JP2005209910A - 再生増幅器の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 最適なビームプロファイルであるＴＥＭ００モードを容易に得ることのできる再生増幅器の調整方法を提供する。
【解決手段】 再生増幅器に励起光のみ導入し再生増幅器を自己発振で動作させる工程と、ミラー類３，４，５，６，７及び制御素子８を調整することにより自己発振の動作を調整する工程と、ミラー類３，４，５，６，７及び制御素子８を微調整することにより自己発振光のモード調整する工程と、増幅光を入射させて増幅光と励起光の光軸を一致させるようにレーザ媒質１を調整する工程とを含む再生増幅器の調整方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、増幅器内に配置したレーザ媒質によって入射レーザパルスを増幅し、レーザ加工及び非線形光学を用いたレーザ計測に応用することのできる高ピーク、極短パルスレーザ光を得る再生増幅器の調整方法に関する。

パルスエネルギーの小さなレーザ光を増幅する技術として、マルチパス増幅器と再生増幅器との２種類の構成が知られている。

レーザ媒質を１回、あるいは数回通過させるマルチパス増幅器は、レーザ光がレーザ媒質を１回通過するごとに受ける利得が大きな場合に用いられ、一般に、１回あるいは数回の増幅で飽和利得に到達する程度の、ある程度大きなエネルギを有するレーザパルスを入射パルスに使用する。このマルチパス増幅器の構成は、レーザ媒質を通過するレーザ光の光軸を、複数の反射鏡を用いてわずかにずらして反射させることにより、共振器を構成せずに数回にわたってレーザ光に利得を与えるものである。

再生増幅器は、レーザ光がレーザ媒質を１回通過するごとに受ける利得が小さな場合に用いられ、一般に、非常に小さなエネルギのレーザパルスを複数回レーザ媒質を往復させることにより、マルチパス増幅器の入射パルス程度に増幅することを目的とするものである。その構成は、最低２枚の反射鏡を対向させて光共振器としてレーザ媒質を構成するものであり、共振器の光軸に合わせて入射パルスを導入し、共振器中を複数回往復させることで入射パルスに利得を与える。この再生増幅器は、レーザ光の偏光特性を利用し、共振器内に配置した偏光スイッチと偏光ビームスプリッタとを用いて入射パルスの取り込み増幅と増幅パルスの取り出しとを行うものである。

図３はレーザ光再生増幅器の構成図である。短パルス光源３１から出力された短パルス光は、シードパルス光としてプリズムビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２に入射し、ここで反射されて偏光回転素子３３を通って偏光回転されてレーザ共振器３４内に入射する。このレーザ共振器３４は、両端側にそれぞれ反射ミラー３５、３６が対向配置され、これら反射ミラー３５、３６の光軸上にレーザ媒質３７、プリズムビームスプリッタ３８、（λ／４）板３９及び電気光学素子（ＥＯ）としてのポッケルスセル４０が配置されている。このポッケルスセル４０は、ポッケルス効果を利用した光変調素子で、例えばＡＤＰ、ＫＤＰなどの結晶が用いられる。このようなレーザ共振器３４のプリズムビームスプリッタ３８にシードパルス光が入射するが、このときのシードパルス光は、プリズムビームスプリッタ３８に対してＳ偏光となる。このプリズムビームスプリッタ３８で反射したシードパルス光は、（λ／４）板３９、ポッケルスセル４０及びレーザ媒質３７を透過して各反射ミラー３５、３６間で反射し、再びポッケルスセル４０を透過する。

このように、シードパルス光がポッケルスセル４０を１度透過し、再び透過する間にポッケルスセル４０に対する印加電圧をドライバ４１により変化し、シードパルス光を偏光する。例えば、シードパルス光が２度目に反射ミラー３５で反射した後、３度目にプリズムビームスプリッタ３８を透過するときに、シードパルス光の偏光がプリズムビームスプリッタ３８に対してＰ偏光となるようにする。このシードパルス光の偏光により、シードパルス光は、レーザ共振器３４内を何度も往復し、この往復の間にレーザ媒質３７によって増幅される。この後、ポッケルスセル４０に対する印加電圧をドライバ４１により変化し、シードパルス光をＳ偏光に偏光すれば、増幅されたシードパルス光がプリズムビームスプリッタ３８から取り出され、偏向回転素子３３、プリズムビームスプリッタ３２を透過して出力光として得られる。

ところで、再生増幅器の調整方法としては、増幅動作状態で上述のような全ての調整部の調整を行っていた。例えば、フェトム秒レーザーの再生増幅器でレーザ加工に最適なビームプロファイルであるＴＥＭ００モードを得るために、再生増幅器を動作状態で、増幅光と励起光の光軸の一致、ミラー、制御素子等の調整を行っていた。

下記特許文献１には、レーザ加工時に重要な要因となるレーザ出力とビームモード形状を同時に観測することにより共振器ミラー調整を容易に行うレーザ装置を得ることが開示されている。具体的には、レーザ発振器から出射したレーザビームを被加工物に伝送する光路中に、第１のビームスプリッタを設け、ここでレーザビームを分岐して、分岐後の第１の透過ビームをフォトルミネッセンス板に導き、ここでビームモード形状を観測する。さらに、光路中に設けた第２のビームスプリッターにより、第１のビームスプリッターから分岐した第１の反射ビームをさらに分岐して、第２の透過ビームをパワーメータに導き、ここでレーザ出力を観測するものである。

