KR20220032002A - 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법 - Google Patents

레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220032002A
KR20220032002A KR1020217040689A KR20217040689A KR20220032002A KR 20220032002 A KR20220032002 A KR 20220032002A KR 1020217040689 A KR1020217040689 A KR 1020217040689A KR 20217040689 A KR20217040689 A KR 20217040689A KR 20220032002 A KR20220032002 A KR 20220032002A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
laser light
wavelength
light source
light
Prior art date
Application number
KR1020217040689A
Other languages
English (en)
Inventor
다카시 구리타
요시노리 가토
도시유키 가와시마
Original Assignee
하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 filed Critical 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Publication of KR20220032002A publication Critical patent/KR20220032002A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06233—Controlling other output parameters than intensity or frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/107—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0078—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for frequency filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0428—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying pulses to the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0612—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06226—Modulation at ultra-high frequencies
    • H01S5/0623—Modulation at ultra-high frequencies using the beating between two closely spaced optical frequencies, i.e. heterodyne mixing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0657—Mode locking, i.e. generation of pulses at a frequency corresponding to a roundtrip in the cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0078—Frequency filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/0675—Resonators including a grating structure, e.g. distributed Bragg reflectors [DBR] or distributed feedback [DFB] fibre lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10084—Frequency control by seeding
    • H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/115—Q-switching using intracavity electro-optic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2375—Hybrid lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0617—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium using memorised or pre-programmed laser characteristics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H01S5/143—Littman-Metcalf configuration, e.g. laser - grating - mirror

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

레이저 장치(1A)는 광원부(10A) 및 광 합파부(21)를 구비한다. 광원부(10A)는 제1 레이저 광 L1 및 제1 레이저 광 L1과는 파장이 상이한 제2 레이저 광 L2를, 각각 상이한 광로로 출력한다. 광 합파부(21)는 광원부(10A)와 광학적으로 결합되고, 제1 레이저 광 L1과 제2 레이저 광 L2를 합파하여, 제1 레이저 광 L1의 파장과 제2 레이저 광 L2의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시킨다. 광원부(10A)에 있어서, 제1 레이저 광 L1 및 제2 레이저 광 L2의 각 파장은, 버스트 펄스의 주파수가 1GHz 이상이 되도록 미리 설정되어 있거나 또는 설정 가능하다. 이것에 의해, 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성하는 것이 가능한 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법이 실현된다.

Description

레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법
본 개시는 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 미세 가공용의 프로그래머블 초고속 버스트모드 레이저에 관한 기술이 기재되어 있다. 이 문헌에 기재된 레이저 장치는, 버스트 펄스 레이저와, 하나 또는 복수의 광 증폭기를 구비한다. 버스트 펄스 레이저는, 선택적으로 정형된 버스트 포락선에 의해서 규정된 세 개 이상의 레이저 펄스로 이루어지는 버스트를 방출한다. 버스트 펄스 레이저는 버스트 포락선 내의 세 개 이상의 레이저 펄스 사이의 시간 간격과, 버스트 포락선의 시간폭을 선택적으로 조정하도록 구성되어 있다. 하나 또는 복수의 증폭기는 버스트 포락선의 원하는 형상을 얻도록 세개 이상의 레이저 펄스로 이루어지는 군을 증폭한다.
특허 문헌 1: 일본 특표 2012－515450호 공보
비 특허 문헌 1: Dong Mao et al., "Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser", Scientific Reports 3, Art.3223, pp.1-5 (2013)
종래부터, 예를 들면 레이저 가공 등의 용도에 있어서, 매우 짧은(예를 들면 수십~수백 피코초와 같은) 시간폭으로 강약을 반복하는 버스트 펄스를 이용하는 것이 있다. 이러한 버스트 펄스를 생성하는 방식으로는, 예를 들면, 연속광을 출력하는 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 고속의 광 스위치 등에 의해 주기적으로 절취하는 방식, 혹은 반도체 레이저 소자에 대해서 주기적인 펄스 전류를 공급하는 방식 등을 생각할 수 있다. 그렇지만, 이들 방식에서는, 광 스위치나 전류 공급 회로의 동작 속도에 한계가 있어, 예를 들면 1GHz 이상과 같은 높은 반복 주파수의 버스트 펄스를 생성하는 것은 어렵다.
실시 형태는 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성하는 것이 가능한 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태는 레이저 장치이다. 레이저 장치는 제1 레이저 광 및 제1 레이저 광과는 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 광원부와, 광원부와 광학적으로 결합되고, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 합파하여, 제1 레이저 광의 파장과 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 광 합파부를 구비하고, 광원부에 있어서, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각 파장은, 버스트 펄스의 주파수가 어느 주파수(원하는 주파수)가 되도록 미리 설정되어 있거나 또는 설정 가능하고, 어느 주파수는 1GHz 이상이다.
실시 형태는 레이저 광 생성 방법이다. 레이저 광 생성 방법은 제1 레이저 광 및 제1 레이저 광과는 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 제1 스텝과, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 합파하여, 제1 레이저 광의 파장과 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 제2 스텝을 포함하고, 제1 스텝에 있어서, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각 파장을, 버스트 펄스의 주파수가 1GHz 이상이 되도록 설정한다.
이들 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법에서는, 광원부로부터(제1 스텝에 있어서) 출력된 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광이, 광 합파부에 있어서(제2 스텝에 있어서) 합파된다. 이 때, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광은 서로 간섭한다. 그 결과, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 파장차에 따른 강약의 주기를 가지는 간섭광이 생성된다.
제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 파장이 예를 들면 근적외역(700nm~2500nm)과 같은 파장 대역이어도, 제1 레이저 광의 파장과 제2 레이저 광의 파장의 차를 예를 들면 수피코미터~수십 피코미터 정도로 하면, 간섭광의 강약의 주기를 1나노초 이하로 할 수 있다. 그리고, 이러한 간섭광은 1GHz 이상의 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스라고 볼 수 있다. 즉, 상기의 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법에 의하면, 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성하는 것이 가능해진다.
실시 형태의 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법에 의하면, 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성할 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 레이저 장치(1A)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2의 (a), (b)는 반도체 레이저 소자(15)의 온도 변화에 의한 출력 파장의 변화의 일 실시예를 나타내는 그래프이다.
도 3의 (a)~(c)는 합파 전의 레이저 광 L1, L2와, 합파 후의 레이저 광 L3을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)~(c)는 레이저 광 L1, L2의 파형 제어의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a), (b)는 합파 후의 레이저 광 L3의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일 실시 형태의 레이저 광 생성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7의 (a), (b)는 버스트 펄스 주파수를 1GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a), (b)는 버스트 펄스 주파수를 5GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 11의 (a), (b)는 버스트 펄스 주파수를 10GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 13은 버스트 펄스를 포함하는 레이저 광 L3의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14는 다른 실시예에 있어서의 레이저 광 L1의 시간 파형을 나타내는 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 있어서의 레이저 광 L2의 시간 파형을 나타내는 그래프이다.
도 16은 다른 실시예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 17은 다른 실시예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 18은 제1 변형예로서, 레이저 장치(1B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 제2 변형예로서, 광원(17)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 20은 제3 변형예로서, 광원(18)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 21의 (a), (b)는 제4 변형예로서, 각각 광원(19A 및 19B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 22는 제5 변형예로서, 광원부(10B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 23의 (a), (b)는 제6 변형예로서, 각각 광원(20A 및 20B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 덧붙여, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 레이저 장치(1A)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 레이저 장치(1A)는, 예를 들면 레이저 가공 등에 이용되는 버스트 펄스를 생성하기 위한 장치이다. 도 1에 나타내는 것처럼, 레이저 장치(1A)는 광원부(10A), 광 합파부(21), 광 검출기(22), 주파수 계측부(23), 온도 제어용 컴퓨터(24), 광 파이버 커넥터(25), 및 콜리메이트 렌즈(26)를 구비한다.
광원부(10A)는 레이저 광 L1(제1 레이저 광) 및 레이저 광 L2(제2 레이저 광)를 출력한다. 구체적으로는, 광원부(10A)는 레이저 광원(11, 12)을 가진다. 레이저 광원(11, 12)은, 예를 들면 반도체 레이저 소자(15)를 포함하여 구성된다. 반도체 레이저 소자(15)는, 예를 들면 분포 귀환형(Distributed Feedback：DFB) 레이저이다. DFB 레이저는 반도체 기판과, 반도체 기판 상에 적층된 회절 격자층 및 활성층을 가진다. 회절 격자층에는 광 공진 방향을 따라서 주기 구조가 형성되고, 그 주기 구조의 주기에 따라 발진 파장이 정해진다. 이러한 DFB 레이저에 의하면, 파장 대역이 매우 좁은 레이저 광을 출력할 수 있다.
