CN103080819A - 激光装置 - Google Patents

Abstract

一种激光装置，其具备：多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡；合波机构，将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行放大，或者不放大而在规定位置上将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式（以同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式）控制各个激光的相位。

Description

激光装置

技术领域

本发明涉及一种生成脉冲激光的激光装置。

背景技术

作为上述技术领域的激光装置，已知的有例如专利文献1所记载的锁模激光装置。专利文献1所记载的锁模激光装置，通过利用在彼此不同的中心频率即中心波长的光谱区域具有增益的多个放大器（光纤放大器等）来将以谐振器纵模间隔的整数倍的频率进行调制的激光放大，从而一次生成多个波长区域的脉冲激光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-90050号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，脉冲激光与每单位时间的能量即平均功率同等的连续光相比峰值光强度大。因此，在放大脉冲激光的情况下，出于防止放大器损伤的目的，有必要使其脉冲宽度增大并使峰值光强度降低，或者限制放大系数。因此，对于放大脉冲激光的激光装置而言，要生成高输出的脉冲光是困难的。

本发明是有鉴于这些具体情况而作出的，其目的是在于提供一种可以容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光的激光装置、以及可以生成高输出的脉冲激光的激光装置。

解决技术问题的手段

本发明的一个侧面涉及一种激光装置。该激光装置，其特征在于，具备：多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡；合波机构，在规定的位置上将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定的位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光的相位。

在该激光装置中，在规定的位置上将彼此频率不同的多个激光进行合波并生成合波光时，以在其规定的位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光的相位。由此，在规定的位置上生成脉冲激光。如此，在该激光装置中，将多个激光的各个进行合波并生成脉冲激光。因此，通过增加振荡机构的数目（即彼此不同频率的激光的数目），能够容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。

另外，振荡机构能够分别对频率以大致一定的频率差彼此不同的各个所述激光进行振荡。在这种情况下，从振荡机构开始振荡的激光间的频率差是大致一定的，因而容易以合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光的相位。因此，能够更容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。

另外，振荡机构可以是半导体激光。在这种情况下，能够谋求激光装置的小型轻量化和低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械性的稳定性。再有，能够降低激光装置的制造成本。

再有，在各个振荡机构连接有各个激光进行传播的光纤，相位控制机构控制各个光纤的温度，由此能够控制各个激光的相位。在这种情况下，通过控制光纤的温度，能够容易地控制各个激光的相位。

这里，本发明的另一侧面涉及一种激光装置。该激光装置，其特征在于，具备：振荡机构，对由彼此频率不同的多个连续激光构成的激光脉冲列进行振荡；分波机构，将从振荡机构开始振荡的激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个连续激光；放大机构，对由分波机构进行分波的各个连续激光进行放大；合波机构，在规定位置上将由放大机构进行放大的各个连续激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个连续激光的相位。

在该激光装置中，在放大机构中分别放大多个连续激光。因此，与放大脉冲激光的情况相比，能够更高地设定放大系数。另外，当在规定位置将通过那样做而被放大的各个连续激光进行合波并生成合波光时，以在该规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个连续激光的相位。由此，在规定位置上，由被放大的多个连续激光生成脉冲激光。因此，根据该激光装置，可以生成高输出的脉冲激光。

这里，振荡机构能够对由频率以大致一定的频率差彼此不同的连续激光构成的激光脉冲列进行振荡。在这种情况下，通过控制彼此不同频率的各个连续激光的相位，容易实现合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现。因此，能够容易地生成高输出脉冲激光。

另外，可以进一步具备调节构成从振荡机构开始振荡的激光脉冲列的连续激光间的频率差的频率差调节机构。在这种情况下，通过调节连续激光间的频率差，能够调节所生成的脉冲激光的脉冲重复率。

另外，振荡机构可以是锁模振荡器或者高速电流调制的半导体激光。在这种情况下，能够谋求激光装置的小型轻量化以及低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械稳定性。此外，能够降低激光装置的制造成本。

此外，放大机构是包含传播由分波机构分波的各个连续激光并且将其放大的多根光纤的纤维阵列或者板条（slab）型固体激光放大器，相位控制机构计测合波光的光谱相位，并且能够基于该计测结果控制各个连续激光的相位。在这种情况下，例如通过在分波机构的前段设置光谱相位调制器，能够容易地控制彼此不同频率的各个连续激光的相位。

