パルス光発振器及びパルス光生成装置
【課題】高コントラストを有する高出力パルス光のパルス幅を任意に変化させることのできるパルス光生成装置を提供する
【解決手段】本発明によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源１と、前記連続発振レーザー光源１から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器２と、を備えることを特徴とするパルス光発振器１０が提供される。
【解決手段】本発明によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源１と、前記連続発振レーザー光源１から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器２と、を備えることを特徴とするパルス光発振器１０が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光生成装置に関し、特に高コントラストを有する高出力のパルス光の生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスファイバーレーザーは、主にパルス光を生成するシード光源と、１段または複数段の増幅器から構成される。パルスファイバーレーザーのパルス幅は、シード光源のパルス幅を変化させることによって変化させることができる。
【０００３】
ここで、シード光源のパルス幅を変化させる方法としては、繰り返し周波数に合わせて変化させる方法と、繰り返し周波数と独立して変化させる方法とがある。しかし、繰り返し周波数に合わせて変化させる方法の場合、繰り返し周波数を増加させるとパルス幅が広くなるという欠点があることがわかっている。
【０００４】
そこで、パルス幅を繰り返し周波数とは独立して変えられるシード光源が求められており、例えば特許文献１に、半導体レーザーをパルスで駆動してシード光源とし、１段以上の増幅器で増幅するものが提案されている。半導体レーザーの注入電流を直接変調することで任意のパルス波形を得ることができる。しかし、この方法では半導体デバイスを用いているため、得られるピーク出力に限界があり（出力が、ｍＷレベルである）、高出力を得ることができない。特に、狭い発振線幅を得る必要がある場合には、注入電流の変調によって、モードポップなどの発振線幅を広げる効果を持つ現象が起こるため、注入電流の最大値に限界がある。また、電流の大きさによって発振波長が変わってしまい、温度によっても発振波長が変わってしまう欠点がある。即ち、電流が増加すると発振波長が長くなってしまい（これを、チャープという。）、一般的に発振波長の０．０１％程度にまで発振波長域が広がってしまう。
【０００５】
そこで、高出力を得るために、連続発振レーザー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ＿ｗａｖｅ＿ｌａｓｅｒ 以下ＣＷレーザーと記す。）と音響光学変調器（ａｃｏｕｓｔ−ｏｐｔｉｃ＿ｍｏｄｕｌａｔｏｒ 以下Ａ−Ｏ変調器と記す。）を用いる方法が、特許文献２および非特許文献１に提案されている。Ａ−Ｏ変調器によってＣＷレーザー光から任意の波形でその出力を切り出すことができる。ここで、最短パルス幅は、音響光学素子の立ち上がり時間（応答時間）に依存することがわかっており、また、音響光学素子は立ち上がりに時間を要することもわかっている。従って、上記の方法では、音響光学素子の立ち上がり時間（応答時間）がネックとなり、達成できる最短パルス幅には限界がある。
【０００６】
このようなＣＷレーザーとＡ−Ｏ変調器とを用いる方法の最短パルス幅の限界を解消する方法として、Ａ−Ｏ変調器の変わりに、非特許文献２においてマッハツェンダー型変調器を用いる方法も提案されている。マッハツェンダー型変調器を用いることで立ち上がり時間を短くすることができ、達成できる最短パルス幅をさらに短くすることができる。しかし、この方法は光波干渉を利用しているため、パルス波形のオンとオフの間のコントラスト比を高くすることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ６，４３３，３０６Ｂ１号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２６９１号公報
【０００８】
【非特許文献１】“Ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｐｅａｋ−ｐｏｗｅｒ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ２００−μｍ ｃｏｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ” ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．４／Ｆｅｂｒｕａｒｙ １５，２００５
【０００９】
【非特許文献２】山本杲也著、「マルチメディア伝送技術選書 光ファイバ通信技術」、日刊工業新聞社、１９９５年６月、１３０〜１３１ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
かかる問題を解決するために、本発明は、高コントラストを有する高出力パルス光のパルス幅を任意に変化させることのできるパルス光生成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】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、を備えることを特徴とするパルス光発振器が提供される。
【００１２】
また、本発明の一実施の形態によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の偏向軸上に配置され、前記偏向されたレーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズと、前記光ファイバーを介して伝播されたレーザー光を増幅して外部に出射する少なくとも１段の増幅器と、を備えることを特徴とするパルス光生成装置が提供される。
【００１３】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて前記偏向されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子を備えてもよい。
【００１４】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されてもよい。
【００１５】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光または前記体積型回折格子から出射されたレーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズを備えてもよい。
【００１６】
さらに、前記集光レンズの位置を自在に移動する集光レンズ可動機構と、前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ稼動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によって、高コントラストを有する高出力パルス光のパルス幅を任意に変化させることのできるパルス光生成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の概略構成図である。
【図２】図１に破線で囲んで示す本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器の概略構成図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器及びパルス光発生装置の電気光学ビーム偏向器の概略図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置における励起レーザー出力と平均出力の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置における、１００ＫＨｚでパルス幅１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓ、４０ｎｓ、５０ｎｓのパルス波形を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るパルス光発振器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器及びパルス光生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態においては、本発明のパルス光発振器及びパルス光生成装置の一例を示しており、本発明のパルス光発振器及びパルス光生成装置は、それら実施の形態に限定されるわけではない。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の概略構成図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、概略、ＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２、集光レンズ３及び少なくとも１段配設される増幅器から構成される。図１においては、増幅器は、第１増幅器２０、第２増幅器３０及び第３増幅器４０の３段が配設されているが、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の増幅器の配設個数はこれに限定されるわけではなく、所望の出力に応じて適宜変更される。
