(57)【要約】【課題】ファイバレーザおよび非線形光学素子によって、所望の波長および所望のパワーを有するレーザ光を発生させることを可能にする技術を提供する。【解決手段】レーザ光源１０１は、シードＬＤ２と、光増幅ファイバ１，１１と、励起ＬＤ３，９Ａ〜９Ｄと、波長変換素子を含む波長変換部１４とを備える。シードＬＤ２は、パルスレーザ光を発する。光増幅ファイバ１，１１は、パルスレーザ光と励起光とが入射されることによりパルスレーザ光を増幅可能に構成される。励起ＬＤ３（９Ａ〜９Ｄ）は、励起光を発する。波長変換部１４は、光増幅ファイバ１，１１によって増幅されたパルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、増幅光とは波長が異なる波長変換光を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を発するパルス光源と、
前記パルスレーザ光と励起光とが入射されることにより前記パルスレーザ光を増幅可能に構成された光増幅ファイバと、
前記光増幅ファイバに入射されるための前記励起光を発する励起光源と、
前記光増幅ファイバによって増幅された前記パルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、前記増幅光とは波長が異なる波長変換光を発生可能な波長変換素子とを備える、レーザ光源装置。
【請求項２】
前記パルス光源は、前記パルスレーザ光の強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返され、かつ、当該強度波形の包絡線が所定の形状となるように、前記パルス光を発生させる、請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記増幅光を複数のパルスを含むパルス群と定義し、かつ、前記増幅光の時間波形の形状を、前記増幅光に含まれる複数のパルスの包絡線によって定義した場合には、前記複数のパルスの各々の時間波形の半値全幅は、０よりも大きく、かつ前記増幅光の時間波形の半値全幅の３／１０以下である、請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記複数の光パルスの各々の時間波形の半値全幅は、０よりも大きく、かつ前記増幅光の時間波形の半値全幅の１／１０以下である、請求項３に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記波長変換光を複数のパルスを含むパルス群と定義し、かつ、前記波長変換光の時間波形の形状を、前記波長変換光に含まれる複数のパルスの包絡線によって定義した場合には、前記波長変換光の時間波形の半値全幅は、１０ナノ秒以上かつ１００ナノ秒以下である、請求項２から４のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記波長変換素子に入射される前記増幅光のパワーは、前記波長変換素子の変換効率が前記波長変換素子に入射される光のパワーの変動に対して飽和する所定の飽和領域に含まれる、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記極大値と前記極小値とが時間的に繰り返される間、前記極大値は時間に対して単調増加する、請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記パルス光源は、半導体レーザを含み、
前記レーザ光源装置は、
前記半導体レーザの出射側に設けられた第１のファイバブラッググレーティングと、
前記第１のファイバブラッググレーティングと前記光増幅ファイバとの間に設けられて、前記パルスレーザ光のスペクトルを整形するスペクトル整形部とをさらに備える、請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
前記スペクトル整形部は、
光を受けるための第１のポートと、前記第１のポートに入力された光を出力するとともに光を受けるための第２のポートと、前記第２のポートに入力された光を出力するための第３のポートとを有する光サーキュレータと、
前記第２のポートから出た光を反射させるための第２のファイバブラッググレーティングとを含み、
前記第１のポートは、前記第１のファイバブラッググレーティングからの前記パルスレーザ光を受け、
前記第２のポートは、前記第１のポートに入力された前記パルスレーザ光を出力するとともに、前記第２のファイバブラッググレーティングによって反射された前記パルスレーザ光を受け、
前記第３のポートは、前記第２のポートに入力された前記パルスレーザ光を前記光増幅ファイバに向けて出力する、請求項８に記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
前記増幅光のスペクトルの半値全幅は、前記波長変換素子の波長変換の許容スペクトル幅として予め定められた幅よりも小さく、かつ、前記光増幅ファイバにおける誘導ブリルアン散乱の発生閾値に基づいて定まる半値全幅よりも大きく設定される、請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記増幅光のスペクトルの半値全幅は、０．０５ナノメートル以上かつ０．１ナノメートル以下である、請求項１０に記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
前記光増幅ファイバは、前記光増幅ファイバに入射された前記パルスレーザ光の偏光を維持したまま前記パルスレーザ光を伝送可能に構成されたファイバである、請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のレーザ光源装置と、
前記波長変換素子から出射された前記波長変換光を加工対象に向けて照射するための光学系とを備える、レーザ加工装置。
【請求項１４】
レーザ光源装置の制御装置であって、前記レーザ光源装置は、
パルスレーザ光を発するパルス光源と、
前記パルスレーザ光と励起光とが入射されることにより前記パルスレーザ光を増幅可能に構成された光増幅ファイバと、
前記光増幅ファイバに入射されるための前記励起光を発する励起光源と、
前記光増幅ファイバによって増幅された前記パルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、前記増幅光とは波長が異なる光を発生可能な波長変換素子とを備え、
前記制御装置は、
前記光増幅ファイバへの入射のための前記パルスレーザ光の強度を変調可能に構成された強度変調部と、
前記光増幅ファイバへの入射のための前記パルスレーザ光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ当該強度波形の包絡線が所定の形状となるように前記強度変調部を制御する変調制御部とを備える、レーザ光源装置の制御装置。
【請求項１５】
レーザ光源装置の制御方法であって、前記レーザ光源装置は、
パルスレーザ光を発するパルス光源と、
前記パルスレーザ光と励起光とが入射されることにより前記パルスレーザ光を増幅可能に構成された光増幅ファイバと、
前記光増幅ファイバに入射されるための前記励起光を発する励起光源と、
前記光増幅ファイバによって増幅された前記パルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、前記増幅光とは波長が異なる光を発生可能な波長変換素子とを備え、
前記制御方法は、
前記パルスレーザ光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ当該強度波形の包絡線が所定の形状となるように、前記光増幅ファイバへの入射のための前記パルスレーザ光の強度を変調するステップと、
前記励起光を前記励起光源から出射させるステップとを備える、レーザ光源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源装置、レーザ加工装置、レーザ光源装置の制御装置、およびレーザ光源装置の制御方法に関する。より特定的には、本発明は、光増幅ファイバを備えるレーザ光源装置、およびそのレーザ光源装置を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザに代表される固体レーザ発振器は、高出力のレーザ光源として従来から広く用いられている。多くの固体レーザ発振器の発振波長領域は、１μｍ付近の近赤外域である。したがって、より短波長のレーザ光が要求される場合には、固体レーザ発振器からのレーザ光の波長を、非線形光学結晶によって、より短い波長に変換するという方法が提案されている。このような方法は、たとえば特許第３９９８０６７号公報（特許文献１）、あるいは特許第３１９７８２０号公報（特許文献２）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９９８０６７号公報
【特許文献２】特許第３１９７８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファイバレーザは、従来の固体レーザ発振器（代表的にはＮｄ：ＹＡＧレーザ）に比較して、エネルギ変換効率が高く、ビーム品質が良好であることから、近年注目を集めている。したがって、非線形光学結晶に入射されるレーザ光（基本波）を発生させるレーザ光源を、固体レーザ発振器からファイバレーザに置き換えることが考えられる。
【０００５】
固体レーザでは、共振器の内部波長変換によって、基本波として出力可能なエネルギに対してほぼ同じレベルのエネルギを波長変換光として出力可能である。基本波として出力可能なエネルギとは、同構成の発振器から非線形光学結晶を取り外し、基本波出力用の出力鏡を取り付けたときに得られる出力を意味する。この意味においては、１００％近い効率で波長変換することができる。このような技術の例として、特許文献１および特許文献２では、レーザ共振器の内部で波長変換を行なう構成が開示されている。
【０００６】
これに対し、ファイバレーザを用いた場合、基本波が出力されるファイバ増幅器中を波長変換光は伝播できないため、外部に非線形光学結晶を配置しなければならない。この外部に配置する構成は固体レーザにおいても実施されることがあるが、一般的には外部の波長変換は内部の波長変換に比べて変換効率が低くなり（実用面では４０〜５０％である。）、より高い変換効率を得るには、短パルスのピーク出力の高い基本波のレーザ光を発生させて入射する必要がある。しかし、パルス出力のファイバレーザでは、光ファイバの内部で高ピークのエネルギが集中した場合、非線形光学効果（誘導ブリルアン散乱など）の発生の可能性が高まる。これによりファイバ中で増幅されるエネルギが制限される。
【０００７】
このような理由から、パルス出力のファイバレーザを用いた波長変換による高出力の短波長レーザを実現するためには、基本波側のレーザ特性の向上と共に、外部変換の変換効率を向上させる技術が要求される。
【０００８】
