JP6367569B2

JP6367569B2 - レーザ光源装置

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Publication number: JP6367569B2
Application number: JP2014025013A
Authority: JP
Inventors: 穣治岡田; 庸亮折井
Original assignee: Spectronix Corp
Current assignee: Spectronix Corp
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: JP2015152698A

Description

本発明は、各種のレーザ加工に用いられるレーザ光源装置に関する。

近年、レーザ光は様々な加工に用いられている。波長が５３２ｎｍから１０６４ｎｍ付近のレーザ光はエネルギー強度が大きく、金属やガラス等の切断または溶接等の各種の加工に好適に用いられている。また、波長が２００ｎｍから３５０ｎｍ付近の深紫外領域のレーザ光は電子材料や複合材料の加工に用いられている。

近赤外領域よりも短い波長のレーザ光を出力するレーザ光源装置は、近赤外領域の波長のレーザ光を出力する種光源と、種光源から出力されるレーザ光を増幅する光増幅器と、光増幅器で増幅されたレーザ光の波長を目的とする波長に変換する非線形光学素子を備えて構成されている。

そして、パルス幅が数百ピコ秒以下で周波数が数百メガヘルツ以下のピークパワーが大きなレーザパルス光を得ることができるように様々な種光源が選択されて、様々な光増幅器等が用いられている。

従来、このような種光源として繰返し周波数が数十メガヘルツのモード同期レーザを用い、当該種光源から出力されたパルス光を分周することにより数キロヘルツのパルス光を得るように構成されたものがあった。

しかし、モード同期レーザの発振周波数は温度や振動等の環境的な要因で変動し、その値を適正に制御することが困難であるため、受光素子等を用いて検出したレーザパルス光の発振周波数に同期して分周する必要があり、そのための回路構成が複雑になるという問題や、モード同期レーザの構成部品である過飽和吸収体が劣化し易く、長期安定駆動が困難であるという問題があった。

そこで、パルス光の発振周波数の制御が可能な半導体レーザを種光源に用いることが考えられるが、このような半導体レーザから出力される近赤外のパルス光のパルスエネルギーは数ピコジュールから数百ピコジュールと非常に小さく、最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光を得るためには、従来の種光源を使用する場合よりも大幅に増幅する必要がある。

そのための光増幅器として、エルビウム・ドープト・ファイバ増幅器やイッテルビウム・ドープト・ファイバ増幅器等のファイバ増幅器や、イットリウム・アルミニウム・ガーネットにネオジウムを添加したＮｄ：ＹＡＧ、イットリウム・バナデートにネオジウムを添加したＮｄ：ＹＶＯ４等の固体増幅器が好適に用いられる。

特許文献１，２には、このようなファイバ増幅器と固体増幅器を組み合わせた光増幅器が開示されている。当該特許文献１，２に示されているように、ファイバ増幅器及び固体増幅器の何れも、レーザ活性領域でのポンプ作用で増幅対象となるレーザ光と同じ波長の光を増幅するために、励起用の光源を備える必要がある。そして、通常、このような励起用の光源として半導体レーザが用いられている。

特開２０１１−１９２８３１号公報ＷＯ２００８／０１４３３１号公報

上述したように、モード同期レーザの代替として半導体レーザを種光源に用いる場合には、大きなエネルギー強度のレーザパルス光を得るために、単一または複数のファイバ増幅器及び固体増幅器を用いる必要がある。

この場合、前段のファイバ増幅器による増幅の過程で生じる自然放出光ノイズ（以下、「ＡＳＥノイズ(Amplified Spontaneous Emission Noise)」と記す。）が種光源からのパルス光に重畳され、さらにチャーピング現象や光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化されたパルス光が後段の固体増幅器で増幅されることとなり、増幅のために固体増幅器に注入される励起光のエネルギーの一部がこのようなノイズ成分の増幅に無駄に消費されるという問題があった。

