(57)【要約】【課題】光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を提供すること。【解決手段】連続レーザ光を出力する光源と、前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器と、前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器と、を備え、前記前段光増幅器は、前記連続レーザ光を、前記後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅する。【選択図】    図１
2008258323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続レーザ光を出力する光源と、
前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器と、
前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、
前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器と、
を備え、前記前段光増幅器は、前記連続レーザ光を、前記後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅することを特徴とするパルスレーザ装置。
【請求項２】
前記前段増幅器および/または前記後段増幅器は、増幅用光ファイバとしてコア部に希土類元素を添加したダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。
【請求項３】
前記光変調器は、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーザ装置。
【請求項４】
前記光変調器は、前記増幅した連続レーザ光のうち前記音響光学素子を透過した残余光の光路を変更する光路変更手段と、前記光路を変更した残余光を受光して熱に変換する受光熱変換手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載のパルスレーザ装置。
【請求項５】
前記光変調器は、前記パルスレーザ光の出力側に該パルスレーザ光の波長の光を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のパルスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器を用いて連続レーザ光を変調し、パルスレーザ光を生成するパルスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、連続レーザ光を出力する光源と、この光源に光変調器を接続し、連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成するパルスレーザ装置が開示されている（特許文献１）。このパルスレーザ装置は、連続レーザ光を出力する光源に光変調器を接続し、光変調器を所定の周期およびデューティー比でオン／オフすることによって連続レーザ光を強度変調してパルスレーザ光を生成したのち、光ファイバ増幅器を用いてこの生成したパルスレーザ光を増幅し、所望の光強度のパルスレーザ光を得るものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４８０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のパルスレーザ装置は、光ファイバ増幅器内で発生した自然放出光が増幅されてＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光となり、不必要かつ不安定にレーザ発振することがあった。そして、この不安定なレーザ発振が起こると、出力するパルスレーザ光の光強度が不安定になるとともに、雑音が増大するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、連続レーザ光を出力する光源と、前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器と、前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器と、を備え、前記前段光増幅器は、前記連続レーザ光を、前記後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記前段増幅器および/または前記後段増幅器は、増幅用光ファイバとしてコア部に希土類元素を添加したダブルクラッド光ファイバを用いた光ファイバ増幅器であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、前記増幅した連続レーザ光のうち前記音響光学素子を透過した残余光の光路を変更する光路変更手段と、前記光路を変更した残余光を受光して熱に変換する受光熱変換手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るパルスレーザ装置は、上記の発明において、前記光変調器は、前記パルスレーザ光の出力側に該パルスレーザ光の波長の光を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、前段光増幅器が、連続レーザ光を、後段光増幅器において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅するので、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照して本発明に係るパルスレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。図１に示すように、このパルスレーザ装置１は、連続レーザ光を出力する光源２と、光源２に接続し、連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器３と、前段光増幅器３に接続し、増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器４と、光変調器４に接続し、パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器５と、を備える。そして、前段光増幅器３は、連続レーザ光を、後段光増幅器５において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅する。
