JP2020123620A - 光増幅装置、および光照射装置 - Google Patents

光増幅装置、および光照射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】低ノイズで高効率な光増幅装置を提供する。【解決手段】光源からの光を増幅する光増幅装置は、前記光源から第１入力口に入力された光を第１光として出力し、第２入力口に入力された光を前記第１光とは偏光状態が異なる第２光として出力するコンバイナと、前記コンバイナから出力された前記第１光および前記第２光の強度を増幅する光増幅部と、前記光増幅部からの前記第１光を入力して第１出力口から出力し、前記光増幅部からの前記第２光を入力して第２出力口から出力するスプリッタと、前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光の強度を制御信号に応じて減衰する光変調部と、を含み、前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光は、前記光変調部を通って前記コンバイナの前記第２入力口に入力される。【選択図】図１

Description

本発明は、光増幅装置、および光照射装置に関する。
高出力なレーザ出力を得るために、比較的低出力で高い安定性を有するシード光源からの出力を、誘導放出の原理に基づいて外部増幅器を用いて高出力化する技術が利用されている。この技術は、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ；Master Oscillator Power Amplifier）と呼ばれる。
ＭＯＰＡは、モードロックレーザーなどの短パルスレーザ出力を増幅することに用いられうる。例えば、短パルスレーザにおいて、数ピコ秒（ｐｓ）以下のレーザ光を共振器内で安定して発振し続けるには、共振器内のパルス光の状態（エネルギ、パルス時間幅、スペクトル）がある範囲に限定され、共振器からの直接の出力を高出力化することが難しい。特に、光ファイバを用いたファイバレーザでは、光ファイバ内での非線形効果および破壊閾値により、共振器出力が制限されうる。したがって、このような場合において、ＭＯＰＡ方式を用いることが好ましい。また、ＭＯＰＡ方式は、短パルスに限らず、小型で安価、安定な半導体レーザから出力されるような連続光（ＣＷ光；Continuous wave光）を増幅することにも用いられうる。
特開２０１８−４５２２９号公報
パルス光を増幅する光増幅部では、増幅することができるパルス光列の平均パワーが限定される。したがって、光増幅部を用いて１つのパルス光のパルスエネルギ（光強度）を大きくするためには、パルスピッカーなどの光変調部を用いてパルス光列の繰り返し周波数を下げてから、当該パルス光列を光増幅部に入力することが好ましい。一方、パルス光列の繰り返し周波数を下げるとパルス光間の周期が長くなる。そのため、光増幅部から出力されたパルス光列では、ノイズとしてパルス光間に生じる自然放射増幅光（ＡＳＥ光；Amplified Spontaneous Emission光）が大きくなりやすい。
特許文献１には、スペクトル線幅を狭くするため、偏光を利用して、スペクトルフィルタと光増幅部とを２回伝搬させる方法が提案されている。特許文献１に記載された方法では、偏光を利用したループ内において、消光比の関係による発振およびＡＳＥ光を抑制するため、光増幅部に入力される励起光の出力を調整している。しかしながら、この方法では、光増幅部の増幅率を抑制することとなり、光増幅の効率性の点で不十分であった。
そこで、本発明は、低ノイズで高効率な光増幅装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光増幅装置は、光源からの光を増幅する光増幅装置であって、前記光源から第１入力口に入力された光を第１光として出力し、第２入力口に入力された光を前記第１光とは偏光状態が異なる第２光として出力するコンバイナと、前記コンバイナから出力された前記第１光および前記第２光の強度を増幅する光増幅部と、前記光増幅部からの前記第１光を入力して第１出力口から出力し、前記光増幅部からの前記第２光を入力して第２出力口から出力するスプリッタと、前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光の強度を制御信号に応じて減衰する光変調部と、を含み、前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光は、前記光変調部を通って前記コンバイナの前記第２入力口に入力される、ことを特徴とする。
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、例えば、低ノイズで高効率な光増幅装置を提供することができる。
第１実施形態の光増幅装置の構成例を示す図 実施例１における光増幅装置の構成を示す図 第２実施形態の光増幅装置の構成例を示す図 実施例２における光増幅装置の構成を示す図 実施例３〜４における光増幅装置の構成を示す図 実施例５における光増幅装置の構成を示す図 加工装置の一例を示す図 従来の光増幅装置の構成例を示す図 従来の光増幅装置の構成例を示す図
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
