WO2018203483A1 - レーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法 - Google Patents

レーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法 Download PDF

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穣治 岡田
庸亮 折井
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スペクトロニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser light source device and a laser pulse light generation method used for various types of laser processing.
  • Patent Document 1 aims to provide a relatively inexpensive and small laser light source device by improving energy utilization efficiency when amplifying pulsed light with a solid-state amplifier and reducing heat loss of the solid-state amplifier.
  • a laser light source device has been proposed.
  • the laser light source device includes: a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method; a fiber amplifier that amplifies pulse light output from the seed light source; a solid-state amplifier that amplifies pulse light output from the fiber amplifier; A non-linear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the amplifier and outputs it; an optical switching element that is disposed between the fiber amplifier and the solid-state amplifier and that allows or blocks the propagation of light from the fiber amplifier to the solid-state amplifier; And a control unit.
  • the control unit includes a gain switching control process for driving the seed light source at a predetermined period, and a fiber amplifier and / or a solid-state amplifier so that the fiber amplifier and / or the solid-state amplifier is inverted before the pulse light output from the seed light source is input. And / or excitation control processing for controlling the excitation light source of the solid-state amplifier periodically or intermittently, and light propagation during the output period of the pulse light from the seed light source, and the output period of the pulse light from the seed light source And an optical switch control process for controlling the optical switch element so as to prevent the propagation of light during different periods.
  • ASE noise (Amplified ⁇ ⁇ Spontaneous Emission Noise), which is spontaneous emission light noise generated in the process of amplification by the fiber amplifier, is removed in the time domain by the optical switch control processing, and the fiber pump and the solid-state amplifier are excessively pumped by the pump control processing. It is suppressed and generation of a giant pulse is avoided.
  • An object of the present invention is to provide a laser light source apparatus and a laser pulse light generation method capable of reliably avoiding the generation of a giant pulse regardless of the repetition frequency of the seed light source in view of the above-described problems.
  • a laser light source device includes a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, a fiber amplifier that amplifies pulsed light output from the seed light source, and an output from the fiber amplifier.
  • a solid-state amplifier that amplifies the pulsed light, a non-linear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the solid-state amplifier, and is output between the seed light source and the solid-state amplifier.
  • a semiconductor optical amplifier that amplifies the output pulsed light, and further, gain switching control processing for driving the seed light source at a desired repetition frequency, and injection of the semiconductor optical amplifier according to the repetition frequency of the seed light source And a semiconductor optical amplifier control process for controlling current.
  • the laser pulse light generation method sequentially amplifies the pulse light output from the seed light source by the gain switching method with a fiber amplifier and a solid-state amplifier, and converts the wavelength of the amplified pulse light with a nonlinear optical element and outputs it.
  • a method for generating laser pulse light wherein the seed light source is driven at a desired repetition frequency, and an injection current of a semiconductor optical amplifier disposed between the seed light source and the solid-state amplifier is changed to a repetition frequency of the seed light source. It is comprised so that it may control according to.
  • the present invention it is possible to provide a laser light source device and a laser pulse light generation method capable of reliably avoiding the generation of a giant pulse regardless of the repetition frequency of the seed light source.
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser light source device.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the semiconductor optical amplifier.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the semiconductor optical amplifier control process.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing another example of the semiconductor optical amplifier control process.
  • FIG. 5 is a block diagram of a laser light source device showing another embodiment.
  • FIGS. 6A to 6C are explanatory diagrams of the frequency characteristics and time axis characteristics of the pulsed light, and FIG. 6A shows the repetition frequency characteristics and time axis of the narrow band pulsed light oscillated from the seed light source.
  • FIG. 8 is a block diagram of a laser light source device showing another embodiment.
  • a laser light source device includes a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, a fiber amplifier that amplifies pulse light output from the seed light source, and a solid-state amplifier that amplifies pulsed light output from the fiber amplifier.
  • a non-linear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the solid-state amplifier and outputs it, a semiconductor optical amplifier that is disposed between the seed light source and the solid-state amplifier, and amplifies the pulsed light output from the seed light source, And a control unit.
  • the control unit executes a gain switching control process for driving the seed light source at a desired repetition frequency and a semiconductor optical amplifier control process for controlling the injection current of the semiconductor optical amplifier according to the repetition frequency of the seed light source. It is configured.
  • the excitation time until the pulsed light is input to the solid-state amplifier becomes longer.
  • the excitation time until the pulsed light is input to the solid-state amplifier is shortened, so that the excitation state of the solid-state amplifier is relatively lowered. That is, the excitation state of the solid-state amplifier varies depending on the repetition frequency of the seed light source.
  • the injection current of the semiconductor optical amplifier By adjusting the injection current of the semiconductor optical amplifier, it is possible to variably adjust the intensity of light output from the semiconductor optical amplifier, that is, the intensity of output light including pulsed light. Therefore, by executing the semiconductor optical amplifier control process described above, the excitation state of the solid-state amplifier can be adjusted, or the intensity of the pulsed light input to the solid-state amplifier can be adjusted to an appropriate value according to the excitation state. .
  • the semiconductor optical amplifier control process includes a process for controlling the injection time of the injection current so that the intensity of the pulsed light output from the seed light source and wavelength-converted by the nonlinear optical element becomes a predetermined intensity.
  • the intensity corresponding to the injection current before the pulsed light is amplified Continuous light is output.
  • the intensity of the pulsed light wavelength-converted by the nonlinear optical element can be adjusted to a predetermined intensity.
  • the semiconductor optical amplifier control process preferably includes a process for controlling the value of the injection current so that the intensity of the pulsed light output from the seed light source and wavelength-converted by the nonlinear optical element becomes a predetermined intensity.
  • the output light whose intensity including the pulse light corresponding to the seed light output from the semiconductor optical amplifier is adjusted is input to the solid-state amplifier, and as a result, the nonlinear optical element
  • the intensity of the pulse-converted pulse light can be adjusted to a predetermined intensity.
  • the semiconductor optical amplifier control process preferably includes a process of controlling the value of the injection current so that the excitation state of the solid-state amplifier becomes a predetermined excitation state.
  • the intensity of continuous light output from the semiconductor optical amplifier can be adjusted by adjusting the value of the current injected into the semiconductor optical amplifier.
  • the excitation state of the solid-state amplifier can be adjusted to a preferable excitation state.
  • the semiconductor optical amplifier control process controls the injection current to increase stepwise or continuously when the pulsed light is not input as the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source decreases. As the repetition frequency of the pulsed light output from the light source increases, it is preferable to include a process of controlling the value of the injection current to decrease stepwise or continuously when no pulsed light is input.
  • the excitation time until the pulsed light is input to the solid amplifier becomes longer, so the excitation state becomes relatively high, and if the repetition frequency of the seed light source is increased, the solid amplifier Since the excitation time until the pulsed light is input to the device becomes shorter, the excited state becomes relatively lower.
  • the continuous light output from the semiconductor optical amplifier causes an excess.
  • the continuous current output from the semiconductor optical amplifier can be achieved by controlling the injection current value to decrease stepwise or continuously when no pulsed light is input. Reduction of unnecessary excited state due to light is suppressed.
  • the repetition frequency of the seed light source is set in real time according to the relative moving speed between the pulse light output from the nonlinear optical element and the object to be processed and / or the object to be processed by the pulse light.
  • the semiconductor optical amplifier control process includes a setting process, and the semiconductor optical amplifier control process is performed in accordance with the relative movement speed between the pulse light output from the nonlinear optical element and the processing target and / or processing target processed by the pulse light.
  • a process for controlling the injection current of the amplifier is included.
  • the repetition frequency and intensity of the pulsed light output after wavelength conversion from the nonlinear optical element should be adjusted to an appropriate value according to the processing object and / or the relative movement speed with respect to the processing object. preferable.
  • the repetition frequency of the seed light source to an appropriate value and setting the injection current of the semiconductor optical amplifier to an appropriate value, high-precision processing can be performed according to the characteristics of the material to be processed.
  • a laser light source device that can be obtained is obtained.
  • the control unit When the repetition frequency of the seed light source is equal to or lower than a predetermined frequency, the control unit includes a fiber amplifier and / or a solid-state amplifier so that the fiber amplifier and / or the solid-state amplifier is inverted before the pulse light output from the seed light source is input. It is preferable that an excitation control process for periodically or intermittently controlling the excitation light source is further executed.
  • the fiber amplifier or the solid-state amplifier When the repetition frequency of the seed light source is lower than the predetermined frequency, the fiber amplifier or the solid-state amplifier is excessively excited, and it may be difficult to appropriately avoid the generation of the giant pulse even by the semiconductor optical amplifier control process described above. There is also. By executing the excitation control process in such a case, the fiber amplifier and the solid-state amplifier can be adjusted to an appropriate inversion distribution state, and generation of a giant pulse can be avoided.
  • the excitation control process is executed when the repetition frequency of the seed light source is higher than the predetermined frequency, the fiber amplifier or the solid-state amplifier cannot be sufficiently excited as described above, and a response delay may occur. Such an adverse effect does not occur when the repetition frequency is lower than the predetermined frequency.
  • An optical switch element is provided between the fiber amplifier and the solid-state amplifier to allow or block light propagation from the fiber amplifier to the solid-state amplifier, and the control unit transmits the light during the output period of the pulsed light from the seed light source. It is preferable to further execute an optical switch control process for controlling the optical switch element so as to prevent the propagation of light during a period different from the output period of the pulsed light from the seed light source.
