JPWO2012165495A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、短パルス化を容易に達成するための構造を備えたレーザ装置に関する。レーザ装置では、外部変調器における変調時間帯と、種光源におけるパルス光の出力時間帯とが位相制御部により調節されることで、変調時間帯と出力時間帯とが重なり合う時間帯のみ出力されるパルス光を作ることができる。

Description

本発明は、レーザ装置に関する。

現在、レーザを用いた加工技術が注目されており、加工用、医療用等種々の分野において、高出力なレーザの需要が高まっている。特に、Ｙｂ等の希土類元素が添加された光ファイバを含み、励起光による増幅や共振器構造が採用されたファイバレーザは、扱いが容易であると共に、熱放射性が良いために大規模な冷却設備を必要ではないという利点があり、注目されている。このファイバレーザの一つとして、光源から出力される光を直接変調もしくは外部変調することによりパルス化を行い、更に得られたパルス光を増幅することで高出力を達成するＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型が知られている。

発明者らは、上述の従来技術について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、現在、レーザ装置から出力されるパルス光の短パルス化をする方法が種々検討されており、例えば、ＭＯＰＡ型のレーザ装置の場合、オシレータ部を設けて、パルス動作の被増幅光自体を短パルス化して増幅する方法がある。しかしながら、この構成では、増幅過程においてパルスピークが増していくが、レーザ光をデリバリーする媒体の非線形現象（誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、誘導ブリルアン散乱(ＳＢＳ)など）の影響を大きく受けて、パルスピークパワーが低下してしまう可能性がある。また、短パルス化したことにより、増幅媒体への入力パワーが低くなってしまい、増幅過程の際に生じるＡＳＥ光の除去など、光部品点数・コスト増加に繋がる。また、上記の他にも最終出力のレーザ光をパルス圧縮して作成する方法や、最終出力のレーザ光に変調機（音響光学素子など）を実装して、レーザ光を止める方法等が検討されているが、いずれも装置の複雑化や高コスト化等、レーザ装置の短パルス化を容易に達成できるものではなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、短パルス化を容易に達成するための構造を備えたレーザ装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、第１の態様として、光源と、光変調器と、制御部と、最終増幅器と、を備える。この第１の態様において、光源は、所定の出力時間帯にパルス光を出力する。光変調器は、光源から入力されたパルス光を所定の変調時間帯に出力する。制御部は、光源における出力時間帯と光変調器における変調時間帯とを調節して、光変調器から出力されるパルス光のパルス幅を制御する。最終増幅器は、光変調器から出力される光を増幅する。

上記第１の態様のレーザ装置によれば、光源から出力されたパルス光を、所定の変調時間帯に出力する光変調器を通過させることにより、パルス光の出力時間帯と光変調器による変調時間帯とが互いに重なり合う時間帯に出力されることで短パルス化されたパルス光を作ることができる。そして、上述の構成によれば、パルス幅を容易に制御することが可能となることから、短パルス化を容易に達成することができる。

本発明に係るレーザ装置は、上記第１の態様に適用可能な第２の態様として、光源と光変調器との間に設けられた中間増幅器を更に備えてもよい。この第２の態様において、中間増幅器は、光源から出力されたパルス光を増幅し、光変調器に入力されるよう増幅されたパルス光を該光変調器に向けて出力することができる。

また、上記第１および第２の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第３の態様として、中間増幅器は、複数の増幅器から構成されてもよい。

本発明に係るレーザ装置は、上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第４の態様として、光変調器と最終増幅器との間に設けられた中間増幅器を更に備えてもよい。この第４の態様において、中間増幅器は、光変調器から出力されたパルス光を増幅し、最終段増幅器に入力されるよう増幅されたパルス光を該最終増幅器に向けて出力することができる。

上記作用を効果的に達成するため、上記第１〜第４の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第５の態様として、制御部は、光源における出力時間帯と光変調器における変調時間帯とが互いに重なり合う時間帯を調節することにより、光変調器から出力されるパルス光のパルス幅を変更してもよい。

上記第１〜第５の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第６の態様として、最終増幅器は、増幅用光ファイバと、当該増幅用光ファイバに対して励起光を供給する励起光源を備えるのが好ましい。さらに、第６の態様として、当該レーザ装置は、制御部により制御されたパルス光のパルス幅に基づいて、励起光源に対して供給する電流を制御する電流制御部を更に備えてもよい。この第６の態様によれば、最終増幅器における電流値を制御することで、ＡＳＥの増大など、不要な光が生じてしまうことを防止することができ、安全性を高めることが可能になる。

