JP5713541B2 - パルス生成方法及びレーザ光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバレーザ等に使用される高パワーのレーザ光を出力する発光素子を有する光源として好適なレーザ光源装置、及び、レーザ光源装置において光パルスを安定的に生成するためのパルス生成方法に関するものである。特に、ＭＯＰＡ用の発光素子のためのレーザ光源装置として、適している。なお、本願において、発光素子とは、ＬＤ（レーザダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：面発光レーザ）などの高出力が可能な光電変換発光素子を指すものとする。

現在、所定周期で繰り返し出力するパルスレーザ光を用いた加工技術が注目されており、加工用や医療用等の分野において高出力レーザ光源の需要が高まっている。各種レーザ光源の中でも特に注目されているレーザ光源として、光ファイバレーザが挙げられる。この光ファイバレーザは、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）等の希土類元素がコアに添加された増幅用光ファイバを光増幅媒体として採用している。この増幅用光ファイバ内に励起光が供給されると、増幅用光ファイバ内を伝搬する種光が増幅される。これにより、増幅用光ファイバからは、高パワーの増幅光を出力するか、あるいは、共振器構造を利用してレーザ発振させることによりレーザ光が出力される。光ファイバレーザの利点として、レーザ光が光ファイバ内で閉じ込められていることからその扱いが容易である点や、熱放射性が良いことから大規模な冷却設備を必要とすることがない点などが挙げられる。

上述のように光ファイバレーザには、希土類元素添加ファイバが適用されており、このような希土類元素添加ファイバの中でもＹｂが変換効率も高く、高パワー出力用の増幅用光ファイバとして広く利用されている。Ｙｂも他の希土類元素と同じく、励起光を用いて励起される。一方、増幅用光ファイバ内で吸収しきれなかった励起光は増幅用光ファイバの他端から出射される。

光ファイバレーザの構成として、例えば、両端にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）や、反射ミラーなどを利用した共振器構造が採用されている場合、共振器内に光スイッチや音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoustic Optical Modulator）を配置することでパルス変調を行っている。また、特許文献１に記載されたようなＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型の光ファイバレーザは、被増幅光を出力する種光源（発光素子）を直接変調あるいは外部変調することでパルス変調を行い、得られた光パルスを増幅することで高パワー出力光を得ている。いずれの構成においても、種光をパルス化することにより得られるピーク出力は、連続波動作（ＣＷ動作）時の出力に比べ非常に高く、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）や誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）などの非線形現象を発現させてしまう。

なお、ＭＯＰＡ型の光ファイバレーザにおいて、種光源の出力光に対し外部からパルス変調を行う外部変調方式の場合、ＡＯＭなどの外部変調器に印加される特定電圧値を制御することで、パルス変調制御（光パルスの幅に相当する時間幅をパルスＯＮ状態と、隣接する光パルス間の間隔に相当する時間幅をパルスＯＦＦ状態とで一つの制御周期を構成する）が可能である。また、種光源に対して直接パルス変調を制御する直接変調方式の場合も同様に、種光源に供給される駆動電流のパルス変調パターンに従って、この種光源の出力光をパルス化する方式として、ＴＴＬ信号（５−０Ｖ）やＬｏｗ Ｖｏｌｔ ＴＴＬ信号（３．３−０Ｖ）などの電圧を種光源に印加する方式が知られている。高い電圧が印加されている期間をパルスＯＮ状態及びパルスＯＦＦ状態の何れかに設定するかは電気回路の設計次第であるが、いずれも高い印加電圧が要求され、変調器における電気回路の大型化、消費電力の大電力化を招いてしまう。また、変調器自体のパルス応答性、特に、立ち上がり時間及び立ち下がり時間が遅いと、パルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態の切り替えに遅延時間の増大を招いてしまう。その結果、得られた種光パルスＬのパルス幅（半値全幅）も狭くなってしまうおそれがある。駆動電流を変えたときに種光源に印加される特定の変調電圧の値を制御することも可能であるが、制御がうまくいかなかったり、遅くなったりで、正常なパルス幅の光パルスが得られないことや、増幅用光ファイバにおいて種光パルスを通さないことになる可能性がある。このようなことになると増幅用光ファイバにおいて大量に発生したＡＳＥ光により、他の光部品（アイソレータや励起用光源など）や増幅用光ファイバに損傷が発生する可能性がある。

特開２００７−０４２９８１号公報

発明者らは、光パルスを種光とする従来の光ファイバレーザについて検討した結果、以下のような課題を発見した。

所定周期で繰り返し出力する高パワーのパルスレーザ光を出力する発光素子において、パルス変調を直接行う構成（直接変調方式）では、出力されるパルス光を特別なパルスピーク値に設定する場合には、種光源に供給される駆動電流を変化させたときに、パルス幅が変化するという現象を発見した。例えば、パルス幅２０ｎｓ、繰り返し周波数５０ｋＨｚで動作させていたところ、駆動電流値を変化させたところパルス幅が４０ｎｓと増加した。パルス幅、繰り返し周波数を任意に定めた変調電圧の時間変化を表すパルス変調パターンに対して、振幅電圧とオフセット電圧を決定するための変調電圧値をも調整し直す必要がある。また、調整に時間を要するという問題や、調整ミスが生じる場合に、この発光素子を種光源として適用されたＭＯＰＡ型の光ファイバレーザにおいては、増幅用光ファイバ、アイソレータ、励起光源などの光学部品に障害が発生する可能性があるという問題がある。

