KR101718177B1 - 펄스폭 변환 장치 및 광 증폭 시스템 - Google Patents

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Abstract

투과형 회절 격자(20)로 일정의 입사각으로 입력된 입력광 펄스(Pi)는, 파장마다 분광되어 해당 파장에 대응한 출사각으로 출력되고, 반사경(41, 42, 43)에 의해 순서대로 반사된 후, 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력되어, 투과형 회절 격자(20)로부터 일정의 출사각으로 출력된다. 투과형 회절 격자(20)로부터 일정의 출사각으로 출력된 각 파장 성분의 광은, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려지고, 투과형 회절 격자(20)로 일정의 입사각으로 입력되어 파장에 대응한 출사각으로 출력되며, 반사경(43, 42, 41)에 의해 순서대로 반사된 후, 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된다. 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된 광은, 투과형 회절 격자(20)에 의해 합파되어 출력광 펄스(Po)로서 출력된다. 이것에 의해, 소형화가 용이한 펄스폭 변환 장치, 및 광 증폭 시스템이 실현된다.

Description

펄스폭 변환 장치 및 광 증폭 시스템{PULSE-WIDTH CONVERTING APPARATUS AND OPTICAL AMPLIFYING SYSTEM}
본 발명은, 입력광 펄스의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가지는 출력광 펄스를 생성하는 펄스폭 변환 장치, 및, 광 증폭 장치 및 펄스폭 변환 장치를 구비하는 광 증폭 시스템에 관한 것이다.
고강도 초단(超短)펄스 레이저 장치를 안정적으로 동작시키기 위해서는, 비특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 광 증폭 전에 펄스폭 변환 장치(펄스 신장 장치)에 의해 광 펄스의 펄스폭을 신장하여 처프 펄스(chirp pulse)로 하고, 광 증폭 장치 내에서는 광 펄스의 순간적인 강도를 낮게 억제하며, 광 증폭 후에 펄스폭 변환 장치(펄스 압축 장치)에 의해 광 펄스의 펄스폭을 압축하여 광 펄스의 첨두(尖頭)값(피크값)을 크게 하는 것이 중요하다. 이와 같은 수법은 처프 펄스 증폭법이라 불리고 있다.
처프 펄스란, 광 펄스에 포함되는 각 파장 성분에 의해서 도달시간이 다른 특성을 가지는 광 펄스이다. 광 펄스를 구성하는 파장 대역의 대역폭에 의해서, 그 광 펄스의 펄스폭의 하한이 결정된다. 이것은 푸리에(Fourier) 한계 펄스폭이라고 불린다. 처프 펄스의 펄스폭은, 푸리에 한계 펄스폭에 비해 길다. 그러나, 처프 펄스는, 구성하는 각 파장 성분의 광로 길이를 소정의 길이로 조정한 장치를 통과시킴으로써, 푸리에 한계 펄스폭 정도까지 펄스폭을 압축하는 것이 가능하다.
펄스 압축 장치는, 일반적으로, 상기 처프 펄스를 푸리에 한계 펄스폭 정도까지 압축하는 것을 가능하게 하는 장치이다. 고강도 초단펄스 레이저 장치의 최종 단계에 펄스 압축 장치를 배치함으로써, 증폭된 고에너지 처프 펄스의 펄스폭을 압축하고, 펄스폭을 가능한 한 짧게 함으로써 광 펄스의 피크값을 크게 할 수 있다. 여기서, 조정에 따라서는, 푸리에 한계 펄스폭 보다 긴 시간폭을 가지는 광 펄스를 출력하는 것도 가능하다.
한편, 이와 같은 펄스 압축 장치는, 광 펄스의 펄스폭을 신장하여 처프 펄스로 하는 펄스 신장 장치로서도 작용할 수 있다. 이와 같은 광 펄스의 펄스폭을 변환하는 펄스폭 변환 장치(펄스 압축 장치, 펄스 신장 장치)는, 어떤 분광 소자를 필수의 구성요소로서 구비한다. 분광 소자로서는, 프리즘 등 물질에 고유의 분산을 이용하는 것이나, 회절 격자 등 소자 구조에 의한 회절 효과를 이용하는 것이 주로 있다.
분광 소자로서 프리즘을 구비하는 펄스폭 변환 장치는, 광 펄스의 펄스폭의 가변 범위가 작아, 처프 펄스 증폭법에 적용하는 것은 곤란하다. 그래서, 분광 소자로서 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치가 널리 이용되고 있다. 도 12 ~ 도 15는, 분광 소자로서 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 12에 도시된 펄스폭 변환 장치(2A)는, 4개의 반사형 회절 격자(31 ~ 34)를 구비한다. 이 펄스폭 변환 장치(2A)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 반사형 회절 격자(31)에 의해 회절되어 분광되고, 반사형 회절 격자(32)에 의해 회절되어 평행 광속(光束)으로 되고, 반사형 회절 격자(33)에 의해 회절되어 수렴되며, 반사형 회절 격자(34)에 의해 회절되어 합파(合波)되어 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
도 13에 도시된 펄스폭 변환 장치(2B)는, 4개의 투과형 회절 격자(21 ~ 24)를 구비한다. 이 펄스폭 변환 장치(2B)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 투과형 회절 격자(21)에 의해 회절되어 분광되고, 투과형 회절 격자(22)에 의해 회절되어 평행 광속으로 되며, 투과형 회절 격자(23)에 의해 회절되어 수렴되고, 투과형 회절 격자(24)에 의해 회절되어 합파되어 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
종래에는, 주로, 도 12에 도시된 바와 같은 4개의 반사형 회절 격자(31 ~ 34)를 구비하는 펄스폭 변환 장치(2A)의 구성이 이용되어 왔다. 그러나, 반사형 회절 격자와 비교하여, 투과형 회절 격자는, 광 흡수가 적은 것에 기인하는 열적인 우위성을 가지며, 또, 제조 공정에 기인하는 가격적인 우위성을 가지고 있다. 이로 인해서, 최근에는, 도 13에 도시된 바와 같은 4개의 투과형 회절 격자(21 ~ 24)를 구비하는 펄스폭 변환 장치(2B)의 구성이 이용되어 오고 있다. 또, 도 14, 도 15에 도시된 바와 같이, 2개의 투과형 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치(2C, 2D)의 구성도 있다.
