JP5165210B2

JP5165210B2 - Ｑスイッチレーザ装置

Info

Publication number: JP5165210B2
Application number: JP2006114025A
Authority: JP
Inventors: 哲夫小島; 満樹黒澤; 達樹岡本; 順一西前; 孝文河井; 周一藤川; 一樹久場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-04-18
Also published as: JP2007287946A

Description

本発明は、レーザ発振器と、当該レーザ発振器から出力されるレーザ光を増幅して出力するレーザ増幅器とを備え、当該レーザ発振器及びレーザ増幅器ともにＱスイッチ素子を備えるＱスイッチレーザ装置に関する。

従来から様々なレーザ技術が提案されている。例えば、特許文献１には多段光増幅装置に関する技術が開示されている。特許文献１の技術では、光増幅器を直列に接続し、各光増幅器の出力側に光を任意に透過または遮断する光スイッチを配置し、この光スイッチを、多段光増幅装置に入力する信号光パルスと同期した信号により駆動している。これにより、光増幅器から発生する自然放出光を除去している。また、特許文献２にはＱスイッチ方式のレーザ発振器に関する技術が開示されている。

特許第２９１９１１８号公報特開２００５−１０１４８２号公報

上記特許文献１に記載の多段光増幅装置を利用して、Ｑスイッチ方式のレーザ発振器から出力されるレーザ光を増幅しようとすると、素子特性のばらつき等の理由により、レーザ光が入力されていないにもかかわらず増幅装置のみからレーザ光を出力する寄生発振が生じることがある。その結果、レーザ光の出力が不安定になったり低下することがあった。

そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、安定かつ高出力でレーザ光を出力することが可能な技術を提供することを目的とする。

この発明のＱスイッチレーザ装置は、レーザ光の発振出力を制御する、音響光学素子あるいは電気光学素子から成る第１のＱスイッチ素子を有するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光を増幅する、互いに直列接続された複数の増幅器と、当該複数の増幅器の間に配置されるとともに、前記レーザ光の出力を制御する、音響光学素子あるいは電気光学素子から成る第２のＱスイッチ素子とを有するレーザ増幅器と、第１のトリガ信号が入力されると前記第１のＱスイッチ素子をオン状態にする第１のＱスイッチドライバと、第２のトリガ信号が入力されると前記第２のＱスイッチ素子をオン状態にする第２のＱスイッチドライバと、前記第１及び第２のトリガ信号を前記第１及び第２のＱスイッチドライバにそれぞれ出力するトリガ信号発生部とを備え、前記トリガ信号発生部は、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設ける遅延手段を有し、前記遅延手段が設ける遅延時間は可変であって、前記トリガ信号発生部は、前記遅延手段によって前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けて、前記第１のトリガ信号の出力タイミングを前記第２のトリガ信号の出力タイミングよりも早くし、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間が無い場合の、前記レーザ増幅器からの前記レーザ光の出力エネルギーの変動よりも、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間を設けた場合の当該出力エネルギーの変動の方が小さくなるように当該遅延時間の値が設定されている。

この発明のＱスイッチレーザ装置によれば、第１のトリガ信号の出力タイミングを第２のトリガ信号の出力タイミングよりも早くしているため、レーザ発振器からレーザ光が出力されていない状態でレーザ増幅器のみから不要なレーザ光が出力されるという寄生発振を抑制することができる。その結果、安定かつ高出力でレーザ光を出力することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るＱスイッチレーザ装置の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施の形態１に係るＱスイッチレーザ装置は、レーザ光１０１を発振して出力するレーザ発振器１と、レーザ光１０１を増幅してレーザ光１１１として出力するレーザ増幅器１１と、トリガ信号発生部２１と、Ｑスイッチドライバ２４，２５とを備えている。

レーザ発振器１では、全反射ミラー２と、固体レーザ励起モジュール４と、Ｑスイッチ素子５と、部分反射ミラー３とがこの順でレーザ光１０１の光軸１５０上に配置されている。全反射ミラー２と部分反射ミラー３とでレーザ共振器が形成され、当該レーザ共振器内に固体レーザ励起モジュール４とＱスイッチ素子５とが配置されている。

レーザ増幅器１１では、固体レーザ励起モジュール１２と、固体レーザ励起モジュール１３と、Ｑスイッチ素子１５と、固体レーザ励起モジュール１４とがこの順でレーザ光１０１の光軸１５０上に配置されている。

