专利名称：脉冲宽度变换装置和光放大系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生成具有与输入光脉冲的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲的脉冲宽度变换装置，以及具备光放大装置和脉冲宽度变换装置的光放大系统。
背景技术：
为了使高强度超短脉冲激光装置稳定地动作，如非专利文献1所记载的那样，以下做法是重要的，即，在光放大前，通过脉冲宽度变换装置(脉冲扩展装置)来扩展光脉冲的脉冲宽度而成为啁啾脉冲(chirped pulse)，从而抑制光放大装置内光脉冲的瞬时强度降低，且在光放大后，通过脉冲宽度变换装置(脉冲压缩装置)来压缩光脉冲的脉冲宽度， 从而增大光脉冲的尖端值(峰值)。这样的方法被称为啁啾脉冲放大法。所谓啁啾脉冲，是指具有因光脉冲所包含的各波长成分不同而到达时间不同这种特性的光脉冲。根据构成光脉冲的波长带域的带域宽度，决定该光脉冲的脉冲宽度的下限。 该下限被称为傅立叶极限(Fourier-limited)脉冲宽度。啁啾脉冲的脉冲宽度比傅立叶极限脉冲宽度宽。然而，通过使啁啾脉冲通过将构成的各波长成分的光路长度调整至规定长度的装置，可以将脉冲宽度压缩至傅立叶极限脉冲宽度的程度。脉冲压缩装置通常是可以将上述啁啾脉冲压缩至傅立叶极限脉冲宽度的程度的装置。通过在高强度超短脉冲激光装置的最后级配置脉冲压缩装置，可以对放大后的高能啁啾脉冲的脉冲宽度进行压缩，且可以通过尽可能地缩短脉冲宽度来增大光脉冲的尖端值。此处，经过调整后，也可以输出具有比傅立叶极限脉冲宽度宽的时间宽度的光脉冲。另一方面，这样的脉冲压缩装置也可以作为将光脉冲的脉冲宽度扩展而成为啁啾脉冲的扩展装置而起作用。这样的对光脉冲的脉冲宽度进行变换的脉冲宽度变换装置(脉冲压缩装置、脉冲扩展装置)具备某些分光元件作为必须的构成要素。作为分光元件，主要是利用棱镜等物质所固有的色散的分光元件、或利用由衍射光栅等元件构造产生的衍射效应的分光元件。具备棱镜作为分光元件的脉冲宽度变换装置，光脉冲的脉冲宽度的可变范围小， 难以适用啁啾脉冲放大法。因而，广泛地使用具备衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置。图12 15是示出具备衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的构成例的图。图12所示的脉冲变换装置2A具备4个反射型衍射光栅31 34。在该脉冲宽度变换装置2A中，输入光脉冲Pi由反射型衍射光栅31衍射而分光，由反射型衍射光栅32衍射而变成平行光束，由反射型衍射光栅33衍射而收敛，由反射型衍射光栅34衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。图13所示的脉冲变换装置2B具备4个透过型衍射光栅21 M。在该脉冲宽度变换装置2B中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由透过型衍射光栅22衍射而变成平行光束，由透过型衍射光栅23衍射而收敛，由透过型衍射光栅M衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。一直以来，主要使用如图12所示那样的具备4个反射型衍射光栅31 34的脉冲变换装置2A的结构。然而，与反射型衍射光栅相比较，透过型衍射光栅具有由于光吸收少的原因的热优越性，而且具有由于制造工序的原因的价格优越性。由于这样的原因，近年来，已逐渐使用如图13所示那样的具备4个透过型衍射光栅21 M的脉冲变换装置2B 的结构。另外，也存在如图14、图15所示那样具备2个透过型衍射光栅的脉冲宽度变换装置2C、2D的结构。图14所示的脉冲宽度变换装置2C具备2个透过型衍射光栅21、22。在该脉冲宽度变换装置2C中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由透过型衍射光栅22 衍射而变成平行光束，通过直角棱镜40而使光路折返。通过直角棱镜40而使光路折返后的光脉冲，由透过型衍射光栅22衍射而收敛，由透过型衍射光栅21衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。图15所示的脉冲宽度变换装置2D也具备2个透过型衍射光栅21、22。在该脉冲宽度变换装置2D中，输入光脉冲Pi由透过型衍射光栅21衍射而分光，由反射镜41、42依次反射，由透过型衍射光栅22衍射而变成平行光束，通过直角棱镜40而使光路折返。通过直角棱镜40而使光路折返后的光脉冲，由透过型衍射光栅22衍射而收敛，由反射镜42、41 依次反射，由透过型衍射光栅21衍射而进行合波，从而作为输出光脉冲Po输出。在图12 图15中，各衍射光栅的光栅的延伸方向为垂直于纸面的方向，除了由直角棱镜40产生的光路折返时以外，光脉冲平行于纸面行进。直角棱镜40通过2个反射面顺次使光脉冲反射，由此，相对于往路的光脉冲的光路，使返路的光脉冲的光路沿垂直于纸面的方向平行移动。如图12 图15所示那样，通常脉冲宽度变换装置有必要进行向分光元件的多次的光脉冲入射。向分光元件的光脉冲入射次数最少的情况是4次。相对于图12、图13所示的脉冲宽度变换装置2A、2B，图14、图15所示的脉冲宽度变换装置2C、2D，使光脉冲2次入射至各个衍射光栅，从而削减衍射光栅的个数。另外，图15所示的脉冲宽度变换装置2D，可以使用使衍射光栅21、22 —体化的长条的1个衍射光栅而构成。现有技术文献非专利文献__ 专禾Il 文献 1 :Xiangyu Zhou, et al.， “ Generation of 28-fs pulses froma mode-locked ytterbium fiber oscillator" , OPTICS EXPRESS, Vol. 16, No. 10, pp. 7055-7059(2008)
发明内容
