JP7214056B1 - レーザ装置およびレーザ加工機 - Google Patents

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Abstract

レーザ装置（１００）は、シグナル光（１１）を発生させるパルス光源（１）と、励起光（１２）を発生させる励起光源（２）と、シグナル光（１１）の光路にて直列に並べられ、各々が励起光（１２）によって励起されてシグナル光（１１）を増幅させる複数のレーザ媒質（４ａ，４ｂ）と、を備える。複数のレーザ媒質（４ａ，４ｂ）のうちパルス光源（１）からのシグナル光（１１）が最後に入射するレーザ媒質（４ｂ）の光軸方向長さは、複数のレーザ媒質（４ａ，４ｂ）のうちパルス光源（１）からのシグナル光（１１）が最初に入射するレーザ媒質（４ａ）の光軸方向長さよりも短い。

Description

本開示は、レーザビームを出射するレーザ装置およびレーザ加工機に関する。
電気基板等を対象とする小径の穴あけまたはマーキングといった微細加工において、熱影響が少なくかつ高品位な加工を可能とするために、短パルスかつ高パルスエネルギーのレーザ光を発生させるレーザ装置が有効である。レーザ装置は、加工対象の材料、加工後の穴径、または穴深さなどといった加工要求に応じて、出力パルスの繰り返し周波数を広範囲にわたって制御可能であることが望まれる。また、レーザ装置は、微細加工を行うために、集光性が高くかつビーム品質が高いレーザ光を発生可能であることが望まれる。
半導体レーザは、パルス幅が１００ｎｓ以下である短パルスのレーザ光を発生させることができ、かつ、繰り返し周波数を広範囲にわたって制御できる。ただし、半導体レーザはパワーが低いことから、半導体レーザを加工用光源として用いるためには、光ファイバ増幅器といった増幅器が半導体レーザの後段に必要となる。光ファイバ増幅器は、低パワーのレーザ光を高い効率で増幅させることが可能である。
短パルスかつ高パルスエネルギーのレーザ光はピークパワーが高く、かつ、ビーム径が小さくなるほどピーク強度が高くなる。ここで、ピークパワーとは、パルスエネルギーをパルス幅で除したものである。ピーク強度とは、ピークパワーをビーム面積で除したものである。ピーク強度が高くなると、増幅器のレーザ媒質が損傷する場合がある。また、ピーク強度が高くなると、誘導ラマン散乱といった非線形光学現象が発生し易くなる。誘導ラマン散乱が発生すると、増幅光のパワーの一部が、所望とするレーザ光の波長よりも長い波長の誘導ラマン散乱光へ変換されることによって、実質的に増幅効率が低下することとなる。
増幅によって高いビーム品質のレーザ光を得るためには、光ファイバ増幅器のコア径は数μｍから数十μｍ程度に制限される。光ファイバ増幅器では、コア径の制限によってビーム径が小さくなることからピーク強度が高くなり易い。光ファイバ増幅器では、ピーク強度が高くなり易い一方で、ピーク強度が、レーザ媒質を損傷させずかつ非線形光学現象を発生させない程度となるように、レーザ光のピークパワーを抑える必要がある。また、ピーク強度を下げつつレーザ光のピークパワーを高くするためには、比較的大きいビーム径のレーザ光を増幅できる固体レーザ増幅器が使用されることがある。
特許文献１には、半導体レーザによって１００ｐｓから１００ｎｓ程度のパルス幅のレーザ光である種光を発生させ、光ファイバ増幅器と端面励起型の固体レーザ増幅器とによって種光を増幅するレーザ装置が開示されている。
特開２０１６－５１８９７号公報
パルス幅が１００ｐｓ以下と非常に短い場合、ピークパワーも非常に高くなる。この場合、固体レーザ増幅器が使用されても、レーザ媒質内におけるレーザ光のピーク強度は非常に高くなり、誘導ラマン散乱が発生することとなる。レーザ装置は、誘導ラマン散乱の発生によって、実質的に増幅効率が低下することとなる。また、ビーム径を大きくすることでピーク強度を低下させることができるが、被増幅光のパワーが低い場合には、ビーム径が大きくなることによって増幅効率が低下することとなる。このため、特許文献１に開示される従来の技術によると、誘導ラマン散乱を低減しつつ高い増幅効率を実現することができない場合があるという問題があった。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、誘導ラマン散乱を低減でき、かつ高い増幅効率を実現可能とするレーザ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ装置は、パルス状のレーザ光であるシグナル光を発生させるパルス光源と、励起光を発生させる励起光源と、パルス光源から出射したシグナル光の光路にて直列に並べられ、各々が励起光によって励起されてシグナル光を増幅させる複数のレーザ媒質と、複数のレーザ媒質のうち光路において互いに隣り合う２つのレーザ媒質の間に配置され、２つのレーザ媒質の一方であってシグナル光が先に入射する第１のレーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光を光路から除去するカットフィルタと、を備える。複数のレーザ媒質のうちパルス光源からのシグナル光が最後に入射するレーザ媒質の光軸方向長さは、複数のレーザ媒質のうちパルス光源からのシグナル光が最初に入射するレーザ媒質の光軸方向長さよりも短い。
本開示にかかるレーザ装置は、誘導ラマン散乱を低減でき、かつ高い増幅効率を実現できるという効果を奏する。
実施の形態１にかかるレーザ装置の構成例を示す図 実施の形態１における誘導ラマン散乱光の強度とレーザ媒質における位置との関係の例を示す第１の図 実施の形態１における誘導ラマン散乱光の強度とレーザ媒質における位置との関係の例を示す第２の図 実施の形態１におけるシグナル光の強度とレーザ媒質における位置との関係の例を示す図 実施の形態１にかかるレーザ装置の変形例を示す図 図１に示す後方励起構成の場合と図５に示す前方励起構成の場合とについて、誘導ラマン散乱光の強度とレーザ媒質における位置との関係の例を示す図 図１に示す後方励起構成の場合と図５に示す前方励起構成の場合とについて、シグナル光の強度とレーザ媒質における位置との関係の例を示す図 実施の形態１におけるレーザ媒質の分割割合と誘導ラマン散乱光の強度の合計値との関係の例を示す図 実施の形態２にかかるレーザ装置の構成例を示す図 実施の形態１または２にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態１または２にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図 実施の形態３にかかるレーザ加工機の構成例を示す図
以下に、実施の形態にかかるレーザ装置およびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の構成例を示す図である。レーザ装置１００は、パルス光源１と、励起光源２と、励起光学系３と、複数のレーザ媒質であるレーザ媒質４ａ，４ｂと、ダイクロイックミラー５ａ，５ｂと、カットフィルタ６と、レンズ７ａ，７ｂと、レーザ装置１００の全体を制御する制御部１０とを備える。
パルス光源１は、例えば半導体レーザである。パルス光源１は、パルス状のレーザ光であるシグナル光１１を発生させる。実施の形態１において、シグナル光１１のパルス幅は、１００ｐｓ以下である。パルス光源１は、半導体レーザと光ファイバ増幅器とを備える光源であっても良い。この場合、パルス光源１は、半導体レーザによって発生させたパルス光を光ファイバ増幅器によって増幅させ、増幅させたパルス光を出射する。または、パルス光源１は、モードロックレーザであっても良い。シグナル光１１の波長は、例えば１０６４ｎｍである。パルス光源１の繰り返し周波数は、例えば１００ｋＨｚから１０ＭＨｚに含まれる。図１では、シグナル光１１が伝搬する様子を実線矢印により表す。
励起光源２は、例えば半導体レーザである。励起光源２は、励起光１２を発生させる。図１では、励起光１２が伝搬する様子を一点鎖線矢印により表す。励起光学系３は、励起光源２から出射した励起光１２をレーザ媒質４ａ，４ｂへ伝搬させる。レーザ媒質４ａ，４ｂは、パルス光源１から出射したシグナル光１１の光路にて直列に並べられている。レーザ媒質４ａ，４ｂの各々は、励起光１２によって励起されてシグナル光１１を増幅させる。なお、以下の説明において、光路とは、シグナル光１１の光路を指すものとする。
