(57)【要約】  固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置で、種光源１０と、ゲインスイッチング法を用いて種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、その出力をさらに増幅する固体増幅器と、固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換する非線形光学素子と、ファイバ増幅器３０と固体増幅器５０との間に配置されたＡＳＥノイズを除去する光スイッチ素子４０と、制御部１００を備えて構成され、制御部は種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、当該出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子を制御するとともに、種光源から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器及び／または固体増幅器が反転分布するように、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器の励起用光源を周期的または間歇的に制御する。
2015122374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、
前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置され前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、
前記種光源を所定の周期で駆動するゲインスイッチング制御処理と、
前記種光源から出力されるパルス光の入力前に前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器が反転分布するように、前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器の励起用光源を周期的または間歇的に制御する励起制御処理と、
前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように前記光スイッチ素子を制御する光スイッチ制御処理と、
を実行するように構成されている制御部と、
を備えているレーザ光源装置。
【請求項２】
前記光スイッチ素子が音響光学素子または電気光学素子を含む動的光学素子で構成されている請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記光スイッチ素子に対する制御信号を基準に前記種光源及び励起用光源を制御するように構成されている請求項１または２記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、前記制御部は前記ＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されている請求項１から３の何れかに記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、
前記種光源から出力されるパルス光の入力前に前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器が反転分布するように、前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器の励起用光源を周期的にまたは間歇的に制御するとともに、
前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置された光スイッチ素子を制御して、前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するレーザパルス光生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のレーザ加工に用いられるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光は様々な加工に用いられている。波長が５３２ｎｍから１０６４ｎｍ付近のレーザ光はエネルギー強度が大きく、金属やガラス等の切断または溶接等の各種の加工に好適に用いられている。また、波長が２００ｎｍから３５０ｎｍ付近の深紫外領域のレーザ光は電子材料や複合材料の加工に用いられている。【０００３】
近赤外領域よりも短い波長のレーザ光を出力するレーザ光源装置は、近赤外領域の波長のレーザ光を出力する種光源と、種光源から出力されるレーザ光を増幅する光増幅器と、光増幅器で増幅されたレーザ光の波長を目的とする波長に変換する非線形光学素子を備えて構成されている。【０００４】
そして、パルス幅が数百ピコ秒以下で周波数が数百メガヘルツ以下のピークパワーが大きなレーザパルス光を得ることができるように様々な種光源が選択されて、様々な光増幅器等が用いられている。【０００５】
従来、このような種光源として繰返し周波数が数十メガヘルツのモード同期レーザを用い、当該種光源から出力されたパルス光を分周することにより数キロヘルツのパルス光を得るように構成されたものがあった。【０００６】