发明要解决的问题然而，在上述那样的脉冲宽度变换装置的构成中，至少2个衍射光栅或更长的1个衍射光栅是必要的。在图15所示的脉冲宽度变换装置2D的结构中，如果使用长条的衍射光栅的话，衍射光栅也可以是1个，但是，由于输入光脉冲Pi及输出光脉冲Po与直角棱镜 40之间的几何干涉的原因，导致小型化困难。特别在使用衍射角大的衍射光栅时，该问题会
变得显著。本发明是为了解决上述问题而作出的，目的在于提供一种容易小型化的脉冲宽度变换装置。另外，目的在于提供一种具备这样的脉冲宽度变换装置且容易小型化的光放大系统。解决问题的手段本发明所涉及的脉冲宽度变换装置是生成具有与输入光脉冲的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲的脉冲宽度变换装置，其特征在于，具备(1)分光元件，将沿着第1 光路输入的输入光脉冲进行分光而沿着第2光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第3 光路以对应于波长的入射角输入的光束沿着第4光路以一定的出射角输出，将沿着第5光路以一定的入射角输入的光束沿着第6光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第7光路以对应于波长的入射角输入的光束进行合波而沿着第8光路作为输出光脉冲输出；(2)第 1光学系统，使从分光元件沿着第2光路以对应于波长的出射角输出的光束，沿着第3光路以对应于波长的入射角输入至分光元件；C3)第2光学系统，使从分光元件沿着第4光路以一定的出射角输出的光束，沿着第5光路以一定的入射角输入至分光元件；(4)第3光学系统，使从分光元件沿着第6光路以对应于波长的出射角输出的光束，沿着第7光路以对应于波长的入射角输入至分光元件。此外，脉冲宽度变换装置的特征在于，关于分光元件中的光束入出射方向，第3光路和第4光路的组合而成的入出射方向，与第1光路和第2光路的组合而成的入出射方向不同。本发明所涉及的光放大系统，其特征在于，具备(1)光放大装置，对光脉冲进行光放大；( 根据上述结构的脉冲宽度变换装置，输入由光放大装置进行光放大后的光脉冲，补偿该输入的光脉冲的色散并输出该光脉冲。发明的效果本发明所涉及的脉冲宽度变换装置或光放大系统容易小型化。
图1是概念上示出本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1的结构的图。图2是示出脉冲宽度变换装置IA的结构的图。图3是说明脉冲宽度变换装置IA所包含的透过型衍射光栅20的分光作用的图。图4是示出脉冲宽度变换装置IB的结构的图。图5是示出脉冲宽度变换装置IC的结构的图。图6是示出脉冲宽度变换装置ID的结构的图。图7是示出脉冲宽度变换装置IE的结构的图。图8是示出脉冲宽度变换装置IF的结构的图。图9是示出脉冲宽度变换装置IG的结构的图。图10是说明脉冲宽度变换装置IG所包含的反射型衍射光栅30的分光作用的图。图11是示出本实施方式所涉及的光放大系统3的结构的图。图12是示出具备反射型衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的结构例的图。图13是示出具备反射型衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的结构例的图。图14是示出具备反射型衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的结构例的图。图15是示出具备反射型衍射光栅作为分光元件的脉冲宽度变换装置的结构例的图。符号说明UlA 1G、2A 2D…脉冲宽度变换装置，3…光放大系统，10…分光元件，11…第 1光学系统，12…第2光学系统，13…第3光学系统，20 24…透过型衍射光栅，30 34... 反射型衍射光栅，40···直角棱镜，41 43…功能化模块，44···直角棱镜，45···可动台，46 48…功能化模块，49…棱镜，50…激励激光二极管，51…激光二极管导光光纤，52…光耦合器，53…掺Yb光纤，54…准直透镜，55... λ /4板，56... λ /2板，57…偏振光光束分离器，58... 法拉第旋转子，59··· λ/2板，60···偏振光光束分离器，61···反射镜，62··· λ/4板，63···聚光透镜，64···单模光纤，P1…第1光路，P2…第2光路，P3…第3光路，P4…第4光路，P5…第5 光路，P6…第6光路，P7…第7光路，P8…第8光路，Pi…输入光脉冲，Po…输出光脉冲。
具体实施例方式以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的方式。另外，在图面的说明中，相同的要素付与相同的符号，并省略重复的说明。图1是概念上示出本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1的结构的图。本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置ι具备分光元件10、第1光学系统11、第2光学系统12和第3光学系统13。另外，第1光学系统11与第3光学系统13可以共有一部分或全部的光学部件。在图1中，第1光学系统11与第3光学系统13共有全部的光学部件，因此，将第 1光学系统11和第3光学系统13表示为共同的系统。分光元件10可以对以一定的入射角输入的光束按照各个波长进行分光，并以对应于该波长的出射角输出各波长成分的光。另外，将各波长成分的光以对应于该波长的入射角而输入时，分光元件10可以以一定的出射角输出这些各波长成分的光。分光元件10 例如是透过型衍射光栅或反射型衍射光栅。分光元件10对沿着第1光路P1输入的输入光脉冲Pi进行分光，并沿着第2光路 P2以对应于波长的出射角输出。分光元件10沿着第4光路&以一定的出射角，输出沿着第 3光路P3以对应于波长的入射角输入的光束。分光元件10沿着第6光路P6以对应于波长的出射角，输出沿着第5光路P5以一定的入射角输入的光束。而且，分光元件10对沿着第 7光路P7以对应于波长的入射角输入的光束进行合波，并沿着第8光路P8作为输出光脉冲 Po输出。另外，分光元件10，在光束沿着第4光路P4以一定的入射角入射的情况下，可以对该光束进行分光并沿着第3光路P3以对应于波长的出射角输出，而且，在光束沿着第8光路 P8以一定的入射角入射的情况下，可以对该光束进行分光并沿着第7光路P7以对应于波长的出射角输出。