特許 7515103 パルスレーザー光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】パルスレーザー光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/16 20060101AFI20240705BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20240705BHJP

   H01S 3/10 20060101ALI20240705BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20240705BHJP

   A61B 18/20 20060101ALI20240705BHJP

   B23K 26/36 20140101ALI20240705BHJP

   C03B 37/012 20060101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

H01S3/16

H01S3/067

H01S3/10 D

H01S3/00 B

H01S3/00 A

A61B18/20

B23K26/36

C03B37/012 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020106620

(22)【出願日】2020-06-19

(65)【公開番号】P2022002257

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-04-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】598163064

【氏名又は名称】学校法人千葉工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100097548

【弁理士】

【氏名又は名称】保立 浩一

(72)【発明者】

【氏名】影林 由郎

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 祐

(72)【発明者】

【氏名】藤本 靖

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５３５８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３６１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５１９７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０１３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３５３１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３０８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３０８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０７２１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１１１５００（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ －３／０２

Ｈ０１Ｓ ３／０４ －３／０９５９

Ｈ０１Ｓ ３／１０ －３／１０２

Ｈ０１Ｓ ３／１０５－３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／１３６－３／２１３

Ｈ０１Ｓ ３／２３ －４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えたパルスレーザー光源装置であって、
シーダーは、第一の希土類材料が添加されたホスト材料より成るシード用レーザー素子を含んでおり、
増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子を含んでおり、
シーダーから出力されるシードレーザー光の発振波長において、前記第一の希土類材料が添加されたホスト材料は前記第二の希土類材料が添加されたホスト材料よりも誘導放出断面積が大きい材料であることを特徴とするパルスレーザー光源装置。

【請求項2】

シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えたパルスレーザー光源装置であって、
シーダーは、第一の希土類材料が添加されたホスト材料より成るシード用レーザー素子と、発振波長の光を誘導放出する準位にシード用レーザー素子を励起するシーダー用励起レーザー源とを含んでおり、
増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子と、発振波長の光を誘導放出する準位に増幅素子を励起する増幅用励起レーザー源とを含んでおり、
増幅用励起レーザー源の波長はシーダー用励起レーザー源の波長より長いことを特徴とするパルスレーザー光源装置。

【請求項3】

前記発振波長の光を誘導放出する際の前記第二の希土類材料の量子効率は、前記第一の希土類材料に比べて大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項4】

前記第一の希土類材料はネオジムであって前記第二の希土類材料はイッテルビウムであるか、前記第一の希土類材料はツリウムであって前記第二の希土類材料はホルミウムであるか、又は前記第一の希土類材料はエルビウムであって前記第二の希土類材料はホルミウムであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項5】

前記シード用レーザー素子は、前記第一の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーであり、
前記増幅素子は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項6】

前記シーダーは、前記シード用レーザー素子を内蔵した共振器であって前記発振波長においてモードロックを達成する共振器を含んでいることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項7】

前記シーダーは、前記シード用レーザー素子を内蔵した共振器を含んでおり、
共振器を構成する一方のミラーは可飽和ミラーであって、共振器は前記発振波長においてＱスイッチモードロックを達成するものであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項8】

前記シーダーから出力されるパルスの繰り返し周波数は１ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項６又は７記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項9】

前記シーダーと前記増幅器との間の光路上には、パルス列からパルスを間引く間引きユニットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項10】

アブレーション用であることを特徴とする請求項８又は９記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項11】

前記ホスト材料は、シリカガラスであることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載のパルスレーザー光源装置。

【請求項12】

シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えたパルスレーザー光源装置であって、
シーダーは、第一の希土類材料が添付されたホスト材料より成るシード用レーザー素子を含んでおり、
増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子を含んでおり、
第一の希土類材料はツリウムであって第二の希土類材料はホルミウムであることを特徴とするパルスレーザー光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この出願の発明は、パルスレーザー光を出射するパルスレーザー光源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

パルスレーザー光を出射するパルスレーザー光源装置は、種々の用途で使用されている。例えば、レーザー切断やレーザー孔開けといった各種加工用に、パルスレーザー光源装置が使用されている。パルスレーザーの場合、パルスの繰り返し周波数を調整することで適宜のエネルギーを与えることができ、対象物の損傷を避けつつ所望の加工を行うことが容易だからである。

【0003】

このようなパルスレーザーの代表的なものは、希土類材料や遷移金属をレーザー媒質として添加した固体レーザーである。レーザー媒質は、透光性の材料（以下、ホスト材料という。）に添加される。レーザー媒質が添加されたホスト材料はファイバー状やロッド状に形成されてレーザー素子とされ、共振器が設けられてレーザー発振器が構成される。通常、レーザー素子は、励起レーザー源からのレーザービームにより励起されてレーザー発振する。

【0004】

このような固体発光のパルスレーザーでは、出力エネルギーを高めるため、レーザー増幅の構成が採用されることが多い。レーザー増幅を行う場合、レーザー発振におけるレーザー媒質と同じ材料の増幅素子が使用される。増幅素子に別の励起レーザー源からのレーザービームを導入して励起しておき、レーザー共振器から出力されたレーザービームを入射させ、誘導放出により増幅する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許４９１９４６３号公報

