WO2008007707A1 - Optical amplifier - Google Patents

Description

明 細 書

光増幅装置

技術分野

[0001] 本発明は、光増幅装置に関するものである。

背景技術

[0002] ピコ秒からフェムト秒程度のノ ルス幅を有するノ ルス光を発生する高強度極短パル スレーザ光源は、サイズが大きぐ通常は光学定盤に設置されて用いられる。また、レ 一ザ光源を構成する各光学部品は、調整機能付きのマウントにより自由空間に保持 されている。このことから、レーザ光源は、調整すべき箇所が多数存在し、その調整 が容易でない。

[0003] その一方で、光増幅媒質として光ファイバを用いるファイバレーザ光源は、高エネ ルギ化されており、レーザ加工などの産業への利用が試みられている。ファイバレー ザ光源は、前述のような課題をほとんど克服しており、連続出力ではファイバディスク レーザ光源のように高出力のものが実現されている。

[0004] ところ力 ファイバレーザ光源では、光ファイバがビーム断面を小さく限定してしまう ことから、ノ ルス出力ではパルスエネルギが数 】程度に制限され、高い出力を実現 することができない。このように小型 ·高出力かつ安定性が優れており調整が簡便な レーザ光源が存在しないことから、高強度極短パルスレーザ光源の利用は研究用途 に限られてレ、るのが実状である。

[0005] 小型化および安定化を意図した光増幅装置として、特許文献 1 , 2に開示されたよう な構成のものが知られている。特許文献 1に開示された光増幅装置は、簡便に共振 器長を長くすることが可能で小型の光共振器を備えている。また、特許文献 2に開示 された光増幅装置は、光増幅媒質とは別に偏波保持光ファイバが共振光路上に設 けられた光共振器を備えて!/、る。

特許文献 1：特許第 3540741号公報

特許文献 2 :特開 2004— 165652号公報

発明の開示 発明が解決しょうとする課題

[0006] しかしながら、特許文献 1に開示された光増幅装置は、光共振器内において大気 中に光が伝播することから、共振器長が長くなつてしまい、小型化には限界がある。 また、特許文献 2に開示された光増幅装置は、光共振器内に光ファイバを有している ことから小型化の実現が可能であるものの、パルス出力ではパルスエネルギが数 J 程度に制限され、高い出力を実現することができない。

[0007] 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，高出力化およ び安定化が容易な光増幅装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明に係る光増幅装置は、 (1)被増幅光を光増幅する光増幅媒質と、被増幅光 を複数回通過させる透明媒質と、を含む光増幅部と、 (2)光増幅媒質に励起工ネル ギを供給するエネルギ供給部と、を備えることを特徴とする。この光増幅装置では、光 増幅媒質は、エネルギ供給部から励起エネルギの供給を受けて光を増幅し出力する 。また、透明媒質は、光増幅媒質における被増幅光を複数回通過させる。透明媒質 は、例えば、その内部で被増幅光をジグザグに伝播させることができる。光増幅部が 、被増幅光を外部から入力して、その増幅光を光増幅媒質に複数回通過させて光増 幅するのが好適である。

[0009] 光増幅部が、被増幅光を共振させる光共振器を含み、この光共振器の共振光路上 に光増幅媒質および透明媒質を有するのが好適である。この場合、光増幅装置は、 光共振器内でレーザ発振が起きることによって、レーザ光を発生させることが可能な レーザ発振機能を有する。

[0010] 光増幅部が、被増幅光を共振させる光共振器を含み、（a)共振光路上に設けられ、 光共振器の外部から被増幅光を共振光路上に取り込む光取り込み手段と、 (b)共振 光路上に設けられ、一定期間に亘つて光共振器内において光増幅された被増幅光 を光共振器の外部へ取り出す光取り出し手段と、を更に含むのが好適である。この場 合、光増幅装置は、光共振器内でレーザ光を増幅させることが可能な再生増幅機能 を有する。

[0011] 本発明に係る光増幅装置は、上記の本発明に係る光増幅装置 (以下「第 1光増幅 装置」という。）により発生する光を種光とし、上記の本発明に係る光増幅装置 (以下「 第 2光増幅装置」という。）により種光を光増幅して出力することを特徴とする。また、 第 1光増幅装置および第 2光増幅装置それぞれの光増幅媒質，透明媒質またはェ ネルギ供給部が共通であるのが好適である。

[0012] 本発明に係る光増幅装置では、被増幅光力 Sパルス光であるのが好適である。この 場合、本発明に係る光増幅装置は、光増幅媒質に入力される被増幅光のパルス幅 を伸長するパルス幅伸長部を更に備えるのが好適である。透明媒質が、光増幅媒質 に入力される被増幅光のノ ルス幅を伸長するのも好適である。また、本発明に係る 光増幅装置は、光増幅媒質から光増幅されて出力される被増幅光のノ ルス幅を圧 縮するパルス幅圧縮部を更に備えるのが好適である。この場合、光増幅媒質に入力 される被増幅光のパルス幅を伸長することで、光増幅装置を構成する光学部品の損 傷を避けること力 Sでき、また、光増幅媒質から光増幅されて出力される被増幅光のパ ノレス幅を圧縮することで、光増幅装置から出力されるパルス光のピークパワーが高く なる。

[0013] 本発明に係る光増幅装置は、光を遅延させる光遅延系を更に備え、光増幅部によ り発生する光を種光とし、この種光を光遅延系により遅延させ、この遅延させた種光 を光増幅部により光増幅して出力するのが好適である。

[0014] 光増幅媒質および透明媒質の少なくとも一方が固体であるのが好適である。また、 本発明に係る光増幅装置は、光増幅媒質および透明媒質の少なくとも一方の温度を 安定化する温度安定化手段を更に備えるのが好適である。

[0015] エネルギ供給部が、光増幅媒質に供給すべき励起光を出力する半導体レーザ素 子を含むのが好適である。光増幅部が、被増幅光の光路を調整する光路調整手段 を更に含むのが好適である。光増幅部を構成する光増幅媒質および透明媒質を含 む複数の構成要素の何れ力、 2以上のものが一体化されているのが好適である。

[0016] 光増幅媒質または透明媒質において被増幅光が入射または出射する何れかの個 所に低反射コーティングが施されているのが好適である。また、光増幅媒質または透 明媒質において被増幅光が反射する何れかの個所に高反射コーティングが施され ているのも好適である。 [0017] 光増幅媒質または透明媒質において被増幅光が入射または出射する何れかの個 所での光入出射角がブリュースタ角であるのが好適である。また、透明媒質が、内部 を伝搬する被増幅光を壁面において全反射させるのが好適である。

[0018] 本発明に係る光増幅装置は、光増幅部およびエネルギ供給部を内部空間に有し 該内部空間を減圧雰囲気とする真空容器を更に備えるのが好適である。

発明の効果

[0019] 本発明によれば、小型化，高出力化および安定化が容易な光増幅装置を提供する こと力 Sでさる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は第 1実施形態に係る光増幅装置 1Aの構成図である。

[図 2]図 2は第 2実施形態に係る光増幅装置 1Bの構成図である。

[図 3]図 3は第 3実施形態に係る光増幅装置 1Cの構成図である。

[図 4]図 4は第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの構成図である。

[図 5]図 5は第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの具体的な構成図である。

[図 6]図 6は第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの変形例の構成図である。

[図 7]図 7は第 5実施形態に係る光増幅装置の構成図である。

[図 8]図 8は第 6実施形態に係る光増幅装置の構成図である。

[図 9]図 9は第 7実施形態に係る光増幅装置 1Jの構成図である。

[図 10]図 10は第 8実施形態に係る光増幅装置 1Kの構成図である。

[図 11]図 11は第 9実施形態に係る光増幅装置 1Lの構成図である。

[図 12]図 12はパルス幅圧縮部 50の構成例を示す図である。

[図 13]図 13はパルス幅圧縮部 50の構成例を示す図である。

[図 14]図 14はパルス幅圧縮部 50の構成例を示す図である。

[図 15]図 15はパルス幅圧縮部 50の構成例を示す図である。

[図 16]図 16は第 10実施形態に係る光増幅装置の一部構成図である。

[図 17]図 17は第 11実施形態に係る光増幅装置の一部構成図である。

[図 18]図 18は第 12実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Mの構成図である。

[図 19]図 19は第 13実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Nの構成図である。 園 20]図 20は第 13実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lONaの構成 図である。

