JP2012009743A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザ光の出力の開始および終了を行う際に高速応答が可能であって光増幅媒体の破損を抑制することができるレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１Ａは、種光源１０、光増幅部２０、パルス変調器４０、励起光トリガ部５０および主制御部６０を備える。パルス変調器４０は、主制御部６０から与えられる出力開始指示および出力終了指示を受けて、種光源１０からの種光の出力の開始および終了を制御する。励起光パワー制御部５０は、主制御部６０から与えられる励起光トリガ信号を受けて、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを増減する。主制御部６０は、パルスレーザ光の出力の終了に際して、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを励起光パワー制御部５０により低下させた後に、種光源１０からの種光の出力をパルス変調器５０により終了させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、パルス状の種光を光増幅して当該光増幅後のパルスレーザ光を出力するレーザ装置に関するものである。

種光源および光増幅部を備えるＭＯＰＡ（Master Oscillator PowerAmplifier）構成のレーザ装置は、種光源から出力される種光を光増幅部において光増幅し、その光増幅した光を出力するものである。

光増幅部としては、希土類元素（例えばＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｔｂなど）がコアに添加された光ファイバを光増幅媒体として含むものが好適に用いられる。希土類元素添加光ファイバが光増幅媒体として用いられる場合、励起光およびレーザ光が光ファイバ内に閉じ込められることから取り扱いが容易であり、また、熱放射性が良いことから、大規模な冷却設備を必要とすることがない等、多くの利点がある。

光増幅媒体としての光ファイバに添加される希土類元素の中でもＹｂ（イットリビウム）は高い変換効率を有することから、ハイパワー用の増幅用光ファイバとしてＹｂ添加光ファイバが広く用いられている。他の希土類元素と同じくＹｂも励起光の供給を受けて励起され、吸収しきれなかった励起光は増幅用光ファイバの他端から出射される。

特許文献１では、Ｆｉｇ．５において、励起光をパルス入力し、励起光のパルス光の終端に一致させて、個々の注入信号（種光）パルスの終端を一致させることが開示されている。注入信号（種光）の個々のパルスと励起光のパルスを個々に対応させている。なお、種光を、パルス発振からＣＷ発振に切り替えた時の、励起光出力の調整についての開示はない。

米国特許５８６７３０５号明細書

ＭＯＰＡ構成のレーザ装置は、高出力・高品質のパルスレーザ光を得ることができるので、加工や医療などの用途において需要が高まっている。このような用途では、加工対象物において、連続繰り返しパルスのレーザ光を照射して加工すべき箇所と、レーザ光を照射せずに加工しない箇所とが存在する場合がある。そのような場合に、レーザ装置からのパルスレーザ光の出力を或る時刻で開始し他の或る時刻で終了することが必要となる。開始時刻と終了時刻は、決まっている提携作業もあれば、対象物を測定しながら、随時決める場合もある。いずれの場合でも、瞬時に変更可能であることが求められている。しかし、レーザ加工では、繰り返しパルスを連続的に照射している加工中に、レーザ照射状態を高速に切替えてレーザ加工できない状態にし、その後しばらくして、再度高速に切替えてレーザ加工できる状態に戻すことは、高速性が増すほど難しく、いろいろな方法が提案されている。

発明者は、これを解決するためにＭＯＰＡ構成の光ファイバレーザ装置で種光源を直変制御で、繰り返し周波数の連続パルス光（以後、繰返しパルス光という）をパルス発振でレーザ光を照射して、加工を行う。加工の必要のない部分では、パルス発振を止め、ＣＷ発振とし、加工しない状態とする。ＣＷ発振と繰返しパルス光のパルス発振をすばやく切替えることで、加工と非加工の高速切り替えを可能にした。しかし、この方法では、パルス発振からＣＷ発振に切替えた時に、ＭＯＰＡを構成する増幅用光ファイバが破断するという現象が発生することがあるという新規な問題点を発見した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、パルスレーザ光の出力の開始および終了を行う際に高速応答が可能であって光増幅媒体の破損を抑制することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ装置は、（１）パルス光の種光を出力する種光源と、（２）励起光をＣＷ光で出力する励起光源と、（３）励起光と種光を入力して種光を増幅する光増幅部とを有するレーザ装置であって、（３）種光源を繰返しパルス発振状態とＣＷ発振状態とに変調するパルス変調器と、（４）光増幅部に入力する励起光パワーを調整する励起光パワー制御部と、（５）パルス変調器の制御と励起光パワー制御部の制御のタイミングを制御する主制御部とを有し、光増幅部において種光が繰返しパルス状態からＣＷ状態に切り替わる際に、励起光パワーが繰り返しパルス状態でのパワーより低下した所定のパワーとなるように設定されていることを特徴とする。