发明效果

根据本发明，能够提供一种可以容易地生成短脉冲且高输出的脉冲光的激光装置、以及可以生成高输出的脉冲激光的激光装置。

附图说明

图1是用于说明光学频率梳的图表。

图2是本发明的第1实施方式所涉及的激光装置的结构图。

图3是图2所示的相位控制装置的结构图。

图4是表示图3所示的相位控制部的加热器的部分放大图。

图5是表示图2所示的合波光的输出时间波形的图表。

图6是图2所示的激光装置的变形例的结构图。

图7是用于说明光学频率梳的图表。

图8是本发明的第2实施方式所涉及的激光装置的结构图。

图9是图8所示的激光装置的部分放大图。

图10是表示图8所示的信道放大器的结构的部分截面图。

图11是用于说明频率调制器动作的图。

图12是本发明的第3实施方式所涉及的激光装置的结构图。

图13是表示图12所示的板条型固体激光放大器的结构的立体图。

图14是图12所示的激光装置的变形例的结构图。

图15是表示脉冲输出波形的调整情况的图表。

符号说明：

1…激光装置、10…激光光源（振荡机构）、11…光纤、12…透镜（合波机构）、13…衍射光栅（合波机构）、20…相位控制装置（相位控制机构）、L₁…激光、L₂…合波光、1A,1AA…激光装置、10A…激光光源（振荡机构）、12A…衍射光栅（分波机构）、14A…信道放大器（放大机构）、14aA…光纤、15A…透镜（合波机构）、16A…衍射光栅（分波机构）、18A…频率调制器（频率差调整机构）、20A…相位控制装置（相位控制机构）、44A…板条型固体激光放大器（放大机构）、LA_o…种子光（激光脉冲列）、LA₁,LA₂…激光（连续激光）、LA₃…合波光。

具体实施方式

以下参照附图并就本发明的实施方式进行详细说明。再有，在各图中对相同或者相当部分赋予相同的符号，省略重复的说明。

[第1实施方式]

本实施方式所涉及的激光装置是生成与从实现光学频率梳的锁模激光开始振荡的激光等价的脉冲激光的激光装置。因此，就光学频率梳以及锁模振荡进行说明。

例如在法布里-珀罗谐振器（Fabry-Perot resonator）内，存在有多个纵模激光。各纵模激光的频率在以谐振器长为L时，如图1所示，以Δν=c/2L的间隔排列在频率轴上（c为光速）。将像这样各激光的频率等间隔排列的状态称为光学频率梳。在具备这样的谐振器的激光光源中，若不对各激光进行相位调制，则激光彼此的相位关系是随机的，因而它们的合波光即激光光源的输出光的输出时间波形也成为随机的。另一方面，在这样的激光光源中，通过使用过饱和吸收元件或者光调制器，以各激光彼此的相位一致的方式进行各激光的相位调制，从而输出光的输出时间波形成为重复周期T（T=1/Δν）的脉冲状，得到锁模振荡。

如图2所示，本实施方式所涉及的激光装置1具备：多个（这里是3个）激光光源（振荡机构）10，分别对是连续光且如上述的光学频率梳那样频率以一定的频率差彼此不同的多个激光L₁。各个激光光源10例如能够制作成振荡波长相互仅差0.1nm的分布反馈型半导体激光（DFB半导体激光）。再有，在本实施方式中，连续光是指其输出相对于时间为大致一定那样的激光，脉冲光是指其输出的峰值在规定的时间间隔重复出现那样的激光。

激光装置1还具备：连接于各个激光光源10且传播从激光光源10开始振荡的各个激光L₁的光纤11、配置在从光纤11出射的激光L₁的光路上的透镜（合波机构）12、以及通过透镜12的各个激光L₁进行入射的衍射光栅（合波机构）13。

透镜12配置在与光纤11的出射端相距仅其焦点距离的位置。衍射光栅13配置在与透镜12相距仅透镜12的焦点距离的位置。因此，从光纤11出射的各个激光L₁通过透镜12而成为平行束，并被聚光于衍射光栅13的聚光位置P₁。衍射光栅13在其聚光位置P₁上将激光L₁进行合波而生成合波光L₂。

这里，激光装置1还具备相位控制装置（相位控制机构）20。相位控制装置20以在衍射光栅13的聚光位置P₁上合波光L₂的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式（以同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式）控制各个激光L₁的相位。就该相位的控制作具体地说明。

