JP6588707B2

JP6588707B2 - レーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法

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Publication number: JP6588707B2
Application number: JP2015022467A
Authority: JP
Inventors: 穣治岡田; 庸亮折井; 村山　伸一; 伸一村山; 大輔奥山
Original assignee: Spectronix Corp
Current assignee: Spectronix Corp
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: JP2018056147A; EP3309912A4; WO2016125917A8; WO2016125917A2; WO2016125917A3; US20180278010A1; US10256599B2; EP3309912A2; EP3309912B1

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及びレーザパルス光生成方法に関する。

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、パルス幅が数ナノ秒以下、好ましくは数百ピコ秒以下で繰返し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

上述したレーザ光源装置から出力されるパルス光を用いて加工作業を行なう際に、一時的にパルス光の出力を停止させたい場合がある。そのような場合に種光源の発振を停止させ、或いは光増幅器へのパルス光の伝播を阻止すると、光増幅器に備えた励起用のレーザ光源によって各光増幅器のレーザ活性領域が励起され続けて過度な反転分布状態に到る。そのため、次に種光源を発振させ、或いは光増幅器へのパルス光の伝播を許容したときに、通常よりも極めて大きなピークパワーのパルス光（以下、「ジャイアントパルス」とも表記する。）が出力されて、固体増幅器や非線形光学素子等の破損を招くという問題があった。

また、励起用のレーザ光源を駆動した状態で一時的にパルス光の出力を停止し、その後にパルス光の出力を再開する場合に、出力の停止中に固体増幅器を構成する固体レーザ媒体に過剰にエネルギーが蓄積されるため、当該固体レーザ媒体が過剰に発熱して温度上昇を招き、固体レーザ媒体に現れる熱レンズ効果に起因して、ビーム伝播特性が劣化する。そのため、出力を再開した後に温度が安定するまでの間は、レーザパルス光を用いた加工対象の品質に悪影響を与える虞もあった。

そこで、一時的にパルス光の出力を停止する間、固体増幅器の励起用のレーザ光源からのパワーを抑制して、固体レーザ媒体に過剰にエネルギーが蓄積しないように調整することも考えられる。

しかし、励起光のパワーを可変に調整すると固体レーザ媒体の温度上昇を抑制できるが、励起光のパワー変動を原因とする熱レンズ効果に起因して、パルス光の出力を再開したときにパルス光のビーム中心がずれる虞があるという問題があった。固体レーザ媒体に入射する励起光の光軸を精度よく調整するのが困難なため、励起光のパワーが変動すると固体レーザ媒体の熱分布状態が変動し、それに伴って熱レンズ効果の影響を受けるためである。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、装置から一時的にパルス光の出力を停止させる場合に、励起用光源を停止または調整しなくても固体増幅器や非線形光学素子等の破損を回避でき、出力再開直後のビーム伝播特性の劣化を回避することができるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法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特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項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第１光源と、前記第１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、前記固体増幅器の上流側に配置され前記種光源から出力されるパルス光と合波可能で発振波長が前記固体増幅器の増幅帯域に含まれるレーザ光を出力する第２光源と、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に設けられ、前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、前記非線形光学素子からパルス光が出力される出力許容状態から、前記固体増幅器に対する励起光のパワーが維持された状態で、前記光スイッチ素子を制御して前記第１光源からのパルス光の前記固体増幅器への伝播を阻止して前記非線形光学素子からパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するとともに、当該出力停止状態で前記第２光源を発振制御するように構成されている制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力停止状態でさらに前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するように前記光スイッチ素子を制御し、前記出力停止状態で少なくとも前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に前記第２光源を発振制御し、前記出力許容状態で前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように前記光スイッチ素子を制御するとともに、前記出力許容状態で前記第２光源の発振を停止制御するように構成されている点にある。

制御部によって光スイッチ素子が制御されることにより、種光源として機能する第１光源から出力されるパルス光の固体増幅器への伝播が阻止されると、非線形光学素子からパルス光の出力が停止する出力停止状態になる。このとき、固体増幅器に対する励起光のパワーが維持された状態であっても、第２光源から出力されるレーザ光が種光源からのパルス光の光軸に沿って固体増幅器に伝播することにより、励起状態にある固体増幅器の活性領域のエネルギーが放出されるので、固体増幅器が過剰に発熱して温度上昇するようなことが回避される。

ここで、第２光源の発振波長が固体増幅器の増幅帯域に設定されることにより、出力停止状態への切替後に固体増幅器に蓄積される励起エネルギーが第２光源から出力されるレーザ光の増幅に消費されるようになる。第２光源から出力されるレーザ光のパワーが本来的に低ければ、固体増幅器で増幅されても非線形光学素子で大きなピークパワーの光として波長変換されることがない。

その結果、当該出力停止状態の後に、第１光源からのパルス光が固体増幅器へ伝播しても、固体増幅器の熱レンズ効果等に起因するビーム伝播特性の劣化や、温度変動に起因する出力レベルの変動が生じることなく、非線形光学素子から安定したパルス光が出力され、加工対象の品質に悪影響を与えることなく安定的に加工を再開することができるようになる。

さらに、第１光源からのパルス光の出力期間に、制御部によって光スイッチ素子が制御され、ファイバ増幅器から固体増幅器へのパルス光の伝播が阻止されるので、第１光源からのパルス光の出力を停止しなくても、非線形光学素子からパルス光の出力を停止させる出力停止状態を実現することができる。

