WO2011027617A1 - パルス幅変換装置および光増幅システム - Google Patents

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pulse
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正俊 藤本
陽一 河田
耕大 深澤
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a pulse width conversion device that generates an output optical pulse having a pulse width different from the pulse width of an input optical pulse, and an optical amplification system including the optical amplification device and the pulse width conversion device.
  • the pulse width of an optical pulse is extended by a pulse width conversion device (pulse extension device) before optical amplification.
  • the chirp pulse is used to suppress the instantaneous intensity of the optical pulse within the optical amplifier, and after optical amplification, the pulse width of the optical pulse is compressed by a pulse width conversion device (pulse compression device). It is important to increase (peak value).
  • a pulse width conversion device pulse compression device
  • a chirp pulse is an optical pulse having the characteristic that the arrival time differs depending on each wavelength component contained in the optical pulse.
  • the lower limit of the pulse width of the optical pulse is determined by the bandwidth of the wavelength band constituting the optical pulse. This is called the Fourier limit pulse width.
  • the pulse width of the chirp pulse is longer than the Fourier limit pulse width.
  • the chirp pulse can be compressed to about the Fourier limit pulse width by passing through a device in which the optical path length of each constituting wavelength component is adjusted to a predetermined length.
  • the pulse compression device is generally a device that enables the chirp pulse to be compressed to the Fourier limit pulse width.
  • a pulse compression device By placing a pulse compression device at the final stage of the high-intensity ultrashort pulse laser device, the pulse width of the amplified high-energy chirped pulse is compressed and the pulse width is shortened as much as possible to reduce the peak value of the optical pulse. Can be increased.
  • Such a pulse compression device can also act as a pulse extension device that extends the pulse width of an optical pulse to form a chirp pulse.
  • a pulse width conversion device for converting the pulse width of an optical pulse includes some spectroscopic element as an essential component.
  • the spectroscopic element there are mainly those using dispersion inherent to a substance such as a prism, and those using a diffraction effect by an element structure such as a diffraction grating.
  • a pulse width conversion device including a prism as a spectroscopic element has a small variable range of the pulse width of an optical pulse, and is difficult to apply to the chirped pulse amplification method. Therefore, a pulse width conversion device having a diffraction grating as a spectroscopic element is widely used.
  • FIG. 12 to FIG. 15 are diagrams showing configuration examples of a pulse width conversion device including a diffraction grating as a spectroscopic element.
  • the pulse width conversion device 2A shown in FIG. 12 includes four reflective diffraction gratings 31-34.
  • the input light pulse Pi is diffracted by the reflection type diffraction grating 31 and dispersed, is diffracted by the reflection type diffraction grating 32 to be a parallel light beam, and is diffracted by the reflection type diffraction grating 33 and converged. Then, it is diffracted by the reflection type diffraction grating 34 and combined to be output as an output light pulse Po.
  • the pulse width conversion device 2B shown in FIG. 13 includes four transmission diffraction gratings 21 to 24.
  • the input light pulse Pi is diffracted by the transmissive diffraction grating 21 and dispersed, and is diffracted by the transmissive diffraction grating 22 to become a parallel light beam, and is diffracted by the transmissive diffraction grating 23 and converged. Then, it is diffracted by the transmissive diffraction grating 24 and combined to be output as an output light pulse Po.
  • a configuration of a pulse width conversion device 2A including four reflective diffraction gratings 31 to 34 as shown in FIG. 12 has been mainly used.
  • a transmissive diffraction grating has a thermal advantage due to less light absorption and a price advantage due to the manufacturing process. Yes. Therefore, in recent years, the configuration of the pulse width conversion device 2B including the four transmission diffraction gratings 21 to 24 as shown in FIG. 13 has been used.
  • FIGS. 14 and 15 there is also a configuration of pulse width conversion devices 2C and 2D having two transmission diffraction gratings.
  • the pulse width conversion device 2C shown in FIG. 14 includes two transmission diffraction gratings 21 and 22.
  • the input light pulse Pi is diffracted by the transmissive diffraction grating 21 and dispersed, is diffracted by the transmissive diffraction grating 22 to be a parallel light beam, and the optical path is folded by the right-angle prism 40.
  • the optical pulse whose optical path is folded by the right-angle prism 40 is diffracted and converged by the transmissive diffraction grating 22, diffracted by the transmissive diffraction grating 21, and combined to be output as an output optical pulse Po.
  • the pulse width conversion device 2D shown in FIG. 15 also includes two transmissive diffraction gratings 21 and 22.
  • the input light pulse Pi is diffracted and split by the transmission diffraction grating 21, sequentially reflected by the reflecting mirrors 41 and 42, and diffracted by the transmission diffraction grating 22 to be a parallel light beam.
  • the optical path is folded by the right-angle prism 40.
  • the optical pulse whose optical path is turned back by the right-angle prism 40 is diffracted and converged by the transmissive diffraction grating 22, sequentially reflected by the reflecting mirrors 42 and 41, diffracted by the transmissive diffraction grating 21, and combined to be output light. It is output as a pulse Po.
  • the direction in which the grating of each diffraction grating extends is a direction perpendicular to the paper surface, and the light pulse travels parallel to the paper surface except when the optical path is turned back by the right-angle prism 40.
  • the right-angle prism 40 sequentially reflects the optical pulse by the two reflecting surfaces, thereby translating the optical path of the return optical pulse in the direction perpendicular to the paper surface with respect to the optical path of the forward optical pulse.
  • the pulse width conversion device requires multiple times of light pulse incidence to the spectroscopic element.
  • the number of light pulses incident on the spectroscopic element is four in the smallest case.
  • the pulse width conversion devices 2C and 2D shown in FIGS. 14 and 15 are configured to make the optical pulse incident twice on each diffraction grating. The number of diffraction gratings has been reduced.
  • the pulse width conversion device 2D shown in FIG. 15 can also be configured using a single long diffraction grating in which the diffraction gratings 21 and 22 are integrated.
  • the configuration of the pulse width conversion apparatus as described above requires at least two diffraction gratings or one long diffraction grating.
  • the configuration of the pulse width conversion device 2D shown in FIG. 15 if a long diffraction grating is used, only one diffraction grating is required.
  • the geometry between the input light pulse Pi and the output light pulse Po and the right-angle prism 40 is not limited. Due to general interference, it is difficult to reduce the size. In particular, this problem becomes significant when a diffraction grating having a large diffraction angle is used.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a pulse width conversion device that can be easily miniaturized. It is another object of the present invention to provide an optical amplification system that includes such a pulse width conversion device and can be easily miniaturized.
  • a pulse width conversion device is a pulse width conversion device that generates an output light pulse having a pulse width different from the pulse width of an input light pulse, and (1) an input light pulse input along a first optical path. Is output along the second optical path at an emission angle corresponding to the wavelength, and a light beam input at an incident angle corresponding to the wavelength along the third optical path is output at a constant emission angle along the fourth optical path. The light beam input at a constant incident angle along the fifth optical path is output at the output angle according to the wavelength along the sixth optical path, and the light beam input at the incident angle according to the wavelength along the seventh optical path is combined.
  • a light beam output from the spectroscopic element along the second optical path at an emission angle according to the wavelength is output to the spectroscopic element as a third optical path.
  • a first optical system that is input at an incident angle corresponding to the wavelength along (3) the spectral element A second optical system for inputting a light beam output at a constant emission angle along the fourth optical path from the optical element to the spectroscopic element at a constant incident angle along the fifth optical path; and (4) from the spectroscopic element to the sixth optical path.
  • a third optical system for inputting the light beam output at the emission angle according to the wavelength along the seventh optical path to the spectroscopic element at the incident angle according to the wavelength.
  • the pulse width conversion device is configured such that the incident / exit direction by the combination of the third optical path and the fourth optical path is different from the incident / exit direction by the combination of the first optical path and the second optical path with respect to the incident / exit direction of the light flux in the spectroscopic element.
  • An optical amplification system includes (1) an optical amplification device that optically amplifies an optical pulse, and (2) an optical pulse that is optically amplified by the optical amplification device, and compensates for dispersion of the input optical pulse. And a pulse width converter configured as described above for outputting the optical pulse.
  • the pulse width conversion device or the optical amplification system according to the present invention can be easily downsized.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of a pulse width conversion apparatus 1 according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1A.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the spectral action of the transmissive diffraction grating 20 included in the pulse width conversion device 1A.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1B.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion apparatus 1C.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the pulse width conversion device 1D.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1E.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the pulse width conversion device 1F.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of a pulse width conversion apparatus 1 according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1A.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the pulse width conversion device 1G.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the spectral action of the reflective diffraction grating 30 included in the pulse width converter 1G.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the optical amplification system 3 according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a pulse width conversion device including a reflective diffraction grating as a spectroscopic element.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a pulse width conversion device including a transmission diffraction grating as a spectroscopic element.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of a pulse width conversion device including a transmission diffraction grating as a spectroscopic element.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a pulse width conversion device including a transmission diffraction grating as a spectroscopic element.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of a pulse width conversion apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the pulse width conversion apparatus 1 includes a spectroscopic element 10, a first optical system 11, a second optical system 12, and a third optical system 13.
  • the first optical system 11 and the third optical system 13 may share some or all of the optical components. In FIG. 1, assuming that the first optical system 11 and the third optical system 13 share all the optical components, the first optical system 11 and the third optical system 13 are shown as being common.
  • the spectroscopic element 10 can split a light beam input at a constant incident angle for each wavelength and output light of each wavelength component at an emission angle corresponding to the wavelength. In addition, when the light of each wavelength component is input at an incident angle corresponding to the wavelength, the spectroscopic element 10 can output the light of each wavelength component at a constant emission angle.
  • the spectroscopic element 10 is, for example, a transmission diffraction grating or a reflection diffraction grating.
  • Spectroscopic element 10 outputs an output angle according to the wavelength along a second optical path P 2 by dispersing the input light pulse Pi entered along a first optical path P 1.
  • Spectroscopic element 10 outputs a constant output angle of the light beam along a fourth optical path P 4 entered at an incident angle corresponding to the wavelength along the third optical path P 3.
  • Spectroscopic element 10 outputs an output angle according to the wavelength along the light beam entered at a certain incident angle along a fifth optical path P 5 to the sixth optical path P 6. Further, the spectroscopic device 10 outputs a light beam having entered at an incident angle corresponding to the wavelength along the seventh optical path P 7 as a multiplexed output light pulse Po along the eighth optical path P 8.
  • the spectroscopic element 10 divides the light beam and outputs it along the third optical path P 3 with an emission angle corresponding to the wavelength. can be, also, when the light beam is incident at a certain angle of incidence along the eighth optical path P 8, it is possible to output an output angle according to the wavelength along the seventh optical path P 7 spectrally the light beam .
  • the spectroscopic element 10 has the same spectral characteristics when a light beam is input at a constant incident angle along each of the first optical path P 1 , the fourth optical path P 4 , the fifth optical path P 5, and the eighth optical path P 8. .
