(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短光パルスの強度・位相情報を前記超短光パルスのスペクトルに基づく再構築方法であって、
被再構築の対象となる超短光パルスから標的となる線形スペクトルと標的となる第２高調波スペクトルを得る工程と、
予測される初期パルスを設定する工程と、
前記初期パルスをフーリエ変換して線形スペクトルを求める第１の工程と、
前記線形スペクトルの強度を前記標的となる線形スペクトルの強度に置換修正（補正）し、修正スペクトルを求める第２の工程と、
前記修正スペクトルを逆フーリエ変換して構築パルスを求める第３の工程と、
前記構築パルスを２乗してフーリエ変換し第２高調波スペクトルを求める第４の工程と、
前記第２高調波スペクトルの強度を前記標的となる第２高調波スペクトルの強度に置換修正（補正）し、修正第２高調波スペクトルを求める第５の工程と、
前記修正第２高調波スペクトルを逆フーリエ変換して平方根を求めて再構築パルスを得る第６の工程と、
前記再構築パルスをフーリエ変換したスペクトルと前記標的となる線形スペクトルの誤差が所定値以下となるまで、前記再構築パルスを前記初期パルスに変えて前記第１の工程乃至前記第６の工程を繰り返すことを特徴とする超短光パルスの強度・位相情報再構築方法。
【請求項２】
レーザー光での加工部近辺の散乱光をサンプリングする手段と、
加工時の予測パルスの選定手段と、
この選定されたパルスをフーリエ変換して線形スペクトルを求める手段と、
この線形スペクトルの強度を上記レーザー光の散乱光から得た標的となる線形スペクトルの強度に置換修正（補正）する手段と、
この修正スペクトルを逆フーリエ変換して構築パルスを求める手段と、
この構築パルスを２乗してフーリエ変換し第２高調波スペクトルを求める手段と、
この第２高調波スペクトルの強度を上記レーザー光の散乱光から得た標的となる第２高調波スペクトルの強度に置換修正（補正）する手段と、
この修正第２高調波スペクトルを逆フーリエ変換して平方根を求めて再構築パルスを得る手段と、
前記再構築パルスをフーリエ変換したスペクトルと前記標的となる線形スペクトルの誤差が所定値以下となるまで、
これら一連の操作の繰り返しを行う制御手段と、
この再構築パルスでレーザー発振器を制御・調整する手段と
から構成される事を特徴とするレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーからの超短光パルスの強度・位相情報を再構築して確認する手段およびこの手段を用いるレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光からの超短光パルスの強度・位相情報を得ることは、それ自体が物理的に興味ある課題となるだけでなく、そのレーザー光を用いた種々の応用計測あるいは応用装置において非常に有用である。
【０００３】
すでに高速な光検出器を用いることなく、超短光パルスの強度・位相情報を再構築する手法として、干渉相関繰り返し計算法（ＩＲＩＳ）（非特許文献１）や、周波数分解光ゲート法（ＦＲＯＧ）といった手法が提案されている。
【０００４】
しかしながらこれらの手法は自己相関器を利用しているため、たとえば半導体レーザーからの利得変調パルスのように数１０ピコ秒の時間幅を持つパルスを測定対象とした場合、長い遅延距離に渡り精密に干渉計測を行う必要があり技術的な困難を伴っていた。
【０００５】
一方、レーザー加工機などに利用され、光パルスの自己相関波形を測定して光パルスの瞬時周波数変動（チャープ）特性を決定する方式が提案されている（特許文献１）。この方式は、光強度パルスのピーク強度による被加工物の破壊を防ぐため、パルス幅を知ろうとするものであるが、レーザービームを直接取り出しており、被加工位置近辺でのビーム取出しは、場所的に、機構的に難しく、また測定結果にもとづきビームを調整することまでは考えられていなかった。
【０００６】
【非特許文献１】長沼和則「干渉相関法の超高速光計測への応用」，応用物理，６２，９１５〜９１８
