JP5602817B2 - 光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法に関するものであり、特に、半導体レーザーを用いて高出力かつ超短パルスのレーザー光を発生する光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法に関する。

パルス幅がｐｓ（ピコ秒）オーダーである超短パルスのレーザー光に対する各分野のニーズが高まっている。例えば、分子の分解反応などの短時間（数百ｐｓ〜数ｎｓ）に変化する現象を観測又は測定する場合や、異なる波長の超短パルスを観察対象に照射し、ｎｍ（ナノメートル）オーダーの分解能で蛍光観察する、いわゆるＣＡＲＳ（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering）顕微分光などの技術分野においては、特にニーズが高い。

また、超短パルスであり、高出力なパルス光を発生させるには、高出力なレーザー光を発生することが可能な固体レーザー装置が一般的に利用されており、装置全体が大型化する上、高価であり、信頼性も乏しいという問題がある。

他方、複数の異なる波長のパルス光や同一の波長のパルス光などを、同時に同一対象物に照射する際には、照射されるパルス光の位相タイミングを正確に調整することが不可欠である。このため、上述のような固体レーザー装置を用いる場合には、個々の固体レーザーをパルス駆動し、発生した各パルス光を光ファイバ等の導波手段を用いて照射対象物の近傍まで導出し、同時に照射することが考えられる。

しかしながら、パルス光を案内する光ファイバの長さが異なると、各パルス光が対象物に照射されるタイミングがずれ、また、異なる波長のパルス光を光ファイバで案内する場合には、波長分散特性により、パルス光間で位相がずれるという問題を生じる。このため、これらのタイミングを正確に調整するためには、光ファイバの一部に光遅延装置を組み込むことが必要であり、特に上述のような位相ズレを調整するには大型の遅延装置とならざるを得ない。

また、特許文献１では、固体レーザー装置を用いる代わりに、半導体レーザーを用いて高出力かつ超短パルスのレーザー光を発生させる技術を開示している。

特許文献１においては、半導体レーザーと、該半導体レーザーにパルス光を発生させる電気パルス発生器と、該電気パルス発生器からの信号を受けて、前記半導体レーザーからの前記パルス光を、該パルス光と同期して増幅する低ノイズ光増幅器とを備える光パルスレーザー装置が示されている。特に、低ノイズ光増幅器は、前記電気パルス発生器からの信号を受けて、同期したパルスを発生するパルス発生器と、前記半導体レーザーからの前記パルス光を増幅する光増幅器と、該パルス発生器からのパルスにより、前記光増幅器からの増幅されたパルス光を通過させるゲートとで構成することができる。

特許文献１の方法では、光パルスレーザー装置自体を小型化することは可能であるが、しかしながら、特許文献１のような光パルスレーザー装置を複数台設け、各パルス光を対象物に同時に照射するためには、上述したように各光パルスレーザー装置に対応して光ファイバ等の導波手段を複数設ける必要があり、各光ファイバ等を伝播するパルス光の位相を調整することが不可欠である。このため、依然として大型の遅延装置を使用せざるを得ない。

特開２００５−１２８２２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述の問題を解消するため、装置全体の小型化が可能であると共に、複数のレーザー光源から出力された超短パルスであり高出力なパルス光を、容易かつ正確に位相を調節して、対象物に同時に照射することが可能な光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段と、該信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段で、該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整すると共に、該遅延調整手段で、該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整することを特徴とする光パルスレーザー装置である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光パルスレーザー装置において、各半導体レーザーが発生するパルス光の波長が各々異なることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光パルスレーザー装置において、各半導体レーザーが発生するパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光パルスレーザー装置において、該光増幅手段は、光ファイバアンプであることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段と、該信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段により該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整するステップと、該遅延調整手段により該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整するステップとを共に備えたことを特徴とする光パルスレーザー発生方法である。

請求項１に係る発明により、所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段を用いた光パルスレーザー装置であるため、超短パルスでありかつ高出力なパルス光を発生する光パルスレーザー装置を小型化することが可能となる。

さらに、半導体レーザーはモードロックレーザーであるため、特定の波長を有するパルス光を安定して出力することが可能となる。また、モードロックレーザーを用いることで、半導体を構成する材料が異なる場合には、同じ発振器による駆動信号であっても異なる波長のパルス光を出力することが可能であり、同一の信号発振器で複数の半導体レーザーを駆動するには、極めて簡便かつ精度良く制御することが可能となる。