固体レーザ励起モジュール４，１２，１３，１４のそれぞれは、固体レーザ媒質と、当該固体レーザ媒質を励起する励起源とを備えており、レーザ光を発生させ、かつ増幅する機能を有している。励起源は固体レーザ媒質を連続的に励起している。固体レーザ媒質は例えばＮｄ：ＹＡＧから成る。Ｎｄ：ＹＡＧは、活性媒体ＮｄをドープしたＹＡＧ（Yttrium Alminium Garnet）である。励起源は例えば半導体レーザから成る。

Ｑスイッチ素子５，１５のそれぞれは音響光学素子や電気光学素子などから成る。Ｑスイッチ素子５は、レーザ光１０１の発振出力を制御し、Ｑスイッチドライバ２４によってオン状態及びオフ状態が切り替えられる。Ｑスイッチ素子１５は、レーザ光１１１の出力を制御し、Ｑスイッチドライバ２５によってオン状態及びオフ状態が切り替えられる。

トリガ信号発生部２１は、トリガ信号ＴＲを生成して出力するトリガ信号発生器２２と、トリガ信号ＴＲを所定時間遅延させてトリガ信号ＤＴＲとして出力する遅延信号発生器２３とを備えている。Ｑスイッチドライバ２４，２５には、トリガ信号ＴＲ及びトリガ信号ＤＴＲがそれぞれ入力される。

Ｑスイッチドライバ２４はトリガ信号ＴＲを受け取ると、レーザ発振器１内のＱスイッチ素子５に対してオン信号を出力して、当該Ｑスイッチ素子５をオフ状態からオン状態に切り替える。そして、次にトリガ信号ＴＲを受け取ると、Ｑスイッチ素子５に対してオフ信号を出力して、当該Ｑスイッチ素子５をオフ状態からオン状態に切り替える。

Ｑスイッチドライバ２５は、トリガ信号ＤＴＲを受け取るとレーザ増幅器１１内のＱスイッチ素子１５に対してオン信号を出力して、当該Ｑスイッチ素子１５をオフ状態からオン状態に切り替える。そして、次にトリガ信号ＤＴＲを受け取ると、Ｑスイッチ素子１５に対してオフ信号を出力して、当該Ｑスイッチ素子１５をオフ状態からオン状態に切り替える。

次に本実施の形態１に係るＱスイッチレーザ装置のレーザ光１１１を出力するまでの一連の動作について説明する。トリガ信号発生器２２がトリガ信号ＴＲを発生すると、当該トリガ信号ＴＲは遅延信号発生器２３とＱスイッチドライバ２４とに入力される。Ｑスイッチドライバ２４は、トリガ信号ＴＲを受け取ると、Ｑスイッチ素子５に対してオン信号を出力する。オン信号が入力されたＱスイッチ素子５はオフ状態からオン状態となり、レーザ光が通過できる状態となる。

レーザ発振器１では、固体レーザ励起モジュール４内の連続的に励起されている固体レーザ媒質から自然放出光が発生しているが、Ｑスイッチ素子５がオフ状態のときには、当該光は全反射ミラー２と部分反射ミラー３とから成るレーザ共振器内を往復することができないため、強度の高いレーザ光を得ることはできない。Ｑスイッチ素子５がオン状態となることにより、固体レーザ励起モジュール４が発生する光はレーザ共振器内を往復することができるようになり、当該光はレーザ共振器内を往復する間に固体レーザ励起モジュール４により増幅されて強度の高いレーザ光となり、その一部は部分反射ミラー３を透過してレーザ光１０１として出力される。

一方で、遅延信号発生器２３は、トリガ信号ＴＲを受け取ると、当該トリガ信号ＴＲを遅延してトリガ信号ＤＴＲとしてＱスイッチドライバ２５に出力する。つまり、トリガ信号発生部２１からは、トリガ信号ＴＲよりも遅れてトリガ信号ＤＴＲが出力される。Ｑスイッチドライバ２５は、トリガ信号ＤＴＲを受け取るとＱスイッチ素子１５に対してオン信号を出力する。オン信号が入力されたＱスイッチ素子１５はオフ状態からオン状態となり、レーザ光１０１が通過できる状態となる。

レーザ発振器１から出力されたレーザ光１０１は、レーザ増幅器１１内の１つ目の固体レーザ励起モジュール１２により増幅され、さらに２つ目の固体レーザ励起モジュール１３により増幅される。そして、増幅されたレーザ光１０１はオン状態のＱスイッチ素子１５を通過して、３つ目の固体レーザ励起モジュール１４により増幅されて、レーザ光１１１として外部に取り出される。

