JPWO2017222022A1

JPWO2017222022A1 - ファイバーレーザー回路

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Publication number: JPWO2017222022A1
Application number: JP2018524163A
Authority: JP
Inventors: 順治浦川
Original assignee: Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-04-11
Also published as: WO2017222022A1

Abstract

産業用レーザーを発生させることを可能にするファイバーレーザー回路を提供する。モードロック・レーザーパルスからのレーザーパルスをストレッチするパルスストレッチャー部１と、レーザーパルスの強度を１０倍以上増幅する第１ファイバーレーザー増幅部２と、レーザーパルスの繰り返し周波数を変換する第１周波数変換部３と、繰り返し周波数が変換されたレーザーパルスの強度を１０倍以上増幅する第２ファイバーレーザー増幅部４と、を基本構造とする回路Ａを含むファイバーレーザー回路を提供する。

Description

本発明は、ファイバーレーザー回路に関する。更に詳しくは、繰り返し周波数変換部を有しピコ秒乃至フェムト秒のパルス幅を持つ産業用レーザーを発生させることを可能にするファイバーレーザー回路に関する。

従来、機械加工、溶接等の加工用レーザーのほとんどは、高出力固体レーザーを用いて発生させている。例えば、波長１０６０ｎｍ・繰り返し周波数１００ＭＨｚ・出力１０ｋＷ程度のＹＡＧレーザーが知られている。しかしながら、前記固体レーザーは、高出力である半面、レーザーの低品質性や低繰り返し数のために、クリアカットな精密加工が困難であるという問題、例えば加工むらやバリが生じるという問題がある。また、加工用レーザーに使用される固体レーザーの波長は、ほとんどが、６９４ｎｍ（ルビー）及び１０６０ｎｍ（ガラスまたはＹＡＧ）であるので、紫外レーザーのみが使用される半導体基板、化学、医学等における加工用途には不向きである。さらに、固体レーザーで作られる高出力レーザーは伝送が困難であるために、一装置一利用という非効率性の点において、産業利用上の大きな問題もある。

他方、光通信用のレーザー発振は、専ら半導体レーザー光源で発生させる微弱の高繰り返しレーザーパルスを光ファイバー伝送することにより行われている。光通信用のレーザーは、フレキシブルな光ファイバーによる伝送が可能であるので産業利用上の自由度に優れており、また、ＧＨｚ級の高繰り返しも可能である。しかし、出力が精々１Ｗ程度であるために、また、集光強度が非常に弱いために、加工用レーザーとして用いることは困難である（特開２０００−２４４０４４号公報）。

特開２０００−２４４０４４号公報には、ファイバー共振器において、光発生させるための利得媒質と、励起光を注入及び出力光を取り出すための光カプラと、パルスを発生させるための光変調器と、光路長を調整するための光遅延と、偏波を調整するための偏波調整器と、共振器中に光の伝搬方向を指定するための光アイソレーターと、発振波長を指定するための光バンドパスフィルターと、ＦＳＲ（Free Spectral Range）を固定又は可変可能なファブリペローフィルターとから成ることを特徴とするファブリペローフィルターを用いた再生モード同期レーザーが開示されている。

特開２０００−２４４０４４号公報の図１又は図３に開示されるファイバーリングレーザーの構成には、レーザー強度を増幅させるためのエルビウムドープファイバ―３又は１４とレーザーパルスの繰り返し周波数を数１０ＧＨｚ〜ＴＨｚに自由に変えることができるファブリペローフィルター１３又は２.５ＧＨｚファブリペローフィルター２９が含まれている。ファブリペローフィルター２９は、レーザーパルスの繰り返し周波数を増幅させるためのものであるが、レーザー光を集束するものではないので、集光強度が非常に小さい。

従来、フェムト秒の光パルス列を発生させる一般的な方法として、モード同期方式が知られている。しかし、モード同期方式によって、繰り返し周波数が１ＧＨｚ以上でありパルス幅がフェムト秒の光パルス列を発生させることは困難である。なぜなら、レーザーの共振器長が繰り返し周波数に対応するからであり、また、繰り返し数とチューニング範囲も狭いからである。そのため、モード同期方式以外の方法がいくつか提案されている（A. Ishizawa、T. Nishikawa et al.、Optics Express 23（2011）22402）。

