KR20190093553A - 레이저 장치 및 파형 제어 방법 - Google Patents

레이저 장치 및 파형 제어 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 장치(1)는, 광 증폭부(12)로의 종광(L1)을 출력하는 출력부(11)를 갖춘 레이저 장치로서, 출력부(11)는, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광(L1)으로서 출력하는 광원부(14)와, 광원부(14)로부터 출력되는 종광(L1)의 강도 시간 파형을 제어하는 종광 제어부(13)를 가진다.

Description

레이저 장치 및 파형 제어 방법
본 형태는, 레이저 장치 및 파형 제어 방법에 관한 것이다.
근년, 레이저 장치의 대출력화가 진행되어, 1 펄스당 에너지가 100 J을 초과하고 또한 일정한 반복 주파수를 가지는 대출력 레이저가 개발되어 왔다. 대출력 레이저의 응용 기술의 하나로서, 예를 들면 레이저 피닝(Laser Peening)이라고 불리는 레이저 가공 방법이 있다. 레이저 피닝은, 펄스 레이저를 금속 등의 피가공물의 표면에 조사하여 금속 표면에 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 압력에 의해 생긴 충격파로 금속을 소성변형(plastic deformation)시키는 것이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
대출력 레이저의 응용에 있어서는, 출력되는 펄스의 강도 시간 파형으로 제어하는 것이 요구된다. 예를 들면 레이저 피닝에 있어서는, 펄스의 강도 시간 파형에 의해 피가공물의 표면에서 생기는 충격파의 상태가 변화하는 것을 생각할 수 있다. 펄스의 강도 시간 파형을 제어하는 기술로서, 예를 들면 특허문헌 2, 3 및 비특허문헌 1에서는, 광 증폭부에 의한 강도 시간 파형의 왜곡이 상쇄되도록, 광 증폭부에 입력되는 광(종광(種光))의 강도 시간 파형 혹은 광 증폭부의 이득 특성의 제어가 이루어지고 있다.
[특허문헌 1] 일본 특개소 58-207321호 공보 [특허문헌 2] 일본 특공평 7-95607호 공보 [특허문헌 3] 일본 특개평 7-335960호 공보
[비특허문헌 1] S. Banerjee, et al, "100 J-level nanosecond pulsed diode pumped solid state laser", Optics Letters, Vol. 41, No.9, May 1, 2016
종광(種光)이 입력되는 광 증폭부는, 파장에 대한 이득 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 일반적으로는, 이득이 피크가 되는 파장을 가지는 종광이 광 증폭부에 입력된다. 그렇지만, 이러한 수법에서는, 종광의 성분 중, 시간적으로 먼저 전반(傳般)하는 성분이 높은 이득에 의해 크게 증폭되게 된다. 광 증폭부에서 높은 이득으로 증폭이 이루어진 후, 단시간 사이에 동등한 이득으로 증폭 가능한 에너지를 축적시키는 것은 곤란하다. 따라서, 시간적으로 뒤에 전반하는 성분은, 시간적으로 먼저 전반하는 성분에 비해 작은 이득 밖에 얻지 못하며, 광 증폭부에서 출력되는 증폭광의 강도 시간 파형이 종광의 강도 시간 파형에 대해 크게 왜곡되어 버리는 문제가 생긴다. 특히, 광 증폭기에 의해 높은 증폭도로 종광의 강도를 증폭시키는 경우에는, 증폭광의 강도 시간 파형의 왜곡이 현저해진다. 상술한 특허문헌 2, 3 및 비특허문헌 1의 수법에서는, 비교적 단순한 강도 시간 파형의 제어는 가능하지만, 높은 증폭도로 종광을 증폭시키는 경우에는, 얻을 수 있는 증폭광의 강도 시간 파형의 제어가 불충분해질 우려가 있다.
본 형태는, 상기 과제의 해결을 위해 이루어진 것으로, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가진 증폭광을 얻는 것이 가능한 레이저 장치, 및 파형 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 형태의 일측면에 따른 레이저 장치는, 광 증폭부로의 종광을 출력하는 출력부를 갖춘 레이저 장치에 있어서, 출력부는, 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 출력하는 광원부와, 광원부로부터 출력되는 종광의 강도 시간 파형을 제어하는 종광 제어부를 가진다.
