JP6201437B2 - パルスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のＱスイッチパルスレーザ生成部から出力されるレーザのタイミングを合わせるタイミング制御方法に関し、特に、複数のＱスイッチパルスレーザからの出力タイミングのズレを、動作クロックの１クロック以内に収まるように動作クロックの位相調整によりタイミングを合わせるパルスレーザ装置に関する。

複数のＱスイッチパルスレーザ生成部から出力されるレーザのタイミングを合わせる方法としては、例えば、特許文献１に記載されたレーザ光発生装置が知られている。このレーザ光発生装置は、第１のＲＦとこれをスイッチさせる第２の信号ＴＰとが印加されてＱスイッチ動作が行われる複数のＱスイッチレーザを備え、複数のＱスイッチレーザの少なくとも２つ以上に対して共通の１つの発生源から第１の信号ＲＦ及び第２の信号ＴＰが供給されて、レーザ光のパルスが発振される。

また、Ｑスイッチレーザを１つ以上備え、各Ｑスイッチレーザにおいて、第２の信号ＴＰのオン又はオフの時刻における第１の信号ＲＦの位相が常にほぼ同じ位相に保たれる。

特開２００１−７４２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ光発生装置は、２台のパルスレーザの出力タイミングを調整する回路を設けているが、制御する時間量や具体的な回路については、開示されていない。

また、複数のパルスレーザ生成部から出力されるパルスレーザのタイミングに合わせて出力を合成する場合、パルス出力タイミングのずれ幅がμｓｅｃになることもある。これらのタイミングを調整するためには、例えばｎｓｅｃのパルス幅を持つパルスレーザの出力タイミングを合わせるためには、数１０ｎｓｅｃ〜１μｓｅｃオーダーの粗い調整機構と、ｎｓｅｃ以下の精度を持つ細かい調整機構の２回路が必要になっていた。

本発明の課題は、タイミング調整回路を簡単化できるパルスレーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るパルスレーザ装置は、励起光を発生させる半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質を含む共振器内に配置され、前記共振器内のロスを制御してパルスを発生させる音響光学素子と、前記音響光学素子を駆動するための動作クロックを発生する動作クロック発生器と、前記動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号により前記音響光学素子を駆動させるＲＦ信号生成器と、前記動作クロック発生器と前記ＲＦ信号生成器との間に設けられ、前記パルス出力タイミング信号と前記音響光学素子からのパルスレーザ出力とのタイミング差を所定値にするように前記動作クロックの位相を制御する位相制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係るパルスレーザ装置によれば、位相制御回路がパルス出力タイミング信号と音響光学素子からのパルスレーザ出力とのタイミング差を所定値にするように動作クロックの位相を制御するので、タイミング調整回路を簡単化できる。

本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 音響光学素子の動作原理を説明するための図である。 ＲＦ信号供給停止タイミングを説明する図である。 本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の各部の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施例３に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係るパルスレーザ装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明のパルスレーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。このパルスレーザ装置は、半導体レーザ１ａ、ミラー２ａ，２ｂ、固体レーザ媒質３ａ、音響光学素子４ａ、ＲＦ信号生成部５ａ及び動作クロック発生器７、位相制御回路８、スプリッタ１０ａ、フォトダイオードＰＤ１１ａを備えている。音響光学素子４ａ、ＲＦ信号生成部５ａは、パルスレーザ生成部６ａを構成する。

なお、固体レーザ媒質３ａ、音響光学素子４ａ、ミラー２ａ，２ｂから構成される部分を共振器と呼ぶ。

半導体レーザ１ａは、例えばレーザダイオードによって構成されており、励起光を発生する。半導体レーザ１ａで発生された励起光は、ミラー２ａを透過して固体レーザ媒質３ａに照射される。

固体レーザ媒質３ａは、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。この固体レーザ媒質３ａは、半導体レーザ１ａから励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。この固体レーザ媒質３ａで発生された誘導放出光は、音響光学素子４ａに送られる。