도 14에 도시된 펄스폭 변환 장치(2C)는, 2개의 투과형 회절 격자(21, 22)를 구비한다. 이 펄스폭 변환 장치(2C)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 투과형 회절 격자(21)에 의해 회절되어 분광되고, 투과형 회절 격자(22)에 의해 회절되어 평행 광속으로 되며, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려진다. 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려진 광 펄스는, 투과형 회절 격자(22)에 의해 회절되어 수렴되고, 투과형 회절 격자(21)에 의해 회절되어 합파되어 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
도 15에 도시된 펄스폭 변환 장치(2D)도, 2개의 투과형 회절 격자(21, 22)를 구비한다. 이 펄스폭 변환 장치(2D)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 투과형 회절 격자(21)에 의해 회절되어 분광되고, 반사경(41, 42)에 의해 순서대로 반사되며, 투과형 회절 격자(22)에 의해 회절되어 평행 광속으로 되고, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려진다. 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려진 광 펄스는, 투과형 회절 격자(22)에 의해 회절되어 수렴되고, 반사경(42, 41)에 의해 순서대로 반사되며, 투과형 회절 격자(21)에 의해 회절되어 합파되어 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
도 12 ~ 도 15에서, 각 회절 격자의 격자가 연장하는 방향은 지면에 수직인 방향이며, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려질 때를 제외하고 광 펄스는 지면에 평행으로 진행한다. 직각 프리즘(40)은, 2개의 반사면에 의해 순서대로 광 펄스를 반사시킴으로써, 왕로(往路, 가는 길)의 광 펄스의 광로에 대해서 귀로(復路)의 광 펄스의 광로를 지면에 수직인 방향으로 평행 이동시킨다.
도 12 ~ 도 15에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 펄스폭 변환 장치는, 분광 소자로의 복수회(複數回)의 광 펄스 입사를 필요로 한다. 분광 소자로의 광 펄스 입사 회수는 가장 적은 경우에 4회이다. 도 12, 도 13에 도시된 펄스폭 변환 장치(2A, 2B)에 대해서, 도 14, 도 15에 도시된 펄스폭 변환 장치(2C, 2D)는, 각각의 회절 격자에 광 펄스를 2회 입사시키는 것으로 하여, 회절 격자의 개수를 삭감하고 있다. 또, 도 15에 도시된 펄스폭 변환 장치(2D)는, 회절 격자(21, 22)를 일체화한 길이가 긴 1개의 회절 격자를 이용하여 구성할 수도 있다.
비특허 문헌 1 : Xiangyu Zhou, et al. , "Generation of 28-fs pulses from amode-locked ytterbium fiber oscillator", OPTICS EXPRESS, Vol. 16, No. 10, pp. 7055-7059 (2008)
그렇지만, 상기와 같은 펄스폭 변환 장치의 구성에서는, 적어도 2개의 회절 격자 또는 길이가 긴 1개의 회절 격자가 필요하다. 도 15에 도시된 펄스폭 변환 장치(2D)의 구성에서는, 길이가 긴 회절 격자를 이용하면 회절 격자가 1개로 좋기는 하지만, 입력광 펄스(Pi) 및 출력광 펄스(Po)와 직각 프리즘(40)과의 사이의 기하학적인 간섭으로 인하여, 소형화가 곤란하다. 특히, 회절각이 큰 회절 격자를 이용할 때, 이 문제가 현저하게 된다.
본 발명은, 상기 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 소형화가 용이한 펄스폭 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 이와 같은 펄스폭 변환 장치를 구비하여 소형화가 용이한 광 증폭 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 펄스폭 변환 장치는, 입력광 펄스의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가지는 출력광 펄스를 생성하는 펄스폭 변환 장치로서, (1) 제1 광로를 따라 입력한 입력광 펄스를 분광하여 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속(光束)을 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력하며, 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력한 광속을 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 합파(合波)하여 제8 광로를 따라 출력광 펄스로 하여 출력하는 분광 소자와, (2) 분광 소자로부터 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제1 광학계와, (3) 분광 소자로부터 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력시키는 제2 광학계와, (4) 분광 소자로부터 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제3 광학계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
게다가, 펄스폭 변환 장치는, 분광 소자에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제3 광로 및 제4 광로의 조합에 의한 입출사 방향이, 제1 광로 및 제2 광로의 조합에 의한 입출사 방향과 다른 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 광 증폭 시스템은, (1) 광 펄스를 광 증폭하는 광 증폭 장치와, (2) 광 증폭 장치에 의해 광 증폭된 광 펄스를 입력하고, 그 입력한 광 펄스의 분산을 보상하여 해당 광 펄스를 출력하는 상기 구성의 펄스폭 변환 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 펄스폭 변환 장치 또는 광 증폭 시스템은 소형화가 용이하다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)의 구성을 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 펄스폭 변환 장치(1A)에 포함되는 투과형 회절 격자(20)의 분광 작용을 설명하는 도면이다.
도 4는 펄스폭 변환 장치(1B)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 펄스폭 변환 장치(1C)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 펄스폭 변환 장치(1D)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 펄스폭 변환 장치(1E)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 펄스폭 변환 장치(1F)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 펄스폭 변환 장치(1G)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 펄스폭 변환 장치(1G)에 포함되는 반사형 회절 격자(30)의 분광 작용을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 분광 소자로서 반사형 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 13은 분광 소자로서 투과형 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 14는 분광 소자로서 투과형 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 15는 분광 소자로서 투과형 회절 격자를 구비하는 펄스폭 변환 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)의 구성을 개념적으로 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)는, 분광 소자(10), 제1 광학계(11), 제2 광학계(12) 및 제3 광학계(13)를 구비한다. 또한, 제1 광학계(11)와 제3 광학계(13)는 일부 또 전부의 광학 부품을 공유하고 있어도 괜찮다. 도 1에서는, 제1 광학계(11)와 제3 광학계(13)가 전부의 광학 부품을 공유하는 것으로 하여, 제1 광학계(11)와 제3 광학계(13)를 공통의 것으로서 나타내고 있다.
분광 소자(10)는, 일정의 입사각으로 입력한 광속(光束)을 파장마다 분광하고, 각 파장 성분의 광을 해당 파장에 대응한 출사각으로 출력할 수 있다. 또, 분광 소자(10)는, 각 파장 성분의 광을 해당 파장에 대응한 입사각으로 입력하면, 이러한 각 파장 성분의 광을 일정의 출사각으로 출력할 수 있다. 분광 소자(10)는 예를 들면 투과형 회절 격자 또는 반사형 회절 격자이다.
분광 소자(10)는, 제1 광로(P1)를 따라 입력한 입력광 펄스(Pi)를 분광하여 제2 광로(P2)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력한다. 분광 소자(10)는, 제3 광로(P3)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 제4 광로(P4)를 따라 일정의 출사각으로 출력한다. 분광 소자(10)는, 제5 광로(P5)를 따라 일정의 입사각으로 입력한 광속을 제6 광로(P6)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력한다. 또, 분광 소자(10)는, 제7 광로(P7)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 합파(合波)하여 제8 광로(P8)를 따라 출력광 펄스(Po)로서 출력한다.
또한, 분광 소자(10)는, 제4 광로(P4)를 따라 일정의 입사각으로 광속이 입사한 경우, 그 광속을 분광하여 제3 광로(P3)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력할 수 있고 또, 제8 광로(P8)를 따라 일정의 입사각으로 광속이 입사한 경우, 그 광속을 분광하여 제7 광로(P7)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력할 수 있다. 분광 소자(10)는, 제1 광로(P1), 제4 광로(P4), 제5 광로(P5) 및 제8 광로(P8)의 각각을 따라 일정의 입사각으로 광속이 입력했을 경우, 동일한 분광 특성을 가진다.
