JP5733710B2 - 光増幅器及びそれを用いた光増幅システム - Google Patents

Description

本発明は、光増幅器及びそれを用いた光増幅システムに関する。

レーザーアブレーション微細加工やレーザーディスプレイの用途として、パルスレーザーが用いられている。

レーザーアブレーション微細加工として用いる際には高精度で加工を行うことが必要であり、またレーザーディスプレイとして用いる際には、広範囲で色度分布を有することが必要となる。

ピコ秒パルスレーザー光の光パワーを大きくし、高出力高強度ピコ秒パルスレーザーを構築するために、ピコ秒レーザー発振器（マスターレーザー）とＮｄドープバナデート光増幅器とを組み合わせたいわゆるＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）システムが用いられている。このシステムでは、マスターレーザーから出射された信号光を光増幅器に入射させることで増幅するシステムであるが、光増幅器の利得帯域幅が信号光のスペクトル幅を狭窄するため、増幅された信号光のパルス幅は一般に広がってしまう。

しかしながら、上記のＮｄ：ＹＶＯ_４結晶やＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶等のＮｄドープバナデート光増幅器を用いた光増幅器では、利得帯域幅が狭いため５ｐｓ以下のパルス幅を持つレーザー光のパルス幅を保ったまま増幅して高出力なレーザーを得ることは難しいという問題があった。したがって、より広い波長範囲にわたって利得を示す増幅器を構築することが重要な課題であった。

そこで、本発明は上記課題を解決し、高出力ピコ秒レーザーを実現することが可能な光増幅システム及びそれに用いられる増幅器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討をおこなっていたところ、Ｇｄ及びＹを有するＮｄイオンドープバナデート混晶を光増幅器に用いることで、目的を達成できることを発見し、本発明を完成させるに至った。

特に、前記の混晶はＮｄ：Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４で表わされ、Ｘが０．３以上０．７以下であることが望ましいことを実証し、本発明に至った。用いている。

また、本発明の他の一つの切り口である光増幅システムは、励起光を発するレーザーダイオードと、上述した光増幅の機能を有するＮｄ:Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４結晶からなる光増増幅システムの構成を成す。その他、本発明を構成する手段の詳細については、以下の実施形態及び実施例で説明する。

以上、本発明により、従来よりも短いパルス幅(５ｐｓ以下)のピコ秒レーザー光が高出力で発生できる光増幅システム及びそれに用いられる増幅器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態の記載にのみ限定されるものではないことはいうまでもない。

図１は、本実施形態に係る光増幅システムの概略図である。図１で示すように、本実施形態に係る光増幅システム（以下「本光増幅システム」という。）は、マスターレーザー１１と、光増幅器１２と、位相共役鏡１３とを有する。マスターレーザー１１から出射された信号光は、光増幅器１２で増幅される。光増幅器１２から出射された増幅光は位相共役鏡１３で反射され、光増幅器１２へ再入射し、再び増幅される。この構成により、５ｐｓ以下の短いパルス幅を持つマスターレーザー１１からの信号光はパルス幅が広がることなく増幅されて高出力化される。

ここで、本発明では光増幅器１２に用いる結晶として、Ｇｄ及びＹを有するＮｄイオンドープバナデート混晶を使用する。図２に混晶の概念図を示す。Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４及びＮｄ：ＹＶＯ_４は、同じ構造体を持ち、粒子半径が類似するため、Ｎｄ：Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４として両者の混晶の形で共存することができる。この混晶体を用いて、信号光を増幅することにより、本発明の目的を達成することができる。

図３は光増幅器に、それぞれＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶、Ｎｄ：Ｇｄ_０．４Ｙ_０．６ＶＯ_４混晶、Ｎｄ：Ｇｄ_０．６Ｙ_０．４ＶＯ_４混晶を用いた際の、増幅光のスペクトルを示したものである。図３の横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示す。

図３からもわかるように、従来のＮｄ：ＧｄＶＯ_４結晶の場合に比べ、Ｎｄ：Ｇｄ_０．４Ｙ_０．６ＶＯ_４混晶ではより広波長範囲にわたって強い蛍光(レーザー利得)が得られており、Ｎｄ：Ｇｄ_０．６Ｙ_０．４ＶＯ_４混晶ではさらに広い波長範囲で強い蛍光が観測されている。蛍光が見える波長範囲がレーザー利得帯域に対応する。

このように、本実施形態ではＮｄ：Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４混晶により、従来よりも広波長範囲で高出力を実現する。Ｘは０より大きく１未満の数値で調整が可能であるが、より好ましくは０．４以上０．６以下の数値となる。