レーザ媒質４ａ，４ｂの各々は、いわゆる固体レーザ媒質である。レーザ媒質４ａ，４ｂの各々は、円柱または角柱といった形状である。レーザ媒質４ｂの光軸方向長さは、レーザ媒質４ａの光軸方向長さよりも短い。図１において、レーザ媒質４ａにおける実線矢印の方向がレーザ媒質４ａの光軸方向である。図１において、レーザ媒質４ｂにおける実線矢印の方向がレーザ媒質４ｂの光軸方向である。光軸方向とは、シグナル光１１である光束の中心線の方向であるものとする。
レーザ媒質４ａ，４ｂの各々は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）、ＹＶＯ４（Yttrium Vanadate）、ＧｄＶＯ４（Gadolinium Vanadate）、またはサファイア（Ａｌ２Ｏ３）といったレーザ結晶、あるいは光学ガラスに、希土類元素またはチタンが添加されたレーザ媒質である。レーザ媒質４ａ，４ｂの各々に添加される希土類元素は、Ｎｄ（ネオジム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、またはＰｒ（プラセオジム）である。レーザ媒質４ａの側面とレーザ媒質４ｂの側面とは、直接または間接的に冷却されている。
シグナル光１１のパルス幅が１００ｐｓ以下と短いことから、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々で増幅されたシグナル光１１のピーク強度が高くなる。レーザ媒質４ａへシグナル光１１が入射することによって、レーザ媒質４ａでは、非線形光学現象の一種である誘導ラマン散乱が発生する。レーザ媒質４ａでは、誘導ラマン散乱による散乱光である誘導ラマン散乱光１４ａが発生する。レーザ媒質４ａからは、シグナル光１１とともに誘導ラマン散乱光１４ａが出射する。
レーザ媒質４ｂへシグナル光１１が入射することによって、レーザ媒質４ｂでも誘導ラマン散乱が発生する。レーザ媒質４ｂでは、誘導ラマン散乱による散乱光である誘導ラマン散乱光１４ｂが発生する。レーザ媒質４ｂからは、シグナル光１１とともに誘導ラマン散乱光１４ｂが出射する。図１では、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの各々が伝搬する様子を破線矢印により表す。
ダイクロイックミラー５ａは、パルス光源１から出射したシグナル光１１の光路に配置されている。パルス光源１からのシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ａで反射し、レーザ媒質４ａの方へ伝搬する。ダイクロイックミラー５ｂは、レーザ媒質４ｂから出射したシグナル光１１の光路に配置されている。レーザ媒質４ｂから出射したシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ｂで反射する。励起光学系３から出射した励起光１２は、ダイクロイックミラー５ｂのうちシグナル光１１が入射する面とは逆側の面へ入射する。励起光学系３からの励起光１２は、ダイクロイックミラー５ｂを透過し、レーザ媒質４ｂの方へ伝搬する。
カットフィルタ６は、２つのレーザ媒質４ａ，４ｂの間の光路に配置されている。カットフィルタ６は、レーザ媒質４ａから出射される誘導ラマン散乱光１４ａを光路から除去する。カットフィルタ６は、シグナル光１１の波長と励起光１２の波長とについては入射する光の大部分を透過させ、かつ、誘導ラマン散乱光１４ａの波長については入射する光の大部分を反射するように設計される。カットフィルタ６は、母材と、母材にコーティングされた誘電体多層膜とを備える。母材は、例えば、合成石英またはＢＫ７といった光学ガラスである。
実施の形態１において、誘電体多層膜は、第１面９ａおよび第２面９ｂの各々に形成されている。第１面９ａは、カットフィルタ６のうちシグナル光１１が入射する面である。第２面９ｂは、カットフィルタ６のうちシグナル光１１が出射する面である。第１面９ａの誘電体多層膜と第２面９ｂの誘電体多層膜との各々は、シグナル光１１の大部分と励起光１２の大部分とを透過し、かつ誘導ラマン散乱光１４ａの大部分を反射する。
レンズ７ａは、レーザ媒質４ａとカットフィルタ６との間の光路に配置されている。レンズ７ｂは、カットフィルタ６とレーザ媒質４ｂとの間の光路に配置されている。レンズ７ａ，７ｂの各々は、転写光学系を構成する光学素子である。レンズ７ａ，７ｂは、レーザ媒質４ａの出射面８ａとレーザ媒質４ｂの入射面８ｂとを光学的に共役とさせる。また、レンズ７ａ，７ｂは、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム形状を１倍の倍率で入射面８ｂに転写させる。出射面８ａは、レーザ媒質４ａのうちシグナル光１１が出射する面である。入射面８ｂは、レーザ媒質４ｂのうちシグナル光１１が入射する面である。
レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとは、光路においてカットフィルタ６およびレンズ７ａ，７ｂを介して互いに隣り合う。レーザ媒質４ａは、２つのレーザ媒質４ａ，４ｂの一方であってシグナル光１１が先に入射する第１のレーザ媒質である。レーザ媒質４ｂは、２つのレーザ媒質４ａ，４ｂの他方であって第１のレーザ媒質からのシグナル光１１が入射する第２のレーザ媒質である。また、レーザ媒質４ａは、レーザ装置１００に備えられている複数のレーザ媒質４ａ，４ｂのうち、パルス光源１からのシグナル光１１が最初に入射するレーザ媒質である。レーザ媒質４ｂは、レーザ装置１００に備えられている複数のレーザ媒質４ａ，４ｂのうち、パルス光源１からのシグナル光１１が最後に入射するレーザ媒質である。
制御部１０は、パルス光源１へ指令を出力することによって、パルス光源１を制御する。パルス光源１は、指令に従ってシグナル光１１を出射する。制御部１０は、励起光源２へ指令を出力することによって、励起光源２を制御する。励起光源２は、指令に従って励起光１２を出射する。
パルス光源１から出射したシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ａで反射し、レーザ媒質４ａへ入射する。レーザ媒質４ａで増幅されたシグナル光１１は、レーザ媒質４ａから出射した後、レンズ７ａとカットフィルタ６とレンズ７ｂとを順次透過し、レーザ媒質４ｂへ入射する。レーザ媒質４ｂで増幅されたシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ｂで反射する。レーザ媒質４ａ，４ｂで増幅されたシグナル光１１である増幅光１３は、ダイクロイックミラー５ｂで反射した後、レーザ装置１００の外部へ出射する。
励起光源２から出射した励起光１２は、励起光学系３とダイクロイックミラー５ｂとを順次透過し、レーザ媒質４ｂへ入射する。レーザ媒質４ｂを透過した励起光１２は、レンズ７ｂとカットフィルタ６とレンズ７ａとを順次透過し、レーザ媒質４ａへ入射する。
レーザ媒質４ａで発生した誘導ラマン散乱光１４ａは、シグナル光１１とともにレーザ媒質４ａの出射面８ａから出射する。誘導ラマン散乱光１４ａは、レンズ７ａを透過した後、カットフィルタ６へ入射する。カットフィルタ６に形成されている誘電体多層膜の各々は、シグナル光１１を透過させるとともに、誘導ラマン散乱光１４ａを反射することによって、シグナル光１１から誘導ラマン散乱光１４ａを分離させる。これにより、カットフィルタ６は、光路から誘導ラマン散乱光１４ａを除去する。なお、レーザ媒質４ｂで発生した誘導ラマン散乱光１４ｂは、シグナル光１１とともにレーザ媒質４ｂから出射し、シグナル光１１とともに伝搬する。
レーザ媒質４ａ，４ｂの各々が、ＮｄがドープされたＹＶＯ４結晶である場合、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの波数は、シグナル光１１の波数よりも８９０ｃｍ-1低い。すなわち、シグナル光１１の波長が１０６４ｎｍである場合、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの波長は、およそ１１７５ｎｍである。このように、レーザ媒質４ａ，４ｂでは、レーザ媒質４ａ，４ｂへ入射したシグナル光１１の一部が、シグナル光１１の波長よりも長い波長の誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂへ変換される。