【特許文献１】特開２００６−２９８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザー加工において入射パルス波形のその場観測を行うために、非特許文献１、特許文献１に記載の装置のように、自己相関器を用いたり、レーザー照射位置付近に光パルス計測装置を組み込むなどの、構成を避けようとするものである。
【０００８】
ゆえに、この発明では自己相関器を用いずに、位相を保持された予測パルスの強度と、標的となる現実の光パルスから得た線形および非線形スペクトルの強度とを、一定条件の下に置換修正操作を繰り返し（繰り返し計算）、予測パルスをベースに現実の光パルスの強度・位相情報を再構築し、もって現実の光パルスの状態を把握しようとするもので、かつその状況から現実の発振パルスを制御しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明にあっては、超短光パルスの強度・位相情報を前記超短光パルスのスペクトルに基づく再構築方法であって、
被再構築の対象となる超短光パルスから標的となる線形スペクトルと標的となる第２高調波スペクトルを得る工程と、
予測される初期パルスを設定する工程と、
前記初期パルスをフーリエ変換して線形スペクトルを求める第１の工程と、
前記線形スペクトルの強度を前記標的となる線形スペクトルの強度に置換修正（補正）し、修正スペクトルを求める第２の工程と、
前記修正スペクトルを逆フーリエ変換して構築パルスを求める第３の工程と、
前記構築パルスを２乗してフーリエ変換し第２高調波スペクトルを求める第４の工程と、
前記第２高調波スペクトルの強度を前記標的となる第２高調波スペクトルの強度に置換修正（補正）し、修正第２高調波スペクトルを求める第５の工程と、
前記修正第２高調波スペクトルを逆フーリエ変換して平方根を求めて再構築パルスを得る第６の工程と、
前記再構築パルスをフーリエ変換したスペクトルと前記標的となる線形スペクトルの誤差が所定値以下となるまで、前記再構築パルスを前記初期パルスに変えて前記第１の工程乃至前記第６の工程を繰り返すことを特徴とする超短光パルスの強度・位相情報再構築方法で、予測パルスをベースにして現実の超短光パルスの強度・位相を持った再構築パルスを得ようとするものである。
【００１０】
さらにこの発明は、レーザー光での加工部近辺の散乱光をサンプリングする手段と、レーザー加工に望ましい予測パルスの選定手段と、この選定されたパルスをフーリエ変換して線形スペクトルを求める手段と、このスペクトルの強度を標的となるレーザー光の散乱光から得た線形スペクトルの強度に置換修正（補正）する手段と、この修正されたスペクトルを逆フーリエ変換して構築パルスを得る手段と、この構築パルスを２乗してフーリエ変換し第２高調波スペクトルを得る手段と、この第２高調波スペクトルの強度を標的となるレーザー光の散乱光から得た第２高調波スペクトルの強度に置換修正（補正）する手段と、この修正第２高調波スペクトルを逆フーリエ変換して平方根を求めて再構築パルスを得る手段と、前記再構築パルスをフーリエ変換したスペクトルと前記標的となる線形スペクトルの誤差が所定値以下となるまで、これら一連の操作の繰り返し（計算）を行う制御手段と、この再構築パルスでレーザー発振器を制御する手段とから構成されることを特徴とするレーザー加工装置で、実際の加工レーザー光を、望ましい任意のパルスをベースにして、望ましい強度・位相を持ったレーザーパルスに再構築しようとするものである。
【発明の効果】
【００１１】
半導体レーザーからの利得変調パルスのように数１０ピコ秒の超短光パルスを測定する場合、相関測定では１０ｃｍ以上の遅延差が必要になり測定制度・観測時間の点から困難が伴ったが、この発明ではこのような困難は存在しない。
【００１２】
