JP2012078812A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することが可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】 互いに周波数が異なる複数のレーザ光Ｌ_１のそれぞれを回折格子１３により合波して合波光Ｌ_２を生成する際に、回折格子１３の集光位置Ｐ_１において合波光Ｌ_２の出力のピークが（同じパルス時間波形が）所定の時間間隔で繰り返し現れるように、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。これにより、集光位置Ｐ_１においてパルスレーザ光が生成される。このように、このレーザ装置１においては、複数のレーザ光源１０から発振される複数のレーザ光Ｌ_１のそれぞれを合波してパルスレーザ光を生成する。このため、レーザ光源１０の数（すなわち互いに異なる周波数のレーザ光Ｌ_１の数）を増やすことにより、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルスレーザ光を生成するレーザ装置に関する。

上記技術分野のレーザ装置として、例えば特許文献１に記載されたモード同期レーザ装置が知られている。特許文献１に記載のモード同期レーザ装置は、共振器縦モード間隔の整数倍の周波数で変調されたレーザ光を、互いに異なる中心周波数すなわち中心波長のスペクトル領域に利得を有する複数の増幅器（光ファイバ増幅器など）で増幅することによって、複数の波長領域におけるパルスレーザ光を一度に生成している。

特開平６−９００５０号公報

ところで、パルスレーザ光は、単位時間当たりのエネルギー、すなわち平均パワーが同等である連続光に比べてピーク光強度が大きい。このため、パルスレーザ光を増幅する場合には、増幅器の損傷を防止する目的から、そのパルス幅を増大させてピーク光強度を低下させたり、或いは、増幅率を制限したりする必要がある。このため、パルスレーザ光を増幅するレーザ装置にあっては、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を生成することが困難である。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することが可能なレーザ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ装置は、連続光であって互いに周波数が異なる複数のレーザ光のそれぞれを発振する複数の発振手段と、発振手段のそれぞれから発振されたレーザ光のそれぞれを所定の位置において合波して合波光を生成する合波手段と、所定の位置において合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようにレーザ光のそれぞれの位相を制御する位相制御手段と、を備えることを特徴とする。

このレーザ装置では、互いに周波数が異なる複数のレーザ光を所定の位置において合波して合波光を生成する際に、その所定の位置において合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように、レーザ光のそれぞれの位相を制御する。これにより、所定の位置においてパルスレーザ光が生成される。このように、このレーザ装置においては、複数のレーザ光のそれぞれを合波してパルスレーザ光を生成する。このため、発振手段の数（すなわち互いに異なる周波数のレーザ光の数）を増やすことにより、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することができる。

また、発振手段のそれぞれは、略一定の周波数差で周波数が互いに異なる前記レーザ光のそれぞれを発振することが好ましい。この場合、発振手段から発振されるレーザ光間の周波数差が略一定であるので、合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようにレーザ光のそれぞれの位相を制御することが容易となる。したがって、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光をより一層容易に生成することができる。

また、発振手段は、半導体レーザであることが好ましい。この場合、レーザ装置の小型軽量化及び低消費電力化を図ることができる。また、レーザ装置の機械的な安定性を向上することができる。さらには、レーザ装置の製造コストを低減することができる。

さらに、発振手段のそれぞれには、レーザ光のそれぞれが伝播する光ファイバが接続されており、位相制御手段は、光ファイバのそれぞれの温度を制御することにより、レーザ光のそれぞれの位相を制御することが好ましい。この場合、光ファイバの温度を制御することで、レーザ光のそれぞれの位相を容易に制御することができる。

本発明によれば、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することが可能なレーザ装置を提供することができる。

光周波数コムを説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態のレーザ装置の構成図である。 図２に示された位相制御装置の構成図である。 図３に示された位相制御部のヒータを示す部分拡大図である。 図２に示された合波光の出力時間波形を示すグラフである。 図２に示されたレーザ装置の変形例の構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ装置は、光周波数コムを実現するモード同期レーザから発振されるレーザ光と等価なパルスレーザ光を生成するものである。そこで、光周波数コム及びモード同期発振について説明する。

