JP2017168742A - レーザー光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発振条件の制御の自由度が高いレーザー光発生装置の提供。【解決手段】レーザー光Ｌを出力する発光点を有する光源部２と、光源部２の発光点側の面に向けて設けられ、レーザー光Ｌが入射される入射面３１と、レーザー光Ｌを増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部３と、発光点から入射面３１へ向けてレーザー光Ｌを導く導光路４と、を有し、導光路４は、当該導光路４を複数に分岐する分岐部４２１と、分岐部４２１で分割されたレーザー光Ｌを結合する結合部４２２と、分岐部４２１と結合部４２２との間を結ぶ複数の分岐光路４２３、４２４と、を有し、当該分岐光路４２３、４２４のうち少なくとも１つは、他の分岐光路と異なる光学的距離を有し、光増幅部３は、導光路４から入射するレーザー光Ｌを合成してレーザー光束Ｌ’として射出するレーザー光発生装置。【選択図】図１１

Description

本発明は、レーザー光発生装置に関する。

レーザー光発生装置において、高速変調制御可能な半導体レーザーをシードレーザーの光源とする光源部（ＭＯ部）と、低出力のシードレーザー光を増幅して高パワーのレーザー光束とする光増幅部（ＰＡ部）とを備えた制御方式が知られている（特許文献１〜３等参照）。
このようなＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式のレーザー光発生装置において、シードレーザーのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件が最終的な出力レーザー光束の特性に大きく寄与する。
そのため、特にレーザー光を用いて材料加工などに用いるレーザー光発生装置においては、短パルスやバーストパルスなど、複雑で制御性の高い、高速変調可能なシードレーザーが求められている。
しかしながら、単に２つの光源部から出力されるシードレーザー光のディレイを電気制御によって調整する方法では、ピコ秒オーダーのパルス波形の制御を行うために非常に高度な制御技術が求められるため、制御系が複雑にならざるを得ないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、発振条件の制御の自由度が高いレーザー光発生装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明のレーザー光発生装置は、レーザー光を出力する発光点を有する光源部と、前記光源部の前記発光点側の面に向けて設けられ、前記レーザー光が入射される入射面と、前記レーザー光を増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部と、前記発光点から前記入射面へ向けて前記レーザー光を導く導光路と、を有し、前記導光路は、当該導光路を複数に分岐する分岐部と、前記分岐部で分割された前記レーザー光を結合する結合部と、前記分岐部と前記結合部との間を結ぶ複数の分岐光路と、を有し、当該分岐光路のうち少なくとも１つは、他の分岐光路と異なる光学的距離を有し、前記光増幅部は、前記導光路から入射する前記レーザー光を合成してレーザー光束として射出する。

本発明のレーザー光発生装置によれば、レーザー光の発振条件の制御の自由度が高い。

本発明の実施形態にかかるレーザー光発生装置の全体構成の一例を示す平面図である。 図１に示した光源部の構成の一例を示す図である。 図１に示した制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１に示した第１導光光学系の構成の一例を示す平面図である。 図４に示した第１導光光学系を透過するレーザー光の動作の一例を示す図である。 図１に示したレーザー光発生装置の変形例の構成の一例を示す平面図である。 図６に示した導光路を透過するレーザー光の動作の一例を示す模式図である。 図１に示したレーザー光発生装置の第２の変形例の構成例を示す図である。 図８に示した導光路を透過するレーザー光の動作の一例を示す模式図である。 レーザー光発生装置の比較例を示す図である。 導光路における分岐部の構成の一例を示す図である。 図１１に示した分岐部におけるレーザー光の動作の一例を示す模式図である。 図１１に示した分岐部の他の構成の一例を示す図である。

（概要）
以下、本発明の実施形態の一例を図面を用いて説明する。
図１には、第１の実施形態に係るレーザー光発生装置としてのレーザー装置２００が示されている。
レーザー装置２００は、シードレーザーＬ_１〜Ｌ_ｎを出力するｎ個のレーザー素子２１を有する光源部２と、光源部２から照射されたシードレーザーＬ_１〜Ｌ_ｎを増幅するための光増幅器３と、光源部２と光増幅器３とを制御するための制御部９と、を有している。
以降、シードレーザーＬ_１〜Ｌ_ｎを特に区別する必要のないときには、シードレーザーＬとの文言を用いる。
レーザー装置２００は、シードレーザーＬを光増幅器３の入射面３１に入射させるためにシードレーザーＬを偏向する第１導光光学系４と、光増幅器３の出射面３２から出射したレーザー光束Ｌ’を照射対象へと照射するための第２導光光学系５と、を有している。
なお、本明細書では、シードレーザーＬの光軸に平行な方向を＋Ｚ方向として、ＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明する。