本発明の目的は、ファイバレーザおよび非線形光学素子によって、所望の波長および所望のパワーを有するレーザ光を発生させることを可能にする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は要約すれば、レーザ光源装置であって、パルス光源と、光増幅ファイバと、励起光源と、波長変換素子とを備える。パルス光源は、パルスレーザ光を発する。光増幅ファイバは、パルスレーザ光と励起光とが入射されることによりパルスレーザ光を増幅可能に構成される。励起光源は、光増幅ファイバに入射されるための励起光を発する。波長変換素子は、光増幅ファイバによって増幅されたパルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、増幅光とは波長が異なる波長変換光を発生可能である。
【００１０】
好ましくは、パルス光源は、パルスレーザ光の強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返され、かつ、当該強度波形の包絡線が所定の形状となるようにパルスレーザ光を発する。
【００１１】
好ましくは、増幅光を複数のパルスを含むパルス群と定義し、かつ、増幅光の時間波形の形状を、増幅光に含まれる複数のパルスの包絡線によって定義した場合には、複数のパルスの各々の時間波形の半値全幅は、０よりも大きく、かつ増幅光の時間波形の半値全幅の３／１０以下である。
【００１２】
好ましくは、複数の光パルスの各々の時間波形の半値全幅は、０よりも大きく、かつ増幅光の時間波形の半値全幅の１／１０以下である。
【００１３】
好ましくは、波長変換光を複数のパルスを含むパルス群と定義し、かつ、波長変換光の時間波形の形状を、波長変換光に含まれる複数のパルスの包絡線によって定義した場合には、波長変換光の時間波形の半値全幅は、１０ナノ秒以上かつ１００ナノ秒以下である。
【００１４】
好ましくは、波長変換素子に入射される増幅光のパワーは、波長変換素子の変換効率が波長変換素子に入射される光のパワーの変動に対して飽和する所定の飽和領域に含まれる。
【００１５】
好ましくは、極大値と極小値とが時間的に繰り返される間、極大値は時間に対して単調増加する。
【００１６】
好ましくは、パルス光源は、半導体レーザを含む。レーザ光源装置は、半導体レーザの出射側に設けられた第１のファイバブラッググレーティングと、スペクトル整形部とをさらに備える。スペクトル整形部は、第１のファイバブラッググレーティングと前記光増幅ファイバとの間に設けられる。スペクトル整形部は、パルスレーザ光のスペクトルを整形する。
【００１７】
好ましくは、スペクトル整形部は、光サーキュレータと、第２のファイバブラッググレーティングとを含む。光サーキュレータは、光を受けるための第１のポートと、第１のポートに入力された光を出力するとともに光を受けるための第２のポートと、第２のポートに入力された光を出力するための第３のポートとを有する。第１のポートは、第１のファイバブラッググレーティングからのパルスレーザ光を受ける。第２のポートは、第１のポートに入力されたパルスレーザ光を出力するとともに、第２のファイバブラッググレーティングによって反射されたパルスレーザ光を受ける。第３のポートは、第２のポートに入力されたパルスレーザ光を光増幅ファイバに向けて出力する。
【００１８】
好ましくは、増幅光のスペクトルの半値全幅は、波長変換素子の波長変換の許容スペクトル幅として予め定められた幅よりも小さく、かつ、光増幅ファイバにおける誘導ブリルアン散乱の発生閾値に基づいて定まる半値全幅よりも大きく設定される。
【００１９】
好ましくは、増幅光のスペクトルの半値全幅は、０．０５ナノメートル以上かつ０．１ナノメートル以下である。
【００２０】
好ましくは、光増幅ファイバは、光増幅ファイバに入射されたパルスレーザ光の偏光を維持したままパルスレーザ光を伝送可能に構成されたファイバである。
【００２１】
本発明の他の局面に従うと、レーザ加工装置であって、上記のいずれかに記載のレーザ光源装置と、波長変換素子から出射された波長変換光を加工対象に向けて照射するための光学系とを備える。
【００２２】
本発明のさらに他の局面に従うと、レーザ光源装置の制御装置である。レーザ光源装置は、パルスレーザ光を発するパルス光源と、パルスレーザ光と励起光とが入射されることによりパルスレーザ光を増幅可能に構成された光増幅ファイバと、光増幅ファイバに入射されるための励起光を発する励起光源と、光増幅ファイバによって増幅されたパルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、増幅光とは波長が異なる光を発生可能な波長変換素子とを備える。制御装置は、光増幅ファイバへの入射のためのパルスレーザ光の強度を変調可能に構成された強度変調部と、光増幅ファイバへの入射のためのパルスレーザ光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ当該強度波形の包絡線が所定の形状となるように強度変調部を制御する変調制御部とを備える。
【００２３】
本発明のさらに他の局面に従うと、レーザ光源装置の制御方法である。レーザ光源装置は、パルスレーザ光を発するパルス光源と、パルスレーザ光と励起光とが入射されることによりパルスレーザ光を増幅可能に構成された光増幅ファイバと、光増幅ファイバに入射されるための励起光を発する励起光源と、光増幅ファイバによって増幅されたパルスレーザ光としての増幅光を受けることによって、増幅光とは波長が異なる光を発生可能な波長変換素子とを備える。制御方法は、パルスレーザ光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ当該強度波形の包絡線が所定の形状となるように、光増幅ファイバへの入射のためのパルスレーザ光の強度を変調するステップと、励起光を励起光源から出射させるステップとを備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ファイバレーザおよび非線形光学素子によって、所望の波長および所望のパワーを有するレーザ光を発生させることを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源を含むレーザ加工装置の構成図である。
【図２】パルス光の波長変換のための構成例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る光増幅ファイバ１，１１の構造例を示した図である。
【図４】誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいた、パルス光のスペクトル幅と限界平均パワーとの関係を説明するための図である。
【図５】実施の形態１によるシード光のパワー波形を説明する図である。
【図６】ガウス関数に従うレーザ光出力波形と、実施の形態１によるレーザ光出力波形とを対比して説明するための図である。
【図７】非線形光学結晶に入射されるパルス光の波形がガウス波形である場合と、実施の形態１による場合とで、非線形光学結晶の変換効率を比較した結果を示す図である。
【図８】波長変換光のパルス幅の観点から、ガウス波形と実施の形態１に係るパルス光の波形とを対比した図である。
【図９】非線形光学結晶に入射した光のパワーの変動と変換効率の変動との関係について説明するための図である。
【図１０】パルス光の波形の第１の変形例を示した図である。
【図１１】パルス光の波形の第２の変形例を示した図である。
【図１２】各光パルスの極大値が一定の場合のシード光の波形を示す図である。
【図１３】光増幅ファイバの増幅度が小さい場合における光増幅ファイバ出射光の波形を示す図である。
【図１４】光増幅ファイバの増幅度が中程度である場合における光増幅ファイバの出射光の波形を示す図である。
【図１５】光増幅ファイバの増幅度が大きい場合における光増幅ファイバの出射光の波形を示す図である。
【図１６】図１１に示す波形を有するシード光を増幅した場合における光増幅ファイバの出射光の波形を示す図である。
【図１７】パルスジェネレータ２１およびドライバ２２の構成の一例を示す図である。
【図１８】図１７に示した構成を有するパルスジェネレータ２１およびドライバ２２の動作を説明するための図である。
【図１９】パルスジェネレータ２１およびドライバ２２の構成の他の例を示す図である。
【図２０】図１９に示した構成を有するドライバ２２の動作を説明するための図である。
【図２１】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源を含むレーザ加工装置の構成図である。
【図２２】図２１に示したスペクトル整形部１５の一形態を示した構成図である。
【図２３】図２２に示したＦＢＧ７２の望ましい反射スペクトルを示した図である。
【図２４】実施の形態２に係るレーザ光源における、シード光のスペクトル整形を説明するための図である。
【図２５】ＦＧＬのシード光のスペクトル整形が十分でない場合に光増幅ファイバから出射された増幅光のスペクトルの実例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２７】
また、以後の説明中の「ＬＤ」は、半導体レーザを表わしている。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源を含むレーザ加工装置の構成図である。図１を参照して、レーザ加工装置１００は、レーザ光源１０１と、レーザ光源１０１を制御するための制御装置１０２と、レーザ光源１０１から発せられたレーザ光を、加工対象であるワーク１５０に向けて照射し、かつワーク１５０の表面上でレーザ光を走査するための走査光学系１０３とを備える。
【００２８】
レーザ加工装置１００は、たとえば、レーザマーキング装置、レーザトリミング装置、フォトマスク等の欠陥修正（リペア）を行なうレーザリペア装置などに適用可能である。また、穴あけ、溶接、切断、熱処理、形状加工等の各種の用途にレーザ加工装置１００を適用してもよい。
【００２９】
レーザ光源１０１は、光増幅ファイバを含むファイバレーザである。具体的には、レーザ光源１０１は、光増幅ファイバ１と、シードＬＤ２と、フィルタ３と、アイソレータ４と、励起ＬＤ５と、結合器６と、アイソレータ７と、バンドパスフィルタ８と、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄと、結合器１０と、光増幅ファイバ１１と、アイソレータ１２と、エンドキャップ１３と、波長変換部１４とを含む。
【００３０】
光増幅ファイバ１，１１の各々は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコア、およびそのコアの周囲に設けられるクラッドを有する。コアに添加される希土類元素の種類は特に限定されず、たとえばＥｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などがある。以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。