如图3所示，相位控制装置20具有相位差检测部21、信号控制部22、以及相位控制部23。相位差检测部21利用光学外差干涉法来检测从激光光源10出射的激光L₁当中的分别具有在频率轴上互相邻接的频率的激光（以下仅称为“相邻接的激光”）L₁彼此的相位差，并将表示检测结果的信息传送至信号控制部22。

更具体而言，在相位差检测部21中，利用光耦合器21a分别对激光L₁当中的互相邻接的激光L₁₁和激光L₁₂分支后，利用光耦合器21b将被分支的激光彼此耦合。接着，通过例如光电二极管等光检测器21c将在光耦合器21b被耦合的激光L_c2转换成电信号V₂。激光L₁₁使用角频率ω₁以及相位φ₁，被表示为：

[数1]

E₁(t)＝A₁exp[iω₁t+iφ₁]

激光L₁₂使用角频率ω₂以及相位φ₂，被表示为：

[数2]

E₂(t)＝A₂exp[iω₂t+iφ_２］

这里，若令激光L₁₁与激光L₁₂的角频率差Δω为ω₁-ω₂，相位差Δθ₁₂为φ₁-φ₂，则上述E₂（t）可以表示为：

[数3]

E₂(t)＝A₂exp[i(ω₁+Δω)t+i{φ₁+Δθ₁₂}]

因此，由光检测器21c生成的电信号V₂（t）如

[数4]

V₂(t)＝K[|A₁|²+|A₂|²+2|A₁||A₂|cos[Δωt+Δθ₁₂]]

那样，成为具有角频率差Δω和相位差Δθ₁₂的差拍信号。然后，通过由相位计21d取得电信号V₂（t）与具有角频率Δω的时钟信号S的异或，能够求出激光L₁₁与激光L₁₂的相位差Δθ₁₂。同样地，激光L_1N被表示为：

[数5]

E_N(t)＝A_Nexp[iω_Nt+iφ_N]

因而，由相邻接的激光L_1（N-1）和L_1N生成的电信号V_N（t）成为

[数6]

V_N(t)＝K[|A_N-1|²+|A_N|²+2|A_N-1||A_N|cos[Δωt+Δθ_(N-1)N]]

这里，N是表示第N个激光L_1N。因此，通过电信号V_N（t）与时钟信号S的异或，能够求出激光L_1（N-1）与激光L_1N的相位差Δθ_（N-1）N。像这样对全部激光L₁进行上述处理，由此能够求出所有相邻接的激光L₁彼此的相位差。

信号控制部22基于表示通过上述那样做而求得的相邻接的激光L₁彼此的相位差的信息，求出各个激光L₁的相位相同那样的各激光L₁的相位控制量，并将表示所求得的控制量的信息传送至各个相位控制部23。相位控制部23各自基于表示从信号控制部22传送的控制量的信息，控制各个激光L₁的相位。

相位控制部23设置在各个光纤11。相位控制部23例如如图4（a）所示，具有内含有加热器H的线圈管BB。在这种情况下，各个光纤11被卷绕在该线圈管BB。或者，相位控制部23例如如图4（b）所示，具有设置有加热器H的板构件PL。在这种情况下，各个光纤11配置在该板构件PL与加热器H之间。各相位控制部23基于表示从信号控制部22传送的控制量的信息，控制各加热器H的发热量，调节各光纤11的温度，从而调节在各光纤11传播的激光L₁的光路长度。

实际上，在例如光纤11是石英纤维的情况下，由于其光路长度的温度系数为28.8μm/（mK）（参照（Opt.Laser Technol.37,29-32(2004)）），因此，若将规定的激光L₁的中心波长设为1.064μm，则温度系数为27λ/（mK）。因此，通过适当地选择调节光纤11温度的部分的长度、以及温度调节量，可以进行λ/100左右的光路长度的调节。

像这样通过相位控制装置20控制激光L₁的相位，从而由衍射光栅13生成的合波光L₂如图5所示，成为与进行锁模振荡的光学频率梳的激光等价的脉冲激光。再有，由衍射光栅13生成的合波光L₂被透镜14聚光于规定的位置。

在像以上那样构成的激光装置1中，首先，是连续光的激光L₁从各个激光光源10开始振荡。从激光光源10开始振荡的各个激光L₁在各个光纤11传播。在各个光纤11传播的各个激光L₁通过相位控制装置20而在合波位置P₁上彼此相位相同。相位相同的各个激光L₁从光纤11出射之后，通过透镜12而被聚光于衍射光栅13上。然后，被聚光于衍射光栅13上的各个激光L₁在衍射光栅13彼此被合波，在作为是脉冲激光的合波光L₂通过透镜14之后从激光装置1输出。此时，可以调整透镜12的焦点距离、衍射光栅13的沟槽密度、以及向衍射光栅13的入射角，以使合波光L₂成为平行束。

