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(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】2024-10-09
(45)【発行日】2024-10-18
(54)【発明の名称】レーザ装置及びパルス幅変更方法
(51)【国際特許分類】
H01S 3/102 20060101AFI20241010BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20241010BHJP
H01S 3/1123 20230101ALI20241010BHJP
H01S 3/23 20060101ALI20241010BHJP
【ＦＩ】
H01S3/102
H01S3/10 D
H01S3/1123
H01S3/23
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021546950
(86)(22)【出願日】2020-09-17
(86)【国際出願番号】 JP2020035306
(87)【国際公開番号】W WO2021054401
(87)【国際公開日】2021-03-25
【審査請求日】2023-08-10
(31)【優先権主張番号】P 2019170783
(32)【優先日】2019-09-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「粒子加速のためのパワーレーザーの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100128381
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 義憲
(74)【代理人】
【識別番号】100162352
【弁理士】
【氏名又は名称】酒巻 順一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100176658
【弁理士】
【氏名又は名称】和田 謙一郎
(72)【発明者】
【氏名】平等 拓範
(72)【発明者】
【氏名】川崎 泰介
(72)【発明者】
【氏名】ヤヒア ヴァンサン
【審査官】大和田 有軌
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００２／００４１７３６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０７９８７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０６２５５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０９８４４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５１８０２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１１８９２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－２１６７６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／１１９５８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００８－２７０５４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５３２００５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３３７９２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５３６２６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５１８４４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２６１１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１７３２５４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０９６１６８６０（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１２３３１４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１５－０１１２６５１（ＫＲ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０３０２２８６２（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２７８１９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２７９１６７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０５２３５６０６（ＵＳ，Ａ）