音響光学素子４ａは、Ｑスイッチを構成し、ＲＦ信号生成部５ａから入力されるＲＦ信号にしたがって、固体レーザ媒質３ａで発生された誘導放出光を変調することにより共振器内のロスを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルス（ジャイアントパルス）を出力する。

動作クロック発生器７は、音響光学素子４ａを駆動するための動作クロックを発生して、位相制御回路８に出力する。

ＲＦ信号生成器５ａは、動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号により音響光学素子４ａを駆動させる。

位相制御回路８ａは、動作クロック発生器７とＲＦ信号生成器５ａとの間に設けられ、パルス出力タイミング信号と音響光学素子４ａからのパルスレーザ出力とのタイミング差を所定値にするように動作クロックの位相を制御する。

この所定値は、動作クロックの１動作クロック以内である。

なお、タイミング差が１動作クロックを超えている場合には、後述する図６に示すように、移動機構部１３が、音響光学素子４ａを搭載した可動ホルダ１２を上下移動させることにより、音響光学素子４ａの光軸位置を調整して、タイミング差を１動作クロック以内に抑えれば良い。

このように、位相制御回路８ａは、パルス出力タイミング信号と音響光学素子４ａからのパルスレーザ出力とのタイミング差が動作クロックの１動作クロック以内である場合にタイミング差を所定値にするように動作クロックの位相を制御するので、１動作クロック以内のパルス出力タイミングのズレを所定値に低減させることができ、タイミング調整回路を簡単化できる。

次に、実施例２のパルスレーザ装置を説明する。まず、音響光学素子の動作原理を説明する。図２は、音響光学素子の動作原理を説明するための図である。図２に示す音響光学素子４内に音響波が存在すると、グレーティングのように作用する。これを音響光学効果という。入射されたレーザ光は、このグレーティングを通ることで回折される。

ここで、音響光学素子４に設けられた圧電素子２０にＲＦ信号生成部５からＲＦ信号を供給すると、音響光学素子４内に音響波が発生して、レーザ光は図２（ａ）に示すように回折される。次に、ＲＦ信号を停止したタイミングで、共振器のロスが減少し、パルスレーザが発生し、図２（ｂ）のように音響光学素子４を通過して出力される。

より詳しくは、ＲＦ信号の供給を開始したとき、音響光学素子４に音響波が生成され、音響光学素子４の材質で決まる音響光学素子４内を伝搬する。入射レーザ光の回折が始まるのは素子４内を通る光軸に音響波が到達したタイミングであり、逆にＲＦ信号の供給を停止したときも同じことが言える。即ち、パルスレーザの出力タイミングは、ＲＦ信号の供給停止タイミングと音響光学素子４内の光軸位置（音響波が光軸まで進む時間）に依存する。

図３に示すように、ＲＦ信号の供給停止タイミングは回路により決定され、主にパルス出力タイミング信号が通る伝送線路の遅延時間、ＲＦ信号生成部５の内部処理時間、ＲＦ信号生成部５から音響光学素子４までの遅延時間で構成されている。複数のパルスレーザ装置において、これらの時間に差があると、ＲＦ信号供給停止タイミングにズレが生じる。

そこで、実施例２のパルスレーザ装置では、ＲＦ信号供給停止タイミングのズレを位相制御回路により位相調整して前記ズレを略ゼロにしたことを特徴とする。図４は、本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。

このパルスレーザ装置は、半導体レーザ１ａ，１ｂ、ミラー２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ、固体レーザ媒質３ａ，３ｂ、音響光学素子４ａ，４ｂ、ＲＦ信号生成部５ａ，５ｂ及び動作クロック発生器７、位相制御回路８、スプリッタ１０ａ，１０ｂ、フォトダイオードＰＤ１１ａ，１１ｂを備えている。

音響光学素子４ａ、ＲＦ信号生成部５ａは、第１のパルスレーザ生成部６ａを構成し、音響光学素子４ｂ、ＲＦ信号生成部５ｂは、第２のパルスレーザ生成部６ｂを構成する。

なお、固体レーザ媒質３ａ、音響光学素子４ａ、ミラー２ａ，２ｂから構成される部分を第１共振器と呼び、固体レーザ媒質３ｂ、音響光学素子４ｂ、ミラー２ｃ，２ｄから構成される部分を第２共振器と呼ぶ。