園 21]図 21は第 14実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Pの構成図である。 園 22]図 22は第 15実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Qの構成図である。 園 23]図 23は第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQaの構成 図である。

園 24]図 24は第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQbの構成 図である。

園 25]図 25は第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQcの構成 図である。

園 26]図 26は第 16実施形態に係る光増幅装置における透明媒質 12の構成例を示 す図である。

[図 27]図 27は第 16実施形態に係る光増幅装置における透明媒質 12の構成例を示 す図である。

園 28]図 28は第 16実施形態に係る光増幅装置における透明媒質 12の構成例を示 す図である。

園 29]図 29は第 16実施形態に係る光増幅装置における透明媒質 12の構成例を示 す図である。

[図 30]図 30は第 16実施形態に係る光増幅装置における透明媒質 12の構成例を示 す図である。

園 31]図 31は第 17実施形態に係る光増幅装置 1Rの構成図である。

園 32]図 32は第 7実施形態に係る光増幅装置 1Jにおける遅延系 23の変形例の構 成を示す図である。

園 33]図 33は第 7実施形態に係る光増幅装置 1Jにおける遅延系 23の他の変形例の 構成を示す図である。

符号の説明

1A〜； 1R 光増幅装置

10A—10R 光増幅部 光増幅媒質 透明媒質 ミラ Kー

波長板

光変調部 偏光ビームスプリツ 光取り込み手段 光取り出し手段 光遅延系 光路調整手段 エネルギ供給部 パルス幅伸長部 パルス幅圧縮部 折り返しミラー 反射型回折格子 透過型回折格子 分散媒質 プリズム 温度安定化手段 ペルチェ素子 電源

放熱部

温度安定化手段 ペルチェ素子 電源

水冷放熱部 循環ポンプ 80 真空容器

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明す る。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複 する説明を省略する。

[0023] 図 1は、第 1実施形態に係る光増幅装置 1Aの構成図である。この図に示される光 増幅装置 1Aは、光増幅部 10Aおよびエネルギ供給部 30を備える。光増幅部 10A は、光増幅媒質 11および透明媒質 12を含む。エネルギ供給部 30は、光増幅媒質 1 1に励起エネルギ (例えば励起光）を供給するものである。光増幅媒質 11は、その励 起光の供給を受けて光を増幅し出力する。また、透明媒質 12は、光増幅媒質 11に おける被増幅光を複数回通過させるものである。透明媒質 12は、例えば、その内部 で被増幅光をジグザグに伝播させることができる。透明媒質 12は、例えば剛体のガラ スフ"ロックカゝらなる。

[0024] 透明媒質 12の屈折率は空気の屈折率より高いので、透明媒質 12中において被増 幅光が伝播する距離を長くすることで、光路長を長くすることができる。したがって、 空気中で同様の距離を被増幅光が伝播する構成をとる場合と比べて、本実施形態 に係る光増幅装置 1Aは、透明媒質 12中を被増幅光が伝播することで、小型化を実 現すること力 Sできる。光増幅装置 1Aからは増幅された出力光 I が出射される。

OUT

[0025] 図 2は、第 2実施形態に係る光増幅装置 1Bの構成図である。この図に示される光 増幅装置 1Bは、光増幅部 10Bおよびエネルギ供給部 30を備える。光増幅部 10Bは 、光増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13を含む。エネルギ供給部 30は、光増 幅媒質 11に励起エネルギ (例えば励起光）を供給するものである。光増幅媒質 11は 、その励起光の供給を受けて、外部の種光生成器 SGからの種光を増幅し出力する 。透明媒質 12は、光増幅媒質 11における被増幅光を複数回通過させるものである。 また、ミラー 13は、エネルギ供給部 30から出力される励起光を通過させて光増幅媒 質 11に入射させ、また、種光 (被増幅光）を反射させる。

[0026] この第 2実施形態に係る光増幅装置 1Bは、光増幅部 10Bの光増幅媒質 11内で被 増幅光が少なくとも 2回通過するマルチパス構造を有している。種光発生器 SGから 透明媒質 12に入射した光は、透明媒質 12内において、同一の光路を通ることなぐ 透明媒質 12から出射している。このように、光増幅部 10Bにおいて、光路は透明媒 質 12内のみならず、光増幅媒質 11内で複数回往復する構成であってもよい。この場 合、光増幅装置 1Bはマルチパス増幅機能を有する構成となる。光増幅装置 1Bの透 明媒質 12からは、光増幅部 10B内を往復することで増幅された種光なる出力光 I

OUT

が出射される。

[0027] 図 3は、第 3実施形態に係る光増幅装置 1Cの構成図である。この図に示される光 増幅装置 1Cは、光増幅部 10Cおよびエネルギ供給部 30を備える。光増幅部 10C は、光増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13 〜； 13を含む。第 1実施形態のもの

1 4

と比較すると、この第 3実施形態に係る光増幅装置 1Cは、光増幅部 10Cがミラー 13 〜13を更に含む点で相違する。ミラー 13は、エネルギ供給部 30から出力される励

4 1

起光を通過させて光増幅媒質 11に入射させ、また、被増幅光を反射させる。ミラー 1 3は、被増幅光の一部を通過させ、残部を反射させる。ミラー 13およびミラー 13は

2 1 2

、フアブリぺロ型の光共振器 RSを構成するミラーであり、両者間の共振光路上に光 増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13 , 13が配置されている。ミラー 13 , 13

3 4 3 4 は、被増幅光を反射させるものであり、透明媒質 12を互いに挟んで対向して配置さ れており、透明媒質 12内で被増幅光をジグザグに伝播させる。

[0028] このように、第 3実施形態では、光共振器をもつ構造にすることによって、光を蓄積 すること力 Sできる。この場合、光増幅装置 1Cは、光共振器 RS内でレーザ発振が起き ることによって、レーザ光を発生させることが可能なレーザ発振機能を有する構成とな る。例えば、光増幅媒質 11として、 He-Neなどの気体、色素などを溶解した液体、 N d :YAG等の固体を用い、透明媒質 12を含む光増幅部 10Cに光共振器を付加する ことで、小型のレーザ発振装置を実現することができる。

[0029] 増幅された光は、ミラー 13を介して、外部に光出力 I として出射される。被増幅

2 OUT

光は、例えば、光出力 I の出射方向とは逆向きにミラー 13に入射させればよい。

OUT 2

被増幅光は、透明媒質 12内を通り、光増幅媒質 11内に至り、ミラー 13で反射され て、再び光増幅媒質 11内を逆方向に通過し、しかる後、透明媒質 12内に再び入射 する。この入射光は、もとの光路を逆方向に伝播し、ミラー 13 , 13で反射された後、

3 4

ミラー 13に至る。ミラー 13では、再び、この光を反射する。この共振経路内を往復

2 2

するうちに、被増幅光は増幅され、その一部がミラー 13を介して外部に出力される。

2

[0030] 図 4は、第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの構成図である。この図に示される光 増幅装置 1Dは、光増幅部 10Dおよびエネルギ供給部 30を備える。光増幅部 10D は、光増幅媒質 11 ,透明媒質 12,ミラー 13 ,ミラー 13 ,光取り込み手段 21および

1 2

光取り出し手段 22を含む。第 1実施形態のものと比較すると、この第 4実施形態に係 る光増幅装置 1Dは、光増幅部 10Dがミラー 13 ,ミラー 13 ,光取り込み手段 21およ

1 2

び光取り出し手段 22を更に含む点で相違する。

[0031] ミラー 13は、エネルギ供給部 30から出力される励起光を通過させて光増幅媒質 1 1に入射させ、また、種光発生器 SGから光取り込み手段 21を介して光増幅部 10D の内部に取り込まれた被増幅光を反射させる。ミラー 13は、被増幅光を反射させる

2

。ミラー 13およびミラー 13は、フアブリぺロ型の光共振器 RSを構成するミラーであり

1 2

、両者間の共振光路上に光増幅媒質 11 ,透明媒質 12,光取り込み手段 21および 光取り出し手段 22が配置されて!/、る。

[0032] この第 4実施形態において、光取り込み手段 21は、光共振器の外部の種光生成器 SG力 被増幅光を共振光路上に取り込む。また、光取り出し手段 22は、一定期間に 亘つて光共振器内において光増幅された被増幅光を光出力 I として光共振器 RS

