JP7488480B2 - Ｑスイッチ共振器、及びパルス発生器 - Google Patents

Description

本発明は、Ｑスイッチ共振器、及びパルス発生器に関する。

Ｑスイッチレーザは、レーザ共振器のＱ値を低い方から高い方へ切り替えることで、ゲイン媒質中の反転分布として蓄積したエネルギーを、高エネルギーの光パルスに変換して出力するパルスレーザである。共振器内のゲイン媒質に反転分布を形成する間、レーザが発振して反転分布が失われないように、Ｑ値は低く保たれる。ゲイン媒質に十分に大きな反転分布が形成されたところで、Ｑ値を高くしてパルス発振させる。ゲイン媒質として炭酸ガスを用いるＱスイッチ炭酸ガスレーザ（たとえば、特許文献１参照）、ネオジウムドープのＹＡＧ結晶を用いる固体レーザ装置（たとえば、特許文献２参照）などが知られている。

また、パルス光が光共振器に入射する際、入射光の波形が、共振器の寿命と整合する指数関数的な増加を示し、ピークパワーにおいて瞬時に０となるようなパルス形状を有するときに、共振器への結合効率が最大になることが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。

一方で、半導体レーザ、ファイバレーザなど、高平均パワーの連続波（ＣＷ）レーザや間欠ＣＷレーザの技術が発展している。特に、小型で安価、かつ消費電力が低く、所望の波長で発振する半導体レーザが広く用いられている。

特開平８－６４８９７号公報 特開平４－１７１７８０号公報

New Journal of Physics Vol. 15 123008 (2013)

半導体レーザのような励起寿命の短いレーザでは、エネルギーを十分にため込むことができず、通常のＱスイッチパルス発振には適していない。また、レーザ媒質の光損傷の観点からも、高ピークパワーの光パルスを取り出すことは困難である。効率的なパルス取り出し構成が望まれる。

本発明は、効率的なパルス取り出しを実現するＱスイッチ共振器と、これを用いたパルス発生器を提供することを目的とする。

レーザ媒質とは別に光共振器を用い、共振器内に光を蓄積してＱ値を高い値から低い値に切り替えることで光パルスを出力する。

本発明の第１の側面では、Ｑスイッチ共振器は、
少なくとも２枚のミラーで形成され、外部から入射する連続波または間欠連続波のパワーを蓄積する光共振器と、
前記光共振器に設けられるスイッチング素子と、
を有し、前記スイッチング素子は、前記光共振器に蓄積される前記パワーが所定レベルまで増大したときに、Ｑ値を第１のレベルから、前記第１のレベルよりも低い第２のレベルに下げることで光パルスを出力する。

本発明の第２の側面では、パルス発生器は、
第１の光共振器と、
前記第１の光共振器に連続波または間欠連続波を入射する光源と、
を有し、
前記第１の光共振器は、第１のスイッチング素子を有し、
前記第１のスイッチング素子は、前記第１の光共振器内に入射した光のパワーが所定レベルまで増大したときに、前記第１の光共振器のＱ値を第１のレベルから、前記第１のレベルよりも低い第２のレベルに下げることで光パルスを出力する。

上記の構成により、効率的に光パルスを取り出すことができる。

本発明の基本構成図である。 本発明の原理を説明する図である。 光共振器の特性を説明する図である。 第１実施形態のＱスイッチ共振器の模式図である。 Ｑスイッチの構成例を示す図である。 第１実施形態のパルス発生器の模式図である。 第１実施形態の共振器特性を示す図である。 図７のパルス出力点近傍の拡大図である。 第２実施形態のパルス発生器の基本構成図である。 第２実施形態のパルス発生器の構成例である。 初段共振器の特性を示す図である。 二段目共振器の特性を示す図である。 初段共振器のパルス出力点近傍の拡大図である。 二段目共振器のパルス出力点近傍の拡大図である。 初段共振器のＱ値切り換え速度を説明する図である。 第３実施形態のパルス発生器の模式図である。 図１６の構成の初段共振器の構成例である。 第３実施形態のパルス発生器の構成例である。 第３実施形態の初段共振器の特性を示す図である。 第３実施形態の二段目共振器の特性を示す図である。 第３実施形態の初段共振器のパルス出力点近傍の拡大図である。 第３実施形態の二段目共振器のパルス出力点近傍の拡大図である。

実施形態では、ＣＷレーザ（間欠ＣＷレーザを含む）の出力を外部でパルス化することで、高ピークパワーのパルス出力を作り出す。これを実現するために、レーザとは別に共振器を用意し、共振器に光をためて共振器のＱ値を高い値から低い値に切り替えることで高エネルギーのパルスを出力する。

＜基本原理＞
図１は、本発明の基本構成図である。パルス発生器１は、光源としてのＣＷレーザ３１と、Ｑスイッチ共振器１０を含む。ＣＷレーザ３１は、連続波または間欠連続波を出力する。ＣＷレーザ３１から出力される連続波または間欠連続波を、Ｑスイッチ共振器１０に入射して増幅する。

