(57)【要約】【課題】装置寸法の小型化が可能なレーザ装置及びレーザ波形制御方法を提供する。【解決手段】レーザ装置１Ａは、半導体レーザ素子５と、入力波形データＤａを演算する波形演算部３と、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する駆動電流Ｉｄを半導体レーザ素子５に供給するドライバ回路４と、半導体レーザ素子５から出力されたレーザ光Ｌａを増幅する光増幅器７と、光増幅器７から出力された増幅後のレーザ光Ｌｂの波形を検出する光波形検出部１０とを備える。波形演算部３は、光波形検出部１０により検出された増幅後のレーザ光Ｌｂの波形と目標波形とを比較して、入力波形データＤａの時間波形を調整し、増幅後のレーザ光Ｌｂの波形を目標波形に近づける。【選択図】図１
2020053423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
入力波形データを演算する波形演算部と、
前記波形演算部及び前記半導体レーザ素子と電気的に接続され、前記入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記半導体レーザ素子に供給するドライバ回路と、
前記半導体レーザ素子と光学的に結合され、前記半導体レーザ素子から出力された光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器から出力された増幅後の光波形を検出する光波形検出部と、
を備え、
前記波形演算部は、前記光波形検出部により検出された増幅後の光波形と目標波形とを比較して、前記入力波形データの時間波形を調整し、増幅後の光波形を前記目標波形に近づける、レーザ装置。
【請求項２】
前記波形演算部は、前記光波形検出部により検出された増幅後の光波形と前記目標波形との差分が０に近づくように前記入力波形データの時間波形を調整する、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記波形演算部は、前記目標波形を示すデータを予め記憶する記憶部を有する、請求項１または２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記ドライバ回路は、
ディジタルの前記入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換部と、
前記駆動信号を前記駆動電流に変換する電流変換部と、
を有し、
前記Ｄ／Ａ変換部は、前記入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら前記駆動信号に順次変換する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、前記駆動電流を半導体レーザ素子に供給する電流供給ステップと、
前記半導体レーザ素子から出力された光を増幅する光増幅ステップと、
増幅後の光波形を検出する光波形検出ステップと、
前記光波形検出ステップにより検出された増幅後の光波形と目標波形とを比較して、前記入力波形データの時間波形を調整し、増幅後の光波形を前記目標波形に近づける波形調整ステップと、
を含む、レーザ波形制御方法。
【請求項６】
前記波形調整ステップでは、前記光波形検出ステップにより検出された増幅後の光波形と前記目標波形との差分が０に近づくように前記入力波形データの時間波形を調整する、請求項５に記載のレーザ波形制御方法。
【請求項７】
前記電流供給ステップは、
ディジタルの前記入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換ステップと、
前記駆動信号を前記駆動電流に変換する電流変換ステップと、
を含み、
前記Ｄ／Ａ変換ステップでは、前記入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら前記駆動信号に順次変換する、請求項５または６に記載のレーザ波形制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置及びレーザ波形制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ナノ秒オーダーのパルス幅を有する光パルスを出力するレーザ装置が開示されている。このレーザ装置は、連続光（ＣＷ）であるレーザ光を出力する光源と、光源から出力されたレーザを時間的に切り取ってパルス光とする音響光学光変調器（ＡＯＭ）と、ＡＯＭから出力されたパルス光を任意の波形に整形する電気光学光変調器（ＥＯＭ）とを備えている。光源は、レーザダイオード（ＬＤ）励起のファイバレーザである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Saumyabrata Banerjee et al., “100 J-level nanosecond pulsed diodepumped solid state laser”, Optics Letters, Vol. 41, No. 9 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超短パルス光、又は、短パルス光の時間波形を任意に整形することは、例えばレーザ加工や各種の計測器（例えば形状モニタ、衝撃波モニタ）にとって極めて有用である。加工対象や計測対象に応じた適切なパルス光の波形を選択することによって、加工精度や計測精度の向上が見込めるからである。しかしながら、所望の波形を精度良く生成したとしても、必要なパルス光強度を得る為に光増幅を行うと、光増幅器の非線形性に起因して、増幅後の光波形が歪んでしまうという問題がある。そこで、光増幅器の非線形性を予め考慮して、増幅後の光波形が所望の形状となるような波形のパルス光を光増幅器に入力することが考えられる。
