JP2013174812A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力のパルスレーザ光を生成することが可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１では、種光Ｌ_０を複数のレーザ光Ｌ_１に分波した後に、その複数のレーザ光Ｌ_１を増幅装置１４によって連続光増幅する。このため、パルスレーザ光を増幅する場合に比べて増幅率を高く設定できる。また、増幅されたレーザ光Ｌ_２のそれぞれを回折格子１６で合波して合波光Ｌ_３を生成する際に、集光位置Ｐ_１において合波光Ｌ_３の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。これにより、集光位置Ｐ_１において、高い増幅率でもって増幅された複数のレーザ光Ｌ_２からパルスレーザ光が生成される。よって、このレーザ装置１によれば、高出力のパルスレーザ光を生成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルスレーザ光を生成するレーザ装置に関する。

上記技術分野の従来の技術として、例えば、特許文献１に記載のモード同期レーザ装置が知られている。特許文献１に記載のモード同期レーザ装置は、レーザ共振器で発生する縦モードの周波数間隔の整数倍の周波数で変調されたレーザ光を、互いに異なる中心波長のスペクトル領域に利得を有する複数の増幅器（例えば光ファイバ増幅器等）で増幅することにより、複数の波長領域のパルスレーザ光を一度に生成している。

特開平６−９００５０号公報

ところで、パルスレーザ光は、単位時間当たりのエネルギー、すなわち平均パワーが同等である連続光に比べてピーク光強度が大きい。このため、パルスレーザ光を増幅する場合には、増幅器の損傷を防止する目的から、増幅率を制限する必要がある。このため、パルスレーザ光を増幅するレーザ装置にあっては、高出力のパルスレーザ光を生成することが困難である。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、高出力のパルスレーザ光を生成することが可能なレーザ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、互いに周波数が異なる複数の連続レーザ光から構成されるレーザパルス列を発振する発振手段と、発振手段から発振されたレーザパルス列を互いに周波数が異なる複数の連続レーザ光に分波する分波手段と、分波手段で分波された連続レーザ光のそれぞれを増幅する増幅手段と、増幅手段で増幅された連続レーザ光のそれぞれを所定の位置において合波して合波光を生成する合波手段と、所定の位置において合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように連続レーザ光のそれぞれの位相を制御する位相制御手段と、を備え、増幅手段は、励起光を発振する励起光源と、連続レーザ光のそれぞれと励起光とが入射する非線形結晶体とを含み、連続レーザ光のそれぞれと励起光とを光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体に入射させることによって、連続レーザ光のそれぞれを増幅することを特徴とする。

このレーザ装置では、レーザパルス列を複数の連続レーザ光に分波した後に、増幅手段においてその複数の連続レーザ光のそれぞれを増幅する。このため、パルスレーザ光を増幅する場合に比べて、増幅率を高く設定できる。また、そのようにして増幅された連続レーザ光のそれぞれを所定の位置で合波して合波光を生成する際に、その所定の位置において合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように、連続レーザ光のそれぞれの位相を制御する。これにより、所定の位置において、増幅された複数の連続レーザ光によりパルスレーザ光が生成される。よって、このレーザ装置によれば、高出力のパルスレーザ光を生成することが可能となる。特に、このレーザ装置においては、非線形結晶体による光パラメトリック増幅を採用している。このため、このレーザ装置によれば、励起光の波長や、励起光と連続レーザ光との交差角度等を選択することにより、広範囲の波長帯域にわたっての増幅を行うことが可能となる。

本発明に係るレーザ装置においては、増幅手段は、励起光を収束光又は発散光として非線形結晶体に入射させることができる。この場合、位相パラメトリック増幅の位相整合条件を満たす波長を拡大することができる。

本発明に係るレーザ装置においては、増幅手段は、１つの連続レーザ光に対して複数の励起光を非線形結晶体に入射させることができる。この場合、１つの連続レーザ光が複数の励起光を用いて増幅されることとなるので、より高出力のパルスレーザ光を得ることが可能となる。