【００３１】
光増幅ファイバ１のコアに含まれる希土類元素が励起光を吸収することによって、その希土類元素が励起される。この状態においてシード光が光増幅ファイバ１のコアを伝播すると、励起された希土類元素による誘導放出が生じる。この誘導放出がシード光の光増幅として作用するためシード光が増幅される。
【００３２】
シードＬＤ２は、シード光を発する光源である。シードＬＤ２は、制御装置１０２の制御によりパルス発振して、パルスレーザ光（以下では単に「パルス光」とも呼ぶ）をシード光として発する。なおシード光の波長は、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長である。
【００３３】
シードＬＤ２から出射されたシード光は、フィルタ３およびアイソレータ４を通過する。フィルタ３は、シードＬＤ２の半導体との間で外部共振を行なうために設けられるものであり、スペクトルの幅が波長変換に許容される幅となるように選定される。具体的には、フィルタ３は、たとえばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によって構成される。アイソレータ４は、シードＬＤ２からのシード光を透過させるとともに光増幅ファイバ１からの戻り光を遮断する。これによって光増幅ファイバ１からの戻り光がシードＬＤ２に入射するのを防ぐことができる。
【００３４】
励起ＬＤ５は、光増幅ファイバ１のコアに添加された希土類元素を励起するための励起光を発する励起光源である。希土類元素がＹｂの場合、励起光の波長はたとえば９４０±１０ｎｍとなる。励起ＬＤ５は、制御装置１０２の制御により励起光を発する。
【００３５】
結合器６は、シードＬＤ２からのシード光（パルス光）および励起ＬＤ５からの励起光を光増幅ファイバ１に入射させるために、そのシード光および励起光を結合する。シード光と励起光とが光増幅ファイバ１に入射されることにより、シード光すなわち光増幅ファイバ１に入射したパルス光が増幅される。
【００３６】
アイソレータ７は、光増幅ファイバ１によって増幅されて光増幅ファイバ１から出射されたパルス光を通過させる。さらにアイソレータ７は、光増幅ファイバ１に戻る光を遮断する。
【００３７】
バンドパスフィルタ８は、光増幅ファイバ１から出射されたパルス光のピーク波長を含む所定の波長帯の光を通過させるとともに、その波長帯と異なる波長帯の光を除去する。
【００３８】
励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々は、制御装置１０２の制御により、光増幅ファイバ１１のコアに含まれる希土類元素（Ｙｂ）を励起するための励起光を発する。なお、図１では光増幅ファイバ１１に対応して４個の励起ＬＤが設けられているが、励起ＬＤの個数は特に限定されるものではない。
【００３９】
結合器１０は、バンドパスフィルタ８を通過したパルス光と、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄからの励起光とを光増幅ファイバ１１に入射させるために、そのパルス光と励起光とを結合するためのものである。パルス光と励起光とが光増幅ファイバ１１に入射されることにより、光増幅ファイバ１１は、そのパルス光を増幅する。
【００４０】
アイソレータ１２は光増幅ファイバ１１から出射されたパルス光を通過させるとともに、光増幅ファイバ１１に戻る光を遮断する。エンドキャップ１３は、ピークパワーの高いパルス光が光ファイバから大気中に出射される際に、光ファイバの端面と大気との境界面で生じるダメージを防止するために設けられる。
【００４１】
波長変換部１４は、光増幅ファイバ１および１１によって増幅されたパルス光を受けて、そのパルス光の波長とは異なる波長を有するパルス光を発生させる。
【００４２】
制御装置１０２は、制御部２０と、パルスジェネレータ２１と、ドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄとを含む。
【００４３】
制御部２０は、パルスジェネレータ２１、およびドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄを統括的に制御することにより、レーザ光源１０１の動作を制御する。制御部２０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２５を介して、ワーク１５０の加工に関する各種の情報を受けるとともに、その情報に基づいて、パルスジェネレータ２１およびドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄを制御する。制御部２０の機能の一つとしては、パルスジェネレータ２１およびドライバ２２，２３，２４Ａ〜２４Ｄの各々の動作タイミングの制御が挙げられる。
【００４４】
パルスジェネレータ２１は、パルス信号を発生させるとともに、そのパルス信号をドライバ２２に送信する。ドライバ２２は、パルスジェネレータ２１からのパルス信号に応じて、シードＬＤ２に供給する駆動電流を変調させる。シードＬＤ２に供給される駆動電流が変調されることにより、シードＬＤ２から発せられるシード光の強度波形は、パルスジェネレータ２１により発生したパルス信号の波形を反映したものとなる。すなわちドライバ２２は、光増幅ファイバ１への入射のためのパルスレーザ光の強度を変調可能な強度変調部である。パルスジェネレータ２１は、強度変調部を制御する変調制御部である。
【００４５】
ドライバ２３は、制御部２０の指令に応答して、励起ＬＤ５に駆動電流を供給する。これにより励起ＬＤ５は励起光を発する。
【００４６】
ドライバ２４Ａ〜２４Ｄは、励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々に対応して設けられる。各ドライバは、制御部２０の指令に応答して、対応する励起ＬＤに駆動電流を供給する。これにより励起ＬＤ９Ａ〜９Ｄの各々は励起光を発する。
【００４７】
なお、シードＬＤ、励起ＬＤ、アイソレータ、バンドパスフィルタ等、ファイバレーザを構成する素子の特性は、温度に応じて変化し得る。したがって、これらの素子の温度を一定に保つための温度コントローラが制御装置１０２に含まれていることが、より好ましい。
【００４８】
走査光学系１０３は、ワーク１５０の表面上でレーザ光源１０１からの光を走査するためのものである。走査方向は１次元方向および２次元方向のいずれでもよい。図示しないが、走査光学系１０３は、たとえばレーザ光源１０１から出射されるレーザ光のビームの径を所定の大きさに調整するためのコリメータレンズ、および、コリメータレンズを通過した後のレーザ光をワーク１５０の表面上で二次元方向に走査するための走査装置（たとえばガルバノスキャナ）、その走査装置により走査されたレーザ光を集光するためのレンズ（たとえばｆθレンズ）等により構成される。
【００４９】
上述のように、実施の形態１では、波長変換部１４によって、光増幅ファイバ１１からのパルス光とは波長の異なる光を発生させる。波長変換部１４の構成は、特に限定されることなく、種々の公知の構成を適用することができる。
【００５０】
一般に、レーザ光（基本波）の波長変換は、非線形光学結晶により実現される。非線形光学結晶としては、たとえばＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）などを用いることができる。したがって、波長変換部１４も、上述の非線形光学結晶を含んで構成される。
【００５１】
図２は、パルス光の波長変換のための構成例を示す図である。
図２（ａ）は、第２次高調波発生（ＳＨＧ）のための構成を示す図である。
【００５２】
図２（ｂ）は、第３次高調波発生（ＴＨＧ）のための構成を示す図である。
図２（ｃ）は、第４次高調波発生（ＦＨＧ）のための構成を示す図である。
【００５３】
図２（ａ）を参照して、波長変換部１４は、集光レンズ３１と、ＳＨＧのための非線形光学結晶３２と、波長選択性フィルタ３３とを含む。集光レンズ３１は、周波数ωを有する光（基本波）を集光する。集光された光は非線形光学結晶３２に入射する。非線形光学結晶３２は、元の周波数（ω）の光と、元の周波数の２倍の周波数（２ω）の光とを出射する。波長選択性フィルタ３３は、周波数２ωの光を通過させる。
【００５４】
図２（ｂ）に示す構成では、非線形光学結晶３４に、基本周波数（ω）の光と、その基本周波数の２倍の周波数（２ω）とを入射させることによって、基本波の３倍の周波数（基本波の１／３倍の波長）を有する光が生成される。ＴＨＧのための非線形光学結晶３４から出た光は波長選択性フィルタ３５を通過する。
【００５５】
図２（ｃ）に示す構成では、波長選択性フィルタ３３を通過した周波数２ωの光を非線形光学結晶３６に入射させる。非線形光学結晶３６によるＦＨＧにより、基本波の４倍の周波数（基本波の１／４倍の波長）を有する光を生成することができる。非線形光学結晶３６からは、周波数２ωの光と周波数４ωの光とが出射される。波長選択性フィルタ３７によって周波数４ωの光が選択される。
【００５６】
図２に示した構成では、非線形光学結晶により和周波発生（ＳＨＧ等の周波数逓倍）が実現される。ただし非線形光学結晶を用いた波長変換は、和周波発生に限定されるものではなく、差周波発生（ＤＦＧ）でもよいし、光パラメトリック発振（ＯＰＧ）でもよい。また、波長変換部１４は、ＱＰＭ（擬似位相整合）による波長変換を行なってもよい。この場合、非線形光学結晶として、たとえばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）が用いられる。
【００５７】
ここで、ワーク１５０を所望の条件に従って加工するために必要なレーザ光のパワー、および非線形光学結晶の変換効率を考慮すると、非線形光学結晶に入射するパルス光のパワーはある程度高いことが求められる。このため、光増幅ファイバ１，１１によるパルス光の増幅が必要となる。
【００５８】
さらに、非線形光学結晶による高効率の波長変換を実現するためには、非線形光学結晶に入射するレーザ光の偏光方向が、非線形光学結晶の結晶軸方位に対して所定の関係を満たさなければならない。このため、シードＬＤ２より発せられる直線偏光の偏光度を維持しながら、その光を増幅する必要がある。このため光増幅ファイバ１，１１ならびにパルス光が伝送される光伝送路は、偏光方向を保持可能に構成される。
【００５９】
図３は、光増幅ファイバ１（１１）の構造を示す断面図である。なお図３は、ファイバの延在方向と直交する方向に沿った断面を示す。
【００６０】
図３を参照して、光増幅ファイバ１および１１は、コアの周囲に２層のクラッドが配置されたダブルクラッドファイバである。光増幅ファイバ１および１１は、希土類元素が添加されたコア４０と、コア４０の周囲に設けられ、かつコア４０よりも屈折率が低い第１クラッド４１と、第１クラッド４１の周囲に設けられ、かつ第１クラッド４１よりも屈折率が低い第２クラッド４２とを含む。第２クラッド４２は外皮４３に覆われる。第１クラッド４１には、コア４０に応力を付与するための応力付与部４４が形成される。
