(57)【要約】【課題】高出力のパルレーザー光を安定して出力させることが可能な、新規かつ改良された制御装置、制御方法、及びプログラムを提案する。【解決手段】間欠駆動によりパルスレーザー光を出射させる光源制御部と、共振器中の反射部を移動させる駆動部と、同期検波された共振器からの反射光に応じた誤差信号に基づき共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、を備え、サーボ制御部は、間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、カットオフ周波数ｆＲＳと、マージン値ｊと、比例定数ｋと、反射部の反射率に基づく値Ｒ’と、レーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、デューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）、ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）、及びｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）で示された条件を満たすように決定する、制御装置。【選択図】図１
2015143827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、制御装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【請求項２】
前記カットオフ周波数ｆＲＳは、前記サーボ制御においてゲインが０ｄＢとなる場合のカットオフ周波数である、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記マージン値ｊは６である、請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記レーザー光源は、半導体レーザーであり、
前記光源制御部は、前記半導体レーザーから出射されたレーザー光を増幅変調する光変調部を間欠駆動させることで、当該レーザー光を前記パルスレーザー光として出射させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御装置。
【請求項５】
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させることと、
駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させることと、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御することと、
前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定することと、を含む制御方法。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【請求項６】
コンピュータに、
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させるステップと、
駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させるステップと、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するステップと、
前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆｒｓと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定するステップと、を実行させるプログラム。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【請求項７】
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を間欠駆動によりパルスレーザー光を出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器と、
前記共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、レーザー光発生装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【請求項８】
サンプルをレーザー光により照射し、サンプルからの光を観察する顕微鏡に用いられる顕微鏡用光源装置であって、
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を間欠駆動によりパルスレーザー光を出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器と、
前記共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、顕微鏡用光源装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、制御装置、制御方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器内に非線形光学素子を配して、共振器内部の高いパワー密度を利用して効率よく当該非線形光学素子による波長変換を行うようにしたレーザー光発生装置が提案されている。
【０００３】
このようなレーザー光発生装置に用いられる共振器では、例えば、当該共振器を構成する少なくとも一対の対向するミラー間に非線形光学素子を配し、この共振器に基本波レーザー光を入射させて、当該レーザー光を非線形素子に通過させる。このとき、ミラー間の距離（即ち、共振器内の光路長）が、入射したレーザー光の整数倍となるように制御されることで、当該レーザー光が共振器内で共振してレーザー発振が生じる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、上記に示したような共振器を用いたレーザー光発生装置の一例が開示されている。特許文献１に係るレーザー光発生装置は、共振器を構成するミラーの位置を光軸方向に移動できるように構成し、当該共振器の入射レーザー光に対する共振器長のずれに比例した誤差信号に基づき、当該ミラーの位置をサーボ制御している。このような構成とすることで、特許文献１に係るレーザー光発生装置では、入射したレーザー光が共振器内で共振する条件を満たすように当該共振器の光路長が自動制御され、共振器の入射レーザー光に対する共振動作が安定化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−５３５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザー光を出射する光源の中には、レーザー光を間欠的に発光させることで、パルスレーザー光として出力するものがある。このように、パルスレーザー光を出力する光源は、例えば、測定対象である生体に対してレーザー光を照射する測定装置（例えば、蛍光顕微鏡）に適用することで、当該生体に対するダメージを抑えられることが考えられる。
【０００７】
一方で、このようなパルスレーザー光を共振器内に入射させて共振させ、当該共振器の光路長をサーボ制御することにより共振動作を安定させることで、入射したパルスレーザー光の波長変換を効率よく行うことが可能なレーザー光発生装置の提供が望まれている。
【０００８】
しかしながら、共振器の光路長をサーボ制御する場合には、パルスレーザー光の間欠発光が、外乱として作用する場合がある。例えば、当該パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループのサーボ制御（以降では、単に「閉ループサーボ」と呼ぶ場合がある）の対象とする帯域に干渉する場合には、パルスレーザー光の間欠発光が外乱となり、共振器の光路長の正確な制御が困難となる場合がある。
【０００９】
そこで、本開示では、高出力のパルレーザー光が安定して出力されるように共振器の光路長を制御することが可能な、新規かつ改良された制御装置、制御方法、及びプログラムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させる光源制御部と、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、制御装置が提供される。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【００１１】
また、本開示によれば、レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させることと、駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させることと、同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御することと、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定することと、を含む制御方法が提供される。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【００１２】
また、本開示によれば、コンピュータに、レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させるステップと、駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させるステップと、同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するステップと、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆｒｓと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定するステップと、を実行させるプログラムが提供される。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本開示によれば、高出力のパルレーザー光が安定して出力されるように共振器の光路長を制御することが可能な制御装置、制御方法、及びプログラムが提供される。