このような状況でパルス光を所定強度に増幅するためには、固体増幅器に過剰な励起エネルギーを注入する必要があり、固体増幅器のエネルギー利用効率が低下するばかりか発熱が大きくなり、冷却のために大型の冷却機構が必要となり、部品コスト等も増大するという問題があった。

パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、ＡＳＥノイズは極僅かであるためさほど問題とならないが、パルス光の発振周波数が１メガヘルツよりも低い領域ではＡＳＥノイズ等の影響を十分に考慮しなければならなかった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ光源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の請求項１に記載した通り、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に、前記ファイバ増幅器から出力されたパルス光から特定波長範囲の光を回折して前記固体増幅器に導くボリューム・ブラッグ・グレーティングを備えている点にある。

ファイバ増幅器で増幅される過程で光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化されたパルス光は、ボリューム・ブラッグ・グレーティング（Volume Bragg Grating）（以下、「ＶＢＧ」とも記す。）で回折されて固体増幅器に導かれる。ＶＢＧによって特定波長範囲に狭帯域化された回折光は、非線形光学素子により波長変換可能な許容波長範囲から逸脱する波長成分が効果的に除去される。つまり、ＶＢＧは周波数領域でＡＳＥノイズ等を除去するノイズフィルタとして機能する。ＶＢＧは汎用されている回折格子と比べて回折効率に優れ、精度がよいため極めて好適に使用できる。また、例えば反射型のＶＢＧを用いる場合には、所望の波長域の回折光のみが反射されるようになり、波長域の異なる回折光から所望の波長域の回折光を選択するフィルタ機構が不要になるという利点もある。

このような構成を備えることによって、固体増幅器の活性領域に過剰なエネルギーを供給する必要がなくなるので大型の冷却機構も不要となり、比較的安価で小型のレーザ光源装置を実現できるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記ファイバ増幅器から出力されたパルス光を前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングに向けて反射し、または前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングで回折された特定波長範囲の光を前記固体増幅器に向けて反射する反射ミラーをさらに備えている点にある。

所望の波長域のパルス光を回折するためにＶＢＧの回折角度の微妙な調整が必要になる。そのような場合でもＶＢＧの前段または後段に反射ミラーを設けることで容易且つ確実に回折光の光軸を目標とする光軸に合わせることができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記ファイバ増幅器の後段に前記特定波長範囲を含む波長範囲の光を透過するバンドパスフィルタを備えている点にある。

種光源から出力されるパルス光がファイバ増幅器で増幅される過程で広帯域化され、またパルス光にＡＳＥノイズが重畳しても、バンドパスフィルタによって特定波長範囲を含む波長範囲にスペクトル幅が制限されるようになるので、後段の増幅器に与える影響を低減できるようになる。例えば、ファイバ増幅器が複数設けられる場合でも、前段のファイバ増幅器で増幅される過程でパルス光に重畳したＡＳＥノイズがある程度除去されて後段のファイバ増幅器に入力されるので、全体としてエネルギー効率がよくなる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、前記ＤＦＢレーザが数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されている点にある。

種光源としてＤＦＢレーザを用いてゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで発振し、定常状態よりも高強度のパルス光が得られる。ゲインスイッチング法によれば、単発のパルス光を含む数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光を容易に生成することができ、このようなパルス光に上述の回折格子を用いることによって、高い平均出力で且つ所望の波長のパルス光を効率よく得ることができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供することができるようになった。

レーザ光源装置のブロック構成図（ａ）は種光源から発振される狭帯域のパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図、（ｂ），（ｃ）はファイバ増幅器の自己位相変調やラマン散乱によって広帯域化したパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図、（ｄ）はＶＢＧによって狭帯域化され、ＡＳＥノイズが低減されたパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図、（ｅ）はバンドパスフィルタによって狭帯域化され、ＡＳＥノイズが低減されたパルス光の周波数特性の説明図（ａ）はファイバ増幅器で増幅された波長１０６４ｎｍのパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した出力特性の説明図、（ｂ）は同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比したスペクトル特性の説明図、（ｃ）は同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した高調波の変換効率の説明図、（ｄ）は同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した高調波の出力特性の説明図（ａ）はＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した波長変換後のパルスエネルギー特性の説明図、（ｂ）はＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した波長変換後の平均パワー特性の説明図別実施形態を示すレーザ光源装置のブロック構成図