分光元件10，在光束沿着第1光路P1、第4光路P4、第5光路P5和第8光路 P8的各个以一定的入射角输入的情况下，具有相同的分光特性。第1光学系统11使从分光元件10沿着第2光路P2以对应于波长的出射角输出的光束，沿着第3光路P3以对应于波长的入射角输入至分光元件10。第2光学系统12使从分光元件10沿着第4光路P4以一定的出射角输出的光束，沿着第5光路P5以一定的入射角输入至分光元件10。另外，第3光学系统13使从分光元件10沿着第6光路P6以对应于波长的出射角输出的光束，沿着第7光路P7以对应于波长的入射角输入至分光元件10。关于分光元件10中的光束的入出射方向，第3光路P3和第4光路P4的组合而成的入出射方向，与第1光路P1和第2光路P2的组合而成的入出射方向不同。关于分光元件 10中的光束的入出射方向，第5光路P5和第6光路P6的组合而成的入出射方向，可以与第 1光路P1和第2光路P2的组合而成的入出射方向一致，也可以与第3光路P3和第4光路P4 的组合而成的入出射方向一致。另外，关于分光元件10中的光束的入出射方向，第7光路P7和第8光路P8的组合而成的入出射方向，可以与第1光路P1和第2光路P2的组合而成的入出射方向一致，也可以与第3光路P3和第4光路P4的组合而成的入出射方向一致，还可以与第5光路P5和第6 光路P6的组合而成的入出射方向一致。光束沿着第5光路P5输入至分光元件10时的入射角，可以与光束从分光元件10 沿着第4光路P4输出时的出射角相等。此时，光束从分光元件10沿着第6光路P6输出时的各波长成分的出射角，与光束沿着第3光路P3输入至分光元件10时的各波长成分的入射角相等。由此，关于分光元件10中的光束的入出射方向，在第4光路P4与第5光路P5彼此逆向且第3光路P3与第6光路P6彼此逆向的情况下，这些光路被设定成彼此间光束不重
I=I O另外，光束沿着第7光路P7输入至分光元件10时的各波长成分的入射角，可以与光束从分光元件10沿着第2光路P2输出时的各波长成分的出射角相等。此时，输出光脉冲Po从分光元件10沿着第8光路P8输出时的出射角，与输入光脉冲Pi沿着第1光路P1 输入至分光元件10时的入射角相等。由此，关于分光元件10中的光束的入出射方向，第2 光路I32与第7光路P7彼此逆向且第1光路P1与第8光路P8彼此逆向的情况下，这些光路被设定成彼此间光束不重合。在本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1中，输入光脉冲Pi沿着第1光路P1以一定的入射角输入至分光元件10，由分光元件10而按照各个波长进行分光。由分光元件 10分光后的各波长成分的光，从分光元件10沿着第2光路P2以对应于该波长的出射角输出，经过第1光学系统11，沿着第3光路P3以对应于波长的入射角输入至分光元件10，接着，从分光元件10沿着第4光路P4以一定的出射角输出。从分光元件10沿着第4光路P4 输出的各波长成分的光，虽然为一定的出射角，但从分光元件10上的对应于该波长的位置输出并在空间上分离。从分光元件10沿着第4光路P4以一定的出射角输出的各波长成分的光，经过第2 光学系统12，沿着第5光路P5以一定的入射角输入至分光元件10，接着，从分光元件10沿着第6光路P6以对应于波长的出射角输出，并经过第3光学系统13，沿着第7光路P7以对应于波长的入射角输入至分光元件10。沿着第7光路P7以对应于波长的入射角输入至分光元件10的光，由分光元件10进行合波后，从分光元件10沿着第8光路P8作为输出光脉冲Po输出。第5光路P5、第6光路P6、第7光路P7和第8光路P8也可以相对于第1光路 P1、第2光路P2、第3光路P3和第4光路P4是逆方向。从分光元件10沿着第8光路P8输出的输出光脉冲Po，与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1，可以对输入光脉冲Pi在频率范围内赋与2次以上的色散而将输出光脉冲Po输出。即，本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1可以生成具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲Po。以下，使用图2 图10，对本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1的具体结构例进行说明。图2是示出脉冲宽度变换装置IA的结构的图。该图所示的脉冲宽度变换装置IA 具备作为分光元件10的透过型衍射光栅20，作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜 40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的反射镜41 43。如图3所示那样，透过型衍射光栅20可以对从第1侧以一定的入射角度入射的光 Pi1进行分光，并向第2侧以对应于波长的出射角输出各波长成分的光Po1,而且，可以对从第2侧以一定的入射角入射的光Pi2进行分光，并向第1侧以对应于波长的出射角输出各波长成分的光Po2。另外，透过型衍射光栅20可以采用入射角与出射角(衍射角)彼此相等的利特罗(Littrow)配置。另外，在图2和图3中，透过型衍射光栅20的光栅的延伸方向是垂直于纸面的方向，除了由直角棱镜40产生的光路折返时以外，光脉冲平行于纸面行进。直角棱镜40通过 2个反射面顺次反射光脉冲，由此，相对于往路的光脉冲的光路，使返路的光脉冲的光路沿着垂直于纸面的方向平行移动。优选地，在直角棱镜40的光入出射面形成有减反射膜。以下进行说明的图也是如此。在图2所示的脉冲宽度变换装置IA中，输入光脉冲Pi以一定的入射角输入至透过型衍射光栅20，由透过型衍射光栅20按照各个波长进行分光。被透过型衍射光栅20分光后的各波长成分的光，从透过型衍射光栅20以对应于该波长的出射角输出，且被反射镜 41、42、43顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅20，接着，从透过型衍射光栅20以一定的出射角输出。