  • the first Optical system 11 the light beam that is output at the output angle according to the wavelength of the spectral element 10 along the second optical path P 2, the incident angle according to the wavelength along the third optical path P 3 to the spectroscopic element 10
  • the second optical system 12 a light beam output at a constant output angle from spectroscopic element 10 along the fourth optical path P 4, 5 along the optical path P 5 is input at a constant incident angle to the spectroscopic element 10.
  • the third optical system 13 the light beam outputted at the output angle according to the wavelength along the sixth optical path P 6 from the spectral element 10, corresponding to the wavelengths along the seventh optical path P 7 to the spectroscopic element 10 Input at the incident angle.
  • Respect incident and exit direction of the light beam in the spectral element 10, input-output direction by the third combination of optical path P 3 and the fourth optical path P 4 is different from the first optical path P 1 and the second input-output direction by the combination of the optical path P 2.
  • Respect incident and exit direction of the light beam in the spectral element 10, input-output direction by the combination of the fifth optical path P 5 and the sixth optical path P 6 coincides with the incoming and outgoing direction of the first optical path P 1 and the second combination of optical path P 2 it may be, may be coincident with the incident and exit directions according to the third combination of optical path P 3 and the fourth optical path P 4.
  • input-output direction by the combination of the seventh optical path P 7 and the eighth optical path P 8 is the input-output direction by the first optical path P 1 and the second combination of optical path P 2 may coincide, the third may be coincident with the input-output direction by the combination of the optical path P 3 and the fourth optical path P 4, input-output of the fifth optical path P 5 and combinations of the sixth optical path P 6 It may coincide with the direction.
  • the incident angle when the light beam along a fifth optical path P 5 to the spectral element 10 is input may be equal to the exit angle when the light beam along a fourth optical path P 4 is output from the spectroscopic element 10.
  • a light beam along a third optical path P 3 to the spectroscopic element 10 is input when the light beam along a sixth optical path P 6 is output from the spectroscopic element 10 It is equal to the incident angle of the wavelength component.
  • the fourth optical path P 4 and the fifth optical path P 5 are opposite to each other and the third optical path P 3 and the sixth optical path P 6 are opposite to each other with respect to the light incident / exit direction of the light flux in the spectroscopic element 10. In the case of the direction, these optical paths are set so that the light beams do not overlap each other.
  • each wavelength when the incident angles of the respective wavelength components the light beam is output along the spectral element 10 to the second optical path P 2 when the light beam along a seventh optical path P 7 to the spectroscopic element 10 is input It may be equal to the emission angle of the component.
  • the exit angle at which the output light pulse Po along the eighth optical path P 8 is output from the spectroscopic element 10, when the input light pulse Pi is input along the first optical path P 1 to the spectroscopic element 10 Is equal to the incident angle.
  • the input light pulse Pi is input at a constant incident angle along the first optical path P 1 to the spectroscopic element 10. is separated into each wavelength by the spectral element 10.
  • the light of each wavelength component dispersed by the spectroscopic element 10 is output from the spectroscopic element 10 along the second optical path P 2 at an emission angle corresponding to the wavelength, and passes through the first optical system 11 to the spectroscopic element 10.
  • 3 is entered at an incident angle corresponding to the wavelength along the optical path P 3, are output at a constant output angle from spectroscopic element 10 along the fourth optical path P 4.
  • Light of each wavelength component output from the spectroscopic element 10 along the fourth optical path P 4 while a certain output angle is output from a position corresponding to the wavelength of the spectral element 10 are spatially separated ing.
  • Light entered at an incident angle corresponding to the wavelength along the seventh optical path P 7 to the spectroscopic element 10 can be combined by the spectroscopic element 10, the output light pulse Po from the spectroscopic element 10 along the eighth optical path P 8 Is output as
  • the fifth optical path P 5 , the sixth optical path P 6 , the seventh optical path P 7 and the eighth optical path P 8 are relative to the first optical path P 1 , the second optical path P 2 , the third optical path P 3 and the fourth optical path P 4. May be in the opposite direction.
  • Output light pulse Po output from the spectroscopic element 10 along the eighth optical path P 8 is output angle irrespective of the wavelength is constant, the principal rays of the respective wavelength components are matched.
  • the pulse width conversion device 1 according to the present embodiment can output an output optical pulse Po by applying second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input optical pulse Pi. That is, the pulse width conversion device 1 according to the present embodiment can generate the output light pulse Po having a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1A.
  • the pulse width conversion device 1A shown in this figure includes a transmissive diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13. Reflecting mirrors 41 to 43 are provided as respective constituent elements.
  • the transmissive diffraction grating 20 splits the light Pi 1 incident from the first side at a constant incident angle, and outputs each wavelength component to the second side at an emission angle corresponding to the wavelength.
  • the light Po 1 can be output, and the light Pi 2 incident at a constant incident angle from the second side is dispersed, and light of each wavelength component is emitted to the first side according to the wavelength. Po 2 can be output.
  • the transmission type diffraction grating 20 can take a Littrow arrangement in which the incident angle and the outgoing angle (diffraction angle) are equal to each other.
  • the direction in which the grating of the transmissive diffraction grating 20 extends is a direction perpendicular to the paper surface, and the light pulse travels parallel to the paper surface except when the optical path is turned by the right-angle prism 40.
  • the right-angle prism 40 sequentially reflects the optical pulse by the two reflecting surfaces, thereby translating the optical path of the return optical pulse in the direction perpendicular to the paper surface with respect to the optical path of the forward optical pulse.
  • a reflection reducing film is preferably formed on the light incident / exit surface of the right-angle prism 40. The same applies to the drawings described below.
  • the input light pulse Pi is input to the transmission diffraction grating 20 at a constant incident angle and is split by the transmission diffraction grating 20 for each wavelength.
  • the light of each wavelength component dispersed by the transmissive diffraction grating 20 is output from the transmissive diffraction grating 20 at an emission angle corresponding to the wavelength, and is sequentially reflected by the reflecting mirrors 41, 42, and 43, and then transmitted.
  • the light is input to the diffraction grating 20 at an incident angle corresponding to the wavelength, and is output from the transmission diffraction grating 20 at a constant emission angle.
  • the light of each wavelength component output from the transmissive diffraction grating 20 is output from a position corresponding to the wavelength on the transmissive diffraction grating 20 and is spatially separated although it has a constant emission angle.
  • each wavelength component output from the transmissive diffraction grating 20 at a constant emission angle is folded back by the right-angle prism 40 and input to the transmissive diffraction grating 20 at a constant incident angle.
  • Light input to the transmissive diffraction grating 20 at an incident angle corresponding to the wavelength is combined by the transmissive diffraction grating 20 and output from the transmissive diffraction grating 20 as an output light pulse Po.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components coincide.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • Such a pulse width conversion apparatus 1A is suitably used as a pulse compression apparatus that compresses the pulse width of an optical pulse in the final stage of a high-intensity ultrashort pulse laser apparatus.
  • the high-intensity ultrashort pulse laser device is configured to optically amplify an optical pulse using the chirp pulse amplification method described above.
  • a pulse width conversion device 1A Compressed the pulse width.
  • the transmission type diffraction grating 20 has a configuration in which the number of engraved lines is 1370 / mm and light having a wavelength of 1030 nm incident at an incident angle of 45 ° is emitted at a diffraction angle of 45 °.
  • the optical path length from the reflecting mirror 41 to the reflecting mirror 43 via the reflecting mirror 42 was set to 30 cm.
  • the pulse width of the output optical pulse was 1 ps.
  • the pulse width conversion device 1A the pulse width could be actually compressed from 30 ps to 1 ps.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1B.
  • the pulse width conversion device 1B shown in this figure includes a transmission diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13.
  • a reflecting mirror 41, a right-angle prism 44, and a movable stage 45 are provided as respective constituent elements.
  • the pulse width conversion device 1B shown in FIG. 4 is different in that it includes a right-angle prism 44 instead of the reflecting mirrors 42 and 43.
  • the difference is that a movable stage 45 is further provided.
  • the right-angle prism 44 changes the traveling direction of the light pulse in each of the forward path and the return path by sequentially reflecting the light pulse by the two reflecting surfaces.
  • a reflection reducing film is preferably formed on the light incident / exit surface of the right-angle prism 44.
  • the movable stage 45 translates the right-angle prism 44 so that the optical path from the light output from the transmissive diffraction grating 20 to the light input to the transmissive diffraction grating 20 in each of the first optical system 11 and the third optical system 13. Acts as an optical path length adjusting section for adjusting the length.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components coincide.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • this pulse width conversion device 1B since the movable stage 45 as an optical path length adjusting unit is provided, the light output from the transmission diffraction grating 20 in each of the first optical system 11 and the third optical system 13 is provided. The optical path length to the light input to the transmissive diffraction grating 20 is adjusted. Thereby, the amount of dispersion in the frequency domain applied to the input light pulse Pi is adjusted, and the amount of compression or expansion of the pulse width of the output light pulse Po with respect to the input light pulse Pi is adjusted.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1C.
  • the pulse width conversion device 1C shown in this figure includes a transmissive diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13.
  • Reflecting mirrors 41 and 43 and functionalized blocks 46 are provided as the respective constituent elements.
  • the pulse width conversion device 1C shown in FIG. 5 is different in that a functional block 46 is provided instead of the reflecting mirror 42.
  • the functionalization block 46 inputs light that has reached the incident / exit surface 46a from the reflecting mirror 41, totally reflects the light multiple times on the inner wall surface, and then outputs the light from the incident / exit surface 46b to the reflecting mirror 43. .
  • the functionalized block 46 inputs the light that has reached the incident / exit surface 46b from the reflecting mirror 43, totally reflects the light multiple times on the inner wall surface, and then passes from the incident / exit surface 46a to the reflecting mirror 41.
  • the functionalized block 46 is preferably made of a material having a high transmittance at the wavelength of input light, and is made of, for example, quartz glass. It is preferable that a reflection reducing film is formed on the incident / exit surfaces 46 a and 46 b of the functionalized block 46.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components coincide.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • the functionalized block 46 is provided in each of the first optical system 11 and the third optical system 13, and thus the first optical system 11 despite a small installation area.
  • the optical path length from the light output from the transmissive diffraction grating 20 to the light input to the transmissive diffraction grating 20 can be increased.
  • the amount of dispersion in the frequency domain applied to the input light pulse Pi can be increased, and the amount of compression or extension of the pulse width of the output light pulse Po with respect to the input light pulse Pi can be increased.
  • the light beam incident on the functionalized block 46 having an installation area of 5 cm ⁇ 4.4 cm circulate about three and a half times by total internal reflection, the light can be emitted after being propagated by a distance of 50 cm. is there.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1D.
  • the pulse width conversion device 1D shown in this figure includes a transmission diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13.
  • a functionalized block 47 is provided as each component.
