レーザ光源
【課題】出力パルスレーザ光のエネルギを安定化できるレーザ光源を提供する。
【解決手段】レーザ光源１は、制御部１０、光増幅性ファイバ１１、励起光源１２、光スイッチ１３、駆動回路１４、モニタ部１５、出力光パワー調整器１６、全反射ミラー１７、レンズ１８Ａ、レンズ１８Ｂ、ダイクロイックミラー１９を備える。光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａと全反射ミラー１７とがレーザ共振器を構成する。制御部１０は、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときにモニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【解決手段】レーザ光源１は、制御部１０、光増幅性ファイバ１１、励起光源１２、光スイッチ１３、駆動回路１４、モニタ部１５、出力光パワー調整器１６、全反射ミラー１７、レンズ１８Ａ、レンズ１８Ｂ、ダイクロイックミラー１９を備える。光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａと全反射ミラー１７とがレーザ共振器を構成する。制御部１０は、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときにモニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の光路が光通過可能状態となっているときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をパルス発振するレーザ光源は、励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、を備えている。
【０００３】
このレーザ光源では、Ｑスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が大きい値に設定されているときに、励起手段による励起エネルギ供給によりレーザ媒質の反転分布が高められ、その後にＱスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が小さい値に設定されると、レーザ共振器の共振光路上に配置されているレーザ媒質において誘導放出が短期間に発生する。この誘導放出光がレーザ共振器から外部へレーザ光として出力される。
【０００４】
このようなレーザ光源は、ピークパワーが高いパルスレーザ光を出力することができることから、電子・機械関係の加工用途、医療用レーザメス、測長等の計測用途など、広く利用されている。例えば加工用途では、加工の為に照射されるレーザ光は、５％p-p程度の出力パワー安定度が要求されている。しかし、従来のレーザ光源では、パルス出力の安定度は必ずしも良くは無い。
【０００５】
なお、パルスレーザ光のエネルギおよびパワーのうち何れが重要であるかは、溶接・切断などの加工の種類および加工対象の種類に依存する。一般的な傾向として、従来の熱的な加工を行う場合は、パルスレーザ光のエネルギが重要である。これに対して、アブレーションなどフェムト秒パルスが必要となる加工では、パルスレーザ光のパワー密度（Ｗ／ｃｍ２）も重要な要素となり、１０１５Ｗ／ｃｍ２を超えるパワー密度でパルスレーザ光の吸収の効率が飛躍的に向上する。
【０００６】
特許文献１，２には、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することを意図したレーザ光源が開示されている。これらの文献に開示されたレーザ光源では、レーザ共振器から外部へ出力されたパルスレーザ光の一部が分岐されて取り出され、その分岐されて取り出されたパルスレーザ光のパワーがモニタされる。そして、このモニタ結果に基づいて、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーが安定化されるようフィードバック制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３３１７２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１，２に開示されたようなフィードバック制御を行うレーザ光源であっても、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーは不安定である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することができるレーザ光源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】
【００１０】
本発明に係るレーザ光源は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源であって、(1) 励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、(2) レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、(3) 励起手段による励起エネルギ供給に応じたものであり、共振器内の光路の途中から取り出された光のパワーをモニタするモニタ部と、(4) レーザ共振器の共振器損失を変調し、共振器損失に応じモニタ部に出力する光路を切替えるＱスイッチ手段と、(5) レーザ共振器から出力されたレーザ光を増幅または減衰する出力光パワー調整器と、(6)レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態でモニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された際に出力するレーザ光パルスのエネルギを安定化するように共振器における物理的パラメータを制御するとともに、出力されるレーザ光パルスのピークパワーを安定化するように出力光パワー調整器の利得または損失を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るレーザ光源では、制御部は、モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいてレーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御するで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化するのが好適である。ここで、物理的パラメータとしては、励起エネルギ、共振器の発振波長、共振器の反射率、Ｑスィッチ手段の損失（Ｑスィッチ手段の分岐比）がある。この場合には、モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、レーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御することにより、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギが安定化される。
【００１２】
本発明に係るレーザ光源は、Ｑスイッチ手段を有し、Ｑスイッチ手段は、一対のポートがレーザ共振器の一部を構成し、残りのポートの一つがレーザ共振器内の光パワーの一部をモニタするために使用されるのが好適である。光スイッチは、音響光学効果を利用したものであるのが好適であり、電気光学効果を利用したものであるのが好適であり、また、ピエゾ光学効果を利用したものであるのも好適である。
【００１３】
本発明に係るレーザ光源では、制御部は、共振器損失が第１の所定の損失に設定された期間の最後のモニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化するのが好適である。この場合には、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギが更に安定化される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。
【図２】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の出力パルス波形を示す図である。
【図３】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１のパルス出力時以外の時間帯の出力光波形を拡大して示す図である。
【図４】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の各出力パルスのピークパワーおよび１パルス当りのエネルギを示す図表である。
