JP7575058B2 - Laser light source device and method for controlling laser light source device - Google Patents
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Description
本発明は、外部装置からの要求信号に基づいて外部装置に所定の繰返し周期でパルス光を出力するレーザ光源装置およびレーザ光源装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a laser light source device that outputs pulsed light at a predetermined repetition rate to an external device based on a request signal from the external device, and a method for controlling the laser light source device.
レーザ光源装置で生成されるピークパワーの大きなパルス光は、被加工物にパルス光を照射する走査光学系を備えた加工装置などの外部装置を介在させることにより、電子材料や複合材料などの様々なデバイスの加工に好適に用いられている。 The high peak power pulsed light generated by the laser light source device is suitable for processing various devices such as electronic materials and composite materials by using an external device such as a processing device equipped with a scanning optical system that irradiates the workpiece with the pulsed light.
スマートフォンを例に挙げると、タッチパネルを構成するITO(Indium Tin Oxide)のパターニング、保護ガラスや基板の孔開け加工、水晶発振子やアンテナなどの高周波部品のチューニングなど、多くの部品の加工に利用されている。 Taking smartphones as an example, it is used to process many components, such as patterning the ITO (Indium Tin Oxide) that makes up the touch panel, drilling holes in protective glass and substrates, and tuning high-frequency components such as crystal oscillators and antennas.
これらの加工用途に用いられるパルス光は、外部装置からの要求信号に同期してパルス光を断続する必要があり、また被加工物への熱的ダメージを低減するという観点でピコ秒の位数のパルス幅が要求される。外部装置からの要求信号に同期してパルス光を断続するという観点では、Qスイッチレーザが候補になるが、パルス幅が数ナノ秒と長いため、微細加工を目的とする用途で採用することは困難である。同期レーザはパルス幅が数ピコ秒と短いのであるが、外部装置からの要求信号に同期してパルス光を断続することが困難なため、同様に採用することは困難である。 The pulsed light used in these processing applications must be turned on and off in synchronization with a request signal from an external device, and a pulse width of the order of picoseconds is required to reduce thermal damage to the workpiece. From the perspective of turning on and off pulsed light in synchronization with a request signal from an external device, a Q-switched laser is a candidate, but since its pulse width is long at several nanoseconds, it is difficult to adopt for applications aimed at micromachining. Synchronized lasers have a short pulse width of several picoseconds, but it is similarly difficult to adopt because it is difficult to turn on and off pulsed light in synchronization with a request signal from an external device.
特許文献1には、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に配置され前記ファイバ増幅器から前記固体増幅器への光の伝播を許容または阻止する光スイッチ素子と、前記種光源からのパルス光の出力期間に光の伝播を阻止し、前記種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播を許容するように前記光スイッチ素子を制御することにより、前記非線形光学素子からパルス光の出力を停止する出力停止状態を生成するように構成されている制御部と、を備えているレーザ光源装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a laser light source device including a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, a fiber amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source, a solid-state amplifier that amplifies the pulsed light output from the fiber amplifier, and a nonlinear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the solid-state amplifier and outputs it. The laser light source device includes an optical switch element that is disposed between the fiber amplifier and the solid-state amplifier and allows or blocks the propagation of light from the fiber amplifier to the solid-state amplifier, and a control unit that is configured to generate an output stop state that stops the output of pulsed light from the nonlinear optical element by controlling the optical switch element to block the propagation of light during the output period of the pulsed light from the seed light source and to allow the propagation of light during a period different from the output period of the pulsed light from the seed light source.
特許文献1に記載されたレーザ光源装置によれば、光スイッチ素子を制御することにより種光源を停止させなくても非線形光学素子からパルス光の出力を停止させる出力停止状態を実現することができる。 According to the laser light source device described in Patent Document 1, it is possible to realize an output stop state in which the output of pulsed light from the nonlinear optical element is stopped by controlling the optical switch element without stopping the seed light source.
さらに出力停止状態で種光源からのパルス光の出力期間と異なる期間に光の伝播が許容されるように、制御部によって光スイッチ素子が制御されるので、前段のファイバ増幅器で生じた自然放出光ノイズが後段の固体増幅器に伝播して、励起用の光源によって励起状態にある固体増幅器の活性領域のエネルギーが放出される。その結果、その後の出力許容状態への移行時にジャイアントパルスが発生することがなく固体増幅器や非線形光学素子が破損するようなことはない。 In addition, the optical switch element is controlled by the control unit so that light propagation is permitted during a period different from the output period of the pulsed light from the seed light source when the output is stopped, so that spontaneous emission noise generated in the fiber amplifier at the previous stage propagates to the solid-state amplifier at the next stage, and energy is released from the active region of the solid-state amplifier that is excited by the excitation light source. As a result, no giant pulse is generated when transitioning to the output-permitting state thereafter, and no damage is caused to the solid-state amplifier or nonlinear optical element.
特許文献1に記載されたようなレーザ光源装置は、一般的に走査光学系を備えた加工装置などの外部装置からの要求信号に基づいて出力停止状態と出力許容状態の間で状態が切り替えられる。 A laser light source device such as that described in Patent Document 1 generally switches between an output-stopped state and an output-permitted state based on a request signal from an external device, such as a processing device equipped with a scanning optical system.