  • the pulse width conversion device 1D shown in FIG. 6 is different in that a functional block 47 is provided instead of the reflecting mirrors 41 to 43.
  • the functionalization block 47 inputs the light reaching the incident / exit surface 47a from the transmissive diffraction grating 20 and totally reflects the light a plurality of times on the inner wall surface, and then transmits the light from the incident / exit surface 47b to the transmissive diffraction grating 47b. 20 output. Further, the functionalization block 47 inputs the light reaching the incident / exit surface 47b from the transmissive diffraction grating 20 and totally reflects the light several times on the inner wall surface, and then transmits the light from the incident / exit surface 47a. Output to the diffraction grating 20.
  • the functionalized block 47 is preferably made of a material having a high transmittance at the wavelength of input light, and is made of, for example, quartz glass. It is preferable that a reflection reducing film is formed on the incident / exit surfaces 47 a and 47 b of the functionalized block 47.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components match.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • the functional block 47 is provided in each of the first optical system 11 and the third optical system 13, so that the first optical system 11 despite the small installation area.
  • the optical path length from the light output from the transmissive diffraction grating 20 to the light input to the transmissive diffraction grating 20 can be increased.
  • the amount of dispersion in the frequency domain applied to the input light pulse Pi can be increased, and the amount of compression or extension of the pulse width of the output light pulse Po with respect to the input light pulse Pi can be increased. .
  • the pulse width conversion device 1D can be easily downsized and handled easily because the first optical system 11 and the third optical system 13 are integrated.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1E.
  • the pulse width conversion device 1E shown in this figure includes a transmissive diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13.
  • a functionalization block 48 is provided as each component.
  • the pulse width conversion device 1E shown in FIG. 7 is different in that a functional block 48 is provided instead of the reflecting mirrors 41 to 43.
  • the functionalized block 48 is joined to the transmissive diffraction grating 20 by optical contact, and is integrated with the transmissive diffraction grating 20.
  • the functionalization block 48 inputs the light output from the transmissive diffraction grating 20 into the interior, totally reflects the light a plurality of times on the inner wall surface, and then outputs the light to the transmissive diffraction grating 20.
  • the functionalization block 48 is preferably made of a material having a high transmittance at the wavelength of the input light, for example, quartz glass. When the incident angle of the light beam is equal to or smaller than the total reflection angle upon reflection on the inner wall surface of the functionalized block 48, it is preferable that an appropriate reflection film is formed on the target surface.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components coincide.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • the functional block 48 is provided in each of the first optical system 11 and the third optical system 13, so that the first optical system 11 is small in spite of a small installation area.
  • the optical path length from the light output from the transmissive diffraction grating 20 to the light input to the transmissive diffraction grating 20 can be increased.
  • the amount of dispersion in the frequency domain applied to the input light pulse Pi can be increased, and the amount of compression or extension of the pulse width of the output light pulse Po with respect to the input light pulse Pi can be increased. .
  • the pulse width conversion device 1E can be easily downsized because the spectroscopic element 10 (transmission diffraction grating 20), the first optical system 11 and the third optical system 13 are integrated. It is easy to handle.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1F.
  • the pulse width conversion device 1F shown in this figure includes a transmissive diffraction grating 20 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 and a prism 49 as components of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system.
  • a functional block 48 is provided as a component of each optical system 13.
  • the pulse width conversion device 1F shown in FIG. 8 is different in that it further includes a prism 49.
  • the prism 49 is joined to the transmissive diffraction grating 20 by optical contact, and is also joined to the right-angle prism 40 by optical contact.
  • the prism 49 is preferably made of a material having a high transmittance at the wavelength of input light, for example, quartz glass. Thereby, even if the reflection reducing film on the incident / exit surface of the right-angle prism 40 is omitted, the operation can be suitably performed. However, it is preferable that a reflection reducing film is formed on the input and output surfaces of the input light pulse Pi and the output light pulse Po in the right-angle prism 49.
  • the output light pulse Po output from the transmissive diffraction grating 20 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components match.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • the functional block 48 is provided in each of the first optical system 11 and the third optical system 13, so that the first optical system 11 despite the small installation area.
  • the optical path length from the light output from the transmissive diffraction grating 20 to the light input to the transmissive diffraction grating 20 can be increased.
  • the amount of dispersion in the frequency domain applied to the input light pulse Pi can be increased, and the amount of compression or extension of the pulse width of the output light pulse Po with respect to the input light pulse Pi can be increased. .
  • the pulse width conversion device 1E is miniaturized by integrating the spectroscopic element 10 (transmission diffraction grating 20), the first optical system 11, the second optical system 12, and the third optical system 13. It is easy and easy to handle.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the pulse width conversion device 1G.
  • the pulse width conversion device 1G shown in this figure includes a reflective diffraction grating 30 as a spectroscopic element 10, a right-angle prism 40 as a component of the second optical system 12, and a first optical system 11 and a third optical system 13. Reflecting mirrors 41 to 43 are provided as respective constituent elements.
  • the pulse width conversion device 1G shown in FIG. 9 is different in that a reflection type diffraction grating 30 is provided instead of the transmission type diffraction grating 20.
  • the reflective diffraction grating 30 splits the light Pi 1 incident at a constant incident angle from the first side, and outputs each wavelength component to the first side at an emission angle corresponding to the wavelength.
  • light Po 1 can output also the light Pi 2 incident at a certain incident angle from the second side (in the direction of incidence and symmetrical relationship of the light Pi 1 with respect to the normal line of the diffraction surface)
  • the light Po 2 of each wavelength component can be output to the second side at an emission angle corresponding to the wavelength.
  • the center wavelength of light is 1030 nm. It is assumed that the number of engraved lines of the reflective diffraction grating 30 is 1250 / mm.
  • the reflection type diffraction grating 30 cannot take a Littrow arrangement in which the incident angle and the outgoing angle (diffraction angle) are equal to each other.
  • the input light pulse Pi is input to the reflective diffraction grating 30 at a constant incident angle, and is split by the reflective diffraction grating 30 for each wavelength.
  • the light of each wavelength component dispersed by the reflection type diffraction grating 30 is output from the reflection type diffraction grating 30 at an emission angle corresponding to the wavelength, and is sequentially reflected by the reflection mirrors 41, 42, and 43, and then the reflection type.
  • the light is input to the diffraction grating 30 at an incident angle corresponding to the wavelength, and is output from the reflective diffraction grating 30 at a constant emission angle.
  • the light of each wavelength component output from the reflection type diffraction grating 30 is output from a position corresponding to the wavelength on the reflection type diffraction grating 30 and is spatially separated although it has a constant emission angle.
  • each wavelength component output from the reflection type diffraction grating 30 at a constant emission angle is folded back by the right-angle prism 40 and input to the reflection type diffraction grating 30 at a constant incident angle.
  • Light input to the reflective diffraction grating 30 at an incident angle corresponding to the wavelength is combined by the reflective diffraction grating 30 and output from the reflective diffraction grating 30 as an output light pulse Po.
  • the output light pulse Po output from the reflective diffraction grating 30 has a constant emission angle regardless of the wavelength, and the principal rays of the respective wavelength components coincide.
  • the output light pulse Po is obtained by adding second-order or higher-order dispersion in the frequency domain to the input light pulse Pi, and has a pulse width different from the pulse width of the input light pulse Pi.
  • An optical amplification system includes an optical amplification device that optically amplifies an optical pulse, a pulse width conversion device that compresses the pulse width of the optical pulse optically amplified by the optical amplification device, and outputs the optical pulse.
  • an ultrashort pulse laser light source a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), or the like is also provided with a pulse width conversion device. Since the pulse width conversion devices 1 and 1A to 1G according to the present embodiment can be easily miniaturized, it is useful to use the device as a device that compensates for dispersion of ultrashort pulse laser light. In particular, application to an ultrashort pulse fiber laser device as shown in FIG. 11 is effective.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the optical amplification system 3 according to the present embodiment.
  • the optical amplification system 3 shown in this figure includes a pump LD 50, an LD light guide fiber 51, an optical coupler 52, a Yb-doped optical fiber 53, a collimator lens 54, a ⁇ / 4 plate 55, a ⁇ / 2 plate 56, and a polarization beam splitter 57.
  • a device 1F is provided.
  • the optical amplification system 3 oscillates a mode-locked pulse by exciting the Yb-doped optical fiber 53 with the pumping light output from a pumping LD (Laser Diode) 50.
  • the front end face of the excitation LD 50 and the LD light guide fiber 51 are optically coupled to each other.
  • the LD light guide fiber 51 is 3.2 m in length and has a fiber Bragg grating structure.
  • An external resonator is formed by the Bragg grating of the LD light guide fiber 51 and the rear end face of the excitation LD 50, and excitation light having a wavelength of 976 nm corresponding to the period of the Bragg grating is output as a continuous wave at 400 mW.
  • This excitation light is supplied to the single-mode Yb-doped optical fiber 53 having a length of 0.8 m through the optical coupler 52 and excites the added Yb ions.
  • emitted light is generated in the Yb-doped optical fiber 53.
  • This emitted light is emitted from the Yb-doped optical fiber 53, and then extracted to the space as collimated light by the collimating lens 54, converted into a predetermined polarization state by the ⁇ / 4 plate 55 and the ⁇ / 2 plate 56, and polarized.
  • the light enters the beam splitter 57.
  • a part of the light incident on the polarization beam splitter 57 is reflected by the polarization beam splitter 57 and branched and extracted.
  • the light that has passed through the polarization beam splitter 57 and stayed in the optical resonator passes through a Faraday isolator formed by the Faraday rotator 58, the ⁇ / 2 plate 59, and the polarization beam splitter 60, and then is transmitted by the pulse width conversion device 1F. Pulse width is converted.
  • the light output after the pulse width is converted by the pulse width conversion device 1F is reflected by the reflecting mirror 61, converted to a predetermined polarization state by the ⁇ / 4 plate 62, condensed by the condenser lens 63, and long.
  • the light is incident on a single-mode optical fiber 64 having a length of 1.2 m.
  • the light incident on the single mode optical fiber 64 is input to the Yb-doped optical fiber 53 through the optical coupler 52.
  • the optical amplification system 3 includes a ring-type optical resonator, causes stimulated emission in the Yb-doped optical fiber 53 in the optical resonator, and generates the stimulated emission light. A part is output from the polarization beam splitter 57 to the outside.
  • the optical amplification system 3 according to the present embodiment also includes the pulse width conversion device (particularly the pulse width conversion device 1F) according to the present embodiment in the optical resonator.
  • the optical amplification system 3 in order to realize mode-locked oscillation, it is necessary to adjust the dispersion of the laser resonator.
  • an element for compensating for such a large dispersion is required.
  • all optical materials having high transmittance exhibit positive dispersion. Therefore, when an ultrashort optical pulse having a wavelength of 1300 nm or less is generated by a fiber laser, a specially designed negative dispersion An optical system is required.
