JP5320616B2 - レーザ、およびパルス・レーザ放射を発生させる方法 - Google Patents

レーザ、およびパルス・レーザ放射を発生させる方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ、およびパルス・レーザ放射を生成する方法に関する。
共振器のQを低Qと高Qとの間で周期的に切り換えるQスイッチ構成は、多くの場合に使用されている。このようなQスイッチングにおいて、変調器は共振器内に設けられる。
変調器は、例えば高電圧を印加することによって共振器中の放射の偏光方向に影響を及ぼすポッケルス・セル(Pockels cell)として設けられ、このポッケルス・セルによって所望のQ−スイッチングが実現される。ポッケルス・セルは、非常に良好なパルス・ツー・パルスの安定性を実現する。しかし、ポッケルス・セルにおいては、必要な高電圧(数kVの範囲内)を高速スイッチングするために複雑な制御電子機器が必要である。これらの制御電子機器は、特に工業用途において比較的低い信頼性をもたらす。
使用される変調器が音響光学変調器である場合、高周波の小信号電圧は変調器を動作させるためには十分となり、それによりレーザの信頼性は増大するものの、最大5%の強度および/またはエネルギーでパルス・ツー・パルスの変動がある。しかし多くの用途は、1%未満の強度およびエネルギーのパルス・ツー・パルス安定性を必要とする。尚、Qスイッチ構成のレーザの先行技術として、特許文献1〜5が開示されている。
特開昭59−151482号明細書 特開平11−26858号明細書 米国特許出願公開第2006/0028710A1号明細書 米国特許第5,721,749号明細書 米国特許第7,133,182B2号明細書
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス・レーザ放射を発生させるレーザであって、パルス・ツー・パルスの強度およびエネルギーの変化を最小にしてパルス・ツー・パルスの安定性を高めることのできる高信頼性レーザを提供することにある。
本発明の目的は、パルス・レーザ放射を発生させるレーザ共振器であって、共振器と、前記共振器内に配置されるレーザ活性媒体と、前記共振器内に配置され、前記共振器のQを設定すべく第1の状態と第2の状態とに選択的に設定される音響光学変調器であって、前記共振器のQが前記第2の状態のときより前記第1の状態のときに低くなる、音響光学変調器と、前記変調器を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記変調器で所定の音場を発生させるべく前記2つの状態のうちの一方で前記変調器に供給される高周波信号と、前記2つの状態の間で前記変調器を周期的にスイッチングするためのスイッチング信号とを位相同期させて結合する、レーザ共振器によって達成される。
高周波信号とスイッチング信号との位相同期結合は、高周波信号のスイッチングが音響光学変調器において一般的に行われているようにゼロ点だけで行われる場合でも、実際のスイッチング周期の時間を安定化させ、すなわち、スイッチング・サイクル毎にスイッチング周期を同じ一定時間にすることができるという有利な効果を生じさせる。このため、優れたパルス・ツー・パルスの安定性を実現することができる。
前記レーザにおいて、スイッチング信号は、前記変調器を前記第2の状態から前記第1の状態にスイッチングするための第1のスイッチング・エッジと、前記変調器を前記第1の状態から前記第2の状態にスイッチングするための第2のスイッチング・エッジとを交互に有し、前記制御装置が、前記第1のスイッチング・エッジ及び前記第2のスイッチング・エッジの双方を前記高周波信号に位相同期させて結合する。従って、パルスの発生に関係する上記2つの状態の周期は2つのスイッチング・エッジによって極めて安定化し、不所望のパルス・ツー・パルスの変動は生じない。
前記制御装置は、前記高周波信号及び前記スイッチング信号の双方を所定の基準周波数を有する単一の基準信号から生成することができる。従って、所望の位相同期結合が容易に実現される。
具体的に、前記基準信号は単一の高安定周波数発生器によって発生することができる。この場合、所望の高周波信号及びスイッチング信号を発生させるために1つの周波数発生器のみが必要とされる。
前記周波数発生器は、例えば音響光学変調器の制御電子機器内に通常設けられる周波数発生器でよい。なお、別個の周波数発生器を使用することも可能である。
前記基準周波数は、前記高周波信号の周波数に一致ないし対応したものとすることができる。この場合、前記高周波信号を発生させるために周波数を変更する必要がない。
前記基準周波数は、前記高周波信号の周波数と異なっていてもよい。この場合、所要の高周波を発生させるために、適当な電子回路(周波数分割器又は逓倍器、すなわち周波数変換器)が変調器内に設けられる。