  • the pulse light propagates from the fiber amplifier to the solid-state amplifier through the optical switch element during the output period of the pulse light from the seed light source, and the output light of the fiber amplifier propagates to the solid-state amplifier in a period different from the output period of the pulse light. Is blocked. Propagation of ASE noise to the solid-state amplifier is prevented during a period different from the output period of the pulsed light, so that waste of energy in the active region of the solid-state amplifier is avoided. That is, the optical switch element functions as a filter that removes ASE noise in the time domain.
  • the seed light source is composed of a DFB laser
  • the control unit is configured to drive the DFB laser with a repetition frequency of several megahertz or less and with a pulse width of several hundred picoseconds or less.
  • a gain switching method using a DFB laser as a seed light source By applying a gain switching method using a DFB laser as a seed light source, it oscillates in a single longitudinal mode, and pulsed light having a higher intensity than that in a steady state can be obtained. According to the gain switching method, it is possible to easily generate pulsed light having a desired pulse width of several hundred picoseconds or less at a desired repetition frequency of several megahertz or less including single pulsed light. Further, by using the above-described optical switch element and semiconductor optical amplifier, it becomes possible to efficiently obtain pulsed light having a high average output and a desired wavelength.
  • the laser pulse light generation method is a laser that sequentially amplifies pulse light output from a seed light source by a gain switching method using a fiber amplifier and a solid-state amplifier, converts the wavelength of the amplified pulse light using a nonlinear optical element, and outputs the laser light.
  • a pulsed light generation method wherein a seed light source is driven at a desired repetition frequency, and an injection current of a semiconductor optical amplifier disposed between the seed light source and the solid-state amplifier is controlled according to the repetition frequency of the seed light source. It is configured.
  • the value of the injection current is controlled to increase stepwise or continuously when no pulsed light is input, and output from the seed light source. As the repetition frequency of the pulsed light increases, it is preferable to control the value of the injection current to be lowered stepwise or continuously when no pulsed light is input.
  • the repetition frequency of the seed light source is set according to the relative movement speed between the pulse light output from the nonlinear optical element and the object to be processed and / or the object to be processed by the pulse light, and the semiconductor optical amplifier is injected. It is preferable to control the current.
  • FIG. 1 shows an exemplary configuration of a laser light source device 1 according to the present invention.
  • the laser light source device 1 includes a light source unit 1A, a fiber amplification unit 1B, a solid amplification unit 1C, and a wavelength conversion unit 1D arranged along the optical axis L, and further includes a control unit 100 that controls the light source unit 1A and the like. It is prepared for.
  • the light source unit 1A includes a seed light source 10, a seed light source driver D1, an optical isolator ISL1, and the like.
  • the fiber amplifier 1B is provided with two-stage fiber amplifiers 20 and 30 each including pumping light sources 21 and 31 and multiplexers 22 and 32 each composed of a laser diode, and before the fiber amplifiers 20 and 30.
  • a semiconductor optical amplifier (SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 15, optical isolators ISL ⁇ b> 2 and ISL ⁇ b> 3, an optical switch element 40, and the like are provided.
  • the solid amplifier 1C includes a solid amplifier 50, reflection mirrors M1, M2, M3, a lens L1, a collimator CL2, and the like.
  • the wavelength conversion unit 1D includes a first wavelength conversion unit 1E and a second wavelength conversion unit 1F, and includes nonlinear optical elements 60 and 70, respectively.
  • Laser pulse light with a wavelength of 1064 nm output from the seed light source 10 (hereinafter also simply referred to as “pulse light”) is amplified by the semiconductor optical amplifier 15, then amplified by the two-stage fiber amplifiers 20, 30, and further one-stage. Is amplified to a desired level by the solid-state amplifier 50.
  • the pulsed light amplified by the solid-state amplifier 50 is wavelength-converted to a wavelength of 532 nm by the nonlinear optical element 60 and further wavelength-converted to a wavelength of 266 nm by the nonlinear optical element 70 and output.
  • the number of fiber amplifiers and solid-state amplifiers is not particularly limited, and may be set as appropriate in order to obtain a desired amplification factor for pulsed light.
  • three fiber amplifiers may be cascaded, and two solid state amplifiers may be cascaded in the subsequent stage.
  • a distributed feedback laser diode (hereinafter referred to as “DFB laser”) that outputs a single longitudinal mode laser beam is used as the seed light source 10, and is controlled by a control signal output from the control unit 100 to which the gain switching method is applied.
  • the DFB laser outputs pulse light having a desired pulse width of several hundred picoseconds or less at a desired repetition frequency of one or several megahertz or less.
  • Pulse light having a pulse energy of several picojoules to several hundred picojoules output from the seed light source 10 is finally pulsed by the fiber amplifiers 20 and 30 and the solid-state amplifier 50 with a pulse energy of several tens of microjoules to several tens of millijoules. After being amplified to light, it is converted into deep ultraviolet rays having a wavelength of 266 nm by being input to the two-stage nonlinear optical elements 60 and 70.
  • the pulsed light output from the seed light source 10 is amplified to a predetermined level by the semiconductor optical amplifier 15 via the optical isolator ISL1.
  • the semiconductor optical amplifier 15 has the same structure as that of the semiconductor laser except that it is processed to eliminate reflection at the end face, and includes a control terminal for controlling the optical amplification factor.
  • the intensity of the input pulsed light is directly amplified to a desired intensity.
  • FIG. 2 shows the amplification characteristics of the semiconductor optical amplifier 15.
  • the value of the injection current which is the amplification control input signal
  • the intensity of the continuous light which is the output light
  • the pulsed light amplified according to the value of the injected current is output when it reaches the saturation region at time t1. Become so.
  • the pulsed light output from the semiconductor optical amplifier 15 is further amplified by the two-stage fiber amplifiers 20 and 30.
  • the fiber amplifiers 20 and 30 rare earth-doped optical fibers such as ytterbium (Yb) -doped fiber amplifiers pumped by a pumping light source 21 having a predetermined wavelength (for example, 975 nm) are used. Since the lifetime of the inversion distribution of the fiber amplifier 20 is in the order of milliseconds, the energy excited by the excitation light source 21 is efficiently transferred to pulsed light having a frequency of 1 kilohertz or more.
  • Yb ytterbium
  • pulse light amplified by about 30 decibels by the fiber amplifier 20 is input to the subsequent fiber amplifier 30 via the optical isolator ISL2 and amplified by about 25 decibels.
  • the pulsed light amplified by the subsequent fiber amplifier 30 is beam-shaped by the collimator CL1, passes through the optical isolators ISL3 and ISL4, and is then guided to the solid-state amplifier 50 to be amplified by about 25 decibels.
  • the pulse light output from the fiber amplifier 30 is beamed by the collimator CL1 immediately before the incident surface of the solid amplifier 50 so as to be efficiently amplified with respect to the thermal lens effect generated in the solid amplifier 50. Beam-shaped so that the waist is located.
  • a pair of reflecting mirrors M1 and M2 are disposed between the collimator CL1 and the solid-state amplifier 50, and an optical isolator ISL4 that guides the pulsed light amplified by the solid-state amplifier 50 to the nonlinear optical element 60 between the reflecting mirrors M1 and M2. Is arranged.
  • the optical isolators ISL1 to ISL4 described above are polarization-dependent optical isolators that block the return light by rotating the polarization plane in the reverse direction to the reverse direction using the magneto-optical effect,
  • Each of the optical elements arranged on the upstream side is provided for avoiding thermal destruction by high-intensity return light.
  • a solid-state laser medium such as Nd: YVO4 crystal or Nd: YAG crystal is preferably used.
  • the solid-state laser medium is configured to be excited by the excitation light output from the excitation light source 51 including a laser diode having an emission wavelength of 808 nm or 888 nm and beam-formed by the collimator CL2.
  • the pulsed light that has passed through the optical isolator ISL3 is incident on the solid-state amplifier 50 via the reflection mirrors M1 and M2 and amplified, and then reflected by the reflection mirror M3 and re-enters the solid-state amplifier 50 to be amplified again.
  • the lens L1 is for beam shaping.
  • the first wavelength conversion unit 1E incorporates an LBO crystal (LiB 3 O 5 ) that is a nonlinear optical element 60
  • the second wavelength conversion unit 1F incorporates a CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ) that is a nonlinear optical element 70. It is.
  • the pulse light having a wavelength of 1064 nm output from the seed light source 10 is wavelength-converted to a wavelength of 532 nm by the nonlinear optical element 60, and further wavelength-converted to a wavelength of 266 nm by the nonlinear optical element 70.
  • the reflection mirrors M4 and M8 function as a filter for separating pulsed light with a wavelength of 1064 nm output from the nonlinear optical element 60, and the reflection mirror M6 is for separating pulsed light with a wavelength of 532 nm output from the nonlinear optical element 70.
  • Each of the separated pulse lights is attenuated by an optical damper.
  • the second wavelength conversion unit 1F is provided with a stage 71 that is a scanning mechanism that moves a CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ) in a plane orthogonal to the optical axis.
  • a stage 71 that is a scanning mechanism that moves a CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ) in a plane orthogonal to the optical axis.
  • CLBO crystal For lowering the ultraviolet When is irradiated to the same position long CLBO crystal (CsLiB 6 O 10) in the degradation and the wavelength converted output of the intensity distribution generated optical damage, CLBO crystal in a predetermined time (CsLiB 6 O 10) This is to shift the irradiation position of the pulsed light on the.
