JP2003273432A

JP2003273432A - パルスレーザ発振方法と発振器

Info

Publication number: JP2003273432A
Application number: JP2002076570A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kondo; 昌樹近藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力でかつ繰り返し周波数の可変なパルス
レーザ発振器を得る。【解決手段】レーザダイオードにより励起されたレー
ザ媒質４から発するレーザ光の強弱を半導体過飽和吸収
鏡６により強調してパルス列を発生する第１の発振器２
５と、第１の発振器２５から入力された短パルス列の内
の１パルスを取り出し、光強度をポッケルスセル１６の
オン期間パルス増幅しオフにより増幅された１パルスを
出力する第２の発振器２６を備え、第１の発振器２５で
半導体過飽和吸収鏡６による受動モード同期方式によっ
て短パルス列を発生し、第２の発振器２６で増幅し、所
望の繰り返し周波数に応じて設定されたタイミングで出
力するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパルスレーザ発振方
法と発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、既に１９６０年代からナノ秒、ピ
コ秒の光パルスが様々な分野で利用されてきた。近年で
は、ピコ秒、フェムト秒の領域で半導体レーザを用いて
レーザ媒質で励起させ、発振する製品として市販されて
おり、レーザの専門家以外にも利用し易いものとなって
いる。

【０００３】レーザから極めて短いパルスを発生させる
ためには、モード同期が必要になる。モード同期には、
能動モード同期と受動モード同期とがある。能動モード
同期は、例えば音響光学変調器によりレーザ発振器内の
損失による強度変調を発生させ、パルス列を形成する方
法である。また、受動モード同期は、例えば過飽和吸収
鏡を用いて光自身の強弱を強調させてパルスを形成する
方法である。

【０００４】この過飽和吸収鏡を用いた受動モード同期
でのレーザ発振器の構成を図５を参照して説明する。半
導体レーザ１０１から発したレーザ光は集光レンズ１０
２によって励起窓１０３を通してレーザ媒質１０４を励
起させる。レーザ光は出力鏡１０５と半導体過飽和吸収
鏡１０７との間で共振する。ミラー１０６はレーザ媒質
１０４内にレーザ光が集光するように凹ミラーが用いら
れている。

【０００５】このような構成で、半導体レーザ光が連続
光であっても、半導体過飽和吸収鏡１０７自体が光の強
弱を強調し、短パルスを発生する。このとき、パルス間
隔は、その共振器長さを光が１往復する時間となる。例
えば、共振器長が２ｍであれば、パルス列間隔は、図６
に示すように１３ｎｓになる。半導体過飽和吸収鏡１０
７は、一定のエネルギー密度で作用し、ある闘値以下だ
と短パルスを発せず、またあるエネルギー密度以上だ
と、生成したパルスが２重になって動作が不安定にな
る。従って、半導体過飽和吸収鏡１０７を正常に動作さ
せるためには、一定のエネルギー密度のレーザ光を照射
する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５に示すよ
うな構成では、発生する短パルスの出力や繰り返し周波
数が限られたものになる。例えば、励起光の半導体レー
ザの出力を増加させ、短パルス出力を増加させようとす
ると、半導体飽和吸収鏡に正常動作以上のエネルギーが
照射され、動作が不安定になって高出力が望めない。ま
た、繰り返し周波数も、共振器長から一義的に決定さ
れ、ユーザが望む周波数での発振ができないという問題
があった。

【０００７】また、出力、パルス列の時間的安定性が得
られにくいという問題もある。その原因として、受動モ
ード同期方式は半導体過飽和吸収鏡、共振器長によりパ
ルス幅、パルス間隔が一義的に決定されるため、例えば
温度、振動、空気密度などの外因により共振器が微小に
変形し、共振器長が変化すると、図６に破線で示すよう
にパルス列にジッタをもたらしたり、パルスに光強度の
ばらつきをもたらしたりすることになる。光強度のばら
つきは、パルス１発あたりの出力の変化を示している。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、高出
力でかつ繰り返し周波数の可変なパルスレーザ発振方法
と発振器を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のパルスレーザ発
振方法は、レーザダイオードからのレーザ光により励起
されたレーザ媒質から発するレーザ光の強弱を、半導体
過飽和吸収鏡にて強調してパルス列を発生し、このパル
ス列に対して１パルスだけを取り出し、ポッケルスセル
のオン期間はパルス増幅し、ポッケルスセルのオフによ
り増幅された１パルスを出力するものであり、ポッケル
スセルオフのタイミングを設定することで、高出力で繰
り返し周波数を可変できるパルスレーザを発振できる。

