JP2007317708A

JP2007317708A - 短光パルスの増幅圧縮装置及び増幅圧縮方法

Info

Publication number: JP2007317708A
Application number: JP2006142702A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hori; 喬堀
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】ペデスタルフリーの高エネルギ短光パルスを生成する光パルスの増幅圧縮装置と方法を提供すること。
【解決手段】光パルスを増幅し、該光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御するチャープファイバ増幅器４aと、チャープファイバ増幅器４aで増幅されチャープ制御された前記光パルスを圧縮する回折素子圧縮器５、５′と、を有し、回折素子圧縮器５、５′は回折素子圧縮器５、５′の回折素子で分光された前記光パルスの分光スペクトルの前記所定の波長領域をカットする空間フィルタ機構５４、５４′を有することを特徴とする光パルスの増幅圧縮装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、短光パルスを増幅して圧縮することで高エネルギ短光パルスを生成する短光パルスの増幅圧縮装置及び増幅圧縮方法に関する。

これまで、高エネルギ（高パワー）でパルス幅がｆｓ〜ｐｓオーダの短光パルスを発生させる高エネルギ短光パルス発生装置として、ＦＣＰＡ（Fiber Chirp Pulse Amplification）技術を用いた装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。これは、ファイバ増幅器での非線形現象や光損傷を防ぐために、モードロックファイバレーザからの短光パルスをチャープファイバ伸長器でチャープ（光パルスの周波数ν（ν＝ｃ／λ、ｃは光速、λは波長）が時間と共に変化）したパルス幅の広い光パルスを作り、ファイバ増幅器で増幅したのち、圧縮器で圧縮して高エネルギ短光パルスを発生させるものである。

一方、ペデスタルフリーの（パルスの立ち上がり、立ち下がりにこぶのない）短光パルスを生成させる方法として、回折格子圧縮器中で分光された短光パルスの分光スペクトルの短波長側と長波長側とを空間フィルタでカットする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開平８−４６２７６号公報 J.P. Heritage, et. al., "Spectral windowing of frequency- modulated optical pulses in a grating compressor", Appl. Phys. Lett. Vol. 47, No.2, 1985年7月15日, pp.87-89

ＦＣＰＡ技術では、圧縮器でのチャープ補償が不十分でペデスタルフリーの短光パルスを生成することが難しかった。例えば、回折格子対圧縮器の場合、回折格子間隔を調節することで線形チャープ（周波数が時間とともに線形に変化する）は補償されるが、非線形チャープを補償することができず、ペデスタルフリーの短光パルスを生成することができなかった。

また、回折格子圧縮器中で分光された短光パルスの分光スペクトルの短波長側と長波長側とを空間フィルタでカットする方法は、短光パルスがもつ非線形チャープが空間フィルタでカットする短波長側と長波長側とに分布しない場合はペデスタルフリーの高エネルギ短光パルスを生成することができなかった。例えば、高エネルギ化するために上流にファイバ増幅器を配設すると、回折格子圧縮器に入射する短光パルスのチャープは、ファイバ増幅器の利得の波長特性や非線形光学効果（自己位相変調）によって複雑に変化し、回折格子圧縮器で補償できる線形チャープが短光パルスの分光スペクトルの中心部分に分布するとは限らず、長波長側に偏ったり、複雑に分布する。その結果、スペクトルの両側を空間フィルタでカットすると、回折格子圧縮器で補償できる線形チャープが分布する波長成分までも除去され、ペデスタル除去の効率が低下するのみならず、十分なパルス圧縮ができなくなる。

本発明は、従来の短光パルスの増幅圧縮装置と方法の上記問題に鑑みてなされたものであり、ペデスタルフリーの高エネルギ短光パルスを生成する短光パルスの増幅圧縮装置と方法を提供することを課題とする。

課題を解決するためになされた本発明に係る短光パルスの増幅圧縮装置は、短光パルスを増幅し、該短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御するチャープファイバ増幅器と、前記チャープファイバ増幅器で増幅されチャープ制御された前記短光パルスを圧縮する回折素子圧縮器と、を有し、前記回折素子圧縮器は該回折素子圧縮器の回折素子で分光された前記短光パルスの分光スペクトルの前記所定の波長領域をカットする空間フィルタ機構を有することを特徴としている。

回折素子圧縮器に入射する短光パルスの非線形チャープがチャープファイバ増幅器で所定の波長領域に分布するように制御されており、その波長領域が回折素子圧縮器中の空間フィルタ機構でカットされるので、ペデスタルフリーの高エネルギ短光パルスを生成することができる。