본 실시 형태의 광원부(10A)에 있어서, 레이저 광 L1의 파장과 레이저 광 L2의 파장은 서로 다르다. 파장의 상위(相違)는, 예를 들면, 레이저 광원(11, 12)에 있어서의 회절 격자층의 주기 구조의 주기가 서로 다름으로써 실현된다. 레이저 광 L1의 파장과 레이저 광 L2의 파장의 차는, 예를 들면 주파수차를 5GHz로 했을 경우, 레이저 광 L1, L2가 근적외광(파장 700nm~2500nm)이어도, 수 피코미터 내지 100 피코미터 정도와 같이 얼마 안되는 것이다.
광원부(10A)는 레이저 광원(11)의 반도체 레이저 소자(15)를 구동하는 구동 회로(13)와, 레이저 광원(12)의 반도체 레이저 소자(15)를 구동하는 구동 회로(14)를 더 가진다. 구동 회로(13, 14)는 각각 레이저 광원(11, 12)의 반도체 레이저 소자(15)의 애노드 전극 및 캐소드 전극과 전기적으로 접속되어 있고, 반도체 레이저 소자(15)를 구동하기 위한 전류를 출력한다. 이들 전류는, 주기적으로 강약을 반복하는 강도 변조가 실시되는 것이 아니라, 시간적으로 일정한 크기를 가진다. 덧붙여, 반도체 레이저 소자(15)의 배면(背面)광을 모니터링하고, 그 광 강도에 기초하여, 구동 회로(13, 14)로부터의 출력 전류의 크기를 피드백 제어해도 된다.
본 실시 형태의 레이저 광원(11, 12)은 파장 가변 레이저를 구성한다. 그 때문에, 레이저 광원(11, 12)은, 상술한 반도체 레이저 소자(15)에 더하여, 온도 제어부(16)를 더 가진다. 온도 제어부(16)는 반도체 레이저 소자(15)를 탑재하는 펠티에 소자에 의해서 구성되어, 광원부(10A)의 외부로부터 주어지는 전기 신호에 따라서, 반도체 레이저 소자(15)의 온도를 변경한다. 보다 바람직하게는, 반도체 레이저 소자(15)의 근방에 온도 센서를 마련하고, 그 온도 센서로부터의 신호에 기초하여, 온도 제어부(16)로의 전기 신호의 크기를 피드백 제어해도 된다.
온도 제어부(16)에 의해서 반도체 레이저 소자(15)의 온도가 변경되면, 회절 격자층의 팽창 또는 수축에 의해서 주기 구조의 주기가 변화하고, 그 결과, 반도체 레이저 소자(15)의 발진 파장이 변화되어, 출력 파장이 변경된다. 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 예를 들면 0.01℃ 단위로 변경되고, 그 경우, 출력 파장은 1 피코미터 단위로 변경 가능하다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 반도체 레이저 소자(15)의 온도 변화에 의한 출력 파장의 변화의 일 실시예를 나타내는 그래프이다. 이들 그래프에 있어서, 세로축은 광 강도(임의 단위)를 나타내고, 가로축은 파장(단위：나노미터)을 나타내고 있다. 이 실시예에서는, 온도 25.0℃에 있어서, 도 2의 (a)에 나타내는 것처럼 중심 파장이 1064.9nm가 되고, 또, 온도 20.3℃에 있어서, 도 2의 (b)에 나타내는 것처럼 중심 파장이 1064.2nm가 되었다. 덧붙여, 광원부(10A)의 구성은 이것에 한정하지 않고, 파장 가변이면 어떤 구성을 구비해도 된다.
광원부(10A)는 레이저 광원(11)으로부터 출력된 레이저 광 L1과, 레이저 광원(12)으로부터 출력된 레이저 광 L2를, 각각 상이한 광로(광 파이버(31, 32))로 출력한다. 구체적으로는, 레이저 광원(11)의 반도체 레이저 소자(15)에는 광 파이버(31)의 일단이 광학적으로 결합되어 있고, 레이저 광원(12)의 반도체 레이저 소자(15)에는 광 파이버(32)의 일단이 광학적으로 결합되어 있다. 광 파이버(31, 32)의 각 타단은, 광 합파부(21)로서의 2 입력 2 출력의 광 커플러의 각 입력단에 접속되어 있다. 레이저 광 L1, L2는, 이 광 합파부(21)에 있어서 서로 합파되어, 버스트 펄스를 포함하는 레이저 광 L3으로서, 광 커플러의 한쪽의 출력단으로부터 출력된다.
광 합파부(21)는 레이저 광 L1, L2를 동축 상에서 합파하여, 레이저 광 L1의 파장과 레이저 광 L2의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시킨다. 여기서, 도 3의 (a)~(c)는, 합파 전의 레이저 광 L1, L2와, 합파 후의 레이저 광 L3을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 합파 전의 레이저 광 L1을 광파로서 나타내고, 도 3의 (b)는 합파 전의 레이저 광 L2를 광파로서 나타낸다. 이들 도면에 도시된 파형의 주기는, 레이저 광 L1, L2의 파장을 나타낸다.
도 3의 (a), (b)에 나타내는 것처럼, 레이저 광 L1, L2의 파장은 서로 다르다. 이들 레이저 광 L1, L2를 합파하면, 도 3의 (c)에 나타내는 것처럼 레이저 광 L1, L2가 서로 겹쳐, 서로 간섭한다. 여기서, 레이저 광 L1의 광 강도 파형 e1(t)를 하기의 수식(1)로서 나타낼 수 있고, 레이저 광 L2의 광 강도 파형 e2(t)를 하기의 수식(2)로서 나타낼 수 있다. 덧붙여, 수식 중에 있어서, A는 진폭, f1는 레이저 광 L1의 주파수, f2는 레이저 광 L2의 주파수, φ 1은 레이저 광 L1의 위상, φ 2는 레이저 광 L2의 위상이다.
[수 1]
Figure pct00001
[수 2]
Figure pct00002
이 경우, 합파 후의 레이저 광 L3의 광 강도 파형 I(t)는, 하기의 수식(3)으로서 나타내진다.
[수 3]
Figure pct00003
상기의 수식(3)의 우변에는, 차(差)주파수(f2－f1)에 관련된 항이 포함되어 있다. 이 차주파수(f2－f1)가, 레이저 광 L3에 포함되는 버스트 펄스의 비트 주파수가 된다. 따라서, 레이저 광 L1, L2의 주파수 f1, f2가 가까울수록 버스트 펄스의 비트 주파수는 작아지고, 주파수 f1, f2가 떨어질수록 버스트 펄스의 비트 주파수는 커진다.
다시 도 1을 참조한다. 광 합파부(21)로서의 광 커플러의 한쪽의 출력단은, 광 파이버(33)의 일단과 광학적으로 결합되어 있다. 광 합파부(21)에서 생성된 레이저 광 L3은, 광 파이버(33)를 전파한다. 광 파이버(33)의 타단에는 광 파이버 커넥터(25)가 장착되어 있다. 광 파이버 커넥터(25)는 광 파이버(33)를 종단한다. 즉, 광 파이버(33)를 통과한 광은, 광 파이버 커넥터(25)에 도달한 후, 공간에 출력된다.
콜리메이트 렌즈(26)는 공간을 통해서 광 파이버 커넥터(25)와 광학적으로 결합되어 있고, 광 파이버 커넥터(25)로부터 방사 모양으로 출력된 광을 평행화(콜리메이트)한다. 콜리메이트 렌즈(26)를 통과한 레이저 광 L3은, 레이저 장치(1A)의 외부로 출력된다. 예를 들면 레이저 장치(1A)가 레이저 가공 장치인 경우, 평행화 된 레이저 광 L3은, 가공 대상물에 조사된다. 덧붙여, 도 1에서는, 공간 안을 전파하는 광을 파선으로 나타내고 있다.
