特許 7441780 光パルス生成装置及び光パルス生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-21

(45)【発行日】2024-03-01

(54)【発明の名称】光パルス生成装置及び光パルス生成方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/106 20060101AFI20240222BHJP

   G02F 1/01 20060101ALN20240222BHJP

【ＦＩ】

H01S3/106

G02F1/01 B

【請求項の数】 23

(21)【出願番号】P 2020211591

(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公開番号】P2022098192

(43)【公開日】2022-07-01

【審査請求日】2023-06-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】高橋 考二

【審査官】村川 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開平６－９００５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３４５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１４７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２５９３０５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／１０６

Ｇ０２Ｆ １／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光増幅媒質を含み、レーザ光を生成及び増幅して出力するモード同期型の光共振器と、
前記光共振器と光学的に結合され、前記光増幅媒質に励起光を与える光源と、
前記光共振器内に配置され、所定期間内に前記レーザ光の時間波形を制御して、前記レーザ光を前記光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する波形制御部と、
を備え、
前記光共振器は、前記所定期間ののちに前記光パルス列を増幅してレーザ光として出力する、光パルス生成装置。

【請求項2】

前記二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔が可変である、請求項１に記載の光パルス生成装置。

【請求項3】

前記二つ以上の光パルスの本数が可変であり、前記励起光の光強度が可変であり、前記光パルス列を構成する光パルスの本数が多いときほど前記励起光の光強度が大きい、請求項１に記載の光パルス生成装置。

【請求項4】

前記波形制御部は、
少なくとも１つの入力ポート及び少なくとも２つの出力ポートを有する光路スイッチと、
前記レーザ光の時間波形を制御して前記レーザ光を前記光パルス列に変換する波形制御デバイスと、を有し、
前記光共振器は、
前記光路スイッチの１つの前記入力ポートに光結合された一端を有する第１の光路と、
前記光路スイッチの１つの前記出力ポートに光結合された一端、および前記第１の光路の他端に光結合された他端を有する第２の光路と、
前記光路スイッチの他の１つの前記出力ポートに光結合された一端、および前記第１の光路の他端に光結合された他端を有する第３の光路と、を含み、
前記光増幅媒質は前記第１の光路上に配置され、
前記波形制御デバイスは前記第３の光路上に配置され、
前記光路スイッチは、前記所定期間では前記第３の光路を選択し、他の期間では前記第２の光路を選択する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項5】

前記光共振器と光学的に結合され、前記光共振器から出力された光を検出して電気的な検出信号を生成する光検出器と、
前記光路スイッチを制御するスイッチ制御部と、を更に備え、
前記スイッチ制御部は、前記光検出器からの前記検出信号に基づいて、前記第３の光路を選択するタイミングを決定する、請求項４に記載の光パルス生成装置。

【請求項6】

前記波形制御部は、
前記光共振器内に配置されて前記レーザ光の偏光面を制御する偏光スイッチと、
前記レーザ光が第１の偏光面を有する場合に前記レーザ光の時間波形を制御して前記レーザ光を前記光パルス列に変換し、前記レーザ光が前記第１の偏光面と異なる第２の偏光面を有する場合に前記レーザ光の時間波形を制御しない波形制御デバイスと、を有し、
前記偏光スイッチは、前記所定期間では前記レーザ光の偏光面を前記第１の偏光面とし、他の期間では前記レーザ光の偏光面を前記第２の偏光面とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項7】

前記光共振器と光学的に結合され、前記光共振器から出力された光を検出して電気的な検出信号を生成する光検出器と、
前記偏光スイッチを制御するスイッチ制御部と、を更に備え、
前記スイッチ制御部は、前記光検出器からの前記検出信号に基づいて、前記レーザ光の偏光面を前記第１の偏光面とするタイミングを決定する、請求項６に記載の光パルス生成装置。

【請求項8】

前記光共振器は、前記所定期間の前に単一パルスの前記レーザ光を生成し、
前記波形制御部は、
前記レーザ光を分光する分光素子と、
分光後の前記レーザ光の強度スペクトルもしくは位相スペクトルの少なくともいずれか一方に対して、前記レーザ光を前記光パルス列に変換するための変調を行い、変調光を出力する空間光変調器と、
前記変調光を集光して前記光パルス列を出力する光学系と、を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項9】

前記光共振器は、前記所定期間の前に連続波の前記レーザ光を生成し、
前記波形制御部は、前記レーザ光の強度を変調することにより前記レーザ光を前記光パルス列に変換する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項10】

前記波形制御部により変換された直後の前記二つ以上の光パルスの中心波長が互いに等しい、請求項１～９のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項11】

前記所定期間において、前記レーザ光の時間波形が１回のみ制御される、請求項１０に記載の光パルス生成装置。

【請求項12】

前記波形制御部により変換された直後の前記二つ以上の光パルスの中心波長が互いに異なる、請求項１～９のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項13】

前記所定期間において、前記レーザ光の時間波形が複数回にわたって制御される、請求項１２に記載の光パルス生成装置。

【請求項14】

前記二つ以上の光パルスの時間間隔は１０フェムト秒以上１０ナノ秒以下である、請求項１～１３のいずれか１項に記載の光パルス生成装置。

【請求項15】

モード同期型の光共振器内の光増幅媒質に励起光を与え、前記光共振器内においてレーザ光を生成及び増幅するレーザ光生成ステップと、
前記光共振器内の前記レーザ光の時間波形を所定期間内に制御して、前記レーザ光を前記光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する波形制御ステップと、
前記所定期間ののちに前記光共振器内において前記光パルス列を増幅してレーザ光として前記光共振器外へ出力する出力ステップと、
を含む、光パルス生成方法。

【請求項16】

前記出力ステップののち、前記二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔のうち少なくとも一方を変更して、前記波形制御ステップ及び前記出力ステップを繰り返す、請求項１５に記載の光パルス生成方法。

【請求項17】

前記出力ステップにおいて、前記光増幅媒質へ与える励起光の光強度を、前記光パルス列を構成する光パルスの本数が多いときほど大きくする、請求項１６に記載の光パルス生成方法。

【請求項18】

前記出力ステップののち前記波形制御ステップを繰り返す前に、前記光増幅媒質へ与える励起光の光強度を前記光パルス列を構成する光パルスの本数に対応する大きさから一つの光パルスに対応する大きさに変更することにより光パルスの本数を一つに減少させ、該一つの光パルスを前記光共振器内にて前記レーザ光として増幅する、請求項１７に記載の光パルス生成方法。

【請求項19】

前記波形制御ステップにより変換された直後の前記二つ以上の光パルスの中心波長が互いに等しい、請求項１５～１８のいずれか１項に記載の光パルス生成方法。

【請求項20】

前記波形制御ステップにより変換された直後の前記二つ以上の光パルスの中心波長が互いに異なる、請求項１５～１８のいずれか１項に記載の光パルス生成方法。

【請求項21】

前記所定期間において、前記レーザ光の時間波形が１回のみ制御される、請求項１９または２０に記載の光パルス生成方法。

【請求項22】

前記所定期間において、前記レーザ光の時間波形が複数回にわたって制御される、請求項２０に記載の光パルス生成方法。

【請求項23】

前記二つ以上の光パルスの時間間隔は１０フェムト秒以上１０ナノ秒以下である、請求項１５～２２のいずれか１項に記載の光パルス生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光パルス生成装置及び光パルス生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、モードロック型光ファイバレーザにおいて複数の光パルスをレーザ発振させると共に、ポンプ光強度を調整することによって光パルスの時間間隔を制御する技術を開示する。非特許文献２は、ポンプ光強度を調整することによって、時間的に近接する２つの光パルスの時間間隔を離散的に変更する技術を開示する。非特許文献３は、モードロック型光ファイバレーザにおいて光共振器内に可変バンドフィルタを配置し、可変バンドフィルタのフィルタ幅とポンプ光強度とを調整することによって光パルスの本数を制御する技術を開示する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Ying Yu et al., “Pulse-spacing manipulation in a passivelymode-locked multipulse fiber laser”, Optics Express, Vol. 25, Issue 12, pp. 13215-13221,2017

【文献】F. Kurtz et al., “Resonant excitation and all-optical switching offemtosecond soliton molecules”, Nature Photonics, Vol. 14, pp. 9-13, 2020

【文献】Zengrun Wen et al., “Effects of spectral filtering on pulse dynamicsin a mode-locked fiber laser with a bandwidth tunable filter”, Journal of theOptical Society of America B，Vol. 36, Issue 4, pp. 952-958,2019

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列の応用が検討されている。超短光パルスとは、例えば１ナノ秒未満の時間幅を有する光パルスであり、光パルス列における光パルス同士の時間間隔は、例えば１０ナノ秒未満である。一例として、レーザ光を用いて対象物の形状を加工するレーザ加工分野への応用がある。レーザ加工分野においては、超短光パルスを用いた非熱的な加工により、材料によらず高精度な加工を実現できる。また、単一の光パルスを対象物に繰り返し照射する場合と比較して、連続する二つ以上の光パルスからなる光パルス列を対象物に繰り返し照射するバーストレーザ加工により、スループットを高めることができる。そして、バーストレーザ加工等においては、パルス列のパルス本数およびパルス同士の時間間隔が重要なパラメータとなる。従って、所定のパルス本数および時間間隔を安定して再現性良く出力し得ることが望まれる。

【0005】

本開示は、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して再現性良く出力することができる光パルス生成装置及び光パルス生成方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決するために、本開示の一側面に係る光パルス生成装置は、モード同期型の光共振器と、光源と、波形制御部と、を備える。光共振器は、光増幅媒質を含み、レーザ光を生成及び増幅して出力する。光源は、光共振器と光学的に結合され、光増幅媒質に励起光を与える。波形制御部は、光共振器内に配置され、所定期間内にレーザ光の時間波形を制御して、レーザ光を光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する。光共振器は、所定期間ののちに光パルス列を増幅してレーザ光として出力する。

【0007】

本開示の一側面に係る光パルス生成方法は、レーザ光生成ステップと、波形制御ステップと、出力ステップと、を含む。レーザ光生成ステップでは、モード同期型の光共振器内の光増幅媒質に励起光を与え、光共振器内においてレーザ光を生成及び増幅する。波形制御ステップでは、光共振器内のレーザ光の時間波形を所定期間内に制御して、レーザ光を光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する。出力ステップでは、所定期間ののちに光共振器内において光パルス列を増幅してレーザ光として光共振器外へ出力する。

【発明の効果】

【0008】

本開示の一側面に係る光パルス生成装置および光パルス生成方法によれば、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して再現性良く出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の一実施形態に係る光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。

【図2】光共振器の模式図である。

【図3】波形制御デバイスの例としてパルスシェーパの構成例を示す図である。

【図4】ＳＬＭの変調面を示す図である。

【図5】光パルス生成方法を示すフローチャートである。

【図6】（ａ），（ｂ）光パルス生成装置の動作における各段階を示す図である。

【図7】（ａ），（ｂ）光パルス生成装置の動作における各段階を示す図である。

【図8】（ａ），（ｂ）光パルス生成装置の動作における各段階を示す図である。

【図9】光パルス生成装置の動作における各段階を示す図である。

【図10】（ａ）単パルス状の超短パルスレーザ光のスペクトル波形を示す。（ｂ）その超短パルスレーザ光の時間強度波形を示す。

【図11】（ａ）ＳＬＭにおいて矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときのパルスシェーパからの出力光のスペクトル波形を示す。（ｂ）その出力光の時間強度波形を示す。

【図12】反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。

【図13】位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。

【図14】スペクトル強度の計算手順を示す図である。

【図15】ターゲットスペクトログラムの生成手順の一例を示す図である。

【図16】強度スペクトル関数を算出する手順の一例を示す図である。

【図17】（ａ）スペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）を示す図である。（ｂ）スペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）が変化したターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）を示す図である。

【図18】第１変形例に係る光パルス生成装置の動作及び光パルス生成方法を示すフローチャートである。

【図19】第２変形例に係る光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。

【図20】第２変形例の光パルス生成装置の動作及び光パルス生成方法を示すフローチャートである。

【図21】シミュレーションにおいて励起開始後０周回目に設定された初期値の例を示すグラフである。

【図22】（ａ）シミュレーションにおける光パルスのピークパワーの周回毎の変化を示すグラフである。（ｂ）シミュレーションにおける光増幅媒質の飽和エネルギーと光パルスのピークパワーとの関係を示すグラフである。

【図23】シミュレーションにおいて飽和エネルギーを６００ｐＪに固定し、或るランダムノイズを初期値として設定したときに、発生した光パルスの時間波形を示すグラフである。（ａ）は初期値であるランダムノイズの時間波形を示し、（ｂ）は（ａ）に対応して発生した光パルスの時間波形を示す。

【図24】シミュレーションにおいて飽和エネルギーを６００ｐＪに固定し、図２３と異なるランダムノイズを初期値として設定したときに、発生した光パルスの時間波形を示すグラフである。（ａ）は初期値であるランダムノイズの時間波形を示し、（ｂ）は（ａ）に対応して発生した光パルスの時間波形を示す。

