JPH0685454B2 - 光学パルス流生成装置 - Google Patents

光学パルス流生成装置

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JPH0685454B2 JP1303462A JP30346289A JPH0685454B2 JP H0685454 B2 JPH0685454 B2 JP H0685454B2 JP 1303462 A JP1303462 A JP 1303462A JP 30346289 A JP30346289 A JP 30346289A JP H0685454 B2 JPH0685454 B2 JP H0685454B2
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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光学ソースに関し、特に、高パワー(出力)
と高繰返し速度を有する光学パルス流を生成する光学ソ
ースに関する。
[従来技術の説明] 多数の光学システムの応用において、高パワーと高繰返
し速度を有するレーザ光学ソースが必要とされている。
そのような応用分野の一例として、光コンピュータがあ
り、ここでは、数ワットの平均出力で、ギガヘルツ(GH
z)以上の高繰返し速度が要求されている。現在、この
2つの条件を満す光学ソースは存在しない。半導体レー
ザはGHzレベルの高繰返し速度で動作するが、数ミリワ
ットの平均出力しかない。一方、固体レーザは数十ワッ
トの平均出力が得られるが、100MHz以下の繰返し速度し
かない。
[発明の概要] 高出力・高繰返し速度の光学ソースは、モードロック光
学パルス流の選択スペクトラルモードを伝送することに
より達成される。モードロックレーザからの隣接スペク
トラルモード間の分離を増加させることにより、光学パ
ルス流の繰り返し速度を必要な倍数だけ増加することが
できる。
本発明の一実施例では、ファブリペローエタロンがモー
ドロック光学パルスソースに外部で結合されたスペクト
ルモードセレクタとして用いられる。エタロンのキャビ
ティ長を調整することにより、このソースからの複数の
等間隔所定スペクトラルモード出力がエタロンから伝搬
される。伝搬されるスペクトラルモード出力はコヒーレ
ント結合され、ソースの繰返し速度より速い繰返し速度
を有する光学パルス流を生成する。各M番目のスペクト
ラルモードを伝搬することにより、それに対応して、繰
返し速度はM(ここで、Mは2以上の整数)倍で増加す
る。
[実施例の説明] 第1図に、本発明の高繰返し速度・高出力光学パルスソ
ースが図示されている。本発明は、モードロック光学パ
ルス流の選択されたスペクトラルモードを伝搬すること
により、光学パルス流の繰返し速度を必要な倍数で増加
することができるという発見に基いている。
安定モードロックレーザ10から光学パルス流11が、ファ
ブリペローエタロン12を介して伝搬する。このファブリ
ペターエタロン12は、光学パルス流11よりも速い繰返し
速度を有する光学パルス流16を生成する。モードロック
レーザ10では、生成される光学パルス流11のスペクトル
は、(レーザのゲイン媒体により決定される)スペクト
ル包絡線以下のスペクトラルモード(レーザスペクトル
とも)と呼称される一連の線からなる。典型的なスペク
トラルモード成分を表す第2図に示すように、モードロ
ックレーザ10からの光学パルス流11は、光周波数で振動
する。その光周波数のスペクトラルモード分離△fは、
次の式で表される。
△f=c/21 ここで、cは光の速度、1はモードロックレーザ共振器
長である。これらのスペクトラムモードは共振器に直交
する面では等しい空間エネルギ分布を有する。またこれ
らのスペクトラムモードを固定することにより、光学パ
ルス出力11を固定繰返し速度F0(スペクトラムモード分
離に等しい)を有する光学パルスの周期的列から構成さ
れるようになる。
第1図に示したように、リフレクタ13,15は光学媒体14
と共に、ファブリペローエタロン12を構成する。第3図
に示すように、このファブリペローエタロン12の伝搬対