【００１４】
すなわち、パルスレーザ装置１は、前段光増幅器３と後段光増幅器５とを備え、前段光増幅器３は時間平均した光強度が高い連続レーザ光を増幅するので、前段光増幅器３において自然放出光がレーザ発振することを防止することができる。さらに、前段光増幅器３は、光変調器４の挿入損失や光変調器４が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、連続レーザ光を、後段光増幅器５において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度まで増幅する。その結果、前段光増幅器３および後段光増幅器５のいずれにおいても自然放出光がレーザ発振しないので、パルスレーザ装置１は、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力することができる。
【００１５】
なお、従来のパルスレーザ装置では、連続レーザ光を光変調器で変調してパルスレーザ光を生成した後、生成したパルスレーザ光を単一の光増幅器で増幅して所望の光強度のパルスレーザ光を得ていたので、この単一の光増幅器として比較的高い利得を有するものを用いていた。その結果、光増幅器内で発生する自然放出光も高い利得で増幅されるため、自然放出光が容易にレーザ発振するおそれがあった。また、生成したパルスレーザ光のデューティー比が高い場合は、パルスレーザ光の光強度の時間平均が低くなるため、パルスレーザ光の光強度に対する自然放出光の光強度が相対的に高くなり、レーザ発振が一層起こりやすかった。
【００１６】
以下、パルスレーザ装置１について具体的に説明する。図２は、図１に示す光源２の構成を模式的に表した概略図である。図２に示すように、光源２は、連続レーザ光を出力する半導体レーザダイオードであるＬＤ２１と、ＬＤ２１に接続し、狭い帯域の光を反射するファイバブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）であるＦＢＧ２２ａを形成した光ファイバ２２とを備える。ＦＢＧ２１は、ＬＤ２１が出力する連続レーザ光の中心波長を含む狭い帯域の光を反射することで、ＬＤ２１に対して外部光共振器として作用する。その結果、光源２は、スペクトル幅が狭い連続レーザ光を出力する光源として動作する。光源２から出力する連続レーザ光の特性は、たとえば中心波長が約１０５３ｎｍ、スペクトル幅が５ｐｍ以下、光強度が約２３０ｍＷである。なお、光ファイバ２２のＦＢＧ２２ａを形成した部分の近傍にヒータやペルチェ素子などの温度調整手段を取り付け、温度を変化させることによってＦＢＧ２２ａの反射波長を変化させて、連続レーザ光の波長を制御してもよい。
【００１７】
つぎに、前段光増幅器３について説明する。図３は、図１に示す前段光増幅器３の構成を模式的に表した概略図である。図３に示すように、前段光増幅器３は、極めて高い光出力を実現できるダブルクラッド型の光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ３１と、光アイソレータとシングルモード光ファイバによって接続した光合波器であるＴＦＢ（Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｕｎｄｌｅ）３２と、半導体レーザなどの励起光源３３−１〜３３-ｎ（ｎは整数）と、ＴＦＢ３２と励起光源３３−１〜３３-ｎとを接続するマルチモード光ファイバ３４−１〜３４-ｎと、ＴＦＢ３２に接続した増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５と、を備える。また、図４は、図３に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。図４に示すように、増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５は、希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）のイオンを添加したコア部３５ａと、コア部３５ａの外周に形成したコア部３５ａよりも屈折率が低い内部クラッド部３５ｂと、内部クラッド部３５ｂの外周に形成した内部クラッド部３５ｂよりも屈折率が低い外部クラッド部３５ｃと、を備え、屈折率プロファイル３６を有するものである。
【００１８】
この前段光増幅器３は以下のように動作する。まず、励起光源３３−１〜３３-ｎは波長９００〜９８０ｎｍの励起光を出力し、マルチモード光ファイバ３４−１〜３４-ｎは出力した励起光をＴＦＢ３２へ導波し、ＴＦＢ３２は導波した励起光を増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５へ結合する。ここで、増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５へ結合した励起光は、コア部３５ａおよび内部クラッド３５ｂをマルチモードで伝搬しながら、コア部３５ａに添加したＹｂイオンを光励起する。それと同時に、ＴＦＢ３２は、光アイソレータ３１を通過して入力した連続レーザ光を、増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５へ結合する。ここで、増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５へ結合した連続レーザ光は、コア部３５ａをシングルモードで伝搬しながら、励起状態にあるＹｂイオンと相互作用し、誘導放出作用によって光増幅される。一方、励起状態にあるＹｂイオンのうち、連続レーザ光と相互作用しないものは、広い帯域を有する自然放出光を所定の確率で発生する。この自然放出光は励起状態にあるＹｂイオンと相互作用し、光増幅されてＡＳＥ光となるが、連続レーザ光の光強度が十分に高いため、レーザ発振を起こすまでには増幅されない。なお、前段光増幅器３が、入力する連続レーザ光の光強度に対して利得が飽和する利得飽和領域で動作するものであれば、前段光増幅器３において発生する自然放出光の光強度が減少するので、より確実に自然放出光のレーザ発振を防止できる。
