JP2004221278A

JP2004221278A - Optical amplifier

Info

Publication number: JP2004221278A
Application number: JP2003006342A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Fujimoto; 正俊藤本; Hironori Takahashi; 宏典高橋; Tsuneyuki Uragami; 恒幸浦上; Shinichiro Aoshima; 紳一郎青島
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP4107653B2

Abstract

【課題】戻り光の影響を確実に低減することが可能な光増幅装置を提供する。
【解決手段】チタンサファイア結晶などの光増幅素子２と、入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する入射光学系１と、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果生成される増幅光を出力光Ｌ２として出射する出射光学系３と、励起部４とを備える光増幅装置に対して、出射光学系３の光路上の所定位置にビームスプリッターなどからなる光分岐部３０を設置し、増幅光の一部を分岐して分岐光Ｌ３を生成する。そして、分岐光Ｌ３を出力光Ｌ２の戻り光よりも前となる所定の入射タイミングで、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射し、励起部４から供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１の増幅後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３の増幅によって消費させる。
【選択図】図１Provided is an optical amplifying device capable of reliably reducing the influence of return light.
An optical amplifying element such as a titanium sapphire crystal, an input optical system for inputting an input light to the optical amplifying element, and an amplification generated as a result of amplification of the input light by the optical amplifying element. For a light amplifying device including an emission optical system 3 that emits light as output light L2 and an excitation unit 4, an optical branching unit 30 including a beam splitter or the like is installed at a predetermined position on the optical path of the emission optical system 3. , A part of the amplified light is branched to generate a branched light L3. Then, the branched light L3 enters the optical amplifying element 2 via the branched light incident optical system 5 at a predetermined incident timing before the return light of the output light L2, and the excitation energy supplied from the excitation unit 4 Among them, the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 after the amplification of the input light L1 is consumed by the amplification of the branch light L3.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力光を増幅して出力する光増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
入力光のエネルギーを増幅する装置として、励起エネルギーを供給することによって光増幅素子を励起し、被増幅光である入力光を励起された状態にある光増幅素子へと入射して誘導放出を発生させ、これによって入力光を増幅して出力する光増幅装置が知られている。このような光増幅装置としては、例えば、ＴＷＡ（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ＷａｖｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの半導体光増幅器（文献１）や、光ファイバ増幅器、光パルスの増幅に用いられる再生光増幅器（文献２）、マルチパス増幅器（文献３）などがある。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｋｌｅｂｎｉｃｚｋｉｅｔａｌ．， ”Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｕｎａｂｌｅｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｓｉｎａｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．１５Ｎｏ．２３（１９９０），ｐ．１３６８−１３７０．
【０００４】
【非特許文献２】
Ｔ．Ｍｉｕｒａｅｔａｌ．， ”Ｔｉｍｉｎｇｊｉｔｔｅｒｉｎａｋｉｌｏｈｅｒｔｚｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｏｆａｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｐｕｌｓｅＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３ｌａｓｅｒ”，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．２４（２０００），ｐ．１７９５−１７９７．
【０００５】
【非特許文献３】
Ｋ．ＹａｍａｋａｗａａｎｄＣ．Ｐ．Ｊ．Ｂａｒｔｙ， ”Ｕｌｔｒａｆａｓｔ，Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｐｅａｋ，ａｎｄＨｉｇｈ−ＡｖｅｒａｇｅＰｏｗｅｒＴｉ：ＳａｐｐｈｉｒｅＬａｓｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥＪ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒ．Ｖｏｌ．６Ｎｏ．４（２０００），ｐ．６５８−６７５．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような光増幅装置では、原理的に、光増幅素子への双方向の光の入射に対して有効に増幅が生じる。一方、光増幅装置からの光の出力側に光を一部でも反射する媒質があると、出力光の一部が反射されることによって戻り光が発生し、光増幅装置の光増幅素子へと再び入射されることがしばしば起きる。このとき、この出力側からの戻り光が光増幅素子で増幅され、高出力の戻り光として光増幅装置の入力側へと逆方向に出射されることとなる。
【０００７】
この光増幅素子で増幅された高出力の戻り光は、光増幅装置の入力側に設置されている光学媒質や光学機器へと入射し、それらに不具合を生じさせる。例えば、光増幅装置の入力側にレーザ共振器が設置されていると、光増幅素子で増幅された戻り光が再入射することによってレーザ共振器の発振状態が不安定化する。また、高出力であるため、光学素子等に容易にダメージを与えてしまう。
【０００８】
これに対して、光増幅装置での戻り光の影響を低減する構成として、その光路上に方向性光結合器（光アイソレータ）を設ける構成がある。光アイソレータを用いることにより、逆方向への戻り光のエネルギーを数桁にわたって減衰させることができ、高出力の戻り光が光増幅装置の入力側へと出射されることが防止される。
【０００９】
しかしながら、光アイソレータは、その光入射窓の大きさに制限があるため、ビーム径が大きい光に対しては、その全てを入射することができないという問題がある。また、強度が大きい光に対して光路上に光アイソレータを挿入すると、光アイソレータ自体が光学的に損傷を受ける場合があるなど、戻り光の影響を確実に低減することは難しい。一方、光の強度を低減するためには、そのビーム径を大きくせざるを得ないが、それは上記のように光アイソレータの適用上問題がある。また、光アイソレータは比較的高価であるため、上記した構成では光増幅装置が全体として高価となるという問題もある。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、戻り光の影響を確実に低減することが可能な光増幅装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光増幅装置は、（１）入力光を増幅する光増幅手段と、（２）入力光を増幅するための励起エネルギーを光増幅手段に供給する励起手段と、（３）入力光を光増幅手段へと入射する入射光学系と、（４）光増幅手段により入力光が増幅された結果得られる増幅光を出力光として出射する出射光学系と、（５）入射光学系及び出射光学系を含む光学系の所定位置に設置され、入力光または増幅光の一部を分岐する光分岐手段と、（６）光分岐手段で分岐された分岐光を所定の入射タイミングで光増幅手段へと入射する分岐光入射光学系とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記した光増幅装置においては、入射光学系及び出射光学系を含み、増幅対象の光が伝搬する光増幅装置での光学系に対して、その光路上に光分岐手段を挿入することで伝搬している光の一部を分岐し、得られた分岐光を被増幅光である入力光とは別の光学系を介して光増幅手段へと入射する。そして、分岐光の光増幅手段への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００１３】
このような構成によれば、所定のタイミングで入射された分岐光が光増幅手段で増幅されることにより、入力光を増幅した後に光増幅手段に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、光増幅装置の出力側からの戻り光が逆方向に光増幅手段へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅手段で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。分岐光の光増幅手段への入射タイミングについては、出力光の戻り光が想定される場合には、その戻り光が光増幅手段へと入射されるよりも前となる入射タイミングとすることが好ましい。
【００１４】
これを確実にするため、例えば、分岐光による光増幅手段の残留エネルギー消費過程に要する光路長の半分よりも長い覆いで出力光伝搬路を囲っても良い。このとき、戻り光を生成する光学素子等の設置が光増幅装置から充分遠い位置でのみ可能となり、戻り光の光増幅装置に入射するタイミングは、残留エネルギー消費後となる。