半導体レーザ１ａ，１ｂは、例えばレーザダイオードによって構成されており、励起光を発生する。半導体レーザ１ａ，１ｂで発生された励起光は、ミラー２ａ，２ｃを透過して固体レーザ媒質３ａ，３ｂに照射される。

固体レーザ媒質３ａ，３ｂは、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。この固体レーザ媒質３ａ，３ｂは、半導体レーザ１ａ，１ｂから励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。この固体レーザ媒質３ａ，３ｂで発生された誘導放出光は、音響光学素子４ａ，４ｂに送られる。

音響光学素子４ａ，４ｂは、Ｑスイッチを構成し、ＲＦ信号生成部５ａ，５ｂから入力されるＲＦ信号にしたがって、固体レーザ媒質３ａ，３ｂで発生された誘導放出光を変調することにより共振器内のロスを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルス（ジャイアントパルス）を出力する。

動作クロック発生器７は、音響光学素子４ａ，４ｂを駆動するための動作クロックを発生して、位相制御回路８とＲＦ信号生成部５ｂに出力する。

ＲＦ信号生成器５ａ，５ｂは、動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号により音響光学素子４ａ，４ｂを駆動させる。

位相制御回路８は、動作クロック発生器７とＲＦ信号生成器５ａとの間に設けられ、パルス出力タイミング信号と音響光学素子４ａからのパルスレーザ出力とのタイミング差が動作クロックの１動作クロック以内である場合にタイミング差を略ゼロにするように動作クロックの位相を制御する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るパルスレーザ装置の動作を、図４及び図５を参照しながら説明する。

まず、パルスレーザ装置が起動されると、半導体レーザ１ａ，１ｂは、励起光を発生して固体レーザ媒質３ａ，３ｂを照射する。これにより、固体レーザ媒質３ａ，３ｂは、誘導放出光を発生し、音響光学素子４ａ．４ｂに送る。

一方、動作クロック発生器７は、音響光学素子４ａ，４ｂを駆動するための動作クロックを発生して、位相制御回路８とＲＦ信号生成部５ｂに出力する。

ＲＦ信号生成器５ｂは、図５に示すように、動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号を音響光学素子４ｂの圧電素子２０に印加して音響光学素子４ｂを駆動させる。そして、時刻ｔ０においてパルス出力タイミング信号がオフすることで、ＲＦ信号をオフさせ、音響光学素子４ｂからレーザ出力１が出力され、ミラー２ｄとスプリッタ１０ｂを介してレーザ出力１はフォトダイオードＰＤ１１ｂで検知される。

一方、位相制御回路８は、動作クロック発生器７からの動作クロックの位相を制御して、ＲＦ信号生成部５ａに出力する。ＲＦ信号生成部５ａは、位相制御された動作クロックとパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、位相制御されたＲＦ信号を音響光学素子４ａの圧電素子２０に印加して音響光学素子４ａを駆動させる。そして、パルス出力タイミング信号がオフすることで、ＲＦ信号をオフさせ、音響光学素子４ａからレーザ出力２が出力され、ミラー２ｂとスプリッタ１０ａを介してレーザ出力２はフォトダイオードＰＤ１１ａで検知される。

この場合、フォトダイオードＰＤ１１ａで検知されたレーザ出力２の時刻ｔ１と、フォトダイオードＰＤ１１ｂで検知されたレーザ出力１の時刻ｔ０とのタイミング差が略ゼロにするように動作クロックの位相を制御する。

このように実施例２の固体レーザ装置によれば、位相制御回路８は、パルス出力タイミング信号と音響光学素子４ａからのパルスレーザ出力とのタイミング差が動作クロックの１動作クロック以内である場合にタイミング差を略ゼロにするように動作クロックの位相を制御するので、１動作クロック以内のパルス出力タイミングのズレを略ゼロに低減させることができ、タイミング調整回路を簡単化できる。