  • the control unit 100 is configured by a circuit block including an FPGA (Field Programmable Gate Array) and peripheral circuits, and drives a plurality of logic elements based on a program stored in advance in a memory in the FPGA. For example, the blocks constituting the block are sequentially controlled.
  • the control unit 100 may be configured with a microcomputer, a peripheral circuit such as a memory and an IO, or may be configured with a programmable logic controller (PLC) or the like.
  • PLC programmable logic controller
  • control unit 100 performs gain switching control processing for driving the seed light source 10 at a predetermined repetition frequency, and semiconductor optical amplifier control processing for controlling the injection current of the semiconductor optical amplifier 15 according to the repetition frequency of the seed light source 10.
  • the fiber amplifiers 20 and 30 and / or the solid-state amplifier 40 are inverted and distributed before the pulse light output from the seed light source 10 is input.
  • 20, 30 and / or the excitation light source 21, 31, 51 of the solid-state amplifier 50 is configured to execute an excitation control process for controlling periodically or intermittently.
  • a trigger signal having a predetermined pulse width is output to the driver D1 of the DFB laser that is the seed light source 10 in order to cause the seed light source 10 to emit light using the gain switching method.
  • a pulse current corresponding to the trigger signal is applied from the drive circuit to the DFB laser, relaxation oscillation occurs, and only the first wave having the highest emission intensity immediately after the start of light emission due to relaxation oscillation consists of the second and subsequent sub-pulses.
  • a pulsed laser beam not included is output.
  • the gain switching method refers to a method of generating pulsed light having a short pulse width and high peak power using such relaxation oscillation.
  • the excitation control process is not executed, and the excitation light sources 21, 31, 51 are continuously controlled. Therefore, the inversion distribution state, that is, the excitation state of the fiber amplifiers 20 and 30 and the solid-state amplifier 50 changes according to the repetition frequency of the pulsed light.
  • each amplifier 20, 30, 50 When the repetition frequency of the pulsed light is low, the pumping state of each amplifier 20, 30, 50 is relatively high, so that when the pulsed light of the same intensity is incident, the pumping light is pumped. The higher the state, the higher the amplification factor and the higher the intensity of the pulsed light that is output.
  • an abnormally high intensity pulse light (referred to as a giant pulse) is output from the solid-state amplifier 50, and damage to the solid-state amplifier 50 or the nonlinear optical elements 60, 70 is prevented. There is a risk of inviting.
  • a semiconductor optical amplifier control process for controlling the injection current of the semiconductor optical amplifier 15 according to the repetition frequency of the seed light source 10 is executed.
  • the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source 10 is lowered by the gain switching control process, the excitation time until the pulsed light is input to the solid-state amplifier 50 becomes longer, so the excitation state of the solid-state amplifier 50 becomes relatively high.
  • the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source 10 is increased, the excitation time until the pulsed light is input to the solid-state amplifier 50 is shortened, so that the excitation state of the solid-state amplifier 50 is relatively lowered.
  • the excitation state of the solid-state amplifier 5 varies depending on the repetition frequency of the seed light source 10.
  • the intensity of light output from the semiconductor optical amplifier 15, that is, the intensity of output light including pulsed light can be variably adjusted.
  • the excitation state of the solid-state amplifier 50 is adjusted, or the intensity of the pulsed light input to the solid-state amplifier 50 can be adjusted to an appropriate value according to the excitation state.
  • the semiconductor optical amplifier 15 is provided in front of the fiber amplifier 20, not only the solid-state amplifier 50 but also the fiber amplifiers 20 and 30 are adjusted to be excited or input to the fiber amplifiers 20 and 30. The intensity of the pulsed light can be adjusted to an appropriate value according to the excited state.
  • FIGS. 3 and 4 show the semiconductor optical amplifier control regardless of the pulse repetition periods ti and tf when the intensity of the pulse light output from the seed light source 10 in the gain switching control process, that is, the intensity of the seed light is constant.
  • An example is shown in which the intensity of the pulsed light output from the nonlinear optical element 70 is controlled to be constant by processing.
  • the injection timing of the injection current is controlled so that the intensity of the pulsed light output from the seed light source 10 and wavelength-converted by the nonlinear optical element 70 becomes a predetermined intensity (in this embodiment, constant intensity).
  • a predetermined intensity in this embodiment, constant intensity.
  • the predetermined intensity may be set to change dynamically instead of a constant intensity.
  • the pulsed light is amplified as described with reference to FIG.
  • continuous light having an intensity corresponding to the injection current is output.
  • the semiconductor optical amplifier control process includes a process for controlling the value of the injection current so that the intensity of the pulsed light output from the seed light source 10 and wavelength-converted by the nonlinear optical element 70 becomes a predetermined intensity.
  • the output light whose intensity including the pulse light corresponding to the seed light output from the semiconductor optical amplifier 15 is adjusted is input to the solid-state amplifier 50, and as a result, The intensity of the pulsed light wavelength-converted by the nonlinear optical element 70 can be adjusted to a predetermined intensity.
  • FIG. 3 shows an example in which both the injection timing and the current value of the injection current into the semiconductor optical amplifier 15 are controlled by the semiconductor optical amplifier control process, and the excitation state of the solid-state amplifier 50 is variably adjusted.
  • the value of the injection current is adjusted so that pulsed light having a constant intensity is output from the solid-state amplifier 50 according to the excited state.
  • the intensity of the pulsed light wavelength-converted by the nonlinear optical element 70 is adjusted to be constant.
  • the semiconductor optical amplifier control process includes a process for controlling the value of the injection current so that the excitation state of the solid-state amplifier 50 becomes a predetermined excitation state (a constant excitation state in this embodiment). It is.
  • the excitation state of the solid-state amplifier 50 is adjusted to a constant excitation state, and the intensity of the pulsed light subjected to wavelength conversion by the nonlinear optical element 70 is adjusted to be constant.
  • the intensity of continuous light at this time the excitation state of the solid-state amplifier 15 can be adjusted to a preferable excitation state.
  • the value of the injection current to the semiconductor optical amplifier 15 is maintained at a constant value corresponding to the repetition frequency of the seed light in order to keep the excitation state of the solid-state amplifier 50 constant. Then, in order to obtain a desired gain in accordance with the amplification timing of the seed light, it is increased stepwise immediately before the time ts from the input timing of the seed light, and is controlled so that it returns to the original value when the amplification processing is completed.
  • the seed light repetition frequency is high, the value of the injection current is decreased, and when the seed light repetition frequency is low, the value of the injection current is increased.
  • the excited state is set to change dynamically instead of a constant excited state, the intensity of the wavelength-converted light can be adjusted dynamically.
  • the semiconductor optical amplifier control process controls the injection current value to increase stepwise or continuously when the pulsed light is not input as the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source 10 decreases.
  • the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source 10 increases, it includes a process of controlling the value of the injected current to be lowered stepwise or continuously when no pulsed light is input.
  • control unit 100 is configured to execute a shift control process in which the stage 71 is controlled and moved stepwise in order to shift the irradiation position of the pulsed light onto the CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ) at a predetermined time. ing.
  • the intensity of the wavelength-converted ultraviolet light is monitored, and when the monitored intensity history matches a predetermined pattern, the stage 71 is moved to irradiate the CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ) with pulsed light. Shift position.
  • the stage 71 is controlled by the control unit 100 via the motor driver D3 and / or the Y-direction moving motor so that the stage 71 can move on the XY plane orthogonal to the optical axis of the pulsed light. It is connected to the drive.
  • the laser light source device 1 shown in FIG. 5 includes an acousto-optic modulator AOM that functions as an optical switch element 40 by incorporating an acousto-optic element between the collimator CL1 of the laser light source device 1 described in FIG. Acousto-Optic Modulator).
  • control unit 100 allows the propagation of light during the output period of the pulsed light from the seed light source 10 and the output period of the pulsed light from the seed light source 10.
  • An optical switch control process is performed to control the optical switch element 40 so as to prevent the propagation of light during different periods.
  • a gate signal is output to the RF driver D2 that drives the acousto-optic modulator AOM that is the optical switch element 40.
  • a diffraction grating is generated in a crystal constituting the acoustooptic device by a transducer (piezoelectric conversion device) to which a high frequency signal is applied from the RF driver D2, and diffracted light of pulsed light incident on the acoustooptic device is incident on the reflection mirror M1.
  • the pulsed light incident on the acoustooptic device passes through without being diffracted and does not enter the reflecting mirror M1.
  • the light that has passed through the acoustooptic device when the RF driver D2 is stopped is attenuated by an optical damper.
  • the optical switch element 40 When the optical switch element 40 is turned on by the gate signal, the diffracted light propagates from the fiber amplifier 30 to the solid-state amplifier 50. When the optical switch element 40 is turned off by the gate signal, light propagation is blocked from the fiber amplifier 30 to the solid-state amplifier 50.
  • a narrow-band laser pulse light having a central wavelength of 1064 nm is output at a predetermined cycle from the DFB laser that is the seed light source 10 by the trigger signal output from the control unit 100 (see FIG. 6A).
  • the spectrum width is unnecessarily widened by self-phase modulation, Raman scattering, etc., and further, ASE noise is generated and S of the optical pulse is generated.
  • the / N ratio decreases (see FIG. 6B).
  • the bandwidth is further increased, and the ASE noise level increases (see FIG. 6C).