Ｑスイッチ共振器１０は、少なくとも２枚のミラー１１及び１２と、スイッチング素子であるＱスイッチ１５を有する。ミラー１１とミラー１２で、光共振器が形成される。従来のＱスイッチレーザと異なり、Ｑスイッチ共振器１０は、共振器内にレーザ媒質またはゲイン媒質を有しない。

外部から入射された連続波または間欠連続波は、ミラー１１とミラー１２の間を反復し増幅されて、光共振器内に光エネルギーが蓄積される。光エネルギーが蓄積される間、共振器のＱ値は高く維持される。共振器内に蓄積されるパワーが一定レベル以上になったところで、Ｑ値を低い側に切り替えて、蓄積されたパワーを放出する。

Ｑ値は、共振する系の振動の持続特性を表わす無次元量であり、一般的に、共振周波数の線幅（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum，半値全幅）に対する、振動周波数の比で表される。Ｑ値が高いほど系は安定して共振し、内部のエネルギーが増大する。

Ｑスイッチ１５は、共振器内のエネルギーが十分に高くなったところで、いっきにエネルギーを放出してＱ値を下げる。これにより、共振器から高エネルギーの光パルスが出力される。

この構成は、一般的なＱスイッチレーザの構成、すなわち、ゲイン媒質内に光エネルギーを蓄積する間はＱ値を低く維持し、エネルギーが蓄えられたところでＱ値を上げて発振させる構成と、根本的に異なる。

図２は、本発明の原理を説明する図である。図２（Ａ）で、外部から光共振器１１０に入射したＣＷ光または間欠ＣＷ光（以下、単に「ＣＷ光」と呼ぶ）は、ミラー１１とミラー１２の間を多数回往復する（Ｓ１）。図２（Ｂ）で、ミラー１１とミラー１２の間の光の往復回数の増加により、光共振器１１０内に蓄積されるエネルギーが増大する（Ｓ２）。図２（Ｃ）で、光共振器１１０内のエネルギーが十分に高くなったところで、Ｑ値を高いほうから低いほうへ切り替えて、光パルスを放出する（Ｓ３）。

図３は、光共振器１１０の特性を説明する図である。ＣＷ光の入射を時間０として、時間ｔ１で光パルスが出力されるものとする。図３（Ａ）で、Ｑ値は、時間ｔ１まで高く維持される。これにより、光共振器１１０内で光は安定して反復または振動する。時間ｔ１で、Ｑ値はゼロに切り替えられる。

図３（Ｂ）は、共振器内パワーのプロファイルである。ＣＷ光の入射から時間ｔ１までの間、共振器内に徐々にエネルギーが蓄積される。原点は図２（Ａ）のＳ１に対応し、パワー増大の過程が、図２（Ｂ）のＳ２に対応する。時間ｔ１で、パワーが一定レベルに達すると、Ｑスイッチ１５の切り換えにより、パワーはいっきに低下する。この時点は、図２（Ｃ）のＳ３に対応する。

図３（Ｃ）は、出力パワーのプロファイルである。時間ｔ１まで、共振器からの出力はなく、時間ｔ１で、鋭い短パルスが出力される。

図１の基本構成では、共振器内にゲイン媒質は配置されないので、光損傷の問題は回避される。ミラー１１とミラー１２の間の光の反復により光共振器１１０に十分なエネルギーが蓄積され、高ピークパワーの光パルスを取り出すことができる。

＜第１実施形態＞
図４は、第１実施形態のＱスイッチ共振器１０の模式図である。Ｑスイッチ共振器１０は、光共振器１１０を構成するミラー１１及びミラー１２と、Ｑスイッチ１５を有する。ミラー１１とミラー１２の少なくとも一方に、共振器長を調整するためのアクチュエータ１３が設けられていてもよい。

ミラー１１とミラー１２は、光が共振器内で一周したときに元の光路に重なるように配置されている。共振器内を一周したときの光のパワー透過率をＡ_RTとする。

この共振器のＱ値を、
Ｑ≡ｆ／Δｆ＝Ｆ／Ｌλ
と定義する。ここで、ｆは周波数スペクトルの中心周波数、Δｆは周波数スペクトルのＦＷＨＭ、Ｆは周波数スペクトルの分解能であるフィネス、Ｌは共振器の一周分の長さ、λは光の波長である。

フィネスＦは、
Ｆ≡π(Ａ_RT)^0.25／[１－(Ａ_RT)^0.5］
と定義する。

アクチュエータ１３は、光が一周したときの共振器長を光の波長λの整数倍にするために用いられ、たとえば、ピエゾ素子などを用いることができる。

光共振器１１０にＱスイッチ１５が設けられる。Ｑスイッチ１５は、光の減衰量すなわち透過率Ａ_Qを変化させることによりフィネスＦを制御するとともに、光パルスの取り出しに用いられる。Ｑスイッチ１５の特性としては、応答速度τ_Qと、最大透過率Ａ_Q ^MAXが重要である。応答速度τ_Qは早い方が望ましく、最大透過率Ａ_Q ^MAXは高い方が望ましい。