また、種光源に供給される駆動電流の電流値のみを変動させて出力パルスを制御する方式では、駆動電流の立ち上がり部の過渡応答や光源温度の変動などの影響で、出力光パワーが不安定になってしまうおそれがある。過渡応答や温度変動などの影響を緩和するため、種光源に供給される駆動電流値を一定の場合は、変調電圧値の調整が行われることにより、種光源自体の出力光パワーは安定する。しかし、上述のように出力光が不安定となる場合は、駆動電流値を変化させる必要があり、変更設定した駆動電流値ごとに、変調電圧値を変更する必要がある。発明者らは、その都度変調電圧の設定を行うことが非常に大変であることと、単に変調電圧値を変えただけでは、出力パルスのパルス幅が変動するという問題が存在することを見いだした。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、発光素子の直接変調の条件設定において、光パルスのパルスピークとパルス幅を同時に所望の値に設定することが可能なパルスの生成方法及びレーザ光源装置を提供することを目的としている。また、上記の光パルスのパルスピークとパルス幅の設定を自動的に行うことが可能なパルスの生成方法及びレーザ光源装置を提供することを目的としている。

本発明に係る発光素子のパルス生成方法は、レーザ光を出力する発光素子と、発光素子に駆動電流を供給する駆動電流供給部と、レーザ光をパルス変調するための変調電圧を発光素子に印加する変調器と、変調器に対して変調電圧のパルス変調のパターンである変調パターンを制御する変調制御部とを備えた構成に適用される。

特に、本発明に係る発光素子のパルス生成方法において、変調制御部は、変調パターンにおける電圧の値を、駆動電流値に関する情報に基づいて設定するとともに、設定された変調電圧の値となるように前記変調器に対し変調パターンに関する情報を送出することを特徴としている。

なお、発光素子は、具体的には、ＬＤ（レーザダイオード）、ＶＣＳＥＬなどの高出力が可能な光電変換発光素子を指す。また、「駆動電流値に関する情報」は、実際に駆動電流供給部から出力される駆動電流値だけでなく、駆動電流地を目標値に制御する場合は、その目標値であってもよい。

本発明に係る発光素子のパルス生成方法において、駆動電流供給部から出力される駆動電流は、パルス変調パターンのうち変調電圧値が一定になっている期間において、所定の値で一定になるように制御されるのが好適である。パルス変調パターンの変調電圧値が一定になっている期間ごとに、駆動電流値に関する情報に基づき、変調電圧値が再設定される。

また、駆動電流供給部から出力される駆動電流は、発光素子の出力光のパワーのモニタ値が所定値となるように制御されてもよい。モニタ値は、光源の内部に設けられたバックモニタ検出器、又は、前記光源の外部に設けられた光検出器からの電気信号である。

本発明に係る発光素子のパルス生成方法において、駆動電流値と変調電圧値との対応関係は、対応表又は対応関数として予め設定されており、変調電圧値は、駆動電流値に関する情報と対応関係に基づいて設定される。

本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出力する発光素子と、発光素子に駆動電流を供給する駆動電流供給部と、レーザ光をパルス変調するための変調電圧を発光素子に印加する変調器と、変調器に対して変調電圧のパルス変調のパターンである変調パターンを制御する変調制御部とを備える。

特に、本発明に係る発光素子のレーザ光源装置において、変調制御部は、駆動電流値と変調電圧値との対応関係を格納する格納部と、変調パターンにおける変調電圧値を、駆動電流値に関する情報と駆動電流値と前記変調電圧値との対応関係とに基づいて設定する演算部とを有する。また、変調制御部は、駆動電流値に関する情報の変更に伴い、再設定された変調電圧の値となるように変調器に対し変調パターンに関する情報を送出する。

本発明に係る発光素子のレーザ光源装置において、格納部には、駆動電流値と変調電圧値との対応関係が、対応表形式のデータとして格納されている。また、格納部には、駆動電流値と変調電圧値との対応関係が、対応関数式として格納されてもよい。

本発明によれば、発光素子の直接変調の条件設定において、光パルスのパルスピークとパルス幅を同時に所望の値に設定することが可能となり、また、上記の光パルスのパルスピークとパルス幅の設定を自動的に行うことが可能となり、パルス波形の変動を防止し、種光源に供給される駆動電流の変動に起因した光パルスの波形劣化を抑制し、正常な波形を有する光パルスを安定的に生成することが可能になる。

比較例に係るレーザ光源装置が適用された光ファイバレーザの構成を示す図である。 増幅用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。 増幅用光ファイバの吸収断面積及び放出断面積それぞれの波長依存性を示すグラフである。 デリバリ用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。 コンバイナの構成を説明するための図である。 比較例に係るパルス生成方法を説明するための図である。 駆動電流、変調電圧の振幅、及び変調電圧のオフセットのそれぞれを変更したときの、光パルス波形の変化を説明するための図である。 変調電圧と駆動電流の対応関係を説明するための図である。 本実施形態に係るレーザ光源装置から出力された光パルスのパワーを示す図である。 本発明に係るレーザ光源装置の一実施形態が適用された光ファイバレーザの構成を示す図である。 本実施形態に係るレーザ光源装置の変形例の構成を示す図である。 本実施例部に係るレーザ光源装置の変形例を示す図である。 変調制御部及び変調器におけるパルス変調制御の一例を説明するためのフローチャートである。 変調制御部及び変調器におけるパルス変調制御の他の例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明に係るパルス生成方法及びレーザ光源装置の各実施形態を、図１〜図１４を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、以下の説明では本実施形態と対比されるべき比較例について説明した後に、比較例と対比しつつ本実施形態及び変形例について説明する。

