JP2012186333A - Laser device - Google Patents

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Satoshi Miwa
聡 三輪
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser device capable of reporting replacement time of an optical fiber according to an actual degradation state of the optical fiber and also capable of securing both economical efficiency and stable operation.SOLUTION: A laser device according to the present invention comprises: a laser light output section having a fiber light amplifier 223; and a wavelength conversion section having a wavelength conversion optical element 34. A laser device LS comprises: an excitation light detector 51 that detects a power of excitation light of the fiber light amplifier 223 and outputs a first detection signal Pa; a second harmonic wave detector 53 that detects a power of light of which wavelength has been converted by the wavelength conversion optical element 34 and outputs a second detection signal Pb; and an FA determination section 58 that determines an operation state of the fiber light amplifier 223. The FA determination section 58 outputs a lifetime determination signal when the second detection signal Pb with respect to the first detection signal Pa (dPb)/(dPa) becomes equal to or lower than a lifetime reference value.

Description

本発明は、ファイバ光増幅器を有し基本波レーザ光を出射するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部から出射された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部とを備えたレーザ装置に関する。   The present invention includes a laser light output unit that has a fiber optical amplifier and emits fundamental wave laser light, and a wavelength that has a wavelength conversion optical element and wavelength-converts and outputs the fundamental wave laser light emitted from the laser light output unit. The present invention relates to a laser device including a conversion unit.

上記のようなレーザ装置は、例えば、顕微鏡や形状測定装置、露光装置等の光源として用いられている。このようなレーザ装置は、一般的に、レーザ光出力部から波長λ=1.0〜1.55μmの基本波レーザ光が出力され、この基本波レーザ光を波長変換部に設けられた複数の波長変換光学素子により順次波長変換して、例えば、波長λ=193nmやλ=309nm等の紫外レーザ光を出力するように構成される(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)。   The laser apparatus as described above is used as a light source for, for example, a microscope, a shape measuring apparatus, and an exposure apparatus. Such a laser device generally outputs a fundamental laser beam having a wavelength λ = 1.0 to 1.55 μm from a laser beam output unit, and the fundamental laser beam is provided in a plurality of wavelength conversion units. The wavelength is sequentially converted by the wavelength conversion optical element, and for example, an ultraviolet laser beam having a wavelength of λ = 193 nm or λ = 309 nm is output (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開2000−200747号公報JP 2000-200747 A 特開2002−50815号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-50815

このようなレーザ装置において、レーザ光出力部に設けられたファイバ光増幅器中の光ファイバは、一般的に、コア、クラッドとそれらを保護する樹脂被覆から構成されている。コアには希土類元素が添加されており、信号光、励起光を入射することにより誘導放出が生じ、信号光の増幅が実現される。この際、光ファイバ自身の発熱、波長の短いアップコンバージョン光の発生などの影響により、ファイバ光増幅器を長期間使用するうちに樹脂被覆が徐々に劣化し、レーザ装置が置かれた環境の温湿度変化などの外乱の影響を受けやすくなるため、安定した基本波レーザ光の出力、ひいては安定した波長変換光の出力が難しくなる。また、波長変換光学素子により波長変換された光は、一般的に基本波レーザ光よりも波長が短く、その一部が戻り光となって光ファイバに入射することによって樹脂被覆が劣化することもある。このことは、樹脂製のクラッドを用いたシングルまたはマルチクラッドの光ファイバにおいても同様と考えられる。   In such a laser device, the optical fiber in the fiber optical amplifier provided in the laser light output section is generally composed of a core, a clad, and a resin coating that protects them. A rare earth element is added to the core, and stimulated emission occurs when signal light and excitation light are incident, thereby amplifying the signal light. At this time, due to the heat generation of the optical fiber itself and the generation of up-conversion light with a short wavelength, the resin coating gradually deteriorates over the long term use of the fiber optical amplifier, and the temperature and humidity of the environment where the laser device is placed Since it becomes easy to be influenced by disturbances such as changes, it becomes difficult to output a stable fundamental wave laser beam, and thus a stable wavelength converted light. In addition, light that has been wavelength-converted by the wavelength conversion optical element is generally shorter in wavelength than the fundamental laser beam, and a part of the light becomes return light and enters the optical fiber, which may deteriorate the resin coating. is there. This is also considered to be the same for a single or multi-clad optical fiber using a resin clad.

そのため、従来のレーザ装置では、種々の劣化要因を考慮して光ファイバの交換寿命を定め、設定された一定の動作時間(例えば、10,000時間)が経過したときに、ワーニング等を表示して、ファイバ光増幅器の交換を促すように構成されていた。このことは、実際には光ファイバの劣化がさほど進行しておらず、まだ十分に使用可能な状態であってもファイバ光増幅器を一律交換することになり、経済性や資源保護の面で課題があった。また、例えば反射率の高い被加工物が多く、レーザ装置から被加工物に照射された波長変換光が戻り光となって光ファイバに入射し、光ファイバの劣化が促進されるような状況下で使用された場合には、予め設定された交換寿命の経過以前に使用限界に到達し、安定した動作を確保することが難しくなる可能性がある、という課題があった。   Therefore, in the conventional laser device, the replacement life of the optical fiber is determined in consideration of various deterioration factors, and when a set constant operation time (for example, 10,000 hours) has elapsed, a warning or the like is displayed, It was configured to encourage replacement of the fiber optical amplifier. This means that optical fiber deterioration has not progressed so much, and even if it is still fully usable, the fiber optical amplifier must be replaced uniformly. This is a problem in terms of economy and resource protection. was there. In addition, for example, there are many workpieces with high reflectivity, and the wavelength-converted light irradiated to the workpiece from the laser device enters the optical fiber as return light and promotes deterioration of the optical fiber. In the case of use in the above, there is a problem that it may be difficult to ensure a stable operation by reaching the use limit before the elapse of a preset replacement life.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、経済性と安定作動の確保とを両立させることができるような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 circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser apparatus capable of achieving both economic efficiency and ensuring stable operation.

上記課題を解決して目的を達成するため、発明者は、まず、レーザ装置から出力される波長変換後の光出力(便宜的に高調波出力という)が当初出力から低下し、その原因がファイバ光増幅器の劣化によるものであると考えられるとき、一体どのような現象が生じているのか、換言すれば、高調波出力の低下や不安定性はファイバ光増幅器のどのような状態変化によって生じるのかについて鋭意研究を行った。以下図面を参照して説明する。図9に説明のため簡易化したレーザ装置のブロック図を示す。   In order to solve the above problems and achieve the object, the inventor firstly reduced the optical output after wavelength conversion output from the laser device (referred to as harmonic output for convenience) from the initial output, and the cause is the fiber What kind of phenomenon is occurring when it is considered to be due to deterioration of the optical amplifier, in other words, about the state change of the fiber optical amplifier that causes a decrease in harmonic output and instability? We conducted intensive research. This will be described below with reference to the drawings. FIG. 9 shows a simplified block diagram of a laser apparatus for explanation.

レーザ装置は、大別的に、ファイバ光増幅器21を有し基本波レーザ光を出射するレーザ光出力部1と、波長変換光学素子31を有しレーザ光出力部1から出射された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部3とを備えて構成される。図9には、信号光を発生するレーザ光源11と、レーザ光源11により発生された信号光を増幅するファイバ光増幅器21とによりレーザ光出力部1を構成した形態を示す。ファイバ光増幅器21により増幅された信号光(基本波レーザ光)は波長変換光学素子31に入射され、波長変換光学素子31においてn次高調波発生など所定の波長変換が行われ、波長変換された光と、波長変換されずに透過した基本波レーザ光とが出射される。   The laser device is roughly divided into a laser beam output unit 1 having a fiber optical amplifier 21 and emitting a fundamental laser beam, and a fundamental wave laser having a wavelength conversion optical element 31 and emitted from the laser beam output unit 1. And a wavelength converter 3 that converts the wavelength of the light and outputs the light. FIG. 9 shows a configuration in which the laser light output unit 1 is configured by a laser light source 11 that generates signal light and a fiber optical amplifier 21 that amplifies the signal light generated by the laser light source 11. The signal light (fundamental laser beam) amplified by the fiber optical amplifier 21 is incident on the wavelength converting optical element 31, and the wavelength converting optical element 31 performs predetermined wavelength conversion such as generation of nth-order harmonics and wavelength conversion. Light and fundamental laser light that has been transmitted without being wavelength-converted are emitted.

ここで、波長変換においては、波長変換光学素子31に対して直線偏光率の高い光を、偏光面が結晶光軸に対して所定角度となるように設定して入射させる必要があるため、レーザ光源11後に設置される図示しない偏波コントローラなどにより偏光を調整された基本波レーザ光が波長変換光学素子31に入射する。図10に、波長変換光学素子31として周期的な分極構造を形成したPPLN(Periodically Poled LiNbO3)結晶を用い、所定周波数の基本波ω1を波長変換して周波数が2倍の第2高調波(2倍波)ω2を発生させる場合を例示する。ファイバ光増幅器21からは、直線偏光の基本波(基本波レーザ光)ω1が出射される。このとき、波長変換光学素子31は、ファイバ光増幅器21から出射される基本波ω1の偏光方位に対し、その偏光方位が波長変換光学素子31の結晶光軸方向(分極方向)であるs偏光の直線偏光光を入射させたときに変換効率が最大となるように配置姿勢が設定される。なお、図では矢印の方向と長さで基本波ω1及び第2高調波ω2の偏光状態とパワーを表している。 Here, in the wavelength conversion, it is necessary to make light having a high linear polarization rate incident on the wavelength conversion optical element 31 with the polarization plane set at a predetermined angle with respect to the crystal optical axis. The fundamental laser light whose polarization is adjusted by a polarization controller (not shown) installed after the light source 11 enters the wavelength conversion optical element 31. In FIG. 10, a PPLN (Periodically Poled LiNbO 3 ) crystal having a periodically polarized structure is used as the wavelength converting optical element 31, and the fundamental wave ω 1 having a predetermined frequency is wavelength-converted to obtain a second harmonic whose frequency is doubled. The case where (double wave) ω 2 is generated is illustrated. From the fiber optical amplifier 21, a linearly polarized fundamental wave (fundamental laser beam) ω 1 is emitted. At this time, the wavelength conversion optical element 31 is s-polarized light whose polarization direction is the crystal optical axis direction (polarization direction) of the wavelength conversion optical element 31 with respect to the polarization direction of the fundamental wave ω 1 emitted from the fiber optical amplifier 21. The arrangement posture is set so that the conversion efficiency is maximized when the linearly polarized light is incident. In the figure, the polarization state and power of the fundamental wave ω 1 and the second harmonic ω 2 are represented by the direction and length of the arrow.

このように概要構成されるレーザ装置において、ファイバ光増幅器21が劣化する以前の正常時に観察されるレーザ装置の動作特性を図11及び図12に示す。ここで、図11は、横軸に基本波ω1のパワーPω1、縦軸に第2高調波ω2のパワーPω2をとり、波長変換光学素子31に入射する基本波のパワーPω1を変化させたときの、波長変換光学素子31から出射される第2高調波のパワーPω2の変化を表したもので、入射基本波のパワー(結晶中のパワー密度)が所定以上で波長変換効率が略一定の領域での変化である。図12は、横軸に励起光のパワーPpump、縦軸に出力光のパワーPωをとり、ファイバ光増幅器21の励起光パワーPpumpを変化させたときの、ファイバ光増幅器21から出力される基本波のパワーPω1、及び波長変換光学素子31から出力される第2高調波のパワーPω2の変化を表したものである。 FIG. 11 and FIG. 12 show the operating characteristics of the laser device observed in the normal state before the fiber optical amplifier 21 deteriorates in the laser device configured as described above. Here, FIG. 11 shows the power Pω 1 of the fundamental wave ω 1 on the horizontal axis, the power Pω 2 of the second harmonic ω 2 on the vertical axis, and the power Pω 1 of the fundamental wave incident on the wavelength conversion optical element 31. This represents a change in the second harmonic power Pω 2 emitted from the wavelength conversion optical element 31 when the wavelength conversion optical element 31 is changed, and the wavelength conversion efficiency when the power of the incident fundamental wave (power density in the crystal) is a predetermined value or more. Is a change in a substantially constant region. FIG. 12 shows the fundamental wave output from the fiber optical amplifier 21 when the pumping light power Ppump is plotted on the horizontal axis and the power Pω of the output light is plotted on the vertical axis, and the pumping light power Ppump of the fiber optical amplifier 21 is changed. The power Pω 1 and the second harmonic power Pω 2 output from the wavelength conversion optical element 31 are shown.

両図から、ファイバ光増幅器21が劣化する以前の正常時においては、ファイバ光増幅器21を励起する励起光のパワーPpumpに比例して(所定係数の傾きをもって)基本波のパワーPω1が増大し、波長変換効率が略一定の領域ではこの基本波のパワーPω1に比例して(同上)第2高調波のパワーPω2が増大する。 From both figures, at the normal time before the fiber optical amplifier 21 deteriorates, the fundamental wave power Pω 1 increases in proportion to the power Ppump of the pumping light that excites the fiber optical amplifier 21 (with a slope of a predetermined coefficient). In the region where the wavelength conversion efficiency is substantially constant, the power Pω 2 of the second harmonic increases in proportion to the power Pω 1 of the fundamental wave (same as above).

次に、レーザ装置から出力される第2高調波ω2のパワーが当初出力から低下しはじめ、その原因がファイバ光増幅器21の劣化によるものであると考えられるとき、例えば、レーザ光源11や波長変換光学素子31に異常がなく、ファイバ光増幅器21を新品に交換したときに当初出力と同様の第2高調波パワーが得られるような状態のときに観察されたレーザ装置の動作特性の一例を図13に示す。図における横軸及び縦軸は図12と同様であり、ファイバ光増幅器21の励起光パワーPpumpを変化させたときの、ファイバ光増幅器21から出力される基本波のパワーPω1及び波長変換光学素子31から出力される第2高調波のパワーPω2の変化を表したものである。 Next, when the power of the second harmonic ω 2 output from the laser device starts to decrease from the initial output and is considered to be caused by the deterioration of the fiber optical amplifier 21, for example, the laser light source 11 and the wavelength An example of the operating characteristics of the laser device observed when there is no abnormality in the conversion optical element 31 and the second harmonic power similar to the initial output is obtained when the fiber optical amplifier 21 is replaced with a new one. As shown in FIG. The horizontal and vertical axes in the figure are the same as in FIG. 12, and the fundamental wave power Pω 1 output from the fiber optical amplifier 21 and the wavelength conversion optical element when the pumping light power Ppump of the fiber optical amplifier 21 is changed. 3 shows a change in the power Pω 2 of the second harmonic output from 31.