実施例２では、タイミング差が１動作クロック以内である場合に、その１動作クロック以内のタイミング差を略ゼロにすることを特徴としている（精密なタイミング調整）。

これに対して、実施例３では、タイミング差が１動作クロックを超えている場合に、そのタイミング差を１動作クロック以内に抑えることを特徴とする（粗いタイミング調整）。このため、音響光学素子４ａの光軸位置を調整し、音響波の伝搬速度を考えて動作クロックの１クロック分以内に抑える。これにより、動作クロックの位相調整のみでタイミング制御が可能となり、数１０ｎｓｅｃ〜１μｓｅｃオーダーの粗い調整機構を省略することができる。

以下、音響光学素子４ａの光軸位置を調整し、音響波の伝搬速度を考えて動作クロックの１クロック分以内に抑える構成及びその動作について説明する。

図６は、本発明の実施例３に係るパルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。図６に示す実施例３に係るパルスレーザ装置は、図４に示す実施例２に係るパルスレーザ装置に対して、可動ホルダ１２と、移動機構部１３、移動制御部１４とを備えることを特徴とする。

可動ホルダ１２は、音響光学素子４ａを保持する。移動機構部１３は、可動ホルダ１２を上下方向に移動させることで、固体レーザ媒質３ａから出力されるレーザ光が音響光学素子４ａ内を通過する位置を、レーザ光の光軸に対して直交する方向に平行移動させる。

移動制御部１４は、パルス出力タイミング信号とフォトダイオード１１ａ，１１ｂからのＰＤ信号（パルスレーザ出力）とのタイミング差を１動作クロック以内にするための移動量制御信号を移動機構部１３に出力する。移動機構部１３は、移動制御部１４からの移動量制御信号に基づいて可動ホルダ１２を所定量だけ移動させる。これにより、パルス出力タイミング信号とパルスレーザ出力とのタイミング差を１動作クロック以内に制御することができる。

ＲＦ信号が、図７に示す音響光学素子４ａの音響光学結晶４Ａの側面に設けられた圧電素子２０に到達すると、圧電素子２０から発生する超音波により音響光学結晶４Ａ内に粗密波による周期的な屈折率変化が生成され、この屈折率変化が入射光に対して回折格子として作用する。このとき、圧電素子２０から発生する超音波が入射光Ｌ１に作用するまでの時間が、音響光学結晶４Ａ内の遅延時間となる。

従って、可動ホルダ１２を上下方向に移動させることにより、音響光学素子４ａの基本波の入射光Ｌ１の入射位置Ｐを調整することにより、パルス出力タイミング信号に対するパルスレーザ出力のタイミング差を調整することができる。音響波の伝搬時間は音響光学素子４ａの材質により決定される。例えば、リチウムナイオベートは、６．６ｋｍ／ｓ、石英は５．９６ｋｍ／ｓ、二酸化テルル（偏光状態に依存する）は０．６２ｋｍ／ｓである。動作クロックの周波数を２０ＭＨｚとすると、１クロックは５０ｎｓである。音響光学素子４ａに石英を選択すると、音響光学素子４ａ内を音響波が伝搬する速度は５．９６ｋｍ／ｓであるので、５０ｎｓは音響光学素子４ａの約０．３ｍｍに相当する。

即ち、複数のパルスレーザ生成部６ａ，６ｂの音響光学素子４ａの光軸位置を０．３ｍｍの精度で合わせるように、可動ホルダ１２を移動機構部１３で移動することにより、音響光学素子４ａの光軸位置を移動させる。

これにより、タイミング調整幅は、動作クロックの１クロック以内に収めることができ、ｕｓｅｃを超えるタイミング調整回路を簡素化し、図６に示すＰＬＬなどの位相制御回路８により動作クロックを位相制御して、複数のパルスレーザ生成部６ａ，６ｂの出力パルスレーザを合波することができる。