図１は、本発明のレーザ光源装置の代わりに比較例に係るレーザ光源装置が適用された光ファイバレーザの構成を示すものであって、具体的にはＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの構成を示す。この図１において、光ファイバレーザ１００は、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ２０、励起光源３１、光ファイバ３２、レーザ光源装置Ｂ１、光アイソレータ６１、デリバリ用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備える。レーザ光源装置Ｂ１は、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、電気信号線５２、及び駆動電流供給部７０を備える。なお、図１の光ファイバレーザ１００では、駆動電流供給部７０から駆動電流が供給される種光源４１に対して変調器５１が内蔵する所定の基本パルス変調パターンに従って直接変調することで、種光パルスＬが繰り返し生成される。変調器５１における基本パルス変調パターンの設定の操作は、手動でもよいし、外部トリガー信号線を介してでもよい。

光ファイバレーザ１００では、光ファイバ３２を通過した励起光源３１からの励起光と、光ファイバ４２及び光アイソレータ６１を通過した種光源４１からの種光パルスＬ（被増幅光）が、コンバイナ２０により合波される。コンバイナ２０からの合波光は、増幅用光ファイバ１０の一端に入射される。合波された励起光及び種光パルスＬが伝搬する増幅用光ファイバ１０内では、増幅用光ファイバ１０に添加された希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｂなど）が励起光により励起されることにより、種光パルスＬが増幅される。そして、増幅用光ファイバ１０において増幅された種光パルスＬは、増幅用光ファイバ１０の他端Ａで融着接続されたデリバリ用光ファイバ１１を通過した後、光出射端７０から外部へ出力される。

例えば、増幅用光ファイバ１０は、図２（ａ）及び２（ｂ）に示すような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。すなわち、増幅用光ファイバ１０は、図２（ａ）に示すように、所定軸に沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア１０ａと、コア１０ａの外周に設けられた、コア１０ａよりも低い屈折率を有する第１クラッド１０ｂと、第１クラッド１０ｂの外周に設けられた、第１クラッド１０ｂよりも低い屈折率を有する第２クラッド１０ｃを備える。図２（ｂ）は、増幅用光ファイバ１０の径方向Ｌ１（増幅用光ファイバ１０の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル１５０を示す。領域１５１は、コア１０ａの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５２は、第１クラッド１０ｂの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５３は、第２クラッド１５３の径方向Ｌ１に沿った屈折率をそれぞれ示す。コア１０ａ、第１クラッド１０ｂ、第２クラッド１０ｃは、ダブルクラッド構造を構成する。コア１０ａは、種光パルスをシングルモード伝搬させ、第１クラッド１０ｂは励起光をマルチモード伝搬させる。コア１０ａには、希土類元素としてＹｂが添加されており、種光パルスはコア１０ａ内で増幅される。

また、増幅用光ファイバ１０における励起光吸収は、増幅用光ファイバ１０の特性により決定され、主に、モードフィールド径（ＭＦＤ）、第１クラッド１０ｂの外径、及び、コア１０ａにおける希土類元素添加濃度の調整により変化する。図３は、Ｙｂ添加光ファイバの吸収断面積及び放出断面積それぞれの波長依存性を示す。グラフＧ３１０は吸収断面積を示し、グラフＧ３２０は、放出断面積を示す。このＹｂ添加光ファイバ（増幅用光ファイバ１０に相当）は、Ｙｂ添加量が１００００ｐｐｍ、ＭＦＤが７μｍ、第１クラッド１０ｂの外径が１３０μｍ、長さ５ｍで、励起波長９１５ｎｍ波長帯において約２．４ｄＢの励起光が吸収される。なお、励起光の波長帯は、９４０ｎｍ帯や９７５ｎｍ帯であってもよいが、添加される希土類元素の種類によって異なる。

励起光源３１は、例えば半導体ＬＤを含む。励起光源３１から出力される励起光の波長は９１５ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯又は９７５ｎｍ帯である。種光源４１は、例えばＬＤ、ＶＣＳＥＬを含む。変調器５１は、電気信号線５２を介して種光源４１に駆動用電気信号を印加することで、種光源４１を直接変調する（パルス変調）。この第１実施形態において、種光源４１から出力される種光パルスＬの波長は、１０３０〜１１３０ｎｍの波長範囲内にあり、例えば１０６０ｎｍである。

励起光源３１とコンバイナ２０との間に設けられた光ファイバ３２及びデリバリ用光ファイバ１１のそれぞれは、図４（ａ）及び４（ｂ）に示されたような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。すなわち、図４（ａ）に示すように、光ファイバ３２、１１は、所定軸沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア３２ａと、コア３２ａの外周に設けられた、コア３２ａよりも低い屈折率を有するクラッド３２ｂを備える。また、図４（ｂ）は、光ファイバ３２の径方向Ｌ２（光ファイバ３２の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル３２０であり、領域３２１は、コア３２ａの径方向Ｌ２に沿った屈折率、領域３２２は、クラッド３２ｂの径方向Ｌ２に沿った屈折率をそれぞれ示す。なお、コア３２ａは、励起光源３１から出力された励起光をマルチモード伝搬する。