第１光源から出力されるパルス光をファイバ増幅器で増幅すると、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信号光の帯域以上にスペクトルが広がるとともに、自然放出光ノイズ（以下、「ＡＳＥノイズ(amplified spontaneous emission noise)」と記す。）が発生してパルス光のＳＮ比が低下することはよく知られている。制御部によって光スイッチ素子が制御され、第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光が伝播するように、制御部によって光スイッチ素子が制御されると、第２光源から出力されるレーザ光とともにＡＳＥノイズが固体増幅器に伝播され、励起用の光源によって励起状態にある固体増幅器の活性領域のエネルギーが放出されるようになる。

パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、上述した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ノイズの影響が大きくなる。そのため、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て、パルス光の増幅のためのエネルギー利用効率が低下して増幅率が低下するばかりか、ノイズ成分の増幅に消費されたエネルギーによる無駄な発熱が大きくなり、固体増幅器等の冷却のための部品コスト等も増大することになる。

しかし、非線形光学素子からのパルス光の出力を許容する出力許容状態では、制御部によって第２光源の発振が停止制御されるとともに、第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子が制御されて、固体増幅器へのＡＳＥノイズや連続光の伝播が阻止されるため、固体増幅器の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。

そして、制御部によって光スイッチ素子が制御され、第１光源からのパルス光の出力期間にのみファイバ増幅器から固体増幅器へパルス光が伝播するように出力許容状態が生成され、当該出力許容状態で第２光源の発振が停止制御されるので、固体増幅器でエネルギー効率よくパルス光が増幅されて、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。このとき、当該光スイッチ素子は時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能する。

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、前記第２光源から出力されるレーザ光が前記光スイッチ素子の上流側で前記第１光源から出力されるパルス光と合波可能に構成され、前記制御部は前記出力停止状態で第２光源を発振制御するように構成されている点にある。

第２光源が光スイッチ素子の上流側に配置されていれば、出力停止状態に移行したときに第２光源を光スイッチ素子と同期して発振または停止制御する必要はなく、単に第２光源を発振制御するだけでよい。第１光源からのパルス光の出力期間に光スイッチ素子によって第２光源からの出力光の伝播が阻止され、第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子によって第２光源からの出力光が固体増幅器へ伝播するからである。

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、前記制御部は、前記出力停止状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーが、前記出力許容状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、前記第２光源から出力され前記固体増幅器に入力されるレーザ光のパワーを調整するように構成されている点にある。

固体増幅器から出力される光の平均パワーが出力許容状態と出力停止状態で略等しくなるように、第２光源から出力され前記固体増幅器に入力されるレーザ光のパワーが調整されるので、出力許容状態と出力停止状態の双方で固体増幅器に対する励起光のパワーを維持することにより、固体増幅器の熱的安定性を確保することが可能になる。従って、出力許容状態から出力停止状態に切り替わった後に固体増幅器が過剰に発熱して温度上昇を招くようなことが回避できるようになる。

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、前記出力許容状態のときにのみ前記非線形光学素子から所定パワーの波長変換光が出力されるように、前記固体増幅器の励起光のパワー及び／またはパルス光の繰返し周波数が調整されている点にある。

固体増幅器の励起光のパワー及び／またはパルス光の繰返し周波数を調整することにより、出力許容状態のときにのみ加工対象を加工可能な波長変換光が出力され、出力停止状態では仮に非線形光学素子から波長変換光が出力されも加工対象が誤って加工されるような不都合な事態の発生を回避できるようになる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記固体増幅器と前記非線形光学素子との間に、前記固体増幅器から前記非線形光学素子への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子をさらに備え、前記制御部は、当該光スイッチ素子を制御して前記出力停止状態で前記固体増幅器から前記非線形光学素子への光の伝播を阻止するように構成されている点にある。

当該光スイッチ素子によって出力停止状態で固体増幅器から非線形光学素子への光の伝播が阻止されるので、出力許容状態のときにのみ加工対象を加工可能な波長変換光が出力され、出力停止状態では加工対象が誤って加工されるような不都合な事態の発生を回避できるようになる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記第２光源の発振波長は、前記固体増幅器の増幅帯域のうち、前記第１光源から出力されるパルス光を増幅可能な増幅帯域以外の増幅帯域に設定されている点にある。

固体増幅器の増幅帯域が複数存在し、第２光源の発振波長が第１光源から出力されるパルス光を増幅可能な増幅帯域以外の増幅帯域に設定されていれば、出力停止状態への切替後に固体増幅器に蓄積される励起エネルギーが第２光源から出力されるレーザ光の増幅に消費されるようになる。第２光源から出力されるレーザ光が固体増幅器で増幅されて非線形光学素子に入射しても、本来的に非線形光学素子の波長変換可能な帯域とは異なる波長のレーザ光であるので、波長変換光が出力されることはない。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記光スイッチ素子が音響光学素子または電気光学素子を含む動的光学素子で構成されている点にある。

光スイッチ素子として超音波トランデューサのオンまたはオフによって１次回折光をオンまたはオフする音響光学素子、ＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子等の動的光学素子を用いることが好ましい。

同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第七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、前記制御部は前記ＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数ナノ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、定常状態よりも高いパワー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、数ナノ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光スイッチ素子を用いることによって、高い平均パワーで且つ所望の波長のパルス光を必要な時に効率よく且つ安定した状態で得ることができるようになる。