制御部９は、光源部２から射出されるシードレーザーＬのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件を制御する発振条件制御部９２と、光増幅器３に入射したシードレーザーＬを増幅させるための増幅条件を制御する増幅条件制御部９３と、を有している。

レーザー装置２００の動作について簡単に説明する。
光源部２は、発振条件制御部９２に与えられた所定の発振条件に従って、レーザー素子２１を含むシードレーザー光源それぞれからシードレーザーＬを＋Ｚ方向に射出する。
シードレーザーＬは、光増幅器３の入射面３１に向かって第１導光光学系４によって偏向される。

光増幅器３は、増幅条件に従って、一方の端面すなわち入射面３１から入射したシードレーザーＬを増幅し、出射面３２からレーザー光束Ｌ’として射出する。

光増幅器３によって増幅されたレーザー光束Ｌ’は、第２導光光学系５によって偏向及び／又は収束されて、照射対象に向けて照射される。

なお、ここではレーザー装置２００は、光源部２から光増幅器３への入射効率を向上させる目的で、第１導光光学系４を用いたが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば光ファイバなどを用いて光源部２と光増幅器３とを直接つなぐ構成でも良い。
あるいは、第１導光光学系４は、集光性を備えた複数の光学部材等によって構成された集光光学系でも良い。

（詳細）
以下、かかるレーザー装置２００の各部の構成について詳細に説明する。
光源部２は、図２に示すように、＋Ｚ方向側の面に５行５列、２５個の発光点が２次元的に配列されたＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）方式の面発光レーザーアレイである。
レーザー素子２１は、複数のシードレーザーＬを出力する種光源すなわち発光点としての機能を有している。
シードレーザー光Ｌの波長は、１０６０ｎｍ付近であり、シングルモード出力であることが望ましい。

光増幅器３は、レーザー素子２１から入射する複数のシードレーザーＬ_１〜Ｌ_ｎを合成してレーザー光束Ｌ’として射出するレーザーアンプとしての機能を有する光増幅部としての機能を有している。
光増幅器３は、図１に示すように石英ガラスを主成分とするコア部に、活性物質として希土類Ｙｂがドープされた３つの光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃを有している。
光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃのそれぞれには、励起光結合光学素子として波長分割多重（ＷＤＭ＝Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃが−Ｚ側の端部に取り付けられている。
光ファイバ増幅器３３ａと、ＷＤＭカプラ３４ａとは１組の増幅器として動作し、光増幅器３において最上流に配置された第１段増幅器としての機能を有している。
同様に、光ファイバ増幅器３３ｂと、ＷＤＭカプラ３４ｂとが１組の第２段増幅器として、光ファイバ増幅器３３ｃとＷＤＭカプラ３４ｂとが１組の第３段増幅器として、それぞれ動作する。
第１段増幅器と、第２段増幅器と、第３段増幅器とは、図１に示したように直列に連結された態様で、光増幅器３を形成している。

ＷＤＭカプラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、入力された複数の波長、波形の光を合成する合成部としての機能と、入力された複数の波長、波形の光を波長ごとに分割する分波部としての機能とを有している。
すなわち、シードレーザーＬ_１〜Ｌ_ｎは、最も−Ｚ方向側に配置されたＷＤＭカプラ３４ａを通過することで、それぞれの波形が合成された合成波となって光ファイバ増幅器３３ａに入射されて増幅される。
ＷＤＭカプラ３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、シードレーザーＬとともに、後述する増幅条件制御部９３からの増幅条件に基づいて、励起光源９３４から入射する励起光Ｐを光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃのそれぞれに入射させる。
光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、励起光ＰによってＹｂが励起されて生じる誘導放出により利得波長帯域である波長１０６０ｎｍ付近の光を増幅する。
なお、励起光Ｐの波長は、活性物質の種類に合わせて変更することが望ましいが、本実施形態では特にＹｂの吸収帯のある波長９７５ｎｍの励起光Ｐを用いる。

本実施形態では、光増幅器３は３つの光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃが直列に連結して配置されるとしたが、少なくとも１つの光ファイバ増幅器とＷＤＭカプラとを用いて、出射されたレーザー光束Ｌ’を用いるとしても良い。
あるいは、光増幅器３はさらに多数の、例えば任意のｎ個の光ファイバ増幅器を連結して１つの光増幅部として機能するようなレーザーアンプであってもいい。
また、最も光軸方向下流側すなわち＋Ｚ方向側に配置された光ファイバ増幅器３５の＋Ｚ方向側の端部に、異なる方式のメインアンプを設けても良い。
なお、励起光Ｐの分離のために、光増幅器３の終端部すなわち＋Ｚ方向側の端部には、励起光Ｐを分離する分離部としてＷＤＭカプラ３４ｄが設けられている。
なお、ＷＤＭ３４ｄは必須の構成ではなく、ＷＤＭ３４ｄを設ける代わりにゲインファイバを適切な長さに構成すればよい。