如以上所说明的那样，本实施方式所涉及的激光装置1，在将各个激光L₁进行合波而生成合波光L₂时，以在衍射光栅13的聚光位置P₁上合波光L₂的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光L₁的相位。由此，在聚光位置P₁上生成脉冲激光。如此，在该激光装置1中，将多个激光L₁合波而生成脉冲激光。因此，通过增加激光光源10的数目（即彼此不同频率的激光L₁的数目），能够容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。

另外，在激光装置1中，将是连续光的各个激光L₁的进行合波而变换成激光脉冲列。因此，不会产生放大脉冲激光时的非线性光学效应（例如，自相位调制、束流分裂（Beam Break up）等）或者窄带域化（脉冲宽度的增大）。因此，根据激光装置1，与放大脉冲激光的激光装置相比，在高光束品质的同时能够生成高重复且短脉冲的脉冲激光。

另外，在激光装置1中，由于从激光光源10开始振荡的激光L₁间的频率差是一定的，因此，容易以合波光L₂的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光L₁的相位。因此，能够更容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。

另外，在激光装置1中，由于各个激光光源10是半导体激光，因此能够谋求激光装置的小型轻量化和低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械稳定性。此外，能够降低激光装置的制造成本。

此外，在激光装置1中，由于相位控制装置20通过控制各个光纤11的温度来控制各个激光L₁的相位，因此能够容易地控制各个激光L₁的相位。

再有，激光装置1成为通过衍射光栅13将各个激光L₁进行合波而生成合波光L₂的结构，但在不需要传送合波光L₂的情况下，也可以成为例如如图6所示那样不使用衍射光栅13而在透镜12的焦点位置P₂上将激光L₁合波而生成合波光L₂的结构。

另外，在激光装置1中，激光光源10可以是一维排列有DFB半导体激光的DFB半导体激光阵列，也可以是使用了光纤布拉格光栅的光纤激光阵列。特别在将激光光源10设为DFB半导体激光阵列的情况下，通过层叠该DFB半导体激光阵列并将激光L₁的振荡源二维排列，能够容易地增加激光L₁的数目，因而能够谋求激光装置1的小型化。

另外，激光装置1也可以具备将从各个激光光源10开始振荡的各个激光L₁放大的放大器。即，在激光装置1中，也可以将各个光纤11置换成一边传播各个激光L₁一边将其放大的光纤放大器。在这种情况下，相位控制装置20通过控制光纤放大器中的各个光纤的温度，从而控制各个激光L₁的相位。

[第2实施方式]

本实施方式所涉及的激光装置将实现光学频率梳的锁模激光作为激光光源来使用。因此，就光学频率梳以及锁模振荡进行说明。

例如在法布里-珀罗谐振器内存在有多个纵模激光。各纵模激光的频率在以谐振器长度为L时，如图7所示以Δν=c/2L的间隔排列在频率轴上（c为光速）。如此，将各激光的频率等间隔排列的状态称为光学频率梳。在具备这样的谐振器的激光光源中，若不对各激光进行相位调制，则激光彼此的相位关系是随机的，因而它们的合波光即激光光源的输出光的输出时间波形也会成为随机的。另一方面，在这样的激光光源中，使用过饱和吸收元件、电-光调制器或音响光学调制器等，以各激光彼此的相位一致的方式进行各激光的相位调制，由此成为重复周期T（T=1/Δν）的脉冲状，得到锁模振荡。这样的振荡机构也可以是如高频电流调制的半导体激光那样短脉冲在规定的时间间隔重复出现那样的光源。

如图8所示，本实施方式所涉及的激光装置1A具备如上述那样的实现光学频率梳的锁模激光、或者高重复电流调制的半导体激光等激光光源（振荡机构）10A。激光光源10A的输出光即种子光LA_o是脉冲光（激光脉冲列），由以一定的频率差彼此频率不同而彼此相位相同的多个连续激光构成。即，激光光源10A将是连续光且以一定的频率差彼此频率不同的多个激光进行合波，并作为脉冲激光即种子光LA_o来进行振荡。再有，这里的连续光（连续激光）是指其输出相对于时间为大致一定的那样的激光，脉冲激光是指其输出峰值在规定的时间间隔重复出现的那样的激光。