しかし、出力停止状態から出力許容状態に切り替わったときにレーザ光源装置から出力されるパルス光のタイミングは一定とはならず、繰返し周期の範囲で変動するため、精密な微細加工に用いることが困難であるという問題があった。 However, the timing of the pulsed light output from the laser light source device when switching from an output-stopped state to an output-allowed state is not constant, but fluctuates within the range of the repetition period, making it difficult to use for precise micromachining.
例えば、複数行にわたってパルス光を照射する場合にパルス光の出力タイミングが変動すると、行方向の始点および終点の位置がばらつき、高速に加工する場合にはそのばらつきが大きくなり、加工品質が低下するのである。 For example, if the output timing of the pulsed light varies when irradiating multiple rows with pulsed light, the positions of the start and end points in the row direction will vary, and when processing at high speeds, this variation will become greater, resulting in a decrease in processing quality.
また、レーザ光源装置から出力されるパルス光の繰返し周期は、外部装置や加工対象により要求される値に調整可能に構成されているため、出力停止状態から出力許容状態に切り替わったときに、繰返し周期の調整値に依存せずに常時一定のタイミングでパルス光を出力することが望まれている。 In addition, since the repetition period of the pulsed light output from the laser light source device is configured to be adjustable to a value required by an external device or the object to be processed, it is desirable to always output pulsed light at a constant timing, regardless of the adjustment value of the repetition period, when switching from an output-stopped state to an output-allowed state.
そのために、出力停止状態で種光源を停止し、出力許容状態に切り替わったときに種光源を駆動するように制御すると、繰返し周期の調整値に依存せずに常時一定のタイミングでパルス光を出力することができる。しかし、出力停止状態と出力許容状態との間で光増幅器のエネルギー励起状態が変動するため、出力許容状態に切り替わったときにレーザ光源装置から出力されるパルス光の強度が変動して、加工対象の加工品質が低下するという問題があった。 To achieve this, if the seed light source is stopped in the output stop state and controlled to be driven when the state is switched to the output allowable state, pulsed light can be output at a constant timing regardless of the adjustment value of the repetition period. However, because the energy excitation state of the optical amplifier fluctuates between the output stop state and the output allowable state, there is a problem in that the intensity of the pulsed light output from the laser light source device fluctuates when the state is switched to the output allowable state, deteriorating the processing quality of the object to be processed.
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、種光源を駆動しつつ装置から一時的にパルス光の出力を停止させ、その後出力を再開する場合に、強度が安定したパルス光を常に一定時期に出力可能なレーザ光源装置およびレーザ光源装置の制御方法を提供する点にある。 In view of the above-mentioned problems, the object of the present invention is to provide a laser light source device and a control method for a laser light source device that can always output pulsed light with stable intensity at a fixed time when the output of pulsed light from the device is temporarily stopped while driving a seed light source and then the output is resumed.
上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ光源装置の第一特徴構成は、外部装置からの要求信号に基づいて前記外部装置に所定の繰返し周期Trでパルス光を出力するレーザ光源装置であって、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の後段に配置した光スイッチ素子と、前記種光源を前記繰返し周期Trで駆動するとともに前記要求信号に基づいて前記光スイッチ素子を駆動する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行するように構成されている点にある。 In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the laser light source device according to the present invention is a laser light source device that outputs pulsed light to an external device at a predetermined repetition period Tr based on a request signal from the external device, and includes a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, an optical amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source, an optical switch element arranged downstream of the optical amplifier, and a control circuit that drives the seed light source at the repetition period Tr and drives the optical switch element based on the request signal, and when the request signal is switched from an off state to an on state, the control circuit is configured to execute output permission control to switch the drive state of the seed light source and switch the optical switch element to the on state so that pulsed light is output from the optical switch element at a timing when a predetermined stable time Ts has elapsed from the on timing of the request signal, and to execute output stop control to continue driving the seed light source and turn off the optical switch element when the request signal is switched from the on state to the off state.
ゲインスイッチング法を適用することで、任意のタイミングで種光源からピコ秒の位数のパルス光を出力することができ、外部装置からの要求信号に基づいて制御回路が光増幅器の後段に配置した光スイッチ素子を制御することで、光増幅器から出力されるパルス光の外部への出力を許容し、或いは、光増幅器から出力されるパルス光の外部への出力を停止することができる。 By applying the gain switching method, pulsed light of the picosecond order can be output from the seed light source at any timing, and the control circuit can control the optical switch element placed after the optical amplifier based on a request signal from an external device to allow the pulsed light output from the optical amplifier to be output to the outside, or to stop the output of the pulsed light output from the optical amplifier to the outside.
外部装置からの要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、制御回路によって出力許容制御が実行されて、要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミング、つまり繰返し周期Trの値にかかわらず一定のタイミングで光スイッチ素子から安定した強度のパルス光が出力される。また、外部装置からの要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、制御回路によって出力停止制御が実行されて、種光源が継続して駆動されるとともに光スイッチ素子がオフされて、外部へのパルス光の出力が停止される。このときに種光源がそのまま継続して駆動されるので、種光源および光増幅器などの安定した状態が維持される。 When the request signal from the external device switches from an off state to an on state, the control circuit executes output allowance control, and pulsed light of stable intensity is output from the optical switch element at a fixed timing regardless of the value of the repetition period Tr, that is, a predetermined stable time Ts has elapsed since the on timing of the request signal. In addition, when the request signal from the external device switches from an on state to an off state, the control circuit executes output stop control, so that the seed light source continues to be driven and the optical switch element is turned off, stopping the output of pulsed light to the outside. At this time, the seed light source continues to be driven as is, so that the seed light source and the optical amplifier are maintained in a stable state.