【０００５】
従来のパルス光生成装置は、例えば非特許文献１に記載されているように、ファイバレーザ若しくは固体レーザから出力された連続光をＥＯＭによって任意の波形に整形する。ファイバレーザ及び固体レーザの寸法は大きくなり易く、また、ＥＯＭでは温度変化による特性の変動（温度ドリフト）が大きいので、ＥＯＭの温度ドリフトを補償するための構成が別途必要となる。これらは、レーザ装置の小型化を妨げる要因となる。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、装置寸法の小型化が可能なレーザ装置及びレーザ波形制御方法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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様によるレーザ装置は、半導体レーザ素子と、入力波形データを演算する波形演算部と、波形演算部及び半導体レーザ素子と電気的に接続され、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、該駆動電流を半導体レーザ素子に供給するドライバ回路と、半導体レーザ素子と光学的に結合され、半導体レーザ素子から出力された光を増幅する光増幅器と、光増幅器から出力された増幅後の光波形を検出する光波形検出部と、を備える。波形演算部は、光波形検出部により検出された増幅後の光波形と目標波形とを比較して、入力波形データの時間波形を調整し、増幅後の光波形を目標波形に近づける。
【０００８】
また、本発明の一態様によるレーザ波形制御方法は、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、駆動電流を半導体レーザ素子に供給する電流供給ステップと、半導体レーザ素子から出力された光を増幅する光増幅ステップと、増幅後の光波形を検出する光波形検出ステップと、光波形検出ステップにより検出された増幅後の光波形と目標波形とを比較して、入力波形データの時間波形を調整し、増幅後の光波形を目標波形に近づける波形調整ステップと、を含む。
【０００９】
上記のレーザ装置及びレーザ波形制御方法では、連続光を出力するファイバレーザ若しくは固体レーザではなく、半導体レーザ素子を光源として用いている。そして、半導体レーザ素子を駆動するための駆動信号の波形を、光波形検出部（光波形検出ステップ）により検出した増幅後の光波形に基づいて調整する。これにより、半導体レーザ素子から出力される光波形を調整して、増幅後の光波形を目標波形に近づけることができる。また、波形演算部といった電子回路、及び半導体レーザ素子のサイズは、ファイバレーザ若しくは固体レーザ、及びＥＯＭのサイズと比較して格段に小さい。更に、半導体レーザ素子の温度ドリフトに関しては、ペルチェ素子等によって半導体レーザ素子の温度を一定に維持すれば足りる。以上のことから、上記のレーザ装置及びレーザ波形制御方法によれば、従来の装置及び方法と比較して、装置寸法の小型化が可能となる。
【００１０】
上記のレーザ装置において、波形演算部は、光波形検出部により検出された増幅後の光波形と目標波形との差分が０に近づくように入力波形データの時間波形を調整してもよい。同様に、上記のレーザ波形制御方法の波形調整ステップでは、光強度検出ステップにより検出された増幅後の光波形と目標波形との差分が０に近づくように入力波形データの時間波形を調整してもよい。これにより、増幅後の光波形を目標波形に更に精度良く近づけることができる。この場合、波形演算部は、目標波形を示すデータを予め記憶する記憶部を有してもよい。
【００１１】
上記のレーザ装置において、ドライバ回路は、ディジタルの入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換部と、駆動信号を駆動電流に変換する電流変換部と、を有し、Ｄ／Ａ変換部は、入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら駆動信号に順次変換してもよい。同様に、上記のレーザ波形制御方法の電流供給ステップは、ディジタルの入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換ステップと、駆動信号を駆動電流に変換する電流変換ステップと、を含み、Ｄ／Ａ変換ステップでは、入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら駆動信号に順次変換してもよい。これらの装置及び方法によれば、駆動信号をより高速化して光波形の時間分解能を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様によれば、装置寸法の小型化が可能なレーザ装置及びレーザ波形制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ装置１Ａの構成を示すブロック図である。
【図２】レーザ装置１Ａの具体例を示すブロック図である。
【図３】ドライバ回路４の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図４】波形タイミング調整部４３の機能を模式的に示す図である。