本発明のレーザ装置では、励起光パワー制御部は、励起光源の出力パワーを直接制御することで、光増幅媒体に供給される励起光のパワーを増減するのが好適である。或いは、励起光源と光増幅部の間の光路上に可変光減衰器を有し、励起光パワー制御部は、可変光減衰器を制御することで、光増幅媒体に供給される励起光のパワーを増減するのも好適である。

本発明のレーザ装置では、光増幅部において種光が繰返しパルス状態からＣＷ状態に切り替わる際の励起光の所定のパワーが、前記光増幅媒体におけるＡＳＥ光の利得が前記ＣＷ光の利得未満となる励起光パワーであることが好適である。

本発明のレーザ装置では、主制御部は、種光のＣＷ光の立上り部が光増幅部に入力する際に、所定パワーの励起光が入力されるように、タイミング差を調整するためのタイミング差調整部を含むのが好適である。

本発明のレーザ装置では、励起光パワーは、光増幅部において種光が繰返しパルス状態からＣＷ状態に切り替わる際の所定のパワーとした後に、連続パルス時のパワーとなるように段階的に設定されているのが好適である。また、本発明のレーザ装置では、主制御部が励起光パワー制御部を含むのが好適である。

本発明のレーザ装置は、パルスレーザ光の出力の開始および終了を行う際に高速応答が可能であって光増幅媒体の破損を抑制することができる。

比較例のレーザ装置１の構成を示す図である。 比較例のレーザ装置１における各信号を示すタイミングチャートである。 種光源の制御と種光源の出力の動作例を示す図である。 種光源の出力とレーザ装置１の出力の動作例を示す図である。 第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成を示す図である。 第１実施形態のレーザ装置１Ａにおける各信号を示すタイミングチャートである。 第１実施形態のレーザ装置１Ａにおける各信号を示すタイミングチャートである。 第１実施形態のレーザ装置１Ａの出力の動作例を示す図である。 第２実施形態のレーザ装置１Ｂの構成を示す図である。 第２実施形態のレーザ装置１Ｂにおける各信号を示すタイミングチャートである。 第３実施形態のレーザ装置１Ｃの構成を示す図である。 第４実施形態のレーザ装置１Ｄの構成を示す図である。 第５実施形態のレーザ装置１Ｅの構成を示す図である。 第６実施形態のレーザ装置１Ｆの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、比較例のレーザ装置１の構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１は、種光源１０、光増幅部２０、デリバリ光ファイバ３０およびパルス変調器４０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。

種光源１０は、パルス状の種光を繰り返し出力するもので、例えばレーザダイオードの出力が直接変調されることでパルス状の種光を繰り返し出力することができる。種光源１０は、パルス変調器４０から与えられる出力開始指示を受けて種光の出力を開始し、また、パルス変調器４０から与えられる出力終了指示を受けて種光の出力を終了する。

光増幅部２０は、光増幅媒体としての増幅用光ファイバ２１および合波部（例えば、光カプラ）２３を含む。励起光源２２は励起光を出力する。合波部２３は、種光源１０から出力された種光を入力して増幅用光ファイバ２１へ出力するとともに、励起光源２２から出力された励起光を入力して増幅用光ファイバ２１へ供給する。増幅用光ファイバ２１は、この励起光により励起され、種光を光増幅して、その光増幅後のパルスレーザ光を出力する。

増幅用光ファイバ２１は、ダブルクラッド型の屈折率プロファイルを有するものであるのが好ましい。この場合、増幅用光ファイバ２１は、希土類元素が添加されるコア部と、このコア部を取り囲みコア部の屈折率より低い屈折率を有する第１クラッド部と、この第１クラッド部を取り囲み第１クラッド部の屈折率より低い屈折率を有する第２クラッド部とを有する。増幅用光ファイバ２１のコア部は種光をシングルモードで導波させ、コア部および第１クラッド部は励起光をマルチモードで導波させる。