광 합파부(21)로서의 광 커플러의 다른 쪽의 출력단은, 광 파이버(34)를 통해서 광 검출기(22)와 광학적으로 결합되어 있다. 다른 쪽의 출력단으로부터는 레이저 광 L3의 일부인 광 L31이 출력되고, 광 L31이 광 검출기(22)에 입력된다. 광 커플러의 한쪽의 출력단으로부터 출력되는 레이저 광 L3의 광 강도와, 광 L31의 광 강도의 비는 예를 들면 99：1이다. 광 검출기(22)는 광 L31의 광 강도에 따른 전기 신호 Sig를 생성하여 출력한다. 광 검출기(22)는, 예를 들면 포토 다이오드 또는 바이플래너(biplanar) 광 전관 등에 의해서 구성될 수 있다.
광 검출기(22)에는 배선(41)을 통해서 주파수 계측부(23)가 전기적으로 접속되어 있고, 주파수 계측부(23)는 광 검출기(22)로부터 전기 신호 Sig를 입력하여 주파수의 계측을 행한다. 주파수 계측부(23)는, 예를 들면 스펙트럼 애널라이저에 의해서 구성될 수 있다. 주파수 계측부(23) 및 레이저 광원(11, 12)의 온도 제어부(16)에는, 배선(42~44)을 통해서 온도 제어용 컴퓨터(24)가 전기적으로 접속되어 있다. 온도 제어용 컴퓨터(24)는 주파수 계측부(23)에 의해 계측된 주파수가 원하는 주파수에 가까워지도록, 레이저 광원(11, 12)의 온도 제어부(16)를 제어하여, 차주파수(f2－f1)를 조정한다.
온도 제어용 컴퓨터(24)는, 예를 들면 중앙 연산 처리 장치(CPU), 주 기억 장치(RAM) 및 보조 기억 장치(ROM 또는 하드 디스크)를 가지는 컴퓨터에 의해서 구성될 수 있다. 보조 기억 장치에 온도 제어용의 프로그램이 격납되어 있고, 그 프로그램을 CPU가 읽어냄으로써 소정의 온도 제어 처리가 행해진다.
광원부(10A)에 있어서, 레이저 광 L1, L2의 각 파장(즉 주파수 f1, f2)은, 버스트 펄스의 주파수가 원하는 어느 주파수(소정 주파수)가 되도록 미리 설정되어 있거나, 또는 설정 가능하다. 버스트 펄스의 주파수가 미리 설정되어 있는 경우, 그 주파수는 온도 제어용 컴퓨터(24)의 보조 기억 장치에 미리 기억되어, 버스트 펄스의 주파수가 그 주파수에 가까워지도록 온도 제어용 컴퓨터(24)가 반도체 레이저 소자(15)의 온도를 제어한다.
또, 버스트 펄스의 주파수가 설정 가능한 경우, 그 주파수는 작업자 혹은 주파수 설정용 컴퓨터에 의해서 온도 제어용 컴퓨터(24)에 입력되어, 버스트 펄스의 주파수가 그 주파수에 가까워지도록 온도 제어용 컴퓨터(24)가 반도체 레이저 소자(15)의 온도를 제어한다. 따라서, 예를 들면 레이저 가공 대상의 상태에 따라서 동적으로 버스트 펄스의 주파수를 변화시킬 수도 있다.
본 실시 형태에 있어서, 미리 설정된(혹은 설정 가능한) 버스트 펄스 주파수는 1GHz 이상이다. 1GHz 미만이면, 전술한 것처럼, 연속광을 출력하는 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 고속의 광 스위치 등에 의해 주기적으로 절취하는 방식, 혹은 반도체 레이저 소자에 대해서 주기적인 펄스 전류를 공급하는 방식 등에 의해서 실현 가능하다. 본 실시 형태의 레이저 장치(1A)는, 그러한 방식으로는 실현할 수 없는 1GHz 이상의 버스트 펄스 주파수를 실현하는 것이다.
또, 미리 설정된(혹은 설정 가능한) 버스트 펄스 주파수는, 2000GHz 이하여도 된다. 본 실시 형태의 레이저 장치(1A)는, 매우 가까운 주파수의 레이저 광 L1, L2를 합파함으로써, 2000GHz 이하와 같은 매우 작은 주파수에서의 간섭광의 생성을 가능하게 하고, 이것을 버스트 펄스로서 사용하는 것이다. 혹은, 미리 설정된(혹은 설정 가능한) 버스트 펄스 주파수는, 1000GHz 이하여도 되고, 혹은 100GHz 이하여도 된다. 본 실시 형태의 레이저 장치(1A)에 의하면, 원리적으로, 이러한 매우 작은 주파수의 버스트 펄스를 생성 가능하다.
아래의 표 1은, 레이저 광 L1, L2의 파장대 λ를 1064nm라고 했을 경우, 파장차 Δλ와, 차주파수 Δf=f2－f1(즉 버스트 펄스 주파수)의 관계를 나타내는 표이다. 파장을 λ라고 하면, 주파수 f는 f=c/λ(단 c는 고속)로서 주어진다. 그리고, 차주파수 Δf와 파장차 Δλ의 관계식은, 다음의 수식(4)가 된다.
[표 1]
Figure pct00004
[수 4]
Figure pct00005
구동 회로(13, 14)는, 본 실시 형태에 있어서의 파형 제어부를 겸한다. 즉, 구동 회로(13, 14)는 반도체 레이저 소자(15)로의 공급 전류의 시간 파형을 제어함으로써, 레이저 광 L1 및 레이저 광 L2의 합파 전의 파형을, 서로 동일한 파형으로 제어한다. 그 때문에, 레이저 장치(1A)는 구동 회로(13, 14)의 동작을 통괄하여 제어하는 제어부(도시하지 않음)를, 파형 제어부의 일부로서 더 구비해도 된다. 이 제어부는 CPU, RAM, 및 ROM(또는 하드 디스크)을 가지는 컴퓨터에 의해서 구성될 수 있다. ROM(또는 하드 디스크)에 레이저 구동용의 프로그램이 격납되어 있고, 그 프로그램을 CPU가 읽어냄으로써 소정의 레이저 구동 처리가 행해진다.
도 4의 (a)~(c)는 레이저 광 L1, L2의 파형 제어의 일례를 나타내는 도면이다. 이들 도면에 있어서, 세로축은 광 강도(광 파워)를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 레이저 광 L1, L2는, 예를 들면 도 4의 (a) 및 (b)에 나타내는 것처럼, 가파른 상승 및 하강과, 평탄한 꼭대기부를 가지는 구형(矩形)파로서 출력된다. 레이저 광 L1, L2의 상승 타이밍은 서로 일치(동기)하고, 하강 타이밍도 또한 서로 일치(동기)한다. 또, 레이저 광 L1, L2의 피크 강도 Pk는 서로 동일해도 되고, 혹은 서로 달라도 된다. 이들 레이저 광 L1, L2가 합파되면, 도 4의 (c)에 나타내는 것처럼, 구형파 모양의 포락선(엔벨로프) B1에 의해서 범위가 규정된 버스트 펄스를 포함하는 레이저 광 L3가 생성된다.
도 5의 (a) 및 (b)는 합파 후의 레이저 광 L3의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 이들 도면에 있어서, 세로축은 광 강도(광 파워)를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 예를 들면 도 5의 (a)에 나타내는 것처럼, 레이저 광 L3은 가우스파 모양의 포락선 B2에 의해서 범위가 규정된 버스트 펄스를 포함해도 된다. 혹은, 도 5의 (b)에 나타내는 것처럼, 레이저 광 L3은 완만한 상승 및 가파른 하강을 가지는 삼각파 모양의 포락선 B3에 의해서 범위가 규정된 버스트 펄스를 포함해도 된다. 예를 들면 이들 예와 같이, 본 실시 형태의 레이저 장치(1A)에 의하면, 임의의 포락선을 가지는 버스트 펄스를 용이하게 생성할 수 있다.
도 6은 본 실시 형태의 레이저 광 생성 방법을 나타내는 순서도이다. 이 레이저 광 생성 방법은, 예를 들면 상술한 레이저 장치(1A)를 이용하여 실현 가능하다. 우선, 제1 스텝 S1로서, 레이저 광 L1 및 레이저 광 L1과는 파장이 상이한 레이저 광 L2를, 각각 상이한 광로(광 파이버(31, 32))로 출력한다. 이 제1 스텝 S1는, 예를 들면 광원부(10A)에 의해 행해진다.
