JPWO2006114842A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

ＭＯＰＡ構成のレーザ装置において、例えば高利得高エネルギーＱスイッチレーザ発振器を備えたことにより、発振段のＱスイッチ（１３ａ、１３ｂ）がゲートオンを開始してからパルスレーザ光（１８）が成長し始めるまでの時間τｚが、増幅段のＱスイッチ（１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）のフォールタイムτｆに比べて短くなった場合、発振段のＱスイッチ（１３ａ、１３ｂ）のゲートオンタイミングを増幅段のＱスイッチ（１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）のゲートオンタイミングよりも所定の時間遅延するように制御することで、増幅段で発生する自然増幅光（１７）による利得低下の抑制を維持しつつ、増幅段のＱスイッチ（１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ）でのパルスレーザ光（１８）の損失を防止できる。よって、効率よく高エネルギーなパルスレーザ光を得ることができる。

Description

この発明は、ＭＯＰＡ構成のレーザ装置に関するものである。

増幅器を多段に構成しているＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）構成のレーザ装置においては、増幅器での励起に伴い様々な準位間で自然放出が発生し出力される。その自然放出光に対して誘導放出が発生し、増幅され、本来必要なレーザ光が進行する向きと同じ向きや逆向きに光が出力される。この光を自然増幅光と呼ぶことにする。この自然増幅光が隣接する増幅器に入射すると、さらにその増幅器の利得を奪って増幅されてしまう為、本来必要なレーザ光の出力は減少するという問題がある。

低エネルギー発振器を備えた通信用のＭＯＰＡ構成のレーザ装置において、上記問題を防止するために、各増幅器の間に音響光学変調器を挿入したものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、ＭＯＰＡ構成のレーザ装置とは異なり、増幅器に共振器を有したレーザ装置がある。発振器から出力されたパルスレーザ光を、不安定型共振器へ入射し増幅することで、高出力のパルスレーザ光を得るような上記装置において、不安定型共振器にて発振した連続波レーザ光が発振器に漏れて、発振器の利得を奪うことを抑制するために、増幅器のＱスイッチのオンタイミングを発振器のＱスイッチのオンタイミングよりも遅らせる高出力パルスレーザ装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２６８３６９号公報 特開２００１−３０８４２７号公報

以下、複数の増幅器（１つの場合も含む）をまとめて増幅段と呼ぶことにする。また、これに合わせて発振器も発振段と適宜呼ぶことにする。

特許文献１に記載のレーザ装置においては、増幅段のＱスイッチと発振段のＱスイッチの動作タイミングについて何ら開示が無く、どのように増幅段の利得減少を防止するのか不明確である。しかし、特許文献１に記載のレーザ装置のように低エネルギーな発振器により構成されたレーザ装置の場合、特許文献２に記載されたように、増幅段のＱスイッチが開くタイミングを発振段のＱスイッチが開くタイミングよりも遅らせることにより、増幅段からの自然増幅光を抑制することができる。図１３を用い、以下これを説明する。

図１３は、発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示したものである。ここで、共振器損失は共振器を構成する部分反射鏡における損失と、共振器内のＱスイッチの損失を合わせたものである。部分反射鏡の損失は常に一定なので、共振器損失の変化量はＱスイッチの損失の変化量に依存する。
図１３において、発振段のＱスイッチが開きこのＱスイッチの損失が減少し始めることにより共振器損失が立下り始める時点をＴ１、増幅段のＱスイッチが開きＱスイッチ損失が立下り始める時点をＴ２、発振段のレーザ利得が発振段の共振器損失に到達しパルスレーザ光が成長を開始する時点をＴ３、発振段のＱスイッチが開き切り共振器損失の立下りが完了した時点をＴ４、増幅段のＱスイッチが開き切りＱスイッチ損失の立下りが完了した時点をＴ５、パルスレーザ光の成長が顕著になり発振段からパルスレーザ光が出力され始める時点をＴ６とする。
低エネルギーの発振段は一般的に利得が低く、図１３に示したように、レーザ利得の立ち上がりは緩やかとなり、発振段のＱスイッチが開いた時点Ｔ１から共振器損失がレーザ利得に達する時点Ｔ３までに、ある程度の時間が必要となる。また、Ｔ３からパルスレーザ光の成長が始まるが、利得が低い場合には成長の速度も遅くビルドアップタイムτｂも比較的長くなる。そのため、Ｔ２をＴ１よりも遅らせることにより、増幅段のＱスイッチはパルスレーザ光が増幅段に到達するまで閉じておくことができるので、自然増幅光が他の増幅器に入射しパルスレーザ光到達前に増幅段の利得を減少させることを抑制することが可能となる。

一方、加工等に用いるレーザ加工装置においては、近年高エネルギーを必要とする加工が増加し、ＭＯＰＡ構成による高エネルギー出力が可能なレーザ装置が所望されてきた。このようなレーザ装置を実現するためには、高利得なレーザ発振器を開発することが必要不可欠である。発明者は、高利得なレーザ発振器の開発に際し、レーザ発振器の利得が高くなるにつれ、Ｔ１からＴ３までの時間とビルドアップタイムτｂとが短くなっていく現象が発生することにより、ＭＯＰＡ構成のレーザ装置において以下のような問題があることを見出した。