【００１０】また、半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移
動させることにより、パルス列の乱れを防止すると、ジ
ッタや強度ばらつきを抑制してパルス列、出力の安定化
を図ることができる。。

【００１１】また、ポッケルスセルのオン期間を変化さ
せることにより、パルス増幅の度合いを変化させると、
出力を変化させることができる。

【００１２】また、レーザダイオード印加電流値と半導
体過飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を
予め測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印
加電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整する
と、安定した自己発振を行わせ、安定した出力を得るこ
とができる。

【００１３】また、レーザダイオード印加電流値とパル
ス増幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果
に基づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパル
ス増幅時間を変化させると、最も効率の良い発振が得ら
れ、安定した出力が得られる。

【００１４】また、本発明のパルスレーザ発振器は、レ
ーザダイオードからのレーザ光により励起されたレーザ
媒質から発するレーザ光の強弱を半導体過飽和吸収鏡に
て強調してパルス列を発生する第１の発振器と、第１の
発振器から入力されたパルス列に対して１パルスだけを
取り出しポッケルスセルのオン期間はパルス増幅し、ポ
ッケルスセルのオフにより増幅された１パルスを出力す
る第２の発振器とを備えたものであり、第１の発振器に
おいて半導体過飽和吸収鏡で発生したパルス列の内の１
パルスを第２の発振器において増幅するとともにポッケ
ルスセルオフのタイミングを設定することで、高出力で
繰り返し周波数を可変できるパルスレーザ発振器を得る
ことができる。

【００１５】第１の発振器は、レーザダイオードからの
レーザ光が入力される励起窓とレーザ媒質と１方向の偏
光だけを抽出するブリュースタ板と半導体過飽和吸収鏡
と出力鏡を備え、第２の発振器は、第１の発振器からの
パルス列が入力する部分透過ミラーと偏光板と偏光板の
一方の反射方向の光軸上に配設されたレーザ媒質とレー
ザダイオードからのレーザ光が入力される励起窓と偏光
板の他方の反射方向の光軸上に配設されたポッケルスセ
ルと全反射ミラーを備えた構成とするのが好適である。

【００１６】また、半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移
動させる手段を有すると、パルス列の乱れを防止してジ
ッタや強度ばらつきを抑制し、パルス列、出力の安定化
を図ることができる。

【００１７】また、ポッケルスセルのオン期間を変化さ
せる手段を有すると、パルス増幅の度合いを変化させ、
出力を変化させることができる。

【００１８】また、レーザダイオード印加電流値と半導
体過飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を
予め測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印
加電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整する
と、安定した自己発振を行わせ、第２の発振器に安定し
たパルスを入射して第２の発振器から安定した出力を得
ることができる。

【００１９】また、レーザダイオード印加電流値とパル
ス増幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果
に基づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパル
ス増幅時間を変化させると、最も効率の良い発振とな
り、安定した出力を得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のパルスレーザ発振
器の各実施形態について、図１〜図４を参照して説明す
る。

【００２１】（第１の実施形態）本実施形態のパルスレ
ーザ発振器の構成を示す図１において、半導体レーザに
結合された光ファイバー１からの光は、集光レンズ２に
よって励起窓３を通してレーザ媒質４に導入されて励起
される。レーザ媒質４には、例えばＮｄ：ＹＬＦ、ＹＡ
Ｇ、ＹＶＯ４などが使用できる。また、ブリュースタ板
５により１方向の偏光だけを抽出して共振させる。レー
ザ光は出力窓８と励起窓３との間で連続光（ＣＷ光）と
して共振する。この状態で半導体過飽和吸収鏡６により
光の強弱が強調され、パルス列が形成される。このパル
ス列は第１のフォトダイオード７により検出されて第１
のオシロスコープ２０のモニターに表示される。出力鏡
８から出た光はミラー９により方向が変えられる。以上
の構成要素にて第１の発振器２５が構成されている。こ
の第１の発振器２５は慣例上オシレータと呼ばれること
もある。従来例ではこの状態でパルスを発振している。

【００２２】本実施形態では、ミラー９からの光が第２
の発振器２６に導入される。導入された光は、部分透過
ミラー１０によりパルス列は数％は透過し、９０数％は
反射する。透過した光は偏光板１５を透過し、ポッケル
スセル１６を透過する。ポッケルスセル１６は電圧印加
により光の偏光方向を変えることができる。例えば、第
１の発振器２５からの水平偏光成分のみの光が偏光板１
５を透過しポッケルスセル１６を透過し全反射ミラー１
７により反射し、再びポッケルスセル１６を通過すると
垂直偏光成分のみの光となる。この光が偏光板１５によ
り反射され、Ｙ２方向に進む。その後レーザ媒質１４を
通過し、励起窓１３により反射する。

