JP6093511B2 - パルスファイバレーザ装置およびパルス光出力制御方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載されているファイバレーザ共振器の発振方法によれば、前記AOTFを用いて、
1.供給する前記RF信号の周波数を変化させることにより、出射されるレーザ光の波長を切り替える、
2.ASEノイズに対して高い損失を与えることにより、低ノイズのレーザ光を出射させる、
ことが可能であることが示されている。
また本発明は、このようなパルスファイバレーザ装置を用いてパルス光出力を制御する方法を提供するものである。
また、PA部を多段に設けたい場合には、前記光経路分岐手段に、光増幅器を有する1本または複数の副増幅経路を接続することとした。
また、副増幅経路および出射経路が光経路分岐手段に接続されているため、共振経路と副増幅経路と出射経路との全てを直列接続する従来のMOPA方式パルスファイバレーザ装置に比べ、パルスファイバレーザ装置の省スペース化を図ることができる。
第1の態様のパルスファイバレーザ装置においては、光経路分岐手段で副増幅経路へ出射された光の波長が副増幅経路内で変換される。光経路分岐手段として、回折機能を有する能動的な回折光学素子を用いた場合には、副増幅経路内での波長変換により、各増幅経路から前記回折光学素子に入射した光の回折角度が入射経路毎に異なるため、経路切り替え時の回折光学素子で形成される回折格子の周期を一定にしても、全ての経路からの光を同時かつ正確に所定の次の経路に出射させることができる。この点については、以下に記載する第2および第3の態様の場合も同様である。
また、全ての副増幅経路および出射経路または増幅出射経路が、同じ光経路分岐手段に接続されているため、共振経路と複数の副増幅経路と出射経路または増幅出射経路の全てを直列接続する従来のMOPA方式パルスファイバレーザ装置と比較して、パルスファイバレーザ装置の大幅な省スペース化を図ることができる。
したがって、光経路分岐手段によりレーザ光を副増幅経路に出射させるまで、レーザ光を外部に出さずに共振器内で共振させることができる。また、光経路分岐手段により共振経路内を共振するレーザ光を副増幅経路に出射させている時間以外は、共振経路と副増幅経路を遮断することができるため、高価なアイソレータを用いることなく、副増幅経路内で発生したASE光が共振経路に入射されることを防止できる。即ち、副増幅経路に設けた光増幅器で発生するASE光が共振経路に入射することを防止し、共振経路−副増幅経路間のアイソレーションを取ることができる。
特に光増幅器を多段に設置する場合であっても、光増幅器の設置数に関係なく、1つの光経路分岐手段による切り替え制御によって多段増幅を行うことにより、パルスファイバレーザ装置の低コスト化を実現することできる。
さらに、本発明のパルスファイバレーザ装置では、全ての副増幅経路および、出射経路または増幅出射経路が、共振経路の中途に設けられた光経路分岐手段を基点として接続されているため、副増幅経路の設置数にかかわらず装置の省スペース化を図ることができる。
シャッタ50には、そのシャッタ50における第1/第2切り替え状態(詳細は後述する)を制御し、第2切り替え状態においてRF信号をシャッタ50に供給するためのドライバ51が接続されている。
シャッタ50として機能するAOMは、共振経路1の波長λ1の光を角度θ1で副増幅経路3に回折させると同時に、副増幅経路3の波長λ3の光を角度θ3で出射経路2´に回折させるためのRF信号の周波数を予め調べ、ドライバ51から任意のタイミングでAOMに前記周波数のRF信号を出力できるようにしておく。したがって、シャッタ50が第1切り替え状態である場合には、区分共振経路1aと区分共振経路1bとの間で光を透過させる。シャッタ50が第2切り替え状態である場合には、区分共振経路1aから入射した光は副増幅経路3に出射されるとともに副増幅経路3から入射した光を出射経路2´に出射させる。