以下、本発明によるレーザ光源装置の実施形態を説明する。図１には、本発明によるレーザ光源装置１の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、ファイバ増幅部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａ等を制御する制御部１００を備えて構成されている。

光源部１Ａには、種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。ファイバ増幅部１Ｂには、それぞれレーザダイオードで構成される励起用光源２１，３１及び合波器２２，３２を備えた二段のファイバ増幅器２０，３０と、光アイソレータＩＳＬ２，ＩＳＬ３、ＶＢＧ９０等を備えている。

固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１，コリメータＣＬ２等を備えている。波長変換部１Ｄは、第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれに非線形光学素子６０，７０を備えている。

種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「パルス光」とも記す。）が二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅され、さらに一段の固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。

尚、ファイバ増幅器及び固体増幅器の数は特に限定されることはなく、パルス光に対する所望の増幅率を得るために適宜設定されればよい。例えば三つのファイバ増幅器を縦続接続し、その後段に二つの固体増幅器を縦続接続してもよい。

種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を適用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。

種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に入力されることによって波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。

種光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ１を介して、初段のファイバ増幅器２０で増幅される。ファイバ増幅器２０，３０として、所定波長（例えば９７５ｎｍ）の励起用光源２１で励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。このようなファイバ増幅器２０の反転分布の寿命はミリ秒の位数であるため、励起用光源２１で励起されたエネルギーは１キロヘルツ以上の周波数のパルス光に効率的に転移されるようになる。

初段のファイバ増幅器２０で約３０デシベル増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２を介して後段のファイバ増幅器３０に入力されて約２５デシベル増幅される。後段のファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、コリメータＣＬ１によってビーム成形され、光アイソレータＩＳＬ３，ＩＳＬ４を通過した後に固体増幅器５０に導かれて約２５デシベル増幅される。

本実施形態では、固体増幅器５０で生じる熱レンズ効果に対して効率的に光増幅されるように、ファイバ増幅器３０から出力されたパルス光が、当該コリメータＣＬ１によって固体増幅器５０の入射面直前にビームウェストが位置するようにビーム成形される。

コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータＩＳＬ３、ＶＢＧ９０、一対の反射ミラーＭＲ１，ＭＲ２が配置され、反射ミラーＭＲ１，ＭＲ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を波長変換装置６０に導く光アイソレータＩＳＬ４が配置されている。

尚、上述の光アイソレータＩＳＬ１〜ＩＳＬ４は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。

固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬ２によってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。

ファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、ＶＢＧ９０で回折され、反射ミラーＭＲ１，ＭＲ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭＲ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。

固体増幅器５０で増幅されたパルス光は反射ミラーＭＲ２、光アイソレータＩＳＬ４で反射されて波長変換部１Ｄの非線形光学素子６０，７０に入射して所望の波長に変換された後に出力される。

第１波長変換部１Ｅには非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。

反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。

第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。

制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内のメモリに記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータとメモリ及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。

具体的に、制御部１００はゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。

さらに、制御部１００は所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためにステージ７１を制御してステップ的に移動させる。例えば、制御部１００は、波長変換された紫外線の強度をモニタし、モニタした強度の履歴が所定のパターンに一致するとステージ７１を移動させてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトする。

パルス光の光軸に直交するＸ−Ｙ平面でステージ７１が移動可能となるように、ステージ７１は制御部１００によりモータドライバＤ３を介して制御されるＸ方向移動モータ及び／またはＹ方向移動モータに駆動連結されている。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）には、レーザ光源装置１の各部を伝播するパルス光の周波数特性が左側に示され、それらパルス光の時間軸特性が右側に示されている。これらの図で示す符号Ｓｎ（ｎは整数）は、図１に示すレーザ光源装置１の各部の出力ノードの光信号Ｓｎ（ｎ＝１，２，・・・）に対応する。