しかし、モード同期レーザの発振周波数は温度や振動等の環境的な要因で変動し、その値を適正に制御することが困難であるため、受光素子等を用いて検出したレーザパルス光の発振周波数に同期して分周する必要があり、そのための回路構成が複雑になるという問題や、モード同期レーザの構成部品である過飽和吸収体が劣化し易く、長期安定駆動が困難であるという問題があった。【０００７】
そこで、パルス光の発振周波数の制御が可能な半導体レーザを種光源に用いることが考えられるが、このような半導体レーザから出力される近赤外のパルス光のパルスエネルギーは数ピコジュールから数百ピコジュールと非常に小さく、最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光を得るためには、従来の種光源を使用する場合よりも大幅に増幅する必要がある。【０００８】
そのための光増幅器として、エルビウム・ドープト・ファイバ増幅器やイッテルビウム・ドープト・ファイバ増幅器等のファイバ増幅器や、イットリウム・アルミニウム・ガーネットにネオジウムを添加したＮｄ：ＹＡＧ、イットリウム・バナデートにネオジムを添加したＮｄ：ＹＶＯ４等の固体増幅器が好適に用いられる。【０００９】
特許文献１，２には、このようなファイバ増幅器と固体増幅器を組み合わせた光増幅器が開示されている。当該特許文献１，２に示されているように、ファイバ増幅器及び固体増幅器の何れも、レーザ活性領域でのポンプ作用で増幅対象となるレーザ光と同じ波長の光を増幅するために、励起用の光源を備える必要がある。そして、通常、このような励起用の光源として半導体レーザが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−１９２８３１号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８／０１４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、モード同期レーザの代替として半導体レーザを種光源に用いる場合には、大きなエネルギー強度のレーザパルス光を得るために、単一または複数のファイバ増幅器及び固体増幅器を用いる必要がある。【００１２】
この場合、前段のファイバ増幅器による増幅の過程で生じる自然放出光ノイズ（以下、「ＡＳＥノイズ(Amplified Spontaneous Emission Noise)」と記す。）が種光源からのパルス光に重畳され、さらにチャーピング現象や光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化されたパルス光が後段の固体増幅器で増幅されることとなり、増幅のために固体増幅器に注入される励起光のエネルギーの一部がこのようなノイズ成分の増幅に無駄に消費されるという問題があった。【００１３】
このような状況でパルス光を所定強度に増幅するためには、固体増幅器に過剰な励起エネルギーを注入する必要があり、固体増幅器のエネルギー利用効率が低下するばかりか発熱が大きくなり、冷却のために大型の冷却機構が必要となり、部品コスト等も増大するという問題があった。【００１４】
パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、ＡＳＥノイズは極僅かであるためさほど問題とならないが、パルス光の発振周波数が１メガヘルツよりも低い領域ではＡＳＥノイズ等の影響を十分に考慮しなければならなかった。【００１５】
さらに、用途によっては単発或いは数ヘルツのパルス光を出力することが望まれているが、波長変換前の基準となるパルス光の広帯域化及びＡＳＥノイズの影響によるエネルギー損失が大きく、その実現が困難であった。【００１６】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ光源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の請求項１に記載した通り、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置され前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、前記種光源を所定の周期で駆動するゲインスイッチング制御処理と、前記種光源から出力されるパルス光の入力前に前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器が反転分布するように、前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器の励起用光源を周期的にまたは間歇的に制御する励起制御処理と、前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように前記光スイッチ素子を制御する光スイッチ制御処理と、を実行するように構成されている制御部と、を備えている点にある。【００１８】
上述の構成によれば、制御部によって実行されるゲインスイッチング制御処理、励起制御処理及び光スイッチ制御処理によって、波長変換素子で波長変換に寄与する周波数成分のパルス光が固体増幅器等で効率よく増幅され、発熱ロスが低減されるので、大型の冷却機構も不要となり、比較的安価で小型のレーザ光源装置を実現できるようになる。【００１９】