【文献】特許４９７９９６０号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】"Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses", Can Kerse et al, Nature, Vol. 537, p84-89

【文献】"3.5-GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-doped fiber laser", Can Kerse et al, Optics Communications 366(2016), p404-409

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述した固体発光レーザーにおいて、レーザー媒質としては、ネオジム（Ｎｄ）やイッテルビウム（Ｙｂ）がしばしば使用される。このうち、ＮｄはＹｂに比べて大きな誘導放出断面積を持っているものの、幾つかの欠点がある。一つは、高濃度化した場合の問題である。エネルギー効率を高くして出力を大きくするため、ＮｄやＹｂの添加量を多くすることが行われるが、Ｎｄの場合、濃度消光と呼ばれる現象が顕著となる。Ｎｄの添加量を多くすると、均一に散在させることが難しいことから、Ｎｄ原子同士が接近して濃度消光が生じ易い。

【0008】

もう一つは、量子欠損の問題である。誘導放出準位の励起の際の量子効率は、Ｙｂの場合は９０％以上であるものの、Ｎｄは量子欠損が大きいため、７６．１％程度である。このため、ＮｄはＹｂに比べてエネルギー効率が悪い。このような事情から、レーザー媒質としてはＹｂが選ばれることが多く、Ｙｂ添加のシーダーから出力されるレーザービームをＹｂ添加の増幅媒体を励起して増幅する構成が採用されることが多い。

【0009】

しかしながら、その反面、Ｙｂの場合、増幅器のところで吸収が大きく、大きな損失が生じる。このため、吸収が少ない波長に発振波長をずらす工夫がされるが、この結果、シーダーにおいて誘導放出断面積が相対的に小さい波長で発振させることになり、光源としての機能性を高めることができない。
本願発明は、増幅器を備えたパルスレーザー光源装置のこのような技術課題を考慮して為されたものであり、光源としての機能性を高くしつつも全体のエネルギー効率が十分に確保されたパルスレーザー光源装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えている。
このパルスレーザー光源装置において、シーダーは、第一の希土類材料が添加されたホスト材料より成るシード用レーザー素子を含んでおり、増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子を含んでいる。
また、シーダーから出力されるシードレーザー光の発振波長において、第一の希土類材料が添加されたホスト材料は第二の希土類材料が添加されたホスト材料よりも誘導放出断面積が大きい材料である。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えている。
このパルスレーザー光源装置において、シーダーは、第一の希土類材料が添加されたホスト材料より成るシード用レーザー素子と、発振波長の光を誘導放出する準位にシード用レーザー素子を励起するシーダー用励起レーザー源とを含んでおり、増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子と、発振波長の光を誘導放出する準位に増幅素子を励起する増幅用励起レーザー源とを含んでおり、増幅用励起レーザー源の波長は、シーダー用励起レーザー源の波長より長い。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、発振波長の光を誘導放出する際の第二の希土類材料の量子効率が、第一の希土類材料に比べて大きいという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、第一の希土類材料がネオジムであって第二の希土類材料がイッテルビウムであるか、第一の希土類材料がツリウムであって第二の希土類材料はホルミウムであるか、又は第一の希土類材料がエルビウムであって第二の希土類材料はホルミウムであるという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シード用レーザー素子が、第一の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーであり、増幅素子が、第二の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーであるという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シーダーが、シード用レーザー素子を内蔵した共振器であって発振波長においてモードロックを達成する共振器を含んでいるという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シーダーが、シード用レーザー素子を内蔵した共振器を含んでおり、共振器を構成する一方のミラーは可飽和ミラーであって、共振器は発振波長においてＱスイッチモードロックを達成するものであるという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シーダーから出力されるパルスの繰り返し周波数は１ＧＨｚ以上であるという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、シーダーと増幅器との間の光路上に、パルス列からパルスを間引く間引きユニットが設けられているという構成を持ち得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置は、アブレーション用であり得る。
上記課題を解決するため、本願発明のパルスレーザー光源装置において、ホスト材料はシリカガラスであり得る。
上記課題を解決するため、本願の別の発明に係るパルスレーザー光源装置は、シードレーザー光を出力するシーダーと、シーダーから出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器とを備えており、シーダーは、第一の希土類材料が添付されたホスト材料より成るシード用レーザー素子を含んでおり、増幅器は、第二の希土類材料が添加されたホスト材料より成る増幅素子を含んでおり、第一の希土類材料はツリウムであって第二の希土類材料はホルミウムであるという構成を有する。