増幅用光ファイバ２１における励起光の吸収は、増幅用光ファイバ２１の特性（主に、モードフィールド径、第１クラッド部の外径、コア部の希土類元素添加濃度）により決定される。例えば、希土類元素としてＹｂがコア部に添加された増幅用光ファイバ（以下、ＹｂＤＦ）において、Ｙｂ添加濃度が約１００００ｐｐｍであり、モードフィールド径が約７μｍであり、第１クラッド部の外径が約１３０μｍであり、長さが５ｍであるとすると、励起光波長９１５ｎｍ帯で約２.４ｄＢの励起光が吸収される。なお、励起光波長は９４０ｎｍ帯または９７５ｎｍ帯であってもよい。尚、増幅用光ファイバは、ＹｂＤＦに限定されず、用途に応じて、他の希土類元素が添加された光ファイバを用いても良い。

高利得を得るために複数の励起光源２２を含むのが好適であり、また、この場合には合波部２３として光コンバイナが用いられるのが好適である。また、レーザ装置１は、高出力を得るために、種光源１０と光増幅部２０との間に１段または複数段の中間光増幅部が設けられていてもよい。

デリバリ光ファイバ３０は、増幅用光ファイバ２１から出力されたパルスレーザ光を一端に入力して導波させ、そのパルスレーザ光を出射端３１から出力する。デリバリ光ファイバ３０は、コア部と、このコア部を取り囲みコア部の屈折率より低い屈折率を有するクラッド部とを有し、パルスレーザ光をシングルモードで導波させる。

パルス変調器４０は、外部トリガ発生器２から外部トリガ（ＴＴＬ信号）を与えられる出力開始指示および出力終了指示を受け、これらの指示を種光源１０へ与えて、種光源１０からの種光の繰返しパルスが発振する期間の開始および終了を制御する。パルス変調器４０へ与えられる期間の開始指示および終了指示は、手動で与えられてもよいが、種光源１０において高速に出力の開始および終了を行うには、外部トリガ発生器２から与えられるのが好ましい。外部トリガ発生器２は例えば加工装置本体内または外に設けられたパーソナルコンピュータ等である。

図２は、比較例のレーザ装置１における各信号を示すタイミングチャートである。同図（ａ）は外部トリガ発生器２からレーザ装置１に与えられる外部トリガ電圧を示し、同図（ｂ）は外部トリガ電圧に基づいて種光源１０に与えられる種光トリガ電圧を示し、また、同図（ｃ）は励起光源２２に与えられる励起光源の駆動電流を示す。

外部トリガ発生器２からレーザ装置１に与えられる外部トリガ電圧（同図（ａ））は、ローレベルＶ１offからハイレベルＶ１onに転じることで種光源１０の出力の開始を指示し、また、ハイレベルＶ１onからローレベルＶ１offに転じることで種光源１０の出力の終了を指示する。

パルス変調器４０から種光源１０に与えられる種光トリガ電圧（同図（ｂ））は、外部トリガ発生器２からレーザ装置１に与えられる種光トリガ（同図（ａ））と同じタイミングでレベル変化し、ローレベルＶ２offからハイレベルＶ２onに転じることで種光源１０の出力の開始を指示し、また、ハイレベルＶ２onからローレベルＶ２offに転じることで種光源１０の出力の終了を指示する。励起光源２２に与えられる励起光源の駆動電流（同図（ｃ））は、常にハイレベルＩ１であり、励起光源２２の一定強度の励起光の出力の継続を指示している。

種光源では、パルス変調器からのパルスパターンを受けてパルス動作にするか、ＣＷ動作にするか選択が可能である。種光源のＣＷ動作かパルス動作の挙動は、ＭＯＰＡの場合、最終のレーザ出力まで影響する。レーザ出力にて、ＣＷ動作及びパルス動作の相違点は、瞬間的な出力であり、ＣＷ動作では、連続波である為、常に一定の出力なのに対し、パルス動作では、1パルスの短い時間に集中させる為、ＣＷ出力の数千倍もの出力にすることができる。この特性を活かし、加工分野において、ＣＷ出力では加工できない加工を達成している。

種光源でのＣＷ動作とパルス動作の挙動を示したのが図３である。種光源は、ＣＷ発振後、所定の期間複数のパルス光を連続発振し、その後、ＣＷ発振に戻る動作を示している。ＣＷ発振の定常状態のパワーレベルは、パルス発振のピークレベルに合わせた出力に設定されている。これは、ＣＷ発振からパルス発振に切替えた際に、パルス発振のピークレベルを調整する作業を省くことになり、レーザ加工のＯｎ／Ｏｆｆを可能にしている。