  • the optical amplification system 3 includes the pulse width conversion device (particularly the pulse width conversion device 1F) according to the present embodiment as a negative dispersion optical system in the optical resonator.
  • the pulse width conversion device 1F can be designed using ordinary diffractive optics, and can respond to changes in conditions by changing the size of the functionalized block 48, for example, and can be miniaturized. It is inexpensive and can be easily adjusted for incident light.
  • the pulse width conversion device 1F is small enough to fit within a centimeter and the size ratio of the entire optical amplification system 3 does not become a problem.
  • the optical amplifying system 3 can emit an optical pulse having a wavelength band of 1010 nm to 1050 nm and a pulse width of 1.3 ps with an average output of 130 mW and a repetition of 40 MHz by a mode lock operation.
  • the outgoing light from the polarization beam splitter 57 is a positively chirped pulse, the outgoing light shortened to 50 fs by compressing the pulse width of this outgoing light by the pulse width conversion device according to this embodiment. Can be obtained.
  • the pulse width conversion apparatus can achieve the following effects. Compared with the conventional one, the pulse width conversion device according to the present embodiment can reduce the required number of diffraction gratings, and can reduce the size of the diffraction gratings.
  • the optical path is folded back by the right-angle prism 40, a large number of portions where the optical path is close and parallel appear, so that the size is reduced due to the geometric interference of the optical element. Difficult to do.
  • the adjacent optical paths are not parallel in the pulse width conversion device according to the present embodiment, the geometric interference between the optical element and the mount is alleviated.
  • the installation area required for configuring the pulse width conversion device can be reduced. Thereby, a compact arrangement of the pulse width conversion device can be realized.
  • the pulse width converter is inevitable to be placed in the final stage of the high-intensity ultrashort pulse laser device in some form. Therefore, the miniaturization of the pulse width conversion device can contribute to the miniaturization of the entire high-intensity ultrashort pulse laser device.
  • a mechanism for changing the optical axis length of the dispersed part is required.
  • a plurality of incident angles of light to the diffraction grating are used, a plurality of directions of the optical path length changing mechanism can be selected, and the degree of freedom in design is increased.
  • the pulse width conversion device may use either a transmissive diffraction grating or a reflective diffraction grating.
  • a transmissive diffraction grating when used, the following effects can be achieved. .
  • the transmission diffraction grating has a configuration in which the incident angle (angle formed by the incident light and the normal line of the diffraction grating surface) and the diffraction angle (angle formed by the normal line of the diffraction grating surface) are equal to each other ( (Littrow arrangement).
  • the reflection type diffraction grating has the optical paths of the incident light and the diffracted light overlapping each other, so that the Littrow arrangement becomes impossible. Therefore, in general, a transmission diffraction grating can be designed to have higher diffraction efficiency than a reflection diffraction grating.
  • a transmissive diffraction grating having a diffraction efficiency of 96% can be manufactured for light having a wavelength of 1030 nm.
  • the diffraction efficiency of a metal-evaporation type reflection type diffraction grating is about 92%, which is a typical value of a high-quality element on the market.
  • the light use efficiency of the entire pulse width conversion device is proportional to the fourth power of the diffraction efficiency. If the 96% and 92% are raised to the fourth power, 85% and 72% are obtained. From this, it can be seen that the configuration using the transmission diffraction grating is more effective.
  • a part of the component that is not diffracted (light loss) is absorbed by the metal deposition surface of the diffraction grating, which causes heat generation.
  • This heat generation becomes a serious problem when used in a pulse width converter of a high repetition ultrashort pulse laser amplifier having a large average output.
  • a reflective diffraction grating that is available at a general price and is normally used has a large thermal effect because the underlying surface of the metal vapor deposition film is made of resin. The thermal influence causes the distortion of the diffraction surface, leading to a decrease in the quality of the laser light, such as a decrease in diffraction efficiency and a wavefront distortion of the diffracted light.
  • the transmission diffraction grating suppresses heat generation of the substrate.
  • a substrate made of all quartz glass is also available at a low cost, and the distortion of the substrate with respect to heat generation is small.
  • Quartz glass transmissive diffraction grating has a damage threshold several orders of magnitude higher than metal-deposited reflective diffraction grating. Therefore, when a transmission type diffraction grating is used, an effective pulse width conversion device can be configured for one having a large peak output (peak power) of emitted light from an ultrashort pulse laser amplifier.
  • the transmission diffraction grating can set an optical path in the space on both sides of the substrate.
  • the reflective diffraction grating can use only one space with respect to the substrate. For this reason, when an actual optical system is configured using a reflection type diffraction grating, downsizing of the system is limited due to geometric interference between optical elements and mounts. In order to reduce the size of the pulse width conversion apparatus according to the present embodiment, it is more effective to use a transmission diffraction grating. Furthermore, if the damage threshold value of the transmission diffraction grating made of quartz glass is used, the cross section of the laser beam incident on the pulse width converter can be reduced. Therefore, since a small optical element can be selected, further downsizing of the system can be further promoted.
  • the pulse width conversion device and the optical amplification system according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the pulse width conversion device is a pulse width conversion device that generates an output light pulse having a pulse width different from the pulse width of the input light pulse, and (1) the input light pulse input along the first optical path. Is output along the second optical path at an emission angle corresponding to the wavelength, and a light beam input at an incident angle corresponding to the wavelength along the third optical path is output at a constant emission angle along the fourth optical path. The light beam input at a constant incident angle along the fifth optical path is output at the output angle according to the wavelength along the sixth optical path, and the light beam input at the incident angle according to the wavelength along the seventh optical path is combined.
  • a light beam output from the spectroscopic element along the second optical path at an emission angle according to the wavelength is output to the spectroscopic element as a third optical path.
  • a configuration is used that includes a third optical system that inputs a light beam output at an emission angle according to the wavelength along the optical path to the spectroscopic element at an incident angle according to the wavelength along the seventh optical path.
  • the incident / exit direction by the combination of the third optical path and the fourth optical path is the input / output direction by the combination of the first optical path and the second optical path with respect to the incident / exit direction of the light flux in the spectroscopic element.
  • a different configuration is used.
  • the spectroscopic element is preferably a transmission diffraction grating. It is also preferable that the spectroscopic element is a reflective diffraction grating.
  • the first optical system and the third optical system are integrated. Further, it is preferable that the spectroscopic element, the first optical system, and the third optical system are integrated. Moreover, it is preferable that the spectroscopic element, the first optical system, the second optical system, and the third optical system are integrated.
  • the first optical system and / or the third optical system adjust the optical path length from the light output from the spectroscopic element to the light input to the spectroscopic element. Is preferably included.
  • the incident angle when the light beam is input to the spectroscopic element along the fifth optical path is when the light beam is output from the spectroscopic element along the fourth optical path. It is preferable to be equal to the emission angle.
  • an optical amplification device that optically amplifies an optical pulse
  • an optical pulse that is optically amplified by the optical amplification device is input, and dispersion of the input optical pulse is compensated.
  • a pulse width conversion device configured as described above for outputting the optical pulse.
  • the present invention can be used as a pulse width conversion device that can be easily reduced in size and an optical amplification system that includes such a pulse width conversion device and that can be easily reduced in size.
  • Yb-doped optical fiber 54 ... collimator lens, 55 ... ⁇ / 4 plate, 56 ... ⁇ / 2 plate, 57 ... polarizing beam splitter, 58 ... Faraday rotator, 59 ... ⁇ / 2 plate, 60 ... polarizing beam splitter, 61 ... reflecting mirror, 62 ... ⁇ / 4 plate, 63 ... condensing lens, 64 ... single mode optical fiber, P 1 ... first optical path, P 2 ... second optical path, P 3 Third optical path, P 4 ... fourth optical path, P 5 ... fifth optical path, P 6 ... sixth optical path, P 7 ... seventh optical path, P 8 ... eighth optical path, Pi ... input light pulse, Po ... output optical pulse .