本実施形態では、光源部２は、ＶＣＳＥＬ方式の面発光レーザー素子を備えているが、かかる構成に限定されるものではなく、レーザー素子２１と端面発光型レーザー素子２２とをそれぞれ複数有していても良い。あるいは、複数の光源部２と、それぞれの光源部２に対応する光増幅器３とを並列に備え、光増幅器３の終端にビームコンバイナを設けても良い。
かかる構成により、レーザー光束Ｌ’の出力を増大させることができる。

増幅条件制御部９３は、図３に示すように、１段目の光ファイバ増幅器３３ａに取り付けられたＷＤＭカプラ３４ａに供給される励起光Ｐを制御する第１段増幅器用ＬＤドライバ９３１を有している。
増幅条件制御部９３は同様に、２段目の光ファイバ増幅器３３ｂに取り付けられたＷＤＭカプラ３４ｂに供給される励起光Ｐを制御する第２段増幅器用ＬＤドライバ９３２を有している。
増幅条件制御部９３は同様に、３段目の光ファイバ増幅器３３ｂに取り付けられたＷＤＭカプラ３４ｂに供給される励起光Ｐを制御する第３段増幅器用ＬＤドライバ９３３を有している。
第１段増幅器用ＬＤドライバ９３１と、第２段増幅器用ＬＤドライバ９３２と、第３段増幅器用ＬＤドライバ９３３とは、それぞれ独立して動作可能であり、互いに異なる増幅条件で増幅するように、異なる励起光Ｐを出射するとしても良い。
本実施形態では励起光Ｐを出射する励起ＬＤとして、励起光源９３４を用いている。
なお、第１段増幅器用ＬＤドライバ９３１と、第２段増幅器用ＬＤドライバ９３２と、第３段増幅器用ＬＤドライバ９３３とがそれぞれの増幅条件に応じて励起光Ｐを出射するとしてもいいし、外部に別途励起光源９３４を用意しても良い。

発振条件制御部９２は、図３に示すように、各レーザー素子２１から出射されるシードレーザーＬ１〜Ｌｎの波形を制御するシードＬＤ制御部９２１を有している。
シードＬＤ制御部９２１は、シードレーザーＬのパルス幅Ｔと、パルス波高値Ｉと、パルスの立ち上がりタイミングであるパルスディレイＤと、を設定する任意波形ジェネレータとしての機能を有している。

第１導光光学系４は、図４に示すように光源部２の＋Ｚ方向側に配置されてシードレーザーＬ１〜Ｌｎをそれぞれ集光するマイクロレンズアレイ４１と、マイクロレンズアレイ４１の焦点近傍に一方の端部が設けられたカップリングファイバ４２と、を有している。
マイクロレンズアレイ４１は、それぞれのレーザー素子２１から出射したシードレーザーＬ１〜Ｌｎをそれぞれ集光して、カップリングファイバ４２の入射側端部４３へと入射させる。
カップリングファイバ４２は、２５本の独立した分岐ファイバ部４２ａと、複数の分岐ファイバ部４２ａを結合して１本のファイバとした結合ファイバ部４２ｂと、を有している。言い換えると、カップリングファイバ４２は、任意の屈折率、ファイバ長の光ファイバが複数束ねられて構成され、−Ｚ方向に向けられた２５個の入射側端部４３と、＋Ｚ方向に向けられた１個の出射側端部４４とを有している。

カップリングファイバ４２の−Ｚ方向に向けられた入射側端部４３は、それぞれが１対１で対応するレーザー素子２１に対向するように設けられている。
カップリングファイバ４２の＋Ｚ方向側の端部は、ＷＤＭカプラ３４ａに接続されている。なお、ここではカップリングファイバ４２の＋Ｚ方向側の端部をＷＤＭカプラ３４ａに接続したが、光増幅器３の入射面に対向するように配置しても良い。

カップリングファイバ４２は、レーザー素子２１と光増幅器３との間に配置され、シードレーザーＬ１〜Ｌｎのそれぞれについて、互いに独立した光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを有している。