【図25】シミュレーションにおいて飽和エネルギーを６００ｐＪに固定し、図２３及び図２４と異なるランダムノイズを初期値として設定したときに、発生した光パルスの時間波形を示すグラフである。（ａ）は初期値であるランダムノイズの時間波形を示し、（ｂ）は（ａ）に対応して発生した光パルスの時間波形を示す。

【図26】シミュレーションにおいて飽和エネルギーを６００ｐＪに固定し、図２３～図２５と異なるランダムノイズを初期値として設定したときに、発生した光パルスの時間波形を示すグラフである。（ａ）は初期値であるランダムノイズの時間波形を示し、（ｂ）は（ａ）に対応して発生した光パルスの時間波形を示す。

【図27】図２３（ａ）に示されたランダムノイズを初期値として、一実施形態の構成によるシミュレーションを行った結果を示すグラフである。（ａ）は１０００周回目の時間波形を示し、（ｂ）は２０００周回目の時間波形を示し、（ｃ）は５０００周回目の時間波形を示す。

【図28】図２４（ａ）に示されたランダムノイズを初期値として、一実施形態の構成によるシミュレーションを行った結果を示すグラフである。（ａ）は１０００周回目の時間波形を示し、（ｂ）は２０００周回目の時間波形を示し、（ｃ）は５０００周回目の時間波形を示す。

【図29】図２５（ａ）に示されたランダムノイズを初期値として、一実施形態の構成によるシミュレーションを行った結果を示すグラフである。（ａ）は１０００周回目の時間波形を示し、（ｂ）は２０００周回目の時間波形を示し、（ｃ）は５０００周回目の時間波形を示す。

【図30】図２６（ａ）に示されたランダムノイズを初期値として、一実施形態の構成によるシミュレーションを行った結果を示すグラフである。（ａ）は１０００周回目の時間波形を示し、（ｂ）は２０００周回目の時間波形を示し、（ｃ）は５０００周回目の時間波形を示す。

【図31】一実施形態における光パルスの時間間隔の制御性を検証した結果を示すグラフである。（ａ）～（ｄ）は、光パルス列を構成する２つの光パルスの時間間隔をそれぞれ２０ｐｓ、５０ｐｓ、１００ｐｓ、及び１５０ｐｓに設定した場合を示している。

【図32】一実施形態における光パルスの本数の制御性を検証した結果を示すグラフである。（ａ）～（ｄ）は、光パルス列を構成する光パルスの本数をそれぞれ１本、２本、３本、及び４本に設定した場合を示している。

【図33】シミュレーションにおいて光パルスの本数が変化する様子を示すグラフである。

【図34】（ａ）～（ｃ）本数変化の各段階においてレーザ発振した光パルス列の時間波形を示すグラフである。

【図35】（ａ）～（ｃ）本数変化の各段階においてレーザ発振した光パルス列の時間波形を示すグラフである。

【図36】（ａ）～（ｃ）本数変化の各段階においてレーザ発振した光パルス列の時間波形を示すグラフである。

【図37】（ａ）周回数に応じた飽和エネルギーの変化を示すグラフである。（ｂ）周回数に応じた光パルスのピークパワーの変化を示すグラフである。

【図38】スペクトル領域変調型の波形制御器によって生成された１９本の光パルスからなる光パルス列の時間波形を示すグラフである。

【図39】光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長が互いに等しい場合に、複数回にわたってパルスシェーパにより時間波形を制御したときの、時間波形の変化を示すグラフである。（ａ）は１回目の波形制御後、（ｂ）は２回目の波形制御後、（ｃ）は３回目の波形制御後、（ｄ）は４回目の波形制御後をそれぞれ示す。

【図40】光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長が互いに異なる場合に、複数回にわたってパルスシェーパにより時間波形を制御したときの、時間波形の変化を示すグラフである。（ａ）は１回目の波形制御後、（ｂ）は２回目の波形制御後、（ｃ）は３回目の波形制御後、（ｄ）は４回目の波形制御後をそれぞれ示す。

【図41】（ａ）～（ｃ）中心波長が互いに異なる３つの光パルスを示すグラフである。

【図42】（ａ）～（ｃ）シミュレーションにおいて、図４１に示される３つの光パルスを同時に光共振器内にて周回させた結果、各光パルスについて得られた時間波形を示すグラフである。

【図43】各光パルスの中心波長が収束する様子を示すグラフである。

【図44】（ａ）～（ｃ）シミュレーションにおいて、中心波長が互いに異なる３本の光パルスへ変換するための波形制御を１０周回にわたって行った結果を示すグラフである。

【図45】（ａ）～（ｃ）シミュレーションにおいて、中心波長が互いに異なる３本の光パルスへ変換するための波形制御を１０周回にわたって行った結果を示すグラフである。

【図46】（ａ）～（ｃ）シミュレーションにおいて、中心波長が互いに異なる３本の光パルスへ変換するための波形制御を１０周回にわたって行った結果を示すグラフである。

【図47】（ａ）各光パルスのピーク位置の変化を示すグラフである。（ｂ）（ａ）の５００周回目～５１０周回目の部分を拡大して示すグラフである。

【図48】波形制御デバイスの一例として、分割器及び遅延器の組み合わせからなるパルススプリッタを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示の一側面に係る光パルス生成装置は、モード同期型の光共振器と、光源と、波形制御部と、を備える。光共振器は、光増幅媒質を含み、レーザ光を生成及び増幅して出力する。光源は、光共振器と光学的に結合され、光増幅媒質に励起光を与える。波形制御部は、光共振器内に配置され、所定期間内にレーザ光の時間波形を制御して、レーザ光を光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する。光共振器は、所定期間ののちに光パルス列を増幅してレーザ光として出力する。

【0011】

本開示の一側面に係る光パルス生成方法は、レーザ光生成ステップと、波形制御ステップと、出力ステップと、を含む。レーザ光生成ステップでは、モード同期型の光共振器内の光増幅媒質に励起光を与え、光共振器内においてレーザ光を生成及び増幅する。波形制御ステップでは、光共振器内のレーザ光の時間波形を所定期間内に制御して、レーザ光を光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する。出力ステップでは、所定期間ののちに光共振器内において光パルス列を増幅してレーザ光として光共振器外へ出力する。

【0012】

モード同期型の光共振器では、光増幅媒質が励起されると、レーザ光である超短光パルスが周期的に生成されて出力される。そして、励起光強度などの発振条件によっては、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスが生成される。しかしながら、これまでの報告では、二つ以上の超短光パルスの時間間隔はランダムであり、時間間隔を制御することは実現されていなかった。

【0013】

これに対し、上記の光パルス生成装置では、モード同期型の光共振器内に波形制御部が設けられている。波形制御部は、所定期間内にレーザ光の時間波形を制御して、レーザ光を二つ以上の光パルスに変換する。同様に、上記の光パルス生成方法では、波形制御ステップにおいて、光共振器内のレーザ光の時間波形を所定期間内に制御し、レーザ光を、光共振器の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列に変換する。これらの場合、光増幅媒質に適切な大きさの励起光を与え続けると、光共振器内において光パルス列が増幅され、レーザ光として出力される。このレーザ光に含まれる光パルスの本数は、当初の光パルス列における光パルスの本数と一致する。また、このレーザ光に含まれる光パルスの時間間隔は、当初の光パルス列における光パルスの時間間隔と一致するか、又は、当初の光パルス列における光パルスの時間間隔から理論的に算出される時間間隔と一致する。従って、上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法によれば、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して再現性良く出力することができる。

【0014】

上記の光パルス生成装置において、二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔は可変であってもよい。また、上記の光パルス生成方法において、出力ステップののち、二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔のうち少なくとも一方を変更して、波形制御ステップ及び出力ステップを繰り返してもよい。前述したように、バーストレーザ加工等においては、パルス列のパルス本数およびパルス同士の時間間隔が重要なパラメータとなる。光パルス同士の時間間隔が１０ナノ秒未満である超短パルス列は、例えば干渉計を用いても生成され得る。しかし、干渉計を用いる方法ではパルス列のパルス本数およびパルス同士の時間間隔の変更に手間がかかり、これらを頻繁に変更することはスループットの低下につながる。したがって、干渉計を用いる方法は、一定の対象物に同一の加工を繰り返し行う場合には適しているが、対象物の様々な材料、形状に応じて加工条件を最適化しながら加工を繰り返し行う場合には実用上不適である。これに対し、上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法では、増幅前の光パルス列の光強度はノイズより大きい程度であればよいため、波形制御部において生成される光パルス列のパルス本数及び時間間隔を可変とすることは容易である。従って、上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法によれば、対象物の様々な材料、形状に応じて加工条件を最適化しながら加工を繰り返し行うことを容易にできる。

【0015】

上記の光パルス生成装置において、二つ以上の光パルスの本数が可変である場合、励起光の光強度が可変であり、光パルス列を構成する光パルスの本数が多いときほど励起光の光強度が大きくてもよい。同様に、上記の光パルス生成方法において、二つ以上の光パルスの本数を変更しつつ波形制御ステップ及び出力ステップを繰り返す場合、出力ステップにおいて、光増幅媒質へ与える励起光の光強度を、光パルス列を構成する光パルスの本数が多いときほど大きくしてもよい。光パルスの本数に対して励起光強度が小さ過ぎると、一部の光パルスが十分に増幅されずに消えてしまうおそれがある。また、光パルスの本数に対して励起光強度が大き過ぎると、光パルス列と関係の無いノイズの一部が増幅されて光パルスの本数が意図せず増えてしまうおそれがある。上記のように、光パルス列を構成する光パルスの本数が多いときほど励起光の光強度を大きくすることによって、光パルスの本数に応じて適切な光強度の励起光を光増幅媒質に与えることが可能になる。

【0016】

上記の光パルス生成方法において、出力ステップののち波形制御ステップを繰り返す前に、光増幅媒質へ与える励起光の光強度を光パルス列を構成する光パルスの本数に対応する大きさから一つの光パルスに対応する大きさに変更することにより光パルスの本数を一つに減少させ、該一つの光パルスを光共振器内にてレーザ光として増幅してもよい。このように、波形制御ステップにおいて二つ以上の光パルスを生成する前に必ず光パルスの本数を一つに減じることによって、任意の数の光パルスを安定して生成することができる。なお、本発明者のシミュレーションによれば、励起光の光強度を、二つ以上の光パルスに対応する光強度から単一の光パルスに対応する光強度に減じると、二つ以上の光パルスのうち一つを残して他の光パルスが消滅する。

【0017】

上記の光パルス生成装置において、波形制御部は、少なくとも１つの入力ポート及び少なくとも２つの出力ポートを有する光路スイッチと、レーザ光の時間波形を制御してレーザ光を光パルス列に変換する波形制御デバイスと、を有してもよい。光共振器は、光路スイッチの１つの入力ポートに光結合された一端を有する第１の光路と、光路スイッチの１つの出力ポートに光結合された一端、および第１の光路の他端に光結合された他端を有する第２の光路と、光路スイッチの他の１つの出力ポートに光結合された一端、および第１の光路の他端に光結合された他端を有する第３の光路と、を含んでもよい。そして、光増幅媒質は第１の光路上に配置され、波形制御デバイスは第３の光路上に配置され、光路スイッチは、所定期間では第３の光路を選択し、他の期間では第２の光路を選択してもよい。この場合、波形制御部が所定期間内に限ってレーザ光の時間波形を制御することを容易に実現することができる。

【0018】

上記の光パルス生成装置は、光共振器と光学的に結合され、光共振器から出力された光を検出して電気的な検出信号を生成する光検出器と、光路スイッチを制御するスイッチ制御部と、を更に備えてもよい。そして、スイッチ制御部は、光検出器からの検出信号に基づいて、第３の光路を選択するタイミングを決定してもよい。この場合、光路スイッチにおける光路の切り替えタイミングを安定して制御することができる。

【0019】

上記の光パルス生成装置は、光共振器内に配置されてレーザ光の偏光面を制御する偏光スイッチと、レーザ光が第１の偏光面を有する場合にレーザ光の時間波形を制御してレーザ光を光パルス列に変換し、レーザ光が第１の偏光面と異なる第２の偏光面を有する場合にレーザ光の時間波形を制御しない波形制御デバイスと、を備えてもよい。そして、偏光スイッチは、所定期間ではレーザ光の偏光面を第１の偏光面とし、他の期間ではレーザ光の偏光面を第２の偏光面としてもよい。この場合、波形制御部が所定期間内に限ってレーザ光の時間波形を制御することを容易に実現することができる。

【0020】

上記の光パルス生成装置において、波形制御部は、光共振器と光学的に結合され、光共振器から出力された光を検出して電気的な検出信号を生成する光検出器と、偏光スイッチを制御するスイッチ制御部と、を更に有してもよい。そして、スイッチ制御部は、光検出器からの検出信号に基づいて、レーザ光の偏光面を第１の偏光面とするタイミングを決定してもよい。この場合、偏光スイッチにおける偏光面の切り替えタイミングを安定して制御することができる。

