JP2008258323A - Pulse laser device - Google Patents

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Kanji Tanaka
完二 田中
Keisuke Tominaga
敬介 富永
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Furukawa Electric Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pulse laser device which has a stable light intensity and can output pulse laser beams of a suppressed noise. <P>SOLUTION: The pulse laser device comprises: a light source for outputting continuous laser beams; a prestage optical amplifier connected to the light source, for amplifying the continuous laser beams for outputting; an optical modulator connected to the prestage optical amplifier, for modulating the amplified continuous laser beams to produce pulse laser beams; and an after-step optical amplifier connected to the optical modulator, for amplifying the pulse laser beams for outputting. The latter part optical amplifier amplifies the continuous laser beams to an optical intensity to the extent that a natural emission light is not laser-oscillated in the latter part optical amplifier. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光変調器を用いて連続レーザ光を変調し、パルスレーザ光を生成するパルスレーザ装置に関するものである。   The present invention relates to a pulse laser device that modulates continuous laser light using an optical modulator to generate pulsed laser light.

従来から、連続レーザ光を出力する光源と、この光源に光変調器を接続し、連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成するパルスレーザ装置が開示されている(特許文献1)。このパルスレーザ装置は、連続レーザ光を出力する光源に光変調器を接続し、光変調器を所定の周期およびデューティー比でオン/オフすることによって連続レーザ光を強度変調してパルスレーザ光を生成したのち、光ファイバ増幅器を用いてこの生成したパルスレーザ光を増幅し、所望の光強度のパルスレーザ光を得るものである。   2. Description of the Related Art Conventionally, a light source that outputs continuous laser light and a pulse laser device that generates a pulse laser light by modulating a continuous laser light by connecting an optical modulator to the light source has been disclosed (Patent Document 1). In this pulse laser device, an optical modulator is connected to a light source that outputs continuous laser light, and the optical intensity of the continuous laser light is modulated by turning on / off the optical modulator at a predetermined period and duty ratio to generate pulse laser light. After the generation, the generated pulsed laser beam is amplified using an optical fiber amplifier to obtain a pulsed laser beam having a desired light intensity.

特開2004−348068号公報JP 2004-348068 A

しかしながら、従来のパルスレーザ装置は、光ファイバ増幅器内で発生した自然放出光が増幅されてASE(Amplified Spontaneous Emission)光となり、不必要かつ不安定にレーザ発振することがあった。そして、この不安定なレーザ発振が起こると、出力するパルスレーザ光の光強度が不安定になるとともに、雑音が増大するという問題があった。   However, in the conventional pulse laser apparatus, spontaneous emission light generated in the optical fiber amplifier is amplified to become ASE (Amplified Spontaneous Emission) light, and laser oscillation may be unnecessary and unstable. When this unstable laser oscillation occurs, there is a problem that the light intensity of the output pulse laser beam becomes unstable and noise increases.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a pulse laser device capable of outputting pulse laser light with stable light intensity and suppressed noise.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、連続レーザ光を出力する光源と、前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器と、前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器と、を備え、前記前段光増幅器は、前記連続レーザ光を、前記後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a pulse laser apparatus according to the present invention includes a light source that outputs continuous laser light, and a pre-stage optical amplifier that is connected to the light source and amplifies and outputs the continuous laser light. An optical modulator that is connected to the preceding optical amplifier and modulates the amplified continuous laser light to generate pulsed laser light; and a latter-stage light that is connected to the optical modulator and amplifies and outputs the pulsed laser light An amplifier, wherein the front-stage optical amplifier amplifies the continuous laser light to a light intensity at which spontaneous emission light does not oscillate in the rear-stage optical amplifier.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記前段増幅器および/または前記後段増幅器は、増幅用光ファイバとしてコア部に希土類元素を添加したダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であることを特徴とする。   Further, the pulse laser apparatus according to the present invention is the optical fiber amplifier according to the above invention, wherein the front-stage amplifier and / or the rear-stage amplifier uses a double-clad optical fiber in which a rare earth element is added to a core portion as an optical fiber for amplification. It is characterized by being.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器であることを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the optical modulator periodically diffracts the amplified continuous laser light by using an acousto-optic element to intensify the amplified continuous laser light. It is an acousto-optic type light modulator for modulation.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、前記増幅した連続レーザ光のうち前記音響光学素子を透過した残余光の光路を変更する光路変更手段と、前記光路を変更した残余光を受光して熱に変換する受光熱変換手段とを備えることを特徴とする。   Further, the pulse laser device according to the present invention is the above-described invention, wherein the optical modulator includes an optical path changing unit that changes an optical path of residual light transmitted through the acousto-optic element in the amplified continuous laser light, and And a light receiving heat converting means for receiving residual light whose optical path has been changed and converting it into heat.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、前記パルスレーザ光の出力側に該パルスレーザ光の波長の光を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えることを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the optical modulator includes a band-pass filter that selectively transmits light having a wavelength of the pulse laser beam on the output side of the pulse laser beam. It is characterized by.

