激光光源装置以及激光器脉冲光生成方法
【专利摘要】一种在使以固体放大器来放大脉冲光时的能量利用效率得到提高的同时，减轻固体放大器的发热损耗，比较低价且小型的激光光源装置，具备：种光源；将使用增益切换法从种光源输出的脉冲光放大的光纤放大器；进一步对其输出进行放大的固体放大器；对从固体放大器输出的脉冲光进行波长变换的非线性光学元件；配置在光纤放大器与固体放大器之间的去除ASE噪声的光开关元件；和控制部，其控制光开关元件，使得在来自种光源的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与该输出期间不同的期间阻止光的传播，并周期性地或者间歇性地控制光纤放大器以及/或者固体放大器的激励用光源，使得在从种光源输出的脉冲光的输入前光纤放大器以及/或者固体放大器进行反转分布。
【专利说明】
激光光源装置以及激光器脉冲光生成方法
技术领域
[0001]本发明涉及在各种激光器加工中使用的激光光源装置以及激光器脉冲光生成方法。
【背景技术】
[0002]近年，激光被使用到各种加工当中。波长从532nm至1064nm附近的激光的能量强度大，适于使用到金属、玻璃等的切断或者焊接等各种加工中。此外，波长从200nm至350nm附近的深紫外区域的激光被使用到电子材料、复合材料的加工当中。
[0003]输出波长比近红外区域短的激光的激光光源装置具备:输出近红外区域的波长的激光的种光源;对从种光源输出的激光进行放大的光放大器；以及将由光放大器放大后的激光的波长变换成作为目标的波长的非线性光学元件。
[0004]并且，为了能得到脉冲宽度为数百微微秒以下且频率为数百兆赫以下的峰值功率大的激光器脉冲光而选择各种种光源，并使用各种光放大器等。
[0005]以往，有如下构成的装置:使用重复频率为数十兆赫的模式同步激光器作为这样的种光源，通过对从该种光源输出的脉冲光进行分频从而得到数千赫的脉冲光。
[0006]但是，模式同步激光器的振荡频率因温度、振动等环境要因而发生变动，很难将其值控制为适当，所以需要与使用受光元件等检测出的激光器脉冲光的振荡频率同步地进行分频，存在以下这样的问题:用于该用途的电路构成会很复杂、模式同步激光器的构成部件即过饱和吸收体容易劣化从而使长期稳定驱动很困难。
[0007]因此，虽然考虑将能够进行脉冲光的振荡频率的控制的半导体激光器用在种光源中，但是从这样的半导体激光器输出的近红外的脉冲光的脉冲能量非常小，小到数微微焦耳至数百微微焦耳，为了最终得到数十微焦耳至数十毫焦耳的脉冲能量的脉冲光，需要相比使用以往的种光源的情况而更大幅地进行放大。
[0008]作为用于该用途的光放大器，适于使用掺铒光纤放大器、掺镱光纤放大器等光纤放大器、在钇铝石榴石中添加了钕的Nd: YAG、在钇钒酸盐中添加了钕的Nd: YV04等固体放大器。
[0009]在专利文献1、2中公开了将这样的光纤放大器和固体放大器组合而成的光放大器。如该专利文献1、2所示，对于光纤放大器以及固体放大器当中的任一者来说，为了利用激光器活性区域中的栗作用对与成为放大对象的激光相同波长的光进行放大，都需要具备激励用的光源。并且，通常，将半导体激光器用作这样的激励用的光源。
[0010]在先技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1: JP特开2011-192831号公报
[0013]专利文献2:W02008/014331号公报
【发明内容】
[0014]发明要解决的课题
[0015]如上所述，在将半导体激光器用在种光源中来取代模式同步激光器的情况下，为了得到大能量强度的激光器脉冲光，而需要使用单一或者多个光纤放大器以及固体放大器。
[0016]在该情况下，在前级的光纤放大器作用下的放大过程中产生的自然放出光噪声(以下，记为“ASE噪声(Amplified Spontaneous Emiss1n Noise)”)与来自种光源的脉冲光叠加，进而因啁啾现象、光纤内的自相位调制、拉曼散射等而被宽频化了的脉冲光会由后级的固体放大器放大，为了放大而注入到固体放大器的激励光的能量的一部分会在这样的噪声成分的放大中被无用地消耗掉，存在这样的问题
[0017]在这样的状况下为了将脉冲光放大成规定强度，而需要在固体放大器中注入过剩的激励能量，不仅固体放大器的能量利用效率降低，发热也会变大，为了冷却而需要大型的冷却机构，存在部件成本等也增大这样的问题。
[0018]若脉冲光的频率比兆赫的位数大，则由于ASE噪声极微小所以不太成为问题，但是在脉冲光的振荡频率低于I兆赫的区域中必须充分考虑ASE噪声等的影响。
