JP2009152560A - パルス光源およびパルス圧縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直接変調された半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源であって、サブナノ秒のパルス幅を有するパルス光を容易に出力することができるパルス光源を提供することを目的とする。
【解決手段】パルス光源１は、種光源１０、ＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）２０、バンドパスフィルタ３０、ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０等を備えていて、ＭＯＰＡ構造を有している。バンドパスフィルタ３０は、種光源１０から出力され第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちの短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する。ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０は、バンドパスフィルタ３０から出力されたパルス光を増幅して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス光源およびパルス圧縮方法に関するものである。

パルス光源は、加工等に代表される産業用途に用いられ、高出力や短パルス化が望まれる傾向がある。特に微細加工を行うためのレーザ加工機において用いられるパルス光源には、極力、ピーク値が高く、且つ、加工対象への熱影響を軽減する目的でパルス幅が狭いことが望まれる。

パルス光発生の為の機構としてＱスイッチやモードロックなどが気体レーザ光源や固体レーザ光源で提案されている（非特許文献１を参照）。また、半導体レーザを用いた利得スイッチング法も、より軽便な方法として注目される。利得スイッチングは、要するに半導体レーザの直接変調により実現されるので、モードロックのようにパルス間周期がレーザのハード的構造で制約されることが無く、また、Ｑスイッチのように音響光学スイッチのような大電力を消費する高価な部品を必要としない。

但し、半導体レーザは、総じて気体レーザ光源や固体レーザ光源などの従来のレーザ光源と比較して、出力光パワーが低いので、通信や計測に使われるのが一般的で、従ってパルスピークパワーが要求されることはなかった（非特許文献１，２を参照）。
超高速光技術、第二章、丸善、平成２年３月１５日発行 M. Kakui, et al., Optical Fiber Technology, vol.1, pp.312-317, 1995. F.D.Teodoro, et al, PhotonicWest2005. J. Limpert, et al., Optics Express, vol.11, p.3332, 2003.

昨今、直接変調した半導体レーザと光増幅器（特に光ファイバ増幅器）とを組み合わせたＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構造を有するパルス光源が、レーザ加工など１ｋＷ以上のハイパワーを要する用途に使用されるケースも散見される（非特許文献３を参照）。こうしたケースでは、光ファイバ増幅部分の所要利得を少しでも軽減するために半導体レーザの出力光のパルスピークが高いことが望ましい。すなわち、変調電流の振幅が大きいことが望まれる。

しかし、数百ｍＡの電流を変調することは容易ではなく、その立上り時間及び立下り時間は精々数ｎｓ程度が限界である（非特許文献３を参照）。その一方で、用途によっては１ｎｓを下回るパルス幅の要求も存在し、例えばパルス幅がフェムト秒オーダーであることが必要とされる場合もある（非特許文献４を参照）。しかし、フェムト秒パルス光の発生のためにはＣＰＡ等の特殊な光増幅技術を使わねばならない上に、パルスエネルギーとしては小さいのでレーザ加工の際のスループットの低さなどが問題となる。

以上のことから、発明者らは、現在のファイバレーザ技術では、簡易な方法で、パルス幅を、周波数軸上の幅を広くしない状態で、時間軸上の幅を小さくすることは、難しかったと考えている。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、変調振幅が２００ｍＡを超えるような直接変調された半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源であって、サブナノ秒のパルス幅を有するパルス光を容易に出力することができるパルス光源およびパルス圧縮方法を提供することを目的とする。

本発明に係るパルス光源は、(1) 直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザと、(2)半導体レーザから出力されるパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する第１光フィルタと、(3) 第１光フィルタから出力されたパルス光を増幅して出力する光増幅器と、を備えることを特徴とする。このパルス光源では、ＭＯＰＡ構造とされていて、直接変調された半導体レーザから出力されたパルス光は、第１光フィルタにより当該波長帯域のうちの短波長側および長波長側の一方が他方より減衰された後、光増幅器により増幅されて出力される。

