JP3805535B2 - パルスレーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、光増幅を利用して高出力かつ高指向性なレーザ光を得るパルスレーザ装置に関するもので、詳しくは、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器に入射する光ビームのレーザ発振開始時刻およびパルス幅を制御する手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（１）従来技術の構成
発振器と複数個の増幅器により構成されるレーザ多段増幅装置は、発振器により発生された指向性の良いレーザ光を光増幅により高出力のレーザ光にできるため、穴あけ、溶接、切断等の加工や同位体分離等の光化学反応に用いることができる。特に、パルス発振を行う銅蒸気レーザを励起源とした色素レーザ多段増幅装置は、ｋＷ級の高出力かつ高指向性レーザ光を得ることができ、レーザ同位体分離等に適用されている。
【０００３】
図１２は、例えば、特開平８−９７４９３号公報に記載された従来の色素レーザ多段増幅システムの構成を簡略化して示すものである。図１２において、１はパルス発振を行う銅蒸気レーザ装置等の励起レーザ装置であり、最大１００ｍｍ程度の大口径ビームを発生する。２はレーザから出射された励起レーザ光、３は励起レーザ光２を複数のビームに分割かつ集光するレンズアレイ等により構成した光分割器、４は分割かつ集光された光ビーム、５は光ビーム４を光ファイバ入射口に入れる光結合装置、６は光ビーム４を入射する光ファイバ入射口、７は光ファイバ入射口６に入射した光ビームを色素レーザ多段増幅装置８まで伝送する複数の光ファイバ、９は指向性の良いレーザ光を発生する発振器、１０〜１３は発振器から出射されるレーザ光を光増幅する４個の増幅器である。１０は第１段目の増幅器、１１は第２段目の増幅器、１２は第３段目の増幅器、１３は第４段目の増幅器である。１４は光ファイバから出射される光ビーム、１５は光ビーム１４を発振器９ないしは増幅器１０〜１３に照射する１枚ないしは複数の光学部品で構成した転写光学系、１６は光増幅された色素レーザ光である。 図１３は、光結合装置に用いた分割器の一例としての矩形状のレンズアレイの構成図であり、矩形の集光レンズをＸ方向に５個、Ｙ方向に５個並べて構成した場合を示している。１７はレンズアレイを構成するエレメントであり、エレメントの１辺の長さは２０ｍｍ程度で、１つのエレメントを通過したビームが１本の光ファイバに入射される。
【０００４】
（２）従来技術の動作
次に上記従来例の動作について説明する。励起レーザ装置１から出射された励起レーザ光２を光分割器３により複数の光ビーム４に分割して集光する。この光ビーム４を光結合装置５により光ファイバ入射口６から複数の光ファイバ７に入射する。光ファイバ７から出射された光ビーム１４を転写光学系１５により縮小し、増幅器１０〜１３の色素溶液が流れている領域に照射する。このレーザ光は色素溶液中の色素分子にエネルギーを与えて上記色素分子を励起する。この際、発振器９で発生した高指向性なレーザ光を順次増幅器１０〜１３に通過させると、上記色素分子のエネルギーを吸収しながら光増幅が起こり、パルス発振を行う高指向性な色素レーザ光１６を発生することができる。
【０００５】
ここで、レーザ出力が数１００Ｗ〜ｋＷ級の色素レーザ多段増幅装置において最大のレーザ出力を得るためには、１段目から４段目の増幅器１０〜１３に入射する光ビームの強度を、図１４で示す強度割合に設定する必要がある。第１段目の増幅器１０に入射するレーザ出力を１とおくと、第２段目の増幅器１１により３倍、第３段目の増幅器１２により６倍、第４段目の増幅器１３により１０倍となり、増幅器１０〜１３で用いる全レーザ強度は２０倍（＝１＋３＋６＋１０）となる。よって、光分割器３により分割するビーム数は２０本の倍数となる。なお、ビーム分割数を多くすると高価な光ファイバ等の部品コストが高くなるので、最適なビーム分割数は２０本程度となる。例えば、円形ビームに対して図１３に示すレンズアレイを用いて、かつ、レンズアレイの角に当たる上下端部の４カ所のエレメントを使用しない場合、全エレメントの個数は２１個となり、上記の最適なビーム分割数に近い条件を得ることできる。
【０００６】
また、パルス的に発振しているレーザ光を効率よく光増幅するために、各増幅器へ照射する光ビームのパルス波形（パルス幅）をほぼ等しく、かつ、色素レーザ光１６が増幅器を通過する同じ時刻に光ビームをその増幅器に入射する必要がある。通常は、光ファイバの長さを調整することにより、各増幅器の光ビームのパルス幅および光ビームと色素レーザ光のパルスタイミングを合わせている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）従来技術の問題点
以上のような従来のパルスレーザ装置においては、励起レーザ装置として銅蒸気レーザ装置を用いた場合、ヘリウムやネオン等の気体を用いて放電によりレーザ発振を起こす。特に、縦放電型の銅蒸気レーザ装置では、放電管の周辺部から中央部に向かって放電が発生するため、光ビームの強度、レーザ発振開始時刻およびレーザ発振時間（パルス幅）が空間的分布を有する。ここで、気体のガス圧力や銅蒸気量等のレーザ媒質の条件が変わると、上記のレーザ特性が変化する。例えば、銅蒸気レーザ装置の場合、ガス圧力が数１０Ｔｏｒｒ変化するとレーザ発振開始時刻ないしはパルス幅は数１０ｎｓ変化する。また、複数の銅蒸気レーザ装置で構成したレーザ多段増幅装置を励起レーザ装置１として用いた場合、各増幅器を通過するレーザ光の位置が変わると、最終段の増幅器から出射されるレーザ特性が変化する。よって、レンズアレイの各エレメントを通過し、色素レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームのパルス立ち上がり時刻とパルス幅が変化する。この際、各増幅器に入射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングがずれ、全ての増幅器のパルス幅が等しくならなくなる。このため、色素レーザ多段増幅装置により高効率的に光増幅を行うことができないという問題点があった。
【０００８】
また、光ファイバの切断により光ファイバ長（ファイバ内のレーザ光の伝播時間：約２０ｃｍ／ｎｓ）を変えて、各増幅器に入射される光ビームのパルス立ち上がり時刻を調整することができるが、切断した光ファイバ端面を研磨する必要があり、切断および取り付けに過大の時間を要するという問題点があった。
【０００９】
また、別の１個の光ファイバを継ぎ足すことにより増幅器への光ビーム１４の伝送時間を長くできるが、この際、２つの光ファイバの接続部により光ビーム１４が効率良く伝送することが難しいため、レーザ強度が低下するという問題があった。
【００１０】
（２）発明の目的
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、励起レーザ装置を複数のレーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくして、高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るパルスレーザ装置は、発振器と複数の増幅器により構成されたレーザ多段増幅装置と、前記複数の増幅器の台数より多くの台数で構成され、励起レーザ光を出射する複数の励起レーザ装置と、前記励起レーザ光を光ファイバ入射口に入射する光結合装置と、前記光ファイバ入射口に入射された励起レーザ光を伝送する複数の光ファイバと、前記光ファイバから出射された光ビームを前記増幅器に照射する１つ以上の光学部品で構成される転写光学系と、基準信号発生装置により発生された基準信号に基づき、前記各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を指令する制御信号の発生時間を調整する複数の設定部を有するレーザ発振制御装置とを備え、前記レーザ発振制御装置は、前記複数の設定部に対応して、光ファイバないしは励起レーザ装置の番号の表示、増幅器の番号の表示、または光ファイバ及び増幅器の番号を同時に表示のうちいずれかの表示をしたものである。
【００１６】
請求項２の発明に係るパルスレーザ装置は、前記励起レーザ装置を、複数の固体レーザ装置により構成したものである。
【００１７】
請求項３の発明に係るパルスレーザ装置は、前記固体レーザ装置のレーザ媒質にＹＡＧを用いたものである。
【００１８】
請求項４の発明に係るパルスレーザ装置は、前記固体レーザ装置の励起レーザ媒質にＹＡＧを用いて、前記励起レーザ装置により発生されたレーザ発振波長を波長変換するための波長変換素子を設けたものである。
【００１９】