虽然从透过型衍射光栅20输出的各波长成分的光是一定的出射角，但从透过型衍射光栅20上的对应于该波长的位置输出并在空间上分离。从透过型衍射光栅20以一定的出射角输出的各波长成分的光，通过直角棱镜40 而使光路折返，且以一定的入射角输入至透过型衍射光栅20，接着，从透过型衍射光栅20 以对应于波长的出射角输出，被反射镜43、42、41顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅20。以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅20的光，由透过型衍射光栅20进行合波，从透过型衍射光栅20作为输出光脉冲Po输出。从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po，与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内赋与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。这样的脉冲宽度变换装置1A，优选用于作为在高强度超短脉冲激光装置的最后级对光脉冲的脉冲宽度进行压缩的脉冲压缩装置。高强度超短脉冲激光装置具有使用前述啁啾脉冲放大法来对光脉冲进行光放大的结构。实际上，对于通过使用了 ％:YAG陶瓷作为光放大介质的再生放大系统而在重复频率20KHz生成的啁啾光脉冲(中心波长1030nm，能量 0.2mJ，脉冲宽度30ps)，通过脉冲宽度变换装置IA来压缩脉冲宽度。透过型衍射光栅20， 其刻线条数是1370条/mm，且具有使以入射角45°入射的波长1030nm的光在衍射角45° 出射的结构。从反射镜41经由反射镜42至反射镜43为止的光路长度为30cm。将从上述再生放大系统输出的光脉冲输入至脉冲宽度变换装置IA来进行脉冲宽度的压缩后，输出光脉冲的脉冲宽度变成lps。由此，通过使用脉冲宽度变换装置1A，可以将脉冲宽度从30ps 实际压缩至lps。图4是示出脉冲宽度变换装置IB的结构的图。该图所示的脉冲宽度变换装置IB 具备作为分光元件10的透过型衍射光栅20，作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜 40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的反射镜41、直角棱镜 44和可动台45。与图2所示的脉冲宽度变换装置IA的结构相比较，不同点在于该图4所示的脉冲宽度变换装置1B，替代了反射镜42、43而具备直角棱镜44，而且，不同点在于还具备可动台 45。直角棱镜44通过2个反射面而顺次使光脉冲反射，由此对往路和返路各自的光脉冲的行进方向进行变更。优选地，在直角棱镜44的光入出射面上形成有减反射膜。可动台 45通过使直角棱镜44平行移动而作为对光路长度进行调整的光路长度调整部来起作用， 该光路长度是在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中的、从来自于透过型衍射光栅20的光输出至向透过型衍射光栅20的光输入为止的光路长度。同样在该脉冲宽度变换装置IB中，从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po， 与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内赋与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。特别地，在该脉冲宽度变换装置IB中，通过设置作为光路长度调整部的可动台45 来对光路长度进行调整，该光路长度是在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中， 从来自于透过型衍射光栅20的光输出至向透过型衍射光栅20的光输入为止的光路长度。 由此，调整对输入光脉冲Pi所赋与的在频率范围内的色散量，从而调整输出光脉冲Po相对于输入光脉冲Pi的脉冲宽度的压缩或扩展的量。图5是示出脉冲宽度变换装置IC的结构的图。如该图所示的脉冲宽度变换装置 IC具备作为分光元件10的透过型衍射光栅20，作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的反射镜41、43和功能化模块46。与图2所示的脉冲宽度变换装置IA的结构相比较，不同点在于该图5所示的脉冲宽度变换装置1C，替代了反射镜42而具备功能化模块46。功能化模块46将从反射镜41开始到达入出射面46a的光输入至内部，且使该光在内壁面多次全反射后，从入出射面46b输出至反射镜43。另外，功能化模块46将从反射镜43到达入出射面46b的光输入至内部，且使该光在内壁面多次全反射后，从入出射面46a 输出至反射镜41。功能化模块46优选由在所输入的光的波长中透过率高的材料构成，例如由石英玻璃构成。优选地，在功能化模块46的入出射面46a、46b形成有减反射膜。同样在该脉冲宽度变换装置IC中，从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po， 与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内赋与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。特别地，在该脉冲宽度变换装置IC中，通过在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中设置功能化模块46，从而即使设置面积小也没关系，仍然可以延长在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中从来自于透过型衍射光栅20的光输出至向透过型衍射光栅20的光输入为止的光路长度。由此，可以增大对输入光脉冲Pi所赋与的在频率范围内的色散量，从而可以增大输出光脉冲Po相对于输入光脉冲Pi的脉冲宽度压缩或扩展的量。