本発明によれば、前段光増幅器が、連続レーザ光を、後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅するので、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を実現できるという効果を奏する。   According to the present invention, the front-stage optical amplifier amplifies the continuous laser light to a light intensity at which the spontaneous emission light does not oscillate in the rear-stage optical amplifier, so that the pulsed laser light with stable light intensity and suppressed noise. It is possible to realize a pulse laser device that can output

以下に、図面を参照して本発明に係るパルスレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a pulse laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図1に示すように、このパルスレーザ装置1は、連続レーザ光を出力する光源2と、光源2に接続し、連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器3と、前段光増幅器3に接続し、増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器4と、光変調器4に接続し、パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器5と、を備える。そして、前段光増幅器3は、連続レーザ光を、後段光増幅器5において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅する。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a pulse laser apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the pulse laser device 1 includes a light source 2 that outputs continuous laser light, a front-stage optical amplifier 3 that is connected to the light source 2, amplifies and outputs continuous laser light, and a front-stage optical amplifier 3. An optical modulator 4 that connects and modulates the amplified continuous laser light to generate pulsed laser light, and a post-stage optical amplifier 5 that is connected to the optical modulator 4 and amplifies and outputs the pulsed laser light. The front-stage optical amplifier 3 amplifies the continuous laser light to a light intensity at which the spontaneous emission light does not oscillate in the rear-stage optical amplifier 5.

すなわち、パルスレーザ装置1は、前段光増幅器3と後段光増幅器5とを備え、前段光増幅器3は時間平均した光強度が高い連続レーザ光を増幅するので、前段光増幅器3において自然放出光がレーザ発振することを防止することができる。さらに、前段光増幅器3は、光変調器4の挿入損失や光変調器4が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、連続レーザ光を、後段光増幅器5において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅する。その結果、前段光増幅器3および後段光増幅器5のいずれにおいても自然放出光がレーザ発振しないので、パルスレーザ装置1は、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができる。   That is, the pulse laser apparatus 1 includes a front-stage optical amplifier 3 and a rear-stage optical amplifier 5, and the front-stage optical amplifier 3 amplifies continuous laser light having a high time-averaged light intensity. Laser oscillation can be prevented. Further, the pre-stage optical amplifier 3 naturally converts continuous laser light into the post-stage optical amplifier 5 in consideration of the insertion loss of the optical modulator 4 and the time-averaged light intensity of the pulse laser light generated by the optical modulator 4. The emitted light is amplified to a light intensity that does not cause laser oscillation. As a result, the spontaneous emission light does not oscillate in any of the front-stage optical amplifier 3 and the rear-stage optical amplifier 5, so that the pulse laser device 1 can output pulse laser light with stable light intensity and suppressed noise. it can.

なお、従来のパルスレーザ装置では、連続レーザ光を光変調器で変調してパルスレーザ光を生成した後、生成したパルスレーザ光を単一の光増幅器で増幅して所望の光強度のパルスレーザ光を得ていたので、この単一の光増幅器として比較的高い利得を有するものを用いていた。その結果、光増幅器内で発生する自然放出光も高い利得で増幅されるため、自然放出光が容易にレーザ発振するおそれがあった。また、生成したパルスレーザ光のデューティー比が高い場合は、パルスレーザ光の光強度の時間平均が低くなるため、パルスレーザ光の光強度に対する自然放出光の光強度が相対的に高くなり、レーザ発振が一層起こりやすかった。   In the conventional pulse laser device, a continuous laser beam is modulated by an optical modulator to generate a pulse laser beam, and then the generated pulse laser beam is amplified by a single optical amplifier to obtain a pulse laser having a desired light intensity. Since light was obtained, a single optical amplifier having a relatively high gain was used. As a result, spontaneous emission light generated in the optical amplifier is also amplified with high gain, and there is a risk that the spontaneous emission light easily oscillates. In addition, when the duty ratio of the generated pulse laser light is high, the time average of the light intensity of the pulse laser light is low, so that the light intensity of spontaneous emission relative to the light intensity of the pulse laser light is relatively high, and the laser Oscillation was more likely to occur.