【図５】レーザ装置１Ａの動作を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）〜（ｄ）光パルス波形を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（矩形波）を示す。（ｂ）（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。
【図８】（ａ）増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（ランプ波）を示す。（ｂ）（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。
【図９】半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形の例を示すグラフである。（ａ）半値全幅が４ナノ秒のガウス波形を示している。（ｂ）半値全幅が３２ナノ秒のガウス波形を示している。
【図１０】半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形の例を示すグラフである。（ａ）半値全幅が１２０ナノ秒の矩形波を示している。（ｂ）半値全幅が４ナノ秒のランプ波形を示している。
【図１１】従来のレーザ装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示されたレーザ装置に、出力波形に基づいて駆動信号を調整するフィードバック回路を追加した場合の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるレーザ装置及びレーザ波形制御方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ装置１Ａの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施形態のレーザ装置１Ａは、波形演算部３と、ドライバ回路４と、半導体レーザ素子５と、光アイソレータ６と、光増幅器７と、光分岐部８と、光検出部９とを備えている。
【００１６】
波形演算部３は、電子回路によって構成され、ドライバ回路４と電気的に接続されている。波形演算部３は、光増幅器７から出力される光パルスの波形（以下、出力波形という）を目標波形に近づけるための入力波形データＤａを演算して生成し、その入力波形データＤａをドライバ回路４に提供する。一例では、波形演算部３は、コンピュータ３１と、波形調整部３２と、比較部３３とを有する。コンピュータ３１は、ＣＰＵ及びメモリを有し、メモリに記憶されたプログラムに従って動作する。コンピュータ３１のメモリは、本実施形態における記憶部であって、所望（任意）の光波形、すなわち目標波形を表すデータ（以下、目標波形データという）を予め記憶している。この目標波形データは、レーザ装置１Ａの動作前に、コンピュータ３１のデータ入力端子を通じて、操作者により予めメモリに記憶される。或いは、コンピュータ３１が、波形設計部として、目標波形を自ら設計してもよい。すなわち、外部より与えられた光照射条件（加工条件、観察条件）を実現するための目標波形を、コンピュータ３１が算出してもよい。算出された目標波形を表す目標波形データは、コンピュータ３１のメモリに記憶される。
【００１７】
比較部３３は、後述する光検出部９と電気的に接続されており、光検出部９から得られた検出信号（光強度信号Ｓｃ）に基づいて、出力波形を取得する。また、比較部３３は、コンピュータ３１と電気的に接続されており、目標波形データＤｂをコンピュータ３１から取得する。比較部３３は、出力波形と目標波形とを比較し、その差分を示す差分データＤｃを波形調整部３２に送る。なお、比較部３３は、ＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータによって構成されてもよい。その場合、比較部３３は、コンピュータ３１とは別体であってもよいし、コンピュータ３１と共通のコンピュータ内に実現されてもよい。
【００１８】
波形調整部３２は、コンピュータ３１と電気的に接続されており、目標波形データＤｂをコンピュータ３１から取得する。また、波形調整部３２は、比較部３３と電気的に接続されており、比較部３３から出力された差分データＤｃを取得する。波形調整部３２は、これらのデータＤｂ，Ｄｃに基づいて、出力波形が目標波形に近づくように（すなわち差分が小さくなるように）入力波形データＤａを生成する。なお、波形調整部３２もまた、ＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータによって構成されてもよい。その場合、波形調整部３２は、コンピュータ３１及び比較部３３とは別体であってもよいし、コンピュータ３１及び比較部３３のうち少なくとも一方と共通のコンピュータ内に実現されてもよい。
【００１９】
ドライバ回路４の入力端は、波形演算部３の波形調整部３２と電気的に接続されており、波形調整部３２から入力波形データＤａを受け取る。ドライバ回路４は、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する駆動電流Ｉｄを生成する。ドライバ回路４の出力端は、半導体レーザ素子５と電気的に接続されており、生成した駆動電流Ｉｄを半導体レーザ素子５に供給する。なお、駆動電流Ｉｄには、時間変化がなく大きさ一定のバイアス電流が重畳される場合もある。
【００２０】