【００６１】
増幅されるべき光であるパルス光は、光増幅ファイバ１（１１）のコア４０に入射し、かつコア４０を伝播する。一方、パルス光を増幅するための励起光は第１クラッド４１に入射するとともに、コア４０を通過しながら第１クラッド４１を伝播する。励起光の一部はコア４０に添加された希土類元素に吸収される。これにより希土類元素が励起される。
【００６２】
さらに、コア４０の両側に応力付与部４４が配置される。この応力付与部４４によって、光増幅ファイバ１（１１）には、応力の異方性による複屈折が与えられる。これにより光増幅ファイバ１（１１）は、入射したパルス光の偏光方向を維持可能である。
【００６３】
光増幅ファイバ１（１１）は、単一モードの光のみ伝播可能なシングルモードファイバである。通常のシングルモードファイバでは、光が光ファイバを伝播する間に偏波方向がランダムに変化する。図３に示されるように応力付加部をコアの周囲に配置することによって、直線偏光がコアを伝播する間に偏光方向が変化することを抑制することを実現できる。
【００６４】
実施の形態１では、光増幅ファイバ１（１１）は、ダブルクラッドファイバであるが、光増幅ファイバ１（１１）は、クラッドが１層のみであるシングルクラッドファイバでもよい。なおシングルクラッドファイバの場合には、パルス光および励起光がともにコアに入射することによってパルス光の増幅が実現される。
【００６５】
図１に戻り、実施の形態１では、レーザ光源１０１は、ファイバレーザである。ファイバレーザは、発振方式にＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）方式を用いている。ＭＯＰＡ方式とは、シード光源からのシード光をアンプにより増幅する方式である。実施の形態１では、シード光源として高速での変調が可能な半導体レーザ（ＬＤ）を利用するとともに、アンプとして光増幅ファイバを利用する。ＭＯＰＡ方式によって、高繰り返し時にも充分なピーク出力を得ることが可能になる。加えて、その繰り返し周波数に関わらず最適な出力を得ることができる。
【００６６】
より具体的には、シードＬＤ２に供給されるパルス電流を制御することによって、シードＬＤ２から発せられるパルス光の繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等の各種パラメータを互いに独立に変更できる。そのパルス光が光増幅ファイバにより増幅されるので、レーザ光源１０１から出射される光の繰り返し周波数、ピークパワー、パルス幅等の各種パラメータを互いに独立に変更できる。
【００６７】
また、ファイバレーザ（光増幅ファイバ１１）から出射されるレーザ光の波長は、実質的に、シード光の波長と同じであり、たとえば１０００〜１１００ｎｍの範囲から選択された波長となる。この波長領域の光に対するワークの吸収率が小さい（反射率が高い）場合には、ワークの加工効率が低くなる。実施の形態１によれば、波長変換部１４によってレーザ光の波長が、元の波長と異なる波長に変換される。たとえば変換後の波長が元の波長よりも短くなる。これによって、レーザ光の波長を、ワークの吸収率が高くなる波長領域内の波長に変換することができるので、ワークの加工効率を向上させることが可能になる。
【００６８】
さらにワークの加工条件によっては、高パワーかつ持続時間（時間幅）の長いパルス光をレーザ光源１０１から出射することが必要になる場合がある。このためには、シード光のパルス幅を長くする必要がある。ドライバ２２からシードＬＤ２に供給されるパルス電流のパルス幅を長くすることによって、シード光のパルス幅を長くすることができる。
【００６９】
しかしながら高パワーかつ広いパルス幅のパルス光が光ファイバを伝播した場合には、その光ファイバにおいて誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering；ＳＢＳ）が生じる可能性が高くなる。これは、瞬間的に強い光がファイバ内で一定時間継続することによって、媒質の格子振動にエネルギが与えられて音波が発生し、屈折率の周期的な変化が発生するメカニズムから理解できる。
【００７０】
光増幅ファイバ１あるいは１１において誘導ブリルアン散乱が発生した場合には、レーザ光源１０１から出射されるレーザ光の波形が崩れ、レーザ出力が制限されるので、レーザ加工装置１００の加工品質が低下する。さらに、誘導ブリルアン散乱により戻り光が発生する。この戻り光により、光学素子（たとえばシードＬＤ２）を破損する可能性がある。
【００７１】
そこで実施の形態１では、シードＬＤ２から、強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返され、かつ強度波形の包絡線が所定の形状となるパルス光が発せられる。極大値と極小値とが時間的に繰り返されるパルス光を複数のパルスとみなすと、強度波形の包絡線とは、それら複数のパルスを含むパルス群を表わす波形に相当する。上記の波形を有するパルス光を光増幅ファイバによって増幅することにより、高いピークパワーと広い時間幅とを有するレーザ光を生成することができる。
【００７２】
さらに、そのパルス群に含まれる複数のパルスの各々の時間波形の半値全幅は、非線形光学結晶の変換効率を考慮して定められる。したがって、実施の形態１によれば、非線形光学結晶の変換効率を高めることができる。
【００７３】
［誘導ブリルアン散乱の抑制について］
光ファイバ中の光強度が閾値より大きくなると、光ファイバの主成分（実施の形態１では石英）の振動により発生した音波と光との相互作用によって、非線形散乱が発生する。誘導ブリルアン散乱は、非線形散乱の一種であり、光ファイバ中の音響フォノンと光との総合作用によって生じる。
【００７４】
誘導ブリルアン散乱の発生閾値は、限界レーザパワーとレーザ光のスペクトル幅とに依存する。「非線形ファイバー光学」（Ｇ．Ｐ．アグラワール著、小田垣  孝・山田  興一訳、吉岡書店）によれば、この閾値は以下のように説明される。
【００７５】
まず、ブリルアン利得係数ｇＢは以下の式（１）に従って表わされる。
【００７６】
【数１】
2010232650.tif 000003
【００７７】
式（１）において、ｃは光速であり、λｐはレーザ波長であり、ρｏはファイバ材質の密度である。νＡは光ファイバ中の超音波の速度であり、ΔνＢはブリルアン利得スペクトル幅である。ｎはファイバの屈折率であり、ｐ12は縦方向の弾性光係数である。
【００７８】
次に、ブリルアン利得スペクトルのピーク利得は、以下の式（２）に従って表わされる。
【００７９】
【数２】
2010232650.tif 000004
【００８０】
最後に、ブリルアン散乱発生閾値は、以下の式（３）に従って表わされる。
【００８１】
【数３】
2010232650.tif 000005
【００８２】
Ｌｅｆｆは有効な相互作用長であり、Ａｅｆｆは実効断面積であり、Δλｐはレーザ光のスペクトル幅であり、Ｐｏｃｒは限界レーザピークパワーである。
【００８３】
図４は、誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいた、パルス光のスペクトル幅と限界平均パワーとの関係を説明するための図である。図４を参照して、３本の直線は、レーザスペクトル幅と光ファイバから出力可能な限界平均パワーとの関係を示す。この関係は、誘導ブリルアン散乱発生閾値に基づいて、計算により求められたものである。
【００８４】
上記の計算では、ファイバ増幅器に入射されるパルス光の繰り返し周波数が１００ｋＨｚとし、パルス幅（時間幅）を１０ｎｓとした。また、ファイバ増幅器に含まれるファイバ長を１０ｍとした。３本の直線は、ファイバ増幅器のコア径をパラメータに用いることによって得られたものである。コア径は、１０μｍ、１５μｍ、および２０μｍに設定した。
【００８５】
図４から、スペクトル幅が大きくなるほど、レーザの限界平均パワーが大きくなることがわかる。また、たとえば、コア径が１５μｍの光増幅ファイバから１０Ｗ級のレーザ出力を得るためには、レーザ光のスペクトル幅が少なくとも５０ｐｍ（０．０５ｎｍ）でなければならないことがわかる。たとえば、レーザの限界平均パワーを１０Ｗとすると、スペクトル幅は５５ｐｍ（０．０５５ｎｍ）となる。
【００８６】
実施の形態１では、誘導ブリルアン散乱の発生閾値に基づいて、光増幅ファイバに入射されるレーザ光のスペクトル幅の下限は誘導ブリルアン散乱を発生させないスペクトル幅として定められる。
【００８７】
一方、実施の形態１では、光増幅ファイバに入射されるレーザ光のスペクトル幅の上限は、非線形光学結晶の波長変換の許容スペクトル幅に従って定まる。非線形光学結晶の許容スペクトル幅は各種の技術資料に記載されているので、その値を採用できる。たとえば、Solid-State Laser Engineering (Walter Koechner 著、Springer-Verlag、1996年）のp579（Table 10.2）には、ＳＨＧ（Ｔｙｐｅ１）の場合（１０６４ｎｍから５３２ｎｍへの波長変換の場合）におけるＬＢＯのスペクトル幅が０．７５ｎｍ、ＢＢＯのスペクトル幅が０．６６ｎｍと記載されている。これらの非線形光学結晶の結晶長は通常約１ｃｍ程度であるので、上記した値の半値が許容スペクトル幅となる。また、ＴＨＧの場合では、ＬＢＯ結晶（ＴｙｐｅＩＩ）による波長変換の許容スペクトル幅は、約０．２ｎｍとなる。
【００８８】
したがって実施の形態１では、この許容スペクトル幅が、光増幅ファイバから出射されるレーザ光のスペクトル幅の上限であり、かつ光増幅ファイバに入射されるレーザ光のスペクトル幅の上限として定められる。たとえば、光増幅ファイバ１１から、０．０５〜０．１ｎｍ程度のスペクトル幅を有するパルス光が出射されるように、パルス光のスペクトル幅を調整する。光増幅ファイバから上述の条件を満たすレーザ光が出射されるよう、シード光源から発せられるシード光（パルス光）のスペクトル幅が設定される。
【００８９】
［パルス光の波形］
図５は、実施の形態１によるシード光のパワー波形を説明する図である。
【００９０】
図５に示すように、シードＬＤ２から出射されるシード光は、複数の光パルスを含むパルス群とみなすことができる。図５には複数の光パルスの包絡線Ｅを示している。
【００９１】
ドライバ２２は、シードＬＤ２に供給する駆動電流の強度を時間的に変調することにより、シードＬＤ２から出射されるシード光の強度を時間的に変調させる。各光パルスの強度は時間に対して振動（上下）する。
【００９２】
包絡線Ｅの形状はガウス波形である。実施の形態１によれば、ガウス波形を有する単パルスが光増幅ファイバに入射される場合に比較して、非線形光学結晶による変換効率を高めることができる。以下では、この点について詳しく説明する。なお、以下では、光増幅ファイバから出射されたレーザ光のパワー（出力）を示す波形を用いて、非線形光学結晶による変換効率について説明するが、便宜上、この増幅後の波形はシード光の波形（図５）と同じように、包絡線Ｅがガウス波形であると仮定する。後述するように、前方部分と後方部分との利得の差により波形のバランスが変わることになるが、以下の説明に示す結果と同様の効果はある。