제1 광학계(11)는, 분광 소자(10)로부터 제2 광로(P2)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자(10)로 제3 광로(P3)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시킨다. 제2 광학계(12)는, 분광 소자(10)로부터 제4 광로(P4)를 따라 일정의 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자(10)로 제5 광로(P5)를 따라 일정의 입사각으로 입력시킨다. 또, 제3 광학계(13)는, 분광 소자(10)로부터 제6 광로(P6)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자(10)로 제7 광로(P7)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시킨다.
분광 소자(10)에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제3 광로(P3) 및 제4 광로(P4)의 조합에 의한 입출사 방향은, 제1 광로(P1) 및 제2 광로(P2)의 조합에 의한 입출사 방향과 다르다. 분광 소자(10)에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제5 광로(P5) 및 제6 광로(P6)의 조합에 의한 입출사 방향은, 제1 광로(P1) 및 제2 광로(P2)의 조합에 의한 입출사 방향과 일치하고 있어도 괜찮고, 제3 광로(P3) 및 제4 광로(P4)의 조합에 의한 입출사 방향과 일치하고 있어도 괜찮다.
또, 분광 소자(10)에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제7 광로(P7) 및 제8 광로(P8)의 조합에 의한 입출사 방향은, 제1 광로(P1) 및 제2 광로(P2)의 조합에 의한 입출사 방향과 일치하고 있어도 괜찮고, 제3 광로(P3) 및 제4 광로(P4)의 조합에 의한 입출사 방향과 일치하고 있어도 괜찮으며, 제5 광로(P5) 및 제6 광로(P6)의 조합에 의한 입출사 방향과 일치하고 있어도 괜찮다.
분광 소자(10)로 제5 광로(P5)를 따라 광속이 입력될 때의 입사각은, 분광 소자(10)로부터 제4 광로(P4)를 따라 광속이 출력될 때의 출사각과 동일해도 좋다. 이 때, 분광 소자(10)로부터 제6 광로(P6)를 따라 광속이 출력될 때의 각 파장 성분의 출사각은, 분광 소자(10)로 제3 광로(P3)를 따라 광속이 입력될 때의 각 파장 성분의 입사각과 동일하다. 이와 같이, 분광 소자(10)에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제4 광로(P4)와 제5 광로(P5)가 서로 역방향이고, 제3 광로(P3)와 제6 광로(P6)가 서로 역방향인 경우, 이들의 광로는, 서로 광속이 겹치지 않게 설정된다.
또, 분광 소자(10)로 제7 광로(P7)를 따라 광속이 입력될 때의 각 파장 성분의 입사각은, 분광 소자(10)로부터 제2 광로(P2)를 따라 광속이 출력될 때의 각 파장 성분의 출사각과 동일해도 좋다. 이 때, 분광 소자(10)로부터 제8 광로(P8)를 따라 출력광 펄스(Po)가 출력될 때의 출사각은, 분광 소자(10)로 제1 광로(P1)를 따라 입력광 펄스(Pi)가 입력될 때의 입사각과 동일하다. 이와 같이, 분광 소자(10)에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제2 광로(P2)와 제7 광로(P7)가 서로 역방향이고, 제1 광로(P1)와 제8 광로(P8)가 서로 역방향인 경우, 이들의 광로는, 서로 광속이 겹치지 않게 설정된다.
본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 분광 소자(10)로 제1 광로(P1)를 따라 일정의 입사각으로 입력되어, 분광 소자(10)에 의해 파장마다 분광된다. 분광 소자(10)에 의해 분광된 각 파장 성분의 광은, 분광 소자(10)로부터 제2 광로(P2)를 따라 해당 파장에 대응한 출사각으로 출력되고, 제1 광학계(11)를 경유하여, 분광 소자(10)로 제3 광로(P3)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력되어, 분광 소자(10)로부터 제4 광로(P4)를 따라 일정의 출사각으로 출력된다. 분광 소자(10)로부터 제4 광로(P4)를 따라 출력되는 각 파장 성분의 광은, 일정의 출사각이지만, 분광 소자(10) 상의 해당 파장에 대응한 위치로부터 출력되어, 공간적으로 분리되어 있다.
분광 소자(10)로부터 제4 광로(P4)를 따라 일정의 출사각으로 출력된 각 파장 성분의 광은, 제2 광학계(12)를 경유하여, 분광 소자(10)로 제5 광로(P5)를 따라 일정의 입사각으로 입력되어, 분광 소자(10)로부터 제6 광로(P6)를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력되며, 제3 광학계(13)를 경유하여, 분광 소자(10)로 제7 광로(P7)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력된다. 분광 소자(10)로 제7 광로(P7)를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력된 광은, 분광 소자(10)에 의해 합파되어, 분광 소자(10)로부터 제8 광로(P8)를 따라 출력광 펄스(Po)로서 출력된다. 제5 광로(P5), 제6 광로(P6), 제7 광로(P7) 및 제8 광로(P8)는, 제1 광로(P1), 제2 광로(P2), 제3 광로(P3) 및 제4 광로(P4)에 대해서 역방향이라도 괜찮다.
분광 소자(10)로부터 제8 광로(P8)를 따라 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선(主光線)이 일치하고 있다. 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산을 부여하여 출력광 펄스(Po)를 출력할 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)는, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가지는 출력광 펄스(Po)를 생성할 수 있다.
이하에서는, 도 2 ~ 도 10을 이용하여, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1)의 구체적인 구성예에 대해서 설명한다.
도 2는 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40) 그리고 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 반사경(41 ~ 43)을 구비한다.
투과형 회절 격자(20)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 측으로부터 일정의 입사각으로 입사한 광(Pi1)을 분광하여, 제2 측으로 파장에 대응한 출사각으로 각 파장 성분의 광(Po1)을 출력할 수 있고, 또, 제2 측으로부터 일정의 입사각으로 입사한 광(Pi2)을 분광하여, 제1 측으로 파장에 대응한 출사각으로 각 파장 성분의 광(Po2)을 출력할 수 있다. 또, 투과형 회절 격자(20)는, 입사각과 출사각(회절각)이 서로 동일한 리트로(littrow) 배치를 취할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에서, 투과형 회절 격자(20)의 격자가 연장하는 방향은 지면에 수직인 방향이며, 직각 프리즘(40)에 의한 광로가 되돌려질 때를 제외하고 광 펄스는 지면에 평행으로 진행한다. 직각 프리즘(40)은, 2개의 반사면에 의해 순서대로 광 펄스를 반사시킴으로써, 왕로의 광 펄스의 광로에 대해서 귀로의 광 펄스의 광로를 지면에 수직인 방향으로 평행 이동시킨다. 직각 프리즘(40)의 광 입출사면에는 반사 저감막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이후에 설명하는 도면에서도 마찬가지이다.
