JP4897960B2 - Pulse laser equipment - Google Patents

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Description

本発明は、パルスレーザ光を生成するパルスレーザ装置に関するものである。   The present invention relates to a pulse laser device that generates pulsed laser light.

従来から、光源から発生する矩形波状の信号光パルス列をYbなどの希土類元素が添加された希土類元素添加光ファイバを用いてレーザ増幅し、この増幅された増幅光パルス列をレーザマーキング等に用いるパルスレーザ装置がある。   Conventionally, a rectangular wave signal light pulse train generated from a light source is laser-amplified using a rare-earth element-doped optical fiber doped with a rare-earth element such as Yb, and this amplified light pulse train is used for laser marking or the like. There is a device.

上述した構成のパルスレーザ装置において、信号光パルス列は所定の繰り返し周期でオンとオフの状態を繰り返す。一方、希土類元素に励起エネルギーを供給する励起光源は励起光を希土類元素添加光ファイバに供給し続けるが、信号光パルス列がオフの状態においては誘導放出が起こらないため、希土類元素は極めて高い励起状態となっている。ここで、信号光パルス列がオン状態となって信号光が希土類元素添加光ファイバに入力すると、希土類元素が蓄積した励起エネルギーが急激に放出されて尖頭値が極めて高いサージパルスが発生し、その後は緩和振動が発生するため、増幅光パルス列の強度が極めて不安定になる。   In the pulse laser apparatus having the above-described configuration, the signal light pulse train repeats the on and off states at a predetermined repetition period. On the other hand, an excitation light source that supplies excitation energy to a rare earth element continues to supply excitation light to the rare earth element-doped optical fiber, but stimulated emission does not occur when the signal light pulse train is off, so the rare earth element is in an extremely high excitation state. It has become. Here, when the signal light pulse train is turned on and the signal light is input to the rare-earth element-doped optical fiber, the excitation energy accumulated by the rare-earth element is suddenly released, and a surge pulse having a very high peak value is generated. Since relaxation oscillation occurs, the intensity of the amplified optical pulse train becomes extremely unstable.

なお、上述したパルスレーザ装置と同様の構成のレーザマーキング装置において、光源から信号光パルス列を出力しないマーキングの休止期間においては励起光を低い強度のものに切替え、光源から信号光パルス列を出力するマーキング時においては励起光を高い強度のものに切り替えることによって、希土類元素が極めて高い励起状態になるのを防止し、増幅光パルス列の強度を安定させる技術が開示されている(特許文献1参照)。   Note that in the laser marking device having the same configuration as the pulse laser device described above, the marking that outputs the signal light pulse train from the light source by switching the excitation light to one having a low intensity during the marking pause period in which the signal light pulse train is not output from the light source. In some cases, a technique for preventing the rare earth element from being in an extremely high excited state by switching the excitation light to one having a high intensity and stabilizing the intensity of the amplified optical pulse train is disclosed (see Patent Document 1).

特許第3411852号公報Japanese Patent No. 3411852

しかしながら、特許文献1に開示された技術を、信号光パルス列のオン/オフ状態に対応して発生するサージパルス防止に適応しようとする場合、励起光の切り替え制御を極めて高速に行わなければならないため、制御が煩雑になるという問題があった。   However, when the technique disclosed in Patent Document 1 is applied to prevent surge pulses generated in response to the on / off state of the signal light pulse train, it is necessary to perform switching control of pumping light at extremely high speed. There is a problem that the control becomes complicated.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な制御でサージパルスの発生を抑制し、強度が安定した光パルス列を出力することができるパルスレーザ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a pulse laser device capable of suppressing generation of a surge pulse by simple control and outputting an optical pulse train having a stable intensity. .

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、連続レーザ光を出力する光源部と、電気パルス信号列を出力するパルス発生手段と、前記パルス発生手段に接続し前記電気パルス信号列によって駆動して励起光パルス列を出力する励起光源と、前記光源部および前記励起光源に接続し前記励起光パルス列が希土類元素を励起することによって前記連続レーザ光を増幅する希土類元素添加光ファイバとを有する光増幅部と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a pulse laser device according to the present invention includes a light source unit that outputs continuous laser light, pulse generation means that outputs an electric pulse signal sequence, and pulse generation means. A pumping light source connected and driven by the electrical pulse signal train to output a pumping light pulse train; and connected to the light source unit and the pumping light source, the pumping light pulse train amplifies the continuous laser light by exciting rare earth elements And an optical amplification section having a rare earth element-doped optical fiber.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記希土類元素添加光ファイバはダブルクラッド型の構造を有するものであることを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the rare earth element-doped optical fiber has a double clad structure.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記希土類元素は、イットリビウムおよびエルビウムの少なくとも一つを含むことを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the rare earth element includes at least one of yttrium and erbium.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記励起光源は、前記希土類元素添加光ファイバに前記連続レーザ光と同一方向から前記励起光パルス列を入力することを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the excitation light source inputs the excitation light pulse train from the same direction as the continuous laser light into the rare earth element-doped optical fiber.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記励起光源は、前記希土類元素添加光ファイバに前記連続レーザ光とは逆方向から前記励起光パルス列を入力することを特徴とする。   In the pulse laser device according to the present invention as set forth in the invention described above, the pumping light source inputs the pumping light pulse train from the direction opposite to the continuous laser light into the rare earth element-doped optical fiber.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光源部は互いに波長が異なる連続レーザ光を出力する複数の光源を含み、前記光源部に接続し前記複数の光源から出力する各連続レーザ光源を合波して前記光増幅部に出力する光合波器を備えることを特徴とする。   Further, in the pulse laser device according to the present invention, in the above invention, the light source unit includes a plurality of light sources that output continuous laser beams having different wavelengths, and each of the light sources connected to the light source unit and output from the plurality of light sources. An optical multiplexer is provided that combines a continuous laser light source and outputs the combined laser light to the optical amplifier.