半導体レーザ素子５は、レーザダイオードであって、ドライバ回路４と電気的に接続されている。ドライバ回路４は、半導体レーザ素子５のカソード及びアノードのいずれかに対して駆動電流Ｉｄを供給する。半導体レーザ素子５は、駆動電流Ｉｄを受けてレーザ光Ｌａを発生する。このレーザ光Ｌａは、光増幅器７による増幅前の光であって、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する。一例では、半導体レーザ素子５は分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオードである。半導体レーザ素子５がＤＦＢレーザダイオードであることにより、光増幅器７の利得の波長特性にあわせた最適化が容易にできる。なお、図中の波形Ａは、半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。半導体レーザ素子５の出力パワーは例えば数ナノジュールである。
【００２１】
光アイソレータ６の光入力端は、半導体レーザ素子５のレーザ光出力端と光学的に結合されている。また、光アイソレータ６の光出力端は、光増幅器７の光入力端と光学的に結合されている。すなわち、光アイソレータ６は、半導体レーザ素子５と光増幅器７との間の光路上に介在している。光アイソレータ６は、光増幅器７によって増幅された光が半導体レーザ素子５に戻ることを防ぐ。
【００２２】
光増幅器７の光入力端は、光アイソレータ６を介して半導体レーザ素子５と光学的に結合されており、半導体レーザ素子５から出力されたレーザ光Ｌａを増幅する。光増幅器７は、レーザ光を電気信号に変換せず、光のまま直接増幅する。光増幅器７は、例えば光ファイバ増幅器、固体レーザ増幅器、或いはそれらの組み合わせによって構成され得る。光ファイバ増幅器は、例えばＥｒ、Ｙｂなどの不純物を添加したガラスからなる光ファイバを有し、レーザ光Ｌａとともに励起光が該光ファイバに入力されることによってレーザ光Ｌａを増幅する。また、固体レーザ増幅器は、例えばＮｄなどの不純物を添加した、ガラス若しくはイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）によって構成され得る。固体レーザ増幅器は、レーザ光Ｌａとともに励起光が入力されることによってレーザ光Ｌａを増幅する。光増幅器７の利得は、例えば３〜３０ｄＢの範囲内である。
【００２３】
光分岐部８及び光検出部９は、光波形検出部１０を構成する。光波形検出部１０は、光増幅器７から出力された増幅後の光波形を検出する。光分岐部８は、光増幅器７の光出力端と光学的に結合されている。光分岐部８は、光増幅器７から出力された増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１を反射（若しくは透過）し、残部Ｌｂ２を透過（若しくは反射）することにより、増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１を分岐する。光分岐部８は、例えばガラス板によって構成され得る。レーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１の強度Ｐ１と残部Ｌｂ２の強度Ｐ２との比（分岐比）Ｐ１／Ｐ２は、例えば０．００５〜０．０１の範囲内である。光検出部９は、光分岐部８と光学的に結合されており、増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１を受ける。なお、レーザ光Ｌｂの残部Ｌｂ２は、レーザ装置１Ａの外部へ出力され、レーザ加工、各種の計測等に使用される。
【００２４】
光検出部９は、レーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１の光強度に応じた電気信号である光強度信号Ｓｃを生成し、この光強度信号Ｓｃを比較部３３に提供する。一例では、光検出部９は、フォトダイオードと、フォトダイオードを流れる光電流を電圧信号に変換する回路とを含んで構成され得る。光検出部９は、生成した電圧信号を光強度信号Ｓｃとして出力してもよく、生成した電圧信号をディジタル信号に変換し、該ディジタル信号を光強度信号Ｓｃとして出力してもよい。光強度信号Ｓｃが電圧信号である場合、比較部３３においてディジタル信号に変換される。なお、光検出部９は、フォトダイオードに代えて、光電管（例えばバイプラナ光電管）を含んでもよい。
【００２５】
図２は、レーザ装置１Ａの具体例を示すブロック図である。図２に示される具体例において、レーザ装置１Ａは、図１に示された光アイソレータ６としての光アイソレータ６１，６２，６３，及び６４と、光増幅器７としての光ファイバ増幅器７１、固体レーザ増幅器７２及び７３を備えている。このように、本具体例では光増幅器７が多段に構成されている。更に、レーザ装置１Ａは、バンドパスフィルタ１２、光ファイバコネクタ１３、及びコリメータレンズ１４を備えている。
【００２６】
光ファイバ増幅器７１の光入力端と半導体レーザ素子５とは、光ファイバＦ１を介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器７１と半導体レーザ素子５との間には、光アイソレータ６１が介在している。光アイソレータ６１は、光ファイバ増幅器７１から半導体レーザ素子５へ光（レーザ光Ｌａ及び励起光）が戻ることを防ぐ。これにより、半導体レーザ素子５の損傷を防止できる。光ファイバ増幅器７１の光出力端とバンドパスフィルタ１２とは、光ファイバＦ２を介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器７１とバンドパスフィルタ１２との間には、光アイソレータ６２が介在している。光アイソレータ６２は、バンドパスフィルタ１２より後段の光が光ファイバ増幅器７１に戻ることを防ぐ。光ファイバ増幅器７１は、第１段の光増幅器であって、半導体レーザ素子５から出力されたレーザ光Ｌａを増幅する。光ファイバ増幅器７１の利得は、例えば２０〜３０ｄＢの範囲内である。バンドパスフィルタ１２は、光ファイバ増幅器７１から出力された光に含まれる、蛍光の波長成分を遮断する。バンドパスフィルタ１２は、例えば誘電体多層膜によって構成され得る。
