JP2013102088A - Ｍｏｐａ方式レーザ光源装置およびｍｏｐａ方式レーザ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種レーザ光生成部と、光増幅部とを有するＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を用い、発振形態をパルス発振あるいは連続発振に切り替えることを可能した前記光源装置のレーザ出力において、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の出力レーザ光の第１ピークパワーが、適切に制御されるようにしたＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を提供する。
【解決手段】種レーザ光を生成するための種レーザ光源と、前記種レーザ光を増幅するための光増幅器と、種レーザ光源を制御するための制御部とを有し、前記制御部により、種レーザ光源におけるパルス発振状態と連続発振状態の切り替えを制御するとともに、パルス発振状態と連続発振状態とで種レーザ光の平均パワーを異ならせるように制御する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＯＰＡ方式のレーザ光源装置およびレーザ制御方法に関するものである。

ＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式は、高速変調制御可能な半導体レーザなどを種光源とし、その種光源を有する種レーザ光生成部（以降、ＭＯ部と記す）からの低出力の種レーザ光を光増幅部（以降、ＰＡ部と記す）で増幅して、高パワーのレーザ光を出射させる高出力レーザ光生成方式である。

従来のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置においては、その発振形態を、連続発振状態とパルス発振状態とに切り替えるように構成した場合、後に図６を参照して詳細に説明するように、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力レーザ光の第１ピークパワーが、第２ピークパワー以降のパワーに比べて大きくなることがある。このように連続発振状態からパルス発振状態への切り替え直後に第１ピークパワーの増大が発生すれば、例えばＭＯＰＡ方式レーザ光源装置をレーザ加工用の光源として使用した場合に、スポットサイズや深さなどの加工状態が第１ピーク照射時と第２ピーク以降の照射時で異なり、均一な加工が困難となるという問題がある。

特許文献１には、パルス発振状態のＱスイッチ方式レーザ光源装置の制御に関して、出力レーザ光の被照射体からの反射光のピーク値を一定に揃えるために、反射光をモニタして、その反射光のピーク強度に応じてパルス光の繰り返し周波数を変化させる制御方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の制御方法においては、出力レーザ光のピーク毎のパワーの変動を抑えるために、出力レーザ光の繰り返し周波数の複雑な制御が必要になるという問題がある。また、特許文献１の制御方法は、パルス発振のレーザ光源装置に適用されているに過ぎず、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置における連続発振状態からパルス発振状態への発振形態の切り替え、および切り替え時のレーザ光源装置の制御方法については、開示されていない。さらに、特許文献１に記載されているレーザ光源装置の制御方法では、反射したパルスをモニタしてそれをフィードバックすることにより、出力レーザ光の第２パルス以降については制御することが可能であるが、第１パルスを制御することはできない、という問題があった。

一方特許文献２には、Ｑスイッチと利得媒質とを有するＱスイッチ方式レーザ光源装置の発振形態を連続発振状態からパルス発振状態に切り替える際に、Ｑスイッチの休止間隔を連続発振状態の継続時間に応じて変化させ、パルス発振状態に切替えた直後の出力レーザ光の第１ピークパワーを抑制する制御方法が開示されている。この制御方法によれば、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後のパルス光の第１ピークの尖塔値と、第２ピーク以降のパルス光の尖塔値を揃えることができる。

しかしながら、このような特許文献２の制御方法をＭＯＰＡ方式レーザ光源装置に転用した場合、連続発振状態からパルス発振状態へ切り替えた直後の出力レーザ光パルスの第１ピーク間隔（Ｑスイッチの休止間隔にあたる）が、第２ピーク以降のピーク間隔と比べて２倍程度も異なってしまうことがある。その場合、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置をレーザ加工に適用する際には、加工機側の加工タイミングと前記ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の出力レーザ光の出射タイミングとを合わせるためのパルス間隔の制御を行わなければならない。しかしながら、このようなパルス間隔の制御は複雑とならざるを得ず、そのため尖頭値が揃った出力レーザ光を得るための条件の設定に時間や手間を要するという問題があった。

特開平８−４３５３２号公報 特開２００３−１１０１７６号公報

従来の一般的なＭＯＰＡ方式レーザ制御方法の問題点について、図６を参照して説明する。このＭＯＰＡ方式レーザ光源装置のＭＯ部およびＰＡ部はそれぞれ励起光源を備えた構成になっており、図６には、ＭＯ部に入力する励起光のパワーと、ＭＯ部からの種レーザ光の出力平均パワーと、ＭＯ部からの種レーザ光の出力パターンと、ＰＡ部に入力する励起光と、ＰＡ部の利得媒体の反転分布状態と、出力レーザ光のパワーとの関係を示している。

