力光のパルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のパルス光を出力させることができる。
【００３０】
図３に示すレーザ光源１０は、各ＤＦＢ半導体レーザ１５からＣＷ光（あるいはＯＮ時間が充分に長いパルス光）を出力させ、その一部を電気光学変調素子（ＥＯＭ）や音響光学変調素子（ＡＯＭ）等の外部変調器１６，１７により切り出して、各々所要波形のパルス光を出力するようにした構成例を示す。このように外部変調器１６，１７を使用すると、ＤＦＢ半導体レーザ１５，１５を直接パルス変調するときに発生するチャープ（周波数変調）を伴わない、フーリエ限界に近いパルス光を発生させることができる。そのため、第１レーザ光源１１及び第２レーザ光源１２から、極めて狭帯域の（単色性が高い）パルス光Ｐ1，Ｐ2を出力させることができる。
【００３１】
本構成形態では、第１レーザ光源１１から波長λ1の第１のパルス光Ｐ1を出力させ、第２レーザ光源１２から波長λ2の第２のパルス光Ｐ2を出力させる構成、すなわち波長λが異なる二つのパルス光Ｐ1とＰ2を重ね合わせる構成例を説明する。波長λ1及びλ2は、次述する分離素子２３により分離可能なであれば良く、例えば、第１のパルス光Ｐ1の波長λ1＝1550nmに対し、第２のパルス光Ｐ2の波長λ2＝1560nm程度に設定される。
【００３２】
伝送部２０は、第１レーザ光源１１から出射された第１のパルス光Ｐ1と第２レーザ光源１２から出射された第２のパルス光Ｐ2とを結合する波長分割多重化装置（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexer）２１、ＷＤＭ２１により結合されたパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送する光ファイバ２２、及び光ファイバ２２の出力端２２oから出射されたパルス光を分離する分離素子２３を備えて構成される。図１に示す分離素子２３は、波長λ1の光を透過し、波長λ2の光を反射することによりパルス光を分離する光学素子であり、例えば、ダイクロイックミラーやバンドパスフィルタのような波長選択性がある光学素子により構成される。
【００３３】
光ファイバ２２は、波長1.5μm帯の光を伝送する伝送用の石英ガラス系の光ファイバであり、具体的には、コア直径が数μm〜１０μm程度のシングルモードファイバが好適に用いられる。シングルモードファイバは、コア内を伝播するレーザ光のパワー密度が極めて高くなるため、一般的には自己位相変調によるスペクトル拡がりが大きくなり問題となる。しかし、これを抑制する本発明のレーザ装置によれば、シングルモードファイバの特徴を活かしつつ、モード分散による伝送ひずみを抑止し、かつ単色性が高い狭帯域のレーザ光を伝送することができる。
【００３４】
光ファイバ２２のファイバ長Ｌは、レーザ装置１と顕微鏡や望遠鏡等の観察装置（あるいは光加工装置）との距離に応じて１〜５m程度の適宜な長さに設定される。また、使用されるパルス光のパルス時間幅は比較的長く、一般的にはnsecオーダーである。このため、群速度の違いによる二つのパルスのウォークオフや、群速度分散によるパルス時間波形の拡がりなどは無視できる。
【００３５】
光ファイバ２２の出力端２２oから出射されたパルス光は、レンズによりコリメートされて分離素子２３に入射し、この分離素子２３により波長λ1の光と波長λ2の光が分離される。図１の構成例では、波長λ1の第１のパルス光Ｐ1が分離素子２３を透過してレーザ装置１から出射される。一方、波長λ2の第２のパルス光Ｐ2は分離素子２３により反射され、図示省略する遮光板またはパワーダンパ等に吸収される。
【００３６】
第２構成形態のレーザ装置２を図４に示す。本構成形態のレーザ装置２は、第１構成形態のレーザ装置１と基本的に同様の構成であるが、第１，第２のパルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送する光ファイバ２２を、パルス光Ｐ1，Ｐ2を伝送するとともに増幅するファイバ光増幅器２５とした構成例である。
【００３７】
ファイバ光増幅器２５は、例えば、コアにレーザ媒質がドープされたシングルモードの光ファイバ（シングルモードファイバ）２２′が用いられ、レーザ媒質を励起するポンプ用光源２６の出力が、カプラ２７によりコアに結合される。コアにドープされるレーザ媒質は、増幅する光の波長に応じて適宜選択することができる。本構成例で示す波長1.5μm帯のパルス光を増幅する場合には、Ｅｒ（エルビウム）あるいはＹｂ（イットリビウム）等の希土類元素がドープされた光ファイバが好適に用いられる。
【００３８】
なお、コアにレーザ媒質がドープされたダブルクラッド構造の光ファイバを用い、ポンプ用光源２６の出力を、カプラ２７により第１クラッドに結合するようなマルチクラッド構造のファイバ光増幅器としても良い。
【００３９】
また、複数のファイバ光増幅器２５を直列、及び／または並列に接続して、伝送部２０を構成しても良い。複数のファイバ光増幅器を直列接続する構成によれば、各段の増幅率を抑えつつ出力端から出力されるパルス光を高出力化することができる。一方、複数のファイバ光増幅器を並列接続する構成によれば、ファイバにより伝送される光の光路長を抑制しつつ、全体として伝送部２０から出力されるパルス光を高出力化することができる。これらを適宜組み合わせることにより、光造形装置や露光装置等のような光加工装置（あるいは観察装置等）に所要出力のパルス光を提供することができる。
【００４０】
以上のようなレーザ装置１，２において、光ファイバ２２，２２′に入射させる波長λ1の第１のパルス光Ｐ1と、波長λ2の第２のパルス光Ｐ2の具体的な構成例とその作用について、シミュレーション結果に基づいて説明する。なお、以降ではファイバ光増幅器の光ファイバ２２′を含めて光ファイバ２２と表記する。
