JP4328832B2 - 光再生増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧の印加によって駆動する偏光素子を利用して共振器での光増幅を行う光再生増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光再生増幅器は、レーザ光源等から供給される光のパルスを共振器中に閉じ込め（トラップし）、増幅した光パルスを共振器中から取り出すことによって高出力の光パルスを得る光の増幅手段であり、その光パルスの閉じ込めと取り出しをする手段としては、電圧の印加によって駆動するポッケルスセル（Pockels Cell）等の偏光素子が利用されている。ポッケルスセルは、ポッケルス効果を呈する結晶に電圧を印加して駆動させる偏光素子であり、印加電圧に応じて結晶の光軸特性に異方性が与えられ、結晶を通過する光の偏光方向を変化させる。ポッケルスセルを利用する光再生増幅器では、偏光子等をポッケルスセルと組み合わせて用いることにより、光パルスを共振器中に閉じ込めたり共振器中から取り出したりする光学的なスイッチングを実現して共振器での光増幅を行う。
【０００３】
図５は、かかる光再生増幅器の従来における構成例を示した図である。図示の光再生増幅器は、偏光子１０、ポッケルスセル１１、反射鏡１２、レーザ結晶（レーザ媒質）１３及び反射鏡１４で構成されており、レーザ光源等からのレーザ光パルスが偏光子１０への入力光として供給されるものとなっている。偏光子１０は、図の紙面垂直方向に直線偏光したＳ偏光の光を反射し、同水平方向に直線偏光したＰ偏光の光を透過する偏光子であり、入力光としてＳ偏光のレーザ光パルスが供給されると、その入力光を反射してポッケルスセル１１側へと進行させる。ポッケルスセル１１は、印加電圧ＶPCによって駆動される偏光素子であり、入力光が一旦通過して反射鏡１２から戻って来た瞬間に通過光の偏光方向を９０度回転させる印加電圧ＶPCが加えられる。この印加電圧ＶPCが加えられている間にポッケルスセル１１を通過した入力光は、Ｐ偏光の光パルスとなって偏光子１０を透過するので、以後、反射鏡１２、レーザ結晶１３及び反射鏡１４で構成される共振器内を往復することになる。これにより、Ｐ偏光の光パルスとされた入力光が共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【０００４】
共振器中に閉じ込められた光パルスは、共振器内を往復する間に繰り返しレーザ結晶１３を通って増幅される。そして、増幅された光パルスは、反射鏡１２側からポッケルスセル１１へ入射する瞬間に上記同様の印加電圧ＶPCが加えられることによってＳ偏光の光パルスとされる。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子１０で反射し、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。なお、取り出された出力光は、共振器外に設けられた図示せぬ光の分離手段により入力光と分離されて利用される。
【０００５】
以上のようなポッケルスセルを利用した光再生増幅器においては、光パルスの閉じ込めと取り出しのタイミングがポッケルスセルへの電圧印加タイミングによって決定されるので、共振器内に注入する種光パルスのアライメントや注入した種光パルスの増幅回数を調整することが容易であるという利点がある。さらに、ポッケルスセルを利用した光再生増幅器によれば、一般に良好なビーム質の増幅光パルスが得られるという利点もある。
【０００６】
このようなことから、ポッケルスセルの配置形態やポッケルスセルへの電圧印加形態が異なる他の光再生増幅器もいくつか提案されている。例えば、ポッケルスセルの配置形態に関しては、光パルスの閉じ込め用と取り出し用の２つのポッケルスセルを配置する光再生増幅器が提案されており、その光再生増幅器では、一方のポッケルスセルに対して光パルスの閉じ込め時（種光パルスの注入時）にのみ電圧を印加し、他方のポッケルスセルに対して増幅光パルスの取り出し時にのみ電圧を印加することとしている。また、ポッケルスセルへの電圧印加形態に関しては、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加することにし、電圧印加中にポッケルスセルを往復した光を偏光させる（Ｐ偏光ないしＳ偏光とする）ものや、電圧を印加して光パルスを閉じ込め、その印加電圧を光増幅中は維持して後に０Ｖに戻すことにより増幅光パルスを取り出すものが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポッケルスセルは、上述したように印加電圧に応じて通過光の偏光方向を変化させるが、光再生増幅器で求められる偏光方向の変化を実現するためには、一般に数ｋＶオーダーの高電圧を印加する必要がある。例えば、一般的なＫＤ＊Ｐ結晶のポッケルスセルで波長１０６４ｎｍのレーザ光の偏光方向を９０度回転させるためには、約７ｋＶの高電圧を印加しなければならない。また、ポッケルスセルに電圧を印加して共振器中に閉じ込めた光パルスは、数十ｎｓで共振器内を往復し（例えば、共振器の長さが１．５ｍ〜３ｍだとすると、共振器の往復光路長／光速＝（１．５ｍ〜３ｍ×２）／（３×１０８ｍ／ｓ）＝１０ｎｓ〜２０ｎｓで共振器内を往復し）、もとのポッケルスセルの位置に戻って来る。このため、ポッケルスセルに印加する電圧は、数ｎｓで立ち上がり、かつ、数ｎｓで立ち下がる極めて短時間のパルス電圧とする必要がある。これらのことから、ポッケルスセルを利用する光再生増幅器においては、数ｋＶの高電圧を数ｎｓの短時間のみポッケルスセルに印加しなければならないという難点があり、ポッケルスセルの駆動回路（印加電圧の制御回路）を実現することが容易でない。
【０００８】
例えば、上記図５の光再生増幅器では、図６のタイミングチャートに示したように印加電圧ＶPCを加えなければならない。図６のタイミングチャートにおいて、上段は、横軸を時間軸、縦軸を印加電圧ＶPCの大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶPCの変化の様子を示しており、下段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸の上側をポッケルスセル１１の（反射鏡１２からの）通過光強度、縦軸の下側を出力光の強度として、経過時間に対する共振器中の光パルスと出力光の変化の様子を示している（なお、上下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。）。時間幅ＴP1のパルス電圧は、入力光がポッケルスセル１１に戻って来た上述の瞬間に加えられる印加電圧ＶPCであり、これによって注入された種光パルスが増幅時間ＴATの間に増幅され、下段上側に示したように共振器中の光パルスが変化していく。そして、増幅された光パルスがポッケルスセル１１へ入射する上述の瞬間に時間幅ＴP2のパルス電圧が印加電圧ＶPCとして加えられ、Ｓ偏光とされた増幅光パルスが出力光として現れる。したがって、上記図５の光再生増幅器に関しては、図６中の上段に示した２つのパルス電圧が数ｋＶに達していなければならず、かつ、時間幅ＴP1と時間幅ＴP2がそれぞれ少なくとも１０ｎｓ以下でなければならないことになる。
【０００９】
さらに、注入した種光パルスを増幅する増幅時間ＴATは、レーザ結晶１３での増幅によって増幅光パルスのパルスエネルギーが飽和する時間等に応じて定められるものであり、一般に１００ｎｓ〜２００ｎｓ程度の時間に選定することが求められる。これに対し、上記図５の光再生増幅器では、１０ｎｓ以下の時間幅で数ｋＶに達するパルス電圧を同一のポッケルスセルに２度印加しなければならず、そのパルス電圧の立ち上がり波形と立ち下がり波形を対称にすることも困難なので、求められる以上の数百ｎｓに増幅時間ＴATを選定せざるを得ず、増幅時間ＴATの調整に制限があり、増幅時間ＴATを精確に調整することも容易でない。
【００１０】
最近では、光再生増幅器による光増幅を高速で繰り返し、数十ｋＨｚ以上の高速増幅光パルスを得ることが望まれている。このため、ポッケルスセルの駆動回路としては、上述したように高速で立ち上がって高速で立ち下がる出力特性の高電圧源を用意しなければならない上に、その高電圧源を数十ｋＨｚ以上の高速繰り返し動作に対応させなければならず、ポッケルスセルの駆動回路を実現することが極めて困難な実情にある。
【００１１】
これに対し、２つのポッケルスセルを配置する上述の光再生増幅器では、一度出力光を得るのにそれぞれのポッケルスセルを一度だけ駆動すればよいので、増幅時間間隔で１つのポッケルスセルに対する電圧印加を繰り返す必要はない。しかし、それぞれのポッケルスセルを駆動するに当たって数ｋＶの高電圧を数ｎｓの短時間のみ印加しなければならない点は上記図５の光再生増幅器と同様であり、ポッケルスセルの駆動回路を実現するのが困難であることに変わりはない。
【００１２】
一方、ポッケルスセルへの印加電圧を光増幅中は維持するものにあっては、光パルスを閉じ込める際に印加電圧が高速で立ち上がり、かつ、増幅光パルスを取り出す際に印加電圧が高速で立ち下がらなければならないので、駆動回路として必要とされる高電圧源には上記同様の出力特性が要求される。特に、立ち下がりの高速化には複雑な回路が必要とされるので、依然としてポッケルスセルの駆動回路を実現するのは困難となる。また、一度高速で立ち上がった印加電圧を高速で立ち下げるまでの時間が増幅時間になることから、上記図５の光再生増幅器と同様に増幅時間の調整に制限があり、光増幅の繰り返し動作を高速化することも困難である。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複雑な駆動回路を要せずにポッケルスセル等の偏光素子に対する電圧の印加を容易に行うことを可能にし、増幅時間を柔軟かつ精確に調整することができ、光増幅の動作を高速で繰り返すこともできる光再生増幅器を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明に係る光再生増幅器は、注入された光を増幅する共振器と、供給された入力光の偏光方向を変化させる偏光手段であって、入力光が供給されたときに当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、前記共振器に注入した往復する光に対して電圧印加による駆動を継続し、往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする第１の偏光手段と、電圧の印加によって駆動され、前記共振器で増幅された増幅光の偏光方向を変化させる偏光手段であって、前記共振器から増幅光を取り出すときに電圧を印加されて駆動を開始し、増幅光の偏光方向を前記共振器から取り出す偏光方向に変化させる第２の偏光手段とを有している。
【００１５】
ここで、前記第１の偏光手段は、電圧の印加によって駆動される偏光手段であって、当該入力光が供給されたときに電圧を印加されて駆動を開始し、当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、前記共振器に注入した往復する光に対して駆動を継続し、往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする偏光手段であるものとしてもよい。この場合の第１の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、当該入力光が供給されたときに、当該入力光が前記往復路のうちの一方で前記第１の偏光手段を通過した時から前記往復路のうちの他方で前記第１の偏光手段を通過する時までの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。
【００１６】
あるいは、前記第１の偏光手段は、電圧を印加されていない状態で当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、電圧を印加されている状態で往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする偏光手段であって、当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させた後に電圧を印加され、前記共振器に注入した往復する光に対して電圧印加による駆動を継続する偏光手段であるものとしてもよい。この場合の第１の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられた第１及び第２の偏光素子を有し、前記第１の偏光素子が往復する光の偏光方向を定常的に９０度回転させる偏光素子であり、前記第２の偏光素子が通過する光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加されて駆動する偏光素子であるものとし、当該入力光が供給されたときに、前記第２の偏光素子を当該入力光が一度往復してから次に往復するまでの間に前記第２の偏光素子が電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。また、この場合の他の第１の偏光手段としては、前記共振器内の光の往復路に設けられ、電圧を印加されていないときに往復する光の偏光方向を９０度回転させると共に、通過光の偏光方向を４５度回転させる分の電圧を印加されているときに往復する光の偏光方向を１８０度回転させるものとし、当該入力光が供給されたときに、前記第１の偏光手段を当該入力光が一度往復してから次に往復するまでの間に前記第１の偏光手段が電圧を印加されて電圧印加による駆動を開始するものとしてもよい。
【００１７】
一方、前記第２の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、前記共振器から増幅光を取り出すときに、当該増幅光が前記往復路のうちの一方で前記第２の偏光手段を通過した時から前記往復路のうちの他方で前記第２の偏光手段を通過する時までの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。あるいは、前記第２の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、前記共振器から増幅光を取り出すときに、当該増幅光が一度往復してから次に往復するまでの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。
【００１８】
以上のような光再生増幅器においては、前記第１の偏光手段が前記共振器外からの光を受ける第１の偏光子で反射された光を当該入力光として供給されるものとしてもよい。また、前記第２の偏光手段が前記共振器中の光を受ける第２の偏光子で反射される光の偏光方向に前記共振器で増幅された増幅光の偏光方向を変化させるものとしてもよい。
【００１９】
