WO2012108530A1 - レーザ装置における電気光学変調器の調整方法、及びレーザ装置 - Google Patents

レーザ装置における電気光学変調器の調整方法、及びレーザ装置 Download PDF

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徳久　章
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    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity

Definitions

  • the present invention relates to a laser device that amplifies pulse light extracted by an electro-optic modulator, converts the wavelength, and outputs the same, and a method for adjusting the electro-optic modulator in such a laser device.
  • a laser device that amplifies pulsed light cut out by an electro-optic modulator, converts the wavelength of the light, and outputs the amplified light is known as a light source suitable for a microscope, a shape measuring device, an exposure device, and the like (see Patent Document 1). ).
  • An electro-optic modulator (EOM) uses the electro-optic effect of a ferroelectric material such as LiNbO 3 (lithium niobate) to modulate the phase and amplitude of input light with an electrical signal. The output optical modulator.
  • LiNbO 3 lithium niobate
  • a Mach-Zehnder type EOM is widely used as an intensity modulator for modulating the amplitude of input light, that is, the light intensity.
  • the Mach-Zehnder type EOM is configured to change the refractive index of the two optical paths that constitute the Mach-Zehnder interferometer, to produce a phase difference in the light passing through each optical path, and to change the intensity of the output light. That is, by controlling the voltage applied to both optical paths, the light incident on the electro-optic modulator can be controlled on and off at high speed. For example, about 1 nsec is cut out from the seed light having an on-time of about 10 nsec. It can be configured to output light (see Patent Document 2).
  • an electro-optic modulator that controls on / off of incident light as described above, it is necessary to control the bias voltage in order to prevent the incident light from being emitted (off state).
  • an electro-optic modulator using interference such as a Mach-Zehnder type optical modulator
  • bias adjustment work was regularly performed to detect the pulsed light output from the electro-optic modulator with a high-speed detector and adjust the bias voltage to maximize the extinction ratio while observing the pulse waveform with an oscilloscope or the like. I went to.
  • the bias adjustment operation as described above is complicated and required to be improved.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide means that does not require a complicated electro-optic modulator bias adjustment operation.
  • a first aspect illustrating the present invention includes a signal light source that outputs seed light, an electro-optic modulator that cuts out part of the seed light output from the signal light source and outputs pulsed signal light, and electro-optics Optical amplifier (for example, fiber optical amplifier 21 in the embodiment) that amplifies the signal light output from the modulator, and wavelength conversion optical element that converts the wavelength of the signal light (amplified light Asp in the embodiment) amplified by the optical amplifier A signal light (converted light Csp in the embodiment) that is wavelength-converted by the wavelength conversion optical element in a state in which the seed light is output in the laser device. Based on the applied voltage when the intensity of the signal light after wavelength conversion detected by the converted light detector is substantially maximized. Adjust the bias voltage of the instrument.
  • a second aspect illustrating the present invention is a laser device, which is a signal light source that outputs seed light, and an electro-optic modulator that cuts out part of the seed light output from the signal light source and outputs signal light;
  • An optical amplifier that amplifies the signal light output from the electro-optic modulator (for example, the fiber optical amplifier 21 in the embodiment), and a wavelength that converts the wavelength of the signal light amplified by the optical amplifier (the amplified light Asp in the embodiment).
  • the electro-optic modulator is preferably a Mach-Zehnder type light intensity modulator.
  • the EO control unit substantially maximizes the average power of the signal light after wavelength conversion in a time width longer than the extraction time of the signal light extracted by the electro-optic modulator in a state where the seed light is output.
  • the bias voltage of the electro-optic modulator is preferably adjusted based on the applied voltage.
  • the present invention uses the change in wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion optical element for adjusting the bias voltage of the electro-optic modulator.
  • the bias voltage of the electro-optic modulator deviates from the optimum value, the wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion optical element decreases due to the collapse of the pulse waveform output from the amplifier or the deterioration of the ON / OFF SN ratio. . Therefore, the bias voltage of the electro-optic modulator is adjusted based on the applied voltage when the intensity of the signal light after wavelength conversion generated by the wavelength conversion optical element is substantially maximized in the state where the seed light is output. By doing so, it is possible to easily optimize the bias voltage of the electro-optic modulator without using a high-speed detector, an oscilloscope or the like.
  • the adjustment method of the electro-optic modulator of the first aspect it is possible to provide a bias adjustment method that can be easily optimized by improving the complicated bias adjustment work of the electro-optic modulator.