同第二の特徴構成は、上述した第一の特徴構成に加えて、前記制御回路は、前記出力許容制御において前記要求信号のオンタイミングから次式に示す調整時間Tp、
調整時間Tp=(安定時間Ts)MOD(繰返し周期Tr)、
が経過したタイミングで前記種光源の駆動状態を切り替える点にある。
In the second characteristic configuration, in addition to the first characteristic configuration described above, the control circuit adjusts an adjustment time Tp expressed by the following formula from the on-timing of the request signal in the output allowable control:
Adjustment time Tp=(stable time Ts) MOD (repetition period Tr),
The point is that the driving state of the seed light source is switched at the timing when the time has elapsed.
種光源が所定の繰返し周期Trで駆動されているときに、駆動状態が切り替えられる。例えば繰返し周期Trの一周期の範囲の任意の時点から新たに種光源が所定の繰返し周期Trで駆動されると、直前のパルス光の増幅により光増幅器の励起状態が低下した状態で最初のパルス光が光増幅器に入射されることとなり、その後、パルス光の強度が定常状態に復帰するまでに時間を要することになる。この時間を安定時間Tsとすると、(安定時間Ts)を(繰返し周期Tr)で除した場合の剰余が調整時間Tpとして求まる。そこで、要求信号のオンタイミングから調整時間Tpが経過したタイミングで種光源の駆動状態を切り替えると、繰返し周期Trの値にかかわらず一定の安定時間Ts経過後に安定した強度で最初のパルス光が出力されるようになる。 When the seed light source is driven at a predetermined repetition period Tr, the drive state is switched. For example, when the seed light source is newly driven at a predetermined repetition period Tr from any point within the range of one cycle of the repetition period Tr, the first pulse light is input to the optical amplifier in a state in which the excitation state of the optical amplifier has decreased due to the amplification of the previous pulse light, and it takes time for the intensity of the pulse light to return to a steady state. If this time is the stabilization time Ts, the remainder when (stabilization time Ts) is divided by (repetition period Tr) is calculated as the adjustment time Tp. Therefore, if the drive state of the seed light source is switched at a timing when the adjustment time Tp has elapsed from the on timing of the request signal, the first pulse light will be output with a stable intensity after a certain stabilization time Ts has elapsed regardless of the value of the repetition period Tr.
同第三の特徴構成は、上述した第二の特徴構成に加えて、前記制御回路は、前記出力許容制御において前記要求信号のオンタイミングで次式に示す関係式、
直前の前記種光源の駆動からの経過時間Tc+調整時間Tp≧繰返し周期Tr、
が成立しているときに、前記要求信号のオンタイミングで前記種光源から保護パルスを出力するように駆動する点にある。
The third characteristic configuration of the present invention is, in addition to the second characteristic configuration described above, characterized in that the control circuit satisfies the following relational expression at the on timing of the request signal in the output allowable control:
The elapsed time Tc from the immediately preceding drive of the seed light source + the adjustment time Tp ≧ the repetition period Tr,
is satisfied, the seed light source is driven to output a protection pulse at the on timing of the request signal.
調整時間Tpと繰返し周期Trがほぼ同じ時間となる場合に種光源の駆動状態を切り替えると、切替前のパルス光の出力から繰返し周期Trに相当する時間でパルス光が出力されず、実質的に繰返し周期Trが二周期経過後に最初のパルス光が出力される虞がある。そのような場合には、光増幅器の励起状態が定常状態よりも上昇しているため、定常状態よりも大きな強度のパルス光が出力され、パルス光が照射された加工対象に損傷を与える虞がある。そこで、直前の種光源の駆動からの経過時間Tc+調整時間Tp≧繰返し周期Trとの関係が成立する場合に、要求信号のオンタイミングで種光源から保護パルスを出力するように駆動することで、その後の光増幅器の励起状態を安定させることができる。 When the driving state of the seed light source is switched when the adjustment time Tp and the repetition period Tr are approximately the same time, there is a risk that the pulsed light will not be output for a time equivalent to the repetition period Tr from the output of the pulsed light before switching, and the first pulsed light will be output after two repetition periods Tr have elapsed. In such a case, since the excitation state of the optical amplifier is higher than the steady state, a pulsed light with a higher intensity than the steady state is output, and there is a risk that the processing object irradiated with the pulsed light will be damaged. Therefore, when the relationship of the elapsed time Tc from the previous drive of the seed light source + adjustment time Tp ≧ repetition period Tr is established, the excitation state of the optical amplifier can be stabilized thereafter by driving the seed light source to output a protective pulse at the on timing of the request signal.
同第四の特徴構成は、上述した第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記安定時間Tsは、前記繰返し周期Trの調整範囲のうち最長周期Trmaxに基づいて設定されている点にある。 The fourth characteristic configuration of the present invention is, in addition to any one of the first to third characteristic configurations described above, in that the stabilization time Ts is set based on the longest period Tr max within an adjustment range of the repetition period Tr.
レーザ光源装置で調整可能な繰返し周期Trのうち最長周期Trmaxに基づいて安定時間Tsを設定しておけば、外部装置からの要求信号がオフ状態からオン状態に切替わったときに任意の繰返し周期Trで同じタイミングで外部にパルス光を出力することができる。 If the stabilization time Ts is set based on the longest period Tr max among the repetition periods Tr that can be adjusted in the laser light source device, pulsed light can be output to the outside at the same timing with any repetition period Tr when the request signal from the external device is switched from the off state to the on state.