【００１５】
分岐光を光増幅手段へと入射する構成としては、光分岐手段は、出射光学系に設置されて増幅光の一部を分岐するとともに、分岐光入射光学系は、出力光の戻り光よりも前となる入射タイミングで、分岐光を光増幅手段へと入射する構成とすることが好ましい。あるいは、光分岐手段は、入射光学系に設置されて入力光の一部を分岐するとともに、分岐光入射光学系は、入力光よりも後で出力光の戻り光よりも前となる入射タイミングで、分岐光を光増幅手段へと入射する構成とすることが好ましい。これらの構成によれば、光増幅手段に残留している励起エネルギーを確実に消費させて、戻り光の影響を低減することができる。
【００１６】
また、光増幅装置は、分岐光入射光学系によって光増幅手段へと入射した分岐光が光増幅手段により増幅された結果得られる増幅光を分岐出力光として出射する分岐光出射光学系を備えることを特徴とする。このような分岐出力光は、通常の出射光学系から出射された出力光と完全に同期がとれており、時間分解計測などの様々な計測に有効に利用することが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光増幅装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１８】
図１は、本発明による光増幅装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、被増幅光として入力される入力光Ｌ１を増幅し、得られた増幅光を出力光Ｌ２として出力するものであり、入力光Ｌ１を増幅する光増幅手段（光増幅媒体）である光増幅素子２を備えている。また、この光増幅素子２に対して、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系が、増幅対象の光を伝搬する光学系として設置されている。
【００１９】
入射光学系１は、光増幅装置に対して入力側に設置されている入力光生成装置８などから供給された入力光Ｌ１を、光増幅素子２へと入射する光学系である。この入射光学系１は、入力光Ｌ１を光増幅に適したビーム形状（ビームの大きさや集光具合など）にするとともに、入射角度等を適宜設定して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。また、出射光学系３は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光を、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置の出力側へと出射する光学系である。
【００２０】
光増幅素子２に対して、入力光Ｌ１を増幅するために必要な励起エネルギーを供給する励起部４が設置されている。光増幅素子２への励起エネルギーは、例えば、励起光、電流、放電などの手段で供給される。
【００２１】
励起部４は、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１から構成されている。エネルギー供給部４０は、例えば励起光を生成する励起光源であり、励起エネルギーを生成して、エネルギー伝送部４１へと供給する。また、エネルギー伝送部４１は、エネルギー供給部４０から供給された励起エネルギーを光増幅素子２へと伝送する。これにより、光増幅素子２が励起されて、入力光Ｌ１を増幅可能な状態となる。
【００２２】
本実施形態においては、さらに、出射光学系３の光路上の所定位置に、光分岐部３０が設置されている。光分岐部３０は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光の一部を分岐して、分岐光Ｌ３を生成する。この分岐光Ｌ３は、本光増幅装置において、励起部４から光増幅素子２へと供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させるために用いられる。
【００２３】
また、この光分岐部３０に対して、分岐光入射光学系５が設置されている。分岐光入射光学系５は、光分岐部３０で分岐された分岐光Ｌ３を所定の入射タイミングで、所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。
【００２４】
以上の構成において、励起部４のエネルギー供給部４０からエネルギー伝送部４１を介して、光増幅素子２へと励起エネルギーが供給されると、光増幅素子２は、光を増幅可能な状態に励起される。この状態で、光増幅装置の入力側に接続されている入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１を、入射光学系１を介して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。このとき、光増幅素子２において誘導放出が発生し、これによって入力光Ｌ１が増幅される。
【００２５】
入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光は、出射光学系３を介して、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置から出力され、物質への照射などの所定の目的に用いられる。なお、入射光学系１による光増幅素子２への入力光Ｌ１の入射、及びそれによる入力光Ｌ１の増幅は、１回であっても良く、あるいは必要に応じて複数回にわたって増幅する構成であっても良い。
【００２６】
ここで、このように光増幅素子２で入力光Ｌ１が増幅された後でも、増幅された出力光Ｌ２のビーム品質を良好に保持するための制限や、入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する光学系の構成上の制限などにより、光増幅素子２に、励起部４から供給された励起エネルギーの一部が残留している場合がある。
【００２７】
これに対して、本実施形態の光増幅装置では、出射光学系３に設けられた光分岐部３０によって増幅光の一部が所定の割合で分岐される。そして、得られた分岐光Ｌ３は、入射光学系１とは別に設けられた分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射された後、光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ４として所定の方向へと出射される。このとき、分岐光Ｌ３の増幅によって、光増幅素子２に残留していた励起エネルギーが消費される。
【００２８】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００２９】
図１に示した光増幅装置においては、増幅対象の光を伝搬する光増幅装置での光学系に含まれている出射光学系３に対して、その光路上に光分岐手段である光分岐部３０を挿入して伝搬されている増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３を、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと入射する。そして、分岐光Ｌ３の光増幅素子２への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００３０】
このような構成によれば、上記したように、所定のタイミングで入射された分岐光Ｌ３が光増幅素子２で増幅されることにより、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、光増幅装置の出力側に光を反射する媒質があり、出力光Ｌ２が反射された結果生成される戻り光が逆方向に光増幅装置の光増幅素子２へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００３１】
ここで、分岐光入射光学系５を介した光増幅素子２への分岐光Ｌ３の入射タイミングについては、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するために好適なタイミングに設定することが好ましい。具体的には例えば、光増幅装置からの出力光Ｌ２が反射された戻り光が想定される場合には、その戻り光が光増幅素子２へと入射されるよりも前となるように分岐光Ｌ３の入射タイミングを設定することが好ましい。
【００３２】
このように分岐光Ｌ３の入射タイミングを設定することにより、出力光Ｌ２の戻り光が発生した場合であっても、戻り光の光増幅素子２への入射時には既に光増幅素子２に残留している余分な励起エネルギーが分岐光Ｌ３の増幅によって消費されていることとなる。したがって、戻り光が増幅されて高出力化されることが防止され、戻り光の影響を確実に低減することができる。
【００３３】
上記した場合の光増幅装置の構成条件としては、出射光学系３に設置された光分岐部３０から出力光Ｌ２を反射して戻り光を発生させる媒質までの距離をＤ、光分岐部３０から分岐光入射光学系５までの距離をＤ１、分岐光入射光学系５から光増幅素子２までの距離をＤ２としたときに、条件２×Ｄ＞Ｄ１＋Ｄ２を満たすように構成することが好ましい。このような構成は、例えば、光分岐部３０を光増幅素子２のすぐ後段に設置することで実現することができる。
【００３４】
これを確実にするため、例えば、分岐光による光増幅手段の残留エネルギー消費過程に要する光路長の半分よりも長い覆いで出力光伝搬路を囲っても良い。このとき、戻り光を生成する光学素子等の設置が光増幅装置から充分遠い位置でのみ可能となり、戻り光の光増幅装置に入射するタイミングは、残留エネルギー消費後となる。
【００３５】
また、光分岐部３０からの分岐光Ｌ３を光増幅素子２へと導く光学系については、被増幅光である入力光Ｌ１を光増幅素子２へと入射する入射光学系１とは別の光学系として分岐光入射光学系５を設けている。このような構成においては、分岐光入射光学系５での分岐光Ｌ３の光軸は、入射光学系１での入力光Ｌ１の光軸とは異なる光軸となる。これにより、光増幅素子２から出射される増幅分岐光Ｌ４が光増幅装置の入力側へと出射されることが防止される。
【００３６】
図２は、図１に示した光増幅装置の一実施例を示す構成図である。以下、本光増幅装置の構成について、図１及び図２を参照しつつその具体的な構成条件の例とともに説明する。
【００３７】
本実施例においては、光増幅装置へと入力光Ｌ１を供給する供給手段として、光増幅装置に対して入力側に入力光生成装置８を設置している。この入力光生成装置８は、フェムト秒チタンサファイア発振器８１と、チタンサファイア再生増幅システム８２と、スライサ８３とを有している。フェムト秒発振器８１は、波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｆｓの光パルスを８０ＭＨｚの繰り返し周波数で生成する。フェムト秒発振器８１で生成される光の平均出力は６００ｍＷ、光パルス当たりのエネルギーは７．５ｎＪである。
【００３８】
フェムト秒発振器８１で生成された光パルスのエネルギーをある程度まで大きくするため、再生増幅システム８２において光パルスが増幅される。まず、フェムト秒発振器８１から出力された光パルスは、パルスストレッチャーによってチャープされてパルス幅が２００ｐｓに広げられたチャープ光とされた後、再生増幅システム８２へと入力される。
【００３９】
これにより、再生増幅システム８２において、波長８００ｎｍ、繰返し周波数１ｋＨｚの光パルスが得られる。再生増幅システム８２で生成される光の平均出力は１Ｗ、光パルス当たりのエネルギーは１ｍＪである。また、再生増幅システム８２から出力される光パルスにおいては、その後の増幅においてもパルス幅が広いチャープ光の方が好ましいため、そのパルス幅は２００ｐｓのままとされる。
【００４０】
さらに、この再生増幅システム８２から出力される繰返し周波数１ｋＨｚの光パルスから、スライサ８３によって１０Ｈｚの成分のみを抜き出して、繰返し周波数１０Ｈｚの光パルスとする。これは、本実施例において励起部４に用いられているＹＡＧレーザ４０ａが、１０Ｈｚで最も安定に動作するためである。
【００４１】