光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは光路長とも呼ばれ、一般的には導光路を形成する物質の屈折率と物理的な長さの積によって定まる。すなわち、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは、図４に示すように、カップリングファイバ４２の分岐ファイバ部４２ａの長さすなわち物理的距離ｄ１〜ｄｎと、分岐ファイバ部４２ａの屈折率Ｎ１〜Ｎｎとの積によって調整される。
本実施形態においては特に、分岐ファイバ部４２ａの材質を石英に統一し、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは、分岐ファイバ部４２ａの長さすなわち物理的距離ｄ１〜ｄｎを設定することで調整される。

ところで、図１０に従来例として示すように、いわゆる端面レーザー５０２ａをアレイ状に配置して種光源５０２として用いるとともに、光ファイバ増幅器５０３をアンプとして用いたＭＯＰＡ方式のレーザー装置５００を考える。
レーザー装置５００で出力されるレーザー光束Ｌ’のパルス形状を制御する方法としては、例えば各端面レーザー５０２ａを制御部５０５を用いて独立して制御し、パルス幅、ディレイ等を所定の値に設定した上で、コンバイナ５０４で合成する方法が考えられる。
しかしながら、各端面レーザー５０２ａそれぞれのパルス幅、ディレイ等を所定の値に設定することは、制御部５０５の複雑化を招く上、微小な性能差や同期の問題が、最終的な出力波形に大きく影響しやすいという懸念もある。

また、端面レーザー５０２ａが設定可能なパルスディレイｔは、制御部５０５の性能以上の分解能には上げられず、例えばシードレーザーＬの立ち上がり時間に合わせてパルスディレイｔを調整するような高精度の制御を行うことが困難であった。
さらに、こうした電気的な制御部５０５を用いた制御において、ピコ秒オーダーの制御を行うためには、非常に高度な制御技術が要求される。

このように端面レーザーでは、短パルス化や多チャンネル化が難しく、ドライバ間の同期の問題もあり、特に精度の求められる加工分野、医療分野などで用いられるレーザー加工装置に応用するには、より高精度の制御が可能なレーザー装置が求められている。

本実施形態におけるレーザー光束Ｌ’の出力波形の制御について詳細に述べる。

制御部９は、発振条件制御部９２を用いて、シードレーザーＬ１〜Ｌｎまでの発振条件を一括して制御する。
シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すように、同期された同一形状のパルス波形として出射される。ここで図５（ａ）、（ｂ）は図４の入射側端部４３におけるシードレーザーＬ１及びシードレーザーＬｎのパルス波形、図５（ｃ）は図４の出射側端部４４におけるシードレーザーＬの波形を模式的に示している。
レーザー素子２１から出射されたシードレーザーＬ１〜Ｌｎは、マイクロレンズアレイ４１によって集光され、入射側端部４３へと入射する。
シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、それぞれ異なる物理的距離ｄ１〜ｄｎを持つ分岐ファイバ部４２ａを透過して、結合ファイバ部４２ｂで合成されて出射側端部４４から光増幅部３へ向けて出力される。

なお、本実施形態では、シードレーザーＬ１〜Ｌｎの波形を矩形パルス波としているが、三角波であっても、図７や図９に示すような正規分布様のガウシアン形状のパルス波であっても良く、その形状は特に限定されない。

分岐ファイバ部４２ａを透過するとき、各シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、それぞれ異なる物理的距離ｄ１〜ｄｎを通過することになる。すなわち、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎも当然異なる。
従って、分岐ファイバ部４２ａを透過するために要する時間ｔ１〜ｔｎは、かかる光学的距離Ｄ１〜Ｄｎに応じた所定の値になるので、出射側端部４４から射出された光増幅部３へ入射される時点でのシードレーザーＬの波形は、図５（ｂ）に示す形状になる。
このように、分岐ファイバ部４２ａは、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを異ならせることで、シードレーザーＬ１〜Ｌｎを基準となる任意の基準時間ｔ０から遅らせる又は早めるように設定することで、シードレーザーＬ１〜Ｌｎの合成波の形状を制御する。
言い換えると、分岐ファイバ部４２ａの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎによってパルスディレイｔ１〜ｔｎを調整する。
シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、ＷＤＭカプラ３４ａにより合成された後に単一の光ファイバ増幅器３３ａによって増幅される。