【図５】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。
【図６】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【図７】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。
【図８】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
【００１８】
先ず、本発明に係るレーザ光源の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。この図に示されるレーザ光源１は、制御部１０、光増幅性ファイバ１１、励起光源１２、光スイッチ１３、駆動回路１４、モニタ部１５、出力光パワー調整器１６、全反射ミラー１７、レンズ１８Ａ、レンズ１８Ｂおよびダイクロイックミラー１９を備える。
【００１９】
光増幅性ファイバ１１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバであって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＥｒ元素やＹｂ元素等である。光増幅性ファイバ１１の一方の端面１１ａは垂直へき開面とされており、光増幅性ファイバ１１の他方の端面１１ｂは無反射コーティングが施されている。
【００２０】
励起光源１２は、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源１２は好適にはレーザダイオードを含む。ダイクロイックミラー１９は、この励起光源１２から出力された励起光を入力して、この励起光をレンズ１８Ａへ反射させる。レンズ１８Ａは、ダイクロイックミラー１９から到達した励起光を入力して、この励起光を光増幅性ファイバ１１の端面１１ａに集光し入射させる。また、レンズ１８Ａは、光増幅性ファイバ１１の蛍光性元素から放出されて端面１１ａから出力された光を入力して、その光をコリメートしてダイクロイックミラー１９へ出力する。ダイクロイックミラー１９は、このレンズ１８Ａから到達した光を入力して、この光を透過させる。
【００２１】
光スイッチ１３は、第１ポート１３ａ，第２ポート１３ｂおよび第３ポート１３ｃを有する。第１ポート１３ａは全反射ミラー１７と光学的に接続され、第２ポート１３ｂはモニタ部１５と光学的に接続され、また、第３ポート１３ｃはレンズ１８Ｂを介して光増幅性ファイバの端面１１ｂと光学的に接続されている。光スイッチ１３は、駆動回路１４により駆動されて動作し、第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路および第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。
【００２２】
この光スイッチ１３は、音響光学効果を利用したものであってもよいし、電気光学効果を利用したものであっても良いし、また、ピエゾ光学効果を利用したもの（例えばＣＶＩ社製のもの）であってもよい。光スイッチ１３が音響光学効果を利用したものである場合、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されていないときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されずにモニタ部１５へ出力され、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されて全反射ミラー１７へ出力される。なお、これとは逆に、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されていないときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されずに全反射ミラー１７へ出力され、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されてモニタ部１５へ出力されるようにしてもよい。
【００２３】
レンズ１８Ｂは、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光を入力し、この光を光スイッチ１３の第３ポート１３ｃに入力させる。また、レンズ１８Ｂは、光スイッチ１３の第３ポート１３ｃから出力された光を入力し、この光を光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂに入力させる。全反射ミラー１７は、光スイッチ１３の第１ポート１３ａから出力された光を全反射させ、その反射させた光を光スイッチ１３の第１ポート１３ａに入力させる。
【００２４】
モニタ部１５は、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂから出力された光を受光し、その受光した光のパワーをモニタする。モニタ部１５の受光面で反射した光が光スイッチ１３の第２ポート１３ｂに戻るのを防止するため、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂから到達する光の光軸に対してモニタ部１５の受光面が垂直で無いのが好ましく、また、モニタ部１５の受光面の反射率が−４０ｄＢ以下であるのが好ましい。光増幅性ファイバ１１の濃度条長積が充分に大きければ残留励起光が少ないが、光増幅性ファイバ１１の濃度条長積が小さい場合には、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから残留励起光が出力されるので、光スイッチ１３とモニタ部１５との間に励起光遮断の為の光フィルタ（不図示）が設けられるのが好ましい。
【００２５】
出力光パワー調整器１６は、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａから出力されてレンズ１８Ａおよびダイクロイックミラー１９を透過した光を入力して、この光を増幅または減衰して出力する。すなわち、出力光パワー調整器１６は光増幅器または光減衰器である。出力光パワー調整器１６の増幅率または減衰率は可変である。
【００２６】
制御部１０は、モニタ部１５による光モニタ結果を入力し、励起光源１２による励起光の出力を制御し、駆動回路１４による光スイッチ１３の状態設定を制御し、また、出力光パワー調整器１６による光パワー調整を制御する。
【００２７】
このように構成されるレーザ装置１において、励起光源１２から連続出力された励起光は、ダイクロイックミラー１９により反射され、レンズ１８Ａにより集光されて、レーザ媒質である光増幅性ファイバ１１の端面１１ａに入力し、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起する。すなわち、これらの構成要素は、レーザ媒質である光増幅性ファイバ１１に励起エネルギを連続的に供給する励起手段として作用する。
【００２８】
また、光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となっているときには、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａと全反射ミラー１７との間の光学系がファブリペロ型のレーザ共振器を構成しており、そのレーザ共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１が配置されている。また、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路が光通過可能状態となっているときには、上記レーザ共振器の共振損失が極大となり、レーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１から出力された光はモニタ部１５によりモニタされる。このように、光スイッチ１３および駆動回路１４は、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段として作用して、レーザ共振器からパルスレーザ光を出力させることができる。
【００２９】
そして、制御部１０は、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で（第２光路が光通過可能状態となっているときに）モニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された状態で（第１光路が光通過可能状態となっているときに）出力されるレーザ光パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化するように制御する。より好適には、制御部１０は、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が極小であるときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【００３０】