そして、本発明に係る光再生増幅器のさらに具体的な第１の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が通過して前記第１の反射鏡から戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加され、前記第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光とすると共に、その印加電圧を所定期間維持され、光が通過する度に当該光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルであり、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２０】
また、具体的な第２の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子と、前記第１のポッケルスセルと前記第１の反射鏡との間に設けられ、往復する光の偏光方向を９０度回転させる波長板とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び前記波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が通過する度に当該光の偏光方向を４５度回転させ、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２１】
さらに、具体的な第３の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１の反射鏡側に設けられ、光軸方向が往復する光の偏光方向を４５度回転させる方向に傾けられた第１のポッケルスセルと、前記第２の反射鏡側に設けられた第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び前記波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる分の電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が往復する度に当該光の偏光方向を１８０度回転させ、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２２】
以上のような第１、第２及び第３の構成による光再生増幅器において、前記第２のポッケルスセルは、当該増幅光が通過して前記第２の反射鏡から戻って来るまでの間に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするものとしてもよい。あるいは、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を一度往復して当該増幅光となる光が往復してから当該増幅光が通過する前に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするものとしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
（１）基本原理
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【００２４】
レーザ光パルスがポッケルスセルを一度通過した際に偏光方向が９０度回転するようにポッケルスセルへの印加電圧が加えられる場合、ポッケルスセルに光を２回通せばトータルで偏光方向は１８０度回転してもとの偏光方向と同じになる。そこで、ポッケルスセルを２つ用い、まず一つ目のポッケルスセルにだけ電圧を印加する。すると、２つのポッケルスセルを通過した後の光パルスは偏光が９０度回転している。次に、一つ目と二つ目の双方のポッケルスセルに電圧を印加すると、光パルスの偏光は１８０度回転する。この時の光パルスの偏光方向は、ポッケルスセルを１つだけ用いた光再生増幅器で印加電圧を切った時の光パルスの偏光方向と同じになる。すなわち、２つのポッケルスセルに時間差をつけて電圧を印加することにより、１つのポッケルスセルをオン／オフしたときの動作と同じ動作を実現することができる。
【００２５】
本実施形態は、このような基本原理に基づく形態であり、本実施形態による光再生増幅器（以下、この＜第１実施形態＞において「本光再生増幅器」という。）の具体的な構成は次のようなものとなっている。
【００２６】
（２）構成
図１に示したように、本光再生増幅器は、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７を有している。これらの構成要素のうち、反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７は共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６が配置されており、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１が配置され、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５が配置されている。
【００２７】
偏光子１は、入射した光のうち、一定方向に偏光した光を反射し、当該一定方向に直交する方向に偏光した光を透過する偏光子である。当該一定方向は、偏光子１に供給される入力光の偏光方向に一致するものとし、偏光子１が入力光を反射してポッケルスセル２側へ進行させるようにする。本実施形態では、一例として、偏光子１が図の紙面垂直方向に直線偏光したＳ偏光の光を反射し、同水平方向に直線偏光したＰ偏光の光を透過するものとし、図示せぬレーザ光源等からＳ偏光のレーザ光パルスが偏光子１への入力光として供給されるものとする。ただし、入力光のレーザ光パルスとしては、（偏光子１でＳ偏光のみが反射して分離されるので）Ｓ偏光以外の成分を含む光を用いてもよい。
【００２８】
ポッケルスセル２は、図示せぬ駆動回路から加えられる印加電圧ＶP1によって駆動する偏光素子であり、印加電圧ＶP1の大きさに応じて通過光の偏光方向を変化させる。本実施形態では、一例として、７ｋＶの印加電圧ＶP1を加えられたときに通過光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルをポッケルスセル２として利用するものとする。なお、印加電圧ＶP1が０Ｖのとき（駆動回路から電圧を印加しないとき）は、通過光の偏光方向は変化せず、ポッケルスセル２に入射した光はそのまま通過して行く。
【００２９】
反射鏡３は、共振器の一端を構成しているミラーであり、入射した光を反射して入射方向と逆方向にそのまま進行させる。
【００３０】
レーザ結晶４は、通過光の強度を増幅するレーザ媒質であり、図示せぬ励起光の供給源等によって増幅動作が可能な状態に励起される。
【００３１】
偏光子５は、上記偏光子１と同様の偏光子であり、本実施形態ではＳ偏光の光を反射してＰ偏光の光を透過するものとなっている。ただし、偏光子１が上述のように入力光の入口として設けられているのに対し、この偏光子５は、出力光の出口として設けられており、後述の動作によりＳ偏光とされた増幅光パルスを反射して出力光として共振器外へと進行させる。
【００３２】
ポッケルスセル６は、図示せぬ駆動回路から加えられる印加電圧ＶP2によって駆動する偏光素子であり、印加電圧ＶP2の大きさに応じて通過光の偏光方向を変化させる。本実施形態では、一例として、上記ポッケルスセル２と同様に７ｋＶの印加電圧ＶP1を加えられたときに通過光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルをポッケルスセル６として利用するものとする。なお、印加電圧ＶP2が０Ｖのとき（駆動回路から電圧を印加しないとき）は、通過光の偏光方向は変化せず、ポッケルスセル６に入射した光はそのまま通過して行く。
【００３３】
反射鏡７は、共振器の他端を構成しているミラーであり、入射した光を反射して入射方向と逆方向にそのまま進行させる。
【００３４】
本光再生増幅器は、以上のような構成要素を有し、反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７で構成される共振器内にポッケルスセルと偏光子を２組設けたものとなっている。そして、以下の動作説明で述べるように、ポッケルスセル２と偏光子１の組が入力光を閉じ込める手段として機能し、ポッケルスセル６と偏光子５の組が出力光を取り出す手段として機能する。
【００３５】
（３）動作
図２は、本光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。図２のタイミングチャートにおいて、上段は、横軸を時間軸、縦軸をポッケルスセル２への印加電圧ＶP1の大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶP1の変化の様子を示している。中段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸をポッケルスセル６への印加電圧ＶP2の大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶP2の変化の様子を示している。下段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸の上側をポッケルスセル６の（反射鏡７からの）通過光強度、縦軸の下側を出力光の強度として、経過時間に対する共振器中の光パルスと出力光の変化の様子を示している。ただし、下段上側の点線で示した通過光強度は、動作開始当初にポッケルスセル２を往復する入力光の強度である。なお、上段、中段及び下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。以下、このタイミングチャートも併せて参照しつつ、本光再生増幅器の動作を説明する。
【００３６】
本光再生増幅器では、上述したように入力光としてＳ偏光のレーザ光パルスが供給され、その入力光が偏光子１で反射してポッケルスセル２側へ進行する。この時点では印加電圧ＶP1が０Ｖとなっており、入力光はそのままポッケルスセル２を通過して反射鏡３へ向かう。したがって、入力光は、Ｓ偏光のまま反射鏡３で反射して再びポッケルスセル２へ戻って来るが、その間に印加電圧ＶP1を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル２に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すなわち、図２中の上段と下段に示したように、ポッケルスセル２に対しては、入力光が一旦通過して反射鏡３から戻って来るまでの間（入力光がポッケルスセル２と反射鏡３の間を進行している間）に７ｋＶの印加電圧ＶP1を加え、その７ｋＶの印加電圧ＶP1を維持する。
【００３７】
これにより、入力光は、再度ポッケルスセル２を通過するときに偏光方向が９０度回転してＰ偏光の光パルスとなり、偏光子１を透過する。そして、レーザ結晶４を通って偏光子５を同様に透過し、ポッケルスセル６を通過して反射鏡７で反射する。この時点では印加電圧ＶP2が０Ｖとなっており、Ｐ偏光の光パルスはそのままポッケルスセル６を通過するので、反射鏡３で反射してからも光パルスは依然としてＰ偏光のままポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４及び偏光子１を通って再びポッケルスセル２に到達する。
【００３８】
ここで、ポッケルスセル２では、７ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているので、到達したＰ偏光の光パルスがＳ偏光とされる。しかし、そのＳ偏光とされた光パルスは、反射鏡３から戻って来る時にもポッケルスセル２で７ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているので、ポッケルスセル２を通過する際に再びＰ偏光とされる。したがって、上記同様にＰ偏光の光パルスが偏光子１を透過して共振器中を往復することになる。
【００３９】
以後においても同様に、共振器中の光パルスは、ポッケルスセル２を往復する度にＰ偏光からＳ偏光とされて再びＰ偏光に戻され、偏光子１及び偏光子５を透過して共振器中を往復し続ける。本光再生増幅器では、このようにして入力光が共振器中に閉じ込められ（トラップされ）、繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されることになる。すなわち、本光再生増幅器では、供給された入力光が一旦ポッケルスセル２を通過してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧にまで立ち上がる印加電圧ＶP1をポッケルスセル２に加えるだけでよく、その印加電圧ＶP1を加えた時点でポッケルスセル２によりＰ偏光の光パルスとされた入力光が共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【００４０】
そして、閉じ込められた光パルスが繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されると、ポッケルスセル６に電圧が印加されて増幅光パルスが取り出される（図２中の中段及び下段参照。なお、下段の各通過光強度に付記した数字は、当該各通過光が共振器中を往復した回数を示す。）。すなわち、増幅光パルスがポッケルスセル６を通過して反射鏡７から戻って来るまでの間（増幅光パルスがポッケルスセル６と反射鏡７の間を進行している間）に、印加電圧ＶP2を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が９０度回転してＳ偏光の光パルスとなり、偏光子５で反射する。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００４１】
なお、閉じ込められた光パルスの増幅中に新たに供給された入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２でＰ偏光とされるが、反射鏡３で反射して再びポッケルスセル２を通過する際にＳ偏光に戻されるので、偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。また、ポッケルスセル２に上述のような印加電圧ＶP1を加えないときに供給された入力光は、偏光子１で反射してそのままポッケルスセル２を通過し、反射鏡３で反射して再びそのままポッケルスセル２を通過するので、やはり偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。したがって、上述したように印加電圧ＶP1を加えることによって共振器中に閉じ込めた光パルスのみが増幅され、その光パルスのみを増幅した増幅光パルスが上述したように印加電圧ＶP2を加えることによって共振器外に取り出される。
【００４２】
（４）構成及び動作の分析と作用効果等