種光出力は、徐々に出力パワーをＣＷ発振の定常状態レベルに回復させている。なお、ＹｂＤＦの出力波長は、パルス発振時は、１０６０ｎｍであるが、ＣＷ発振時は、ＡＳＥ光の自励発振で１０６０ｎｍ以外（例えば、シングルクラッド型では、１０３０ｎｍ帯、ダブルクラッド型では１０４０〜１０５０ｎｍ帯）で発振し、基本波の１０６０ｎｍより強いパワーを出力する。

図４は、図３の種光出力の制御を行った場合の比較例のレーザ装置１の出力開始時の動作例を示す図である。同図（ａ）に示されるように、外部トリガ電圧がローレベルからハイレベルに転じることで種光出力の開始が指示されると、その出力開始指示の時刻から或る一定の遅延時間が経過した後にレーザ光のパルス動作が開始される。この遅延時間は、外部トリガ電圧がローレベルから或る一定のレベルまでに達する時間と、パルス変調器４０が種光源１０に出力開始指示を与える際に必要な処理に要する時間とにより決定される。パルスレーザ光の出力の開始時からパルスレーザ光の強度が安定するまで時間を要するものの、出力開始指示によりパルスレーザ光の出力が開始される。

同図（ｂ）は、図３に示したように一定パルス周期で一定のパルス幅のパルスを繰り返しパルス出力する。外部トリガ電圧がハイレベルからローレベルに転じると、その出力開始指示の時刻から或る一定の遅延時間が経過した後にＣＷ発振し、ＣＷ光を出力する。ＣＷ発振の立上り部では、繰り返しパルスがＯｆｆの時のパワーレベルからＣＷ発振の定常状態の出力パワーレベルに或る所定時間（ＴSeed pulse→ＣＷ）をかけて、急激に変化をする。同図（ｃ）は、励起光出力を示し、励起光源の駆動電流が一定に設定されており、励起光パワーは一定である。

同図（ｄ）は、レーザ出力を示す。レーザ出力は、光出射端３１からのレーザ光を受光器（図示せず）で受光した際の光電気変換の電圧値に基づく出力パワーを示す。ＣＷ発振が定常状態のときは、或る一定パワーのレーザ出力を示す。ＣＷ状態から繰り返しパルス発振の状態となると、種光パワーは単パルスがＯｆｆの部分では、ＡＳＥ光のみを発振し、その出力レベルは、低レベルとなる。この間は、励起光の消費が少なく、励起光パワー過剰状態となる。単パルスがＯＮの状態では、それまでの単パルスがＯｆｆ状態での励起光パワーを単パルス光が利得として消費し、高ピークパワーのパルス光をレーザ出力として放出する。繰り返しパルス発振の状態からＣＷ発振の状態に移行する際は、上記の通り、ＣＷ発振の立上り部で、種光パワーはその出力が急激に変化し、或る一定時間をかけて、ＣＷ定常状態へ移行するために、レーザ出力もそれに合わせて急激に変化することを確認した。ＣＷ発振の立上り部の先頭では、過渡応答に似た急激なレーザ出力の増大を示した。その後、種光パワーがＣＷ発振の定常状態に移行する間、レーザ出力もＣＷ定常発振時レーザ出力となるように徐々に移行する。

ＣＷ発振の定常状態では、常時出力となるが、低パワーレベルで、通常特に問題を発生させることはない。繰り返しパルス発振時は、レーザ加工を行うため、或る程度のピークパワーを出力するが、そのレーザ出力は、光増幅部が破壊されない程度の出力レベルで行っている。しかし、出力終了の際に最後に出力されるパルスレーザ光のパルス波形は、それ以前の他のパルスレーザ光のパルス波形と比べると、ピークパワーが２倍以上高く、かつ、底幅が広く１μｍとなっている。これは、前図で示したＣＷ発振が立ち上がる際に、種光がパルス化した部分による影響と考えられる。この部分の影響で、パルスの底幅が拡大し、ピークパワー増大したと推測される。パルス発振が終了したことにより、種光の増幅に消費されなくなった励起光がＡＳＥ光となり、自励発振しやすい状況になり、その分余計にピークパワーが増大している可能性も考えられる。これらの要因により、光増幅部での励起光パワーが大きいと、ＣＷ発振の立上り時に、巨大なパルスが発生して、増幅用光ファイバ２１等が損傷する危険性を有していることが分かった。以下に説明する実施形態のレーザ装置は、このような問題の解消を図るものである。