【発明の効果】

【0011】

以下に説明する通り、本願発明のパルスレーザー光源装置によれば、シード用レーザー素子と増幅素子とにおいて異なる希土類材料を選定しており、シード用レーザー素子は増幅素子よりも大きな誘導放出断面積を有しているので、光源の機能が高められる。また、増幅素子について発振波長における吸収が少ない希土類材料を選定することができるので、光源全体としての効率低下を抑制することができる。
また、本願発明のパルスレーザー光源装置によれば、増幅用励起レーザー源の波長は、シーダー用励起レーザー源の波長より長いので、安定した性能を安価に達成できる。
また、シード用レーザー素子における希土類材料に比べて量子効率が大きい希土類材料を増幅素子について採用すると、増幅の際の効率が高くなるので、上記効果がより高くなる。
また、シード用レーザー素子が、第一の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーであり、増幅素子が、第二の希土類材料が添加されたホスト材料をコアとしたファイバーである構成では、環境によらず品質の良いパルスレーザー光を安定して照射することができ、且つ微小スポットの集光した状態で対象物に照射するのが容易となる。
また、シーダーが、シード用レーザー素子を内蔵した共振器を含んでおり、共振器を構成する一方のミラーは可飽和ミラーであって、共振器は発振波長においてＱスイッチモードロックを達成するものである構成では、分波と合波を繰り返す際のような損失はなく、パルス間の強度変動による加工精度低下等の問題もない状態で高繰り返し周波数のパルス列を出力することができる。
また、パルス列からパルスを間引く間引きユニットが設けられている構成では、対象物に対して最適なエネルギーとなるようにパルス列を照射することが容易であり、アブレーション用である場合に特に好適となる。
また、ホスト材料がシリカガラスである構成では、安価で且つ性能が安定し、温度や湿度等の環境によらず品質の良いパルスレーザー光が安定して得られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係るパルスレーザー光源装置の概略図である。

【図2】Ｙｂ添加のシリカガラスファイバーの誘導放出断面積と吸収断面積とを示した概略図である。

【図3】Ｎｄ添加シリカガラスファイバーの誘導放出断面積と吸収断面積とを示した概略図である。

【図4】実施形態の構成におけるレーザー励起について模式的に示した図である。

【図5】実施形態のパルスレーザー光源装置が備えるシード用レーザー素子の製造方法について示した概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、実施形態に係るパルスレーザー光源装置の概略図である。実施形態のパルスレーザー光源装置は、シードレーザー光を出力するシーダー１と、シーダー１から出力されたシードレーザー光を増幅する増幅器２とを備えている。シーダー１は、誘導放出が行われる際の準位（レーザー準位）に励起されるシード用レーザー素子１１を含んでいる。

【0014】

この実施形態では、シード用レーザー素子１１は、レーザー光で励起される構成が採用されており、シーダー用励起レーザー源３が設けられている。シーダー用励起レーザー源３としては、連続発振の半導体レーザーが使用されている。
図１に示すように、シーダー１に対してはレンズ群４１を介してシーダー用カップリングファイバー４２が設けられている。シーダー用カップリングファイバー４２にはＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing)カプラのようなシーダー用結合素子４が設けられており、シーダー用励起レーザー源３からのレーザー光はシーダー用結合素子４及び出力ミラー１２を通してシーダー１内のシード用レーザー素子１１に入射し、シード用レーザー素子１１を励起するよう構成されている。

【0015】

シード用レーザー素子１１は、図１中に拡大して示すように、コア１１１とクラッド１１２から成るファイバー状であり、保護及び補強用のフェルール１１３で覆われた構造となっている。長さは１０～１００ｍｍ程度であるので、短いファイバー状部材ということができる。シード用レーザー素子１１のコア１１１は、レーザー媒体として希土類材料を含んでおり、実質的なレーザー素子である。この実施形態では、シード用レーザー素子１１における希土類材料はネオジム（Ｎｄ）であり、ホスト材料にはシリカガラスが選定されている。即ち、コア１１１はＮｄ添加シリカガラスとなっている。また、クラッド１１２はＮｄ添加無しのシリカガラスである。シード用レーザー素子１１におけるコア１１１の直径は１～２０μｍ程度、クラッド１１２を含む全体の直径は８０～１０００μｍ程度である。ファイバーであるシード用レーザー素子１１の伝搬モードは、シングルモード（シングルモードファイバー）である。

【0016】

このようなシード用レーザー素子１１を内蔵するシーダー１は、共振器１０を含んでおいる。共振器１０は、共振とパルス発振との両方を達成するものとなっており、この実施形態では、Ｑスイッチモードロックを行うものとなっている。より具体的に説明すると、シーダー１の共振器１０において、可飽和ミラー（ＳＡＭ）が使用されている。この実施形態では、ＳＡＭの中でも、特に半導体可飽和ミラー（ＳＥＳＡＭ）１３が使用されている。
ＳＥＳＡＭ１３は、共振器１０を構成する一方のミラーである。共振器１０を構成する他方のミラーは、出力ミラー１２である。出力ミラー１２は、例えば３０～９９％反射のミラーであり、残りを透過させて出力するミラーである。