従来のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法においては、ＭＯ部からの種レーザ光を時間平均したパワーは、パルス発振状態か連続発振状態かの発振形態によらず、常に一定値となるように設定されていた。
この場合、図６に示すように、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後のＰＡ部の反転分布率は、パルス発振状態における定常状態での反転分布率よりも高くなる（図６（Ａ））。そのため、パルス発振状態に切り替えた直後のパルスレーザ光の第１ピークパワーが、パルス発振状態における定常時のピークパワーよりも大きくなってしまう（図６（Ｂ））。その後、定常時よりも大きいピークパワーのパルスレーザ光が出射されることによって、ＰＡ部の反転分布率は定常状態の反転分布率よりも低くなり（図６（Ｃ））、その結果、第２ピークパワーは、定常時のピークパワーよりも小さくなってしまう。そして、このような動作が数回行われた後、ＰＡ部の利得媒質の反転分布状態が定常パルス発振時のパルス出力直後の反転分布状態と同じになる（図６（Ｄ））。
したがって、従来のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置では、連続発振からレーザ発振に切り替えてから、ＰＡ部の利得媒質の反転分布状態がパルス発振定常時の反転分布状態と同じになって、出力レーザ光のピークパワーが揃うまでに長時間を要するという問題があった。
なお、従来のＭＯＰＡ方式レーザ制御装置では、ＰＡ部からの出力光を時間平均したパワーが、発振形態によらずに常に一定になるように制御されている。

上述のように、発振形態をパルス発振と連続発振とに切り替えるようにした従来のＭＯＰＡ方式のレーザ光源装置においては、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力パルスレーザ光の第１ピークパワーが、第２ピーク以降のピークパワーより大きくなり、その結果、例えば前記レーザ光源装置をレーザ加工用光源として使用すれば、スポットサイズや深さなどの加工状態が、第１ピーク照射時と第２ピーク以降の照射時とで異なり、均一な加工が困難となるという問題が生じていたのである。

本発明は、上述の事情を背景としてなされたもので、任意のタイミングでパルス発振状態と連続発振状態とに切り替えることができるようにしたＭＯＰＡ方式のレーザ光源装置において、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力レーザ光の第１ピークパワーを適切に制御する方法および装置を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の発振形態を連続発振状態からパルス発振状態に切り替える際の、パルス発振の条件（出力パワーや繰り返し周波数）に応じて、連続発振状態におけるＭＯ部からの種レーザ光の平均パワーを変化させることによって、前記課題を解決することとした。

すなわち本発明の第１の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、種レーザ光を生成するための種レーザ光源と、種レーザ光を増幅するための光増幅器と、種レーザ光源を制御するための制御部とを有し、制御部により、種レーザ光源におけるパルス発振状態と連続発振状態の切り替えを制御するとともに、パルス発振状態と連続発振状態とで種レーザ光の平均パワーを異ならせるように制御する構成としたことを特徴とするものである。

第１の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置によれば、パルス発振状態と連続発振状態とで、光増幅器に入射される種レーザ光の平均パワーを異ならせるように制御することにより、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力パルスレーザ光の第１ピークパワーを適切に制御することができる。
但し、第１の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後からピークパワーが揃ったパルスレーザ光を出力させるためだけに適用されるものではない。すなわち、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の第1ピークパワーを、パルス発振状態の定常状態におけるピークパワーよりも大きくしたり、あるいは、逆に小さくする必要がある場合にも適用することができ、それらの場合には、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーを、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の目標とする第1ピークパワーに応じて制御すればよい。

本発明の第２の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、第１の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、種レーザ光の平均パワーの制御により、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率を定常パルス発振状態のパルス出力直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率と略同じになるように制御する構成としたことを特徴とするものである。

第２の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置では、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率が、定常パルス発振状態のパルス出力直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率と等しくなるように制御することによって、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えるときのパルス間隔が、定常状態のパルス発振時のパルス間隔と同じであっても、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後からピークパワーが揃ったパルスレーザ光を出射させることができる。

本発明の第３の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、第２の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように制御する構成としたことを特徴とするものである。