より具体的には、制御部１０は、励起光源１２から光増幅性ファイバ１１に供給される励起エネルギの大きさを制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。或いは、制御部１０は、出力光パワー調整器１６の利得または損失を制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。
【００３１】
第１実施形態に係るレーザ光源１の具体的な構成例は以下のとおりである。光増幅性ファイバ１１は光導波領域にＹｂ元素が添加された光ファイバであり、励起光源１２はＹｂ元素を励起し得る波長９１５ｎｍ帯の励起光を出力し、このとき、光増幅性ファイバ１１は波長１.０６μｍ帯の蛍光を放出する。光増幅性ファイバ１１は、長さが１０ｍであり、コア直径が１０μｍであり、内クラッド直径が１２５μであり、波長９１５ｎｍ帯非飽和吸収が１０.７６ｄＢ／ｍである。励起光源１２から光増幅性ファイバ１１に供給される波長９１５ｎｍ帯励起のパワーは６.３Ｗである。光スイッチ１３は音響光学効果を利用したもの（ＡＯスイッチ）であり、駆動回路１４はＡＯスイッチ１３にＲＦ電圧を印加する。ＡＯスイッチ１３のスイッチング繰り返し周波数は１０ｋＨｚであり、ＡＯスイッチ１３のスイッチング所要時間は５００ｎｓである。
【００３２】
図２は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の出力パルス波形を示す図である。図３は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１のパルス出力時以外の時間帯の出力光波形を拡大して示す図である。また、図４は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の各出力パルスのピークパワーおよび１パルス当りのエネルギを示す図表である。制御部１０による安定化制御を行わない場合、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光の一部がＡＯスイッチ１３の第３ポート１３ｃで反射して当該反射光が光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂに入力し、その戻り光比が−２３ｄＢｃ程度であるので、レーザ光源１の出力光波形は緩和振動的なものとなっている。また、図４からは、総じて、奇数番のパルスが強く、偶数番のパルスが弱いことが見て取れる。
【００３３】
図５は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。図６は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。図７は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。また、図８は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【００３４】
なお、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前とは、ＡＯスイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となってレーザ共振器からパルスレーザ光が出力される直前のことである。また、レーザ共振器の共振器損失が極小でない期間とは、上記第１光路が光通過可能状態となっていない期間のことである。
【００３５】
これらの図から判るように、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間（特に、極小となる直前）にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と、出力パルス光のエネルギ値またはピークパワー値との間には、良好な相関がある。したがって、パルスエネルギが安定であることが要求される熱加工の場合等では、制御部１０により、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間（特に、極小となる直前）にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値に基づいて、励起光源１２による励起光の出力または出力光パワー調整器１６による光パワー調整をフィードフォワード制御することで、出力パルス光のパルスエネルギを安定化することができる。
【００３６】
本実施形態に係るレーザ光源１における制御部１０による制御はフィードフォワード制御であるので、励起光源１２による励起光の出力パワー値または出力光パワー調整器１６による光パワー調整量と、出力パルス光のパルスエネルギとの間の相関関係を、事前に測定しておいて制御部１０に記憶しておく。この相関関係は線形関数で近似されるのが好適であり、この場合には制御部１０における処理部の負荷が小さい。なお、制御部１０における処理部は例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成される。また、制御部１０における処理部は、上記相関関係を表す線形関数式に従って演算を行ってもよいし、上記相関関係を記憶したテーブルを参照してもよいが、高速処理が可能である点で後者が好ましい。
【００３７】
なお、仮に特許文献１に開示されたようなフィードバック制御を行うとすると、図４中に示される例えばパルス＃４をモニタして、該パルス＃４のピークパワーが小さいことを検知し、これに基づいて出力向上の為に励起光パワーを大きくするようフィードバックしてしまうと、制御の遅延時間にも依るが、次のパルス＃５のピークパワーを一層大きくしてしまい、パルスピーク値の安定度を損う結果になりかねない。これに対して、本実施形態では、個々のパルスについてフィードフォワード制御を行うので、各パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、出力されたレーザ光をモニタする為の分岐カプラを挿入しなくてもよいので、部品点数および接続箇所が削減され、光損傷の危険が回避され、また、挿入損の上昇が抑制される。
【００３９】
（第２実施形態）
【００４０】
次に、本発明に係るレーザ光源の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。この図に示されるレーザ光源２は、制御部２０、光増幅性ファイバ２１、励起光源２２、光スイッチ２３、駆動回路２４、モニタ部２５、出力光パワー調整器２６、光カプラ２７Ａ、光カプラ２７Ｂおよび光アイソレータ２８を備える。
【００４１】
光増幅性ファイバ２１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバであって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＥｒ元素やＹｂ元素等である。光増幅性ファイバ２１の一端は光カプラ２７Ａと接続されており、光増幅性ファイバ２１の他端は光カプラ２７Ｂと接続されている。
【００４２】
励起光源２２は、光増幅性ファイバ２１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源２２は好適にはレーザダイオードを含む。光カプラ２７Ａは、この励起光源２２から出力された励起光を入力して、この励起光を光増幅性ファイバ２１へ出力する。また、光カプラ２７Ａは、光アイソレータ２８から到達した光を入力して、この光を光増幅性ファイバ２１へ出力する。
【００４３】
光スイッチ２３は、第１ポート２３ａ，第２ポート２３ｂ，第３ポート２３ｃおよび第４ポート２４ｄを有する。第１ポート２３ａは光アイソレータ２８と光学的に接続され、第２ポート２３ｂはモニタ部２５と光学的に接続され、第３ポート２３ｃは光カプラ２７Ｂと光学的に接続され、また、第４ポート２３ｄは無反射終端とされている。光スイッチ２３は、駆動回路２４により駆動されて動作し、第１ポート２３ａと第３ポート２３ｃとの間の第１光路および第２ポート２３ｂと第３ポート２３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。この光スイッチ２３は、ピエゾ光学効果を利用したものであるのが好適であり、また、音響光学効果を利用したものであってもよい。