図５は、コンバイナ２０の構成を示す。この図５に示されたコンバイナ２０は、一方の側に複数（図５に示された例では７個）の光入出力ポートＰ_１〜Ｐ_７を有し、他方の側に共通ポートＰ_０を有する。コンバイナ２０は、光入出力ポートＰ_１〜Ｐ_７に入力された光を合波し、共通ポートＰ_０から出力する。また、コンバイナ２０は、共通ポートＰ_０に入力された光を分岐し、分岐光それぞれを光入出力ポートＰ_１〜Ｐ_７から出力する。

コンバイナ２０の共通ポートＰ_０側の光ファイバは、増幅用光ファイバ１０と同様のダブルクラッド構造を有し、増幅用光ファイバ１０に接続される。光入出力ポートＰ_１は、光ファイバ４２を介して種光源４１に光学的に接続される。光入出力ポートＰ_２は、光ファイバ３２を介して励起光源３１に光学的に接続される。なお、励起光源３１からの励起光の入力ポートは、図１では１つだけを示したが、他の光入出力ポートＰ_３〜Ｐ_７も、他の光ファイバを介して他の励起光源に光学的に接続されてもよい。

比較例に係るレーザ光源装置Ｂ１におけるパルス生成方法について説明する。上述のように、比較例に係るレーザ光源装置Ｂ１は、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、電気信号線５２、及び駆動電流供給部７０を備える。種光源４１に対するパルス変調は、通常、直接変調方式又は外部変調方式により行われるが、図１に示されたレーザ光源装置Ｂ１では、直接変調方式により種光源４１から出力されるレーザ光がパルス化される。

直接変調方式が採用されたレーザ光源装置Ｂ１には、種光源４１に供給される駆動電流の電流値を操作して、定常的に駆動電流を流す駆動電流供給部７０と、パルス変調パターン（種光源４１におけるパルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態を指示するための、変調器５１から種光源４１に対する変調電圧の変化パターン）に従って、種光源４１に変調電圧Ｅを印加する変調器５１が設けられている。

ここで、図６は、変調器５１から種光源４１に印加される変調電圧Ｅの時間変化を表すパルス変調パターンを示す。この図６において、変調信号パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスＬの一つの周期に相当しており、パルスＯＮ状態を示す期間Ｔ１（パルス信号Ｐの信号幅）とパルスＯＦＦ状態を示す期間Ｔ２により構成されている。例えば、図６には、１００ｍＡの駆動電流が供給されている状態でのパルス変調パターンが示されており、パルスＯＮ状態、すなわち期間Ｔ１において１００ｍＶの変調電圧Ｅが変調器５１から種光源４１に印加される。一方、パルスＯＦＦ状態に相当する期間Ｔ２では、変調器５１から種光源４１に対して、ＧＮＤ（０ｍＶ）レベルの変調電圧Ｅが印加される。また、変調器５１を構成する電気回路にて逆相動作も可能であり、Ｔ１の状態がパルスＯＦＦ状態、Ｔ２の状態がパルスＯＮ状態であってもよい。その際、期間Ｔ１とＴ２の幅は逆転する。期間Ｔ１の状態の変調電圧値は１００ｍＶであり、期間Ｔ２の状態の変調電圧値は、ＧＮＤ（０ｍＶ）レベルである。後述するが、駆動電流が変更された状態では、パルスＯＮの状態の変調電圧値とパルスＯＦＦの状態の変調電圧値は異なる。

パルスＯＦＦ状態における変調電圧Ｅの電圧値Ｖ_ｏｆｆは、常にＧＮＤ（０Ｖ）というわけではなく、種光源４１の種類、駆動電流供給部７０内のドライバ回路によって異なる。以下、この点について詳述する。

図７（ａ）は、駆動電流、変調電圧の振幅、及び変調電圧のオフセットのそれぞれを変更したときの、光パルス波形の変化を示す。グラフＧ１０１０は図７（ｂ）に示された条件１での光パルス波形の変化、グラフＧ１０２０は図７（ｂ）に示された条件２での光パルス波形の変化、グラフＧ１０３０は図７（ｂ）に示された条件３での光パルス波形の変化、グラフＧ１０４０は図７（ｂ）に示された条件４での光パルス波形の変化を、それぞれ示す。図７（ａ）の縦軸は、出力された光パルスの出力パワーの電圧値、横軸は時間変化を示す。本事例では、変調器オフセットのみは、パルスＯＦＦ状態、「変調器オフセット＋変調器振幅」は、パルスＯＮ状態を示す。条件２は、駆動電流が２００ｍＡであり、条件１（１００ｍＡ）に比べて大きな値であるが、パルスピークが低下している。条件３は、変調器振幅を１００ｍＶと条件２（２００ｍＶ）より小さくしたが、パルスピークは大きくなっている。条件４は、変調器オフセットを１２５ｍｖと条件３（１１６ｍｖ）と大きくすることで、パルス幅が縮小している。パルスピークに対しては、駆動電流だけでなく、変調器振幅を適切に設定する必要がある。また、パルス幅に対しては、さらに、変調器オフセットを適切に設定する必要がある。