また、上記第１〜第６の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第７の態様として、光源における出力時間帯と光変調器における変調時間帯の、共通の時間軸上における位置関係は、出力時間帯の一部と変調時間帯の一部とが互いに重なり合い、かつ、出力時間帯が変調時間帯よりも遅れるよう設定されてもよい。この第７の態様によれば、変調時間帯を出力時間帯よりも前に設けることで、光源から出力された光のうち出力時間帯の後段に現れるパルスの応答遅れ成分を除去することが可能になる。

本発明によれば、短パルス化を容易に達成可能なレーザ装置が提供され得る。これにより、パルス幅を短くすることができるだけでなく、簡単な装置によりパルス幅を可変とすることができる。また、種光源から出力されるパルス光の強度等を制御する必要はないため、中間増幅器及び最終増幅器へ入力される光の強度を安定化することができる。

は、従来のレーザ装置の概略構成を示す図である。 は、変調器により変調される電圧とパルス波形を説明するための図である。 は、出射端から出力されるパルス光の強度を説明するための図である。 は、本発明に係るレーザ装置の一実施形態の概略構成を示す図である。 は、本発明に係るレーザ装置におけるパルス幅の制御方法を説明するための図である。 は、本実施形態の第１変形例に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。 は、本実施形態の第２変形例に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。 は、本実施形態の第３変形例に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。 は、本発明に係るレーザ装置におけるパルス幅の制御方法の他の例を説明するための図である。 は、本実施形態の第４変形例に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。以下の説明では、まず従来のレーザ装置について説明した後に、本実施形態に係るレーザ装置の構成を説明する。

図１は、従来のレーザ装置の概略構成を示す図である。図１に示されたレーザ装置１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）式のファイバレーザであって、種光源１０、パルス発生器１１、中間増幅器２０及び最終増幅器４０を備える。種光源１０は、好適にはレーザダイオードを含む。パルス発生器１１は、種光源１０を直接変調又は外部変調により変調させる。これにより、種光源１０から出力される光は、パルス光となる。すなわち、種光源１０及びパルス発生器１１は所定の出力時間帯に光を出力する光源として機能する。中間増幅器２０は、種光源１０から出力された光を増幅する。最終増幅器４０は、中間増幅器２０により増幅された光をさらに増幅する。すなわち、このレーザ装置１では、パルス発生器１１により変調されて種光源１０から出力されるパルス光が、中間増幅器２０及び最終増幅器４０により順次増幅される。そして、最終増幅器４０の後段に配置されたデリバリー用ファイバ５０を経て、増幅されたパルスが出射端６０を介して出力される。

パルス発生器１１は、種光源１０を変調させる装置であり、手動でパルス動作の開始／終了を制御できる機能と、外部からの制御信号等を利用してパルス動作の開始／終了を制御できる機能を有している。一般的に、パルス発生器１１に対して制御信号を送信する装置は、加工装置やＰＣ等、レーザ装置１とは異なる装置である場合が多い。

最終増幅器４０は、光アイソレータ４１、光コンバイナ４２、増幅用光ファイバ４３、及び励起光源４４を備える。

光アイソレータ４１は、中間増幅器２０から出力された光を光コンバイナ４２へ通過させるが、逆方向には光を通過させない。光コンバイナ４２は、光アイソレータ４１から到達した被増幅光とともに、励起光源４５から到達した励起光をも入力し、これら被増幅光および励起光を合波する。この合波光は光コンバイナ４２から増幅用光ファイバ４３へ出力される。

増幅用光ファイバ４３は、光コンバイナ４２から到達した被増幅光および励起光を導波させることで、被増幅光を増幅する。そして、増幅された光は、最終増幅器４０の後段に配置されたデリバリー用光ファイバ５０へ出力される。デリバリー用光ファイバ５０は、増幅用光ファイバ４３から到達した光を一端から他端に導波させ、該他端に接続された出射端６０から当該レーザ装置１の外部へ出力される。