例えば、前記基準周波数は、前記高周波信号を発生させるために周波数分割器又は逓倍器によって分割又は逓倍され、次いでその分割又は逓倍された周波数に基づいてスイッチング信号が得られる。(基準信号を変換する)周波数分割器又は逓倍器は、レーザの一部であってよい。
前記第1の状態及び前記第2の状態についての所望のスイッチング周期は、任意に選択可能である。例えば、スイッチング基準信号のクロックは、スイッチング信号のスイッチング時間(或いは、スイッチング信号のスイッチング・エッジの各タイミング点)を判定するためにカウントされる。この場合、最小インクリメント値は、スイッチング基準信号の周波数の逆数又はスイッチング基準信号の周期によって与えられる。
前記レーザは、前記レーザ活性媒体を連続波動作で送出するポンプ光源をさらに含んでもよい。ただし、前記レーザ活性媒体を他の方法で送出することも可能である。
前記制御装置は、前記レーザを動作するために必要な当業者に公知の機能を有することができる。
本発明のレーザは、所望のレーザ・パルスが高Qの状態で発生する、例えばQスイッチ構成において使用することができる。しかし、本発明のレーザをキャビティ・ダンピング構成において動作させることも可能であり、この場合、高Qの状態ではレーザ放射は結合出力されないが、共振器は強発振するために閉共振器として動作する。低Qの状態では、共振器はすぐに動作して、所望のレーザ・パルスを結合出力する。
典型的なパルス幅は、nsからμsの範囲内であり、特にパルス幅10〜1000nsである。
本発明は更に、レーザによってパルス・レーザ放射を発生させる方法であって、前記レーザが、共振器と、前記共振器内に配置されるレーザ活性媒体と、前記共振器内に配置され、前記共振器のQを設定すべく第1の状態と第2の状態とに選択的に設定される音響光学変調器であって、前記共振器のQが前記第2の状態のときより前記第1の状態のときに低くなる、前記音響光学変調器とを含み、当該方法が、前記パルス・レーザ放射を発生させるべく前記変調器をスイッチング信号に応じて前記2つの状態の間で周期的にスイッチングすること、前記変調器で音場を発生させるべく前記2つの状態のうちの一方で所定の高周波信号を前記変調器に供給することであって、前記スイッチング信号と前記高周波信号とが互いに位相同期して結合される、所定の高周波信号を前記変調器に供給すること、を備える、方法を提供する。
前記高周波信号と前記スイッチング信号との位相同期結合によって不所望のパルス・ツー・パルスの変動が抑制される。
前記方法では、前記スイッチング信号は、前記変調器を前記第2の状態から前記第1の状態にスイッチングするための第1のスイッチング・エッジと、前記変調器を前記第1の状態から前記第2の状態にスイッチングするための第2のスイッチング・エッジとを交互に有し、前記第1のスイッチング・エッジ及び前記第2のスイッチング・エッジの双方が前記高周波信号に位相同期して結合される。
前記音響光学変調器の実際のスイッチ・オン周期およびスイッチ・オフ周期を位相同期結合によって安定化させることができ、その結果、パルス・ツー・パルスの変動が防止される。
前記方法では、前記高周波信号と前記スイッチング信号の双方は、所定の基準周波数を有する単一の基準信号から生成される。従って、位相同期結合を極めて容易に実現することができる。この場合、単一の基準信号を発生させるために単一の周波数発生器を設けるだけでよい。
具体的に、前記基準周波数は前記高周波信号の周波数に一致ないし対応したものとすることができる。この場合、例えば、前記基準信号を発生させる周波数発生器として、前記音響光学変調器の制御電子機器内に通常含まれている周波数発生器を使用することができる。
前記基準周波数は前記高周波信号の周波数と異なっていてもよく、この場合には、周波数分割又は逓倍が、前記変調器用の高周波信号を発生させるために実行される。
例えば、前記基準周波数は、前記高周波信号(スイッチング基準信号)を発生させるために分割又は逓倍され、そこからスイッチング信号が得られる。
前記第1の状態および前記第2の状態についてのスイッチング周期は任意に選択可能である。前記スイッチング信号のスイッチング周期が前記スイッチング基準信号のクロックをカウントすることによって決定される場合は、(前記スイッチング周期のための)最小のステップ時間は、前記スイッチング基準信号の周波数の逆数又はスイッチング基準信号の周期によって与えられる。
前記レーザ活性媒体は、連続波動作で光学的に送出される。ただし、他の任意の種類のレーザ活性媒体のポンピングも可能である。
図1に示す実施形態では、パルス・レーザ放射2を発生させるレーザ1は、共振器3を含む。この共振器3は、高反射性エンドミラー4および結合出力ミラー5によって形成される。