激光装置1A还具备依次配置在从激光光源10A开始振荡的种子光LA_o的光路上的光隔离器11A以及衍射光栅（分波机构）12A。光隔离器11A防止向激光光源10A的返回光。衍射光栅12A将种子光LA_o每个频率分波成多个（这里是3个）激光LA₁（即，将从激光光源10A开始振荡的激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个连续激光LA₁）。换言之，衍射光栅12A使种子光LA_o的光学频率梳角度色散。再换言之，衍射光栅12A将包含于种子光LA_o的多个激光每个频率进行空间排列。此时，各个激光LA₁依频率顺序进行空间排列。

激光装置1A还具备配置在由衍射光栅12A分波后的激光LA₁的光路上的透镜13A。透镜13A的焦点距离为f₁，其配置在与衍射光栅12A上的种子光LA_o的入射位置P_o相距仅距离f₁的位置。因此，由衍射光栅12A分波后的各个激光LA₁通过透镜13A保持规定的间隔Δx彼此平行地行进，在与透镜13A相距距离f₁的位置上被聚光。

相邻接的激光LA₁彼此的间隔Δx例如可以如以下那样求得。即，如图9所示，若令波长λ的规定激光LA₁的衍射光栅12A上的衍射角为β，m为衍射次数（通常使用1次的衍射（m=1）），N为衍射光栅12A每1mm的沟槽条数、d为衍射光栅12A的沟槽间隔（1/N），则衍射光栅12A的角色散dβ/dλ被表示为：

[数7]

$\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{\mathrm{mN}}{\cos \mathrm{\β}}=\frac{m}{d\cos \mathrm{\β}}$

另外，倒数线色散dλ/dx被表示为：

[数8]

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dx}}=\frac{d\cos \mathrm{\β}}{m\·f_1}$

因此，若令相邻接的激光LA₁彼此的波长间隔为Δλ，则能够将相邻接的激光LA₁彼此的间隔Δx求出为：

[数9]

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}\mathrm{\Δ\λ}=\frac{m\·f_1}{d\cos \mathrm{\β}}\mathrm{\Δ\λ}$

具体而言，在将透镜13A的焦点距离f₁设为1m；沟槽条数N设为1200g/mm；种子光LA_o相对于衍射光栅12A的入射角α设为20度时，若将中心波长设为1060nm，则衍射角为68.43度。此时，波长间隔Δλ为0.375pm、37.5pm、以及0.375nm的各个情况下的间隔Δx为1.22μm、122μm以及1.22mm。

如图8所示，激光装置1A还具备配置在通过透镜13A的激光LA₁光路上的信道放大器（放大机构）14A。信道放大器14A让通过透镜13A的各个激光LA₁入射，将入射后的各个激光LA₁放大并作为激光LA₂出射。如图10所示，信道放大器14A是添加有活性介质（例如Nd、Yb、Er、Bi、Pr等）的多根光纤14aA以阵列状排列多个而构成的光纤阵列。因此，信道放大器14A一边传播各个激光LA₁一边将其放大。在这样的信道放大器14A中，通过适当选择活性介质的种类与激光光源10A上的振荡波长的组合，具有所期望的中心波长的激光放大变成可能。

信道放大器14A以其光入射端14bA成为与透镜13A相距仅距离f₁的位置的方式进行配置。因此，由衍射光栅12A分波后的各个激光LA₁通过透镜13A，在信道放大器14A的光入射端面14bA被聚光。由于相邻接的激光LA₁彼此的间隔Δx如上述那样求得，因此，通过将构成信道放大器14A的光纤14aA的相邻接的中心彼此的间隔设为Δx，能够使一个频率的激光LA₁传播到一个光纤14aA。

如图8所示，激光装置1A还具备依次配置在从信道放大器14A出射的激光LA₂的光路上的透镜（合波机构）15A以及衍射光栅（合波机构）16A。透镜15A的焦点距离为f₂，其配置在与信道放大器14A的光出射端面14cA相距仅距离f₂的位置。另外，衍射光栅16A配置在与透镜15A相距仅距离f₂的位置。因此，从信道放大器14A出射的各个激光LA₂通过透镜15A而被聚光于衍射光栅16A的聚光位置P₁。其结果，从信道放大器14A出射的激光LA₂在衍射光栅16A的聚光位置P₁上被合波，生成作为激光装置1A的输出光的合波光LA₃。此时，通过将透镜15A的焦点距离f₂和衍射光栅16A的沟槽密度设为与透镜13A的焦点距离f₁和衍射光栅12A的沟槽密度不同的值，能够将是平行光束的合波光LA₃的光束粗细做到所期望的值。