さらにレーザー加工の分野では、加工パルス形状により加工部分の品質に差異が生じ、また被加工材料に対応してパルス形状を変える必要があり、パルス形状の制御は重要である。さらに高強度のレーザービームの一部を取り出して、相関測定を行うことは困難であったが、この発明では、望ましい任意のパルスの位相・強度を、加工近傍の散乱光を利用して得た標的となる現実のレーザーパルスの強度スペクトルに置換修正（補正）し、かつ繰り返し操作（計算）で再構築パルスを得、この再構築パルスと同じパルスを照射するようにレーザー発振器を調整・制御することができるので、被加工部分の品質の上昇が望まれる。また、従来は自己相関器を用いて照射パルスをチエックしていたが、時間的遅れが生じ、あるいは、加工部近辺からの照射パルスのサンプリングができず、迅速な加工パルスの変更・修正は不可能であったが、本発明は自己相関器を用いる必要がないので装置の簡略化ができ、時間的遅れが生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
超短光パルスをサンプリングしたスペクトルから、線形スペクトル・第２高調波スペクトルとを得、一方これらと任意に選定した位相を保持したスペクトル間で、フーリエ変換・逆変換を繰り返し、強度の置換修正（補正）操作を繰り返し行い、任意のパルスをベースに現実の超短光パルスの強度・位相を持った再構築パルスを得ようとするもので、かつレーザー加工対応にさせるものである。
【００１４】
以下図面に従いこの発明を説明する。
図１において、Ａはレーザー発振器で、Ｂはレーザー発振器Ａから発振されたレーザー光（パルス）である。このレーザー光Ｂは、ミラーＣでその光路が曲げられ、レーザー照射口Ｄから加工部材Ｅを照射してこれを加工する。このとき加工部近辺からの発生した散乱光（散乱スペクトル）Ｆは、加工部近辺に配置されている既知の分散特性を持つ光ファイバーＧ、Ｈ（サンプリング手段）によりその一部がサンプリングされ、ファイバーＧでサンプリングされた散乱光Ｆからは測定器Ｉを介して線形スペクトルＪを得、他方のファイバーＨからの散乱光Ｆからは、非線形光学結晶Ｋ、測定器Ｌを介して非線形（第２高調波）スペクトルＭを得る。
【００１５】
Ｎはコンピュータで、繰り返し操作（計算）を行い、レーザー光パルス（加工パルス）の再構築を行うもので、以下に詳細に説明するが、レーザー加工に最適として選定された位相を保持された予測パルスと、上記の現実の測定結果に伴う線形スペクトルおよび非線形（第２高調波）スペクトルと間で、その位相・強度を比較し置換修正（補正）し、フーリエ変換、逆フーリエ変換、繰り返し操作（計算）などの操作を繰り返して、予測パルスをベースとした加工用パルスの再構築が行われ、この再構築パルスが帰還ループＯを介して、レーザー発振器Ａの分散補償機構Ｐにフィードバックされ、結果的にレーザー発振器Ａの発振パルスが、この再構築パルスとなるように調整・制御されるものである。
【００１６】
次に図２で、パルスの再構築の状況を説明を付記した矢印｛番号（１）、（２）、・・｝に従い順番に説明する。また、（Ｑ）（Ｊ）（ｊ）（Ｍ）（ｍ）は、図中に説明しているがそれぞれスペクトル（パルス）を示す。
【００１７】
まずパルスの選定手段で予測される初期（予測）パルス（Ｑ）を得る。
（１）の操作、この初期パルス（複素光電界）（Ｑ）をフーリエ変換し、線形（強度）スペクトル（ｊ）を得る。
【００１８】
（２）の操作、次いでこのスペクトル（ｊ）の内部位相は保持し、その強度を、現実のレーザー光の散乱スペクトル（測定結果）から得た線形スペクトル（Ｊ）の強度に置換修正（補正）する。
【００１９】
（３）の操作、次いで逆フーリエ変換をし、複素光電界（パルス強度波形）（Ｑ−１）を得る。
【００２０】
（４）の操作、このパルス（Ｑ−１）を２乗してフーリエ変換し、第２高調波スペクトル（ｍ）を得る。
【００２１】
（５）の操作、このスペクトル（ｍ）の内部位相を保持し、その強度を、現実のレーザー光の散乱スペクトル（測定結果）から得た第２高調波非線形スペクトル（Ｍ）の強度に置換修正（補正）する。
【００２２】
（６）の操作、次いで逆フーリエ変換の平方根をとり複素光電界（パルス強度波形）（Ｑ―２）を求める。
【００２３】
以上の（１）〜（６）を１ループとして繰り返し操作（計算）を行う。そして各ループにおいて再構築された光パルスの線形スペクトルと現実の線形スペクトルとの誤差を見積もり、例えば誤差が１％以下と成るまで繰り返し（操作）計算を行う。