【文献】特許第６７９３８９３（ＪＰ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザ光を増幅するとともに、前記パルスレーザ光のパルス幅を変更して出力するパルス幅制御部と、
を備え、
前記パルス幅制御部は、
前記パルスレーザ光を増幅する第１レーザ増幅器と、
前記第１レーザ増幅器と、前記レーザ光源との間に配置されており、前記パルスレーザ光のパルス波形を操作するパルス波形操作部と、
を有し、
前記パルス波形操作部は、前記パルスレーザ光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうちの少なくとも一方を調整可能に構成されている第２レーザ増幅器であり、
前記第２レーザ増幅器は、
利得媒質と、
前記利得媒質への励起光の供給状態を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記パルスレーザ光の波形を操作するように、前記供給状態を制御し、
前記パルス幅は、前記パルスレーザ光の半値全幅であり、
前記立ち上がり時間は、前記パルスレーザ光の最大強度に対して１０％～９０％まで強度が増加するまでの時間であり、
前記立ち下がり時間は、前記最大強度に対して９０％～１０％まで強度が低下する時間である、
レーザ装置。
【請求項2】
前記制御部は、前記パルスレーザ光が前記利得媒質に入力された後も前記励起光を前記利得媒質に供給するか、前記パルスレーザ光が前記利得媒質に入力される前に前記励起光の供給を停止するかを切り替える、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項3】
パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力された前記パルスレーザ光を増幅するとともに、前記パルスレーザ光のパルス幅を変更して出力するパルス幅制御部と、
を備え、
前記パルス幅制御部は、
前記パルスレーザ光を増幅する第１レーザ増幅器と、
前記第１レーザ増幅器と、前記レーザ光源との間に配置されており、前記パルスレーザ光のパルス波形を操作するパルス波形操作部と、
を有し、
前記パルス波形操作部は、前記パルスレーザ光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうちの少なくとも一方を調整可能に構成されている第２レーザ増幅器であり、
前記第２レーザ増幅器は、
利得媒質と、
前記利得媒質へ入力される前記パルスレーザ光のエネルギーを変化させるパルスエネルギー調整部と、
前記利得媒質への励起光のエネルギーを変化させる励起エネルギー調整部と、
を有し、
前記パルス幅は、前記パルスレーザ光の半値全幅であり、
前記立ち上がり時間は、前記パルスレーザ光の最大強度に対して１０％～９０％まで強度が増加するまでの時間であり、
前記立ち下がり時間は、前記最大強度に対して９０％～１０％まで強度が低下する時間である、
レーザ装置。
【請求項4】
前記パルス波形操作部は、前記パルスレーザ光の立ち上がり時間をｔｒ及び立ち下がり時間をｔｆとした場合、ｔｒ／ｔｆを０より大きく１未満の範囲で調整するように構成されている、請求項１～３の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項5】
前記パルス波形操作部は、ｔｒ／ｔｆを０．８５未満に調整するように構成されている、請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項6】
前記パルス波形操作部は、前記パルスレーザ光のパルス幅を維持しながら前記パルスレーザ光の波形を操作するように構成されている、請求項１～５の何れか一項に記載のレーザ装置。
【請求項7】
前記レーザ光源は、マルチモードの前記パルスレーザ光を出力し、前記パルス幅制御部は、
前記レーザ光源と前記パルス波形操作部との間に、前記マルチモードのうちの一つのモードを選択するモード選択部を有する、
請求項１～６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ装置及びパルス幅変更方法に関する。
【背景技術】
【0002】
パルスレーザ光のパルス幅を制御する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１では、パルスレーザ光をレンズと光ファイバを用いて波長毎に時間差を付けることによってパルス幅を一旦伸張した後に、パルスレーザ光の増幅を行う。その後、レンズと回折格子を用いて空間に振り分けられた各波長を再び同一時間に集めることでパルスを圧縮している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許５２３５６０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の技術では、パルスレーザ光を伸張するための部品（特許文献１では、レンズと光ファイバ）及び増幅後にパルス幅を圧縮する部品（特許文献１では、２つの回折格子）が必要となる。更に分散を利用しているためレーザ装置が大型化する。
