JP2012142523A - 受動qスイッチレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】励起源102および共振器を有し、励起源102により励起された発振光LOを共振器から出力する受動Qスイッチレーザ101と、励起源102に一定のオフセット電流を供給する駆動電源112と、オフセット電流に電流パルスIpを付加するパルス発生電源111とを備える。電流パルスIpにより発振光LOのパルス出力タイミングを制御する。
【選択図】図1
Description
この場合の受動Qスイッチレーザ装置としては、Qスイッチ素子を軸垂直方向に位置調整をするアクチュエータと、フォトディテクタと、サーボ装置と、インタフェース装置とを備え、インタフェース装置で設定された周波数とフォトディテクタとから計測されたパルス周波数が整合するように、サーボ装置でアクチュエータを制御して、可能和吸収体の厚さを変えることにより、パルス周波数を調整する技術も提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
図1はこの発明の実施の形態1に係る受動Qスイッチレーザ装置100を示す構成図である。
図1において、受動Qスイッチレーザ装置100は、受動Qスイッチレーザ101と、受動Qスイッチレーザ101の発振光LOを分離する分離ミラー107と、発振光LOのパルス出力タイミングを計測するパルスタイミングモニタ108と、周期信号からなる基準クロックCSを発生する基準クロック発生源109と、比較器110と、パルス発生電源111と、駆動電源112とから構成されている。
受動Qスイッチレーザ101において、励起源102は、レーザ媒質103にエネルギーを供給する機能を有する。
反射防止膜104は、レーザ媒質103の第1の端面103aに設けられており、レーザ発振波長に対しては全反射機能を有し、励起波長に対しては反射防止機能を有する。
レーザ媒質103の第1の端面103aと、出力反射鏡106の第1の端面106aとにより共振器が構成されている。
したがって、レーザ媒質103および出力反射鏡106からなるレーザ共振器内に挿入された可飽和吸収体105は、励起直後においては、損失機能が作用してレーザ発振を妨げ、その後、徐々にレーザ媒質103にエネルギーが蓄積されて、損失機能よりも利得機能が高くなると、レーザ発振が開始されてレーザ光を吸収して透明になる。
この結果、出力反射鏡106からは、尖頭値の高いパルス光が出力される。
また、レーザ媒質103と可飽和吸収体105との間に集光レンズ(図示せず)を設け、安定共振器を形成することも可能であり、可飽和吸収体105に入射するビームのエネルギー密度を調整して、高効率のパルス動作を行うことも可能である。
まず、受動Qスイッチレーザ101から出力された発振光LOの一部は、分離ミラー107で分離されて、パルスタイミングモニタ108に入射される。
パルスタイミングモニタ108は、発振光LOのパルス出力タイミングを計測し、基準クロック発生源109は、基準クロックCSを発生する。
まず、図2および図3を参照しながら、比較器110、パルス発生電源111および駆動電源112による動作(発振光LOのパルス出力タイミングを基準クロックCSと同期させるための補正動作)について説明する。
図2は発振光LOのパルス出力タイミングが遅延した場合の同期補正動作を示しており、図3は発振光LOのパルス出力タイミングが進んだ場合の同期補正動作を示している。
受動Qスイッチレーザ101から出力される発振光LOは、基準クロックCSに対してランダム位相を有する初期の光パルスO1〜O3と、同期調整後の光パルスO4〜O6とを含む複数の光パルスO1〜O6(パルス列)からなる。
なお、初期の光パルスO1〜O3のパルス出力タイミングは、ランダム位相であるが、励起源電流Iのオフセット電流Iaveがあらかじめ適切に調整設定されており、基準クロックCSの周期t1(目標値周期)と一致しているものとする。
次に、図4および図5を参照しながら、パルス発生電源111の具体的な計算機能について説明する。