レーザ発振器が高利得になった場合の、発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を図１４に示す。図１４におけるＴ１〜Ｔ６は図１３と同じ時点を示している。
発振段が高利得になった場合、図１４に示したように、レーザ利得の立ち上がりが急峻なので、Ｑスイッチが開いてから共振器損失がレーザ利得に達するまでの時間、すなわち、Ｔ１−Ｔ３間が短くなる。また、Ｔ３からパルスレーザ光の成長が始まるが、利得が高い場合には成長の速度も早くビルドアップタイムτｂも短時間となる。そのため、Ｔ４までにパルスレーザ光の成長が終わってしまう、すなわち発振段からのパルスレーザ光の出力が完了してしまう現象が発生する。この状態で、低利得の場合と同様にＴ２をＴ１よりも遅らせた場合、増幅段へのパルスレーザ光入射がＴ５以前となってしまい、すなわち増幅段のＱスイッチが開き切っていない状態で増幅段にパルスレーザ光が到達する。このため、増幅段のＱスイッチで損失が発生し、増幅段出口における出力が低下するという問題が発生する。
更に、より高利得の発振段の場合、Ｔ１−Ｔ６間の時間がより短くなり、増幅段へのパルスレーザ光入射がＴ２以前、すなわち増幅段のＱスイッチが開く前にパルスレーザ光が増幅段に到達し、増幅段へパルスレーザ光が入射せず増幅段からレーザが出射されないという問題が発生する。

係る場合に、例えば増幅段のＱスイッチが開き始めてから開き切るまでの時間、すなわちＴ２〜Ｔ５の時間（以下フォールタイムτｆと呼ぶ）を、パルスレーザ光が成長する時間、すなわちＴ１〜Ｔ６間の時間よりも短縮すれば良い。例えば、フォールタイムτｆを０とした場合の、発振段の共振器損失等の時間変化を図１５に示す。図１５のような構成であれば、増幅段のＱスイッチが開き切ってからパルス光が増幅段に入射することも可能である。

しかし、高エネルギーレーザでは、図１５のような構成を実現することは不可能である。高エネルギーレーザ光の場合、高エネルギーに耐えられる高速なＱスイッチとしては音響光学素子（以下Ａ／Ｏ素子と呼ぶ)が挙げられる。Ａ／Ｏ素子の内部に超音波が進行するときに回折格子として働くことを利用し、スイッチング素子として動作させるものである。Ａ／Ｏ素子Ｑスイッチの場合のフォールタイムτｆは、Ａ／Ｏ素子Ｑスイッチ内を進む音波が、Ａ／Ｏ素子Ｑスイッチ内を透過するレーザ光のビーム径を横切る時間となる。高エネルギーレーザ光では、光学系の損傷を防ぐために極端にレーザ光を絞ることはできず、せいぜい１ｍｍ程度にしか絞ることができない。Ａ／Ｏ素子内の音波の速度は約６ｋｍ／ｓであるので、レーザ光のビーム径を音波が横切る時間は約２００ｎｓである。
一方、高利得発振段の場合、Ｔ１〜Ｔ６間の時間は数十ｎｓのレベルに達し、フォールタイムはパルスレーザ光が成長する時間（Ｔ１〜Ｔ６間）の数倍程度にしか短縮できないのである。すなわち、図１４に示した状態が維持されてしまうこととなる。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、ＭＯＰＡ構成のレーザ装置において、例えば高利得高エネルギーＱスイッチレーザ発振器を備えたことにより、発振段のＱスイッチが開いてからパルスレーザ光が成長しレーザ発振器から出力され始めるまでの時間が、増幅段のＱスイッチのフォールタイムτｆに比べて短い場合、増幅段で発生する自然増幅光による出力の低下を抑制しつつ、増幅段のＱスイッチでのパルスレーザ光の損失を防止することを目的としたものである。

この発明に係るレーザ装置においては、共振器内にＱスイッチを備え、このＱスイッチをゲートオン・オフすることによりパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザを増幅するために、このパルスレーザ光の光軸に沿って配置された単数もしくは複数の増幅器と、前記発振器と前記増幅器との間もしくは前記増幅器の間の少なくとも１ヶ所に配置され、前記レーザ発振器のＱスイッチのゲートオンタイミングよりも所定時間早くゲートオンするＱスイッチと、を備えたものである。

この発明に係るレーザ装置においては、レーザ発振器のＱスイッチのゲートオンタイミングを増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりも所定時間遅延させるように設定したことにより、増幅器で発生する自然増幅光による増幅器や発振器の利得の減少抑制を維持しつつ、増幅段のＱスイッチにおけるパルスレーザ光の損失を抑制することができ、レーザ出力の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１を示すレーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１におけるレーザ装置のＱスイッチの動作を制御する信号の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態１における高利得レーザ発振器を備えたレーザ装置の発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態１を示すレーザ装置の他の構成図である。 この発明の実施の形態１を示すレーザ装置の他の構成図である。 この発明の実施の形態１における低利得レーザ発振器を備えたレーザ装置の発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態２におけるレーザ装置の発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態３におけるレーザ装置のＱスイッチの構成図である。 この発明の実施の形態３におけるレーザ装置のＱスイッチの動作を説明する図である この発明の実施の形態３におけるレーザ装置の発振段の共振器損失および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態４を示すレーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態４におけるレーザ装置のレーザ光および自然増幅光のビームプロファイルを示す図である。 従来の低利得レーザ発振器を備えたレーザ装置における発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 従来の高利得レーザ発振器を備えたレーザ装置における発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。 従来の高利得レーザ発振器を備えたレーザ装置において、増幅段のＱスイッチのファールタイムが０と仮定した場合の、発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ装置を示すものであり、１つの発振器を有した発振段と３つの増幅器を有した増幅段からなるＭＯＰＡ構成となっている。図１において、１６ａは発振段のレーザ媒質、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは増幅段のレーザ媒質であり、１９ａ〜ｄはそれぞれレーザ媒質１６ａ〜ｄを励起するための各励起源である。ＣＯ２等のレーザガスがレーザ媒質となるガスレーザの場合は、放電電極が励起源となり、ＹＡＧ等の固体レーザ媒質がレーザ媒質となる固体レーザの場合は、ランプやレーザダイオードが励起源となる。