本発明によれば、励起光源が電気パルス信号列によって駆動して励起光パルス列を出力し、励起光パルス列が希土類元素を励起することによって連続レーザ光を増幅するので、簡易な制御でサージパルスの発生を抑制し、強度が安定した光パルス列を出力することができるパルスレーザ装置を実現できるという効果を奏する。   According to the present invention, the excitation light source is driven by the electric pulse signal train to output the excitation light pulse train, and the excitation light pulse train amplifies the continuous laser light by exciting the rare earth element. There is an effect that it is possible to realize a pulse laser device capable of suppressing generation and outputting an optical pulse train having a stable intensity.

以下に、図面を参照して本発明に係るパルスレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a pulse laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図1に示すように、このパルスレーザ装置100は、光源20と、パルス発生器3と、光増幅器40とを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the pulse laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the pulse laser device 100 includes a light source 20, a pulse generator 3, and an optical amplifier 40.

光源20は、連続レーザ光を出力する半導体レーザダイオードであるLD21と、LD21に接続し、狭い帯域の光を反射するファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating)であるFBG22aを形成した光ファイバ22とを備える。FBG22aは、LD21が出力する連続レーザ光の中心波長を含む狭い帯域の光を反射することで、LD21に対して外部光共振器として作用する。その結果、光源20は、スペクトル幅が狭い連続レーザ光L1を出力する光源として動作する。光源20から出力する連続レーザ光L1の特性は、たとえば中心波長が約1064nm、スペクトル幅が5pm以下、光強度が約230mWである。なお、光ファイバ22のFBG22aを形成した部分の近傍にヒータやペルチェ素子などの温度調整手段を取り付け、温度を変化させることによってFBG22aの反射波長を変化させて、連続レーザ光L1の波長を制御してもよい。   The light source 20 includes an LD 21 that is a semiconductor laser diode that outputs continuous laser light, and an optical fiber 22 that is connected to the LD 21 and has an FBG 22a that is a fiber Bragg grating that reflects light in a narrow band. . The FBG 22a acts as an external optical resonator for the LD 21 by reflecting light in a narrow band including the center wavelength of the continuous laser light output from the LD 21. As a result, the light source 20 operates as a light source that outputs continuous laser light L1 having a narrow spectrum width. The characteristics of the continuous laser light L1 output from the light source 20 are, for example, a center wavelength of about 1064 nm, a spectrum width of 5 pm or less, and a light intensity of about 230 mW. A temperature adjusting means such as a heater or a Peltier element is attached in the vicinity of the portion where the FBG 22a of the optical fiber 22 is formed, and the wavelength of the continuous laser light L1 is controlled by changing the reflected wavelength of the FBG 22a by changing the temperature. May be.

パルス発生手段3は、所定の繰り返し周期とデューティー比とを有する電気パルス信号列E1を出力する。光増幅器40は、極めて高い光出力を実現できるダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ41と、光アイソレータ41とシングルモード光ファイバによって接続した光合波器であるTFB(Tapered Fiber Bundle)42と、半導体レーザである励起光源43−1〜43−n(nは整数)と、TFB42と励起光源43−1〜43−nとを接続するマルチモード光ファイバ44−1〜44−nと、TFB42に接続した希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45と、光出力端子46とを備える。また、光増幅器40は、パルス発生器3から出力した電気パルス信号列E1を増幅して励起光源43−1〜43−nに印加する電流増幅器47を備える。   The pulse generating means 3 outputs an electric pulse signal train E1 having a predetermined repetition period and a duty ratio. The optical amplifier 40 is an optical fiber amplifier using a double clad optical fiber capable of realizing an extremely high optical output, and is an optical isolator 41 and an optical multiplexer connected to the optical isolator 41 by a single mode optical fiber. Fiber bundle) 42, pump light sources 43-1 to 43-n (n is an integer), which is a semiconductor laser, and multimode optical fibers 44-1 to 44 that connect TFB 42 and pump light sources 43-1 to 43-n. -N, a rare earth element-doped double clad optical fiber 45 connected to the TFB 42, and an optical output terminal 46. The optical amplifier 40 also includes a current amplifier 47 that amplifies the electric pulse signal train E1 output from the pulse generator 3 and applies the amplified signal to the pumping light sources 43-1 to 43-n.

このパルスレーザ装置100は以下のように動作する。まず、光源20は連続レーザ光L1を光増幅器40に出力する。TFB42は、光アイソレータ41を通過して入力した連続レーザ光L1を、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45へ結合する。一方、パルス発生器3は所定の繰り返し周期とデューティー比とを有する電気パルス信号列E1を光増幅器40に出力する。そして、光増幅器40において、電流増幅器47は入力した電気パルス信号列E1を増幅して増幅電気パルス信号列E2を発生し、励起光源43−1〜43−nに出力する。励起光源43−1〜43−nは増幅電気パルス信号列E2によって駆動して波長900〜980nmの励起光パルス列L2をそれぞれ出力する。なお、励起光源43−1〜43−nは電気的に直列接続されているので、各励起光パルス列L2は位相が同期したものとなる。つぎに、マルチモード光ファイバ44−1〜44−nは出力した各励起光パルス列L2をTFB42へ導波し、TFB42は導波した各励起光パルス列L2を連続レーザ光L1と同一の方向から希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45へ結合する。すなわち、光増幅器40は、いわゆる前方励起型である。   The pulse laser device 100 operates as follows. First, the light source 20 outputs continuous laser light L1 to the optical amplifier 40. The TFB 42 couples the continuous laser light L 1 input through the optical isolator 41 to the rare earth element-doped double clad optical fiber 45. On the other hand, the pulse generator 3 outputs an electric pulse signal train E1 having a predetermined repetition period and a duty ratio to the optical amplifier 40. In the optical amplifier 40, the current amplifier 47 amplifies the input electric pulse signal string E1 to generate an amplified electric pulse signal string E2, and outputs the amplified electric pulse signal string E2 to the pumping light sources 43-1 to 43-n. The excitation light sources 43-1 to 43-n are driven by the amplified electric pulse signal train E2 and output excitation light pulse trains L2 having wavelengths of 900 to 980 nm, respectively. Since the excitation light sources 43-1 to 43-n are electrically connected in series, each excitation light pulse train L2 is synchronized in phase. Next, the multimode optical fibers 44-1 to 44-n guide the output pumping light pulse trains L2 to the TFB 42. The TFB 42 transmits the guided pumping light pulse trains L2 from the same direction as the continuous laser light L1 to the rare earth. It couple | bonds with the element addition double clad optical fiber 45. FIG. That is, the optical amplifier 40 is a so-called forward pumping type.