図4(b)の場合、電流パルスIp2(励起光パルスPp2)の入力前後における発振光LOのパルス周期t1、t3、t2は、536[μs]から747[μs]まで長くなり、その後、536[μs]に復帰して、パルス列が得られている。
図5において、横軸のマイナス側は負極性の電流パルスIp2に対応しており、負極性の電流パルスIp2を付加した場合には、パルス周期が長くなることを示している。
図5の計算結果から、電流パルスIpを付加することにより、発振光LO(光パルス)のパルス出力タイミングを制御することが可能なことが分かる。
さらに、パルス発生電源111は、発振光LOの光パルスが発生していない時間に電流パルスIpを付加するように構成されている。
なお、上記実施の形態1(図1)では、発振光LOのパルス周期が基準クロックCSの周期t5(目標値周期)と一致するように、励起源電流Iのオフセット電流Iaveがあらかじめ調整されたものとして説明したが、励起源電流Iのオフセット電流を適性化するために、図6のように、パルス周波数Fpをモニタする周波数測定装置208と、パルス周波数Fpを目標周波数に一致させるための電流制御手段211とを設けてもよい。
電流制御手段211は、初期のオフセット電流Iave0に補正オフセット電流Icを重畳した励起源電流Iを励起源102に供給する。
図7においては、駆動電源112Aから励起源102に供給される励起源電流Iと、励起源102から出力される励起光LPと、受動Qスイッチレーザ101から出力される発振光LOとの関係を、それぞれの時間波形により示している。
まず、受動Qスイッチレーザ101から出力された発振光LOの一部は、分離ミラー107で分離されて、周波数測定装置208に入射される。
電流制御手段211は、発振光LOのパルス周波数Fpを目標周波数と一致させるための補正オフセット電流Icを生成し、所定のタイミングで駆動電源112Aに入力する。
駆動電源112Aは、オフセット電流Iave0に補正オフセット電流Icを重畳させた励起源電流Iを励起源102に供給する。
これにより、励起光LPは、励起源電流Iに追従して、初期のオフセットパワーPave0から、目標値に一致した補正後のオフセットパワーPaveに徐々に変化する。
逆に、励起光LPの初期のオフセットパワーPave0が目標値のオフセットパワーPaveよりも小さい場合には、励起源電流Iの補正時の発振光LOのパルス周期の変化において、t5<t4<t1となる。
具体的には、周波数測定装置208と駆動電源112Aとの間に挿入された電流制御手段211を備えており、電流制御手段211は、パルス周波数Fpを目標周波数に一致させるための補正オフセット電流Icを出力する。これにより、駆動電源112Aは、補正オフセット電流Icが付加された励起源電流Iを励起源102に供給する。
また、位置調整機構なども不要となるので、小型で振動や衝撃に対して耐性の優れた受動Qスイッチレーザ装置100Aを実現することができる。
なお、上記実施の形態2(図6)では、発振光LOのパルス周波数Fpのみを制御したが、前述の実施の形態1(図1)のパルス出力タイミングの制御を組み合わせて、図8のように構成してもよい。
まず、受動Qスイッチレーザ101から出力された発振光LOの一部は、分離ミラー107、207で分離されて、パルスタイミングモニタ108および周波数測定装置208に入射される。
この場合、電流パルスIpは、前述(図2)と同様に、正極性の最大値(振幅)IHおよびパルス幅τを有する。
ただし、この時点では、発振光LOのパルス出力タイミングが基準クロックCSと同期しておらず、たとえば、発振光LOの光パルスO3のタイミングは、基準クロックCSの信号パルスC3の立ち上がりタイミングよりも遅延している。
光パルスO5、O6のタイミングは、基準クロックCSの信号パルスC5、C6の立ち上がりタイミングと同期して発振する。
また、位置調整機構なども不要となるので、小型で振動や衝撃に対して耐性の優れた受動Qスイッチレーザ装置100Bが実現することができる。