[0019]进一步地，虽然根据用途的不同而期望输出单发或数赫兹的脉冲光，但是成为波长变换前的基准的脉冲光的宽频化以及ASE噪声的影响所导致的能量损失大，其实现很困难。
[0020]本发明的目的在于，鉴于上述问题点，在使以固体放大器来放大脉冲光时的能量利用效率得到提高的同时，减轻固体放大器的发热损耗，提供一种比较低价且小型的激光光源装置。
[0021]用于解决课题的手段
[0022]为了达成上述的目的，本发明的激光光源装置的第一特征构成在于以下方面，如权利要求书的权利要求1记载的那样，是一种激光光源装置，具备:种光源，其通过增益切换法输出脉冲光;光纤放大器，其对从所述种光源输出的脉冲光进行放大；固体放大器，其对从所述光纤放大器输出的脉冲光进行放大；以及非线性光学元件，其对从所述固体放大器输出的脉冲光进行波长变换并输出，还具备:光开关元件，其配置在所述光纤放大器与所述固体放大器之间，允许或者阻止光从所述光纤放大器向所述固体放大器的传播；以及控制部，其构成为执行增益切换控制处理、激励控制处理、以及光开关控制处理，其中，在增益切换控制处理中，以规定的周期驱动所述种光源，在激励控制处理中，对所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器的激励用光源周期性地或者间歇性地进行控制，使得在从所述种光源输出的脉冲光的输入前所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器进行反转分布，在光开关控制处理中，对所述光开关元件进行控制，使得在来自所述种光源的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自所述种光源的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。
[0023]根据上述构成，通过由控制部执行的增益切换控制处理、激励控制处理以及光开关控制处理，有助于波长变换元件中波长变换的频率成分的脉冲光被固体放大器等高效放大，发热损耗被减轻，所以大型的冷却机构也就不需要了，能够实现比较低价且小型的激光光源装置。
[0024]具体来说，通过执行增益切换控制处理，从而以规定的周期驱动种光源而输出脉冲光。此外，通过执行激励控制处理，从而周期性地驱动光纤放大器以及/或者固体放大器的激励用光源，使得在该脉冲光输入至光纤放大器以及/或者固体放大器前得到成为能进行放大的能量状态的反转分布状态。因此，在脉冲光没有被输入时不会不必要地驱动激励用光源。
[0025]并且，若执行光开关控制处理，则在来自种光源的脉冲光的输出期间经由光开关元件从光纤放大器向固体放大器传播脉冲光，在与该脉冲光的输出期间不同的期间阻止光纤放大器的输出光向固体放大器传播。由于在与该脉冲光的输出期间不同的期间ASE噪声向固体放大器的传播被阻止，所以避免了固体放大器的活性区域的能量被无用地消耗。即，该光开关元件作为在时间区域去除ASE噪声的滤波器起作用。
[0026]其结果是，还能够提供一种以能量效率好的状态输出单发或数赫兹的脉冲光的激光光源装置。
[0027]本发明的激光光源装置的第二特征构成在于以下方面，如权利要求书的权利要求2记载的那样，除了上述的第一特征构成以外，所述光开关元件由包含音响光学元件或者电光学元件的动态光学元件构成。
[0028]作为光开关元件，优选使用通过超声波换能器(ultrasonic transducer)的接通或者断开来将I次衍射光接通或者断开的音响光学元件、利用EO调制的强度调制通过电场来将光接通断开的电光学元件等动态光学元件。
[0029]本发明的激光光源装置的第三特征构成在于以下方面，如权利要求书的权利要求3记载的那样，除了上述的第一或者第二特征构成以外，所述控制部构成为以针对所述光开关元件的控制信号为基准来对所述种光源以及激励用光源进行控制。
[0030]即使在光开关元件的响应性比种光源、激励用光源的响应性慢的情况下，通过生成以针对光开关元件的控制信号为基准来控制种光源的控制信号，从而就能够在适当的时期驱动光开关元件。
[0031]本发明的激光光源装置的第四特征构成在于以下方面，如权利要求书的权利要求4记载的那样，除了上述的第一至第三中的任一特征构成以外，所述种光源由DFB激光器构成，所述控制部构成为以数兆赫以下的频率且数百微微秒以下的脉冲宽度来驱动所述DFB激光器。
[0032]通过使用DFB激光器作为种光源并应用增益切换法，从而能够得到以单一纵模式振荡且强度也比稳定状态高的脉冲光。根据增益切换法，能够以包含单发的脉冲光在内的数兆赫以下的期望的频率容易地生成数百微微秒以下的期望的脉冲宽度的脉冲光，通过对这样的脉冲光使用上述的光开关元件，从而能够高效率地得到高平均输出且期望的波长的脉冲光。