【００１９】
また、上述したように、前段光増幅器３は、後述する光変調器４の挿入損失や光変調器４が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、連続レーザ光を、後段光増幅器５において自然放出光がレーザ発振しない程度の光強度、たとえば７Ｗまで増幅する。
【００２０】
つぎに、光変調器４について説明する。図５は、図１に示す光変調器４の構成を模式的に表した断面概略図である。図５に示すように、光変調器４は、筐体４１内に、コリメータレンズを備える光入力部４２ａおよび光出力部４２ｂと、二酸化テルルからなる音響光学素子４３と、圧電素子などの超音波印加手段４４と、光路変更手段である光学プリズム４６と、受光熱変換手段４７とを備える。また、筐体４１の外部には、超音波印加手段４４に接続した信号発生器４５を備える。また、受光熱変換手段４７は、球状の空洞４７ｃａを有する熱変換部４７ｃと、レンズ４７ａと、レンズ４７ａを保持して熱変換部４７ｃに固定するレンズホルダ４７ｂとを備える。
【００２１】
つぎに、光変調器４の動作を説明する。図６、７は、図５に示す光変調器４の動作を説明する説明図である。まず、図６に示すように、信号発生器４５は所望の繰返し周期およびパルス幅のパルス電圧を超音波印加手段４４へ出力し、超音波印加手段４４は音響光学素子４３に所望の繰返し周期および時間幅で超音波を印加し、音響光学素子４３内に音響波を発生させる。その結果、音響光学素子４３内に屈折率が高い部分からなる回折格子４３ａが所望の周期および時間幅で形成される。そして、光入力部４２ａに入力した連続レーザ光Ｌ１は、回折格子４３ａによって周期的に回折して１次光であるパルスレーザ光Ｌ２となり、光出力部４２ｂから所望の繰返し周期およびパルス幅のパルスレーザ光Ｌ３として出力する。このパルスレーザ光Ｌ３は、たとえば周期が１００ｋＨｚであり、パルス幅は１０ｎｓｅｃであり、デューティー比は０．１％である。また、光変調器４の時間平均した挿入損失はたとえば１４ｄＢであり、連続レーザ光Ｌ１の光強度が７Ｗの場合は、パルスレーザ光Ｌ３のピークの光強度は０．７Ｗ程度となる。
【００２２】
一方、図７に示すように、光入力部４２ａに入力した連続レーザ光Ｌ１のうち、回折格子４３ａによって回折せず、音響光学素子４３を透過した残余光Ｌ４は、反射面にＨＲコートを施した光学プリズム４６によって光路を角度９０度だけ変更され、受光熱変換手段４７に入力する。そして、受光熱変換手段４７において、レンズホルダ４７ｂに保持されたレンズ４７ａは、残余光Ｌ４を受光し拡散して拡散光Ｌ５とし、熱変換部４７ｃは、空洞４７ｃａが形成する内表面で拡散光Ｌ５を繰り返し多重反射させながら光強度を減衰し、消失させる。すなわち、拡散光Ｌ５のエネルギーは拡散光Ｌ５が多重反射している間に熱に変換され、変換した熱は熱変換部４７ｃ全体に拡散し、空冷により消失する。その結果、残余光Ｌ４が筐体４１に照射されて筐体４１の温度が上昇し、熱変形や接着剤の溶融が発生するなどの悪影響が防止される。特に、光変調器４において生成するパルスレーザ光のデューティー比がたとえば０．１％と小さい場合は、連続レーザ光Ｌ１の光強度のほとんどが残余光Ｌ４となる。この場合、光入力部４２ａに入力した連続レーザ光Ｌ１の光強度が高い場合には、残余光Ｌ４が筐体４１に照射されると筐体４１に悪影響を及ぼすおそれが特に強くなるので、本実施の形態のように熱変換部４７ｃにおいて残余光Ｌ４のエネルギーを消失させる効果が特に顕著となる。
【００２３】
なお、熱変換部４７ｃは、アルミニウムなどの金属やセラミックスなどの、高融点、高温耐性であって、熱伝導性の高い材料からなることが好ましい。また、熱変換部４７ｃの内表面に、レイデント処理、ＮｉＰ無電解メッキなどのメッキ処理、黒アルマイトなどの表面処理を施して、内表面の光の吸収係数を高めてもよい。また、熱変換手段４７と筐体４１との間に断熱材を介在させ、熱変換手段４７から筐体４１への熱伝導を防止することが好ましい。この断熱材としては、デルリン（登録商標）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、熱可塑性ポリイミドなどの高温耐性、高断熱性であって、アウトガスの少ない断熱用樹脂が好ましい。さらに、熱変換部４７ｃに冷却フィン、冷却ファン、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの冷却手段を取り付けて、変換した熱の消失効率を高めてもよい。
【００２４】
つぎに、後段光増幅器について説明する。図８は、図１に示す後段光増幅器５の構成を模式的に表した概略図である。図８に示すように、後段光増幅器５は、前段光増幅器３と同様の構成を有し、極めて高い光出力を実現できるダブルクラッド型の光ファイバ増幅器であって、光アイソレータ５１と、ＴＦＢ５２と、励起光源５３−１〜５３-ｎと、マルチモード光ファイバ５４−１〜５４-ｎと、増幅用ダブルクラッド光ファイバ５５と、を備える。また、増幅用ダブルクラッド光ファイバ５５は、図４に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバ３５と同様の断面および屈折率プロファイルを有する。