以下、パルスレーザ装置1について具体的に説明する。図2は、図1に示す光源2の構成を模式的に表した概略図である。図2に示すように、光源2は、連続レーザ光を出力する半導体レーザダイオードであるLD21と、LD21に接続し、狭い帯域の光を反射するファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating)であるFBG22aを形成した光ファイバ22とを備える。FBG21は、LD21が出力する連続レーザ光の中心波長を含む狭い帯域の光を反射することで、LD21に対して外部光共振器として作用する。その結果、光源2は、スペクトル幅が狭い連続レーザ光を出力する光源として動作する。光源2から出力する連続レーザ光の特性は、たとえば中心波長が約1053nm、スペクトル幅が5pm以下、光強度が約230mWである。なお、光ファイバ22のFBG22aを形成した部分の近傍にヒータやペルチェ素子などの温度調整手段を取り付け、温度を変化させることによってFBG22aの反射波長を変化させて、連続レーザ光の波長を制御してもよい。   Hereinafter, the pulse laser device 1 will be specifically described. FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the light source 2 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the light source 2 forms an LD 21 that is a semiconductor laser diode that outputs continuous laser light, and an FBG 22 a that is connected to the LD 21 and reflects a narrow band of light and that is a fiber Bragg grating (Fiber Bragg Grating). The optical fiber 22 is provided. The FBG 21 functions as an external optical resonator for the LD 21 by reflecting light in a narrow band including the center wavelength of the continuous laser light output from the LD 21. As a result, the light source 2 operates as a light source that outputs continuous laser light having a narrow spectrum width. The characteristics of the continuous laser light output from the light source 2 are, for example, a center wavelength of about 1053 nm, a spectrum width of 5 pm or less, and a light intensity of about 230 mW. A temperature adjusting means such as a heater or a Peltier element is attached in the vicinity of the portion where the FBG 22a of the optical fiber 22 is formed, and the wavelength of the continuous laser beam is controlled by changing the reflection wavelength of the FBG 22a by changing the temperature. Also good.

つぎに、前段光増幅器3について説明する。図3は、図1に示す前段光増幅器3の構成を模式的に表した概略図である。図3に示すように、前段光増幅器3は、極めて高い光出力を実現できるダブルクラッド型の光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ31と、光アイソレータとシングルモード光ファイバによって接続した光合波器であるTFB(Tapered Fiber Bundle)32と、半導体レーザなどの励起光源33−1〜33-n(nは整数)と、TFB32と励起光源33−1〜33-nとを接続するマルチモード光ファイバ34−1〜34-nと、TFB32に接続した増幅用ダブルクラッド光ファイバ35と、を備える。また、図4は、図3に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバ35の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。図4に示すように、増幅用ダブルクラッド光ファイバ35は、希土類元素であるイッテルビウム(Yb)のイオンを添加したコア部35aと、コア部35aの外周に形成したコア部35aよりも屈折率が低い内部クラッド部35bと、内部クラッド部35bの外周に形成した内部クラッド部35bよりも屈折率が低い外部クラッド部35cと、を備え、屈折率プロファイル36を有するものである。   Next, the pre-stage optical amplifier 3 will be described. FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the front-stage optical amplifier 3 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the pre-stage optical amplifier 3 is a double-clad optical fiber amplifier that can realize an extremely high optical output, and is an optical isolator 31 and an optical multiplexer connected to the optical isolator by a single mode optical fiber. A multimode optical fiber 34 that connects a TFB (Tapered Fiber Bundle) 32, pumping light sources 33-1 to 33-n (n is an integer) such as a semiconductor laser, and TFB 32 and pumping light sources 33-1 to 33-n. -1 to 34-n, and an amplification double clad optical fiber 35 connected to the TFB 32. FIG. 4 is a diagram showing a schematic cross section of the amplifying double clad optical fiber 35 shown in FIG. 3 and a corresponding refractive index profile. As shown in FIG. 4, the amplifying double-clad optical fiber 35 has a refractive index higher than that of a core part 35a to which ions of a rare earth element ytterbium (Yb) are added and a core part 35a formed on the outer periphery of the core part 35a. A low inner clad part 35b and an outer clad part 35c having a lower refractive index than the inner clad part 35b formed on the outer periphery of the inner clad part 35b are provided, and has a refractive index profile 36.