具体的に、ゲインスイッチング制御処理が実行されることによって、所定の周期で種光源が駆動されてパルス光が出力される。また、励起制御処理が実行されることによって、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器に当該パルス光が入力される前に増幅可能なエネルギー状態となる反転分布状態が得られるように、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器の励起用光源が周期的に駆動される。従って、パルス光が入力されることのないときに不必要に励起用光源が駆動されることがない。【００２０】
そして、光スイッチ制御処理が実行されると、種光源からのパルス光の出力期間に光スイッチ素子を介してファイバ増幅器から固体増幅器へパルス光が伝播し、当該パルス光の出力期間と異なる期間にはファイバ増幅器の出力光の固体増幅器への伝播が阻止される。当該パルス光の出力期間と異なる期間には固体増幅器へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるので、固体増幅器の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。つまり、当該光スイッチ素子は時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能する。【００２１】
その結果、エネルギー効率の良い状態で、単発或いは数ヘルツのパルス光を出力するレーザ光源装置を提供することも可能になった。【００２２】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記光スイッチ素子が音響光学素子または電気光学素子を含む動的光学素子で構成されている点にある。【００２３】
光スイッチ素子として超音波トランデューサのオンまたはオフによって１次回折光をオンまたはオフする音響光学素子、ＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子等の動的光学素子を用いることが好ましい。【００２４】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記制御部は、前記光スイッチ素子に対する制御信号を基準に前記種光源及び励起用光源を制御するように構成されている点にある。【００２５】
種光源や励起用光源の応答性よりも光スイッチ素子の応答性が遅い場合であっても、光スイッチ素子に対する制御信号を基準に種光源を制御する制御信号を生成することにより、適正な時期に光スイッチ素子を駆動することができるようになる。【００２６】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記種光源がＤＦＢレーザで構成され、前記制御部は前記ＤＦＢレーザを数メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成されている点にある。【００２７】
種光源としてＤＦＢレーザを用いてゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで発振し、定常状態よりも高強度のパルス光が得られる。ゲインスイッチング法によれば、単発のパルス光を含む数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光を容易に生成することができ、このようなパルス光に上述の光スイッチ素子を用いることによって、高い平均出力で且つ所望の波長のパルス光を効率よく得ることができるようになる。【００２８】
本発明によるレーザパルス光生成方法の第一の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、ゲインスイッチング法で種光源から出力されたパルス光をファイバ増幅器及び固体増幅器で順次増幅し、増幅後のパルス光を非線形光学素子で波長変換して出力するレーザパルス光生成方法であって、前記種光源から出力されるパルス光の入力前に前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器が反転分布するように、前記ファイバ増幅器及び／または前記固体増幅器の励起用光源を周期的にまたは間歇的に制御するとともに、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置された光スイッチ素子を制御して、前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止する点にある。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明した通り、本発明によれば、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１はレーザ光源装置のブロック構成図である。
【図２】図２（ａ）は種光源から発振される狭帯域のパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図、図２（ｂ），図２（ｃ）はファイバ増幅器の自己位相変調やラマン散乱によって広帯域化したパルス光の周波数特性と時間軸特性の説明図である。
【図３】図３（ａ）は種光源から周期的に発振されるパルス光の説明図、図３（ｂ）は初段のファイバ増幅器でＡＳＥノイズが重畳したパルス光の説明図、図３（ｃ）は後段のファイバ増幅器でさらにＡＳＥノイズが重畳したパルス光の説明図、図３（ｄ）は時間領域で種光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過するパルス光の説明図、図３（ｅ）は時間領域で種光源の発振周期と同期して光スイッチ素子を通過して、固体増幅器で増幅されたパルス光の説明図である。