OUT

の外部へ取り出す。このように、光増幅部 10Dに光共振器 RSを付加し、さらに光共 振器外から被増幅光の元となる種光を光取り込み手段 21によって光共振器内に取り 込んで、一定時間これを光共振器内に閉じ込めた後、光取り出し手段 22によって光 共振器外へ取り出す。この場合、光増幅装置 1Dは、種光と同等な質であって且つェ ネルギの大きな増幅光を生成することが可能であり、光を増幅するための再生増幅 機能を有する構成となっている。種光生成器 SGとしては、例えばファイバレーザ光源 を用いること力 Sでさる。

[0033] 図 5は、第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの具体的な構成図である。この図に示 されるように、光取り込み手段 21は、波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームス プリッタ 16を含む。また、光取り出し手段 22は、波長板 14 ,光変調部 15および偏 光ビームスプリッタ 16を含む。光変調部 15および光変調部 15それぞれは、光の

2 1 2

偏向状態又は偏光状態を制御するものであって、例えば、音響光学効果や電気光 学効果を有する光学結晶などを用いることができる。

[0034] 所定の交流電圧からなる駆動信号を音響光学効果素子からなる光変調部 15 , 15 に印加すると、素子内部に形成される回折格子の回折作用により、入射した光の出

2

射方向が偏向し、所定の電圧からなる駆動信号を電気光学効果素子からなる光変 調部 15 , 15に印加し、電気光学結晶内部の電界を加えることで偏光方位を変更し

1 2

、電気光学結晶を通過する光の偏光方位を制御することで、光の伝播経路内に配置 されたビームスプリッタ 16 , 16 における透過/反射を制御することができる。すなわ

1 2

ち、これらの光変調部は、光の伝播方向を制御する光スィッチとして機能させることが できる。

[0035] 例えば、駆動信号を音響光学素子としての光変調部 15 , 15に与えない場合、こ

1 2

れらから出射する光の進行方向力 s、共振時に共振器内を往復する光の経路の向き に一致しているとする。すなわち、例えば、光変調部 15 , 15への駆動信号の印加

1 2

時には、種光の共振器内への取り込み及び出力光 I の取り出しは行われない。光

OUT

変調部 15 , 15への駆動信号の非印加時には、種光の共振器内への取り込み及び

1 2

出力光 I の取り出しが行われる。音響光学素子を用いる場合には、後段のビーム

OUT

スプリッタ 16はハーフミラーとすることができ、この場合、ハーフミラーを共振経路上

2

力も外しておき、特定のタイミングでハーフミラーに光を照射するように、光を偏向す れば'よい。

[0036] また、駆動信号を電気光学素子としての光変調部 15 , 15に与えない場合に、偏

1 2

光ビームスプリッタ 16 , 16を光が透過するものとすると、駆動信号の光変調部 15 ,

1 2 1

15への非印加時には偏光ビームスプリッタ 16を光が透過して、共振器内部に光が

2 1

取り込まれ、駆動信号の光変調部 15への印加時には、偏光ビームスプリッタ 16で 光が反射され、共振器内に光が取り込まれない。一方、共振器内部に光が取り込ま れた状態で、光変調部 15へ駆動信号を与えると、偏光ビームスプリッタ 16 に入射

2 1 する光の偏光方位が回転し、光が外部に取り出される。偏光ビームスプリッタ 16 , 1 6が同一構造の場合、後段の波長板 14の与える位相差を調整し、駆動信号の光 変調部 15への印加時に偏光ビームスプリッタ 16において光が反射されるようにす

2 2

れば'よい。

[0037] なお、共振器は、ミラー 13 , 13間の要素群で構成されている。このように偏向方

1 2

向を制御するか、偏光方位を制御すれば、共振器内を往復する光の ON/OFF、光 取り出し手段 22を介して共振器から出射される光出力 I の ON/OFFを制御するこ

OUT

と力 Sできる。

[0038] 光取り込み手段 21は、光変調部 15により光の偏光状態又は偏向状態を制御する ことで、或るタイミングで種光生成器 SGからの種光を光共振器内に取り込み、その後 は、その種光 (被増幅光）を光共振器内で往復させる。この光共振器は、ミラー 13 , 13の間の光路で構成される。そして、光取り出し手段 22は、光変調部 15により光

2 2 の偏光状態又は偏向状態を制御することで、光を取り込んでから一定時間経過した 後の或るタイミングで、その被増幅光を光出力 I として光共振器の外部へ取り出す

OUT

。なお、種光力 Sパルス光である場合には、光学部品の損傷を避けるために、適当な 分散素子を通してノ レス幅を伸長してから取り込んでもよい。

[0039] 図 6は、第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの変形例の構成図である。この図に示 されるように、光取り込み手段 21と光取り出し手段 22とは共通のものであってもよい。 すなわち、図 5における光取り出し手段 22 (波長板 14、光変調部 15、偏光ビームス

2 2

プリッタ 16 )を、光取り込み手段 21 (波長板 14、光変調部 15、偏光ビームスプリツ

2 1 1

タ 16 )で代用する。この場合の各手段の機能は上述のものと同一である。光変調部 15を OFFし駆動電圧を与えないことで、種光生成器 SGから偏光ビームスプリッタ 16 1に入射した S偏光の光は、偏光ビームスプリッタ 16で反射され、光変調部 15を透 過して、波長板 14に入射し、 λ /4の位相差を与え、ミラー 13に入射する。ミラー 13

1 2

は、この光を反射し、反射された光は、波長板 14で更にえ /4の位相差を与えられ、

2 1

光変調部 15を透過して、偏光方位が最終的に 90度回転して Ρ偏光として、偏光ビ 一ムスプリッタ 16を通過する。透明媒質 12に入射後の光の経路は上述の通りである 。この間に光変調部 15を ONし駆動電圧を与えることで、透明媒質 12から戻ってき た光は、偏光ビームスプリッタ 16に再度入射し、光変調部 15でえ /4、波長板 14で λ /4、ミラー 132に至って、ミラー 13で反射され、波長板 14でえ /4、光変調部 15 で λ /4の位相差を与えられるため、最終的に 180度回転して Ρ偏光のまま共振器内 で閉じ込められる。光が十分に増幅した適当な時間で光変調部 15を OFFすることに よって、波長板 14でえ /4の位相差を 2回与えられることで偏光が 90度回転して、 S偏 光として、偏光ビームスプリッタ 16で反射され、光出力 I として外部に出射される。

1 OUT

[0040] すなわち、駆動信号を光変調部 15に与えて、光変調部 15 OFFで光を取り込み、 ONで共振器内に閉じ込め、再度 OFFで取り出す。

[0041] 波長板 14は 1/4波長板であって、 2度の通過により偏光方向が 90度回転するも のとすること力 Sできる。なお、光変調部 15は ONのとき 1/4波長板と同様の作用をし 、 OFFのときは光に対して作用しない。

[0042] 図 7は、第 5実施形態に係る光増幅装置の構成図である。この図に示される光増幅 装置は、種光を発生する光増幅装置 1Eと、この種光を光増幅して出力する光増幅 装置 1Fと、を備える。種光生成器としての光増幅装置 1Eは、種光生成器 SGを構成 しており、第 3実施形態に係る光増幅装置 1C (図 3)と同一の構成を有している。また 、光増幅装置 1Fは、第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dの変形例（図 6)と略同様の 構成を有しており、第 4実施形態に係る光増幅装置 1Dのミラー 13をミラー 13に置

2 5 換し、種光発生器 SGと偏光ビームスプリッタ 16との間に、ミラー 13、偏光ビームス

1 8

プリッタ 16、ファラデローテータ 17、波長板 14を順次配置してなる光増幅部 10Fを

3 3

有している。光増幅装置 1Fでは、光取り込み手段 21と光取り出し手段 22とが共通の ものとなっている。

[0043] 光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、波長板 14 ,光変調部 15および偏光 ビームスプリッタ 16に加えて、ミラー 13 ,波長板 14 ,ファラデローテータ 17および

1 8 3

偏光ビームスプリッタ 16を含む。波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリ

3 1 1

ッタ 16は、光増幅部 10Fの光共振器の共振光路上に設けられている。この光共振 器は、ミラー 13とミラー 13との間の光路で構成されている。波長板 14 ,ファラデロ