A. Ishizawa、T. Nishikawa et al.、Optics Express 23（2011）22402には、光位相変調器と光強度変調器及びシングルモードファイバーを用いたＧＨｚ繰り返しフェムト秒光パルス列を発生させる方法が提案されている。これによれば、この方法は、波長１５５２ｎｍの連続発振半導体レーザー（ＣＷＬＤ）の位相をＲＦシンセサイザーからの２５ＧＨｚ正弦波で駆動する光位相変調器を用いて変調させ、２５ＧＨｚ繰り返しの周期的なアップアンドダウンチャープを生じさせる。そして線形なダウンチャープ部分を光強度変調器により切りだすことにより、バンド幅２４ｎｍのフラットな光周波数コムスペクトルを作る。次に、この光をシングルモードファイバーで分散補償することにより、パルス幅２３０ｆｓ・繰り返し周波数２５ＧＨｚの光パルス列を発生させる。次に、光ゲートにより繰り返し周波数を１ＧＨｚにしてからエリビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）により平均出力１Ｗに増幅する。これによりＥＤＦＡ内でのピーク強度は数ｋＷに達しており、自己位相変調効果によりスペクトルブロードニングが生じる。次に、このスペクトルが広がったパルスを長さ１ｍのガラスブロックを用いて圧縮を行うことにより、繰り返し周波数１ＧＨｚ・パルス幅１２０ｆｓ・平均出力１Ｗの光パルス列を得ることができる。

A. Ishizawa、T. Nishikawa et al.、Optics Express 23（2011）22402は、前述の如く、平均出力が１Ｗ程度のレーザーパルスである。また、レーザー光を集束させ線幅を細くするための手段を組み込んでいないために、照射レーザーのスポットサイズは少なくとも１００μｍ以上はある。そのため、集光強度は非常に小さい。

一方、時間分解電子顕微鏡用のフォトカソードRF電子銃の光源にチタン・サファイアレーザー発振器を用いることでフェムト秒時間分解 MeV 電子顕微鏡の実証が報告されている（J. Yang, K. Kan et al.、FEMTOSECOND ELECTRON MICROSCOPY USING PHOTOCATHODE RF GUN、Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan、August 3-5, 2013、p.p.111-115）。

前記の説明のように、従来の加工用レーザーが持っている様々な問題を解決するような高精度の加工能力及び利便性を有する加工用レーザーは知られていない。またフェムト秒クラスの時間分解能を有する電子顕微鏡用フォトカソードや電子加速器用フォトカソードのレーザー光源は産業用に使用できるような長期間の安定性に課題がある。

前記の事情に鑑み、本発明の一実施形態によれば、ピコ秒乃至フェムト秒のパルス幅を持つ産業用レーザー（加工用、及び／又は、フォトカソード電子銃用レーザー）を発生させることが可能なファイバーレーザー回路が提供される。

