JP5939440B2 - パルスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響光学素子に与えるＲＦ（Radio Frequency）信号の制御を高速化することにより短パルスを生成するパルスレーザ装置に関する。

従来のＲＦ信号制御回路は、図８に示すように、ＲＦ信号生成部５１と、ＲＦ制御信号部５２と、乗算器６０とを有している。ＲＦ信号生成部５１は、正弦波信号からなるＲＦ信号を生成し、ＲＦ制御信号部５２は、ＲＦ信号の周波数よりも低く且つオン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号を生成し、乗算器６０は、ＲＦ信号生成部５１からのＲＦ信号とＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号とを乗算し、図９に示すような波形を持つＲＦ信号を得ている。

図１０は、図８に示す従来のＲＦ信号制御回路を含むパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である（特許文献１）。図１０のＲＦ発振器１３１は、図８のＲＦ信号生成部５１に対応し、図１０のパルス幅変調回路１３４は、図８のＲＦ制御信号部５２に対応し、図１０のＲＦ変調回路１３５は、図８の乗算器６０に対応する。

図１０に示すパルスレーザ装置は、ＲＦ変調回路１３５からの変調されたＲＦ信号を信号分離回路１３６、信号ケーブル１３７を介して音響光学素子（Ｑスイッチ）１２４に供給している。

このように、図１０に示すパルスレーザ装置は、音響光学素子（Ｑスイッチ）１２４に供給するＲＦ信号を、オン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号を用いて制御している。

特開２００５−４５０１９号公報

しかしながら、従来のＲＦ信号制御回路にあっては、音響光学素子に出力されるＲＦ信号を高速にオン／オフ制御することができなかった。

本発明の課題は、ＲＦ信号を高速にオン／オフ制御することができるパルスレーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、ＲＦ信号を生成するＲＦ信号生成部と、オン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号を生成するＲＦ制御信号部と、前記ＲＦ信号生成部からのＲＦ信号の位相を反転し且つ前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号の位相を反転する位相変換部と、前記位相変換部で位相反転されたＲＦ制御信号と前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号との波形を整形してＶ字型の波形信号を得る波形整形部と、前記位相変換部により位相反転されたＲＦ信号と前記波形整形部により得られたＶ字型の波形信号とを乗算して第１乗算信号を得る第１乗算器と、前記ＲＦ信号生成部からのＲＦ信号と前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号とを乗算して第２乗算信号を得る第２乗算器と、前記第１乗算器からの第１乗算信号と前記第２乗算器からの第２乗算信号とを加算する加算器とを備えるＲＦ信号制御回路と、励起光を発生するレーザダイオードを含む半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、前記ＲＦ信号制御回路内の前記加算器からの信号にしたがって、前記固体レーザ媒質で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御する音響光学素子と、前記半導体レーザと前記固体レーザ媒質とを挟むように配置されたミラーとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＲＦ信号を高速にオン／オフ制御することができるパルスレーザ装置を提供することができる。また、高速にＲＦ信号をオン／オフ制御することにより、パルスレーザ装置においては、レーザ共振器のロス制御が高速化し、よりパルスレーザの立ち上がり時間を短縮することができ、短パルス幅のパルスレーザを得ることができる。

本発明の実施例１に係るＲＦ信号制御回路を含むパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置内のＲＦ信号制御回路の構成を示すブロック図である。 図２に示すＲＦ信号制御回路内の波形整形部の具体的な一例を示す図である。 図２に示すＲＦ信号制御回路内の乗算器５５の出力信号を示す図である。 図２に示すＲＦ信号制御回路内の乗算器５６の出力信号を示す図である。 図２に示すＲＦ信号制御回路内の乗算器５５の出力信号と乗算器５６の出力信号との加算を示す図である。 図２に示すＲＦ信号制御回路内の乗算器５５の出力信号と乗算器５６の出力信号とを加算した後の出力信号と、図８に示す従来の乗算器６０の出力信号とを示す図である。 従来のパルスレーザ装置内のＲＦ信号制御回路の概略構成を示すブロック図である。 図８に示す従来のＲＦ信号制御回路内の乗算器６０の出力信号を示す図である。 従来のパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明のＲＦ信号制御回路を含むパルスレーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るＲＦ信号制御回路を含むパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。

このパルスレーザ装置は、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、２つのミラー４、ＲＦ信号制御回路５を備えている。