5 1 3

一テータ 17および偏光ビームスプリッタ 16は、ミラー 13と偏光ビームスプリッタ 16

3 8 1 との間に設けられている。光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、光変調部 15 およびファラデローテータ 17により光の偏光状態の制御することで、或るタイミングで 光増幅装置 1Eからの種光を光増幅装置 1Fの光共振器内に取り込み、その後は、そ の種光 (被増幅光）を光増幅装置 IFの光共振器内で往復させ、また、光を取り込ん でから一定時間経過した後の或るタイミングで、その被増幅光を光出力 I として光

OUT

共振器の外部へ取り出す。

[0044] 図 3に示した光増幅装置 1Cは、図 7においては、種光発生器 1E (SG)として機能 している。

[0045] 種光発生器 1E (SG)の光は P偏光であり、偏光ビームスプリッタ 16を透過した後、

3

ファラデローテータ 17の偏波面の回転角は進行方向からみて 45度であり、波長板 1 4の与える位相差は、 45度である。よって、偏光が 90度回転した種光は偏光ビーム

3

スプリッタ 16で反射されて、共振器内に取り込まれる。なお、光の取り出し時には、フ ァラデローテータ 17は波長板 14の与える位相差を打ち消す方向に- 45度の回転角

3

を与える。これにより、偏光ビームスプリッタ 16にミラー 13から入射した P偏光の光

3 8

1S 増幅後に偏光ビームスプリッタ 16で S偏光として反射され、光出力 I として外

3 OUT

部に出力される。

[0046] なお、光増幅装置 1Fとしては、第 4実施形態に係る光増幅装置 1D (図 4〜図 6)と 同様の構成を有していてもよいし、第 2実施形態に係る光増幅装置 1B (図 2)と同様 の構成を有していてもよいし、また、両者を共に有していてもよい。

[0047] 光取り込み手段 21および光取り出し手段 22それぞれは、光を制御する光変調部 などで実現され、光変調部は、音響光学効果や電気光学効果を用いた光学結晶と、 波長板などの光学素子との組合せによって構成することができる。種光生成器で発 生した種光力 Sパルス光である場合には、光学部品の損傷を避けるために、種光のパ ルス幅を伸長してから取り込んでもよい。また、光取り込み手段 21および光取り出し 手段 22は、同一のものを共有してもよい。

[0048] 図 8は、第 6実施形態に係る光増幅装置の構成図である。この図に示される光増幅 装置は、種光を発生する光増幅装置 1Gと、この種光を光増幅して出力する光増幅 装置 1Hと、を備える。種光生成器としての光増幅装置 1Gは、第 3実施形態に係る光 増幅装置 1C (図 3)と略同様の構成を有している。また、光増幅装置 1Hは、第 4実施 形態に係る光増幅装置 1Dの変形例（図 6)と略同様の構成を有している。光増幅装 置 1Hでは、光取り込み手段 21と光取り出し手段 22とが共通のものとなっている。光 増幅装置 1Gおよび光増幅装置 1Hは、 1つの光増幅媒質 11を共有し、 1つの透明 媒質 12を共有し、また、 1つのエネルギ供給部 30を共有している。

[0049] 光増幅装置 1Gの光増幅部 10Gでは、ミラー 13およびミラー 13が光共振器を構

1 2

成していて、両者間の共振光路上に光増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13 ,

3

13が配置されている。ミラー 13 , 13は、被増幅光を反射させるものであり、透明媒

4 3 4

質 12を互いに挟んで対向して配置されており、透明媒質 12内で被増幅光をジグザ グに伝播させる。

[0050] 光増幅装置 1Hの光増幅部 10Hでは、ミラー 13およびミラー 13が光共振器を構

1 5

成していて、両者間の共振光路上に光増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13 ,

6

13が配置されている。ミラー 13 , 13は、被増幅光を反射させるものであり、透明媒

7 6 7

質 12を互いに挟んで対向して配置されており、透明媒質 12内で被増幅光をジグザ グに伝播させる。

[0051] 光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、波長板 14 ,光変調部 15および偏光 ビームスプリッタ 16に加えて、波長板 14 ,ファラデローテータ 17,偏光ビームスプリ

1 3

ッタ 16およびミラー 13を含む。波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリツ

3 8 1 1

タ 16は、光増幅部 10Hの光共振器の共振光路上に設けられている。波長板 14お

1 3 よびファラデローテータ 17は、偏光ビームスプリッタ 16と偏光ビームスプリッタ 16と

1 3 の間に設けられている。

[0052] 光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、光変調部 15およびファラデローテ一 タ 17により光の偏光状態の制御することで、或るタイミングで光増幅装置 1Gからの種 光を光増幅装置 1Hの光共振器内に取り込み、その後は、その種光 (被増幅光）を光 増幅装置 1Hの光共振器内で往復させ、また、光を取り込んでから一定時間経過した 後の或るタイミングで、その被増幅光を光共振器の外部へ取り出す。

[0053] このように、第 6実施形態では、光増幅装置 1Gおよび光増幅装置 1Hの間で光増 幅媒質 11 ,透明媒質 12またはエネルギ供給部 30を共有することにより、部品点数を 減らすことができ、小型化することができる。

[0054] 上記第 1〜第 6の実施形態において、被増幅光は連続レーザ光であってもパルス レーザ光であってもよい。 [0055] 図 9は、第 7実施形態に係る光増幅装置 1Jの構成図である。この図に示される光増 幅装置 1Jは、光遅延系 23を備えることにより、種光を生成するとともに、その種光を 光増幅すること力できるものである。光遅延系 23は、ミラー 13〜； 13、波長板 14、

5 7 1 光変調部 15， 15、偏光ビームスプリッタ 16， 16、およびファラデローテータ 17を

1 2 1 2

含む。光変調部 15は、光増幅媒質 11と透明媒質 12との間の共振光路上に設けら

2

れている。光変調部 15は、透明媒質 12とミラー 13との間の共振光路 12上に設けら

1 2

れている。偏光ビームスプリッタ 16は、透明媒質 12と光変調部 15との間の共振光 路 12上に設けられている。偏光ビームスプリッタ 16 ,ミラー 13 ,ミラー 13 ,ミラー 13

1 5 6

,偏光ビームスプリッタ 16 ,ファラデローテータ 17および波長板 14は、この順にリ

7 2 1

ング状に配置されて!/、る光路を構成してレ、る。

[0056] この光増幅装置 1Jでは、光変調部 15により光の偏光状態の制御することで、或る タイミングで、光増幅部 10Jのフアブリぺロ型光共振器からの種光を、偏光ビームスプ リツタ 16で反射させて、光遅延系 23のリング型光路に取り込んで伝播させる。種光 は、その後、偏光ビームスプリッタ 16で再び反射されて、光増幅部 10Jのフアブリぺ 口型光共振器に戻される。光増幅部 10Jのフアブリぺロ型光共振器に戻された種光 は、光増幅媒質 11と透明媒質 12との間の共振光路 IL上に配置された光変調部 15

2 により光の偏光状態を制御することで、共振器内に閉じ込められ、光増幅される。更 に、その後の或るタイミングで、光変調部 15により出射される光 IIの光の偏光状態

2

を制御することで、光増幅部 10Jのフアブリぺロ型光共振器で光増幅された被増幅光 を、偏光ビームスプリッタ 16で反射させ、波長板 14およびファラデローテータ 17で 偏光方向を 90度回転した後、偏光ビームスプリッタ 16を通過させて外部へ出力する

2

。このように、第 7実施形態では、光増幅装置 1Jは、光遅延系 23を備えることにより、 種光を生成するとともに、その種光を光増幅することができる。

[0057] 図 32は、前記遅延系 23の内部に透明媒質 12Aを付加した実施例である。遅延系

23の光路 12上に空気よりも屈折率の高い透明媒質 12Aを用いることで、光路長を長 くすること力 Sでき、遅延時間を長くすることが可能となる。ここで、遅延系 23を伝播す る光は強度の小さい種光であるため、透明媒質 12Aは偏波面保持ファイバのような 光ファイバであってもよい。点線で示される循環光路を通った後、光出力 I は偏光 ビームスプリッタ 16力も出力される。

