超高速微細加工に適した高出力紫外レーザーパルスの発生・スイッチング技術の開発
大阪大学 レーザー科学研究所
助教 椿本 孝治
（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016210）
キーワード：高出力紫外レーザー，ピコ秒レーザー，高速スイッチング，コヒーレント結合

１．研究の目的と背景

安定化し、出力が変動する。また、エネルギーの取り出し

ファイバーレーザー技術の目覚しい進展により、単一横を停止することによる熱の蓄積が、最悪の場合、増幅器のモードでありながら平均出力 10kW を超えるような連続破壊をもたらす。これを避けるために、最終段でスイッチ発振レーザーが市販されており、溶接や切断といった加工ングや強度変調を行う場合、kW を超える高出力、MHz分野では安定性やビーム品質が優れるファイバーレーザに達する高繰り返しに使えるスイッチング素子が存在しーが用いられるようになってきている。一方で、微細加工ていない。

分野においては、加工の精度向上のために熱変性の少ない

このような問題から、レーザーの高出力化、高繰り返しサブナノ秒以下の短パルスレーザーが求められており、加化とともに、安定で高速なレーザーパルス列整形技術の実工速度の向上のための高出力化が盛んに進められている。

現が切望されている。本研究では、高出力高繰り返し紫外しかしながら、ファイバーレーザーは、パルス動作には課

パルスレーザーに対して適用可能な高速スイッチング技

題があり、１パルスあたりのエネルギーが非線形効果や光術の確立を目的とした。

学素子の端面ダメージにより制限される。そのため、高出スイッチング方法には、コヒーレントビーム結合力化には、高繰り返し化が必要であり、数百 kHz から数（Coherent Beam Combining : CBC2））を応用する。CBCMHz で動作させることになる。

は、複数のレーザー光を束ね、ひとつのビームとして取りレーザー加工機側からの要求として、加工条件の最適化扱えるようにする技術である。この原理をパワーレーザーや加工速度の向上および加工領域の拡大のため、レーザーに応用することにより、レーザーの安定動作を実現しながパルスの高速 ON/OFF スイッチング、パルス列の強度制

ら高速にスイッチング、および強度変調を行うことが可能

御やパルス幅制御が求められている 1)。しかしながら、レとなる。CBC を利用した高速スイッチング、強度変調のーザーの高出力化、高繰り返し化は、安定的なレーザーパ

原理は、2 本のビームを同軸に重ね合わせて、位相差を制ルス制御を難しくしている。kW を超えるようなパルスレ御することによる強度変調である。この方法では、増幅器

ーザー装置では、高出力化には多段の増幅器を用いること出力までは強度変調を行わないため、増幅器の安定動作がになる。装置の前方段でパルスのスイッチングや強度変調可能である。また増幅後に強度変調器を挿入しないことかを行う場合、後方段に配置されたパワー増幅器の利得が不ら高出力レーザーにも対応することが可能である。

CW DFB-LD
発振器

LN強度変調器
短パルス発生器

SMF
増幅器

AO変調器
20ns

>150ps

バンドパス
フィルタ

電気信号
光ファイバー

帯域1.5nmレーザー光

帯域 10 GHz
LN位相変調器

LN位相変調器

コア径 20um コア径 55um
LMA
PCF
増幅器
増幅器

SMF
増幅器

SMF
増幅器

LMA
増幅器

λ/2

45度
旋光子

PBS
任意波形発生器2任意波形発生器133622A (Keysight)

図１結合制御器

BS
波長変換

PCF
増幅器

PD信号増幅器

PDA200C (Thorlab)
CompactRIO(FPGA 40MHz)
帯域250kHz
100ksps ADC/DAC

λ/4

PD1

PD2

SMF:シングルモードファイバー
PD:ピンダイオード
LMA:ラージモードエリアファイバー
DET10N (Thorlab 5ns)
PCF:フォトニッククリスタルファイバー

実験用レーザーシステムのブロックダイアグラム

にあるものとして、
図 2 のθ2 を採用するようにしている。

２．実験方法2・1 実験装置3)

図 1 に高速スイッチング実験に用いたレーザーシステ
ムのブロックダイアグラムを示す。レーザーの発振器には一連の処理を図 1 に示す結合制御器で計算し、LN 位相変調器を使って位相差にフィードバック制御を行うことで合成後の偏光を一定に保つ（位相差ロック）。

波長 1040nm、連続発振（CW）の DFB 半導体レーザー（LD）を使用した。発振器から出力されたレーザー光は、2・3 高速スイッチング・パルス列制御

LiNbO3（LN）強度変調器により、繰り返し 10MHz（最非線形結晶を使った波長変換では、レーザーの入射角、大）、パルス幅 150ps(最短)のパルス列に切り出す。次に、波長、偏光によって変換効率が大きく変化する。高効率な平均出力 10mW までシングルモードファイバー（SMF）