駆動電流が２００ｍＡに設定されている場合、変調器５１は、パルスＯＮ状態を示す期間Ｔ１において出力される変調電圧Ｅが２００ｍＶに設定される一方、パルスＯＦＦ状態を示す期間Ｔ２において出力される変調電圧ＥがＧＮＤ（０ｍＶ）に設定される必要がある。しかしながら、変調器５１から出力される期間Ｔ１の変調電圧Ｅが１００ｍＶの場合、正常な波形を有する光パルスＬが得られなかったり、増幅用光ファイバ１０において種光パルスＬを全く通さない状況に陥る可能性がある。なお、「正常な波形」の光パルスとは、パルス幅が予定したパルス幅に対して所定のパルス幅となっているものをいう。例えば、実際のパルス幅が、予定したパルス幅に対して±２０％以内（好ましくは１０％以内）に収まる場合、正常な波形とする。

図８（ａ）はパルス変調パターンを示し、図８（ｂ）は同図（ａ）のパルス変調パターンに対応した駆動電流Ｉと変調電圧Ｅとの関係を示す

図８（ａ）において、パルス変調パターンのパルス周期は、生成される光パルスＬの一つの周期に相当しており、パルスＯＮ状態を示す期間Ｔ１（パルス信号Ｐの信号幅）とパルスＯＦＦ状態を示す期間Ｔ２により構成されている。変調器５１から出力される変調電圧Ｅは、期間Ｔ１が維持されるように、パルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態の両方において、駆動電流Ｉの値に対応してそれぞれ異なる値に設定される。例えば、駆動電流値がＩ_１ 、Ｉ_２ のとき、パルスＯＮ状態における電圧値Ｖ_ｏｎが、それぞれＶ_ｏｎ１ 又はＶ_ｏｎ２ に設定され、一方、パルスＯＦＦ状態における電圧値Ｖ_ｏｆｆが、それぞれＶ_ｏｆｆ１又はＶ_ｏｆｆ２に設定される。図８（ｂ）には、パルスＯＮ状態における駆動電流Ｉと変調電圧値Ｖ_ｏｎの対応関係（Ｖ_ｏｎ＝ｆ（Ｉ））、パルスＯＦＦ状態における駆動電流Ｉと変調電圧値Ｖ_ｏｆｆの対応関係（Ｖ_ｏｆｆ ＝ｇ（Ｉ））がそれぞれ示されている。したがって、駆動電流値がＩ_１ のとき、パルスＯＮ状態での変調電圧Ｅの電圧値はＶ_ｏｎ１ に設定されるとともに、パルスＯＦＦ状態での変調電圧Ｅの電圧値はＶ_ｏｆｆ１に設定される。一方、駆動電流Ｉの電流値がＩ_２ のとき、パルスＯＮ状態での変調電圧Ｅの電圧値はＶ_ｏｎ２ に設定されるとともに、パルスＯＦＦ状態での変調電圧Ｅの電圧値はＶ_ｏｆｆ２に設定される。

なお、基本となるパルス変調パターンは、変調器５１に格納され、変調制御部８０における格納部８１には、図８（ｂ）に示す関数ｆ（Ｉ）及びｇ（Ｉ）で対応付けられた駆動電流値及び変調電圧値のデータ群がこれら駆動電流値及び変調電圧値の対応関係を示す対応表形式のデータとして格納されている。また、格納部８１には、パルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態のそれぞれにおける駆動電流値と変調電圧値の対応関係を示す関数ｆ（Ｉ）、ｇ（Ｉ）が格納されていてもよい。この場合、格納された関数式と駆動電流供給部７０から与えられる駆動電流値Ｉに基づいて、演算部８２が変調器５１から出力されるべき変調電圧値Ｖ_ｏｎ、Ｖ_ｏｆｆ を計算し、これに基づいて、変調器５１へ送出する変調器振幅（ｍＡ）と変調器オフセット（ｍｖ）を決定する。

図８におけるパルスＯＮ状態での電圧値Ｖ_ｏｎとパルスＯＦＦ状態での電圧値Ｖ_ｏｆｆは、上記の知見をもとに、パルス幅がある所定の幅となるようにした際の、駆動電流と変調電圧の関係をまとめたものである。なお、変調電圧Ｖ_ｏｆｆは、変調器オフセット、変調電圧Ｖ_ｏｎは、「変調器オフセット＋変調器振幅」としている。なお、変調電圧Ｅに換算して、設定しているが、換算せずに、変調器オフセット、変調器振幅をそのまま、変調電圧と駆動電流の対応関係を示すデータとして、設定してもよい。本データは、パルス幅ごとに事前に採取されていれば、所望のパルス幅を実現することができる。パルスピークは、駆動電流に応じて設定可能であり、事前にパルスピークと駆動電流の対応関係を調査し、そのデータを入手していれば、所望のパルスピークとすることが可能である。

図９は、本実施形態に係るレーザ光源装置Ｂ２から出力された光パルスのパワーを示す。図８に示すように、駆動電流Ｉの値に対応して、変調電圧を適切な振幅とオフセット値に設定したときのパルス波形である。グラフＧ１１１０は駆動電流Ｉが１００ｍＡのとき、グラフＧ１１２０は駆動電流Ｉが１５０ｍＡのとき、グラフＧ１１３０は駆動電流Ｉが２００ｍＡのとき、グラフＧ１１４０は駆動電流Ｉが２５０ｍＡのときの、得られた光パルス波形を示す。図８のデータをもとに、パルス幅が一定となる条件下で駆動電流を操作することで、パルスピーク値を変化させている。ただし、Ｖ_ｏｆｆ は、ＧＮＤ（０Ｖ）としている。

上述のパルス生成方法に具体的な数値を当てはめてみる。駆動電流値Ｉが１００ｍＡの場合、変調電圧値Ｖ_ｏｎが１００ｍＶに設定されることで、正常な種光パルスＬを得ることができる。また、駆動電流値Ｉが２００ｍＡの場合、変調電圧値Ｖ_ｏｎは２００ｍＶに設定されることで、正常な種光パルスＬを得ることができる。