ここで、レーザ媒質４ａ，４ｂから出射する誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度について説明する。レーザ媒質４ａ，４ｂを１つのレーザ媒質と見立てた場合において、レーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光の強度は、次の式（１）により表される。式（１）では、誘導ラマン散乱光の発生によるシグナル光１１の減衰は考慮しないものとする。
Figure 0007214056000001
Ｉout,Rは、レーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光の強度を表す。Ｉin,Rは、レーザ媒質へ入射する光の強度であって、誘導ラマン散乱光の波長における光の強度を表す。ｇrは、レーザ媒質のラマン利得を表す。例えば、レーザ媒質が、ＮｄがドープされたＹＶＯ４結晶である場合、ラマン利得ｇrは、４．５ｃｍ／ＧＷである。Ｌは、レーザ媒質の光軸方向長さを表す。ｚは、レーザ媒質内の位置であって光軸方向における位置を表す。Ｉs（ｚ）は、位置ｚにおける光の強度であってシグナル光１１の波長における光の強度を表す。レーザ媒質へ入射する光に誘導ラマン散乱光が含まれない場合、Ｉin,Rは、ホワイトノイズ成分の強度、または、レーザ媒質における自発的なラマン散乱による散乱光の強度を表す。自発的なラマン散乱とは、シグナル光１１による誘導ラマン散乱以外のラマン散乱とする。以下の説明において、レーザ媒質内の位置とは、光軸方向における位置とする。
誘導ラマン散乱光の発生によるシグナル光１１の減衰を考慮する場合、レーザ媒質内の位置ｚ＋Δｚにおける誘導ラマン散乱光の強度ＩR（ｚ＋Δｚ）は、強度ＩR（ｚ）と強度Ｉs（ｚ）とを用いて、次の式（２）により表される。誘導ラマン散乱光の発生によるシグナル光１１の減衰を考慮する場合、レーザ媒質内の位置ｚ＋Δｚにおけるシグナル光１１の波長の光の強度Ｉs（ｚ＋Δｚ）は、強度ＩR（ｚ）と強度Ｉs（ｚ）とを用いて、次の式（３）により表される。強度ＩR（ｚ）は、位置ｚにおける誘導ラマン散乱光の強度とする。
Figure 0007214056000002
Figure 0007214056000003
Ｇ（ｚ）は、レーザ媒質のうち位置ｚにおける増幅ゲインであってシグナル光１１の波長における増幅ゲインを表す。ここでは、シグナル光１１のビーム径は一定であるものとする。誘導ラマン散乱光のビーム径は一定であるものとする。
位置ｚから位置ｚ＋Δｚまでの部分で発生する誘導ラマン散乱光の強度ΔＩR（ｚ）について、ΔＩR（ｚ）＝ＩR（ｚ＋Δｚ）－ＩR（ｚ）が成り立つ。また、強度ΔＩR（ｚ）は、次の式（４）により表される。
Figure 0007214056000004
式（４）によると、位置ｚにおける強度ＩR（ｚ）が高いほど、位置ｚから位置ｚ＋Δｚまでの部分で発生する誘導ラマン散乱光の強度ΔＩR（ｚ）は高くなる。すなわち、シグナル光１１を増幅させる過程において誘導ラマン散乱光の強度を低くすることができれば、その後発生する誘導ラマン散乱光の強度を低くすることが可能である。また、式（１）によると、レーザ媒質の長さＬが短いほど、レーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光の強度Ｉout,Rを低くすることができる。
長さＬは、励起光１２に対するレーザ媒質の吸収係数によって決定される。高い効率でシグナル光１１を増幅可能とするためには、励起光１２の吸収率が高いことが望まれる。レーザ媒質で吸収される励起光１２のパワーが、レーザ媒質へ入射する励起光１２のパワーの８０％から９８％程度となるように、レーザ媒質は設計される。実施の形態１のように励起光１２が伝搬する方向へ複数のレーザ媒質４ａ，４ｂが直列に並べられている場合、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々で吸収される励起光１２の合計パワーが励起光１２のパワーの８０％から９８％程度となるように、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々の長さＬの合計が決定される。
励起光１２に対する吸収係数が大きいレーザ媒質４ａ，４ｂが使用されることによって、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々の長さＬの合計を短くすることができる。ただし、吸収係数が大きくなるほど、レーザ媒質４ａ，４ｂのうち励起光１２が入射する位置における発熱量が大きくなる。発熱量が大きくなると、レーザ媒質４ａ，４ｂの熱的な歪みによって増幅光１３のモードが悪化する。例えば、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々が、ＮｄがドープされたＹＶＯ４結晶である場合、Ｎｄのドープ量を増加させることによって励起光１２の吸収係数を大きくすることができる。ただし、励起光１２の波長にもよるが、増幅光１３のモードの悪化を防ぐためには、通常、Ｎｄのドープ量は０．５％以下とされる。このように、レーザ媒質４ａ，４ｂの吸収係数を大きくするには限界がある。レーザ媒質４ａ，４ｂから出射される誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度を低くするにはレーザ媒質４ａ，４ｂの各々の長さＬの合計を短くすることが望まれる一方、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々の長さＬの合計を短くするには限界がある。
レーザ媒質４ａ，４ｂにおけるシグナル光１１のビーム径を大きくすれば、シグナル光１１のパワーが同じであってもシグナル光１１の強度を低くすることができるため、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂを低減し得る。ただし、レーザ光の増幅における増幅ゲインは、シグナル光１１の強度によって変わる。レーザ媒質４ａ，４ｂにおけるシグナル光１１のビーム径を大きくすると、シグナル光１１の増幅効率が低下することとなる。このため、シグナル光１１のビーム径を大きくするには限界がある。
なお、以下の説明では、特に記載が無い限り、レーザ媒質４ａ，４ｂを透過するときにおけるシグナル光１１のビーム径は一定であるものとする。ただし、実際には、レーザ媒質４ａ，４ｂを透過するときにおけるシグナル光１１のビーム径は一定である必要は無いものとする。
実施の形態１では、レーザ媒質４ａで発生した誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの大部分がカットフィルタ６でカットされるため、レーザ媒質４ｂへ入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度は低くなる。このため、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は、カットフィルタ６が設けられる場合のほうが、カットフィルタ６が設けられない場合に比べて低くなる。
図２は、実施の形態１における誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度とレーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置との関係の例を示す第１の図である。図３は、実施の形態１における誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度とレーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置との関係の例を示す第２の図である。
図２では、レーザ媒質４ａの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ａの強度と、レーザ媒質４ｂの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ｂの強度とを線グラフにより表す。グラフの縦軸は、誘導ラマン散乱光１４ａの強度または誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を表す。縦軸により表す強度の単位は任意であるものとする。グラフの横軸は、レーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置を表す。横軸により表す位置は、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとが互いに一続きであるものとみなした場合における位置とする。すなわち、図２では、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとの間隔は無いものとみなす。横軸により表す位置の単位は任意であるものとする。位置「０」は、レーザ媒質４ａのうちシグナル光１１が入射する入射面の位置とする。位置「３」は、レーザ媒質４ａの出射面８ａの位置であって、レーザ媒質４ｂの入射面８ｂの位置でもあるものとする。位置「５」は、レーザ媒質４ｂのうちシグナル光１１が出射する出射面の位置とする。