本発明に係るパルス光源では、第１光フィルタが入力パルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側を長波長側より減衰させて出力するのが好適である。第１光フィルタの透過特性が可変であるのが好適である。第１光フィルタとともに光増幅器に含まれる光増幅媒質を挟むように配置された第２光フィルタを備えるのが好適である。第１光フィルタがバンドパスフィルタであるのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタのうち少なくとも一方がバンドパスフィルタであるのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、第２光フィルタの透過スペクトルの半値全幅が第１光フィルタの透過スペクトルの半値全幅よりも広いのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、第２フィルタの中心波長がパルス光のピーク波長と第１光フィルタの透過スペクトルの中心波長の間に設定されているのが好適である。半導体レーザがファブリーペロ型のものであるのが好適である。半導体レーザの温度を調整する温度調整手段を備えるのが好適である。光増幅器から出力されるパルス光のパルス幅が１ｎｓ未満であるのが好適である。光増幅器から出力されるパルス光のピークパワーが１ｋＷ超であるのが好適である。繰り返し周波数が１ＭＨｚのときにパルス光のピークパワーが１０ｋＷ超であるのが好適である。

本発明に係るパルス圧縮方法は、(1) 直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザと、(2)半導体レーザから出力されるパルス光を入力して、その入力したパルス光の一部の波長域を透過する第１光フィルタと、(3) 第１光フィルタから出力されたパルス光を増幅して出力する光増幅器とを用いる。そして、本発明に係るパルス圧縮方法は、第１光フィルタの透過波長域と半導体レーザの出力スペクトルとの相対的な位置関係を調整することにより、半導体レーザ出力スペクトルのパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の何れか一方を他方より減衰させることを特徴とする。

本発明に係るパルス圧縮方法では、第１光フィルタが入力パルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側を長波長側より減衰させて出力するのが好適である。第１光フィルタの透過特性が可変であるのが好適である。第１光フィルタとともに光増幅器に含まれる光増幅媒質を挟むように第２光フィルタを配置するのが好適である。第１光フィルタがバンドパスフィルタであるのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタのうち少なくとも一方がバンドパスフィルタであるのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、第２光フィルタの透過スペクトルの半値全幅が第１光フィルタの透過スペクトルの半値全幅よりも広いのが好適である。半導体レーザがファブリーペロ型のものであるのが好適である。第１光フィルタおよび第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、第２フィルタの中心波長がパルス光のピーク波長と第１光フィルタの透過スペクトルの中心波長の間に設定されているのが好適である。また、半導体レーザの温度を調整する温度調整手段を備えるのが好適である。

本発明に係るパルス光源は、変調振幅が２００ｍＡを超えるような直接変調された半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源であって、サブナノ秒のパルス幅を有するパルス光を容易に出力することができる。

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の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るパルス光源１の構成図である。この図に示されるパルス光源１は、種光源１０、ＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）２０、バンドパスフィルタ３０、ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０等を備えていて、ＭＯＰＡ構造を有している。このパルス光源１は、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。

種光源１０は、直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザを含む。この半導体レーザは、ハイパワー化の観点から、また、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）などの非線形効果を避ける観点から、ファブリーペロ型のものであるのが好適である。また、この半導体レーザは、増幅用光ファイバであるＹｂＤＦ２０，４０，５０が利得を有する波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。ＹｂＤＦ２０，４０，５０は、石英ガラスを主成分とする光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加されたものであり、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点で有利である。これらＹｂＤＦ２０，４０，５０は、３段の光ファイバ増幅器を構成している。

第１段のＹｂＤＦ２０は、励起光源２２から出力されて光カプラ２１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ２０は、種光源１０から出力されて光アイソレータ２３および光カプラ２１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、光アイソレータ２４を経て該パルス光を出力させる。

バンドパスフィルタ３０は、種光源１０から出力され第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する。なお、バンドパスフィルタに替えてハイパスフィルタまたはローパスフィルタが用いられてもよいが、ハイパスフィルタは種光源スペクトルの長波長側しか切り出すことができず、ローパスフィルタは種光源スペクトルの短波長側しか切り出すことができない。バンドパスフィルタは両者の機能を併せ持つので好適である。