波長変換を行うためには、①基本波、および高調波の位相増幅器で増幅し、音響光学変調器（AO）とバンドパスフが揃っていること（位相整合）、②基本波と高調波の偏光ィルターを通すことでパルスの SN 比を向上させた。その方向が特定の方向であることが求められる。①については、後、ファイバーカップラにより 2 ビームに分岐した。分岐

結晶軸とレーザーの入射方向で決まる。②は結晶に入射すしたレーザー光を、LN 位相変調器と 3 段のファイバー増るレーザーの偏光に依存する。つまり、レーザーの偏光を幅器を使って、1 ビームあたり平均出力 30W まで増幅し最も変換効率が低くなる状態から、最も高くなる状態へ変た後、それぞれの偏光方向が直交するように半波長板を使化させることで、スイッチング動作を行うことが可能となって調整し、偏光ビームスプリッター（PBS）により、再る。図３に示すように、波長変換したいパルス数に相当すび 1 ビームに合成した。最後に、非線形結晶を使って波長る幅の電気信号を、図１の LN 位相変調器に印加し、合成変換を行い、紫外（347nm）光を発生させた。2 倍高調波

後のレーザーの偏光方向を瞬時に 90 度回転させる。これ発生には、長さ 20mm の LBO 結晶（Type-I）、3 倍高調により、スイッチング動作が行われる。

波には、長さ 20mm の LBO 結晶（Type-II）を使用した。
2・2 コヒーレント結合制御
偏光が直交する 2 ビームを合成した場合、2 ビーム間の位相差により、合成後の偏光状態が変化する。図 1 の装置
では、2 つのビームが異なる増幅光路をとるため、位相差は常に変動し、偏光状態はランダムとなる。スイッチングのためには、位相差を検出し、偏光状態を制御する必要がある。

図３

パルス列のスイッチング方法

位相差を検出するために、合成後のビームの一部を取り出し、1/4 波長板を使って片方のビームにπ/2 の位相遅れを追加したあとで、PBS により縦横の偏光成分に分離し３．実験成果
3・1 短パルスの発生てピンダイオード（PD1, PD2）で検出する。図２にそれぞれの PD で検出されるレーザー強度と位相差の関係をグラフで示す。このグラフから、合成後の偏光が直線となるのは、位相差が 0 又は±πなので、2 つの PD の検出値が一致する状態であることがわかる。位相差は、2 つのPD の検出値の差のアークサインから求めることができるが、図２に示すように、一つの検出値差から二つの解が得られる。実際の制御では、位相差が-π/2 からπ/2 の範囲

図４

CWLD から切り出したシードパルス

パルス幅 50ps のレーザー光を発生させるために、200ps、1V の電気パルスを発生する電子回路を製作した。
これをファブリーペロー（FP）タイプの半導体レーザー（LD）に組み込み、利得スイッチによる短パルス発生を試みたが、最短で 170ps のパルスまでしか得ることがで図２検出される強度と位相差の関係きなかった。これは、電気パルスの電圧が低いこともあるが、用いた LD の特性によるところが大きい。50ps 以下

1MHz である。この図から、LMA 増幅器により位相差変のパルス発生には、DFB タイプのより高出力な LD を選動が大きく増加していることがわかる。PCF 増幅器後で定する必要がある。また、利得スイッチによる短パルス発は逆に 10kHz 以上の変動が抑制されている。LMA は、

生では、発生したレーザー光が周波数チャープしており、PCF に比べて N.A.が大きく、ファイバー長が長いため、バンド幅が 1nm ほどに広がるため、ビーム結合での結合効位相差変動が大きくなったものと考えられる。

率が大きく低下した。そのため、本研究では、狭線幅の図６に結合後の平均出力と直線偏光度の時間変化を示CWLD の出力を強度変調器で 150ps のパルス列に切り出す。レーザーの波長 1040nm、パルス幅 150ps、繰り返しして使った（図４参照）。

周波数は 5MHz、1 ビームあたりの平均出力は約 30W とした。結合後出力は 60W、変動係数は 0.4%と、時間的に3・2 ビーム結合の安定性評価非常に安定している。直線偏光度は平均 90%、変動係数

発振器直後で分岐されたビームは異なる光路を通過し0.2%が得られ、安定に結合できていることがわかった。てくるため、ビーム間の位相差は常に変動している。空気中の伝播では、空気の揺らぎにより変動するが、大きく離3・3 3 倍高調波発生
図７に発生した 3 倍高調波（347nm）の平均出力の時間推移を示す。基本波出力は約 58W、パルス幅 150ps、繰り返し 5MHz である。3 倍高調波の平均出力は 20W、変換効率は直線偏光度を考慮すると、38%であった。3 倍高調波の発生は、焦点距離 508mm のレンズで 2 つの結晶の中間に集光して行った。集光強度は約 55MW/cm2 となった。同様に、繰り返しを 10MHz とした場合、3 倍高調波の平均出力は、11W、変換効率は 20%であった。