図２において、実線のグラフは、図１に示すようにカットフィルタ６が配置される場合における誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度と位置との関係を表すグラフであって、レーザ媒質４ａ，４ｂの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度を計算した結果である。かかる計算では、カットフィルタ６における誘導ラマン散乱光１４ａの透過率を０．０１％とした。図２において、破線のグラフは、カットフィルタ６が除かれる場合における誘導ラマン散乱光１４ｂの強度と位置との関係を表すグラフであって、レーザ媒質４ｂの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を計算した結果である。図３に示すグラフは、図２のうちレーザ媒質４ｂについてのグラフであって、図２における縦軸の対数表示を線形表示に変えたものである。図３において、破線のグラフは、カットフィルタ６が除かれる場合における誘導ラマン散乱光１４ｂの強度と位置との関係を表す。図３に示すグラフでは、カットフィルタ６が配置される場合における誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は、ほぼ「０」である。
図２および図３によると、レーザ媒質４ｂのうち出射面の付近における誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は、カットフィルタ６が配置される場合のほうが、カットフィルタ６が除かれる場合に比べて低い。このように、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は、カットフィルタ６が配置される場合のほうが、カットフィルタ６が除かれる場合に比べて低い。
図４は、実施の形態１におけるシグナル光１１の強度とレーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置との関係の例を示す図である。図４では、レーザ媒質４ａの位置ごとにおけるシグナル光１１の強度と、レーザ媒質４ｂの位置ごとにおけるシグナル光１１の強度とを線グラフにより表す。グラフの縦軸は、シグナル光１１の強度を表す。グラフの横軸は、レーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置を表す。図４において、実線のグラフは、図１に示すようにカットフィルタ６が配置される場合におけるシグナル光１１の強度と位置との関係を表す。破線のグラフは、カットフィルタ６が除かれる場合におけるシグナル光１１の強度と位置との関係を表す。
カットフィルタ６が除かれる場合、レーザ媒質４ｂの出射面に近づくにつれて、発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度が高くなる。レーザ媒質４ｂの出射面に近づくにつれて、シグナル光１１の多くのパワーが誘導ラマン散乱光１４ｂのパワーへ変換される。このため、レーザ媒質４ｂの出射面に近づくにつれて、シグナル光１１の強度が増加する度合いが減少する。または、レーザ媒質４ｂの出射面に近づくにつれて、シグナル光１１の強度が低くなる。
図２および図３に示すように、カットフィルタ６が配置される場合においてレーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は、カットフィルタ６が除かれる場合に比べて低い。このため、カットフィルタ６が配置されることによって、レーザ媒質４ｂにおけるシグナル光１１の強度が増加する度合いの減少を回避できる。また、レーザ媒質４ｂにおけるシグナル光１１の強度が低くなることを回避できる。したがって、レーザ装置１００は、カットフィルタ６を備えることによって、より強度が高い増幅光１３を得ることができる。
カットフィルタ６によって除去される誘導ラマン散乱光１４ａの割合が大きいほど、レーザ媒質４ｂへ入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度は低くなる。レーザ媒質４ｂへ入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度が低いほど、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は低くなる。カットフィルタ６において第１面９ａおよび第２面９ｂの各々に誘電体多層膜が形成されていることによって、第１面９ａおよび第２面９ｂの一方のみに誘電体多層膜が形成されている場合に比べて、カットフィルタ６によって除去される誘導ラマン散乱光１４ａの割合が大きくなる。このため、レーザ装置１００は、第１面９ａおよび第２面９ｂの各々に誘電体多層膜が形成されていることによって、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
ここで、カットフィルタ６の母材における誘導ラマン散乱光１４ａの吸収が無く、かつ、第１面９ａの誘電体多層膜および第２面９ｂの誘電体多層膜の１つ当たりにおける誘導ラマン散乱光１４ａの透過率が１０％とする。この場合、第１面９ａおよび第２面９ｂの各々に誘電体多層膜が形成されることによって、カットフィルタ６の全体における誘導ラマン散乱光１４ａの透過率は１％となる。レーザ装置１００は、第１面９ａおよび第２面９ｂの一方のみに誘電体多層膜が形成される場合に比べて、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
なお、実施の形態１において、カットフィルタ６は、第１面９ａおよび第２面９ｂの各々に誘電体多層膜が形成されているものに限られない。誘電体多層膜は、第１面９ａおよび第２面９ｂの少なくとも一方に形成されていれば良いものとする。これにより、レーザ装置１００は、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減させる効果を得ることができる。カットフィルタ６は、誘電体多層膜を備えるものに限られない。カットフィルタ６は、レーザ媒質４ａから出射される誘導ラマン散乱光１４ａを光路から除去可能なものであれば良い。
レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとの間の光路に配置されるカットフィルタ６は１つに限られない。レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとの間の光路には複数のカットフィルタ６が配置されても良い。レーザ装置１００は、複数のカットフィルタ６が配置されることによって、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度をさらに低減できる。
カットフィルタ６は、シグナル光１１と励起光１２とを透過させ、かつ誘導ラマン散乱光１４ａを反射するものに限られない。カットフィルタ６は、シグナル光１１と励起光１２とを反射し、かつ誘導ラマン散乱光１４ａを透過させるものであっても良い。この場合、誘導ラマン散乱光１４ａがカットフィルタ６を透過することによって、カットフィルタ６は、光路から誘導ラマン散乱光１４ａを除去する。または、カットフィルタ６は、シグナル光１１と励起光１２とを透過させ、かつ誘導ラマン散乱光１４ａを吸収するものであっても良い。この場合、カットフィルタ６は、誘導ラマン散乱光１４ａを吸収することによって、光路から誘導ラマン散乱光１４ａを除去する。