  • the laser device of the second aspect it is possible to provide a laser device that eliminates complicated bias adjustment work of the electro-optic modulator and outputs clean short pulse light with a high extinction ratio.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser apparatus shown as an application example of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the electro-optic modulator and the intensity of transmitted light that passes through the electro-optic modulator.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing how the seed light incident on the electro-optic modulator is cut out.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the amplified light that is cut out and emitted by the electro-optic modulator.
  • (A) shows a state in which the bias voltage applied to the electro-optic modulator is deviated from the optimum bias voltage
  • (b) shows a state in which the bias voltage is adjusted and set to the optimum bias voltage.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a laser device LS to which the present invention is applied.
  • the laser device LS converts the wavelength of the signal light output unit 10 that outputs the signal light, the amplification unit 20 that amplifies and emits the signal light output from the signal light output unit, and the amplified light output from the amplification unit. And a wavelength conversion unit 30 that outputs the signal and a control device 50 that controls these operations.
  • the signal light output unit 10 is mainly composed of a signal light source 11 that generates seed light and an electro-optic modulator (EOM) 15 that cuts out and outputs part of the seed light emitted from the signal light source 11.
  • EOM electro-optic modulator
  • a configuration using a DFB semiconductor laser capable of outputting light with a wavelength of 1064 nm is exemplified.
  • the DFB semiconductor laser can be oscillated CW or pulsed by controlling the excitation current, and can emit seed light having a single wavelength narrowed in a predetermined wavelength range by controlling the temperature.
  • the electro-optic modulator 15 cuts out part of the seed light emitted from the signal light source 11 and outputs pulsed signal light.
  • the electro-optic modulator 15 of this configuration example is a Mach-Zehnder type optical modulator, and its operation is controlled by an EO control unit 55 provided in the control device 50.
  • the signal light cut out by the electro-optic modulator 15 and output from the signal light output unit 10 enters the amplification unit 20 and is input to the fiber optical amplifier 21.
  • the amplification unit 20 is mainly configured by a fiber optical amplifier 21 that amplifies the signal light output from the signal light output unit 10.
  • a fiber optical amplifier that amplifies signal light having a wavelength of 1064 nm an ytterbium-doped fiber optical amplifier (YDFA) having a gain in a wavelength band of 1000 to 1100 nm is preferably used.
  • the fiber optical amplifier 21 includes an amplification optical fiber 21a having a core doped with ytterbium (Yb), a pumping light source 21b for exciting Yb, and a guide for guiding the pumping light emitted from the pumping light source 21b to the amplification optical fiber 21a.
  • the optical fiber 21c for light and the optical fiber 21c for light guide are comprised from the pump combiner 21d etc. which couple
  • the wavelength converting unit 30 converts the wavelength of the amplified signal light output from the amplifying unit 20 and outputs the converted signal light.
  • the specific configuration of the wavelength conversion unit 30 can be appropriately configured according to the application or function of the system in which the laser device LS is used.
  • the wavelength conversion unit 30 can be configured to output deep ultraviolet light having a wavelength of 190 to 200 nm. (See, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-86193 and 2010-93210).
  • the wavelength conversion unit 30 includes a wavelength conversion optical element 31 that performs second harmonic generation of signal light will be described.
  • a PPLN (Periodically Poled LN) crystal can be suitably used as the wavelength conversion optical element 31 that generates the second harmonic of signal light (fundamental wave) having a wavelength of 1064 nm.
  • a PPLT (Periodically Poled LT) crystal, an LBO (LiB 3 O 5 ) crystal, a BBO ( ⁇ -BaB 2 O 4 ) crystal, or the like may be used.
  • the control device 50 is a control unit that controls the operation of the entire laser device including the signal light source 11, the electro-optic modulator 15, and the fiber optical amplifier 21 (excitation light source 21b).
  • a storage unit storing a control program and various parameters of the laser device LS, an arithmetic processing unit that executes arithmetic processing based on the control program, and an EO control unit 55 are exemplified.
  • a driver for driving each unit is provided.
  • a keyboard and various switches operated by an operator of the laser apparatus, a display panel and lamps for displaying a control program execution state, various alarms, and the like are provided on the operation panel.
  • the control device 50 emits a long-pulse seed light Lsp having a repetition frequency of 2 MHz and an ON time of about 10 nsec from the signal light source 11, and is cut out by the electro-optic modulator 15 so that the ON time is about 1 nsec.
  • the short pulse signal light Ssp is generated and output from the laser light generation unit 10.