【００２３】レーザ媒質１４は半導体レーザに接続され
た光ファイバー１１から集光レンズ１２を介して入力さ
れたレーザ光により連続的に励起されており、Ｙ２方向
からの光を増幅する。励起窓１３で反射した光は再びレ
ーザ媒質１４により増幅され偏光板１５で反射してＹ１
方向に進み、再びポッケルスセル１６を通過する。この
ときのポッケルスセル１６は垂直方向成分の光を通過さ
せる。全反射ミラー１７と励起窓１３に閉じ込められた
光は、第２の発振器２６内でラウンドトリップを繰り返
し増幅される。この様子は第２のフォトダイオード１８
によって検出され、第２のオシロスコープ２１のモニタ
ーに表示される。

【００２４】この第２の発振器２６による増幅はある最
大値を有し、ラウンドトリップを長くしても増幅度合い
の最大値は変わらない。そのため、増幅が最大になった
時点でポッケルスセル１６をオフし、水平偏光成分の光
が抽出される。この光はその後偏光板１５を透過し、部
分反射ミラー１０で９０数％がＺ方向に反射され、短パ
ルスレーザとして発振する。その出力は第３のフォトダ
イオード１９で検出され、第３のオシロスコープ２２の
モニターに表示される。

【００２５】第１のオシロスコープ２０からパルスの立
ち上がり又は立ち下がりのタイミングでトリガーを発生
させ、これをトリガー増幅器２３で増幅し、ポッケルス
セルドライバー２４に送られる。ポッケルスセルドライ
バー２４はトリガー信号によりオンされる。ポッケルス
セル１６のオフのタイミングは、予め第２の発振器２６
での増幅が最大になる時間が求められてその時間に設定
されている。

【００２６】このような構成ではトリガー信号のサンプ
リングの繰り返し周波数を設定することで、パルスの繰
り返し周波数を決定することができる。また、第２の発
振器２６でレーザ光が増幅される間の時間を変化させる
ことで、その増幅度合いを変化させて出力できるととも
に出力を安定にすることができる。

【００２７】なお、第２の発振器２６から発生したパル
ス光は部分透過ミラー１０によりＺ方向に反射される
が、数％の光は第１の発振器２５に逆戻りし、第１の発
振器２５のパルス発振を不安定にする可能性がある。そ
こで、第１の発振器２５への戻り光を遮断するために、
第１発振器２５と第２の発振器２６の間に、１方向の光
は透過し、他の方向の光は遮断する機能を持つアイゾレ
ータ２７が挿入されている。

【００２８】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について、図１を参照して説明する。なお、以
下の実施形態の説明においては、先行する実施形態と同
一の構成部分についは説明を省略して相違点のみを説明
する。

【００２９】本実施形態においては、半導体過飽和吸収
鏡６を、図１に矢印Ｘ１、Ｘ２で示すように移動させる
手段（図示せず）を設けている。その移動手段として
は、応答速度が速い、ピエゾまたはボイスコイルアクチ
ュエータが好適である。この移動手段にて半導体過飽和
吸収鏡６を移動させて共振器長を変化させ、第１のオシ
ロスコープ２０に表示されたパルス列のジッタや強度ば
らつきが最小になるように調整し、パルス列の安定性を
図っている。

【００３０】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態について、図１と図２を参照して説明する。

【００３１】図２において、（ａ）は第１のフォトダイ
オード７により検出された信号、（ｂ）はトリガー信号
によりオンされ、その後設定された時間後にオフするポ
ッケルスセルドライバー２４の出力信号、（ｃ）は第２
のフォトダイオード１８により検出された信号、（ｄ）
は第３のフォトダイオード１９により検出された信号、
（ｅ）はトリガー増幅器２３からのトリガー信号であ
る。

【００３２】本実施形態では、図２（ｄ）の第３のフォ
トダイオード１９の出力が一定になるように、図２
（ｂ）のポッケルスセルドライバー２４におけるポッケ
ルスセル１６のオフタイミングを調整するように構成
し、出力信号を一定に保ち、安定性を図っている。

【００３３】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態について、図１と図３を参照して説明する。

【００３４】本実施形態においては、第１の発振器２５
から安定したパルスを生成し、第２の発振器２６から安
定した出力を得るようにしている。第１の実施形態にお
いて半導体過飽和吸収鏡６をＸ１、Ｘ２方向に移動させ
た時に、第１のオシロスコープ２０においてモードロッ
ク波形が得られるレーザダイオード最小入力電流値（闘
値＝ｔｈｒｅｓｈｏｕｌｄ）と、自己発振するレーザダ
イオードの最大、最小入力電流値の関係を図３に示すよ
うに予め求める。