図１に示すレーザ装置１００は、複数のレーザ媒質であるレーザ媒質４ａ，４ｂの各々においてシグナル光１１とは逆の向きへ励起光１２を伝搬させる、いわゆる後方励起構成を備える。レーザ装置１００は、複数のレーザ媒質であるレーザ媒質４ａ，４ｂの各々においてシグナル光１１と同じ向きへ励起光１２を伝搬させる、いわゆる前方励起構成を備えるものでも良い。図５は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の変形例を示す図である。変形例にかかるレーザ装置１００は、前方励起構成を備える。
変形例において、ダイクロイックミラー５ｂは、パルス光源１から出射したシグナル光１１の光路に配置されている。パルス光源１からのシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ｂで反射し、レーザ媒質４ａの方へ伝搬する。励起光学系３から出射した励起光１２は、ダイクロイックミラー５ｂのうちシグナル光１１が入射する面とは逆側の面へ入射する。励起光学系３からの励起光１２は、ダイクロイックミラー５ｂを透過し、レーザ媒質４ａの方へ伝搬する。ダイクロイックミラー５ａは、レーザ媒質４ｂから出射したシグナル光１１の光路に配置されている。レーザ媒質４ｂから出射したシグナル光１１は、ダイクロイックミラー５ａで反射する。
前方励起構成では、レーザ媒質４ａのうちシグナル光１１が入射する入射面へ励起光１２が入射する。レーザ媒質４ａにおける増幅ゲインは、入射面に近い位置ほど高く、出射面８ａの方へ向かうに従って低くなる。前方励起構成では、レーザ媒質４ｂのうちシグナル光１１が入射する入射面８ｂへ励起光１２が入射する。レーザ媒質４ｂにおける増幅ゲインは、入射面８ｂに近い位置ほど高く、レーザ媒質４ｂのうちシグナル光１１が出射する出射面の方へ向かうに従って低くなる。前方励起構成では、後方励起構成の場合に比べて、レーザ媒質４ａ，４ｂにおいてシグナル光１１の強度が高くなり易い。よって、前方励起構成では、後方励起構成の場合に比べて、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度が高くなり易い。
図６は、図１に示す後方励起構成の場合と図５に示す前方励起構成の場合とについて、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度とレーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置との関係の例を示す図である。図６では、レーザ媒質４ａの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ａの強度と、レーザ媒質４ｂの位置ごとにおける誘導ラマン散乱光１４ｂの強度とを線グラフにより表す。図６における縦軸および横軸は、図２における縦軸および横軸と同様であるものとする。
図６において、実線のグラフは、後方励起構成の場合における誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度と位置との関係を表す。図６において、破線のグラフは、前方励起構成の場合における誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度と位置との関係を表す。図６によると、後方励起構成の場合は前方励起構成の場合と比べて、レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａの強度が低い。また、後方励起構成の場合は前方励起構成の場合と比べて、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度が低い。
図７は、図１に示す後方励起構成の場合と図５に示す前方励起構成の場合とについて、シグナル光１１の強度とレーザ媒質４ａ，４ｂにおける位置との関係の例を示す図である。図７では、レーザ媒質４ａの位置ごとにおけるシグナル光１１の強度と、レーザ媒質４ｂの位置ごとにおけるシグナル光１１の強度とを線グラフにより表す。図７における縦軸および横軸は、図４における縦軸および横軸と同様であるものとする。
図７において、実線のグラフは、後方励起構成の場合におけるシグナル光１１の強度と位置との関係を表す。破線のグラフは、前方励起構成の場合におけるシグナル光１１の強度と位置との関係を表す。前方励起構成の場合、レーザ媒質４ｂのうち出射面の付近においてシグナル光１１の強度が低下する。一方、後方励起構成の場合、レーザ媒質４ｂのうち出射面の付近においてシグナル光１１の強度は低下せず、かつ、レーザ媒質４ｂのうち出射面の付近においてシグナル光１１の強度の増加の度合いは小さくならない。図７によると、後方励起構成の場合は前方励起構成の場合と比べて、レーザ媒質４ｂの出射面におけるシグナル光１１の強度を高めることができる。
このように、レーザ装置１００は、後方励起構成を備える場合、前方励起構成を備える場合と比べて、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減でき、かつ、シグナル光１１の強度を高めることができる。なお、レーザ装置１００は、後方励起構成と前方励起構成とのどちらを備える場合も、カットフィルタ６を備えることによって増幅光１３の強度を高くする効果を得ることができる。レーザ装置１００には、後方励起構成と前方励起構成とのどちらが備えられても良い。
レーザ装置１００は、レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａをカットフィルタ６で除去することによって、レーザ媒質４ｂに入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度を低減できる。ただし、レーザ媒質４ｂに入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度がホワイトノイズ成分の強度よりも低い場合、または、レーザ媒質４ｂに入射する誘導ラマン散乱光１４ａの強度が、レーザ媒質４ａ，４ｂにおける自発的なラマン散乱による散乱光の強度よりも低い場合は、式（１）に示される強度Ｉin,Rは、ホワイトノイズ成分の強度、または、自発的なラマン散乱による散乱光の強度により決まる。
誘導ラマン散乱によるシグナル光１１のパワーの低下量は、レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａのパワーと、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂのパワーとの和に相当する。図２または図６から分かるように、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度は、レーザ媒質４ａ，４ｂ内をシグナル光１１が伝搬するにつれて急激に高くなる。通常、レーザ媒質４ａ，４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂのパワーは、誘導ラマン散乱光１４ａと誘導ラマン散乱光１４ｂとのどちらかが支配的となる。
カットフィルタ６による誘導ラマン散乱光１４ａの除去率が十分に高い場合、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々における強度Ｉin,Rは、ホワイトノイズ成分の強度、または、自発的なラマン散乱による散乱光の強度である。レーザ媒質４ａ，４ｂの各々における強度Ｉin,Rの値は、互いに同程度である。レーザ媒質４ａ，４ｂの各々で発生する誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値が最も低くなるのは、レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａのパワーとレーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂのパワーとが互いに等しいときである。
ここで、カットフィルタ６による誘導ラマン散乱光１４ａの除去率が十分に高く、かつ、レーザ媒質４ａ，４ｂの各々が互いに同じ組成の媒質であるものとする。レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａの強度Ｉin,Rとレーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度Ｉin,Rとが互いに等しくなるには、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとにおいて、式（１）のうち積分されたＩs（ｚ）の値が互いに同じである必要がある。