分岐ファイバ部４２ａの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎによってパルスディレイｔ１〜ｔｎを調整することで、発振条件制御部９２を用いてパルスディレイｔ１〜ｔｎをそれぞれ独立して設定するよりも、機構が単純化されて精度をも向上する。
具体的には、分岐ファイバ部４２ａの基準となる物理的距離ｄ１に対して物理的距離ｄｎを１メートル長くすることで、約５．０ナノ秒のパルスディレイ（ｔｎ−ｔ１）を設定することができる。実際には、分岐ファイバ部４２ａの物理的距離ｄｎの精度は、少なくとも１０^−３メートル以上の精度で設定可能であり、パルスディレイ（ｔｎ−ｔ１）は、１０^−１１〜１０^−１２秒程度の、ピコ秒オーダーの高い精度で制御されることになる。
このように複数のシードレーザーＬ１〜Ｌｎを、分岐ファイバ部４２ａの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを変えて制御することによって、レーザー装置２００は、出力されるレーザー光束Ｌ’の波形を簡易な構成を用いて精度良く制御する。

分岐ファイバ部４２ａの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは独立して設定可能である。本実施形態では、特に光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは全て異なっているので「複数の導光路のうち少なくとも１つは、当該導光路の光学的距離と他の導光路の光学的距離とが異なり」、かかる構成によりシードレーザーＬのパルスディレイｔが設定されている。
光増幅器３は、レーザー素子２１から入射するそれぞれのシードレーザーＬ１〜Ｌｎを合成してレーザー光束Ｌ’として射出する。従って、光増幅器３は、「複数の発光点から入射するそれぞれのレーザー光を合成してレーザー光束として射出」する。
かかる構成により、レーザー装置２００は、最終的に出力されるレーザー光束Ｌ’の波形を高精度に制御する。
なお、本実施形態では、分岐ファイバ部４２ａは物理的に独立した光ファイバであるが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを独立して制御可能なようにレンズ厚などを調整した導光路たる光学系であっても良い。

レーザー装置２００は、光増幅器３を構成する直列に配置された光ファイバ増幅器３３ａ、３３ｂ、３３ｃを有している。
かかる構成により、段階的に波高Ｉ、言い換えると出力を向上させるから、パルス幅Ｔへの影響を抑えながらも、効率よくシードレーザーＬを増幅する。

光源部２は、レーザー素子２１が、シードレーザーＬの光軸Ｚ方向に対して垂直なＸＹ平面に２次元配列されたＶＣＳＥＬ方式の面発光レーザーである。
かかる構成により、レーザー素子２１の集積度の向上が容易であり、レーザー装置２００は最終的に出力されるレーザー光束Ｌ’の波形を高精度に制御する。

本実施形態では、分岐ファイバ部４２ａと結合ファイバ部４２ｂとは、石英をコア材に用いた光ファイバである。また、分岐ファイバ部４２ａは、光ファイバの物理的距離ｄ１〜ｄｎを互いに異なる値とすることで光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを互いに異ならせている。
かかる構成により、物理的距離によってパルスディレイｔを精度よく制御して、簡易な構成により最終的に出力されるレーザー光束Ｌ’の波形を高精度に制御する。
さらに、第１導光光学系４の光路中における屈折率差を低く抑えることにより、境界部分における反射損失等をも低減して伝送効率が向上する。

（変形例）
本発明の実施形態の第１の変形例として、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを屈折率差によって設定するレーザー装置２００について述べる。
第１の変形例においては、図６に示すように、カップリングファイバ４２は、レーザー素子２１に対向するように設けられた分岐ファイバ部４２ｃと、結合ファイバ部４２ｂと、を有している。
かかる変形例においては、分岐ファイバ部４２ｃ以外の構成については、既に説明したレーザー装置２００の実施形態と同一であるため、同一の符号をつけて説明を省略する。

分岐ファイバ部４２ｃは、例えば石英にゲルマニウムやリン、ホウ素、フッ素などの元素を微小量添加することによって、屈折率Ｎ１〜Ｎｎまでの互いに異なる屈折率を有する光ファイバである。
なお、ここでは石英製の光ファイバにドーパントを添加することによって屈折率を変化させる方法についてのみ述べたが、プラスチック製の光ファイバなどを用いても良い。
分岐ファイバ部４２ｃの物理的距離ｄｎは、全ての分岐ファイバ部４２ｃで等しくなるように設定される。従って、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎは分岐ファイバ４２ｃにおいては屈折率Ｎ１〜Ｎｎによってそれぞれ調整されている。

このような構成を用いて、レーザー光束Ｌ’を出射するときには、シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、図７に示すように、入射側端部４３において略同一形状のパルス波形である。ここで図７（ａ）、（ｂ）は図６に示す入射側端部４３におけるシードレーザーＬ１及びシードレーザーＬｎのパルス波形、図７（ｃ）は図６の出射側端部４４におけるシードレーザーＬの波形を模式的に示している。
シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、それぞれ異なる光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを持つ分岐ファイバ部４２ｃを透過して、結合ファイバ部４２ｂで合成されて出射側端部４４から光増幅部３へ向けて出力される。