이 레이저 장치에서는, 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 출력한다. 복수의 파장의 광을 포함한 종광의 강도 시간 파형을 제어 함으로써, 종광의 성분 중, 광 증폭부의 이득의 피크에서 벗어난 파장의 광을 시간적으로 먼저 광 증폭부에 입력시킬 수 있다. 또한, 종광의 성분 중, 광 증폭부의 이득의 피크 혹은 피크 근방의 파장의 광을 시간적으로 뒤에 광 증폭부에 입력시킬 수 있다. 시간적으로 먼저 전반하는 성분과 시간적으로 뒤에 전반하는 성분의 파장을 다르게 함으로써, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 광 증폭부로 입력되었을 때에 광 증폭부의 이득이 손실되는 문제가 해소되기 때문에, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가지는 증폭광을 얻는 것이 가능해진다.
또한, 레이저 장치는, 출력부에서 출력되는 종광의 강도를 증폭시키는 광 증폭부를 더 갖추어도 무방하다. 이 경우, 종광 제어부에서 임의의 형상(形狀)의 강도 시간 파형으로 제어한 종광을 높은 증폭도로 증폭할 수 있다.
또한, 광원부는, 종광에 포함되는 각 파장의 광을 각각 출력하는 복수의 광원과, 복수의 광원으로부터 출력된 광을 합파(合波)하여 종광을 생성하는 하나 또는 복수의 합파부로 구성되어도 무방하다. 이에 따라, 간단한 구성으로 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 생성할 수 있다.
또한, 광원은, 반도체 레이저이고, 종광 제어부는, 반도체 레이저의 온도를 제어하는 온도 제어 소자를 포함하고 있어도 무방하다. 이 경우, 종광의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
또한, 광원은, 고체 레이저이고, 종광 제어부는, 고체 레이저의 공진기를 구성하는 출력 미러를 포함하고 있어도 무방하다. 이 경우, 종광의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
또한, 광원은, 파이버 레이저이고, 종광 제어부는, 파이버 레이저의 공진기를 구성하는 회절 격자를 포함하고 있어도 무방하다. 이 경우, 종광의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
또한, 광원은, 주입(注入) 동기형 Q 스위치 레이저이고, 종광 제어부는, 주입 동기형 Q 스위치 레이저의 발진에 이용하는 종(種) 레이저의 온도를 제어하는 온도 제어 소자를 포함하고 있어도 무방하다. 이 경우, 종광의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
또한, 광원부는, 종광에 포함되는 복수의 파장의 광을 출력하는 단일의 광원으로 구성되어도 무방하다. 이에 따라, 간단한 구성으로 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 생성할 수 있다.
또한, 광원은, 모드 동기 레이저이고, 종광 제어부는, 모드 동기 레이저의 발진 스펙트럼의 일부를 취출(取出)하는 밴드 패스 필터를 포함하고 있어도 무방하다. 이 경우, 종광의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
또한, 본 형태의 일측면에 따른 파형 제어 방법은, 광 증폭부로의 종광의 파형을 제어하는 파형 제어 방법으로서, 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 출력하는 단계와, 종광의 강도 시간 파형을 제어하는 단계를 갖춘다.
이 파형 제어 방법에서는, 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광으로서 출력한다. 복수의 파장의 광을 포함한 종광의 강도 시간 파형을 제어 함으로써, 종광의 성분 중, 광 증폭부의 이득의 피크에서 벗어난 파장의 광을 시간적으로 먼저 광 증폭부에 입력시킬 수 있다. 또한, 종광의 성분 중, 광 증폭부의 이득의 피크 혹은 피크 근방의 파장의 광을 시간적으로 뒤에 광 증폭부에 입력시킬 수 있다. 시간적으로 먼저 전반하는 성분과 시간적으로 뒤에 전반하는 성분의 파장을 다르게 함으로써, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 광 증폭부에 입력되었을 때에 광 증폭부의 이득이 손실되는 문제가 해소되기 때문에, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가지는 증폭광을 얻는 것이 가능해진다.
본 형태에 의하면, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가지는 증폭광을 얻는 것이 가능해진다.
[도 1] 레이저 장치의 일실시 형태를 나타내는 블록도이다.
[도 2] 증폭기의 이득 특성과 종광에 포함되는 광의 파장과의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 3] (a)는 종광의 강도 시간 파형의 일례를 나타내는 도면이고, (b)는 종광을 증폭해 얻어진 증폭광의 강도 시간 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 4] 출력부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 5] 광원의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 6] 광 증폭부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 7] 도 1에 도시한 레이저 장치의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
[도 8] (a) 및 (b)는, 파형 제어의 비교예를 나타내는 도면이다.
[도 9] (a) 및 (b)는, 파형 제어의 실시예를 나타내는 도면이다.