希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45へ結合した各励起光パルス列L2は、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45を伝搬しながらコア部に添加した希土類元素であるYbのイオンを光励起する。その結果、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45へ結合した連続レーザ光L1は、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45を伝搬しながら励起状態にあるYbイオンによってレーザ増幅される。ここで、Ybイオンは励起光パルス列L2によって周期的に光励起されているため、連続レーザ光L1も励起光パルス列L2と同じ周期で増幅されて増幅光パルス列L3として光出力端子46から出力される。   Each excitation light pulse train L2 coupled to the rare earth element-doped double clad optical fiber 45 optically excites ions of Yb, which is a rare earth element added to the core portion, while propagating through the rare earth element doped double clad optical fiber 45. As a result, the continuous laser beam L1 coupled to the rare earth element-doped double clad optical fiber 45 is laser amplified by Yb ions in an excited state while propagating through the rare earth element doped double clad optical fiber 45. Here, since the Yb ions are periodically optically pumped by the pumping light pulse train L2, the continuous laser light L1 is also amplified at the same cycle as the pumping light pulse train L2 and output from the light output terminal 46 as the amplified light pulse train L3.

すなわち、パルスレーザ装置100においては、増幅されるべきレーザ光は時間的に連続して希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45に入力し続けており、励起光が光パルス列となっている。その結果、Ybイオンが極めて高い励起状態から急激に励起エネルギーを放出してサージパルスおよびそれに伴う緩和振動が発生するということが防止される。したがって、増幅光パルス列L3は極めて安定した強度となる。また、励起光源43−1〜43−nについては、励起光の強度の切り替えの制御をする必要がなく、簡易な制御をするだけでよい。   That is, in the pulse laser device 100, the laser light to be amplified is continuously input to the rare earth element-added double clad optical fiber 45 in time, and the excitation light is an optical pulse train. As a result, Yb ions are prevented from suddenly releasing excitation energy from an extremely high excited state and generating a surge pulse and accompanying relaxation oscillation. Therefore, the amplified optical pulse train L3 has a very stable intensity. Further, the excitation light sources 43-1 to 43-n do not need to be controlled to switch the intensity of the excitation light, and only simple control is required.

図2は、図1に示したパルスレーザ装置100における電気パルス信号列E1、増幅電気パルス信号列E2、連続レーザ光L1、励起光パルス列L2、増幅光パルス列L3の各波形を示す図である。なお、横軸は時間、縦軸は電力または光強度を示す。図2に示すように、励起光パルス列L2は、電気パルス信号列E1および増幅電気パルス信号列E2と同一の繰返し周期Tおよびパルス幅Δtを有するものとなる。その結果、時間的に強度が一定の連続レーザ光L1は、繰返し周期Tおよびパルス幅Δtを有する増幅光パルス列L3として出力される。したがって、電気パルス信号列E1の繰返し周期Tおよびパルス幅Δtを調整することによって、所望の繰返し周期Tおよびパルス幅Δtの増幅光パルス列L3を得ることができる。なお、実際には、たとえば信号の伝搬時間等の差異によって各波形の位相はすこしづづずれるが、図2においては各波形の位相を一致させて示している。   FIG. 2 is a diagram illustrating waveforms of the electric pulse signal train E1, the amplified electrical pulse signal train E2, the continuous laser light L1, the excitation light pulse train L2, and the amplified light pulse train L3 in the pulse laser device 100 shown in FIG. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents power or light intensity. As shown in FIG. 2, the excitation light pulse train L2 has the same repetition period T and pulse width Δt as the electrical pulse signal train E1 and the amplified electrical pulse signal train E2. As a result, the continuous laser light L1 having a constant intensity over time is output as an amplified optical pulse train L3 having a repetition period T and a pulse width Δt. Therefore, by adjusting the repetition period T and the pulse width Δt of the electric pulse signal train E1, an amplified optical pulse train L3 having a desired repetition period T and a pulse width Δt can be obtained. In practice, for example, the phase of each waveform is slightly shifted due to a difference in signal propagation time or the like, but in FIG. 2, the phases of the respective waveforms are shown to coincide with each other.