また、本実施形態における別の効果として、従来よりも熱伝導性を高めることが可能であり、さらにはＮｄ：Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４混晶におけるｘを変化させることにより、使用用途に合わせて利得帯域や増幅器の増幅率をカスタマイズできることが挙げられる。

上記説明した光増幅システムを実際に作製し、その効果について確認を行った。以下に説明する。

（実施例１）
図４に、本実施例として作製した光増幅システムの光学系を示す。信号光を発するマスターレーザー２１として、Ｙｂドープファイバーレーザー（平均出力パワー１３ｍＷ、パルス繰返し周波数２０ＭＨｚ、パルス幅 ＜５ｐｓ、中心波長λ＝１０６３ｎｍ）を用いた。また、信号光を増幅する光増幅器２２は、２０ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍのＮｄ：Ｇｄ_０．６Ｙ_０．４ＶＯ_４のスラブ型結晶２３、レンズ２４、及び励起半導体レーザーアレイ２５（λ＝８０８ｎｍ）で構成される。

マスターレーザー２１から光増幅器２２の間には、半波長板２６、２９、３２、偏光方向により光を反射又は透過する偏光ビームスプリッタ２７、３０、ファラデー回転子２８、３１、及びレンズ３３、３４、３５が、図に示すように配置される。
光増幅器２２から出射した光は、レンズ３６を通過しプリズム３７で反射された後、再び光増幅器２２へと入射する。

その後、レンズ３８、３９、４０、及び半波長板４１を透過し、位相共役鏡（ＰＣＭ）４２で反射された後、再び光増幅器２２へと入射する。位相共役鏡（ＰＣＭ）４２は、６ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍのＲｈ：ＢａＴｉＯ_３単結晶４３及びレンズ４４、４５で構成される。再び光増幅器２２へ入射した光は、同様の経路を経て、最終的にビームスプリッタ３０を透過し出射する。

このようにして、本実施例ではマスターレーザー２１からの光が計４回、光増幅器２２を透過することとなる。

図５にレーザー出力の結果を示す。図５において、横軸は励起半導体レーザーアレイ２５の出力パワー（Ｗ）を表し、縦軸は最終的に出射するレーザーの出力パワー（Ｗ）を表す。励起半導体レーザーアレイには３列のアレイが層状に積まれた(スタックされた)構造になっているものを用いており、光増幅器を４回透過する構成でのレーザー最大平均出力１５．１Ｗ、ピークパワーに換算して１８６ｋＷを達成することができた。出力レーザーのパルス幅は４ｐｓと５ｐｓ以下であった。なお図６に本実施例に係るレーザー出力のパルス幅を示す。

以上、本実施例により、本発明の効果であるレーザーの高出力を確認することができた。
尚、本実施例では光増幅器を４回透過する構成を採ったが、１回透過の構成、例えば２回透過の構成についても、同様に本発明を利用することができる。

本発明は、光増幅器、光増幅システムとしてレーザー加工、波長変換用光源など産業上の利用可能性がある。

実施形態１に係る光増幅システムの概略図である。 実施形態１に係る混晶の概念図である。 実施形態１に係る増幅光のスペクトルである。 実施例１に係る光増幅システムを示す図である。 実施例１に係るレーザー出力結果を示す図である。 実施例１に係るレーザー出力のパルス幅を示す図である。

符号の説明

１１,２１…マスターレーザー、１２,２２…光増幅器、１３…位相共役鏡、２３,４３…Ｎｄドープバナデート混結晶、２５…励起半導体レーザーアレイからの励起出力光、２６,２９,３２,４１…半波長板、２７,３０…ビームスプリッタ、２８,３１…ファラデー回転子、２４,３３,３４,３５,３６,３８,３９,４０,４４,４５…レンズ、３７…プリズム、４２…位相共役鏡（ＰＣＭ）

Claims (2)

1. 励起光を発するレーザーダイオードと、
   前記励起光によりパルス光を増幅するパルスレーザー増幅器と、
   前記パルスレーザー増幅器から出射された増幅光を反射し、前記パルスレーザー増幅器へ入射する位相共役鏡と、を有し、
   前記パルスレーザー増幅器は、Ｎｄ：Ｇｄ_ｘＹ_１−ｘＶＯ_４（Ｘは０．４以上０．６以下である）で表わされるＮｄイオンドープバナデート混晶を用いた光増幅システム。
2. 前記位相共役鏡に前記増幅光を入射する前に前記パルスレーザー増幅器から出射された増幅光を反射し前記パルスレーザー増幅器へ入射する反射部材と、を有する請求項１に記載の光増幅システム。