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Abstract

　透過型回折格子２０へ一定の入射角で入力された入力光パルスＰｉは、波長毎に分光されて当該波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４１，４２，４３により順次に反射された後、透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力されて、透過型回折格子２０から一定の出射角で出力される。透過型回折格子２０から一定の出射角で出力された各波長成分の光は、直角プリズム４０により光路が折り返され、透過型回折格子２０へ一定の入射角で入力されて波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４３，４２，４１により順次に反射された後、透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力される。透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力された光は、透過型回折格子２０により合波されて出力光パルスＰｏとして出力される。これにより、小型化が容易なパルス幅変換装置、及び光増幅システムが実現される。

Description

パルス幅変換装置および光増幅システム
　本発明は、入力光パルスのパルス幅と異なるパルス幅を有する出力光パルスを生成するパルス幅変換装置、ならびに、光増幅装置およびパルス幅変換装置を備える光増幅システムに関するものである。
　高強度超短パルスレーザ装置を安定に動作させるためには、非特許文献１に記載されているように、光増幅前にパルス幅変換装置（パルス伸展装置）により光パルスのパルス幅を伸展してチャープパルスとし、光増幅装置内においては光パルスの瞬時的な強度を低く抑え、光増幅後にパルス幅変換装置（パルス圧縮装置）により光パルスのパルス幅を圧縮して光パルスの尖頭値（ピーク値）を大きくすることが重要である。このような手法はチャープパルス増幅法と呼ばれている。
　チャープパルスとは、光パルスに含まれる各波長成分によって到達時間が異なるという特性を有する光パルスのことである。光パルスを構成する波長帯域の帯域幅によって、その光パルスのパルス幅の下限が決まる。これはフーリエ限界パルス幅とよばれる。チャープパルスのパルス幅は、フーリエ限界パルス幅に比べて長い。しかし、チャープパルスは、構成する各波長成分の光路長を所定の長さに調整した装置を通過させることで、フーリエ限界パルス幅程度までパルス幅を圧縮することが可能である。
　パルス圧縮装置は、一般に、上記チャープパルスをフーリエ限界パルス幅程度まで圧縮することを可能とする装置である。高強度超短パルスレーザ装置の最終段にパルス圧縮装置を配置することで、増幅された高エネルギーチャープパルスのパルス幅を圧縮し、パルス幅を可能な限り短くすることで光パルスの尖頭値を大きくすることができる。ここで、調整次第では、フーリエ限界パルス幅より長い時間幅を有する光パルスを出力することも可能である。
　一方、このようなパルス圧縮装置は、光パルスのパルス幅を伸展してチャープパルスとするパルス伸展装置としても作用することができる。このような光パルスのパルス幅を変換するパルス幅変換装置（パルス圧縮装置、パルス伸展装置）は、何らかの分光素子を必須の構成要素として備える。分光素子としては、プリズムなど物質に固有の分散を利用するものや、回折格子など素子構造による回折効果を利用するものが主にある。
　分光素子としてプリズムを備えるパルス幅変換装置は、光パルスのパルス幅の可変範囲が小さく、チャープパルス増幅法に適用することは困難である。そこで、分光素子として回折格子を備えるパルス幅変換装置が広く用いられている。図１２～図１５は、分光素子として回折格子を備えるパルス幅変換装置の構成例を示す図である。
　図１２に示されるパルス幅変換装置２Ａは、４個の反射型回折格子３１～３４を備える。このパルス幅変換装置２Ａでは、入力光パルスＰｉは、反射型回折格子３１により回折されて分光され、反射型回折格子３２により回折されて平行光束とされ、反射型回折格子３３により回折されて収斂され、反射型回折格子３４により回折されて合波され出力光パルスＰｏとして出力される。
　図１３に示されるパルス幅変換装置２Ｂは、４個の透過型回折格子２１～２４を備える。このパルス幅変換装置２Ｂでは、入力光パルスＰｉは、透過型回折格子２１により回折されて分光され、透過型回折格子２２により回折されて平行光束とされ、透過型回折格子２３により回折されて収斂され、透過型回折格子２４により回折されて合波され出力光パルスＰｏとして出力される。
　従来では、主に、図１２に示されるような４個の反射型回折格子３１～３４を備えるパルス幅変換装置２Ａの構成が用いられてきた。しかし、反射型回折格子と比較して、透過型回折格子は、光吸収が少ないことに起因する熱的な優位性を有し、また、製造工程に起因する価格的な優位性を有している。このことから、近年では、図１３に示されるような４個の透過型回折格子２１～２４を備えるパルス幅変換装置２Ｂの構成が用いられてきている。また、図１４，図１５に示されるように、２個の透過型回折格子を備えるパルス幅変換装置２Ｃ，２Ｄの構成もある。
　図１４に示されるパルス幅変換装置２Ｃは、２個の透過型回折格子２１，２２を備える。このパルス幅変換装置２Ｃでは、入力光パルスＰｉは、透過型回折格子２１により回折されて分光され、透過型回折格子２２により回折されて平行光束とされ、直角プリズム４０により光路が折り返される。直角プリズム４０により光路が折り返された光パルスは、透過型回折格子２２により回折されて収斂され、透過型回折格子２１により回折されて合波され出力光パルスＰｏとして出力される。
　図１５に示されるパルス幅変換装置２Ｄも、２個の透過型回折格子２１，２２を備える。このパルス幅変換装置２Ｄでは、入力光パルスＰｉは、透過型回折格子２１により回折されて分光され、反射鏡４１，４２により順次に反射され、透過型回折格子２２により回折されて平行光束とされ、直角プリズム４０により光路が折り返される。直角プリズム４０により光路が折り返された光パルスは、透過型回折格子２２により回折されて収斂され、反射鏡４２，４１により順次に反射され、透過型回折格子２１により回折されて合波され出力光パルスＰｏとして出力される。
　図１２～図１５において、各回折格子の格子が延在する方向は紙面に垂直な方向であり、直角プリズム４０による光路折り返しのときを除いて光パルスは紙面に平行に進む。直角プリズム４０は、２つの反射面により順次に光パルスを反射させることで、往路の光パルスの光路に対して復路の光パルスの光路を紙面に垂直な方向に平行移動させる。
　図１２～図１５に示されるように、一般に、パルス幅変換装置は、分光素子への複数回の光パルス入射を必要とする。分光素子への光パルス入射回数は最も少ない場合で４回である。図１２，図１３に示されるパルス幅変換装置２Ａ，２Ｂに対し、図１４，図１５に示されるパルス幅変換装置２Ｃ，２Ｄは、各々の回折格子に光パルスを２回入射させることにして、回折格子の個数を削減している。また、図１５に示されるパルス幅変換装置２Ｄは、回折格子２１，２２を一体化した長尺の１個の回折格子を用いて構成することもできる。
Xiangyu Zhou, et al., "Generation of 28-fs pulses from a mode-locked ytterbium fiber oscillator", OPTICS EXPRESS, Vol.16, No.10, pp.7055-7059 (2008)
　しかしながら、上記のようなパルス幅変換装置の構成では、少なくとも２個の回折格子または長尺の１個の回折格子が必要である。図１５に示されるパルス幅変換装置２Ｄの構成では、長尺の回折格子を用いれば回折格子が１個でよいものの、入力光パルスＰｉおよび出力光パルスＰｏと直角プリズム４０との間の幾何学的な干渉に因り、小型化が困難である。特に、回折角が大きい回折格子を用いるとき、この問題が顕著となる。
　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、小型化が容易なパルス幅変換装置を提供することを目的とする。また、このようなパルス幅変換装置を備えて小型化が容易な光増幅システムを提供することを目的とする。
　本発明に係るパルス幅変換装置は、入力光パルスのパルス幅と異なるパルス幅を有する出力光パルスを生成するパルス幅変換装置であって、（１）第１光路に沿って入力した入力光パルスを分光して第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を第４光路に沿って一定の出射角で出力し、第５光路に沿って一定の入射角で入力した光束を第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を合波して第８光路に沿って出力光パルスとして出力する分光素子と、（２）分光素子から第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子へ第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第１光学系と、（３）分光素子から第４光路に沿って一定の出射角で出力された光束を、分光素子へ第５光路に沿って一定の入射角で入力させる第２光学系と、（４）分光素子から第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子へ第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第３光学系と、を備えることを特徴とする。
　さらに、パルス幅変換装置は、分光素子における光束の入出射方向に関して、第３光路および第４光路の組み合わせによる入出射方向が、第１光路および第２光路の組み合わせによる入出射方向と異なることを特徴とする。
　本発明に係る光増幅システムは、（１）光パルスを光増幅する光増幅装置と、（２）光増幅装置により光増幅された光パルスを入力し、その入力した光パルスの分散を補償して該光パルスを出力する上記構成のパルス幅変換装置と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係るパルス幅変換装置または光増幅システムは小型化が容易である。
図１は、本実施形態に係るパルス幅変換装置１の構成を概念的に示す図である。 図２は、パルス幅変換装置１Ａの構成を示す図である。 図３は、パルス幅変換装置１Ａに含まれる透過型回折格子２０の分光作用を説明する図である。 図４は、パルス幅変換装置１Ｂの構成を示す図である。 図５は、パルス幅変換装置１Ｃの構成を示す図である。 図６は、パルス幅変換装置１Ｄの構成を示す図である。 図７は、パルス幅変換装置１Ｅの構成を示す図である。 図８は、パルス幅変換装置１Ｆの構成を示す図である。 図９は、パルス幅変換装置１Ｇの構成を示す図である。 図１０は、パルス幅変換装置１Ｇに含まれる反射型回折格子３０の分光作用を説明する図である。 図１１は、本実施形態に係る光増幅システム３の構成を示す図である。 図１２は、分光素子として反射型回折格子を備えるパルス幅変換装置の構成例を示す図である。 図１３は、分光素子として透過型回折格子を備えるパルス幅変換装置の構成例を示す図である。 図１４は、分光素子として透過型回折格子を備えるパルス幅変換装置の構成例を示す図である。 図１５は、分光素子として透過型回折格子を備えるパルス幅変換装置の構成例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本実施形態に係るパルス幅変換装置１の構成を概念的に示す図である。本実施形態に係るパルス幅変換装置１は、分光素子１０，第１光学系１１，第２光学系１２および第３光学系１３を備える。なお、第１光学系１１と第３光学系１３とは一部また全部の光学部品を共有していてもよい。図１では、第１光学系１１と第３光学系１３とが全部の光学部品を共有するとして、第１光学系１１と第３光学系１３とを共通のものとして表している。
　分光素子１０は、一定の入射角で入力した光束を波長毎に分光して、各波長成分の光を当該波長に応じた出射角で出力することができる。また、分光素子１０は、各波長成分の光を当該波長に応じた入射角で入力すると、これら各波長成分の光を一定の出射角で出力することができる。分光素子１０は例えば透過型回折格子または反射型回折格子である。
　分光素子１０は、第１光路Ｐ１に沿って入力した入力光パルスＰｉを分光して第２光路Ｐ２に沿って波長に応じた出射角で出力する。分光素子１０は、第３光路Ｐ３に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を第４光路Ｐ４に沿って一定の出射角で出力する。分光素子１０は、第５光路Ｐ５に沿って一定の入射角で入力した光束を第６光路Ｐ６に沿って波長に応じた出射角で出力する。また、分光素子１０は、第７光路Ｐ７に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を合波して第８光路Ｐ８に沿って出力光パルスＰｏとして出力する。