すなわち、本発明のそれぞれの実施形態は、
１．モードロック・レーザーパルスのパルス幅をストレッチするパルスストレッチャー部と、パルスストレッチャー部によりストレッチされたレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第１ファイバーレーザー増幅部と、第１ファイバーレーザー増幅部により増幅されたレーザーパルスの繰り返し周波数を変換する第１周波数変換部と、第１周波数変換部により繰り返し周波数が変換されたレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第２ファイバーレーザー増幅部と、を含む、モードロック・レーザーパルスを光源に用いて産業用のレーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路。
２．第１周波数変換部が第１ファブリ・ペロー共振器であって、ファブリ・ペロー共振器により繰り返し周波数がギガヘルツ帯に逓倍増幅されるファイバーレーザー回路。
３．第２ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスの繰り返し周波数を１ＧＨｚ以上に増幅し、レーザー光を集束することにより高集光強度にする第２ファブリ・ペロー共振器増幅器と、第２ファブリ・ペロー共振器増幅器からのレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第３ファイバーレーザー増幅部と、第３ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスの強度を大増幅する第４ファイバーレーザー増幅部と、をさらに含む、ファイバーレーザー回路。
４．第４ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスを高調波に変換し、レーザー光を集束することにより高集光強度にする４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部をさらに含む、ファイバーレーザー回路。
５．４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部からの高調波レーザーパルスを複数のレーザーパルスに分配するレーザー分配器と、レーザー分配器により分配されるレーザーを伝送するファイバーレーザー伝送部と、をさらに含む、ファイバーレーザー回路。
６．ファイバーレーザー伝送部からのレーザーパルスを紫外レーザーパルスに変換する紫外光変換部をさらに含む、ファイバーレーザー回路。
７．第４ファイバーレーザー増幅部がＰＣＦを用いるＰＣＦ増幅部である、ファイバーレーザー回路。
８．第１周波数変換部がポッケルセルを含み、連続レーザーパルス列から一定時間幅内のパルス列を切り出し、パルス列繰り返し周波数を数十ヘルツ帯に変換する、ファイバーレーザー回路。
９．ファイバーレーザー回路のモードロック発振器、増幅器、パルスストレッチャー部およびパルス圧縮器から得られる数Ｗ程度の連続（ＣＷ）レーザーパルス列を利用し、バーストレーザーパルス増幅により高周波光電子銃用レーザーパルス発生装置を構築でき、数十フェムト秒高周波加速同期信号を供給できる、ファイバーレーザー回路。

本発明の一実施形態は、波長が可視〜紫外領域でパルス幅がピコ秒〜フェムト秒の産業用レーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路である。本発明の他の実施形態によれば、繰り返し周波数変換部をファブリ・ペロー共振器とすることで繰り返し周波数が少なくとも１ＧＨｚ以上であり、出力が１００Ｗ〜１０ｋＷの範囲にあり、線幅がサブミクロン程度の高集光強度のワイヤーレーザーのパルスを発生させることが可能であり、これを多くの産業用精密加工用のレーザーとして利用できる。この構成により生成されるレーザー光の集光強度は１０^８〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２であり、この大きさは、通常の産業用連続（ＣＷ）レーザーと比較して１００倍以上の大きさである。また、レーザーパルスの伝送をフレキシブルな光ファイバーにより行うことができるので、本発明により生成されるレーザーパルスを所望の場所に分配供給できるという産業利用上の利便性が優れている。一方、第１繰り返し周波数変換部にポッケルセルを用いレーザーパルス列の繰り返し周波数を１０乃至１００ヘルツで一定時間幅内のパルス列を切り出すことで安定に数十フェムト秒の同期精度を有する電子銃用レーザー光源を実現することができる。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路の基本構造を説明する概略図である。本発明の一実施形態の大強度ファイバーレーザー回路を説明する概略図である。本発明の一実施形態の高調波ファイバーレーザー回路を説明する概略図である。本発明の一実施形態の高調波分配ファイバーレーザー回路を説明する概略図である。本発明の一実施形態の紫外光ファイバーレーザー回路を説明する概略図である。本発明の一実施形態のＰＣＦ増幅部及び４枚鏡共振器内ＳＨＧ部を用いるファイバーレーザー回路を説明する概略図である。本発明の一実施形態の高輝度光電子銃用ファイバーレーザー回路を説明する概略図である。

以下に、本発明の実施の態様（以下、「実施例」という。）を図面の記載にしたがって説明するが、本発明は、下記の実施例だけに限定されるものではない。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路を図１に示す。図中の矢印は、レーザーパルスの流れ方向を示す。当該実施形態のファイバーレーザー回路Ａは、モードロック・レーザーパルスのパルス幅をストレッチするパルスストレッチャー部１と、パルスストレッチャー部１によりパルスストレッチされたレーザーパルスの強度を増幅する第１ファイバーレーザー増幅部２と、第１ファイバーレーザー増幅部２により増幅されたレーザーパルスの繰り返し周波数を変換する第１周波数変換部３と、第１周波数変換部３により繰り返し周波数が変換されたレーザーパルスの強度を増幅する第２ファイバーレーザー増幅部４とを含むファイバーレーザー回路であって、モードロック・レーザー発振器ａからのモードロック・レーザーパルスがパルスストレッチャー部１に入れられ、フェムト秒レーザーパルスがピコ秒レーザーパルスにストレッチされ、続いて第１ファイバーレーザー増幅部２に入れられ、パルス強度が十倍以上増幅され、続いて第１周波数変換部３に入れられ、繰り返し周波数が変換され、続いて第２ファイバーレーザー増幅部４に入れられ、パルス強度が十倍以上増幅される。