また、信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段で、該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整すると共に、該遅延調整手段で、該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整するため、電気信号に係る簡単な回路構成で、パルス光の発生タイミングをより正確に調整することができ、結果として、対象物にパルス光が照射されるタイミングも正確に調整することができる。

請求項２に係る発明により、各半導体レーザーが発生するパルス光の波長が各々異なるため、波長分散特性によるパルス光間の位相のズレが発生しても、本発明によれば位相調整が容易であり、異なる波長のパルス光を対象物に同時に照射することが可能となる。

請求項３に係る発明により、各半導体レーザーが発生するパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であるため、超短パルスの発生に対して、より好適に本発明の光パルスレーザー装置を適用することが可能である。

請求項４に係る発明により、光増幅手段は、光ファイバアンプであるため、超短パルスなパルス光を効率的に増幅することが可能となる。

請求項５に係る発明により、所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段を用いた光パルスレーザー発生方法であるため、超短パルスでありかつ高出力なパルス光を発生する光パルスレーザー装置を小型化することが可能となる。

さらに、半導体レーザーはモードロックレーザーであるため、特定の波長を有するパルス光を安定して出力することが可能となる。また、モードロックレーザーを用いることで、半導体を構成する材料が異なる場合には、同じ発振器による駆動信号であっても異なる波長のパルス光を出力することが可能であり、同一の信号発振器で複数の半導体レーザーを駆動するには、極めて簡便かつ精度良く制御することが可能となる。

また、信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段により該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整するステップと、該遅延調整手段により該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整するステップとを共に備えたため、電気信号に係る簡単な回路構成で、パルス光の発生タイミングをより正確に調整することができ、結果として、対象物にパルス光が照射されるタイミングも正確に調整することができる。

本発明の光パルスレーザー装置の概略図である。

本発明の光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法について、以下に説明する。
図１に、光パルスレーザー装置の概略図を示す。
光パルスレーザー装置は、パルス光を発生する複数の半導体レーザー１，１１と、該各半導体レーザーに駆動信号を入力する単一の信号発振器２と、該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲート３，１３と、該信号発振器２からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段４，１４と、該各光ゲート３，１３に対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段５，１５と、該信号発振器２から特定の半導体レーザー１１及び特定の光ゲート制御手段１４に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段１０を設けることを特徴とする。そして、各光増幅手段５，１５から出力される高出力な超短パルス光は、光ファイバなどの導波手段６，１６を伝播し、外部に配置された対象物２０などに照射される。

半導体レーザー１，１１は、モードロックレーザーを使用する。モードロックレーザーは、特定の波長を有するパルス光を安定して発生することが可能であり、特に、異なる波長のパルス光を出力する際には、ベースとなるレーザーの半導体材料が異なるモードロックレーザーを用いることで、同じ周波数のパルスを印加するにも拘らず、異なる波長のパルス光を発生させることが可能となる。

光ゲート３，１３には、半導体光アンプ（Semiconductor Optical Amplifier）を好適に用いることができるが、パルス幅がｐｓオーダーのパルス光に対して、高速に通過制御できる光ゲートであれば、ＳＯＡに限らず本発明に適用することが可能である。

光ゲート３，１３は、光ゲート制御手段４，１４により各々駆動されている。光ゲートは、半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くために必要なタイミングで駆動制御されている。光ゲート制御手段４，１４には、例えば、半導体レーザー１，１１に印加される駆動信号と同じ信号が入力され、駆動信号を構成するパルス信号を分周し、パルス光を間引くタイミングのパルス信号へと変換する。なお、光ゲート３，１３を駆動するタイミングと該光ゲートを通過するパルス光の通過タイミングを大まかに調整するために、間引くパルスのタイミングが調整できるようになっている。

光ゲート３，１３を通過したパルス光は、光増幅手段５，１５に入力され高出力なパルス光に変換される。光増幅手段５，１５には、光ファイバアンプが用いられる。光ファイバアンプは、レーザー遷移の上準位の寿命が十分に長いことから、入射する光パルスの繰り返しを遅くすることで、増幅器の中に蓄えたエネルギーを光パルスに効率的に移すことができ、半導体レーザーからの光パルスであっても、キロワット超の高ピークパワーを得ることができる。