まず、光増幅装置の基本原理について説明する。光増幅装置では、高出力なレーザ出力を得るために、比較的低出力で高い安定性を有するシード光源からの出力を、誘導放出の原理に基づいて外部増幅器を用いて高出力化するＭＯＰＡ技術が適用されうる。ここでは、シード光源から出力されたパルス光列をＭＯＰＡ技術で増幅する例について説明する。
ＭＯＰＡ技術を用いたパルス光の増幅では、単純にパルスを入力するのではなく、パルスをいったん時間的に広げて尖頭値（ピーク値）を下げてから増幅するチャープパルス増幅（ＣＰＡ）が行われうる。この場合、最初に与えたチャープを補償する分散補償を行うことにより、高エネルギで狭い時間幅（即ち、高出力かつ短パルス）のパルス光列を得ることができる。また、パルス光を増幅する光増幅部では、増幅後のパルス光列の平均パワーは制限される。したがって、光増幅部を用いて１つのパルス光のパルスエネルギを大きくするためには、同一の平均パワーでパルス光列の繰り返し周波数を下げることが好ましい。パルス光列の繰り返し周波数を下げる方法としては、例えば、パルス光列から所定の周期でパルス光を間引くパルスピッカーを用いる方法が挙げられる。
図８は、上述した技術を組み合わせた従来の光増幅装置４００の構成例を示す図である。シード光源４０１から出力されたパルス光列は、パルス光の光強度を減衰制御する光変調部４０２に入力される。ここで、光変調部４０２としては、例えば、オン／オフ制御（制御信号）によりパルス光列から所定の周期でパルス光を間引いてパルス光列の繰り返し周波数を低くするパルスピッカーが用いられうる。光変調部４０２により繰り返し周波数が低くされたパルス光列は、チャープ付与素子４０３を伝搬することにより各パルス光の時間幅が広げられ、ピーク強度が下げられる。そして、チャープ付与素子４０３から出力されたパルス光列は光増幅部４０４に入力され、光増幅部４０４によりパルスエネルギ（光強度）が増幅される。光増幅部４０４から出力されたパルス光列は、分散補償部４０５に入力され、分散補償部４０５によりチャープ補償されてパルス圧縮を起こす。これにより、高エネルギで狭い時間幅（即ち、高出力かつ短パルス）のパルス光列を得ることができる。なお、シード光源４０１からのパルス光列の強度、または光の増幅方式によっては、チャープ付与素子４０３および分散補償部４０５を設けなくてもよい。
このように、光変調部４０２でパルス光列の繰り返し周波数を下げてから光増幅部４０４でパルスエネルギを増幅する方式では、光増幅部４０４によってパルス光間のノイズ成分が増幅されることで発生する自然放射増幅光（ＡＳＥ光）が大きくなりやすい。また、ＡＳＥ光を低減する１つの方法としては、光増幅部４０４の増幅率を下げる方法が挙げられるが、この方法では、シード光源４０１からの光（パルス光列）を効率よく増幅することが不十分になりうる。そこで、以下の実施形態では、ノイズとしてのＡＳＥ光を低減させつつ、シード光源４０１からの光からの光を効率よく増幅することができる光増幅装置について説明する。
＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態の光増幅装置について説明する。本実施形態では、チャープ付与素子および分散補償部を含まない光増幅装置の構成例について説明する。図１は、本実施形態の光増幅装置１００Ａの構成例を示す図である。本実施形態の光増幅装置１００Ａは、例えば、偏波コンバイナ１０２と、光増幅部１０３と、偏光制御部１０４と、偏波スプリッタ１０５と、光変調部１０６とを含みうる。図１では、光路の各箇所における光の偏光状態が矢印によって示されている。
シード光源１０１からは、直線偏光（横偏光）を有するシード光Ｌｓが出力され、当該シード光Ｌｓは、偏波コンバイナ１０２の第１入力口１０２ａ（第１入力端）に横偏光で入射する。偏波コンバイナ１０２の第１入力口１０２ａに横偏光で入力された光は、偏波コンバイナ１０２の出力口１０２ｃ（出力端）から横偏光の第１光Ｌ１として出力される。ここで、図１に示す例では、横偏光のシード光Ｌｓを偏波コンバイナ１０２の第１入力口１０２ａに入射させたが、縦偏光のシード光Ｌｓを第１入力口１０２ａに入射させてもよい。また、図１に示す偏波コンバイナ１０２は、第１入力口１０２ａまたは第２入力口１０２ｂに入力された光を偏光状態を変えずに出力口１０２ｃから出力する構成であるが、偏光状態を変えて出力口１０２ｃから出力する構成であってもよい。
偏波コンバイナ１０２の出力口１０２ｃから横偏光で出力された第１光Ｌ１は、光増幅部１０３に入力される。光増幅部１０３は、入力光の強度を１とした場合に当該入力光の強度を１より大きくする機能を有し、偏波コンバイナ１０２の出力口１０２ｃから出力された第１光Ｌ１を増幅する。光増幅部１０３により強度が増幅された第１光Ｌ１は、偏光制御部１０４に入射する。
偏光制御部１０４は、例えば半波長板を含み、偏光状態を変える（９０度回転させる）機能を有する。図１に示す例では、偏光制御部１０４に入力された第１光Ｌ１は、横偏光から縦偏光に偏光状態を変えて出力される。ここで、入力された光の偏光状態を変えて出力するように偏波コンバイナ１０２が構成されている場合には、偏光制御部１０４を設けなくてもよい。また、偏光制御部１０４は、偏波スプリッタ１０５の第１出力口１０５ｂから出力され偏波コンバイナ１０２の第２入力口１０２ｂに入力される光Ｌｒの光路上に配置されてもよい。