本発明に係るレーザ装置においては、非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を含み、増幅手段は、１つの連続レーザ光を、複数の非線形結晶部を含むように非線形結晶体に入射させると共に、複数の励起光を非線形結晶部ごとに非線形結晶体に入射させることができる。この場合、非線形結晶部におけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部に入射する励起光の強度を抑制しても、非線形結晶部の数を増加させることで、増幅後の連続レーザ光を高出力化することができる。

本発明に係るレーザ装置においては、発振手段は、略一定の周波数差で周波数が互いに異なる連続レーザ光から構成されるレーザパルス列を発振することができる。この場合、合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようにするための位相の制御が容易となる。したがって、高出力のパルスレーザ光を容易に生成することができる。

本発明に係るレーザ装置は、発振手段から発振されたレーザパルス列を構成する連続レーザ光の間の周波数差を調整する周波数差調整手段をさらに備えることができる。この場合、連続レーザ光の間の周波数差を調節することにより、生成されるパルスレーザ光の繰り返し率を調節することができる。

本発明に係るレーザ装置においては、発振手段を、モード同期発振器又は高速電流変調の半導体レーザとすることができる。この場合、レーザ装置の小型軽量化及び低消費電力化を図ることができる。また、レーザ装置の機械的な安定性を向上することができる。さらには、レーザ装置の製造コストを低減することができる。

本発明に係るレーザ装置においては、位相制御手段は、合波光のスペクトル位相を計測すると共に、該計測の結果に基づいて連続レーザ光のそれぞれの位相を制御するものとすることができる。この場合、例えば、分波手段の前段にスペクトル位相変調器を設けることにより、連続レーザ光のそれぞれの位相を容易に制御することができる。

本発明によれば、高出力のパルスレーザ光を生成することが可能なレーザ装置を提供することができる。

光周波数コムを説明するためのグラフである。 本発明に係るレーザ装置の第１実施形態の概略構成を示す図である。 図２に示されたレーザ装置の部分拡大図である。 図２に示された増幅装置を説明するための図である。 図２に示された増幅装置を説明するための図である。 図２に示された周波数変調器の動作を説明するための図である。 本発明に係るレーザ装置の第２実施形態の概略構成を示す図である。 図２及び図７に示されたレーザ装置の変形例を説明するための図である。 図２及び図７に示されたレーザ装置の変形例を説明するための図である。 図２及び図７に示されたレーザ装置の変形例を説明するための図である。

以下、本発明に係るレーザ装置の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ装置は、光周波数コムを実現するモード同期レーザをレーザ光源として用いる。そこで、まず、光周波数コム及びモード同期発振について説明する。

例えば、ファブリペロー共振器内においては、複数の縦モードのレーザ光が存在する。各縦モードのレーザ光の周波数は、共振器長をＬとしたとき、図１に示されるように、△ν＝ｃ／２Ｌの間隔で周波数軸上に配列されている（ｃは光速）。このように、各レーザ光の周波数が等間隔で配列された状態を光周波数コムという。このような共振器を備えるレーザ光源において、各レーザ光に対して位相変調を行わなければ、レーザ光同士の位相の間隔がランダムであるため、それらの合波光であるレーザ光源の出力光の出力時間波形もランダムとなる。一方で、そのようなレーザ光源において、過飽和吸収素子や電気−光変調器や音響光学変調器を用いて、各レーザ光同士の位相が互いにそろうように各レーザ光の位相変調を行うことにより、出力光の出力時間波形が、繰り返し周期Ｔ（Ｔ＝１／△ν）のパルス状となり、モード同期発振が得られる。このような発振手段は、高周波数の電流変調の半導体レーザのように、短パルスが所定の時間間隔で繰り返し現れるような光源であってもよい。
［第１実施形態］