도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 투과형 회절 격자(20)로 일정의 입사각으로 입력되어, 투과형 회절 격자(20)에 의해 파장마다 분광된다. 투과형 회절 격자(20)에 의해 분광된 각 파장 성분의 광은, 투과형 회절 격자(20)로부터 해당 파장에 대응한 출사각으로 출력되고, 반사경(41, 42, 43)에 의해 순서대로 반사된 후, 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력되어, 투과형 회절 격자(20)로부터 일정의 출사각으로 출력된다. 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 각 파장 성분의 광은, 일정의 출사각이지만, 투과형 회절 격자(20) 상의 해당 파장에 대응한 위치로부터 출력되며, 공간적으로 분리되어 있다.
투과형 회절 격자(20)로부터 일정의 출사각으로 출력된 각 파장 성분의 광은, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려지고, 투과형 회절 격자(20)로 일정의 입사각으로 입력되어, 투과형 회절 격자(20)로부터 파장에 대응한 출사각으로 출력되며, 반사경(43, 42, 41)에 의해 순서대로 반사된 후, 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된다. 투과형 회절 격자(20)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된 광은, 투과형 회절 격자(20)에 의해 합파되어, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
이와 같은 펄스폭 변환 장치(1A)는, 고강도 초단펄스 레이저 장치의 최종 단계에서 광 펄스의 펄스폭을 압축하는 펄스 압축 장치로서 매우 적합하게 이용된다. 고강도 초단펄스 레이저 장치는, 상술한 처프 펄스 증폭법을 이용하여 광 펄스를 광 증폭하는 구성으로 이루어진다. 실제로, Yb：YAG 세라믹을 광 증폭 매체로서 이용한 재생 증폭 시스템에 의해 반복 주파수 20kHz로 생성한 처프 광 펄스(중심 파장 1030nm, 에너지 0.2mJ, 펄스폭 30ps)에 대해서, 펄스폭 변환 장치(1A)에 의해 펄스폭을 압축했다. 투과형 회절 격자(20)는, 각선(刻線) 개수가 1370개／mm이며, 입사각 45°로 입사한 파장 1030nm의 광을 회절각 45°로 출사하는 구성으로 했다. 반사경(41)으로부터 반사경(42)을 경유하여 반사경(43)에 도달할 때까지의 광로 길이를 30cm로 했다. 상기 재생 증폭 시스템으로부터 출력된 광 펄스를 펄스폭 변환 장치(1A)에 입력시켜 펄스폭의 압축을 실시했을 때, 출력광 펄스의 펄스폭은 1ps가 되었다. 이와 같이, 펄스폭 변환 장치(1A)를 이용함으로써, 펄스폭을 30ps로부터 1ps로 실제로 압축할 수 있었다.
도 4는 펄스폭 변환 장치(1B)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1B)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40) 그리고 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 반사경(41), 직각 프리즘(44) 및 가동 스테이지(45)를 구비한다.
도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성과 비교하면, 이 도 4에 도시된 펄스폭 변환 장치(1B)는, 반사경(42, 43) 대신에 직각 프리즘(44)을 구비하는 점에서 서로 다르고, 또, 가동 스테이지(45)를 더 구비하는 점에서 서로 다르다.
직각 프리즘(44)은, 2개의 반사면에 의해 순서대로 광 펄스를 반사시킴으로써, 왕로 및 귀로 각각의 광 펄스의 진행 방향을 변경한다. 직각 프리즘(44)의 광 입출사면에는 반사 저감막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 가동 스테이지(45)는, 직각 프리즘(44)을 평행 이동시킴으로써, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서의 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이를 조정하는 광로 길이 조정부로서 작용한다.
이 펄스폭 변환 장치(1B)에서도, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
특히, 이 펄스폭 변환 장치(1B)에서는, 광로 길이 조정부로서의 가동 스테이지(45)가 마련되어 있음으로인해서, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이가 조정된다. 이것에 의해, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 부여되는 주파수 영역에서의 분산량이 조정되어, 입력광 펄스(Pi)에 대한 출력광 펄스(Po)의 펄스폭의 압축 또는 신장의 양이 조정된다.
도 5는 펄스폭 변환 장치(1C)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1C)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40), 그리고, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 반사경(41, 43) 및 기능화 블록(46)을 구비한다. 도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성과 비교하면, 이 도 5에 도시된 펄스폭 변환 장치(1C)는, 반사경(42) 대신에 기능화 블록(46)을 구비하는 점에서 서로 다르다.
기능화 블록(46)은, 반사경(41)으로부터 입출사면(46a)에 도달한 광을 내부로 입력하여, 그 광을 내벽면에서 복수회 전반사 시킨 후, 입출사면(46b)으로부터 반사경(43)으로 출력한다. 또, 기능화 블록(46)은, 반사경(43)으로부터 입출사면(46b)에 도달한 광을 내부로 입력하여, 그 광을 내벽면에서 복수회 전반사 시킨 후, 입출사면(46a)으로부터 반사경(41)으로 출력한다. 기능화 블록(46)은, 입력되는 광의 파장에서 투과율이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들면 석영 유리로 이루어진다. 기능화 블록(46)의 입출사면(46a, 46b)에는 반사 저감막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 펄스폭 변환 장치(1C)에서도, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
특히, 이 펄스폭 변환 장치(1C)에서는, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 기능화 블록(46)이 마련되어 있음으로인해서, 작은 설치 면적에도 관계없이, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이를 길게 할 수 있다. 이것에 의해, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 부여되는 주파수 영역에서의 분산량을 크게 할 수 있어, 입력광 펄스(Pi)에 대한 출력광 펄스(Po)의 펄스폭의 압축 또는 신장의 양을 크게 할 수 있다. 예를 들면, 5cm × 4.4cm의 설치 면적의 기능화 블록(46)에 입사한 광속을 내부 전반사로 3회반 정도 주회(周回)시킴으로써, 그 광을 50cm의 거리만큼 전파시킨 후에 출사하는 것이 가능하다.
도 6은 펄스폭 변환 장치(1D)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1D)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40), 그리고, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 기능화 블록(47)을 구비한다. 도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성과 비교하면, 이 도 6에 도시된 펄스폭 변환 장치(1D)는, 반사경(41 ~ 43)을 바꾸어 기능화 블록(47)을 구비하는 점에서 서로 다르다.
기능화 블록(47)은, 투과형 회절 격자(20)로부터 입출사면(47a)에 도달한 광을 내부로 입력하여, 그 광을 내벽면에서 복수회 전반사 시킨 후, 입출사면(47b)으로부터 투과형 회절 격자(20)로 출력한다. 또, 기능화 블록(47)은, 투과형 회절 격자(20)로부터 입출사면(47b)에 도달한 광을 내부로 입력하여, 그 광을 내벽면에서 복수회 전반사 시킨 후, 입출사면(47a)으로부터 투과형 회절 격자(20)로 출력한다. 기능화 블록(47)은, 입력되는 광의 파장에서 투과율이 높은 재료로 이루어진 것이 바람직하고, 예를 들면 석영 유리로 이루어진다. 기능화 블록(47)의 입출사면(47a, 47b)에는 반사 저감막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 펄스폭 변환 장치(1D)에서도, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
또, 이 펄스폭 변환 장치(1D)에서도, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 기능화 블록(47)이 마련되어 있음으로인해서, 작은 설치 면적에도 관계없이, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이를 길게 할 수 있다. 이것에 의해, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 부여되는 주파수 영역에서의 분산량을 크게 할 수 있어, 입력광 펄스(Pi)에 대한 출력광 펄스(Po)의 펄스폭의 압축 또는 신장의 양을 크게 할 수 있다.