発振段において、全反射鏡１４と部分反射鏡１５とにより共振器が構成され、レーザ媒質１６ａを励起源１９ａにより励起することで、レーザ発振が行われ、部分反射鏡からレーザ光１８が出力される。また、全反射鏡１４とレーザ媒質１６ａとの間にはＱスイッチ１３ａが挿入され、部分反射鏡１５とレーザ媒質１６ａとの間にはＱスイッチ１３ｂが挿入されている。このＱスイッチ１３ａ、１３ｂの開閉によりパルスレーザ光を発振する構成となっている。以下、Ｑスイッチ１３ａ、１３ｂを第１のＱスイッチもしくは発振段のＱスイッチと呼ぶ。

ここで、レーザ発振器は高利得なものとし、例えば共振器１往復当たりの利得が２.８以上で、Ａ／Ｏ素子１個当りでの回折効率が３０％以上の場合が一例としてあげられる。

増幅段においては、発振段とレーザ媒質１６ｂの間にはＱスイッチ１３ｃが設けられ、レーザ媒質１６ｂとレーザ媒質１６ｃの間にはＱスイッチ１３ｄが設けられ、レーザ媒質１６ｃとレーザ媒質１６ｄの間にはＱスイッチ１３ｅが設けられている。これらＱスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１６ｅが開いている間（以下Ｑスイッチが開くことをゲートオンと呼び、開いている期間をゲートオンタイムτｇと呼ぶ）は、増幅段にレーザ光１８が入射しレーザ光を増幅する。Ｑスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅが閉じている間（以下Ｑスイッチが閉じることをゲートオフと呼び、閉じている期間をゲートオフタイムと呼ぶ）は、増幅器で発生する自然増幅光１７が他の増幅器もしくは発振段に漏れないような構成となっている。以下、Ｑスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅを第２のＱスイッチもしくは増幅段のＱスイッチと呼ぶ。

第１、第２の各Ｑスイッチは、Ｑスイッチ制御部１０によりゲートオンおよびゲートオフのタイミングを調整・制御されている。本実施の形態においては、高エネルギーレーザに耐えられる高速なＱスイッチとして、Ａ／Ｏ素子を用いたＱスイッチを例にして説明する。

Ａ／Ｏ素子は振動子と例えば石英ガラスからなり、振動子を用いて石英ガラスを高周波で振動させることで、石英ガラス内に超音波が伝送されるようになっている。この超音波により石英ガラス内に屈折率の粗密が形成され、石英ガラスが回折格子としての作用を発揮する。回折格子として作用するときは、入射光は回折され光路が曲げられ、回折格子として作用しない場合は、入射光は直進することを利用し、スイッチング動作を行っている。図１において、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅはそれぞれ、Ａ／Ｏ素子からなるＱスイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅに高調波変調信号Ｍｒｆを出力する高調波変調信号発生器である。高調波変調信号発生器１１はＱスイッチ制御部１０により制御されている。

ここでは、Ａ／Ｏ素子に回折作用が働いているときの回折光はダンパー等（図示せず）により吸収し、回折作用が無い場合の直進光をレーザ出力に利用する場合として説明する。もちろん、回折光をレーザ発振に利用し、直進光をダンパー等により吸収する構成でもよい。
直進光を利用する場合、通常時、Ａ／Ｏ素子の振動子には高調波変調信号発生器１１より高調波変調信号Ｍｒｆが入力されており、振動子が振動することによりＡ／Ｏ素子内に超音波が伝送されＡ／Ｏ素子は回折格子として作用し、レーザ光は回折されＱスイッチはゲートオフの状態になっている。

パルスレーザ光を発振する場合、発振段のＱスイッチの動作は以下のとおりとなる。
Ｑスイッチ１３ａ、１３ｂを所定時間ゲートオンするために、Ｑスイッチ制御部１０よりＱスイッチ制御信号Ｃ１、Ｃ２が同時に出力され、それぞれ高調波変調信号発生部１１ａ、１１ｂに入力される。高調波変調信号発生部１１ａ、１１ｂは、Ｑスイッチ制御信号Ｃ１、Ｃ２が入力されると、高調波変調信号Ｍｒｆ１、Ｍｒｆ２の出力を停止する。Ａ／Ｏ素子への高調波変調信号の入力が停止されると、Ａ／Ｏ素子の振動子の振動が停止するため、Ａ／Ｏ素子は回折格子としての作用を失う。これによりレーザ光は直進し、Ｑスイッチ１３ａ、１３ｂはゲートオン状態となりレーザ発振が行われ、発振段よりパルスレーザ光が出力される。Ｑスイッチ制御部１０の内部タイマーにより、所定のゲートオンタイムτｇ経過後、再度Ｑスイッチ制御部１０よりＱスイッチ制御信号Ｃ１、Ｃ２が出力され、高調波変調信号発生器１１ａ、１１ｂは再度高調波変調信号Ｍｒｆ１、Ｍｒｆ２を出力し、Ｑスイッチ１３ａ、１３ｂをゲートオフ状態とする。

