WO2021010128A1 - レーザ装置及びレーザ光生成方法 - Google Patents
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- H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
- H01S5/143—Littman-Metcalf configuration, e.g. laser - grating - mirror
Definitions
- the present disclosure relates to a laser apparatus and a laser light generation method.
- Patent Document 1 describes a technique relating to a programmable ultrafast burst mode laser for microfabrication.
- the laser apparatus described in this document includes a burst pulse laser and one or more optical amplifiers.
- a burst pulsed laser emits a burst consisting of three or more laser pulses defined by a selectively shaped burst envelope.
- the burst pulsed laser is configured to selectively adjust the time interval between three or more laser pulses in the burst envelope and the time width of the burst envelope.
- One or more amplifiers amplify a group of three or more laser pulses to obtain the desired shape of the burst envelope.
- burst pulses that repeat strength and weakness in an extremely short time width (for example, tens to hundreds of picoseconds) may be used.
- Examples of the method for generating such a burst pulse include a method in which the laser light from a laser light source that outputs continuous light is periodically cut off by a high-speed optical switch or the like, or a method in which a periodic pulse is generated with respect to a semiconductor laser element.
- a method of supplying current is conceivable.
- the operating speed of the optical switch and the current supply circuit is limited, and it is difficult to generate a burst pulse having a high repetition frequency such as 1 GHz or more.
- An object of the embodiment is to provide a laser device capable of generating a burst pulse having a high repetition frequency of 1 GHz or more and a laser light generation method.
- the embodiment is a laser device.
- the laser apparatus is optically coupled to a light source unit that outputs the first laser light and a second laser light having a wavelength different from that of the first laser light to different optical paths, and the first laser light and the second laser light.
- the light source unit is provided with an optical combining unit that combines the laser light and generates a burst pulse at a frequency corresponding to the difference between the wavelength of the first laser light and the wavelength of the second laser light.
- Each wavelength of the laser light and the second laser light is preset or can be set so that the frequency of the burst pulse becomes a certain frequency (desired frequency), and a certain frequency is 1 GHz or more.
- the embodiment is a laser light generation method.
- the laser light generation method combines the first step of outputting the first laser light and the second laser light having a wavelength different from that of the first laser light to different optical paths, and the combination of the first laser light and the second laser light. Then, a second step of generating a burst pulse at a frequency corresponding to the difference between the wavelength of the first laser light and the wavelength of the second laser light is included, and in the first step, the first laser light and the second laser light are included.
- Each wavelength of the laser beam is set so that the burst pulse frequency is 1 GHz or more.
- the first laser beam and the second laser beam output from the light source section (in the first step) are combined in the optical combine section (in the second step). At this time, the first laser beam and the second laser beam interfere with each other. As a result, interference light having a strong and weak period according to the wavelength difference between the first laser light and the second laser light is generated.
- the difference between the wavelength of the first laser beam and the wavelength of the second laser beam is several picometers, for example. If it is set to about several tens of picometers, the period of intensity of the interference light can be set to 1 nanosecond or less. Then, such interference light can be regarded as a burst pulse having a repetition frequency of 1 GHz or more. That is, according to the above-mentioned laser apparatus and laser light generation method, it is possible to generate a burst pulse having a high repetition frequency of 1 GHz or more.
- the laser apparatus and the laser light generation method of the embodiment it is possible to generate a burst pulse having a high repetition frequency of 1 GHz or more.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a laser device 1A according to an embodiment.
- FIG. 2 is a graph showing an embodiment of (a) and (b) a change in output wavelength due to a temperature change in the semiconductor laser device 15.
- FIG. 3 is a diagram conceptually showing the laser beams L1 and L2 before the combined wave and the laser light L3 after the combined wave (a) to (c).
- FIG. 4 is a diagram showing an example of waveform control of the laser beams L1 and L2 (a) to (c).
- FIG. 5 is a graph showing other examples of the laser beam L3 after the combined waves (a) and (b).
- FIG. 6 is a flowchart showing a laser light generation method of one embodiment.
- FIG. 7 is a graph showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths are adjusted so that the burst pulse frequencies (a) and (b) are set to 1 GHz.
- FIG. 8 is a graph showing the burst pulses generated in the examples.
- FIG. 9 is a graph showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths are adjusted so that the burst pulse frequencies (a) and (b) are set to 5 GHz.
- FIG. 10 is a graph showing the burst pulses generated in the examples.
- FIG. 11 is a graph showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths have been adjusted so that the burst pulse frequencies (a) and (b) are 10 GHz.
- FIG. 12 is a graph showing the burst pulses generated in the examples.
- FIG. 13 is a graph showing the spectrum of the laser beam L3 including the burst pulse.
- FIG. 14 is a graph showing the time waveform of the laser beam L1 in another embodiment.
- FIG. 15 is a graph showing the time waveform of the laser beam L2 in another embodiment.
- FIG. 16 is a graph showing burst pulses generated in another embodiment.
- FIG. 17 is a graph showing burst pulses generated in another embodiment.
- FIG. 18 is a diagram schematically showing the configuration of the laser device 1B as a first modification.
- FIG. 19 is a diagram schematically showing the configuration of the light source 17 as a second modification.
- FIG. 20 is a diagram schematically showing the configuration of the light source 18 as a third modification.
- FIG. 21 is a diagram schematically showing the configurations of light sources 19A and 19B, respectively, as the fourth modification of (a) and (b).
- FIG. 22 is a diagram schematically showing the configuration of the light source unit 10B as a fifth modification.
- FIG. 23 is a diagram schematically showing the configurations of the light sources 20A and 20B, respectively, as the sixth modification of (a) and (b).
- FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the laser device 1A according to the embodiment.
- the laser device 1A is a device for generating a burst pulse used for, for example, laser processing.
- the laser device 1A includes a light source unit 10A, an optical combine unit 21, a photodetector 22, a frequency measurement unit 23, a temperature control computer 24, an optical fiber connector 25, and a collimator lens 26.
- the light source unit 10A outputs the laser light L1 (first laser light) and the laser light L2 (second laser light).
- the light source unit 10A has laser light sources 11 and 12.
- the laser light sources 11 and 12 include, for example, a semiconductor laser element 15.
- the semiconductor laser device 15 is, for example, a distributed feedback (DFB) laser.
- the DFB laser has a semiconductor substrate, a diffraction grating layer and an active layer laminated on the semiconductor substrate. A periodic structure is formed in the diffraction grating layer along the optical resonance direction, and the oscillation wavelength is determined according to the period of the periodic structure. According to such a DFB laser, it is possible to output a laser beam having an extremely narrow wavelength band.
- the wavelength of the laser beam L1 and the wavelength of the laser beam L2 are different from each other.
- the difference in wavelength is realized, for example, by the periodic structures of the diffraction grating layers in the laser light sources 11 and 12 having different periods.
- the difference between the wavelength of the laser light L1 and the wavelength of the laser light L2 is, for example, when the frequency difference is 5 GHz, even if the laser lights L1 and L2 are near infrared light (wavelength 700 nm to 2500 nm), the difference is from several picometers. It is as small as 100 picometers.
- the light source unit 10A further includes a drive circuit 13 for driving the semiconductor laser element 15 of the laser light source 11 and a drive circuit 14 for driving the semiconductor laser element 15 of the laser light source 12.
- the drive circuits 13 and 14 are electrically connected to the anode electrode and the cathode electrode of the semiconductor laser element 15 of the laser light sources 11 and 12, respectively, and output a current for driving the semiconductor laser element 15. These currents are not subjected to intensity modulation that periodically repeats strength and weakness, and have a constant magnitude over time.
- the back light of the semiconductor laser element 15 may be monitored, and the magnitude of the output current from the drive circuits 13 and 14 may be feedback-controlled based on the light intensity thereof.
- the laser light sources 11 and 12 of this embodiment constitute a tunable laser. Therefore, the laser light sources 11 and 12 further include a temperature control unit 16 in addition to the semiconductor laser element 15 described above.
- the temperature control unit 16 is composed of a Peltier element on which the semiconductor laser element 15 is mounted, and changes the temperature of the semiconductor laser element 15 according to an electric signal given from the outside of the light source unit 10A. More preferably, a temperature sensor may be provided in the vicinity of the semiconductor laser element 15, and the magnitude of the electric signal to the temperature control unit 16 may be feedback-controlled based on the signal from the temperature sensor.
- the temperature control unit 16 When the temperature of the semiconductor laser element 15 is changed by the temperature control unit 16, the period of the periodic structure is changed by the expansion or contraction of the diffraction grating layer, and as a result, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element 15 is changed and the output wavelength is changed. Be changed.
- the temperature of the semiconductor laser device 15 is changed in units of 0.01 ° C., for example, and in that case, the output wavelength can be changed in units of 1 picometer.
- 2 (a) and 2 (b) are graphs showing an embodiment of a change in output wavelength due to a temperature change in the semiconductor laser device 15.
- the vertical axis represents light intensity (arbitrary unit) and the horizontal axis represents wavelength (unit: nanometer).
- the center wavelength is 1064.9 nm as shown in FIG. 2 (a)
- the center wavelength is as shown in FIG. 2 (b). It was 1064.2 nm.
- the configuration of the light source unit 10A is not limited to this, and any configuration may be provided as long as the wavelength is variable.
- the light source unit 10A outputs the laser light L1 output from the laser light source 11 and the laser light L2 output from the laser light source 12 to different optical paths (optical fibers 31, 32). Specifically, one end of the optical fiber 31 is optically coupled to the semiconductor laser element 15 of the laser light source 11, and one end of the optical fiber 32 is optically coupled to the semiconductor laser element 15 of the laser light source 12. ing. The other ends of the optical fibers 31 and 32 are connected to each input end of a 2-input 2-output optical coupler as the optical combiner 21. The laser beams L1 and L2 are combined with each other at the optical combine section 21, and are output as laser light L3 including a burst pulse from one output end of the optical coupler.
- FIGS. 3A to 3C are diagrams conceptually showing the laser light L1 and L2 before the wavefront and the laser light L3 after the wavefront.
- FIG. 3A shows the laser light L1 before the wavefront as a light wave
- FIG. 3B shows the laser light L2 before the wavefront as a light wave.
- the period of the waveform shown in these figures represents the wavelength of the laser beams L1 and L2.
- the wavelengths of the laser beams L1 and L2 are different from each other.
- the laser beams L1 and L2 overlap each other and interfere with each other as shown in FIG. 3C.
- the light intensity waveform e 1 (t) of the laser beam L1 can be expressed by the following mathematical formula (1)
- the light intensity waveform e 2 (t) of the laser light L2 can be expressed by the following mathematical formula (2). Can be done.
- A is the amplitude
- f 1 is the frequency of the laser light L1
- f 2 is the frequency of the laser light L 2
- ⁇ 1 is the phase of the laser light L 1
- ⁇ 2 is the phase of the laser light L 2 .
- the light intensity waveform I (t) of the laser beam L3 after the combined wave is expressed by the following mathematical formula (3).
- the right-hand side of the above equation (3) contains a term relating to the difference frequency (f 2- f 1 ).
- This difference frequency (f 2- f 1 ) becomes the beat frequency of the burst pulse included in the laser beam L3. Therefore, the closer the frequencies f 1 and f 2 of the laser beams L1 and L2 are, the smaller the beat frequency of the burst pulse is, and the farther the frequencies f 1 and f 2 are, the larger the beat frequency of the burst pulse is.