게다가, 이 펄스폭 변환 장치(1D)는, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13)가 일체화되어 있음으로인해서, 소형화가 용이하고, 또, 취급도 용이하다.
도 7은 펄스폭 변환 장치(1E)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1E)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40), 그리고, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 기능화 블록(48)을 구비한다. 도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성과 비교하면, 이 도 7에 도시된 펄스폭 변환 장치(1E)는, 반사경(41 ~ 43) 대신에 기능화 블록(48)을 구비하는 점에서 서로 상이하다.
기능화 블록(48)은, 투과형 회절 격자(20)에 대해서 옵티컬 컨택트(optical contact)에 의해 접합되어 있어, 투과형 회절 격자(20)와 함께 일체화되어 있다. 기능화 블록(48)은, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력된 광을 내부로 입력하여, 그 광을 내벽면에서 복수회 전반사 시킨 후, 투과형 회절 격자(20)로 출력한다. 기능화 블록(48)은, 입력되는 광의 파장에서 투과율이 높은 재료로 이루어진 것이 바람직하며, 예를 들면 석영 유리로 이루어진다. 기능화 블록(48)의 내벽면에서의 반사시에, 광속의 입사각이 전반사각 이하인 경우에는, 대상이 되는 면에 적절한 반사막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 펄스폭 변환 장치(1E)에서도, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
또, 이 펄스폭 변환 장치(1E)에서도, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 기능화 블록(48)이 마련되어 있음으로인해서, 작은 설치 면적에도 관계없이, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이를 길게 할 수 있다. 이것에 의해, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 부여되는 주파수 영역에서의 분산량을 크게 할 수 있고, 입력광 펄스(Pi)에 대한 출력광 펄스(Po)의 펄스폭의 압축 또는 신장의 양을 크게 할 수 있다.
게다가, 이 펄스폭 변환 장치(1E)는, 분광 소자(10, 투과형 회절 격자(20)), 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13)가 일체화되어 있음으로인해서, 소형화가 용이하고, 또, 취급도 용이하다.
도 8은 펄스폭 변환 장치(1F)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1F)는, 분광 소자(10)로서의 투과형 회절 격자(20), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40) 및 프리즘(49), 그리고, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 기능화 블록(48)을 구비한다. 도 7에 도시된 펄스폭 변환 장치(1E)의 구성과 비교하면, 이 도 8에 도시된 펄스폭 변환 장치(1F)는, 프리즘(49)을 더 구비하는 점에서 서로 상이하다.
프리즘(49)은, 투과형 회절 격자(20)에 대해서 옵티컬 컨택트에 의해 접합되고, 또, 직각 프리즘(40)에 대해서도 옵티컬 컨택트에 의해 접합되어 있다. 프리즘(49)은, 입력되는 광의 파장에서 투과율이 높은 재료로 이루어진 것이 바람직하고, 예를 들면 석영 유리로 이루어진다. 이것에 의해, 직각 프리즘(40)의 입출사면의 반사 저감막은 생략해도 매우 적합하게 동작이 가능해진다. 단, 프리즘(49)에서의 입력광 펄스(Pi) 및 출력광 펄스(Po)의 입출사면에는 반사 저감막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 펄스폭 변환 장치(1F)에서도, 투과형 회절 격자(20)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
또, 이 펄스폭 변환 장치(1F)에서도, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 기능화 블록(48)이 마련되어 있음으로인해서, 작은 설치 면적에도 관계없이, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각에서 투과형 회절 격자(20)로부터의 광 출력으로부터 투과형 회절 격자(20)로의 광 입력까지의 광로 길이를 길게 할 수 있다. 이것에 의해, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 부여되는 주파수 영역에서의 분산량을 크게 할 수 있어, 입력광 펄스(Pi)에 대한 출력광 펄스(Po)의 펄스폭의 압축 또는 신장의 양을 크게 할 수 있다.
게다가, 이 펄스폭 변환 장치(1E)는, 분광 소자(10, 투과형 회절 격자(20)), 제1 광학계(11), 제2 광학계(12) 및 제3 광학계(13)가 일체화되어 있음으로인해서, 소형화가 용이하고, 또, 취급도 용이하다.
도 9는 펄스폭 변환 장치(1G)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 펄스폭 변환 장치(1G)는, 분광 소자(10)로서의 반사형 회절 격자(30), 제2 광학계(12)의 구성요소로서의 직각 프리즘(40), 그리고, 제1 광학계(11) 및 제3 광학계(13) 각각의 구성요소로서의 반사경(41 ~ 43)을 구비한다. 도 2에 도시된 펄스폭 변환 장치(1A)의 구성과 비교하면, 이 도 9에 도시된 펄스폭 변환 장치(1G)는, 투과형 회절 격자(20) 대신에 반사형 회절 격자(30)를 구비하는 점에서 서로 상이하다.
반사형 회절 격자(30)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 측으로부터 일정의 입사각으로 입사한 광(Pi1)을 분광하여, 제1 측으로 파장에 대응한 출사각으로 각 파장 성분의 광(Po1)을 출력할 수 있고, 또, 제2 측으로부터 일정의 입사각(회절면의 법선(法線)에 대해서 광(Pi1)의 입사 방향과 대칭 관계에 있음)으로 입사한 광(Pi2)를 분광하여, 제2 측으로 파장에 대응한 출사각으로 각 파장 성분의 광(Po2)을 출력할 수 있다. 예를 들면, 광의 중심 파장을 1030nm으로 한다. 반사형 회절 격자(30)의 각선 개수를 1250개／mm으로 한다. 이 때, 입사각 50°로 입사한 파장 1030nm의 광을 회절각 31°로 출사할 수 있다. 단, 반사형 회절 격자(30)는, 입사각과 출사각(회절각)이 서로 동일한 리트로 배치를 취할 수 없다.
도 9에 도시된 펄스폭 변환 장치(1G)에서는, 입력광 펄스(Pi)는, 반사형 회절 격자(30)로 일정의 입사각으로 입력되어, 반사형 회절 격자(30)에 의해 파장마다 분광된다. 반사형 회절 격자(30)에 의해 분광된 각 파장 성분의 광은, 반사형 회절 격자(30)로부터 해당 파장에 대응한 출사각으로 출력되고, 반사경(41, 42, 43)에 의해 순서대로 반사된 후, 반사형 회절 격자(30)로 파장에 대응한 입사각으로 입력되어, 반사형 회절 격자(30)로부터 일정의 출사각으로 출력된다. 반사형 회절 격자(30)로부터 출력되는 각 파장 성분의 광은, 일정의 출사각이지만, 반사형 회절 격자(30) 상의 해당 파장에 대응한 위치로부터 출력되며, 공간적으로 분리되어 있다.
