(57)【要約】【課題】レーザ出力特性に変化なく、レーザ光の発振繰り返し周波数を変えることができるレーザ発振装置11を提供する。【解決手段】ＹＡＧロッド14を励起する励起光の発振パルスに対して所定のパルス数分ずつ間引いた励起光の発振パルスに同期してＥＯＱスイッチ素子16をスイッチング動作させ、レーザ発振させる。励起光の発振繰り返し周波数は変更せず、レーザ媒質であるＹＡＧロッド14に対する入熱条件を一定とし、ＥＯＱスイッチ素子16の駆動繰り返し周波数のみを変える。レーザ出力特性に変化なく、レーザ光の発振繰り返し周波数を変えることができる。【選択図】図１
2009289894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
このレーザ発振器内に設けられたレーザ媒質と、
このレーザ媒質を励起する励起光を一定の繰返し周波数で発振する励起光発振手段と、
前記レーザ発振器のレーザ発振を抑制する状態とレーザ発振させる状態とに切り換えるＱスイッチと、
前記励起光発振手段による励起光の発振パルスに対して所定のパルス数分ずつ間引いた前記励起光の発振パルスに同期して前記Ｑスイッチをレーザ発振を抑制する状態からレーザ発振させる状態にスイッチング動作させるスイッチング動作手段と
を具備していることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
スイッチング動作手段は、間引くパルス数を可変する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｑスイッチを備えたレーザ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザアブレーション、レーザ誘起蛍光分析、レーザピーニング等の分野では、パルス幅が数ｎｓｅｃ、ピークパワー１ＭＷ以上というジャイアントパルス（以下、ＧＰという）発振レーザ光が使用されている。
【０００３】
固体レーザにおいては一般にレーザ遷移の上準位寿命が長い。そこで、レーザ媒質を十分励起状態にしておき、レーザ発振器中に挿入されたＱスイッチでレーザ発振を抑えておき、レーザ媒質の蓄積エネルギが十分に大きくなったところで、Ｑスイッチをスイッチング動作させることにより、その瞬間にレーザ発振が短時間に起こるため、パルス幅が短くピークパワーの大きなＧＰ発振レーザ光が得られる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図９にＧＰ発振レーザ光を発振するレーザ発振装置１を示す。レーザ発振器２の中心軸上に、出力ミラー３、レーザ媒質としてのＹＡＧロッド４、Ｑスイッチ５、リアミラー６が配置され、ＹＡＧロッド４に対向してフラッシュランプ７が配置されている。
【０００５】
そして、フラッシュランプ７の励起光でＹＡＧロッド４が励起され、このＹＡＧロッド４から出る光がＱスイッチ５に入射する。Ｑスイッチ５が電圧印加によってレーザ発振を抑制する状態にある場合には、リアミラー６と出力ミラー３との間でレーザ発振が起きないため、ＹＡＧロッド４内にエネルギの蓄積が起こる。エネルギの蓄積が開始されてから、すなわちＹＡＧロッド４に励起を開始してから通常１００〜３００μｓｅｃディレイ時間が経過した後に、Ｑスイッチ５の電圧印加を停止してレーザ発振を許容すると、リアミラー６と出力ミラー３との間でレーザ発振が起き、ＧＰ発振レーザ光が出力ミラー３から出射される。
【０００６】
図１０に示すように、フラッシュランプトリガによってフラッシュランプ７が一定の繰返し周波数で励起光を発振し、この励起光の発振毎に、一定のディレイ時間をあけて発生するＱスイッチトリガによってＱスイッチ５がスイッチング動作し、ＧＰ発振レーザ光が得られる。
【０００７】
また、図１１に示すように、ＧＰ発振レーザ光を入射レンズ８で集光してコア径数１００ミクロン〜１ｍｍ程度の光ファイバ９に入射する場合、そのピークパワーが数ＭＷを超えるような場合には、ピークパワー密度がサブＧＷ／ｃｍ2〜ＧＷ／ｃｍ2オーダーと非常に高くなり、入射条件の違いで、電子なだれや多光子吸収による光ファイバ９の損傷が発生し、一瞬にして光ファイバ９が破壊されてビーム伝送が困難となる。
【０００８】
そこで、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を変える必要がある。従来は、フラッシュランプ７による励起光の発振繰り返し周波数を変えて行っている。