次に、増幅段のＱスイッチの動作を説明する。
基本的な動作は発振段のＱスイッチと同様であり、Ｑスイッチ制御部１０よりＱスイッチ制御信号Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５が同時に出力されると、高調波変調信号発生器１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは高調波変調信号Ｍｒｆ３、Ｍｒｆ４、Ｍｒｆ５の出力を停止し、Ｑスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅはゲートオン状態となる。Ｑスイッチ制御部１０の内部タイマーにより、所定のゲートオンタイムτｇ経過後、再度Ｑスイッチ制御部１０よりＱスイッチ制御信号Ｃ１、Ｃ２が出力され、高調波変調信号発生器１１は高調波変調信号を再度出力し、Ｑスイッチはゲートオフ状態となる。ゲートオンタイムτｇは、発振段のＱスイッチと増幅段のＱスイッチとで同じ値としてもよいし、個別に設定してもかまわない。加工条件により適宜設定すればよい。

ここで、発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングと増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングについて、従来のレーザ装置であれば増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを発振段よりも遅らせるのであるが、この発明では増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを発振段よりも数十ｎｓ程度進めるのである。

図２に、この発明におけるＱスイッチ制御信号Ｃ１〜Ｃ５および高調波変調信号Ｍｒｆ１〜Ｍｒｆ５の時間変化を示した。図２において、Ｑスイッチ制御部１０からＱスイッチ制御信号Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５が出力されると高調波変調信号発生器１１ｃ、１１ｄ、１１ｅより高調波変調信号Ｍｒｆ３、Ｍｒｆ４、Ｍｒｆ５が出力される。そして、Ｑスイッチ制御信号Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５が出力されて所定の時間τｌ後に、Ｑスイッチ制御部１０からＱスイッチ制御信号Ｃ１、Ｃ２が出力されると高調波変調信号発生器１１ａ、１１ｂより高調波変調信号Ｍｒｆ１、Ｍｒｆ２が出力される。これにより、発振段のＱスイッチのゲートオンと増幅段のＱスイッチのゲートオンとのタイミングがτｌずれるのである。
そして、Ｑスイッチ制御部１０の内部タイマーにより、図２に示したようにゲートオンしてからゲートオンタイムτｇ経過後に、Ｑスイッチ制御信号Ｃ１〜Ｃ５を出力することで高調波変調信号Ｍｒｆ１〜Ｍｒｆ５の出力が停止され各Ｑスイッチはゲートオフする。

図２に示したようなタイミングでＱスイッチを動作させた場合、発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化は図３に示したようになる。図３におけるＴ１〜Ｔ６は図１３と同じ時点を示している。

図３に示したように、レーザ発振器が高利得の場合、レーザ利得立ち上がりが急峻なので、Ｑスイッチが開いてから短時間で共振器損失がレーザ利得に達する。すなわち、Ｔ１−Ｔ３間が短くなる。また、Ｔ３からパルスレーザ光の成長が始まるが、利得が高い場合には成長の速度も早くビルドアップタイムτｂも短時間となる。そのため、Ｔ４までにパルスレーザ光の成長が終わってしまう、すなわち発振段からのパルスレーザ光の出力が完了してしまう。

しかし、増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングＴ２を発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングＴ１よりも所定の時間τｌ進めたことにより、発振段からレーザ光が出力され始める時点Ｔ６の直前に、増幅段におけるＱスイッチの回折損失の立下りを完了することができ、増幅段のＱスイッチにおける損失を防止することができる。

ここで、所定の時間τｌの設定方法を説明する。
理想的には、増幅段のＱスイッチ損失の立下りが完了する時点Ｔ５と、発振段からレーザ光が出力され始める時点Ｔ６とが同時になるようにτｌを設定すればよい。しかし実際には、フォールタイムτｆやビルドアップタイムτｂのばらつきを考慮し、Ｑスイッチでの損失防止を重視しＴ５がＴ６よりやや早くなるよう、例えば図３に示したタイミングになるようにτｌを設定すればよい。
具体的には、増幅段のＱスイッチのフォールタイムτｆ、すなわちＴ２〜Ｔ５の時間から、発振段のＱスイッチがゲートオンしてからビルドアップタイムτｂが完了するまで、すなわちＴ１〜Ｔ６の時間を差し引いた時間をτｌとして設定すれば、Ｔ５とＴ６が一致する。実際には、Ｔ２〜Ｔ５の時間からＴ１〜Ｔ６の時間を差し引いた時間よりもやや長い時間をτｌとして設定すれば、図３に示したタイミングとなる。

よって、実際のレーザ装置においては、発振器のＱスイッチがゲートオンしてから、ビルドアップタイムτｂが完了してパルスレーザ光がレーザ発振器から出力され始めるまでの時間τｚと、増幅段のＱスイッチのフォールタイムτｆを別途測定しておき、τｌ＝τｆ−τｚ＋α、によりτｌを算出すればよい。αはτｂやτｆのばらつきの程度を考慮し適宜設定すればよく、もちろん０でもかまわない。

上述したように、ＭＯＰＡ構成のレーザ装置において、高利得高エネルギーＱスイッチレーザ発振器を備えたことにより、発振段のＱスイッチがゲートオンを開始してからパルスレーザ光が発振器から出力され始めるまでの時間τｚが、増幅段のＱスイッチのフォールタイムτｆに比べて短くなった場合でも、発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングを増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりも所定の時間遅延するように制御することで、増幅段で発生する自然増幅光による利得低下の抑制を維持しつつ、増幅段のＱスイッチでのパルスレーザ光の損失を防止できる。よって、効率よく高エネルギーなパルスレーザ光を得ることができる。