【００１４】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の実施形態に係るレーザー光発生装置の概略的な構成の一例を示した構成図である。
【図２】間欠発光によりレーザーのピークパワーを高くした状態を示す特性図である。
【図３】サーボ制御に係る信号間の関係について説明するための説明図である。
【図４】サーボ制御の特性について説明するための説明図である。
【図５】ビルドアップ期間の算出方法について説明するための説明図である。
【図６】共振器内における増幅率とパルス数との関係を示したグラフである。
【図７】ビルドアップ期間とフィネスとの間の関係を示したグラフである。
【図８】ビルドアップ期間に基づくパルスレーザー光の間欠発光の周波数の制限について説明するための説明図である。
【図９】反射光の同期検波に係る周波数とパルスレーザー光の間欠発光の周波数との関係について説明するための説明図である。
【図１０】反射光の同期検波に係る周波数と間欠駆動に係る周波数の範囲について説明するための説明図である。
【図１１】本開示の実施形態に係るレーザー光発生装置のハードウェア構成の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．レーザー光発生装置の構成
２．間欠発光による利点
３．本実施形態に係るレーザー光発生装置の課題
４．制御部の詳細
４．１．信号間の関係
４．２．サーボ制御の帯域に基づく制限
４．３．共振器内におけるビルドアップ期間に基づく制限
４．４．誤差信号の生成に基づく制限
４．５．まとめ
５．ハードウェア構成
６．まとめ
【００１８】
＜１．レーザー光発生装置の構成＞
まず、図１を参照して、本開示の実施形態に係るレーザー光発生装置の構成について説明する。図１は、本開示の実施形態に係るレーザー光発生装置の概略的な構成の一例を示した構成図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、光源ユニット１０と、波長変換光学系２０と、制御部３０と、加算器３１と、ＳＯＡ（Semiconductor  Optical  Amplifier）ドライバ４０とを含む。
【００２０】
光源ユニット１０は、パルスレーザーを用いるものであり、共振器を備えたレーザー（Mode  Locked  Laser  Diode(以下、ＭＬＬＤと称する))と半導体光増幅アンプ（ＳＯＡ)を有して構成されるＭＯＰＡ（Master  Oscillator  Power  Amplifier）型の光源である。
【００２１】
光源ユニット１０は、ＭＬＬＤ（モードロックレーザー）部１１と、レンズ１２１、１２７及び１２９と、ミラー１２３と、アイソレーター１２５と、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１とを含む。なお、ＭＬＬＤ部１１が、共振器を備えたレーザー（ＭＬＬＤ）に相当する。
【００２２】
光源ユニット１０の動作は、制御部３０により制御される。制御部３０は、発振器３０１と、同期信号生成部３０２と、アイソレーター３０３と、光検出器３０５と、バンドパスフィルタ３０７と、混合器３０９と、駆動信号生成部３１１と、サーボ制御ドライバ３１３とを含む。以下に、光源ユニット１０の構成について、制御部３０の構成のうち、発振器３０１及び同期信号生成部３０２の構成とあわせて説明する。なお、制御部３０の他の構成については別途後述するものとする。
【００２３】
発振器３０１から出力される周波数ｆＭの信号は、加算器３１と同期信号生成部３０２とに供給される。
【００２４】
同期信号生成部３０２は、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号に同期するように、後述するＳＯＡドライバ４０が、ＭＬＬＤ部１１から出射されるレーザー光を間欠駆動するためのＳＯＡ駆動信号を生成する。なお、以降では、レーザー光を間欠駆動する周波数、即ち、駆動信号の周波数をｆＳＯＡと記載する場合がある。同期信号生成部３０２は、生成した周波数ｆＳＯＡの駆動信号を、ＳＯＡドライバ４０に供給する。なお、ＳＯＡドライバ４０及び当該ＳＯＡドライバ４０に供給される駆動信号の詳細については、「４．１．信号間の関係」において別途後述する。
【００２５】
また、同期信号生成部３０２は、後述する駆動信号生成部３１１が、共振器２１からの反射光に基づく反射信号を同期検波するための、サンプルアンドホールド信号（以降では、「Ｓ／Ｈ信号」と呼ぶ場合がある）を、周波数ｆＭの信号を変調して生成する。このとき、同期信号生成部３０２は、ＳＯＡドライバ４０に供給された駆動信号の周波数ｆＳＯＡに同期するように、Ｓ／Ｈ信号を生成する。同期信号生成部３０２は、生成した当該Ｓ／Ｈ信号を駆動信号生成部３１１に供給する。なお、駆動信号生成部３１１及び当該駆動信号生成部３１１に供給されるＳ／Ｈ信号の詳細については、「４．１．信号間の関係」において別途後述する。
【００２６】
加算器３１は、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号に対して、所定の出力（振幅）を有する直流成分（ＤＣ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）を加算し、直流成分が加算された周波数ｆＭの信号を変調信号としてＭＬＬＤ部１１に供給する。
【００２７】
ＭＬＬＤ部１１は、レーザー光源１１１と、レンズ１１３と、回折格子１１５とを含む。
【００２８】
レーザー光源１１１は、レーザー光を出力するものであり、各種のレーザーにより構成することが可能である。本実施形態に係るＭＬＬＤ部１１では、レーザー光源１１１として、例えば、半導体レーザーが用いられる。
【００２９】
レーザー光源１１１から出射されたレーザー光は、レンズ１１３を経て回折格子１１５に導光される。そして、レーザー光源１１１の後方端面のミラーと、回折格子１１５との間に共振器（空間共振器）が構成され、この共振器の光路長Ｌｃにより当該レーザー光の周波数ｆＭＬＬＤが決定される。具体的には、周波数ｆＭＬＬＤは、ＭＬＬＤ部１１内における光路長Ｌｃと、光速Ｃとに基づき、ｆＭＬＬＤ＝Ｌｃ／Ｃとして決定される。
【００３０】
また、レーザー光源１１１には、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号に対して、加算器３１で直流成分が加算された変調信号が供給される。ＭＬＬＤ部１１内における周波数ｆＭＬＬＤのレーザー光は、供給された周波数ｆＭの変調信号により位相変調される。
【００３１】
なお、周波数ｆＭＬＬＤのレーザー光を変調には、例えば、ＥＯ（電気光学）素子や、ＡＯ（音響光学）素子からなる位相変調器を用いてもよい。この場合には、当該位相変調器は、供給された周波数ｆＭの変調信号により、周波数ｆＭＬＬＤのレーザー光を変調する。
【００３２】
また、他の一例として、周波数ｆＭの変調信号を駆動信号として、レーザー光源１１１を直接駆動することで、レーザー光源１１１から、周波数ｆＭで変調されたレーザー光を出射させる構成としてもよい。
【００３３】
また、レーザー光源１１１は、後方端面のミラーとして、可飽和吸収ミラー（ＳＡＭ：Saturable  Absorber  Mirror）を備えてもよい。過飽和吸収ミラーは、主に分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed  Bragg  Reflector）と可飽和吸収体とで構成されている。具体的な一例として、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ：Semiconductor  Saturable  Absorber  Mirror）が挙げられる。
【００３４】
半導体可飽和吸収ミラーは、レーザー光源１１１から出射されたレーザー光を可飽和吸収メカニズムによりＱスイッチモードロックを発生させて、当該レーザー光よりもパルス幅の短くエネルギーの大きいレーザー光に変換する。
【００３５】
回折格子１１５は、入射したレーザー光のうち所定の周波数（即ち、周波数ｆＭＬＬＤ）の光の一部をＭＬＬＤ部１１の外部に出射するように反射させ、他の一部をレーザー光源１１１に向けて反射させる。また、回折格子１１５は、周波数ｆＭＬＬＤとは異なる他の周波数の光については、ＭＬＬＤ部１１の外部及びレーザー光源１１１とは異なる方向に向けて反射させる。このような構成により、周波数ｆＭＬＬＤの光がＭＬＬＤ部１１の内部で共振するとともに、当該周波数ｆＭＬＬＤの光のみがＭＬＬＤ部１１の外部に出射されることとなる。なお、上記に説明した構成を実現可能であれば、回折格子１１５を他の構成に置き換えてもよい。具体的な一例として、回折格子１１５に替えて、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）とハーフミラーとを組み合わせた構成を設けてもよい。また、以降では、ＭＬＬＤ部１１から出射されるレーザー光、即ち、周波数ｆＭＬＬＤの光が周波数ｆＭの変調信号により変調されたレーザー光を、「レーザー光Ｌ１」と記載する場合がある。
【００３６】
ＭＬＬＤ部１１から出射されたレーザー光Ｌ１は、レンズ１２１及びミラー１２３を経てアイソレーター１２５に導光され、アイソレーター１２５を透過し、レンズ１２７を経て光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１に入射する。なお、ＭＬＬＤ部１１から出射されたレーザー光Ｌ１を、アイソレーター１２５を経て光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１に導光させることが可能であれば、光路中に配置される光学系の構成は、レンズ１２１及びミラー１２３には限定されないことは言うまでもない。
【００３７】
アイソレーター１２５は、ＭＬＬＤ部１１と光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１との間に介在し、ＭＬＬＤ部１１からのレーザー光Ｌ１を光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１に向けて透過させる。また、アイソレーター１２５は、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１からの反射光（漏れ光）を遮断することで、当該反射光がＭＬＬＤ部１１に入射すことを防止している。