請求項５の発明に係るパルスレーザ装置は、前記光結合装置が、前記励起レーザ装置の所定配列に対応した配列からなる単一集光光学系から構成され、前記各光ファイバ入射口が前記集光光学系の集光点に配置されるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面について説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るパルスレーザ装置の構成図である。このパルスレーザ装置は５台の励起レーザ装置１を使用し、縦方向に配置した場合であり、各増幅器に用いる光ファイバ７の本数を、増幅器（ＡＭＰ１）１０で１本、増幅器（ＡＭＰ２）１１で１本、増幅器（ＡＭＰ３）１２で１本、増幅器（ＡＭＰ４）１３で２本とした。１８はレーザ発振制御装置、１９は設定部、２０は制御信号、２１は基準信号発生装置、２２は基準信号、２３は例えばＡ〜Ｅの記号で表した光ファイバの番号である。図１では、これらの番号を複数の設定部１９の下側に記号を配置した場合を示すが、上側ないしは左右側に配置してもよい。
【００２２】
なお、上述の説明では、光ファイバ７に番号を付ける場合を述べたが、励起レーザ装置１と光ファイバ７は１対１に対応しているので、図１に示すように励起レーザ装置１に番号を付けてもよい。
【００２３】
次に、この実施の形態１の動作について説明する。図１により、基準信号発生装置２１により発生される基準信号２２を設定部１９に入力する。この基準信号２２を基準にして、レーザ発振制御装置１８によりレーザ発振開始時刻を指令する制御信号２０を発生し、設定部１９の設定を変えることにより、制御信号２０を調整し、この制御信号２０を各励起レーザ装置１に出力する。各励起レーザ装置１はこの制御信号２０により設定された所定の時刻にレーザ発振を起こす。設定部１９は、電気的ないしは光学的な回路により構成される。
【００２４】
ここで、各増幅器１０〜１３へ照射される光ビームのパルスタイミングがずれた場合、レーザ光１６の強度が低下するので、レーザ光１６の強度が最大になるように、設定部１９により各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を調整する。
【００２５】
以下に、この手順を述べる。まず、レーザ光１６を測定するため、図示しないパワーメータ等のレーザ強度検出器をレーザ多段増幅装置８の最終段の増幅器１３の出射口に配置し、これにレーザ多段増幅装置８から出射されるレーザ光１６を入射する。次に、前段の増幅器から順次後段の増幅器の設定部１９の調整を行う。増幅器１０の調整時に、増幅器１１、増幅器１２と増幅器１３に光ビームを供給する励起レーザ装置の運転を停止して各増幅器に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｅ）によりＡＭＰ１に対応する励起レーザ装置１（Ｅ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。その後、以下の手順を繰り返す。増幅器１１の調整時に、上記と同様に、増幅器１２と増幅器１３に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｄ）により増幅器１１に対応する励起レーザ装置１（Ｄ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。増幅器１２の調整時に、増幅器１３に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｃ）により増幅器１２に対応する励起レーザ装置１（Ｃ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。最後に、増幅器１３の調整時に、設定部１９（ＢとＡ）により増幅器１３に対応する励起レーザ装置１（ＢとＡ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。例えば、設定部１９（Ｂ）により、レーザ光の強度が最大となるように設定した後、設定部１９（Ａ）により、レーザ光の強度が最大となるように調整する。
【００２６】
同型の励起レーザ装置を用いた場合、各励起レーザ光２のパルス幅は等しい。よって、レーザ発振制御装置１８の設定部１９の調整を行い、各励起レーザ光２が所定の増幅器まで伝送される時間を一致させることにより、各増幅器のパルス波形（パルス幅）を等しくすることができる。また、同型の励起レーザ装置を用いた場合、保守の点で部品の交換が容易になる。
【００２７】
また、図１に示すように、設定を行う光ファイバ７の番号（Ａ〜Ｅ）をその設定部の近くに表示すると、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部の操作のミスを防止できる。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１によれば、励起レーザ装置１を複数のレーザ装置１（Ａ〜Ｅ）により構成し、各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器１０〜１３へ照射される光ビーム１４と光増幅される色素レーザ光１６のパルスタイミングを合わせて、各増幅器１０〜１３に入射される光ビーム１４のパルス幅を等しくすることができるので、高出力かつ高指向性なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００２９】
また、設定を行う光ファイバ７の番号をその設定部１９の近くに表示すると、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００３０】
なお、上記実施の形態１では、パルスレーザ装置として、色素レーザ多段増幅装置に対して説明したが、例えば、複数の光ファイバ７を用いたレーザ加工装置やレーザ医療装置であってもよく、上記と同様の効果を奏する。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、光ビーム１４を各増幅器の片側から照射した場合に対して説明したが、光ビーム１４を各増幅器１０〜１３の両側から照射した場合でも、上記と同様の効果を奏する。
【００３２】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２によるパルスレーザ装置の構成図である。図２では、レーザ発振制御装置１８、基準信号発生装置２１および励起レーザ装置１以外の部分は図１と同様であるため省略した。２４は、例えば、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４の記号で示した各増幅器の番号である。図２４では、これらの番号を複数の設定部１９の下側に記号を配置した場合を示しているが、上側ないしは左右に配置してもよい。
【００３３】
次に、この実施の形態２の動作について説明する。各励起レーザ装置に対するレーザ発振制御装置１８の設定の手順は、上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。図１で述べた光ファイバ７の番号２３と同様に、設定を行う増幅器１０〜１３の番号２４をその設定部１９の近くに表示すると、これらの番号により設定部１９と増幅器１０〜１３の対応が分かるので、設定部１９の操作のミスを防止できる。なお、設定する光ファイバ７の番号および増幅器１０〜１３の番号を設定部１９の近くに表示してもよい。
【００３４】
以上のように、この実施の形態２によれば、設定を行う増幅器１０〜１３の番号をその設定部１９の近くに表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００３５】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態３は、例えば２５台の励起レーザ装置１を用いて、縦方向に５台、横方向に５台配置した場合である。図３では、レーザ発振制御装置１８、基準信号発生装置２１および励起レーザ装置１以外の部分は図１と同様であるので省略した。２３は、Ａ〜Ｅおよび１〜５の記号の組み合わせ（例えば、Ａ１〜Ａ５、Ｂ１〜Ｂ５、Ｃ１〜Ｃ５、Ｅ１〜Ｅ５）で示す光ファイバの番号である。図３では、これらの番号を複数の設定部１９の左側および下側に記号を配置した場合を示すが、上側ないしは左右に配置してもよい。
【００３６】
なお、上記説明では、光ファイバに番号を付ける場合を述べたが、励起レーザ装置１と光ファイバは１対１に対応しているので、図３に示すように、励起レーザ装置１に番号を付けてもよい。
【００３７】
次に、この実施の形態３の動作について説明する。各励起レーザ装置１に対するレーザ発振制御装置１８の設定の手順は、上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図３では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される各励起レーザ光２を伝送する光ファイバの番号２３を、設定を行う設定部１９の左側と下側に表示する。この際、設定部１９に表示する光ファイバの番号２３と光ファイバの配置（Ａ１〜Ｅ５）を対応して表示する。
【００３９】
