JP4708109B2 - ファイバレーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｑスイッチパルスレーザ光を出力するレーザ装置に係り、とりわけ、高出力のＱスイッチパルスレーザ光を高効率に出力することができるファイバレーザ装置に関する。
従来、この種のファイバレーザ装置としては、レーザ光をＱスイッチ素子によりパルス発振させてＱスイッチパルスレーザ光を出射させるファイバレーザ発振器と、ファイバレーザ発振器から出射されたＱスイッチパルスレーザ光を増幅するファイバレーザ増幅器とを組み合わせたものが一般的に用いられている。
このようなファイバレーザ装置においては、ファイバレーザ増幅器のゲインが自然放出光の増幅にも利用されてしまうので、ファイバレーザ増幅器の励起の開始をファイバレーザ発振器の励起の開始よりも早くしておくことは好ましくないと考えられている。このため、従来においては、ファイバレーザ発振器及びファイバレーザ増幅器の励起の開始タイミングを制御するため、次のいずれかの方法、すなわち、(1)ファイバレーザ発振器の励起の開始とファイバレーザ増幅器の励起の開始とを同時に行う方法、又は、(2)ファイバレーザ発振器の励起の開始をファイバレーザ増幅器の励起の開始よりも早く行う方法が用いられている。
これらの方法のうち、上記(1)の方法では、図５に示すように、ファイバレーザ発振器及びファイバレーザ増幅器の励起が開始されてその励起状態が定常状態に達するまでに一定の時間を要するので、このような時間間隔よりも短い間隔となるような高い繰り返し周波数でＱスイッチ素子を動作させる場合（Ｑスイッチパルストリガ信号の発生間隔が上述した時間間隔よりも短い場合）には、ファイバレーザ発振器から出射されるＱスイッチパルスレーザ光、又はファイバレーザ増幅器から最終的に出力されるＱスイッチパルスレーザ光（Ｑスイッチパルス増幅光）のパルス強度に過渡応答が生じる。このため、上記(1)の方法では、ファイバレーザ装置の動作を開始した際にその最初の時点から一定強度のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を得ることができないという問題がある。
一方、上記(2)の方法では、図６に示すように、ファイバレーザ増幅器の励起が開始された時点でファイバレーザ発振器の励起状態が定常状態となっており、ファイバレーザ発振器から出射されるＱスイッチパルスレーザ光のパルス強度も一定となっているが、ファイバレーザ増幅器の励起状態が定常状態に達していないので、Ｑスイッチパルスレーザ光の増幅率に過渡応答が生じる。このため、上記(2)の方法でも、ファイバレーザ装置の動作を開始した際にその最初の時点から一定強度のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を得ることができないという問題がある。
なお、レーザ装置から出力されるパルス光の強度をその最初の時点から一定強度にする方法としては、特許文献１〜３に記載されているような方法が提案されている。しかしながら、これらの方法はいずれも、Ｑスイッチパルスレーザ発振器のみを備えた一般的なレーザ装置を前提にしたものであり、上述したようなファイバレーザ発振器及びファイバレーザ増幅器を組み合わせたファイバレーザ装置には原理的に適用することができない。
特開２００２−１０３０６６号公報
特開２００２−２０８７５０号公報
特開２００３−１１０１７６号公報
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、動作を開始した際の最初の時点から一定強度のＱスイッチパルスレーザ光（Ｑスイッチパルス増幅光）を得ることにより、無駄なく高出力のパルス光を高効率に出力することができる、簡単な構成のファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
本発明は、第１ファイバレーザ媒体、第１励起源及びＱスイッチ素子を有し、前記第１ファイバレーザ媒体を前記第１励起源により励起してレーザ光を発生させるとともに、この発生されたレーザ光を前記Ｑスイッチ素子によりパルス発振させてＱスイッチパルスレーザ光を出射させるファイバレーザ発振器と、第２ファイバレーザ媒体及び第２励起源を有し、前記ファイバレーザ発振器から出射されたＱスイッチパルスレーザ光を前記第２ファイバレーザ媒体に入射させるとともに、前記第２ファイバレーザ媒体を前記第２励起源により励起して当該Ｑスイッチパルスレーザ光を増幅するファイバレーザ増幅器と、前記ファイバレーザ発振器及び前記ファイバレーザ増幅器を制御する制御機構であって、前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の動作を開始させる発振器励起開始時刻と、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子の動作を開始させるＱスイッチトリガ信号発生開始時刻と、前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の動作を開始させる増幅器励起開始時刻とを、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子のパルス繰り返し周波数、前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の励起強度及び前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