专利名称：激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生成脉冲激光的激光装置。
背景技术：
作为上述技术领域的激光装置，已知的有例如专利文献I所记载的锁模激光装置。专利文献I所记载的锁模激光装置，通过利用在彼此不同的中心频率即中心波长的光谱区域具有增益的多个放大器(光纤放大器等)来将以谐振器纵模间隔的整数倍的频率进行调制的激光放大，从而一次生成多个波长区域的脉冲激光。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开平6-90050号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题然而，脉冲激光与每单位时间的能量即平均功率同等的连续光相比峰值光强度大。因此，在放大脉冲激光的情况下，出于防止放大器损伤的目的，有必要使其脉冲宽度增大并使峰值光强度降低，或者限制放大系数。因此，对于放大脉冲激光的激光装置而言，要生成高输出的脉冲光是困难的。本发明是有鉴于这些具体情况而作出的，其目的是在于提供一种可以容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光的激光装置、以及可以生成高输出的脉冲激光的激光装置。解决技术问题的手段本发明的一个侧面涉及一种激光装置。该激光装置，其特征在于，具备多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡；合波机构，在规定的位置上将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定的位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光的相位。在该激光装置中，在规定的位置上将彼此频率不同的多个激光进行合波并生成合波光时，以在其规定的位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光的相位。由此，在规定的位置上生成脉冲激光。如此，在该激光装置中，将多个激光的各个进行合波并生成脉冲激光。因此,通过增加振荡机构的数目(即彼此不同频率的激光的数目)，能够容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。另外，振荡机构能够分别对频率以大致一定的频率差彼此不同的各个所述激光进行振荡。在这种情况下，从振荡机构开始振荡的激光间的频率差是大致一定的，因而容易以合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光的相位。因此，能够更容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。另外，振荡机构可以是半导体激光。在这种情况下，能够谋求激光装置的小型轻量化和低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械性的稳定性。再有，能够降低激光装置的制造成本。再有，在各个振荡机构连接有各个激光进行传播的光纤,相位控制机构控制各个光纤的温度，由此能够控制各个激光的相位。在这种情况下，通过控制光纤的温度，能够容易地控制各个激光的相位。这里，本发明的另一侧面涉及一种激光装置。该激光装置，其特征在于，具备振荡机构，对由彼此频率不同的多个连续激光构成的激光脉冲列进行振荡；分波机构,将从振荡机构开始振荡的激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个连续激光；放大机构,对由分波机构进行分波的各个连续激光进行放大；合波机构，在规定位置上将由放大机构进行放大的各个连续激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个连续激光的相位。在该激光装置中，在放大机构中分别放大多个连续激光。因此，与放大脉冲激光的情况相比，能够更高地设定放大系数。另外，当在规定位置将通过那样做而被放大的各个连续激光进行合波并生成合波光时，以在该规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个连续激光的相位。由此，在规定位置上，由被放大的多个连续激光生成脉冲激光。因此，根据该激光装置，可以生成高输出的脉冲激光。这里，振荡机构能够对由频率以大致一定的频率差彼此不同的连续激光构成的激光脉冲列进行振荡。