这里，激光装置1A可以进一步具备相位控制装置（相位控制机构）20A。相位控制装置20A在衍射光栅16A的聚光位置P₁上，以合波光LA₃的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式（同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式）控制激光LA₁的各个相位。就该相位的控制进行具体说明。

相位控制装置20A具有光谱相位测量器（FROG等，J.Paye et al.,Opt.Lett.18,1946-1948(1993)）21A、以及光谱相位调制器（例如由衍射光栅和液晶空间调制器构成的4f光学系统、或者声光可编程色散滤波器，P.Tournois et al.,Opt.Commun.140,245-249(1997)）22A。另外，在激光装置1A中，设置有用于将合波光LA₃的一部分分支的半反射镜（half mirror）23A、用于将由半反射镜23A分支的合波光LA₃导引至光谱相位测量器21A的反射镜24A。

在这样的相位控制装置20A中，按以下的方式控制各个激光LA₁的相位。即，在相位控制装置20A中，合波光LA₃的一部分藉由半反射镜23A和反射镜24A而输入到光谱相位测量器21A。光谱相位测量器21A计测所输入的合波光LA₃的光谱相位（从位置P_o到位置P₁之间发生变化的相位）。更具体而言，光谱相位测量器21A计测包含于所输入的合波光LA₃的各个激光LA₂的相位。然后，光谱相位测量器21A将表示其计测结果的信息传送（反馈）至光谱相位调制器22A。光谱相位调制器22A基于表示来自于光谱相位测量器21A的计测结果的信息，以合波光LA₃的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式（以同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式）控制包含于种子光LA_o中的各个激光LA₁的相位。总之，相位控制装置20A计测合波光LA₃的光谱相位，并且基于该计测结果控制各个激光LA₁的相位（进而控制各个激光LA₂的相位）。

像这样通过相位控制装置20A控制构成种子光LA_o的频率不同的多个激光的相位（将从位置P_o到位置P₁之间所附加的相位变化每个频率进行修正），从而由衍射光栅16A生成的合波光LA₃与进行锁模振荡的光学频率梳的激光等价，成为峰值强度增加的脉冲激光。

在像以上那样构成的激光装置1A中，首先，种子光LA_o从激光光源10A开始振荡。从激光光源10A开始振荡的种子光LA_o通过光谱相位调制器22A和光隔离器11A而到达衍射光栅12A。到达衍射光栅12A的种子光LA_o被衍射光栅12A每个频率分波成多个激光LA₁。由衍射光栅12A分波后的各个激光LA₁的相位被光谱相位调制器22A控制成，后来生成的合波光LA₃成为脉冲激光。由衍射光栅12A分波的各个激光LA₁通过透镜13A而彼此平行地行进，并入射于信道放大器14A。入射于信道放大器14A的各个激光LA₁在信道放大器14A被放大并作为激光LA₂出射。

从信道放大器14A出射的各个激光LA₂通过透镜15A而被聚光于衍射光栅16A上。然后，被聚光于衍射光栅16A上的各个激光LA₂通过衍射光栅16A而彼此被合波，作为脉冲激光的合波光LA₃从激光装置1A输出。此时输出的合波光L₃的一部分被输入到光谱相位测量器21A，供光谱相位的计测。

如以上说明的那样，在本实施方式所涉及的激光装置1A中，在信道放大器14A中分别放大是连续光的多个激光LA₁。因此，与放大脉冲激光的情况相比，能够更高地设定放大系数。另外，在利用衍射光栅16A将被放大的各个激光LA₂进行合波而生成合波光LA₃时，以在聚光位置P₁上合波光LA₃的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光LA₁的相位。由此，在聚光位置P₁上，由被放大的多个激光LA₂生成脉冲激光。因此，根据该激光装置，能够生成高输出的脉冲激光。