同第五の特徴構成は、上述した第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記制御回路は、前記出力停止制御において前記要求信号のオフタイミング以降に検出した最初のパルス光の駆動信号から所定時間経過後に前記光スイッチ素子をオフする点にある。 The fifth characteristic configuration is that, in addition to any one of the first to fourth characteristic configurations described above, the control circuit turns off the optical switch element a predetermined time after the first pulse light drive signal detected after the request signal is turned off during the output stop control.
外部装置からの要求信号がオフ状態に切り替わったときに、パルス信号の出力と光スイッチ素子をオフする制御が重なると、光スイッチ素子に生じる応答遅れなどの影響で最終のパルス信号が出力されたり、出力されなかったり、出力されても強度が低下したりする虞がある。そのような場合に備えて、要求信号のオフタイミング以降に検出した最初のパルス光の駆動信号から所定時間経過後に光スイッチ素子をオフすることにより、光スイッチ素子に生じる応答遅れなどの影響を排除することができる。なお、光スイッチ素子の応答時間は繰返し周期Trよりも短いことは言うまでもない。 When the request signal from an external device is switched to the off state, if the output of the pulse signal and the control to turn off the optical switch element overlap, there is a risk that the final pulse signal may be output, may not be output, or may be output with reduced intensity due to effects such as response delays in the optical switch element. To prepare for such a case, the optical switch element is turned off a predetermined time after the first pulse light drive signal detected after the request signal is turned off, thereby eliminating the effects of response delays in the optical switch element. It goes without saying that the response time of the optical switch element is shorter than the repetition period Tr.
同第六の特徴構成は、上述した第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記光増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子をさらに備え、前記光スイッチ素子は、前記光増幅器と前記非線形光学素子との間または前記非線形光学素子の後段に配置されている点にある。 The sixth characteristic configuration is that, in addition to any one of the first to fifth characteristic configurations described above, it further includes a nonlinear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the optical amplifier and outputs it, and the optical switch element is disposed between the optical amplifier and the nonlinear optical element or after the nonlinear optical element.
光増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子を備えることにより、エネルギー強度が高く、加工効率のよい波長のパルス光が得られる。そのような非線形光学素子を備える場合には、光増幅器と非線形光学素子との間、または、非線形光学素子の後段に光スイッチ素子を配置すればよい。 By providing a nonlinear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the optical amplifier and outputs it, it is possible to obtain pulsed light with high energy intensity and a wavelength that provides good processing efficiency. When providing such a nonlinear optical element, an optical switch element can be placed between the optical amplifier and the nonlinear optical element, or after the nonlinear optical element.
本発明によるレーザ光源装置の制御方法の第一特徴構成は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の後段に配置した光スイッチ素子と、前記種光源を所定の繰返し周期Trで駆動するとともに外部装置からの要求信号に基づいて前記光スイッチ素子を駆動する制御回路と、を備え、前記要求信号に基づいて前記繰返し周期Trでパルス光を出力するレーザ光源装置の制御方法であって、前記要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行する点にある。 A first characteristic configuration of a control method for a laser light source device according to the present invention is a control method for a laser light source device comprising: a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, an optical amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source, an optical switch element arranged downstream of the optical amplifier, and a control circuit that drives the seed light source at a predetermined repetition period Tr and drives the optical switch element based on a request signal from an external device, and outputs pulsed light at the repetition period Tr based on the request signal, wherein, when the request signal is switched from an off state to an on state, output allowance control is executed to switch the drive state of the seed light source and to switch the optical switch element to an on state so that pulsed light is output from the optical switch element at a timing when a predetermined stable time Ts has elapsed from the on timing of the request signal, and, when the request signal is switched from an on state to an off state, output stop control is executed to continue driving the seed light source and to turn off the optical switch element.
以上説明した通り、本発明によれば、種光源を駆動しつつ装置から一時的にパルス光の出力を停止させ、その後出力を再開する場合に、強度が安定したパルス光を常に一定時期に出力可能なレーザ光源装置およびレーザ光源装置の制御方法を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a laser light source device and a control method for a laser light source device that can always output pulsed light with stable intensity at a fixed time when the output of pulsed light from the device is temporarily stopped while driving the seed light source and then the output is resumed.
以下、本発明によるレーザ光源装置およびレーザ光源装置の制御方法の実施形態を説明する。図1には、本発明によるレーザ光源装置1の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置1は、上位システム100にレーザパルス光(以下、単に「パルス光」と記載する。)を出力する装置であり、種光源10と、光増幅器20と、波長変換素子30と、光スイッチ素子40と、制御回路50などを備えている。
The following describes an embodiment of a laser light source device and a method for controlling a laser light source device according to the present invention. FIG. 1 shows an example of the configuration of a laser light source device 1 according to the present invention. The laser light source device 1 is a device that outputs laser pulse light (hereinafter simply referred to as "pulse light") to a higher-
種光源10として、単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード(以下、「DFBレーザ」と記す。)が用いられ、ドライバ回路D1を介して制御回路50から出力される駆動信号に基づいて、DFBレーザから単発または100キロヘルツから数メガヘルツの間の所望の周波数範囲(例えば200キロヘルツから3メガヘルツ)で、数百ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。
A distributed feedback laser diode (hereinafter referred to as "DFB laser") that outputs laser light in a single longitudinal mode is used as the
ゲインスイッチング法を用いて種光源10を発光させるべく、制御回路50からDFBレーザのドライバD1に所定パルス幅のトリガ信号が出力される。当該駆動回路からDFBレーザにトリガ信号に応じたパルス電流が印加されると緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第1波のみからなり第2波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。
To make the
光増幅器20は、直列に接続された二段のファイバ増幅器と一段の固体増幅器を備え、種光源10から出力された波長1064nmのパルス光が二段のファイバ増幅器22,24で増幅され、さらに一段の固体増幅器で所望のレベルまで増幅される。
The
ファイバ増幅器として、所定波長(例えば975nm)の励起用光源で励起されるイッテルビウム(Yb)添加ファイバ増幅器等の希土類添加光ファイバが用いられる。 As a fiber amplifier, a rare-earth doped optical fiber such as an ytterbium (Yb) doped fiber amplifier pumped by an excitation light source of a specific wavelength (e.g. 975 nm) is used.