本発明によるレーザパルス光生成方法の第一の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、ゲインスイッチング法で第１光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、前記非線形光学素子からのパルス光の出力を許容する場合に、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に設けた光スイッチ素子を制御して、前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するとともに、前記固体増幅器の上流側に配置され前記第１光源から出力されるパルス光と合波可能で発振波長が前記固体増幅器の増幅帯域に含まれるレーザ光を出力する第２光源の発振を停止制御し、前記非線形光学素子からのパルス光の出力を停止する場合に、前記固体増幅器に対する励起光のパワーが維持された状態で、前記光スイッチ素子を制御して、前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するとともに、前記第２光源を発振制御する点にある。

同第二の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記出力停止状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーが、前記出力許容状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、前記第２光源から出力され前記固体増幅器に入力されるレーザ光のパワーを調整する点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、装置から一時的にパルス光の出力を停止させる場合に、励起用光源を停止または調整しなくても固体増幅器や非線形光学素子等の破損を回避でき、出力再開直後のビーム伝播特性の劣化を回避することができるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法を提供することができるようになった。

本発明によるレーザ光源装置のブロック構成図（ａ）は第１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（ａ）は第１光源から周期的に発振されるパルス光の説明図、（ｂ）は後段のファイバ増幅器でＡＳＥノイズが重畳したパルス光の説明図、（ｃ）は時間領域で第１光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過した後のパルス光の説明図、（ｄ）は時間領域で第１光源の発振周期の前後に光スイッチ素子を通過するＡＳＥノイズの説明図、（ｅ）は時間領域で第１光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過して、固体増幅器で増幅されたパルス光の説明図、（ｆ）は時間領域で第１光源の発振周期の前後に光スイッチ素子を通過するＡＳＥノイズ及び第２光源から出力されるレーザ光の説明図出力停止期間から出力許容期間に切替時に生じる出力変動及び安定化の説明図（ａ），（ｂ）は固体増幅器の増幅帯域と第２光源の発振波長との関係の説明図光パルスの出力停止状態と出力許容状態に対応して、第１光源を駆動するトリガ信号と光スイッチ素子を駆動するゲート信号の出力タイミングを説明するタイミングチャート

以下、本発明によるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法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、本発明の第１光源となる種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、種光源用の光アイソレータＩＳＬ１と、本発明の第２光源となるレーザ光源１１と、レーザ光源用のドライバＤ１１と、レーザ光源用の光アイソレータＩＳＬ１１と、レーザ光源１１の出力光のパワーをモニタするフォトダイオードＰＤ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と、光スイッチ素子４０等を備えている。

前段のファイバ増幅器２０の入力側に、レーザ光源１１から出力されるレーザ光を種光源１０から出力されるレーザパルス光と合波可能な合波器２３が設けられ、ファイバ増幅器２０の出力側に、ファイバ増幅器２０の出力光をフォトダイオードＰＤに導く分波器２４が設けられている。

固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、励起用光源５１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、数ナノ秒以下、好ましくは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。

レーザ光源１１として、連続光またはパルス光が出力可能な、ファブリペロー共振器を用いた汎用の半導体レーザが用いられる。

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によってビーム整形され、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。

コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、音響光学素子が組み込まれ光スイッチ素子４０として機能する音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を非線形光学素子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光の伝播方向の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、高いパワー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。

光スイッチ素子４０を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２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Ｍ３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Ｍ２、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が駆動されることにより、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、プログラマブル・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。

また、制御部１００は光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭ１に入射する。ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。

ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると音響光学素子によって回折された光がファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフするとファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ光の伝播が阻止される。

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），図３（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），図３（ｂ）参照）。

所望のパワー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い領域では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。

一方、レーザ光源装置１から出力される深紫外域の波長のパルス光を各種のレーザ加工に用いる場合に、一時的にパルス光の出力を停止させたいときも多くある。そのような場合に種光源１０の発振を停止させ、或いは光増幅器２０，３０，５０へのパルス光の伝播を阻止すると、その間も光増幅器２０，３０，５０に備えた励起用のレーザ光源によって各レーザ活性領域が励起され続けて過度な反転分布状態に到る。

その結果、次に種光源を発振させたとき、或いは光増幅器５０へのパルス光の伝播を許容したときにジャイアントパルスが出力されて、固体増幅器５０や後段の非線形光学素子等の破損を招くという問題もある。

そこで、制御部１００は、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を許容する出力許容状態を生成するように構成されている。

さらに、制御部１００は、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からのパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するように構成されている。

尚、本明細書で用いる「出力停止状態」とは、非線形光学素子６０，７０から出力される波長変換光のパワーがゼロである場合以外に、加工対象物を実質的に加工できないような低いパワーの波長変換光が出力される場合を含む概念である。

当該出力許容状態で、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるようになり、固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる（図３（ｃ）の区間Ｔｏｆｆ参照）。

そして、種光源１０からパルス光が出力される期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオンされると、ファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へパルス光が伝播するので（図３（ｃ）の区間Ｔｏｎ参照）、エネルギー効率よくパルス光が増幅されて（図３（ｅ）参照）、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。つまり、当該光スイッチ素子４０を時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能させるのである。