図５は、第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１Ａは、種光源１０、光増幅部２０、励起光源２２、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０、励起光パワー制御部５０および主制御部６０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図１に示された比較例のレーザ装置１の構成と比較すると、この図５に示される第１実施形態のレーザ装置１Ａは、励起光パワー制御部５０および主制御部６０を更に備える点で相違する。なお、励起光パワー制御部５０は、主制御部６０とは別のものであってもよいし、小型化・高速化のために主制御部６０に含まれていてもよい。

パルス変調器４０は、主制御部６０から与えられる繰返し周波数による複数パルスが発振する期間の開始指示および終了指示を受け、これらの指示を種光源１０へ与えて、種光源１０からの種光の出力の開始および終了を制御する。具体的には、開始指示の際は、CW出力を終了するとともに、繰返しパルス出力を開始する。また、終了指示の際は、繰返しパルス出力を終了するとともに、CW出力を開始する。励起光パワー制御部５０は、主制御部６０から与えられる励起光トリガ信号を受け、この励起光トリガ信号に基づいて、励起光源２２が出力する励起光のパワーを、励起光源の駆動電力を制御することで、増減することで、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを増減する。

主制御部６０は、外部トリガ発生器２から与えられる繰返しパルスの出力開始指示および出力終了指示を受け、これらの指示に基づいて繰返しパルス光の出力の開始および終了の際に所定の手順で励起光パワー制御部５０および主制御部６０それぞれに対して指示を与える。繰返しパルス光の出力の開始に際しては、主制御部６０は、比較例と同様に、種光源１０からの種光の出力をパルス変調器５０により開始させる。

一方、繰返しパルス光の出力の終了に際しては、主制御部６０は、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを励起光パワー制御部５０により低下させた後に、種光源１０からの種光の出力をパルス変調器５０により終了させる。その後に、主制御部６０は、次の出力開始指示に備えて、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを励起光パワー制御部５０により元に復帰させる。

図６は、第１実施形態のレーザ装置１Ａにおける各信号を示すタイミングチャートである。同図（ａ）は外部トリガ発生機器２からの外部トリガ電圧を示し、同図（ｂ）は主制御部６０からパルス変調器４０への種光トリガ電圧を示し、また、同図（ｃ）は主制御部６０から励起光パワー制御部５０への励起光トリガ信号に起因する励起光源の駆動電流を示す。

主制御部６０は、外部トリガ信号電圧がタイミングT1またはT3でローレベルＶ１offからハイレベルＶ１onに転じることで、種光トリガ電圧がタイミングts１またはts3で種光源１０の繰返しパルス光の出力の開始を指示し、同様に、タイミングT2でハイレベルＶ１onからローレベルＶ１offに転じることで、タイミングts2で種光源１０の繰返しパルス光の出力の終了を指示する。つまり、タイミングts1、タイミングts3は、それぞれ、タイミングT1、タイミングT3に基づいて設定される。

励起光トリガ信号に対しては、外部トリガ電圧がタイミングT2でハイレベルＶ１onからローレベルＶ１offに転じることで、励起光源の駆動電流がタイミングtp1でハイレベルＩ１からローレベルＩ２に転じ、さらに、タイミングtp1から少し経過したタイミングtp2でローレベルＩ２からハイレベルＩ１に転じる。つまり、タイミングtp1とタイミングtp2は、タイミングT2に基づいて設定される。

種光トリガ電圧と励起光トリガ電圧のタイミング関係は、図６では、ts1、tp1、ts2、tp2、ts3の順番となっている。なお、図６のタイミングチャートは、光増幅部２０への励起光、種光の入力に、タイミング差が存在しないという前提での図である。タイミング差が生じる場合は、それを補完するようにタイミング差を設定する。このタイミングがレーザ装置１Aにおける実際のタイミングと異なるような事態が想定される場合は、さらにタイミング差の設定を行うことになる。例えば、種合源１０と光増幅部２０の間に、予備の光増幅部を複数段追加した場合は、微妙にタイミング差が生じることになる。その場合は、後述のタイミング差設定部を追加して、調整することになる。

