KR100840057B1 - 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

MOPA 구성의 레이저 장치에 있어서, 예를 들면 고이득 고에너지 Q 스위치 레이저 발진기를 구비함으로써, 발진단의 Q 스위치(13a, 13b)가 게이트 온을 개시하고 나서 펄스 레이저광(18)이 성장하기 시작할 때까지의 시간 rz가 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)의 폴 타임 τf에 비해 짧아진 경우, 발진단의 Q 스위치(13a, 13b)의 게이트 온 타이밍을 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)의 게이트 온 타이밍보다 소정 시간 지연하도록 제어함으로써, 증폭단에서 발생하는 자연 증폭광(17)에 의한 이득 저하의 억제를 유지하면서, 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)에서의 펄스 레이저광(18)의 손실을 방지할 수 있다. 따라서, 효율적으로 고에너지인 펄스 레이저광을 얻을 수 있다.

Description

레이저 장치{LASER DEVICE}

본 발명은 MOPA 구성의 레이저 장치에 관한 것이다.

증폭기를 다단으로 구성하고 있는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 구성의 레이저 장치에 있어서는 증폭기에서의 여기(勵起)에 수반하여 여러 가지 준위(準位, level) 사이에서 자연 방출이 발생하여 출력된다. 그 자연 방출광에 대해 유도 방출이 발생하여 증폭되고, 본래 필요한 레이저광이 진행하는 방향과 동일한 방향이나 역방향으로 광이 출력된다. 이 광을 자연 증폭광이라고 부르기로 한다. 이 자연 증폭광이 인접하는 증폭기에 입사하면, 더욱 그 증폭기의 이득을 빼앗아서 증폭되어 버리기 때문에, 본래 필요한 레이저광의 출력은 감소한다고 하는 문제가 있다.

저(低)에너지 발진기를 구비한 통신용의 MOPA 구성의 레이저 장치에 있어서, 상기 문제를 방지하기 위해, 각 증폭기 사이에 음향 광학 변조기를 삽입한 것이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

또, MOPA 구성의 레이저 장치와는 달리, 증폭기에 공진기를 가진 레이저 장치가 있다. 발진기로부터 출력된 펄스 레이저광을 불안정형 공진기에 입사하여 증폭함으로써, 고출력의 펄스 레이저광을 얻는 상기 장치에 있어서, 불안정형 공진기 에서 발진한 연속파 레이저광이 발진기에 누출되어서 발진기의 이득을 빼앗는 것을 억제하기 위해, 증폭기의 Q 스위치의 온 타이밍(ON - timing)을 발진기의 Q 스위치의 온 타이밍보다 늦추는 고출력 펄스 레이저 장치가 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).

특허 문헌 1 : 일본 특개평 10 - 268369호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특개 2001 - 308427호 공보

이하, 복수의 증폭기(1개의 경우도 포함)를 합쳐서 증폭단(段)이라고 부르기로 한다. 또, 이에 맞추어 발진기도 발진단이라고 적절히 부르기로 한다.

특허 문헌 1에 기재된 레이저 장치에 있어서는 증폭단의 Q 스위치와 발진단의 Q 스위치의 동작 타이밍에 대해 아무런 개시가 없으며, 어떻게 증폭단의 이득 감소를 방지하는지 불명확하다. 그러나, 특허 문헌 1에 기재된 레이저 장치와 같이 저에너지의 발진기에 의해 구성된 레이저 장치의 경우, 특허 문헌 2에 기재된 바와 같이, 증폭단의 Q 스위치가 열리는 타이밍을 발진단의 Q 스위치가 열리는 타이밍보다 늦춤으로써, 증폭단으로부터의 자연 증폭광을 억제할 수 있다. 도 13을 이용하여, 이하 이것을 설명한다.

도 13은 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 공진기 손실은 공진기를 구성하는 부분 반사경에 있어서의 손실과, 공진기내의 Q 스위치의 손실을 합친 것이다. 부분 반사경의 손실은 항상 일정하므로, 공진기 손실의 변화량은 Q 스위치의 손실 변화량에 의존한다.

도 13에 있어서, 발진단의 Q 스위치가 열리고 이 Q 스위치의 손실이 감소하기 시작함으로써 공진기 손실이 하강하기 시작하는 시점을 T1, 증폭단의 Q 스위치가 열리고 Q 스위치 손실이 하강하기 시작하는 시점을 T2, 발진단의 레이저 이득이 발진단의 공진기 손실에 도달하여 펄스 레이저광이 성장을 개시하는 시점을 T3, 발진단의 Q 스위치가 완전히 열려서 공진기 손실의 하강이 완료한 시점을 T4, 증폭단의 Q 스위치가 완전히 열려서 Q 스위치 손실의 하강이 완료한 시점을 T5, 펄스 레이저광의 성장이 현저하게 되어서 발진단으로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작하는 시점을 T6으로 한다.

저에너지의 발진단은 일반적으로 이득이 낮으며, 도 13에 나타낸 바와 같이 레이저 이득의 상승은 완만해지며, 발진단의 Q 스위치가 열린 시점 T1에서부터 공진기 손실이 레이저 이득에 도달하는 시점 T3까지 어느 정도의 시간이 필요하게 된다. 또, T3으로부터 펄스 레이저광의 성장이 시작되나, 이득이 낮은 경우에는 성장의 속도도 늦으며 빌드업 타임(build - up time) τb도 비교적 길어진다. 그렇기 때문에, T2를 T1보다 지연시킴으로써, 증폭단의 Q 스위치는 펄스 레이저광이 증폭단에 도달할 때까지 닫아 둘 수 있으므로, 자연 증폭광이 다른 증폭기에 입사하여 펄스 레이저광 도달전에 증폭단의 이득을 감소시키는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다.

한편, 가공 등에 사용하는 레이저 가공 장치에 있어서는 최근 고에너지를 필요로 하는 가공이 증가하여 MOPA 구성에 의한 고에너지 출력이 가능한 레이저 장치가 요구되어 왔다. 이와 같은 레이저 장치를 실현하기 위해서는 고이득의 레이저 발진기를 개발하는 것이 필요 불가결하다. 발명자는 고이득의 레이저 발진기의 개발에 즈음하여, 레이저 발진기의 이득이 높아짐에 따라, T1에서부터 T3까지의 시간과 빌드업 타임 τb가 짧아져가는 현상이 발생함으로써, MOPA 구성의 레이저 장치에 있어서 이하와 같은 문제가 있는 것을 찾아냈다.