シグナル光１１はレーザ媒質４ａ，４ｂ内において増幅しながら伝搬するため、レーザ媒質４ｂ内におけるシグナル光１１の強度は、レーザ媒質４ａ内におけるシグナル光１１の強度よりも高い。したがって、積分されたＩs（ｚ）の値がレーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとにおいて互いに同じであるためには、レーザ媒質４ｂの光軸方向長さがレーザ媒質４ａの光軸方向長さよりも短い必要がある。レーザ装置１００は、レーザ媒質４ｂの光軸方向長さがレーザ媒質４ａの光軸方向長さよりも短いことによって、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減でき、かつ高い増幅効率を実現できる。
図８は、実施の形態１におけるレーザ媒質４ａ，４ｂの分割割合と誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値との関係の例を示す図である。分割割合とは、レーザ媒質４ａの光軸方向長さとレーザ媒質４ｂの光軸方向長さとの和である合計長さに対する、レーザ媒質４ａの光軸方向長さの割合とする。例えば、分割割合１０％とは、合計長さに対するレーザ媒質４ａの光軸方向長さの割合が１０％であって、かつ、合計長さに対するレーザ媒質４ｂの光軸方向長さの割合が９０％であることを表す。
図８では、レーザ媒質４ａ，４ｂの分割割合と誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値との関係を折れ線グラフにより表す。グラフの縦軸は、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値を表す。縦軸により表す強度の合計値の単位は任意であるものとする。グラフの横軸は、レーザ媒質４ａ，４ｂの分割割合を表す。
図８に示す例では、分割割合が６０％であるときに、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値が最も低くなる。この場合、レーザ媒質４ｂの光軸方向長さがレーザ媒質４ａの光軸方向長さよりも短くされ、さらに、分割割合がおよそ６０％となるようにレーザ媒質４ａ，４ｂの各々の光軸方向長さが設定されることによって、誘導ラマン散乱光１４ａ，１４ｂの強度の合計値が低くなる。
実施の形態１では、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとの間の光路に、カットフィルタ６が挿入される分のスペースが必要である。すなわち、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとを互いに近接させることができない。レーザ媒質４ａに熱レンズ効果が発生した場合には、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとの間をシグナル光１１が伝搬する間にシグナル光１１のビーム径が変化することとなる。レーザ媒質４ａに熱レンズ効果が発生すると、レーザ媒質４ａから出射したシグナル光１１は、収束しながら伝搬する。このため、レーザ媒質４ｂへ入射するときのビーム径が、レーザ媒質４ａから出射するときのビーム径よりも小さくなる。レーザ媒質４ｂにおけるビーム径が小さいほど、シグナル光１１の強度が増加することとなり、レーザ媒質４ｂにおいて発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度が高くなる。
実施の形態１において、レーザ媒質４ａの出射面８ａとレーザ媒質４ｂの入射面８ｂとの間のレンズ７ａ，７ｂは、出射面８ａと入射面８ｂとを光学的に共役とさせ、かつ、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム形状を１倍の倍率で入射面８ｂに転写させる。この場合、出射面８ａと入射面８ｂとの光学的距離がゼロとなるため、レーザ媒質４ａとレーザ媒質４ｂとは、光学的に１つの媒質とみなすことが可能である。レーザ媒質４ａにおける熱レンズ効果の強さに関わらず、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム径と入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径とは互いに同じとなるため、レーザ媒質４ｂにおいてシグナル光１１のビーム径が過度に小さくなることが防がれる。これにより、レーザ装置１００は、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。レーザ装置１００は、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム径と入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径とは互いに同じであることで、シグナル光１１について高い増幅効率を維持することができる。また、レーザ装置１００は、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム径と入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径とは互いに同じであることで、ビーム品質の劣化を低減できる。
なお、レンズ７ａ，７ｂは、出射面８ａと入射面８ｂとを光学的に共役とさせ、かつ、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム形状を１倍よりも大きい倍率で入射面８ｂに転写させるものであっても良い。この場合、レーザ媒質４ａにおける熱レンズ効果の強さに関わらず、入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径が、出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム径よりも大きくなる。
入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径が出射面８ａにおけるシグナル光１１のビーム径よりも大きいことにより、入射面８ｂにおけるシグナル光１１の強度は低下する。ただし、レーザ媒質４ａにおいてシグナル光１１が増幅されるため、入射面８ｂには高いパワーのシグナル光１１が入射する。入射面８ｂにおけるシグナル光１１の強度が低下したとしても、入射面８ｂではシグナル光１１の強度が高い状態を維持できる。このため、入射面８ｂにおけるシグナル光１１のビーム径が大きくなっても、レーザ媒質４ｂにおいて高い増幅効率を維持することが可能である。また、入射面８ｂにおけるシグナル光１１の強度が低下することによって、レーザ媒質４ｂで発生する誘導ラマン散乱光１４ｂの強度は低下する。これにより、レーザ装置１００は、転写倍率が１倍よりも大きい場合でも、シグナル光１１について高い増幅効率を維持可能とし、かつ、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
ここまで、レーザ装置１００に２つのレーザ媒質４ａ，４ｂが備えられる例を説明したが、レーザ装置１００に備えられるレーザ媒質の数は２つに限られない。レーザ装置１００には、２つよりも多いレーザ媒質が備えられても良い。この場合、レーザ装置１００に備えられる複数のレーザ媒質のうち、光路において互いに隣り合う２つのレーザ媒質の各組にカットフィルタ６が設けられる。すなわち、レーザ装置１００には複数のカットフィルタ６が備えられる。レーザ装置１００は、２つよりも多いレーザ媒質が備えられる場合も、シグナル光１１について高い増幅効率を実現可能とし、かつ、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。また、複数のレーザ媒質のうちパルス光源１からのシグナル光１１が最後に入射するレーザ媒質の光軸方向長さが、複数のレーザ媒質のうちパルス光源１からのシグナル光１１が最初に入射するレーザ媒質の光軸方向長さよりも短くなるように、各レーザ媒質の光軸方向長さが設定される。これにより、レーザ装置１００は、シグナル光１１について高い増幅効率を実現可能とし、かつ、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