増幅用光ファイバ４３は、二重クラッド構造の光ファイバであり、希土類元素（例えばＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｔｂ等）が添加され被増幅光を導波させるコア領域と、このコア領域を取り囲み励起光を導波させる内側クラッド領域と、この内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含む。また、増幅用光ファイバ４３における励起光の吸収は、増幅用ファイバ４３の特性によって決定され、コアのＭＦＤと内側クラッド領域の径とコア領域の希土類添加濃度を調整することによって、主に変化する。例えば、添加濃度約１００００ｐｐｍ、ＭＦＤ約７μｍ、内側クラッド領域径約１３０μｍ、長さ５ｍのＹｂ添加ファイバでは、励起波長９１５ｎｍ帯（９１５±２０ｎｍ）で約２．４ｄＢの励起光が吸収される。なお、このファイバの吸収例ではＹｂ添加ファイバ増幅のために励起波長を９１５ｎｍ帯としたが、９４０ｎｍ帯（９４０±５ｎｍ）、９７６ｎｍ帯（９７６±５ｎｍ）帯を用いてもよい。

また、デリバリー用光ファイバ５０は、増幅用光ファイバ４５、光ファイバ４３と同等のコア径およびＮＡを有する単一クラッド構造の光ファイバである。

上記の構成を有するレーザ装置１により出力されるパルス光の形状について、図２および図３を用いて説明する。まず、パルス発生器１１による種光源１０のパルス化を図２に示す。なお、図２（ａ）において、変調電圧とはパルス発生器１１（直接変調方式でも外部変調方式でもどちらでもよい）により作り出される電圧であって、種光源１０パルス化のための電圧を指す。また、図２（ａ）は、パルス発生器１１からの変調電圧を示し、図２（ｂ）は、パルス発生器１１による変調電圧により作り出された光パルス波形を示す。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されたように、種光源の影響やパルス発生器１１における電気基板周りの時定数に依存して、パルス発生器１１による変調電圧と光源から出力されるパルス光の波形とが異なる形状となる。図２（ａ）では、変調電圧のパルスの半値幅は１０ｎｓ、繰り返し周波数は１００ｋＨｚであり、図２（ｂ）では、被増幅光の光波形のパルスの半値幅は約６ｎｓとなっている。

図３では、レーザ装置１の出射端６０から出力されるパルス光、すなわち増幅後のパルス光の形状を示す。パルス化の条件は、図２の条件と同じである。図３に示されたように、増幅後のパルス光のパルスの半値幅は短くなっており、約１ｎｓとなっている。パルスピークパワー、パルスの半値幅は繰り返し周波数に依存し、ここでは図２と同様の条件となっている。このように、従来のレーザ装置１では、パルス発生器１１で決められたパルス幅によって、最終出力部のレーザ光のパルス幅が決められる。そのため、図３で得られたパルス幅をさらに短くする方法としては、以下の３つの方法が主に用いられていた。

第１の方法としては、光源から出力されるパルス光のパルス幅をさらに短くするオシレータ部を設け、より短パルス化された光を増幅して出力する方法がある。しかしながら、この第１の方法は、レーザ光を伝搬させる媒体の非線形現象（誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）等）の影響を大きく受けやすく、増幅後のパルス光のパルスピークパワーが低下する傾向がある。また、パルス幅を短くすることで、増幅用の媒体へ入力する光のパワーが低い。そのため、増幅の際に生じるＡＳＥ光の除去等が必要になり、部品点数やコストへの影響がある。

第２の方法としては、最終増幅器から出力されるレーザ光をパルス圧縮する方法がある。しかしながら、この第２の方法はコストが高いという問題がある。

さらに、第３の方法として、最終増幅器から出力されたレーザ光に対して、音響光学素子（ＡＯＭ）等の変調器による変調をかけることで、レーザ光を止めるという方法がある。しかしながら、この第３の方法は、レーザ光として切り出すパワーが大きいために、電気・光エネルギーの変換効率が低い。また、ＡＯＭ自体に強いレーザ装置光が入力されることから、耐久性が高い素子が必要となり、装置が高コストとなるという点もある。

これに対して、本実施形態に係るレーザ装置は、最終増幅器よりも前段に外部変調器を新たに設けることで、パルス幅を調整し、短パルスの光を出力する構成を有する。

図４に、本実施形態に係るレーザ装置２の構成を示す。図４に示されたレーザ装置２が図１に示す従来のレーザ装置１と相違する点は、以下の通りである。すなわち、入力された光の強度を変調させる外部変調器３０が中間増幅器２０の後段であって最終増幅器４０よりも前段に設けられ、外部変調器３０に対して接続して外部変調器３０から光を出力させる所定の変調時間帯を指示するパルス発生器３１が設けられている。そして種光源１０に対して接続されたパルス発生器１１における出力時間帯を調節するとともに、外部変調器３０に対して接続されたパルス発生器３１における変調時間帯を調節する位相制御部３２が設けられている。ここでは、出力時間帯と変調時間帯との時間的な関係を「位相」という。なお、位相を制御する方式については、通常パルス発生器に機能として付加されている「同期」機能も位相制御部３２により行われる動作と同様の機能を有する。すなわち、位相制御部３２による位相の制御に替えてパルス発生器３１に設けられた「同期」機能を用いてもよい。