第２段のＹｂＤＦ４０は、励起光源４２から出力されて光カプラ４１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ４０は、バンドパスフィルタ３０から出力されて光アイソレータ４３および光カプラ４１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、光アイソレータ４４を経て該パルス光を出力させる。第３段のＹｂＤＦ５０は、励起光源５２〜５５それぞれから出力されコンバイナ５１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ５０は、第２段のＹｂＤＦ４０により増幅されたパルス光を入力して更に増幅し、エンドキャップ６０を経て該パルス光を外部へ出力させる。

より好適な構成例は以下のとおりである。第１段のＹｂＤＦ２０は、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ２０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるものが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ２０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第２段のＹｂＤＦ４０は、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ４０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるものが長さ７ｍ使用される。ＹｂＤＦ４０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第３段のＹｂＤＦ５０は、クラッド励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２０Ｗ（５Ｗ級の励起ＬＤを４個）が順方向に注入される。ＹｂＤＦ５０として、コア部分の非飽和吸収係数が１２００ｄＢ／ｍであるものが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ５０のコアは、直径が１０μｍであり、ＮＡが０.０６程度である。ＹｂＤＦ５０の内クラッドは、直径が１２５μｍであり、ＮＡが０.４６程度である。

図２は、半導体レーザに対する直接変調の際の変調電圧波形を示す図である。また、図３は、半導体レーザから出力されるパルス光の時間波形を示す図である。図２では、繰り返し周波数は１００ｋＨｚに設定されている。図２に示される変調電圧波形の立上り時間及び立下り時間で変調できる最大の電流振幅は２４０ｍＡである。この変調信号が与えられる半導体レーザから出力されるパルス光の時間波形では、図３に示されるように、オーバーシュートの半値幅は１ｎｓ未満であるが、その後に１０ｎｓを超えるパルス成分が存在するので、これがレーザ加工時には熱影響の原因となる。その一方で、変調信号の幅を１ｎｓ以下として２４０ｍＡの電流振幅を維持することは困難である。

仮に半導体レーザがＤＦＢ等の単一波長発振のものである場合、その光出力Ｐと光周波数変化Δν（所謂チャーピング）との間の関係は次式で与えられる。ここで、αは線幅増大係数であり、Γは活性層の閉じ込め係数であり、εは非線形利得係数であり、Ｖは活性層体積であり、ｈはプランク定数であり、νは種光源出力の光周波数である。

図４は、半導体レーザから出力されるパルス光の時間波形およびチャーピングの時間変化を示す図である。上記（１）式から判るように、チャーピングΔνは光出力パワーＰの時間微分に依存する。したがって、この図に示されるように、光出力パワーＰの変化分が最も急峻なところで略最大のチャーピングが発生する。そして、光出力の最も顕著な変化は、立上りのオーバーシュートのときであるので、総じてチャーピングは、高周波数（すなわち短波長側）に生じて、ファブリーペロ型の半導体レーザであっても短波長側への裾引きの大きいスペクトル形状となる。

ここで、図１に示されるパルス光源１に含まれるバンドパスフィルタ３０の中心波長を、敢えて種光源１０の出力光スペクトルの最大強度波長から短波長側または長波長側にシフトさせると、図４に示されるチャーピング成分だけを切り出すことができ、図３に示されるオーバーシュート後の１０ｎｓを超えるパルスを除去することができる。ただし、この方法は、当然、種光源１０のパルス出力の殆どの成分をバンドパスフィルタ３０により遮断することにもなるので、これを補うため光増幅部としてＹｂＤＦ２０，４０，５０が設けられている。これらＹｂＤＦ２０，４０，５０を含む光ファイバ増幅部は利得が潤沢で数１０ｄＢの利得をも発揮することができる。

図５は、本実施形態に係るパルス光源１から出力されるパルス光の時間波形を示す図である。ここでは、バンドパスフィルタ２０として透過波長帯域が可変であるのものを用いて、その透過波長帯域を調整した。同図で、時間波形Ａ１は、バンドパスフィルタ２０の透過波長帯域をできるだけ長波長側にして且つパルスピークの最大化を図ったときのものである。時間波形Ａ２は、バンドパスフィルタ２０の透過波長帯域をできるだけ短波長側にして且つパルスピークの最大化を図ったときのものである。また、時間波形Ａ３は、バンドパスフィルタ２０の透過波長帯域をできるだけ種光源１０の出力スペクトルに重畳させたときのものである。

