(57)【要約】  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。
2012108530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特許第４２３２１３０号公報
【特許文献２】日本国再公表特許ＷＯ２００２／０９５４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。  
【００３８】
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）
【図１】
2012108530.tif 000003
【図２】
2012108530.tif 000004
【図３】
2012108530.tif 000005
【図４】
2012108530.tif 000006
【国際調査報告】
2012108530.tif 000007
2012108530.tif 000008