制御部１００から出力されるトリガ信号によって種光源１０であるＤＦＢレーザから中心波長１０６４ｎｍの狭帯域のレーザパルス光が所定の周期で出力される（図２（ａ）参照）。種光源１０から出力されたパルス光がファイバ増幅器２０に導かれて増幅される過程で自己位相変調やラマン散乱等によって不必要にスペクトル幅が広がり、さらにはＡＳＥノイズが発生して光パルスのＳ／Ｎ比が低下する（図２（ｂ）参照）。そのようなパルス光が後段のファイバ増幅器３０に導かれて増幅される過程でさらに広帯域化され、ＡＳＥノイズレベルが増大する（図２（ｃ）参照）。

所望の強度の深紫外のパルス光を得るために、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光を後段の固体増幅器５０でさらに大きなピークパワーに増幅する必要がある。しかし、波長変換部１Ｄで波長変換可能な波長範囲が各非線形光学素子６０，７０の特性によって制限されることから、増幅に要したエネルギーが効率的に波長変換に寄与しない。つまり波長変換効率が低下することになる。

固体増幅器５０の励起エネルギーがＡＳＥノイズの増幅や広帯域化したパルス光に無駄に消費される結果、エネルギー効率が大きく低下するという問題や、そのために励起エネルギーを大きくすると、発熱による素子の破損を回避するために大掛かりな冷却装置が必要となり、徒にレーザ光源装置１が高価になるという問題がある。パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、ＡＳＥノイズは極僅かであるためさほど問題とならないが、パルス光の発振周波数が１メガヘルツよりも低い領域ではＡＳＥノイズの影響が顕著になる。

そこで、本実施形態では、周波数領域でＡＳＥノイズ等を除去するノイズフィルタとして機能する反射型のＶＢＧ９０を備えている。

ファイバ増幅器２０，３０により広帯域化されたパルス光がＶＢＧ９０に入射して回折されると、回折光は特定波長範囲に狭帯域化され、非線形光学素子により波長変換可能な波長範囲から逸脱する波長成分が除去されるようになる。反射型のＶＢＧ９０は、所望の波長域の回折光のみが反射されるため、所望の波長域の回折光を選択するフィルタ機構が不要になる。

図２（ｄ）には、ファイバ増幅器で広帯域化されたパルス光のスペクトル（図中、破線で示されている。）と、ＶＢＧ９０で狭帯域化されたパルス光のスペクトル（図中、実線で示されている。）が対比可能に示されている。

パルス光のＶＢＧ９０への入射角度を調整することにより回折光の中心波長が調整でき、調整後の回折光の光軸が光学ミラーである反射ミラーＭＲ１で調整可能に構成されている。本実施形態では、中心波長１０６４ｎｍ±０．０５ｎｍのパルス光のスペクトル幅がファイバ増幅器２０，３０を通過することにより±０．１５ｎｍ程度に広がり、ＶＢＧ９０によって±０．１０ｎｍ程度に狭められる。狭帯域化の程度は非線形光学素子の特性である波長変換可能な許容幅に基づいて設定され、使用するＶＢＧ９０の特性によって例えば±０．０５ｎｍ程度にまで狭帯域化することが可能になる。

図１ではＶＢＧ９０による回折光を固体増幅器５０に導くように反射ミラーＭＲ１が配置されているが、ＶＢＧ９０と反射ミラーＭＲ１とが逆に配置されていてもよい。つまりファイバ増幅器３０の出力光が反射ミラーＭＲ１で反射されてＶＢＧ９０に入射し、ＶＢＧ９０の回折光が固体増幅器５０に導かれるように構成されていてもよい。