以上の構成を有する入力光生成装置８で生成される入力光Ｌ１に対し、図２に示す光増幅装置は、光増幅素子２として機能するチタンサファイア結晶２０を備えている。図２に示した光増幅装置は、励起されたチタンサファイア結晶２０に対して被増幅光である入力光Ｌ１を複数回入射させることによって、増幅された高出力の出力光Ｌ２を得るマルチパス増幅システムとして構成されている。
【００４２】
チタンサファイア結晶２０に対して、入力光Ｌ１の増幅に必要な励起エネルギーを供給する励起部４でのエネルギー供給部４０は、ＹＡＧレーザ４０ａ、及び第２高調波発生器４０ｂを有し、ＹＡＧレーザ光の第２高調波によってチタンサファイア結晶２０へ励起エネルギーを供給する励起光源として構成されている。
【００４３】
ここで、チタンサファイア結晶２０に励起エネルギーを効率良く供給するためには、チタンサファイア結晶２０が吸収する波長を有する高エネルギーの光パルスを励起光として用いることが好ましい。このため、本実施例においては、ＹＡＧレーザ４０ａで生成された波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚのナノ秒光パルスを第２高調波発生器４０ｂで波長５３２ｎｍとし、この光パルスを励起光として用いている。チタンサファイア結晶２０に供給される励起エネルギーとなる励起光パルスのエネルギーは、光パルス当たり８５０ｍＪである。
【００４４】
ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂからなるエネルギー供給部４０に対し、励起エネルギーが励起光パルスによって供給されることに対応して、チタンサファイア結晶２０へとエネルギーを伝送するエネルギー伝送部４１として、光パルスを導く光学系が設けられている。
【００４５】
図２に示したエネルギー伝送部４１での光学系は、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂから出力された直後の光パルスのビーム断面が、チタンサファイア結晶２０の表面に転写される結像光学系となっており、これによって、高品質な励起パターンを得ることが可能な構成となっている。具体的には、この光学系は、エネルギー供給部４０からチタンサファイア結晶２０に向けて、集光レンズ４２、真空パイプ４３、コリメートレンズ４４、及び全反射ミラー４５、４６によって構成されている。
【００４６】
第２高調波発生器４０ｂから励起光として出力された光パルスは、集光レンズ４２によって一旦集光された後、コリメートレンズ４４によってコリメートされる。そして、コリメートされた励起光パルスは、全反射ミラー４５、４６を介してチタンサファイア結晶２０へと入射される。このような構成において、集光レンズ４２、及びコリメートレンズ４４からなるリレーレンズ系によって、チタンサファイア結晶２０の表面に、出力直後の励起光パルスのビーム断面が結像される。
【００４７】
集光レンズ４２とコリメートレンズ４４との間には、真空パイプ４３が設置されている。この真空パイプ４３は、真空ポンプ４３ａによって真空にされるとともに、レンズ４２、４４側の所定部位にそれぞれ光入射窓、光出射窓を有する構成となっている。このように、励起光パルスが集光されてそのエネルギーが狭い領域に集中する位置に、真空パイプ４３を設けることにより、空気の非線形光学効果等による励起光パルスのビーム品質の劣化が防止される。
【００４８】
また、チタンサファイア結晶２０に励起光パルスを入射する全反射ミラー４６からみて、チタンサファイア結晶２０を挟んだ所定位置に、ビーム終端４７が設けられている。このビーム終端４７は、チタンサファイア結晶２０を通過した励起光パルスをカットするものであり、このようなビーム終端の設置は装置の安全上の問題から好ましい。
【００４９】
上記した構成の励起部４から励起エネルギーが供給されることによって励起されたチタンサファイア結晶２０に対して、入力光Ｌ１を所定の入射条件で入射する入射光学系１が設けられている。本構成例においては、入射光学系１は、６個の全反射ミラー１１〜１６を有して構成されている。入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１は、全反射ミラー１１、１２によって、チタンサファイア結晶２０へと導かれる。このとき、励起されたチタンサファイア結晶２０を入力光Ｌ１が通過することにより、チタンサファイア結晶２０内で発生する誘導放出によって入力光Ｌ１が増幅される。
【００５０】
また、本構成例においては、全反射ミラー１３〜１６からなる光学系によってさらに２回で合計３回、入力光Ｌ１がチタンサファイア結晶２０を通過する構成となっている。これにより、入力光Ｌ１が光パルス当たり２００ｍＪまで増幅された増幅光が得られる。
【００５１】
ここで、入力光Ｌ１がチタンサファイア結晶２０で増幅されて得られる増幅光でのビーム断面強度分布や波面などのビーム品質を、出力光の応用上充分な品質に保持するため、チタンサファイア結晶２０への入力光Ｌ１の通過回数は適当な回数、上記の例では３回、に設定される。このとき、チタンサファイア結晶２０には、通常、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂを含む励起部４から供給された励起エネルギーの一部が残留する。
【００５２】
チタンサファイア結晶２０で入力光Ｌ１が増幅された結果生成される増幅光は、出射光学系３を介して所定の出射条件で出力光Ｌ２として出射される。この出射光学系３は、全反射ミラー３１、ビームスプリッター３０ａ、及び全反射ミラー３２を有して構成されている。また、本構成例においては、出射光学系３に対して、その後段に光パルス幅圧縮器３３が設置されている。
【００５３】
チタンサファイア結晶２０からの増幅光は、全反射ミラー３１、ビームスプリッター３０ａ、及び全反射ミラー３２を介して、その大部分が光パルス幅圧縮器３３へと導かれる。チタンサファイア結晶２０から出射される増幅光は、パルス幅が２００ｐｓと広く、その尖頭出力値は１ＧＷ程度である。このため、本構成例においては、光パルス幅圧縮器３３を用いて、出力光Ｌ２のパルス幅を元の５０ｆｓまで圧縮している。このような構成を用いることにより、光パルスのエネルギーは１５０ｍＪとやや減少するが、パルス幅の圧縮によってその尖頭出力値は３ＴＷとなり、大強度の出力光Ｌ２が得られる。このような出力光Ｌ２は、集光により非常に大きな光強度が得られるため、様々な応用が可能な光パルスとなっている。
【００５４】
また、この出射光学系３に設けられているビームスプリッター３０ａは、チタンサファイア結晶２０からの増幅光の大部分を光パルス幅圧縮器３３へと通過させるとともに、その増幅光の一部を所定の割合で分岐して分岐光Ｌ３を生成する光分岐部３０となっている。
【００５５】
すなわち、出力光Ｌ２の物質への照射、または出力光Ｌ２の光パルス幅圧縮器３３への入射、出射などにおいて、出力光Ｌ２の一部が反射されて元の光路を逆方向に伝搬する戻り光が発生する場合がある。このような戻り光は、通常は非常に微弱なものであるが、図２に示したような光増幅装置では、戻り光の光路上にチタンサファイア結晶２０が存在している。
【００５６】
したがって、この光増幅装置に逆方向に入力される戻り光は、チタンサファイア結晶２０で増幅されて高出力の戻り光となり、入力光生成装置８の内部を破壊するなど、光増幅装置、または光増幅装置に対して入力側に設けられた外部装置等において不具合を生じる原因となる。これに対して、図２に示した光増幅装置では、その出射光学系３に光分岐部３０として機能するビームスプリッター３０ａを設置して増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーの消費に用いている。
【００５７】
ビームスプリッター３０ａで分岐される分岐光Ｌ３に対して、分岐光Ｌ３を所定の入射条件でチタンサファイア結晶２０へと入射する分岐光入射光学系５が設置されている。この分岐光入射光学系５は、５個の全反射ミラー５１〜５５を有し、出力光Ｌ２の戻り光よりも前となる所定の入射タイミングで、分岐光Ｌ３がチタンサファイア結晶２０へと入射するように構成されている。
【００５８】
ビームスプリッター３０ａで分岐された分岐光Ｌ３は、全反射ミラー５１、５２、５３によって、チタンサファイア結晶２０へと導かれる。このとき、チタンサファイア結晶２０を分岐光Ｌ３が通過することにより、チタンサファイア結晶２０で分岐光Ｌ３が増幅されるとともに、チタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーが消費される。
【００５９】
また、本構成例においては、全反射ミラー５４、５５からなる光学系によってさらに１回で合計２回、分岐光Ｌ３がチタンサファイア結晶２０を通過する構成となっている。これにより、チタンサファイア結晶２０に残留している励起エネルギーが充分に消費される。なお、２回では充分でない場合には、必要に応じてさらに分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に通過させる構成としても良い。ここで、分岐光Ｌ３に関しては、ビーム断面強度分布や波面などのビーム品質に厳しい制約が設定されないため、通過回数が多い構成となっても差し支えない。
【００６０】
この分岐光Ｌ３は、上記した分岐光入射光学系５を介してチタンサファイア結晶２０を所定回数通過した後、増幅分岐光Ｌ４として所定の出射方向へと出射される。このように、チタンサファイア結晶２０に残留した励起エネルギーを分岐光Ｌ３を用いて消費させる構成により、上記のように出力光Ｌ２の戻り光が発生した場合であっても戻り光が増幅されることが防止され、そのため戻り光の影響が低減される光増幅装置が実現される。なお、チタンサファイア結晶２０で分岐光Ｌ３が増幅されて出射される増幅分岐光Ｌ４に対して、その反射光等の余分な光が発生することを防止するため、適当なビーム終端（図示していない）を設けておくことが好ましい。
【００６１】
図３は、光増幅装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、入力光Ｌ１を増幅する光増幅素子２と、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系とを備えている。
【００６２】
入射光学系１は、入力光生成装置８などから供給された入力光Ｌ１を、光増幅素子２へと所定の入射条件で入射する。また、出射光学系３は、入力光Ｌ１が光増幅素子２によって増幅された結果として生成される増幅光を、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置の出力側へと出射する。
【００６３】
光増幅素子２に対して、入力光Ｌ１を増幅するために必要な励起エネルギーを供給する励起部４が設置されている。励起部４は、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１から構成されている。エネルギー供給部４０で生成された励起エネルギーは、エネルギー伝送部４１を介して光増幅素子２へと供給される。これにより、光増幅素子２が励起されて、入力光Ｌ１を増幅可能な状態となる。
【００６４】
本実施形態においては、さらに、入射光学系１の光路上の所定位置に、光分岐部１０が設置されている。光分岐部１０は、光増幅素子２での被増幅光となる入力光Ｌ１の一部を分岐して、分岐光Ｌ６を生成する。この分岐光Ｌ６は、本光増幅装置において、励起部４から光増幅素子２へと供給された励起エネルギーのうちで、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させるために用いられる。
【００６５】
また、この光分岐部１０に対して、分岐光入射光学系６が設置されている。分岐光入射光学系６は、光分岐部１０で分岐された分岐光Ｌ６を所定の入射タイミングで、所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。
【００６６】