- One output end of the optical coupler as the optical combiner 21 is optically coupled to one end of the optical fiber 33.
- the laser beam L3 generated in the optical combiner 21 propagates through the optical fiber 33.
- An optical fiber connector 25 is attached to the other end of the optical fiber 33.
- the optical fiber connector 25 terminates the optical fiber 33. That is, the light that has passed through the optical fiber 33 reaches the optical fiber connector 25 and is output to the space.
- the collimator lens 26 is optically coupled to the optical fiber connector 25 via a space, and parallelizes (colimates) the light radially output from the optical fiber connector 25.
- the laser beam L3 that has passed through the collimator lens 26 is output to the outside of the laser device 1A.
- the parallelized laser light L3 irradiates the object to be processed. In FIG. 1, the light propagating in space is shown by a broken line.
- the other output end of the optical coupler as the optical combiner 21 is optically coupled to the photodetector 22 via an optical fiber 34.
- Light L31 which is a part of the laser light L3, is output from the other output end, and the light L31 is input to the photodetector 22.
- the ratio of the light intensity of the laser beam L3 output from one output end of the optical coupler to the light intensity of the light L31 is, for example, 99: 1.
- the photodetector 22 generates and outputs an electric signal Sigma corresponding to the light intensity of the light L31.
- the photodetector 22 may be composed of, for example, a photodiode or a biplanar phototube.
- a frequency measuring unit 23 is electrically connected to the photodetector 22 via a wiring 41, and the frequency measuring unit 23 inputs an electric signal Sigma from the photodetector 22 to measure the frequency.
- the frequency measuring unit 23 may be configured by, for example, a spectrum analyzer.
- a temperature control computer 24 is electrically connected to the frequency measurement unit 23 and the temperature control units 16 of the laser light sources 11 and 12 via wirings 42 to 44. The temperature control computer 24 controls the temperature control units 16 of the laser light sources 11 and 12 so that the frequency measured by the frequency measurement unit 23 approaches a desired frequency, and sets the difference frequency (f 2 ⁇ f 1 ). adjust.
- the temperature control computer 24 may be composed of, for example, a computer having a central processing unit (CPU), a main storage device (RAM), and an auxiliary storage device (ROM or hard disk).
- CPU central processing unit
- RAM main storage device
- ROM auxiliary storage device
- a temperature control program is stored in the auxiliary storage device, and a predetermined temperature control process is performed by reading the program from the CPU.
- the wavelength (or frequency f 1, f 2) of the laser light L1, L2 is either the frequency of the burst pulse is set in advance so as to obtain a desired certain frequency (predetermined frequency), or setting It is possible.
- the frequency of the burst pulse is preset, the frequency is stored in the auxiliary storage device of the temperature control computer 24 in advance, and the temperature control computer 24 causes the semiconductor laser element 15 so that the burst pulse frequency approaches the frequency. Control the temperature of.
- the frequency is input to the temperature control computer 24 by the operator or the frequency setting computer, and the temperature control computer 24 adjusts the burst pulse frequency to approach the frequency.
- the temperature of the semiconductor laser element 15 is controlled. Therefore, for example, the frequency of the burst pulse can be dynamically changed depending on the state of the laser processing target.
- the preset (or configurable) burst pulse frequency is 1 GHz or more. If it is less than 1 GHz, as described above, the laser light from the laser light source that outputs continuous light is periodically cut off by a high-speed optical switch or the like, or a periodic pulse current is supplied to the semiconductor laser element. It can be realized by the method of The laser device 1A of the present embodiment realizes a burst pulse frequency of 1 GHz or more, which cannot be realized by these methods.
- the preset (or configurable) burst pulse frequency may be 2000 GHz or less.
- the laser device 1A of the present embodiment enables the generation of interference light at an extremely small frequency such as 2000 GHz or less by combining the laser beams L1 and L2 having extremely close frequencies, and uses this as a burst pulse. is there.
- the preset (or configurable) burst pulse frequency may be 1000 GHz or less, or 100 GHz or less. According to the laser apparatus 1A of the present embodiment, in principle, it is possible to generate a burst pulse having such an extremely small frequency.
- the drive circuits 13 and 14 also serve as a waveform control unit in this embodiment. That is, the drive circuits 13 and 14 control the time waveforms of the supply current to the semiconductor laser element 15 so that the waveforms of the laser light L1 and the laser light L2 before the merging are the same. Therefore, the laser device 1A may further include a control unit (not shown) that controls the operations of the drive circuits 13 and 14 as a part of the waveform control unit.
- This control unit may consist of a computer having a CPU, RAM, and ROM (or hard disk). A laser drive program is stored in the ROM (or hard disk), and the CPU reads the program to perform a predetermined laser drive process.
- FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an example of waveform control of laser beams L1 and L2.
- the vertical axis represents light intensity (light power) and the horizontal axis represents time.
- the laser beams L1 and L2 are output as a square wave having steep rising and falling edges and a flat top.
- the rising timings of the laser beams L1 and L2 match (synchronize) with each other, and the falling timings also match (synchronize) with each other.
- the peak intensities Pk of the laser beams L1 and L2 may be equal to each other or may be different from each other.
- FIG. 4C When these laser beams L1 and L2 are combined, as shown in FIG. 4C, a laser beam L3 including a burst pulse whose range is defined by a rectangular wave-shaped envelope B1 is generated. ..
- the laser beam L3 may include a burst pulse whose range is defined by the Gaussian wavy envelope B2.
- the laser beam L3 may include a burst pulse whose range is defined by a triangular wavy envelope B3 with a slow rise and a steep fall.
- a burst pulse having an arbitrary envelope can be easily generated.
- FIG. 6 is a flowchart showing the laser light generation method of the present embodiment.
- This laser light generation method can be realized by using, for example, the above-mentioned laser device 1A.
- the laser light L1 and the laser light L2 having a wavelength different from that of the laser light L1 are output to different optical paths (optical fibers 31 and 32).
- This first step S1 is performed by, for example, the light source unit 10A.
- the laser beam L1 and the laser beam L2 are combined to generate a burst pulse at a frequency ⁇ f corresponding to the difference ⁇ between the wavelength of the laser beam L1 and the wavelength of the laser beam L2.
- This second step S2 is performed, for example, by the optical combine unit 21.
- each wavelength of the laser beams L1 and L2 is set so that the frequency ⁇ f of the burst pulse is 1 GHz or more.
- the laser beams L1 and L2 output from the light source unit 10A are combined in the optical combine unit 21 (in the second step S2).
- the laser light L1 and the laser light L2 interfere with each other.
- interference light having a strong and weak period according to the wavelength difference between the laser light L1 and the laser light L2 is generated.
- the difference between the wavelength of the laser beam L1 and the wavelength of the laser beam L2 is, for example, about several picometers to several tens of picometers. If so, the period of the intensity of the interference light can be set to 1 nanosecond or less. Then, such interference light can be regarded as a burst pulse having a repetition frequency of 1 GHz or more. That is, according to the laser device 1A and the laser light generation method of the present embodiment, it is possible to generate a burst pulse having a high repetition frequency of 1 GHz or more.
- the repetition frequency of the burst pulse frequency may be 2000 GHz or less, 1000 GHz or less, or 100 GHz or less. If the repetition frequency of the optical pulse train is too high, it is no longer regarded as a burst pulse but continuous light. However, by suppressing the repetition frequency of the optical pulse train to these degrees, a burst pulse that can be suitably used for, for example, laser machining, etc. Can be generated.
- the wavelengths of the laser beams L1 and L2 may be variable in the light source unit 10A.
- the repetition frequency ⁇ f of the burst pulse can be accurately controlled by the feedback control.
- the repetition frequency ⁇ f of the burst pulse can be made variable, and the irradiation conditions can be easily changed in laser processing or the like.
- the wavelengths of both the laser beams L1 and L2 are variable, but the same effect can be obtained even if only one of the wavelengths of the laser beams L1 and L2 is variable.
- the laser light sources 11 and 12 may be tunable lasers. As a result, it is possible to easily realize a configuration in which the wavelengths of the laser beams L1 and L2 are variable. As described above, only one of the laser beams L1 and L2 may be tunable, and in that case, only one of the laser light sources 11 and 12 may be a tunable laser. That is, it is preferable to provide the temperature control unit 16 only on one of the laser light sources 11 and 12.
- the laser light sources 11 and 12 may have a semiconductor laser element 15 which is a DFB laser and a temperature control unit 16 which changes the temperature of the semiconductor laser element 15 according to an electric signal.
- a semiconductor laser element 15 which is a DFB laser
- a temperature control unit 16 which changes the temperature of the semiconductor laser element 15 according to an electric signal.
- the laser device 1A may include waveform control units (drive circuits 13 and 14) that control the waveforms of the laser beams L1 and L2 before the wavefront to be the same waveforms.
- the shape of the envelope of the burst pulse output from the optical merging unit 21 can be controlled.
- the waveform control unit may control the time waveform of the supply current to the semiconductor laser element 15. This eliminates the need for optical components for shaping the waveform, and simplifies the configuration of the laser device 1A.
- Non-Patent Document 1 discloses a burst pulse generator in which a Mach-Zehnder interferometer (MZI) is incorporated in a resonator of a mode-locked fiber oscillator, and an element for varying the optical path length is provided at one resonator end. ing. By adjusting the optical path difference, MZI acts as a spectral filter, filters the spectral distribution of mode-locked oscillations (spectral peaks are evenly spaced), and generates highly repetitive pulses due to the interference of passed modes. ..
- MZI Mach-Zehnder interferometer
- the spectral interval greatly fluctuates due to a slight change in the optical path difference. As a result, precise adjustment in the region exceeding 1100 GHz becomes difficult.
- the configuration of the present embodiment in principle, even a burst pulse frequency of 1100 GHz or higher can be adjusted with high accuracy.
- burst pulses there is a method of providing a saturable absorbing element such as graphene in the resonator, but the resonator length is minimized to a realistic size, and graphene is made into a film and used.
- the feasible repetition frequency is at most 10 to 20 GHz. In the configuration of the present embodiment, even a burst pulse frequency exceeding 20 GHz can be realized.
- FIG. 7 (a) and 7 (b) are graphs showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths are adjusted so that the burst pulse frequency is 1 GHz.
- FIG. 7 (a) shows the spectrum of the laser beam L1
- FIG. 7 (b) shows the spectrum of the laser beam L2.
- FIG. 8 is a graph showing the burst pulses generated in this example.
- the vertical axis represents light intensity and the horizontal axis represents time.
- FIG. 9 (a) and 9 (b) are graphs showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths are adjusted so that the burst pulse frequency is 5 GHz.
- FIG. 9A shows the spectrum of the laser beam L1
- FIG. 9B shows the spectrum of the laser beam L2.
- FIG. 10 is a graph showing the burst pulses generated in this example.
- the vertical axis represents light intensity and the horizontal axis represents time.
- FIG. 11 (a) and 11 (b) are graphs showing an example of the spectra of the laser beams L1 and L2 whose wavelengths are adjusted so that the burst pulse frequency is 10 GHz.