  • FIG. 6C Here, a case where the gain of the semiconductor optical amplifier 15 is 1 is illustrated.
  • the wavelength converting unit 1D In order to obtain deep ultraviolet pulsed light having a desired intensity, it is necessary to amplify the pulsed light amplified by the fiber amplifiers 20 and 30 to a larger peak power by the solid-state amplifier 50 at the subsequent stage.
  • the wavelength range that can be converted by the wavelength converting unit 1D is limited by the characteristics of the nonlinear optical elements 60 and 70, the energy required for amplification does not contribute to wavelength conversion efficiently. That is, the wavelength conversion efficiency is lowered.
  • the optical switch is allowed to allow light propagation during the output period of the pulsed light from the seed light source 10 by the above-described switch control process and prevent light propagation during a period different from the output period of the pulsed light from the seed light source 10.
  • the element 40 By controlling the element 40, it is configured to generate an output permission state that allows the output of pulsed light from the nonlinear optical elements 60 and 70.
  • the optical switch element 40 When the optical switch element 40 is turned off during a period different from the output period of the pulsed light from the seed light source 10, the ASE noise is prevented from propagating to the subsequent solid-state amplifier 50 during that period. It is avoided that the energy in the active region is wasted (see section Toff in FIG. 7D).
  • the optical switch element 40 when the optical switch element 40 is turned on by the control unit 100 during a period in which the pulse light is output from the seed light source 10, the pulse light propagates from the fiber amplifier 30 to the solid-state amplifier 50 (section in FIG. 7D). Ton), the pulsed light is amplified with energy efficiency (see FIG. 7E), and the pulsed light having a large peak power is output from the nonlinear optical elements 60 and 70. That is, the optical switch element 40 is caused to function as a filter for removing ASE noise in the time domain.
  • the “output period of pulsed light from the seed light source” in which the optical switch element 40 is on-controlled by the control unit 100 does not mean only the entire period during which pulse light is output from the seed light source, but a nonlinear optical element As long as the peak power of the pulsed light that has been wavelength-converted by the above is in a range that shows an appropriate value, it may be a partial period, and also includes a slight period before and after the period in which the pulsed light is output from the seed light source It is a concept like this.
  • the “period different from the output period of the pulsed light from the seed light source” in which the optical switch element 40 is controlled to be off by the control unit 100 in the output allowable state is the entire period between the output periods of the plurality of pulsed light, that is, It does not mean only the whole period in which no pulsed light exists, but if it is within a range where it is possible to reduce the wasteful consumption of energy in the active region of the solid-state amplifier excited by the excitation light source due to ASE noise, a part thereof It is a concept that includes a period.
  • optical switch element 40 it is also possible to use an electro-optical element that turns on and off light by an electric field using EO modulation intensity modulation as the optical switch element. Further, whether or not the output of the fiber amplifier 30 is propagated to the solid-state amplifier 50 by using a minute oscillating mirror (mirror composed of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)) manufactured by the micromachining technology as the optical switch element 40. These may be switched according to a small swing angle of the swing mirror. Alternatively, a polarization device capable of dynamically switching the polarization state and controlling transmission and blocking of light may be used. That is, the optical switch element only needs to be composed of a dynamic optical element.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a great effect is obtained when the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source 10 is 1 megahertz or less, and the ASE noise removal effect by the optical switch element 40 is noticeable when it is several hundred kilohertz or less, particularly 200 kilohertz or less.
  • the semiconductor optical amplifier 15 of the laser light source device 1 described in FIG. 5 is disposed between the fiber amplifiers 20 and 30, and further, for exciting the fiber amplifiers 20 and 30 and the solid-state amplifier 50.
  • the light sources 21, 31, 51 are configured to be controllable.
  • the semiconductor optical amplifier 15 may be provided between the fiber amplifier 20 and the fiber amplifier 30, and the semiconductor light is provided between the seed light source 10 and the fiber amplifier 20 and between the fiber amplifier 20 and the fiber amplifier 30.
  • An amplifier 15 may be provided.
  • a semiconductor optical amplifier may be provided before the first stage fiber amplifier, or may be provided in the middle stage.
  • a plurality of semiconductor optical amplifiers may be provided in any one.
  • the fiber amplifiers 20 and 30 and / or the solid-state amplifier 40 are inverted by the control unit 100 before the pulse light output from the seed light source 10 is input.
  • Excitation control processing is performed to periodically or intermittently control the excitation light sources 21, 31, 51 of the fiber amplifiers 20, 30 and / or the solid-state amplifier 50 so as to be distributed.
  • each excitation light source 21, 31, 51 is driven at least a predetermined excitation start time before the timing at which the seed light source 10 is turned on, and the timing at which the seed light source 10 is turned off, or the seed light source. It is configured to be turned off when a predetermined excitation end time elapses from the timing at which 10 is turned on.
  • the excitation start time is a value determined according to the fluorescence lifetime of each amplifier 20, 30, 50, and is set to a value 0.5 to 3 times the fluorescence lifetime ⁇ , for example. Since the fluorescence lifetimes of the individual amplifiers 20, 30, 50 are different, it is necessary to individually drive and control the excitation light sources 21, 31, 51 of the individual amplifiers 20, 30, 50. In order to simplify the drive circuit of the excitation light sources 21, 31, 51, the excitation start time of another amplifier may be matched with the excitation start time of the amplifier having the longest fluorescence lifetime.
  • Such an excitation control process is preferably executed when the repetition frequency of the seed light source 10 is several hundred kilohertz or less, particularly 200 kilohertz or less.
  • Driving the pumping light source at such a repetition frequency at all times is useful when the fiber amplifiers 20 and 30 and the solid-state amplifier 50 are excessively pumped and cannot be handled only by the semiconductor optical amplifier control process.
  • the excitation light sources 21, 31, 51 are periodically or intermittently provided so as to obtain an inversion distribution state in which energy can be amplified before the pulsed light is input to the fiber amplifiers 20, 30 and the solid-state amplifier 50. Therefore, the pumping light source is not unnecessarily driven when no pulsed light is input, and thus heat generation in each amplifier is suppressed.
  • the driving cycle of the excitation light sources 21, 31, 51 is determined in synchronization with the driving cycle of the seed light source 10, and when the seed light source 10 is stopped, the excitation light sources 21, 31, 51 are similarly stopped and large in advance. Since the excited state is not reached, even when the seed light source 10 is driven next, a giant pulse with a remarkably large peak power is output, and the wavelength converter or the like is not thermally damaged. Even when the seed light source 10 is periodically driven, ASE noise is not generated at least when the excitation light sources 21, 31, 51 are turned off, so that the SN ratio of the pulsed light does not greatly decrease.
  • the present invention is widely applied to a laser light source device including a seed light source configured to be driven at a frequency of several hundred megahertz or less and a pulse width of several hundred picoseconds or less with respect to a semiconductor laser including a DFB laser. Applicable.
  • the repetition frequency of the pulsed light is varied according to the relative movement speed of the pulsed light output from the nonlinear optical element and the processing target and / or processing target processed by the pulsed light, and according to each repeating frequency. It is preferable to control the injection current of the semiconductor optical amplifier.
  • a through hole is formed by irradiating a pulsed light to a plate-like body such as a liquid crystal panel in which a glass substrate, an adhesive layer made of a sapphire thin film, and a protective layer made of polyimide resin are laminated
  • the layer is irradiated with large diameter and high power pulse light
  • the adhesive layer is irradiated with small diameter and low power pulse light
  • the glass substrate is irradiated with high power pulse light.
  • the semiconductor optical amplifier control process can be suitably used.
  • the movement speed is The pulse light repetition frequency is lowered at the time of curve movement that decreases, and the pulse light energy is adjusted at the same time, and the pulse light repetition frequency is increased at the time of linear movement when the moving speed is increased, and the pulse light energy is adjusted at the same time.
  • the semiconductor optical amplifier control process can be preferably used. In this case, needless to say, the repetition frequency of the pulsed light is adjusted by the gain switching control process.
  • the semiconductor optical amplifier control processing is performed. Thus, the generation of a giant pulse can be avoided.
  • the first semiconductor optical signal is different because the excitation state of the fiber amplifier and the solid-state amplifier is different between the first time after being stopped for a long time and the second and subsequent times.
  • the intensity of the optical pulse output from the solid-state amplifier can be stably adjusted to the target intensity.
  • a DFB laser is used as a seed light source and a gain switching method is applied to the DFB laser to generate pulsed light having a higher intensity than that in a steady state in a single longitudinal mode.
  • the present invention only needs to use a semiconductor laser as a seed light source, and a general Fabry-Perot type semiconductor laser other than a DFB laser can also be used.
  • the present invention is not limited to a seed light source with an oscillation wavelength of 1064 nm.
  • a seed light source having a different wavelength depending on the application such as 1030 nm, 1550 nm, and 976 nm.
  • Nonlinear optical elements other than those described above can be used as the nonlinear optical element.
  • a BBO crystal, a KBBF crystal, an SBBO crystal, a KABO crystal, a BABO crystal, or the like can be used instead of the CLBO crystal.
  • control unit 100 sequentially amplifies the pulsed light output from the seed light source by the gain switching method with the fiber amplifier and the solid-state amplifier, converts the wavelength of the amplified pulsed light with the nonlinear optical element, and outputs it.
  • a laser pulse light generation method is executed.
  • the seed light source is driven at a desired repetition frequency, and the injection current of the semiconductor optical amplifier disposed between the seed light source and the solid-state amplifier is controlled according to the repetition frequency of the seed light source. It is configured as follows.