本光再生増幅器では、以上のようにして光パルスの閉じ込めと取り出しが行われるが、閉じ込め時に加える印加電圧ＶP1の立ち上がり時間τR1（図２中の上段参照）は、ポッケルスセル２を通過した入力光が再びポッケルスセル２に戻って来るまでの時間より短くしなければならないので、数ｎｓから１０ｎｓ程度にする必要がある。また、取り出し時に加える印加電圧ＶP2の立ち上がり時間τR2（図２中の中段参照）は、ポッケルスセル６を通過した増幅光パルスが再びポッケルスセル６に戻って来るまでの時間より短くしなければならないので、これも数ｎｓから１０ｎｓ程度にする必要がある。
【００４３】
例えば、ポッケルスセル６と反射鏡７の間の距離が１００ｃｍである場合には、その往復光路長／光速＝２００ｃｍ／（３×１０１０ｃｍ／ｓ）＝６．６７ｎｓで増幅光パルスが再びポッケルスセル６に戻って来るので、立ち上がり時間τR2は少なくとも６．６７ｎｓ以下でなければならない。この場合において、０．０５ｎｓ程度の非常に短い時間幅の光パルスを入力光として共振器中に閉じ込めたとすると、その光パルスが増幅された後に６．６７ｎｓ以下の時間でポッケルスセル６の印加電圧ＶP2をオンにすれば、増幅光パルス全体の偏光方向が９０度回転し、共振器からは図２中の下段に示したように増幅光パルスの全体が出力されることになる。
【００４４】
このように、本光再生増幅器でもポッケルスセルに印加する電圧は高速で立ち上がる必要がある。しかし、印加電圧ＶP1については、上述したように立ち上がり後もそのまま維持し、印加電圧ＶP2については、立ち上がった状態で増幅光パルスの取り出しを行うので、いずれのポッケルスセルに印加する電圧も立ち上がり直後に高速で立ち下がるものではない。したがって、本光再生増幅器においては、ポッケルスセル２、ポッケルスセル６のそれぞれに印加する電圧の立ち上がり時間だけを早くすればよく、立ち下がりを高速化するための複雑な回路は必要ない。印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち下がりは、次の光増幅動作に間に合うようにすればよく、例えば、上述した動作を数十ｋＨで繰り返す場合には、数１０μｓ程度の時間で印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2が立ち下がるようにすれば足りる。
【００４５】
また、本光再生増幅器において、注入した種光パルスを増幅する増幅時間τA1は、印加電圧ＶP1の立ち上がりと印加電圧ＶP2の立ち上がりとの間の時間となる（図２中の上段及び中段参照）。すなわち、本光再生増幅器では、一つのポッケルスセルに対する印加電圧が立ち上がってから別のポッケルスセルに対する印加電圧が立ち上がるまでの時間によって増幅時間τA1が決定される。したがって、増幅時間τA1の調整には何等制限がなく、印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち上がり波形だけを揃えれば増幅時間τA1の精確な調整も可能になる。例えば、一つ目のポッケルスセル２の印加電圧ＶP1をオンした直後に二つ目のポッケルスセル６の印加電圧ＶP2をオンすることも負荷なく行うことができるので、従来の光再生増幅器では不可能な非常に短い増幅時間のみ光パルスを共振器中にトラップすることも可能である。
【００４６】
ただし、立ち上がり後の印加電圧ＶP1を維持する時間は、予め所定の期間に定めて必要な増幅時間τA1を確保できるようにしておく。増幅時間τA1を適切かつ柔軟に調整するためには、例えば、図２中の上段に示したように立ち上がり後の印加電圧ＶP1が持続する時間を２００ｎｓ以上にしておくとよいが、増幅時間を短めにする場合には５０ｎｓ以上等にしてもよい（必要に応じて適宜設定することにしてよい）。
【００４７】
さらに、本光再生増幅器によれば、上述のように印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち上がり時間だけを早くすればよく、それらを別々のポッケルスセルに加えればよいので、ポッケルスセルの駆動回路に対する負荷が大幅に軽減されている。このため、上述した動作を高速で繰り返すことも容易であり、レーザ光パルスの光増幅を高速で繰り返して数十ｋＨｚ以上の高速増幅光パルスを得ることも可能である。
【００４８】
加えて、本光再生増幅器では、それぞれのポッケルスセルへの印加電圧を数ｎｓでオフする必要がなく、数ｎｓでのオンとオフを一度の光増幅で繰り返す必要もないので、ポッケルスセルの急激な動作が緩和され、ポッケルスセルの駆動頻度も少なくなる。したがって、ポッケルスセルの駆動による劣化が少なくなり、光再生増幅器の耐用性は向上する。また、偏光子１を入力光の入口とし、偏光子５を出力光の出口としているので、図５に示したような従来の光再生増幅器で共振器外に設ける出力光の分離手段が不要であり、光再生増幅器の縮小化等を図ることもできる。
【００４９】
本実施形態によれば、以上のように２つのポッケルスセルを用いて立ち上がりのみが高速な印加電圧でそれぞれのポッケルスセルを駆動しているので、ポッケルスセルの印加電圧を高速で（数ｎｓで）立ち上げた直後に高速で立ち下げなければならない従来の光再生増幅器や、ポッケルスセルの印加電圧を高速で立ち上げてから増幅時間の経過後に高速で立ち下げなければならない従来の光再生増幅器に比べ、ポッケルスセルの駆動電圧制御が格段に容易となっている。したがって、ポッケルスセルを駆動制御するための駆動回路設計が容易である上に、レーザ光の精確な増幅が可能であり、設備の費用削減や装置の縮小化等を図ることもできる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
（１）基本原理
一定方向に偏光した光を反射し、当該一定方向に直交する方向に偏光した光を透過する偏光子を光の出入口としている光再生増幅器では、共振器中の光が偏光子を通る時に前記直交する方向に偏光した光となっているようにすれば、その光を共振器中に閉じ込めて増幅することができる。このため、上記第１実施形態では、供給された入力光の偏光方向をポッケルスセル２で初めに９０度回転させ、以後は共振器中を往復する光パルスの偏光方向をポッケルスセル２で１８０度回転させることにより、光パルスが偏光子１と偏光子５を通る時にＰ偏光となっているようにしている。
【００５１】
すなわち、上記第１実施形態においては、入力光の偏光方向を初めに９０度回転させて以後の往復光の偏光方向を１８０度回転させることが基本的な原理となっている。そして、この原理に基づいて機能する偏光手段として、上記第１実施形態による光再生増幅器では、印加電圧の高速な立ち下がりを要しないポッケルスセル２を利用しているが、かかる偏光手段は、他の形態による光学的素子を利用して構成することもできる。そこで、本発明の第２の実施形態では、その一例としてポッケルスセルと波長板の組合せを利用し、同等の機能を実現する偏光手段を構成する。
【００５２】
（２）構成
図３は、本発明の第２の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。本実施形態による光再生増幅器（以下、この＜第２実施形態＞において「本光再生増幅器」という。）は、図示のように、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６、反射鏡７及び１／４波長板８を有している。
【００５３】
これらの構成要素のうち、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７は、物理的には上記第１実施形態における構成要素と同様のものであるため、上記第１実施形態と同一の参照符号で表して個々の構成説明を省略するが、機能的には本実施形態特有の作用効果を実現するものとなっている。その詳細は後述の動作説明で明らかにするが、例えば、本実施形態では、ポッケルスセル２への電圧印加形態が上記第１実施形態とは異なり、ポッケルスセル２は上記第１実施形態における機能とは異なる機能を果たし、各構成要素を通る光の進行形態も上記第１実施形態とは異なるものとなっている。
【００５４】
１／４波長板８は、直線偏光した通過光を円偏光にし、その円偏光が再び通過すると元の直線偏光の偏光方向を９０度回転させた光にする波長板であり、ポッケルスセル２と反射鏡３の間に配置されている。すなわち、１／４波長板８は、１度往復した光の偏光方向を９０度回転させる偏光素子であり、ポッケルスセル２側から進行して来た光が１／４波長板８を通ると円偏光になり、その円偏光が反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ると元の光の偏光方向を９０度回転させた光となってポッケルスセル２側へ進行する。
【００５５】
本光再生増幅器の物理的な構成は、上記第１実施形態による光再生増幅器において、このように往復する光の偏光方向を定常的に９０度回転させる１／４波長板８をポッケルスセル２と反射鏡３の間に追加したものとなっている（反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７が共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６が配置されており、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１が配置され、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５が配置されており、これらに加えてポッケルスセル２と反射鏡３の間に１／４波長板８が配置されている）。そして、以下の動作説明で述べるように、ポッケルスセル２及び１／４波長板８と偏光子１の組が入力光を閉じ込める手段として機能し、ポッケルスセル６と偏光子５の組が出力光を取り出す手段として機能する。
【００５６】
（３）動作
本光再生増幅器においては、共振器内に１／４波長板８があるため、ポッケルスセルへの電圧印加をしなくても入力光が共振器内のレーザ結晶４側を１度だけ往復する。すなわち、図示せぬレーザ光源等からＳ偏光のレーザ光パルスが入力光として供給されると、その入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２を通過した後に１／４波長板８で円偏光とされ、反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ってＰ偏光の光パルス（偏光方向が９０度回転した入力光）とされる。したがって、供給された入力光は、ポッケルスセル２に電圧を印加しなくても反射鏡３側から偏光子１に戻って来た時にＰ偏光の光パルスとなっているので、偏光子１を透過してレーザ結晶４、偏光子５及びポッケルスセル６を通り、ポッケルスセル６にも電圧を印加していなければＰ偏光のまま反射鏡７で反射してポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４、偏光子１及びポッケルスセル２を通って再び１／４波長板８に到達する。そして、１／４波長板８で円偏光とされて反射鏡３で反射し、再び１／４波長板８を通ってＳ偏光の光パルスとなり、ポッケルスセル２を通過した後に偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。
【００５７】
このように光パルスの偏光方向を定常的に９０度回転させる１／４波長板８に対し、本光再生増幅器は、入力光の偏光方向を初めに９０度回転させ、かつ、以後の往復する光パルスの偏光方向を１８０度回転させることとなるようにポッケルスセル２への電圧印加を行って動作する。図４は、本光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートであり、上段、中段及び下段が上記図２のタイミングチャートと同種の情報を示している（各段の横軸が時間軸、上段縦軸がポッケルスセル２への印加電圧ＶP1の大きさ、中段縦軸がポッケルスセル６への印加電圧ＶP2の大きさ、下段縦軸の上側がポッケルスセル６の（反射鏡７からの）通過光強度、同下側が出力光の強度を示している）。ただし、下段上側において、点線で示した通過光強度は、動作開始当初からポッケルスセル２を往復する通過光の強度を２回目の往復時まで示したものであり、一点鎖線で示した通過光強度は、増幅光パルスの取り出し時に偏光子５側からポッケルスセル６を通過する通過光の強度を示したものである。なお、上段、中段及び下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。以下、このタイミングチャートも併せて参照しつつ、本光再生増幅器の動作を説明する。
【００５８】
本光再生増幅器では、供給された入力光が１度ポッケルスセル２を往復し終えるまでは印加電圧ＶP1を加えない（印加電圧ＶP1を０Ｖのままにする）。したがって、入力光として供給されたＳ偏光のレーザ光パルスは、上記同様に偏光子１で反射してポッケルスセル２を通過した後に１／４波長板８で円偏光とされ、反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ってＰ偏光の光パルスとされ、そのままポッケルスセル２を通過して偏光子１を透過する。そして、この時点では印加電圧ＶP2も加えないので、偏光子１を透過したＰ偏光の光パルスは、Ｐ偏光のままレーザ結晶４、偏光子５及びポッケルスセル６を通り、反射鏡７で反射してポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４及び偏光子１を通ってポッケルスセル２に戻って来るが、その間に印加電圧ＶP1を３．５ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル２に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加する。すなわち、図４中の上段と下段に示したように、ポッケルスセル２に対しては、入力光が最初に往復した１回目の往復時から次に往復する２回目の往復時までの間（Ｐ偏光の光パルスとされた入力光が偏光子１、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７の部分を往復している間）に３．５ｋＶの印加電圧ＶP1を加え、その３．５ｋＶの印加電圧ＶP1を維持する。なお、一般にポッケルスセルによる通過光の偏光方向変化は印加電圧に比例するので、ポッケルスセル２は、３．５ｋＶの電圧（上記第１実施形態で印加した７ｋＶの半分の電圧）を印加することにより、通過光の偏光方向を４５度回転させる（上記第１実施形態で回転させた９０度の半分だけ回転させる）ことができる状態になる。
【００５９】