【００４１】
ここでは、光ファイバ２２のファイバ長Ｌ＝2m、モード断面積Ａeff＝100μm2とし、非線形屈折率ｎ2はｎ2＝3×10-20m2/Wとした（従って、γ＝1.2/W・kmである）。
【００４２】
図５に、光ファイバ２２に入射させる波長λ1の第１のパルス光（主パルス）Ｐ1のパルス波形と、波長λ2の第２のパルス光（副パルス）Ｐ2のパルス波形の構成例を示す。図５におけるグラフの横軸は時間、縦軸は光強度であり、主パルスＰ1を実線、副パルスＰ2を点線で示している。
【００４３】
例示する構成例においては、主パルスＰ1は、波長λ1＝1550nm、パルス時間幅が半値全幅FWHMで1.67nsec、ピークパワーが10kWのガウス型のパルスである。一方、副パルスＰ2は、波長λ2＝1560nm、パルス時間幅は主パルスと同じ1.67nsecであるがピークパワーが約半分（5kW）の二つのガウス型のパルスを、時間間隔2.8nsecだけ離して加算（合成）したパルスである。
【００４４】
これらは、主パルスＰ1のパルス波形が前述した(１)式におけるＡ1(０,Ｔ)の光強度、すなわち｜Ａ1(０,Ｔ)｜2に相当し、副パルスＰ2のパルス波形が(２)式におけるＡ2(０,Ｔ)の光強度、すなわち｜Ａ2(０,Ｔ)｜2に相当する。副パルスＰ2は、主パルスＰ1を時間軸上で挟み込むような波形であり、これらのパルス光がＷＤＭ２１により合成され、二つのパルスが時間的に重ね合わされた状態で光ファイバ２２に入射される。
【００４５】
重ね合わされた主パルスＰ1及び副パルスＰ2は、光ファイバ２２を伝播する過程で、各々前述の(３)(４)式の自己位相変調（ＳＰＭ）及び相互位相変調（ＸＰＭ）を受け、出力端２２oから出射される。出射されたパルス光は分離素子２３により分離され、分離素子２３を透過した波長λ1の主パルスＰ1が伝送部２０から出射される。
【００４６】
光ファイバの出力端２２oにおける主パルスＰ1の位相φ1(Ｔ)は、その概略波形を図６に示すように、副パルスＰ2から受ける相互位相変調の効果によって中央部が位相変調一定の状態で波形が平坦になっている。換言すれば、主パルスＰ1が存在する時間領域で主パルスＰ1の位相φ1(Ｔ)が略一定となるように、副パルスＰ2のパルス波形を設定するのである。
【００４７】
図７に、出力端２２oから出射される主パルスＰ1のスペクトルを示す。図７のグラフにおける横軸は周波数、縦軸はスペクトル強度である。図中には、主パルスＰ1の入射端でのスペクトルＳi（Input spectrum）を一点鎖線、出力端でのスペクトルＳo（SPM＋XPM）を実線で示す。また、比較のため、主パルスＰ1のみを入射した場合（すなわち自己位相変調のみが生じる場合）のスペクトルＳr（Only SPM）を点線で示している。
【００４８】
この図から、主パルスＰ1のみを入射した場合には、入射パルスのスペクトルＳiと比較して、出射パルスのスペクトルＳrが自己位相変調（ＳＰＭ）の効果によって顕著に拡大している。入射パルスと同一周波数の位置にはピークが立たず、これを挟んで離散的に分布している。
【００４９】
一方、上述したような副パルスＰ2を同時に入射した場合には、出射パルスのスペクトルＳoは入射パルスと同一周波数位置に高いピークを持ち、単色性が高いものである。このスペクトル波形から、主パルスＰ1の自己位相変調（ＳＰＭ）を補償するように作用する相互位相変調（ＸＰＭ）の効果により、出射パルスのスペクトルの拡大が大幅に抑制されることがわかる。
【００５０】
従って、以上説明したようなパルス光の伝送方法、及びこの伝送方法を実現するレーザ装置１，２によれば、主パルスＰ1に副パルスＰ2を重ね合わせる簡明な構成で、単色性が極めて高いパルス光を出力することができる。
【００５１】
なお、以上では、光ファイバ２２の出力端から出射するパルス光から、第２のパルス光を分離する手段として、主パルスＰ1と副パルスＰ2とを異なる波長λ1≠λ2とし、ダイクロイックミラーのような波長選択性のある分離素子２３で分離する手法を例示した。しかし、副パルスＰ2は、主パルスＰ1との間で相互位相変調を生じ、光ファイバから出射後に分離可能であればよく、その手段は波長差に限定されるものではない。
【００５２】
他の構成手段として、主パルスＰ1と副パルスＰ2の偏光方向を異なる方向とし、ポラライザのような偏光方向選択性のある分離素子を用いて分離する手法が例示される。例えば、主パルスＰ1と同一の波長λ1であるが、主パルスＰ1と偏光方向が直交するパルスを副パルスＰ2として用い、ポラライザ等の分離素子２３により分離する構成とすることができる。この場合、主パルスＰ1に対する相互位相変調の係数（前述した(３)(４)式中の係数）が異なるため、副パルスＰ2のピークパワーをこの係数に応じて変化させる。
【００５３】
次に、第３構成形態のレーザ装置３について説明する。このレーザ装置３の概要構成を図８に示すように、レーザ装置３は伝送部２０から出射されたレーザ光の波長を変換する波長変換部３０を備えて構成される。レーザ装置３におけるレーザ光源１０及び伝送部２０は既述したレーザ装置１，２と同様であり、ここでは重複説明を省略する。
【００５４】
波長変換部３０は、観察装置や光加工装置等の用途及び機能に応じて、公知の波長変換光学素子を組み合わせて、可視〜紫外領域で適宜な出力波長の構成とすることができる。
【００５５】
本実施形態では、波長変換部３０の一例として、伝送部２０から出力される波長1550nmの赤外レーザ光（分離素子２３により波長λ2の成分が分離除去された第１のパルス光）を、波長193nmの紫外レーザ光に波長変換する場合について説明する。波長変換部３０の構成例を図９に示す。図示する波長変換部３０は、伝送部２０から第１のパルス光（以下では混同を避けるため、基本波パルス光または基本波という）Ｌa1，Ｌa2，Ｌa3が入射する構成を示している。なお、図中に付記する上下矢印は偏光方向がＰ偏光、中央にドットがある丸印は偏光方向がＳ偏光であることを示す。