第３の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置では、パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように制御されるため、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後からピークパワーが揃ったパルスレーザ光を出力させることができる。
なおここで、第３の態様として記載している制御を実施するに当たっては、実際上は、連続発振状態の反転分布率と定常パルス発振状態のパルス出力直後の反転分布率が近づくように、事前に連続発振状態の種光の平均パワーが調べられて、それに基づいて、種レーザ光の平均パワーが設定されている。このように種レーザ光の平均パワーが予め設定されたパワーに調整されていることによって、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えたときにおける、レーザ光の第１パルスが出射される直前の反転分布は、パルス発振の定常状態においてパルスが出射される直前の反転分布に近づく。
したがって、パルス発振状態から連続発振状態に切り替えた際の光増幅器の利得媒質の反転分布が定常パルス発振時のパルス出力直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率と異なっている場合であっても、ピークパワーが揃ったパルス光が出射される。

本発明の第４の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、第２または第３の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、光増幅器で発生して種レーザ光源に戻る自然放出光を検出するためのモニタ部を備え、定常パルス発振状態におけるパルス出力直後のモニタ部での自然放出光の検出レベルと連続発振状態におけるモニタ部での自然放出光の検出レベルとの差が少なくなるように、種レーザ光の平均パワーを制御する構成とされていることを特徴とするものである。

第４の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置によれば、光増幅器で発生して種レーザ光源に戻る自然放出光（以下、ＡＳＥ光と記す）を検知して、定常パルス発振状態のパルス出力直後のＡＳＥ光の検出レベルと連続発振状態におけるＡＳＥ光の検出レベルとの差が少なくなるように、種レーザ光の平均パワーが制御される。その結果、パルス発振状態と連続発振状態を切り替えても、ピークパワーの揃ったレーザ光を出射することができる。
なおこの第４の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、ＡＳＥ光のパワーがＰＡ部の反転分布率および利得に応じて増減することを利用したものである。

本発明の第５の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、第１の態様〜第４の態様のうちのいずれかのＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置がファイバレーザであることを特徴とするものである。

第５の態様のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置によれば、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置がファイバレーザで構成されるため、レーザ加工において微細な印字・加工を行うために、特に出力レーザ光の安定化が必要になった場合でも、ビーム品質が高く、ビームを細く絞りやすい加工用光源に適したレーザ光源装置を提供することができる。

さらに、本発明における第６〜第９の態様はＭＯＰＡ方式レーザ制御方法に関するものである。

本発明の第６の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法は、種光生成部からの種レーザ光を光増幅部で増幅するＭＯＰＡ方式のレーザ光源装置を用い、パルス光と連続光とを切り替えて出射可能としたレーザ出力において、パルス発振状態と連続発振状態とで、光増幅部に入射される種レーザ光の平均パワーを切り替えることを特徴とするものである。

上述の第６の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法によれば、パルス発振状態と連続発振状態とで光増幅部に入射される種レーザ光の平均パワーを切り替えることにより、連続発振状態からパルス発振状態に切り替わった直後の光増幅部の利得を制御し、出力パルスレーザ光の第１ピークパワーを適切に制御することができる。

本発明の第７の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ制御方法は、第６の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の光増幅部の利得媒質の反転分布率が、定常パルス発振状態のパルス出力直後の光増幅部の利得媒質の反転分布率と略同じになるように、種レーザ光の平均パワーを制御することを特徴とするものである。

第７の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法によれば、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の光増幅部の利得媒質の反転分布率が、定常パルス発振状態のパルス出力直後の光増幅部の利得媒質の反転分布率と略同じになるように制御することにより、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力レーザ光のパルス間隔が定常状態のパルス発振状態のパルス間隔と同じ場合（図１に示すようにｔ０＝ｔである場合）であっても、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後からピークパワーが揃ったパルスレーザ光を出力させることができる。

本発明の第８の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ制御方法は、第７の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように、種レーザ光の平均パワーを切り替えることを特徴とするものである。

第８の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法によれば、パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように制御することにより、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後からピークパワーが揃ったパルスレーザ光を出力させることができる。
具体的には、図１に示すように、連続発振状態の種レーザ光の平均パワーを高くした分だけ、光増幅器内の利得媒体の反転分布率が下がり、連続発振状態における光増幅器の利得媒体の反転分布率を、パルス発振状態の定常時における各パルスの発振直前の反転分布率に近づけることができる。その結果、パルス発振状態から連続発振状態に切り替えた際の光増幅器の利得媒質の反転分布が定常パルス発振時のパルス出力直後の光増幅器の利得媒質の反転分布率と異なっている場合でも、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力パルスレーザ光の第１ピークパワーを、定常状態の出力レーザ光のピークパワーに近づけることができ、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置からピークパワーの揃った出力レーザ光を得ることができる。