図２は、本発明に係るレーザ装置の第１実施形態の概略構成を示す図である。図２に示されるように、本実施形態に係るレーザ装置１は、上述したような光周波数コムを実現するモード同期レーザ、或いは、高繰り返し電流変調の半導体レーザ等のレーザ光源（発振手段）１０を備えている。レーザ光源１０の出力光である種光Ｌ_０は、パルス光（レーザパルス列）であって、一定の周波数差で互いに周波数が異なり互いに位相が同一の複数の連続レーザ光（レーザ光Ｌ_１）から構成されている。なお、ここでの連続レーザ光とは、その出力が時間に対して略一定であるようなレーザ光であり、パルスレーザ光とは、その出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるようなレーザ光である。

レーザ装置１は、レーザ光源１０から発振された種光Ｌ_０の光路上に順に配列された光アイソレータ１１及び回折格子（分波手段）１２をさらに備えている。光アイソレータ１１は、レーザ光源１０への戻り光を防止する。回折格子１２は、種光Ｌ_０を周波数ごとに複数（ここでは３つ）のレーザ光Ｌ_１に分波する。つまり、回折格子１２は、レーザ光源１０から発振されたレーザパルス列を互いに周波数が異なる複数のレーザ光Ｌ_１に分波する。換言すれば、回折格子１２は、種光Ｌ_０における光周波数コムを角度分散させる。さらに換言すれば、回折格子１２は、種光Ｌ_０を構成する複数のレーザ光Ｌ_１を周波数ごとに空間的に配列する。このとき、レーザ光Ｌ_１のそれぞれは、周波数の順に空間的に配列される。

レーザ装置１は、回折格子１２で分波されたレーザ光Ｌ_１の光路上に配置されたレンズ１３をさらに備えている。レンズ１３は、焦点距離がｆ_１であり、回折格子１２における種光Ｌ_０の入射位置Ｐ_０から距離ｆ_１だけ離れた位置に配置されている。したがって、回折格子１２で分波されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、レンズ１３を通過することによって、所定の間隔△ｘでもって互いに平行に進行し、レンズ１３から距離ｆ_１の位置においてそれぞれ集光される。

互いに隣り合うレーザ光Ｌ_１同士の間隔△ｘは、例えば次のように求めることができる。すなわち、図３に示されるように、波長λの所定のレーザ光Ｌ_１の回折格子１２における回折角をβ、回折次数をｍ（通常１次の回折（ｍ＝１）を用いる）、回折格子１２の１ｍ当たりの溝本数をＮ、回折格子１２の溝間隔（１／Ｎ）をｄとすると、回折格子１２の角度分散ｄβ／ｄλは、

と表される。また、逆線分散ｄλ／ｄｘは、

と表される。したがって、互いに隣り合うレーザ光Ｌ_１同士の波長間隔を△λとすると、互いに隣り合うレーザ光Ｌ_１同士の間隔△ｘは、

と求められる。より具体的には、レンズ１３の焦点距離ｆ_１を１ｍ、溝本数Ｎを１２００ｇ／ｍｍ、回折格子１２に対する種光Ｌ_０の入射角αを２０ｄｅｇとしたとき、レーザ光Ｌ_１の中心波長を１０６０ｎｍとすると、その回折角βは６８．４３ｄｅｇとなる。このとき、波長間隔△λが０．３７５ｐｍ、３７．５ｐｍ、０．３７５ｎｍのそれぞれの場合の△ｘは、１．２２μｍ、１２２μｍ、１．２２ｍｍとなる。

引き続いて、図２を参照してレーザ装置１の説明を続ける。図２に示されるように、レーザ装置１は、レンズ１３を通過したレーザ光Ｌ_１の光路上に一部配置された増幅装置（増幅手段）１４をさらに備えている。増幅装置１４は、レンズ１３を通過したレーザ光Ｌ_１のそれぞれを入射して、入射したレーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅してレーザ光Ｌ_２として出射する。つまり、増幅装置１４は、回折格子１２において分波されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅する。以下に、増幅装置１４の詳細について説明する。