なお、図3は、図1に示す希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。図3に示すように、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45は、Ybのイオンを添加したコア部45aと、コア部45aの外周に形成したコア部45aよりも屈折率が低い内部クラッド部45bと、内部クラッド部45bの外周に形成した内部クラッド部45bよりも屈折率が低い外部クラッド部45cと、を備え、屈折率プロファイル45dを有するものである。希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45に入力した励起光パルス列L2は、コア部45aおよび内部クラッド部45bをマルチモードで伝搬しながらコア部45aに添加したYbイオンを光励起し、連続レーザ光L1は、コア部45aをシングルモードで伝搬し、励起状態にあるYbイオンによってレーザ増幅される。   FIG. 3 is a diagram showing a schematic cross section of the rare earth element-doped double clad optical fiber 45 shown in FIG. 1 and a corresponding refractive index profile. As shown in FIG. 3, a rare earth element-doped double clad optical fiber 45 includes a core portion 45a doped with Yb ions, and an inner clad portion 45b having a lower refractive index than the core portion 45a formed on the outer periphery of the core portion 45a. And an outer cladding part 45c having a lower refractive index than the inner cladding part 45b formed on the outer periphery of the inner cladding part 45b, and having a refractive index profile 45d. The excitation light pulse train L2 input to the rare earth element-doped double clad optical fiber 45 optically pumps Yb ions added to the core part 45a while propagating in the core part 45a and the inner clad part 45b in multimode, and the continuous laser light L1 is It propagates through the core portion 45a in a single mode and is laser amplified by Yb ions in an excited state.

つぎに、パルスレーザ装置100の特性について具体的に説明する。図4は、繰り返し周波数が100Hzであってデューティー比が50%の電気パルス信号列E1を用いた場合の増幅光パルス列L3の波形を示す図である。なお、図4において、横軸は時間、縦軸は増幅光パルス列L3を光オシロスコープで観測した際の測定電圧値を示し、破線で示した電圧レベルが5Wの光強度に対応する。図4に示すように、増幅光パルス列L3は、サージパルスが発生しておらず強度が安定しており、電気パルス信号列E1と同様に繰り返し周波数が100Hzであってデューティー比が50%の光パルス列となることが確認された。   Next, the characteristics of the pulse laser device 100 will be specifically described. FIG. 4 is a diagram showing a waveform of the amplified optical pulse train L3 when the electrical pulse signal train E1 having a repetition frequency of 100 Hz and a duty ratio of 50% is used. In FIG. 4, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the measured voltage value when the amplified optical pulse train L3 is observed with an optical oscilloscope, and the voltage level indicated by the broken line corresponds to the light intensity of 5 W. As shown in FIG. 4, the amplified optical pulse train L3 has a stable intensity without generating a surge pulse, and has a repetition frequency of 100 Hz and a duty ratio of 50%, like the electrical pulse signal train E1. It was confirmed to be a pulse train.

一方、図5は、繰り返し周波数が1kHzであってデューティー比が50%の電気パルス信号列E1を用いた場合の増幅光パルス列L3の波形を示す図である。図5に示すように、増幅光パルス列L3は、繰り返し周波数が図4の場合よりも高い1kHzであっても、サージパルスが発生しておらず強度が安定しており、電気パルス信号列E1と同様の波形を有する光パルス列となることが確認された。   On the other hand, FIG. 5 is a diagram showing a waveform of the amplified optical pulse train L3 when the electrical pulse signal train E1 having a repetition frequency of 1 kHz and a duty ratio of 50% is used. As shown in FIG. 5, the amplified optical pulse train L3 is stable in intensity without generating a surge pulse even when the repetition frequency is 1 kHz, which is higher than the case of FIG. It was confirmed that the optical pulse train had a similar waveform.

なお、図5において、増幅光パルス列L3の波形の立ち上がりおよび立ち下りの部分がなだらかな形状になっているが、これは、電流増幅器47の時間応答特性を反映したものと考えられる。したがって、電気パルス信号列E1の繰り返し周波数に応じた時間応答特性の電流増幅器47を適宜選択することによって、より矩形に近い波形の増幅光パルス列L3を得ることができる。   In FIG. 5, the rising and falling portions of the waveform of the amplified optical pulse train L3 have a gentle shape, which is considered to reflect the time response characteristics of the current amplifier 47. Therefore, by appropriately selecting the current amplifier 47 having a time response characteristic corresponding to the repetition frequency of the electric pulse signal train E1, an amplified optical pulse train L3 having a waveform closer to a rectangle can be obtained.

つぎに、図6〜8は、電気パルス信号列E1の繰り返し周波数を1kHz、デューティー比をそれぞれ20%、50%、90%とし、さらに電流増幅器47の利得を制御して、増幅光パルス列L3のオン状態での強度が6W、12W、17W、22Wとなるように励起光パルス列L2の強度を制御した場合の、増幅光パルス列L3の波形を示す図である。なお、図6〜8において、波形S1、S5、S9は強度が22Wの場合、波形S2、S6、S10は強度が17Wの場合、波形S3、S7、S11は強度が12Wの場合、波形S4、S8、S12は強度が6Wの場合をそれぞれ示す。図6〜8に示すように、増幅光パルス列L3は、デューティー比および強度を変化させても、サージパルスが発生しておらず強度が安定しており、電気パルス信号列E1と同様の波形を有する光パルス列となることが確認された。なお、上述の電流増幅器47の利得の制御方法は、周知の制御方法であって煩雑なものではない。   Next, FIGS. 6 to 8 show that the repetition frequency of the electric pulse signal train E1 is 1 kHz, the duty ratios are 20%, 50%, and 90%, respectively, and the gain of the current amplifier 47 is controlled to control the amplification optical pulse train L3. It is a figure which shows the waveform of the amplification optical pulse train L3 when the intensity | strength of the excitation light pulse train L2 is controlled so that the intensity | strength in an ON state may be 6W, 12W, 17W, and 22W. 6-8, waveforms S1, S5, and S9 have an intensity of 22W, waveforms S2, S6, and S10 have an intensity of 17W, waveforms S3, S7, and S11 have an intensity of 12W, waveforms S4, S8 and S12 show cases where the intensity is 6 W, respectively. As shown in FIGS. 6 to 8, the amplified optical pulse train L3 has a stable intensity with no surge pulse generated even when the duty ratio and the intensity are changed, and has the same waveform as that of the electric pulse signal train E1. It was confirmed that the optical pulse train had. The gain control method of the current amplifier 47 is a well-known control method and is not complicated.