【0017】

図１中に拡大して示すように、ＳＥＳＡＭ１３は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector，分布ブラッグ反射鏡）１３１の入射側に可飽和吸収体１３２を積層した構造のミラーであり、ＳＥＳＡＭ１３は、可飽和吸収体１３２がＩｎＧａＡｓのような半導体で形成されている。ＳＥＳＡＭ１３において、可飽和吸収体１３２は量子井戸構造を有しており、光がある強度になると吸収が飽和し、それ以上の光は透過してＤＢＲ１３１に達する。ＤＢＲ１３１は、１／４波長の厚みを持ち且つ屈折率の異なる層が積層された構造（例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）を有し、ブラッグ反射と光の干渉を利用して特定の波長の光のみを特に強く反射する。

【0018】

シーダー用励起レーザー源３からのレーザー光（ＣＷ）がシード用レーザー素子１１に導入されると、シード用レーザー素子１１中の希土類材料（レーザー媒質）が励起され、反転分布が生じて光が誘導放出される。この際、周知のように、共振器１０内では複数の縦モードの定在波が生じ得るが、位相が揃っていない状態でＳＥＳＡＭ１３に達すると、干渉により光が弱いために可飽和吸収体１３２で吸収される。位相が揃った状態では干渉により強くなっているため、吸収の飽和により可飽和吸収体１３２を透過してＤＢＲ１３１に達して反射する。即ち、位相が揃ったところで特に強い共振が生じ、誘導放出が一気に生じてＱスイッチモードロックでのレーザー発振が達成される。尚、ＤＢＲ１３１は、設定された発振波長の光を選択的に反射するよう設計、製作される。

【0019】

一方、増幅器２は、図１に示すように、増幅素子２１と、増幅用励起レーザー源２２と、増幅用カップリングファイバー２３等を備えている。増幅用カップリングファイバー２３には、ＷＤＭカプラのような増幅用結合素子２４が設けられている、増幅用励起レーザー源２２からのレーザー光は増幅用結合素子２４を経由して増幅素子２１に導入し、増幅素子２１を励起するよう構成されている。

【0020】

増幅素子２１は、増幅用励起レーザー源２２からの増幅用励起レーザー光により励起されて誘導放出を行うことで、シーダー１から出力されたシードレーザー光を増幅する素子である。この実施形態では、増幅素子２１は、シード用レーザー素子１１と同様に希土類材料が添加された透光性材料で形成されている。
より具体的には、増幅素子２１は、イッテルビウム（Ｙｂ）が添加されたシリカガラスで形成されている。形状はファイバー状である。即ち、Ｙｂ添加シリカガラスファイバーが増幅素子２１として使用されている。

【0021】

実施形態のようにシーダーの後段に増幅器を設ける場合、通常は、同様の誘導放出過程を利用するので、シーダー内のレーザー素子と同様の材料で形成された素子を増幅素子として用いる。しかしながら、この実施形態では、従来の常識に反し、敢えて異なる材料で形成された素子を増幅素子２１として用いており、上記のようにＹｂ添加シリカガラスファイバーとなっている。

【0022】

このようにシード用レーザー素子１１における希土類材料とは異なる希土類材料を添加した素子を増幅素子２１として用いることは、光源としての機能性向上を意図した発明者による鋭意研究の結果である。以下、この点について説明する。
前述したように、希土類材料添加のレーザー素子においては、ＮｄやＹｂが使用されるが、濃度消光や量子欠損の問題から、Ｙｂが採用されることが多い。図２は、Ｙｂ添加のシリカガラスファイバーの誘導放出断面積と吸収断面積とを示した概略図である。図２（１）は誘導放出断面積、図２（２）は吸収断面積を示す。

【0023】

図２（１）に示すように、Ｙｂの場合、１０３０ｎｍ付近で誘導放出断面積がピークを持つので、１０３０ｎｍが発振波長とされる場合が多い。この場合、シード用レーザー素子１１と増幅素子２１とで同じ希土類材料を使用する構成では、増幅素子２１でもＹｂ添加のシリカガラスが使用されるが、図２（２）に示すように、Ｙｂ添加シリカガラスは１０３０ｎｍにおいてもある程度の吸収が生じる。この吸収のために損失が生じ、この分でエネルギー効率が低下する。その上、吸収による発熱を抑えるために冷却手段が必要になり、さらにエネルギーが必要になって効率が低下する。

【0024】

これらの問題を避けるため、吸収がほぼゼロになる１０８０ｎｍに発振波長をずらし、１０８０ｎｍで発振するようにシーダーを設計、製作することが考えられる。しかしながら、この構成では、誘導放出断面積が小さいところでレーザー発振をさせようとすることになるので、レーザー発振閾値が高くなり、シーダーとしての本来の機能が低下する。
このため、発明者らは、常識に反してシード用レーザー素子１１の材料と増幅素子２１の材料とを敢えて異なる材料とすることを想到するに至った。この実施形態では、シード用レーザー素子１１については誘導放出断面積を優先させてＮｄを使用し、増幅素子２１については量子効率の点で優れたＹｂを使用している。