この図に示されるように、光ファイバ増幅部であるＹｂＤＦ２０，４０，５０の効果により、パルスピークは寧ろ増大する。但し、あまりにバンドパスフィルタ３０の中心波長を種光源スペクトルに対して大きくずらし過ぎると、バンドパスフィルタ３０を光が透過しなくなるのは勿論である。図５中の時間波形Ａ１，Ａ２は、パルスピークが最大となるように、長波長側または短波長側にバンドパスフィルタ３０の透過波長帯域の中心波長を調整したときの結果である。そして、バンドパスフィルタ３０の透過波長帯域の中心波長を、種光源スペクトルの長波長側に一致させたときの方が、短波長側に一致させたときと比較して、パルスピークが１割程高く、且つ、パルスの立下りが急峻で、レーザ加工の際の熱影響が抑圧できることが期待される。

尚、半導体レーザの過渡応答特性はサンプル毎にバラツキが大きいが、オーバーシュートを全く生じない半導体レーザを種光源１０に用いた場合でも、図６に示すような結果が得られ、やはり、バンドパルフィルタ３０の中心波長を種光源スペクトルの長波長側に一致させた方が好適な結果が得られた。図６は、オーバーシュートを全く生じない半導体レーザを種光源１０に用いた場合にパルス光源１から出力されるパルス光の時間波形を示す図である。同図で、時間波形Ｂ１は、バンドパスフィルタ２０の透過波長帯域をできるだけ長波長側にして且つパルスピークの最大化を図ったときのものである。時間波形Ｂ２〜Ｂ６は、時間波形Ｂ１の場合に対してバンドパスフィルタ２０の透過波長帯域を次第に短波長側にシフトさせたときのものである。この図から判るように、バンドパルフィルタ３０の中心波長を種光源スペクトルの長波長側に一致させた方が好適な結果が得られた。

上記では、種光源スペクトルとバンドパスフィルタ３０の透過スペクトルとの相対的位置関係の調整に、バンドパスフィルタ３０の透過スペクトルを可変とする方式を述べたが、種光源１０の温度を調整しても、ほぼ同等の効果が期待できる。バンドパルフィルタ３０の調整が誘電体多層膜の角度調整など機構的調整を必要とするのに対し、種光源１０の温度調整は、電子制御のみで行えるので再現性や制御性の点で優れている。

以上のように、本実施形態に係るパルス光源１は、変調振幅が２００ｍＡを超えるような直接変調された半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源であって、サブナノ秒のパルス幅を有するパルス光を容易に出力することができる。特に、本実施形態に係るパルス光源１は、ピークパワーが１ｋＷ超であるパルス光を出力することができ、また、パルス幅が１ｎｓ未満であるパルス光を出力することができるので、レーザ加工用途に好適である。また、本実施形態に係るパルス光源１は、種光源１０に含まれる半導体レーザを直接変調するので、モードロックと比較し変調の自由度が高い。

ところで、図１に示された構成のパルス光源１では、種光源１０としてファブリーペロ型の半導体レーザが用いられた。短パルス化の為には、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、種光源１０の後段に設けられるバンドパスフィルタ３０の中心波長は、図中のプロットＣ２またはＣ３の状態になるように調整されて、パルスの半値全幅が約５ｎｓから０.５ｎｓまで圧縮され得る。

同図（ａ）は、種光源１０の後段に設けられるバンドパスフィルタ３０の中心波長を調整することで種光源１０の出力パルスを変形した場合のパルス波形を示す。同図（ｂ）は、その場合のスペクトルを示す。また、同図（ｃ）は、同図（ａ）の一部を拡大して示す。図中のプロットＣ１は、バンドパスフィルタがない場合を示す。プロットＣ２〜Ｃ７は、バンドパスフィルタの中心波長を長波長側から徐々に短波長側にした場合を示す。

なお、プロットＣ２，Ｃ３のようにバンドパスフィルタ３０の中心波長を種光源１０のスペクトルの中心波長から大幅にデチューニングさせると、その下流のＹｂＤＦで発生するＡＳＥが増大する。このようなＡＳＥ成分を抑圧する為には、図８に示されるように、種光源の下流に接続される光増幅器の内部に複数のバンドパスフィルタが挿入されることが望ましい。