以上説明したように、本実施の形態1に係るパルスレーザ装置100は、励起光源43−1〜43−nが電気パルス信号列E1を増幅して得た増幅電気パルス信号列E2によって駆動して励起光パルス列L2を出力し、励起光パルス列L2が希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ45に添加したYbイオンを励起することによって連続レーザ光L1を増幅するので、簡易な制御でサージパルスの発生を抑制し、強度が安定した増幅光パルス列L3を出力することができる。   As described above, in the pulse laser device 100 according to the first embodiment, the excitation light sources 43-1 to 43-n are driven by the amplified electrical pulse signal sequence E2 obtained by amplifying the electrical pulse signal sequence E1. Since the pumping light pulse train L2 is output and the pumping light pulse train L2 amplifies the continuous laser light L1 by exciting the Yb ions added to the rare earth element-doped double clad optical fiber 45, the generation of surge pulses can be suppressed with simple control. Thus, an amplified optical pulse train L3 with a stable intensity can be output.

(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2に係るパルスレーザ装置について説明する。本実施の形態2に係るパルスレーザ装置は、光増幅部において、励起光源が希土類元素添加光ファイバに連続レーザ光とは逆方向から励起光パルス列を入力する点が、実施の形態1に係るパルスレーザ装置とは異なる。
(Embodiment 2)
Next, a pulse laser apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. In the pulse laser device according to the second embodiment, in the optical amplifying unit, the pump light source inputs the pump light pulse train from the direction opposite to the continuous laser light into the rare earth element-doped optical fiber. It is different from the laser device.

図9は、本実施の形態2に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図9に示すように、このパルスレーザ装置200は、実施の形態1に係るパルスレーザ装置100と同様の光源20およびパルス発生器3と、光増幅器50とを備える。   FIG. 9 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the pulse laser apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 9, the pulse laser device 200 includes a light source 20 and a pulse generator 3 similar to the pulse laser device 100 according to the first embodiment, and an optical amplifier 50.

光増幅器50は、光増幅器40と同様にダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ51と、光アイソレータ51に接続した希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ55と、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ55に接続したTFB52と、半導体レーザである励起光源53−1〜53−m(mは整数)と、TFB52と励起光源53−1〜53−mとを接続するマルチモード光ファイバ54−1〜54−mと、光出力端子56と、電流増幅器57とを備える。   The optical amplifier 50 is an optical fiber amplifier using a double clad optical fiber as in the optical amplifier 40, and includes an optical isolator 51, a rare earth element-doped double clad optical fiber 55 connected to the optical isolator 51, and a rare earth element doped double fiber. A TFB 52 connected to the clad optical fiber 55, pumping light sources 53-1 to 53-m (m is an integer) that is a semiconductor laser, and a multimode optical fiber 54 that connects the TFB 52 and the pumping light sources 53-1 to 53-m. -1 to 54-m, an optical output terminal 56, and a current amplifier 57.

このパルスレーザ装置200の動作は上述したパルスレーザ装置100と同様であるが、パルスレーザ装置200においては、TFB52が励起光源53−1〜53−mから出力する各励起光パルス列を連続レーザ光とは逆方向から希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ55へ結合する。すなわち、光増幅器50は、いわゆる後方励起型である。その結果、光増幅器50は、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ55に添加したYbイオンを、増幅光パルス列が出力する側において比較的高い励起状態にすることができるので、より強度が高く安定した増幅光パルス列を光出力端子56から出力することができる。   The operation of the pulse laser device 200 is the same as that of the above-described pulse laser device 100. However, in the pulse laser device 200, each excitation light pulse train output from the excitation light sources 53-1 to 53-m by the TFB 52 is a continuous laser beam. Are coupled to the rare earth element-doped double clad optical fiber 55 from the opposite direction. That is, the optical amplifier 50 is a so-called backward pumping type. As a result, the optical amplifier 50 can make Yb ions added to the rare-earth-doped double clad optical fiber 55 relatively excited on the output side of the amplified optical pulse train, so that the intensity is high and stable amplification. An optical pulse train can be output from the optical output terminal 56.

(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3に係るパルスレーザ装置について説明する。本実施の形態3に係るパルスレーザ装置は、光増幅部において、励起光源が希土類元素添加光ファイバに連続レーザ光と同一方向および逆方向、すなわち双方向から励起光パルス列を入力する点が、実施の形態1、2に係るパルスレーザ装置とは異なる。
(Embodiment 3)
Next, a pulse laser apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The pulse laser apparatus according to the third embodiment is implemented in that the pumping light source inputs the pumping light pulse train from the same direction and in the opposite direction to the continuous laser light, that is, from both directions, in the rare earth element-doped optical fiber in the optical amplification unit. This is different from the pulse laser apparatus according to the first and second embodiments.

図10は、本実施の形態3に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図10に示すように、このパルスレーザ装置300は、実施の形態1、2に係るパルスレーザ装置100、200と同様の光源20およびパルス発生手段3と、光増幅器60とを備える。   FIG. 10 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the pulse laser apparatus according to the third embodiment. As shown in FIG. 10, this pulse laser apparatus 300 includes the light source 20 and the pulse generation means 3 similar to the pulse laser apparatuses 100 and 200 according to the first and second embodiments, and the optical amplifier 60.