  • the signal light Ssp output from the laser light generation unit 10 is amplified by the fiber optical amplifier 21 of the amplification unit 20 and controlled so as to output the amplified signal light (hereinafter referred to as “amplified light” for convenience). To do.
  • the electro-optic modulator 15 is a light intensity modulator using interference, it is necessary to set a bias voltage so that the seed light Lsp does not leak when the electro-optic modulator 15 is turned off.
  • the Mach-Zehnder type electro-optic modulator makes the optical path length difference between the two optical paths constituting the interferometer constant (the phase difference is 1 ⁇ 2 wavelength), and the extinction ratio is changed by temporally changing the bias voltage. Change. For this reason, in order to maintain a high extinction ratio, it is necessary to appropriately adjust the bias voltage.
  • wavelength conversion optical element 31 pulsed light having a wavelength of 532 nm
  • wavelength conversion optical element 31 pulsed light having a wavelength of 532 nm
  • the intensity change of Csp referred to as “converted light”.
  • the wavelength conversion efficiency in a nonlinear optical crystal is proportional to the intensity of incident light, and the power of the converted light is proportional to the square of the incident light intensity.
  • a light detector (referred to as “converted light detector” in this specification) 37 that detects the converted light Csp is provided on the emission side of the wavelength conversion optical element 31, and the EO control unit 55 includes a converted light detector.
  • the bias voltage of the electro-optic modulator 15 is adjusted based on the applied voltage when the intensity of the converted light Csp detected by 37 is maximized.
  • a derivation element 36 such as a partial reflection mirror or a WDM coupler that reflects a part of light having a wavelength of 532 nm (for example, about 1%) is provided on the emission side of the wavelength conversion optical element 31 and is derived by the derivation element 36.
  • the converted light Csp is detected by the converted light detector 37.
  • the conversion light detector 37 only needs to have detection sensitivity in a wavelength band including a wavelength of 532 nm, and a light detector having a relatively long time constant (for example, on the order of msec) can be used.
  • the intensity of the converted light detected by such a photodetector is to detect the average power of the converted light Csp in a time width longer than the cut-out time (nsec order) of the signal light Ssp cut out by the electro-optic modulator 15. become.
  • the detection signal of the converted light detector 37 is input to the EO control unit 55.
  • the EO control unit 55 includes a processing circuit 55a that performs arithmetic processing, a bias adjustment circuit 55b that adjusts a bias voltage (DC bias voltage) applied to the electro-optic modulator 15, and an EO driver that drives the electro-optic modulator 15 on and off. 55c.
  • the processing circuit 55a changes the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 by the bias adjustment circuit 55b, and the power of the converted light Csp detected by the converted light detector 37 is substantially increased.
  • a bias voltage (referred to as “optimal bias voltage”) that maximizes the extinction ratio is derived.
  • the bias adjustment circuit 55b adjusts and sets the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 based on the optimum bias voltage derived by the processing circuit 55a.
  • FIG. 2 shows the relationship between the DC voltage Vi applied to the electro-optic modulator 15 and the intensity of light in the wavelength band of 1 ⁇ m that passes through the electro-optic modulator 15.
  • the intensity of the transmitted light that passes through the electro-optic modulator 15 changes in a sine wave shape with respect to the increase or decrease of the DC voltage Vi applied to the electro-optic modulator 15.
  • the optimum value of the DC bias voltage when performing pulse clipping is the voltage Vopt at which the transmittance of the electro-optic modulator 15 is minimized.
  • FIG. 3 schematically shows the seed light Lsp incident on the electro-optic modulator 15 and how the seed light Lsp is cut out by the electro-optic modulator 15, and FIG. A state of the converted light Csp is schematically shown.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents light intensity.
  • 4A shows a state in which the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 is deviated from the optimum bias voltage Vopt
  • FIG. 4B shows that the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 is the optimum bias voltage Vopt. Shows the state of adjustment settings.
  • the waveform of the converted light Csp is exaggerated to facilitate understanding of the difference between when the bias voltage is adjusted and set to the optimum bias voltage Vopt and when it is not.
  • the seed light Lsp incident on the electro-optic modulator 15 from the signal light source 11 has a long pulse shape with a frequency of 2 MHz and an ON time of about 10 nsec, and is applied to the electro-optic modulator 15.
  • a state where the voltage is adjusted and set to the optimum bias voltage Vopt a state where the extinction ratio is high
  • a signal light Ssp having a rectangular short pulse from which about 1 nsec is cut out is output from the electro-optic modulator 15.