偏光制御部１０４から縦偏光で出力された第１光Ｌ１は、偏波スプリッタ１０５の入力口１０５ａ（入力端）に入力される。偏波スプリッタ１０５の入力口１０５ａに縦偏光で入力された第１光Ｌ１は、偏波スプリッタ１０５の第１出力口１０５ｂ（第１出力端）から縦偏光の光Ｌｒとして出力される。ここで、図１に示す偏波スプリッタ１０５は、入力口１０５ａに入力された光を偏光状態を変えずに第１出力口１０５ｂまたは第２出力口１０５ｃから出力する構成であるが、偏光状態を変えて各出力口１０５ｂ、１０５ｃから出力する構成であってもよい。また、偏波スプリッタ１０５は、偏波コンバイナ１０２と同様の部材（部品）を用いて、光路に配置する向きを変えて使用してもよい。
偏波スプリッタ１０５の第１出力口１０５ｂから縦偏光で出力された光Ｌｒは、光変調部１０６に入力される。光変調部１０６は、光増幅効果を有さずに、入力光の強度を１とした場合に当該入力光の強度を制御信号に応じて１以下に小さくする機能を有し、偏波スプリッタ１０５の第１出力口１０５ｂから出力された光Ｌｒの強度を制御信号に応じて減衰する。本実施形態では、例えば、シード光Ｌｓとしてパルス光列を用いる場合、光変調部１０６として、オン／オフ制御によりパルス光列から所定の周期でパルス光を間引いてパルス光列の繰り返し周波数を低くするパルスピッカーが用いられうる。
光変調部１０６から出力された光Ｌｒは、ミラー等を含む導光光学系１０７を介して偏波コンバイナ１０２の第２入力口１０２ｂ（第２入力端）に縦偏光で入力される。偏波コンバイナ１０２の第２入力口１０２ｂに縦偏光で入力された光は、偏波コンバイナ１０２の出力口１０２ｃから、第１光Ｌ１とは偏光状態が異なる縦偏光の第２光Ｌ２として出力される。偏波コンバイナ１０２の出力口１０２ｃから縦偏光で出力された第２光Ｌ２は、光増幅部１０３により増幅された後、偏光制御部１０により縦偏光から横偏光に偏光状態を変えられて偏波スプリッタ１０５の入力口１０５ａに入射する。偏波スプリッタ１０５の入力口１０５ａに横偏光で入力された第２光Ｌ２は、偏波スプリッタ１０５の第２出力口１０５ｃ（第２出力端）から縦偏光の光Ｌｏとして出力（出射）される。
このように、本実施形態の光増幅装置１００Ａでは、偏波コンバイナ１０２および偏波スプリッタ１０５を用いることにより、１つの光増幅部１０３で複数回の光増幅が行われる。これにより、光増幅部１０３など比較的高価な部品の点数を削減することができるため、低コスト化の点で有利である。また、このような構成では、光増幅が複数回に分けて行われるため、光増幅部１０３による１回目の光増幅で生成されたＡＳＥ光を光変調部１０６により低減（カット）し、低ノイズ化を実現することができる。
さらに、偏波コンバイナ１０２および偏波スプリッタ１０５では、消光比の関係により、出力されるべきではない偏光状態の光（即ち、漏れ光）が出力されることがある。この場合、光増幅部１０３を漏れ光が繰り返し伝搬し、光増幅部１０３の光増幅率によってはレーザ発振しうる。本実施形態の光増幅装置１００Ａでは、光変調部１０６により漏れ光を低減（カット）するとともに、複数回に分けて光増幅を行っているため、漏れ光によるレーザ発振を抑制することができる。
ここで、本実施形態では、光変調部１０６として、オン／オフ制御によりパルス光列から所定の周期でパルス光を間引くパルスピッカーを用いた。一方、光増幅装置を用いたレーザ加工装置では、幾つかのパルス光を一塊としたパルス光群を断続的に出力するバーストモードと呼ばれるものがある。この場合、光変調部１０６は、図９に示すように、パルス光群ごとに光強度を減衰するように構成されてもよい。この場合においてもＡＳＥ光が減衰され、低ノイズ化を図ることができる。
［実施例１］
本実施形態に係る光増幅装置の実施例について、図２を参照しながら説明する。図２は、実施例１における光増幅装置２００Ａの構成を示す図である。
シードパルス光源２０１からは、偏光が保持され、偏光保持光ファイバの第１偏波軸（Ｓｌｏｗ軸）に沿って伝搬されるシードパルス光Ｌｓ（パルス光列）が出力される。本実施例では、シードパルス光源２０１として、偏波保持光ファイバで構成された短パルスファイバレーザを用いた。シードパルス光源２０１から出力されるシードパルス光Ｌｓは、例えば、波長１０４０ｎｍ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、平均出力５ｍＷ（パルスエネルギ１００ｐＪ）、パルス時間幅８００ｆｓである。
シードパルス光Ｌｓは、光分岐素子２０８により分岐され、一部（例えば１０％）が同期部２０９（同期回路）に入力され、残りが偏波コンバイナ２０２の第１入力口２０２ａに入力される。同期部２０９は、シードパルス光Ｌｓのパルス光列を観測し、観測したパルス光列の繰り返し周波数に基づいて、光変調部としてのパルスピッカー２０６を制御するための電気信号Ｓを生成する。そして、同期部２０９は、当該電気信号Ｓを用いて、シードパルス光Ｌｓの位相（即ち、偏波コンバイナ２０２の第１入力口２０２ａに入力される光の位相）と同期するように、パルスピッカー２０６を制御する。即ち、同期部２０９は、シードパルス光Ｌｓの位相と同期して、偏波スプリッタ２０５の第２出力口２０５ｂから出力された光Ｌｒの強度が周期的に減衰されるように、パルスピッカー２０６を制御する。
偏波コンバイナ２０２としては、例えば、ファイバ偏波ビームコンバイナが用いられる。偏波コンバイナ２０２は、第１入力口２０２ａ（ポート１）に偏波保持光ファイバの第１偏波軸（Ｓｌｏｗ軸）に沿った光を入力すると、出力口２０２ｃ（ポート３）から偏波保持光ファイバの第２偏波軸（Ｆａｓｔ軸）に沿った光（第１光Ｌ１）を出力する。つまり、第１偏波軸に沿って伝搬する光としてシードパルス光源２０１から出力されたシードパルス光Ｌｓは、出力口２０２ｃ（ポート３）から第２偏波軸に沿った偏光状態で伝搬する光として出力される。