つまり、ファイバ増幅器３０と固体増幅器５０との間に配置されファイバ増幅器３０から出力されたパルス光から特定波長範囲の光を回折するＶＢＧ９０と、ファイバ増幅器３０から出力されたパルス光をＶＢＧ９０に向けて反射し、またはＶＢＧ９０で回折された特定波長範囲の光を固体増幅器５０に向けて反射する光学ミラーＭＲ１とが備わっていればよい。

ＶＢＧ９０に入射し、回折したパルス光は、ＡＳＥノイズが低減されるとともに狭帯域化されて固体増幅器５０に伝播し（図２（ｄ）参照）、固体増幅器５０によってエネルギー効率よく増幅されて、非線形光学素子から大きなピークパワーのパルス光が出力されるようになる。

種光源１０から出力されるパルス光の周波数が数メガヘルツ以下、特に１メガヘルツ以下のときにＶＢＧ９０によるＡＳＥノイズ除去効果が顕著である。

図３（ａ）には、ファイバ増幅器で増幅された波長１０６４ｎｍのパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した出力特性が示され、図３（ｂ）には同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比したスペクトル特性が示されている。

図３（ｃ）には、同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した高調波の変換効率が示され、図３（ｄ）には、同様のパルス光に対してＶＢＧを使用した場合と使用しない場合とを対比した高調波の出力特性が示されている。両図とも、実線で示された特性がＶＢＧを使用した場合の特性であり、破線で示された特性がＶＢＧを使用しない場合の特性である。

図３（ａ），（ｂ）によれば、ＶＢＧを使用しない場合と比較して、ＶＢＧを使用する場合には固体増幅器で増幅された波長１０６４ｎｍ光の出力の出力が若干低下すること、両者のパルス光のスペクトル幅（ＦＷＨＭ）は０．１１ｎｍと等しいこと、ＶＢＧを使用する場合にはスペクトルの底部領域での立ち上がりが急峻になり、狭帯域化されていることが判る。

図３（ｃ），（ｄ）によれば、ＶＢＧを使用した場合には、ＶＢＧを使用しない場合に比べて波長５３２ｎｍへの波長変換時の変換効率が８パーセント程度高く、得られるパルス光の出力も高くなるという結果が得られ、ＶＢＧを使用することにより、ＡＳＥノイズの除去効果が得られることが明らかになった。

図４（ａ）には、励起用の光源２１，３１，５１のパワーを一定に維持した状態でＶＢＧを使用した場合とＶＢＧを使用しない場合の波長変換後のパルスエネルギー特性が示され、図４（ｂ）には、ＶＢＧを使用した場合とＶＢＧを使用しない場合の波長変換後の平均パワー特性が示されている。両図とも、実線で示された特性がＶＢＧを使用した場合の特性であり、破線で示された特性がＶＢＧを使用しない場合の特性である。

図４（ａ），（ｂ）によれば、ＶＢＧを用いて狭帯域化し、ＡＳＥノイズを低減することにより、数十キロヘルツから数百メガヘルツの周波数範囲で効果的にパルスエネルギー及び平均パワーが上昇していることが判る。

以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述した実施形態では、反射型のＶＢＧ９０が組み込まれたレーザ光源装置を説明したが、本発明によるレーザ光源装置は透過型のＶＢＧ９０が組み込まれていてもよい。さらには、ＶＢＧ９０に代えて光学ガラスの表面に縞状の凹凸が形成された汎用の回折格子が組み込まれていてもよい。

上述した実施形態に加えて、ファイバ増幅器２０，３０の後段に光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化したパルス光を狭帯域化するバンドパスフィルタを設けてもよい。

図２（ｅ）には、ファイバ増幅器で広帯域化されたパルス光のスペクトル（図中、破線で示されている。）と、バンドパスフィルタで狭帯域化されたパルス光のスペクトル（図中、実線で示されている。）が対比可能に示されている。図２（ｄ）に示すＶＢＧ９０による狭帯域化の程度とは１桁程度異なるが、±数ｎｍ程度の狭帯域化が図れる。