  • the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 is deviated from the optimum bias voltage Vopt, the seed light Lsp cannot be sufficiently shielded when the electro-optic modulator 15 is in the off state.
  • the signal light output from the optical modulator 15 has a hat-like waveform due to leakage of the seed light Lsp before and after sandwiching the 1 nsec short pulse portion.
  • the bias voltage applied to the electro-optic modulator 15 deviates from the optimum bias voltage Vopt
  • the seed light leaked when the electro-optic modulator 15 is in the off state is also amplified and wavelength-converted, and the wavelength conversion optical element
  • the converted light Csp having a wavelength of 532 nm output from 31 has a hat-like waveform having a collar part before and after sandwiching a short pulse part of 1 nsec.
  • the fiber optical amplifier 21 a gain is consumed in the amplification of the collar part, and the peak power of the short pulse part is lowered.
  • the wavelength conversion efficiency in the wavelength conversion optical element is proportional to the intensity of the incident light, and the power of the converted light Csp is proportional to the square of the incident light intensity. Therefore, the converted light Csp having a wavelength of 532 nm output from the wavelength conversion optical element 31 has a pulse waveform that collapses into a hat shape and has a low peak power Psp (and average power).
  • the output converted light Csp having a wavelength of 532 nm has a beautiful rectangular short pulse shape consisting of only a short pulse portion of 1 nsec.
  • the amplified light that effectively contributes to the amplification of the short pulse portion and has a high peak power is incident on the wavelength conversion optical element 31. Therefore, the converted light Csp having a wavelength of 532 nm output from the wavelength conversion optical element 31 has a high peak power Psp (and average power) and is a beautiful rectangular pulse without a heel.
  • the bias voltage of the electro-optic modulator 15 can be set to the optimum bias voltage Vopt by adjusting the bias voltage so that the power of the converted light Csp detected by the converted light detector 37 becomes the maximum value. it can. Thereby, it is possible to accurately adjust the bias of the electro-optic modulator 15 and set the electro-optic modulator 15 in a state where no leakage light occurs.
  • the bias adjustment of the electro-optic modulator 15 can be appropriately performed in accordance with the change state of the bias voltage of the electro-optic modulator 15 to be used.