【0005】
そこで、本発明は、装置の小型化を図るとともに、パルス幅を変更可能なレーザ装置及びパルス幅変更方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面に係るレーザ装置は、パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、上記レーザ光源から出力された上記パルスレーザ光を増幅するとともに、上記パルスレーザ光のパルス幅を変更して出力するパルス幅制御部と、を備え、上記パルス幅制御部は、上記パルスレーザ光を増幅する第１レーザ増幅器と、上記第１レーザ増幅器と、上記レーザ光源との間に配置されており、上記パルスレーザ光のパルス波形を操作するパルス波形操作部と、を有する。
【0007】
上記レーザ装置では、パルスレーザ光の波形を操作した後に、第１レーザ増幅器でパルスレーザ光を増幅する。これにより、パルス幅を変更可能である。
【0008】
上記パルス波形操作部は、上記パルスレーザ光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうちの少なくとも一方を調整可能に構成されていてもよい。これにより、パルス波形を操作可能である。
【0009】
上記パルス波形操作部は、上記パルスレーザ光の立ち上がり時間をｔｒ及び立ち下がり時間をｔｆとした場合、ｔｒ／ｔｆを０より大きく１未満の範囲で調整するように構成されていてもよい。これにより、レーザ光源から出力されたパルスレーザ光のパルス幅より短いパルス幅を有するパルスレーザ光をレーザ装置から出力可能である。
【0010】
上記パルス波形操作部は、ｔｒ／ｔｆを０．８５未満に調整するように構成されていてもよい。
【0011】
上記パルス波形操作部は、上記パルスレーザ光のパルス幅を維持しながら上記パルスレーザ光の波形を操作するように構成されていてもよい。
【0012】
上記パルス波形操作部は、可飽和吸収体を有してもよい。上記パルス波形操作部は、回折格子対を有してもよい。上記パルス波形操作部は、チャープ型回折格子を有してもよい。
【0013】
上記パルス波形操作部は、第２レーザ増幅器を有してもよい。上記第２レーザ増幅器は、利得媒質と、上記利得媒質への励起光の供給状態を制御する制御部と、を有してもよい。上記制御部は、上記パルスレーザ光の波形を操作するように、上記供給状態を制御してもよい。
【0014】
上記制御部は、上記パルスレーザ光が上記利得媒質に入力された後も上記励起光を上記利得媒質に供給するか、上記パルスレーザ光が上記利得媒質に入力される前に上記励起光の供給を停止するかを切り替えてもよい。
【0015】
上記パルス波形操作部は、第２レーザ増幅器を有し、上記第２レーザ増幅器は、利得媒質と、上記利得媒質へ入力される上記パルスレーザ光のエネルギーを変化させるパルスエネルギー調整部と、上記利得媒質への励起光のエネルギーを変化させる励起エネルギー調整部と、を有してもよい。
【0016】
上記レーザ光源は、マルチモードの上記パルスレーザ光を出力してもよい。上記パルス幅制御部は、上記レーザ光源と上記パルス波形操作部との間に、上記マルチモードのうちの一つのモードを選択するモード選択部を有してもよい。
【0017】
本発明の他の側面に係るパルス幅変更方法は、レーザ光源からパルスレーザ光を出力する出力工程と、上記パルスレーザ光を増幅するとともに、上記パルスレーザ光のパルス幅を変更して出力するパルス幅制御工程と、を備え、上記パルス幅制御工程は、上記レーザ光源から出力された上記パルスレーザ光を増幅する増幅工程と、上記増幅工程の前に、上記パルスレーザ光の波形を操作するパルス波形操作工程と、を有する。
【0018】
上記方法では、パルスレーザ光の波形を操作した後に、第１レーザ増幅器でパルスレーザ光を増幅する。これにより、パルス幅を制御可能である。
【0019】
上記パルス波形操作工程では 上記パルスレーザ光の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のうちの少なくとも一方を調整することによって、上記パルスレーザ光の波形を操作してもよい。
【0020】
上記パルス波形操作工程では、上記パルスレーザ光の立ち上がり時間をｔｒ及び立ち下がり時間をｔｆとした場合、ｔｒ／ｔｆを０より大きく１未満の範囲で調整してもよい。
【0021】
上記パルス波形操作工程では、ｔｒ／ｔｆを０．８５未満に調整してもよい。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、装置の小型化を図るとともに、パルス幅を変更可能なレーザ装置及びパルス幅変更方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0025】