以上のように、本実施の形態１に係るＱスイッチレーザ装置では、トリガ信号発生部２１は、Ｑスイッチドライバ２４に対するトリガ信号ＴＲの出力タイミングを、Ｑスイッチドライバ２５に対するトリガ信号ＤＴＲの出力タイミングよりも早くしている。

ここで、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号を出力した場合であっても、Ｑスイッチ素子５，１５内での動作遅れの相違によって、実際にオン状態となるタイミングがＱスイッチ素子１５の方がＱスイッチ素子５よりも早くなることがある。また、超音波媒体に超音波を伝搬させることによって当該超音波媒体を回折格子として機能させる音響光学Ｑスイッチ素子を用いてＱスイッチ素子５，１５のそれぞれを構成した場合には、Ｑスイッチ素子５，１５の光軸１５０に対する位置ずれの相違によって、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号を出力した場合であっても、実際にオン状態となるタイミングがＱスイッチ素子１５の方がＱスイッチ素子５よりも早くなることがある。さらには、トリガ信号が入力されてからのＱスイッチドライバ２４，２５の動作遅れの相違によって、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号を出力した場合であっても、実際にオン状態となるタイミングがＱスイッチ素子１５の方がＱスイッチ素子５よりも早くなることがある。そのため、レーザ発振器１からレーザ光１０１が出力されていないにもかかわらず、レーザ増幅器１１のみから不要なレーザ光が出力されるという寄生発振が生じることがある。

本実施の形態１では、Ｑスイッチドライバ２４に対するトリガ信号ＴＲの出力タイミングを、Ｑスイッチドライバ２５に対するトリガ信号ＤＴＲの出力タイミングよりも早くしているため、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号を出力した場合にオン状態となるタイミングがＱスイッチ素子１５の方がＱスイッチ素子５よりも早い場合であっても、レーザ発振器１から出力されるレーザ光１０１がＱスイッチ素子１５に到達するタイミングにあわせて当該Ｑスイッチ素子１５をオン状態とすることができる。そのため、Ｑスイッチ素子１５が早くオン状態になりすぎることを防止できる。よって、レーザ増幅器１１のみから不要なレーザ光を出力する寄生発振を抑制することができ、その結果、安定かつ高出力でレーザ光１１１を出力することができる。

なお、本実施の形態１では、トリガ信号発生器２２と遅延信号発生器２３とを使用して、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対するトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けていたが、他の方法で当該遅延時間を設けても良い。例えば、トリガ信号発生器２２及び遅延信号発生器２３の代わりに、複数の出力端子を有するトリガ信号発生器を用意し、これらの出力端子から出力タイミングが異なる複数のトリガ信号をＱスイッチドライバ２４，２５にそれぞれ出力しても良い。このような場合であっても、Ｑスイッチ素子５，１５が実際にオン状態となるタイミングを調整することができることから、レーザ増幅器１１のみから不要なレーザ光が出力される寄生発振を抑制することができる。

実施の形態２．
図２は本実施の形態２に係るＱスイッチレーザ装置の調整方法を示すフローチャートである。上述の実施の形態１では、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対するトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けているが、本実施の形態２では、この遅延時間の決定方法について説明する。以後、当該遅延時間を「遅延時間ＤＴ」と呼ぶ。

図２に示されるように、まずステップｓ１において、上述のレーザ発振器１、レーザ増幅器１１及びＱスイッチドライバ２４，２５を準備する。そして、ステップｓ２において遅延時間ＤＴを零に設定する。つまり、上述の遅延信号発生器２３は使用せずにトリガ信号発生器２２だけを使用して、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号ＴＲを出力する。そして、遅延時間ＤＴを零に設定した場合におけるレーザ光１１１の出力エネルギーの変動を測定する。例えば、レーザ増幅器１１から複数回レーザ光１１１を出力させて、それぞれについてのパルスエネルギーを測定し、測定したパルスエネルギーのうちの最大値と最小値の差を求めて、これをレーザ光１１１の出力パルスエネルギーの変動の大きさとする。