【0025】

図３は、Ｎｄ添加シリカガラスファイバーの誘導放出断面積と吸収断面積とを示した概略図である。同様に、図３（１）が誘導放出断面積、図３（２）が吸収断面積を示す。
この実施形態では、１０６４ｎｍを発振波長として選定している。即ち、ＳＥＳＡＭ１３を含むシーダー１は１０６４ｎｍで発振するよう構成されている。図２（２）に示すように、Ｙｂ添加シリカガラスファイバーの吸収は１０６４ｎｍにおいて小さく、ほぼゼロである。そして、図３（１）に示すように、１０６４ｎｍにおけるＮｄ添加シリカガラスの誘導放出断面積は１．０×１０^－２０ｃｍ^２を大きく上回っている。一方、図２（１）に示すように、１０６４ｎｍにおけるＹｂ添加シリカガラスの誘導放出断面積は０．２×１０^－２０ｃｍ^２程度であり、Ｎｄ添加シリカガラスファイバーはＹｂ添加シリカガラスファイバーに比べて１０６４ｎｍにおいて非常に大きな誘導放出断面積を有する。つまり、シード用レーザー素子１１においては誘導放出断面積が大きいことを優先してＮｄを採用している。

【0026】

レーザー発振、増幅の双方で励起レーザーを使用する構成では、ポンピングする量（エネルギー量）を小さくすることも重要である。実施形態の構成は、この点においても優位性を有する。この点について、図４を参照して説明する。図４は、実施形態の構成におけるレーザー励起について模式的に示した図である。

【0027】

実施形態において、Ｎｄ添加シリカガラスファイバーであるシード用レーザー素子１１では、基底準位Ｅ_０からシーダー用励起レーザー光によりポンピングが行われ、Ｎｄは励起準位Ｅ_１に励起される。Ｎｄは、Ｅ_１より低い準位にＥ_２という準位があり、Ｅ_１に励起されたＮｄは、非輻射遷移によりＥ_２に落ち、さらに１０６４ｎｍの光が入射してこの準位Ｅ_２から基底準位Ｅ_０に近いＥ_３に落ちる。この際、１０６４ｎｍの光を誘導放出する。そして、Ｎｄは、非輻射遷移によりＥ_３からＥ_０に落ちる。基底準位Ｅ_０からＥ_１への励起を行う励起光は、波長８０４ｎｍである。
一方、Ｙｂ添加シリカガラスファイバーである増幅素子２１には、１０６４ｎｍ波長の光を放出するエネルギー準位Ｅ_２’が存在する。同様に、ＹｂはＥ_１’に励起された後に非輻射遷移によりＥ_２’に落ち、そこから基底準位Ｅ_０’に落ちる際に１０６４ｎｍの光を誘導放出する。基底準位Ｅ_０’からＥ_１’には、励起レーザー光で励起される。

【0028】

ここで重要なのは、Ｅ_０からＥ_１へのエネルギー準位の差ΔＥと、Ｅ_０’からＥ_１’への差ΔＥ’とを比べると、ＮｄとＹｂの組み合わせの場合、ΔＥ＞ΔＥ’となっている点である。つまり、レーザー発振の際のポンピング量に比べレーザー増幅の場合のポンピング量が小さくできるということである。事実、この実施形態では、増幅用励起レーザー源２２としては波長９７５ｎｍの半導体レーザーを使用しており、シーダー用励起レーザー源３より波長が長いものを使用している。

【0029】

一般的に、レーザー源は波長が長い方が発振が容易で安定しており、価格も安い。したがって、ポンピング量が小さいために長い波長の励起用レーザーを使用する実施形態の構成は、安定した性能を安価に達成できるという意義がある。また、増幅器２では、増幅率を上げるために増幅素子２１の光路長を長くする必要があり、したがって増幅用励起レーザー源２２も高出力のものが使用される。この意味でも、長波長のものの方が望ましい。

【0030】

一方、シーダー１では、レーザー発振をさせることが優先であり、発振閾値を超えている限り、シーダー用励起レーザー源３の出力はそれほど大きくする必要はない。したがって、ポンピング量が大きくて短波長のレーザー源を使用しても、問題はない。上記実施形態の構成は、これらの事情を勘案して最適化された構成である。
尚、図４から解るように、上記の点は、発振波長に対する差として捉えると、増幅用励起レーザー源２２の波長は、発振波長に対する差がシーダー用励起レーザー源３よりも小さいと表現することもできる。

【0031】

実施形態のパルスレーザー光源装置は、Ｎｄ添加シリカガラスファイバーであるシード用レーザー素子１１の製造方法においても大きな特徴点を有している。以下、この点を説明する。
図５は、実施形態のパルスレーザー光源装置が備えるシード用レーザー素子１１の製造方法について示した概略図である。

【0032】

この実施形態において、シード用レーザー素子１１はコア１１１とクラッド１１２から成るファイバーであり、シーダー１は、ある種のファイバーレーザー発振器である。シード用レーザー素子１１は、ゼオライト法により得られた母材を使用した線引きにより好適に製造される。
具体的に説明すると、図５に示すように、Ｎｄイオン交換ゼオライト粉末６１とシリカガラス粉末６２とを均一に混合し、容器に入れて加熱、加圧して焼成し、焼成体を得る。焼成体をさらに真空中で加熱してガラス成形体とし、Ｎｄ添加ガラス成形体６３を得る。