  • the bias adjustment of the electro-optic modulator 15 can be performed. It can be configured to be executed at predetermined time intervals or based on an operator's adjustment instruction operation.
  • the adjustment method of the electro-optic modulator and the laser device LS described above it is possible to easily optimize the bias voltage of the electro-optic modulator 15 without using a high-speed detector or an oscilloscope.
  • YDFA ytterbium-doped fiber optical amplifier
  • EDFA erbium-doped A fiber optical amplifier
  • the wavelength converter 30 can be appropriately configured according to the use and function of the system to which the laser device is applied, and can be configured to output converted light having a wavelength of 193 nm, for example.

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Abstract

　レーザ装置は、シード光を出力する信号光源と、シード光の一部を切り出してパルス状の信号光を出力する電気光学変調器と、電気光学変調器から出力された信号光を増幅する光増幅器と、光増幅器により増幅された信号光を波長変換する波長変換光学素子と、波長変換光学素子により波長変換された信号光を検出する変換光検出器と、電気光学変調器の作動を制御するＥＯ制御部とを備え、シード光を出力させた状態において、波長変換光学素子により波長変換された信号光を変換光検出器により検出し、変換光検出器により検出される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成される。

Description

レーザ装置における電気光学変調器の調整方法、及びレーザ装置
　本発明は、電気光学変調器により切り出されたパルス光を増幅し波長変換して出力するレーザ装置、及びこのようなレーザ装置における電気光学変調器の調整方法に関する。
　電気光学変調器により切り出されたパルス光を増幅し、これを波長変換して出力するレーザ装置は、顕微鏡や形状測定装置、露光装置などに好適な光源として知られている（特許文献１を参照）。電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro　Optic　Modulator）は、ＬiＮbＯ3（ニオブ酸リチウム）のような強誘電体材料の電気光学効果を利用して、入力光の位相や振幅等を電気信号により変調して出力する光変調器である。入力光の振幅すなわち光強度を変調する強度変調器として、マッハツェンダ型のＥＯＭが広く用いられている。
　マッハツェンダ型のＥＯＭは、マッハツェンダ干渉計を構成する２本の光路の屈折率を変化させ、各光路を通る光に位相差を生じさせて、出力光の強度を変化させるように構成される。すなわち、両光路に印加する電圧を制御することにより、電気光学変調器に入射する光を高速でオン・オフ制御することができ、例えばオン時間が１０ｎsec程度のシード光から１ｎsec程度を切り出してパルス光を出力するように構成こするとができる（特許文献２を参照）。
日本国特許第４２３２１３０号公報 日本国再公表特許ＷＯ２００２／０９５４８６号公報
　上記のように入射光をオン・オフ制御するような電気光学変調器では、入射光が出射されない状態（オフ状態）にするためにバイアス電圧を制御する必要がある。例えば、マッハツェンダ型の光変調器のように干渉を利用した電気光学変調器では、干渉計を構成する２本の光路の光路長差を一定に保つため、バイアス電圧を制御する必要がある。光路長差を一定に保つバイアス電圧は時間的に変化するため、高い消光比を維持するためにはバイアス電圧を適宜調整する必要がある。
　そのため、従来では電気光学変調器から出力されたパルス光を高速のディテクタで検出し、オシロスコープ等でパルス波形を観察しながら消光比が最大となるようにバイアス電圧を調整するバイアス調整作業を定期的に行っていた。上記のようなバイアス調整作業は煩雑であり改善が求められていた。
　本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な電気光学変調器のバイアス調整作業を必要としない手段を提供することを目的とする。
　本発明を例示する第１の態様は、シード光を出力する信号光源と、信号光源から出力されたシード光の一部を切り出してパルス状の信号光を出力する電気光学変調器と、電気光学変調器から出力された信号光を増幅する光増幅器（例えば、実施形態におけるファイバ光増幅器２１）と、光増幅器により増幅された信号光（実施形態における増幅光Ａsp）を波長変換する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置における電気光学変調器の調整方法であって、レーザ装置において、シード光を出力させた状態で、波長変換光学素子により波長変換された信号光（実施形態における変換光Ｃsp）を変換光検出器により検出し、変換光検出器により検出される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、電気光学変調器のバイアス電圧を調整する。