固体増幅器50としてNd:YVO4結晶やNd:YAG結晶等の固体レーザ媒体が好適に用いられる。発光波長808nmまたは888nmのレーザダイオードで構成される励起用光源から出力されコリメータによってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体が励起されるように構成されている。
A solid-state laser medium such as an Nd:YVO4 crystal or an Nd:YAG crystal is preferably used as the solid-
種光源10から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーのパルス光が、光増幅器20によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅される。
The pulsed light with a pulse energy of several picojoules to several hundred picojoules output from the
尚、ファイバ増幅器及び固体増幅器の数は特に限定されることはなく、パルス光に対する所望の増幅率を得るために適宜設定すればよい。例えば三つのファイバ増幅器を縦続接続し、その後段に二つの固体増幅器を縦続接続してもよい。 The number of fiber amplifiers and solid-state amplifiers is not particularly limited, and may be set appropriately to obtain the desired amplification rate for the pulsed light. For example, three fiber amplifiers may be cascaded, followed by two solid-state amplifiers.
波長変換素子30として、LBO結晶(LiB3O5)と、CLBO結晶(CsLiB6O10)の2種類の非線形光学素子が用いられる。種光源10から出力され、光増幅器20で所定レベルに増幅された波長1064nmのパルス光が、LBO結晶(LiB3O5)で波長532nmに波長変換され、さらにCLBO結晶(CsLiB6O10)で波長266nmの深紫外線に波長変換される。なお、非線形光学素子の数や種類は、求める波長に従って適宜選択することが可能である。
Two types of nonlinear optical elements, an LBO crystal (LiB 3 O 5 ) and a CLBO crystal (CsLiB 6 O 10 ), are used as the
波長変換素子30によって波長変換されたパルス光は光スイッチ素子40に入射され、上位システム100へ出力するか否かが切り替えられる。光スイッチ素子40として、音響光学変調器AOMが好適に用いられる。
The pulsed light wavelength-converted by the
制御回路50からRFドライバD2にゲート信号が出力されると、RFドライバD2から高周波信号が印加されたトランスジューサ(ピエゾ変換素子)によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光が一次回折されて上位システム100に入射し、RFドライバD2が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過して光ダンパ60で減衰される。
When a gate signal is output from the
光スイッチ素子40として音響光学変調器AOM以外に、EO変調による強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学変調器EOMや、ガルバノミラーなどを用いることも可能である。
In addition to an acousto-optic modulator (AOM), it is also possible to use an electro-optic modulator (EOM) that uses intensity modulation by EO modulation to turn light on and off with an electric field, a galvanometer mirror, etc., as the
制御回路100として、FPGA(Field Programmable Gate Array)に周辺回路を備えた回路ブロックで構成することができ、予めFPGA内のメモリに記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置1を構成する各ブロックがシーケンシャルに制御される。尚、制御回路100はFPGAを用いて構成する以外に、マイクロコンピュータとメモリおよびIOなどの周辺回路で構成することも可能であり、プログラマル・ロジック・コントローラ(PLC)で構成することも可能である。
The
上位システム100として、被加工物200に深紫外のパルス光を走査して加工する走査光学系110を備えた加工装置が例示できる。制御回路50は、上位システム100からパルス光の要求信号が入力されるとレーザ光源装置1に対してパルス光を出力し、要求信号がオフされるとパルス光の出力を停止するように種光源10および光スイッチ素子40を制御する。上位システム100が以下に説明する外部装置100となる。
An example of the
制御回路50は、予め外部装置100から要求される繰返し周期Trで、ゲインスイッチング法を用いて継続的に種光源10を間歇駆動する。このとき、光増幅器20を構成するファイバ増幅器及び固体増幅器の励起用の光源は常時オン状態に維持される。以下に制御回路50の動作について詳述する。
The
図2(a)に示すように、制御回路50は、要求信号(EX-REQ)がオフ状態からオン状態に切替わると、要求信号(EX-REQ)のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで光スイッチ素子40からパルス光が出力されるように、種光源10の駆動状態を切り替えるとともに光スイッチ素子40をオン状態に切り替える出力許容制御を実行する。その結果、繰返し周期Trの値にかかわらず要求信号のオンタイミングから一定のタイミングで光スイッチ素子40から安定した強度のパルス光が出力される。
As shown in FIG. 2(a), when the request signal (EX-REQ) switches from the off state to the on state, the
そして、制御回路50は、要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、種光源を継続して駆動するとともに光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行する。このときに種光源10がそのまま継続して駆動されるので、種光源10および光増幅器20などの安定した状態が維持される。
When the request signal switches from the on state to the off state, the