레이저 발진기가 고이득으로 된 경우의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 도 14에 나타낸다. 도 14에 있어서의 T1 ~ T6은 도 13과 동일한 시점을 나타내고 있다.

발진단이 고이득으로 된 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이 레이저 이득의 상승이 급격하므로, Q 스위치가 열리고 나서 공진기 손실이 레이저 이득에 도달할 때까지의 시간, 즉 T1 - T3 사이가 짧아진다. 또, T3으로부터 펄스 레이저광의 성장이 시작되나, 이득이 높은 경우에는 성장의 속도도 빠르며 빌드업 타임 τb도 단시간으로 된다. 그렇기 때문에, T4까지 펄스 레이저광의 성장이 끝나버리는, 즉 발진단으로부터의 펄스 레이저광의 출력이 완료해 버리는 현상이 발생한다. 이 상태에서, 저이득의 경우와 동일하게 T2를 T1보다 늦춘 경우, 증폭단에의 펄스 레이저광 입사가 T5 이전으로 되어 버리는, 즉 증폭단의 Q 스위치가 완전히 열려있지 않은 상태에서 증폭단에 펄스 레이저광이 도달한다. 이 때문에, 증폭단의 Q 스위치에서 손실이 발생하여 증폭단 출구에 있어서의 출력이 저하한다고 하는 문제가 발생한다.

또한, 보다 고이득의 발진단인 경우 T1 - T6간의 시간이 보다 짧아지며, 증 폭단에의 펄스 레이저광 입사가 T2 이전, 즉 증폭단의 Q 스위치가 열리기 전에 펄스 레이저광이 증폭단에 도달하고, 증폭단에 펄스 레이저광이 입사하지 않고 증폭단으로부터 레이저가 출사되지 않는다고 하는 문제가 발생한다.

이러한 경우에, 예를 들면 증폭단의 Q 스위치가 열리기 시작해서 완전히 열리기까지의 시간, 즉 T2 ~ T5의 시간(이하, 폴 타임(fall time) τf라고 부름)을 펄스 레이저광이 성장하는 시간, 즉 T1 ~ T6간의 시간보다 단축하면 된다. 예를 들면, 폴 타임 τf를 0으로 했을 경우의, 발진단의 공진기 손실 등의 시간 변화를 도 15에 나타낸다. 도 15와 같은 구성이면, 증폭단의 Q 스위치가 완전히 열리고 나서 펄스광이 증폭단에 입사하는 것도 가능하다.

그러나, 고에너지 레이저에서는 도 15와 같은 구성을 실현하는 것은 불가능하다. 고에너지 레이저광의 경우, 고에너지에 견딜 수 있는 고속인 Q 스위치로서는 음향 광학 소자(이하, A/O 소자라고 부름)를 들 수 있다. A/O 소자의 내부에 초음파가 진행할 때에 회절 격자로서 작용하는 것을 이용하고, 스위칭 소자로서 동작시키는 것이다. A/O 소자 Q 스위치의 경우의 폴 타임 τf는 A/O 소자 Q 스위치내를 진행하는 음파가 A/O 소자 Q 스위치내를 투과하는 레이저광의 빔 지름을 횡단하는 시간이 된다. 고에너지 레이저광에서는 광학계의 손상을 방지하기 위해 극단적으로 레이저광을 줄이지 못하고, 겨우 1mm 정도로밖에 줄일 수 없다. A/O 소자내의 음파의 속도는 약 6km/s 이므로, 레이저광의 빔 지름을 음파가 횡단하는 시간은 약 200ns 이다.

한편, 고이득 발진단의 경우, T1 ~ T6간의 시간은 수십ns 의 레벨에 이르며, 폴 타임은 펄스 레이저광이 성장하는 시간(T1 ~ T6 사이)의 수배 정도로밖에 단축할 수 없는 것이다. 즉, 도 14에 나타낸 상태가 유지되어 버리게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, MOPA 구성의 레이저 장치에 있어서, 예를 들면 고이득 고에너지 Q 스위치 레이저 발진기를 구비함으로써, 발진단의 Q 스위치가 열리고 나서 펄스 레이저광이 성장하여 레이저 발진기로부터 출력되기 시작할 때까지의 시간이, 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임 τf에 비해 짧은 경우, 증폭단에서 발생하는 자연 증폭광에 의한 출력의 저하를 억제하면서, 증폭단의 Q 스위치에서의 펄스 레이저광의 손실을 방지하는 것을 목적으로 한 것이다.

본 발명에 관한 레이저 장치에 있어서는 공진기내에 Q 스위치를 구비하고, 이 Q 스위치를 게이트 온ㆍ오프함으로써 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 출력된 펄스 레이저광을 증폭하기 위해, 이 펄스 레이저광의 광축을 따라 배치된 단수 또는 복수의 증폭기와, 상기 발진기와 상기 증폭기와의 사이 또는 상기 증폭기의 사이의 적어도 한 위치에 배치되며, 상기 레이저 발진기의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 소정 시간 빨리 게이트 온하는 Q 스위치를 구비한 것이다.

본 발명에 관한 레이저 장치에 있어서는 레이저 발진기의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 소정 시간 늦추도록 설정함으로써, 증폭기에서 발생하는 자연 증폭광에 의한 증폭기나 발진기의 이득의 감소 억제를 유지하면서, 증폭단의 Q 스위치에 있어서의 펄스 레이저광의 손실을 억제할 수 있고 레이저 출력의 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1을 나타내는 레이저 장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 레이저 장치의 Q 스위치의 동작을 제어하는 신호의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 고이득 레이저 발진기를 구비한 레이저 장치의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명의 실시 형태 1을 나타내는 레이저 장치의 다른 구성도.

도 5는 본 발명의 실시 형태 1을 나타내는 레이저 장치의 다른 구성도.

도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 저이득 레이저 발진기를 구비한 레이저 장치의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명의 실시 형태 2에 있어서의 레이저 장치의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 8은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 레이저 장치의 Q 스위치의 구성도.

도 9는 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 레이저 장치의 Q 스위치의 동작을 설명하는 도면.

도 10은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 레이저 장치의 발진단의 공진기 손실 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 11은 본 발명의 실시 형태 4를 나타내는 레이저 장치의 구성도.

도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 레이저 장치의 레이저광 및 자연 증폭광의 빔 프로파일을 나타내는 도면.