図８は、他の実施形態に係るパルス光源２の構成図である。この図に示されるパルス光源２は、種光源１０、ＹｂＤＦ１１０、バンドパスフィルタ１２０、ＹｂＤＦ１３０、バンドパスフィルタ１４０、ＹｂＤＦ１５０およびＹｂＤＦ１６０等を備えていて、ＭＯＰＡ構造を有している。このパルス光源２は、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。

ＹｂＤＦ１１０，１３０，１５０，１６０は、種光源１０から出力される波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を増幅するもので、ガラスからなる光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加されたものである。ＹｂＤＦ１１０，１３０，１５０，１６０は、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点で有利である。これらＹｂＤＦ１１０，１３０，１５０，１６０は、４段の光ファイバ増幅器を構成している。

第１段のＹｂＤＦ１１０は、励起光源１１２から出力されて光カプラ１１３および光カプラ１１１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ１１０は、種光源１０から出力されて光アイソレータ１１４および光カプラ１１１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、光アイソレータ１１５を経て該パルス光を出力する。

バンドパスフィルタ１２０は、第１段のＹｂＤＦ１１０により増幅されて光アイソレータ１１５を経たパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちの短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する。

第２段のＹｂＤＦ１３０は、励起光源１１２から出力されて光カプラ１１３および光カプラ１３１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ１３０は、バンドパスフィルタ１２０から出力されて光アイソレータ１３１を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、該パルス光を出力する。

バンドパスフィルタ１４０は、第２段のＹｂＤＦ１３０により増幅されたパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちの短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する。

第３段のＹｂＤＦ１５０は、励起光源１５２から出力されて光カプラ１５１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ１５０は、バンドパスフィルタ１４０から出力されて光アイソレータ１５３を経たパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、該パルス光を出力する。

第４段のＹｂＤＦ１６０は、励起光源１６２〜１６６それぞれから出力されコンバイナ１６１を経た励起光が順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ１６０は、第３段のＹｂＤＦ１５０により増幅されて光アイソレータ１６７およびコンバイナ１６１を経たパルス光を入力して更に増幅し、エンドキャップ６０を経て該パルス光を外部へ出力させる。

より好適な構成例は以下のとおりである。第１段のＹｂＤＦ１１０は、単一クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。第２段のＹｂＤＦ１３０は、単一クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。

第３段のＹｂＤＦ１５０は、二重クラッドリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦであり、Ｐ濃度が２６.４wt％であり、Ａｌ濃度が０.８wt％であり、コア径が１０μｍであり、第一クラッド径が１２５μｍ程度であり、第一クラッドの断面が８角形であり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が１.８ｄＢ／ｍであり、長さが３ｍである。第４段のＹｂＤＦ１６０は、二重クラッドＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦであり、Ａｌ濃度が５wt％であり、コア径が１０μｍであり、クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が８０ｄＢ／ｍであり、長さが３.５ｍである。

ＹｂＤＦ１１０，１３０，１５０，１６０に供給される励起光の波長は何れも０.９７５μｍ帯である。ＹｂＤＦ１１０に供給される励起光は、パワーが２００ｍＷであって、単一モードである。ＹｂＤＦ１３０に供給される励起光は、パワーが２００ｍＷであって、単一モードである。ＹｂＤＦ１５０に供給される励起光は、パワーが２Ｗであって、マルチモードである。また、ＹｂＤＦ１６０に供給される励起光は、パワーが１４Ｗであって、マルチモードである。

バンドパスフィルタ１２０，１４０それぞれの透過スペクトルの半値全幅は３ｎｍである。図９および図１０は、本実施形態に係るパルス光源２におけるバンドパスフィルタ１２０，１４０によるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。

図９に示されるように、バンドパスフィルタ１２０の透過スペクトル（図中のＤ１）の中心波長が種光源１０の出力光のスペクトル（図中のＤ２）のピーク波長に略一致している場合には、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図中のＤ３）のパワーを高く保つことができ、これの後段にあるＹｂＤＦ１３０から出力される光（図中のＤ４）に含まれるＡＳＥ成分と比較したＳ／Ｎ比を高く保つことができる。