【００３８】
光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１は、例えば、半導体光増幅アンプからなる。光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１は、入射したレーザー光（即ち、ＭＬＬＤ部１１から出射されたレーザー光Ｌ１）を増幅変調する光変調部として機能し、アイソレーター１２５の後段に配置されている。
【００３９】
ＭＬＬＤ部１１から出力されるレーザーは、そのパワーが比較的小さいため、光増幅器部１３１によって増幅される。
【００４０】
光増幅器部１３１は、小型かつ低コストの光増幅器であり、また、光をオン・オフする光ゲート、光スイッチとして用いることができる。本実施形態においては、この光増幅器部１３１のオン・オフによって、ＭＬＬＤ部１１から出射したレーザー光Ｌ１を変調する。
【００４１】
光増幅器部１３１の動作は、ＳＯＡドライバ４０によって制御される。具体的には、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１は、ＳＯＡドライバ４０から供給される制御電流（直流）の大きさに応じてレーザー光Ｌ１を増幅する。更に、光増幅器部１３１は、増幅の際に、パルス波形の制御電流で間欠駆動を行うことにより、レーザー光Ｌ１を所定の周期でオン・オフし、間欠的なレーザー光、即ち、パルスレーザー光Ｌ２を出力する。
【００４２】
このとき、ＳＯＡドライバ４０は、同期信号生成部３０２から供給される周波数ｆＳＯＡのＳＯＡ駆動信号に基づき、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１を間欠駆動する。即ち、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１は、レーザー光Ｌ１を、周波数ｆＳＯＡでオン・オフすることで当該レーザー光Ｌ１を変調し、変調後のパルスレーザー光Ｌ２を出力することとなる。
【００４３】
なお、制御電流の周波数ｆＳＯＡは、後述するサーボ制御ドライバ３１３が、共振器２１の光路長をサーボ制御する帯域との干渉を避けるように決定される。周波数ｆＳＯＡを決定する方法の詳細については、「４．制御部の詳細」において別途後述する。
【００４４】
光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１から出射されたパルスレーザー光Ｌ２は、レンズ１２９を経て、後述する制御部３０のアイソレーター３０３に導光され、当該アイソレーター３０３を透過して波長変換光学系２０に入射する。
【００４５】
次に、波長変換光学系２０の各構成について説明する。波長変換光学系２０は、共振器２１と、リレーレンズ２２１及び２２３と、ミラー２２５及び２２７とを含む。
【００４６】
光源ユニット１０から出力されたパルスレーザー光Ｌ２は、後述する制御部３０のアイソレーター３０３と、リレーレンズ２２１及び２２３と、ミラー２２５及び２２７とを経て、インプットカプラー２０１から共振器２１の内部に入射する。なお、光源ユニット１０から出射されたパルスレーザー光Ｌ２を、アイソレーター３０３を経て共振器２１の内部に導光させることが可能であれば、光路中に配置される光学系の構成は、リレーレンズ２２１及び２２３と、ミラー２２５及び２２７とには限定されない。
【００４７】
共振器２１は、所謂、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ：Optical  Parametric  Oscillation）であり、光源ユニット１０からのパルスレーザー光Ｌ２を内部で共振させるとともに、当該レーザー光Ｌ２の波長を変換し、波長が変換されたパルスレーザー光Ｌ４を出力する。以下に、共振器２１の詳細な構成について説明する。なお、以降では、共振器２１に入射するパルスレーザー光を「励起レーザー光」と呼び、波長が変換されて共振器２１から出力されるパルスレーザー光を「ＯＰＯレーザー光」と呼ぶ場合がある。また、共振器２１内で共振する励起レーザー光を、当該共振器２１内に入射する前のパルスレーザー光Ｌ２と区別する場合には、「励起レーザー光Ｌ３」もしくは、「パルスレーザー光Ｌ３」と記載する場合がある。
【００４８】
共振器２１は、インプットカプラー２０１と、ミラー２０３、２０５、及び２０７と、ダイクロイックミラー２０９と、アウトプットカプラー２１１と、非線形光学素子２１３とを含む。インプットカプラー２０１及びアウトプットカプラー２１１は、一般的には、数％の透過率を有するパーシャルリフレクター（部分反射鏡）である。
【００４９】
また、ミラー２０３とミラー２０５との間には、非線形光学素子２１３が配されている。
【００５０】
非線形光学素子２１３は、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、ＱＰＭＬＮ（疑似位相整合ＬＮ）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ４）、ＫＮ（ＫＮｂＯ３）等が用いられる。
【００５１】
非線形光学素子２１３は、一例として、入力されたレーザー光（即ち、励起レーザー光Ｌ３）を２つの波長に変換する。そして、変換した２つの波長のうち、少なくとも一方の波長（例えば、長波長）のレーザー光が、ＯＰＯレーザー光Ｌ４として、共振器２１内で共振し、アウトプットカプラー２１１から共振器２１の外部に出力されることとなる。
【００５２】
また、インプットカプラー２０１と、ミラー２０３との間にはダイクロイックミラー２０９が配されている。ダイクロイックミラー２０９は、ミラー２０３によりインプットカプラー２０１に向けて反射された光のうち、励起レーザー光Ｌ３をインプットカプラー２０１に向けて透過させ、ＯＰＯレーザー光Ｌ４をアウトプットカプラー２１１に向けて反射させる。このような構成により、本実施形態に係る共振器２１は、励起レーザー光Ｌ３と、ＯＰＯレーザー光Ｌ４とが異なる光路を経て共振器２１内を導光される。以下に、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３及びＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路の詳細について、それぞれ説明する。
【００５３】
まず、励起レーザー光Ｌ３の光路に着目する。インプットカプラー２０１から共振器内部に入射した励起レーザー光Ｌ３は、ダイクロイックミラー２０９を透過し、ミラー２０３、非線形光学素子２１３、及びミラー２０５を経て、ミラー２０７に到達し、当該ミラー２０７で反射される。
【００５４】
また、ミラー２０７で反射された励起レーザー光Ｌ３は、ミラー２０５、非線形光学素子２１３、及びミラー２０３を経て、ダイクロイックミラー２０９に導光され、当該ダイクロイックミラー２０９を透過し、インプットカプラー２０１に導光される。
【００５５】
インプットカプラー２０１は、導光された励起レーザー光Ｌ３の一部を反射させるとともに、他の一部を共振器２１の外部に出射させる。このように、共振器２１内に入射した励起レーザー光Ｌ３は、インプットカプラー２０１と、ミラー２０７との間で反射を繰り返す。即ち、インプットカプラー２０１と、ミラー２０７との間の光路が、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長（換言すると、共振器長）に相当し、当該光路長が励起レーザー光Ｌ３の共振条件に合わせて調整されることで、励起レーザー光Ｌ３が共振器２１内で共振することとなる。
【００５６】
また、インプットカプラー２０１から共振器２１の外部に出射された励起レーザー光は、共振器２１からの反射光として、アイソレーター３０３により光検出器３０５に向けて導光され、当該光検出器３０５で検出される。
【００５７】
次に、ＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路に着目する。非線形光学素子２１３で波長変換された励起レーザー光Ｌ３、即ち、ＯＰＯレーザー光Ｌ４は、ミラー２０５を経てミラー２０７に到達し、当該ミラー２０７で反射される。
【００５８】
また、ミラー２０７で反射されたＯＰＯレーザー光Ｌ４は、ミラー２０５、非線形光学素子２１３、及びミラー２０３を経て、ダイクロイックミラー２０９に導光され、当該ダイクロイックミラー２０９で反射されて、アウトプットカプラー２１１に導光される。
【００５９】
アウトプットカプラー２１１は、導光されたＯＰＯレーザー光Ｌ４の一部を反射させるとともに、他の一部を共振器２１の外部に出射させる。このように、共振器２１内に入射したＯＰＯレーザー光Ｌ４は、アウトプットカプラー２１１と、ミラー２０７との間で反射を繰り返す。即ち、アウトプットカプラー２１１と、ミラー２０７との間の光路が、共振器２１内におけるＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路長（換言すると、共振器長）に相当し、当該光路長がＯＰＯレーザー光Ｌ４の共振条件に合わせて調整されることで、ＯＰＯレーザー光Ｌ４が共振器２１内で共振することとなる。
【００６０】
次に、共振器２１内における、励起レーザー光Ｌ３及びＯＰＯレーザー光Ｌ４それぞれの光路長の調整に係る動作について説明する。本実施形態に係る共振器２１では、ミラー２０７は、当該ミラー２０７に入射する励起レーザー光Ｌ３及びＯＰＯレーザー光Ｌ４の光軸方向に沿って位置を調整可能に構成されている。同様に、アウトプットカプラー２１１は、当該アウトプットカプラー２１１に入射するＯＰＯレーザー光Ｌ４の光軸方向に沿って位置を調整可能に構成されている。
【００６１】
即ち、ミラー２０７の位置が調整されることで、励起レーザー光Ｌ３及びＯＰＯレーザー光Ｌ４それぞれの光路長が調整され、アウトプットカプラー２１１の位置が調整されることで、ＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路長が調整される。そのため、例えば、励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たすようにミラー２０７の位置が調整され、次いで、ＯＰＯレーザー光Ｌ４の共振条件を満たすようにアウトプットカプラー２１１の位置が調整される構成としてもよい。このような順序でミラー２０７及びアウトプットカプラー２１１の位置が調整されることで、励起レーザー光Ｌ３及びＯＰＯレーザー光Ｌ４それぞれについて、共振条件を満たすように光路長を制御することが可能となる。