図５は、Ｑスイッチ１５の構成例である。図５（Ａ）のＱスイッチ共振器１０Ａは、機械的Ｑスイッチ１５ａを用いている。機械的Ｑスイッチ１５ａは、たとえば回動可能なミラーであり、ミラーの角度を機械的に変化させることで、共振器外にパルスを出力する。この構成は、高速の応答速度τ_Qが要求されない用途（ミリ秒程度）に用いられる。最大透過率Ａ_Q ^MAXは、配置によっては９９．９％以上にできる。

図５（Ｂ）のＱスイッチ共振器１０Ｂは、音響的Ｑスイッチ１５ｂを用いる。パルス出力のタイミングで、結晶に超音波を印加して結晶のフォノンを励起し、光を回折させる。応答速度τ_Qは比較的速いが（数百ナノ秒）、最大透過率Ａ_Q ^MAXは９５％程度である。

図５（Ｃ）のＱスイッチ共振器１０Ｃは、電気光学的Ｑスイッチ１５ｃを用いている。電気光学的Ｑスイッチ１５ｃは、たとえば、電気光学結晶１５１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５２の組み合わせを有する。電気光学結晶１５１に電圧、電流、電気信号などを印加し、電気光学効果を利用して偏光を回転させ、ＰＢＳ１５２でいずれか一方の偏光成分を取り出す。応答速度τ_Qは非常に速く（数ナノ秒）、最大透過率Ａ_Q ^MAXは９９％程度である。

Ｑスイッチ１５としてはこれらの例に限定されず、磁性体スイッチ等を用いてもよい。また、ミラー１１とミラー１２のみで光共振器を構成する場合、いずれか一方のミラーを反射率可変とすることにより、Ｑスイッチとしてもいい。応答速度τ_Q、最大透過率Ａ_Q ^MAX等の特性に応じて、用途に適したＱスイッチを選択することができる。

図６は、第１実施形態のパルス発生器１Ａの構成例である。パルス発生器１Ａは、外部光源としてのＣＷレーザ３１と、Ｑスイッチ共振器１０Ｄを有する。Ｑスイッチ共振器１０Ｄは、この例では３枚のミラー１１、１２、及び１４を用いた三角リングの光共振器１１０Ｄと、光共振器１１０Ｄに設けられるＱスイッチ１５を有する。

ＣＷレーザ３１と光共振器１１０Ｄの横モードが一致するように調整するための光学系３０を用いてもよい。また、光共振器１１０Ｄの共振器長をＣＷレーザ３１の波長の整数倍に一致させるためのフィードバック系４０を用いてもよい。

ＣＷレーザ３１は、連続発振、もしくは疑似連続発振（連続発振時間がマイクロ秒以上）が可能な単一縦横モードのレーザであり、一例として波長４５０ｎｍの半導体レーザを用いる。ＣＷレーザ３１の出力ビームはビーム整形されているものとする。

横モード調整用の光学系３０は、たとえば、ミラー３２、ミラー３３、レンズ３４、及びレンズ３５を含むが、この配置例に限定されない。適切な光学素子を適切に配置して、Ｑスイッチ共振器１０Ｄに入射するレーザ光の横モードを調整できる。

ＣＷレーザ３１が単一横モードの場合、光軸と直交する断面での光の強度分布がガウス分布になっている（ＴＥＭ₀₀モード）。この断面のうち水平方向の強度分布（水平横モード）と垂直方向の強度分布（垂直横モード）の双方が、光共振器１１０Ｄ内で共振する光の横モード分布と一致していることが望ましい。

横モード調整用の光学系３０を用いずに、ＣＷレーザ３１と光共振器１１０Ｄを適切に設計し、配置することで横モードを一致させてもよい。

ＣＷレーザ３１の周波数と光共振器１１０Ｄの共鳴周波数を一致させるフィードバック系４０は、光検出器４１と、フィードバック回路４２を含む。光検出器４１は、ミラー１１で反射された入射光の一部と、光共振器１１０Ｄを周回する光の一部の干渉光を検出して電気信号に変換する。フィードバック回路４２は、電気信号からＣＷレーザ３１の周波数と光共振器１１０Ｄの共鳴周波数の差を特定し、その差分情報を光共振器１１０ＤまたはＣＷレーザ３１にフィードバックする。

図６の構成例では、縦モードの差分情報は光共振器１１０Ｄのアクチュエータ１３にフォードバックされている。アクチュエータ１３は、ミラー１２の位置を微調整して、共振器長（光が一周する長さ）を調整する。差分情報は、アクチュエータ１３に替えてＣＷレーザ３１にフィードバックされてもよい。

図６の構成では、ミラー１１から共振器を周回する光の一部を取り出して光検出器４１でモニタしているが、ミラー１２またはミラー１４から周回光の一部を取り出して入射光の縦モードと比較してもよい。この場合、光共振器を構成するミラー１１、１２、１４の反射率を適切に調整する。

図７は、第１実施形態の共振器特性を示す図である。シミュレーションのパラメータとして、
・ＣＷレーザ３１のパワーは１Ｗ、波長４５０ｎｍ
・光共振器１１０Ｄの一周の長さは３ｍ、ミラー１１の反射率９８．８％、ミラー１２の反射率９９．９％、ミラー１４の反射率９９．９％
・Ｑスイッチ１５の最大透過率Ａ_Q ^MAXは９９％、応答速度τ_Qは１ナノ秒
に設定する。この条件で、周回の共振器長（一周の長さ）は、レーザ波長の整数倍となっている。共振器中のパワーが０の状態から計算を開始する。