以上のように、この実施の形態３によれば、励起レーザ装置１を２次元的に配置した場合、設定を行う光ファイバの番号をその設定部１９の近くに２次元的に表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバの対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００４０】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態４では、励起レーザ装置１の台数が２２台で、図４に示したように、２２本の光ファイバを用いた場合であり、各増幅器に用いる光ファイバ本数をＡＭＰ１で２本、ＡＭＰ２で４本、ＡＭＰ３で６本、ＡＭＰ４で１０本とした場合である。２４は、例えば、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４の記号で示す増幅器の番号である。図４では、これらの番号を複数の設定部１９の上側に記号を配置した場合を示すが、下側に配置してもよい。
【００４１】
図５は、この実施の形態４の他のパルスレーザ装置の構成図である。図４により述べたように、２２本の光ファイバを用いる場合であり、設定部１９を１列ないしは複数列に配置し、その設定部１９の左側に、１個のＡＭＰ１からＡＭＰ４の記号を表示した。図４では、これらの番号を複数の設定部１９の左側に記号を配置した場合を示すが、右側ないしは上下側に配置してもよい。
【００４２】
図４では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の上側に表示する。この際、各増幅器に対応する設定部１９を１列に配置し、各々の設定部１９に１個の増幅器の番号を表示する。
【００４３】
図５では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の右側に表示する。この際、各増幅器に対応する設定部１９を１群（１列ないしは複数の列）に配置し、１群の設定部１９に１個の増幅器の番号を表示する。
【００４４】
以上のように、この実施の形態４によれば、励起レーザ装置を２次元的に配置した場合、設定を行う増幅器の番号をその設定部１９の近くに２次元的に表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止できる。
【００４５】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態５は、図５により示した設定部１９に表示する増幅器の番号２４に加えて、図４に示した光ファイバの番号２３（Ａ１〜Ｅ２）を各設定部１９の上側に表示した場合である。図６では、これらの番号を複数の設定部１９の上側に記号を配置した場合を示すが、下側ないしは左右側に配置してもよい。
【００４６】
図６では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の右側に表示する。同時に、励起レーザ光２を伝送する光ファイバの番号２３を、設定を行う設定部１９の上側に表示する。この際、増幅器の番号２４は、図５と同様に表示し、各々の設定部１９に１個の光ファイバの番号２３を表示する。
【００４７】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６によるレーザ装置の構成図である。この実施の形態６では、励起レーザ装置１として用いる固体レーザ装置以外の部分は図１と同様であるので、１個の励起レーザ装置１以外の部分は省略した。図７では、例えば、レーザ媒質の側面から半導体レーザ光を照射する半導体励起固体レーザ装置を示す。２５は固体レーザ装置、２６はＹＡＧ（構造式：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、リサフ（ＬｉＳｒＡｉＦ６）、チタンサファイヤ等の結晶を用いたレーザ媒質、２７は半導体レーザ、２８は半導体レーザを駆動する電源、２９および３０はレーザ光をレーザ媒質２６内に閉じ込める共振器ミラーであり、２９は発振波長に対して全反射するミラー、３０は発振波長に対して部分透過するミラーである。
【００４８】
図８と図９は、本実施の形態６による他のレーザ装置の構成図であり、励起レーザ装置１の以外の部分は省略した。これらの図８および９において、レーザ装置の構成要素２５〜３０は図７とほぼ同様のものであり、３１は固体レーザ装置により発生されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子である。例えば、１／２倍の波長を得る際には、ＫＴＰ（構造式：ＫＴｉＯＰＯ４）、ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４）、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）等のＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶が用いられる。図８は、波長変換素子３１を共振器ミラー３０の外部に置いた場合であり、図９は、波長変換素子３１を共振器ミラー３０の内部に置いた場合である。図９において、３２は固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光である。
【００４９】
次に、この実施の形態６の動作について説明する。図７において、図示しない基準信号発生装置２１とレーザ発振制御装置１８（図１参照）の動作は上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。まず、レーザ発振制御装置１８により発生されたレーザ発振開始時刻を指令する制御信号２０を半導体レーザ駆動電源２８に入力する。この信号に従い、半導体レーザ駆動電源２８から半導体レーザ２７に電力が供給され、半導体レーザ光が発生する。次に、このレーザ光をＹＡＧ等により構成したレーザ媒質２６の側面に入射する。このレーザ光はレーザ媒質２６に吸収され、レーザ媒質２６は吸収したエネルギーを半導体レーザ光とは異なる波長のレーザ光として放出する。この放出されたレーザ光を共振器ミラー２９および３０によりレーザ媒質２６内に閉じ込めて光増幅を行うと同時に、このレーザ光を部分透過ミラーよりなる共振器ミラー３０側から一部を取り出すことにより励起レーザ光２を得る。
【００５０】
図７では、レーザ媒質２６の側面から半導体レーザ光を照射する場合について示したが、レーザ媒質２６の片端に配置した共振器ミラー２９の外側に半導体レーザ２７を配置し、共振器ミラー２９を通して半導体レーザ光をレーザ媒質２６に照射してもよい。但し、この場合、半導体レーザ光が通過するように、半導体レーザ光に対する共振器ミラー２９の透過率を設定する。
【００５１】
また、図８および図９において、固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光３２を波長変換素子３１に入射する。この際、ＳＨＧを効率よく発生するために、レーザ入射角と波長変換素子３１の温度を調整し、固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光３２の入射角を波長変換素子３１の位相整合角に合うように設定する。
【００５２】
最近、固体レーザ装置２５と波長変換素子３１を組み合わせた固体レーザ装置の研究が盛んに行われている。銅蒸気レーザ装置の場合、発振波長は５１０ｎｍと５７８ｎｍであり、レーザ装置の長さが約３０００ｃｍの場合に出力５００Ｗ程度のレーザ光が得られるが、径方向にレーザビーム強度分布を有する欠点がある。これに対して、ＹＡＧを用いた固体レーザ装置では、発振波長は１０６０ｎｍであり、レーザ媒質長が約３０ｃｍの場合に、出力１００Ｗ程度の一様なビーム強度を有するレーザ光を得ることができる。ここで、ＳＨＧにＫＴＰを用いてＹＡＧレーザ光を２倍波変換する場合の変換効率はほぼ５０％以下であるので、ＹＡＧレーザ装置とＳＨＧを組み合わせることにより、発振波長５３２ｎｍにて５０Ｗのレーザ出力が得られる。従って、上記の銅蒸気レーザの約５００Ｗ程度までのレーザ出力を得るには、１０個の半導体励起固体レーザ装置が必要であるが、装置長さは１／１００となるので、全装置寸法は１／１０となり、レーザ装置がコンパクトになる。この際、１０個の半導体励起固体レーザ装置を２次元的に配置すれば、さらなるコンパクト化を図ることができる。
【００５３】
なお、可視レーザ光の場合、１本の光ファイバに入射できるレーザ出力の最大値は２００Ｗ程度であるので、上述した５０Ｗ以下の出力を１個の光ファイバに入射することは問題ない。
【００５４】
ここで、各増幅器へ照射される光ビームのパルスタイミングがずれた場合、レーザ光１６の強度が低下するので、レーザ光１６の強度が最大になるように、設定部１９により各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を調整する。但し、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅の調整手順は上記実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。同型の固体レーザ装置を用いた場合、励起レーザ光２のパルス幅は等しい。従って、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻をレーザ発振制御装置１８により設定し、レーザ多段増幅装置８を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせることにより、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくできる。