2

[0058] 図 33は、前記遅延系 23の構成が、波長板 14およびファラデローテータ 17の代わ りに光変調部 15を付加し、また、偏光ビームスプリッタ 16 の代わりにミラー 13を付

3 2 8 加し、更に偏光ビームスプリッタ 16を付加した実施例である。共振器からの種光は

3

光路 12を通り、偏光状態を制御されて遅延系 23に取り込まれる。その後、光変調部 1 5によって偏光状態を 90度回転させることにより、種光は偏光ビームスプリッタ 16で

3 1 反射されることなくリング状の遅延系 23内を繰返し伝播する。その後の或るタイミング で、光変調部 15により光の偏光状態を制御することで、種光は偏光ビームスプリッタ

3

16で反射され、共振器内に取り込まれる。光増幅部 10Jのフアブリぺロ型光共振器 に戻された種光は、光変調部 15により光の偏光状態を制御することで、共振器内に

2

閉じ込められ、光増幅される。更に、その後の或るタイミングで、光変調部 15により

2 光の偏光状態を制御することで、光増幅部 10Jのフアブリぺロ型光共振器で光増幅さ れた共振光路 IL内の被増幅光を、偏光ビームスプリッタ 16で反射させ、外部へ出

3

力する。このように、種光を遅延系 23内部で繰返し伝播させることにより、遅延時間を 長くとることが可能となる。このとき、種光が遅延系 23を伝播している間に、種光生成 時と光増幅時のエネルギ供給部の出力を最適になるように制御してもよい。

[0059] 図 10は、第 8実施形態に係る光増幅装置 1Kの構成図である。この図に示される光 増幅装置 1Kは、光増幅部 10K,エネルギ供給部 30およびパルス幅伸長部 40を備 える。光増幅部 10Kは、光増幅媒質 11 ,透明媒質 12,ミラー 13〜13および光取り

1 4

込み手段 21 (光取り出し手段 22を兼ねる）を含む。光取り込み手段 21 (光取り出し手 段 22)は、波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリッタ 16 に加えて、波長 板 14 ,ファラデローテータ 17および偏光ビームスプリッタ 16を含む。

3 3

[0060] 波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリッタ 16は、光増幅部 10Kの光 共振器の共振光路上に設けられている。波長板 14およびファラデローテータ 17は

3

、偏光ビームスプリッタ 16と偏光ビームスプリッタ 16との間に設けられている。光取

1 3

り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、光変調部 15およびファラデローテータ 17に より光の偏光状態の制御することで、或るタイミングでノ ルス幅伸長部 40からの種光 を光増幅装置 1Kの光共振器内に取り込み、その後は、その種光 (被増幅光）を光増 幅装置 IKの光共振器内で往復させ、また、光を取り込んでから一定時間経過した後 の或るタイミングで、その被増幅光を光共振器の外部へ取り出す。

[0061] パルス幅伸長部 40は、種光生成器からの種光（パルス光）のパルス幅を伸長して、 その伸長後の種光を光増幅部 10Kの光共振器に入力させる。高強度パルス光によ る光学部品の損傷を抑えるため、パルス幅伸張部 40により時間的に引き伸ばされた 種光が光増幅部 10K内に取り込まれる。例えば、ノ ルス幅伸張部 40として、光フアイ バなどの分散媒質が用いられ、また、回折格子やプリズムなどの波長分散素子も利 用される。ここで、透明媒質 12として分散媒質であるものを用いれば、この透明媒質 12は、ノ ルス幅伸張部と同様の機能を有するので、パルス幅伸張部 40を別途設け る必要はない。

[0062] 図 11は、第 9実施形態に係る光増幅装置 1Lの構成図である。この図に示される第

9実施形態に係る光増幅装置 1Lは、第 8実施形態の構成（図 10)と比較すると、パル ス幅圧縮部 50を更に備える点で相違する。パルス幅圧縮部 50は、光増幅部 10Lか ら光増幅されて出力される被増幅光 (パルス光） IPのノ ルス幅を圧縮して、その圧縮 後のノ ルス光を出力するものである。

[0063] この光増幅装置 1Lでは、種光生成器 SGからの種光 (パルス光）は、パルス幅伸長 部 40によりパルス幅が伸長された後に、光取り込み手段 21により光増幅部 10Lの光 共振器に入力される。そして、光増幅部 10Lの光共振器により光増幅されたノ レス 光 IPは、光取り出し手段 22により取り出された後に、ノ レス幅圧縮部 50によりパルス 幅が圧縮されて出力される。この光増幅装置 1Lから出力されるパルス光は、ピーク パワーが高いものとなる。図 12〜図 15それぞれは、パルス幅圧縮部 50の構成例を 示す図である。

[0064] 図 12に示されるパルス幅圧縮部 50aは、折り返しミラー 51および反射型回折格子

52 , 52を含む。折り返しミラー 51は、各々の反射面が互いに 90度となるように 2枚

1 2

の平面ミラーが組み合わされたもので、入射した光 IPを一方の平面ミラーで反射させ た後に他方の平面ミラーで反射させて出射することができる。この折り返しミラー 51へ の入射光および出射光それぞれの光路は、互いに平行である力、互いに異なる。こ のノ ルス幅圧縮部 50aに入力された光 IPは、反射型回折格子 52により分光され、 反射型回折格子 52により各波長成分が互いに平行にされ、折り返しミラー 51により

2

光路を折り返され、反射型回折格子 52により各波長成分が反射型回折格子 52に

2 1 集光され、反射型回折格子 52により合波されて出力される。このような構成のノ レス 幅圧縮部 50aを用いれば、ノ ルス光に対して実効的に負の群速度分散を与えること ができる。

[0065] 図 13に示されるパルス幅圧縮部 50bは、折り返しミラー 51および透過型回折格子

53 , 53を含む。このノ ルス幅圧縮部 50bに入力された光 IPは、透過型回折格子 5

1 2

3により分光され、透過型回折格子 53により各波長成分が互いに平行にされ、折り

1 2

返しミラー 51により光路を折り返され、透過型回折格子 53により各波長成分が透過

2

型回折格子 53に集光され、透過型回折格子 53により合波されて出力される。この ような構成のノ ルス幅圧縮部 50bを用いれば、ノ ルス光に対して実効的に負の群速 度分散を与えることができる。また、ノ レス幅圧縮部 50bでは、透過型回折格子を用 いるので、反射型回折格子のように表面に金などの高反射コーティングを施す必要 がない。

[0066] 図 14に示されるパルス幅圧縮部 50cは、折り返しミラー 51 ,透過型回折格子 53 , 53および分散媒質 54を含む。このパルス幅圧縮部 50cは、上記のパルス幅圧縮部

2

50bに対し、透過型回折格子 53と透過型回折格子 53との間に分散媒質 54が設け

1 2

られた構造となっており、他の構造は同一である。これにより、パルス幅圧縮部 50cは 小型化ができる。

[0067] 図 15に示されるパルス幅圧縮部 50dは、折り返しミラー 51およびプリズム 55 , 55

1 2 を含む。このパルス幅圧縮部 50dに入力された光 IPは、プリズム 55により分光され、 プリズム 55により各波長成分が互いに平行にされ、折り返しミラー 51により光路を折

2

り返され、プリズム 55により各波長成分がプリズム 55に集光され、プリズム 55により

2 1 1 合波されて出力される。このような構成のノ ルス幅圧縮部 50dを用いれば、パルス光 に対して実効的に負の群速度分散を与えることができる。

[0068] 上記第 9実施形態において、折り返しミラー 51の代わりに、光変調機能を有する光 学素子を用いてもよい。例えば、液晶空間光変調器やデフォーマブルミラーなどを用 いてもよい。このとき、出カノ ルス光の時間特性や波面の制御をすることもできる。ま た、折り返しミラーを用いずに、回折格子やプリズムを 4つ用いた構造にしてもよい。 その他にも、ノ ルス幅圧縮部には、プリズムとグレーティングとを組み合わせた分散 素子であるグリズムを用いてもょレ、。