分岐ファイバ部４２ｃを透過するとき、各シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、それぞれ異なる光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを通過することになる。従って、分岐ファイバ部４２ｃを透過するために要する時間ｔ１〜ｔｎは、かかる光学的距離Ｄ１〜Ｄｎに応じた所定の値になるので、出射側端部４４から射出された光増幅部３へ入射される時点でのシードレーザーＬの波形は、図７（ｃ）に示す形状になる。
このように、分岐ファイバ部４２ｃは、屈折率Ｎ１〜Ｎｎを任意の値に設定して光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを異ならせ、シードレーザーＬ１〜Ｌｎを任意の基準時間ｔ０から遅らせるように設定することで、シードレーザーＬ１〜Ｌｎの合成波の形状を制御する。
言い換えると、分岐ファイバ部４２ｃの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎによってパルスディレイｔ１〜ｔｎを調整する。
シードレーザーＬ１〜Ｌｎは、第１の実施形態において既に述べたように、ＷＤＭカプラ３４ａにより合成された後に光増幅部３によって増幅され、レーザー光束Ｌ’として出射される。

本変形例において、分岐ファイバ部４２ｃは、光ファイバの屈折率Ｎ１〜Ｎｎを互いに異なる値に設定されることで、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを互いに異ならせている。
かかる構成により、レーザー装置２００は、最終的に出力されるレーザー光束Ｌ’の波形を高精度に制御する。

本発明の実施形態の第２の変形例について説明する。なお、第１の変形例と同様に、既に説明したレーザー装置２００と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
第２の変形例において、発振条件制御部９２は、図８（ａ）に示すように、各レーザー素子２１から出射されるシードレーザーＬ１〜Ｌｎの波形を制御する第１シードＬＤ制御部９２１〜第ｎシードＬＤ制御部９２ｎを有している。
また、カップリングファイバ４２は、図８（ｂ）に示すように、それぞれ物理的距離ｄ１〜ｄｎ、屈折率Ｎ１〜Ｎｎに設定された分岐ファイバ部４２ｄと、結合ファイバ部４２ｂと、を有している。

分岐ファイバ部４２ｄは、物理的距離ｄ１〜ｄｎと、屈折率Ｎ１〜Ｎｎと、をそれぞれ定めることによって、光学的距離Ｄ１〜Ｄｎが異なるように設けられている。

第１シードＬＤ制御部９２１〜第ｎシードＬＤ制御部９２ｎは、互いに独立して動作するが、機能は略同一であるので、特に第１シードＬＤ制御部９２１についてのみ説明する。
第１シードＬＤ制御部９２１は、シードレーザーＬ１のパルス幅Ｔ１と、パルス波高値Ｉ１と、を設定する任意波形ジェネレータとしての機能を有している。
ここで、パルス幅Ｔ１は、図９（ａ）に示すように、パルス波高値Ｉ１の半分の値をとる２点間を結ぶ時間、いわゆる半値幅を言うこととする。
第２シードＬＤ制御部９２２〜第ｎシードＬＤ制御部９２ｎも同様の機能を備えている。

第１シードＬＤ制御部９２１〜第ｎシードＬＤ制御部９２ｎを用いて、シードレーザーＬ１〜Ｌｎの制御を行う方法について説明する。
特にシードレーザーＬ１とシードレーザーＬｎとを合成する場合には、第１シードＬＤ制御部９２１及び第ｎシードＬＤ制御部９２ｎを用いて、図９（ａ）、（ｂ）に示すようなパルス波形のシードレーザーＬ１、Ｌｎを形成する。

分岐ファイバ部４２ｄを透過するとき、各シードレーザーＬ１、Ｌｎは、それぞれ異なる光学的距離Ｄ１、Ｄｎを通過することになる。従って、分岐ファイバ部４２ｄを透過するために要する時間ｔ１、ｔｎは、かかる光学的距離Ｄ１、Ｄｎに応じた所定の値になるので、出射側端部４４から射出された光増幅部３へ入射される時点でのシードレーザーＬの波形は、図９（ｃ）に示す形状になる。
このように、分岐ファイバ部４２ｄは、屈折率Ｎ１〜Ｎｎを任意の値に設定して光学的距離Ｄ１〜Ｄｎを異ならせ、シードレーザーＬ１〜Ｌｎを任意の基準時間ｔ０から遅らせるように設定することで、シードレーザーＬ１〜Ｌｎの合成波の形状を制御する。
言い換えると、分岐ファイバ部４２ｄの光学的距離Ｄ１〜Ｄｎによってパルスディレイｔ１〜ｔｎを調整する。