この前段光増幅器3は以下のように動作する。まず、励起光源33−1〜33-nは波長900〜980nmの励起光を出力し、マルチモード光ファイバ34−1〜34-nは出力した励起光をTFB32へ導波し、TFB32は導波した励起光を増幅用ダブルクラッド光ファイバ35へ結合する。ここで、増幅用ダブルクラッド光ファイバ35へ結合した励起光は、コア部35aおよび内部クラッド35bをマルチモードで伝搬しながら、コア部35aに添加したYbイオンを光励起する。それと同時に、TFB32は、光アイソレータ31を通過して入力した連続レーザ光を、増幅用ダブルクラッド光ファイバ35へ結合する。ここで、増幅用ダブルクラッド光ファイバ35へ結合した連続レーザ光は、コア部35aをシングルモードで伝搬しながら、励起状態にあるYbイオンと相互作用し、誘導放出作用によって光増幅される。一方、励起状態にあるYbイオンのうち、連続レーザ光と相互作用しないものは、広い帯域を有する自然放出光を所定の確率で発生する。この自然放出光は励起状態にあるYbイオンと相互作用し、光増幅されてASE光となるが、連続レーザ光の光強度が十分に高いため、レーザ発振を起こすまでには増幅されない。なお、前段光増幅器3が、入力する連続レーザ光の光強度に対して利得が飽和する利得飽和領域で動作するものであれば、前段光増幅器3において発生する自然放出光の光強度が減少するので、より確実に自然放出光のレーザ発振を防止できる。   The pre-stage optical amplifier 3 operates as follows. First, the excitation light sources 33-1 to 33-n output excitation light having a wavelength of 900 to 980 nm, the multimode optical fibers 34-1 to 34-n guide the output excitation light to the TFB 32, and the TFB 32 guides. The excited pump light is coupled to the amplification double clad optical fiber 35. Here, the excitation light coupled to the amplifying double-clad optical fiber 35 optically excites Yb ions added to the core part 35a while propagating through the core part 35a and the inner clad 35b in multimode. At the same time, the TFB 32 couples the continuous laser light input through the optical isolator 31 to the amplifying double clad optical fiber 35. Here, the continuous laser beam coupled to the amplifying double-clad optical fiber 35 interacts with Yb ions in the excited state while propagating through the core portion 35a in a single mode, and is optically amplified by the stimulated emission action. On the other hand, among the Yb ions in the excited state, those that do not interact with the continuous laser light generate spontaneous emission light having a wide band with a predetermined probability. This spontaneously emitted light interacts with Yb ions in an excited state and is optically amplified to become ASE light. However, since the light intensity of continuous laser light is sufficiently high, it is not amplified until laser oscillation occurs. If the front-stage optical amplifier 3 operates in a gain saturation region where the gain is saturated with respect to the light intensity of the input continuous laser light, the light intensity of the spontaneous emission light generated in the front-stage optical amplifier 3 decreases. Therefore, laser oscillation of spontaneous emission light can be prevented more reliably.

また、上述したように、前段光増幅器3は、後述する光変調器4の挿入損失や光変調器4が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、連続レーザ光を、後段光増幅器5において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度、たとえば7Wまで増幅する。   In addition, as described above, the pre-stage optical amplifier 3 takes the continuous laser light into consideration after taking into account the insertion loss of the optical modulator 4, which will be described later, and the time-averaged light intensity of the pulsed laser light generated by the optical modulator 4. Then, the latter-stage optical amplifier 5 amplifies the spontaneous emission light to a light intensity that does not cause laser oscillation, for example, 7 W.

つぎに、光変調器4について説明する。図5は、図1に示す光変調器4の構成を模式的に表した断面概略図である。図5に示すように、光変調器4は、筐体41内に、コリメータレンズを備える光入力部42aおよび光出力部42bと、二酸化テルルからなる音響光学素子43と、圧電素子などの超音波印加手段44と、光路変更手段である光学プリズム46と、受光熱変換手段47とを備える。また、筐体41の外部には、超音波印加手段44に接続した信号発生器45を備える。また、受光熱変換手段47は、球状の空洞47caを有する熱変換部47cと、レンズ47aと、レンズ47aを保持して熱変換部47cに固定するレンズホルダ47bとを備える。   Next, the optical modulator 4 will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing the configuration of the optical modulator 4 shown in FIG. As shown in FIG. 5, the optical modulator 4 includes an optical input unit 42 a and a light output unit 42 b provided with a collimator lens, an acoustooptic element 43 made of tellurium dioxide, and an ultrasonic wave such as a piezoelectric element. An application unit 44, an optical prism 46 that is an optical path changing unit, and a light receiving heat conversion unit 47 are provided. Further, a signal generator 45 connected to the ultrasonic wave application means 44 is provided outside the housing 41. The light receiving heat conversion means 47 includes a heat conversion part 47c having a spherical cavity 47ca, a lens 47a, and a lens holder 47b that holds the lens 47a and fixes it to the heat conversion part 47c.