上記実施の形態では、レーザ媒質の両側に第１のＱスイッチを配置する構成としたが、１個のＱスイッチで十分にパルス発振をするための損失を確保することができるのであれば、レーザ媒質の片側のみに第１のＱスイッチを配置する構成でもよい。
また、発振段と増幅段との間、および各増幅器の間全てに第２のＱスイッチを配置する構成としたが、図１のように増幅器が３個と少ない場合や増幅器の利得が高くない場合は、発振段と増幅段との間もしくは増幅器の間の少なくとも１ヶ所に第２のＱスイッチを配置すれば、自然増幅光の影響を抑制することができる。

例えば、第１のＱスイッチは図１における１３ａ、１３ｂのいずれ１個を配置しておけばよく、第２のＱスイッチは図１における１３ｃ、１３ｄ、１３ｅの少なくともいずれか１個を配置しておけばよい。この場合、例えば第１のＱスイッチを１３ａ、第２のＱスイッチを１３ｄとしたときのレーザ装置の構成は図４となる。図４において、第１のＱスイッチ１３ａと第２のＱスイッチ１３ｄの制御は、前述の制御と同様である。

また、上記実施の形態では、増幅段の増幅器の数を３つとしたが、増幅器の数は特に限定するものではなく、１つ以上あれば本実施の形態が適用できる。増幅器が４つ以上あれば、適宜増幅器の間へ第２のＱスイッチを増設すればよい。もちろん、全ての増幅器の間に第２のＱスイッチを挿入する必要は無く、第２のＱスイッチの損失と増幅器の利得から適宜必要数の第２のＱスイッチを挿入すればよい。
増幅器が１つの場合は、レーザ装置の構成は図５のようになる。この場合、第２のＱスイッチ１３ｂは、増幅器から発生した自然増幅光がレーザ発振器の利得を減少させるのを防止するとともに、レーザ発振器から発生する自然増幅光が増幅器の利得を減少させるのを防止する効果を有する。第１のＱスイッチ１３ａと第２のＱスイッチ１３ｃとの制御は、前述の制御と同様である。

さらに、上記実施の形態では、高利得高エネルギーレーザ発振器を備えたことにより、τｚがτｆに比べて短くなった場合としたが、例えば、発振器が低利得でτｚが比較的長くても、機械式Ｑスイッチのように構造上τｆがτｚよりも長くなってしまう場合も、この発明を適用することは有効である。この発明を適用した場合の、発振段の共振器損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化は図６に示したようになる。図６に示したように、パルスレーザ波形は、発振段のＱスイッチがゲートオン完了する前に成長が完了しているが、増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを所定の時間、発振段のＱスイッチよりも進めているので、増幅段のＱスイッチがゲートオンを完了した後にレーザ波形は増幅段に入射することとなる。よって、増幅段のＱスイッチでのパルスレーザ光の損失は防止できる。

すなわち、レーザ装置の条件設定や構造により、結果的に発振段のＱスイッチがゲートオンを開始してからパルスレーザ光が発振器から出力され始めるまでの時間τｚが、増幅段のＱスイッチのフォールタイムτｆに比べて短くなった場合に、この発明を適用することは非常に有効である。

実施の形態２．
実施の形態１においては、発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりも増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを早めるように制御する構成を説明したが、ここでは、ゲートオフのタイミングについて述べる。装置の構成としては図１と同様なので、適宜図１に記載の符号を用いて説明する。

増幅段のＱスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅのゲートオンタイム以外の間では、隣接する増幅器もしくは発振器のレーザ媒質１６に入射される自然増幅光１７は抑制されるため、増幅段のＱスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅのゲートオンまでレーザ利得は充分に成長する。ゲートオン以後は、自然増幅光１７が隣接する増幅器もしくは発振器のレーザ媒質１６に入射され、その分利得は減少を始める。しかし、レーザ光に対してそのエネルギーは低く、例えば増幅最終段出口で５０Ｗ程度であり、利得の減少の度合いは時間的に充分遅い。このため、利得の減少が顕著になる前にゲートオフすることにより、自然増幅光１７に対する利得の時間的な変化は、Ｑスイッチのゲートオン・オフ動作に対してほぼ不感なものにすることが可能となる。

よって、増幅段のＱスイッチのゲートオフタイミングは、パルスレーザ光の生成が完了した直後とするのが望ましい。このようなタイミングでＱスイッチを動作させた場合の、発振段のＱスイッチ損失、レーザ利得、発振段から出力されるパルスレーザ波形、および増幅段のＱスイッチ損失の時間変化を図７に示した。図７におけるＴ５、Ｔ６は図１３と同じ時点を示しており、パルスレーザ光の成長が完了した時点をＴ７、増幅段のＱスイッチが閉じＱスイッチ損失が立ち上がり始めた時点をＴ８とする。

図７に示したように、増幅段のＱスイッチ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅはパルスレーザ光１８の成長が顕著になるＴ６の直前のＴ５にてゲートオンを完了する。そして、パルスレーザ光１８の成長が完了したＴ７の直後であるＴ８よりゲートオフを開始する。実施の形態１でも述べたように、Ｔ５とＴ６の関係は、理想的には一致させることが望ましいが、実際には、フォールタイムτｌやパルスレーザ光のパルス幅等のばらつきを考慮し、Ｔ５がＴ６よりやや早くなるよう設定した。Ｔ７とＴ８の関係も同様に、ばらつきを考慮しＴ８がＴ７よりやや遅くなるように、例えば図７に示したタイミングになるように、増幅段のＱスイッチのゲートオンタイムを適切に設定すればよい。

具体的には、パルスレーザ光の幅Ｔ６〜Ｔ７をτｗとすれば、増幅段のＱスイッチのゲートオンを開始してからゲートオフを開始するまでの時間Ｔ２〜Ｔ８は、τｆ＋α＋τｗ＋βとなる。ここでαは、実施の形態１で設定したものであり、βもτｗやτｆのばらつきの程度を考慮し適宜設定すればよく、もちろん０でもかまわない。