- FIG. 11A shows the spectrum of the laser beam L1
- FIG. 11B shows the spectrum of the laser beam L2.
- FIG. 12 is a graph showing the burst pulses generated in this example.
- the vertical axis represents light intensity and the horizontal axis represents time.
- FIG. 13 is a graph showing the spectrum of the laser beam L3 including the burst pulse.
- FIG. 14 and 15 are graphs showing the time waveforms of the laser beams L1 and L2 in another embodiment.
- FIG. 14 shows the time waveform of the laser beam L1
- FIG. 15 shows the time waveform of the laser beam L2.
- the laser beams L1 and L2 had a rectangular wavy time waveform with a flat top, each having a time width of 20 nanoseconds.
- FIGS. 16 and 17 are graphs showing the burst pulses generated in this example.
- FIG. 16 shows a burst pulse when the difference frequency ⁇ f is 5 GHz
- FIG. 17 shows a burst pulse when the difference frequency ⁇ f is 10 GHz.
- the shape of the envelope of the burst pulse became rectangular wavy according to the time waveforms of the laser beams L1 and L2.
- FIG. 18 is a diagram schematically showing the configuration of the laser device 1B as a first modification of the above embodiment.
- the laser device 1B includes optical isolators 51, 52, 53, and 54, an optical fiber amplifier 61, a solid-state laser amplifier 62 and 63, and a bandpass filter 71. Be prepared.
- the optical fiber amplifier 61 has an optical fiber made of glass to which impurities such as Er and Yb are added, and amplifies the laser light L3 by inputting excitation light to the optical fiber together with the laser light L3.
- the optical input end of the optical fiber amplifier 61 and the optical combiner 21 are optically coupled via an optical fiber.
- An optical isolator 51 is interposed between the optical fiber amplifier 61 and the optical combiner 21. The optical isolator 51 prevents light (laser light L3 and excitation light) from returning from the optical fiber amplifier 61 to the optical combiner 21. As a result, damage to the semiconductor laser element 15 of the laser light sources 11 and 12 can be prevented.
- optical output end of the optical fiber amplifier 61 and the bandpass filter 71 are optically coupled via an optical fiber.
- An optical isolator 52 is interposed between the optical fiber amplifier 61 and the bandpass filter 71. The optical isolator 52 prevents the light after the bandpass filter 71 from returning to the optical fiber amplifier 61.
- the optical fiber amplifier 61 is a first-stage optical amplifier and amplifies the laser light L3 output from the optical combiner 21.
- the gain of the optical fiber amplifier 61 is, for example, in the range of 20 to 30 dB.
- the bandpass filter 71 blocks the wavelength component of fluorescence contained in the light output from the optical fiber amplifier 61.
- the bandpass filter 71 may be composed of, for example, a dielectric multilayer film.
- the bandpass filter 71 is optically coupled to the optical fiber connector 25 via an optical fiber.
- the light that has passed through the bandpass filter 71 propagates through the optical fiber and reaches the optical fiber connector 25, and then is output to the space.
- the collimator lens 26 is optically coupled to the optical fiber connector 25 via a space, and parallelizes the light radially output from the optical fiber connector 25. Since the intensity of the light amplified by the solid-state laser amplifiers 62 and 63, which will be described later, is high, in order to avoid damage to the optical material such as glass by the laser, the stage after the optical fiber connector 25 is not an optical fiber but in space. Propagate.
- the solid-state laser amplifiers 62 and 63 may be made of glass or yttrium aluminum garnet (YAG) to which impurities such as Nd are added.
- the solid-state laser amplifiers 62 and 63 amplify the laser light L3 by inputting the excitation light together with the laser light L3.
- the solid-state laser amplifier 62 is optically coupled to the collimator lens 26 via an optical isolator 53.
- the optical isolator 53 prevents the light of the solid-state laser amplifier 62 from returning to the stage before the solid-state laser amplifier 62. As a result, damage to the optical fiber amplifier 61 can be prevented.
- the solid-state laser amplifier 62 is a second-stage optical amplifier that further amplifies the amplified laser light L3 output from the optical fiber amplifier 61.
- the gain of the solid-state laser amplifier 62 is, for example, in the range of 3 to 20 dB.
- the solid-state laser amplifier 63 is optically coupled to the solid-state laser amplifier 62 via an optical isolator 54. That is, the optical fiber amplifier 61 and the solid-state laser amplifiers 62 and 63 are coupled in series with each other.
- the optical isolator 54 prevents the light of the solid-state laser amplifier 63 from returning to the stage before the solid-state laser amplifier 63. As a result, damage to the solid-state laser amplifier 62 can be prevented.
- the solid-state laser amplifier 63 is a third-stage optical amplifier that further amplifies the amplified laser beam L3 output from the solid-state laser amplifier 62.
- the gain of the solid-state laser amplifier 63 is, for example, in the range of 3 to 10 dB.
- the laser beam L3 amplified by the solid-state laser amplifier 63 is output to the outside of the laser apparatus 1B.
- the laser device 1B of this modification includes all the configurations of the laser device 1A of the above embodiment. Therefore, the same effect as that of the above embodiment can be obtained. Further, since the laser device 1B of this modification includes the optical fiber amplifier 61 and the solid-state laser amplifiers 62 and 63 in addition to the configuration of the laser device 1A of the above embodiment, it is possible to output a high-power laser beam L3. ..
- FIG. 19 is a diagram schematically showing the configuration of the light source 17 as a second modification of the above embodiment.
- the laser device 1A of the above embodiment or the laser device 1B of the first modification one or both of the laser light sources 11 and 12 of the light source unit 10A may be replaced with the light source 17 of the present modification.
- the light source 17 has a configuration as an injection-synchronized Q-switched laser.
- the light source 17 includes a laser light source 171 as a seed light source, an isolator 172, a polarizer 173, an electro-optical element 174 as a Q-switch, a gain medium 175, and total reflection mirrors 176a and 176b. It has a partially transmissive mirror 177 and a 1/4 wavelength plate 178.
- the laser light source 171 is a tunable laser and has the same configuration as the laser light sources 11 and 12 of the above-described embodiment. That is, the temperature control unit 171a (for example, a Peltier element) and the semiconductor laser element 171b mounted on the temperature control unit 171a are included.
- the total reflection mirror 176b and the partial transmission mirror 177 constitute an optical resonator.
- An electro-optical element 174, a 1/4 wavelength plate 178 and a gain medium 175 are arranged on the optical path of the total reflection mirror 176b and the partial transmission mirror 177, and a polarizer 173 is further arranged on the optical path.
- the polarizer 173 is optically coupled to the semiconductor laser element 171b of the laser light source 171 via a total reflection mirror 176a and an isolator 172.
- the electro-optical element 174 is a crystal whose refractive index changes when a voltage is applied, such as a BBO (beta barium bolite) crystal or a DKDP (potassium deuterium phosphate) crystal.
- the light L4 When light L4 having a certain wavelength is output from the laser light source 171, the light L4 reaches the inside of the optical cavity via the isolator 172 and the total reflection mirror 176a.
- the isolator 172 prevents the laser light generated in the optical resonator from returning to the semiconductor laser element 171b. As a result, damage to the semiconductor laser element 171b can be prevented.
- the light L4 polarized by the polarizer 173 passes through the electro-optical element 174 in a state where no voltage is applied, and then reciprocates via the 1/4 wave plate 178 and the total reflection mirror 176b. As a result, the polarization direction of the light L4 is rotated by 90 degrees, and the light L4 passes through the polarizer 173 and reaches the gain medium 175.
- a part of the light reflected by the partially transmitted mirror 177 reciprocates on the 1/4 wave plate 178 again, so that the polarization direction is rotated 90 degrees again and the polarizing element 173 cannot be passed again. Therefore, laser oscillation does not occur because the laser resonator is not configured.
- the Q value is low, the population inversion is distributed by photoexcitation of a semiconductor laser, lamp, etc., and when a voltage is applied to the electro-optical element 174 when sufficient energy is stored, it is combined with the 1/4 wavelength plate 178.
- the polarizer 173 is always transmitted, a laser resonator is formed, the Q value rapidly increases, and a pulse output is obtained.
- At least one of the laser light sources 11 and 12 may be a Q-switched laser.
- the seed light source (light source 171) of the Q-switched laser may be a tunable laser. This makes it possible to easily realize a configuration in which the wavelength of at least one of the laser beams L1 and L2 is variable.
- FIG. 20 is a diagram schematically showing the configuration of the light source 18 as a third modification of the above embodiment.
- the laser device 1A of the above embodiment or the laser device 1B of the first modification one or both of the laser light sources 11 and 12 of the light source unit 10A may be replaced with the light source 18 of the present modification.
- the light source 18 has a semiconductor laser element 181 as a laser resonator and a volume diffraction grating (VBG) 182.
- the VBG182 is a light reflecting unit that is optically coupled to the light output end of the semiconductor laser element 181 and constitutes one of the resonator ends in the laser resonator.
- the wavelength-light reflection characteristic of VBG182 is variable according to the light incident angle, and when the angle of VBG182 with respect to the optical axis of the light emitted from the semiconductor laser element 181 is changed, the wavelength returning to the semiconductor laser element 181 changes.
- the laser light L5 having a desired wavelength can be output by adjusting the angle of the VBG182 so that only the light having the wavelength to be oscillated returns to the semiconductor laser element 181. According to this modification, a tunable laser can be easily realized.
- 21 (a) and 21 (b) are diagrams schematically showing the configurations of light sources 19A and 19B, respectively, as a fourth modification of the above embodiment.
- the laser device 1A of the above embodiment or the laser device 1B of the first modification one or both of the laser light sources 11 and 12 of the light source unit 10A may be replaced with the light sources 19A or 19B of the present modification.
- the light source 19A shown in FIG. 21A is called a Littrow type arrangement.
- the light source 19A has a semiconductor laser element 191 as a laser resonator and a diffraction grating 192.
- the diffraction grating 192 is a light reflecting portion that is optically coupled to the back surface 191b of the semiconductor laser element 191 via a condenser lens 193 and constitutes one resonator end in the laser resonator.
- the wavelength-light reflection characteristic of the diffraction grating 192 is variable according to the light incident angle, and when the angle of the diffraction grating 192 with respect to the optical axis of the back light from the semiconductor laser element 191 is changed, the wavelength returned to the semiconductor laser element 191 is changed. Change. Utilizing such a property, the laser light L6 having a desired wavelength is output from the resonance end face 191a by adjusting the angle of the diffraction grating 192 so that only the light having the wavelength to be oscillated returns to the semiconductor laser element 191. be able to.
- the light source 19B shown in FIG. 21B is called a Littman-Metcalf type arrangement.
- the light source 19B further includes a mirror 194 in addition to the configuration of the light source 19A described above.
- the mirror 194 is arranged to face the diffraction grating 192 and reflects the diffracted light from the diffraction grating 192.
- the light reflectance of the resonant end face 191a of the semiconductor laser element 191 is 90% or more, and by changing the angle of the mirror 194, the laser beam L6 having a desired wavelength is taken out from the diffraction grating 192 instead of the resonant end face 191a. Is done.
- a tunable laser can be easily realized even with a configuration such as the light source 19A or 19B of this modification.
- FIG. 22 is a diagram schematically showing the configuration of the light source unit 10B as a fifth modification of the above embodiment.