[0033]本发明的激光器脉冲光生成方法的第一特征构成在于以下方面，如权利要求书的权利要求5记载的那样，是一种采用增益切换法通过光纤放大器以及固体放大器依次对从种光源输出的脉冲光进行放大，通过非线性光学元件将放大后的脉冲光波长变换并输出的激光器脉冲光生成方法，在该激光器脉冲光生成方法中，对所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器的激励用光源周期性地或者间歇性地进行控制，使得在从所述种光源输出的脉冲光的输入前所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器进行反转分布，并且对配置在所述光纤放大器与所述固体放大器之间的光开关元件进行控制，在来自所述种光源的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自所述种光源的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。
[0034]发明效果
[0035]如以上所说明的那样，根据本发明，在使以固体放大器来放大脉冲光时的能量利用效率得到了提高的同时，减轻了固体放大器的发热损耗，能够提供一种比较低价且小型的激光光源装置。
【附图说明】
[0036]图1是激光光源装置的模块构成图。
[0037]图2(a)是从种光源被振荡的窄频的脉冲光的频率特性和时间轴特性的说明图，图2(b)、图2(c)是因光纤放大器的自相位调制、拉曼散射而宽频化了的脉冲光的频率特性和时间轴特性的说明图。
[0038]图3(a)是从种光源周期性振荡的脉冲光的说明图，图3(b)是在初级的光纤放大器中叠加了ASE噪声的脉冲光的说明图，图3(c)是在后级的光纤放大器中进一步叠加了ASE噪声的脉冲光的说明图，图3(d)是在时间区域与种光源的振荡周期同步地通过光开关元件的脉冲光的说明图，图3(e)是在时间区域与种光源的振荡周期同步地通过光开关元件并由固体放大器放大后的脉冲光的说明图。
[0039]图4是说明驱动种光源的触发信号、各放大器的激励用光源的驱动信号、驱动光开关元件的选通信号的输出定时的定时图。
[0040]图5(a)是对使用光开关元件的情况与未使用光开关元件的情况进行对比而得到的波长变换后的脉冲能量特性的说明图，图5(b)是对使用光开关元件的情况与未使用光开关元件的情况进行对比而得到的波长变换后的平均功率特性的说明图。
[0041 ]图6是表示其他实施方式的激光光源装置的模块构成图。
【具体实施方式】
[0042]以下，说明本发明的激光光源装置以及激光器脉冲光生成方法的实施方式。图1示出成为本发明的激光光源装置I的一例的构成。在激光光源装置I中，光源部1A、光纤放大部1B、固体放大部1C、波长变换部ID沿光轴L配置，且进一步具备控制光源部IA等控制部100。
[0043]在光源部IA中具备:种光源10、种光源用的驱动器Dl、光频隔离器ISLl等。在光纤放大部IB中具备:具有分别由激光器二极管构成的激励用光源21、31以及合波器22、32的二级的光纤放大器20、30;光频隔离器ISL2、ISL3;以及光开关元件40等。
[0044]在固体放大部IC中具备:固体放大器50;反射镜Ml、M2、M3;透镜LI;准直器CL2等。波长变换部ID由第I波长变换部IE以及第2波长变换部IF构成，且分别具备非线性光学元件60、70。
[0045]从种光源10输出的波长1064nm的激光器脉冲光(以下，还仅记为“脉冲光”)由二级的光纤放大器20、30放大，进一步地由一级的固体放大器50放大至期望的电平。由固体放大器50放大后的脉冲光被非线性光学元件60进行波长变换而变换成波长532nm，进一步地被非线性光学元件70进行波长变换而变换成波长266nm后输出。
[0046]另外，光纤放大器以及固体放大器的数目并不特别限定，只要为了得到针对脉冲光的期望的放大率而适当设定即可。例如，可以将三个光纤放大器级联连接，并在其后级级联连接二个固体放大器。
[0047 ]作为种光源1，使用输出单一纵模式的激光的分布反馈型激光器二极管(以下，记为“DFB激光器”)，根据从应用增益切换法的控制部100输出的控制信号，从DFB激光器以单发或者数兆赫以下的期望的频率输出数百微微秒以下的期望的脉冲宽度的脉冲光。
[0048]从种光源10输出的数微微焦耳至数百微微焦耳的脉冲能量的脉冲光被光纤放大器20、30以及固体放大器50最终放大成数十微焦耳至数十毫焦耳的脉冲能量的脉冲光后，输入到二级的非线性光学元件60、70，从而被波长变换成波长266nm的深紫外线。