【００４４】
モニタ部２５は、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂから出力された光を受光し、その受光した光のパワーをモニタする。光増幅性ファイバ２１の濃度条長積が充分に大きければ残留励起光が少ないが、光増幅性ファイバ２１の濃度条長積が小さい場合には、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂから残留励起光が出力されるので、光スイッチ２３とモニタ部２５との間に励起光遮断の為の光フィルタ（不図示）が設けられるのが好ましい。
【００４５】
光カプラ２７Ｂは、光増幅性ファイバ２１から到達した光を入力し、その光の一部を分岐して出力光パワー調整器２６へ出力し、残部を光スイッチ２３の第２ポート２３ｃへ出力する。出力光パワー調整器２６は、光増幅性ファイバ２１の端部から出力されて光カプラ２７Ｂを経て到達した光を入力して、この光を増幅または減衰して出力する。すなわち、出力光パワー調整器２６は光増幅器または光減衰器である。出力光パワー調整器２６の増幅率または減衰率は可変である。
【００４６】
光アイソレータ２８は、光スイッチ２３の第１ポート２３ａから到達した光を光カプラ２７Ａへ向けて通過させるが、これと逆の方向には光を通過させない。
【００４７】
制御部２０は、モニタ部２５による光モニタ結果を入力し、励起光源２２による励起光の出力を制御し、駆動回路２４による光スイッチ２３の状態設定を制御し、また、出力光パワー調整器２６による光パワー調整を制御する。
【００４８】
このように構成されるレーザ装置２において、励起光源２２から連続出力された励起光は、光カプラ２７Ａを経て、レーザ媒質である光増幅性ファイバ２１に供給され、光増幅性ファイバ２１に添加された蛍光性元素を励起する。すなわち、これらの構成要素は、レーザ媒質である光増幅性ファイバ２１に励起エネルギを連続的に供給する励起手段として作用する。
【００４９】
また、光スイッチ２３の第１ポート２３ａと第３ポート２３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となっているときには、光増幅性ファイバ２１，光カプラ２７Ｂ，光スイッチ２３，光アイソレータ２８および光カプラ２７Ａを含む光学系がリング型のレーザ共振器を構成しており、そのレーザ共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ２１が配置されている。また、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂと第３ポート２３ｃとの間の第２光路が光通過可能状態となっているときには、上記レーザ共振器の共振損失が極大となり、レーザ媒質としての光増幅性ファイバ２１から出力された光はモニタ部２５によりモニタされる。このように、光スイッチ２３および駆動回路２４は、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段として作用して、レーザ共振器からパルスレーザ光を出力させることができる。
【００５０】
そして、制御部２０は、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で（第２光路が光通過可能状態となっているときに）モニタ部２５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された状態で（第１光路が光通過可能状態となっているときに）出力されるレーザ光パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化するように制御する。より好適には、制御部２０は、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部２５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が極小であるときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【００５１】
より具体的には、制御部２０は、励起光源２２から光増幅性ファイバ２１に供給される励起エネルギの大きさを制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。或いは、制御部２０は、出力光パワー調整器２６の利得または損失を制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。
【００５２】
本実施形態に係るレーザ光源２における制御部２０による制御もフィードフォワード制御であるので、励起光源２２による励起光の出力パワー値または出力光パワー調整器２６による光パワー調整量と、出力パルス光のパルスエネルギとの間の相関関係を、事前に測定しておいて制御部２０に記憶しておく。この相関関係は線形関数で近似されるのが好適であり、この場合には制御部２０における処理部の負荷が小さい。また、制御部２０における処理部は、上記相関関係を表す線形関数式に従って演算を行ってもよいし、上記相関関係を記憶したテーブルを参照してもよいが、高速処理が可能である点で後者が好ましい。このようにして、本実施形態でも、個々のパルスについてフィードフォワード制御を行うので、各パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化することができる。
【００５３】
また、本実施形態でも、出力されたレーザ光をモニタする為の分岐カプラを挿入しなくてもよいので、部品点数および接続箇所が削減され、光損傷の危険が回避され、また、挿入損の上昇が抑制される。
【符号の説明】
【００５４】
１，２…レーザ光源、１０…制御部、１１…光増幅性ファイバ、１２…励起光源、１３…光スイッチ、１４…駆動回路、１５…モニタ部、１６…出力光パワー調整器、１７…全反射ミラー、１８Ａ，１８Ｂ…レンズ、１９…ダイクロイックミラー、２０…制御部、２１…光増幅性ファイバ、２２…励起光源、２３…光スイッチ、２４…駆動回路、２５…モニタ部、２６…出力光パワー調整器、２７Ａ，２７Ｂ…光カプラ、２８…光アイソレータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をパルス発振するレーザ光源は、励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、を備えている。
【０００３】
このレーザ光源では、Ｑスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が大きい値に設定されているときに、励起手段による励起エネルギ供給によりレーザ媒質の反転分布が高められ、その後にＱスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が小さい値に設定されると、レーザ共振器の共振光路上に配置されているレーザ媒質において誘導放出が短期間に発生する。この誘導放出光がレーザ共振器から外部へレーザ光として出力される。
【０００４】
このようなレーザ光源は、ピークパワーが高いパルスレーザ光を出力することができることから、電子・機械関係の加工用途、医療用レーザメス、測長等の計測用途など、広く利用されている。例えば加工用途では、加工の為に照射されるレーザ光は、５％p-p程度の出力パワー安定度が要求されている。しかし、従来のレーザ光源では、パルス出力の安定度は必ずしも良くは無い。
【０００５】
なお、パルスレーザ光のエネルギおよびパワーのうち何れが重要であるかは、溶接・切断などの加工の種類および加工対象の種類に依存する。一般的な傾向として、従来の熱的な加工を行う場合は、パルスレーザ光のエネルギが重要である。これに対して、アブレーションなどフェムト秒パルスが必要となる加工では、パルスレーザ光のパワー密度（Ｗ／ｃｍ２）も重要な要素となり、１０１５Ｗ／ｃｍ２を超えるパワー密度でパルスレーザ光の吸収の効率が飛躍的に向上する。
【０００６】