【００２７】
バンドパスフィルタ１２は、光ファイバＦ３を介して光ファイバコネクタ１３と光学的に結合されている。光ファイバコネクタ１３は、光ファイバＦ３を終端する。すなわち、バンドパスフィルタ１２を通過した光は、光ファイバＦ３を伝搬して光ファイバコネクタ１３に達した後、空間に出力される。コリメータレンズ１４は、空間を介して光ファイバコネクタ１３と光学的に結合されており、光ファイバコネクタ１３から放射状に出力された光を平行化（コリメート）する。後述する固体レーザ増幅器７２及び７３によって増幅された光の強度は大きいので、ガラス等の光学材料のレーザによる損傷を回避するため、このように光ファイバコネクタ１３より後段においては光ファイバではなく空間中を伝搬させる。なお、図２では、空間中を伝搬する光を破線で示している。
【００２８】
固体レーザ増幅器７２は、光アイソレータ６３を介してコリメータレンズ１４と光学的に結合されている。光アイソレータ６３は、固体レーザ増幅器７２の光が固体レーザ増幅器７２より前段に戻ることを防ぐ。これにより、光ファイバ増幅器７１の損傷を防止できる。固体レーザ増幅器７２は、第２段の光増幅器であって、光ファイバ増幅器７１から出力された増幅後のレーザ光を更に増幅する。固体レーザ増幅器７２の利得は、例えば３〜２０ｄＢの範囲内である。
【００２９】
固体レーザ増幅器７３は、光アイソレータ６４を介して固体レーザ増幅器７３と光学的に結合されている。すなわち、光ファイバ増幅器７１、固体レーザ増幅器７２及び７３は、互いに直列に結合されている。光アイソレータ６４は、固体レーザ増幅器７３の光が固体レーザ増幅器７３より前段に戻ることを防ぐ。これにより、固体レーザ増幅器７２の損傷を防止できる。固体レーザ増幅器７３は、第３段の光増幅器であって、固体レーザ増幅器７２から出力された増幅後のレーザ光を更に増幅する。固体レーザ増幅器７３の利得は、例えば３〜１０ｄＢの範囲内である。固体レーザ増幅器７２によって増幅された光は、増幅後のレーザ光Ｌｂとして出力される。
【００３０】
図３は、ドライバ回路４の詳細な構成例を示すブロック図である。図３に示されるように、ドライバ回路４は、コントロール基板４１、波形データ格納部４２、波形タイミング調整部４３、波形信号生成部４４、及び電流変換部４５を有する。また、コントロール基板４１は、ＣＰＵ４１ａと、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂとを含んで構成される。このうち、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂ、波形データ格納部４２、波形タイミング調整部４３、及び波形信号生成部４４は、Ｄ／Ａ変換部４６を構成する。Ｄ／Ａ変換部４６は、電子回路であって、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換する。
【００３１】
コントロール基板４１は、波形演算部３とのインターフェースを担う回路基板である。ＣＰＵ４１ａは、波形演算部３の波形調整部３２（図１を参照）と通信回線を介して電気的に接続され、波形調整部３２から入力波形データＤａを受け取る。ＣＰＵ４１ａは、この入力波形データＤａを、適切なタイミングで高速ＤＡＣインターフェース４１ｂに送信する。高速ＤＡＣインターフェース４１ｂは、入力波形データＤａを波形データ格納部４２に一時的に記憶させる。波形データ格納部４２は、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂと電気的に接続され、例えば揮発性の記憶素子によって構成される。本実施形態の波形調整部３２は、入力波形データＤａを、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データとして出力する（図４を参照）。これらの区間波形データは、２以上の区間波形データ毎に並列且つ同時に出力される。そして、波形データ格納部４２は、この複数の区間波形データを記憶するとともに、要求に応じて複数の区間波形データを出力する。
【００３２】
波形タイミング調整部４３は、波形データ格納部４２と電気的に接続されており、波形データ格納部４２から入力波形データＤａが出力されるタイミングを調整（制御）する。図４は、波形タイミング調整部４３の機能を模式的に示す図である。図４に示されるように、波形タイミング調整部４３は、波形データ格納部４２から読み出した複数の区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４を、適切な時間差を与えながら順次出力する。ここで、適切な時間差とは、例えば各区間波形データの時間幅である。この時間幅は、出力波形の時間分解能を規定し、一実施例では１ナノ秒である。波形信号生成部４４は、波形タイミング調整部４３から出力された複数の区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４を順次入力し、これらの区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４をアナログ信号（電圧信号）である駆動信号Ｓｄに順次変換する。このとき、区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４の変換タイミングの時間差は、波形タイミング調整部４３によって付与された時間差と略一致する。