増幅装置１４は、光パラメトリック増幅によってレーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅するために、励起光Ｌ_ｐを発振する励起光源１４ａと、レーザ光Ｌ_１と励起光Ｌ_ｐとが入射する非線形結晶体１４ｂとを有している。増幅装置１４における光パラメトリック増幅は、非線形結晶体１４ｂにおける２次の非線形光学効果を用いた増幅方式であり、励起光Ｌ_ｐのエネルギーがレーザ光Ｌ_１とアイドラー光（不図示）とに分配される過程によってレーザ光Ｌ_１が増幅される。換言すれば、増幅装置１４は、レーザ光Ｌ_１のそれぞれと励起光Ｌ_ｐとを光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体１４ｂに入射させることによって、レーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅する。

図４の（ａ）は非線形結晶体１４ｂの側面図であり、図４の（ｂ）は非線形結晶体１４ｂの上面図である。図４の（ａ），（ｂ）に示されるように、ここでは、１つのレーザ光Ｌ_１に対して１つの励起光Ｌ_ｐが非線形結晶体１４ｂに入射させられる。非線形結晶体１４ｂは、回折格子１２で分散された各レーザ光Ｌ_１と各励起光Ｌ_ｐとが位相整合条件を満たすような角度（位相整合角φ）であらかじめカッティング・研磨されている。図４の（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌ_１と励起光Ｌ_ｐとは同軸か、或いは数度の交差角ψでもって非線形結晶体１４ｂに入射させられる。そうすると、レーザ光Ｌ_１は、非線形結晶体１４ｂ中を励起光Ｌ_ｐが伝搬している間に増幅されて出力される。

図４及び図５を参照してより具体的に説明する。非線形結晶体１４ｂとしてタイプ１型のベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を用いた場合、励起光Ｌ_ｐの波長を５２７ｎｍとし、レーザ光Ｌ_１の中心波長を８００ｎｍとすると、励起光Ｌ_ｐの非線形結晶体１４ｂへの入射軸と非線形結晶体１４ｂの結晶軸Ａｘとの角度（位相整合角φ）が約２４．１°となるように、且つ、励起光Ｌ_ｐとレーザ光Ｌ_１との角度（交差角ψ）が約２．５°となるように光軸調整を行う。その結果、図５に示されるようなレーザ光Ｌ_１の波長（シグナル波長）と位相整合角φとの関係（位相整合曲線）が得られる。

これにより、位相整合特性は、レーザ光Ｌ_１の波長が約７５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲にわたって、角度２４°付近においてほぼ等しくなる。このような条件の下で、レーザ光Ｌ_１と励起光Ｌ_ｐとをほぼ同時に非線形結晶体１４ｂに入射させると、各レーザ光Ｌ_１が増幅される。なお、非線形結晶体１４ｂとしては、例えば、上述したＢＢＯの他に、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）や部分重水素置換ＫＤＰ（ＤＫＤＰ）等の結晶を用いることができる。また、励起光Ｌ_ｐは、平行光として非線形結晶体１４ｂに入射させることができるが、収束光又は発散光として非線形結晶体１４ｂに入射させてもよい。励起光Ｌ_ｐを収束光又は発散光として非線形結晶体１４ｂに入射させれば、位相パラメトリック増幅の位相整合条件を満たす波長を拡大することができる。

引き続いて、図２を参照してレーザ装置１の説明を続ける。図２に示されるように、レーザ装置１は、増幅装置１４（非線形結晶体１４ｂ）から出射されたレーザ光Ｌ_２の光路上に順に配置されたレンズ（合波手段）１５及び回折格子（合波手段）１６をさらに備えている。レンズ１５は、焦点距離がｆ_２であり、非線形結晶体１４ｂの略中心位置から距離ｆ_２だけ離れた位置に配置されている。また、回折格子１６は、レンズ１５から距離ｆ_２だけ離れた位置に配置されている。