特許文献１，２には、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することを意図したレーザ光源が開示されている。これらの文献に開示されたレーザ光源では、レーザ共振器から外部へ出力されたパルスレーザ光の一部が分岐されて取り出され、その分岐されて取り出されたパルスレーザ光のパワーがモニタされる。そして、このモニタ結果に基づいて、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーが安定化されるようフィードバック制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３３１７２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１，２に開示されたようなフィードバック制御を行うレーザ光源であっても、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーは不安定である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することができるレーザ光源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】
【００１０】
本発明に係るレーザ光源は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源であって、(1) 励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、(2) レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、(3) 励起手段による励起エネルギ供給に応じたものであり、共振器内の光路の途中から取り出された光のパワーをモニタするモニタ部と、(4) レーザ共振器の共振器損失を変調し、共振器損失に応じモニタ部に出力する光路を切替えるＱスイッチ手段と、(5) レーザ共振器から出力されたレーザ光を増幅または減衰する出力光パワー調整器と、(6)レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態でモニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された際に出力するレーザ光パルスのエネルギを安定化するように共振器における物理的パラメータを制御するとともに、出力されるレーザ光パルスのピークパワーを安定化するように出力光パワー調整器の利得または損失を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るレーザ光源では、制御部は、モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいてレーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御するで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化するのが好適である。ここで、物理的パラメータとしては、励起エネルギ、共振器の発振波長、共振器の反射率、Ｑスィッチ手段の損失（Ｑスィッチ手段の分岐比）がある。この場合には、モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、レーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御することにより、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギが安定化される。
【００１２】
本発明に係るレーザ光源は、Ｑスイッチ手段を有し、Ｑスイッチ手段は、一対のポートがレーザ共振器の一部を構成し、残りのポートの一つがレーザ共振器内の光パワーの一部をモニタするために使用されるのが好適である。光スイッチは、音響光学効果を利用したものであるのが好適であり、電気光学効果を利用したものであるのが好適であり、また、ピエゾ光学効果を利用したものであるのも好適である。
【００１３】
本発明に係るレーザ光源では、制御部は、共振器損失が第１の所定の損失に設定された期間の最後のモニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化するのが好適である。この場合には、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギが更に安定化される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、出力パルスレーザ光のエネルギまたはパワーを安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。
【図２】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の出力パルス波形を示す図である。
【図３】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１のパルス出力時以外の時間帯の出力光波形を拡大して示す図である。
【図４】制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の各出力パルスのピークパワーおよび１パルス当りのエネルギを示す図表である。
【図５】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。
【図６】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【図７】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。
【図８】レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
【００１８】
先ず、本発明に係るレーザ光源の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ光源１の構成図である。この図に示されるレーザ光源１は、制御部１０、光増幅性ファイバ１１、励起光源１２、光スイッチ１３、駆動回路１４、モニタ部１５、出力光パワー調整器１６、全反射ミラー１７、レンズ１８Ａ、レンズ１８Ｂおよびダイクロイックミラー１９を備える。
【００１９】
光増幅性ファイバ１１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバであって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＥｒ元素やＹｂ元素等である。光増幅性ファイバ１１の一方の端面１１ａは垂直へき開面とされており、光増幅性ファイバ１１の他方の端面１１ｂは無反射コーティングが施されている。
【００２０】
励起光源１２は、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源１２は好適にはレーザダイオードを含む。ダイクロイックミラー１９は、この励起光源１２から出力された励起光を入力して、この励起光をレンズ１８Ａへ反射させる。レンズ１８Ａは、ダイクロイックミラー１９から到達した励起光を入力して、この励起光を光増幅性ファイバ１１の端面１１ａに集光し入射させる。また、レンズ１８Ａは、光増幅性ファイバ１１の蛍光性元素から放出されて端面１１ａから出力された光を入力して、その光をコリメートしてダイクロイックミラー１９へ出力する。ダイクロイックミラー１９は、このレンズ１８Ａから到達した光を入力して、この光を透過させる。
【００２１】
光スイッチ１３は、第１ポート１３ａ，第２ポート１３ｂおよび第３ポート１３ｃを有する。第１ポート１３ａは全反射ミラー１７と光学的に接続され、第２ポート１３ｂはモニタ部１５と光学的に接続され、また、第３ポート１３ｃはレンズ１８Ｂを介して光増幅性ファイバの端面１１ｂと光学的に接続されている。光スイッチ１３は、駆動回路１４により駆動されて動作し、第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路および第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。
【００２２】
この光スイッチ１３は、音響光学効果を利用したものであってもよいし、電気光学効果を利用したものであっても良いし、また、ピエゾ光学効果を利用したもの（例えばＣＶＩ社製のもの）であってもよい。光スイッチ１３が音響光学効果を利用したものである場合、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されていないときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されずにモニタ部１５へ出力され、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されて全反射ミラー１７へ出力される。なお、これとは逆に、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されていないときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されずに全反射ミラー１７へ出力され、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されてモニタ部１５へ出力されるようにしてもよい。