【００６２】
ミラー２０７及びアウトプットカプラー２１１の位置は、例えば、電磁アクチュエーター（ＶＣＭ：Voice  Coil  Motor）や、圧電素子構成等のようなアクチュエーターデバイスにより調整される。なお、ミラー２０７及びアウトプットカプラー２１１の位置を調整するためのアクチュエーターデバイスの動作は、後述するサーボ制御ドライバ３１３により制御される。また、ミラー２０７及びアウトプットカプラー２１１の位置を制御するアクチュエーターデバイスが、「駆動部」の一例に相当する。
【００６３】
次に、制御部３０の各構成について説明する。
【００６４】
アイソレーター３０３は、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１と共振器２１との間に介在し、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１から出力されるパルスレーザー光Ｌ２を共振器２１に向けて透過させる。
【００６５】
また、共振器２１のインプットカプラー２０１を透過して当該共振器２１の外部に出射した励起レーザー光Ｌ３の一部、即ち、共振器２１からの反射光は、ミラー２２７及び２２５と、リレーレンズ２２３及び２２１とを経て、アイソレーター３０３に導光される。アイソレーター３０３は、共振器２１からの反射光を、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１とは異なる方向に配置された光検出器３０５に向けて反射させることで、当該反射光が光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１に入射することを防止している。
【００６６】
光検出器３０５は、例えば、ＰＤ（Photo  Detector）からなる。光検出器３０５は、アイソレーター３０３を経て導光された共振器２１からの反射光を検出する。光検出器３０５は、共振器２１からの反射光の検出結果を反射信号としてバンドパスフィルタ３０７に出力する。
【００６７】
バンドパスフィルタ３０７は、励起レーザー光Ｌ３に対応する帯域の信号を混合器３０９に向けて通過させ、当該帯域以外の信号を遮断する。これにより、光検出器３０５の検出結果に基づく信号のうち、共振器２１からの反射光（即ち、共振器２１から漏れ出た励起レーザー光Ｌ３）に基づく信号がバンドパスフィルタ３０７を通過して混合器３０９に入力され、外乱等に伴うその他の光に基づく信号がバンドパスフィルタ３０７で遮断される。
【００６８】
混合器３０９は、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号と、共振器２１からの反射光に基づく反射信号とを積算することで誤差信号を生成し、生成した誤差信号を駆動信号生成部３１１に出力する。このとき生成される誤差信号は、所謂、ＰＤＨ（Pound-Drever-Hall）法における誤差信号に相当し、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長と、当該励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たす光路長との間のずれを示している。
【００６９】
駆動信号生成部３１１は、ローパスフィルタと、同期検波回路と、位相補償部とを含む。混合器３０９から出力された誤差信号は、駆動信号生成部３１１のローパスフィルタにより高周波成分（即ち、ノイズ）が除去されて、同期検波回路に供給される。
【００７０】
駆動信号生成部３１１の同期検波回路には、同期信号生成部３０２からＳ／Ｈ信号が供給される。同期検波回路は、ローパスフィルタによりノイズが除去された誤差信号を、同期信号生成部３０２から供給されたＳ／Ｈ信号に基づき同期検波する。そして、同期検波回路は、Ｓ／Ｈ信号に基づき同期検波した誤差信号（以降では、「Ｓ／Ｈ出力」と呼ぶ場合がある）を位相補償部に出力する。
【００７１】
駆動信号生成部３１１の位相補償部は、同期検波回路から供給されるＳ／Ｈ出力の位相を補償し、位相が補償されたＳ／Ｈ出力を駆動信号としてサーボ制御ドライバ３１３に供給する。
【００７２】
サーボ制御ドライバ３１３は、駆動信号生成部３１１から供給される駆動信号に基づき、アクチュエーターデバイスを駆動することで、ミラー２０７の位置を調整する。このとき、当該駆動信号は、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長と、当該励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たす光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき生成されている。そのため、サーボ制御ドライバ３１３が、駆動信号生成部３１１から供給される駆動信号に基づきミラー２０７の位置を制御することで、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長がサーボ制御される。
【００７３】
なお、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長が制御された場合、即ち、ミラー２０７の位置が変動した場合には、共振器２１内におけるＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路長も変動することとなる。そのため、サーボ制御ドライバ３１３は、ミラー２０７の位置を制御した場合には、当該ミラー２０７の位置の制御量に応じてアウトプットカプラー２１１の位置を調整することで、ＯＰＯレーザー光Ｌ４の光路長をあわせて制御すればよいことは言うまでもない。
【００７４】
以上、図１を参照しながら、本実施形態に係るレーザー光発生装置１の構成について説明した。なお、上述した制御部３０及びＳＯＡドライバ４０が、「制御部」の一例に相当する。また、制御部３０及びＳＯＡドライバ４０と、ミラー２０７及びアウトプットカプラー２１１の位置を制御するアクチュエーターデバイスとを含む構成が、「制御装置」の一例に相当する。
【００７５】
＜２．間欠発光による利点＞
次に、間欠発光によりレーザーのピークパワーを高くした状態で出力する場合の利点について、図２を参照しながら説明する。図２は、間欠発光によりレーザーのピークパワーを高くした状態を示す特性図である。
【００７６】
本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、例えば、生体サンプルをレーザー光により走査し、当該生体サンプルからの光を観測するようなレーザー走査型顕微鏡に適用することが可能である。このようなレーザー走査型顕微鏡のように、生体サンプルに対してレーザー光を照射する観測においては、対象物のダメージを少なくするために、レーザーの平均パワーを低くして、ピークパワーを高くすることが有効である。
【００７７】
また、レーザー光源１１１として半導体レーザーを用いたＭＯＰＡ型光源を構成するレーザーチップは、小型であるが故に、高電力の負荷による発熱によって動作限界が定まることが考えられる。
【００７８】
これに対して、本実施形態に係るレーザー光発生装置１の光源ユニット１０は、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１の間欠運転により、間欠的なレーザー光（パルスレーザー光Ｌ２）を出力するため、間欠運転を行わない場合と比較すると、平均電力は同じであるにも関わらず、発光している際のピークを高めることができる。また、間欠運転を行うことにより、高電力の負荷によるレーザーチップの発熱も抑えることができる。
【００７９】
ここで、レーザー走査型顕微鏡のうち、特に、二光子励起顕微鏡と呼ばれる、蛍光顕微鏡に対して、本実施形態に係るレーザー光発生装置１を光源として用いた場合に着目して、間欠発光によりレーザーのピークパワーを高くした場合の特性について説明する。ここで、蛍光顕微鏡とは、生体サンプルを光源から出射されるレーザー光により走査し、当該生体サンプルからの蛍光を観測する顕微鏡を指す。また、二光子励起顕微鏡は、前述した蛍光顕微鏡のうち、二光子励起による蛍光発生、即ち、２つの光子と分子との相互作用により分子が励起状態となることで蛍光が発生する仕組みを利用したものである。
【００８０】
二光子励起の光源を用いる顕微鏡においては、性能指数(Figure  of  Merit)としてＦＯＭ（＝（ピークパワー）２×パルス幅×周波数＝ピークパワー×平均パワー）が知られている。この性能指数によれば、ピークパワーと平均パワーの積に比例して、出力を増加させることができる。従って、生体のレーザー顕微鏡観察において、対象物のダメージを最小限に抑えて出力を高めるためには、平均パワーを低くしてピークパワーを高くすることが有効である。このため、本実施形態では、間欠運転を行うことでデューティー（ＤＵＴＹ＝パルス幅×周波数）比を低くして、ピークパワーを高くしている。
【００８１】
例えば、図２の上段ではレーザー光源から出力されるレーザー光の特性を示しており、上段の左側の特性は連続発光のピークパワーを、右側の特性はＤＵＴＹ比を５０％とした場合の間欠発光のピークパワーを示している。このように、間欠発光のＤＵＴＹ比を５０％とした場合、連続発光の信号強度（Ｉ０）に対して、間欠発光の場合は２倍の信号強度（２×Ｉ０）を出力することができる。
【００８２】
また、図２の中段は二光子励起により発生する蛍光信号の特性を示しており、左側の特性は連続発光の場合の蛍光のピークパワーを、右側の特性はＤＵＴＹ比を５０％とした場合の間欠発光の場合の蛍光のピークパワーを示している。性能指数ＦＯＭによれば、二光子励起の場合はピークパワーの２乗で性能指数が高くなる。従って、間欠発光の場合、二光子励起の場合の蛍光の信号強度（＝４×Ｉ０２）は連続発光の場合の蛍光の信号強度（＝Ｉ０２）に対して４倍となる。また、パルス発光ポイントとパルス非発光ポイントの平均の信号強度においても、二光子励起の場合の蛍光の平均信号強度（＝２×Ｉ０２）は、連続発光の場合の蛍光の信号強度（＝Ｉ０２）に対して２倍となる。従って、本実施形態によれば、光源ユニット１０において間欠駆動を行うことにより、ピークパワーおよび平均信号強度を高めることが可能である。