レーザ活性媒体6(例えば結晶性固体)および音響光学変調器7は、共振器3内に配置される。適宜、例えば周波数多重化のための非線形光学要素8が共振器3内にさらに配置されてもよい。要素8は、図1では破線によって示される。
レーザ活性媒体6を送出するためにポンプ光源9(例えばダイオード・レーザ)が設けられる。このポンプ光源9は、矢印10によって示されるように連続波動作でレーザ活性媒体6を送出する。
レーザはさらに制御装置11を含む。この制御装置11は、高安定周波数発生器12、高周波増幅器13、およびスイッチング・エッジ発生器14を含む。
レーザ1は、所望のレーザ・パルスを発生させるべく、音響光学変調器7によってQスイッチ構成で動作する。この目的のために、制御装置11の周波数発生器12は、所定の基準周波数fref、ここでは例えば30MHzの基準周波数frefを有する基準信号SRefを生成する。基準信号SRefは、高周波増幅器13及びスイッチング・エッジ発生器14の双方に印加され、それにより、後述するように、高周波信号SHFが高周波増幅器13で生成され、スイッチング基準信号SSRがスイッチング・エッジ発生器14で生成される。
高周波増幅器13は、基準信号SRefを増幅して所望の高周波信号SHFを生成する。この所望の高周波信号SHFが音響光学変調器7に供給されると、変調器7で所定の音場が生成される。本明細書で説明する一例の実施形態では、高周波信号SHFが供給されると、音響光学変調器は共振器3から放射を結合出力し、その結果、共振器のQが低下する。高周波信号SHFが音響光学変調器7に供給されない場合には、放射が結合出力されないため、共振器のQが増大する。
音響光学変調器7に供給される高周波信号SHFのスイッチング・オン及びスイッチング・オフは、(技術的/物理的な理由で)システムに応じて、高周波信号SHFの電圧がその時点でゼロであるときにだけ行われる。このため、音響光学変調器は概して、特定の位相位置、すなわちいわゆるゼロ点でスイッチングされる。
高周波信号SHFは、スイッチング基準信号SSRに基づいてスイッチング・エッジ発生器14で生成されたスイッチング信号SSwitchに従って、音響光学変調器7に供給される。図2に示すように、スイッチング信号SSwitchがロー(L)からハイ(H)に変化すると(スイッチ・オン・エッジF1)、高周波信号SHFは、その高周波信号SHFの次のゼロ交差点で音響光学変調器7に供給され、音響光学変調器7が第1の状態Z1となる。この音響光学変調器7の第1の状態Z1では、共振器のQは低い。これに関して、図2は、実際の時間周期T1、T2を示しており、時間周期T1では高周波信号SHFは変調器7に信号15として供給され、時間周期T2では信号15としての高周波信号SHFは変調器7に供給されない。
その後、スイッチング信号SSwitchがロー(L)に切り換えられると(スイッチ・オフ・エッジF2)、高周波信号SHFは、その高周波信号SHFの次のゼロ交差点において音響光学変調器7に(それ以上)供給されなくなり、その結果、共振器のQが高くなる(変調器7の第2の状態Z2)。それにより、図2中に破線で示されるレーザ・パルスPが既知の方法で生成される。
その後、更なるスイッチ・オン・エッジF1が続く。スイッチ・オン・エッジF1とそれに続くスイッチ・オフ・エッジF2との間の時間周期はT1’であり、スイッチ・オフ・エッジF2とそれに続くスイッチ・オン・エッジF1との間の時間周期はT2’である。図2に示すように、共振器3の上記2つのQの状態に関する時間周期T1,T2は、時間周期T1’,T2’とは異なる。しかし、以下に説明するように、時間周期T1,T2はスイッチング・サイクル毎に同じであり、その結果、不所望のパルス・ツー・パルスの変動は起こらない。
スイッチング信号SSwitchは、スイッチング基準信号SSRの周期的クロックに基づいて生成される。このスイッチング基準信号SSRの周期的クロックは、基準信号SRefの周期的クロックに対応している。スイッチング信号SSwitchにおけるスイッチング・エッジF1,F2間の間隔(T1’及びT2’)は、所望のパルス繰り返し周波数frepが実現されるように選択される。ここで、パルス繰り返し周波数は、時間周期T1,T2(図2)の合計の逆数であり、レーザの種類および用途に応じてキロヘルツの範囲内(すなわち、1kHz〜数100kHz)である。
スイッチング信号SSwitchと高周波信号SHFとは同一の基準信号SRefから生成されるので、スイッチング信号SSwitch及び高周波信号SHFは互いに位相同期して結合される。