반사형 회절 격자(30)로부터 일정의 출사각으로 출력된 각 파장 성분의 광은, 직각 프리즘(40)에 의해 광로가 되돌려지고, 반사형 회절 격자(30)로 일정의 입사각으로 입력되어, 반사형 회절 격자(30)로부터 파장에 대응한 출사각으로 출력되며, 반사경(43, 42, 41)에 의해 순서대로 반사된 후, 반사형 회절 격자(30)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된다. 반사형 회절 격자(30)로 파장에 대응한 입사각으로 입력된 광은, 반사형 회절 격자(30)에 의해 합파되어, 반사형 회절 격자(30)로부터 출력광 펄스(Po)로서 출력된다.
반사형 회절 격자(30)로부터 출력되는 출력광 펄스(Po)는, 파장에 관계없이 출사각이 일정하며, 각 파장 성분의 주광선이 일치하고 있다. 출력광 펄스(Po)는, 입력광 펄스(Pi)에 대해서 주파수 영역에서 2차 이상의 분산이 부여된 것이며, 입력광 펄스(Pi)의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가진다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치 및 광 증폭 장치를 구비하는 광 증폭 시스템의 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템은, 광 펄스를 광 증폭하는 광 증폭 장치와, 이 광 증폭 장치에 의해 광 증폭된 광 펄스의 펄스폭을 압축하여 해당 광 펄스를 출력하는 펄스폭 변환 장치를 구비하는 것으로, 예를 들면, 초단펄스 레이저 광원이나 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 등에서 펄스폭 변환 장치를 구비하는 구성의 것이다. 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(1, 1A ~ 1G)는, 소형화가 용이하므로, 초단펄스 레이저 광의 분산을 보상하는 장치로서의 사용이 유용하다. 특히, 도 11에 도시된 바와 같은 초단펄스 파이버(fiber) 레이저 장치로의 적용이 유효하다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭 시스템(3)은, 여기(勵起) LD(50), LD 도광 파이버(51), 광 커플러(52), Yb 도프(dope) 광 파이버(53), 콜리메이트 렌즈(54), λ／4판(55), λ／2판(56), 편광 빔 스플리터(57), 패러데이 회전자(58), λ／2판(59), 편광 빔 스플리터(60), 반사경(61), λ／4판(62), 집광 렌즈(63), 단일 모드 광 파이버(64), 및, 도 8에 도시된 펄스폭 변환 장치(1F)를 구비한다.
이 광 증폭 시스템(3)은, 여기 LD(Laser Diode, 50)로부터 출력되는 여기광(勵起光)에 의해 Yb 도프 광 파이버(53)를 여기함으로써, 모드 락(mode lock) 펄스를 발진한다. 여기 LD(50)의 전단면과 LD 도광 파이버(51)와는 서로 광학적으로 결합되어 있다. LD 도광 파이버(51)는, 길이가 3.2m이며, 파이버 브래그 그레이팅(Fiber Bragg Grating) 구조를 가지고 있다. LD 도광 파이버(51)의 파이버 브래그 그레이팅과 여기 LD(50)의 후단면에 의해 외부 공진기가 형성되어 있어, 파이버 브래그 그레이팅의 주기에 대응한 파장 976nm의 여기광이 연속파로서 400mW로 출력된다.
이 여기광은, 광 커플러(52)를 경유하여, 길이 0.8m의 단일 모드의 Yb 도프 광 파이버(53)에 공급되고, 첨가되어 있는 Yb 이온을 여기한다. 이 여기에 의해, Yb 도프 광 파이버(53)에서 방출광이 발생한다. 이 방출광은, Yb 도프 광 파이버(53)로부터 출사된 후, 콜리메이트 렌즈(54)에 의해서 평행광으로서 공간으로 취출(取出)되고, λ／4판(55) 및 λ／2판(56)에 의해 소정의 편광 상태로 변환되어, 편광 빔 스플리터(57)로 입사된다.
편광 빔 스플리터(57)로 입사된 광의 일부는, 편광 빔 스플리터(57)에 의해 반사되어 분기되고 취출된다. 편광 빔 스플리터(57)를 투과하여 광 공진기 내에 머문 광은, 패러데이 회전자(58), λ／2판(59) 및 편광 빔 스플리터(60)에 의해서 형성되는 패러데이 아이솔레이터(Faraday isolator)를 통과한 후, 펄스폭 변환 장치(1F)에 의해 펄스폭이 변환된다.
펄스폭 변환 장치(1F)에 의해 펄스폭이 변환되어 출력된 광은, 반사경(61)에 의해 반사되고, λ／4판(62)에 의해 소정의 편광 상태에 변환되며, 집광 렌즈(63)에 의해 집광되어, 길이 1.2m의 단일 모드 광 파이버(64)로 입사된다. 단일 모드 광 파이버(64)로 입사된 광은, 광 커플러(52)를 경유하여, Yb 도프 광 파이버(53)로 입력된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)은, 링형의 광 공진기를 가지고 있어, 그 광 공진기 내의 Yb 도프 광 파이버(53)에서 유도 방출을 야기하고, 그 유도 방출광의 일부를 편광 빔 스플리터(57)로부터 외부로 출력한다. 또, 본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)은, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(특히 펄스폭 변환 장치(1F))도 광 공진기 내에 구비하고 있다.
본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)에서, 모드 락(mode lock) 발진을 실현하기 위해서는, 레이저 공진기의 분산을 조정할 필요가 있다. 일반적으로, 광 파이버를 통과하는 광에는 큰 분산이 부여되므로, 이와 같은 큰 분산을 보상하기 위한 소자가 필요하다. 특히, 1300nm 이하의 파장 영역에서는, 투과율이 높은 광학 재료의 모두가 정분산(正分散)을 나타내기 때문에, 1300nm 이하의 파장의 초단 광 펄스를 파이버 레이저로 생성하는 경우에는, 특별히 설계된 부분산(負分散) 광학계가 필요하다.
종래, 이와 같은 부분산 광학계는, 프리즘쌍이나 회절 격자쌍에 근거하는 펄스 압축 장치가 이용되고 있었지만, 파이버 레이저 전체에 차지하는 크기의 비율이 높고, 소형화가 방해되고 있었다. 또, 최근 몇년, 포토닉(photonic) 결정 파이버를 이용한 부분산 광학계도 이용되도록 되어 왔지만, 설계가 곤란하고, 조건에 대한 유연성이 부족하고, 고액이며, 조정이 곤란한 문제가 있었다.