【００８３】
図２の下段の特性は、中段の特性を帯域制限のローパスフィルタ（図１に示す駆動信号生成部３１１が有するローパスフィルタ）に通過させた信号を示している。オン／オフのデューティー比が５０％（１／２）の場合、信号振幅は１／２となることから、結果として、二光子励起の間欠発光では、連続発光の場合に比べて２倍の信号振幅を得ることができる。さらに、前述した駆動信号生成部３１１により、オン状態の場合の信号のみをサンプリングした場合には、二光子励起の間欠発光では、連続発光の場合に比べて４倍の信号振幅を得られることとなる。
【００８４】
＜３．本実施形態に係るレーザー光発生装置の課題＞
一方で、本実施形態に係るレーザー光発生装置１のように、例えば、ＰＤＨ法により、共振器２１の光路長をサーボ制御することで共振動作を安定させる場合には、閉ループサーボの対象とする帯域に外乱信号が入ると、誤差信号の正確な検出が困難となる場合がある。
【００８５】
特に、パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループサーボの対象とする帯域に干渉する場合には、パルスレーザー光の間欠発光が外乱となり、結果として、レーザー光発生装置は、共振器の光路長の正確が困難となる場合がある。
【００８６】
そのため、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、光源ユニット１０から出射されたパルスレーザー光を共振器２１内において共振させる構成において、高出力のパルレーザー光が安定して出力されるように共振器２１の光路長を制御することを目的とする。具体的には、レーザー光発生装置１は、パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループサーボの対象とする帯域との干渉を避けるように、発振器３０１から供給される周波数ｆＭと、パルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡとを決定する。
【００８７】
そこで、以降では、本実施形態におけるレーザー光発生装置１における制御部３０の詳細について、特に周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡを決定する方法に着目して説明する。
【００８８】
＜４．制御部の詳細＞
［４．１．信号間の関係］
制御部３０の詳細として、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡを決定する方法について説明するにあたり、まず、本実施形態に係るレーザー光発生装置１におけるサーボ制御に係る信号間の関係について、図３を参照しながら説明する。図３は、サーボ制御に係る信号間の関係について説明するための説明図であり、各信号間の関係を示す概略的なタイムチャートである。
【００８９】
図３において、ＭＬＬＤ出力Ｌ１は、図１を参照しながら説明した、ＭＬＬＤ部１１から出力されるレーザー光Ｌ１（即ち、周波数ｆＭＬＬＤの光が周波数ｆＭの変調信号により変調された光）を示している。ＭＬＬＤ出力Ｌ１は、例えば、発振器３０１から供給される変調信号の周波数ｆＭ＝１０［ＭＨｚ］の場合には、当該変調の周期が０．１［μｓ］となる。
【００９０】
また、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１は、ＳＯＡドライバ４０が光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１を間欠駆動するためのＳＯＡ駆動信号を示している。前述の通り、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１は、同期信号生成部３０２により、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号に同期するように生成される。なお、図３に示す例では、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１の周波数ｆＳＯＡは、ｆＳＯＡ＝１００［ｋＨｚ］に設定されており、この場合におけるＳＯＡ駆動信号ｇ１１の周期は５［μｓ］となる。
【００９１】
ＭＯＰＡ出力Ｌ２は、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１が、周波数ｆＳＯＡのＳＯＡ駆動信号ｇ１１に基づき間欠駆動されることで、前述したＭＬＬＤ出力Ｌ１が変調された変調信号を示している。なお、ＭＯＰＡ出力Ｌ２は、図１を参照しながら説明した、光源ユニット１０から出力されるパルスレーザー光Ｌ２に相当する。なお、ＭＯＰＡ出力Ｌ２のオン状態における、ＭＬＬＤ出力Ｌ１の成分の波数は、ＭＬＬＤ出力Ｌ１の周期０．１［μｓ］と、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１の周期５［μｓ］とから、５０［ｗｏｂｂｌｅ］となる。
【００９２】
参照符号Ｌ３は、共振器２１内に入射したＭＯＰＡ出力Ｌ２に基づき、当該共振器２１内で共振する励起レーザー光を示しており、図１を参照しながら説明した励起レーザー光Ｌ３を示している。
【００９３】
共振器２１内にＭＯＰＡ出力Ｌ２が入射した場合、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオン状態のタイミングでは共振が発生し、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオフ状態のタイミングでは共振が発生しない。また、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオフ状態からオン状態に遷移する際には、励起レーザー光Ｌ３が共振する状態に直ちに遷移はせずに、共振状態に遷移する時間（以降では、「ビルドアップ期間」と呼ぶ場合がある）Ｔｂｕｉｌｄを要する。
【００９４】
そのため、例えば、ＰＤＨ法等により共振器２１内の光路長をサーボ制御する場合には、参照符号ｇ２１で示された、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオン状態であり、かつ、ビルドアップ完了後（ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄ経過後）の期間における励起レーザー光Ｌ３が、誤差信号として有効である。
【００９５】
一方で、参照符号ｇ２３で示された期間（即ち、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオフ状態の期間及びビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄ）、特に、ＭＯＰＡ出力Ｌ２がオフ状態の期間には、同期検波をするために十分な周波数ｆＭの信号が含まれていない。そのため、参照符号ｇ２３で示された期間に得られる誤差信号からは、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長と、当該励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たす光路長との間のずれを推定することは困難である。
【００９６】
参照符号ｇ３１及びｇ３３は、図１における混合器３０９により生成される誤差信号、即ち、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号と、共振器２１からの反射光に基づく反射信号とを積算することで生成された誤差信号を示している。誤差信号ｇ３１は、期間ｇ２１に対応しており、誤差信号ｇ３３は、期間ｇ２３に対応している。
【００９７】
このことから、誤差信号ｇ３１及びｇ３３のうち、誤差信号ｇ３１を同期検波により検出することが望ましい。即ち、同期信号生成部３０２は、タイミングｇ２１に同期するように、発振器３０１から供給される周波数ｆＭの信号を変調してＳ／Ｈ信号ｇ４１を生成し、生成したＳ／Ｈ信号ｇ４１を駆動信号生成部３１１に供給する。なお、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄは、共振器における共振の鋭さを示すフィネス（Ｆｉｎｅｓｓｅ）に比例し、共振器２１のインプットカプラー２０１及びミラー２０７それぞれの反射率と、励起レーザー光Ｌ３の周波数とに基づきあらかじめ算出することが可能である。なお、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄの詳細については、「４．３．共振器内におけるビルドアップに基づく制限」において別途後述する。
【００９８】
Ｓ／Ｈ出力ｇ５１は、図１を参照しながら説明した、駆動信号生成部３１１が、同期信号生成部３０２から供給されるＳ／Ｈ信号ｇ４１に基づき誤差信号ｇ３１及びｇ３３を同期検波することで生成した信号を示している。
【００９９】
駆動信号生成部３１１は、Ｓ／Ｈ出力ｇ５１の位相を補償し、位相が補償されたＳ／Ｈ出力ｇ５１を駆動信号としてサーボ制御ドライバ３１３に供給する。これにより、サーボ制御ドライバ３１３は、駆動信号生成部３１１から供給される駆動信号（即ち、位相が補償されたＳ／Ｈ出力ｇ５１）に基づき、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３のオン／オフに同期して、共振器２１の光路長をサーボ制御することが可能となる。
【０１００】
［４．２．サーボ制御の帯域に基づく制限］
次に、図４を参照しながら、パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループサーボの対象とする帯域との干渉を避けるように設定されりための、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡの制限について説明する。図４は、サーボ制御の特性について説明するための図である。
【０１０１】
図４において、参照符号ｇ６１は、本実施形態に係るレーザー光発生装置１において、ミラー２０７の位置をサーボ制御するアクチュエーターのゲイン特性の一例を示している。ゲイン特性ｇ６１の縦軸はゲイン（Ｇａｉｎ）［ｄＢ］を示しており、横軸は周波数ｆ［Ｈｚ］を示している。