さらに、種光源１０からのパルス光の出力期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフされると、ファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へのパルス光の伝播が阻止され、種光源１０を停止させなくても非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力が停止する出力停止状態が容易く実現できる。

当該出力停止状態で、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオンされると、前段のファイバ増幅器３０で生じたＡＳＥノイズが後段の固体増幅器に伝播して（図３（ｄ）参照）、励起用の光源５１によって励起状態にある固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが放出される。

その結果、当該出力停止状態の後に出力許容状態に移行して、種光源１０からのパルス光の出力期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオンされて波長変換装置６０，７０からパルス光が出力される場合でも、ジャイアントパルスが発生することなく、固体増幅器５０や非線形光学素子６０，７０が破損するようなことが回避される。

しかし、図４に示すように、出力停止状態で固体増幅器５０に伝播するＡＳＥノイズのみで固体増幅器５０の活性領域に蓄積されたエネルギーが十分に放出されることはなく、そのために固体増幅器５０が過剰に発熱して温度上昇を招き、出力許容状態に移行した当初にジャイアントパルスの発生は回避できても、ビーム伝播特性が劣化して、レーザパルス光を用いた加工対象の品質に悪影響を与える虞がある。

図４の最上段（出力（Ｓ４）（第２光源オフ）に示すように、時刻ｔ１で出力許容状態から出力停止状態に切り替わり、出力停止状態から再度出力許容状態に切り替わった時刻ｔ２から後の時刻ｔ３までの時間Δｔの間、ビーム伝播特性の劣化に起因するパワーの低下ΔＳが現れるのである。

図４の上から二段目（固体増幅器の結晶温度）に示すように、時刻ｔ１までの出力許容状態でほぼ定常状態であった固体増幅器の結晶温度が、出力停止状態の間に励起光により蓄積されるエネルギーにより次第に上昇し、出力停止状態に復帰した時刻ｔ２から以前の定常状態での結晶温度に復帰するまでの時間Δｔでの現象で、図４の上から三段目（ビーム品質）に示すように、時間Δｔの間はそれ以前の定常状態に比べてビーム品質が劣化するためである。時間Δｔは、出力停止状態の長さにより変動し、０．５秒から６０秒程度となる。

そのため、図４の上から四段目（第２光源）に示すように、本発明によるレーザ光源装置１は、時刻ｔ１から時刻ｔ２の出力停止状態の間に、制御部１００によって固体増幅器５０の上流側に配置された第２光源であるレーザ光源１１（図１参照）が発振制御され、時刻ｔ２以降の出力許容状態でレーザ光源１１の発振を停止制御するように構成されている。

レーザ光源１１から出力される連続光であるレーザ光が、種光源１０から出力されるパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０を介して固体増幅器５０に伝播して、励起用の光源５１によって励起状態にある固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが放出されるようになる（図３（ｆ）参照）。

その結果、図４の最下段（出力（Ｓ４）（第２光源オン）に示すように、固体増幅器５０が励起エネルギーによって過剰に発熱して温度上昇するようなことがないので、当該出力停止状態の後の時刻ｔ２に制御部１００により光スイッチ素子４０が制御されて、種光源１０からのパルス光が固体増幅器５０へ伝播して波長変換部１Ｄからの出力が再開された直後であっても、非線形光学素子７０から安定したパルス光が出力され、加工対象の品質に悪影響を与えることなく安定的に加工を再開することができるようになる。固体増幅器５０の熱レンズ効果等に起因するビーム伝播特性の劣化や、温度変動に起因する出力レベルの変動が抑制されるためである。

詳述すると、固体増幅器５０に対する励起光のパワーが維持された状態で、制御部１００は、出力停止状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが、出力許容状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、レーザ光源１１から出力され固体増幅器５０に入力されるレーザ光のパワーを調整するように構成されている。

レーザ光源１１に用いられるファブリペロー共振器を用いた汎用の半導体レーザの発振波長は、種光源１０から出力される波長１０６４μｍのパルス光を増幅可能な固体増幅器５０の増幅帯域に設定されている。

レーザ光源１１の発振波長が固体増幅器５０の増幅帯域に設定されることにより、出力停止状態への切替後に固体増幅器５０に蓄積される励起エネルギーがレーザ光源１１から出力されるレーザ光の増幅に消費されるようになる。レーザ光源１１から出力されるレーザ光が種光源１０から出力される大きなピークパワーのパルス光ではないので、固体増幅器５０で増幅されても非線形光学素子６０，７０から加工対象を加工可能な十分なパワーの波長変換光として出力されることがない。

図５（ａ）に示すように、固体増幅器５０の増幅帯域の中心より側方にシフトした狭帯域で発振可能なレーザ光源１１を用いれば、それほど大きなゲインで増幅されることがなく、固体増幅器５０で増幅されても非線形光学素子６０，７０から加工対象を加工可能な十分なパワーの波長変換光として出力されることがない。

例えば、種光源１０から中心波長１０６４ｎｍ、スペクトル幅が半値幅で０．１〜０．３５ｎｍのパルス光が出力される場合に、スペクトル幅が半値幅で０．０００１ｎｍ程度で、中心波長のパルス光の中心波長から側方に０．１ｎｍ程度シフトしたレーザ光がレーザ光源１１から出力されるような態様である。

また、種光源１０の中心波長が含まれ、種光源１０より広帯域幅で発振可能なレーザ光源１１を用いれば、本来的にパワーが低く非線形光学素子６０，７０の波長変換特性よりも広い波長帯域のレーザ光が大きなピークパワーの光として出力されることはない。