　なお、分光素子１０は、第４光路Ｐ４に沿って一定の入射角で光束が入射した場合、その光束を分光して第３光路Ｐ３に沿って波長に応じた出射角で出力することができ、また、第８光路Ｐ８に沿って一定の入射角で光束が入射した場合、その光束を分光して第７光路Ｐ７に沿って波長に応じた出射角で出力することができる。分光素子１０は、第１光路Ｐ１，第４光路Ｐ４，第５光路Ｐ５および第８光路Ｐ８のそれぞれに沿って一定の入射角で光束が入力した場合、同一の分光特性を有する。
　第１光学系１１は、分光素子１０から第２光路Ｐ２に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子１０へ第３光路Ｐ３に沿って波長に応じた入射角で入力させる。第２光学系１２は、分光素子１０から第４光路Ｐ４に沿って一定の出射角で出力された光束を、分光素子１０へ第５光路Ｐ５に沿って一定の入射角で入力させる。また、第３光学系１３は、分光素子１０から第６光路Ｐ６に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子１０へ第７光路Ｐ７に沿って波長に応じた入射角で入力させる。
　分光素子１０における光束の入出射方向に関して、第３光路Ｐ３および第４光路Ｐ４の組み合わせによる入出射方向は、第１光路Ｐ１および第２光路Ｐ２の組み合わせによる入出射方向と異なる。分光素子１０における光束の入出射方向に関して、第５光路Ｐ５および第６光路Ｐ６の組み合わせによる入出射方向は、第１光路Ｐ１および第２光路Ｐ２の組み合わせによる入出射方向と一致していてもよいし、第３光路Ｐ３および第４光路Ｐ４の組み合わせによる入出射方向と一致していてもよい。
　また、分光素子１０における光束の入出射方向に関して、第７光路Ｐ７および第８光路Ｐ８の組み合わせによる入出射方向は、第１光路Ｐ１および第２光路Ｐ２の組み合わせによる入出射方向と一致していてもよいし、第３光路Ｐ３および第４光路Ｐ４の組み合わせによる入出射方向と一致していてもよいし、第５光路Ｐ５および第６光路Ｐ６の組み合わせによる入出射方向と一致していてもよい。
　分光素子１０へ第５光路Ｐ５に沿って光束が入力されるときの入射角は、分光素子１０から第４光路Ｐ４に沿って光束が出力されるときの出射角と等しくてもよい。このとき、分光素子１０から第６光路Ｐ６に沿って光束が出力されるときの各波長成分の出射角は、分光素子１０へ第３光路Ｐ３に沿って光束が入力されるときの各波長成分の入射角と等しい。このように、分光素子１０における光束の入出射方向に関して、第４光路Ｐ４と第５光路Ｐ５とが互いに逆向きであって、第３光路Ｐ３と第６光路Ｐ６とが互いに逆向きである場合、これらの光路は、互いに光束が重ならないように設定される。
　また、分光素子１０へ第７光路Ｐ７に沿って光束が入力されるときの各波長成分の入射角は、分光素子１０から第２光路Ｐ２に沿って光束が出力されるときの各波長成分の出射角と等しくてもよい。このとき、分光素子１０から第８光路Ｐ８に沿って出力光パルスＰｏが出力されるときの出射角は、分光素子１０へ第１光路Ｐ１に沿って入力光パルスＰｉが入力されるときの入射角と等しい。このように、分光素子１０における光束の入出射方向に関して、第２光路Ｐ２と第７光路Ｐ７とが互いに逆向きであって、第１光路Ｐ１と第８光路Ｐ８とが互いに逆向きである場合、これらの光路は、互いに光束が重ならないように設定される。
　本実施形態に係るパルス幅変換装置１では、入力光パルスＰｉは、分光素子１０へ第１光路Ｐ１に沿って一定の入射角で入力されて、分光素子１０により波長毎に分光される。分光素子１０により分光された各波長成分の光は、分光素子１０から第２光路Ｐ２に沿って当該波長に応じた出射角で出力され、第１光学系１１を経て、分光素子１０へ第３光路Ｐ３に沿って波長に応じた入射角で入力されて、分光素子１０から第４光路Ｐ４に沿って一定の出射角で出力される。分光素子１０から第４光路Ｐ４に沿って出力される各波長成分の光は、一定の出射角であるものの、分光素子１０上の当該波長に応じた位置から出力され、空間的に分離されている。
　分光素子１０から第４光路Ｐ４に沿って一定の出射角で出力された各波長成分の光は、第２光学系１２を経て、分光素子１０へ第５光路Ｐ５に沿って一定の入射角で入力されて、分光素子１０から第６光路Ｐ６に沿って波長に応じた出射角で出力され、第３光学系１３を経て、分光素子１０へ第７光路Ｐ７に沿って波長に応じた入射角で入力される。分光素子１０へ第７光路Ｐ７に沿って波長に応じた入射角で入力された光は、分光素子１０により合波されて、分光素子１０から第８光路Ｐ８に沿って出力光パルスＰｏとして出力される。第５光路Ｐ５，第６光路Ｐ６，第７光路Ｐ７および第８光路Ｐ８は、第１光路Ｐ１，第２光路Ｐ２，第３光路Ｐ３および第４光路Ｐ４に対して逆方向であってもよい。
　分光素子１０から第８光路Ｐ８に沿って出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。本実施形態に係るパルス幅変換装置１は、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散を付与して出力光パルスＰｏを出力することができる。すなわち、本実施形態に係るパルス幅変換装置１は、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する出力光パルスＰｏを生成することができる。
　以下では、図２～図１０を用いて、本実施形態に係るパルス幅変換装置１の具体的な構成例について説明する。
　図２は、パルス幅変換装置１Ａの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ａは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての反射鏡４１～４３を備える。
　透過型回折格子２０は、図３に示されるように、第１の側から一定の入射角で入射した光Ｐｉ１を分光して、第２の側へ波長に応じた出射角で各波長成分の光Ｐｏ１を出力することができ、また、第２の側から一定の入射角で入射した光Ｐｉ２を分光して、第１の側へ波長に応じた出射角で各波長成分の光Ｐｏ２を出力することができる。また、透過型回折格子２０は、入射角と出射角（回折角）とが互いに等しいリトロー配置をとることができる。
　なお、図２および図３において、透過型回折格子２０の格子が延在する方向は紙面に垂直な方向であり、直角プリズム４０による光路折り返しのときを除いて光パルスは紙面に平行に進む。直角プリズム４０は、２つの反射面により順次に光パルスを反射させることで、往路の光パルスの光路に対して復路の光パルスの光路を紙面に垂直な方向に平行移動させる。直角プリズム４０の光入出射面には反射低減膜が形成されているのが好適である。以降に説明する図でも同様である。
　図２に示されるパルス幅変換装置１Ａでは、入力光パルスＰｉは、透過型回折格子２０へ一定の入射角で入力されて、透過型回折格子２０により波長毎に分光される。透過型回折格子２０により分光された各波長成分の光は、透過型回折格子２０から当該波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４１，４２，４３により順次に反射された後、透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力されて、透過型回折格子２０から一定の出射角で出力される。透過型回折格子２０から出力される各波長成分の光は、一定の出射角であるものの、透過型回折格子２０上の当該波長に応じた位置から出力され、空間的に分離されている。
　透過型回折格子２０から一定の出射角で出力された各波長成分の光は、直角プリズム４０により光路が折り返され、透過型回折格子２０へ一定の入射角で入力されて、透過型回折格子２０から波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４３，４２，４１により順次に反射された後、透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力される。透過型回折格子２０へ波長に応じた入射角で入力された光は、透過型回折格子２０により合波されて、透過型回折格子２０から出力光パルスＰｏとして出力される。
　透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　このようなパルス幅変換装置１Ａは、高強度超短パルスレーザ装置の最終段において光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮装置として好適に用いられる。高強度超短パルスレーザ装置は、前述したチャープパルス増幅法を用いて光パルスを光増幅する構成とされる。実際に、Ｙｂ：ＹＡＧセラミックを光増幅媒体として用いた再生増幅システムにより繰り返し周波数２０ｋＨｚで生成したチャープ光パルス（中心波長１０３０ｎｍ、エネルギー０.２ｍＪ、パルス幅３０ｐｓ）に対して、パルス幅変換装置１Ａによりパルス幅を圧縮した。透過型回折格子２０は、刻線本数が１３７０本／ｍｍであり、入射角４５°で入射した波長１０３０ｎｍの光を回折角４５°で出射する構成とした。反射鏡４１から反射鏡４２を経由して反射鏡４３に至るまでの光路長を３０ｃｍとした。上記再生増幅システムから出力された光パルスをパルス幅変換装置１Ａに入力させてパルス幅の圧縮を行ったところ、出力光パルスのパルス幅は１ｐｓとなった。このように、パルス幅変換装置１Ａを用いることで、パルス幅を３０ｐｓから１ｐｓへ実際に圧縮することができた。
　図４は、パルス幅変換装置１Ｂの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｂは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての反射鏡４１，直角プリズム４４および可動ステージ４５を備える。
　図２に示されたパルス幅変換装置１Ａの構成と比較すると、この図４に示されるパルス幅変換装置１Ｂは、反射鏡４２，４３に替えて直角プリズム４４を備える点で相違し、また、可動ステージ４５を更に備える点で相違する。
　直角プリズム４４は、２つの反射面により順次に光パルスを反射させることで、往路および復路それぞれの光パルスの進行方向を変更する。直角プリズム４４の光入出射面には反射低減膜が形成されているのが好適である。可動ステージ４５は、直角プリズム４４を平行移動させることで、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおける透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長を調整する光路長調整部として作用する。
　このパルス幅変換装置１Ｂにおいても、透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　特に、このパルス幅変換装置１Ｂでは、光路長調整部としての可動ステージ４５が設けられていることにより、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長が調整される。これにより、入力光パルスＰｉに対して付与される周波数領域における分散量が調整されて、入力光パルスＰｉに対する出力光パルスＰｏのパルス幅の圧縮または伸展の量が調整される。
　図５は、パルス幅変換装置１Ｃの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｃは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての反射鏡４１，４３および機能化ブロック４６を備える。図２に示されたパルス幅変換装置１Ａの構成と比較すると、この図５に示されるパルス幅変換装置１Ｃは、反射鏡４２に替えて機能化ブロック４６を備える点で相違する。
　機能化ブロック４６は、反射鏡４１から入出射面４６ａに到達した光を内部に入力して、その光を内壁面で複数回全反射させた後、入出射面４６ｂから反射鏡４３へ出力する。また、機能化ブロック４６は、反射鏡４３から入出射面４６ｂに到達した光を内部に入力して、その光を内壁面で複数回全反射させた後、入出射面４６ａから反射鏡４１へ出力する。機能化ブロック４６は、入力される光の波長において透過率が高い材料からなるのが好適であり、例えば石英ガラスからなる。機能化ブロック４６の入出射面４６ａ，４６ｂには反射低減膜が形成されているのが好適である。
　このパルス幅変換装置１Ｃにおいても、透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　特に、このパルス幅変換装置１Ｃでは、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて機能化ブロック４６が設けられていることにより、小さい設置面積であるにも拘わらず、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長を長くすることができる。これにより、入力光パルスＰｉに対して付与される周波数領域における分散量を大きくすることができて、入力光パルスＰｉに対する出力光パルスＰｏのパルス幅の圧縮または伸展の量を大きくすることができる。例えば、５ｃｍ×４.４ｃｍの設置面積の機能化ブロック４６に入射した光束を内部全反射で３回半ほど周回させることで、その光を５０ｃｍの距離だけ伝播させた後に出射することが可能である。