【０１０２】
また、参照符号ｇ６３は、本実施形態に係るレーザー光発生装置１において、ミラー２０７の位置をサーボ制御するアクチュエーターの位相特性を示している。位相特性ｇ６３の縦軸は位相（Ｐｈａｓｅ）［°］を示しており、横軸は周波数ｆ［Ｈｚ］を示している。なお、ゲイン特性ｇ６１の横軸と、位相特性ｇ６３の横軸とは共通している。また、参照符号ｇ６５は、駆動信号生成部３１１の位相補償部の特性を示しており、この位相補償部の特性により、ゲイン特性ｇ６３が補償されていることがわかる。
【０１０３】
参照符号ｍ１は、ゲイン余裕、即ち、位相特性ｇ６３において位相が−１８０［°］となる周波数ｆｍａｘにおいて、ゲインが、０［ｄＢ］となるまで（即ち、発振するまで）にどれだけの余裕があるかを示している。同様に、参照符号ｍ２、位相余裕、即ち、ゲイン特性ｇ６１においてゲインが０［ｄＢ］となるカットオフ周波数ｆＲＳにおける、位相が、−１８０［°］となるまで（即ち、発振するまで）にどれだけの余裕があるかを示している。
【０１０４】
なお、ゲイン余裕を判定する周波数、即ち、位相特性ｇ６３が−１８０［°］となる周波数以下の帯域ｆｗｉｄｔｈでの特性が共振器２１の光路長のサーボ制御性能に影響する。さらには、一般的にはアクチュエーターはカットオフ周波数ｆＲＳの振動まで追従するので、カットオフ周波数ｆＲＳがサーボ制御性能を表す数値として用いられる。
【０１０５】
パルスレーザー光の間欠発光は一種のサンプリング動作と考えることができるが、サンプリングされた信号が正確に復元されるにはサンプリング周波数が信号成分の２倍より大きい必要があることが知られている。ここでは、同条件に基づき、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡの制限について以下に詳細に説明する。
【０１０６】
まず、サンプリング周波数が信号成分の２倍より大きい必要があることから、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡはカットオフ周波数ｆＲＳの２倍より大きい必要があることは明らかである。さらに図４に示す参照符号ｇ６５のような位相補償部の特性を実現するには、位相補償部の位相進み周波数をカットオフ周波数ｆRSの１/３、位相遅れ周波数をカットオフ周波数ｆＲＳの３倍以上とすることが知られている。したがって位相補償部の特性を正確に復元するには位相遅れ周波数までは正確に復元されることが望ましく、これより周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡは位相遅れ周波数の２倍以上であることが望ましい。
【０１０７】
以上より、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡとカットオフ周波数ｆＲＳとの関係は次の式１のようになる。この結果から、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡとカットオフ周波数ｆＲＳとの関係は、以下に示す式２のようになることが望ましい。なお、以下に示した式２が、「条件式１」に相当する。また、定数ｊが、サーボ制御を安定させるための「マージン値ｊ」の一例に相当する。
【０１０８】
ｆＳＯＡ＞（ｆＲＳ×３）×２＝ｊ×ｆＲＳ（ｊ＝６）…（式１）
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（式２）
【０１０９】
以上、図４を参照しながら、パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループサーボの対象とする帯域との干渉を避けるように設定するための、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡの制限について説明した。
【０１１０】
［４．３．共振器内におけるビルドアップ期間に基づく制限］
次に、前述した、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３のビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄの算出方法の詳細と、当該ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄに基づくパルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡの制限について説明する。
【０１１１】
まず、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄの算出方法について、図５を参照しながら説明する。図５は、ビルドアップ期間の算出方法について説明するための説明図であり、共振器の構成を概略的に示した図である。図５において、参照符号Ｌ２１は、レーザー光源から出射され共振器内に入射するレーザー光を示し、参照符号Ｌ３１は、当該レーザー光Ｌ２１に基づき共振器内で共振する励起レーザー光を示している。また、参照符号Ｌ４１は、当該共振器から出射されるＯＰＯレーザー光を示している。
【０１１２】
また、参照符号２１５及び２１７は、共振器を構成するミラーを示している。図５に示す例では、ミラー２１５の反射率をＲ１とし、当該反射率Ｒ１に基づく反射振幅をｒ１としている。同様に、ミラー２１７の反射率をＲ２とし、当該反射率Ｒ２に基づく反射振幅をｒ２としている。
【０１１３】
このとき、共振器における共振の鋭さを示すフィネスＦは、反射振幅ｒ１及びｒ２に基づき決定される係数Ｒ’＝ｒ１×ｒ２により、以下に示す式３に基づき決定される。
【０１１４】
Ｆ＝π×ｓｑｒｔ（Ｒ’）／（１−Ｒ’）…（式３）
【０１１５】
なお、ミラー２１５及び２１７の各反射率Ｒ１及びＲ２は、励起レーザー光Ｌ３１及びＯＰＯレーザー光Ｌ４１それぞれについて異なる反射率となるように設計されている場合がある。例えば、ミラー２１５及び２１７の励起レーザー光Ｌ３１及びＯＰＯレーザー光Ｌ４１それぞれに対する反射率は、当該励起レーザー光Ｌ３１及びＯＰＯレーザー光Ｌ４１のそれぞれに対してあらかじめ決められたフィネスＦの条件を満たすように設計される。
【０１１６】
また、共振器内に入射したレーザー光Ｌ２１の強度が１／ｅとなるまでの時間（Photon  life  time）ＴＬは、強度が１／ｅとなるまでの反射回数と、レーザー光Ｌ２が共振器内を１往復するためにかかる時間との乗算で求められる。即ち、時間ＴＬは、係数Ｒ’と、共振器に入射するレーザー光Ｌ２１の周波数ｆＭＬＬＤとにより、以下に示す式４に基づき決定される。
【０１１７】
ＴＬ＝１／２ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）…（式４）
【０１１８】
ここで、ビルドアップの閾値に依存して決定される比例定数をｋとした場合に、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄは、上記に示した式４と、当該比例定数ｋとにより、以下に示す（式５）に基づき決定される。
【０１１９】
Ｔｂｕｉｌｄ＝ｋ×１／２ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）…（式５）
【０１２０】
なお、比例定数ｋは、例えば、ビルドアップの閾値を８０［％］とした場合には、ｋ＝４．５となる。
【０１２１】
ここで、共振器内におけるパルス数とビルドアップの関係について具体的な例を挙げて説明する。例えば、図６に示したグラフｇ７１は、係数Ｒ’＝０．９３の場合における、共振器内における増幅率とパルス数との関係を示している。図６に示したグラフｇ７１において、縦軸は増幅率を示しており、横軸は共振器内に入射したパルス数を示している。
【０１２２】
例えば、図６に示す例では、共振器内に入射したパルス数が０〜５０の間は、パルス数の増加に伴い増幅率は増大し、パルス数が５０以降においては、増幅率は一定の値に収束していることがわかる。
【０１２３】
次に、フィネスＦとビルドアップの関係について、具体的な例を挙げて説明する。例えば、図７に示すグラフｇ７３は、ビルドアップ期間ＴｂｕｉｌｄとフィネスＦとの間の関係を示す測定結果の一例を示している。図７に示す例では、励起レーザー光Ｌ３の周波数ｆＭＬＬＤ＝８５０［ＭＨｚ］とし、ビルドアップの閾値を８０［％］として比例定数ｋ＝４．５に設定した。
【０１２４】
図７にしめすように、上記に（式５）で示したビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄと、（式３）で示したフィネスＦとは比例関係にある。このことから、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄは、フィネスＦと周波数ｆＭＬＬＤとに基づく係数Ｆ／ｆＭＬＬＤと比例関係にあることがわかる。
【０１２５】
図７に示す例において、励起レーザー光Ｌ３に対するフィネスＦ＝４３、励起レーザー光Ｌ３に対する係数Ｒ’＝０．９３とした場合に、当該励起レーザー光Ｌ３のビルドアップ時間ＴＬ３は、ＴＬ３＝３６［ｎｓ］となる。また、ＯＰＯレーザー光Ｌ４に対するフィネスＦ＝１５０、ＯＰＯレーザー光Ｌ４に対する係数Ｒ’＝０．９８とした場合には、当該ＯＰＯレーザー光Ｌ４のビルドアップ時間ＴＬ４は、ＴＬ４＝１２７［ｎｓ］となる。
【０１２６】
上記に示す結果から、図７に示す例におけるビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄは、Ｔｂｕｉｌｄ＝ＴＬ３＋ＴＬ４＝１６３［ｎｓ］となる。
【０１２７】
以上、図７を参照しながら、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄの算出方法について説明した。
【０１２８】
次に、図８を参照しながら、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄに基づくパルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡの制限について説明する。図８は、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄに基づくパルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡの制限について説明するための説明図である。