[도 10] 광원의 구성의 변형예를 나타내는 도면이다.
[도 11] 광원의 구성의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
[도 12] 광원의 구성의 또 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
[도 13] 광원의 구성의 또 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 형태의 일측면에 따른 레이저 장치 및 파형 제어 방법의 바람직한 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
[레이저 장치의 개략 및 전체 구성]
도 1은, 레이저 장치의 일실시 형태를 나타내는 블록도이다. 동 도에 도시한 것처럼, 레이저 장치(1)는, 출력부(11)와, 광 증폭부(12)와, 종광 제어부(13)를 갖추어 구성되어 있다. 이 레이저 장치(1)는, 출력부(11)에서 출력되는 종광(L1)을 광 증폭부(12)로 증폭해서 증폭광(L2)을 출력하는 대출력 레이저 장치이다. 레이저 장치(1)는, 예를 들면 레이저 피닝과 같은 레이저 가공 기술에 이용된다. 레이저 장치(1)는, 예를 들면 1 펄스당 에너지가 1n J에 못 미치는 종광(L1)을 100 J 이상으로 증폭하고 또한 0.1 Hz 정도의 반복 주파수로 출력하는 것이 가능하다.
이 레이저 장치(1)에서는, 광 증폭부(12)에 입력되는 종광(L1)의 강도 시간 파형에 대한 증폭광(L2)의 강도 시간 파형의 왜곡의 억제를 위해, 종광(L1)의 강도 시간 파형의 제어가 실행된다. 보다 구체적으로는, 레이저 장치(1)에서는, 도 2에 도시한 것처럼, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광에 의해 종광(L1)이 생성된다. 도 2에 도시한 예에서는, 광 증폭부(12)의 이득의 피크에 근접한 파장부터 순서대로, λ1, λ2, λ3, λ4의 4개 파장의 광이 종광(L1)의 생성에 이용되고 있다.
도 3(a)는, 종광의 강도 시간 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도의 예에서는, 종광(L1)의 강도 시간 파형은, 전체적으로 구형상(矩形狀)을 이루고, 시간적으로 먼저 전반하는 성분의 강도가 시간적으로 뒤에 전반하는 성분의 강도 보다 낮게 되어 있다. 또한, 종광(L1)의 강도 시간 파형은, 종광(L1)에 포함된 4개 파장의 광에 의해 시간적으로 4개로 구분되어 있다. 여기서는, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 광 증폭부(12)의 이득의 피크에서 먼 파장의 광에 의해 λ4, λ3의 순서로 구성되고, 시간적으로 뒤에 전반하는 성분이 광 증폭부(12)의 이득의 피크에 가까운 파장의 광에 의해 λ2, λ1의 순서로 구성되어 있다.
도 3(b)는, 종광을 증폭해 얻어진 증폭광의 강도 시간 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3(a)에 도시한 종광(L1)을 광 증폭부(12)에 입력하는 경우, 종광(L1)의 성분 중, 광 증폭부(12)의 이득의 피크에서 벗어난 파장 λ4, λ3의 광이 시간적으로 먼저 광 증폭부(12)에 입력되고, 광 증폭부(12)의 이득의 피크 혹은 피크 근방의 파장 λ2, λ1의 광이 시간적으로 뒤에 광 증폭부(12)에 입력되게 된다. 이와 같이, 시간적으로 먼저 전반하는 성분과 시간적으로 뒤에 전반하는 성분의 파장을 다르게 함으로써, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 광 증폭부(12)에 입력되었을 때에 광 증폭부(12)의 이득이 손실되는 문제가 해소된다. 광 증폭부(12)에 의한 증폭도에 따라 종광(L1)에 포함되는 개개의 파장 성분의 강도, 시간 폭, 타이밍 등을 독립해 제어 함으로써, 도 3(b)에 도시한 예와 같이, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형에 왜곡이 생기는 것을 큰 폭으로 저감할 수 있어, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가지는 증폭광(L2)을 얻는 것이 가능해진다.
이하, 상술한 파형 제어를 실행하는 레이저 장치(1)의 각 구성 요건에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시한 것처럼, 출력부(11)는, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광(L1)으로서 출력하는 부분이며, 광원부(14)를 가지고 있다. 광원부(14)는, 도 4에 도시한 것처럼, 종광(L1)에 포함되는 각 파장의 광을 각각 출력하는 복수(여기서는 4개)의 광원(21)과, 하나 또는 복수의 커플러(합파부)(22)로 구성되어 있다. 커플러(22)는, 예를 들면 1:1 커플러이다.