この図13から、ファイバ光増幅器21を励起する励起光のパワーPpumpが増大すると、これに比例して基本波のパワーPω1は増大する。このとき、励起光パワーに対する基本波パワーの傾き(dPω1)/(dPpump)は正常時とほぼ同様である。しかしながら、励起光パワーの増大すなわち基本波のパワーPω1の増大に伴って第2高調波のパワーPω2も増大するものの、その傾きである(dPω2)/(dPpump)や(dPω2)/(dPω1)は正常時よりも小さくなり、また高パワー領域で第2高調波のパワーPω2が飽和する傾向が見られるようになってくる。 From FIG. 13, when the power Ppump of the pumping light that excites the fiber optical amplifier 21 increases, the power Pω 1 of the fundamental wave increases in proportion to this. At this time, the gradient (dPω 1 ) / (dPpump) of the fundamental wave power with respect to the pumping light power is almost the same as that in the normal state. However, although the power Pω 2 of the second harmonic increases with the increase of the pumping light power, that is, the fundamental power Pω 1 , the slopes thereof are (dPω 2 ) / (dPpump) and (dPω 2 ) / (DPω 1 ) becomes smaller than normal, and the second harmonic power Pω 2 tends to saturate in the high power region.

図14は、上記図13に示した状態から、さらにファイバ光増幅器21の劣化が進行した状態で観察されたレーザ装置の動作特性の一例である。図における横軸及び縦軸は図12及び図13と同様であり、励起光パワーPpumpを変化させたときの基本波のパワーPω1及び第2高調波のパワーPω2の変化を表したものである。 FIG. 14 is an example of the operating characteristics of the laser device observed from the state shown in FIG. 13 in a state where the deterioration of the fiber optical amplifier 21 has further progressed. The horizontal and vertical axes in the figure are the same as those in FIGS. 12 and 13 and represent changes in the fundamental power Pω 1 and the second harmonic power Pω 2 when the pumping light power Ppump is changed. is there.

この状態においても、ファイバ光増幅器21を励起する励起光のパワーPpumpが増大すると、これにほぼ比例して基本波のパワーPω1は増大する。励起光パワーに対する基本波パワーの傾き(dPω1)/(dPpump)について大きな変化は見られない。一方、第2高調波のパワーPω2は、励起光パワーPpump及び基本波のパワーPω1に対して大きく波打つように変動し、その傾きである(dPω2)/(dPpump)及び(dPω2)/(dPω1)は正・負に大きく変化する。 Even in this state, if the power Ppump of the pumping light that excites the fiber optical amplifier 21 increases, the power Pω 1 of the fundamental wave increases in proportion to this. There is no significant change in the slope (dPω 1 ) / (dPpump) of the fundamental wave power with respect to the pumping light power. On the other hand, the power Pω 2 of the second harmonic fluctuates so as to wave greatly with respect to the pump light power Ppump and the power Pω 1 of the fundamental wave, and the gradients thereof are (dPω 2 ) / (dPpump) and (dPω 2 ). / (DPω 1 ) varies greatly between positive and negative.

何故上記のような現象が発生するのか、すなわち、基本波のパワーPω1は正常時から大きく変化していないにもかかわらず、基本波のパワー増加に対して第2高調波のパワーPω2が大きく波打つように大きく変動するのか、発明者はその原因を探求すべく、さらに研究を進めた。そして、その原因と考えられる事象を捉えた。図14に示した劣化状態のファイバ光増幅器21について、励起光のパワーPpumpを変化させたときの、基本波のパワーPω1及び基本波レーザ光の二つの偏光成分のパワーPω1p,Pω1sの変化を調べた結果を図15に示す。 The reason why the above phenomenon occurs, that is, even though the fundamental power Pω 1 has not changed significantly from the normal time, the second harmonic power Pω 2 is increased with respect to the fundamental power increase. The inventor conducted further research to investigate the cause of whether it fluctuates so as to swell greatly. And I caught the phenomenon that seems to be the cause. For the fiber optical amplifier 21 in the degraded state shown in FIG. 14, the power Pω 1 of the fundamental wave and the powers Pω 1p and Pω 1s of the two polarization components of the fundamental laser light when the power P pump of the pump light is changed. The result of examining the change is shown in FIG.

上述したように、ファイバ光増幅器21の励起光パワーPpumpに比例してファイバ光増幅器21から出射される基本波レーザ光のパワーPω1は増大し、励起光パワーに対する基本波パワーの傾き(dPω1)/(dPpump)について大きな変化は見られない。しかしながら、このとき、基本波レーザ光の偏光状態が大きく変動していた。図15はこのことを表している。 As described above, the power Pω 1 of the fundamental laser light emitted from the fiber optical amplifier 21 increases in proportion to the pumping light power Ppump of the fiber optical amplifier 21 and the slope of the fundamental power with respect to the pumping light power (dPω 1). ) / (DPpump) shows no significant change. However, at this time, the polarization state of the fundamental laser beam has greatly fluctuated. FIG. 15 illustrates this.

すなわち、励起光パワーPpumpの増加に伴って、基本波のp偏光成分のパワーPω1pとs偏光成分のパワーPω1sとを合わせた基本波全体のパワーPω1(=Pω1p+Pω1s)は増大し、励起光パワーに対する基本波パワーの傾きに大きな変化は見られない。ところが、基本波の二つの偏光成分のパワーPω1p,Pω1sが、励起光パワーに対して大きく波打つように変動している。このとき、二つの偏光成分が併存しその構成比率が変動していることから、波長変換光学素子31に入射する基本波レーザ光は図16に示すように楕円偏光になり、長軸・短軸方向が変化していると考えられる。 That is, as the pumping light power Ppump increases, the power Pω 1 (= Pω 1p + Pω 1s ) of the entire fundamental wave, which is the sum of the power Pω 1p of the p-polarized component of the fundamental wave and the power Pω 1s of the s-polarized component, increases. However, there is no significant change in the slope of the fundamental wave power with respect to the excitation light power. However, the powers Pω 1p and Pω 1s of the two polarization components of the fundamental wave fluctuate so as to wave greatly with respect to the excitation light power. At this time, since the two polarization components coexist and the composition ratio fluctuates, the fundamental laser beam incident on the wavelength conversion optical element 31 becomes elliptically polarized light as shown in FIG. It seems that the direction is changing.

既述したように、波長変換光学素子31において第2高調波発生に寄与するのはs偏光成分であり、第2高調波のパワーPω2は基本波のs偏光成分の変動に呼応して変動する。このため、励起光パワーPpumpに比例して基本波のパワーPω1が増大しているにもかかわらず、レーザ装置から出力される第2高調波のパワーPω2は、励起光パワーに対して大きく波打つように変動していたのである。以上のような研究により得られた知見に基づき、発明者は以下の発明を完成させた。 As already described, it is the s-polarized component that contributes to the second harmonic generation in the wavelength conversion optical element 31, and the power Pω 2 of the second harmonic varies in response to the variation of the s-polarized component of the fundamental wave. To do. Therefore, even though the fundamental power Pω 1 is increased in proportion to the pumping light power Ppump, the second harmonic power Pω 2 output from the laser device is larger than the pumping light power. It fluctuated as a wave. Based on the knowledge obtained by the above research, the inventor completed the following invention.

本発明を例示する態様は、ファイバ光増幅器を有し基本波レーザ光を出射するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部から出射された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部とを備えたレーザ装置である。そのうえで、このレーザ装置は、基本波レーザ光の強度またはこれに対応する状態量を検出して検出量に応じた第1検出信号Paを出力する第1検出手段(例えば、実施形態における励起光検出器51、基本波検出器52等)と、波長変換光学素子により波長変換された光の強度を検出して検出量に応じた第2検出信号Pbを出力する第2検出手段(例えば、実施形態における第2高調波検出器53)と、第1検出手段から出力された第1検出信号Pa及び第2検出手段から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器の作動状態を判断するFA判断部とを備える。そして、FA判断部が、第1検出信号Paの変化量dPaと第2検出信号Pbの変化量dPbとの比が予め設定された寿命基準範囲外となったとき、例えば(dPb)/(dPa)が寿命基準値以下になったときに、寿命判定信号を出力するように構成される。   An embodiment exemplifying the present invention includes a laser light output unit that has a fiber optical amplifier and emits a fundamental wave laser beam, and a wavelength converter that has a wavelength conversion optical element and emits the fundamental wave laser beam. And a wavelength conversion unit that outputs the output. In addition, this laser apparatus detects the intensity of the fundamental wave laser light or the state quantity corresponding thereto and outputs a first detection signal Pa corresponding to the detected quantity (for example, excitation light detection in the embodiment). 51, fundamental wave detector 52, etc.) and second detection means for detecting the intensity of light wavelength-converted by the wavelength conversion optical element and outputting a second detection signal Pb corresponding to the detection amount (for example, the embodiment) The second harmonic detector 53), the first detection signal Pa output from the first detection means and the second detection signal Pb output from the second detection means to determine the operating state of the fiber optical amplifier. An FA determination unit. When the ratio between the change amount dPa of the first detection signal Pa and the change amount dPb of the second detection signal Pb falls outside the preset life reference range, for example, (FA) (dPb) / (dPa ) Is less than the life reference value, it is configured to output a life judgment signal.

なお、前記基本波レーザ光の強度に対応する状態量は、ファイバ光増幅器における励起光の強度とすることができる。あるいは、前記基本波レーザ光の強度に対応する状態量は、波長変換光学素子を透過した基本波レーザ光の強度としてもよい。   Note that the state quantity corresponding to the intensity of the fundamental laser beam can be the intensity of the pumping light in the fiber optical amplifier. Alternatively, the state quantity corresponding to the intensity of the fundamental laser beam may be the intensity of the fundamental laser beam transmitted through the wavelength conversion optical element.

また、前記波長変換光学素子から出射された光のうち、波長変換光学素子を透過した基本波レーザ光を透過し、波長変換光学素子により波長変換された光の一部を透過するミラー(例えば、実施形態におけるミラー42)と、このミラーを透過した基本波レーザ光とミラーを透過した波長変換された光とを分離する分光素子(例えば、実施形態における分光素子56)とを備え、前記第1検出手段及び第2検出手段は、各々分光素子により分光された基本波レーザ光及び波長変換された光の強度を検出するように構成することができる。   Further, among the light emitted from the wavelength conversion optical element, a mirror that transmits the fundamental wave laser light that has passed through the wavelength conversion optical element and transmits a part of the light that has been wavelength-converted by the wavelength conversion optical element (for example, A mirror 42) in the embodiment, and a spectroscopic element (for example, the spectroscopic element 56 in the embodiment) for separating the fundamental laser beam that has passed through the mirror and the wavelength-converted light that has passed through the mirror. The detection means and the second detection means can be configured to detect the intensities of the fundamental laser beam and the wavelength-converted light, respectively, separated by the spectroscopic element.

このような構成のレーザ装置においては、基本波レーザ光の強度等を検出して検出量に応じた第1検出信号Paを出力する第1検出手段と、波長変換光学素子により波長変換された光の強度を検出して検出量に応じた第2検出信号Pbを出力する第2検出手段とが設けられ、FA判断部において、第1検出信号Paの変化量dPaと第2検出信号Pbの変化量dPbとの比が予め設定された寿命基準範囲外となったときに、寿命判定信号を出力するように構成される。前述したように、ファイバ光増幅器が正常な状態においては、基本波レーザ光の強度等の増加に対して波長変換光の出力はある一定の傾きを有し、(dPb)/(dPa)またはその逆数は所定の有限値になる。そして、ファイバ光増幅器が劣化してくると、例えば(dPb)/(dPa)は減少し、さらに劣化が進行すると正・負変動するようになる。従って、第1検出信号Paの変化量dPaと第2検出信号Pbの変化量dPbとの比をとり、その値が寿命基準範囲外となったときに寿命判定信号を出力する本構成によれば、現実にファイバ光増幅器が劣化しているか否かを適切に判断することができ、経済性と安定作動の確保とを両立可能なレーザ装置を提供することができる。   In the laser device having such a configuration, the first detection means for detecting the intensity of the fundamental wave laser light and the like and outputting the first detection signal Pa corresponding to the detection amount, and the light wavelength-converted by the wavelength conversion optical element Second detection means for detecting the intensity of the first detection signal and outputting a second detection signal Pb corresponding to the detection amount, and the FA determination unit changes the change amount dPa of the first detection signal Pa and the change of the second detection signal Pb. When the ratio to the quantity dPb falls outside the preset life reference range, a life determination signal is output. As described above, when the fiber optical amplifier is in a normal state, the output of the wavelength-converted light has a certain slope with respect to an increase in the intensity of the fundamental laser beam, and (dPb) / (dPa) or its The reciprocal is a predetermined finite value. When the fiber optical amplifier is deteriorated, for example, (dPb) / (dPa) decreases, and when the deterioration further proceeds, positive and negative fluctuations occur. Therefore, according to the present configuration in which the ratio of the change amount dPa of the first detection signal Pa and the change amount dPb of the second detection signal Pb is taken and the life determination signal is output when the value is outside the life reference range. Thus, it is possible to appropriately determine whether or not the fiber optical amplifier has actually deteriorated, and it is possible to provide a laser apparatus that can achieve both economic efficiency and ensuring stable operation.