【０１２９】
図８において、参照符号ｇ７５は、パルスレーザー光を出射するためにレーザー光源から出射されたレーザー光を間欠発光するためのＳＯＡ駆動パルスを示している。ＳＯＡ駆動パルスｇ７５は、例えば、図１において、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１を駆動するＳＯＡドライバ４０に対して、同期信号生成部３０２から供給される周波数ｆＳＯＡの駆動パルスに相当する
【０１３０】
ＳＯＡ駆動パルスｇ７５において、各パルスのオン状態の期間は、ＳＯＡ駆動パルスｇ７５のデューティー比をＤｕｔｙとした場合に、１／ｆＳＯＡ＊Ｄｕｔｙで示される。
【０１３１】
また、参照符号ｇ７７は、共振器内におけるＯＰＯレーザー光の光密度を模式的に示したものである。なお、ＯＰＯ光密度ｇ７７の縦方向は、ＯＰＯレーザー光の強度を示している。また、参照符号Ｔｂｕｉｌｄは、前述したビルドアップ期間を示しており、参照符号Ｔｅｆｆは、共振器内においてＯＰＯ変換に有効な時間を示している。
【０１３２】
例えば、ＳＯＡ駆動パルスｇ７５のデューティー比を５０％とした場合の、当該ＳＯＡ駆動パルスｇ７５の各パルスがオン状態となる期間をＴ５０とした場合には、ＯＰＯ変換に有効な時間Ｔｅｆｆ＝Ｔ５０−Ｔｂｕｉｌｄとなる。このとき、時間Ｔｅｆｆ＞０となる条件は、上述したＴｂｕｉｌｄを算出する式５により、以下に示す式６に基づき決定される。
【０１３３】
１／ｆＳＯＡ＊Ｄｕｔｙ＞Ｔｂｕｉｌｄ＝ｋ×１／２ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）
…（式６）
【０１３４】
なお、前述したように、比例定数ｋは、ビルドアップの閾値に依存して決定される比例定数であり、当該閾値が８０［％］の場合には、比例定数ｋ＝４．５となる。
【０１３５】
即ち、上記に示した式６に基づき、周波数ｆＳＯＡは、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄによる制限から、以下に式７で示された条件に基づき設定される。なお、以下に示した式７が、「条件式２」に相当する。
【０１３６】
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（式７）
【０１３７】
以上、図８を参照しながら、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄに基づくパルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡの制限について説明した。
【０１３８】
［４．４．誤差信号の生成に基づく制限］
次に、ＰＤＨ法のように、共振器２１からの反射光に基づき、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長と、当該励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たす光路長との間のずれを誤差信号として検出する場合の制限について、図９を参照しながら説明する。図９は、反射光の同期検波に係る周波数ｆＭと、パルスレーザー光の間欠発光の周波数ｆＳＯＡとの関係について説明するための説明図である。
【０１３９】
図９において、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１は、図３におけるＳＯＡ駆動信号ｇ１１を示しており、ＳＯＡドライバ４０が光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１を間欠駆動するための駆動信号を示している。ＳＯＡ駆動信号ｇ１１の周波数は前述の通りｆＳＯＡのため、当該ＳＯＡ駆動信号ｇ１１の周期は１／ｆＳＯＡとなる。このとき、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１のデューティー比をＤｕｔｙとした場合には、当該ＳＯＡ駆動信号ｇ１１がオン状態となる時間は、１／ｆＳＯＡ＊Ｄｕｔｙとなる。
【０１４０】
また、図９において、ＭＯＰＡ出力Ｌ２は、図３におけるＭＯＰＡ出力Ｌ２を示しており、光増幅器部（ＳＯＡ部）１３１が、周波数ｆＳＯＡのＳＯＡ駆動信号ｇ１１に基づき間欠駆動されることで、前述したＭＬＬＤ出力Ｌ１が変調された変調信号を示している。
【０１４１】
このＭＯＰＡ出力Ｌ２を、周波数ｆＳＯＡの信号に基づき同期検波する場合には、図９の右側に示すように、当該ＭＯＰＡ出力Ｌ２の発光時間中に（即ち、オン状態において）、周波数ｆＳＯＡの信号が少なくとも１波含まれている必要がある。このことから、ＭＯＰＡ出力Ｌ２の発光時間、即ち、ＳＯＡ駆動信号ｇ１１がオン状態となる時間１／ｆＳＯＡ＊Ｄｕｔｙは、以下に式８で示された条件を満たす必要がある。
【０１４２】
１／ｆＳＯＡ＊Ｄｕｔｙ≧１／ｆＭ…（式８）
【０１４３】
即ち、上記に式８で示された条件に基づき、共振器２１からの反射光を同期検波するためには、周波数ｆＭは、以下に式９で示された条件を満たす必要がある。なお、以下に示した式９が、「条件式３」に相当する。
【０１４４】
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（式９）
【０１４５】
以上、図９を参照しながら、共振器２１からの反射光に基づき、共振器２１内における励起レーザー光Ｌ３の光路長と、当該励起レーザー光Ｌ３の共振条件を満たす光路長との間のずれを誤差信号として検出する場合における周波数ｆＭの制限について説明した。
【０１４６】
［４．５．まとめ］
以上、説明したように、本実施形態に係るレーザー光発生装置１の制御部３０は、以下に示す（条件式１）〜（条件式３）を満たすように、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡを決定する。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【０１４７】
例えば、図１０は、図７を参照しながら説明した条件に基づく、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡの設定例について示している。即ち、図１０に示す例は、励起レーザー光Ｌ３の周波数ｆＭＬＬＤ＝８５０［ＭＨｚ］とし、ビルドアップの閾値を８０［％］として比例定数ｋ＝４．５に設定された場合を示している。また、励起レーザー光Ｌ３に対するフィネスＦ＝４３、励起レーザー光Ｌ３に対する係数Ｒ’＝０．９３、ＯＰＯレーザー光Ｌ４に対するフィネスＦ＝１５０、ＯＰＯレーザー光Ｌ４に対する係数Ｒ’＝０．９８とした。なお、このときのビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄは、Ｔｂｕｉｌｄ＝１６３［ｎｓ］となる。
【０１４８】
ＳＯＡ駆動パルスのデューティー比Ｄｕｔｙ＝０．５とした場合には、当該デューティー比Ｄｕｔｙと、ビルドアップ期間Ｔｂｕｉｌｄ＝１６３［ｎｓ］とにより、条件式２に基づき、ｆＳＯＡ＜０．５／０．１６３［ｎｓ］＝３．０６［ＭＨｚ］となる。
【０１４９】
また、周波数ｆＳＯＡは、条件式１においてｊ＝６となるため、当該条件式１に基づき、ｆＳＯＡ＞ｆＲＳ×６＝６０［ｋＨｚ］となる。
【０１５０】
また、周波数ｆＭは、上記で求めた周波数ｆＳＯＡの範囲に基づきｆＳＯＡ＝３［ＭＨｚ］とした場合には、デューティー比Ｄｕｔｙ＝０．５のため、条件式３に基づき、ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ＝３［ＭＨｚ］／０．５＝６［ＭＨｚ］となる。なお、周波数ｆＭの上限値については、規定はされていないが、共振器からの反射光を検出する光検出器の検出性能や、誤差信号を生成する混合器の演算性能により実質的に決定されることとなる。
【０１５１】
＜５．ハードウェア構成＞
次に、図１１を参照して、本実施形態に係るレーザー光発生装置１のハードウェア構成の一例について説明する。図１１は、本実施形態に係るレーザー光発生装置１のハードウェア構成の一例を示した図である。
【０１５２】
図１１に示すように、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、プロセッサ９０１と、メモリ９０３と、ストレージ９０５と、光源ユニット９０７と、光学系ユニット９０９と、操作デバイス９１１と、表示デバイス９１３と、通信デバイス９１５と、バス９１７とを含む。
【０１５３】
プロセッサ９０１は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＧＰＵ（Graphics  Processing  Unit）、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）又はＳｏＣ（System  on  Chip）であってよく、レーザー光発生装置１の様々な処理を実行する。プロセッサ９０１は、例えば、各種演算処理を実行するための電子回路により構成することが可能である。なお、前述した制御部３０は、プロセッサ９０１により構成され得る。
【０１５４】
メモリ９０３は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）及びＲＯＭ（Read  Only  Memory）を含み、プロセッサ９０１により実行されるプログラム及びデータを記憶する。ストレージ９０５は、半導体メモリ又はハードディスクなどの記憶媒体を含み得る。
【０１５５】
光源ユニット９０７は、パルスレーザー光Ｌ２を照射するためのユニットであり、前述した光源ユニット１０に対応している。光源ユニット９０７は、出射される励起光の強度及び波長が、プロセッサ９０１により制御される。
【０１５６】
光学系ユニット９０９は、光源ユニット９０７から出射されたパルスレーザー光Ｌ２を共振させるとともに、パルスレーザー光Ｌ２の波長を変換し、波長が変換されたＯＰＯレーザー光Ｌ４を出力するためのユニットである。光学系ユニット９０９は、共振器２１を含む波長変換光学系２０に対応している。
【０１５７】
操作デバイス９１１は、ユーザが所望の操作を行うための入力信号を生成する機能を有する。操作デバイス９１１は、例えばボタン及びスイッチなどユーザが情報を入力するための入力部と、ユーザによる入力に基づいて入力信号を生成し、プロセッサ９０１に供給する入力制御回路などから構成されてよい。