また、前記所定の波長領域が短波長領域或いは長波長領域であることが好ましい。

これにより、回折素子圧縮器の構成要素と空間フィルタ機構との機械的な干渉を除くことができる。

課題を解決するためになされた本発明に係る短光パルスの増幅圧縮方法は、短光パルスを増幅し、該短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御する増幅制御ステップと、前記増幅制御ステップで増幅されチャープ制御された短光パルスを回折素子圧縮器で圧縮する圧縮ステップと、前記回折素子圧縮器の回折素子で分光された前記短光パルスの分光スペクトルの前記所定の波長領域をカットするカットステップと、を有することを特徴としている。

増幅制御ステップで短光パルスの非線形チャープが所定の波長領域に分布するように制御され、その所定の波長領域がカットステップでカットされるので、ペデスタルフリーの高エネルギ短光パルスを生成することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の増幅圧縮装置の概略構成図である。図２は、図１のＣ−Ｃ断面矢視図と分光スペクトル波形である。

短光パルスの増幅圧縮装置は、短光パルスを増幅し、該短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御するチャープファイバ増幅器４aと、回折素子圧縮器５と、回折素子５１で分光された分光スペクトルの所定の波長領域をカットする空間フィルタ機構５４と、を備えている。６は、圧縮器５からの出力パルスＰoutを取り出すビーム結合器である。

チャープファイバ増幅器４aは、入射短光パルスＰinの波長に利得を持つファイバ利得媒質４１aと、その利得媒質４１aをポンプすることができる波長のポンプ光を発生するポンプ光源４２aと、波長分割多重ファイバカップラ４３aと、を備えている。例えば、入射短光パルスＰinの波長が１．５５μｍの場合、Erドープファイバをファイバ利得媒質４１aに用い、ポンプ光源４２aに波長１．４８μｍのレーザ光を発生するレーザダイオードを用いる。ポンプ光源４２aの入力パワーを制御すると、利得媒質４１aの利得の波長特性と利得が変化する。利得が変化して増幅率が高くなると、ファイバ利得媒質４１a中を伝播する光パルスによって非線形光学効果（自己位相変調）が誘起され、伝搬する短光パルスのチャープが変化する（入射短光パルスＰinがチャープを持たない場合はチャープが与えられる）。ポンプ光源４２aがレーザダイオードの場合は、ダイオードに流す電流（ＬＤ電流）で入力パワーが変わるので、ＬＤ電流で入射短光パルスＰinのチャープを制御することができる。

回折素子圧縮器５は、例えば回折格子対からなるトレーシータイプで、平行配置された回折格子５１、５２と、折り返しミラー５３と、空間フィルタ機構５４と、を備えている。回折素子としては、回折格子の他に、プリズムやホログラフィックグレーティングなどを用いることができる。チャープファイバ増幅器４aで増幅され、チャープ制御された短光パルスは、回折格子５１で短波長は大きく、長波長は小さく回折され、発散光になる。その発散光は、次の回折格子５２で平行ビームになり、折り返しミラー５３で折り返される。したがって、平行ビーム区間のＣ−Ｃ断面矢視図は、図２Aに示すように、紙面に平行で中心軸ＣＬと直交するｙ軸方向に広がった楕円形状をしている。また、このｙ軸方向に広がったビームのスペクトル波形は、図２Bに示すように、ビームの左端ｌ（エル）が短波長端λsに、ビームの中心ＣＬが中心波長λ0に、ビームの右端ｒが長波長端λｌに対応する。なお、短光パルスの線形チャープは、回折格子５１と５２の間隔を調節することで補償される。

空間フィルタ機構５４は、例えば、回折格子５２と折り返しミラー５３の間の平行ビーム区間に配置されるナイフエッジである。ナイフエッジ５４は、紙面に平行で中心軸ＣＬと直交するｙ軸方向に挿入され、図２Aでは、ビームの左端ｌから中心軸ＣＬ方向へのビームがカットされる。このカットされるビームは、図２Bの波長軸では、短波長端λsから中心波長λ0方向への波長領域に対応する。

次に本実施形態の増幅圧縮装置の動作を説明する。

（増幅制御ステップ）ナイフエッジ５４が平行ビームをカットしない位置に後退させられた初期状態で、ポンプ光源４２aのＬＤ電流を調節して伝搬する短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御する。この制御は、圧縮器５からの出力短光パルスＰoutを第２高調波発生−周波数分解光ゲート法（ＳＨＧ−ＦＲＯＧ法）を用いて解析することで行われる。すなわち、Ｐoutを信号光と参照光とに分けてＳＨＧ結晶に入射させ、第２高調波を分光器で分光する。信号光の入射タイミングを制御してＳＨＧ結晶に入射させることで得られる分光スペクトルを測定することで、スペクトログラムを作成する。このスペクトログラムは、横軸に時間を、縦軸に第２高調波の波長をとり、強度を濃淡表示するもので、これから、Ｐoutの波長成分がどの時間に分布しているか直感的に知ることができる。したがって、ポンプ光源４２aのＬＤ電流を調節してはスペクトログラムを作成して、Ｐoutの波長成分がどの時間に分布しているかを調べることで、短光パルスＰoutの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御することができる。