の励起強度に応じて、互いに独立して調整する制御機構とを備え、前記制御機構は、前記ファイバレーザ発振器から出射されるＱスイッチパルスレーザ光のパルス強度が当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点から一定となるように、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子のパルス繰り返し周波数及び前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の励起強度に応じて、前記Ｑスイッチトリガ信号発生開始時刻を調整するとともに、前記Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点で前記ファイバレーザ増幅器の励起状態が定常状態に達するように、前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の励起強度に応じて、前記増幅器励起開始時刻を調整することを特徴とする、ファイバレーザ装置である。
本発明は、前記Ｑスイッチトリガ信号発生開始時刻及び前記増幅器励起開始時刻は、前記発振器励起開始時刻を基準として決定されることを特徴とする、ファイバレーザ装置である。
また、本発明において、ファイバレーザ発振器の第１励起源及びファイバレーザ増幅器の第２励起源が、半導体レーザからなることが好ましい。
さらに、本発明において、ファイバレーザ発振器のＱスイッチ素子が、音響光学素子又は電気光学素子からなることが好ましい。
本発明によれば、ファイバレーザ発振器から一定のパルス強度のＱスイッチパルスレーザ光が当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点から得られるとともに、当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点でファイバレーザ増幅器の励起状態についても定常状態に達しているので、ファイバレーザ装置の動作を開始した際にその最初の時点から一定強度のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を得ることができる。このため、簡単な構成で、無駄なく高出力のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を高効率に出力することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１乃至図４は、本発明の一実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。
まず、図１により、本実施形態に係るファイバレーザ装置１０の全体構成について説明する。
図１に示すように、ファイバレーザ装置１０は、Ｑスイッチパルスレーザ光を出射させるファイバレーザ発振器１１と、ファイバレーザ発振器１１から出射されたＱスイッチパルスレーザ光を増幅するファイバレーザ増幅器１２とを備えている。なお、ファイバレーザ発振器１１から出射されたＱスイッチパルスレーザ光は、導光ファイバ１３を介してファイバレーザ増幅器１２へ導かれ、また、ファイバレーザ増幅器１２で増幅されたＱスイッチパルスレーザ光は、導光ファイバ１４を介してＱスイッチパルス増幅光Ｌとして出力されるようになっている。
このうち、ファイバレーザ発振器１１は、図２に示すように、コア２１、内部クラッド２２及び外部クラッド２３からなるファイバレーザ発振器用ファイバ２０を有している。ここで、コア２１は希土類元素等からなる固体レーザ媒体（第１ファイバレーザ媒体）であり、半導体レーザ等からなる励起源（第１励起源）２８、２９から出射されてファイバレーザ発振器用ファイバ２０内を伝搬する励起光Ｅ１がコア２１を繰り返し通過することによりコア２１が励起されるようになっている。なお、励起源２８、２９は、励起光コンバイナー２７を介してファイバレーザ発振器用ファイバ２０の一端部側に設けられており、励起源２８、２９から出射された励起光Ｅ１が、ファイバレーザ発振器用ファイバ２０の内部クラッド２２の端面に集光されるようになっている。また、ファイバレーザ発振器用ファイバ２０のコア２１の両端部には、共振器ミラーとして機能するブラッググレーティング２４、２５が設けられており、励起光Ｅ１による励起によりコア２１内で発生した光がブラッググレーティング２４、２５の間で繰り返し反射されることによりレーザ光が発生されるようになっている。さらに、ファイバレーザ発振器用ファイバ２０の一部にはＱスイッチ素子２６が設けられており、ファイバレーザ発振器用ファイバ２０内で発生したレーザ光をパルス発振させてＱスイッチパルスレーザ光を出射させることができるようになっている。なお、Ｑスイッチ素子２６としては、音響光学素子や電気光学素子等を用いることができる。
ファイバレーザ増幅器１２は、図３に示すように、コア３１、内部クラッド３２及び外部クラッド３３からなるファイバレーザ増幅器用ファイバ３０を有している。ここで、コア３１は希土類元素等からなる固体レーザ媒体（第２ファイバレーザ媒体）であり、ファイバレーザ発振器１１から出射されたＱスイッチパルスレーザ光が入射するようになっている。そして、ファイバレーザ増幅器１２において、半導体レーザ等からなる励起源（第２励起源）３６、３７から出射されてファイバレーザ増幅器用ファイバ３０内を伝搬する励起光Ｅ２が、コア３１を繰り返し通過することによりコア３１が励起されて当該Ｑスイッチパルスレーザ光が増幅されるようになっている。なお、励起源３６、３７は、ファイバ分岐部３４、３５を介してファイバレーザ増幅器用ファイバ３０の側部側に設けられており、励起源３６、３７から出射された励起光Ｅ２が、ファイバレーザ増幅器用ファイバ３０の内部クラッド３２内に入射されるようになっている。