実施の形態１によると、レーザ装置１００は、複数のレーザ媒質のうちシグナル光１１が最後に入射するレーザ媒質の光軸方向長さが、複数のレーザ媒質のうちシグナル光１１が最初に入射するレーザ媒質の光軸方向長さよりも短い。これにより、レーザ装置１００は、誘導ラマン散乱を低減でき、かつ高い増幅効率を実現できるという効果を奏する。
実施の形態２．
図９は、実施の形態２にかかるレーザ装置１０１の構成例を示す図である。レーザ装置１０１は、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーを測定した結果に基づいて励起光１２のパワーを調整する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。
レーザ装置１０１は、図１に示すレーザ装置１００と同様の構成と、パワーモニタ２０とを備える。パワーモニタ２０は、カットフィルタ６によって光路から除去された誘導ラマン散乱光１４ａのパワーを測定し、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの測定結果を制御部１０へ出力する。図９に示すパワーモニタ２０は、カットフィルタ６で反射した誘導ラマン散乱光１４ａをモニタリングする。
実施の形態２において、パルス光源１は、パルス周波数を変更可能とする。制御部１０は、パルス光源１のパルス周波数を制御する。また、制御部１０は、励起光源２から出射される励起光１２のパワーを、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの測定結果に基づいて制御する。励起光源２は、パワーが制御された励起光１２を出射する。
上記の式（１）によると、レーザ媒質４ａにおけるシグナル光１１の強度が高いほど、レーザ媒質４ａで発生する誘導ラマン散乱光１４ａの強度が高くなる。シグナル光１１の平均パワーを一定とした場合、シグナル光１１のパルス周波数が小さいほど、シグナル光１１の強度が高くなることによって誘導ラマン散乱光１４ａの強度が高くなる。また、シグナル光１１のパルス周波数が大きいほど、シグナル光１１の強度が低くなることによって誘導ラマン散乱光１４ａの強度が低くなる。
パルス光源１のパルス周波数が制御部１０によって変更された場合において、制御部１０は、パワーモニタ２０によって測定される誘導ラマン散乱光１４ａのパワーが一定となるように、励起光源２から出射される励起光１２のパワーを制御する。励起光１２のパワーが高くなると、レーザ媒質４ａによって増幅されるシグナル光１１の強度が高くなり、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーが高くなる。励起光１２のパワーが低くなると、レーザ媒質４ａによって増幅されるシグナル光１１の強度が低くなり、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーが低くなる。
レーザ装置１０１では、誘導ラマン散乱の低減のために、レーザ媒質４ａによって増幅されるシグナル光１１の強度に上限が設けられる。レーザ装置１０１は、励起光１２のパワーを制御することによって、パルス光源１のパルス周波数が変更される場合であっても、常に、かかる上限までシグナル光１１の強度を高くすることができる。これにより、レーザ装置１０１は、シグナル光１１について高い増幅効率を実現可能とし、かつ、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
なお、制御部１０は、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの測定結果に基づいて励起光１２のパワーを制御する代わりに、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの測定結果に基づいてシグナル光１１のパワーを制御しても良い。すなわち、制御部１０は、パルス光源１から出射されるシグナル光１１のパワーを、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーの測定結果に基づいて制御しても良い。この場合、制御部１０は、パワーモニタ２０によって測定される誘導ラマン散乱光１４ａのパワーが一定となるようにパルス光源１から出射されるシグナル光１１のパワーを制御する。レーザ装置１０１は、シグナル光１１のパワーを制御することによって、パルス光源１のパルス周波数が変更される場合であっても、常に、かかる上限までシグナル光１１の強度を高くすることができる。
図９に示すカットフィルタ６は、シグナル光１１と励起光１２とを透過させ、かつ誘導ラマン散乱光１４ａを反射する。実施の形態２において、カットフィルタ６は、シグナル光１１と励起光１２とを反射し、かつ誘導ラマン散乱光１４ａを透過させるものであっても良い。この場合、パワーモニタ２０は、カットフィルタ６を透過した誘導ラマン散乱光１４ａのパワーを測定する。レーザ装置１０１は、誘導ラマン散乱光１４ａを透過させるカットフィルタ６を備える場合も、誘導ラマン散乱光１４ａを反射するカットフィルタ６を備える場合と同様の効果を得ることができる。
図９には、後方励起構成を備えるレーザ装置１０１を示す。レーザ装置１０１は、図５に示すレーザ装置１００と同様に、前方励起構成を備えるものであっても良い。レーザ装置１０１は、前方励起構成を備える場合も、シグナル光１１について高い増幅効率を実現可能とし、かつ、誘導ラマン散乱光１４ｂの強度を低減できる。
実施の形態２によると、レーザ装置１０１は、誘導ラマン散乱光１４ａのパワーを測定した結果に基づいて、励起光１２のパワーまたはシグナル光１１のパワーを制御する。これにより、レーザ装置１０１は、誘導ラマン散乱を低減でき、かつ高い増幅効率を実現できるという効果を奏する。
次に、実施の形態１または２にかかる制御部１０を実現するハードウェア構成について説明する。制御部１０は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。
処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図１０に示す制御回路３０である。図１０は、実施の形態１または２にかかる制御回路３０の構成例を示す図である。制御回路３０は、入力部３１、プロセッサ３２、メモリ３３および出力部３４を備える。
入力部３１は、制御回路３０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ３２に与えるインターフェース回路である。出力部３４は、プロセッサ３２またはメモリ３３からのデータを制御回路３０の外部に送るインターフェース回路である。処理回路が図１０に示す制御回路３０である場合、プロセッサ３２がメモリ３３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部１０の機能が実現される。メモリ３３は、プロセッサ３２が実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
プロセッサ３２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）である。メモリ３３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。
図１０は、汎用のプロセッサ３２およびメモリ３３により制御部１０を実現する場合のハードウェアの例であるが、制御部１０は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図１１は、実施の形態１または２にかかる専用のハードウェア回路３５の構成例を示す図である。
専用のハードウェア回路３５は、入力部３１、出力部３４および処理回路３６を備える。処理回路３６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。なお、制御部１０は、制御回路３０とハードウェア回路３５とが組み合わされて実現されても良い。
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１にかかるレーザ装置１００を備えるレーザ加工機２００について説明する。図１２は、実施の形態３にかかるレーザ加工機２００の構成例を示す図である。レーザ加工機２００は、被加工物２０８へレーザビーム２０７を照射することによって被加工物２０８を加工する。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。なお、レーザ加工機２００には、レーザ装置１００に代えて、実施の形態２にかかるレーザ装置１０１が備えられても良い。