本発明の光パルスレーザー装置に用いられている、半導体レーザー、光ゲート、光増幅器などからなる光パルス発生手段では、パルス光のパルス幅が１ｎｓ以下の超短パルスに対して、高出力なパルス光が生成できることが確認されており、極めて有用な光パルス発生手段と言える。

また、光増幅手段５，１５に入るパルス光のノイズを可能な限り除去するため、例えば、光ゲート３と光増幅手段５との間や導波手段６の途中などに波長フィルタを設け、ノイズとなる波長光を除去することも可能である。

本発明の光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法の特徴は、単一の信号発振器２からの駆動信号を、特定の半導体レーザー１１や特定の光ゲート制御手段１４に印加する際に、対象物２０に対する複数のパルス光を照射するタイミングを調整するため、駆動信号を伝達する信号線路の途中に、遅延回路などの遅延調整手段１０を設けることと、光ゲート手段４，１４のゲートタイミングを調整することを特徴とする。当然、遅延調整手段の遅延量を調整可能とすることが好ましい。

図１の実施例では、単一の信号発振器２から駆動される半導体レーザーが２つの例を示したが、これに限らず、半導体レーザーを２以上とすることが可能であり、また、必要に応じて、複数の信号発振器で幾つかの半導体レーザーを分担して駆動するよう構成することも可能であり、この際には、信号発振器間で互いのパルスを同期させるように、同期制御手段を信号発振器間に介在させる。

また、図１では、同一の光パルス発生手段内の半導体レーザー１（１１）と光ゲート制御手段４（１４）には、信号発振器２から出た駆動信号を分岐して使用しているが、信号発振器２に複数の同一周波数の駆動信号を出力する端子を設け、該端子から半導体レーザー１（１１）や光ゲート制御手段４（１４）へ個々に接続することも可能である。

さらに、遅延調整手段１０は、図１のものに替えて、信号発振器２から半導体レーザー１１と光ゲート制御手段１４とに分岐した後の信号線路に、遅延制御回路を個々に設けることも可能である。

本発明によれば、装置全体の小型化が可能であると共に、複数のレーザー光源から出力された超短パルスであり高出力なパルス光を、容易かつ正確に位相を調節して、対象物に同時に照射することが可能な光パルスレーザー装置及び光パルスレーザー発生方法を提供することができる。

１，１１ 半導体レーザー
２ 信号発振器
３，１３ 光ゲート
４，１４ 光ゲート制御手段
５，１５ 光増幅手段
６，１６ 導波手段
１０ 遅延制御手段
２０ 対象物

Claims (5)

1. 所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、
   該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、
   該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、
   該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、
   該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段と、
   該信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、
   該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段で、該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整すると共に、該遅延調整手段で、該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整することを特徴とする光パルスレーザー装置。
2. 請求項１に記載の光パルスレーザー装置において、各半導体レーザーが発生するパルス光の波長が各々異なることを特徴とする光パルスレーザー装置。
3. 請求項１又は２に記載の光パルスレーザー装置において、各半導体レーザーが発生するパルス光のパルス幅は、１ｎｓ以下であることを特徴とする光パルスレーザー装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光パルスレーザー装置において、該光増幅手段は、光ファイバアンプであることを特徴とする光パルスレーザー装置。
5. 所定の周波数のパルス光を発生する複数の、モードロックされた半導体レーザーと、
   該各半導体レーザーに前記所定の周波数の駆動信号を入力する単一の信号発振器と、
   該各半導体レーザーに対応して設けられ、各半導体レーザーからのパルス光を一定間隔で間引く光ゲートと、
   該信号発振器からの駆動信号に基づき該光ゲートの動作を制御する光ゲート制御手段と、
   該各光ゲートに対応して設けられ、各光ゲートを通過したパルス光を増幅して出力する光増幅手段と、
   該信号発振器から特定の半導体レーザー及び特定の光ゲート制御手段に該駆動信号を入力する信号線路の途中に、遅延調整手段を設け、
   該光増幅手段から出力されるパルス光を対象物に同時に照射するタイミングを調整するため、該光ゲート制御手段により該半導体レーザーからの光パルスを一定間隔で間引くタイミングを調整するステップと、該遅延調整手段により該特定の半導体レーザー及び該特定の光ゲート制御手段に入力する駆動信号を遅延調整するステップとを共に備えたことを特徴とする光パルスレーザー発生方法。

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