다음에, 제2 스텝 S2로서, 레이저 광 L1과 레이저 광 L2를 합파하여, 레이저 광 L1의 파장과 레이저 광 L2의 파장의 차 Δλ에 따른 주파수 Δf로, 버스트 펄스를 발생시킨다. 이 제2 스텝 S2는, 예를 들면 광 합파부(21)에 의해 행해진다. 그리고, 제1 스텝 S1에서는, 레이저 광 L1, L2의 각 파장을, 버스트 펄스의 주파수 Δf가 1GHz 이상이 되도록 설정한다.
이상에 설명한 본 실시 형태의 레이저 장치(1A) 및 레이저 광 생성 방법에 의해 얻어지는 작용 효과에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 광원부(10A)로부터(제1 스텝 S1에 있어서) 출력된 레이저 광 L1, L2가, 광 합파부(21)에 있어서(제2 스텝 S2에 있어서) 합파된다. 이 때, 레이저 광 L1과 레이저 광 L2는 서로 간섭한다. 그 결과, 레이저 광 L1과 레이저 광 L2의 파장차에 따른 강약의 주기를 가지는 간섭광이 생성된다.
레이저 광 L1, L2의 파장이 예를 들면 근적외역(700nm~2500nm)과 같은 파장 대역이어도, 레이저 광 L1의 파장과 레이저 광 L2의 파장의 차를 예를 들면 수 피코미터~수 십 피코미터 정도로 하면, 간섭광의 강약의 주기를 1나노초 이하로 할 수 있다. 그리고, 이러한 간섭광은 1GHz 이상의 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스라고 볼 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 레이저 장치(1A) 및 레이저 광 생성 방법에 의하면, 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성하는 것이 가능해진다.
본 실시 형태와 같이, 버스트 펄스 주파수의 반복 주파수는, 2000GHz 이하여도 되고, 1000GHz 이하여도 되고, 혹은, 100GHz 이하여도 된다. 광 펄스 열의 반복 주파수가 지나치게 크면, 더 이상 버스트 펄스가 아닌 연속적인 광으로 보여지지만, 광 펄스 열의 반복 주파수를 이들 정도로 억제함으로써, 예를 들면 레이저 가공 등에 적합하게 이용될 수 있는 버스트 펄스를 생성할 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 광원부(10A)에 있어서, 레이저 광 L1, L2의 파장은 가변이어도 된다. 이 경우, 피드백 제어에 의해서 버스트 펄스의 반복 주파수 Δf를 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 또, 버스트 펄스의 반복 주파수 Δf를 가변으로 할 수도 있어, 레이저 가공 등에 있어서 조사 조건을 용이하게 변경할 수 있다. 덧붙여, 본 실시 형태에서는 레이저 광 L1, L2의 쌍방의 파장이 가변으로 되어 있지만, 레이저 광 L1, L2 중 한쪽의 파장만 가변이어도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 레이저 광원(11, 12)은 파장 가변 레이저여도 된다. 이것에 의해, 레이저 광 L1, L2의 파장을 가변으로 하는 구성을 용이하게 실현할 수 있다. 덧붙여, 상술한 것처럼 레이저 광 L1, L2 중 한쪽의 파장만 가변이어도 되고, 그 경우, 레이저 광원(11, 12) 중 한쪽만을 파장 가변 레이저로 하면 된다. 즉, 레이저 광원(11, 12) 중 한쪽에만 온도 제어부(16)를 마련하면 된다.
본 실시 형태와 같이, 레이저 광원(11, 12)은 DFB 레이저인 반도체 레이저 소자(15)와, 전기 신호에 따라 반도체 레이저 소자(15)의 온도를 변경하는 온도 제어부(16)를 가져도 된다. 예를 들면 이러한 구성에 의해, 파장을 1 피코미터 단위로 변경 가능한 파장 가변 레이저를 간이하게 실현할 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 레이저 장치(1A)는 레이저 광 L1, L2의 합파 전의 파형을 서로 동일한 파형으로 제어하는 파형 제어부(구동 회로(13, 14))를 구비해도 된다. 이 경우, 광 합파부(21)로부터 출력되는 버스트 펄스의 포락선의 형상(도 4의 (c), 도 5의 (a) 및 (b)를 참조)을 제어할 수 있다. 또, 본 실시 형태와 같이 광원부(10A)가 반도체 레이저 소자(15)를 포함하는 경우, 파형 제어부(구동 회로(13, 14))는 반도체 레이저 소자(15)로의 공급 전류의 시간 파형을 제어해도 된다. 이것에 의해, 파형을 정형하기 위한 광학 부품이 불필요해져, 레이저 장치(1A)의 구성을 간이화할 수 있다.
덧붙여, 비특허 문헌 1에는, 모드 동기 파이버 발진기의 공진기 내에 마하젠더 간섭계(MZI)를 설치하여, 한쪽의 공진기단에 광로 길이를 가변하는 소자를 마련한 버스트 펄스 발생 장치가 개시되어 있다. 광로차를 조정함으로써, MZI가 스펙트럼 필터로서 동작하여, 모드 동기 발진의 스펙트럼 분포(스펙트럼의 피크가 등간격으로 늘어서 있는 것)를 필터링하고, 패스한 모드의 간섭에 의해서 고 반복 펄스를 발생시킨다.
그렇지만, 이와 같이 간섭계의 광로차를 조정하여 스펙트럼 간격을 조정하는 방식에서는, 광로차의 약간의 변화에 의해서 스펙트럼 간격이 크게 변동해 버린다. 그 결과, 1100GHz를 초과하는 영역에서의 정밀한 조정은 곤란해진다. 한편, 본 실시 형태의 구성에서는, 원리적으로, 1100GHz 이상의 버스트 펄스 주파수여도 정밀도 좋게 조정할 수 있다.
또, 예를 들면 1000GHz 이상의 버스트 펄스 주파수를 모드 동기 레이저에 의해 실현하려고 하면, 100μm 이하와 같은 매우 짧은 공진기 길이가 필요하지만, 그러한 미세한 광 공진기를 실현하는 것은 매우 곤란하다. 또 만일 실현할 수 있는 경우더라도, 공진 방향에 있어서의 이득 매질의 길이가 매우 짧아지므로, 얻어지는 광 출력은 매우 작은 것이 되어, 레이저 가공 등의 응용에 적합하지 않다. 한편, 본 실시 형태의 구성에서는, 1000GHz 이상의 버스트 펄스 주파수여도 실현이 용이하고, 또한 충분한 크기의 광 출력을 얻을 수 있다.
또, 버스트 펄스를 발생시키는 다른 방식으로서, 공진기 내에 그래핀 등의 가포화 흡수 소자를 마련하는 방식이 있지만, 공진기 길이를 현실적인 치수로 최소화하고, 추가로 그래핀을 필름화하여 이용해도, 실현 가능한 반복 주파수는 겨우 10~20GHz이다. 본 실시 형태의 구성에서는, 20GHz를 초과하는 버스트 펄스 주파수여도 실현 가능하다.
(실시예)
여기서, 상기 실시 형태의 실시예에 대해서 설명한다. 도 7의 (a) 및 (b)는, 버스트 펄스 주파수를 1GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)는 레이저 광 L1의 스펙트럼을 나타내고, 도 7의 (b)는 레이저 광 L2의 스펙트럼을 나타낸다. 레이저 광 L1의 중심 파장은 1064.755nm(주파수 f1=281.755THz)이고, 레이저 광원(11)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 23.37℃였다. 또, 레이저 광 L2의 중심 파장은 1064.751nm(주파수 f2=281.756THz)이고, 레이저 광원(12)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 26.01℃였다.
도 8은 이 예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서, 세로축은 광 강도를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 이 그래프에 있어서, 버스트 펄스 주파수 Δf는 f1－f2=1GHz이고, 펄스 폭은 500피코초였다. 레이저 광 L1, L2의 시간 파형이 가우스파 모양이었기 때문에, 버스트 펄스의 포락선은 마찬가지로 가우스파 모양으로 되어 있다.
도 9의 (a) 및 (b)는 버스트 펄스 주파수를 5GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다. 도 9의 (a)는 레이저 광 L1의 스펙트럼을 나타내고, 도 9의 (b)는 레이저 광 L2의 스펙트럼을 나타낸다. 레이저 광 L1의 중심 파장은 1064.770nm(주파수 f1=281.751THz)이고, 레이저 광원(11)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 23.57℃였다. 또, 레이저 광 L2의 중심 파장은 1064.751nm(주파수 f2=281.756THz)이고, 레이저 광원(12)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 26.01℃였다.