前記レーザーパルス回路を加工用レーザーとして実施する場合の例を示す。この場合、第１周波数変換部３をファブリ・ペリー共振器（第１ファブリ・ペロー共振器）とし、繰り返し周波数を逓倍増幅する。ファブリ・ペロー共振器は、他の型の光共振器に比べて非常に短い共振器長を有し、ギガヘルツ帯の高繰り返し周波数のレーザーパルスを生成させるため、また、線幅がサブミクロン程度の単一波長のワイヤーレーザーを生成させるために適しているが、その他の共振器を用いることもできる。第１ファブリ・ペロー共振器増幅部３において生成するワイヤーレーザー光の集光強度は、１０^８〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２であり、この大きさは、通常の加工用連続（ＣＷ）レーザーと比較して１００倍以上の大きさである。ワイヤーレーザー光の集光強度とは、ワイヤーレーザーの線幅に相当する断面積あたりのパルスエネルギー密度のことである。

第１ファブリ・ペロー共振器増幅部３のファブリ・ペロー共振器としては、往復共振器長１２ｃｍ程度のファブリ・ペロー共振器が用いられ得る。第１ファブリ・ペロー共振器増幅部３は、入射レーザーとのモードマッチング及び光学マッチングを行うマッチング光学系を備えてもよい。

ワット級のレーザーを安定的に生成させることを考慮すると、レーザーパルスのパルス強度を増幅するための増幅部をファイバーレーザー増幅部とすることが適しているが、その他の形態を用いることもできる。第１ファイバーレーザー増幅部２及び第２ファイバーレーザー増幅部４は、好適には、Ｙｂドープのシングルモードファイバーが用いられる。また、第１ファイバーレーザー増幅部２及び第２ファイバーレーザー増幅部４は、増幅媒質励起のためのＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を備える。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路を図２に示す。本実施形態のファイバーレーザー回路Ｂは、実施例１のファイバーレーザー回路Ａに、第２ファイバーレーザー増幅部４からのレーザーパルスの繰り返し周波数を増幅する第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５と、第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５からのレーザーパルスの強度を増幅する第３ファイバーレーザー増幅部６と、第３ファイバーレーザー増幅部６からのレーザーパルスの強度を増幅する第４ファイバーレーザー増幅器７と、をさらに備えたファイバーレーザー回路であって、第２ファイバーレーザー増幅部４からのレーザーパルスが第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５に入れられ、レーザーパルスの繰り返し周波数が１ＧＨｚ以上に増幅され、続いて、第２ファブリ・ペロー光共振器増幅部５からのレーザーパルスが第３ファイバーレーザー増幅部６に入れられ、パルス強度が十倍以上増幅され、続いて、第３ファイバーレーザー増幅部６からのレーザーパルスが、第４ファイバーレーザー増幅部７に入れられ、レーザーパルスの強度が大増幅される。

第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５により、第２ファイバーレーザー増幅部４からのレーザーパルスの繰り返し周波数が１ＧＨｚ以上、一般的には１０ＧＨｚ程度まで容易に増幅されることが好適である。ギガヘルツ級の高繰り返し周波数のレーザーパルスを生成させるために、第２ファイバーレーザー増幅部４からのレーザーパルスの繰り返し周波数を逓倍増幅するための増幅部は非常に短い共振器長を有することが望ましく、したがって、ファブリ・ペロー共振器増幅部５とすることが適しているが、その他の形態を用いることもできる。第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５のファブリ・ペロー共振器としては、往復共振器長３ｃｍ程度のファブリ・ペロー光共振器を用いることができる。第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５は、入射レーザーとのモードマッチング及び光学マッチングを行うマッチング光学系を備え得る。また、第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５において生成するワイヤーレーザー光の集光強度は、１０^８〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２であり、この大きさは、通常の産業用連続（ＣＷ）レーザーと比較して１００倍以上の大きさであり得る。