광원(21)은, 도 5에 도시한 것처럼, 예를 들면 분포 귀환형의 반도체 레이저(23)이다. 광원(21)의 각각으로부터 출력되는 광의 강도 및 타이밍은, 종광 제어부(13)로부터의 제어 신호에 근거해 제어된다. 또한, 광원(21)의 각각으로부터 출력되는 광의 파장의 제어와 관련하여, 각 광원(21)에는, 펠티에(peltier) 소자(온도 제어 소자)(24)가 장착되어 있다. 펠티에 소자(24)는, 광원부(14)로부터 출력되는 종광(L1)의 강도 시간 파형을 제어하는 종광 제어부(13)의 일부를 구성한다. 펠티에 소자(24)의 동작은, 종광 제어부(13)로부터의 제어 신호에 근거해 제어된다.
광원(21)으로서 반도체 레이저(23)를 이용하는 경우, 반도체 레이저(23)에서 출력되는 광의 파장은, 온도 의존성을 가진다. 따라서, 펠티에 소자(24)로 반도체 레이저(23)의 온도를 제어 함으로써, 반도체 레이저(23)로부터 출력되는 광의 파장을 제어할 수 있다. 실온(25 ℃)에서의 반도체 레이저(23)로부터의 출력 파장은, 약 1064.9 nm이며, 온도 변화 1 ℃당 파장 변화량은, 약 0.15 nm이다. 펠티에 소자(24)에 의해 온도 제어된 각 광원(21)으로부터의 광을 커플러(22)에 의해 합파(合波) 함으로써, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광이 출력부(11)로부터 출력된다.
광 증폭부(12)는, 출력부(11)에서 출력되는 종광(L1)의 강도를 증폭시키는 부분으로서, 일단 또는 다단의 광 증폭기를 갖추어 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 도 6에 도시한 것처럼, 광 증폭부(12)는, 광 파이버 증폭기(31)와, 고체 증폭기(32)와, 광 파이버의 여기용(勵起用) 광원(미도시)을 가지고 있다. 광 파이버 증폭기(31)는, 예를 들면 광 파이버의 코어의 적어도 일부에 Yb(이테르븀) 등의 희토류 원소를 이득 매질로서 첨가한 것이다. 광 파이버 증폭기(31)의 전후에는, 아이솔레이터(isolator)(33)가 광학적으로 접속되어 있다. 또한, 후단의 아이솔레이터(33)의 후단에는, 고체 증폭기(32)의 이득 특성에 따른 투과 대역을 가지는 밴드 패스 필터(34)가 광학적으로 접속되어 있다. 밴드 패스 필터(34)를 통과한 광은, 커넥터(35)로부터 출사하고, 콜리메이터 렌즈(36)에 의해 평행광화(平行光化) 되어 고체 증폭기(32)측으로 입사한다.
고체 증폭기(32)는, 예를 들면 Nd 등의 희토류 원소를 첨가한 글래스, 혹은 Nd 등의 희토류 원소를 첨가한 YAG를 이득 매질로서 가진다. 고체 증폭기(32)의 전후에는, 광 파이버 증폭기(31)와 마찬가지로, 아이솔레이터(37)가 광학적으로 접속되어 있다. 또한, 고체 증폭기(32)의 전후에는, 상기 고체 증폭기(32)에 의한 다중 회 증폭을 실시하기 위한 루프 광학계(38)가 설치되고 있다. 루프 광학계(38)는, 예를 들면 한 쌍의 편광 빔 분할기(39, 39), 한 쌍의 미러(40, 40), 전기 광학 변조기(41), 및 λ/2 파장판(42)를 포함해 구성되어 있다. 광 파이버 증폭기(31)로부터 고체 증폭기(32)로 입사한 광은, 고체 증폭기(32) 및 루프 광학계(38)의 협동에 의해 다중 회 증폭되고, 증폭광(L2)이 되어 레이저 장치(1)에서 외부로 출력된다.
증폭광(L2)의 일부는, 도 1에 도시한 것처럼, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형의 모니터링을 위해, 미러(16)에 의해 광 검출부(17)로 도광(道光)된다. 광 검출부(17)로서는, 예를 들면 포토다이오드, 바이플래너 광전관(biplanar photo tube) 등이 이용된다. 광 검출부(17)는, 증폭광(L2)의 일부를 검출하여, 검출 결과 정보를 종광 제어부(13)로 출력한다.