以上の構成において、励起部４から光増幅素子２へと励起エネルギーが供給されると、光増幅素子２は、光を増幅可能な状態に励起される。この状態で、入力光生成装置８から供給された入力光Ｌ１を、入射光学系１を介して所定の入射条件で光増幅素子２へと入射する。このとき、光増幅素子２で入力光Ｌ１が増幅される。光増幅素子２からの増幅光は、出射光学系３を介して、所定の出射条件で出力光Ｌ２として光増幅装置から出力され、物質への照射などの所定の目的に用いられる。
【００６７】
また、本実施形態の光増幅装置では、入射光学系１に設けられた光分岐部１０によって入力光Ｌ１の一部が所定の割合で分岐される。そして、得られた分岐光Ｌ６は、入射光学系１とは別に設けられた分岐光入射光学系６を介して光増幅素子２へと入射された後、光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ７として所定の方向へと出射される。このとき、分岐光Ｌ６の増幅によって、光増幅素子２に残留していた励起エネルギーが消費される。
【００６８】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００６９】
図３に示した光増幅装置においては、増幅対象の光を伝搬する光増幅装置での光学系に含まれている入射光学系１に対して、その光路上に光分岐手段である光分岐部１０を挿入して伝搬されている入力光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ６を、分岐光入射光学系６を介して光増幅素子２へと入射する。そして、分岐光Ｌ６の光増幅素子２への入射タイミングを、所定のタイミングに設定している。
【００７０】
このような構成によれば、第１実施形態の構成と同様に、所定のタイミングで入射された分岐光Ｌ６が光増幅素子２で増幅されることにより、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費させることが可能となる。このとき、出力光Ｌ２の戻り光が逆方向に光増幅装置の光増幅素子２へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００７１】
ここで、分岐光入射光学系６を介した光増幅素子２への分岐光Ｌ６の入射タイミングについては、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するために好適なタイミングに設定することが好ましい。具体的には例えば、光増幅装置からの出力光Ｌ２が反射された戻り光が想定される場合には、入力光Ｌ１が光増幅素子２から出射されるよりも後で、戻り光が光増幅素子２へと入射されるよりも前となるように分岐光Ｌ６の入射タイミングを設定することが好ましい。
【００７２】
このように分岐光Ｌ６の入射タイミングを設定することにより、戻り光の光増幅素子２への入射時には既に光増幅素子２に残留している余分な励起エネルギーが分岐光Ｌ６の増幅によって消費されていることとなる。したがって、戻り光が増幅されて高出力化されることが防止され、戻り光の影響を確実に低減することができる。
【００７３】
このような構成では、この分岐光Ｌ６を入力光Ｌ１よりも後の入射タイミングで光増幅素子２へと入射するため、必要に応じて、分岐光入射光学系６に適当な遅延光学系を設けることが好ましい。ここで、図１に示した構成においては、出射光学系３に設けられた光分岐部３０で増幅光を分岐して分岐光Ｌ３を生成しているため、その光増幅素子２への入射タイミングは、入力光Ｌ１が光増幅素子２へと入射されるよりも後となっている。
【００７４】
なお、図２に示した実施例のように、光増幅素子２に対して複数回にわたって入力光Ｌ１を入射するように入射光学系１が構成されている場合には、光増幅素子２に最初に入射光Ｌ１が入射される前の位置に限らず、例えば入力光Ｌ１が光増幅素子２を１回通過してから２回目の入射までの間の光路上など、様々な位置に光分岐部１０を設置することが可能である。一般には、光増幅素子２に残留している励起エネルギーを消費するための分岐光を生成する光分岐手段は、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系での光路上の所定位置に設置すれば良い。
【００７５】
図４は、光増幅装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における光増幅装置は、入力光Ｌ１を増幅する光増幅素子２と、入射光学系１及び出射光学系３を含む光学系とを備えている。本実施形態においては、入射光学系１、光増幅素子２、光分岐部３０を含む出射光学系３、エネルギー供給部４０及びエネルギー伝送部４１を有する励起部４、及び分岐光入射光学系５の構成については、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００７６】
本実施形態においては、さらに、光増幅素子２で分岐光Ｌ３が増幅された増幅分岐光Ｌ４に対して、分岐光出射光学系７が設置されている。この分岐光出射光学系７は、光増幅素子２から所定の方向に出射された増幅分岐光Ｌ４を、所定の出射条件で光増幅装置の出力側へと分岐出力光Ｌ５として出射する。
【００７７】
本実施形態による光増幅装置の効果について説明する。
【００７８】
図４に示した光増幅装置においては、第１実施形態の構成と同様に、出射光学系３の光路上に光分岐部３０を挿入して伝搬されている増幅光の一部を分岐し、得られた分岐光Ｌ３を、分岐光入射光学系５を介して光増幅素子２へと所定の入射タイミングで入射する。このような構成によれば、入力光Ｌ１を増幅した後に光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３の増幅によって消費させることが可能となり、出力光Ｌ２の戻り光が光増幅素子２で増幅されて高出力の戻り光として出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【００７９】
また、本実施形態においては、残留している励起エネルギーを消費する過程において光増幅素子２で増幅された分岐光Ｌ４に対して、出射光学系３とは別に分岐光出射光学系７を設置し、第２の出力光Ｌ５として出力する構成としている。このようにして得られる分岐出力光Ｌ５は、出力光Ｌ２と完全に同期が取れている。したがって、この分岐出力光Ｌ５は、時間分解計測などの様々な計測に有効に利用することが可能である。
【００８０】
すなわち、出力光Ｌ２が照射されている相互作用域に対して、分岐光出射光学系７を介して、分岐出力光Ｌ５を所定のタイミングで相互作用域に導くことにより、相互作用域に発生している現象をプローブするなど、様々な目的に用いることができる。
【００８１】
このように出力光Ｌ２に対して同期が取れて、プローブ光などとして用いられる第２の出力光は、通常は、出力光Ｌ２を分岐することによって生成される。しかしながら、プローブ光として用いるためには、光検出器の感度に対して充分な強度の光が必要とされるため、出力光Ｌ２を分岐して用いる構成では、物質への作用に用いるべき出力光Ｌ２のエネルギー自体がある程度減少する。また、プローブ光の戻り光が問題となる場合もある。
【００８２】
これに対して、分岐光Ｌ３を入力光Ｌ１とは別に光増幅素子２で増幅し、得られた増幅光を分岐出力光Ｌ５として出力する上記構成によれば、出力光Ｌ２のエネルギーはほとんど減少することがなく、かつ、光検出器の感度に対して充分なエネルギーの光をプローブ光とすることができる。また、光増幅素子２に残留している励起エネルギーを分岐光Ｌ３によって消費しているので、プローブ光の戻り光が問題となることもない。
【００８３】
なお、このように光増幅素子２で増幅された分岐光に対して、分岐光出射光学系を設けて分岐出力光として出力する構成は、入力光Ｌ１から分岐光を生成する図３に示した構成においても同様に適用することが可能である。
【００８４】
本発明による光増幅装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。また、図２に示した実施例は、光増幅装置の構成の一例を示したものであり、光増幅装置の具体的な構成としては、これ以外にも様々な構成を用いることが可能である。
【００８５】
例えば、チタンサファイア結晶２０へと励起エネルギーを供給する励起部４については、図２においては、ＹＡＧレーザ４０ａ及び第２高調波発生器４０ｂからなるエネルギー供給部４０と、光学系からなるエネルギー伝送部４１とを有する構成を示している。これに対して、励起部４としては、このような励起系を複数用いる構成とすることも可能である。励起系を複数台とすることにより、光増幅素子２であるチタンサファイア結晶２０は、設置された励起系の台数に応じた励起エネルギーを受け取ることとなり、さらに高出力の出力光Ｌ２を得ることが可能となる。
【００８６】
また、光分岐部３０からの分岐光Ｌ３のチタンサファイア結晶２０への入射については、図２においては、全反射ミラー５１〜５５からなる分岐光入射光学系５により、分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に２回入射する構成を示している。これに対して、その後に得られる増幅分岐光Ｌ４のビーム品質が問題とならない場合には、残留している励起エネルギーを充分に消費するため、分岐光Ｌ３をチタンサファイア結晶２０に３回以上入射する構成としても良い。ただし、このような場合でも、最終的に出射される増幅分岐光Ｌ４が、入力光生成装置８への光路へ導かれることがないように光学系を構成することが好ましい。
【００８７】
また、光増幅装置の前段に入力光生成装置８が設置される場合、その入力光生成装置８の構成については、図２に示した構成に限らず、様々な構成の生成装置を用いて良い。また、外部装置で生成された光等を入力光として用いる構成としても良い。
【００８８】
【発明の効果】
本発明による光増幅装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、入射光学系及び出射光学系を含む光学系に対して、その光路上の所定位置に光分岐手段を設置し、得られた分岐光を分岐光入射光学系を介して、所定の入射タイミングで光増幅手段へと入射する構成によれば、入力光を増幅した後に光増幅手段に残留している励起エネルギーを、分岐光の増幅によって消費させることが可能となる。
【００８９】
このとき、光増幅装置の出力側からの戻り光が逆方向に光増幅手段へと入射された場合であっても、この戻り光が光増幅手段で増幅されて高出力の戻り光として入力側へと出射されることが抑制される。したがって、戻り光の影響が確実に低減されて、安定して動作することが可能な光増幅装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】光増幅装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光増幅装置の具体的な一実施例を示す構成図である。
【図３】光増幅装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】光増幅装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…入射光学系、１０…光分岐部、１１〜１６…全反射ミラー、２…光増幅素子、２０…チタンサファイア結晶、３…出射光学系、３０…光分岐部、３０ａ…ビームスプリッター、３１、３２…全反射ミラー、３３…光パルス幅圧縮器、４…励起部、４０…エネルギー供給部、４０ａ…ＹＡＧレーザ、４０ｂ…第２高調波発生器、４１…エネルギー伝送部、４２、４４…レンズ、４３…真空パイプ、４３ａ…真空ポンプ、４５、４６…全反射ミラー、４７…ビーム終端、５…分岐光入射光学系、５１〜５５…全反射ミラー、６…分岐光入射光学系、７…分岐光出射光学系、８…入力光生成装置、８１…フェムト秒発振器、８２…再生増幅システム、８３…スライサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical amplifier that amplifies input light and outputs the amplified light.