つぎに、光変調器4の動作を説明する。図6、7は、図5に示す光変調器4の動作を説明する説明図である。まず、図6に示すように、信号発生器45は所望の繰返し周期およびパルス幅のパルス電圧を超音波印加手段44へ出力し、超音波印加手段44は音響光学素子43に所望の繰返し周期および時間幅で超音波を印加し、音響光学素子43内に音響波を発生させる。その結果、音響光学素子43内に屈折率が高い部分からなる回折格子43aが所望の周期および時間幅で形成される。そして、光入力部42aに入力した連続レーザ光L1は、回折格子43aによって周期的に回折して1次光であるパルスレーザ光L2となり、光出力部42bから所望の繰返し周期およびパルス幅のパルスレーザ光L3として出力する。このパルスレーザ光L3は、たとえば周期が100kHzであり、パルス幅は10nsecであり、デューティー比は0.1%である。また、光変調器4の時間平均した挿入損失はたとえば14dBであり、連続レーザ光L1の光強度が7Wの場合は、パルスレーザ光L3のピークの光強度は0.7W程度となる。   Next, the operation of the optical modulator 4 will be described. 6 and 7 are explanatory diagrams for explaining the operation of the optical modulator 4 shown in FIG. First, as shown in FIG. 6, the signal generator 45 outputs a pulse voltage having a desired repetition cycle and pulse width to the ultrasonic wave application unit 44, and the ultrasonic wave application unit 44 supplies the acoustooptic device 43 to a desired repetition cycle and An ultrasonic wave is applied with a time width to generate an acoustic wave in the acoustooptic device 43. As a result, a diffraction grating 43 a having a high refractive index is formed in the acoustooptic device 43 with a desired period and time width. The continuous laser beam L1 input to the optical input unit 42a is periodically diffracted by the diffraction grating 43a to become a pulsed laser beam L2 which is the primary light, and a pulse having a desired repetition period and pulse width is output from the optical output unit 42b. Output as laser light L3. The pulse laser beam L3 has a period of, for example, 100 kHz, a pulse width of 10 nsec, and a duty ratio of 0.1%. The time-averaged insertion loss of the optical modulator 4 is, for example, 14 dB. When the light intensity of the continuous laser light L1 is 7 W, the peak light intensity of the pulsed laser light L3 is about 0.7 W.

一方、図7に示すように、光入力部42aに入力した連続レーザ光L1のうち、回折格子43aによって回折せず、音響光学素子43を透過した残余光L4は、反射面にHRコートを施した光学プリズム46によって光路を角度90度だけ変更され、受光熱変換手段47に入力する。そして、受光熱変換手段47において、レンズホルダ47bに保持されたレンズ47aは、残余光L4を受光し拡散して拡散光L5とし、熱変換部47cは、空洞47caが形成する内表面で拡散光L5を繰り返し多重反射させながら光強度を減衰し、消失させる。すなわち、拡散光L5のエネルギーは拡散光L5が多重反射している間に熱に変換され、変換した熱は熱変換部47c全体に拡散し、空冷により消失する。その結果、残余光L4が筐体41に照射されて筐体41の温度が上昇し、熱変形や接着剤の溶融が発生するなどの悪影響が防止される。特に、光変調器4において生成するパルスレーザ光のデューティー比がたとえば0.1%と小さい場合は、連続レーザ光L1の光強度のほとんどが残余光L4となる。この場合、光入力部42aに入力した連続レーザ光L1の光強度が高い場合には、残余光L4が筐体41に照射されると筐体41に悪影響を及ぼすおそれが特に強くなるので、本実施の形態のように熱変換部47cにおいて残余光L4のエネルギーを消失させる効果が特に顕著となる。   On the other hand, as shown in FIG. 7, the residual light L4 that is not diffracted by the diffraction grating 43a and transmitted through the acoustooptic device 43 out of the continuous laser light L1 input to the light input section 42a is subjected to HR coating on the reflecting surface. The optical path is changed by an angle of 90 degrees by the optical prism 46 and is input to the light receiving heat converting means 47. In the light receiving heat converting means 47, the lens 47a held by the lens holder 47b receives and diffuses the residual light L4 to be diffused light L5, and the heat converting portion 47c is diffused light on the inner surface formed by the cavity 47ca. The light intensity is attenuated and lost while repeatedly reflecting L5 multiple times. That is, the energy of the diffused light L5 is converted into heat while the diffused light L5 is being reflected multiple times, and the converted heat is diffused throughout the heat conversion part 47c and disappears by air cooling. As a result, the residual light L4 is applied to the housing 41, the temperature of the housing 41 rises, and adverse effects such as thermal deformation and melting of the adhesive are prevented. In particular, when the duty ratio of the pulsed laser light generated in the optical modulator 4 is as small as 0.1%, for example, most of the light intensity of the continuous laser light L1 becomes the residual light L4. In this case, when the light intensity of the continuous laser light L1 input to the light input unit 42a is high, the possibility that the housing 41 is adversely affected when the residual light L4 is irradiated onto the housing 41 is particularly strong. The effect of erasing the energy of the residual light L4 in the heat conversion part 47c as in the embodiment is particularly remarkable.