另外，在激光装置1A中，由衍射光栅12A将是激光脉冲列的种子光LA_o分波成连续光的激光LA₁，在由信道放大器14A对各个激光LA₁实施连续光放大之后，被衍射光栅16A再次变换成激光脉冲列。如此，由于激光装置1A在信道放大器14A中进行连续光放大，因此不会产生将脉冲激光放大时的非线性光学效应（例如，自相位调制或束流分裂等）或者窄带域化（脉冲宽度的增大）。因此，根据激光装置1A，与放大脉冲激光的激光装置相比，在高光束品质的同时能够生成高重复且短脉冲的脉冲激光。

另外，在激光装置1A中，由于包含于种子光LA_o的激光间的频率差是一定的，因此，容易以合波光LA₃的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光LA₁的相位。

再有，如图8、11所示，激光装置1A可以在种子光LA_o的光路上的光隔离器11A的前段，进一步具备频率调制器（频率差调节机构）18A。频率调制器18A对包含于种子光LA_o中的激光间的频率差进行调整。由此，可以将包含于种子光LA_o中的激光间的频率间隔（光学频率梳的间隔）例如像100MHz到10GHz这样设为整数倍，也可以像100MHz到100kHz这样设为整数分之一。由此，能够任意地调整由衍射光栅12A分波而空间排列的激光LA₁彼此的间隔Δx。另外，根据应用要求，能够将合波光LA₃的脉冲重复率设为可变。再有，频率调制器18A可以由反射镜偶（Mirror Pair）构成，也可以是LN（铌酸锂）调制器。此外，对于提高合波光LA₃的重复，也可以使用同时能够调制振幅、相位的相位调制器作为光谱相位调制器22A。

[第3实施方式]

本实施方式所涉及的激光装置在以下方面与第2实施方式所涉及的激光装置1A不同。即，如图12所示，本实施方式所涉及的激光装置1AA，替换了信道型放大器14A而具备板条（slab）型固体激光放大器44A。在激光装置1AA中，使透镜13A的焦点位置与透镜15A的焦点位置相一致，并将板条型固体激光放大器44A配置在该一致点上。

如图13所示，板条型固体激光放大器44A具有用由无添加的陶瓷材料或比放大介质更低折射率和更高热传导率的材料（例如蓝宝石等）构成的一对层44bA来夹持由添加有活性介质（例如Nd、Yb、Er、Bi、Pr等）的放大介质（例如陶瓷材料等）构成的层44aA的构造。彼此不同频率的各个激光LA₁保持着图4所说明的Δx间隔入射于这样的板条型固体激光放大器44A。然后，板条型固体激光放大器44A将入射的各个激光LA₁作为连续光进行放大，并射出放大后的各个激光LA₂。总之，板条型固体激光放大器44A一边传播由衍射光栅12A分波的各个激光LA₁一边将其放大。再有，板条型固体激光放大器44A也可以用由放大介质构成的层44aA单体来构成。

在具备像这样的板条型固体激光放大器44A的激光装置1AA中，也与第2实施方式所涉及的激光装置1A同样地，被板条型固体激光放大器44A放大并出射的各个激光LA₂在通过透镜15A之后被聚光于衍射光栅16A并被合波。因此，在该激光装置1AA中，也与激光装置1A同样地，能够生成高输出的脉冲激光。另外，本实施方式所涉及的激光装置1AA使用板条型固体激光放大器44A作为激光LA₁的放大机构，因而即使是在使用1kHz～几百kHz这种比较低的重复频率的种子光LA_o的情况下也能够很好地利用。

再有，激光装置1AA成为由衍射光栅16A对各个激光LA₂进行合波并生成合波光LA₃的结构，但在不需要传送合波光LA₃的情况下，也可以成为例如如图14所示那样不使用衍射光栅16A而将各个激光LA₂直接聚光于加工对象物OA上，并在该位置生成合波光LA₃的结构。在这种情况下，将凸透镜或凹透镜的多透镜阵列17A配置在激光LA₂的光路上的透镜15A的光入射面侧，并调整该多透镜阵列17A的焦点距离，由此能够调整在加工对象物OA上的聚光点的大小。

另外，在这种情况下，将半反射镜23A配置在透镜15A的后段，能够使各个激光LA₂的一部分分支并入射于光谱相位测量器21A。因此，在这种情况下的相位控制装置20A中，在计测各个激光LA₂的相位同时，基于该计测结果控制各个激光LA₁的相位。

此外，作为激光LA₁的放大器使用信道型放大器14A还是使用板条型固体激光放大器44A或者使用哪样的活性介质等，可以根据所期望的激光中心波长、输出功率等来选择最合适的放大器。