図７（Ａ）は透過率Ａ_Q、図７（Ｂ）は共振器のＱ値、図７（Ｃ）は共振器内パワー、図７（Ｄ）はパルス出力示す。Ａ_Qの初期値は最大値Ａ_Q ^MAX（Ａ_Q ^MAX＝０．９９）であり、Ｑ値は高く設定されている。

入射開始と同時に共振器中のパワーは徐々に上昇する。共振器内パワーが定常値に近くなったところで（５マイクロ秒程度）、Ａ_Q値を約１ナノ秒の時間で０まで下げて、パルス光を取り出す。共振器のＱ値及び共振器内パワーはいっきに低下し、パルス出力が得られる。

図８は、図７の５マイクロ秒近傍の拡大図である。図７に対応して、図８（Ａ）は透過率Ａ_Q、図７（Ｂ）は共振器のＱ値、図７（Ｃ）は共振器内パワー、図８（Ｄ）はパルス出力である。Ｑスイッチ切り換え直後、すなわちＡ_Q値の切り換え直後に、最大７９Ｗのパルス出力が得られ、そこから約４．２ナノ秒で半値になっている。ＣＷレーザ３１からの入力パワーが１Ｗであるから、Ｑスイッチ共振器１０により７９倍のピークパワーの増大が達成される。

出力パルスのピークパワーは共振器中で増幅された光パワー（入射光×エンハンスメント・ファクタ）に比例する。したがって、光が共振器を一周したときのパワー透過率Ａ_RTが高いほどピークパワーは高いが、Ａ_RTは最大透過率Ａ_Q ^MAXによって制限される。一方パルス幅はＱスイッチの応答速度が早い範囲では、共振器を光が周回する時間で決まる。そして、パルス波形の面積は出力エネルギー―を表し、第１実施形態では、Ｑスイッチ共振器１０を用いることで、ＣＷ光から高パワー、短パルス幅の光パルスを生成することができたが、より長い共振器を用いれば、よりエネルギーが高く長いパルス幅の光パルスを生成できる。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態のパルス発生器２の基本構成を示す模式図である。第２実施形態では、Ｑスイッチ共振器を直列に配置し、初段のＱスイッチ共振器１０の出力パルスを、二段目のＱスイッチ共振器２０に蓄積してパルス圧縮することで、より高いピークパワーを得る。

Ｑスイッチ共振器１０は、第１実施形態と同様に、ミラー１１及びミラー１２と、Ｑスイッチ１５を有する。ミラー１１とミラー１２は、光が共振器内で一周したときに元の光路に重なるように配置されている。

二段目のＱスイッチ共振器２０は、ミラー２１及びミラー２２と、Ｑスイッチ２５を有する。ミラー１１とミラー１２は、光が共振器内で一周したときに元の光路に重なるように配置されている。

上述したように、出力パルスのピークパワーは、入力光とエンハンスメント・ファクタによって決まる。そして、エンハンスメント・ファクタは、Ｑスイッチの最大透過率で制限されている。したがって、より高いピークパワーを得るためには、入力光を更に強くすることが必要である。そこで、共振器長の長い初段のＱスイッチ共振器１０で幅広のパルスを作り、初段パルスを共振器長の短い二段目のＱスイッチ共振器にためてもう一度放出することで、パルスを圧縮する。

初段のＱスイッチ共振器１０の一周の長さをＬ１、二段目のＱスイッチ共振器２０の一周の長さをＬ２とすると、パルス幅の圧縮率は、Ｑスイッチの切り替え速度が無視できる範囲では初段と二段目の一周長の比Ｌ２／Ｌ１で決まる。

図１０は、パルス発生器２の構成例である。パルス発生器２は、ＣＷレーザ３１と、ＣＷレーザ３１から出力されるＣＷ波が入射する初段のＱスイッチ共振器１０Ｄと、Ｑスイッチ共振器１０Ｄの出力パルスが入力される二段目のＱスイッチ共振器２０Ａを有する。

この例で、Ｑスイッチ共振器１０Ｄは、ミラー１１、１２、１４で三角リング型の光共振器を構成しており、光共振器にＱスイッチ１５が設けられている。ミラー１１，１２、１４のいずれかに、共振器の周長を調整するためのアクチュエータ１３が設けられていてもよい。

二段目のＱスイッチ共振器２０Ａは、ミラー２１、２２、２４で三角リング型の光共振器を構成しており、光共振器にＱスイッチ２５が設けられている。ミラー２１、２２、２４のいずれかに、共振器の周長を調整するためのアクチュエータ２３が設けられていてもよい。

ＣＷレーザ３１の出力光は、横モード調整用の光学系３０Ａによって、初段のＱスイッチ共振器１０Ｄに入力される。横モード調整用の光学系３０は、たとえば、ミラー３２、ビームスプリッタ１３３、レンズ３４、及びレンズ３５を有する。ビームスプリッタ１３３は、入射光の一部をレンズ３４に導き、他の一部をミラー５３に導く。レンズ３４に入射した光は、レンズ３５を通り、横モードが調整された状態で初段のＱスイッチ共振器１０Ｄに入射する。