【００５５】
以上のように、この実施の形態６によれば、励起レーザ装置を複数の固体レーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくし、コンパクトでかつ高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
図１０は、この発明の実施の形態７によるパルスーザ装置に用いる光結合装置の構成図であり、励起レーザ装置１と光結合装置５以外の部分は省略した。３３は全反射ミラーであり、これ以外の構成は上図１の上記実施の形態１と同様である。
【００５７】
図１１は、この実施の形態７の光結合装置５に用いる集光光学系の構成図である。本実施の形態７の集光光学系は、図３に示した２次元的に配置した励起レーザ装置の配列に対応して、集光レンズを縦方向に５個、横方向に５個配置して一体化した場合である。３７はレンズアレイ、３４は１個の凸レンズ等により構成した集光レンズであるが、複数のレンズを組み合わせてることにより集光レンズを構成してもよい。図１１において、３５は集光レンズ３４の固定板、３６は固定板３５を保持する支持枠である。レーザ多段増幅装置８（図１参照）を構成する全ての増幅器に必要な光ファイバの本数により、集光光学系の集光レンズ３４の個数と配置を決める。
【００５８】
なお、図１１には、支持枠３６により集光レンズ３４を一体化する場合を示したが、上述した図１３の光分割器３の１例として示したレンズアレイを用いてもよい。
【００５９】
次に、この実施の形態７の動作について説明する。図１０では、１次元的に５個の集光レンズを一体化した光結合装置５を用いて、５本の励起レーザ光２を光ファイバ７に入射する場合を示し、また、各レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）が集光光学系３７より大きい場合を示す。この際、集光光学系３７の各集光レンズ３４に励起レーザ光２を直接入射できないので、複数のレーザ装置１から出射された各励起レーザ光２を１枚ないしは複数の全反射ミラー３３により集光光学系３７まで伝送する。全反射ミラー３３はアルミ蒸着ないしは誘電体蒸着により製作される。なお、各レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）が集光光学系３７より小さい場合は、集光光学系３７の入口に複数のレーザ装置１（Ａ〜Ｅ）を配置することができ、全反射ミラー３３が不要となる。
【００６０】
図１１では、円形の集光レンズ３４を固定板３５に取り付け、次に、この固定板３５を支持枠３６に取り付けた場合を示す。集光光学系３７に入射した各々の励起レーザ光２を集光レンズ３４により集光する。この集光レンズ３４により集光されたレーザ光４の集光点に光ファイバ７の入射口６を配置することにより、１本のレーザ光４を１個の光ファイバ７に入射させる。
【００６１】
以上のように、この実施の形態７によれば、複数の集光レンズ３４を一体化した集光光学系３７を用いて光結合装置５を構成することにより、光結合装置５がコンパクトになり、コンパクトなパルスレーザ装置を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、励起レーザ装置を複数のレーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくして、高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができるものである。
【００６３】
また、設定を行う光ファイバの番号ないしは励起レーザ装置の番号をその設定部の近くに表示すると、視覚的に、設定部と光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止することができる。
【００６４】
さらに、設定を行う増幅器の番号をその設定部の近くに表示することにより、視覚的に、設定部と増幅器に対応する光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止することができる。
【００６５】
また、設定を行う光ファイバの番号と増幅器の番号を設定部の近くに同時に表示することにより、設定部の操作ミスを確実に防止できる。
【００６６】
さらに、励起レーザ装置を複数の固体レーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻をレーザ発振制御装置により設定することにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくし、コンパクトでかつ高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００６７】
また、固体レーザ装置の励起レーザ媒質にＹＡＧを用いて、励起レーザ装置により発生されたレーザ発振波長を波長変換するための波長変換素子を設けたので、一様なビーム強度を有するレーザ光を得ることができ、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【００６８】
さらに、光結合装置を、励起レーザ装置の所定配列に対応した配列からなる単一集光光学系（すなわち複数の集光レンズを一体化した集光光学系）から構成することにより、光結合装置がコンパクトになり、コンパクトなパルスレーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のパルスレーザ装置の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態２のパルスレーザ装置の構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態３のパルスレーザ装置の構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態４パルスレーザ装置の構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態５のパルスレーザ装置の構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態６のパルスレーザ装置の構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態６の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態６の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７のパルスーザ装置に用いる光結合装置の構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態７の光結合装置に用いる集光光学系の構造図である。
【図１２】 従来の色素パルスレーザ装置の構成を簡略化して示す図である。
【図１３】 光分割器の１例としてのレンズアレイの構造図である。
【図１４】 １段目から４段目の増幅器に入射する光ビームの強度割合を示す図である。
【符号の説明】
１ 励起レーザ装置、２ 励起レーザ光、３ 光分割器、４ レーザ光、５ 光結合装置、６ 光ファイバ入射口、７ 光ファイバ、８ レーザ多段増幅装置、９ 発振器、１０ 増幅器、１１ 増幅器、１２ 増幅器、１３ 増幅器、１４ 光ビーム、１５ 転写光学系、１６ レーザ光、１８ レーザ発振制御装置、１９ 設定部、２０ 制御信号、２１ 基準信号発生装置、２２ 基準信号、２３ 光ファイバの番号、２５ 固体レーザ装置、２６ レーザ媒質、２７ 半導体レーザ、２８ 半導体レーザ駆動電源、２９、 ３０ 共振器ミラー、３１波長変換素子、３２ 固体レーザ装置から出射されたレーザ光、３３ 全反射ミラー、３４ 集光レンズ、３５ 固定板、３６ 支持枠、３７ 集光光学系。
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、光増幅を利用して高出力かつ高指向性なレーザ光を得るパルスレーザ装置に関するもので、詳しくは、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器に入射する光ビームのレーザ発振開始時刻およびパルス幅を制御する手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（１）従来技術の構成
発振器と複数個の増幅器により構成されるレーザ多段増幅装置は、発振器により発生された指向性の良いレーザ光を光増幅により高出力のレーザ光にできるため、穴あけ、溶接、切断等の加工や同位体分離等の光化学反応に用いることができる。特に、パルス発振を行う銅蒸気レーザを励起源とした色素レーザ多段増幅装置は、ｋＷ級の高出力かつ高指向性レーザ光を得ることができ、レーザ同位体分離等に適用されている。