これは、スイッチ・オン・エッジすなわち第1のスイッチング・エッジF1と、スイッチ・オフ・エッジすなわち第2のスイッチング・エッジF2とが同様に高周波信号SHFに位相同期して結合され、それによって時間周期T1,T2が極めて安定化し、パルス・ツー・パルスの変動が起こらないという有利な効果を有する。周期T1’は周期T1とは異なり、周期T2’は周期T2とは異なるが、位相同期結合により、周期T1,T2(すなわち、実際のスイッチング時間)がスイッチング・サイクル毎に常に同じになるという効果が得られる。図2のように、スイッチング信号SSwitchと高周波信号SHFとの間の位相がゼロでない場合でも、この位相は上記2つの信号の位相同期結合によって一定となるため、高周波信号SHFは、スイッチング信号SSwitchのスイッチング・エッジF1,F2によって常に同じ位相位置でスイッチングされるようになる。
従って、前述したように、音響光学変調器用の高周波増幅器13は通常、高周波信号SHFの特定の位相位置(好ましくはゼロ交差点)だけでスイッチング・オフ/オンを行うが、本発明のようなスイッチング信号SSwitch及び高周波信号SHFの位相同期結合によれば、不所望の時間変動の最小化がもたらされる。
図4は、図2と同様、高周波信号SHFと、時間周期T3,T4で供給されるスイッチング信号SSwitch’と、両状態Z1,Z2の実際の時間周期を示す信号15’とを示したものである。しかしながら、スイッチング信号SSwitch’が別々の周波数発生器(図示せず)の基準信号から生成されているため、供給されたスイッチング信号SSwitch’は、今までの従来技術のように、高周波信号SHFに位相同期して結合されない。このため、スイッチング信号SSwitch’のスイッチング・エッジが異なる位相位置で高周波信号SHFに適用され、その結果、変調器7の実際のスイッチング時間にずれが生じ、時間周期T5,T6、T7,T8、およびT9,T10が、パルスの発生毎に変化するという影響が生じる。これにより、最大で高周波信号SHFの周期と同じ大きさの不所望の時間変動が起こる。この時間変動は、本発明による高周波信号SHFとスイッチング信号SSwitchとの位相同期結合によって最小化できる。
図3は、図1のレーザの変更形態を示している。同一の要素は同一の参照符号によって表されており、それらの説明は前述と同様である。図1の実施形態に対し、図3のレーザは、周波数発生器12及び高周波増幅器13間の第1の周波数変換器16と、周波数発生器12及びスイッチング・エッジ発生器14間の第2の周波数変換器17とを含む。これにより、高周波信号SHFの周波数と、スイッチング基準信号SSRの周波数、したがってスイッチング信号SSwitchの周波数とを、互いに独立して選択可能となり、基準信号SRefの周波数と異なるものとすることが可能となる。2つの周波数変換器16、17は、基準信号SRefの周波数を分割または逓倍する。
なお、上述した本発明の一実施形態のレーザ1において、レーザ活性媒体6には、例えば結晶性固体を用いることができる。なお、使用に適した物質としては、例えばNd:YAG、Yb:YAGまたはNd:YVO4が挙げられる。
本発明の一実施形態のレーザ1は、パルス繰り返し周波数が上位レーザ準位の蛍光寿命の逆数よりもかなり大きい場合でも、電力および/またはエネルギーのパルス・ツー・パルスの変動を極めて低く抑えながら動作することができる。特に、この種のレーザ動作では、通常大きなパルス・ツー・パルスの変動があるが、これらの変動は、本発明のレーザ1を用いることによって抑えられる。従って、レーザ媒質としてNd:YVO4を用いたレーザは、100kHzを超えるパルス繰り返し周波数でも、優れたパルス・ツー・パルスの安定性で動作することができる。なお、レーザ活性媒体としてYb:YAGを用いた場合には、10kHzを超えるパルス繰り返し周波でも安定な動作が可能である。
上述したパルス発生のためのQスイッチ構成に加えて、本発明によるレーザは、いわゆるキャビティ・ダンピング構成でも動作可能である。この構成では、スイッチングは、例えば共振器ミラー全てのほぼ100%反射によって特徴付けられる非常に高いQの状態と、高い共鳴損失が起こる非常に高い結合出力(低Q)の状態との間で変調器7によってもたらされる。結合出力されるレーザ放射は、所望のレーザ・パルスを形成する。
パルス・レーザ放射を発生させる本発明によるレーザの実施形態の概略図。 スイッチング信号と高周波信号との位相同期結合、および音響光学変調器のスイッチ・オンおよびスイッチ・オフの時間を説明する図。 本発明によるレーザの他の実施形態の概略図。 音響光学変調器を含む従来のレーザに現れるパルス・ツー・パルスの変動を説明する図。
符号の説明
3:共振器、6:レーザ活性媒体、7:音響光学変調器、9:ポンプ光源、11:制御装置、12:周波数発生器、16:第1の周波数変換器、17:第2の周波数変換器、F1:第1のスイッチング・エッジ、F2:第2のスイッチング・エッジ、SHF:高周波信号、SSwitch:スイッチング信号、SSR:スイッチング基準信号、fref:基準周波数、SRef:基準信号。