【0021】

上記の光パルス生成装置において、光共振器は、所定期間の前に単一パルスのレーザ光を生成してもよい。そして、波形制御部は、レーザ光を分光する分光素子と、分光後のレーザ光の強度スペクトルもしくは位相スペクトルの少なくともいずれか一方に対して、レーザ光を光パルス列に変換するための変調を行い、変調光を出力する空間光変調器と、変調光を集光して光パルス列を出力する光学系と、を有してもよい。例えばこのような波形制御部によって、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して生成することができる。

【0022】

上記の光パルス生成装置において、光共振器は、所定期間の前に連続波のレーザ光を生成してもよい。そして、波形制御部は、レーザ光の強度を変調することによりレーザ光を光パルス列に変換してもよい。例えばこのような波形制御部によっても、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して生成することができる。

【0023】

上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法において、波形制御部（波形制御ステップ）により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長は互いに等しくてもよい。この場合、光共振器内の波長分散の影響を受けることなく、変換当初の光パルスの時間間隔を維持することができる。

【0024】

上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法において、波形制御部（波形制御ステップ）により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長が互いに異なってもよい。この場合、光共振器内の波長分散の影響を受けて、光パルスの時間間隔は変換後に次第に広がるか、もしくは狭まる。そして、本発明者のシミュレーションによれば、各光パルスの中心波長は時間経過とともに次第に一つの波長に収束するので、光パルスの時間間隔は或る大きさ以上は広がらない（または、或る大きさ以下には狭まらない）。また、その大きさは、波長分散などのパラメータを用いて予め算出され得る。従って、この光パルス生成装置及び光パルス生成方法によれば、波形制御部（波形制御ステップ）において実現可能なパルス間隔よりも大きな（または小さな）パルス間隔のレーザ光を出力することができる。

【0025】

上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法において、上記所定期間内にレーザ光の時間波形が１回のみ制御されてもよい。或いは、上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法において、上記所定期間内にレーザ光の時間波形が複数回にわたって制御されてもよい。特に、変換直後の二つ以上の光パルスの中心波長が互いに異なる場合、所定期間内にレーザ光の時間波形が複数回にわたって制御されることにより、その間に光パルスの時間間隔を広げることができ、より広いパルス間隔のレーザ光を出力することができる。

【0026】

上記の光パルス生成装置及び光パルス生成方法において、二つ以上の光パルスの時間間隔は１０フェムト秒以上１０ナノ秒以下であってもよい。

【0027】

以下、添付図面を参照しながら、光パルス生成装置及び光パルス生成方法の実施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。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。以下の説明において、特に説明が無い限り、光パルスの時間間隔とは光パルスの光強度がピークとなるタイミングの間隔を意味する。

【0028】

図１は、本開示の一実施形態に係る光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。図１において、実線の矢印は光路（光ファイバまたは空間的な）を表し、破線の矢印は電気配線を表す。図１に示すように、本実施形態の光パルス生成装置１Ａは、モード同期型の光共振器２０と、波形制御部３０と、を備える。

【0029】

光共振器２０は、レーザ光を生成及び増幅して出力する光学系（モードロックレーザ）である。図２は、光共振器２０の模式図である。本実施形態では、光共振器２０の一例としてリング共振器を示す。光共振器２０としては、リング共振器に代えて、例えば８の字形レーザ共振器、９の字形レーザ共振器、またはファブリーペロー共振器などを採用してもよい。本実施形態の光共振器２０は、光増幅媒質２１、アイソレータ２２、分割器２３、及び過飽和吸収体２４を含んで構成される。また、光共振器２０は、第１の光路２０１、第２の光路２０２、および第３の光路２０３を含む。これらの光路２０１，２０２，２０３は、例えば光ファイバによって構成される。なお、図１においてはアイソレータ２２の図示を省略している。

【0030】

光増幅媒質２１は、第１の光路２０１上に配置され、光共振器２０の外部から供給される励起光（ポンプ光）Ｐａを受けて励起される。光増幅媒質２１は、励起光Ｐａとは波長が異なる、光共振器２０内を周回する光が通過した際にその光を増幅する。光増幅媒質２１は、例えば、エルビウム添加ファイバ、イッテルビウム添加ファイバ、ツリウム添加ファイバ、またはネオジウム添加ＹＡＧ結晶である。光共振器２０内を周回する光は、光増幅媒質２１により増幅されながら発振し、レーザ光となる。

【0031】

過飽和吸収体２４は、強度に依存した吸収率変化によってモード同期を行う要素である。過飽和吸収体２４は、光増幅媒質２１とともに第１の光路２０１上に配置される。過飽和吸収体２４は、光共振器２０内において生じたレーザ光を飽和するまで吸収し、飽和後に入射されたレーザ光の透過率を飽和前に比べて高め、そして再び不飽和状態に戻り、透過率を低くする。これにより、超短パルスレーザ光が周期的に生成される。過飽和吸収体２４は、例えばカーボンナノチューブまたは半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ：Semiconductor Saturable Absorber Mirror）である。なお、モード同期のための方式としては、過飽和吸収体２４を用いる方式に代えて、例えば非線形偏波回転、非線形位相シフト、または光カー効果による自己モード同期（カーレンズモード同期）などを採用してもよい。

【0032】

アイソレータ２２は、第１の光路２０１上に配置され、光共振器２０内を周回する光の逆進を防止する。分割器２３は、第１の光路２０１上に配置され、光共振器２０内にて生成されたレーザ光の一部であるレーザ光Ｐｏｕｔを分割して出力する。分割器２３は、例えばファイバカプラまたはビームスプリッタにより構成され得る。

【0033】

波形制御部３０は、光共振器２０内に配置されている。波形制御部３０は、所定期間内に単一パルスの超短パルスレーザ光の時間波形を制御して、単一パルスの超短パルスレーザ光を、光共振器２０の周期内にある二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列に変換する。所定期間とは、例えば光共振器２０内を光パルスが一周回する時間である。或いは、光共振器２０内を光パルスが複数回（例えば１０回以下）にわたって周回する時間である。所定期間の長さは、光共振器２０の光路長に依存する。光共振器２０は、所定期間ののちに、この光パルス列を増幅してレーザ光として出力する。本実施形態の波形制御部３０は、光路スイッチ３１、波形制御デバイス３２、及び結合器３３を含んで構成される。なお、図１においては結合器３３の図示を省略している。

【0034】

光路スイッチ３１は、少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも２つの出力ポートとを有する。第１の光路２０１の末端は、光路スイッチ３１の入力ポートに光結合されている。第２の光路２０２の先端は、光路スイッチ３１の出力ポートに光結合されている。第３の光路２０３の先端は、光路スイッチ３１の別の出力ポートに光結合されている。結合器３３は、少なくとも２つの入力ポートと、少なくとも１つの出力ポートとを有する。第２の光路２０２の末端は、結合器３３の入力ポートに光結合されている。第３の光路２０３の末端は、結合器３３の別の入力ポートに光結合されている。結合器３３の出力ポートは、第１の光路２０１の先端に光結合されている。光路スイッチ３１は、第１の光路２０１から到達したレーザ光の進路として、第２の光路２０２及び第３の光路２０３のうちいずれか一方を選択する。光路スイッチ３１は、上記所定期間では第３の光路２０３を選択し、他の期間では第２の光路２０２を選択する。光路スイッチ３１は、例えば電気光学変調器（ＥＯモジュレータ）及び偏光ビームスプリッタの組み合わせ、音響光学変調器（ＡＯモジュレータ）、又はマッハツェンダー光変調器によって構成され得る。

【0035】

波形制御デバイス３２は、第３の光路２０３上に配置されている。波形制御デバイス３２は、レーザ光の時間波形を制御して、レーザ光を光共振器２０の周期内にある二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列に変換する。波形制御デバイス３２により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長は、互いに等しくてもよく、異なってもよい。光パルス列を構成する各光パルスの強度は、光共振器２０内のノイズより大きければよい。

【0036】

図３は、波形制御デバイス３２の例としてパルスシェーパ３２Ａの構成例を示す図である。このパルスシェーパ３２Ａは、回折格子３２１、レンズ３２２、空間光変調器（ＳＬＭ）３２３、レンズ３２４、及び回折格子３２５を有する。回折格子３２１は本実施形態における分光素子であり、第３の光路２０３を介して光路スイッチ３１の別の出力ポートと光学的に結合されている。ＳＬＭ３２３はレンズ３２２を介して回折格子３２１と光学的に結合されている。回折格子３２１は、超短パルスレーザ光Ｐｂに含まれる複数の波長成分を、波長毎に空間的に分離する。なお、分光素子として、回折格子３２１に代えてプリズム等の他の光学部品を用いてもよい。

【0037】

超短パルスレーザ光Ｐｂは、回折格子３２１に対して斜めに入射し、複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分を含む光Ｐｃは、レンズ３２２によって波長成分毎に集光され、ＳＬＭ３２３の変調面に結像される。レンズ３２２は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。

【0038】

ＳＬＭ３２３は、超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換するために、回折格子３２１から出力された複数の波長成分の位相が相互にずれるように複数の波長成分の位相を変調する。そのために、ＳＬＭ３２３は、図１に示される波形制御用コントローラ４１から制御信号を受けて、超短パルスレーザ光Ｐｂの位相スペクトル変調と強度スペクトル変調とを同時に行う。なお、ＳＬＭ３２３は、位相スペクトル変調のみ、または強度スペクトル変調のみを行ってもよい。ＳＬＭ３２３は、例えば位相変調型である。一実施例では、ＳＬＭ３２３はＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型である。なお、図には透過型のＳＬＭ３２３が示されているが、ＳＬＭ３２３は反射型であってもよい。その場合、回折格子３２１と回折格子３２５とは共通の回折格子によって構成されてもよく、レンズ３２２とレンズ３２４とは共通のレンズによって構成されてもよい。

【0039】

図４は、ＳＬＭ３２３の変調面３２６を示す図である。図４に示すように、変調面３２６には、複数の変調領域３２７が或る方向ＡＡに沿って並んでおり、各変調領域３２７は方向ＡＡと交差する方向ＡＢに延びている。方向ＡＡは、回折格子３２１による分光方向である。この変調面３２６はフーリエ変換面として働き、複数の変調領域３２７のそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。ＳＬＭ３２３は、各変調領域３２７において、入射した各波長成分の位相スペクトル及び強度スペクトルを他の波長成分から独立して変調する。なお、本実施形態のＳＬＭ３２３は位相変調型であるため、強度スペクトル変調は、変調面３２６に呈示される位相パターン（位相画像）によって実現される。

【0040】

ＳＬＭ３２３によって変調された変調光Ｐｄの各波長成分は、レンズ３２４によって回折格子３２５上の一点に集められる。このときのレンズ３２４は、変調光Ｐｄを集光する集光光学系として機能する。レンズ３２４は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。また、回折格子３２５は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、これらのレンズ３２４及び回折格子３２５により、変調光Ｐｄの複数の波長成分は互いに集光・合波されて、二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列Ｐｅとなる。光パルス列Ｐｅに含まれる二つ以上の超短光パルスの本数及び時間間隔は可変であり、ＳＬＭ３２３に提供される波形制御用コントローラ４１からの制御信号を変更することによって自在に設定され得る。

【0041】

再び図１を参照する。光パルス生成装置１Ａは、ポンプレーザ４２と、電流制御器４３と、ファンクションジェネレータ４４と、分割器４５と、光検出器４６と、パルスジェネレータ４７と、を更に備える。

【0042】

ポンプレーザ４２は、光共振器２０と光学的に結合され、光増幅媒質２１に励起光Ｐａを与える光源である。図２に示すように、光共振器２０の第１の光路２０１内には結合器２５が配置されており、ポンプレーザ４２はこの結合器２５を介して光増幅媒質２１と光学的に結合されている。ポンプレーザ４２は、例えばレーザダイオードを含むレーザ装置、固体レーザ、またはファイバレーザによって構成され得る。ポンプレーザ４２と結合器２５とは、例えば光ファイバを介して光学的に結合される。励起光の光強度は可変であり、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど、励起光の光強度は大きく設定される。

【0043】

電流制御器４３は、ポンプレーザ４２と電気的に接続されており、ポンプレーザ４２へ駆動電流Ｊｄを供給するとともに、駆動電流Ｊｄの大きさを制御する。電流制御器４３は、後述するファンクションジェネレータ４４から制御信号Ｓｃ１を受け、その制御信号Ｓｃ１に基づいて駆動電流Ｊｄの大きさを制御する。電流制御器４３は、例えばトランジスタを含むアナログ回路によって構成され得る。