[0069] 上記第 1〜第 9の実施形態の構成において、光増幅部の光増幅媒質として、固体 レーザ媒質を用いることができる。例えば、チタンサファイア、 Nd : YAG、 Yb : KGW 、 Yb : KYWなどが用いられる。また、透明媒質 12として、例えば合成石英などの固 体媒質を用いることができる。合成石英は、紫外域から赤外域にかけての広い波長 域で透明性が高ぐさらに、熱膨張係数が小さいので熱的安定性にも優れている。そ の他、透明媒質 12は、ホウケィ酸ガラスやソーダ石灰ガラスなどの他のガラス材質や 、アクリルやポリプロピレンなどのプラスチック材質や、サファイア、ダイヤモンドなどの 単結晶材質や、 POF (Plastic Optical Fiber)などの大口径光ファイバであってもよい

〇

[0070] 図 16は、第 10実施形態に係る光増幅装置の一部構成図である。この図は、光増 幅部に含まれる光増幅媒質 11、および、この光増幅媒質 11の温度を安定化する温 度安定化手段 60を示す。光路 IL上に光増幅媒質 11が配置されている。他の部分の 構成は、第 1〜第 9の実施形態の構成と同様である。温度安定化手段 60は、光増幅 媒質 11に接して設けられたペルチェ素子 61と、このペルチェ素子 61に電力を供給 する電源 62と、ペルチェ素子 61に接して設けられた放熱部 63と、を含む。光増幅媒 質 11の温度を一定の温度に保持する温度安定化手段 60を備えることにより、光増 幅媒質 11内部で発生する熱の放出などに対して有効となり、動作の安定化を図るこ と力できる。温度安定化手段 60は、その他、水冷放熱装置や、熱を一様に加える加 熱装置や、超音波を使って動作を安定化させる超音波装置であってもよレ、。

[0071] 図 17は、第 11実施形態に係る光増幅装置の一部構成図である。この図は、光増 幅部に含まれる透明媒質 12、および、この透明媒質 12の温度を安定化する温度安 定化手段 70を示す。光路 IL上にミラー 13 , 13及び光増幅媒質 12が配置されてい

3 4

る。他の部分の構成は、第 1〜第 10の実施形態の構成と同様である。温度安定化手 段 70は、透明媒質 12に接して設けられたペルチェ素子 71と、このペルチェ素子 71 に電力を供給する電源 72と、ペルチェ素子 71に接して設けられた水冷放熱部 73と 、この水冷放熱部 73に水路 Pを介して冷却水を供給するための循環ポンプ 74、およ び水冷放熱部 73から排出される冷却水が水路 Pを介して帰還する水槽 75とを含む。

[0072] 透明媒質 12の温度を一定の温度に保持する温度安定化手段 70を備えることによ り、より安定に動作をさせることができる。例えば、透明媒質 12が合成石英である場 合、その熱膨張係数はおよそ 5.5 X 10— ⁷/°Cであるので、透明媒質 12の温度変化を 1°C以内にすれば、波長オーダーレベルで透明媒質 12の膨張を抑えることができる 。温度安定化手段 70は、その他、熱を一様に加える加熱装置や、超音波を使って動 作を安定化させる超音波装置であってもよレ、。

[0073] 第 1〜第 11の実施形態の構成において、エネルギ供給部 30として半導体レーザ 光源を用いることができる。ここで、光増幅媒質 11の吸収スペクトルと一致した発振 波長をもつ半導体レーザ光源をエネルギ供給部 30として用いれば、光増幅媒質 11 の励起効率を向上させることができる。光増幅媒質 11が固体レーザ媒質である場合 、例えば Yb系のレーザ媒質の吸収波長は、市販されている半導体レーザ光源の発 振波長との整合性が良い。このときは、レーザ光で光増幅媒質 11に励起エネルギが 供給されるので、半導体レーザ光源の光を透過させる一方で被増幅光を反射させる ダイクロイツクミラーをミラー 13として用レ、ることが好適である。

[0074] 図 18は、第 12実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Mの構成図である。なお 、この図では、エネルギ供給部の図示が省略されている力 上述の実施形態と同様 に適当な位置、例えばミラー 13₁の背面から励起光を光路 IL内に導入する。この図 に示される光増幅部 10Mは、光増幅媒質 11 ,透明媒質 12およびミラー 13 〜13を

1 4 備える他、光路調整手段 24をも備える。光路調整手段 24は、ミラー 13とミラー 13と

1 2 の間の光共振器における被増幅光の光路 ILの長さを調整し補正するものである。光 路調整手段 24は、例えば、光変調素子、ピエゾ素子、 自動ミラー駆動機構などを用 いて実現すること力できる。光路調整手段 24は、光変調素子を利用する場合、例え ば電気光学効果を有する KTN結晶などを用いることが有効である。 KTN結晶の結 晶軸を直交させて配置することにより、独立して光を 2軸方向に調整することができる

〇

[0075] 図 19は、第 13実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Nの構成図である。なお 、この図でも、エネルギ供給部の図示が省略されている力 適当な位置から励起光を 光増幅媒質 11内に導入する。ミラー 13を介して、共振光路内に配置された光増幅 媒質 11内に、励起光としての半導体レーザ光 SLが入射される。ミラー 13はハーフミ ラーである。この図に示される光増幅部 10Nは、光増幅媒質 11、透明媒質 12、光共 振器を構成するミラー 13〜； 13および光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22を兼ね

1 6

る）の一部が光学的に接合され一体化されている。

[0076] 光取り込み手段 21 (光取り出し手段 22)は、波長板 14 ,光変調部 15 ,偏光ビー ムスプリッタ 16 ,偏光ビームスプリッタ 16 ,波長板 14およびファラデローテータ 17

1 3 3

を含む。波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリッタ 16は、光増幅部 10 Nの光共振器の共振光路上に設けられている。偏光ビームスプリッタ 16 ,波長板 14

3

およびファラデローテータ 17は、種光生成器 SGと偏光ビームスプリッタ 16との間に

3 1 設けられている。

[0077] ミラー 13 ,波長板 14 ,光変調部 15および偏光ビームスプリッタ 16は、透明媒質 12の溝部内に設けられている。そのうち、ミラー 13 ,波長板 14および光変調部 15

2 1 1 は透明媒質 12の溝部の一方の側壁に固定され、偏光ビームスプリッタ 16は透明媒 質 12の溝部の他方の側壁に固定されている。また、ミラー 13

3〜13は透明媒質 12

6

の壁面に固定されている。

[0078] ミラー 13は、光増幅媒質 11とミラー 13との間で光を反射させる。ミラー 13は、ミラ

3 4 4 一 13とミラー 13との間で光を反射させる。ミラー 13は、ミラー 13とミラー 13との間

3 5 5 4 6 で光を反射させる。また、ミラー 13は、ミラー 13と偏光ビームスプリッタ 16との間で

6 5 1

光を反射させる。これらミラー 13

3〜13は、このように透明媒質 12内において被増幅

6

光の光路が設定されるように透明媒質 12の壁面に固定されている。すなわち、透明 媒質 12の壁面のうちミラー 13〜13が固定される部分は、必要に応じて傾斜してい

3 6

[0079] 各部品を一体化するには、光学接着剤を用いたり、或いはオプティカルコンタクト技 術を用いたりすればよい。オプティカルコンタクト技術は、各部品を光学的に研磨して 互いに貼り合せることで、接着剤がなくても十分な接合ができる技術である。各部品 が一体化されることにより、装置の小型化および安定化が実現され得る。 [0080] 図 20は、第 13実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lONaの構成図で ある。なお、この図でも、エネルギ供給部の図示が省略されている力 S、適当な位置か ら励起光を光増幅媒質 11内に導入する。ミラー 13を介して、共振光路内に配置さ れた光増幅媒質 11内に、励起光としての半導体レーザ光 SLが入射される。この図 に示される光増幅部 lONaは、図 19に示された構成と比較すると、光増幅媒質 11、 透明媒質 12、光共振器を構成するミラー 13〜； 13および光取り込み手段 21 (光取り

1 6

出し手段 22を兼ねる）の一部に加えて、ノ ルス幅圧縮部 50も光学的に接合され一 体化されている点で相違する。この図に示されたノ ルス幅圧縮部 50は、図 14に示さ れたパルス幅圧縮部 50cと同様の構成のものである。パルス幅圧縮部 50をも一体化 させることにより、さらなる/ Jヽ型ィ匕を図ること力 Sでさる。

[0081] ここで、各部品を光学的に接合する代わりに、フェムト秒レーザ光などを用いた光加 ェ技術によって、透明媒質 12内に各機能を有する光学素子を形成して一体化して あよい。