光増幅器60は、光増幅器40、50と同様にダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ61と、光アイソレータ61とシングルモード光ファイバによって接続したTFB62aと、半導体レーザである励起光源63a−1〜63a−nと、TFB62aと励起光源63a−1〜63a−nとを接続するマルチモード光ファイバ64a−1〜64a−nと、TFB62aに接続した希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ65と、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ65に接続したTFB62bと、半導体レーザである励起光源63b−1〜63b−mと、TFB62bと励起光源63b−1〜63b−mとを接続するマルチモード光ファイバ64b−1〜64b−mと、光出力端子66と、電流増幅器67とを備える。   The optical amplifier 60 is an optical fiber amplifier using a double clad optical fiber as in the optical amplifiers 40 and 50, and is an optical isolator 61, a TFB 62a connected to the optical isolator 61 by a single mode optical fiber, and a semiconductor laser. Excitation light sources 63a-1 to 63a-n, multimode optical fibers 64a-1 to 64a-n connecting the TFB 62a and the excitation light sources 63a-1 to 63a-n, and a rare earth element-doped double clad optical fiber connected to the TFB 62a 65, a TFB 62b connected to the rare earth element-doped double clad optical fiber 65, pumping light sources 63b-1 to 63b-m, which are semiconductor lasers, and multimode light connecting the TFB 62b and the pumping light sources 63b-1 to 63b-m Fibers 64b-1 to 64b-m, optical output terminal 66, electrical And an amplifier 67.

このパルスレーザ装置300の動作は上述したパルスレーザ装置100、200と同様であるが、パルスレーザ装置300においては、TFB62aが励起光源63a−1〜63a−nから出力する励起光パルス列を連続レーザ光と同一方向から希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ65へ結合し、TFB62bが励起光源63b−1〜63b−mから出力する励起光パルス列を連続レーザ光とは逆方向から希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ65へ結合する。すなわち、光増幅器60は、いわゆる双方向励起型である。その結果、希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ65へ入力する各励起光パルス列の強度の総和を極めて高くすることができるので、一層強度が高く安定した増幅光パルス列を光出力端子66から出力することができる。   The operation of the pulse laser device 300 is the same as that of the pulse laser devices 100 and 200 described above, but in the pulse laser device 300, the excitation light pulse train output from the excitation light sources 63a-1 to 63a-n by the TFB 62a is a continuous laser beam. Are coupled to the rare earth element-doped double clad optical fiber 65, and the excitation light pulse train output from the pump light sources 63b-1 to 63b-m by the TFB 62b is rare earth element doped double clad optical fiber 65 from the direction opposite to the continuous laser light. To join. That is, the optical amplifier 60 is a so-called bidirectional excitation type. As a result, the sum of the intensities of the excitation light pulse trains input to the rare earth element-doped double clad optical fiber 65 can be made extremely high, so that an amplified light pulse train having higher intensity and stability can be output from the optical output terminal 66. it can.

(実施の形態4)
つぎに、本発明の実施の形態4に係るパルスレーザ装置について説明する。本実施の形態4に係るパルスレーザ装置は、光源部が互いに波長の異なる連続レーザ光を出力する複数の光源を備え、この光源部に接続し、複数の光源から出力する各連続レーザ光源を合波して光増幅部に出力する光合波器を備える点が、実施の形態1〜3に係るパルスレーザ装置とは異なる。
(Embodiment 4)
Next, a pulse laser apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described. The pulse laser device according to the fourth embodiment includes a plurality of light sources each having a light source unit that outputs continuous laser beams having different wavelengths, and is connected to the light source unit to combine the continuous laser light sources output from the plurality of light sources. The pulse laser apparatus according to the first to third embodiments is different from the pulse laser apparatus according to the first to third embodiments in that an optical multiplexer that outputs a wave and outputs it to the optical amplification unit is provided.

図11は、本実施の形態4に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図11に示すように、このパルスレーザ装置400は、実施の形態1に係るパルスレーザ装置100の光源20と同様の光源20a、20bと、パルス発生器3と、光増幅器40とを備え、さらに光合波器である3dBカプラCとを備える。   FIG. 11 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the pulse laser apparatus according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 11, the pulse laser device 400 includes light sources 20a and 20b similar to the light source 20 of the pulse laser device 100 according to the first embodiment, a pulse generator 3, and an optical amplifier 40. And a 3 dB coupler C which is an optical multiplexer.

光源20a、20bは、互いに波長の異なる連続レーザ光L4a、L4bをそれぞれ出力する。3dBカプラCは、連続レーザ光L4a、L4bをほぼ1:1の強度比で合波して光増幅器40に出力する。パルス発生器3および光増幅器40は、実施の形態1の場合と同様に動作して合波した連続レーザ光L4a、L4bをレーザ増幅し、増幅光パルス列L5を出力する。   The light sources 20a and 20b respectively output continuous laser beams L4a and L4b having different wavelengths. The 3 dB coupler C combines the continuous laser beams L4a and L4b with an intensity ratio of approximately 1: 1 and outputs the combined laser beams to the optical amplifier 40. The pulse generator 3 and the optical amplifier 40 operate in the same manner as in the first embodiment to laser-amplify the combined continuous laser beams L4a and L4b and output an amplified optical pulse train L5.

増幅光パルス信号列L5は、互いに異なる波長を有する同期した2つの光パルス列を合成した合成光パルス列となる。すなわち、本実施の形態4に係るパルスレーザ装置400は、個々の光源から光パルス列を出力してこれらの光パルス列を同期させて合成する場合よりも、より簡易な構成で合成光パルス列を安定した強度で出力することができる。なお、3dBカプラCの代わりに、異なる波長の光を低光損失で合波できるWDMカプラを用いてもよい。   The amplified optical pulse signal train L5 is a combined optical pulse train obtained by combining two synchronized optical pulse trains having different wavelengths. That is, the pulse laser apparatus 400 according to the fourth embodiment stabilizes the combined optical pulse train with a simpler configuration than when outputting optical pulse trains from individual light sources and synthesizing these optical pulse trains in synchronization. Can output in intensity. Instead of the 3 dB coupler C, a WDM coupler that can multiplex light of different wavelengths with low optical loss may be used.