図１に示したように、本実施形態に係るレーザ装置１０は、レーザ光源２０と、パルス幅制御部３０とを備える。
【0026】
レーザ光源２０は、パルスレーザ光Ｌ１を出力する。レーザ光源２０が出力するパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅は、例えば、０．１ｐｓ～１０ｎｓ又は１ｐｓ～１ｎｓである。パルスレーザ光Ｌ１の波長は、例えば、１５７ｎｍ～３．４μｍ又は６５０ｎｍ～２．１μｍである。レーザ光源２０は、たとえばレーザ発振器でもよい。レーザ光源２０の例は、受動Ｑスイッチマイクロチップレーザーである。本明細書において、パルス幅は、半値全幅である。
【0027】
パルス幅制御部３０は、パルスレーザ光Ｌ１を増幅するとともに、パルス幅を変更して出力する。パルス幅制御部３０は、レーザ増幅器（第１レーザ増幅器）３１とパルス波形操作部３２とを有する。パルス幅制御部３０は、図１に示したように、終端ミラー３３、偏光回転素子３４及び偏光ビームスプリッタ３５を有してもよい。本実施形態では、終端ミラー３３、偏光回転素子３４及び偏光ビームスプリッタ３５を有する形態を説明する。
【0028】
レーザ増幅器３１は、増幅用利得媒質３１ａと、励起光供給部３１ｂと、駆動部（制御部、励起エネルギー調整部）３１ｃとを有する。
【0029】
増幅用利得媒質３１ａは、パルスレーザ光Ｌ１の光路上に配置されており、パルスレーザ光Ｌ１を増幅する光部品である。増幅用利得媒質３１ａは、パルスレーザ光Ｌ１を増幅可能な材料によって形成されていればよい。増幅用利得媒質３１ａの材料としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム添加イットリウムアルミニウムガーネット）、Ｎｄ：ＹＶＯ４（ネオジウム添加ＹＶＯ４）、Ｙｂ：ＹＡＧ（イッテルビウム添加ＹＡＧ）、Ｙｂ：ガラス（イッテルビウム添加ガラス）、Ｅｒ：ＹＡＧ（エルビウム添加ＹＡＧ）等が挙げられる。増幅用利得媒質３１ａの形状は限定されないが、例えば、ロッド状、板状等である。
【0030】
励起光供給部３１ｂは、増幅用利得媒質３１ａを励起する励起光を、増幅用利得媒質３１ａに供給する少なくとも一つの光源を有する。励起光供給部３１ｂが有する光源の例は、レーザダイオード（ＬＤ）である。図１では、側面励起の場合を例示している。
【0031】
駆動部３１ｃは、励起光供給部３１ｂに電気的に接続されている。駆動部３１ｃは、励起光供給部３１ｂを駆動し、励起光の供給状態（例えば励起光のエネルギー、励起光の供給のＯＮ／ＯＦＦ等）を制御する。
【0032】
増幅用利得媒質３１ａの励起方法は、上述した例に限定されない。励起光供給部３１ｂと駆動部３１ｃとが直接接続され（或いは一つの装置として構成され）、励起光供給部３１ｂからファイバを介して増幅用利得媒質３１ａに励起光が供給されてもよい。図１に示したような側面励起の代わりに、例えば、レーザ装置１０の構成に応じて、端面励起であってもよい。励起光の波長は、増幅用利得媒質３１ａを励起可能な波長であればよい。
【0033】
終端ミラー３３は、パルスレーザ光Ｌ１の光路上であって、増幅用利得媒質３１ａからみてレーザ光源２０と反対側に配置されている。終端ミラー３３は、パルスレーザ光Ｌ１を、増幅用利得媒質３１ａ側に反射する。
【0034】
偏光回転素子３４は、パルスレーザ光Ｌ１の光路上であって、増幅用利得媒質３１ａと偏光ビームスプリッタ３５の間に配置されている。偏光回転素子３４は、偏光ビームスプリッタ３５を通過したパルスレーザ光Ｌ１及び終端ミラー３３によって反射され増幅用利得媒質３１ａを通過したパルスレーザ光Ｌ１の偏光方向を回転する。偏光回転素子３４は、終端ミラー３３によって反射され戻ってきたパルスレーザ光Ｌ１が、偏光ビームスプリッタ３５で反射されるように、パルスレーザ光Ｌ１の偏光を回転すればよい。偏光回転素子３４の例は、ファラデー回転素子である。
【0035】
偏光ビームスプリッタ３５は、パルスレーザ光Ｌ１の光路上であって、レーザ光源２０と増幅用利得媒質３１ａとの間に配置されている。偏光ビームスプリッタ３５は、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１を透過する一方、偏光回転素子３４によって偏光方向が回転されたパルスレーザ光Ｌ１を反射する。偏光ビームスプリッタ３５で反射されたパルスレーザ光Ｌ１がレーザ装置１０から出力されるパルスレーザ光Ｌ２である。
【0036】
パルス波形操作部３２は、パルスレーザ光Ｌ１の光路上であって、レーザ光源２０とレーザ増幅器３１（具体的には増幅用利得媒質３１ａ）との間に配置されている。本実施形態では、レーザ装置１０は、偏光ビームスプリッタ３５を備えていることから、パルス波形操作部３２は、レーザ光源２０と偏光ビームスプリッタ３５との間に配置されている。
【0037】