上述したように、増幅段のＱスイッチのゲートオフをパルスレーザ光の成長が完了した直後とすることで、実施の形態１に記載のレーザ装置よりも更に自然増幅光による増幅段もしくは発振段の利得の減少が抑制することができ、更に効率よく高エネルギーなパルスレーザ光を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、Ｑスイッチ制御部より出力される制御信号のタイミングをτｌずらすことにより、増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを、発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりもτｌ早める構成とした。本実施の形態におけるレーザ装置は、機械的に増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを、発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりもτｌ早めるように調整するものである。

本実施の形態におけるレーザ装置の全体の概略は図１と略同一なので、適宜図１の符号を用いて説明する。図８は、本実施の形態において用いるＡ／Ｏ素子からなるＱスイッチの構成図であり、図１におけるＱスイッチ１３ａ〜１３ｅに対応する。図８において、高調波変調信号発生器１１より出力された高調波変調信号は振動子２１に入力され、振動子２１は高周波で振動する。振動子２１に接続された石英ガラス２０中には、振動子２１の振動により超音波２３が発生し、図８の矢印で示したようにレーザ光１８に略直交する向きに伝送される。振動子２１および石英ガラス２０は、超音波２３が伝送する向きと同じ向きに平行移動する機能を有した光学ステージ等の位置調整手段２２に保持されている。これにより、振動子２１および石英ガラス２０の位置を、超音波２３が伝送する方向、すなわちレーザ光１８と直交する方向に自在に変化させることができる。

次に動作について説明する。本実施の形態においては、Ｑスイッチ制御部１０から出力されるＱスイッチ制御信号Ｃ１〜Ｃ５は全て同じタイミングで出力される。もしくは、一つの信号Ｃ１を各高調波変調信号発生器１１ａ〜１１ｅに入力してもよい。これにより、各高調波変調信号発生器１１ａ〜１１ｅは同じタイミングで高調波変調信号を発生する。
しかし、このままでは増幅段のＱスイッチと発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングが同じになってしまうので、Ｑスイッチの位置調整手段２２により増幅段のＱスイッチの位置と発振段のＱスイッチの位置をずらすことで、ゲートオンのタイミングをずらすのである。図９により、Ｑスイッチの位置をずらすことによりゲートオンのタイミングをずらす方法を説明する。

図９は、Ｑスイッチをレーザ光１８の光軸に沿った方向から見た図である。図９（ａ）は発振段のＱスイッチ１３ａ、１３ｂを示し、（ｂ）は増幅段のＱスイッチ１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを示している。振動子２１により発生した超音波２３は図９の矢印の向きに伝達する。このとき、超音波２３は有限の速度を有しているので、超音波２３が振動子２１からレーザ光１８に至るまでに時間が必要となる。図９（ａ）において、振動子２１からレーザ光１８までの距離をＬｏとし、石英ガラス２０中の音速をＶとすると、振動子２１からレーザ光1８に超音波２３が到達するのに必要な時間τｏは、τｏ＝Ｌｏ／Ｖで表される。同様に、図９（ｂ）において、振動子２１からレーザ光１８までの距離をＬａとすると、振動子２１からレーザ光１８に超音波２３が到達するのに必要な時間τａは、τａ＝Ｌａ／Ｖで表される。

ここで、Ｑスイッチ制御部１０よりＱスイッチ制御信号が出力されると、各Ｑスイッチの振動子２１は同時に振動を開始し、振動子２１から同時に超音波２３の伝送が開始される。よって、発振段のＱスイッチのＬｏと、増幅段のＱスイッチのＬａとが図９のように異なれば、超音波２３がレーザ光１８に到達する時間が異なり、ゲートオンのタイミングがずれることとなる。この発明においては、増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを発振段のゲートオンタイミングよりもτｌだけ早めればよいので、図９のようにＬａをＬｏに比べ位置調整手段２２により短くすればよい。具体的には、τｏ−τａ＝Ｌｏ／Ｖ−Ｌａ／Ｖ＝τｌであり、実施の形態１よりτｌ＝τｆ−τｚ＋αであるので、Ｌｏ−Ｌａ＝（τｆ−τｚ＋α）・Ｖ＝（τｆ−τｚ）・Ｖ＋γ（ここでγ＝α・Ｖとした）となるようにＬｏ、Ｌａを設定すればよい。

このように、Ｌｏ，Ｌａを設定したときの増幅段Ｑスイッチの損失と発振段の共振器損失の時間変化は、図１０のようになる。ここで、Ｑスイッチ中のレーザ光１８のビーム径をＲとする。増幅段のＱスイッチ損失は、Ｑスイッチ制御信号が出力されてからτａ（＝Ｌａ／Ｖ）後に、Ｑスイッチがゲートオンし立下りが始まる。フォールタイムτｆは、レーザ光１８のビーム径を超音波２３が横切る時間なのでＲ／Ｖで表される。よって、τａ＋τｆ（＝Ｒ／Ｖ）後にＱスイッチはゲートオフを完了し、Ｑスイッチ損失は立下りを完了する。

一方、発振段の共振器損失は、Ｑスイッチ制御信号が出力されてからτｏ（＝Ｌｏ／Ｖ）後に、Ｑスイッチがゲートオンし立下りが始まる。フォールタイムτｆは増幅段と同様にＲ／Ｖで表される。よって、τｏ＋τｆ（＝Ｒ／Ｖ）後にＱスイッチはゲートオフを完了し、共振器損失は立下りを完了する。