【００２３】
レンズ１８Ｂは、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光を入力し、この光を光スイッチ１３の第３ポート１３ｃに入力させる。また、レンズ１８Ｂは、光スイッチ１３の第３ポート１３ｃから出力された光を入力し、この光を光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂに入力させる。全反射ミラー１７は、光スイッチ１３の第１ポート１３ａから出力された光を全反射させ、その反射させた光を光スイッチ１３の第１ポート１３ａに入力させる。
【００２４】
モニタ部１５は、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂから出力された光を受光し、その受光した光のパワーをモニタする。モニタ部１５の受光面で反射した光が光スイッチ１３の第２ポート１３ｂに戻るのを防止するため、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂから到達する光の光軸に対してモニタ部１５の受光面が垂直で無いのが好ましく、また、モニタ部１５の受光面の反射率が−４０ｄＢ以下であるのが好ましい。光増幅性ファイバ１１の濃度条長積が充分に大きければ残留励起光が少ないが、光増幅性ファイバ１１の濃度条長積が小さい場合には、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから残留励起光が出力されるので、光スイッチ１３とモニタ部１５との間に励起光遮断の為の光フィルタ（不図示）が設けられるのが好ましい。
【００２５】
出力光パワー調整器１６は、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａから出力されてレンズ１８Ａおよびダイクロイックミラー１９を透過した光を入力して、この光を増幅または減衰して出力する。すなわち、出力光パワー調整器１６は光増幅器または光減衰器である。出力光パワー調整器１６の増幅率または減衰率は可変である。
【００２６】
制御部１０は、モニタ部１５による光モニタ結果を入力し、励起光源１２による励起光の出力を制御し、駆動回路１４による光スイッチ１３の状態設定を制御し、また、出力光パワー調整器１６による光パワー調整を制御する。
【００２７】
このように構成されるレーザ装置１において、励起光源１２から連続出力された励起光は、ダイクロイックミラー１９により反射され、レンズ１８Ａにより集光されて、レーザ媒質である光増幅性ファイバ１１の端面１１ａに入力し、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起する。すなわち、これらの構成要素は、レーザ媒質である光増幅性ファイバ１１に励起エネルギを連続的に供給する励起手段として作用する。
【００２８】
また、光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となっているときには、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａと全反射ミラー１７との間の光学系がファブリペロ型のレーザ共振器を構成しており、そのレーザ共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１が配置されている。また、光スイッチ１３の第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路が光通過可能状態となっているときには、上記レーザ共振器の共振損失が極大となり、レーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１から出力された光はモニタ部１５によりモニタされる。このように、光スイッチ１３および駆動回路１４は、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段として作用して、レーザ共振器からパルスレーザ光を出力させることができる。
【００２９】
そして、制御部１０は、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で（第２光路が光通過可能状態となっているときに）モニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された状態で（第１光路が光通過可能状態となっているときに）出力されるレーザ光パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化するように制御する。より好適には、制御部１０は、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が極小であるときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【００３０】
より具体的には、制御部１０は、励起光源１２から光増幅性ファイバ１１に供給される励起エネルギの大きさを制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。或いは、制御部１０は、出力光パワー調整器１６の利得または損失を制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。
【００３１】
第１実施形態に係るレーザ光源１の具体的な構成例は以下のとおりである。光増幅性ファイバ１１は光導波領域にＹｂ元素が添加された光ファイバであり、励起光源１２はＹｂ元素を励起し得る波長９１５ｎｍ帯の励起光を出力し、このとき、光増幅性ファイバ１１は波長１.０６μｍ帯の蛍光を放出する。光増幅性ファイバ１１は、長さが１０ｍであり、コア直径が１０μｍであり、内クラッド直径が１２５μであり、波長９１５ｎｍ帯非飽和吸収が１０.７６ｄＢ／ｍである。励起光源１２から光増幅性ファイバ１１に供給される波長９１５ｎｍ帯励起のパワーは６.３Ｗである。光スイッチ１３は音響光学効果を利用したもの（ＡＯスイッチ）であり、駆動回路１４はＡＯスイッチ１３にＲＦ電圧を印加する。ＡＯスイッチ１３のスイッチング繰り返し周波数は１０ｋＨｚであり、ＡＯスイッチ１３のスイッチング所要時間は５００ｎｓである。
【００３２】
図２は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の出力パルス波形を示す図である。図３は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１のパルス出力時以外の時間帯の出力光波形を拡大して示す図である。また、図４は、制御部１０による安定化制御を行わない場合におけるレーザ光源１の各出力パルスのピークパワーおよび１パルス当りのエネルギを示す図表である。制御部１０による安定化制御を行わない場合、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光の一部がＡＯスイッチ１３の第３ポート１３ｃで反射して当該反射光が光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂに入力し、その戻り光比が−２３ｄＢｃ程度であるので、レーザ光源１の出力光波形は緩和振動的なものとなっている。また、図４からは、総じて、奇数番のパルスが強く、偶数番のパルスが弱いことが見て取れる。
【００３３】
図５は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。図６は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。図７は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のエネルギ値との関係を示す図である。また、図８は、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間にモニタ部１５によりモニタされた光パワー平均値と出力パルス光のピークパワー値との関係を示す図である。
【００３４】