図５

各増幅器出力後の位相差変動れた空間ではないため、その周波数は 100Hz 程度とそれほど速くない。一方で、ファイバーを通過してくる場合は異なる空間を伝播することになり、位相差の変動は 1kHzを超えてくるため、高速な位相ロックフィードバックが必要となる 4）。
ビーム結合の安定性を評価するために、結合後のレーザー光に PBS を挿入し、偏光状態を計測した。図５は、位相ロックをしていない状態で PBS を通過したレーザー光

図７

3 倍高調波（347nm）の平均出力3・4 高速スイッチング動作をピンダイオードで計測し、パワースペクトルを取ったものである。つまり、ビーム間の位相差変動の周波数分解となる。なお、レーザーのパルス幅は 10ns、繰り返しは

図８

3 倍高調波変換効率の計算結果

図６に示したように、基本波での直線偏光度は 90%であり、これからスイッチングを行うと ON/OFF の SN 比は、10:1 となる。加工用のレーザー装置としては十分な
図６

2 ビーム結合後の直線偏光度の時間特性

SN 比とはいえない。図８はこの研究で採用した波長変換結晶を使った場合に得られる 3 倍高調波の変換効率を計算により求めたものである。ただし、集光による影響は無ものと考えられる。また、FPGA に対して外部からの同期視している。
今、ON 時に 50MW/cm2、OFF 時に 5MW/cm2

信号を入力できないため、レーザーの周波数とずれが生じ、の入射強度であるとすると、図８から、変換効率は 38%制御の最適化が完全におこなえないことも原因となってから 1%に変化するので、最終的な SN 比は 380:1 となり、いる。今後、制御系の高速化と同期が必要である。

波長変換をすることで大きく SN 比が改善される。
図９に 3 倍高調波光のスイッチングを行ったときのオ

図９

なお、繰り返し 10MHz においても同様のスイッチング特性が得られた。

3 倍高調波光のパルス列スイッチング動作と SN 比(a)10 パルスの切り出し、(b)OFF 部分の拡大シロスコープの波形を示す。図９(a)は 5MHz の繰り返しパルス列から 10 パルスのみを切り出した結果であり、(b)４．結論は OFF 部分を拡大した波形である。スイッチングにおけ本研究では、高出力紫外ピコ秒パルスレーザーを構築する立上がり、立下り時間は全くない。スイッチングの SNるとともに、コヒーレントビーム結合を応用した高速スイ比は、800:1 となっており、予測よりも高い SN が得られッチング技術の開発と原理実証をおこなった。結果として、た。これは、波長変換時に集光をおこなっていることで、SN 比が 800:1 の高速なスイッチングを実現した。本技術

球面波による位相整合のずれ、伝播時の強度変化などによは、高出力・高繰り返しパルスレーザーでの新たなスイッって予測よりも変換効率が低下するためである。

チング法として期待できる。

図１０にパルスの取り出し例を示す。レーザーの繰り返
し 5MHz に対して、ON/OFF を 1kHz で繰り返した。つまり、図１０(a)は、1kHz で 1 パルス出力される状態である。取り出しパルス数が増えてくると、振幅に変調がか謝辞本研究を遂行するにあたりご支援いただきました公益財団法人天田財団に心より感謝申し上げます．

かっている。また、(d)では、立ち上がりの遅れが見られる。これは、制御に使っている FPGA での処理で 10µs

参考文献の遅れが発生することで制御の収束に時間を要している

1)W. Wiechmann, L. Eyres, J. Morehead, J. Gregg, D.
Richard, W. Grossman, “Variable Pulse Duration
Laser for Material Processing,” J. Laser Micro.
Nanoen. 2(1), 64-68 (2007).
2)T. Y. Fan, “Laser beam combining for high-power,
high-radiance sources,” IEEE J. Sel. Top. QuantumElectron. 11(3), 567-577 (2005).
3)K. Tsubakimoto, H. Yoshida, and N. Miyanaga,"600 W green and 300 W UV light generated from aneight-beam, sub-nanosecond fiber laser system," Opt.
Lett. 42(17), 3255-3258 (2017).
4)Steven J. Augst, T. Y. Fan, and Antonio Sanchez,"Coherent

図１０

パルスの取り出し例。(a)1 パルス、(b)50 パル

ス、(c)500 パルス、(d)4000 パルス。

beam

combiningandphasenoisemeasurements of ytterbium fiber amplifiers," Opt.
Lett. 29(5), 474-476 (2004).