Ｑスイッチ共振器１０Ｄの共振器長は、フィードバック系４０によってＣＷレーザ３１の波長の整数倍と一致するように調整される。

初段のＱスイッチ共振器１０Ｄから出力される光パルスは、横モード調整用の光学系５０によって、二段目のＱスイッチ共振器２０Ａに入力される。光学系５０は、一例としてレンズ５１とミラー５２で形成されるが、この例に限定されない。二段目のＱスイッチ共振器２０Ａで増幅され、圧縮された光パルスは、Ｑスイッチ２５によって外部に取り出される。

ＣＷレーザ３１の出力の一部は、ミラー５３により、Ｑスイッチ共振器２０Ａの縦モード調整用の光学系７０に導かれる。縦モード調整用の光学系７０は、たとえば、ミラー５４と５７、及びレンズ５５と５６を含むが、この例に限定されない。

縦モード調整用の光学系７０からＱスイッチ共振器２０Ａに入力され、ミラー２２で反射された光は、フィードバック系６０の光検出器６１によってモニタされる。より具体的には、光検出器６１は、光学系７０によって導かれたＣＷレーザ３１の出力光と、Ｑスイッチ共振器２０Ａを周回する光の一部との干渉光をモニタする。フィードバック回路６２は、干渉光の情報に基づいて、Ｑスイッチ共振器２０Ａの共振器長がＣＷレーザ３１の波長の整数倍と一致するように、アクチュエータ２３、またはＣＷレーザ３１を制御する。

図１１と図１２は、第２実施形態の共振器特性を示す図である。図１１は初段共振器の特性を、図１２は二段目共振器の特性を示す。シミュレーションのパラメータとして、
・ＣＷレーザ３１のパワーは１Ｗ、波長４５０ｎｍ
・初段共振器の一周の長さは３ｍ、ミラー１１の反射率９８．８％、ミラー１２の反射率９９．９％、ミラー１４の反射率９９．９％
・初段のＱスイッチ１５の最大透過率Ａ_Q ^MAX(1)は９９％、応答速度τ_Qは１ナノ秒
・二段目共振器の一周の長さは０．３ｍ、ミラー２１の反射率９９．９％、ミラー２２の反射率９８．８％、ミラー２４の反射率９９．９％
・二段目のＱスイッチ２５の最大透過率Ａ_Q ^MAX(2)は９９％、応答速度τ_Qは１ナノ秒
に設定する。初段共振器と二段目共振器の周回長は、ＣＷレーザ３１の波長の整数倍となるように制御されている。共振器中のパワーが０の状態から計算を開始する。

初段のＱスイッチ共振器１０Ｄから光パルスを取り出すためのＱスイッチ１５の切り換えは、第１実施形態よりもゆっくり行うのが望ましい。これについては後述する。

図１１の（Ａ）は初段のＱスイッチ１５の透過率Ａ_Q ⁽¹⁾、図１１の（Ｂ）は初段共振器のＱ値、図１１の（Ｃ）は初段共振器内パワー、図１１の（Ｄ）は初段共振器のパルス出力である。初段のＱスイッチ１５のＡ_Q ⁽¹⁾の初期値は最大値Ａ_Q ^MAX（Ａ_Q ^MAX＝０．９９）であり、Ｑ値は高く設定されている。

入射開始と同時に初段共振器に蓄積されるパワーは徐々に上昇する。初段共振器の内部のパワーが定常値に近くなったところで、Ａ_Q ⁽¹⁾値を８．５ナノ秒程度の時間で０まで下げて、初段のパルス光を取り出す。初段共振器のＱ値と共振器内パワーは、第１実施形態よりもゆっくりと低下して、初段のパルス出力が得られる。このパルス出力のパルス幅は、第１実施形態よりも広い。

図１２の（Ａ）で、二段目のＱスイッチ２５のＡ_Q ⁽²⁾の初期値は最大値（０．９９）であり、Ｑ値は最初から高く設定されている。図１２の（Ｂ）で、二段目共振器内のパワーは初段パルスの入力直後に、急速に立ち上がる。二段目共振器内パワーがピークに達したところで、Ａ_Q ⁽²⁾を１ナノ秒程度の時間で０まで下げて、目的のパルスを取り出す。二段目共振器内のパワーはいっきに低下して、図１２の（Ｃ）の短パルスが得られる。

図１３と図１４は、図１１及び図１２の５マイクロ秒近傍の拡大図である。図１１と図１２に対応して、図１３の（Ａ）は初段の透過率Ａ_Q ⁽¹⁾、図１３の（Ｂ）は初段共振器のＱ値、図１３の（Ｃ）は初段共振器内パワー、図１３の（Ｄ）は初段パルス出力である。