【００２１】
［パルス光発振器］
図１において破線で囲んで示したＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２及び集光レンズ３を含んで構成される部材を、以下においてパルス光発振器１０という。パルス光発振器１０は、パルスのレーザー光を生成する機器であり、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、このパルス光発振器１０によって生成したパルスレーザー光を１つ以上の増幅器を用いて増幅することで所望の出力のパルスレーザー光を得ることができる。そこで、まずパルス光発振器１０について説明する。図２に、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０の概略構成を示す。
【００２２】
図１及び図２に示すように、パルス光発振器１０内のＣＷレーザー光源１は、連続発振レーザー光を発生させる光源である。ＣＷレーザー光は、パルスレーザー光に比して瞬間的なパワーは低いが高い時間的コヒーレンスを得ることができるレーザー光である。本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、光源にＣＷレーザー光源１を用いてパルスレーザー光を生成する。
【００２３】
本実施の形態においては、ＣＷレーザー光源１としてＣＷマイクロチップ固体レーザーを用いた。ここで、固体レーザーに用いられる材料としては、母材には各種ガラス、酸化物結晶、フッ化物結晶などに、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｃｅ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｇｄ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｖなどの多価イオンが添加されたものが用いられる。なお、本実施の形態においては、ＣＷマイクロチップ固体レーザーとして１０６４ｎｍの波長のレーザー光を出力するＣＷマイクロチップ固体レーザーを用いたが、ＣＷマイクロチップ固体レーザーの波長はこれに限定されるものではなく適宜変更することができる。また、本願発明のＣＷレーザー光源１は、ＣＷマイクロチップ固体レーザーに限定されず、半導体レーザーをＣＷレーザー光源１として用いてもよい
【００２４】
ＣＷレーザー光源１で生成されたＣＷレーザー光は、該ＣＷレーザー光の光路に対して垂直に配設された電気光学ビーム偏向器２に入射される。
【００２５】
電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置（図示せず）から供給される駆動電圧を受けて、入射されたＣＷレーザー光の伝播方向を電気光学効果（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ＿ｅｆｆｅｃｔ）によって変更する機器である。ここで、電気光学効果とは、光が透過する物質に電場をかけると、屈折率等が変化する現象をいう。電気光学効果には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルス効果と、電場の強さの２乗に比例するカー効果とがあるが、本実施の形態で使用した電気光学ビーム偏向器２は、ポッケルス効果によって入射されたレーザー光の伝播方向を偏向するものである。図３に、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光発生装置１００の電気光学ビーム偏向器２の概略図を示す。
【００２６】
図３に示すように、本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、長さ（Ｌ）１０ｍｍ×幅３ｍｍ×高さ３ｍｍの略直方体状であり、長さ方向の４面中央部分が円弧状に切り取られたような形状（即ち、円弧状の窪部を有する形状。以下この部分をクワドラントという）である。従って、幅方向の断面形状は略十字架状の形状である。図３に示すとおり、断面中心部の径Ｄ１は１．５ｍｍである。また図示していないが、本実施の形態においては、クワドラントのそれぞれは、最大径１．５ｍｍ、深さ０．２５ｍｍを中心に形成されている。
【００２７】
図３に示すように、各クワドラントの表面の一部には、金の電極７が形成される。本実施の形態においては、金電極７の径Ｄ２は０．７５ｍｍに設定されているが、これに限定されるものではなく、クワドラントの最大径に応じて適宜変更され得る。
【００２８】
電気光学ビーム偏向器２の端部表面は平坦に形成され、両端面はほぼ並列に形成される。そして、電気光学ビーム偏向器２の端部表面は、１０６４ｎｍ波長のＣＷレーザー光に対して反射防止処理が施される。
【００２９】
このような形状によって、本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、図３に示すように四重極を有する。対向する２極が同一極性で、隣接する２極が互いに異なる極性である。
【００３０】
電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置（図示せず）に接続され、可変高圧電圧供給装置から駆動電圧が供給される。このような構成によって、本発明の一実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置から印加された駆動電圧に応じて中央部に電場が発生し、これによって屈折率が変化することで入射されたＣＷレーザー光の伝播方向が変化してＣＷレーザー光が偏向する。なお、可変高圧電圧供給装置は、パルス光発振器１０内またはパルス光生成装置１００内に設けてもよいし、外部に設けても良い。本実施の形態においては、可変高圧電圧供給装置をパルス光発振器１０内に設けた。
【００３１】
図２及び図３を基に具体的に説明する。図２に示すように、電気光学ビーム偏向器２には、可変高圧電圧供給装置から駆動電圧として変調電圧が供給される。ＣＷレーザー光源１から出射されたＣＷレーザー光は、電気光学ビーム偏向器２に入射される。具体的には、図３に示すように、電気光学ビーム偏向器２の一端面に入射される。電気光学ビーム偏向器２は、駆動電圧が印加されているときだけ入射されたＣＷレーザー光を偏向し、駆動電圧が印加されていないときは入射されたＣＷレーザー光は直進する。従って、駆動電圧で決まる偏向軸方向上及び直進するＣＷレーザー光の光路上に光ファイバーを配設してＣＷレーザー光を結合させることで、それぞれの光ファーバーでパルス光が得られる。それぞれの光ファイバーで得られる出力光パルスは、１８０°位相がずれたパルスである。そして、電気光学ビーム偏向器２の偏向角度は、印加される電圧によって決定される。本実施の形態においては、電気光学ビーム偏向器２は、最大電圧１ｋＶ印加時において１０６４ｎｍのレーザー光を６ｍｒａｄ／ｋＶ偏向した。なお、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光を光ファイバーに結合させるために、図２に示すように、レーザー光の偏向軸方向及び直進方向に対して垂直に集光レンズ３を配設する。
【００３２】
以上のような構成による電気光学ビーム偏向器２を用いることで、ＣＷレーザー光源１から出射されて電気光学ビーム偏向器２に入射されたＣＷレーザー光は、電気光学ビーム偏向器２からパルスレーザー光として出射される。
【００３３】
ここで、電気光学ビーム偏向器２にクワドラントを形成しているのは、中央部に電場の分布が発生するようにするためである。そしてクワドラントを長さ方向の４面中央部分が円弧状に切り取られたような形状（即ち、円弧状の窪部を有する形状）に形成しているのは、電界集中によって電気光学ビーム偏向器２が破壊されてしまうのを防ぐためである。例えばＶ字状等の角を有する形状に形成した場合には角部において絶縁破壊が生じる可能性があるからである。また、クワドラントの最大径を１．５ｍｍに形成しているのは、クワドラント同士が接近してショートが発生することを防止するためである。従って、クワドラントの形状は円弧状に限定されず、角を有しない対称性のある形状であればよく、またクワドラントの最大径も材質に応じてショートが発生しない距離に離隔されるように形成すればよい。
【００３４】
本実施の形態においては、電気光学ビーム偏向器２の材質として、光通信の導波路等に使用されている安価なタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶を用いた。但し、電気光学ビーム偏向器２の材質はこれに限定されず、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（ＭｇＯ−ｄｏｐｅｄ＿ＬｉＮｂＯ３）結晶あるいはＲＴＰ（ＲｂＴｉＯＰＯ４）結晶でもよい。単結晶の絶縁体で、反転対象性のない結晶であり、ポッケルス効果を有する電気光学係数が大きな材質を好適に用いる。電気光学係数が２８ｐｍ／Ｖ以上の材質が好適であり、ちなみにタンタル酸リチウム結晶の電気光学係数は３０ｐｍ／Ｖである。なお、ＲＴＰ結晶はへき開があるため、クワドラントの形成加工において工夫が必要である。