도 13은 종래의 저이득 레이저 발진기를 구비한 레이저 장치에 있어서의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 14는 종래의 고이득 레이저 발진기를 구비한 레이저 장치에 있어서의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도 15는 종래의 고이득 레이저 발진기를 구비한 레이저 장치에 있어서, 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임이 0이라고 가정한 경우의, 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 나타내는 그래프.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 실시 형태 1에 있어서의 레이저 장치를 나타내는 것이며, 1개의 발진기를 가진 발진단과 3개의 증폭기를 가진 증폭단으로 이 루어진 MOPA 구성으로 되어 있다. 도 1에 있어서, 16a는 발진단의 레이저 매질, 16b, 16c, 16d는 증폭단의 레이저 매질이며, 19a ~ d는 각각 레이저 매질(媒質)(16a ~ d)을 여기하기 위한 각 여기원(勵起源)이다. CO2 등의 레이저 가스가 레이저 매질로 되는 가스 레이저의 경우는 방전 전극이 여기원으로 되고, YAG 등의 고체 레이저 매질이 레이저 매질로 되는 고체 레이저의 경우는 램프나 레이저 다이오드가 여기원으로 된다.

발진단에 있어서 전반사 거울(14)과 부분 반사 거울(15)에 의해 공진기가 구성되고, 레이저 매질(16a)을 여기원(19a)에 의해 여기함으로써 레이저 발진이 실시되고, 부분 반사 거울로부터 레이저광(18)이 출력된다. 또, 전반사 거울(14)과 레이저 매질(16a) 사이에는 Q 스위치(13a)가 삽입되고, 부분 반사 거울(15)과 레이저 매질(16a) 사이에는 Q 스위치(13b)가 삽입되어 있다. 이 Q 스위치(13a, 13b)의 개폐에 의해 펄스 레이저광을 발진하는 구성으로 되어 있다. 이하, Q 스위치(13a, 13b)를 제1의 Q 스위치 또는 발진단의 Q 스위치라고 부른다.

여기서, 레이저 발진기는 고이득인 것으로 하고, 예를 들면 공진기 1 왕복당의 이득이 2.8 이상이며 A/O 소자 1 개당으로의 회절 효율이 30% 이상인 경우를 일례로서 들 수 있다.

증폭단에 있어서는 발진단과 레이저 매질(16b) 사이에는 Q 스위치(13c)가 설치되고, 레이저 매질(16b)과 레이저 매질(16c) 사이에는 Q 스위치(13d)가 설치되며, 레이저 매질(16c)과 레이저 매질(16d) 사이에는 Q 스위치(13e)가 설치되어 있다. 이들 Q 스위치(13c, 13d, 16e)가 열려 있는 사이(이하 Q 스위치가 열리는 것을 게이트 온이라고 부르고, 열려 있는 기간을 게이트 온 타임 τg이라고 부름)는 증폭단에 레이저광(18)이 입사하여 레이저광을 증폭한다. Q 스위치(13c, 13d, 13e)가 닫혀 있는 동안(이하 Q 스위치가 닫히는 것을 게이트 오프라고 부르고, 닫혀 있는 기간을 게이트 오프 타임이라고 부름)은 증폭기에서 발생하는 자연 증폭광(17)이 다른 증폭기 또는 발진단에 누출되지 않는 구성으로 되어 있다. 이하, Q 스위치(13c, 13d, 13e)를 제2의 Q 스위치 또는 증폭단의 Q 스위치라고 부른다.

제 1, 제2의 각 Q 스위치는 Q 스위치 제어부(10)에 의해 게이트 온 및 게이트 오프의 타이밍을 조정ㆍ제어되고 있다. 본 실시 형태에 있어서는 고에너지 레이저에 견딜 수 있는 고속의 Q 스위치로서 A/O 소자를 사용한 Q 스위치를 예로 하여 설명한다.

A/O 소자는 진동자와 예를 들면 석영 유리로 이루어지며, 진동자를 사용하여 석영 유리를 고주파로 진동시킴으로써, 석영 유리내에 초음파가 전송되도록 되어 있다. 이 초음파에 의해 석영 유리내에 굴절 비율의 거친 밀도가 형성되고, 석영 유리가 회절 격자로서의 작용을 발휘한다. 회절 격자로서 작용할 때는 입사광은 회절되어서 광로가 구부려지고, 회절 격자로서 작용하지 않는 경우는 입사광은 직진하는 것을 이용하여 스위칭 동작을 실시하고 있다. 도 1에 있어서, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e는 각각 A/O 소자로 이루어진 Q 스위치(13a, 13b, 13c, 13d, 13e)에 고조파 변조 신호 Mrf를 출력하는 고조파 변조 신호 발생기이다. 고조파 변조 신호 발생기(11)는 Q 스위치 제어부(10)에 의해 제어되고 있다.

여기서는 A/O 소자에 회절 작용이 작용하고 있을 때의 회절광은 댐 퍼(damper) 등(도시 생략)에 의해 흡수하고, 회절 작용이 없는 경우의 직진광을 레이저 출력에 이용하는 경우로서 설명한다. 물론, 회절광을 레이저 발진에 이용하여 직진광을 댐퍼 등에 의해 흡수하는 구성이어도 된다.

직진광을 이용하는 경우, 통상시 A/O 소자의 진동자에는 고조파 변조 신호 발생기(11)로부터 고조파 변조 신호 Mrf가 입력되어 있으며, 진동자가 진동함으로써 A/O 소자내에 초음파가 전송되어 A/O 소자는 회절 격자로서 작용하고, 레이저광은 회절되어 Q 스위치는 게이트 오프 상태로 되어 있다.

펄스 레이저광을 발진하는 경우, 발진단의 Q 스위치의 동작은 이하와 같이 된다. Q 스위치(13a, 13b)를 소정 시간 게이트 온하기 위해, Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C1, C2가 동시에 출력되고, 각각 고조파 변조 신호 발생부(11a, 11b)에 입력된다. 고조파 변조 신호 발생부(11a, 11b)는 Q 스위치 제어 신호 C1, C2가 입력되면, 고조파 변조 신호 Mrf1, Mrf2의 출력을 정지한다. A/O 소자에의 고조파 변조 신호의 입력이 정지되면, A/O 소자의 진동자의 진동이 정지하기 때문에 A/O 소자는 회절 격자로서의 작용을 잃는다. 이에 의해 레이저광은 직진하며, Q 스위치(13a, 13b)는 게이트 온 상태로 되어 레이저 발진이 실시되어 발진단으로부터 펄스 레이저광이 출력된다. Q 스위치 제어부(10)의 내부 타이머에 의해 소정의 게이트 온 타임 τg 경과 후, 재차 Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C1, C2가 출력되고, 고조파 변조 신호 발생기(11a, 11b)는 재차 고조파 변조 신호 Mrf1, Mrf2를 출력하여 Q스위치(13a, 13b)를 게이트 오프 상태로 한다.