　本発明を例示する第２の態様は、レーザ装置であって、シード光を出力する信号光源と、信号光源から出力されたシード光の一部を切り出して信号光を出力する電気光学変調器と、電気光学変調器から出力された信号光を増幅する光増幅器（例えば、実施形態におけるファイバ光増幅器２１）と、光増幅器により増幅された信号光（実施形態における増幅光Ａsp）を波長変換する波長変換光学素子と、波長変換光学素子により波長変換された信号光（実施形態における変換光Ｃsp）を検出する変換光検出器と、電気光学変調器の作動を制御するＥＯ制御部とを備え、ＥＯ制御部が、シード光を出力させた状態において、変換光検出器により検出される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成される。
　なお、前記電気光学変調器は、マッハツェンダ型の光強度変調器とすることが好ましい。また、前記ＥＯ制御部は、シード光を出力させた状態において、電気光学変調器により切り出す信号光の切り出し時間よりも長い時間幅における波長変換後の信号光の平均パワーが実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成することが好ましい。
　本発明は、電気光学変調器のバイアス電圧調整に、波長変換光学素子における波長変換効率の変化を利用する。電気光学変調器のバイアス電圧が最適値からずれると、増幅器から出力されるパルスの波形が崩れる、若しくはオン・オフのＳＮ比が劣化するなどして、波長変換光学素子における波長変換効率が低下する。そのため、シード光を出力させた状態において、波長変換光学素子により発生される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて電気光学変調器のバイアス電圧を調整することにより、高速のディテクタやオシロスコープ等を用いることなく、容易に電気光学変調器のバイアス電圧を最適化することができる。
　従って、第１の態様の電気光学変調器の調整方法によれば、煩雑な電気光学変調器のバイアス調整作業を改善して容易に最適化が可能なバイアス調整手法を提供することができる。
　また、第２の態様のレーザ装置によれば、電気光学変調器の煩雑なバイアス調整作業を廃し、消光比が高い綺麗な短パルス光を出力するレーザ装置を提供することができる。
図１は、本発明の適用例として示すレーザ装置の概要構成図である。 図２は、電気光学変調器に印加する電圧と電気光学変調器を透過する透過光の強度との関係を示すグラフである。 図３は、電気光学変調器に入射するシード光を切り出す様子を示す模式図である。 図４は、電気光学変調器により切り出されて出射する増幅光の様子を示す模式図である。（ａ）は電気光学変調器に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧からずれた状態のとき、（ｂ）はバイアス電圧が最適バイアス電圧に調整設定された状態のときを示す。
　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用したレーザ装置ＬＳの概要構成図を示す。レーザ装置ＬＳは、信号光を出力する信号光出力部１０と、信号光出力部から出力された信号光を増幅して出射する増幅部２０と、増幅部から出力された増幅光を波長変換して出力する波長変換部３０と、これらの作動を制御する制御装置５０とを備えて構成される。
　信号光出力部１０は、シード光を発生する信号光源１１と、信号光源１１から出射されたシード光の一部を切り出して出力する電気光学変調器（ＥＯＭ）１５とを主体として構成される。信号光源１１は、レーザ装置ＬＳの用途及び機能に応じて適宜な波長帯域の光源を用いることができる。本構成形態においては、波長１０６４ｎｍの光を出力可能なＤＦＢ半導体レーザを用いた構成を例示する。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を制御することによりＣＷまたはパルス発振させることができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のシード光を出射させることができる。
　電気光学変調器１５は、信号光源１１から出射されたシード光の一部を切り出してパルス状の信号光を出力する。本構成例の電気光学変調器１５はマッハツェンダ型の光変調器であり、制御装置５０に設けられたＥＯ制御部５５により作動が制御される。電気光学変調器１５により切り出され信号光出力部１０から出力された信号光は増幅部２０に入射し、ファイバ光増幅器２１に入力される。
　増幅部２０は、信号光出力部１０から出力された信号光を増幅するファイバ光増幅器２１を主体として構成される。波長１０６４ｎｍの信号光を増幅するファイバ光増幅器として、１０００～１１００ｎｍの波長帯域に利得を有するイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた増幅用光ファイバ２１ａと、Ｙｂを励起する励起光源２１ｂと、励起光源２１ｂから出射された励起光を増幅用光ファイバ２１ａに導く導光用光ファイバ２１ｃと、導光用光ファイバ２１ｃとを増幅用光ファイバ２１ａに結合するポンプコンバイナ２１ｄなどから構成される。
　波長変換部３０は、増幅部２０から出力された増幅後の信号光を波長変換して出力する。波長変換部３０の具体的な構成は、レーザ装置ＬＳが用いられるシステムの用途や機能等に応じて適宜に構成でき、例えば波長１９０～２００ｎｍの深紫外光を出力するように構成することができる（例えば、特開２００４－８６１９３号公報、特開２０１０－９３２１０号公報等を参照）。ここでは、波長変換部３０に、信号光の第２高調波発生を行う波長変換光学素子３１を有する場合について説明する。
　波長１０６４ｎｍの信号光（基本波）の第２高調波発生を行う波長変換光学素子３１として、例えば、ＰＰＬＮ（Periodically　Poled　ＬＮ）結晶を好適に用いることができる。なお、ＰＰＬＴ（Periodically　Poled　ＬＴ）結晶や、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶、ＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶等を用いても良い。