在这种情况下，通过控制彼此不同频率的各个连续激光的相位，容易实现合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现。因此，能够容易地生成高输出脉冲激光。另外，可以进一步具备调节构成从振荡机构开始振荡的激光脉冲列的连续激光间的频率差的频率差调节机构。在这种情况下，通过调节连续激光间的频率差，能够调节所生成的脉冲激光的脉冲重复率。另外，振荡机构可以是锁模振荡器或者高速电流调制的半导体激光。在这种情况下，能够谋求激光装置的小型轻量化以及低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械稳定性。此外，能够降低激光装置的制造成本。此外，放大机构是包含传播由分波机构分波的各个连续激光并且将其放大的多根光纤的纤维阵列或者板条(slab)型固体激光放大器，相位控制机构计测合波光的光谱相位，并且能够基于该计测结果控制各个连续激光的相位。在这种情况下，例如通过在分波机构的前段设置光谱相位调制器，能够容易地控制彼此不同频率的各个连续激光的相位。发明效果根据本发明，能够提供一种可以容易地生成短脉冲且高输出的脉冲光的激光装置、以及可以生成高输出的脉冲激光的激光装置。
图1是用于说明光学频率梳的图表。图2是本发明的第I实施方式所涉及的激光装置的结构图。图3是图2所示的相位控制装置的结构图。图4是表示图3所示的相位控制部的加热器的部分放大图。图5是表示图2所示的合波光的输出时间波形的图表。图6是图2所示的激光装置的变形例的结构图。
图7是用于说明光学频率梳的图表。图8是本发明的第2实施方式所涉及的激光装置的结构图。图9是图8所示的激光装置的部分放大图。图10是表示图8所示的信道放大器的结构的部分截面图。图11是用于说明频率调制器动作的图。图12是本发明的第3实施方式所涉及的激光装置的结构图。图13是表示图12所示的板条型固体激光放大器的结构的立体图。图14是图12所示的激光装置的变形例的结构图。图15是表示脉冲输出波形的调整情况的图表。符号说明:I...激光装置、10...激光光源(振荡机构)、11...光纤、12...透镜(合波机构)、13…衍射光栅(合波机构)、20…相位控制装置(相位控制机构)、Iv..激光、L2…合波光、ΙΑ, 1AA...激光装置、10A...激光光源(振荡机构)、12A...衍射光栅(分波机构)、14A...信道放大器(放大机构)、14aA…光纤、15A…透镜(合波机构)、16A...衍射光栅(分波机构)、18A...频率调制器(频率差调整机构)、20A...相位控制装置(相位控制机构)、44A…板条型固体激光放大器(放大机构)、LA。...种子光(激光脉冲列)、LA1, LA2…激光(连续激光)、LA3...合波光。
具体实施方式
以下参照附图并就本发明的实施方式进行详细说明。再有，在各图中对相同或者相当部分赋予相同的符号，省略重复的说明。[第I实施方式]本实施方式所涉及的激光装置是生成与从实现光学频率梳的锁模激光开始振荡的激光等价的脉冲激光的激光装置。因此，就光学频率梳以及锁模振荡进行说明。例如在法布里- 自罗谐振器(Fabry-Perot resonator)内，存在有多个纵模激光。各纵模激光的频率在以谐振器长为L时，如图1所示，以△ v=c/2L的间隔排列在频率轴上(c为光速)。将像这样各激光的频率等间隔排列的状态称为光学频率梳。在具备这样的谐振器的激光光源中，若不对各激光进行相位调制，则激光彼此的相位关系是随机的，因而它们的合波光即激光光源的输出光的输出时间波形也成为随机的。另一方面，在这样的激光光源中，通过使用过饱和吸收元件或者光调制器，以各激光彼此的相位一致的方式进行各激光的相位调制，从而输出光的输出时间波形成为重复周期T (T=I/Δ V)的脉冲状，得到锁模振荡。如图2所示，本实施方式所涉及的激光装置I具备:多个(这里是3个)激光光源(振荡机构)10，分别对是连续光且如上述的光学频率梳那样频率以一定的频率差彼此不同的多个激光U。各个激光光源10例如能够制作成振荡波长相互仅差0.1nm的分布反馈型半导体激光(DFB半导体激光)。再有，在本实施方式中，连续光是指其输出相对于时间为大致一定那样的激光，脉冲光是指其输出的峰值在规定的时间间隔重复出现那样的激光。激光装置I还具备:连接于各个激光光源10且传播从激光光源10开始振荡的各个激光L1的光纤11、配置在从光纤11出射的激光L1的光路上的透镜(合波机构)12、以及通过透镜12的各个激光L1进行入射的衍射光栅(合波机构)13。