なお、上記実施の形態3(図8)では、単体の受動Qスイッチレーザ装置100Bを示したが、受動Qスイッチレーザ装置100Bを1つのレーザ装置ユニットとして、レーザ装置ユニットをn個(nは2以上の整数)並列配置して、図10のように、マルチモジュール形式の受動Qスイッチレーザ装置100Cを構成してもよい。
各レーザ装置ユニット401〜403は、前述と同様の受動Qスイッチレーザ101と、分離ミラー107、207と、パルスタイミングモニタ108と、比較器110と、パルス発生電源111と、駆動電源112Bと、周波数測定装置208と、電流制御手段211と、を備えている。
レーザ装置ユニット401内の比較器110は、分配器400からのクロック信号DS1と、パルスタイミングモニタ108で計測された発振光LO1のパルス出力タイミングとを比較して、タイミング差分をパルス発生電源111に入力する。
駆動電源112Bは、電流制御手段211からの補正オフセット電流Icにより、パルス周波数Fpが目標周波数と一致するように、励起源電流I1のオフセット電流Iave1を適性化するとともに、パルス発生電源111からの電流パルスIp11により、発振光LO1のパルス出力タイミングをクロック信号DS1の立ち上がりタイミングと同期させる。
レーザ装置ユニット401において、受動Qスイッチレーザ101の発振光LO1の一部は、分離ミラー107が分離され、パルスタイミングモニタ108および周波数測定装置208に入射される。
レーザ装置ユニット401に入力されるクロック信号DS1は、信号パルスC11、C14、C17、C20、C23と同期したパルス列であり、レーザ装置ユニット402に入力されるクロック信号DS2は、信号パルスC12、C15、C18、C21と同期したパルス列であり、レーザ装置ユニット403に入力されるクロック信号DS3は、信号パルスC13、C16、C19、C22と同期したパルス列である。
レーザ装置ユニット402内の励起源電流I2は、オフセット電流Iave2に調整されるとともに、最大値IH2およびパルス幅τ2を有する正極性の電流パルスIp21が付加されている。
これにより、タイミング同期補正後の発振光LOのパルス周波数Fpは、各クロック信号DS1〜DS3の周波数の3倍に設定されることになる。
また、結合手段410は、各レーザ光の波長を変えてフィルタで合成する波長合波などを用いることにより、各発振光LO1〜LO3を同一光軸に結合して出射することもできる。
すなわち、n個(n≧2)のレーザ装置ユニット(受動Qスイッチレーザ装置)を組み合わせることにより、周波数のばらつきを小さく抑制しつつ、パルス周波数Fpがレーザ装置ユニットの単体に対してn倍となる受動Qスイッチレーザ装置を得ることができる。
なお、上記実施の形態4(図10、図11)では、分配器400を介して各レーザ装置ユニットの制御タイミングの位相を互いに異なるように設定し、最終的なパルス周波数がレーザ装置ユニットの単体に対してn倍となる受動Qスイッチレーザ装置100Dを構成したが、図12、図13のように、分配器400を削除して各レーザ装置ユニットの制御タイミングを同期させ、最終的なピークパワーがレーザ装置ユニットの単体に対してn倍となる受動Qスイッチレーザ装置100Dを構成してもよい。
また、ここでは、前述と同様に、レーザ装置ユニット数nが「3」の場合を示しているが、nは2以上の任意数に設定され得る。
レーザ装置ユニット401内の比較器110は、基準クロックCSと、パルスタイミングモニタ108で計測された発振光LO1のパルス出力タイミングとを比較して、タイミング差分をパルス発生電源111に入力する。
駆動電源112Bは、電流制御手段211からの補正オフセット電流Icにより、パルス周波数Fpが目標周波数と一致するように、励起源電流I1のオフセット電流Iave1を適性化するとともに、パルス発生電源111からの電流パルスIp11により、発振光LO1のパルス出力タイミングを基準クロックCSの立ち上がりタイミングと同期させる。
レーザ装置ユニット401において、受動Qスイッチレーザ101の発振光LO1の一部は、分離ミラー107が分離され、パルスタイミングモニタ108および周波数測定装置208に入射される。