在以上说明的第2和第3实施方式所涉及的激光装置1A、1AA中，可以将彼此频率不同的激光LA₁的放大光即各个激光LA₂的相位控制成彼此相同，也可以控制成彼此不同的值。由于脉冲时间波形与光谱相位分布存在复数傅立叶变换的关系，因此，通过使用相位控制装置20A（即，使用光谱相位调制器22A）来调整彼此频率不同的激光LA₁的放大光即各个激光LA₂的相位，从而如图15所示，能够在合波光LA₃中得到任意的脉冲输出波形。总之，在激光装置1A、1AA中，通过控制彼此不同频率的激光LA₁（激光LA₂）的相位，能够将所生成的激光脉冲的时间波形控制成各种各样的。

另外，在第2和第3实施方式所涉及的激光装置1A、1AA中，在合波光LA₃的峰值强度超过衍射光栅16A的损伤阈值那样的情况下，通过将透镜15A的焦点距离f₂与透镜13A的焦点距离f₁相比延长数倍，能够降低在衍射光栅16A上的合波光LA₃的峰值强度。

此外，在第2和第3实施方式所涉及的激光装置1A、1AA中，可以使用锁模振荡器或者高速电流调制的半导体激光作为激光光源10A。在这种情况下，能够谋求激光装置的小型轻量化和低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械稳定性。此外，能够降低激光装置的制造成本。

本实施方式所涉及的激光装置可以具备：振荡机构，将是连续光且彼此频率不同的多个激光进行合波并振荡；分波机构，对从前述振荡机构开始振荡的前述激光每个频率进行分波；放大机构，将由前述分波机构分波的各个前述激光进行放大；合波机构，在规定的位置上将由前述放大机构进行放大的各个前述激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在前述规定的位置上前述合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个前述激光的相位。在这种情况下，前述振荡机构能够成为将频率以大致一定的频率差彼此不同的前述激光进行合波并振荡的机构。另外，可以进一步具备调节从前述振荡机构开始振荡的前述激光间的频率差的频率差调节机构。另外，前述振荡机构可以是半导体激光。另外，前述放大机构是包含一边传播由前述分波机构分波的各个前述激光一边将其放大的多根光纤的纤维阵列，前述相位控制机构通过控制各个前述光纤的温度，能够控制各个前述激光的相位。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够提供一种可以容易生成短脉冲且高输出的脉冲激光的激光装置、以及可以生成高输出的脉冲激光的激光装置。

Claims (9)

1.一种激光装置，其特征在于：

具备：

多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡；

合波机构，在规定位置上将从各个所述振荡机构开始振荡的各个所述激光进行合波并生成合波光；以及

相位控制机构，以在所述规定位置上所述合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个所述激光的相位。

2.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于：

各个所述振荡机构对频率以大致一定的频率差彼此不同的各个所述激光进行振荡。

3.如权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：

所述振荡机构是半导体激光。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的激光装置，其特征在于：

在各个所述振荡机构，连接有各个所述激光进行传播的光纤，

所述相位控制机构通过控制各个所述光纤的温度来控制各个所述激光的相位。

5.一种激光装置，其特征在于：

具备：

振荡机构，对由彼此频率不同的多个连续激光构成的激光脉冲列进行振荡；

分波机构，将从所述振荡机构开始振荡的所述激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个所述连续激光；

放大机构，对由所述分波机构进行分波的各个所述连续激光进行放大；

合波机构，在规定位置上将由所述放大机构进行放大的各个所述连续激光进行合波并生成合波光；以及

相位控制机构，以在所述规定位置上所述合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个所述连续激光的相位。

6.如权利要求5所述的激光装置，其特征在于：

所述振荡机构对由频率以大致一定的频率差彼此不同的所述连续激光构成的所述激光脉冲列进行振荡。

7.如权利要求6所述的激光装置，其特征在于：

还具备：频率差调节机构，调节构成从所述振荡机构开始振荡的所述激光脉冲列的所述连续激光间的频率差。

8.如权利要求5～7中的任一项所述的激光装置，其特征在于：

所述振荡机构是锁模振荡器或高速电流调制的半导体激光。

9.如权利要求5～8中的任一项所述的激光装置，其特征在于：

所述放大机构是纤维阵列或板条型固体激光放大器，所述纤维阵列包含传播由所述分波机构进行分波的各个所述连续激光并且将其放大的多根光纤，

所述相位控制机构计测所述合波光的光谱相位，并且基于该计测结果来控制各个所述连续激光的相位。

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