なお、励起光パワー制御信号のローレベルＩ２は、励起光源２２から励起光が全く出力されないようなレベルであってもよいし、上記のような増幅用光ファイバ２１等に対するダメージを与えないような或る閾値レベルＩｔｈより小さいレベルであればよい（図７）。すなわち、励起光パワー制御部５０は、繰り返しパルス光の出力の終了に際して、増幅用光ファイバ２１におけるＡＳＥ光の利得が種光の利得より小さくなるまで、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを低下させる。
種光源の動作をパルス動作からＣＷ動作に切り替える際、図３で示すように種光源出力が通常ＣＷ出力より弱い出力の条件になりえる為、CW出力時の種光利得よりもＡＳＥ光の利得の方が大きくなり、光増幅部を損傷させるリスクが生じる。上記リスクを避ける為に、励起光入力パワーを下げ、増幅ファイバが破壊しない所定のパワーの閾値レベルまで下げておくことが好ましい。なお、ＣＷ光立上り部の過渡応答による高ピークパワー値の影響を下げたい場合は、「最後のパルスからＣＷ光入力までの時間」の蓄積励起光パワーを低減することも検討すべきである。例えば、最後のパルス後ＣＷ光入力までの時間を短く設定するとか、最後のパルス時に供給される励起光パワーを低下させておく。

励起光パワー制御部５０は、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを１ステップで変化させてもよいし、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを複数段階でステップ状に変化させてもよい。後者の場合、急激な熱変化を防ぐことができる。

図８は、第１実施形態のレーザ装置１Ａの出力の動作例を示す図である。同図（ａ）は、外部トリガ電圧の変化を示す。同図（ｂ）は、外部トリガ電圧の変化に伴う種光出力の動作パターンを示す。同図（ｃ）は、外部トリガ電圧の変化に伴う励起光出力の動作パターンを示す。同図（ｄ）は、同図（ｂ）、（ｃ）の変化に伴うレーザ装置１Ａの出力の動作パターンを示す。

図８（ｄ）は、「ＣＷ１」と「パルス」の期間は、図４と同様のレーザ出力を示す。切り替え制御期間では、種光出力は、同図（ｂ）に示すように、種光出力が繰り返しパルス状態からＣＷ発振への立上りへの切り替えのための移行期間を示す。この期間で、励起光出力が、ＯＮ（ＣＷ発振の定常状態やパルス出力状態を維持するパワーレベルの励起光出力）状態からＯｆｆ（光増幅部への損傷を発生させないためのパワーレベルの励起光出力）状態へ移行する。これにより、移行期間での、レーザ出力は、光増幅部への損傷を発生させないためのパワーレベルまでに低下する。光増幅部への損傷の可能性のあるＣＷ発振への立上り状態を経過した後は、励起光パワーをＯＮ状態に戻し、ＣＷ２の期間となる。このように第１実施形態のレーザ装置１Ａに切り替え制御期間を設け、励起光出力を制御することで、図４に示された比較例のレーザ装置１の動作例と比較すると、ＣＷ定常発振時以上のレーザ出力のレーザ光は出力されていないことが判る。

このように、第１実施形態のレーザ装置１Ａは繰返しパルス光の出力の開始および終了を行う際に高速応答が可能であって光増幅媒体の破損を抑制することができる。また、励起光源２２に供給される電流を通常の電流値より低く設定する時間を短くできるので、励起光源２２の出力を開始／終了させて繰返しパルス光出力を開始／終了させる方法より励起光源２２の温度安定性が向上する。

図９は、第２実施形態のレーザ装置１Ｂの構成を示す図である。図１０は、第２実施形態のレーザ装置１Ｂにおける各信号を示すタイミングチャートである。この図に示されるレーザ装置１Ｂは、種光源１０、光増幅部２０、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０、励起光パワー制御部５０および主制御部６０Ｂを備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図５に示された第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成と比較すると、この図１０に示される第２実施形態のレーザ装置１Ｂは、主制御部６０に替えて主制御部６０Ｂを備える点で相違する。

主制御部６０Ｂはタイミング差調整部６１を含む。タイミング差調整部６１は、繰返しパルス光の出力の終了に際して、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを低下させる指示を励起光パワー制御部５０へ送出した時刻から、種光源１０からの種光の出力を終了させる指示をパルス変調器４０へ送出する時刻までの遅延を設定する。

このようなタイミング差調整部６１を主制御部６０Ｂが含むのが好ましい理由は以下のとおりである。パルス変調器４０の制御の対象は種光源１０からの種光の出力であり、その種光源１０から出力された種光が光増幅部２０に入射するまでに伝搬する時間が存在する。また、励起光パワー制御部５０の制御の対象は励起光源２２からの励起光の出力であり、その励起光源２２から出力された励起光が増幅用光ファイバ２１に入射して応答するまでにも時間を必要とする。そこで、各部位での位相を調整する為に、タイミング差調整部６１によりタイミング差調整時間を設定することで、より正確に励起光パワーの入力タイミングを制御することができる。