【００３５】
以上のような構成及び材質による本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２の素子は、５０ｐｆ程度のコンデンサのようなものであり、数ｎｓで立ち上がる（応答時間が短い）。従って、かかる電気光学ビーム偏向器２を用いた本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光生成装置１００は、達成できる最短パルス幅を縮小することができ、応答時間が遅いＡ−Ｏ変調器を用いた特許文献２に記載された方法の問題点を解消することができる。
【００３６】
また、本発明の一実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、電気光学効果によってレーザー光を偏向するものであるため、パルス波形のオンとオフのコントラスト比を高くすることも可能である。従って、応答時間が短く最短パルス幅を縮小できるが、光波干渉を利用するためにコントラスト比を高くすることが困難であった非特許文献２に記載された方法の問題点を解消することができる。
【００３７】
（変形実施例）
本発明の一実施形態に係るパルス光発振器１０の変形実施例について説明する。本変形実施例においては、パルス光発振器１０は、さらに集光レンズ３を有する。集光レンズ３は、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光を光ファイバーの端部（一般的には、光ファイバーの端部に取り付けられたエンドキャップ５０）に結合させる。従って、集光レンズ３は、それぞれ、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光の進行方向（電気光学ビーム偏向器２に駆動電圧が印加されていないときのレーザー光の進行方向）及びレーザー光の偏向軸方向（電気光学ビーム偏向器２に駆動電圧が印加されたときの、印加された電圧に応じて決まるレーザー光の進行方向）に対して垂直に配設される。配置する集光レンズ３の枚数は、それぞれの方向に少なくとも１枚配置される。
【００３８】
ここで、電気光学ビーム偏向器２の偏向軸方向は、上述したように印加された駆動電圧に応じて決まり、印加される駆動電圧が変化することによって偏向軸が変化する。そこで、本変形実施例においては、駆動電圧が印加された場合及び駆動電圧が印加されない場合のそれぞれのレーザー光の進行方向にそれぞれ配置される集光レンズ３は、それぞれ集光レンズ可動機構６に搭載される。集光レンズ可動機構６は、搭載された集光レンズ３の位置を、レーザー光の光路に対応して移動自在にするための機構である。集光レンズ可動機構６は、電気光学ビーム偏向器２と、駆動電圧が電気光学ビーム偏向器２に印加されていないときのＣＷレーザー光の進行方向に配設される集光レンズ３（以下、この集光レンズを第１集光レンズ３ａという）が常に直線状に位置するように、集光レンズ３の位置を一定に保持する。また、集光レンズ可動機構６は、電気光学ビーム偏向器２の偏向軸方向に配設される集光レンズ３（以下、この集光レンズを第２集光レンズ３ｂという）が、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて変化する偏向されたレーザー光の光路上に常に垂直に位置するように、第２集光レンズ３ｂの位置を、印加される駆動電圧に応じて調整する。
【００３９】
かかる集光レンズ可動機構６による第２集光レンズ３ｂと電気光学偏向器２との対向位置の調整は、集光レンズ可動機構６及び可変高圧電圧供給装置に接続される制御部５によって制御される。制御部５は、印加される駆動電圧に応じたＣＷレーザー光の偏向角度を記憶し、記憶した駆動電圧と偏向角度に基づいて、集光レンズ稼動機構６に対して第２集光レンズ３ｂと電気光学偏向器２との対向位置を駆動電圧に合わせて調整するように指示信号を発信する。そして、指示信号を受信した集光レンズ可動機構６は両者の対向位置を調節する。これによって、印加される駆動電圧に応じてＣＷレーザー光の偏向軸方向が変化しても、第２集光レンズ３ｂは常に偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置し、偏向されたレーザー光を光ファイバーに結合させることができる。なお、本変形実施例においては可変高圧電圧供給装置及び制御部５をパルス光発振器１０内に配設したが、これに限定されるわけではなく、可変高圧電圧供給装置及び制御部５の双方またはいずれかをパルス光発振器１０の外部に設けてもよい。
【００４０】
以上、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０について説明したが、本パルス光発振器１０は、電気光学ビーム偏向器２によって、与えられる駆動電圧に応じて、ＣＷレーザー光源１から出射されて電気光学ビーム偏向器２に入射されたＣＷレーザー光の伝播方向を偏向する。そして偏向軸方向に設けられた集光レンズ３を介してパルス光として出力する。パルス光のパルス幅は、電気光学ビーム偏向器２に供給される駆動電圧のパルスに依存し、従って、繰り返し周波数と独立してパルス幅を変えることができる。また電気光学ビーム偏向器２を使用するため応答時間が短く、最短パルス幅を縮小することができる。さらに、パルス波形のオンとオフとの間の高コントラスト比を得ることができる。
【００４１】
［パルス光生成装置］
次に、パルス光生成装置１００について説明する。本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置１００は、上述したパルス光発振器１０と少なくとも１つの増幅器を含んで構成される。パルス光発振器１０については上述の通りであるので、詳細な説明は省略する。
【００４２】
増幅器は、パルス発振器１０から出射されたパルスレーザー光の出力を増幅して、パルス生成装置１００の外部に出力する。増幅器は、要求される出力に応じて少なくとも一つ以上配設される。本実施の形態においては、イッテルビウムドープ偏向保持ファイバーを使用した２段階のシングルモードファイバー増幅器（第１増幅器２０、第２増幅器３０）及びコア直径２５μｍのラージモードエリアファイバー増幅器（第３増幅器４０）を配設しているが、これに限定されるわけではない。
【００４３】
図１に示すように、本実施の形態において、シングルモードファイバー増幅器である第１増幅器２０及び第２増幅器３０は、インラインアイソレーター２１，３１、ゲインファイバー２２，３２、光結合器２３，３３及び励起レーザー光源２４，３４から構成される。
【００４４】
一方、ラージモードエリアファイバー増幅器である第３増幅器４０は、インラインアイソレーター４１、光コンバータ４５、ゲインファイバー４２、光結合器４３及び２つの励起レーザー光源４４から構成される。
【００４５】
パルス光発振器１０から射出され、光ファイバーのエンドキャップ５０に結合したパルスレーザー光は、それぞれの増幅器２０，３０，４０において、インラインアイソレーター２１，３１，４１及びゲインファイバー２２，３２，４２を経由して、光結合器２３，３３，４３において励起レーザー光源２４，３４，４４で生成された励起レーザー光と結合されて増幅される。本実施の形態においては、イッテルビウムドープ偏向保持ファイバーを励起させるために、各増幅器の励起レーザー光源２４，３４，４４として９７６ｎｍ波長レーザーダイオードを使用したが、励起レーザー光源２４,３４，４４はこれに限定されるわけではなく、用いられるゲインファイバー２２，３２，４２に応じて適宜変更され得る。以上が本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の概略構成である。
【００４６】
パルス光生成装置１００において、高電圧（＜８００Ｖ）が電気光学ビーム偏向器２に印加された場合、電気光学ビーム偏向器２に入射された１０６４ｎｍ波長のＣＷレーザー光が偏向された。偏向の振れ角は、最大電圧１ｋＶ印加時において１０６４ｎｍのレーザー光で６ｍｒａｄ／ｋＶであった。
【００４７】
また、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の平均出力は、増幅器から発射される励起レーザー光の出力に比例する。図４は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置におけるは励起レーザー出力と平均出力の関係を示す図である。図４に示すように、本パルス光生成装置１００の平均出力は、励起レーザー光の出力に比例し、６１Ｗの励起レーザー光発射時に、最大平均出力２１Ｗの出力を得ることができた。スロープ効率は、４４％である。
【００４８】
また、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００で得られるパルス光の持続時間は、高電圧が印加される時間を変更することによって調整することができる。
図５は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の１００ＫＨｚでパルス幅１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓ、４０ｎｓ、５０ｎｓのパルス波形を示す図である。図５に示すように、それぞれの波形はほぼ一致し、約７ナノ秒で立ち上がり、高電圧が印加された時間に応じて減衰している。