本発明の適用例として示すレーザ装置全体の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the whole laser apparatus shown as an example of application of this invention. 増幅部におけるファイバ光増幅器の接続構成を例示する図面である。It is drawing which illustrates the connection structure of the fiber optical amplifier in an amplification part. 波長変換光学系の構成及び作用を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the structure and effect | action of a wavelength conversion optical system. 第1構成形態のFA寿命判断装置50Aの概要構成図である。It is a schematic block diagram of 50 A of FA lifetime judgment apparatuses of a 1st structure form. FA寿命判断装置50Aにおける寿命基準値の設定例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a setting of the lifetime reference value in 50 A of FA lifetime judgment apparatuses. 第2構成形態のFA寿命判断装置50Bの概要構成図である。It is a schematic block diagram of FA lifetime judgment apparatus 50B of a 2nd structure form. FA寿命判断装置50Bにおける寿命基準値の設定例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a setting of the lifetime reference value in FA lifetime judgment apparatus 50B. 第3構成形態のFA寿命判断装置50Cの概要構成図である。It is a schematic block diagram of FA lifetime judgment apparatus 50C of a 3rd structure form. 簡易化したレーザ装置のブロック図である。It is the block diagram of the simplified laser apparatus. ファイバ光増幅器が正常な状態における、波長変換光学素子に入射する基本波ω1及び波長変換光学素子から出射する第2高調波ω2の状態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the state of the fundamental wave (omega) 1 which injects into a wavelength conversion optical element, and the 2nd harmonic wave (omega) 2 inject | emitted from a wavelength conversion optical element in a fiber optical amplifier in a normal state. ファイバ光増幅器が正常な状態で観察された、波長変換光学素子に入射する基本波のパワーPω1と波長変換光学素子から出射する第2高調波のパワーPω2との関係を示すグラフである。Fiber optical amplifiers are observed in a normal state, is a graph showing the relationship between the second harmonic power Pomega 2 emitted from the fundamental wave of the power Pomega 1 and the wavelength conversion optical element that is incident on the wavelength conversion optical element. ファイバ光増幅器が正常な状態で観察された、ファイバ光増幅器の励起光パワーPpumpと、ファイバ光増幅器から出力される基本波のパワーPω1及び波長変換光学素子から出力される第2高調波のパワーPω2との関係を示すグラフである。The pump light power Ppump of the fiber optical amplifier, the fundamental wave power Pω 1 output from the fiber optical amplifier, and the second harmonic power output from the wavelength conversion optical element, observed in the normal state of the fiber optical amplifier. is a graph showing the relationship between Pω 2. ファイバ光増幅器の劣化初期状態で観察された、ファイバ光増幅器の励起光パワーPpumpと、ファイバ光増幅器から出力される基本波のパワーPω1及び波長変換光学素子から出力される第2高調波のパワーPω2との関係を示すグラフである。Fiber optical amplifier pumping light power Ppump, fundamental wave power Pω 1 output from the fiber optical amplifier, and second harmonic power output from the wavelength conversion optical element, observed in the initial deterioration state of the fiber optical amplifier is a graph showing the relationship between Pω 2. ファイバ光増幅器の劣化が進行した状態で観察された、ファイバ光増幅器の励起光パワーPpumpと、ファイバ光増幅器から出力される基本波のパワーPω1及び波長変換光学素子から出力される第2高調波のパワーPω2との関係を示すグラフである。The pumping light power Ppump of the fiber optical amplifier, the fundamental wave power Pω 1 output from the fiber optical amplifier, and the second harmonic output from the wavelength conversion optical element, observed in a state where the deterioration of the fiber optical amplifier has progressed. is a graph showing the relationship between the power Pomega 2 of. ファイバ光増幅器の劣化が進行した状態で観察された、ファイバ光増幅器の励起光パワーPpumpと、ファイバ光増幅器から出力される基本波のパワーPω1及び基本波の二つの偏光成分のパワーPω1p,Pω1sとの関係を示すグラフである。The pumping light power Ppump of the fiber optical amplifier, the fundamental wave power Pω 1 output from the fiber optical amplifier, and the powers Pω 1p of the two polarization components of the fundamental wave, which were observed in a state where the degradation of the fiber optical amplifier progressed. It is a graph which shows the relationship with Pomega 1s . ファイバ光増幅器が劣化した状態における、波長変換光学素子に入射する基本波ω1及び波長変換光学素子から出射する第2高調波ω2の状態を説明するための説明図である。In a state in which the fiber optical amplifier is deteriorated is an explanatory diagram for explaining a second state of the harmonic omega 2 emitted from the fundamental omega 1 and the wavelength conversion optical element enters the optical wavelength conversion element.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図1に本発明を適用したレーザ装置LS全体の概要構成を示す。レーザ装置LSは、ファイバ光増幅器を有し基本波レーザ光を出射するレーザ光出力部1、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部1から出射された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部3、レーザ光出力部1及び波長変換部3の作動を制御する制御部8などを備えて構成される。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of an entire laser apparatus LS to which the present invention is applied. The laser device LS has a fiber optical amplifier and outputs a laser beam output unit 1 that emits a fundamental laser beam, and a wavelength conversion optical element that converts the wavelength of the fundamental laser beam emitted from the laser beam output unit 1 and outputs it. And a control unit 8 that controls the operation of the wavelength conversion unit 3, the laser beam output unit 1, and the wavelength conversion unit 3.

レーザ光出力部1、波長変換部3は、このレーザ装置LSを用いて構成されるシステムの用途及び機能に応じて適宜に設定可能である。本実施形態では、レーザ光出力部1から波長1547nmの基本波レーザ光La(La1,La2,La3)を出力し、これを波長変換部3において波長変換して、最短波長193nmの紫外レーザ光Lvを出力する場合を例として説明する。 The laser light output unit 1 and the wavelength conversion unit 3 can be appropriately set according to the use and function of the system configured using the laser device LS. In the present embodiment, a fundamental laser beam La (La 1 , La 2 , La 3 ) having a wavelength of 1547 nm is output from the laser beam output unit 1, and this is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 3, and an ultraviolet having the shortest wavelength of 193 nm. A case where the laser beam Lv is output will be described as an example.

図1には、レーザ光出力部1を、3つのレーザ光出力部1a,1b,1cにより構成した形態を示す。すなわち、レーザ光出力部1は、第1の基本波レーザ光La1を出力する第1レーザ光出力部1a、第2の基本波レーザ光La2を出力する第2レーザ光出力部1b、及び第3の基本波レーザ光La3を出力する第3レーザ光出力部1cにより構成される。 FIG. 1 shows a configuration in which the laser beam output unit 1 is configured by three laser beam output units 1a, 1b, and 1c. That is, the laser beam output unit 1 includes a first laser beam output unit 1a for outputting a first fundamental wave laser light La 1, second second laser beam output unit 1b for outputting a fundamental wave laser beam La 2 and, The third laser beam output unit 1c that outputs the third fundamental wave laser beam La3 is used.

また図1では、レーザ光出力部1を、信号光Ls(Ls1,Ls2,Ls3)を出力するレーザ光発生部10と、レーザ光発生部10から出力された信号光を増幅する増幅部20とにより構成した形態を示す。すなわち、第1レーザ光出力部1aは、レーザ光源11を有し第1基本波の信号光Ls1を出力する第1レーザ光発生部10aと、ファイバ光増幅器21を有し第1レーザ光発生部10aから出力された第1基本波の信号光Ls1を増幅する第1増幅部20aとにより構成され、第1増幅部20aにより増幅された信号光すなわち第1の基本波レーザ光La1が出力される。 In FIG. 1, the laser light output unit 1 includes a laser light generation unit 10 that outputs signal light Ls (Ls 1 , Ls 2 , Ls 3 ), and an amplification that amplifies the signal light output from the laser light generation unit 10. The form comprised by the part 20 is shown. That is, the first laser beam output section 1a includes a first laser light generator 10a for outputting a signal light Ls 1 of the first fundamental wave having a laser light source 11, a first laser light generator having a fiber optical amplifier 21 is constituted by a first amplifying part 20a for amplifying the signal light Ls 1 of the first fundamental wave output from the section 10a, the fundamental wave laser light La 1 of the amplified signal light or first is by first amplifying unit 20a Is output.

同様に、第2レーザ光出力部1bは、レーザ光源12を有し第2基本波の信号光Ls2を出力する第2レーザ光発生部10bと、ファイバ光増幅器22を有し第2基本波の信号光Ls2を増幅する第2増幅部20bとにより構成され、第2増幅部20bから第2の基本波レーザ光La2が出力される。第3レーザ光出力部1cは、レーザ光源13を有し第3基本波の信号光Ls3を出力する第3レーザ光発生部10cと、ファイバ光増幅器23を有し第3基本波の信号光Ls3を増幅する第3増幅部20cとにより構成され、第3増幅部20cから第3の基本波レーザ光La3が出力される。 Similarly, the second laser beam output unit 1b, a second fundamental wave and a second laser light generator 10b for outputting a signal light Ls 2 of the second fundamental wave having a laser light source 12, the fiber optical amplifier 22 is constituted by a second amplifier 20b for amplifying the signal light Ls 2, the second is the fundamental laser beam La 2 output from the second amplifying section 20b. The third laser light output unit 1c includes a third laser beam generating unit 10c for outputting a third signal light Ls 3 of the fundamental wave has a laser light source 13, the third fundamental signal light having a fiber optical amplifier 23 is constituted by a third amplifier unit 20c for amplifying the ls 3, the third fundamental laser beam La 3 is outputted from the third amplifying unit 20c.

レーザ光発生部10(10a〜10c)に設けられ、波長1547nmの信号光を発生するレーザ光源11〜13は、例えば、発振波長が1.5μm帯のDFB(Distributed Feedback)半導体レーザやファイバーレーザ等を用いることができる。これらのレーザは、CW発振及びパルス発振させることができ、励起電流を制御することによりパルス波形をナノ秒オーダで高速に制御することができる。なお、レーザ光発生部10に、EOM(Electro Optic Modulator)やAOM(Acousto Optic Modulator)等の外部変調器を設け、CWまたはパルス発振させたレーザ光源の出力光を外部変調器により切り出して所要波形のパルス光を出力するように構成しても良い。また、上記構成では信号光Ls1,Ls2,Ls3を個別のレーザ光源11〜13から出力しているが、1個のレーザ光源からの出力をカプラで分岐してLs1,Ls2,Ls3としてもよい。 Laser light sources 11 to 13 that are provided in the laser light generator 10 (10a to 10c) and generate signal light having a wavelength of 1547 nm include, for example, a DFB (Distributed Feedback) semiconductor laser or fiber laser having an oscillation wavelength of 1.5 μm. Can be used. These lasers can be oscillated and pulsed, and the pulse waveform can be controlled at a high speed on the order of nanoseconds by controlling the excitation current. The laser beam generator 10 is provided with an external modulator such as an EOM (Electro Optic Modulator) or AOM (Acousto Optic Modulator), and the output light of the laser light source generated by CW or pulse oscillation is cut out by the external modulator. The pulse light may be output. Further, in the above configuration, the signal lights Ls 1 , Ls 2 , and Ls 3 are output from the individual laser light sources 11 to 13, but the output from one laser light source is branched by a coupler and Ls 1 , Ls 2 , Ls 3 may be used.

増幅部20(20a〜20c)に設けられ、波長1547nmの信号光を増幅するファイバ光増幅器21〜23は、例えば、コアにエルビウム(Er)がドープされたエルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器(EDFA)が好適に用いられる。第1〜第3増幅部20a〜20cは、それぞれ単一または複数のファイバ光増幅器を設けて構成することができる。本実施形態では、図2に第2増幅部20bを例としてファイバ光増幅器22の接続構成例を示すように、3つのファイバ光増幅器221,222,223を直列接続した構成形態を説明する。   The fiber optical amplifiers 21 to 23 that are provided in the amplifying unit 20 (20a to 20c) and amplify signal light having a wavelength of 1547 nm are, for example, erbium-doped fiber optical amplifiers (EDFAs) whose core is doped with erbium (Er) Are preferably used. Each of the first to third amplification units 20a to 20c can be configured by providing a single or a plurality of fiber optical amplifiers. In the present embodiment, a configuration form in which three fiber optical amplifiers 221, 222, and 223 are connected in series will be described, as shown in FIG. 2 as an example of the connection configuration of the fiber optical amplifier 22 taking the second amplifying unit 20b as an example.

すなわち、第2増幅部20bは、第1段目のファイバ光増幅器221、第2段目のファイバ光増幅器222、及び第3段目のファイバ光増幅器223が直列接続されて構成される。このとき、第1段目のファイバ光増幅器221、第2段目のファイバ光増幅器222、及び第3段目のファイバ光増幅器223には、エルビウム・ドープ・ファイバ(EDF)221a,222a、223aが用いられ、励起光源221b,222b、223bから出力された励起光がWDMカプラ221c,222c、223cを介して各ファイバのコアに結合される。第1増幅部20a、第3増幅部20cについても同様に構成される。   That is, the second amplifying unit 20b is configured by connecting a first-stage fiber optical amplifier 221, a second-stage fiber optical amplifier 222, and a third-stage fiber optical amplifier 223 in series. At this time, the first-stage fiber optical amplifier 221, the second-stage fiber optical amplifier 222, and the third-stage fiber optical amplifier 223 include erbium-doped fibers (EDF) 221a, 222a, and 223a. The pumping light used and output from the pumping light sources 221b, 222b, 223b is coupled to the core of each fiber via the WDM couplers 221c, 222c, 223c. The first amplifying unit 20a and the third amplifying unit 20c are configured similarly.

第1増幅部20aから出射した第1の基本波レーザ光La1、第2増幅部20bから出射した第2の基本波レーザ光La2、及び第3増幅部20cから出射した第3の基本波レーザ光La3は、レーザ光出力部1(1a,1b,1c)から出力され、波長変換部3に入力される。 The first fundamental wave laser beam La 1 emitted from the first amplification unit 20a, the second fundamental wave laser beam La 2 emitted from the second amplification unit 20b, and the third fundamental wave emitted from the third amplification unit 20c. The laser beam La 3 is output from the laser beam output unit 1 (1a, 1b, 1c) and input to the wavelength conversion unit 3.

波長変換部3には、複数の波長変換光学素子やミラー等からなる波長変換光学系30が設けられている。波長変換光学系30の概要構成を図3に示す。図3において、光路上に楕円形で示すものはコリメータレンズや集光レンズであり個々の説明を省略する。また図中には、各波長変換光学素子に入射する光の偏光状態を付記しており、既述したs偏光をドット付きの○印で示し、これと偏光面が直交するp偏光を上下方向の矢印で示す。また、基本波をω、そのn次高調波をnωで示す。   The wavelength conversion unit 3 is provided with a wavelength conversion optical system 30 including a plurality of wavelength conversion optical elements and mirrors. A schematic configuration of the wavelength conversion optical system 30 is shown in FIG. In FIG. 3, the ones indicated by ellipses on the optical path are collimator lenses and condenser lenses, and their descriptions are omitted. Also, in the figure, the polarization state of light incident on each wavelength conversion optical element is added, and the s-polarized light described above is indicated by a circle with a dot, and the p-polarized light whose polarization plane is orthogonal to the vertical direction. Indicated by an arrow. Further, the fundamental wave is represented by ω, and its n-order harmonic is represented by nω.