なお、図1の副増幅経路3における増幅用ファイバ33と波長変換素子34は、それらの配置を入れ替えてもよい。その場合には、波長変換素子34では波長λ1の信号光、λ2の信号ともに通過する(基本波も残る)が、グレーティング36は波長λ2のみ選択的に反射するように設計されているので、波長λ1の信号光は、後段に配置されている全反射するグレーティング36で反射されない。したがって、グレーティング36を反射して、戻ってくる光はλ2のみになる。
また、波長変換素子34としては、ファイバを用いてラマン散乱を発生させ、後段に設けられている高反射FBG36でラマン散乱光の波長を選択的に反射するように構成してもよい。その他の波長変換方法として、非線形光学結晶を波長変換素子として用いてもよい。
励起光源10から励起光が出射されれば、励起光がファイバカプラ15を通り、高反射FBG11を透過して、共振経路1内を伝搬する。前記励起光はシャッタ50を透過し、増幅用光ファイバ13に入射され、増幅用光ファイバ13に添加されている励起元素を励起する。増幅用光ファイバ13ではASEが発生し、出射された光のうち高反射FBG12で信号波長λ1を含む波長帯域の光が選択的に反射され、再び増幅用光ファイバ13に入射する。増幅用光ファイバ13で誘導放出により増幅された光は、共振経路1内を伝搬し、高反射FBG11で反射され、シャッタ50が第2切り替え状態に切り替えられるまで、共振し、増幅される。
図3は、レーザ出力信号(S0)、励起光源10の駆動電流(S1)、シャッタ50の切り替え信号(S2)、励起光源30の駆動電流(S5)、副増幅経路3に入射するパルス光(S6)、出射経路2´に入射するパルス光(S4)、出射経路2´から出射されるパルス光(S10)の動作と、相互の関係を示している。
図4は(S2)と(S4)との時間的な関係を示している。
ここで、
t0:P1−iのシャッタ50の経路切り替えの保持時間であり、第1切り替え状態から第2切り替え状態に切り替えた時から再度第1切り替え状態に戻すまでの時間、すなわちP3−i、P2−i、P2−i´のパルス幅(ただし、iは0または正の偶数とする)、
t1:(S0)がOFF状態のときのP1−(j−1)とP1−jとの時間間隔(ただし、jは正の奇数とする)、
t2:P1−jのシャッタ50の第2切り替え状態の保持時間、すなわちP3−j、P2−j、P2−j´のパルス幅、
t3:(S0)がON状態のときのP1−(j−1)とP1−jとの時間間隔、
t4:(S0)が最初にON状態になってからのP1−(k−1)とP1−kとの時間間隔(kは正の偶数とし、かつP1−(k−1)に対する(S0)がON状態である場合に限る)、
t5:(S0)がON状態のときのP2−(k−2)´とP2−k´との時間間隔、
とする。
レーザ光が共振経路1内で共振している状態で、シャッタ50を第1切り替え状態から第2切り替え状態にする(シャッタ50での1回目の経路切り替え)と、区分共振経路1aからシャッタ50に入射した前記レーザ光が角度θ1で回折し、副増幅経路3に向けて出射される。時間t0が経過した後にシャッタ50を第1切り替え状態にすれば(シャッタ50での2回目の経路切り替え)、副増幅経路3に入射された区分共振経路1aからの光は、パルス幅t0の光パルスP3−0となる。
副増幅経路3の増幅用光ファイバ33にその光パルスP3−0が入射するが、励起光源30がOFF状態であるため、P3−0は吸収される。
続いて、シャッタ50の切り替え動作によるP1−0との時間間隔t1、第2切り替え状態保持時間t2のP1−1(P1−1における第1切り替え状態から第2切り替え状態への経路切り替え:シャッタ50での3回目の経路切り替え)でも、共振経路1からレーザ光が副増幅経路3の増幅用光ファイバ33にパルス光P3−1として入射するが、励起光源30がOFF状態であるため、P3−1は吸収される。即ち、図3(E)の場合、(S5)がOFF状態であるため、信号光は出射されない。なお、前述のようにレーザ光の1パルスが出射されるまでに、シャッタ50での経路切り替えを3回行うが、連続的にパルス光を出力する際には、図3に示すように、レーザ光の1パルス出射にあたり、前記3回の経路切り替えに、第2切り替え状態から第1切り替え状態への経路切り替えを加えて、シャッタ50での経路切り替えを合計4回行えばよい。なお、前記経路切り替え回数は4回に限定されるものではなく、シャッタ50の機能および制御方法に応じて変更できる。