【図４】図４は、種光源を駆動するトリガ信号と、各増幅器の励起用光源の駆動信号と、光スイッチ素子を駆動するゲート信号の出力タイミングを説明するタイミングチャートである。
【図５】図５（ａ）は光スイッチ素子を用いた場合と、光スイッチ素子を用いない場合とを対比した波長変換後のパルスエネルギー特性の説明図、図５（ｂ）は光スイッチ素子を用いた場合と、光スイッチ素子を用いない場合とを対比した波長変換後の平均パワー特性の説明図である。
【図６】図６は別実施形態を示すレーザ光源装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明によるレーザ光源装置及びレーザパルス光生成方法の実施形態を説明する。図１には、本発明によるレーザ光源装置１の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、ファイバ増幅部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａ等を制御する制御部１００を備えて構成されている。
【００３２】
光源部１Ａには、種光源１０と、種光源用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。ファイバ増幅部１Ｂには、それぞれレーザダイオードで構成される励起用光源２１，３１及び合波器２２，３２を備えた二段のファイバ増幅器２０，３０と、光アイソレータＩＳＬ２，ＩＳＬ３と、光スイッチ素子４０等を備えている。
【００３３】
固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１，コリメータＣＬ２等を備えている。波長変換部１Ｄは、第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれに非線形光学素子６０，７０を備えている。
【００３４】
種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「パルス光」とも記す。）が二段のファイバ増幅器２０，３０で増幅され、さらに一段の固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。
【００３５】
尚、ファイバ増幅器及び固体増幅器の数は特に限定されることはなく、パルス光に対する所望の増幅率を得るために適宜設定されればよい。例えば三つのファイバ増幅器を縦続接続し、その後段に二つの固体増幅器を縦続接続してもよい。
【００３６】
種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を適用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の周波数で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。
【００３７】
種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に入力されることによって波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。
【００３８】
種光源１０から出力されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ１を介して、初段のファイバ増幅器２０で増幅される。ファイバ増幅器２０，３０として、所定波長（例えば９７５ｎｍ）の励起用光源２１で励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。このようなファイバ増幅器２０の反転分布の寿命はミリ秒の位数であるため、励起用光源２１で励起されたエネルギーは１キロヘルツ以上の周波数のパルス光に効率的に転移されるようになる。
【００３９】
初段のファイバ増幅器２０で約３０デシベル増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２を介して後段のファイバ増幅器３０に入力されて約２５デシベル増幅される。後段のファイバ増幅器３０で増幅されたパルス光は、コリメータＣＬ１によってビーム成形され、光アイソレータＩＳＬ３，ＩＳＬ４を通過した後に固体増幅器５０に導かれて約２５デシベル増幅される。
【００４０】
本実施形態では、固体増幅器５０で生じる熱レンズ効果に対して効率的に光増幅されるように、ファイバ増幅器３０から出力されたパルス光が、当該コリメータＣＬ１によって固体増幅器５０の入射面直前にビームウェストが位置するようにビーム成形される。
【００４１】
コリメータＣＬ１と固体増幅器５０との間には、音響光学素子が組み込まれ光スイッチ素子４０として機能する音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を非線形光学素子６０に導く光アイソレータＩＳＬ４が配置されている。
【００４２】
尚、上述の光アイソレータＩＳＬ１〜ＩＳＬ４は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。
【００４３】
固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶やＮｄ：ＹＡＧ結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬ２によってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。