第３ファイバーレーザー増幅部６には、Ｙｂドープのシングルモードファイバーを用いることができる。第４ファイバーレーザー増幅部７には、パルス強度を大増幅するファイバーレーザーを用いることができる。第３ファイバーレーザー増幅部６には第４ファイバーレーザー増幅部７と同じファイバーレーザー増幅部を用いることもできる。第４ファイバーレーザー増幅部７としては、ＰＣＦ（Ｐｈｏｔｏ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｆｉｂｅｒ）を用いるＰＣＦ増幅部１２であることが好ましい。ＰＣＦ増幅部１２は、パルス強度を１００倍程度乃至それ以上増幅するのに適している。第３ファイバーレーザー増幅部６及び第４ファイバーレーザー増幅部７は、増幅媒質励起のためのＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を備える。第３ファイバーレーザー増幅部６は、複数段のファイバーレーザー増幅部に分けて構成することができる。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路を図３に示す。本実施形態のファイバーレーザー回路Ｃは、実施例２のファイバーレーザー回路Ｂの第４ファイバーレーザー増幅部７に続いて、高調波に変換する４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８が設けられたファイバーレーザー回路であって、第４ファイバーレーザー増幅部７からのレーザーパルスが４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８に入れられ、高調波に変換される。ここで、４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８とは、一対の反射ミラーと一対の共振ミラーとを有する光共振器（４枚鏡光共振器）の内部に設けられる一対の共振ミラー間のレーザー光路にＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を入れたものである。高調波変換のために４枚鏡光共振器内ＳＨＧを用いることで、他の型の光共振器内ＳＨＧに比べて、増幅レーザーの高調波変換を効率的に且つ安定して行うことができる。４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８と第４ファイバーレーザー増幅部７との間のフィードバック共振制御を行うためのフィードバック共振制御系を設けることができる。このフィードバック共振制御は、４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８内の共振レーザーの一部が、第４ファイバーレーザー増幅部７のフォトダイオード１８に入れられ、フォトダイオード１８と連結する前記フィードバック共振制御系（図省略）を通して行われる。ＰＣＦ増幅部１２と４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８との連結は、前記フィードバック共振制御系により、１００倍以上のパルス強度の共振増幅を安定的に行うことを可能にする。また、４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８において生成するワイヤーレーザー光の集光強度は、１０^８〜１０^１５Ｗ／ｃｍ^２であり、この大きさは、通常の産業用連続（ＣＷ）レーザーと比較して１００倍以上の大きさであり得る。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路を図４に示す。本実施形態のファイバーレーザー回路Ｄには、実施例３のファイバーレーザー回路Ｃの４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８に続いて、レーザーを分配するレーザー分配器９及び該レーザー分配器により分配されるレーザーを伝送するファイバーレーザー伝送部１０が設けられており、４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８からの高調波レーザーパルスがレーザー分配器９に入れられ、複数のレーザーパルスに分配され、該分配されたレーザーパルスがファイバーレーザー伝送部１０に入れられ、所用の場所に光ファイバーにより伝送される。ファイバーレーザー伝送部１０はフレキシブルな伝送用ファイバーレーザーから成る。これにより、高調波レーザーを任意の場所に自由に伝送することができる。

本発明の一実施形態のファイバーレーザー回路を図５に示す。本実施形態のファイバーレーザー回路Ｅには、実施例４のファイバーレーザー回路Ｄのファイバーレーザー伝送部１０に続いて、紫外光変換部１１が設けられており、ファイバーレーザー伝送部１０からのレーザーパルスが紫外レーザーパルスに変換される。紫外光変換部１１は、紫外光に変換する光学変換素子から成る。これにより、可視光では困難な精密加工を行うことができる。紫外光変換部１１は、４枚鏡光共振器内ＳＨＧを含むことができる。