다음으로, 증폭단의 Q 스위치의 동작을 설명한다.

기본적인 동작은 발진단의 Q 스위치와 동일하며, Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C3, C4, C5가 동시에 출력되면, 고조파 변조 신호 발생기(11c, 11d, 11e)는 고조파 변조 신호 Mrf3, Mrf4, Mrf5의 출력을 정지하여 Q 스위치(13c, 13d, 13e)는 게이트 온 상태로 된다. Q 스위치 제어부(10)의 내부 타이머에 의해 소정의 게이트 온 타임 τg 경과 후, 재차 Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C1, C2가 출력되고, 고조파 변조 신호 발생기(11)는 고조파 변조 신호를 재차 출력하여 Q 스위치는 게이트 오프 상태로 된다. 게이트 온 타임 τg는 발진단의 Q 스위치와 증폭단의 Q 스위치에서 동일한 값으로 해도 되며, 개별적으로 설정해도 상관없다. 가공 조건에 의해 적절히 설정하면 된다.

여기서, 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍과 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍에 대해, 종래의 레이저 장치라면 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 발진단보다 늦추는 것이지만, 본 발명에서는 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 발진단보다 수십 ns 정도 진행시키는 것이다.

도 2에, 본 발명에 있어서의 Q 스위치 제어 신호 C1 ~ C5 및 고조파 변조 신호 Mrf1 ~ Mrf5의 시간 변화를 나타냈다. 도 2에 있어서, Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C3, C4, C5가 출력되면 고조파 변조 신호 발생기(11c, 11d, 11e)로부터 고조파 변조 신호 Mrf3, Mrf4, Mrf5가 출력된다. 그리고, Q 스위치 제어 신호 C3, C4, C5가 출력되어 소정의 시간 τl 후에, Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호 C1, C2가 출력되면 고조파 변조 신호 발생기(11a, 11b)로부터 고조파 변조 신호 Mrf1, Mrf2가 출력된다. 이에 의해, 발진단의 Q 스위치의 게이트 온과 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온과의 타이밍이 τl 어긋나는 것이다.

그리고, Q 스위치 제어부(10)의 내부 타이머에 의해, 도 2에 나타낸 바와 같이 게이트 온하고 나서 게이트 온 타임 τg 경과 후에, Q 스위치 제어 신호 C1 ~ C5를 출력함으로써, 고조파 변조 신호 Mrf1 ~ Mrf5의 출력이 정지되어 각 Q 스위치는 게이트 오프한다.

도 2에 나타낸 바와 같은 타이밍으로 Q 스위치를 동작시킨 경우, 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화는 도 3에 나타낸 바와 같이 된다. 도 3에 있어서의 T1 ~ T6은 도 13과 동일한 시점을 나타내고 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이 레이저 발진기가 고이득인 경우 레이저 이득 상승이 가파르므로, Q 스위치가 열리고 나서 단시간에 공진기 손실이 레이저 이득에 도달한다. 즉, T1 - T3 사이가 짧아진다. 또, T3으로부터 펄스 레이저광의 성장이 시작되나, 이득이 높은 경우에는 성장의 속도도 빠르며 빌드업 타임 τb도 단시간으로 된다. 그렇기 때문에, T4까지 펄스 레이저광의 성장이 끝나 버리는 즉 발진단으로부터의 펄스 레이저광의 출력이 완료해버린다.

그러나, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍 T2를 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍 T1보다 소정의 시간 τl 진행함으로써, 발진단으로부터 레이저광이 출력되기 시작하는 시점 T6의 직전에, 증폭단에 있어서의 Q 스위치의 회절 손실의 하강을 완료할 수 있고 증폭단의 Q 스위치에 있어서의 손실을 방지할 수 있다.

여기서, 소정의 시간 τl의 설정 방법을 설명한다.

이상적으로는 증폭단의 Q 스위치 손실의 하강이 완료하는 시점 T5와, 발진단으로부터 레이저광이 출력되기 시작하는 시점 T6이 동시가 되도록 τl을 설정하면 된다. 그러나, 실제로는 폴 타임 τf나 빌드업 타임 τb의 격차를 고려하여, Q 스위치에서의 손실 방지를 중시하여 T5가 T6보다 약간 빨라지도록, 예를 들면 도 3에 나타낸 타이밍이 되도록 τl을 설정하면 된다.

구체적으로는 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임 τf, 즉 T2 ~ T5의 시간으로부터 발진단의 Q 스위치가 게이트 온하고 나서 빌드업 타임 τb가 완료하기까지, 즉 T1 ~ T6의 시간을 뺀 시간을 τl로서 설정하면 T5와 T6이 일치한다. 실제로는 T2 ~ T5의 시간으로부터 T1 ~ T6의 시간을 뺀 시간보다 다소 긴 시간을 τl로서 설정하면, 도 3에 나타낸 타이밍이 된다.

따라서, 실제의 레이저 장치에 있어서는 발진기의 Q 스위치가 게이트 온 하고 나서 빌드업 타임 τb가 완료하여 펄스 레이저광이 레이저 발진기로부터 출력되기 시작할 때까지의 시간 τz와, 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임 τf를 별도 측정해 두고, τl = τf - τz + α 에 의해 τl을 산출하면 된다. α는 τb나 τf의 격차의 정도를 고려하여 적절히 설정하면 되며, 물론 0이라도 상관없다.

상술한 바와 같이, MOPA 구성의 레이저 장치에 있어서, 고이득 고에너지 Q 스위치 레이저 발진기를 구비함으로써, 발진단의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하고 나서 펄스 레이저광이 발진기로부터 출력되기 시작할 때까지의 시간 τz가 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임 τf에 비해 짧아진 경우라도, 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 소정의 시간 지연하도록 제어함으로써, 증폭단에서 발생하는 자연 증폭광에 의한 이득 저하의 억제를 유지하면서, 증폭단의 Q 스위치에서의 펄스 레이저광의 손실을 방지할 수 있다. 따라서, 효율적으로 고에너지인 펄스 레이저광을 얻을 수 있다.

상기 실시 형태에서는 레이저 매질의 양측에 제1의 Q 스위치를 배치하는 구성으로 하였으나, 1개의 Q 스위치에서 충분히 펄스 발진을 하기 위한 손실을 확보할 수 있다면, 레이저 매질의 한쪽 편에만 제1의 Q 스위치를 배치하는 구성이어도 된다.