レーザ加工機２００は、レーザビーム２０７を出射するレーザ装置１００と、レーザビーム２０７によって被加工物２０８を加工する加工部２０１とを備える。レーザ装置１００から出射されるレーザビーム２０７は、図１に示す増幅光１３である。加工部２０１は、被加工物２０８へ向けてレーザビーム２０７を出射する加工ヘッド２０２と、被加工物２０８を支持するステージ２０３とを備える。ビーム調整光学系２０４、ミラー２０５、および集光レンズ２０６は、加工ヘッド２０２の内部に設けられている。レーザ加工機２００は、レーザビーム２０７と被加工物２０８とを相対移動させるとともに被加工物２０８へレーザビーム２０７を照射することによって、被加工物２０８のうち指定された位置に微細な加工穴２０９を形成する。
被加工物２０８は、例えば、フレキシブル基板または多層基板といった電子基板である。これらの基板は、樹脂および銅箔から構成される。レーザビーム２０７の波長は、樹脂と銅との各々にて吸収可能な紫外領域の波長であることが好ましい。なお、被加工物２０８は、電子基板に限られず、レーザビーム２０７を用いた加工が可能なものであれば良い。加工穴２０９は、例えば、止まり穴または貫通穴などである。被加工物２０８に形成される複数の加工穴２０９には、互いに異なる大きさの加工穴２０９が含まれても良い。レーザ加工機２００は、加工穴２０９を形成するものに限られず、マーキングといった加工を行うものであっても良い。
ビーム調整光学系２０４は、レーザ装置１００から出射したレーザビーム２０７のビーム径およびビームプロファイルを、あらかじめ設定された所望のビーム径およびビームプロファイルに調整する。ビーム径およびビームプロファイルが調整されたレーザビーム２０７は、ミラー２０５での反射によって集光レンズ２０６の方へ導かれる。加工ヘッド２０２は、集光レンズ２０６によって、被加工物２０８においてレーザビーム２０７を集光させる。
レーザ加工機２００は、レーザビーム２０７の中心線に垂直な方向であるＸ方向およびＹ方向へステージ２０３を移動させる。Ｘ方向とＹ方向とは、互いに垂直である。図１２に示す白抜き矢印は、ステージ２０３が移動する方向を表す。図１２に示すレーザ加工機２００は、加工ヘッド２０２に対してステージ２０３を移動させることによって、レーザビーム２０７と被加工物２０８とを相対移動させる。
なお、レーザ加工機２００は、ステージ２０３を移動させずに、レーザビーム２０７と被加工物２０８とを相対移動させるものであっても良い。レーザ加工機２００は、ステージ２０３の位置を固定するとともに、被加工物２０８におけるレーザビーム２０７の入射位置を制御するものであっても良い。この場合、レーザビーム２０７の入射位置を変化させる構成として、ガルバノミラーまたはポリゴンミラーといった偏向手段が使用されても良い。この場合、集光レンズ２０６にはＦθレンズが使用されても良い。
実施の形態３によると、レーザ加工機２００は、レーザ装置１００，１０１によって誘導ラマン散乱を低減でき、かつ高い増幅効率を実現できることで、高出力なレーザビーム２０７を得ることができる。これにより、レーザ加工機２００は、高出力なレーザビーム２０７を用いることにより、被加工物２０８を高速に加工することが可能となる。
以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。
１ パルス光源、２ 励起光源、３ 励起光学系、４ａ，４ｂ レーザ媒質、５ａ，５ｂ ダイクロイックミラー、６ カットフィルタ、７ａ，７ｂ レンズ、８ａ 出射面、８ｂ 入射面、９ａ 第１面、９ｂ 第２面、１０ 制御部、１１ シグナル光、１２ 励起光、１３ 増幅光、１４ａ，１４ｂ 誘導ラマン散乱光、２０ パワーモニタ、３０ 制御回路、３１ 入力部、３２ プロセッサ、３３ メモリ、３４ 出力部、３５ ハードウェア回路、３６ 処理回路、１００，１０１ レーザ装置、２００ レーザ加工機、２０１ 加工部、２０２ 加工ヘッド、２０３ ステージ、２０４ ビーム調整光学系、２０５ ミラー、２０６ 集光レンズ、２０７ レーザビーム、２０８ 被加工物、２０９ 加工穴。

Claims (7)

  1. パルス状のレーザ光であるシグナル光を発生させるパルス光源と、
    励起光を発生させる励起光源と、
    前記パルス光源から出射した前記シグナル光の光路にて直列に並べられ、各々が前記励起光によって励起されて前記シグナル光を増幅させる複数のレーザ媒質と、
    複数の前記レーザ媒質のうち前記光路において互いに隣り合う２つのレーザ媒質の間に配置され、前記２つのレーザ媒質の一方であって前記シグナル光が先に入射する第１のレーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光を前記光路から除去するカットフィルタと、
    を備え、
    複数の前記レーザ媒質のうち前記パルス光源からの前記シグナル光が最後に入射する前記レーザ媒質の光軸方向長さは、複数の前記レーザ媒質のうち前記パルス光源からの前記シグナル光が最初に入射する前記レーザ媒質の光軸方向長さよりも短いことを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記カットフィルタのうち前記シグナル光が入射する第１面と、前記カットフィルタのうち前記シグナル光が出射する第２面との各々には、前記シグナル光と前記励起光とを透過し、かつ前記誘導ラマン散乱光を反射する誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記第１のレーザ媒質のうち前記シグナル光が出射する面である出射面と、前記２つのレーザ媒質の他方である第２のレーザ媒質のうち前記シグナル光が入射する入射面とを光学的に共役とさせ、かつ、前記出射面における前記シグナル光のビーム形状を１倍の倍率で前記入射面に転写させる転写光学系を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 前記第１のレーザ媒質のうち前記シグナル光が出射する面である出射面と、前記２つのレーザ媒質の他方である第２のレーザ媒質のうち前記シグナル光が入射する入射面とを光学的に共役とさせ、かつ、前記出射面における前記シグナル光のビーム形状を１倍よりも大きい倍率で前記入射面に転写させる転写光学系を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  5. 複数の前記レーザ媒質の各々において前記シグナル光とは逆の向きへ前記励起光を伝搬させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  6. 前記カットフィルタによって前記光路から除去された前記誘導ラマン散乱光のパワーを測定し、前記誘導ラマン散乱光のパワーの測定結果を出力するパワーモニタと、
    前記励起光源から出射される前記励起光のパワーを前記測定結果に基づいて制御するか、または、前記パルス光源から出射される前記シグナル光のパワーを前記測定結果に基づいて制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  7. レーザビームを出射するレーザ装置と、
    前記レーザビームによって被加工物を加工する加工部と、を備え、
    前記レーザ装置は、
    パルス状のレーザ光であるシグナル光を発生させるパルス光源と、
    励起光を発生させる励起光源と、
    前記パルス光源から出射した前記シグナル光の光路にて直列に並べられ、各々が前記励起光によって励起されて前記シグナル光を増幅させる複数のレーザ媒質と、
    複数の前記レーザ媒質のうち前記光路において互いに隣り合う２つのレーザ媒質の間に配置され、前記２つのレーザ媒質の一方であって前記シグナル光が先に入射する第１のレーザ媒質から出射される誘導ラマン散乱光を前記光路から除去するカットフィルタと、
    を備え、
    複数の前記レーザ媒質のうち前記パルス光源からの前記シグナル光が最後に入射する前記レーザ媒質の光軸方向長さは、複数の前記レーザ媒質のうち前記パルス光源からの前記シグナル光が最初に入射する前記レーザ媒質の光軸方向長さよりも短いことを特徴とするレーザ加工機。
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