したがって、非線形結晶体１４ｂから出射されたレーザ光Ｌ_２のそれぞれは、レンズ１５を通過することにより回折格子１６の集光位置Ｐ_１に集光される。その結果、非線形結晶体１４ｂから出射されたレーザ光Ｌ_２が集光位置Ｐ_１において合波され、レーザ装置１の出力光としての合波光Ｌ_３が生成される。このとき、レンズ１５の焦点距離ｆ_２及び回折格子１６の溝密度を、レンズ１３の焦点距離ｆ_１及び回折格子１２の溝密度と異ならせることにより、平行ビームである合波光Ｌ_３のビーム径を所望の値とすることができる。

ここで、レーザ装置１は、位相制御装置（位相制御手段）１７をさらに備えている。位相制御装置１７は、回折格子１６の集光位置Ｐ_１において、合波光Ｌ_３の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように（すなわち、同じパルス時間波形が所定の時間間隔で繰り返し現れるように）種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。この位相の制御についてより具体的に説明する。

位相制御装置１７は、スペクトル位相測定器（ＦＲＯＧ等、J.Paye et al., Opt. Lett. 18, 1946-1948 (1993)）１８と、スペクトル位相変調器（例えば回折格子と液晶空間変調器から構成される４ｆ光学系、或いは音響光学プログラマブル分散フィルター、P.Tournois et al., Opt. Commu. 140, 245-249 (1997)）１９とを有している。また、レーザ装置１には、合波光Ｌ_３の一部を分岐するためのハーフミラー２０と、ハーフミラー２０で分岐された合波光Ｌ_３をスペクトル位相測定器１８に導くためのミラー２１とが設けられている。

このような位相制御装置１７においては、次のように種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。すなわち、位相制御装置１７においては、合波光Ｌ_３の一部がハーフミラー２０及びミラー２１によってスペクトル位相測定器１８に入力される。スペクトル位相測定器１８は、入力された合波光Ｌ_３のスペクトル位相（位置Ｐ_０から位置Ｐ_１に至るまでの間に変化した位相）を計測する。スペクトル位相測定器１８は、その計測結果を示す情報をスペクトル位相変調器１９に送信（フィードバック）する。

そして、スペクトル位相変調器１９は、スペクトル位相測定器１８からの計測結果を示す情報に基づいて、合波光Ｌ_３の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように（すなわち、同じパルス時間波形が所定の時間間隔で繰り返し現れるように）、種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。つまり、位相制御装置１７は、合波光Ｌ_３のスペクトル位相を計測すると共に、その計測結果に基づいてレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する（ひいてはレーザ光Ｌ_２のそれぞれの位相を制御する）。

このように、位相制御装置１７が種光Ｌ_０を構成する互いに周波数が異なる複数の連続レーザ光Ｌ_１の位相を制御する（位置Ｐ_０から位置Ｐ_１に至るまでの間に付加された位相変化を周波数ごとに補正する）ことによって、回折格子１６で生成される合波光Ｌ_３が、モード同期発振された光周波数コムのレーザ光と等価であり、尚且つピーク強度が増大されたパルレーザ光となる。

なお、レーザ装置１は、種光Ｌ_０の光路上における光アイソレータ１１の前段に配置された周波数変調器（周波数差調整手段）２２を備えている。周波数変調器２２は、種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１間の周波数差を調整する。これにより、種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１間の周波数間隔（光周波数コムの間隔）を、図６に示されるように、例えば、１００ＭＨｚから１００ｋＨｚというように整数倍分の１にすることもできるし、１００ＭＨｚから１０ＧＨｚというように整数倍にすることもできる。

その結果、回折格子１２で分波されて空間的に配列されたレーザ光Ｌ_１同士の間隔△ｘを任意に調整することができる。また、アプリケーションの要望により、合波光Ｌ_３のパルス繰り返し率を可変にすることができる。なお、周波数変調器２２は、ミラーペアにより構成されてもよいし、ＬＮ（リチウムニオブ酸）変調器であってもよい。さらに、合波光Ｌ_３の繰り返しを高くするには、スペクトル位相変調器１９として振幅、位相両方を変調できるものを用いてもよい。