なお、固体レーザ媒質２、音響光学素子３およびミラー４から構成される部分を共振器と呼ぶ。

半導体レーザ１は、例えばレーザダイオードと、そのレーザダイオードで発生されたレーザ光を集束するレンズ（何れも図示は省略する）によって構成されており、励起光を発生する。この半導体レーザ１で発生された励起光は、固体レーザ媒質２に照射される。

固体レーザ媒質２は、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。この固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１から励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。この固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光は、音響光学素子３に送られる。

音響光学素子３は、Ｑスイッチを構成し、ＲＦ信号制御回路５から送られてくるＲＦ信号にしたがって、固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルスレーザを出力する。

ＲＦ信号制御回路５は、ＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号を音響光学素子３に送るもので、図２に示すように、ＲＦ信号生成部５１、ＲＦ制御信号部５２、位相変換部５３、波形整形部５４、乗算器５５，５６、加算器５７を備えている。

ＲＦ信号生成部５１は、正弦波信号からなるＲＦ信号を生成し、ＲＦ制御信号部５２は、ＲＦ信号の周波数よりも低く且つオン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号を生成する。

位相変換部５３は、ＰＬＬ回路（Phase Lock Loop）や反転増幅器などで構成され、ＲＦ信号生成部５１からのＲＦ信号の位相を反転（位相を１８０°逆転）させ、位相反転されたＲＦ信号を乗算器５５に出力する。また、位相変換部５３は、ＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号の位相を反転させ、位相反転されたＲＦ制御信号を波形整形部５４に出力する。なお、位相反転に限らず、位相を略１８０°（例えば１７９°、１８１°）変換しても良い。

波形整形部５４は、アナログ回路などで構成され、位相変換部５３で位相反転されたＲＦ制御信号の波形を制御するもので、具体的には、位相変換部５３で位相反転されたＲＦ制御信号と、ＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号との波形を整形してＶ字型の波形信号を得る。波形整形部５４の詳細については、後述する。

乗算器５５は、位相変換部５３により位相反転されたＲＦ信号と波形整形部５４により得られたＶ字型の波形信号とを乗算して、乗算信号を加算器５７に出力する。乗算器５６は、ＲＦ信号生成部５１からのＲＦ信号とＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号とを乗算し、乗算信号を加算器５７に出力する。

加算器５７は、乗算器５５からの乗算信号と乗算器５６からの乗算信号とを加算する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るＲＦ信号制御回路及びこれを用いたパルスレーザ装置の動作を説明する。ここでは、ＲＦ信号制御回路６の動作のみを説明する。

まず、正弦波信号からなるＲＦ信号は、ＲＦ信号生成部５１により生成され、ＲＦ信号の周波数よりも低く且つオン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号は、ＲＦ制御信号部５２により生成される。

ＲＦ信号生成部５１からのＲＦ信号は、位相変換部５３により位相反転され、位相反転されたＲＦ信号は乗算器５５に出力される。

また、ＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号は、位相変換部５３により位相反転され、位相反転されたＲＦ制御信号は波形整形部５４に出力される。

位相変換部５３で位相反転されたＲＦ制御信号と、ＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号とは、波形整形部５４により波形が整形されてＶ字型の波形信号が得られる。このＶ字型の波形信号は、図３に示すような具体的な波形整形部５４によって得られる。

図３に示す波形整形部５４は、コンパレータＣＰ１，ＣＰ２、ダイオードＤ１，Ｄ２を備える。コンパレータＣＰ１の出力端子にはダイオードＤ１のアノードが接続され、ダイオードＤ１のカソードは、負荷Ｒの一端とコンパレータＣＰ１の反転入力端子とに接続されている。

コンパレータＣＰ２の出力端子にはダイオードＤ２のアノードが接続され、ダイオードＤ２のカソードは、負荷Ｒの一端とコンパレータＣＰ２の反転入力端子とに接続されている。負荷Ｒの他端は接地されている。

以上のように構成された波形整形部５４によれば、位相変換部５３からの位相反転されたＲＦ制御信号がコンパレータＣＰ１の非反転入力端子に入力される。また、ＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号がコンパレータＣＰ２の非反転入力端子に入力される。