도 10은 이 예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 10에 있어서, 세로축은 광 강도를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 이 그래프에 있어서, 버스트 펄스 주파수 Δf는 f1－f2=5GHz이고, 펄스 폭은 100피코초였다.
도 11의 (a) 및 (b)는, 버스트 펄스 주파수를 10GHz로 하기 위해서 파장이 조정된, 레이저 광 L1, L2의 스펙트럼의 예를 나타내는 그래프이다. 도 11의 (a)는 레이저 광 L1의 스펙트럼을 나타내고, 도 11의 (b)는 레이저 광 L2의 스펙트럼을 나타낸다. 레이저 광 L1의 중심 파장은 1064.789nm(주파수 f1=281.746THz)이고, 레이저 광원(11)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 23.83℃였다. 또, 레이저 광 L2의 중심 파장은 1064.751nm(주파수 f2=281.756THz)이고, 레이저 광원(12)의 반도체 레이저 소자(15)의 온도는 26.01℃였다.
도 12는 이 예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 12에 있어서, 세로축은 광 강도를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 이 그래프에 있어서, 버스트 펄스 주파수 Δf는 f1－f2=10GHz이고, 펄스 폭은 50피코초였다. 도 13은 이 버스트 펄스를 포함하는 레이저 광 L3의 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 다른 실시예에 있어서의 레이저 광 L1, L2의 시간 파형을 나타내는 그래프이다. 도 14는 레이저 광 L1의 시간 파형을 나타내고, 도 15는 레이저 광 L2의 시간 파형을 나타낸다. 이 예에서는, 레이저 광 L1, L2는 평탄한 꼭대기부를 가지는 구형파 모양의 시간 파형을 가지고, 그 시간폭은 각각 20나노초였다.
도 16 및 도 17은 이 예에 있어서 생성된 버스트 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 16은 차주파수 Δf를 5GHz로 했을 경우의 버스트 펄스를 나타내고, 도 17은 차주파수 Δf를 10GHz로 했을 경우의 버스트 펄스를 나타낸다. 도 16, 도 17에 나타내는 것처럼, 이 예에서는, 버스트 펄스의 포락선의 형상이, 레이저 광 L1, L2의 시간 파형에 따라 구형파 모양이 되었다.
(제1 변형예)
도 18은 상기 실시 형태의 제1 변형예로서, 레이저 장치(1B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 레이저 장치(1B)는 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A)의 구성에 더하여, 광 아이솔레이터(51, 52, 53, 및 54)와, 광 파이버 증폭기(61)와, 고체 레이저 증폭기(62 및 63)와, 밴드 패스 필터(71)를 구비한다.
광 파이버 증폭기(61)는, 예를 들면 Er, Yb 등의 불순물을 첨가한 유리로 이루어지는 광 파이버를 가지고, 레이저 광 L3와 함께 여기광이 해당 광 파이버에 입력됨으로써 레이저 광 L3을 증폭한다. 광 파이버 증폭기(61)의 광 입력단과 광 합파부(21)는, 광 파이버를 통해서 광학적으로 결합되어 있다. 광 파이버 증폭기(61)와 광 합파부(21)의 사이에는, 광 아이솔레이터(51)가 개재되어 있다. 광 아이솔레이터(51)는 광 파이버 증폭기(61)로부터 광 합파부(21)로 광(레이저 광 L3 및 여기광)이 돌아가는 것을 막는다. 이것에 의해, 레이저 광원(11, 12)의 반도체 레이저 소자(15)의 손상을 방지할 수 있다.
광 파이버 증폭기(61)의 광 출력단과 밴드 패스 필터(71)는, 광 파이버를 통해서 광학적으로 결합되어 있다. 광 파이버 증폭기(61)와 밴드 패스 필터(71)의 사이에는, 광 아이솔레이터(52)가 개재되어 있다. 광 아이솔레이터(52)는 밴드 패스 필터(71)보다 후단의 광이 광 파이버 증폭기(61)로 돌아가는 것을 막는다.
광 파이버 증폭기(61)는 제1 단의 광 증폭기로서, 광 합파부(21)로부터 출력된 레이저 광 L3을 증폭한다. 광 파이버 증폭기(61)의 이득은, 예를 들면 20~30dB의 범위 내이다. 밴드 패스 필터(71)는 광 파이버 증폭기(61)로부터 출력된 광에 포함되는, 형광의 파장 성분을 차단한다. 밴드 패스 필터(71)는, 예를 들면 유전체 다층막에 의해서 구성될 수 있다.
밴드 패스 필터(71)는 광 파이버를 통해서 광 파이버 커넥터(25)와 광학적으로 결합되어 있다. 밴드 패스 필터(71)를 통과한 광은, 광 파이버를 전파하여 광 파이버 커넥터(25)에 도달한 후, 공간에 출력된다.
콜리메이트 렌즈(26)는 공간을 통해서 광 파이버 커넥터(25)와 광학적으로 결합되어 있고, 광 파이버 커넥터(25)로부터 방사 모양으로 출력된 광을 평행화한다. 후술하는 고체 레이저 증폭기(62 및 63)에 의해서 증폭된 광의 강도는 크므로, 유리 등의 광학 재료의 레이저에 의한 손상을 회피하기 위해, 이와 같이 광 파이버 커넥터(25)보다 후단에 있어서는 광 파이버가 아니라 공간 안을 전파시킨다.
고체 레이저 증폭기(62, 63)는, 예를 들면 Nd 등의 불순물을 첨가한, 유리 혹은 이트륨·알루미늄·가닛(YAG)에 의해서 구성될 수 있다. 고체 레이저 증폭기(62, 63)는 레이저 광 L3와 함께 여기광이 입력됨으로써 레이저 광 L3을 증폭한다.
고체 레이저 증폭기(62)는 광 아이솔레이터(53)를 통해서 콜리메이트 렌즈(26)와 광학적으로 결합되어 있다. 광 아이솔레이터(53)는 고체 레이저 증폭기(62)의 광이 고체 레이저 증폭기(62)보다 전단으로 돌아가는 것을 막는다. 이것에 의해, 광 파이버 증폭기(61)의 손상을 방지할 수 있다. 고체 레이저 증폭기(62)는 제2 단의 광 증폭기로서, 광 파이버 증폭기(61)로부터 출력된 증폭 후의 레이저 광 L3을 더 증폭한다. 고체 레이저 증폭기(62)의 이득은, 예를 들면 3~20dB의 범위 내이다.
고체 레이저 증폭기(63)는 광 아이솔레이터(54)를 통해서 고체 레이저 증폭기(62)와 광학적으로 결합되어 있다. 즉, 광 파이버 증폭기(61), 고체 레이저 증폭기(62 및 63)는 서로 직렬로 결합되어 있다. 광 아이솔레이터(54)는 고체 레이저 증폭기(63)의 광이 고체 레이저 증폭기(63)보다 전단으로 돌아가는 것을 막는다. 이것에 의해, 고체 레이저 증폭기(62)의 손상을 방지할 수 있다. 고체 레이저 증폭기(63)는 제3 단의 광 증폭기로서, 고체 레이저 증폭기(62)로부터 출력된 증폭 후의 레이저 광 L3을 더 증폭한다. 고체 레이저 증폭기(63)의 이득은, 예를 들면 3~10dB의 범위 내이다. 고체 레이저 증폭기(63)에 의해서 증폭된 레이저 광 L3은, 레이저 장치(1B)의 외부로 출력된다.
본 변형예의 레이저 장치(1B)는, 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A)의 구성을 모두 구비한다. 따라서, 상기 실시 형태와 같은 작용 효과를 달성할 수 있다. 또, 본 변형예의 레이저 장치(1B)는 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A)의 구성에 더하여 광 파이버 증폭기(61), 고체 레이저 증폭기(62 및 63)를 구비하므로, 큰 파워의 레이저 광 L3을 출력할 수 있다.
(제2 변형예)
도 19는 상기 실시 형태의 제2 변형예로서, 광원(17)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A) 또는 제1 변형예의 레이저 장치(1B)에 있어서, 광원부(10A)의 레이저 광원(11, 12)의 한쪽 또는 양쪽은, 본 변형예의 광원(17)으로 치환되어도 된다.
