JP2008235806A

JP2008235806A - 光パルス発生装置

Info

Publication number: JP2008235806A
Application number: JP2007077040A
Authority: JP
Inventors: Manabu Saito; 学齋藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】出力パルスのパルス幅が狭くなり、より加工等に適したレーザ光を発生させることが可能なパルス発生装置の提供。
【解決手段】Ｑスイッチにより光パルスを発生する装置であって、共振器内に、発生する光パルスの出力がピークを超えた後に、共振器内の損失を増加させる機構と、共振器内の利得を減少させる機構とのいずれか一方又は両方を有することを特徴とする光パルス発生装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｑスイッチを利用し、短いパルス幅の光パルスを発生させる装置に関する。本発明の光パルス発生装置は、例えば高いパワーを出力するファイバレーザ等を構成するのに好適である。

一般的なＱスィツチの理論については、非特許文献１〜２に記載されているように、ジャイアントパルスを発生させる手段としてよく知られている。
また、Ｑスイッチを用いた光ファイバ型のパルス発生装置としては、例えば、特許文献１〜５に開示された装置が提案されている。
レーザとその応用，７０−７３頁，産報（１９６９）レーザ光学の基礎，１１２頁，オーム社（１９８８）特開平５−８３２２８号公報特開２００３−１４９６９７号公報特開平５−３４７４４５号公報特開平９−２３２６５５号公報特開２００５−１８３８５３号公報

従来のＱスイッチ法によるパルス発生装置において、発生するパルスは、共振器のＱを０から急激に大きな値にするような操作を加えると、急峻にジャイアントパルスが立ち上がるが、出力光強度がピークに達した後は、いくぶんゆるやかに減衰し、パルスの形は対称とはならない。これは、理論的にも示されている（例えば非特許文献１「レーザとその応用」の７３頁参照。）。

また、加工用ファイバレーザ等では、パルス発生装置で発生させたパルスを、さらに増幅するアンプを後段に設けた構成が知られている。このとき、パルスの幅が狭ければ、平均出力が等しいパルス幅の広いパルスと比較して、最終的に尖塔値の高いパルスを出力することができるようになるので、加工に使用するレーザにおいては有効である。しかし、パルス幅を狭くする際、Ｑスイッチ法により発生するパルスは、前述した通り、出力光強度がピークに達した後、いくぶん緩やかに減衰するため、パルス幅はいくぶん広くなる傾向にあり、パルス幅を狭くするいという課題に対しては不利になる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、出力パルスのパルス幅が狭くなり、より加工等に適したレーザ光を発生させることが可能なパルス発生装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、Ｑスイッチにより光パルスを発生する装置であって、共振器内に、発生する光パルスの出力がピークを超えた後に、共振器内の損失を増加させる機構と、共振器内の利得を減少させる機構とのいずれか一方又は両方を有することを特徴とする光パルス発生装置を提供する。

本発明のパルス発生装置において、前記損失を増加させる機構が、光パルス出力レベルを測定し、出力の低下開始を検知したときに、共振器内の損失を増加させる機構であることが好ましい。

本発明のパルス発生装置において、前記利得を減少させる機構が、光パルス出力レベルを測定し、出力の低下開始を検知したときに、共振器内の利得を減少させる機構であることが好ましい。

本発明のパルス発生装置において、前記損失を増加させる機構が、Ｑスイッチ機構と同期したあらかじめ設定された時刻に共振器内の損失を増加させる機構であることが好ましい。

本発明のパルス発生装置において、前記利得を減少させる機構が、Ｑスイッチ機構と同期したあらかじめ設定された時刻に共振器内の利得を減少させる機構であることが好ましい。