偏波コンバイナ２０２から出力された第１光Ｌ１（パルス光列）は、光アイソレータ２１０を伝搬した後、光増幅部２０３を伝搬して光強度が増幅される。本実施例では、光増幅部２０３は、例えば、利得物質を添加されたゲインファイバで構成され、当該ゲインファイバとしては、長さ１ｍのイッテリビウムドープドファイバ（ＹｂＤＦ；Yb Doped Fiber）が用いられうる。光増幅部２０３によって光強度が増幅された第１光Ｌ１は、偏波スプリッタ２０５の入力口２０５ａ（ポート３）に入力される。
偏波スプリッタ２０５としては、例えば、偏波コンバイナ２０２と同じ構成を有するファイバ偏波ビームスプリッタが用いられる。偏波スプリッタ２０５は、入力口２０５ａ（ポート３）に第２偏波軸に沿った第１光Ｌ１を入力すると、第１出力口２０５ｂ（ポート１）から第１偏波軸に沿った光Ｌｒを出力する。つまり、偏波スプリッタ２０５は、入力口２０５ａに第２偏波軸に沿って伝搬する増幅されたパルス光列が入力されると、第１出力口２０５ｂから第１偏波軸に沿って伝搬するパルス光列（光Ｌｒ）が出力される。
偏波スプリッタ２０５の第１出力口２０５ｂから出力された光Ｌｒ（パルス光列）は、光増幅部２０３のゲインファイバを励起する励起光ＥＬを導光するためのファイバカプラ２１１を伝搬する。ファイバカプラ２１１は、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）ファイバカプラである。励起光ＥＬは、励起光源２１２から出力された光であり、例えば、波長９７５ｎｍを有する。ファイバカプラ２１１は、偏光特性を有し、第２偏波軸に沿って伝搬する光に対する損失が大きい。そのため、ファイバカプラ２１１は、偏波コンバイナ２０２の出力口２０２ｃと偏波スプリッタ２０５の入力口２０５ａとの間ではなく、偏波スプリッタ２０５の第１出力口２０５ｂと偏波コンバイナ２０２の第２入力口２０２ｂとの間に挿入されるとよい。
ファイバカプラ２１１を伝搬した光Ｌｒ（パルス光列）は、光変調部としてのパルスピッカー２０６に入力される。パルスピッカー２０６は、上述したように、同期部２０９から供給される電気信号Ｓに基づいて、シードパルス光Ｌｓの位相と同期して、偏波スプリッタ２０５の第２出力口２０５ｂから出力された光Ｌｒの強度を周期的に減衰する。具体的には、パルスピッカー２０６は、オン／オフ制御により、光Ｌｒのパルス光列から所定の周期でパルス光を間引く処理を行う。これにより、繰り返し周波数が下げられたパルス光列が生成される。
ここで、同期部２０９から供給される電気信号Ｓは、例えば、パルス光列に同期して、１００ｋＨでパルスピッキングを行うための信号である。また、パルスピッカー２０６としては、例えば、音響光学変調（ＡＯＭ；Acousto-Optical Modulation）の原理に基づいた変調器が用いられうる。しかしながら、それに限られず、パルスピッカー２０６として、電気光学変調（ＥＯＭ；Electro-Optical Modulation）などの他の原理に基づいた変調器が用いられてもよい。
パルスピッカー２０６により繰り返し周波数が下げられた光（パルス光列）は、偏波コンバイナ２０２の第２入力口２０２ｂ（ポート２）に第１偏波に沿った光として入力される。偏波コンバイナ２０２は、第２入力口２０２ｂ（ポート２）に第１偏波軸に沿った光を入力すると、出力口２０２ｃ（ポート３）から第１偏波軸に沿った光（第２光Ｌ２）を出力する。そして、偏波コンバイナ２０２の出力口２０２ｃから出力された第２光Ｌ２（繰り返し周波数が下げられたパルス光列）は、光アイソレータ２１０を伝搬した後、光増幅部２０３を再び伝搬して光強度が増幅される。光増幅部２０３において１回目に伝搬される光は、第２偏波軸に沿った偏光状態の光（第１光Ｌ１）であるが、２回目に伝搬される光は、第１偏波軸に沿った偏光状態の光（第２光Ｌ２）である。
光増幅部２０３によって光強度が増幅された第２光Ｌ２は、偏光スプリッタ２０５の入力口２０５ａ（ポート３）に入力される。偏光スプリッタ２０５は、入力口２０５ａ（ポート３）に第１偏波軸に沿った第２光Ｌ２を入力すると、第２出力口２０５ｃ（ポート２）から第１偏波軸に沿った出力光Ｌｏを出力する。偏光スプリッタ２０５の第２出力口２０５ｃから出力された出力光Ｌｏ（パルス光列）は、平均出力１ｍＷ（パルスエネルギ１０μＪ）との計測結果であった。
このように、本実施例の光増幅装置２００Ａは、偏波コンバイナ２０２および偏波スプリッタ２０５を用いることにより、１つの光増幅部２０３で複数回の光増幅を行うことができる。そのため、光増幅器２０３（ゲインファイバ）や励起光源２１２など比較的高価な部品の点数を削減し、低コスト化に有利となる。また、このような構成では、光増幅を複数回に分けて行うため、１回目の光増幅で生成されたＡＳＥ光や漏れ光をパルスピッカー２０６（光変調部）で低減し、ＡＳＥ光の低減および意図しないレーザ発振の抑制を実現することができる。さらに、パルス光列の繰り返し周波数を下げてから光増幅を行うため、光増幅部２０３内で誘導放出が効率よく行われ、ＡＳＥ光の低減および意図しないレーザ発振の抑制を実現することができる。