周波数プロフィールは、伝搬ピーク(自由スペクトラル
レンジとして知られる)間の分離fFSRを示す。この分離
は、リフレクタ13,15間の分離距離dと光学媒体14の屈
折率nに依存する。更に、この自由スペクトラルレンジ
は、これらのパラメータに次式で関係する。
fFSR=c/2nd エタロン12のリフレクタ13,15間の分離の距離は、エタ
ロン12の伝搬ピーク間の分離がモードロックレーザ10か
らのスペクトラルモード間の分離のM倍になるよう、調
整される。スペクトラルモードセレクタとして動作する
と、エタロン12はモードロックレーザ10からの各M番目
スペクトラルモードを伝搬する。これにより、エタロン
12から伝搬される隣接スペクトルモード間の分離を、光
学パルス11のスペクトルモード分離のM倍に増加させ
る。繰返し速度はスペクトルモード分離に等しいので、
スペクトルモード分離のM倍の増加は、パルス繰返し速
度のM倍の増加になる。もとのスペクトラルモードのM
番目のものがエタロン12を介して伝搬されるので、光学
パルス流16の平均パワーは、光学パルス11の元の平均パ
ワーの1/Mに減少する。
エタロン12で伝搬されないスペクトラルモードは、モー
ドロックレーザ10方向に反射され、後続のエタロンで更
に処理される。これらの後続のエタロンのわずかな長さ
の差が、同一のより高い繰返し速度を有するM個の光学
パルス流の全部を獲得する為に、同一のスペクトラルモ
ード分離を有する更にM−1セットのスペクトラルモー
ドを選択するのに、使用される。
[実験例] 本発明の具体例が第4図に示される。CWモードロックN
d:YAGレーザ(λ=1.06μm)がモードロックレーザ40
として使用された。モードロックレーザ40から生成され
た光学パルス流41は次の特性を有する。繰返し速度82MH
z、スペクトラルモード分離82MHz、パルス幅100ピコ
秒、スペクトル包絡線幅16GHz、平均出力7ワット、光
学パルス41は、立体ビーム偏光子43と1/4波長板44から
なるアイソレータ42を介して伝搬する。アイソレータ42
は、エタロン50からの反射光(光学パルス55)を再指向
し、光学パルス55を出力し、モードロックレーザ40に戻
るのを阻止し、破損を防止する。
エタロン50内のリフレクタ51,53は、この実施例では、
直径2インチ、平面度1/200波長、反射率R=96.7%で
ある。リフレクタ51,53で封止された光学媒体52は、ほ
ぼ均一の光学屈折率を有する空気である。フィネスFと
呼称されるパラメータはリフレクタ51,53に、式π√R/1
−Rで反射率に関係し、Rが前記の値であれば、フィネ
スは93.5である。アイソレータ42からの光学パルス流45
は、ガリレオ式望遠鏡46を介して伝搬し、これにより、
光学パルス49の分散を最適化し、光学パルス45のレイレ
ー範囲をファブリペローエタロン50を横切る光学長(2n
F1)に適合させる。本実施例では、ファブリペローエタ
ロン50を横切る光学長は5700cmである。その結果、この
長さのレイレー範囲を有する最小ビームくびれは6.21mm
である(1/e直径で測定した)。従って、光学要素(凹
レンズ)47を光学要素(凸レンズ)48は、リフレクタ51
上の光学パルス49の入射のビームくびれが6.21mmである
よう選択される。
ファブリペローエタロン50は、微細移動段と圧セラミッ
ク製造トランジューサを有する超インバール実験回路
(Super-Invar breadboard)上に載置され、リフレクタ
51,53間の分離距離dを正確に調整する。繰返し速度を
6倍に増加する為に、リフレクタ51,53間の分離距離
は、伝搬ピーク間の分離が、モードロックレーザ40のス
ペクトラルモード間の分離の6倍(492MHz)になるよう
調整される。かくして、リフレクタ51,53間の分離距離
dは、モードロックレーザ40のキャビティ長lの1/6で
ある。
ファブリペローエタロン50を介して伝搬されるモードロ
ックレーザ40のスペクトラルモードは、隣接スペクトラ
ルモード間の6倍に増加している分離を有する(第6
図)。繰返し速度がスペクトラルモード分離に等しいと
すると、光学パルス流54の繰返し速度は、光学パルス流