【００４４】
光スイッチ素子４０を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。
【００４５】
第１波長変換部１Ｅには非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。
【００４６】
反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。
【００４７】
第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。
【００４８】
制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内のメモリに記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータとメモリ及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。
【００４９】
具体的に、制御部１００は、種光源１０を所定の周期で駆動するゲインスイッチング制御処理と、種光源１０から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０が反転分布するように、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０の励起用光源２１，３１，５１を周期的に駆動制御する励起制御処理と、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御する光スイッチ制御処理等を実行するように構成されている。
【００５０】
ゲインスイッチング制御処理では、ゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。
【００５１】
励起制御処理では、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０に当該パルス光が入力される前に増幅可能なエネルギー状態となる反転分布状態が得られるように各励起用光源２１，３１，５１が周期的または間歇的に制御される。
【００５２】
従って、パルス光が入力されることのないときに不必要に励起用光源が駆動されることがないので各増幅器の発熱も低減される。本実施形態では、各励起用光源２１，３１，５１は、少なくとも種光源１０がオンされるタイミングよりも所定の励起開始時間だけ前に駆動され、種光源１０がオフされるタイミング、或いは種光源１０がオンされたタイミングから所定の励起終了時間の経過でオフされるように構成されている。
【００５３】
当該励起開始時間は、各増幅器２０，３０，５０の蛍光寿命に従って決定される値で、例えば蛍光寿命τの０．５〜３倍の値に設定される。個々の増幅器２０，３０，５０の蛍光寿命が異なるために、個々の増幅器２０，３０，５０の励起用光源２１，３１，５１を個別に駆動制御する必要がある。励起用光源２１，３１，５１の駆動回路をシンプルにするために、蛍光寿命が最長となる増幅器の励起開始時間に他の増幅器の励起開始時間を合わせてもよい。
【００５４】
光スイッチ制御処理では、光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭ１に入射する。ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。
【００５５】
ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると回折された光がファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフするとファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へ光の伝播が阻止される。
【００５６】
さらに、制御部１００は所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためにステージ７１を制御してステップ的に移動させるシフト制御処理を実行するように構成されている。
【００５７】
例えば、シフト制御処理では、波長変換された紫外線の強度をモニタし、モニタした強度の履歴が所定のパターンに一致するとステージ７１を移動させてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）へのパルス光の照射位置をシフトする。
【００５８】
パルス光の光軸に直交するＸ−Ｙ平面でステージ７１が移動可能となるように、ステージ７１は制御部１００によりモータドライバＤ３を介して制御されるＸ方向移動モータ及び／またはＹ方向移動モータに駆動連結されている。
【００５９】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）には、レーザ光源装置１の各部を伝播するパルス光の周波数特性が左側に示され、それらパルス光の時間軸特性が右側に示されている。これらの図で示す符号Ｓｎ（ｎは整数）は、図１に示すレーザ光源装置１の各部の出力ノードの光信号Ｓｎ（ｎ＝１，２，・・・）に対応する。
【００６０】