【０１５８】
表示デバイス９１３は、出力装置の一例であり、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）装置、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ装置などの表示装置であってよい。表示デバイス９１３は、ユーザに対して画面を表示することにより情報を提供することができる。
【０１５９】
通信デバイス９１５は、レーザー光発生装置１が備える通信手段であり、ネットワークを介して外部装置と通信する。通信デバイス９１５は、無線通信用のインタフェースであり、通信アンテナ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路、ベースバンドプロセッサなどを含んでもよい。
【０１６０】
通信デバイス９１５は、外部装置から受信した信号に各種の信号処理を行う機能を有し、受信したアナログ信号から生成したデジタル信号をプロセッサ９０１に供給することが可能である。
【０１６１】
バス９１７は、プロセッサ９０１、メモリ９０３、ストレージ９０５、光源ユニット９０７、光学系ユニット９０９、操作デバイス９１１、表示デバイス９１３、及び通信デバイス９１５を相互に接続する。バス９１７は、複数の種類のバスを含んでもよい。
【０１６２】
また、コンピュータに内蔵されるＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどのハードウェアを、上記したレーザー光発生装置１が有する構成と同等の機能を発揮させるためのプログラムも作成可能である。また、当該プログラムを記録した、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体も提供され得る。
【０１６３】
＜６．まとめ＞
以上、説明したように、本実施形態に係るレーザー光発生装置１の制御部３０は、以下に示す（条件式１）〜（条件式３）を満たすように、周波数ｆＭ及び周波数ｆＳＯＡを決定する。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【０１６４】
上記に条件式１で示された条件を満たすように周波数ｆＳＯＡの下限値を設定することで、周波数ｆＳＯＡ、即ち、パルスレーザー光の間欠発光の帯域が、閉ループサーボ（即ち、共振器内の光路長のサーボ）の対象とする帯域との干渉を避けるように設定される。そのため、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、パルスレーザー光を励起レーザー光とする構成においても、共振器内の光路長のサーボを発振させることなく安定的に制御することが可能となる。
【０１６５】
また、上記に条件式２で示された条件を満たすように周波数ｆＳＯＡの上限値を設定することで、共振器２１内にパルスレーザー光を励起レーザー光として入射させた場合においても、ＳＯＡ駆動信号がオン状態となる時間よりもビルドアップ期間が短くなる。そのため、そのため、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、パルスレーザー光を励起レーザー光とする構成においても、ＯＰＯ変換に有効な時間を確保し、ＯＰＯレーザー光を出射させることが可能となる。
【０１６６】
また、上記に条件式３で示された条件を満たすように周波数ｆＭを設定することで、ＭＯＰＡ出力の発光時間中に（即ち、オン状態において）、周波数ｆＳＯＡの信号が少なくとも１波含まれることとなる。そのため、本実施形態に係るレーザー光発生装置１は、パルスレーザー光を励起レーザー光とする構成においても、共振器からの反射光を同期検波して誤差信号を生成し、当該誤差信号に基づき共振器の光路長をサーボ制御することが可能となる。
【０１６７】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１６８】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１６９】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、制御装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
（２）
前記カットオフ周波数ｆＲＳは、前記サーボ制御においてゲインが０ｄＢとなる場合のカットオフ周波数である、前記（１）に記載の制御装置。
（３）
前記マージン値ｊは６である、前記（１）または（２）に記載の制御装置。
（４）
前記レーザー光源は、半導体レーザーであり、
前記光源制御部は、前記半導体レーザーから出射されたレーザー光を増幅変調する光変調部を間欠駆動させることで、当該レーザー光を前記パルスレーザー光として出射させる、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の制御装置。
（５）
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させることと、
駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させることと、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御することと、
前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定することと、を含む制御方法。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
（６）
コンピュータに、
レーザー光源から出射されるレーザー光を、間欠駆動によりパルスレーザー光として出射させるステップと、
駆動部に、少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させるステップと、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記共振条件を満たすように、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するステップと、
前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆｒｓと、前記サーボ制御を安定的に動作させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定するステップと、を実行させるプログラム。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
（７）
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を間欠駆動によりパルスレーザー光を出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器と、
前記共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、レーザー光発生装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
（８）
サンプルをレーザー光により照射し、サンプルからの光を観察する顕微鏡に用いられる顕微鏡用光源装置であって、
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を間欠駆動によりパルスレーザー光を出射させる光源制御部と、
少なくとも一対の反射部と、非線形光学結晶とを含み、入射した前記パルスレーザー光を共振させることで、当該パルスレーザー光の波長を変換する共振器と、
前記共振器における、前記一対の反射部のうち少なくとも一方の反射部を光軸方向に移動させる駆動部と、
同期検波された前記共振器からの反射光に応じた、前記共振器の光路長と、当該共振器に入射した前記パルスレーザー光の共振条件を満たす前記光路長との間のずれを示す誤差信号に基づき、前記駆動部に前記少なくとも一方の反射部を移動させることで、前記共振器の光路長をサーボ制御するサーボ制御部と、
を備え、
前記サーボ制御部は、前記間欠駆動の周波数ｆＳＯＡと、前記反射光の同期検波に係る周波数ｆＭとを、前記サーボ制御における周波数特性のカットオフ周波数ｆＲＳと、前記サーボ制御を安定させるためのマージン値ｊと、ビルドアップの閾値に基づき決定される比例定数ｋと、前記一対の反射部の反射率に基づき決定される係数Ｒ’と、前記レーザー光源から出射されるレーザー光の周波数ｆＭＬＬＤと、前記パルスレーザー光のデューティー比Ｄｕｔｙとに基づき、以下に条件式１〜条件式３で示された条件を満たすように決定する、顕微鏡用光源装置。
ｆＳＯＡ＞ｊ×ｆＲＳ…（条件式１）
ｆＳＯＡ＜Ｄｕｔｙ／［ｋ×１／ｌｎ（１／Ｒ’）×（１／ｆＭＬＬＤ）］…（条件式２）
ｆＭ≧ｆＳＯＡ／Ｄｕｔｙ…（条件式３）
【符号の説明】
【０１７０】
１    レーザー光発生装置
１０    光源ユニット
１１    ＭＬＬＤ部
１１１  レーザー光源
１１３  レンズ
１１５  回折格子
１２１、１２７、１２９  レンズ
１２３  ミラー
１２５  アイソレーター
１３１  光増幅器部（ＳＯＡ部）
２０    波長変換光学系
２１    共振器
２０１  インプットカプラー
２０３、２０５、２０７  ミラー
２０９  ダイクロイックミラー
２１１  アウトプットカプラー
２１３  非線形光学素子
２１５、２１７  ミラー
２２１、２２３  リレーレンズ
２２５、２２７  ミラー
３０    制御部
３１    加算器
３０１  発振器
３０２  同期信号生成部
３０３  アイソレーター
３０５  光検出器
３０７  バンドパスフィルタ
３０９  混合器
３１１  駆動信号生成部
３１３  サーボ制御ドライバ
４０    ＳＯＣドライバ
【図１】
2015143827.tif 000003
【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】
2015143827.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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