또, 발진단과 증폭단과의 사이, 및 각 증폭기의 사이 모두에 제2의 Q 스위치를 배치하는 구성으로 하였으나, 도 1과 같이 증폭기가 3개로 적은 경우나 증폭기의 이득이 높지 않은 경우는 발진단과 증폭단과의 사이 또는 증폭기 사이의 적어도 한 위치에 제2의 Q 스위치를 배치하면 자연 증폭광의 영향을 억제할 수 있다.

예를 들면, 제1의 Q 스위치는 도 1에 있어서의 13a, 13b 중 어느 하나를 배치하면 되며, 제2의 Q 스위치는 도 1에 있어서의 13c, 13d, 13e가 적어도 어느 하나를 배치하면 된다. 이 경우, 예를 들면 제1의 Q 스위치를 13a, 제2의 Q 스위치를 13d로 했을 때의 레이저 장치의 구성은 도 4가 된다. 도 4에 있어서, 제1의 Q 스위치(13a)와 제2의 Q 스위치(13d)의 제어는 상술한 제어와 동일하다.

또, 상기 실시 형태에서는 증폭단의 증폭기의 수를 3개로 하였으나, 증폭기의 수는 특별히 한정되는 것이 아니며, 1개 이상 있으면 본 실시 형태를 적용할 수 있다. 증폭기가 4개 이상 있으면, 적절히 증폭기 사이에 제2의 Q 스위치를 증설하면 된다. 물론, 모든 증폭기 사이에 제2의 Q 스위치를 삽입할 필요는 없으며, 제2 의 Q 스위치의 손실과 증폭기의 이득으로부터 적절히 필요수의 제2의 Q 스위치를 삽입하면 된다.

증폭기가 1개인 경우는 레이저 장치의 구성은 도 5와 같이 된다. 이 경우, 제2의 Q 스위치(13b)는 증폭기로부터 발생한 자연 증폭광이 레이저 발진기의 이득을 감소시키는 것을 방지하는 동시에, 레이저 발진기로부터 발생하는 자연 증폭광이 증폭기의 이득을 감소시키는 것을 방지하는 효과를 갖는다. 제1의 Q 스위치(13a)와 제2의 Q 스위치(13c)와의 제어는 상술한 제어와 동일하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 고이득 고에너지 레이저 발진기를 구비함으로써 τz가 τf에 비해 짧아진 경우로 하였으나, 예를 들면 발진기가 저이득이며 τz가 비교적 길더라도, 기계식 Q 스위치와 같이 구조상 τf가 τz보다 길어져 버리는 경우도, 본 발명을 적용하는 것은 유효하다. 본 발명을 적용한 경우의 발진단의 공진기 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화는 도 6에 나타낸 바와 같이 된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 펄스 레이저 파형은 발진단의 Q 스위치가 게이트 온 완료하기 전에 성장이 완료하고 있으나, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 소정의 시간, 발진단의 Q 스위치보다 진행하고 있으므로, 증폭단의 Q 스위치가 게이트 온을 완료한 후에 레이저 파형은 증폭단에 입사하게 된다. 따라서, 증폭단의 Q 스위치에서의 펄스 레이저광의 손실은 방지할 수 있다.

즉, 레이저 장치의 조건 설정이나 구조에 의해, 결과적으로 발진단의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하고 나서 펄스 레이저광이 발진기로부터 출력되기 시작할 때까지의 시간 τz가 증폭단의 Q 스위치의 폴 타임 τf에 비해 짧아진 경우에, 본 발명을 적용하는 것은 매우 유효하다.

실시 형태 2.

실시 형태 1에 있어서는 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 앞당기도록 제어하는 구성을 설명하였으나, 여기서는 게이트 오프의 타이밍에 대해 기술한다. 장치의 구성으로서는 도 1과 동일하므로, 적절히 도 1에 기재의 부호를 이용하여 설명한다.

증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)의 게이트 온 타임 이외의 사이에서는 인접하는 증폭기 또는 발진기의 레이저 매질(16)에 입사되는 자연 증폭광(17)은 억제되기 때문에, 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)의 게이트 온까지 레이저 이득은 충분히 성장한다. 게이트 온 이후는 자연 증폭광(17)이 인접하는 증폭기 또는 발진기의 레이저 매질(16)에 입사되고, 그 만큼 이득은 감소를 시작한다. 그러나, 레이저광에 대해 그 에너지는 낮고, 예를 들면 증폭 최종단 출구에서 50W 정도이며, 이득의 감소의 정도는 시간적으로 충분히 늦다. 이 때문에, 이득의 감소가 현저하게 되기 전에 게이트 오프함으로써, 자연 증폭광(17)에 대한 이득의 시간적인 변화는 Q 스위치의 게이트 온ㆍ오프 동작에 대해 거의 불감인 것으로 하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 오프 타이밍은 펄스 레이저광의 생성이 완료한 직후로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 타이밍으로 Q 스위치를 동작시킨 경우의 발진단의 Q 스위치 손실, 레이저 이득, 발진단으로부터 출력되는 펄스 레이 저 파형 및 증폭단의 Q 스위치 손실의 시간 변화를 도 7에 나타내었다. 도 7에 있어서의 T5, T6은 도 13과 동일한 시점을 나타내고 있으며, 펄스 레이저광의 성장이 완료한 시점을 T7, 증폭단의 Q 스위치가 닫히고 Q 스위치 손실이 상승하기 시작한 시점을 T8로 한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)는 펄스 레이저광(18)의 성장이 현저해지는 T6의 직전의 T5에서 게이트 온을 완료한다. 그리고, 펄스 레이저광(18)의 성장이 완료한 T7의 직후인 T8로부터 게이트 오프를 개시한다. 실시 형태 1에서도 기술한 바와 같이, T5와 T6의 관계는 이상적으로는 일치시키는 것이 바람직하나, 실제로는 폴 타임 τl이나 펄스 레이저광의 펄스폭 등의 격차를 고려하여, T5가 T6보다 약간 빨라지도록 설정하였다. T7과 T8의 관계도 동일하게, 격차를 고려하여 T8이 T7보다 약간 늦어지도록, 예를 들면 도 7에 나타낸 타이밍이 되도록, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타임을 적절히 설정하면 된다.