  • it is configured to control the injection timing of the injection current so that the intensity of the pulsed light output from the seed light source and wavelength-converted by the nonlinear optical element becomes a predetermined intensity.
  • the value of the injection current is controlled so that the intensity of the pulse light wavelength-converted by the optical element becomes a predetermined intensity.
  • the value of the injection current is controlled so that the excitation state of the solid-state amplifier becomes a predetermined excitation state. As the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source decreases, the non-pulsed light is reduced.
  • the injection current value is controlled to increase stepwise or continuously at the time of input, and the injection current value is stepped at the non-input time of the pulsed light as the repetition frequency of the pulsed light output from the seed light source increases. Alternatively, it is configured to control so as to be continuously lowered.
  • the repetition frequency of the seed light source is set according to the relative movement speed of the pulsed light output from the nonlinear optical element and the processing target and / or processing target processed by the pulsed light, and the semiconductor optical amplifier The injection current is controlled.
  • Laser light source device 10 seed light source 15: semiconductor optical amplifier 20, 30: fiber amplifier 40: optical switch element 50: solid state amplifier 60, 70: nonlinear optical element 100: control unit

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Abstract

種光源１０と、種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０と、固体増幅器５０から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子６０，７０と、種光源１０と固体増幅器５０との間に配置され、種光源１０から出力されたパルス光を増幅する半導体光増幅器１５と、種光源１０を所望の繰返し周波数で駆動するゲインスイッチング制御処理と、種光源１０の繰返し周波数に応じて半導体光増幅器１５の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理と、を実行する制御部１００と、を備え、種光源の繰返し周波数にかかわらず、確実にジャイアントパルスの発生を回避可能なレーザ光源装置。

Description

レーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法
　本発明は、各種のレーザ加工に用いられるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法に関する。
　特許文献１には、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供することを目的とするレーザ光源装置が提案されている。
　当該レーザ光源装置は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、ファイバ増幅器と固体増幅器との間に配置されファイバ増幅器から固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、制御部とを備えている。
　そして、当該制御部は、種光源を所定の周期で駆動するゲインスイッチング制御処理と、種光源から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器及び／または固体増幅器が反転分布するように、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器の励起用光源を周期的にまたは間歇的に制御する励起制御処理と、種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子を制御する光スイッチ制御処理と、を実行するように構成されている。
　当該光スイッチ制御処理により、ファイバ増幅器による増幅の過程で生じる自然放出光ノイズであるＡＳＥノイズ(Amplified Spontaneous Emission Noise)が、時間領域で除去され、励起制御処理によりファイバ増幅器や固体増幅器の過剰励起が抑制されてジャイアントパルスの発生が回避される。
ＷＯ２０１５／１２２３７４号公報
　しかし、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数が高い領域で励起制御処理を実行すると、励起用光源によってファイバ増幅器や固体増幅器が十分に励起されず、そのためパルス光が十分に増幅されない場合には、結果として非線形光学素子から出力される波長変換光の強度が低下したり出力時期が遅延したりする虞があった。
　また、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の変化に対応して、励起用光源として使用される半導体レーザを間歇的に駆動すると、当該半導体レーザの温度変動に起因する波長シフトが発生して、ファイバ増幅器や固体増幅器が適切な励起状態に励起されなくなる虞もあった。特にパルス光の繰返し周波数が高くなると顕著になる。
　本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、種光源の繰返し周波数にかかわらず、確実にジャイアントパルスの発生を回避可能なレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法を提供する点にある。
　上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ光源装置は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、前記種光源と前記固体増幅器との間に配置され、前記種光源から出力されたパルス光を増幅する半導体光増幅器と、を備え、さらに、前記種光源を所望の繰返し周波数で駆動するゲインスイッチング制御処理と、前記種光源の繰返し周波数に応じて前記半導体光増幅器の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理と、を実行する制御部を備えている。
　また、本発明によるレーザパルス光生成方法は、ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、前記種光源を所望の繰返し周波数で駆動するとともに、前記種光源と前記固体増幅器との間に配置された半導体光増幅器の注入電流を前記種光源の繰返し周波数に応じて制御するように構成されている。
　以上説明した通り、本発明によれば、種光源の繰返し周波数にかかわらず、確実にジャイアントパルスの発生を回避可能なレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法を提供することができるようになった。
図１はレーザ光源装置のブロック構成図である。 図２は半導体光増幅器の動作説明図である。 図３は半導体光増幅器制御処理の一例を示す説明図である。 図４は半導体光増幅器制御処理の他の例を示す説明図である。 図５は別実施形態を示すレーザ光源装置のブロック構成図である。 図６（ａ）から（ｃ）は、パルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図であり、図６（ａ）は種光源から発振される狭帯域のパルス光の繰返し周波数特性と時間軸特性の説明図であり、図６（ｂ）及び図６（ｃ）はファイバ増幅器の自己位相変調やラマン散乱によって広帯域化したパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図である。 図７（ａ）から図７（ｅ）は、それぞれパルス光の説明図であり、図７（ａ）は種光源から周期的に発振されるパルス光の説明図、図７（ｂ）は初段のファイバ増幅器でＡＳＥノイズが重畳したパルス光の説明図、図７（ｃ）は後段のファイバ増幅器でさらにＡＳＥノイズが重畳したパルス光の説明図、図７（ｄ）は時間領域で種光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過するパルス光の説明図、図７（ｅ）は時間領域で種光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過して、固体増幅器で増幅されたパルス光の説明図である。 図８は、別実施形態を示すレーザ光源装置のブロック構成図である。
　以下、本発明によるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法の実施形態を説明する。
［レーザ光源装置の基本的態様］
　本発明によるレーザ光源装置は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、種光源と固体増幅器との間に配置され、種光源から出力されたパルス光を増幅する半導体光増幅器と、制御部と、を備えて構成されている。
　そして、制御部は、種光源を所望の繰返し周波数で駆動するゲインスイッチング制御処理と、種光源の繰返し周波数に応じて半導体光増幅器の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理と、を実行するように構成されている。
　ゲインスイッチング制御処理で、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数が低くなると固体増幅器にパルス光が入力されるまでの励起時間が長くなるので固体増幅器の励起状態が相対的に高くなり、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数が高くなると固体増幅器にパルス光が入力されるまでの励起時間が短くなるので固体増幅器の励起状態が相対的に低くなる。つまり、種光源の繰返し周波数によって固体増幅器の励起状態が変動する。
　半導体光増幅器の注入電流を調整することにより、半導体光増幅器から出力される光の強度、つまりパルス光を含む出力光の強度を可変に調整することができる。そこで、上述した半導体光増幅器制御処理を実行することにより、固体増幅器の励起状態が調整され、或いは固体増幅器に入力されるパルス光の強度を励起状態に応じた適切な値に調整できるようになる。
　当該半導体光増幅器制御処理は、種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の注入時期を制御する処理を含む。
　例えば、種光源から出力されるパルス光を増幅するのに必要な注入時期よりも早い時期から半導体光増幅器に注入電流を注入すると、パルス光が増幅されるまでの間に注入電流に応じた強度の連続光が出力される。この連続光によって固体増幅器の励起状態が調整されることにより、非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度を所定強度に調整できるようになる。
　当該半導体光増幅器制御処理は、種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の値を制御する処理を含むことが好ましい。
　半導体光増幅器への注入電流の値を制御することにより半導体光増幅器から出力される種光に対応するパルス光を含む強度が調整された出力光が固体増幅器に入力され、その結果、非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度を所定強度に調整できるようになる。
　当該半導体光増幅器制御処理は、固体増幅器の励起状態が所定の励起状態となるように、注入電流の値を制御する処理を含むことが好ましい。
　半導体光増幅器への注入電流の値を調整することによって半導体光増幅器から出力される連続光の強度が調整できる。この連続光の強度を調整することによって固体増幅器の励起状態を好ましい励起状態に調整できるようになる。
　当該半導体光増幅器制御処理は、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御する処理を含むことが好ましい。
　ゲインスイッチング制御処理で、種光源の繰返し周波数が低くなると固体増幅器にパルス光が入力されるまでの励起時間が長くなるので励起状態が相対的に高くなり、種光源の繰返し周波数が高くなると固体増幅器にパルス光が入力されるまでの励起時間が短くなるので励起状態が相対的に低くなる。