例如，使入射到5cmX4. 4cm的设置面积的功能化模块46的光束通过内部全反射环绕约3周半，由此可以使该光传播达50cm后出射。图6是示出脉冲宽度变换装置ID的结构的图。该图所示的脉冲宽度变换装置ID 具备作为分光元件10的透过型衍射光栅20，作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜 40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的功能化模块47。与图 2所示的脉冲宽度变换装置IA的结构相比较，不同点在于该图6所示的脉冲宽度变换装置 1D，替代了反射镜41 43而具备功能化模块47。功能化模块47将从透过型衍射光栅20开始到达入出射面47a的光输入至内部， 且使该光在内壁面多次全反射后，从入出射面47b输出至透过型衍射光栅20。另外，功能化模块47将从透过型衍射光栅20开始到达入出射面47b的光输入至内部，且使该光在内壁面多次全反射后，从入出射面47a输出至透过型衍射光栅20。功能化模块47优选为由在所输入的光的波长中透过率高的材料构成，例如由石英玻璃构成。优选地，在功能化模块 47的入出射面47a、47b形成有减反射膜。同样在该脉冲宽度变换装置ID中，从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po， 与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内赋与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。另外，在该脉冲宽度变换装置ID中，通过在第1光学系统11和第3光学系统13 各个系统中设置功能化模块47，从而即使设置面积小也没关系，仍然可以延长在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中从来自于透过型衍射光栅20的光输出至向透过型衍射光栅20的光输入为止的光路长度。由此，可以增大对输入光脉冲Pi所付与的在频率范围内的色散量，从而可以增大输出光脉冲Po相对于输入光脉冲Pi的脉冲宽度的压缩或扩展的量。而且，该脉冲宽度变换装置ID通过使第1光学系统11和第3光学系统13 —体化而容易小型化，而且也容易操作。图7是示出脉冲宽度变换装置IE的结构的图。该图所示的脉冲宽度变换装置IE 具备作为分光元件10的透过型衍射光栅20，作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜 40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的功能化模块48。与图 2所示的脉冲宽度变换装置IA的结构相比较，不同点在于该图7所示的脉冲宽度变换装置 1E，替代了反射镜41 43而具备功能化模块48。功能化模块48通过相对于透过型衍射光栅20光接触而接合，且与透过型衍射光栅20 —体化。功能化模块48将从透过型衍射光栅20输出的光输入至内部，且使该光在内壁面多次全反射后，输出至透过型衍射光栅20。功能化模块48优选由在所输入的光波长中透过率高的材料构成，例如由石英玻璃构成。优选地，在功能化模块48的内壁面的反射的时候，在光束的入射角在全反射角以下的情况下，在成为对象的面上形成有合适的反射膜。
同样在该脉冲宽度变换装置IE中，从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po， 与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内付与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。另外，在该脉冲宽度变换装置IE中，通过在第1光学系统11和第3光学系统13 各自设置功能化模块48，从而即使设置面积小也没关系，仍然可以延长在第1光学系统11 和第3光学系统13各个系统中从来自于透过型衍射光栅20的光输出到向透过型衍射光栅 20的光输入为止的光路长度。由此，可以增大对输入光脉冲Pi所付与的在频率范围内的色散量，从而可以增大输出光脉冲Po相对于输入光脉冲Pi的脉冲宽度的压缩或扩展的量。而且，该脉冲宽度变换装置IE通过将分光元件10 (透过型衍射光栅20)、第1光学系统11和第3光学系统13 —体化而容易小型化，而且也容易操作。图8是示出脉冲宽度变换装置IF的结构的图。如该图所示的脉冲宽度变换装置 IF具备，作为分光元件10的透过型衍射光栅20、作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜40和棱镜49，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的功能化模块48。与图7所示的脉冲宽度变换装置IE的结构相比较，不同点在于该图8所示的脉冲宽度变换装置IF还具备棱镜49。棱镜49通过相对于透过型衍射光栅20光接触而接合，另外，相对于直角棱镜40 也通过光接触而接合。棱镜49优选由在所输入的光波长中透过率高的材料构成，例如由石英玻璃构成。由此，即使省略了直角棱镜40的入出射面的减反射膜，也可以很好地工作。但是，优选地，在直角棱镜40的输入光脉冲Pi和输出光脉冲Po的入射面上形成有减反射膜。同样在该脉冲宽度变换装置IF中，从透过型衍射光栅20输出的输出光脉冲Po， 与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内付与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。另外，在该脉冲宽度变换装置IF中，通过在第1光学系统11和第3光学系统13 各个系统中设置功能化模块48，从而即使设置面积小也没关系，仍然可以延长在第1光学系统11和第3光学系统13各个系统中从来自于透过型衍射光栅20的光输出至向透过型衍射光栅20的光输入为止的光路长度。由此，可以增大对输入光脉冲Pi所付与的在频率范围内的色散量，从而可以增大输出光脉冲Po相对于输入光脉冲Pi的脉冲宽度的压缩或扩展的量。