【０００９】
そこで、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を変える必要がある場合には、従来は、フラッシュランプ７による励起光の発振繰り返し周波数を変えて行っているが、その場合、レーザー媒質であるＹＡＧロッド４への熱入力の変化によりレーザビーム特性（ビーム口径、ビーム発散角、出力など）が変化するため、光ファイバ９への入射位置調整を再度実施する必要が生じていた。
【非特許文献１】レーザー学会編，「レーザーハンドブック」，オーム社，１９８２年１２月１５日，ｐ．２２１−２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
光ファイバへのレーザ光の入射に際しては、入射光量はもとより、入射口径、入射角など、光ファイバに対する空間的特性をある一定条件下に置いて実施する必要がある。
【００１１】
しかしながら、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を変えるのに、従来は励起光の発振繰り返し周波数を変えているため、レーザ媒質であるＹＡＧロッドへの入熱変化が生じ、この入熱変化に伴いレーザ光の空間的特性が変化するため、光ファイバに対する入射ビーム口径のマッチングを図るために、光ファイバに対する入射位置を調整する必要が生じる。
【００１２】
また、光ファイバへのレーザ光の入射に際しては、光ファイバの内部に焦点ができないように、光ファイバの手前で集光後に、発散したレーザ光を光ファイバに入射させているが、発振繰り返し周波数を低くすると、熱レンズ効果の作用が弱まり、ビーム発散角が小さくなるため、集光性が良くなり、焦点集光口径が小さくなる。すると、焦点位置近傍で空気の光学的絶縁破壊によるエアーブレークダウンが発生し、レーザ光を安定に光ファイバに伝送することができなくなる。このため、発振繰り返し周波数を色々な値に変えてレーザ光を光ファイバに伝送することは困難な場合がある。
【００１３】
このように、発振繰り返し周波数を変えたときに生じるレーザ光のビームパターンやビーム発散角の変化は、レーザ媒質であるＹＡＧロッドに対する励起光の入熱が変わることにより、熱レンズ効果の度合いが変わることにより生じる。
【００１４】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、レーザ出力特性に変化なく、レーザ光の発振繰り返し周波数を変えることができるレーザ発振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】
【００１５】
本発明は、レーザ発振器と、このレーザ発振器内に設けられたレーザ媒質と、このレーザ媒質を励起する励起光を一定の繰返し周波数で発振する励起光発振手段と、前記レーザ発振器のレーザ発振を抑制する状態とレーザ発振させる状態とに切り換えるＱスイッチと、前記励起光発振手段による励起光の発振パルスに対して所定のパルス数分ずつ間引いた前記励起光の発振パルスに同期して前記Ｑスイッチをレーザ発振を抑制する状態からレーザ発振させる状態にスイッチング動作させるスイッチング動作手段とを具備しているものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、励起光の発振繰り返し周波数は変更せずに常にレーザ媒質に対する入熱条件を一定とし、Ｑスイッチの駆動繰り返し周波数数のみを変えることで、レーザ光のビームパターンやビーム発散角などのレーザ出力特性に変化なく、レーザ光の発振繰り返し周波数を変えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１ないし図４に第１の実施の形態を示す。
【００１９】
図１に示すように、レーザ発振装置11は、ＧＰ発振レーザ光を発振するＥＯＱスイッチ電圧降下動作型のレーザ発振器12を備えている。このレーザ発振器12は、中心軸上に、出力ミラー13、レーザ媒質としてのＹＡＧロッド14、ポラライザ15、ＱスイッチとしてのＥＯＱ（Electro Optical Q）スイッチ素子（ポッケルスセル）16、リアミラー17が配置されている。出力ミラー13とリアミラー17との間でレーザ共振器18が構成されている。ＹＡＧロッド14に対向して励起光発振手段としてのフラッシュランプ19が配置されている。
【００２０】