すなわち、第２の変形例において、発振条件制御部９２は、各レーザー素子２１から出射されるシードレーザーＬ１〜Ｌｎの波形を独立して制御する第１シードＬＤ制御部９２１〜第ｎシードＬＤ制御部９２ｎを有している。
かかる構成により、シードレーザーＬのパルス波形の形状を自由に設定できて、レーザー装置２００は、高い精度でパルスディレイを制御しながらも、より自由度の高いレーザー光束Ｌ’を出力する。

（詳細）
上述の各実施形態における分岐ファイバ部４２ａ、４２ｃ、４２ｄの詳細な構成について図１１を用いて説明する。なお以降の説明では、特に簡単のために分岐ファイバ部４２ａのみを用いて説明するが、かかる構成に限定されるものではない。
分岐ファイバ部４２ａは、図４に既に示したように、それぞれ物理的距離が異なるが、以下に示す構成については、何れの分岐ファイバ部４２ａが有していても良いし、全ての分岐ファイバ部４２ａがかかる構成を備えていても良い。
また、その他の分岐ファイバ部４２ｃ、４２ｄに関しても同様に、光学的距離が互いに異なる何れの分岐ファイバ部がかかる構成を備えているとしても良い。

分岐ファイバ部４２ａは、入射側端部４３から入射したシードレーザーＬを分岐する分岐部たる第１光カプラ４２１と、光カプラ４２１で分割されたシードレーザーＬを導く一対の導光路たる第１光導波路４２３と第２光導波路４２４と、を有している。
分岐ファイバ部４２ａはまた、第１光導波路４２３と第２光導波路４２４とを透過したシードレーザーＬを結合するための結合部たる第２光カプラ４２２を有している。
すなわち、第１光導波路４２３と第２光導波路４２４とは、分岐部と結合部との間を結ぶ分岐光路としての機能を有している。

第１光カプラ４２１は、入射したシードレーザーＬを、任意の強度比Ｘ：Ｙに分岐して出力する光学素子である。
図１２（ａ）には、入射したシードレーザーＬの波形を模式的に示している。
ここでは説明のため、図１２（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、シードレーザーＬのうち第１光導波路４２３へ分岐された一部分をシードレーザーＬｘ、第２光導波路４２４へ分岐された一部分をシードレーザーＬｙとして説明する。また、シードレーザーＬｘの強度をＩｘ、シードレーザーＬｙの強度をＩｙとして示している。

図１２（ｄ）には、第２光カプラ４２２を通過した後のシードレーザーＬの波形を模式的に示すものとしてＬｘ＋Ｌｙの波形を示している。
なお、本実施形態では、第１カプラ４２１と第２カプラ４２２とは、シードレーザーＬが入射される方向のみが異なる一対の光学素子であって、同一の構成であるため、第２カプラ４２２の説明は適宜省略する。例えば、図１１において、＋Ｚ方向側からシードレーザーＬが入射したときには、第２カプラ４２２が分岐部として機能し、第１カプラ４２１が結合部として機能する。

第１光導波路４２３は、第１光導波路４２３の光学的距離Ｄｘが、第２光導波路４２４の光学的距離Ｄｙよりも長くなるように、余剰ファイバ４２５を有している。
かかる余剰ファイバ４２５の長さを調整することで、第１光導波路４２３を透過するシードレーザＬｘは、パルスディレイΔｔ＝Ｄｘ／ｃだけシードレーザーＬｙよりも遅く第２光カプラ４２２へと到達する。

シードレーザーＬｘ、Ｌｙは、互いに第２光カプラ４２２において結合されて、合成光たるシードレーザーＬとして出射される。このようにして分岐ファイバ部４２ａから出射されたシードレーザーＬは、既に述べたように、結合ファイバ４２ｂへと入射し、他の発光点から出射した各シードレーザーＬと合成されて最終的にレーザー光束Ｌ’として出射される。

ところで、シードレーザーＬｘ、Ｌｙは何れも同一の発光点から出射したシードレーザーＬの一部であるから、レーザー素子２１ごとの製造過程などに依存する光強度や偏光方向の揺動のような影響を受け難い。
すなわち、同一の発光点から出射した光を分岐して、分岐された一方の光にのみディレイを与えることで、より発光点の精度の影響を受け難く制御の自由度が高い光が得られる。