次にステップｓ３において遅延時間ＤＴをマイナスに設定する。本実施の形態２では、Ｑスイッチドライバ２５に対するトリガ信号の出力タイミングの方が、Ｑスイッチドライバ２４に対するトリガ信号の出力タイミングよりも早い場合を「マイナス」とし、Ｑスイッチドライバ２４に対するトリガ信号の出力タイミングの方が、Ｑスイッチドライバ２５に対するトリガ信号の出力タイミングよりも早い場合を「プラス」とする。ステップｓ３では、上述の実施の形態１に係るトリガ信号発生部２１を使用して、実施の形態１とは異なり、Ｑスイッチドライバ２４には遅延信号発生器２３からのトリガ信号ＤＴＲを、Ｑスイッチドライバ２５にはトリガ信号発生器２２からのトリガ信号ＴＲをそれぞれ入力し、遅延信号発生器２３でのトリガ信号ＴＲに対する遅延時間を設定することによって、遅延時間ＤＴをマイナスに設定する。例えば、遅延時間ＤＴを、−５０ｎｓ、−１００ｎｓ、−１５０ｎｓ、−２００ｎｓ、−２５０ｎｓ及び−３００ｎｓと順に設定する。そして、遅延時間ＤＴの各値について、ステップｓ２と同様にレーザ光１１１の出力エネルギーの変動を測定する。

次にステップｓ４において遅延時間ＤＴをプラスに設定する。ステップｓ４では、上述の実施の形態１に係るトリガ信号発生部２１をそのまま使用し、当該トリガ信号発生部２２１の遅延信号発生器２３でのトリガ信号ＴＲに対する遅延時間を設定することによって、遅延時間ＤＴをプラスに設定する。例えば、遅延時間ＤＴを、＋５０ｎｓ、＋１００ｎｓ、＋１５０ｎｓ，＋２００ｎｓ，＋２５０ｎｓ及び＋３００ｎｓと順に設定する。そして、遅延時間ＤＴの各値について、ステップｓ２と同様に、レーザ光１１１の出力エネルギーの変動を測定する。

次にステップｓ５では、ステップｓ２〜ｓ４での出力エネルギーの測定結果に基づいて、最終的な遅延時間ＤＴの値を決定する。以下にステップｓ５での処理を詳細に説明する。

図３は、ステップｓ２〜ｓ４で測定された出力エネルギーの変動の様子の一例を示す図である。図中の横軸は遅延時間ＤＴを示しており、縦軸はレーザ光１１１の出力パルスエネルギーの変動の大きさを示している。図３では、遅延時間ＤＴが零の場合の出力パルスエネルギーの変動の大きさを“１”とし、当該大きさを基準として縦軸の値を示している。

図３に示される測定結果では、レーザ光１１１の出力エネルギー変動は、遅延時間ＤＴが零に設定されている場合よりも、遅延時間ＤＴが０ｎｓ＜遅延時間ＤＴ≦＋１５０ｎｓに設定されている場合の方が小さくなっている。これは、ステップｓ１において準備したレーザ発振器１、レーザ増幅器１１及びＱスイッチドライバ２４，２５では、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対して同時にトリガ信号を出力した場合であっても、Ｑスイッチ素子５，１５内での動作遅れの相違等によって、実際にオン状態となるタイミングがＱスイッチ素子１５の方がＱスイッチ素子５よりも早くなっているからである。したがって、この場合には、ステップｓ５において、最終的な遅延時間ＤＴの値を、０ｎｓよりも大きく＋１５０ｎｓ以下の値に設定することによって、安定かつ高出力のレーザ光１１１を発生することができる。つまり、図３に示される測定結果が得られた場合には、最終的には上述の実施の形態１に係るトリガ信号発生部２１をそのまま採用し、当該トリガ信号発生部２１の遅延信号発生器２３でのトリガ信号ＴＲに対する遅延時間を０ｎｓよりも大きく＋１５０ｎｓ以下の値に設定することによって、安定かつ高出力のレーザ光１１１を発生することができる。

また、遅延時間ＤＴを＋５０ｎｓ≦遅延時間ＤＴ≦＋１００ｎｓに設定する方が好ましい。これにより、レーザ光１１１の出力エネルギー変動をより小さくすることができる。さらには、レーザ発振器１やレーザ増幅器１１等の特性に経時変化が生じた場合であっても、レーザ光１１１の出力エネルギー変動が変化する可能性を小さくすることができ、長期間安定した高出力のレーザ光１１１を発生することができる。

なお、図３に示される測定結果では、遅延時間ＤＴが＋２００ｎｓ、＋２５０ｎｓ及び＋３００ｎｓに設定された場合には、逆にレーザ光１１１の出力エネルギー変動が大きくなっている。これは、Ｑスイッチドライバ２４に対するトリガ信号の出力タイミングの方が、Ｑスイッチドライバ２５に対すトリガ信号の出力タイミングよりも早くなりすぎると、Ｑスイッチ素子１５よりもＱスイッチ素子５の方が早くオン状態になり、レーザ発振器１から出力されるレーザ光１０１の一部がレーザ増幅器１１内のＱスイッチ素子１５で遮断されるからである。