【００５６】
波長変換部３０は、６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体とし、３つの光路により構成される。波長λ2の成分が除去されて波長変換部３０に入射した波長λ1，周波数ωの第１の基本波パルス光Ｌa1は、ω→２ω→３ω→５ωの順に波長変換される。同様に波長λ1，周波数ωの第２の基本波パルス光Ｌa2は、ω→２ωに波長変換される。そして、５倍波と２倍波の和周波発生により７倍波７ωが発生され、この７倍波と波長λ1，周波数ωの第３の基本波パルス光Ｌa3の和周波発生により８倍波８ωが生成される。
【００５７】
第１の基本波パルス光Ｌa1は、Ｐ偏光で波長変換光学素子３１に集光入射され、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。発生した２倍波と波長変換光学素子３１を透過した基本波は、波長変換光学素子３２に集光入射し、和周波発生によりＳ偏光の３倍波（３ω）を発生させる。波長変換光学素子３１，３２は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子３２としてＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。
【００５８】
波長変換光学素子３２により発生されたＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子３２を透過したＰ偏光の基本波及び２倍波は、２波長波長板４１を透過させて２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板４１として、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光（２倍波）に対して偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。
【００５９】
ともにＳ偏光になった２倍波及び３倍波は、波長変換光学素子３３に集光入射させ、和周波発生によりＰ偏光の５倍波（５ω）を発生させる。なお、５倍波発生用の波長変換光学素子３３として、例えばＬＢＯ結晶が用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることも可能である。波長変換光学素子３３から出射される５倍波は、ウォークオフのため断面が楕円形になっている。そこで、２枚のシリンドリカルレンズ４２v，４２hにより、楕円形の断面形状を円形に整形し、ダイクロイックミラー４３に入射させる。
【００６０】
第２の基本波パルス光Ｌa2は、Ｐ偏光で波長変換光学素子３４に集光入射させ、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。波長変換光学素子３４により発生された２倍波は、ダイクロイックミラー４４に入射させる。２倍波発生用の波長変換光学素子３４は、ＰＰＬＮ結晶を用いることができるほか、ＬＢＯ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶等を用いてもよい。
【００６１】
第３の基本波パルス光Ｌa3は、Ｓ偏光で波長変換部３０に入射され、波長変換することなくダイクロイックミラー４４に入射させる。ダイクロイックミラー４４は、基本波の波長帯域の光を透過し、２倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、ダイクロイックミラー４４を透過したＳ偏光の基本波と、ダイクロイックミラー４４に反射されたＰ偏光の２倍波とが同軸に重ね合わされてダイクロイックミラー４３に入射する。
【００６２】
ダイクロイックミラー４３は、基本波および２倍波の波長帯域の光を透過し、５倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー４３を透過したＳ偏光の基本波およびＰ偏光の２倍波と、ダイクロイックミラー４３で反射されたＰ偏光の５倍波とが同軸に重ね合わされて波長変換光学素子３５に入射する。
【００６３】
波長変換光学素子３５，３６は近接して配設されるとともに、基本波、２倍波、５倍波の各光路には、波長変換光学素子３５，３６に所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子３５では、Ｐ偏光の２倍波（２ω）とＰ偏光の５倍波（５ω）による和周波発生が行われ、７倍波（７ω）が発生される。７倍波発生用の波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。
【００６４】
波長変換光学素子３５により発生されたＳ偏光の７倍波（７ω）と、波長変換光学素子３５を透過したＳ偏光の基本波（ω）は、波長変換光学素子３６に入射し、和周波発生によりＰ偏光の８倍波（８ω）が発生される。８倍波発生用の波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３６から出力される光には、８倍波以外に、波長変換光学素子３６を透過した基本波や２倍波等の他の波長成分が含まれるが、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズム等を使用することにより、これらを分離・除去することができる。
【００６５】
このようにして、伝送部２０から出力された波長λ1＝1550nmの基本波パルス光が波長変換部３０において順次波長変換され、波長変換部３０から波長193nmの紫外パルス光Ｌvが出力される。