而且，该脉冲宽度变换装置IE通过将分光元件10 (透过型衍射光栅20)、第1光学系统11、第2光学系统12和第3光学系统13 —体化而容易小型化，而且也容易操作。图9是示出脉冲宽度变换装置IG的结构的图。如该图所示的脉冲宽度变换装置 IG具备作为分光元件10的反射型衍射光栅30、作为第2光学系统12的构成要素的直角棱镜40，以及作为第1光学系统11和第3光学系统13各自的构成要素的反射镜41 43。与图2所示的脉冲宽度变换装置IA的结构相比较，不同点在于该图9所示的脉冲宽度变换装置1G，替代了透过型衍射光栅20而具备反射型衍射光栅30。如图10所示那样，反射型衍射光栅30可以对从第1侧以一定的入射角度入射的光Pi1进行分光，并以对应于波长的出射角将各波长成分的光Po1输出至第1侧，而且，可以对从第2侧以一定的入射角(相对于衍射面的法线与光Pi1的入射方向存在对称关系)入射的光Pi2进行分光，并以对应于波长的出射角将各波长成分的光Po2输出至第2侧。例如，假定光的中心波长是1030nm。假定反射型衍射光栅30的刻线条数为1250条/mm。此时，可以将以入射角50°入射的波长1030nm的光以衍射角31°出射。但是，反射型衍射光栅30不能采用入射角与出射角(衍射角)彼此相等的利特罗配置。在如图9所示的脉冲宽度变换装置IG中，输入光脉冲Pi以一定的入射角输入至反射型衍射光栅30，通过反射型衍射光栅30按照各个波长进行分光。被反射型衍射光栅 30分光后的各波长成分的光，从反射型衍射光栅30以对应于该波长的出射角输出，在被反射镜41、42、43顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至反射型衍射光栅30，且从反射型衍射光栅30以一定的出射角输出。虽然从反射型衍射光栅30输出的各波长成分的光是一定的出射角，但是从反射型衍射光栅30上的对应于该波长的位置输出，并在空间上分离。从反射型衍射光栅30以一定的出射角输出的各波长成分的光，通过直角棱镜40 而使光路折返，以一定的入射角输入至反射型衍射光栅30，并从反射型衍射光栅30以对应于波长的出射角输出，被反射镜43、42、41顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至反射型衍射光栅30。以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅30的光，通过反射型衍射光栅30进行合波，从反射型衍射光栅30作为输出光脉冲Po输出。从反射型衍射光栅30输出的输出光脉冲Po，与波长无关，出射角是一定的，且各波长成分的主光线一致。输出光脉冲Po是对输入光脉冲Pi在频率范围内付与2次以上的色散的光脉冲，且具有与输入光脉冲Pi的脉冲宽度不同的脉冲宽度。接着，对具备本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置和光放大装置的光放大系统的实施方式进行说明。本实施方式所涉及的光放大系统具备对光脉冲进行光放大的光放大装置以及对通过该光放大装置光放大后的光脉冲的脉冲宽度进行压缩并输出该光脉冲的脉冲宽度变换装置，例如是在超短脉冲激光光源、主振荡器功率放大器(MasterOscillator Power Amplifier,ΜΟΡΑ)等中也具备脉冲宽度变换装置的结构的系统。由于本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置1、1Α IG容易小型化，因此，作为补偿超短脉冲激光光色散的装置的使用是有用的。特别地，有效适用于图11所示那样的超短脉冲光纤激光装置。图11是示出本实施方式所涉及的光放大系统3的结构。该图所示的光放大系统 3具备激励激光二极管(Laser Diode, LD) 50、激光二极管导光光纤51、光耦合器52、掺％ 光纤53、准直透镜(Collimatinglens) 54、λ /4板55、λ /2板56、偏振光光束分离器57、法拉第旋转子58、λ /2板59、偏振光光束分离器60、反射镜61、λ /4板62、聚光透镜63、单模光纤64和图8所示的脉冲宽度变换装置1F。该光放大系统3通过从激励激光二极管50输出的激励光来激励掺％光纤53，由此进行锁模脉冲振荡。激励激光二极管50的前端面与激光二极管导光光纤51彼此光学结合。激光二极管导光光纤51长度是3. 2m，且具有光纤布拉格光栅结构。通过激光二极管导光光纤51的布拉格光栅和激励激光二极管50的后端面而形成外部共振器，且对应于布拉格光栅的周期的波长976nm的激励光作为连续波以400mW被输出。该激励光经过光耦合器52而被供给至长0. 8m的单模掺％光纤53，激励所添加的％离子。通过该激励，在掺％光纤53产生放出光。该放出光从掺％光纤53出射后， 通过准直透镜M而成为平行光且被引出至空间，并通过λ/4板55和λ/2板56而变换成规定的偏振光状态，并入射至偏振光光束分离器57。入射至偏振光光束分离器57的光的一部分被偏振光光束分离器57反射而被分支取出。透过偏振光光束分离器57而停留于光共振器内的光通过由法拉第旋转子58、λ/2 板59和偏振光光束分离器60形成的法拉第隔离器后，由脉冲宽度变换装置IF变换脉冲宽度。由脉冲宽度变换装置IF变换脉冲宽度而输出的光，由反射镜61反射，由λ /4板 62变换成规定的偏振光状态，由聚光透镜63聚光，而入射至长1. 2m的单模光纤64。入射至单模光纤64的光经过光耦合器52而输入至掺Yb光纤53。由此，本实施方式所涉及的光放大系统3具有环型的光共振器，在该光共振器内的掺％光纤53中引起诱导放出，并将该诱导放出光的一部分从偏振光光束分离器57输出至外部。另外，本实施方式所涉及的光放大系统3在光共振器内也具备本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置(特别是脉冲宽度变换装置1F)。在本实施方式所涉及的光放大系统3中，为了实现锁模振荡，有必要调整激光共振器的色散。通常，由于对通过光纤的光赋与大的色散，因此，用于补偿这样的大的色散的元件便变得必要。特别地，由于在1300nm以下的波长域中透过率高的光学材料全部表现正色散，因此，在光纤激光生成1300nm以下的波长的超短光脉冲的情况下，特别设计的负色散光学系统便变得必要。