【００９３】
［非線形光学結晶による変換効率］
図６は、ガウス関数に従うレーザ光出力波形と、実施の形態１によるレーザ光出力波形とを対比して説明するための図である。
【００９４】
図６（ａ）は、ガウス関数に従うレーザ光出力波形を説明するための図である。
図６（ｂ）は、実施の形態１によるレーザ光出力波形を説明するための図である。
【００９５】
図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す波形の一部を拡大して示す拡大図である。
図６（ａ）を参照して、関数Ｐω（ｔ）は、時間ｔとレーザ光出力との関係を示す。ピーク値Ｐｏはレーザ光出力のピーク値に対応する。また時間幅Ｔは、関数Ｐω（ｔ）の値がピーク値Ｐｏの１／ｅ（ｅは自然対数の底）倍となる関数の幅に対応する。関数Ｐω（ｔ）は、以下の式（４）に従って表わされる。
【００９６】
【数４】
2010232650.tif 000006
【００９７】
関数Ｐω（ｔ）に従う波形を有するレーザ光（基本波）が非線形光学結晶に入射されるとともに、非線形光学結晶によって、その基本波の第２次高調波が生成されたとする。レーザ光の周波数は、基本周波数ωから、その２倍の周波数２ωに変換される。
【００９８】
非線形光学結晶からのレーザ光（第２次高調波）の出力波形は、関数Ｐ２ω（ｔ）に従って表わされる。関数Ｐ２ω（ｔ）はガウス関数であり、以下の式（５）に従って表わされる。
【００９９】
【数５】
2010232650.tif 000007
【０１００】
η（ｔ）は、非線形光学結晶の変換効率を示す。また、Ｋは変換効率に関する定数であり、非線形光学定数、ビーム径、非線形光学結晶の結晶長などによって決定される。
【０１０１】
次に、レーザ光エネルギとして、関数Ｐω（ｔ）に従うレーザ光出力の積分値を求める。積分値Ｅωは、式（６）に従って表わされる。
【０１０２】
【数６】
2010232650.tif 000008
【０１０３】
同様に、関数Ｐ２ω（ｔ）従うレーザ光出力の積分値Ｅ２ωは、式（７）に従って表わされる。積分値Ｅ２ωは非線形光学結晶から出射されるレーザ光のエネルギを表わす。
【０１０４】
【数７】
2010232650.tif 000009
【０１０５】
次に、上述の計算と同様の計算を実施の形態１に適用する。図６（ｂ）を参照して、包絡線Ｅはガウス関数を示す。このガウス関数は、その積分値が上記積分値Ｅωに等しく、かつ、時間幅がＴとなるように定められる。このようにして定められたガウス関数のピーク値をＰ１とする。
【０１０６】
時間ｔ＞０の領域にＮ（Ｎは１以上の整数）個の関数が存在し、時間ｔ＜０の領域にもＮ個の関数が存在するとする。各関数はガウス関数であり、時間幅ｔ０を有する。さらに、各関数は、間隔ｔ０を隔てて時間軸上に並ぶものとする。ここで間隔とは、ｎ番目（ｎは１以上かつＮ−１以下の整数）の関数をＰωｎ（ｔ）のピーク値とＰωｎ＋１（ｔ）のピーク値との間の間隔である。なお、関数Ｐωｎ（ｔ）のピーク値は、包絡線Ｅを示すガウス関数に従って定められる。
【０１０７】
式（１）と同様に、関数Ｐωｎ（ｔ）は、以下の式（８）に従って表わされる。
【０１０８】
【数８】
2010232650.tif 000010
【０１０９】
非線形光学結晶からのレーザ光（第２次高調波）の出力波形は、関数Ｐ２ωｎ（ｔ）に従って表わされる。関数Ｐ２ωｎ（ｔ）は、ガウス関数であり、以下の式（９）に従って表わされる。
【０１１０】
【数９】
2010232650.tif 000011
【０１１１】
関数Ｐωｎ（ｔ）に従うレーザ光出力の積分値Ｅωｎは、式（１０）に従って表わされる。
【０１１２】
【数１０】
2010232650.tif 000012
【０１１３】
同様に、関数Ｐ２ωｎ（ｔ）従うレーザ光出力の積分値Ｅ２ωｎは、式（１１）に従って表わされる。この積分値Ｅ２ωｎは非線形光学結晶から出射されるレーザ光のエネルギを表わす。
【０１１４】
【数１１】
2010232650.tif 000013
【０１１５】
ここで式（１１）に含まれるαは、以下の式（１２）に示すように近似値を適用できる。
【０１１６】
【数１２】
2010232650.tif 000014
【０１１７】
積分値Ｅ２ωと積分値Ｅ２ωｎとを比較することによって、ガウス関数に従う波形を有する単パルス（以下では、「単パルス」と単純化して呼ぶ）を非線形光学結晶に入射した場合と、実施の形態１による場合とでの変換効率を比較することができる。
【０１１８】
図７は、非線形光学結晶に入射されるパルス光の波形がガウス波形である場合と、実施の形態１による場合とで、非線形光学結晶の変換効率を比較した結果を示す図である。図７を参照して、グラフの縦軸は、ガウス波形を有する単パルスを非線形光学結晶に入射した場合の変換効率に対する、本実施形態の場合の変換効率（η）の比率を表わす。グラフの横軸は、図６に示す時間幅Ｔを１００としたときにおける、関数Ｐωｎ（ｔ）の時間幅ｔ０の大きさを表わす。
【０１１９】
なお図７に示すグラフでは、上記Ｎの値をパラメータとした。具体的にはＮを７、９、１１、１３とした。
【０１２０】
図７に示すように、時間幅ｔ０の値が３０であるときには、比率が約１．５となる。時間幅ｔ０の値が３０であるときには、Ｎの値が７から１３まで変化しても、比率はほぼ同じである。
【０１２１】
時間幅ｔ０の値が１０であるときには、Ｎが小さくなるにつれて比率が大きくなる。具体的に説明すると、Ｎが１３のときには変換効率の比率は約２．０である。一方、Ｎが７のときには変換効率の比率は約３．０となる。
【０１２２】
図７から、極大値と極小値とが時間的に繰り返されるパルス光を複数の光パルスとみなした場合における、その複数の光パルスの各々の時間波形の半値全幅（時間幅ｔ０）は、０よりも大きく、かつ包絡線の時間波形の半値全幅（時間幅Ｔ）の３／１０以下であることが好ましい。この場合、比率は約１．５となる。したがって、単パルスを非線形光学結晶に入射した場合に比べて、変換効率が向上される。
【０１２３】
さらに好ましくは、複数の光パルスの各々の時間波形の半値全幅（時間幅ｔ０）は、０よりも大きく、かつ包絡線の時間波形の半値全幅（時間幅Ｔ）の１／１０以下であることが好ましい。この場合、変換効率として２から３の範囲内の値を実現できる。したがって、単パルスを非線形光学結晶に入射した場合に比べて、変換効率をより一層向上させることができる。
【０１２４】
このように実施の形態１によれば、非線形光学結晶における変換効率を向上させることが可能であるが、この理由については、短時間で変調されるパルスによって瞬間的なパルスのピーク出力が増加して変換効率が高められたためであると説明することができる。
【０１２５】
また、他の効果として、波長変換後のパルス幅を長く維持しやすいという点も挙げられる。レーザ加工の用途によっては、短パルス（通常ナノ秒以下）で熱影響の少ないシャープな加工が求められるだけでなく、もう少し長いパルス（数１０から数１００ナノ秒）によって熱的な作用も加えることによって対象物の一定の箇所を除去することが求められるような加工もあり、加工品質を最適化するためにパルス幅を変更できることが望ましい場合もある。
【０１２６】
図８は、波長変換光のパルス幅の観点から、ガウス波形と実施の形態１に係るパルス光の波形とを対比した図である。図８（ａ）はガウス波形に従う基本波と、その基本波から生成された波長変換光とを示す図である。図８（ｂ）は、実施の形態１に従う基本波と、その基本波から生成された波長変換光とを示す図である。
【０１２７】
ガウス波形の場合には、基本波のパワーの立ち上がり部分（前方部分）は光増幅ファイバによって高利得で増幅される。よって、その部分に対応する波長変換光の強度も大きい。しかし基本波のパワーの立ち下がり部分については光増幅ファイバの利得が小さい。よって、その部分に対応する波長変換光の強度がさらに弱くなる。この結果、波長変換光の波形では、立ち上がり部分が強調されるので、パルス幅が細くなる。以上のように、単パルスを非線形光学結晶に入射した場合には、パルス幅の長いパルス光を生成することが容易ではない。
【０１２８】
これに対し、実施の形態１によれば、極大値と極小値とが時間的に繰り返されるパルス光を発生させることにより、包絡線によって擬似的に示されるパルス光のパルス幅を長くすることが可能である。これにより、波長変換光のパルス幅も擬似的に長くすることができる。実施の形態１によれば、波長変換光のパルス幅も擬似的に長くすることによって、たとえばパルス幅の可変性により熱影響を生じさせることが必要な加工を実現可能である。具体的には、包絡線によって定義される波長変換光のパルス幅は、１０ｎｓ〜１００ｎｓの範囲内で定められることが好ましい。
【０１２９】
さらに、実施の形態１によれば、非線形光学結晶に入射されるパルス光のパワーは、非線形光学結晶の変換効率が飽和する領域に含まれるように定められる。
【０１３０】
図９を参照して、曲線Ｃ１は、単パルスが非線形光学結晶に入射した場合における、入射光のパワーと非線形光学結晶の変換効率との関係を示す。曲線Ｃ２は、実施の形態１による、非線形光学結晶の入射光のパワーと非線形光学結晶の変換効率との関係を示す。
【０１３１】
非線形光学結晶の入射光のパワーがＰを中心としてΔＰの範囲で変動したとする。ガウス波形を有する単パルスが非線形光学結晶に入射した場合には、変換効率の変動範囲はｄη１となる。一方、実施の形態１によれば、その単パルスが非線形光学結晶に入射する場合に比較して変換効率を高めることができるので、非線形光学結晶の変換効率が飽和領域に達しやすくなる。
【０１３２】
飽和領域では、入射光のパワーの変動に対する非線形光学結晶の変換効率の変動は小さい。すなわち変換効率の変動範囲ｄη２はｄη１よりも小さい。実施の形態１では、非線形光学結晶に入射されるパルス光のパワーが、非線形光学結晶の変換効率が飽和する領域内となるように定められる。これにより、非線形光学結晶に入射する入射光のパワー変動の影響を抑制することが可能になる。したがって、波長変換光のパワーを安定させることができる。
【０１３３】
［パルス光の波形の変形例］
図１０から図１６を参照して、図５に示したシード光パワー波形の他の例を示す。前述したように、複数のパルスからなる光パルス（パルス群）を非線形光学結晶に入射することにより、波長変換効率を向上することができる。複数のパルスからなるパルス光の変形例について、その変形例の波形を以下に説明する。
【０１３４】
なお、図１０および図１１に示す波形は、シード光の波形、光増幅ファイバ１に入射されるパルス光の波形、光増幅ファイバ１から出射されるパルス光の波形、光増幅ファイバ１１に入射されるパルス光の波形、光増幅ファイバ１１から出射されるパルス光の波形のいずれであってもよい。いずれの場合も、単パルスを非線形光学素子に入射した場合の変換効率と比較すると波長変換効率が向上する。後述するように、シード光の波形と、光増幅ファイバ１１から出射されるパルス光の波形とでは、パルス波形内のバランスが多少異なるなどの変化が生じることはあるが、パルス幅の長い波長変換光を出射することができる。以下では、シード光もしくはファイバ増幅後のパルス光の波形と、波長変換光のパルス幅とについて説明する。