[0002]
[Prior art]
As a device to amplify the energy of input light, the pumping energy is supplied to excite the optical amplification element, and the input light, which is the light to be amplified, enters the excited optical amplification element to generate stimulated emission. There is known an optical amplifier that amplifies input light and outputs the amplified light. Examples of such an optical amplifier include a semiconductor optical amplifier such as a TWA (Traveling-Wave Amplifier) (Reference 1), an optical fiber amplifier, a reproduction optical amplifier used for amplifying an optical pulse (Reference 2), and a multipath. There is an amplifier (Reference 3).
[0003]
[Non-patent document 1]
J. Klebniczki et al. , "Generation of tunable femtosecond pulses in a tracing-wave amplifier", Opt. Lett. Vol. 15 No. 23 (1990), p. 1368-1370.
[0004]
[Non-patent document 2]
T. Miura et al. , "Timing jitter in a kilohertz regenerative amplifier of a femtosecond-pulse Ti: Al ₂ O ₃ laser ", Opt. Lett. Vol.25 No.24 (2000), p.1795-1797.
[0005]
[Non-Patent Document 3]
K. Yamakawa and C.I. P. J. Barty, "Ultrafast, Ultrahigh-Peak, and High-Average Power Ti: Sapphire Laser System and Its Applications", IEEE J.E. Sel. Top. Quant. Electr. Vol. 6 No. 4 (2000), p. 658-675.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In such an optical amplifying device, in principle, amplification occurs effectively with respect to bidirectional light incident on the optical amplifying element. On the other hand, if there is a medium that reflects even part of the light on the output side of the light from the optical amplifying device, a part of the output light is reflected to generate return light, which is transmitted to the optical amplifying element of the optical amplifying device. It often happens that the beam is re-entered. At this time, the return light from the output side is amplified by the optical amplifying element, and is emitted in the opposite direction to the input side of the optical amplifier as high-power return light.
[0007]
The high-output return light amplified by the optical amplifying element is incident on an optical medium or an optical device provided on the input side of the optical amplifying device, and causes a problem. For example, if a laser resonator is provided on the input side of the optical amplifying device, the return light amplified by the optical amplifying element re-enters, so that the oscillation state of the laser resonator becomes unstable. In addition, the high output easily damages optical elements and the like.
[0008]
On the other hand, as a configuration for reducing the influence of the return light in the optical amplifier, there is a configuration in which a directional optical coupler (optical isolator) is provided on the optical path. By using the optical isolator, the energy of the return light in the reverse direction can be attenuated by several orders, and the return light of high output is prevented from being emitted to the input side of the optical amplifier.
[0009]
However, the optical isolator has a problem in that the light entrance window is limited in size, so that light with a large beam diameter cannot all enter. Further, if an optical isolator is inserted on the optical path for light having a high intensity, it is difficult to reliably reduce the influence of return light, for example, the optical isolator itself may be optically damaged. On the other hand, in order to reduce the light intensity, the beam diameter must be increased, but this has a problem in application of the optical isolator as described above. Further, since the optical isolator is relatively expensive, there is a problem that the optical amplifying device as a whole becomes expensive in the above configuration.
[0010]
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide an optical amplifying device capable of reliably reducing the influence of return light.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, an optical amplifier according to the present invention supplies (1) an optical amplifier for amplifying input light and (2) excitation energy for amplifying the input light to the optical amplifier. Pumping means, (3) an input optical system for inputting light into the optical amplifier, and (4) an output optical system for outputting amplified light obtained as a result of amplification of the input light by the optical amplifier as output light. (5) a light branching unit installed at a predetermined position of an optical system including an incident optical system and an output optical system and branching a part of the input light or the amplified light; and (6) a branched light branched by the light branching unit. And a branch light incidence optical system for entering the optical amplification means at a predetermined incidence timing.
[0012]
In the above-described optical amplifying device, the optical amplifying device includes an incident optical system and an outgoing optical system, and propagates by inserting a light branching unit on an optical path of the optical system in the optical amplifying device through which light to be amplified propagates. A part of the split light is split, and the obtained split light is incident on the optical amplification means via an optical system different from the input light that is the amplified light. Then, the timing at which the branched light is incident on the optical amplifier is set to a predetermined timing.
[0013]
According to such a configuration, the branch light incident at a predetermined timing is amplified by the optical amplifier, so that the pump energy remaining in the optical amplifier after the input light is amplified can be consumed. It becomes. At this time, even if the return light from the output side of the optical amplifying device is incident on the optical amplifying means in the opposite direction, this return light is amplified by the optical amplifying means and becomes a high output return light on the input side. Is suppressed. Therefore, the effect of the return light is reliably reduced, and an optical amplifier that can operate stably is realized. When the return light of the output light is assumed, the input timing of the branched light to the optical amplification unit is preferably set to the input timing before the return light is input to the optical amplification unit. .
[0014]
To ensure this, for example, the output light propagation path may be surrounded by a cover that is longer than half the optical path length required for the residual energy consumption process of the optical amplifier by the split light. At this time, the installation of an optical element or the like that generates the return light can be performed only at a position sufficiently far from the optical amplifier, and the timing at which the return light enters the optical amplifier is after the residual energy is consumed.
[0015]
As a configuration in which the split light is incident on the optical amplifying means, the light splitting means is installed in the output optical system and splits a part of the amplified light, and the split light incident optical system is more than the return light of the output light. It is preferable that the branched light be incident on the optical amplifying means at the preceding incident timing. Alternatively, the light splitting unit is installed in the incident optical system and splits a part of the input light, and the split light incident optical system has an input timing that is later than the input light and earlier than the return light of the output light. It is preferable that the split light be incident on the optical amplification means. According to these configurations, it is possible to reliably consume the excitation energy remaining in the optical amplifying unit and reduce the influence of the return light.
[0016]
Further, the optical amplifying device includes a branched light emitting optical system that emits amplified light obtained as a result of amplification of the branched light incident on the optical amplification unit by the optical amplification unit by the branched light incident optical system as the branched output light. It is characterized by. Such branched output light is completely synchronized with output light emitted from a normal emission optical system, and can be effectively used for various measurements such as time-resolved measurement.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the optical amplifying device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.
[0018]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the first embodiment of the optical amplifier according to the present invention. The optical amplifying device according to the present embodiment amplifies input light L1 input as light to be amplified and outputs the obtained amplified light as output light L2. (Amplifying medium). Further, an optical system including the incident optical system 1 and the output optical system 3 is provided for the optical amplifying element 2 as an optical system for transmitting light to be amplified.
[0019]
The incident optical system 1 is an optical system for inputting the input light L1 supplied from the input light generation device 8 or the like provided on the input side of the optical amplification device to the optical amplification element 2. In the incident optical system 1, the input light L1 is formed into a beam shape (beam size, degree of focusing, etc.) suitable for optical amplification, and an incident angle and the like are appropriately set to the optical amplifying element 2 under predetermined incident conditions. Incident. The output optical system 3 outputs an amplified light generated as a result of the input light L1 being amplified by the optical amplifying element 2 to the output side of the optical amplifying device as output light L2 under predetermined emission conditions. It is.
[0020]
An excitation section 4 for supplying excitation energy necessary for amplifying the input light L1 to the optical amplification element 2 is provided. The excitation energy to the optical amplifying element 2 is supplied by means of, for example, excitation light, current, discharge, or the like.
[0021]
The excitation unit 4 includes an energy supply unit 40 and an energy transmission unit 41. The energy supply unit 40 is, for example, an excitation light source that generates excitation light, generates excitation energy, and supplies the generated energy to the energy transmission unit 41. In addition, the energy transmission unit 41 transmits the excitation energy supplied from the energy supply unit 40 to the optical amplification device 2. As a result, the optical amplifying element 2 is excited, and becomes capable of amplifying the input light L1.
[0022]
In the present embodiment, a light branching unit 30 is further provided at a predetermined position on the optical path of the emission optical system 3. The optical splitter 30 splits a part of the amplified light generated as a result of the input light L1 being amplified by the optical amplifying element 2, and generates a split light L3. In the present optical amplifier, the split light L3 is the pump energy remaining in the optical amplifier 2 after amplifying the input light L1 among the pump energies supplied from the pump unit 4 to the optical amplifier 2. Used to consume.
[0023]
Further, a branched light incidence optical system 5 is provided for the light branching unit 30. The split light incidence optical system 5 makes the split light L3 split by the light splitting unit 30 incident on the optical amplification element 2 at a predetermined incident timing and under a predetermined incident condition.
[0024]
In the above configuration, when the excitation energy is supplied from the energy supply unit 40 of the excitation unit 4 to the optical amplification element 2 via the energy transmission unit 41, the optical amplification element 2 is excited to a state where light can be amplified. Is done. In this state, the input light L1 supplied from the input light generating device 8 connected to the input side of the optical amplifying device enters the optical amplifying element 2 via the incident optical system 1 under a predetermined incident condition. At this time, stimulated emission occurs in the optical amplifying element 2, whereby the input light L1 is amplified.
[0025]
The amplified light generated as a result of the input light L1 being amplified by the optical amplifying element 2 is output from the optical amplifying device as output light L2 under predetermined emission conditions via the emission optical system 3, and irradiates a substance. Is used for a predetermined purpose. Note that the input optical system 1 may input the input light L1 to the optical amplifying element 2 and thereby amplify the input light L1 once, or may amplify the input light L1 a plurality of times as necessary. May be.