　図６は、パルス幅変換装置１Ｄの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｄは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての機能化ブロック４７を備える。図２に示されたパルス幅変換装置１Ａの構成と比較すると、この図６に示されるパルス幅変換装置１Ｄは、反射鏡４１～４３に替えて機能化ブロック４７を備える点で相違する。
　機能化ブロック４７は、透過型回折格子２０から入出射面４７ａに到達した光を内部に入力して、その光を内壁面で複数回全反射させた後、入出射面４７ｂから透過型回折格子２０へ出力する。また、機能化ブロック４７は、透過型回折格子２０から入出射面４７ｂに到達した光を内部に入力して、その光を内壁面で複数回全反射させた後、入出射面４７ａから透過型回折格子２０へ出力する。機能化ブロック４７は、入力される光の波長において透過率が高い材料からなるのが好適であり、例えば石英ガラスからなる。機能化ブロック４７の入出射面４７ａ，４７ｂには反射低減膜が形成されているのが好適である。
　このパルス幅変換装置１Ｄにおいても、透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　また、このパルス幅変換装置１Ｄでも、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて機能化ブロック４７が設けられていることにより、小さい設置面積であるにも拘わらず、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長を長くすることができる。これにより、入力光パルスＰｉに対して付与される周波数領域における分散量を大きくすることができて、入力光パルスＰｉに対する出力光パルスＰｏのパルス幅の圧縮または伸展の量を大きくすることができる。
　さらに、このパルス幅変換装置１Ｄは、第１光学系１１および第３光学系１３が一体化されていることにより、小型化が容易であり、また、取り扱いも容易である。
　図７は、パルス幅変換装置１Ｅの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｅは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての機能化ブロック４８を備える。図２に示されたパルス幅変換装置１Ａの構成と比較すると、この図７に示されるパルス幅変換装置１Ｅは、反射鏡４１～４３に替えて機能化ブロック４８を備える点で相違する。
　機能化ブロック４８は、透過型回折格子２０に対してオプティカルコンタクトにより接合されていて、透過型回折格子２０とともに一体化されている。機能化ブロック４８は、透過型回折格子２０から出力された光を内部に入力して、その光を内壁面で複数回全反射させた後、透過型回折格子２０へ出力する。機能化ブロック４８は、入力される光の波長において透過率が高い材料からなるのが好適であり、例えば石英ガラスからなる。機能化ブロック４８の内壁面における反射の際に、光束の入射角が全反射角以下である場合には、対象となる面に適切な反射膜が形成されているのが好適である。
　このパルス幅変換装置１Ｅにおいても、透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　また、このパルス幅変換装置１Ｅでも、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて機能化ブロック４８が設けられていることにより、小さい設置面積であるにも拘わらず、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長を長くすることができる。これにより、入力光パルスＰｉに対して付与される周波数領域における分散量を大きくすることができて、入力光パルスＰｉに対する出力光パルスＰｏのパルス幅の圧縮または伸展の量を大きくすることができる。
　さらに、このパルス幅変換装置１Ｅは、分光素子１０（透過型回折格子２０），第１光学系１１および第３光学系１３が一体化されていることにより、小型化が容易であり、また、取り扱いも容易である。
　図８は、パルス幅変換装置１Ｆの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｆは、分光素子１０としての透過型回折格子２０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０およびプリズム４９、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての機能化ブロック４８を備える。図７に示されたパルス幅変換装置１Ｅの構成と比較すると、この図８に示されるパルス幅変換装置１Ｆは、プリズム４９を更に備える点で相違する。
　プリズム４９は、透過型回折格子２０に対してオプティカルコンタクトにより接合され、また、直角プリズム４０に対してもオプティカルコンタクトにより接合されている。プリズム４９は、入力される光の波長において透過率が高い材料からなるのが好適であり、例えば石英ガラスからなる。これにより、直角プリズム４０の入出射面の反射低減膜は省略しても好適に動作可能となる。ただし、直角プリズム４９における入力光パルスＰｉおよび出力光パルスＰｏの入出射面には反射低減膜が形成されているのが好適である。
　このパルス幅変換装置１Ｆにおいても、透過型回折格子２０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　また、このパルス幅変換装置１Ｆでも、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて機能化ブロック４８が設けられていることにより、小さい設置面積であるにも拘わらず、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれにおいて透過型回折格子２０からの光出力から透過型回折格子２０への光入力までの光路長を長くすることができる。これにより、入力光パルスＰｉに対して付与される周波数領域における分散量を大きくすることができて、入力光パルスＰｉに対する出力光パルスＰｏのパルス幅の圧縮または伸展の量を大きくすることができる。
　さらに、このパルス幅変換装置１Ｅは、分光素子１０（透過型回折格子２０），第１光学系１１，第２光学系１２および第３光学系１３が一体化されていることにより、小型化が容易であり、また、取り扱いも容易である。
　図９は、パルス幅変換装置１Ｇの構成を示す図である。この図に示されるパルス幅変換装置１Ｇは、分光素子１０としての反射型回折格子３０、第２光学系１２の構成要素としての直角プリズム４０、ならびに、第１光学系１１および第３光学系１３それぞれの構成要素としての反射鏡４１～４３を備える。図２に示されたパルス幅変換装置１Ａの構成と比較すると、この図９に示されるパルス幅変換装置１Ｇは、透過型回折格子２０に替えて反射型回折格子３０を備える点で相違する。
　反射型回折格子３０は、図１０に示されるように、第１の側から一定の入射角で入射した光Ｐｉ１を分光して、第１の側へ波長に応じた出射角で各波長成分の光Ｐｏ１を出力することができ、また、第２の側から一定の入射角（回折面の法線に対して光Ｐｉ１の入射方向と対称関係にある）で入射した光Ｐｉ２を分光して、第２の側へ波長に応じた出射角で各波長成分の光Ｐｏ２を出力することができる。例えば、光の中心波長が１０３０ｎｍであるとする。反射型回折格子３０の刻線本数が１２５０本／ｍｍであるとする。このとき、入射角５０°で入射した波長１０３０ｎｍの光を回折角３１°で出射することができる。ただし、反射型回折格子３０は、入射角と出射角（回折角）とが互いに等しいリトロー配置をとることができない。
　図９に示されるパルス幅変換装置１Ｇでは、入力光パルスＰｉは、反射型回折格子３０へ一定の入射角で入力されて、反射型回折格子３０により波長毎に分光される。反射型回折格子３０により分光された各波長成分の光は、反射型回折格子３０から当該波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４１，４２，４３により順次に反射された後、反射型回折格子３０へ波長に応じた入射角で入力されて、反射型回折格子３０から一定の出射角で出力される。反射型回折格子３０から出力される各波長成分の光は、一定の出射角であるものの、反射型回折格子３０上の当該波長に応じた位置から出力され、空間的に分離されている。
　反射型回折格子３０から一定の出射角で出力された各波長成分の光は、直角プリズム４０により光路が折り返され、反射型回折格子３０へ一定の入射角で入力されて、反射型回折格子３０から波長に応じた出射角で出力され、反射鏡４３，４２，４１により順次に反射された後、反射型回折格子３０へ波長に応じた入射角で入力される。反射型回折格子３０へ波長に応じた入射角で入力された光は、反射型回折格子３０により合波されて、反射型回折格子３０から出力光パルスＰｏとして出力される。
　反射型回折格子３０から出力される出力光パルスＰｏは、波長によらず出射角が一定であり、各波長成分の主光線が一致している。出力光パルスＰｏは、入力光パルスＰｉに対して周波数領域で２次以上の分散が付与されたものであり、入力光パルスＰｉのパルス幅と異なるパルス幅を有する。
　次に、本実施形態に係るパルス幅変換装置および光増幅装置を備える光増幅システムの実施形態について説明する。本実施形態に係る光増幅システムは、光パルスを光増幅する光増幅装置と、この光増幅装置により光増幅された光パルスのパルス幅を圧縮して該光パルスを出力するパルス幅変換装置と、を備えるものであって、例えば、超短パルスレーザ光源やＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）等においてパルス幅変換装置をも備える構成のものである。本実施形態に係るパルス幅変換装置１，１Ａ～１Ｇは、小型化が容易であるので、超短パルスレーザ光の分散を補償する装置としての使用が有用である。特に、図１１に示されるような超短パルスファイバレーザ装置への適用が有効である。
　図１１は、本実施形態に係る光増幅システム３の構成を示す図である。この図に示される光増幅システム３は、励起ＬＤ５０、ＬＤ導光ファイバ５１、光カプラ５２、Ｙｂドープ光ファイバ５３、コリメートレンズ５４、λ／４板５５、λ／２板５６、偏光ビームスプリッタ５７、ファラデー回転子５８、λ／２板５９、偏光ビームスプリッタ６０、反射鏡６１、λ／４板６２、集光レンズ６３、単一モード光ファイバ６４、および、図８に示されたパルス幅変換装置１Ｆを備える。
　この光増幅システム３は、励起ＬＤ（Laser Diode）５０から出力される励起光によりＹｂドープ光ファイバ５３を励起することで、モードロックパルス発振する。励起ＬＤ５０の前端面とＬＤ導光ファイバ５１とは互いに光学的に結合されている。ＬＤ導光ファイバ５１は、長さが３.２ｍであり、ファイバブラッググレーティング構造を有している。ＬＤ導光ファイバ５１のブラッググレーティングと励起ＬＤ５０の後端面とにより外部共振器が形成されていて、ブラッググレーティングの周期に応じた波長９７６ｎｍの励起光が連続波として４００ｍＷで出力される。
　この励起光は、光カプラ５２を経て、長さ０.８ｍの単一モードのＹｂドープ光ファイバ５３に供給され、添加されているＹｂイオンを励起する。この励起により、Ｙｂドープ光ファイバ５３において放出光が発生する。この放出光は、Ｙｂドープ光ファイバ５３から出射された後、コリメートレンズ５４によって平行光として空間へ取り出され、λ／４板５５およびλ／２板５６により所定の偏光状態に変換されて、偏光ビームスプリッタ５７に入射される。
　偏光ビームスプリッタ５７に入射された光の一部は、偏光ビームスプリッタ５７により反射されて分岐され取り出される。偏光ビームスプリッタ５７を透過して光共振器内に留まった光は、ファラデー回転子５８、λ／２板５９および偏光ビームスプリッタ６０によって形成されるファラデーアイソレータを通過した後、パルス幅変換装置１Ｆによりパルス幅を変換される。
　パルス幅変換装置１Ｆによりパルス幅を変換されて出力された光は、反射鏡６１により反射され、λ／４板６２により所定の偏光状態へ変換され、集光レンズ６３により集光されて、長さ１.２ｍの単一モード光ファイバ６４へ入射される。単一モード光ファイバ６４へ入射された光は、光カプラ５２を経て、Ｙｂドープ光ファイバ５３に入力される。
　このように、本実施形態に係る光増幅システム３は、リング型の光共振器を有していて、その光共振器内のＹｂドープ光ファイバ５３において誘導放出を起こさせ、その誘導放出光の一部を偏光ビームスプリッタ５７から外部へ出力する。また、本実施形態に係る光増幅システム３は、本実施形態に係るパルス幅変換装置（特にパルス幅変換装置１Ｆ）をも光共振器内に備えている。
　本実施形態に係る光増幅システム３において、モードロック発振を実現するためには、レーザ共振器の分散を調整する必要がある。一般に、光ファイバを通過する光には大きな分散が与えられるので、このような大きな分散を補償するための素子が必要となる。特に、１３００ｎｍ以下の波長域では、透過率の高い光学材料の全てが正分散を示すため、１３００ｎｍ以下の波長の超短光パルスをファイバレーザで生成する場合には、特別に設計された負分散光学系が必要となる。
　従来、このような負分散光学系は、プリズム対や回折格子対にもとづくパルス圧縮装置が用いられていたが、ファイバレーザ全体に占める大きさの割合が高く、小型化の妨げとなっていた。また、近年、フォトニック結晶ファイバを用いた負分散光学系も用いられるようになってきたが、設計が困難であり、条件に対する柔軟性に乏しく、高額で、調整が困難である、という問題があった。