上述のファイバーレーザー回路Ａを用いてピコ秒乃至フェムト秒・ギガヘルツ級・ワット級のレーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路の操作例を示す。モードロック・レーザー発振器ａからの波長１０４０ｎｍ・パルス幅５００ｆｓ・繰り返し周波数５００ＭＨｚ・パルス強度１ｎＪ／パルス・出力５００ｍＷ、パルスエネルギー密度０.５Ｊ／ｓ・パルスのモードロック・レーザーパルスがパルスストレッチャー部１に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数５００ＭＨｚ・パルス強度０.５ｎＪ／パルス・出力２５０ｍＷ、パルスエネルギー密度０.２５Ｊ／ｓ・パルスのレーザーパルスにパルスストレッチされ、続いて第１ファイバーレーザー増幅部２に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数５００ＭＨｚ・パルス強度１０ｎＪ／パルス・出力５Ｗ、パルスエネルギー密度５Ｊ／ｓ・パルスのレーザーパルスに増幅され、続いて第１ファブリ・ペロー共振器増幅部３に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数２.５ＧＨｚ・パルス強度０.２ｎＪ／パルス・出力０.５Ｗのレーザーパルスに増幅され、続いて第２ファイバーレーザー増幅部４に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数２.５ＧＨｚ・パルス強度２ｎＪ／パルス・出力５Ｗ、パルスエネルギー密度５Ｊ／ｓ・パルス、線幅約１μｍのレーザーパルスが生成される。

上述のファイバーレーザー回路Ｂを用いてピコ秒乃至フェムト秒・ギガヘルツ級・キロワット級のレーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路の操作例を示す。実施例６の第２ファイバーレーザー増幅部４からの波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数２.５ＧＨｚ・パルス強度２ｎＪ／パルス・出力５Ｗ、パルスエネルギー密度５Ｊ／ｓ・パルスのレーザーパルスが第２ファブリ・ペロー共振器増幅部５に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度０.１ｎＪ／パルス・出力１Ｗ、パルスエネルギー密度１Ｊ／ｓ・パルス、線幅約１μｍのレーザーパルスに増幅され、続いて、第３ファイバーレーザー増幅部６に入れられ、パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１０ｎＪ／パルス・出力１００Ｗ、パルスエネルギー密度１００Ｊ／ｓ・パルスのレーザーパルスに増幅され、続いて第４ファイバーレーザー増幅部７に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１μＪ／パルス・出力１０ｋＷ、パルスエネルギー密度１×１０^４Ｊ／ｓ・パルスのレーザーパルスが生成される。

上述のファイバーレーザー回路Ｃを用いてピコ秒乃至フェムト秒・ギガヘルツ級・キロワット級の高調波レーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路の操作例を示す。実施例７の第４ファイバーレーザー増幅部７において生成する波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１μＪ／パルス・出力１０ｋＷのレーザーパルスが、４枚鏡光共振器内ＳＧＨ部８に入れられ、波長５２０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度３００ｎＪ／パルス・出力３ｋＷ、パルスエネルギー密度３×１０^３Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.５μｍの高調波レーザーパルスが生成される。

上述のファイバーレーザー回路Ｄを用いてピコ秒乃至フェムト秒・ギガヘルツ級・キロワット級の高調波レーザーパルスを分配・伝送するファイバーレーザー回路の操作例を示す。実施例８の４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部８において生成する波長５２０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度３００ｎＪ／パルス・出力３ｋＷのレーザーパルスが、レーザー分配器９により例えば２０枝分配され、波長５２０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１５ｎＪ／パルス・出力１５０Ｗ、パルスエネルギー密度１５０Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.５μｍの各分配レーザーパルスがファイバーレーザー伝送部１０に入れられ、所用の場所に伝送される。

上述のファイバーレーザー回路Ｅを用いてフェムト秒・ギガヘルツ級・ワット級の紫外レーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路の操作例を示す。実施例９のファイバーレーザー伝送部１０において伝送される波長５２０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１５ｎＪ／パルス・出力１５０Ｗ、パルスエネルギー密度１５０Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.５μｍのレーザーパルスが、紫外光に変換する工程１１に入れられ、波長２６０ｎｍ・パルス幅２００ｆｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１５ｎＪ／パルス・出力１００Ｗ、パルスエネルギー密度１５０Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.２６μｍの紫外レーザーパルスが生成される。

