JP4932551B2 - 光パルス発生装置及び光ファイバレーザ装置 - Google Patents

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光パルス発生装置に関する。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光ファイバレーザ装置に好適である。

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

ファイバレーザ装置でＱスイッチ法を用いてパルスを発生させる光回路を組む場合、例えば、リング型の共振器を使用する（例えば、特許文献３参照）。増幅用光ファイバとしては、一般に希土類添加光ファイバが用いられるが、それ以外に励起光導入のためのカプラ、反射光防止のためのアイソレータ、出力光取り出しのためのカプラ、波長を一定にするためのバンドパスフィルタ、例えば、ＡＯＭのようなＱスイッチを構成するためのモジュール等、多数の光部品が用いられる。

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ＬＤ、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。
これらの部品はそれぞれ、ある程度の長さのピグテールファイバをもつため、リング型である共振器の長さは一定の長さを持つことになる。ところが、通常ジャイアントパルスが生成される課程において、光は共振器内を数周回ることになる。このとき共振器長が長くなると、それぞれの周回ごとに生成されるパルスがうまく重なり合わず、最終的に生成される出力パルスはいくつかの山が見える形となる。図６に、その一例を示す。
この結果、図４に示すように、出力パルスは広がってピーク高さ、即ち光強度が低下し、発生したパルス３０１をさらに増幅した際に得られる増幅されたパルス３０２の尖頭値が高くなり難いという問題がある。

これを防ぐためには、各光部品のピグテールファイバ長を短くすることが有効であるが、実際に装置を組み立てる場合に作業を行い難くなるという欠点がある。さらに、部品のピグテールファイバの長さをゼロにすることはできず、また増幅用光ファイバも一定の長さを持つため、共振器は増幅用ファイバ以外にも、必ずある一定の長さをもつことになり、その分最終的に出力されるパルスの幅は広がることとなる。これは反射型の共振器でも同様である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、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において、最終的に生成されるパルスの幅を狭めることができ、高い尖頭値のパルスを出力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、光ファイバを用いた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１往復又は１周ごとに発生する光パルスを合波するための機構をもつことを特徴とする光パルス発生装置を提供する。

前記光パルスを発生する装置であって、前記共振器の長さは、光が１往復あるいは１周移動するために要する時間が発生するパルスのパルス幅の３倍以上であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光パルス発生装置を含むことを特徴とする光ファイバレーザ装置を提供する。

本発明によれば、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において、最終的に生成されるパルスの幅を狭めることができ、高い尖頭値のパルスを出力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。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明のパルス発生装置の第１実施形態を示す構成図である。図２中、符号２０１は励起ＬＤ、２０２は励起光入力カプラ、２０３は光増幅媒体である希土類添加ファイバ、２０４は光アイソレータ、２０５は発振光出力カプラ、２０６はバンドパスフィルタ、２０７は音響光学素子モジュール、２０８は光スイッチ、２０９は光合波器である。

本実施形態のパルス発生装置は、Ｑスイッチ法によるパルス発生装置の共振器部分、すなわち、励起ＬＤ２０１、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は、図１に示す一般のパルス発生装置と同様であるが、各周回ごとに発生する出力パルスを最終的に重ね合わせ、最終的に生成されるパルスの幅を狭くする手段を有していることを特徴としている。

より具体的には、発振光出力カプラ２０５の出力側に、高速タイプの光スイッチ２０８を用いることで、各周回ごとに発生するパルスを最終的に重ね合わせ、パルス幅の狭いパルスを得る。例えば、５周分のパルスを最終的に重ね合わせる場合、４周目のパルスは５周目のパルスよりも、リング１周分長い光路を、３周目のパルスはさらに１周分長い光路を通じるような回路を組み、光スイッチ２０８を用いて光路を切り替える。なお、この高速タイプの光スイッチ２０８については、種々の発明が公開されている（例えば米国特許第６８４２５６９号明細書参照。）。

これを実現するための光回路は、例えば、図２中の光スイッチ２０８と光合波器２０９の間に、それぞれファイバ長の異なる複数の光ファイバを並列に配置した多ルート光回路が用いられる。そして、光スイッチ２０８の切り替えによって、早い周回で発生したパルスは長いファイバ長のルートを通し、遅い周回長で発生したパルスは短いファイバ長のルートを通し、最後にそれぞれのルートを通して送られたパルスを光合波器２０９において同じ時間に合波することで、パルス幅を狭くすることが可能となる。