これに対して、図１０に示されるように、バンドパスフィルタ１２０の透過スペクトル（図中のＥ１）の中心波長が種光源１０の出力光のスペクトル（図中のＥ２）のピーク波長から大きくずれている場合には、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図中のＥ３）のパワーが入力時に対して大きく減衰することになり、これの後段にあるＹｂＤＦ１３０から出力される光（図中のＥ４）に含まれるＡＳＥ成分と比較したＳ／Ｎ比が大幅に劣化する。これを回避する為に、その下流に更にバンドパスフィルタ１４０を挿入することで、バンドパスフィルタ１２０から出力される光（図中のＥ５）のＳ／Ｎ比を改善することができる。なお、このとき、バンドパスフィルタ１４０の中心波長は、バンドパスフィルタ１２０の中心波長より、種光源１０出力スペクトルのピーク波長に近く設定することが望ましい。

図８に示されるパルス光源２において、上記のような具体的な構成として、種光源１０を出力パワー２０ｄＢｍで連続発振させた場合、エンドキャップ６０から出力されるパルス光のパワーは１０.７Ｗである。図７中のプロットＣ２のように、バンドパスフィルタ１２０の中心波長を種光源１０の出力スペクトルのピーク波長から長波長側にシフトしている場合、２段目ＹｂＤＦ１３０への入力光の時間平均入力パワーは低下し、２段目ＹｂＤＦ１３０の内部から出力されるＡＳＥは上昇する。その結果、２段目ＹｂＤＦ１３０の直後において、被増幅光出力パワーに対するＡＳＥパワーの比率（以下、便宜的にＳ／Ｎ比と呼ぶ）が低下する。

２段目ＹｂＤＦ１３０の後段にバンドパスフィルタ１４０が設けられていることにより、また、３段目のＹｂＤＦ１５０としてＡＳＥ帯域が狭いリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦが用いられていることにより、図１１および図１２に示されるようにＳ／Ｎ比が改善され得る。

図１１は、ＹｄＤＦ１５０またはＹｂＤＦ１６０を用いたＡＳＥ光源３の構成を示す図である。このＡＳＥ光源３は、６個の励起光源２１３〜２１８それぞれから７Ｗの励起光を出力させ、コンバイナ２１１を経てこれらの励起光をＹｂＤＦ２１０へ供給するものである。ＹｂＤＦ２１０として、ＹｄＤＦ１５０（８ｍ）またはＹｂＤＦ１６０（１０）が用いられる。コンバイナ２１１は、６本のマルチモードファイバよりなる励起光入力ポートと、１本の単一モードファイバよりなる被増幅光入力ポートと、１本の二重クラッドファイバよりなる出力ポートとを有する。アイソレータ２１９は、波長１０６０ｎｍにおける光の逆流を低減する。

図１２は、ＹｄＤＦ１５０またはＹｂＤＦ１６０を用いたＡＳＥ光源３の出力光のスペクトルを示す図である。この図には、ＡＳＥ光源３への入力光パワーをゼロとして、ＹｂＤＦ１５０をＹｂＤＦ２１０として用いた場合のスペクトルがプロットＦ１で示され、また、ＹｂＤＦ１６０をＹｂＤＦ２１０として用いた場合のスペクトルがプロットＦ２で示されている。この図に示されるように、３段目のＹｂＤＦ１５０としてリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦが用いられていることにより、Ｓ／Ｎ比が改善され得る。

図１３は、本実施形態に係るパルス光源２の出力パルス光のパルス波形を示す図である。同図では、繰り返し周波数は、１００ｋＨｚ、１６６.７ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３１２.５ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚおよび２.５ＭＨｚの各値とされている。図１４は、本実施形態に係るパルス光源２の出力パルス光の繰り返し周波数とパルスピークとの関係を示す図である。なお、パルス波形の測定に際しては、パルス光源２の出力端にあるエンドキャップ６０の後に減衰量６５ｄＢ程度の空間アッテネータを挿入し、エンドキャップ６０からの出力光をソーラボ製光電変換モジュール（ＳＩＲ５−ＦＣ型）で受光し、その光電変換モジュールからの電気出力波形を横河電機製オシロスコープ（ＤＬ９２４０）で観測した。