このように実施例３のパルスレーザ装置によれば、可動ホルダ１２を上下方向に移動させ、入射光Ｌ１の入射位置Ｐを圧電素子２０に近づければ遅延時間は小さくなり、逆に入射位置Ｐを圧電素子２０から遠ざければ遅延時間は大きくなる。即ち、入射光Ｌ１の音響光学結晶４Ａへの入射角度が一定値のままで、音響光学素子４ａを平行移動させて入射光Ｌ１及び圧電素子２０間の距離を変化させることで、遅延時間を制御でき、しかも簡単な構成のパルスレーザ装置を提供できる。

なお、本発明は実施例１乃至３のパルスレーザ装置に限定されるものではない。図６に示す実施例２に係るパルスレーザ装置は、移動機構部１３が可動ホルダ１２を移動させるようにしたが、例えば、移動機構部１３が半導体レーザ１ａを上下方向に移動させても良い。このようなパルスレーザ装置においても、実施例３のパルスレーザ装置の効果と同様の効果が得られる。

本発明は、固体レーザ装置に利用できる。

１ａ，１ｂ 半導体レーザ
２ａ〜２ｄ ミラー
３ａ，３ｂ 固体レーザ媒質
４ａ，４ｂ 音響光学素子
５ ホルダ
６ａ，６ｂ パルスレーザ生成部
７ 動作クロック発生器
８，８ａ 位相制御回路
１０ａ，１０ｂ スプリッタ
１１ａ，１１ｂ フォトダイオード
１２ 可動ホルダ
１３ 移動機構部
１４ 移動制御部
２０ 圧電素子

Claims (4)

1. 励起光を発生させる半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質を含む共振器内に配置され、前記共振器内のロスを制御してパルスを発生させる音響光学素子と、
   前記音響光学素子を駆動するための動作クロックを発生する動作クロック発生器と、
   前記動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号により前記音響光学素子を駆動させるＲＦ信号生成器と、
   前記動作クロック発生器と前記ＲＦ信号生成器との間に設けられ、前記パルス出力タイミング信号と前記音響光学素子からのパルスレーザ出力とのタイミング差を所定値にするように前記動作クロックの位相を制御する位相制御回路と、
   を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。
2. 励起光を発生させる複数の半導体レーザと、
   前記複数の半導体レーザに対応して設けられ、前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する複数の固体レーザ媒質と、
   前記の固体レーザ媒質に対応して設けられ、前記固体レーザ媒質を含む共振器内に配置され、前記共振器内のロスを制御してパルスを発生させる複数の音響光学素子と、
   前記複数の音響光学素子に対応して設けられ、前記複数の音響光学素子からの複数のレーザ出力を検知する複数の検知部と、
   前記複数の音響光学素子を駆動するための動作クロックを発生する動作クロック発生器と、
   前記複数の音響光学素子に対応して設けられ、前記動作クロックと動作クロックをオン／オフさせるためのパルス出力タイミング信号とに基づきＲＦ信号を生成し、生成されたＲＦ信号により前記音響光学素子を駆動させる複数のＲＦ信号生成器と、
   前記動作クロック発生器と前記複数のＲＦ信号生成器の少なくとも１つのＲＦ信号生成器との間に設けられ、前記複数の検知部で検知された前記複数のレーザ出力のタイミング差が１動作クロック以内である場合に前記タイミング差を略ゼロにするように前記動作クロックの位相を制御する１つ以上の位相制御回路と、
   を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。
3. 前記固体レーザ媒質から出力されるレーザ光が前記音響光学素子内を通過する位置を、レーザ光の光軸に対して直交する方向に平行移動させる移動機構部と、
   前記音響光学素子を保持するホルダとを備え、
   前記移動機構部は、前記ホルダに保持された前記音響光学素子をレーザ光の光軸に対して略直交する方向に平行移動させることにより前記タイミング差を前記１動作クロック以内に抑えることを特徴とする請求項２記載のパルスレーザ装置。
4. 前記複数の検知部からの複数のレーザ出力の遅延時間を所定時間にするための移動量制御信号を前記移動機構部に出力する移動制御部とを備え、
   前記移動機構部は、前記移動制御部からの移動量制御信号に基づいて前記ホルダを所定量だけ移動させることを特徴とする請求項３記載のパルスレーザ装置。

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