制御回路50は、出力許容制御において要求信号のオンタイミングから次式で示す調整時間Tp、つまり、調整時間Tp=(安定時間Ts)MOD(繰返し周期Tr)が経過したタイミングで、所定の繰返し周期Trで駆動されている種光源10の駆動状態を切り替える。
In the output tolerance control, the
例えば繰返し周期Trの一周期の範囲の任意の時点から新たに種光源10が所定の繰返し周期Trで駆動されると、直前のパルス光の増幅により光増幅器20の励起状態が低下した状態で最初のパルス光が光増幅器に入射されることとなる。
For example, when the
図4(a),(b)には、種光源10の繰返し周波数が600kHzのパルス光に対して、同じ600kHzで駆動状態を切り替える(図中、「切り直し」と表現している。)ときに、そのタイミングのずれによりどのような影響が出るかが示されている。元のパルス光の駆動タイミングからずれるほどパルス光の尖頭値が低下し、回復に要する時間が長くなることが判る。
Figures 4(a) and (b) show the effects of timing deviations when switching the drive state at the same 600 kHz (represented as "switching" in the figure) for pulsed light with a repetition frequency of 600 kHz from the
そのために、その後、パルス光の強度が定常状態に復帰するまでに時間を要することになる。パルス光の強度が定常状態に復帰するまでの時間を安定時間Tsとすると、(安定時間Ts)を(繰返し周期Tr)で除した場合の剰余が調整時間Tpとして求まる。 As a result, it takes time for the intensity of the pulsed light to return to a steady state. If the time it takes for the intensity of the pulsed light to return to a steady state is called the stabilization time Ts, then the remainder when (stabilization time Ts) is divided by (repetition period Tr) is calculated as the adjustment time Tp.
図5には、繰返し周波数(1/Tr)と調整時間Tpの関係が示されている。調整時間Tpは繰返し周波数(1/Tr)に依存性があること判る。なお、図5の縦軸は制御回路の動作クロックを単位としている。 Figure 5 shows the relationship between the repetition frequency (1/Tr) and the adjustment time Tp. It can be seen that the adjustment time Tp depends on the repetition frequency (1/Tr). Note that the vertical axis of Figure 5 is in units of the operating clock of the control circuit.
そこで、要求信号のオンタイミングから調整時間Tpが経過したタイミングで種光源10の駆動状態を切り替えることにより、繰返し周期Trの値にかかわらず一定の安定時間Ts経過後に安定した強度で最初のパルス光が出力されるようになる。
Therefore, by switching the driving state of the
安定時間Tsは、繰返し周期Trの調整範囲のうち最長周期Trmaxに基づいて設定され、本実施形態では2000ナノ秒から20000ナノ秒の範囲となる。レーザ光源装置1で調整可能な繰返し周期Trのうち最長周期Trmaxに基づいて安定時間Tsを設定しておけば、外部装置100からの要求信号がオフ状態からオン状態に切替わったときに任意の繰返し周期Trで同じタイミングで外部にパルス光を出力することができる。
The stabilization time Ts is set based on the longest period Tr max in the adjustable range of the repetition period Tr, and in this embodiment, it is in the range of 2000 nanoseconds to 20000 nanoseconds. If the stabilization time Ts is set based on the longest period Tr max among the repetition periods Tr that can be adjusted by the laser light source device 1, it is possible to output pulsed light to the outside at the same timing with any repetition period Tr when the request signal from the
制御回路50は、安定時間Tsの経過後に外部装置100にパルス光が出力されるように、種光源10の駆動状態を切り替えると同時に光スイッチ素子40を駆動するためのタイマーTadをセットし、タイマーTadのカウントアップ時にRFドライバD2にゲート信号を出力する。光スイッチ素子40の応答時間(遅延時間)をTaodとしたときに、タイマーTadの値は、次式で定まる。なお、このとき、繰返し周期Tr>応答時間Taodの関係が前提となる。
Tad=Ts-Taod
The
Tad=Ts-Taod
制御回路50は、出力停止制御において要求信号のオフタイミング以降に検出した最初のパルス光の駆動信号から所定時間Toffの経過後に光スイッチ素子40をオフする。
During output stop control, the
外部装置100からの要求信号がオフ状態に切り替わったときに、パルス信号の出力と光スイッチ素子40をオフする制御が重なると、光スイッチ素子40に生じる応答遅れなどの影響で最終のパルス信号が出力されたり、出力されなかったり、出力されても強度が低下したりする虞がある。
When the request signal from the
そのような場合に備えて、要求信号のオフタイミング以降に検出した最初のパルス光の駆動信号から所定時間Toffの経過後に光スイッチ素子40をオフすることにより、光スイッチ素子40に生じる応答遅れなどの影響を排除することができる。
To prepare for such a case, the
図2(b)も同様のタイミングチャートを示し、繰返し周期Trが図2(a)の繰返し周期Trより長い場合の例が示されている。 Figure 2(b) also shows a similar timing chart, illustrating an example in which the repeat period Tr is longer than the repeat period Tr in Figure 2(a).