구체적으로는 펄스 레이저광의 폭 T6 ~ T7을 τw로 하면, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온을 개시하고 나서 게이트 오프를 개시할 때까지의 시간 T2 ~ T8은 τf + α + τw + β 이 된다. 여기서 α는 실시 형태 1에서 설정한 것이며, β도 τw나 τf의 격차의 정도를 고려하여 적절히 설정하면 되며, 물론 0이라도 상관없다.

상술한 바와 같이, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 오프를 펄스 레이저광의 성장이 완료한 직후로 함으로써, 실시 형태 1에 기재된 레이저 장치보다 더욱 자연 증폭광에 의한 증폭단 또는 발진단의 이득의 감소를 억제할 수 있고, 더욱 효율적으로 고에너지인 펄스 레이저광을 얻을 수 있다.

실시 형태 3.

실시 형태 1에서는 Q 스위치 제어부로부터 출력되는 제어 신호의 타이밍을 τl 늦춤으로써, 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 τl 앞당기는 구성으로 하였다. 본 실시 형태에 있어서의 레이저 장치는 기계적으로 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 τl 앞당기도록 조정하는 것이다.

본 실시 형태에 있어서의 레이저 장치의 전체의 개략은 도 1과 거의 동일하므로, 적절히 도 1의 부호를 이용하여 설명한다. 도 8은 본 실시 형태에 있어서 사용하는 A/O 소자로 이루어진 Q 스위치의 구성도이며, 도 1에 있어서의 Q 스위치(13a ~ 13e)에 대응한다. 도 8에 있어서, 고조파 변조 신호 발생기(11)로부터 출력된 고조파 변조 신호는 진동자(21)에 입력되고, 진동자(21)는 고주파로 진동한다. 진동자(21)에 접속된 석영 유리(20) 중에는 진동자(21)의 진동에 의해 초음파(23)가 발생하고, 도 8의 화살표로 나타낸 바와 같이 레이저광(18)에 거의 직교하는 방향으로 전송된다. 진동자(21) 및 석영 유리(20)는 초음파(23)가 전송하는 방향과 동일한 방향으로 평행 이동하는 기능을 가진 광학 스테이지 등의 위치 조정 수단(22)에 유지되어 있다. 이에 의해, 진동자(21) 및 석영 유리(20)의 위치를 초음파(23)가 전송하는 방향, 즉 레이저광(18)과 직교하는 방향으로 자유롭게 변화시킬 수 있다.

다음으로 동작에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는 Q 스위치 제어부(10)로부터 출력되는 Q 스위치 제어 신호 C1 ~ C5는 모두 동일한 타이밍으로 출 력된다. 또는 하나의 신호 C1을 각 고조파 변조 신호 발생기(11a ~ 11e)에 입력해도 된다. 이에 의해, 각 고조파 변조 신호 발생기(11a ~ 11e)는 동일한 타이밍으로 고조파 변조 신호를 발생한다.

그러나, 이대로는 증폭단의 Q 스위치와 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍이 동일해져 버리므로, Q 스위치의 위치 조정 수단(22)에 의해 증폭단의 Q 스위치의 위치와 발진단의 Q 스위치의 위치를 어긋나게 함으로써, 게이트 온의 타이밍을 늦추는 것이다. 도 9에 의해, Q 스위치의 위치를 어긋나게 함으로써 게이트 온의 타이밍을 늦추는 방법을 설명한다.

도 9는 Q 스위치를 레이저 광(18)의 광축을 따른 방향에서 본 도면이다. 도 9(a)는 발진단의 Q 스위치(13a, 13b)를 나타내며, (b)는 증폭단의 Q 스위치(13c, 13d, 13e)를 나타내고 있다. 진동자(21)에 의해 발생한 초음파(23)는 도 9의 화살표 방향으로 전달한다. 이 때, 초음파(23)는 유한의 속도를 가지고 있으므로, 초음파(23)가 진동자(21)로부터 레이저광(18)에 이르기까지 시간이 필요해진다. 도 9(a)에 있어서, 진동자(21)로부터 레이저광(18)까지의 거리를 Lo로 하고, 석영 유리(20) 중의 음속을 V로 하면, 진동자(21)로부터 레이저광(18)에 초음파(23)가 도달하는데 필요한 시간 τo는 τo = Lo / V 로 나타난다. 동일하게, 도 9(b)에 있어서, 진동자(21)로부터 레이저광(18)까지의 거리를 La로 하면, 진동자(21)로부터 레이저광(18)에 초음파(23)가 도달하는데 필요한 시간 τa는 τa = La / V 로 나타난다.

여기서, Q 스위치 제어부(10)로부터 Q 스위치 제어 신호가 출력되면 각 Q 스 위치의 진동자(21)는 동시에 진동을 개시하고, 진동자(21)로부터 동시에 초음파(23)의 전송이 개시된다. 따라서, 발진단의 Q 스위치의 Lo과, 증폭단의 Q 스위치의 La가 도 9와 같이 다르면, 초음파(23)가 레이저광(18)에 도달하는 시간이 달라 게이트 온의 타이밍이 어긋나게 된다. 본 발명에 있어서는 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 발진단의 게이트 온 타이밍보다 τl만큼 앞당기면 되므로, 도 9와 같이 La를 Lo에 비교하여 위치 조정 수단(22)에 의해 짧게 하면 된다. 구체적으로는 τo - τa = Lo / V - La / V = τl 이며, 실시 형태 1로부터 τl = τf - τz + α 이므로, Lo - La = (τf - τz + α)ㆍV = (τf - τz)ㆍV + γ(여기서 γ = αㆍV로 함) 가 되도록 Lo, La를 설정하면 된다.

이와 같이, Lo, La를 설정했을 때의 증폭단 Q 스위치의 손실과 발진단의 공진기 손실의 시간 변화는 도 10과 같이 된다. 여기서, Q 스위치 중의 레이저광(18)의 빔 지름을 R로 한다. 증폭단의 Q 스위치 손실은 Q 스위치 제어 신호가 출력되고 나서 τa( = La / V) 후에 Q 스위치가 게이트 온하여 하강이 시작된다. 폴 타임 τf는 레이저광(18)의 빔 지름을 초음파(23)가 횡단하는 시간이므로 R / V 로 나타난다. 따라서,τa + τf( = R / V) 후에 Q 스위치는 게이트 오프를 완료하고, Q 스위치 손실은 하강을 완료한다.

한편, 발진단의 공진기 손실은 Q 스위치 제어 신호가 출력되고 나서 τo( = Lo / V) 후에, Q 스위치가 게이트 온하여 하강이 시작된다. 폴 타임 τf는 증폭단과 동일하게 R / V로 나타난다. 따라서, τo + τf( = R / V) 후에 Q 스위치는 게이트 오프를 완료하고, 공진기 손실은 하강을 완료한다.