なお、図１に示すように、ファイバレーザ発振器１１及びファイバレーザ増幅器１２は、タイミング制御器１６を介してレーザドライバ１５に接続されている。
ここで、レーザドライバ１５は、ファイバレーザ発振器１１及びファイバレーザ増幅器１２を動作させるためのものであり、ファイバレーザ装置１０の動作開始時点で動作開始信号４１をタイミング制御器１６に出力するようになっている。
また、タイミング制御器１６は、ファイバレーザ発振器１１のＱスイッチ素子２６のパルス繰り返し周波数、ファイバレーザ発振器１１の励起源２８、２９の励起強度及びファイバレーザ増幅器１２の励起源３６、３７の励起強度等に応じて、適切なタイミングで、ファイバレーザ発振器励起信号４２、Ｑスイッチトリガ信号４３及びファイバレーザ増幅器励起信号４４をファイバレーザ発振器１１又はファイバレーザ増幅器１２に出力するようになっている。これにより、ファイバレーザ発振器１１においては、励起源２８、２９の動作を開始させる発振器励起開始時刻と、Ｑスイッチ素子２６の動作を開始させるＱスイッチトリガ信号発生開始時刻とが設定され、また、ファイバレーザ増幅器１２においては、励起源３６、３７の動作を開始させる増幅器励起開始時刻が設定される。なお、これらの発振器励起開始時刻、Ｑスイッチトリガ信号発生開始時刻及び増幅器励起開始時刻は、互いに独立して調整されるようになっている。
なお、レーザドライバ１５及びタイミング制御器１６により、ファイバレーザ発振器１１及びファイバレーザ増幅器１２を制御する制御機構が構成されている。
次に、図４により、図１乃至図３に示すファイバレーザ装置１０におけるＱスイッチパルス増幅光の発生態様の一例を時系列的に説明する。
図１乃至図３に示すファイバレーザ装置１０の動作開始時点でレーザドライバ１５からタイミング制御器１６に動作開始信号４１が出力されると、タイミング制御器１６により、図４に示すようなタイミングで、ファイバレーザ発振器励起信号４２、Ｑスイッチトリガ信号４３及びファイバレーザ増幅器励起信号４４がファイバレーザ発振器１１又はファイバレーザ増幅器１２に出力される。なお、図４において、ファイバレーザ発振器１１における励起光強度がファイバレーザ発振器励起信号４２の入力に対応し、ファイバレーザ増幅器１２における励起光強度がファイバレーザ増幅器励起信号４４の入力に対応する。
ここで、ファイバレーザ発振器１１及びファイバレーザ増幅器１２の励起が開始されてその励起状態が定常状態に達するまでには一定の時間を要する。今、ファイバレーザ発振器１１の励起が開始されてその励起状態が定常状態に達するまでの時間をｔ２、ファイバレーザ増幅器１２の励起が開始されてその励起状態が定常状態に達するまでの時間をｔ１とし、かつ、本実施形態ではｔ１の方がｔ２よりも長いとする。
この場合、ファイバレーザ発振器１１においては、タイミング制御器１６からファイバレーザ発振器励起信号４２が出されるタイミング（図４の符号Ｐ２参照）を基準として、タイミング制御器１６からファイバレーザ発振器励起信号４２が最初に出されるタイミング（図４の符号Ｐ３参照）が決定され、それからｔ２時間後となるようにするとよい。これにより、ファイバレーザ発振器１１のＱスイッチ素子２６のパルス繰り返し周波数及びファイバレーザ発振器１１の励起源２８、２９の励起強度に応じて、発振器励起開始時刻及びＱスイッチトリガ信号発生開始時刻が調整されることとなり、ファイバレーザ発振器１１から出射されるＱスイッチパルスレーザ光のパルス強度が当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点から一定となる。
一方、ファイバレーザ増幅器１２においては、タイミング制御器１６からファイバレーザ増幅器励起信号４４が出されるタイミング（図４の符号Ｐ１参照）が、タイミング制御器１６からファイバレーザ発振器励起信号４２が出されるタイミング（図４の符号Ｐ２参照）を基準として決定され、それより（ｔ１−ｔ２）時間前となるようにするとよい。これにより、ファイバレーザ増幅器１２の励起源３６、３７の励起強度に応じて、増幅器励起開始時刻が調整されることとなり、ファイバレーザ発振器１１から出射されるＱスイッチパルスレーザ光の出射開始時点でファイバレーザ増幅器１２の励起状態が定常状態に達するようになる。
このように本実施形態によれば、ファイバレーザ発振器１１から一定のパルス強度のＱスイッチパルスレーザ光が当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点から得られるとともに、当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点でファイバレーザ増幅器１２の励起状態についても定常状態に達しているので、ファイバレーザ装置１０の動作を開始した際にその最初の時点から一定強度のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を得ることができる。このため、簡単な構成で、無駄なく高出力のパルス光（Ｑスイッチパルス増幅光）を高効率に出力することができる。