本発明の第９の態様によるＭＯＰＡ方式レーザ制御方法は、第７または第８の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、光増幅部で発生して種レーザ光生成部に戻る自然放出光を検出し、定常パルス発振状態のパルス出力直後の自然放出光のパワーが、連続発振中の自然放出光のパワーと略同じになるように、種レーザ光の平均パワーを制御することを特徴とするものである。

第９の態様のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法によれば、光増幅部で発生して種レーザ光生成部に戻ってくるＡＳＥ光をモニタし、連続発振中のＡＳＥ光のパワーを定常パルス発振状態のパルス出力直後のＡＳＥ光のパワーと同じになるように種レーザ光の平均パワーを連続発振中に制御することにより、ＡＳＥ光のパワーを介して間接的にモニタリングした光増幅部の利得が制御され、種レーザ光の平均パワーを目標値になるように制御することができる。
なお、この制御方法は光増幅部から種レーザ光生成部に戻ってくるＡＳＥ光のパワーレベルが光増幅部の利得媒体の反転分布状態に応じて増減することを利用したものである。

本発明のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置およびレーザ制御方法によれば、パルス発振状態と連続発振状態に切り替え可能としたＭＯＰＡ方式レーザ光源装置として、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後の出力パルスレーザ光の各パルスのピークパワーを、適切に調整することができる。したがって、本発明を例えばレーザ加工に適用した場合、連続光による加工からパルス光による加工への切り替えの直後に、パルス光のパワー安定化を図るためにパルス間隔の変更が必要になるという問題や、出力パルス光のパワー変動により加工ムラが発生するという問題を解決できる。

本発明のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法の概要を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の全体構成を示す略解図である。 本発明の第１の実施形態によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の種レーザ光源の構成を示す略解図である。 本発明の第２の実施形態によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の全体構成を示す略解図である。 本発明の第２の実施形態によるＭＯＰＡ方式レーザ光源装置における発振形態切り替え信号と、ＭＯ部の出力平均パワーと、ＰＡ部からのＡＳＥ光のパワーとの関係を示す模式図である。 従来のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法の概要を示す模式図である。

本発明のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法の基本的な原理について、図１を参照して説明する。図1のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置はＭＯ部およびＰＡ部はそれぞれ励起光源を備えた構成になっている。また、従来のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法とわかりやすく比較するため、図６と同様に、図１も、発振形態に応じたＭＯ部に入力する励起光のパワーと、ＭＯ部からの種レーザ光の平均パワーと、ＭＯ部からの種レーザ光の出力パターンと、ＰＡ部に入力する励起光と、ＰＡ部の利得媒体の反転分布状態と、出力レーザ光のパワーとの関係を示している。

このＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、ＭＯ部は図３のようなＱスイッチング方式を採用しており、音響光学素子に高周波電圧が印加されている間は音響光学素子に回折格子が形成されて回折光が生じる構成となる。そのため、音響光学素子に高周波電圧が印加される間は回折光が生じてその回折光がファイバブラッググレーティングにより反射され、レーザ共振器の中で増幅されていく。本発明においてはＭＯ部から出射される種レーザ光のパルス光と連続光との切り替え制御を音響光学素子によって行い、ＭＯ部へ入力する励起光のパワーを変化させる事により、ＭＯ光平均パワーの切り替え制御を行う。

前記ＰＡ部の励起光がＰＡ部内の利得媒体に入射すれば、ＰＡ部の利得媒体における反転分布率が高まり、さらに前記ＭＯ部からパルス状の種レーザ光がＰＡ部に入射すれば、ＰＡ部から大出力のパルス光が出射される。そのパルス光が出射された後は、励起光の入射により利得媒体の反転分布率が大出力のパルス光出射前の反転分布率に戻る。