この図９において、例えば、駆動電流Ｉ＝１００ｍＡの場合、変調電圧Ｅの振幅を２００ｍＶ、オフセットを１００ｍＶに設定すれば、オフセットを基準にして「＋」方向又は「―」方向のいずれか片方の波形のみ取り出すことで、パルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態を作り出すことが可能である。なお、「＋」方向及び「―」方向の何れをパルスＯＮ状態に設定するかは回路の設計条件次第なので、効果はどちらも同じである。駆動電流Ｉ＝２００ｍＡの場合、変調電圧Ｅの振幅を４００ｍＶ、オフセットを２００ｍＶに設定すれば、オフセットを基準にして「＋」方向又は「―」方向のいずれか片方の波形のみ取り出すことも、パルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態を作り出すことが可能である。

ここで、駆動電流値を高くすることで、光パルスのピーク値が高くなる現象は当然の効果であるが、実際にパルスＯＮ状態のパルス幅が一定の幅に保たれていることが図１１から分かる。光パルスの底部のパルス幅に対して、光パルス天部のパルス幅が狭くなる現象については、種光源４１の立ち上がり及び立ち下がり時間、又は、変調器５１自体の応答速度に依存する。ここでは、Ｖ_ｏｆｆ を、ＧＮＤ（０Ｖ）としているが、適正な値に設定すれば、パルス幅は改善される。

図１０は、本実施形態に係るレーザ光源装置が適用された光ファイバレーザの構成を示す。この図１０において、光ファイバレーザ２００は、増幅用光ファイバ１０、コンバイナ２０、励起光源３１、光ファイバ３２、レーザ光源装置Ｂ２、光アイソレータ６１、デリバリ用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備え、レーザ光源装置の構成を除き、図１に示された光ファイバレーザ１００の構成と同じである。

レーザ光源装置Ｂ２は、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、電気信号線５２、駆動電流供給部７０、及び変調制御部８０を備える。変調器５１は、光パルスを発生するための変調電圧の変化パターンである変調パターンに関するデータを有し、そのデータに基づき変調電圧Ｅを種光源４１に印加する。変調パターンに関するデータとしては、変調周期（または、繰り返し周波数）、パルス幅、オフセット電圧、振幅電圧に関するデータである。変調制御部８０は、変調電圧に関するデータ（少なくともオフセット電圧、振幅電圧）を送出して、変調器５１を制御する。駆動電流供給部７０は、内蔵する目標とする駆動電流値との対応関係に関するデータ（図示せず）に基づき、送出する駆動電流を決定し、決定した駆動電流を種光源４１に供給する。変調制御部８０は、格納部８１を有し、駆動電流と変調電圧との対応関係に関するデータを格納する。駆動電流と変調電圧との対応関係に関するデータとしては、図８に示すような駆動電流値と変調電圧値との関係について事前に確認されたデータで、対応表形式のデータや対応関数式などである。変調制御部８０は、駆動電流供給部７０から種光源４１に供給される駆動電流をモニタし、駆動電流値と変調電圧値との対応関係に関するデータとの関係で、所定のパルス幅となる最適な変調電圧を決定し、その最適な変調電圧に関する情報を変調器５１に送出する。パルスのピーク値を変調制御部８０から指示する場合は、格納部８１に目標とする駆動電流値に関するデータを保管し、適切なタイミングで、駆動電流供給部７０に送出し、それを駆動電流供給部７０の目標とする駆動電流値として格納させる。その場合、変調制御部８０におけるモニタ値は、目標とする駆動電流値に固定するか、実際のモニタした値とするかは、必要に応じて任意に選択する。

駆動電流の制御方法としては、種光源４１に供給される駆動電流をフィードバック制御が一般的であり、例えば、電流一定制御（ＡＣＣ: Automatic Current Control）や出力一定制御（ＡＰＣ： Automatic Power Control）などがある。図１１は、本実施形態に係るレーザ光源装置Ｂ２の変形例の構成を示す。図１１（ａ）は駆動電流のフィードバック制御としてＡＣＣ制御を行うレーザ光源装置Ｂ２の構成を示し、図１１（ｂ）及び同図（ｃ）は、駆動電流のフィードバック制御としてＡＰＣ制御を行うレーザ光源装置Ｂ２の構成を示している。ＡＣＣ制御においては、種光源４１は、供給された駆動電流をモニタし、モニタした電流値に関する情報を変調制御部８０へ送出し、変調制御部８０は、モニタした電流値に関する情報に基づき、駆動電流を制御する。ＡＰＣ制御では、特に、図１１（ｂ）に示すレーザ光源装置Ｂ２においては、駆動電流供給部７０から種光源４１に供給される駆動電流を、種光源４１の内部に設けられたバックモニタ検出器４１０により出力光パワーの一部をモニタし、そのモニタ情報に基づいて、制御する構成を備える。また、図１１（ｃ）に示されたレーザ光源装置Ｂ２は、種光源４１から出力された種光パルスＬの一部を光カプラ４１１により分離し、種光源４１の外部に設けられた光検出器４１２により出力光パワーを検出する構成を備える。この図１１（ｃ）に示されたレーザ光源装置Ｂ２においても、駆動電流供給部７０から種光源４１に供給される駆動電流は、光検出器４１２からのモニタ情報に基づいて、制御される。また、光検出器４１０、４１２は例えばＰＤ（Photo Diode）などが好適である。ＡＰＣ制御は、温度変動などで、実際のパルスピーク値が変動する可能性があり、実際のパワーを測定しながら制御することで、パルスピーク値を一定にすることができる。