透镜12配置在与光纤11的出射端相距仅其焦点距离的位置。衍射光栅13配置在与透镜12相距仅透镜12的焦点距离的位置。因此，从光纤11出射的各个激光L1通过透镜12而成为平行束,并被聚光于衍射光栅13的聚光位置Pp衍射光栅13在其聚光位置P1上将激光L1进行合波而生成合波光L2。这里，激光装置I还具备相位控制装置(相位控制机构)20。相位控制装置20以在衍射光栅13的聚光位置P1上合波光L2的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式(以同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式)控制各个激光L1的相位。就该相位的控制作具体地说明。如图3所示，相位控制装置20具有相位差检测部21、信号控制部22、以及相位控制部23。相位差检测部21利用光学外差干涉法来检测从激光光源10出射的激光L1当中的分别具有在频率轴上互相邻接的频率的激光(以下仅称为“相邻接的激光”)L1彼此的相位差，并将表示检测结果的信息传送至信号控制部22。更具体而言，在相位差检测部21中，利用光耦合器21a分别对激光L1当中的互相邻接的激光L11和激光L12分支后，利用光耦合器21b将被分支的激光彼此耦合。接着，通过例如光电二极管等光检测器21c将在光稱合器21b被稱合的激光Le2转换成电信号V2。激光L11使用角频率GJ1以及相位Ct1，被表示为:
[数I]E1 (t) = A1Gxp [ ω jt+i Φ J激光L12使用角频率ω2以及相位Φ2，被表示为:[数2]E2 (t) = A2exp [i ω 2t+i Φ 2 ]这里,若令激光L11与激光L12的角频率差Δ ω为ω「ω2，相位差Δ Q12S(J)1-(J)2,则上述E2 (t)可以表示为:[数3]E2 (t) = A2exp [i (ω 丄+Δ ω) t+i { Φ 丄+Δ θ 12}]因此，由光检测器21c生成的电信号V2 (t)如[数4]V2 (t) = K [ IA112+1A212+2 IA11 A2 cos [ Δ ω t+ Δ θ 12]]那样，成为具有角频率差Λ ω和相位差Λ Θ 12的差拍信号。然后，通过由相位计21d取得电信号V2 (t)与具有角频率Λ ω的时钟信号S的异或，能够求出激光L11与激光L12的相位差Δ Θ 12。同样地,激光Lin被表不为:[数5]En (t) = ANexp[i ωΝ + ΦΝ]因而，由相邻接的激光L1 (_和Lin生成的电信号Vn (t)成为[数6]Vn (t) = K [ I Ap112+1 An 12+2 | An^1 | | An | cos [ Δ ω t+ Δ θ (Ν_1)Ν]]这里，N是表示第N个激光L1N。因此，通过电信号Vn (t)与时钟信号S的异或，能够求出激光L1 (N_n与激光Lin的相位差Λ θ (Ν_1)Ν。像这样对全部激光L1进行上述处理，由此能够求出所有相邻接的激光L1彼此的相位差。
信号控制部22基于表示通过上述那样做而求得的相邻接的激光L1彼此的相位差的信息，求出各个激光L1的相位相同那样的各激光L1的相位控制量，并将表示所求得的控制量的信息传送至各个相位控制部23。相位控制部23各自基于表示从信号控制部22传送的控制量的信息，控制各个激光L1的相位。相位控制部23设置在各个光纤11。相位控制部23例如如图4 Ca)所示，具有内含有加热器H的线圈管BB。在这种情况下，各个光纤11被卷绕在该线圈管BB。或者，相位控制部23例如如图4 (b)所示，具有设置有加热器H的板构件PL。在这种情况下，各个光纤11配置在该板构件PL与加热器H之间。各相位控制部23基于表不从信号控制部22传送的控制量的信息，控制各加热器H的发热量，调节各光纤11的温度，从而调节在各光纤11传播的激光L1的光路长度。实际上，在例如光纤11是石英纤维的情况下，由于其光路长度的温度系数为28.8 μ m/ (mK)(参照(Opt.Laser Techno1.37，29-32 (2004)))，因此，若将规定的激光 L1 的中心波长设为1.064 μ m，则温度系数为27 λ / (mK)。因此，通过适当地选择调节光纤11温度的部分的长度、以及温度调节量，可以进行λ/100左右的光路长度的调节。像这样通过相位控制装置20控制激光L1的相位，从而由衍射光栅13生成的合波光L2如图5所示，成为与进行锁模振荡的光学频率梳的激光等价的脉冲激光。再有，由衍射光栅13生成的合波光L2被透镜14聚光于规定的位置。在像以上那样构成的激光装置I中，首先，是连续光的激光L1从各个激光光源10开始振荡。从激光光源10开始振荡的各个激光L1在各个光纤11传播。在各个光纤11传播的各个激光L1通过相位控制装置20而在合波位置P1上彼此相位相同。