これにより、レーザ結晶４側を１度往復してポッケルスセル２に戻って来たＰ偏光の光パルスは、ポッケルスセル２を通過するときに偏光方向が４５度回転する。そして、１／４波長板８で一旦円偏光とされてから反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通るときに偏光方向が９０度回転した光パルスとされ、ポッケルスセル２を再び通過するときに偏光方向がさらに４５度回転する。すなわち、レーザ結晶４側を１度往復して来たＰ偏光の光パルスは、３．５ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているポッケルスセル２を往復することによって偏光方向が９０度（４５度×２）回転し、かつ、１／４波長板８を往復することによっても偏光方向が９０度回転する。したがって、ポッケルスセル２を通過して再び偏光子１へと進行する光パルスは、偏光方向が１８０度回転してＰ偏光に戻っている光パルスとなり、上記同様に偏光子１を透過してレーザ結晶４側を往復することになる。
【００６０】
以後においても同様に、共振器中の光パルスは、ポッケルスセル２及び１／４波長板８を往復する度に偏光方向が１８０度回転し、偏光子１側へ向かうときには常にＰ偏光となり、偏光子１及び偏光子５を透過して共振器中を往復し続ける（１往復した後では上述のように偏光方向が１８０度回転してＰ偏光となり、２往復した後では偏光方向が３６０度回転して結局偏光方向が回転していないＰ偏光に戻り、以後、これを繰り返しながら共振器中を往復し続ける）。本光再生増幅器では、このようにして入力光が共振器中に閉じ込められ（トラップされ）、繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されることになる。すなわち、本光再生増幅器では、供給された入力光が一旦ポッケルスセル２を往復してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧にまで立ち上がる印加電圧ＶP1をポッケルスセル２に加えるだけでよく、その印加電圧ＶP1を加えた時点でポッケルスセル２と１／４波長板８によりＰ偏光に維持される光パルスが共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【００６１】
そして、閉じ込められた光パルスが繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されると、ポッケルスセル６に電圧が印加されて増幅光パルスが取り出される（図４中の中段及び下段参照。なお、下段の各通過光強度に付記した数字は、当該各通過光が共振器中を往復した回数を示す。）。この増幅光パルスの取り出しは、上記第１実施形態と同様に行うことができる。すなわち、図４中の中段に実線で示したように、増幅光パルスがポッケルスセル６を通過して反射鏡７から戻って来るまでの間に印加電圧ＶP2を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が９０度回転してＳ偏光の光パルスとなり、偏光子５で反射する。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６２】
ここで、増幅光パルスの取り出しは、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧（上記ポッケルスセル２同様３．５ｋＶの電圧）を印加して行うこともできる。この場合、図４中の中段に点線で示したように、増幅光パルスが前回の往復時に反射鏡７側からポッケルスセル６を通過した後で偏光子５側から再びポッケルスセル６に戻って来るまでの間に（Ｎ＋１回目の往復時の通過光強度が現れている時点と一点鎖線の通過光強度が現れている時点との間に）、印加電圧ＶP2を３．５ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、偏光子５側からポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が４５度回転し、反射鏡７で反射して再びポッケルスセル６を通過するときに偏光方向がさらに４５度回転する。すなわち、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を往復することによって偏光方向が９０度回転し、Ｓ偏光の光パルスとなって偏光子５で反射する。これにより、上記同様にＳ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６３】
なお、閉じ込められた光パルスの増幅中に新たに供給された入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２及び１／４波長板８を往復した時点で偏光方向が１８０度回転してＳ偏光に戻るので、レーザ結晶４側を往復することなくそのまま偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。また、ポッケルスセルに電圧を印加しないときに供給された入力光は、上述したように共振器中を１度だけ往復するが、１／４波長板８を２度往復した時点でＳ偏光に戻り、偏光子１で反射して共振器外に出て行く。したがって、本実施形態においても、印加電圧ＶP1を加えて共振器中に閉じ込めた光パルスのみを増幅した増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６４】
（４）構成及び動作の分析と作用効果等
本光再生増幅器では、以上のようにして光パルスの閉じ込めと取り出しが行われるが、上記第１実施形態による光再生増幅器同様、本光再生増幅器においてもポッケルスセル２とポッケルスセル６に印加する電圧は立ち上がり直後に高速で立ち下がるものではなく、それぞれのポッケルスセルに印加する電圧の立ち上がり間の時間によって増幅時間τA2（図４中の中段参照）が決定されるものとなっている。そしてさらに、光パルスの閉じ込め時にポッケルスセル２に加える印加電圧ＶP1は、本光再生増幅器では上記第１実施形態の半分の３．５ｋＶとなっており、ポッケルスセル６に加える印加電圧ＶP2も３．５ｋＶとして増幅光パルスの取り出しを行うことができる。
【００６５】
したがって、本光再生増幅器によれば、上記第１実施形態による光再生増幅器と同質の作用効果が得られるのに加え、ポッケルスセルへの印加電圧が上記第１実施形態による光再生増幅器の半分で足りるので、その作用効果がより一層増強されることになる。例えば、ポッケルスセルへの印加電圧は上記第１実施形態の半分の電圧値にまで立ち上げればよいので、ポッケルスセルの駆動回路はより容易に実現することができ、増幅時間の一層柔軟かつ精確な調整も可能になる。また、ポッケルスセルの駆動回路に対する負荷が一層軽減し、レーザ光パルスの光増幅を高速で繰り返して高速の増幅光パルスを得ることもより容易となり、ポッケルスセルの駆動による劣化が一層少なくなって光再生増幅器の耐用性もより向上する。
【００６６】
さらに、閉じ込め時に加える印加電圧ＶP1の立ち上がり時間τR3（図４中の上段参照）は、入力光が一旦ポッケルスセル２を往復してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの時間より短ければよい。また、増幅光パルスの取り出し時にポッケルスセル６に加える印加電圧ＶP2を３．５ｋＶとする場合には、その立ち上がり時間τR4（図４中の中段参照）は、増幅光パルスが一旦ポッケルスセル６を往復してから再びポッケルスセル６に戻って来るまでの時間より短ければよい（なお、この電圧印加形態による増幅光パルスの取り出しは、上記第１実施形態で採用することも可能である。）。ただし、印加電圧ＶP2の立ち上がり中に増幅光パルスがポッケルスセル６を通過すると出力光の光パルスがダブルパルスとなってしまうので、印加電圧ＶP2の立ち上がりタイミングは出力光にダブルパルスが現れないように適宜調整する。
【００６７】
一方、印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち下がりは、上記第１実施形態同様に次の光増幅動作に間に合うようにすればよい（例えば、上述した動作を数十ｋＨで繰り返す場合には、図４中の上段及び中段に示したように数１０μｓ程度の時間で印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2が立ち下がるようにすれば足りる。）。また、立ち上がり後の印加電圧ＶP1を維持する時間は、上記第１実施形態同様に予め所定の期間に定めて必要な増幅時間τA2を確保できるようにしておく（例えば、図４中の上段に示したように２００ｎｓ以上としておくとよいが、増幅時間を短めにする場合には５０ｎｓ以上等にしてもよく、必要に応じて適宜設定することにしてよい。）。
【００６８】
＜第３実施形態＞
ポッケルスセルは、通常の利用形態で偏光素子として機能させるときの光軸方向を通過光の光軸に対して傾斜させると、電圧を印加されていない状態で波長板と同様の機能を果たす。そこで、本発明の第３の実施形態では、上記第２実施形態で１／４波長板８を設けることとしたのに代えて（１／４波長板８を設けずに）、共振器中の光軸に対してポッケルスセル２の光軸方向を傾斜させることにより、ポッケルスセル２が１／４波長板８の機能を兼ね備えるようにする。
【００６９】
すなわち、上記同様に反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７で共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６を配置すると共に、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１を配置し、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５を配置する。そして、ポッケルスセル２が電圧を印加されていない状態で上記１／４波長板８と同様に往復する光の偏光方向を９０度回転させるようにポッケルスセル２の光軸方向を（例えば５度〜６度）傾斜させておき、その傾斜させたポッケルスセル２に対して光パルスの閉じ込め時に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧（３．５ｋＶ）を印加する。
【００７０】
これにより、傾斜させたポッケルスセル２は、電圧を印加されていないときには上記第２実施形態における１／４波長板８と同様の機能を果たし（往復する光パルスを往路で円偏光にして復路で偏光方向が９０度回転した光パルスにし）、電圧を印加されたときには上記第２実施形態におけるポッケルスセル２及び１／４波長板８と同様の機能を果たす（往復する光パルスの偏光方向を１８０度回転させる）。したがって、この第３実施形態による光再生増幅器では、上記図４中の上段及び中段に示したのと同様の電圧印加形態により、同下段に示したのと同様の通過光強度や出力光強度が得られ、上記第２実施形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００７１】
以上の第３実施形態は、ポッケルスセル２を傾斜させる角度をある程度試行錯誤して決めなければならないので、構成要素の設定（配置、設置ないし光軸合せ等）には手間がかかるが、上記第１実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が低い上に、上記第２実施形態に比べて１／４波長板が不要であるという利点がある。なお、上記第１実施形態は、他の実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が高いが、構成は最も単純なので構成要素の設定が容易であるという利点がある。また、上記第２実施形態は、１／４波長板を必要とし、構成要素数が増えるために設定の手間も増えるが、上記第１実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が低い上に、上記第３実施形態に比べて試行錯誤によるポッケルスセルの傾斜角決定をしなくて済むという利点がある。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共振器に入力光を注入するための第１の偏光手段を継続して駆動させ、共振器から増幅光を取り出すときには第２の偏光手段を駆動することとしたので、それぞれの偏光手段に対する印加電圧を高速で遮断したり（立ち下げたり）、一つの偏光手段に対する電圧印加を高速で繰り返したりする必要がない。これにより、複雑な駆動回路を要せずにポッケルスセル等の偏光素子に対する電圧の印加を容易に行うことが可能となり、共振器での増幅時間を柔軟かつ精確に調整することができ、光増幅の動作を高速で繰り返すこともできるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【図２】 図１に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【図３】 本発明の第２の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【図４】 図３に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【図５】 光再生増幅器の従来における構成例を示した図である。
【図６】 図５に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 偏光子
２ ポッケルスセル
３ 反射鏡
４ レーザ結晶
５ 偏光子
６ ポッケルスセル
７ 反射鏡
８ １／４波長板
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧の印加によって駆動する偏光素子を利用して共振器での光増幅を行う光再生増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光再生増幅器は、レーザ光源等から供給される光のパルスを共振器中に閉じ込め（トラップし）、増幅した光パルスを共振器中から取り出すことによって高出力の光パルスを得る光の増幅手段であり、その光パルスの閉じ込めと取り出しをする手段としては、電圧の印加によって駆動するポッケルスセル（Pockels Cell）等の偏光素子が利用されている。ポッケルスセルは、ポッケルス効果を呈する結晶に電圧を印加して駆動させる偏光素子であり、印加電圧に応じて結晶の光軸特性に異方性が与えられ、結晶を通過する光の偏光方向を変化させる。ポッケルスセルを利用する光再生増幅器では、偏光子等をポッケルスセルと組み合わせて用いることにより、光パルスを共振器中に閉じ込めたり共振器中から取り出したりする光学的なスイッチングを実現して共振器での光増幅を行う。
【０００３】
図５は、かかる光再生増幅器の従来における構成例を示した図である。図示の光再生増幅器は、偏光子１０、ポッケルスセル１１、反射鏡１２、レーザ結晶（レーザ媒質）１３及び反射鏡１４で構成されており、レーザ光源等からのレーザ光パルスが偏光子１０への入力光として供給されるものとなっている。偏光子１０は、図の紙面垂直方向に直線偏光したＳ偏光の光を反射し、同水平方向に直線偏光したＰ偏光の光を透過する偏光子であり、入力光としてＳ偏光のレーザ光パルスが供給されると、その入力光を反射してポッケルスセル１１側へと進行させる。ポッケルスセル１１は、印加電圧ＶPCによって駆動される偏光素子であり、入力光が一旦通過して反射鏡１２から戻って来た瞬間に通過光の偏光方向を９０度回転させる印加電圧ＶPCが加えられる。この印加電圧ＶPCが加えられている間にポッケルスセル１１を通過した入力光は、Ｐ偏光の光パルスとなって偏光子１０を透過するので、以後、反射鏡１２、レーザ結晶１３及び反射鏡１４で構成される共振器内を往復することになる。これにより、Ｐ偏光の光パルスとされた入力光が共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【０００４】