波長変換光学系30は、第1レーザ光出力部1aから出力された第1の基本波レーザ光La1が入射して伝播する第1系列I、第2レーザ光出力部1bから出力された第2の基本波レーザ光La2が入射して伝播する第2系列II、第3レーザ光出力部1cから出力された第3の基本波レーザ光La3が入射して伝播する第3系列III、及び第1,第2,第3系列を伝播したレーザ光が重ね合わされて伝播する第4系列IVからなり、各系列に設けられた計6個の波長変換光学素子31〜36を主体として構成される。 Wavelength converting optical system 30, the first fundamental wave laser light La 1 output from the first laser beam output section 1a is output from the first series I, the second laser beam output unit 1b propagating incident A second series II in which the second fundamental laser beam La 2 is incident and propagated; a third series III in which the third fundamental laser beam La 3 output from the third laser beam output unit 1c is incident and propagated; And the fourth series IV in which the laser beams propagated through the first, second, and third series are superimposed and propagated, and are mainly composed of a total of six wavelength converting optical elements 31 to 36 provided in each series. The

波長変換部3では、各レーザ光出力部から出力された波長1547nmの基本波レーザ光が順次波長変換され、波長193nmの紫外レーザ光Lvが出力される。まず、波長1547nmの基本波レーザ光を波長193nmの紫外レーザ光Lvに変換する波長変換光学系30の全体概要を説明し、続いて第1〜第4系列の構成及び各系列を伝播するレーザ光の状態について説明する。なお、基本波レーザ光を基本波と表記することがある。   In the wavelength conversion unit 3, the fundamental laser beam having a wavelength of 1547 nm output from each laser beam output unit is sequentially wavelength-converted, and an ultraviolet laser beam Lv having a wavelength of 193 nm is output. First, an overall outline of the wavelength conversion optical system 30 that converts a fundamental laser beam having a wavelength of 1547 nm into an ultraviolet laser beam Lv having a wavelength of 193 nm will be described, followed by the configuration of the first to fourth series and the laser light propagating through each series. The state of will be described. Note that the fundamental laser beam may be referred to as a fundamental wave.

第1系列Iに入射した波長1547nm、周波数ωの第1の基本波レーザ光La1は、この系列に設けられた波長変換光学素子31〜33により順次ω→2ω→3ω→5ωに波長変換され、発生した第5高調波5ωが第4系列IVに入射する。第2系列IIに入射した波長1547nm、周波数ωの第2の基本波レーザ光La2は、この系列に設けられた波長変換光学素子34によってω→2ωに波長変換され、発生した第2高調波2ωが第4系列IVに入射する。第3系列IIIに入射した波長1547nm、周波数ωの第3の基本波レーザ光La3は波長変換されることなく第4系列IVに入射する。 The first fundamental wave laser light La 1 having a wavelength of 1547 nm and a frequency ω incident on the first series I is sequentially wavelength-converted from ω → 2ω → 3ω → 5ω by wavelength conversion optical elements 31 to 33 provided in this series. The generated fifth harmonic 5ω is incident on the fourth series IV. The second fundamental wave laser beam La 2 having a wavelength of 1547 nm and a frequency ω incident on the second series II is wavelength-converted from ω → 2ω by the wavelength conversion optical element 34 provided in this series, and the generated second harmonic wave. 2ω is incident on the fourth series IV. The third fundamental wave laser beam La 3 having a wavelength of 1547 nm and a frequency ω incident on the third series III enters the fourth series IV without being wavelength-converted.

第4系列IVでは、波長変換光学素子35において、第1系列で発生した第5高調波5ωと第2系列で発生した第2高調波2ωの和周波発生により第7高調波7ωが発生され、波長変換光学素子36において、第7高調波7ωと第3系列IIIから入射した基本波ω(第3の基本波レーザ光La3)との和周波発生により、周波数が基本波ωの8倍、波長が基本波の1/8である波長193nmの第8高調波8ωが生成される。そして、波長変換光学素子36で発生した波長193nmの紫外レーザ光Lvがレーザ装置LSから出力される。以下、各系列の構成及び伝播するレーザ光の状態について説明する。 In the fourth series IV, in the wavelength conversion optical element 35, the seventh harmonic 7ω is generated by the sum frequency generation of the fifth harmonic 5ω generated in the first series and the second harmonic 2ω generated in the second series, In the wavelength conversion optical element 36, by generating the sum frequency of the seventh harmonic 7ω and the fundamental wave ω (third fundamental laser beam La 3 ) incident from the third series III, the frequency is 8 times the fundamental wave ω, An eighth harmonic 8ω having a wavelength of 193 nm and having a wavelength that is 1/8 of the fundamental wave is generated. Then, an ultraviolet laser beam Lv having a wavelength of 193 nm generated by the wavelength conversion optical element 36 is output from the laser device LS. Hereinafter, the configuration of each series and the state of the propagating laser beam will be described.

第1系列Iには、波長変換光学素子31,32,33が配設されている。第1レーザ光出力部1aから出力された第1の基本波レーザ光La1は、s偏光で波長変換光学素子31に集光入射させ、この波長変換光学素子31において第2高調波発生によりs偏光の第2高調波2ωを発生させる。発生したs偏光の第2高調波2ωと波長変換光学素子31を透過したs偏光の基本波ωは波長変換光学素子32に集光入射し、和周波発生によりp偏光の第3高調波3ωを発生させる。波長変換光学素子31,32は、例えば、第2高調波発生用の波長変換光学素子31としてPPLN(Periodically Poled LiNbO3)結晶、第3高調波発生用の波長変換光学素子32としてLBO(LiB35)結晶が好適に用いられる。なお、第2高調波発生用の波長変換光学素子31として、PPKTP結晶、PPLT結晶などの疑似位相整合結晶(QPM:Quasi Phase Matching)のほか、LBO結晶等を用いることもできる。 In the first series I, wavelength conversion optical elements 31, 32, and 33 are arranged. The first fundamental laser beam La 1 output from the first laser beam output unit 1 a is focused and incident on the wavelength conversion optical element 31 as s-polarized light, and s is generated by the second harmonic generation in the wavelength conversion optical element 31. A second harmonic 2ω of polarized light is generated. The generated second harmonic 2ω of s-polarized light and the fundamental wave ω of s-polarized light transmitted through the wavelength converting optical element 31 are focused and incident on the wavelength converting optical element 32, and the third harmonic 3ω of p-polarized light is generated by sum frequency generation. generate. The wavelength conversion optical elements 31 and 32 are, for example, a PPLN (Periodically Poled LiNbO 3 ) crystal as the second harmonic generation wavelength conversion optical element 31, and an LBO (LiB 3 ) as the third harmonic generation wavelength conversion optical element 32. O 5 ) crystals are preferably used. In addition, as the wavelength conversion optical element 31 for generating the second harmonic, an LBO crystal or the like can be used in addition to a quasi phase matching crystal (QPM) such as a PPKTP crystal and a PPLT crystal.

波長変換光学素子32において発生したp偏光の第3高調波3ωと、波長変換光学素子32を透過したs偏光の第2高調波2ωは、2波長波長板45を透過させて第2高調波2ωだけをp偏光に変換する。2波長波長板45は、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光(第2高調波2ω)に対して偏光面を回転させ、他方の波長の光(第3高調波3ω)に対しては、偏光面が回転しないように、波長板の厚さを一方の波長の光に対してλ/2の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。   The third harmonic 3ω of p-polarized light generated in the wavelength conversion optical element 32 and the second higher harmonic 2ω of s-polarized light transmitted through the wavelength conversion optical element 32 are transmitted through the two-wavelength wave plate 45 and second harmonic 2ω. Only to p-polarized light. As the two-wavelength wave plate 45, for example, a wave plate made of a uniaxial crystal flat plate cut parallel to the optical axis of the crystal is used. This wave plate rotates the polarization plane for light of one wavelength (second harmonic 2ω) and prevents the polarization plane from rotating for light of the other wavelength (third harmonic 3ω). The thickness of the wave plate is cut so as to be an integral multiple of λ / 2 for light of one wavelength, and to be an integral multiple of λ for light of the other wavelength.

ともにp偏光になった第2高調波2ω及び第3高調波3ωは波長変換光学素子33に集光入射し、和周波発生により周波数が基本波の5倍、波長が1/5(309nm)の第5高調波5ωを発生させる。第5高調波発生用の波長変換光学素子33として、例えばBBO(β-BaB24)結晶が好適に用いられる。なお、波長変換光学素子33として、LBO結晶、CLBO(CsLiB610)結晶を用いることも可能である。BBO結晶から出射される第5高調波5ωは、ウォークオフに起因してビーム断面が楕円形になっているため、2枚のシリンドリカルレンズ46v,46hによりビーム断面を円形に整形し、ミラー41に入射させる。 The second harmonic wave 2ω and the third harmonic wave 3ω, both of which are p-polarized light, are condensed and incident on the wavelength conversion optical element 33, and the frequency is 5 times the fundamental wave and the wavelength is 1/5 (309 nm) by sum frequency generation. A fifth harmonic 5ω is generated. As the wavelength converting optical element 33 for generating the fifth harmonic, for example, a BBO (β-BaB 2 O 4 ) crystal is preferably used. As the wavelength conversion optical element 33, it is also possible to use an LBO crystal or a CLBO (CsLiB 6 O 10 ) crystal. Since the fifth harmonic wave 5ω emitted from the BBO crystal has an elliptical beam cross section due to the walk-off, the beam cross section is shaped into a circular shape by the two cylindrical lenses 46v and 46h, and is reflected on the mirror 41. Make it incident.

ミラー41は、基本波ω及び第2高調波2ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第5高調波5ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、このミラー(ダイクロイックミラー)41で反射されたs偏光の第5高調波5ωは、第4系列IVの波長変換光学素子35に入射する。   The mirror 41 has a wavelength selectivity that transmits the laser light in the wavelength band of the fundamental wave ω and the second harmonic 2ω and reflects the laser light in the wavelength band of the fifth harmonic 5ω. The fifth harmonic 5ω of s-polarized light reflected by the mirror (dichroic mirror) 41 is incident on the wavelength conversion optical element 35 of the fourth series IV.

第2系列IIには波長変換光学素子34が配設されている。第2レーザ光出力部1bから出力された第2の基本波レーザ光La2は、s偏光で波長変換光学素子34に集光入射させ、s偏光の第2高調波2ωを発生させる。第2高調波発生用の波長変換光学素子34として、PPLN結晶が好適に用いられる。なお、波長変換光学素子34として、前記同様の他のQPM結晶等を用いることができる。波長変換光学素子34において発生したs偏光の第2高調波2ωは、ミラー42に入射させる。 A wavelength converting optical element 34 is disposed in the second series II. The second fundamental laser beam La 2 output from the second laser beam output unit 1b is condensed and incident on the wavelength conversion optical element 34 with s-polarized light, and generates the second harmonic 2ω of s-polarized light. A PPLN crystal is preferably used as the wavelength converting optical element 34 for generating the second harmonic. As the wavelength conversion optical element 34, another QPM crystal similar to the above can be used. The second harmonic 2ω of s-polarized light generated in the wavelength conversion optical element 34 is incident on the mirror 42.

ミラー42は、基本波ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第2高調波2ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、ミラー(ダイクロイックミラー)42で反射されたs偏光の第2高調波2ωは、ミラー41を透過して第5高調波5ωと同軸に重ね合わされて第4系列IVの波長変換光学素子35に入射する。   The mirror 42 is configured to have wavelength selectivity that transmits laser light in the wavelength band of the fundamental wave ω and reflects laser light in the wavelength band of the second harmonic 2ω, and is a mirror (dichroic mirror) 42. The reflected second harmonic 2ω of the s-polarized light is transmitted through the mirror 41, superimposed on the same axis as the fifth harmonic 5ω, and enters the fourth series IV wavelength conversion optical element 35.

第3系列IIIには波長変換光学素子が設けられていない。第3レーザ光出力部1cから出力され第3系列に入射したp偏光の第3の基本波レーザ光La3は、波長変換されることなくミラー43に入射する。そして、ミラー43で反射されたp偏光の基本波ωは、ミラー42及びミラー41を透過して、ミラー42で反射された第2高調波2ω及びミラー41で反射された第5高調波5ωと同軸に重ね合わされて第4系列IVの波長変換光学素子35に入射する。 The third series III is not provided with a wavelength conversion optical element. The p-polarized third fundamental laser beam La 3 output from the third laser beam output unit 1 c and incident on the third series is incident on the mirror 43 without being wavelength-converted. Then, the p-polarized fundamental wave ω reflected by the mirror 43 passes through the mirror 42 and the mirror 41, and is reflected by the second harmonic 2ω reflected by the mirror 42 and the fifth harmonic 5ω reflected by the mirror 41. The light is superimposed on the same axis and enters the wavelength conversion optical element 35 of the fourth series IV.

第4系列IVには、波長変換光学素子35と波長変換光学素子36が配設されている。また、既述した基本波ω、第2高調波2ω、第5高調波5ωの各光路には、波長変換光学素子35,36に所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子35では、第1系列Iから入射したs偏光の第5高調波5ωと第2系列IIから入射したs偏光の第2高調波2ωとによる和周波発生が行われ、周波数が基本波の7倍、波長が1/7(221nm)の第7高調波7ωが発生される。第7高調波発生用の波長変換光学素子35は、CLBO結晶が用いられる。   In the fourth series IV, a wavelength conversion optical element 35 and a wavelength conversion optical element 36 are disposed. Further, in each of the optical paths of the fundamental wave ω, the second harmonic 2ω, and the fifth harmonic 5ω described above, the light of each wavelength is condensed and incident on the wavelength conversion optical elements 35 and 36 with a predetermined spot size. A set lens is provided. In the wavelength conversion optical element 35, the sum frequency is generated by the fifth harmonic 5ω of s-polarized light incident from the first series I and the second harmonic 2ω of s-polarized light incident from the second series II, and the frequency is fundamental. A seventh harmonic wave 7ω having a wavelength 7 times that of 1/7 (221 nm) is generated. The wavelength conversion optical element 35 for generating the seventh harmonic uses a CLBO crystal.