【００６６】
以上のように構成されるレーザ装置３によれば、狭帯域化された極めて単色性が高い紫外パルス光を出力することができ、これにより微細加工が可能な光加工装置や微細構造を観察可能な観察装置を提供することができる。
【００６７】
なお、主パルスＰ1と副パルスＰ2の偏光方向を異なる方向とし、ポラライザのような偏光方向選択性のある分離素子を用いて分離する手法を用いる場合には、第１，第２レーザ光源１１，１２は、単一のレーザから出射されたレーザ光を二分割して構成しても良い。
【００６８】
また、レーザ光源１０から出力し伝送部２０の光ファイバ２２により伝送するパルス光の波長λとして1.5μm帯の構成を例示したが、本発明はこのような赤外領域に限定されるものではなく、可視〜紫外領域のパルス光であっても同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、レーザ装置から出力されたパルス光の適用例として、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、光造形装置や露光装置等の光加工装置を示したが、これらは代表的な適用例であり、本発明による狭帯域化されたパルス光の適用範囲は、このような代表例により限定されるものではない。例えば、測長器や形状測定器等の種々の測定装置、検査装置、治療装置等に適用して同様の効果を得ることができるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１ 第１構成形態のレーザ装置
２ 第２構成形態のレーザ装置
３ 第３構成形態のレーザ装置
１０ レーザ光源
１１ 第１レーザ光源
１２ 第２レーザ光源
２０ 伝送部
２２，２２′ 光ファイバ（２２o 出力端）
２３ 分離素子
２５ ファイバ光増幅器
３０ 波長変換部
Ｐ1 第１のパルス光（主パルス）
Ｐ2 第２のパルス光（副パルス）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパルス光を光ファイバに入射して前記光ファイバにより伝送し、前記光ファイバの出力端から出射させるパルス光の伝送方法であって、
前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる第２のパルス光を前記光ファイバに入射して前記第１のパルス光とともに伝送させ、
前記第１のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、前記第２のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、
前記光ファイバの前記出力端において前記第１のパルス光の位相が略一定となるようにしたことを特徴とするパルス光の伝送方法。
【請求項２】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長が異なることを特徴とする請求項１に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項３】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、偏光方向が異なることを特徴とする請求項１に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項４】
前記光ファイバは、単一モードファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項５】
前記光ファイバは、前記第１のパルス光を増幅するファイバ光増幅器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項６】
第１のパルス光を出射する第１のレーザ光源と、
第２のパルス光を出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射された前記第１のパルス光、及び前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のパルス光が入射され、前記第１及び第２のパルス光を伝送して出力端から出射する光ファイバとを備え、
前記第２のパルス光は、前記光ファイバを伝播する過程で前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる光であるとともに、前記第１のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、前記第２のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、前記光ファイバの出力端において前記第１のパルス光の位相が略一定となるように構成されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長が異なることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、偏光方向が異なることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記光ファイバの出力端から出射された前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とを分離する分離手段を設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記光ファイバは、単一モードファイバであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記光ファイバは、ファイバ光増幅器であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記光ファイバから出射された前記第１のパルス光の波長を変換する波長変換部を備えたことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光は波長が赤外領域の光であり、