[0026]
Here, even after the input light L1 is amplified by the optical amplifying element 2, restrictions for maintaining the beam quality of the amplified output light L2 satisfactorily and the input light L1 are transmitted to the optical amplifying element 2. A part of the pumping energy supplied from the pumping unit 4 may remain in the optical amplifying element 2 due to a limitation on the configuration of the optical system to be incident.
[0027]
On the other hand, in the optical amplifying device of the present embodiment, a part of the amplified light is branched at a predetermined ratio by the light branching unit 30 provided in the emission optical system 3. The obtained split light L3 is incident on the optical amplification element 2 via the split light incidence optical system 5 provided separately from the incident optical system 1, and then is split by the optical amplification element 2. The light is emitted in a predetermined direction as L4. At this time, the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 is consumed by the amplification of the branched light L3.
[0028]
The effects of the optical amplifier according to the present embodiment will be described.
[0029]
In the optical amplifying apparatus shown in FIG. 1, an optical branching unit serving as an optical branching unit is provided on an optical path of an output optical system 3 included in an optical system of the optical amplifying apparatus that propagates light to be amplified. A part of the amplified light propagating by inserting 30 is branched, and the obtained branched light L3 is incident on the optical amplification element 2 via the branched light incident optical system 5. Then, the timing at which the branched light L3 enters the optical amplification element 2 is set to a predetermined timing.
[0030]
According to such a configuration, as described above, the branched light L3 incident at a predetermined timing is amplified by the optical amplifying element 2, so that the input light L1 is amplified and remains in the optical amplifying element 2. Energy can be consumed. At this time, there is a medium that reflects light on the output side of the optical amplifying device, and return light generated as a result of reflection of the output light L2 is incident on the optical amplifying element 2 of the optical amplifying device in the opposite direction. Even if there is, this return light is suppressed from being amplified by the optical amplifier element 2 and emitted to the input side as high-output return light. Therefore, the effect of the return light is reliably reduced, and an optical amplifier that can operate stably is realized.
[0031]
Here, the incident timing of the branch light L3 to the optical amplification element 2 via the branch light incident optical system 5 is determined in order to consume the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 after amplifying the input light L1. It is preferable to set a suitable timing. Specifically, for example, when return light in which the output light L2 from the optical amplifying device is reflected is assumed, the branch light is set so that the return light comes before the light amplifies the optical amplifying element 2. It is preferable to set the incident timing of L3.
[0032]
By setting the incident timing of the branched light L3 in this way, even when the return light of the output light L2 occurs, the return light already remains in the optical amplification element 2 when the return light is incident on the optical amplification element 2. This means that the extra excitation energy is consumed by the amplification of the branched light L3. Therefore, it is prevented that the return light is amplified and the output is increased, and the influence of the return light can be surely reduced.
[0033]
In the above-described case, the configuration conditions of the optical amplifying device are as follows: the distance from the optical branching unit 30 provided in the output optical system 3 to the medium that reflects the output light L2 and generates the return light is D; When the distance from the branched light incident optical system 5 to D1 and the distance from the branched light incident optical system 5 to the optical amplifying element 2 are D2, it is preferable to satisfy the condition 2 × D> D1 + D2. Such a configuration can be realized by, for example, installing the optical branching unit 30 immediately after the optical amplification element 2.
[0034]
To ensure this, for example, the output light propagation path may be surrounded by a cover that is longer than half the optical path length required for the residual energy consumption process of the optical amplifier by the split light. At this time, the installation of an optical element or the like that generates the return light can be performed only at a position sufficiently far from the optical amplifier, and the timing at which the return light enters the optical amplifier is after the residual energy is consumed.
[0035]
Further, regarding the optical system that guides the branched light L3 from the light branching unit 30 to the optical amplifying element 2, an optical system different from the incident optical system 1 that enters the input light L1 that is the amplified light into the optical amplifying element 2. A branch light incidence optical system 5 is provided as a system. In such a configuration, the optical axis of the split light L3 in the split light incident optical system 5 is different from the optical axis of the input light L1 in the incident optical system 1. This prevents the amplified branched light L4 emitted from the optical amplification element 2 from being emitted to the input side of the optical amplifier.
[0036]
FIG. 2 is a configuration diagram showing one embodiment of the optical amplifying device shown in FIG. Hereinafter, the configuration of the present optical amplifying device will be described with reference to FIGS.
[0037]
In this embodiment, an input light generating device 8 is provided on the input side of the optical amplifying device as a supply unit for supplying the input light L1 to the optical amplifying device. The input light generation device 8 includes a femtosecond titanium sapphire oscillator 81, a titanium sapphire reproduction amplification system 82, and a slicer 83. The femtosecond oscillator 81 generates an optical pulse having a wavelength of 800 nm and a pulse width of 50 fs at a repetition frequency of 80 MHz. The average output of the light generated by the femtosecond oscillator 81 is 600 mW, and the energy per light pulse is 7.5 nJ.
[0038]
In order to increase the energy of the light pulse generated by the femtosecond oscillator 81 to a certain extent, the light pulse is amplified in the reproduction amplification system 82. First, the optical pulse output from the femtosecond oscillator 81 is chirped by a pulse stretcher to be a chirped light whose pulse width is expanded to 200 ps, and then input to the reproduction amplification system 82.
[0039]
Thereby, in the reproduction amplification system 82, an optical pulse having a wavelength of 800 nm and a repetition frequency of 1 kHz is obtained. The average output of the light generated by the reproduction amplification system 82 is 1 W, and the energy per light pulse is 1 mJ. In the optical pulse output from the reproduction amplification system 82, the chirped light having a wider pulse width is preferable in the subsequent amplification, so that the pulse width remains at 200 ps.
[0040]
Further, only a 10 Hz component is extracted by a slicer 83 from an optical pulse output from the reproduction amplification system 82 and having a repetition frequency of 1 kHz, and an optical pulse having a repetition frequency of 10 Hz is obtained. This is because the YAG laser 40a used in the excitation unit 4 in this embodiment operates most stably at 10 Hz.
[0041]
With respect to the input light L1 generated by the input light generation device 8 having the above configuration, the optical amplification device illustrated in FIG. 2 includes the titanium sapphire crystal 20 that functions as the optical amplification element 2. The optical amplifying device shown in FIG. 2 is a multi-pass amplifier that obtains amplified high-output light L2 by causing input light L1 as amplified light to enter the excited titanium sapphire crystal 20 a plurality of times. It is configured as a system.
[0042]
The energy supply unit 40 in the excitation unit 4 that supplies excitation energy necessary for amplifying the input light L1 to the titanium sapphire crystal 20 has a YAG laser 40a and a second harmonic generator 40b. It is configured as an excitation light source that supplies excitation energy to the titanium sapphire crystal 20 by the second harmonic of light.
[0043]
Here, in order to efficiently supply excitation energy to the titanium sapphire crystal 20, it is preferable to use a high-energy light pulse having a wavelength that the titanium sapphire crystal 20 absorbs as excitation light. For this reason, in the present embodiment, a nanosecond light pulse having a wavelength of 1064 nm and a repetition frequency of 10 Hz generated by the YAG laser 40a is set to a wavelength of 532 nm by the second harmonic generator 40b, and this light pulse is used as excitation light. . The energy of the excitation light pulse serving as the excitation energy supplied to the titanium sapphire crystal 20 is 850 mJ per light pulse.
[0044]
An energy transmission unit 41 that transmits energy to the titanium sapphire crystal 20 in response to the excitation energy being supplied by the excitation light pulse to the energy supply unit 40 including the YAG laser 40a and the second harmonic generator 40b. An optical system for guiding an optical pulse is provided.
[0045]
The optical system in the energy transmission unit 41 shown in FIG. 2 is configured such that the beam cross section of the light pulse immediately after output from the YAG laser 40a and the second harmonic generator 40b is transferred to the surface of the titanium sapphire crystal 20. It is an image optical system, and has a configuration capable of obtaining a high-quality excitation pattern. Specifically, this optical system includes a condenser lens 42, a vacuum pipe 43, a collimating lens 44, and total reflection mirrors 45 and 46 from the energy supply unit 40 toward the titanium sapphire crystal 20.
[0046]
The light pulse output as the excitation light from the second harmonic generator 40b is once collected by the condenser lens 42 and then collimated by the collimator lens 44. Then, the collimated excitation light pulse is incident on the titanium sapphire crystal 20 via the total reflection mirrors 45 and 46. In such a configuration, the beam cross section of the excitation light pulse immediately after the output is formed on the surface of the titanium sapphire crystal 20 by the relay lens system including the condenser lens 42 and the collimator lens 44.
[0047]
A vacuum pipe 43 is provided between the condenser lens 42 and the collimator lens 44. The vacuum pipe 43 is evacuated by a vacuum pump 43a, and has a light entrance window and a light exit window at predetermined portions on the lenses 42 and 44 side, respectively. Thus, by providing the vacuum pipe 43 at a position where the excitation light pulse is condensed and its energy is concentrated in a narrow region, deterioration of the beam quality of the excitation light pulse due to the nonlinear optical effect of air or the like is prevented. .
[0048]
Further, a beam termination 47 is provided at a predetermined position sandwiching the titanium sapphire crystal 20 when viewed from the total reflection mirror 46 that causes the excitation light pulse to enter the titanium sapphire crystal 20. The beam terminator 47 cuts the excitation light pulse that has passed through the titanium sapphire crystal 20. Such a beam terminator is preferable from the viewpoint of safety of the apparatus.