【００４９】
以上説明した構成による本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００によって、パルス幅を繰り返し周波数と独立して変えられる高出力のパルス光を得ることができる。また、電気光学ビーム偏向器２は印加される駆動電圧によって最短パルス幅を縮小することができ、パルス波形のオンとオフとの間のコントラスト比が高いパルス光を得ることができる。言い換えれば、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００によって、ＣＷレーザー光から任意の波形で、かつ高コントラストでその出力を切り出すことができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光生成装置１００について、図面を基に説明する。なお、説明に際し、第１の実施の形態と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５１】
本発明の第２の実施の形態に係るパルス光生成器１００Ａは、第１の実施の形態に係るパルス光生成装置１００と同様に、パルス光発振器１０Ａと１段以上の増幅器を含んで構成される。従って、構成上の相違点はパルス光発振器１０Ａの部分であるので、以下に本発明の第２の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａについて説明する。図６は、本発明の他の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａの概略構成図である。
【００５２】
図６に示すように、本パルス光発振器１０Ａは、該発振器１０Ａ内に体積型回折格子４を有する。体積型回折格子４は、電気光学ビーム偏向器２と集光レンズ３との間に設けられる。他の構成要素は、上述した第１の実施の形態に係るパルス光発振器１０と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
体積型回折格子４は、光の回折現象を利用して特定の波長（スペクトル）を得るための装置であり、微細な溝が平行に刻まれている（格子パターンの開口部）板状の素子である。この体積型回折格子４を、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光の光路上で、かつ電気光学ビーム偏向器２と集光レンズ３との間に配設する。この時、電気光学ビーム偏向器２に印加される電圧がオフのときのレーザー光の進行方向に対して、体積型回折格子４の格子パターンの開口部が平行に位置するように体積型回折格子４を位置させる。これによって、印加電圧がオフの場合に電気光学ビーム偏向器２から出射されるレーザー光は、体積型回折格子４を透過して、第１集光レンズ３ａに入射される。本実施の形態においては、体積型回折格子４として、Ｏｐｔｉ＿Ｇｒａｔｅ社の波長透過素子（品番：ＴＢＧ−１０６４−９０）を用いた。本体積型回折格子４のスペックは、回折効率ピーク波長が１０６４ｎｍ、厚みが１．５ｍｍ±０．３ｍｍ、グレーティング周期が８２０ｎｍ±５０ｎｍ、平均相対的回折効率＠１０６４ｎｍ（φ５ｍｍアパーチャ上）が９０％超（＞９５％ベストエフォート）である。但しこれは一例であり、本発明の第２の実施の形態に係る体積型回折格子４はこれに限定されない。
【００５４】
一方、印加電圧がオンの場合に電気光学ビーム偏向器２で偏向されて出射されたレーザー光は、体積型回折格子４の格子パターンの開口部に対して所定の入射角で入射し、入射角度より大きな角度で入射方向下側に回折することで、レーザー光の偏向角が増大される。
【００５５】
従って、本第２の実施の形態に係るパルス光発振機１０Ａを用いることで、偏向の振れ角の大きなレーザー光を得ることができる。体積型回折格子４を適宜選択することで８０°程度までの振れ角を得ることができ、角度の選択性がよいパルス光を得ることができる。
【００５６】
また、体積型回折格子４を用いることで、第１の実施の形態に係るパルス光発振器１０に比して、パルス波形のオンとオフとの間のコントラスト比が更に高いパルス光を得ることができる。
【００５７】
なお、パルス光発振器１０Ａにおいては、支持部材（図示せず）は、ＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２、体積型回折格子４の格子パターンの開口部及び第１集光レンズ３ａが常に直線状になるように、これらの部材を支持する。また、支持部材は、電気光学ビーム偏向器２で偏向され更に体積型回折格子４で回折されて偏向角が増大したレーザー光が、常に第２集光レンズ３ｂに対して直角に入射されるように、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて第２集光レンズ３ｂと体積型回折格子４との対向角度を調整する。かかる制御は、第１の実施の形態と同様に、制御部（図示せず）が行う。制御部は、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて体積型回折格子４から出射されるレーザー光の偏向角を記憶し、この情報に基づいて駆動電圧に応じて、支持部材に、第２集光レンズ３ｂと体積型回折格子４との対向角度を適切に調整するように指示する。
【００５８】
以上説明した本発明の第２の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａと増幅器とを含んで、本発明の第２の実施の形態に係るパルス光生成装置１００Ａを構成することができる。これによって、角度の選択性がよく、パルス幅を繰り返し周波周と独立して変えられ、かつ高コントラス比のパルス光を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１：ＣＷレーザー光源
２：電気光学ビーム偏向器
３、３ａ,３ｂ：集光レンズ
４：体積型回折格子
５：制御部
６：集光レンズ可動機構
１０、１０Ａ：パルス光発振器
２１、３１、４１：インラインアイソレーター
２２、３２、４２：ゲインファイバー
２３、３３、４３：光結合器
２４、３４、４４：励起レーザー光源
２０：第１段増幅器
３０：第２段増幅器
４０：第３段増幅器
４５：光コンバータ
５０：エンドキャップ
１００、１００Ａ：パルス光生成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光生成装置に関し、特に高コントラストを有する高出力のパルス光の生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスファイバーレーザーは、主にパルス光を生成するシード光源と、１段または複数段の増幅器から構成される。パルスファイバーレーザーのパルス幅は、シード光源のパルス幅を変化させることによって変化させることができる。
【０００３】
ここで、シード光源のパルス幅を変化させる方法としては、繰り返し周波数に合わせて変化させる方法と、繰り返し周波数と独立して変化させる方法とがある。しかし、繰り返し周波数に合わせて変化させる方法の場合、繰り返し周波数を増加させるとパルス幅が広くなるという欠点があることがわかっている。
【０００４】
そこで、パルス幅を繰り返し周波数とは独立して変えられるシード光源が求められており、例えば特許文献１に、半導体レーザーをパルスで駆動してシード光源とし、１段以上の増幅器で増幅するものが提案されている。半導体レーザーの注入電流を直接変調することで任意のパルス波形を得ることができる。しかし、この方法では半導体デバイスを用いているため、得られるピーク出力に限界があり（出力が、ｍＷレベルである）、高出力を得ることができない。特に、狭い発振線幅を得る必要がある場合には、注入電流の変調によって、モードポップなどの発振線幅を広げる効果を持つ現象が起こるため、注入電流の最大値に限界がある。また、電流の大きさによって発振波長が変わってしまい、温度によっても発振波長が変わってしまう欠点がある。即ち、電流が増加すると発振波長が長くなってしまい（これを、チャープという。）、一般的に発振波長の０．０１％程度にまで発振波長域が広がってしまう。
【０００５】
そこで、高出力を得るために、連続発振レーザー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ＿ｗａｖｅ＿ｌａｓｅｒ 以下ＣＷレーザーと記す。）と音響光学変調器（ａｃｏｕｓｔ−ｏｐｔｉｃ＿ｍｏｄｕｌａｔｏｒ 以下Ａ−Ｏ変調器と記す。）を用いる方法が、特許文献２および非特許文献１に提案されている。Ａ−Ｏ変調器によってＣＷレーザー光から任意の波形でその出力を切り出すことができる。ここで、最短パルス幅は、音響光学素子の立ち上がり時間（応答時間）に依存することがわかっており、また、音響光学素子は立ち上がりに時間を要することもわかっている。従って、上記の方法では、音響光学素子の立ち上がり時間（応答時間）がネックとなり、達成できる最短パルス幅には限界がある。
【０００６】