本発明ファイバーレーザー回路Ｆを用いてフェムト秒・ギガヘルツ級・キロワット級のレーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路の操作例を図６に示す。第３ファイバーレーザー増幅部６からのレーザーパルス（入射レーザー１３）がコネクター１４及びＰＣＦ増幅部１２のミラー１６のレーザー光路を通ってＰＣＦ１７に入り、そこでパルス強度が１００倍程度乃至それ以上大増幅され、４枚鏡共振器内ＳＨＧ８の反射ミラー１９及び共振ミラー２０のレーザー光路を通ってＳＨＧ２１に入り高調波に変換される。ＰＣＦ増幅部１２内のＬＤ１５は、ＰＣＦの増幅媒質を励起するための励起光を供給する。ＬＤの励起光の進行方向は、入射レーザー９のレーザーの進行方向と同じ方向であってもよいし、逆方向であってもよい。例えば、第３ファイバーレーザー増幅部６からのパルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１０ｎＪ／パルス・出力１００Ｗ、パルスエネルギー密度１００Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.２６μｍのレーザーパルスが、ＰＣＦ増幅部１２に入れられ、波長１０４０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度１μＪ／パルス・出力１０ｋＷのレーザーパルスが生成され、続いて、４枚鏡光共振器内ＳＧＨ部８に入れられ、波長５２０ｎｍ・パルス幅２０ｐｓ・繰り返し周波数１０ＧＨｚ・パルス強度３００ｎＪ／パルス・出力３ｋＷ、パルスエネルギー密度１×１０^４Ｊ／ｓ・パルス、線幅約０.２６μｍの高調波レーザーパルスが安定的に生成され、レーザー分配器９に送られる。

本発明の実施形態であるファイバーレーザー回路を高輝度光電子銃用レーザーパルス源装置として使用する場合の実施例を図７に示す。本形態のファイバーレーザー回路Ｇは、実施例１のファイバーレーザー回路Ａの第２ファイバーレーザー増幅部４からの出力をパルス圧縮器２２によりレーザーパルス継続時間をフェムト秒級に圧縮し、紫外光変換部１１によりフェムト秒・数十メガヘルツ級の紫外線レーザーパルスを発生させるものである。この場合、レーザー発振器ａからのレーザーの繰り返し周波数を上げないで、その範囲を４０ＭＨｚから５００ＭＨｚの出力数Ｗ程度の連続（ＣＷ）レーザーパルス列とし、第１繰り返し周波数変換部をポッケルセルとして時間幅１００μｓ以下のレーザーパルス列をパルス列繰り返し周波数５０Ｈｚ以下で切り出し、第２ファイバーレーザー増幅器４で増幅し、紫外光変換部でフェムト秒・数十メガヘルツ級の紫外線レーザーを発生させることができる。第２ファイバーレーザー増幅部４は発熱を抑えることを考慮するとバースト増幅器とすることが適している。これらの条件は、光電子バンチ列生成に必要とするレーザー強度を、汎用性が高く、かつ電子銃用レーザー装置を現実的なものにするために適した形態であるが、その他の形態を用いることもできる。

図７の第２ファイバーレーザー増幅部４は、必要とされる強度に応じて多段とすることが可能であり、その場合でも、上記実施例３−１１に示された構成要素を追加することが可能である。例えば、電子銃用のレーザーパルス列として波長２６０ｎｍのレーザーパルス列を２段の非線形結晶ＢＢＯを使って生成することができる。ファイバーレーザー回路Ａのモードロック・レーザー発振器ａ、第１及び第２ファイバーレーザー増幅部２、４、パルスストレッチャー部１およびパルス圧縮器から得られる３Ｗ程度の連続(ＣＷ)レーザーパルス列を利用して電子銃用レーザー発生装置が構築できる。加速器の電子加速に使う高周波源との時間同期はレーザー発振器aの発振信号、または図７の回路と同期した外部レーザー発振器の発振信号を用いることで、数十フェムト秒の同期精度を保証することができる。ファイバーレーザー回路のモードロック発振器から得られるレーザーパルス列の安定性とモードロックを実現する２枚の結晶格子の位置制御精度により、本同期精度が実現している。