ここで、本実施例では、光分岐素子２０８をシードパルス光源２０１の出力口の直後に挿入した。しかしながら、同期部２０９での光検出精度を向上させるため、同期部２０９に導光される光強度をより大きくした方が望ましい場合がある。この場合には、シードパルス光源２０１と光分岐素子２０８との間に光アンプを追加してもよい。あるいは、光分岐素子２０８を、光増幅器２０３からパルスピッカー２０６までの光路中に配置してもよい。
本実施例では、光増幅装置２００Ａへの光の入力口である偏波コンバイナ２０２の第１入力口２０２ａから逆伝搬する光（例えばＡＳＥ光など）を低減するため、偏波コンバイナ２０２と光増幅部２０３との間に光アイソレータ２１０を挿入している。しかしながら、逆伝搬する光（戻り光）による部品の故障や発振等が生じる可能性が小さい場合には光アイソレータ２１０を挿入しなくてもよい。また、光アイソレータ２１０は、偏波コンバイナ２０２と光増幅部２０３との間に限られず、装置内を伝搬すべき方向で伝搬する光（励起光ＥＬも含む）を遮らない位置であれば、光路上の任意の箇所に挿入されてもよい。
本実施例では、光増幅部２０３（ゲインファイバ）における励起方式として、増幅すべきパルス光の伝搬方向と逆方向に励起光ＥＬを伝搬させる後方励起とした。しかしながら、それに限られず、増幅すべきパルス光の伝搬方向と同一方向に励起光ＥＬを伝搬させる前方励起としてもよい。
本実施例では、光増幅装置２００Ａをファイバ素子で構成する例について説明したが、それに限られるものではなく、空間的に構成してもよい。例えば、偏波コンバイナ２０２および偏波スプリッタ２０５として、ファイバ偏波ビームコンバイナ／スプリッタの代わりに、平行平板ガラスやプリズム等で構成された偏波ビームコンバイナ／スプリッタを用いてもよい。このような偏波ビームコンバイナ／スプリッタは、例えば、横偏光および縦偏光のうち一方を透過し、他方を入射光の光軸に対して９０度方向に反射するように構成されうる。当該偏波ビームコンバイナ／スプリッタを用いることで、ビーム径を拡張することができ、ビームのエネルギによる光ファイバ素子の破損を回避することができる。このような偏波ビームコンバイナ／スプリッタを用いる場合、図１の構成例と同様に、偏波コンバイナ２０２と偏波スプリッタ２０５との間に、偏光状態を変更する波長制御部が挿入されうる。波長制御部としては、例えば、偏光子、半波長板、四分の一波長板が用いられうる。
例えば、横偏光を透過し縦偏光を反射する偏波ビームコンバイナ／スプリッタを用いる場合を想定する。この場合、偏波コンバイナ２０２の第１入力口２０２ａに横偏光で入射した光は、偏波コンバイナ２０２を通過し、半波長板で縦偏光に変換された後、偏波スプリッタ２０５に入射する。偏波スプリッタ２０５の入力口２０５ａに入射した縦偏光の光は、偏波スプリッタ２０５で反射されて第１出力口２０２ｂから出力された後、縦偏光のまま偏波コンバイナ２０２の第２入力口２０２ｂに入射する。偏波コンバイナ２０２の第２入力口２０２ｂに縦偏光で入射した光は、偏波コンバイナ２０２で反射されて出力され、半波長板で横偏光に変換された後、偏波スプリッタ２０５に入射し、偏波スプリッタ２０５を透過して第２出力口２０２ｃから出力される。
また、光増幅部２０３は、ゲインファイバに限られず、シードパルス光の波長で光増幅を行うことができる利得媒質であればよく、半導体増幅器やバルク状の利得物質であってもよい。この場合、電力や空間の光結合等で利得媒質を励起すればよいため、ファイバカプラ２１１を設けなくてもよい。
＜第２実施形態＞
本発明に係る第２実施形態の光増幅装置について説明する。図３は、本実施形態の光増幅装置１００Ｂの構成例を示す図であり、光増幅装置１００Ｂの光路における各箇所でのパルス光列の状態も合わせて図示している。本実施形態の光増幅装置１００Ｂは、第１実施形態の光増幅装置１００Ａを基本的に引き継ぐものであるが、偏波コンバイナ１０２と光増幅部１０３との間にチャープ付与素子１１３が設けられている点で異なる。チャープ付与素子１１３は、光の波長に応じて位相を遅延させることにより、パルス光列における各パルス光の時間幅を広げるための素子である。チャープ付与素子１１３を伝搬した各パルス光では、図３に示すように、時間幅が広げられるとともに、ピーク強度が下げられる。
本実施形態の光増幅装置１００Ｂでは、偏波コンバイナ１０２および偏波スプリッタ１０５を用いることにより、１つのチャープ付与素子１１３と１つの光増幅部１０３で、複数回のチャープ付与と複数回の光増幅とを行う。これにより、チャープパルス光増幅に必要となる光増幅部１０３のファイバ長を短縮したり、光増幅部１０３（ゲインファイバ）および励起光源など比較的高価な部品の点数を削減したりすることができるため、低コスト化に有利となる。また、このような構成では、光増幅を複数回に分けて行うため、１回目の光増幅で生成されたＡＳＥ光や漏れ光を光変調部１０６で低減（カット）し、ＡＳＥ光の低減および意図しないレーザ発振の抑制を実現することができる。さらに、パルス光列の繰り返し周波数を下げてから光増幅を行うため、光増幅部１０３内で誘導放出が効率よく行われ、ＡＳＥ光の低減および意図しないレーザ発振の抑制を実現することができる。
ここで、光増幅部１０３では、増幅される光の強度によって誘導放出の効率が変化しうる（即ち、光増幅率が変化しうる）。本実施形態の光増幅装置１００Ｂは、複数回に分けてチャープ付与と光増幅とを行っている。つまり、パルス光のピーク強度を下げてから光増幅を行う処理を２段階で行っている。そのため、パルス光のピーク付近で高効率に誘導放出を生じさせることができ、結果として、ＡＳＥ光を低減することができる。