ここで、レーザ装置２により、パルス幅が短いパルス光を作成する方法について図５を用いて説明する。図５は、レーザ装置２によるパルス光の幅の制御方法を説明するための図である。図５では、レーザ装置２に含まれる種光源１０からパルス光を出力する出力時間帯を特定する波形をＷ１とし、外部変調器３０から光を出力される変調時間帯を特定する波形をＷ２とし、出射端６０から出力されるパルス光のパターンをＷ３とする。ここで、光パルス波形強度がＯＮとなっている時間帯に光が出力され、ＯＦＦとなっている時間帯には光が出力されない。なお、種光源１０から出力されるパルス光の波形は図２と同様にパルス幅が１０ｎｓであるとする。一方、外部変調器３０によるＯＮ時間帯（変調時間帯）の幅は、種光源１０から出力されるパルス光（所定時間帯）の幅よりも狭いほうが好ましいが、広くてもよい。また、外部変調器３０による強度変調では、立ち上がり、立下り応答時間が、早いことが望ましい。

図５に示されたように、本実施形態に係るレーザ装置２では、パルス波形Ｗ１で示すような所定の出力時間帯のみ出力されるパルス光が、種光源１０から出力される。そして、中間増幅器２０により増幅されたパルス光は、外部変調器３０に入力され、波形Ｗ２で示すような所定の変調時間帯のみ外部変調器３０から出力されるように出力制御される。ここで、出力時間帯と変調時間帯とは図５に示されたように共通の時間軸上で互いに重なり合うので、両者の時間帯が互いに重なり合う部分（図５におけるＷ３）のみが切り出される。この切り出された部分がパルス光となり、この切り出されたパルス光が最終増幅器４０により増幅された後、出射端６０を介して出力される。

したがって、当該レーザ装置２によれば、外部変調器３０における変調時間帯と、種光源１０におけるパルス光の出力時間帯とを位相制御部３２により制御することで、任意のパルス幅のパルス波形を切り出すことが可能になる。その結果、パルス幅を短くすることができるだけでなく、簡単な装置によりパルス幅を可変とすることができる。また、種光源１０から出力されるパルス光の強度等を制御する必要はないため、中間増幅器２０及び最終増幅器４０へ入力する光の強度を安定化することができる。なお、位相制御部３２による位相の制御については、種光源１０及び中間増幅器２０でのレーザ光の伝搬時間に依存することから、装置毎に個々に設定することが好適である。

次に、上記実施形態に係るレーザ装置の変形例について説明する。図６は、本実施形態の第１変形例に係るレーザ装置３の概略構成を示す図である。図６のレーザ装置３は、レーザ装置２と比較して、中間増幅器２０の位置が相違する。すなわち、レーザ装置３のように、中間増幅器２０は、外部変調器３０の後段に位置するように配置可能である。

また、図７は、本実施形態の第２変形例に係るレーザ装置４の概略構成を示す図である。図７のレーザ装置４は、レーザ装置２と比較して、中間増幅器がｎ台（２０１〜２０ｎ）配置されている。このように、中間増幅器２０の台数は可変である。なお、中間増幅器２０は必須の構成ではなく、中間増幅器２０を備えない構成としてもよい。

図８は、本実施形態の第３変形例に係るレーザ装置５の概略構成を示す図である。図８のレーザ装置５は、レーザ装置２と比較して、励起光源４４に対して供給する電流を制御する電流制御部４５を備え、位相制御部３２と電流制御部４５とに対して接続する統括制御部４６を備える点が相違する。これらの電流制御部４５及び統括制御部４６は、レーザ装置５におけるレーザ光の短パルス化の際の安全性を高めるために設けられる。具体的には、レーザ光を短パルス化すると、パルス幅に応じてパルス光の強度が低減される。したがって、実用のためには後段の増幅器においてパルス光を十分に増幅する必要がある。しかしながら、増幅の際にＡＳＥの増大など、不要な光が生じてしまい、その結果、増幅器自体の安全性を落としてしまう場合がある。そこで、レーザ装置５のように、最終増幅器４０の励起光源４４に対して供給する電流に制限をかけて、出力光の強度を制御することが望ましい。具体的には、レーザ装置５では、位相制御部３２から受け取るレーザ光の短パルス化に係る情報を統括制御部４６が取得し、これに基づいて制御部４６が電流制御部４５に対して励起光源４４へ供給する電流値を指示する構成とされている。これにより、短パルス化した際の最終増幅器の安全を高めることができる。