【0044】

ファンクションジェネレータ４４は、電流制御器４３へ制御信号Ｓｃ１を提供する。また、ファンクションジェネレータ４４は、光路スイッチ３１を制御するスイッチ制御部として機能する。すなわち、ファンクションジェネレータ４４は、光路スイッチ３１の制御端子と電気的に接続されており、第２の光路２０２と第３の光路２０３とを切り替えるための制御信号Ｓｃ２を光路スイッチ３１の制御端子に提供する。前述したように、ファンクションジェネレータ４４は、所定期間において第３の光路２０３を選択し、他の期間において第２の光路２０２を選択するように光路スイッチ３１を制御する。

【0045】

分割器４５は、分割器２３の一方の出力ポートと光学的に結合され、光共振器２０から出力されたレーザ光Ｐｏｕｔをレーザ光Ｐｏｕｔ１とレーザ光Ｐｏｕｔ２とに分割する。一方のレーザ光Ｐｏｕｔ１は、光パルス生成装置１Ａの外部へ出力される。他方のレーザ光Ｐｏｕｔ２は、光検出器４６に入力される。分割器４５は、例えばファイバカプラまたはビームスプリッタにより構成され得る。

【0046】

光検出器４６は、光共振器２０から出力されたレーザ光Ｐｏｕｔを検出して、電気的な検出信号Ｓｄを生成する。本実施形態では、光検出器４６は、分割器４５によりレーザ光Ｐｏｕｔから分割された一方のレーザ光Ｐｏｕｔ２の光強度に応じた電気的な検出信号Ｓｄを生成する。光検出器４６は、例えばフォトダイオードまたは光電子増倍管を含んで構成され得る。光検出器４６は、主に超短パルスレーザであるレーザ光Ｐｏｕｔの出力タイミングを検知するために用いられる。

【0047】

パルスジェネレータ４７は、光検出器４６と電気的に接続されている。パルスジェネレータ４７は、光検出器４６から検出信号Ｓｄを受け、検出信号Ｓｄと同期したパルス信号である同期信号Ｓｙを生成する。パルスジェネレータ４７は、生成した同期信号Ｓｙをファンクションジェネレータ４４に提供する。ファンクションジェネレータ４４は、この同期信号Ｓｙに基づいて、光路スイッチ３１の切り替えタイミング（具体的には、第３の光路２０３を選択するタイミング）、および駆動電流Ｊｄの大きさを変更するタイミングを決定する。

【0048】

続いて、上記の構成を備える本実施形態の光パルス生成装置１Ａの動作とともに、本実施形態に係る光パルス生成方法について説明する。図５は、光パルス生成方法を示すフローチャートである。図６～図９は、光パルス生成装置１Ａの動作における各段階を示す図である。

【0049】

まず、ファンクションジェネレータ４４は、光路スイッチ３１を、波形制御デバイス３２を通過しない光路、すなわち第２の光路２０２に設定する（図５のステップＳＴ１１）。なお、各図において矢印Ｂは光路スイッチ３１の選択方向を示す。次に、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光共振器２０内にてレーザ光が単一パルスで発振する光強度に設定する。そして、ポンプレーザ４２により光共振器２０内の光増幅媒質２１に励起光Ｐａを与え、光増幅媒質２１の励起を開始する（図５のステップＳＴ１２）。励起を開始した当初は、図６（ａ）に示すように、ノイズを多く含む光Ｐｎが光共振器２０内を周回する。図６（ｂ）に示すように、時間の経過と共にノイズの中から１つの光パルスが増幅され、単一の光パルスからなる超短パルスレーザ光Ｐｂが光共振器２０内で生成及び増幅される（レーザ光生成ステップ）。超短パルスレーザ光Ｐｂは、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される。

【0050】

図７（ａ）に示すように、ファンクションジェネレータ４４は、光路スイッチ３１を、波形制御デバイス３２を通過する光路、すなわち第３の光路２０３に設定する（図５のステップＳＴ１３）。光共振器２０内を周回している超短パルスレーザ光Ｐｂは、これにより波形制御デバイス３２に導かれる。

【0051】

波形制御デバイス３２は、超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御して、図７（ｂ）に示すように、超短パルスレーザ光Ｐｂを、光共振器２０の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列Ｐｅに変換する（波形制御ステップ、図５のステップＳＴ１４）。前述したように、この光パルス列Ｐｅに含まれる二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔は、波形制御用コントローラ４１によって自在に制御される。二つ以上の光パルスの時間間隔は、例えば１０フェムト秒以上１０ナノ秒以下である。各光パルスの半値全幅は、例えば１０フェムト秒以上１ナノ秒以下である。各光パルスの強度は、光共振器２０内のノイズより大きければよい。このステップＳＴ１４により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長は、互いに等しくてもよく、異なってもよい。

【0052】

光路スイッチ３１を第３の光路２０３に設定してから所定期間が経過した後、ファンクションジェネレータ４４は、光路スイッチ３１を、波形制御デバイス３２を通過しない光路、すなわち第２の光路２０２に再設定する（図８（ａ）、図５のステップＳＴ１５）。光共振器２０内に導入された光パルス列Ｐｅは、これにより第１の光路２０１及び第２の光路２０２からなる光共振器内に閉じ込められる。前述したように、所定期間は、例えば光共振器２０内を光パルスが一周回する時間である。この場合、所定期間において、光パルス列Ｐｅへの変換操作は１回のみ行われる。或いは、所定期間は、光共振器２０内を光パルスが複数回にわたって周回する時間であってもよい。この場合、所定期間において、光パルス列Ｐｅへの変換操作は複数回にわたって行われる。

【0053】

ファンクションジェネレータ４４は、電流制御器４３を通じて、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数に応じた光強度に変更する（図８（ｂ）、図５のステップＳＴ１６）。このとき、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど、励起光Ｐａの光強度を大きくする。典型的には、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数がＮ（Ｎは２以上の整数）である場合、励起光Ｐａの光強度は、単一の光パルスからなる超短パルスレーザ光Ｐｂを生成する際の励起光Ｐａの光強度のＮ倍である。なお、ステップＳＴ１５及びＳＴ１６の順序は互いに入れ替わってもよい。

【0054】

その後、図９に示すように、光パルス列Ｐｅは光共振器２０内においてレーザ増幅され、超短パルスレーザ光Ｐｂとは別の、二以上の光パルスを含む超短パルスレーザ光となる。この超短パルスレーザ光は、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される（出力ステップ、図５のステップＳＴ１７）。

【0055】

二以上の光パルスを含む超短パルスレーザ光を任意の時間だけ光共振器２０から出力したのち、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの時間間隔、又はその双方を変更するか否かを判断する（図５のステップＳＴ１８）。これらの何れも変更しない場合（ステップＳＴ１８；ＮＯ）、励起光Ｐａを消光して光パルス生成装置１Ａの動作を終了する。これらのうち何れかを変更する場合（ステップＳＴ１８；ＹＥＳ）、ファンクションジェネレータ４４は、電流制御器４３を通じて、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、単一の光パルスに対応する光強度に変更（減光）する（図５のステップＳＴ１９）。これにより、光共振器２０内にてレーザ発振する光パルスの本数が一つに減少し、該一つの光パルスが光共振器２０内にてレーザ光として増幅される。その後、ステップＳＴ１３～ＳＴ１８を繰り返す。

【0056】

以上の構成を備える本実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法によって得られる効果について説明する。モード同期型の光共振器では、光増幅媒質が励起されると、レーザ光である超短光パルスが周期的に生成されて出力される。そして、励起光強度などの発振条件によっては、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスが生成される。しかしながら、これまでの報告では、二つ以上の超短光パルスの時間間隔はランダムであり、時間間隔を制御することは実現されていなかった。そこで、本発明者は、このランダムな時間間隔及び本数を自在に制御する方式を検討した。その結果、モード同期型の光共振器内において瞬間的な波形制御を行うことにより、超短光パルスの時間間隔及び本数を自在に変更可能であることを見出した。

【0057】

すなわち、本実施形態の光パルス生成装置１Ａでは、モード同期型の光共振器２０内に波形制御部３０が設けられている。波形制御部３０は、所定期間内に超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御して、超短パルスレーザ光Ｐｂを二つ以上の光パルスを含む光パルス列Ｐｅに変換する。同様に、本実施形態の光パルス生成方法では、波形制御ステップＳＴ１４において、光共振器２０内の超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を所定期間内に制御し、超短パルスレーザ光Ｐｂを、光共振器２０の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列Ｐｅに変換する。これらの場合、光増幅媒質２１に適切な大きさの励起光Ｐａを与え続けると、光共振器２０内において光パルス列Ｐｅが増幅され、レーザ光Ｐｏｕｔとして出力される。このレーザ光Ｐｏｕｔに含まれる光パルスの本数は、当初の光パルス列Ｐｅにおける光パルスの本数と一致する。また、このレーザ光Ｐｏｕｔに含まれる光パルスの時間間隔は、当初の光パルス列Ｐｅにおける光パルスの時間間隔と一致するか、又は、当初の光パルス列Ｐｅにおける光パルスの時間間隔から理論的に算出される時間間隔と一致する。従って、本実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法によれば、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光Ｐｏｕｔを、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して再現性良く出力することができる。

【0058】

本実施形態のように、二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔は可変であってもよい。そして、出力ステップＳＴ１７ののち、二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔のうち少なくとも一方を変更して、波形制御ステップＳＴ１４及び出力ステップＳＴ１７を繰り返してもよい。前述したように、バーストレーザ加工等においては、パルス列のパルス本数およびパルス同士の時間間隔が重要なパラメータとなる。光パルス同士の時間間隔が１ナノ秒未満である超短パルス列は、例えば干渉計を用いても生成され得る。しかし、干渉計を用いる方法ではパルス列のパルス本数およびパルス同士の時間間隔の変更に手間がかかり、これらを頻繁に変更することはスループットの低下につながる。したがって、干渉計を用いる方法は、一定の対象物に同一の加工を繰り返し行う場合には適しているが、対象物の様々な材料、形状に応じて加工条件を最適化しながら加工を繰り返し行う場合には実用上不適である。これに対し、本実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法では、増幅前の光パルス列Ｐｅの光強度は、図６（ａ）に示す光Ｐｎのノイズより大きい程度であればよいため、波形制御部３０において生成される光パルス列Ｐｅのパルス本数及び時間間隔を可変とすることは、例えば図３に示されたパルスシェーパ３２Ａなどを用いて容易に実現可能である。従って、本実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法によれば、対象物の様々な材料、形状に応じて加工条件を最適化しながら加工を繰り返し行うことを容易にできる。

【0059】

本実施形態のように、二つ以上の光パルスの本数が可変である場合、励起光Ｐａの光強度が可変であり、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど励起光Ｐａの光強度が大きくてもよい。また、二つ以上の光パルスの本数を変更しつつ波形制御ステップＳＴ１４及び出力ステップＳＴ１７を繰り返す場合、出力ステップにおいて（より正確には、出力ステップより前のステップＳＴ１６において）、光増幅媒質２１へ与える励起光Ｐａの光強度を、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど大きくしてもよい。光パルスの本数に対して励起光Ｐａの光強度が小さ過ぎると、一部の光パルスが十分に増幅されずに消えてしまうおそれがある。また、光パルスの本数に対して励起光Ｐａの光強度が大き過ぎると、光パルス列Ｐｅと関係の無いノイズの一部が増幅されて光パルスの本数が意図せず増えてしまうおそれがある。上記のように、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど励起光Ｐａの光強度を大きくすることによって、光パルスの本数に応じて適切な光強度の励起光Ｐａを光増幅媒質２１に与えることが可能になる。

【0060】

本実施形態のように、出力ステップＳＴ１７ののち波形制御ステップＳＴ１４を繰り返す前に、光増幅媒質２１へ与える励起光Ｐａの光強度を、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数に対応する大きさから一つの光パルスに対応する大きさに変更することにより、光パルスの本数を一つに減少させ、該一つの光パルスを光共振器２０内にて超短パルスレーザ光Ｐｂとして増幅してもよい。このように、波形制御ステップＳＴ１４において二つ以上の光パルスを生成する前に必ず光パルスの本数を一つのみに減じることにより、その後の波形制御ステップＳＴ１４において任意の数の光パルスを安定して生成することができる。なお、後述するシミュレーションによれば、励起光Ｐａの光強度を、二つ以上の光パルスに対応する光強度から単一の光パルスに対応する光強度に減じると、二つ以上の光パルスのうち一つを残して他の光パルスは消滅する。

【0061】

本実施形態のように、波形制御部３０は、光路スイッチ３１と、超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御して超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換する波形制御デバイス３２と、を有してもよい。光共振器２０は、光路スイッチ３１の１つの入力ポートに光結合された一端を有する第１の光路２０１と、光路スイッチ３１の１つの出力ポートに光結合された一端、および第１の光路２０１の他端に光結合された他端を有する第２の光路２０２と、光路スイッチ３１の他の１つの出力ポートに光結合された一端、および第１の光路２０１の他端に光結合された他端を有する第３の光路２０３と、を含んでもよい。そして、光増幅媒質２１及び過飽和吸収体２４は第１の光路２０１上に配置され、波形制御デバイス３２は第３の光路２０３上に配置され、光路スイッチ３１は、所定期間では第３の光路２０３を選択し、他の期間では第２の光路２０２を選択してもよい。この場合、波形制御部３０が所定期間内に限って光共振器２０内のレーザ光の時間波形を制御することを容易に実現することができる。