［実施例２］
本実施形態に係る光増幅装置の実施例について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施例２における光増幅装置２００Ｂの構成を示す図である。本実施例の光増幅装置２００Ｂは、図２に示す実施例１の光増幅装置２００Ａを基本的に引き継ぐものであるが、偏波コンバイナ２０２と光増幅部２０３（光アイソレータ２１０）との間にチャープ付与素子２１３が更に設けられている。
偏波コンバイナ２０２から出力された第１光Ｌ１（パルス光列）は、チャープ付与素子２１３に入力され、チャープ付与素子２１３によって、波長ごとに位相が変えられ、各パルス光の時間幅が広げられる。本実施例では、チャープ付与素子２１３として、長さ２００ｍの長尺な偏波保持光ファイバを用いており、０．１ｐｓ／ｎｍ以上の波長分散量を有している。偏波保持ファイバは、波長１０４０ｎｍの光に対しては正常分散を有し、シングルモード伝搬するものであるとよい。
チャープ付与素子２１３から出力された第１光Ｌ１は、実施例１で説明したように、光アイソレータ２１０を伝搬した後、光増幅部２０３を伝搬して光強度が増幅される。光増幅部２０３で光強度が増幅された第１光Ｌ１は、偏波スプリッタ２０５の入力口２０５ａに入力され、第１出力口２０５ｂから光Ｌｒ（パルス光列）として出力される。偏波スプリッタ２０５から出力された光Ｌｒは、ファイバカプラ２１１を伝搬し、光変調部としてのパルスピッカー２０６で繰り返し周波数が下げられた後、偏波コンバイナ２０２の第２入力口２０２ｂに入力され、第２光Ｌ２（パルス光列）として出力される。
偏波コンバイナ２０２から出力された第２光Ｌ２は、チャープ付与素子２１３、光アイソレータ２１０、および光増幅部２０３を再び伝搬した後、偏波スプリッタ２０５に入力され、第２出力口２０５ｃから出力光Ｌｏとして出力される。チャープ付与素子２１３および光増幅部２０３において１回目に伝搬される光は、第２偏波軸に沿った偏光状態の光（第１光Ｌ１）であるが、２回目に伝搬される光は、第１偏波軸に沿った偏光状態の光（第２光Ｌ２）である。
ここで、本実施例では、光増幅装置２００Ｂへの光の入力口である偏波コンバイナ２０２の第１入力口２０２ａから逆伝搬する光（例えばＡＳＥ光など）を低減するため、チャープ付与素子２１３と光増幅部２０３との間に光アイソレータ２１０を挿入している。しかしながら、逆伝搬する光（戻り光）による部品の故障や発振等が生じる可能性が小さい場合には光アイソレータ２１０を挿入しなくてもよい。また、光アイソレータ２１０は、チャープ付与素子２１３と光増幅部２０３との間に限られず、装置内を伝搬すべき方向で伝搬する光（励起光ＥＬも含む）を遮らない位置であれば、光路上の任意の箇所に挿入されてもよい。
本実施例では、光増幅装置２００Ａをファイバ素子で構成するとともに、チャープ付与素子２１３によるチャープ付与を２回に分けて行っている。そのため、従来の光増幅装置と比較して、同じチャープ量を実現するために必要なチャープ付与素子２１３のファイバ長が半分でよいため、低コスト化に有利になる。一方、本実施例では、チャープ付与素子２１３を光ファイバで構成したが、それに限られず、例えば、プリズムや回折格子などの分散素子を用いて構成してもよい。この場合、空間の光路長などを低減することができるとともに、分散値を制御しやすくなるため、高次の分散を制御し、最終的なパルス圧縮を行いやすくなる。また、本実施例では、正常分散のチャープをパルス光に与えたが、非線形効果によるソリントン効果などによってパルス光が時間的に圧縮される現象が生じないようであれば、異常分散のチャープをパルス光に与えてもよい。
＜第３実施形態＞
本発明に係る第３実施形態の光増幅装置について説明する。本実施形態の光増幅装置は、第１〜第２実施形態の光増幅装置を基本的に引き継ぐものであるが、光遅延素子が設けられている点で異なる。光遅延素子は、偏波コンバイナ１０２から出力される第１光Ｌ１の位相と第２光Ｌ２の位相とを互いにずらすために用いられる。即ち、光遅延素子は、第１光Ｌ１におけるパルス光と第２光Ｌ２におけるパルス光とが時間的に重ならないように調整するための素子である。偏光状態が互いに異なる２つのパルス光が同一光軸を伝搬すると、非線形効果である相互位相変調が生じ、スペクトル形状および時間形状を変化させる場合がある。本実施形態では、光遅延素子を設けることにより、そのような非線形効果を回避することができる。
［実施例３］
本実施形態に係る光増幅装置の実施例について、図５を参照しながら説明する。図５は、実施例３における光増幅装置２００Ｃの構成を示す図である（なお、図５は、後述する実施例４の構成も含んでいる）。本実施例の光増幅装置は、図４に示す実施例２の光増幅装置２００Ｂを基本的に引き継ぐものであるが、光遅延素子２１４が更に設けられている。本実施例では、光遅延素子２１４として、長さ１ｍの偏波保持光ファイバが用いられうる。ここで、図５に示す構成例では、光遅延素子２１４は、偏波スプリッタ２０５から出力され偏波コンバイナ２０２に入力される光の光路上に配置されているが、それに限られず、任意の箇所に配置されてもよい。また、光遅延素子２１４として、チャープ付与素子２１３として用いられる偏波保持光ファイバの長さを調整してもよい。
＜第４実施形態＞