制御部１００から出力されるトリガ信号によって種光源１０であるＤＦＢレーザから中心波長１０６４ｎｍの狭帯域のレーザパルス光が所定の周期で出力される（図２（ａ）参照）。種光源１０から出力されたパルス光がファイバ増幅器２０に導かれて増幅される過程で自己位相変調やラマン散乱等によって不必要にスペクトル幅が広がり、さらにはＡＳＥノイズが発生して光パルスのＳ／Ｎ比が低下する（図２（ｂ）参照）。そのようなパルス光が後段のファイバ増幅器３０に導かれて増幅される過程でさらに広帯域化され、ＡＳＥノイズレベルが増大する（図２（ｃ）参照）。
【００６１】
所望の強度の深紫外のパルス光を得るために、ファイバ増幅器２０，３０で増幅されたパルス光を後段の固体増幅器５０でさらに大きなピークパワーに増幅する必要がある。しかし、波長変換部１Ｄで波長変換可能な波長範囲が各非線形光学素子６０，７０の特性によって制限されることから、増幅に要したエネルギーが効率的に波長変換に寄与しない。つまり波長変換効率が低下することになる。
【００６２】
固体増幅器５０の励起エネルギーがＡＳＥノイズの増幅や広帯域化したパルス光に無駄に消費される結果、エネルギー効率が大きく低下するという問題や、そのために励起エネルギーを大きくすると、発熱による素子の破損を回避するために大掛かりな冷却装置が必要となり、徒にレーザ光源装置１が高価になるという問題がある。パルス光の周波数がメガヘルツの位数より大きければ、ＡＳＥノイズは極僅かであるためさほど問題とならないが、パルス光の発振周波数が１メガヘルツよりも低い領域ではＡＳＥノイズの影響が顕著になる。
【００６３】
そこで、本実施形態では、制御部１００に制御され、時間領域でＡＳＥノイズ等を除去するノイズフィルタとして機能する光スイッチ素子４０を備えている。上述のスイッチ制御処理によって種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するように光スイッチ素子４０を制御することにより、非線形光学素子６０，７０からパルス光の出力を許容する出力許容状態を生成するように構成されている。
【００６４】
種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０へのＡＳＥノイズの伝播が阻止されるようになり、固体増幅器５０の活性領域のエネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる（図３（ｄ）の区間Ｔoff参照）。
【００６５】
そして、種光源１０からパルス光が出力される期間に制御部１００によって光スイッチ素子４０がオンされると、ファイバ増幅器３０から固体増幅器５０へパルス光が伝播するので（図３（ｄ）の区間Ｔon参照）、エネルギー効率よくパルス光が増幅されて（図３（ｅ）参照）、非線形光学素子から大きなピークパワーのパルス光が出力されるようになる。つまり、当該光スイッチ素子４０を時間領域でＡＳＥノイズを除去するフィルタとして機能させるのである。
【００６６】
制御部１００によって光スイッチ素子４０がオン制御される「種光源からのパルス光の出力期間」とは、種光源からパルス光が出力されている全期間のみを意味するのではなく、非線形光学素子により波長変換されたパルス光のピークパワーが適切な値を示す範囲であれば一部期間であってもよく、また種光源からパルス光が出力されている期間の前後の僅かな期間も含まれるような概念である。
【００６７】
出力許容状態で、制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフ制御される「種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間」とは、複数のパルス光の各出力期間の間の全期間、つまりパルス光が存在しない全期間のみを意味するのではなく、励起用光源によって励起された固体増幅器の活性領域のエネルギーがＡＳＥノイズで無駄に消費されることが低減できる範囲であれば、その一部期間も含まれるような概念である。
【００６８】
種光源１０から出力されるパルス光の周波数が１メガヘルツ以下のときに大きな効果があり、数百キロヘルツ以下、特に２００キロヘルツ以下の時に光スイッチ素子４０によるＡＳＥノイズ除去効果が顕著に現れる。
【００６９】
さらに、上述の励起制御処理によって、ファイバ増幅器２０，３０及び固体増幅器５０に当該パルス光が入力される前に増幅可能なエネルギー状態となる反転分布状態が得られるように、励起用光源２１，３１，５１が周期的にまたは間歇的に制御されるので、パルス光が入力されることのないときに不必要に励起用光源が駆動されることがなく、従って各増幅器での発熱が抑制されるようになる。
【００７０】
種光源１０の駆動周期と同期して励起用光源２１，３１，５１の駆動周期が決定され、種光源１０が停止されると励起用光源２１，３１，５１も同様に停止され、事前に大きな励起状態に至ることがないので、次に種光源１０が駆動された場合でも著しく大きなピークパワーのジャイアントパルスが出力され、波長変換装置等が熱破損するようなことがない。そして、種光源１０が周期的に駆動される場合でも、少なくとも励起用光源２１，３１，５１がオフされているときにはＡＳＥノイズは発生しないので、パルス光のＳＮ比が大きく低下することもない。
【００７１】
図４には、制御部１００によって実行される種光源１０、励起用光源２１，３１，５１及び光スイッチ素子４０に対する制御タイミングチャートが例示されている。
【００７２】