【００２４】
以上の結果レーザーの超短光パルスの強度・位相情報の再構築が可能となり、この再構築したパルスで、レーザー発振器をフィードバック調整・制御することにより、超短光パルスであるレーザー光が制御できることとなる。
【００２５】
次に図３にしたがって具体的な構成・動作を説明する。なお、この図で図１、図２と同じ符号は、同じものを示す。
図において３１は予測パルスの選定器で、ここで予測選定されたパルスＱは、つぎのパルス保持部３２で保持される。なおこのパルス保持部３２は、後述のようにフーリエ変換、あるいは逆フーリエ変換後の構築あるいは再構築パルスＱ−１、Ｑ−２も保持する。
【００２６】
３３はフーリエ変換部で、パルス保持部（３２）のパルス（複素電界）Ｑをフーリエ変換して線形（強度）スペクトルｊを得る。
【００２７】
Ｇは、既知の分散特性を持つ光ファイバーＧ（サンプリング手段）で、このファイバーＧによってサンプリングされたレーザー加工部近辺からの散乱光は、測定器Ｉで、線形スペクトルＪを得る。
【００２８】
３４は置換修正（補正）部で、その内部位相を保持しながら上記の線形スペクトルｊと、レーザー加工部近辺からの散乱光から得た上記の線形スペクトルＪとを比較し、スペクトルｊをスペクトルＪの強度に置換修正（補正）する。
【００２９】
この線形スペクトルＪの強度に置換修正（補正）されたパルスは、次いで逆フーリエ変換部３５を介してパルス保持部３２に構築パルス（複素光電界）Ｑ−１として保持される。
【００３０】
次いでこの構築パルスＱ−１は、２乗部３６、フーリエ変換部３７を介して、（第２高調波）強度スペクトルｍとなる。
【００３１】
一方、レーザー加工部近辺から既知の分散特性を持つ光ファイバーＨでサンプリングされた散乱光は、非線形光学結晶Ｋを介して測定器Ｌで非線形スペクトルＭとなる。
【００３２】
３８は置換修正（補正）部で、これは上記と同じように、その内部位相を保持する第２高調波の強度スペクトルｍは、上記の散乱光から得た非線形スペクトルＭの強度と比較され、その強度に置換修正（補正）される。
【００３３】
次いでこの修正非線形パルスは、逆フーリエ変換部３５を介し、さらに平方根部３９を介してパルス保持部３２に再構築パルス（複素光電界）Ｑ−２となる。
【００３４】
以上の操作を各ループにおいて再構築された光パルスの線形スペクトルと、標的の線形スペクトルの誤差を見積もり、例えば誤差が１％以下となるまで繰り返し計算を実行し、この繰り返し置換修正されたパルスで以って、帰還ループＯを介して、レーザー発振器Ａの分散補償機構Ｐにフィードバックすることにより、望ましい再構築パルスＱ−２でのレーザー加工が可能となる。
【００３５】
なお、Ｎは、これらの各種の繰り返し計算を行うコンピュータであるが、この図では、あくまで動作、その機能を説明するために、一点差線の枠の中でブロック表示してその働きを示した。
【実施例】
【００３６】
超短光パルスを使用するとき、加工材料によって最適なパルス条件（ピーク強度、時間幅）が存在すると思われるが、一般的に材料に対する最適照射（加工）パルスは判明していないことが多い。
【００３７】
そこで加工対象物によって照射パルスの変更を必要とするが、従来は自己相関器を用いて照射パルスをチエックしていたが、時間的遅れが生じ、あるいは、加工部近辺からの照射パルスのサンプリングができず、迅速な加工パルスの変更・修正は不可能であった。
【００３８】
この発明は、加工材料に対して適応な予測パルスを選択しその位相を保持したままでのこの予測パルスを、加工部近辺の散乱光を既知の分散特性を持つ光ファイバーなどでサンプリングし、かつそこから得た線形スペクトル、あるいは非線形スペクトルの強度に置換修正（補正）して再構築パルスを得、この再構築パルスを利用してレーザー発振器の調整、あるいは自動制御ができるように構成されているので、加工材料にふさわしい加工が可能となる。
【００３９】
以下図４に示すように，半導体レーザーのパルス発振動作を記述するレート方程式による数値計算を行うことにより、提案する光パルス再構築法の妥当性を確認した。