このようなＣＷレーザーとＡ−Ｏ変調器とを用いる方法の最短パルス幅の限界を解消する方法として、Ａ−Ｏ変調器の変わりに、非特許文献２においてマッハツェンダー型変調器を用いる方法も提案されている。マッハツェンダー型変調器を用いることで立ち上がり時間を短くすることができ、達成できる最短パルス幅をさらに短くすることができる。しかし、この方法は光波干渉を利用しているため、パルス波形のオンとオフの間のコントラスト比を高くすることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ６，４３３，３０６Ｂ１号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２６９１号公報
【０００８】
【非特許文献１】“Ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｐｅａｋ−ｐｏｗｅｒ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ２００−μｍ ｃｏｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ” ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．４／Ｆｅｂｒｕａｒｙ １５，２００５
【０００９】
【非特許文献２】山本杲也著、「マルチメディア伝送技術選書 光ファイバ通信技術」、日刊工業新聞社、１９９５年６月、１３０〜１３１ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
かかる問題を解決するために、本発明は、高コントラストを有する高出力パルス光のパルス幅を任意に変化させることのできるパルス光生成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】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、を備えることを特徴とするパルス光発振器が提供される。
【００１２】
また、本発明の一実施の形態によって、レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の偏向軸上に配置され、前記偏向されたレーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズと、前記光ファイバーを介して伝播されたレーザー光を増幅して外部に出射する少なくとも１段の増幅器と、を備えることを特徴とするパルス光生成装置が提供される。
【００１３】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて前記偏向されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子を備えてもよい。
【００１４】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されてもよい。
【００１５】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光または前記体積型回折格子から出射されたレーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズを備えてもよい。
【００１６】
さらに、前記集光レンズの位置を自在に移動する集光レンズ可動機構と、前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ稼動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によって、高コントラストを有する高出力パルス光のパルス幅を任意に変化させることのできるパルス光生成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の概略構成図である。
【図２】図１に破線で囲んで示す本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器の概略構成図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器及びパルス光発生装置の電気光学ビーム偏向器の概略図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置における励起レーザー出力と平均出力の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置における、１００ＫＨｚでパルス幅１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓ、４０ｎｓ、５０ｎｓのパルス波形を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るパルス光発振器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器及びパルス光生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態においては、本発明のパルス光発振器及びパルス光生成装置の一例を示しており、本発明のパルス光発振器及びパルス光生成装置は、それら実施の形態に限定されるわけではない。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の概略構成図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、概略、ＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２、集光レンズ３及び少なくとも１段配設される増幅器から構成される。図１においては、増幅器は、第１増幅器２０、第２増幅器３０及び第３増幅器４０の３段が配設されているが、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の増幅器の配設個数はこれに限定されるわけではなく、所望の出力に応じて適宜変更される。
【００２１】
［パルス光発振器］
図１において破線で囲んで示したＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２及び集光レンズ３を含んで構成される部材を、以下においてパルス光発振器１０という。パルス光発振器１０は、パルスのレーザー光を生成する機器であり、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、このパルス光発振器１０によって生成したパルスレーザー光を１つ以上の増幅器を用いて増幅することで所望の出力のパルスレーザー光を得ることができる。そこで、まずパルス光発振器１０について説明する。図２に、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０の概略構成を示す。
【００２２】
図１及び図２に示すように、パルス光発振器１０内のＣＷレーザー光源１は、連続発振レーザー光を発生させる光源である。ＣＷレーザー光は、パルスレーザー光に比して瞬間的なパワーは低いが高い時間的コヒーレンスを得ることができるレーザー光である。本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００は、光源にＣＷレーザー光源１を用いてパルスレーザー光を生成する。
【００２３】
本実施の形態においては、ＣＷレーザー光源１としてＣＷマイクロチップ固体レーザーを用いた。ここで、固体レーザーに用いられる材料としては、母材には各種ガラス、酸化物結晶、フッ化物結晶などに、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｃｅ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｇｄ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｖなどの多価イオンが添加されたものが用いられる。なお、本実施の形態においては、ＣＷマイクロチップ固体レーザーとして１０６４ｎｍの波長のレーザー光を出力するＣＷマイクロチップ固体レーザーを用いたが、ＣＷマイクロチップ固体レーザーの波長はこれに限定されるものではなく適宜変更することができる。また、本願発明のＣＷレーザー光源１は、ＣＷマイクロチップ固体レーザーに限定されず、半導体レーザーをＣＷレーザー光源１として用いてもよい
【００２４】
ＣＷレーザー光源１で生成されたＣＷレーザー光は、該ＣＷレーザー光の光路に対して垂直に配設された電気光学ビーム偏向器２に入射される。
【００２５】
電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置（図示せず）から供給される駆動電圧を受けて、入射されたＣＷレーザー光の伝播方向を電気光学効果（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ＿ｅｆｆｅｃｔ）によって変更する機器である。ここで、電気光学効果とは、光が透過する物質に電場をかけると、屈折率等が変化する現象をいう。電気光学効果には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルス効果と、電場の強さの２乗に比例するカー効果とがあるが、本実施の形態で使用した電気光学ビーム偏向器２は、ポッケルス効果によって入射されたレーザー光の伝播方向を偏向するものである。図３に、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光発生装置１００の電気光学ビーム偏向器２の概略図を示す。