さらに、図５（ｂ）に示すように、レーザ光源１１の発振波長は、固体増幅器５０の増幅帯域のうち、種光源１０から出力されるパルス光を増幅可能な増幅帯域以外の増幅帯域に設定されていてもよい。

固体増幅器５０の増幅帯域が複数存在し、レーザ光源１１の発振波長が種光源１０から出力されるパルス光を増幅可能な増幅帯域以外の増幅帯域に設定されていれば、出力停止状態への切替後に固体増幅器５０に蓄積される励起エネルギーがレーザ光源１１から出力されるレーザ光の増幅に消費されるようになる。

例えば、固体増幅器５０として９１４μｍ、１０６４μｍ、１３４２μｍをそれぞれ中心波長とする３つの増幅帯域があるＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いる場合、レーザ光源１１の発振波長が、種光源１０から出力されるパルス光の波長１０６４μｍとは異なる増幅帯域となるように設定すれば、本来的に非線形光学素子の波長変換可能な帯域とは異なる波長のレーザ光であるので、波長変換光が出力されることはない。

尚、種光源１０からのパルス光の出力期間とは異なる期間に固体増幅器５０で増幅されたＡＳＥノイズが非線形光学素子６０，７０に入射しても、本来的にパワーが低く非線形光学素子６０，７０の波長変換特性よりも広い波長帯域のＡＳＥノイズが大きなピークパワーの光として出力されることはない。

また、ファイバ増幅器３０からの出力光は、それほど大きなピークパワーの光にまで増幅されることはないので、光スイッチ素子４０によって遮断されても光スイッチ素子４０を含めて周辺の光学部品が熱等によって破損することはない。

つまり、非線形光学素子６０，７０は、種光源１０から出力されるパルス光とレーザ光源１１から出力されたレーザ光の発振波長の異同を問わず、種光源１０から出力されたパルス光のみを選択的に波長変換して、加工対象物を加工可能なパワーで出力するフィルタ素子として機能する。

具体的に、分波器２４からフォトダイオードＰＤに入力された光量に基づいて、レーザ光源１１から出力されるレーザ光のパワーをフィードバック制御するフィードバック制御回路がドライバＤ１１に設けられ、ドライバＤ１１を介して制御部１００によりレーザ光源１１から出力されるレーザ光の平均パワーが調整される。尚、分波器２４の位置は後段のファイバ増幅器３０の出力側に設けられていてもよく、より好ましくは固体増幅器５０の出力側に設けられていてもよい。

出力停止状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが、出力許容状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、レーザ光源１１から出力され固体増幅器５０に入力されるレーザ光の平均パワーを調整することができれば、フィードバック制御回路は必須ではない。レーザ光源１１から出力されるレーザ光の平均パワーとは、レーザ光が連続光であればそのパワーであり、パルス光であれば時間平均値である。

出力停止状態では、レーザ光源１１から出力されるレーザ光に加えて前段のファイバ増幅器２０，３０で生じたＡＳＥノイズが光スイッチ素子４０を介して固体増幅器５０に伝播する。このときに固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが出力許容状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、レーザ光源１１から出力され固体増幅器５０に入力されるレーザ光のパワーが調整される。

その結果、励起用の光源５１によって励起され出力許容状態で放出される固体増幅器５０の活性領域のエネルギーと同等のエネルギーが出力停止状態でも放出されるようになり、固体増幅器５０に対する励起光のパワーが維持された状態で出力許容状態から出力停止状態に切り替わった場合でも、固体増幅器５０が過剰に発熱して温度上昇を招くようなことが回避できる。

図１に示したように、レーザ光源１１からの出力光が光スイッチ素子４０の上流側で種光源１０から出力されるパルス光と合波されるように構成されているので、出力停止状態に移行したときにレーザ光源１１を光スイッチ素子４０と同期して発振または停止制御する必要は無く、単にレーザ光源１１を発振制御するだけでよい。

種光源１０からのパルス光の出力期間に光スイッチ素子４０によってレーザ光源１１からの出力光の伝播が阻止され、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０によってレーザ光源１１からの出力光の伝播が許容されるので、レーザ光源１１に対する制御が容易になる。

出力許容状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオン制御される「種光源からのパルス光の出力期間」とは、種光源からパルス光が出力されている全期間のみを意味するのではなく、非線形光学素子により波長変換されたパルス光のピークパワーが適切な値を示す範囲であれば一部期間であってもよく、また種光源からパルス光が出力されている期間の前後の僅かな期間も含まれるような概念である。

出力許容状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフ制御される「種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間」とは、隣接するパルス光の各出力期間の間の全期間、つまりパルス光が存在しない全期間のみを意味するのではなく、励起用光源によって励起された固体増幅器の活性領域のエネルギーがＡＳＥノイズで無駄に消費されることが低減できる範囲であれば、その一部期間も含まれるような概念である。

出力停止状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフ制御される「種光源からのパルス光の出力期間」とは、種光源からパルス光が出力されている全期間のみを意味するのではなく、非線形光学素子により波長変換されたパルス光が微弱であれば一部期間であってもよく、また種光源からパルス光が出力されている期間の前後の僅かな期間も含まれるような概念である。