相位相同的各个激光L1从光纤11出射之后，通过透镜12而被聚光于衍射光栅13上。然后,被聚光于衍射光栅13上的各个激光L1在衍射光栅13彼此被合波，在作为是脉冲激光的合波光L2通过透镜14之后从激光装置I输出。此时，可以调整透镜12的焦点距离、衍射光栅13的沟槽密度、以及向衍射光栅13的入射角，以使合波光L2成为平行束。如以上所说明的那样，本实施方式所涉及的激光装置I，在将各个激光L1进行合波而生成合波光L2时，以在衍射光栅13的聚光位置P1上合波光L2的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个激光L1的相位。由此，在聚光位置P1上生成脉冲激光。如此，在该激光装置I中，将多个激光L1合波而生成脉冲激光。因此，通过增加激光光源10的数目(即彼此不同频率的激光L1的数目)，能够容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。另外，在激光装置I中，将是连续光的各个激光L1的进行合波而变换成激光脉冲列。因此，不会产生放大脉冲激光时的非线性光学效应(例如，自相位调制、束流分裂(BeamBreak up)等)或者窄带域化(脉冲宽度的增大)。因此，根据激光装置1，与放大脉冲激光的激光装置相比，在高光束品质的同时能够生成高重复且短脉冲的脉冲激光。另外，在激光装置I中，由于从激光光源10开始振荡的激光L1间的频率差是一定的，因此，容易以合波光L2的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式控制各个激光L1的相位。因此，能够更容易地生成短脉冲且高输出的脉冲激光。另外，在激光装置I中，由于各个激光光源10是半导体激光，因此能够谋求激光装置的小型轻量化和低消耗电力化。另外，能够提高激光装置的机械稳定性。此外，能够降低激光装置的制造成本。
此外，在激光装置I中，由于相位控制装置20通过控制各个光纤11的温度来控制各个激光L1的相位，因此能够容易地控制各个激光L1的相位。再有，激光装置I成为通过衍射光栅13将各个激光L1进行合波而生成合波光L2的结构，但在不需要传送合波光L2的情况下，也可以成为例如如图6所示那样不使用衍射光栅13而在透镜12的焦点位置P2上将激光L1合波而生成合波光L2的结构。另外，在激光装置I中，激光光源10可以是一维排列有DFB半导体激光的DFB半导体激光阵列，也可以是使用了光纤布拉格光栅的光纤激光阵列。特别在将激光光源10设为DFB半导体激光阵列的情况下，通过层叠该DFB半导体激光阵列并将激光L1的振荡源二维排列，能够容易地增加激光L1的数目，因而能够谋求激光装置I的小型化。另外，激光装置I也可以具备将从各个激光光源10开始振荡的各个激光L1放大的放大器。即，在激光装置I中，也可以将各个光纤11置换成一边传播各个激光L1 一边将其放大的光纤放大器。在这种情况下，相位控制装置20通过控制光纤放大器中的各个光纤的温度，从而控制各个激光L1的相位。[第2实施方式]本实施方式所涉及的激光装置将实现光学频率梳的锁模激光作为激光光源来使用。因此，就光学频率梳以及锁模振荡进行说明。例如在法布里-珀罗谐振器内存在有多个纵模激光。各纵模激光的频率在以谐振器长度为L时，如图7所示以Λ v=c/2L的间隔排列在频率轴上(c为光速)。如此，将各激光的频率等间隔排列的状态称为光学频率梳。在具备这样的谐振器的激光光源中，若不对各激光进行相位调制，则激光彼此的相位关系是随机的，因而它们的合波光即激光光源的输出光的输出时间波形也会成为随机的。另一方面，在这样的激光光源中，使用过饱和吸收元件、电-光调制器或音响光学调制器等，以各激光彼此的相位一致的方式进行各激光的相位调制，由此成为重复周期T (T=I/Δ V)的脉冲状，得到锁模振荡。这样的振荡机构也可以是如高频电流调制的半导体激光那样短脉冲在规定的时间间隔重复出现那样的光源。如图8所示，本实施方式所涉及的激光装置IA具备如上述那样的实现光学频率梳的锁模激光、或者高重复电流调制的半导体激光等激光光源(振荡机构)10A。激光光源IOA的输出光即种子光LA。是脉冲光(激光脉冲列)，由以一定的频率差彼此频率不同而彼此相位相同的多个连续激光构成。即，激光光源IOA将是连续光且以一定的频率差彼此频率不同的多个激光进行合波，并作为脉冲激光即种子光LA。来进行振荡。再有，这里的连续光(连续激光)是指其输出相对于时间为大致一定的那样的激光，脉冲激光是指其输出峰值在规定的时间间隔重复出现的那样的激光。激光装置IA还具备依次配置在从激光光源IOA开始振荡的种子光LA。的光路上的光隔离器IlA以及衍射光栅(分波机构)12A。光隔离器IlA防止向激光光源IOA的返回光。