本発明のパルス発生装置において、前記損失を増加させる機構が、共振器内に設けられた、光強度に応じて損失が変化する機能を持った部品であることが好ましい。

本発明によれば、出力パルスのパルス幅が狭くなり、より加工等に適したレーザ光を発生させることが可能なパルス発生装置を提供することができる。

図１に、光ファイバを用いたＱスイッチ法によるパルス発生装置の一般的な構成を示す。図１中、符号１０１は励起用レーザダイオード（以下、励起ＬＤと記す。）、１０２は励起光入力カプラ、１０３は希土類添加ファイバ、１０４は光アイソレータ、１０５は発振光出力カプラ、１０６はバンドパスフィルタ、１０７は音響光学素子モジュールである。このパルス発生装置は、リング型共振器を備え、励起ＬＤ１０１から励起光入力カプラ１０２を介して励起光をリング型共振器内に入力することで、光励起媒体である希土類添加ファイバ１０３のコアに添加された希土類イオンを励起し、図１においては反時計方向に光を周回させ、このリング型共振器内でレーザ発振すると共に、音響光学素子モジュール１０７をＱスイッチとして動作させてパルス光を発振光出力カプラ１０５を通して取り出すように構成されている。このＱスイッチ法によれば、出力光強度がピークに達した後、ゆるやかに出力が低下するため、結果として出力されるパルスのパルス幅が広くなるという問題がある。

本発明では、この問題を解決するために、出力光強度がピークに達した後に共振器内の損失を増加させる、あるいは共振器の利得を低下させる、あるいはその両方の効果により、出力光強度の低下を加速させる手段を提供する。

より具体的には、出力光強度検出機構を用いて、出力光強度がピークに達した後、共振器内の損失を増加、あるいは利得を低下させる機構をもたせる。
ここで、具体的な共振器内の損失を増加させる手段としては、共振器のＱが０で有るときから、共振器のＱを大きな値にし出力光強度がピークになるまでの間は、共振器内の損失を小さな値にし、出力光強度がピークになった後からは、共振器内の、損失が大きくなるように、可変光アッテネータや分岐比可変カプラへ与える電圧を変化させる方法が挙げられる。その装置構成を図２及び図３に例示する。

図２は、本発明のパルス発生装置の第１実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ２０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ２０２、希土類添加ファイバ２０３、光アイソレータ２０４、発振光出力カプラ２０５、バンドパスフィルタ２０６及び音響光学素子モジュール２０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、発振光出力カプラ２０５の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ２０８を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器２０９に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路２１０に送り、出力光強度がピークになった後に、リング型共振器内の光アイソレータ２０４と発信光出力カプラ２０５との間に設けた可変光アッテネータ２１１に信号を発して、リング型共振器内の損失を増加させるように構成されている。

図３は、本発明のパルス発生装置の第２実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ３０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ３０２、希土類添加ファイバ３０３、光アイソレータ３０４、発振光出力カプラ３０５、バンドパスフィルタ３０６及び音響光学素子モジュール３０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、発振光出力カプラ２０５の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ３０８を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器３０９に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路３１０に送り、出力光強度がピークになった後に、リング型共振器内の光アイソレータ３０４と発信光出力カプラ３０５との間に設けた、無反射終端３１２を持つ分岐比可変カプラ３１１に信号を発して、リング型共振器内の損失を増加させるように構成されている。

発生させるパルスの幅がおおよそわかっている場合は、直接出力光強度を検知しなくとも、共振器のＱを変化させるための機構と同期させ、ある一定のタイミングで共振器内の損失を上げることも可能である。その装置構成を図４に例示する。

図４は、本発明のパルス発生装置の第３実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ４０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ４０２、希土類添加ファイバ４０３、光アイソレータ４０４、発振光出力カプラ４０５、バンドパスフィルタ４０６及び音響光学素子モジュール４０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、音響光学素子モジュール４０７の駆動を制御すると共に、ある一定のタイミングでリング型共振器内の光アイソレータ４０４と発信光出力カプラ４０５との間に設けた可変光アッテネータ４０９にリング型共振器内の損失を増加させるように信号を発する制御電気回路４０８を設けた構成になっている。本実施形態のパルス発生装置は、共振器のＱを変化させるための音響光学素子モジュール４０７と同期させ、出力光強度がピークになった後の所定のタイミングで共振器内の損失を上げることができる。