制御部１００は、基準とする時刻ｔ０で光スイッチ素子４０のＲＦドライバＤ２に対してゲート信号を出力し、所定の遅延時間の後、時刻ｔ３で種光源１０のドライバＤ１に対するトリガ信号をオン出力する。時刻ｔ４で緩和振動が発生した後の所定時刻ｔ５でトリガ信号をオフすることによって所定のパルス幅のパルス光Ｓ１が得られる。
【００７３】
尚、制御部１００が時刻ｔ５でトリガ信号をオフしてレーザ発振を停止させるのではなく、緩和振動が発生した種光源１０に対してドライバＤ１が所定時刻ｔ５で種光源１０のレーザ発振を停止させるように構成されていてもよい。この場合、トリガ信号のオフタイミングは任意に設定すればよい。
【００７４】
制御部１００は、時刻ｔ０から所定時間経過後、時刻ｔｅｏｎで励起用光源２１，３１，５１をオンし、時刻ｔｅｏｆｆつまり種光源１０のオフタイミングで励起用光源２１，３１，５１をオフする。時刻ｔｅｏｎは、種光源１０に対するトリガ信号の出力時刻ｔ３を基準に、上述の励起開始時間だけ遡った時刻となる。ここでは各増幅器の蛍光寿命のうちの最大の蛍光寿命τだけ遡った時刻に設定されている。
【００７５】
パルス光Ｓ１がファイバ増幅器２０，３０で増幅されてパルス光Ｓ３が得られる。このパルス光Ｓ３は広帯域化され、さらにＡＳＥノイズが重畳されている。
【００７６】
時刻ｔ０でオン出力されたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ２でオンし、時刻ｔ１でオフされたゲート信号によって光スイッチ素子４０が時刻ｔ６でオフする。光スイッチ素子４０がオンする時刻ｔ２からｔ６の間に、ファイバ増幅器３０で増幅され光スイッチ素子４０を通過した出力Ｓ４が固体増幅器５０に伝播する。
【００７７】
従って、光スイッチ素子４０がオンする時刻ｔ２からｔ６の間に、ファイバ増幅器３０で増幅され光スイッチ素子４０を通過した出力光Ｓ４、つまり種光源１０から出力されたパルス光Ｓ４が固体増幅器５０に伝播する。そして、光スイッチ素子４０がオフする時刻ｔ６からｔ７の間には、ＡＳＥノイズの固体増幅器５０への伝播が阻止されるので、固体増幅器５０の活性領域に蓄積された励起エネルギーが無駄に消費されることが回避されるようになる。尚、図４では、励起用光源２１，３１がオフされた間もＡＳＥノイズが発生しているように記されているが、実際にはこの間はＡＳＥノイズの発生はある程度抑制されている。
【００７８】
尚、図４では、ＲＦ信号が入力されて光スイッチ素子４０に回折格子が形成され、回折された光が固体増幅器５０へ伝播する状態をオンと表記し、光スイッチ素子４０に回折格子が形成されず、光が固体増幅器５０へ伝播することなく、零次光がダンパで減衰される状態をオフと表記している。光スイッチ素子４０へ出力する制御信号の論理は正論理及び負論理の何れであってもよい。
【００７９】
光スイッチ素子４０のオン時間は、できるだけＡＳＥノイズを除去できることが望ましいので、種光源１０で出力されたパルス光のパルス幅の１．５倍から１０倍の範囲に設定されていることが好ましく、１．５倍から３倍の範囲に設定されていることがさらに好ましい。例えば、種光源１０で出力されたパルス光のパルス幅が５０ピコ秒であれば、７５ピコ秒から５００ピコ秒に設定されていればよい。但し、制御部１００の制御周期によってその範囲は制限される場合がある。
【００８０】
図４で説明した例では、制御部１００は、光スイッチ素子４０に対する制御信号（ゲート信号）を基準に種光源１０及び励起用光源２１，３１，５１を制御するトリガ信号を出力するように構成されている。このように構成すれば、種光源１０から出力されるパルス光の応答性よりも光スイッチ素子４０の応答性が遅い場合であっても、光スイッチ素子４０に対する制御信号を基準に種光源１０を制御する制御信号を生成することで、適正に光スイッチ素子４０を駆動することができるようになる。
【００８１】
尚、種光源１０から出力されるパルス光の応答性よりも光スイッチ素子４０の応答性が十分に速い場合には、当然のことながら種光源１０に対する制御信号を基準に光スイッチ素子４０を制御することも可能である。
【００８２】
つまり、上述した制御部１００によって、種光源１０から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０が反転分布するように、２０，３０及び／または固体増幅器５０の励起用光源を周期的にまたは間歇的に制御するとともに、ファイバ増幅器３０と固体増幅器５０との間に配置された光スイッチ素子４０を制御して、種光源１０からのパルス光の出力期間に光の伝播を許容し、種光源１０からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を阻止するレーザパルス光生成方法が実行される。
【００８３】
図５（ａ）には、励起用の光源２１，３１，５１の駆動時のパワーを一定に維持した状態で、ＡＳＥノイズを除去する光スイッチ素子を用いた場合と、光スイッチ素子を用いない場合の波長変換後のパルスエネルギー特性が示され、図５（ｂ）には、ＡＳＥノイズを除去する光スイッチ素子を用いた場合と、光スイッチ素子を用いない場合の波長変換後の平均パワー特性が示されている。両図とも、黒丸でプロットした特性が光スイッチ素子を用いた場合の特性であり、黒四角でプロットした特性が光スイッチ素子を用いない場合の特性である。
【００８４】
図５（ａ），（ｂ）によれば、光スイッチ素子を用いてＡＳＥノイズを除去することにより、数十キロヘルツから数メガヘルツの周波数範囲で効果的にパルスエネルギー及び平均パワーが上昇していることが判る。
【００８５】