광원(17)은 주입 동기형의 Q 스위치 레이저로서의 구성을 구비한다. 구체적으로는, 광원(17)은 종(種) 광원으로서의 레이저 광원(171)과, 아이솔레이터(172)와, 편광자(173)와, Q 스위치로서의 전기 광학 소자(174)와, 이득 매질(175)과, 전 반사 미러(176a 및 176b)와, 부분 투과 미러(177)와, 1/4 파장판(178)을 가진다. 레이저 광원(171)은 파장 가변 레이저이고, 상기 실시 형태의 레이저 광원(11, 12)과 같은 구성을 가진다. 즉, 온도 제어부(171a)(예를 들면 펠티에 소자)와, 온도 제어부(171a) 상에 탑재된 반도체 레이저 소자(171b)를 포함하여 구성되어 있다.
전 반사 미러(176b)와 부분 투과 미러(177)는 광 공진기를 구성하고 있다. 전 반사 미러(176b)와 부분 투과 미러(177)의 광로 상에는 전기 광학 소자(174), 1/4 파장판(178) 및 이득 매질(175)가 배치되고, 또한 그 광로 상에는 편광자(173)이 배치되어 있다. 편광자(173)는 전 반사 미러(176a) 및 아이솔레이터(172)를 통해서, 레이저 광원(171)의 반도체 레이저 소자(171b)와 광학적으로 결합되어 있다. 전기 광학 소자(174)는 전압을 가하면 굴절률이 변화하는 결정이며, 예를 들면 BBO(베타 바륨 보레이트) 결정이나 DKDP(중수소 인산 칼륨) 결정 등이다.
레이저 광원(171)으로부터 어느 파장의 광 L4가 출력되면, 광 L4는 아이솔레이터(172) 및 전 반사 미러(176a)를 통해서 광 공진기 내에 도달한다. 아이솔레이터(172)는 광 공진기에서 생성된 레이저 광이 반도체 레이저 소자(171b)로 돌아가는 것을 막는다. 이것에 의해, 반도체 레이저 소자(171b)의 손상을 방지할 수 있다. 편광자(173)에서 편광된 광 L4는, 전압이 가해지고 있지 않는 상태의 전기 광학 소자(174)를 통과한 후, 1/4 파장판(178)과 전 반사 미러(176b)를 통해서 왕복한다. 이것에 의해, 광 L4의 편광 방향이 90도 회전하여, 광 L4는 편광자(173)를 통과하여 이득 매질(175)에 도달한다.
부분 투과 미러(177)에서 반사된 일부의 광은 다시 1/4 파장판(178)을 왕복하고, 이것에 의해 편광 방향이 다시 90도 회전하여, 편광자(173)를 재통과할 수 없게 된다. 따라서, 레이저 공진기가 구성되지 않기 때문에 레이저 발진은 일어나지 않는다. 이러한 Q값이 낮은 상태에서 반도체 레이저나 램프 등의 광 여기에 의해 반전 분포를 시키고, 에너지가 충분히 축적되었을 때 전기 광학 소자(174)에 전압을 가하면, 1/4 파장판(178)과의 조합에 의해 편광자(173)를 항상 투과하게 되고, 레이저 공진기가 구성되어 Q값이 급증하여 펄스 출력이 얻어진다.
본 변형예와 같이, 레이저 광원(11, 12) 중 적어도 한쪽은 Q 스위치 레이저여도 된다. 그리고, 이 경우, Q 스위치 레이저의 종 광원(광원(171))은 파장 가변 레이저여도 된다. 이것에 의해, 레이저 광 L1, L2 중 적어도 한쪽의 파장을 가변으로 하는 구성을 용이하게 실현할 수 있다.
(제3 변형예)
도 20은 상기 실시 형태의 제3 변형예로서, 광원(18)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A) 또는 제1 변형예의 레이저 장치(1B)에 있어서, 광원부(10A)의 레이저 광원(11, 12)의 한쪽 또는 양쪽은, 본 변형예의 광원(18)으로 치환되어도 된다.
광원(18)은 레이저 공진기로서의 반도체 레이저 소자(181)와, 체적 회절 격자(Volume Bragg Grating：VBG)(182)를 가진다. VBG(182)는 반도체 레이저 소자(181)의 광 출력단과 광학적으로 결합되어, 레이저 공진기에 있어서의 한쪽의 공진기단을 구성하는 광 반사부이다.
VBG(182)의 파장-광 반사 특성은 광 입사각에 따라 가변이며, 반도체 레이저 소자(181)로부터의 출사광의 광축에 대한 VBG(182)의 각도를 변화시키면, 반도체 레이저 소자(181)로 돌아가는 파장이 변화한다. 이러한 성질을 이용하여, 발진시키고 싶은 파장의 광만이 반도체 레이저 소자(181)로 돌아가도록 VBG(182)의 각도를 조정함으로써, 원하는 파장의 레이저 광 L5를 출력할 수 있다. 본 변형예에 의하면, 파장 가변 레이저를 간이하게 실현할 수 있다.
(제4 변형예)
도 21의 (a) 및 (b)는, 상기 실시 형태의 제4 변형예로서, 각각 광원(19A 및 19B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A) 또는 제1 변형예의 레이저 장치(1B)에 있어서, 광원부(10A)의 레이저 광원(11, 12)의 한쪽 또는 양쪽은, 본 변형예의 광원(19A 또는 19B)으로 치환되어도 된다.
도 21의 (a)에 나타내는 광원(19A)은, 리트로우(Littrow)형 배치라고 불린다. 광원(19A)은 레이저 공진기로서의 반도체 레이저 소자(191)와, 회절 격자(192)를 가진다. 회절 격자(192)는 집광 렌즈(193)를 통해서 반도체 레이저 소자(191)의 배면(191b)과 광학적으로 결합되어, 레이저 공진기에 있어서의 한쪽의 공진기단을 구성하는 광 반사부이다.
회절 격자(192)의 파장-광 반사 특성은 광 입사각에 따라 가변이며, 반도체 레이저 소자(191)로부터의 배면광의 광축에 대한 회절 격자(192)의 각도를 변화시키면, 반도체 레이저 소자(191)로 돌아가는 파장이 변화한다. 이러한 성질을 이용하여, 발진시키고 싶은 파장의 광만이 반도체 레이저 소자(191)로 돌아가도록 회절 격자(192)의 각도를 조정함으로써, 원하는 파장의 레이저 광 L6을 공진 단면(191a)으로부터 출력할 수 있다.
도 21의 (b)에 나타내는 광원(19B)은, 리트만-메트칼프(Littman-Metcalf)형 배치라고 불린다. 광원(19B)은 상술한 광원(19A)의 구성에 더하여, 미러(194)를 더 가진다. 미러(194)는 회절 격자(192)와 대향해서 배치되어, 회절 격자(192)로부터의 회절광을 반사한다. 이 경우, 반도체 레이저 소자(191)의 공진 단면(191a)의 광 반사율은 90% 이상으로 되고, 미러(194)의 각도를 변화시킴으로써, 원하는 파장의 레이저 광 L6이 공진 단면(191a)이 아니라 회절 격자(192)로부터 취출된다.
상기와 같이, 본 변형예의 광원(19A 또는 19B)과 같은 구성이어도, 파장 가변 레이저를 간이하게 실현할 수 있다.
(제5 변형예)
도 22는 상기 실시 형태의 제5 변형예로서, 광원부(10B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A) 또는 제1 변형예의 레이저 장치(1B)에 있어서, 광원부(10A)는 본 변형예의 광원부(10B)로 치환되어도 된다.
도 22에 나타내는 것처럼, 광원부(10B)는 모드 동기 레이저 광원(102)과 제1 밴드 패스 필터(103)와, 제2 밴드 패스 필터(104)를 가진다. 제1 밴드 패스 필터(103)는 모드 동기 레이저 광원(102)과 광학적으로 결합되어, 모드 동기 레이저 광원(102)으로부터 출력되는 레이저 광 L7로부터 레이저 광 L1의 파장에 상당하는 성분을 취출한다. 제2 밴드 패스 필터(104)는 모드 동기 레이저 광원(102)과 광학적으로 결합되어, 모드 동기 레이저 광원(102)으로부터 출력되는 레이저 광 L7로부터 레이저 광 L2의 파장에 상당하는 성분을 취출한다. 본 변형예에 의하면, 서로 파장이 상이한 레이저 광 L1, L2를 생성하기 위한 레이저 광원을 공통으로 할 수 있으므로, 광원부를 간이하게 구성할 수 있다.