[0049]从种光源10输出的脉冲光经由光频隔离器ISLl被初级的光纤放大器20放大。作为光纤放大器20、30，使用由规定波长(例如975nm)的激励用光源21激励的镱(Yb)添加光纤放大器等稀土类添加光纤。这样的光纤放大器20的反转分布的寿命是毫秒的位数，所以由激励用光源21激励的能量被有效转移至I千赫以上的频率的脉冲光。
[0050]由初级的光纤放大器20放大约30分贝后的脉冲光经由光频隔离器ISL2输入至后级的光纤放大器30并被放大约25分贝。由后级的光纤放大器30放大后的脉冲光利用准直器CLl被束成形，在通过了光频隔离器ISL3、ISL4后导入到固体放大器50被放大约25分贝。[0051 ]在本实施方式中，为了相对于在固体放大器50中产生的热透镜效应而有效地被光放大，从光纤放大器30输出的脉冲光由该准直器CLl束成形为使束测量位于固体放大器50的入射面正前方。
[0052]在准直器CLl与固体放大器50之间，配置组装有音响光学元件并作为光开关元件40起作用的音响光学调制器A0M(Acousto-0ptic Modulator)、一对反射镜M1、M2，在反射镜Ml、M2间配置使由固体放大器50放大的脉冲光导入至非线性光学元件60的光频隔离器ISL4。
[0053]另外，上述的光频隔离器ISLl?ISL4都是通过利用磁光学效应在正向和反向使偏光面旋转成反向从而遮断返回光的偏振光依赖型的光频隔离器(optical isolator)，沿着光轴配置在上游侧的各光学元件是为了避免因高强度的返回光而被热损坏等从而设置的。
[0054]作为固体放大器50，适于使用Nd: YV04结晶、Nd: YAG结晶等固体激光器介质。构成为由从发光波长808nm或者888nm的激光器二极管所构成的激励用光源51输出且被准直器CL2束成形后的激励光来激励固体激光器介质。
[0055]通过了光开关元件40的脉冲光在经由反射镜Ml、M2入射至固体放大器50被放大后，进一步由反射镜M3反射而再次入射至固体放大器50被再次放大。即，构成为在固体放大器50的去路以及归路上分别被放大。另外，透镜LI用于束整形。
[0056]在第I波长变换部IE中组装入作为非线性光学元件60的LBO结晶(LiB3Os),在第2波长变换部IF中组装入作为非线性光学元件70的CLBO结晶(CsLiB6O1Q)13从种光源10输出的波长1064nm的脉冲光由非线性光学元件60进行波长变换而变换成波长532nm，进一步地由非线性光学元件70进行波长变换而变换成波长266nm。
[0057]反射镜M4、M8作为用于对从非线性光学元件60输出的波长1064nm的脉冲光进行分离的滤波器起作用，反射镜M6作为用于对从非线性光学元件70输出的波长532nm的脉冲光进行分离的滤波器起作用，分离后的脉冲光分别由消光器衰减。
[0058]在第2波长变换部IF设置作为使CLBO结晶(CsLiB6O1Q)在与光轴正交的面内移动的扫描机构的台架71。原因在于，若紫外线长时间照射同一部位则在CLBO结晶(CsLiB6O1Q)中产生光学损伤而导致强度分布的劣化和波长变换输出的低下，所以在规定时期使脉冲光对CLBO结晶(CsLiB6O1Q)照射的照射位置发生位移。
[0059]控制部100由具备FPGA(Field Programmable Gate Array)以及外围电路等的电路模块构成，通过基于预先存储在FPGA内的存储器中的程序来驱动多个逻辑元件，从而对构成激光光源装置I的各模块例如顺序地进行控制。另外，控制部100除了由FPGA构成以外，也可以由微型计算机和存储器以及1等外围电路构成，还可以由可编程逻辑控制器(PLC)等构成。
[0060]具体来说，控制部100构成为执行以下处理:增益切换控制处理，以规定的周期驱动种光源10;激励控制处理，对光纤放大器20、30以及固体放大器50的激励用光源21、31、51周期性地进行驱动控制，使得在从种光源10输出的脉冲光的输入前光纤放大器20、30以及固体放大器50进行反转分布；以及光开关控制处理，对光开关元件40进行控制，使得在来自种光源1的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自种光源1的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。
[0061]在增益切换控制处理中，为了使用增益切换法使种光源10发光，而向作为种光源10的DFB激光器的驱动器Dl输入规定脉冲宽度的触发信号。若从该驱动电路对DFB激光器施加与触发信号相应的脉冲电流，则产生弛豫振荡，输出仅由弛豫振荡作用下的发光刚刚开始后的发光强度最大的第I波构成且不包含第2波以后的次脉冲的脉冲状的激光。所谓增益切换法，是指利用了这样的弛豫振荡的以短脉冲宽度产生峰值功率大的脉冲光的方法。