　制御装置５０は、信号光源１１や電気光学変調器１５、ファイバ光増幅器２１（励起光源２１ｂ）、を含むレーザ装置全体の作動を制御するコントロールユニットである。制御装置５０には、詳細図示を省略するが、レーザ装置ＬＳの制御プログラムや各種パラメータが格納された記憶部、制御プログラムに基づいて演算処理を実行する演算処理部、ＥＯ制御部５５を例示するように各部を駆動するドライバなどが設けられている。また、レーザ装置のオペレータが操作するキーボードや各種のスイッチ類、制御プログラムの実行状態や各種アラーム等を表示する表示パネルやランプ類などが操作盤に設けられている。
　本構成形態では、制御装置５０は、信号光源１１から繰り返し周波数２ＭＨｚ、ＯＮ時間が１０ｎsec程度の長パルス状のシード光Ｌspを出射させ、これを電気光学変調器１５により切り出してＯＮ時間が１ｎsec程度の短パルス状の信号光Ｓspを発生させて、レーザ光発生部１０から出力させる。レーザ光発生部１０から出力された信号光Ｓspは、増幅部２０のファイバ光増幅器２１により増幅させ、増幅された信号光（以下、便宜的に「増幅光」という）Ａspを出力するように制御する。
　電気光学変調器１５は干渉を利用した光強度変調器であるため、電気光学変調器１５のオフ時にシード光Ｌspが漏れ出ないようにバイアス電圧を設定する必要がある。特にマッハツェンダ型の電気光学変調器は、干渉計を構成する２本の光路の光路長差を一定にする（位相差を１／２波長にする）バイアス電圧が時間的に変化して消光比が変化する。このため、高い消光比を維持するためには、バイアス電圧を適宜調整する必要がある。
　レーザ装置ＬＳでは、電気光学変調器１５のバイアス電圧調整に、波長変換光学素子３１における波長変換効率の変化、より具体的には、波長変換光学素子３１で発生した波長５３２ｎｍのパルス光（以下、便宜的に「変換光」という）Ｃspの強度変化を利用する。よく知られているように、非線形光学結晶における波長変換効率は入射光の強度に比例し、変換光のパワーは入射光強度の２乗に比例する。
　レーザ装置ＬＳでは、波長変換光学素子３１の出射側に変換光Ｃspを検出する光検出器（本明細書において「変換光検出器」という）３７を設け、ＥＯ制御部５５は、変換光検出器３７により検出される変換光Ｃspの強度が最大になるときの印加電圧に基づいて、電気光学変調器１５のバイアス電圧を調整する。
　具体的には、波長変換光学素子３１の出射側に、波長５３２ｎｍの光の一部（例えば１％程度）を反射する部分反射鏡またはＷＤＭカプラ等の導出素子３６を設け、導出素子３６により導出された変換光Ｃspを変換光検出器３７により検出する。変換光検出器３７は、波長５３２ｎｍを含む波長帯域に検出感度を有するものであれば良く、時定数が比較的長い（例えばｍsecオーダの）光検出器を用いることができる。このような光検出器によって検出される変換光の強度は、電気光学変調器１５により切り出される信号光Ｓspの切り出し時間（ｎsecオーダ）よりも長い時間幅における変換光Ｃspの平均パワーを検出することになる。変換光検出器３７の検出信号はＥＯ制御部５５に入力される。
　ＥＯ制御部５５は、演算処理を行う処理回路５５ａ、電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧（ＤＣバイアス電圧）を調整するバイアス調整回路５５ｂ、電気光学変調器１５をオン・オフ駆動するＥＯドライバ５５ｃなどから構成される。処理回路５５ａは、前記シード光を出力させた状態において、バイアス調整回路５５ｂにより電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧を変化させ、変換光検出器３７により検出される変換光Ｃspのパワーが実質的に最大になったときの印加電圧に基づいて、消光比が最大となるバイアス電圧（「最適バイアス電圧」という）を導出する。バイアス調整回路５５ｂは、処理回路５５ａにより導出された最適バイアス電圧に基づき、電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧を調整設定する。
　図２に、電気光学変調器１５に印加するＤＣ電圧Ｖiと、電気光学変調器１５を透過する波長１μｍ帯の光の強度との関係を示す。図のように、電気光学変調器１５を透過する透過光の強度は、電気光学変調器１５に印加するＤＣ電圧Ｖiの増減に対して正弦波状に変化する。パルス切り出しを行う際のＤＣバイアス電圧の最適値は、電気光学変調器１５の透過率が最小となる電圧Ｖoptである。
　図３に、電気光学変調器１５に入射するシード光Ｌsp、及び電気光学変調器１５によりシード光Ｌspの一部が切り出される様子を模式的に示し、図４に、波長変換光学素子３１から出射する変換光Ｃspの様子を模式的に示す。両図における横軸は時間、縦軸は光強度である。また、図４における（ａ）は電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptからずれた状態のとき、（ｂ）は電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態を示す。なお、図４では、バイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態のときと、そうでないときとの相違を理解容易にするため、変換光Ｃspの波形を誇張して表現している。
　図３に示されるように、信号光源１１から電気光学変調器１５に入射するシード光Ｌspは、周波数が２ＭＨｚ、ＯＮ時間が１０ｎsec程度の長パルス状であり、電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態（消光比が高い状態）では、ここから１ｎsec程度が切り出された矩形短パルス状の信号光Ｓspが電気光学変調器１５から出力される。しかし、電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptからずれた状態では、電気光学変調器１５がオフ状態のときにシード光Ｌspを十分に遮光することができず、このとき電気光学変調器１５から出力される信号光は、１ｎsecの短パルス部を挟む前後にシード光Ｌspが漏れ出してハット状の波形となる。