図13においては、レーザ装置ユニット401〜403内の各受動Qスイッチレーザ101が周波数制御(オフセット電流Iave1〜Iave3が適性化)された後の動作を示しており、基準クロック発生源109からの基準クロックCSと、各ユニット内の駆動電源112Bからの励起源電流I1〜I3と、各ユニットからの発振光LO1〜LO3と、各発振光LO1〜LO3を結合した発振光LOとの各時間波形を示している。
レーザ装置ユニット401内の励起源電流I1は、オフセット電流Iave1に調整されるとともに、最大値IH1およびパルス幅τ1を有する正極性の電流パルスIp11が付加されている。
また、結合手段410は、各レーザ光の波長を変えてフィルタで合成する波長合波などを用いることにより、各発振光LO1〜LO3を同一光軸に結合して出射することもできる。
Claims (8)
- 励起源および共振器を有し、前記励起源により励起された発振光を前記共振器から出力する受動Qスイッチレーザと、
前記励起源に一定のオフセット電流を供給する駆動電源と、
前記オフセット電流に電流パルスを付加するパルス発生電源と、を備え、
前記電流パルスにより、前記発振光のパルス出力タイミングを制御することを特徴とする受動Qスイッチレーザ装置。 - 前記パルス発生電源は、前記発振光の光パルスが発生していない時間に前記電流パルスを付加することを特徴とする請求項1に記載の受動Qスイッチレーザ装置。
- 励起源および共振器を有し、前記励起源により励起された発振光を前記共振器から出力する受動Qスイッチレーザと、
前記励起源に対して励起源電流を供給する駆動電源と、
前記発振光のパルス周波数を測定する周波数測定装置と、を備え、
前記駆動電源は、前記励起源電流により、前記パルス周波数が所望の目標周波数と一致するように制御することを特徴とする受動Qスイッチレーザ装置。 - 前記発振光のパルス周波数を測定する周波数測定装置を備え、
前記駆動電源は、
前記オフセット電流により、前記発振光のパルス周波数が所望の基準クロックの周波数とほぼ一致するように制御するとともに、
前記オフセット電流に付加された前記電流パルスにより、前記発振光のパルス出力タイミングが前記基準クロックとほぼ一致するように制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の受動Qスイッチレーザ装置。 - 前記周波数測定装置と前記駆動電源との間に挿入された電流制御手段を備え、
前記電流制御手段は、前記パルス周波数を前記目標周波数に一致させるための補正オフセット電流を出力し、
前記駆動電源は、前記補正オフセット電流が付加された励起源電流を前記励起源に供給することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の受動Qスイッチレーザ装置。 - 請求項4または請求項5に記載の受動Qスイッチレーザ装置をレーザ装置ユニットとして、前記レーザ装置ユニットをn個(nは2以上の整数)並列配置し、
前記n個のレーザ装置ユニットに対して、周波数が同一で互いに位相が異なるn個のクロック信号を個別に入力することにより、
前記n個のレーザ装置ユニットから出射される各発振光を合成した発振光のパルス周波数を、前記n個のクロック信号の各々の周波数のn倍に設定したことを特徴とする受動Qスイッチレーザ装置。 - 請求項4または請求項5に記載の受動Qスイッチレーザ装置をレーザ装置ユニットとして、前記レーザ装置ユニットをn個(nは2以上の整数)並列配置し、
前記n個のレーザ装置ユニットに対して、周波数が同一で互いに同位相のクロック信号を個別に入力することにより、
前記n個のレーザ装置ユニットから出射される各発振光を合成した発振光のピークパワーを、n倍に設定したことを特徴とする受動Qスイッチレーザ装置。 - 前記n個のレーザ装置ユニットから出射される各発振光を同一光軸に結合するための光学系を備えたことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の受動Qスイッチレーザ装置。
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