【0062】

本実施形態のように、光パルス生成装置１Ａは、光共振器２０と光学的に結合され、光共振器２０から出力されたレーザ光Ｌｏｕｔを検出して電気的な検出信号Ｓｄを生成する光検出器４６と、光路スイッチ３１を制御するスイッチ制御部としてのファンクションジェネレータ４４と、を更に備えてもよい。そして、ファンクションジェネレータ４４は、光検出器４６からの検出信号Ｓｄに基づいて、第３の光路２０３を選択するタイミングを決定してもよい。この場合、光路スイッチ３１における光路の切り替えタイミングを安定して制御することができる。

【0063】

本実施形態のように、光共振器２０は、所定期間の前に単一パルスの超短パルスレーザ光Ｐｂを生成してもよい。そして、波形制御部３０は、超短パルスレーザ光Ｐｂを分光する分光素子としての回折格子３２１と、分光後の光Ｐｃの強度スペクトルもしくは位相スペクトル、又はその双方に対して、超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換するための変調を行い、変調光Ｐｄを出力するＳＬＭ３２３と、変調光Ｐｄを集光して光パルス列Ｐｅを出力する合波光学系としての回折格子３２５と、を有してもよい。例えばこのような波形制御部３０によって、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列Ｐｅを、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して生成することができる。

【0064】

前述したように、波形制御部３０により変換された直後（または波形制御ステップＳＴ１４により変換された直後）の二つ以上の光パルスの中心波長は、互いに等しくてもよく、互いに異なってもよい。中心波長が互いに等しい場合、光共振器２０内の波長分散の影響を受けることなく、変換当初の光パルスの時間間隔を維持することができる。また、中心波長が互いに異なる場合、光共振器２０内の波長分散の影響を受けて、光パルスの時間間隔は変換後に次第に広がる。そして、後述するシミュレーションによれば、各光パルスの中心波長は時間経過とともに次第に一つの波長に収束するので、光パルスの時間間隔は或る大きさ以上は広がらない。また、その時間間隔の大きさは、波長分散などのパラメータを用いて予め算出され得る。従って、本実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法によれば、波形制御部３０（または波形制御ステップＳＴ１４）において実現可能なパルス間隔よりも大きなパルス間隔を有するレーザ光Ｌｏｕｔを出力することができる。

【0065】

本実施形態のように、光共振器２０内を周回するレーザ光の時間波形は、所定期間内に１回のみ制御されてもよく、或いは、所定期間内に複数回にわたって制御されてもよい。特に、変換直後の二つ以上の光パルスの中心波長が互いに異なる場合、所定期間内にレーザ光の時間波形が複数回にわたって制御されることにより、その間に光パルスの時間間隔が広がり、より広いパルス間隔のレーザ光を出力することができる。

【0066】

ここで、図３に示されたパルスシェーパ３２ＡのＳＬＭ３２３における、単一パルスの超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換するための変調方法について詳細に説明する。レンズ３２４よりも前の領域（スペクトル領域）と、回折格子３２５よりも後ろの領域（時間領域）とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調は、時間領域における時間強度波形に影響する。従って、パルスシェーパ３２Ａからの出力光は、ＳＬＭ３２３の変調パターンに応じた、超短パルスレーザ光Ｐｂとは異なる様々な時間強度波形を有することができる。

【0067】

図１０（ａ）は、一例として、単パルス状の超短パルスレーザ光Ｐｂのスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ１１及びスペクトル強度Ｇ１２）を示し、図１０（ｂ）は、その超短パルスレーザ光Ｐｂの時間強度波形を示す。また、図１１（ａ）は、一例として、ＳＬＭ３２３において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときのパルスシェーパ３２Ａからの出力光のスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ２１及びスペクトル強度Ｇ２２）を示し、図１１（ｂ）は、該出力光の時間強度波形を示す。図１０（ａ）及び図１１（ａ）において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、左の縦軸は強度スペクトルの強度値（任意単位）を示し、右の縦軸は位相スペクトルの位相値（ｒａｄ）を示す。また、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）において、横軸は時間（フェムト秒）を表し、縦軸は光強度（任意単位）を表す。

【0068】

この例では、矩形波状の位相スペクトル波形を出力光に与えることにより、超短パルスレーザ光Ｐｂのシングルパルスが、高次光を伴うダブルパルスに変換されている。なお、図１１に示されるスペクトル及び波形は一つの例であって、様々な位相スペクトル及び強度スペクトルの組み合わせにより、パルスシェーパ３２Ａからの出力光の時間強度波形を様々な形状に整形することができる。

【0069】

パルスシェーパ３２Ａの出力光の時間強度波形を所望の波形に近づけるための位相変調パターンは、ＳＬＭ３２３を制御するためのデータ、すなわち複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度のテーブルを含むデータとして構成される。変調パターンは、例えば、計算機合成ホログラム（Computer-Generated Holograms(CGH)）である。本実施形態では、所望の波形を得る為の位相スペクトルを出力光に与える位相変調用の位相パターンと、所望の波形を得る為の強度スペクトルを出力光に与える強度変調用の位相パターンとを含む位相パターンをＳＬＭ３２３に呈示させる。

【0070】

ここで、所望の時間強度波形は時間領域の関数として表され、位相スペクトルは周波数領域の関数として表される。従って、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトルは、例えば、所望の時間強度波形に基づく反復フーリエ変換によって得られる。図１２は、反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。

【0071】

まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Ψ₀（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Ψ₀（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_n（ω）を含む周波数領域の波形関数（ａ）を用意する（図中の処理番号（２））。

【数1】

添え字ｎは、第ｎ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψ_n（ω）として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ₀（ω）が用いられる。ｉは虚数である。

【0072】

続いて、上記関数（ａ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ１）。これにより、時間強度波形関数ｂ_n（ｔ）及び時間位相波形関数Θ_n（ｔ）を含む周波数領域の波形関数（ｂ）が得られる（図中の処理番号（３））。

【数2】

【0073】

続いて、上記関数（ｂ）に含まれる時間強度波形関数ｂ_n（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。

【数3】

【数4】

【0074】

続いて、上記関数（ｄ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ２）。これにより、強度スペクトル関数Ｂ_n（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_n（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｅ）が得られる（図中の処理番号（６））。

【数5】

【0075】

続いて、上記関数（ｅ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ_n（ω）を拘束するため、初期の強度スペクトル関数Ａ₀（ω）に置き換える（図中の処理番号（７））。

【数6】

【0076】

以降、上記の処理（２）～（７）を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψ_n（ω）が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数Ψ_IFTA（ω）に基づいて、所望の時間強度波形、すなわち二以上の光パルスを含む光パルス列Ｐｅを得るための変調パターンが作成される。

【0077】

上述したような反復フーリエ法では、時間強度波形を制御することはできるが、時間強度波形を構成する周波数成分（帯域波長）を制御することはできない。そこで、光パルス列Ｐｅを構成する二以上の光パルスの中心波長を互いに異ならせる場合には、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数及び強度スペクトル関数を算出する。図１３は、位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。

【0078】

まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Φ₀（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Φ₀（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び位相スペクトル関数Φ₀（ω）を含む周波数領域の第１波形関数（ｇ）を用意する（処理番号（２－ａ））。但し、ｉは虚数である。

【数7】

【0079】

続いて、上記関数（ｇ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ３）。これにより、時間強度波形関数ａ₀（ｔ）及び時間位相波形関数φ₀（ｔ）を含む時間領域の第２波形関数（ｈ）が得られる（処理番号（３））。

【数8】

【0080】

続いて、次の数式（ｉ）に示されるように、時間強度波形関数ｂ₀（ｔ）に、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）を代入する（処理番号（４－ａ））。

【数9】

【0081】

続いて、次の数式（ｊ）に示されるように、時間強度波形関数ａ₀（ｔ）を時間強度波形関数ｂ₀（ｔ）で置き換える。すなわち、上記関数（ｈ）に含まれる時間強度波形関数ａ₀（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）に置き換える（処理番号（５））。

【数10】

【0082】

続いて、置き換え後の第２波形関数（ｊ）のスペクトログラムが、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムに近づくように第２波形関数を修正する。まず、置き換え後の第２波形関数（ｊ）に対して時間－周波数変換を施すことにより、第２波形関数（ｊ）をスペクトログラムＳＧ_0,k（ω，ｔ）に変換する（図中の処理番号（５－ａ））。添え字ｋは、第ｋ回目の変換処理を表す。

【0083】

ここで、時間－周波数変換とは、時間波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理（窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理）を施し、時間、周波数、信号成分の強さ（スペクトル強度）からなる３次元情報に変換することをいう。また、本実施形態では、その変換結果（時間、周波数、スペクトル強度）を「スペクトログラム」と定義する。時間－周波数変換としては、例えば、短時間フーリエ変換（Short-Time Fourier Transform；ＳＴＦＴ）やウェーブレット変換（ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、モルレーウェーブレット変換）などがある。

【0084】

また、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）を取得する。このターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分）と概ね同値であり、処理番号（５－ｂ）のターゲットスペクトログラム関数において生成される。

【0085】

次に、スペクトログラムＳＧ_0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）とのパターンマッチングを行い、類似度（どの程度一致しているか）を調べる。本実施形態では、類似度を表す指標として、評価値を算出する。そして、続く処理番号（５－ｃ）では、得られた評価値が、所定の終了条件を満たすか否かの判定を行う。条件を満たせば処理番号（６）へ進み、満たさなければ処理番号（５－ｄ）へ進む。処理番号（５－ｄ）では、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ₀（ｔ）を任意の時間位相波形関数φ_0,k（ｔ）に変更する。時間位相波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。

【0086】

以降、上述した処理番号（５－ａ）～（５－ｄ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ_0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。その後、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｋ）を生成する（処理番号（６））。

【数11】

この第３波形関数（ｋ）に含まれる位相スペクトル関数Φ_0,k（ω）が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数Φ_TWC-TFD（ω）となる。この位相スペクトル関数Φ_TWC-TFD（ω）に基づいて、変調パターンが作成される。

【0087】

図１４は、スペクトル強度の計算手順を示す図である。なお、処理番号（１）から処理番号（５－ｃ）までは、上述したスペクトル位相の計算手順と同様なので説明を省略する。

【0088】

スペクトログラムＳＧ_0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）との類似度を示す評価値が所定の終了条件を満たさない場合、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ₀（ｔ）は初期値で拘束しつつ、時間強度波形関数ｂ₀（ｔ）を任意の時間強度波形関数ｂ_0,k（ｔ）に変更する（処理番号（５－ｅ））。時間強度波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。

【0089】

以降、処理番号（５－ａ）～（５－ｃ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ_0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。その後、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｍ）を生成する（処理番号（６））。

【数12】

【0090】

続いて、処理番号（７－ｂ）では、第３波形関数（ｍ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ_0,k（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｂ_0,k（ω）に係数αを乗じた強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。全ての波長域において、強度スペクトル関数αＢ_0,k（ω）が入力光のスペクトル強度を超えないようにするためである。

【0091】

一例では、波長毎のカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（本実施形態では初期の強度スペクトル関数Ａ₀（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｎ）に示されるように、強度スペクトル関数αＢ_0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ₀（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａ_TWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ₀（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数αＢ_0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ₀（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａ_TWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数αＢ_0,k（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７－ｂ））。

【数13】

この強度スペクトル関数Ａ_TWC-TFD（ω）が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターンの生成に用いられる。

【0092】

そして、位相スペクトル関数Φ_TWC-TFD（ω）により示されるスペクトル位相と、強度スペクトル関数Ａ_TWC-TFD（ω）により示されるスペクトル強度とを出力光に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する。図１５は、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）の生成手順の一例を示す図である。ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分（波長帯域成分））を示すので、ターゲットスペクトログラムの作成は、周波数成分（波長帯域成分）を制御するために極めて重要な工程である。

【0093】

図１５に示されるように、まずスペクトル波形（初期の強度スペクトル関数Ａ₀（ω）及び初期の位相スペクトル関数Φ₀（ω））、並びに所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）を入力する。また、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ₀（ｔ）を入力する（処理番号（１））。次に、例えば図１２に示された反復フーリエ変換法を用いて、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）を実現するための位相スペクトル関数Φ_IFTA（ω）を算出する（処理番号（２））。続いて、先に得られた位相スペクトル関数Φ_IFTA（ω）を利用した反復フーリエ変換法により、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）を実現するための強度スペクトル関数Ａ_IFTA（ω）を算出する（処理番号（３））。ここで、図１６は、強度スペクトル関数Ａ_IFTA（ω）を算出する手順の一例を示す図である。