【００３５】ここで、半導体過飽和吸収鏡６の位置を遠
ざけると、発振の闘値は変化しないが、レーザダイオー
ド入力電流値は減少し、自己発振の領域も減少する。こ
の場合、例えばＺ位置が１８ｍｍから１９ｍｍの領域で
あれば、入力電流を１１５０ｍＡに一定することで安定
した自己発振が得られる。このように半導体過飽和吸収
鏡６の位置で自己発振が安定する領域がある。逆に、励
起用レーザダイオードの寿命を向上するためには、入力
電流を低くしてＺ位置を２０．５ｍｍにすることで自己
発振を行うことができる。

【００３６】このように、レーザダイオード印加電流値
とモードロックする半導体過飽和吸収鏡６の光軸方向の
動作距離との関係を予め測定し、レーザダイオード印加
電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡６の位置を移動調整
させることで安定した自己発振を行うことができる。か
くして、第２の発振器２６に安定したパルスを入射し、
第２の発振器２６から安定した出力を得ることができ
る。一方、励起用レーザダイオードの動作電流を小さく
して発振することも可能であるため、レーザダイオード
の寿命を向上することもできる。

【００３７】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態について、図１と図４を参照して説明する。

【００３８】本実施形態は、第２の発振器２６から安定
した出力を得るものである。図４は、第２の発振器２６
において励起入力（１０Ｗ、１１Ｗ、１２Ｗ、１３Ｗ、
１４Ｗ）に対して、パルス増幅時間（ｂｕｉｌｄｕｐ
ｔｉｍｅ）を変化させた時のレーザ出力（ｏｕｔｐｕ
ｔｐｏｗｅｒ）の関係を示している。なお、励起入力
と励起レーザダイオード印加電流の関係は線形である。
図４から、励起入力に応じた最適パルス増幅時間が存在
することが分かる。従って、本実施形態では、レーザ出
力（ｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ）を変化させる場合に、
励起入力を変化させるとともにその励起入力で最適なパ
ルス増幅時間（ｂｕｉｌｄｕｐｔｉｍｅ）に設定す
るようにしている。即ち、図４の関係を予め測定してお
き、励起入力に応じたパルス増幅時間を一義的に設定し
て所定の出力を得ることにより、レーザとして最も効率
の良い発振となり、安定した出力を効率的に得ることが
できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明のパルスレーザ発振方法によれ
ば、以上の説明から明らかなように、レーザダイオード
からのレーザ光により励起されたレーザ媒質から発する
レーザ光の強弱を、半導体過飽和吸収鏡にて強調してパ
ルス列を発生し、このパルス列に対して１パルスだけを
取り出し、ポッケルスセルのオン期間はパルス増幅し、
ポッケルスセルのオフにより増幅された１パルスを出力
するので、ポッケルスセルオフのタイミングを設定する
ことで、高出力で繰り返し周波数を可変できるパルスレ
ーザを発振できる。

【００４０】また、半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移
動させることにより、パルス列の乱れを防止すると、ジ
ッタや強度ばらつきを抑制してパルス列、出力の安定化
を図ることができる。。

【００４１】また、ポッケルスセルのオン期間を変化さ
せることにより、パルス増幅の度合いを変化させると、
出力を変化させることができる。

【００４２】また、レーザダイオード印加電流値と半導
体過飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を
予め測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印
加電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整する
と、安定した自己発振を行わせ、安定した出力を得るこ
とができる。

【００４３】また、レーザダイオード印加電流値とパル
ス増幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果
に基づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパル
ス増幅時間を変化させると、最も効率の良い発振が得ら
れ、安定した出力が得られる。

【００４４】また、本発明のパルスレーザ発振器によれ
ば、第１の発振器における半導体過飽和吸収鏡で発生し
たパルス列の内の１パルスを、第２の発振器において増
幅するとともにポッケルスセルオフのタイミングを設定
することで、高出力で、繰り返し周波数を可変できるパ
ルスレーザ発振器を得ることができる。

【００４５】また、半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移
動させる手段を有すると、パルス列の乱れを防止してジ
ッタや強度ばらつきを抑制し、パルス列、出力の安定化
を図ることができる。