41の繰返し速度の6倍である。光学パルス流54の理論的
平均出力は、1.167ワットであるが、実際の出力は1ワ
ットである。この差はリフレクタ51,53の光学錯乱に起
因すると推測される。
エタロン50からのアイソレータ42により再指向された反
射光55は、部品要素50,46の組合せに類似の構成により
更に処理される。各選択されたスペクトラルモードにス
ペクトル的に隣接して、496MHzの繰返し速度を有する第
2光学パルス流を得る為に、個別に選択された反射スペ
クトラルモードが示される。後続のエタロンの長さの微
小差は、第2光学パルス流を得る為に、光学パルス流55
からの反射スペクトラルモードを選択するのに使用され
る。本実施例では、6個のより高速な光学パルス流は5
個のファブリペローエタロンを用いて得られる。
本実施例では、光学パルス流41と光学パルス流49のスペ
クトラルモード分離△fは82MHzである。第5図に示す
ように、光学パルス流49の時間分離T0は繰返し速度F0
逆数である。更に、個々のパルス幅τはスペクトル包絡
線の幅△ν(これはモードロックレーザ40のゲイン媒体
に依存する)に逆比例する。エタロン50の伝搬バンド幅
は、モードロックレーザ40のスペクトル包絡線の幅△ν
より広いので、光学パルス54の全体スペクトルは、光学
パルス41のそれと等しい。光学パルス54の個々のパルス
幅(これは自己相関技術を用いて測定される)は、100
ピコ秒で、これは、光学パルス41のパルス幅と同一であ
る。
各光学パルス流は、元のモードの1/6しか含まないとい
う事実に起因する平均出力の低減とは別に、エタロン50
により伝搬されたモードのコヒーレント和は光学出力パ
ルス54の振幅において、ピークからピークで約30%の変
化がある(第7図)。スペクトルモード分離(すなわ
ち、Mの値)を増加させることは、ピークからピークで
の振幅の変化を増加させる。この振幅の変化は、より高
いフィネスのファブリペローエタロンを使用することに
より、低減される。
ファブリペローエタロン50に光学ゲインを導入する(リ
フレクタ51,53間にNd:YAGロッドを配置する)ことによ
り、振幅の安定性を増加させる。熱負荷によるレーザキ
ャビティの長さの変化は、ダイオードポンプ固定レーザ
(熱負荷がないか、ほとんどない)を用いることによ
り、最小化できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の高繰返し速度・高出力を生成する光
学装置のブロックダイヤグラム、 第2図は、第1図のモードロックレーザの光学出力パル
スのスペクトラルモード振幅対周波数のプロフィール、 第3図は、第1図のファブリペローエタロンの伝搬対周
波数のプロフィール、 第4図は、第1図の光学装置を使用するよう構成された
光学システムのブロックダイヤグラム、 第5図は、第4図のモードロックレーザの典型的なパル
スの振幅対時間のプロフィール、 第6図は、第4図のファブリペローエタロンの典型的な
光学出力パルスのスペクトラルモード振幅対周波数のプ
ロフィール、 第7図は、第4図のエタロンの典型的な光学出力パルス
の振幅対時間のプロフィールである。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1繰返し速度のモードロック光学パルス
    を発生させるソース; 前記ソースに結合されて、第1繰返し速度より速い第2
    繰返し速度で光学パルス流を生成する為に、前記ソース
    から少なくとも2つの所定スペクトラルモード出力を選
    択する手段; を有することを特徴とする光学パルス流生成装置。
  2. 【請求項2】選択手段は、エタロンを構成する為に、平
    行でかつ所定距離隔て配置された第1、第2リフレクタ
    を有し、 ここで、前記所定距離とは、エタロンが前記ソースから
    少なくとも2つの所定スペクトラルモード出力を伝送す
    るに必要な距離である ことを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】前記所定距離は、3個以上のモードが前記