パルス波形操作部３２は、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１のパルス波形を操作する波形操作機構である。パルス波形操作部３２は、例えば、パルス幅を実質的に維持するように、パルス波形を操作する。上記実質的にパルス幅を維持するようにパルス波形を操作するとは、パルス波形の操作において、若干のパルス幅の変動が生じることは許容し得ることを意味する。
【0038】
パルス波形操作部３２は、パルスレーザ光Ｌ１のパルス波形において、パルスの立ち上がり時間と、立ち下がり時間の少なくとも一方を調整可能なように構成されている。立ち上がり時間及び立ち下がり時間の定義は、パルスレーザ光に関する技術分野において通常用いられる定義で良い。例えば、パルスレーザ光の最大強度に対して１０％～９０％まで強度が増加するまでの時間を立ち上がり時間と定義するとともに、上記最大強度に対して９０％～１０％まで強度が低下する時間を立ち下がり時間と定義してもよい。
【0039】
上記立ち上がり時間をｔｒとし、立ち下がり時間をｔｆとした場合、パルス波形操作部３２は、例えば、ｔｒ／ｔｆが０より大きくなるように、パルス波形を操作してもよい。パルス波形操作部３２は、例えば、ｔｒ／ｔｆが０より大きく１未満になるように、パルス波形を操作してもよい。パルス波形操作部３２は、例えば、ｔｒ／ｔｆが０．８５未満となるようにパルス波形を操作してもよい。
【0040】
パルス波形操作部３２は、パルス波形を操作可能に構成されていれば限定されない。
【0041】
例えば、パルス波形操作部３２は、パルスの先頭で高い利得を持ち、パルス半ば以降で利得が急速に低下する機能を有するように構成されていてもよい。
或いは、パルス波形操作部３２は、例えばパルス前半では高速で損失飽和することで立ち上がりのコントラストを高め、パルス後半では損失が急速に回復する機能を有するように構成されていてもよい。
或いは、パルス波形操作部３２は、例えばパルス前半では高速で損失飽和することで立ち上がりのコントラストを高め、パルス後半では損失が急速に回復する機能を有するように構成されていてもよい。
【0042】
パルス波形操作部３２の一例は、可飽和吸収体である。可飽和吸収体の例は、Ｃｒ：ＹＡＧ、可飽和吸収ミラー等である。
【0043】
パルス波形操作部３２は、図２に示したレーザ増幅器（第２レーザ増幅器）３２１であってもよい。レーザ増幅器３２１は、利得媒質３２１ａと、励起光供給部３２１ｂと、駆動部（制御部）３２１ｃとを有する。
【0044】
利得媒質３２１ａの材料の例は、増幅用利得媒質３１ａの場合と同様とし得る。利得媒質３２１ａの材料は、増幅用利得媒質３１ａの材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【0045】
励起光供給部３２１ｂは、利得媒質３２１ａに励起光を供給する少なくとも一つの光源を有する。励起光供給部３２１ｂが有する光源の例は、ＬＤである。図２では、側面励起の場合を例示している。しかしながら、励起方法は、側面励起に限定されず、端面励起でもよい。励起光の波長は、利得媒質３２１ａを励起可能な波長であればよい。
【0046】
駆動部３２１ｃは、励起光供給部３２１ｂに電気的に接続されている。駆動部３２１ｃは、励起光供給部３２１ｂを駆動し、励起光の供給状態（例えば励起光のエネルギー、励起光の供給のＯＮ／ＯＦＦ等）を制御する。
【0047】
レーザ増幅器３２１における増幅用利得媒質３１ａの励起方法も、レーザ増幅器３１の場合と同様に、上記例示した励起方法に限定されない。
【0048】
パルス波形操作部３２がレーザ増幅器３２１である場合、励起光の供給状態を制御することによって、パルスレーザ光Ｌ１の波形を操作する。
【0049】
例えば、駆動部３２１ｃによって、パルスレーザ光Ｌ１が利得媒質３１１ａに入力された後も励起光を利得媒質３２１ａに供給するか、パルスレーザ光Ｌ１が利得媒質３１１ａに入力される前に励起光の供給を停止するかを切り替える。これにより、パルスレーザ光Ｌ１の利得を制御できるので、パルス波形を操作可能である。
【0050】
駆動部３２１ｃは、例えばレーザ光源２０とも電気的に接続されており、駆動部３２１ｃがレーザ光源２０を制御してもよいし、又は、レーザ装置１０は、駆動部３２１ｃ及びレーザ光源２０を制御する制御装置を別途有してもよい。この場合、例えば、前述したように、パルスレーザ光Ｌ１の利得媒質３１１ａへの入力状態に応じて、励起光の供給状態を制御し易い。
【0051】
パルス波形操作部３２は、図３に示したレーザ増幅器３２１Ａであってもよい。レーザ増幅器３２１Ａは、利得媒質３２１ａへ入力されるパルスレーザ光Ｌ１のエネルギーを変化させるパルスエネルギー調整部３２１ｄを、利得媒質３２１ａの前段（パルスレーザ光Ｌ１の入力側）に配置されている点で、図２のレーザ増幅器３２１と相違する。
【0052】
パルスエネルギー調整部３２１ｄの例は、アッテネータである。レーザ増幅器３２１Ａでは、駆動部３２１ｃは、パルスエネルギー調整部３２１ｄで調整されるパルスエネルギーに応じて励起光のエネルギーを調整することによって、パルス波形を操作すればよい。
【0053】