制御回路50は、出力許容制御において調整時間Tpと繰返し周期Trの差分が所定の閾値未満になると、要求信号のオンタイミングで種光源10から保護パルスを出力するように駆動する。
When the difference between the adjustment time Tp and the repetition period Tr becomes less than a predetermined threshold value during output tolerance control, the
調整時間Tpが繰返し周期Trの所定比率以上の値となる場合、本実施形態では、以下の数式、0.6×Tr<Tpが成立する場合に、種光源10の駆動状態を切り替えると、切替前のパルス光の出力から繰返し周期Trに相当する時間でパルス光が出力されず、実質的に繰返し周期Trが二周期経過後に最初のパルス光が出力される場合が生じる。なお、所定比率は、0.5から1.0の範囲で適宜設定することができる。
In this embodiment, when the adjustment time Tp is equal to or greater than a predetermined ratio of the repetition period Tr, if the following formula, 0.6 x Tr < Tp, is satisfied, switching the drive state of the
上述の数式が成立する場合には、光増幅器20の励起状態が定常状態よりも上昇することになるため、定常状態よりも大きな強度のパルス光が出力されるようになる。その結果、パルス光が照射された加工対象に損傷を与える虞がある。
When the above formula is satisfied, the excitation state of the
そのような場合に、要求信号のオンタイミングで種光源10からシングルの保護パルスを出力するように駆動することで光増幅器20の励起状態を低下させ、その後に種光源10の駆動状態を切り替えることで光増幅器20の励起状態を安定させることができる。
In such a case, the excitation state of the
ところで、制御回路50側で設定される繰返し周期Trと安定時間Tsに基づいて制御回路50で算出される調整時間Tpと、外部装置100から制御回路50に入力される要求信号の検出時期との間には時間差が生じる。その影響により直前パルスと保護パルスの粗密が発生して動作が不安定になる虞があり、時間差の影響を排除するため、安定時間Tsに値にマージンを持たせる必要がある。
However, there is a time difference between the adjustment time Tp calculated by the
そこで、制御回路50は、出力許容制御において要求信号のオンタイミングで次式に示す関係式、つまり、直前の種光の駆動からの経過時間Tc+調整時間Tp≧繰返し周期Tr、が成立しているときに、要求信号のオンタイミングで種光源10から保護パルスを出力するように駆動することが好ましく、安定時間Tsの値にマージンを持たせる必要がなくなる。
Therefore, in the output tolerance control, when the following relationship is satisfied at the on-timing of the request signal, that is, when the elapsed time Tc from the previous seed light drive + adjustment time Tp ≥ repetition period Tr, the
例えば、図2(c)に示すように、Tp≒Trのときに、要求信号のオンタイミングから調整時間Tpの経過後に種光源10を起動すると、直前の種光源10の駆動からほぼ2Trの時間が経過すると、その間に光増幅器20に蓄積されるエネルギーが過大になり、定常状態に復帰するまでの時間が安定時間Tsより長くなる。
For example, as shown in FIG. 2(c), when Tp≈Tr, if the
そのような場合に、光増幅器20に過剰なエネルギーが励起されないように、要求信号のオンタイミングで、直前の種光の駆動からの経過時間Tc+調整時間Tp≧繰返し周期Tr、が成立しているときに種光源10から保護パルスを出力するように制御される。
In such a case, in order to prevent excessive energy from being excited in the
図2(d)には、図2(c)と同様のタイミングで外部装置100から要求信号が入力され、安定時間Tsが経過する前に要求信号がオフされ、その後に再度外部装置100から要求信号が入力された例を示している。この場合にも、保護パルスを出力する点に変わりはない。
Figure 2(d) shows an example in which a request signal is input from the
図3(a)は、外部装置100から要求信号が入力された後に、制御回路50が予め指定されたパルス数(本実施形態では8パルス)のパルス光を出力するように制御する例が示されている。光スイッチ素子40は、駆動信号をオンした後、Taod+(8-1)×Trの時間が経過した後にオフされる。
Figure 3 (a) shows an example in which the
図3(b)は、外部装置100から要求信号が入力され、制御回路50が予め指定されたパルス数のパルス光を出力する途中で要求信号がオフされた場合の制御が示されている。この点は、図2(a)の説明と同様である。
Figure 3(b) shows the control when a request signal is input from the
上述した態様では、非線形光学素子(波長変換素子30)の後段に光スイッチ素子40を配置した例を説明したが、図6に示すように、光増幅器20と非線形光学素子(波長変換素子30)との間に光スイッチ素子40を配置してもよい。
In the above embodiment, an example was described in which the
また、上述した態様では、光増幅器20から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子(波長変換素子30)を備えたレーザ光源装置1について説明したが、図7に示すように、非線形光学素子(波長変換素子30)を用いずに、光増幅器20の出力を外部装置100に出力するように構成してもよい。
In the above-mentioned embodiment, the laser light source device 1 is described as having a nonlinear optical element (wavelength conversion element 30) that converts the wavelength of the pulsed light output from the
すなわち、外部装置100からの要求信号に基づいて所定の繰返し周期Trでパルス光を出力するレーザ光源装置1であって、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源10と、種光源10から出力されるパルス光を増幅する光増幅器20と、光増幅器20の後段に配置した光スイッチ素子40と、種光源10を前記繰返し周期Trで駆動するとともに要求信号に基づいて光スイッチ素子を40駆動する制御回路と、を備え、制御回路50は、要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行するように構成されていればよい。
That is, the laser light source device 1 outputs pulsed light at a predetermined repetition period Tr based on a request signal from an
以上の説明の通り、本発明によるレーザ光源装置の制御方法は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、種光源から出力されるパルス光を増幅する光増幅器と、光増幅器の後段に配置した光スイッチ素子と、種光源を繰返し周期Trで駆動するとともに前記要求信号に基づいて前記光スイッチ素子を駆動する制御回路と、を備え、外部装置からの要求信号に基づいて前記外部装置に所定の繰返し周期Trでパルス光を出力するレーザ光源装置の制御方法であって、前記要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行する点にある。 As described above, the control method for a laser light source device according to the present invention is a control method for a laser light source device that includes a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, an optical amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source, an optical switch element disposed downstream of the optical amplifier, and a control circuit that drives the seed light source at a repetition period Tr and drives the optical switch element based on the request signal, and outputs pulsed light to an external device at a predetermined repetition period Tr based on a request signal from the external device, and when the request signal is switched from an off state to an on state, output permission control is executed to switch the drive state of the seed light source and switch the optical switch element to an on state so that pulsed light is output from the optical switch element at a timing when a predetermined stable time Ts has elapsed from the on timing of the request signal, and when the request signal is switched from an on state to an off state, output stop control is executed to continue driving the seed light source and turn off the optical switch element.