これらの図に示されるとおり、出力パルス光の繰り返し周波数が１ＭＨｚでもパルスピークは１０ｋＷ以上を実現することができ、また、出力パルス光の繰り返し周波数が１００ｋＨｚでは５６ｋＷのパルスピークを実現することができた。なお、第３段ＹｂＤＦ１５０としてのリン酸塩ガラス系ＹｂＤＦは、第４段ＹｂＤＦ１６０と比べて、励起効率（特定の励起パワーで得られる被増幅光出力の比率）が劣る。そこで、図８に示される構成において最終段のＹｂＤＦ１６０としてＡｌ共添加石英系ＹｂＤＦが用いられている。

バンドパスフィルタ１４０の中心波長は、バンドパスフィルタ１２０の中心波長より種光源１０の出力スペクトルのピーク波長に近く設定することが望ましい。また、バンドパスフィルタ１２０，１４０それぞれの透過スペクトル半値全幅を等しく３ｎｍとしたが、総じてバンドパスフィルタ１２０透過後の被増幅光のスペクトルは、種光源１０の出力のピーク波長とバンドパスフィルタ１２０の中心波長とが互いにずれている結果、バンドパスフィルタ１２０本来の透過スペクトルより広帯域になるので、バンドパスフィルタ１４０の透過スペクトルの半値全幅はバンドパスフィルタ１２０の透過スペクトルの半値全幅より広いことが望ましい。

但し、その広がり方は、図７（ｂ）のプロットＣ２に見られるとおり、精々元々のバンドパスフィルタの透過スペクトルの半値全幅が３ｎｍのものが、透過後のスペクトルの半値全幅では４ｎｍになるという程度のものである。したがって、バンドパスフィルタ１４０の透過スペクトルの半値全幅は、バンドパスフィルタ１２０の透過スペクトルの精々１.５倍程度が望ましい。

また、バンドパスフィルタは必ずしも２段である必要はなく、３段以上であってもよい。また、バンドパスフィルタである必要は必ずしもなく、短波長側透過フィルタ（ＳＷＰＦ）や長波長側透過フィルタ（ＬＷＰＦ）を組み合わせて使用してもよい。

本実施形態に係るパルス光源１の構成図である。 半導体レーザに対する直接変調の際の変調電圧波形を示す図である。 半導体レーザから出力されるパルス光の時間波形を示す図である。 半導体レーザから出力されるパルス光の時間波形およびチャーピングの時間変化を示す図である。 本実施形態に係るパルス光源１から出力されるパルス光の時間波形を示す図である。 本実施形態に係るパルス光源１から出力されるパルス光の時間波形を示す図である。 種光源１０の後段に設けられるバンドパスフィルタ３０の中心波長を調整することで種光源１０の出力パルスを変形した場合のパルス波形およびスペクトルを示す図である。 本実施形態に係るパルス光源２の構成図である。 本実施形態に係るパルス光源２におけるバンドパスフィルタ１２０，１４０によるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。 本実施形態に係るパルス光源２におけるバンドパスフィルタ１２０，１４０によるＡＳＥ除去の様子を模式的に示す図である。 ＹｄＤＦ１５０またはＹｂＤＦ１６０を用いたＡＳＥ光源３の構成を示す図である。 ＹｄＤＦ１５０またはＹｂＤＦ１６０を用いたＡＳＥ光源３の出力光のスペクトルを示す図である。 本実施形態に係るパルス光源２の出力パルス光のパルス波形を示す図である。 本実施形態に係るパルス光源２の出力パルス光の繰り返し周波数とパルスピークとの関係を示す図である。

符号の説明

１，２…パルス光源、１０…種光源、２０…ＹｂＤＦ、２１…光カプラ、２２…励起光源、２３，２４…光アイソレータ、３０…バンドパスフィルタ、４０…ＹｂＤＦ、４１…光カプラ、４２…励起光源、４３，４４…光アイソレータ、５０…ＹｂＤＦ、５１…コンバイナ、５２〜５５…励起光源、６０…エンドキャップ、１１０…ＹｂＤＦ、１１１…光カプラ、１１２…励起光源、１１３…光カプラ、１１４，１１５…光アイソレータ、１２０…バンドパスフィルタ、１３０…ＹｂＤＦ、１３１…光カプラ、１４０…バンドパスフィルタ、１５０…ＹｂＤＦ、１５１…光カプラ、１５２…励起光源、１５３…光カプラ、１６０…ＹｂＤＦ、１６１…コンバイナ、１６２〜１６６…励起光源、１６７…光アイソレータ。