【０１３５】
図１０は、パルス光の波形の第１の変形例を示した図である。図１０を参照して、パルス光のパワーにはオフセット成分（ＣＷ成分）Ｐａが含まれる。誘導ブリルアン散乱が生じない条件ならば、パルス光のパワーにオフセット成分が含まれていてもよい。また図１０に示すようにオフセット成分Ｐａは包絡線Ｅの高さに応じて変化してもよいし、一定の大きさでもよい。なお「誘導ブリルアン散乱が生じない条件」とはパルス光のピークパワーや使用されるファイバ等に応じて異なるため、オフセット成分の条件をあらかじめ把握しておく必要がある。
【０１３６】
図１１は、パルス光の波形の第２の変形例を示した図である。図１１を参照して、この例では、包絡線Ｅが時間に応じて単調増加するようにパルス光のパワーが制御される。すなわち、この例では、強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返される間、極大値が時間に対して単調増加する。なお時間に応じて単調増加するのであれば、包絡線Ｅは直線でも曲線でもよい。
【０１３７】
まず、非線形光学素子に入射する（すなわち光増幅ファイバから出射される）光のパワー波形と、シード光の波形とについて説明する。
【０１３８】
図１２は、各光パルスの極大値が一定の場合のシード光の波形を示す図である。図１２を参照して、包絡線Ｅは時間に対する傾きが０である直線となる。
【０１３９】
図１３〜図１５は、図１２に示した波形を有するシード光を光増幅ファイバで増幅することにより光増幅ファイバから出射される光のパワー波形を示す図である。図１３は、光増幅ファイバの増幅度が小さい場合における光増幅ファイバ出射光の波形を示す図である。図１４は、光増幅ファイバの増幅度が中程度である場合における光増幅ファイバの出射光の波形を示す図である。図１５は、光増幅ファイバの増幅度が大きい場合における光増幅ファイバの出射光の波形を示す図である。なお、光増幅ファイバの増幅度は光増幅ファイバに入射される励起光のパワーに応じて定まる。
【０１４０】
図１３〜図１５には光増幅ファイバからの出射光である複数の光パルスの包絡線（Ｅａ〜Ｅｃ）を示す。包絡線Ｅａ〜Ｅｃの形状から分かるように、光ファイバの増幅度によらず、出射光パルスのピークパワーは次第に低下する。これは光増幅ファイバに入射した複数の光パルスが順次増幅されるにつれ、光増幅ファイバのコアに蓄積されたエネルギが減衰するためである。光増幅ファイバの増幅度が大きいほど、ピークパワー（強度の極大値）の減衰の度合いが大きくなる。したがってシード光パルスの包絡線Ｅがステップ状の場合、光増幅ファイバの増幅度に応じて包絡線の形状が大きく変化する。
【０１４１】
包絡線を１つの光パルスの波形とみなすと、包絡線の形状が大きく変化することにより、その光パルスの半値幅が大きく変化することになる。シード光パルスの包絡線Ｅを図１１に示すように単調増加させることにより、光増幅ファイバの増幅度の低下による出射光のピークパワー（強度の極大値）の低下を補正できる。この結果、図１６に示すように、光増幅ファイバの出射光のピークパワーを安定させることができるので、包絡線Ｅｄを時間に対する傾きがほぼ０である直線として、ピークパワーの低下を十分に抑制した波形とすることができる。波長変換光のパルス光については、図８に示したようにパルスが更に細る現象が起こるが、パルス幅を維持することができる。
【０１４２】
以上のように、変形例に示した波長変換部への入射光においても、図５に基づいて説明した「同じエネルギの変調なし波形に対して波長変換効率が増加する」という効果があり、また、図１０および図１１に示した波形に類似するいずれの波形であっても、同様の効果を得られることは、容易に理解することができる。
【０１４３】
特に図１１および図１６にて説明したパルス波形は、実際のレーザ加工プロセスにおいて有効である。レーザパルスが加工する物質に吸収されて熱に変化する過程において、熱伝達する時間のあいだ持続的にレーザパルスが照射される方が、目的とする加工品質が得られる場合が多々ある。このように、熱影響を少なくするためのピークパワーの高い短いパルスから比較的長いパルスまで、パルス幅（包絡線の幅）が可変可能なレーザ装置は、加工対象物によって加工品質を選択的に制御することができる。
【０１４４】
［シードＬＤの制御回路の構成例］
実施の形態１では、パルスジェネレータ２１およびドライバ２２によりシードＬＤ２が制御される。具体的には、ドライバ２２は、パルスジェネレータ２１からの信号に基づいて、シードＬＤ２に与える駆動電流を変調する。これにより図５、図１０〜図１１、図１６に示したパルス光の波形が実現される。このような制御を実現可能なパルスジェネレータ２１およびドライバ２２の構成例を以下に説明する。
【０１４５】
図１７は、パルスジェネレータ２１およびドライバ２２の構成の一例を示す図である。図１７を参照して、パルスジェネレータ２１は、記憶部５１と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）５２と、Ｄ／Ａコンバータ５３とを含む。ドライバ２２は、アンプ５４と、トランジスタ５６と、抵抗５７とを含む。
【０１４６】
記憶部５１は、波形データを不揮発的に記憶する。ＦＰＧＡ５２はデジタル信号発生器であり、記憶部５１から読み出した波形データＤをデジタルデータとして出力する。ＦＰＧＡ５２は、制御部２０（図１参照）からの動作信号を受けると、記憶部５１から波形データＤを読み出すとともに、その波形データＤに基づいてクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａ（デジタルデータ）とを出力する。ＦＰＧＡ５２は、制御部２０からの停止信号に応じてその動作を停止する。
【０１４７】
Ｄ／Ａコンバータ５３は、クロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋと、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａとを受けて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａにより示されるデジタルデータをアナログデータに変換する。Ｄ／Ａコンバータ５３は、高速の信号処理に適したＤ／Ａコンバータ（高速Ｄ／Ａコンバータ）であることが好ましい。
【０１４８】
アンプ５４は、Ｄ／Ａコンバータ５３からのアナログ信号である電流Ｉｄａｃをトランジスタ５６の制御に必要な信号に変換する。トランジスタ５６の制御電極にはアンプ５４から出力された信号に対応する電圧ＶＬＤが与えられる。
【０１４９】
トランジスタ５６が電圧ＶＬＤに応じて導通するとシードＬＤ２に駆動電流ＩＬＤが流れる。駆動電流ＩＬＤがしきい値電流より大きくなるとシードＬＤ２がレーザ発振してシードＬＤ２からシード光が発せられる。電圧ＶＬＤによってトランジスタ５６に流れる電流が制御されるので駆動電流ＩＬＤの強度が制御される。これによりシード光の強度が制御される。
【０１５０】
なお、記憶部５１は複数の波形データを保存することが望ましい。さらに、ＦＰＧＡ５２は、記憶部５１に含まれる複数の波形データの中から、用途に応じたデータを選択できることが好ましい。また、図１７に示した構成では、ＦＰＧＡによってデジタル信号発生器が実現される。ただしデジタル信号発生器には、マイクロプロセッサやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などを用いてもよい。
【０１５１】
図１８は、図１７に示した構成を有するパルスジェネレータ２１およびドライバ２２の動作を説明するための図である。図１８および図１７を参照して、Ｄ／Ａコンバータ５３への入力値（データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示す値）を、０とある値（図１８ではａ〜ｆ）とに設定する。図１８（ａ）に示すように、Ｄ／Ａコンバータ５３は、周期ｔを有するクロック信号ＤＡＣ＿ｃｌｋの立ち上がりおよび立下りに応じて、データ信号ＤＡＣ＿ｄａｔａが示すデジタルデータを読み込み、その読み込んだデジタルデータをアナログデータに変換する。入力値ａ〜ｆのある値（たとえばａ）とその次の値（たとえばｂ）との間には、入力値として０が挟まれる。
【０１５２】
図１８（ｂ）に示すように、Ｄ／Ａコンバータ５３への入力値ａ〜ｆは、ａからｆの順に大きくなる。この入力値に基づいてＤ／Ａコンバータ５３、アンプ５４およびトランジスタ５６が動作する。これらの応答性により、駆動電流ＩＬＤの波形は図１８（ｃ）に示す波形となる。この駆動電流ＩＬＤをシードＬＤ２に供給することで図１１に示すシード光の波形を実現できる。なお、図１７に示した構成によれば、図５および図１０〜図１１の各々に示すシード光の波形に対応する波形データを予め記憶部５１の内部に記憶させておき、それらの波形データのいずれかをＦＰＧＡ５２が選択することによって、図５および図１０〜図１１の各々に示すシード光の波形も実現できる。
【０１５３】
図１９は、パルスジェネレータ２１およびドライバ２２の構成の他の例を示す図である。図１９を参照して、パルスジェネレータ２１は、ＬＤオン／オフ信号発生回路６１と、包絡線発生回路６２と含む。一方、ドライバ２２は、差動増幅器の入力部と同様の回路構成を有する。詳細には、ドライバ２２は、抵抗６３と、トランジスタ６４，６５，６７と、抵抗６８を含む。
【０１５４】
ＬＤオン／オフ信号発生回路６１は、トランジスタ６４を制御するための制御信号ＰＬＤおよびトランジスタ６５を制御するための制御信号／ＰＬＤを出力する。制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤは相補の信号である。包絡線発生回路６２は、トランジスタ６７を制御するための信号Ｓｅｎｖを出力する。トランジスタ６５はシードＬＤ２と直列に接続される。
【０１５５】
図２０は、図１９に示した構成を有するドライバ２２の動作を説明するための図である。図２０および図１９を参照して、制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤが相補の信号であるのでトランジスタ６４，６５は交互にオンする。したがってトランジスタ６５は所定の繰返し期間ごとにオンする。さらに信号Ｓｅｎｖに応じてトランジスタ６７に流れる電流が制御される。すなわち制御信号ＰＬＤ，／ＰＬＤは、「誘導ブリルアン散乱が、パルス群に含まれる複数の光パルスのいずれかによって生じることを抑制可能な所定の条件」が満たされるようにドライバ２２が動作するための信号である。
【０１５６】