上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。 The above-mentioned embodiments are each an explanation of one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the description. Furthermore, it goes without saying that the specific circuit configuration of each part and the optical elements used in the circuit can be appropriately selected or modified within the scope of the effects of the present invention.
1:レーザ光源装置
10:種光源
20:光増幅器
30:波長変換素子(非線形光学素子)
40:光スイッチ素子
50:制御回路
100:上位システム(外部装置)
110:走査光学系
200:被加工物
1: Laser light source device 10: Seed light source 20: Optical amplifier 30: Wavelength conversion element (nonlinear optical element)
40: Optical switch element 50: Control circuit 100: Upper system (external device)
110: Scanning optical system 200: Workpiece
Claims (7)
ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器の後段に配置した光スイッチ素子と、前記種光源を前記繰返し周期Trで駆動するとともに前記要求信号に基づいて前記光スイッチ素子を駆動する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行するように構成されているレーザ光源装置。 A laser light source device that outputs pulsed light at a predetermined repetition period Tr based on a request signal from an external device,
a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method, an optical amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source, an optical switch element disposed in a stage subsequent to the optical amplifier, and a control circuit that drives the seed light source at the repetition period Tr and drives the optical switch element based on the request signal,
The control circuit is configured to, when the request signal is switched from an off state to an on state, execute output allowance control to switch the drive state of the seed light source and switch the optical switch element to an on state so that pulsed light is output from the optical switch element at a timing when a predetermined stable time Ts has elapsed from the on timing of the request signal, and to continue driving the seed light source and execute output stop control to turn off the optical switch element when the request signal is switched from the on state to the off state.
調整時間Tp=(安定時間Ts)MOD(繰返し周期Tr)、
が経過したタイミングで前記種光源の駆動状態を切り替える請求項1記載のレーザ光源装置。 The control circuit, in the output allowable control, adjusts a time Tp from the on-timing of the request signal as shown in the following formula:
Adjustment time Tp=(stable time Ts) MOD (repetition period Tr),
The laser light source device according to claim 1 , wherein the driving state of the seed light source is switched at a timing when time t has elapsed.
直前の前記種光源の駆動からの経過時間Tc+調整時間Tp≧繰返し周期Tr、
が成立しているときに、前記要求信号のオンタイミングで前記種光源から保護パルスを出力するように駆動する請求項2記載のレーザ光源装置。 The control circuit, in the output allowable control, satisfies the following relational expression at the on timing of the request signal:
The elapsed time Tc from the immediately preceding drive of the seed light source + the adjustment time Tp ≧ the repetition period Tr,
3. The laser light source device according to claim 2, wherein when the above expression is satisfied, the seed light source is driven to output a protection pulse at an ON timing of the request signal.
前記光スイッチ素子は、前記光増幅器と前記非線形光学素子との間または前記非線形光学素子の後段に配置されている請求項1から5の何れかに記載のレーザ光源装置。 a nonlinear optical element that converts the wavelength of the pulsed light output from the optical amplifier and outputs the converted light,
6. The laser light source device according to claim 1, wherein the optical switch element is disposed between the optical amplifier and the nonlinear optical element or in a stage subsequent to the nonlinear optical element.
前記要求信号がオフ状態からオン状態に切替わると、前記要求信号のオンタイミングから予め定めた安定時間Tsが経過したタイミングで前記光スイッチ素子からパルス光が出力されるように、前記種光源の駆動状態を切り替えるとともに前記光スイッチ素子をオン状態に切り替える出力許容制御を実行し、
前記要求信号がオン状態からオフ状態に切替わると、前記種光源を継続して駆動するとともに前記光スイッチ素子をオフする出力停止制御を実行するレーザ光源装置の制御方法。
1. A control method for a laser light source device comprising: a seed light source that outputs pulsed light by a gain switching method; an optical amplifier that amplifies the pulsed light output from the seed light source; an optical switch element disposed in a stage subsequent to the optical amplifier; and a control circuit that drives the seed light source at a predetermined repetition period Tr and drives the optical switch element based on a request signal from an external device , the control method comprising the steps of:
when the request signal is switched from an off state to an on state, an output permission control is executed to switch a driving state of the seed light source and to switch the optical switch element to an on state so that pulsed light is output from the optical switch element at a timing when a predetermined stable time Ts has elapsed from the on timing of the request signal;
The control method for a laser light source device, when the request signal is switched from an on state to an off state, executes output stop control to continue driving the seed light source and turn off the optical switch element.
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