종광 제어부(13)는, 광원부(14)에서 출력되는 종광(L1)의 강도 시간 파형을 제어하는 부분이다. 종광 제어부(13)는, 물리적으로는, RAM, ROM 등의 메모리, 및 CPU 등의 프로세서(연산 회로), 통신 인터페이스, 하드 디스크 등의 격납부, 디스플레이 등의 표시부를 갖추어 구성된 컴퓨터이다. 이러한 컴퓨터로서는, 예를 들면 퍼스널 컴퓨터, 클라우드 서버, 스마트 디바이스(스마트 폰, 태블릿 단말 등) 등을 들 수 있다. 컴퓨터는, 메모리에 격납된 프로그램을 CPU로 실행 함으로써, 종광(L1)의 강도 시간 파형을 제어하는 기능을 실행한다.
보다 구체적으로는, 종광 제어부(13)는, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형의 목표 설정의 입력을 접수하고, 입력된 목표 설정(이하, 설정되는 파형을 「목표 파형」이라고 칭한다)에 근거해, 종광(L1)의 강도 시간 파형 및 파장 구분을 설정한다(도 3(a) 참조). 또한, 종광 제어부(13)는, 광 검출부(17)로부터 출력되는 검출 결과 정보를 수취하고, 검출 결과 정보에 근거해, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형이 목표의 강도 시간 파형에 근접하도록 광원부(14)로 제어 신호를 출력하여, 각 광원(21)의 각각에서 출력되는 광의 강도, 타이밍, 및 파장을 제어한다.
[레이저 장치의 동작]
다음으로, 레이저 장치(1)의 동작에 대해 설명한다. 도 7은, 레이저 장치의 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 동 도에 도시한 것처럼, 레이저 장치(1)에서는, 우선, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형의 목표 설정이 이루어진다(단계(S01)). 다음으로, 증폭광(L2)의 목표 파형에 근거하여, 종광(L1)의 강도 시간 파형 및 파장 구분을 설정한다(단계(S02)). 종광(L1)의 강도 시간 파형은, 예를 들면 증폭광(L2)의 목표 파형의 상사형(相似形)이 되도록 설정된다. 또한, 종광(L1)의 파장 구분은 임의로 설정 가능하지만, 일례로서, 설정된 종광(L1)의 강도 시간 파형의 변곡점에 근거하여, 광 증폭부(12)의 이득의 피크에서 먼 파장일수록 시간적으로 앞이 되도록 설정된다. 또한, 도 3(a)에 도시한 예에서는, 종광(L1)의 파장 구분끼리 서로 중복하고 있지 않지만, 각 파장 구분끼리 일부 중복시키도록 해도 무방하다.
종광(L1)의 설정 후, 출력부(11)로부터 종광(L1)이 출력됨과 동시에, 광 증폭부(12)로부터 출력된 증폭광(L2)의 일부가 광 검출부(17)에 의해 검출된다(단계(S03)). 초기 상태에서는, 종광(L1)을 구성하는 각 광원(21)의 광의 파장을 모두 광 증폭부(12)의 이득의 피크에 일치시켜 두어도 무방하다. 다음으로, 검출된 증폭광(L2)의 강도 시간 파형이 목표 설정을 만족하는지 여부가 판단된다(단계(S04)). 상기 판단은, 예를 들면 종광 제어부(13)에서, 증폭광(L2)의 목표 파형과 모니터 중의 강도 시간 파형을 각각 규격화 하여, 이들 사이의 오차의 임계치에 근거해 실행된다.
단계(S04)에서, 검출된 증폭광(L2)의 강도 시간 파형이 목표 설정을 만족하지 않는다고 판단된 경우, 종광(L1)의 강도 시간 파형이 제어된다(단계(S05)). 즉, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형이 목표인 강도 시간 파형에 근접해지도록 광원부(14)로 제어 신호가 출력되고, 각 광원(21)의 각각으로부터 출력되는 광의 강도, 타이밍, 및 파장이 제어된다. 단계(S04)에서, 검출된 증폭광(L2)의 강도 시간 파형이 목표 설정을 만족한다고 판단된 경우, 파형 제어 처리가 종료된다.