また、上記実施形態に係るレーザ装置２では、図４のように、外部変調器３０による波形Ｗ２における変調時間帯よりも種光源１０から出力されるパルス光の波形Ｗ１における出力時間帯が時間的に前に有る場合について説明したが、図９に示されたように、変調時間帯と出力時間帯は時間的に逆であってもよい。すなわち、種光源１０から出力されるパルス光の波形Ｗ１における出力時間帯よりも外部変調器３０による波形Ｗ２における変調時間帯が時間的に後に設定されている場合であっても、図９のＷ３で示される時間帯のように、ＯＮの時間が互いに重なり合った場所があれば出射端６０からパルス光が出力される。したがって、レーザ光の短パルス化を実現することができる。特に、図９に示されたように外部変調器３０での変調時間帯が出力時間帯に対して時間的に前に設定された場合、中間増幅器２０により増幅されたパルス光に含まれる応答遅れ成分を、外部変調器３０による切り出しにより効果的に除去することが可能になる。すなわち、図９に示されたようなパルス波形となるように、パルス発生器１１及びパルス発生器３１を制御することで、不要なパルスの遅れ成分を低減でき、加工物に対して、レーザ加工での熱影響を少なくすることが可能になる。

また、上述の実施形態では、レーザ装置２の最終増幅器４０に、増幅用光ファイバ４３の前段に励起光源４３が設けられた所謂前方励起方式が採用された例について説明したが、後方励起方式であってもよいし、図１０に示されたように、光コンバイナ４７及び励起光源４８が増幅用光ファイバ４３の後段にも設けられた双方向励起方式であってもよい。なお、図１０は、本実施形態の第４変形例に係るレーザ装置６の概略構成を示す図である。

１〜６…レーザ装置、１０…種光源、１１…パルス発生器、２０…中間増幅器、３０…外部変調器、３１…パルス発生器、３２…位相制御部、４０…最終増幅器、４１…光アイソレータ、４２，４７…光コンバイナ、４３…増幅用光ファイバ、４４，４８…励起光源、４５…電流制御部、４６…統括制御部、５０…デリバリー用光ファイバ、６０…出射端。

Claims (7)

1. 所定の出力時間帯にパルス光を出力する光源と、
   前記光源から入力されたパルス光を所定の変調時間帯に出力する光変調器と、
   前記光源における前記出力時間帯と前記光変調器における前記変調時間帯とを調節することにより、前記光変調器から出力されるパルス光のパルス幅を制御する制御部と、
   前記光変調器から出力される光を増幅する最終増幅器と、を備えたレーザ装置。
2. 前記光源と前記光変調器との間に設けられた中間増幅器を備え、
   前記中間増幅器は、前記光源から出力されたパルス光を増幅し、前記光変調器に入力されるよう該増幅されたパルス光を前記光変調器に向けて出力することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記中間増幅器は、複数の増幅器から構成されることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記光変調器と前記最終増幅器との間に設けられた中間増幅器を備え、
   前記中間増幅器は、前記光変調器から出力されたパルス光を増幅し、前記最終増幅器に入力されるよう該増幅されたパルス光を前記最終増幅器に向けて出力することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
5. 前記制御部は、前記光源における前記出力時間帯と前記光変調器における前記変調時間帯とが互いに重なり合う時間帯を調節することにより、前記光変調器から出力されるパルス光のパルス幅を変更することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
6. 前記最終増幅器は、増幅用光ファイバと、該増幅用光ファイバに対して励起光を供給する励起光源と、を備え、
   当該レーザ光源は、前記制御部により制御された前記パルス光のパルス幅に基づいて、前記励起光源に対して供給する電流を制御する電流制御部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記光源における前記出力時間帯は、その一部が前記光変調器における前記変調時間帯と互いに重なり合った状態で、前記変調時間帯よりも遅れるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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