なお、上記実施の形態1〜4においては、希土類元素としてYbを用いたが、エルビウム(Er)を用いてもよい。また、光源が出力する連続レーザ光の波長は、希土類元素が有する増幅帯域内の波長を適宜選択でき、たとえばYbであれば波長1000〜1150nmの範囲の波長であり、Erであれば波長1520〜1610nmの範囲の波長である。   In the first to fourth embodiments, Yb is used as the rare earth element, but erbium (Er) may be used. The wavelength of the continuous laser light output from the light source can be selected as appropriate within the amplification band of the rare earth element. For example, Yb has a wavelength in the range of 1000 to 1150 nm, and Er has a wavelength of 1520. The wavelength is in the range of 1610 nm.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、PPLN等の非線形光学媒質からなる第二次高調波発生(SHG)素子と組み合わせて、レーザディスプレイの緑色光源として好適に用いることができる。とくに、実施の形態4に係るパルスレーザ装置は、連続レーザ光の波長をそれぞれ1060nm、1064nmに設定し、SHG素子を用いて波長が530nm、532nmの同期した合成光パルス列を発生させることによって、より高品質のレーザディスプレイを実現できる緑色光源となる。   The pulse laser device according to the present invention can be suitably used as a green light source of a laser display in combination with a second harmonic generation (SHG) element made of a nonlinear optical medium such as PPLN. In particular, the pulse laser device according to Embodiment 4 sets the wavelength of continuous laser light to 1060 nm and 1064 nm, respectively, and generates a synchronized composite optical pulse train having wavelengths of 530 nm and 532 nm using an SHG element. A green light source capable of realizing a high-quality laser display.

また、本発明に係るパルスレーザ装置は、SHG素子と組み合わせて、細胞の蛍光観察に用いるフローサイトメータ用の光源としても好適に用いることができる。   Further, the pulse laser device according to the present invention can be suitably used as a light source for a flow cytometer used for fluorescence observation of cells in combination with an SHG element.

ところで、SHG素子は、非線形光学結晶などを用いて第二高調波を発生させる手段であり、上述のように、波長1064nmの光を入力すると、第二次高調波光である波長532nmの緑色光を発生させる。すなわち、SHG素子を用いることで、入力光の波長を半分の長さにしてエネルギーを2倍にすることができる。   By the way, the SHG element is a means for generating a second harmonic using a nonlinear optical crystal or the like. As described above, when light having a wavelength of 1064 nm is input, green light having a wavelength of 532 nm, which is the second harmonic light, is generated. generate. That is, by using the SHG element, the wavelength of the input light can be halved and the energy can be doubled.

また、SHG素子には、1W程度以上の高い光入力で用いられるバルク型のものと、それ以下の比較的低い光入力レベルで用いられる導波路型のものがある。したがって、本発明に係るパルスレーザ装置の出力する光パルス列が、オン状態で1W程度以上の光強度を有する場合は、バルク型のSHG素子と組み合わせるのが好適であり、オン状態で1W程度以下、たとえば100mW程度の光強度を有する場合は、導波炉型のSHG素子と組み合わせるのが好適である。   In addition, SHG elements include a bulk type that is used at a high optical input of about 1 W or more and a waveguide type that is used at a relatively low optical input level below that. Therefore, when the optical pulse train output from the pulse laser device according to the present invention has a light intensity of about 1 W or more in the on state, it is preferable to combine with a bulk type SHG element, and about 1 W or less in the on state. For example, when it has a light intensity of about 100 mW, it is preferable to combine it with a waveguide furnace type SHG element.

また、本発明に係るパルスレーザ装置において、光源部から光増幅部に連続レーザ光が入力するので、電気パルス信号列がオフ状態であっても、この連続レーザ光に起因する光が光増幅部から出力される場合がある。このオフ状態で出力する光は、パルスレーザ装置が出力する光パルス列のオン状態とオフ状態との光強度比である消光比を劣化させる。ここで、パルスレーザ装置とSHG素子とを組み合わせる場合、SHG素子から出力する第二次高調波光には、20dB程度の消光比が求められることがある。この20dBの消光比を実現するためには、オフ状態で出力する光の強度が小さくなるようにパルスレーザ装置を適宜設計し、パルスレーザ装置が出力する光パルス列の消光比が10dBより大きくなるようにすることが必要となる。   Further, in the pulse laser device according to the present invention, since continuous laser light is input from the light source unit to the optical amplification unit, even if the electric pulse signal train is in the off state, light resulting from the continuous laser light is transmitted to the optical amplification unit. May be output from. The light output in the OFF state deteriorates the extinction ratio, which is the light intensity ratio between the ON state and the OFF state of the optical pulse train output from the pulse laser device. Here, when the pulse laser device and the SHG element are combined, the second harmonic light output from the SHG element may require an extinction ratio of about 20 dB. In order to realize the extinction ratio of 20 dB, the pulse laser device is appropriately designed so that the intensity of the light output in the off state is reduced, and the extinction ratio of the optical pulse train output from the pulse laser device is greater than 10 dB. It is necessary to make it.