ここで、リング型共振器の周回長は、それぞれの周回で発生したパルスを分けやすくするため（図７参照）、概ね、光がリングを周回するために最終的に発生させるパルス幅の３倍以上の時間がかかるような長さにしておくことが好ましい。
また、パルスを重ね合わせる際に用いる光合波器２２０としては、１×Ｎ型のカプラ、あるいは複数の１×２型カプラ等を使用するが、光強度の強いパルスの光路の損失が小さくなるような分岐比のカプラを選択することが望ましい。

図５は、本実施形態のパルス発生装置における入力パルス３０３と増幅されたパルス３０４のパルス波形を模式的に示す図である。本実施形態のパルス発生装置では、前述した共振器１周ごとに発生する光パルスを合波するための機構（光スイッチ２０８、光合波器２０９及びそれらの間に設けた多ルート光回路）を設けたことによって、該機構を持たない図１のパルス発生装置におけるパルス波形（図４のパルス３０１，３０２）と比べて、パルス幅が狭くなり、増幅されたパルス３０４の尖頭値が格段に高くなっている。

図３は、本実施形態のパルス発生装置の第２実施形態を示す構成図である。図３中、符号２１１は励起ＬＤ、２１２は励起光入力カプラ、２１３は光増幅媒体である希土類添加ファイバ、２１４は光アイソレータ、２１５は全反射ファイバグレーティング、２１６は一部透過ファイバグレーティング、２１７は音響光学素子モジュール、２１８はバンドパスフィルタ、２１９は光スイッチ、２２０は光合波器である。

本実施形態のパルス発生装置は、希土類添加ファイバ２１３を含む、全反射ファイバグレーティング２１５と一部透過ファイバグレーティング２１６との間を共振器としたミラー型共振器を例示している。このミラー型共振器についても、前述した図２に示すリング型共振器の場合と同じく、ミラーとして機能する各ファイバグレーティング２１５，２１６間を往復するごとに発生する出力パルスを最終的に重ね合わせ、最終的に生成されるパルスの幅を狭くするために、光スイッチ２１９と光合波器２２０との間に、それぞれファイバ長の異なる複数の光ファイバを並列に配置した多ルート光回路を設けている。そして、光スイッチ２１９の切り替えによって、少ない往復回数で発生したパルスは長いファイバ長のルートを通し、多数の往復回数で発生したパルスは短いファイバ長のルートを通し、最後にそれぞれのルートを通して送られたパルスを光合波器２２０において同じ時間に合波することで、パルス幅を狭くすることが可能となる。

［比較例］
図１に示すリング型共振器を持つパルス発生装置を作製し、表１に示す条件で運転し、その出力特性を調べた。結果を表１に記す。

［実施例］
図１と同じリング型共振器を持つパルス発生装置の出力側に、光スイッチと、多ルート光回路と、光合波器とを順に接続し、図２に示すパルス発生装置を作製した。このパルス発生装置を、表２に示す条件で運転し、その出力特性を調べた。結果を表２に記す。

表１、表２に記した結果から、本発明に係る実施例のパルス発生装置によれば、同じ条件で運転した比較例と比べ、出力光パルス幅が狭くなり、最終出力尖頭値が格段に高くなった。

従来のリング型共振器を持つパルス発生装置の構成図である。 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。 図１のパルス発生装置におけるパルス波形を模式的に示す図である。 本発明に係る図２のパルス発生装置におけるパルス波形を模式的に示す図である。 図１のパルス発生装置におけるパルス波形を示す図である。 リング型共振器においてそれぞれの周回で発生したパルスが分けられた状態を示す図である。

符号の説明

２０１，２１１…励起ＬＤ、２０１，２１２…励起光入力カプラ、２０３，２１３…希土類添加ファイバ、２０４，２１４…光アイソレータ、２０５…発振光出力カプラ、２０６，２１８…バンドパスフィルタ、２０７，２１７…音響光学素子モジュール、２０８，２１９…光スイッチ、２０９，２２０…光合波器、２１５…全反射ファイバグレーティング、２１６…一部透過ファイバグレーティング。

Claims (3)

1. 光ファイバを用いた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１往復又は１周ごとに発生する光パルスを合波するための機構をもつことを特徴とする光パルス発生装置。
2. 前記光パルスを発生する装置であって、前記共振器の長さは、光が１往復あるいは１周移動するために要する時間が発生するパルスのパルス幅の３倍以上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。
3. 請求項１又は２に記載の光パルス発生装置を含むことを特徴とする光ファイバレーザ装置。

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