【００２５】
この後段光増幅器５は、上述した前段光増幅器３と同様に動作する。そして、前段光増幅器３が、光変調器４の挿入損失や光変調器４が生成するパルスレーザ光の時間平均した光強度などを加味した上で、適切な光強度まで連続レーザ光を増幅しているので、後段光増幅器５は自然放出光がレーザ発振せずに動作するものとなる。その結果、後段光増幅器５は、光強度が安定し、雑音が抑制されたパルスレーザ光を出力する。
【００２６】
つぎに、本実施の形態に係るパルスレーザ装置１の具体的な出力特性について説明する。パルスレーザ装置１において、光源２から中心波長１０５３．１０６ｎｍ、線幅５ｐｍ、光強度２３１ｍＷの連続レーザ光を出力し、この連続レーザを前段光増幅器３によって７Ｗの光強度まで増幅し、この増幅した連続レーザ光を光変調器４によって変調し、繰り返し周期１００ｋＨｚ、パルス幅１０ｎｓｅｃ、デューティー比０．１％、ピーク光強度０．７Ｗのパルスレーザ光を生成し、この生成したパルスレーザ光を後段光増幅器５によってパルス光のピークの光強度が４０２Ｗとなるまで増幅して出力した。図９は、パルスレーザ装置１から出力した光の時間−光強度特性を模式的に示す図であり、図１０は、パルスレーザ装置１から出力した光のスペクトルを模式的に示す図である。図９に示す時間−光強度特性において、符号Ｓ１はパルスレーザ光成分を示し、符号Ｓ２はＡＳＥ光成分を示す。ここで、パルスレーザ光成分Ｓ１の光強度は安定しており、ＡＳＥ光成分Ｓ２においてレーザ発振を示すピークは観測されなかった。また、図１０のスペクトルにおいて、符号Ｓ３はパルスレーザ光成分を示し、符号Ｓ４はＡＳＥ光成分を示す。ここで、パルスレーザ光成分Ｓ３の光強度およびスペクトル形状は安定していた。また、ＡＳＥ光成分Ｓ４の光強度は、パルスレーザ装置１から出力した光の全強度の２５％程度を占める高い強度であったが、ＡＳＥ光成分Ｓ４においてレーザ発振を示すピークは観測されず、スペクトル形状も安定していた。
【００２７】
なお、上記実施の形態において、光変調器４が生成したパルスレーザ光の出力側に、このパルスレーザ光の波長を選択的に透過するバンドパスフィルタを備えてもよい。図１１は、光変調器４の変形例である帯域透過フィルタを備えた構成を模式的に表した断面概略図である。この光変調器４０は、図５に示す光変調器４に誘電体多層膜フィルタからなるバンドパスフィルタ４８を備えたものであり、バンドパスフィルタ４８が前段光増幅器３において発生した自然放出光を遮断することによって、後段光増幅器５においてより確実に自然放出光のレーザ発振を防止できるとともに、後段光増幅器５において励起光からパルスレーザ光へのエネルギー変換効率を高めることができる。なお、バンドパスフィルタ４８は、パルスレーザ光Ｌ２の出力側に備えたので、バンドパスフィルタ４８に入力する光強度は、連続レーザ光Ｌ１が入力する側に備えた場合よりも低くなる。その結果、バンドパスフィルタ４８は光による破損が発生しにくいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係るパルスレーザ装置の構成を模式的に表した概略図である。
【図２】図１に示す光源の構成を模式的に表した概略図である。
【図３】図１に示す前段光増幅器の構成を模式的に表した概略図である。
【図４】図３に示す増幅用ダブルクラッド光ファイバの模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示す図である。
【図５】図１に示す光変調器の構成を模式的に表した断面概略図である。
【図６】図５に示す光変調器の動作を説明する説明図である。
【図７】図５に示す光変調器の動作を説明する説明図である。
【図８】図１に示す後段光増幅器の構成を模式的に表した概略図である。
【図９】パルスレーザ装置から出力した光の時間−光強度特性を模式的に示す図である。
【図１０】パルスレーザ装置から出力した光のスペクトルを模式的に示す図である。
【図１１】図５に示す光変調器の変形例である帯域透過フィルタを備えた構成を模式的に表した断面概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１        パルスレーザ装置
２        光源
２１      ＬＤ
２２      光ファイバ
２２ａ    ＦＢＧ
３        前段光増幅器
３１、５１  光アイソレータ
３２、５２  ＴＦＢ
３３−１〜３３−ｎ、５３−１〜５３−ｎ  励起光源
３４−１〜３４−ｎ、５４−１〜５４−ｎ  マルチモード光ファイバ
３５、５５  増幅用ダブルクラッド光ファイバ
３５ａ    コア部
３５ｂ    内部クラッド部
３５ｃ    外部クラッド部
３６      屈折率プロファイル
４、４０  光変調器
４１      筐体
４２ａ    光入力部
４２ｂ    光出力部
４３      音響光学素子
４３ａ    回折格子
４４      超音波印加手段
４５      信号発生器
４６      光学プリズム
４７      受光熱変換手段
４７ａ    レンズ
４７ｂ    レンズホルダ
４７ｃ    熱変換部
４７ｃａ  空洞
４８      バンドパスフィルタ
５        後段光増幅器
【図１】
2008258323.tif 000003
【図２】
2008258323.tif 000004
【図３】
2008258323.tif 000005
【図４】
2008258323.tif 000006
【図５】
2008258323.tif 000007
【図６】
2008258323.tif 000008
【図７】
2008258323.tif 000009
【図８】
2008258323.tif 000010
【図９】
2008258323.tif 000011
【図１０】
2008258323.tif 000012
【図１１】
2008258323.tif 000013