図５は、ファイバ増幅器２０の後段にバンドパスフィルタＢＰＦ１を設け、ファイバ増幅器３０の後段にバンドパスフィルタＢＰＦ２を設けた例が示されている。

種光源１０から出力された狭帯域のパルス光Ｓ１は、ファイバ増幅器２０で増幅される過程で広帯域化されるとともにＡＳＥノイズが重畳されたパルス光Ｓ２になる。ファイバ増幅器２０から出力されたパルス光Ｓ２はバンドパスフィルタＢＰＦ１でフィルタリングされて、ある程度狭帯域化されるとともにＡＳＥノイズが除去されたパルス光Ｓ３となる。ファイバ増幅器３０及びバンドパスフィルタＢＰＦ２でも同様のプロセスが実行される。

ＶＢＧ９０で狭帯域化されたパルス光Ｓ４が固体増幅器５０に伝播し、効率的に増幅されたパルス光Ｓ５が得られるようになる。

上述した実施形態では、各光増幅器２０，３０，５０の励起用光源を常時駆動する例を説明したが、制御部１００によって、少なくとも種光源１０から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０の反転分布状態が得られるように、ファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０の励起用光源２１，３１，５１を周期的または間歇的に制御するように構成してもよい。

励起用光源２１，３１，５１をこのように制御すれば、種光源１０から出力されるパルス光が入力される前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０が反転分布状態になるように励起光が周期的または間歇的に駆動されるので、パルス光の増幅に寄与しない無駄なエネルギー消費や発熱を低減することができるようになる。

例えば、種光源１０から出力されるパルス光の入力タイミングで光増幅器が反転分布状態になるように周期的にオン／オフ制御したり強度変調制御したりすればよい。種光源１０を駆動するトリガ信号から光増幅器の蛍光寿命時間τの０．５から３倍だけ遡ったタイミングで励起用光源２１，３１，５１が駆動されるのが好ましい。

上述した実施形態では、種光源としてＤＦＢレーザを用いて、ＤＦＢレーザにゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで定常状態よりも高強度のパルス光を生成する例を説明したが、本発明は種光源として半導体レーザを用いるものであればよく、ＤＦＢレーザ以外の一般的なファブリペロー型の半導体レーザを用いることも可能である。

また、本発明は、発振波長が１０６４ｎｍとなる種光源に限定されるものでもなく、例えば、１０３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、９７６ｎｍ等、用途によって適宜異なる波長の種光源を選択することが可能である。さらに、非線形光学素子を介してこれらの波長を基本波とする高調波、和周波、差周波を発生させることも可能である。非線形光学素子として、上述以外の非線形光学素子を用いることも可能である。例えば、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＢＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶、ＳＢＢＯ結晶、ＫＡＢＯ結晶、ＢＡＢＯ結晶等を用いることができる。

上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。

１：レーザ光源装置
１０：種光源
２０，３０：ファイバ増幅器
５０：固体増幅器
６０，７０：波長変換装置（非線形光学素子）
９０：ＶＢＧ（回折格子）

Claims

ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、
前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に、前記ファイバ増幅器から出力されたパルス光から特定波長範囲の光を回折して前記固体増幅器に導くボリューム・ブラッグ・グレーティングを備えているレーザ光源装置。
前記ファイバ増幅器から出力されたパルス光を前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングに向けて反射し、または前記ボリューム・ブラッグ・グレーティングで回折された特定波長範囲の光を前記固体増幅器に向けて反射する反射ミラーをさらに備えている請求項１記載のレーザ光源装置。
前記ファイバ増幅器の後段に前記特定波長範囲を含む波長範囲の光を透過するバンドパスフィルタを備えている請求項１または２記載のレーザ光源装置。
前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、前記ＤＦＢレーザが数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されている請求項１から３の何れかに記載のレーザ光源装置。