本発明は、ＤＦＢレーザを含む半導体レーザに対して、数百メガヘルツ以下の周波数で、且つ、数百ピコ秒以下のパルス幅で駆動するように構成された種光源を備えたレーザ光源装置に広く適用可能である。
【００８６】
以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述した実施形態に加えて、ファイバ増幅器２０，３０の後段にチャーピング現象や光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化したパルス光を狭帯域化するバンドパスフィルタを設けてもよい。
【００８７】
図６は、ファイバ増幅器２０の後段にバンドパスフィルタＢＰＦ１を設けた例が示されている。ファイバ増幅器２０で増幅される過程で広帯域化されるとともにＡＳＥノイズが重畳されたパルス光が、バンドパスフィルタＢＰＦ１でフィルタリングされて、ある程度狭帯域化されるとともにＡＳＥノイズが除去されたパルス光になって後段のファイバ増幅器３０に入力される。
【００８８】
種光源１０と光アイソレータＩＳＬ１とファイバ増幅器２０との間にバンドパスフィルタを設けて、種光源へのＡＳＥノイズの反射を回避するように構成してもよい。
【００８９】
上述した実施形態では、光スイッチ素子として超音波トランデューサのオンまたはオフによって１次回折光をオンまたはオフする音響光学素子を用いた例を説明したが、光スイッチ素子としてＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子を用いることも可能である。
【００９０】
さらに光スイッチ素子４０としてマイクロマシーニング技術で製作した微少な搖動ミラー（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されたミラー）を用いて、ファイバ増幅器３０の出力が固体増幅器５０に伝播するか否かを微少な搖動ミラーの搖動角度によって切り替えるように構成してもよい。また、偏光状態を動的に切替えて光の透過と遮断を制御可能な偏光デバイスを用いてもよい。つまり、光スイッチ素子が動的光学素子で構成されていればよい。
【００９１】
上述の実施形態では、各光増幅器２０，３０，５０の励起用光源２１，３１，５１を種光源１０の駆動周期と同じ周期で駆動する例を説明したが、ファイバ増幅器２０，３０の励起用光源２１，３１のみを種光源１０の駆動周期と同じ周期で駆動し、固体増幅器５０の励起用光源５１を連続駆動してもよいし、固体増幅器５０の励起用光源５１のみを種光源１０の駆動周期と同じ周期で駆動してもよい。つまり、励起制御処理は、種光源から出力されるパルス光の入力前にファイバ増幅器及び／または固体増幅器が反転分布するように、ファイバ増幅器及び／または固体増幅器の励起用光源を周期的に制御するように構成されていればよい。
【００９２】
例えば、種光源１０から出力されるパルス光の入力タイミングで光増幅器が反転分布状態になるように周期的にオン／オフ制御したり強度変調制御したりすればよい。さらには、種光源からのパルス光が入射されるまでの所定期間に励起用光源を間歇的に駆動することによって光増幅器を反転分布状態にしてもよい。
【００９３】
励起用光源２１，３１，５１をこのように制御すれば、種光源１０から出力されるパルス光が入力される前にファイバ増幅器２０，３０及び／または固体増幅器５０が反転分布状態になるように励起光が周期的または間歇的に駆動されるので、パルス光の増幅に寄与しない無駄なエネルギー消費や発熱を低減することができるようになる。
【００９４】
上述した実施形態では、種光源としてＤＦＢレーザを用いて、ＤＦＢレーザにゲインスイッチング法を適用することによって、単一縦モードで定常状態よりも高強度のパルス光を生成する例を説明したが、本発明は種光源として半導体レーザを用いるものであればよく、ＤＦＢレーザ以外の一般的なファブリペロー型の半導体レーザを用いることも可能である。
【００９５】
また、本発明は、発振波長が１０６４ｎｍとなる種光源に限定されるものでもなく、例えば、１０３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、９７６ｎｍ等、用途によって適宜異なる波長の種光源を選択することが可能である。さらに、非線形光学素子を介してこれらの波長を基本波とする高調波、和周波、差周波を発生させることも可能である。非線形光学素子として、上述以外の非線形光学素子を用いることも可能である。例えば、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＢＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶、ＳＢＢＯ結晶、ＫＡＢＯ結晶、ＢＡＢＯ結晶等を用いることができる。
【００９６】
上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９７】
１：レーザ光源装置
１０：種光源
２０，３０：ファイバ増幅器
４０：光スイッチ素子
５０：固体増幅器
６０，７０：非線形光学素子
【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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【国際調査報告】
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