[파형 제어의 구체적인 예]
계속해서, 종광(L1)의 파형 제어의 구체적인 예에 대해 설명한다. 도 8은, 파형 제어의 비교예를 나타내는 도면이다. 비교예에서는, 광원(21)으로서 단체(單體)의 반도체 레이저(23)를 이용하고, 광 증폭부(12)의 이득의 피크가 1064.2 nm인데 반해, 발진 파장 λA가 1064.2 nm가 되도록, 펠티에 소자(24)에 의한 반도체 레이저(23)의 온도 제어를 실시하였다. 즉, 비교예에서는, λA의 단일 파장에 의해 종광(L1)을 생성하였다. 종광(L1)의 1 펄스당 에너지는, 2.8n J로 하였다. 종광(L1)의 강도 시간 파형은, 도 8(a)에 도시한 대로이며, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 강도가 비교적 낮은 구형상(矩形狀)을 이루고, 시간적으로 뒤에 전반하는 성분이 비교적 강도가 높은 가우시안 형상을 이루고 있다.
도 8(b)는, 비교 예의 종광(L1)을 광 증폭부(12)로 증폭한 증폭광(L2)의 강도 시간 파형을 나타내는 도면이다. 증폭도는, 약 5.8×108이며, 증폭광(L2)의 1 펄스당 에너지는, 약 1.6 J이 되었다. 한편, 비교예에서는, 단일의 파장 λA로 종광(L1)을 생성하고 있기 때문에, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 높은 이득에 의해 크게 증폭되어, 시간적으로 뒤에 전반하는 성분이 시간적으로 먼저 전반하는 성분에 비해 작은 이득 밖에 얻을 수 없다고 하는 문제가 발생하였다. 이 때문에, 종광(L1)의 강도 시간 파형에서는 구형상을 이루고 있던 부분이, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형에서는 급격한 피크를 그리듯이 크게 왜곡되어 버리는 결과가 되었다.
도 9는, 파형 제어의 실시예를 나타내는 도면이다. 실시예에서는, 광원(21)으로서 2개의 반도체 레이저(23)를 이용하고, 광 증폭부(12)의 이득의 피크가 1064.2 nm인데 반해, 일방(一方)의 발진 파장 λB가 1064.5 nm, 타방(他方)의 발진 파장 λC가 1063.9 nm가 되도록, 펠티에 소자(24)에 의한 반도체 레이저(23)의 온도 제어를 실시하였다. 종광(L1)의 1 펄스당 에너지는, 비교예와 마찬가지로, 2.8n J로 하였다. 종광(L1)의 강도 시간 파형은, 도 9(a)에 도시한 것처럼, 비교예와 마찬가지의 형상을 이루고 있지만, 시간적으로 먼저 전반하는 구형상의 부분이 파장 λB의 광으로 생성되고, 시간적으로 뒤에 전반하는 가우시안 형상의 부분이 파장 λC의 광으로 생성되고 있는 점에서 비교예와 다르다.
도 9(b)는, 실시예의 종광(L1)을 광 증폭부(12)로 증폭한 증폭광(L2)의 강도 시간 파형을 나타내는 도면이다. 증폭도는, 약 5.0×108이며, 증폭광(L2)의 1 펄스당 에너지는, 약 1.4 J이 되었다. 실시예에서는, 광 증폭부(12)의 이득의 피크에서 벗어난 파장 λB의 광이 시간적으로 먼저 광 증폭부(12)에 입력되고, 파장 λB와는 다른 파장 λC의 광이 시간적으로 뒤에 광 증폭부(12)에 입력된다. 이와 같이, 시간적으로 먼저 전반하는 성분과 시간적으로 뒤에 전반하는 성분의 파장을 다르게 함으로써, 시간적으로 먼저 전반하는 성분이 광 증폭부(12)에 입력되었을 때에 광 증폭부(12)의 이득이 손실되는 문제가 해소된다. 이에 따라, 증폭광(L2)의 강도 시간 파형의 왜곡이 비교예에 비해 크게 개선되고, 종광(L1)의 강도 시간 파형과 대략 동등한 형상의 강도 시간 파형을 가지는 증폭광(L2)을 얻을 수 있다.