以上のように構成されたレーザ装置１においては、まず、レーザ光源１０から種光Ｌ_０が発振される。レーザ光源１０から発振された種光Ｌ_０は、スペクトル位相変調器１９及び光アイソレータ１１を通過して回折格子１２に到達する。回折格子１２に到達した種光Ｌ_０は、回折格子１２によって周波数ごとに複数のレーザ光Ｌ_１に分波される。なお、レーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相は、スペクトル位相変調器１９によって、後に生成される合波光Ｌ_３がパルスレーザ光となるように制御されている。

回折格子１２で分波されたレーザ光Ｌ_１のそれぞれは、レンズ１３を通過することにより互いに平行に進行し、増幅装置１４の非線形結晶体１４ｂに入射する。このとき、励起光源１４ａからの励起光Ｌ_ｐとレーザ光Ｌ_１とが光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように非線形結晶体１４ｂに入射させられる。これにより、非線形結晶体１４ｂにおいてレーザ光Ｌ_１のそれぞれが増幅され、レーザ光Ｌ_２として出射される。

非線形結晶体１４ｂから出射されたレーザ光Ｌ_２のそれぞれは、レンズ１５を通過することにより回折格子１６上に集光される。そして、回折格子１６上に集光されたレーザ光Ｌ_２のそれぞれは、回折格子１６により互いに合波され、パルスレーザ光である合波光Ｌ_３としてレーザ装置１から出力される。このとき出力される合波光Ｌ_３の一部は、位相制御装置１７のスペクトル位相測定器１８に入力され、スペクトル位相の計測に供される。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置１においては、レーザパルス列である種光Ｌ_０を複数のレーザ光Ｌ_１に分波した後に、その複数のレーザ光Ｌ_１のそれぞれを増幅装置１４によって連続光増幅する。このため、パルスレーザ光を増幅する場合に比べて、その増幅率を高く設定できる。また、増幅されたレーザ光Ｌ_２のそれぞれを回折格子１６で合波して合波光Ｌ_３を生成する際に、集光位置Ｐ_１において合波光Ｌ_３の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように、種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。これにより、集光位置Ｐ_１において、高い増幅率でもって増幅された複数のレーザ光Ｌ_２によりパルスレーザ光が生成される。よって、このレーザ装置１によれば、高出力のパルスレーザ光を生成することができる。

特に、本実施形態に係るレーザ装置１においては、非線形結晶体１４ｂによる光パラメトリック増幅を採用している。このため、このレーザ装置１によれば、励起光Ｌ_ｐの波長や、励起光Ｌ_ｐとレーザ光Ｌ_１との交差角ψ等を選択することにより、広範囲の波長帯域にわたっての増幅を行うことが可能となる。

また、レーザ装置１においては、レーザパルス列である種光Ｌ_０を連続レーザ光であるレーザ光Ｌ_１に分波して連続光増幅した後に再度レーザパルス列に変換する。このように、レーザ装置１は、連続光増幅を行うので、パルスレーザ光を増幅する際の非線形光学効果（例えば、自己位相変調やビームブレークアップ等）や狭帯域化（パルス幅の増大）が生じない。したがって、レーザ装置１によれば、パルスレーザ光を増幅するレーザ装置に比べて、高ビーム品質であると共に高繰り返し且つ短パルスであるパルスレーザ光を生成することができる。
［第２実施形態］

図７は、本発明に係るレーザ装置の第２実施形態の概略構成を示す図である。図７に示されるように、本実施形態に係るレーザ装置１Ａは、凸レンズ又は凹レンズのマルチレンズアレイ２３を備える点、及び回折格子１６を備えない点において、第１実施形態に係るレーザ装置１と相違している。