ＥＯＱスイッチ素子16は、電気光学効果（ポッケルス効果とも言う）を利用したものであり、ある種の結晶（例えばＫＤ＊Ｐ単軸結晶）に電界を加えると電界方向成分を持つ偏光に対して屈折率が変化する現象で、加えた電圧に応じて結晶を通るとき偏光が変化するものである。ＥＯＱスイッチ素子16にλ／４電圧を印加すると、λ／４板として作用し直線偏光を円偏光に変換することが可能であり、λ／２電圧を印加するとλ／２板として作用し、入射した直線偏光の方向を９０度回転させることが可能となる。パルス幅が数ｎｓｅｃのＧＰ発振レーザ光を得るためには、応答性の早いＱスイッチングが必要となり、ＥＯＱスイッチ素子16にポッケルスセルが使用される。
【００２１】
また、レーザ発振装置11は、ディレイ機能付きの２チャンネル出力デジタルディレイジェネレータなどのパルス発生器21を備えている。このパルス発生器21にて、フラッシュランプトリガパルスと、このフラッシュランプトリガパルスに同期しかつ１００〜３００μｓｅｃ程度のＥＯＱ駆動ディレイ時間だけ遅らせたパルスカウンタ入力トリガとを発生する。フラッシュランプトリガパルスはフラッシュランプ電源22に入力され、このフラッシュランプ電源22にてフラッシュランプ駆動電圧をフラッシュランプ19に供給し、フラッシュランプ19を発光させる。パルスカウンタ入力トリガはスイッチング動作手段としてのパルスカウンタ23に入力され、このパルスカウンタ23のパルスカウンタ出力トリガ（ＥＯＱスイッチトリガ）がＥＯＱスイッチドライバ24に入力され、このＥＯＱスイッチドライバ24にてＥＯＱスイッチ駆動電圧をＥＯＱスイッチ素子16に供給し、ＥＯＱスイッチ素子16をオン／オフ駆動する。
【００２２】
また、レーザ発振器12から発振されたＧＰ発振レーザ光は、入射レンズ26で集光して光ファイバ27に入射される。
【００２３】
そして、図２(a)に示すように（図２の記号ａは光の進行方向、記号ｂは紙面に平行な直線偏光、記号ｃは紙面に垂直な直線偏光、記号ｄは円偏光時計回り、記号ｅは円偏光反時計回りを示す。）、フラッシュランプ19の励起光でＹＡＧロッド14が励起されると、このＹＡＧロッド14から出る光のうち直線偏光分がポラライザ15にて取り出されてＥＯＱスイッチ素子16に入射する。ＥＯＱスイッチ素子16にλ／４電圧を印加した状態にあると、ＥＯＱスイッチ素子16がλ／４板と同じ偏光動作を行い、ＥＯＱスイッチ素子16を通過した光が円偏光に変化する。この円偏光の光がリアミラー17で反射すると、偏光の回転が逆回転するため、再びＥＯＱスイッチ素子16に入射してこれを通過して戻ってきた光は、行きの光に対して偏光方向が９０度直交した直線偏光になる。このため、ポラライザ15を通過することができず、発振ができないため、光学的シャッタとしての機能を果たす。このとき、ＹＡＧロッド14内にエネルギの蓄積が起こる。
【００２４】
図２(b)に示すように、ＹＡＧロッド14内にエネルギの蓄積が開始されてから、すなわちＹＡＧロッド14に励起を開始してから、通常１００〜３００μｓｅｃディレイ時間が経過した後に、ＥＯＱスイッチ素子16のλ／４電圧の印加を停止すると、ＥＯＱスイッチ素子16のλ／４板としての機能が停止して、ポラライザ15を通過した行きの光は直線偏光のままＥＯＱスイッチ素子16を通過してリアミラー17で反射し、同じ方向の直線偏光のまま帰りの光となり、再びＥＯＱスイッチ素子16を通過してポラライザ15をそのまま通過するため、レーザ発振が可能となる。このような動作でＧＰ発振レーザ光が得られる。
【００２５】
ところで、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を様々に変えた場合においても、安定な光ファイバ伝送を行うには、前述のようにレーザ光の空間的特性が一定であることが必要となる。
【００２６】
ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を変える際に、励起光の発振繰り返し数を変えると、レーザ媒質であるＹＡＧロッド14に対する入熱が変わるため、レーザ出力特性が変化してしまう。特に空間的性能への影響が大きく、ビームパターンやビーム発散角の変化が顕著となる。これはＹＡＧロッド14の熱レンズ効果の変化により、ＹＡＧロッド14の円周方向における屈折率分布が変化するためである。
【００２７】