なお、本発明の上述の実施形態のファイバーレーザー回路は、いずれも、外部の擾乱の影響を低減するために、真空状態に置くことができる。

本発明は、精密加工を必要とする産業加工用レーザーを生成するための利便性の高いファイバーレーザー回路を実現できる。またピコ秒乃至フェムト秒のパルス幅で数十フェムト秒の同期精度を持つ電子銃用レーザーパする光源も実現でき、産業分野での利用範囲が広い。

ａモードロック・レーザー発振器
Ａファイバーレーザー回路
Ｂファイバーレーザー回路
Ｃファイバーレーザー回路
Ｄファイバーレーザー回路
Ｅファイバーレーザー回路
Ｆファイバーレーザー回路
Ｇファイバーレーザー回路
１パルスストレッチャー部
２第１ファイバーレーザー増幅部
３第１繰り返し周波数変換部
４第２ファイバーレーザー増幅部
５第２ファブリ・ペロー共振器増幅部
６第３ファイバーレーザー増幅部
７第４ファイバーレーザー増幅部
８４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部
９レーザー分配器
１０ファイバーレーザー伝送部
１１紫外光変換部
１２ＰＣＦ増幅部
１３入射レーザー
１４コネクター
１５ＬＤ
１６ミラー
１７ＰＣＦ
１８フォトダイオード
１９反射ミラー
２０共振ミラー
２１ＳＨＧ素子
２２パルス圧縮器

Claims

モードロック・レーザーパルスのパルス幅をストレッチするパルスストレッチャー部と、
パルスストレッチャー部によりストレッチされたレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第１ファイバーレーザー増幅部と、
前記第１ファイバーレーザー増幅部により増幅されたレーザーパルスの繰り返し周波数を変換する第１周波数変換部と、
前記第１周波数変換部により繰り返し周波数が変換されたレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第２ファイバーレーザー増幅部と、
を含む、モードロック・レーザーパルスを光源に用いて産業用のレーザーパルスを発生させるファイバーレーザー回路。
前記第１周波数変換部が第１ファブリ・ペロー共振器であって、前記ファブリ・ペロー共振器により繰り返し周波数がギガヘルツ帯に逓倍増幅される請求項１に記載のファイバーレーザー回路。
前記第２ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスの繰り返し周波数を１ＧＨｚ以上に増幅し、レーザー光を集束することにより高集光強度にする第２ファブリ・ペロー共振器増幅器と、
前記第２ファブリ・ペロー共振器増幅器からのレーザーパルスの強度を十倍以上増幅する第３ファイバーレーザー増幅部と、
前記第３ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスの強度を大増幅する第４ファイバーレーザー増幅部と、をさらに含む、請求項１または２に記載のファイバーレーザー回路。
前記第４ファイバーレーザー増幅部からのレーザーパルスを高調波に変換し、レーザー光を集束することにより高集光強度にする４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部をさらに含む、請求項３に記載のファイバーレーザー回路。
前記４枚鏡光共振器内ＳＨＧ部からの高調波レーザーパルスを複数のレーザーパルスに分配するレーザー分配器と、該レーザー分配器により分配されるレーザーを伝送するファイバーレーザー伝送部と、をさらに含む、請求項４に記載のファイバーレーザー回路。
前記ファイバーレーザー伝送部からのレーザーパルスを紫外レーザーパルスに変換する紫外光変換部をさらに含む、請求項５に記載のファイバーレーザー回路。
前記第４ファイバーレーザー増幅部がＰＣＦを用いるＰＣＦ増幅部である、請求項３〜６のいずれか一つに記載のファイバーレーザー回路。
前記第１周波数変換部がポッケルセルを含み、連続レーザーパルス列から一定時間幅内のパルス列を切り出し、パルス列繰り返し周波数を数十ヘルツ帯に変換する請求項１に記載のファイバーレーザー回路。
ファイバーレーザー回路のモードロック発振器、増幅器、パルスストレッチャー部およびパルス圧縮器から得られる数Ｗ程度の連続（ＣＷ）レーザーパルス列を利用し、バーストレーザーパルス増幅により高周波光電子銃用レーザーパルス発生装置を構築できることと数十フェムト秒高周波加速同期信号を供給できる、請求項８に記載のファイバーレーザー回路。