本発明に係る第４実施形態の光増幅装置について説明する。本実施形態の光増幅装置は、第１〜第３実施形態の光増幅装置を基本的に引き継ぐものであるが、第２変調部が更に設けられている点で異なる。第２変調部は、偏波スプリッタ１０５の第２出力口１０５ｃから出力された光Ｌｏの強度を減衰するために用いられる。
偏波スプリッタ１０５は、入力口１０５ａに入力された第１光Ｌ１の全てを第１出力口１０５ｂから光Ｌｒとして出力するように構成されることが理想的である。しかしながら、実際には、入力口１０５ａに入力された第１光Ｌ１の一部が、出力光Ｌｏとともに、第２出力口１０５ｃから出力されてしまう。このように第２出力口１０５ｃから出力される光を消滅させる比率は「消光比」と呼ばれ、１００％の消光比を実現することは困難である。そのため、本実施形態では、シード光（パルス光列）におけるパルス光の繰り返し周波数に同期した制御信号を用いて、偏波スプリッタ１０５の第２出力口１０５から出力された光の強度を周期的に減衰する第２光変調部が設けられる。これにより、偏光スプリッタ１０５の第２出力口１０５から出力された光のうち、第１光Ｌ１の漏れ光を低減（カット）し、２回の光増幅が行われた第２光Ｌ２の出力光を取り出すことができる。
［実施例４］
本実施形態に係る光増幅装置の実施例について、図５を参照しながら説明する。本実施例の光増幅装置は、実施例３の光増幅装置を基本的に引き継ぐものであるが、第２光変調部としての第２パルスピッカー２１５が更に設けられている。第２パルスピッカー２１５は、同期部２０９からの電気信号Ｓに基づいて、シードパルス光Ｌｓの位相と同期して、偏波スプリッタ２０５の第２出力口２０５ｃから出力された光Ｌｏに対し、オン／オフ制御により所定の周期で光を減衰する処理を行う。これにより、偏光スプリッタ１０５の第２出力口１０５から出力された光のうち、第１光Ｌ１の漏れ光が低減（カット）され、第２光Ｌ２の出力光が取り出されるため、ＡＳＥ光をより低減した更なる低ノイズ化を実現することができる。
＜第５実施形態＞
本発明に係る第５実施形態の光増幅装置について説明する。本実施形態の光増幅装置は、第１〜第４実施形態の光増幅装置を基本的に引き継ぐものであるが、光増幅同期部（同期回路）が更に設けられている点で異なる。光増幅同期部は、光増幅部１０３への光の入力タイミングと同期させて光増幅部１０３に光強度の増幅を行わせる。つまり、光増幅同期部は、光増幅部１０３へのパルス光の入力タイミングと光増幅部１０３によるパルス光の増幅タイミングとが同期するように、光増幅部１０４の利得（ゲイン）を制御する。これにより、パルス光間でのノイズ成分について光増幅部１０４による増幅が制限されるため、ＡＳＥ光をより低減した更なる低ノイズ化を実現することができる。
［実施例５］
本実施形態に係る光増幅装置の実施例について、図６を参照しながら説明する。図６は、実施例５における光増幅装置２００Ｄの構成を示す図である。本実施例の光増幅装置は、図５に示す光増幅装置２００Ｃを基本的に引き継ぐものであるが、光増幅同期部２１６が更に設けられている。
本実施例では、光増幅部２０３のゲインファイバを励起する励起光ＥＬを導光するためのファイバカプラ２１１および励起光源２１２は、増幅すべきパルス光の伝搬方向と同一方向に励起光ＥＬを伝搬させる前方励起として構成されうる。また、光増幅同期部２１６は、光増幅部２０３へのパルス光の入力タイミングと光増幅部２０３によるパルス光の増幅タイミングとを同期させるように、励起光源２１２からの励起光ＥＬの射出と非射出とを切り換える。具体的には、光増幅同期部２１６は、同期部２０９からの電気信号Ｓに基づいて、シードパルス光Ｌｓの位相と同期して励起光ＥＬの射出を行うように、励起光源２１２を制御する。
例えば、光増幅同期部２１６は、５０ＭＨｚの繰り返し周波数を有するシード光Ｌｓのパルス光列とパルスピッカー２０６で１００ｋＨｚに低減された繰り返し周波数のパルス光列とが同期するように、励起光源２１２を制御して励起光ＥＬの強度変調を行う。シードパルス光Ｌｓの繰り返し周波数が５０ＭＨｚであるため、２０ｎｓ周期でシードパルス光Ｌｓが入力される。したがって、シードパルス光Ｌｓのパルス光列と１００ｋＨｚのパルス光列とが同期するように、５ｎｓ以下の時間幅で励起光ＥＬをオン状態にするとよい。ここで、励起光源２１２が半導体レーザなどで構成される場合、発光素子の寿命は発光時間に依存する。本実施例では、発光時間を低減することができるため、光増幅装置（励起光源２１２）の寿命を延ばすことができる。
＜第６実施形態＞
本発明に係る光増幅装置を用いた光照射装置の実施形態について説明する。光照射装置は、例えば、上述した第１〜第５実施形態の光増幅装置のいずれかを含み、当該光増幅装置からの出力光を対象物に照射し、当該対象物の加工や観察を行う装置である。例えば、対象物の加工を行う加工装置としては、光増幅装置からの出力光を、５軸レーザスキャナに導光し、対象物に照射してレーザ加工を行うレーザ加工機が挙げられる。