そこで、図３に示すように、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を変える手段として、ＥＯＱスイッチ素子16の電圧印加回数を変える。すなわち、パルスカウンタ23において、パルス発生器21より取り込んだパルスカウンタ入力トリガのパルスに対して、設定したパルス数分ずつ間引いたパルスをＥＯＱスイッチドライバ24に送り出すようにする。このパルスカウンタ23で間引くパルス数は、可変調整可能とする。
【００２８】
図４に示すように、例えば１０Ｈｚの発振に対し、パルスカウンタ23において、パルスカウンタ入力トリガの１パルス毎にパルスカウンタ出力トリガ（ＥＯＱスイッチトリガ）のパルスを発生させるように１パルス分間引くと、ＥＯＱスイッチドライバ24に出力されるパルスの周波数は５Ｈｚとなり、３パルス間引くと２．５Ｈｚになり、９パルス間引くと１Ｈｚとなる。元の発振繰り返し周波数をｆ、間引くパルス数をｎ、得られる発振繰り返し周波数をｆ’とすると、これらは以下の式で関係づけられる。
【００２９】
ｆ’＝ｆ／（ｎ＋１）
このように、ＥＯＱスイッチ素子16の印加パルスのみを制御して、ＧＰ発振レーザ光の発生回数（＝発振繰り返し周波数）を可変し、ＹＡＧロッド14に対する入熱を一定に保つことにより、ＧＰ発振レーザ光のビームパターンやビーム発散角などのレーザ出力特性を維持したまま、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数を可変することができる。なお、励起光の発振繰り返し周波数に対して間引いたパルス分のエネルギは消失するため、ＧＰ発振レーザ光の発振には影響がない。
【００３０】
よって、レーザ出力特性に変化がなく、ＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数の変更時における光ファイバ27の入射位置の調整を不要とすることができる。
【００３１】
次に、図５ないし図７に第２の実施の形態を示す。
【００３２】
ＥＯＱスイッチ電圧印加動作型のレーザ発振器12を用いている。このレーザ発振器12では、ＥＯＱスイッチ電圧降下型に対して、ＥＯＱスイッチ素子16とリアミラー17との間にλ／４板31を１枚追加しており、図７に示すように、ＥＯＱスイッチ素子16にλ／４電圧を印加した際にＧＰ発振レーザ光を発振するＥＯＱスイッチ電圧印加動作型に構成されている。
【００３３】
この電圧印加型方式（図７参照）では、電圧降下型方式（図３参照）に比べて、ＥＯＱスイッチ素子16に高電圧を印加している時間が短くなるため、ＥＯＱスイッチ素子16の結晶に掛かるダメージを低減することが可能となる。
【００３４】
そして、この実施の形態の構成において、パルスカウンタ23によるパルス間引き数を０、１、３、４、９と設定したＧＰ発振レーザ光の発振繰り返し周波数１０Ｈｚ、５Ｈｚ、２．５Ｈｚ、２Ｈｚ、１Ｈｚとし、レーザパルス幅７ｎｓｅｃ、パルスエネルギ１００ｍＪ（ピークパワー１５．７ＭＷ≒１１０ｍＪ／７ｎｓｅｃ）のＧＰ発振レーザ光を、入射レンズ26として焦点距離ｆ＝４０ｍｍの平凸レンズを用いて、その焦点の後方に配置されかつ入射口径φ７５０μｍとなる位置にコア径φ１０００μｍの光ファイバ（ステップインデックス型石英材質）27に入射角０．１ｒａｄで入射させる試験を行ったところ、ＧＰ発振レーザ光をそれぞれの発振繰り返し周波数において光ファイバ27に安定に伝送することができた。
【００３５】
次に、図１１に、レーザ発振装置11をレーザ誘起蛍光分析装置システムに用いた実施の形態を示す。
【００３６】
レーザ誘起蛍光分析装置システムでは、レーザ発振装置11から発振されたＧＰ発振レーザ光を伝送する光ファイバ27の出射側に照射用光学系41が接続され、この照射用光学系41からＧＰ発振レーザ光42を試料43に照射する。試料43は分析位置を可変調整するための駆動ステージ44にセットされている。
【００３７】
照射用光学系41に隣接して、試料43で発生する蛍光45を検出する蛍光導光光学系46が配置されている。この蛍光導光光学系46に蛍光45を伝送する光ファイバ47が接続され、この光ファイバ47にスペクトル計測するモノクロメータ48が接続され、モノクロメータ48にはスペクトルを撮影するＣＣＤカメラ49が配置されている。ＣＣＤカメラ49にはこのＣＣＤカメラ49で撮影されたスペクトルを収集して試料43中に含まれる元素を分析するデータ収集用コンピュータ50が接続されている。
【００３８】