初段のＡ_Q ⁽¹⁾値を１１０ナノ秒程度の時間をかけて０まで下げているため、初段のＱ値、初段共振器内パワーともに、図８と比較してゆっくりと低下している。初段パルス出力のパルス幅は、約９０ナノ秒である。この値は即座にＡ_Q ⁽¹⁾値を０にした時のパルス幅約１０ナノ秒に比べて長い。

図１４の（Ａ）と（Ｂ）で、二段目共振器内パワーがピークに達した時点で、二段目の透過率Ａ_Q ⁽²⁾を１ナノ秒の時間で０まで変化させる。二段目共振器内のパワーはいっきに低下し、図１４の（Ｃ）の短パルスが得られる。この短パルスは、二段目のＱスイッチ２５の切り換え直後に最大２４６Ｗで出力され、そこから約０．８ナノ秒で半値になっている。

このように、初段のＱスイッチ共振器１０Ｄの出力パルスを二段目のＱスイッチ共振器２０Ａに入力することで、より高いピークパワーをもつ超短パルスを得ることができる。

図１５は、初段共振器のＱ値切り換え速度を説明する図である。一般に、光共振器にパルス光が入射するとき、パルス波形の立ち上がりが光共振器の寿命（すなわち光閉じ込め時間）を時定数とする指数関数であり、ピークパワーの直後に瞬時に０となるようにすると、結合効率は１００％となる。

これに対し、初段の光共振器のＱスイッチを瞬時に切り替えた際に出射されるパルス波形は、瞬時に０からピークパワーとなり、その後初段の光共振器の寿命を時定数として指数関数的に減少する波形である（図８の（Ｄ）参照）。この波形は、前述の理想的なパルス形状を時間的に反転させ、時定数を変えた形状となっている。このようなパルス波形では、二段目光共振器への結合効率が不十分である。

そこで、図１３の（Ａ）に示すように、初段の透過率Ａ_Q ⁽¹⁾をゆっくりと０まで下げることで、初段からのパルス光の立ち上がり（図１３の（Ｄ）参照）が、二段目共振器の寿命に近づき、結合効率が向上する。

図１５で、横軸は初段共振器のＱ値が半分になる時間、縦軸は二段目共振器の出力パルスのピーク値である。ここでは、Ｑ値を上に凸の二次関数で変化させているが、他の適切な関数で変化させてもよい。Ｑ値を下げる時間を適切に選ぶことで、結合効率を最適にできることがわかる。

＜第３実施形態＞
図１６は、第３実施形態のパルス発生器３の模式図である。第３実施形態では、光ファイバを用いて初段の共振器長（周長Ｌ１）を長く設定し、初段出力パルスのパルス幅を広くする。光ファイバを用いることにより、省スペースで、共振器長を長くとることができる。初段共振器の出力パルスのパルス幅を広げて二段目共振器に入射する光のエネルギーを大きくし、二段目共振器から高ピークパワーのパルス光を取り出す。

パルス発生器３は、初段のＱスイッチ共振器１０Ｅと、Ｑスイッチ共振器１０Ｅから出力されたパルスが入力される二段目のＱスイッチ共振器２０を有する。初段のＱスイッチ共振器１０Ｅは、ミラー１１、ミラー１２、光ファイバ１６、及びＱスイッチ１５を有する。光ファイバ１６は、ミラー１１とミラー１２の間の光路の少なくとも一部に用いられて、光を共振させる。

図１７は、図１６のパルス発生器３で用いられる初段共振器の構成例である。Ｑスイッチ共振器１０Ｆは、光ファイバ１８と、ミラー１２と、Ｑスイッチ１５を有する。光ファイバ１８の一端側には、たとえば反射コートが施されて反射面１９が形成されている。この反射面１９は、ＣＷ光の入射面にもなっている。光ファイバ１８の他端１７は、ミラー１２への出射端となっている。

光ファイバ１８の反射面１９とミラー１２で、光共振器が構成される。ミラー１２に、共振器の周長をＣＷレーザ３１の波長の整数倍に調整するためのアクチュエータ１３が設けられていてもよい。光ファイバ１８に入射した光は、ミラー１２と反射面１９の間を往復して増幅される。共振器内にエネルギーが貯められる間、共振器のＱ値は高く維持される。共振器内のエネルギーが定常値に近づいたところで、Ｑ値は低い側に切り替えられ、共振器からパルス光が出力される。このとき、Ｑ値の切り替え時間を制御して、二段目共振器への結合効率を向上することが望ましい。

図１８は、図１６の構成を有するパルス発生器４の構成例である。パルス発生器４の構成は、図１０のパルス発生器２の構成とほぼ同じであるが、初段のＱスイッチ共振器１０Ｇが光ファイバ１８を用いている点で異なる。

Ｑスイッチ共振器１０Ｇは、ミラー１１、１２、１４、及び光ファイバ１８で三角リング型の光共振器を構成しており、光共振器にＱスイッチ１５が設けられている。この構成例では、光ファイバ１８の端面に反射コートは施されておらず、ミラー１１の曲率で、入射ＣＷ光、または共振する反射光が光ファイバ１８の端面に集光されるように調整されている。ミラー１１，１２、１４のいずれかに、共振器の周長を調整するためのアクチュエータ１３が設けられていてもよい。