図１に示すＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、出力レーザ光の制御を連続発振からパルス発振に切り替えた後の出力レーザ光の第1パルスのピークレベルを、定常パルス発振状態における出力レーザ光のパルスのピークレベルと合わせるためには、種レーザ光の制御をパルス発振から連続発振に切り替えるときに、ＭＯ部の励起光のパワーを一定量だけ高める。その増加した励起光のパワーにより、出力レーザ光の第1ピーク出射直前のＰＡ部の利得媒質の反転分布率が、パルス発振の定常状態のピーク出射直前の反転分布率と略同じになるように調整される。
この制御手法はＭＯ部の励起光のパワーを高めることにより、ＭＯ部の種レーザ光の出力平均パワーが増え、前記ＰＡ部の利得媒質の反転分布率が下がることを利用している。
出力レーザ光の第1パルスのピークレベルを、定常状態における出力レーザ光のパルスのピークレベルと合わせるために必要な励起光パワーの設定値は、ＭＯ部から出射される種レーザ光の制御が連続発振からパルス発振に切り替わるまでの時間間隔をt０、定常状態における種レーザ光のパルスの時間間隔をｔとすると、ｔ０とｔとの時間差に応じた値が予め内蔵メモリに格納されており、制御に応じて適宜設定される。

このようなＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を用いることにより、図１に示すように、連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後のＰＡ部の利得媒体内の反転分布率が、パルス発振直後の第１ピークと第２ピーク以降とで極めて近くなり、第１ピークからピークパワーの揃った出力レーザ光を得ることができる。

なお、ＰＡ部の出力平均パワーは、パルス発振、連続発振といった発振形態によらず常に一定となるように制御される。

以下に、本発明の実施の形態について、図２〜図５を参照して以下で説明する。

図２には、本発明の第１の実施形態のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を示す。このＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、種レーザ光を生成するための種レーザ光源１と、種レーザ光を増幅するための光増幅器１０と、制御部２０と、メモリ２２と、外部コントローラ２４とを有している。
次に、前記のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の各構成要素について説明する。

種レーザ光源１は本実施形態においてＭＯＰＡ方式レーザ制御方法のＭＯ部として機能するものであり、その一例を図３に示す。図３に示すように、種レーザ光源１には励起光源２に接続された希土類添加光ファイバ５と、共振器を構成するための要素として、第１ファイバブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：以下、ＦＢＧと記す）３と、第２ＦＢＧ４と、Ｑスイッチング動作を行うための音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：以下、ＡＯＭと記す）６とが設けられている。

光増幅器１０は、本実施形態においてＭＯＰＡ方式レーザ制御方法のＰＡ部として機能する。図２に示すように、光増幅器１０は増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に励起光を入射させるための励起ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１１により構成されている。励起ＬＤ１１は光学的に増幅用光ファイバ１２と接続されている。

制御部２０は、種レーザ光の平均パワー制御と、パルス発振状態と連続発振状態との発振形態の切り替え制御を行うために、種レーザ光源１の励起光源２と接続されている。また、制御部２０は、出力レーザ光のＯＮ／ＯＦＦ状態の切り替え制御を行うために、光増幅器１０の励起ＬＤ１１とも接続されている。さらに、メモリ２２と、外部コントローラ２４とも接続されている。

メモリ２２は、図２のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の構成要素のパルス発振状態および連続発振状態に関する全てのパラメータおよびスケジュールなどのデータを記憶しておくためのものである。また、このメモリ２２は、外部コントローラ２４を介してユーザからの指示を入力された制御部２０に、指示に応じた制御に必要なパラメータおよびデータを出力する。

メモリ２２から任意のタイミングで必要なパラメータを呼び出し、光増幅器１０からのパルス発振状態の出力レーザ光の平均パワーと、連続発振状態の出力レーザ光の平均パワーが同じになるように制御を行うため、パルス発振状態と連続発振状態での構成要素に関するパラメータが、予めメモリ２２に保存されている。
ここで、ユーザが連続発振状態からパルス発振状態に切り替える際には、パルス発振状態の繰り返し周波数の情報を、連続発振しているときにユーザから情報を受信し、その周波数に応じて種レーザ光の平均パワーを設定することが望ましい。高繰り返し周波数になるほど、CW発振時の反転分布状態に近づいていくので、高繰り返し周波数でパルス駆動を行う場合ほど、CW発振時の平均パワーとパルス駆動時の平均パワーの差は小さくなるように、CW発振時の平均パワーを制御することが望ましい。種レーザ光の平均パワーを切り替える時間を考慮すれば、周波数情報を発振器が受け取るタイミングは、パルス発振に切り替える１００μｓｅｃ以上前であることが望ましい。

外部コントローラ２４は、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置のユーザが直接、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を制御するためのユーザインターフェースであり、パルス発振状態と連続発振状態との切り替え信号や、出力レーザ光のＯＮ／ＯＦＦ状態の指示信号、さらに出力レーザ光のパワーの設定に関する信号を制御部２０に出力する。