[0082] 図 21は、第 14実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Pの構成図である。なお 、この図でも、エネルギ供給部の図示が省略されている力 適当な位置から励起光を 光増幅媒質 11内に導入する。この図に示される光増幅部 10Pでは、光増幅媒質 1 1 において光が入出射する個所に低反射コーティング AR , AR が施され、透明媒

11 12

質 12において光が入出射する個所に低反射コーティング AR , AR が施され、ま

21 22

た、透明媒質 12において光が反射する個所に高反射コーティング HR 〜HR 力 S

21 24 施されている。

[0083] 低反射コーティングが施されない場合と比較して、低反射コーティングが施されるこ とにより、反射率が低くなり、光増幅媒質 11または透明媒質 12における光入出射の 際の損失が低減される。高反射コーティングが施されない場合と比較して、高反射コ 一ティングが施されることにより反射率が高くなる。透明媒質 12における高反射コー ティング HR 〜HR は、透明媒質 12と一体化されたミラーとして作用する。

21 24

[0084] 低反射コーティングおよび高反射コーティングは、誘電体多層膜で実現することが できる。また、高反射コーティングは、金属膜でも実現すること力 Sできる。低反射コー ティングまたは高反射コーティングが光増幅媒質 11または透明媒質 12に直接に形 成されているので、調整の必要がなぐ安定に動作させることができる。

[0085] その他、透明媒質 12の壁面にグレーティング膜を形成してもよぐミラーとしてだけ ではなぐノ ルス光を時間的に引き伸ばす機能も付加することができる。この場合、 ノ ルス幅伸張部と同様の機能を有するので、パルス幅伸張部を小型化することがで き、パルス幅伸張部を別に設ける必要がない。

[0086] 図 22は、第 15実施形態に係る光増幅装置の光増幅部 10Qの構成図である。なお 、この図でも、エネルギ供給部の図示が省略されている力 適当な位置から励起光を 光増幅媒質 11内に導入する。ミラー 13を介して、共振光路内に配置された光増幅 媒質 11内に、励起光としての半導体レーザ光 SLが入射される。この図に示される光 増幅部 10Qでは、透明媒質 12において光が反射する個所に高反射コーティング H R 〜HR が施されている。また、光増幅媒質 11および透明媒質 12それぞれにお

21 24

いて光が入出射する個所での光入出射角がブリュースタ角となっており、また、その ようになるように光増幅媒質 11および透明媒質 12それぞれの形状や配置が設定さ れている。

[0087] この図に示されるように、透明媒質 12と同じ材質からなる三角ブロック 121 , 122を 透明媒質 12の光入出射個所に貼り付けることにより、光入出射角をブリュースタ角と して、光入出射時の損失を低減することができる。三角ブロック 121 , 122の貼り付け に際しては、光学接着剤を用いたり、或いはオプティカルコンタクト技術を用いたりす ればよい。ブリュースタ角を有する部分を光の偏光方向に対する入出力結合器として 用いれば、偏光ビームスプリッタと同様の動作をさせることができる。

[0088] 図 23は、第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQaの構成図で ある。図 22に示された構成では透明媒質 12に三角ブロック 121 , 122を貼り付けた のに対して、この図 23に示される構成では、透明媒質 12の光入出射個所の形状を 修正することにより、光入出射角をブリュースタ角としている。この場合も、ブリュースタ 角を有する部分を光の偏光方向に対する入出力結合器として用いれば、偏光ビーム スプリッタと同様の動作をさせることができる。

[0089] 図 24は、第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQbの構成図で ある。図 22に示された構成では透明媒質 12において光が反射する個所に施された 高反射コーティング HR 〜HR が互いに平行であつたのに対して、この図 24に示

21 24

される構成では、高反射コーティング HR , HR が傾斜している。また、高反射コー

21 24

ティング HR , HR が傾斜するように、透明媒質 12と同じ材質からなる三角ブロック

21 24

123, 124を透明媒質 12の反射個所に貼り付け、これら三角ブロック 123, 124に高 反射コーティング HR , HR が施されている。三角ブロック 123, 124の角度を適当

21 24

な角度で設計することにより、光が任意の角度で透明媒質 12内部へ折り返すように 光路をとること力 Sできる。

[0090] 図 25は、第 15実施形態に係る光増幅装置の変形例の光増幅部 lOQcの構成図で ある。図 23に示された構成では透明媒質 12において光が反射する個所に施された 高反射コーティング HR 〜HR が互いに平行であつたのに対して、この図 25に示

21 24

される構成では、高反射コーティング HR , HR が傾斜している。また、図 24に示さ

21 24

れた構成では高反射コーティング HR , HR を傾斜させるために三角ブロックを透

21 24

明媒質 12に貼り付けたのに対して、この図 25に示される構成では、透明媒質 12の 反射個所の形状を修正することにより高反射コーティング HR , HR を傾斜させて

21 24

いる。このように、三角ブロックを貼り付ける代わりに、透明媒質 12を適当な角度にな るような形状にして高反射コーティングを施すことによつても同様なことが可能である

〇

[0091] これまでに説明してきた透明媒質 12は、概略的には直方体形状のものであって、 一方の端面に光が入射し、これに対向する端面から光が出射し、両端面の間で光が 往復するものであった。しかし、透明媒質 12の形状や、透明媒質 12の内部における 光の光路には、種々の変形例があり得る。図 26〜図 30それぞれは、第 16実施形態 に係る光増幅装置における透明媒質 12の種々の構成例を示す図である。

[0092] 図 26に示される透明媒質 12aは、概略的には直方体形状のものであって、矩形断 面の或るコーナー部が面取りされて低反射コーティング AR が施され、他の或るコ

21

ーナ一部が面取りされて低反射コーティング AR が施されていて、その面取りされて

22

低反射コーティング AR , AR が施された個所が光入出射個所となっている。この

21 22

透明媒質 12aでは、内部を伝播する光が壁面で反射される際に、その壁面への入射 角が臨界角以上となる。例えば、透明媒質 12aが合成石英で構成されている場合、 その屈折率は凡そ 1.45であることから、空気に対する臨界角は凡そ 43.6度である。 したがって、合成石英からなる透明媒質 12a中を伝播する光が壁面に対して 45度の 角度で進行すれば、その光は壁面（合成石英と空気との界面）で全反射される。よつ て、この場合には、反射個所に高反射コーティングを施す必要がない。入射した光 II は透明媒質 12aの側面の内面において、内部を伝播する光の光路が直交するように 複数回反射され、透明媒質 12aから光 12として出射される。

[0093] 図 27に示される透明媒質 12bは、概略的には直方体形状のものであって、矩形断 面の或る 2つのコーナー部が面取りされていて、その面取りされた個所においてブリ ユースタ角で光が入出射するようになっており、また、内部を伝播する光が透明媒質 12bの壁面に対して 45度の角度で進行するようになっている。

[0094] これら透明媒質 12a, 12bでは、光入出射個所に低反射コーティングが施されてい たり、或いは、入出射角がブリュースタ角となっていたりして、入出力時の損失を抑え ること力 Sできる。また、例えば、透明媒質 12a, 12bが約 50mm角の矩形断面を有す る場合、透明媒質 12a, 12b内を伝播する光が壁面に対して 7mmの間隔で反射を 繰り返すようにすると、光は透明媒質 12a, 12b内を 7周することが可能であり、光路 は約 lmとなる。このとき、例えば透明媒質 12a, 12bの屈折率が 1.5であれば、約 1. 5mの光路長が得られる。

[0095] 図 28に示される透明媒質 12cは、六角柱形状を有する。一般に透明媒質は五角 形以上の多角柱であってもよい。例えば、透明媒質が合成石英で構成されている場 合、この透明媒質を五角形以上の多角柱とすることで、透明媒質の内部を進行する 光は、透明媒質の壁面に対して 45度以上の入射角で入射して全反射されることにな り、高反射コーティングを必要としない。また、五角形以上の多角柱であれば、直方 体と比べて反射角が大きくなるので、全反射条件を満たすことが容易となる。透明媒 質 12cに入射した光 IIは、透明媒質 12cの内部を多角柱の軸回りを回転しながら進 行し、光 12として出射される。透明媒質 12cの内部を伝播する光の光路は、透明媒質 12cの多角形側面の成す角度と同じ略角度で交差している。

