JP2005128229A

JP2005128229A - 光パルスレーザー装置

Info

Publication number: JP2005128229A
Application number: JP2003363406A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yokoyama; 弘之横山
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】大型の固体レーザーをしのぐ機能の小型かつ高安定であるパルス光源を実現することである。
【解決手段】半導体レーザー１０４は、電気パルス発生器１０２からの電流により、光パルスを発生する。電気パルス発生器２０３では、半導体レーザー１０４の駆動パルスを入力して、光パルスと同期した光変調駆動パルスを発生する。低ノイズ光増幅器２００では、光ゲートとして、光変調器２０７を用いている。光変調駆動パルスと増幅されたレーザー光とを光変調器２０７で重畳することにより、ほぼ光パルスの持続時間の数倍程度の時間幅のみを通過させるゲートとして動作する（（ｂ）参照）。低ノイズ光増幅器２００の出力部分に挿入されている狭帯域光フィルター２０６により、さらにノイズが減少する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で高出力のパルスレーザー光を発生する装置に関し、特に超短パルス光の発生に適するレーザー装置に関するものである。

超短光パルスレーザーは、医療・超微細加工を始め広範分野での応用が期待されている。医療応用を例にとると、光コヒーレンストモグラフィ、多光子吸収蛍光、高調波発生、コヒーレント反ストークスラマン分光、遠赤外線分光、生体のマイクロ切除など急速な適用領域の広がりが見られる。利用される光の波長も紫外から赤外まで非常に広帯域にわたっている。これら医療応用では特に、光源はターンキーで動作するものでなくては実用に供されないが、現状では大型、高価かつ信頼性に欠ける固体レーザー装置が用いられており、光源が技術全体の実用化を阻むネックになっている。

本発明の目的は、半導体レーザーの持てる力を極限的に引きだすことにより．大型の固体レーザーをベースとした光パルス光源をしのぐ機能の小型かつ高安定である光源を実現することである。

上記の目的を達成するために、本発明は、半導体レーザーと、該半導体レーザーにパルス光を発生させる電気パルス発生器と、該電気パルス発生器からの信号を受けて、前記半導体レーザーからの前記パルス光を、該パルス光と同期して増幅する低ノイズ光増幅器と
を備える光パルスレーザー装置である。
前記低ノイズ光増幅器は、前記電気パルス発生器からの信号を受けて、同期したパルスを発生するパルス発生器と、前記半導体レーザーからの前記パルス光を増幅する光増幅器と、該パルス発生器からのパルスにより、前記光増幅器からの増幅されたパルス光を通過させるゲートとで構成することができる。
前記ゲートは、該パルス発生器からのパルスと、前記光増幅器からの増幅されたパルス光とを重畳させる光変調器としてもよい。
また、前記低ノイズ光増幅器は、前記電気パルス発生器からの信号を受けて、同期した増幅器駆動パルスを発生するパルス発生器と、該パルス発生器からのパルスにより作動する半導体光増幅器としてもよい。
その上、前記低ノイズ光増幅器の出力部分に、狭帯域光フィルターを挿入すると、さらにノイズを低減できる。

本発明の構成の小型高安定である光パルスレーザー装置で、従来の大型レーザーによる、特に超短光パルス光源の機能を置き換えることにより、医用・計測を始めとする多くの応用システムを構成することができる。

本発明の実施形態の例を、図を用いて説明する。
さて、光ファイバー増幅器は、レーザー遷移の上準位の寿命が１ｍｓ以上と長いことから、入射する光パルスの繰り返しを遅くすることで、増幅器の中に蓄えたエネルギーを光パルスに効率的に移すことができ、半導体レーザーからの光パルスであっても、キロワット超の高ピークパワーを得ることができる。半導体レーザーからの光パルスを、光ファイバー増幅器で増幅することで、キロワット超の高ピークパワーを得ることができる。
しかし、その一方で、繰り返しを遅くすると、半導体レーザーからの光パルスの平均光パワーが極めて小さくなり、光ファイバー増幅器で増幅すると、自然放出光ノイズの方が平均パワーで勝ってしまう。

時間平均では、自然放出光ノイズに埋もれたように見える、光増幅器からの光パルス出力を、光パルスと同期した光ゲートによって時間的に選別した実施形態の構成例を、図２を用いて説明する。
図１（ａ）において、半導体レーザー１０４は、電気パルス発生器１０２からの電流により、光パルスを発生する。
図１（ａ）に示した低ノイズ光増幅器２００では、光ゲートとして、光変調器２０７を用いている。低ノイズ光増幅器２００では、光増幅器２０５により半導体レーザー１０４からの光パルスを、増幅する。そのときに、図１（ｂ）に示す光変調器２０７への入力のように、光パルス間に光ノイズが集積される。
さて、電気パルス発生器２０３では、半導体レーザー１０４の駆動パルスを入力して、光パルスと同期した光変調駆動パルスを発生する。光変調器２０７において、光変調駆動パルスと増幅されたレーザー光とを光変調器２０７で重畳することにより、ほぼ光パルスの持続時間の数倍程度の時間幅のみを通過させるゲートとして動作する（図１（ｂ）参照）。なお、低ノイズ光増幅器２００の出力部分に挿入されている狭帯域光フィルター２０６により、さらにノイズが減少する。また、光増幅器２０５としては、光ファイバー増幅器や半導体光増幅器等を用いることができる。
このように、光増幅器２０５からの光パルス出力を、光パルスと同期した光ゲートによって時間的に識別することで、低ノイズ光増幅器を構成することができ、これと半導体レーザーと組み合わせることにより、最終的には非常に高ピークパワーの光パルスが得られる。この構成により、小型、低価格光パルスレーザーのナノ加工等への利用が可能となる。この構成は、特に、超短光パルスのレーザー光源に対して有効である。