本実施形態に係るパルス生成方法は、図１１に示すような制御方法により種光源４１に供給される駆動電流の値を制御しつつ、変調制御部８０では、実際に供給された駆動電流の値に基づき、駆動電流と変調電圧との対応関係に関するデータに対応し、所定のパルス幅となる最適な変調電圧を決定し、その最適な変調電圧に関する情報を変調器５１に送出する。

図１２は、本願発明の１実施形態のレーザ光源装置の構成を示す。パルスＯＮ状態及びパルスＯＦＦ状態それぞれにおける駆動電流と駆動変調電圧の関係を示す演算式は、変調制御部８０における格納部８１に格納される。変調制御部８０における演算部８２が、これら演算式と駆動電流供給部７０から出力される駆動電流の値に基づいて、変調器５１から出力されるべき変調電圧の値を計算し、これに基づいて、変調器５１へ送出する変調器振幅（ｍＡ）と変調器オフセット（ｍｖ）を決定する。変調制御部８０における格納部８１に、予め駆動電流と変調電圧の対応表データ格納しておき、この格納されたデータを参照値として設定することも可能である。例えば、１００ｍＡの駆動電流が種光源４１に供給されている状態でのパルス変調パターンでは、パルスＯＮ状態において１００ｍＶの変調電圧値を与える一方、パルスＯＦＦ状態においてＧＮＤ（０Ｖ）の変調電圧値を与えている。また、変調器５１における電気回路において逆相を与え、パルスＯＮ状態でＧＮＤ（０Ｖ）、パルスＯＦＦ状態で１００ｍＶの変調電圧を種光源４１に印加することによっても同様の効果が得られる。

変調制御部８０は、変調器５１と別パッケージでなく、変調器５１に組み込まれる形で存在してもよい。駆動電流に関する情報は、駆動電流供給部から直接変調器５１に入力する形になるが、変調器５１内で、本来的に変調制御部８０として機能する部分を経由して、本来的に変調器５１として機能する部分に対して変調電圧に関する情報である変調器振幅（ｍＡ）と変調器オフセット（ｍｖ）を送出することになる。

この実施形態では、変調器５１自体は、基本変調パターン（繰り返し周波数とパルスＯＮ時間）に関する情報を有しており、パルス化が必要な箇所だけパルス動作させるときに用いられる。図１３は、パルス変調制御の動作のフローチャートを示す。まず、駆動電流値が決定される（ステップＳＴ１１）。次に、決定された駆動電流値に基づいて、パルスＯＮ状態及びパルスＯＦＦ状態それぞれにおける変調電圧値が決定される（ステップＳＴ１２）。このように電圧値が決定された後に、変調器５１の変調電圧値がパルスＯＮ状態及びパルスＯＦＦ状態のそれぞれに対応した変調電圧に関する情報が種光源４１に印加される（ステップＳＴ１３）。これは、駆動電流値が安定していない状態では、変調器の変調電圧値も安定せず、レーザ光源装置として不具合を及ぼしてしまう可能性があるためである。

図１４は、駆動電流値が固定動作する場合における、パルス変調制御の動作のフローチャートを示す。すなわち、図１１に示された各種制御方式で駆動電流値一旦固定され、決定される（ステップＳＴ２１）。さらに、変調器５１の変調電圧値も、決定された駆動電流値に基づいて決定される（ステップＳＴ２２）。この決定後に、変調器５１自体のパルス変調制御、すなわち、パルスＯＮ状態及びパルスＯＦＦ状態それぞれにおける決定された変調電圧値が種光源４１に印加される（ステップＳＴ２３）。駆動電流値を他の値に変更しない場合は、ＳＴ２４において、ＳＴ２２に戻し同じ動作を継続させる。駆動電流値を他の値に変更して固定化する場合は、ステップＳＴ２４において、ＳＴ２１に戻し、別な駆動電流値を再設定する。再度、駆動電流値及び変調電圧値の固定化（ステップＳＴ２１、ＳＴ２２）が行われ、新たに固定化された変調電圧に関する情報が変調器５１から種光源４１へ印加される。なお、このパルス変調制御では、変調電圧値決定の根拠となる駆動電流値の揺らぎがなくなるため、パルス生成動作自体のゆらぎが小さくなる点で有利である。また、変調器５１の変調電圧値を大きく外れた値に設定することで、ＣＷ光出力と光パルス出力の切り替えも可能である。例えば、種光源４１であるＬＤ自体は常に発光させたまま（光出力の安定度を保ったまま）、ＣＷ光出力と光パルス出力の切り替えが可能である。この構成によれば、加工用レーザとしての種光源の安定性を保てるので、安定した加工品質を得ることができる。

図１３、１４において、変調電圧に関する情報は、例えば、変調器のオフセット電圧、変調振幅電圧という情報として、変調制御部内の演算部で計算され、変調器に印加される。パルスＯＮ状態またはパルスＯＦＦ状態のどちらか一方の変調電圧は、変調器のオフセット電圧に対応し、一方の変調電圧と残りの他方の変調電圧の差分は、変調振幅電圧に対応する。