본 실시 형태에 관한 광 증폭 시스템(3)은, 광 공진기 내에 부분산 광학계로서 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치(특히 펄스폭 변환 장치(1F))를 구비하고 있다. 펄스폭 변환 장치(1F)는, 통상의 회절광학을 이용하여 설계를 실시하는 것이 가능하고, 조건의 변화에 대해서는, 예를 들면 기능화 블록(48)의 크기를 변경함으로써 대응하여, 소형화가 가능하여 염가이며, 입사광에 대한 조정을 용이하게 실시할 수 있다.
예를 들면, 기능화 블록(48)의 한 변이 2.8mm이므로, 펄스폭 변환 장치(1F)는, 센티미터 크기로 되고, 광 증폭 시스템(3) 전체에 차지하는 크기의 비율이 문제가 되지 않을 정도 소형이다. 이 구성에 의해, 광 증폭 시스템(3)은, 모드 락 동작에 의해, 파장 대역 1010nm ~ 1050nm, 펄스폭 1.3ps의 광 펄스를 평균 출력 130mW, 반복 주파수 40mHz로 출사할 수 있다. 게다가, 편광 빔 스플리터(57)로부터의 출사광은 정(正)처프한 펄스이므로, 이 출사광의 펄스폭을 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치에 의해 압축함으로써, 50fs까지 단펄스화된 출사광을 얻을 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치는, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다. 종래의 것과 비교하면, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치는, 회절 격자의 필요 개수가 삭감되고, 또, 회절 격자의 소형화가 가능하다.
도 15에 도시된 펄스폭 변환 장치(2D)에서는, 직각 프리즘(40)에 의해 광로를 되돌림으로인해서, 광로가 근접하여 평행이 되는 부분이 다수 출현하므로, 광학 소자의 기하학적인 간섭에 기인하여 소형화하는 것이 곤란하다. 이것에 대해, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치는, 근접한 광로가 평행이 아니므로, 광학 소자나 마운트(mount)의 기하학적인 간섭이 완화된다.
회절 격자의 필요 개수의 삭감 및 기하학적인 간섭의 저감에 의해, 펄스폭 변환 장치를 구성하기 위해서 필요하게 되는 설치 면적을 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 펄스폭 변환 장치의 컴팩트한 배치를 실현할 수 있다.
펄스폭 변환 장치는, 어떠한 형태로, 고강도 초단펄스 레이저 장치의 최종 단계에 배치하는 것이 불가피한 장치이다. 따라서, 펄스폭 변환 장치의 소형화는, 고강도 초단펄스 레이저 장치 전체의 소형화에 기여할 수 있다.
펄스폭의 변화량을 조정하기 위해서는, 분광된 부분의 광축 길이를 변화시키는 기구가 필요하다. 본 실시 형태에서는, 회절 격자로의 광의 입사각을 복수 이용하고 있으므로, 광로 길이 변화 기구의 방향도 복수의 선택이 가능해져, 설계의 자유도가 증대한다.
또, 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치는, 투과형 회절 격자 및 반사형 회절 격자 중 어느 것을 이용해도 괜찮지만, 투과형 회절 격자를 이용하는 경우에는 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.
투과형 회절 격자는, 입사각(입사광과 회절 격자면의 법선이 이루는 각)과 회절각(회절광이 회절 격자면의 법선과 이루는 각)이 서로 동일하게 되는 구성(리트로 배치)을 취할 수 있다. 한편, 반사형 회절 격자는, 입사광 및 회절광 각각의 광로가 서로 겹쳐 버리므로, 리트로 배치가 불가능하게 된다. 이것으로부터, 일반적으로, 투과형 회절 격자는, 반사형 회절 격자와 비교하여, 높은 회절 효율을 가지는 설계가 가능해진다.
예를 들면, 파장 1030nm의 광에 대해서, 96％의 회절 효율을 가지는 투과형 회절 격자가 제작 가능하다. 한편, 금속 증착형의 반사형 회절 격자의 회절 효율은, 시장에서의 고품질인 소자의 전형값에서 92％ 정도이다. 본 실시 형태에서는, 회절 격자에 광이 4회 입사하므로, 펄스폭 변환 장치 전체의 광 이용 효율은, 회절 효율의 4 제곱에 비례한다. 상기 96％, 92％를 각각 4 제곱하면, 85％, 72％가 된다. 이것으로부터, 투과형 회절 격자를 이용한 구성 쪽이 유효하다는 것을 알 수 있다.
반사형 회절 격자에 입사한 광 가운데, 회절하지 않았던 성분(광 손실)의 일부는, 회절 격자의 금속 증착면에서 흡수되어, 발열의 원인이 된다. 이 발열은, 평균 출력이 큰 고반복 초단펄스 레이저 증폭기의 펄스폭 변환기에 이용할 때에, 큰 문제가 된다. 특히, 일반적인 가격으로 입수 가능하여 통상 사용되는 반사형 회절 격자는, 금속 증착막의 기초면이 수지로 작성되어 있어, 열적 영향이 크다. 열적 영향은, 회절면의 비틀림을 야기하여, 회절 효율의 감소나, 회절광의 파면(波面) 비틀림 등, 레이저 광의 품질 저하를 초래한다. 이것에 대해, 투과형 회절 격자는, 광 손실의 대부분이 기판에 흡수되지 않고, 투과광 또는 산란광이 되므로, 기판의 발열이 억제된다. 또, 투과형 회절 격자의 경우는, 전체가 석영 유리제인 기판도 염가로 입수 가능하고, 발열에 대한 기판의 비틀림도 작다.
석영 유리제의 투과형 회절 격자는, 금속 증착의 반사형 회절 격자에 비해, 손상 역치가 몇 자리 높다. 따라서, 투과형 회절 격자를 이용하는 경우, 초단펄스 레이저 증폭기의 출사광의 첨두 출력(피크 파워)이 큰 것에 비해서, 유효한 펄스폭 변환 장치를 구성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 투과형 회절 격자는, 기판의 양측의 공간에 광로를 설정할 수 있다. 한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 반사형 회절 격자는, 기판에 대해서, 한쪽의 공간 밖에 이용할 수 없다. 이것으로부터, 반사형 회절 격자를 이용하여 실제 광학계를 구성하면, 광학 소자나 마운트의 기하학적인 간섭에 의해, 광학계의 소형화가 제한된다. 본 실시 형태에 관한 펄스폭 변환 장치의 소형화를 도모하는데 있어서도, 투과형 회절 격자를 이용하는 쪽이, 보다 유효하다. 게다가, 석영 유리제의 투과형 회절 격자의 손상 역치가 높다고 하는 성질을 이용하면, 펄스폭 변환기로 입사시키는 레이저 빔의 단면을 작게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 소형 광학 소자를 선정할 수 있으므로, 광학계의 소형화를 더 추진할 수 있다.
본 발명에 의한 펄스폭 변환 장치 및 광 증폭 시스템은, 상기 실시 형태 및 구성예에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 변형이 가능하다.