一直以来，这样的负色散光学系统使用基于棱镜对或衍射光栅对的脉冲压缩装置，但是光纤激光整体所占的尺寸比例高，而成为了小型化的障碍。另外，近年来，也逐渐使用采用了光子晶体光纤的负色散光学系统，但是设计困难，且存在对条件的灵活性缺乏、昂贵、调整困难这样的问题。本实施方式所涉及的光放大系统3在光共振器内作为负色散光学系统具备本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置(特别是脉冲宽度变换装置1F)。脉冲宽度变换装置IF 可以使用普通的衍射光学进行设计，对于条件的变化，通过变更例如功能化模块48的尺寸来对应，可以小型化且价格便宜，且可以容易进行对入射光的调整。例如，功能化模块48的一边是2. 8mm，因此，脉冲宽度变换装置IF被限制为厘米级大小，且达到光放大系统3整体所占的尺寸比例不成为问题那样的小型。通过这样的结构，光放大系统3通过锁模动作，以平均输出功率130mW，重复频率40MHz出射波长带域 IOlOnm 1050nm、脉冲宽度1. 3ps的光脉冲。而且，由于来自于偏振光光束分离器57的出射光是正啁啾后的脉冲光，因此，通过利用本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置来压缩该出射光的脉冲宽度，从而可以获得脉冲缩短至50fs的出射光。以上详细说明的本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置，可以起到以下效果。与现有技术相比较，本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置削减了衍射光栅的必要个数，而且衍射光栅可以小型化。在图15所示的脉冲宽度变换装置2D中，通过由直角棱镜40而使光路折返，从而光路接近且变成平行的部分多数出现，因此，由于光学元件的几何干涉，而导致小型化困难。对此，本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置，由于接近的光路不平行，因而缓和了光学元件或基座的几何干涉。通过削减衍射光栅的必要个数和减少几何干涉，可以为了构成脉冲宽度变换装置而缩小必要的设置面积。由此，可以实现脉冲宽度变换装置紧凑的配置。脉冲宽度变换装置以某种形状配置在高强度超短脉冲激光装置的最后级是不可避免的。因此，脉冲宽度变换装置的小型化，可以使高强度超短脉冲激光装置整体小型化。为了调整脉冲宽度的变化量，使分光后的部分的光轴长度变化的机构变得必要。 在本实施方式中，由于多个利用向衍射光栅的光的入射角，因此，光路长度变化机构的朝向也可以多个选择，因而增加设计的自由度。另外，本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置，可以使用透过型衍射光栅和反射型衍射光栅的任一种，但在使用透过型衍射光栅的情况下，可以起到以下那样的效果。透过型衍射光栅可以采用入射角(入射光与衍射光栅面的法线所成的角)与衍射角(衍射光与衍射光栅面的法线所成的角)彼此相等那样的构成(利特罗配置)。另一方面，由于反射型衍射光栅的入射光和衍射光各自的光路彼此重合，因此，利特罗配置变得不可能。由于这样的原因，一般来说，透过型衍射光栅与反射型衍射光栅相比，可以进行具有高衍射效率的设计。例如，对于波长1030nm的光，可以制作具有96%的衍射效率的透过型衍射光栅。 相对而言，金属蒸镀型的反射型衍射光栅的衍射效率是市场上作为高品质元件的典型值的 92%左右。在本实施方式中，由于光4次入射至衍射光栅，因此，脉冲宽度变换装置整体的光利用效率与衍射效率的4倍成比例。若分别用4乘以上述96 %、92 %，则变成85 %、72 %。 由于这样的原因，因此，可知使用透过型衍射光栅的结构是高效的。在入射至反射型衍射光栅的光中，不衍射的成分(光损失)的一部分被衍射光栅的金属蒸镀面吸收，而成为发热的原因。在使用平均输出功率大的高频超短脉冲激光放大器的脉冲宽度变换器的时候，这样的发热会成为大问题。特别地，可用普通价格买到的通常所使用的反射型衍射光栅，其金属蒸镀膜的下底面由树脂制作而成，热的影响大。热的影响引起衍射面的歪斜，使衍射效率降低、衍射光的波阵面歪斜等，导致激光光品质降低。对此， 由于透过型衍射光栅的光损失的大部分没有被基板吸收而成为透过或散射光，因而抑制了基板的发热。另外，在透过型衍射光栅的情况下，全石英玻璃制的基板也可以便宜地买到， 且相对于发热的基板的歪斜也小。石英玻璃制的透过型衍射光栅，与金属蒸镀的反射型衍射光栅相比，损伤阈值高多个数量级。因而，使用透过型衍射光栅的情况下，相对于超短脉冲激光放大器的出射光的尖端输出功率(峰值功率)大的装置，可以构成高效的脉冲宽度变换装置。如图3所示那样，透过型衍射光栅可以在基板的两侧的空间设置光路。另一方面， 如图10所示那样，反射型衍射光栅对基板只能利用一侧的空间。由于这样的原因，若使用反射型衍射光栅构成的实际光学系统，则由于光学元件或基座的几何干涉而限制了系统的小型化。即使在谋求本实施方式所涉及的脉冲宽度变换装置的小型化的基础上，使用透过型衍射光栅也是更有效的。此外，若使用石英玻璃制的透过型衍射光栅的损伤阈值高这样的性质，则可以缩小入射至脉冲宽度变换器的激光束的截面。因此，由于可以选定小型光学元件，因而可以进一步推进系统的小型化。根据本发明的脉冲宽度变换装置和光放大系统并不限于上述实施方式和结构例， 可以进行各种变形。根据上述实施方式的脉冲宽度变换装置是生成具有与输入光脉冲的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲的脉冲宽度变换装置，且使用这样的结构，该结构具备(1)分光元件，将沿着第1光路输入的输入光脉冲进行分光而沿着第2光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第3光路以对应于波长的入射角输入的光束沿着第4光路以一定的出射角输出，将沿着第5光路以一定的入射角输入的光束沿着第6光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第7光路以对应于波长的入射角输入的光束进行合波而沿着第8光路作为输出光脉冲输出；( 第1光学系统，使从分光元件沿着第2光路以对应于波长的出射角输出的光束，沿着第3光路以对应于波长的入射角输入至分光元件；C3)第2光学系统，使从分光元件沿着第4光路以一定的出射角输出的光束，沿着第5光路以一定的入射角输入至分光元件；(4)第3光学系统，使从分光元件沿着第6光路以对应于波长的出射角输出的光束， 沿着第7光路以对应于波长的入射角输入至分光元件。