[0062]在激励控制处理中，对各激励用光源21、31、51周期性或者间歇性地进行控制，使得在该脉冲光输入至光纤放大器20、30以及固体放大器50前得到成为能进行放大的能量状态的反转分布状态。
[0063]因此，由于在脉冲光不被输入时不会不必要地驱动激励用光源，所以各放大器的发热也减轻。在本实施方式中，各激励用光源21、31、51构成为至少在比种光源10接通的定时提前规定的激励开始时间被驱动，从种光源10断开的定时、或种光源10接通的定时起经过规定的激励结束时间被断开。
[0064]该激励开始时间是按照各放大器20、30、50的荧光寿命来决定的值，例如被设定为荧光寿命T的0.5?3倍的值。由于各个放大器20、30、50的荧光寿命不同，所以需要个别地对各个放大器20、30、50的激励用光源21、31、51进行驱动控制。为了使激励用光源21、31、51的驱动电路简单，可以使其他放大器的激励开始时间配合荧光寿命成为最长的放大器的激励开始时间。
[0065]在光开关控制处理中，向对作为光开关元件40的音响光学调制器AOM进行驱动的RF驱动器D2输出选通信号。利用从RF驱动器D2施加了高频信号的换能器(压电变换元件)在构成音响光学元件的结晶中生成衍射光栅，向音响光学元件入射的脉冲光的衍射光向反射镜Ml入射。若RF驱动器D2停止，则入射到音响光学元件的脉冲光不发生衍射而直接通过，不会向反射镜Ml入射。另外，构成为在RF驱动器D2的停止时通过了音响光学元件的光由消光器衰减。
[0066]若因选通信号从而光开关元件40接通，则衍射后的光从光纤放大器30向固体放大器50传播，若因选通信号从而光开关元件40断开则光从光纤放大器30向固体放大器50的传播被阻止。
[0067]进一步地，控制部100为了在规定时期使脉冲光向CLBO结晶(CsLiB6O1Q)照射的照射位置发生位移而执行对台架71进行控制使其阶段性地进行移动的位移控制处理。
[0068]例如，在位移控制处理中，监视波长变换后的紫外线的强度，若监视的强度的记录与规定的图案(pattern) 一致，则移动台架71使脉冲光向CLBO结晶(CsLiB6O1)照射的照射位置发生位移。
[0069]为了使台架71能够在在与脉冲光的光轴正交的X-Y平面上进行移动，台架71与经由电动机驱动器D3被控制部100进行控制的X方向移动电动机以及/或者Y方向移动电动机驱动连结。
[0070]图2(a)、(b)、(c)中，在左侧示出在激光光源装置I的各部分中传播的脉冲光的频率特性，在右侧示出这些脉冲光的时间轴特性。在这些图中示出的符号Sn(n为整数)与图1所示的激光光源装置I的各部分的输出节点的光信号Sn(n = l、2、...)对应。
[0071]利用从控制部100输出的触发信号从作为种光源10的DFB激光器以规定的周期输出中心波长1064nm的窄频的激光器脉冲光(参照图2(a))。在从种光源10输出的脉冲光导入到光纤放大器20被放大的过程中因自相位调制、拉曼散射等从而光谱带宽不必要地变宽，进一步地产生ASE噪声而使光脉冲的S/N比降低(参照图2(b))。在这样的脉冲光导入到后级的光纤放大器30被放大的过程中被进一步地宽频化，ASE噪声电平增大(参照图2(c))。
[0072]为了得到期望的强度的深紫外的脉冲光，需要将由光纤放大器20、30放大的脉冲光在后级的固体放大器50中进一步地放大至大峰值功率。但是，由于能够由波长变换部ID进行波长变换的波长范围受各非线性光学元件60、70的特性限制，所以放大所需的能量对波长变换没有有效帮助。即波长变换效率会降低。
[0073]固体放大器50的激励能量被ASE噪声的放大、宽频化了的脉冲光无用地消耗的结果是，存在以下问题:能量效率大大降低;若因此而增大激励能量则为了避免因发热导致的元件的破损而需要大型的冷却装置，白白地使激光光源装置I变高价。若脉冲光的频率大于兆赫的位数，则虽然由于ASE噪声极微小而不太会成为问题，但是在脉冲光的振荡频率低于I兆赫的区域ASE噪声的影响会变得显著。
[0074]因此，在本实施方式中，具备由控制部100控制且作为在时间区域去除ASE噪声等的噪声滤波器起作用的光开关元件40。构成为通过利用上述的开关控制处理对光开关元件40进行控制使得在来自种光源1的脉冲光的输出期间允许光的传播而在与来自种光源1的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播，从而生成从非线性光学元件60、70允许脉冲光的输出的输出允许状态。
[0075]若在与来自种光源10的脉冲光的输出期间不同的期间断开光开关元件40，则该期间，ASE噪声向后级的固体放大器50的传播就会被阻止，就避免了固体放大器50的活性区域的能量被无用地消耗(参照图3(d)的区间Toff)。