波長変換光学素子35で発生したp偏光の第7高調波7ωと、波長第3系列IIIから入射して波長変換光学素子35を透過したp偏光の基本波ωは、波長変換光学素子36に入射し、和周波発生により周波数が基本波の8倍、波長が1/8(193nm)の第8高調波8ωが発生される。第8高調波発生用の波長変換光学素子36は、CLBO結晶が用いられる。   The p-polarized seventh harmonic wave 7ω generated by the wavelength conversion optical element 35 and the p-polarized fundamental wave ω incident from the third wavelength series III and transmitted through the wavelength conversion optical element 35 are incident on the wavelength conversion optical element 36. As a result of the sum frequency generation, an eighth harmonic 8ω having a frequency eight times that of the fundamental wave and a wavelength of 1/8 (193 nm) is generated. The wavelength converting optical element 36 for generating the eighth harmonic uses a CLBO crystal.

そして、波長変換光学素子36において発生した第8高調波8ωが波長変換部3から出射し、波長193nmの紫外レーザ光Lvがレーザ装置LSから出力される。以上のように構成されるレーザ装置LSにあって、レーザ光出力部1(1a,1b,1c)から出力され、波長変換部3に入射する基本波レーザ光La(La1,La2,La3)の偏光状態は、波長変換部3における波長変換効率、ひいては紫外レーザ光出力に大きな影響を与える。 Then, the eighth harmonic wave 8ω generated in the wavelength conversion optical element 36 is emitted from the wavelength conversion unit 3, and an ultraviolet laser beam Lv having a wavelength of 193 nm is output from the laser device LS. In the laser device LS configured as described above, the fundamental wave laser light La (La 1 , La 2 , La, which is output from the laser light output unit 1 (1a, 1b, 1c) and enters the wavelength conversion unit 3 is provided. The polarization state of 3 ) has a great influence on the wavelength conversion efficiency in the wavelength conversion unit 3, and in turn the output of the ultraviolet laser beam.

例えば、図15に示したように、ファイバ光増幅器が劣化して基本波レーザ光の偏光状態が変動すると、図14に示したように高調波出力が変動し、最終的に出力される波長193nmの紫外レーザ光Lvの出力が不安定となる。さらに、例えば波長変換光学素子36から出射される波長193nmの紫外レーザ光Lvの出力値をモニターし、出力値に応じて基本波レーザ光のパワーを制御することにより紫外レーザ光のパワーを安定化させるようなパワーフィードバック制御(オートパワーコントロール)が困難となる。   For example, as shown in FIG. 15, when the fiber optical amplifier deteriorates and the polarization state of the fundamental laser beam changes, the harmonic output changes as shown in FIG. 14, and the wavelength 193 nm finally output is changed. The output of the ultraviolet laser beam Lv becomes unstable. Further, for example, the output value of the ultraviolet laser beam Lv having a wavelength of 193 nm emitted from the wavelength conversion optical element 36 is monitored, and the power of the ultraviolet laser beam is stabilized by controlling the power of the fundamental laser beam according to the output value. Such power feedback control (auto power control) becomes difficult.

そこで、レーザ装置LSには、ファイバ光増幅器の劣化状況を観察し、交換寿命に到達したと判断されるときに寿命判定信号を出力するFA寿命判断装置50(50A,50B,50C)が設けられている。図4に第1構成形態のFA寿命判断装置50Aの概要構成図を示す。なお、図4には、代表例として、レーザ光出力部1における第2レーザ光出力部1b〜波長変換部3における第2系列IIに設けたFA寿命判断装置の構成を例示する。   Therefore, the laser device LS is provided with an FA life determination device 50 (50A, 50B, 50C) that observes the deterioration state of the fiber optical amplifier and outputs a life determination signal when it is determined that the replacement life has been reached. ing. FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of the FA life determination device 50A of the first configuration form. In addition, in FIG. 4, the structure of the FA lifetime judgment apparatus provided in the 2nd series II in the 2nd laser beam output part 1b-the wavelength converter 3 in the laser beam output part 1 is illustrated as a representative example.

〔第1構成形態〕
FA寿命判断装置50Aは、ファイバ光増幅器223における励起光の強度を検出する励起光検出器51と、波長変換光学素子34により波長変換されて出射した第2高調波2ωの強度を検出する第2高調波検出器53と、励起光検出器51から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態を判断するFA判断部58とを備えて構成される。
[First configuration]
The FA lifetime determination device 50A detects the intensity of the second harmonic wave 2ω that is output after being converted by the wavelength conversion optical element 34 and the excitation light detector 51 that detects the intensity of the excitation light in the fiber optical amplifier 223. Based on the harmonic detector 53, the first detection signal Pa output from the excitation light detector 51 and the second detection signal Pb output from the second harmonic detector 53, the operating state of the fiber optical amplifier 223 is determined. The FA determination unit 58 is configured.

励起光検出器51は、励起光源223bから出力される励起光のパワーPpumpを検出し、検出された励起光パワーに応じた大きさの第1検出信号Paを出力するパワーセンサを用いることができる。このような励起光検出器51として、励起光の波長(1480nm)を含む波長帯域に検出感度を有する公知のパワーセンサを用いることができ、例えば図示のように、励起光源223bから出力される励起光の一部(例えば1%程度)を導出して、そのパワーを検出することにより構成される。なお、励起光源223bとしてラマンレーザ等を用いる場合には、ラマンレーザに設けられたパワーモニター用のセンサを励起光検出器51として利用することができる。   The excitation light detector 51 can use a power sensor that detects the power Ppump of the excitation light output from the excitation light source 223b and outputs a first detection signal Pa having a magnitude corresponding to the detected excitation light power. . As such an excitation light detector 51, a known power sensor having detection sensitivity in a wavelength band including the wavelength (1480 nm) of excitation light can be used. For example, as shown in the drawing, the excitation light output from the excitation light source 223b. It is configured by deriving a part of light (for example, about 1%) and detecting its power. When a Raman laser or the like is used as the excitation light source 223b, a power monitor sensor provided in the Raman laser can be used as the excitation light detector 51.

第2高調波検出器53は、波長変換光学素子34から出射する第2高調波2ωのパワーPω2を検出し、検出された第2高調波のパワーに応じた大きさの第2検出信号Pbを出力するパワーセンサを用いることができる。このような第2高調波検出器53として、第2高調波2ωの波長(774nm)を含む波長帯域に検出感度を有する公知のパワーセンサを用いることができる。波長変換部3の第2系列IIには、波長1547nmの基本波を透過し、波長774nmの第2高調波の一部(例えば1%程度)を反射する波長選択性のある部分反射鏡55が設けられており、この部分反射鏡55を介して波長変換光学素子34で発生した第2高調波の一部が第2高調波検出器53に入射される。 The second harmonic detector 53 detects the power Pω 2 of the second harmonic 2ω emitted from the wavelength conversion optical element 34, and the second detection signal Pb having a magnitude corresponding to the detected second harmonic power. Can be used. As such a second harmonic detector 53, a known power sensor having detection sensitivity in a wavelength band including the wavelength (774 nm) of the second harmonic 2ω can be used. The second series II of the wavelength conversion unit 3 includes a wavelength selective partial reflection mirror 55 that transmits a fundamental wave having a wavelength of 1547 nm and reflects a part (for example, about 1%) of a second harmonic having a wavelength of 774 nm. A part of the second harmonic generated by the wavelength conversion optical element 34 is incident on the second harmonic detector 53 via the partial reflection mirror 55.

FA判断部58は、ファイバ光増幅器223の寿命基準値が予め設定記憶されたメモリ58a、励起光検出器51から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態等を演算処理する処理部58b、処理部58bにおける演算結果に基づいて寿命判定信号を出力する出力部58cなどから構成される。   The FA determination unit 58 includes a memory 58 a in which the life reference value of the fiber optical amplifier 223 is set and stored in advance, the first detection signal Pa output from the excitation light detector 51, and the first output from the second harmonic detector 53. 2 is configured by a processing unit 58b that performs arithmetic processing on the operating state of the fiber optical amplifier 223 based on the detection signal Pb, an output unit 58c that outputs a life determination signal based on the calculation result in the processing unit 58b, and the like.

FA判断部58には、励起光検出器51から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbが入力されており、処理部58bは、第1検出信号Paの変化量(dPa)に対する第2検出信号Pbの変化量(dPb)の比である(dPb)/(dPa)、具体的には、励起光パワーPpumpの変化量(dPpump)に対する第2高調波パワーの変化量(dPω2)の比である(dPω2)/(dPpump)を算出し、この値がメモリ58aに設定記憶された寿命基準値以下になったときに、出力部58cに指令信号を出力して寿命判定信号を出力させる。 The FA determination unit 58 receives the first detection signal Pa output from the excitation light detector 51 and the second detection signal Pb output from the second harmonic detector 53, and the processing unit 58b (DPb) / (dPa), which is a ratio of the change amount (dPb) of the second detection signal Pb to the change amount (dPa) of one detection signal Pa, specifically, the change amount (dPpump) of the pumping light power Ppump (DPω 2 ) / (dPpump), which is the ratio of the second harmonic power variation (dPω 2 ), is calculated, and when this value falls below the life reference value set and stored in the memory 58a, the output section A command signal is output to 58c to output a life determination signal.

図11〜図15を参照して説明したように、ファイバ光増幅器に劣化が見られる以前の正常時においては、励起光のパワーPpumpに比例して基本波レーザ光のパワーPω1が増大し、この基本波のパワーPω1に比例して第2高調波のパワーPω2が増大する(図11,図12を参照)。すなわち、励起光パワーPpumpの増加に対応して、第2高調波のパワーPω2がある一定の傾きを持って増加する。この傾きである(dPω2)/(dPpump)は、ファイバ光増幅器の構成に応じた略一定の値(所定の傾き)を持つ。いま、レーザ装置LSにおける(dPω2)/(dPpump)の初期値をαとする。 As described with reference to FIGS. 11 to 15, the power Pω 1 of the fundamental laser light increases in proportion to the power P pump of the pumping light in a normal state before the fiber optical amplifier is deteriorated. The power Pω 2 of the second harmonic increases in proportion to the power Pω 1 of the fundamental wave (see FIGS. 11 and 12). That is, the second harmonic power Pω 2 increases with a certain slope corresponding to the increase of the pumping light power P pump. This inclination (dPω 2 ) / (dPpump) has a substantially constant value (predetermined inclination) corresponding to the configuration of the fiber optical amplifier. Now, let α be the initial value of (dPω 2 ) / (dPpump) in the laser device LS.

ファイバ光増幅器223のEDF223aが劣化(例えばファイバの樹脂被覆が劣化)し始めると、励起光のパワーPpumpの増加に対して基本波のパワーPω1は一次比例的に増大するが、第2高調波のパワーPω2は増加傾向が縮小し(dPω2)/(dPpump)の値は正常時の値αよりも小さくなる(図13を参照)。さらにEDF223aの劣化が進行すると、励起光パワーPpumpにほぼ比例して基本波のパワーPω1は増大するものの、第2高調波のパワーPω2は、励起光パワーPpump及び基本波のパワーPω1に対して大きく波打つように変動し、(dPω2)/(dPpump)は正・負に大きく変化するようになる(図14を参照)。 When the EDF 223a of the fiber optical amplifier 223 begins to deteriorate (for example, the resin coating of the fiber deteriorates), the fundamental power Pω 1 increases in a first-order proportional to the increase of the pumping power Ppump, but the second harmonic The power Pω 2 tends to increase and the value of (dPω 2 ) / (dPpump) becomes smaller than the normal value α (see FIG. 13). As the EDF 223a further deteriorates, the fundamental wave power Pω 1 increases in proportion to the pumping light power Ppump, but the second harmonic power Pω 2 becomes the pumping light power Ppump and the fundamental wave power Pω 1 . On the other hand, it fluctuates so as to be greatly undulated, and (dPω 2 ) / (dPpump) changes greatly between positive and negative (see FIG. 14).

このように、EDF223aの劣化が進行すると、(dPω2)/(dPpump)の値は初期値αから徐々に減少し、ついには正・負に大きく変動するようになる。従って、(dPω2)/(dPpump)に相当する(dPb)/(dPa)をFA判断部58において観察し、この値が所定以下になったときに寿命判定信号を出力して、ファイバ光増幅器223の劣化状態を報知等することにより、ファイバ光増幅器223の寿命を適切に判断することができる。 As described above, when the degradation of the EDF 223a proceeds, the value of (dPω 2 ) / (dPpump) gradually decreases from the initial value α, and finally greatly varies positively and negatively. Accordingly, (dPb) / (dPa) corresponding to (dPω 2 ) / (dPpump) is observed in the FA determination unit 58, and when this value becomes a predetermined value or less, a life determination signal is output, and the fiber optical amplifier By notifying the deterioration state of 223, the lifetime of the fiber optical amplifier 223 can be appropriately determined.

図5に寿命基準値の設定例を示す。図において、グラフの横軸は励起光のパワーPpump、縦軸は第2高調波のパワーPω2であり、図中に実線で(dPω2)/(dPpump)=αの初期値を示している。図5は、寿命基準値を2段階とした構成例を示しており、第1段階の寿命基準値Twを一点鎖線、第2段階の寿命基準値Taを二点鎖線で示している。二つの寿命基準値Tw,Taはメモリ58aに設定記憶される。 FIG. 5 shows an example of setting the life reference value. In the figure, the horizontal axis of the graph is the power Ppump of the excitation light, the vertical axis is the power Pω 2 of the second harmonic, and the initial value of (dPω 2 ) / (dPpump) = α is shown by a solid line in the figure. . FIG. 5 shows a configuration example in which the life reference value has two stages, in which the first stage life reference value Tw is indicated by a one-dot chain line, and the second stage life reference value Ta is indicated by a two-dot chain line. The two life reference values Tw and Ta are set and stored in the memory 58a.

この構成例では、第1段階はファイバ光増幅器223の交換を促すワーニングとし、第2段階はレーザ装置を保護するアラームまたはインターロックとする。処理部58bは、励起光検出器51入力される第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から入力される第2検出信号Pbから(dPω2)/(dPpump)を算出し、算出された値がメモリ58aに設定記憶された第1段階の寿命基準値Tw以下になったと判断されるときに、出力部58cに指令信号を出力して第1段階の寿命判定信号を出力させる。 In this configuration example, the first stage is a warning that prompts replacement of the fiber optical amplifier 223, and the second stage is an alarm or an interlock that protects the laser device. The processing unit 58b calculates (dPω 2 ) / (dPpump) from the first detection signal Pa input from the excitation light detector 51 and the second detection signal Pb input from the second harmonic detector 53. When it is determined that the value is equal to or less than the first stage life reference value Tw set and stored in the memory 58a, a command signal is output to the output unit 58c to output a first stage life determination signal.