以上のように、本実施の形態２に係るＱスイッチレーザ装置の調整方法によれば、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対するトリガ信号の出力タイミングに遅延時間が無い場合の、レーザ増幅器１１からのレーザ光１１１の出力エネルギーの変動よりも、当該トリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けた場合の当該出力エネルギーの変動の方が小さくなるように当該遅延時間の値を設定している。したがって、安定かつ高出力のレーザ光１１１を出力することができる。

また、ステップｓ２〜ｓ４での出力エネルギー変動の測定結果から、Ｑスイッチドライバ２４，２５に対するトリガ信号の出力タイミングに遅延時間が無い場合のレーザ光１１１の出力エネルギーの変動よりも、当該トリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けた場合の当該出力エネルギーの変動の方が小さくなる当該遅延時間の値の範囲を求めて、当該範囲の中心値を最終的な遅延時間の値とする方が好ましい。このように、出力エネルギー変動が小さくなる範囲の中心値を最終的な遅延時間の値とすることによって、レーザ発振器１やレーザ増幅器１１等の特性に経時変化が生じた場合であっても、長期間安定な高出力のレーザ光１１１を発生することができる。

なお、レーザ光１１１の出力エネルギーの変動が小さくなる範囲が、図３に示される結果よりもプラス側にずれることもある。この場合であっても、同様にして最終的な遅延時間ＤＴの値を決定することによって、安定かつ高出力でレーザ光１１１を出力することができる。

また、上述の実施の形態１，２では、レーザ発振器１内には１つの固体レーザ励起モジュール３を設けて、レーザ増幅器１１内には３つの固体レーザ励起モジュール１２，１３，１４を設けたが、これに限られるものではなく、レーザ発振器１内に２つ以上の固体レーザ励起モジュールを設けても良いし、レーザ増幅器１１内に１つまたは２つの固体レーザ励起モジュールあるいは４つ以上の固体レーザ励起モジュールを設けても良い。このような場合であっても同様の効果を生じる。

また、上述の実施の形態１，２では、レーザ発振器１及びレーザ増幅器１１内にはそれぞれ１つＱスイッチ素子５を設けていたが、これに限られるものではなく、レーザ発振器１内に２つ以上のＱスイッチ素子を設けても良いし、レーザ増幅器１１内に２つ以上のＱスイッチ素子を設けても良い。このような場合であっても同様の効果を生じる。

本発明の実施の形態１に係るＱスイッチレーザ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２に係るＱスイッチレーザ装置の調整方法を示すフローチャートである。レーザ光の出力エネルギー変動の測定結果の一例を示す図である。

符号の説明

１レーザ発振器、５，１５Ｑスイッチ素子、１１レーザ増幅器、２４，２５Ｑスイッチドライバ、２１トリガ信号発生部、１０１，１１１レーザ光。

Claims

レーザ光の発振出力を制御する、音響光学素子あるいは電気光学素子から成る第１のＱスイッチ素子を有するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出力される前記レーザ光を増幅する、互いに直列接続される複数の増幅器と、当該複数の増幅器の間に配置されるとともに、前記レーザ光の出力を制御する、音響光学素子あるいは電気光学素子から成る第２のＱスイッチ素子とを有するレーザ増幅器と、
第１のトリガ信号が入力されると前記第１のＱスイッチ素子をオン状態にする第１のＱスイッチドライバと、
第２のトリガ信号が入力されると前記第２のＱスイッチ素子をオン状態にする第２のＱスイッチドライバと、
前記第１及び第２のトリガ信号を前記第１及び第２のＱスイッチドライバにそれぞれ出力するトリガ信号発生部と
を備え、
前記トリガ信号発生部は、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設ける遅延手段を有し、
前記遅延手段が設ける遅延時間は可変であって、
前記トリガ信号発生部は、前記遅延手段によって前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに遅延時間を設けて、前記第１のトリガ信号の出力タイミングを前記第２のトリガ信号の出力タイミングよりも早くし、
前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間が無い場合の、前記レーザ増幅器からの前記レーザ光の出力エネルギーの変動よりも、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間を設けた場合の当該出力エネルギーの変動の方が小さくなるように当該遅延時間の値が設定されている、Ｑスイッチレーザ装置。
請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置であって、
前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間が無い場合の、前記レーザ増幅器からの前記レーザ光の出力エネルギーの変動よりも、前記第１及び第２のトリガ信号の出力タイミングに前記遅延時間を設けた場合の当該出力エネルギーの変動の方が小さくなる前記遅延時間の値の範囲の中心値が最終的な前記遅延時間の値とされている、Ｑスイッチレーザ装置。