- the light source unit 10A may be replaced with the light source unit 10B of the present modification.
- the light source unit 10B includes a mode-locked laser light source 102, a first bandpass filter 103, and a second bandpass filter 104.
- the first band pass filter 103 is optically coupled to the mode-synchronized laser light source 102, and extracts a component corresponding to the wavelength of the laser light L1 from the laser light L7 output from the mode-synchronized laser light source 102.
- the second band pass filter 104 is optically coupled to the mode-synchronized laser light source 102, and extracts a component corresponding to the wavelength of the laser light L2 from the laser light L7 output from the mode-synchronized laser light source 102. According to this modification, since the laser light sources for generating the laser beams L1 and L2 having different wavelengths can be shared, the light source unit can be easily configured.
- 23 (a) and 23 (b) are diagrams schematically showing the configurations of the light sources 20A and 20B, respectively, as a sixth modification of the above embodiment.
- the laser device 1A of the above embodiment or the laser device 1B of the first modification one or both of the laser light sources 11 and 12 of the light source unit 10A may be replaced with the light source 20A or 20B of the present modification.
- the light source 20A shown in FIG. 23A has a solid-state laser oscillator 112 and a waveform shaping unit 113.
- the solid-state laser oscillator 112 includes a pair of resonant end faces 114, 115 and a gain medium 116 arranged on the optical path between the pair of resonant end faces 114, 115.
- One of the resonant end faces 115 is an output coupling mirror and has a wavelength-transmission characteristic in which the transmittance changes according to the wavelength.
- the waveform shaping unit 113 is optically coupled to the resonant end face 115.
- the time waveform of the laser beam L8 output from the solid-state laser oscillator 112 is shaped into a desired shape (rectangular wave shape, Gaussian wave shape, etc.) by the waveform shaping unit 113.
- the light source 20B shown in FIG. 23B has a fiber laser oscillator 117 and a waveform shaping unit 113.
- the fiber laser oscillator 117 includes a pair of fiber Bragg gratings (FBGs) 118,119 and an optical fiber 120 containing a gain medium connected between the pair of FBGs 118,119.
- FBGs fiber Bragg gratings
- FBG119 has a wavelength-transmission characteristic in which the transmittance changes according to the wavelength.
- the waveform shaping unit 113 is optically coupled to the FBG 119.
- the time waveform of the laser beam L9 output from the fiber laser oscillator 117 is shaped into a desired shape (rectangular wave shape, Gaussian wave shape, etc.) by the waveform shaping unit 113.
- the laser device and the laser light generation method are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various other modifications are possible.
- the configuration for making each wavelength of the first laser beam and the second laser beam variable in the light source unit is not limited to the above embodiment and each modification, and various other methods can be applied.
- the drive circuits 13 and 14 control the waveforms of the laser beams L1 and L2 before the wave combination to be the same waveforms as each other, but instead of or together with this method, after the wave combination.
- the waveform of the laser beam L3 may be controlled by an optical switch such as an acoustic-optical modulation element or an electro-optical modulation element.
- the laser apparatus is optically coupled to a light source unit that outputs a first laser light and a second laser light having a wavelength different from that of the first laser light to different optical paths, and a first laser.
- a light source unit including an optical combining unit that combines light and a second laser light to generate a burst pulse at a frequency corresponding to the difference between the wavelength of the first laser light and the wavelength of the second laser light.
- each wavelength of the first laser light and the second laser light is preset or can be set so that the frequency of the burst pulse becomes a certain frequency (desired frequency), and the certain frequency is 1 GHz or more.
- the configuration is.
- the laser light generation method includes a first step of outputting a second laser light having a wavelength different from that of the first laser light and the first laser light to different optical paths, and the first laser light and the second laser light.
- the first laser includes a second step of combining and generating a burst pulse at a frequency corresponding to the difference between the wavelength of the first laser light and the wavelength of the second laser light.
- Each wavelength of the light and the second laser light is set so that the frequency of the burst pulse is 1 GHz or more.
- a certain frequency may be configured to be 2000 GHz or less. Further, in the above laser device, a certain frequency may be configured to be 1000 GHz or less, or may be configured to be 100 GHz or less.
- the repetition frequency of the optical pulse train is too high, it is no longer regarded as a burst pulse but continuous light. However, by suppressing the repetition frequency of the optical pulse train to these degrees, a burst pulse that can be suitably used for, for example, laser machining, etc. Can be generated.
- At least one of the first laser light and the second laser light may have a variable wavelength in the light source unit.
- the feedback control can accurately control the repetition frequency of the burst pulse.
- the repetition frequency of the burst pulse can be made variable, and the irradiation conditions can be easily changed in laser processing or the like.
- At least one of the laser light source that generates the first laser light and the laser light source that generates the second laser light may be a wavelength variable laser.
- at least one of the laser light source that generates the first laser beam and the laser light source that generates the second laser beam is a Q switch laser
- the seed light source of the Q switch laser is a wavelength variable laser. It may have a certain configuration. With these configurations, it is possible to easily realize a configuration in which the wavelength of at least one of the first laser beam and the second laser beam is variable.
- the tunable laser may have a configuration including a distributed feedback type semiconductor laser element and a temperature control unit that changes the temperature of the semiconductor laser element according to an electric signal.