第1段階の寿命判定は、ファイバ光増幅器223の交換を促すワーニングであり、例えば、ファイバ光増幅器223が劣化して交換が必要である旨の文字情報やピクトグラム、コード番号等を制御部8の表示装置に表示させたり、レーザ装置LSの状態を表す三色の回転表示灯のうち注意喚起を意味する黄色の表示灯を点灯させたりするような寿命判定信号が出力される。   The life determination at the first stage is a warning that prompts replacement of the fiber optical amplifier 223. For example, character information, a pictogram, a code number, and the like indicating that the fiber optical amplifier 223 is deteriorated and needs to be replaced are stored in the control unit 8. A life determination signal is output such as displaying on a display device or turning on a yellow display lamp that indicates a warning among the three-color rotary display lamps representing the state of the laser device LS.

このとき、第1段階の寿命基準値Twは、初期段階の(dPω2)/(dPpump)の値αに対して、0.3α〜0.7αの範囲内で設定することが好ましく、例えば0.5α程度に設定される。(dPω2)/(dPpump)が0.3α未満では、紫外レーザ光Lvのパワーに基づいてファイバ光増幅器223の励起光パワーを制御するオートパワーコントロール(APC)の収束時間が過大になり、(dPω2)/(dPpump)が0.7αを超えると、ファイバ光増幅器223の交換寿命が短くなり経済性に反するからである。 At this time, the lifetime reference value Tw in the first stage is preferably set within the range of 0.3α to 0.7α with respect to the value α of (dPω 2 ) / (dPpump) in the initial stage. .About.5α. If (dPω 2 ) / (dPpump) is less than 0.3α, the convergence time of auto power control (APC) for controlling the pumping light power of the fiber optical amplifier 223 based on the power of the ultraviolet laser light Lv becomes excessive, and ( This is because if dPω 2 ) / (dPpump) exceeds 0.7α, the replacement life of the fiber optical amplifier 223 is shortened, which is contrary to economic efficiency.

第2段階の寿命判定は、レーザ装置を保護するアラームまたはインターロックであり、例えば、ファイバ光増幅器223の劣化が進行してオートパワーコントロールが困難である旨の文字情報やピクトグラム、コード番号等を制御部8の表示装置に表示させたり、レーザ装置LSの状態を表す三色の回転表示灯のうち異常状態を意味する赤色の表示灯を点滅させたりするようなアラームの寿命判定信号、あるいは、上記のようなアラームに加えて、例えばオートパワーコントロール状態でのレーザ装置の作動を禁止するようなインターロックの寿命判定信号が出力される。   The second stage life determination is an alarm or an interlock for protecting the laser device. For example, text information, pictogram, code number, etc. indicating that the optical fiber amplifier 223 is deteriorated and auto power control is difficult are displayed. A life determination signal for an alarm that is displayed on the display unit of the control unit 8 or blinks a red indicator lamp that indicates an abnormal state among the three-color rotary indicator lamps that indicate the state of the laser device LS, or In addition to the alarm as described above, for example, an interlock lifetime determination signal that prohibits the operation of the laser device in the auto power control state is output.

第2段階の寿命基準値Taは、初期段階の(dPω2)/(dPpump)の値αに対して、0.1α〜0.3αの範囲内で設定すること、例えば0.2α程度とすることが好ましい。0.1αは、第2高調波パワーの揺らぎやパワーの検出誤差等を考慮したときに、オートパワーコントロールで動作させる下限値であり、0.3α以上ではオートパワーコントロールが制御不能となるようなおそれが低いからである。 The lifetime reference value Ta in the second stage is set within a range of 0.1α to 0.3α with respect to the value α of (dPω 2 ) / (dPpump) in the initial stage, for example, about 0.2α. It is preferable. 0.1α is a lower limit value that is operated by auto power control in consideration of fluctuation of the second harmonic power, power detection error, and the like. When 0.3α or more, auto power control becomes uncontrollable. This is because the fear is low.

このような構成のFA寿命判断装置50Aによれば、ファイバ光増幅器223の劣化状態に応じた寿命判定信号が出力される。そのため、現実にファイバ光増幅器223が劣化して交換が必要な状態であるか否かを適切に判断することができ、経済性と安定作動の確保とを両立させたレーザ装置を提供することができる。   According to the FA life determination device 50A having such a configuration, a life determination signal corresponding to the deterioration state of the fiber optical amplifier 223 is output. Therefore, it is possible to appropriately determine whether or not the fiber optical amplifier 223 is actually deteriorated and needs to be replaced, and it is possible to provide a laser apparatus that achieves both economy and stable operation. it can.

〔第2構成形態〕
次に、第2構成形態のFA寿命判断装置50Bについて、図6を参照して説明する。図6は、図4と同様に、第2レーザ光出力部1b〜波長変換部3の第2系列IIにFA寿命判断装置を設けた場合の概要構成図である。なお、第1構成形態のFA寿命判断装置50Aと同様構成の部分には同一番号を付して重複説明を省略する。
[Second configuration]
Next, the FA life determination device 50B of the second configuration form will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic configuration diagram in the case where the FA lifetime determination device is provided in the second series II of the second laser light output unit 1b to the wavelength conversion unit 3 as in FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the part of a structure similar to FA lifetime judgment apparatus 50A of 1st structure form, and duplication description is abbreviate | omitted.

FA寿命判断装置50Bは、ファイバ光増幅器223から出射され波長変換光学素子34に入射する基本波レーザ光La2の強度を検出する基本波検出器52と、波長変換光学素子34により波長変換されて出射した第2高調波2ωの強度を検出する第2高調波検出器53と、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態を判断するFA判断部58とを備えて構成される。 The FA lifetime determination device 50B is wavelength-converted by the fundamental wave detector 52 for detecting the intensity of the fundamental laser beam La 2 emitted from the fiber optical amplifier 223 and incident on the wavelength conversion optical element 34, and the wavelength conversion optical element 34. The second harmonic detector 53 for detecting the intensity of the emitted second harmonic 2ω, the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52, and the second detection output from the second harmonic detector 53 And an FA determination unit 58 that determines the operating state of the fiber optical amplifier 223 based on the signal Pb.

基本波検出器52は、ファイバ光増幅器223から出射された基本波レーザ光のパワーPω1を検出し、検出された基本波のパワーPω1に応じた大きさの第1検出信号Paを出力するパワーセンサを用いることができる。このような基本波検出器52として、基本波レーザ光の波長(1547nm)を含む波長帯域に検出感度を有する公知のパワーセンサを用いることができる。波長変換部3の第2系列IIには、基本波レーザ光の一部(例えば1%程度)を反射する部分反射鏡54が設けられており、この部分反射鏡54を介して波長変換光学素子34に入射する基本波レーザ光の一部が基本波検出器52に入射される。 The fundamental wave detector 52 detects the power Pω 1 of the fundamental wave laser beam emitted from the fiber optical amplifier 223 and outputs a first detection signal Pa having a magnitude corresponding to the detected fundamental wave power Pω 1. A power sensor can be used. As such a fundamental wave detector 52, a known power sensor having detection sensitivity in a wavelength band including the wavelength (1547 nm) of the fundamental wave laser beam can be used. The second series II of the wavelength conversion unit 3 is provided with a partial reflection mirror 54 that reflects a part of the fundamental laser beam (for example, about 1%), and the wavelength conversion optical element via the partial reflection mirror 54. A portion of the fundamental laser beam incident on 34 enters the fundamental wave detector 52.

第2高調波検出器53及び部分反射鏡55は前述したとおりである。すなわち、第2高調波検出器53は、波長変換光学素子34から出射する第2高調波2ωのパワーPω2を検出し、検出された第2高調波のパワーに応じた大きさの第2検出信号Pbを出力するパワーセンサを用いることができる。また、部分反射鏡55は、波長1547nmの基本波を透過し、波長774nmの第2高調波の一部(例えば1%程度)を反射する波長選択性のある部分反射鏡であり、部分反射鏡55を介して波長変換光学素子34で発生した第2高調波の一部が第2高調波検出器53に入射される。 The second harmonic detector 53 and the partial reflection mirror 55 are as described above. That is, the second harmonic detector 53 detects the power Pω 2 of the second harmonic 2ω emitted from the wavelength conversion optical element 34, and the second detection having a magnitude corresponding to the detected power of the second harmonic. A power sensor that outputs the signal Pb can be used. The partial reflection mirror 55 is a partial reflection mirror having wavelength selectivity that transmits a fundamental wave having a wavelength of 1547 nm and reflects a part (eg, about 1%) of the second harmonic having a wavelength of 774 nm. Part of the second harmonic generated by the wavelength conversion optical element 34 is incident on the second harmonic detector 53 via 55.

FA判断部58は、入力される第1検出信号の種別、及びメモリ58aに設定記憶される寿命基準値の具体的な数値が第1構成形態のFA判断部と異なる点を除き、基本的な構成は同様である。すなわち、FA判断部58は、ファイバ光増幅器223の寿命基準値が予め設定記憶されたメモリ58aと、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態等を演算処理する処理部58b、処理部58bにおける演算結果に基づいて寿命判定信号を出力する出力部58cなどから構成される。   The FA determination unit 58 is fundamental except that the type of the first detection signal to be input and the specific numerical value of the life reference value set and stored in the memory 58a are different from the FA determination unit of the first configuration form. The configuration is the same. That is, the FA determination unit 58 outputs from the memory 58 a in which the life reference value of the fiber optical amplifier 223 is set and stored in advance, the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52, and the second harmonic detector 53. The processing unit 58b that calculates the operating state of the fiber optical amplifier 223 based on the second detection signal Pb, and the output unit 58c that outputs a life determination signal based on the calculation result in the processing unit 58b.

FA判断部58には、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbが入力されており、処理部58bは、第1検出信号Paの変化量(dPa)に対する第2検出信号Pbの変化量(dPb)の比である(dPb)/(dPa)、具体的には、波長変換光学素子34に入射する基本波パワーPω1の変化量(dPω1)に対する第2高調波パワーの変化量(dPω2)の比である(dPω2)/(dPω1)を算出し、この値がメモリ58aに設定記憶された寿命基準値以下になったときに、出力部58cに指令信号を出力して寿命判定信号を出力させる。 The FA determination unit 58 receives the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52 and the second detection signal Pb output from the second harmonic detector 53, and the processing unit 58b (DPb) / (dPa), which is the ratio of the change amount (dPb) of the second detection signal Pb to the change amount (dPa) of one detection signal Pa, specifically, the fundamental wave power incident on the wavelength conversion optical element 34 is the ratio of the amount of change Pomega 1 variation of the second harmonic power to (dPω 1) (dPω 2) (dPω 2) / (dPω 1) is calculated, and this value is set and stored in the memory 58a life When the reference value is below the reference value, a command signal is output to the output unit 58c to output a life determination signal.

既述したように、ファイバ光増幅器に劣化が見られる以前の正常時においては、励起光のパワーPpumpに比例して基本波レーザ光のパワーPω1が増大し、この基本波のパワーPω1に比例して第2高調波のパワーPω2が増大する(図11,図12を参照)。すなわち、基本波のパワーPω1の増加に対応して、第2高調波のパワーPω2がある一定の傾きを持って増加する。この傾きである(dPω2)/(dPω1)は、ファイバ光増幅器223の構成に応じた略一定の値(所定の傾き)を有する。いま、レーザ装置LSにおける(dPω2)/(dPω1)の初期値をβとする。 As described above, in the normal previous to deterioration in fiber optical amplifiers seen, power Pomega 1 of the fundamental wave laser beam is increased in proportion to the power Ppump of the excitation light, the power Pomega 1 of this fundamental wave The power Pω 2 of the second harmonic increases proportionally (see FIGS. 11 and 12). That is, the power Pω 2 of the second harmonic increases with a certain slope corresponding to the increase of the power Pω 1 of the fundamental wave. This inclination (dPω 2 ) / (dPω 1 ) has a substantially constant value (predetermined inclination) corresponding to the configuration of the fiber optical amplifier 223. Now, let β be the initial value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) in the laser device LS.

ファイバ光増幅器223のEDF223aが劣化し始めると、励起光のパワーPpumpの増加に対して基本波のパワーPω1は一次比例的に増大するが、第2高調波のパワーPω2は増加傾向が縮小し(dPω2)/(dPω1)の値は正常時の値βよりも小さくなる(図13を参照)。さらにEDF223aの劣化が進行すると、励起光パワーPpumpにほぼ比例して基本波のパワーPω1は増大するものの、第2高調波のパワーPω2は、励起光パワーPpump及び基本波のパワーPω1に対して大きく波打つように変動し、(dPω2)/(dPω1)は正・負に大きく変化するようになる(図14を参照)。 When the EDF 223a of the fiber optical amplifier 223 starts to deteriorate, the fundamental power Pω 1 increases in a linear proportion to the increase in the pumping light power Ppump, but the second harmonic power Pω 2 decreases in an increasing trend. The value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) is smaller than the normal value β (see FIG. 13). As the EDF 223a further deteriorates, the fundamental wave power Pω 1 increases in proportion to the pumping light power Ppump, but the second harmonic power Pω 2 becomes the pumping light power Ppump and the fundamental wave power Pω 1 . On the other hand, it fluctuates so as to wave greatly, and (dPω 2 ) / (dPω 1 ) changes greatly between positive and negative (see FIG. 14).

このように、EDF223aの劣化が進行すると、(dPω2)/(dPω1)の値は初期値βから徐々に減少し、ついには正・負に大きく変動するようになる。従って、(dPω2)/(dPω1)に相当する(dPb)/(dPa)をFA判断部58において観察し、この値が所定以下になったときに寿命判定信号を出力して、ファイバ光増幅器223の劣化状態を報知等することにより、ファイバ光増幅器223の寿命を適切に判断することができる。 As described above, when the degradation of the EDF 223a proceeds, the value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) gradually decreases from the initial value β, and finally greatly varies positively and negatively. Accordingly, (dPb) / (dPa) corresponding to (dPω 2 ) / (dPω 1 ) is observed in the FA determination unit 58, and when this value becomes a predetermined value or less, a life determination signal is output, and the fiber light By notifying the deterioration state of the amplifier 223, the lifetime of the fiber optical amplifier 223 can be appropriately determined.