なお、熱変換部47cは、アルミニウムなどの金属やセラミックスなどの、高融点、高温耐性であって、熱伝導性の高い材料からなることが好ましい。また、熱変換部47cの内表面に、レイデント処理、NiP無電解メッキなどのメッキ処理、黒アルマイトなどの表面処理を施して、内表面の光の吸収係数を高めてもよい。また、熱変換手段47と筐体41との間に断熱材を介在させ、熱変換手段47から筐体41への熱伝導を防止することが好ましい。この断熱材としては、デルリン(登録商標)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、熱可塑性ポリイミドなどの高温耐性、高断熱性であって、アウトガスの少ない断熱用樹脂が好ましい。さらに、熱変換部47cに冷却フィン、冷却ファン、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの冷却手段を取り付けて、変換した熱の消失効率を高めてもよい。   The heat conversion part 47c is preferably made of a material having a high melting point and a high temperature resistance and a high thermal conductivity, such as a metal such as aluminum or ceramics. Further, the inner surface of the heat conversion part 47c may be subjected to a plating process such as a radiant process, NiP electroless plating, or a black alumite to increase the light absorption coefficient of the inner surface. Further, it is preferable that a heat insulating material is interposed between the heat conversion means 47 and the housing 41 to prevent heat conduction from the heat conversion means 47 to the housing 41. As the heat insulating material, a heat insulating resin that has high temperature resistance and high heat insulating properties such as Delrin (registered trademark), PPS (polyphenylene sulfide), and thermoplastic polyimide, and has little outgas is preferable. Furthermore, cooling means such as a cooling fin, a cooling fan, a heat pipe, and a Peltier element may be attached to the heat conversion unit 47c to increase the efficiency of dissipation of the converted heat.

つぎに、後段光増幅器について説明する。図8は、図1に示す後段光増幅器5の構成を模式的に表した概略図である。図8に示すように、後段光増幅器5は、前段光増幅器3と同様の構成を有し、極めて高い光出力を実現できるダブルクラッド型の光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ51と、TFB52と、励起光源53−1〜53-nと、マルチモード光ファイバ54−1〜54-nと、増幅用ダブルクラッド光ファイバ55と、を備える。また、増幅用ダブルクラッド光ファイバ55は、図4に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバ35と同様の断面および屈折率プロファイルを有する。   Next, the post-stage optical amplifier will be described. FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the post-stage optical amplifier 5 shown in FIG. As shown in FIG. 8, the post-stage optical amplifier 5 is a double-clad type optical fiber amplifier having the same configuration as the pre-stage optical amplifier 3 and capable of realizing an extremely high optical output, and includes an optical isolator 51, a TFB 52, , Excitation light sources 53-1 to 53-n, multimode optical fibers 54-1 to 54-n, and amplifying double-clad optical fiber 55. The amplification double-clad optical fiber 55 has the same cross section and refractive index profile as the amplification double-clad optical fiber 35 shown in FIG.

この後段光増幅器5は、上述した前段光増幅器3と同様に動作する。そして、前段光増幅器3が、光変調器4の挿入損失や光変調器4が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、適切な光強度まで連続レーザ光を増幅しているので、後段光増幅器5は自然放出光がレーザ発振せずに動作するものとなる。その結果、後段光増幅器5は、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力する。   The post-stage optical amplifier 5 operates in the same manner as the pre-stage optical amplifier 3 described above. The pre-stage optical amplifier 3 amplifies the continuous laser light to an appropriate light intensity after taking into account the insertion loss of the light modulator 4 and the time-averaged light intensity of the pulse laser light generated by the light modulator 4. Therefore, the post-stage optical amplifier 5 operates without spontaneous emission of laser oscillation. As a result, the post-stage optical amplifier 5 outputs pulsed laser light with stable light intensity and suppressed noise.