ここで、ＬａとＬｏが適切に設定されていれば、τｏ−τａ＝τｌとなり、実施の形態１と同様な効果を得ることができるのである。また、τｌは数十ｎｓのレベルで設定すればよいが、例えば５０ｎｓと設定した場合、石英ガラス内の音速Ｖは約６ｋｍ／ｓなので、ＬｏとＬａとの差分は０．３ｍｍと設定すればよい。この数値は通常の光学ステージで精度良く調整可能なレベルであり、特に高価な調整手段を用いる必要は無い。

また上記においては、発振段のＱスイッチと増幅段のＱスイッチともに調整手段を備えた構成としたが、上記ＬｏとＬａの差分が重要であるので、発振段のＱスイッチか増幅段のＱスイッチかのいずれか一方にのみ調整手段を設けても所望の位置ずれを実現することができ、調整手段の数を減らせることができる。さらには、加工条件が常に一定のためにＬｏとＬａの差分が常に固定でよいのであれば、一切調整手段を設けずＬｏとＬａとの差分が所望の値になるように、各Ｑスイッチをレーザ装置に固定してもよい。

よって、本実施の形態においては、安価に発振段のＱスイッチのゲートオンタイミングよりも増幅段のＱスイッチのゲートオンタイミングを所定の時間早めるように設定することができるのである。

実施の形態４.
図１１は、この発明を実施するための実施の形態４におけるレーザ装置を示す構成図である。上述の実施の形態においてレーザ媒質は任意のものとしたが、本実施の形態は特にレーザ媒質としてロッド型の固体レーザ媒質（以下単にロッドとも呼ぶ）を用いたものである。図１１に示したレーザ装置の基本的な構成は実施の形態１の図１と同等なので、同じ構成部分については同じ符号を用い詳細な説明を省略する。

図１１において、１６ａは発振段のロッド型固体レーザ媒質、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは増幅段のロッド型固体レーザ媒質であり、１９ａ〜１９ｄはそれぞれロッド型固体レーザ媒質１６ａ〜１６ｄを励起するための各励起光源であり、励起光３０ａ〜３０ｄによりレーザ媒質を励起する。固体レーザ媒質としてはＮｄ：ＹＡＧが、励起光源としてはランプやレーザダイオードが代表として挙げられる。３２は、ロッド端部が焼損するなどの不具合防止のためにレーザ光の不要な部分を遮光する制限アパーチャである。実施の形態１の構成と最も異なっているのは、増幅段のＱスイッチが１つしか備わっていない点である。増幅段のＱスイッチは、増幅段の最終の増幅器とその一段上段側の増幅器との間のＱスイッチ１３ｅのみとし、図１におけるＱスイッチ１３ｃ、１３ｄを削除した構成となっている。

ロッド型固体レーザ媒質においては、遷移に非放射遷移を含むため発熱は原理的に切り離せない。このため、ロッド側面に冷水を流すなどして側面冷却を行ない、発熱を除去するのが一般的である。この場合、ロッド中に発生した熱エネルギーは、ロッドの側面に設けられた冷却系に向かって流れるため、ロッド中心から冷却系に向かって放射状に流れる熱流束が発生する。このため、ロッド内に温度分布が生じ屈折率の勾配が発生する。通常は、この屈折率の勾配を対称にするために、励起光源１９ａ〜１９ｄをロッドの中心軸に対して対称配置する。これにより、ロッド中においてはロッドの中心軸に対して同心円状の温度分布が生じ、この効果より屈折率の勾配も同心円状となり、ロッドはレーザ光に対して曲率が正の厚肉レンズとして動作する。図１１においては、ロッドの一方からのみ励起光を照射している構成となっているが、実際はロッドの周囲から対称に励起光を照射しているものとする。

従って、レーザ光１８のビームプロファイルは図１２（ａ）に示したようになり、ロッド中ではビーム径が拡がりロッド外ではビーム径が絞られるようになる。レーザ光１８は発振段から出射されたものであり集光特性が高く、図１２（ａ）に示したように各増幅器内のビーム径はそれぞれ略等しく、また増幅器の間でのビーム径もそれぞれ略等しい状態となる。

一方、自然増幅光１７のビームプロファイルは図１２（ｂ）に示したようになる。自然増幅光１７は共振によって発生したものではないので集光特性が非常に悪く、例えばレーザ光１８のＭ２は１２（ｍｍ・ｍｒａｄ）程度であるが、自然増幅光は２００（ｍｍ・ｍｒａｄ）以上（測定限界以上）である。ここでＭ２は集光特性を表す指標であって、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１４１４”Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ”（１９９１）に詳しく開示されている。
よって、増幅段の上段のほうでは自然増幅光１７はアパーチャ３２ｂにより遮蔽される割合が多く、増幅器内に入射するものは少ない。しかし、増幅段の下段になってくると、各増幅器のロッドのレンズ効果により自然増幅光１７は集光特性が高められ、例えば増幅段の最終段ではＭ２は５０（ｍｍ・ｍｒａｄ）程度まで良化する。そのため、最終の増幅段ではアパーチャで遮蔽される自然増幅光１７が減少し、増幅器内に入射する自然増幅光１７が増加する。

よって、自然増幅光１７による利得の減少は、増幅段の最終の増幅器にて顕著であるので、最終の増幅段への自然増幅光１７の入射のみを抑制しても、自然増幅光１７の抑制効果を充分に発揮できる。従って、図１１に示すように増幅段の最終の増幅器とその一段上段側の増幅器の間のみにＱスイッチ１３ｅを設けてもよい。
実施の形態１において、増幅器が３個と少ない場合や増幅器の利得が高くない場合は、増幅段に少なくとも１つの第２のＱスイッチを配置すればよいとしたが、増幅器が多い場合や増幅器の利得が高い場合でも、レーザ媒質がロッドであれば、本実施の形態のように増幅段に第２のＱスイッチを１つ配置しても有効である。