このとき、寿命基準値の設定は図5に示した構成例と同様に設定することができる。同様の設定例を図7に示す。図において、グラフの横軸は基本波のパワーPω1、縦軸は第2高調波のパワーPω2であり、図中に実線で(dPω2)/(dPω1)=βの初期値を示している。また、第1段階の寿命基準値Twを一点鎖線、第2段階の寿命基準値Taを二点鎖線で示している。二つの寿命基準値Tw,Taはメモリ58aに設定記憶される。 At this time, the life reference value can be set in the same manner as in the configuration example shown in FIG. A similar setting example is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis of the graph is the fundamental wave power Pω 1 , the vertical axis is the second harmonic power Pω 2 , and the solid line indicates the initial value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) = β. ing. In addition, the first stage life reference value Tw is indicated by a one-dot chain line, and the second stage life reference value Ta is indicated by a two-dot chain line. The two life reference values Tw and Ta are set and stored in the memory 58a.

本構成例において、第1段階はファイバ光増幅器223の交換を促すワーニングであり、第2段階はレーザ装置を保護するアラームまたはインターロックである。処理部58bは、基本波検出器52から入力される第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から入力される第2検出信号Pbから(dPω2)/(dPω1)を算出し、算出された値がメモリ58aに設定記憶された第1段階の寿命基準値Tw以下になったと判断されるときに、出力部58cに指令信号を出力して第1段階の寿命判定信号を出力させる。 In this configuration example, the first stage is a warning prompting the replacement of the fiber optical amplifier 223, and the second stage is an alarm or an interlock that protects the laser device. The processing unit 58b calculates (dPω 2 ) / (dPω 1 ) from the first detection signal Pa input from the fundamental wave detector 52 and the second detection signal Pb input from the second harmonic detector 53, When it is determined that the calculated value is less than or equal to the first stage life reference value Tw set and stored in the memory 58a, a command signal is output to the output unit 58c to output a first stage life determination signal. .

第1段階の寿命判定は、ファイバ光増幅器223の交換を促すワーニングであり、例えば、ファイバ光増幅器223が劣化して交換が必要である旨の文字情報やピクトグラム、コード番号等を制御部8の表示装置に表示させたり、レーザ装置LSの状態を表す三色の回転表示灯のうち注意喚起を意味する黄色の表示灯を点灯させたりするような寿命判定信号が出力される。   The life determination at the first stage is a warning that prompts replacement of the fiber optical amplifier 223. For example, character information, a pictogram, a code number, and the like indicating that the fiber optical amplifier 223 is deteriorated and needs to be replaced are stored in the control unit 8. A life determination signal is output such as displaying on a display device or turning on a yellow display lamp that indicates a warning among the three-color rotary display lamps representing the state of the laser device LS.

このとき、第1段階の寿命基準値Twは、初期段階の(dPω2)/(dPω1)の値βに対して、0.3β〜0.7βの範囲内で設定することが好ましく、例えば0.5β程度に設定される。(dPω2)/(dPω1)が0.3β未満では、紫外レーザ光Lvのパワーに基づいてファイバ光増幅器223の励起光パワーを制御するオートパワーコントロール(APC)の収束時間が過大になり、(dPω2)/(dPω1)が0.7βを超えると、ファイバ光増幅器223の交換寿命が短くなり経済性に反するからである。 At this time, the lifetime reference value Tw in the first stage is preferably set within a range of 0.3β to 0.7β with respect to the value β of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) in the initial stage. It is set to about 0.5β. If (dPω 2 ) / (dPω 1 ) is less than 0.3β, the convergence time of auto power control (APC) for controlling the pumping light power of the fiber optical amplifier 223 based on the power of the ultraviolet laser light Lv becomes excessive, This is because if (dPω 2 ) / (dPω 1 ) exceeds 0.7β, the replacement life of the fiber optical amplifier 223 is shortened, which is contrary to economic efficiency.

第2段階の寿命判定は、レーザ装置を保護するアラームまたはインターロックであり、例えば、ファイバ光増幅器223の劣化が進行してオートパワーコントロールが困難である旨の文字情報やピクトグラム、コード番号等を制御部8の表示装置に表示させたり、レーザ装置LSの状態を表す三色の回転表示灯のうち異常状態を意味する赤色の表示灯を点滅させたりするようなアラームの寿命判定信号、あるいは、上記のようなアラームに加えて、例えばオートパワーコントロール状態でのレーザ装置の作動を禁止するようなインターロックの寿命判定信号が出力される。   The second stage life determination is an alarm or an interlock for protecting the laser device. For example, text information, pictogram, code number, etc. indicating that the optical fiber amplifier 223 is deteriorated and auto power control is difficult are displayed. A life determination signal for an alarm that is displayed on the display unit of the control unit 8 or blinks a red indicator lamp that indicates an abnormal state among the three-color rotary indicator lamps that indicate the state of the laser device LS, or In addition to the alarm as described above, for example, an interlock lifetime determination signal that prohibits the operation of the laser device in the auto power control state is output.

第2段階の寿命基準値Taは、初期段階の(dPω2)/(dPω1)の値βに対して、0.1β〜0.3βの範囲内で設定すること、例えば0.2β程度とすることが好ましい。0.1βは、第2高調波パワーの揺らぎやパワーの検出誤差等を考慮したときに、オートパワーコントロールで動作させる下限値であり、0.3β以上ではオートパワーコントロールが制御不能となるようなおそれが低いからである。 The lifetime reference value Ta in the second stage is set within a range of 0.1β to 0.3β with respect to the value β of (dPω 2 ) / (dPω 1 ) in the initial stage, for example, about 0.2β. It is preferable to do. 0.1β is a lower limit value that is operated by auto power control in consideration of second harmonic power fluctuation, power detection error, and the like. When 0.3β or more, auto power control becomes uncontrollable. This is because the fear is low.

このような構成のFA寿命判断装置50Bにおいても、前述したFA寿命判断装置50Aと同様にファイバ光増幅器223の劣化状態に応じた寿命判定信号が出力される。そのため、現実にファイバ光増幅器223が劣化して交換が必要な状態であるか否かを適切に判断することができ、経済性と安定作動の確保とを両立させたレーザ装置を提供することができる。   Also in the FA life determination device 50B having such a configuration, a life determination signal corresponding to the deterioration state of the fiber optical amplifier 223 is output in the same manner as the FA life determination device 50A described above. Therefore, it is possible to appropriately determine whether or not the fiber optical amplifier 223 is actually deteriorated and needs to be replaced, and it is possible to provide a laser apparatus that achieves both economy and stable operation. it can.

〔第3構成形態〕
次に、第3構成形態のFA寿命判断装置50Cについて、図8を参照して説明する。図8は、図4、図6と同様に、波長変換部3の第2系列IIにFA寿命判断装置を設けた場合の概要構成図である。なお、既述した構成形態と同様構成の部分には同一番号を付して重複説明を省略する。
[Third configuration]
Next, the FA life determination device 50C of the third configuration form will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic configuration diagram in the case where the FA life determination device is provided in the second series II of the wavelength conversion unit 3 as in FIGS. 4 and 6. In addition, the same number is attached | subjected to the part of a structure similar to the already-described structure form, and duplication description is abbreviate | omitted.

FA寿命判断装置50Cは、波長変換光学素子34を波長変換されずに透過した基本波レーザ光の強度を検出する基本波検出器52と、波長変換光学素子34により波長変換されて出射した第2高調波2ωの強度を検出する第2高調波検出器53と、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態を判断するFA判断部58とを備えて構成される。すなわち、本構成形態のFA寿命判断装置50Cは、基本波の強度検出を、波長変換光学素子34を透過した基本波レーザ光により行う点で、前述した第2構成形態のFA寿命判断装置50Bと異なっている。   The FA life determination device 50C includes a fundamental wave detector 52 that detects the intensity of the fundamental wave laser beam that has passed through the wavelength conversion optical element 34 without being wavelength-converted, and a second wavelength that has been wavelength-converted by the wavelength conversion optical element 34 and emitted. Based on the second harmonic detector 53 that detects the intensity of the harmonic 2ω, the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52, and the second detection signal Pb output from the second harmonic detector 53. And an FA determination unit 58 that determines the operating state of the fiber optical amplifier 223. That is, the FA life determination device 50C of the present configuration form is the same as the FA life determination device 50B of the second configuration form described above in that the fundamental wave intensity is detected by the fundamental laser beam transmitted through the wavelength conversion optical element 34. Is different.

基本波検出器52及び第2高調波検出器53は、各々前述した基本波検出器52及び第2高調波検出器53と同様のパワーセンサを用いることができる。波長変換部3のミラー42には、波長1547nmの基本波を透過し、波長774nmの第2高調波の一部(例えば1%程度)を透過する波長選択性のある部分反射鏡が用いられ、波長変換光学素子34を波長変換されずに透過した基本波、及び波長変換光学素子34で発生した第2高調波の一部がミラー42を透過する。   The fundamental wave detector 52 and the second harmonic detector 53 can use the same power sensors as the fundamental wave detector 52 and the second harmonic detector 53 described above, respectively. As the mirror 42 of the wavelength conversion unit 3, a partial reflection mirror having a wavelength selectivity that transmits a fundamental wave having a wavelength of 1547 nm and transmits a part of the second harmonic having a wavelength of 774 nm (for example, about 1%) is used. The fundamental wave that has passed through the wavelength conversion optical element 34 without being wavelength-converted and the second harmonic generated by the wavelength conversion optical element 34 pass through the mirror 42.

ミラー42の背後には、このミラーを透過した波長1547nmの基本波と波長774nmの第2高調波とを分光する分光素子56が設けられており、分光素子56により分光された基本波が基本波検出器52に入射し、第2高調波が第2高調波検出器53に入射する。分光素子56は、図示するようにプリズムを用いることができるほか、ダイクロイックミラーや回折光学素子等を用いて構成することもできる。   Behind the mirror 42 is provided a spectroscopic element 56 that splits the fundamental wave having a wavelength of 1547 nm and the second harmonic wave having a wavelength of 774 nm transmitted through the mirror, and the fundamental wave separated by the spectroscopic element 56 is the fundamental wave. The light enters the detector 52, and the second harmonic enters the second harmonic detector 53. As shown in the figure, the spectroscopic element 56 may be a prism, or may be configured using a dichroic mirror, a diffractive optical element, or the like.

FA判断部58は、メモリ58aに設定記憶される寿命基準値の具体的な数値が第2構成形態のFA判断部と異なる点を除き、基本的な構成は同様である。すなわち、FA判断部58は、ファイバ光増幅器223の寿命基準値が予め設定記憶されたメモリ58aと、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbに基づいてファイバ光増幅器223の作動状態等を演算処理する処理部58b、処理部58bにおける演算結果に基づいて寿命判定信号を出力する出力部58cなどから構成される。   The FA determination unit 58 has the same basic configuration except that the specific value of the life reference value set and stored in the memory 58a is different from the FA determination unit of the second configuration form. That is, the FA determination unit 58 outputs from the memory 58 a in which the life reference value of the fiber optical amplifier 223 is set and stored in advance, the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52, and the second harmonic detector 53. The processing unit 58b that calculates the operating state of the fiber optical amplifier 223 based on the second detection signal Pb, and the output unit 58c that outputs a life determination signal based on the calculation result in the processing unit 58b.

FA判断部58には、基本波検出器52から出力された第1検出信号Pa及び第2高調波検出器53から出力された第2検出信号Pbが入力されており、処理部58bは、第1検出信号Paの変化量(dPa)に対する第2検出信号Pbの変化量(dPb)の比である(dPb)/(dPa)、具体的には、波長変換光学素子34を透過した基本波パワーPω1′の変化量(dPω1′)に対する第2高調波パワーの変化量(dPω2)の比である(dPω2)/(dPω1′)を算出し、この値がメモリ58aに設定記憶された寿命基準値以下になったときに、出力部58cに指令信号を出力して寿命判定信号を出力させる。 The FA determination unit 58 receives the first detection signal Pa output from the fundamental wave detector 52 and the second detection signal Pb output from the second harmonic detector 53, and the processing unit 58b (DPb) / (dPa), which is the ratio of the change amount (dPb) of the second detection signal Pb to the change amount (dPa) of one detection signal Pa, specifically, the fundamental wave power transmitted through the wavelength conversion optical element 34 Pω is the ratio of 'variation of (dPω 1' 1 variation of the second harmonic power to) (dPω 2) (dPω 2 ) / (dPω 1 ') is calculated, setting storage this value in the memory 58a When the life is less than the life reference value, a command signal is output to the output unit 58c to output a life determination signal.

ここで、波長変換光学素子34を透過した基本波(便宜的に透過基本波という)のパワーPω1′は、波長変換光学素子34に入射した基本波(便宜的に入射基本波という)のパワーPω1から、波長変換に寄与した基本波のパワーを差し引いた大きさになる。波長変換に寄与するs偏光成分の光の寄与率、すなわち波長変換効率は、入射基本波のパワー(結晶中のパワー密度)が所定以上の領域で略一定であり、入射基本波のパワーPω1に比例して透過基本波のパワーPω1′が増大する。従って、透過基本波のパワーPω1′を入射基本波のパワーPω1に対応する状態量として取り扱うことができる。 Here, the power Pω 1 ′ of the fundamental wave (referred to as a transmitted fundamental wave) transmitted through the wavelength conversion optical element 34 is the power of the fundamental wave (referred to as an incident fundamental wave for convenience) incident on the wavelength conversion optical element 34. The magnitude is obtained by subtracting the power of the fundamental wave that has contributed to wavelength conversion from Pω 1 . The contribution ratio of light of the s-polarized component that contributes to wavelength conversion, that is, wavelength conversion efficiency, is substantially constant in a region where the power of the incident fundamental wave (power density in the crystal) is not less than a predetermined value, and the power Pω 1 of the incident fundamental wave. Proportionally increases the power Pω 1 ′ of the transmitted fundamental wave. Therefore, the power Pω 1 ′ of the transmitted fundamental wave can be handled as a state quantity corresponding to the power Pω 1 of the incident fundamental wave.