例えばファブリペロー共振器内においては、複数の縦モードのレーザ光が存在する。各縦モードのレーザ光の周波数は、共振器長をＬとしたとき、図１に示されるように、△ν＝ｃ／２Ｌの間隔で周波数軸上に配列されている（ｃは光速）。このように各レーザ光の周波数が等間隔で配列された状態を光周波数コムという。このような共振器を備えるレーザ光源において、各レーザ光に対して位相変調を行なわなければ、レーザ光同士の位相の関係がランダムであるため、それらの合波光であるレーザ光源の出力光の出力時間波形もランダムとなる。一方で、そのようなレーザ光源において、過飽和吸収素子や光変調器を用いて、各レーザ光同士の位相がそろうように各レーザ光の位相変調を行うことにより、出力光の出力時間波形が、繰り返し周期Ｔ（Ｔ＝１／△ν）のパルス状となり、モード同期発振が得られる。

図２に示されるように、本実施形態に係るレーザ装置１は、連続光であって上述した光周波数コムのように一定の周波数差で周波数が互いに異なる複数のレーザ光Ｌ_１のそれぞれを発振する複数（ここでは３つ）のレーザ光源（発振手段）１０を備えている。レーザ光源１０のそれぞれは、例えば、発振波長が互いに０．１ｎｍだけ異なる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）とすることができる。なお、本実施形態において、連続光とは、その出力が時間に対して略一定であるようなレーザ光であり、パルスレーザ光とは、その出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようなレーザ光である。

レーザ装置１は、レーザ光源１０のそれぞれに接続され、レーザ光源１０から発振されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれが伝播する光ファイバ１１と、光ファイバ１１から出射されたレーザ光Ｌ_１の光路上に配置されたレンズ（合波手段）１２と、レンズ１２を通過したレーザ光Ｌ_１のそれぞれが入射する回折格子（合波手段）１３とをさらに備えている。

レンズ１２は、その焦点距離だけ光ファイバ１１の出射端から離れた位置に配置されている。回折格子１３は、レンズ１２の焦点距離だけレンズ１２から離れた位置に配置されている。したがって、光ファイバ１１から出射されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、レンズ１２を通過することにより平行ビームとなり、回折格子１３の集光位置Ｐ_１に集光される。回折格子１３は、その集光位置Ｐ_１においてレーザ光Ｌ_１を合波して合波光Ｌ_２を生成する。

ここで、レーザ装置１は、位相制御装置（位相制御手段）２０をさらに備えている。位相制御装置２０は、回折格子１３の集光位置Ｐ_１において、合波光Ｌ_２の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように（同じパルス時間波形が所定の時間間隔で繰り返し現れるように）レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。この位相の制御について具体的に説明する。

図３に示されるように、位相制御装置２０は、位相差検出部２１と信号制御部２２と位相制御部２３とを有している。位相差検出部２１は、光ヘテロダイン干渉法を利用して、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ_１のうちの、周波数軸上において互いに隣り合う周波数をそれぞれ有するレーザ光（以下、単に「隣り合うレーザ光」という）Ｌ_１同士の位相差を検出し、検出結果を示す情報を信号制御部２２に送信する。

より具体的には、位相差検出部２１では、レーザ光Ｌ_１のうちの互いに隣り合うレーザ光Ｌ_１１及びレーザ光Ｌ_１２のそれぞれを光カプラ２１ａで分岐した後に、分岐されたレーザ光同士を光カプラ２１ｂで結合する。続いて、光カプラ２１ｂで結合されたレーザ光Ｌ_ｃ２を、例えばホトダイオード等の光検出器２１ｃにより電気信号Ｖ_２に変換する。レーザ光Ｌ_１１は、角周波数ω_１及び位相φ_１を用いて、

と表され、レーザ光Ｌ_１２は、角周波数ω_２及び位相φ_２を用いて、

と表される。ここで、レーザ光Ｌ_１１とレーザ光Ｌ_１２との角周波数差△ωをω_１−ω_２とし、位相差△θ_１２をφ_１−φ_２とすると、上記のＥ_２（ｔ）は、

と表すことができる。よって、光検出器２１ｃで生成される電気信号Ｖ_２（ｔ）は、

といったように、角周波数差△ωと位相差△θ_１２とを有するビート信号となる。そして、位相計２１ｄによって電気信号Ｖ_２（ｔ）と角周波数△ωを有するクロック信号Ｓとの排他的論理和をとることにより、レーザ光Ｌ_１１とレーザ光Ｌ_１２との位相差△θ_１２を求めることができる。同様に、レーザ光Ｌ_１Ｎは、