前記波長変換部により波長変換された第１のパルス光は波長が紫外領域の光であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記レーザ装置は、前記第１のパルス光を利用して対象物を加工する光加工装置または前記第１のパルス光を利用して対象物の像を作る観察装置の光源であることを特徴とする請求項６〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１】
第１のパルス光を光ファイバに入射して前記光ファイバにより伝送し、前記光ファイバの出力端から出射させるパルス光の伝送方法であって、
前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる第２のパルス光を前記光ファイバに入射して前記第１のパルス光とともに伝送させ、
前記第１のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、前記第２のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、
前記光ファイバの前記出力端において前記第１のパルス光の位相が略一定となるようにしたことを特徴とするパルス光の伝送方法。
【請求項２】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長が異なることを特徴とする請求項１に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項３】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、偏光方向が異なることを特徴とする請求項１に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項４】
前記光ファイバは、単一モードファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項５】
前記光ファイバは、前記第１のパルス光を増幅するファイバ光増幅器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス光の伝送方法。
【請求項６】
第１のパルス光を出射する第１のレーザ光源と、
第２のパルス光を出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射された前記第１のパルス光、及び前記第２のレーザ光源から出射された前記第２のパルス光が入射され、前記第１及び第２のパルス光を伝送して出力端から出射する光ファイバとを備え、
前記第２のパルス光は、前記光ファイバを伝播する過程で前記第１のパルス光と相互位相変調を生じる光であるとともに、前記第１のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる自己位相変調に基づく位相変調を、前記第２のパルス光が前記光ファイバを伝播する過程で生じる相互位相変調に基づく位相変調により補償して、前記光ファイバの出力端において前記第１のパルス光の位相が略一定となるように構成されることを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、波長が異なることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とは、偏光方向が異なることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記光ファイバの出力端から出射された前記第１のパルス光と前記第２のパルス光とを分離する分離手段を設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記光ファイバは、単一モードファイバであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記光ファイバは、ファイバ光増幅器であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記光ファイバから出射された前記第１のパルス光の波長を変換する波長変換部を備えたことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光は波長が赤外領域の光であり、
前記波長変換部により波長変換された第１のパルス光は波長が紫外領域の光であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記レーザ装置は、前記第１のパルス光を利用して対象物を加工する光加工装置または前記第１のパルス光を利用して対象物の像を作る観察装置の光源であることを特徴とする請求項６〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２９６５（Ｐ２０１２−２９６５Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６８０３（Ｐ２０１０−１３６８０３）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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