[0076]并且，若在从种光源10输出脉冲光的期间由控制部100将光开关元件40接通，则由于脉冲光从光纤放大器30向固体放大器50传播(参照图3(d)的区间Ton)，所以脉冲光被能量效率好地放大(参照图3(e))，会从非线性光学元件输出大峰值功率的脉冲光。即，使该光开关元件40作为在时间区域去除ASE噪声的滤波器起作用。
[0077]所谓由控制部100对光开关元件40进行接通控制的“来自种光源的脉冲光的输出期间”，并不是指从种光源输出脉冲光的整个期间，而是以下这样的概念:只要是由非线性光学元件进行了波长变换的脉冲光的峰值功率表示适当的值的范围就可以是一部分期间，并且还包含从种光源输出脉冲光的期间的前后的微小的期间。
[0078]在输出允许状态下，所谓由控制部100对光开关元件40进行断开控制的“与来自种光源的脉冲光的输出期间不同的期间”，并不是指多个脉冲光的各输出期间之间的整个期间，即并不是仅指脉冲光不存在的整个期间，而是以下这样的概念:只要是能够减轻由激励用光源激励的固体放大器的活性区域的能量被ASE噪声无用地消耗的范围，就也包含其一部分期间。
[0079]当从种光源10输出的脉冲光的频率为I兆赫以下时有很大效果，在数百千赫以下，特别是200千赫以下时，光开关元件40作用下的ASE噪声去除效果会显著出现。
[0080]进一步地，由于通过上述的激励控制处理对激励用光源21、31、51周期性地或者间歇性地进行控制，使得在该脉冲光输入至光纤放大器20、30以及固体放大器50前得到成为能进行放大的能量状态的反转分布状态，所以在脉冲光未被输入时不会不必要地驱动激励用光源，因此各放大器中的发热就被抑制。
[0081]与种光源10的驱动周期同步地决定激励用光源21、31、51的驱动周期，若种光源10停止则也同样地停止激励用光源21、31、51，由于事前不会到达大的激励状态，所以即使在接下来驱动了种光源10的情况下也不会发生输出特别大的峰值功率的巨大脉冲从而使波长变换装置等发生热破损的情况。并且，即使在种光源10被周期性地驱动的情况下，至少在激励用光源21、31、51断开时，不产生ASE噪声，所以脉冲光的SN比也不会大大降低。
[0082 ]图4中例示出由控制部100执行的针对种光源1、激励用光源21、31、51以及光开关元件40的控制定时图。
[0083]控制部100在作为基准的时刻t0对光开关元件40的RF驱动器D2输出选通信号，在规定的延迟时间之后，在时刻t3将针对种光源1的驱动器DI的触发信号接通输出。在时刻t4时发生了弛豫振荡后的规定时刻t5将触发信号断开而得到规定的脉冲宽度的脉冲光SI。
[0084]另外，也可以构成为，控制部100不是在时刻t5将触发信号断开使激光器振荡停止，而是针对产生了弛豫振荡的种光源10使驱动器Dl在规定时刻t5停止种光源10的激光器振荡。在该情况下，触发信号的断开定时只要任意设定即可。
[0085]控制部100在从时刻t0经过规定时间后，在时刻tecin将激励用光源21、31、51接通，在时刻Uff即种光源10的断开定时将激励用光源21、31、51断开。时刻〖_是以针对种光源10的触发信号的输出时刻t3为基准回溯了上述的激励开始时间的时刻。这里，被设定为回溯了各放大器的焚光寿命之中最大的焚光寿命τ的时刻。
[0086]脉冲光SI被光纤放大器20、30放大而得到脉冲光S3。该脉冲光S3被宽频化，并进一步地叠加了 ASE噪声。
[0087]因在时刻t0被接通输出的选通信号从而光开关元件40在时刻t2接通，因在时刻tl被断开的选通信号从而光开关元件40时刻t6断开。在从光开关元件40接通的时刻t2至t6之间，由光纤放大器30放大且通过了光开关元件40的输出S4传播至固体放大器50。
[0088]因此，在从光开关元件40接通的时刻t2至t6之间，由光纤放大器30放大且通过了光开关元件40的输出光S4，即从种光源10输出的脉冲光S4传播至固体放大器50。并且，由于在从光开关元件40断开的时刻t6至t7之间，ASE噪声向固体放大器50的传播被阻止，所以就避免了积蓄在固体放大器50的活性区域的激励能量被无用消耗。另外，在图4中，虽然记述为在激励用光源21、31被断开的期间也产生了ASE噪声，但是实际上该期间ASE噪声的产生也被抑制了某程度。
[0089]另外，在图4中，将输入RF信号而在光开关元件40形成衍射光栅且被衍射的光向固体放大器50传播的状态标记为接通，将未在光开关元件40形成衍射光栅从而光不向固体放大器50传播且零次光被衰减器衰减的状态标记为断开。向光开关元件40输出的控制信号的逻辑可以是正逻辑以及负逻辑当中的任一者。