出力停止状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオン制御される「種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間」とは、隣接するパルス光の各出力期間の間の全期間、つまりパルス光が存在しない全期間のみを意味するのではなく、固体増幅器の過度な励起状態がＡＳＥノイズで解消される範囲であれば、その一部期間も含まれるような概念であり、複数のパルス光の各出力期間の間の毎期間ではなく、複数回に一回の期間も含まれるような概念である。

図６には、制御部１００によって実行される種光源１０、レーザ光源１１及び光スイッチ素子４０に対する制御タイミングチャートが例示されている。

出力許容状態では、基準とする時刻ｔ０で光スイッチ素子４０のＲＦドライバＤ２に対してゲート信号を出力し、所定の遅延時間の後、時刻ｔ３で種光源１０のドライバＤ１に対するトリガ信号をオン出力する。時刻ｔ４で緩和振動が発生した後の所定時刻ｔ５でトリガ信号をオフすることによって所定のパルス幅のパルス光Ｓ１が得られ、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光Ｓ３が得られる。このパルス光Ｓ３は広帯域化され、さらにＡＳＥノイズが重畳されている。

尚、制御部１００が時刻ｔ５でトリガ信号をオフして種光源１０のレーザ発振を停止させるのではなく、緩和振動が発生した種光源１０に対してドライバＤ１が所定時刻ｔ５で種光源１０のレーザ発振を停止させるように構成されていてもよい。この場合、トリガ信号のオフタイミングは任意に設定すればよい。

時刻ｔ０でオン出力されたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ２でオンし、時刻ｔ１でオフされたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ６でオフする。光スイッチ素子４０がオンする時刻ｔ２からｔ６の間に、ファイバ増幅器３０で増幅され光スイッチ素子４０を通過した出力光Ｓ４、つまり種光源１０から出力されたパルス光Ｓ４が固体増幅器５０に伝播する。

そして、光スイッチ素子４０がオフする時刻ｔ６からｔ９の間には、ＡＳＥノイズの固体増幅器５０への伝播が阻止されるので、固体増幅器５０の活性領域に蓄積された励起エネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。

出力停止状態では、基準とする時刻ｔ１で光スイッチ素子４０のＲＦドライバＤ２に対してゲート信号を出力し、所定の遅延時間の後、時刻ｔ３で種光源１０のドライバＤ１に対するトリガ信号をオン出力する。時刻ｔ４で緩和振動が発生した後の所定時刻ｔ５でトリガ信号をオフすることによって所定のパルス幅のパルス光Ｓ１が得られ、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光Ｓ３が得られる。

時刻ｔ１でオン出力されたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ６でオンし、時刻ｔ７でオフされたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ９でオフする。光スイッチ素子４０がオンする時刻ｔ６からｔ９の間に、ファイバ増幅器３０から出力されたＡＳＥノイズとレーザ光源１１から出力されたレーザ光が合波された出力光Ｓ４´が光スイッチ素子４０を通過して固体増幅器５０に伝播する。種光源１０から出力され、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光Ｓ３は、時刻ｔ２からｔ６でオフする光スイッチ素子４０により固体増幅器５０への伝播が阻止される。

レーザ光源１１は、出力停止状態に移行した時刻ｔ１または時刻ｔ６で発振制御され、出力許容状態に移行するまでの間その状態が維持される。この間、レーザ光源１１からレーザ光が出力される。尚、レーザ光源１１から出力されるレーザ光は連続光でなく、パルス光であってもよい。何れの場合でも出力停止状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが、出力許容状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、固体増幅器５０に入力される光のパワーが調整されていればよい。

このとき固体増幅器５０には種光源１０からのパルス光が入力されることはなく、ＡＳＥノイズ及びレーザ光源１１からのレーザ光のみが入力される。固体増幅器５０の活性領域に蓄積された励起エネルギーがこれらの光によって放出されるようになり、次に出力許容状態に移行した際でもジャイアントパルスの発生及び出力の変動が回避されるようになる。

図６で説明した例では、出力許容状態での光スイッチ素子４０に対するゲート信号は出力停止状態でのゲート信号と位相が１８０度反転するため、出力停止状態での光スイッチ素子４０のオン状態とオフ状態とは基本的には反転している。

尚、図６では、ＲＦ信号が入力されて光スイッチ素子４０に回折格子が形成され、回折された光が固体増幅器５０へ伝播する状態をオンと表記し、光スイッチ素子４０に回折格子が形成されず、光が固体増幅器５０へ伝播することなく、零次光がダンパで減衰される状態をオフと表記している。光スイッチ素子４０へ出力する制御信号の論理は正論理及び負論理の何れであってもよい。

上述の例では、出力停止状態において、種光源１０から繰り返し出力される複数のパルス光の各出力期間の間の期間の全域で光スイッチ素子４０がオンされる態様を説明したが、固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが出力許容状態で固体増幅器から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、固体増幅器５０に入力されるレーザ光源１１のパワーが調整される場合には、種光源１０から繰り返し出力される複数のパルス光の各出力期間の間の期間の一部期間にのみ光スイッチ素子４０がオンされる態様であってもよい。

さらに、種光源１０から繰り返し出力される複数のパルス光の各出力期間の間の期間に光スイッチ素子４０がオンとオフを繰り返すように制御される態様であってもよい。このように制御すれば、光スイッチ素子４０を構成するＡＯＭの発熱が低減できるようになる。