　そのため、電気光学変調器１５に印加するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptからずれた状態では、電気光学変調器１５がオフ状態のときに漏れ出したシード光も増幅及び波長変換され、波長変換光学素子３１から出力される波長５３２ｎｍの変換光Ｃspは、図４（ａ）に示されるように、１ｎsecの短パルス部を挟む前後に鍔部を有するハット状の波形になる。このとき、ファイバ光増幅器２１では鍔部の増幅に利得が食われ、短パルス部のピークパワーが低下する。前述したように、波長変換光学素子における波長変換効率は入射光の強度に比例し、変換光Ｃspのパワーは入射光強度の２乗に比例する。そのため、波長変換光学素子３１から出力される波長５３２ｎｍの変換光Ｃspは、パルス波形がハット状に崩れ、かつピークパワーＰsp（及び平均パワー）が低いものとなる。
　一方、バイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態では、電気光学変調器１５がオフ状態のときにシード光が十分に遮光されるため鍔部がほとんど生じず、波長変換光学素子３１から出力される波長５３２ｎｍの変換光Ｃspは、図４（ｂ）に示されるように、１ｎsecの短パルス部のみからなる綺麗な矩形短パルス状の波形になる。このとき、ファイバ光増幅器２１では、利得が短パルス部の増幅に有効に寄与しピークパワーが高い増幅光が波長変換光学素子３１に入射する。そのため、波長変換光学素子３１から出力される波長５３２ｎｍの変換光Ｃspは、ピークパワーＰsp（及び平均パワー）が高く、鍔部のない綺麗な矩形パルスとなる。
　このため、変換光検出器３７により検出される変換光Ｃspのパワーが最大値になるようにバイアス電圧を調整することで、電気光学変調器１５のバイアス電圧を最適バイアス電圧Ｖoptに設定することができる。これにより、電気光学変調器１５のバイアス調整を的確に行い、漏れ光が生じない状態に設定することができる。
　電気光学変調器１５のバイアス調整は、使用する電気光学変調器１５のバイアス電圧の変化状況等に応じて適宜行うように構成することができ、例えば、レーザ装置ＬＳの起動時、あるいは稼働中の所定時間ごとに実行し、あるいは、オペレータの調整指示操作に基づいて実行するように構成することができる。
　従って、以上説明した電気光学変調器の調整方法及びレーザ装置ＬＳによれば、高速のディテクタやオシロスコープ等を用いることなく、容易に電気光学変調器１５のバイアス電圧を最適化することができる。そして、時間的なＳＮ比が高く、綺麗な波形の増幅短パルス光を出力するレーザ装置を提供することができる。
　以上の説明では、光増幅器としてイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）を用いた構成を例示したが、信号光の波長や光増幅器の形態は異なるものであっても良く、例えば、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）や、バルクの増幅媒体を用いた光増幅器などであっても良い。また、波長変換部３０はレーザ装置が適用されるシステムの用途及び機能に応じて適宜に構成することができ、例えば波長１９３ｎｍの変換光を出力するように構成することができる。
　上記の通り、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。　
　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国出願２０１１年第０２７８８４号（２０１１年２月１０日）

Claims (4)

  1. 　シード光を出力する信号光源と、前記信号光源から出力されたシード光の一部を切り出してパルス状の信号光を出力する電気光学変調器と、前記電気光学変調器から出力された信号光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅された信号光を波長変換する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置における電気光学変調器の調整方法であって、
    　レーザ装置において、
    　前記シード光を出力させた状態で、前記波長変換光学素子により波長変換された信号光を変換光検出器により検出し、
    　前記変換光検出器により検出される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整するレーザ装置における電気光学変調器の調整方法。
  2. 　レーザ装置であって、
    　シード光を出力する信号光源と、
    　前記信号光源から出力されたシード光の一部を切り出して信号光を出力する電気光学変調器と、
    　前記電気光学変調器から出力された信号光を増幅する光増幅器と、
    　前記光増幅器により増幅された信号光を波長変換する波長変換光学素子と、
    　前記波長変換光学素子により波長変換された信号光を検出する変換光検出器と、
    　前記電気光学変調器の作動を制御するＥＯ制御部とを備え、
    　前記ＥＯ制御部が、前記シード光を出力させた状態において、前記変換光検出器により検出される波長変換後の信号光の強度が実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成したレーザ装置。
  3. 　請求項２に記載のレーザ装置において、
    　前記電気光学変調器がマッハツェンダ型の光変調器であるレーザ装置。
  4. 　請求項２または３に記載のレーザ装置において、
    　前記ＥＯ制御部は、前記シード光を出力させた状態で、前記電気光学変調器による前記信号光の切り出し時間よりも長い時間幅における波長変換後の信号光の平均パワーが実質的に最大になるときの印加電圧に基づいて、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成したレーザ装置。
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