つぎに、本実施の形態に係るパルスレーザ装置1の具体的な出力特性について説明する。パルスレーザ装置1において、光源2から中心波長1053.106nm、線幅5pm、光強度231mWの連続レーザ光を出力し、この連続レーザを前段光増幅器3によって7Wの光強度まで増幅し、この増幅した連続レーザ光を光変調器4によって変調し、繰り返し周期100kHz、パルス幅10nsec、デューティー比0.1%、ピーク光強度0.7Wのパルスレーザ光を生成し、この生成したパルスレーザ光を後段光増幅器5によってパルス光のピークの光強度が402Wとなるまで増幅して出力した。図9は、パルスレーザ装置1から出力した光の時間−光強度特性を模式的に示す図であり、図10は、パルスレーザ装置1から出力した光のスペクトルを模式的に示す図である。図9に示す時間−光強度特性において、符号S1はパルスレーザ光成分を示し、符号S2はASE光成分を示す。ここで、パルスレーザ光成分S1の光強度は安定しており、ASE光成分S2においてレーザ発振を示すピークは観測されなかった。また、図10のスペクトルにおいて、符号S3はパルスレーザ光成分を示し、符号S4はASE光成分を示す。ここで、パルスレーザ光成分S3の光強度およびスペクトル形状は安定していた。また、ASE光成分S4の光強度は、パルスレーザ装置1から出力した光の全強度の25%程度を占める高い強度であったが、ASE光成分S4においてレーザ発振を示すピークは観測されず、スペクトル形状も安定していた。   Next, specific output characteristics of the pulse laser device 1 according to the present embodiment will be described. In the pulse laser device 1, a continuous laser beam having a center wavelength of 1053.106 nm, a line width of 5 pm, and a light intensity of 231 mW is output from the light source 2, and this continuous laser is amplified to a light intensity of 7 W by the pre-stage optical amplifier 3. The continuous laser beam is modulated by the optical modulator 4 to generate a pulse laser beam having a repetition period of 100 kHz, a pulse width of 10 nsec, a duty ratio of 0.1%, and a peak light intensity of 0.7 W. The amplified light was amplified by the amplifier 5 until the light intensity at the peak of the pulsed light became 402 W and output. FIG. 9 is a diagram schematically showing the time-light intensity characteristics of the light output from the pulse laser device 1, and FIG. 10 is a diagram schematically showing the spectrum of the light output from the pulse laser device 1. In the time-light intensity characteristic shown in FIG. 9, reference symbol S1 indicates a pulse laser beam component, and reference symbol S2 indicates an ASE light component. Here, the light intensity of the pulse laser beam component S1 was stable, and no peak indicating laser oscillation was observed in the ASE light component S2. Further, in the spectrum of FIG. 10, reference numeral S3 indicates a pulse laser beam component, and reference numeral S4 indicates an ASE light component. Here, the light intensity and spectrum shape of the pulsed laser beam component S3 were stable. Further, the light intensity of the ASE light component S4 is a high intensity that accounts for about 25% of the total intensity of the light output from the pulse laser device 1, but no peak indicating laser oscillation is observed in the ASE light component S4. The spectrum shape was also stable.

なお、上記実施の形態において、光変調器4が生成したパルスレーザ光の出力側に、このパルスレーザ光の波長を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えてもよい。図11は、光変調器4の変形例である帯域透過フィルタを備えた構成を模式的に表した断面概略図である。この光変調器40は、図5に示す光変調器4に誘電体多層膜フィルタからなるバンドパスフィルタ48を備えたものであり、バンドパスフィルタ48が前段光増幅器3において発生した自然放出光を遮断することによって、後段光増幅器5においてより確実に自然放出光のレーザ発振を防止できるとともに、後段光増幅器5において励起光からパルスレーザ光へのエネルギー変換効率を高めることができる。なお、バンドパスフィルタ48は、パルスレーザ光L2の出力側に備えたので、バンドパスフィルタ48に入力する光強度は、連続レーザ光L1が入力する側に備えた場合よりも低くなる。その結果、バンドパスフィルタ48は光による破損が発生しにくいものとなる。   In the above embodiment, a band-pass filter that selectively transmits the wavelength of the pulse laser beam may be provided on the output side of the pulse laser beam generated by the optical modulator 4. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a configuration including a band transmission filter that is a modification of the optical modulator 4. The optical modulator 40 includes a bandpass filter 48 formed of a dielectric multilayer filter in the optical modulator 4 shown in FIG. 5, and the bandpass filter 48 emits spontaneously emitted light generated in the pre-stage optical amplifier 3. By shutting off, laser oscillation of spontaneous emission light can be prevented more reliably in the rear-stage optical amplifier 5, and energy conversion efficiency from pumping light to pulsed laser light can be increased in the rear-stage optical amplifier 5. Since the band pass filter 48 is provided on the output side of the pulse laser light L2, the light intensity input to the band pass filter 48 is lower than that provided on the side where the continuous laser light L1 is input. As a result, the band pass filter 48 is less likely to be damaged by light.