【０００３】
図１２は、例えば、特開平８−９７４９３号公報に記載された従来の色素レーザ多段増幅システムの構成を簡略化して示すものである。図１２において、１はパルス発振を行う銅蒸気レーザ装置等の励起レーザ装置であり、最大１００ｍｍ程度の大口径ビームを発生する。２はレーザから出射された励起レーザ光、３は励起レーザ光２を複数のビームに分割かつ集光するレンズアレイ等により構成した光分割器、４は分割かつ集光された光ビーム、５は光ビーム４を光ファイバ入射口に入れる光結合装置、６は光ビーム４を入射する光ファイバ入射口、７は光ファイバ入射口６に入射した光ビームを色素レーザ多段増幅装置８まで伝送する複数の光ファイバ、９は指向性の良いレーザ光を発生する発振器、１０〜１３は発振器から出射されるレーザ光を光増幅する４個の増幅器である。１０は第１段目の増幅器、１１は第２段目の増幅器、１２は第３段目の増幅器、１３は第４段目の増幅器である。１４は光ファイバから出射される光ビーム、１５は光ビーム１４を発振器９ないしは増幅器１０〜１３に照射する１枚ないしは複数の光学部品で構成した転写光学系、１６は光増幅された色素レーザ光である。 図１３は、光結合装置に用いた分割器の一例としての矩形状のレンズアレイの構成図であり、矩形の集光レンズをＸ方向に５個、Ｙ方向に５個並べて構成した場合を示している。１７はレンズアレイを構成するエレメントであり、エレメントの１辺の長さは２０ｍｍ程度で、１つのエレメントを通過したビームが１本の光ファイバに入射される。
【０００４】
（２）従来技術の動作
次に上記従来例の動作について説明する。励起レーザ装置１から出射された励起レーザ光２を光分割器３により複数の光ビーム４に分割して集光する。この光ビーム４を光結合装置５により光ファイバ入射口６から複数の光ファイバ７に入射する。光ファイバ７から出射された光ビーム１４を転写光学系１５により縮小し、増幅器１０〜１３の色素溶液が流れている領域に照射する。このレーザ光は色素溶液中の色素分子にエネルギーを与えて上記色素分子を励起する。この際、発振器９で発生した高指向性なレーザ光を順次増幅器１０〜１３に通過させると、上記色素分子のエネルギーを吸収しながら光増幅が起こり、パルス発振を行う高指向性な色素レーザ光１６を発生することができる。
【０００５】
ここで、レーザ出力が数１００Ｗ〜ｋＷ級の色素レーザ多段増幅装置において最大のレーザ出力を得るためには、１段目から４段目の増幅器１０〜１３に入射する光ビームの強度を、図１４で示す強度割合に設定する必要がある。第１段目の増幅器１０に入射するレーザ出力を１とおくと、第２段目の増幅器１１により３倍、第３段目の増幅器１２により６倍、第４段目の増幅器１３により１０倍となり、増幅器１０〜１３で用いる全レーザ強度は２０倍（＝１＋３＋６＋１０）となる。よって、光分割器３により分割するビーム数は２０本の倍数となる。なお、ビーム分割数を多くすると高価な光ファイバ等の部品コストが高くなるので、最適なビーム分割数は２０本程度となる。例えば、円形ビームに対して図１３に示すレンズアレイを用いて、かつ、レンズアレイの角に当たる上下端部の４カ所のエレメントを使用しない場合、全エレメントの個数は２１個となり、上記の最適なビーム分割数に近い条件を得ることできる。
【０００６】
また、パルス的に発振しているレーザ光を効率よく光増幅するために、各増幅器へ照射する光ビームのパルス波形（パルス幅）をほぼ等しく、かつ、色素レーザ光１６が増幅器を通過する同じ時刻に光ビームをその増幅器に入射する必要がある。通常は、光ファイバの長さを調整することにより、各増幅器の光ビームのパルス幅および光ビームと色素レーザ光のパルスタイミングを合わせている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）従来技術の問題点
以上のような従来のパルスレーザ装置においては、励起レーザ装置として銅蒸気レーザ装置を用いた場合、ヘリウムやネオン等の気体を用いて放電によりレーザ発振を起こす。特に、縦放電型の銅蒸気レーザ装置では、放電管の周辺部から中央部に向かって放電が発生するため、光ビームの強度、レーザ発振開始時刻およびレーザ発振時間（パルス幅）が空間的分布を有する。ここで、気体のガス圧力や銅蒸気量等のレーザ媒質の条件が変わると、上記のレーザ特性が変化する。例えば、銅蒸気レーザ装置の場合、ガス圧力が数１０Ｔｏｒｒ変化するとレーザ発振開始時刻ないしはパルス幅は数１０ｎｓ変化する。また、複数の銅蒸気レーザ装置で構成したレーザ多段増幅装置を励起レーザ装置１として用いた場合、各増幅器を通過するレーザ光の位置が変わると、最終段の増幅器から出射されるレーザ特性が変化する。よって、レンズアレイの各エレメントを通過し、色素レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームのパルス立ち上がり時刻とパルス幅が変化する。この際、各増幅器に入射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングがずれ、全ての増幅器のパルス幅が等しくならなくなる。このため、色素レーザ多段増幅装置により高効率的に光増幅を行うことができないという問題点があった。
【０００８】
また、光ファイバの切断により光ファイバ長（ファイバ内のレーザ光の伝播時間：約２０ｃｍ／ｎｓ）を変えて、各増幅器に入射される光ビームのパルス立ち上がり時刻を調整することができるが、切断した光ファイバ端面を研磨する必要があり、切断および取り付けに過大の時間を要するという問題点があった。
【０００９】
また、別の１個の光ファイバを継ぎ足すことにより増幅器への光ビーム１４の伝送時間を長くできるが、この際、２つの光ファイバの接続部により光ビーム１４が効率良く伝送することが難しいため、レーザ強度が低下するという問題があった。
【００１０】
（２）発明の目的
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、励起レーザ装置を複数のレーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくして、高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るパルスレーザ装置は、発振器と複数の増幅器により構成されたレーザ多段増幅装置と、前記複数の増幅器の台数より多くの台数で構成され、励起レーザ光を出射する複数の励起レーザ装置と、前記励起レーザ光を光ファイバ入射口に入射する光結合装置と、前記光ファイバ入射口に入射された励起レーザ光を伝送する複数の光ファイバと、前記光ファイバから出射された光ビームを前記増幅器に照射する１つ以上の光学部品で構成される転写光学系と、基準信号発生装置により発生された基準信号に基づき、前記各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を指令する制御信号の発生時間を調整する複数の設定部を有するレーザ発振制御装置とを備え、前記レーザ発振制御装置は、前記複数の設定部に対応して、光ファイバないしは励起レーザ装置の番号の表示、増幅器の番号の表示、または光ファイバ及び増幅器の番号を同時に表示のうちいずれかの表示をしたものである。
【００１６】
請求項２の発明に係るパルスレーザ装置は、前記励起レーザ装置を、複数の固体レーザ装置により構成したものである。
【００１７】
請求項３の発明に係るパルスレーザ装置は、前記固体レーザ装置のレーザ媒質にＹＡＧを用いたものである。
【００１８】
請求項４の発明に係るパルスレーザ装置は、前記固体レーザ装置の励起レーザ媒質にＹＡＧを用いて、前記励起レーザ装置により発生されたレーザ発振波長を波長変換するための波長変換素子を設けたものである。
【００１９】
請求項５の発明に係るパルスレーザ装置は、前記光結合装置が、前記励起レーザ装置の所定配列に対応した配列からなる単一集光光学系から構成され、前記各光ファイバ入射口が前記集光光学系の集光点に配置されるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面について説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るパルスレーザ装置の構成図である。このパルスレーザ装置は５台の励起レーザ装置１を使用し、縦方向に配置した場合であり、各増幅器に用いる光ファイバ７の本数を、増幅器（ＡＭＰ１）１０で１本、増幅器（ＡＭＰ２）１１で１本、増幅器（ＡＭＰ３）１２で１本、増幅器（ＡＭＰ４）１３で２本とした。１８はレーザ発振制御装置、１９は設定部、２０は制御信号、２１は基準信号発生装置、２２は基準信号、２３は例えばＡ〜Ｅの記号で表した光ファイバの番号である。図１では、これらの番号を複数の設定部１９の下側に記号を配置した場合を示すが、上側ないしは左右側に配置してもよい。
【００２２】
なお、上述の説明では、光ファイバ７に番号を付ける場合を述べたが、励起レーザ装置１と光ファイバ７は１対１に対応しているので、図１に示すように励起レーザ装置１に番号を付けてもよい。