- the variable wavelength laser may have a laser resonator and a light reflecting portion having one resonator end of the laser resonator and a variable wavelength-light reflection characteristic. good. According to these configurations, a tunable laser can be easily realized.
- the light source unit is optically coupled to the mode-synchronized laser light source and the mode-synchronized laser light source, and extracts a component corresponding to the wavelength of the first laser light from the laser light output from the mode-synchronized laser light source. It has a first bandpass filter and a second bandpass filter that is optically coupled to a mode-synchronized laser light source and extracts a component corresponding to the wavelength of the second laser light from the laser light output from the mode-synchronized laser light source. It may be configured. In this case, since the laser light sources for generating the first laser light and the second laser light having different wavelengths can be shared, the light source unit can be easily configured.
- the above laser device may be further provided with a waveform control unit that controls the waveforms of the first laser beam and the second laser beam before the wavefront to be the same waveform.
- a waveform control unit that controls the waveforms of the first laser beam and the second laser beam before the wavefront to be the same waveform.
- the shape of the envelope of the burst pulse output from the optical combiner can be controlled.
- the waveform control unit may control the time waveform of the current supplied to the semiconductor laser element. This eliminates the need for optical components for shaping the waveform, and simplifies the configuration of the laser device.
- the embodiment can be used as a laser device capable of generating a burst pulse having a high repetition frequency of 1 GHz or more and a laser light generation method.
- Band path filter 112 ... Solid laser oscillator , 113 ... Wave shape shaping unit, 114, 115 ... Resonant end face, 116 ... Gain medium, 117 ... Fiber laser oscillator, 118, 119 ... Fiber Bragg grating (FBG), 120 ... Optical fiber, 171 ... Laser light source, 172 ... Isolator, 173 ... Polarizer, 174 ... Electro-optical element, 175 ... Gain medium, 176a, 176b ... Full reflection mirror, 177 ... Partial transmission mirror, 178 ... 1/4 wavelength plate, 171a ... Temperature control unit, 171b, 181, 191 ... Semiconductor laser element, 191a ... Resonant end face, 191b ... Back surface, 192 ... Diffraction lattice, 193 ... Condensing lens, 194 ... Mirror, B1-B3 ... Encapsulation line, L1-L9 ... Laser light, Sig ... Electrical signal.
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Abstract
レーザ装置1Aは、光源部10A及び光合波部21を備える。光源部10Aは、第1レーザ光L1及び第1レーザ光L1とは波長が異なる第2レーザ光L2を、それぞれ異なる光路へ出力する。光合波部21は、光源部10Aと光学的に結合され、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2とを合波して、第1レーザ光L1の波長と第2レーザ光L2の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる。光源部10Aにおいて、第1レーザ光L1及び第2レーザ光L2の各波長は、バーストパルスの周波数が1GHz以上となるように予め設定されているか又は設定可能である。これにより、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することが可能なレーザ装置及びレーザ光生成方法が実現される。
Description
本開示は、レーザ装置及びレーザ光生成方法に関するものである。
特許文献1には、微細加工用のプログラマブル超高速バーストモードレーザに関する技術が記載されている。この文献に記載されたレーザ装置は、バーストパルスレーザと、一つ又は複数の光増幅器とを備える。バーストパルスレーザは、選択的に整形されたバースト包絡線によって規定された三つ以上のレーザパルスからなるバーストを放出する。バーストパルスレーザは、バースト包絡線内の三つ以上のレーザパルス間の時間間隔と、バースト包絡線の時間幅とを選択的に調整するように構成されている。一つ又は複数の増幅器は、バースト包絡線の所望の形状を得るように三つ以上のレーザパルスからなる群を増幅する。
Dong Mao et al., "Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser", Scientific Reports 3, Art.3223, pp.1-5 (2013)
従来より、例えばレーザ加工等の用途において、極めて短い(例えば数十~数百ピコ秒といった)時間幅にて強弱を繰り返すバーストパルスを用いることがある。このようなバーストパルスを生成する方式としては、例えば、連続光を出力するレーザ光源からのレーザ光を高速の光スイッチ等により周期的に切り取る方式、或いは、半導体レーザ素子に対して周期的なパルス電流を供給する方式、などが考えられる。しかしながら、これらの方式では、光スイッチや電流供給回路の動作速度に限界があり、例えば1GHz以上といった高い繰り返し周波数のバーストパルスを生成することは難しい。
実施形態は、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することが可能なレーザ装置及びレーザ光生成方法を提供することを目的とする。
実施形態は、レーザ装置である。レーザ装置は、第1レーザ光及び第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する光源部と、光源部と光学的に結合され、第1レーザ光と第2レーザ光とを合波して、第1レーザ光の波長と第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる光合波部と、を備え、光源部において、第1レーザ光及び第2レーザ光の各波長は、バーストパルスの周波数が或る周波数(所望の周波数)となるように予め設定されているか又は設定可能であり、或る周波数は1GHz以上である。
実施形態は、レーザ光生成方法である。レーザ光生成方法は、第1レーザ光及び第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する第1ステップと、第1レーザ光と第2レーザ光とを合波して、第1レーザ光の波長と第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる第2ステップと、を含み、第1ステップにおいて、第1レーザ光及び第2レーザ光の各波長を、バーストパルスの周波数が1GHz以上となるように設定する。
これらのレーザ装置及びレーザ光生成方法では、光源部から(第1ステップにおいて)出力された第1レーザ光及び第2レーザ光が、光合波部において(第2ステップにおいて)合波される。このとき、第1レーザ光と第2レーザ光とは互いに干渉する。その結果、第1レーザ光と第2レーザ光との波長差に応じた強弱の周期を有する干渉光が生成される。
第1レーザ光及び第2レーザ光の波長が例えば近赤外域(700nm~2500nm)といった波長域であっても、第1レーザ光の波長と第2レーザ光の波長との差を例えば数ピコメートル~数十ピコメートル程度とすれば、干渉光の強弱の周期を1ナノ秒以下とすることができる。そして、このような干渉光は、1GHz以上の繰り返し周波数を有するバーストパルスと見なすことができる。すなわち、上記のレーザ装置及びレーザ光生成方法によれば、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することが可能となる。
実施形態のレーザ装置及びレーザ光生成方法によれば、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することができる。
以下、添付図面を参照しながら、レーザ装置及びレーザ光生成方法の実施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。
図1は、一実施形態に係るレーザ装置1Aの構成を概略的に示す図である。レーザ装置1Aは、例えばレーザ加工等に用いられるバーストパルスを生成するための装置である。図1に示すように、レーザ装置1Aは、光源部10A、光合波部21、光検出器22、周波数計測部23、温度制御用コンピュータ24、光ファイバコネクタ25、及びコリメータレンズ26を備える。
光源部10Aは、レーザ光L1(第1レーザ光)及びレーザ光L2(第2レーザ光)を出力する。具体的には、光源部10Aは、レーザ光源11,12を有する。レーザ光源11,12は、例えば半導体レーザ素子15を含んで構成される。半導体レーザ素子15は、例えば分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)レーザである。DFBレーザは、半導体基板と、半導体基板上に積層された回折格子層および活性層を有する。回折格子層には、光共振方向に沿って周期構造が形成され、該周期構造の周期に応じて発振波長が定まる。このようなDFBレーザによれば、波長帯域が極めて狭いレーザ光を出力することができる。
本実施形態の光源部10Aにおいて、レーザ光L1の波長とレーザ光L2の波長とは互いに異なる。波長の相違は、例えば、レーザ光源11,12における回折格子層の周期構造の周期が互いに異なることによって実現される。レーザ光L1の波長とレーザ光L2の波長との差は、例えば周波数差を5GHzとした場合、レーザ光L1,L2が近赤外光(波長700nm~2500nm)であっても、数ピコメートルから100ピコメートル程度といった僅かなものである。
光源部10Aは、レーザ光源11の半導体レーザ素子15を駆動する駆動回路13と、レーザ光源12の半導体レーザ素子15を駆動する駆動回路14とを更に有する。駆動回路13,14は、それぞれレーザ光源11,12の半導体レーザ素子15のアノード電極およびカソード電極と電気的に接続されており、半導体レーザ素子15を駆動するための電流を出力する。これらの電流は、周期的に強弱を繰り返す強度変調が施されたものではなく、時間的に一定の大きさを有する。なお、半導体レーザ素子15の背面光をモニタし、その光強度に基づいて、駆動回路13,14からの出力電流の大きさをフィードバック制御してもよい。
本実施形態のレーザ光源11,12は、波長可変レーザを構成する。そのために、レーザ光源11,12は、上述した半導体レーザ素子15に加えて、温度制御部16を更に有する。温度制御部16は、半導体レーザ素子15を搭載するペルチェ素子によって構成され、光源部10Aの外部から与えられる電気信号に応じて、半導体レーザ素子15の温度を変更する。より好適には、半導体レーザ素子15の近傍に温度センサを設け、該温度センサからの信号に基づいて、温度制御部16への電気信号の大きさをフィードバック制御してもよい。
温度制御部16によって半導体レーザ素子15の温度が変更されると、回折格子層の膨張または収縮によって周期構造の周期が変化し、その結果、半導体レーザ素子15の発振波長が変化し、出力波長が変更される。半導体レーザ素子15の温度は例えば0.01℃単位で変更され、その場合、出力波長は1ピコメートル単位で変更可能である。
図2(a)及び(b)は、半導体レーザ素子15の温度変化による出力波長の変化の一実施例を示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は光強度(任意単位)を表し、横軸は波長(単位:ナノメートル)を表している。この実施例では、温度25.0℃において、図2(a)に示すように中心波長が1064.9nmとなり、また、温度20.3℃において、図2(b)に示すように中心波長が1064.2nmとなった。なお、光源部10Aの構成はこれに限らず、波長可変であれば如何なる構成を備えてもよい。