ただし、上述の実施形態のように、種光源に供給される駆動電流の設定値に対して変調器５１から出力される変調電圧の電圧値設定を自動で制御した方が変調電圧値の調整も早く、設定ミスによる人為的ミスも少なくでき、より安全なレーザ光源装置が得られる。

２００…光ファイバレーザ、４１…種光源（レーザダイオード）、１０…増幅用光ファイバ、１１…デリバリ用光ファイバ、３１、３３…励起光源、５１…変調器、７０…駆動電流供給部、８０…変調制御部、８１…格納部、８２…演算部、Ｂ２…レーザ光源装置。

Claims (9)

1. レーザ光を出力する発光素子を含む種光源と、前記発光素子に駆動電流を供給する駆動電流供給部と、前記レーザ光をパルス変調するための変調電圧を、前記種光源におけるパルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態を指示するための前記変調電圧の変化パターンであるパルス変調パターンに従って、前記種光源に印加する変調器と、所定のパルス幅となる最適な変調電圧をパルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態のそれぞれについて決定する変調制御部とを用意し、
   前記種光源に供給される駆動電流またはその出力光パワーをモニタし、
   前記変調制御部において、駆動電流値の変更に応じて、駆動電流値変更後のパルス幅が前記所定のパルス幅に対して±２０％以内に収まるよう、駆動電流値変更後のパルスＯＮ状態での駆動電流に対応するパルスＯＮ状態での変調電圧を、駆動電流値変更前のパルスＯＮ状態での駆動電流に対応するパルスＯＮ状態での変調電圧とは異なる値に設定するとともに、駆動電流値変更後のパルスＯＦＦ状態での駆動電流に対応するパルスＯＦＦ状態での変調電圧を、駆動電流値変更前のパルスＯＦＦ状態での駆動電流に対応するパルスＯＦＦ状態での変調電圧とは異なる値に設定し、
   前記パルスＯＮ状態での変調電圧と前記パルスＯＦＦ状態での変調電圧のそれぞれが設定された値となるように、前記変調制御部から前記変調器に対し前記パルス変調パターンに関する情報を送出させる
   ことを特徴とする発光素子のパルス生成方法。
2. 前記駆動電流供給部から出力される駆動電流は、前記パルス変調パターンのうち変調電圧値が一定になっている期間において、所定の値で一定になるように制御されることを特徴とる請求項１の発光素子のパルス生成方法。
3. 前記パルス変調パターンの変調電圧値が一定になっている期間ごとに、前記駆動電流の値に関する情報に基づき、前記変調電圧値が再設定されることを特徴とする請求項２記載の発光素子のパルス生成方法。
4. 前記駆動電流供給部から出力される駆動電流は、前記発光素子の出力光のパワーのモニタ値が所定値となるように制御されることを特徴とする請求項１の発光素子のパルス生成方法。
5. 前記モニタ値は、前記種光源の内部に設けられたバックモニタ検出器、又は、前記種光源の外部に設けられた光検出器からの電気信号であることを特徴とする請求項４の発光素子のパルス生成方法。
6. 前記駆動電流の値と前記変調電圧の値との対応関係は、対応表又は対応関数として予め設定されており、
   前記変調電圧の値は、前記駆動電流の値に関する情報と前記対応関係に基づいて設定されることを特徴とする請求項１の発光素子のパルス生成方法。
7. レーザ光を出力する発光素子を含む種光源と、
   前記発光素子に駆動電流を供給する駆動電流供給部と、
   前記レーザ光をパルス変調するための変調電圧を、前記種光源におけるパルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態を指示するための前記変調電圧の変化パターンであるパルス変調パターンに従って、前記種光源に印加する変調器と、
   所定のパルス幅となる最適な変調電圧をパルスＯＮ状態とパルスＯＦＦ状態のそれぞれについて決定する変調制御部とを備え、
   前記変調制御部は、前記駆動電流の値と前記変調電圧の値との対応関係を格納する格納部と、前記種光源に供給される駆動電流またはその出力光パワーをモニタし、前記パルス変調パターンにおける変調電圧値を、前記駆動電流の値に関する情報と前記駆動電流の値と前記変調電圧の値との対応関係とに基づいて設定する演算部とを有し、
   前記演算部は、
   駆動電流値の変更に応じて、駆動電流値変更後のパルス幅が前記所定のパルス幅に対して±２０％以内に収まるよう、駆動電流値変更後のパルスＯＮ状態での駆動電流に対応するパルスＯＮ状態での変調電圧を、駆動電流値変更前のパルスＯＮ状態での駆動電流に対応するパルスＯＮ状態での変調電圧とは異なる値に設定するとともに、駆動電流値変更後のパルスＯＦＦ状態での駆動電流に対応するパルスＯＦＦ状態での変調電圧を、駆動電流値変更前のパルスＯＦＦ状態での駆動電流に対応するパルスＯＦＦ状態での変調電圧とは異なる値に設定し、
   前記パルスＯＮ状態での変調電圧と前記パルスＯＦＦ状態での変調電圧のそれぞれが設定された値となるように前記変調器に対し前記パルス変調パターンに関する情報を送出する
   レーザ光源装置。
8. 前記格納部には、前記駆動電流の値と前記変調電圧の値との対応関係が、対応表形式のデータとして格納されていることを特徴とする請求項７記載のレーザ光源装置。
9. 前記格納部には、前記駆動電流の値と前記変調電圧の値との対応関係が、対応関数式として格納されていることを特徴とする請求項７記載のレーザ光源装置。

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