【００２６】
図３に示すように、本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、長さ（Ｌ）１０ｍｍ×幅３ｍｍ×高さ３ｍｍの略直方体状であり、長さ方向の４面中央部分が円弧状に切り取られたような形状（即ち、円弧状の窪部を有する形状。以下この部分をクワドラントという）である。従って、幅方向の断面形状は略十字架状の形状である。図３に示すとおり、断面中心部の径Ｄ１は１．５ｍｍである。また図示していないが、本実施の形態においては、クワドラントのそれぞれは、最大径１．５ｍｍ、深さ０．２５ｍｍを中心に形成されている。
【００２７】
図３に示すように、各クワドラントの表面の一部には、金の電極７が形成される。本実施の形態においては、金電極７の径Ｄ２は０．７５ｍｍに設定されているが、これに限定されるものではなく、クワドラントの最大径に応じて適宜変更され得る。
【００２８】
電気光学ビーム偏向器２の端部表面は平坦に形成され、両端面はほぼ並列に形成される。そして、電気光学ビーム偏向器２の端部表面は、１０６４ｎｍ波長のＣＷレーザー光に対して反射防止処理が施される。
【００２９】
このような形状によって、本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、図３に示すように四重極を有する。対向する２極が同一極性で、隣接する２極が互いに異なる極性である。
【００３０】
電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置（図示せず）に接続され、可変高圧電圧供給装置から駆動電圧が供給される。このような構成によって、本発明の一実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、可変高圧電圧供給装置から印加された駆動電圧に応じて中央部に電場が発生し、これによって屈折率が変化することで入射されたＣＷレーザー光の伝播方向が変化してＣＷレーザー光が偏向する。なお、可変高圧電圧供給装置は、パルス光発振器１０内またはパルス光生成装置１００内に設けてもよいし、外部に設けても良い。本実施の形態においては、可変高圧電圧供給装置をパルス光発振器１０内に設けた。
【００３１】
図２及び図３を基に具体的に説明する。図２に示すように、電気光学ビーム偏向器２には、可変高圧電圧供給装置から駆動電圧として変調電圧が供給される。ＣＷレーザー光源１から出射されたＣＷレーザー光は、電気光学ビーム偏向器２に入射される。具体的には、図３に示すように、電気光学ビーム偏向器２の一端面に入射される。電気光学ビーム偏向器２は、駆動電圧が印加されているときだけ入射されたＣＷレーザー光を偏向し、駆動電圧が印加されていないときは入射されたＣＷレーザー光は直進する。従って、駆動電圧で決まる偏向軸方向上及び直進するＣＷレーザー光の光路上に光ファイバーを配設してＣＷレーザー光を結合させることで、それぞれの光ファーバーでパルス光が得られる。それぞれの光ファイバーで得られる出力光パルスは、１８０°位相がずれたパルスである。そして、電気光学ビーム偏向器２の偏向角度は、印加される電圧によって決定される。本実施の形態においては、電気光学ビーム偏向器２は、最大電圧１ｋＶ印加時において１０６４ｎｍのレーザー光を６ｍｒａｄ／ｋＶ偏向した。なお、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光を光ファイバーに結合させるために、図２に示すように、レーザー光の偏向軸方向及び直進方向に対して垂直に集光レンズ３を配設する。
【００３２】
以上のような構成による電気光学ビーム偏向器２を用いることで、ＣＷレーザー光源１から出射されて電気光学ビーム偏向器２に入射されたＣＷレーザー光は、電気光学ビーム偏向器２からパルスレーザー光として出射される。
【００３３】
ここで、電気光学ビーム偏向器２にクワドラントを形成しているのは、中央部に電場の分布が発生するようにするためである。そしてクワドラントを長さ方向の４面中央部分が円弧状に切り取られたような形状（即ち、円弧状の窪部を有する形状）に形成しているのは、電界集中によって電気光学ビーム偏向器２が破壊されてしまうのを防ぐためである。例えばＶ字状等の角を有する形状に形成した場合には角部において絶縁破壊が生じる可能性があるからである。また、クワドラントの最大径を１．５ｍｍに形成しているのは、クワドラント同士が接近してショートが発生することを防止するためである。従って、クワドラントの形状は円弧状に限定されず、角を有しない対称性のある形状であればよく、またクワドラントの最大径も材質に応じてショートが発生しない距離に離隔されるように形成すればよい。
【００３４】
本実施の形態においては、電気光学ビーム偏向器２の材質として、光通信の導波路等に使用されている安価なタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶を用いた。但し、電気光学ビーム偏向器２の材質はこれに限定されず、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（ＭｇＯ−ｄｏｐｅｄ＿ＬｉＮｂＯ３）結晶あるいはＲＴＰ（ＲｂＴｉＯＰＯ４）結晶でもよい。単結晶の絶縁体で、反転対象性のない結晶であり、ポッケルス効果を有する電気光学係数が大きな材質を好適に用いる。電気光学係数が２８ｐｍ／Ｖ以上の材質が好適であり、ちなみにタンタル酸リチウム結晶の電気光学係数は３０ｐｍ／Ｖである。なお、ＲＴＰ結晶はへき開があるため、クワドラントの形成加工において工夫が必要である。
【００３５】
以上のような構成及び材質による本実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２の素子は、５０ｐｆ程度のコンデンサのようなものであり、数ｎｓで立ち上がる（応答時間が短い）。従って、かかる電気光学ビーム偏向器２を用いた本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光生成装置１００は、達成できる最短パルス幅を縮小することができ、応答時間が遅いＡ−Ｏ変調器を用いた特許文献２に記載された方法の問題点を解消することができる。
【００３６】
また、本発明の一実施の形態に係る電気光学ビーム偏向器２は、電気光学効果によってレーザー光を偏向するものであるため、パルス波形のオンとオフのコントラスト比を高くすることも可能である。従って、応答時間が短く最短パルス幅を縮小できるが、光波干渉を利用するためにコントラスト比を高くすることが困難であった非特許文献２に記載された方法の問題点を解消することができる。
【００３７】
（変形実施例）
本発明の一実施形態に係るパルス光発振器１０の変形実施例について説明する。本変形実施例においては、パルス光発振器１０は、さらに集光レンズ３を有する。集光レンズ３は、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光を光ファイバーの端部（一般的には、光ファイバーの端部に取り付けられたエンドキャップ５０）に結合させる。従って、集光レンズ３は、それぞれ、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光の進行方向（電気光学ビーム偏向器２に駆動電圧が印加されていないときのレーザー光の進行方向）及びレーザー光の偏向軸方向（電気光学ビーム偏向器２に駆動電圧が印加されたときの、印加された電圧に応じて決まるレーザー光の進行方向）に対して垂直に配設される。配置する集光レンズ３の枚数は、それぞれの方向に少なくとも１枚配置される。
【００３８】
ここで、電気光学ビーム偏向器２の偏向軸方向は、上述したように印加された駆動電圧に応じて決まり、印加される駆動電圧が変化することによって偏向軸が変化する。そこで、本変形実施例においては、駆動電圧が印加された場合及び駆動電圧が印加されない場合のそれぞれのレーザー光の進行方向にそれぞれ配置される集光レンズ３は、それぞれ集光レンズ可動機構６に搭載される。集光レンズ可動機構６は、搭載された集光レンズ３の位置を、レーザー光の光路に対応して移動自在にするための機構である。集光レンズ可動機構６は、電気光学ビーム偏向器２と、駆動電圧が電気光学ビーム偏向器２に印加されていないときのＣＷレーザー光の進行方向に配設される集光レンズ３（以下、この集光レンズを第１集光レンズ３ａという）が常に直線状に位置するように、集光レンズ３の位置を一定に保持する。また、集光レンズ可動機構６は、電気光学ビーム偏向器２の偏向軸方向に配設される集光レンズ３（以下、この集光レンズを第２集光レンズ３ｂという）が、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて変化する偏向されたレーザー光の光路上に常に垂直に位置するように、第２集光レンズ３ｂの位置を、印加される駆動電圧に応じて調整する。
【００３９】