光源部10Aは、レーザ光源11から出力されたレーザ光L1と、レーザ光源12から出力されたレーザ光L2とを、それぞれ異なる光路(光ファイバ31,32)へ出力する。具体的には、レーザ光源11の半導体レーザ素子15には光ファイバ31の一端が光学的に結合されており、レーザ光源12の半導体レーザ素子15には光ファイバ32の一端が光学的に結合されている。光ファイバ31,32の各他端は、光合波部21としての2入力2出力の光カプラの各入力端に接続されている。レーザ光L1,L2は、この光合波部21において互いに合波され、バーストパルスを含むレーザ光L3として、光カプラの一方の出力端から出力される。
光合波部21は、レーザ光L1,L2を同軸上にて合波し、レーザ光L1の波長とレーザ光L2の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる。ここで、図3(a)~(c)は、合波前のレーザ光L1,L2と、合波後のレーザ光L3とを概念的に示す図である。図3(a)は、合波前のレーザ光L1を光波として示し、図3(b)は、合波前のレーザ光L2を光波として示す。これらの図に示された波形の周期は、レーザ光L1,L2の波長を表す。
図3(a),(b)に示すように、レーザ光L1,L2の波長は互いに異なる。これらのレーザ光L1,L2を合波すると、図3(c)に示すようにレーザ光L1,L2が重なり合い、互いに干渉し合う。ここで、レーザ光L1の光強度波形e1(t)を下記の数式(1)として表すことができ、レーザ光L2の光強度波形e2(t)を下記の数式(2)として表すことができる。なお、数式中において、Aは振幅、f1はレーザ光L1の周波数、f2はレーザ光L2の周波数、φ1はレーザ光L1の位相、φ2はレーザ光L2の位相である。
この場合、合波後のレーザ光L3の光強度波形I(t)は、下記の数式(3)として表される。
上記の数式(3)の右辺には、差周波数(f2-f1)に関する項が含まれている。この差周波数(f2-f1)が、レーザ光L3に含まれるバーストパルスのビート周波数となる。従って、レーザ光L1,L2の周波数f1,f2が近いほどバーストパルスのビート周波数は小さくなり、周波数f1,f2が離れるほどバーストパルスのビート周波数は大きくなる。
再び図1を参照する。光合波部21としての光カプラの一方の出力端は、光ファイバ33の一端と光学的に結合されている。光合波部21において生成されたレーザ光L3は、光ファイバ33を伝搬する。光ファイバ33の他端には光ファイバコネクタ25が取り付けられている。光ファイバコネクタ25は、光ファイバ33を終端する。すなわち、光ファイバ33を通過した光は、光ファイバコネクタ25に達した後、空間に出力される。
コリメータレンズ26は、空間を介して光ファイバコネクタ25と光学的に結合されており、光ファイバコネクタ25から放射状に出力された光を平行化(コリメート)する。コリメータレンズ26を通過したレーザ光L3は、レーザ装置1Aの外部へ出力される。例えばレーザ装置1Aがレーザ加工装置である場合、平行化されたレーザ光L3は、加工対象物に照射される。なお、図1では、空間中を伝搬する光を破線で示している。
光合波部21としての光カプラの他方の出力端は、光ファイバ34を介して光検出器22と光学的に結合されている。他方の出力端からはレーザ光L3の一部である光L31が出力され、光L31が光検出器22に入力される。光カプラの一方の出力端から出力されるレーザ光L3の光強度と、光L31の光強度との比は例えば99:1である。光検出器22は、光L31の光強度に応じた電気信号Sigを生成して出力する。光検出器22は、例えばフォトダイオードまたはバイプラナ光電管等によって構成され得る。
光検出器22には配線41を介して周波数計測部23が電気的に接続されており、周波数計測部23は、光検出器22から電気信号Sigを入力して周波数の計測を行う。周波数計測部23は、例えばスペクトルアナライザによって構成され得る。周波数計測部23及びレーザ光源11,12の温度制御部16には、配線42~44を介して温度制御用コンピュータ24が電気的に接続されている。温度制御用コンピュータ24は、周波数計測部23により計測された周波数が所望の周波数に近づくように、レーザ光源11,12の温度制御部16を制御して、差周波数(f2-f1)を調整する。
温度制御用コンピュータ24は、例えば中央演算処理装置(CPU)、主記憶装置(RAM)及び補助記憶装置(ROMまたはハードディスク)を有するコンピュータによって構成され得る。補助記憶装置に温度制御用のプログラムが格納されており、該プログラムをCPUが読み出すことによって所定の温度制御処理が行われる。
光源部10Aにおいて、レーザ光L1,L2の各波長(すなわち周波数f1,f2)は、バーストパルスの周波数が所望の或る周波数(所定周波数)となるように予め設定されているか、又は設定可能である。バーストパルスの周波数が予め設定されている場合、その周波数は温度制御用コンピュータ24の補助記憶装置に予め記憶され、バーストパルスの周波数が該周波数に近づくように温度制御用コンピュータ24が半導体レーザ素子15の温度を制御する。
また、バーストパルスの周波数が設定可能である場合、その周波数は作業者もしくは周波数設定用コンピュータによって温度制御用コンピュータ24に入力され、バーストパルスの周波数が該周波数に近づくように温度制御用コンピュータ24が半導体レーザ素子15の温度を制御する。したがって、例えばレーザ加工対象の状態によって動的にバーストパルスの周波数を変化させることもできる。
本実施形態において、予め設定された(或いは設定可能な)バーストパルス周波数は1GHz以上である。1GHz未満であれば、前述したように、連続光を出力するレーザ光源からのレーザ光を高速の光スイッチ等により周期的に切り取る方式、或いは、半導体レーザ素子に対して周期的なパルス電流を供給する方式などによって実現可能である。本実施形態のレーザ装置1Aは、それらの方式では実現し得ない1GHz以上のバーストパルス周波数を実現するものである。
また、予め設定された(或いは設定可能な)バーストパルス周波数は、2000GHz以下であってもよい。本実施形態のレーザ装置1Aは、極めて近い周波数のレーザ光L1,L2を合波することで、2000GHz以下といった極めて小さい周波数での干渉光の生成を可能にし、これをバーストパルスとして使用するものである。或いは、予め設定された(或いは設定可能な)バーストパルス周波数は、1000GHz以下であってもよく、若しくは100GHz以下であってもよい。本実施形態のレーザ装置1Aによれば、原理的に、このような極めて小さい周波数のバーストパルスを生成可能である。
下の表1は、レーザ光L1,L2の波長帯λを1064nmとした場合、波長差Δλと、差周波数Δf=f2-f1(すなわちバーストパルス周波数)との関係を示す表である。波長をλとすると、周波数fはf=c/λ(但しcは高速)として与えられる。そして、差周波数Δfと波長差Δλとの関係式は、次の数式(4)となる。
駆動回路13,14は、本実施形態における波形制御部を兼ねる。すなわち、駆動回路13,14は、半導体レーザ素子15への供給電流の時間波形を制御することにより、レーザ光L1及びレーザ光L2の合波前の波形を、互いに同一の波形に制御する。そのために、レーザ装置1Aは、駆動回路13,14の動作を統括して制御する制御部(不図示)を、波形制御部の一部として更に備えてもよい。この制御部は、CPU、RAM、及びROM(またはハードディスク)を有するコンピュータによって構成され得る。ROM(またはハードディスク)にレーザ駆動用のプログラムが格納されており、該プログラムをCPUが読み出すことによって所定のレーザ駆動処理が行われる。
図4(a)~(c)は、レーザ光L1,L2の波形制御の一例を示す図である。これらの図において、縦軸は光強度(光パワー)を表し、横軸は時間を表す。レーザ光L1,L2は、例えば図4(a)及び(b)に示すように、急峻な立ち上がり及び立ち下がりと、平坦な頂部とを有する矩形波として出力される。レーザ光L1,L2の立ち上がりタイミングは互いに一致(同期)し、立ち下がりタイミングもまた互いに一致(同期)する。また、レーザ光L1,L2のピーク強度Pkは互いに等しくてもよく、或いは互いに異なってもよい。これらのレーザ光L1,L2が合波されると、図4(c)に示すように、矩形波状の包絡線(エンベロープ)B1によって範囲が規定されたバーストパルスを含むレーザ光L3が生成される。
図5(a)及び(b)は、合波後のレーザ光L3の他の例を示すグラフである。これらの図において、縦軸は光強度(光パワー)を表し、横軸は時間を表す。例えば図5(a)に示すように、レーザ光L3は、ガウス波状の包絡線B2によって範囲が規定されたバーストパルスを含んでもよい。或いは、図5(b)に示すように、レーザ光L3は、緩慢な立ち上がり及び急峻な立ち下がりを有する三角波状の包絡線B3によって範囲が規定されたバーストパルスを含んでもよい。例えばこれらの例のように、本実施形態のレーザ装置1Aによれば、任意の包絡線を有するバーストパルスを容易に生成することができる。
図6は、本実施形態のレーザ光生成方法を示すフローチャートである。このレーザ光生成方法は、例えば上述したレーザ装置1Aを用いて実現可能である。まず、第1ステップS1として、レーザ光L1及びレーザ光L1とは波長が異なるレーザ光L2を、それぞれ異なる光路(光ファイバ31,32)へ出力する。この第1ステップS1は、例えば光源部10Aにより行われる。
次に、第2ステップS2として、レーザ光L1とレーザ光L2とを合波して、レーザ光L1の波長とレーザ光L2の波長との差Δλに応じた周波数Δfでもって、バーストパルスを発生させる。この第2ステップS2は、例えば光合波部21により行われる。そして、第1ステップS1では、レーザ光L1,L2の各波長を、バーストパルスの周波数Δfが1GHz以上となるように設定する。
以上に説明した本実施形態のレーザ装置1A及びレーザ光生成方法によって得られる作用効果について説明する。本実施形態では、光源部10Aから(第1ステップS1において)出力されたレーザ光L1,L2が、光合波部21において(第2ステップS2において)合波される。このとき、レーザ光L1とレーザ光L2とは互いに干渉する。その結果、レーザ光L1とレーザ光L2との波長差に応じた強弱の周期を有する干渉光が生成される。
レーザ光L1,L2の波長が例えば近赤外域(700nm~2500nm)といった波長域であっても、レーザ光L1の波長とレーザ光L2の波長との差を例えば数ピコメートル~数十ピコメートル程度とすれば、干渉光の強弱の周期を1ナノ秒以下とすることができる。そして、このような干渉光は、1GHz以上の繰り返し周波数を有するバーストパルスと見なすことができる。すなわち、本実施形態のレーザ装置1A及びレーザ光生成方法によれば、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することが可能となる。
本実施形態のように、バーストパルス周波数の繰り返し周波数は、2000GHz以下であってもよく、1000GHz以下であってもよく、或いは、100GHz以下であってもよい。光パルス列の繰り返し周波数が余りに大きいと、もはやバーストパルスではなく連続的な光と見なされるが、光パルス列の繰り返し周波数をこれらの程度に抑えることにより、例えばレーザ加工等に好適に用いられ得るバーストパルスを生成することができる。
本実施形態のように、光源部10Aにおいて、レーザ光L1,L2の波長は可変であってもよい。この場合、フィードバック制御によってバーストパルスの繰り返し周波数Δfを精度良く制御することができる。また、バーストパルスの繰り返し周波数Δfを可変とすることもでき、レーザ加工等において照射条件を容易に変更することができる。なお、本実施形態ではレーザ光L1,L2の双方の波長が可変となっているが、レーザ光L1,L2のうち一方の波長のみ可変であっても、同様の効果を得ることができる。
本実施形態のように、レーザ光源11,12は波長可変レーザであってもよい。これにより、レーザ光L1,L2の波長を可変とする構成を容易に実現することができる。なお、上述したようにレーザ光L1,L2のうち一方の波長のみ可変であってもよく、その場合、レーザ光源11,12のうち一方のみを波長可変レーザとするとよい。すなわち、レーザ光源11,12のうち一方のみに温度制御部16を設けるとよい。
本実施形態のように、レーザ光源11,12は、DFBレーザである半導体レーザ素子15と、電気信号に応じて半導体レーザ素子15の温度を変更する温度制御部16とを有してもよい。例えばこのような構成により、波長を1ピコメートル単位で変更可能な波長可変レーザを簡易に実現することができる。
本実施形態のように、レーザ装置1Aは、レーザ光L1,L2の合波前の波形を互いに同一の波形に制御する波形制御部(駆動回路13,14)を備えてもよい。この場合、光合波部21から出力されるバーストパルスの包絡線の形状(図4(c)、図5(a)及び(b)を参照)を制御することができる。また、本実施形態のように光源部10Aが半導体レーザ素子15を含む場合、波形制御部(駆動回路13,14)は、半導体レーザ素子15への供給電流の時間波形を制御してもよい。これにより、波形を整形するための光学部品が不要となり、レーザ装置1Aの構成を簡易化することができる。
なお、非特許文献1には、モード同期ファイバ発振器の共振器内にマッハツェンダー干渉計(MZI)を組み込み、一方の共振器端に光路長を可変する素子を設けたバーストパルス発生装置が開示されている。光路差を調整することにより、MZIがスペクトルフィルタとして働き、モード同期発振のスペクトル分布(スペクトルのピークが等間隔で並んでいるもの)をフィルタし、パスしたモードの干渉によって高繰り返しパルスを発生させる。
しかしながら、このように干渉計の光路差を調整してスペクトル間隔を調整する方式では、光路差のわずかな変化によってスペクトル間隔が大きく変動してしまう。その結果、1100GHzを超える領域での精緻な調整は困難となる。一方、本実施形態の構成では、原理的に、1100GHz以上のバーストパルス周波数であっても精度よく調整することができる。
また、例えば1000GHz以上のバーストパルス周波数をモード同期レーザにより実現しようとすると、100μm以下といった極めて短い共振器長が必要となるが、そのような微細な光共振器を実現するのは極めて困難である。また仮に実現できた場合であっても、共振方向における利得媒質の長さが極めて短くなるので、得られる光出力は極めて小さいものとなり、レーザ加工等の応用に適さない。一方、本実施形態の構成では、1000GHz以上のバーストパルス周波数であっても実現が容易であり、且つ十分な大きさの光出力を得ることができる。
また、バーストパルスを発生する他の方式として、共振器内にグラフェン等の可飽和吸収素子を設ける方式があるが、共振器長を現実的な寸法で最小化し、さらにグラフェンをフィルム化して用いても、実現可能な繰り返し周波数はせいぜい10~20GHzである。本実施形態の構成では、20GHzを超えるバーストパルス周波数であっても実現可能である。
(実施例)
ここで、上記実施形態の実施例について説明する。図7(a)及び(b)は、バーストパルス周波数を1GHzとするために波長が調整された、レーザ光L1,L2のスペクトルの例を示すグラフである。図7(a)は、レーザ光L1のスペクトルを示し、図7(b)は、レーザ光L2のスペクトルを示す。レーザ光L1の中心波長は1064.755nm(周波数f1=281.755THz)であり、レーザ光源11の半導体レーザ素子15の温度は23.37℃であった。また、レーザ光L2の中心波長は1064.751nm(周波数f2=281.756THz)であり、レーザ光源12の半導体レーザ素子15の温度は26.01℃であった。