本発明の実施の形態に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented typically the structure of the pulse laser apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図1に示す光源の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented the structure of the light source shown in FIG. 1 typically. 図1に示す前段光増幅器の構成を模式的に表した概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram schematically illustrating a configuration of a front-stage optical amplifier illustrated in FIG. 1. 図3に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバの模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the typical cross section of the double clad optical fiber for amplification shown in FIG. 3, and a corresponding refractive index profile. 図1に示す光変調器の構成を模式的に表した断面概略図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating the configuration of the optical modulator illustrated in FIG. 1. 図5に示す光変調器の動作を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining operation | movement of the optical modulator shown in FIG. 図5に示す光変調器の動作を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining operation | movement of the optical modulator shown in FIG. 図1に示す後段光増幅器の構成を模式的に表した概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram schematically illustrating a configuration of a rear-stage optical amplifier illustrated in FIG. 1. パルスレーザ装置から出力した光の時間−光強度特性を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the time-light intensity characteristic of the light output from the pulse laser apparatus. パルスレーザ装置から出力した光のスペクトルを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the spectrum of the light output from the pulse laser apparatus. 図5に示す光変調器の変形例である帯域透過フィルタを備えた構成を模式的に表した断面概略図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a configuration including a band transmission filter that is a modification of the optical modulator illustrated in FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

1 パルスレーザ装置
2 光源
21 LD
22 光ファイバ
22a FBG
3 前段光増幅器
31、51 光アイソレータ
32、52 TFB
33−1〜33−n、53−1〜53−n 励起光源
34−1〜34−n、54−1〜54−n マルチモード光ファイバ
35、55 増幅用ダブルクラッド光ファイバ
35a コア部
35b 内部クラッド部
35c 外部クラッド部
36 屈折率プロファイル
4、40 光変調器
41 筐体
42a 光入力部
42b 光出力部
43 音響光学素子
43a 回折格子
44 超音波印加手段
45 信号発生器
46 光学プリズム
47 受光熱変換手段
47a レンズ
47b レンズホルダ
47c 熱変換部
47ca 空洞
48 バンドパスフィルタ
5 後段光増幅器
1 Pulse laser device 2 Light source 21 LD
22 optical fiber 22a FBG
3 Pre-stage optical amplifier 31, 51 Optical isolator 32, 52 TFB
33-1 to 33-n, 53-1 to 53-n Excitation light source 34-1 to 34-n, 54-1 to 54-n Multimode optical fiber 35, 55 Double-clad optical fiber for amplification 35a Core portion 35b Inside Clad part 35c External clad part 36 Refractive index profile 4, 40 Optical modulator 41 Case 42a Optical input part 42b Optical output part 43 Acoustooptic element 43a Diffraction grating 44 Ultrasonic wave application means 45 Signal generator 46 Optical prism 47 Light receiving heat conversion Means 47a Lens 47b Lens holder 47c Thermal conversion part 47ca Cavity 48 Band pass filter 5 Rear stage optical amplifier

Claims (5)

連続レーザ光を出力する光源と、
前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器と、
前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、
前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器と、
を備え、前記前段光増幅器は、前記連続レーザ光を、前記後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅することを特徴とするパルスレーザ装置。
A light source that outputs continuous laser light;
A pre-stage optical amplifier connected to the light source and amplifying and outputting the continuous laser light;
An optical modulator connected to the pre-stage optical amplifier and modulating the amplified continuous laser light to generate pulsed laser light;
A post-stage optical amplifier connected to the optical modulator and amplifying and outputting the pulsed laser beam;
And the front-stage optical amplifier amplifies the continuous laser light to a light intensity at which the spontaneous emission light does not oscillate in the rear-stage optical amplifier.
前記前段増幅器および/または前記後段増幅器は、増幅用光ファイバとしてコア部に希土類元素を添加したダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項1に記載のパルスレーザ装置。   2. The pulse laser device according to claim 1, wherein the pre-stage amplifier and / or the post-stage amplifier is an optical fiber amplifier using a double clad optical fiber in which a rare earth element is added to a core portion as an amplification optical fiber. . 前記光変調器は、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器であることを特徴とする請求項1または2に記載のパルスレーザ装置。   The optical modulator is an acousto-optic type optical modulator that modulates the intensity of the amplified continuous laser light by periodically diffracting the amplified continuous laser light using an acousto-optic element. The pulse laser device according to claim 1 or 2. 前記光変調器は、前記増幅した連続レーザ光のうち前記音響光学素子を透過した残余光の光路を変更する光路変更手段と、前記光路を変更した残余光を受光して熱に変換する受光熱変換手段とを備えることを特徴とする請求項3に記載のパルスレーザ装置。   The optical modulator includes: an optical path changing unit that changes an optical path of residual light that has passed through the acousto-optic element in the amplified continuous laser light; and a light receiving heat that receives the residual light that has changed the optical path and converts it into heat. The pulse laser device according to claim 3, further comprising a conversion unit. 前記光変調器は、前記パルスレーザ光の出力側に該パルスレーザ光の波長の光を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のパルスレーザ装置。   The said optical modulator is provided with the band pass filter which selectively permeate | transmits the light of the wavelength of this pulsed laser beam on the output side of the said pulsed laser beam, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. Pulse laser equipment.
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