続いて、図２に示したＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の動作について説明する。
図２のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置においては、外部コントローラ２４から、出力レーザ光をＯＮ状態とするための指示信号と、パルス発振状態か連続発振状態の切り替え信号が制御部２０に入力されれば、これら２つの信号が種レーザ光源１の励起光源２に入力される。励起光源２からの励起光は、切り替え信号に従い、所定の値の平均パワーになるように制御され、出射される。前記励起光は、希土類添加光ファイバ５に添加されている希土類元素に吸収され、希土類元素を励起する。励起状態となった希土類元素からの光は希土類添加光ファイバ５を伝搬し、ＡＯＭ６に入射する。

ＡＯＭ６は、図示しないドライバを介して制御部２０により制御されて、高損失な状態と低損失な状態とに切り替えられるように構成されている。ＡＯＭ６が高損失な状態では、希土類添加光ファイバ５からの光の透過は抑圧され、低損失な状態では光は透過し、第２ＦＢＧ４に入射する。第２ＦＢＧ４は第１ＦＢＧ３に比べて反射率が低いため、ＡＯＭ６の透過光の一部が第２ＦＢＧ４で反射され、ＡＯＭ６を介して再び希土類添加光ファイバ５に入射され、希土類添加光ファイバ５の希土類元素の誘導放出により増幅される。増幅された光は高反射率の第１ＦＢＧ３により、反射されて再び希土類添加光ファイバ５に入射され、更に増幅される。再度増幅された光はＡＯＭ６を介して、第２ＦＢＧ４に入射され、その入射光の一部が第２ＦＢＧ４を透過する。

第１ＦＢＧ３から第２ＦＢＧ４までの構成部分はファブリ−ペロー共振器として機能し、ＡＯＭ６の制御状態に応じて光が増幅され、その増幅された光がＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の種レーザ光として第２ＦＢＧ４から出射される。ＡＯＭ６が、制御部２０により低損失な状態と高損失な状態とを周期的に繰り返すように制御される場合には、第２ＦＢＧから出力される種レーザ光はパルス光となり、低損失な状態を維持するように制御される場合には、種レーザ光は連続光となる。

したがって、制御部２０から前記発振形態切り替え信号が入力された種レーザ光源１は、その切り替え信号を前記のＡＯＭ６のドライバに送り、切り替え信号の内容に従ってＡＯＭ６を制御して、パルス光か連続光のいずれかの形態の種レーザ光を出射する。

種レーザ光源１からの種レーザ光は光増幅器１０の増幅用光ファイバ１２に入射される。増幅用光ファイバ１２は励起元素が添加されているコア部と、そのコア部を被覆するクラッド部と、そのクラッド部を被覆する樹脂クラッド部とを有するダブルクラッドファイバから構成される。前記コア部は、光増幅器１０に入射した種レーザ光をシングルモード光として伝搬させ、コア部およびクラッド部から出射される励起光をマルチモード光として伝搬させる。増幅用光ファイバ１２に入射された励起ＬＤ１１からの励起光は、コア部を伝搬する際に一部が励起元素に吸収されて、励起元素が励起される。反転分布率が高められた励起元素では、前記コア部を伝搬する種レーザ光により誘導放出が生じ、この誘導放出により増幅用光ファイバ１２から高パワーの光が出射される。

光増幅器１０の励起ＬＤ１１は、発振形態がパルス発振か、連続発振かのいずれの場合においても、一定の出力パワーの連続光を出力する。すなわち、光増幅器１０はパルス光か、連続光かのいずれかの種レーザ光を一定の増幅率で増幅する。

次に、このＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の発振形態がパルス発振から連続発振に切り替えられる場合の動作について説明する。
先ず、外部コントローラ２４からは、制御部２０に発振形態切り替え信号が入力され、制御部２０はメモリ２２から連続発振の制御に必要なデータを呼び出す。次に、制御部２０は種レーザ光源１の励起光源２の出力パワーを切り替え、かつＡＯＭ６が低損失な状態を保つようにＡＯＭ６のドライバを制御する。前記の種レーザ光源１の平均パワーは、上述のように連続発振状態の光増幅器１０の利得媒質の反転分布率と、パルス発振状態のパルス光出射直前の光増幅器１０の利得媒質の反転分布率との関係から決定され、メモリ２２に保存されているデータをもとに制御部２０で決定される。