本実施形態におけるレーザー装置２００は、レーザー素子２１から光増幅器３へ向けてシードレーザーＬを導く導光路たる分岐ファイバ部４２ａを有している。
分岐ファイバ部４２ａは、入射側端部４３から入射したシードレーザーＬを複数に分岐する分岐部たる第１光カプラ４２１と、光カプラ４２１で分割されたシードレーザーＬを結合する第２光カプラ４２２と、を有している。
分岐ファイバ部４２ａはまた、第１光カプラ４２１と第２光カプラ４２２との間を結ぶ第１光導波路４２３と第２光導波路４２４と、を有している。
さらに、第１光導波路４２３は、第２光導波路４２４とは異なる光学的距離を有している。
かかる構成により、単一の発光点からの光を複数のパルス波に分岐できるため、レーザー光の発振条件の制御の自由度がより高い。

以上述べたような第１光カプラ４２１と、第２光カプラ４２２と、第１光カプラ４２１と第２光カプラ４２２との間を結ぶ第１光導波路４２３と第２光導波路４２４と、を有する構成は、図１３に示すように、複数の分岐ファイバ部４２ａに設けられていても良い。

また、本実施形態においては、第１光導波路４２３と第２光導波路４２４との何れか一方にのみ余剰ファイバ４２５を設けることで、物理的な距離を変化させて光学的距離Ｄｘ、Ｄｙを制御するとしたが、かかる方法に限定されるものではない。
例えば、第１及び第２の変形例において用いたように、第１光導波路４２３と第２光導波路４２４との材質、特に屈折率を制御することで、第１光導波路４２３と第２光導波路４２４とを伝わるシードレーザーＬｘ、ＬｙのパルスディレイΔｔを制御しても良い。

本実施形態においては、結合部と分岐部とは何れも光カプラを用いたが、導波路型スプリッタを用いても良い。
その場合にも、分岐部と結合部とを結ぶ途中の導光路の光学的距離は、互いに異ならせることが望ましい。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上記実施形態において、レーザー装置２００は、金属を加工するパルスレーザー加工機に用いても良いし、レーザーメスなどの医療用機器に用いても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２ 光源部
３ 光増幅部
９ 制御部
２１ 発光点（レーザー素子）
３１ 入射面
３２ 出射面
４２ａ 導光路（分岐ファイバ部）
４２ｂ 導光路（結合ファイバ部）
４２ｃ 導光路（分岐ファイバ部）
４２ｄ 導光路（分岐ファイバ部）
４３ 入射側端部
４４ 出射側端部
９２ 発振条件制御部
９３ 増幅条件制御部
４２１ 分岐部（第１光カプラ）
４２２ 結合部（第２光カプラ）
４２３ 分岐光路（第１光導波路）
４２４ 分岐光路（第２光導波路）
Ｄ１〜Ｄｎ 光学的距離
ｄ１〜ｄｎ 物理的距離
Ｄｘ 第１光導波路の光学的距離
Ｄｙ 第２光導波路の光学的距離
Ｌ、Ｌ１〜Ｌｎ レーザー光（シードレーザー）
Ｌ’ レーザー光束
Ｎ１〜Ｎｎ 屈折率
２００ レーザー光発生装置（レーザー装置）

特許第５５９５７４０号公報 特許第５６５４６４９号公報 特許第５７１３５４１号公報

Claims (6)

1. レーザー光を出力する発光点を有する光源部と、
   前記光源部の前記発光点側の面に向けて設けられ、前記レーザー光が入射される入射面と、前記レーザー光を増幅して射出する出射面と、を備える光増幅部と、
   前記発光点から前記入射面へ向けて前記レーザー光を導く導光路と、
   を有し、
   前記導光路は、当該導光路を複数に分岐する分岐部と、前記分岐部で分割された前記レーザー光を結合する結合部と、前記分岐部と前記結合部との間を結ぶ複数の分岐光路と、を有し、
   当該分岐光路のうち少なくとも１つは、他の分岐光路と異なる光学的距離を有し、
   前記光増幅部は、前記導光路から入射する前記レーザー光を合成してレーザー光束として射出するレーザー光発生装置。
2. 前記光増幅部を複数有し、当該複数の光増幅部が直列に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー光発生装置。
3. 前記光源部は、前記発光点が、前記レーザー光の光軸方向に対して垂直な平面に２次元配列された面発光レーザーであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー光発生装置。
4. 前記導光路は、光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載のレーザー光発生装置。
5. 前記分岐光路は、前記光ファイバの屈折率を互いに異なる値とすることで前記光学的距離を互いに異ならせることを特徴とする請求項４に記載のレーザー光発生装置。
6. 前記分岐光路は、前記光ファイバの物理的距離を互いに異なる値とすることで前記光学的距離を互いに異ならせることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザー光発生装置。

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