共振器中に閉じ込められた光パルスは、共振器内を往復する間に繰り返しレーザ結晶１３を通って増幅される。そして、増幅された光パルスは、反射鏡１２側からポッケルスセル１１へ入射する瞬間に上記同様の印加電圧ＶPCが加えられることによってＳ偏光の光パルスとされる。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子１０で反射し、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。なお、取り出された出力光は、共振器外に設けられた図示せぬ光の分離手段により入力光と分離されて利用される。
【０００５】
以上のようなポッケルスセルを利用した光再生増幅器においては、光パルスの閉じ込めと取り出しのタイミングがポッケルスセルへの電圧印加タイミングによって決定されるので、共振器内に注入する種光パルスのアライメントや注入した種光パルスの増幅回数を調整することが容易であるという利点がある。さらに、ポッケルスセルを利用した光再生増幅器によれば、一般に良好なビーム質の増幅光パルスが得られるという利点もある。
【０００６】
このようなことから、ポッケルスセルの配置形態やポッケルスセルへの電圧印加形態が異なる他の光再生増幅器もいくつか提案されている。例えば、ポッケルスセルの配置形態に関しては、光パルスの閉じ込め用と取り出し用の２つのポッケルスセルを配置する光再生増幅器が提案されており、その光再生増幅器では、一方のポッケルスセルに対して光パルスの閉じ込め時（種光パルスの注入時）にのみ電圧を印加し、他方のポッケルスセルに対して増幅光パルスの取り出し時にのみ電圧を印加することとしている。また、ポッケルスセルへの電圧印加形態に関しては、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加することにし、電圧印加中にポッケルスセルを往復した光を偏光させる（Ｐ偏光ないしＳ偏光とする）ものや、電圧を印加して光パルスを閉じ込め、その印加電圧を光増幅中は維持して後に０Ｖに戻すことにより増幅光パルスを取り出すものが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポッケルスセルは、上述したように印加電圧に応じて通過光の偏光方向を変化させるが、光再生増幅器で求められる偏光方向の変化を実現するためには、一般に数ｋＶオーダーの高電圧を印加する必要がある。例えば、一般的なＫＤ＊Ｐ結晶のポッケルスセルで波長１０６４ｎｍのレーザ光の偏光方向を９０度回転させるためには、約７ｋＶの高電圧を印加しなければならない。また、ポッケルスセルに電圧を印加して共振器中に閉じ込めた光パルスは、数十ｎｓで共振器内を往復し（例えば、共振器の長さが１．５ｍ〜３ｍだとすると、共振器の往復光路長／光速＝（１．５ｍ〜３ｍ×２）／（３×１０８ｍ／ｓ）＝１０ｎｓ〜２０ｎｓで共振器内を往復し）、もとのポッケルスセルの位置に戻って来る。このため、ポッケルスセルに印加する電圧は、数ｎｓで立ち上がり、かつ、数ｎｓで立ち下がる極めて短時間のパルス電圧とする必要がある。これらのことから、ポッケルスセルを利用する光再生増幅器においては、数ｋＶの高電圧を数ｎｓの短時間のみポッケルスセルに印加しなければならないという難点があり、ポッケルスセルの駆動回路（印加電圧の制御回路）を実現することが容易でない。
【０００８】
例えば、上記図５の光再生増幅器では、図６のタイミングチャートに示したように印加電圧ＶPCを加えなければならない。図６のタイミングチャートにおいて、上段は、横軸を時間軸、縦軸を印加電圧ＶPCの大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶPCの変化の様子を示しており、下段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸の上側をポッケルスセル１１の（反射鏡１２からの）通過光強度、縦軸の下側を出力光の強度として、経過時間に対する共振器中の光パルスと出力光の変化の様子を示している（なお、上下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。）。時間幅ＴP1のパルス電圧は、入力光がポッケルスセル１１に戻って来た上述の瞬間に加えられる印加電圧ＶPCであり、これによって注入された種光パルスが増幅時間ＴATの間に増幅され、下段上側に示したように共振器中の光パルスが変化していく。そして、増幅された光パルスがポッケルスセル１１へ入射する上述の瞬間に時間幅ＴP2のパルス電圧が印加電圧ＶPCとして加えられ、Ｓ偏光とされた増幅光パルスが出力光として現れる。したがって、上記図５の光再生増幅器に関しては、図６中の上段に示した２つのパルス電圧が数ｋＶに達していなければならず、かつ、時間幅ＴP1と時間幅ＴP2がそれぞれ少なくとも１０ｎｓ以下でなければならないことになる。
【０００９】
さらに、注入した種光パルスを増幅する増幅時間ＴATは、レーザ結晶１３での増幅によって増幅光パルスのパルスエネルギーが飽和する時間等に応じて定められるものであり、一般に１００ｎｓ〜２００ｎｓ程度の時間に選定することが求められる。これに対し、上記図５の光再生増幅器では、１０ｎｓ以下の時間幅で数ｋＶに達するパルス電圧を同一のポッケルスセルに２度印加しなければならず、そのパルス電圧の立ち上がり波形と立ち下がり波形を対称にすることも困難なので、求められる以上の数百ｎｓに増幅時間ＴATを選定せざるを得ず、増幅時間ＴATの調整に制限があり、増幅時間ＴATを精確に調整することも容易でない。
【００１０】
最近では、光再生増幅器による光増幅を高速で繰り返し、数十ｋＨｚ以上の高速増幅光パルスを得ることが望まれている。このため、ポッケルスセルの駆動回路としては、上述したように高速で立ち上がって高速で立ち下がる出力特性の高電圧源を用意しなければならない上に、その高電圧源を数十ｋＨｚ以上の高速繰り返し動作に対応させなければならず、ポッケルスセルの駆動回路を実現することが極めて困難な実情にある。
【００１１】
これに対し、２つのポッケルスセルを配置する上述の光再生増幅器では、一度出力光を得るのにそれぞれのポッケルスセルを一度だけ駆動すればよいので、増幅時間間隔で１つのポッケルスセルに対する電圧印加を繰り返す必要はない。しかし、それぞれのポッケルスセルを駆動するに当たって数ｋＶの高電圧を数ｎｓの短時間のみ印加しなければならない点は上記図５の光再生増幅器と同様であり、ポッケルスセルの駆動回路を実現するのが困難であることに変わりはない。
【００１２】
一方、ポッケルスセルへの印加電圧を光増幅中は維持するものにあっては、光パルスを閉じ込める際に印加電圧が高速で立ち上がり、かつ、増幅光パルスを取り出す際に印加電圧が高速で立ち下がらなければならないので、駆動回路として必要とされる高電圧源には上記同様の出力特性が要求される。特に、立ち下がりの高速化には複雑な回路が必要とされるので、依然としてポッケルスセルの駆動回路を実現するのは困難となる。また、一度高速で立ち上がった印加電圧を高速で立ち下げるまでの時間が増幅時間になることから、上記図５の光再生増幅器と同様に増幅時間の調整に制限があり、光増幅の繰り返し動作を高速化することも困難である。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複雑な駆動回路を要せずにポッケルスセル等の偏光素子に対する電圧の印加を容易に行うことを可能にし、増幅時間を柔軟かつ精確に調整することができ、光増幅の動作を高速で繰り返すこともできる光再生増幅器を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明に係る光再生増幅器は、注入された光を増幅する共振器と、供給された入力光の偏光方向を変化させる偏光手段であって、入力光が供給されたときに当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、前記共振器に注入した往復する光に対して電圧印加による駆動を継続し、往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする第１の偏光手段と、電圧の印加によって駆動され、前記共振器で増幅された増幅光の偏光方向を変化させる偏光手段であって、前記共振器から増幅光を取り出すときに電圧を印加されて駆動を開始し、増幅光の偏光方向を前記共振器から取り出す偏光方向に変化させる第２の偏光手段とを有している。
【００１５】
ここで、前記第１の偏光手段は、電圧の印加によって駆動される偏光手段であって、当該入力光が供給されたときに電圧を印加されて駆動を開始し、当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、前記共振器に注入した往復する光に対して駆動を継続し、往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする偏光手段であるものとしてもよい。この場合の第１の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、当該入力光が供給されたときに、当該入力光が前記往復路のうちの一方で前記第１の偏光手段を通過した時から前記往復路のうちの他方で前記第１の偏光手段を通過する時までの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。
【００１６】
あるいは、前記第１の偏光手段は、電圧を印加されていない状態で当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させると共に、電圧を印加されている状態で往復後の光の偏光方向を往復前の光の偏光方向とする偏光手段であって、当該入力光の偏光方向を前記共振器に注入する偏光方向に変化させた後に電圧を印加され、前記共振器に注入した往復する光に対して電圧印加による駆動を継続する偏光手段であるものとしてもよい。この場合の第１の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられた第１及び第２の偏光素子を有し、前記第１の偏光素子が往復する光の偏光方向を定常的に９０度回転させる偏光素子であり、前記第２の偏光素子が通過する光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加されて駆動する偏光素子であるものとし、当該入力光が供給されたときに、前記第２の偏光素子を当該入力光が一度往復してから次に往復するまでの間に前記第２の偏光素子が電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。また、この場合の他の第１の偏光手段としては、前記共振器内の光の往復路に設けられ、電圧を印加されていないときに往復する光の偏光方向を９０度回転させると共に、通過光の偏光方向を４５度回転させる分の電圧を印加されているときに往復する光の偏光方向を１８０度回転させるものとし、当該入力光が供給されたときに、前記第１の偏光手段を当該入力光が一度往復してから次に往復するまでの間に前記第１の偏光手段が電圧を印加されて電圧印加による駆動を開始するものとしてもよい。
【００１７】
一方、前記第２の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、前記共振器から増幅光を取り出すときに、当該増幅光が前記往復路のうちの一方で前記第２の偏光手段を通過した時から前記往復路のうちの他方で前記第２の偏光手段を通過する時までの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。あるいは、前記第２の偏光手段は、前記共振器内の光の往復路に設けられ、通過する光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加される偏光手段であり、前記共振器から増幅光を取り出すときに、当該増幅光が一度往復してから次に往復するまでの間に電圧を印加されて駆動を開始するものとしてもよい。
【００１８】
以上のような光再生増幅器においては、前記第１の偏光手段が前記共振器外からの光を受ける第１の偏光子で反射された光を当該入力光として供給されるものとしてもよい。また、前記第２の偏光手段が前記共振器中の光を受ける第２の偏光子で反射される光の偏光方向に前記共振器で増幅された増幅光の偏光方向を変化させるものとしてもよい。
【００１９】
そして、本発明に係る光再生増幅器のさらに具体的な第１の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が通過して前記第１の反射鏡から戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加され、前記第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光とすると共に、その印加電圧を所定期間維持され、光が通過する度に当該光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルであり、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２０】
また、具体的な第２の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子と、前記第１のポッケルスセルと前記第１の反射鏡との間に設けられ、往復する光の偏光方向を９０度回転させる波長板とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び前記波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が通過する度に当該光の偏光方向を４５度回転させ、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２１】
さらに、具体的な第３の構成としては、光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、前記第１の反射鏡側に設けられ、光軸方向が往復する光の偏光方向を４５度回転させる方向に傾けられた第１のポッケルスセルと、前記第２の反射鏡側に設けられた第２のポッケルスセルと、前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有するものとしてもよい。この場合、前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び前記波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる分の電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が往復する度に当該光の偏光方向を１８０度回転させ、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される。