여기서, La와 Lo가 적절히 설정되어 있으면 τo - τa = τl 로 되며, 실시 형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이다. 또, τl은 수십 ns 의 레벨로 설정하면 되나, 예를 들면 50ns 로 설정한 경우, 석영 유리내의 음속 V는 약 6km/s 이므로, Lo와 La와의 차분은 0.3mm 로 설정하면 된다. 이 수치는 통상의 광학 스테이지에서 정밀하게 조정 가능한 레벨이며, 특히 고가인 조정 수단을 사용할 필요는 없다.

또, 상기에 있어서는 발진단의 Q 스위치와 증폭단의 Q 스위치 모두 조정 수단을 구비한 구성으로 하였으나, 상기 Lo와 La의 차분이 중요하므로, 발진단의 Q 스위치나 증폭단의 Q 스위치의 어느 한 쪽에만 조정 수단을 설치해도 원하는 위치 차이를 실현할 수 있고, 조정 수단의 수를 감소시킬 수 있다. 나아가서는 가공 조건이 항상 일정하기 때문에 Lo와 La의 차분(差分)이 항상 고정이어도 되는 것이면, 일절 조정 수단을 설치하지 않고 Lo와 La와의 차분이 원하는 값이 되도록 각 Q 스위치를 레이저 장치에 고정해도 된다.

따라서, 본 실시 형태에 있어서는 염가로 발진단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍보다 증폭단의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 소정 시간 앞당기도록 설정할 수 있는 것이다.

실시 형태 4.

도 11은 본 발명을 실시하기 위한 실시 형태 4에 있어서의 레이저 장치를 나타내는 구성도이다. 상술의 실시 형태에 있어서 레이저 매질은 임의의 것으로 하였으나, 본 실시 형태는 특히 레이저 매질로서 로드형(rod type)의 고체 레이저 매 질(이하, 간단히 로드라고도 함)을 이용한 것이다. 도 11에 나타낸 레이저 장치의 기본적인 구성은 실시 형태 1의 도 1과 동등하므로, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.

도 11에 있어서, 16a는 발진단의 로드형 고체 레이저 매질(16b, 16c, 16d)은 증폭단의 로드형 고체 레이저 매질이며, 19a ~ 19d는 로드형 고체 레이저 매질(16a ~ 16d)을 여기하기 위한 각 여기 광원이며, 여기광(30a ~ 30d)에 의해 레이저 매질을 여기한다. 고체 레이저 매질로서는 Nd:YAG 가 여기 광원으로서는 램프나 레이저 다이오드를 대표적으로 들 수 있다. 32는 로드 단부가 소손(燒損)하는 등의 결점을 방지를 위해 레이저광의 불필요한 부분을 차광하는 제한 어퍼쳐(aperture)이다. 실시 형태 1의 구성과 가장 차이가 나는 것은 증폭단의 Q 스위치가 1개밖에 구비되어 있지 않은 점이다. 증폭단의 Q 스위치는 증폭단의 최종 증폭기와 그 일단 상단측의 증폭기 사이의 Q 스위치(13e)만으로 하며, 도 1에 있어서의 Q 스위치(13c, 13d)를 삭제한 구성으로 되어 있다.

로드형 고체 레이저 매질에 있어서는 천이(遷移)에 비방사(非放射) 천이를 포함하기 때문에 발열은 원리적으로 떼어놓을 수 없다. 이 때문에, 로드 측면에 냉수를 흐르게 하는 등 하여 측면 냉각을 실시하고, 발열을 제거하는 것이 일반적이다. 이 경우, 라드 중에 발생한 열에너지는 로드의 측면에 설치된 냉각계를 향하여 흐르기 때문에, 로드 중심으로부터 냉각계를 향하여 방사 형상으로 흐르는 열류속(熱流束)이 발생한다. 이 때문에, 로드내에 온도 분포가 생겨 굴절율의 기울기가 발생한다. 통상은 이 굴절율의 기울기를 대칭으로 하기 때문에, 여기 광원(19a ~ 19d)을 로드의 중심축에 대해 대칭 배치한다. 이에 의해, 로드 중에 있어서는 로드의 중심축에 대해 동심원 형상의 온도 분포가 생기고, 이 효과로부터 굴절율의 기울기도 동심원 형상으로 되고, 로드는 레이저광에 대해 곡율이 정(正)의 두께 렌즈로서 동작한다. 도 11에 있어서는 로드의 한쪽으로부터만 여기광을 조사하고 있는 구성으로 되어 있으나, 실제는 로드의 주위로부터 대칭으로 여기광을 조사하고 있는 것으로 한다.

따라서, 레이저광(18)의 빔 프로파일은 도 12(a)에 나타낸 바와 같이 되고, 로드 중에서는 빔 지름이 커져서 로드 외에서는 빔 지름이 줄어들게 된다. 레이저광(18)은 발진단으로부터 출사된 것으로 집광 특성이 높으며, 도 12(a)에 나타낸 바와 같이 각 증폭기내의 빔 지름은 각각 거의 동일하고, 또 증폭기의 사이에서의 빔 지름도 각각 거의 동일한 상태로 된다.

한편, 자연 증폭광(17)의 빔 프로파일은 도 12(b)에 나타낸 바와 같이 된다. 자연 증폭광(17)은 공진에 의해 발생한 것이 아니므로 집광 특성이 매우 나쁘며, 예를 들면 레이저광(18)의 M2는 12(mmㆍmmd) 정도이지만, 자연 증폭광은 200(mmㆍmmd) 이상(측정 한계 이상)이다. 여기서 M2는 집광 특성을 나타내는 지표로서, SPIE Vo1.1414 "Laser Beam Diagnostics"(1991)에 자세하게 개시되어 있다.

따라서, 증폭단의 상단 쪽에서는 자연 증폭광(17)은 어퍼쳐(32b)에 의해 차폐되는 비율이 많으며 증폭기내에 입사하는 것은 적다. 그러나, 증폭단의 하단으로 갈수록, 각 증폭기의 로드의 렌즈 효과에 의해 자연 증폭광(17)은 집광 특성을 높일 수 있고, 예를 들면 증폭단의 최종단에서는 M2는 50(mmㆍmmd) 정도까지 양화(良 化)한다. 그 때문에, 최종 증폭단에서는 어퍼쳐로 차폐되는 자연 증폭광(17)이 감소하여, 증폭기내에 입사하는 자연 증폭광(17)이 증가한다.