トランジスタ６５，６７がオンすると、シードＬＤ２、トランジスタ６５および６７からなる電流経路を駆動電流ＩＬＤが流れる。この電流の大きさは信号Ｓｅｎｖに従って定められる。トランジスタ６５が所定の繰返し期間ごとにオンするので、駆動電流ＩＬＤはパルス状の電流となる。包絡線発生回路６２により信号Ｓｅｎｖの波形を所望の波形（たとえばガウス波形）に設定することで、駆動電流ＩＬＤの波形の包絡線の形状には信号Ｓｅｎｖの波形が反映される。これによりシードＬＤ２から出射されるシード光の強度波形の包絡線の形状には、信号Ｓｅｎｖの波形が反映される。
【０１５７】
このように、実施の形態１に係るレーザ光源１０１を制御するための制御装置１０２は、パルスジェネレータ２１と、ドライバ２２と、ドライバ２３とを含む。ドライバ２２は、シードＬＤ２から光増幅ファイバ１に入射されるシード光（パルス光）の強度を変調可能に構成される。パルスジェネレータ２１は、光増幅ファイバに入射されるシード光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ強度波形の包絡線が所定の形状となるようにドライバ２２を制御する。ドライバ２３は、励起光源である励起ＬＤ５から励起光を出射させる。
【０１５８】
また、実施の形態１に係るレーザ光源の制御方法によれば、光増幅ファイバに入射されるシード光の強度が、極大値と極小値との間で時間的に繰り返され、かつ強度波形の包絡線が所定の形状となるように、光増幅ファイバに入射されるシード光の強度を変調するステップと、励起光を励起光源から出射させるステップとを備える。
【０１５９】
固体レーザでは、共振器の内部波長変換によって、基本波として出力可能なエネルギに対してほぼ同じレベルのエネルギを波長変換光として出力可能である。これに対し、ファイバレーザを用いた場合、ファイバ増幅器の外部に非線形光学結晶を配置しなければならない。外部波長変換の場合には、内部波長変換より変換効率が低くなるため、より高いピーク出力の基本波光を発生させるファイバレーザが要求されるが、光ファイバの内部で高いピーク出力のエネルギが集中した場合、非線形光学効果が発生の可能性が高まる。このためファイバ中で増幅されるピーク出力が制限される。また、ファイバレーザでは、波長変換に必要な、制限されたスペクトル幅でレーザ光を増幅する必要がある。しかしながら狭いスペクトル幅のレーザ光は、非線形光学効果の誘導ラマン散乱を発生させやすくする要因ともなるので、スペクトル幅は設計上十分に検討が必要な条件でもある。
【０１６０】
これらの理由により、パルス出力のファイバレーザでは、連続波のファイバレーザに比べて増幅中の現象によって考慮すべき制限があり、発生可能な高ピークの基本波レーザ光が抑制されることになる。連続波のファイバレーザでは、非線形光学結晶の選定や高集光性の波長変換構成によって変換効率を向上させることも可能であるが、パルス出力の場合はピーク強度を高める構成のとき、非線形光学結晶の耐久性の課題が生じることもあり、非線形光学結晶の高変換効率を実現することは容易ではない。
【０１６１】
さらに、図８に示すように、単パルスを非線形光学結晶に入射した場合には、基本波のピークが強調されることによってパルス幅が小さくなるため、時間幅の大きなロングパルスを実現することが困難である。このため瞬間的に大きなパワーは得られるものの、加工に必要とされるエネルギを得ることは困難となる。
【０１６２】
実施の形態１によれば、強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返され、かつ強度波形の包絡線が所定の形状となるパルス光を光増幅ファイバにより増幅する。さらに、その光増幅ファイバによって増幅されたパルス光を非線形光学結晶により波長変換する。これにより、所望の波長および所望のパワーを有するレーザ光を発生させることができる。
【０１６３】
さらに、実施の形態１によれば、上記の単パルスを非線形光学結晶に入射する構成に比較して、非線形光学結晶の変換効率を向上させることができる。よって、時間幅が長く、かつある程度大きなエネルギを有するパルス光を発生させることができる。さらに実施の形態１によれば、単パルスをファイバレーザから出射する構成に比較して、波形（パルス幅）の維持を容易に実現できる。
【０１６４】
さらに実施の形態１によれば、波長変換素子（非線形光学結晶）による高効率の波長変換を実現できるので、シードＬＤあるいは励起ＬＤを駆動するためのパワーを抑制できる。これによりレーザ光源の省電力を図ることができる。また、レーザ光源の省電力が可能になることによって、レーザ光源の発熱量を抑制できるので、励起ＬＤ等を冷却するための装置を小型化できる。よって実施の形態１によればレーザ光源を小型化できる。
【０１６５】
なお、実施の形態１では、アンプである光増幅ファイバを用いて２段階の光増幅が行なわれる。ただし増幅段の数は２に限定されず、１でもよいし、３以上でもよい。
【０１６６】
また実施の形態１ではシード光源としてのレーザ光源は半導体レーザであり、シード光の強度を時間的に変調する装置は、半導体レーザの駆動電流の強度を時間的に変調させるドライバである。ただし本発明によるシード光源（レーザ光源）およびそのシード光源の変調方式は特に限定されるものではない。たとえばシード光源から発せられた１つの光パルス（シード光）を、パルス分割装置（たとえばシャッタ等）を用いて複数の光パルスに分割してもよい。これにより、分割された各パルスの強度を時間に対して振動（上下）させることができる。この場合、元のシード光を複数の光パルスに分割することにより、元のシード光の強度を時間的に変調することができる。
【０１６７】
また、実施の形態１では、ピークパワーが異なるレーザ光を発する複数のレーザ発振器をシード光源に用いてもよい。この場合、変調装置として、レーザ発振器からの光を通過および遮断するために各レーザ発振器に対応して設けられた装置（たとえばシャッタや透過率可変フィルタ等）、およびその装置を制御する制御装置を用いてもよい。たとえばシャッタの開閉タイミングを異ならせることにより、時間に対して振動（上下）する複数のパルスを含むパルス群を生成できる。この構成においては、シャッタ等の装置およびその制御装置はシード光源（複数のレーザ発振器）からのシード光の強度を時間的に変調させる変調制御部に相当する。
【０１６８】
［実施の形態２］
図２１は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源を含むレーザ加工装置の構成図である。図２１および図１を参照して、レーザ加工装置１００Ａは、レーザ光源１０１に代えてレーザ光源１０１Ａを備える点でレーザ加工装置１００と異なる。レーザ光源１０１Ａは、スペクトル整形部１５をさらに備える点、および、バンドパスフィルタ８が省略される点においてレーザ光源１０１と異なる。レーザ光源１０１Ａの他の部分の構成は、レーザ光源１０１の対応する部分の構成と同様である。
【０１６９】
スペクトル整形部１５は、シードＬＤ２と光増幅ファイバ１との間に配置される。より具体的には、スペクトル整形部１５は、フィルタ３とアイソレータ４との間に配置される。シードＬＤ２と出射側に設けられるフィルタ３（ＦＢＧ）によりファイバグレーティングレーザ（ＦＧＬ）が構成されるが、スペクトル整形部１５は、このＦＧＬから発生するシード光のスペクトル整形を行なう。スペクトル整形部１５がシード光のスペクトル整形を行なうことで、波長変換に有効なスペクトル成分のみを光増幅ファイバによって選択的に増幅することができる。したがって高効率な波長変換（ＳＨＧ、ＴＨＧなど）を実現できる。
【０１７０】
図２２は、図２１に示したスペクトル整形部１５の一形態を示した構成図である。図２２を参照して、スペクトル整形部１５は、光サーキュレータ７１と、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）７２と、ビームダンパ７３とを備える。
【０１７１】
光サーキュレータ７１は、第１ポートＰｏ１と、第２ポートＰｏ２と、第３ポートＰｏ３とを有する。第１ポートＰｏ１は、フィルタ３（すなわちＦＢＧ）から出射されたシード光（パルスレーザ光）を受ける。第１ポートＰｏ１に入力したレーザ光は、第２ポートＰｏ２から出力される。ＦＢＧ７２は光サーキュレータ７１の第２ポートＰｏ２から出力されたシード光を反射させる。ビームダンパ７３は、ＦＢＧ７２で反射されない一部の光を受けるために設けられる。
【０１７２】
ＦＢＧ７２によって反射したシード光は、光サーキュレータ７１の第２ポートＰｏ２に入力されて、光サーキュレータ７１の第３ポートＰｏ３から出力される。光サーキュレータ７１の第３ポートＰｏ３から出力されたシード光は、光増幅ファイバ１を含むファイバ増幅器に向けて出力される。
【０１７３】
ＦＢＧ７２には、フィルタ３に用いられるＦＢＧの帯域（スペクトル幅Δλ１）と同じまたはそれより狭い帯域（スペクトル幅Δλ２）を有するものが適用される。なお、スペクトル幅はスペクトルの半値全幅によって定義されるものとする。ＦＢＧ７２の反射率は、実現可能な範囲においてできるだけ高いことが望ましく、たとえば９０％以上に設定される。
【０１７４】
図２３は、図２２に示したＦＢＧ７２の望ましい反射スペクトルを示した図である。図２３を参照して、波長λ０はＦＢＧ７２の帯域における中心波長であり、Δλ２は、スペクトル幅、すなわち、この反射スペクトルにおける半値全幅である。
【０１７５】
ＦＢＧ７２は、回折格子の間隔を意図的に変化させた、アポダイズ型のＦＢＧであることが好ましい。アポダイズ型のＦＢＧをＦＢＧ７２に用いることによって、図２３に示すようにＦＢＧ７２の反射スペクトルがフラットトップ型になり、かつサイドローブの発生が抑制される。すなわちアポダイズ型のＦＢＧをＦＢＧ７２に適用することによって、後述するシード光の背景スペクトルを確実に除去することができる。
【０１７６】
シード光源にＬＤを用いることで、繰り返し周波数、パルス幅等のパルス光のパラメータを独立に変更できるというメリットが生まれる。波長変換目的の他のパルスファイバレーザの構成例である、Ｑスイッチ素子を挿入した共振型ファイバレーザをシード光源としたタイプ（たとえば特許文献：米国特許出願公開公報ＵＳ２００９／０２６２７６１Ａ１を参照）では、繰り返し周波数によってパルス幅が一意的に決まるため、パルスの自由度が制限されてしまう。その一方で、シード光源がＬＤの場合、光ファイバでの増幅と波長変換との両方に適したスペクトル波形を発生させる点で課題がある。狭スペクトル幅のシード光源として用いるＦＧＬでは、背景スペクトルの増幅の問題が生じるため、波長変換をするには不適切であることによる。このために実施の形態２ではスペクトル整形部１５によってシード光のスペクトルを整形する。ＦＧＬのシード光のスペクトルを整形することによって、光ファイバでの増幅と波長変換との両方に適したシード光を発生させることができる。
【０１７７】
図２４は、実施の形態２に係るレーザ光源における、シード光のスペクトル整形を説明するための図である。図２４（ａ）は、図２１に示したシードＬＤ２およびフィルタ３によって得られるシード光のスペクトルを示す。図２４（ｂ）は、図２１に示したスペクトル整形部１５によって整形された後のシード光のスペクトルを示す。