かかる集光レンズ可動機構６による第２集光レンズ３ｂと電気光学偏向器２との対向位置の調整は、集光レンズ可動機構６及び可変高圧電圧供給装置に接続される制御部５によって制御される。制御部５は、印加される駆動電圧に応じたＣＷレーザー光の偏向角度を記憶し、記憶した駆動電圧と偏向角度に基づいて、集光レンズ稼動機構６に対して第２集光レンズ３ｂと電気光学偏向器２との対向位置を駆動電圧に合わせて調整するように指示信号を発信する。そして、指示信号を受信した集光レンズ可動機構６は両者の対向位置を調節する。これによって、印加される駆動電圧に応じてＣＷレーザー光の偏向軸方向が変化しても、第２集光レンズ３ｂは常に偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置し、偏向されたレーザー光を光ファイバーに結合させることができる。なお、本変形実施例においては可変高圧電圧供給装置及び制御部５をパルス光発振器１０内に配設したが、これに限定されるわけではなく、可変高圧電圧供給装置及び制御部５の双方またはいずれかをパルス光発振器１０の外部に設けてもよい。
【００４０】
以上、本発明の一実施の形態に係るパルス光発振器１０について説明したが、本パルス光発振器１０は、電気光学ビーム偏向器２によって、与えられる駆動電圧に応じて、ＣＷレーザー光源１から出射されて電気光学ビーム偏向器２に入射されたＣＷレーザー光の伝播方向を偏向する。そして偏向軸方向に設けられた集光レンズ３を介してパルス光として出力する。パルス光のパルス幅は、電気光学ビーム偏向器２に供給される駆動電圧のパルスに依存し、従って、繰り返し周波数と独立してパルス幅を変えることができる。また電気光学ビーム偏向器２を使用するため応答時間が短く、最短パルス幅を縮小することができる。さらに、パルス波形のオンとオフとの間の高コントラスト比を得ることができる。
【００４１】
［パルス光生成装置］
次に、パルス光生成装置１００について説明する。本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置１００は、上述したパルス光発振器１０と少なくとも１つの増幅器を含んで構成される。パルス光発振器１０については上述の通りであるので、詳細な説明は省略する。
【００４２】
増幅器は、パルス発振器１０から出射されたパルスレーザー光の出力を増幅して、パルス生成装置１００の外部に出力する。増幅器は、要求される出力に応じて少なくとも一つ以上配設される。本実施の形態においては、イッテルビウムドープ偏向保持ファイバーを使用した２段階のシングルモードファイバー増幅器（第１増幅器２０、第２増幅器３０）及びコア直径２５μｍのラージモードエリアファイバー増幅器（第３増幅器４０）を配設しているが、これに限定されるわけではない。
【００４３】
図１に示すように、本実施の形態において、シングルモードファイバー増幅器である第１増幅器２０及び第２増幅器３０は、インラインアイソレーター２１，３１、ゲインファイバー２２，３２、光結合器２３，３３及び励起レーザー光源２４，３４から構成される。
【００４４】
一方、ラージモードエリアファイバー増幅器である第３増幅器４０は、インラインアイソレーター４１、光コンバータ４５、ゲインファイバー４２、光結合器４３及び２つの励起レーザー光源４４から構成される。
【００４５】
パルス光発振器１０から射出され、光ファイバーのエンドキャップ５０に結合したパルスレーザー光は、それぞれの増幅器２０，３０，４０において、インラインアイソレーター２１，３１，４１及びゲインファイバー２２，３２，４２を経由して、光結合器２３，３３，４３において励起レーザー光源２４，３４，４４で生成された励起レーザー光と結合されて増幅される。本実施の形態においては、イッテルビウムドープ偏向保持ファイバーを励起させるために、各増幅器の励起レーザー光源２４，３４，４４として９７６ｎｍ波長レーザーダイオードを使用したが、励起レーザー光源２４,３４，４４はこれに限定されるわけではなく、用いられるゲインファイバー２２，３２，４２に応じて適宜変更され得る。以上が本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の概略構成である。
【００４６】
パルス光生成装置１００において、高電圧（＜８００Ｖ）が電気光学ビーム偏向器２に印加された場合、電気光学ビーム偏向器２に入射された１０６４ｎｍ波長のＣＷレーザー光が偏向された。偏向の振れ角は、最大電圧１ｋＶ印加時において１０６４ｎｍのレーザー光で６ｍｒａｄ／ｋＶであった。
【００４７】
また、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００の平均出力は、増幅器から発射される励起レーザー光の出力に比例する。図４は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置におけるは励起レーザー出力と平均出力の関係を示す図である。図４に示すように、本パルス光生成装置１００の平均出力は、励起レーザー光の出力に比例し、６１Ｗの励起レーザー光発射時に、最大平均出力２１Ｗの出力を得ることができた。スロープ効率は、４４％である。
【００４８】
また、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００で得られるパルス光の持続時間は、高電圧が印加される時間を変更することによって調整することができる。
図５は、本発明の一実施の形態に係るパルス光発生装置の１００ＫＨｚでパルス幅１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓ、４０ｎｓ、５０ｎｓのパルス波形を示す図である。図５に示すように、それぞれの波形はほぼ一致し、約７ナノ秒で立ち上がり、高電圧が印加された時間に応じて減衰している。
【００４９】
以上説明した構成による本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００によって、パルス幅を繰り返し周波数と独立して変えられる高出力のパルス光を得ることができる。また、電気光学ビーム偏向器２は印加される駆動電圧によって最短パルス幅を縮小することができ、パルス波形のオンとオフとの間のコントラスト比が高いパルス光を得ることができる。言い換えれば、本発明の一実施の形態に係るパルス光生成装置１００によって、ＣＷレーザー光から任意の波形で、かつ高コントラストでその出力を切り出すことができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態に係るパルス光発振器１０及びパルス光生成装置１００について、図面を基に説明する。なお、説明に際し、第１の実施の形態と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５１】
本発明の第２の実施の形態に係るパルス光生成器１００Ａは、第１の実施の形態に係るパルス光生成装置１００と同様に、パルス光発振器１０Ａと１段以上の増幅器を含んで構成される。従って、構成上の相違点はパルス光発振器１０Ａの部分であるので、以下に本発明の第２の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａについて説明する。図６は、本発明の他の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａの概略構成図である。
【００５２】
図６に示すように、本パルス光発振器１０Ａは、該発振器１０Ａ内に体積型回折格子４を有する。体積型回折格子４は、電気光学ビーム偏向器２と集光レンズ３との間に設けられる。他の構成要素は、上述した第１の実施の形態に係るパルス光発振器１０と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
体積型回折格子４は、光の回折現象を利用して特定の波長（スペクトル）を得るための装置であり、微細な溝が平行に刻まれている（格子パターンの開口部）板状の素子である。この体積型回折格子４を、電気光学ビーム偏向器２から出射されたレーザー光の光路上で、かつ電気光学ビーム偏向器２と集光レンズ３との間に配設する。この時、電気光学ビーム偏向器２に印加される電圧がオフのときのレーザー光の進行方向に対して、体積型回折格子４の格子パターンの開口部が平行に位置するように体積型回折格子４を位置させる。これによって、印加電圧がオフの場合に電気光学ビーム偏向器２から出射されるレーザー光は、体積型回折格子４を透過して、第１集光レンズ３ａに入射される。本実施の形態においては、体積型回折格子４として、Ｏｐｔｉ＿Ｇｒａｔｅ社の波長透過素子（品番：ＴＢＧ−１０６４−９０）を用いた。本体積型回折格子４のスペックは、回折効率ピーク波長が１０６４ｎｍ、厚みが１．５ｍｍ±０．３ｍｍ、グレーティング周期が８２０ｎｍ±５０ｎｍ、平均相対的回折効率＠１０６４ｎｍ（φ５ｍｍアパーチャ上）が９０％超（＞９５％ベストエフォート）である。但しこれは一例であり、本発明の第２の実施の形態に係る体積型回折格子４はこれに限定されない。
【００５４】
一方、印加電圧がオンの場合に電気光学ビーム偏向器２で偏向されて出射されたレーザー光は、体積型回折格子４の格子パターンの開口部に対して所定の入射角で入射し、入射角度より大きな角度で入射方向下側に回折することで、レーザー光の偏向角が増大される。
【００５５】
従って、本第２の実施の形態に係るパルス光発振機１０Ａを用いることで、偏向の振れ角の大きなレーザー光を得ることができる。体積型回折格子４を適宜選択することで８０°程度までの振れ角を得ることができ、角度の選択性がよいパルス光を得ることができる。
【００５６】
また、体積型回折格子４を用いることで、第１の実施の形態に係るパルス光発振器１０に比して、パルス波形のオンとオフとの間のコントラスト比が更に高いパルス光を得ることができる。