衍射光栅12A将种子光LA。每个频率分波成多个(这里是3个)激光LA1 (S卩，将从激光光源IOA开始振荡的激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个连续激光LA1X换言之，衍射光栅12A使种子光LA。的光学频率梳角度色散。再换言之，衍射光栅12A将包含于种子光LA0的多个激光每个频率进行空间排列。此时，各个激光LA1依频率顺序进行空间排列。激光装置IA还具备配置在由衍射光栅12A分波后的激光LA1的光路上的透镜13A。透镜13A的焦点距离为f1;其配置在与衍射光栅12A上的种子光LA。的入射位置P。相距仅距离的位置。因此，由衍射光栅12A分波后的各个激光LA1通过透镜13A保持规定的间隔Λ X彼此平行地行进，在与透镜13Α相距距离的位置上被聚光。相邻接的激光LA1彼此的间隔Ax例如可以如以下那样求得。即，如图9所示，若令波长λ的规定激光LA1的衍射光栅12Α上的衍射角为β，m为衍射次数(通常使用I次的衍射(m=l))，N为衍射光栅12A每Imm的沟槽条数、d为衍射光栅12A的沟槽间隔(1/N)，则衍射光栅12A的角色散di3 /cU被表示为:[数7]
权利要求
1.一种激光装置，其特征在于: 具备: 多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡； 合波机构，在规定位置上将从各个所述振荡机构开始振荡的各个所述激光进行合波并生成合波光；以及 相位控制机构，以在所述规定位置上所述合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个所述激光的相位。
2.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于: 各个所述振荡机构对频率以大致一定的频率差彼此不同的各个所述激光进行振荡。
3.如权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于: 所述振荡机构是半导体激光。
4.如权利要求1 3中的任一项所述的激光装置，其特征在于: 在各个所述振荡机构，连接有各个所述激光进行传播的光纤， 所述相位控制机构通过控制各个所述光纤的温度来控制各个所述激光的相位。
5.一种激光装置，其特征在于: 具备: 振荡机构，对由彼此频率不同的多个连续激光构成的激光脉冲列进行振荡； 分波机构，将从所述振荡机构开始振荡的所述激光脉冲列分波成彼此频率不同的多个所述连续激光； 放大机构，对由所述分波机构进行分波的各个所述连续激光进行放大； 合波机构，在规定位置上将由所述放大机构进行放大的各个所述连续激光进行合波并生成合波光；以及 相位控制机构，以在所述规定位置上所述合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式，控制各个所述连续激光的相位。
6.如权利要求5所述的激光装置，其特征在于: 所述振荡机构对由频率以大致一定的频率差彼此不同的所述连续激光构成的所述激光脉冲列进行振荡。
7.如权利要求6所述的激光装置，其特征在于: 还具备:频率差调节机构，调节构成从所述振荡机构开始振荡的所述激光脉冲列的所述连续激光间的频率差。
8.如权利要求5 7中的任一项所述的激光装置，其特征在于: 所述振荡机构是锁模振荡器或高速电流调制的半导体激光。
9.如权利要求5 8中的任一项所述的激光装置，其特征在于: 所述放大机构是纤维阵列或板条型固体激光放大器，所述纤维阵列包含传播由所述分波机构进行分波的各个所述连续激光并且将其放大的多根光纤， 所述相位控制机构计测所述合波光的光谱相位，并且基于该计测结果来控制各个所述连续激光的相位。
全文摘要
一种激光装置，其具备多个振荡机构，分别对是连续光且彼此频率不同的多个激光进行振荡；合波机构，将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行放大，或者不放大而在规定位置上将从各个振荡机构开始振荡的各个激光进行合波并生成合波光；以及相位控制机构，以在规定位置上合波光的输出峰值在规定的时间间隔重复出现的方式(以同样的脉冲时间波形在规定的时间间隔重复出现的方式)控制各个激光的相位。
文档编号G02F1/01GK103080819SQ20118004295
公开日2013年5月1日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者宫永宪明, 藤田雅之, 栗田隆史, 川嶋利幸 申请人:国立大学法人大阪大学, 浜松光子学株式会社