(제6 변형예)
도 23의 (a) 및 (b)는, 상기 실시 형태의 제6 변형예로서, 각각 광원(20A 및 20B)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태의 레이저 장치(1A) 또는 제1 변형예의 레이저 장치(1B)에 있어서, 광원부(10A)의 레이저 광원(11, 12)의 한쪽 또는 양쪽은, 본 변형예의 광원(20A 또는 20B)으로 치환되어도 된다.
도 23의 (a)에 나타내는 광원(20A)은, 고체 레이저 발진기(112)와, 파형 정형부(113)를 가진다. 고체 레이저 발진기(112)는 한 쌍의 공진 단면(114, 115)과, 그 한 쌍의 공진 단면(114, 115)의 사이의 광로 상에 배치된 이득 매질(116)을 포함한다.
한쪽의 공진 단면(115)은 출력 결합 미러이고, 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장-투과 특성을 가진다. 이 공진 단면(115)의 투과 파장을 가변으로 함으로써, 고체 레이저 발진기(112)로부터의 출력 파장을 가변으로 할 수 있다. 파형 정형부(113)는 공진 단면(115)과 광학적으로 결합되어 있다. 고체 레이저 발진기(112)로부터 출력된 레이저 광 L8의 시간 파형은, 파형 정형부(113)에 의해서 원하는 형태(구형파 모양, 가우스파 모양 등)로 정형된다.
도 23의 (b)에 나타내는 광원(20B)은, 파이버 레이저 발진기(117)와, 파형 정형부(113)를 가진다. 파이버 레이저 발진기(117)는 한 쌍의 파이버 블래그 그레이팅(FBG)(118, 119)과, 그 한 쌍의 FBG(118, 119)의 사이에 접속된 이득 매질을 포함하는 광 파이버(120)를 포함한다.
한쪽의 FBG(119)는 파장에 따라 투과율이 변화하는 파장-투과 특성을 가진다. 이 FBG(119)의 투과 파장을 가변으로 함으로써, 파이버 레이저 발진기(117)로부터의 출력 파장을 가변으로 할 수 있다. 파형 정형부(113)는 FBG(119)와 광학적으로 결합되어 있다. 파이버 레이저 발진기(117)로부터 출력된 레이저 광 L9의 시간 파형은, 파형 정형부(113)에 의해서 원하는 형태(구형파 모양, 가우스파 모양 등)로 정형된다.
레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법은, 상술한 실시 형태 및 구성예에 한정되는 것이 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다.
예를 들면, 광원부에 있어서 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각 파장을 가변으로 하기 위한 구성은, 상기 실시 형태 및 각 변형예에 한정되지 않고, 다른 다양한 방식을 적용할 수 있다. 또, 상기 실시 형태에서는, 구동 회로(13, 14)가 레이저 광 L1, L2의 합파 전의 파형을 서로 동일한 파형으로 제어하고 있지만, 이 방식을 대신하거나, 혹은 이 방식과 함께, 합파 후의 레이저 광 L3의 파형을, 음향 광학 변조 소자나 전기 광 변조 소자 등의 광 스위치에 의해서 제어해도 된다.
상기 실시 형태에 의한 레이저 장치는 제1 레이저 광 및 제1 레이저 광과는 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 광원부와, 광원부와 광학적으로 결합되어, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 합파하여, 제1 레이저 광의 파장과 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 광 합파부를 구비하고, 광원부에 있어서, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각 파장은 버스트 펄스의 주파수가 어느 주파수(원하는 주파수)가 되도록 미리 설정되어 있거나 또는 설정 가능하고, 어느 주파수는 1GHz 이상인 구성으로 하고 있다.
상기 실시 형태에 의한 레이저 광 생성 방법은, 제1 레이저 광 및 제1 레이저 광은 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 제1 스텝과, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 합파하여, 제1 레이저 광의 파장과 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 제2 스텝을 포함하고, 제1 스텝에 있어서, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각 파장을, 버스트 펄스의 주파수가 1GHz 이상이 되도록 설정하는 구성으로 하고 있다.
상기의 레이저 장치에 있어서, 어느 주파수(원하는 주파수)는 2000GHz 이하인 구성으로 해도 된다. 또, 상기의 레이저 장치에 있어서, 어느 주파수는 1000GHz 이하인 구성으로 해도 되고, 혹은, 100GHz 이하인 구성으로 해도 된다.
광 펄스 열의 반복 주파수가 지나치게 크면, 더 이상 버스트 펄스는 아닌 연속적인 광이라고 보여지지만, 광 펄스 열의 반복 주파수를 이들 정도로 억제함으로써, 예를 들면 레이저 가공 등에 적합하게 이용될 수 있는 버스트 펄스를 생성할 수 있다.
상기의 레이저 장치에서는, 광원부에 있어서, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광 중 적어도 한쪽의 파장이 가변인 구성으로 해도 된다. 이 경우, 피드백 제어에 의해서 버스트 펄스의 반복 주파수를 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 또, 버스트 펄스의 반복 주파수를 가변으로 할 수 있어, 레이저 가공 등에 있어서 조사 조건을 용이하게 변경할 수 있다.
상기의 레이저 장치에서는, 제1 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원, 및 제2 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 중 적어도 한쪽이 파장 가변 레이저인 구성으로 해도 된다. 또, 상기의 레이저 장치에서는, 제1 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원, 및 제2 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 중 적어도 한쪽이 Q 스위치 레이저이며, Q 스위치 레이저의 종 광원이 파장 가변 레이저인 구성으로 해도 된다. 이들 구성에서는, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광 중 적어도 한쪽의 파장을 가변으로 하는 구성을 용이하게 실현할 수 있다.
상기의 레이저 장치에 있어서, 파장 가변 레이저는 분포 귀환형의 반도체 레이저 소자와, 전기 신호에 따라 반도체 레이저 소자의 온도를 변경하는 온도 제어부를 가지는 구성으로 해도 된다. 또, 상기의 레이저 장치에 있어서, 파장 가변 레이저는 레이저 공진기와, 레이저 공진기에 있어서의 한쪽의 공진기단을 구성하고, 파장-광 반사 특성이 가변인 광 반사부를 가지는 구성으로 해도 된다. 이들 구성에 의하면, 파장 가변 레이저를 간이하게 실현할 수 있다.
상기의 레이저 장치에 있어서, 광원부는 모드 동기 레이저 광원과, 모드 동기 레이저 광원과 광학적으로 결합되어, 모드 동기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광으로부터 제1 레이저 광의 파장에 상당하는 성분을 취출하는 제1 밴드 패스 필터와, 모드 동기 레이저 광원과 광학적으로 결합되어, 모드 동기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광으로부터 제2 레이저 광의 파장에 상당하는 성분을 취출하는 제2 밴드 패스 필터를 가지는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 서로 파장이 상이한 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 광원을 공통으로 할 수 있으므로, 광원부를 간이하게 구성할 수 있다.
상기의 레이저 장치는 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 합파 전의 파형을 서로 동일한 파형으로 제어하는 파형 제어부를 더 구비하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 광 합파부로부터 출력되는 버스트 펄스의 포락선의 형상을 제어할 수 있다. 또, 예를 들면 광원부가 반도체 레이저 소자를 포함하는 경우, 파형 제어부는 반도체 레이저 소자로의 공급 전류의 시간 파형을 제어해도 된다. 이것에 의해, 파형을 정형하기 위한 광학 부품이 불필요해져, 레이저 장치의 구성을 간이화할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
실시 형태는 1GHz 이상의 높은 반복 주파수를 가지는 버스트 펄스를 생성하는 것이 가능한 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법으로서 이용 가능하다.