[0049]
The incident optical system 1 for inputting the input light L1 under predetermined incident conditions to the titanium sapphire crystal 20 excited by supplying excitation energy from the excitation unit 4 having the above-described configuration is provided. In the present configuration example, the incident optical system 1 is configured to have six total reflection mirrors 11 to 16. The input light L1 supplied from the input light generation device 8 is guided to the titanium sapphire crystal 20 by the total reflection mirrors 11 and 12. At this time, when the input light L1 passes through the excited titanium sapphire crystal 20, the input light L1 is amplified by stimulated emission generated in the titanium sapphire crystal 20.
[0050]
Further, in this configuration example, the input light L1 passes through the titanium sapphire crystal 20 a total of three times, two more times, by the optical system including the total reflection mirrors 13 to 16. As a result, amplified light is obtained in which the input light L1 is amplified up to 200 mJ per light pulse.
[0051]
Here, in order to maintain the beam quality, such as the beam cross-sectional intensity distribution and the wavefront, of the amplified light obtained by amplifying the input light L1 in the titanium sapphire crystal 20, the titanium sapphire crystal 20 The number of times the input light L1 passes through is set to an appropriate number of times, in the above example, three times. At this time, a part of the pumping energy supplied from the pumping unit 4 including the YAG laser 40a and the second harmonic generator 40b usually remains in the titanium sapphire crystal 20.
[0052]
The amplified light generated as a result of the input light L1 being amplified by the titanium sapphire crystal 20 is emitted as output light L2 via the emission optical system 3 under predetermined emission conditions. The emission optical system 3 includes a total reflection mirror 31, a beam splitter 30a, and a total reflection mirror 32. Further, in the present configuration example, an optical pulse width compressor 33 is installed at a stage subsequent to the emission optical system 3.
[0053]
Most of the amplified light from the titanium sapphire crystal 20 is guided to the optical pulse width compressor 33 via the total reflection mirror 31, the beam splitter 30a, and the total reflection mirror 32. The amplified light emitted from the titanium sapphire crystal 20 has a wide pulse width of 200 ps and a peak output value of about 1 GW. For this reason, in the present configuration example, the pulse width of the output light L2 is compressed to the original 50 fs using the optical pulse width compressor 33. By using such a configuration, the energy of the light pulse is slightly reduced to 150 mJ, but the peak output value becomes 3 TW due to the compression of the pulse width, and a high-intensity output light L2 is obtained. Such output light L2 is a light pulse that can be used in various applications because a very high light intensity is obtained by condensing.
[0054]
The beam splitter 30a provided in the emission optical system 3 allows most of the amplified light from the titanium sapphire crystal 20 to pass to the optical pulse width compressor 33, and at the same time, a part of the amplified light to a predetermined amount. The optical splitter 30 splits at a ratio to generate a split light L3.
[0055]
That is, when the output light L2 is irradiated on a substance, or when the output light L2 is incident on or emitted from the optical pulse width compressor 33, a part of the output light L2 is reflected and returns in the original optical path in the reverse direction. Light may be generated. Such return light is usually very weak. However, in the optical amplifier shown in FIG. 2, the titanium sapphire crystal 20 exists on the optical path of the return light.
[0056]
Therefore, the return light input to the optical amplifier in the reverse direction is amplified by the titanium sapphire crystal 20 and becomes a high output return light, and the optical amplifier or the optical amplifier is destroyed. This may cause a problem in an external device or the like provided on the input side of the amplifying device. On the other hand, in the optical amplifying device shown in FIG. 2, a beam splitter 30a functioning as a light branching unit 30 is provided in the emission optical system 3 to partially branch the amplified light, and the obtained branched light L3 Is used for consuming the excitation energy remaining in the titanium sapphire crystal 20.
[0057]
For the split light L3 split by the beam splitter 30a, a split light incident optical system 5 for inputting the split light L3 to the titanium sapphire crystal 20 under a predetermined incident condition is provided. The split light incident optical system 5 has five total reflection mirrors 51 to 55, and the split light L3 enters the titanium sapphire crystal 20 at a predetermined incident timing before the return light of the output light L2. It is configured to be.
[0058]
The split light L3 split by the beam splitter 30a is guided to the titanium sapphire crystal 20 by the total reflection mirrors 51, 52, and 53. At this time, when the branched light L3 passes through the titanium sapphire crystal 20, the branched light L3 is amplified by the titanium sapphire crystal 20, and the excitation energy remaining in the titanium sapphire crystal 20 is consumed.
[0059]
In the present configuration example, the branched light L3 passes through the titanium sapphire crystal 20 a total of two more times, once by the optical system including the total reflection mirrors 54 and 55. Thereby, the excitation energy remaining in the titanium sapphire crystal 20 is sufficiently consumed. Note that if two times are not enough, the configuration may be such that the branched light L3 is further passed through the titanium sapphire crystal 20 as necessary. Here, regarding the branched light L3, since there is no strict restriction on the beam quality such as the beam cross-sectional intensity distribution and the wavefront, a configuration in which the number of passages is large may be used.
[0060]
After passing through the titanium sapphire crystal 20 a predetermined number of times through the above-described split light incidence optical system 5, the split light L3 is emitted as amplified split light L4 in a predetermined emission direction. As described above, the configuration in which the excitation energy remaining in the titanium sapphire crystal 20 is consumed using the branch light L3 allows the return light to be amplified even when the return light of the output light L2 occurs as described above. Thus, an optical amplifying device in which the influence of return light is reduced is realized. In order to prevent generation of unnecessary light such as reflected light with respect to the amplified branched light L4 which is amplified by the titanium sapphire crystal 20 and emitted, an appropriate beam termination (shown in the figure). Is preferably provided.
[0061]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the second embodiment of the optical amplifying device. The optical amplifying device according to the present embodiment includes an optical amplifying element 2 for amplifying the input light L1 and an optical system including an incident optical system 1 and an output optical system 3.
[0062]
The incident optical system 1 makes the input light L1 supplied from the input light generating device 8 or the like incident on the optical amplification element 2 under a predetermined incident condition. The emission optical system 3 emits amplified light generated as a result of the input light L1 being amplified by the optical amplification element 2 as output light L2 to the output side of the optical amplifier under predetermined emission conditions.
[0063]
An excitation section 4 for supplying excitation energy necessary for amplifying the input light L1 to the optical amplification element 2 is provided. The excitation unit 4 includes an energy supply unit 40 and an energy transmission unit 41. The excitation energy generated by the energy supply unit 40 is supplied to the optical amplification device 2 via the energy transmission unit 41. As a result, the optical amplifying element 2 is excited, and becomes capable of amplifying the input light L1.
[0064]
In the present embodiment, a light branching unit 10 is further provided at a predetermined position on the optical path of the incident optical system 1. The optical splitter 10 splits a part of the input light L1 that is to be amplified by the optical amplifying element 2, and generates a split light L6. In the present optical amplifier, the split light L6 is the pump energy remaining in the optical amplifier 2 after amplifying the input light L1 among the pump energies supplied from the pump unit 4 to the optical amplifier 2. Used to consume.
[0065]
Further, a branched light incident optical system 6 is provided for the light branching unit 10. The split light incident optical system 6 makes the split light L6 split by the light splitting unit 10 incident on the optical amplification element 2 at a predetermined incident timing and under a predetermined incident condition.
[0066]
In the above configuration, when excitation energy is supplied from the excitation unit 4 to the optical amplification element 2, the optical amplification element 2 is excited to a state where light can be amplified. In this state, the input light L1 supplied from the input light generation device 8 is incident on the optical amplification element 2 via the incident optical system 1 under a predetermined incident condition. At this time, the input light L1 is amplified by the optical amplification element 2. The amplified light from the optical amplifying element 2 is output from the optical amplifying device as output light L2 under predetermined emission conditions via the emission optical system 3, and is used for a predetermined purpose such as irradiating a substance.
[0067]
In the optical amplifying device of the present embodiment, a part of the input light L1 is branched at a predetermined ratio by the light branching unit 10 provided in the incident optical system 1. The obtained split light L6 is incident on the optical amplification element 2 via the split light incidence optical system 6 provided separately from the incident optical system 1, and then is split by the optical amplification element 2. The light is emitted in a predetermined direction as L7. At this time, the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 is consumed by the amplification of the branched light L6.
[0068]
The effects of the optical amplifier according to the present embodiment will be described.
[0069]
In the optical amplifying device shown in FIG. 3, an optical branching unit, which is an optical branching unit, is provided on an optical path of an incident optical system 1 included in an optical system of the optical amplifying device that propagates light to be amplified. A part of the input light propagating by inserting 10 is split, and the obtained split light L6 is incident on the optical amplification element 2 via the split light incident optical system 6. Then, the timing at which the branched light L6 enters the optical amplification element 2 is set to a predetermined timing.
[0070]
According to such a configuration, similarly to the configuration of the first embodiment, the branched light L6 incident at a predetermined timing is amplified by the optical amplification element 2, so that the input light L1 is amplified and then the optical amplification element 2 can consume the remaining excitation energy. At this time, even if the return light of the output light L2 is incident on the optical amplification element 2 of the optical amplifier in the reverse direction, this return light is amplified by the optical amplification element 2 and becomes high-output return light. Emission is suppressed. Therefore, the effect of the return light is reliably reduced, and an optical amplifier that can operate stably is realized.