図8は、この例において生成されたバーストパルスを示すグラフである。図8において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。このグラフにおいて、バーストパルス周波数Δfはf1-f2=1GHzであり、パルス幅は500ピコ秒であった。レーザ光L1,L2の時間波形がガウス波状であったため、バーストパルスの包絡線は同様にガウス波状となっている。
図9(a)及び(b)は、バーストパルス周波数を5GHzとするために波長が調整された、レーザ光L1,L2のスペクトルの例を示すグラフである。図9(a)は、レーザ光L1のスペクトルを示し、図9(b)は、レーザ光L2のスペクトルを示す。レーザ光L1の中心波長は1064.770nm(周波数f1=281.751THz)であり、レーザ光源11の半導体レーザ素子15の温度は23.57℃であった。また、レーザ光L2の中心波長は1064.751nm(周波数f2=281.756THz)であり、レーザ光源12の半導体レーザ素子15の温度は26.01℃であった。
図10は、この例において生成されたバーストパルスを示すグラフである。図10において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。このグラフにおいて、バーストパルス周波数Δfはf1-f2=5GHzであり、パルス幅は100ピコ秒であった。
図11(a)及び(b)は、バーストパルス周波数を10GHzとするために波長が調整された、レーザ光L1,L2のスペクトルの例を示すグラフである。図11(a)は、レーザ光L1のスペクトルを示し、図11(b)は、レーザ光L2のスペクトルを示す。レーザ光L1の中心波長は1064.789nm(周波数f1=281.746THz)であり、レーザ光源11の半導体レーザ素子15の温度は23.83℃であった。また、レーザ光L2の中心波長は1064.751nm(周波数f2=281.756THz)であり、レーザ光源12の半導体レーザ素子15の温度は26.01℃であった。
図12は、この例において生成されたバーストパルスを示すグラフである。図12において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。このグラフにおいて、バーストパルス周波数Δfはf1-f2=10GHzであり、パルス幅は50ピコ秒であった。図13は、このバーストパルスを含むレーザ光L3のスペクトルを示すグラフである。
図14及び図15は、別の実施例におけるレーザ光L1,L2の時間波形を示すグラフである。図14は、レーザ光L1の時間波形を示し、図15は、レーザ光L2の時間波形を示す。この例では、レーザ光L1,L2は平坦な頂部を有する矩形波状の時間波形を有し、その時間幅はそれぞれ20ナノ秒であった。
図16及び図17は、この例において生成されたバーストパルスを示すグラフである。図16は、差周波数Δfを5GHzとした場合のバーストパルスを示し、図17は、差周波数Δfを10GHzとした場合のバーストパルスを示す。図16,図17に示すように、この例では、バーストパルスの包絡線の形状が、レーザ光L1,L2の時間波形に応じて矩形波状となった。
(第1変形例)
図18は、上記実施形態の第1変形例として、レーザ装置1Bの構成を概略的に示す図である。レーザ装置1Bは、上記実施形態のレーザ装置1Aの構成に加えて、光アイソレータ51,52,53,及び54と、光ファイバ増幅器61と、固体レーザ増幅器62及び63と、バンドパスフィルタ71とを備える。
光ファイバ増幅器61は、例えばEr、Ybなどの不純物を添加したガラスからなる光ファイバを有し、レーザ光L3とともに励起光が該光ファイバに入力されることによってレーザ光L3を増幅する。光ファイバ増幅器61の光入力端と光合波部21とは、光ファイバを介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器61と光合波部21との間には、光アイソレータ51が介在している。光アイソレータ51は、光ファイバ増幅器61から光合波部21へ光(レーザ光L3及び励起光)が戻ることを防ぐ。これにより、レーザ光源11,12の半導体レーザ素子15の損傷を防止できる。
光ファイバ増幅器61の光出力端とバンドパスフィルタ71とは、光ファイバを介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器61とバンドパスフィルタ71との間には、光アイソレータ52が介在している。光アイソレータ52は、バンドパスフィルタ71より後段の光が光ファイバ増幅器61に戻ることを防ぐ。
光ファイバ増幅器61は、第1段の光増幅器であって、光合波部21から出力されたレーザ光L3を増幅する。光ファイバ増幅器61の利得は、例えば20~30dBの範囲内である。バンドパスフィルタ71は、光ファイバ増幅器61から出力された光に含まれる、蛍光の波長成分を遮断する。バンドパスフィルタ71は、例えば誘電体多層膜によって構成され得る。
バンドパスフィルタ71は、光ファイバを介して光ファイバコネクタ25と光学的に結合されている。バンドパスフィルタ71を通過した光は、光ファイバを伝搬して光ファイバコネクタ25に達した後、空間に出力される。
コリメータレンズ26は、空間を介して光ファイバコネクタ25と光学的に結合されており、光ファイバコネクタ25から放射状に出力された光を平行化する。後述する固体レーザ増幅器62及び63によって増幅された光の強度は大きいので、ガラス等の光学材料のレーザによる損傷を回避するため、このように光ファイバコネクタ25より後段においては光ファイバではなく空間中を伝搬させる。
固体レーザ増幅器62,63は、例えばNdなどの不純物を添加した、ガラス若しくはイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)によって構成され得る。固体レーザ増幅器62,63は、レーザ光L3とともに励起光が入力されることによってレーザ光L3を増幅する。
固体レーザ増幅器62は、光アイソレータ53を介してコリメータレンズ26と光学的に結合されている。光アイソレータ53は、固体レーザ増幅器62の光が固体レーザ増幅器62より前段に戻ることを防ぐ。これにより、光ファイバ増幅器61の損傷を防止できる。固体レーザ増幅器62は、第2段の光増幅器であって、光ファイバ増幅器61から出力された増幅後のレーザ光L3を更に増幅する。固体レーザ増幅器62の利得は、例えば3~20dBの範囲内である。
固体レーザ増幅器63は、光アイソレータ54を介して固体レーザ増幅器62と光学的に結合されている。すなわち、光ファイバ増幅器61、固体レーザ増幅器62及び63は、互いに直列に結合されている。光アイソレータ54は、固体レーザ増幅器63の光が固体レーザ増幅器63より前段に戻ることを防ぐ。これにより、固体レーザ増幅器62の損傷を防止できる。固体レーザ増幅器63は、第3段の光増幅器であって、固体レーザ増幅器62から出力された増幅後のレーザ光L3を更に増幅する。固体レーザ増幅器63の利得は、例えば3~10dBの範囲内である。固体レーザ増幅器63によって増幅されたレーザ光L3は、レーザ装置1Bの外部へ出力される。
本変形例のレーザ装置1Bは、上記実施形態のレーザ装置1Aの構成を全て備える。従って、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、本変形例のレーザ装置1Bは、上記実施形態のレーザ装置1Aの構成に加えて光ファイバ増幅器61、固体レーザ増幅器62及び63を備えるので、大パワーのレーザ光L3を出力することができる。
(第2変形例)
図19は、上記実施形態の第2変形例として、光源17の構成を概略的に示す図である。上記実施形態のレーザ装置1Aまたは第1変形例のレーザ装置1Bにおいて、光源部10Aのレーザ光源11,12の一方又は双方は、本変形例の光源17に置き換えられてもよい。
光源17は、注入同期型のQスイッチレーザとしての構成を備える。具体的には、光源17は、種光源としてのレーザ光源171と、アイソレータ172と、偏光子173と、Qスイッチとしての電気光学素子174と、利得媒質175と、全反射ミラー176a及び176bと、部分透過ミラー177と、1/4波長板178とを有する。レーザ光源171は、波長可変レーザであり、上記実施形態のレーザ光源11,12と同様の構成を有する。すなわち、温度制御部171a(例えばペルチェ素子)と、温度制御部171a上に搭載された半導体レーザ素子171bとを含んで構成されている。
全反射ミラー176bと部分透過ミラー177とは光共振器を構成している。全反射ミラー176bと部分透過ミラー177との光路上には電気光学素子174、1/4波長板178および利得媒質175が配置され、更に、該光路上には偏光子173が配置されている。偏光子173は、全反射ミラー176a及びアイソレータ172を介して、レーザ光源171の半導体レーザ素子171bと光学的に結合されている。電気光学素子174は、電圧を加えると屈折率が変化する結晶であり、例えばBBO(ベータバリウムボライト)結晶やDKDP(重水素リン酸カリウム)結晶等である。
レーザ光源171から或る波長の光L4が出力されると、光L4はアイソレータ172及び全反射ミラー176aを介して光共振器内に達する。アイソレータ172は、光共振器において生成されたレーザ光が半導体レーザ素子171bに戻ることを防ぐ。これにより、半導体レーザ素子171bの損傷を防止できる。偏光子173にて偏光された光L4は、電圧が加えられていない状態の電気光学素子174を通過した後、1/4波長板178と全反射ミラー176bを介して往復する。これにより、光L4の偏光方向が90度回転し、光L4は偏光子173を通過して利得媒質175に達する。
部分透過ミラー177において反射した一部の光は再び1/4波長板178を往復し、これにより偏光方向が再び90度回転し、偏光子173を再通過できなくなる。したがって、レーザ共振器が構成されないためレーザ発振は起きない。このようなQ値が低い状態で半導体レーザやランプ等の光励起により反転分布をさせ、エネルギーが十分に蓄えられたときに電気光学素子174に電圧を加えると、1/4波長板178との組み合わせにより偏光子173を常に透過するようになり、レーザ共振器が構成されQ値が急増してパルス出力が得られる。
本変形例のように、レーザ光源11,12のうち少なくとも一方はQスイッチレーザであってもよい。そして、この場合、Qスイッチレーザの種光源(光源171)は波長可変レーザであってもよい。これにより、レーザ光L1,L2のうち少なくとも一方の波長を可変とする構成を容易に実現することができる。
(第3変形例)
図20は、上記実施形態の第3変形例として、光源18の構成を概略的に示す図である。上記実施形態のレーザ装置1Aまたは第1変形例のレーザ装置1Bにおいて、光源部10Aのレーザ光源11,12の一方又は双方は、本変形例の光源18に置き換えられてもよい。
光源18は、レーザ共振器としての半導体レーザ素子181と、体積回折格子(Volume Bragg Grating:VBG)182とを有する。VBG182は、半導体レーザ素子181の光出力端と光学的に結合され、レーザ共振器における一方の共振器端を構成する光反射部である。
VBG182の波長-光反射特性は光入射角に応じて可変であり、半導体レーザ素子181からの出射光の光軸に対するVBG182の角度を変化させると、半導体レーザ素子181に戻る波長が変化する。このような性質を利用して、発振させたい波長の光のみが半導体レーザ素子181に戻るようにVBG182の角度を調整することにより、所望の波長のレーザ光L5を出力することができる。本変形例によれば、波長可変レーザを簡易に実現することができる。
(第4変形例)
図21(a)及び(b)は、上記実施形態の第4変形例として、それぞれ光源19A及び19Bの構成を概略的に示す図である。上記実施形態のレーザ装置1Aまたは第1変形例のレーザ装置1Bにおいて、光源部10Aのレーザ光源11,12の一方又は双方は、本変形例の光源19Aまたは19Bに置き換えられてもよい。
図21(a)に示す光源19Aは、リトロウ(Littrow)型配置と呼ばれる。光源19Aは、レーザ共振器としての半導体レーザ素子191と、回折格子192とを有する。回折格子192は、集光レンズ193を介して半導体レーザ素子191の背面191bと光学的に結合され、レーザ共振器における一方の共振器端を構成する光反射部である。
回折格子192の波長-光反射特性は光入射角に応じて可変であり、半導体レーザ素子191からの背面光の光軸に対する回折格子192の角度を変化させると、半導体レーザ素子191に戻る波長が変化する。このような性質を利用して、発振させたい波長の光のみが半導体レーザ素子191に戻るように回折格子192の角度を調整することにより、所望の波長のレーザ光L6を共振端面191aから出力することができる。
図21(b)に示す光源19Bは、リットマン-メッカル(Littman-Metcalf)型配置と呼ばれる。光源19Bは、上述した光源19Aの構成に加えて、ミラー194を更に有する。ミラー194は、回折格子192と対向して配置され、回折格子192からの回折光を反射する。この場合、半導体レーザ素子191の共振端面191aの光反射率は90%以上とされ、ミラー194の角度を変化させることにより、所望の波長のレーザ光L6が共振端面191aではなく回折格子192から取り出される。
上記のように、本変形例の光源19Aまたは19Bのような構成であっても、波長可変レーザを簡易に実現することができる。
(第5変形例)
図22は、上記実施形態の第5変形例として、光源部10Bの構成を概略的に示す図である。上記実施形態のレーザ装置1Aまたは第1変形例のレーザ装置1Bにおいて、光源部10Aは、本変形例の光源部10Bに置き換えられてもよい。
図22に示すように、光源部10Bは、モード同期レーザ光源102と、第1バンドパスフィルタ103と、第2バンドパスフィルタ104とを有する。第1バンドパスフィルタ103は、モード同期レーザ光源102と光学的に結合され、モード同期レーザ光源102から出力されるレーザ光L7からレーザ光L1の波長に相当する成分を取り出す。第2バンドパスフィルタ104は、モード同期レーザ光源102と光学的に結合され、モード同期レーザ光源102から出力されるレーザ光L7からレーザ光L2の波長に相当する成分を取り出す。本変形例によれば、互いに波長が異なるレーザ光L1,L2を生成するためのレーザ光源を共通にできるので、光源部を簡易に構成することができる。
(第6変形例)
図23(a)及び(b)は、上記実施形態の第6変形例として、それぞれ光源20A及び20Bの構成を概略的に示す図である。上記実施形態のレーザ装置1Aまたは第1変形例のレーザ装置1Bにおいて、光源部10Aのレーザ光源11,12の一方又は双方は、本変形例の光源20Aまたは20Bに置き換えられてもよい。
図23(a)に示す光源20Aは、固体レーザ発振器112と、波形整形部113とを有する。固体レーザ発振器112は、一対の共振端面114,115と、該一対の共振端面114,115の間の光路上に配置された利得媒質116とを含む。
一方の共振端面115は、出力結合ミラーであり、波長に応じて透過率が変化する波長-透過特性を有する。この共振端面115の透過波長を可変とすることによって、固体レーザ発振器112からの出力波長を可変にできる。波形整形部113は、共振端面115と光学的に結合されている。固体レーザ発振器112から出力されたレーザ光L8の時間波形は、波形整形部113によって所望の形(矩形波状、ガウス波状など)に整形される。