【００２３】
次に、この実施の形態１の動作について説明する。図１により、基準信号発生装置２１により発生される基準信号２２を設定部１９に入力する。この基準信号２２を基準にして、レーザ発振制御装置１８によりレーザ発振開始時刻を指令する制御信号２０を発生し、設定部１９の設定を変えることにより、制御信号２０を調整し、この制御信号２０を各励起レーザ装置１に出力する。各励起レーザ装置１はこの制御信号２０により設定された所定の時刻にレーザ発振を起こす。設定部１９は、電気的ないしは光学的な回路により構成される。
【００２４】
ここで、各増幅器１０〜１３へ照射される光ビームのパルスタイミングがずれた場合、レーザ光１６の強度が低下するので、レーザ光１６の強度が最大になるように、設定部１９により各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を調整する。
【００２５】
以下に、この手順を述べる。まず、レーザ光１６を測定するため、図示しないパワーメータ等のレーザ強度検出器をレーザ多段増幅装置８の最終段の増幅器１３の出射口に配置し、これにレーザ多段増幅装置８から出射されるレーザ光１６を入射する。次に、前段の増幅器から順次後段の増幅器の設定部１９の調整を行う。増幅器１０の調整時に、増幅器１１、増幅器１２と増幅器１３に光ビームを供給する励起レーザ装置の運転を停止して各増幅器に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｅ）によりＡＭＰ１に対応する励起レーザ装置１（Ｅ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。その後、以下の手順を繰り返す。増幅器１１の調整時に、上記と同様に、増幅器１２と増幅器１３に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｄ）により増幅器１１に対応する励起レーザ装置１（Ｄ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。増幅器１２の調整時に、増幅器１３に入射する光ビームを遮断する。設定部１９（Ｃ）により増幅器１２に対応する励起レーザ装置１（Ｃ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。最後に、増幅器１３の調整時に、設定部１９（ＢとＡ）により増幅器１３に対応する励起レーザ装置１（ＢとＡ）のレーザ発振開始時刻を前後に変化させて、レーザ光１６の強度が最大になるように調整する。例えば、設定部１９（Ｂ）により、レーザ光の強度が最大となるように設定した後、設定部１９（Ａ）により、レーザ光の強度が最大となるように調整する。
【００２６】
同型の励起レーザ装置を用いた場合、各励起レーザ光２のパルス幅は等しい。よって、レーザ発振制御装置１８の設定部１９の調整を行い、各励起レーザ光２が所定の増幅器まで伝送される時間を一致させることにより、各増幅器のパルス波形（パルス幅）を等しくすることができる。また、同型の励起レーザ装置を用いた場合、保守の点で部品の交換が容易になる。
【００２７】
また、図１に示すように、設定を行う光ファイバ７の番号（Ａ〜Ｅ）をその設定部の近くに表示すると、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部の操作のミスを防止できる。
【００２８】
以上のように、本実施の形態１によれば、励起レーザ装置１を複数のレーザ装置１（Ａ〜Ｅ）により構成し、各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器１０〜１３へ照射される光ビーム１４と光増幅される色素レーザ光１６のパルスタイミングを合わせて、各増幅器１０〜１３に入射される光ビーム１４のパルス幅を等しくすることができるので、高出力かつ高指向性なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００２９】
また、設定を行う光ファイバ７の番号をその設定部１９の近くに表示すると、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００３０】
なお、上記実施の形態１では、パルスレーザ装置として、色素レーザ多段増幅装置に対して説明したが、例えば、複数の光ファイバ７を用いたレーザ加工装置やレーザ医療装置であってもよく、上記と同様の効果を奏する。
【００３１】
また、上記実施の形態１では、光ビーム１４を各増幅器の片側から照射した場合に対して説明したが、光ビーム１４を各増幅器１０〜１３の両側から照射した場合でも、上記と同様の効果を奏する。
【００３２】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２によるパルスレーザ装置の構成図である。図２では、レーザ発振制御装置１８、基準信号発生装置２１および励起レーザ装置１以外の部分は図１と同様であるため省略した。２４は、例えば、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４の記号で示した各増幅器の番号である。図２４では、これらの番号を複数の設定部１９の下側に記号を配置した場合を示しているが、上側ないしは左右に配置してもよい。
【００３３】
次に、この実施の形態２の動作について説明する。各励起レーザ装置に対するレーザ発振制御装置１８の設定の手順は、上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。図１で述べた光ファイバ７の番号２３と同様に、設定を行う増幅器１０〜１３の番号２４をその設定部１９の近くに表示すると、これらの番号により設定部１９と増幅器１０〜１３の対応が分かるので、設定部１９の操作のミスを防止できる。なお、設定する光ファイバ７の番号および増幅器１０〜１３の番号を設定部１９の近くに表示してもよい。
【００３４】
以上のように、この実施の形態２によれば、設定を行う増幅器１０〜１３の番号をその設定部１９の近くに表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバ７の対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００３５】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態３は、例えば２５台の励起レーザ装置１を用いて、縦方向に５台、横方向に５台配置した場合である。図３では、レーザ発振制御装置１８、基準信号発生装置２１および励起レーザ装置１以外の部分は図１と同様であるので省略した。２３は、Ａ〜Ｅおよび１〜５の記号の組み合わせ（例えば、Ａ１〜Ａ５、Ｂ１〜Ｂ５、Ｃ１〜Ｃ５、Ｅ１〜Ｅ５）で示す光ファイバの番号である。図３では、これらの番号を複数の設定部１９の左側および下側に記号を配置した場合を示すが、上側ないしは左右に配置してもよい。
【００３６】
なお、上記説明では、光ファイバに番号を付ける場合を述べたが、励起レーザ装置１と光ファイバは１対１に対応しているので、図３に示すように、励起レーザ装置１に番号を付けてもよい。
【００３７】
次に、この実施の形態３の動作について説明する。各励起レーザ装置１に対するレーザ発振制御装置１８の設定の手順は、上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図３では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される各励起レーザ光２を伝送する光ファイバの番号２３を、設定を行う設定部１９の左側と下側に表示する。この際、設定部１９に表示する光ファイバの番号２３と光ファイバの配置（Ａ１〜Ｅ５）を対応して表示する。
【００３９】
以上のように、この実施の形態３によれば、励起レーザ装置１を２次元的に配置した場合、設定を行う光ファイバの番号をその設定部１９の近くに２次元的に表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバの対応が分かるので、設定部１９の操作ミスを防止できる。
【００４０】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態４では、励起レーザ装置１の台数が２２台で、図４に示したように、２２本の光ファイバを用いた場合であり、各増幅器に用いる光ファイバ本数をＡＭＰ１で２本、ＡＭＰ２で４本、ＡＭＰ３で６本、ＡＭＰ４で１０本とした場合である。２４は、例えば、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ４の記号で示す増幅器の番号である。図４では、これらの番号を複数の設定部１９の上側に記号を配置した場合を示すが、下側に配置してもよい。
【００４１】
図５は、この実施の形態４の他のパルスレーザ装置の構成図である。図４により述べたように、２２本の光ファイバを用いる場合であり、設定部１９を１列ないしは複数列に配置し、その設定部１９の左側に、１個のＡＭＰ１からＡＭＰ４の記号を表示した。図４では、これらの番号を複数の設定部１９の左側に記号を配置した場合を示すが、右側ないしは上下側に配置してもよい。