なお、上述した実施形態においては、ファイバレーザ装置１０のレーザドライバ１５とタイミング制御器１６とが別々の要素として構成されている場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、タイミング制御器１６がレーザドライバ１５内に含まれる等の態様により両者が一体に構成されていてもよい。
１０ ファイバレーザ装置
１１ ファイバレーザ発振器
１２ ファイバレーザ増幅器
１３、１４ 導光ファイバ
１５ レーザドライバ
１６ タイミング制御器
２０ ファイバレーザ発振器用ファイバ
２１ コア
２２ 内部クラッド
２３ 外部クラッド
２４、２５ ブラッググレーティング
２６ Ｑスイッチ素子
２７ 励起光コンバイナー
２８、２９ 励起源
３０ ファイバレーザ増幅器用ファイバ
３１ コア
３２ 内部クラッド
３３ 外部クラッド
３４、３５ ファイバ分岐部
３６、３７ 励起源
４１ 動作開始信号
４２ ファイバレーザ発振器励起信号
４３ Ｑスイッチトリガ信号
４４ ファイバレーザ増幅器励起信号
Ｌ レーザ光（Ｑスイッチパルス増幅光）
Ｅ１、Ｅ２ 励起光
１１ ファイバレーザ発振器
１２ ファイバレーザ増幅器
１３、１４ 導光ファイバ
１５ レーザドライバ
１６ タイミング制御器
２０ ファイバレーザ発振器用ファイバ
２１ コア
２２ 内部クラッド
２３ 外部クラッド
２４、２５ ブラッググレーティング
２６ Ｑスイッチ素子
２７ 励起光コンバイナー
２８、２９ 励起源
３０ ファイバレーザ増幅器用ファイバ
３１ コア
３２ 内部クラッド
３３ 外部クラッド
３４、３５ ファイバ分岐部
３６、３７ 励起源
４１ 動作開始信号
４２ ファイバレーザ発振器励起信号
４３ Ｑスイッチトリガ信号
４４ ファイバレーザ増幅器励起信号
Ｌ レーザ光（Ｑスイッチパルス増幅光）
Ｅ１、Ｅ２ 励起光
Claims (4)
- 第１ファイバレーザ媒体、第１励起源及びＱスイッチ素子を有し、前記第１ファイバレーザ媒体を前記第１励起源により励起してレーザ光を発生させるとともに、この発生されたレーザ光を前記Ｑスイッチ素子によりパルス発振させてＱスイッチパルスレーザ光を出射させるファイバレーザ発振器と、
第２ファイバレーザ媒体及び第２励起源を有し、前記ファイバレーザ発振器から出射されたＱスイッチパルスレーザ光を前記第２ファイバレーザ媒体に入射させるとともに、前記第２ファイバレーザ媒体を前記第２励起源により励起して当該Ｑスイッチパルスレーザ光を増幅するファイバレーザ増幅器と、
前記ファイバレーザ発振器及び前記ファイバレーザ増幅器を制御する制御機構であって、前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の動作を開始させる発振器励起開始時刻と、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子の動作を開始させるＱスイッチトリガ信号発生開始時刻と、前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の動作を開始させる増幅器励起開始時刻とを、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子のパルス繰り返し周波数、前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の励起強度及び前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の励起強度に応じて、互いに独立して調整する制御機構とを備え、
前記制御機構は、前記ファイバレーザ発振器から出射されるＱスイッチパルスレーザ光のパルス強度が当該Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点から一定となるように、前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子のパルス繰り返し周波数及び前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源の励起強度に応じて、前記Ｑスイッチトリガ信号発生開始時刻を調整するとともに、前記Ｑスイッチパルスレーザ光の出射開始時点で前記ファイバレーザ増幅器の励起状態が定常状態に達するように、前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源の励起強度に応じて、前記増幅器励起開始時刻を調整することを特徴とする、ファイバレーザ装置。 - 前記Ｑスイッチトリガ信号発生開始時刻及び前記増幅器励起開始時刻は、前記発振器励起開始時刻を基準として決定されることを特徴とする、請求項１に記載のファイバレーザ装置。
- 前記ファイバレーザ発振器の前記第１励起源及び前記ファイバレーザ増幅器の前記第２励起源が、半導体レーザからなることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
- 前記ファイバレーザ発振器の前記Ｑスイッチ素子が、音響光学素子又は電気光学素子からなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のファイバレーザ装置。
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- 2005-07-22 JP JP2005212654A patent/JP4708109B2/ja active Active
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