T=2L(n/c)
となる。
上述の場合において、t1、t2を
t1+t2<T
を満たすように設定すると、副増幅経路3から出射経路2´への光が回折されることはなく、(S0)のOFF状態中に微弱な光パルスがパルスファイバレーザ装置から漏れ出すことはない。
また、シャッタ50での3回目の経路切り替え保持時間t2は、1回目のON状態の時間幅t0より長い時間に設定する必要があるが、アイソレーションをできる限り高めるためにはt0と同程度にすることが望ましい。
(S5)がON状態になると、増幅用光ファイバ33に添加されている希土類元素が励起される。副増幅経路3に入射したP3−2は、増幅用光ファイバ33に入射すると、高パワーのパルス光が生成される。波長λ1の前記パルス光は波長変換素子34に入射し、波長λ2のパルス光に変換され、高反射FBG36で反射され、再び波長変換素子34に入射し、波長λ3のパルス光に変換される。波長λ3のパルス光は増幅用光ファイバ33を通り、シャッタ50まで伝搬する。
t4は次の光パルスを出射するタイミングを決めるための時間間隔であり、少なくとも光パルスが区分共振経路1aから回折され、副増幅経路3を往復して前記パルス光がシャッタ50の位置まで到達するまでの時間Tよりも長く設定する必要がある。出射経路2´から出力される光パルスの繰り返し周期であるt5とともに、次段落に述べる条件を満たすように設定することにより、著しくASEノイズの少ない高パワーで時間的な出力変動の小さいパルス光が生成される。
Δt=T−t3=2L(n/c)−t3
となる。光パルスP3−2がシャッタ50の第2切り替え状態P1−3の保持時間t2の間に、光パルスP2−2として出射経路2´に回折されるためには、図4に示すように、
Δt+t0≦t2、
t2+t3≧t0+T、
の条件(以降では、この条件を最適条件と称する)を満たさなければならない。
したがって、パルスファイバレーザ装置の動作開始前に、最適条件を満たすように、t0、t1、t2、t3、n、Lを予め設定しておくことが望ましい。
P3−3は増幅用光ファイバ33、波長変換素子34を通り、高反射FBG36で反射されて再び波長変換素子34と増幅用光ファイバ33を通り、(S5)がON状態であることから、波長λ3、パルス幅t0の光パルスとしてシャッタ50に入射するが、この時点でシャッタ50が第1切り替え状態であるため、前記光パルスはシャッタ50で経路外の方向に出射される、あるいはシャッタ50に吸収され、出射経路2´には出射されない。
最適条件を満たし、かつ望ましいt2+t3+t4>>T=2L(n/c)
が満たされたときに限り、
t5=t2+t3+t4、
t4=t5−t3−t2
となる。t4は次の光パルスを出射するタイミングを決める時間間隔であるため、上記の条件が示すように光パルスが副増幅経路3内を往復する時間Tより長く設定する必要がある。最適条件とともに、所望のt5に合わせて前述の条件を満たすように、t4を予め設定しておくことが望ましい。
制御をできる限り簡易にするため、(S1)はシャッタ50の切り替え動作開始前に基本的に第2切り替え状態を保持させる。さらに、副増幅経路3の励起光源30についても(S1)と同じ理由で、一度第2切り替え状態に切り替えた後は、第2切り替え状態をそのまま保持させるが、その場合には(S2)は(S0)の第1/第2切り替え状態にかかわらず、図5のP1−6、P1−7、P1−8、P1−9に示すように一定の時間間隔t5でシャッタ50を第1切り替え状態(1)から第2切り替え状態(2)に切り替える。
この動作は、(S0)がON状態の途中でOFF状態に切り替わっても、(S1)がON状態であることと、前記の(S2)の切り替えにより、共振経路1内で増幅されたレーザ光が一定の時間間隔で副増幅経路3に入射し、共振経路1内の光のパワーがほぼ一定の増減パターンで増幅されることにより、(S0)がOFF状態からON状態へ切り替わった直後の第1光パルスP2−10´のピークパワーをP2−2´、P2−4´の出射ピークパワーと揃えることができるためである。