と表されるから、隣り合うレーザ光Ｌ_{１（Ｎ−１）}とレーザ光Ｌ_１Ｎとから生成される電気信号Ｖ_Ｎ（ｔ）は、

となる。ここで、ＮはＮ番目のレーザ光Ｌ_１Ｎを表す。したがって、電気信号Ｖ_Ｎ（ｔ）とクロック信号Ｓとの排他的論理和をとることにより、レーザ光Ｌ_{１（Ｎ−１）}とレーザ光Ｌ_１Ｎとの位相差△θ_{（Ｎ−１）Ｎ}を求めることができる。このようにレーザ光Ｌ_１の全てに対して上記の処理を行うことにより、全ての隣り合うレーザ光Ｌ_１同士の位相差を求めることができる。

信号制御部２２は、上記のようにして求められた隣り合うレーザ光Ｌ_１同士の位相差を示す情報に基づいて、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相が同一になるような各レーザ光Ｌ_１の位相の制御量を求め、求めた制御量を示す情報を位相制御部２３のそれぞれに送信する。位相制御部２３のそれぞれは、信号制御部２２から送信された制御量を示す情報に基づいて、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。

位相制御部２３は、光ファイバ１１のそれぞれに設けられている。位相制御部２３は、例えば、図４（ａ）に示されるように、ヒータＨが内蔵されたボビンＢＢを有している。この場合には、そのボビンＢＢに光ファイバ１１のそれぞれが巻きつけられる。或いは、位相制御部２３は、例えば、図４（ｂ）に示されるように、ヒータＨが設置された板部材ＰＬを有している。この場合には、その板部材ＰＬとヒータＨとの間に光ファイバ１１のそれぞれが配置される。各位相制御部２３は、信号制御部２２から送信された制御量を示す情報に基づいて、各ヒータＨの発熱量を制御し、各光ファイバ１１の温度を調節して、各光ファイバ１１を伝播するレーザ光Ｌ_１の光路長を調節する。

実際に、例えば光ファイバ１１が石英ファイバである場合には、その光路長の温度係数は２８．８μｍ／（ｍＫ）であるので（（Opt. Laser Technol. 37, 29-32(2004)）参照）、所定のレーザ光Ｌ_１の中心波長を１．０６４μｍとすると温度係数は２７λ／（ｍＫ）となる。したがって、光ファイバ１１の温度を調節する部分の長さと、温度の調節量とを適当に選択することによって、λ／１００程度の光路長の調節が可能となる。

このように位相制御装置２０がレーザ光Ｌ_１の位相を制御することによって、回折格子１３で生成される合波光Ｌ_２が、図５に示されるように、モード同期発振された光周波数コムのレーザ光と等価なパルスレーザ光となる。なお、回折格子１３で生成された合波光Ｌ_２は、レンズ１４により所定の位置に集光される。

以上のように構成されたレーザ装置１においては、まず、レーザ光源１０のそれぞれから連続光であるレーザ光Ｌ_１が発振される。レーザ光源１０から発振されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、光ファイバ１１のそれぞれを伝播する。光ファイバ１１のそれぞれを伝播するレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、位相制御装置２０によって合波位置Ｐ_１において互いに位相が同一とされる。位相が同一とされたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、光ファイバ１１から出射された後に、レンズ１２を通過することにより回折格子１３上に集光される。そして、回折格子１３上に集光されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、回折格子１３により互いに合波されて、パルスレーザ光である合波光Ｌ_２としてレンズ１４を通過した後にレーザ装置１から出力される。このとき、合波光Ｌ_２が平行ビームとなるように、レンズ１２の焦点距離、回折格子１３の溝密度、及び回折格子１３への入射角度を調整することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１では、レーザ光Ｌ_１のそれぞれを合波して合波光Ｌ_２を生成する際に、回折格子１３の集光位置Ｐ_１において合波光Ｌ_２の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。これにより、集光位置Ｐ_１においてパルスレーザ光が生成される。このように、このレーザ装置１においては、複数のレーザ光Ｌ_１を合波してパルスレーザ光を生成する。このため、レーザ光源１０の数（すなわち互いに異なる周波数のレーザ光Ｌ_１の数）を増やすことにより、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光を容易に生成することができる。