続いて、このＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の発振形態が連続発振からパルス発振に切り替えられる場合の動作について説明する。
先ず、外部コントローラ２４からは、制御部２０に発振形態切り替え信号が入力され、制御部２０はメモリ２２からパルス発振制御に必要なデータを呼び出す。次に、制御部２０は種レーザ光源１の励起光源２の出力パワーをパルス発振定常時の値に切り替え、ＡＯＭ６が低損失な状態と高損失な状態とを周期的に繰り返すようにＡＯＭ６のドライバを制御する。前述のように連続発振状態に種レーザ光の出力平均パワーが切り替えられていたことにより、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の光増幅器１０の増幅用光ファイバ１２の反転分布率は、パルス発振定常時におけるパルス出力直後の増幅用光ファイバ１２の反転分布率と極めて近い状態になっており、第１ピークと第２ピーク以降の出力レーザ光出射直前の反転分布率が略同じになる。
このようなレーザ制御方法により、ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置からは連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後から、ピークパワーの揃ったパルス状の出力レーザ光が出射される。

図４に、本発明の第２の実施形態のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の構成を示す。なお、図４において、図２に示したＭＯＰＡ方式レーザ光源装置と同一の構成の部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図４のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、図２に示すＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の種レーザ光源１と光増幅器１０との間に、種レーザ光源１に戻るＡＳＥ光の光量を測定するためのモニタ部３０を、光結合器３２を介して設けたものである。モニタ部３０には、光量を測定する機能を有するＰＤなどの受光デバイスを用いる。
モニタ部３０は制御部２０と接続されており、ＡＳＥ光の光量の測定値を制御部２０に入力される。

次に、図４のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の動作と機能について説明する。
前記ＡＳＥ光は、増幅用光ファイバ１２内において発生し、光増幅器１０からＭＯＰＡ方式レーザ光源装置のレーザ出射の方向にも、また種レーザ光源１に向かう方向にも伝搬する。このＡＳＥ光のパワーは、増幅用光ファイバ１２における励起元素の反転分布率の変化に伴って増減するため、モニタ部３０を用いて間接的に増幅用光ファイバ１２の反転分布率および利得の状態をモニタすることができる。この原理を利用して、光増幅器１０から種レーザ光源１に戻ってくるＡＳＥ光をモニタ部３０でモニタしておき、モニタ部３０で検出した光量が所定の値になるように、制御部２０により連続発振状態の種レーザ光源１の種レーザ光の出力平均パワーを調整する。

図５は、第２の実施形態におけるパルス発振と連続発振の発振形態切り替え信号と、種レーザ光源１からの種レーザ光の出力平均パワーと、光増幅器１０からのＡＳＥ光のパワーとの関係を示している。ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置がパルス発振の状態においては、種レーザ光源１から前記発振形態切り替え信号に従ってパルス光が出射され、光増幅器１０に入射する。このとき、種レーザ光源１の時間平均した出力パワーは一定に保たれている。光増幅器１０の増幅用光ファイバ１２には、励起ＬＤ１１から一定パワーの励起光が入射するため、増幅用光ファイバ１２の利得は増え、定常状態の最大利得に極めて近くなる。この状態で、種レーザ光源１からのパルス状の種レーザ光が増幅用光ファイバ１２に入射されれば、光増幅器１０から大出力のパルス光が出射され、増幅用光ファイバ１２の利得は定常状態における最小利得に戻る。そして、前述の増幅用光ファイバ１２の利得の増減量に比例してＡＳＥ光のパワーも図５のように変動し、その変動量がモニタ部３０で検出される。

ここで、発振形態がパルス発振から連続発振に切り替われば、図５に示すように、発振形態切り替え信号が制御部２０から種レーザ光源１に出力され、種レーザ光源１からは連続光が出射され、光増幅器１０に入射する。このとき、連続光の出力平均パワーがパルス発振定常時のパルス光の出力平均パワーより高く制御されるため、光増幅器１０の増幅用光ファイバ１２の利得は、パルス発振定常時のパルス光出射直後の利得より低くなる（図５（Ａ））。

上述のように、種レーザ光源１の連続光の出力平均パワーが高められることにより、光増幅器１０の増幅用光ファイバ１２の利得が高くなり、光増幅器１０からのＡＳＥ光のパワーも大きくなる（図５（Ｂ））。

この時のＡＳＥ光のパワーの増加量がＡＳＥ光モニタ部３０によって検出されて、それに関する信号が制御部２０に出力され、前記増加量に応じて制御部２０により、種光レーザ光源１からの連続光の出力平均パワーが制御される（図５（Ｃ））。