이상과 같이, 레이저 장치(1)에서는, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광(L1)으로서 출력하여, 상기 종광(L1)의 강도 시간 파형을 제어한다. 이에 따라, 높은 증폭도로 증폭을 실시하는 경우에도 소망하는 강도 시간 파형을 가지는 증폭광(L2)을 얻는 것이 가능해진다. 본 실시 형태에서는, 레이저 장치(1)가 출력부(11)에서 출력되는 종광(L1)의 강도를 증폭시키는 광 증폭부(12)를 갖추고 있다. 이에 따라, 종광 제어부(13)에서 임의의 형상의 강도 시간 파형으로 제어한 종광을 광 증폭부(12)에 의해 높은 증폭도로 증폭할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 종광(L1)에 포함되는 각 파장의 광을 각각 출력하는 복수의 광원(21)과, 복수의 광원(21)으로부터 출력된 광을 합파하여 종광(L1)을 생성하는 하나 또는 복수의 커플러(22)에 의해 광원부(14)가 구성되어 있다. 이에 따라, 간단한 구성으로 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광(L1)으로서 생성할 수 있다. 게다가, 본 실시 형태에서는, 광원(21)은, 반도체 레이저(23)이고, 종광 제어부(13)는, 반도체 레이저(23)의 온도를 제어하는 펠티에 소자(24)를 포함하고 있다. 이에 따라, 종광(L1)의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
[변형예]
본 형태는, 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 실시 형태에서는, 광 파이버 증폭기(31)와 고체 증폭기(32)를 조합해 광 증폭부(12)를 구성하고 있지만, 복수의 고체 증폭기(32)를 조합해 광 증폭부(12)를 구성해도 무방하다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 광원부를 구성하는 복수의 광원(21)으로서 반도체 레이저(23)를 예시했으나, 광원(21)은, 이것으로 한정되지는 않는다.
광원(21)은, 예를 들면 도 10에 도시한 것처럼, 이득 매질(52)을 공진기 미러(53, 53) 사이에 둔 공진기(54)를 가지는 고체 레이저(51)여도 무방하다(여기용 광원은 미도시). 이 경우, 레이저광의 출력측이 되는 공진기 미러(53)는, 종광 제어부(13)의 일부를 구성한다. 이 출력측의 공진기 미러(53)의 투과율의 파장 의존성을 광원(21) 마다 다르게 함으로써, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내에서 서로 다른 파장의 레이저광을 각 광원(21)으로부터 출력시킬 수 있다. 고체 레이저(51)의 후단에는, 전기 광학 변조기 혹은 음향 광학 변조기와 같은 변조기가 배치되고, 출력된 레이저광이 펄스화 된다.
또한, 광원(21)은, 예를 들면 도 11에 도시한 것처럼, 공진기(63)를 구성하는 한 쌍의 회절 격자(62, 62)를 가지는 파이버 레이저(61)여도 무방하다(여기용 광원은 미도시). 이 경우, 레이저광의 출력측이 되는 회절 격자(62)는, 종광 제어부(13)의 일부를 구성한다. 이 출력측의 회절 격자(62)의 투과율의 파장 의존성을 광원(21) 마다 다르게 함으로써, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내에서 서로 다른 파장의 레이저광을 각 광원(21)으로부터 출력시킬 수 있다. 파이버 레이저(61)의 후단에는, 전기 광학 변조기 혹은 음향 광학 변조기와 같은 변조기(64)가 배치되고, 출력된 레이저광이 펄스화 된다.
또한, 광원(21)은, 예를 들면 도 12에 도시한 것처럼, 주입 동기형 Q 스위치 레이저(71)여도 무방하다(여기용 광원은 미도시). 주입 동기형 Q 스위치 레이저(71)는, 예를 들면 이득 매질(72), 전기 광학 소자(73), 및 편광자(74)를 공진기 미러(75, 75) 사이에 둔 공진기(76)를 가지고 있다. 또한, 공진기(76)의 외부에는, 주입 동기형 Q 스위치 레이저(71)의 발진에 이용하는 종 레이저(77)가 배치되어 있다. 종 레이저(77)로부터 출력된 광은, 아이솔레이터(78)를 거쳐 미러(79)로 반사하고, 편광자(74)를 통해 공진기(76) 내에 도광된다.
종 레이저(77)는, 예를 들면 펠티에 소자(80)와 같은 온도 제어 소자에 의해 온도 제어가 가능한 반도체 레이저이다. 이 경우, 펠티에 소자(80)는, 종광 제어부(13)의 일부를 구성한다. 펠티에 소자(80)에 의해 종 레이저(77)의 온도를 제어 함으로써, 종 레이저(77)로부터 출력되는 광의 파장을 제어할 수 있다. 주입 동기형 Q 스위치 레이저(71)로부터 출력되는 광의 파장은, 종 레이저(77)의 파장에 따라 변화하기 때문에, 종 레이저(77)의 온도를 제어 함으로써, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내에서 서로 다른 파장의 레이저광을 각 광원(21)으로부터 출력시킬 수 있다. 이상과 같은 각 변형예에 있어서도, 종광(L1)의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 광원부(14)를 복수의 광원(21)과 커플러(22)에 의해 구성하고 있지만, 커플러(22)를 생략하여, 종광(L1)에 포함되는 복수의 파장의 광을 출력하는 단일의 광원(21)으로 광원부(14)를 구성해도 무방하다. 이 경우, 광원(21)으로서 예를 들면 도 13에 도시한 것처럼, 모드 동기 레이저(81)를 이용할 수 있다. 모드 동기 레이저(81)의 후단 측에는, 종광 제어부(13)의 일부를 구성하는 소자로서, 서로 대역이 다른 복수의 밴드 패스 필터(82)가 배치되어 있다. 각 밴드 패스 필터(82)에 의해 모드 동기 레이저(81)로부터 출력되는 광에 포함된 스펙트럼의 일부를 각각 취출 함으로써, 광 증폭부(12)의 이득 범위 내에서 서로 다른 파장의 레이저광을 각 광원(21)으로부터 출력시킬 수 있다.