図７は、本実施形態の加工装置３００の一例を示す図である。シード光源３０１から射出された光（パルス光列）は、光増幅装置３０２に入力される。光増幅装置３０２は、上述した第１〜第５実施形態の光増幅装置のいずれかを含みうる。光増幅装置３０２から出力された光は、更に光強度を増幅させるために外部光増幅部３０３に入力され、中心波長１０４０ｎｍ、平均出力５Ｗ、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルス光列を得る。外部光増幅部３０３から出力された光は、チャープ補償部３０４に入力され、チャープ補償部３０４により、パルス幅１ｐｓの高出力短パルスの光が生成される。チャープ補償部３０４から出力された光は、５軸レーザスキャナ３０５に入力され、５軸レーザスキャナ３０５によってワーク３０６（対象物）に照射され走査される。ワーク３０６は、例えば、厚さ５００μｍのアルミ板である。ワーク３０６は、移動可能なステージ３０７によって保持され、位置制御が行われる。また、シード光源３０１（シード光の出力タイミング）、５軸レーザスキャナ３０５およびステージ３０７は、制御部３０８によって制御される。制御部３０８は、例えばＣＰＵやメモリ等を含むコンピュータによって構成されうる。
ここで、光照射装置は、光増幅装置から出力された光を非線形媒質に入射させて、入射光と異なる波長の光を出力する光波長変調器を有してもよい。具体的には、当該光波長変調器は、非線形結晶やＰＰＬＮ、光ファイバなどを用いて、広帯域に波長が広がるスーパーコンティニュウム光の発生や、光ソリトンパルス、パラメトリック光、高次高調波発生によって入射光と異なる波長の光を出力する。なお、ＰＰＬＮは、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate）のことである。
光照射装置は、光増幅装置から出力された光を光電界スイッチに入射してテラヘルツ（ＴＨｚ）光を発生させる機構を有してもよい。また、光照射装置は、光増幅装置から出力された光、または、上記の光波長変調器から出力された光をレーザ走査顕微鏡に入力し、観察対象物の非線形応答を観察することで染色せずに物質を識別する非線形顕微鏡であってもよい。さらに、光照射装置は、上記の光波長変調器から出力された広帯域光を用いて、光コヒーレンストモグラフィを行う機構を有してもよい。これにより、非常に広帯域なスペクトルが得られ、分解能の高い断層像を取得することができる。光照射装置は、上記の光波長変調器から出力された広帯域光を用いて、光コム計測を行う機構を有してもよい。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
１０１：シード光源、１０２：偏波コンバイナ、１０３：光増幅部、１０４：偏光制御部、１０５：偏波スプリッタ、１０６：光変調部

Claims (10)

  1. 光源からの光を増幅する光増幅装置であって、
    前記光源から第１入力口に入力された光を第１光として出力し、第２入力口に入力された光を前記第１光とは偏光状態が異なる第２光として出力するコンバイナと、
    前記コンバイナから出力された前記第１光および前記第２光の強度を増幅する光増幅部と、
    前記光増幅部からの前記第１光を入力して第１出力口から出力し、前記光増幅部からの前記第２光を入力して第２出力口から出力するスプリッタと、
    前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光の強度を制御信号に応じて減衰する光変調部と、
    を含み、
    前記スプリッタの前記第１出力口から出力された光は、前記光変調部を通って前記コンバイナの前記第２入力口に入力される、ことを特徴とする光増幅装置。
  2. 前記コンバイナと前記光増幅部との間の光路上に、光の波長に応じて位相を遅延させるチャープ付与素子を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
  3. 前記チャープ付与素子は、０．１ｐｓ／ｎｍ以上の波長分散量を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の光増幅装置。
  4. 前記第１光の位相と前記第２光の位相とを互いにずらすための光遅延素子を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  5. 前記スプリッタの前記第２出力口から出力された光の強度を減衰する第２光変調部を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  6. 前記第２光変調部は、前記コンバイナの前記第１入力口に入力される光の位相に同期するように、前記スプリッタの前記第２出力口から出力された光の強度を減衰する、ことを特徴とする請求項５に記載の光増幅装置。
  7. 前記光増幅部への光の入力タイミングと同期させて前記光増幅部に光強度の増幅を行わせる同期部を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  8. 前記コンバイナから出力され前記スプリッタに入力される光の光路上に、光の偏光状態を変える偏光制御部を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  9. 前記コンバイナの前記第１入力口には、前記光源から出力されたパルス光列が入力される、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  10. 対象物に光を照射する光照射装置であって、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光増幅装置を含み、
    前記光増幅装置からの出力光を前記対象物に照射する、ことを特徴とする光照射装置。
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