ここで、パルスレーザ光Ｌ１の進行方向をｚ方向とし、パルスレーザ光Ｌ１のパルス波形を下記式（１）で表す。
【0054】
【数1】
【0055】
図４は、式（１）で表されたパルス波形の例を示す図面である。図４の横軸は時間を示しており、縦軸は、強度（任意単位：ａ．ｕ．）を示している。パルスレーザ光Ｌ１の進行方向をｚ方向としていることから、式（１）のｚは、時間ｔに等価であり、図４では、式（１）中のｚを時間ｔに置き換えたパルス波形を示している。図４において、左側がパルスレーザ光Ｌ１の先頭側である。式（１）において、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１のパルス波形ではσ及びμが任意の値をとる。図４では、レーザ光源２０からパルス幅が６７０ｐｓのパルスレーザ光Ｌ１が出力されている場合を示している。
【0056】
パルス波形操作部３２で、パルス波形を操作することは、パルス波形操作部３２によって、式（１）におけるσの異なるパルス波形を形成することに相当する。例えば、図４に示したように、σを０．０５より大きくすることで、パルスの立ち上がりが早いパルス波形とし得る。
【0057】
上記レーザ装置１０を用いたパルス幅変更方法を説明する。
【0058】
まず、レーザ光源２０からパルスレーザ光Ｌ１を出力する（出力工程）。次に、パルスレーザ光Ｌ１を増幅するとともに、パルスレーザ光Ｌ１のパルス幅を変更してレーザ装置１０から出力する（パルス幅制御工程）。パルス幅制御工程を具体的に説明する。
【0059】
パルス幅制御工程では、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１を、パルス波形操作部３２によって操作する（パルス波形操作工程）。
【0060】
パルス波形が操作されたパルスレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ３５及び偏光回転素子３４を順に通過してレーザ増幅器３１（具体的には、増幅用利得媒質３１ａ）に入力される。偏光回転素子３４を通過する際、パルスレーザ光Ｌ１の偏光方向が回転される。レーザ増幅器３１に入力されたパルスレーザ光Ｌ１は、レーザ増幅器３１によって増幅される（増幅工程）。図１に示したレーザ装置１０では、レーザ増幅器３１を通過したパルスレーザ光Ｌ１は、終端ミラー３３で反射される。終端ミラー３３で反射されたパルスレーザ光Ｌ１は、レーザ増幅器３１を再度通過する。よって、本実施形態の増幅工程では、パルスレーザ光Ｌ１は、増幅用利得媒質３１ａによって、２回増幅される。
【0061】
終端ミラー３３で反射されレーザ増幅器３１を再度通過したパルスレーザ光Ｌ１は、偏光回転素子３４を通過した後、偏光ビームスプリッタ３５に入力される。偏光回転素子３４の通過によって、パルスレーザ光Ｌ１の偏光は更に回転される。これにより、偏光ビームスプリッタ３５に、偏光回転素子３４側から入力されたパルスレーザ光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ３５によって反射され、レーザ装置１０からパルスレーザ光Ｌ２として出力される。
【0062】
上記のように、レーザ装置１０及びそれを用いたパルス幅変更方法では、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１のパルス波形を、レーザ増幅器３１に入力する前に操作する。このようにパルス波形が操作されたパルスレーザ光Ｌ１をレーザ増幅器３１で増幅することによって、パルス幅を調整できる。
【0063】
この点を、シミュレーション結果を参照して具体的に説明する。図５は、シミュレーションモデル４０を示す図面である。シミュレーションモデル４０は、図１に示した構成のモデルであり、図５に示したように、偏光ビームスプリッタ３５、偏光回転素子３４、増幅用利得媒質３１ａ及び終端ミラー３３を備えた構成とした。偏光ビームスプリッタ３５、偏光回転素子３４、増幅用利得媒質３１ａ及び終端ミラー３３の配置は、図１に示した場合と同様とした。シミュレーションでは、偏光ビームスプリッタ３５に入射パルス光Ｌ３が入力されたと仮定した。入射パルス光Ｌ３が、図１におけるパルス波形操作部３２から出力され偏光ビームスプリッタ３５に入力されるパルスレーザ光Ｌ１に相当する。
【0064】
入射パルス光Ｌ３の条件は以下の通りであった。
・エネルギー：５ｍＪ
・ビーム径（入射パルス光Ｌ３の直径）：２．４ｍｍ
・パルス幅：６７０ｐｓ
・エネルギー：５ｍＪ
・ビーム径（入射パルス光Ｌ３の直径）：２．４ｍｍ
・パルス幅：６７０ｐｓ
【0065】
増幅用利得媒質３１ａとして、Ｎｄ：ＹＡＧロッドを仮定した。Ｎｄ：ＹＡＧロッドの条件は以下のとおりであった。
・ロッド長：１２６ｍｍ
・ロッド径（直径）：５ｍｍ
・ドーピング率：１ａｔ．％
・Ｎｄ：ＹＡＧの飽和フルエンス（Saturation fluence）:６６７ｍＪ／ｃｍ２
・Ｎｄ：ＹＡＧの蛍光寿命（Fluorescent life time）: ２３０μｓ
・ロッド長：１２６ｍｍ
・ロッド径（直径）：５ｍｍ
・ドーピング率：１ａｔ．％