Ｑスイッチ共振器１０Ｇの出力パルスは、横モード調整用の光学系５０によって、二段目のＱスイッチ共振器２０Ａに入力される。Ｑスイッチ共振器２０Ａ内に蓄えられるエネルギーが定常値に近づくと、Ｑスイッチ２５は共振器のＱ値を低い側に切り替え、初段出力と比較してより短パルス、かつ高ピークパワーの光パルスを出力する。

図１９と図２０は、第３実施形態の共振器特性を示す図である。図１９は初段共振器の特性を示し、図２０は二段目共振器の特性を示す。シミュレーションのパラメータとして、
・ＣＷレーザ３１のパワーは１Ｗ、波長４５０ｎｍ
・初段共振器の一周の長さは、光ファイバ１８を含めて３００ｍ、ミラー１１の反射率は８９％、ミラー１２の反射率９９．９％、ミラー１４の反射率９９．９％
・初段のＱスイッチ１５の最大透過率Ａ_Q ^MAX(1)は９９％、応答速度τ_Qは１ナノ秒
・二段目共振器の一周の長さは３ｍ、ミラー２１の反射率９９．９％、ミラー２２の反射率９８．８％、ミラー２４の反射率９９．９％
・二段目のＱスイッチ２５の最大透過率Ａ_Q ^MAX(2)は９９％、応答速度τ_Qは１ナノ秒
に設定する。

初段共振器と二段目共振器の共振器長は、ＣＷレーザ３１の波長の整数倍となるように制御されている。

図１９の（Ａ）は初段のＱスイッチ１５の透過率Ａ_Q ⁽¹⁾、図１９の（Ｂ）は初段共振器のＱ値、図１９の（Ｃ）は初段共振器内パワー、図１９の（Ｄ）は初段共振器のパルス出力である。初段のＱスイッチ１５のＡ_Q ⁽¹⁾の初期値は最大値（０．９９）に設定されている。

入射開始と同時に初段共振器に蓄積されるパワーは徐々に上昇する。初段共振器の内部のパワーが定常値に近くなったところで、Ａ_Q ⁽¹⁾値を１マイクロ秒程度の時間で０まで下げて、初段のパルス光を取り出す。初段共振器のＱ値と共振器内パワーは、第１実施形態よりもゆっくりと低下して、初段のパルス出力が得られる。

図２０の（Ａ）で、二段目のＱスイッチ２５のＡ_Q ⁽²⁾の初期値は最大値（０．９９）であり、Ｑ値は最初から高く設定されている。図２０の（Ｂ）で、二段目共振器内のパワーは初段パルスの入力直後に、急速に立ち上がる。二段目共振器内パワーがピークに達したところで、Ａ_Q ⁽²⁾を１ナノ秒の時間で０まで下げて、目的のパルスを取り出す。二段目共振器内のパワーはいっきに低下して、図２０の（Ｃ）の短パルスが得られる。

図２１と図２２は、図１９及び図２０の５００マイクロ秒近傍での拡大図である。図１９と図２０に対応して、図２１の（Ａ）は初段の透過率Ａ_Q ⁽¹⁾、図２１の（Ｂ）は初段共振器のＱ値、図２１の（Ｃ）は初段共振器内パワー、図２１の（Ｄ）は初段パルス出力である。

Ａ_Q ⁽¹⁾値を即座に０にした時のパルス幅は３５０ナノ秒であるが、本実施例では、初段のＡ_Q ⁽¹⁾値を１マイクロ秒程度の時間をかけてゆっくりと０まで下げているため、初段パルス出力のパルス幅は、約１マイクロ秒と長い。

図２２の（Ａ）と（Ｂ）で、二段目共振器内パワーがピークに達した時点で、二段目の透過率Ａ_Q ⁽²⁾を１ナノ秒の時間で０まで変化させる。二段目共振器内のパワーはいっきに低下し、図２２の（Ｃ）のパルスが得られる。このパルスは、二段目のＱスイッチ２５の切り換え直後に最大１５４Ｗで出力され、そこから約４ナノ秒で半値になっている。

このように、初段のＱスイッチ共振器１０Ｄに光ファイバを用い、その出力パルスを二段目のＱスイッチ共振器２０Ａに入力することで、高ピークパワーをもつ短パルスを得ることができる。第３実施形態ではファイバへの、またはファイバからの入出力による光ロスが多少はあるが、共振器の周長を長く設定することができ、１パルスあたりのエネルギーが高いパルスを比較的省スペースで作れるなど、設計の自由度が高い。

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。たとえば、Ｑスイッチ共振器を構成する光共振器は、２枚のミラー、または３枚のミラーに限定されず、４枚のミラーを用いたボウタイ型の共振器であってもよい。この場合も、光共振器を構成するミラーの一部をＱスイッチとして用いてもよい。また、光共振器の少なくとも一部に光ファイバを適用してもよい。