【0033】

そして、Ｎｄ添加ガラス成形体６３を切り出し、研削により直径が１～１０ｍｍ程度の円柱状（ないしは断面円形の線状）のコア母材６４とする。コア母材６４を断面円形のシリカ管（クラッド母材）６５に挿入してファイバー母材とし、加熱、線引きによりファイバー状とする。得られたファイバー６６を所定の長さで切断することで、実施形態におけるシード用レーザー素子１１が得られる。尚、コア母材６４の断面形状は円形である必要はなく、クラッド母材６５は円管以外の環状であっても良い。

【0034】

上記の製造方法は、ゼオライト法により得られたＮｄ添加ガラス成形体６３をコア母材６４とするものであるが、ゼオライト法によるＮｄ添加ガラス成形体の製造については、特許文献１や特許文献２に開示されているので、参照することができる。
従来、Ｎｄのような希土類材料を添加したシリカガラスファイバーを製造する場合、シリカガラス線材を加熱してＮｄを含む溶液中に浸し、外面からＮｄを内部に滲入させる方法が採用される。しかしながら、このような方法では、均一にＮｄを散在させることが難しく、良好な光学特性のものがえられない。実施形態の方法によれば、良好な光学特性のＮｄ添加シリカガラスファイバーを容易に得ることができる。

【0035】

次に、実施形態のパルスレーザー光源装置の他の部分の特徴点について説明する。
図１に示すように、この実施形態では、シーダー１と増幅器２との間に間引きユニット５が設けられている。間引きユニット５は、シーダー１から発振される短パルス・高繰り返しのレーザー光のパルス列からパルスを周期的に間引いて照射エネルギーを調整するための機構である。

【0036】

具体的には、間引きユニット５は、ＡＯ変調器（音響光学変調器）５１を用いた機構となっている。ＡＯ変調器５１には、ＲＦドライバ５２が設けられている。ＲＦドライバ５２は、音響光学Ｑスイッチと同様、間欠的にＲＦ信号をＡＯ変調器５１に入力して動作させるドライバである。ＲＦ信号がオンしている状態では、パルス光は回折により一次回折光が光路を進む。ＲＦ信号がオフの場合、０次光のみとなり、パルス光は光路から外れている。したがって、ＲＦ信号のオンオフによりパルス列が間引かれる。

【0037】

尚、ＡＯ変調器５１の入射側及び出射側では、光は空間中を伝搬する状態となるため、入射側レンズ５３及び出射側レンズ５４が配置されている。シーダー用カップリングファイバー４２からの光は、入射側レンズ５３で平行なビームとなり（又は集光されて）、ＡＯ変調器５１を透過した後、出射側レンズ５４で集光されて増幅素子２１に入射する構成となっている。

【0038】

上記構成に係る実施形態のパルスレーザー光源装置の動作について、以下に説明する。
まず、シーダー用励起レーザー源３が動作してシーダー用励起レーザー光がシーダー用結合器４を介してシード用レーザー素子１１に導入される。この結果、シード用レーザー素子１１中のＮｄが励起され、反転分布が生じて１０６４ｎｍ帯の光が誘導放出される。縦モードの波長が僅かに異なる光は、山の位置が揃った部分で干渉により特に強度が高くなり、ＳＥＳＡＭ１３と出力ミラー１２との間で共振してＱスイッチモードロックによりレーザー発振する。レーザー発振は、共振器長に応じた繰り返し周期のパルス発振である。シーダー１から発振されるパルス列を図１中にＰ１として示す。

【0039】

発振されたレーザー光のパルス列Ｐ１は、図１の下側に示すように間引きユニット５で間引きされてＰ２となる。この際のデジタル変調を行うＲＦドライバ５２の出力波形（超音波出力制御波形）をＤとして示す。その後、パルス列Ｐ２は、増幅器２に達して増幅されてパルス列Ｐ３となり、増幅用カップリングファイバー２３から出射される。

【0040】

このような動作に係る実施形態のパルスレーザー光源装置によれば、シード用レーザー素子１１におけるレーザー媒質としてＮｄが使用され、増幅素子２１における増幅媒質としてＹｂが使用されているので、光源としての機能性を高めつつ全体の効率の面での遜色のない光源装置となっている。即ち、シード用レーザー素子１１において大きな誘導放出断面積により短い長さであっても十分なシードレーザー光を出射させ、増幅素子２２において高い量子効率と小さい吸収断面積でシードレーザー光を増幅している。このため、繰り返し周波数の高いパルスレーザー光の出射が可能になり、その際の効率も十分なものとすることができている。

【0041】

シード用レーザー素子１１や増幅素子２１がファイバーである点は、品質の良いパルスレーザー光を効率良く得られるのに加え、微小スポットに集光した状態で対象物に照射するのが容易であるという優位性がある。即ち、シードレーザー光や各励起レーザー光がコアという狭い空間に導入されて閉じ込められた状態で励起や誘導放出が行われるので、品質の良いパルスレーザー光が効率良く出力される。
加えて、この実施形態ではホスト材料がシリカガラスであるので、安価で且つ性能が安定しており、温度や湿度等の環境によらず品質の良いパルスレーザー光が安定して得られる。
但し、本願発明の実施に際しては、ホスト材料はシリカガラスである必要はなく、ＹＡＧやフッ化物ガラス等の他のホスト材料を適宜選択して使用することができる。
尚、シード用レーザー素子１１がシングルモードファイバーである点には、モードロック等の空間モード制御が容易になるというメリットがある。