【００３３】
電流変換部４５は、波形タイミング調整部４３と電気的に接続されており、駆動信号Ｓｄを駆動電流Ｉｄに変換する。すなわち電流変換部４５は、トランジスタを含むアナログ回路によって構成され、電圧信号である駆動信号Ｓｄを、電流信号である駆動電流Ｉｄに変換する。このとき生成される駆動電流Ｉｄの時間波形は、駆動信号Ｓｄの時間波形と略同一である。なお、電流変換部４５には、更にバイアス電流制御部１１が接続されている。バイアス電流制御部１１は、駆動電流Ｉｄに含まれるバイアス成分の大きさを制御する。半導体レーザ素子５は電流変換部４５の電流出力端と電気的に接続されており、電流変換部４５から駆動電流Ｉｄを受けてレーザ光Ｌａを出力する。レーザ光Ｌａの時間波形は、駆動電流Ｉｄの時間波形と略同一である。
【００３４】
図５は、レーザ装置１Ａの動作を示すフローチャートである。また、図６の（ａ）〜（ｄ）は、光パルス波形を模式的に示す図である。これらの図では、光パルス波形を、連続する複数の単位区間の波高値（光強度）の集合として示している。必要に応じて遅延時間ＴＡが設定され、光パルス波形の始点は基準時間から遅延時間ＴＡだけ遅れる。図６の（ａ）〜（ｄ）において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。図５及び図６を参照しつつ、レーザ装置１Ａの動作及び本実施形態に係るレーザ波形制御方法について説明する。
【００３５】
まず、波形調整部３２は、初期の入力波形データＤａを設定する（ステップＳＴ１）。この初期の入力波形データＤａは、目標波形データＤｂに基づいて設定される。一例では、目標波形データＤｂがそのまま初期の入力波形データＤａとして用いられる。次に、この初期の入力波形データＤａに基づいてドライバ回路４が駆動電流Ｉｄを半導体レーザ素子５に供給し、半導体レーザ素子５がレーザ光Ｌａを出力する（電流供給ステップＳＴ２）。図６の（ａ）は、初期の入力波形データＤａに基づいて生成されたレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。このレーザ光Ｌａは光増幅器７によって増幅される（光増幅ステップＳＴ３）。
【００３６】
なお、電流供給ステップＳＴ２は、Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１と、電流変換ステップＳＴ２２とを含む。Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１では、Ｄ／Ａ変換部４６が、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換する。このとき、前述したように、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４（図４を参照）を、時間差を与えながら駆動信号Ｓｄに順次変換する。電流変換ステップＳＴ２２では、電流変換部４５が駆動信号Ｓｄを駆動電流Ｉｄに変換する。
【００３７】
続いて、光検出部９を通じて、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形（出力波形）を検出する（光波形検出ステップＳＴ４）。図６の（ｂ）は、検出された出力波形を模式的に示している。多くの場合、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形と異なる。一つの原因としては、光増幅器７における励起状態が時間経過に応じて変化することが挙げられる。すなわち、レーザ光Ｌａの入射直後においては光増幅器７が強く励起されており、高い利得でもってレーザ光Ｌａを増幅する。しかし、レーザ光Ｌａの入射開始から時間が経過すると、次第に光増幅器７の励起強度が低下し、それに伴ってレーザ光Ｌａの増幅利得も低下する。
【００３８】
図７及び図８は、実際に測定された、増幅前のレーザ光Ｌａ及び増幅後のレーザ光Ｌｂの各時間波形を示すグラフである。図７の（ａ）は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（矩形波）を示し、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。また、図８の（ａ）は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（ランプ波）を示し、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。なお、縦軸は光強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。これらの図に示されるように、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形と大きく異なる。
【００３９】