なお、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前とは、ＡＯスイッチ１３の第１ポート１３ａと第３ポート１３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となってレーザ共振器からパルスレーザ光が出力される直前のことである。また、レーザ共振器の共振器損失が極小でない期間とは、上記第１光路が光通過可能状態となっていない期間のことである。
【００３５】
これらの図から判るように、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間（特に、極小となる直前）にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値と、出力パルス光のエネルギ値またはピークパワー値との間には、良好な相関がある。したがって、パルスエネルギが安定であることが要求される熱加工の場合等では、制御部１０により、レーザ光源１のレーザ共振器の共振器損失が極小でない期間（特に、極小となる直前）にモニタ部１５によりモニタされた光パワー値に基づいて、励起光源１２による励起光の出力または出力光パワー調整器１６による光パワー調整をフィードフォワード制御することで、出力パルス光のパルスエネルギを安定化することができる。
【００３６】
本実施形態に係るレーザ光源１における制御部１０による制御はフィードフォワード制御であるので、励起光源１２による励起光の出力パワー値または出力光パワー調整器１６による光パワー調整量と、出力パルス光のパルスエネルギとの間の相関関係を、事前に測定しておいて制御部１０に記憶しておく。この相関関係は線形関数で近似されるのが好適であり、この場合には制御部１０における処理部の負荷が小さい。なお、制御部１０における処理部は例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成される。また、制御部１０における処理部は、上記相関関係を表す線形関数式に従って演算を行ってもよいし、上記相関関係を記憶したテーブルを参照してもよいが、高速処理が可能である点で後者が好ましい。
【００３７】
なお、仮に特許文献１に開示されたようなフィードバック制御を行うとすると、図４中に示される例えばパルス＃４をモニタして、該パルス＃４のピークパワーが小さいことを検知し、これに基づいて出力向上の為に励起光パワーを大きくするようフィードバックしてしまうと、制御の遅延時間にも依るが、次のパルス＃５のピークパワーを一層大きくしてしまい、パルスピーク値の安定度を損う結果になりかねない。これに対して、本実施形態では、個々のパルスについてフィードフォワード制御を行うので、各パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、出力されたレーザ光をモニタする為の分岐カプラを挿入しなくてもよいので、部品点数および接続箇所が削減され、光損傷の危険が回避され、また、挿入損の上昇が抑制される。
【００３９】
（第２実施形態）
【００４０】
次に、本発明に係るレーザ光源の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係るレーザ光源２の構成図である。この図に示されるレーザ光源２は、制御部２０、光増幅性ファイバ２１、励起光源２２、光スイッチ２３、駆動回路２４、モニタ部２５、出力光パワー調整器２６、光カプラ２７Ａ、光カプラ２７Ｂおよび光アイソレータ２８を備える。
【００４１】
光増幅性ファイバ２１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバであって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＥｒ元素やＹｂ元素等である。光増幅性ファイバ２１の一端は光カプラ２７Ａと接続されており、光増幅性ファイバ２１の他端は光カプラ２７Ｂと接続されている。
【００４２】
励起光源２２は、光増幅性ファイバ２１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源２２は好適にはレーザダイオードを含む。光カプラ２７Ａは、この励起光源２２から出力された励起光を入力して、この励起光を光増幅性ファイバ２１へ出力する。また、光カプラ２７Ａは、光アイソレータ２８から到達した光を入力して、この光を光増幅性ファイバ２１へ出力する。
【００４３】
光スイッチ２３は、第１ポート２３ａ，第２ポート２３ｂ，第３ポート２３ｃおよび第４ポート２４ｄを有する。第１ポート２３ａは光アイソレータ２８と光学的に接続され、第２ポート２３ｂはモニタ部２５と光学的に接続され、第３ポート２３ｃは光カプラ２７Ｂと光学的に接続され、また、第４ポート２３ｄは無反射終端とされている。光スイッチ２３は、駆動回路２４により駆動されて動作し、第１ポート２３ａと第３ポート２３ｃとの間の第１光路および第２ポート２３ｂと第３ポート２３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。この光スイッチ２３は、ピエゾ光学効果を利用したものであるのが好適であり、また、音響光学効果を利用したものであってもよい。
【００４４】
モニタ部２５は、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂから出力された光を受光し、その受光した光のパワーをモニタする。光増幅性ファイバ２１の濃度条長積が充分に大きければ残留励起光が少ないが、光増幅性ファイバ２１の濃度条長積が小さい場合には、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂから残留励起光が出力されるので、光スイッチ２３とモニタ部２５との間に励起光遮断の為の光フィルタ（不図示）が設けられるのが好ましい。
【００４５】
光カプラ２７Ｂは、光増幅性ファイバ２１から到達した光を入力し、その光の一部を分岐して出力光パワー調整器２６へ出力し、残部を光スイッチ２３の第２ポート２３ｃへ出力する。出力光パワー調整器２６は、光増幅性ファイバ２１の端部から出力されて光カプラ２７Ｂを経て到達した光を入力して、この光を増幅または減衰して出力する。すなわち、出力光パワー調整器２６は光増幅器または光減衰器である。出力光パワー調整器２６の増幅率または減衰率は可変である。
【００４６】
光アイソレータ２８は、光スイッチ２３の第１ポート２３ａから到達した光を光カプラ２７Ａへ向けて通過させるが、これと逆の方向には光を通過させない。
【００４７】
制御部２０は、モニタ部２５による光モニタ結果を入力し、励起光源２２による励起光の出力を制御し、駆動回路２４による光スイッチ２３の状態設定を制御し、また、出力光パワー調整器２６による光パワー調整を制御する。
【００４８】
このように構成されるレーザ装置２において、励起光源２２から連続出力された励起光は、光カプラ２７Ａを経て、レーザ媒質である光増幅性ファイバ２１に供給され、光増幅性ファイバ２１に添加された蛍光性元素を励起する。すなわち、これらの構成要素は、レーザ媒質である光増幅性ファイバ２１に励起エネルギを連続的に供給する励起手段として作用する。
【００４９】
また、光スイッチ２３の第１ポート２３ａと第３ポート２３ｃとの間の第１光路が光通過可能状態となっているときには、光増幅性ファイバ２１，光カプラ２７Ｂ，光スイッチ２３，光アイソレータ２８および光カプラ２７Ａを含む光学系がリング型のレーザ共振器を構成しており、そのレーザ共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ２１が配置されている。また、光スイッチ２３の第２ポート２３ｂと第３ポート２３ｃとの間の第２光路が光通過可能状態となっているときには、上記レーザ共振器の共振損失が極大となり、レーザ媒質としての光増幅性ファイバ２１から出力された光はモニタ部２５によりモニタされる。このように、光スイッチ２３および駆動回路２４は、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段として作用して、レーザ共振器からパルスレーザ光を出力させることができる。
【００５０】
そして、制御部２０は、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で（第２光路が光通過可能状態となっているときに）モニタ部２５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された状態で（第１光路が光通過可能状態となっているときに）出力されるレーザ光パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化するように制御する。より好適には、制御部２０は、レーザ共振器の共振器損失が極小となる直前にモニタ部２５によりモニタされた光パワーに基づいて、レーザ共振器の共振器損失が極小であるときに出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化制御する。