なお、図5において図1に示したパルスファイバレーザ装置と同一の構成の部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
なお、以下説明において第1の実施形態のパルスファイバレーザ装置と同一の動作については、その説明を省略する。
副増幅経路3の増幅用光ファイバ33に光パルスP3−0が入射した時に、励起光源30がOFF状態であるため、P3−0が吸収される状態までは図3(E)と同様である。
続いて、シャッタ50の切り替え動作によるP1−0との時間間隔t1、第2切り替え状態保持時間t2のP1−1で、共振経路1からレーザ光がパルス光P3−1として増幅出射経路3に出射され、増幅用光ファイバ33にP3−1が入射するが、S3,S5がOFFのため、信号光のパワーの一部はP3−0と同様に前記励起元素に吸収される。
また、第1の実施形態のパルスファイバレーザ装置と同様に、シャッタ50での3回目の経路切り替え保持時間t2は、1回目のON状態の時間幅t0より長い時間に設定する必要があるが、アイソレーションをできる限り高めるためにはt0と同程度にすることが望ましい。
副増幅経路3へ回折された入射光パルスP3−2が波長λ3のパルス光に変換され、シャッタ50まで伝搬する状態までは図3(F),(H)と同様である。
副増幅経路3に光パルスP3−2が入射した時点からt3の時間が経過した時点で、シャッタ50が時間間隔t2だけ第2切り替え状態になると、区分共振経路1aからのレーザ光は波長λ1、パルス幅t2の光パルスP3−3として副増幅経路3に向けて回折されると同時に、副増幅経路3を伝搬してきた波長λ3、パルス幅t0の光パルスP3−2が、P2−2として、増幅出射経路2に向けて回折される。
前記一定条件を満たし、光パルスP3−2がシャッタ50の第2切り替え状態P1−3の保持時間t2の間に、増幅出射経路2に光パルスP2−2として回折された場合、P2−2は増幅用光ファイバ23に入射する。P2−2は、増幅用光ファイバ23の反転分布率を高くし、その結果前記励起元素における誘導放出により高いパワーのパルス光が発生する。
前記光パルスがP2−2´としてアイソレータ26を通り、出射される。
P3−3は増幅用光ファイバ33、波長変換素子34を通り、高反射FBG36で反射されて再び波長変換素子34と増幅用光ファイバ33を通り、(S5)がON状態であることから、波長λ3、パルス幅t0の光パルスとしてシャッタ50に入射するが、この時点でシャッタ50が第1切り替え状態であるため、前記光パルスはシャッタ50で経路外の方向に出射される、あるいはシャッタ50に吸収され、増幅出射経路2には出射されない。
また、第1の実施形態のパルスファイバレーザ装置と同様に、最適条件および前述の一定条件を満たすように、t0、t1、t2、t3、n、L、t4を予め設定しておくことが望ましい。
なお、図7において図5に示したパルスファイバレーザ装置と同一の構成の部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
図1、図5、図7に示す多段増幅を行うMOPA方式パルスファイバレーザ装置は、PrePA部を直列接続する多段増幅の従来のMOPA方式パルスファイバレーザ装置に比べて装置の大型化を避けることができる。
Claims (7)
- 第1励起光源と、
前記第1励起光源からの励起光によって励起される第1光増幅器を有する共振器が構成された共振経路と、
前記共振経路の中途に配設され、入射光の波長に応じた角度に入射光を回折させる光経路分岐手段と、
前記光経路分岐手段を介して前記共振経路に接続され、第3励起光源、該第3励起光源からの励起光によって励起される第3光増幅器、前記光経路分岐手段によって回折された光の波長を変換する波長変換素子、および該波長変換素子により波長変換された光を反射する反射部を有する副増幅経路と、
前記光経路分岐手段を介して前記共振経路に接続され、前記副増幅経路の前記波長変換素子により波長変換された光を出射する出射部を有する出射経路とを備え、