【0042】

また、実施形態のパルスレーザー光源装置では、ＳＥＳＡＭ１３を含む共振器１０におけるＱスイッチモードロックを利用してパルス発振をしているので、高繰り返し周波数のパルス列を出力させる際においてもエネルギー効率が高くできている。以下、この点について説明する。

【0043】

実施形態のようなパルスレーザー光源装置の重要な用途の一つは、アブレーションである。「アブレーション」の語は、患部の治療のような医療の分野で広く用いられるが、一般的には、材料の表面がレーザー照射によって分解し、この結果、切断、蒸発、剥離ないしは異物除去等が行われるプロセスを意味する。したがって、医療の分野のみならず、レーザー加工等の産業用の分野においてもアブレーション用にパルスレーザー光源装置は用いられる。

【0044】

このようなアブレーション用パルスレーザー光源装置では、パルスの繰り返し周波数を高くすることで対象物に損傷を与えないで加工できる場合があることが知られている。例えば、非特許文献１では、歯の治療のためにレーザー照射する場合において、１パルスあたり１００μＪのパルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で照射する場合に比べ、１パルスあたり４μＪのパルスを１．７ＧＨｚのパルス繰り返し周波数で照射する照射セットを１ｋＨｚのセット繰り返し周波数で照射した方が、炭化やヒビのない治療ができると報告されている。

【0045】

このような高い繰り返し周波数（１ＧＨｚ以上）を実現する方法として、非特許文献２には、分割と遅延とを利用した高繰り返し周波数化の技術が開示されている。ここでは、１０８ＭＨｚのレーザー光を２つに分割（分波）し、一方のレーザー光を他方のレーザー光に対してパルス周期１／２分だけ遅延させた後に両者を合波させ、これを５回繰り返すことで３．４６ＧＨｚまで高繰り返し周波数化している。

【0046】

しかしながら、非特許文献２の方法では、分波のたびにパルスのピーク強度が１／２になるので、高繰り返し周波数化された各パルスのピークは、元の１／３２まで低下してしまう。さらに、分波と合波のたびに損失が発生するので、ピーク強度はさらに低下するし、全体としても無視できない大きな損失が発生する。例えば、分合波のたびに３ｄＢの損失がある場合、１パルスあたり１００μＪのエネルギーが元々あったとすると、合計で１８ｄＢの損失であるので、０．２５μＪまで低下してしまう。

【0047】

１ＧＨｚを越える高繰り返し周波数化を実現する方法として、１０ＧＨｚ帯の通信用の半導体レーザーを転用することが考えられる。しかしながら、通信用の半導体レーザーは波長が１．５５μｍと長いので増幅時の効率が悪く、出力が弱いのでノイズも増幅してしまい、パルス間の強度変動が大きくなる問題がある。パルス間の強度変動は、加工精度の低下や対象物の損傷等の問題をもたらす。

【0048】

一方、実施形態のパルスレーザー光源装置では、ＳＥＳＡＭ１３を含むシーダー１におけるＱスイッチモードロックを使用しているので、分波と合波を繰り返す際のような損失はなく、パルス間の強度変動による加工精度低下等の問題もない。ＳＥＳＡＭ１３中の可飽和吸収体１３２での吸収が飽和していない状態では、誘導放出が始まっていない状態であるが、この間にレーザー媒質（希土類材料）はレーザー準位に次々に励起されてエネルギーを蓄積しており、吸収が飽和に達した段階（縦モードの山が重なった部分が通過する段階）で一気に誘導放出が生じてエネルギーを吐き出すので、損失はない。

【0049】

尚、実施形態において、シーダー１における共振器長を可変にして、繰り返し周波数を調整できるようにしても良い。前述したように、縦モードの山と山が重なった部分がシード用レーザー素子１１を一回通過する際に１パルスのレーザー発振が生じるので、共振器長を変更すると、一回の通過におけるインターバルの長さが変更される。即ち、パルスの繰り返し周波数が変更される。具体的には、例えばピエゾ素子を用いた機構のような精密位置調整をＳＥＳＡＭ１３又は出力ミラー１２のどちらかに設け、位置を変更可能にする。尚、ＳＥＳＡＭ１３及び又は出力ミラー１２は、シード用レーザー素子１１に接触している場合もあるが、通常は離間した状態で配置される。