なお、損失を増加させる手段として、音響光学素子モジュールなどの開閉状態がデジタル的に変化する部品を利用してもかまわないが、損失を段階的に変化させることができる部品を使用するほうが、出力パルスの波長を制御しやすいので好ましい。

また、出力光強度がピークに達した後に、利得が低下するような機構を設ける方法でも同様の効果が得られる。例えば、励起光源と共振器の間に可変光アッテネータを設ける方法や、励起光源自体をオフにする、という方法が考えられる。その装置構成を図５及び図６に例示する。

図５は、本発明のパルス発生装置の第４実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ５０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ５０２、希土類添加ファイバ５０３、光アイソレータ５０４、発振光出力カプラ５０５、バンドパスフィルタ５０６及び音響光学素子モジュール５０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、発振光出力カプラ５０５の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ５０８を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器５０９に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路５１０に送り、出力光強度がピークになった後に、励起ＬＤ５０１の出力側と励起光入力カプラ５０２との間に設けた可変光アッテネータ５１１に信号を発して、リング型共振器内に入力される励起光を減じて利得を低下させるように構成されている。

図６は、本発明のパルス発生装置の第５実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ６０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ６０２、希土類添加ファイバ６０３、光アイソレータ６０４、発振光出力カプラ６０５、バンドパスフィルタ６０６及び音響光学素子モジュール６０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、発振光出力カプラ６０５の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ６０８を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器６０９に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路６１０に送り、出力光強度がピークになった後に、励起ＬＤ６０１に信号を発して、リング型共振器内に入力される励起光を減じて利得を低下させるように構成されている。

本発明のパルス発生装置において、共振器内の損失の増加と利得の低下の双方の機構をもたせてもかまわない。例えば、光ファイバを使用したリング型共振器の場合、励起光の導入部と増幅用ファイバの間に可変光アッテネータを設けることで、双方の機能を同時に持つこととなる。その装置構成を図７に例示する。

図７は、本発明のパルス発生装置の第６実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ７０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ７０２、希土類添加ファイバ７０３、光アイソレータ７０４、発振光出力カプラ７０５、バンドパスフィルタ７０６及び音響光学素子モジュール７０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、発振光出力カプラ７０５の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ７０８を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器７０９に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路７１０に送り、出力光強度がピークになった後に、励起光入力カプラ７０２と希土類添加ファイバ７０３との間に設けた可変光アッテネータ７１１に信号を発して、リング型共振器内の損失を増加させると共に、リング型共振器内に入力される励起光を減じて利得を低下させるように構成されている。

さらに、能動的に共振器内の損失を増加させるのでなく、出力光強度が低下した際に受動的に損失が増加する機構を持たせる手段もある。例えば、共振器内に過飽和吸収体を設ける方法などである。その装置構成を図８に例示する。

図８は、本発明のパルス発生装置の第７実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、励起ＬＤ８０１、リング型共振器を構成する励起光入力カプラ８０２、希土類添加ファイバ８０３、光アイソレータ８０４、発振光出力カプラ８０５、バンドパスフィルタ８０６及び音響光学素子モジュール８０７の各構成要素については、図１に示す一般的な光パルス発生装置のそれぞれの構成要素と同様であるが、光アイソレータ８０４と発振光出力カプラ８０５との間に過飽和吸収体８０８を設けた構成になっている。この過飽和吸収体８０８は、リング型共振器から出力される出力光強度がピークに達するまでは低損失状態を維持し、出力光強度が低下した際に受動的に損失が増加する機能を有している。

図２〜図８に例示した各実施形態は、リング型共振器に本発明を適用した例を示したが、本発明の適用はリング型に限定されるものではなく、ミラー型共振器を有するパルス発生装置についても適用が可能である。ミラー型共振器を備えたパルス発生装置の構成を図９に示す。