・Ｎｄ：ＹＡＧの飽和フルエンス（Saturation fluence）:６６７ｍＪ／ｃｍ２
・Ｎｄ：ＹＡＧの蛍光寿命（Fluorescent life time）: ２３０μｓ
【0066】
Ｎｄ：ＹＡＧロッドの励起条件は次のとおりであった。
・励起パワー：６ｋＷ
・励起パルス幅：２５０μｓ
・励起パワー：６ｋＷ
・励起パルス幅：２５０μｓ
【0067】
更に、以下の条件を設定した
・ストークス効率（Stokes efficiency） :０．７６
・１ａｔ．％における量子効率：０．８
・パルス幅２５０μｓの励起光による蓄積効率(storage efficiency):０．６６
・ストークス効率（Stokes efficiency） :０．７６
・１ａｔ．％における量子効率：０．８
・パルス幅２５０μｓの励起光による蓄積効率(storage efficiency):０．６６
【0068】
シミュレーションでは、シミュレーションモデル４０の偏光ビームスプリッタ３５に、入射パルス光Ｌ３を入力した場合において、増幅用利得媒質３１ａによって図１に示したレーザ装置１０と同様に増幅され偏光ビームスプリッタ３５から出力される出力パルス光Ｌ４のパルス幅を算出した。更に、入射パルス光Ｌ３のパルス幅をτｉｎとし、出力パルス光Ｌ４のパルス幅をτｏｕｔとして、パルス幅の変化率（τｏｕｔ／τｉｎ）を算出した。
【0069】
シミュレーションでは、入射パルス光Ｌ３のパルス立ち下がり時間ｔｆに対する立ち上がり時間ｔｒの比（ｔｒ／ｔｆ）を変化させながら、上記変化率（τｏｕｔ／τｉｎ）を算出した。立ち上がり時間ｔｒを、パルスレーザ光Ｌ１の最大強度に対して１０％～９０％まで強度が増加するまでの時間とし、パルス立ち下がり時間ｔｆを、上記最大強度に対して９０％～１０％まで強度が低下する時間とした。
【0070】
図６は、シミュレーション結果を示す図面である。図６の横軸は、パルス立ち下がり時間ｔｆに対する立ち上がり時間ｔｒの比（ｔｒ／ｔｆ）を示しており、縦軸は、変化率（τｏｕｔ／τｉｎ）を示している。図６には、増幅用利得媒質３１ａの励起エネルギーが０．４５Ｊ、１．５Ｊ及び４．５Ｊの場合の結果を示している。
【0071】
図６に示したように、比（ｔｒ／ｔｆ）を変化させることで、変化率（τｏｕｔ／τｉｎ）が変化していることが理解できる。すなわち、入射パルス光Ｌ３の波形を操作することによって、増幅後のパルスレーザ光である出力パルス光Ｌ４のパルス幅が変化していることが理解できる。
【0072】
具体的には、比（ｔｒ／ｔｆ）が１以上の場合、パルス幅が延びる（パルスが伸張する）一方、比（ｔｒ／ｔｆ）が１から小さくなるにつれて、変化率が小さくなっていることが理解され得る。比（ｔｒ／ｔｆ）が０．８５未満の場合、変化率が１より小さい（パルスが圧縮されている）。比（ｔｒ／ｔｆ）が１から小さくなるにつれて、変化率が小さくなるのは、そのようなパルスが増幅用利得媒質に入射するとパルスの先頭で強く誘導放出が生じ、パルスの後ろ側で利得の不足が生じるためと考えられる。
【0073】
更に、増幅用利得媒質３１ａの励起エネルギーを変化させることで、増幅後のパルスレーザ光（図５の出力パルス光Ｌ４）のパルス幅も変化することが理解され得る。具体的には、励起エネルギーが強い方が、パルス幅の変化量が大きい。
【0074】
レーザ装置１０及びそれを用いたパルス幅変更方法では、レーザ増幅器３１にパルスレーザ光Ｌ１が入射する前に、パルスレーザ光Ｌ１のパルス波形を操作することで、出力されるパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅を制御できる。
【0075】
そのため、例えば、増幅用利得媒質の前で、パルスレーザ光を一度伸張した後、増幅用利得媒質を通過したパルスレーザ光を改めて圧縮することで、パルス幅を小さくする場合に比べて、レーザ装置１０の小型化を図ることが可能である。
【0076】
更に、パルス波形操作部３２に例えば図２及び図３に示したようなレーザ増幅器３２１、３２１Ａのように、増幅作用のある機構（或いは素子）を用いる形態では、パルス波形を操作しながらパルスレーザ光Ｌ１を増幅することも可能である。その結果、出力パルス光であるパルスレーザ光（図１のパルスレーザ光Ｌ２）の強度を一層増大できる。
【0077】
更に、例えば、比（ｔｒ／ｔｆ）を０．８５未満（特に、０．１以下）とすることによって、パルスを圧縮可能である。例えば、レーザ光源２０から出力されるパルスレーザ光Ｌ１のパルス幅が、１０ｐｓ～１０００ｐｓであれば、レーザ装置１０から２００ｆｓ～２０ｐｓのパルス幅のパルスレーザ光Ｌ２を出力可能である。２００ｆｓ～２０ｐｓのパルス幅であっても、レーザ加工に有効である。そのため、レーザ装置１０は、小型化を図りながら、レーザ加工に有効なパルス幅を有するパルスレーザ光Ｌ２を出力可能な構成を有し得る。前述したように、増幅用利得媒質３１ａの励起エネルギーを変化させることで、増幅後のパルスレーザ光（図５の出力パルス光Ｌ４）のパルス幅も変化するため、パルス幅を調整する際には、励起エネルギーが高い方がよい。例えばより高い（例えば１８ｋＷ以上の）励起エネルギーであれば、上述したように、パルス幅が１０ｐｓ～１０００ｐｓのパルスレーザ光Ｌ１を、パルス幅が２００ｆｓ～２０ｐｓのパルスレーザ光Ｌ２として一層出力し易い。