マルチレンズアレイ２３は、レーザ光Ｌ_２の光路上におけるレンズ１５の光入射面側に配置されている。レーザ装置１Ａは、このようなマルチレンズアレイ２３を用いることにより、回折格子１６を用いることなく、レーザ光Ｌ_２のそれぞれを加工対象物Ｏ上に直接集光して、その位置において合波光Ｌ_３を生成する。このように、レーザ装置１Ａは、合波光Ｌ_３を伝送する必要がない場合に適用することができる。なお、レーザ装置１Ａにおいては、マルチレンズアレイ２３の焦点距離を調整することにより、加工対象物Ｏ上での集光スポットのサイズを調整することができる。

また、レーザ装置１Ａにおいては、レンズ１５の後段にハーフミラー２４を配置し、レーザ光Ｌ_２のそれぞれの一部を分岐させ、スペクトル位相測定器１８に入射させる。つまり、レーザ装置１Ａにおいては、位相制御装置１７は、レーザ光Ｌ_２のそれぞれの位相を計測すると共に、その計測結果に基づいて種光Ｌ_０を構成するレーザ光Ｌ_１のそれぞれの位相を制御する。

このように構成されるレーザ装置１Ａによっても、レーザ装置１と同様の理由から、高出力のパルスレーザ光を生成することができる。また、高ビーム品質であると共に高繰返し且つ短パルスであるパルスレーザ光を生成することができる。

以上の実施形態は、本発明に係るレーザ装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ装置は、上述したレーザ装置１，１Ａに限定されない。本発明に係るレーザ装置は、特許請求の範囲に記した各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述したレーザ装置１，１Ａを任意に変形したものとすることができる。

例えば、上述したレーザ装置１，１Ａにおいては、互いに周波数の異なるレーザ光Ｌ_１の増幅光であるレーザ光Ｌ_２のそれぞれの位相を、互いに同一となるように制御してもよいし、互いに異なるように制御してもよい。パルス時間波形とスペクトル位相分布とは複素フーリエ変換の関係にあるので、互いに周波数の異なるレーザ光Ｌ_１の増幅光であるレーザ光Ｌ_２のそれぞれの位相を、位相制御装置１７を用いて（すなわちスペクトル位相変調器１９を用いて）調整することにより、図８に示されるように、合波光Ｌ_３において任意のパルス出力波形を得ることができる。つまり、レーザ装置１，１Ａにおいては、互いに異なる周波数のレーザ光Ｌ_１（レーザ光Ｌ_２）の位相を制御することによって、生成されるレーザパルスの時間波形を様々に制御することができる。

また、レーザ装置１，１Ａにおいては、増幅装置１４は、図９に示されるように、１つのレーザ光Ｌ_１に対して複数の励起光Ｌ_ｐ（ここでは励起光Ｌ_ｐ１〜Ｌ_ｐ３）を非線形結晶体１４ｂに入射させることができる。複数の励起光Ｌ_ｐが互いに波長が異なる場合には、それぞれの励起光Ｌ_ｐが位相整合条件を満たす必要があることから、それぞれの励起光Ｌ_ｐが所定の位相整合角となるようにミラーＭによってその光路が調整される。このように、１つのレーザ光Ｌ_１を複数の励起光Ｌ_ｐを用いて増幅すれば、増幅後のレーザ光Ｌ２をより高出力化することが可能となる。