また、レーザ装置１では、連続光であるレーザ光Ｌ_１のそれぞれを合波してレーザパルス列に変換する。したがって、パルスレーザ光を増幅する際の非線形光学効果（例えば、自己位相変調やビームブレークアップ等）や狭帯域化（パルス幅の増大）が生じない。よって、レーザ装置１によれば、パルスレーザ光を増幅するレーザ装置に比べて、高ビーム品質であると共に高繰返し且つ短パルスであるパルスレーザ光を生成することができる。

また、レーザ装置１では、レーザ光源１０から発振されるレーザ光Ｌ_１間の周波数差が一定であるので、合波光Ｌ_２の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようにレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御することが容易である。したがって、短パルス且つ高出力のパルスレーザ光をより一層容易に生成することができる。

また、レーザ装置１では、レーザ光源１０のそれぞれが半導体レーザであるので、レーザ装置の小型軽量化及び低消費電力化を図ることができる。また、レーザ装置の機械的な安定性を向上することができる。さらには、レーザ装置の製造コストを低減することができる。

さらに、レーザ装置１では、位相制御装置２０は、光ファイバ１１のそれぞれの温度を制御することにより、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御するので、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を容易に制御することができる。

なお、レーザ装置１は、レーザ光Ｌ_１のそれぞれを回折格子１６により合波して合波光Ｌ_２を生成する構成としたが、合波光Ｌ_２を伝送する必要がない場合には、例えば図６に示されるように、回折格子１３を用いずに、レンズ１２の焦点位置Ｐ_２においてレーザ光Ｌ_１を合波して合波光Ｌ_２を生成する構成としてもよい。

また、レーザ装置１において、レーザ光源１０は、ＤＦＢ半導体レーザが１次元的に配列されたＤＦＢ半導体レーザアレイであってもよいし、ファイバーブラッグ回折格子を用いたファイバーレーザアレイであってもよい。とくに、レーザ光源１０をＤＦＢ半導体レーザアレイとした場合には、このＤＦＢ半導体レーザアレイを積層し、レーザ光Ｌ_１の発振源を２次元的に配列することにより、レーザ光Ｌ_１の数を容易に増大させることができるので、レーザ装置１の小型化が図られる。

また、レーザ装置１は、レーザ光源１０のそれぞれから発振されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅する増幅器を備えてもよい。すなわち、レーザ装置１においては、光ファイバ１１のそれぞれを、レーザ光Ｌ_１のそれぞれを伝播しつつ増幅する光ファイバ増幅器に置き換えてもよい。その場合には、位相制御装置２０は、光ファイバ増幅器における光ファイバのそれぞれの温度を制御することによって、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御することとなる。

１…レーザ装置、１０…レーザ光源（発振手段）、１１…光ファイバ、１２…レンズ（合波手段）、１３…回折格子（合波手段）、２０…位相制御装置（位相制御手段）、Ｌ_１…レーザ光、Ｌ_２…合波光。

Claims (4)

1. 連続光であって互いに周波数が異なる複数のレーザ光のそれぞれを発振する複数の発振手段と、
   前記発振手段のそれぞれから発振された前記レーザ光のそれぞれを所定の位置において合波して合波光を生成する合波手段と、
   前記所定の位置において前記合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように前記レーザ光のそれぞれの位相を制御する位相制御手段と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記発振手段のそれぞれは、略一定の周波数差で周波数が互いに異なる前記レーザ光のそれぞれを発振することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記発振手段は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ装置。
4. 前記発振手段のそれぞれには、前記レーザ光のそれぞれを伝播する光ファイバが接続されており、
   前記位相制御手段は、前記光ファイバのそれぞれの温度を制御することにより、前記レーザ光のそれぞれの位相を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ装置。

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