【００２２】
以上のような第１、第２及び第３の構成による光再生増幅器において、前記第２のポッケルスセルは、当該増幅光が通過して前記第２の反射鏡から戻って来るまでの間に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするものとしてもよい。あるいは、前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を一度往復して当該増幅光となる光が往復してから当該増幅光が通過する前に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするものとしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
（１）基本原理
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【００２４】
レーザ光パルスがポッケルスセルを一度通過した際に偏光方向が９０度回転するようにポッケルスセルへの印加電圧が加えられる場合、ポッケルスセルに光を２回通せばトータルで偏光方向は１８０度回転してもとの偏光方向と同じになる。そこで、ポッケルスセルを２つ用い、まず一つ目のポッケルスセルにだけ電圧を印加する。すると、２つのポッケルスセルを通過した後の光パルスは偏光が９０度回転している。次に、一つ目と二つ目の双方のポッケルスセルに電圧を印加すると、光パルスの偏光は１８０度回転する。この時の光パルスの偏光方向は、ポッケルスセルを１つだけ用いた光再生増幅器で印加電圧を切った時の光パルスの偏光方向と同じになる。すなわち、２つのポッケルスセルに時間差をつけて電圧を印加することにより、１つのポッケルスセルをオン／オフしたときの動作と同じ動作を実現することができる。
【００２５】
本実施形態は、このような基本原理に基づく形態であり、本実施形態による光再生増幅器（以下、この＜第１実施形態＞において「本光再生増幅器」という。）の具体的な構成は次のようなものとなっている。
【００２６】
（２）構成
図１に示したように、本光再生増幅器は、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７を有している。これらの構成要素のうち、反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７は共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６が配置されており、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１が配置され、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５が配置されている。
【００２７】
偏光子１は、入射した光のうち、一定方向に偏光した光を反射し、当該一定方向に直交する方向に偏光した光を透過する偏光子である。当該一定方向は、偏光子１に供給される入力光の偏光方向に一致するものとし、偏光子１が入力光を反射してポッケルスセル２側へ進行させるようにする。本実施形態では、一例として、偏光子１が図の紙面垂直方向に直線偏光したＳ偏光の光を反射し、同水平方向に直線偏光したＰ偏光の光を透過するものとし、図示せぬレーザ光源等からＳ偏光のレーザ光パルスが偏光子１への入力光として供給されるものとする。ただし、入力光のレーザ光パルスとしては、（偏光子１でＳ偏光のみが反射して分離されるので）Ｓ偏光以外の成分を含む光を用いてもよい。
【００２８】
ポッケルスセル２は、図示せぬ駆動回路から加えられる印加電圧ＶP1によって駆動する偏光素子であり、印加電圧ＶP1の大きさに応じて通過光の偏光方向を変化させる。本実施形態では、一例として、７ｋＶの印加電圧ＶP1を加えられたときに通過光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルをポッケルスセル２として利用するものとする。なお、印加電圧ＶP1が０Ｖのとき（駆動回路から電圧を印加しないとき）は、通過光の偏光方向は変化せず、ポッケルスセル２に入射した光はそのまま通過して行く。
【００２９】
反射鏡３は、共振器の一端を構成しているミラーであり、入射した光を反射して入射方向と逆方向にそのまま進行させる。
【００３０】
レーザ結晶４は、通過光の強度を増幅するレーザ媒質であり、図示せぬ励起光の供給源等によって増幅動作が可能な状態に励起される。
【００３１】
偏光子５は、上記偏光子１と同様の偏光子であり、本実施形態ではＳ偏光の光を反射してＰ偏光の光を透過するものとなっている。ただし、偏光子１が上述のように入力光の入口として設けられているのに対し、この偏光子５は、出力光の出口として設けられており、後述の動作によりＳ偏光とされた増幅光パルスを反射して出力光として共振器外へと進行させる。
【００３２】
ポッケルスセル６は、図示せぬ駆動回路から加えられる印加電圧ＶP2によって駆動する偏光素子であり、印加電圧ＶP2の大きさに応じて通過光の偏光方向を変化させる。本実施形態では、一例として、上記ポッケルスセル２と同様に７ｋＶの印加電圧ＶP1を加えられたときに通過光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルをポッケルスセル６として利用するものとする。なお、印加電圧ＶP2が０Ｖのとき（駆動回路から電圧を印加しないとき）は、通過光の偏光方向は変化せず、ポッケルスセル６に入射した光はそのまま通過して行く。
【００３３】
反射鏡７は、共振器の他端を構成しているミラーであり、入射した光を反射して入射方向と逆方向にそのまま進行させる。
【００３４】
本光再生増幅器は、以上のような構成要素を有し、反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７で構成される共振器内にポッケルスセルと偏光子を２組設けたものとなっている。そして、以下の動作説明で述べるように、ポッケルスセル２と偏光子１の組が入力光を閉じ込める手段として機能し、ポッケルスセル６と偏光子５の組が出力光を取り出す手段として機能する。
【００３５】
（３）動作
図２は、本光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。図２のタイミングチャートにおいて、上段は、横軸を時間軸、縦軸をポッケルスセル２への印加電圧ＶP1の大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶP1の変化の様子を示している。中段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸をポッケルスセル６への印加電圧ＶP2の大きさとして、経過時間に対する印加電圧ＶP2の変化の様子を示している。下段は、横軸を上段同様の時間軸、縦軸の上側をポッケルスセル６の（反射鏡７からの）通過光強度、縦軸の下側を出力光の強度として、経過時間に対する共振器中の光パルスと出力光の変化の様子を示している。ただし、下段上側の点線で示した通過光強度は、動作開始当初にポッケルスセル２を往復する入力光の強度である。なお、上段、中段及び下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。以下、このタイミングチャートも併せて参照しつつ、本光再生増幅器の動作を説明する。
【００３６】
本光再生増幅器では、上述したように入力光としてＳ偏光のレーザ光パルスが供給され、その入力光が偏光子１で反射してポッケルスセル２側へ進行する。この時点では印加電圧ＶP1が０Ｖとなっており、入力光はそのままポッケルスセル２を通過して反射鏡３へ向かう。したがって、入力光は、Ｓ偏光のまま反射鏡３で反射して再びポッケルスセル２へ戻って来るが、その間に印加電圧ＶP1を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル２に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すなわち、図２中の上段と下段に示したように、ポッケルスセル２に対しては、入力光が一旦通過して反射鏡３から戻って来るまでの間（入力光がポッケルスセル２と反射鏡３の間を進行している間）に７ｋＶの印加電圧ＶP1を加え、その７ｋＶの印加電圧ＶP1を維持する。
【００３７】
これにより、入力光は、再度ポッケルスセル２を通過するときに偏光方向が９０度回転してＰ偏光の光パルスとなり、偏光子１を透過する。そして、レーザ結晶４を通って偏光子５を同様に透過し、ポッケルスセル６を通過して反射鏡７で反射する。この時点では印加電圧ＶP2が０Ｖとなっており、Ｐ偏光の光パルスはそのままポッケルスセル６を通過するので、反射鏡３で反射してからも光パルスは依然としてＰ偏光のままポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４及び偏光子１を通って再びポッケルスセル２に到達する。
【００３８】
ここで、ポッケルスセル２では、７ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているので、到達したＰ偏光の光パルスがＳ偏光とされる。しかし、そのＳ偏光とされた光パルスは、反射鏡３から戻って来る時にもポッケルスセル２で７ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているので、ポッケルスセル２を通過する際に再びＰ偏光とされる。したがって、上記同様にＰ偏光の光パルスが偏光子１を透過して共振器中を往復することになる。
【００３９】
以後においても同様に、共振器中の光パルスは、ポッケルスセル２を往復する度にＰ偏光からＳ偏光とされて再びＰ偏光に戻され、偏光子１及び偏光子５を透過して共振器中を往復し続ける。本光再生増幅器では、このようにして入力光が共振器中に閉じ込められ（トラップされ）、繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されることになる。すなわち、本光再生増幅器では、供給された入力光が一旦ポッケルスセル２を通過してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧にまで立ち上がる印加電圧ＶP1をポッケルスセル２に加えるだけでよく、その印加電圧ＶP1を加えた時点でポッケルスセル２によりＰ偏光の光パルスとされた入力光が共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【００４０】
そして、閉じ込められた光パルスが繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されると、ポッケルスセル６に電圧が印加されて増幅光パルスが取り出される（図２中の中段及び下段参照。なお、下段の各通過光強度に付記した数字は、当該各通過光が共振器中を往復した回数を示す。）。すなわち、増幅光パルスがポッケルスセル６を通過して反射鏡７から戻って来るまでの間（増幅光パルスがポッケルスセル６と反射鏡７の間を進行している間）に、印加電圧ＶP2を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が９０度回転してＳ偏光の光パルスとなり、偏光子５で反射する。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００４１】
なお、閉じ込められた光パルスの増幅中に新たに供給された入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２でＰ偏光とされるが、反射鏡３で反射して再びポッケルスセル２を通過する際にＳ偏光に戻されるので、偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。また、ポッケルスセル２に上述のような印加電圧ＶP1を加えないときに供給された入力光は、偏光子１で反射してそのままポッケルスセル２を通過し、反射鏡３で反射して再びそのままポッケルスセル２を通過するので、やはり偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。したがって、上述したように印加電圧ＶP1を加えることによって共振器中に閉じ込めた光パルスのみが増幅され、その光パルスのみを増幅した増幅光パルスが上述したように印加電圧ＶP2を加えることによって共振器外に取り出される。
【００４２】
（４）構成及び動作の分析と作用効果等
本光再生増幅器では、以上のようにして光パルスの閉じ込めと取り出しが行われるが、閉じ込め時に加える印加電圧ＶP1の立ち上がり時間τR1（図２中の上段参照）は、ポッケルスセル２を通過した入力光が再びポッケルスセル２に戻って来るまでの時間より短くしなければならないので、数ｎｓから１０ｎｓ程度にする必要がある。また、取り出し時に加える印加電圧ＶP2の立ち上がり時間τR2（図２中の中段参照）は、ポッケルスセル６を通過した増幅光パルスが再びポッケルスセル６に戻って来るまでの時間より短くしなければならないので、これも数ｎｓから１０ｎｓ程度にする必要がある。
【００４３】
例えば、ポッケルスセル６と反射鏡７の間の距離が１００ｃｍである場合には、その往復光路長／光速＝２００ｃｍ／（３×１０１０ｃｍ／ｓ）＝６．６７ｎｓで増幅光パルスが再びポッケルスセル６に戻って来るので、立ち上がり時間τR2は少なくとも６．６７ｎｓ以下でなければならない。この場合において、０．０５ｎｓ程度の非常に短い時間幅の光パルスを入力光として共振器中に閉じ込めたとすると、その光パルスが増幅された後に６．６７ｎｓ以下の時間でポッケルスセル６の印加電圧ＶP2をオンにすれば、増幅光パルス全体の偏光方向が９０度回転し、共振器からは図２中の下段に示したように増幅光パルスの全体が出力されることになる。
【００４４】
このように、本光再生増幅器でもポッケルスセルに印加する電圧は高速で立ち上がる必要がある。しかし、印加電圧ＶP1については、上述したように立ち上がり後もそのまま維持し、印加電圧ＶP2については、立ち上がった状態で増幅光パルスの取り出しを行うので、いずれのポッケルスセルに印加する電圧も立ち上がり直後に高速で立ち下がるものではない。したがって、本光再生増幅器においては、ポッケルスセル２、ポッケルスセル６のそれぞれに印加する電圧の立ち上がり時間だけを早くすればよく、立ち下がりを高速化するための複雑な回路は必要ない。印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち下がりは、次の光増幅動作に間に合うようにすればよく、例えば、上述した動作を数十ｋＨで繰り返す場合には、数１０μｓ程度の時間で印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2が立ち下がるようにすれば足りる。