また、レーザ装置１，１Ａにおいては、増幅装置１４の非線形結晶体１４ｂは、図１０に示されるように、複数の非線形結晶部１４ｃを有していてもよい。ここでは、光軸ＯＡと直交する面に沿って、複数の非線形結晶部１４ｃがマトリックス状に配置されている。各非線形結晶部１４ｃは、レーザ光Ｌ_１と励起光Ｌ_ｐとが位相整合条件を満たすような角度でカッティングされている。この場合、複数の励起光Ｌ_ｐは、光軸ＯＡに沿って非線形結晶部１４ｃごとに（或いは複数の非線形結晶部１４ｃのまとまりごとに）非線形結晶体１４ｂに入射させられる。また、１つのレーザ光Ｌ_１は、光軸ＯＡに沿って、複数の励起光Ｌ_ｐが入射させられる複数の非線形結晶部１４ｃを含むように非線形結晶体１４ｂに入射させられる。このような構成によれば、非線形結晶部１４ｃにおけるレーザ損傷の発生が防止されるように各非線形結晶部１４ｃに入射する励起光Ｌ_ｐの強度を調整しても、非線形結晶部１４ｃの数を増加させることにより、増幅後のレーザ光Ｌ_２を高出力化することができる。

また、レーザ装置１，１Ａにおいて、合波光Ｌ_３のピーク強度が回折格子１６の損傷閾値を超える場合には、レンズ１５の焦点距離ｆ_２をレンズ１３の焦点距離ｆ_１に比べて数倍長くすることにより、回折格子１６上での合波光Ｌ_３のピーク強度を下げることもできる。

さらには、レーザ装置１，１Ａにおいては、レーザ光源１０としてモード同期発振器又は高速電流変調の半導体レーザを用いることができる。この場合、レーザ装置の小型軽量化及び低消費電力化を図ることができる。また、レーザ装置の機械的な安定性を向上することができる。さらには、レーザ装置の製造コストを低減することができる。

１，１Ａ…レーザ装置、１０…レーザ光源（発振手段）、１２…回折格子（分波手段）、１４…増幅装置（増幅手段）、１４ａ…励起光源、１４ｂ…非線形結晶体、１４ｃ…非線形結晶部、１５…レンズ（合波手段）、１６…回折格子（合波手段）、１７…位相制御装置（位相制御手段）、２２…周波数変調器（周波数差調整手段）、Ｌ_１，Ｌ_２…レーザ光、Ｌ_３…合波光、Ｌ_ｐ…励起光。

Claims (8)

1. 互いに周波数が異なる複数の連続レーザ光から構成されるレーザパルス列を発振する発振手段と、
   前記発振手段から発振された前記レーザパルス列を互いに周波数が異なる複数の前記連続レーザ光に分波する分波手段と、
   前記分波手段で分波された前記連続レーザ光のそれぞれを増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段で増幅された前記連続レーザ光のそれぞれを所定の位置において合波して合波光を生成する合波手段と、
   前記所定の位置において前記合波光の出力のピークが所定の時間間隔で繰り返し現れるように前記連続レーザ光のそれぞれの位相を制御する位相制御手段と、を備え、
   前記増幅手段は、励起光を発振する励起光源と、前記連続レーザ光のそれぞれと前記励起光とが入射する非線形結晶体とを含み、前記連続レーザ光のそれぞれと前記励起光とを光パラメトリック増幅の位相整合条件を満たすように前記非線形結晶体に入射させることによって、前記連続レーザ光のそれぞれを増幅する、ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記増幅手段は、前記励起光を収束光又は発散光として前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記増幅手段は、１つの前記連続レーザ光に対して複数の前記励起光を前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記非線形結晶体は、複数の非線形結晶部を含み、
   前記増幅手段は、１つの前記連続レーザ光を、複数の前記非線形結晶部を含むように前記非線形結晶体に入射させると共に、複数の前記励起光を前記非線形結晶部ごとに前記非線形結晶体に入射させる、ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記発振手段は、略一定の周波数差で周波数が互いに異なる前記連続レーザ光から構成される前記レーザパルス列を発振する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記発振手段から発振された前記レーザパルス列を構成する前記連続レーザ光の間の周波数差を調整する周波数差調整手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
7. 前記発振手段は、モード同期発振器又は高速電流変調の半導体レーザである、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
8. 前記位相制御手段は、前記合波光のスペクトル位相を計測すると共に、該計測の結果に基づいて前記連続レーザ光のそれぞれの位相を制御する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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