ＣＷ光源と光共振器の間の単一横モードの調整、及び／または単一縦モードの調整は、図示した例に限定されず、光共振器の配置構成に応じて、適切な制御機構を採用し得る。

第１実施形態から第３実施形態のいずれにおいても、半導体レーザ、ファイバレーザ等の安価で低消費電力、かつ所望の波長のＣＷ光源から、効果的にパルスを生成することができる。実施形態のパルス発生器は、特殊材料の切断、加工、光学測定、光励起など、多様な分野への応用が可能である。また、Ｑスイッチ共振器は、内部にゲイン媒質を用いないので、光損傷の問題を回避することができる。Ｑスイッチ共振器を構成するミラーの少なくとも１つを、Ｑスイッチとして用いてもよい。この場合、構成部品の数がさらに少なくなり、Ｑ値の切り換え制御も容易になる。

この出願は、２０１９年７月１６日に出願された日本国特許出願第２０１９－１３１４５６号に基づいて、その優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を含む。

１、２、３、４ パルス発生器
１０、１０Ａ～１０Ｇ Ｑスイッチ共振器
１１、１２、１４ ミラー
１３ アクチュエータ
１８ 光ファイバ
２０、２０Ａ 二段目のＱスイッチ共振器
３０、３０Ａ、５０ 横モード調整用の光学系
３１ ＣＷレーザ
４０、６０ フィードバック系
７０ 縦モード調整用の光学系
１１０ 光共振器

Claims (17)

1. 少なくとも２枚のミラーで形成され、外部から入射する連続波または間欠連続波のパワーを蓄積する光共振器と、
   前記光共振器に設けられるスイッチング素子と、
   を有し、前記スイッチング素子は、前記光共振器に蓄積される前記パワーが所定レベルまで増大したときに、Ｑ値を第１のレベルから、前記第１のレベルよりも低い第２のレベルに下げることで光パルスを出力し、
   前記光共振器は、内部にゲイン媒質を有しない、
   ことを特徴とするＱスイッチ共振器。
2. 前記スイッチング素子は、前記パワーが定常値に近づくか、または定常値に達したときに前記Ｑ値を前記第２のレベルに切り替えることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチ共振器。
3. 前記スイッチング素子は、前記光共振器を構成する前記ミラーの一部であることを特徴とする請求項１または２に記載のＱスイッチ共振器。
4. 前記スイッチング素子は、機械的、音響的、または電気光学的Ｑスイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載のＱスイッチ共振器。
5. 第１の光共振器と、
   前記第１の光共振器に連続波または間欠連続波を入射する光源と、
   を有し、
   前記第１の光共振器は、第１のスイッチング素子を有し、
   前記第１のスイッチング素子は、前記第１の光共振器内に入射した光のパワーが所定レベルまで増大したときに、前記第１の光共振器のＱ値を第１のレベルから、前記第１のレベルよりも低い第２のレベルに下げることで光パルスを出力し、
   前記第１の光共振器は、ゲイン媒質を有しない、
   ことを特徴とするパルス発生器。
6. 前記光源は、単一縦横モードの連続波レーザであることを特徴とする請求項５に記載のパルス発生器。
7. 前記光源は、半導体レーザまたはファイバレーザであることを特徴とする請求項５に記載のパルス発生器。
8. 前記第１の光共振器の出力に接続される第２の光共振器、
   をさらに有し、
   前記第２の光共振器の共振器長は、前記第１の光共振器の共振器長よりも短いことを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載のパルス発生器。
9. 前記第２の光共振器は第２のスイッチング素子を有することを特徴とする請求項８に記載のパルス発生器。
10. 前記第２のスイッチング素子は、前記第２の光共振器のキャビティ内に入射した光のパワーが所定レベルまで増大したときに、前記第２の光共振器のＱ値を第３のレベルから、前記第３のレベルよりも低い第４のレベルに下げることで第２の光パルスを出力する、
    ことを特徴とする、請求項９に記載のパルス発生器。
11. 前記第２の光共振器から出力される前記第２の光パルスは、前記第１の光共振器から出力された前記光パルスよりも高いピークパワーを有することを特徴とする請求項１０に記載のパルス発生器。
12. 前記第１のスイッチング素子は、前記第１の光共振器のＱ値を前記第１のレベルから前記第２のレベルに下げる際、前記第２の光共振器の寿命を時定数とする指数関数的増大型のパルス波形を生成するように前記第１の光共振器のＱ値を切り替える、ことを特徴とする請求項８～１１のいずれか１項に記載のパルス発生器。
13. 前記第１の光共振器内の光路の少なくとも一部は、光ファイバで形成されていることを特徴とする請求項５～１２のいずれか１項に記載のパルス発生器。
14. 前記第１のスイッチング素子は、前記第１の光共振器を構成するミラーの一部であることを特徴とする請求項５～１３のいずれか１項に記載のパルス発生器。
15. 前記第１のスイッチング素子は、機械的、音響的、または電気光学的Ｑスイッチであることを特徴とする請求項５～１３のいずれか１項に記載のパルス発生器。
16. 前記第２のスイッチング素子は、前記第２の光共振器を構成するミラーの一部であることを特徴とする請求項９～１１のいずれか１項に記載のパルス発生器。
17. 前記第２のスイッチング素子は、機械的、音響的、または電気光学的Ｑスイッチであることを特徴とする請求項９～１１のいずれか１項に記載のパルス発生器。

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