図６で説明した例では、制御部１００は、光スイッチ素子４０に対する制御信号（ゲート信号）を基準に種光源１０を制御するトリガ信号を出力するように構成されている。このように構成すれば、種光源１０から出力されるパルス光の応答性よりも光スイッチ素子４０の応答性が遅い場合であっても、光スイッチ素子４０に対する制御信号を基準に種光源１０を制御する制御信号を生成することで、適正に光スイッチ素子４０を駆動することができるようになる。

尚、種光源１０から出力されるパルス光の応答性よりも光スイッチ素子４０の応答性が十分に速い場合には、当然のことながら種光源１０に対する制御信号を基準に光スイッチ素子４０を制御することも可能である。

つまり、上述した制御部１００によって、非線形光学素子６０，７０からのパルス光の出力を停止する場合に、ファイバ増幅器３０と固体増幅器５０との間に配置された光スイッチ素子４０を制御して、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するとともに、固体増幅器５０の上流側に配置され種光源１０から出力されるパルス光と合波されたレーザ光源１１を、少なくとも種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に発振制御するレーザパルス光生成方法が実行される。

同様に、上述した制御部１００によって、非線形光学素子６０，７０からのパルス光の出力を許容する場合に、光スイッチ素子４０を制御して、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するとともに、レーザ光源１１の発振を停止制御するレーザパルス光生成方法が実行される。

本発明は、ＤＦＢレーザを含む半導体レーザに対して、数百メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数ナノ秒以下、好ましくは数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成された種光源を備えたレーザ光源装置に広く適用可能である。

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、レーザ光源１１からの出力光が光スイッチ素子４０の上流側で種光源１０から出力されるパルス光と合波されるように構成された例として、前段のファイバ増幅器２０の入力側で合波された態様を示したが、二段のファイバ増幅器２０，３０の間、または後段のファイバ増幅器３０の出力側で合波される態様であってもよい。

上述した実施形態では、出力停止状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーが、出力許容状態で固体増幅器５０から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、レーザ光源１１から出力され固体増幅器５０に入力されるレーザ光のパワーを調整する例を説明したが、レーザ光源１１から出力されるレーザ光のパワーを一定に維持しつつ出力時間を調整してもよいし、パワーと出力時間の双方を調整してもよい。

レーザ光源１１から出力されるレーザ光の出力時間を調整する場合には、レーザ光源１１からレーザ光が出力される駆動時間を制御する態様や、光スイッチ素子４０を制御してレーザ光源１１から出力されるレーザ光が固体増幅器５０に伝播する時間を制御する態様を採用することができる。

また、レーザ光源１１は、固体増幅器５０の上流側に配置され種光源１０から出力されるパルス光と合波されるように構成されていればよく、光スイッチ素子４０の下流側で種光源１０から出力されるパルス光と合波されるように構成されていてもよい。

先の実施形態では、出力停止状態に移行した後に、光スイッチ素子４０を介して固体増幅器５０に伝播するＡＳＥノイズとレーザ光源１１から出力されたレーザ光の双方の連続光を用いて、固体増幅器５０の活性領域に蓄積されるエネルギーを放出させる例を説明したが、レーザ光源１１が光スイッチ素子４０の下流側で種光源１０から出力されるパルス光と合波されるように構成されている場合には、レーザ光源１１から出力されるレーザ光のみで固体増幅器５０の活性領域に蓄積されるエネルギーを放出させることも可能である。

この場合には、非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を停止するために、ファイバ増幅器３０からの出力光が固体増幅器５０に伝播しないように光スイッチ素子４０を常時オフ状態に制御してもよい。

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。

種光源１０と光アイソレータＩＳＬ１とファイバ増幅器２０との間にバンドパスフィルタを設けて、種光源へのＡＳＥノイズの反射を回避するように構成してもよい。

上述した実施形態では、光スイッチ素子４０として超音波トランデューサのオンまたはオフによって１次回折光をオンまたはオフする音響光学素子を用いた例を説明したが、光スイッチ素子４０としてＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子を用いることも可能である。

さらに光スイッチ素子４０としてマイクロマシーニング技術で製作した微少な搖動ミラー（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されたミラー）を用いて、ファイバ増幅器３０の出力が固体増幅器５０に伝播するか否かを微少な搖動ミラーの搖動角度によって切り替えるように構成してもよい。また、偏光状態を動的に切替えて光の透過と遮断を制御可能な偏光デバイスを用いてもよい。つまり、光スイッチ素子が動的光学素子で構成されていればよい。

上述した実施形態では、非線形光学素子６０，７０からのパルス光の出力を許容する場合に、種光源１０からのパルス光の出力タイミングで光の伝播を許容し、当該出力タイミングと異なるタイミングで光の伝播を阻止するように光スイッチ素子１０を制御する制御部１００を備えた例を説明したが、本発明によるレーザ光源装置の制御部１００は、少なくとも、非線形光学素子からのパルス光の出力を停止する場合に、種光源１０からのパルス光の出力タイミングで光の伝播を阻止し、当該出力タイミングと異なるタイミングで光の伝播を許容するように光スイッチ素子１０を制御するとともに、レーザ光源１１を発振制御するように構成されていればよい。

上述した実施形態では、種光源１０からのパルス光の固体増幅器５０への伝播を阻止して非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するために、ファイバ増幅器３０と固体増幅器５０との間に光スイッチ素子４０を備えた構成を説明したが、本発明はこの様な態様に限定されるものではない。