半導体レーザーのパルス発振動作がレート方程式に従うことは、多くの文献によって示されている。例えば次の論文が挙げられる。
池上徹彦：“半導体レーザーの直接変調”，応用物理，４７，ｐｐ．８１２−８２６（１９７８）
したがって、半導体レーザー動作解析におけるレート方程式を用いた数値計算は、実験的な実証に近いシミュレーションとして認識され、かつ一般的に信頼性は高い。
【００４０】
図４（１），（２）の上側にはレート方程式を用いた数値計算によって得られた光パルスの線形スペクトルと第２高調波スペクトルを示す。
【００４１】
図４（１）は通常の励起条件の場合の線形スペクトルと第２高調波スペクトルを示し、図４（２）は強励起条件の場合の各種スペクトルを示す。なお、強励起条件の下では、パルス波形に後部裾引き（テイリング）が生じやすく，また内部瞬時周波数（位相）変動も大きくなる傾向がある。
【００４２】
これらのスペクトルを標的として、この発明におけるパルス再構築を実行した結果、各図下側に描いた破線で示すパルス強度および内部瞬時周波数変化の再構築結果を得た。これらの図中に記入してあるように実線は直値、点線は再構築パルスを示す。
【００４３】
図４（１）のように、パルス波形が時間軸上で左右対称的である場合だけでなく、図４（２）のようにパルス波形に後部裾引き（テイリング）がある場合も、計算から直接得られたパルス波形（再構築波形・・点線で示す）が内部瞬時周波数変化の真値（実線）にほぼ一致することを確認した。
【００４４】
これらの計算において、再構築アルゴリズムを起動する際には、いずれも図４（３）に示す選定パルス（初期パルス）を用いた。選定パルス（初期パルス）の時間波形はガウス関数を仮定し、その幅は、線形スペクトルより予想される時間幅の数倍程度に設定すると、真値に収束しやすいことが経験的にわかっている。また、内部瞬時周波数の変化は、時間に対して直線的に周波数が減少する線形ダウンチャープを仮定している。その傾きをパラメータとして、解が収束する（計算過程のスペクトルと標的スペクトルの間の誤差が１％以内に収まる）まで走査した。この例では、図４（３）に示す周波数チャープの傾きに設定したとき、図４（１），（２）いずれの場合も１０回程度の計算ループを経て解は収束した。
【００４５】
ここでは、半導体レーザーからの数１０ピコ秒の時間幅をもつパルスに対して、本再構築手法が適用可能であることを示したが、より短い時間幅の光パルス（フェムト秒パルス）を対象とする場合も、標的スペクトルのスペクトル帯域が拡がる分、アルゴリズム内で、時間および周波数スケールを変換することにより、本手法は、問題なくフェムト秒パルスにも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図は、この発明の概要を説明する概略図である。
【図２】図は、この発明のパルス再構築の状況を説明する図である。
【図３】図は、この発明の構成概略図で模式的に説明する図である。
【図４】図は、この発明の可能性を数値計算で証明する図である。（１）は通常に励起条件の場合、（２）強励起条件の場合を示し、（３）は選定パルス（初期パルス）を示す。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ  レーザー発振器
Ｂ  レーザービーム
Ｃ  ミラー
Ｄ  レーザー照射口
Ｅ  加工部材
Ｆ  散乱光
Ｇ，Ｈ  光ファイバー
Ｉ，Ｌ  測定器
Ｊ，ｊ  線形スペクトル
Ｋ  非線形光学結晶
Ｍ，ｍ  非線形（第２高調波）スペクトル
Ｎ  繰り返し計算用コンピユータ
Ｏ  帰還ループ
Ｐ  分散補償機構
Ｑ  任意（初期）パルス
Ｑ−１  構築パルス
Ｑ−２  再構築パルス
３１  任意パルス選定器
３２  パルス保持部
３３，３７  フーリエ変換部
３４，３８  置換修正部
３５  フーリエ逆変換部
３６  ２乗部
３９  平方根部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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