図９は、本発明のパルス発生装置の第８実施形態を示す図である。本実施形態のパルス発生装置は、全反射ファイバグレーティング９０７と部分透過ファイバグレーティング９０８との間に、全反射ファイバグレーティング９０７側から順に、音響光学素子モジュール９０６，バンドパスフィルタ９０５，励起ＬＤ９０１が結合された励起光入力カプラ、希土類添加ファイバ９０３，光アイソレータ９０４、可変光アッテネータ９１２を接続したミラー型共振器を有している。このミラー型共振器では、励起ＬＤ９０１から励起光入力カプラ９０２を介して希土類添加ファイバ９０３に励起光を入力することでレーザ発振を行い、音響光学素子モジュール９０６を用いたＱスイッチ法により、部分透過ファイバグレーティング９０８からパルス光を出力できるようになっている。

さらに本実施形態の装置では、部分透過ファイバグレーティング９０８の下流側光伝送路に光出力モニタ用カプラ９０９を設け、出力光の一部を分岐してＯ／Ｅ変換器９１０に送り、ここで検出した光出力データを制御電気回路９１１に送り、出力光強度がピークになった後に、ミラー型共振器内の光アイソレータ９０４と部分透過ファイバグレーティング９０８との間に設けた可変光アッテネータ９１２に信号を発して、ミラー型共振器内の損失を増加させるように構成されている
以下、実施例により、本発明の効果を実証する。

図１〜図９に図示した構成のパルス発生装置を作製し、それぞれの装置について、表１に記したように、励起ＬＤパワーを４００ｍＷ、パルス周波数を２０ｋＨｚとした条件で運転し、各装置からの出力光尖塔値及び出力光パルス幅を測定した。その結果を例１〜例９とし、表１に記す。

また、同じく図１〜図９に図示した構成のパルス発生装置を作製し、それぞれの装置について、表２に記したように、励起ＬＤパワーを４００ｍＷ、パルス周波数を１０ｋＨｚとした条件で運転し、各装置からの出力光尖塔値及び出力光パルス幅を測定した。その結果を例１０〜例１８とし、表２に記す。

表１及び表２の結果から、本発明に係る例２〜例９及び例１１〜例１８のパルス発生装置では、従来例である例１及び例１０と比べて、同等の出力光尖塔値が得られ、且つ出力光パルス幅を狭めることができた。

一般的なパルス発生装置を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第１実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第２実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第３実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第４実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第５実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第６実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第７実施形態を示す構成図である。本発明のパルス発生装置の第８実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１…励起ＬＤ、１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０２，９０２…励起光入力カプラ、１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３，８０３，９０３…希土類添加ファイバ、１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４，７０４，８０４，９０４…光アイソレータ、１０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５，７０５，８０５…発振光出力カプラ、１０６，２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，７０６，８０６，９０５…バンドパスフィルタ、１０７，２０７，３０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７，９０６…音響光学素子モジュール、２０８，３０８，５０８，６０８，７０８，９０９…光出力モニタ用カプラ、２０９，３０９，５０９，６０９，７０９、９１０…Ｏ／Ｅ変換機、２１０，３１０，４０８，５０１，６１０，７１０，９１１…制御電気回路、２１１，４０９，５１１，７１１，９１２…可変光アッテネータ、３１１…分岐比可変カプラ、３１２…無反射終端、８０８…過飽和吸収体、９０７…全反射ファイバグレーティング、９０８…部分透過ファイバグレーティング。

Claims

Ｑスイッチにより光パルスを発生する装置であって、共振器内に、発生する光パルスの出力がピークを超えた後に、共振器内の損失を増加させる機構と、共振器内の利得を減少させる機構とのいずれか一方又は両方を有することを特徴とする光パルス発生装置。
前記損失を増加させる機構が、光パルス出力レベルを測定し、出力の低下開始を検知したときに、共振器内の損失を増加させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
前記利得を減少させる機構が、光パルス出力レベルを測定し、出力の低下開始を検知したときに、共振器内の利得を減少させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
前記損失を増加させる機構が、Ｑスイッチ機構と同期したあらかじめ設定された時刻に共振器内の損失を増加させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
前記利得を減少させる機構が、Ｑスイッチ機構と同期したあらかじめ設定された時刻に共振器内の利得を減少させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。
前記損失を増加させる機構が、共振器内に設けられた、光強度に応じて損失が変化する機能を持った部品であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。