下記特許文献２には、ビームエキスパンダの相対位置決定の自動調整を可能とすることを目的として、ビームエキスパンダを用いてレーザビームの拡がり角を小さくさせる際に、ビームプロファイルが基準のプロファイルとなるように、ビームエキスパンダの複数のレンズの相対位置を調整することが開示されている。

下記特許文献３には、光学ユニットの組立精度の問題や移動・運搬による振動により光学素子のパラメータに誤差が生ずる場合でも、より少ない調整労力で、より高い機能・高い性能が光学装置で得られるようにすることを目的として、複数の光学素子を含む光学ユニットを具備する光学装置であって、調整装置が内蔵されあるいは外部に接続されて、前記光学素子の内特定の複数光学素子のパラメータが前記調整装置が出力する制御信号ＣＳにより変更させられ、前記調整装置は前記特定の複数光学素子のパラメータを、確率的探索手法に従って、前記光学装置の機能が所定の仕様を満たすように変更されることが開示されている。

これらの方法では、最適なビームプロファイルであるＴＥＭ００モードを得ることは非常に難しく、調整に時間を要していた。

特開平５−２２６７３６号公報 特開２００３−５３５７８号公報 特開２００１−１９６６６９号公報

従来、再生増幅器の調整において、全ての光学系は相互に密接に関連しており、１つの部品を調整すると他の部品の調整が崩れることがあった。又、２つのビームが結晶の位置で完全に光軸が一致しなければならず、少しでも光軸がずれるとモードの乱れの原因となった。このように、再生増幅器は調整が困難で最適モードを得るのが困難であった。

本発明は、最適なビームプロファイルであるＴＥＭ００モードを容易に得ることのできる再生増幅器の調整方法を提供することにある。

本発明者は、自己発振光でのみでモード調整を行うことにより上記課題が解決されることを見出し本発明に到達した。

即ち、本発明は再生増幅器の調整方法の発明であり、再生増幅器に励起光のみ導入し再生増幅器を自己発振で動作させる工程と、ミラー類及び制御素子を調整することにより自己発振の動作を調整する工程と、ミラー類及び制御素子を微調整することにより自己発振光のモード調整する工程と、増幅光を入射させて増幅光と励起光の光軸を一致させるようにレーザ媒質を調整する工程とを含む。

本発明は再生増幅器の調整方法は、短パルスレーザ、特にフェムト秒レーザやピコ秒レーザの再生増幅器に好適に適用される。

自己発振光でモード調整後の増幅光を入射してでの動作状態では、増幅光と励起光の光軸の調整のみで済むため、再生増幅器の調整を容易に行うことができる。このように、自己発振光でのみでモード調整を行うことにより、極めて容易にモード調整を行うことができる。

図１の再生増幅器の構成を参照して、本発明による再生増幅器の調整方法を説明する。先ず、調整用励起光が再生増幅器に導入され、チタンサファイア結晶（Ｔｉ：Ｓａｐ）等のレーザ媒質１を励起して、再生増幅器を自己発振で動作させる。この際、ＣＣＤ素子等のビームプロファイラ２を用いて、ダイクロミックミラー３、ミラー４，５，６、ハーフミラー７、及びポッケルス素子等の制御素子８を調整することにより自己発振の動作を調整する。続いて、これらミラー３，４，５，６、ハーフミラー（偏光選択ハーフミラー）７、及び制御素子８を微調整することにより自己発振光のモードを最適に、例えばＴＥＭ００モードに調整する。次に、短パルスレーザ等の増幅光を入射させて増幅光と励起光の光軸を一致させるようにレーザ媒質１を調整する。最後に、増幅後のビームモードをビームプロファイラ２を用いて確認する。

図２に、本発明の再生増幅器の調整方法のフローを示す。ステップ１では、調整用励起光が再生増幅器に導入され、チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）等のレーザ媒質を励起して、再生増幅器を自己発振で動作させる。ステップ２では、ＣＣＤ素子等のビームプロファイラ２を用いて、ダイクロミックミラー３、ミラー４，５，６、ハーフミラー７、及びポッケルス素子等の制御素子８を調整することにより自己発振の動作を調整する。ステップ３では、これらミラー３，４，５，６、ハーフミラー（偏光選択ハーフミラー）７、及び制御素子８を微調整することにより自己発振光のモードを最適に、例えばＴＥＭ００モードに調整する。ステップ４では、増幅光を入射させて増幅光と励起光の光軸を一致させるようにレーザ媒質１を調整する。ステップ５では、増幅後のビームモードをビームプロファイラ２を用いて確認する。

本発明により、フェムト秒レーザ等の大出力の加工用レーザの再生増幅器を容易に調整することができ、その用途を拡大させることに役立つ。

再生増幅器の構成と、本発明による再生増幅器の調整方法を示す。 本発明の再生増幅器の調整方法のフローを示す。 レーザ光再生増幅器の構成図レーザ光再生増幅器の構成図

符号の説明

１：レーザ媒質、２：ビームプロファイラ、３：ダイクロミックミラー、４，５，６：ミラー、７：ハーフミラー（偏光選択ハーフミラー）、８：制御素子。

Claims (2)

1. 再生増幅器に励起光のみ導入し再生増幅器を自己発振で動作させる工程と、ミラー類及び制御素子を調整することにより自己発振の動作を調整する工程と、ミラー類及び制御素子を微調整することにより自己発振光のモード調整する工程と、増幅光を入射させて増幅光と励起光の光軸を一致させるようにレーザ媒質を調整する工程とを含む再生増幅器の調整方法。
2. 前記再生増幅器がフェムト秒レーザの再生増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の再生増幅器の調整方法。

Images