上述の構成により、実施の形態１と同様にレーザ光１８の出力低下が改善されることが確認されており、また増幅器間に配置するＱスイッチ数を減らすことが可能となり、レーザ装置におけるコストダウンが可能となる。

この発明に係るレーザ装置は、特に高利得高エネルギーなレーザ発振器を備えたＭＯＰＡ構成のレーザ装置に用いることにより、効果が顕著となる。

Claims (13)

1. 共振器内に第１のＱスイッチを備え、このＱスイッチをゲートオン・オフすることによりパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光を増幅するために、このパルスレーザ光の光軸に沿って配置された単数もしくは複数の増幅器と、
   前記発振器と前記増幅器との間もしくは前記増幅器の間の少なくとも１ヶ所に配置された第２のＱスイッチと、
   前記第１のＱスイッチがゲートオンを開始するよりも所定時間早く前記第２のＱスイッチがゲートオンを開始するように前記第１および第２のＱスイッチのゲートオンタイミングを調整する調整手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ装置。
2. 共振器内に第１のＱスイッチを備え、このＱスイッチをゲートオン・オフすることによりパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光を増幅するために、このパルスレーザ光の光軸に沿って配置された単数もしくは複数の増幅器と、
   前記発振器と前記増幅器との間もしくは前記増幅器の間の少なくとも１ヶ所に配置された第２のＱスイッチと、
   前記第１のＱスイッチがゲートオンを開始してから前記レーザ発振器からパルスレーザ光が出力され始めるまでの時間をよりも、前記第２のＱスイッチのフォールタイムが短い場合、前記第１のＱスイッチがゲートオンを開始するよりも所定の時間早く前記第２のＱスイッチがゲートオンを開始するように前記第１および第２のＱスイッチのゲートオンタイミングを調整する調整手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ装置。
3. 第２のＱスイッチのフォールタイムをτｆとし、第１のＱスイッチがゲートオン開始してから前記レーザ発振器からパルスレーザ光が出力され始めるまでの時間をτｚとしたときに、
   前記所定の時間をτｆ−τｚ以上に設定したことを特徴とする請求項１または２いずれかに記載のレーザ装置。
4. 前記第１および第２のＱスイッチは、Ａ／Ｏ素子から成るものであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のレーザ装置。
5. 前記調整手段は、
   前記第１のＱスイッチのゲートオンを指示する制御信号よりも所定の時間早く第２のＱスイッチのゲートオンを指示する制御信号を出力するＱスイッチ制御部であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のレーザ装置。
6. 前記調整手段は、
   前記第１のＱスイッチにおけるＡ／Ｏ素子の振動子とＡ／Ｏ素子内を透過するパルスレーザ光の光軸との距離を、第２のＱスイッチにおけるＡ／Ｏ素子の振動子とＡ／Ｏ素子内を透過するパルスレーザ光の光軸との距離よりも所定の距離長くなるように各Ｑスイッチを配置するものであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
7. 第２のＱスイッチのフォールタイムをτｆとし、第１のＱスイッチがゲートオン開始してから前記レーザ発振器からパルスレーザ光が出力され始めるまでの時間をτｚとし、Ａ／Ｏ素子内の音速をＶとしたときに、
   前記所定の距離を（τｆ−τｚ）・Ｖ以上に設定したことを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記調整手段は、
   Ａ／Ｏ素子中の音波の伝送方向と略同一方向にＡ／Ｏ素子を平行移動する位置調整手段により各Ｑスイッチの配置を調整するものであることを特徴とする請求項６または７いずれかに記載のレーザ装置。
9. 前記レーザ発振器は共振器１往復当たりの利得が２.８以上であり、Ａ／Ｏ素子１個当りの回折効率が３０％以上であることを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
10. 前記第２のＱスイッチは、前記レーザ発振器からのパルスレーザ光の出力が完了した直後にゲートオフを開始するものであることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載のレーザ装置。
11. 前記レーザ発振器はロッド型固体レーザ媒質を励起することにより発振するものであり、
    前記増幅器を２つ以上備え、
    前記第２のＱスイッチは最終段の増幅器とその一つ手前の増幅器との間にのみ配置されたことを特徴とする請求項１〜１１いずれかに記載のレーザ装置。
12. レーザ発振器と単数もしくは複数の増幅器を備えたレーザ装置において、
    レーザ発振器の共振器内に設けられた第１のＱスイッチをゲートオンしパルスレーザ光を出力する工程と、
    前記発振器と前記増幅器との間もしくは前記増幅器の間の少なくとも１ヶ所に配置された第２のＱスイッチのフォールタイムが、前記第１のＱスイッチがゲートオンを開始してから前記レーザ発振器からパルスレーザ光が出力され始めるまでの時間をよりも短い場合、前記第２のＱスイッチを前記第１のＱスイッチがゲートオンするよりも所定の時間早くゲートオンする工程と、
    を備えたことを特徴とするレーザ装置の制御方法。
13. 第２のＱスイッチのフォールタイムをτｆとし、第１のＱスイッチがゲートオン開始してから前記レーザ発振器からパルスレーザ光が出力され始めるまでの時間をτｚとしたときに、
    前記所定の時間をτｆ−τｚ以上に設定したことを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置の制御方法。
    

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