前記光経路分岐手段は、前記共振経路を互いに反対方向に伝搬する光をそれぞれ透過させる第1切り替え状態と、前記共振経路を互いに反対方向に伝搬する光のうちの何れか一方の光を回折させて前記副増幅経路に出射させるとともに前記副増幅経路から入射する波長変換された光を回折させて前記出射経路に出射させる第2切り替え状態とを選択的に切り替える経路切り替えが可能である
ことを特徴とするパルスファイバレーザ装置。 - 請求項1に記載のパルスファイバレーザ装置において、
前記出射経路は、第2励起光源と、該第2励起光源からの励起光によって励起される第2光増幅器とを有し、前記光経路分岐手段を介して入射される光を増幅して出射する増幅出射経路とされていることを特徴とするパルスファイバレーザ装置。 - 請求項1または請求項2に記載のパルスファイバレーザ装置において、
前記光経路分岐手段に、第1から第m(mは2以上の整数)のm個の前記副増幅経路が接続されており、
前記光経路分岐手段は、前記第2切り替え状態である場合には、前記共振経路を互いに反対方向に伝搬する光のうちの何れか一方の光を回折させて第1の前記副増幅経路に出射させ、第i(iは1≦i<mを満たす整数)の前記副増幅経路から入射する波長変換された光を回折させて第(i+1)の前記副増幅経路に出射させ、第mの前記副増幅経路から入射する波長変換された光を回折させて前記出射経路に出射させる
ことを特徴とするパルスファイバレーザ装置。 - 請求項1または請求項2に記載のパルスファイバレーザ装置からパルス光を出射させるパルス光出力制御方法であって、
前記光経路分岐手段が前記第1切り替え状態であるときに、前記第1励起光源からの励起光によって前記共振経路内の前記第1光増幅器を励起してレーザ光を発生させ、
前記光経路分岐手段での1回目の経路切り替えと2回目の経路切り替えとによって、前記共振経路内を共振しているレーザ光をパルス光として前記副増幅経路に出射させて前記副増幅経路を少なくとも1往復させ、
前記光経路分岐手段での3回目の経路切り替えにより、前記副増幅経路内を往復するパルス光を前記出射経路に入射させて前記出射部から出射させる
ことを特徴とするパルス光出力制御方法。 - 請求項3に記載のパルスファイバレーザ装置からパルス光を出射させるパルス光出力制御方法であって、
前記光経路分岐手段が前記第1切り替え状態であるときに、前記第1励起光源からの励起光によって前記共振経路内の前記第1光増幅器を励起してレーザ光を発生させ、
前記光経路分岐手段での1回目の経路切り替えと2回目の経路切り替えとによって、前記共振経路内を共振しているレーザ光をパルス光として第1の前記副増幅経路に出射させて第1の前記副増幅経路を少なくとも1往復させ、
前記光経路分岐手段での3回目から(2m)回目までの切り替えにより、第i(iは1≦i<mを満たす整数)の前記副増幅経路から入射する波長変換された光を回折させて第(i+1)の前記副増幅経路に出射させて第(i+1)の前記副増幅経路を少なくとも1往復させ、
前記光経路分岐手段での(2m+1)回目の切り替えにより、第mの前記副増幅経路から入射する波長変換された光を回折させて前記出射経路に入射させて前記出射部から出射させる
ことを特徴とするパルス光出力制御方法。 - 請求項4または請求項5に記載のパルス光出力制御方法において、
前記出射経路からパルス光の1パルスを出射させるにつき、
前記光経路分岐手段での3回目以降の奇数回目の経路切り替え保持時間は、1回目の経路切り替え保持時間以上になるように制御されることを特徴とするパルス光出力制御方法。 - 請求項4から請求項6の何れか一項に記載のパルス光出力制御方法において、
前記出射経路からパルス光の1パルスを出射させるにつき、
前記経路切り替えを行う時間間隔は、前記副増幅経路にレーザ光が入射されてから前記副増幅経路内の反射器により反射されて前記光経路分岐手段に戻るまでの時間と等しくなるように制御されることを特徴とするパルス光出力制御方法。
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