本発明の実施の形態1に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented typically the structure of the pulse laser apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示したパルスレーザ装置における電気パルス信号列、増幅電気パルス信号列、連続レーザ光、励起光パルス列、増幅光パルス列の各波形を示す図である。It is a figure which shows each waveform of the electric pulse signal sequence in the pulse laser apparatus shown in FIG. 図1に示す希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバの模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the typical cross section of the rare earth element addition double clad optical fiber shown in FIG. 1, and a corresponding refractive index profile. 繰り返し周波数が100Hzであってデューティー比が50%の電気パルス信号列を用いた場合の増幅光パルス列の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the amplification optical pulse train when the repetition frequency is 100 Hz and the electric pulse signal train having a duty ratio of 50% is used. 繰り返し周波数が1kHzであってデューティー比が50%の電気パルス信号列を用いた場合の増幅光パルス列の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of an amplified optical pulse train when a repetition frequency is 1 kHz and an electric pulse signal train having a duty ratio of 50% is used. 電気パルス信号列の繰り返し周波数を1kHz、デューティー比を20%とし、増幅光パルス列のオン状態での強度が6W、12W、17W、22Wとなるように励起光パルス列の強度を制御した場合の、増幅光パルス列の波形を示す図である。Amplification when the repetition frequency of the electric pulse signal train is 1 kHz, the duty ratio is 20%, and the intensity of the excitation light pulse train is controlled so that the intensity in the ON state of the amplified light pulse train is 6 W, 12 W, 17 W, 22 W It is a figure which shows the waveform of an optical pulse train. 電気パルス信号列の繰り返し周波数を1kHz、デューティー比を50%とし、増幅光パルス列のオン状態での強度が6W、12W、17W、22Wとなるように励起光パルス列の強度を制御した場合の、増幅光パルス列の波形を示す図である。Amplification when the repetition frequency of the electric pulse signal train is 1 kHz, the duty ratio is 50%, and the intensity of the excitation light pulse train is controlled so that the intensity in the ON state of the amplified light pulse train is 6 W, 12 W, 17 W, 22 W It is a figure which shows the waveform of an optical pulse train. 電気パルス信号列の繰り返し周波数を1kHz、デューティー比を90%とし、増幅光パルス列のオン状態での強度が6W、12W、17W、22Wとなるように励起光パルス列の強度を制御した場合の、増幅光パルス列の波形を示す図である。Amplification when the repetition frequency of the electric pulse signal train is 1 kHz, the duty ratio is 90%, and the intensity of the excitation light pulse train is controlled so that the intensity in the ON state of the amplified light pulse train is 6 W, 12 W, 17 W, 22 W It is a figure which shows the waveform of an optical pulse train. 本発明の実施の形態2に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented typically the structure of the pulse laser apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented typically the structure of the pulse laser apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。It is the schematic which represented typically the structure of the pulse laser apparatus which concerns on Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100〜400 パルスレーザ装置
20、20a、20b 光源
21 LD
22 光ファイバ
22a FBG
3 パルス発生器
40〜60 光増幅器
41〜61 光アイソレータ
42、52、62a、62b TFB
43−1〜43−n、53−1〜53−m、63a−1〜63a−n、63b−1〜63b−m 励起光源
44−1〜44−n、54−1〜54−m、64a−1〜64a−n、64b−1〜64b−m マルチモード光ファイバ
45〜65 希土類元素添加ダブルクラッド光ファイバ
45a コア部
45b 内部クラッド部
45c 外部クラッド部
45d 屈折率プロファイル
46〜66 光出力端子
47〜67 電流増幅器
100-400 pulse laser device 20, 20a, 20b Light source 21 LD
22 optical fiber 22a FBG
3 Pulse generator 40-60 Optical amplifier 41-61 Optical isolator 42, 52, 62a, 62b TFB
43-1 to 43-n, 53-1 to 53-m, 63a-1 to 63a-n, 63b-1 to 63b-m Excitation light source 44-1 to 44-n, 54-1 to 54-m, 64a -1 to 64a-n, 64b-1 to 64b-m Multimode optical fiber 45 to 65 Rare earth element added double clad optical fiber 45a Core portion 45b Inner clad portion 45c Outer clad portion 45d Refractive index profile 46 to 66 Optical output terminal 47 ~ 67 Current amplifier

Claims (5)

互いに波長が異なる連続レーザ光を出力する複数の光源を備える光源部と、
前記光源部に接続し前記複数の光源から出力する各連続レーザ光源を合波して出力する光合波器と、
電気パルス信号列を出力するパルス発生手段と、
前記パルス発生手段に接続し前記電気パルス信号列によって駆動して励起光パルス列を出力する励起光源と、前記光合波器および前記励起光源に接続し前記励起光パルス列が希土類元素を励起することによって前記光合波器から入力される前記連続レーザ光を増幅する希土類元素添加光ファイバとを有する光増幅部と、
を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。
A light source unit including a plurality of light sources that output continuous laser light having different wavelengths from each other ;
An optical multiplexer for connecting and outputting each continuous laser light source connected to the light source unit and outputting from the plurality of light sources;
Pulse generating means for outputting an electric pulse signal train;
An excitation light source for outputting pumping light pulse train is driven by said electric pulse signal train is connected to said pulse generating means, said by the excitation light pulse train is connected to said optical multiplexer and said excitation light source for exciting the rare earth element An optical amplifying unit having a rare earth element-doped optical fiber for amplifying the continuous laser light input from an optical multiplexer ;
A pulse laser device comprising:
前記希土類元素添加光ファイバはダブルクラッド型の構造を有するものであることを特徴とする請求項1に記載のパルスレーザ装置。   2. The pulse laser device according to claim 1, wherein the rare earth element-doped optical fiber has a double clad structure. 前記希土類元素は、イットリビウムおよびエルビウムの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のパルスレーザ装置。   The pulse laser apparatus according to claim 1, wherein the rare earth element includes at least one of yttrium and erbium. 前記励起光源は、前記希土類元素添加光ファイバに前記連続レーザ光と同一方向から前記励起光パルス列を入力することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のパルスレーザ装置。   The pulse laser apparatus according to claim 1, wherein the excitation light source inputs the excitation light pulse train from the same direction as the continuous laser light to the rare earth element-doped optical fiber. 前記励起光源は、前記希土類元素添加光ファイバに前記連続レーザ光とは逆方向から前記励起光パルス列を入力することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のパルスレーザ装置。   5. The pulse laser device according to claim 1, wherein the pumping light source inputs the pumping light pulse train into the rare earth element-doped optical fiber from a direction opposite to the continuous laser light.
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