[0071]
Here, the incident timing of the branch light L6 to the optical amplification element 2 via the branch light incidence optical system 6 is set in order to consume the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 after amplifying the input light L1. It is preferable to set a suitable timing. Specifically, for example, when return light in which the output light L2 from the optical amplification device is reflected is assumed, the return light is optically amplified after the input light L1 is emitted from the optical amplification element 2. It is preferable to set the incident timing of the branched light L6 so as to be before the light is incident on the element 2.
[0072]
By setting the incident timing of the branched light L6 in this way, when the return light is incident on the optical amplifying element 2, the excess pump energy already remaining in the optical amplifying element 2 is consumed by the amplification of the branched light L6. Will be. Therefore, it is prevented that the return light is amplified and the output is increased, and the influence of the return light can be surely reduced.
[0073]
In such a configuration, the branched light L6 is incident on the optical amplifying element 2 at an incident timing later than the input light L1, so that an appropriate delay optical system is provided in the branched light incident optical system 6 as necessary. Is preferred. Here, in the configuration shown in FIG. 1, since the amplified light is branched by the optical branching unit 30 provided in the emission optical system 3 to generate the branched light L3, the timing of incidence on the optical amplification element 2 Is after the input light L1 is incident on the optical amplification element 2.
[0074]
As in the embodiment shown in FIG. 2, when the incident optical system 1 is configured so that the input light L1 enters the optical amplifying element 2 a plurality of times, the optical amplifying element 2 The light splitting unit is not limited to the position before the incident light L1 is incident on the optical path, but may be located at various positions, for example, on the optical path between the time when the input light L1 passes through the optical amplification element 2 once and the time when the input light L1 enters the second time. 10 can be installed. Generally, the optical branching means for generating the branched light for consuming the excitation energy remaining in the optical amplification element 2 is provided at a predetermined position on the optical path in the optical system including the incident optical system 1 and the output optical system 3. Just install it.
[0075]
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the third embodiment of the optical amplifying device. The optical amplifying device according to the present embodiment includes an optical amplifying element 2 for amplifying the input light L1 and an optical system including an incident optical system 1 and an output optical system 3. In the present embodiment, the input optical system 1, the optical amplification element 2, the output optical system 3 including the optical splitter 30, the excitation unit 4 having the energy supply unit 40 and the energy transmission unit 41, and the split light incident optical system 5 The configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
[0076]
In the present embodiment, a branched light emitting optical system 7 is further provided for the amplified branched light L4 obtained by amplifying the branched light L3 by the optical amplifying element 2. The split light emitting optical system 7 emits the amplified split light L4 emitted from the optical amplifying element 2 in a predetermined direction to the output side of the optical amplifier under predetermined output conditions as a split output light L5.
[0077]
The effects of the optical amplifier according to the present embodiment will be described.
[0078]
In the optical amplifying device shown in FIG. 4, similarly to the configuration of the first embodiment, a part of the amplified light that is propagated by inserting the optical branching unit 30 on the optical path of the emission optical system 3 is branched, The obtained branched light L3 is incident on the optical amplification element 2 via the branched light incident optical system 5 at a predetermined incident timing. According to such a configuration, it becomes possible to consume the excitation energy remaining in the optical amplifying element 2 after amplifying the input light L1 by amplifying the branched light L3, and the return light of the output light L2 is used as the optical amplifying element. 2 and is prevented from being output as high-power return light after being amplified. Therefore, the effect of the return light is reliably reduced, and an optical amplifier that can operate stably is realized.
[0079]
In the present embodiment, a branched light emitting optical system 7 is provided separately from the emitting optical system 3 for the branched light L4 amplified by the optical amplifying element 2 in the process of consuming the remaining excitation energy. , And output as the second output light L5. The branched output light L5 obtained in this way is completely synchronized with the output light L2. Therefore, the branched output light L5 can be effectively used for various measurements such as time-resolved measurement.
[0080]
That is, the branch output light L5 is guided to the interaction area at a predetermined timing through the branch light emission optical system 7 with respect to the interaction area irradiated with the output light L2, thereby generating the light in the interaction area. It can be used for various purposes, such as probing the phenomenon that occurs.
[0081]
As described above, the second output light synchronized with the output light L2 and used as the probe light or the like is usually generated by splitting the output light L2. However, in order to use the probe light as the probe light, light having sufficient intensity with respect to the sensitivity of the photodetector is required. The energy itself of L2 decreases to some extent. Also, the return light of the probe light may be a problem.
[0082]
On the other hand, according to the above configuration in which the split light L3 is amplified by the optical amplifying element 2 separately from the input light L1 and the obtained amplified light is output as the split output light L5, the energy of the output light L2 is almost reduced. And light having sufficient energy for the sensitivity of the photodetector can be used as the probe light. Further, since the pumping energy remaining in the optical amplification element 2 is consumed by the branch light L3, the return light of the probe light does not cause any problem.
[0083]
The configuration in which the branched light output optical system is provided for the branched light amplified by the optical amplifying element 2 and output as the branched output light is shown in FIG. 3 in which the branched light is generated from the input light L1. The same can be applied to the configuration.
[0084]
The optical amplifying device according to the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible. The embodiment shown in FIG. 2 shows an example of the configuration of the optical amplifying device, and various other configurations can be used as the specific configuration of the optical amplifying device. .
[0085]
For example, regarding the excitation unit 4 that supplies excitation energy to the titanium sapphire crystal 20, in FIG. 2, an energy supply unit 40 including a YAG laser 40a and a second harmonic generator 40b and an energy transmission unit including an optical system are illustrated. 41 is shown. On the other hand, the excitation unit 4 may be configured to use a plurality of such excitation systems. By using a plurality of pumping systems, the titanium sapphire crystal 20 as the optical amplifying element 2 receives pumping energy corresponding to the number of pumping systems installed, and can obtain higher output light L2. It becomes possible.
[0086]
As for the incidence of the branched light L3 from the light branching unit 30 to the titanium sapphire crystal 20 in FIG. 2, the branched light L3 is converted into the titanium sapphire crystal by the branched light incident optical system 5 including the total reflection mirrors 51 to 55. 20 shows a configuration in which light is incident twice. On the other hand, when the beam quality of the amplified branched light L4 obtained thereafter does not matter, the branched light L3 is incident on the titanium sapphire crystal 20 at least three times in order to sufficiently consume the remaining excitation energy. It is good also as composition which performs. However, even in such a case, it is preferable to configure the optical system such that the amplified branched light L4 finally emitted is not guided to the optical path to the input light generation device 8.
[0087]
Further, when the input light generation device 8 is installed at a stage preceding the optical amplification device, the configuration of the input light generation device 8 is not limited to the configuration illustrated in FIG. 2, and various configurations of generation devices may be used. . Further, a configuration may be employed in which light or the like generated by an external device is used as input light.
[0088]
【The invention's effect】
As described above in detail, the optical amplifying device according to the present invention has the following effects. That is, for the optical system including the incident optical system and the output optical system, a light splitting unit is installed at a predetermined position on the optical path, and the obtained split light is transmitted through the split light incident optical system at a predetermined incident timing. With this configuration, the excitation energy remaining in the optical amplifying unit after amplifying the input light can be consumed by amplifying the branched light.
[0089]
At this time, even if the return light from the output side of the optical amplifying device is incident on the optical amplifying means in the opposite direction, this return light is amplified by the optical amplifying means and becomes a high output return light on the input side. Is suppressed. Therefore, the effect of the return light is reliably reduced, and an optical amplifier that can operate stably is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a first embodiment of an optical amplifier.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a specific embodiment of the optical amplifying device shown in FIG.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of an optical amplifier according to a second embodiment.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a third embodiment of the optical amplifying device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Incident optical system, 10 ... Light branch part, 11-16 ... Total reflection mirror, 2 ... Optical amplification element, 20 ... Titanium sapphire crystal, 3 ... Output optical system, 30 ... Light branch part, 30a ... Beam splitter, 31 32 total reflection mirror 33 light pulse width compressor 4 excitation unit 40 energy supply unit 40a YAG laser 40b second harmonic generator 41 energy transmission unit 42 and 44 Lens, 43: vacuum pipe, 43a: vacuum pump, 45, 46: total reflection mirror, 47: beam termination, 5: branch light incidence optical system, 51 to 55: total reflection mirror, 6: branch light incidence optical system, 7 ... Branched light emission optical system, 8 ... input light generation device, 81 ... femtosecond oscillator, 82 ... reproduction / amplification system, 83 ... slicer.

Claims

Light amplification means for amplifying input light,
Exciting means for supplying excitation energy for amplifying the input light to the optical amplification means,
An input optical system for inputting the input light to the optical amplification means,
An emission optical system that emits, as output light, amplified light obtained as a result of amplification of the input light by the optical amplification means,
An optical branching unit installed at a predetermined position of an optical system including the incident optical system and the output optical system, and branching a part of the input light or the amplified light,
An optical amplifying device, comprising: a branched light incident optical system for inputting the split light split by the light splitting means to the optical amplification means at a predetermined incident timing.

The light splitting unit is installed in the output optical system and splits a part of the amplified light. 2. The optical amplifying device according to claim 1, wherein the split light is incident on said optical amplifying means.

The light splitting unit is installed in the incident optical system and splits a part of the input light. 2. The optical amplifier according to claim 1, wherein the split light is incident on the optical amplifier at the incident timing.

A branch light emitting optical system that emits, as a branch output light, amplified light obtained as a result of amplification of the branched light incident on the optical amplification unit by the optical amplification unit by the branch light incident optical system, The optical amplifying device according to claim 1.