【０１７８】
図２２および図２４を参照して、シードＬＤ２から出射されたシード光のスペクトルは、ＬＤに用いられる半導体チップ（ＬＤチップ）の利得帯域によって決まる。シードＬＤ２から出射されたシード光のスペクトル幅は、一般的には２〜５ｎｍ程度である。
【０１７９】
シード光の適正なスペクトル幅については、波長変換のための一定の上限（ＴＨＧの場合、約２００ｐｍ）があるのと同時に、パルス出力の場合、高ピーク出力であるためファイバ増幅中のＳＢＳが発生しない下限（たとえば数１０Ｗ級レーザの場合、少なくとも５０ｐｍ以上）がある（［誘導ブリルアン散乱の抑制について］において先述）。したがって制限された領域にてＳ／Ｎ比の高いスペクトルのシード光を発生させる必要がある。ここでのＳ／Ｎ比とは、中心波長部分の強度に対する背景スペクトルの強度の比と定義する。すなわち背景スペクトルの量が小さいほどＳ／Ｎ比が高くなる。
【０１８０】
シードＬＤ２の出射側にフィルタ３（ＦＢＧ）が設けられることで、ファイバグレーティングレーザ（ＦＧＬ）が構成される。ＦＧＬは外部共振器型のレーザ光源であり、その発振時におけるスペクトル幅は、ＦＢＧで選択される程度のスペクトル幅となる。このスペクトル幅は、約１００ｐｍ以上であるが任意に設定可能である。
【０１８１】
図２４（ａ）に示すように、シード光のスペクトル幅はフィルタ３（ＦＢＧ）によって引き込まれて狭くなる。ＦＧＬから出射されたシード光のスペクトル幅はΔλＳ１となる。ＦＧＬを用いることで、波長変換に有効、かつ光増幅ファイバでの増幅中にＳＢＳが生じない程度のスペクトル幅のレーザ光をシード光として発生させることができる。
【０１８２】
一般に、ＬＤに用いられる半導体チップ（ＬＤチップ）はファブリペロー共振器を構成する。ＬＤチップによるレーザ発振モードを、以下ではファブリペローモード（ＦＰモード）と呼ぶ。ＦＧＬのレーザ発振時には、外部共振（ＦＢＧモード）と、ＬＤチップ自体の共振（ＦＰモード）とが重畳した状態となる。図２４（ａ）に示したシード光のスペクトルにおけるＦＰモードのみ成分が背景スペクトルとなる。背景スペクトルは、波長変換に寄与しない成分であるのでできるだけ小さいことが望ましい。この実施の形態では、背景スペクトルの量を便宜上、スペクトルの半値幅の２倍の位置での強度と定義する。Ｓ／Ｎ比は、一例を示すと３０ｄＢ程度となる。
【０１８３】
背景スペクトルの強度が十分小さくない場合、光増幅ファイバから出力されたレーザ光（増幅光）のＳ／Ｎ比が悪化するという課題が生じる。増幅光のＳ／Ｎ比の悪化は、波長変換素子における変換効率の低下につながる。
【０１８４】
図２５は、ＦＧＬのシード光のスペクトル整形が十分でない場合に光増幅ファイバから出射された増幅光のスペクトルの実例を示した図である。図２５（ａ）は、ＦＧＬのシード光（出力約１ｍＷ、ＦＢＧのスペクトル幅は約８０ｐｍ）のスペクトル波形である。ログスケールでスペクトルを示すと、ＦＢＧのスペクトル幅の外側にも−２０ｄＢ程度の背景スペクトル（ＦＰモード）が確認される。
【０１８５】
このシード光を約１０Ｗまでファイバ増幅したときのスペクトルを図２５（ｂ）に示す。ＦＧＬのシード光では、中心波長付近のパワーに対して１％程度の背景スペクトルが生じているが、増幅後には背景スペクトルが数１０％のパワーまで増加してＳ／Ｎ比が悪化していることがわかる。このような増幅光では、波長変換に寄与する許容スペクトル幅内のパワーが全体の１０％に満たない状態となってしまう。このように、シード光の背景スペクトルが−２０ｄＢ以下程度では不十分であり、波長変換に有効なファイバ増幅を行なうことができない。
【０１８６】
この現象は、ファイバ増幅中の利得飽和で説明される。増幅媒質のもつ飽和パワーを超える出力まで高利得の増幅を行なう場合、利得が飽和して出力が増加しなくなる。シード光のスペクトルにおける中心波長部分はパワーが高いため増幅段階で利得飽和を起こしやすい。その一方で、パワーの低い背景スペクトルの部分は高い利得のまま増幅されるため、結果的に増幅後にＳ／Ｎ比が悪化することになる。「非線形ファイバー光学」（Ｇ．Ｐ．アグラワール著、小田垣  孝・山田  興一訳、吉岡書店）においても、ゲインが２０ｄＢを超える例で利得飽和が生じることが述べられており、図２５の例のように、４０ｄＢ程度のゲインで増幅を行なったときに利得飽和が起こることが裏付けられる。したがって背景スペクトルは、飽和せずに増幅される。したがって背景スペクトルの強度が十分小さくなければ、光増幅ファイバから出力されたレーザ光のＳ／Ｎ比が悪化する。
【０１８７】
増幅光のスペクトルを整形することで増幅光のＳ／Ｎ比を改善した場合、増幅光のパワーが大きく減少する。このため、光増幅ファイバによる増幅前の段階でスペクトルを整形することが求められる。したがって実施の形態２ではシード光のスペクトルを整形する。
【０１８８】
図２４に戻り、ＦＧＬだけでは、シード光スペクトルにおけるＦＰモード成分（背景スペクトル）を十分に抑制できない。このため背景スペクトルを抑制するための１つの方法として、ＬＤチップの出射端面におけるＡＲコートの反射率を下げる（一例を示すとＡＲコートの反射率を０．０５％以下とする）ことが考えられる。しかし、製造の面では、ＡＲコートの反射率を安定的に低下させることが容易ではない。したがってコストが上昇する。
【０１８９】
また、ＦＧＬのみによってスペクトル幅を狭くする（引き込む）場合、シードＬＤの動作条件（パルス幅、繰り返し周波数等）の変化によっても引き込み状態は変化する。たとえば数１０ナノ秒のパルス内での時間的なスペクトル変化が生じた場合、波長変換後のパルスが不安定となる。またＦＢＧの温度依存性を考慮すると、ＦＧＬでは発振状態が不安定になる可能性も考えられる。したがってＦＧＬのみでは波長変換にとって適切なスペクトルを有するシード光を確実に得ることができない可能性がある。
【０１９０】
実施の形態２では、光サーキュレータ７１およびＦＢＧ７２によって構成されたスペクトル整形部１５（図２３参照）によってシード光のスペクトルを整形する。スペクトル整形部１５によってシード光のスペクトルを整形することで、ＦＰモード成分を抑制することができる。ＦＧＬとスペクトル整形部１５とを組み合わせることで、シード光のＳ／Ｎ比をより一層高くすることができる。一例を示すと、スペクトル整形部１５では２０ｄＢ程度のＳ／Ｎ比を得ることができる。したがってＦＧＬ（Ｓ／Ｎ比が３０ｄＢ程度）とスペクトル整形部１５（２０ｄＢ程度）との組み合わせによって、シード光のＳ／Ｎ比を５０ｄＢ程度にすることができる。
【０１９１】
さらに、ＦＢＧ７２の帯域がフィルタ３（ＦＢＧ）の帯域と同じかあるいはそれより小さいので、整形後のスペクトルの幅ΔλＳ２は、ＦＧＬのみによって得られるスペクトル幅ΔλＳ１と同等またはそれよりも小さくなる。
【０１９２】
光増幅ファイバによってシード光を増幅した場合、光増幅ファイバによって、Ｓ／Ｎ比が低下することが起こる（たとえば２０ｄＢ程度の低下）。しかし光増幅ファイバに入射するシード光のＳ／Ｎ比が高い（たとえば上記のように５０ｄＢ程度）ため、光増幅ファイバによって増幅された後にも十分に高いＳ／Ｎ比（たとえば２０ｄＢ以上）を確保した高ピークパワーの増幅光を得ることができる。増幅光のＳ／Ｎ比が２０ｄＢ以上あれば、波長変換に寄与しない背景スペクトルのパワーも１％程度に抑えられるので、十分な波長変換効率を得ることができる。さらに、シード光のスペクトルが制限されるため、シードＬＤの動作条件が変化してもスペクトルの変化を抑制することができる。このため波長変換後のパルスを安定化させることができる。
【０１９３】
なお、ファイバ増幅器に入力されるパワーについては、通常０．１〜１ｍＷ程度あれば、光ファイバでの増幅のゲインが高く飽和増幅するために、入力パワーにはほとんど依存せずに出力パワーを得ることができる。このため、スペクトル整形部の透過率が５０〜７０％程度であっても、十分なシード光パワーを得ることができる。
【０１９４】
以上のように、実施の形態２によれば、パルス光源としてのシードＬＤ２の出射端側に第１のＦＢＧ（フィルタ３）が設けられる。シードＬＤ２および第１のＦＢＧはファイバグレーティングレーザ（ＦＧＬ）を構成する。レーザ光源装置は、さらに、第１のＦＢＧから出射されたパルスレーザ光のスペクトルを整形するためのスペクトル整形部１５を備える。スペクトル整形部１５は、光サーキュレータ７１と、第２のファイバブラッググレーティング（ファイバブラッググレーティング７２）とを含む。
【０１９５】
ＦＧＬとスペクトル整形部とを組み合わせることによって、適切なスペクトル幅（たとえば５０ｐｍ以上、１００ｐｍ以下の幅）を有し、かつＳ／Ｎ比の高いシード光を光増幅ファイバに入力することができる。なお、スペクトル整形部１５の構成は図２２に示した構成に限定されるものではなく、図２２に示した構成に種々の変形を加えてもよいし、図２３に示した構成とは異なる構成であってもよい。
【０１９６】
また、実施の形態２ではシード光パワーの時間的な変化（すなわちパルス波形）は特に限定されない。したがって実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせることもできる。すなわち、シードＬＤ２から、強度の極大値と極小値とが時間的に繰り返され、かつ強度波形の包絡線が所定の形状となるパルス光を発生させて、スペクトル整形部にそのパルス光を通すことによって、波長変換に有効なスペクトル成分のみが選択的に光増幅ファイバによって増幅されてもよい。
【０１９７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１９８】
１，１１  光増幅ファイバ、２  シードＬＤ、３  フィルタ、４  アイソレータ、５，９Ａ〜９Ｄ  励起ＬＤ、６  結合器、７  アイソレータ、８  バンドパスフィルタ、１０  結合器、１２  アイソレータ、１３  エンドキャップ、１４  波長変換部、１５  スペクトル整形部、２０  制御部、２１  パルスジェネレータ、２２，２３，２４Ａ-２４Ｄ  ドライバ、３１  集光レンズ、３２，３４，３６  非線形光学結晶、３３，３５，３７  波長選択性フィルタ、４０  コア、４１  第１クラッド、４２  第２クラッド、４３  外皮、４４  応力付与部、５０  加工対象、５１  記憶部、５２  ＦＰＧＡ、５３  Ｄ／Ａコンバータ、５４  アンプ、５６，６４，６５，６７  トランジスタ、５７，６３，６８  抵抗、６１  ＬＤオン／オフ信号発生回路、６２  包絡線発生回路、７１  光サーキュレータ、７２  ファイバブラッググレーティング、７３  ビームダンパ、１００  レーザ加工装置、１０１，１０１Ａ  レーザ光源、１０２  制御装置、１０３  走査光学系、１５０  ワーク、Ｃ１，Ｃ２  曲線、Ｄ  波形データ、Ｅ，Ｅａ〜Ｅｄ  包絡線。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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