【００４２】
図４では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の上側に表示する。この際、各増幅器に対応する設定部１９を１列に配置し、各々の設定部１９に１個の増幅器の番号を表示する。
【００４３】
図５では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の右側に表示する。この際、各増幅器に対応する設定部１９を１群（１列ないしは複数の列）に配置し、１群の設定部１９に１個の増幅器の番号を表示する。
【００４４】
以上のように、この実施の形態４によれば、励起レーザ装置を２次元的に配置した場合、設定を行う増幅器の番号をその設定部１９の近くに２次元的に表示することにより、視覚的に、設定部１９と光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止できる。
【００４５】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５によるパルスレーザ装置の構成図である。この実施の形態５は、図５により示した設定部１９に表示する増幅器の番号２４に加えて、図４に示した光ファイバの番号２３（Ａ１〜Ｅ２）を各設定部１９の上側に表示した場合である。図６では、これらの番号を複数の設定部１９の上側に記号を配置した場合を示すが、下側ないしは左右側に配置してもよい。
【００４６】
図６では、２次元的に配置した励起レーザ装置１から出射される励起レーザ光２を入射する増幅器の番号２４を、設定を行う設定部１９の右側に表示する。同時に、励起レーザ光２を伝送する光ファイバの番号２３を、設定を行う設定部１９の上側に表示する。この際、増幅器の番号２４は、図５と同様に表示し、各々の設定部１９に１個の光ファイバの番号２３を表示する。
【００４７】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６によるレーザ装置の構成図である。この実施の形態６では、励起レーザ装置１として用いる固体レーザ装置以外の部分は図１と同様であるので、１個の励起レーザ装置１以外の部分は省略した。図７では、例えば、レーザ媒質の側面から半導体レーザ光を照射する半導体励起固体レーザ装置を示す。２５は固体レーザ装置、２６はＹＡＧ（構造式：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、リサフ（ＬｉＳｒＡｉＦ６）、チタンサファイヤ等の結晶を用いたレーザ媒質、２７は半導体レーザ、２８は半導体レーザを駆動する電源、２９および３０はレーザ光をレーザ媒質２６内に閉じ込める共振器ミラーであり、２９は発振波長に対して全反射するミラー、３０は発振波長に対して部分透過するミラーである。
【００４８】
図８と図９は、本実施の形態６による他のレーザ装置の構成図であり、励起レーザ装置１の以外の部分は省略した。これらの図８および９において、レーザ装置の構成要素２５〜３０は図７とほぼ同様のものであり、３１は固体レーザ装置により発生されたレーザ光の波長を変換する波長変換素子である。例えば、１／２倍の波長を得る際には、ＫＴＰ（構造式：ＫＴｉＯＰＯ４）、ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４）、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）等のＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶が用いられる。図８は、波長変換素子３１を共振器ミラー３０の外部に置いた場合であり、図９は、波長変換素子３１を共振器ミラー３０の内部に置いた場合である。図９において、３２は固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光である。
【００４９】
次に、この実施の形態６の動作について説明する。図７において、図示しない基準信号発生装置２１とレーザ発振制御装置１８（図１参照）の動作は上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。まず、レーザ発振制御装置１８により発生されたレーザ発振開始時刻を指令する制御信号２０を半導体レーザ駆動電源２８に入力する。この信号に従い、半導体レーザ駆動電源２８から半導体レーザ２７に電力が供給され、半導体レーザ光が発生する。次に、このレーザ光をＹＡＧ等により構成したレーザ媒質２６の側面に入射する。このレーザ光はレーザ媒質２６に吸収され、レーザ媒質２６は吸収したエネルギーを半導体レーザ光とは異なる波長のレーザ光として放出する。この放出されたレーザ光を共振器ミラー２９および３０によりレーザ媒質２６内に閉じ込めて光増幅を行うと同時に、このレーザ光を部分透過ミラーよりなる共振器ミラー３０側から一部を取り出すことにより励起レーザ光２を得る。
【００５０】
図７では、レーザ媒質２６の側面から半導体レーザ光を照射する場合について示したが、レーザ媒質２６の片端に配置した共振器ミラー２９の外側に半導体レーザ２７を配置し、共振器ミラー２９を通して半導体レーザ光をレーザ媒質２６に照射してもよい。但し、この場合、半導体レーザ光が通過するように、半導体レーザ光に対する共振器ミラー２９の透過率を設定する。
【００５１】
また、図８および図９において、固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光３２を波長変換素子３１に入射する。この際、ＳＨＧを効率よく発生するために、レーザ入射角と波長変換素子３１の温度を調整し、固体レーザ装置２５から出射されたレーザ光３２の入射角を波長変換素子３１の位相整合角に合うように設定する。
【００５２】
最近、固体レーザ装置２５と波長変換素子３１を組み合わせた固体レーザ装置の研究が盛んに行われている。銅蒸気レーザ装置の場合、発振波長は５１０ｎｍと５７８ｎｍであり、レーザ装置の長さが約３０００ｃｍの場合に出力５００Ｗ程度のレーザ光が得られるが、径方向にレーザビーム強度分布を有する欠点がある。これに対して、ＹＡＧを用いた固体レーザ装置では、発振波長は１０６０ｎｍであり、レーザ媒質長が約３０ｃｍの場合に、出力１００Ｗ程度の一様なビーム強度を有するレーザ光を得ることができる。ここで、ＳＨＧにＫＴＰを用いてＹＡＧレーザ光を２倍波変換する場合の変換効率はほぼ５０％以下であるので、ＹＡＧレーザ装置とＳＨＧを組み合わせることにより、発振波長５３２ｎｍにて５０Ｗのレーザ出力が得られる。従って、上記の銅蒸気レーザの約５００Ｗ程度までのレーザ出力を得るには、１０個の半導体励起固体レーザ装置が必要であるが、装置長さは１／１００となるので、全装置寸法は１／１０となり、レーザ装置がコンパクトになる。この際、１０個の半導体励起固体レーザ装置を２次元的に配置すれば、さらなるコンパクト化を図ることができる。
【００５３】
なお、可視レーザ光の場合、１本の光ファイバに入射できるレーザ出力の最大値は２００Ｗ程度であるので、上述した５０Ｗ以下の出力を１個の光ファイバに入射することは問題ない。
【００５４】
ここで、各増幅器へ照射される光ビームのパルスタイミングがずれた場合、レーザ光１６の強度が低下するので、レーザ光１６の強度が最大になるように、設定部１９により各励起レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）のレーザ発振開始時刻を調整する。但し、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅の調整手順は上記実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。同型の固体レーザ装置を用いた場合、励起レーザ光２のパルス幅は等しい。従って、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻をレーザ発振制御装置１８により設定し、レーザ多段増幅装置８を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせることにより、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくできる。
【００５５】
以上のように、この実施の形態６によれば、励起レーザ装置を複数の固体レーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくし、コンパクトでかつ高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
図１０は、この発明の実施の形態７によるパルスーザ装置に用いる光結合装置の構成図であり、励起レーザ装置１と光結合装置５以外の部分は省略した。３３は全反射ミラーであり、これ以外の構成は上図１の上記実施の形態１と同様である。
【００５７】