　そこで、種光源の繰返し周波数が低くなる場合に、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御すれば、半導体光増幅器から出力される連続光によって過剰な励起状態が抑制され、種光源の繰返し周波数が高くなる場合に、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御すれば、半導体光増幅器から出力される連続光による無用な励起状態の低下が抑制される。
　前記ゲインスイッチング制御処理は、非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて、種光源の繰返し周波数をリアルタイムに設定する処理を含み、半導体光増幅器制御処理は、非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて、半導体光増幅器の注入電流を制御する処理が含まれることが好ましい。
　非線形光学素子から波長変換されて出力されるパルス光の繰返し周波数や強度は、加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて適切な値に調整することが安定加工という観点で好ましい。そのような場合に、種光源の繰返し周波数を適切な値に設定し、半導体光増幅器の注入電流を適切な値に設定することにより、加工対象となる材料の特性に応じて精度のよい加工ができるレーザ光源装置が得られる。
　前記制御部は、種光源の繰返し周波数が所定周波数以下になると、種光源から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器及び／または固体増幅器が反転分布するように、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器の励起用光源を周期的または間歇的に制御する励起制御処理をさらに実行するように構成されていることが好ましい。
　種光源の繰返し周波数が所定周波数より低い場合には、ファイバ増幅器や固体増幅器が過剰に励起されて、上述した半導体光増幅器制御処理によっても適切にジャイアントパルスの発生を回避することが困難になる虞もある。そのような場合に励起制御処理を実行することによって、ファイバ増幅器や固体増幅器が適切な反転分布状態に調整でき、ジャイアントパルスの発生を回避することができるようになる。
　なお、種光源の繰返し周波数が所定周波数より高い場合に励起制御処理を実行すると、既述したようにファイバ増幅器や固体増幅器を十分に励起できず、応答遅れが生じる虞があるが、種光源の繰返し周波数が所定周波数より低い場合にはそのような弊害は発生しない。
　ファイバ増幅器と固体増幅器との間に配置されファイバ増幅器から固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子をさらに備え、制御部は、種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子を制御する光スイッチ制御処理をさらに実行することが好ましい。
　種光源からのパルス光の出力期間に光スイッチ素子を介してファイバ増幅器から固体増幅器へパルス光が伝播し、当該パルス光の出力期間と異なる期間にはファイバ増幅器の出力光の固体増幅器への伝播が阻止される。当該パルス光の出力期間と異なる期間には固体増幅器へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるので、固体増幅器の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。つまり、当該光スイッチ素子は時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能する。
　前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、制御部はＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の繰返し周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されていることが好ましい。
　種光源としてＤＦＢレーザを用いてゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで発振し、定常状態よりも高強度のパルス光が得られる。ゲインスイッチング法によれば、単発のパルス光を含む数メガヘルツ以下の所望の繰返し周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光を容易に生成することができ、このようなパルス光に上述の光スイッチ素子や半導体光増幅器を用いることによって、高い平均出力で且つ所望の波長のパルス光を効率よく得ることができるようになる。
［レーザパルス光生成方法の基本的態様］
　本発明によるレーザパルス光生成方法は、ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、種光源を所望の繰返し周波数で駆動するとともに、種光源と固体増幅器との間に配置された半導体光増幅器の注入電流を種光源の繰返し周波数に応じて制御するように構成されている。
　前記種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の注入時期を制御することが好ましい。
　前記種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の値を制御することが好ましい。
　前記固体増幅器の励起状態が所定の励起状態となるように、注入電流の値を制御することが好ましい。
　前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御することが好ましい。
　前記非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて、種光源の繰返し周波数を設定するとともに半導体光増幅器の注入電流を制御することが好ましい。
［レーザ光源装置の具体的態様］
　図１には、本発明によるレーザ光源装置１の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、ファイバ増幅部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａ等を制御する制御部１００を備えて構成されている。
　光源部１Ａには、種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。ファイバ増幅部１Ｂには、それぞれレーザダイオードで構成される励起用光源２１，３１及び合波器２２，３２を備えた二段のファイバ増幅器２０，３０と、ファイバ増幅器２０，３０の前段に備えた半導体光増幅器（ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifier）１５と、光アイソレータＩＳＬ２，ＩＳＬ３と、光スイッチ素子４０等を備えている。
　固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１と、コリメータＣＬ２等を備えている。波長変換部１Ｄは、第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれに非線形光学素子６０，７０を備えている。
　種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「パルス光」とも記す。）が半導体光増幅器１５で増幅された後に、二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅され、さらに一段の固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。
　尚、ファイバ増幅器及び固体増幅器の数は特に限定されることはなく、パルス光に対する所望の増幅率を得るために適宜設定されればよい。例えば三つのファイバ増幅器を縦続接続し、その後段に二つの固体増幅器を縦続接続してもよい。
　種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を適用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の繰返し周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。
　種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に入力されることによって波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。
　種光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ１を介して、半導体光増幅器１５により所定レベルまで増幅される。半導体光増幅器１５は、端面の反射を無くす加工が施された点を除いて半導体レーザと同一の構造を有し、光増幅率を制御するための制御端子を備えている。
　制御端子から入力される注入電流の増加に対して出力される光パルスの強度が高くなる非飽和領域と、注入電流の増加に対して出力される光パルスの強度が飽和する飽和領域を備えている。半導体光増幅器１５に対する注入電流のエネルギーを非飽和領域で調整することよって入力されるパルス光の強度が所望の強度まで直接的に増幅されるようになる。
　図２には、半導体光増幅器１５の増幅特性が示されている。入力信号（入力光が無い時刻ｔ０で増幅制御入力信号である注入電流の値を非飽和領域で増加させると、注入電流の値に応じて次第に出力光である連続光（ＣＷ光）の強度が上昇し、時刻ｔ１で飽和領域に達すると、出力光の強度が一定の値に飽和する。入力信号がパルス光である場合には、注入電流の値に応じて増幅されたパルス光が出力されるようになる。
　図１に戻り、半導体光増幅器１５から出力されたパルス光は、さらに、二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅される。ファイバ増幅器２０，３０として、所定波長（例えば９７５ｎｍ）の励起用光源２１で励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。このようなファイバ増幅器２０の反転分布の寿命はミリ秒の位数であるため、励起用光源２１で励起されたエネルギーは１キロヘルツ以上の周波数のパルス光に効率的に転移されるようになる。
　例えば、ファイバ増幅器２０で約３０デシベル増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２を介して後段のファイバ増幅器３０に入力されて約２５デシベル増幅される。後段のファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、コリメータＣＬ１によってビーム成形され、光アイソレータＩＳＬ３，ＩＳＬ４を通過した後に固体増幅器５０に導かれて約２５デシベル増幅される。
　本実施形態では、固体増幅器５０で生じる熱レンズ効果に対して効率的に光増幅されるように、ファイバ増幅器３０から出力されたパルス光が、当該コリメータＣＬ１によって固体増幅器５０の入射面直前にビームウェストが位置するようにビーム成形される。
　コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を非線形光学素子６０に導く光アイソレータＩＳＬ４が配置されている。
　上述の光アイソレータＩＳＬ１～ＩＳＬ４は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。
　固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬ２によってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。
　光アイソレータＩＳＬ３を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。
　第１波長変換部１Ｅには非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。
　反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。
　第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。
　制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内のメモリに記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータとメモリ及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。
　具体的に、制御部１００は、種光源１０を所定の繰返し周波数で駆動するゲインスイッチング制御処理と、種光源１０の繰返し周波数に応じて半導体光増幅器１５の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理と、種光源１０の繰返し周期が所定周波数以下になるときに、種光源１０から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器４０が反転分布するように、ファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０の励起用光源２１，３１，５１を周期的または間歇的に制御する励起制御処理等を実行するように構成されている。
［レーザパルス光生成方法の具体的態様］
　ゲインスイッチング制御処理では、ゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。
　種光源１０の繰返し周波数が所定周波数以上のときには、励起制御処理が実行されず、励起用光源２１，３１，５１が連続駆動制御されている。そのため、パルス光の繰返し周波数に応じてファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０の反転分布状態つまり励起状態が変化する。