（圧縮ステップ）Ｐoutのパルス幅が最短になるように、回折格子５１と５２の間隔を調整して増幅制御ステップで増幅されチャープ制御された短光パルスを圧縮する。

（カットステップ）回折素子圧縮器５の回折格子５１で分光された短光パルスの分光スペクトルにおいて、増幅制御ステップで制御された所定の波長領域をカットするように、ナイフエッジ５４を挿入する。これにより、ペデスタルフリーの短光パルスＰoutを生成することができる。

また、所定の波長領域が短波長領域であり、ナイフエッジ５４を回折格子５１の反対側から挿入することで所定の波長領域をカットすることができる。その結果、空間フィルタ機構５４と回折格子５１との機械的な干渉を避けることができる。

以下、実施例について図面を参照して説明する。図３は、本発明に係る短光パルスの増幅圧縮装置を備えた実施例の短光パルス発生装置の概略構成図である。図４及び図５は、それぞれ図３の発生装置から発生された短光パルスのスペクトログラム及び自己相関波形である。図６は、自己相関幅とナイフエッジ挿入量との関係を示すグラフである。

本実施例の短光パルス発生装置は、ＦＣＰＡ技術を用いた装置で、フェムト秒光パルス発生器１と、ファイバ伸長器２と、パルス間引き器３と、ファイバ増幅器４と空間フィルタリング機構を備える回折格子圧縮器５´とからなる増幅圧縮装置と、を有している。１１a、１１b、１１cは全反射ミラーである。

フェムト秒光パルス発生器１は、波長１５５７ｎｍ、スペクトルバンド幅７ｎｍ、パルス時間幅３００ｆｓ、平均出力１０ｍＷの光パルス列を繰り返し周波数３０ＭＨｚで発生する。

ファイバ伸長器２は、正常分散特性を持つ長さ２４０ｍの光ファイバである。この場合、ファイバ伸長器２は、３００ｆｓのパルス幅を４００ｐｓに伸長すると共に、光パルスに正チャープを与える。

パルス間引き器３は、LiNbO3結晶を用いた導波路型光変調器で、３０ＭＨｚのパルス列を一定間隔毎に間引き、１５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの繰り返し周波数に変換する。

ファイバ増幅器４は、前置増幅器４aと主増幅器４bとからなる。前置増幅器４aは、Erがドープされた光ファイバ利得媒質４１aと、ポンプ光源としてのレーザダイオード４２a、及び波長分割多重ファイバカップラー４３aを有している。レーザダイオード４２aは、ファイバピッグテール付で、波長１．４８μm、出力５００ｍWのＣＷレーザを発生する。このレーザダイオード４２aの励起電流を調整することで伝搬する光パルスに与えるチャープ量を制御する。主増幅器４bは、ＥｒとＹｂを共ドープした二重クラッドファイバ４１bと、レーザダイオード４２bを有している。レーザダイオード４２bは、波長９７５ｎｍ、出力４ＷのＣＷレーザを発生する。レーザダイオード４２bから発生されたレーザはレンズ４４でコリメートされ、二重クラッドファイバ４１bの第１クラッドに結合される。この増幅器４で繰り返し周波数２００ｋＨｚのとき平均出力６００ｍＷ、パルスエネルギ２．５μＪ、パルス幅２５０ｐｓのパルス列が得られる。

回折素子圧縮器５′は、図１に示す実施形態の圧縮器５で回折格子５２を再帰反射手段５２’に変更した以外は、基本的に構成要素が同じである。すなわち、本実施例の圧縮器５′は、回折格子５１′と、回折格子５１′に対向配置され、回折格子５１′から出射される短光パルスを回折格子５１′に再帰反射させる再帰反射手段５２’と、回折格子５１′及び再帰反射手段５２’を通過してくる短光パルスを反射して回折格子５１′及び再帰反射手段５２’に再び戻してやるように配置された反射鏡５３′と、反射鏡５３′の前に配置された空間フィルタ機構５４′と、を有している。

再帰反射手段５２′は、例えば、図３に示すような反射鏡２枚を反射面が直交するように配置したコーナーミラー、或いは、直角プリズムなどである。

空間フィルタ機構５４′は、回折格子５１′で分光されコリメートされた短光パルスを短波長側からカットできるように、ナイフエッジ５４２′と、ナイフエッジ５４２′を矢印A方向に移動させる移動ステージ５４１′と、を備えている。