図１１は、この実施の形態７の光結合装置５に用いる集光光学系の構成図である。本実施の形態７の集光光学系は、図３に示した２次元的に配置した励起レーザ装置の配列に対応して、集光レンズを縦方向に５個、横方向に５個配置して一体化した場合である。３７はレンズアレイ、３４は１個の凸レンズ等により構成した集光レンズであるが、複数のレンズを組み合わせてることにより集光レンズを構成してもよい。図１１において、３５は集光レンズ３４の固定板、３６は固定板３５を保持する支持枠である。レーザ多段増幅装置８（図１参照）を構成する全ての増幅器に必要な光ファイバの本数により、集光光学系の集光レンズ３４の個数と配置を決める。
【００５８】
なお、図１１には、支持枠３６により集光レンズ３４を一体化する場合を示したが、上述した図１３の光分割器３の１例として示したレンズアレイを用いてもよい。
【００５９】
次に、この実施の形態７の動作について説明する。図１０では、１次元的に５個の集光レンズを一体化した光結合装置５を用いて、５本の励起レーザ光２を光ファイバ７に入射する場合を示し、また、各レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）が集光光学系３７より大きい場合を示す。この際、集光光学系３７の各集光レンズ３４に励起レーザ光２を直接入射できないので、複数のレーザ装置１から出射された各励起レーザ光２を１枚ないしは複数の全反射ミラー３３により集光光学系３７まで伝送する。全反射ミラー３３はアルミ蒸着ないしは誘電体蒸着により製作される。なお、各レーザ装置１（Ａ〜Ｅ）が集光光学系３７より小さい場合は、集光光学系３７の入口に複数のレーザ装置１（Ａ〜Ｅ）を配置することができ、全反射ミラー３３が不要となる。
【００６０】
図１１では、円形の集光レンズ３４を固定板３５に取り付け、次に、この固定板３５を支持枠３６に取り付けた場合を示す。集光光学系３７に入射した各々の励起レーザ光２を集光レンズ３４により集光する。この集光レンズ３４により集光されたレーザ光４の集光点に光ファイバ７の入射口６を配置することにより、１本のレーザ光４を１個の光ファイバ７に入射させる。
【００６１】
以上のように、この実施の形態７によれば、複数の集光レンズ３４を一体化した集光光学系３７を用いて光結合装置５を構成することにより、光結合装置５がコンパクトになり、コンパクトなパルスレーザ装置を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、励起レーザ装置を複数のレーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を設定するレーザ発振制御装置を設けることにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくして、高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができるものである。
【００６３】
また、設定を行う光ファイバの番号ないしは励起レーザ装置の番号をその設定部の近くに表示すると、視覚的に、設定部と光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止することができる。
【００６４】
さらに、設定を行う増幅器の番号をその設定部の近くに表示することにより、視覚的に、設定部と増幅器に対応する光ファイバの対応が分かるので、設定部の操作ミスを防止することができる。
【００６５】
また、設定を行う光ファイバの番号と増幅器の番号を設定部の近くに同時に表示することにより、設定部の操作ミスを確実に防止できる。
【００６６】
さらに、励起レーザ装置を複数の固体レーザ装置により構成し、各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻をレーザ発振制御装置により設定することにより、レーザ多段増幅装置を構成する各増幅器へ照射される光ビームと光増幅される色素レーザ光のパルスタイミングを合わせて、各増幅器に入射される光ビームのパルス幅を等しくし、コンパクトでかつ高出力かつ安定なパルスレーザ装置を得ることができる。
【００６７】
また、固体レーザ装置の励起レーザ媒質にＹＡＧを用いて、励起レーザ装置により発生されたレーザ発振波長を波長変換するための波長変換素子を設けたので、一様なビーム強度を有するレーザ光を得ることができ、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【００６８】
さらに、光結合装置を、励起レーザ装置の所定配列に対応した配列からなる単一集光光学系（すなわち複数の集光レンズを一体化した集光光学系）から構成することにより、光結合装置がコンパクトになり、コンパクトなパルスレーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のパルスレーザ装置の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態２のパルスレーザ装置の構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態３のパルスレーザ装置の構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態４パルスレーザ装置の構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態５のパルスレーザ装置の構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態６のパルスレーザ装置の構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態６の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態６の他のパルスレーザ装置の構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７のパルスーザ装置に用いる光結合装置の構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態７の光結合装置に用いる集光光学系の構造図である。
【図１２】 従来の色素パルスレーザ装置の構成を簡略化して示す図である。
【図１３】 光分割器の１例としてのレンズアレイの構造図である。
【図１４】 １段目から４段目の増幅器に入射する光ビームの強度割合を示す図である。
【符号の説明】
１ 励起レーザ装置、２ 励起レーザ光、３ 光分割器、４ レーザ光、５ 光結合装置、６ 光ファイバ入射口、７ 光ファイバ、８ レーザ多段増幅装置、９ 発振器、１０ 増幅器、１１ 増幅器、１２ 増幅器、１３ 増幅器、１４ 光ビーム、１５ 転写光学系、１６ レーザ光、１８ レーザ発振制御装置、１９ 設定部、２０ 制御信号、２１ 基準信号発生装置、２２ 基準信号、２３ 光ファイバの番号、２５ 固体レーザ装置、２６ レーザ媒質、２７ 半導体レーザ、２８ 半導体レーザ駆動電源、２９、 ３０ 共振器ミラー、３１波長変換素子、３２ 固体レーザ装置から出射されたレーザ光、３３ 全反射ミラー、３４ 集光レンズ、３５ 固定板、３６ 支持枠、３７ 集光光学系。
Claims (5)
- 発振器と複数の増幅器により構成されたレーザ多段増幅装置と、
前記複数の増幅器の台数より多くの台数で構成され、励起レーザ光を出射する複数の励起レーザ装置と、
前記励起レーザ光を光ファイバ入射口に入射する光結合装置と、
前記光ファイバ入射口に入射された励起レーザ光を伝送する複数の光ファイバと、
前記光ファイバから出射された光ビームを前記増幅器に照射する１つ以上の光学部品で構成される転写光学系と、
基準信号発生装置により発生された基準信号に基づき、前記各励起レーザ装置のレーザ発振開始時刻を指令する制御信号の発生時間を調整する複数の設定部を有するレーザ発振制御装置と
を備え、
前記レーザ発振制御装置は、前記複数の設定部に対応して、光ファイバないしは励起レーザ装置の番号の表示、増幅器の番号の表示、または光ファイバ及び増幅器の番号を同時に表示のうちいずれかの表示をしたことを特徴とするパルスレーザ装置。 - 前記励起レーザ装置は、複数の固体レーザ装置により構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
- 前記固体レーザ装置は、レーザ媒質にＹＡＧを用いたことを特徴とする請求項２に記載のパルスレーザ装置。
- 前記固体レーザ装置は、励起レーザ媒質にＹＡＧを用いて、前記励起レーザ装置により発生されたレーザ発振波長を波長変換するための波長変換素子を設けたことを特徴とする請求項２に記載のパルスレーザ装置。
- 前記光結合装置は、前記励起レーザ装置の所定配列に対応した配列からなる単一集光光学系から構成され、前記各光ファイバ入射口は前記集光光学系の集光点に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のパルスレーザ装置。
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