既述したように、ファイバ光増幅器に劣化が見られる以前の正常時においては、励起光のパワーPpumpに比例して入射基本波のパワーPω1が増大し、入射基本波のパワーPω1に比例して第2高調波のパワーPω2が増大する(図11,図12を参照)。このとき、入射基本波のパワーPω1に比例して透過基本波のパワーPω1′が増大する。そのため、透過基本波のパワーPω1′の増加に対応して、第2高調波のパワーPω2がある一定の傾きを持って増加する。この傾きである(dPω2)/(dPω1′)は、ファイバ光増幅器223及び波長変換光学素子34の構成に応じた値(所定の傾き)になる。いま、レーザ装置LSにおける(dPω2)/(dPω1′)の初期値をγとする。 As described above, in the normal previous to deterioration in fiber optical amplifiers seen, power Pomega 1 incident fundamental wave in proportion to the power Ppump of the excitation light is increased, proportional to the power Pomega 1 of the incident fundamental wave As a result, the power Pω 2 of the second harmonic increases (see FIGS. 11 and 12). At this time, the power Pω 1 ′ of the transmitted fundamental wave increases in proportion to the power Pω 1 of the incident fundamental wave. Therefore, the power Pω 2 of the second harmonic increases with a certain slope in response to the increase of the power Pω 1 ′ of the transmitted fundamental wave. This inclination (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) is a value (predetermined inclination) corresponding to the configuration of the fiber optical amplifier 223 and the wavelength conversion optical element 34. Now, let γ be the initial value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) in the laser device LS.

ファイバ光増幅器223のEDF223aが劣化し始めると、励起光のパワーPpumpの増加に対して入射基本波のパワーPω1は一次比例的に増大し、これに伴って透過基本波のパワーPω1′も増大するが、第2高調波のパワーPω2は増加傾向が縮小し(dPω2)/(dPω1′)の値は正常時の値γよりも小さくなる(図13を参照)。さらにEDF223aの劣化が進行すると、励起光パワーPpumpにほぼ比例して入射基本波のパワーPω1及び透過基本波のパワーPω1′は増大するが、第2高調波のパワーPω2は大きく波打つように変動し、(dPω2)/(dPω1′)は正・負に大きく変化するようになる(図14を参照)。 When the EDF 223a of the fiber optical amplifier 223 starts to deteriorate, the power Pω 1 of the incident fundamental wave increases linearly with respect to the increase of the power P pump of the pumping light, and accordingly, the power Pω 1 ′ of the transmitted fundamental wave also increases. Although increasing, the tendency of increasing the power Pω 2 of the second harmonic is reduced, and the value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) is smaller than the normal value γ (see FIG. 13). As the EDF 223a further deteriorates, the incident fundamental wave power Pω 1 and the transmitted fundamental wave power Pω 1 ′ increase in proportion to the pumping light power P pump, but the second harmonic power Pω 2 undulates greatly. Thus, (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) changes greatly between positive and negative (see FIG. 14).

このように、EDF223aの劣化が進行すると、(dPω2)/(dPω1′)の値は初期値γから徐々に減少し、ついには正・負に大きく変動するようになる。従って、(dPω2)/(dPω1′)に相当する(dPb)/(dPa)をFA判断部58において観察し、この値が所定以下になったときに寿命判定信号を出力して、ファイバ光増幅器223の劣化状態を報知等することにより、ファイバ光増幅器223の寿命を適切に判断することができる。 As described above, when the degradation of the EDF 223a progresses, the value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) gradually decreases from the initial value γ, and finally greatly fluctuates positively and negatively. Accordingly, (dPb) / (dPa) corresponding to (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) is observed in the FA determination unit 58, and when this value becomes a predetermined value or less, a life determination signal is output, and the fiber By notifying the deterioration state of the optical amplifier 223, the lifetime of the fiber optical amplifier 223 can be appropriately determined.

このとき、寿命基準値の設定は、図5や図7に示した構成例と同様に設定することができる。すなわち、(dPω2)/(dPω1′)=γの初期値を基準として、第1段階の寿命基準値Twを0.3γ〜0.7γの範囲内、例えば0.5γ程度に設定し、第2段階の寿命基準値Taを0.1γ〜0.3γの範囲内、例えば0.2γ程度に設定してメモリ58aに記憶させ、同様のワーニング、アラーム、インターロック等を実行するように構成することができる。 At this time, the life reference value can be set in the same manner as in the configuration examples shown in FIGS. That is, with reference to the initial value of (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) = γ, the first stage life reference value Tw is set within a range of 0.3γ to 0.7γ, for example, about 0.5γ, The second stage life reference value Ta is set within a range of 0.1γ to 0.3γ, for example, about 0.2γ and stored in the memory 58a, and the same warning, alarm, interlock, etc. are executed. can do.

このような構成のFA寿命判断装置50Cにおいても、既述した第1構成形態のFA寿命判断装置50Aや第2構成形態のFA寿命判断装置50Bと同様に、ファイバ光増幅器223の劣化状態に応じた寿命判定信号が出力される。そのため、現実にファイバ光増幅器223が劣化して交換が必要な状態であるか否かを適切に判断することができ、経済性と安定作動の確保とを両立させたレーザ装置を提供することができる。また、本構成形態によれば、レーザ光出力部1や波長変換部3の光路中に部分反射鏡等の光学素子を配設する必要がなく、光学素子を挿入することにより生じる初期的及び長期的な損失や調整工数等を削減することができる。   Also in the FA life determination device 50C having such a configuration, in accordance with the degradation state of the fiber optical amplifier 223, similarly to the FA life determination device 50A in the first configuration form and the FA life determination device 50B in the second configuration form described above. A life judgment signal is output. Therefore, it is possible to appropriately determine whether or not the fiber optical amplifier 223 is actually deteriorated and needs to be replaced, and it is possible to provide a laser apparatus that achieves both economy and stable operation. it can. Further, according to this configuration mode, there is no need to arrange an optical element such as a partial reflection mirror in the optical path of the laser light output unit 1 or the wavelength conversion unit 3, and the initial and long-term generated by inserting the optical element. Loss and adjustment man-hours can be reduced.

以上説明した実施形態では、ファイバ光増幅器の一例として、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器(EDFA)を示したが、コアにドープされるレーザ媒質や光ファイバのクラッド構造は任意である。例えば、コアにイットリビウム(Yb)がドープされたシングルまたはマルチクラッド構造のイットリビウム・ドープ・ファイバ光増幅器(YDFA)やコアにツリウム(Tm)がドープされたシングルまたはマルチクラッド構造のツリウム・ドープ・ファイバ光増幅器(TDFA)等を有するレーザ装置についても同様に適用し同様の効果を得ることができる。   In the embodiment described above, an erbium-doped fiber optical amplifier (EDFA) is shown as an example of a fiber optical amplifier, but the laser medium doped in the core and the cladding structure of the optical fiber are arbitrary. For example, a single or multi-clad yttrium-doped fiber optical amplifier (YDFA) doped with yttrium (Yb) in the core or a single or multi-clad thulium doped fiber doped with thulium (Tm) in the core The same effect can be obtained by applying the same to a laser device having an optical amplifier (TDFA) or the like.

また、波長変換光学素子の一例として、第2高調波発生を行うPPLN結晶を例示したが、用いる結晶や波長変換の作用は任意である。例えば、3次以上の高調波を発生する非線形光学結晶や、基本波と他の高調波との和周波発生を行う非線形光学結晶(例えば、実施形態における波長変換光学36)、差周波発生を行う非線形光学結晶等を有するレーザ装置についても同様に適用し同様の効果を得ることができる。   Moreover, although the PPLN crystal which performs 2nd harmonic generation was illustrated as an example of a wavelength conversion optical element, the effect | action of the crystal to be used and wavelength conversion is arbitrary. For example, a nonlinear optical crystal that generates third-order or higher harmonics, a nonlinear optical crystal that generates a sum frequency of a fundamental wave and other harmonics (for example, the wavelength conversion optics 36 in the embodiment), or a difference frequency generation. The same effect can be obtained by applying the same to a laser device having a nonlinear optical crystal or the like.

1(1a,1b,1c) レーザ光出力部
3 波長変換部
8 制御部
10(10a,10b,10c) レーザ光発生部
11,12,13 レーザ光源
20(20a,20b,20c) 増幅部
21,22,23 ファイバ光増幅器
30 波長変換光学系
31〜36 波長変換光学素子
41,42,43 ミラー
50(50a,50b,50c) FA寿命判断装置
51 励起光検出器
52 基本波検出器
53 第2高調波検出器
54 部分反射鏡
55 部分反射鏡
56 分光素子
58 FA判断部
58a メモリ
58b 処理部
58c 出力部
221,222,223 ファイバ光増幅器
221a,222a,223a EDF
221b,222b,223b 励起光源
221c,222c,223c WDMカプラ
LS レーザ装置
La(La1,La2,La3) 基本波レーザ光
Ls(Ls1,Ls2,Ls3) 信号光
Lv 紫外レーザ光
ω1 基本波
ω2 第2高調波
Ppump 励起光のパワー
Pω1 基本波(入射基本波)ω1のパワー
Pω1p 基本波ω1におけるp偏光成分のパワー
Pω1s 基本波ω1におけるs偏光成分のパワー
Pω1′ 波長変換光学素子を透過した基本波(透過基本波)のパワー
Pω2 第2高調波のパワー
Pa 第1検出信号
Pb 第2検出信号
α (dPω2)/(dPpump)の初期値
β (dPω2)/(dPω1)の初期値
γ (dPω2)/(dPω1′)の初期値
Tw 第1段階の寿命基準値
Ta 第2段階の寿命基準値
1 (1a, 1b, 1c) Laser light output unit 3 Wavelength conversion unit 8 Control unit 10 (10a, 10b, 10c) Laser light generation unit 11, 12, 13 Laser light source 20 (20a, 20b, 20c) Amplification unit 21, 22, 23 Fiber optical amplifier 30 Wavelength conversion optical system 31 to 36 Wavelength conversion optical elements 41, 42, 43 Mirror 50 (50a, 50b, 50c) FA life determination device 51 Excitation light detector 52 Fundamental wave detector 53 Second harmonic Wave detector 54 Partial reflection mirror 55 Partial reflection mirror 56 Spectroscopic element 58 FA determination unit 58a Memory 58b Processing unit 58c Output units 221, 222, 223 Fiber optical amplifiers 221a, 222a, 223a EDF
221b, 222b, 223b Excitation light sources 221c, 222c, 223c WDM coupler LS laser device La (La 1 , La 2 , La 3 ) fundamental laser light Ls (Ls 1 , Ls 2 , Ls 3 ) signal light Lv ultraviolet laser light ω 1 fundamental wave ω 2 second harmonic wave P pump pumping power Pω 1 fundamental wave (incident fundamental wave) ω 1 power Pω 1p fundamental wave ω 1 p-polarized component power Pω 1s fundamental wave ω 1 s-polarized component Power Pω 1 ′ Fundamental wave (transmitted fundamental wave) transmitted through the wavelength conversion optical element Power Pω 2 Second harmonic power Pa First detection signal Pb Initial value of second detection signal α (dPω 2 ) / (dPpump) β (dPω 2 ) / (dPω 1 ) initial value γ (dPω 2 ) / (dPω 1 ′) initial value Tw First stage life reference value Ta Second stage life reference value

Claims (4)

ファイバ光増幅器を有し基本波レーザ光を出射するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有し前記レーザ光出力部から出射された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部とを備えたレーザ装置であって、
前記基本波レーザ光の強度またはこれに対応する状態量を検出して検出量に応じた第1検出信号Paを出力する第1検出手段と、
前記波長変換光学素子により波長変換された光の強度を検出して検出量に応じた第2検出信号Pbを出力する第2検出手段と、
前記第1検出手段から出力された第1検出信号Pa及び前記第2検出手段から出力された第2検出信号Pbに基づいて前記ファイバ光増幅器の作動状態を判断するFA判断部とを備え、
前記FA判断部は、前記第1検出信号Paの変化量dPaと前記第2検出信号Pbの変化量dPbとの比が予め設定された寿命基準範囲外となったときに、寿命判定信号を出力するように構成されることを特徴とするレーザ装置。
A laser light output section that has a fiber optical amplifier and emits fundamental laser light; and a wavelength conversion section that has a wavelength conversion optical element and converts the wavelength of the fundamental laser light emitted from the laser light output section and outputs the wavelength conversion optical element. A laser device comprising:
First detection means for detecting the intensity of the fundamental wave laser light or a state quantity corresponding thereto and outputting a first detection signal Pa corresponding to the detection quantity;
Second detection means for detecting the intensity of light wavelength-converted by the wavelength conversion optical element and outputting a second detection signal Pb corresponding to the detection amount;
An FA determination unit that determines the operating state of the fiber optical amplifier based on the first detection signal Pa output from the first detection unit and the second detection signal Pb output from the second detection unit;
The FA determination unit outputs a life determination signal when the ratio of the change amount dPa of the first detection signal Pa and the change amount dPb of the second detection signal Pb is outside a preset life reference range. A laser apparatus configured to
前記基本波レーザ光の強度に対応する状態量は、前記ファイバ光増幅器における励起光の強度であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。   2. The laser device according to claim 1, wherein the state quantity corresponding to the intensity of the fundamental laser beam is an intensity of pumping light in the fiber optical amplifier. 前記基本波レーザ光の強度に対応する状態量は、前記波長変換光学素子を透過した基本波レーザ光の強度であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。   2. The laser device according to claim 1, wherein the state quantity corresponding to the intensity of the fundamental laser beam is the intensity of the fundamental laser beam transmitted through the wavelength conversion optical element. 前記波長変換光学素子から出射された光のうち、前記波長変換光学素子を透過した基本波レーザ光を透過し、前記波長変換光学素子により波長変換された光の一部を透過するミラーと、
前記ミラーを透過した基本波レーザ光と、前記ミラーを透過した波長変換された光とを分離する分光素子とを備え、
前記第1検出手段及び前記第2検出手段は、各々前記分光素子により分光された前記基本波レーザ光及び前記波長変換された光の強度を検出することを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
Of the light emitted from the wavelength conversion optical element, a mirror that transmits the fundamental laser light that has passed through the wavelength conversion optical element, and transmits a part of the light that has been wavelength-converted by the wavelength conversion optical element;
A spectral element for separating the fundamental laser beam transmitted through the mirror and the wavelength-converted light transmitted through the mirror;
4. The laser according to claim 3, wherein the first detection unit and the second detection unit detect intensities of the fundamental laser beam and the wavelength-converted light, respectively, separated by the spectroscopic element. apparatus.
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