따라서, 자연 증폭광(17)에 의한 이득의 감소는 증폭단의 최종 증폭기에서 현저하므로, 최종의 증폭단으로의 자연 증폭광(17)의 입사만을 억제하더라도, 자연 증폭광(17)의 억제 효과를 충분히 발휘할 수 있다. 따라서, 도 11에 나타내는 바와 같이 증폭단의 최종 증폭기와 그 일단 상단측의 증폭기 사이에만 Q 스위치(13e)를 설치해도 된다.

실시 형태 1에 있어서, 증폭기가 3개로 적은 경우나 증폭기의 이득이 높지 않은 경우는 증폭단에 적어도 1개의 제2의 Q 스위치를 배치하면 된다고 하였으나, 증폭기가 많은 경우나 증폭기의 이득이 높은 경우라도 레이저 매질이 로드이면, 본 실시 형태와 같이 증폭단에 제2의 Q 스위치를 1개 배치해도 유효하다.

상술한 구성에 의해, 실시 형태 1과 동일하게 레이저광(18)의 출력 저하가 개선되는 것이 확인되고 있으며, 또 증폭기 사이에 배치하는 Q 스위치수를 줄이는 것이 가능해져, 레이저 장치에 있어서의 비용 감소가 가능하게 된다.

본 발명에 관한 레이저 장치는 특히 고이득 고에너지인 레이저 발진기를 구비한 MOPA 구성의 레이저 장치에 사용함으로써 효과가 현저하게 된다.

Claims (13)

1. 공진기내에 제1의 Q 스위치를 구비하고, 상기 Q 스위치를 게이트 온ㆍ오프함으로써 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 발진기와,

   상기 레이저 발진기로부터 출력된 펄스 레이저광을 증폭하기 위해, 상기 펄스 레이저광의 광축을 따라 배치된 단수 또는 복수의 증폭기와,

   상기 발진기와 상기 증폭기와의 사이 또는 상기 증폭기 사이의 적어도 한 위치에 배치된 제2의 Q 스위치와,

   상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하는 것보다 미리 결정된 시간 빨리 상기 제2의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하도록 상기 제1 및 제2의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 조정하는 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
2. 공진기내에 제1의 Q 스위치를 구비하고, 상기 Q 스위치를 게이트 온ㆍ오프함으로써 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 발진기와,

   상기 레이저 발진기로부터 출력된 펄스 레이저광을 증폭하기 위해, 상기 펄스 레이저광의 광축을 따라 배치된 단수 또는 복수의 증폭기와,

   상기 발진기와 상기 증폭기와의 사이 또는 상기 증폭기 사이의 적어도 한 위치에 배치된 제2의 Q 스위치와,

   상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하고 나서 상기 레이저 발진기로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작하기까지의 시간보다, 상기 제2의 Q 스위치의 폴 타임(fall time)이 짧은 경우 상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하는 것보다 미리 결정된 시간 빨리 상기 제2의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하도록 상기 제1 및 제2의 Q 스위치의 게이트 온 타이밍을 조정하는 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제2의 Q 스위치의 폴 타임을 τf로 하고, 제1의 Q 스위치가 게이트 온 개시하고 나서 상기 레이저 발진기로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작할 때까지의 시간을 τz로 했을 때에,

   상기 미리 결정된 시간을 τf - τz 이상으로 설정한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1 및 제2의 Q 스위치는 A/O 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 조정 수단은

   상기 제1의 Q 스위치의 게이트 온을 지시하는 제어 신호보다 미리 결정된 시간 빨리 제2의 Q 스위치의 게이트 온을 지시하는 제어 신호를 출력하는 Q 스위치 제어부인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 조정 수단은

   상기 제1의 Q 스위치에 있어서의 A/O 소자의 진동자와 A/O 소자내를 투과하는 펄스 레이저광의 광축과의 거리를, 제2의 Q 스위치에 있어서의 A/O 소자의 진동자와 A/O 소자내를 투과하는 펄스 레이저광의 광축과의 거리보다 미리 결정된 거리 길어지도록 각 Q 스위치를 배치하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
7. 제6항에 있어서,

   제 2의 Q 스위치의 폴 타임을 τf로 하고, 제1의 Q 스위치가 게이트 온 개시하고 나서 상기 레이저 발진기로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작할 때까지의 시간을 τz로 하고, A/O 소자내의 음속을 V로 했을 때에,

   상기 미리 결정된 거리를 (τf - τz)ㆍV 이상으로 설정한 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 조정 수단은

   A/O 소자중의 음파의 전송 방향과 동일 방향으로 A/O 소자를 평행 이동하는 위치 조정 수단에 의해 각 Q 스위치의 배치를 조정하는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
9. 제4항에 있어서,

   상기 레이저 발진기는 공진기 1 왕복당의 이득이 2.8 이상이며,

   A/O 소자 1 개당의 회절 효율이 30% 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 제2의 Q 스위치는 상기 레이저 발진기로부터의 펄스 레이저광의 출력이 완료한 직후에 게이트 오프를 개시하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 레이저 발진기는 로드(rod)형 고체 레이저 매질(媒質)을 여기(勵起)함으로써 발진하는 것으로, 상기 증폭기를 2개 이상 구비하고,

    상기 제2의 Q 스위치는 최종단의 증폭기와 그 하나 바로 앞의 증폭기와의 사이에만 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
12. 레이저 발진기와 단수 또는 복수의 증폭기를 구비한 레이저 장치의 제어 방법에 있어서,

    레이저 발진기의 공진기내에 설치된 제1의 Q 스위치를 게이트 온하여 펄스 레이저광을 출력하는 공정과,

    상기 발진기와 상기 증폭기와의 사이 또는 상기 증폭기 사이의 적어도 한 위치에 배치된 제2의 Q 스위치의 폴 타임이, 상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온을 개시하고 나서 상기 레이저 발진기로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작할 때까지의 시간보다 짧은 경우, 상기 제2의 Q 스위치를 상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온하는 것보다 미리 결정된 시간 빨리 게이트 온하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 장치의 제어 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제2의 Q 스위치의 폴 타임을 τf로 하고, 상기 제1의 Q 스위치가 게이트 온 개시하고 나서 상기 레이저 발진기로부터 펄스 레이저광이 출력되기 시작할 때까지의 시간을 τz로 했을 때에, 상기 미리 결정된 시간을 τf - τz 이상으로 설정한 것을 특징으로 하는 레이저 장치의 제어 방법.

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