[0096] この図に示されるように、多角柱の形状を正多角柱の一部を延ばした形状にすれ ば、透明媒質内を伝播する光が同一の光路を通ることなぐ透明媒質内を回るように 進行する配置とすることもできる。また、多角柱のそれぞれの角が同じ角度となるので 、透明媒質の壁面への入射角を一定にすることもできる。光の入出射個所に低反射 コーティング AR , AR が施されることにより、光入出射の際の損失を抑えることが

21 22

できる。ここで、多角柱が特に六角柱である場合には、光の入出力面が光軸に対して 90度をなす構成とすることができる。入出力部には低反射コーティング AR , AR

21 22 を施すことで、損失をさらに減らすことができる。さらに、この場合においても、入出力 部はブリュースタ角の形状であってもよい。

[0097] 図 29に示される透明媒質 12dは、光入射個所に低反射コーティング AR , AR

21 22 が施されており、内部を伝播する光が壁面（光入射個所以外）に対して入射角 45度 で入射して反射するように、当該反射個所の壁面が傾斜している。同図（a)は平面図 を示し、同図（b)は断面図を示す。例えば透明媒質 12dが合成石英で構成される場 合、内部を伝播する光は、反射部分で臨界角以上の入射角で入射して、垂直方向 に全反射されるので、壁面に高反射コーティングを施す必要がない。また、壁面の形 状は水平方向に 45度の角度で全反射する形状であってもよい。透明媒質 12dに入 射した光 IIは、厚み方向の高さを変えながら、内部で複数回反射され、光 12として外 部に出力される。

[0098] 図 30に示される透明媒質 12eは、概略的には直方体形状のものであって、同じ材 質からなる三角ブロック 121 , 122が光入出射個所に貼り付けていて、また、それらの 三角ブロック 121 , 122の光入出射面に低反射コーティング AR , AR が施されて

21 22

いる。また、この透明媒質 12eは、三角ブロック 121の低反射コーティング AR に入

21 力された光 IIを各壁面で繰返し全反射させて螺旋状に進行させ、その後に三角プロ ック 122の低反射コーティング AR から外部へ光 12を出力する。例えば、透明媒質 1

22

2eが合成石英で構成される場合、透明媒質 12e内部を伝播する光は、壁面に対して 45度の角度で進行すれば、各壁面で全反射されるので、壁面に低反射コーティング を施す必要がない。

[0099] さらに、透明媒質 12e内部における光路を垂直方向にもわずかに傾けるような構成 とすることによって、光は透明媒質 12中を螺旋状に伝播し、長い光路長を得ることが 可能となる。ここで、透明媒質の形状は、五角形以上の多角柱の形状であってもよい 。また、入出力部は光軸に対して適当な角度をもつ形状として無反射コーティングを 施したり、或いは、ブリュースタ角の形状としたりすることによって、入出力時の損失を 才卬えること力 Sできる。

[0100] なお、上記透明部材 12a〜12eにおいて、その一部または全部が光増幅媒質 11を 兼ねていてもよい。

[0101] 図 31は、第 17実施形態に係る光増幅装置 1Rの構成図である。この図に示される 光増幅装置 1Rは、光増幅媒質 11および透明媒質 12を含む光増幅部 10Rと、エネ ルギ供給部 30とを備え、これら光増幅部 1 ORおよびエネルギ供給部 30が真空容器 80内に入れられている。真空容器 80は、その内部空間を減圧雰囲気とすることがで きる。この場合、真空中で光を伝播させることによって、安定化を図ることができる。例 えば、種光生成器やエネルギ供給部は、それ自身が安定である場合や、ファイバレ 一ザ光源のように大気中を伝播しない場合には、真空容器 80外に設置されていても よい。

産業上の利用可能性

[0102] 本発明は、光増幅装置に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 被増幅光を光増幅する光増幅媒質と、

前記被増幅光を複数回通過させる透明媒質と、

を含む光増幅部と、

前記光増幅媒質に励起エネルギを供給するエネルギ供給部と、

を備えることを特徴とする光増幅装置。

[2] 前記光増幅部が、前記被増幅光を外部から入力して、その増幅光を前記光増幅媒 質に複数回通過させて光増幅する、ことを特徴とする請求項 1記載の光増幅装置。

[3] 前記光増幅部が、前記被増幅光を共振させる光共振器を含み、この光共振器の共 振光路上に前記光増幅媒質および前記透明媒質を有する、ことを特徴とする請求項 1記載の光増幅装置。

[4] 前記光増幅部が、

前記共振光路上に設けられ、前記光共振器の外部から前記被増幅光を前記共振 光路上に取り込む光取り込み手段と、

前記共振光路上に設けられ、一定期間に亘つて前記光共振器内において光増幅 された前記被増幅光を前記光共振器の外部へ取り出す光取り出し手段と、 を更に含むことを特徴とする請求項 3記載の光増幅装置。

[5] 請求項 3記載の光増幅装置を第 1光増幅装置とし、

この第 1光増幅装置により発生する光を種光とし、

請求項 2または 4に記載の光増幅装置を第 2光増幅装置とし、

この第 2光増幅装置により前記種光を光増幅して出力する、

ことを特徴とする光増幅装置。

[6] 前記第 1光増幅装置および前記第 2光増幅装置それぞれの前記光増幅媒質、前 記透明媒質または前記エネルギ供給部が共通である、

ことを特徴とする請求項 5記載の光増幅装置。

[7] 前記被増幅光力 Sパルス光であることを特徴とする請求項 1〜6の何れ力、 1項に記載 の光増幅装置。

[8] 光を遅延させる光遅延系を更に備え、 前記光増幅部により発生する光を種光とし、この種光を前記光遅延系により遅延さ せ、この遅延させた種光を前記光増幅部により光増幅して出力する、

ことを特徴とする請求項 7記載の光増幅装置。

[9] 前記光増幅媒質に入力される前記被増幅光のパルス幅を伸長するパルス幅伸長 部を更に備えることを特徴とする請求項 7記載の光増幅装置。

[10] 前記透明媒質が、前記光増幅媒質に入力される前記被増幅光のパルス幅を伸長 する、ことを特徴とする請求項 7記載の光増幅装置。

[11] 前記光増幅媒質から光増幅されて出力される前記被増幅光のパルス幅を圧縮する ノ レス幅圧縮部を更に備えることを特徴とする請求項 7記載の光増幅装置。

[12] 前記光増幅媒質および前記透明媒質の少なくとも一方が固体であることを特徴と する請求項;!〜 11の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[13] 前記光増幅媒質および前記透明媒質の少なくとも一方の温度を安定化する温度 安定化手段を更に備えることを特徴とする請求項 12記載の光増幅装置。

[14] 前記エネルギ供給部が、前記エネルギ供給部として前記光増幅媒質に供給すべき 励起光を出力する半導体レーザ素子を含む、

ことを特徴とする請求項;!〜 13の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[15] 前記光増幅部が、前記被増幅光の光路を調整する光路調整手段を更に含む、 ことを特徴とする請求項;!〜 14の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[16] 前記光増幅部を構成する前記光増幅媒質および前記透明媒質を含む複数の構成 要素の何れ力、 2以上のものが一体化されている、

ことを特徴とする請求項;!〜 15の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[17] 前記光増幅媒質または前記透明媒質において前記被増幅光が入射または出射す る何れかの箇所に低反射コーティングが施されている、

ことを特徴とする請求項;!〜 16の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[18] 前記光増幅媒質または前記透明媒質において前記被増幅光が反射する何れかの 箇所に高反射コーティングが施されてレ、る、

ことを特徴とする請求項;!〜 17の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[19] 前記光増幅媒質または前記透明媒質において前記被増幅光が入射または出射す る何れかの箇所での光入出射角がブリュースタ角である、

ことを特徴とする請求項;!〜 18の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[20] 前記透明媒質が、内部を伝搬する前記被増幅光を壁面において内部全反射させ る、

ことを特徴とする請求項;!〜 19の何れか 1項に記載の光増幅装置。

[21] 前記光増幅部および前記エネルギ供給部を内部空間に有し該内部空間を減圧雰 囲気とする真空容器を更に備える、

ことを特徴とする請求項;!〜 20の何れか 1項に記載の光増幅装置。