再び図５を参照する。波形調整ステップＳＴ５では、まず、比較部３３が、検出された出力波形と、目標波形データＤｂに示される目標波形（図６の（ｃ））とを比較し、その差分（誤差）を出力する（ステップＳＴ５１）。次に、波形調整部３２は、この差分に基づいて入力波形データＤａの時間波形を調整する。すなわち、波形調整部３２は、この差分がより小さくなるように（すなわち０に近づくように）、新たな入力波形データＤａを演算する（ステップＳＴ５２）。この新たな入力波形データＤａに基づいてドライバ回路４が駆動電流Ｉｄを半導体レーザ素子５に供給し、半導体レーザ素子５がレーザ光Ｌａを出力する（電流供給ステップＳＴ２）。図６の（ｄ）は、新たな入力波形データＤａに基づいて生成されたレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。このレーザ光Ｌａは光増幅器７によって増幅される（光増幅ステップＳＴ３）。上記のステップＳＴ２〜ＳＴ５を繰り返すことによって、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形が目標波形に近づく。こうして生成されたレーザ光Ｌｂが、レーザ装置１Ａの外部へ出力される。
【００４０】
以上の構成を備える本実施形態のレーザ装置１Ａ及びレーザ波形制御方法によって得られる効果について、従来のレーザ装置及び制御方法が有する課題と共に説明する。図１１は、従来のレーザ装置の構成を示すブロック図である。このレーザ装置は、光アイソレータ６及び光増幅器７を備えている。更に、このレーザ装置は、半導体レーザ素子１００、ドライバ回路１０１、光増幅器１０２、音響光学光変調器（ＡＯＭ）１０３、電気光学光変調器（ＥＯＭ）１０４、コンピュータ１０５、任意パルス発生器１０６、タイミング制御部１０７、及びＲＦアンプ１０８を備えている。
【００４１】
ドライバ回路１０１は、半導体レーザ素子１００に一定の大きさの駆動電流Ｉｂを供給する。半導体レーザ素子１００は、種光源として光強度一定の連続光Ｌｅ１を出力する。光増幅器１０２は、例えば光ファイバ増幅器若しくは固体レーザ増幅器であって、この連続光Ｌｅ１を増幅する。増幅前の連続光Ｌｅ１の光強度は例えば１０ｍＷであり、増幅後の連続光Ｌｅ２の光強度は例えば２Ｗである。ＡＯＭ１０３は、増幅後の連続光Ｌｅ２の時間幅を規定することにより、パルス光Ｌｐ１を生成する。パルス光Ｌｐ１の時間幅は、例えば１００ナノ秒である。
【００４２】
コンピュータ１０５は、目標波形データを予め記憶するか、若しくは目標波形データを生成する。任意パルス発生器１０６は、コンピュータ１０５から目標波形データを受け取り、目標波形データに基づいて駆動信号を生成する。任意パルス発生器１０６は、駆動信号をＲＦアンプ１０８に提供する。タイミング制御部１０７は、任意パルス発生器１０６が駆動信号をＲＦアンプ１０８に提供するタイミングと、ＡＯＭ１０３がパルス光Ｌｐ１を生成するタイミングとを同期させる。ＲＦアンプ１０８は、駆動信号を増幅してＥＯＭ１０４に提供する。ＥＯＭ１０４は、駆動信号により駆動され、パルス光Ｌｐ１の時間波形を駆動信号に応じた波形に調整して、パルス光Ｌｐ２を生成する。ＥＯＭ１０４は、例えばリチウムニオブ酸（ＬＮ）変調器である。パルス光Ｌｐ２は、光アイソレータ６を通って光増幅器７に送られる。光増幅器７は、パルス光Ｌｐ２を増幅する。増幅後のパルス光Ｌｐ２は、レーザ装置の外部へ出力される。
【００４３】
図１２は、図１１に示されたレーザ装置に、出力波形に基づいて駆動信号を調整するフィードバック回路を追加した場合の構成を示すブロック図である。図１２に示されるレーザ装置は、図１１に示された各要素に加えて、光分岐部８、光検出部９、比較部１０９、及び波形調整部１１０を更に備えている。光分岐部８は、光増幅器７による増幅後のパルス光Ｌｐ２の一部を分岐する。光検出部９は、分岐された一部のパルス光Ｌｐ２の光強度を検出する。比較部１０９は、コンピュータ１０５から出力された目標波形データと、検出したパルス光Ｌｐ２の時間波形とを比較し、その差分を出力する。波形調整部１１０は、この差分が０に近づくように、駆動信号を調整する。
【００４４】
図１１及び図１２に示されるレーザ装置では、ファイバレーザ若しくは固体レーザから出力された連続光Ｌｅ２をＥＯＭ１０４によって任意の波形に整形する。ファイバレーザ及び固体レーザの寸法は大きくなり易く、また、ＥＯＭ１０４では温度変化による特性の変動（温度ドリフト）が大きいので、ＥＯＭ１０４の温度ドリフトを補償するための構成が別途必要となる。これらは、レーザ装置の小型化を妨げる要因となる。
【００４５】
本実施形態では、連続光を出力するファイバレーザ若しくは固体レーザではなく、半導体レーザ素子５を被増幅光の光源として用いている。そして、半導体レーザ素子５を駆動するための駆動信号Ｓｄの時間波形を、光波形検出部１０（光波形検出ステップＳＴ４）により検出した増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形に基づいて調整する。これにより、半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形を調整して、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形を目標波形に近づけることができる。また、波形演算部３といった電子回路、及び半導体レーザ素子５のサイズは、ファイバレーザ若しくは固体レーザ、及びＥＯＭのサイズと比較して格段に小さい。更に、半導体レーザ素子５の温度ドリフトに関しては、ペルチェ素子等によって半導体レーザ素子５の温度を一定に維持すれば足りる。
【００４６】
以上のことから、本実施形態によれば、従来の装置及び方法と比較して、装置寸法の小型化が可能となる。本発明者が作製した実験設備の例では、幅及び奥行きを本実施形態のレーザ装置１Ａと従来の装置とでほぼ同等とした場合、従来の装置の高さが１５００ｍｍであるのに対し、本実施形態のレーザ装置１Ａの高さは８８ｍｍであり、従来の装置よりも格段に小さくなった。