1A, 1B…레이저 장치 10A, 10B…광원부
11, 12…레이저 광원 13, 14…구동 회로
15…반도체 레이저 소자 16…온도 제어부
17, 18, 19A, 19B, 20A, 20B…광원 21…광 합파부
22…광 검출기 23…주파수 계측부
24…온도 제어용 컴퓨터 25…광 파이버 커넥터
26…콜리메이트 렌즈 31~34…광 파이버
41~44…배선 51~54…광 아이솔레이터
61…광 파이버 증폭기 62, 63…고체 레이저 증폭기
71…밴드 패스 필터 102…모드 동기 레이저 광원
103, 104…밴드 패스 필터 112…고체 레이저 발진기
113…파형 정형부 114, 115…공진 단면
116…이득 매질 117…파이버 레이저 발진기
118, 119…파이버 블래그 그레이팅(FBG)
120…광 파이버 171…레이저 광원
172…아이솔레이터 173…편광자
174…전기 광학 소자 175…이득 매질
176a, 176b…전 반사 미러 177…부분 투과 미러
178…1/4 파장판 171a…온도 제어부
171b, 181, 191…반도체 레이저 소자 191a…공진 단면
191b…배면 192…회절 격자
193…집광 렌즈 194…미러
B1~B3…포락선 L1~L9…레이저 광
Sig…전기 신호

Claims (10)

  1. 제1 레이저 광 및 상기 제1 레이저 광과는 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 광원부와,
    상기 광원부와 광학적으로 결합되고, 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 합파하여, 상기 제1 레이저 광의 파장과 상기 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 광 합파부를 구비하고,
    상기 광원부에 있어서, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광의 각 파장은, 상기 버스트 펄스의 주파수가 어느 주파수가 되도록 미리 설정되어 있거나 또는 설정 가능하고,
    상기 어느 주파수는 1GHz 이상인, 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 어느 주파수는 2000GHz 이하인, 레이저 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광원부에 있어서, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광 중 적어도 한쪽의 파장이 가변인, 레이저 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원, 및 상기 제2 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 중 적어도 한쪽이 파장 가변 레이저인, 레이저 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원, 및 상기 제2 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원 중 적어도 한쪽이 Q 스위치 레이저이고, 상기 Q 스위치 레이저의 종 광원이 파장 가변 레이저인, 레이저 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저는 분포 귀환형의 반도체 레이저 소자와, 전기 신호에 따라 상기 반도체 레이저 소자의 온도를 변경하는 온도 제어부를 가지는, 레이저 장치.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 파장 가변 레이저는 레이저 공진기와, 상기 레이저 공진기에 있어서의 한쪽의 공진기단을 구성하고, 파장-광 반사 특성이 가변인 광 반사부를 가지는, 레이저 장치.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광원부는
    모드 동기 레이저 광원과,
    상기 모드 동기 레이저 광원과 광학적으로 결합되어, 상기 모드 동기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광으로부터 상기 제1 레이저 광의 파장에 상당하는 성분을 취출하는 제1 밴드 패스 필터와,
    상기 모드 동기 레이저 광원과 광학적으로 결합되어, 상기 모드 동기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저 광으로부터 상기 제2 레이저 광의 파장에 상당하는 성분을 취출하는 제2 밴드 패스 필터를 가지는, 레이저 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광의 합파 전의 파형을 서로 동일한 파형으로 제어하는 파형 제어부를 더 구비하는, 레이저 장치.
  10. 제1 레이저 광 및 상기 제1 레이저 광과는 파장이 상이한 제2 레이저 광을, 각각 상이한 광로로 출력하는 제1 스텝과,
    상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 합파하여, 상기 제1 레이저 광의 파장과 상기 제2 레이저 광의 파장의 차에 따른 주파수로써 버스트 펄스를 발생시키는 제2 스텝을 포함하고,
    상기 제1 스텝에 있어서, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광의 각 파장을, 상기 버스트 펄스의 주파수가 1GHz 이상이 되도록 설정하는, 레이저 광 생성 방법.
KR1020217040689A 2019-07-18 2020-06-25 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법 KR20220032002A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2019-132996 2019-07-18
JP2019132996A JP7368129B2 (ja) 2019-07-18 2019-07-18 レーザ装置及びレーザ光生成方法
PCT/JP2020/025070 WO2021010128A1 (ja) 2019-07-18 2020-06-25 レーザ装置及びレーザ光生成方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220032002A true KR20220032002A (ko) 2022-03-15

Family

ID=74209873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217040689A KR20220032002A (ko) 2019-07-18 2020-06-25 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220263292A1 (ko)
EP (1) EP4002610A4 (ko)
JP (1) JP7368129B2 (ko)
KR (1) KR20220032002A (ko)
CN (1) CN114175422A (ko)
WO (1) WO2021010128A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116419074B (zh) * 2023-03-08 2024-04-19 哈尔滨市科佳通用机电股份有限公司 一种消除阳光干扰的铁路车辆图像采集方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012515450A (ja) 2009-01-15 2012-07-05 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド 微細加工用のパルス時間プログラマブル超高速バーストモードレーザ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04352483A (ja) * 1991-05-30 1992-12-07 Tosoh Corp 全固体化波長可変パルスレーザー
JPH06214266A (ja) * 1993-01-20 1994-08-05 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 超高速光ソリトンパルス発生装置
JP4612938B2 (ja) 2000-07-19 2011-01-12 アンリツ株式会社 周波数可変光源
JP5055791B2 (ja) 2006-03-10 2012-10-24 富士通株式会社 光パルス発生装置
JP2007271925A (ja) 2006-03-31 2007-10-18 Fujitsu Ltd 光集積素子
KR101304424B1 (ko) 2013-05-31 2013-09-05 광주과학기술원 버스트 모드 레이저 발생 장치 및 방법
EP3062146B1 (en) 2013-10-25 2020-01-22 Nikon Corporation Laser device, and exposure device and inspection device provided with laser device
WO2015160413A2 (en) 2014-01-24 2015-10-22 California Institute Of Technology Stabilized microwave-frequency source
US9246303B1 (en) * 2014-10-31 2016-01-26 Raytheon Company Method and apparatus for temporally concentrating pump power to support generation of high peak-power pulse bursts or other time-varying laser output waveforms
US10429243B2 (en) * 2016-08-25 2019-10-01 U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Space-based sodium Lidar instrument and method of operation
JP6943566B2 (ja) 2016-12-16 2021-10-06 浜松ホトニクス株式会社 レーザ装置及び波形制御方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012515450A (ja) 2009-01-15 2012-07-05 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド 微細加工用のパルス時間プログラマブル超高速バーストモードレーザ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
비 특허 문헌 1: Dong Mao et al., "Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser", Scientific Reports 3, Art.3223, pp.1-5 (2013)

Also Published As

Publication number Publication date
JP7368129B2 (ja) 2023-10-24
EP4002610A4 (en) 2023-08-23
WO2021010128A1 (ja) 2021-01-21
EP4002610A1 (en) 2022-05-25
US20220263292A1 (en) 2022-08-18
CN114175422A (zh) 2022-03-11
JP2021019054A (ja) 2021-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3781205B2 (ja) 周波数チャープ制御・補償装置および制御・補償方法
US7733922B1 (en) Method and apparatus for fast pulse harmonic fiber laser
CN113366713B (zh) 具有啁啾脉冲放大和修整脉冲序列的超短脉冲激光源
US10859888B2 (en) System for generating brief or ultra-brief light pulses
US20130163624A1 (en) Laser device
WO2010101690A1 (en) Optical scanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems
US8494016B2 (en) Mode locked laser system
US20130250982A1 (en) Generating ultrashort laser pulses based on two-stage pulse processing
JP2013546201A (ja) ショートパルスファイバーレーザー
WO2016132349A1 (en) Transient bragg gratings in optical waveguides and their applications
EP2827461B1 (en) Method and laser source for generation of optically synchronized dual-wavelength ultrashort light pulses
US20230014323A1 (en) Laser Device for Generating an Optical Frequency Comb
CN107210579A (zh) 飞秒紫外激光器
KR20220032002A (ko) 레이저 장치 및 레이저 광 생성 방법
JP2014503850A (ja) 安定化されたフェムト秒パルスレーザ及び安定化方法
AU2018223233A1 (en) An optical plural-comb generator, a method of generating an optical plural comb, and a plurality of mode locked lasers that are mechanically coupled and optically independent
Jain et al. Coherent and spectral beam combining of fiber lasers using volume Bragg gratings
JP5341096B2 (ja) モード同期ファイバーレーザーおよびモード同期ファイバーレーザーを用いたパルスレーザー光の発振方法
JP5524381B2 (ja) パルス幅変換装置および光増幅システム
JPH0212227A (ja) 光パルス発生装置
JP2012078813A (ja) レーザ装置
Moore et al. Generating multiple wavelengths, simultaneously, in a Ti: sapphire ring laser with a Ramp-Hold-Fire seeding technique
Kisov et al. Development of original optical and quantum electronics devices for applications in communications, metrology and sciences
Duan et al. The feasibility of multi-wavelength lasers fabricated using femtosecond laser pulses
Gross et al. Direct laser inscription of 270 nm period waveguide Bragg gratings