【0094】

まず、初期の強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ₀（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。次に、強度スペクトル関数Ａ_k（ω）及び位相スペクトル関数Ψ₀（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｏ）を用意する（図中の処理番号（２））。

【数14】

添え字ｋは、第ｋ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ａ_k（ω）として上記の初期強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。

【0095】

続いて、上記関数（ｏ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ５）。これにより、時間強度波形関数ｂ_k（ｔ）を含む周波数領域の波形関数（ｐ）が得られる（図中の処理番号（３））。

【数15】

【0096】

続いて、上記関数（ｐ）に含まれる時間強度波形関数ｂ_k（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。

【数16】

【数17】

【0097】

続いて、上記関数（ｒ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ６）。これにより、強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_k（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｓ）が得られる（図中の処理番号（６））。

【数18】

【0098】

続いて、上記関数（ｓ）に含まれる位相スペクトル関数Ψ_k（ω）を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ₀（ω）に置き換える（図中の処理番号（７－ａ））。

【数19】

【0099】

また、逆フーリエ変換後の周波数領域における強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）により表される強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる各波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。

【0100】

一例では、波長毎のカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（例えば初期の強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｕ）に示されるように、強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）が強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａ_k（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）が強度スペクトル関数Ａ_k=0（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａ_k（ω）の値として強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７－ｂ））。

【数20】

上記関数（ｓ）に含まれる強度スペクトル関数Ｃ_k（ω）を、上記数式（ｕ）によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ａ_k（ω）に置き換える。

【0101】

以降、上記の処理（２）～（７－ｂ）を繰り返し行うことにより、波形関数中の強度スペクトル関数Ａ_k（ω）が表す強度スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する強度スペクトル形状に近づけることができる。最終的に、強度スペクトル関数Ａ_IFTA（ω）が得られる。

【0102】

再び図１５を参照する。以上に説明した処理番号（２）、（３）における位相スペクトル関数Φ_IFTA（ω）及び強度スペクトル関数Ａ_IFTA（ω）の算出によって、これらの関数を含む周波数領域の第３波形関数（ｖ）が得られる（処理番号（４））。

【数21】

【0103】

次に、上の波形関数（ｖ）をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第４波形関数（ｗ）が得られる（処理番号（５））。

【数22】

【0104】

次に、時間－周波数変換により第４波形関数（ｗ）をスペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）に変換する（処理番号（６））。そして、処理番号（７）では、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ₀（ｔ）を基にスペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）を修正することにより、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）を生成する。例えば、２次元データにより構成されるスペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）に現れる特徴的パターンを部分的に切り出し、時間関数ｐ₀（ｔ）を基に当該部分の周波数成分の操作を行う。以下、その具体例について詳細に説明する。

【0105】

例えば、所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ₀（ｔ）として時間間隔が２ピコ秒であるトリプルパルスを設定した場合について考える。このとき、スペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）は、図１７（ａ）に示されるような結果となる。なお、図１７（ａ）において横軸は時間（単位：フェムト秒）を示し、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。このスペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）において、トリプルパルスは２ピコ秒間隔で時間軸上に分かれたドメインＤ₁、Ｄ₂、及びＤ₃として現れる。ドメインＤ₁、Ｄ₂、及びＤ₃の中心（ピーク）波長は８００ｎｍである。

【0106】

仮に出力光の時間強度波形のみを制御したい（単にトリプルパルスを得たい）場合には、これらのドメインＤ₁、Ｄ₂、及びＤ₃を操作する必要はない。しかし、各パルスの周波数（波長）帯域を制御したい場合には、これらのドメインＤ₁、Ｄ₂、及びＤ₃の操作が必要となる。すなわち、図１７（ｂ）に示されるように、波長軸（縦軸）に沿った方向に各ドメインＤ₁、Ｄ₂、及びＤ₃を互いに独立して移動させることは、それぞれのパルスの構成周波数（波長帯域）を変更することを意味する。このような各パルスの構成周波数（波長帯域）の変更は、時間関数ｐ₀（ｔ）を基に行われる。

【0107】

例えば、ドメインＤ₂のピーク波長を８００ｎｍで据え置き、ドメインＤ₁及びＤ₃のピーク波長がそれぞれ－２ｎｍ、＋２ｎｍだけ平行移動するように時間関数ｐ₀（ｔ）を記述するとき、スペクトログラムＳＧ_IFTA（ω，ｔ）は、図１７（ｂ）に示されるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ₀（ω，ｔ）に変化する。例えばスペクトログラムにこのような処理を施すことによって、時間強度波形の形状を変えずに、各パルスの構成周波数（波長帯域）が任意に制御されたターゲットスペクトログラムを作成することができる。
（第１変形例）

【0108】

図１８は、上記実施形態の第１変形例に係る光パルス生成装置１Ａの動作及び光パルス生成方法を示すフローチャートである。上記実施形態では、励起光Ｐａの光強度を単一パルスの超短パルスレーザ光Ｐｂが生成される光強度とし、この単一パルスの超短パルスレーザ光Ｐｂを波形制御デバイス３２が光パルス列Ｐｅに変換している。これに対し、本変形例では、励起光Ｐａの光強度を連続波のレーザ光（連続光）が生成される光強度とし、波形制御デバイス３２は、この連続波のレーザ光の強度を変調することによりレーザ光を光パルス列Ｐｅに変換する。この場合、波形制御デバイス３２は、ＥＯＭ（Electro Optic Modulator）または集積化制御チップによって構成され得る。

【0109】

ＥＯＭは、電気光学効果を利用した強度変調素子である。ＥＯＭは、光強度を高速で変調することが可能であり、連続波のレーザ光の強度を変調することによりレーザ光を任意の光パルス列Ｐｅに変換することができる。集積化制御チップは、例えばＥＯＭやマッハツェンダー干渉計、ＣＭＯＳ回路を一枚の基板上に集積化し小型化したものである。

【0110】

図１８に示すように、本変形例では、まず、光路スイッチ３１を第２の光路２０２に設定する（ステップＳＴ２１）。次に、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光共振器２０内にてレーザ光が連続波発振する光強度に設定する。そして、ポンプレーザ４２により光共振器２０内の光増幅媒質２１に励起光Ｐａを与え、光増幅媒質２１の励起を開始する（ステップＳＴ２２）。これにより、光共振器２０内にて連続波のレーザ光が生成及び増幅される（レーザ光生成ステップ）。このレーザ光は、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される。

【0111】

次に、光路スイッチ３１を第３の光路２０３に設定する（ステップＳＴ２３）。光共振器２０内にてレーザ発振していたレーザ光は、これにより波形制御デバイス３２に導かれる。波形制御デバイス３２は、レーザ光の時間波形を制御して、このレーザ光を、光共振器２０の周期内にある二つ以上の光パルスを含む光パルス列Ｐｅに変換する（波形制御ステップＳＴ２４）。このステップＳＴ２４により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長は、互いに等しい。

【0112】

光路スイッチ３１を第３の光路２０３に設定してから所定期間が経過した後、光路スイッチ３１を第２の光路２０２に再設定する（ステップＳＴ２５）。光共振器２０内に導入された光パルス列Ｐｅは、これにより第１の光路２０１及び第２の光路２０２からなる光共振器内に閉じ込められる。なお、所定期間の長さは上記実施形態と同様である。

【0113】

次に、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数に応じた光強度に変更する（ステップＳＴ２６）。上記実施形態と同様に、このとき、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど、励起光Ｐａの光強度を大きくする。典型的には、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数がＮ（Ｎは２以上の整数）である場合、励起光Ｐａの光強度は、単一の光パルスからなる超短パルスレーザ光Ｐｂを生成する際の励起光Ｐａの光強度のＮ倍である。なお、ステップＳＴ２５及びＳＴ２６の順序は互いに入れ替わってもよい。

【0114】

その後、光パルス列Ｐｅは光共振器２０内においてレーザ増幅され、二以上の光パルスを含む超短パルスレーザ光となる。超短パルスレーザ光は、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される（出力ステップＳＴ２７）。

【0115】

超短パルスレーザ光を任意の時間だけ光共振器２０から出力したのち、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの時間間隔、又はその双方を変更するか否かを判断する（ステップＳＴ２８）。これらの何れも変更しない場合（ステップＳＴ２８；ＮＯ）、励起光Ｐａを消光して光パルス生成装置１Ａの動作を終了する。これらのうち何れかを変更する場合（ステップＳＴ２８；ＹＥＳ）、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、連続波に対応する光強度に変更する（ステップＳＴ２９）。これにより、光共振器２０内にて連続波のレーザ光が再び生成・増幅される。その後、ステップＳＴ２３～ＳＴ２８を繰り返す。

【0116】

本変形例のように、光共振器２０は、所定期間の前に連続波のレーザ光を生成してもよい。そして、波形制御部３０は、レーザ光の強度を変調することによりレーザ光を光パルス列Ｐｅに変換してもよい。例えばこのような波形制御部３０によっても、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列Ｐｅを、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して生成することができる。

【0117】

なお、上記の例では第２の光路２０２及び第３の光路２０３を光路スイッチ３１により選択する構成を採用しているが、本変形例のように連続波のレーザ光を光パルス列Ｐｅに変換する場合、高速変調可能な波形制御デバイス３２を用いて、光路スイッチ３１及び第２の光路２０２を無くすことも可能である。この場合、波形制御デバイス３２をレーザ光が常に通過することとなるが、変調の有／無を高速に制御可能であるため、極めて短時間である所定期間内での１回又は数回のみの変換動作も可能である。
（第２変形例）

【0118】

図１９は、上記実施形態の第２変形例に係る光パルス生成装置１Ｂの構成を示すブロック図である。本変形例の光パルス生成装置１Ｂは、上記実施形態の波形制御部３０に代えて波形制御部３４を備える点である。波形制御部３４は、偏光スイッチ３５と、変更依存型の波形制御デバイス３６とを有する。なお、本変形例では、光共振器２０は第２の光路２０２を有しておらず、波形制御部３４は光路スイッチ３１を有していない。すなわち、光共振器２０の光路は第１の光路２０１及び第３の光路２０３のみによって構成され、偏光スイッチ３５及び波形制御デバイス３６は光共振器２０内において第３の光路２０３上に配置されている。

【0119】

偏光スイッチ３５は、光共振器２０内を周回する超短パルスレーザ光Ｐｂの偏光面を制御する。偏光スイッチ３５は、波形制御を行う所定期間においては超短パルスレーザ光Ｐｂの偏光面を第１の偏光面（例えばｐ偏光面及びｓ偏光面のうち一方）とし、他の期間においては超短パルスレーザ光Ｐｂの偏光面を第１の偏光面と異なる第２の偏光面（例えばｐ偏光面及びｓ偏光面のうち他方）とする。偏光スイッチ３５は、上記実施形態の光路スイッチ３１と同様のタイミングにて、ファンクションジェネレータ４４（スイッチ制御部）によって制御される。ファンクションジェネレータ４４は、上記実施形態と同様に、光検出器４６からの検出信号Ｓｄに基づいて、超短パルスレーザ光Ｐｂの偏光面を第１の偏光面とするタイミングを決定する。これにより、偏光スイッチ３５における偏光の切り替えタイミングを安定して制御することができる。偏光スイッチ３５は、例えばＥＯＭによって構成され得る。

【0120】

波形制御デバイス３６は、超短パルスレーザ光Ｐｂが第１の偏光面を有する場合には超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御して超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換するが、超短パルスレーザ光Ｐｂが第２の偏光面を有する場合には超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御しない。このような波形制御デバイス３６は、例えば図３に示されたパルスシェーパ３２ＡにおいてＳＬＭ３２３を偏光依存型、例えば液晶型のＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）－ＳＬＭとすることによって容易に実現可能である。すなわち、超短パルスレーザ光Ｐｂが第１の偏光面を有する場合には分光後の光ＰｃをＳＬＭ３２３が位相変調し、超短パルスレーザ光Ｐｂが第２の偏光面を有する場合には分光後の光ＰｃをＳＬＭ３２３が単に透過させる。

【0121】

図２０は、本変形例の光パルス生成装置１Ｂの動作及び光パルス生成方法を示すフローチャートである。まず、ファンクションジェネレータ４４は、偏光スイッチ３５を、波形制御デバイス３６において波形制御されない偏光面、すなわち第２の偏光面に設定する（ステップＳＴ３１）。次に、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光共振器２０内にてレーザ光が単一パルスで発振する光強度に設定する。そして、ポンプレーザ４２により光共振器２０内の光増幅媒質２１に励起光Ｐａを与え、光増幅媒質２１の励起を開始する（ステップＳＴ３２）。これにより、単一の光パルスからなる超短パルスレーザ光Ｐｂが光共振器２０内で生成及び増幅される（レーザ光生成ステップ）。超短パルスレーザ光Ｐｂは、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される。

【0122】

次に、ファンクションジェネレータ４４は、偏光スイッチ３５を、波形制御デバイス３６において波形制御される偏光面、すなわち第１の偏光面に設定する（ステップＳＴ３３）。これにより、波形制御デバイス３６において超短パルスレーザ光Ｐｂの波形制御が可能となる。