例えば、種光源１０からの出力を停止するとともに、ファイバ増幅器２０，３０の励起用光源２１，３１を停止することにより、光スイッチ素子４０を用いずに出力停止状態を生成することも可能である。

レーザ光源１１から出力される連続光或いは種光源１０から出力されるパルス光の時間幅より長いパルス光の増幅後のピークパワーは、種光源１０から出力されるパルス光のピークパワーよりも十分に低いため、非線形光学素子６０，７０による波長変換効率が低く、従って加工対象物を加工可能なパワーで出力される可能性は極めて低い。

しかし、固体増幅器５０の励起光のパワーが十分に大きい場合に、出力停止状態でレーザ光源１１から出力され固体増幅器５０で増幅されたレーザ光が非線形光学素子６０，７０に入力されると、無視できないパワーの波長変換光が出力される虞もある。

そのような場合には、出力許容状態のときにのみ非線形光学素子６０，７０から所定パワーの波長変換光が出力されるように、固体増幅器５０の励起光のパワー及びレーザ光源１１から出力されるレーザ光のパワーを調整することも可能である。

また、固体増幅器５０と非線形光学素子６０，７０との間に、固体増幅器５０から非線形光学素子６０，７０への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子をさらに備え、制御部１００が当該光スイッチ素子を制御して出力停止状態で固体増幅器５０から非線形光学素子６０，７０への光の伝播を阻止するように構成することも可能である。当該光スイッチ素子も、上述した光スイッチ素子４０と同様の素子を用いることができる。

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いパワー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（第１光源）
１１：レーザ光源（第２光源）
２０，３０：ファイバ増幅器
４０：光スイッチ素子
５０：固体増幅器
６０，７０：非線形光学素子
１００：制御部

Claims

ゲインスイッチング法でパルス光を出力する第１光源と、前記第１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、
前記固体増幅器の上流側に配置され前記種光源から出力されるパルス光と合波可能で発振波長が前記固体増幅器の増幅帯域に含まれるレーザ光を出力する第２光源と、
前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に設けられ、前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、
前記非線形光学素子からパルス光が出力される出力許容状態から、前記固体増幅器に対する励起光のパワーが維持された状態で、前記光スイッチ素子を制御して前記第１光源からのパルス光の前記固体増幅器への伝播を阻止して前記非線形光学素子からパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するとともに、当該出力停止状態で前記第２光源を発振制御するように構成されている制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記出力停止状態でさらに前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するように前記光スイッチ素子を制御し、前記出力停止状態で少なくとも前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に前記第２光源を発振制御し、
前記出力許容状態で前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように前記光スイッチ素子を制御するとともに、前記出力許容状態で前記第２光源の発振を停止制御するように構成されているレーザ光源装置。
前記第２光源から出力されるレーザ光が前記光スイッチ素子の上流側で前記第１光源から出力されるパルス光と合波可能に構成され、前記制御部は前記出力停止状態で第２光源を発振制御するように構成されている請求項１記載のレーザ光源装置。
前記制御部は、前記出力停止状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーが、前記出力許容状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、前記第２光源から出力され前記固体増幅器に入力されるレーザ光のパワーを調整するように構成されている請求項１または２記載のレーザ光源装置。
前記出力許容状態のときにのみ前記非線形光学素子から所定パワーの波長変換光が出力されるように、前記固体増幅器の励起光のパワー及び／またはパルス光の繰返し周波数が調整されている請求項１から３の何れかに記載のレーザ光源装置。
前記固体増幅器と前記非線形光学素子との間に、前記固体増幅器から前記非線形光学素子への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子をさらに備え、前記制御部は、当該光スイッチ素子を制御して前記出力停止状態で前記固体増幅器から前記非線形光学素子への光の伝播を阻止するように構成されている請求項１から４の何れかに記載のレーザ光源装置。
前記第２光源の発振波長は、前記固体増幅器の増幅帯域のうち、前記第１光源から出力されるパルス光を増幅可能な増幅帯域以外の増幅帯域に設定されている請求項１から５の何れかに記載のレーザ光源装置。
前記光スイッチ素子が音響光学素子または電気光学素子を含む動的光学素子で構成されている請求項１から６の何れかに記載のレーザ光源装置。
前記第１光源がＤＦＢレーザで構成され、前記制御部は前記ＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数ナノ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７の何れかに記載のレーザ光源装置。
ゲインスイッチング法で第１光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、
前記非線形光学素子からのパルス光の出力を許容する場合に、
前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に設けた光スイッチ素子を制御して、前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するとともに、前記固体増幅器の上流側に配置され前記第１光源から出力されるパルス光と合波可能で発振波長が前記固体増幅器の増幅帯域に含まれるレーザ光を出力する第２光源の発振を停止制御し、
前記非線形光学素子からのパルス光の出力を停止する場合に、
前記固体増幅器に対する励起光のパワーが維持された状態で、前記光スイッチ素子を制御して、前記第１光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、前記第１光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するとともに、前記第２光源を発振制御するレーザパルス光生成方法。
前記出力停止状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーが、前記出力許容状態で前記固体増幅器から出力される光の平均パワーと略等しくなるように、前記第２光源から出力され前記固体増幅器に入力されるレーザ光のパワーを調整する請求項９記載のレーザパルス光生成方法。