【００４７】
また、連続光Ｌｅ２をＥＯＭ１０４により整形する従来の方式では、光透過率を調整することにより出力波形を整形するが、光透過率を厳密に０にすることは難しく、光強度を厳密に０としたい区間においても僅かな光強度が残存してしまう。これに対し、本実施形態では、半導体レーザ素子５を駆動するための駆動信号Ｓｄの時間波形を調整することにより出力波形を整形する。従って、駆動電流Ｉｄが閾値より小さくなるように駆動信号Ｓｄを制御すれば、半導体レーザ素子５からレーザ光Ｌａが出力されないので、光強度を厳密に０とすることが容易にできる。
【００４８】
また、ＥＯＭ１０４を用いて光パルス波形を整形する方式と比較して、半導体レーザ素子５への駆動電流Ｉｄを整形する本実施形態の方式によれば、短い時間分解能で出力波形を制御することができる。
【００４９】
また、ＥＯＭ１０４では、入力電圧（駆動信号）と光透過率とが互いに非線形の関係にある。従って、波形調整部１１０では、光増幅器７において生じる時間波形の変化に加えて、ＥＯＭ１０４での時間波形の歪みを補償するための計算、又は校正表等が必要になり、計算が複雑化する。これに対し、本実施形態では、半導体レーザ素子５の光出力強度と駆動電流Ｉｄとが互いにほぼ線形の関係にあるので、波形調整部３２における計算は比較的容易である。
【００５０】
また、ＥＯＭ１０４を用いて光パルス波形を整形する方式では、出力可能なパルス光Ｌｐ１の時間幅が例えば１００ナノ秒といった短時間に制限される。これに対し、本実施形態では、半導体レーザ素子５がそのような時間制限を有しないので、より長時間の光パルスを生成可能である。
【００５１】
図９及び図１０は、半導体レーザ素子５から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形の例を示すグラフである。なお、縦軸は光強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。図９の（ａ）は、半値全幅が４ナノ秒のガウス波形を示している。図９の（ｂ）は、半値全幅が３２ナノ秒のガウス波形を示している。図１０の（ａ）は、半値全幅が１２０ナノ秒の矩形波を示している。図１０の（ｂ）は、半値全幅が４ナノ秒のランプ波形を示している。これらのように、本実施形態のレーザ装置１Ａによれば、任意の様々な時間波形を生成することができる。
【００５２】
また、本実施形態のように、波形演算部３は（波形調整ステップＳＴ５では）、光波形検出部１０により検出された増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形と目標波形との差分が０に近づくように、入力波形データＤａの時間波形を調整してもよい。これにより、増幅後の時間波形を目標波形に更に精度良く近づけることができる。この場合、波形演算部３は、目標波形を示すデータを予め記憶する記憶部（コンピュータ３１のメモリ）を有してもよい。
【００５３】
また、本実施形態のように、ドライバ回路４（電流供給ステップＳＴ２）は、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換するＤ／Ａ変換部４６（Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１）と、駆動信号Ｓｄを駆動電流Ｉｄに変換する電流変換部４５（電流変換ステップＳＴ２２）と、を有してもよい。そして、Ｄ／Ａ変換部４６（Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１）は、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データＤＤ１〜ＤＤ４を、時間差を与えながら駆動信号Ｓｄに順次変換してもよい。これにより、駆動信号Ｓｄをより高速化して出力波形の時間分解能を高めることができる。
【００５４】
本発明によるレーザ装置及びレーザ波形制御方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では目標波形データを波形演算部３において記憶しているが、目標波形データはレーザ装置１Ａの外部から入力されてもよい。また、必要に応じて光アイソレータ６を省いてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１Ａ…レーザ装置、３…波形演算部、４…ドライバ回路、５…半導体レーザ素子、６…光アイソレータ、７…光増幅器、８…光分岐部、９…光検出部、１０…光波形検出部、１１…バイアス電流制御部、１２…バンドパスフィルタ、１３…光ファイバコネクタ、１４…コリメータレンズ、３１…コンピュータ、３２…波形調整部、３３…比較部、４１…コントロール基板、４１ａ…ＣＰＵ、４１ｂ…高速ＤＡＣインターフェース、４２…波形データ格納部、４３…波形タイミング調整部、４４…波形信号生成部、４５…電流変換部、４６…Ｄ／Ａ変換部、６１，６２，６３，６４…光アイソレータ、７１…光ファイバ増幅器、７２，７３…固体レーザ増幅器、Ｄｂ…目標波形データ、Ｄｃ…差分データ、ＤＤ１〜ＤＤ４…区間波形データ、Ｆ１〜Ｆ３…光ファイバ、Ｉｄ…駆動電流、Ｌａ，Ｌｂ…レーザ光、Ｓｃ…光強度信号、Ｓｄ…駆動信号、ＴＡ…遅延時間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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