【0123】

波形制御デバイス３６は、超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御して、超短パルスレーザ光Ｐｂを光パルス列Ｐｅに変換する（波形制御ステップＳＴ３４）。この光パルス列Ｐｅに含まれる二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔は、波形制御用コントローラ４１によって自在に制御される。このステップＳＴ３４により変換された直後の二つ以上の光パルスの中心波長は、互いに等しくてもよく、異なってもよい。

【0124】

偏光スイッチ３５を第１の偏光面に設定してから所定期間が経過した後、ファンクションジェネレータ４４は、偏光スイッチ３５を、波形制御デバイス３６において波形制御されない偏光面、すなわち第２の偏光面に再設定する（ステップＳＴ３５）。光パルス列Ｐｅは、これにより波形制御デバイス３６を単に通過するのみとなる。なお、所定期間の長さは上記実施形態と同様である。

【0125】

次に、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数に応じた光強度に変更する（ステップＳＴ３６）。上記実施形態と同様に、このとき、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数が多いときほど、励起光Ｐａの光強度を大きくする。典型的には、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数がＮ（Ｎは２以上の整数）である場合、励起光Ｐａの光強度は、単一の光パルスからなる超短パルスレーザ光Ｐｂを生成する際の励起光Ｐａの光強度のＮ倍である。なお、ステップＳＴ３５及びＳＴ３６の順序は互いに入れ替わってもよい。

【0126】

その後、光パルス列Ｐｅは光共振器２０内においてレーザ増幅され、超短パルスレーザ光Ｐｂとは別の、二以上の光パルスを含む超短パルスレーザ光となる。超短パルスレーザ光は、図１及び図２に示されるレーザ光Ｐｏｕｔとして、光共振器２０から出力される（出力ステップＳＴ３７）。

【0127】

二以上の光パルスを含む超短パルスレーザ光を任意の時間だけ光共振器２０から出力したのち、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの時間間隔、又はその双方を変更するか否かを判断する（ステップＳＴ３８）。これらの何れも変更しない場合（ステップＳＴ３８；ＮＯ）、励起光Ｐａを消光して光パルス生成装置１Ｂの動作を終了する。これらのうち何れかを変更する場合（ステップＳＴ３８；ＹＥＳ）、ポンプレーザ４２から出力される励起光Ｐａの光強度を、単一の光パルスに対応する光強度に変更（減光）する（ステップＳＴ３９）。これにより、光共振器２０内にてレーザ発振する光パルスの本数が一つに減少し、該一つの光パルスが光共振器２０内にてレーザ光として増幅される。その後、ステップＳＴ３３～ＳＴ３８を繰り返す。

【0128】

本変形例の構成であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。そして、波形制御部３４が所定期間内に限って超短パルスレーザ光Ｐｂの時間波形を制御する構成を容易に実現することができる。なお、第１変形例の構成に本変形例を組み合わせてもよい。
（実施例）

【0129】

本発明者は、上記実施形態及び各変形例の効果を検証するために、数値計算によるシミュレーションを行った。以下にその結果を示す。なお、このシミュレーションでは、光増幅媒質２１としてエルビウム添加光ファイバを、分割器２３として光ファイバカプラを、過飽和吸収体２４としてカーボンナノチューブを、光路２０１～２０３としてシングルモード光ファイバをそれぞれ想定した。

【0130】

まず、本発明者は、モード同期型のファイバレーザにおける多パルス発振を検証するためのシミュレーションを行った。図２１に示すグラフＧＡは、本シミュレーションにおいて励起開始後０周回目に設定された初期値の例を示すグラフである。グラフＧＡにおいて、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示し、色の濃淡は光強度（任意単位）を示す。また、縦軸に沿って描かれたグラフＧＢは波長と光強度との関係を示し、横軸に沿って描かれたグラフＧＣは時間と光強度との関係を示す。図２１に示されるように、励起開始直後の初期値においては光成分の殆どをランダムノイズが占めていることがわかる。本シミュレーションは、図２１のような初期値を設定し、周回数を重ねることにより行われた。

【0131】

図２２（ａ）は、本シミュレーションにおける光パルスのピークパワーの周回毎の変化を示すグラフである。図２２（ａ）において、縦軸はピークパワー（単位：Ｗ）を示し、横軸は周回数を示す。図２２（ａ）を参照すると、このシミュレーションでは８００周ほどでレーザ発振状態に到達したことがわかる。また、図２２（ｂ）は、本シミュレーションにおける光増幅媒質の飽和エネルギーと光パルスのピークパワーとの関係を示すグラフである。図２２（ｂ）において、縦軸はピークパワー（単位：Ｗ）を示し、横軸は光増幅媒質の飽和エネルギーＥｓａｔ（単位：ｐＪ）を示す。図２２（ｂ）を参照すると、このシミュレーションでは、飽和エネルギーＥｓａｔが４００ｐＪを超えない範囲では飽和エネルギーＥｓａｔが大きくなるに従ってピークパワーが次第に増大しているが、飽和エネルギーＥｓａｔが４００ｐＪを超えたあたりから飽和エネルギーＥｓａｔとピークパワーとの関係が乱れ始め、飽和エネルギーＥｓａｔが５００ｐＪを超える範囲ではピークパワーがその直前の半分程度まで落ち込んでいる。このことは、励起光強度を大きくするとダブルパルス発振が生じることを意味し、励起光強度が大きくなるほどパルス数が増加することを示唆している。

【0132】

図２３～図２６は、上記のシミュレーションにおいて飽和エネルギーＥｓａｔを６００ｐＪに固定し、それぞれ異なるランダムノイズを初期値として設定したときに、発生した光パルスの時間波形を示すグラフである。図２３～図２６において、（ａ）は初期値であるランダムノイズの時間波形を示し、（ｂ）は（ａ）に対応して発生した光パルスの時間波形を示す。（ａ），（ｂ）において、縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示す。なお、図２３（ｂ）のパルス間隔は４ｐｓであり、図２４（ｂ）のパルス間隔は３１ｐｓであり、図２５（ｂ）のパルス間隔は２６ｐｓであり、図２６（ｂ）のパルス間隔は１４ｐｓであった。この結果から、単に励起光強度を高めてダブルパルス発振させた場合、そのパルス間隔は不定であることがわかる。

【0133】

続いて、上記実施形態の構成によるシミュレーションを行った。図２７～図３０は、その結果を示すグラフである。図２７～図３０において、（ａ）は１０００周回目の時間波形を示し、（ｂ）は２０００周回目の時間波形を示し、（ｃ）は５０００周回目の時間波形を示す。なお、（ａ）～（ｃ）において、縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示す。このシミュレーションでは、まずシングルパルスでレーザ発振させ、２０００周目において波形制御部３０によりこのシングルパルスを光パルス列Ｐｅに変換した。このとき、光パルス列Ｐｅに含まれる光パルスの時間間隔を１００ｐｓ（図２７，図２８）及び３００ｐｓ（図２９，図３０）に設定した。また、飽和エネルギーＥｓａｔを２０００周目まで３００ｐＪに固定し、その後の２００１周目以降では６００ｐＪに固定した。なお、図２７～図３０の時間波形の０周回目の初期値は、それぞれ図２３（ａ）～図２６（ａ）と同じとした。

【0134】

図２７～図３０（特に各図の（ｂ）及び（ｃ））を参照すると、上記実施形態の構成では、波形制御部３０により与えられた光パルス列Ｐｅのパルス本数（２本）及び時間間隔（１００ｐｓまたは３００ｐｓ）を維持しながらレーザ発振していることがわかる。このように、上記実施形態の光パルス生成装置１Ａ及び光パルス生成方法によれば、時間的に近接する二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光を、所定のパルス本数および時間間隔にて安定して再現性良く出力することができる。

【0135】

図３１は、上記実施形態における光パルスの時間間隔の制御性を検証した結果を示すグラフである。図３１の（ａ）～（ｄ）は、光パルス列Ｐｅを構成する２つの光パルスの時間間隔をそれぞれ２０ｐｓ、５０ｐｓ、１００ｐｓ、及び１５０ｐｓに設定した場合を示している。なお、飽和エネルギーＥｓａｔおよび波形制御タイミングは図２７～図３０と同じである。シミュレーションの結果、レーザ発振後の光パルスの時間間隔はそれぞれ２１．３ｐｓ、５０．２ｐｓ、１００ｐｓ、及び１５０ｐｓとなった。このように、上記実施形態によれば僅かな誤差を含むものの所望のパルス間隔を実現できることがシミュレーションによって示された。

【0136】

図３２は、上記実施形態における光パルスの本数の制御性を検証した結果を示すグラフである。図３２の（ａ）～（ｄ）は、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数をそれぞれ１本、２本、３本、及び４本に設定した場合を示している。なお、（ａ）～（ｄ）の各パルス本数に対し、飽和エネルギーＥｓａｔをそれぞれ３００ｐＪ、６００ｐＪ、９００ｐＪ、及び１２００ｐＪに設定した。光パルスの時間間隔をいずれも５０ｐｓに設定した。波形制御タイミングは図２７～図３０と同じである。シミュレーションの結果、レーザ発振後の光パルスの本数はそれぞれ１本、２本、３本、及び４本となり、上記実施形態によればレーザ発振後も光パルス列Ｐｅのパルス本数が維持されることが示された。

【0137】

次に、光パルス列Ｐｅを構成する光パルスの本数を複数回にわたって変化させたシミュレーションについて説明する。図３３は、本シミュレーションにおいて光パルスの本数が変化する様子を示すグラフである。図３３において、縦軸は周回数を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示し、色の濃淡は光強度（任意単位）を示す。色が淡いほど光強度が大きい。図３４～図３６は、本数変化の各段階においてレーザ発振した光パルス列の時間波形を示すグラフである。図３４～図３６において、縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示す。図３７（ａ）は、周回数に応じた飽和エネルギーＥｓａｔの変化を示すグラフである。図３７（ａ）において、縦軸は飽和エネルギーＥｓａｔ（単位：ｐＪ）を示し、横軸は周回数を示す。図３７（ｂ）は、周回数に応じた光パルスのピークパワーの変化を示すグラフである。図３７（ｂ）において、縦軸はピークパワー（単位：Ｗ）を示し、横軸は周回数を示す。

【0138】

このシミュレーションでは、０周回～１９９９周回において、飽和エネルギーＥｓａｔを単一パルスに対応する大きさ（約２０ｐＪ）に設定した。このとき、図３７（ｂ）に示されるように１５００周回あたりでレーザ発振し、単一パルスの超短パルスレーザ光が発生した（図３４（ａ））。次に、２０００周回目において、単一パルスの超短パルスレーザ光を、２本の光パルスからなる光パルス列（時間間隔１００ｐｓ）に変換するとともに、飽和エネルギーＥｓａｔを２本の光パルスに対応する大きさ（約４０ｐＪ）に変更し、２０００周回～２９９９周回においてこの光パルス列をレーザ増幅した（図３４（ｂ））。続いて、３０００周回～３９９９周回において、飽和エネルギーＥｓａｔを単一パルスに対応する大きさ（約２０ｐＪ）に減じた。すると、図３７（ｂ）に示されるように一旦は２本の光パルスのピークパワーが大きく減少するが、図３３に示されるように、３４００周回あたりで２本の光パルスのうち１本が消滅し、残りの１本の光パルスがレーザ増幅されて、単一パルスの超短パルスレーザ光に戻った（図３４（ｃ））。

【0139】

続いて、４０００周回目において、単一パルスの超短パルスレーザ光を、３本の光パルスからなる光パルス列（時間間隔１００ｐｓ）に変換するとともに、飽和エネルギーＥｓａｔを３本の光パルスに対応する大きさ（約６０ｐＪ）に変更し、４０００周回～４９９９周回においてこの光パルス列をレーザ増幅した（図３５（ａ））。続いて、５０００周回～５９９９周回において、飽和エネルギーＥｓａｔを単一パルスに対応する大きさ（約２０ｐＪ）に再び減じた。これにより、図３７（ｂ）に示されるように３本の光パルスのピークパワーが一旦大きく減少したのち、図３３に示されるように、５３００周回あたりで３本の光パルスのうち１本が消滅し、更に５５００周回あたりで他の１本が消滅し、１本の光パルスのみ残存して、単一パルスの超短パルスレーザ光に戻った（図３５（ｂ））。

【0140】

続いて、６０００周回目において、単一パルスの超短パルスレーザ光を、４本の光パルスからなる光パルス列（時間間隔１００ｐｓ）に変換するとともに、飽和エネルギーＥｓａｔを４本の光パルスに対応する大きさ（約８０ｐＪ）に変更し、６０００周回～６９９９周回においてこの光パルス列をレーザ増幅した（図３５（ｃ））。続いて、７０００周回～７９９９周回において、飽和エネルギーＥｓａｔを単一パルスに対応する大きさ（約２０ｐＪ）に再び減じた。これにより、図３７（ｂ）に示されるように４本の光パルスのピークパワーが一旦大きく減少したのち、図３３に示されるように、７５００周回までに４本の光パルスのうち２本が消滅し、更に７７００周回までに他の１本が消滅し、１本の光パルスのみ残存して、単一パルスの超短パルスレーザ光に戻った（図３６（ａ））。