此外，在根据上述实施方式的脉冲宽度变换装置中，关于分光元件的光束入出射方向，第3光路和第4光路的组合而成的入出射方向，使用与第1光路和第2光路的组合而成的入出射方向不同的构成。根据上述结构的脉冲宽度变换装置，优选地，分光元件是透过型衍射光栅。另外， 也优选为分光元件是反射型衍射光栅。根据上述结构的脉冲宽度变换装置，优选地，第1光学系统和第3光学系统一体化。另外，优选地，分光元件、第1光学系统和第3光学系统一体化。另外，优选地，分光元件、第1光学系统、第2光学系统和第3光学系统一体化。根据上述结构的脉冲宽度变换装置，优选地，第1光学系统和第3光学系统的双方或任一方，包含对从来自于分光元件的光输出到向分光元件的光输入为止的光路长度进行调整的光路长度调整部。根据上述结构的脉冲宽度变换装置，优选地，在第2光学系统中，光束沿着第5光路输入至分光元件时的入射角，与光束从分光元件沿着第4光路输出时的出射角相等。在根据上述结构的光放大系统中，使用这样的结构，该结构具备(1)光放大装置，对光脉冲进行光放大；( 根据上述构成的脉冲宽度变换装置，输入由光放大装置进行光放大后的光脉冲，对该输入的光脉冲的色散进行补偿并输出该光脉冲。产业上的可利用性本发明可以作为容易小型化的脉冲宽度变换装置，以及具备这样的脉冲宽度变换装置而容易小型化的光放大系统来利用。
权利要求
1.一种脉冲宽度变换装置，其特征在于，是生成具有与输入光脉冲的脉冲宽度不同的脉冲宽度的输出光脉冲的脉冲宽度变换装置， 具备分光元件，将沿着第1光路输入的所述输入光脉冲进行分光而沿着第2光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第3光路以对应于波长的入射角输入的光束沿着第4光路以一定的出射角输出，将沿着第5光路以一定的入射角输入的光束沿着第6光路以对应于波长的出射角输出，将沿着第7光路以对应于波长的入射角输入的光束进行合波而沿着第8光路作为所述输出光脉冲输出；第1光学系统，使从所述分光元件沿着所述第2光路以对应于波长的出射角输出的光束，沿着所述第3光路以对应于波长的入射角输入至所述分光元件；第2光学系统，使从所述分光元件沿着所述第4光路以一定的出射角输出的光束，沿着所述第5光路以一定的入射角输入至所述分光元件；以及第3光学系统，使从所述分光元件沿着所述第6光路以对应于波长的出射角输出的光束，沿着所述第7光路以对应于波长的入射角输入至所述分光元件，关于所述分光元件的光束的入出射方向，所述第3光路和所述第4光路的组合而成的入出射方向，与所述第1光路和所述第2光路的组合而成的入出射方向不同。
2.根据权利要求1所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于， 所述分光元件是透过型衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于， 所述分光元件是反射型衍射光栅。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于， 所述第1光学系统和所述第3光学系统一体化。
5.根据权利要求1 3中任一项所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于， 所述分光元件、所述第1光学系统和所述第3光学系统一体化。
6.根据权利要求1 3中任一项所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于， 所述分光元件、所述第1光学系统、所述第2光学系统和所述第3光学系统一体化。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于，所述第1光学系统和所述第3光学系统的双方或任一方，包含光路长度调整部，所述光路长度调整部对从来自于所述分光元件的光输出到向所述分光元件的光输入为止的光路长度进行调整。
8.根据权利要求1 7中任一项所述的脉冲宽度变换装置，其特征在于，在所述第2光学系统中，光束沿着所述第5光路输入至所述分光元件时的入射角，与光束从所述分光元件沿着所述第4光路输出时的出射角相等。
9.一种光放大系统，其特征在于， 具备光放大装置，对光脉冲进行光放大；根据权利要求1 8中任一项所述的脉冲宽度变换装置，输入由所述光放大装置进行光放大后的光脉冲，对该输入的光脉冲的色散进行补偿并输出该光脉冲。
全文摘要
以一定的入射角输入至透过型衍射光栅(20)的输入光脉冲(Pi)，按照各个波长进行分光而以对应于该波长的出射角被输出，由反射镜(41、42、43)顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅(20)，从透过型衍射光栅(20)以一定的出射角输出。从透过型衍射光栅(20)以一定的出射角输出的各波长成分的光，通过直角棱镜(40)而使光路折返，以一定的入射角输入至透过型衍射光栅(20)而以对应于波长的出射角输出，被反射镜(43、42、41)顺次反射后，以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅(20)。以对应于波长的入射角输入至透过型衍射光栅(20)的光，通过透过型衍射光栅(20)进行合波作为输出光脉冲(Po)输出。由此，实现了小型化容易的脉冲宽度变换装置和光放大系统。
文档编号H01S3/10GK102484348SQ20108003809
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年9月1日
发明者河田阳一, 深泽耕大, 藤本正俊 申请人:浜松光子学株式会社