Claims (10)

  1. パルス・レーザ放射を発生させるレーザであって、
    共振器(3)と、
    前記共振器(3)内に配置されるレーザ活性媒体(6)と、
    前記共振器(3)内に配置され、前記共振器のQを設定すべく第1の状態と第2の状態とに選択的に設定される音響光学変調器(7)であって、前記共振器のQが、前記第2の状態のときより前記第1の状態のときに低くなる、音響光学変調器(7)と、
    前記変調器(7)を制御する制御装置(11)と、を備え、
    前記制御装置(11)は、前記変調器(7)で所定の音場を発生させるべく前記2つの状態のうちの一方で前記変調器(7)に供給される高周波信号(SHF)と、前記2つの状態の間で前記変調器(7)を周期的にスイッチングするためのスイッチング信号(SSwitch)とを位相同期させて結合するとともに、前記高周波信号(S HF )及び前記スイッチング信号(S Switch )の双方を、所定の基準周波数(f ref )を有する単一の基準信号(S Ref )から生成し、
    当該レーザが、前記基準信号(S Ref )から、前記スイッチング信号(S Switch )を生成するために使用されるスイッチング基準信号(S SR )の周波数を得る周波数変換器(17)を更に備えることを特徴とするレーザ。
  2. 前記スイッチング信号(SSwitch)は、前記変調器(7)を前記第2の状態から前記第1の状態にスイッチングするための第1のスイッチング・エッジ(F1)と、前記変調器(7)を前記第1の状態から前記第2の状態にスイッチングするための第2のスイッチング・エッジ(F2)とを交互に有し、前記制御装置(11)は、前記第1のスイッチング・エッジ(F1)及び前記第2のスイッチング・エッジ(F2)の双方を前記高周波信号(SHF)に位相同期させて結合することを特徴とする請求項1に記載のレーザ。
  3. 前記基準信号(SRef)を発生させる周波数発生器(12)を備えることを特徴とする請求項に記載のレーザ。
  4. 前記基準信号(SRef)から前記高周波信号(SHF)の周波数を得周波数変換器(16)をさらに備えることを特徴とする請求項1または3に記載のレーザ。
  5. 前記基準周波数(fref)が、前記高周波信号(SHF)の周波数に対応していることを特徴とする請求項に記載のレーザ。
  6. 前記レーザ活性媒体(6)を連続波動作で送出するポンプ光源(9)をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のレーザ。
  7. レーザによってパルス・レーザ放射を発生させる方法であって、前記レーザが、共振器と、前記共振器内に配置されるレーザ活性媒体と、前記共振器内に配置され、前記共振器のQを設定すべく第1の状態と第2の状態とに選択的に設定される音響光学変調器であって、前記共振器のQが前記第2の状態のときより前記第1の状態のときに低くなる、前記音響光学変調器とを含み、当該方法が、
    前記パルス・レーザ放射を発生させるべく前記変調器をスイッチング信号に応じて前記2つの状態の間で周期的にスイッチングすること、
    前記変調器で音場を発生させるべく前記2つの状態のうちの一方で所定の高周波信号を前記変調器に供給することであって、前記スイッチング信号と前記高周波信号とが互いに位相同期して結合される、所定の高周波信号を前記変調器に供給すること、
    を備え
    前記高周波信号及び前記スイッチング信号の双方が、所定の基準周波数を有する単一の基準信号から生成され、
    前記スイッチング信号の周波数が周波数変換によって前記基準信号から生成される、方法。
  8. 前記スイッチング信号は、前記変調器を前記第2の状態から前記第1の状態にスイッチングするための第1のスイッチング・エッジと、前記変調器を前記第1の状態から前記第2の状態にスイッチングするための第2のスイッチング・エッジとを交互に有し、前記第1のスイッチング・エッジ及び前記第2のスイッチング・エッジの双方が前記高周波信号に位相同期して結合されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  9. 前記高周波信号の周波数が周波数変換によって前記基準信号から生成されることを特徴とする請求項7または8に記載の方法。
  10. 前記レーザ活性媒体が連続波動作で光学的に送出されることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の方法。
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