【００４５】
また、本光再生増幅器において、注入した種光パルスを増幅する増幅時間τA1は、印加電圧ＶP1の立ち上がりと印加電圧ＶP2の立ち上がりとの間の時間となる（図２中の上段及び中段参照）。すなわち、本光再生増幅器では、一つのポッケルスセルに対する印加電圧が立ち上がってから別のポッケルスセルに対する印加電圧が立ち上がるまでの時間によって増幅時間τA1が決定される。したがって、増幅時間τA1の調整には何等制限がなく、印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち上がり波形だけを揃えれば増幅時間τA1の精確な調整も可能になる。例えば、一つ目のポッケルスセル２の印加電圧ＶP1をオンした直後に二つ目のポッケルスセル６の印加電圧ＶP2をオンすることも負荷なく行うことができるので、従来の光再生増幅器では不可能な非常に短い増幅時間のみ光パルスを共振器中にトラップすることも可能である。
【００４６】
ただし、立ち上がり後の印加電圧ＶP1を維持する時間は、予め所定の期間に定めて必要な増幅時間τA1を確保できるようにしておく。増幅時間τA1を適切かつ柔軟に調整するためには、例えば、図２中の上段に示したように立ち上がり後の印加電圧ＶP1が持続する時間を２００ｎｓ以上にしておくとよいが、増幅時間を短めにする場合には５０ｎｓ以上等にしてもよい（必要に応じて適宜設定することにしてよい）。
【００４７】
さらに、本光再生増幅器によれば、上述のように印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち上がり時間だけを早くすればよく、それらを別々のポッケルスセルに加えればよいので、ポッケルスセルの駆動回路に対する負荷が大幅に軽減されている。このため、上述した動作を高速で繰り返すことも容易であり、レーザ光パルスの光増幅を高速で繰り返して数十ｋＨｚ以上の高速増幅光パルスを得ることも可能である。
【００４８】
加えて、本光再生増幅器では、それぞれのポッケルスセルへの印加電圧を数ｎｓでオフする必要がなく、数ｎｓでのオンとオフを一度の光増幅で繰り返す必要もないので、ポッケルスセルの急激な動作が緩和され、ポッケルスセルの駆動頻度も少なくなる。したがって、ポッケルスセルの駆動による劣化が少なくなり、光再生増幅器の耐用性は向上する。また、偏光子１を入力光の入口とし、偏光子５を出力光の出口としているので、図５に示したような従来の光再生増幅器で共振器外に設ける出力光の分離手段が不要であり、光再生増幅器の縮小化等を図ることもできる。
【００４９】
本実施形態によれば、以上のように２つのポッケルスセルを用いて立ち上がりのみが高速な印加電圧でそれぞれのポッケルスセルを駆動しているので、ポッケルスセルの印加電圧を高速で（数ｎｓで）立ち上げた直後に高速で立ち下げなければならない従来の光再生増幅器や、ポッケルスセルの印加電圧を高速で立ち上げてから増幅時間の経過後に高速で立ち下げなければならない従来の光再生増幅器に比べ、ポッケルスセルの駆動電圧制御が格段に容易となっている。したがって、ポッケルスセルを駆動制御するための駆動回路設計が容易である上に、レーザ光の精確な増幅が可能であり、設備の費用削減や装置の縮小化等を図ることもできる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
（１）基本原理
一定方向に偏光した光を反射し、当該一定方向に直交する方向に偏光した光を透過する偏光子を光の出入口としている光再生増幅器では、共振器中の光が偏光子を通る時に前記直交する方向に偏光した光となっているようにすれば、その光を共振器中に閉じ込めて増幅することができる。このため、上記第１実施形態では、供給された入力光の偏光方向をポッケルスセル２で初めに９０度回転させ、以後は共振器中を往復する光パルスの偏光方向をポッケルスセル２で１８０度回転させることにより、光パルスが偏光子１と偏光子５を通る時にＰ偏光となっているようにしている。
【００５１】
すなわち、上記第１実施形態においては、入力光の偏光方向を初めに９０度回転させて以後の往復光の偏光方向を１８０度回転させることが基本的な原理となっている。そして、この原理に基づいて機能する偏光手段として、上記第１実施形態による光再生増幅器では、印加電圧の高速な立ち下がりを要しないポッケルスセル２を利用しているが、かかる偏光手段は、他の形態による光学的素子を利用して構成することもできる。そこで、本発明の第２の実施形態では、その一例としてポッケルスセルと波長板の組合せを利用し、同等の機能を実現する偏光手段を構成する。
【００５２】
（２）構成
図３は、本発明の第２の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。本実施形態による光再生増幅器（以下、この＜第２実施形態＞において「本光再生増幅器」という。）は、図示のように、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６、反射鏡７及び１／４波長板８を有している。
【００５３】
これらの構成要素のうち、偏光子１、ポッケルスセル２、反射鏡３、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７は、物理的には上記第１実施形態における構成要素と同様のものであるため、上記第１実施形態と同一の参照符号で表して個々の構成説明を省略するが、機能的には本実施形態特有の作用効果を実現するものとなっている。その詳細は後述の動作説明で明らかにするが、例えば、本実施形態では、ポッケルスセル２への電圧印加形態が上記第１実施形態とは異なり、ポッケルスセル２は上記第１実施形態における機能とは異なる機能を果たし、各構成要素を通る光の進行形態も上記第１実施形態とは異なるものとなっている。
【００５４】
１／４波長板８は、直線偏光した通過光を円偏光にし、その円偏光が再び通過すると元の直線偏光の偏光方向を９０度回転させた光にする波長板であり、ポッケルスセル２と反射鏡３の間に配置されている。すなわち、１／４波長板８は、１度往復した光の偏光方向を９０度回転させる偏光素子であり、ポッケルスセル２側から進行して来た光が１／４波長板８を通ると円偏光になり、その円偏光が反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ると元の光の偏光方向を９０度回転させた光となってポッケルスセル２側へ進行する。
【００５５】
本光再生増幅器の物理的な構成は、上記第１実施形態による光再生増幅器において、このように往復する光の偏光方向を定常的に９０度回転させる１／４波長板８をポッケルスセル２と反射鏡３の間に追加したものとなっている（反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７が共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６が配置されており、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１が配置され、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５が配置されており、これらに加えてポッケルスセル２と反射鏡３の間に１／４波長板８が配置されている）。そして、以下の動作説明で述べるように、ポッケルスセル２及び１／４波長板８と偏光子１の組が入力光を閉じ込める手段として機能し、ポッケルスセル６と偏光子５の組が出力光を取り出す手段として機能する。
【００５６】
（３）動作
本光再生増幅器においては、共振器内に１／４波長板８があるため、ポッケルスセルへの電圧印加をしなくても入力光が共振器内のレーザ結晶４側を１度だけ往復する。すなわち、図示せぬレーザ光源等からＳ偏光のレーザ光パルスが入力光として供給されると、その入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２を通過した後に１／４波長板８で円偏光とされ、反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ってＰ偏光の光パルス（偏光方向が９０度回転した入力光）とされる。したがって、供給された入力光は、ポッケルスセル２に電圧を印加しなくても反射鏡３側から偏光子１に戻って来た時にＰ偏光の光パルスとなっているので、偏光子１を透過してレーザ結晶４、偏光子５及びポッケルスセル６を通り、ポッケルスセル６にも電圧を印加していなければＰ偏光のまま反射鏡７で反射してポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４、偏光子１及びポッケルスセル２を通って再び１／４波長板８に到達する。そして、１／４波長板８で円偏光とされて反射鏡３で反射し、再び１／４波長板８を通ってＳ偏光の光パルスとなり、ポッケルスセル２を通過した後に偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。
【００５７】
このように光パルスの偏光方向を定常的に９０度回転させる１／４波長板８に対し、本光再生増幅器は、入力光の偏光方向を初めに９０度回転させ、かつ、以後の往復する光パルスの偏光方向を１８０度回転させることとなるようにポッケルスセル２への電圧印加を行って動作する。図４は、本光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートであり、上段、中段及び下段が上記図２のタイミングチャートと同種の情報を示している（各段の横軸が時間軸、上段縦軸がポッケルスセル２への印加電圧ＶP1の大きさ、中段縦軸がポッケルスセル６への印加電圧ＶP2の大きさ、下段縦軸の上側がポッケルスセル６の（反射鏡７からの）通過光強度、同下側が出力光の強度を示している）。ただし、下段上側において、点線で示した通過光強度は、動作開始当初からポッケルスセル２を往復する通過光の強度を２回目の往復時まで示したものであり、一点鎖線で示した通過光強度は、増幅光パルスの取り出し時に偏光子５側からポッケルスセル６を通過する通過光の強度を示したものである。なお、上段、中段及び下段の時間軸上で対応する位置は破線によって表してある。以下、このタイミングチャートも併せて参照しつつ、本光再生増幅器の動作を説明する。
【００５８】
本光再生増幅器では、供給された入力光が１度ポッケルスセル２を往復し終えるまでは印加電圧ＶP1を加えない（印加電圧ＶP1を０Ｖのままにする）。したがって、入力光として供給されたＳ偏光のレーザ光パルスは、上記同様に偏光子１で反射してポッケルスセル２を通過した後に１／４波長板８で円偏光とされ、反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通ってＰ偏光の光パルスとされ、そのままポッケルスセル２を通過して偏光子１を透過する。そして、この時点では印加電圧ＶP2も加えないので、偏光子１を透過したＰ偏光の光パルスは、Ｐ偏光のままレーザ結晶４、偏光子５及びポッケルスセル６を通り、反射鏡７で反射してポッケルスセル６、偏光子５、レーザ結晶４及び偏光子１を通ってポッケルスセル２に戻って来るが、その間に印加電圧ＶP1を３．５ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル２に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加する。すなわち、図４中の上段と下段に示したように、ポッケルスセル２に対しては、入力光が最初に往復した１回目の往復時から次に往復する２回目の往復時までの間（Ｐ偏光の光パルスとされた入力光が偏光子１、レーザ結晶４、偏光子５、ポッケルスセル６及び反射鏡７の部分を往復している間）に３．５ｋＶの印加電圧ＶP1を加え、その３．５ｋＶの印加電圧ＶP1を維持する。なお、一般にポッケルスセルによる通過光の偏光方向変化は印加電圧に比例するので、ポッケルスセル２は、３．５ｋＶの電圧（上記第１実施形態で印加した７ｋＶの半分の電圧）を印加することにより、通過光の偏光方向を４５度回転させる（上記第１実施形態で回転させた９０度の半分だけ回転させる）ことができる状態になる。
【００５９】
これにより、レーザ結晶４側を１度往復してポッケルスセル２に戻って来たＰ偏光の光パルスは、ポッケルスセル２を通過するときに偏光方向が４５度回転する。そして、１／４波長板８で一旦円偏光とされてから反射鏡３で反射して再び１／４波長板８を通るときに偏光方向が９０度回転した光パルスとされ、ポッケルスセル２を再び通過するときに偏光方向がさらに４５度回転する。すなわち、レーザ結晶４側を１度往復して来たＰ偏光の光パルスは、３．５ｋＶの印加電圧ＶP1が維持されているポッケルスセル２を往復することによって偏光方向が９０度（４５度×２）回転し、かつ、１／４波長板８を往復することによっても偏光方向が９０度回転する。したがって、ポッケルスセル２を通過して再び偏光子１へと進行する光パルスは、偏光方向が１８０度回転してＰ偏光に戻っている光パルスとなり、上記同様に偏光子１を透過してレーザ結晶４側を往復することになる。
【００６０】
以後においても同様に、共振器中の光パルスは、ポッケルスセル２及び１／４波長板８を往復する度に偏光方向が１８０度回転し、偏光子１側へ向かうときには常にＰ偏光となり、偏光子１及び偏光子５を透過して共振器中を往復し続ける（１往復した後では上述のように偏光方向が１８０度回転してＰ偏光となり、２往復した後では偏光方向が３６０度回転して結局偏光方向が回転していないＰ偏光に戻り、以後、これを繰り返しながら共振器中を往復し続ける）。本光再生増幅器では、このようにして入力光が共振器中に閉じ込められ（トラップされ）、繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されることになる。すなわち、本光再生増幅器では、供給された入力光が一旦ポッケルスセル２を往復してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧にまで立ち上がる印加電圧ＶP1をポッケルスセル２に加えるだけでよく、その印加電圧ＶP1を加えた時点でポッケルスセル２と１／４波長板８によりＰ偏光に維持される光パルスが共振器中に閉じ込められ、共振器での光増幅の元になる種光パルスとして注入される。
【００６１】
そして、閉じ込められた光パルスが繰り返しレーザ結晶４を通って増幅されると、ポッケルスセル６に電圧が印加されて増幅光パルスが取り出される（図４中の中段及び下段参照。なお、下段の各通過光強度に付記した数字は、当該各通過光が共振器中を往復した回数を示す。）。この増幅光パルスの取り出しは、上記第１実施形態と同様に行うことができる。すなわち、図４中の中段に実線で示したように、増幅光パルスがポッケルスセル６を通過して反射鏡７から戻って来るまでの間に印加電圧ＶP2を７ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が９０度回転してＳ偏光の光パルスとなり、偏光子５で反射する。これにより、Ｓ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６２】