또한, 이 구성을 채용하는 경우에는, 예를 들면 각 밴드 패스 필터(82)로부터 출력되는 광에 서로 다른 광로 차(path difference of light)를 부여 함으로써, 파장이 다른 광의 타이밍을 제어하는 것이 가능해진다. 광로 차는, 예를 들면 밴드 패스 필터(82)를 포함한 광학계(光學系)에 길이가 다른 광 파이버를 이용하는 것에 의해 형성해도 무방하고, 코너 큐브(corner cube) 등을 이용한 지연 회로에 의해 형성해도 무방하다. 이러한 변형예에 있어서도, 간단한 구성으로 광 증폭부(12)의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 종광(L1)으로서 생성할 수 있다. 또한, 종광(L1)의 강도 시간 파형의 제어를 정밀도 높게 실시할 수 있다.
1…레이저 장치
11…출력부
12…광 증폭부
13…종광 제어부
14…광원부
21…광원
22…커플러(합파부)
23…반도체 레이저
24…펠티에 소자(온도 제어 소자)
51…고체 레이저
53…공진기 미러(출력 미러)
54…공진기
61…파이버 레이저
62…회절 격자
63…공진기
71…주입 동기형 Q 스위치 레이저
77…종 레이저
80…펠티에 소자(온도 제어 소자)
81…모드 동기 레이저
82…밴드 패스 필터
L1…종광

Claims (10)

  1. 광 증폭부로의 종광(種光)을 출력하는 출력부를 갖춘 레이저 장치에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 상기 종광으로서 출력하는 광원부와,
    상기 광원부로부터 출력되는 상기 종광의 강도 시간 파형을 제어하는 종광 제어부
    를 가지는, 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력부로부터 출력되는 상기 종광의 강도를 증폭시키는 광 증폭부
    를 더 갖추는 레이저 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 종광에 포함되는 각 파장의 광을 각각 출력하는 복수의 광원과, 상기 복수의 광원으로부터 출력된 광을 합파(合波)하여 상기 종광을 생성하는 하나 또는 복수의 합파부로 구성되어 있는, 레이저 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원은,
    반도체 레이저이고,
    상기 종광 제어부는,
    상기 반도체 레이저의 온도를 제어하는 온도 제어 소자
    를 포함하는 레이저 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광원은,
    고체 레이저이고,
    상기 종광 제어부는,
    상기 고체 레이저의 공진기를 구성하는 출력 미러
    를 포함하는 레이저 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광원은,
    파이버 레이저이고,
    상기 종광 제어부는,
    상기 파이버 레이저의 공진기를 구성하는 회절 격자
    를 포함하는 레이저 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 광원은,
    주입(注入) 동기형 Q 스위치 레이저이고,
    상기 제어부는,
    상기 주입 동기형 Q 스위치 레이저의 발진에 이용하는 종(種) 레이저의 온도를 제어하는 온도 제어 소자
    를 포함하는 레이저 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 종광에 포함되는 복수의 파장의 광을 출력하는 단일의 광원으로 구성되어 있는, 레이저 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원은,
    모드 동기 레이저이고,
    상기 제어부는,
    상기 모드 동기 레이저의 발진 스펙트럼의 일부를 취출(取出)하는 밴드 패스 필터
    를 포함하는 레이저 장치.
  10. 광 증폭부로의 종광의 파형을 제어하는 파형 제어 방법에 있어서,
    상기 광 증폭부의 이득 범위 내가 되는 복수의 파장을 포함한 광을 상기 종광으로서 출력하는 단계와,
    상기 종광의 강도 시간 파형을 제어하는 단계
    를 갖춘 파형 제어 방법.
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