상기 실시 형태에 의한 펄스폭 변환 장치에서는, 입력광 펄스의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가지는 출력광 펄스를 생성하는 펄스폭 변환 장치로서, (1) 제1 광로를 따라 입력한 입력광 펄스를 분광하여 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력하며, 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력한 광속을 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 합파하여 제8 광로를 따라 출력광 펄스로서 출력하는 분광 소자와, (2) 분광 소자로부터 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제1 광학계와, (3) 분광 소자로부터 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력시키는 제2 광학계와, (4) 분광 소자로부터 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 분광 소자로 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제3 광학계를 구비하는 구성을 이용하고 있다.
게다가, 상기 실시 형태에 의한 펄스폭 변환 장치에서는, 분광 소자에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 제3 광로 및 제4 광로의 조합에 의한 입출사 방향이, 제1 광로 및 제2 광로의 조합에 의한 입출사 방향과 다른 구성을 이용하고 있다.
상기 구성에 의한 펄스폭 변환 장치는, 분광 소자가 투과형 회절 격자인 것이 바람직하다. 또, 분광 소자가 반사형 회절 격자인 것도 바람직하다.
상기 구성에 의한 펄스폭 변환 장치는, 제1 광학계 및 제3 광학계가 일체화되어 있는 것이 바람직하다. 또, 분광 소자, 제1 광학계 및 제3 광학계가 일체화되어 있는 것이 바람직하다. 또, 분광 소자, 제1 광학계, 제2 광학계 및 제3 광학계가 일체화되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의한 펄스폭 변환 장치는, 제1 광학계 및 제3 광학계의 쌍방 또는 어느 일방이, 분광 소자로부터의 광 출력으로부터 분광 소자로의 광 입력까지의 광로 길이를 조정하는 광로 길이 조정부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의한 펄스폭 변환 장치는, 제2 광학계에서, 분광 소자로 제5 광로를 따라 광속이 입력될 때의 입사각이, 분광 소자로부터 제4 광로를 따라 광속이 출력될 때의 출사각과 동일한 것이 바람직하다.
상기 실시 형태에 의한 광 증폭 시스템에서는, (1) 광 펄스를 광 증폭하는 광 증폭 장치와, (2) 광 증폭 장치에 의해 광 증폭된 광 펄스를 입력하고, 그 입력한 광 펄스의 분산을 보상하여 해당 광 펄스를 출력하는 상기 구성에 의한 펄스폭 변환 장치를 구비하는 구성을 이용하고 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은, 소형화가 용이한 펄스폭 변환 장치, 및 이와 같은 펄스폭 변환 장치를 구비하여 소형화가 용이한 광 증폭 시스템으로서 이용 가능하다.
1, 1A ~ 1G, 2A ~ 2D … 펄스폭 변환 장치 3 … 광 증폭 시스템
10 … 분광 소자 11 … 제1 광학계
12 … 제2 광학계 13 … 제3 광학계
20 ~ 24 … 투과형 회절 격자 30 ~ 34 … 반사형 회절 격자
40 … 직각 프리즘 41 ~ 43 … 반사경
44 … 직각 프리즘 45 … 가동 스테이지
46 ~ 48 … 기능화 블록 49 … 프리즘
50 … 여기(勵起) LD 51 … LD 도광 파이버
52 … 광 커플러 53 … Yb 도프 광 파이버
54 … 콜리메이트 렌즈 55 … λ／4판
56 … λ／2판 57 … 편광 빔 스플리터
58 … 패러데이 회전자 59 … λ／2판
60 … 편광 빔 스플리터 61 … 반사경
62 … λ／4판 63 … 집광렌즈
64 … 단일 모드 광 파이버 P1 … 제1 광로
P2 … 제2 광로 P3 … 제3 광로
P4 … 제4 광로 P5 … 제5 광로
P6 … 제6 광로 P7 … 제7 광로
P8 … 제8 광로 Pi … 입력광 펄스
Po … 출력광 펄스.

Claims (9)

  1. 입력광 펄스의 펄스폭과 다른 펄스폭을 가지는 출력광 펄스를 생성하는 펄스폭 변환 장치로서,
    제1 광로를 따라 입력한 상기 입력광 펄스를 분광하여 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속(光束)을 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력하며, 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력한 광속을 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력하고, 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력한 광속을 합파(合波)하여 제8 광로를 따라 상기 출력광 펄스로 하여 출력하는 분광 소자와,
    상기 분광 소자로부터 상기 제2 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 상기 분광 소자로 상기 제3 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제1 광학계와,
    상기 분광 소자로부터 상기 제4 광로를 따라 일정의 출사각으로 출력된 광속을, 상기 분광 소자로 상기 제5 광로를 따라 일정의 입사각으로 입력시키는 제2 광학계와,
    상기 분광 소자로부터 상기 제6 광로를 따라 파장에 대응한 출사각으로 출력된 광속을, 상기 분광 소자로 상기 제7 광로를 따라 파장에 대응한 입사각으로 입력시키는 제3 광학계를 구비하며,
    상기 제1 광학계, 상기 제2 광학계, 및 상기 제3 광학계는,
    상기 제1 광학계를 경유하여, 상기 분광 소자로 상기 제3 광로를 따라 입력되는 광속이, 상기 분광 소자로부터 상기 제2 광학계로 상기 제4 광로를 따라 출력되며,
    상기 제2 광학계를 경유하여, 상기 분광 소자로 상기 제5 광로를 따라 입력되는 광속이, 상기 분광 소자로부터 상기 제3 광학계로 상기 제6 광로를 따라 출력되며,
    상기 제3 광학계를 경유하여, 상기 분광 소자로 상기 제7 광로를 따라 입력되는 광속이, 상기 분광 소자에 의해 합파되어, 상기 분광 소자로부터 상기 제8 광로를 따라 상기 출력광 펄스로서 출력되도록 구성되며,
    상기 분광 소자에서의 광속의 입출사 방향에 관하여, 상기 제3 광로 및 상기 제4 광로의 조합에 의한 입출사 방향이, 상기 제1 광로 및 상기 제2 광로의 조합에 의한 입출사 방향과 다른 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분광 소자가 투과형 회절 격자인 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분광 소자가 반사형 회절 격자인 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 광학계 및 상기 제3 광학계가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 분광 소자, 상기 제1 광학계 및 상기 제3 광학계가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 분광 소자, 상기 제1 광학계, 상기 제2 광학계 및 상기 제3 광학계가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 광학계 및 상기 제3 광학계의 쌍방 또는 어느 일방이, 상기 분광 소자로부터의 광 출력으로부터 상기 분광 소자로의 광 입력까지의 광로 길이를 조정하는 광로 길이 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제2 광학계에서, 상기 분광 소자로 상기 제5 광로를 따라 광속이 입력될 때의 입사각이, 상기 분광 소자로부터 상기 제4 광로를 따라 광속이 출력될 때의 출사각과 동일한 것을 특징으로 하는 펄스폭 변환 장치.
  9. 광 펄스를 광 증폭하는 광 증폭 장치와,
    상기 광 증폭 장치에 의해 광 증폭된 광 펄스를 입력하고, 그 입력한 광 펄스의 분산을 보상하여 해당 광 펄스를 출력하는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 펄스폭 변환 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
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