【００４６】また、ポッケルスセルのオン期間を変化さ
せる手段を有すると、パルス増幅の度合いを変化させ、
出力を変化させることができる。

【００４７】また、レーザダイオード印加電流値と半導
体過飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を
予め測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印
加電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整する
と、安定した自己発振を行わせ、第２の発振器に安定し
たパルスを入射して第２の発振器から安定した出力を得
ることができる。

【００４８】また、レーザダイオード印加電流値とパル
ス増幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果
に基づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパル
ス増幅時間を変化させると、最も効率の良い発振とな
り、安定した出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルスレーザ発振器の第１及び第２の
実施形態の構成図である。

【図２】本発明のパルスレーザ発振器の第３実施形態に
おける信号波形図である。

【図３】本発明のパルスレーザ発振器の第４の実施形態
における半導体過飽和吸収鏡の位置と入力電流値の自己
発振の関係を示す図である。

【図４】本発明のパルスレーザ発振器の第５の実施形態
における励起入力に応じたパルス増幅時間と出力特性の
関係を示す図である。

【図５】従来例におけるパルスレーザ発振器の構成図で
ある。

【図６】同従来例における出力パルス列の波形図であ
る。

【符号の説明】３励起窓４レーザ媒質５ブリュースタ板６半導体過飽和吸収鏡８出力窓１０部分反射ミラー１３励起窓１４レーザ媒質１５偏光板１６ポッケルスセル１７全反射ミラー２４ポッケルスセルドライバー２５第１の発振器２６第２の発振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザダイオードからのレーザ光により
励起されたレーザ媒質から発するレーザ光の強弱を、半
導体過飽和吸収鏡にて強調してパルス列を発生し、この
パルス列に対して１パルスだけを取り出し、ポッケルス
セルのオン期間はパルス増幅し、ポッケルスセルのオフ
により増幅された１パルスを出力することを特徴とする
パルスレーザ発振方法。
【請求項２】半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移動さ
せることにより、パルス列の乱れを防止することを特徴
とする請求項１記載のパルスレーザ発振方法。
【請求項３】ポッケルスセルのオン期間を変化させる
ことにより、パルス増幅の度合いを変化させることを特
徴とする請求項１又は２記載のパルスレーザ発振方法。
【請求項４】レーザダイオード印加電流値と半導体過
飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を予め
測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印加電
流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整すること
を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のパルスレー
ザ発振方法。
【請求項５】レーザダイオード印加電流値とパルス増
幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果に基
づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパルス増
幅時間を変化させることを特徴とする請求項１〜４の何
れかに記載のパルスレーザ発振方法。
【請求項６】レーザダイオードからのレーザ光により
励起されたレーザ媒質から発するレーザ光の強弱を半導
体過飽和吸収鏡にて強調してパルス列を発生する第１の
発振器と、第１の発振器から入力されたパルス列に対し
て１パルスだけを取り出しポッケルスセルのオン期間は
パルス増幅し、ポッケルスセルのオフにより増幅された
１パルスを出力する第２の発振器とを備えたことを特徴
とするパルスレーザ発振器。
【請求項７】第１の発振器は、レーザダイオードから
のレーザ光が入力される励起窓とレーザ媒質と１方向の
偏光だけを抽出するブリュースタ板と半導体過飽和吸収
鏡と出力鏡を備え、第２の発振器は、第１の発振器から
のパルス列が入力する部分透過ミラーと偏光板と偏光板
の一方の反射方向の光軸上に配設されたレーザ媒質とレ
ーザダイオードからのレーザ光が入力される励起窓と偏
光板の他方の反射方向の光軸上に配設されたポッケルス
セルと全反射ミラーを備えていることを特徴とする請求
項６記載のパルスレーザ発振器。
【請求項８】半導体過飽和吸収鏡を光軸方向に移動さ
せる手段を有したことを特徴とする請求項６又は７記載
のパルスレーザ発振器。
【請求項９】ポッケルスセルのオン期間を変化させる
手段を有したことを特徴とする請求項６〜８の何れかに
記載のパルスレーザ発振器。
【請求項１０】レーザダイオード印加電流値と半導体
過飽和吸収鏡の光軸方向の位置とレーザ出力の関係を予
め測定した測定結果に基づいて、レーザダイオード印加
電流値に応じて半導体過飽和吸収鏡の位置を調整したこ
とを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載のパルスレ
ーザ発振器。
【請求項１１】レーザダイオード印加電流値とパルス
増幅時間とレーザ出力の関係を予め測定した測定結果に
基づいて、レーザダイオード印加電流値に応じてパルス
増幅時間を変化させたことを特徴とする請求項６〜１０
の何れかに記載のパルスレーザ発振器。