【0078】
（変形例）
図７は、変形例に係るレーザ装置１０Ａの構成を示す図面である。レーザ装置１０Ａは、終端ミラー３３の代わりに、増幅用利得媒質３１ａの端面（レーザ光源２０と反対側の端面）に、パルスレーザ光Ｌ１を反射する高反射コーティング膜（ＨＲコーティング膜）３１ｄを設けている点で、レーザ装置１０の場合と相違する。高反射コーティング膜３１ｄの例は、パルスレーザ光Ｌ１に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜である。この相違点以外のレーザ装置１０Ａの構成は、レーザ装置１０の場合と同様である。
図７は、変形例に係るレーザ装置１０Ａの構成を示す図面である。レーザ装置１０Ａは、終端ミラー３３の代わりに、増幅用利得媒質３１ａの端面（レーザ光源２０と反対側の端面）に、パルスレーザ光Ｌ１を反射する高反射コーティング膜（ＨＲコーティング膜）３１ｄを設けている点で、レーザ装置１０の場合と相違する。高反射コーティング膜３１ｄの例は、パルスレーザ光Ｌ１に対してＨＲコートとして機能する誘電体多層膜である。この相違点以外のレーザ装置１０Ａの構成は、レーザ装置１０の場合と同様である。
【0079】
レーザ装置１０Ａは、レーザ光源２０と、増幅用利得媒質３１ａとの間にパルス波形操作部３２を備える。これにより、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１が増幅用利得媒質３１ａに入力される前に、パルスレーザ光Ｌ１の波形を操作可能である。その結果、レーザ装置１０Ａは、レーザ装置１０と同様の作用効果を有する。
【0080】
以上、本発明の種々の実施形態、変形例及び実験例を説明した。しかしながら、本発明は、例示した種々の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示される範囲が含まれるとともに、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0081】
例えば、図８に示したように、パルス幅制御部３０は、図１に示した偏光ビームスプリッタ３５、偏光回転素子３４及び終端ミラー３３を有しなくてもよい。図８に示したレーザ装置１０Ｂのパルス幅制御部３０Ａは、パルス波形操作部３２と、レーザ増幅器（第１レーザ増幅器）３１とを有する。レーザ装置１０Ｂでは、レーザ光源２０から出力されたパルスレーザ光Ｌ１は、パルス波形操作部３２を通過した後、レーザ増幅器３１で一度増幅された後、レーザ装置１０Ｂから出力される。すなわち、レーザ増幅器３１で一度増幅され出力されたパルスレーザ光（パルスレーザ光Ｌ２）がレーザ装置１０Ｂの出力光である。この場合も、レーザ増幅器３１に入力される前にパルス波形操作部３２でパルスレーザ光Ｌ１の波形が操作される。そのため、図１及び図７に示したレーザ装置１０，１０Ａの場合と同様の作用効果を有する。
【0082】
パルス波形操作部は、回折格子対又はチャープ型回折格子を用いて、パルス波形を上記実施形態で例示したように操作してもよい。レーザ加工分野では、通常、パルス圧縮するため、パルス波形操作部は、上記比（ｔｒ／ｔｆ）が０．８５未満になるように、回折格子対又はチャープ型回折格子を構成すればよい。
【0083】
レーザ光源から出力されるパルスレーザ光がマルチモードのレーザ光である場合、例えば、パルス波形操作部とレーザ光源との間に、モードを選択するモード選択部を設けてもよい。モード選択部の例は、ＶＢＧ（ｖｏｌｕｍｅ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）である。
【0084】
【0085】
レーザ装置から出力されるパルスレーザ光（図１の場合、パルスレーザ光Ｌ２）のパルス幅を積極的に伸張する場合、パルス波形操作部によって、例えば、前述した比（ｔｒ／ｔｆ）が１以上となるように、パルス波形操作部に入力されるパルスレーザ光（図１の場合、パルスレーザ光Ｌ１）の波形が操作されてもよい。
【0086】
以上説明した種々の実施形態、変形例などは、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わされてもよい。
【符号の説明】
【0087】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…レーザ装置、２０…レーザ光源、３０，３０Ａ…パルス幅制御部、３１…レーザ増幅器（第１レーザ増幅器）、３２…パルス波形操作部（パルス波形操作部）、３２１，３２１Ａ…レーザ増幅器（第２レーザ増幅器）、３２１ａ…利得媒質、３２１ｃ…駆動部（制御部）、３２１ｄ…パルスエネルギー調整部、Ｌ１…パルスレーザ光。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】