以下、本実施例の動作及び動作結果を説明する。先ず、ナイフエッジ５４２′が平行ビームをカットしない位置に後退させられた初期状態で、Ｐoutのパルス幅が最短になるようにコーナーミラー５２′の位置を調整する。次に、レーザダイオード４２aの励起電流を調整してそのときのＰoutをＳＨＧ−ＦＲＯＧ法を用いて解析する。ペデスタル成分に対応するスペクトルが短波長側に集中して分布するように調整と解析を繰り返した結果が、図４Aのスペクトログラムである。また、このときのＰoutの自己相関波形が図５Aである。図４Aから波長７７９ｎｍ以下の短波長成分が時間−１０〜＋１０ｐｓに渡って分布していることがわかる。これは、図５Aの自己相関波形において、ペデスタル成分が波長７７９ｎｍ以下の波長成分で構成されていることを示している。

次に、移動ステージ５４１′を移動させ、ナイフエッジ５４２′で平行ビームを短波長側から順次カットする。図5Bは、ナイフエッジ５４２′を４ｍｍ挿入したときの、すなわち、平行ビームの短波長側を幅４ｍｍカットしたときの自己相関波形で、これから、ほぼペデスタルフリーの短光パルスが得られていることがわかる。すなわち、ナイフエッジを挿入しないとき３６％あったペデスタル成分（図５A）が８％まで低減された。なお、このときのスペクトログラムでは、図４Bに示すように、７７８ｎｍ以下の短波長成分がなくなっている。また、図６から、ナイフエッジ５４２′の挿入量が４ｍｍまで、自己相関幅が変化せず、すなわち半値全幅（ＦＷＨＶ）が１．４ｐｓの短光パルスが得られることがわかる。

本実施例では、空間フィルタリング機構５４′が、短波長側のみカットする構成になっているが、短波長と長波長の両側をカットするフィルタリング機構にすると、パルス幅が広がってしまう。これは、図４Aのスペクトログラムが示すように、長波長成分は、時間０ｐｓ付近に分布しており、チャープが補償されている状態にあるにも拘わらず、その長波長成分がカットされるためである。

回折素子圧縮器でチャープが補償されない波長成分のみカットすることが望ましい。本実施例のように、片側（短波長）カットする構成にすることで、１）構成部品が少ない、２）コンパクトな、３）フィルタ（ナイフエッジ）の位置調整が容易な、４）外部の機械的な衝撃にロバストな、空間フィルタ機構が可能になる。さらに、移動ステージ５４１′のストロークを大きくしてナイフエッジ５４２′が平行ビームを全てカットするようにすることで、光シャッターの機能を持たせることができる。

本実施例では、波長１５５７ｎｍの光パルスの増幅圧縮であったが、本発明の短光パルスの増幅圧縮装置は、チャープパルス増幅器とパルス圧縮器を用いた短光パルス発生装置に適用可能であり、例えば、波長１．０６μｍ帯におけるチャープファイバ増幅器と圧縮器の組み合わせにも適用することができる。

精密機械産業や電子機器産業における部品の微細加工、透明材料のマーキング、トリミング、或いは光学機器産業における顕微鏡の光源などに利用される可能性が極めて高い。

本発明の増幅圧縮装置の概略構成図である。図１のＣ−Ｃ断面矢視図と分光スペクトル波形である。本発明に係る増幅圧縮装置を備えた実施例の短光パルス発生装置の概略構成図である。実施例の短光パルス発生装置から発生された短光パルスのスペクトログラムである。実施例の短光パルス発生装置から発生された短光パルスの自己相関波形である。実施例の短光パルス発生装置から発生された短光パルスの自己相関幅とナイフエッジ挿入量との関係を示すグラフである。

符号の説明

４a・・・・・・チャープファイバ増幅器
５、５′・・・・回折素子圧縮器
５４、５４′・・空間フィルタ機構

Claims

短光パルスを増幅し、該短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御するチャープファイバ増幅器と、
前記チャープファイバ増幅器で増幅されチャープ制御された前記短光パルスを圧縮する回折素子圧縮器と、を有し、
前記回折素子圧縮器は該回折素子圧縮器の回折素子で分光された前記短光パルスの分光スペクトルの前記所定の波長領域をカットする空間フィルタ機構を有することを特徴とする短光パルスの増幅圧縮装置。
前記所定の波長領域が短波長領域或いは長波長領域であることを特徴とする請求項１に記載の短光パルスの増幅圧縮装置。
短光パルスを増幅し、該短光パルスの非線形チャープを所定の波長領域に分布するように制御する増幅制御ステップと、
前記増幅制御ステップで増幅されチャープ制御された前記短光パルスを回折素子圧縮器で圧縮する圧縮ステップと、
前記回折素子圧縮器の回折素子で分光された前記短光パルスの分光スペクトルの前記所定の波長領域をカットするカットステップと、を有することを特徴とする短光パルスの増幅圧縮方法。