【0141】

続いて、８０００周回目において、単一パルスの超短パルスレーザ光を、時間間隔が等間隔でない３本の光パルスからなる光パルス列（時間間隔１００ｐｓ，２００ｐｓ）に変換するとともに、飽和エネルギーＥｓａｔを３本の光パルスに対応する大きさ（約６０ｐＪ）に変更し、８０００周回～８９９９周回においてこの光パルス列をレーザ増幅した（図３６（ｂ））。続いて、９０００周回～１００００周回において、飽和エネルギーＥｓａｔを単一パルスに対応する大きさ（約２０ｐＪ）に再び減じた。これにより、図３７（ｂ）に示されるように３本の光パルスのピークパワーが一旦大きく減少したのち、図３３に示されるように、９３００周回までに３本の光パルスのうち２本が消滅し、１本の光パルスのみ残存して、単一パルスの超短パルスレーザ光に戻った（図３６（ｃ））。

【0142】

このシミュレーション結果から、上記実施形態によって、二つ以上の超短光パルスを含む光パルス列からなるレーザ光を、パルス本数および時間間隔を変化させながら安定して再現性良く出力できることがわかる。また、このシミュレーションのように、二以上の光パルスを含むレーザ光を出力したのち光パルスの本数及び時間間隔の少なくとも一方を変更する前に、励起光の光強度を単一の光パルスに対応する大きさに変更することにより光パルスの本数を一つに減少させ、該一つの光パルスを光共振器内にてレーザ光として増幅してもよい。このように、波形制御によって二つ以上の光パルスを生成する前に必ず光パルスの本数を一つに減じることによって、任意の数の光パルスを安定して生成することができる。

【0143】

ここで、光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長を互いに異ならせることによる利点について詳細に説明する。図３８は、スペクトル領域変調型の波形制御器によって生成された１９本の光パルスからなる光パルス列の時間波形を示すグラフである。図３８において、縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示す。このグラフに示されるように、スペクトル領域変調型の波形制御器（例えば図３のパルスシェーパ３２Ａ）によって光パルス列を生成すると、光パルス列の時間中心から遠ざかるに従って光パルスのピークパワーが低下する傾向がある。故に、光パルスの時間間隔を拡げるほど損失が増すので、実現可能な光パルスの時間間隔は実質的に制限される。したがって、以下に説明する、光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長を互いに異ならせることによって光パルスの時間間隔を拡張する方法が有効となる。

【0144】

図３９は、光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長が互いに等しい場合に、複数回にわたってパルスシェーパ３２Ａにより時間波形を制御したときの、時間波形の変化を示すグラフである。また、図４０は、光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長が互いに異なる場合に、複数回にわたってパルスシェーパ３２Ａにより時間波形を制御したときの、時間波形の変化を示すグラフである。図３９及び図４０において、（ａ）は１回目の波形制御後、（ｂ）は２回目の波形制御後、（ｃ）は３回目の波形制御後、（ｄ）は４回目の波形制御後をそれぞれ示す。図３９（ａ）～（ｄ）に示されるように、中心波長が等しい場合、複数回にわたって波形を制御すると光パルスの本数および時間間隔が不安定になる。これに対し、図４０（ａ）～（ｄ）に示されるように、中心波長が異なる場合、複数回にわたって波形を制御すると光パルスの本数を維持しつつ時間間隔が次第に広がる（または狭まる）。さらに、各パルスの中心波長が異なることで、光共振器が有する波長分散に起因して各光パルスの進行速度に違いが生じる。したがって、パルス間隔は、波形制御された量に加えて、拡張もしくは縮小する。

【0145】

しかしながら、このような波長分散を起因とした時間間隔の拡張もしくは縮小は永久に続くわけではない。図４１（ａ）～（ｃ）は、中心波長が互いに異なる３つの光パルスを示すグラフである。図４１（ａ）～（ｃ）において、縦軸は光強度（任意単位）を示し、横軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。図４１（ａ）の光パルスの中心波長は１５５３ｎｍであり、図４１（ｂ）の光パルスの中心波長は１５５０ｎｍであり、図４１（ａ）の光パルスの中心波長は１５４７ｎｍである。シミュレーションにおいて、この３つの光パルスを同時に光共振器内にて周回させた結果、各光パルスについて図４２（ａ）～（ｃ）に示す時間波形に収束した。なお、図４２（ａ）～（ｃ）はそれぞれ図４１（ａ）～（ｃ）に対応している。図４２（ａ）～（ｃ）に示される各光パルスの中心波長は全て１５５０ｎｍであった。

【0146】

図４３は、各光パルスの中心波長が収束する様子を示すグラフである。図４３において、グラフＧ３１は、初期の中心波長が１５５３ｎｍである光パルスの中心波長の変化を示す。グラフＧ３２は、初期の中心波長が１５５０ｎｍである光パルスの中心波長の変化を示す。グラフＧ３３は、初期の中心波長が１５４７ｎｍである光パルスの中心波長の変化を示す。図４３に示すように、およそ１５０周回までに各光パルスの中心波長が１５５０ｎｍに収束した。

【0147】

このように、光パルス列を構成する二以上の光パルスの中心波長が初めのうち異なっていても、複数回に亘って波形制御を行うことによって、各光パルスの中心波長は次第に一つの波長に収束する。そして、中心波長が収束した後は、各光パルスの時間間隔はそれ以上広がらず、また狭まらない。そして、拡張後の時間間隔の大きさは、中心波長の差の大きさ、及び光共振器が有する波長分散などから理論的に算出可能である。

【0148】

図４４～図４６は、シミュレーションにおいて、中心波長が互いに異なる３本の光パルスへ変換するための波形制御を１０周回にわたって行った結果を示すグラフである。図４４～図４６の各図は光パルスの時間波形を示しており、縦軸は光強度（任意単位）、横軸は時間（単位：ｐｓ）を示す。図４４（ａ）は４９９周回目（波形変換前）の単一パルス（超短パルスレーザ光Ｐｂ）を示す。図４４（ｂ），図４４（ｃ），図４５（ａ），図４５（ｂ），図４５（ｃ），図４６（ａ），図４６（ｂ），及び図４６（ｃ）は、それぞれ５００周回目、５０１周回目、５０２周回目、５０３周回目、５０４周回目、５０８周回目、５０９周回目、及び１０００周回目の光パルス列を示す。このシミュレーションでは、５００周回目から５０９周回目まで計１０周にわたって連続して波形制御を行った。一回の制御で与える光パルスの時間間隔の増分は１０ｐｓとした。また、増幅ファイバにおけるゲインの波長依存性を起因とするパルス列の強度ばらつきを補正するため、各パルスの強度を調整した。

【0149】

また、図４７（ａ）は各光パルスのピーク位置の変化を示すグラフであり、図４７（ｂ）は図４７（ａ）の５００周回目～５１０周回目の部分を拡大して示すグラフである。図４７において、縦軸はピーク位置（単位：ｐｓ、中央の光パルスのピーク位置を０とする）、横軸は周回数を示す。

【0150】

図４４～図４７に示すように、中心波長が互いに異なる３本の光パルスの時間間隔は、波形制御を繰り返すたびに拡大し、５０９周回目で設計通りの１００ｐｓとなった。その後、波形制御を終えてから暫くは時間波形が緩やかに拡大し、６００周回目あたりで光パルスの時間間隔はそれ以上広がらなくなり、各光パルスのピーク位置が安定した。安定後の時間間隔は、このシミュレーションでは１２１ｐｓであった。波形制御を終えてからも時間波形が拡大するのは、光共振器２０内の光ファイバの波長分散（群速度分散）の影響による。従って、光パルスの時間間隔を正確に制御するためには、波長分散（群速度分散）を考慮する必要がある。なお、このシミュレーションでは時間波形制御を複数周回にわたって行ったが、単一の周回のみ時間波形制御を行っても、波長分散（群速度分散）により光パルスの時間間隔を拡大させることが可能である。

【0151】

本開示の光パルス生成装置および光パルス生成方法は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では光パルス列Ｐｅを構成する二つ以上の光パルスの本数及び時間間隔が可変である場合について説明したが、光パルスの本数及び時間間隔のうちいずれか一方のみ可変であってもよく、光パルスの本数及び時間間隔の双方が固定であってもよい。

【0152】

また、上記実施形態では波形制御デバイス３２としてパルスシェーパ３２Ａを例示したが、波形制御デバイス３２は、ＡＯＰＤＦ（Acousto-optic programmable dispersive filter）、分割器及び遅延器の組み合わせ、または集積化制御チップなどによって構成されてもよい。

【0153】

ＡＯＰＤＦは、音響光学素子を含んで構成されたデバイスである。音響光学素子に対して音波を適切に与えることによって、音響光学素子を通過する光の強度スペクトルと位相スペクトルとを制御することができる。これにより、入射した超短光パルスに対して周波数領域での制御を行い、光パルス列に変換することができる。

【0154】

図４８は、波形制御デバイス３２の一例として、分割器及び遅延器の組み合わせからなるパルススプリッタ３２Ｂを示す模式図である。このパルススプリッタ３２Ｂは、分割器３７１及び３７２、結合器３７３及び３７４、ディレイライン３８１及び３８２、アッテネータ（強度減衰器）３９１～３９４、並びにミラー４０１～４０４によって主に構成される。このパルススプリッタ３２Ｂに単一光パルスＰ１（図１の超短パルスレーザ光Ｐｂに相当）が入力されると、この単一光パルスＰ１は分割器３７１によって二分岐される。分岐された一方の単一光パルスＰ１１は、アッテネータ３９１を通過して結合器３７３に達する。分岐された他方の単一光パルスＰ１２は、ディレイライン３８１及びアッテネータ３９２を通過して結合器３７３に達する。これらの単一光パルスＰ１１，Ｐ１２は、ディレイライン３８１による時間差をもって結合器３７３にて結合され、２本の光パルスを含む光パルス列Ｐ２となる。

【0155】

光パルス列Ｐ２は分割器３７２によって二分岐される。分岐された一方の光パルス列Ｐ２１は、ディレイライン３８２及びアッテネータ３９３を通過して結合器３７４に達する。分岐された他方の光パルス列Ｐ２２は、アッテネータ３９４を通過して結合器３７４に達する。これらの光パルス列Ｐ２１，Ｐ２２は、ディレイライン３８２による時間差をもって結合器３７４にて結合され、４本の光パルスを含む光パルス列Ｐ３となる。この光パルス列Ｐ３が、図１に示された光パルス列Ｐｅとして出力される。

【0156】

なお、このパルススプリッタ３２Ｂにおいては、分割器の個数を変更することにより、光パルス列を構成する光パルスの本数を変更することが可能である。また、ディレイラインにおける遅延量を変更することにより、光パルス列を構成する光パルスの時間間隔を変更することが可能である。

【0157】

また、集積化制御チップは、例えば図４８に示されたパルススプリッタ３２Ｂや光変調器、ＣＭＯＳ回路を一枚の基板上に集積化し小型化したものである。

【符号の説明】

【0158】

１Ａ，１Ｂ…光パルス生成装置、２０…光共振器、２１…光増幅媒質、２２…アイソレータ、２３…分割器、２４…過飽和吸収体、２５…結合器、３０…波形制御部、３１…光路スイッチ、３２…波形制御デバイス、３２Ａ…パルスシェーパ、３３…結合器、３４…波形制御部、３５…偏光スイッチ、３６…波形制御デバイス、４１…波形制御用コントローラ、４２…ポンプレーザ、４３…電流制御器、４４…ファンクションジェネレータ、４５…分割器、４６…光検出器、４７…パルスジェネレータ、２０１…第１の光路、２０２…第２の光路、２０３…第３の光路、３２１…回折格子、３２２…レンズ、３２３…空間光変調器（ＳＬＭ）、３２４…レンズ、３２５…回折格子、３２６…変調面、３２７…変調領域、ＡＡ，ＡＢ…方向、Ｊｄ…駆動電流、Ｌｏｕｔ…レーザ光、Ｐａ…励起光、Ｐｂ…超短パルスレーザ光、Ｐｃ…光、Ｐｄ…変調光、Ｐｅ…光パルス列、Ｐｎ…光、Ｐｏｕｔ，Ｐｏｕｔ１，Ｐｏｕｔ２…レーザ光、Ｓｃ１，Ｓｃ２…制御信号、Ｓｄ…検出信号、ＳＴ１４，ＳＴ２４，ＳＴ３４…波形制御ステップ、ＳＴ１７，ＳＴ２７，ＳＴ３７…出力ステップ、Ｓｙ…同期信号。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図48】