図１1は、第３実施形態のレーザ装置１Ｃの構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１Ｃは、種光源１０、光増幅部２０Ｃ、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０、励起光パワー制御部５０および主制御部６０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図５に示された第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成と比較すると、この図１１に示される第３実施形態のレーザ装置１Ｃは、光増幅部２０Ｃと励起光源２２の光路間に可変光減衰器２４を備える点で相違し、また、励起光パワー制御部５０とともに励起光パワー制御を補完する励起光パワー制御部５０Ｃを備える点で相違する。

励起光源２２は一定強度の励起光を継続して出力する。可変光減衰器２４は、励起光源２２から増幅用光ファイバ２１へ至る励起光の光路上に設けられ、この励起光に対する減衰率が可変である。励起光パワー制御部５０Ｃは、主制御部６０からの制御信号を受けて、可変光減衰器２４における励起光の減衰率を増減することで、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを増減する。第３実施形態のレーザ装置１Ｃも、第１実施形態のレーザ装置１Ａと同様の効果を奏することができる。

図１２は、第４実施形態のレーザ装置１Ｄの構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１Ｄは、種光源１０Ｄ、光増幅部２０、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０Ｄ、励起光パワー制御部５０および主制御部６０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図５に示された第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成と比較すると、この図１２に示される第４実施形態のレーザ装置１Ｄは、種光源１０Ｄとして、種光源１０の他に外部変調器１１を更に備える点で相違し、また、パルス変調器４０に替えてパルス変調器４０Ｄを備える点で相違する。種光源１０Ｄは、種光源１０がＣＷ発振し、外部変調器１１で、繰り返しパルス発振状態が、Ｏｎ／Ｏｆｆすることで、ＣＷ発振状態と繰り返しパルス発振状態とが交互に出現する。パルス変調器４０Ｄは、外部変調器１１の繰り返しパルス発振状態のみを制御する。本図の場合も、ＣＷが立ち上がる状態が出現し、急激に立ち上がる際は、過渡応答の問題が発生し、急激なパルスピークが発生する可能性があり、ゆっくり立ち上がる際は、ＡＳＥ光の自励発振の問題が発生する可能性がある。外部変調器１１を用いる形態としては、本図以外に、種光源を繰り返しパルス発振状態とし、外部変調器で、繰り返しパルス状態をＯｎ／Ｏｆｆ制御することが可能である。

種光源１０から一定強度で出力される種光は、外部変調器１１により変調されてパルス光とされる。外部変調器１１は、パルス変調器４０Ｄから種光トリガ信号が与えられて、パルス状の種光の出力の開始および終了を行う。第４実施形態のレーザ装置１Ｄも、第１実施形態のレーザ装置１Ａと同様の効果を奏することができる。

図１３は、第５実施形態のレーザ装置１Ｅの構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１Ｅは、種光源１０、光アイソレータ１２、光増幅部２０Ｅ、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０、励起光パワー制御部５０Ｅおよび主制御部６０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図５に示された第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成と比較すると、この図１３に示される第５実施形態のレーザ装置１Ｅは、光アイソレータ１２を更に備える点で相違し、光増幅部２０に替えて光増幅部２０Ｅを備える点で相違し、また、励起光パワー制御部５０に替えて励起光パワー制御部５０Ｅを備える点で相違する。

光アイソレータ１２は、種光源１０から光増幅部２０Ｅに至る種光の光路上に設けられ、順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

光増幅部２０Ｅは、光増幅媒体としての増幅用光ファイバ２１、励起光源２５および合波部２６を含む。励起光源２５は励起光を出力する。合波部２６は、増幅用光ファイバ２１から出力された繰返しパルス光をデリバリ光ファイバ３０へ出力するとともに、励起光源２５から出力された励起光を入力して増幅用光ファイバ２１へ供給する。増幅用光ファイバ２１は、この励起光により励起され、種光を光増幅して、その光増幅後の繰返しパルス光を出力する。

励起光パワー制御部５０Ｅは、第１実施形態における励起光パワー制御部５０と同様に、主制御部６０から与えられる励起光トリガ信号を受け、この励起光トリガ信号に基づいて、励起光源２５が出力する励起光のパワーを増減することで、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを増減する。