【００５７】
なお、パルス光発振器１０Ａにおいては、支持部材（図示せず）は、ＣＷレーザー光源１、電気光学ビーム偏向器２、体積型回折格子４の格子パターンの開口部及び第１集光レンズ３ａが常に直線状になるように、これらの部材を支持する。また、支持部材は、電気光学ビーム偏向器２で偏向され更に体積型回折格子４で回折されて偏向角が増大したレーザー光が、常に第２集光レンズ３ｂに対して直角に入射されるように、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて第２集光レンズ３ｂと体積型回折格子４との対向角度を調整する。かかる制御は、第１の実施の形態と同様に、制御部（図示せず）が行う。制御部は、電気光学ビーム偏向器２に印加される駆動電圧に応じて体積型回折格子４から出射されるレーザー光の偏向角を記憶し、この情報に基づいて駆動電圧に応じて、支持部材に、第２集光レンズ３ｂと体積型回折格子４との対向角度を適切に調整するように指示する。
【００５８】
以上説明した本発明の第２の実施の形態に係るパルス光発振器１０Ａと増幅器とを含んで、本発明の第２の実施の形態に係るパルス光生成装置１００Ａを構成することができる。これによって、角度の選択性がよく、パルス幅を繰り返し周波周と独立して変えられ、かつ高コントラス比のパルス光を得ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１：ＣＷレーザー光源
２：電気光学ビーム偏向器
３、３ａ,３ｂ：集光レンズ
４：体積型回折格子
５：制御部
６：集光レンズ可動機構
１０、１０Ａ：パルス光発振器
２１、３１、４１：インラインアイソレーター
２２、３２、４２：ゲインファイバー
２３、３３、４３：光結合器
２４、３４、４４：励起レーザー光源
２０：第１段増幅器
３０：第２段増幅器
４０：第３段増幅器
４５：光コンバータ
５０：エンドキャップ
１００、１００Ａ：パルス光生成装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、
前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、
を備えることを特徴とするパルス光発振器。
【請求項２】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて前記変更されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス光発振器。
【請求項３】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルス光発振器。
【請求項４】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光または前記体積型回折格子から出射されたレーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズを備えることを特徴とする請求項３に記載のパルス光発振器。
【請求項５】
さらに、前記集光レンズの位置を移動自在にする集光レンズ可動機構と、
前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ可動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載のパルス光発振器。
【請求項６】
レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、
前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、
前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記偏向されたレーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズと、
前記光ファイバーを介して伝播されたレーザー光を増幅して外部に出射する少なくとも１段の増幅器と、
を備えることを特徴とするパルス光生成装置。
【請求項７】
前記電気光学ビーム偏向器と前記集光レンズとの間に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて、前記偏向されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のパルス光生成装置。
【請求項８】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパルス光生成装置。
【請求項９】
さらに、前記集光レンズの位置を移動自在にする集光レンズ可動機構と、
前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ可動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項８に記載のパルス光生成装置。
【請求項１】
レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、
前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、
を備えることを特徴とするパルス光発振器。
【請求項２】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて前記変更されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス光発振器。
【請求項３】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルス光発振器。
【請求項４】
さらに、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光または前記体積型回折格子から出射されたレーザー光の光路上に配置され、前記レーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズを備えることを特徴とする請求項３に記載のパルス光発振器。
【請求項５】
さらに、前記集光レンズの位置を移動自在にする集光レンズ可動機構と、
前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ可動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載のパルス光発振器。
【請求項６】
レーザー光を連続出射する連続発振レーザー光源と、
前記連続発振レーザー光源から出射されたレーザー光の光路上に配置され、印加される駆動電圧に基づいて入射されたレーザー光の伝播方向を電気光学効果により偏向する電気光学ビーム偏向器と、
前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の光路上に配置され、前記偏向されたレーザー光を集光して光ファイバーの端部に結合する少なくとも一つの集光レンズと、
前記光ファイバーを介して伝播されたレーザー光を増幅して外部に出射する少なくとも１段の増幅器と、
を備えることを特徴とするパルス光生成装置。
【請求項７】
前記電気光学ビーム偏向器と前記集光レンズとの間に配置され、前記電気光学ビーム偏向器で偏向されたレーザー光の入射を受けて、前記偏向されたレーザー光の偏向角度を増大して出射する体積型回折格子をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のパルス光生成装置。
【請求項８】
前記電気光学ビーム偏向器は、前記印加される駆動電圧の大きさに応じて前記電気光学効果により偏向する角度が変更されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパルス光生成装置。
【請求項９】
さらに、前記集光レンズの位置を移動自在にする集光レンズ可動機構と、
前記集光レンズ可動機構及び駆動電圧供給装置に接続され、前記駆動電圧供給装置から供給される駆動電圧に応じて、前記集光レンズが前記電気光学ビーム偏向器または前記体積型回折格子から出射された偏向されたレーザー光の光路に対して垂直に位置するように、前記集光レンズ可動機構に対して前記集光レンズの位置を調整するように指示する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項８に記載のパルス光生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１７７６８（Ｐ２０１１−１７７６８Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６０６９０（Ｐ２００９−１６０６９０）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【出願人】（０００１４７３５０）株式会社精工技研 (154)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【出願人】（０００１４７３５０）株式会社精工技研 (154)
【Ｆターム（参考）】
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