[0090]光开关元件40的接通时间由于最好尽可能地能去除ASE噪声，所以优选被设定为由种光源10输出的脉冲光的脉冲宽度的1.5倍至10倍的范围，进一步优选被设定为1.5倍至3倍的范围。例如，若由种光源10输出的脉冲光的脉冲宽度为50微微秒，则设定为75微微秒至500微微秒即可。其中，有时根据控制部100的控制周期而对其范围进行限制。
[0091 ]在图4说明的例子中，控制部100构成为输出以针对光开关元件40的控制信号(选通信号)为基准来对种光源10以及激励用光源21、31、51进行控制的触发信号。若这样构成，则即使在光开关元件40的响应性比从种光源10输出的脉冲光的响应性更慢的情况下，通过生成以针对光开关元件40的控制信号为基准来控制种光源10的控制信号，从而能够适当地驱动光开关元件40。
[0092]另外，在光开关元件40的响应性比从种光源10输出的脉冲光的响应性充分快的情况下，当然也能够以针对种光源10的控制信号为基准来控制光开关元件40。
[0093]S卩，利用上述的控制部100来执行以下激光器脉冲光生成方法:对20、30以及/或者固体放大器50的激励用光源周期性地或者间歇性地进行控制，使得在从种光源10输出的脉冲光的输入前光纤放大器20、30以及/或者固体放大器50进行反转分布，并且对配置在光纤放大器30与固体放大器50之间的光开关元件40进行控制，在来自种光源10的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自种光源1的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。
[0094]图5(a)中示出在将激励用的光源21、31、51的驱动时的功率维持为固定的状态下，使用了去除ASE噪声的光开关元件的情况和未使用光开关元件的情况下的波长变换后的脉冲能量特性，图5(b)中示出使用了去除ASE噪声的光开关元件的情况和未使用光开关元件的情况下的波长变换后的平均功率特性。两图都是以黑圆绘制的特性为使用了光开关元件的情况下的特性，以黑四边形绘制的特性为未使用光开关元件的情况下的特性。
[0095]根据图5(a)、图5(b)可知，通过使用光开关元件来去除ASE噪声，从而在数十千赫至数兆赫的频率范围内脉冲能量以及平均功率有效地上升。
[0096]本发明能够广泛应用在具备构成为对包含DFB激光器的半导体激光器以数百兆赫以下的频率且以数百微微秒以下的脉冲宽度进行驱动的种光源的激光光源装置中。
[0097]以下，说明本发明的其他实施方式。
[0098]除了上述实施方式以外，也在光纤放大器20、30的后级设置使因啁啾现象、光纤内的自相位调制、拉曼散射等而宽频化了的脉冲光窄频化的带通滤波器。
[0099]图6示出在光纤放大器20的后级设置了带通滤波器BPFl的例子。在由光纤放大器20放大的过程被宽频化并且叠加了 ASE噪声的脉冲光由带通滤波器BPFl进行滤波，成为被某程度地窄频化并且去除了 ASE噪声的脉冲光后而输入到后级的光纤放大器30。
[0100]也可以构成为在种光源10、光频隔离器ISL1、光纤放大器20之间设置带通滤波器，避免ASE噪声向种光源反射。
[0101]在上述实施方式中，说明了将通过超声波换能器的接通或者断开来将I次衍射光接通或者断开的音响光学元件用作光开关元件40的例子，但是也能够将利用EO调制的强度调制通过电场将光接通断开的电光学元件用作光开关元件。
[0102]进一步地，也可以构成为将由微细加工(micromachining)技术制作的细微的摇动镜(由MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)构成的反射镜)用作光开关元件40，通过细微的摇动反射镜的摇动角度来对光纤放大器30的输出是否向固体放大器50传播进行切换。此外，也可以使用动态地对偏光状态进行切换从而能够对光的透过和遮断进行控制的偏光器件。即，光开关元件由动态光学元件构成即可。
[0103]在上述的实施方式中，说明了以与种光源10的驱动周期相同的周期对各光放大器20、30、50的激励用光源21、31、51进行驱动的例子，但是也可以以与种光源10的驱动周期相同的周期仅对光纤放大器20、30的激励用光源21、31进行驱动，对固体放大器50的激励用光源51进行连续驱动，也可以以与种光源10的驱动周期相同的周期仅对固体放大器50的激励用光源51进行驱动。即，激励控制处理只要构成为对光纤放大器以及/或者固体放大器的激励用光源周期性地进行控制，使得在从种光源输出的脉冲光的输入前光纤放大器以及/或者固体放大器进行反转分布即可。