［他の実施形態］
他の実施形態として、図２に示すように、半導体光増幅器２０４を用いて光パルスとタイミングが同期した電気パルスで励起を行う構成である。これにより、光パルスのインターバルでの自然放出光ノイズを抑制したパルス・レーザー光を発生することができる。
図２において、半導体レーザー１０４は、電気パルス発生器１０２からの電流により、光パルスを発生する。電気パルス発生器１０２からの同期パルスで、電気パルス発生器２０２から、光パルス発生と同期した、半導体光増幅器２０４の駆動パルスを発生し、半導体光増幅器２０４に印加する。半導体光増幅器２０４は、駆動パルスにより駆動され、ほぼ光パルスの持続時間の数倍程度の時間幅のみ、１桁〜２桁程度の増幅を行う。半導体レーザーの発光と同期して、半導体光増幅器２０４の駆動パルスを発生する電気パルス発生器２０２、半導体光増幅器２０４は、低ノイズ光増幅器２００’を構成している。なお、低ノイズ光増幅器２００’には、狭帯域光フィルター２０６も、図１の構成と同様に挿入されている。これは、次の増幅段階（光増幅器１０８）で増幅されるレーザーの帯域に比べて、自然放出ノイズの帯域がはるかに広いので、この自然放出光ノイズをスペクトル領域で除去するためである。
これにより、十分に低ノイズの光増幅を行うことができ、次段の光増幅器１０８においては自然放出光ノイズに埋もれることなく、増幅を行うことが可能となる。このようにして、初段の光増幅器のノイズを十分に低減することで、最終的には非常に高ピークパワーの光パルスが得られ、ナノ加工等への利用が可能となる。この構成は、特に、超短光パルスのレーザー光源に対して有効である。

上述の２つの実施形態は、時間的に光パルスを識別することにより、低ノイズ増幅を実現しているが、光の強度により選別する他の実施形態を図３，図４を用いて、説明する。
図３において、低ノイズ光増幅器２００’’は、可飽和吸収体２０８を用いている。可飽和吸収体２０８は、入力する光強度が小さいとき、透過率が低く、光強度が大きくなると、透過率が高くなる性質がある。これを、図４に示すインプット・アウトプットの相関図から、入力が低いときは、出力がほとんどないようになる。
これを利用して低ノイズ光増幅器を構成したものを図３で説明する。図１，図２と同様に、半導体レーザー１０４を電気パルス発生器１０２からの駆動パルスで駆動して、光パルスを発生する。発生した光パルスを、可飽和吸収体２０８を用いた低ノイズ光増幅器２００’’に入力する。低ノイズ光増幅器２００’’は、光増幅器２０５，可飽和吸収体２０８，狭帯域光フィルター２０６で構成されている。
低ノイズ光増幅器２００’’では、光増幅器２０５で増幅された光パルスを可飽和吸収体２０８に入力する。可飽和吸収体２０８に入力された光パルスは、光パルス間に低光強度の自然放出光ノイズを含んでいる。しかし、図４に示すように、可飽和吸収体２０８の特性により、出力する光パルスの間には、ほとんどノイズが含まれていない。
なお、狭帯域光フィルター２０６は、図１，図２と同様の理由で、挿入されている。また、光増幅器２０５は図１と同様に、半導体光増幅器や光ファイバー増幅器等を用いることができる。

実施形態による光パルスの発生を説明する図で、（ａ）は構成を示す図であり、（ｂ）は光変調器への入力を示す図である。光パルスの発生ための他の実施形態の構成を示す図である。別の実施形態の構成を示す図である。可飽和吸収体の入力と出力の関係を示す図である。

Claims

半導体レーザーと、
該半導体レーザーにパルス光を発生させる電気パルス発生器と、
該電気パルス発生器からの信号を受けて、前記半導体レーザーからの前記パルス光を、該パルス光と同期して増幅する低ノイズ光増幅器と
を備える光パルスレーザー装置。
請求項１記載の光パルスレーザー装置において、
前記低ノイズ光増幅器は、前記電気パルス発生器からの信号を受けて、同期したパルスを発生するパルス発生器と、
前記半導体レーザーからの前記パルス光を増幅する光増幅器と、
該パルス発生器からのパルスにより、前記光増幅器からの増幅されたパルス光を通過させるゲートと
を有することを特徴とする光パルスレーザー装置。
請求項２記載の光パルスレーザー装置において、
前記ゲートは、該パルス発生器からのパルスと、前記光増幅器からの増幅されたパルス光とを重畳させる光変調器であることを特徴とする光パルスレーザー装置。
請求項１記載の光パルスレーザー装置において、
前記低ノイズ光増幅器は、前記電気パルス発生器からの信号を受けて、同期した増幅器駆動パルスを発生するパルス発生器と、
該パルス発生器からのパルスにより作動する半導体光増幅器と
を有することを特徴とする光パルスレーザー装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の光パルスレーザー装置において、
前記低ノイズ光増幅器の出力部分に、狭帯域光フィルターが挿入されていることを特徴とする光パルスレーザー装置。