第１実施形態における光増幅部２０では前方励起であったのに対して、この第５実施形態における光増幅部２０Ｅでは後方励起である。第５実施形態のレーザ装置１Ｅも、第１実施形態のレーザ装置１Ａと同様の効果を奏することができる。

図１４は、第６実施形態のレーザ装置１Ｆの構成を示す図である。この図に示されるレーザ装置１Ｆは、種光源１０、光アイソレータ１２、光増幅部２０Ｆ、デリバリ光ファイバ３０、パルス変調器４０、励起光パワー制御部５０Ｆおよび主制御部６０を備え、外部トリガ発生器２とともに用いられる。図５に示された第１実施形態のレーザ装置１Ａの構成と比較すると、この図１５に示される第６実施形態のレーザ装置１Ｆは、光アイソレータ１２を更に備える点で相違し、光増幅部２０に替えて光増幅部２０Ｆを備える点で相違し、また、励起光パワー制御部５０に替えて励起光パワー制御部５０Ｆを備える点で相違する。

光アイソレータ１２は、種光源１０から光増幅部２０Ｆに至る種光の光路上に設けられ、順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

光増幅部２０Ｆは、光増幅媒体としての増幅用光ファイバ２１、励起光源２２、合波部２３、励起光源２５および合波部２６を含む。励起光源２２，２５それぞれは励起光を出力する。合波部２３は、種光源１０から出力された種光を入力して増幅用光ファイバ２１へ出力するとともに、励起光源２２から出力された励起光を入力して増幅用光ファイバ２１へ供給する。合波部２６は、増幅用光ファイバ２１から出力された繰返しパルス光をデリバリ光ファイバ３０へ出力するとともに、励起光源２５から出力された励起光を入力して増幅用光ファイバ２１へ供給する。増幅用光ファイバ２１は、これらの励起光により励起され、種光を光増幅して、その光増幅後の繰返しパルス光を出力する。

励起光パワー制御部５０Ｆは、第１実施形態における励起光パワー制御部５０と同様に、主制御部６０から与えられる励起光トリガ信号を受け、この励起光トリガ信号に基づいて、励起光源２２，２５それぞれが出力する励起光のパワーを増減することで、増幅用光ファイバ２１に供給される励起光のパワーを増減する。

第１実施形態における光増幅部２０では前方励起であり、第５実施形態における光増幅部２０Ｅでは後方励起であったのに対して、この第６実施形態における光増幅部２０Ｆでは双方励起である。第６実施形態のレーザ装置１Ｆも、第１実施形態のレーザ装置１Ａと同様の効果を奏することができる。

１，１Ａ〜１Ｆ…レーザ装置、１０…種光源、１１…外部変調器、１２…光アイソレータ、２０…光増幅部、２１…増幅用光ファイバ（光増幅媒体）、２２…励起光源、２３…合波部、２４…可変光減衰器、２５…励起光源、２６…合波部、３０…デリバリ光ファイバ、３１…出射端、４０…パルス変調器、５０…励起光パワー制御部、６０…主制御部、６１…遅延設定部。

Claims (7)

1. パルス光の種光を出力する種光源と、励起光をＣＷ光で出力する励起光源と、前記励起光と前記種光を入力して前記種光を増幅する光増幅部とを有するレーザ装置であって、
   前記種光源を繰返しパルス発振状態とＣＷ発振状態とに変調するパルス変調器と、光増幅部に入力する励起光パワーを調整する励起光パワー制御部と、前記パルス変調器の制御と励起光パワー制御部の制御のタイミングを制御する主制御部とを有し、
   前記光増幅部において種光が繰返しパルス状態からＣＷ状態に切り替わる際に、前記励起光パワーが繰り返しパルス状態でのパワーより低下した所定のパワーとなるように設定されている
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記励起光パワー制御部は、前記励起光源の出力パワーを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記励起光源と前記光増幅部の間の光路上に可変光減衰器を有し、
   前記励起光パワー制御部は、前記可変光減衰器を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記所定のパワーは、前記光増幅媒体におけるＡＳＥ光の利得が前記ＣＷ光の利得未満となる励起光パワーであることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
5. 前記主制御部は、前記種光のCW光の立上り部が前記光増幅部に入力する際に、前記所定パワーの励起光が入力されるように、タイミング差を調整するためのタイミング差調整部を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
6. 前記励起光パワーは、前記所定のパワーとした後に、連続パルス時のパワーとなるように段階的に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
7. 前記主制御部が前記励起光パワー制御部を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
   

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