[0104]例如，只要周期性地进行接通/断开控制或进行强度调制控制，使得在从种光源10输出的脉冲光的输入定时光放大器成为反转分布状态即可。进一步地，也可以通过在直至来自种光源的脉冲光入射为止的规定期间对激励用光源间歇性地进行驱动从而使光放大器成为反转分布状态。
[0105]若这样来控制激励用光源21、31、51，则由于激励光被周期性地或者间歇性地驱动以便在从种光源10输出的脉冲光被输入前光纤放大器20、30以及/或者固体放大器50成为反转分布状态，所以就能够减轻对脉冲光的放大没有帮助的无用的能量消耗、发热。
[0106]在上述的实施方式中，说明了通过将DFB激光器用作种光源，对DFB激光器应用增益切换法，从而以单一纵模式生成强度比稳定状态更高的脉冲光，但是本发明只要将半导体激光器用作种光源即可，也能够使用DFB激光器以外的一般的法布里-珀罗型的半导体激光器。
[0?07]此外，本发明并不限定为振荡波长为1064nm的种光源，例如也能够是1030nm、1550nm、976nm等根据用途而适当选择不同的波长的种光源。进一步地，也能够经由非线性光学元件来产生以这些波长为基波的高次谐波、和频、差频。也能够使用上述以外的非线性光学元件作为非线性光学元件。例如，能够取代CLBO结晶，而使用BBO结晶、KBBF结晶、SBBO结晶、KABO结晶、BABO结晶等。
[0108]上述多个实施方式都是本发明的一实施方式的说明，并不是通过该记载来限定本发明的范围。此外，在各部分的具体的电路构成、电路中使用的光学元件当然可以在起到本发明的作用效果的范围内适当选择或进行变更设计。
[0109]符号说明
[0110]1:激光光源装置
[0111]10:种光源
[0112]20，30:光纤放大器
[0113]40:光开关元件
[0114]50:固体放大器
[0115]60，70:非线性光学元件
【主权项】
1.一种激光光源装置，具备: 种光源，其通过增益切换法输出脉冲光； 光纤放大器，其对从所述种光源输出的脉冲光进行放大； 固体放大器，其对从所述光纤放大器输出的脉冲光进行放大；以及 非线性光学元件，其对从所述固体放大器输出的脉冲光进行波长变换并输出， 光开关元件，其配置在所述光纤放大器与所述固体放大器之间，允许或者阻止光从所述光纤放大器向所述固体放大器的传播;以及 控制部，其构成为执行增益切换控制处理、激励控制处理、以及光开关控制处理，其中，在所述增益切换控制处理中，以规定的周期驱动所述种光源，在所述激励控制处理中，对所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器的激励用光源周期性地或者间歇性地进行控制，使得在从所述种光源输出的脉冲光的输入前所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器进行反转分布，在所述光开关控制处理中，对所述光开关元件进行控制，使得在来自所述种光源的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自所述种光源的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。2.根据权利要求1所述的激光光源装置，其中， 所述光开关元件由包含音响光学元件或者电光学元件的动态光学元件构成。3.根据权利要求1或2所述的激光光源装置，其中， 所述控制部构成为以针对所述光开关元件的控制信号为基准来对所述种光源以及激励用光源进行控制。4.根据权利要求1?3中任一项所述的激光光源装置，其中， 所述种光源由分布反馈型激光器二极管构成，所述控制部构成为以数兆赫以下的频率且数百微微秒以下的脉冲宽度来驱动所述分布反馈型激光器二极管。5.—种激光器脉冲光生成方法，采用增益切换法通过光纤放大器以及固体放大器依次对从种光源输出的脉冲光进行放大，通过非线性光学元件将放大后的脉冲光波长变换并输出， 对所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器的激励用光源周期性地或者间歇性地进行控制，使得在从所述种光源输出的脉冲光的输入前所述光纤放大器以及/或者所述固体放大器进行反转分布， 并且对配置在所述光纤放大器与所述固体放大器之间的光开关元件进行控制，在来自所述种光源的脉冲光的输出期间允许光的传播，在与来自所述种光源的脉冲光的输出期间不同的期间阻止光的传播。
【文档编号】H01S3/131GK105940575SQ201580004599
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年2月9日
【发明人】冈田穣治, 折井庸亮
【申请人】斯佩克卓尼克斯株式会社