【0050】

上記実施形態では、シード用レーザー素子１１におけるレーザー媒質としてＮｄが使用され、増幅素子２１における増幅媒質としてＹｂが使用されたが、これらは希土類材料の例である。これ以外にも、本願発明において採用し得る希土類材料の組み合わせは存在する。例えば、ツリウム（Ｔｍ）やエルビウム（Ｅｒ）は、ホルミウム（Ｈｏ）に比べて大きな誘導放出断面積を持ち得る。したがって、シード用レーザー素子１１についてＴｍ添加のシリカガラスを採用し、増幅素子２１についてＨｏ添加のシリカガラスを採用した組み合わせや、シード用レーザー素子１１についてＥｒ添加のシリカガラスを採用し、増幅素子２１についてＨｏ添加のシリカガラスを採用した組み合わせがあり得る。

【0051】

また、シーダー１及び増幅器２の双方で励起レーザー源を使用する構成において、シーダー用励起レーザー源３がシード用レーザー素子１１をレーザー準位に励起する際のエネルギー（準位差）に比べ、増幅用励起レーザー源２２が増幅素子２１をレーザー準位に励起する際のエネルギーの方が小さくなる組み合わせについても、上記ＮｄとＹｂの組み合わせ以外にもあり得る。そのような組み合わせを採用することで、増幅率の大きな（従って高出力の）パルスレーザー光源装置が容易に構成できる。

【0052】

尚、上記説明では、アブレーションの用途について医療分野における例を取り上げたが、アブレーションは医療分野のみならず各種加工用（レーザー加工）においても行われる。したがって、アブレーションを伴う種々の加工用において実施形態のパルスレーザー光源装置が使用され得る。
また、上記実施形態では間引きユニット５としてＡＯ変調器５１を使用したものが採用されたが、シャッタのようなメカニカルな機構を採用したもの等、他の構成のものに適宜変更することができる。

【0053】

尚、パルス列を間引くことは本願発明において必須ではなく、間引かずに対象物に照射する場合もあり得る。
また、結合素子としてはＷＤＭの他、平面導波路等の各種のカップラを使用することができ、ハーフミラーのような空間系の結合素子が使用される場合もあり得る。
さらに、シーダー１から増幅器２への光路についてファイバーを使用することは必須ではなく、必要に応じてレンズやミラーを配置する等して空間で導光しても良い。

【0054】

また、シーダー１においてＳＥＳＡＭ１３を使用したが、これについても必須ではなく、他の反射系の光学素子を使用してシーダー１を構成することもあり得る。即ち、半導体以外の可飽和吸収体を使用した他のＳＡＭを使用しても良いし、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）のような他の反射素子を使用してシーダー１を構成しても良い。

【0055】

尚、Ｑスイッチモードロックを実現する構成としては、ＳＡＭを使用する場合の他、ポッケルスセルのような電気光学変調器やＡＯ変調器等を使用したアクティブモードロックを行う構成を採用しても良い。但し、上記のようにＳＡＭを使用してパッシブモードロックを行う構成の場合、製作や調整が容易であり、この点で好適である。
また、実施形態の構成において、レンズ群４１を使用せずに出力ミラー１２を介してシード用レーザー素子１１とシーダー用カップリングファイバー４２とを融着させる場合もあり得る。間引きユニット５についても同様であり、ファイバー結合タイプのＡＯ変調器が使用される場合、ファイバー同士を融着するため、レンズ５３，５４は使用されない場合もあり得る。

【実施例】

【0056】

以下、上記実施形態に属する実施例について説明する。
まず、ゼオライト法によりＮｄを１．２重量％添加のシリカガラス成形体を製作し、切り出し及び研削により直径３ｍｍの円柱状とした。これをシリカガラス円管に挿入して母材とし、線引き装置で外径（直径）１２５μｍになるように線引きし、Ｎｄ添加シリカガラスファイバーを得た。

【0057】

このファイバーを６０ｍｍの長さで切り取り、両端を研磨した後、反射防止膜等のコーティングをしてシード用レーザー素子１１とした。このシード用レーザー素子１１を、１０６４ｎｍで共振するように製作したＳＥＳＡＭ１３使用の共振器１０中に配置した。
また、増幅器２としては、米国のＮｕｆｅｒｎ社（コネチカット州イーストグランビー，7 Airport Park Road East Granby, CT）製のＹｂ添加シリカガラスファイバーを３ｍの長さで使用し、増幅用励起レーザー源２２としては波長９７５ｎｍの半導体レーザーを使用した。

【0058】

このように構成したパルスレーザー光源装置を動作させ、その出力を光スペクトラムアナライザで計測したところ、波長１０６４ｎｍで発振していることが確認された。また、ＲＦスペクトラムアナライザで繰り返し周波数を確認したところ、２．７ＧＨｚであった。
また、レーザーパワーメーターで出力を計測したところ、シーダー１の出力の時点では０．１５ｍＷであり、増幅器２の出力としては２２．３ｍＷであった。したがって、増幅器２による増幅率は１５０であることが確認された。

【符号の説明】

【0059】

１ シーダー
１０ 共振器
１１ レーザー素子
１２ 出力ミラー
１３ ＳＥＳＡＭ
１３１ ＤＢＲ
１３２ 可飽和吸収体
２ 増幅器
２１ 増幅素子
２２ 増幅用励起レーザー源
３ シーダー用励起レーザー源
４ シーダー用結合素子
５ 間引きユニット
５１ ＡＯ変調器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】