図23(b)に示す光源20Bは、ファイバレーザ発振器117と、波形整形部113とを有する。ファイバレーザ発振器117は、一対のファイバブラッググレーティング(FBG)118,119と、該一対のFBG118,119の間に接続された利得媒質を含む光ファイバ120とを含む。
一方のFBG119は、波長に応じて透過率が変化する波長-透過特性を有する。このFBG119の透過波長を可変とすることによって、ファイバレーザ発振器117からの出力波長を可変にできる。波形整形部113は、FBG119と光学的に結合されている。ファイバレーザ発振器117から出力されたレーザ光L9の時間波形は、波形整形部113によって所望の形(矩形波状、ガウス波状など)に整形される。
レーザ装置及びレーザ光生成方法は、上述した実施形態及び構成例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。
例えば、光源部において第1レーザ光及び第2レーザ光の各波長を可変とするための構成は、上記実施形態および各変形例に限られず、他の様々な方式を適用することができる。また、上記実施形態では、駆動回路13,14がレーザ光L1,L2の合波前の波形を互いに同一の波形に制御しているが、この方式に代えて、或いはこの方式とともに、合波後のレーザ光L3の波形を、音響光学変調素子や電気光変調素子などの光スイッチによって制御してもよい。
上記実施形態によるレーザ装置は、第1レーザ光及び第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する光源部と、光源部と光学的に結合され、第1レーザ光と第2レーザ光とを合波して、第1レーザ光の波長と第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる光合波部と、を備え、光源部において、第1レーザ光及び第2レーザ光の各波長は、バーストパルスの周波数が或る周波数(所望の周波数)となるように予め設定されているか又は設定可能であり、或る周波数は1GHz以上である構成としている。
上記実施形態によるレーザ光生成方法は、第1レーザ光及び第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する第1ステップと、第1レーザ光と第2レーザ光とを合波して、第1レーザ光の波長と第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる第2ステップと、を含み、第1ステップにおいて、第1レーザ光及び第2レーザ光の各波長を、バーストパルスの周波数が1GHz以上となるように設定する構成としている。
上記のレーザ装置において、或る周波数(所望の周波数)は、2000GHz以下である構成としても良い。また、上記のレーザ装置において、或る周波数は、1000GHz以下である構成としても良く、或いは、100GHz以下である構成としても良い。
光パルス列の繰り返し周波数が余りに大きいと、もはやバーストパルスではなく連続的な光と見なされるが、光パルス列の繰り返し周波数をこれらの程度に抑えることにより、例えばレーザ加工等に好適に用いられ得るバーストパルスを生成することができる。
上記のレーザ装置では、光源部において、第1レーザ光及び第2レーザ光のうち少なくとも一方の波長が可変である構成としても良い。この場合、フィードバック制御によってバーストパルスの繰り返し周波数を精度良く制御することができる。また、バーストパルスの繰り返し周波数を可変とすることができ、レーザ加工等において照射条件を容易に変更することができる。
上記のレーザ装置では、第1レーザ光を発生するレーザ光源、及び第2レーザ光を発生するレーザ光源のうち少なくとも一方が波長可変レーザである構成としても良い。また、上記のレーザ装置では、第1レーザ光を発生するレーザ光源、及び第2レーザ光を発生するレーザ光源のうち少なくとも一方がQスイッチレーザであり、Qスイッチレーザの種光源が波長可変レーザである構成としても良い。これらの構成では、第1レーザ光及び第2レーザ光のうち少なくとも一方の波長を可変とする構成を容易に実現することができる。
上記のレーザ装置において、波長可変レーザは、分布帰還型の半導体レーザ素子と、電気信号に応じて半導体レーザ素子の温度を変更する温度制御部と、を有する構成としても良い。また、上記のレーザ装置において、波長可変レーザは、レーザ共振器と、レーザ共振器における一方の共振器端を構成し、波長-光反射特性が可変である光反射部と、を有する構成としても良い。これらの構成によれば、波長可変レーザを簡易に実現することができる。
上記のレーザ装置において、光源部は、モード同期レーザ光源と、モード同期レーザ光源と光学的に結合され、モード同期レーザ光源から出力されるレーザ光から第1レーザ光の波長に相当する成分を取り出す第1バンドパスフィルタと、モード同期レーザ光源と光学的に結合され、モード同期レーザ光源から出力されるレーザ光から第2レーザ光の波長に相当する成分を取り出す第2バンドパスフィルタと、を有する構成としても良い。この場合、互いに波長が異なる第1レーザ光及び第2レーザ光を生成するためのレーザ光源を共通にできるので、光源部を簡易に構成することができる。
上記のレーザ装置は、第1レーザ光及び第2レーザ光の合波前の波形を互いに同一の波形に制御する波形制御部を更に備える構成としても良い。この場合、光合波部から出力されるバーストパルスの包絡線の形状を制御することができる。また、例えば光源部が半導体レーザ素子を含む場合、波形制御部は半導体レーザ素子への供給電流の時間波形を制御してもよい。これにより、波形を整形するための光学部品が不要となり、レーザ装置の構成を簡易化することができる。
実施形態は、1GHz以上の高い繰り返し周波数を有するバーストパルスを生成することが可能なレーザ装置及びレーザ光生成方法として利用可能である。
1A,1B…レーザ装置、10A,10B…光源部、11,12…レーザ光源、13,14…駆動回路、15…半導体レーザ素子、16…温度制御部、17,18,19A,19B,20A,20B…光源、21…光合波部、22…光検出器、23…周波数計測部、24…温度制御用コンピュータ、25…光ファイバコネクタ、26…コリメータレンズ、31~34…光ファイバ、41~44…配線、51~54…光アイソレータ、61…光ファイバ増幅器、62,63…固体レーザ増幅器、71…バンドパスフィルタ、102…モード同期レーザ光源、103,104…バンドパスフィルタ、112…固体レーザ発振器、113…波形整形部、114,115…共振端面、116…利得媒質、117…ファイバレーザ発振器、118,119…ファイバブラッググレーティング(FBG)、120…光ファイバ、171…レーザ光源、172…アイソレータ、173…偏光子、174…電気光学素子、175…利得媒質、176a,176b…全反射ミラー、177…部分透過ミラー、178…1/4波長板、171a…温度制御部、171b,181,191…半導体レーザ素子、191a…共振端面、191b…背面、192…回折格子、193…集光レンズ、194…ミラー、B1~B3…包絡線、L1~L9…レーザ光、Sig…電気信号。
Claims (10)
- 第1レーザ光及び前記第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する光源部と、
前記光源部と光学的に結合され、前記第1レーザ光と前記第2レーザ光とを合波して、前記第1レーザ光の波長と前記第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる光合波部と、
を備え、
前記光源部において、前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光の各波長は、前記バーストパルスの周波数が或る周波数となるように予め設定されているか又は設定可能であり、
前記或る周波数は1GHz以上である、レーザ装置。 - 前記或る周波数は2000GHz以下である、請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記光源部において、前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光のうち少なくとも一方の波長が可変である、請求項1または2に記載のレーザ装置。
- 前記第1レーザ光を発生するレーザ光源、及び前記第2レーザ光を発生するレーザ光源のうち少なくとも一方が波長可変レーザである、請求項3に記載のレーザ装置。
- 前記第1レーザ光を発生するレーザ光源、及び前記第2レーザ光を発生するレーザ光源のうち少なくとも一方がQスイッチレーザであり、前記Qスイッチレーザの種光源が波長可変レーザである、請求項3に記載のレーザ装置。
- 前記波長可変レーザは、分布帰還型の半導体レーザ素子と、電気信号に応じて前記半導体レーザ素子の温度を変更する温度制御部と、を有する、請求項4または5に記載のレーザ装置。
- 前記波長可変レーザは、レーザ共振器と、前記レーザ共振器における一方の共振器端を構成し、波長-光反射特性が可変である光反射部と、を有する、請求項4または5に記載のレーザ装置。
- 前記光源部は、
モード同期レーザ光源と、
前記モード同期レーザ光源と光学的に結合され、前記モード同期レーザ光源から出力されるレーザ光から前記第1レーザ光の波長に相当する成分を取り出す第1バンドパスフィルタと、
前記モード同期レーザ光源と光学的に結合され、前記モード同期レーザ光源から出力されるレーザ光から前記第2レーザ光の波長に相当する成分を取り出す第2バンドパスフィルタと、
を有する、請求項1または2に記載のレーザ装置。 - 前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光の合波前の波形を互いに同一の波形に制御する波形制御部を更に備える、請求項1~8のいずれか1項に記載のレーザ装置。
- 第1レーザ光及び前記第1レーザ光とは波長が異なる第2レーザ光を、それぞれ異なる光路へ出力する第1ステップと、
前記第1レーザ光と前記第2レーザ光とを合波して、前記第1レーザ光の波長と前記第2レーザ光の波長との差に応じた周波数でもってバーストパルスを発生させる第2ステップと、
を含み、
前記第1ステップにおいて、前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光の各波長を、前記バーストパルスの周波数が1GHz以上となるように設定する、レーザ光生成方法。
Priority Applications (4)
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04352483A (ja) * | 1991-05-30 | 1992-12-07 | Tosoh Corp | 全固体化波長可変パルスレーザー |
JPH06214266A (ja) * | 1993-01-20 | 1994-08-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超高速光ソリトンパルス発生装置 |
JP2002043685A (ja) * | 2000-07-19 | 2002-02-08 | Anritsu Corp | 周波数可変光源 |
JP2007242978A (ja) * | 2006-03-10 | 2007-09-20 | Fujitsu Ltd | 光パルス発生装置 |
JP2007271925A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Fujitsu Ltd | 光集積素子 |
JP2012515450A (ja) | 2009-01-15 | 2012-07-05 | エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド | 微細加工用のパルス時間プログラマブル超高速バーストモードレーザ |
JP2016524864A (ja) * | 2013-05-31 | 2016-08-18 | クヮンジュ・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー | バーストモードレーザー発生装置及び方法 |
JP2017504824A (ja) * | 2014-01-24 | 2017-02-09 | カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー | デュアル周波数光源 |
WO2018110222A1 (ja) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | レーザ装置及び波形制御方法 |
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04352483A (ja) * | 1991-05-30 | 1992-12-07 | Tosoh Corp | 全固体化波長可変パルスレーザー |
JPH06214266A (ja) * | 1993-01-20 | 1994-08-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超高速光ソリトンパルス発生装置 |
JP2002043685A (ja) * | 2000-07-19 | 2002-02-08 | Anritsu Corp | 周波数可変光源 |
JP2007242978A (ja) * | 2006-03-10 | 2007-09-20 | Fujitsu Ltd | 光パルス発生装置 |
JP2007271925A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Fujitsu Ltd | 光集積素子 |
JP2012515450A (ja) | 2009-01-15 | 2012-07-05 | エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド | 微細加工用のパルス時間プログラマブル超高速バーストモードレーザ |
JP2016524864A (ja) * | 2013-05-31 | 2016-08-18 | クヮンジュ・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー | バーストモードレーザー発生装置及び方法 |
JP2017504824A (ja) * | 2014-01-24 | 2017-02-09 | カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー | デュアル周波数光源 |
WO2018110222A1 (ja) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | レーザ装置及び波形制御方法 |
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DONG MAO ET AL.: "Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser", SCIENTIFIC REPORTS, vol. 3, 2013, pages 1 - 5 |
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