そして、試料にＧＰ発振レーザ光42を照射して分析を行う場合には、パルス発生器21およびフラッシュランプ電源22よりレーザ発振器12のフラッシュランプ19を発光させるとともに、パルス発生器21からの信号を受けたパルスカウンタ23により所望の発振繰り返し周波数を設定し、このトリガ信号をＥＯＱスイッチドライバ24に与えてＥＯＱスイッチ素子16をスイッチング動作し、ＧＰ発振レーザ光42を発振する。
【００３９】
レーザ発振器12からのＧＰ発振レーザ光42を、入射レンズ26で光ファイバ27に伝送し、この光ファイバ27の出射側の照射用光学系41にて試料43に照射する。
【００４０】
ピークパワー数ＭＷのＧＰ発振レーザ光42が照射用光学系41にて数百μｍの直径で試料43に照射されると、照射パワー密度は数〜数十ＧＷ／ｃｍ2となり、このような場合、試料43は一瞬にしてプラズマ化される。このプラズマのエネルギを受けて試料43中に存在する各元素はそれぞれ固有の蛍光スペクトルを発光する。この蛍光スペクトルを蛍光導光光学系46で取り込んで光ファイバ47でモノクロメータ48に導き、ＣＣＤカメラ49で撮影する。このとき、蛍光スペクトルはプラズマ発光から数μｓｅｃ〜数百μｓｅｃ遅れて発光するため、パルスカウンタ23からのＧＰ発振レーザ光42の発振繰り返し周波数のトリガ信号を受け取ったＣＣＤカメラ49はその内部に備えたタイミング調整機構によって計測時間にディレイとゲートを設け、必要な蛍光スペクトルのみ計測できるようにする。計測結果をデータ収集用コンピュータ50で収集して、試料43中に含まれる元素の分析を行う。
【００４１】
また、試料43の様々な位置にＧＰ発振レーザ光42を照射して分析を行う場合には、駆動ステージ44の移動速度やＣＣＤカメラ49のデータ取り込み速度などの兼ね合いから、ＧＰ発振レーザ光42の発振繰り返し周波数を遅くした方が使い勝手が良い場合がある。
【００４２】
レーザ誘起蛍光分析装置システムに、ＧＰ発振レーザ光42の発振繰り返し周波数の可変機能を有するレーザ発振装置11を組み込むことで、ＧＰ発振レーザ光42の特性を変えず、光ファイバ入射光学系の調整を必要とせずに、ＧＰ発振レーザ光42の発振繰り返し周波数を可変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すレーザ発振装置の構成図である。
【図２】同上レーザ発振装置の動作を示し、(a)はレーザ光の発振を抑制した状態の説明図、(b)はレーザ光を発振する状態の説明図である。
【図３】同上レーザ発振装置のレーザ光発振のタイミングチャートである。
【図４】同上レーザ発振装置のパルスカウンタから出力するパルスの間引くパルス数と繰り返し周波数との関係を示す波形図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示すレーザ発振装置の構成図である。
【図６】同上レーザ発振装置の動作を示し、(a)はレーザ光の発振を抑制した状態の説明図、(b)はレーザ光を発振する状態の説明図である。
【図７】同上レーザ発振装置のレーザ光発振のタイミングチャートである。
【図８】同上レーザ発振装置を用いたレーザ誘起蛍光分析装置システムの構成図である。
【図９】一般的なレーザ発振装置を説明する説明図である。
【図１０】同上レーザ発振装置のレーザ光発振のタイミングチャートである。
【図１１】同上レーザ発振装置から光ファイバへのレーザ光の入射方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
11    レーザ発振装置
12    レーザ発振器
14    レーザ媒質としてのＹＡＧロッド
16    ＱスイッチとしてのＥＯＱスイッチ素子
19    励起光発振手段としてのフラッシュランプ
23    スイッチング動作手段としてのパルスカウンタ
【図１】
2009289894.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】
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【図８】
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【図９】
2009289894.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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