Claims (23)

1. 直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザと、
   前記半導体レーザから出力されるパルス光を入力して、その入力したパルス光の波長帯域のうちの前記パルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させて出力する第１光フィルタと、
   前記第１光フィルタから出力されたパルス光を増幅して出力する光増幅器と
   を備えることを特徴とするパルス光源。
2. 前記第１光フィルタが入力パルス光の波長帯域のうちの前記パルス光のピーク波長より短波長側を長波長側より減衰させて出力することを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
3. 前記第１光フィルタの透過特性が可変であることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
4. 前記第１光フィルタとともに前記光増幅器に含まれる光増幅媒質を挟むように配置された第２光フィルタを備えた
   ことを特徴とする請求項１のパルス光源。
5. 前記第１光フィルタがバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
6. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタのうち少なくとも一方がバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項４のパルス光源。
7. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、
   前記第２光フィルタの透過スペクトルの半値全幅が前記第１光フィルタの透過スペクトルの半値全幅よりも広い
   ことを特徴とする請求項４のパルス光源。
8. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、
   前記第２フィルタの中心波長が前記パルス光のピーク波長と前記第１光フィルタの透過スペクトルの中心波長の間に設定されていることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
9. 前記半導体レーザがファブリーペロ型のものであることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
10. 前記半導体レーザの温度を調整する温度調整手段を備えることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
11. 前記光増幅器から出力されるパルス光のパルス幅が１ｎｓ未満であることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
12. 前記光増幅器から出力されるパルス光のピークパワーが１ｋＷ超であることを特徴とする請求項１記載のパルス光源。
13. 繰り返し周波数が１ＭＨｚのときに前記パルス光のピークパワーが１０ｋＷ超であることを特徴とする請求項１２のパルス光源
14. 直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザと、
    前記半導体レーザから出力されるパルス光を入力して、その入力したパルス光の一部の波長域を透過する第１光フィルタと、
    前記第１光フィルタから出力されたパルス光を増幅して出力する光増幅器と
    を用い、
    前記第１光フィルタの透過波長域と前記半導体レーザの出力スペクトルとの相対的な位置関係を調整することにより、前記半導体レーザ出力スペクトルの前記パルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の何れか一方を他方より減衰させることを特徴とするパルス圧縮方法。
15. 前記第１光フィルタが入力パルス光の波長帯域のうちの前記パルス光のピーク波長より短波長側を長波長側より減衰させて出力することを特徴とする請求項１４記載のパルス圧縮方法。
16. 前記第１光フィルタの透過特性が可変であることを特徴とする請求項１４記載のパルス圧縮方法。
17. 前記第１光フィルタとともに前記光増幅器に含まれる光増幅媒質を挟むように第２光フィルタを配置する
    ことを特徴とする請求項１４のパルス圧縮方法。
18. 前記第１光フィルタがバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１４記載のパルス圧縮方法。
19. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタのうち少なくとも一方がバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１７のパルス圧縮方法。
20. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、
    前記第２光フィルタの透過スペクトルの半値全幅が前記第１光フィルタの透過スペクトルの半値全幅よりも広い
    ことを特徴とする請求項１７のパルス圧縮方法。
21. 前記第１光フィルタおよび前記第２光フィルタの双方がバンドパスフィルタであり、
    前記第２フィルタの中心波長が前記パルス光のピーク波長と前記第１光フィルタの透過スペクトルの中心波長の間に設定されていることを特徴とする請求項１７記載のパルス圧縮方法。
22. 前記半導体レーザがファブリーペロ型のものであることを特徴とする請求項１４記載のパルス圧縮方法。
23. 前記半導体レーザの温度を調整する温度調整手段を備えることを特徴とする請求項１４記載のパルス圧縮方法。
    

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