【００５１】
より具体的には、制御部２０は、励起光源２２から光増幅性ファイバ２１に供給される励起エネルギの大きさを制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。或いは、制御部２０は、出力光パワー調整器２６の利得または損失を制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化する。
【００５２】
本実施形態に係るレーザ光源２における制御部２０による制御もフィードフォワード制御であるので、励起光源２２による励起光の出力パワー値または出力光パワー調整器２６による光パワー調整量と、出力パルス光のパルスエネルギとの間の相関関係を、事前に測定しておいて制御部２０に記憶しておく。この相関関係は線形関数で近似されるのが好適であり、この場合には制御部２０における処理部の負荷が小さい。また、制御部２０における処理部は、上記相関関係を表す線形関数式に従って演算を行ってもよいし、上記相関関係を記憶したテーブルを参照してもよいが、高速処理が可能である点で後者が好ましい。このようにして、本実施形態でも、個々のパルスについてフィードフォワード制御を行うので、各パルスのピークパワーまたはエネルギを安定化することができる。
【００５３】
また、本実施形態でも、出力されたレーザ光をモニタする為の分岐カプラを挿入しなくてもよいので、部品点数および接続箇所が削減され、光損傷の危険が回避され、また、挿入損の上昇が抑制される。
【符号の説明】
【００５４】
１，２…レーザ光源、１０…制御部、１１…光増幅性ファイバ、１２…励起光源、１３…光スイッチ、１４…駆動回路、１５…モニタ部、１６…出力光パワー調整器、１７…全反射ミラー、１８Ａ，１８Ｂ…レンズ、１９…ダイクロイックミラー、２０…制御部、２１…光増幅性ファイバ、２２…励起光源、２３…光スイッチ、２４…駆動回路、２５…モニタ部、２６…出力光パワー調整器、２７Ａ，２７Ｂ…光カプラ、２８…光アイソレータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をパルス発振するレーザ光源であって、
励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、
前記レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、
前記励起手段による励起エネルギ供給に応じたものであり、共振器内の光路の途中から取り出された光のパワーをモニタするモニタ部と、
前記レーザ共振器の共振器損失を変調し、共振器損失に応じ前記モニタ部に出力する光路を切替えるＱスイッチ手段と、
前記レーザ共振器から出力されたレーザ光を増幅または減衰する出力光パワー調整器と、
前記レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、前記レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された際に出力するレーザ光パルスのエネルギを安定化するように共振器における物理的パラメータを制御するとともに、出力されるレーザ光パルスのピークパワーを安定化するように前記出力光パワー調整器の利得または損失を制御する制御部と
を備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記制御部は、前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいてレーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記レーザ共振器は、前記Ｑスイッチ手段を有し、前記Ｑスイッチ手段は、一対のポートが前記レーザ共振器の一部を構成し、残りのポートの一つが前記レーザ共振器内の光パワーの一部をモニタするために使用されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記光スイッチが音響光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記光スイッチが電気光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記光スイッチがピエゾ光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記制御部は、前記共振器損失が前記第１の所定の損失に設定された期間の最後の前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項１】
レーザ光をパルス発振するレーザ光源であって、
励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、
前記レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、
前記励起手段による励起エネルギ供給に応じたものであり、共振器内の光路の途中から取り出された光のパワーをモニタするモニタ部と、
前記レーザ共振器の共振器損失を変調し、共振器損失に応じ前記モニタ部に出力する光路を切替えるＱスイッチ手段と、
前記レーザ共振器から出力されたレーザ光を増幅または減衰する出力光パワー調整器と、
前記レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス非発振のための第１の所定の損失に設定された状態で前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて、前記レーザ共振器の共振器損失が高出力パルス発振のための第２の所定の損失に設定された際に出力するレーザ光パルスのエネルギを安定化するように共振器における物理的パラメータを制御するとともに、出力されるレーザ光パルスのピークパワーを安定化するように前記出力光パワー調整器の利得または損失を制御する制御部と
を備えることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記制御部は、前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいてレーザー光源の出力特性に影響する共振器における物理的パラメータをフィードバック制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記レーザ共振器は、前記Ｑスイッチ手段を有し、前記Ｑスイッチ手段は、一対のポートが前記レーザ共振器の一部を構成し、残りのポートの一つが前記レーザ共振器内の光パワーの一部をモニタするために使用されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記光スイッチが音響光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記光スイッチが電気光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記光スイッチがピエゾ光学効果を利用したものであることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記制御部は、前記共振器損失が前記第１の所定の損失に設定された期間の最後の前記モニタ部によりモニタされた放出光パワーに基づいて制御することで、出力されるレーザ光のピークパワーまたはエネルギを安定化することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１６５０１０（Ｐ２０１２−１６５０１０Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１００２４０（Ｐ２０１２−１００２４０）
【出願日】平成２４年４月２５日（２０１２．４．２５）
【分割の表示】特願２００５−２８４２８１（Ｐ２００５−２８４２８１）の分割
【原出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２５日（２０１２．４．２５）
【分割の表示】特願２００５−２８４２８１（Ｐ２００５−２８４２８１）の分割
【原出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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