　パルス光の繰返し周波数が高い場合に比べて低い場合の方が、各増幅器２０，３０，５０の励起状態が相対的に高くなっているため、同じ強度のパルス光が入射された場合に、励起状態が高いほど増幅率が大きくなり、出力されるパルス光の強度が高くなる。各増幅器２０，３０，５０が過剰に励起されると、固体増幅器５０から異常に高い強度のパルス光（ジャイアントパルスという。）が出力されて、固体増幅器５０や非線形光学素子６０，７０の破損を招く虞がある。
　そのような場合に備えて、種光源１０の繰返し周波数に応じて半導体光増幅器１５の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理が実行される。ゲインスイッチング制御処理によって種光源１０から出力されるパルス光の繰返し周波数が低くなると固体増幅器５０にパルス光が入力されるまでの励起時間が長くなるので固体増幅器５０の励起状態が相対的に高くなり、種光源１０から出力されるパルス光の繰返し周波数が高くなると固体増幅器５０にパルス光が入力されるまでの励起時間が短くなるので固体増幅器５０の励起状態が相対的に低くなる。
　つまり、種光源１０の繰返し周波数によって固体増幅器５の励起状態が変動する。そして、半導体光増幅器１５の注入電流を調整することにより、半導体光増幅器１５から出力される光の強度、つまりパルス光を含む出力光の強度を可変に調整することができる。
　そこで、半導体光増幅器制御処理を実行することにより、固体増幅器５０の励起状態が調整され、或いは固体増幅器５０に入力されるパルス光の強度を励起状態に応じた適切な値に調整できるようになる。本実施形態では、半導体光増幅器１５がファイバ増幅器２０の前段に設けられているので、固体増幅器５０のみならずファイバ増幅器２０，３０の励起状態が調整され、或いはファイバ増幅器２０，３０に入力されるパルス光の強度を励起状態に応じた適切な値に調整できるようになる。
　図３及び図４には、ゲインスイッチング制御処理で種光源１０から出力されるパルス光、つまり種光の強度が一定である場合に、パルスの繰返し周期ｔｉ，ｔｆにかかわらず、半導体光増幅器制御処理によって非線形光学素子７０から出力されるパルス光の強度が一定に制御される例が示されている。
　図３に示した例では、種光源１０から出力され非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度が所定強度（本実施形態では一定強度）になるように、注入電流の注入時期を制御する処理が半導体光増幅器制御処理に含まれる。所定強度が一定強度ではなくダイナミックに変化するように設定されていてもよい。
　例えば、種光源１０から出力されるパルス光を増幅するのに必要な注入時期よりも早い時期から半導体光増幅器１５に注入電流を注入すると、図２で説明したように、パルス光が増幅されるまでの間に注入電流に応じた強度の連続光が出力される。この連続光によって固体増幅器５０の励起状態が調整されることにより、非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度を所定強度に調整できるようになる。
　また、種光源１０から出力され非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の値を制御する処理が半導体光増幅器制御処理に含まれる。
　半導体光増幅器１５への注入電流の値を制御することにより半導体光増幅器１５から出力される種光に対応するパルス光を含む強度が調整された出力光が固体増幅器５０に入力され、その結果、非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度を所定強度に調整できるようになる。
　図３には、半導体光増幅器制御処理によって、半導体光増幅器１５への注入電流の注入時期及び電流値の双方が制御された例が示され、固体増幅器５０の励起状態が可変に調整されるとともに、その励起状態に応じて固体増幅器５０から一定強度のパルス光が出力されるように注入電流の値が調整されている。その結果、非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度が一定に調整されている。
　図４に示した例では、固体増幅器５０の励起状態が所定の励起状態（本実施形態では一定の励起状態）となるように、注入電流の値を制御する処理が半導体光増幅器制御処理に含まれる。種光の繰返し周波数に応じて注入電流の値を調整することにより固体増幅器５０の励起状態が一定の励起状態に調整され、非線形光学素子７０により波長変換されたパルス光の強度が一定に調整される。この時の連続光の強度を調整することによって固体増幅器１５の励起状態を好ましい励起状態に調整できるようになる。
　半導体光増幅器１５への注入電流の値は、固体増幅器５０の励起状態を一定に維持するために、種光の繰返し周波数に応じた一定の値に維持される。そして、種光の増幅時期に合わせて所望の増幅率を得るために、種光の入力時期より時間ｔｓ直前にステップ的に増加され、増幅処理が終了すると元の値に復帰するように制御される。種光の繰返し周波数が高い場合には注入電流の値が減少され、種光の繰返し周波数が低い場合には注入電流の値が増加される。
　尚、励起状態が一定の励起状態ではなくダイナミックに変化するように設定されると、波長変換光の強度がダイナミックに調整できるようになる。
　つまり、半導体光増幅器制御処理は、種光源１０から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、種光源１０から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御する処理を含む。
　さらに、制御部１００は所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためにステージ７１を制御してステップ的に移動させるシフト制御処理を実行するように構成されている。
　例えば、シフト制御処理では、波長変換された紫外線の強度をモニタし、モニタした強度の履歴が所定のパターンに一致するとステージ７１を移動させてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトする。
　パルス光の光軸に直交するＸ－Ｙ平面でステージ７１が移動可能となるように、ステージ７１は制御部１００によりモータドライバＤ３を介して制御されるＸ方向移動モータ及び／またはＹ方向移動モータに駆動連結されている。
［レーザ光源装置の別実施形態］
　以下にレーザ光源装置の別実施形態を説明する。
　図５に示すレーザ光源装置１は、図１で説明したレーザ光源装置１のコリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間に、音響光学素子が組み込まれ光スイッチ素子４０として機能する音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）が設けられている。
　制御部１００は、上述したゲインスイッチング制御処理や半導体光増幅器制御処理に加えて、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御する光スイッチ制御処理を実行するように構成されている。
　光スイッチ制御処理では、光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭ１に入射する。
　ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。
　ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると回折された光がファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフするとファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ光の伝播が阻止される。
　図６（ａ），図６（ｂ）及び図６（ｃ）には、レーザ光源装置１の各部を伝播するパルス光の周波数特性が左側に示され、それらパルス光の時間軸特性が右側に示されている。これらの図で示す符号Ｓｎ（ｎは整数）は、図１に示すレーザ光源装置１の各部の出力ノードの光信号Ｓｎ（ｎ＝１，２，・・・）に対応する。
　制御部１００から出力されるトリガ信号によって種光源１０であるＤＦＢレーザから中心波長１０６４ｎｍの狭帯域のレーザパルス光が所定の周期で出力される（図６（ａ）参照）。種光源１０から出力されたパルス光がファイバ増幅器２０に導かれて増幅される過程で自己位相変調やラマン散乱等によって不必要にスペクトル幅が広がり、さらにはＡＳＥノイズが発生して光パルスのＳ／Ｎ比が低下する（図６（ｂ）参照）。そのようなパルス光が後段のファイバ増幅器３０に導かれて増幅される過程でさらに広帯域化され、ＡＳＥノイズレベルが増大する（図６（ｃ）参照）。尚、ここでは、半導体光増幅器１５のゲインが１である場合を例示している。
　所望の強度の深紫外のパルス光を得るために、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光を後段の固体増幅器５０でさらに大きなピークパワーに増幅する必要がある。しかし、波長変換部１Ｄで波長変換可能な波長範囲が各非線形光学素子６０，７０の特性によって制限されることから、増幅に要したエネルギーが効率的に波長変換に寄与しない。つまり波長変換効率が低下することになる。
　固体増幅器５０の励起エネルギーがＡＳＥノイズの増幅や広帯域化したパルス光に無駄に消費される結果、エネルギー効率が大きく低下するという問題や、そのために励起エネルギーを大きくすると、発熱による素子の破損を回避するために大掛かりな冷却装置が必要となり、徒にレーザ光源装置１が高価になるという問題がある。パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、ＡＳＥノイズは極僅かであるためさほど問題とならないが、パルス光の発振周波数が１メガヘルツよりも低い領域ではＡＳＥノイズの影響が顕著になる。
　そこで、上述のスイッチ制御処理によって種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を許容する出力許容状態を生成するように構成されている。
　種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるようになり、固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる（図７（ｄ）の区間Ｔoff参照）。
　そして、種光源１０からパルス光が出力される期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオンされると、ファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へパルス光が伝播するので（図７（ｄ）の区間Ｔon参照）、エネルギー効率よくパルス光が増幅されて（図７（ｅ）参照）、非線形光学素子６０，７０から大きなピークパワーのパルス光が出力されるようになる。つまり、当該光スイッチ素子４０を時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能させるのである。
　制御部１００によって光スイッチ素子４０がオン制御される「種光源からのパルス光の出力期間」とは、種光源からパルス光が出力されている全期間のみを意味するのではなく、非線形光学素子により波長変換されたパルス光のピークパワーが適切な値を示す範囲であれば一部期間であってもよく、また種光源からパルス光が出力されている期間の前後の僅かな期間も含まれるような概念である。
　出力許容状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフ制御される「種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間」とは、複数のパルス光の各出力期間の間の全期間、つまりパルス光が存在しない全期間のみを意味するのではなく、励起用光源によって励起された固体増幅器の活性領域のエネルギーがＡＳＥノイズで無駄に消費されることが低減できる範囲であれば、その一部期間も含まれるような概念である。
　光スイッチ素子としてＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子を用いることも可能である。さらに光スイッチ素子４０としてマイクロマシーニング技術で製作した微少な揺動ミラー（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されたミラー）を用いて、ファイバ増幅器３０の出力が固体増幅器５０に伝播するか否かを微少な揺動ミラーの揺動角度によって切り替えるように構成してもよい。また、偏光状態を動的に切替えて光の透過と遮断を制御可能な偏光デバイスを用いてもよい。つまり、光スイッチ素子は動的光学素子で構成されていればよい。
　種光源１０から出力されるパルス光の繰返し周波数が１メガヘルツ以下のときに大きな効果があり、数百キロヘルツ以下、特に２００キロヘルツ以下の時に光スイッチ素子４０によるＡＳＥノイズ除去効果が顕著に現れる。
　図８に示すレーザ光源装置１は、図５で説明したレーザ光源装置１の半導体光増幅器１５がファイバ増幅器２０，３０の間に配置され、さらに、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０の励起用の光源２１，３１，５１が制御可能に構成された例である。
　このように、ファイバ増幅器２０とファイバ増幅器３０との間に半導体光増幅器１５を設けてもよく、種光源１０とファイバ増幅器２０との間及びファイバ増幅器２０とファイバ増幅器３０との間にそれぞれ半導体光増幅器１５を設けてもよい。複数段のファイバ増幅器を備える構成では、初段のファイバ増幅器の前段に半導体光増幅器を備えてもよいし、中段に備えてもよい。また複数の半導体光増幅器を何れかに備えてもよい。
　この例では、種光源１０の繰返し周期が所定周波数以下になるときに、制御部１００によって、種光源１０から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器４０が反転分布するように、ファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０の励起用光源２１，３１，５１を周期的または間歇的に制御する励起制御処理が実行される。
　ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０にパルス光が入力されることのないときに、不必要に励起用光源が駆動されることがないので各増幅器の発熱も低減される。本実施形態では、各励起用光源２１，３１，５１は、少なくとも種光源１０がオンされるタイミングよりも所定の励起開始時間だけ前に駆動され、種光源１０がオフされるタイミング、或いは種光源１０がオンされたタイミングから所定の励起終了時間の経過でオフされるように構成されている。
　当該励起開始時間は、各増幅器２０，３０，５０の蛍光寿命に従って決定される値で、例えば蛍光寿命τの０．５～３倍の値に設定される。個々の増幅器２０，３０，５０の蛍光寿命が異なるために、個々の増幅器２０，３０，５０の励起用光源２１，３１，５１を個別に駆動制御する必要がある。励起用光源２１，３１，５１の駆動回路をシンプルにするために、蛍光寿命が最長となる増幅器の励起開始時間に他の増幅器の励起開始時間を合わせてもよい。
　このような励起制御処理は、種光源１０の繰返し周波数が数百キロヘルツ以下、特に２００キロヘルツ以下の時に実行されることが好ましい。この様な繰返し周波数で励起用光源を常時駆動すると、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０が過剰に励起されて、半導体光増幅器制御処理のみで対処できない場合に有用となる。
　ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０に当該パルス光が入力される前に増幅可能なエネルギー状態となる反転分布状態が得られるように、励起用光源２１，３１，５１が周期的にまたは間歇的に制御されるので、パルス光が入力されることのないときに不必要に励起用光源が駆動されることがなく、従って各増幅器での発熱が抑制されるようになる。
　種光源１０の駆動周期と同期して励起用光源２１，３１，５１の駆動周期が決定され、種光源１０が停止されると励起用光源２１，３１，５１も同様に停止され、事前に大きな励起状態に至ることがないので、次に種光源１０が駆動された場合でも著しく大きなピークパワーのジャイアントパルスが出力され、波長変換装置等が熱破損するようなことがない。そして、種光源１０が周期的に駆動される場合でも、少なくとも励起用光源２１，３１，５１がオフされているときにはＡＳＥノイズは発生しないので、パルス光のＳＮ比が大きく低下することもない。
　本発明は、ＤＦＢレーザを含む半導体レーザに対して、数百メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成された種光源を備えたレーザ光源装置に広く適用可能である。
［半導体光増幅器制御処理の別実施形態］
　以下に、制御部で実行される半導体光増幅器制御処理の別実施形態を説明する。
　非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて、パルス光の繰返し周波数を異ならせ、各繰返し周波数に応じて半導体光増幅器の注入電流を制御することが好ましい。
　加工対象の特性に応じて最適なエネルギーのパルス光を照射することができ、加工対象とパルス光の相対的な移動速度に応じて最適なエネルギーのパルス光を照射することができるようになる。
　例えば、ガラス基板と、サファイア薄膜でなる接着層と、ポリイミド樹脂でなる保護層が積層された液晶パネルのような板状体に、パルス光を照射して貫通孔を形成するような場合、保護層には大径で大パワーのパルス光を照射し、接着層には小径で小パワーのパルス光を照射し、ガラス基板には大パワーのパルス光を照射するといったように、加工対象に応じて波長変換されたパルス光のパワーを調整する必要がある場合に、半導体光増幅器制御処理を好適に用いることができる。
　また、パルス光に対して加工対象を相対移動させて照射する際に、加工対象が直線移動する場合と曲線移動する場合とで加工対象の移動速度が変化するような場合には、移動速度が低くなる曲線移動時にパルス光の繰返し周波数を低くし、併せてパルス光のエネルギーを調整し、移動速度が高くなる直線移動時にパルス光の繰返し周波数を高くし、併せてパルス光のエネルギーを調整するような場合にも当該半導体光増幅器制御処理を好適に用いることができる。この場合、パルス光の繰返し周波数はゲインスイッチング制御処理によって調整されることはいうまでもない。
　励起制御処理を一切行なわずに励起用光源を常時駆動した状態で、不定期にゲインスイッチング処理を行なって種光源１０から所定周波数のパルス光を出力する場合にも、半導体光増幅器制御処理を行うことによりジャイアントパルスの発生を回避することができる。
　この場合、一定の繰返し周波数でゲインスイッチング処理が実行される場合であっても、長時間停止された後の初回と二回目以降でファイバ増幅器及び固体増幅器の励起状態が異なるので、初回の半導体光増幅器への注入電流の値を二回目以降よりも相対的に高く設定することにより、固体増幅器から出力される光パルスの強度を目標の強度に安定して調整できる。
　上述した実施形態では、種光源としてＤＦＢレーザを用いて、ＤＦＢレーザにゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで定常状態よりも高強度のパルス光を生成する例を説明したが、本発明は種光源として半導体レーザを用いるものであればよく、ＤＦＢレーザ以外の一般的なファブリペロー型の半導体レーザを用いることも可能である。
　また、本発明は、発振波長が１０６４ｎｍとなる種光源に限定されるものでもなく、例えば、１０３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、９７６ｎｍ等、用途によって適宜異なる波長の種光源を選択することが可能である。
　さらに、非線形光学素子を介してこれらの波長を基本波とする高調波、和周波、差周波を発生させることも可能である。非線形光学素子として、上述以外の非線形光学素子を用いることも可能である。例えば、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＢＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶、ＳＢＢＯ結晶、ＫＡＢＯ結晶、ＢＡＢＯ結晶等を用いることができる。
　以上説明したように、制御部１００によって、ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法が実行される。
　つまり、レーザパルス光生成方法は、種光源を所望の繰返し周波数で駆動するとともに、種光源と固体増幅器との間に配置された半導体光増幅器の注入電流を種光源の繰返し周波数に応じて制御するように構成されている。
　具体的に、種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の注入時期を制御するように構成され、さらに、種光源から出力され非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、注入電流の値を制御するように構成されている。
　さらに、固体増幅器の励起状態が所定の励起状態となるように、注入電流の値を制御するように構成され、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、パルス光の非入力時に注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御するように構成されている。
　さらにまた、非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または加工対象との相対的な移動速度に応じて、種光源の繰返し周波数を設定するとともに半導体光増幅器の注入電流を制御するように構成されている。
　上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。
１：レーザ光源装置
１０：種光源
１５：半導体光増幅器
２０，３０：ファイバ増幅器
４０：光スイッチ素子
５０：固体増幅器
６０，７０：非線形光学素子
１００：制御部
 

Claims (15)

  1. 　ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、
    　前記種光源と前記固体増幅器との間に配置され、前記種光源から出力されたパルス光を増幅する半導体光増幅器と、
    　前記種光源を所望の繰返し周波数で駆動するゲインスイッチング制御処理と、前記種光源の繰返し周波数に応じて前記半導体光増幅器の注入電流を制御する半導体光増幅器制御処理と、を実行する制御部と、
    を備えて構成されているレーザ光源装置。
  2. 　前記半導体光増幅器制御処理は、前記種光源から出力され前記非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、前記注入電流の注入時期を制御する処理を含む請求項１記載のレーザ光源装置。
  3. 　前記半導体光増幅器制御処理は、前記種光源から出力され前記非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、前記注入電流の値を制御する処理を含む請求項１または２記載のレーザ光源装置。
  4. 　前記半導体光増幅器制御処理は、前記固体増幅器の励起状態が所定の励起状態となるように、前記注入電流の値を制御する処理を含む請求項１から３の何れかに記載のレーザ光源装置。
  5. 　前記半導体光増幅器制御処理は、前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、前記パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、前記パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御する処理を含む請求項１から４の何れかに記載のレーザ光源装置。
  6. 　前記ゲインスイッチング制御処理は、前記非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または前記加工対象との相対的な移動速度に応じて、前記種光源の繰返し周波数をリアルタイムに設定する処理を含み、
    　前記半導体光増幅器制御処理は、前記非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または前記加工対象との相対的な移動速度に応じて、前記半導体光増幅器の注入電流を制御する処理が含まれる請求項１から５の何れかに記載のレーザ光源装置。
  7. 　前記制御部は、前記種光源の繰返し周波数が所定周波数以下になると、前記種光源から出力されるパルス光の入力前に前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器が反転分布するように、前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器の励起用光源を周期的または間歇的に制御する励起制御処理をさらに実行するように構成されている請求項１から６の何れかに記載のレーザ光源装置。
  8. 　前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置され前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子をさらに備え、
    　前記制御部は、前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように前記光スイッチ素子を制御する光スイッチ制御処理をさらに実行する請求項１から７の何れかに記載のレーザ光源装置。
  9. 　前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、前記制御部は前記ＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の繰返し周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されている請求項１から８の何れかに記載のレーザ光源装置。
  10. 　ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、
    　前記種光源を所望の繰返し周波数で駆動するとともに、前記種光源と前記固体増幅器との間に配置された半導体光増幅器の注入電流を前記種光源の繰返し周波数に応じて制御するレーザパルス光生成方法。
  11. 　前記種光源から出力され前記非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、前記注入電流の注入時期を制御する請求項１０記載のレーザパルス光生成方法。
  12. 　前記種光源から出力され前記非線形光学素子により波長変換されたパルス光の強度が所定強度になるように、前記注入電流の値を制御する請求項１０または１１記載のレーザパルス光生成方法。
  13. 　前記固体増幅器の励起状態が所定の励起状態となるように、前記注入電流の値を制御する請求項１０から１２の何れかに記載のレーザパルス光生成方法。
  14. 　前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の低下に伴って、前記パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に高くなるように制御し、前記種光源から出力されるパルス光の繰返し周波数の上昇に伴って、前記パルス光の非入力時に前記注入電流の値をステップ的または連続的に低くなるように制御する請求項１０から１３の何れかに記載のレーザパルス光生成方法。
  15. 　前記非線形光学素子から出力されるパルス光と当該パルス光により加工される加工対象及び／または前記加工対象との相対的な移動速度に応じて、前記種光源の繰返し周波数を設定するとともに前記半導体光増幅器の注入電流を制御する請求項１０から１４の何れかに記載のレーザパルス光生成方法。
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