ここで、増幅光パルスの取り出しは、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧（上記ポッケルスセル２同様３．５ｋＶの電圧）を印加して行うこともできる。この場合、図４中の中段に点線で示したように、増幅光パルスが前回の往復時に反射鏡７側からポッケルスセル６を通過した後で偏光子５側から再びポッケルスセル６に戻って来るまでの間に（Ｎ＋１回目の往復時の通過光強度が現れている時点と一点鎖線の通過光強度が現れている時点との間に）、印加電圧ＶP2を３．５ｋＶに立ち上げ、ポッケルスセル６に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加する。すると、増幅光パルスは、偏光子５側からポッケルスセル６を通過するときに偏光方向が４５度回転し、反射鏡７で反射して再びポッケルスセル６を通過するときに偏光方向がさらに４５度回転する。すなわち、増幅光パルスは、ポッケルスセル６を往復することによって偏光方向が９０度回転し、Ｓ偏光の光パルスとなって偏光子５で反射する。これにより、上記同様にＳ偏光とされた増幅後の光パルスが偏光子５から出力され、高出力の増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６３】
なお、閉じ込められた光パルスの増幅中に新たに供給された入力光は、偏光子１で反射してポッケルスセル２及び１／４波長板８を往復した時点で偏光方向が１８０度回転してＳ偏光に戻るので、レーザ結晶４側を往復することなくそのまま偏光子１で反射して共振器外へと出て行く。また、ポッケルスセルに電圧を印加しないときに供給された入力光は、上述したように共振器中を１度だけ往復するが、１／４波長板８を２度往復した時点でＳ偏光に戻り、偏光子１で反射して共振器外に出て行く。したがって、本実施形態においても、印加電圧ＶP1を加えて共振器中に閉じ込めた光パルスのみを増幅した増幅光パルスが出力光として取り出される。
【００６４】
（４）構成及び動作の分析と作用効果等
本光再生増幅器では、以上のようにして光パルスの閉じ込めと取り出しが行われるが、上記第１実施形態による光再生増幅器同様、本光再生増幅器においてもポッケルスセル２とポッケルスセル６に印加する電圧は立ち上がり直後に高速で立ち下がるものではなく、それぞれのポッケルスセルに印加する電圧の立ち上がり間の時間によって増幅時間τA2（図４中の中段参照）が決定されるものとなっている。そしてさらに、光パルスの閉じ込め時にポッケルスセル２に加える印加電圧ＶP1は、本光再生増幅器では上記第１実施形態の半分の３．５ｋＶとなっており、ポッケルスセル６に加える印加電圧ＶP2も３．５ｋＶとして増幅光パルスの取り出しを行うことができる。
【００６５】
したがって、本光再生増幅器によれば、上記第１実施形態による光再生増幅器と同質の作用効果が得られるのに加え、ポッケルスセルへの印加電圧が上記第１実施形態による光再生増幅器の半分で足りるので、その作用効果がより一層増強されることになる。例えば、ポッケルスセルへの印加電圧は上記第１実施形態の半分の電圧値にまで立ち上げればよいので、ポッケルスセルの駆動回路はより容易に実現することができ、増幅時間の一層柔軟かつ精確な調整も可能になる。また、ポッケルスセルの駆動回路に対する負荷が一層軽減し、レーザ光パルスの光増幅を高速で繰り返して高速の増幅光パルスを得ることもより容易となり、ポッケルスセルの駆動による劣化が一層少なくなって光再生増幅器の耐用性もより向上する。
【００６６】
さらに、閉じ込め時に加える印加電圧ＶP1の立ち上がり時間τR3（図４中の上段参照）は、入力光が一旦ポッケルスセル２を往復してから再びポッケルスセル２に戻って来るまでの時間より短ければよい。また、増幅光パルスの取り出し時にポッケルスセル６に加える印加電圧ＶP2を３．５ｋＶとする場合には、その立ち上がり時間τR4（図４中の中段参照）は、増幅光パルスが一旦ポッケルスセル６を往復してから再びポッケルスセル６に戻って来るまでの時間より短ければよい（なお、この電圧印加形態による増幅光パルスの取り出しは、上記第１実施形態で採用することも可能である。）。ただし、印加電圧ＶP2の立ち上がり中に増幅光パルスがポッケルスセル６を通過すると出力光の光パルスがダブルパルスとなってしまうので、印加電圧ＶP2の立ち上がりタイミングは出力光にダブルパルスが現れないように適宜調整する。
【００６７】
一方、印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2の立ち下がりは、上記第１実施形態同様に次の光増幅動作に間に合うようにすればよい（例えば、上述した動作を数十ｋＨで繰り返す場合には、図４中の上段及び中段に示したように数１０μｓ程度の時間で印加電圧ＶP1と印加電圧ＶP2が立ち下がるようにすれば足りる。）。また、立ち上がり後の印加電圧ＶP1を維持する時間は、上記第１実施形態同様に予め所定の期間に定めて必要な増幅時間τA2を確保できるようにしておく（例えば、図４中の上段に示したように２００ｎｓ以上としておくとよいが、増幅時間を短めにする場合には５０ｎｓ以上等にしてもよく、必要に応じて適宜設定することにしてよい。）。
【００６８】
＜第３実施形態＞
ポッケルスセルは、通常の利用形態で偏光素子として機能させるときの光軸方向を通過光の光軸に対して傾斜させると、電圧を印加されていない状態で波長板と同様の機能を果たす。そこで、本発明の第３の実施形態では、上記第２実施形態で１／４波長板８を設けることとしたのに代えて（１／４波長板８を設けずに）、共振器中の光軸に対してポッケルスセル２の光軸方向を傾斜させることにより、ポッケルスセル２が１／４波長板８の機能を兼ね備えるようにする。
【００６９】
すなわち、上記同様に反射鏡３、レーザ結晶４及び反射鏡７で共振器を構成し、その共振器内の反射鏡３側、反射鏡７側にそれぞれポッケルスセル２、ポッケルスセル６を配置すると共に、ポッケルスセル２とレーザ結晶４の間に偏光子１を配置し、ポッケルスセル６とレーザ結晶４の間に偏光子５を配置する。そして、ポッケルスセル２が電圧を印加されていない状態で上記１／４波長板８と同様に往復する光の偏光方向を９０度回転させるようにポッケルスセル２の光軸方向を（例えば５度〜６度）傾斜させておき、その傾斜させたポッケルスセル２に対して光パルスの閉じ込め時に通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧（３．５ｋＶ）を印加する。
【００７０】
これにより、傾斜させたポッケルスセル２は、電圧を印加されていないときには上記第２実施形態における１／４波長板８と同様の機能を果たし（往復する光パルスを往路で円偏光にして復路で偏光方向が９０度回転した光パルスにし）、電圧を印加されたときには上記第２実施形態におけるポッケルスセル２及び１／４波長板８と同様の機能を果たす（往復する光パルスの偏光方向を１８０度回転させる）。したがって、この第３実施形態による光再生増幅器では、上記図４中の上段及び中段に示したのと同様の電圧印加形態により、同下段に示したのと同様の通過光強度や出力光強度が得られ、上記第２実施形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００７１】
以上の第３実施形態は、ポッケルスセル２を傾斜させる角度をある程度試行錯誤して決めなければならないので、構成要素の設定（配置、設置ないし光軸合せ等）には手間がかかるが、上記第１実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が低い上に、上記第２実施形態に比べて１／４波長板が不要であるという利点がある。なお、上記第１実施形態は、他の実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が高いが、構成は最も単純なので構成要素の設定が容易であるという利点がある。また、上記第２実施形態は、１／４波長板を必要とし、構成要素数が増えるために設定の手間も増えるが、上記第１実施形態に比べてポッケルスセルへの印加電圧が低い上に、上記第３実施形態に比べて試行錯誤によるポッケルスセルの傾斜角決定をしなくて済むという利点がある。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共振器に入力光を注入するための第１の偏光手段を継続して駆動させ、共振器から増幅光を取り出すときには第２の偏光手段を駆動することとしたので、それぞれの偏光手段に対する印加電圧を高速で遮断したり（立ち下げたり）、一つの偏光手段に対する電圧印加を高速で繰り返したりする必要がない。これにより、複雑な駆動回路を要せずにポッケルスセル等の偏光素子に対する電圧の印加を容易に行うことが可能となり、共振器での増幅時間を柔軟かつ精確に調整することができ、光増幅の動作を高速で繰り返すこともできるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【図２】 図１に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【図３】 本発明の第２の実施形態による光再生増幅器の構成を示した図である。
【図４】 図３に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【図５】 光再生増幅器の従来における構成例を示した図である。
【図６】 図５に示した光再生増幅器の動作を経過時間に対するポッケルスセルへの印加電圧と共振器中の光パルス強度によって表したタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 偏光子
２ ポッケルスセル
３ 反射鏡
４ レーザ結晶
５ 偏光子
６ ポッケルスセル
７ 反射鏡
８ １／４波長板
Claims (5)
- 光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、
前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、
前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有し、
前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、
前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が通過して前記第１の反射鏡から戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加され、前記第１の偏光方向の光を第２の偏光方向の光とすると共に、その印加電圧を所定期間維持され、
光が通過する度に当該光の偏光方向を９０度回転させるポッケルスセルであり、
前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、
前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される、光再生増幅器。 - 光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、
前記第１、第２の反射鏡側にそれぞれ設けられた第１、第２のポッケルスセルと、
前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子と、
前記第１のポッケルスセルと前記第１の反射鏡との間に設けられ、往復する光の偏光方向を９０度回転させる波長板とを有し、
前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、
前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び前記波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が通過する度に当該光の偏光方向を４５度回転させ、
前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、
前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される、光再生増幅器。 - 光の往復路の両端を形成する第１及び第２の反射鏡、並びに前記往復路中で光を増幅する増幅部を有する共振器と、
前記第１の反射鏡側に設けられ、光軸方向が往復する光の偏光方向を４５度回転させる方向に傾けられた第１のポッケルスセルと、
前記第２の反射鏡側に設けられた第２のポッケルスセルと、
前記第１、第２のポッケルスセルと前記増幅部との間にそれぞれ設けられた第１、第２の偏光子とを有し、
前記第１の偏光子で反射した第１の偏光方向の光が前記第１のポッケルスセル側へ進行し、
前記第１のポッケルスセルは、前記第１の偏光方向の光が前記第１の反射鏡で反射して前記第１のポッケルスセル及び波長板を一度往復し、第２の偏光方向の光となって前記増幅部側を往復してから前記第１のポッケルスセルに戻って来るまでの間に、通過光の偏光方向を４５度回転させる分の電圧を印加され、その印加電圧を所定期間維持されて光が往復する度に当該光の偏光方向を１８０度回転させ、
前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を往復して増幅された増幅光を前記共振器から取り出すときに電圧を印加され、当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とするポッケルスセルであり、
前記第１の偏光方向の増幅光が前記第２の偏光子で反射して前記共振器外に取り出される、光再生増幅器。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の光再生増幅器において、
前記第２のポッケルスセルは、前記増幅光が通過して前記第２の反射鏡から戻って来るまでの間に、当該通過光の偏光方向を９０度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とする、光再生増幅器。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の光再生増幅器において、
前記第２のポッケルスセルは、前記増幅部を一度往復して増幅光となる光が往復してから当該増幅光が通過する前に当該通過光の偏光方向を４５度回転させる電圧を印加されて当該増幅光を前記第１の偏光方向の増幅光とする、光再生増幅器。
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