　本実施形態に係る光増幅システム３は、光共振器内に負分散光学系として本実施形態に係るパルス幅変換装置（特にパルス幅変換装置１Ｆ）を備えている。パルス幅変換装置１Ｆは、通常の回折光学を用いて設計を行うことが可能で、条件の変化に対しては、例えば機能化ブロック４８の大きさを変更することで対応し、小型化可能であって安価であり、入射光に対する調整を容易に行うことができる。
　例えば、機能化ブロック４８の一辺が２.８ｍｍであるので、パルス幅変換装置１Ｆは、センチメートル大に収まり、光増幅システム３全体に占める大きさの割合が問題にならないほど小型である。この構成により、光増幅システム３は、モードロック動作により、波長帯域１０１０ｎｍ～１０５０ｎｍ、パルス幅１.３ｐｓの光パルスを平均出力１３０ｍＷ、繰り返し４０ＭＨｚで出射することができる。さらに、偏光ビームスプリッタ５７からの出射光は正チャープしたパルスであるので、この出射光のパルス幅を本実施形態に係るパルス幅変換装置により圧縮することで、５０ｆｓまで短パルス化された出射光を得ることができる。
　以上で詳細に説明した本実施形態に係るパルス幅変換装置は、以下のような効果を奏することができる。従来のものと比較すると、本実施形態に係るパルス幅変換装置は、回折格子の必要個数が削減され、また、回折格子の小型化が可能である。
　図１５に示されたパルス幅変換装置２Ｄでは、直角プリズム４０により光路を折り返すことにより、光路が近接して平行となる部分が多数出現するので、光学素子の幾何学的な干渉に因り小型化することが困難である。これに対し、本実施形態に係るパルス幅変換装置は、近接した光路が平行でないので、光学素子やマウントの幾何学的な干渉が緩和される。
　回折格子の必要個数の削減および幾何学的な干渉の低減により、パルス幅変換装置を構成するために必要とされる設置面積を小さくできる。これにより、パルス幅変換装置のコンパクトな配置が実現できる。
　パルス幅変換装置は、何らかの形で、高強度超短パルスレーザ装置の最終段に配置することが不可避な装置である。よって、パルス幅変換装置の小型化は、高強度超短パルスレーザ装置全体の小型化に寄与することができる。
　パルス幅の変化量を調整するためには、分光された部分の光軸長を変化させる機構が必要となる。本実施形態では、回折格子への光の入射角を複数利用しているので、光路長変化機構の向きも複数の選択が可能となり、設計の自由度が増す。
　また、本実施形態に係るパルス幅変換装置は、透過型回折格子および反射型回折格子の何れを用いてもよいが、透過型回折格子を用いる場合には以下のような効果を奏することができる。
　透過型回折格子は、入射角（入射光と回折格子面の法線とがなす角）と回折角（回折光が回折格子面の法線とがなす角）とが互いに等しくなるような構成（リトロー配置）をとることができる。他方、反射型回折格子は、入射光および回折光それぞれの光路が互いに重なってしまうので、リトロー配置が不可能となる。このことから、一般に、透過型回折格子は、反射型回折格子と比較して、高い回折効率を有する設計が可能となる。
　例えば、波長１０３０ｎｍの光に対して、９６％の回折効率を有する透過型回折格子が製作可能である。一方で、金属蒸着型の反射型回折格子の回折効率は、市場における高品質な素子の典型値で９２％程度である。本実施形態においては、回折格子に光が４回入射するので、パルス幅変換装置全体の光利用効率は、回折効率の４乗に比例する。上記９６％、９２％をそれぞれ４乗すると、８５％、７２％となる。このことから、透過型回折格子を用いた構成のほうが有効であることがわかる。
　反射型回折格子に入射した光のうち、回折しなかった成分（光損失）の一部は、回折格子の金属蒸着面で吸収され、発熱の原因となる。この発熱は、平均出力が大きい高繰り返し超短パルスレーザ増幅器のパルス幅変換器に用いる際に、大きな問題となる。特に、一般的な価格で入手可能で通常使用される反射型回折格子は、金属蒸着膜の下地面が樹脂で作成されており、熱的な影響が大きい。熱的な影響は、回折面の歪みを引き起こし、回折効率の減少や、回折光の波面歪み等、レーザ光の品質低下を招く。これに対し、透過型回折格子は、光損失の大部分が基板に吸収されることなく、透過または散乱光となるので、基板の発熱が抑制される。また、透過型回折格子の場合は、全石英ガラス製の基板も安価に入手可能であり、発熱に対する基板の歪みも小さい。
　石英ガラス製の透過型回折格子は、金属蒸着の反射型回折格子に比べ、損傷閾値が数桁高い。よって、透過型回折格子を用いる場合、超短パルスレーザ増幅器の出射光の尖頭出力（ピークパワー）が大きいものに対して、有効なパルス幅変換装置を構成できる。
　図３に示されるように、透過型回折格子は、基板の両側の空間に光路を設定できる。他方、図１０に示されるように、反射型回折格子は、基板に対して、一方の空間しか利用できない。このことから、反射型回折格子を用いて実際の光学系を構成すると、光学素子やマウントの幾何学的な干渉により、系の小型化が制限される。本実施形態に係るパルス幅変換装置の小型化を図る上でも、透過型回折格子を用いるほうが、より有効である。さらに、石英ガラス製の透過型回折格子の損傷閾値が高いという性質を用いると、パルス幅変換器に入射させるレーザビームの断面を小さくすることが可能となる。よって、小型光学素子を選定できるので、系の小型化をさらに推進できる。
　本発明によるパルス幅変換装置および光増幅システムは、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
　上記実施形態によるパルス幅変換装置では、入力光パルスのパルス幅と異なるパルス幅を有する出力光パルスを生成するパルス幅変換装置であって、（１）第１光路に沿って入力した入力光パルスを分光して第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を第４光路に沿って一定の出射角で出力し、第５光路に沿って一定の入射角で入力した光束を第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を合波して第８光路に沿って出力光パルスとして出力する分光素子と、（２）分光素子から第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子へ第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第１光学系と、（３）分光素子から第４光路に沿って一定の出射角で出力された光束を、分光素子へ第５光路に沿って一定の入射角で入力させる第２光学系と、（４）分光素子から第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、分光素子へ第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第３光学系と、を備える構成を用いている。
　さらに、上記実施形態によるパルス幅変換装置では、分光素子における光束の入出射方向に関して、第３光路および第４光路の組み合わせによる入出射方向が、第１光路および第２光路の組み合わせによる入出射方向と異なる構成を用いている。
　上記構成によるパルス幅変換装置は、分光素子が透過型回折格子であるのが好適である。また、分光素子が反射型回折格子であるのも好適である。
　上記構成によるパルス幅変換装置は、第１光学系および第３光学系が一体化されているのが好適である。また、分光素子、第１光学系および第３光学系が一体化されているのが好適である。また、分光素子、第１光学系、第２光学系および第３光学系が一体化されているのが好適である。
　上記構成によるパルス幅変換装置は、第１光学系および第３光学系の双方または何れか一方が、分光素子からの光出力から分光素子への光入力までの光路長を調整する光路長調整部を含むのが好適である。
　上記構成によるパルス幅変換装置は、第２光学系において、分光素子へ第５光路に沿って光束が入力されるときの入射角が、分光素子から第４光路に沿って光束が出力されるときの出射角と等しいのが好適である。
　上記実施形態による光増幅システムでは、（１）光パルスを光増幅する光増幅装置と、（２）光増幅装置により光増幅された光パルスを入力し、その入力した光パルスの分散を補償して該光パルスを出力する上記構成によるパルス幅変換装置と、を備える構成を用いている。
　本発明は、小型化が容易なパルス幅変換装置、及びこのようなパルス幅変換装置を備えて小型化が容易な光増幅システムとして利用可能である。
　１，１Ａ～１Ｇ，２Ａ～２Ｄ…パルス幅変換装置、３…光増幅システム、１０…分光素子、１１…第１光学系、１２…第２光学系、１３…第３光学系、２０～２４…透過型回折格子、３０～３４…反射型回折格子、４０…直角プリズム、４１～４３…反射鏡、４４…直角プリズム、４５…可動ステージ、４６～４８…機能化ブロック、４９…プリズム、５０…励起ＬＤ、５１…ＬＤ導光ファイバ、５２…光カプラ、５３…Ｙｂドープ光ファイバ、５４…コリメートレンズ、５５…λ／４板、５６…λ／２板、５７…偏光ビームスプリッタ、５８…ファラデー回転子、５９…λ／２板、６０…偏光ビームスプリッタ、６１…反射鏡、６２…λ／４板、６３…集光レンズ、６４…単一モード光ファイバ、Ｐ１…第１光路、Ｐ２…第２光路、Ｐ３…第３光路、Ｐ４…第４光路、Ｐ５…第５光路、Ｐ６…第６光路、Ｐ７…第７光路、Ｐ８…第８光路、Ｐｉ…入力光パルス、Ｐｏ…出力光パルス。

Claims (9)

  1. 　入力光パルスのパルス幅と異なるパルス幅を有する出力光パルスを生成するパルス幅変換装置であって、
    　第１光路に沿って入力した前記入力光パルスを分光して第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を第４光路に沿って一定の出射角で出力し、第５光路に沿って一定の入射角で入力した光束を第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力し、第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力した光束を合波して第８光路に沿って前記出力光パルスとして出力する分光素子と、
    　前記分光素子から前記第２光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、前記分光素子へ前記第３光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第１光学系と、
    　前記分光素子から前記第４光路に沿って一定の出射角で出力された光束を、前記分光素子へ前記第５光路に沿って一定の入射角で入力させる第２光学系と、
    　前記分光素子から前記第６光路に沿って波長に応じた出射角で出力された光束を、前記分光素子へ前記第７光路に沿って波長に応じた入射角で入力させる第３光学系と、
    　を備え、
    　前記分光素子における光束の入出射方向に関して、前記第３光路および前記第４光路の組み合わせによる入出射方向が、前記第１光路および前記第２光路の組み合わせによる入出射方向と異なる、
    　ことを特徴とするパルス幅変換装置。
  2. 　前記分光素子が透過型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載のパルス幅変換装置。
  3. 　前記分光素子が反射型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載のパルス幅変換装置。
  4. 　前記第１光学系および前記第３光学系が一体化されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のパルス幅変換装置。
  5. 　前記分光素子、前記第１光学系および前記第３光学系が一体化されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のパルス幅変換装置。
  6. 　前記分光素子、前記第１光学系、前記第２光学系および前記第３光学系が一体化されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のパルス幅変換装置。
  7. 　前記第１光学系および前記第３光学系の双方または何れか一方が、前記分光素子からの光出力から前記分光素子への光入力までの光路長を調整する光路長調整部を含む、ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載のパルス幅変換装置。
  8. 　前記第２光学系において、前記分光素子へ前記第５光路に沿って光束が入力されるときの入射角が、前記分光素子から前記第４光路に沿って光束が出力されるときの出射角と等しい、ことを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載のパルス幅変換装置。
  9. 　光パルスを光増幅する光増幅装置と、
    　前記光増幅装置により光増幅された光パルスを入力し、その入力した光パルスの分散を補償して該光パルスを出力する請求項１～８の何れか１項に記載のパルス幅変換装置と、
    　を備えることを特徴とする光増幅システム。
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