このような種レーザ光源１からの種レーザ光の出力平均パワーの制御により、光増幅器１０からのＡＳＥ光、および増幅用光ファイバ１２の利得は、パルス発振定常時のパルス光出射直後の状態と同じになる（図５（Ｄ））。

すなわち、上述の制御を行うことにより、図４に示すＭＯＰＡ方式レーザ光源装置を連続発振状態からパルス発振状態に切り替えた直後から、極めてピークパワーの揃ったパルス光が図４のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置から出射される。

ＡＳＥ光モニタ部３０で検出する光量は、パルス発振開始から十分な時間が経過した後のパルス出射直後のＡＳＥ光のパワーになるように制御することが望ましい。なお、ＡＳＥ光モニタ部３０で検出する光量に対して所定値を設定する場合は、前記所定値を定期的にアクティブキャリブレーションしてもよい。あるいは、このＭＯＰＡ方式レーザ光源装置の駆動開始前に調べておき、メモリ２２にデータテーブルなどの形で記録し、適宜制御部２０で呼び出してもよい。

なお、上記のいずれの実施形態のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置においても、種レーザ光源としてＬＤを用いてもよい。その場合には、ＬＤ電流を直接変調することにより、ＭＯ部の種レーザ光の制御を行う。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

また、本発明のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置は、レーザ加工用の光源に最適であるが、それに限定されないことはもちろんであり、高パワーのパルス光が求められる用途には、すべて適用可能である。

１…種レーザ光源、２…励起光源、３…第１ファイバブラッググレーティング、４…第２ファイバブラッググレーティング、５…希土類添加光ファイバ、６…音響光学素子、１０…光増幅器、１１…励起半導体レーザ、１２…増幅用光ファイバ、２０…制御部、２２…メモリ、２４…外部コントローラ、３０…モニタ部、３２…光結合器

Claims (9)

1. 種レーザ光を生成するための種レーザ光源と、前記種レーザ光を増幅するための光増幅器と、種レーザ光源を制御するための制御部とを有し、
   前記制御部により、種レーザ光源におけるパルス発振状態と連続発振状態の切り替えを制御するとともに、パルス発振状態と連続発振状態とで種レーザ光の平均パワーを異ならせるように制御する構成としたことを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ光源装置。
2. 請求項１に記載のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、
   前記種レーザ光の平均パワーの制御により、連続発振からパルス発振に切り替えた直後の前記光増幅器の利得媒質の反転分布率を定常パルス発振状態のパルス出力直後の前記光増幅器の利得媒質の反転分布率と略同じになるように制御する構成としたことを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ光源装置。
3. 請求項２に記載のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、
   パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように制御する構成としたことを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ光源装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、
   前記光増幅器で発生して種レーザ光源に戻る自然放出光を検出するためのモニタ部を備え、定常パルス発振状態におけるパルス出力直後の前記モニタ部での自然放出光の検出レベルと連続発振状態における前記モニタ部での自然放出光の検出レベルとの差が少なくなるように、種レーザ光の平均パワーを制御する構成とされていることを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ光源装置。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のＭＯＰＡ方式レーザ光源装置において、
   前記ＭＯＰＡ方式レーザ光源装置がファイバレーザであることを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ光源装置。
6. 種光生成部からの種レーザ光を光増幅部で増幅するＭＯＰＡ方式のレーザ光源装置を用い、パルス光と連続光とを切り替えて出射可能としたレーザ出力において、
   パルス発振状態と連続発振状態とで、前記光増幅部に入射される前記種レーザ光の平均パワーを切り替えることを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ制御方法。
7. 請求項６に記載のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、
   連続発振からパルス発振に切り替えた直後の前記光増幅部の利得媒質の反転分布率が、定常パルス発振状態のパルス出力直後の前記光増幅部の利得媒質の反転分布率と略同じになるように、前記種レーザ光の平均パワーを制御することを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ制御方法。
8. 請求項７に記載のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、
   パルス発振状態における種レーザ光の平均パワーよりも、連続発振状態における種レーザ光の平均パワーが高くなるように、種レーザ光の平均パワーを切り替えることを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ制御方法。
9. 請求項７または請求項８に記載のＭＯＰＡ方式レーザ制御方法において、
   前記光増幅部で発生して前記種レーザ光生成部に戻る自然放出光を検出し、定常パルス発振状態のパルス出力直後の自然放出光のパワーが、連続発振中の自然放出光のパワーと略同じになるように、種レーザ光の平均パワーを制御することを特徴とするＭＯＰＡ方式レーザ制御方法。

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