    ソースで選択された時、前記エタロンが、前記ソースか
    らの複数の等間隔のスペクトラルモードを伝送するに必
    要な距離である ことを特徴とする請求項2記載の装置。
  4. 【請求項4】前記選択手段は、第1繰返し速度で発生す
    る光学パルスをビームシェープする手段を有し、このビ
    ームシェープ手段は、モードロック光学パルスソースと
    エタロンとの間に配置される ことを特徴とする請求項2記載の装置。
  5. 【請求項5】前記選択手段は、光学パルスが前記ソース
    に戻るのを阻止する為に、第1繰返し速度で発生する光
    学パルスを分離する手段を有することを特徴とする請求
    項4記載の装置。
  6. 【請求項6】モードロック光学パルスソースは、レーザ
    であることを特徴とする請求項5記載の装置。
  7. 【請求項7】エタロンは、第2繰返し速度の前記光学パ
    ルス流を所定のパワーレベルまで光学的に増幅する手段
    を有し、 この光学的増幅手段はエタロン内に配置される光学媒体
    を有する ことを特徴とする請求項6記載の装置。
  8. 【請求項8】光学媒体はNd:YAGロッドであることを特徴
    とする請求項7記載の装置。
  9. 【請求項9】少なくとも、第1、第2の光学パルス流を
    生成する光学装置において、 第1繰返し速度のモードロック光学パルスを発生するソ
    ース; 第1繰返し速度より速い第2繰返し速度の第1、第2の
    光学パルス流を生成する為に、前記ソースから少なくと
    も2つの所定スペクトラルモード出力を選択する少なく
    とも第1、第2の選択手段;第1選択手段から反射され
    る複数のスペクラルモードを第2選択手段へ光学的に指
    向する手段;とを有することを特徴とする光学パルス流
    生成装置。
  10. 【請求項10】第1、第2の選択手段は、エタロンを形
    成する為に、平行でかつ所定距離隔て配置された第1、
    第2リフレクタを有し、 ここで、前記所定距離とは、エタロンが前記ソースから
    少なくとも2つの所定スペクトラルモード出力を伝送す
    るに必要な距離である ことを特徴とする請求項9記載の装置。
  11. 【請求項11】前記所定距離は、3個以上のモードが前
    記選択手段で選択された時、前記エタロンが、前記ソー
    スからの複数の等間隔のスペクトラルモードを伝送する
    に必要な距離である ことを特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 【請求項12】前記第1、第2選択手段は、第1繰返し
    速度で発生する光学パルスをビームシェープする手段を
    有し、 このビームシェープ手段は、モードロック光学パルスソ
    ースとエタロンとの間に配置される ことを特徴とする請求項11記載の装置。
  13. 【請求項13】前記第1、第2選択手段は、光学パルス
    が前記ソースに戻るのを阻止する為に、第1繰返し速度
    で発生する光学パルスを分離する手段を有することを特
    徴とする請求項12記載の装置。
  14. 【請求項14】第1、第2の光学パルス流は、異なる第
    2繰返し速度を有することを特徴とする請求項13記載の
    装置。
  15. 【請求項15】第1、第2の光学パルス流は、ほぼ等し
    い第2繰返し速度を有することを特徴とする請求項13記
    載の装置。
  16. 【請求項16】モードロック光学パルスソースは、レー
    ザであることを特徴とする請求項15記載の装置。
  17. 【請求項17】エタロンは、第2繰返し速度の前記光学
    パルス流を所定のパワーレベルまで光学的に増幅する手
    段を有し、 この光学的増幅手段はエタロン内に配置される光学媒体
    を有する ことを特徴とする請求項16記載の装置。
  18. 【請求項18】光学媒体はNd:YAGロッドであることを特
    徴とする請求項17記載の装置。
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