位相反転されたＲＦ制御信号は、図３に示すように、“０”から徐々に“１”に変化していく。ＲＦ制御信号は、“１”から徐々に“０”に変化していく。ＲＦ制御信号が“１”の近傍では、コンパレータＣＰ２の出力はＨレベルとなり、ダイオードＤ２がオンして、負荷Ｒに電流が流れる。このとき、位相反転されたＲＦ制御信号は、“０”の近傍であり、コンパレータＣＰ１の出力はＬレベルとなり、ダイオードＤ１のカソードはＨレベルであるため、ダイオードＤ１はオフとなる。この状態は、ＲＦ制御信号が“１”〜“０．５”まで続く。

ＲＦ制御信号が“０．５”未満となり、位相反転されたＲＦ制御信号が“０．５”を超えると、コンパレータＣＰ２の出力がＬレベルとなり、ダイオードＤ２がオフとなる。このとき、コンパレータＣＰ１の出力がＨレベルとなり、ダイオードＤ１がオンして、負荷Ｒに電流が流れる。このため、負荷Ｒには、図４に示すように、“０．５”〜“１”まで変化するＶ字型の直流の波形信号が得られる。

次に、位相変換部５３により位相反転されたＲＦ信号と波形整形部５４により得られたＶ字型の直流の波形信号とは、乗算器５５により乗算されて、図４に示すように、Ｖ字型の正弦波信号が得られる。

また、ＲＦ信号生成部５１からのＲＦ信号とＲＦ制御信号部５２からのＲＦ制御信号とは、乗算器５６により乗算されて、図５に示すように、“０”から徐々に増加していく正弦波信号が得られる。

次に、図５に示す“０”から徐々に増加していく正弦波信号と、図４に示すＶ字型の正弦波信号とが加算器５７により、図６に示すように加算されると、加算出力として、図７に示すＲＦ信号が得られる。図７に示すＲＦ信号を音響光学素子３に送る。

図７において、太線の波形は、本発明のＲＦ信号の波形を示し、細線の波形は、図９に示す従来技術のＲＦ信号の波形を示している。図７からもわかるように、本発明のＲＦ信号は、従来の技術のＲＦ信号よりも短パルスとなる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るＲＦ信号制御回路及びこれを用いたパルスレーザ装置によれば、ＲＦ信号及びＲＦ制御信号を位相反転し、位相反転されたＲＦ制御信号とＲＦ信号との波形を整形し、整形された波形信号と位相反転されたＲＦ信号とを乗算して第１乗算信号を得て、ＲＦ信号とＲＦ制御信号とを乗算して第２乗算信号を得て、第１乗算信号と第２乗算信号とを加算するので、短パルスのＲＦ信号が得られる。従って、高速にＲＦ信号をオン／オフ制御することができる。

また、高速にＲＦ信号をオン／オフ制御することにより、パルスレーザ装置においては、レーザ共振器のロス制御が高速化し、よりパルスレーザの立ち上がり時間を短縮することができ、短パルス幅のパルスレーザを得ることができる。

本発明のＲＦ信号制御回路は、パルスレーザ装置に利用できる。

１ 半導体レーザ
２ 固体レーザ媒質
３ 音響光学素子
４ ミラー
５ ＲＦ信号制御回路
５１ ＲＦ信号生成部
５２ ＲＦ制御信号部
５３ 位相変換部
５４ 波形整形部
５５，５６，６０ 乗算器
５７ 加算器
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＣＰ１，ＣＰ２ コンパレータ

Claims (1)

1. ＲＦ信号を生成するＲＦ信号生成部と、オン／オフの２つの状態を持つＲＦ制御信号を生成するＲＦ制御信号部と、前記ＲＦ信号生成部からのＲＦ信号の位相を反転し且つ前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号の位相を反転する位相変換部と、前記位相変換部で位相反転されたＲＦ制御信号と前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号との波形を整形してＶ字型の波形信号を得る波形整形部と、前記位相変換部により位相反転されたＲＦ信号と前記波形整形部により得られたＶ字型の波形信号とを乗算して第１乗算信号を得る第１乗算器と、前記ＲＦ信号生成部からのＲＦ信号と前記ＲＦ制御信号部からのＲＦ制御信号とを乗算して第２乗算信号を得る第２乗算器と、前記第１乗算器からの第１乗算信号と前記第２乗算器からの第２乗算信号とを加算する加算器とを備えるＲＦ信号制御回路と、
   励起光を発生するレーザダイオードを含む半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、
   前記ＲＦ信号制御回路内の前記加算器からの信号にしたがって、前記固体レーザ媒質で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御する音響光学素子と、
   前記半導体レーザと前記固体レーザ媒質とを挟むように配置されたミラーと、
   を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。

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